第一章 机械手及控制器的概况副本Word格式.docx
《第一章 机械手及控制器的概况副本Word格式.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第一章 机械手及控制器的概况副本Word格式.docx（26页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
hydraulic；
solenoidvalve
第一章机械手的概况
1.1机械手的概况
1.1.1机械手简介与分类
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。
机械手一般分为三类。
第一类是不需要人工操作的通用机械手，它是一种独立的不附属于某一主机的装置。
它可以根据任务的需要编制程序，以完成各项规定工作。
它的特点是除具备普通机械的物理性能外，还具备通用机械、记忆智能的三元机械。
第二类是需要人工操作的，称为操作机。
它起源于原子、军事工业，先是通过操作机来完成特定的作业，后来发展到用无线电信号操作机械手来进行探测月球、火星等。
第三类是专用机械手，主要附属于自动机床或自动线上，用于解决机床上下料和工件传送。
这种机械手在国外称为“MechanicalHand”，它是为主机服务的，由主机驱动，除少数外，工作程序一般是固定的，因此是专用的。
本项目要求设计的机械手模型可归为第一类，即通用机械手。
在现代生产企业中，自动化程度较高，大量应用机械手。
通过本次设计，可以增强对工业机械手的认识，同时并熟悉掌握PLC技术、位置控制技术、气动技术等工业控制常用的技术。
1.1.2搬运机械手的应用简况及意义
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。
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。
据资料介绍，美国生产的全部工业零件中，有75％是小批量生产；
金属加工生产批量中有四分之三在50件以下，零件真正在机床上加工的时间仅占零件生产时间的5％。
从这里可看出，装卸、搬运等工序机械化的迫切性，工业机械手就是为实现这些工序的自动化而产生的。
机械手可在空间抓放物体，动作灵活多样，适用于可变换生产品种的中、小批量自动化生产，广泛应用于柔性自动线。
国内外机械工业、铁路部门中机搬运械手主要应用于以下几方面：
（1）热加工方面的应用
热加工是高温、危险的笨重体力劳动，很久以来就要求实现自动化。
为了提高工作效率，和确保工人的人身安全，尤其对于大件、少量、低速和人力所不能胜任的作业就更需要采用机械手操作。
（2）冷加工方面的应用
冷加工方面机械手主要用于柴油机配件以及轴类、盘类和箱体类等零件单机加工时的上下料和刀具安装等。
进而在程序控制、数字控制等机床上应用，成为设备的一个组成部分。
最近更在加工生产线、自动线上应用，成为机床、设备上下工序联接的重要于段。
（3）拆修装方面
拆修装是铁路工业系统繁重体力劳动较多的部门之一，促进了机械手的发展。
目前国内铁路工厂、机务段等部门，已采用机械手拆装三通阀、钩舌、分解制动缸、装卸轴箱、组装轮对、清除石棉等，减轻了劳动强度，提高了拆修装的效率。
近年还研制了一种客车车内喷漆通用机械手，可用以对客车内部进行连续喷漆，以改善劳动条件，提高喷漆的质量和效率。
近些年，随着计算机技术、电子技术以及传感技术等在机械手中越来越多的应用，工业机械手已经成为工业生产中提高劳动生产率的重要因素。
在机械工业中，机械手的应用意义可以概括如下：
（1）可以提高生产过程的自动化程度。
应用机械手，有利于提高材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化程度，从而可以提高劳动生产率，降低生产成本，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。
（2）可以改善劳动条件、避免人身事故在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其它毒性污染以及工作空间狭窄等场合中，用人手直接操作是有危险或根本不可能的。
而应用机械手即可部分或全部代替人安全地完成作业，大大地改善了工人的劳动条件。
