课程设计机械手控制系统设计

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1、课 程 设 计 论 文题 目 机械手控制系统设计 院 系 机械工程学院 专业 机械电子工程 班级 0901班 学号 50 号 学生姓名 丁 超 导师姓名 谭季秋 黄中华 完成日期 2012年12月21日 目 录第一章 绪 论- 1 -1.1机械手的概念- 1 -1.2气动机械手的简介- 1 -1.3气动技术- 1 -1.4气动机械手- 2 -1.5 气动机械手的发展趋势- 3 - 1.6 国内外机械手研究概况- 4 -第二章 系统硬件电路的设计- 5 - 2.1 PLC的简介- 6 -2.1.1 可编程控制器的概念- 6 -2.1.2 PLC的应用领域- 6 -2.1.3 PLC的系统组成-

2、7 -2.1.4 PLC的工作原理- 9 -2.2 PLC的选型- 11 - 2.2.1、输入/输出信号- 11 - 2.2.2 PLC的选型- 12 -2.3 PLC电路设计分配- 14 - 2.3.1 I/O地址分配- 14 - 2.4 传感器的选型- 19 - 2.4.1 SQ1的选型- 19 - 2.4.2 SQ3的选型- 21 -第三章 PLC程序的设计- 22 - 3.1 PLC程序的设计- 22 -3.2 PLC程序的调试- 25 - 3.2.1 PLC控制的安装与布线- 25 -第四章 机械部分设计- 27 -4.1 气动搬运机械手的结构- 27 -4.2 机械手的主要部件及运

3、动- 27 -4.3 驱动机构的选择- 28 -4.4 机械手的技术参数列表- 28 -4.5气动回路的设计- 28 - 4.6末端执行器的设计- 29 - 4.7升降手臂的设计- 31 - 4.8 平移手臂的设计- 33 -第五章 结 论- 35 -参考文献- 36 -致 谢- 37 - 43 -第一章 绪 论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。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。1.1机械手的概念我国国家标准(GB/T12

4、64390)对机械手的定义：“具有和人手臂相似的动作功能，可在空间抓放物体，或进行其它操作的机械装置。”机械手可分为专用机械手和通用机械手两大类。专用机械手：它作为整机的附属部分，动作简单，工作对象单一，具有固定(有时可调)程序，使用大批量的自动生产。如自动生产线上的上料机械手，自动换刀机械手，装配焊接机械手等装置。通用机械手：它是一种具有独立的控制系统、程序可变、动作灵活多样的机械手。它适用于可变换生产品种的中小批量自动化生产。它的工作范围大，定位精度高，通用性强，广泛应用于柔性自动线。 机械手最早应用在汽车制造工业，常用于焊接、喷漆、上下料和搬运。机械手扩大了人的手足和大脑功能，它可替代人

5、从事危险、有害、有毒、低温和高热等恶劣环境中的工作；代替人完成繁重、单调的重复劳动，提高劳动生产率，保证产品质量。目前主要应用于制造业中，特别是电器制造、汽车制造、塑料加工、通用机械制造及金属加工等工业。机械手与数控加工中心，自动搬运小车与自动检测系统可组成柔性制造系统(FMS )和计算机集成制造系统(CIMS )，实现生产自动化。随着生产的发展，功能和性能的不断改善和提高，机械手的应用领域日益扩大。1.2气动机械手的简介1.3气动技术气动技术这个被誉为工业自动化之“肌肉”的传动与控制技术，在加工制造业领域越来越受到人们的重视，并获得了广泛应用。目前，伴随着微电子技术、通信技术和自动化控制技术

6、的迅猛发展，气动技术也不断创新，以工程实际应用为目标，得到了前所未有的发展。气动技术(Pneumatics)是以压缩空气为介质来传动和控制机械的一门专业技术。“Pneumatics”一词起源于希腊文的“Pneuma”，其原义为“呼吸”，后来才一演变成“气动技术”。气动技术因具有节能、无污染、高效、低成本、安全可靠、结构简单，以及防火、防爆、抗电磁干扰、抗幅射等优点广泛应用于汽车制造、电子、工业机械、食品等工业产业中。随着新材料、新技术、新工艺的开发和应用，气动技术己经突破传统的设计、制造理念，正在IC/LCD、微电子、生物制药、医疗机械等高技术领域扮演着重要角色。随着生产自动化程度的不断提高，

