顾涛毕业设计

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上海工程技术大学毕业设计(论文)光源机械上泡机械手的PLC控制系统设计1摘要机械手是能够模仿人体上肢的部分功能,可以对其进行自动控制使其按照预定要求输送制品或操持工具进行生产操作的自动化生产设备。机械手是工业机器人系统中传统的任务执行机构,是机器人的关键部件之一。该装置涵盖了可编程控制技术,位置控制技术、检测技术等,是机电一体化的典型代表仪器之一。自上世纪六十年代,PLC设计的机械手被实现为一种产品后,对它的开发应用也在不断发展,它可以在减轻繁重的体力劳动、改善劳动条件和安全生产。本课题设计的光源机械上泡机械手,采用由PLC控制的气动系统,可在空间抓放物体,动作灵活多样,能够准确快速的完成光源机械的上泡动作,并可根据工件的变化及运动流程的要求随时更改相关参数,设计主要对机械手与PLC做了总体介绍,分析了工作流程,设计出光源机械上泡机械手的功能图,根据功能图设计出梯形图并调试成功。关键词:机械手,PLC,气压传动上海工程技术大学毕业设计(论文)光源机械上泡机械手的PLC控制系统设计2光源机械上泡机械手的PLC控制系统设计顾涛1646131011绪论机械手一般为三类:一是不需要人工控制的通用型机械手。它是不属于其他主机的独立装置。可以根据任务需要编制独立程序完成各项规定操作。它的特点是具备不同装置的性能之外还具备通用机械及记忆功能的三元型机械。二是需要人工操作的,起源于原子,军事工业。先是通过操作完成特定工序,后来逐步发展到无线遥控操作。第三类是专用机械手,通常依附于自动生产线上,用于机床的上下料和装卸工件。这种机械手国外叫做“MechanicalHand”。它由主机驱动来服务,工作程序固定,一半是专用的。机械手首先是在美国开始研制。第一台机械手是在1958年美国联合控制公司研究制作出来的。结构是:主机安装一个回转长臂,长臂顶端有电磁抓放机构。日本是在工业上应用机械手最多,发展最快的国家,自1969年从美国引进两种机械手后开始大力研发机械手。前苏联自六十年代开始发展和应用,自1977年,前苏联使用的机械手一半来自国产一半来自进口。现代工业中,自动化在生产过程中已日趋突出,机械手就是在机械工业中为实现加工、装配、搬运等工序的自动化而产生的。随着工业自动化的发展,机械手的出现大大减轻了人类的劳动,提高了生产效率。采用机械手已为目前研究的热重点。而为了使生产更高效更安全,配合使用PLC构成的控制系统渐渐占据主流位置,目前,PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业,和同等规模的继电接触器系统相比,采用PLC控制的电路系统电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一,故障也就大大降低。此外,PLC带有硬件故障自我检测功能,出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中,应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序,使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。这样,整个系统将极高的可靠性。在光源机械中,上泡机械手的功能是从间歇运转的上泡盘上抓取泡壳,并将其送到运转的封口机上。为此,上泡机械手在一个工作循环中需要完成上升与下降,左旋上海工程技术大学毕业设计(论文)光源机械上泡机械手的PLC控制系统设计3与右旋,抓泡与放泡等一系列动作,本文用PLC作为控制器对光源机械上泡机械手进行了设计。2机械手的概述2.1机械手总体介绍工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新的技术,是现代控制理论与工业生产自动化实践相结合的产物,并以成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分。工业机械手是提高生产过程自动化、改善劳动条件、提高产品质量和生产效率的有效手段之一。尤其在高温、高压、粉尘、噪声以及带有放射性和污染的场合,应用得更为广泛。在我国,近几年来也有较快的发展,并取得一定的效果。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。近20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。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。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。通过对其编程实现所要功能。如图2.1所示是机械手系统结构图。上海工程技术大学毕业设计(论文)光源机械上泡机械手的PLC控制系统设计4图2.1机械手系统结构图2.2机械手气动系统基本部件一、控制元件气动电磁阀电磁阀4V230C-08如图2.2所示:图2.2电磁阀4V230C-08产品介绍:(1)先导方式:外部与内部可选;(2)滑柱式结构,密封性好,反应灵敏;(3)三位置电磁阀有三种中央功能可供选择;伸缩气缸摆缸支架气爪升降气缸上海工程技术大学毕业设计(论文)光源机械上泡机械手的PLC控制系统设计5(4)双头二位置电磁阀具有记忆功能;(5)内孔采用特殊工艺加工,磨擦阻力小,启动气压低,使用寿命长;(6)无需加油润滑;(7)可与底座集成阀组,节省安装空间;(8)附设手动装置,利于安装调试;(9)有多种标准电压等级可供选用。