机电综合实训-机械手

1、机电综合实训机电综合实训项目技术报告项目技术报告班班 级：级： 姓姓 名：名： 学学 号：号： 指导老师：指导老师： 提交日期：提交日期： 2015 年年 6 6 月月 2929 日日 南京工业职业技术学院项目技术报告南京工业职业技术学院项目技术报告2概概 要要本文介绍了搬运物品工业机械手的设计，以 PLC 实现程序控制，从而控制电磁阀的换向，以气压传动作为传动机构，以光电式及电磁式接近开关检测汽缸的伸出、缩回、上升下降左旋、右旋夹紧放松八个动作。南京工业职业技术学院项目技术报告南京工业职业技术学院项目技术报告3目录目录概 要.2前 言.5第一章项目概述 .61.1 项目任务 .61.2 项目

2、要求.6第二章机械手的介绍 .72.1 机械手的发展.72.2 机械手的特点 .82.3 机械手的应用 .8第三章任务分析 .93.1 任务描述 .93.2 组织结构 .103.3 计划实施 .113.4 机械手的工作原理 .113.5 机械手的动作顺序 .113.6 总体控制方案 .13第四章气动设计 .134.1 机械方案设计 .134.2 气动方案设计.164.3 元件选型 .17第五章PLC 电气设计 .195.1 控制面板设计 .195.2 输入输出分配设计 .205.3 PLC 原理图.215.4 PLC 外部接线图.225.5 PLC 程序设计.23第六章 安装与调试.246.1

3、 装配.246.2 故障分析与排除 .24结 论.26致 谢.27参考文献.28南京工业职业技术学院项目技术报告南京工业职业技术学院项目技术报告4附录 1 梯形图.29南京工业职业技术学院项目技术报告南京工业职业技术学院项目技术报告5前前 言言本次实训项目通过制定机械手总体控制方式，计算并选择机械手安装所需的元器件，设计工业机械手系统硬件并绘制与之相对应得硬件原理图，设计系统软件完成输入/输出的地址分配，绘制流程图或顺序功能图，整体式机械手PLC 控制系统的安装与调试，机械手能模仿人手和手臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。它可代替人的繁重劳动以实现生产的机

4、械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电工、轻工和原子能等部门。南京工业职业技术学院项目技术报告南京工业职业技术学院项目技术报告6第一章项目概述1.11.1 项目任务项目任务1.1.11.1.1 项目名称项目名称搬运物品工业机械手控制系统的设计、安装和调试1.1.21.1.2 项目目标项目目标通过本项目课程的学习与训练，是学生在前期课程学习中已掌握了机电设备常用机构的测绘与设计。常规电气及气动控制系统原理图的设计及元器件的选用与安装调试能力的基础上，着重培养学生完成一个典型机电产品项目完整工作过程的综合职业能力：（1）机电产品控制系统硬件的设计能力；（2

5、）控制系统软件的设计能力；（3）元器件的选型计算能力；（4）系统的安装与调试能力；（5）项目完成后技术报告的撰写能力。1.21.2 项目要求项目要求1.2.11.2.1 动作顺序动作顺序大臂横向伸出小臂下降机械手夹紧小臂上升大臂横向缩回大臂水平右旋大臂横向伸出小臂下降机械手放松小臂上升大臂横向缩回大臂水平左旋（回到原位）1.2.21.2.2 控制模式控制模式（1） （全）自动模式操作员先将控制面板上的模式选择开关切换到（全）自动模式，按下启动按钮，机械手开始自动完成动作循环，在第一个动作循环完成后自动接着进行第二个动作循环，并且一直这样进行下去，直至操作员按下停止按钮或急停按钮。（2）半自动模

