搬运机械手的PLC控制技术设计——毕业设计论文

毕 业 设 计项目说明书设计题目： 搬运机械手的PLC控制技术设计 专 业： 机电一体化技术 班 级： 机 电 学 号： 设 计 者： 指导教师： 完成时间： 年 月 日 湘潭医卫职业技术学院医用电气学院目 录中文摘要，中文关键词1英文摘要，英文关键词2前 言3第一章 搬运机械手课题研究基本知识51.1课题研究背景51.2课题研究目的与内容5 1.3课题研究意义5第二章 搬运机械手简介72.1 搬运机械手的发展史72.2机械手的结构82.3机械手的工作原理82.4搬运机械手的控制功能演变9第3章 搬运机械手的总体方案设计123.1搬运案例分析12 3.1.1搬运电饭煲机械手案例析12 3.1.2机械手搬运电饭煲方案证133.2搬运机械手机械部件构造设计14 3.2.1 机械手的手部结构方案设计14 3.2.2 机械手控制抓取力度的设计15 3.2.3 机械手防止出现刮痕的设计17 3.2.4 机械手的技术参数列表173.3搬运机械手的驱动方案设计183.4搬运机械手电控系统设计19 3.4.1 电控系统方案分析19 3.4.2 电控系统元器件选择20 3.4.3 电控系统电气主回路设计21第4章 搬运机械手的PLC系统的设计234.1 搬运机械手控制回路方案选择与论证234.2 PLC的基本知识254.3 搬运机械手PLC程序控制设计27 4.3.1 PLC的选择27 4.3.2控制过程优化28 4.3.3 PLC外围电路设计30 4.3.4 PLC软件程序设计34 4.3.5 PLC软件程序仿真演示374.4 电气控制系统安全措施与保护39第五章 搬运机械手PLC控制系统的装调与维保42 5.1搬运机械手系统的安装与调试42 5.2搬运机械手系统的维护与保养44结束语47参考文献48致 谢49附 录50搬运机械手的PLC控制技术设计摘 要机械手能模仿某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。它可代替人的繁重、单调、重复劳动以实现生产的机械化和自动化，因而得到广泛应用。本设计中的机械手采用上下升降加平面转动式结构，机械手的动作由气动缸驱动，机械手采用PLC控制，具有可靠性高、改变程序灵活等优点，无论是进行时间控制还是行程控制或混合控制，都可通过设定PLC程序来实现。可以根据机械手的动作顺序修改程序，使机械手的通用性更强。通过六维力、触力传感器的互相协了来解决了搬运机械手，搬运过程中抓取物体时爪部力度过大过小问题。【关键词】:搬运机械手，PLC，六维力、触力传感器，气动Design of PLC control technology for handling manipulatorAbstract：The mechanical hand can imitate the action of certain functions for automatic operation device fixed program grab, moving objects or operating tool. It can replace the heavy, monotonous and repetitive work to realize the mechanization and automation of the production, so it is widely used. The design of manipulator by lifting and plane rotational structure, mechanical hand movements by the gas dynamic cylinder driving, manipulator controlled by PLC, with high reliability, advantage of the flexibility of program changes, whether it is for time control or stroke control and hybrid control, by setting the PLC program to realize. You can modify the program according to the movement of the manipulator in order to make more universal manipulator. Through the pressure, the contact sensor coordinated the to solve the manipulator, handling in the process of grasping the object the pawl efforts had greater than a small problem.【key word】：Handling manipulator, PLC, pressure, touch sensor, pneumatic前 言机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备，它对稳定与提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。