【三菱PLC机械手臂货物加工设计5500字（论文）】

嘉兴南洋职业技术学院毕业设计（论文）II三菱PLC机械手臂货物加工设计TOC\o"1-3"\h\u107831引言 1222702机械手总体结构设计 2258392.1动作工况与分析 2317172.2机械手各部分结构设计 3146772.2.1机械手底座的设计 3276432.2.2大臂的结构设计 3320912.2.3小臂的结构设计 4201482.2.4气爪的结构设计 415133气动部分设计 7275183.1升降气缸设计计算 7128823.2伸缩气缸设计计算 7275343.3回转气缸设计计算 8310724PLC控制部分设计 11151784.1电磁铁动作顺序 11111624.2I/O分配 1140794.3PLC控制梯形图 12319604.4PLC控制程序指令 13315735总结与展望 1814181参考文献 19第17页，共22页第1页，共22页1引言机械手是一种能够模仿人类手臂某些动作与功能的机械，可以用来根据固定程序完成抓取物件、加工物件以及操作工具等的自动操作装置。它已经是工业机器人的一个很重要的技术分支。本篇论文来源于实际生产，模拟生产线由六站组成，各站可独立，可容易的连接在一起组成一条自动加工生产线，。该课题要求设计加工站，加工机械手将工件从上料检测站搬至加工站。加工过程中能实现抓取、提升、回转、下降、松开等动作，且动作顺序、动作速度可调。用气动驱动，PLC控制。包括总体设计，各执行机构设计，气动系统设计、计算，控制系统设计。技术要求有以下几点：a.装卸、调整方便；b.结构简单，工作安全可靠；c.设计合理，尽量使用标准件，以有效地降低生产和制造的成本；d.用PLC对机械手进行控制。总体设计思路：a.确定了总体框架结构的整体组成,框架和各个部件的功能和工作目标。b.根据自己的设计目标，初步计算各工艺参数和结构参数。c.设计机体分级部分的结构及主要零件结构。d.主要分级结构部分的主要零件强度和刚度，检查其加工工艺性和装配工艺性。e.保证与其它部分的接口合理。f.根据设计结果，修正设计参数。

2机械手总体结构设计2.1动作工况与分析气动机械手是以压缩空气的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是:介质源极为方便，输出力小，气动动作迅速，结构简单，成本低。但是，由于空气具有可压缩的特性，工作速度的稳定性较差，冲击大，而且气源压力较低，抓重一般在30公斤以下，在同样抓重条件下它比液压机械手的结构大，所以适用于高速、轻载、高温和粉尘大的环境中进行工作。机械手的全部动作由电磁阀控制的气缸驱动。其中,上升/下降、左移/右移以及摆动分别由双线圈两位电磁阀控制,机械手的放松/夹紧由一个单线圈两位电磁阀(夹紧电磁阀)控制。机械手的任务是将A工作台上的工件加工到B工作台（或B到A），机械手示意图如图2-1所示：1-伸缩式气缸2-夹紧式气缸3-夹爪4-底座5-支柱6-升降式气缸图2-1机械手示意图在连续自动工作方式的状态下机械手的顺序实现的动作如图1示意图所示：手臂下降→手指夹紧→手臂上升→手臂右摆动→手臂右伸→手臂下降→手指松开→手臂上升→手臂左伸→手臂左摆动（回到初始位），机械手可以反复不断的进行上述循环动作。2.2机械手各部分结构设计2.2.1机械手底座的设计底座是机械手的基础部分，机械手执行机构的各部件和驱动系统均安装于机座上，故起支撑和连接的作用。底座的设计是根据各个零件的尺寸及有助于拆装方便来设计的如图2-2所示：图2-2箱座箱座内壁不需要与其他零件有配合的关系，所以内表面不需要加工。