7、气动技术应用面迅速扩大，气动产品品种规格持续增多，性能、质量不断提高，市场销售产值稳步增长。在工业技术发达的欧美、日本等国家，气动元件产值已接近液压元件的产值，而且仍以较快的速度在发展。气动工业的高速增长，进一步刺激了气动技术的发展。气动技术正朝着精确化、高速化、小型化、复合化和集成化的方向发展。1.4气动机械手工业机械手使用最多的一种驱动方式是电机驱动。驱动电机一般采用步进电机、直流伺服电机以及交流伺服电机。由于电机速度高，通常须采用减速机构(如谐波传动、RV摆线针轮传动、齿轮传动、螺旋传动和多杆机构等)。这类机械手的特点是控制精度高，驱动力较大，响应快，信号检测、传递、处理方便，并可以采用

8、多种灵活的控制方案。但是由于这类机械手价格昂贵，限制了在一些场合的广泛应用。因此，人们开始寻求其它一些经济适用的机械手驱动方式。随着气动技术获得了快速发展，其利用成本性能比低廉及同时具有许多优点的气动设备，在满足社会生产实践需要的同时也越来越多的受到重视。气动机械手技术已经成为能够满足许多行业生产实践要求的一种重要实用技术。气动机械手与其它控制方式的机械手相比，具有价格低廉、结构简单、功率体积比高、无污染及抗干扰性强等特点，表1.1给出了各种控制方式的比较。表1.1 各种控制方式的比较项目气压传动液压传动电气传动机械传动系统结构简单复杂复杂较复杂安装自由度大大中小输出力稍大大小不太大定位精度一

9、般一般很高高动作速度大稍大大小响应速度慢快快中清洁度清洁可能污染清洁较清洁维护简单比气动复杂需要专门技术简单价格一般稍高高一般技术要求较低较高最高较低控制自由度大大中小危险性几乎没问题注意火一般无问题无特殊问题气动机械手是在己有的机械手基础上发展起来的。二者之间的区别在于气动机械手发展的起点颇高，它强调模块化的形式，把专用机械手和通用机械手结合起来。现代气动机械手的基本结构由感知部分、控制部分、主机部分和执行部分四个方面组成。采集感知信号及控制信号均由智能阀岛来处理，气动伺服定位系统代替了伺服电机、步进马达或液压伺服系统；气缸、摆动马达完成原来由液压缸或机械所作的执行动作；主机部分采用了标准型

10、材辅以模块化的装配形式，使得气动机械手能拓展成系列化、标准化的产品。人们根据应用情况的要求，选择相应功能和参数的模块，像积木一样随意的组合，这是一种先进的设计思想，代表气动机械手今后的发展方向，也将始终贯穿着气动机械手的发展及实用性。因此，气动机械手可以代替一些功能不理想的工业机械手的地位，在目前的工业自动线上有着及其广泛的应用前景。1.5 气动机械手的发展趋势尽管世界工业经济发展放缓，使得气动机械手的发展受到一定的影响，然而，作为新兴科学技术的产物，气动机械手的发展势不可挡。目前，气动机械手的发展呈现出了以下趋势：1、结构模块化2、控制智能化3、感觉功能变强4、系统应用与集成化5、可靠性越来

11、越高6、易操作更灵活7、向微型化方向发展1.6 国内外机械手研究概况机械手自二十世纪六十年代初问世以来，经过40多年的发展，现在已经成为制造业生产自动化中重要的机电设备。目前，正式投入使用的绝大部分机械手属于第一代机械手，即程序控制机械手。这代机械手基本上采用点位控制系统，没有感觉外界环境信息的感觉器官，主要用于焊接、喷漆和上下料。第二代机械手具有感觉器官，仍然以程序控制为基础，但可以根据外界环境信息对控制程序进行校正。这代机械手通常采用接触传感器一类的简单传感装置和相应的适应性算法。现在，第三代机械手正在第一、第二代机械手的基础上蓬勃发展起来，它是能感知外界环境与对象物，并具有对复杂信息进行

