毕业设计（论文）-基于PLC控制的气动弹琴机械手设计.doc

济南大学毕业设计1 前言1.1 课题背景随着工业的机械化和自动化的发展和气动技术本身的一些优点，气动机械手已经广泛应用在生产自动化的各个行业。随着激烈的国际性竞争促进了工业自动化的飞速发展，气动技术的运用领域也快速扩展，特别是在各种自动化生产线上得到广泛应用。PLC控制技术与气动技术相结合，使整个系统自动化程度更高，控制方式更灵活，性能更加可靠；并且随着电子技术的引入，促进了电气比例伺服技术的发展，使气动技术从开关控制进入闭环比例伺服控制，控制精度也不断提高，而且国内外都在大力开发研究气动技术。从各国的行业来看，在工业技术发达的欧美、日本等国家，他们设计的机械手在焊接，尤其在一些危险的操作中发挥的举足轻重的作用，而且他们也在物料搬运中也有所涉及和研究应用。比如在日本川崎公司设计的机械手能够具备了普通人的手的动作范围，可以满足从产业用于组装、搬运到教育、研究等广泛用途的机械手。例如FS系列主要用于装配、搬运和密封，FC主要用于清洁室，FA专门用于焊接，FW系列主要用于清洗。而且，他们还提供“转化组件”，进一步扩展动作范围和负载能力。由于我国对气动技术和气动机械手的研究与应用都比较晚，但随着投入力度和研发力度的加大，我国自主研制的许多气动机械手已经在许多行业为国家的发展进步发挥着重要作用。基于PLC控制的机械手在教学研究中能够实现物料搬运，而且我们设计的该机械手主要用于教学模块用于演示实验，但在一些发表的论文中也主要涉及在搬运物体中的研究。可编程控制器是在以计算机技术、通信技术和继电器控制技术的发展基础上开发 起来的，现已广泛应用于工业控制的各个领域。它是以微处理器为核心，用编写的程 序进行逻辑控制、定时、计数和算术运算等，并通过对数字量和模拟量的输入/输出来控制机械设备或生产过程的。机械手是工业自动控制领域中经常用到的一种装置。并且PLC与气动技术相结合能够更为方便的实现机电一体化控制。随着国民经济的快速发展，现在化程度日益提高，机械手在不同的领域运用的越来越广，而且机械手在一些危险的领域可以代替人来实现。本次设计的机械手就是可以通过模拟人手的动作来完成对一些曲目用电子琴来弹奏。1.2国内外研究的现状 弹琴机械手在每一个国家都有相当一部分人去研究，而且在大部分国家对于它的研究硕果累累，尤其是在气动技术比较发达的欧美、日本等国家。在美国约翰霍普金斯大学的科学家就将电流信号传输给机械手，并控制机械手做出了一系列复杂的动作，例如弹奏电子琴。他们将信号进行处理后，传输给机械手，使机械手在琴键上弹奏出几段优美的曲子。而且在英国就研究并研制成功了仿生手指，使它能够灵活的操控并能弹奏优美的曲段。在日本川崎公司设计的机械手能够具备了普通人的手的动作范围，可以满足从产业用于组装、搬运到教育、研究等广泛用途的机械手。例如FS系列主要用于装配、搬运和密封，FC主要用于清洁室，FA专门用于焊接，FW系列主要用于清洗。而且，他们还提供“转化组件”，进一步扩展动作范围和负载能力。其实在我国一些高等院校也进行过对电子琴的用机械手进行弹奏，例如基于微机控制的气动弹琴系统的设计以及数控气动弹琴实验系统设计等，在贵州大学机械工程学院在2010年的装备制造技术发表的期刊论文中就很好的设计出了一套比较完整的方案。虽然在弹琴机械手研究方面我们与发达国家还有一定的差距，而且弹琴机械手在一定的情况下还无法和真人演奏的手法相比。但是这也毕竟是一种突破。1.3设计的主要内容基于对国内外气动弹琴机械手研究现状的分析，本次要设计出一种基于PLC控制的气动弹琴机械手，就是通过PLC控制气动弹琴系统以空气为动力源，以电子琴为对象，PLC是整个装置的控制核心，它执行根据乐谱编制好的程序，输出控制信号，经由隔离驱动电路隔离和放大后，作用于电磁阀，实现对电磁阀的驱动。电磁阀是气缸气路通气/断气的开关，气缸的活塞杆由压力气体推动，实现对琴键的弹奏，使电子琴发出美妙音乐。1. 基于PLC控制的气动弹琴机械手的总体研究。基于PLC的特点，对气动弹琴机械手的总体进行分析，而且涉及到了密封装置，移动装置，气路装置等。2. 基于PLC控制的气动弹琴机械手的总体设计研究分析。为了弹奏出美妙的乐曲，着重对一些关键部位的设计以及如何对PLC相应的程序进行具体的研究分析。3. 