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大专生机电一体化毕业论文 机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术并已成为现代科技的一个重要组成部分 汽车业的快速发展车外型愈求美观流线并由于汽车外板件要求完美无尘的冲压生产线也向高速化、高品质、自动化、柔性化方向发展传统冲压生产过程中的手工操作、人工送料的生产方式已无法满足该行业的需要机械手的积极作用正日益为人们所认识其一它能部分地代替人的劳动并能达到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因此它能大大地改善工人的劳动条件加快实现工业生产机械化和自动化的步伐因此受到各先进单位的重视并投入了大量的人力物力加以研究和应用尤其在高温、高压、粉尘、噪声的场合应用得更为广泛 在我国近代几年来也有较快的发展并取得一定的成果受到各工业部门的重视 1.2本文主要做的工作1、问题提出：PLC控制的机械手最主要是应用于自动化生产中如何综合地运用前面学过知识点根据实际工程要求合理组合成控制系统在此介绍组成可编程控制器控制系统的一般方法 2、系统设计的主要内容（1）拟定控制系统设计的技术条件 技术条件一般以设计任务书的形式来确定它是整个设计的依据；（2）选择电气传动形式和电动机、电磁阀等执行机构；（3）选定PLC的型号；（4）编制PLC的输入/输出分配表或绘制输入/输出端子接线图；1（5）根据系统设计的要求编写软件规格说明书然后再用相应的编程语言（常用梯形图）进行程序设计；（6）了解并遵循用户认知心理学重视人机界面的设计增强人与机器之间的友善关系；2第二章可编程控制器的概述2.1可编程控制器的基本知识PLC的种类繁多其规格和性能也各不相同对PLC的分类通常根据其形式的不同、功能的差异和I/O点数的多少等进行大致分类.根据1、PLC的结构形式可将PLC分为整体式和模块式两类（1）整体式PLC整体式PLC是将电源、CPU、I/O接口等各件都集中装在一个机箱内具有结构紧凑、体积小、价格低的特点 小型PLC一般采用这种整体式机构 整体PLC由不同PLC点数的基本单元和扩展单元组成基本单元内有CPU、I/O接口与I/O扩展单元相连的扩展口、以及编程器或EPROM写入器相连的接口等 扩展单元内只有I/O和电等没有CPU基本单元和扩展单元之间一般用扁平电缆连接 整体式PLC一般还可配备特殊功能单元如模拟量单元、位置控制单元等使其功能得以扩展2模块式PLC模块式PLC是将PLC各组成部分分别作成若干个单独的模块如CPU模块、I/O模块、电源模块（有的含在CPU模块中）以及其他模块 模块式PLC由框架或基板和各种模块组成模块装在框架或基板的插座上 这种模块式PLC的特点是配置灵活、可根据需要选配不同规模的系统而且装配方便便于扩展和维修 大、中型PLC一般采用这种模块式结构 还有一些PLC将整体式和模块式的特点结合起来构成所谓叠装式PLC 叠装式PLC其CPU电源I/O接口等也是各自独立的模块 但它们之间是非电缆进行联接并且各模块可以应地叠装这样不但系统可以灵活配置还可以做的体积小巧 2、按功能分根据PLC所具有的功能不同可将PLC分为低中高档次（1）低档PLC具有逻辑运算、定时、计数、移位以及自诊断监控等基本功能还可以少量模拟量输入/输出算术运算数据传送和比较等功能主要用于逻辑控制顺序控制或少量模拟量控制的单机控制系统 （2）中档PLC出具有低档PLC的功能外还具有模拟量输入/输出算术运算数据传送和比较；数据转换远程I/O子程序通信联网等功能有些还可增设中断控制3PID控制等功能适应于复杂控制系统 （3）高档PLC除具有中档PLC的功能外还增加了符号算术运算矩阵运算位逻辑运算平方根运算及其他特殊功能函数的运算制表及表格传递功能等 高档PLC具有更强的通信联网功能可用于大规模过程控制或构成分布式网络控制系统实现工厂自动化 3、按I/O点数分类根据PLC的I/O点数的多少可将PLC分为小型中型和大型三类（1）.型PLCI/O点数lt256点单CPU8位或16微处理器用户存储器容量4K字以下CEI型美国通用电气（GE）公司TI100美国德洲仪器公司F、F1、F2日本三菱电气公司C20C40日本欧姆龙公司SF200德国西门子公司EX20EX40日本东芝公司SR20/21中外合资无锡华光电子工业有限公司（2）中型点数2562048点双CPU用户存储器容量28KS7300德国西门子SR400中外合资无锡华光电子工业有限公司SU5SU6德国西门子公司C500日本立石公司CEGE公司（3）.