气动机械手的PLC控制系统的设计说明书.docx
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气动机械手的PLC控制系统的设计说明书
毕业设计报告
课题：
气动机械手PLC控制系统的设计
系部：
电气工程系
专业：
机电一体化技术
班级：
机电092
姓名：
XXX
学号：
XXXXXXX
指导老师：
XXXX
2011．3
气动机械手PLC控制系统的设计
摘要:
气动技术具有一系列显著优点，在工业生产中得到越来越广泛的应用，己成为自动化不可缺少的重要手段。
进入90年代后，气动技术更突破传统死区，经历着飞跃性进展。
再者，冲压自动化是解决冲压生产成本及安全问题、提高冲压生产企业效益的必然选择，而冲压机械手是冲压自动化的重要组成部分。
但是，目前冲压机械手高昂的价格却使国内众多的中小冲压企业望而却步。
PLC是以现代微处理器技术为核心的控制器，作为一种通用的工业控制器，其可靠性高、抗干扰能力强；PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性，此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息；PLC采用光电隔离和滤波技术技术有效抑制外部干扰源对PLC的影响，此外PLC还可在强、通用性好；开发周期短，功耗小。
本课题对现代工业的的发展具有很重要的意义。
关键词：
意义，应用，原理，plc，机械手，气动控制技术
第一章机械手的简介
1．1概述
机械手首先是由美国开始研制的。
1958年美国联合控制公司研制出了第一台机械手。
机械手能模仿人手和臂的某些动作功能，并用以按固定程序抓取、搬运。
它可替代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。
1．2机械手的组成
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，成为机械手的自由度。
为了抓取空间中任意位置和方位的物体，需要8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。
一般机械手有2到3个自由度。
1．3机械手的应用
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。
1．4机械手应用
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。
另外，机械手在锻造工业中的应用不仅能进一步发展锻造设备的生产能力，而且能改善热、累等劳动条件。
第二章机械手机械设计
2．1机械手总体结构设计
按照机械手的不同运动形式，可分为直角坐标式、圆柱坐标式、球坐标式和关节式。
机械手的运动可以分为主运动和辅助运动。
手臂和立柱的运动称为主运动，因为其能改变被抓取工件在空间的位置。
手腕和手指的运动称为辅助运动，因为手腕的运动只能改变被抓取工件的方位，而手指的开合不能改变工件的位置和方位，所以不计为自由度数，其它运动均计为自由度数。
本文所针对的机械手需要实现两个工位间的移料动作，手臂具有回转、升降及伸缩运动，因此采用圆柱坐标式，相应的机械手具有二个自由度，即回转自由度θ（正转和反转）、升降自由度x（上升和下降）。
由于被抓取工件是水平抓取，然后水平放置，搬运过程中无需改变工件的姿势，因此可以省略手腕模块。
根据工件外形（圆筒形工件），夹持部分采用两指手爪，具有一个开合运动（夹紧和放松）。
图2-1-1所示为机械手的运动示意图。
图2-1-1机械手气动系统图
机械手的机械系统由执行机构和驱动系统组成。
本设计项目中机械手的操作对象为小型工件，所需要的驱动力较小，同时冲压模具可以实现工件的自对正，为简化结构和降低成本，机械手各自由度均采用气动驱动。
驱动部分有回转气缸、升降气缸和开合气缸。
2．2机械手的工作原理