基于PLC控制的气动弹琴机械手的总体系统原理图的分析并弄清相应的工作原理，并对其性能进行分析研究。4. 基于PLC控制的气动弹琴机械手的气动控制回路进行总体研究分析。本次设计的基于PLC控制的气动弹琴机械手主要由PLC及其外围设备、驱动电路、电磁阀、气泵、气缸、电子琴等组成。2机械系统设计本次设计的弹琴机械手主要靠的是微型气缸中的活塞杆的上下移动来实现对电子琴的弹奏。因此，只要在每一个琴键上安放一个微型气缸就可以了。2.1执行机构的设计气缸的设计是在对整个气压系统进行分析，要选定工作压力之后才进行的。设计时按负载情况、运动要求、最大行程等确定其主要工作尺寸，进行强度等，最后在进行结构设计。气缸是由缸筒、端盖、活塞、活塞杆和密封件等组成的。一、气缸主要尺寸的确定1.缸筒的内径D气缸的缸筒内径D是根据负载大小和工作压力来确定的，则由于本次气压的系统气压大约1MPA根据GB/T2348-1993标准中选择D=16mm。2.初选活塞杆的直径d气缸活塞杆直径d按照工作时的受力情况决定，d=(0.3-0.5)D,则按照国家标准则选活塞杆直径 d=8mm。3.缸筒长度L气缸的缸筒长度由最大工作行程决定，这里选定最大工作行程为15mm，而且一般不超过其内径的20倍。二、强度校核气缸的缸筒壁厚、活塞杆直径d等进行校核。1.缸筒壁厚壁厚按公式：式中 D-缸筒直径，p-缸筒试验压力，-缸筒材料的许用压力3.8满足其要求。2.活塞杆直径d活塞杆的直径d按下式进行校核d式中 F-活塞杆上的作用力，-活塞杆材料的许用压力d 满足其要求。三、气缸的其他部件其他的零件如活塞、端盖和密封件等，就不需要进行校核计算。但是，端盖上设有进排气通口。杆侧的端盖上还必须加上密封圈和防尘圈，以防止从活塞杆的一端向外漏气以及防止外面的粉尘和灰尘进入缸内。活塞是气缸中的受压力的零部件。为了防止活塞左右两侧相互窜气，那么就必须在活塞上加上密封圈。而活塞的宽度主要由密封圈尺寸决定的。活塞杆是气缸中最重要的受力零件。因此，就必须保证活塞杆有足够的强度。密封件的作用是防止气缸漏气、窜气以及防止外部的粉尘进入气缸内。2.2 琴架结构的设计在这次设计中，琴架主要是固定电子琴的，因此，在设计中对于一些次要的尺寸就不必过多的去追究，也不需要多高的精度和误差，只要满足一般的定位就可以了。在这里琴架设计为组合体，通过组合来组装琴架，没有必要制造成一个完整的整体。琴架主要有底部、上部和顶部组成的。底部主要是起固定作用的，保持稳定型的；上部主要是起固定和安放电子琴的作用的；而顶部主要是起固定和安放气缸的作用。 琴架示意图2.3 气动回路的设计气动技术是以压缩空气为工作介质进行能量和信号的传递，从而实现生产过程自动化的一门技术。顺序控制是气动系统的一个重要的应用领域，在自动化设备中特别是自动化生产线、机械手等顺序控制场合，气动顺序控制系统是最常见的系统。气动技术由于PLC的加入，使得很多复杂的控制系统变得更加容易和简便。 本系统共设置了25个气缸，由PLC控制的实现25路气缸的动作。气动原理图如图1（一路气动原理图）所示。气源通过过滤器、减压阀等的处理后，经两位三通电磁阀通过各个回路，驱动各气缸动作。图1一路气动原理图就某一气缸来说，其动作状态主要取决于电磁换向阀的电磁铁是否得电以及得电后持续多长的时间。其工作过程是：气缸伸出活塞杆并敲击琴键而且保持伸出的状态，并同时计时器开始计时，当设定的延时时间到了以后，电磁换向阀换向，气缸就会缩回，而且这时候琴键也是复位，转到下一个音符所对应的气缸伸出活塞杆并敲击琴键。依次下去，就可以完成一整首曲子的演奏。3 控制系统设计3.1 系统设计的基本步骤基于PLC控制的气动弹琴机械手系统设计和调试的演示步骤，如下图2所示： 确定课题研究内容制定方案设计电气原理图查阅资料按要求确定硬件配置按要求编写程序设计系统结构调试程序记录运行结果并分析总结错误图2系统设计步骤图3.2 系统及原理图在本次设计实验中，气动部分作为了驱动部位并且充当了不可或缺的作用，而且在控制着气缸，使气缸中的活塞上下的运动，从而弹奏电子琴。但控制这气缸的是电磁阀，它相当于气缸的开关。而控制电磁阀的是PLC的程序，它由隔离驱动电路隔离及放大之后，才作用于电磁阀。总体回路的原理图框图如图3所示 ： 电磁阀气泵气缸乐谱电子琴PLC气缸动作 图3 总体回路的原理图3.3控制要求分析音乐中有两个最重要的量：音高和音长。