溫州華友五金廠運料機械手控制系統(tǒng)設(shè)計

1、電氣自動化技術(shù)專業(yè)畢業(yè)設(shè)計設(shè)計課題：溫州華友五金廠運料機械手控制系統(tǒng)設(shè)計學生姓名: 夏 xx 學 號: xxxxxxxxxx 指導教師: 吳麗麗 專 業(yè): 電氣自動化技術(shù) 年 級: 10 級 2013 年 6 月 10 日浙江廣廈建設(shè)職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)設(shè)計說明書摘要：摘要：本設(shè)計是為五金廠數(shù)控車床配套而設(shè)計的上下料氣動機械手。工業(yè)機械手是工業(yè)生產(chǎn)的必然產(chǎn)物，它是一種模仿人體上肢的部分功能，按照預定要求輸送工件或握持工具進行操作的自動化技術(shù)設(shè)備，對實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)自動化，推動工業(yè)生產(chǎn)的進一步發(fā)展起著重要作用。實踐證明，工業(yè)機械手可以代替人手的繁重勞動，顯著減輕工人的勞動強度，改善勞動條件，提高勞動生產(chǎn)

2、率和自動化水平。所以針對小型加工類生產(chǎn)線為提高其生產(chǎn)效率就設(shè)計一個應(yīng)用 plc 技術(shù)來控制氣壓驅(qū)動系統(tǒng)的機械手。關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：機械手；氣動；plc；生產(chǎn)自動化浙江廣廈建設(shè)職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)設(shè)計說明書目 錄引言引言.1 11.1.機械手結(jié)構(gòu)概論與選擇機械手結(jié)構(gòu)概論與選擇.2 21.1 機械手總體結(jié)構(gòu)的類型 .21.2 機械手的組成 .21.2.1 機械手的手部 .31.2.2 機械手的手臂 .31.2.3 機械手立柱 .32 2 機械手驅(qū)動機械手驅(qū)動 .4 42.1 機械手的驅(qū)動方式： .42.1.1 機械手的驅(qū)動方案設(shè)計： .42.2 機械手的系統(tǒng)工作原理及組成 .42.3 氣動機械手的控制要求

3、 .62.4 氣動機械手的氣壓傳動系統(tǒng) .72.5 系統(tǒng)的控制面板操作與工作方式 .72.5.1 操作面板操作 .72.5.2 氣動機械手的工作方式 .73 3plcplc 控制系統(tǒng)設(shè)計控制系統(tǒng)設(shè)計 .9 93.1 可編程控制器的 cpu 選擇.93.2 氣動機械手的 i/o 地址分配表.93.3plc 外部接線圖.103.4 氣動機械手控制流程圖 .103.5 程序設(shè)計梯形圖 .12結(jié)論結(jié)論.1717致謝致謝.1818參考文獻參考文獻.1919浙江廣廈建設(shè)職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)設(shè)計說明書第 0 頁 共 20 頁引言機械手是在自動化生產(chǎn)過程中使用的一種具有抓取和移動工件功能的自動化裝置，它是在機械化

4、、自動化生產(chǎn)過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。機械手越來越廣泛的得到了應(yīng)用，在機械行業(yè)中它可用于零部件組裝，加工工件的搬運、裝卸，特別是在自動化數(shù)控機床、組合機床上使用更普遍。而目前我國的工業(yè)機器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國外比還有一定的距離，應(yīng)用規(guī)模和產(chǎn)業(yè)化水平低，機械手的研究和開發(fā)直接影響到我國自動化生產(chǎn)水平的提高，從經(jīng)濟上、技術(shù)上考慮都是十分必要的。目前，在國內(nèi)很多工廠的生產(chǎn)線上數(shù)控機床裝卸工件仍由人工完成，勞動強度大、生產(chǎn)效率低。為了提高生產(chǎn)加工的工作效率,降低成本,設(shè)計一個運料機械手控制程序，以提高勞動生產(chǎn)率。本機械手主要與像五金廠類的小型生產(chǎn)流水線組合最終形成生產(chǎn)線，實現(xiàn)加工過程（上料

