機械手的控制系統(tǒng)設(shè)計論文

1、. . . . 職業(yè)技術(shù)學院畢 業(yè) 設(shè) 計 （論 文）題目名稱：機械手的控制系統(tǒng) 姓 名：所在分院： 機電與汽車分院 專業(yè)班級：指導教師：2014 年 6 月 1 日摘 要機械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動化生產(chǎn)設(shè)備。通過編程來完成各種動作，它的準確性和多自由度，保證了機械手能在各種不同的環(huán)境中工作。機械手在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用較多，機械手的使用能夠顯著的提高生產(chǎn)效率，減少人為因素造成的廢次品率。機械手可以完成很多工作，它在自動化車間中用來運送物料，從事多種工藝操作。它的特點是通過編程來完成各種預(yù)期的作業(yè)，在構(gòu)造和性能上兼有人和機器人的部分優(yōu)點，尤其體現(xiàn)了人的靈活協(xié)調(diào)和機器人的精確到位。機械手

2、是在機械自動化生產(chǎn)中逐步發(fā)展出的一種新型裝置。現(xiàn)代生產(chǎn)過程中機械手被廣泛的應(yīng)用到自動生產(chǎn)線中。機械手目前雖然不如人手的靈活多變，但它具有重復(fù)性，無疲勞，不懼危險，有大的抓舉力量，因此越來越多的被廣泛運用。機械手技術(shù)涉與機械學、力學、自動控制技術(shù)、傳感技術(shù)、電氣液壓技術(shù)，計算機可編程技術(shù)等，是一門跨學科綜合技術(shù)。本課題在執(zhí)行機構(gòu)由電動和液壓組成的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上將PLC應(yīng)用于其自動控制系統(tǒng)，完成機械手系統(tǒng)的硬件與軟件設(shè)計。關(guān)鍵詞 數(shù)控；自動裝卸；機械手；PLC目錄1引言11.1課題背景11.2機械手的發(fā)展11.3機械手的組成21.4應(yīng)用機械手的意義42 可編程器PLC52.1可編程控制器的產(chǎn)生52.2

3、 PLC的特點52.3 PLC的定義62.4 機械手采用PLC控制的優(yōu)點73 機械手的控制系統(tǒng)83.1系統(tǒng)原理83.2 控制系統(tǒng)設(shè)計的基本步驟83.3 控制系統(tǒng)的要求103.4 系統(tǒng)與原理13參考文獻2118 / 221引言1.1課題背景機械工業(yè)是國民的裝備部是為國民經(jīng)濟提供裝備,和為人民生活提供耐用消費品的產(chǎn)業(yè)不論是傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)還是新興產(chǎn)業(yè)都離不開各種各樣的機械裝備。機械工業(yè)所提供裝備的性能、質(zhì)量和成本，對國民經(jīng)濟各部門技術(shù)進步和經(jīng)濟效益有很大的和直接的影響，機械工業(yè)的規(guī)模和技術(shù)水平是衡量國家經(jīng)濟實力和科學技術(shù)水平的重要標志。因此，世界各國都把發(fā)展機械工業(yè)作為發(fā)展本國經(jīng)濟的戰(zhàn)略重點之一。工業(yè)機械

4、手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動化生產(chǎn)設(shè)備，工業(yè)機械手的是工業(yè)機器人的一個重要分支。它的特點是可通過編程來完成各種預(yù)期的作業(yè)任務(wù)。在構(gòu)造和性能上兼有人和機器各自的優(yōu)點，尤其體現(xiàn)了人的智能和適應(yīng)性，機械手作業(yè)的準確性和各種環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國民經(jīng)濟各領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展前景。機械手是在機械化，自動化生產(chǎn)過程中發(fā)展起來的一種新型裝置，在現(xiàn)代生產(chǎn)過程中，機械手被廣泛的運用于自動生產(chǎn)線中，機械人的研制和生產(chǎn)已成為高技術(shù)鄰域，迅速發(fā)殿起來的一門新興的技術(shù)。它更加促進了機械手的發(fā)展，使得機械手能更好地實現(xiàn)與機械化和自動化的有機結(jié)合。機械手雖然目前還不如人手那樣靈活，但它具有能不斷重復(fù)工作和勞動不知

