基于PLC控制的机械手机械手毕业设计

1、1西安航空西安航空毕毕 业业 设设 计（论计（论 文）文）论文题目：论文题目： 基于基于 PLCPLC 的机械手系统设计的机械手系统设计所属系部：所属系部： 自动化工程系自动化工程系指导老师：指导老师： 职职 称：称： 副教授副教授学生姓名：学生姓名： 班级、学号班级、学号: : 专专 业：业： 机电一体化技术机电一体化技术西安航空职业技术学院制西安航空职业技术学院制2013 年 12 月 27 日2西安航空西安航空 毕业设计（论文）任务书毕业设计（论文）任务书题目：基于 PLC 的机械手系统设计摘要本论文主要阐述了机械手是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。近年来，随着电子技术

2、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。 机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能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大等特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用，例如：(1)机床加工工件的装卸，特别是在自动化车床、组合机床上使用较为普遍。(2)在装配作业中应用广泛，在电子行业中它可以用来装配印制电路板，在机械行业中它可以用来组装零部件。(3)可在劳动条件差，单调重复易子疲劳的工作环境工作，以代替人的劳动。（4）可在

3、危险场合下工作，如军工品的装卸、危险品及有害物的搬运等。(5）宇宙及海洋的开发。(6)军事工程及生物医学方面的研究和试验。 关键词：机械手；步进电机；步进电机驱动器；气动控制原理；PLC。3Abstract:Abstract: The paper elucidates main robot in mechanization and automation process of a new device. in recent years, with special electronic technology is computer widely used, robot development an

4、d production has become a high technology field quickly develop a new technology, which even promoted the development of robot, robot can better implementation of automation and mechanization and the organic combination. Made robot can better implementation of automation and mechanization and the or

5、ganic combination. robot although there might as well as flexible hands, but it has to cons robot tantly repeated work and labor, no fatigue, unafraid of risks, the snatch heavy weights than the other hand, therefore, robot been many department, and more widely been used, for example.(1) machining o

6、f the loading and unloading, especially in automation lathe and machine tools we use a combination of the general assembly. (2) work widely used in the electronics industry to the assembly of printed circuit board in machinery industry, it can be used to assemble the provided parts and components.(3

7、) in working conditions, its repetitive tasks out to the working conditions of work in place of labour.(4）in dangerous situations, such as the loading and unloading, and war industry dangerous cargo and injurant handling etc.(5）the universe and marine development. (6) military construction and biome

8、dical research and testing.KeyKey words:words: robot ； step into an electric motor drive ； step ； pneumatic control mechanism ； plc.4目录目录绪论绪论 .51 机械手的设计机械手的设计 .61.1 设计目的.61.2 设计内容.61.3 设计依据与可行性.61.4 设计步骤.62 机械手的概述与设计原理机械手的概述与设计原理 .72.12.1 机械手的工作方式机械手的工作方式 .72.1.1机械手传送工件系统示意图.72.1.2机械手动作分解图.92.2 机械手输

9、入和输出点分配表及原理接线图.102.3 PLC 控制程序及控制图.112.3.1机械手手动单步操作程序：.122.3.2机械手自动操作程序：.132.3.3总体机械手PLC控制程序图：.142.3.4总体PLC控制结构图：.172.3.5机械手自动连续运行顺序功能图：.182.4 机械手传送系统梯形图及指令表.192.4.1 机械手传送系统梯形图.192.4.2机械手传送系统.212.5 机械手工作流程图及气动回路图.222.6 气动回路图.233 机械手夹持器和机座的设计机械手夹持器和机座的设计 .243.1 机械手夹持器机械手夹持器 .243.2 机座的设计.24结束语结束语 .26谢辞

10、谢辞 .27参考文献参考文献 .285绪论绪论在工业生产和其他领域内，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，甚至于危及生命。自从机械手问世以来，相应的各种难题迎刃而解。机械手可在空间抓、放、搬运物体，动作灵活多样，适用于可变换生产品种的中、小批量自动化生产，广泛应用于柔性自动线。机械手一般由耐高温，抗腐蚀的材料制成，以适应现场恶劣的环境，大大降低了工人的劳动强度，提高了工作效率。机械手是工业机器人的重要组成部分，在很多情况下它就可以称为工业机器人。工业机器人是集机械、电子、控制、计算机、传感器、人工智能等多学科先进技术于一体的现代制造业重要的自动化