在一些动作简单但又重复作业的操作中，以机械手代替人手进行工作，可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。
（3）可以减少人力，便于有节奏地生产。
应用机械手代替人手进行工作，这是直接减少人力的一个侧面，同时由于应用机械手可以连续地工作，这是减少人力的另一个侧面。
因此，在自动化机床和综合加工自动生产线上，目前几乎都设有机械手，以减少人力和更准确地控制生产的节拍，便于有节奏地进行生产。
综上所述，有效地应用机械手是发展机械工业的必然趋势。
机械手的发展概况与发展趋势
1.1.3搬运机械手的发展趋势
目前国内工业机械于主要用于机床加工、铸锻、热处理等方面，数量、品种、性能方面都不能满足工业生产发展的需要。
因此，国内主要是逐步扩大机械手应用范围，重点发展铸锻、热处理方面的机械手，以减轻劳动强度，改善作业条件。
在应用专用机械手的同时，相应地发展通用机械手，有条件的还要研制示教式机械手、计算机控制机械手和组合式机械手等。
将机械手各运动构件，如伸缩、摆动、升降、横移、俯仰等机构，以及适于不同类型的夹紧机构，设计成典型的通用机构，以便根据不同的作业要求，选用不用的典型部件，即可组成各种不同用途的机械手。
既便于设计制造，又便于改换工作，扩大了应用的范围。
同时要提高精度，减少冲击，定位精确，以更好地发挥机械手的作用。
此外还应大力研究伺服型、记忆再现型，以及具有触觉、视觉等性能地机械手，并考虑于计算机联用，逐步成为整个机械制造系统中的一个基本单元。
在国外机械制造业中，工业机械手应用较多，发展较快。
目前主要用于机床、模锻压力机的上下料，以及点焊、喷漆等作业中，它可按照事先制定的作业程序完成规定的操作，但是还不具备任何传感反馈能力，不能应付外界的变化。
如发生某些偏离时，就将引起零部件甚至机械手本身的损坏。
为此，国外机械手的发展趋势是大力研制具有某些智能的机械手，使其拥有一定的传感能力，能反馈外界条件的变化，做出相应的变更。
如位置发生稍些偏差时，即能更正，并自行检测，重点是研究视觉功能和触觉功能。
视觉功能即在机械手上安装有电视照相机和光学测距仪（即距离传感器）以及卫星计算机。
工作时，电视照相机将物体形象变成视频信号，然后传送给计算机，以便分析物体的种类、大小、颜色和方位，并发出指令控制机械手进行工作。
触觉功能即在机械手上安装有触觉反馈控制装置。
工作时机械手先伸出手指寻找工件，通过装在手指内的压力敏感元件产生触感作用，然后伸向前方，抓住工件。
第二章控制器的概况
2.1可编程序控制器的应用和发展概况
可编程序控制器（programmablecontroller），简称为PLC（programmablelogiccontroller），它是以微处理器为基础，综合了计算机技术、半导体集成技术、自动控制技术、数字技术、通信网络技发展起来的一种通用的工业自动控制装置。
以其显著的优点在冶金、化工、交通、电力等领域获得了广泛的应用，成为了现代工业控制三大支柱之一。
在可编程序控制器问世以前，工业控制领域中是继电器控制占主导地位。
传统的继电器控制具有结构简单、易于掌握、价格便宜等优点，在工业生产中应用甚广。
但是控制装置体积大、动作速度较慢、耗电较多、功能少，特别是由于它靠硬件连线构成系统，接线繁杂，当生产工艺或控制对象改变时，原有的接线刻控制盘（柜）就必须随之改变或更换，通用性和灵活性较差。
2.1.1PLC简介与分类
可编程控制器（简称PLC）：
是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。
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,顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。
可编程序控制器实施控制，其实质就是按一定算法进行输入输出变换，并将这个变换与以物理实现。
输入输出变换、物理实现可以说是PLC实施控制的两个基本点，同时物理实现也是PLC与普通微机相区别之处，其需要考虑实际控制的需要，应能排除干扰信号适应于工业现场，输出应放大到工业控制的水平，能为实际控制系统方便使用，所以PLC采用了典型的计算机结构，主要是由微处理器（CPU）、存储器（RAM/ROM）、输入输出接口（I/O）电路、通信接口及电源组成。