5、疲勞，不怕危險，抓舉重物的力量比人手力大的特點，因此，機械手已受到許多部門的重視，并越來越廣泛地得到了應(yīng)用。1.2機械手的發(fā)展機械手一般為三類：一是不需要人工控制的通用型機械手。它是不屬于其他主機的獨立裝置?？梢愿鶕?jù)任務(wù)需要編制獨立程序完成各項規(guī)定操作。它的特點是具備不同裝置的性能之外還具備通用機械與記憶功能的三元型機械。二是需要人工操作的，起源于原子，軍事工業(yè)。先是通過操作完成特定工序，后來逐步發(fā)展到無線遙控操作。第三類是專用機械手，通常依附于自動生產(chǎn)線上，用于機床的上下料和裝卸工件。這種機械手國外叫做“Mechanical Hand”。它由主機驅(qū)動來服務(wù)，工作程序固定，一半是專用的。機械手

6、首先是在美國開始研制。第一臺機械手是在1958年美國聯(lián)合控制公司研究制作出來的。結(jié)構(gòu)是：主機安裝一個回轉(zhuǎn)長臂，長臂頂端有電磁 抓放機構(gòu)。日本在工業(yè)上應(yīng)用機械手最多，發(fā)展最快的國家，自1969年從美國引進兩種機械手后開始大力研發(fā)機械手。前聯(lián)自六十年代開始發(fā)展和應(yīng)用，自1977年，前聯(lián)使用的機械手一半來自國產(chǎn)一半來自進口?，F(xiàn)代工業(yè)中，自動化在生產(chǎn)過程中已日趨突出，機械手就是在機械工業(yè)中為實現(xiàn)加工、裝配、搬運等工序的自動化而產(chǎn)生的。隨著工業(yè)自動化的發(fā)展，機械手的出現(xiàn)大大減輕了人類的勞動，提高了生產(chǎn)效率。采用機械手已為目前研究的熱重點。目前機械手在工業(yè)上主要用于機床加工、鑄造，熱處理等方面，但是還不能

7、夠滿足現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的需求。1.3機械手的組成機械手的形式是多樣的，但是其基本的組是相似的。一般機械手由執(zhí)行機構(gòu)、傳動機構(gòu)，控制系統(tǒng)和輔助裝置組成。圖1-1 機械手的組成與相互關(guān)系 （1）執(zhí)行機構(gòu)執(zhí)行機構(gòu)由手、關(guān)節(jié)、手臂和支柱組成，與人體手臂相似。手為抓取機構(gòu)，用于抓取工件。關(guān)節(jié)是連接手與手臂的關(guān)鍵性原件，具有多方位旋轉(zhuǎn)特性。支柱用來支撐手臂，可做活動支柱方便機械手多方位移動。 （2）傳動機構(gòu)傳動機構(gòu)用于實現(xiàn)執(zhí)行機構(gòu)的動作。常用的有機械傳動、液壓傳動、氣壓傳動，電力傳動等形式。1、控制系統(tǒng)機械手按照制定的程序，步驟，參數(shù)進行動作完成該指定工作要依靠控制系統(tǒng)來實現(xiàn)。簡易機械手通常情況下不使用專用的

8、控制系統(tǒng)，只有動作復(fù)雜的機械手采用可編程控制器，微型計算機控制進行動作。2、輔助裝置輔助裝置主要是連接機械手各部分元件的裝置。機械手按用途分類為：專用機械手、通用機械手。按照傳動方式分類為：液壓式機械手、氣動式機械手、機械式機械手和電動機械手。1.4應(yīng)用機械手的意義隨著科技的發(fā)展，機械手應(yīng)用的越來越多。在機械工業(yè)中，機械手應(yīng)用的意義概括如下：1、提高生產(chǎn)過程自動化程度，增強生產(chǎn)效率。機械手方便與材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換等自動化過程，從而提高勞動生產(chǎn)率和降低勞動投入，從而降低生產(chǎn)成本。2、改善勞動條件在車間的勞動環(huán)境下，高溫、高壓、噪音、灰塵等污染會嚴重影響人的身體健康，人在車間工作不