5、、下料）的自動化、無人化。浙江廣廈建設(shè)職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)設(shè)計說明書第 1 頁 共 20 頁1.機械手概論1.1 機械手系統(tǒng)工作原理及組成機械手主要由執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測裝置等所組成。在plc程序控制的條件下，采用氣壓傳動方式，來實現(xiàn)執(zhí)行機構(gòu)的相應(yīng)部位發(fā)生規(guī)定要求的，有順序，有運動軌跡，有一定速度和時間的動作。同時按其控制系統(tǒng)的信息對執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出指令，必要時可對機械手的動作進行監(jiān)視，當動作有錯誤或發(fā)生故障時即發(fā)出報警信號。位置檢測裝置隨時將執(zhí)行機構(gòu)的實際位置反饋給控制系統(tǒng)，并與設(shè)定的位置進行比較，然后通過控制系統(tǒng)進行調(diào)整，從而使執(zhí)行機構(gòu)以一定的精度達到設(shè)定位置。機械手的系統(tǒng)工作

6、原理框圖如圖1.1所示。圖 1.1 系統(tǒng)工作原理框圖執(zhí)行機構(gòu)執(zhí)行機構(gòu)手部手部手臂手臂腰部腰部控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)（plcplc）驅(qū)動系統(tǒng)驅(qū)動系統(tǒng)（氣動）（氣動）位置檢測裝置位置檢測裝置浙江廣廈建設(shè)職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)設(shè)計說明書第 2 頁 共 20 頁2.機械手執(zhí)行機構(gòu)的確定執(zhí)行機構(gòu)：包括手部，手臂和立柱（腰部）等部件。本機械手設(shè)計是針對像五金廠加工流水線上下料所需，所以各部件選擇都是為滿足生產(chǎn)需要服務(wù)。2.1 機械手總體結(jié)構(gòu)類型確定機械手的結(jié)構(gòu)形式主要有直角坐標結(jié)構(gòu)，圓柱坐標結(jié)構(gòu)，球坐標結(jié)構(gòu)，關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)四種。各結(jié)構(gòu)形式及其相應(yīng)的特點，分別介紹如（圖 2.1）圖 2.1 機械手總體結(jié)構(gòu)類型圖由于本機械手

7、在上下料時只具有手臂升降，回轉(zhuǎn)運動，動作方式較為簡單，直角坐標型和圓柱坐標型都可實現(xiàn)。直角坐標機器人的運動空間相對機器人的結(jié)構(gòu)尺寸來講，是比較小的。因此，為了實現(xiàn)一定的運動空間，直角坐標機器人的結(jié)構(gòu)尺寸要比其他類型的機器人的結(jié)構(gòu)尺寸大得多。圓柱坐標機器人的空間運動是用一個回轉(zhuǎn)運動及兩個直線運動來實現(xiàn)的。這種機器人構(gòu)造比較簡單，精度高，常用于搬運作業(yè)。因此，本設(shè)計采用圓柱座標型式。2.2 機械手的手部 的選擇氣動機械手抓取動作最終是由手抓來完成的。手抓主要有手指氣缸和真空吸盤兩種結(jié)構(gòu)，在抓取異型、特殊工件時也有用膜片夾緊氣缸、氣囊來抓取工件的。氣動機械手在抓取物體時，究竟是選抓手，還是選真空吸盤

8、，是沒有嚴格規(guī)定的，一般根據(jù)具體工況而定。對于平板的抓取，通常較多使用真空吸盤，而對于長方形、圓形物體，既可采用抓手又可采用真空吸盤來完成。由于本設(shè)計是服務(wù)于五金加工廠，加工流水線的物件規(guī)格大致如（圖1.3）圓柱零件重量大約為10kg，所以本設(shè)計手部為手抓式。浙江廣廈建設(shè)職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)設(shè)計說明書第 3 頁 共 20 頁圖 1.3 工件的幾何形狀和尺寸2.3 機械手手臂的選擇手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是帶動手指去抓取物件，并按預定要求將其搬運到指定的位置。工業(yè)機械手的手臂通常由驅(qū)動手臂運動的部件(如油缸、氣缸、齒輪齒條機構(gòu)、連桿機構(gòu)、螺旋機構(gòu)和凸輪機構(gòu)等)與驅(qū)動源(如