6、式操作员先将控制面板上的模式选择开关切换到半自动模式，按下启动按钮，机械手开始自动完成动作循环，一个动作循环完成后机械手自动停止在原位待命。（3）单动模式操作员先将控制面板上的模式选择开关切换到单动模式，按下启动按钮，机械手开始完成动作循环中的第一步动作，该动作完成后机械南京工业职业技术学院项目技术报告南京工业职业技术学院项目技术报告7手自动停止，既不自动进行第二步动作，也不回到在原位待命。操作员再按一下启动按钮，机械手就接着再做一步动作。要完成一个动作循环，需由操作员按 12 次启动按钮。（4）复位模式操作员先将控制面板上的模式选择开关切换到复位模式，按下复位按钮，机械手无论位于何处，都能自

7、动回到原位待命。第二章机械手的介绍2.12.1 机械手的发展机械手的发展机械手首先是从美国开始研制的。1958 年美国联合控制公司研制出第一台机械手。它的结构是：机体上安装一个回转长臂，顶部装有电磁块的工件抓放机构，控制系统是示教形的。 1962 年，美国联合控制公司在上述方案的基础上又试制成一台数控示教再现型机械手。商名为 Unimate（即万能自动） 。运动系统仿照坦克炮塔，臂可以回转、俯仰、伸缩、用液压驱动；控制系统用磁鼓作为存储装置。不少球坐标通用机械手就是在这个基础上发展起来的。同年该公司和普鲁曼公司合并成立万能自动公司,专门生产工业机械手。1962 年美国机械制造公司也实验成功一种

8、叫 Vewrsatran 机械手。该机械手的中央立柱可以回转、升降采用液压驱动控制系统也是示教再现型。虽然这两种机械手出现在六十年代初，但都是国外工业机械手发展的基础。1978 年美国 Unimate 公司和斯坦福大学，麻省理工学院联合研制一种Unimate-Vicarm 型工业机械手，装有小型电子计算机进行控制，用于装配作业，定位误差小于1 毫米。联邦德国机械制造业是从 1970 年开始应用机械手，主要用于起重运输、焊接和设备的上下料等作业。联邦德国 KnKa 公司还生产一种点焊机械手，采用关节式结构和程序控制。日本是工业机械手发展最快、应用最多的国家。自 1969 年从美国引进两种机械手后

9、大力从事机械手的研究。南京工业职业技术学院项目技术报告南京工业职业技术学院项目技术报告8前苏联自六十年代开始发展应用机械手，至 1977 年底，其中一半是国产，一半是进口。目前，工业机械手大部分还属于第一代，主要依靠工人进行控制；改进的方向主要是降低成本和提高精度。第二代机械手正在加紧研制。它设有微型电子计算控制系统，具有视觉、触觉能力，甚至听、想的能力。研究安装各种传感器，把感觉到的信息反馈，是机械手具有感觉机能。第三代机械手则能独立完成工作中过程中的任务。它与电子计算机和电视设备保持联系，并逐步发展成为柔性制造系统 FMS 和柔性制造单元 FMC 中的重要一环。2.22.2 机械手的特点机

10、械手的特点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.它的他优点很多,例如:可对应多种控制的水平多关节机械手不但具有高质量、低价格的优点，还可以高效、高精度的进行立体的搬运、挑选、插入、排列、涂布、装配等工作。 1、丰富的 I/O 命令能进行多种控制 2、SUPER SEL 语言可以使多任务程序简单 3、32bit RISC CPU 实现超高精度的多轴操作 4、可进行机械手控制、周边元件、操作盘的并列动作而不需要程序控制器 5、10 级无尘室产品已经系列化 6、最高级的高速、高精度、高可搬运2.32.3 机械手的应用机

11、械手的应用南京工业职业技术学院项目技术报告南京工业职业技术学院项目技术报告9随着工业机械化和自动化的发展以及气动技术自身的一些优点，气动机械手已经广泛应用在生产自动化的各个行业由于气压传动系统使用安全、可靠，可以在高温、震动、易燃、易爆、多尘埃、强磁、辐射等恶劣环境下工作。而气动机械手作为机械手的一种，它具有结构简单、重量轻、动作迅速、平稳、可靠、节能和不污染环境、容易实现无级调速、易实现过载保护、易实现复杂的动作等优点。所以，气动机械手被广泛应用于汽车制造业、半导体及家电行业、化肥和化工，食品和药品的包装、精密仪器和军事工业等。现代汽车制造工厂的生产线，尤其是主要工艺的焊接生产线，大多采用了

