機械手課程設計

1、目錄前 言1第一章 緒論21.1 課題背景與現(xiàn)實意義31.2 PLC概況及在機械手中的應用31.3 本文的主要工作5第二章 搬運機械手總體設計方案52.1 搬運機械手結構及其動作62.2 機械手的控制過程62.3 機械手的控制要求7第三章 搬運機械手硬件系統(tǒng)設83.1 機械手的結構83.2 電氣控制的設計93.3 操作面板及動作說明93.4 I/O分配10第四章 搬運機械手的軟件系統(tǒng)設計11第五章 結 論14謝     辭14參考文獻16機械手控制程序前 言機械手：mechanical hand，也被稱為自動手，auto hand能模仿人手和臂

2、的某些動作功能，用以按固定程序抓取、搬運物件或操作工具的自動操作裝置。它可代替人的繁重勞動以實現(xiàn)生產的機械化和自動化，能在有害環(huán)境下操作以保護人身安全，廣泛應用于機械制造冶金部門。機械手主要由手部、運動機構和控制系統(tǒng)三大部分組成。手部是用來抓持工件（或工具）的部件，根據(jù)被抓持物件的形狀、尺寸、重量、材料和作業(yè)要求而有多種結構形式，如夾持型、托持型和吸附型等。運動機構，使手部完成各種轉動（擺動）、移動或復合運動來實現(xiàn)規(guī)定的動作，改變被抓持物件的位置和姿勢。運動機構的升降、伸縮、旋轉等獨立運動方式，稱為機械手的自由度 。為了抓取空間中任意位置和方位的物體，需有6個自由度。自由度是機 械手設計的關

3、鍵參數(shù)越多、自由度越多，機械手的靈活性越大，通用性越廣，其結構也越復雜。機械手的種類，按驅動方式可分為液壓式、氣動式、電動式、機械式機械手；按適用范圍可分為專用機械手和通用機械手兩種；按運動軌跡控制方式可分為點位控制和連續(xù)軌跡控制機械手等。機械手通常用作機床或其他機器的附加裝置，如在自動機床或自動生產線上裝卸和傳遞工件，在加工中心中更換刀具等，一般沒有獨立的控制裝置。有些操作裝置需要由人直接操縱，如用于原子能部門操持危險物品的主從式操作手也常稱為機械手。機械手在鍛造工業(yè)中的應用能進一步發(fā)展鍛造設備的生產能力，改善熱、累等勞動條件。機械手首先是從美國開始研制的。1958年美國聯(lián)合控制公司研制出第

4、一臺機械手。第一章 緒論可編程序控制器(PLC)已在工業(yè)生產過程的自動控制中得到了廣泛應用。它是以微處理器為核心,綜合計算機技術、自動控制技術和通信技術發(fā)展起來的一種通用的自動控制裝置，它具有結構簡單、易于編程、性能優(yōu)越、可靠性高、靈活通用和使用簡單等一系列有點；氣動技術也是實現(xiàn)工業(yè)自動化的重要手段，并已廣泛應用于各個部門，在機械產品自動化、工業(yè)自動化及企業(yè)技術改造方面占有重要的地位。氣壓傳動的介質來自于空氣，環(huán)境污染小，工程已于實現(xiàn)。機械手在工業(yè)自動化生產得到了很好的利用，它可以減少人的充分操作，并且它還可以完成人無法完成的操作，從而大大地提高了工業(yè)的生產效率。機械手是工業(yè)機器人系統(tǒng)中傳統(tǒng)的

5、任務執(zhí)行機構，是機器人的關鍵部件之一。其中的工業(yè)機械手是近代控制領域中出現(xiàn)的一項新技術，它的發(fā)展是由于其積極作用正日益為人們所認識:它能部分地代替人工操作；能按照生產工藝的要求，能遵循一定的程序、時間、位置能完成工件的傳送和裝卸；能制作必要的機具進行焊接和裝配從而大大改善工人的工作條件，顯著地提高勞動生產率，加快實現(xiàn)工業(yè)生產機械化和自動化的步伐。1.1 課題背景與現(xiàn)實意義隨著人類的發(fā)展、文明的進步，工業(yè)正不斷發(fā)展著，需要人們完成的工作量也不斷增大（尤其是那種重復性大的工作，像傳運貨物），涉及到危險性的工作也日趨增多，這就迫使人們研究開發(fā)一種新裝置，能模仿人手和臂的某些動作功能，用以按固定程序抓

