温州华友五金厂运料机械手控制系统设计.doc

电气自动化技术专业毕业设计 设计课题：温州华友五金厂运料机械手控制 系统设计 学生姓名: 夏 xx 学 号: xxxxxxxxxx 指导教师: 吴丽丽 专 业: 电气自动化技术 年 级: 10 级 2013 年 6 月 10 日 浙江广厦建设职业技术学院毕业设计说明书 摘要：摘要：本设计是为五金厂数控车床配套而设计的上下料气动机械手。工业机械手是工业生产 的必然产物，它是一种模仿人体上肢的部分功能，按照预定要求输送工件或握持工具进行操 作的自动化技术设备，对实现工业生产自动化，推动工业生产的进一步发展起着重要作用。 实践证明，工业机械手可以代替人手的繁重劳动，显著减轻工人的劳动强度，改善劳动条件， 提高劳动生产率和自动化水平。所以针对小型加工类生产线为提高其生产效率就设计一个应 用 plc 技术来控制气压驱动系统的机械手。 关键词关键词：机械手；气动；plc；生产自动化 浙江广厦建设职业技术学院毕业设计说明书 目 录 引言引言1 1 1.1.机械手结构概论与选择机械手结构概论与选择2 2 1.1 机械手总体结构的类型 .2 1.2 机械手的组成 .2 1.2.1 机械手的手部 3 1.2.2 机械手的手臂 3 1.2.3 机械手立柱 3 2 2 机械手驱动机械手驱动 4 4 2.1 机械手的驱动方式： .4 2.1.1 机械手的驱动方案设计： 4 2.2 机械手的系统工作原理及组成 .4 2.3 气动机械手的控制要求 .6 2.4 气动机械手的气压传动系统 .7 2.5 系统的控制面板操作与工作方式 .7 2.5.1 操作面板操作 7 2.5.2 气动机械手的工作方式 7 3 3plcplc 控制系统设计控制系统设计 9 9 3.1 可编程控制器的 cpu 选择9 3.2 气动机械手的 i/o 地址分配表9 3.3plc 外部接线图10 3.4 气动机械手控制流程图 .10 3.5 程序设计梯形图 .12 结论结论1717 致谢致谢1818 参考文献参考文献1919 浙江广厦建设职业技术学院毕业设计说明书 第 0 页 共 20 页 引言 机械手是在自动化生产过程中使用的一种具有抓取和移动工件功能的自动化 装置，它是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。机械手越来 越广泛的得到了应用，在机械行业中它可用于零部件组装，加工工件的搬运、装 卸，特别是在自动化数控机床、组合机床上使用更普遍。而目前我国的工业机器 人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，应用规模和产业化水平低， 机械手的研究和开发直接影响到我国自动化生产水平的提高，从经济上、技术上 考虑都是十分必要的。目前，在国内很多工厂的生产线上数控机床装卸工件仍由 人工完成，劳动强度大、生产效率低。为了提高生产加工的工作效率,降低成本, 设计一个运料机械手控制程序，以提高劳动生产率。本机械手主要与像五金厂类 的小型生产流水线组合最终形成生产线，实现加工过程（上料、下料）的自动化、 无人化。 浙江广厦建设职业技术学院毕业设计说明书 第 1 页 共 20 页 1.机械手概论 1.1 机械手系统工作原理及组成 机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等所组成。在 plc程序控制的条件下，采用气压传动方式，来实现执行机构的相应部位发生规 定要求的，有顺序，有运动轨迹，有一定速度和时间的动作。同时按其控制系统 的信息对执行机构发出指令，必要时可对机械手的动作进行监视，当动作有错误 或发生故障时即发出报警信号。位置检测装置随时将执行机构的实际位置反馈给 控制系统，并与设定的位置进行比较，然后通过控制系统进行调整，从而使执行 机构以一定的精度达到设定位置。 机械手的系统工作原理框图如图1.1所示。 