9、液壓、氣壓或電機等)相配合，以實現(xiàn)手臂的各種運動。按照抓取工件的要求，本機械手的手臂有兩個自由度，即手臂的左右回轉(zhuǎn)和升降(或俯仰)運動。手臂的回轉(zhuǎn)和升降運動是通過立柱來實現(xiàn)的，立柱的橫向移動即為手臂的橫移。手臂的各種運動由氣缸來實現(xiàn)。2.4 機械手立柱 的選擇立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回轉(zhuǎn)運動和升降(或俯仰)運動均與立柱有密切的聯(lián)系。機械手的立往通常為固定不動的，但因工作需要，有時也可作橫向移動，即稱為可移式立柱。浙江廣廈建設(shè)職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)設(shè)計說明書第 4 頁 共 20 頁2 機械手驅(qū)動2.1 機械手的驅(qū)動方式：機械手的驅(qū)動方式主要有四種：液壓傳動機械手，氣壓傳動

10、機械手，機械傳動機械手，電力傳動機械手液壓傳動機械手是以液壓的壓力來驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)運動的機械手。其主要特點是:抓重可達幾百公斤以上、傳動平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)緊湊、動作靈敏。但對密封裝置要求嚴格，不然油的泄漏對機械手的工作性能有很大的影響，且不宜在高溫、低溫下工作。若機械手采用電液伺服驅(qū)動系統(tǒng)，可實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制，使機械手的通用性擴大，但是電液伺服閥的制造精度高，油液過濾要求嚴格，成本高。氣壓傳動機械手是以壓縮空氣的壓力來驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)運動的機械手。其主要特點是:輸出力小，氣動動作迅速，結(jié)構(gòu)簡單，成本低。但是，由于空氣具有可壓縮的特性，工作速度的穩(wěn)定性較差，沖擊大，而且氣源壓力較低，抓重一般在 30 公斤以下

11、，在同樣抓重條件下它比液壓機械手的結(jié)構(gòu)大，所以適用于高速、輕載、高溫和粉塵大的環(huán)境中進行工作。機械傳動機械手即由機械傳動機構(gòu)(如凸輪、連桿、齒輪和齒條、間歇機構(gòu)等)驅(qū)動的機械手。它是一種附屬于工作主機的專用機械手，其動力是由工作機械傳遞的。它的主要特點是運動準確可靠，動作頻率大，但結(jié)構(gòu)較大，動作程序不可變。它常被用于工作主機的上、下料。電力傳動機械手即有特殊結(jié)構(gòu)的感應(yīng)電動機、直線電機或功率步進電機直接驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)運動的機械手，因為不需要中間的轉(zhuǎn)換機構(gòu)，故機械結(jié)構(gòu)簡單。其中直線電機機械手的運動速度快和行程長，維護和使用方便。此類機械手目前還不多，但有發(fā)展前途。2.1.1 機械手的驅(qū)動方案設(shè)計：由

12、于氣壓傳動系統(tǒng)的動作迅速，反應(yīng)靈敏，阻力損失和泄漏較小，成本低廉因此本機械手采用氣壓傳動方式。2.2 機械手的系統(tǒng)工作原理及組成機械手的工作原理：機械手主要由執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測浙江廣廈建設(shè)職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)設(shè)計說明書第 5 頁 共 20 頁裝置等所組成。在plc程序控制的條件下，采用氣壓傳動方式，來實現(xiàn)執(zhí)行機構(gòu)的相應(yīng)部位發(fā)生規(guī)定要求的，有順序，有運動軌跡，有一定速度和時間的動作。同時按其控制系統(tǒng)的信息對執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出指令，必要時可對機械手的動作進行監(jiān)視，當動作有錯誤或發(fā)生故障時即發(fā)出報警信號。位置檢測裝置隨時將執(zhí)行機構(gòu)的實際位置反饋給控制系統(tǒng)，并與設(shè)定的位置進行比較，然后通過

