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1、毕业设计题 目： 三维机械手抓放装置设计 目 录前言21 机械手系统简介31.1机械手系统的研究背景31.2机械手系统的研究现状31.3机械手系统的研究目的42 机械手模拟系统方案制定52.1方案提出52.2方案选择52.3方案论证63 机械手系统方案设计63.1 各单元模块功能介绍63.2 编程元件介绍93.3系统电路接线图114 基于PLC控制的机械手模拟系统程序设计114.1仿真软件介绍114.2模块程序设计125 基于PLC控制的机械手模拟系统仿真与调试145.1系统仿真实现145.2系统测试145.3数据分析176 结论17参考文献18三维机械手抓放装置设计摘 要：本设计为二维机械手
2、抓放装置,采用三菱PLC作为主控制器,具有手动、回原点、自动以及单周期与单步功能。工作时,机械手能在XY平面定点移动抓取、放置小物件。设计绘制硬件电路走线和梯形图控制流程,利用GX-developer软件进行程序编写调试,达到本设计所述功能。关键词:PLC；机械手；定点抓放Two-dimensional manipulator based on PLC device design Abstract:This design is a two-dimensional robot manipulator, with FX PLC as the main controller, with manual
3、, back to the origin, automatic and single cycle and single step function. At work, the manipulator can move in the XY plane to crawl, place small objects. Design and draw hardware circuit and ladder diagram control process, using GX-developer software to write debugging, to achieve the function of
4、the design.Keywords: PLC；manipulator；Designated catch and release前言Machine hand即机械手,类似人的手臂,是一种能够进行简单的抓取、搬运和放置物品的装置。常见于工业生产中代替普通的工人进行一些繁重或者复杂的劳动。在一些极端的甚至有害于人体健康的生产环境中,机械手的应用则更为重要。而相对于人工操作机械手的笨重和不灵活,半自动机械手的高效率和便捷操作使得其广泛应用于现代机械化、自动化生产中。可编程控制器,简称PLC,是把自动控制、计算机和通信融为一体的高新技术产品。它具有功能性强、可靠性高、配置方便灵活、抗干扰能力强、维护
5、简洁、能耗低、开发周期短、安装容易、体积小、重量轻、易学易用等特点,现在已经普遍应用于自动控制的诸多领域,而且已成为现代工业化自动生产的核心产品。今后,PLC的发展将会朝以下几个方向进行：方便灵活和小型化；大容量和强功能化；通用和网络标准化；机电一体化。机电一体化是以微型计算机和大规模集成电路为代表,在精密机械快速发展、机械与电子技术紧密结合、微电子技术全面发展的现代工业基础上,综合利用微电子技术、信息科技、自控理论技术、传感技术、机械技术、电力电子技术等众多技术,从本质上改变了产品构成,开创了现代工业新篇章1347。机械手的自由度指的是机械手的伸长缩短、左右旋转、上升下降等单独动作方式。自由
6、度是机械手性能好坏的重要体现之一。二维机械手在本文设计之中共有三个自由度,分别为机械臂伸长缩短、机械臂左右旋转、竖轴上升下降,可以通过可编程控制器控制其完成所需功能。二维机械手控制系统的设计,可以推动机械手行业的迅速发展,扩大机械手在工业生产领域中的使用,增大PLC在自动控制领域的实际应用,具有很高的研究价值,而本文主要讨论机械手控制系统的设计过程以及仿真检测。1 机械手系统简介1.1机械手系统的研究背景随着现代工业技术的高速发展,在工业自动化的技术要越来越苛刻,生产条件却日益恶劣的情况下,生产线工人的实际操作技能要求越来越高,同时操作工人也即将承受愈加恶劣的工作环境的影响320。为了减轻工人
