機械手及控制系統設計

河 北 工 程 大 學課 程 設 計 指 導 說 明 書 課程題目: 機械手及控制系統設計 專業(yè): 機械設計制造及其自動化機電方向 班級: 機制11班 姓名: 唐 科 學號 110070118 指導老師: 楊玉敏目 錄第一章 緒論1.1 題目要求。31.2 題目概況。31.3 氣動機械手。31.4 氣動機械手的發(fā)展趨勢。31.5 課題的現實意義。4第二章 氣動機械手的操作要求及功能2.1 機械手移動動作示意圖。52.2 機械手操作面板圖。52.3 機械手的輸入輸出信號定義圖。62.4 機械手順序動作的要求。6第三章 機械部分設計3.1 氣動搬運機械手的結構。83.2 機械手的主要部件及運動。83.3 驅動機構的選擇。93.4 機械手的技術參數列表。93.5 氣動回路的設計。93.6 末端執(zhí)行器的設計。103.7 升降手臂的設計。123.8 平移手臂的設計。14第四章 機械手控制設計4.1 PLC的簡介。164.2 PLC的應用領域。164.3 PLC的系統組成。164.4 PLC的定義及選擇。174.4.1 機械手傳送系統輸入點和輸出點分配表。174.4.2 原理接線圖。184.4.3 控制程序流程圖。194.5 機械手控制軟件設計。 214.5.1 控制系統程序。214.5.2 手動單步操作程序。214.5.3 機械手系統梯形圖。234.5.4 語句表程序設計。24第五章 課程設計總結第一章 緒論機械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動化生產設備，它的特點是可通過編程來完成各種預期的作業(yè)任務。在構造和性能上兼有人和機器的優(yōu)點，尤其體現了人的智能和適應性。機械手作業(yè)的準確性和各種環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國民經濟各領域有著廣闊的發(fā)展前景。1.1 題目要求題目：機械手及控制系統設計要求：機械手的各動作由氣缸驅動，并由電磁閥控制1.2 題目概況機械手在專用機床及自動生產線上應用十分廣泛，主要用于搬動或裝卸零件的重復動作，以實現生產自動化。我國國家標準（GB/T1264390）對機械手的定義是“具有和人手臂相似的動作功能，可以在空間抓放物體，或進行其他操作的機械裝置”。機械手可分為專用機械手和通用機械手兩大類。專用機械手：它作為整機的附屬部分，動作簡單、工作對象單一、具有固定程序，適用于大批量的自動生產。如自動生產線上的上料機械手、自動換刀機械手等。通用機械手：它是一種具有獨立控制系統、程序可變、動作靈活多樣的機械手。它適用于可變換生產品種的中小批量自動化生產，它的工作范圍大、定位精度高、通用性強，廣泛應用于柔性自動線。1.3 氣動機械手氣動機械手與其他控制方式的機械手相比，具有價格低廉、結構簡單、功率體積比高、無污染及抗干擾性強等特點。氣動機械手是在已有的機械手基礎上發(fā)展起來的，二者之間的區(qū)別在于氣動機械手發(fā)展的起點高，它強調模塊化的形式，把專用機械手和通用機械手結合起來。現代氣動機械手的基本結構由感知部分、控制部分、主機部分和執(zhí)行部分四個方面組成。人們可以根據應用情況的不同，選擇相應功能和參數的模塊。這是一種先進的設計思想，代表著氣動機械手今后的發(fā)展方向，也始終貫穿著氣動機械手的發(fā)展及實用性。因此，氣動機械手可以代替一些功能不理想的工業(yè)機械手的地位，在目前的工業(yè)自動化線上有著及其廣泛的應用前景。1.4 氣動機械手的發(fā)展趨勢盡管世界工業(yè)經濟發(fā)展放緩，使得氣動機械手的發(fā)展受到一定的影響。然而，作為新興科學技術的產物，氣動機械手的發(fā)展必將勢不可擋。