11、装备。广泛采用工业机器人，不仅可以提高产品的质量与产量，而且对保障人身安全，改善劳动环境，减轻劳动强度，提高劳动生产率，节约原材料消耗以及降低生产成本，有着十分重要的意义。 本设计所用机械部件有滚珠丝杠、滑轨、气控机械抓手等。电气方面有可编程控制器（PLC） 、步进电机、步进电机驱动器、直流电机、开关电源、电磁阀、操作台等部件。可编程控制器发出两路脉冲到步进电机驱动器，分别驱动横轴、竖轴的步进电机运转；直流电机拖动底座和手腕的旋转；行程开关、微动开关、将位置信号反馈给主机，由主机发出指令来实现对手臂的伸缩、上下、转动位置的控制；主机发信号到气动电磁阀，以控制手爪的张合来抓放物体。本设计可根据工

12、件的变化及运动流的要求随时更改相关参数，具有很大的灵活性和可操作性。61 1 基于基于 PLCPLC 的机械手的设计的机械手的设计1.11.1 设计目的设计目的(1).进一步加深对所学基础理论、基本技能和专业知识的掌握，使之系统化、综合化。 (2). 系统开发 PLC 的综合训练，掌握 PLC 应用系统设计的一般方法和实施。获得从事科研工作的初步训练，培养独立工作、独立思考和综合运用已学知识解决实际问题的能力，尤其注重充分利用网络等途径获取新知识的能力。(3). 培养设计计算、工程绘图、实验方法、数据处理、文件编辑、文字表达、文献查阅、计算机应用等基本工作实践能力以及外文资料翻译与使用能力。(

13、4).树立严谨、负责、实事求是、刻苦钻研、勇于探索、善于合作等作风，培养创新意识。1.21.2 设计内容设计内容PLC 的选型及电动机的选择，编制机械手 PLC 控制程序，设计机械手模型的电气线路原理图，绘制设计图样，撰写毕业设计说明书。1.31.3 设计依据与可行性设计依据与可行性 参照已学课程：电工与电子技术、机电传动与控制及可编程控制器应用技术原理与应用等相关知识，综合相关实训课程完成设计内容，机电实训室提供的PLC 实训场地和气动生产线及机电一体化组合试验实训平台能够用于毕业设计程序的调试。1.41.4 设计步骤设计步骤(1).根据设计要求深入了解系统的基本组成、主要运动形式及工作流程

14、。(2).进行电动机的种类及驱动方式的选择。(3).确定输入/输出设备和 PLC 型号，编制现场设备与 PLC 输入/输出对照表、所需的 PLC 机内编程软元件及 I/O 接线图。(4).完成 PLC 控制程序的编制。(5).设计系统电气线路。7(6).综合调试(7).撰写毕业设计说明书，列出详细的材料清单2 2 机械手的概述机械手的概述与设计原理与设计原理机械手是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。近年来，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

15、结合。 机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能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大等特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用，例如：(1)机床加工工件的装卸，特别是在自动化车床、组合机床上使用较为普遍。(2)在装配作业中应用广泛，在电子行业中它可以用来装配印制电路板，在机械行业中它可以用来组装零部件。(3)可在劳动条件差，单调重复易子疲劳的工作环境工作，以代替人的劳动。（4）可在危险场合下工作，如军工品的装卸、危险品及有害物的搬运等。(5）宇宙及海洋的开发。(6)军事工程及生物医学方面的研究和试验。 2.12.1 机械手的工作方式机械手的

16、工作方式机械手电气控制系统，除了有多工步特点之外，还要求有连续控制和手动控制等操作方式。工作方式的选择可以很方便地在操作面板上表示出来。当旋钮打向回原点时，系统自动地回到左上角位置待命。当旋钮打向自动时，系统自动完成各工步操作，且循环动作。当旋钮打向手动时，每一工步都要按下该工步按钮才能实现。以下是设计该机械手控制程序的步骤和方法。2.1.1 机械手传送工件系统示意图机械手传送工件系统示意图如图 2-1 所示。8图 2 -1 机械手传送示意及操作面板图92.1.2 机械手动作分解图机械手动作分解图如图 2-2 所示 图 2-2102.22.2 机械手输入和输出点分配表及原理接线图机械手输入和输

17、出点分配表及原理接线图表 1 机械手传送系统输入和输出点分配表名名 称称代代号号输入输入名名 称称代号代号输入输入名名 称称代号代号输输出出启动SB1X0夹紧SB5X10电磁阀下降YV1Y0下限行程SQ1X1放松SB6X11电磁阀夹紧YV2Y1上限行程SQ2X2单步上升SB7X12电磁阀上升YV3Y2右限行程SQ3X3单步下降SB8X13电磁阀右行YV4Y3左限行程SQ4X4单步左移SB9X14电磁阀左行YV5Y4停止SB2X5单步右移SB10X15原点指示ELY5手动操作SB3X6回原点SB11X16连续操作SB4X7工件检测SQ5X17 图 2-3 PLC 接线原理图112.32.3 PL

