机械手控制与计数系统的设计与实现

厚德励志笃学精艺－1－电子信息工程技术专业毕业设计湖南化工职业技术学院毕业设计说明书题目：机械手控制与计数系统的设计与实现作者：周建国学号：30系别：自动化系专业：电子信息工程指导教师：徐伟杰专业技术职务：教授2011年12月湖南株洲厚德励志笃学精艺－2－电子信息工程技术专业毕业设计目录第一章引言-----------------------------------------------------------31.1机械手的概述---------------------------------------------------31.2机械手的构成---------------------------------------------------31.3机械手的分类---------------------------------------------------3第二章设计方案--------------------------------------------------------42.1功能要求-------------------------------------------------------42.2系统方案设计---------------------------------------------------4第三章系统硬件设计----------------------------------------------------53.1系统硬件结构---------------------------------------------------53.2系统各模块控制电路----------------------------------------------73.2.1电源电路设计--------------------------------------------103.2.2核心控制模块--------------------------------------------113.2.3按键输入模块--------------------------------------------163.2.4传感器模块----------------------------------------------163.2.5电磁阀模块----------------------------------------------143.2.6计数系统模块--------------------------------------------143.2.7显示模块------------------------------------------------14第四章系统软件设计----------------------------------------------------154.1主程序模块设计-------------------------------------------------164.2按键扫描模块设计-----------------------------------------------174.3传送物体模块设计-----------------------------------------------174.4计数显示系统模块设计-------------------------------------------174.5返回原位模块设计---------------------------------------------174.6系统源程序-----------------------------------------------------17第五章系统调试和结果分析----------------------------------------------165.1硬件调试------------------------------------------------------165.1.1硬件电路ERC测试----------------------------------------105.1.2硬件电路网络化-------------------------------------------115.1.3生成PCB板-----------------------------------------------145.1.4总原理图-------------------------------------------------145.1.5元件明细表-----------------------------------------------14厚德励志笃学精艺－3－电子信息工程技术专业毕业设计5.2联机调试-------------------------------------------------------175.2调试结果-------------------------------------------------------17第六章总结与致谢------------------------------------------------------24第七章参考文献-------------------------------------------------------24厚德励志笃学精艺－4－电子信息工程技术专业毕业设计第一章引言1.1机械手的概述近年来,气动技术的应用领域迅速拓宽,尤其是在各种自动化生产线上得到广泛应用。电气可编程控制技术与气动技术相结合,使整个系统自动化程度更高,控制方式更灵活,性能更加可靠;气动机械手、柔性自动生产线的迅速发展,对气动技术提出了更多更高的要求;微电子技术的引入,促进了电气比例伺服技术的发展,现代控制理论的发展,使气动技术从开关控制进入闭环比例伺服控制,控制精度不断提高;由于气动脉宽调制技术具有结构简单、抗污染能力强和成本低廉等特点,国内外都在大力开发研究。