(完整版)搬运机械手毕业设计论文

优秀论文未经允许审核通过切勿外传毕业论文（设计）题目搬运机械手 PLC控制系统专业年级08级机电一体化4 班指导教师熊才高职称高级工程师2011年5月20 日摘要随着工业自动化的普及和发展，控制器的需求量逐年增大，搬运机械手的应用也逐渐普及，主要在汽车，电子，机械加工、食品、医药等领域的生产流水线或货物装卸调运 , 可以更好地节约能源和提高运输设备或产品的效率，以降低其他搬运方式的限制和不足，满足现代经济发展的要求。本机械手的机械结构主要包括由两个电磁阀控制的液压钢来实现机械手的上升下降运动及夹紧工件的动作，两个转速不同的电动机分别通过两线圈控制电动机的正反转，从而实现小车的快进、慢进、快退、慢退的运动运动；其动作转换靠设置在各个不同部位的行程开关(SQ1-SQ9) 产生的通断信号传输到PLC控制器，通过 PLC内部程序输出不同的信号， 从而驱动外部线圈来控制电动机或电磁阀产生不同的动作，可实现机械手的精确定位；其动作过程包括：下降、夹紧、上升、慢进、快进、慢进、延时、下降、放松、上升、慢退、快退、慢退；其操作方式包括：回原位、手动、单步、单周期、连续；来满足生产中的各种操作要求。关键词：搬运机械手可编程控制器（ PLC）液压电磁阀AbstractWith the popularity of industrial automation and development, the demand for year-on-year increase of controller, of robot gradually popularity, mainly in the automotive, electronic, mechanical processing, food, medicine and other areas of the production line or cargo transport, we can be more good to save energy and improve the transport efficiency of equipment or products, to reduce restrictions on other modes of transportation and inadequate to meet the requirements of modern economic development.The manipulator mechanical structure includes two solenoid valves controlled by sports and workpiece clamping action, the two different motor speed through the two motor coils positive control in order to achieve car of the fast-forward, slow forward, fast rewind, slow movement back movement; conversion by setting its action in various different parts of the trip switch (SQ1 - SQ9) generated on-off signal transmission to the PLC controller, through the PLC internal different output signal, which drives the external coil to control the motor orsolenoid valves , the robot can achieve precise positioning; their course of action include: decline in clamping increased, slow forward, fast forward, slow progress, the extension of , the drop in, relax, rise, slow back, rewind, slow back; its operation, including: Back in situ, manual, single-step, single cycle, continuous; to meet the production requirements of the various operations and maintenance.Keywords: ) 和柔性制造单元FMC(Flexible Manufacturing Cell)中重要一环。