通过大量的国内外期刊杂志，论述了机械手的发展历程、组成和分类，同时对国内外机械手的研究现状和发展趋势做了一定的了解。还对机械手的常见驱动方式做了一番分析，并预测了它的发展趋势。机械手首先是从美国开始研制的。1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手。它的结构是：机体上安装一个回转长臂，顶部装有电磁块的工件抓放机构，控制系统是示教形的。1962年，美国联合控制公司在上述方案的基础上又试制成一台数控示教再现型机械手。商名为Unimate（即万能自动）。运动系统仿照坦克炮塔，臂可以回转、俯仰、伸缩、用液压驱动；控制系统用磁鼓作为存储装置。不少球坐标通用机械手就是在这个基础上发展起来的。同年，美国机械制造公司也实验成功一种叫Vewrsatran机械手。该机械手的中央立柱可以回转、升降采用液压驱动控制系统也是示教再现型。这两种出现在六十年代初的机械手，是后来国外工业机械手发展的基础。1978年美国Unimate公司和斯坦福大学，麻省理工学院联合研制一种Unimate-Vicarm型工业机械手，装有小型电子计算机进行控制，用于装配作业，定位误差小于1毫米。联邦德国KnKa公司还生产一种点焊机械手，采用关节式结构和程序控制。目前，机械手大部分还属于第一代，主要依靠人工进行控制；改进的方向主要是降低成本和提高精度。第二代机械手正在加紧研制。它设有微型电子计算控制系统，具有视觉、触觉能力，甚至听、想的能力。研究安装各种传感器，把感觉到的信息反馈，使机械手具有感觉机能。第三代机械手则能独立完成工作中过程中的任务。它与电子计算机和电视设备保持联系，并逐步发展成为柔性制造系统FMS和柔性制造单元FMC中的重要一环节。目前世界高端工业机械手均有高精化，高速化，多轴化，轻量化的发展趋势。定位精度可以满足微米及亚微米级要求，运行速度可以达到3M/S，量产产品达到6轴，负载2KG的产品系统总重已突破100KG。更重要的是将机械手、柔性制造系统和柔性制造单元相结合，从而根本改变目前机械制造系统的人工操作状态。同时，随着机械手的小型化和微型化，其应用领域将会突破传统的机械领域，而向着电子信息、生物技术、生命科学及航空航天等高端行业发展。第1章 搬运机械手课题研究基本知识1.1 课题研究背景目前，生产成品包装电饭煲的流水线工厂中都是人工搬运成品电饭煲进行包装，包装过程劳动强度大、生产效率低、在搬运过程中可能造成电饭煲外壳的损伤。电饭煲作为一个生活必须用品，需求量很大，所以对生产量要求也大，工人搬运过程中繁重、单调、重复的作业会出现不确定因素，导致产品电饭煲产生质量问题和影响产品的美观，如果破损，将会直接报废，不仅占有固定资金，还占用生产力，生产空间。结合实际中还可能出现的一些其它问题设计出一款搬运机械手，在线上能替代人力，解决人力搬运导致产品破损的问题，避免货物损伤又节约了人力，又实现了现代工厂自动化生产发展的需要。用机械手来代替工人的操作，还大大的提高了工人的安全度和工作效率。1.2 课题研究目的与内容本文通过对电饭煲的外形和材料的研究，确定了搬运机械手的系统结构，完成了机械手的整体设计，利用可编程控制器PLC实现对机械手系统的控制。该搬运机械手系统实现了工业生产过程中的某种自动化设备，可以帮助工人搬运电饭煲移送。由气动传动，并配有控制系统、传感器、步进单机、操作按键、电磁阀、减压阀等，构成典型的机电一体化系统。在设计时，我们首先要了解工业机械手的结构及工作原理，并熟悉机械手系统的结构，然后根据结构要求指出系统所用的检测元件及执行机构，并列出其电气参数。在查阅资料时，总结出他人的设计方案，比较这一些方案的优缺点，并提出自己的改进方案。来完成对控制系统的设计，包括电气主回路设计、PLC系统控制软件设计步骤、抓取过程中抓取力的控制、搬运电饭煲过程中在电饭煲上面留下刮痕。1.3 课题研究意义自动成品包装机械手属于搬运机械手的一种。所谓的搬运机械手，就是将一个物体搬运到另一个地方，机械手还可以在平台上来回移动。这种结构使机械手拥有很大的操作空间和高度的运动冗余性，并同时具有移动和操作功能。本课题设计用搬运机械手搬运电饭煲，对电饭煲进行搬运，将电饭煲搬运到打包地点，然后由工人进行打包，这一过程中机械手代替了人力，对成品产品进行装卸，大大提高生产效率，自动化程度，降低工人劳动强度，避免货损。在搬运过程中可以保证货物不会产生货损，有利于企业货物成品率。提高效率，提高配送率，为企业产生大量利润。第二章 搬运机械手简介2.1 搬运机械手的发展史我国的工业机械手发展主要是逐步扩大其应用范围。在应用专业机械手的同时，相应的发展通用机械手，研制出示教式机械手工业机械手是在第二次世界大战期间发展起来的，始于40年代的美国橡树岭国家实验室的搬运核原料的遥控机械操作手研究，它是一种主从型的控制系统。1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手。它的结构是：机体上安装回转长臂，端部装有电磁铁的工件抓放机构，控制系统是示教型的；1962年，美国联合控制公司在上述方案的基础上，又试制成一台数控示教再现型机械手。