B5机电传动课程设计说明书.docx

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B5机电传动课程设计说明书

XXXXX学院

机电传动控制

课程设计（说明书）

题目:

机械手电气控制系统设计

学院:

机械工程学院

专业:

机械制造与自动化

班级:

1XXXXXXXX

姓名:

XXXXX

学号:

XXXXXXX

指导老师:

XXXXXXX

机械手电气控制系统设计说明书

目录

摘要3

第1章概述4

1.1、PLC简介4

1.2、机械手概述6

1.3、机械手控制系统设计步骤8

1.4、机械手的应用领域9

第2章机械手的机械系统的设计10

第3章机械手控制16

3.1、机械手的设计原理16

3.2、控制系统的主要组成17

第4章控制系统硬件电路设计19

4.1工作台A,B的主电路图及工作台B的控制电路图19

4.2控制面板及接口电路20

第5章控制系统软件设计22

5.1控制系统软件设计原理22

第6章控制系统的调试25

课程设计小结27

参考文献28

摘要

本课题是为普通车床配套而设计的机械手，工业机械手是工业生产的必然产物，它是一种模仿人体上肢的部分功能，按照预定要求输送工件或握持工具进行操作的自动化技术设备，对实现工业生产自动化，推动工业生产的进一步发展起着重要作用。

因而具有强大的生命力受到人们的广泛重视和欢迎。

实践证明，工业机械手可以代替人手的繁重劳动，显著减轻工人的劳动强度，改善劳动条件，提高劳动生产率和自动化水平。

工业生产中经常出现的笨重工件的搬运和长期频繁、单调的操作，采用机械手是有效的。

此外，它能在高温、低温、深水、宇宙、放射性和其他有毒、污染环境条件下进行操作，更显示其优越性，有着广阔的发展前途。

在设备的设计和制造过程中，控制部分设计是设备设计中的重要组成部分。

当设备采用电气方式控制时，设备的电气系统必须能够满足机械设备对电气控制提出的要求。

关键字：

机械手，电气控制

第1章概述

1.1、PLC简介

自二十世纪六十年代美国推出可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController，PLC）取代传统继电器控制装置以来，PLC得到了快速发展，在世界各地得到了广泛应用。

同时，PLC的功能也不断完善。

随着计算机技术、信号处理技术、控制技术网络技术的不断发展和用户需求的不断提高，PLC在开关量处理的基础上增加了模拟量处理和运动控制等功能。

今天的PLC不再局限于逻辑控制，在运动控制、过程控制等领域也发挥着十分重要的作用。

通用PLC应用于专用设备时可以认为它就是一个嵌入式控制器，但PLC相对一般嵌入式控制器而方具有更高的可靠性和更好的稳定性。

实际工作中碰到的一些用户原来采用嵌入式控制器，现在正逐步用通用PLC或定制PLC取代嵌入式控制器。

由“可编程控制器—传感器—液压元件”组成的典型的控制系统仍然是自动化技术的重要方面；发展与电子技术相结合的自适应控制液压元件，使液压技术从“开关控制”进入到高精度的“反馈控制”；节省配线的复合集成系统，不仅减少配线、配管和元件，而且拆装简单，大大提高了系统的可靠性。

而今，电磁阀的线圈功率越来越小，而PLC的输出功率在增大，由PLC直接控制线圈变得越来越可能。

1.2、机械手概述

工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。

工业机械手是工业机器人的一个重要分支。

它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。

机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。

机械手技术涉及到力学、机械学、电气液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。

1.2.1机械手的组成

机械手由执行机构、驱动机构和控制机构三部分组成。

1.2.2机械手的用途和分类

机械手也被称为自动手，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，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。

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。

一般专用机械手有2～3个自由度。

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。

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。

机械手在锻造工业中的应用能进一步发展锻造设备的生产能力，改善热、累等劳动条件。

1.3、机械手控制系统设计步骤

（1）根据工艺要求确定被控系统必须完成的动作,确定这些动作之间的关系及完成这些动作的顺序。

（2）分配输入、输出设备,即确定哪些外围设备是送信号给PLC的,哪些外围设备是接收来自PLC的信号的,同时还要将PLC的输入、输出点与之一一对应,对I/O进行分配。