12、准确处理，对自己行为做出自主决策能力的智能化机械手。它能识别景物，具有触觉、视觉、力觉、听觉、味觉等多种感觉，能实现搜索、追踪、辨色识图等多种仿生动作，具有专家知识、语音功能和自学能力等人工智能3。目前机械手技术有了新的发展：出现了仿人型机械手、微型机械手和微操作系统（如细小工业管道机械手移动探测系统、微型飞行器等）、机械手化机器、智能机械手（不仅可以进行事先设定的动作，还可按照工作状况相应地进行动作，如回避障碍物的移动，作业顺序的规划，有效的动态学习等）。机械手的应用领域正在向非制造业和服务业方向扩展，并且蓬勃发展的军用机械手也将越来越多地装备部队45。国外方面：近几年国外工业机械手领域有如

13、下几个发展趋势。机械手性能不断提高，而单机价格不断下降；机械结构向模块化、可重构化发展；控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展；传感器作用日益重要；虚拟现实技术在机械手中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制。国内方面：目前在一些机种方面，如喷涂机械手、弧焊机械手、点焊机械手、搬运机械手、装配机械手、特种机械手（水下、爬壁、管道、遥控等机械手）基本掌握了机械手操作机的设计制造技术，解决了控制驱动系统的设计和配置，软件的设计和编制等关键技术，还掌握了自动化喷漆线、弧焊自动线及其周边配套设备的全套自动通信、协调控制技术；在基础元件方面，谐波减速器、机械手焊接电源、焊缝自动跟踪装置也有了突破。从

14、技术方面来说，我国已经具备了独立自主发展中国机械手技术的基础6。第二章 系统硬件电路的设计2.1 PLC的简介2.1.1 可编程控制器的概念可编程控制器(Programmable Logical Controller)简称PLC。国际电工委员会（IEC）在1985年的PLC标准草案第3稿中，对PLC作了如下定义：“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令。并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关设备，都应按易于使工业控制系统形

15、成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。”现代工业生产过程是复杂多样的，它们对控制的要求也各不相同。PLC一经出现就受到了广大工程技术人员的欢迎。PLC具有如下特点：1、编程方法简单易学。2、功能强，性能价格比高。3、硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强。4、可靠性高，抗干扰能力强。5、系统的设计、安装、调试工作量少。6、维修工作量小，维修方便。7、体积小，能耗低。2.1.2 PLC的应用领域PLC的初期由于其价格高于继电器控制装置，使得其应用受到限制。但最近十年来，PLC的应用面越来越广，其主要原因是：一方面由于处理器芯片及有关元件的价格大大下降，使得PLC的成本下降；另一方面PLC的功能大大

16、增加，能解决复杂的计算和通信问题。目前PLC在国内外已广泛应用于钢铁、采矿、石油、化工、电力、机械制造、汽车、装卸、纺织、环保和娱乐等行业。PLC的应用范围通常分成以下5种类型：1、顺序控制这是PLC应用最广泛的领域，也是最适合PLC使用的领域，它用来取代传统的继电器顺序控制。PLC应用于单机控制、多机控制、生产自动线控制等。例如：注塑机械、印刷机械、订书机械、包装机械、切纸机械、组合机床、磨床、装配生产线、电镀流水线及电梯控制。2、运动控制PLC制造商目前已提供了拖动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块，在多数情况下，PLC把描述目标位置的数据送给模块，其输出移动一轴或数轴到目标位置，