9、可避免的會接觸到危險，而應(yīng)用機械手可以替代人安全的完成作業(yè)，從而改善勞動條件。在一些簡單，重復(fù)的工作中以機械手代替人進行工作可以避免因疲勞和疏忽造成的事故。3、減少人力資源，便于節(jié)奏生產(chǎn)。機械手的應(yīng)用增強了自動化生產(chǎn)，會減少人力的使用。機械手可以長時間重復(fù)性連續(xù)完成工作，這是人工無法實現(xiàn)并完成的。生產(chǎn)線增加使用機械手以減少人力和精準的生產(chǎn)節(jié)拍，有利于節(jié)奏性的工作生產(chǎn)。綜上所述，機械手的合理利用是機械行業(yè)發(fā)展的必然趨勢。2 可編程控制器PLC2.1可編程控制器的產(chǎn)生PLC 是在激烈的市場競爭中產(chǎn)生的，20 世紀60 年代末，美國汽車制造業(yè)競爭激 烈。為適應(yīng)生產(chǎn)工藝不斷更新的需要，美國通用汽車公司

10、（GM）對控制系統(tǒng)提出要 求為：（1）能替代各種繼電器、定時器、接觸器與其主令電器等按一定的邏輯關(guān)系 用導線連接起來的控制系統(tǒng)，既傳統(tǒng)的繼電接觸器控制，它簡單易懂，價格低廉， 能夠滿足生產(chǎn)工藝改動頻繁的需要；（2）編程簡單；（3）模塊式結(jié)構(gòu)；輸入、輸出 電壓是交流115V（美國標準），輸出能直接驅(qū)動繼電器和電磁閥；（4）抗電磁干擾強；（5）具有數(shù)據(jù)通信功能。就是把繼電器控制的優(yōu)點與計算機的功能齊全、靈 活性、通用性強的特點結(jié)合起來，用計算機的編程軟件邏輯易于修改來代替繼電 接觸器控制的硬接線邏輯不易修改。美國數(shù)字設(shè)備公司（DEC）在 1969 年根據(jù)上述 要求，研制出世界上首臺可編程控制器，并

11、在美國通用汽車公司的汽車裝配線上應(yīng) 用成功，實現(xiàn)裝配線的自動控制。2.2 PLC的特點（1）高可靠性所有的I/O 接口電路均采用光電隔離，使工業(yè)現(xiàn)場的外電路與PLC 部電路 之間電氣上隔離。 各輸入端均采用R-C 濾波器，其濾波時間常數(shù)一般為1020ms。 各模塊均采用屏蔽措施，以防止輻射干擾。采用性能優(yōu)良的開關(guān)電源。對采用的器件進行嚴格的篩選。 良好的自診斷功能，一旦電源或其他軟，硬件發(fā)生異常情況，CPU 立即采用 有效措施，以防止故障擴大。大型PLC 還可以采用由雙CPU 構(gòu)成冗余系統(tǒng)或有三CPU 構(gòu)成表決系統(tǒng),使可 靠性更進一步提高。 （2）豐富的I/O 接口模塊 PLC 針對不同的工業(yè)

12、現(xiàn)場信號，如：交流或直流；開關(guān)量或模擬量；電壓或電流； 脈沖或電位； 強電或弱電等。有相應(yīng)的I/O 模塊與工業(yè)現(xiàn)場的器件或設(shè)備，如：按 鈕；行程開關(guān)；接近開關(guān)；傳感器與變送器；電磁線圈；控制閥等直接連接。 （3） 采用模塊化結(jié)構(gòu) 為了適應(yīng)各種工業(yè)控制需要，除了單元式的小型 PLC 以外，絕大多數(shù) PLC 均采 用模塊化結(jié)構(gòu)。PLC 的各個部件，包括 CPU，電源，I/O 等均采用模塊化設(shè)計，由機 架與電纜將各模塊連接起來，系統(tǒng)的規(guī)模和功能可根據(jù)用戶的需要自行組合。 （4） 編程簡單易學 PLC 的編程大多采用類似于繼電器控制線路的梯形圖形式，對使用者來說，不需 要具備計算機的專門知識，因此很容