7、的负担,提高生产效率,同时也为了可以很好的避免不能接触的有害健康的物质对人体造成伤害,工人尤其是工作在医药、冶金、航空航天、化工等领域的工作容和工作环境需要进一步的优化。这样来看操作一些简单机器人进行远程控制工作或自动完成简单往返就显得尤为重要。在机械制造业中,机械手的发展迅速,应用极其广泛。现在主要应用于机床、喷漆、焊接以及模锻压力机的上下料等作业36。人们可以编制作业程序来控制它完成指定的操作,有些还具备传感反馈能力可以应付外界的改变。机械手工作时有时会因为一些意外导致其偏离正确工作路线,此时它可以根据反馈自行调整偏离,避免引起零部件乃至机械本身的损坏5。机械手的应用,可以很大程度上提高材
8、料的传送、工件的装卸、机器的装配以及刀具的更换等操作的自动化程度,进一步提高劳动生产率,降低生产成本,全面促进工业生产自动化机械化的实现步伐。机械手技术是近几十年发展起来的一项综合技术,其涉及的围很广如自动控制技术、传感器技术、机械学、力学、电气液压技术和计算机技术等。进入21世纪以来,随着自动控制技术、电子技术、传感技术以及计算机技术不断发展,机械手系统中愈加完善,工业生产中机械手已经成为提高生产效率的重要手段之一1819。由于PLC强大的工业生产数据处理能力,工业生产的自动化很容易实现。基于PLC设计的机械手,能够实现多种工序要求,提高了工业过程的质量,而且大大解放了生产力,减轻了工人的劳
9、动强度,改善了工作环境,提高了生产效率,节约了生产成本,受到越来越多人的重视20。1.2机械手系统的研究现状机械手系统是一种在自动化、机械化生产过程中渐渐受到人们重视的高科技创新系统,如今在工业自动化快速发展的时候,它已经广泛出现在各个自动化生产一线上。机械手可以按照生产所要实现的功能快速多次完成各个繁琐动作,大大改善了员工的工作容和环境,显著降低工业生产所存在的安全隐患,提高工业生产率,为工业生产机械化和自动化的快速发展提供动力。研制机械手一开始的目的是为了帮助员工脱离繁琐劳动或多次重复的简单操作,还有代替工作人员到一些危害重大的环境中进行操作,保护工人的人身安全,因此机械手最开始应用于汽车
10、制造业等一些工业、重工业领域。由于机械手操作技术的日渐成熟,工业领域的洞中环境或生产过程中,己经开始批量使用机器手臂代替人工操作。另外在海洋探测、军事、医疗、航天、林业、农业以至于服务餐饮等行业,也都逐步实现机械手的应用419。机械手在工业领域的最常用应用体现在四个方面,即零件制造、材料加工、产品的检验和装配,材料加工通常是最简单的。零件制造包含捣碎、锻铸造和点焊等。产品的检验包含显式检验和隐性检测两种。显式检验即在产品加工过程中或加工之后检验其零件和尺寸的完整性、表面图像还有立体空间形状,隐性检测是在加工过程中检测零件表面或质量是否完整。产品的装配过程中可能会包括在线检验、材料加工、配套、零
11、件供给等各种复杂工序,所以成为了最繁杂的应用领域。而在农业领域,机械手多被用于给家畜剪毛、挤牛奶或者实现蔬菜和水果的嫁接、收获、分类与检验等。可编程控制器,简称PLC,它是以中央处理器为核心,同时结合了自动控制和现代计算机等众多先进技术,具有体积小、方便组合、功能强、抗干扰性好、易于编程等优点,目前已成为机械手控制系统中使用最广泛的核心控制元件。使用可编程控制器为核心的自动控制系统具有体积小,操作精确度高,故障率低,可靠性高等优点。1.3机械手系统的研究目的机械工业是国民的生产力最有力的体现领域,是为人民生活提供基础用品、为国家经济提供基本保障的支柱产业。衡量一个国家的科学技术水平和经济实力的
12、最重要指标之一就是其机械工业的技术水平和所拥有的规模大小,这种情况之下,世界各国纷纷把全力发展机械工业当做发展本国经济的重要战略之一。科学技术及生产水平的强势持续发展会带动整体机械工业的迅速崛起。生产过程的自动化、机械化已成为现代工业发展中突出的主题3。但是在机械工业生产中,零件加工和物料装配等具体生产往往不是连续的。仅仅依靠工人的手工劳动来完成这些不连续的生产工序,不但费时且效率不高。同时在高强度的劳动之下,工人有时还会出现失误甚至受到严重伤害,这样会对生产自动化程度和效率产生非常大的制约和影响。而如果使用机械手则可以很好的解决这个问题,它在工作时的偶然失误很少,较之于人来说也可适应更多的工
