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1、湖南省生物机电职业技术学院毕业设计机械手控制电路设计系 部： 机械系 专 业： 机械制造及自动化 班 级： 机制09316班 姓 名： 邹张骞 学 号： 200923531608 联系电话： 15111034033 指导老师： 徐 坚 目 录摘 要 随着科学技术的日新月异，自动化程度要求越来越高，市场竞争激烈、人工成本上涨，以往人工操作的搬运和固定方式输送带为主的传统物件搬运方式、不但占用空间而且不容易变更生产线结构，加上需要人力监督操作，更增加了生产成本，原有的生产装料装置远远不能满足当前高度自动化的需要。因此减轻劳动强度，保障生产可靠性、安全性，降低生产成本，减少环境污染、提高产品的质量及
2、经济效益是企业生产所必须面临的重大的问题。本文在纵观了近年来机械手发展状况的基础上，结合机械手方面的设计，对机械手技术进行了系统的分析，提出了用电磁阀和PLC控制的设计方案。采用整体化的设计思想，充分考虑了软、硬件各自的特点并进行互补优化。对物料分拣机械手的整体结构、执行结构、驱动系统和控制系统进行了分析和设计。在其驱动系统中采用气动驱动，控制系统中选择PLC的控制单元来完成系统功能的初始化、机械手的移动、故障报警等功能。最后提出了一种简单、易于实现、理论意义明确的控制策略关键词：机械手，PLC，控制电路第一章 绪论在现代工业中，生产过程的机械化、自动化已成为突出的主题。化工等连续性生产过程的
3、自动化已基本得到解决。但在机械工业中，加工、装配等生产是不连续的。专用机床是大批量生产自动化的有效办法；程控机床、数控机床、加工中心等自动化机械是有效地解决多品种小批量生产自动化的重要办法。但除切削加工本身外，还有大量的装卸、搬运、装配等作业，有待于进一步实现机械化。机器手的出现并得到应用，为这些作业的机械化奠定了良好的基础。它能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。它可代替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，广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门1.1本课题的设计的目的和意义随着我国经济迅速发展，很
4、多行业技术水平不但提高微电子技术、计算机技术和自动化技术就是其中最快的技术之一，机械手在早期的应用时在汽车制造方面，进行一般的焊接、喷漆、搬运物料等。但是面临一些人工无法完成的工作，机械手成为了人的代替品，因此，随着人把机械手运用到更加恶劣的环境中，他可以有效的代替人从事危险、有害、有毒、低温和高温等恶劣环境中工作；替代人完成繁重、单调重复劳动，提高劳动生产率，保证产品质量。目前机械手主要用于制造业中。随着科学技术的发展和计算机技术的广泛应用，人们对机械手的安全性，可靠性、准确性的要求越来越高，以继电器组成的控制系统实现机械手控制的方法已经不能满足人们的需要。可编程控制器因为稳定可靠、结构简单
5、、功能强大和使用方便，已经成为应用最广泛的装置，成为现代工业自动化的主要支柱之一。机械手控制要求接入设备使用简单，系统编程过程简单，具有人性化，PLC控制机械手改善了机械手的灵活性。因此PLC控制机械手得到广泛应用1.2本课题的基本要求本课题将要完成的主要任务如下：1. 用西门子PLC技术设计机械手控制电路，模拟机械手工作过程如图1-1，使每次循环动作均从原位开始。（1）在传输带A端部，如图2-2安装了光电开关PS，用以检测物品的到来。当光电开关检测到物品时为ON状态。（2）机械手在原位时，按下起动按钮，系统起动，传送带A运转。当光电开关检测到物品后，传送带A停。(3) 传输带A停止后，机械手
6、进行一次循环动作，把物品从传送带A上搬到传送带B(连续运转）上。(4) 机械手返回原位后，自动再起动传送带A运转，进行下一个循环。(5) 按下停止按钮后，应等到整个循环完成后，才能使机械手返回原位，停止工作。(6) 机械手的上升下降和左移右移的执行结构均采用双线圈的二位电磁阀驱动液压装置实现，每个线圈完成一个动作。(7) 抓紧放松由单线圈二位电磁阀驱动液压装置完成，线圈通电时执行抓紧动作，线圈断电时执行放松动作。(8) 械手的上升、下降、左移、右移动作均由极限开关控制。(9) 抓紧动作由压力继电器控制，当抓紧时，压力继电器动合触点闭合。放松动作为时间控制（设为4s）。(10)合理选择驱动机构，