左右厚壁上端有M10的螺纹孔，要求加工表面粗糙度，连接轴承下座的，底版的光孔是用来固定整个装置的，材料为铸铁HT200。2.2.2大臂的结构设计本设计的手臂实现的是水平直线运动，实现直线往复运动采用的是气压驱动的活塞气缸。由于活塞气缸的体积小、重量轻，因而在机械手的手臂结构中应用比较多。本设计手臂很简单，在手臂内侧固定个伸缩气缸，如图2-3所示：图2-3大臂设计2.2.3小臂的结构设计本设计的手臂与上述的大臂实现的运动方式一样，主要是上下直线运动。实现直线往复运动采用的也是气压驱动的活塞气缸。本设计手臂很简单，在上面固定个夹紧气缸，如图2-4所示：图2-4小臂设计2.2.4气爪的结构设计夹持式手部结构由手指(或手爪)和传力机构所组成。其传力结构形式比较多，如滑槽杠杆式、斜楔杠杆式、齿轮齿条式、弹簧杠杆式..等。夹持式是最常见的一种，其中常用的有两指式、多指式和双手双指式:按手指夹持工件的部位又可分为内卡式(或内涨式)和外夹式两种:按模仿人手手指的动作，手指可分为一支点回转型，二支点回转型和移动型(或称直进型)，其中以二支点回转型为基本型式。当二支点回转型手指的两个回转支点的距离缩小到无穷小时，就变成了一支点回转型手指;同理，当二支点回转型手指的手指长度变成无穷长时，就成为移动型。回转型手指开闭角较小，结构简单，制造容易，应用广泛。移动型应用较少，其结构比较复杂庞大，当移动型手指夹持直径变化的零件时不影响其轴心的位置，能适应不同直径的工件。图2-5气爪设计本设计是采用两指式，内卡式，上下气爪通过销来连接，过盈配合，如图2-7所示。设计时考虑的几个问题：a.具有足够的握力(即夹紧力)在确定手指的握力时，除考虑工件重量外，还应考虑在传送或操作过程中所产生的惯性力和振动，以保证工件不致产生松动或脱落。b.手指间应具有一定的开闭角两手指张开与闭合的两个极限位置所夹的角度称为手指的开闭角。手指的开闭角应保证工件能顺利进入或脱开，若夹持不同直径的工件，应按最大直径的工件考虑。对于移动型手指只有开闭幅度的要求。c.保证工件准确定位为使手指和被夹持工件保持准确的相对位置，必须根据被抓取工件的形状，选择相应的手指形状。例如圆柱形工件采用带“V”形面的手指，以便自动定心。d.具有足够的强度和刚度手指除受到被夹持工件的反作用力外，还受到机械手在运动过程中所产生的惯性力和振动的影响，要求有足够的强度和刚度以防折断或弯曲变形，当应尽量使结构简单紧凑，自重轻，并使手部的中心在手腕的回转轴线上，以使手腕的扭转力矩最小为佳。e.考虑被抓取对象的要求根据机械手的工作需要，通过比较，我们采用的机械手的手部结构是一支点两指回转型，由于工件多为圆柱形，故手指形状设计成V型。3气动部分设计3.1升降气缸设计计算手臂升降装置由转柱、升降缸活塞轴、升降缸体、碰铁、可调定位块、定位拉杆、缓冲撞铁、定位块联接盘和导向杆等组成。在转柱上端用管接头和气管分别将压缩空气引到手腕回转气缸手部夹紧气缸和手臂伸缩气缸，转柱下端的气路，将压缩空气引到升降缸上腔，当压缩空气进入上腔后，推动升降缸体上升，并由两个导向杆进行导向，同时碰铁随升降缸体一同上移，当碰触上边的可调定位块后，即带动定位拉杆,缓冲撞铁向上移动碰触升降用液压缓冲器进行缓冲。上升行程大小通过调整可调定位块来实现，手臂下降靠自重实现。结构简图如图3-1所示：1-立柱2-升降气缸3-手臂、伸缩气缸、气爪、工件图3-1结构分析简图3.2伸缩气缸设计计算手臂伸缩装置由伸缩缸活塞轴、伸缩缸体、碰铁、可调定位块、定位拉杆、缓冲撞铁、定位块联接盘和导向杆等组成。