6、取、搬運物件或操作工具的自動操作的一種裝置，而機械手正是這樣一種裝置：它可代替人的繁重勞動以實現(xiàn)生產的機械化和自動化，能在有害環(huán)境下操作以保護人身安全，因而廣泛應用于機械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。1.2 PLC概況及在機械手中的應用1. 可編程序控制器的應用和發(fā)展概況可編程序控制器（programmable controller），現(xiàn)在一般簡稱為PLC（programmable logic controller），它是以微處理器為基礎，綜合了計算機技術、半導體集成技術、自動控制技術、數(shù)字技術、通 信網絡技發(fā)展起來的一種通用的工業(yè)自動控制裝置。以其顯著的優(yōu)點在冶金、化工、交通、電力等

7、領域獲得了廣泛的應用，成為了現(xiàn)代工業(yè)控制三大支柱之一。在可編程序控制器問世以前，工業(yè)控制領域中是繼電器控制占主導地位。傳統(tǒng)的繼電器控制具有結構簡單、易于掌握、價格便宜等優(yōu)點，在工業(yè)生產中應用甚廣。但是控制裝置體積大、動作速度較慢、耗電較多、功能少，特別是由于它靠硬件連線構成系統(tǒng)，接線繁雜，當生產工藝或控制對象改變時，原有的接線刻控制盤（柜）就必須隨之改變或更換，通用性和靈活性較差。2.PLC的應用概況PLC的應用領域非常廣，并在迅速擴大，對于而今的PLC幾乎可以說凡是需要控制系統(tǒng)存在的地方就需要PLC，尤其近幾年來PLC的性價比不斷提高已被廣泛應用在冶金、機械、石油、化工、輕功、電力等各行業(yè)。

8、按PLC的控制類型，其應用大致可分為以下幾個方面。1）. 用于邏輯控制這是PLC最基本，也是最廣泛的應用方面。用PLC取代繼電器控制和順序控制器控制。例如機床的電氣控制、包裝機械的控制、自動電梯控制等。2）. 用于模擬量控制PLC通過模擬量I/O模塊，可實現(xiàn)模擬量和數(shù)字量之間轉換，并對模擬量控制。3）. 用于機械加工中的數(shù)字控制現(xiàn)代PLC具有很強的數(shù)據(jù)處理功能，它可以與機械加工中的數(shù)字控制（NC）及計算機控制（CNC）緊密結合，實現(xiàn)數(shù)字控制。4）. 用于工業(yè)機器人控制5）. 用于多層分布式控制系統(tǒng)高功能的PLC具有較強的通信聯(lián)通能力，可實現(xiàn)PLC與PLC之間、PLC與遠程I/O之間、PLC與上

9、位機之間的通信。從而形成多層分布式控制系統(tǒng)或工廠自動化網絡。3. PLC的特點1）. 可靠性高、抗干擾能力強PLC能在惡劣的環(huán)境如電磁干擾、電源電壓波動、機械振動、溫度變化等中可靠地工作，PLC的平均無故障間隔時間高，日本三菱公司的F1系列PLC平均無故障時間間隔長達30萬h，這是一般微機所不能比擬的。2）. 控制系統(tǒng)構成簡單、通用性強由于PLC是采用軟件編程來實現(xiàn)控制功能，對同一控制對象，當控制要求改變需改變控制系統(tǒng)的功能時，不必改變PLC的硬件設備，只需相應改變軟件程序。3）. 編程簡單、使用、維護方便4）. 組合方便、功能強、應用范圍廣PLC既可用于開關量的控制又可用于模擬量的控制；既可

10、用單片機控制，又可用于組成多級控制系統(tǒng)；既可控制簡單系統(tǒng)，又可控制復雜系統(tǒng)。因此，PLC應用范圍很廣。5）. 體積小、重量輕、功耗低PLC采用了半導體集成電路，外形尺寸很小，重量輕，同時功耗也很低，空載功耗約1.2KW。5.PLC在機械手中的應用機械手通常應用于動作復雜的場合來代替人的反復的操作，從而節(jié)省人的勞動，普通繼電器由于其體積和接口等各方面限制，經常被應用于動作簡單的電氣及流水線控制，而PLC以其可靠性高、抗干擾能力強;控制系統(tǒng)構成簡單、通用性強;編程簡單、使用、維護方便;組合方便、功能強、應用范圍廣; 體積小、重量輕、功耗低等有點被廣泛應用于類似機械手的控制動作復雜的場合，本設計正是

