机械手控制系统设计毕业论文.doc

图书分类号：密 级：毕业设计(论文)机械手控制系统设计the design of the robot control system 毕业设计(论文)学位论文原创性声明本人郑重声明： 所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用或参考的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标注。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。论文作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权协议书本人完全了解关于收集、保存、使用学位论文的规定，即：本校学生在学习期间所完成的学位论文的知识产权归所拥有。有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的纸本复印件和电子文档拷贝，允许论文被查阅和借阅。可以公布学位论文的全部或部分内容，可以将本学位论文的全部或部分内容提交至各类数据库进行发布和检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。论文作者签名： 导师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日ii摘要随着工业生产的迅速发展，生产过程的机械化与自动化程度越来越高。机械手是一种在机械化和自动化生产过程中发展起来的新型装置，它可以根据不同自动化设备的工作需求，按照其预定的工作程序运行。作为工业生产和加工中经常用到的执行部件，机械手工作安全稳定、效率高，而且可以适应恶劣的工作环境，因而在自动化生产中应用广泛。本文以西门子plc为基础，介绍了机械手在简单工件搬运控制中的应用，设计了一套方案可行的机械手控制系统，并陈述了详细的控制过程。此设计中的机械手动作由气缸驱动，而气缸是由相应的电磁阀控制，从而实现对机械手下降、夹紧、上升、右行、下降、放松、上升、左行等全过程的自动化控制，有着很高的工作效率。关键词 机械手；plc；气缸；电磁阀abstractwith the rapid development of industrial production, mechanization and automation of the production process has become a prominent theme. the new device is a robot developed in the mechanization and automation of the production process, it can be based on the needs of different work automation equipment, operating in accordance with its intended work program. as industrial production and processing are often used to perform part, the robot is security and stability, high efficiency, and can adapt to the harsh working conditions, which are widely used in automated production.in this paper, based on siemens plc, describes the robot application in simple workpiece handling control, designed a set of feasible robot control system, and sets out detailed control process. the design of the robot movement by the cylinder drive, while the cylinder from the corresponding electromagnetic valve control, enabling the robot down clamp, ascending, right line, down, relax, rose, left the line, such as automated control of the whole process, has high efficiency.keywords manipulator plc cylinder valve毕业设计(论文)目 录摘要iabstractii1 绪论11.1 课题背景及意义11.2 机械手的构成11.3 机械手国内外发展趋势21.4 总体设计任务32 机械手驱动系统设计52.1机械手驱动的选择52.2 气动元件的介绍62.3 气压驱动机械手工作过程83 机械手机械结构设计103.1 机械手自由度103.2 机械手的主要技术参数设定103.3 机械手的手部方案设计113.4 机械手的手臂气缸设计164 机械手控制系统设计204.1 机械手的控制系统的选择204.2 机械手的控制要求214.3 控制系统硬件电路设计224.3.1 plc选型224.3.2 plc外部接线图235 控制系统软件设计245.1 自动控制系统功能流程图245.2 plc编程255.2.1手动控制程序255.2.2 复位控制程序275.2.3 自动控制程序29结论33致谢34参考文献35附录36附录1 plc程序指令表36111 绪论1.1 课题背景及意义近年来，随着科学技术的发展，在现代化生产过程中，生产过程的机械化以及自动化已经成为发展趋势。