12、气动机械手。车身在每个工序的移动；车身外壳被真空吸盘吸起和放下，在指定工位的夹紧和定位；点焊机焊头的快速接近、减速软着陆后的变压控制点焊，都采用了各种特殊功能的气动机械手。高频率的点焊、力控的准确性及完成整个工序过程的高度自动化，堪称是最有代表性的气动机械手应用之一。 此外，气动系统、气动机械手被广泛应用于制药与医疗器械上。如：气动自动调节病床，Robodoc 机器人，da Vinci 外科手术机器人等。第三章任务分析3.13.1 任务描述任务描述1 1小组分工小组分工1.小组讨论并制作工作计划2.分配工作2 2具体任务具体任务1.机械结构简图绘制2.气动原理图绘制：气动元件选型 传感器选型3

13、.电气原理图：电气系统设计4.机械装配方案：机械结构组装 气动元件装配与调试 传感器装配南京工业职业技术学院项目技术报告南京工业职业技术学院项目技术报告105.电气系统装配：电气元件选型 电器元件安装6.PLC 程序设计：程序规划 设计程序流程图 编写梯形图7.设备综合调试：PLC 程序分项调试 综合性调试8.编写项目技术报告电子稿并打印3 3项目验收及答辩项目验收及答辩1.对项目向指导老师演示2.解答指导老师提问3.23.2 组织结构组织结构南京工业职业技术学院项目技术报告南京工业职业技术学院项目技术报告113.33.3 计划实施计划实施3.43.4 机械手的工作原理机械手的工作原理用 PL

14、C 实现电磁阀的换向，以气压作为传动介质，实现汽缸伸出、缩回等动作。用传感器检测汽缸动作是否到位。3.53.5 机械手的动作顺序机械手的动作顺序机械手的一个动作循环共有 12 步。南京工业职业技术学院项目技术报告南京工业职业技术学院项目技术报告12（1）大臂横向伸出从原点开始，按下启动按钮时，伸出电磁阀通电，缩回电磁阀断电，机械手大臂伸出。（2）小臂下降大臂伸出碰到伸出限位开关后，下降电磁阀通电，机械手小臂下降。（3）机械手夹紧小臂下降碰到下降限位开关后，夹紧电磁阀通电，放松电磁阀断电，机械手夹紧物品。（4）小臂上升等待 2s 后，下降电磁阀断电，机械手小臂上升将物品提离左工作台。（5）大臂横

15、向缩回小臂上升碰到上升限位开关后，缩回电磁阀通电，伸出电磁阀断电，机械手大臂缩回。（6）大臂水平右旋大臂缩回碰到缩回限位开关后，机械手右旋电磁阀通电，机械手右旋。（7）大臂横向伸出机械手右旋碰到右旋限位开关后，伸出电磁阀通电，缩回电磁阀断电，机械手大臂伸出。（8）小臂下降大臂伸出碰到伸出限位开关时，下降电磁阀通电，机械手小臂下降。（9）机械手放松小臂下降碰到下降限位开关时，放松电磁阀通电，夹紧电磁阀断电，机械手放松将物品放于右工作台。（10）小臂上升气爪位置检测传感器检测机械手已放松，等待 2s 后，下降电磁阀断电，机械手小臂上升。（11）大臂横向缩回小臂上升碰到上升限位开关后，缩回电磁阀通电