目前氣動機械手的發(fā)展呈現出以下趨勢：1、機構模塊化2、控制智能化3、感覺功能變強4、系統應用與集成化5、可靠性越來越高6、易操作更靈活7、向微型化方向發(fā)展1.5 課題的現實意義機械手是工業(yè)自動化領域中經常遇到的一種控制對象。年來隨著工業(yè)自動化的發(fā)展，機械手逐漸成為一門新興學科，并得到了較快的發(fā)展。機械手廣泛地應用于鍛壓、沖壓、裝配、機加等各個行業(yè)。特別是在超重、高溫、有毒、危險、放射性等惡劣的生產環(huán)境中，機械手由于其顯著的優(yōu)點而受到特別重視。總之，機械手是提高勞動生產率，改善勞動條件，減輕工人勞動強度和實現工業(yè)自動化的一個重要手段，國內外都十分重視它的應用與發(fā)展?？删幊炭刂破鳎≒LC）是專為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計的實時工業(yè)控制裝置。隨著微電子技術、自動控制技術和計算機通信技術的飛速發(fā)展，PLC在硬件配置、軟件編程、通訊聯網功能以及模擬量控制等方面均取得了長足的進步，已經成為工廠自動化的標準配置之一。本次課題設計的機械手就是通過PLC來實現自動化控制，通過此次設計可以更進一步的學習PLC的相關知識，了解世界先進水平，盡可能的多應用于實踐。第二章 氣動機械手的操作要求及功能2.1 機械手移動動作示意圖 2.2 機械手操作面板圖 2.3 機械手的輸入輸出信號定義圖 2.4 機械手順序動作的要求1) 按下起動按鈕SB1時，機械手系統工作。首先上升電磁閥通電，手臂上升，至上升限位開關動作。2) 左轉電磁閥通電，手臂左轉，至左轉限位開關動作3) 下降電磁閥通電，手臂下降，至下降限位開關動作。4) 啟動傳送帶A運行，由光電開關SP檢測傳送帶A上有無物品送來，若檢測到物品，則抓緊電磁閥通電，機械手抓緊，至抓緊限位開關動作。5) 手臂再次上升，至上升限位開關再次動作。6) 右轉電磁閥通電，手臂右轉，至右轉限位開關動作。7) 手臂再次下降，至下降限位開關再次動作。8) 放松電磁閥通電，機械手松開手爪，經延時2秒后，完成一次搬運任務，然后重復循環(huán)以上過程。9) 按下停止按鈕SB2或斷電時，機械手停止在現行工步上，重新起動時，機械手按停止前的動作繼續(xù)工作。 第三章 機械部分設計3.1 氣動搬運機械手的結構機械手的種類很多，但按手臂坐標類型來分主要有直角坐標式、圓柱坐標式、球坐標式、關節(jié)坐標式、SCARA型。本次是一個用于傳送帶上輕型平動搬運機械手的設計。所針對的機械手屬于直角坐標式，如圖所示，機械手主要是由基座和手臂兩部分組成。基座的主要任務是支撐。手臂裝在基座上，作上下直線運動和伸縮運動，手部可夾緊/放松。機械手手部機械手橫臂機械手立柱機械手基座機械手原理圖本機械手的全部動作由氣缸驅動。氣缸由電磁閥控制。驅動部分有升降氣缸、擺動氣缸和手部驅動氣缸。3.2 機械手的主要部件及運動在直角坐標式機械手的基本方案選定后，根據設計任務，為了滿足設計要求，本設計的機械手具有2個自由度：手臂伸縮；手指升降。本設計的機械手主要由3個大部件和3個氣缸組成：（1）手部，采用一個氣爪，通過機構運動實現手爪的張合。（2）升降臂部，采用直線缸來實現手臂的伸縮。（3）平移臂部，采用氣動滑臺來實現手臂的平移。3.3 驅動機構的選擇驅動機構是工業(yè)機械手的重要組成部分, 工業(yè)機械手的性能價格比在很大程度上取決于驅動方案及其裝置。根據動力源的不同, 工業(yè)機械手的驅動機構大致可分為液壓、氣動、電動和機械驅動等四類。氣動機械手因為結構簡單、成本低廉、重量輕、動作迅速、平穩(wěn)、安全、可靠、節(jié)能和不污染環(huán)境等優(yōu)點而被廣泛應用在生產自動化的各個行業(yè)。因此，機械手的驅動方案選擇氣壓驅動。