大型PLCI/O点数gt2048点多CPU16位、32位处理器用户存储器容量816KS7400德国西门子公司GEIVGE公司C2000立石公司K3三菱公司42.2可编程控制器PLC的应用与前景目前在国内外PLC已广泛应用冶金石油化工剪彩机械制造电力汽车轻工环保及文化娱乐等各行各业随着PLC性能价格的不断提高器应用领域不断扩大从应用类型看大致可归纳为以下几个方面：2.2.1强量逻辑运算利用PLC最基本的逻辑运算定时计收等功能实现逻辑运算科取代传统的继电器控制用于单片机控制多机群控制生产自动线控制等 例：机床注塑机印刷机械装配生产线电镀流水线及电梯的控制等 这是PLC最基本的应用也是PLC最广泛的应用领域 2.运动控制大多数PLC都有拖动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块这一功能广泛用于各种机械设备 例如：各种机床装配机械 机器人等进行运动控制 3.过程控制大中型PLC都具有多路模拟量I/O模块和PID控制功能 有的小型PLC也具有模拟量输入输出所以PLC可实现模拟量控制而且具有PID控制功能的PLC可构成闭环控制用于过程控制 这一功能已广泛用于铝炉反应堆水处理酿酒及闭环位置控制和速度控制等方面 4.数据处理现代的PLC都具有数学运算数据传递转换排序和查表等功能可进行数据的采集分析和处理同时的通过通信接口将这些数据传送给其电智能装置 例如：CNC设备进行处理 5.通信联网PLC的通信包括PLC与PLCPLC与计算机PLC与其它智能设备之间的通信PLC系统与通用计算机可直接或通过通信处理单元通信转换单元相连构成网络已实现信息的交换和构成 集中管理分散控制的多级分布式控制系统 满足工厂自动化（FA）系统发展的需要 2.2.2国外PLC发展概况PLC在问世以来经过40多年的发展 在美、德国等工业发达国家已成为重要的产业之一世界总销售额不断上升生产厂家不断涌现品种不断翻新产量产值大幅5度上升而价格则不断下降 目前世界上有200多个厂家生产PLC 较多的有美国：AB通用电气、莫迪康公司；日本：松下、三菱、富士、欧姆龙等；德国：西门子公司；法国：TE施耐德公司 韩国：三星、LG公司等PLC的发展前景（1）产品规模向大小两个方向发展大：I/O点数达14336点32位微处理器多CPU并行工作大容量存储器扫描速度快高速；小：整体结构向小型模块化结构发展增加了配置的灵活性降低了成本；（2）PLC在闭环过程中应用日益广泛；（3）不断加强通讯功能；（4）新器件和模块不断推出6第三章可编程控制器的编程语言3.1可编程控制器的几种编程语言可编程控制器的编程语言按IEC611313国际标准来分主要包括图形化编程语言和文本化编程语言 图形化编程语言包括:梯形图LDLadderDiagram、功能块图FBDFunctionBlockDiagram、顺序功能图SFCSequentialFunctionChart 文本化编程语言包括:指令表ILInstructionList和结构化文本STStructuredText 这些语言是基于WINDOWS操作系统的编程语言.而SFC编程语言则在两类编程语言中均可使用 下面分别来介绍这几种编程度语言 3.1.1梯形图编程语言LDLadderDiagram是梯形图来源于继电器逻辑控制系统的描述PLC编程中被最广泛使用的一种图形化语言由于梯形图类似于继电器控制的电气接线图便于理解因此许多编程人员和维护人员都选择了这一编程方式 而且其图形结构类似于登高用的梯子故名梯形图 梯形图程序的左右两侧有两垂直的电力轨线左侧的电力轨线名义上为功率流从左向右沿着水平梯级通过各个触点、功能、功能块、线圈等提供能量功率流的终点是右侧的电力轨线 每一个触点代表了一个布尔变量的状态每一个线圈代表了一个实际设备的状态一个简单的梯形图程序如图1所示:图3.1梯形图程序示例梯形图的每个梯级表示一个因果关系事件发生的条件表示在梯形的左面事件发生的结果表示在梯级的右面 梯形图编程语言具有如下特点:71与电气操作原理图相对应具有直观性和对应性2与原有继电器逻辑控制技术相一致易于掌握和学习3对于复杂控制系统描述仍不够清晰4可读性仍不够好 几乎所有PLC厂商提供的PLC都支持梯形图编程语言而且都比较容易理解只是在梯形图结构上可能稍有变化 比如西门子的S7系列梯形图就没有右边的电力轨线 有时在有此参考书中右边的电力轨线也常常被省略 3.1.2功能块图编程语言FBDFunctionBlockDiagram功能块图编程语言采用功能模块表示所具有的功能不同的功能模块具有不同的功能 功能模块用矩形来表示每一个功能模块的左侧有不少于一个的输入端右侧有不少于一个的输出端 功能模块的类型名称通常写在块内其输入输出名称写在块内的输入输出点对应的地方 功能模块基本上分为两类:基本功能模块和特殊功能模块 基本功能模块如ANDORXOR等等.