1.4 机械手的发展趋势目前国内工业机械于主要用于机床加工、铸锻、热处理等方面，数量、品种、性能方面都不能满足工业生产发展的需要。因此，国内主要是逐步扩大机械手应用范围，重点发展铸锻、热处理方面的机械手，以减轻劳动强度，改善作业条件。在应用专用机械手的同时，相应地发展通用机械手，有条件的还要研制示教式机械手、计算机控制机械手和组合式机械手等。将机械手各运动构件，如伸缩、摆动、升降、横移、俯仰等机构，以及适于不同类型的夹紧机构，设计成典型的通用机构，以便根据不同的作业要求，选用不用的典型部件，即可组成各种不同用途的机械手。既便于设计制造，又便于改换工作，扩大了应用的范围。同时要提高精度，减少冲击，定位精确，以更好地发挥机械手的作用。此外还应大力研究伺服型、记忆再现型，以及具有触觉、视觉等性能地机械手，并考虑于计算机联用，逐步成为整个机械制造系统中的一个基本单元。在国外机械制造业中，工业机械手应用较多，发展较快。目前主要用于机床、模锻压力机的上下料，以及点焊、喷漆等作业中，它可按照事先制定的作业程序完成规定的操作，但是还不具备任何传感反馈能力，不能应付外界的变化。如发生某些偏离时，就将引起零部件甚至机械手本身的损坏。为此，国外机械手的发展趋势是大力研制具有某些智能的机械手，使其拥有一定的传感能力，能反馈外界条件的变化，做出相应的变更。如位置发生稍些偏差时，即能更正，并自行检测，重点是研究视觉功能和触觉功能。视觉功能即在机械手上安装有电视照相机和光学测距仪（即距离传感器）以及卫星计算机。工作时，电视照相机将物体形象变成视频信号，然后传送给计算机，以便分析物体的种类、大小、颜色和方位，并发出指令控制机械手进行工作。触觉功能即在机械手上安装有触觉反馈控制装置。工作时机械手先伸出手指寻找工件，通过装在手指内的压力敏感元件产生触感作用，然后伸向前方，抓住工件。手的抓力大小可通过装在手指内侧的压力敏感元件来控制，达到自动调整握力的大小。总之，随着传感技术的发展，机械手的装配作业的能力将进一步提高。到1995 年，全世界约有50%的汽车由机械手装配。现今机械手的发展更主要的是将机械手和柔性制造系统以及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。1.5 PLC 概况及在机械手中的应用1. 可编程序控制器的应用和发展概况可编程序控制器 （ programmable controller），现在一般简称为PLC（ programmable logic controller），它是以微处理器为基础，综合了计算机技术、半导体集成技术、自动控制技术、数字技术、通 信网络技发展起来的一种通用的工业自动控制装置。以其显著的优点在冶金、化工、交通、电力等领域获得了广泛的应用，成为了现代工业控制三大支柱之一。在可编程序控制器问世以前，工业控制领域中是继电器控制占主导地位。传统的继电器控制具有结构简单、易于掌握、价格便宜等优点，在工业生产中应用甚广。但是控制装置体积大、动作速度较慢、耗电较多、功能少，特别是由于它靠硬件连线构成系统，接线繁杂，当生产工艺或控制对象改变时，原有的接线刻控制盘（柜）就必须随之改变或更换，通用性和灵活性较差。2.PLC 的应用概况PLC的应用领域非常广， 并在迅速扩大， 对于而今的 PLC几乎可以说凡是需要控制系统存在的地方就需要PLC，尤其近几年来 PLC的性价比不断提高已被广泛应用在冶金、机械、石油、化工、轻功、电力等各行业。按 PLC的控制类型，其应用大致可分为以下几个方面。1）.用于逻辑控制这是 PLC最基本，也是最广泛的应用方面。用PLC取代继电器控制和顺序控制器控制。例如机床的电气控制、包装机械的控制、自动电梯控制等。2）.用于模拟量控制PLC通过模拟量 IO 模块，可实现模拟量和数字量之间转换，并对模拟量控制。3）.用于机械加工中的数字控制现代 PLC具有很强的数据处理功能，它可以与机械加工中的数字控制（ NC）及计算机控制（ CNC）紧密结合，实现数字控制。4）.用于工业机器人控制5）.用于多层分布式控制系统高功能的 PLC具有较强的通信联通能力，可实现PLC与 PLC之间、PLC与远程 IO 之间、 PLC与上位机之间的通信。从而形成多层分布式控制系统或工厂自动化网络。3. PLC 的特点1）.