11、以PLC控制為基礎從而實現(xiàn)機械手的各種動。1.3 本文的主要工作本文用實驗室器材來模擬用機械手把物體從傳送帶A拿到傳送帶B，從而進一步了解機械手的功能、工作方式，并且進一步熟悉PLC的控制程序。第二章 搬運機械手總體設計方案 PLC在機械手搬物控制中的應用下圖為機械手動作示意圖，機械手按下述順序周而復始地工作：2.1 搬運機械手結構及其動作本機械手用于生產線上工件的自動搬運，根據(jù)對機械手的工藝過程及控制要求分析，機械手的動作過程如圖31所示： 圖22機械手的動作周期2.2 機械手的控制過程如圖31所示由A、B兩個液壓缸完成工件的夾緊和提升的動作，A缸通過一個單電兩位四通電磁換向閥控制工件的夾緊

12、、放松，B缸通過一雙電兩位四通電磁閥控制機械手的升降；由小車實現(xiàn)機械手的移動。該小車由兩臺電動機驅動，一臺是高速，一臺是慢速。當小車前進時以慢快慢的形式進行，返回時按慢快慢的形式后退。當工件從傳送帶傳輸?shù)綑C械手下方時，工件碰壓行程開關SQ1，B缸活塞桿伸出，帶動機械手下降，下降至終點碰壓行程開關SQ3與機械手夾鉗相連的A缸活塞桿收進，機械手將工件夾緊；當工件夾緊到位時，行程開關SQ5動作，B缸的活塞桿收進，把工件提升；當工件提升到最高位置時碰壓行程開關SQ4，啟動小車慢速右行；當小車碰壓行程開關SQ7時轉為快速行走；接近終點時小車碰壓行程開關SQ8，轉為慢速行走；行至右端行程開關SQ9，小車停

13、止前進；停留5秒后，B缸活塞桿再次外伸，機械手下降至終點，A缸活塞桿外伸帶動夾鉗松開，將工件放下；然后機械手上升，小車以慢快慢的形式沿原路返回，恢復到圖示所示的原點位置。2.3 機械手的控制要求為了便于生產加工、維修、調整設置的工作方式選擇開關。分為手動和自動操作，其中自動操作中包括了：單步、單周期、連續(xù)；手動操作包括手動和回原位的操作。手動操作：供維修用，即用按鈕對機械手的每一步動作單獨控制。例如，當選擇手動操作時，按下上升/下降按鈕，機械手在滿足條件情況下即執(zhí)行相應的動作，其它動作以此類推?；卦唬寒斢捎跀嚯娀蚱渌驅е聶C械手運行中途停止時，再次通電將操作方式選擇置于回原位位置，按下復位

14、按鈕，機械手即可按最短路徑的原則返回到原點位置。單步運行：供試用，即沒按一次啟動按鈕機械手向前執(zhí)行一個動作后停止。單周期運行：供首次檢驗用，當機械手在原點時按下啟動按鈕，機械手自動執(zhí)行一個周期后停止在原點位置連續(xù)運行：正常使用，當機械手在原點并按下啟動按鈕時，機械手周而復始的執(zhí)行各工步動作。該機械手在自動工作狀態(tài)時，應先將其工作方式選擇開關放在“返回原位”，并按下返回原位按鈕，對狀態(tài)器進行置位，然后再將工作方式選擇開關放置自動工作方式下。若自動工作狀態(tài)解除，則硬件工作方式選擇開關放置于“手從操作”位置。第三章 搬運機械手硬件系統(tǒng)設3.1 機械手的結構設計其結構如圖31所示圖31機械手

15、的結構示意圖圖中設置9個行程開關SQ1SQ9用于檢測工件、小車、機械手的位置及機械手夾鉗的夾緊、放松狀態(tài)，并對系統(tǒng)實施控制。其中SQ1為工件是否到位的檢測開關；SQ2為小車原位檢測開關；SQ3、SQ4分別為機械手下降上升是否到位檢測開關；SQ5、SQ6分別為機械手夾緊放松檢測開關；SQ7、SQ8分別為小車速度轉換開關；SQ9為小車運動停止開關。3.2 電氣控制的設計包括主電路和控制電路的設計。主電路由兩臺電動機，即慢速電機和快速電機，分別拖動小車慢行和快行，其控制如下：慢速電動機M1由接觸器KM1、KM2分別控制其正傳和反轉；快速電動機M2由接觸器KM3和KM4分別控制其正傳和反轉。機械手的夾