本机械手采用气动驱动，使用的压力为0．6MPa。
气动驱动的主要优点是气源方便，驱动系统具有缓冲作用、结构简单、成本低、维修方便。
本机械手具有一个旋转运动自由度，两个直线运动自由度和一个开合运动，用于将工件从源工作台搬运到目标工作台上，两个工作台高度不同，所在位置和机械手基座位置三点组成的位置组成一定角度，而且两个工作台与机械手基座的距离也不相同。
机械手的全部运动由气缸驱动，气缸由电磁阀控制，整个机械手在工作中能够实现正转/反转、上升/下降、伸出/缩回、夹紧/放松功能。
其回转自由度是通过普通气缸经过齿轮/齿条传动将直线运动转换为回转运动实现的，由气缸、齿轮/齿条、齿条导轨和回转运动磁性限位开关配合完成，回转工作行程为0°~180°（气缸行程为0~125mm）；升降自由度和伸缩自由度直接由普通气缸实现，皆由气缸、气缸运动导轨和磁性限位开关配合完成，其工作行程皆为0~200mm；开合运动由开合气缸实现，工作行程为0~30mm，由于气缸行程较小，无法安装磁性限位开关，所以其开合运动的限位由气缸端盖实现，即开合气缸满行程工作。
将机械手的原点（原始状态）定为开始工作位的反转限位、上升限位、缩回限位及放松状态。
机械手为实现移料动作，需要以下几个动作：
（1）竖直下降机械手升降气缸活塞缩回，气缸下行至下降限位，使手部夹持机构（手爪）到达与源工作台上的工件水平的位置。
（2）夹紧机械手开合气缸活塞伸出，手爪夹紧工件。
（3）竖直上升机械手升降气缸活塞伸出，气缸上行至上升限位，将工件提起，同时使手爪及其所夹紧的工件到达稍微超越目标工作台上平面的位置。
（4）正向回转机械手回转气缸活塞伸出，机械手正转至正转限位。
（5）手臂伸长机械手伸缩气缸活塞伸出至伸出限位，使手爪及其所夹紧的工件到达目标工作台的正上方。
（6）放松机械手开合气缸活塞缩回，手爪放松工件。
（7）手臂缩短机械手伸缩气缸活塞缩回至缩回限位。
（8）反向回转机械手回转气缸活塞缩回，机械手反转至反转限位。
以上是机械手移料动作，完成之后，目标工作台所在冲床进入冲压过程。
至此，机械手的一个完整动作循环就完成了。
图2-2-2所示为冲压机械手的工作流程图。
图2-2-1机械手工作流程图
2．3机构模块化设计
近几十年来，产品更新速度越来越快，加之市场竞争日益激烈，许多企业被迫走上了多品种，中小批量的生产方式。
因此，传统的设计思想和制造方式已无法适应现代化社会多样化、快节奏的要求。
为适应这一转变，各种新思想、新方法，例如成组技术、计算机辅助技术等应运而生，模块化思想也是其中之一。
模块化是用来描述公共单元的使用以便实现产品的各种变型，它的主要目标就是确定独立的、标准化的或可改变的单元来满足功能的变化。
模块化设计的理论基础最初来自于Suh的独立性公理：
在好的设计中保持功能要求的独立性。
因此在可能的情况下，产品完成的每一个功能都应独立于产品完成的所有其它功能，这个公理就要求寻找物理结构独立性与功能独立性之间的统一。
在模块化设计的早期主要根据两个产品设计特征来定义模块性：
一是在物理结构与功能结构之间的相似性；二是极小化物理元件之间附加的相互作用。
即模块化产品或部件从功能结构中的功能元件向产品的物理元件有一对一的映射关系。
要建立模块库，首先要将产品划分成若干模块，划分的一般原则为：
（1）尽量减少产品包含的模块总数，简化模块自身的复杂程度，以免模块组合时产生混乱；
（2）以有限的模块数来获得尽可能多的实用组合方案，以满足用户的需要；
（3）划分中应使模块具有一定的功能独立性和结构完整性；
（4）要充分注意模块间的结合要素，以便于结合和分离；
（5）要考虑模块的划分对产品的精度、刚度带来的影响；
（6）模块单元的划分必须考虑经济因素等。
模块式机械手是将一些通用部件，根据作业的要求，选择必要的能完成预定机能的单元部件，以基座为基础进行组合，配上与其相适应的控制部分，即成为能完成特殊要求的机械手。
通过模块选择与组合以构成一定范围内的不同功能或同功能不同性能、不同规格的系列产品。