16、，伸出电磁阀断电，机械手大臂缩回。（12）大臂水平左旋（回到原位）大臂缩回碰到缩回限位开关后，机械手左旋电磁阀通电，机械手左旋回到原位待命。南京工业职业技术学院项目技术报告南京工业职业技术学院项目技术报告13至此，机械手经过以上动作完成了一个动作循环，根据操作模式再开始下一个动作循环。3.63.6 总体控制方案总体控制方案气动机械手主要使用 PLC 进行气动控制，通过 PC 机编程下载到 PLC 中进行逻辑运算，顺序控制，定时，计数和算数运算等操作指令，从而控制电磁阀处于左位或右位。控制电磁阀通路情况及汽缸的伸出、旋转及缩回。实现逻辑运算、定时、计数等操作指令时，也可以用单片机实现。但单片机在

17、很大程度上需要调试周期、性能在短时间内不太稳定，且它是一个芯片，需要开发后才能用于实际当中。而 PLC 则比较成熟了。气动控制主要作为传动机构来控制手爪的抓紧、松开，控制换料仓的换料、推料仓的推料，旋转汽缸的旋转，以及大小臂的伸缩。传动机构还可以用液压传动和机械传动来实现，但液压传动机构复杂，且需要其他材料作为工作介质，成本高；而机械传动结构复杂，气压传动结构简单，介质不需要成本，处理方便、无污染、动作迅速、维护方便、工作环境适应性好、成本低且过载能自动保护。用光电式及电磁式接近开关检测汽缸的伸出、缩回、机械手的夹紧、松开以及旋转汽缸的位置。但检测机构也可以用其他行程开关其定位精度不高、灵敏度

18、差。与之相对接近开关工作可靠，寿命长、功耗低、复定位精度高、操作频率高，可以适应多种恶劣的工作环境。第四章气动设计4.14.1 机械方案设计机械方案设计4.1.14.1.1 机械方案图机械方案图南京工业职业技术学院项目技术报告南京工业职业技术学院项目技术报告154.1.24.1.2 装配顺序图装配顺序图南京工业职业技术学院项目技术报告南京工业职业技术学院项目技术报告164.24.2 气动方案设计气动方案设计4.34.3 元件选型元件选型1.选用西门子公司的 ST-200 系列小型 PLC 功能强，性能价格比高，主机采用德国西门子 ST-200 型。主要参数：输入点数 24输入信号类型：开关量

19、输出点数 16 输出继电器允许电流（纯电阻负载） 主机电源 220AC S7-200 CPU 技术范围外型尺寸 1mm 19018062 用户程序B 4096数据存储区B 10240 用户数据B 2560数字量 IO 128 入 128 出扩展模块数量 7 个 32 入 32 出Pc24V 电源(CPU)输入电流最大负载：150mA1050mAAC24V 电源(CPU)输入电流最大负载：40mA160mA2.假设机械手大臂伸出距离 150mm-200mm，气缸的行程需在大臂的行程上家加10-20mm 的余量，尤其是在小臂夹紧气缸中。另外，假设小臂的下降上升距离约为 100-200mm,并且选型

20、用气缸时应选用夹紧型。计算各参数：根据查阅资料数据，大臂气缸选用国产 QG(8-32)行程250mm,缓冲型为最佳，小臂选用 QGT40-63,行程150mm,夹紧型为最佳。摆动气缸选用 CRB 系列（10mm）,角度公差，有无润滑均无工作型。3.第一阶段： 大臂活塞输出力，NFZPDF5 .392108 . 0)025. 0(446221活塞杆计算NSPFd9 .1210314. 35 .3924461 (SP-材料抗拉强度)缸筒臂厚计算)5 . 1(266PPGIDPS取 2666)025. 0(410132108 . 15 . 1025. 0Sr南京工业职业技术学院项目技术报告南京工业职

21、业技术学院项目技术报告18 缓冲计算)(1111面积行程其中ASSADEEEEEEdfqudNVqGmvNm0016. 02 . 08 . 98 .102121215 .782 . 0)025. 0 (4108 . 0222262011ESFESGEffg1)(5.311)(1286.0232223222PPVPKKPPVPRRE2V缓冲，柱塞缓冲，柱塞孔。3P缓冲气缸内最后达到的气压力，即吸引缓冲能最后的气体压力最高值等于气缸安全强度。97.306614 . 114 . 1)102 . 0104 . 0(4 . 0102 . 014 . 14 . 16662E缓冲装置满足工作需求。条件是21