可靠性高、抗干扰能力强PLC能在恶劣的环境如电磁干扰、电源电压波动、机械振动、温度变化等中可靠地工作， PLC的平均无故障间隔时间高，日本三菱公司的F1系列 PLC平均无故障时间间隔长达 30 万 h，这是一般微机所不能比拟的。2）. 控制系统构成简单、通用性强由于 PLC是采用软件编程来实现控制功能，对同一控制对象，当控制要求改变需改变控制系统的功能时，不必改变 PLC的硬件设备，只需相应改变软件程序。3）.编程简单、使用、维护方便4）.组合方便、功能强、应用范围广PLC既可用于开关量的控制又可用于模拟量的控制；既可用单片机控制，又可用于组成多级控制系统；既可控制简单系统，又可控制复杂系统。因此， PLC应用范围很广。5）.体积小、重量轻、功耗低PLC采用了半导体集成电路， 外形尺寸很小， 重量轻，同时功耗也很低，空载功耗约1.2KW。5.PLC 在机械手中的应用机械手通常应用于动作复杂的场合来代替人的反复的操作，从而节省人的劳动，普通继电器由于其体积和接口等各方面限制，经常被应用于动作简单的电气及流水线控制，而PLC以其可靠性高、抗干扰能力强;控制系统构成简单、通用性强;编程简单、使用、维护方便; 组合方便、功能强、应用范围广;体积小、重量轻、功耗低等有点被广泛应用于类似机械手的控制动作复杂的场合，本设计正是以PLC控制为基础从而实现机械手的各种动。第二章搬运机械手总体设计方案2.1 搬运机械手结构及其动作本机械手用于生产线上工件的自动搬运，根据对机械手的工艺过程及控制要求分析，机械手的动作过程如图2-1 所示：图 2 1 机械手的动作周期2.2 机械手的控制过程由 A、B 两个液压缸完成工件的夹紧和提升的动作， A 缸通过一个单电两位四通电磁换向阀控制工件的夹紧、 放松，B 缸通过一双电两位四通电磁阀控制机械手的升降；由小车实现机械手的移动。该小车由两台电动机驱动，一台是高速，一台是慢速。当小车前进时以慢快慢的形式进行，返回时按慢快慢的形式后退。当工件从传送带传输到机械手下方时，工件碰压行程开关 SQ1，B 缸活塞杆伸出，带动机械手下降，下降至终点碰压行程开关 SQ3与机械手夹钳相连的 A 缸活塞杆收进，机械手将工件夹紧； 当工件夹紧到位时， 行程开关 SQ5动作，B 缸的活塞杆收进，把工件提升； 当工件提升到最高位置时碰压行程开关 SQ4，启动小车慢速右行；当小车碰压行程开关 SQ7时转为快速行走；接近终点时小车碰压行程开关 SQ8，转为慢速行走；行至右端行程开关 SQ9，小车停止前进；停留 5 秒后， B 缸活塞杆再次外伸，机械手下降至终点， A 缸活塞杆外伸带动夹钳松开，将工件放下；然后机械手上升，小车以慢快慢的形式沿原路返回，恢复到图示所示的原置。2.3 机械手的控制要求为了便于生产加工、维修、调整设置的工作方式选择开关。分为手动和自动操作，其中自动操作中包括了：单步、单周期、连续；手动操作包括手动和回原位的操作。手动操作：供维修用，即用按钮对机械手的每一步动作单独控制。例如，当选择手动操作时，按下上升下降按钮，机械手在满足条件情况下即执行相应的动作，其它动作以此类推。回原位：当由于断电或其它原因导致机械手运行中途停止时，再次通电将操作方式选择置于回原位位置，按下复位按钮，机械手即可按最短路径的原则返回到原点位置。单步运行：供试用，即没按一次启动按钮机械手向前执行一个动作后停止。单周期运行：供首次检验用，当机械手在原点时按下启动按钮，机械手自动执行一个周期后停止在原点位置连续运行：正常使用，当机械手在原点并按下启动按钮时，机械手周而复始的执行各工步动作。该机械手在自动工作状态时，应先将其工作方式选择开关放在“返回原位”，并按下返回原位按钮，对状态器进行置位，然后再将工作方式选择开关放置自动工作方式下。若自动工作状态解除，则硬件工作方式选择开关放置于“手从操作”位置。第三章搬运机械手硬件系统设计硬件系统设计包括机械部分和电气控制部分的设计。3.1 机械手的结构设计其结构如图所示图 32：机械手的结构示意图图中设置 9 个行程开关 SQ1SQ9用于检测工件、小车、机械手的位置及机械手夹钳的夹紧、放松状态，并对系统实施控制。其中SQ1为工件是否到位的检测开关；SQ2为小车原位检测开关；SQ3、SQ4分别为机械手下降上升是否到位检测开关；SQ5、 SQ6分别为机械手夹紧放松检测开关； SQ7、SQ8分别为小车速度转换开关；SQ9为小车运动停止开关 。3.2 电气控制的设计包括主电路和控制电路的设计。主电路由两台电动机，即慢速电机和快速电机，分别拖动小车慢行和快行，其控制如下：慢速电动机M1由接触器 KM1、KM2分别控制其正传和反转；快速电动机M2由接触器 KM3和 KM4分别控制其正传和反转。