在此基础上确定PLC的选型。

（3）根据控制系统的控制要求和所选PLC的I/O点的情况及高功能模块的情况,设计PLC用户程序,此时可采用梯形田、助记符或流程图语言形式的用户程序。

PLC的用户程序体现了按照正确的顺序所要求的全部功能及其相互关系,编程时可用编程器或计算机直接编程、修改,同时也可对PLC的工作状态、特殊功能进行设定。

（4）对所设计的PLC程序进行调试和修改,直至PLC完全实现系统所要求的控制功能。

（5）保存已完成的程序。

1.4、机械手的应用领域

国外机械手的发展趋势是大力研制具有某种智能的机械手。

使它具有一定的传感能力，能反馈外界条件的变化，作相应的变更。

如位置发生稍许偏差时，即能更正并自行检测，重点是研究视觉功能和触觉功能。

工作是电视照相机将物体形象变成视频信号，然后送给计算机，以便分析物体的种类、大小、颜色和位置，并发出指令控制机械手进行工作。

触觉功能即是在机械手上安装有触觉反馈控制装置。

总之，随着传感技术的发展机械手装配作业的能力也将进一步提高。

更重要的是将机械手、柔性制造系统和柔性制造单元相结合，从而根本改变目前机械制造系统的人工操作状态。

随着科学与技术的发展，机械手的应用领域也不断扩大。

目前，机械手不仅应用于传统制造业，如采矿、冶金、石油、化学、船舶等领域，同时也已开始扩大到核能、航空、航天、医药、生化等高科技领域以及家庭清洁、医疗康复等服务业领域中。

第2章机械手的机械系统的设计

单臂回转式机械手示意图

本次所设计的机械手，为单臂回转式机械手，对机械手的要求是搬运一个一千克的铁块，从一个平台到另一个平台，旋转过的角度为90度。

从上面的这些条件可以看出，对于机械手结构的选取就比较的多样化。

我们可以选择圆柱坐标型的，也可以选择较为复杂的球坐标型和关节型。

由于我们这次设计的机械手，主要是用于教学方面的，对精度的要求并不大，而且其只要求机械手能够抓取物件进行回转的运动。

所以我们可以简化这次的机械手结构。

而在众多的结构之中，圆柱坐标型成为了比较不错的选择，即如图1-2-2中b所示。

这种结构相对而言结构简单紧凑，定位精度较高，占地面积小，能够较容易地实现回转和抓取的运动要求。

因此，本次所设计的机械手采用圆柱坐标式。

机械手的运动是以一个回转和两个直线运动来实现的。

在选定了使用圆柱坐标式机械手后，我们可以把机械手的运动划分为三个部分，机械手的运动有：

回转运动；提升工件的运动；抓取工件的运动。

而对于这三个部分，我们可以设计出相应的结构。

这样，也使得设计的任务简化为几个有效而且简洁的目标。

这样思路也比较清晰，而且对于部件的选取也更加具有可行性和可操作性。

一般而言，手臂的回转与升降通常是通过立柱的运动来实现的，在本次的设计中，我们把机械手的回转和上升都集中在立柱上，由于这次设计所采用的材料为铝合金，而且所要抓取的工件为1kg，所以提升的重量不是太大，于是我们把立柱设计为能够使得大臂进行回转和提升整个机械手的结构，在设计过程中，我们把立柱的回转与提升分开，分别由一个旋转气压缸和一个伸缩的液压缸来实现。

而在小臂上面，我们则安置了一个液压缸，这样是方便抓取机构能够简易的抓取物体。

回转式机械手的简要的原理图，如图2-1-1：

图2-1-1机械手原理图

根据上面对机械手的运动部分结构的设计及选型，以及选定的夹持的方式，定出机械手的总体结构（如图2-1-2、2-1-3）,其主要包括两个相互平行的液压缸和一个气压缸、电磁铁吸附装置、支座和底座。

底座放在地面上，通过螺栓与竖直液压缸连接，再通过键连接把水平的大臂与竖直的液压缸伸出的活塞杆垂直连接，然后通过支架与大臂的另一端链接，小臂上的竖直液压缸与支架链接，最后整个电磁铁吸附机构用螺栓连接在小臂上的液压缸的活塞杆顶端。

液压缸提供升降的运动和气压缸提供回转的运动，夹持力由电磁铁的吸附力所产生。

2-1-2机械手总体结构正视图

2-1-3机械手总体结构左视图

第3章机械手控制

3.1、机械手的设计原理

图3-1是搬运机械手工作示意图。

该机械手的任务是将工作台A上的物品搬运到工作台B。

为使动作准确，安装了限位开关SQ1、SQ2、SQ3、SQ4、SQ5。

分别对机械手进行抓紧、左旋、右旋、上升、下降等行程的检测，并给出动作到位的检测信号。

另外还安装了光电开关SP。

负责检测工作台A上的物品是否到位。

此外，还设置了起动按钮SB1和停止按钮SB2，分别用以启动和停止机械手的动作。

图3-1机械手工作示意图

工作台A、B由电动机M1、M2拖动，M1、M2分别由接触器KM1、KM2控制，机械手的上、下、左、右、抓、放等动作由液压系统驱动，并分别由6个电磁阀YV1—YV6来控制。

