电磁阀驱动汽缸PLC控制的机械手 毕业论文.doc

电磁阀驱动汽缸plc控制的机械手摘要：伴随着机电一体化在各个领域的应用，机械设备的自动控制成分显得越来越重要，由于工作的需要，人们经常受到高温、腐蚀及有毒气体等因素的危害，增加了工人的劳动强度，甚至于危机生命。因此机械手就在这样诞生了,机械手是工业机器人系统中传统的任务执行机构，是机器人的关键部件之一。其中的工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术，它的发展是由于其积极作用正日益为人们所认识：它能部分地代替人工操作；能按照生产工艺的要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送和装卸；能制作必要的机具进行焊接和装配从而大大改善工人的劳动条件，显著地提高劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。关键词：机械手；plc；气缸；电磁阀目 录前言一、机械手1（一）机械手发展历史和认识（二）机械手分类二、气缸（一）气缸的认识和工作原理（二）气缸的分类和应用三、电磁阀驱动气缸plc控制机械手（一）机械手操作行程与过程 （二）机械手动要求和设置（三）梯形图及指令表（四）i/o分配接口与接线（五）顺序功能图结束语附录表第一章 前 言机械手是模仿人的手部动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动 抓取、搬运和操作的自动装置。它特别是在高温、高压、多粉尘、易 燃、易爆、放射性等恶劣环境中，以及笨重、单调、频繁的操作中代 替人作业，机械手虽然目前还不如然手那样灵活，但它具有不断重复 工作和劳动，不知疲劳，不怕危险，抓举重物的力量比人手力大的特 点，因此获得日益广泛的应用。机械手是在机械化，自动化生产过程 中发展起来的一种新型装置。 随着电子技术特别是电子计算机的广泛 应用， 机器人的研制和生产已成为高技术领域内迅速发展起来的一门 新兴技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与 机械化和自动化的有机结合。在现代生产过程中，机械手被广泛的运 用于自动生产线中，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好 地实现与机械化和自动化的有机结合。 通过对机电一体化专业大学专科三年的所学知识进行整合，对工业机械手各部分机械结构和功能的论述和分析， 设计了一种机械手 通过 plc 系统来编写程序控制机械手运动轨迹。 第二章 机械手（一）机械手发展历史和认识机械手百科名片能模仿人手和臂的某些动作功能，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。机械手是最早出现的工业机器人，也是最早出现的现代机器人，它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。简介机械手mechanical hand，也被称为自动手，auto hand历史它是在早期出现的古代机器人基础上发展起来的，机械手研究始于20世纪中期，随着计算机和自动化技术的发展，特别是1946年第一台数字电子计算机问世以来，计算机取得了惊人的进步，向高速度、大容量、低价格的方向发展。同时，大批量生产的迫切需求推动了自动化技术的进展，又为机器人的开发奠定了基础。另一方面，核能技术的研究要求某些操作机械代替人处理放射性物质。在这一需求背景下，美国于1947年开发了遥控机械手，1948年又开发了机械式的主从机械手。机械手首先是从美国开始研制的。1954年美国戴沃尔最早提出了工业机器人的概念，并申请了专利。该专利的要点是借助伺服技术控制机器人的关节，利用人手对机器人进行动作示教，机器人能实现动作的记录和再现。这就是所谓的示教再现机器人。现有的机器人差不多都采用这种控制方式。1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手铆接机器人。作为机器人产品最早的实用机型（示教再现）是1962年美国amf公司推出的“verstran”和unimation公司推出的“unimate”。