而工业机械手作为一种在机械化和自动化生产过程中发展起来的新型装置，它不仅能够提高生产过程自动化、改善劳动条件、提高产品质量以及生产效率，而且它在高温度、高压力、多粉尘等许多不是适合人类长期工作的恶劣环境中有着更为广泛的应用，这很大程度上减少了工作对劳动力的需求。同时，在高技术领域内对工业机器人的研究已成为一门迅速发展起来的新兴技术，这更促进了机械手的发展。随着自动化的不断发展，机械手在工业生产上的应用将更加普遍，而没有控制系统的机械手只是徒有其表，机械手的发展势必与其控制系统的发展双驹并驰。1.2 机械手的构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部件构成。机械手的组成结构方框图如图1-1所示。图1-1 机械手组成结构方框图（一）执行机构执行机构主要由手部、手腕、臂部和支架等部件组成。1、手部手部是指机械手整体与被搬运工件接触的部件，它与人的手部结构有着相近的功能，可以完成人手简单的张开和闭合动作。在机械手工作的过程中，手部的主要功能是：夹紧工件，握持工件，松开工件。根据手部与工件接触方式的不同，手部又可以有夹持式手部和吸附式手部两种。 夹持式手部夹持式手部的结构与人类的手部构造类似，是机械手在工业生产中最常见的形式。它一般是由手爪、驱动机构、传动机构、连接和支承元件组成。 吸附式手部吸附式手部一般都是利用吸盘内形成的真空产生的压力来吸附货物体，它是由吸盘、吸盘夹持器和进气及排气系统构成。它结构简单、不易损坏货物，使用起来安全可靠。但因光滑的表面才可以和吸盘间产生真空，所以它对物体表面的光滑度有着很高的要求。2、手腕手腕是指手部与手臂相连接的结构部件，起着支承手部的作用，可以用来控制抓取工件的角度。简单的机械手结构中可以没有手腕。3、臂部臂部是支撑被抓工件以及手部手腕的主要部件。它作为机械手主要的执行机构，可以用来改变机械手的空间位置。4、支架支架是用来支撑整个机械手结构的部件，可以根据要求来控制机械手简单的旋转动作。（二）驱动系统驱动系统是向机械手执行机构中的运动部件提供动力的装置。机械手常见的驱动方式有液压式、气压式和电力式三种。（三）控制系统机械手的控制系统类似于人类的大脑，是整个机械手的关键和核心部分，控制机械手的各种动作。机械手控制系统主要作用是：通过一定的程序控制机械手按照预定的要求完成各种动作。简单的机械手通常不需要专门设置控制系统，只要采用行程开关、继电器、接触器等电器元件，通过简单的电路即可控制执行机构的动作；动作过程相对复杂的机械手，则需采用plc系统或者微机系统对其进行控制。（四）位置检测装置位置检测装置可以用来检测和控制执行机构的空间位置，同时将执行机构的实际位置反馈给控制系统，然后再通过系统的程序，确定机械手下一步动作。 机械手常见的位置检测方式有行程开关式、模拟式和数字式三种。利用行程开关检测机械手空间位置时，精度较低，所以一般将其与机械挡块结合使用。在机械手中，用行程开关与机械挡块检测定位机械手不但精度高，而且简单实用，所以它的应用也是最广泛的。1.3 机械手国内外发展趋势随着机械手在工业生产中的应用越来越广泛，对机械手的研究变成了很多国家和研发机构讨论的焦点，综合近年来国内外对机械手的研究成果，可以看出机械手的发展的趋势如下：（一）机械手的机电一体成都越来越高，对其控制系统的可编程性越来越强，在机械机构的支撑下结合当前电子技术和控制技术，更加适用于柔性制造系统。（二）随着微电子技术的发展，集成度也来越高，导致控制机构的体积大大减小，进而可以让机械手在更小的空间内进行工作。（三）机械手的机械结构将面向标准化生产，使用模块化的结构，方便日后的维护与保养。（四）传感器的功能越来越完善，一个机械手将会使用到若干个传感器，通过传感器来确定当前的工作状态与工作华景，判断下一步是否应该进行下一步动作，使得机械手在生产过程中更加的智能化（五）机械手将会朝着个人计算机的开放型控制器方向进行发展，以便使用者对其进行集中化，网络化的管理。综上所述，机械手发展大概能够分成两个方向：1、机械手将会变得更加的智能化、网络化，反馈系统和传感器技术大量引用，开放性进一步提高，机械和控制更有机的集合，可控性更强，精度更高。2、机械手将更加广泛的应用到实际的生产中，代替原来人工生产作业。各个机构模块通用型增强，降低机械手的投入成本同时在满足任务要求的情况下可靠性更强，性价比更高。1.4 总体设计任务本次设计的机械手是一台简单的搬运机械手，通过简单的程序控制，完成工件搬运工作。机械手工作示意图如图1-2所示。即通过机械手将左工作台的工件搬运到右工作台。在这种前提和背景下，本课题将要完成的主要任务如下：1、根据机械手工作示意图，确定其具体的工作过程2、根据的动作过程实际需求，确定机械手主要参数3、机械手执行机构设计，即手部、手腕、臂部的设计，并绘制机械图4、机械手传动系统设计，对传动系统中用到的元器件选型，并介绍驱动机械手的工作过程5、进行控制电路硬件设计，选择元器件，并绘制电路图6、机械手控制系统设计，选择合适的控制方案，并编写出具体控制程序图1-2 机械手示意图2 机械手驱动系统设计2.1机械手驱动的选择机械手按驱动方式分类可分为液压式、气动式和电动式三种机械手。1、液压驱动式机械手它是指以液压的压力来驱动执行机构运动的机械手。液压机械手属于流体传动，其传动原理主要是利用液体的静压力来实现能量的传递与转换。