18、CPLC 控制程序控制程序及控制图及控制图操作系统 操作系统包括回原点程序，手动单步操作程序和自动连续操作程序，如图2-4 所示。图 2-4其原理是：把旋钮置于回原点，X16 接通，系统自动回原点，Y5 驱动指示灯亮。再把旋钮置于手动，则 X6 接通，其常闭触头打开，程序不跳转（CJ 为一跳转指令，如果 CJ 驱动，则跳到指针 P 所指 P0 处） ，执行手动程序。之后，由于 X7 常闭触点，当执行 CJ 指令时，跳转到 P1 所指的结束位置。如果旋钮置于自动位置，（既 X6 常闭闭合、X7 常闭打开）则程序执行时跳过手动程序，直接执行自动程序。回原位程序回原位程序如图 2-5 所示。用 S1

19、0S12 作回零操作元件。应注意，当用S10S19 作回零操作时，在最后状态中在自我复位前应使特殊继电器 M8043 置1。12图 2-52.3.1 机械手手动单步操作程序：机械手手动单步操作程序：如图 2-6 所示。图中上升/下降，左移/右移都有联锁和限位保护。图 2-6132.3.2 机械手自动操作程序：机械手自动操作程序： 自动操作状态转移见图 2-7 所示。当机械手处于原位时，按启动 X0 接通，状态转移到 S20，驱动下降 Y0，当到达下限位使行程开关 X1 接通，状态转移到 S21，而 S20 自动复位。S21 驱动 Y1 置位，延时 1 秒，以使电磁力达到最大夹紧力。当 T0 接

20、通，状态转移到 S22，驱动 Y2 上升，当上升到达最高位，X2 接通，状态转移到 S23。S23 驱动 Y3 右移，移到最右位，X3 接通，状态转移到 S24 下降。下降到最低位，X1 接通，电磁铁放松。为了使电磁力完全失掉，延时 1 秒。延时时间到，T1 接通，状态转移到S26 上升。上升到最高位，X2 接通，状态转移到 S27 左移。左移到最左位，使 X4 接通，返回初始状态，再开始第二次循环动作。图 2-7142.3.3 总体机械手总体机械手 PLC 控制程序图：控制程序图： 1516172.3.4 总体总体 PLC 控制结构图：控制结构图：182.3.5 机械手自动连续运行顺序功能图

21、：机械手自动连续运行顺序功能图：2.42.4 机械手传送系统梯形图及指令表机械手传送系统梯形图及指令表图中从第 0 行到第 27 行为回原位状态程序。从第 28 行到第 66 行，为手动单步操作程序。从第 67 行到第 129 行为自动操作程序。这三部分程序（又称为模块）是图 3 的操作系统运行的。回原位程序和自动操作程序。是用步进顺控方式编程。在各步进顺控末行，都以 RET 结束本步进顺控程序块。但两者又有不同。回原位程序不能自动返回初始态 S1。而自动操作程序能自动返回初态 S2。192.4.1 机械手传送系统梯形图机械手传送系统梯形图20图 2-8212.4.2 机械手传送系统机械手传送

22、系统222.52.5 机械手工作流程图机械手工作流程图及气动回路图及气动回路图232.62.6 气动回路图气动回路图243 3 机械手夹持器和机座的设机械手夹持器和机座的设计计3.13.1 机械手夹持器机械手夹持器机械手的机械夹持器多为双指手抓式，按其手抓的运动方式可分为平移型和回转型。回转型手抓有可分为单支点和双支点回转型，按夹持方式可以分为外夹式和内撑式。按驱动方式可以电动、液压和气动三种。回转型夹持器结构较简单，但当所夹持的工件直径有变动时，将引起工件轴心的偏移。对平移型夹持器，工件直径的变化不影响其轴心的位置。但其机械机构繁杂，体积大，制造精度要求高。所以当设计机械手夹持器的时候，在满

23、足工件的定位精度要求的条件下，尽可能的采用结构比较简单回转型夹持器。 本文设计的机械手采用的是楔槽杠杆式回转型夹持器。如右图 3-1 所示，装在杆上端的滚子 3 和楔块之间为滚动接触。当电机带动连杆前进时，通过楔块 4 的斜面和杠杆 1，使两个手抓产生加紧动作和加紧力。当楔块后移时，靠弹簧的拉力使手指松开。这种末端执行器由于楔块和滚子之间为滚动接触，摩擦力小，活动灵活，且机构简单。 图3-13.23.2 机座的设计机座的设计机座是机械手的支撑部件，机座承受机械手的全部重量和工作载荷，所以机座应有足够的强度、刚度和承载能力。另外机座还要求有足够大的安装基面，以保证机械手工作时的稳定行。如图 3-