7、及控制电路电压，传感器类型以及机械手的自由度。2编制程序，列出资源分布表，画出梯形图。 图2-2 机械手运动情况 图2-2 机械手示意图第二章 机械手与PLC的基本概述2.1机械手的概述2.1.1机械手的产生它是在早期出现的古代机器人基础上发展起来的，机械手研究始于20世纪中期，随着计算机和自动化技术的发展，特别是1946年第一台数字电子计算机问世以来，计算机取得了惊人的进步，向高速度、大容量、低价格的方向发展。同时，大批量生产的迫切需求推动了自动化技术的进展，又为机器人的开发奠定了基础。另一方面，核能技术的研究要求某些操作机械代替人处理放射性物质。在这一需求背景下，美国于1947年开发了遥控
8、机械手，1948年又开发了机械式的主从机械手。 机械手首先是从美国开始研制的。1954年美国戴沃尔最早提出了工业机器人的概念，并申请了专利。该专利的要点是借助伺服技术控制机器人的关节，利用人手对机器人进行动作示教，机器人能实现动作的记录和再现。这就是所谓的示教再现机器人。现有的机器人差不多都采用这种控制方式。1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手铆接机器人。作为机器人产品最早的实用机型（示教再现）是1962年美国AMF公司推出的“VERSTRAN”和UNIMATION公司推出的“UNIMATE”。这些工业机器人主要由类似人的手和臂组成它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有
9、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。2.1.2机械手的构成和优点机械手主要由手部、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
10、。一般专用机械手有23个自由度。机械手有以下九点优点1)节约人工：用机械手取出产品，可节省人工，如配合输送带同时使用，则一名操作工人可以轻松的操作2-3台注塑机。2)安全性高：用人工取产品或水口有夹伤手的危险，使用机械手则可確保安全生产。3)提高效率：以注塑周期30秒计算，用人工取出一天约为2800模，如使用机械手可将周期缩短到27秒，则用机械手取出一天约3200模，可提高400模左右。4)适用范围：适用于塑料成形产品（如：玩具类、手机外壳、瓶胚、汽车零件、导光板、钟表齿输等）。5)提升品质：如产品为自动脱模，顶针延时肯定会影响生产效率，且产品自动脱落会造成碰伤，沾到油污而造成不必要的不良品。
11、如用机械手取出，锁模时间固定，模温正常，可降低产品不良率。6)防止模具损坏：人工如未能成功取出产品或水口，合模会造成模具损坏，机械手臂如未能成功取出产品或水口或其中一件，会自动报警停机。7)摆脱人工操作的惰性：无论白班还是夜班操作工人长时间的工作都会产生一种惰性和疲劳感，取出时会延长开关模时间。而机械手则可摆脱人工操作的惰性和疲劳感。8)回报快：A：以产品之注塑周期为20秒计算，每班应生产2160模，但一般生产资料显示，很难生产到2000模，尤其夜班更难达到1900模，用机械手生产每班可生产2100模，平均每天可多生产500模，假设每模0.3元计算则每台机可增值150元/天，每月增值4000元
12、左右。B：使用机械手和输送带每一名操作工人可以操作2-3台注塑机，则可省去人工1-2人，按每人1500元/月计算，则此项又可节省1500元-3000元/月。AB则每台机械手每月可增收5500-7000元。 提高竟争力：使用机械手，提升企业形象，品质得到保证，更可精确的计算产量。无形之中在很大程度上提高了企业的竟争优势2.2PLC的概述2.2.1PLC的定义及简介可编程控制器(Programmable Controller)是在硬接线逻辑控制技术和计算机技术的基础上发展起来的一种工业控制器。其早期称为可编程逻辑控制器(Programmable Logic Cotroller)，简称PLC1。世界
13、上第一台可编程控制器是1969年由美国数字设备公司(DEC)为美国通用汽车自动装配线而研制的，主要用于替代传统的继电器逻辑控制。随着微电子技术的迅猛发展，PLC的功能不断增强，从最初的逻辑运算发展到能实现过程控制、智能控制及网络通讯等的多功能控制器，因此普遍改称为可编程控制器。但为避免与个人计算机PC相混淆，所以仍简称为PLC。1987年国际电工委员会(IEC 1131-1)对PLC的定义是：“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计，它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、定时、计数与算术运算等面向用户的指令，并通过数字式或模拟式输入/输出控制