并且在产品变化或临时需要对机械手进行新的分配任务时，可以允许方便的改动或重新设计其新部件，能很快地投产，降低安装和转换工作的费用。
气动通用机械手按其功能分析可分为基座、立柱、手臂、手腕、手部模块。
其中手臂模块和手部模块是该机械手的基本模块，并可以细分为不同功能的局部模块。
立柱模块和手腕模块为可选模块，如机械手需要手臂的升降功能则可省略立柱模块。
各部分连接件和关节具备一定的互换性和继承性，夹持式和吸附式手部模块可以根据需要互换，根据各种实际情况需要还可以增加或减少功能模块。
2．4手部结构设计
手部就是与物件接触的部件。
由于与物件接触的形式不同，可分为夹持式和吸附式手部。
当被夹持工件是圆柱形状时，一般使用夹持式手部；当被夹持工件是板料时，一般使用气流负压式吸盘。
夹持式手部由手指（或手爪）和传力机构所构成。
手爪是与物件直接接触的构件，常用的手爪运动形式有回转型和平移型。
回转型手爪结构简单，制造容易，故应用较广泛。
平移型手爪应用较少，其原因是结构比较复杂，但平移型手爪夹持圆形零件时，工件直径变化不影响其轴心的位置，因此适宜夹持直径变化范围大的工件。
手爪结构取决于被抓取物件的表面形状被抓部位（是外廓或是内孔）和物件的重量及尺寸。
常用的指形有平面的、V形面的和曲面的；手爪有外夹式和内撑式；指数有双指式、多指式和双手双指式等。
而传力机构则通过手爪产生夹紧力来完成夹放物件的任务。
其传力结构形式比较多，如滑槽杠杆式、斜楔杠杆式、齿轮齿条式、弹簧杠杆式。
本机械手加持对象为圆筒形工件，因此选用夹持式回转型手部，具体的设计结构如图2-3所示。
图2-4-1机械手手部结构示意图
第三章机械手机械控制设计
3．1工作过程与控制要求
1）工作过程
右旋
左旋
旋转气缸
实验机械手的结构如图3-1所示。
工作过程为:
机械手的初始位置停在原点，按下起动按钮后，机械手将依次完成下降—夹紧—上升—右旋—再下降—放松—再上升—左旋8个动作。
机械手的下降、上升、右旋左旋等动作的转换，是由相应的限位开关来控制的，而夹紧、放松动作的转换是由时间来控制的。
机械手所
图3-1-1 机械手工作时的动作示意图
有的动作均由气压驱动，它的上升与下降、左旋与右旋等动作均由三位五通电磁换向阀控制，即当下降电磁线圈CY2-0通电时，机械手下降；下降电磁线圈CY2-0断电时，机械手停止下降；只有当上升电磁线圈CY2-1通电时，机械手才上升。
机械手的夹紧和放松用一个二位五通电磁换向阀来控制，线圈通电时夹紧，线圈断电时放松。
2）控制要求
机械手的控制要求分为如下几个方面:
（1）手动工作方式 利用按钮对机械手每一动作单独进行控制。
譬如，按“下降”按钮，机械手下降；按“上升”按钮，机械手上升。
用手动操作可以使机械手置于原点位（机械手在最左边和最上面，且夹紧装置松开），还便于维修时机械手的调整；
（2）单步工作方式 从原点开始，按照自动工作循环的步序，每按一下起动按钮，机械手完成一步的动作后自动停止；
（3）单周期工作方式按下启动按钮，从原点开始，机械手按工序自动完成一个周期的动作，返回原点后停止；
（4）连续工作方式 按下启动按钮，机械手从原点开始按工序自动反复连续循环工作，直到按下停止按钮，机械手自动停机。
或者将工作方式选择开关转换到“单周期”工作方式，此时机械手在完成最后一个周期的工作后，返回原点自动停机。
3．2气动驱动设计的简述
机械手的气动驱动系统是驱动执行机构运动的传动装置，主要实现机械手垂直升降、水平左右旋转和手爪的夹紧动作。
气动原理如图3-2所示。
SQ4
SQ3
SQ2
SQ1
1、2、3．电磁换向阀与消声器 4~6．单向节流阀 7．夹紧气缸8．垂直升降气缸与磁性行程开关 9．水平左右移动气缸与磁性行程开关10．气源调节装置与截止阀
图3-2-1 气动系统工作原理图
（1）垂直升降、水平左右旋转运动部分