在手臂右端用管接头和气管分别将压缩空气引到手腕回转气缸手部夹紧气缸，手臂左端的气路，将压缩空气引到伸缩缸上腔，当压缩空气进入上腔后，推动升降缸体右移，并由两个导向杆进行导向，同时碰铁随升降缸体一同右移，当碰触上边的可调定位块后，即带动定位拉杆,缓冲撞铁向右移动碰触左右用液压缓冲器进行缓冲。右移行程大小通过调整可调定位块来实现，手臂左移与右移类似。结构简图如图3-2所示：图3-2结构分析简图3.3回转气缸设计计算实现机械手手臂回转运动的机构形式是多种多样的，常用的有叶片式回转缸、齿轮传动机构、链轮传动机构、连杆机构等。在本机械手中，手臂回转装置由回转缸体、转轴、定片、回转定位块、回转中间定位块和回转用液压缓冲器(此部件位置参见附图)等组成。当压缩空气通过管路分别进入手臂回转气缸的两腔时，推动动片连同转轴一同回转，转轴通过平键而带动升降气缸活塞轴、定位块联接盘、导向杆、定位拉杆、升降缸体和转柱等同步回转。因转柱和手臂用螺栓连接，故手胃亦作回转运动。手臂回转气缸采用矩形密封圈来密封，密封性能较好，对气缸孔的机械加工精度也易于保证。手臂回转运动采用多点定位缓冲装置，其工作原理见回转用液压缓冲器部分。手臂回转角度的大小，通过调整两块回转定位块和回转中间定位块的位置而定。在机械手的手腕回转运动中所采用的回转缸是单叶片回转气缸，它的工作原理如图3-10所示，定片1与缸体2固连，动片3与回转轴5固连。动片封圈4把气腔分隔成两个.当压缩气体从孔a进入时，推动输出轴作逆时4回转，则低压腔的气从b孔排出。反之，输出轴作顺时针方向回转。图3-3回转气缸示意图选择回转气缸型号为：QGH250×180BFSR其中：QGH—齿杆式回转摆动气缸；2—派生气缸代号：2=双出轴；50-气缸内径；180-回转动摆动角度；B–缓冲：B=可调缓冲；F–法兰；S–单杆基本型；R–耐热型；R=采用氟橡胶密封件，最高耐温200°。由设计要求可知,机械手有四个移动自由度,其工作程序为:机构下降→夹具夹紧→机构上升→手臂右摆→手臂右移→机构下降→夹具松开→机构上升→手臂左移→手臂左摆退至原位。气动原理图如图3-4所示。整个气动系统就是要对摆动气缸、夹紧气缸、伸缩气缸和升降气缸的动作进行控制。图3-4气动原理图

4PLC控制部分设计4.1电磁铁动作顺序由图4-1可知，机械手的上升、下降分别由电磁铁1YA、2YA控制,机械手的夹紧和松开由电磁铁3YA、4YA控制,机械手的左摆、右摆由电磁铁5YA、6YA控制，机械手的左伸、右伸由电磁铁7YA、8YA控制。当工件已搬到工作台B返回时,为安全起见,用光电开关发出有无工件信号，电磁铁动作顺序如表4-1。表4-1电磁铁动作顺序工位号动作名称电磁铁1YA2YA3YA4YA5YA6YA7YA8YA0原位+1下降-+-+2夹紧--+3上升+-+4右摆动--+-+5右伸--++-6下降-++-7放松+8上升+--+9左伸++10左摆动+-+--该系统除了开关量的输入、输出外,没有其他方面的要求。确定输入点数为22个,其中行程开关6个,光电开关1个,操作按钮11个,工作方式选择开关2个;输出点数为12,其中电磁铁8个,指示灯4个。4.2I/O分配根据以上分析，要选择输人点的个数大于14、输出点个数大于10的PLC。对PLC的扫描速度及其它方面无特殊要求。选用S7-200(CPU226)型号的PLC。它共有24个输人、16个输出点、随机存储器为8KB、计数器256个、定时器256个；有2个高速脉冲输出端和2个RS-485通信口；具有PPI通信协议、MPI通信协议和自由口协议的通信能力；运行速度快、功能强，适用于要求较高的中小型控制系统。