电磁阀的工作原理就是利用给电磁铁通电,电磁阀里面的铁芯运动,来控制流体的通断。电磁阀里有密闭的腔,在不同位置开有通孔,每个孔都通向不同电磁铁通电、断电,电磁阀里面的铁芯会移动,通过控制阀体的移动来挡住或漏出不同的孔,来实现不同的孔的接通和断开,这样通过控制电磁铁的电流通断就控制了机械运动。二、执行元件(1)TR双轴气缸引导活塞在其中进行直线往复运动的圆筒形金属机件。工质在发动机气缸中通过膨胀将热能转化为机械能;气体在压缩机气缸中接受活塞压缩而提高压力。涡轮机、旋转活塞式发动机等的壳体通常也称“气缸”。如图2.3所示图2.3TR双轴气缸(2)气动手指HFZ16部件介绍SMC气动手指又名气动夹爪或气动夹指,是利用压缩空气作为动力,用来夹取或抓取工件的执行装置。最初起源于日本,后被国内自动化企业广泛使用。根据样式通常可分为Y型夹指和平型夹指,缸径分为16mm和20mm两种,其主要作用是替代人的上海工程技术大学毕业设计(论文)光源机械上泡机械手的PLC控制系统设计6抓取工作,可有效地提高生产效率及工作的安全性。气动手指HFZ16如图2.4所示。图2.4气动手指HFZ16(3)旋转缸HRQ10-A部件介绍:端盖分铸钢件和普通铸件,缸筒采用国产优质铁缸筒,内壁经精密研磨,配合好,摩擦力小,使用寿命长。1)小型,体积小,外型精致;2)表面阳极氧化处理,强度大,不宜磨损;3)阀体,阀芯精密数控中心加工而成,精确度高,优质进口密封件,耐磨,不宜腐蚀。旋转缸HRQ10-A如图2.5所示图2.5旋转缸HRQ10-A三、辅助元件气动三联件、开关上海工程技术大学毕业设计(论文)光源机械上泡机械手的PLC控制系统设计7气动三联件是由过滤器、减压阀和油雾器三部分组成,过滤器主要负责过滤压缩空气中的杂质,减压阀主要负责控制系统压力,油雾器负责后端元件的给油润滑。如图2.6所示是气动三联件及开关。图2.6气动三联件及开关气动系统图如图2.7所示。图2.7气动系统图上海工程技术大学毕业设计(论文)光源机械上泡机械手的PLC控制系统设计83光源机械上泡机械手的PLC控制系统方案设计3.1方案的介绍在光源机械中,上泡机械手的功能是从间歇运转的上泡盘上抓取泡壳,并将其送到运转的封口机上。为此上泡机械手在一个工作循环中需要完成上升、下降、左旋和右旋、抓泡与放泡等一系列动作。本次设计主要是设计光源机械上泡机械手,在自动化生产线上,工作开始后,上泡机械手在一个工作循环中需要按顺序依次完成以下动作:上升、左旋、下降、抓泡、上升、右旋、下降、放泡。当按下停止按钮,机械手完成本次循环后回到原位,再起动需按起动按钮。3.2系统组成整体结构图3.1是基于PLC的光源机械上泡机械手系统的基本组成方框。主要由限位开关,开关摁钮,电磁阀,气压传动系统,LED显示灯,PLC(FX2N-48MR)组成。启动停止开关和限位开关作为该系统的输入部分,负责检测机械臂的位置,将布尔量输入PLC中。PLC是该系统的核心部分,一方面负责接收输入量,另一方面将执行程序,进行计算,再将计算结果通过输出刷新,控制电磁阀的开合,从而控制机械臂的动作。整个系统由操控面板来完成整个机械手的的操作,工件通过限位开关进行检测。机械手的各个动作由汽缸驱动,而汽缸由相应的电磁阀控制。机械手的全部动作由PLC控制完成。图3.1光源机械上泡机械手系统的基本组成方框PLCFX2n48MR启停开关限位开关气压传动系统电磁阀LED显示灯上海工程技术大学毕业设计(论文)光源机械上泡机械手的PLC控制系统设计94上泡机械手的硬件设计4.1PLC选型4.1.1PLC的作用及特点可编程控制器PLC(ProgrammableLogicController)是控制系统的重要组成部分。并且在大,中型PLC中大多还配有扩展接口和智能I/O模块。所谓拓展接口主要应用于连接扩展PLC单元,从而扩入PLC的规模。而智能I/O模块就是其本身含有单独的CPU,能够独立完成某种专用的功能,由于它和主PLC是并行工作的,从而大大提高了PLC的运行速度和效率。这类智能I/O模块有计数和位置编码器模块,温度控制模块,阀控制模块和闭环控制模块等。现代工业生产过程是复杂多样的,对控制的要求不尽相同。PLC出现后受到了很大欢迎。现代PLC具有以下特点:(1)可靠性高,抗干扰能力强计算机具有很强的功能,可抗干扰能力较差。PLC是专业为工业控制而设计的,能适用于恶劣环境,如较强的电噪声,电磁干扰,机械振动等。并且在软件方面采取了自诊断,故障检测,信息保护与恢复等手段。(2)控制系统结构简单,通用性强,编程方便,易于使用PLC及外围模块品种多,各种组件灵活组合成各种大小和不同要求的控制系统。在PLC构成的控制系统中,在PLC的端子上接入相应的I/O信号线即可。由于PLC沿用了梯形图编程简单的优点,对于从事继电器控制工作的人员都能在很短的时间内学会使用PLC。(3)功能完善,设计,施工,调试的周期短PLC可进行开关逻辑控制,闭环过程控制,位置控制,数据采集及监控,多PLC分布式控制等功能。适用于机械,冶金,化工,轻工,服务和汽车等行业的工程领域。由于PLC为模块化积木式结构,硬件齐全,因此仅需按性能,容量等选用组装,并且使设计和施工同时进行,用软件编程取代了硬接线实现控制功能。PLC是通过程序完成控制任务的使用了方便用户的工业编程语言,具有强制和仿真功能,故使程序设计,施工,调试的周期减短。(4)直接驱动负载能力强由于PLC输出模块中大多采用了大功率晶体管和控制继电器的形式进行输出,因上海工程技术大学毕业设计(论文)光源机械上泡机械手的PLC控制系统设计10而具有较强的驱动能力,一般都能直接驱动执行电器的线圈,接通或断开强电线路。(5)体积小,维护操作方便PLC体积小,质量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