14、各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关的外部设备，都按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。” PLC具有通用灵活、抗干扰能力强、可靠性高、易于编程、使用方便、安装简单、便于维修、体积小等特点，它的采用，大大缩短了系统的设计和调试周期。2.2.2PLC的基本结构PLC以微机技术为基础，其构成基本与微型计算机相同，如图2-1所示。由中央处理单元(CPU)、存储器(RAM, ROM )、输入/输出部件(I/O接口)、编程工具和外围设备等组成。如图2-2所示1中央处理单元CPU是PLC系统的核心它按生产厂家预先编好的系统程序(操作系统)指定的功能，接收并存储用户程序和数据
15、:诊断电源、PLC内部各电路的状态和用户程序中的语法错误。当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入vo映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释器后按指令的规定执行逻辑或算术运算任务，并将逻辑或算术运算的结果送入vo映象区或数据寄存区内。在所有的用户程序执行完毕之后，最后将vo映象区的各输出状态或输出寄存器的数据传送到相应的输出装置，实现输出控制、打印或数据通讯等外部功能。 图2-2 PLC结构示意图2存储器存储器分系统程序存储器和用户程序存储器两部分PLC中常用的存储器类型有：(1)读/写存储器(随机存储器RAM)读写方便，存取速度快
16、，但需后备电池支持。(2)紫外线可擦除的只读存储器(EPROM)断电情况下，存储器内的所有内容保持不变。一般用以存放系统程序以及需永久保持的用户程序。 (3)电可擦除的只读存储器(EEPROM)兼有RAM和EPROM的优点，不足之处主要有两点:必须先擦除该存储单元的内容后才能写入:执行读/写操作的次数有限，约10000次。(4)按块擦除存储器(FLASH Memory)在功能上类似于EEPROM不同之处在于:它是按块擦除的，其优点是读出的速度高，集成度高。 一般常用EPROM等存储芯片固化系统程序，用户不能够直接读取。用户程序或数据通常存放在RAM, EEPROM或FLASH Memory中，
17、便于维修。3输入/输出部件(1)基本I/O接口。I/O是工业现场的各种设备与CPU之间传输信息的接口。输入部件是现场信号进入PLC的桥梁。该部件接收来自主令元件、检测元件的信号，主令元件是指操作台(屏)上的功能键，如启动、停止等按键。检测元件有行程开关、限位开关、传感器等。输入有两种方式，一种是数字输入(也称开关量的输入或接点输入)，另一种是模拟量的输入(也称电平输入)，模拟量的输入要经过A/D转换才能进入PLC。为了提高PLC的抗干扰能力，输入部件的内部有光电祸合、滤波等电路。输出部件是PLC与现场设备之间的连接部件，用以驱动执行元件，如电磁阀、微电机、接触器、指示灯等。输出的形式通常有继电
18、器输出、晶体管输出和可控硅输出等。(2)特殊功能模块为了满足复杂控制功需要，PLC配有多种智能模块，如PID调节模块、通讯模块、步进模块以及伺服模块等。2.2.3 PLC的特点1丰富的I/O 接口模块PLC针对不同的工业现场信号，如：交流或直流；开关量或模拟量；电压或电流；脉冲或电位；强电或弱电等。有相应的I/O 模块与工业现场的器件或设备，如：按钮、 行程开关、接近开关、传感器及变送器、电磁线圈、控制阀等，直接连接另外为了提高操作性能，它还有多种人机对话的接口模块；为了组成工业局部网络，它还有多种通讯联网的接口模块，等等。2.高可靠性所有的I/O 接口电路均采用光电隔离，使工业现场的外电路与
19、PLC 内部电路之间电气上隔离; 各输入端均采用R-C滤波器，其滤波时间常数一般为1020ms;各模块均采用屏蔽措施，以防止辐射干扰;采用性能优良的开关电源。对采用的器件进行严格的筛选;良好的自诊断功能，一旦电源或其他软、硬件发生异常情况，CPU立即采用有效措施，以防止故障扩大;大型PLC 还可以采用由双CPU 构成冗余系统或有三CPU 构成表决系统,使可靠性更进一步提高。3. 采用模块化结构为了适应各种工业控制需要除了单元式的小型PLC 以外绝大多数PLC 均采用模块化结构，PLC 的各个部件，包括CPU 电源、I/O 接口等均采用模块化设计。由字串1机架及电缆将各模块连接起来，系统的规模和
