机械手毕业设计.doc

发布时间：2022-06-09 发布人：admin 分类：说明书资料大小：0.43M 资料格式：doc 举报版权申诉

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1绪论

1.1机械手的概述

1.1.1 机械手的简介

1.1.2 机械手的发展

1.2 气动机械手的的发展状况

2 可编程控制器

2.1 可编程控制器的系统组成

2.2 可编程控制器的工作原理

2.3 SIEMENS S7-300可编程控制器

3 机械手总体方案的设计

3.1 机械手的工作过程及控制要求

3.1.1 机械手的基本结构

3.1.2 机械手的控制要求

3.3 机械手软件的选择

4 系统硬件的设计

4.1气动伺服阀

4.2 气动执行机构的应用及选择

4.2.1 执行气缸

4.2.2 执行气爪

4.3 低速电机的选型

4.3.1低速电机结构原理与应用

4.3.2低速电机选型

4.4 光电开关

4.4.1 光电开关的工作原理

4.4.2 光电开关的分类

4.4.3 光电开关的特点

4.4.4光电开关的选型

4.5 PLC模块的选型

5 PLC程序的设计与调试

致谢

参考文献

太原城市职业技术学院(信息工程系) 太原城市职业技术学院信息工程系毕业设计任务书类别：专业：楼宇智能化工程技术班级：楼宇 0811 姓名：王进飞毕业设计题目：关于机械手的设计方案指导教师姓名：葛晶晶 2011 年 5 月 20 日 1

太原城市职业技术学院(信息工程系) 关于机械手的设计方案摘要机械手是模仿着人手的部分动作，按照给定程序、轨迹和要求能实现自动抓取、搬运的自动机械装置。在工业生产中应用的机械手叫做“工业机械手”。在实际生产中，应用机械手可以提高生产的自动化水平和劳动生产率，可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全生产。尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境下，它代替人进行正常的工作，意义更为重大。随着生产的发展，功能和性能的不断改善和提高，在机械加工、冲压、锻、铸、焊接、热处理、电镀、喷漆、装配以及轻工业、交通运输业等领域得到了越来越广泛的应用。关键词：PLC，机械手 2

太原城市职业技术学院(信息工程系) 目录 1 绪论 .................................................................... 4 1.1 机械手的概述 .......................................................4 1.1.1 机械手的简介 .................................................4 1.1.2 机械手的发展 .................................................4 1.2 气动机械手的的发展状况 ............................................ 5 2 可编程控制器 ............................................................7 2.1 可编程控制器的系统组成 ............................................ 7 2.2 可编程控制器的工作原理 ............................................ 9 2.3 SIEMENS S7-300 可编程控制器 ........................................9 3 机械手总体方案的设计 ...................................................11 3.1 机械手的工作过程及控制要求 ....................................... 11 3.1.1 机械手的基本结构 ............................................11 3.1.2 机械手的控制要求 ............................................13 3.3 机械手软件的选择 ................................................. 14 4 系统硬件的设计 .........................................................15 4.1 气动伺服阀 ........................................................15 4.2 气动执行机构的应用及选择 ......................................... 15 4.2.1 执行气缸 ....................................................15 4.2.2 执行气爪 ....................................................17 4.3 低速电机的选型 ................................................... 18 4.3.1 低速电机结构原理与应用 ...................................... 18 4.3.2 低速电机选型 ................................................ 19 4.4 光电开关 ......................................................... 20 4.4.1 光电开关的工作原理 ..........................................20 4.4.2 光电开关的分类 ..............................................21 4.4.3 光电开关的特点 ..............................................22 4.4.4 光电开关的选型 .............................................. 23 4.5 PLC 模块的选型 ....................................................23 5 PLC 程序的设计与调试 ................................................... 25 致谢 ...................................................................27 参考文献 .................................................................28 3