PLC与器件的逻辑接线电路图，见图4-1：图4-1PLC与器件的逻辑接线电路图4.3PLC控制梯形图由以上I/O分配和电磁铁的动作顺序采用西门子编程指令编写梯形图程序，见图4-2：图4-2梯形图4.4PLC控制程序指令地址指令数据0000LDI1.00001AI0.70002OQ1.00003=Q1.00004LDSM0.00005AI1.10006AI0.60007=Q1.10008RQ0.0,80009LDI2.20010AI2.40011ANQ1.30012=M0.30013=Q1.20014LDI2.30015ANQ1.20016=Q1.30017LDM0.30018AQ1.10019OQ0.60020ANQ0.70021OQ1.30022AI2.10023=Q0.60024LDI2.00025AI0.20026AI0.40027AQ0.60028OQ0.30029ANQ0.20030ANQ0.70031OQ1.30032AI1.30033=Q0.30034LDQ0.30035AI0.20036AI0.40037AI0.10038OQ0.70039ANT370040OQ1.30041AI2.00042=Q0.70043LDQ0.70044ANQ0.30045ANQ0.00046OQ1.30047AI1.20048=Q0.20049LDQ0.20050AI0.00051AI0.20052AI0.40053OQ0.00054ANQ0.00055ANQ0.50056OQ1.30057AI1.70058=Q0.00059LDQ0.00060AI0.00061AI0.30062AI0.40063OQ0.50064ANQ0.40065ANQ0.30066OQ1.30067AI1.50068=Q0.50069LDQ0.50070AI0.00071AI0.30072AI0.50073OQ0.30074ANQ0.20075ANQ0.60076OQ1.30077AI1.30078=Q0.30079TONT37,+1000080LDQ0.30081AI0.10082AI0.30083AI0.50084OQ0.60085AT370086ANQ0.70087OQ1.30088AI2.10089=Q0.60090LDQ0.60091ANQ0.30092ANQ0.10093OQ1.30094AI2.10095=Q0.20096LDQ0.20097AI0.00098AI0.30099AI0.50100OQ0.40101ANQ0.50102ANQ0.10103OQ1.30104AI1.40105=Q0.40106LDQ0.40107AI0.00108AI0.30109AI0.40110OQ0.10111ANQ0.00112ANQ1.10113OQ1.30114AI1.60115=Q0.10116LDI2.50117RQ0.0,12

5总结与展望本设计的是气动系统机械手，相对于专用机械手，控制程序可调，因此适用面更广。主要介绍利用PLC控制4个气缸带动气动机械手完成物料加工工作的及其PLC控制系统的设计与实现方法，该方法提高了气动机械手及其控制的开发效率，增强了该机械手的扩展性、移植性，并为复杂气动机械手的设计开发提供借鉴。机械手采用PLC控制，具有可靠性高、改变程序灵活等优点，无论是进行时间控制还是行程控制或混合控制，都可通过设定PLC程序来实现。可以根据机械手的动作顺序修改程序，使机械手的通用性更强，实现机电一体化控制。该控制系统是机械手的指挥系统,它通过控制驱动系统,让执行器按照规定的要求进行工作,并检测其确与否。可编程控制器(PLC)是一种数字运算操作的电子系统,它将逻辑运算、顺序控制、时序、计数、算术运算等控制程序,用指令形式存放在存储器中,并通过数字式、模拟式的输入和输出,控制各种机械或生产过程。与继电器控制