13、作容,能够有效的避免人身事故的发生,提高生产效率。2 机械手模拟系统方案制定2.1方案提出 图1 设计过程方案图图2 设计程序方案图2.2方案选择方案一 ： 使用单片机控制机械手来完成回原点、手动、单步运行、单周期和自动运行五个工作方式的执行和相互间的切换,此时需要为单片机编写程序,单片机输出脉冲信号来驱动机械手。 方案二： 使用PLC来控制机械手。PLC用于多种方式控制系统时,首先考虑要使用到的功能触点,设计操作面板,添加需要的按钮。由于初始化状态的激活,各种工作方式之间的切换都是由指令去自动完成的,所以只需首先考虑要使用到的功能触点,设计操作面板,添加需要的按钮编写公用程序,手动方式程序、
14、原点回归程序和自动运行程序即可,单步和单周期只需要共用操作面板上的自动控制使用的启动和停止按钮,即可完成单步和单周期的动作执行。2.3方案论证方案一使用单片机来写入程序达到控制机械手动作的目的,但其程序较长而且相当烦琐,对于大型工业生产设备来说使用单片机开发控制系统生产成本高,开发周期长,在实际使用时很不方便；方案二使用PLC来控制机械手,编程很简单而且比较明了,用户不需要考虑各个功能的初始状态,只需要正确使用各个功能对应的触点,然后进行相应的编程,设计操作面板的时候也不需要添加较多的按钮。实际使用时很方便,而且PLC实际上也是专为工业环境使用的通用控制平台。对比以上两个方案,得出的结果是：方
15、案二的操作比较容易,不易出错,使用方便,可以节省更多时间,且更适应现代化工业生产的需求。因此选用方案二来进行机械手系统的程序模拟设计。3 机械手系统方案设计3.1 各单元模块功能介绍3.1.1控制单元简介控制单元：在选择PLC类型时,需要考虑到各种方面的影响,对于PLC本身而言,比如扫描速度,输入/输出的点数要求,功能模块,指令条数,存容量等,另外还要考虑到其综合性价比和环境适应性。PLC经历这么多年的改进创新,技术日益成熟,类型也开始变得繁多,不同厂家生产的产品性能也不尽相同,因此我们需要根据自己具体设计要求,全方面考虑并做出选择。三菱公司生产的FX系列可编程控制器是现今国外最具代表性,创新
16、性最高,最具特色微型控制器。1FX系列产品,包含最基础的指令表编程方式之外,还拥有采用梯形图进行编程的功能和SFC顺序功能图编程,另外以上三种程序可在控制器中互相进行转换。FX系列PLC中还有一个特殊的设定,它设置了一种高数计数器用对一些来自特定的继电器输入的高频脉冲信号进行中断处理,进一步增大了PLC的实际应用领域。结合以上所说,使用PLC控制系统与使用其它类型的控制系统相比较,对于被控对象而言,客观的性价比,简单的使用方法和维修方便更有优势。在PLC构成的控制系统中,实现一个控制任务,需要针对具体的控制对象,分析控制系统要求,确定所需的输入输出设备,然后编制出相应的控制程序7,选定的PLC
17、的配置、控制等性能要与胎压监测、GPS定位.anhuizhonghong.中的的需求一致。另外,在选择中还应当考虑到以后操控要求的进化和发展,在满足现有的要求外,要有一定的富余,进而保证整个控制系统的可靠运行。在此,我选用三菱FX1N来做控制核心。三菱FX1N-60MR-001实物如图3所示。图3 三菱FX1N-PLC实物图3.1.2执行单元简介执行单元：本系统执行单元即一个简易机械手,可以简单地完成手臂夹取动作、伸缩动作、躯干旋转运动,其功能简易图如图4所示。图 4简易机械手机械手工作流程：按下启动按钮,程序开始运行,如果此时机械手不处于原点位置,则各个步进电动机开始运转,机械手横轴向手爪方
18、向运动,机械手竖轴向上方运动直至机械手到达原点位置。回归远点位置后,机械手横轴电动机开始工作,机械臂横轴前伸,运动到前限位置,电机恢复停止状态,PLC控制电磁阀动作,手爪放松,经过一段时间的延时,机械手竖轴电机开始工作,机械臂竖轴下降,运动到下限位置,电磁阀复位,手爪夹紧,经过一段时间的延时,机械臂竖轴上升,横轴开始退回,同时底部电动机带动机械臂旋转,当机械臂横轴、竖轴、底部都到达指定位置够,机械臂横轴前伸,竖轴下降,电磁阀动作,手爪开,再经过一段时间的延时,机械臂各部位复位,然后开始下一周期动作3。此次研究的机械手臂驱动电动机均使用步进电机,PLC利用自身发出的脉冲来控制步进电机的运作,实现机械臂各轴的进退和定位。3.1.3操作单元简介操作单元：要求设计一个操作面板来实现自动、手动、回原点、单周期以及单步运行来回切换的功能,并能随时启动、停止急停,在手动模式的时候还应设置相对应的动作按钮,来实现手动控制,操作面板如图5所示。图 5 操作面板图示
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