特殊功能模块如ON延时脉冲输出计数器等等 功能块编程语言具有以下特点:1以功能模块为单位从控制功能入手使控制方案的分析和理解变的容易2功能模块用图形化的方式描述功能较直观易掌握方便组态易操作 是有发展前途的一种编程语言3对较复杂系统由于控制功能关系能够比较清晰的描述因此缩短了编程和调试时间4因为每一个功能模块要占用一定程序存储空间对功能块的执行需要一定的执行时间因此这种语言在大中型可编程控制器和分散控制系统中应用较广泛 8第四章PLC控制机械手的系统设计4.1各电器设备的控制方式及控制要求1、机械手的技能和特性根据古典力学观点物体在三维空间的静止位置是由三个坐标和绕三轴旋转的角度来决定的 因此抓握物体的位置和方向（即关节间的角度）能从理论上求得 据资料介绍如果采用的机械手其机能要接近人的上肢则需要具有27个自由度而每一 这样就需要安装27根重量轻、小型和高输出力的个自由度至少要有一根“人造肌肉”“人造肌肉” 就目前的技术状况而言上述功能还很难办到 而且把机械手的功能搞得那么复杂动作彼此严重重叠也是完全不必要的 退一步如果机械手要求具有完全通用的程度那么它的整机、本体、手臂和手指都得有三个直线运动和三个旋转运动总共就要有24个自由度 这在实际上也是不必要的这样会使机械手结构复杂费用增多 因此不应盲目模仿人手的动作增加过渡的自由度而应根据实际需要的动作设计出最少的自由度就能完成作业所要求的动作 所以一般专用的机械手（不包括握紧动作）通常具有二到三个自由度 而通用机械手一般取四到五个自由度 本设计中设计的机械手它共有五个自由度 即：手臂伸缩、手臂上下摆动、手臂左右摆动、手腕回转、手指抓握 2.躯干和传动系统机械手的传动分为液压、气压、电气和机械四种本设计采用综合传动方式即手臂采用电气传动而手爪则采用气压传动 1、夹紧机构机械手手爪使用来抓取工件的部件 手爪抓取工件是要满足迅速、灵活、准确和可靠的要求 设计制造夹紧机构手爪时首先要从机械手的坐标形式、运行速度和加速度的情况来考虑 其加紧力的大小则根据夹持物体的重量、惯性和冲击力的大小来计算 同时考虑有足够的开口尺寸以适应被抓物体的尺寸变化为扩大机械手的应用范围还需备有多种抓取机构以根据需要来更换手爪 为防止损坏被夹的物体夹紧力应限制一定的范围内并镶有软质垫片、弹性衬垫或自动定心结构 为防止突然停电被抓物体落下还可以有自锁结构 夹紧机构本身则应结构简单、体积小、重量轻、动作9灵活和动作可靠 夹紧机构形式多样有机械式、吸盘式和电磁式等 有的夹紧机构还带有传感装置和携带工具进行操作的装置 本设计采用机械式的夹紧机构 机械式夹紧机构是最基本的一种应用广泛种类繁多 如按手指运动的方式和模仿人手的动作可分为回转型、直进型；按夹持方式可分为内撑式、外撑式和自锁式；按手指数目可分为二指式、三指式、四指式；按动力来源可分为弹簧式、气动式、液压式等 本设计采用二指式气动手爪 由可编程控制器控制电磁阀动作从而控制手爪的张闭 手爪的回转则用一个直流电动机完成同时通过两个限位磁头完成回转角度的限位一般可设置在180度 2躯干躯干由底盘和手臂两大部分组成 底盘是支撑机械手全部重量并能带动手臂旋转的机构 底盘采用一个直流电动机驱动底盘旋转时带动一个旋转码盘旋转机械手每旋转3度发出一个脉冲由传感器检测并送入可编程控制器从而计算底盘旋转的角度 同时在底盘上装有限位磁头最大旋转角度可达270度 手臂是机械手的主要部分它是支撑手爪、工件并使它们运动的机构 本设计中手臂由横轴和竖轴组成可完成伸缩、升降的运动 手臂采用步进电动机带动丝杠、螺母来实现伸缩和升降运动 由可编程控制器发出脉冲信号经步进电动机驱动器驱动步进电动机旋转带动滚珠丝杠旋转完成手臂的运动 改变发出脉冲的个数可控制手臂的两个轴运动的距离 同时在两轴的两端分别加限位开关限位 采用丝杠、螺母结构传动的特点是易于自锁位置精度较高传动效率较高 4.2电器元件、设备的选择1、PLC机型的选择根据被控对象对PLC控制系统的功能要求可进行PLC型号的选定 进行PLC选型时基本原则是满足控制系统的功能需要同时要兼顾维修、备件的通用性 对开关量控制的系统当控制速度要求不高时一般的PLC都可以满足要求如对小型泵的顺序控制、单台机械的自动控制等 当控制速度要求较高、输出有高速脉冲信号等情况时要考虑输入/输出点的形式最好采用晶体管形式输出 对带有部分模拟量控制的装置等 102、输入/输出的点数：I/O点数可以衡量PLC规模的大小 准确统计被控对象的输入信号和输出信号的总点数并考虑今后系统的调整和扩充在实际统计I/O点数基础上一般应加上1020的备用点数 多数小型PLC为整体式具有体积小、价格便宜等优点适于工艺过程比较稳定控制要求比较简单的系统 模块式结构的PLC采用主机模块与输入模块、功能模式块组合使用的方法比整体式方便灵活维修更换模块、判断与处理故障快速方便适用于工艺变化较多、控制要求复杂的系统 此外还应考虑用户储