这些工业机器人主要由类似人的手和臂组成它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。构成机械手主要由手部、运动机构和控制系统三大部分组成。手部是用来抓持工件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。运动机构，使手部完成各种转动（摆动）、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度 。为了抓取空间中任意位置和方位的物体，需有6个自由度。自由度是机 械手设计的关 键参数。自由 度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。（二）机械手分类控制系统是通过对机械手每个自由度的电机的控制，来完成特定动作。同时接收传感器反馈的信息，形成稳定的闭环控制。控制系统的核心通常是由单片机或dsp等微控制芯片构成，通过对其编程实现所要功能。分类机械手的种类，按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手；按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种；按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。机械手通常用作机床或其他机器的附加装置，如在自动机床或自动生产线上装卸和传递工件，在加工中心中更换刀具等，一般没有独立的控制装置。有些操作装置需要由人直接操纵，如用于原子能部门操持危险物品的主从式操作手也常称为机械手。机械手在锻造工业中的应用能进一步发展锻造设备的生产能力，改善热、累等劳动条件。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。多关节机械手的优势多关节机械手的优点是:动作灵活、运动惯性小、通用性强、能抓取靠近机座的工件，并能绕过机体和工作机械之间的障碍物进行工作.随着生产的需要，对多关节手臂的灵活性，定位精度及作业空间等提出越来越高的要求。多关节手臂也突破了传统的概念，其关节数量可以从三个到十几个甚至更多，其外形也不局限于象人的手臂，而根据不同的场合有所变化，多关节手臂的优良性能是单关节机械手所不能比拟的。油田钻柱操作机械手本产品由山东科技大学研发而成，主要用于钻井时的钻杆、钻铤等的装、卸工作。操作机械手设计有两个，一个坐落在一层台井口旁边2米左右处，简称为下手；一个坐落在二层台上的中心台上，简称为上手。下手的腰部回转角度120，最大伸缩距离为5.7米，有5个运动关节，在手臂做伸缩运动时，手部保持水平平动。上手的腰部回转角度为310，最大伸缩距离2800mm，上手有9个运动关节，手臂做伸缩运动时，手部保持水平平动。机械手采用手动比例阀控制下的液压控制方式。机械手可以完成的操作对象参数为：钻柱高30 m；钻杆重量为：40 kg/m，总重1200 kg；钻铤（七英寸直径）重量为：180 kg /m，总重5400 kg。硬臂式助力机械手硬臂式助力机械手与气动平衡吊和软索式助力机械手一样都具有全行程“漂浮”功能，区别是在有扭矩产生的情况下无法使用气动平衡吊或是软索式助力机械手，而必须选用硬臂式助力机械手。气 缸（一）气缸的认识和工作原理引导活塞在其中进行直线往复运动的圆筒形金属机件。工质在发动机气缸中通过膨胀将热能转化为机械能；气体在压缩机气缸中接受活塞压缩而提高压力。涡轮机、旋转活塞式发动机等的壳体通常也称“气缸”。气缸的应用领域：印刷（张力控制）、半导体（点焊机、芯片研磨）、自动化控制、机器人等等。英文名：cylinder（二）气缸的分类和应用气缸种类气压传动中将压缩气体的压力能转换为机械能的气动执行元件。气缸有作往复直线运动的和作往复摆动的两类（见图）。作往复直线运动的气缸又可分为单作用、双作用、膜片式和冲击气缸 4种。单作用气缸：仅一端有活塞杆，从活塞一侧供气聚能产生气压，气压推动活塞产生推力伸出，靠弹簧或自重返回。双作用气缸：从活塞两侧交替供气，在一个或两个方向输出力。膜片式气缸：用膜片代替活塞，只在一个方向输出力，用弹簧复位。它的密封性能好，但行程短。冲击气缸：这是一种新型元件。它把压缩气体的压力能转换为活塞高速(1020米秒)运动的动能，借以作功。冲击气缸增加了带有喷口和泄流口的中盖。