3.4 機械手的技術參數列表一、用途：車間皮帶機之間的搬運二、設計技術參數：1、抓重：2Kg (夾持式手部)2、自由度數：2個自由度3、坐標型式：圓柱坐標4、最大工作半徑：200mm5、機身最大中心高：415mm6、主要運動參數：手臂伸縮行程：400mm 手臂伸縮速度：300mm/s手指升降行程：200mm 手指升降速度：200mm/s3.5氣動回路的設計機械手氣動回路的設計主要是選用合適的控制閥，通過控制和調節(jié)各個氣缸壓縮空氣的壓力、流量和方向來使氣動執(zhí)行機構獲得必要的力、動作速度和改變運動方向，并按規(guī)定的程序工作，設計的氣動回路圖如圖所示。機械手氣動回路圖本設計的氣動機械手完成各個運動的氣缸只有完全伸出和完全縮回兩個狀態(tài)，選擇兩位五通換向閥控制各個氣缸的運動方向，氣缸的進出口回路各設置一個單向節(jié)流閥，通過控制進出口空氣流量的大小來控制氣缸執(zhí)行器動力的大小和運動速度。設計中采用PLC控制機械手實現各種規(guī)定的預定動作，既可以簡化控制線路，節(jié)省成本，又可以提高勞動生產率。3.6末端執(zhí)行器的設計由于本設計所采用標準氣爪，不需要進行設計，直接選型即可。本設計要求機械手手爪的最大持重m=2Kg，根據具體的工作要求，選擇標準平行開閉型氣爪，其結構如圖所示。當A口進氣B口排氣時，氣缸活塞桿1伸出，通過杠桿2繞杠桿軸8回轉，帶動兩個手指4通過一組鋼球3在導軌5上作向外直線運動，兩手指便張開，松開工件。止動塊6限制手指張開行程，定位銷7保證直線導軌不錯位。平行開閉型氣爪結構原理圖1-活塞桿 2-杠桿 3-鋼球 4-手指 5-導軌 6-止動塊 7-定位銷 8-杠桿軸對夾持工件進行受力分析如圖所示， 2個手指的總夾持力產生的摩擦力2F必須大于夾持工件的重力mg，故應滿足 2F>mg即 F>mg/2式中 摩擦系數，本設計的夾持輔助件材料為硬質橡膠，一般令=0.65；由此 F>mg/2=29.8/(20.65)=15.1N 夾持工件受力示意圖根據計算出的夾持力的大小和表3-1，可選擇合適的末端執(zhí)行器（手爪）的型號：MHZ-10D。表3-13.7 升降手臂的設計升降手臂為機械手執(zhí)行上下伸縮運動的機構，它是連接機械手末端執(zhí)行器和平移手臂的部件，它的基本作用是完成末端執(zhí)行器的伸出和縮回運動。升降手臂主要承受末端執(zhí)行器和夾持物件的重力，為使設計的標準化和簡便化，在本設計中，伸縮手臂采用新薄型帶導桿氣缸（如圖）。該氣缸體積小、輕巧，耐橫向負載能力強，耐扭矩能力強，不回轉精度高，導向桿的軸承可選擇滑動軸承或球軸承，安裝方便，二面接管位置可供選擇。新薄型帶導桿氣缸根據本機械手的設計技術參數，伸縮手臂的行程為200mm，氣爪抓重約為2Kg，加上末端執(zhí)行器（氣爪）和連接板的重量，總質量約為3Kg，由此，伸縮手臂的最大負載F=mg=39.8=29.4N。根據數據要求，初步選定為缸徑為20mm型號為MGPL20200的氣缸作為機械手的升降手臂。伸縮手臂作上下直線運動時，主要克服的是摩擦阻力和慣性力，因此，氣缸所需要的驅動力應由摩擦阻力,重力和慣性力來確定。 式中 摩擦阻力，應包括手臂與伸縮導軌間的摩擦阻力，活塞與密封裝置處的摩擦阻力； 手臂在啟動過程的慣性力。其大小可按以下公式計算； 其中手臂移動部件的重量（牛頓）； g重力加速度（9.8米/秒2）； 啟動或制動前后的速度差（米/秒）； 啟動或制動所需的時間（秒）。慣性力的計算：本設計要求手臂升降時V=200mm/s，在計算慣性力的時候，設置啟動時間=0.1s，啟動速度V=V=200mm/s。=6N由于升降運動，氣缸所受的摩擦力很小，可以忽略不計。所以：氣缸所需的驅動力 F驅= F摩+ F慣+F=0+6+29.4=35.4N 氣缸的理論驅動力 F=1/4d2p其中 d氣缸活塞桿的直徑（米）； p氣缸的工作壓力（帕）。