13、控制系統(tǒng)進行調(diào)整，從而使執(zhí)行機構(gòu)以一定的精度達到設(shè)定位置。機械手的系統(tǒng)工作原理框圖如圖2.1所示。圖 2.1 系統(tǒng)工作原理框圖執(zhí)行機構(gòu)執(zhí)行機構(gòu)手部手部手臂手臂腰部腰部控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)（plcplc）驅(qū)動系統(tǒng)驅(qū)動系統(tǒng)（氣動）（氣動）位置檢測裝置位置檢測裝置浙江廣廈建設(shè)職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)設(shè)計說明書第 6 頁 共 20 頁2.3 氣動機械手的控制要求氣動機械手動作示意圖如圖 2.2 所示，氣動機械手的功能是將工件從 a 點搬運到 b 點，控制要求為：圖2.2氣動機械手動作示意圖氣動機械手的升降和左右移動分別由不同的雙線圈電磁閥實現(xiàn)，電磁閥線圈失電時能保持原來的狀態(tài)，必須驅(qū)動反向的線圈才能反向運動；上升

14、、下降的電磁閥線圈分別為 mb2、mb1；右行、左行的電磁閥線圈為mb3、mb4；機械手的夾鉗由單線圈電磁閥 mb5 來實現(xiàn)，線圈通電夾緊，斷電松開；機械手的夾鉗的松開，夾緊通過延時 1.7s 實現(xiàn)；機械手下降、上升、右行、左行的限位由行程開關(guān) bg1、bg2、bg3、bg4來實現(xiàn)。浙江廣廈建設(shè)職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)設(shè)計說明書第 7 頁 共 20 頁2.4 氣動機械手的氣壓傳動系統(tǒng)圖 2.3 氣動機械手的氣壓傳動系統(tǒng)圖2.5 系統(tǒng)的控制面板操作與工作方式2.5.1 操作面板操作機械手用來將工件從 a 點搬運到 b 點，輸出 q0.1 為 1 時工件被夾緊，為 0時被松開。工作方式選擇開關(guān)的 5 個位

15、置分別對應(yīng)于 5 種工作方式，操作面板左下部的 6 個按鈕式手動按鈕。為了保證在緊急情況下（包括 plc 發(fā)生故障時）能可靠地切斷負載電源，設(shè)置了交流接觸器 qa。plc 開始運行時按下“負載電源”按鈕，使 qa 線圈得電并自鎖，qa 的主觸點接通，給外部負載提供交流電源，出現(xiàn)緊急情況時用“緊急停車”按鈕斷開負載電源。2.5.2 氣動機械手的工作方式系統(tǒng)設(shè)有手動、單周期、連續(xù)、單步和回原點五種工作方式如圖 2.4手動工作方式時，用 i1.3i1.5 以及 i2.0i2.2 對應(yīng)的 6 個按鈕分別獨立控制機械手的下降、上升、右行、左行、夾緊、放松；回原位工作方式時，按下“回原位”按鈕，則機械手自

16、動返回原位；單步工作方式時，從初始步開始，按一下啟動按鈕，系統(tǒng)轉(zhuǎn)換到下一步，完成該步的任務(wù)后，自動停止工作并停留在該步，再按一下啟動按鈕，又往前走一步。單步工作方式常用于系統(tǒng)的調(diào)試；浙江廣廈建設(shè)職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)設(shè)計說明書第 8 頁 共 20 頁單周期的工作方式時，按下啟動按鈕 i0.0 后，從初始步 m10.3 開始，機械手按順序功能圖的規(guī)定完成一個周期的工作后，返回并停留在初始步；連續(xù)工作方式時，按下啟動按鈕 i0.0 后，機械手按順序功能圖的規(guī)定連續(xù)循環(huán)工作，直到按下停止按鈕。圖 2.4 氣動機械手的控制面板浙江廣廈建設(shè)職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)設(shè)計說明書第 9 頁 共 20 頁3plc 控制系統(tǒng)設(shè)

17、計3.1 可編程控制器的 cpu 選擇根據(jù)控制要求，分析后知所需 17 個輸入 5 個輸出，可以選擇西門子 s7-200系列的 plc。3.2 氣動機械手的 i/o 地址分配表氣動機械手的 i/o 地址分配表如表 3.1 所示：控制信號信號名稱元件名稱元件符號地址編碼啟動啟動按鈕sf1i0.0下降停止下限位開關(guān)bg1i0.1上升停止上限位開關(guān)bg2i0.2右行停止右限位開關(guān)bg3i0.3左行停止左限位開關(guān)bg4i0.4回原位操作回原位開關(guān)-i0.5停止停止按鈕sf2i0.6手動操作手動開關(guān)-i0.7單步操作單步開關(guān)-i1.0輸入信號單周期操作單周期開關(guān)-i1.1連續(xù)操作連續(xù)開關(guān)-i1.2下降下