运动系统仿造坦克炮塔，臂可以回转、俯仰、伸缩，用液压驱动；控制系统用磁鼓做储存装置。不少球面坐标式机械手就是在这个基础上发展起来的；普曼公司专门生产工业机械手联邦德国机器制造业是从1970年开始应用机械手，主要用于起重运输、焊接和设备的上下料等作业：联邦德国K公司还生产一种点焊机械手，采用关节式结构和程序控制；日本是工业机器人发展最快，应用国家最多的国家，自1969年从美国引进两种典型机械手后，开始大力从事机械手的研究，目前以成为世界上工业机械手应用最多的国家之一。前苏联自六十年代开始发展应用机械手，主要用于机械化、自动化程序较低、繁重单调、有害于健康的辅助性工作。我国工业机械手的研究与开发始于20世纪70年代。1972年我国第一台机械手开发于上海，随之全国各省都开始研制和应用机械手。从第七个五年计划（1986-1990）开始，我国政府将工业机器人的发展列入其中，并且为此项目投入大量的资金，研究开发并且制造了一系列的工业机器人，有由北京机械自动化研究所设计制造的喷涂机器人，广州机床研究所和北京机床研究所合作设计制造的点焊机器人，大连机床研究所设计制造的氩弧焊机器人，沈阳工业大学设计制造的装卸载机器人等等。这些机器人的控制器，都是由中国科学院沈阳自动化研究所和北京科技大学机器人研究所开发的，同时一系列的机器人关键部件也被开发出来，如机器人专用轴承，减震齿轮，直流伺服电机，编码器，DCPWM等等。计算机控制机械手和组合式机械手等。可以将机械手各运动构件，如伸缩、摆动、升降、横移、俯仰等机构，设计成典型的通用机构，以便根据不同的作业要求，选用不用的典型机构，组装成各种用途的机械手，即便于设计制造，又便于跟换工件，扩大了应用范围。机械手的种类，按驱动方式分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手：按适用范围可以分为专用机械手和通用机械手两种；按运动轨迹可以分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。通过此次毕业设计完成气动技术与PLC技术的结合，设计出即环保又高效的机械手。2.2 机械手的结构利用可编程控制器PLC实现对机械手系统的控制。此搬运机械手系统实现了工业生产过程中的某种自动化设备，可以帮助工人搬运电饭煲移送。由气动传动，并配有控制系统、传感器、步进单机、操作按键、电磁阀、减压阀等，构成典型的机电一体化系统。其中1-执行气爪，2-水平伸缩气缸，3-旋转轴，4-竖直气缸，5-底座，6-工件。如图2-1所示。图2-1 机械手结构图2.3 机械手的工作原理本机械手采用气压驱动，使用的是压力0.6MPa，最高可达到0.8MPa。气压驱动主要的优点是气源方便，驱动系统具有缓冲作用，结构简单，成本低，便于维修。缺点是功率质量比较小，装置体积大，定位度不高。这个机械手具有四个直线运动和四个转动运动自由度，用于将源工作台上的物品搬运到右侧面的工作台上。机械手的全部动作由气缸驱动，气缸由电磁阀控制，机械手在工作中能实现手臂上升/下降、手臂伸出/缩回、手臂旋转/反转、手指旋转/反转/放松功能，是目前应用比较广泛的一种机械手。2.4 搬运机械手的控制功能演变机械手的操作方式分为手动操作和自动操作，自动操作又分为单周期操作和循环周期操作方式。手动操作是指用按钮对机械手的每一步运动单独进行控制；单周期操作指机械手从原点开始，按启动按钮，机械手自动完成1个周期的动作后停止；连续操作指机械手从原点开始，按启动按钮，机械手的动作将自动地、连续不断地周期性循环。在工作中若按停止按钮，机械手将继续完成1个周期的动作后，回到原点自动停止。（1）机械手的自动运行： 下降：当机械手检测到传送带A上有工件时，有原点位置开始下降，下降到位时，碰到下极限开关，机械手停止下降，同时接通加紧电磁阀线圈。 夹紧工件：当机械手加紧到位时，压力继电器触电闭合，接通上升电磁阀线圈。 上升：当机械手夹紧到位时，机械手开始上升，上升到位时，碰到上极限开关，机械手停止上升，同时接通右移电磁阀线圈。 右移：当机械手上升到位时，机械手开始右移，右移到位时，碰到有极限开关，机械手停止右移，同时接通下降电磁阀线圈。 下降：当机械手右移到位时，机械手重新开始下降，下降到位时，碰到下极限开关，机械手停止下降，同时释放加紧电磁阀线圈。 放松工件：放松动作为时间控制，设为2秒。 上升：工件放松后，机械手开始上升，上升到位时，碰到上极限开关，机械手停止上升，同时接通左移电磁阀线圈。 左移：机械手上升到位后，开始左移，左移到位时，碰到左极限开关，机械手停止左移。 回到原位：机械手左移到位后，回到原点位置，再次自动启动传送带A，当光电开关检测到工件后，又开始新的工作循环周期。机械手的手动运行。（2）手动运行是指机械手的上升、下降、左移、右移及夹紧操作通过对应的手动操作按钮控制，与操作顺序无关。为了使用时候的方便和适应多样化，设计了手动、单周期、循环周期、回原点四个位置。输入按钮：（1）手动时的运动选择按钮，开关应用手臂上升/下降，手臂伸出/缩回，夹紧/放松，手臂正转/反转，手指正转/反转九个位置选择。按钮的多样化可以实现手动指令时，每个工步一步一个按钮才能实现。（2） 电源、启动、停止、泵启、泵停和紧急停止按钮都是为了保障机械手这搬运时候的安全。