液压机械手优点非常明显，例如：运行相对稳定，结构不是特别复杂，可以承载较大的重量，整体结构装置占用空间位置比较小，工作效率比较高，可靠性好。但是，液压机械手也有其明显的缺点，例如：液压传动过程中需要装置有较高水准的保密性能，工作介质对温度的反应比较灵敏，检修比较困难，温度高低会影响压力的高低，进而影响机械手预期的工作要求。同时，目前市场上的精度比较高的液压阀加工工艺比较复杂，售价较高，进而导致液压驱动机械手的成本较高。2、气压驱动式机械手它是以压缩空气的压力来驱动执行机构运动的机械手。气压驱动机械手相对于其他的驱动方式有着独特优点，例如：首先气压驱动的工作介质大多为空气，介质取之不尽，成本比较低，并且排气过程比较简单，对环境污染非常小；其次气压驱动结构比较简单，在实际生产过程中安装维护都比较的方便，不需要过高的技术水平，方便检修；气压传动压力等级比较低，因此生产中安全性相对较高；气压传动装置对环境适应范围比较大，可在高温，潮湿的环境中工作。气压损失比较小，方便进行远距离传输。但是气压驱动机械手也有其明显缺点：气压传动在低速运行过程中稳定性远远小于液压，气缸的输出小于液压缸的输出力。综上可知，气压驱动机械手适合在环境相对较恶劣的工作环境中高速，轻载工作。3、电力驱动式机械手电力驱动机械手是通过电动机将电能转换为机械能来驱动执行原件进行预期的动作。经常应用到机械手中电力驱动装置有步进电动机、伺服电动机、三相异步电动机等。随着现代加工水平发展，步进电机动机，伺服电动机作为动力源的应用越来越多。步进电动机，伺服电动机有着方便调节速度，定位精准，可以断电自锁等先天性优点。另外，电动机驱动机械手，结构相对简单，维护方便，对环境污染小，机械能效率很高。目前来看电力驱动机械手有着非常好的发展前景。因为本机械手只需要实现简单的工件搬运动作，动作过程相对简单。只需要控制机械手上升、下降、左行、右行和手爪的松紧动作，工作距离比较短，初步选择气压驱动。液压式机械手虽传动稳定、结构紧凑，但其对于装置的密封性要求很严格；电力驱动机械手虽然不需要繁杂的转换机构，机械结构也相对简单，但运动速度过快，显然不适合短行程简单的机械手搬运工件。相对而言，气压驱动机械手介质来源方便、结构简单、成本低的特点正好契合本机械手的设计宗旨，所以选择气压驱动机械手在此设计中可行性更高。2.2 气动元件的介绍结论本次毕业设计，先对机械手整体进行了概括，并介绍了机械手目前的发展状况以及发展前景。根据设计要求，阐明了本次设计的具体意义，确定了本次设计主要任务。接着通过对几种常见的机械手驱动系统的介绍和比较，选择了较为常见的气压驱动，即通过电磁阀驱动气缸活塞动作，从而控制机械手的动作过程。然后对机械手结构进行了简单设计，通过计算确定了三个气缸具体的尺寸，并进行了强度校核。根据机械手的控制要求，对机械手的硬件电路进行设计，选择了西门子s7-200系列 cpu226继电器输出型plc，并根据机械手输入输出点分配表，绘制了plc外部接线图。最后根据机械手的动作过程，绘制了系统工作流程图，编写了详细的plc梯形图程序，实现机械手手动运行，自动运行以及复位功能。本次设计中的机械手可以实现其简单的搬运工件的动作。由于缺乏实际经验，设计中还存在许多不完善的地方，比如无法实现机械手旋转的要求，致其使用上有一定的局限性。这就要求我们在今后的学习和生活中不断创新，这样才能设计出使用范围更广的机械手。致谢参考文献1 saeed b.niku美.机器人学导论m.2 孙英飞,罗爱华.我国工业机器人发展研究j.科学技术与工程,2012,123 刘文波,陈白宁.工业机器人m.沈阳：东北大学出版社,20074 郭洪红.工业机器人运用技术m.北京：科学出版社,20085 宋伟刚.机器人学:运动学、动力学与控制m.北京:科学出版社,20076 陶红艳.传感器与现代检测技术m北京：清华大学出版社,2010 7 夏银桥.传感器技术及应用m.武汉:华中科技大学出版社,2010 8 黄永红.电气控制与plc应用技术m.北京：机械工业出版社,20139 秦大同,谢里阳.气压传动与控制设计m.北京：化学工业出版社,201310 王宗才.机电传动与控制m.北京：电子工业出版社,201411 david g. ullman.the mechanical design processm.usa:mcgraw-hill companies,2003.附录附录1 plc程序指令表network 1 / 启动ld i0.0s m0.0, 1network 2 / 手动控制ld i0.3s m0.1, 1network 3 / 机械手左行ld m0.1a i0.7a i1.3s q0.2, 1network 4 / 机械手左行到位ld i1.5r q0.2, 1network 5 / 机械手右行ld m0.1a i1.0a i1.0s q0.3, 1network 6 / 机械手右行到位ld i1.6r q0.3, 1network 7 / 机械手上升ld m0.1ld i1.5o i1.6alda i0.5s q0.1, 1network 8 / 机械手上升到位ld i1.3r q0.1, 1network 9 / 机械手下降ld m0.1ld i1.5o i1.6alda i0.6s q0.0, 1network 10 / 机械手下降到位ld i1.4r q0.0, 1network 11 / 机械手夹紧放松ld m0.1lpsa i1.1s q0.4, 1lppa i1.2r q0.4, 1network 12 / 机械手复位ld m0.0a i0.2s m0.2, 1network 13 / 机械手在原点时，原位指示灯亮ld m0.0a i1.3a i1.