图 1.1 系统工作原理框图 执行机构执行机构 手部手部 手臂手臂 腰部腰部 控制系统控制系统 （plcplc） 驱动系统驱动系统 （气动）（气动） 位置检测装置位置检测装置 浙江广厦建设职业技术学院毕业设计说明书 第 2 页 共 20 页 2.机械手执行机构的确定 执行机构：包括手部，手臂和立柱（腰部）等部件。本机械手设计是针对像 五金厂加工流水线上下料所需，所以各部件选择都是为满足生产需要服务。 2.1 机械手总体结构类型确定 机械手的结构形式主要有直角坐标结构，圆柱坐标结构，球坐标结构，关 节型结构四种。各结构形式及其相应的特点，分别介绍如（图 2.1） 图 2.1 机械手总体结构类型图 由于本机械手在上下料时只具有手臂升降，回转运动，动作方式较为简单， 直角坐标型和圆柱坐标型都可实现。直角坐标机器人的运动空间相对机器人的结 构尺寸来讲，是比较小的。因此，为了实现一定的运动空间，直角坐标机器人的 结构尺寸要比其他类型的机器人的结构尺寸大得多。圆柱坐标机器人的空间运动 是用一个回转运动及两个直线运动来实现的。这种机器人构造比较简单，精度高， 常用于搬运作业。因此，本设计采用圆柱座标型式。 2.2 机械手的手部 的选择 气动机械手抓取动作最终是由手抓来完成的。手抓主要有手指气缸和真空吸 盘两种结构，在抓取异型、特殊工件时也有用膜片夹紧气缸、气囊来抓取工件的。 气动机械手在抓取物体时，究竟是选抓手，还是选真空吸盘，是没有严格规 定的，一般根据具体工况而定。对于平板的抓取，通常较多使用真空吸盘，而对 于长方形、圆形物体，既可采用抓手又可采用真空吸盘来完成。 由于本设计是服务于五金加工厂，加工流水线的物件规格大致如（图1.3） 圆柱零件重量大约为10kg，所以本设计手部为手抓式。 浙江广厦建设职业技术学院毕业设计说明书 第 3 页 共 20 页 图 1.3 工件的几何形状和尺寸 2.3 机械手手臂的选择 手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是带动手指去抓 取物件，并按预定要求将其搬运到指定的位置。工业机械手的手臂通常由驱动手 臂运动的部件(如油缸、气缸、齿轮齿条机构、连杆机构、螺旋机构和凸轮机构 等)与驱动源(如液压、气压或电机等)相配合，以实现手臂的各种运动。 按照抓取工件的要求，本机械手的手臂有两个自由度，即手臂的左右回转和 升降(或俯仰)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。 2.4 机械手立柱 的选择 立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回转运动和升 降(或俯仰)运动均与立柱有密切的联系。机械手的立往通常为固定不动的，但因 工作需要，有时也可作横向移动，即称为可移式立柱。 浙江广厦建设职业技术学院毕业设计说明书 第 4 页 共 20 页 2 机械手驱动 2.1 机械手的驱动方式： 机械手的驱动方式主要有四种：液压传动机械手，气压传动机械手，机械传 动机械手，电力传动机械手 液压传动机械手 是以液压的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是:抓重可达几 百公斤以上、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏。但对密封装置要求严格，不然油 的泄漏对机械手的工作性能有很大的影响，且不宜在高温、低温下工作。若机械 手采用电液伺服驱动系统，可实现连续轨迹控制，使机械手的通用性扩大，但是 电液伺服阀的制造精度高，油液过滤要求严格，成本高。 气压传动机械手 是以压缩空气的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是:输出力 小，气动动作迅速，结构简单，成本低。但是，由于空气具有可压缩的特性，工 作速度的稳定性较差，冲击大，而且气源压力较低，抓重一般在 30 公斤以下， 在同样抓重条件下它比液压机械手的结构大，所以适用于高速、轻载、高温和粉 尘大的环境中进行工作。 机械传动机械手 即由机械传动机构(如凸轮、连杆、齿轮和齿条、间歇机构等)驱动的机械手。 