17、每个轴移动时，位置控制模块保持适当的速度和加速度，保持运动平滑。相对来说，位置控制模块比CNC装置体积更小，价格更低，速度更快，操作更方便，3、过程控制PLC还能控制大量的过程参数，例如：温度、流量、压力、液位和速度等。PID模块提供了使PLC具有了闭环控制的功能，即一个具有PID控制能力的PLC可用于过程控制。当过程控制中某个变量出现偏差时，PID控制算法会计算出正确的输出，把变量保持在设定值上。4、数据控制在机械加工中，PLC作为主要的控制和管理系统用于CNC和NC系统中，可以完成大量的数据控制。5、通信控制PLC的通信包括主机与远程I/O的通信、多台PLC之间的通信、PLC和其他智能控制

18、设备（如计算机、变频器、数控装置）之间的通信。PLC与其他智能控制设备一起，可以组成“集中管理、分散控制”的分布式控制系统。2.1.3 PLC的系统组成PLC种类繁多，但其组成和工作原理基本相同。用PLC实施控制，其实质是按一定算法进行输入/输出变换，并将这个变换给以物理实现，应用于工业现场。PLC专为工业现场应用而设计，采用了典型的计算机结构，它主要是由CPU、电源、存储器和专门设计的输入/输出接口电路等组成。PLC的结构框图如图3.1所示。1、中央处理单元（CPU）中央处理单元（CPU）一般由控制器、运算器和寄存器组成，这些电路都集成在一个芯片内。CPU通过数据总线、地址总线和控制总线与存

19、储单元、输入/输出接口电路连接。2、存储器PLC的存储器包括系统存储器和用户存储器两部分。系统存储器包括用来存放由PLC生产厂家编写的系统程序，并固化在ROM内，用户不能直接更改。它使PLC具有基本的功能，能够完成PLC设计者规定的各项工作。系统程序质量的好坏，很大程度上决定了PLC的性能，其内容主要包括三部分。第一部分为系统管理程序。第二部分为用户指令解释程序。第三部分为标准程序与系统调用。图3.1 PLC的结构框图用户存储器包括用户程序存储器（程序区）和数据存储器（数据区）两部分。用户程序存储器用来存放用户针对具体控制任务用规定的PLC编程语言编写的各种用户程序。用户数据存储器可以用来存放

20、（记忆）用户程序中所使用器件ON/OFF状态和数值、数据等。用户存储器的大小关系到用户程序容量的大小，是反映PLC性能的重要指标之一。PLC使用的存储器类型有三种。第一种是随机存取存储器（RAM）；第二种是只读存储器（ROM）；第三种是可电擦除可编程的只读存储器（EEPROM或EPROM）。3、输入/输出模块输入（Input）模块和输出（Output）模块简称为I/O模块。PLC的输入和输出信号类型可以是开关量、模拟量和数字量。输入/输出模块从广义上分包含两部分：一是与控制设备相连接的接口电路；另一部分是输入和输出的映像寄存器。输入模块用于处理输入信号，对输入信号进行滤波、隔离、电平转换等，把

21、输入信号的逻辑值安全可靠地传递到PLC内部。输出模块用于把用户程序的逻辑运算结果输出到PLC外部，输出模块具有隔离PLC内部电路和外部执行元件的作用，还具有功率放大的作用。4、电源模块PLC一般使用220V的交流电源，内部的开关电源为PLC的中央处理器、存储器等电路提供5V、12V、24V等直流电源，使PLC能正常工作。5、接口模块接口模块用于将扩展单元以及功能模块与基本单元相连，使PLC的配置更加灵活以满足不同控制系统的需要。6、通信接口为了实现“人机”或“机机”之间的对话，PLC配有多种通信接口。PLC通过接口可以与监视器、打印机和其他的PLC或计算机相连。7、编程器编程器的作用是供用户进

22、行程序的编制、编辑、调试和监视。编程器有简易型和智能型两类。简易型的编程器只能联机编程，且往往需要将梯形图转换为机器语言助记符（语句表）后，才能输入。智能型的编程器又称图形编程器，它可以联机编程，也可以脱机编程，具有LCD或CRT图形显示功能，可以直接输入梯形图和通过屏幕对话8、其他部分有些PLC还可配有EPROM写入器、存储器等其他外部设备。2.1.4 PLC的工作原理PLC是一种工业控制计算机，故它的工作原理是建立在计算机工作原理之上，即通过执行反映控制要求的用户程序来实现的，但是 CPU是以分时操作方式来处理各项任务的，计算机在每一瞬间只能做一件事，所以程序的执行是按程序顺序依次完成相应