指示灯：为了清楚地看出PLC运动操作过程，正确判断机械手这搬运时候是不是正常工作，也有利于机械手运动时的监控，便于机械手故障与排除，机械手运动过程中的现实灯设计包括，臂上升/下降指示灯，手臂伸出/缩回指示灯，夹紧/放松指示灯，手臂正转/反转指示灯，手指正转/反转指示灯。另外，为了对机械手回原点位置进行指示，配置一个回原点的指示灯。能够随时检测系统是否正常，配置一个故障指示灯。另外，还设置了一个电源指示灯来控制，控制面上是否有电，方便工人操作时候意外启动机械手。如图2-2所示。图2-2 机械手控制开关布局第三章 搬运机械手的总体方案设计3.1 搬运案例分析 3.1.1 搬运电饭煲机械手案例分析通过对成品电饭煲这机械手搬运的实际要求，分析液压式、气动式搬运机械手这搬运成品电饭煲过程中可能遇到的实际问题进行分析。本课题选用气动式搬运机械手。因为液压式搬运机械手可以出现的问题，搬运成品电饭煲的时候液体为工作介质，在相对运动表面间不可避免地泄漏，万一泄漏到成品电饭煲上有可能影响到电饭煲的美观和效率。液压传动在工作过程中有较多的能量损失，如摩擦损失、泄漏损失等，故不宜于远距离传动。液压传动对油温的变化比较敏感，油温变化会影响运动的稳定性。因此，在低温和高温条件下，采用液压传动有一定的困难。为了减少泄露，液压元件的制造精度要求高，因此，液压元件的制造成本高，而且对油液的污染比较敏感。液压系统故障的诊断比较困难，因此对维修人员提出了更高的要求，既要系统地掌握液压传动的理论知识，又要有一定的实践经验。随着高压、高速、高效率和大流量化，液压元件和系统的噪声日益增大，这也是要解决的问题。气动式搬运机械手更时候成品电饭煲的搬运，气缸作为线性驱动器可在空间的任意位置组建它所需的运动轨迹，安装维护简单；工作介质是取之不尽、用之不竭的空气，空气本身不花钱。排气处理简单，不污染环境，成本低。压力等级低，使用安全；气缸动作速度一般为50500mm/s，比液压和电气方式的动作速度快，其间，通过单向节流阀，可使气缸速度无级调节；可靠性高，使用寿命长。电器元件的有效动作数约为数百万次，而进口的一般电磁阀的寿命大于3000万次，小型阀超过一亿次；利用空气的可压缩性，可储存能量，实现集中供气；全气动控制具有防火、防爆、耐潮的能力。与液压方式相比，气动方式可在高温场合使用；由于空气损失小，压缩空气可集中供应，远距离输送。根据以上对搬运机械手案例分析，可知道气动式要比液压式的动作迅速，反应灵敏，阻力损失和泄漏较小，成本低廉，因此本机械手采用气压传动方式。3.1.2 机械手搬运电饭煲方案论证机械手的最大抓取是其规格的主参数，由于是采用气动方式驱动，因此考虑抓取的物体不应该太重，查阅相关机械手的设计参数，结合工业生产的实际情况，本设计设计抓取的电饭煲质量为9.48kg。基本参数运动速度是机械手主要的基本参数。操作节拍对机械手速度提出了要求，设计速度过低限制了它的使用范围。而影响机械手动作快慢的主要因素是手臂伸缩及回转的速度。该机械手最大移动速度设计为0.1m/s。最大回转速度设计为90/s。平均移动速度为0.08m/s。平均回转速度为60/s。机械手动作时 有启动、停止过程的加、减速度存在，用速度一行程曲线来说明速度特性较为全面，因为平均速度与行程有关，故用平均速度表示速度的快慢更为符合速度特性。除了运动速度以外，手臂设计的基本参数还有伸缩行程和工作半径。大部分机械手设计成相当于人工坐着或站着且略有走动操作的空间。过大的伸缩行程和工作半径，必然带来偏重力矩增大而刚性降低。在这种情况下宜采用自动传送装置为好。根据统计和比较，该机械手手臂的伸缩行程定为100mm,最大工作半径约为100mm 。手臂升降行程定为100mm。定位精度也是基本参数之一。该机械手的定位精度为1mm。手臂的机构基本上决定了操作机的工作空间范围，按照搬运机械手手臂运动的不同运动的坐标形式和形态来进行分类，其座标型式可分为直角座标式、圆柱座标式、球座标式和关节式。1、直角坐标型具有三个移动关节（PPP），可使手部产生三个互相垂直的独立位移。由于其运动方程可独立处理，且为线性的，具有定位精度高，控制简单等特点，但操作灵活性较差，运动速度低的特点。2、圆柱坐标型具有两个移动关节和一个转动关节（PPR），受部的坐标为(z，r，)。这种操作机的优点是所占的空间尺寸较小，相对工作范围较大，结构简单，手部可获得较高的速度。而缺点是手部外伸离中心轴愈远，其切向线位移分辨精度愈低。通常用于搬运机器手。3、球座标型具有两个转动关节和一个移动关节（RRP），优点是结构紧凑，所占空间尺寸小，但目前应用较少。4、关节型是模拟人的上肢而构成的。它具有三个转动关节（RRR），可绕铅垂轴转动和绕两个平行于水平面的轴转动。具有结构紧凑，所占空间体积少，相对工作空间大等特点，用于复杂设备当中。按机械手手臂的不同运动形式及其组合情况，其坐标型式可分为直角坐标式、圆柱坐标式、球坐标式和关节式。由于本机械手在上下料时手臂具有升降、收缩及回转运动，因此，采用圆柱坐标型式。相应的机械手具有四个自由度，为了弥补升降运动行程较小的缺点，增加手臂摆动机构，从而增加一个手臂上下摆动的自由度。考虑到机械手的通用性，同时由于被抓取工件是水平放置，因此手腕必须设有回转运动才可满足工作的要求。因此，手腕设计成回转结构，实现手腕回转运动的机构为回转气缸。