13、易被一般工程技術(shù)人員所理解和掌握。 （5） 安裝簡單，維修方便 PLC 不需要專門的機房，可以在各種工業(yè)環(huán)境下直接運行。使用時只需將現(xiàn)場的 各種設(shè)備與 PLC 相應(yīng)的 I/O 端相連接，即可投入運行。各種模塊上均有運行和故障 指示裝置，便于用戶了解運行情況和查找故障。2.3 PLC的定義PLC問世以來，盡管時間不長，但發(fā)展迅速。為了使其生產(chǎn)和發(fā)展標準化，美國 電氣制造商協(xié)會NEMA（National Electrical Manufactory Association）經(jīng)過四年 的調(diào)查工作，于1984 年首先將其正式命名為PC（Programmable Controller），并給 PC 作了

14、如下定義： “PC 是一個數(shù)字式的電子裝置，它使用了可編程序的記憶體儲存指令。用來執(zhí) 行諸如邏輯，順序，計時，計數(shù)與演算等功能，并通過數(shù)字或類似的輸入/輸出模塊， 以控制各種機械或工作程序。一部數(shù)字電子計算機若是從事執(zhí)行PC 之功能被視為PC，但不包括鼓式或類似的機械式順序控制器。” 以后國際電工委員會(IEC)又先后頒布了 PLC 標準的草案第一稿，第二稿,并在 1987 年2 月通過了對它的定義：“可編程控制器是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計 的。它采用一類可編程的存儲器，用于其部存儲程序，執(zhí)行邏輯運算,順序控制， 定時，計數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模

15、擬式輸入/輸出控制各種 類型的機械或生產(chǎn)過程?？删幊炭刂破髋c其有關(guān)外部設(shè)備，都按易于與工業(yè)控制系 5 統(tǒng)聯(lián)成一個整體，易于擴充其功能的原則設(shè)計。” 總之，可編程控制器是一臺計算機，它是專為工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計制造的計算 機。它具有豐富的輸入/輸出接口，并且具有較強的驅(qū)動能力。但可編程控制器產(chǎn)品 并不針對某一具體工業(yè)應(yīng)用，在實際應(yīng)用時，其硬件需根據(jù)實際需要進行選用配置， 其軟件需根據(jù)控制要求進行設(shè)計編制。 2.4 機械手采用PLC控制的優(yōu)點機械手不止有一種控制系統(tǒng)，一些控制系統(tǒng)或多或少會存在一些缺點，而這些缺點在自動化生產(chǎn)中會造成不可避免的損失。而PLC控制的機械手在工業(yè)應(yīng)用上表現(xiàn)最為突出，我們從

16、幾方面論述一下PLC控制機械手的優(yōu)點。1、控制方式：電氣控制屬于硬接線，邏輯一旦確定，要改變邏輯或增加功能非常困難；而PLC控制是軟接線，改變控制程序即可實現(xiàn)邏輯的改變或增加功能。2、工作方式：電氣控制是并行工作，而PLC是串行工作，不受制約。3、控制速度：電氣控制速度慢，觸電易動；PLC通過半導體控制，速度快，無觸點，無抖動。4、可靠性能：電氣控制觸點多，會產(chǎn)生磨損和電弧燒傷，接線多，可靠性差；PLC無觸點，壽命長，具有自診功能，執(zhí)行程序監(jiān)控，調(diào)試和維護方便。3 機械手的控制系統(tǒng)3.1系統(tǒng)原理圖3-1 系統(tǒng)原理圖機械手的原理就是把相關(guān)的信息和程序通過電腦（PC），通過數(shù)據(jù)線傳遞到可編程器（P