音高主要指发声的频率，音长则主要是指发声的持续时间，它主要涉及到了一首曲子的节拍快慢。类似于人手弹琴，是将一连串的音符组成的乐谱转化为气缸的动作并演奏出一首连贯的乐曲，这就要保证弹奏的每一个音符的准确了。在本次设计中，每一个气缸对应一个琴键，这就保证并完成了人手弹琴时手臂的来回移动。以每个音符的弹奏动作作为一个步骤，则某气缸的一次动作即完成一个步骤，那么其转步的主令信息则由时间继电器来控制，其延时主要取决于具体曲子的演奏速率。这样一来，弹琴的过程就可以简化为对开关量的顺序控制了，选用PLC来实现其控制就行。控制系统原理图如下图所示：输入单元CPU单元输出单元传输单元传输单元控制按钮电磁换向阀气缸3.4 PLC的选择在对本设计所需要的 PLC 进行选择时要考虑很多方面，主要依据机械手控制系统工作过程的特点和应用要求，详细分析工作过程的特点、控制要求，明确控制任务和范围，确定所需要的操作和动作，然后根据控制要求估算输入输出点数，确定所需要存储器的容量、PLC 的功能、外部设备特性等，最后选择有较高性能的PLC及设计相应的控制系统。 （一）输入输出点数估算输入输出点数的估算很重要，在估算时要考虑到适当的余量，通常在统计的输入输出点数基础上增加10%-20%的余量，这就有利于对PLC的 有效控制。 （二）存储器容量估算可变程序控制器本身提供的硬件存储单元大小就是存储器容量，它是存储器控制系统硬件的选择中用户应用项目使用的存储单元的大小，由此可以看出存储器的容量大于程序容量。由于程序容量在设计阶段是未知的，需要在程序调试后才会知道，因此要对存储器的容量进行大体上的估算。 （三）PLC 控制功能的选择 。PLC 的控制功能有很多，包括运算功能、控制功能、通信功能、编程功能、诊断功能和处理速度等。本次课题设计的机械手在控制功能的选择上并没有包含完 PLC 的所有功能，但是有几项主要的功能是这次设计必须的。第一个就是控制功能，可编程控制器主要用于顺序逻辑控制，所以很多场合采用单回路或多回路控制器解决模拟量的控制。其次是编程功能，这是每个PLC都必不可少的部分，编程功能又可以分为离线编程方式和在线编程方式两种。在离线编程时可以降低系统成本，但是使用和调试不方便。而在线编程成本高，但系统调试和操作方便。另一个功能就是诊断功能，PLC 的诊断功能包括硬件和软件诊断。硬件诊断通过硬件的逻辑判断确定硬件的故障位置，软件诊断又分为内诊断和外诊断。PLC 的诊断功能的强弱，直接影响到对操作和维护人员技术能力的要求。 （四）可编程控制器机型的选择可编程控制器的种类繁多，型号各异，要选出适合本设计的 PLC 产品就要通 过对输入和输出点数的选择、对存储容量的选择、对响应时间的选择以及负载情况等进行综合的分析。最后我决定使用三菱公司生产的FX 系列的FX2N-64MR 型号的可编程控制器作为机械手的控制器。3.5 I/O接线图系统的控制电路设计主要是 PLC 的输入、输出接线图设计，根据弹琴机械手的动作过程和控制要求，确定PLC 的型号，合理分配输入、输出点，得到系统的PLC 输入、输出接线图，如图4所示图4 系统I/O接线图3.6一路控制信息传递原理图通过在PLC上根据乐谱编制相应的程序，在程序执行时，输出口输出的控制信号，并且这个信号经过驱动电路放大后（图5为一路控制信息传递原理图），作用于电磁阀的电磁线圈，使电磁阀阀芯处在不同位置，从而使弹琴用的微型气缸冲或放气；最后气缸的活塞杆作用于电子琴的琴键，弹出音乐。图5 一路控制信息传递原理图3.7 PLC的梯形图这是一首完整曲子的PLC梯形图，其他曲子可以在此基础上进行类似的编写。3.8 系统的工作过程分析工作过程分析如下:当按下选择按钮X001时,在应用指令ZRST的作用下,整体复位状态S0S999和定时器T0T245；同时,输入继电器X001的常开触点闭合,并通过主控触点(M1常开触点)自锁,输出继电器Y026接通,显示曲子1被选中;与此同时,状态S0被置位实现初始化,若此时再按下启动按钮X000,则开始执行演奏第一首曲子的程序。在曲子1的演奏过程中,若按下停止按钮X013,则主控接点M1断开,系统停止动作,并返回到初始状态;这时再依次选择按钮X002和X000,则第二首曲子被选中并开始演奏。