它是一种附属于工作主机的专用机械手，其动力是由工作机械传递的。它的主要 特点是运动准确可靠，动作频率大，但结构较大，动作程序不可变。它常被用于 工作主机的上、下料。 电力传动机械手 即有特殊结构的感应电动机、直线电机或功率步进电机直接驱动执行机构运 动的机械手，因为不需要中间的转换机构，故机械结构简单。其中直线电机机械 手的运动速度快和行程长，维护和使用方便。此类机械手目前还不多，但有发展 前途。 2.1.1 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，阻力损失和泄漏较小，成本低廉 因此本机械手采用气压传动方式。 2.2 机械手的系统工作原理及组成 机械手的工作原理：机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测 浙江广厦建设职业技术学院毕业设计说明书 第 5 页 共 20 页 装置等所组成。在plc程序控制的条件下，采用气压传动方式，来实现执行机构 的相应部位发生规定要求的，有顺序，有运动轨迹，有一定速度和时间的动作。 同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令，必要时可对机械手的动作进行监 视，当动作有错误或发生故障时即发出报警信号。位置检测装置随时将执行机构 的实际位置反馈给控制系统，并与设定的位置进行比较，然后通过控制系统进行 调整，从而使执行机构以一定的精度达到设定位置。 机械手的系统工作原理框图如图2.1所示。 图 2.1 系统工作原理框图 执行机构执行机构 手部手部 手臂手臂 腰部腰部 控制系统控制系统 （plcplc） 驱动系统驱动系统 （气动）（气动） 位置检测装置位置检测装置 浙江广厦建设职业技术学院毕业设计说明书 第 6 页 共 20 页 2.3 气动机械手的控制要求 气动机械手动作示意图如图 2.2 所示，气动机械手的功能是将工件从 a 点搬 运到 b 点，控制要求为： 图2.2气动机械手动作示意图 气动机械手的升降和左右移动分别由不同的双线圈电磁阀实现，电磁阀线 圈失电时能保持原来的状态，必须驱动反向的线圈才能反向运动； 上升、下降的电磁阀线圈分别为 mb2、mb1；右行、左行的电磁阀线圈为 mb3、mb4； 机械手的夹钳由单线圈电磁阀 mb5 来实现，线圈通电夹紧，断电松开； 机械手的夹钳的松开，夹紧通过延时 1.7s 实现； 机械手下降、上升、右行、左行的限位由行程开关 bg1、bg2、bg3、bg4 来实现。 浙江广厦建设职业技术学院毕业设计说明书 第 7 页 共 20 页 2.4 气动机械手的气压传动系统 图 2.3 气动机械手的气压传动系统图 2.5 系统的控制面板操作与工作方式 2.5.1 操作面板操作 机械手用来将工件从 a 点搬运到 b 点，输出 q0.1 为 1 时工件被夹紧，为 0 时被松开。工作方式选择开关的 5 个位置分别对应于 5 种工作方式，操作面板左 下部的 6 个按钮式手动按钮。为了保证在紧急情况下（包括 plc 发生故障时）能 可靠地切断负载电源，设置了交流接触器 qa。plc 开始运行时按下“负载电源” 按钮，使 qa 线圈得电并自锁，qa 的主触点接通，给外部负载提供交流电源，出 现紧急情况时用“紧急停车”按钮断开负载电源。 2.5.2 气动机械手的工作方式 系统设有手动、单周期、连续、单步和回原点五种工作方式如图 2.4 手动工作方式时，用 i1.3i1.5 以及 i2.0i2.2 对应的 6 个按钮分别独 立控制机械手的下降、上升、右行、左行、夹紧、放松； 回原位工作方式时，按下“回原位”按钮，则机械手自动返回原位； 单步工作方式时，从初始步开始，按一下启动按钮，系统转换到下一步， 完成该步的任务后，自动停止工作并停留在该步，再按一下启动按钮，又往前走 一步。