搬运机械手及其PLC控制系统设计

江西理工大学南昌校区毕业设计（论文）题目：搬运机械手及其PLC控制系统设计系：机电工程系专业：机电一体化班级：08机电（1）学生：王淼清学号：08312111指导教师：王春花老师、张乐平老师职称：副教授摘要随着工业自动化的普及和发展，控制器的需求量逐年增大，搬运机械手的应用也逐渐普及，主要在汽车，电子，机械加工、食品、医药等领域的生产流水线或货物装卸调运,可以更好地节约能源和提高运输设备或产品的效率，以降低其他搬运方式的限制和不足，满足现代经济发展的要求。搬运机械手是能模仿人和臂的某些动作功能，用以固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。为了满足生产的需要，机械手要求设置多种工作方式，例如手动和自动（包括连续、单周期、单步和自动返回初始状态）工作方式。在运动控制方面，PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。所以利用PLC程序控制可以实现机械手的控制要求。通过梯形图程序使各动作电磁阀动作，配合各极限位置的限位开关，准确而又循环的连续操作。系统以液压传动为驱动方式，避免使用三相异步电动机，具有防过载的优点。机械手、PLC、液压系统组成的整体具有高效、安全、经济、实用等特点。关键词：搬运机械手；液压；电磁阀；可编程控制器（PLC）ABSTRACTWiththepopularityofindustrialautomationanddevelopment,thedemandforyear-on-yearincreaseofcontroller,handlingtheapplicationofrobotgraduallypopularity,mainlyintheautomotive,electronic,mechanicalprocessing,food,medicineandotherareasoftheproductionlineorcargotransport,wecanbemoregoodtosaveenergyandimprovethetransportefficiencyofequipmentorproducts,toreducerestrictionsonothermodesoftransportationandinadequatetomeettherequirementsofmoderneconomicdevelopment.Handlingmanipulatorisabletoimitatesomeactionsandarmfunction,fixedprocedureofcrawling,handlingobjectsortoolsautomatically-operatedequipment.Inordertomeettheneedsofproduction,variousworkingmethodsrequiredforthemanipulator,suchasmanualandautomatic(includingcontinuous,singlecycle,andautomaticallyreturntotheinitialstateinasinglestep)works.Intheareaofmotioncontrol,PLCcanbeusedforcircularorlinearmotioncontrol.UsingPLCcontrolmanipulatorcontrolrequirementscanbeimplemented.Byladderdiagramprogramsenablethesolenoidvalveaction,combinedwiththeextremepositionoflimitswitches,accurateandcontinuousoperationoftheloop.Systeminhydraulic-drivenway,avoidingtheuseofthree-phaseinductionmotor,hastheadvantageofoverload-proof.Manipulator,PLC,hydraulicsystemasawholeisanefficient,secure,economicalandpracticalcharacteristics.Keywords:handlingmechanicalhands；hydraulic；solenoidvalve；ProgrammableLogicController(PLC)目录摘要第一章机械手的介绍··············1第二章机械手抓取机构设计············32.1手部设计计算················32.2大臂上下移动机构设计············52.3上臂左右移动机构设计············6第三章液压系统原理设计·············83.1手部抓取缸··················83.2大臂伸缩缸液压回路··············83.3上臂伸缩缸液压回路回路············83.4总体系统图·················9第四章PLC的硬件设计··············124.1系统的主电路设计···············124.2操作面板的设计···············134.3PLC型号的选择················144.4PLCI/O分配表················144.5PLC的外部接线图···············164.6电器元件的选用···············174.7电器安装板接线图···············19第五章PLC的程序设计··············225.1主程序····················225.1.1动作要求·················225.1.2工作方式·················225.1.3程序的总体结构··············235.2子程序····················235.2.1公用程序·················235.2.2手动程序·················245.2.3自动程序·················255.2.4自动回原点程序··············30参考文献·····················34附录·······················35致谢·······················39江西理工大学2011届专科生毕业设计1第一章机械手的介绍1.1机械手组成在我国，工业机器人的应用虽然起步较晚，但发展很快。