17、LC）里面，然后PLC把信號和程序通過轉(zhuǎn)換，然后輸出對機械手進行相關(guān)控制。3.2 控制系統(tǒng)設(shè)計的基本步驟機械手系統(tǒng)設(shè)計和調(diào)試的主要步驟，如下圖3-2所示：圖3-2 系統(tǒng)設(shè)計步驟圖在機械手控制系統(tǒng)的設(shè)計過程中需考慮以下幾點：1、 了解分析機械手工藝設(shè)計和控制要求。2、 確定I/O設(shè)備。根據(jù)機械手控制系統(tǒng)的功能要求確定所需的用戶輸入輸出設(shè)備。常用的輸入設(shè)備有行程開關(guān)、按鈕、選擇開關(guān)、傳感器等，輸出設(shè)備有繼電器、指示燈、接觸器等。3、 選擇適合I/O點數(shù)的PLC。4、 分配PLC的I/O點，編制輸入輸出分配表接線圖。5、 設(shè)計機械手控制系統(tǒng)梯形圖，根據(jù)需要設(shè)計完整的梯形圖程序。6、 測試PLC程序，

18、查找錯誤。7、 調(diào)試機械手，進行聯(lián)機調(diào)試，查找問題。3.3 控制系統(tǒng)的要求機械手動作過程：自原點起，按下啟動按鈕，下降電磁閥通電，機械手開始下降。當機械手下降碰到限位開關(guān)時，下降電磁閥斷電，機械手停止下降；同時接通夾緊電磁閥，機械手夾緊，上升電磁閥通電，機械手開始上升，直至碰到上限開關(guān)，上升電磁閥斷電停止上升。使用伺服電機控制機械手開始旋轉(zhuǎn)，180后機械手停止旋轉(zhuǎn)。接通右移電磁閥使機械手向右移動直至碰到右限位開關(guān)，右移電磁閥斷電，機械手停止右移。左工作臺無物料時光電開關(guān)接通，下降電磁閥通電，機械手下降。直至碰到下限位開關(guān)，下降電磁閥斷電，機械手停止下降，同時夾緊電磁閥斷電機械手放松，完成物料搬

19、送。機械手放松后上升電磁閥通電使機械手開始上升，碰到上限位開關(guān)上升電磁閥斷電，上升停止；接通左移電磁閥，機械手左移，碰到左限位開關(guān)，機械手停止左移，機械手底座旋轉(zhuǎn)180回到原點，完成一周期動作。圖3-3機械手動作簡圖圖3-4 機械手功能圖示圖3-5 機械手傳動系統(tǒng)與控制面板示意圖3-1機械手傳送系統(tǒng)I/O點 分配表名稱代號輸入名稱代號輸入名稱代號輸出啟動SB1X0夾緊SB5X10電磁閥下降YV1Y0下限行程SQ1X1放松SB6X11電磁閥夾緊YV2Y1上限行程SQ2X2單步上升SB7X12電磁閥上升YV3Y2右限行程SQ3X3單步下降SB8X13電磁閥右行YV4Y3左限行程SQ4X4單步左移S

20、B9X14電磁閥左行YV5Y4停止SB2X5單步右移SB10X15原點指示ELY5手動操作SB3X6回原點SB11X16連續(xù)操作SB4X7工件檢測SQ5X17圖3-7 控制系統(tǒng)原理接線圖3.4 系統(tǒng)與原理3.4.1 操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)包括回復(fù)原點程序，手動單步操作程序與自動連續(xù)操作系統(tǒng)。如圖所示：圖3-8機械手操作系統(tǒng)程序原理：把旋鈕重置于原點，X16接通，系統(tǒng)自動返回原點，Y5驅(qū)動指示燈顯示。把旋鈕置于手動，X6接通，常閉觸頭打開，程序不跳轉(zhuǎn)（CJ為跳轉(zhuǎn)指令，CJ驅(qū)動跳至指針P所指P0處）開始執(zhí)行手動程序。之后執(zhí)CJ指令時由于行X7常閉觸點將跳至P1所指的結(jié)束位置。旋鈕置于自動，即X6閉合X7