按照抓取工件的要求，本机械手的手臂有四个自由度，即手臂的伸缩、左右回转和升降运动。手臂的回转和升降运动是通过立柱来实现的，立柱的横向移动即为手臂的横移。手臂的各种运动由气缸来实现。3.2 搬运机械手机械部件构造设计3.2.1机械手的手部结构方案设计为了使机械手的更人性化性能更强适应多种搬运物体的需要，把机械手的手部结构设计成可容易操作更换结构，当工件是方形、圆形、棒形材料时，使用夹持式手部;当工件是板料、玻璃时，使用气流负压式吸盘。研究设计的是抓取尺寸456*334*308mm的电饭煲。按照抓取电饭煲 的要求，设计搬运机械手的手臂有三个自由度，即手臂的伸缩、左右回转和升降运动。手臂的回转和升降运动是通过立柱来实现的，立柱的横向移动即为手臂的横移。手臂的各种运动由气缸来实现。手臂的伸缩、升降运动由伸缩气缸来实现，反转由反转气缸实现。如图3-1所示。图3-1 机械手的手部设计3.2.2 机械手控制抓取力度的设计因为机械手搬运物体的时候抓取物体时，力的控制都是由气缸控制，抓取时物体的材料，因为不同力度掌握不好可能造成物体的损坏，造成物体有质量上的问题可能要报废。为了防止出现力度掌握不好问题，我们可以考虑通过压力传感器和触力传感器的原理，这搬运机械手上运用六维力传感器和触力传感器相互配合，可以还好的解决这一些问题。力传感器：全球最小的六自由度传感器之一，采用紧凑及低型面设计。传感器有中通孔，可安装连杆和线缆。强度特别高，采用高强度不锈钢线切割加工，最高单轴过载为额度量程的5.7到25.3倍。高信噪比，硅应变片信号强于传统应变片75倍，信号放大后，可到达接近零的噪声失真。六维力传感器的标定均在假设传感器系统为线性系统的情况下进行，即传感器静态数学模型满足 F=CV其中，V是六维力传感器输出的6路原始信息(列信息，单位是V)，F是经过计算的6路力信息(列信息，力的单位是KN，力矩的单位是KNm)。传感器静态标定的实质就是利用施加在六维力传感器上的广义力矢量组F和通过数据采集上采样得到的传感器6个输出信号矢量组V求出标定矩阵C，传感器的输出信号是一个6路电压信号组成的矢量。如果不考虑传感器的非线性因素的影响，只要给传感器施加6个线性无关的力矢量，并测得对应6个力矢量的传感器的输出电压信号矢量V，就可以得到一个惟一解C。如图3-2所示。图3-2 六维力传感器触力传感器：FS系列触力传感器能够在小型商用级别封装下提供精确、可靠的触力传感功能，触力传感器内含已技术成熟的经特殊微切削硅传感芯片，低功耗、无放大、无补偿的惠斯顿电桥设计在1500g量程中输出恒定的mv信号。触力传感器的工作原理为：离子注入的压敏电阻受压弯曲时阻值发生变化，并正比于所施加的触力，触力是通过不锈钢插杆直接作用于传感器内部的硅敏感芯片，桥路电阻阻值正比与触力大小，桥路各电阻的变化产生对应的mV输出信号。FS系列触力传感器运用专利的模块结构，创新的弹性技术及工程模塑材料使传感器能承受5.5kg的过压，不锈钢插杆提供极为优秀的机械稳定性，能适合各种应用场合，各种电气连接方式，包括预联线、PCB、SMT安装方式，传感器独特的设计能提供包括安装支架在内的多种可选项，也可根据客户要求特制。如图3-3所示。图3-3 FS系列触力传感器3.2.3机械手防止出现刮痕的设计大部分搬运机械手，手指部分都是45号钢制作而成，虽然45号钢韧性、塑性和耐磨性高，但是对搬运成品电饭煲外壳材料的理解还是容易在上面留下刮痕的，因此我们可以设计在搬运机械手的手指部分套上硅橡胶制作而成的指套，硅橡胶具有保持一定的柔韧性、回弹性和表面硬度，且力学性能无明显变化。硅橡胶：(1)高温性能：硅橡胶显著的特征是高温稳定性，虽然常温下硅橡胶的强度仅是天然橡胶或某些合成橡胶的一半，但在200以上的高温环境下，硅橡胶仍能保持一定的柔韧性、回弹性和表面硬度，且力学性能无明显变化。(2)低温性能：硅橡胶的玻璃化温度一般为-70-50，特殊配方可达-100，表明其低温性能优异。这对航空、宇航工业的意义重大。(3)耐候性硅橡胶中Si-O-Si键对氧、臭氧及紫外线等十分稳定，在不加任何添加剂的情况下，就具有优良的耐候性。(4)电气性能：硅橡胶具有优异的绝缘性能，耐电晕性和耐电弧性也非常好。(5)物理机械性能：硅橡胶常温下的物理机械性能比通用橡胶差，但在150的高温和-50的低温下，其物理机械性能优于通用橡胶。(6)耐油及化学试剂性。普通硅橡胶具有中等的耐油、耐溶剂性能。3.2.4机械手的技术参数列表用途:用于自动输送线的上下搬运产品电饭煲给于包装。设计技术参数:（1）本课题探讨的电饭煲的尺寸：456*334*308mm，重量：9.48kg（2）自由度数：4个自由度（3）坐标型式：17圆柱坐标（4）手臂运动参数：伸缩行程100mm：伸缩速度40mm/s：升降行程150mm：升降速度100mm/s：反转范围1800mm：回转速度90/s。（5）手腕运动参数：反转范围1800mm：回转速度90/s。（6）手指夹持范围：方形电饭煲尺寸:456*334*308。（9）定位方式行程开关。（10）定位精度1mm。（11）驱动方式气压传动。（12）控制方式为点位程序控制(采用PLC)。3.3 搬运机械手的驱动方案设计由于气压传动系统的动作迅速，反应灵敏，阻力损失较小，成本相对适宜，因此本机械手采用气压传动方式。搬运机械手气动系统如图3-1。