18、降按鈕sf3i1.3上升上升按鈕sf4i1.4右行右行按鈕sf5i1.5左行左行按鈕sf6i2.0夾緊夾緊按鈕sf7i2.1輸入信號松開松開按鈕sf8i2.2下降下降電磁閥mb1q0.0夾緊、松開夾松電磁閥mb5q0.1上升上升電磁閥mb2q0.2右行右行電磁閥mb3q0.3輸出信號左行左行電磁閥mb4q0.4表 3.1 氣動機械手的 i/0 地址分配表浙江廣廈建設(shè)職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)設(shè)計說明書第 10 頁 共 20 頁3.3plc 外部接線圖plc 外部接線圖的輸入輸出設(shè)備、負載電源的類型等的設(shè)計是結(jié)合系統(tǒng)的控制要求來設(shè)定的。氣動機械手控制外部接線圖如圖 3.1 所示。圖 3.1cpu226 的

19、 i/o 接線圖3.4 氣動機械手控制流程圖在進行程序設(shè)計時，首先應(yīng)明確對象的具體控制要求。由于 cpu 對程序的串行掃描工作方式，會造成輸入輸出的滯后，而由掃描方式引起的滯后時間，最長可達兩個掃描周期，程序越長，這種滯后越明顯，則控制精度就越低。因此，在實現(xiàn)控制要求的基礎(chǔ)上，應(yīng)使程序盡量簡潔緊湊。另一方面，同一控制對象，根據(jù)生產(chǎn)的工藝流程不同，控制要求或控制時序會發(fā)生變化，此時，要求程序修改方便、簡單，即要求程序有較好的柔性。plc 工作原理：接通電源時系統(tǒng)啟動開始掃描，掃描手動開關(guān)，是執(zhí)行手動操作，手動操作不需要按工序順序動作；掃描回原點開關(guān)，是執(zhí)行回原點操作；浙江廣廈建設(shè)職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)

20、設(shè)計說明書第 11 頁 共 20 頁掃描單步開關(guān)，是執(zhí)行單步操作；掃描單周期開關(guān)，是檢測是否在原點，是執(zhí)行單周期操作；掃描連續(xù)操作，是檢測是否在原點，是執(zhí)行連續(xù)操作。除了連續(xù)操作以外，其他操作執(zhí)行完以后自動重新掃描。圖 3.2 氣動機械手控制流程圖浙江廣廈建設(shè)職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)設(shè)計說明書第 12 頁 共 20 頁3.5 程序設(shè)計梯形圖浙江廣廈建設(shè)職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)設(shè)計說明書第 13 頁 共 20 頁浙江廣廈建設(shè)職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)設(shè)計說明書第 14 頁 共 20 頁浙江廣廈建設(shè)職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)設(shè)計說明書第 15 頁 共 20 頁浙江廣廈建設(shè)職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)設(shè)計說明書第 16 頁 共 20 頁浙江廣廈建設(shè)職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)設(shè)計說明書第 17 頁 共 20 頁結(jié)論本設(shè)計采用專用機械手它是附屬于主機的、具有固定程序而無獨立控制系統(tǒng)的機械裝置相比通用機械手，專用機械手具有動作少、工作對象單一、結(jié)構(gòu)簡單、使用可靠和造價低等特點，適用于大批量的自動化生產(chǎn)的自動換刀機械手，如自動機床、自動線的上、下料機械手。采用氣壓傳動，動作迅速，反應(yīng)靈敏，能實現(xiàn)過載保護，便于自動控制。工作環(huán)境適應(yīng)性好，不會因環(huán)境變化影響傳動及控制性能。阻力損失和泄漏較小，不會污染環(huán)境。同時成本低廉。通過這次機械手設(shè)計讓我知道了現(xiàn)代企業(yè)在完成自動化控制中離不開 plc 的控制，它可以使企業(yè)在生產(chǎn)的同時減少勞動力和生產(chǎn)成本。目