电磁阀2的电磁线圈CY2-1通电，压缩空气经电磁换向阀2和节流阀5进入垂直升降气缸8下缸体，机械手上升，气缸8伸出到ST2位置，机械手上升停止，电磁阀2的电磁线圈CY2-0通电，压缩空气进入气缸8上缸体，则机械手下降，气缸8缩回到ST1位置，机械手下降停止；电磁阀1的电磁线圈CY1-1通电，压缩空气经电磁换向阀1和节流阀4进入水平左右移动气缸9右缸体，机械手左旋，气缸9缩回到ST4位置，机械手左旋停止，电磁阀1的电磁线圈CY1-0通电，压缩空气进入气缸9左缸体，则机械手右旋，气缸9伸出到ST3位置，机械手右旋停止。
（2）夹紧、松开运动部分
机械手下降到左工作台后，电磁换向阀3的电磁线圈CY3-1通电，压缩空气经电磁换向阀3和节流阀6进入夹紧气缸7下缸体，机械手夹紧物体。
当机械手按控制要求运动右工作台后，电磁换向阀3的电磁线圈CY3-1断电，压缩空气经进入夹紧气缸7上缸体，夹紧气缸7松开物体。
3．3PLC控制系统设计
1）PLC的选择和I/O地址分配：
表3-1-1PLC输入点及输出点的分配表
输入信号
名称
代号
输入点编号
启动
SB1
X0
下限
SQ1
X1
上限
SQ2
X2
右限
SQ3
X3
左移
SQ4
X4
检测
SA
X5
停止
SB2
X6
手动
SA
X7
单步
SA
X10
单周期
SA
X11
连续
SA
X12
下降
SB3
X13
上升
SB4
X14
右移
SB5
X15
左移
SB6
X16
夹紧
SB7
X17
放松
SB8
X20
原点
SB9
X21
输出信号
名称
代号
输入点编号
下降电磁阀线圈
CY2-0
Y0
夹紧电磁阀线圈
CY3-1
Y1
上升电磁阀线圈
CY2-1
Y2
右移电磁阀线圈
CY1-0
Y3
左移电磁阀线圈
CY1-1
Y4
原点指示灯
HL1
Y5
机械手的工作状态和操作的信息需要18个输入端子。
具体分配为:
位置检测信号有下限、上限、右限、左限位共4个行程开关，需要4个输入端子；“无工件”检测信号采用光电开关作检测元件，需要1个输入端子；“工作方式”选择开关有手动、单步、单周期和连续4种工作方式，需要4个输入端子；手动操作时，需要有下降、上升、右移、左移、夹紧、放松、回原点7个按钮，需要7个输入端子；自动工作时，尚需启动按钮、停止按钮，需占2个输入端子。
控制机械手的输出信号需要6个输出端子。
具体分配为:
机械手的下降、上升、右移、左移和夹紧5个电磁阀线圈，需要5个输出点；机械手从原点开始工作，需要有1个原点指示灯，需用1个输出点。
因此需要6个输出端子。
根据控制要求及端子数，此处选用FX2N-48MR继电器型PLC。
FX2N-48MRPLC共有输入24点，输出24点，满足控制所需端子数，分配PLC的I/O端子接线如图3-3所示。
SA
SQ1
SQ2
SQ3
SQ4
图3-3-2机械手PLC控制外部接线图
2）控制程序设计
该机械手控制程序较复杂，运用模块化设计思想，采用“化整为零”的方法，将机械手控制程序分为:
公用程序、手动程序和自动程序，分别编出这些程序段后，再“积零为整”，用条件跳转指令进行选择，该控制程序运行效率高，可读性好。
机械手的主控制程序如图3-3-3所示。
系统运行时首先执行公用程序，而后当选择手动工作方式（手动，单步）时，X007或者X010接通并跳至手动程序执行；当选择自动工作方式（单周期、连续）时，X007、X010断开，而X011或X012接通则跳至自动程序执行。
工作方式选择转换开关采取机械互锁，因而此程序中手动程序和自动程序可采用互以不互锁。
图3-3-3主控制程序
（1）公用程序
公用程序用于处理各种工作方式都要执行的任务，以及不同的工作方式之间相互切换的处理，公用程序如图3-3-4所示。
左限位开关X004、上限位开关X002的常开触点和表示机械手夹紧的Y001的常闭触点的串联电路接通时，“原点条件”M5变为ON。
当机械手处于原点状态（M5为ON），在开始执行用户程序（M8001为ON）、系统处于手动状态或自动回原点状态（X007或I2．1为ON）时，初始步对应的S0将被置位，为进入单步、单周期和连续工作方式做好准备。