A、B、C、D、E气缸分别控制搬运机械手升降、水平伸缩、垂直伸缩、手爪、手臂转动、手指转动。如图3-4所示。图3-4 气缸传动原理图机械手手臂伸出、手腕回转时，在到达接近开关端点前便发信号切断气压通路，滑行缓冲；手臂缩回和手臂上升由接近开关适时发信号，提前切断气路滑行缓冲并定位。各气缸前采用调速阀，可以调节单位时间进气量，调节气缸活塞的移动速度，从而保证了气缸运动的平稳性。3.4 搬运机械手电控系统设计3.4.1 电控系统方案分析电动机的单向运行，控制系统由PLC编程自动控制，电机在货物移动有相应的指示，电动机有相应的保护措施和总停控制，系统要求有超行程保护，若超行程时应该有报警指示，系统要有电源指示，电流指示，电压指示。由于控制气缸的电磁阀线圈为24V直流电压，PLC电源是220V交流电源，因此，用一个电源模块达到所需的直流电压。为了在开启电源时有个指示，还需在面板上设置一个电源指示灯。如图3-5所示。图3-5 系统控制电源图3.4.2 电控系统元器件选择表3-1 系统元器件选择序号名称型号1熔断器UF2接触器KM3热继电器FP5电机M6电源开关SA1光电隔离：光耦合器一般由三部分组成：光的发射、光的接收及电流信号的放大。输入的电信号会驱动发光二极管（LED），使之发出一定波长的光，被光探测器接收而产生光电流，再经过进一步放大后输出。这就完成了“电光电”的转换，从而起到输入、输出、隔离的作用。由于光耦合器输入输出间互相隔离，电信号传输具有单向性等特点，因而具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力。又由于光耦合器的输入端属于电流型工作的低阻元件，因而具有很强的共模抑制能力。所以，它在长线传输信息中作为终端隔离元件可以大大提高信噪比。在计算机数字通信及实时控制中作为信号隔离的接口器件，可以大大增加计算机工作的可靠性。光耦合器的主要优点是：信号单向传输，输入端与输出端完全实现了电气隔离，输出信号对输入端无影响，抗干扰能力强，工作稳定，无触点，使用寿命长，传输效率高。光耦合器是70年代发展起来产新型器件，现已广泛用于电气绝缘、电平转换、级间耦合、驱动电路、开关电路、斩波器、多谐振荡器、信号隔离、级间隔离 、脉冲放大电路、数字仪表、远距离信号传输、脉冲放大、固态继电器(SSR)、仪器仪表、通信设备及微机接口中。在单片开关电源中，利用线性光耦合器可构成光耦反馈电路，通过调节控制端电流来改变占空比来达到精密稳压的目的。3.4.3 电控系统电气主回路设计控制系统硬件电路由PLC、程序存储器、串行接口电路、并行接口电路、光电隔离电路、掉电保护电路等组成。系统硬件电路电气原理图如图3-6所示。 图3-6 电气主回路图第四章 搬运机械手的PLC系统的设计4.1 搬运机械手控制回路方案选择与论证单片机是指一个集成在一块芯片上的完整计算机系统。尽管他的大部分功能集成在一块小芯片上，但是它具有一个完整计算机所需要的大部分部件：CPU、内存、内部和外部总线系统，目前大部分还会具有外存。同时集成诸如通讯接口、定时器，实时时钟等外围设备。而现在最强大的单片机系统甚至可以将声音、图像、网络、复杂的输入输出系统集成在一块芯片上。单片机也被称为微控制器（Microcontroler），是因为它最早被用在工业控制领域。单片机由芯片内仅有CPU的专用处理器发展而来。最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对提及要求严格的控制设备当中。INTEL的Z80是最早按照这种思想设计出的处理器，从此以后，单片机和专用处理器的发展便分道扬镳。早期的单片机都是8位或4位的。其中最成功的是INTEL的8031，因为简单可靠而性能不错获得了很大的好评。此后在8031上发展出了MCS51系列单片机系统。基于这一系统的单片机系统直到现在还在广泛使用。随着工业控制领域要求的提高，开始出现了16位单片机，但因为性价比不理想并未得到很广泛的应用。90年代后随着消费电子产品大发展，单片机技术得到了巨大的提高。随着INTEL i960系列特别是后来的ARM系列的广泛应用，32位单片机迅速取代16位单片机的高端地位，并且进入主流市场。而传统的8位单片机的性能也得到了飞速提高，处理能力比起80年代提高了数百倍。目前，高端的32位单片机主频已经超过300MHz，性能直追90年代中期的专用处理器，而普通的型号出厂价格跌落至1美元，最高端的型号也只有10美元。当代单片机系统已经不再只在裸机环境下开发和使用，大量专用的嵌入式操作系统被广泛应用在全系列的单片机上。而在作为掌上电脑和手机核心处理的高端单片机甚至可以直接使用专用的Windows和Linux操作系统。单片机比专用处理器更适合应用于嵌入式系统，因此它得到了最多的应用。事实上单片机是世界上数量最多的计算机。现代人类生活中所用的几乎每件电子和机械产品中都会集成有单片机。手机、电话、计算器、家用电器、电子玩具、掌上电脑以及鼠标等电脑配件中都配有1-2部单片机。而个人电脑中也会有为数不少的单片机在工作。汽车上一般配备40多部单片机，复杂的工业控制系统上甚至可能有数百台单片机在同时工作！单片机的数量不仅远超过PC机和其他计算的PLC机有以下特点：1、可靠性高，抗干扰能力强。 平均故障间隔时间长。 故障修复时间（平均修复时间）。