中盖和活塞把气缸分成储气腔、头腔和尾腔三室。它广泛用于下料、冲孔、破碎和成型等多种作业。第三章 电磁阀驱动气缸plc控制机械手（一）机械手操作行程与过程如图所示是一台工件传送的气动机械手的动作示意图，其作用是将工件从点传递到点。气动机械手的升降和左右移行作分别由两个具有双线圈的两位电磁阀驱动气缸来完成，其中上升与下降对应电磁阀的线圈分别为yv1与yv2，左行、右行对应电磁阀的线圈分别为yv3与yv4。一旦电磁阀线圈通电，就一直保持现有的动作，直到相对的另一线圈通电为止。气动机械手的夹紧、松开的动作由只有一个线圈的两位电磁阀驱动的气缸完成，线圈(yv5)断电夹住工件，线圈(yv5)通电松开工件，以防止停电时的工件跌落。机械手的工作臂都设有上、下限位和左、右限位的位置开关sq1、sq2和sq3、sq4，夹持装置不带限位开关，它是通过一定的延时来表示其夹持动作的完成。机械手在最上面、最左边且除松开的电磁线圈(yv5)通电外其它线圈全部断电的状态为机械手的原位。工作过程为：当按下启动按钮时，机械手开始由原点下降，下降碰到下限位开关后，停止下降并接通夹紧电磁阀夹紧工件。为保证工件可靠夹紧，在该位置等待5 s。夹紧后，上升电磁阀通电开始上升，上升碰到上限位开关，停止上升，改向右移动，右移碰到右限位开关后，停止右移，改为下降，下降至碰到下限位开关，下降电磁阀断电，停止下降，同时夹紧电磁阀断电，机械手将工件松开，放在右工作台上，为确保可靠松开，在该位置停留5 s，然后上升，碰到上限位开关后改为左移，到原点时，碰到左限位开关，左移电磁阀断电，停止左移。至此，机械手搬运一个工件的全过程结束。（二）机械手动要求和设置为了满足生产的需要，很多工业设备要求设置多种工作方式，例如手动和自动两种工作方式，其中自动又包括连续、单周期、单步和自动返回初始状态四种工作方式。有机械手整个搬运过程要求都能具有手动、单步、单周期、连续和回原位五种工作方式，如图4-3所示，五种工作方式用开关sa进行选择。手动工作方式时，用各操作按钮（sb5、sb6、sb7、sb8、sb9、sb10、sb11）来点动执行相应的各动作；单步工作方式时，每按一次起动按钮（sb3），向前执行一步动作；单周期工作方式时，机械手在原位，按下起动按钮sb3，自动地执行一个工作周期的动作，最后返回原位（如果在动作过程中按下停止按钮sb4，机械手停在该工序上，再按下起动按钮sb3，则又从该工序继续工作，最后停在原位）；连续工作方式时，机械手在原位，按下起动按钮（sb3），机械手就连续重复进行工作（如果按下停止按钮sb4，机械手运行到原位后停止）；返回原位工作方式时时，按下“回原位”按钮sb11，机械手自动回到原位状态。图4-3 机械手操作面板示意图如图4-4所示是机械手控制系统的逻辑流程图。机械手搬运工件的一个周期可分为以下七个部分。系统启动之前，机械手处于原始位置，条件是机械手在高位左位、松开。机械手动作的要求是：(1) 机械手下降 当工作台a上有工件，机械手开始下降。下降到低位时，碰到下限位开关，机械手停止下降。(2) 夹紧工件 机械手在最低位开始夹紧工件，延时5 s抓住抓紧。(3) 机械手上升 机械手上升到高位时，碰到上限位开关，停止上升。(4) 机械手右移 机械手右移到位时，碰到右限位开关，停止右移。(5) 机械手下降 当机械手下降到b时，碰到下限位开关，机械手停止下降。(6) 放开工件 机械手在最低位开始放松工件，延时5 s。(7) 机械手上升 机械手上升到高位时，碰到上限位开关，停止上升。(8) 机械手左移 机械手在高位开始左移，碰到左限位开关，停止左移。机械手工作的一个周期完成，等待工件在工作台a上出现再转到第一步，开始下一个工作循环。图4-4机械手控制系统的逻辑流程图（三）梯形图及指令表下限位下降右移上限位状态转移开始夹紧上升自动方式初始状态上限位上升下降结束放松下限位下降右移限位（四）i/o分配接口与接线如图4-5所示为plc的i/o接线图，选用fx2n-48mr的plc，系统共有18个输入设备和5个输出设备分别占用plc的18个输入点和5个输出点。为了保证在紧急情况下（包括plc发生故障时），能可靠地切断plc的负载电源，设置了交流接触器km。在plc开始运行时按下“电源”按钮sb2，使km线圈得电并自锁，km的主触点接通，给输出设备提供电源；出现紧急情况时，按下“急停”按钮sb1，km触点断开电源。机械手