21、打開，程序執(zhí)行時將跳過手動程序執(zhí)行自動程序。3.4.2回零程序回零 程序如圖3-9所示。S10S12作為回零 操作原件。當使用S10S19作為回零 操作在最后狀態(tài)復(fù)位前應(yīng)使特殊繼電器M8043置1。圖3-9回零狀態(tài)示意圖3.4.3 手動操作程序如圖3-10所示。圖中 上升/下降，左移/右移有連鎖和限位保護。圖3-10 手動單步操作系統(tǒng)圖3.5.4 自動操作程序如圖3-11所示，當機械手處于原位按下啟動按鈕X0，狀態(tài)轉(zhuǎn)移到S20，驅(qū)動下降Y0，到達下 限位行程開關(guān)X1接通，狀態(tài)轉(zhuǎn)移S21，S20自動復(fù)位。S21驅(qū)動Y1延遲一秒以便使電磁力達到最大夾緊力。當T0接通，狀態(tài)轉(zhuǎn)移到S22，驅(qū)動Y2上升

22、，當上升達到上 限位X2接通，狀態(tài)轉(zhuǎn)移到S23，驅(qū)動Y3右移。達到右限位X3接通，狀態(tài)轉(zhuǎn)移到S24下降，當達到下 限位X1接通，電磁鐵放松，并延遲一秒。后T1接通，狀態(tài)轉(zhuǎn)移S26上升，達到上 限位X2接通，S27左移，達到左限位X4接通，返回初始狀態(tài)。一次循環(huán)完成。圖 3-11 自動操作流程圖圖3.6.5 手動自動一體化梯形圖如圖所示，第0行到第27行為復(fù)位狀態(tài)。第28行到第66行為手動單步操作程序。第67行到129行為自動操作程序。這三部分模塊是圖3-8的操作系統(tǒng)運行的。回零程序和自動操作系統(tǒng)是用步進順控方式編程?；亓愠绦虿荒茏詣臃祷爻跏紶顟B(tài)S1，自動操作程序可以自動返回初始狀態(tài)S2。圖3-

23、12 機械手手動自動一體化梯形圖 總 結(jié)本課題所設(shè)計的機械手的操作過程是由電動機和氣缸組成執(zhí)行機構(gòu)作為驅(qū)動，系統(tǒng)采用可編程控制器控制，運用步進順序控制編程，程序簡單且便于調(diào)試。 通過PLC 本身通信接口與計算機聯(lián)網(wǎng)，對現(xiàn)場操作的各項參數(shù)進行監(jiān)測、修改、調(diào)整，使系統(tǒng)處于最佳工作狀態(tài)。利用 PLC 控制機械手相對于其它控制方式，具有很高的可靠性，較好的性價比，較強的可操作性和實用性。就本課題設(shè)計的目的，實際應(yīng)用運行良好，大大方便了工作和生活。通過這次的畢業(yè)設(shè)計，我學到了很多東西，在做設(shè)計的過程中對工作的細心得 到了提高，認識到自己在這方面的不足。并且，對本設(shè)計的容有了更好的了解，比如加深了解了有關(guān)可編程控制器的功能，還有機械手的工作原理等等。通過做這個設(shè)計，對以前不足的知識進行彌補，在指導老師那里學到了很多寶貴的東西，這些都是對我很有幫助的。本次畢業(yè)設(shè)計的研究工作是在我的指導老師岳老師的精心指導和同學的幫助下完成的。在這里，首先要向本次設(shè)計的指導老師表示最誠摯的意。老師在自己緊的工作中，仍然會抽出時間對我進行指導，時刻關(guān)心我的設(shè)計的進展狀況。老師給予的幫助對我的設(shè)計是非常重要的，從借閱參考資料到現(xiàn)場的實際操作，她都給予了指導，不僅讓我掌握了書本中的知識，更學會了學習操作方法，如何合理安排時間和論文的編寫，對我提