气动机械手的PLC控制系统的设计

毕业设计报告课题：气动机械手PLC控制系统的设计系部：电气工程系专业：机电一体化技术班级：机电092姓名：XXX学号：XXXXXXX指导老师：XXXX2011．3江苏信息职业技术学院毕业设计报告2目录摘要...............................................................................................................3第一章机械手的简介.................................................................................41．1概述.............................................................................................41．2机械手的组成.............................................................................41．3机械手的应用.............................................................................41．4机械手应用.................................................................................4第二章机械手机械设计...........................................................................52．1机械手总体结构设计.................................................................52．2机械手的工作原理.....................................................................62．3机构模块化设计.........................................................................72．4手部结构设计.............................................................................8第三章机械手机械控制设计.................................................................103．1工作过程与控制要求...............................................................103．2气动驱动设计的简述...............................................................113．3PLC控制系统设计..................................................................12结束语.........................................................................................................20谢辞.............................................................................................................21参考文献.....................................................................................................22气动机械手PLC控制系统的设计3气动机械手PLC控制系统的设计摘要:气动技术具有一系列显著优点，在工业生产中得到越来越广泛的应用，己成为自动化不可缺少的重要手段。进入90年代后，气动技术更突破传统死区，经历着飞跃性进展。再者，冲压自动化是解决冲压生产成本及安全问题、提高冲压生产企业效益的必然选择，而冲压机械手是冲压自动化的重要组成部分。但是，目前冲压机械手高昂的价格却使国内众多的中小冲压企业望而却步。PLC是以现代微处理器技术为核心的控制器，作为一种通用的工业控制器，其可靠性高、抗干扰能力强；PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性，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；PLC采用光电隔离和滤波技术技术有效抑制外部干扰源对PLC的影响，此外PLC还可在强、通用性好；开发周期短，功耗小。本课题对现代工业的的发展具有很重要的意义。关键词：意义，应用，原理，plc，机械手，气动控制技术江苏信息职业技术学院毕业设计报告4第一章机械手的简介1．1概述机械手首先是由美国开始研制的。1958年美国联合控制公司研制出了第一台机械手。机械手能模仿人手和臂的某些动作功能，并用以按固定程序抓取、搬运。它可替代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，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。1．