根據設計技術參數 d=10mm，p=0.5MPa代入數據進行計算得 F=1/4d2p=1/43.14（0.01）20.5106 =39.3N由計算的結果可知 F>F驅即氣缸提供的理論驅動力大于氣缸實際所需的驅動力，因此，伸縮手臂的設計符合設計要求。3.8 平移手臂的設計平移手臂為機械手執(zhí)行左右平移運動的機構，它是連接機械手升降手臂的部件，它的基本作用是完成機械手左右平移運動的。平移手臂主要承受升降手臂，末端執(zhí)行器和夾持物件的重力，為使設計的標準化和簡便化，在本設計中，平移手臂采用氣動滑臺（如圖3-4）。該氣缸體積小、輕巧，耐橫向負載能力強，耐扭矩能力強。圖3-4 氣動滑臺根據本機械手的設計技術參數，平移手臂的行程為400mm，氣爪抓重約為2Kg，加上升降手臂，末端執(zhí)行器（氣爪）和連接板的重量，總質量約為4Kg，由此，伸縮手臂的最大負載F=mg=49.8=38.2N。根據數據要求，初步選定為缸徑為12mm型號為mxy12400的氣動滑臺作為機械手的平移手臂。平移手臂做水平直線運動時，主要克服的是摩擦阻力和慣性力，因此，氣缸所需要的驅動力應由摩擦阻力,和慣性力來確定。 式中 摩擦阻力，應包括手臂與伸縮導軌間的摩擦阻力，活塞與密封裝置處的摩擦阻力； 手臂在啟動過程的慣性力。其大小可按以下公式計算； 其中手臂移動部件的重量（牛頓）； g重力加速度（9.8米/秒2）； 啟動或制動前后的速度差（米/秒）； 啟動或制動所需的時間（秒）。慣性力的計算：本設計要求手臂升降時V=300mm/s，在計算慣性力的時候，設置啟動時間=0.1s，啟動速度V=V=300mm/s。=11.69N摩擦力的計算：在垂直方向，可近似認為 FN=G總=.38.2N。導桿所受到的水平方向的摩擦力 F摩=FN 其中 摩擦系數，氣缸導向桿的材料為鋼，取=0.2。 將有關數據代入進行計算F摩=FN =0.238.2=7.64N所以：氣缸所需的驅動力 F驅= F摩+ F慣+F=7.64+11.69=19.33N 氣缸的理論驅動力 F=1/4d2p其中 d氣缸活塞桿的直徑（米）； p氣缸的工作壓力（帕）。根據設計技術參數 d=10mm，p=0.5MPa代入數據進行計算得 F=1/4d2p=1/43.14（0.01）20.5106 =39.3N由計算的結果可知 F>F驅即氣缸提供的理論驅動力大于氣缸實際所需的驅動力，因此，平移手臂的設計符合設計要求。 第四章 機械手控制設計4.1 PLC的簡介可編程控制器簡稱PLC，國際電工委員會在1985年的PLC標準草案第三稿中對PLC作了如下定義“可編程控制器是一種數字運算操作的電子系統，專為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計。它采用可編程程序的存儲器，用來在其內部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數和算術運算等操作的指令，并通過數字式、模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產過程”。PLC具有如下特點：1.編程方法簡單易學2.功能強、性能價格比高3.硬件配套齊全，用戶使用方便，適應性強4.可靠性高，抗干擾能力強5.系統的設計、安裝、調試工作量少6.維修工作量小，維修方便7.體積小，能耗低4.2 PLC的應用領域隨著社會的發(fā)展，PLC的應用面越來越廣。一方面由于處理器芯片及有關元件的價格大大下降，使得PLC成本下降；另一方面由于PLC的功能大大增加，能解決復雜的計算和通信問題。PLC的應用范圍通常分成以下5種類型1.順序控制PLC用來取代傳統的繼電器順序控制，PLC應用于單機控制、多機控制、生產自動線控制等。