如果此时M5为OFF状态，S0将被复位，初始步为不活动步，即使按下启动按钮也不能进入步S20，系统不能在单步、单周期和连续工作方式下工作。
（2）手动程序
手动程序分点动控制和单步控制两部分。
手动操作不需要按工序顺序动作，按普通继电器程序来设计，手动操作程序如图3-3-5所示。
手动按钮X007、X013~I2．1分别控制下降、上升、右旋、左旋、夹紧、放松和回原点各个动作。
为了保证系统的安全运行设置了一些必要的连锁。
其中在左、右旋转的梯形图中加入了X002作为上限连锁，因为机械手只有处于上限位置时，才允许左右旋转。
由于夹紧、放松动作是用二位五通电磁换向阀的CY3-1电磁线圈控制，故在梯形图中用“置位”、“复位”指令，使之有保持功能。
图3-3-4公用程序
图3-3-5手动操作程序图
图3-3-6自动控制程序图
（3）自动程序
由于自动操作的动作较复杂，采用顺序功能图设计法设计程序，用以表明动作的顺序和转换条件，矩形框表示“工步”，相邻两工步用线段连接，表明转换的方向。
横线表示转换的条件。
若转换条件得到满足则程序从上一工步转到下一工步。
其顺序功能图（SFC）如图3-3-6所示，根据顺序功能图可以方便地转换为梯形图程序。
结束语
对冲压气动机械手的结构设计、分析和控制的一些普遍性问题及方法进行了研究。
并设计了用于冲压机床上下料及移料的气动机械手。
在全面分析机械手功能的基础上，着重进行了机械手机构设计、机械手抓取机构夹紧力的优化、气动驱动系统设计和控制系统设计等几个方面的研究工作。
总结如下：
（1）从整体上对机械手的执行机构和驱动系统进行了设计，机械手结构具有模块式的特点，每一个部件成为一个模块，通过更换或调整伸缩气缸、升降气缸、手部结构及其连接件等，可适应不同类型的工作要求。
在满足基本动作要求的基础上，采用气动驱动作为机械手的驱动方式。
（2）根据机械手的装配图和零件图建立了机械手的虚拟样机模型，并在此基础上结合机械手顺序动作流程建立了机械手驱动系统动作时序，然后根据动作时序对机械手的顺序动作循环。
（3）对机械手抓取机构进行模型简化，建立机械系统模型，包括零件、约束副、弹性连接、应用力和驱动等；对模型进行运动，测试模型；通过细化模型，建立设计变量；通过优化设计，确定获得最优机构性能的最佳设计参数。
（4）根据机械手的功能要求绘制了机械手的控制系统流程图，编写了控制系统I/O分配表。
在此基础之上利用梯形图的形式编写了完整的PLC控制系统程序。
谢辞
本设计及论文是在我的指导老师吴轶群及机电一体化教研室诸位老师的亲切关怀和悉心指导下完成的。
他们严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地感染和激励着我。
从课题的选择到项目的最终完成，各位专业老师都始终给予我细心的指导和不懈的支持。
在此谨向各老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。
在此，我还要感谢在一起愉快的度过三年生活的0902班各位同学，正是由于你们的帮助和支持，我才能克服一个一个的困难和疑惑，直至本文的顺利完成。
在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意!
最后我还要感谢培养我长大含辛茹苦的父母，谢谢你们!
参考文献
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中国电力出版社，2010
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国防工业出版社，2010.2
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机械工业出版社,2010.5
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