2、通用性强，控制程序可变，使用方便。PLC品种齐全的各种硬件装置，可以组成能满足各种要求的控制系统，用户不必自己再设计和制作硬件装置。用户在硬件确定以后，在生产工艺流程改变或生产设备更新的情况下，不必改变PLC的硬设备，只需改编程序就可以满足要求。因此，PLC除应用于单机控制外，在工厂自动化中也被大量采用。3、功能强，适应面广。现代PLC不仅有逻辑运算、计时、计数、顺序控制等功能，还具有数字和模拟量的输入输出、功率驱动、通信、人机对话、自检、记录显示等功能。既可控制一台生产机械、一条生产线，又可控制一个生产过程。4、编程简单，容易掌握。目前，大多数PLC仍采用继电控制形式的“梯形图编程方式”。既继承了传统控制线路的清晰直观，又考虑到大多数工厂企业电气技术人员的读图习惯及编程水平，所以非常容易接受和掌握。梯形图语言的编程元件的符号和表达方式与继电器控制电路原理图相当接近。通过阅读PLC的用户手册或短期培训，电气技术人员和技术工很快就能学会用梯形图编制控制程序。同时还提供了功能图、语句表等编程语言。PLC在执行梯形图程序时，用解释程序将它翻译成汇编语言然后执行（PLC内部增加了解释程序）。与直接执行汇编语言编写的用户程序相比，执行梯形图程序的时间要长一些，但对于大多数机电控制设备来说，是微不足道的，完全可以满足控制要求。5、减少了控制系统的设计及施工的工作量。由于PLC采用了软件来取代继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，控制柜的设计安装接线工作量大为减少。同时，PLC的用户程序可以在实验室模拟调试，更减少了现场的调试工作量。并且，由于PLC的低故障率及很强的监视功能，模块化等等，使维修也极为方便。搬运机械手控制分部有单片机控制和PLC控制，它们各有各的特点，本设计中PLC更适合。因为单片机控制：优点，经济实惠，成本相对较低；缺点，用单片机制作的主控板受制版工艺、布局结构、器件质量等因素的影响导致抗干扰能力差，故障率高，不易扩展，对环境依赖性强,开发周期长。一个采用单片机制作的主控板不经过很长时间的实际验证很难形成一个真正的产品。PLC控制：优点：PLC是经过几十年实际应用中检验过的控制器，其抗干扰能力强，故障率低，易于设备的扩展，便于维护，开发周期短。缺点：成本相对单片机要高。但是搬运机械手程序选择PLC控制比较合适。4.2 PLC的基本知识1、PLC的特点：（1）在机械手控制系统中采用PLC，用PLC程序来实现机械手稳定、可靠、精确地运行，实用性大大提高；（2）去掉了传统电气控制设备所需要的大量继电器和接触器，控制系统结构简单，外部线路大大简化，有利于减小机械手的体积；（3）PLC可方便地增加或改变控制功能，具有很强的灵活性，可随时更改机械手的控制顺序；（4）PLC故障率极低，大大提高了运行的安全性，并便于检修，有利于机械手运行的稳定，减低故障率；（5）可以用计算机对PLC进行集中控制和管理，可提高调式效率；（6）一旦控制流程变化，只需要改变PLC程序而不需要改动硬件接线，具有和好的方便性。与PLC相比较，继电器的控制性能与其自身的功能已无法满足与适应工业控制的要求和发展，与PLC存在着质的差别。表4-1给出了PLC与继电器控制系统功能与特点的比较。表4-1PLC与继电器控制功能与特点比较比较项目继电器控制PLC控制功能的实现硬件控制，通过对继电器进行硬接线完成相应的控制功能软件控制，通过对PLC进行编程实现所需控制要求对控制要求变化的适应性需进行重新设计与接线，适应性差只需对程序进行修改，适应性强可靠性元器件多、触点多，容易出现故障，因此可靠性差采用大规模集成电路，绝大部分是软继电器，因此可靠性高控制的实时性机械动作时间常数大，实时性差微处理器控制，实时性非常好占用空间与安装控制柜体积大、笨重，安装调试工作量大体积小，重量轻，安装调试工作量小使用寿命易损，寿命短寿命长价格较低较高维护复杂、工作量大简便、工作量小虽然传统的继电器电梯控制技术比较成熟，但是这种控制系统本身存在不少缺陷：系统触点繁多、接线线路复杂；普通控制电器及硬件接线方法难以实现较复杂的控制功能；电磁机构及触点动作速度比较慢，系统控制精度难以提高；由于线路复杂，易出现故障等，正是由于这些原因，传统的电梯控制不再适用于现代高层快速电梯。而PLC电梯控制则表现出更多的优点。PLC的基本工作如下:(1)输入现场信息:在系统软件的控制下，顺次扫描各输入点的状态；(2)执行程序：顺次扫描用户程序中的各条指令，根据输入状态和指令内容进行逻辑运算。(3)输出控制信号：根据逻辑运算的结果，输出状态寄存器向各输出点并行发出相应的控制信号，实现所要求的逻辑控制功能。上述过程执行完后，又重新开始，反复地执行。每执行一遍所需的时间称为扫描周期。PLC的扫描周期通常为几十毫秒。在实际应用中，大多数机械设备的工作过程可以分为一系列不断重复的顺序操作，PLC的工作方式与此相似。因此，PLC的程序可与机器的动作一一对应，程序编制简单、直观，不容易出错，而且容易修改，从而大大减少了软件的开发费用，缩短了软件的开发周期。为了提高工作的可靠性，及时接收外来的控制命令，PLC在每次扫描期间，除完成上述三步操作外，通常还要进行故障自诊断，完成与编程器等的通信。