PLC的基本结构如下图所示：
2.1.2PLC的特点
（1）可靠性高、抗干扰能力强
PLC能在恶劣的环境如电磁干扰、电源电压波动、机械振动、温度变化等中可靠地工作，PLC的平均无故障间隔时间高，日本三菱公司的F1系列PLC平均无故障时间间隔长达30万h，这是一般微机所不能比拟的。
（2）控制系统构成简单、通用性强
由于PLC是采用软件编程来实现控制功能，对同一控制对象，当控制要求改变需改变控制系统的功能时，不必改变PLC的硬件设备，只需相应改变软件程序。
（3）编程简单、使用、维护方便
（4）组合方便、功能强、应用范围广
PLC既可用于开关量的控制又可用于模拟量的控制；
既可用单片机控制，又可用于组成多级控制系统；
既可控制简单系统，又可控制复杂系统。
因此，PLC应用范围很广。
（5）体积小、重量轻、功耗低
PLC采用了半导体集成电路，外形尺寸很小，重量轻，同时功耗也很低，空载功耗约1.2KW。
2.1.3PLC的应用概况
PLC的应用领域非常广，并在迅速扩大，对于而今的PLC几乎可以说凡是需要控制系统存在的地方就需要PLC，尤其近几年来PLC的性价比不断提高已被广泛应用在冶金、机械、石油、化工、轻功、电力等各行业。
按PLC的控制类型，其应用大致可分为以下几个方面。
（1）用于逻辑控制
这是PLC最基本，也是最广泛的应用方面。
用PLC取代继电器控制和顺序控制器控制。
例如机床的电气控制、包装机械的控制、自动电梯控制等。
（2）用于模拟量控制
PLC通过模拟量I/O模块，可实现模拟量和数字量之间转换，并对模拟量控制。
（3）用于机械加工中的数字控制
现代PLC具有很强的数据处理功能，它可以与机械加工中的数字控制（NC）及计算机控制（CNC）紧密结合，实现数字控制。
（4）用于工业机器人控制
（5）用于多层分布式控制系统
高功能的PLC具有较强的通信联通能力，可实现PLC与PLC之间、PLC与远程I/O之间、PLC与上位机之间的通信。
从而形成多层分布式控制系统或工厂自动化网络。
PLC在机械手中的应用:
机械手通常应用于动作复杂的场合来代替人的反复的操作，从而节省人的劳动，普通继电器由于其体积和接口等各方面限制，经常被应用于动作简单的电气及流水线控制，而PLC以其可靠性高、抗干扰能力强;
控制系统构成简单、通用性强;
编程简单、使用、维护方便;
组合方便、功能强、应用范围广;
体积小、重量轻、功耗低等有点被广泛应用于类似机械手的控制动作复杂的场合，本设计正是以PLC控制为基础从而实现机械手的各种动。
第三章机械手的硬件系统设计
3.1机械手的工作过程及结构参数分析
3.1.1机械手结构及工作过程
机械手在生产线上的任务是将工件从A处传送到B处。
根据外界情况，机械手在空间上主要进行以下动作：
机械手下降，机械手抓紧工件，机械手与工件上升，机械手与工件有右移，机械手与工件下降，机械手放松工件，机械手上升，机械手左移。
控制器检测上，下，左，右限位开关的通断，决定当前的动作，通过驱动系统输出，控制机械手的动作。
同时，用两位数码管显示搬运工件的数量。
（1）启动控制有2种，1个由启动开关安装在现场，1个由通过组态王软件控制。
在控制面板上，安装一个档位开关，分手动和自动两大档位，手动挡包括调试和回原位两档，自动挡分单步、半自动和全自动三档，要求自动挡的操作必须在回原位的基础上才能进行。
（2）
原位下降夹紧上升右移
左移上移放松下降
3.2机械手的结构参数分析
3．2.1机械手臂结构分析
3.2.2机械手手爪的结构分析
3.2.3机械手汽缸的选择分析
3.2.4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。
第四章机械手的控制系统
4.1机械手的系统设计
4.1.1控制特点
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。
以下是设计该机械手控制程序的步骤和方法。
4.1.2plc选型
S7-200丰富的种类：
·
CPU221：
内置10个数字量I/O点，不可扩充；
CPU222：
内置14个数字量I/O点，可扩充到78路数字量I/O或10路模拟量I/O；
CPU224：
内置24个数字量I/O点，可扩充到168路数字量I/O或35路模拟量I/O；