太原城市职业技术学院(信息工程系) 1 绪论 1.1 机械手的概述 1.1.1 机械手的简介机械手是模仿着人手的部分动作，按照给定程序、轨迹和要求能实现自动抓取、搬运的自动机械装置。在工业生产中应用的机械手叫做“工业机械手”。在实际生产中，应用机械手可以提高生产的自动化水平和劳动生产率，可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全生产。尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境下，它代替人进行正常的工作，意义更为重大。随着生产的发展，功能和性能的不断改善和提高，在机械加工、冲压、锻、铸、焊接、热处理、电镀、喷漆、装配以及轻工业、交通运输业等领域得到了越来越广泛的应用。国内外对机器人及机械手所作的定义不尽相同。国际标准化组织(ISO)对机器人的定义:“机器人是一种能自动定位、可控的可编程的多功能操作机。这类操作机具有几个轴，在可编程序操作下，能处理各种材料、零件、工具和专用装置，以执行各种任务。” 美国国家标准(NBS)对机器人的定义:“一种可编程，并在自动化控制下执行某种特定操作和移动作业任务的机械装置。”日本工业机器人协会对工业机器人的定义:“一种装备有记忆装置和最终执行装置，能够完成各种移动来代替人类劳动的通用机器。” 它又分为以下两种情况来定义:(1)工业机器人:“一种能执行与人的上肢类似动作的多功能机器。”(2)智能机器人:“一种具有感觉和识别能力，并能够控制自身行为的机器。” 机械手可分为专用机械手和通用机械手两大类。专用机械手:它作为整机的附属部分，动作简单，工作对象单一，具有固定(有时可调)程序，使用大批量的自动生产。如自动生产线上的上料机械手，自动换刀机械手，装配焊接机械手等装置。通用机械手: 它是一种具有独立的控制系统、程序可变、动作灵活多样的机械手。它适用于可变换生产品种的中小 PLC 的硬件结构主要分单元式和模块式两种。将 PLC 的主要部分(包括 CPU、 I/O 系统、电源等) 体积小，安装方便，全部安装在一个机箱内。 1.1.2 机械手的发展工业机械手是在第二次世界大战期间发展起来的，始于40年代的美国橡树岭国家实验室的搬运核原料的遥控机械操作手研究，它是一种主从型的控制系统。1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手。它的结构是：机体上安装一回转长臂，端部装有电 4

太原城市职业技术学院(信息工程系) 磁铁的工件抓放机构，控制系统是示教型的；1962年，美国联合控制公司在上述方案的基础上，又试制成一台数控示教再现型机械手，命名为Unimate(即万能自动)。1962年美国机械铸造公司也实验成功一种叫Versatran机械手，原意是灵活搬运，可作点位和轨迹控制；该机械手的中央立柱可以回转、升降、伸缩，采用液压驱动，控制系统也是示教再现型。虽然这两种机械手出现在六十年代初，但都是国外工业机械手发展的基础。从60年代后期起，喷漆、弧焊工业机器人相继在生产中开始应用。1978年美国Unimate 公司和斯坦福大学、麻省理工学院联合研制出一种Unimation-Vic-arm型工业机械手，装有小型电子计算机进行控制，用于装配作业，定位误差可小于±lmm。联邦德国机器制造业是从1970年开始应用机械手，主要用于起重运输、焊接和设备的上下料等作业；联邦德国Kuka公司还生产一种点焊机械手，采用关节式结构和程序控制；日本是工业机器人发展最快，应用国家最多的国家，自1969年从美国引进两种典型机械手后，开始大力从事机械手的研究，目前以成为世界上工业机械手(机器人)应用最多的国家之一。前苏联自六十年代开始发展应用机械手，主要用于机械化、自动化程序较低、繁重单调、有害于健康的辅助性工作。我国工业机械手的研究与开发始于20世纪70年代。1972年我国第一台机械手开发于上海，随之全国各省都开始研制和应用机械手。从第七个五年计划(1986-1990)开始，我国政府将工业机器人的发展列入其中，并且为此项目投入的大量的资金，研究开发并且制造了一系列的工业机器人，有由北京机械自动化研究所设计制造的喷涂机器人，广州机床研究所和北京机床研究所合作设计制造的点焊机器人，大连机床研究所设计制造的氩弧焊机器人，沈阳工业大学设计制造的装卸载机器等等。这些机人的控制器，都是由中国科学院沈阳自动化研究所(SIA)和北京科技大学机器人研究所开发的，同时一系列的机器人关键部件也被开发出来，如机器人专用轴承，减震齿轮，直流伺服电机，编码器，DC--PWM等等。我国的工业机械手(或第一代机械手)发展主要是逐步扩大其应用范围；在应用专用机械手的同时，相应地发展通用机械手，研制出示教式机械手、计算机控制机械手和组合式机械手等。可以将机械手各运动构件，如伸缩、摆动、升降、横移、俯仰等机构，设计成典型的通用机构，以便根据不同的作业要求，选用不同的典型机构，组装成各种用途的机械手，即便于设计制造，又便于更换工件，扩大了应用范围。 1.2 气动机械手的的发展状况气动技术——这个被誉为工业自动化之“肌肉”的传动与控制技术，在加工制造业 5