机械手的夹紧放松动作是由一单电两位四通电磁阀控制的一个液压缸完成的，在通电情况下，机械手松开，得电时松开，可以防止在设备运行过程中突然断电导致的机械手松开，工件脱落的情况发生。3.3 操作面板及动作说明根据控制和生产工艺的要求，控制操作包括手动和自动，手动又包括手动步进、回原位操作，自动控制包括单步、单周期、连续的操作。故操作方式选择开关设置有五个档位。手动工作方式下，手动动作包括上升、下降、放松、快进、慢进、快退、慢退和复位，故设置六个动作看官按钮。各个动作进行的同时均设有动作指示灯。另外设有启动停止按钮。其操作面板如图33 所示：图 3 3 机械手操作面板示意图3.4 IO 分配IO 设备即所需的 IO 点数如下表所示：信IO 设备IO 点数 信号IO 设备IO 点数号操作方式选择旋钮开5关交流接触器控制线圈4输手动时运动选择按钮入启动停止按钮829输出电磁阀3动作指示8原点指示1行程开关根据 IO 点的分配要求及考虑10%到 15%的 IO 裕量，本设计 PLC采用F160MR 3624型，样图见图 3-4 所示：样图见图3-4 所示：图 3 5 PLC IO 接线控制图第四章搬运机械手的软件系统设计机械手动控制属顺序控制，故其手动程序采用普通的PLC控制指令控制，自动程序采用步进梯形指令控制4.1 梯形图的总体设计按照机械手控制和工艺流程的要求，在选择“手动方式”时应执行手动程序；在选择“回原位”时应执行回原位程序；在选择自动程序时应执行自动程序。其中自动程序要在启动按钮按下时才执行。故梯形图的总体构成如图4-1 所示。图 4-1 搬运机械手 PLC控制梯形图总体构成4.2 各部分梯形图的设计1. 通用部分梯形图设计通用部分梯形图分为三部分：1）.状态器的初始化。初始化状态器复位。当方式选择开关置于“返回原位”（钮（ X507）时被置位，在“手动操作”（S600 在手动方式下被置位、X514 接通）时，按下复位按X510）接通时， S600 复位。处于中间工步的状态器用手动做复位操作，即在方式选择开关位于“手动操作”或“返回原位”时，中间状态器同步复位。故初始化梯形图如图4 2 所示，（如果状态器要在供电时从断电前条件开始继续工作，则不需要 M71）。图 4 2 状态器初始化梯形图2）. 状态器转换启动。若机械手工作在自动工作方式下，当初始状态器 S600 被置位后按下启动按钮，辅助继电器 M575工作，状态器的状态可以一步一步的向下传递，即可进行转换。在执行“连续程序” 时，转换启动继电器 M575一直保持到停机按钮按下为止。另一面采用 M100 检查机器是否处于原位。当 M575和 M100都接通时，从初始状态器开始进行转换，故其梯形图如图 4 3 所示。图 43 状态器转换启动梯形图3）.状态器转换禁止梯形图。激活特殊辅助继电器M574并用步进梯形指令控制状态器转换时，状态器的转换就被自动禁止。在“单周期”工作期间， 按下停止按钮时， M574应被激励并自保持，操作停止在现行工步。当按下停止按钮时，从现行工步重新开始工作，M574应复位，即重新允许新转换。在“步进”工作方式时，M574应始终工作，此时，禁止任何状态转换。但没按下一次启动按钮时，M574断开一次，允许状态器转换一次。在“手动”工作方式时禁止进行状态转换。在手动方式解除之后，按下启动按钮，则状态转换禁止解除，M574复位，。PLC在启动时，用初始化脉冲M71和 M574自保持，以此禁止状态转换，直到按下启动按钮。故状态器转换禁止梯形图如图4 4 所示。图 4 4 状态器转换禁止梯形图通过对 4 3 和 44 的分析可得出：在执行“手动操作”和“返回原位”程序时， M575一直不能被接通，而M574长期被接通，（按下启动按钮时除外） ；执行“步进”程序时没按一次启动按钮，M574断开一次，M575接通一次，状态器转换一次；在执行“单周期操作”程序时，按下启动按钮， M574断开， M575接通，状态器的转换可一步一步向下转换，直至按下停止按钮时，M574自锁，状态器的转换被禁止，操作停止在现行工序（再次按下启动按钮时从现行工序开始工作）；在执行“连续程序”时， M575一直接通到按下停止按钮，此时M574一直不能接通。2. 手动操作梯形图手动操作方式由于不需要任何复杂的顺序控制，可以用常规继电器顺序方式来设计梯形图。“手动操作时”按下放松按钮时，机械手卡抓松开，当松开放松按钮时，机械手卡爪在液压缸作用下自动加紧并保持；按下上升按钮，上升输出 Y435保持接通；按下下降按钮， Y436保持接通；在上限位按下慢进按钮，慢进输出 Y430 接通，至行程开关 SQ7闭合，小车停止；快进、快退、慢退情况同慢进。