20、功能可根据用户的需要自行组合 。4. 编程简单易学PLC的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式对使用者来说，不需要具备计算机的专门知识因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握。5. 安装简单维修方便PLC不需要专门的机房，可以在各种工业环境下，直接运行使用时只需将现场的各种设备与PLC 相应的I/O 端相连接，即可投入运行，各种模块上均有运行和故障指示装置便于用户了解运行情况和查找故障，由于采用模块化结构，因此一旦某模块发生故障，用户可以通过更换模块的方法使系统迅速恢复运行2.2.4PLC的功能1.逻辑控制2. 定时控制3. 计数控制4. 步进(顺序)控制5. 数据控制：PLC具有数据
21、处理能力6. 其它：PLC还有许多特殊功能模块，适用于各种特殊控制的要求，如：定位控制模块，CRT模块。第三章 机械手控制电路的总体设计方案3.1 PLC控制系统设计的基本内容1.PLC控制系统是由PLC与用户输入、输出设备连接而成的。因此，PLC控制系统设计的基本内容应包括以下内容。2.选择用户输入设备（按钮、操作开关、限位开关、 传感器等）、输出设备（继电器、接触器、信号灯等执行元件）以及由输出设备驱动的控制对象（电动机、电磁阀等）。3.PLC的选择。PLC是PLC控制系统的核心部件。正确选择PLC对于保证整个控制系统的技术经济性能指标起着重要的作用。选择PLC，包括机型、容量的选择以及I
22、/O模块、电源模块等的选择。4.分配I/O点，绘制I/O连接图。5.控制程序设计。包括控制系统流程图、梯形图、语句表（即程序清单）等设计。 6.控制程序是控制整个系统工作的软件，是保证系统工作正常、安全、可靠的关键。因此，设计的控制程序必须经过反复调试、修改，直到满足要求为止2。7.必要时还需设计控制台（柜）。编制控制系统的技术文件。包括说明书、电气图及电气元件明细表。传统的电气图，一般包括电气原理图、电器布置图及电气安装图。在PLC控制系统中，这一部分图统称为“硬件图”。它在传统电气图的基础上增加了PLC部分，因此在电气原理图中应增加PLC的I/O连接图。另外，在PLC控制系统中的电气图中还
23、应包括程序图（梯形图），通常称它为“软件图”。向用户提供“软件图”，可便于用户在生产发展或工艺改进时修改程序，并有利于用户在维修时分析和排除故障。3.2 PLC程序设计的步骤与内容1.对于较复杂的控制系统，需绘制系统控制流程图，用以清楚地表明动作的顺序和条件。对于简单的控制系统，也可省去这一补。2.设计梯形图。这是程序设计的关键一步，也是比较困难的一步。要设计好梯形图，首先要十分熟悉控制要求，同时还要有一定的电气设计的实践经验。3.根据梯形图编制程序清单。4.用计算机或编程器将程序键入到PLC的用户存储器中，并检查键入的程序是否正确。5.对程序进行调试和修改，直到满足要求为。3.3PLC机型的
24、选择合理选择PLC的型号，对于提高PLC控制系统的技术经济指标起着重要作用。选择机型的基本原则是在功能满足要求的前提下，保证可靠，维护使用方便以及最佳功能价格比。3.3.1结构选择PLC主要有整体式和模块式。整体式PLC：整体式PLC的每一个点的平均价格比模块式的便宜，且体积相对小，一般用于系统工艺过程较为固定，环境条件较好，维修量较小的小型控制系统中。模块式PLC：模块式PLC功能扩展灵活方便。在点数上，输入点数，输出点数的比例，模块的种类方面选择余地大，且维修方便，一般用于较复杂的控制系统。对于组合机床，选用整体式PLC较好。3.3.2 I/O点选取原则PLC平均的I/O点价格比较高，因此
25、应该合理选用PLC的I/O点数量，在满足控制要求的前提下力争使用的I/O点最少，但必须留有一定余量。通常I/O点数是根据被控制对象的输入输出信号的实际需要，再加上10%-20%的余量来确定。 由PLC组成的四工位组合机床控制系统有输入信号42个，均为开关量。其中检测元件17个，按钮开关24个，选择开关1个。电控制系统有输出信号27个，其中电磁阀16个，六台电动机的接触器和5个指示灯。根据I/O点数的选取原则考虑10%-20%的I/O点数余量输入点数可选取46-50个输出点数可选取29-33个。3.3.3确定PLC机型及扩展模块根据3.3.2,3.3.3及实际PLC机型点数，选用FX2N-64M