2机械手的组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，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，需要8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。一般机械手有2到3个自由度。1．3机械手的应用机械手的种类，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。1．4机械手应用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。另外，机械手在锻造工业中的应用不仅能进一步发展锻造设备的生产能力，而且能改善热、累等劳动条件。气动机械手的PLC控制系统的设计5第二章机械手机械设计2．1机械手总体结构设计按照机械手的不同运动形式，可分为直角坐标式、圆柱坐标式、球坐标式和关节式。机械手的运动可以分为主运动和辅助运动。手臂和立柱的运动称为主运动，因为其能改变被抓取工件在空间的位置。手腕和手指的运动称为辅助运动，因为手腕的运动只能改变被抓取工件的方位，而手指的开合不能改变工件的位置和方位，所以不计为自由度数，其它运动均计为自由度数。本文所针对的机械手需要实现两个工位间的移料动作，手臂具有回转、升降及伸缩运动，因此采用圆柱坐标式，相应的机械手具有二个自由度，即回转自由度θ(正转和反转)、升降自由度x(上升和下降)。由于被抓取工件是水平抓取，然后水平放置，搬运过程中无需改变工件的姿势，因此可以省略手腕模块。根据工件外形(圆筒形工件)，夹持部分采用两指手爪，具有一个开合运动(夹紧和放松)。图2-1-1所示为机械手的运动示意图。图2-1-1机械手气动系统图机械手的机械系统由执行机构和驱动系统组成。本设计项目中机械手的操作对象为小型工件，所需要的驱动力较小，同时冲压模具可以实现工件的自对正，为简化结构和降低成本，机械手各自由度均采用气动驱动。驱动部分有回转气缸、升降气缸和开合气缸。江苏信息职业技术学院毕业设计报告62．2机械手的工作原理本机械手采用气动驱动，使用的压力为0．6MPa。气动驱动的主要优点是气源方便，驱动系统具有缓冲作用、结构简单、成本低、维修方便。本机械手具有一个旋转运动自由度，两个直线运动自由度和一个开合运动，用于将工件从源工作台搬运到目标工作台上，两个工作台高度不同，所在位置和机械手基座位置三点组成的位置组成一定角度，而且两个工作台与机械手基座的距离也不相同。机械手的全部运动由气缸驱动，气缸由电磁阀控制，整个机械手在工作中能够实现正转/反转、上升/下降、伸出/缩回、夹紧/放松功能。其回转自由度是通过普通气缸经过齿轮/齿条传动将直线运动转换为回转运动实现的，由气缸、齿轮/齿条、齿条导轨和回转运动磁性限位开关配合完成，回转工作行程为0°~180°(气缸行程为0~125mm)；升降自由度和伸缩自由度直接由普通气缸实现，皆由气缸、气缸运动导轨和磁性限位开关配合完成，其工作行程皆为0~200mm；开合运动由开合气缸实现，工作行程为0~30mm，由于气缸行程较小，无法安装磁性限位开关，所以其开合运动的限位由气缸端盖实现，即开合气缸满行程工作。将机械手的原点(原始状态)定为开始工作位的反转限位、上升限位、缩回限位及放松状态。机械手为实现移料动作，需要以下几个动作：(1)竖直下降机械手升降气缸活塞缩回，气缸下行至下降限位，使手部夹持机构(手爪)到达与源工作台上的工件水平的位置。(2)夹紧机械手开合气缸活塞伸出，手爪夹紧工件。(3)竖直上升机械手升降气缸活塞伸出，气缸上行至上升限位，将工件提起，同时使手爪及其所夹紧的工件到达稍微超越目标工作台上平面的位置。(4)正向回转机械手回转气缸活塞伸出，机械手正转至正转限位。(5)手臂伸长机械手伸缩气缸活塞伸出至伸出限位，使手爪及其所夹紧的工件到达目标工作台的正上方。(6)放松机械手开合气缸活塞缩回，手爪放松工件。(7)手臂缩短机械手伸缩气缸活塞缩回至缩回限位。(8)反向回转机械手回转气缸活塞缩回，机械手反转至反转限位。以上是机械手移料动作，完成之后，目标工作台所在冲床进入冲压过程。至气动机械手的PLC控制系统的设计7此，机械手的一个完整动作循环就完成了。图2-2-2所示为冲压机械手的工作流程图。图2-2-1机械手工作流程图2．3机构模块化设计近几十年来，产品更新速度越来越快，加之市场竞争日益激烈，许多企业被迫走上了多品种，中小批量的生产方式。因此，传统的设计思想和制造方式已无法适应现代化社会多样化、快节奏的要求。为适应这一转变，各种新思想、新方法，例如成组技术、计算机辅助技术等应运而生，模块化思想也是其中之一。模块化是用来描述公共单元的使用以便实现产品的各种变型，它的主要目标就是确定独立的、标准化的或可改变的单元来满足功能的变化。模块化设计的理论基础最初来自于Suh的独立性公理：在好的设计中保持功能要求的独立性。因此在可能的情况下，产品完成的每一个功能都应独立于产品完成的所有其它功能，这个公理就要求寻找物理结构独立性与功能独立性之间的统一。在模块化设计的早期主要根据两个产品设计特征来定义模块性：一是在物理结构与功能结构之间的相似性；二是极小化物理元件之间附加的相互作用。即模块化产品或部件从功能结构中的功能元件向产品的物理元件有一对一的映射关系。要建立模块库，首先要将产品划分成若干模块，划分的一般原则为：(1)尽量减少产品包含的模块总数，简化模块自身的复杂程度，以免模块组合缩回上升伸出正转夹紧放松下降反转江苏信息职业技术学院毕业设计报告8时产生混乱；(2)以有限的模块数来获得尽可能多的实用组合方案，以满足用户的需要；(3)划分中应使模块具有一定的功能独立性和结构完整性；(4)要充分注意模块间的结合要素，以便于结合和分离；(5)要考虑模块的划分对产品的精度、刚度带来的影响；(6)模块单元的划分必