CPU226：
内置40个数字量I/O点，可扩充到248路数字量I/O或35路模拟量I/O；
主机为S7-200中的CPU226，因为他能扩展七个模块。
模块1-模块4为EM232，它是模拟量输出模块，每个模块有两个输出通道。
电源为220V交流电。
主机为西门子S7-200中的CPU226，因为他能扩展七个模块。
模块1-模块4为EM232，它是模拟量输出模块，每个模块有两个输出通道，能够满足需要。
选择PLC时，应考虑性能价格比。
考虑经济性时，应同时考虑应用的可扩展性、可操作性、投入产出比等因素，进行比较和兼顾，最终选出较满意的产品。
输入输出点数对价格有直接影响。
每增加一块输入输出卡件就需增加一定的费用。
当点数增加到某一数值后，相应的存储器容量、机架、母板等也要相应增加，估因此，点数的增加对CPU选用、存储器容量、控制功能范围等选择都有影响，在算和选用时应充分考虑，使整个控制系统有较合理的性能价格比。
4.1.3系统控制示意图
机械手传送工件系统示意图，如图1所示
图1机械手传送示意及操作面板
4.1.4原理接线图
4.1.5操作系统
操作系统包括回原点程序，手动单步操作程序和自动连续操作程序，如图3所示。
其原理是：
把旋钮置于回原点，X16接通，系统自动回原点，Y5驱动指示灯亮。
再把旋钮置于手动，则X6接通，其常闭触头打开，程序不跳转（CJ为一跳转指令，如果CJ驱动，则跳到指针P所指P0处），执行手动程序。
之后，由于X7常闭触点，当执行CJ指令时，跳转到P1所指的结束位置。
如果旋钮置于自动位置，（既X6常闭闭合、X7常闭打开）则程序执行时跳过手动程序，直接执行自动程序。
4.1.6回原位程序
回原位程序如图4所示。
用S10~S12作回零操作元件。
应注意，当用S10~S19作回零操作时，在最后状态中在自我复位前应使特殊继电器M8043置1。
4.1.7手动单步操作程序
如图5所示。
图中上升/下降，左移/右移都有联锁和限位保护。
4.1.8自动操作程序
自动操作状态转移见图6所示。
当机械手处于原位时，按启动X0接通，状态转移到S20，驱动下降Y0，当到达下限位使行程开关X1接通，状态转移到S21，而S20自动复位。
S21驱动Y1置位，延时1秒，以使电磁力达到最大夹紧力。
当T0接通，状态转移到S22，驱动Y2上升，当上升到达最高位，X2接通，状态转移到S23。
S23驱动Y3右移。
移到最右位，X3接通，状态转移到S24下降。
下降到最低位，X1接通，电磁铁放松。
为了使电磁力完全失掉，延时1秒。
延时时间到，T1接通，状态转移到S26上升。
上升到最高位，X2接通，状态转移到S27左移。
左移到最左位，使X4接通，返回初始状态，再开始第二次循环动作。
在编写状态转移图时注意各状态元件只能使用一次，但它驱动的线圈，却可以使用多次，但两者不能出现在连续位置上。
因此步进顺控的编程，比起用基本指令编程较为容易，可读性较强。
4.1.9机械手传送系统梯形图
如图7所示。
图中从第0行到第27行为回原位状态程序。
从第28行到第66行，为手动单步操作程序。
从第67行到第129行为自动操作程序。
这三部分程序（又称为模块）是图3的操作系统运行的。
回原位程序和自动操作程序。
是用步进顺控方式编程。
在各步进顺控末行，都以RET结束本步进顺控程序块。
但两者又有不同。
回原位程序不能自动返回初始态S1。
而自动操作程序能自动返回初态S2。
4.2态软件界面
4.2.1原位
4.2.2运行中
（上行、下行灯绿色为有效）
4.2.3PLC与组态软件的连接
组态软件与PLC的连接使用的是设备目录下的DDE，再从DDE中选PLC，PLC为西门子系列中的S7-200系列中的PPI方式。
4.2.4运行程序
if（运行标志==1）
{
if（次数>
=0&
&
次数<
50）
{
下移信号=1;
机械手y=机械手y+2;
次数=次数+1;
}
=50&
70）
下移信号=0;
加紧信号=1;
左爪=左爪+1/21*5;
右爪=右爪-1/21*5;
=70&
120）
加紧信号=0;
上移信号=1;
机械手y=机械手y-2;
工件y=工件y-2;
=120&
220）
上移信号=0;
右移信号=1;
机械手x=机械手x+1;
工件x=工件x+1;
左爪=左爪+20/21;
右爪=右爪+20/21;
次数=次数+1
升级会员 