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： XXXX 20113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 .411 概述 .412 机械手的组成 .413 机械手的应用 .414 机械手应用 .4第二章 机械手机械设计 .521 机械手总体结构设计 .522 机械手的工作原理 .623 机构模块化设计 .724 手部结构设计 .8第三章 机械手机械控制设计 .1031 工作过程与控制要求 .1032 气动驱动设计的简述 .1133 PLC 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11 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。12 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。13 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。14 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21 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 (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622 机械手的工作原理本机械手采用气动驱动，使用的压力为 06MPa。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 0180(气缸行程为 0125mm)；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 0200mm；开合运动由开合气缸实现，工作行程为 030mm，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23 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合时产生混乱；(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) 模块单元的划分必须考虑经济因素等。模块式机械手是将一些通用部件，根据作业的要求，选择必要的能完成预定机能的单元部件，以基座为基础进行组合，配上与其相适应的控制部分，即成为能完成特殊要求的机械手。通过模块选择与组合以构成一定范围内的不同功能或同功能不同性能、不同规格的系列产品。并且在产品变化或临时需要对机械手进行新的分配任务时，可以允许方便的改动或重新设计其新部件，能很快地投产，降低安装和转换工作的费用。气动通用机械手按其功能分析可分为基座、立柱、手臂、手腕、手部模块。其中手臂模块和手部模块是该机械手的基本模块，并可以细分为不同功能的局部模块。立柱模块和手腕模块为可选模块，如机械手需要手臂的升降功能则可省略立柱模块。各部分连接件和关节具备一定的互换性和继承性，夹持式和吸附式手部模块可以根据需要互换，根据各种实际情况需要还可以增加或减少功能模块。24 手部结构设计手部就是与物件接触的部件。由于与物件接触的形式不同，可分为夹持式和吸附式手部。当被夹持工件是圆柱形状时，一般使用夹持式手部；当被夹持工件是板料时，一般使用气流负压式吸盘。夹持式手部由手指(或手爪)和传力机构所构成。手爪是与物件直接接触的构件，常用的手爪运动形式有回转型和平移型。回转型手爪结构简单，制造容易，故应用较广泛。平移型手爪应用较少，其原因是结构比较复杂，但平移型手爪夹持圆形零件时，工件直径变化不影响其轴心的位置，因此适宜夹持直径变化范围大的工件。手爪结构取决于被抓取物件的表面形状被抓部位(是外廓或是内孔)和物件的重量及尺寸。常用的指形有平面的、V 形面的和曲面的；手爪有外夹式和内撑式；指数有双指式、多指式和双手双指式等。而传力机构则通过手爪产生夹紧力来完成夹放物件的任务。其传力结构形式比较多，如滑槽杠杆式、斜楔杠杆式、齿轮气动机械手的 PLC 控制系统的设计9齿条式、弹簧杠杆式。本机械手加持对象为圆筒形工件，因此选用夹持式回转型手部，具体的设计结构如图 2-3 所示。图 2-4-1 机械手手部结构示意图江苏信息职业技术学院毕业设计报告10第三章 机械手机械控制设计31 工作过程与控制要求1)工作过程实验机械手的结构如图 3-1 所示。工作过程为:机械手的初始位置停在原点，按下起动按钮后，机械手将依次完成下降夹紧上升右旋再下降放松再上升左旋 8 个动作。机械手的下降、上升、右旋左旋等动作的转换，是由相应的限位开关来控制的，而夹紧、放松动作的转换是由时间来控制的。机械手所图 3-1-1 机械手工作时的动作示意图有的动作均由气压驱动，它的上升与下降、左旋与右旋等动作均由三位五通电磁换向阀控制，即当下降电