单步工作方式常用于系统的调试； 浙江广厦建设职业技术学院毕业设计说明书 第 8 页 共 20 页 单周期的工作方式时，按下启动按钮 i0.0 后，从初始步 m10.3 开始，机 械手按顺序功能图的规定完成一个周期的工作后，返回并停留在初始步； 连续工作方式时，按下启动按钮 i0.0 后，机械手按顺序功能图的规定连 续循环工作，直到按下停止按钮。 图 2.4 气动机械手的控制面板 浙江广厦建设职业技术学院毕业设计说明书 第 9 页 共 20 页 3plc 控制系统设计 3.1 可编程控制器的 cpu 选择 根据控制要求，分析后知所需 17 个输入 5 个输出，可以选择西门子 s7-200 系列的 plc。 3.2 气动机械手的 i/o 地址分配表 气动机械手的 i/o 地址分配表如表 3.1 所示： 控制信号信号名称元件名称元件符号地址编码 启动启动按钮sf1i0.0 下降停止下限位开关bg1i0.1 上升停止上限位开关bg2i0.2 右行停止右限位开关bg3i0.3 左行停止左限位开关bg4i0.4 回原位操作回原位开关-i0.5 停止停止按钮sf2i0.6 手动操作手动开关-i0.7 单步操作单步开关-i1.0 输入信号 单周期操作单周期开关-i1.1 连续操作连续开关-i1.2 下降下降按钮sf3i1.3 上升上升按钮sf4i1.4 右行右行按钮sf5i1.5 左行左行按钮sf6i2.0 夹紧夹紧按钮sf7i2.1 输入信号 松开松开按钮sf8i2.2 下降下降电磁阀mb1q0.0 夹紧、松开夹松电磁阀mb5q0.1 上升上升电磁阀mb2q0.2 右行右行电磁阀mb3q0.3 输出信号 左行左行电磁阀mb4q0.4 表 3.1 气动机械手的 i/0 地址分配表 浙江广厦建设职业技术学院毕业设计说明书 第 10 页 共 20 页 3.3plc 外部接线图 plc 外部接线图的输入输出设备、负载电源的类型等的设计是结合系统的控 制要求来设定的。气动机械手控制外部接线图如图 3.1 所示。 图 3.1cpu226 的 i/o 接线图 3.4 气动机械手控制流程图 在进行程序设计时，首先应明确对象的具体控制要求。由于 cpu 对程序的串 行扫描工作方式，会造成输入输出的滞后，而由扫描方式引起的滞后时间，最长 可达两个扫描周期，程序越长，这种滞后越明显，则控制精度就越低。因此，在 实现控制要求的基础上，应使程序尽量简洁紧凑。另一方面，同一控制对象， 根据生产的工艺流程不同，控制要求或控制时序会发生变化，此时，要求程序修 改方便、简单，即要求程序有较好的柔性。 plc 工作原理：接通电源时系统启动开始扫描，扫描手动开关，是执行手动 操作，手动操作不需要按工序顺序动作；扫描回原点开关，是执行回原点操作； 浙江广厦建设职业技术学院毕业设计说明书 第 11 页 共 20 页 扫描单步开关，是执行单步操作；扫描单周期开关，是检测是否在原点，是执行 单周期操作；扫描连续操作，是检测是否在原点，是执行连续操作。除了连续操 作以外，其他操作执行完以后自动重新扫描。 图 3.2 气动机械手控制流程图 浙江广厦建设职业技术学院毕业设计说明书 第 12 页 共 20 页 3.5 程序设计梯形图 浙江广厦建设职业技术学院毕业设计说明书 第 13 页 共 20 页 浙江广厦建设职业技术学院毕业设计说明书 第 14 页 共 20 页 浙江广厦建设职业技术学院毕业设计说明书 第 15 页 共 20 页 浙江广厦建设职业技术学院毕业设计说明书 第 16 页 共 20 页 浙江广厦建设职业技术学院毕业设计说明书 第 17 页 共 20 页 结论 本设计采用专用机械手它是附属于主机的、具有固定程序而无独立控制系统 的机械装置相比通用机械手，专用机械手具有动作少、工作对象单一、结构简单、 使用可靠和造价低等特点，适用于大批量的自动化生产的自动换刀机械手，如自 动机床、自动线的上、下料机械手。 采用气压传动，动作迅速，反应灵敏，能实现过载保护，便于自动控制。工 作环境适应性好，不会因环境变化影响传动及控制性能。阻力损失和泄漏较小， 不会污染环境。同时成本低廉。 通过这次机械手设计让我知道了现代企业在完成自动化控制中离不开 plc 的 控制，它可以使企业在生产的同时减少劳动力和生产成