目前，国内机器人已经从仿制引进阶段，逐渐过渡到自行设计和开发阶段了。机械手是在机械手、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件后哦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，因而广泛应用机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。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科技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，使得机械手能跟好地实现与机械化和自动化的有机结合。机械手通常用于机床或其他机器的附加装置，如在自动机床或自动生产线上装卸和传递工件，在加工中心中更换刀具等，一般没有独立的控制装置。有些操作装置需要由人直接操纵，如用于原子能部门操持危险物品的主从式操作手也常称为机械手。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，对实现工业生产自动化，推动工业生产的进一步发展起着重要作用。因而具有强大的生命力受到人们的广泛重视和欢迎。实践证明，工业机械手可以代替人手的繁重劳动，显著减轻工人的劳动强度，改善劳动条件，提高劳动生产率和自动化水平。工业生产中经常出现的搬运和长期频繁、单调的操作，采用机械手是有效的。机械手主要由手部和运动机构组成。手部是用来抓持工件的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求面有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。运动机构，使手部完成各种转到、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。我设计的是一种液压机械手。本机构具有快递、高效等优点。机械手主要由手部和运动机构组成。手部是用来抓持工件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求面有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。运动机构，使手部完成各种转动（摆动）、移动或复合运动来实现规定的工作，改变被抓持物件的位置和姿势。运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，成为机械手的自由度。为了抓取空间中任意位置和方位的物体，需有6个自由度。自由度是机械手设计的关键参数。自由度越多，机械手的灵活越大，通用性越广，其结构也越复杂。一般专用机构有2--3个自由江西理工大学2011届专科生毕业设计2度。机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统组成。(1)执行机构：包括机械手部、大臂、上臂和立柱等部件，有的还增设行走机构如1-1所示。图1）手部：是机械手与工件接触的部件。由于与物件的形式不同，可分为夹持式和吸附式手部，由于本课题的工件是圆柱状棒料，所以采用夹持式。由手指和传力机构所构成，手指与工件接触而传力机构则通过手指夹紧力来完成夹放工件的任务。2）大臂：支撑手部的部件，用以改变工件的空间位置。3）上臂：支撑手部和大臂的部件，用以改变工件的空间位置。4）立柱：指支撑上臂的部件，是机械手的基础部分，起着支撑和联接的作用。（2）驱动系统：机械手的驱动系统是驱动执行运动的传动装置。常用的有液压传动、气压传动、电力传动和机械传动等四种方式。[3]江西理工大学2011届专科生毕业设计3第二章机械手抓取机构设计2.1手部设计计算一、对手部设计的要求1、有适当的夹紧力手部在工作时，应具有适当的夹紧力，以保证夹持稳定可靠，变形小，且不损坏工件的已加工表面。对于刚性很差的工件夹紧力大小应该设计得可以调节，对于笨重的工件应考虑采用自锁安全装置。2、有足够的开闭范围夹持类手部的手指都有张开和闭合装置。工作时，一个手指开闭位置以最大变化量称为开闭范围。对于回转型手部开闭范围，可用开闭角和手指夹紧端长度表示。手指开闭范围的要求与许多因素有关，如工件的形状和尺寸，手指的形状和尺寸，一般来说，如工作环境许可，开闭范围大一些较好，如图2.1所示。图2.1机械手开闭示意图3、力系结构简单，重量轻，体积小手部处于大臂的最前端，工作时运动状态多变，其结构、重量和体积直接影响整个机械手的结构，抓重，定位精度等性能。因此。在设计手部时，必须力求结构简单，重量轻，体积小。江西理工大学2011届专科生毕业设计44、手指应有一定的强度和刚度5、其它要求因此送料，夹紧机械手，根据工件的形状，采用最常用的外卡式两指钳爪，夹紧方式用常闭史弹簧，松开时，用单作用式液压缸。此种结构较为简单，制造方便。[15]二、手部装置原理如图2.2所示：油缸右腔停止进油时，弹簧力夹紧工件，油缸右腔进油时松开工件。图2.2油缸示意图1、右腔推力为Fp=（π/4）D²P=（π/4）X0.7²X25X10³=9616.25N2、根据钳爪夹持的方位，查出当量夹紧力计算公式为：F1=(2b/a)X(cosa)²N′其中N′=4X98=392N，带入上式得：F1=(2b/a)X(cosa)²X392=1680N则实际夹紧力为F1实际+F1K1K2/y=1680X1.5X1.1/0.85=3261N经圆整F1=3300N3、计算手部活塞杆行程长L，即L=（D/2）tana=35×tan30=20.2mm4、确定“V”型钳爪的L,β。取L/Rcp=3式中：Rcp=P/4=200/4=50由上两式可得：L=Rcp=150江西理工大学2011届专科生毕业设计5取“V”型钳口的夹