每次扫描开始，先执行一次自诊断程序，对各输入输出点、存储器和CPU等进行诊断，诊断的方法通常是测试出各部分的当前状态，并与正常的标准状态进行比较，若两者一致，说明各部分工作正常，若不一致则认为有故障。此时，PLC立即启动关机程序，保留现行工作状态，并关断所有输出点，然后停机。诊断结束后，如没发现故障，PLC将继续往下扫描，检查是否有编程器等的通信请求。如果有则进行相应的处理，比如，接受编程器发来的命令，把要显示的状态数据、出错信息送给编程器显示等。处理完通信后，PLC继续往下扫描，输入现场信息，顺序执行用户程序，输出控制信号，完成一个扫描周期。然后又从自诊断开始，进行第二轮扫描。PLC就这样不断反复循环，实现对机器的连续控制，直到接收到停机命令，或因停电、出现故障等才停止工作。4.3 搬运机械手PLC程序控制设计4.3.1 PLC的选择西门子S7-200PLC在实时模式下具有速度快，具有通讯功能和较高的生产力的特点。一致的模块化设计促进了低性能定制产品的创造和可扩展性的解决方案。来自西门子的S7 - 200微型PLC可以被当作独立的微型PLC解决方案或与其他控制器相结合使用。SIMATIC S7-200 Micro 自成一体：特别紧凑但是具有惊人的能力特别是有关它的实时性能它速度快，功能强大的通讯方案，并且具有操作简便的硬件和软件。但是还有更多特点：SIMATIC S7-200 Micro PLC具有统一的模块化设计目前不是很大，但是未来不可限量的定制解决方案。这一切都使得SIMATIC S7-200 Micro PLC在一个紧凑的性能范围内为自动化控制提供一个非常有效和经济的解决方案SIMATIC S7-200的应用领域从更换继电器和接触器一直扩展到在单机、网络以及分布式配置中更复杂的自动化任务。S7-200也越来越多地提供了对以前曾由于经济原因而开发的特殊电子设备的地区的进入。如图4-1所示。图4-1西门子S7-200PLC4.3.2 控制过程优化本课题研究的搬运机械手，机械手状态初始化是同时可以进行一些几种模式操控。手动模式、回原点模式、步进模式、单周期模式、周期循环模式。接下来进行自动化状态初始化，手臂反传伸出，手臂下降，手指回转张开，手指闭合夹物，手臂回缩旋转，手臂前伸，手臂下降，这到关键的步骤循环，循环可以到自动状态初始化或者到机械手状态初始化可以重新选择以上说明的几种模式。如图4-2所示。图4-2 系统设计流程图4.3.3 PLC外围电路设计1、输入与输出点统计：从工艺要求中可以看出，在控制方式选择上需要5个按钮，分别完成手动方式、步进方式、单周期方式、循环方式和原点方式的启动，还需要一个紧急停止按钮来处理紧急情况下的停止运动。手动操作输入信号由10个按钮组成;手臂上升/下降，手臂伸出/缩回，夹紧/放松，手臂旋转/回转，手指旋转/回转十个个按钮。步进运动方式时，需要一个启动按钮来控制运动。在机械手每个自由的位移机构上都设有限位开关：手臂上升/下降、手臂伸出/缩回、手臂旋转/回转手指旋转/回转用来限定机械手移动范围及进行限位保护。连续运动方式时需要一个停止按钮来实现循环停止。为了对气缸进行控制，设置了泵启、泵停按钮。工作台上检测到工件的输入信号，热继电器辅助触电。共31个输入信号。输出信号共23个，分别是机械手手臂下降电磁阀指示灯，上升电磁阀指示灯，手臂旋转电磁阀指示灯，手臂回转电磁阀指示灯，机械手夹紧电磁阀指示灯机械手放松电磁阀指示灯，手臂伸出电磁阀指示灯，手臂缩回电磁阀指示灯，手指旋转电磁阀指示灯，手指回转电磁阀指示灯，为了还好对机械手原点位置指示，配置了个原点指示灯。为了能够随时监控发现系统是否正常，配置一个故障指示灯。为了保证系统的安全，还包括一个接触线圈。表4-2 输入与输出点PLC输入点：PLC输出点：启动按钮SB1手臂伸出电磁阀Y1手动启动按钮是SB2手臂缩回电磁阀Y2步进启动按钮SB3手臂上升电磁阀Y3单周期启动按钮SB5手臂下降电磁阀Y4循环启动按钮SB5手臂旋转电磁阀Y5回原点启动按钮SB6手臂反转电磁阀Y6手臂上升SB7手指旋转电磁阀Y7手臂下降SB8手指反转电磁阀Y8爪部夹紧SB9爪部夹紧电磁阀Y9爪部放松SB10爪部放松电磁阀Y10手臂伸出SB11手臂伸出指示灯HL1手臂缩回SB12手臂缩回指示灯HL2手臂旋转SB13手臂上升指示灯HL3手臂反转SB14手臂下降指示灯HL4手指旋转SB15手臂旋转指示灯HL5手指反转SB16手臂反转指示灯HL6停止按钮SB17手指旋转指示灯HL7紧急停止按钮SB18手指反转指示灯HL8泵启按钮SB19爪部夹紧指示灯HL9泵停按钮SB20爪部放松指示灯HL10手臂上升限位开关SQ1原点指示灯HL11手臂下降限位开关SQ2故障报警指示灯HL12手臂伸出限位开关SQ3接触器线圈KM手臂缩回限位开关SQ4手臂旋转限位开关SQ5手臂反转限位开关SQ6手指旋转限位开关SQ7手指反转限位开关SQ8光电无工件检测开关SQ9热继电器辅助触点FR1压力继电器KP2、I/O分配表表4-3 I/O分配表号码信号名称信号符号地址1启动按钮SB1I0.02手动启动按钮SB2I0.13步进启动按钮SB3I0.24单周期启动按钮SB4I0.35循环启动按钮SB5I0.46回原点启动按钮SB6I0.57手臂上升按钮SB7I0.68手臂下降按钮SB8I0.79爪部夹紧按钮SB9I1.010爪部放松按钮SB10I1.1