太原城市职业技术学院(信息工程系) 领域越来越受到人们的重视，并获得了广泛应用。目前，伴随着微电子技术、通信技术和自动化控制技术的迅猛发展，气动技术也不断创新，以工程实际应用为目标，得到了前所未有的发展。另一方面，气动技术作为“廉价的自动化技术”，由于其元器件性能的不断提高，生产成本的不断降低，被广泛应用于现代工业生产领域。在现代化的成套设备与自动化生产线上，几乎都配有气动系统。机械手的驱动方式有气压传动、液压传动、电气传动和机械传动。气动机械手与其它控制方式的机械手相比，具有价格低廉、结构简单、功率体积比高、无污染及抗干扰性强等特点。因此，气动机械手设备来满足社会生产实践需要也越来越多的受到重视，气动机械手技术已经成为能够满足许多行业生产实践要求的一种重要实用技术。工业自动化技术发展至今，气动定位系统已由传统的两点可靠定位，发展到任意位置定位。传统的气动系统只能在两个机械调定位置可靠定位，并且其运动速度只能靠单向节流阀单一调定的状态，经常无法满足许多设备的自动控制要求。因而电—气比例和伺服控制系统，特别是定位系统得到了越来越广泛的应用。因为采用电—气伺服定位系统可非常方便地实现多点无极定位(柔性定位)和无极调速，此外利用伺服定位气缸的运动速度连续可调性以代替传统的节流阀和气缸端部缓冲方式，可以达到最佳的速度和缓冲效果，大幅度降低气缸的动作时间，缩短工序节拍，提高生产率。原先要设计某一专用机械手时，由于无法做到气缸任意位置上的定位，因此气缸的定位是靠选择它的两个终点位置来实现的。如选用多位气缸，他的定位长度由气缸的行程预先来确定。如果需要增加一个停顿位置，或者要改变其中两个位置之间的距离，原来设计的多位气缸便完全失去功能，如果要求停的位置越多，那么它的滑块导向机构设计就越复杂。也有在其外部设立固定挡块来限制位置定位的(由于受到挡块本身尺寸的限制，两个相邻的位置的距离必须大于挡块的尺寸，且挡块也经不起重载和高速冲击。 6