26、R主机和一个16点的输入扩展模块（FX-16EX）这样共有输入点（32+16）。输出点就是主机的32。足够可以满足42个输入，27个输出的要求，而且留有一定余量。3.3.4使用环境条件在选择PLC时，要考虑使用现场的环境条件是否符合它的规定。一般考虑的环境条件有：环境温度、相对湿度、电源允许波动范围和抗干扰等指标。综上所述可编程控制器的种类繁多，型号各异，要选择出合适本设计的PLC产品就要通过对输入和输出点数的选择、对存储容量的选择、对响应时间的选择以及负载情况等进行分析。3.4传感器的选择 根据本课题的需要，当有物料经过传送带时要将这一信息反映给机械手，因此我选用的传感器是槽式光电开关如图3
27、-1，槽式光电开关通常是标准的凹字形结构，其光电发射管和接收管分别位于凹形槽德两边，并形成一光轴。当被检测物体经过凹形槽并阻断光轴时，光电开关就产生了检测到的开关信号。槽式光电开关安全可靠，适合检测高速变化的生产监测场所，分辨透明与半透明物体。光电开关内部结构主要有NPN型和PNP型两种。一般光电开关的工作电流约520n1A，工作电压应低于30V，输出驱动电流则根据型号的不同而有很大的差别，大的几百毫安，小的只有几毫安。 图3-1 光电开关3.5电机的选择本设计所使用的伺服电机主要用于驱动机械手基座转盘的旋转（可正反旋转角度180，在旋转时用光电传感器定位），有快有慢，有进有退，还要具有高效率
28、、噪声低、振动小、堵转转矩高、运行可靠等特点。所以选择松下伺服电机A系列小惯量MSMA5AZAIG，其额定输出500W、100/200V共用，旋转编码器规格为增量式（脉 冲数2500p/r、分辨率10000/r、引出线11）；有油封，无制动器，轴采用键槽连接。该电机才用松下公司独特算法，使速度频率响应提高2倍，达到500HZ；定位超调整时间缩短为以往松下伺服电机产品V系列的1/4。具有共振抑制功能、控制功能，可弥补机械的刚性不足，从而实现高速定位，也可以通过外接高精度的光栅尺，构成全封闭控制，进一步挺高系统精度。具有常规自动增益调整和实时自动增益调整两种自动增益调整方式，还配有RS-485、R
29、S-323C通信口，使上位控制器可同时控制多达16个轴。伺服电机驱动器为A系列MSDA5A3A1A，适用于小惯量电机。这种电机可以满足本设计要求。3.6驱动机构的选择 驱动机构是工业机械手的重要组成部分，工业机械手的性能价格比在很大程度上取决于驱动方案及其装置。根据动力源的不同，机械手的驱动方式共有三种:气动方式，液压方式，电驱动方式。根据设计内容和需求精度确定圆柱坐标型工业机器人，利用电驱动和减速机传动来实现机器人的旋转运动；利用气压缸驱动实现手臂上下运动：考虑到本设计中机器人工作范围不大，故利用气压缸驱动实现手臂的伸缩运动；末端夹持器采用夹持式手部结构，用电磁阀液压驱动方式夹紧。3.7 P
30、LC控制机械手的优点从机械手的控制系统来看，有很多中控制系统，而某些控制系统存在着许多缺点，这不是自动化生产所需要的。单论优点，可能就是由可编程控制器作为控制系统的机械手最为突出，这里从以下几个方面分析PLC控制机械手的优点。从控制方式上看，电气控制属于硬接线，逻辑一旦确定，要改变逻辑或增加功能就非常困难：儿PLC控制是软接线，如需要改变逻辑或增加功能，只需要改变控制程序即可。工作方式上看，电气控制并行工作，而PLC串行工作，不受制约。控制速度上看，电气控制速度慢，触点易抖动：而PLC通过半导体来控制，速度快，无触点，无抖动。可靠性能上看，电气控制触点多，会产生机械磨损和电弧烧伤，接线也多，可
31、靠性也差；PLC无触点，寿命长，还有自我诊断的功能，对 程序执行监控功能，现场调试和维护方便。3.7系统原理图PLC控制机械手的系统原理图3-1所示图3-1 控制原理图3.8控制系统软件的设计3.8.1 I/O分配表如图3-2所示 I/O分配表图3-2 I/O分配表3.9 PLC梯形图PLC梯形图是使用得最多的图形编程语言，被称为PLC的第一编程语言，梯形图的最大优点就是直观易懂，很容易被电气工人掌握，非常适合开关量逻辑控制。PLC梯形图中的某些编程元件沿用了继电器这一名称，如输入继电器、输出继电器等，他们不是真实的物理继电器，而是以写存储单元，每一次继电器与PLC存储器中映像寄存器的一个存储单元相对应。梯形图两则的垂直公共线成为母线，在分析梯形图的逻辑关系时，为了借用继电器电路图的分析方法，可以想象左右两侧母线之间有个一个左正右负的直流电源电压，母线之间有电流从左向右流动，右母线可以不画出来。根据梯形图中各触点的状态和逻辑关系，求出与图中各线圈对应的编程元件的状态，称为梯形图的逻辑解算。梯形图中的逻辑解算是按从左至右、从上到下的顺序进行。逻辑解算是根据输入映像寄存器中的值，而不是根据解算瞬时外部输入触点的状态来进行的