3.2、控制系统的主要组成

控制系统是机械手的重要组成部分。

在某种意义上讲，控制系统起着与人脑相似的作用。

机械手的手部、腕部、臂部等的动作以及相关机械的协调动作都是通过控制系统来实现的。

主要控制内容有动作的顺序，动作的位置与路径、动作的时间。

常用凸轮和杠杆机构来控制机械手的动作顺序、时间和速度。

一般常与驱动机构并用，因此结构简单，维修方便，寿命较长，工作比较可靠。

适用于控制程序步数少的专用机械手。

机械手要用来代替人完成某些操作，通常需要具有图3.1所示的机能。

图3.1机械手的控制机能

实现上述各种机能的控制方式有多种多样。

机械手的程序控制方式可分为两大类，即固定程序控制方式和可变程序控制方式。

第4章控制系统硬件电路设计

4.1工作台A,B的主电路图及工作台B的控制电路图

根据工作台A，B的运行要求设计其主电路图如下：

图4-1-1工作台A,B的主电路图

根据工作台B的运行要求设计其控制电路入下图：

图4-1-2工作台B的控制电路图

4.2控制面板及接口电路

机械手电气控制系统，除了有多工步特点之外，还要求有连续控制和手动控制等操作方式。

工作方式的选择可以很方便地在

操作面板上表示出来。

当旋钮打向回原点时，系统自动地回到左上角位置待命。

当旋钮打向自动时，系统自动完成各工步操作，且循环动作。

当旋钮打向手动时，每一工步都要按下该工步按钮才能实现。

根据机械手控制系统的要求设计出PLC的I/O接口图如下：

图4-2-PLC外部接线图

第5章控制系统软件设计

5.1控制系统软件设计原理

本控制系统是通过主程序控制，来实现机械手的上、下、左、右、抓、放等动作由液压系统驱动，而且启动时，机械手按照步序图的工步顺序动作；停止时，机械手停止在现行工步上。

重新启动时机械手从停止前一瞬间的动作继续进行；PC断电时的要求与停止时的要求一致。

表5-1PLC端口地址分配图

图5-1搬运机械手动作步序图

图5-2机械手控制流程图

第6章控制系统的调试

首先用电脑在STEP-7-Micro/WIN编程软件中将编辑的梯形图写入软件中，然后点击运行并对其指出的错误进行修改，修改完最终运行无误后将其下载到可编程控制仪器中；其次按照设计的要求接好线，确定无误后按下启动按钮。

启动后发现上行、下行、左行、右行灯均同时亮且一直亮着，这样就不符合设计中八个动作依次有序进行操作的要求，务必对其进行修正。

在这种情况下我采取了以下方案：

方案一：

在没有确定设备是否曾在问题的情况下，首先我们对设备进行了检测，发现不曾在任何问题，在这种情况下我选择了再一次用先前的步骤来完成整个过程以确定初次的接线过程是否有误，结果发现运行的结果和先前一样出现灯均亮。

这样方案一就以失败告终。

方案二：

通过对程序的再三检查后，发现并未出现语法上的错误。

会不会是运行的速度太快而出现一个周期接一个周期的快速运行呢？

在带着这个问题的情况下把程序的每个动作网络多家了一个stop指令加以验证，然后将程序写入STEP-7-Micro/WIN编程软件中运行，运行结果显示没有错误；再下载到可编程控制仪后接好线按下启动按钮，发现指示灯会按照设计动作的要求依次亮起而且程序也能按照设计的要求完成指定的单周期和多周期操作。

这样利用方案二就完成了整个实验的调试。

课程设计小结

为期7天的课程设计将要结束了。

在这两周的学习中，我学到了很多，也找到了自己身上的不足。

感受良多，获益匪浅。

这7天中，完成了课程设计前的准备工作（阅读课程设计相关文档）、完成系统开发的各个文档、课程设计总结报告，个人小结的任务。

在课程设计的第一天我便对这次任务进行了规划和分工。

在以后的几天中，我查阅资料、对资料进行分析，并最后撰写课程设计报告及个人总结。

这次的课程设计对我们每个人来说都是一个挑战。

课程设计中文档的撰写我从来就没有担心过，平时对这方面的知识接触的就不是很多，尽可能多的查阅资料。

通过这次的课程设计。

不仅找到了自己自身的不足之处。

同时更多的是收获和得到，学会了很多课堂上没有学到得知识，对自己也进行了充实。

参考文献

[1]廖常初.可编程序控制器的编程方法与工程应用[M].重庆：

重庆大学出版社

[2]万太福.可编程序控制器及其应用[M].重庆：

重庆大学出版社

[3]刘祖润.毕业设计指导.北京：

机械工业出版社

[4]谢桂林.电力拖动与控制.北京：

中国矿业大学出版社

[5]工厂常用电气设备手册编写组.工厂常用电气设备手册.北京：

水利电力出版社

[6]余雷声，等.电气控制与PLC应用，北京：

机械工业出版社，1998

[7]陈立德.机械设计基础（第三版）.高等教育出版社，2007.08