2.運動控制3.過程控制4.數據控制在機械加工中，PLC作為主要的控制和管理系統應用于CNC和NC系統中，可以完成大量的數據控制。5.通信控制PLC的通信包括主機與遠程IO的通信、多臺PLC之間的通信、PLC和其他智能控制設備之間的通信。PLC與其他智能控制設備一起，可以組成“集中管理，分散控制”的分布式控制系統。4.3 PLC的系統組成PLC是一種工業(yè)控制計算機，是通過執(zhí)行反映控制要求的用戶程序來實現的，但是CPU是以分時操作方式來處理各項任務的。PLC的工作過程可分為三部分：第一部分為上電處理，第二部分是掃描過程，第三部分是出錯處理。4.4 PLC的定義及選擇4.4.1 機械手傳送系統輸入點和輸出點分配表 名 稱代號輸入名 稱代號輸入名 稱代號輸出啟動SB1X0夾緊SB5X10電磁閥下降YV1Y0下限行程SQ1X1放松SB6X11電磁閥夾緊YV2Y1上限行程SQ2X2上升SB7X12電磁閥上升YV3Y2右限行程SQ3X3下降SB8X13電磁閥右行YV4Y3左限行程SQ4X4左移SB9X14電磁閥左行YV5Y4停止SB2X5單步右移SB10X15原點指示ELY5手動操作SB3X6回原點SB11X16連續(xù)操作SB4X7工件檢測SQ5X17本次設計中共有16個輸入量，6個輸出量共22點，查閱相關資料可知，選擇型號為FX2N48MR的可編程控制器。4.4.2 原理接線圖 4.4.3 控制程序流程圖 啟動 檢測物體 返回原點 開始下降 下降到位 繼續(xù)下降 夾緊物體 夾緊到位 繼續(xù)夾緊 開始上升 上升到位 繼續(xù)上升 伸出手臂 伸出到位 繼續(xù)伸出 開始下降 下降到位 繼續(xù)下降 放松物體 放松完畢 繼續(xù)放松 開始上升 上升到位 繼續(xù)上升 返回原點4.5 機械手控制軟件設計4.5.1 控制系統程序其原理是：把旋鈕置于回原點，X16接通，系統自動回原點，Y5驅動指示燈亮。再把旋鈕置于手動，則X6接通，其常閉觸頭打開，程序不跳轉（CJ為一跳轉指令，如果CJ驅動，則跳到指針P所指P0處），執(zhí)行手動程序。之后，由于X7常閉觸點，當執(zhí)行CJ指令時，跳轉到P1所指的結束位置。如果旋鈕置于自動位置，（既X6常閉閉合、X7常閉打開）則程序執(zhí)行時跳過手動程序，直接執(zhí)行自動程序。4.5.2 手動單步操作程序如下圖所示，圖中上升下降、左移右移都有聯鎖和限位保護。 4.5.3 機械手系統梯形圖4.5.4 語句表程序設計第五章 課程設計總結在本次課題設計中，機械手模型控制系統采用PLC進行控制，大大提高了該系統的自動化程度，減少了大量的中間繼電器、時間繼電器和硬件接線，提高了控制系統的可靠性。同時，使用PLC進行控制可方便更改生產流程，增強控制功能。通過本次設計，可以根據工件的變化及運動流程的要求隨時更改相關參數，實現機械手控制系統的不同工作需求，機械手控制系統具有了很大的靈活性和可操作性。本文中介紹的機械手模型控制系統對于教學有很好的輔助作用。機械手控制技術是一項綜合型的技術，機械手控制系統又是一個復雜的隨機系統，本次設計的機械手模型控制系統與真正的機械手控制系統之間還有很大的差距。另外，本文中的機械手模型控制系統比較簡單，還需要不斷改進和加強。參考文獻1.姜培剛編 機電一體化系統設計 機械工業(yè)出版社（2004年9月版）2.趙松年、張奇鵬主編 機電一體化系統設計 機械工業(yè)出版社3.黃莜調等編 機電一體化技術基礎及應用 機械工業(yè)出版社（第一版）4.廖常初 可編程序控制器應用技術(第四版) 重慶大學出版社，2005年1月版5.王承義 機械手及其應用 機械工業(yè)出版社 （1981年 12月版）6.吳建強 可編程控制器原理及其應用 哈爾濱工業(yè)大學出版社（1998年12月版）