22、EE ,满足条件。耗气量的计算 为行程）（SStdDqtSDqvv22222144 smqv1025. 1)102 . 0025. 0(434321smLqv10146. 112. 08 . 0)0129. 0025. 0(4332224.第二阶段：小臂计算过程和大臂一样。而摆动气缸可以不计算smqv105 . 33425.第三阶段：确定电磁阀的型号。根据以上参数，得知采用三位五通电磁阀，型号为 Q24DH-10 型。南京工业职业技术学院项目技术报告南京工业职业技术学院项目技术报告19气动元件列表气动元件列表传感器列表传感器列表第五章PLC 电气设计5.15.1 控制面板设计控制面板设计南京工

23、业职业技术学院项目技术报告南京工业职业技术学院项目技术报告205.25.2 输入输出分配设计输入输出分配设计南京工业职业技术学院项目技术报告南京工业职业技术学院项目技术报告215.35.3 PLCPLC 原理图原理图南京工业职业技术学院项目技术报告南京工业职业技术学院项目技术报告225.45.4 PLCPLC 外部接线图外部接线图南京工业职业技术学院项目技术报告南京工业职业技术学院项目技术报告235.55.5 PLCPLC 程序设计程序设计5.5.15.5.1 顺序功能图顺序功能图5.5.25.5.2 PLCPLC 梯形图梯形图详见附录 1南京工业职业技术学院项目技术报告南京工业职业技术学院项

24、目技术报告24第六章 安装与调试6.16.1 装配装配机械装配安装参照 4.1.2-安装顺序图气动系统装配参照 4.2-气动原理图电气系统接线参照 5.3-PLC 外部接线图工具列表工具列表序号工具描述规格数量1T 型内六角扳手4（5/6/8/10）CR V Mo12万用表MF 4713活洛扳手1501914开口扳手M10，M1245套扳46压线钳BS-6202B17剥线钳BS-D220618十字起子19一字起子16.26.2 故障分析与排除故障分析与排除 系统故障分析表系统故障分析表序号出现的问题原因分析解决方法1开始按钮不亮开始按钮接错把按钮调换过来2自动时不工作自动程序错误将正跳变命令去

25、掉3单动时连走两步单动按钮按下时间太长修正启动程序4开始时不工作公用程序没有互锁修正公用程序5不能良好的切换转换按钮没有协调好更改切换按钮南京工业职业技术学院项目技术报告南京工业职业技术学院项目技术报告25动作6急停按钮不可用程序中出现错误立即复位指令换成复位指令7复位没法执行复位程序没工作从新设置切换程序8复位没法一步实现复位程序中间输错更正复位程序9按下启动按钮机械手不工作传感器松动，没检测到气缸位置调节传感器位置10复位时，时常出现意外动作复位程序输出程序没单独输出更改复位程序11PLC 工作电磁阀不工作电磁阀断路将零线接上南京工业职业技术学院项目技术报告南京工业职业技术学院项目技术报告

26、26结 论紧张忙碌的两周实训就这样过去了，关于气动机械手的设计制作的综合实训也已经结束了。在此次实训中我们完成了从资料收集、确定方案、计划制定、系统硬件与软件设计到程序的调试、检查和评估等一系列任务，实现了具有PLC 在线可编程的气动机械手的设计和制作。回顾这两周的学习，每个组员都积极主动地参与其中，大家相互合作，各抒己见，不仅使学习的效率大大提高，也加深增进了彼此间的感情。最终，我们按照要求圆满的完成了各项任务。二个星期的实训时间，也使我对学习方法的认识有了很深的理解，之前总认为可以独立的完成任务，看看教程就可以了，但是从这次画接线图的过程中，我认识到要想学习更有效率，必须与老师交流，要积极的求教而不能消极的回避，这也是我在这次实训中最大的收获。另外我发现我的另一个问