16、緊放松動作是由一單電兩位四通電磁閥控制的一個液壓缸完成的，在通電情況下，機械手松開，得電時松開，可以防止在設備運行過程中突然斷電導致的機械手松開，工件脫落的情況發(fā)生。3.3 操作面板及動作說明根據(jù)控制和生產工藝的要求，控制操作包括手動和自動，手動又包括手動步進、回原位操作，自動控制包括單步、單周期、連續(xù)的操作。故操作方式選擇開關設置有五個檔位。手動工作方式下，手動動作包括上升、下降、放松、快進、慢進、快退、慢退和復位，故設置六個動作看官按鈕。各個動作進行的同時均設有動作指示燈。另外設有啟動停止按鈕。其操作面板如圖32所示：圖32機械手操作面板示意圖3.4 I/O分配X0：啟動開關 Y0：傳送帶

17、A運行X1：停止開關 Y1：驅動手臂左旋X2：抓動作限位行程開關 Y2：驅動手臂右旋X3：左旋限位行程開關 Y3：驅動手臂上升X4：右旋限位行程開關 Y4：驅動手臂下降X5：上升限位行程開關 Y5：驅動機械手抓動作X6：下降限位行程開關 Y6：驅動機械手放動作X7：物品檢測開關（光電開關）第四章 搬運機械手的軟件系統(tǒng)設計機械手動控制屬順序控制，故其手動程序采用普通的PLC控制指令控制，自動程序采用步進梯形指令控制第五章 結 論本設計主要應用于機加工生產，貨物調運等場合。搬運機械手采用PLC控制，體積小，重量輕，控制方式靈活，可靠性高，操作簡單，維修容易。使用該機械手代替人工搬運工件，既安全，又

18、準確，提高了勞動生產率，保證了工件的質量，降低了工人的勞動強度，具有較好的經濟效益和社會效益。可編程控制器PLC以其豐富的I/O接口模塊、高可靠性,可以在機械手的控制系統(tǒng)的設計中起到了十分重要的作用。本文就設計過程中的幾項關鍵的問題提出了自己的一些看法,可以有效地提高系統(tǒng)的抗干擾能力,對PLC讀、寫,事件響應等通信時間可進行精確的控制,取得了良好的效果.隨著機械手應用的普及，機械手向著專用化，機械結構向模塊化、可重構化的方向發(fā)展，機械手的動作更加靈活多樣，其控制方式也在向著多元化的方向發(fā)展，在PLC控制的過程中,還有許多的問題需要解決，PLC在機械手開發(fā)中的開發(fā)應用還有很大的空間。謝 

19、0;   辭此次設計是在韓星海老師的悉心指導下完成的。老師為論文課題的研究提出了許多指導性的意見，為論文的撰寫、修改提供了許多具體的指導和幫助。韓星海老師的嚴謹治學、不斷探索的科研作風，敏銳深邃的學術洞察力，孜孜不倦的敬業(yè)精神，給我留下了深刻的印象，使我受益良多。在本文結束之際，特向我敬愛的導師致以最崇高的敬禮和深深的感謝！通過此次設計，一方面讓我認識到自己的不足，發(fā)現(xiàn)了學習中的錯誤之處；另一方面又積累豐富的知識，吸取別人好的方法和經驗，增強對復雜問題的解決能力，摸索出一套解決綜合問題的方法，為自己以后的工作和學習打下堅實的基礎。再一方面也加強了我和老師的交流，認識到知識的淵博度。經過這次的努力，使我順利的完成了畢業(yè)設計。這份課程設計既是對這學期所學知識的總結，又是自己知識的積累，也大大加深了對單片機技術的了解。課程設計中既動腦又動手，是一個理論與實際結合的過程。僅僅有理論是不夠的，更重要的是實際的，是我們所設計的實物，具有設計合理，經濟實用的優(yōu)點。這就需要我們設計者考慮問題是要仔細、周密，不能有絲毫的大意。對設計方案的優(yōu)越化，也需要我們綜合各方面的因素考慮，尤其是實際。再次像教育指導我的老師及同學表示誠摯的感謝！鑒于本人所學知識有限，經驗不足，又是初次研究這種復雜的設