对于所有的3首曲目的选择和控制均是类似的,程序之间已经实现了软件互锁,不会在执行中发生冲突。3.9程序设计中的注意事项（1）状态号不可重复使用。STL指令仅限于状态寄存器S的操作，在没有并行序列时，一个STL触点在同一程序中只能出现一次。但是，在不同的状态之间，可编写同样的输出软元件。这样就能解决了曲子中某一音符要求出现多次的可能。（2）定时器可以重复使用。定时器线圈与输出线圈一样，可以在程序中重复利用，这样就节省了定时器的个数。但是，在相邻状态中不能对同一定时器进行编程，否则，工序转移时定时器线圈不能及时断开，就会使得当前值不能复位，就会使程序执行时陷于混乱。（3）主控指令的使用。遇到多个线圈同时受一个或多个触点控制时，如果在每一个线圈的控制电路中都串入同样的触点，就会多占存储单元。而主控指令就可以解决这个问题。它们是与母线相连的常开触点，是控制一组电路的总开关。只要我们改变软元件地址号Y、M，就可以多次使用主控指令。（4）顺序控制是PLC控制的一个非常重要的应用领域，采用STL指令设计顺序控制用户程序，具有使用方便、易于掌握和编程的特点。同时，用STL指令设计顺序控制程序，可以有效的减少内存占用空间，特别对于一些复杂的控制系统，能够大大缩短程序的执行时间，并提高PLC的输入、输出响应速度。结 论本课题所设计的机械手的操作过程是由气泵和气缸组成执行机构作为驱动，系统采用可编程控制器控制，运用步进顺序控制编程，程序简单且便于调试。利用 PLC 控制机械手相对于其它控制方式，具有很高的可靠性，较强的可操作性和实用性。可编程控制器PLC以其丰富的I/O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。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。而且通过这次的毕业设计，我学到了很多东西，在做设计的过程中对工作的细心得到了提高，认识到自己在这方面的不足。并且，对本设计的内容有了更好的了解，比如加深了解了有关可编程控制器的功能及编程方式和对梯形图的认识，还有机械手的工作原理等等。并且还了解到了一些国内外对这些方面的研究和探索以及他们在这方面的主要成就，也认识到了我们在机械手领域的不足。通过做这个设计，对以前不足的知识进行弥补，在指导老师那里学到了很多宝贵的东西，这些都是对我很有帮助的。参 考 文 献1.孙选,李国平,王娜等.基于微机控制的气动弹琴系统设计J.液压与气压,2007（8）：20-23.2.孙选,李国平,王娜.基于PLC控制的气动物料搬运系统的研制J.机床与液压,2005（7）：102-103.3.王慧，侯志坚等.气动控制技术在塑窗自动铣削机中的应用J.液压与气动，2004（11）：65-67.4.张鲁国 .PLC在机械手控制系统中的应用J.微计算机信息，2000，(16）：36-37.5.赵龙,易孟林,罗晓玉. 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INTERNATIONAL SCIENTIFIC CONFEENCE ON ACHIEVEMENTS IN MECHANICAL AND MATERIALS ENGINEERING, POLAND, 2005.致 谢本次毕业设计的研究工作是在我的指导老师李老师的精心指导和同学的帮助下完成的。首先要向本次设计的指导老师表示最诚挚的谢意。老师在自己紧张的工作中，仍然会抽出时间对我进行指导，时刻关心我的设计的进展状况。老师给予的帮助对我的设计是非常重要的，从借阅参考资料到实际操作，他都给予了指导，不仅让我掌握了书本中的知识，更学会了学习操作方法，如何合理安排时间和论文的编写，对我提出的问题认真讲解，并及时的纠正我在设计中出现的错误，这让我更容易懂得那些比较难的问题。其次，还要向给予此次毕业设计帮助的同学们以诚挚的谢意，在整个设计过程中，他们也给我很多帮助，更重要的是为我们提供不少设计方面的资料，在此感谢他们，没有这些资料我就不会是完成一个完整的论文。总之，本次设计是在老师的指导下和同学的帮助下共同完成的，在设计的这段时间里，我们合作的非常愉快，他们教会了我许许多多的道理，这是我人生道路上的一笔巨大的财富，我再次向给予