机械手在自动化车间中用来运送物料,从事焊接、喷漆、装配等工艺操作，可将操作工人从繁重、单调、重复的体力劳动中解放出来。特别是在高温、危险、有害的作业环境（放射性、有毒气体、粉尘、易燃、易爆、强噪声等）中，可用机械手代替人的部分操作。目前，机械手已广泛应用于铸造、锻造、冲压、切削加工、喷漆、装配等各种工艺过程中。本文介绍一种执行机构由电动机和液压缸组成，采用PLC控制的机械手控制系统的设计。从各国的行业统计资料来看,近30多年来,气动行业发展很快。20世纪70年代,液压与气动元件的产值比约为9∶1,而30多年后的今天,在工业技术发达的欧美、日本等国家,该比例已达到6∶4,甚至接近5∶5。我国的气动行业起步较晚,但发展较快。从20世纪80年代中期开始,气动元件产值的年递增率达20%以上,高于中国机械工业产值平均年递增率。随着微电子技术、PLC技术、计算机技术、传感技术和现代控制技术的发展与应用,气动技术已成为实现现代传动与控制的关键技术之一。1.2机械手的构成机械手主要由手部、运动机构和控制系统三大部分组成。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、材料和作业要求而有多种结构形式，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动作，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，称为机械手的自由度。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，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越厚德励志笃学精艺－5－电子信息工程技术专业毕业设计复杂。一般专用机械手有2～3个自由度。控制系统是通过对机械手每个自由度的电机的控制，来完成特定动作。同时接收传感器反馈的信息，形成稳定的闭环控制。控制系统的核心通常是由单片机或dsp等微控制芯片构成，通过对其编程实现所要功能。1.3机械手的分类机械手的种类，按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手；按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种；按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。机械手通常用作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。机械手在锻造工业中的应用能进一步发展锻造设备的生产能力，改善热、累等劳动条件。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。多关节机器人的优势多关节机械手的优点是:动作灵活、运动惯性小、通用性强、能抓取靠近机座的工件，并能绕过机体和工作机械之间的障碍物进行工作.随着生产的需要，对多关节手臂的灵活性，定位精度及作业空间等提出越来越高的要求。多关节手臂也突破了传统的概念，其关节数量可以从三个到十几个甚至更多，其外形也不局限于象人的手臂，而根据不同的场合有所变化，多关节手臂的优良性能是单关节机械手所不能比拟的。油田钻柱操作机械手本产品由山东科技大学研发而成，主要用于钻井时的钻杆、钻铤等的装、卸工作。操作机械手设计有两个，一个坐落在一层台井口旁边2米左右处，简称为下手；一个坐落在二层台上的中心台上，简称为上手。下手的腰部回转角度≥120°，最大伸缩距离为5.7米，有5个运动关节，在手臂做伸缩运动时，手部保持水平平动。上手的腰部回转角度为310°，最大伸缩距离≥2800mm，上手有9个运动关节，手臂做伸缩运动时，手部保持水平平动。厚德励志笃学精艺－6－电子信息工程技术专业毕业设计机械手采用手动比例阀控制下的液压控制方式。机械手可以完成的操作对象参数为：①钻柱高30m；②钻杆重量为：40Kg/m，总重1200Kg；③钻铤（七英寸直径）重量为：180Kg/m，总重5400Kg。硬臂式助力机械手硬臂式助力机械手与气动平衡吊和软索式助力机械手一样都具有全行程“漂浮”功能，区别是在有扭矩产生的情况下无法使用气动平衡吊或是软索式助力机械手，而必须选用硬臂式助力机械手。比如在工件重心远离臂悬挂点，或是工件需要翻转或倾斜情况下，必须选用硬臂式助力机械手，还有在厂房高度有限情况下，可以选用硬臂式助力机械手。硬臂式助力机械手可以实现提升最大500Kg的工件，半径最大可以达到3000mm，提升高度最大2500mm。根据起吊工件重量不同，应选择符合最大工件重量的最小型号的机器，如果我们用最大负载200Kg的机械手来搬运30Kg的工件，那么操作性能肯定不好，感觉很笨重。配有储气罐，可在断气情况下继续使用一个循环，同时会报警，提醒操作者，在气压下降到一定程度，启动自锁功能，防止工件下降。并设有安全系统，在搬运过程中或是工件没有被放置在安全表面时，操作者不能释放工件。上海永乾制造的助力机械手（含硬臂式、软索式）还可以在用户现场气压不足的情况下，增加增压泵，可以使设备运行更加平稳。配合各种非标夹具，硬臂式助力机械手可以实现起吊各种形状的工件。安装形式可以是地面固定、悬挂固定或是导轨移动。软索式机械手软索式机械手的功能与气动平衡吊类似，具有全行程的“漂浮”功能，但是升位移比气动平衡吊要小，最大只有3000mm，而且最大负载只有450Kg。配有储气罐，可在断气情况下继续使用一个循环，同时会报警，提醒操作者。配合各种非标夹具，软索式助力机械手可以实现起吊各种形状的工件。安装形式可以固定地面或悬挂固定使用，不能使用导轨式。T型助力机械手区别于硬臂式助力机械手的是T型助力机械手没有双关节机械臂，它的前后左右位移靠导轨来实现。由于T型助力机械手没有机械臂，因而它比硬臂式厚德励志笃学精艺－7－电子信息工程技术专业毕业设计显得小巧，更适合于操作空间狭小的场合。T型助力机械手的最大负载要比硬臂式小，只有200Kg，但提升高度可以根据客户要求设计，而且搬运