24、2 所示，机械手采用普通轴承作为支撑元件的机座支撑结构。这种结构有制造简单、成本低、安装调整方便等优点。图中电动机 3 经减速器4、主动小齿轮 5、中间齿轮 6、大齿轮 7 驱动丝杆 2 旋转，从而驱动升降台上下运动。整个机座安装在基座 8 上。251 轴承 2 丝杆 3 电动机 4 减速器 5、6、7 机座 8 齿轮图 3-226结束语结束语转眼之间，历经整整大三的下半个学期、近两个月的毕业设计马上就要结束了，这是我们大学之中最后一个也是最重要的一个设计、一个阶段。毕业设计是考验我们大学这三年来的所学，它要求我们将大学这三年来所学到的知识能够融会贯通、熟练应用，并要求我们能够理论联系实际，培

25、养我们的综合运用能力以及解决实际问题的能力。 在这两个月里，我不断学习新的知识、不断积累经验并且不断的提高。在几位老师的悉心指导下，我从最初的选题开始做起，进行设计方案的确定；对以前所学的机械、电子电工、计算机、CAD 等基础知识的全面综合应用。在此还综合运用了传感器、低压电器、可编程控制器、气动传动、机械制图知识的技能，模拟进行现场监视与控制。这次的毕业设计，是对我这三年来所学的专业知识是否踏实的检验，让我对这三年中所学知识进行了综合，也让我温习了一些已经快要淡忘的专业知识，并且还学到了一些实际工程经验。与此同时，我也充分认识到自身的许多不足：基础知识学得不够扎实，缺乏综合运用及理论联系实际

26、的能力等。采用 PLC 控制的自动化机械手，硬件结构简单，成本低廉，响应速度快，性能、价格比很高，和单片机系统相比具有极高的可靠性。经现场使用考验，性能稳定，运行可靠。另外还可以根据实际需要很方便地进行扩展。程序稍作修改，就可以满足用户不同的控制要求，体现出极大的灵活性和适应性，具有极高的实际推广价值。这次的设计对我来说真的很重要，让我学会了理论联系实际、实际再联系理论的学习方法，也让我真正地认识到学好专业知识的必要性和重要性。在以后的学习工作中我们会加倍用心地去学习好我的专业知识。27谢辞谢辞走的最快的总是时间，来不及感叹，大学生活已近尾声，两年多的努力与付出，随着本次论文的完成，将要划下完

27、美的句号。本论文设计在陈荷教授的悉心指导和严格要求下业已完成，从课题选择到具体的写作过程，没有陈教授这样的指导和帮助，我不会这么顺利的完成毕业设计。在此向陈教授表示深深的感谢和崇高的敬意！在临近毕业之际，我还要借此机会向在这两年中给予我诸多教诲和帮助的各位老师表示由衷的谢意，感谢他们两年来的辛勤栽培。不积跬步何以至千里，各位任课老师认真负责，在他们的悉心帮助和支持下，我能够很好的掌握和运用专业知识，并在设计中得以体现，顺利完成毕业论文。我还要感谢各位同学以，在毕业设计的这段时间里，你们给了我很多的启发，提出了很多宝贵的意见，对于你们帮助和支持，在此我表示深深地感谢！ 最后我还要感谢我的母校对我

28、这两年多的栽培。28参考文献参考文献1. PLC 应用开发实用子程序作者：贾德胜 人民邮电出版社出版出版日期：2006 年 1 月2PLC 程序设计和实例应用作 者：霍罡电子工业出版社出版日期：2010-043.毕业设计指导书作者：刘超英 青岛海洋出版社 出版日期：2009-10-104.PLC 技术与应用作者：程周 福建科学技术出版社 出版日期：2004 年 1 月 1 日5.可编程序控制器应用技术作者:张发玉 重庆大学出版社出版日期:2006-8-16液压与气动技术作者： 李新德 许毅 清华大学出版社出版日期：2009 年 8 月7.电气控制及 PLC作者: 王永华 清华大学出版社出版日期: 2009 年 9 月8.机械设计与制造基础作者：阎秀华,苗淑杰 机械工业出版社出版日期：20089 月 6 日9.网上资料29时间：时间： 2010 年 11 月 10 日 至 2010 年 12 月 27 日 共 7周所属系部：所属系部： 自动化工程系自动化工程系学生姓名：学生姓名： 学学 号：号：专业：专业： 机电一体化技术机电一体化技术指导单位或教研室：指导单位或教研室： 西安航空自动化