太原城市职业技术学院(信息工程系) 2 可编程控制器 PLC 是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC 已经广泛应用于钢铁、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，它具有高可靠性、抗干扰能力强、功能强大、灵活，易学易用、体积小，重量轻，价格便宜的特点。该种技术是计算机技术与继电接触控制技术相互结合的产物，其解决了传统控制系统内接线复杂、可靠性低、耗能高以及灵活性较差等缺点，因此近年来被广泛应用于电气自动化中。要正确、合理地应用 PLC 去完成机械手的控制任务，首先应了解它的结构特点和工作原理，这对控制系统应用程序的开发设计有着非常重要的作用。 2.1 可编程控制器的系统组成可编程控制器主要由中央处理单元 CPU、存储器、输入输出接口、电源、I/O 扩展接口、外部设备接口、编程器等几个主要部分构成。 (1)CPU CPU 作为整个 PLC 的核心起着总指挥的作用，是 PLC 的运算和控制中心。它的主要任务是: ①诊断 PLC 电源、内部电路的工作状态及编制程序中的语法错误。 ②用扫描方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存人输入映象寄存器或数据寄存器中。 ③在运行状态时，按用户程序存储器中存放的先后顺序逐条读取指令，经编译解释后，按指令规定的任务完成各种运算和操作，根据运算结果存储相应数据，并更新有关标志位的状态和输出映象寄存器的内容。 (2)存储器 PLC 内部的存储器有两类: 一类是系统程序存储器，用以存放系统程序。系统程序根据 PLC 功能的不同而不同。生产厂家在 PLC 出厂前己将其固化。在只读存储器 ROM 或 PROM 中，用户不能更改。另一类是用户存储器，包括用户程序存储区及工作数据存储区。这类存储器一般由随机存 7

太原城市职业技术学院(信息工程系) 取存储器 RAM 构成，其中的存储内容可通过编程器读出并更改。为了防止 RAM 中的程序和数据因电源停电而丢失，可用锂电池作为后备电源，一旦交流电源停电，用锂电池维持供电。PLC 产品手册中给出的存储器类型和容量是到对用户程序存储器而言的。 (3)输入输出接口输入/输出(I/O)接口是将 PLC 与现场各种输入/输出设备连接起来的部件(有时也被称为 I/O 单元或 I/O 模块)。输入接口通过 PLC 的输入端子接受现场输入设备(如限位开关、操作按钮、光电开关、温度开关等)的控制信号，并将这些信号转换成 CPU 所能接受和处理的数字信号。输入信号是通过光电耦合器件传送给内部电路的，输入信号与内部电路之间并无电的联系，通过这种隔离措施可以防止现场干扰串入 PLC 输出接口则相反，它将经 CPU 处理过的输出数字信号(1 或 0)传送给输出端的电路元件，以控制其接通或断开，从而驱动接触器、电磁阀、指示灯等输出设备获得或失去工作所需的电压或电流。为适应不同类型的输出设备负载。 (4)电源 PLC 的电源是指将外部输入的交流电经过整流、滤波、稳压等处理后转换成满足 PLC 的 CPU、存储器、输入输出接口等内部电子电路工作需要的直流电源电路或电源模块。输入、输出接口电路的电源彼此相互独立，以避免或减小电源间干扰。 (5)编程器编程器是人与 PLC 联系和对话的工具，是 PLC 比最重要的外围设备。用户可以利用编程器来输入、读出、检查、修改和调试用户程序，也可用它监视 PLC 的工作状态，显示错误代码或修改系统寄存器的设置参数等。除采用手持编程器编程和监控外，还可通过 PLC 的 RS232C 外设通讯口(或 S422 口配以适配器)与计算机联机，并利用 PLC 生产厂家提供的专用工具软件，来对 PLC 进行编程和监控。相比起来，利用计算机进行编程和监控往往比手持编程工具更加直观和方便。 (6) I/O 扩展接口若主机(基本单元)的 I/O 点数不能满足输入输出设备点数需要时，可通过此接口用扁平电细线将 I/O 扩展单元与基本单元相连，以增加 I/O 点数。 (7)外部设备接口外部设备接口可将编程器、上位计算机、图形监控系统、打印机、条码判读器等外部设备于主机 CPU 连接，以完成相应的操作。 8

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