手动操作梯形图设置有互锁， 只有在小车处于左限位 （即 X403 闭合）或右限位（即 X412 闭合）时机械手的上升下降动作才能进行，只有当机械手处于下限位（即 X404 接通）机械手的加紧放松动作才可以手动控制；为了安全，同一个电动机的正反转线圈不能同时接通，设计中设计了自锁开关，防止线圈同时接通造成的短路。故手动操作时梯形图如图45所示。图 4 5 手动操作梯形图3. 返回原位梯形图 在“返回原位”状态下，“夹紧”与“下降”动作应被停止， 上限位未动作时， 应进行“上升”； 上限位动作时， “右行”动作应停止，并左行至左限位位置。故返回原位梯形图如图46 所示：图 46 返回原位梯形图4. “自动”状态梯形图图 47 表示了机械手自动工作时执行各工步的情况，表示了各工步的实现和转换的条件。在第一次下降工步中，下降电磁阀 Y436 接通。自下限位置时， X404 接通，转换为“夹持”过程；夹持电磁阀 Y434 复位，至加紧限位X406 接通，转换为上升动作；当上限为开关 SQ4闭合， X405 接通，小车开始慢进动作。快进、慢进、延时、下降、加紧、上升、慢退、快退、慢退动作依次类推，如上所述一步一步按顺序驱动各个负载动作，称为顺序控制或过程步进型控制。图 4 7 搬运机械手自动工作流程图用状态器代替自动工作流程图的各工步，可得到 48 所示的功能表图： 4-8图 4 8 搬运机械手自动工作功能表图根据图 4 8 所示的自动工作功能表图，可设计出自动操作时的梯形图如图 4 9 所示。5、绘制搬运机械手PLC控制梯形图将从初始化开始的一系列梯形图，按照总体结构图（图41）的形式组合在一起，得到机械手PLC控制的梯形图（见附图），其语句表见附录。附图：搬运机械手结构图搬运机械手控制梯形图搬运机械手动作流程图搬运机械手控制接线图结论本设计主要应用于机加工生产，货物调运等场合。搬运机械手采用 PLC控制，体积小，重量轻，控制方式灵活，可靠性高，操作简单，维修容易。使用该机械手代替人工搬运工件，既安全，又准确，提高了劳动生产率，保证了工件的质量，降低了工人的劳动强度，具有较好的经济效益和社会效益。可编程控制器 PLC以其丰富的 IO 接口模块、高可靠性 , 可以在机械手的控制系统的设计中起到了十分重要的作用。本文就设计过程中的几项关键的问题提出了自己的一些看法 , 可以有效地提高系统的抗干扰能力 , 对 PLC读、写 , 事件响应等通信时间可进行精确的控制 , 取得了良好的效果 .随着机械手应用的普及，机械手向着专用化，机械结构向模块化、可重构化的方向发展，机械手的动作更加灵活多样，其控制方式也在向着多元化的方向发展，在 PLC控制的过程中 , 还有许多的问题需要解决，PLC在机械手开发中的开发应用还有很大的空间。谢辞此次设计是在熊才高老师的悉心指导下完成的。导师为论文课题的研究提出了许多指导性的意见，为论文的撰写、修改提供了许多具体的指导和帮助。熊才高老师的严谨治学、不断探索的科研作风，敏锐深邃的学术洞察力，孜孜不倦的敬业精神，给我留下了深刻的印象，使我受益良多。生活中熊才高老师就是我的朋友，他的态度让我对生活有了新的认识。在本文结束之际，特向我敬爱的导师致以最崇高的敬礼和深深的感谢！通过此次设计，一方面让我认识到自己的不足，发现了学习中的错误之处；另一方面又积累丰富的知识，吸取别人好的方法和经验，增强对复杂问题的解决能力，摸索出一套解决综合问题的方法，为自己以后的工作和学习打下坚实的基础。再一方面也加强了我和老师的交流，认识到知识的渊博度。经过这次的努力，使我顺利的完成了毕业设计。这份毕业设计既是对过去三年所学知识的总结，又是自己知识的积累，也大大加深了对单片机技术的了解。毕业设计中既动脑、，又动手，是一个理论与实际结合的过程。仅仅有理论是不够的，更重要的是实际的，是我们所设计的实物，具有设计合理，经济实用的优点。这就需要我们设计者考虑问题是要仔细、周密，不能有丝毫的大意。对设计方案的优越化，也需要我们综合各方面的因素考虑，尤其是实际。再次像教育指导我的老师及同学表示诚挚的感谢！鉴于本人所学知识有限，经验不足，又是初次研究这种复杂的设计，在此过程中难免存在一些错误和不足之处，恳请各位老师给予批评和指正。参考文献3丁树模 .液压传动 . 北京：机械工业出版社， 2007 年4林平勇 .高崇 . 电工电子技术 . 第二版：北京：高等教育出版社，2004 年5熊幸明 .曹才开 . 一种工业机械手的 PLC控制 . 微计算机信息，2006 年7 刘轩 . 王丽伟 . 机械手的 PLC控制 . 机床电器 . 2006 年， 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