23、各电器的动作，所以它属于串行工作方式。PLC工作的全过程可用图2.2所示的运行框图来表示。概括而言，PLC是按集中输入、集中输出，周期性循环扫描的方式进行工作的。扫描周期是控制过程中一个比较重要的技术指标。一般来说，扫描周期越大，表明扫描所需要的时间就越长，要求输入信号的宽度就越大，控制周期就越长，控制速度就要降低。PLC的过程可分为三部分。第一部分为上电处理，第二部分是扫描过程，第三部分是出错处理。电源ON内部处理输入处理(输入传送远程I/O)通信服务(外设、CPU、总线服务)更新时钟、特殊寄存器执行程序执行自诊断存放自诊断错误结果CPU强制为STOPRUNSTOPYNNY输出处理致命错误P

24、LC正常否CPU运行方式图3.2 PLC运行框图2.2 PLC的选型2.2.1、输入/输出信号本控制系统有8个输入开关量，分别为：系统启动按钮1个 负责整个系统的启动；系统停止按钮1个 负责整个系统的停止；物品检测开关1个 负责检测工作台上是否有物品；下降限位开关1个 负责检测机械手到达最低位置；夹放检测开关1个 负责机械手夹放物品的检测；上升限位开关1个 负责检测机械手到达最高位置；缩回限位开关1个 负责检测机械手是否缩回到位；伸出限位开关1个 负责检测机械手是否伸出到位；建立输入信号名称与电气符号表3.1。表3.1 输入信号名称与电气符号表序号名称电气符号1总启动按钮SB12总停止按钮SB

25、23工作台物品检测开关SQ14机械手下降限位开关SQ25机械手夹紧检测开关SQ36机械手上升限位开关SQ47机械手伸出限位开关SQ58机械手缩回限位开关SQ6本控制系统有3个输出电磁阀，分别为：机械手夹放电磁阀1个 负责启动机械手夹放物品；机械手升降电磁阀1个 负责启动机械手的下降和上升；机械手伸缩电磁阀1个 负责启动机械手的水平伸缩；建立输出信号名称与电气符号表3.2。表3.2 输出信号名称与电气符号表序号名称电气符号12机械手夹紧电磁阀YV 12机械手下降电磁阀YV 23机械手伸出电磁阀YV 3表3.3辅助继电器符号表序号名称电气符号12机械手上升辅助继电器M02机械手下降辅助继电器M13

26、机械手张开辅助继电器M24机械手上升辅助继电器M32.2.2 PLC的选型目前，世界上有200多个厂家生产可编程控制器产品，比较著名的PLC生产厂家主要有美国的AB、通用（GE）、日本的三菱（MITSBISHI）、欧姆龙（OMRON）、德国的西门子（SIMENS）、法国的TE、韩国的三星（SUMSUNG）、LG等。目前三菱PLC已经广泛应用于农业、渔业、交通、食品工业，制造业，娱乐业、健康和医疗，健康和环境！PLC是在继电器控制基础上以微处理器为核心，将自动控制技术，计算机技术和通信技术融为一体而发展起来的一种新型工业自动控制装置。目前PLC已基本替代了传统的继电器控制系统，成为工业自动化领域

27、中最重要、应用最多的控制装置，居工业生产自动化三大支柱（可编程控制器、机器人、计算机辅助设计与制造）的首位。三菱PLC系列目前主要有:FX1N系列,FX1S系列,FX1N系列,FX2N系列, FX2N系列,FX3U系列,FX3UC,Q系列,A系列,L系列下面就一一来介绍这些系列型号。 三菱plc系列型号 型号 参数面价FX1N-60MR-001输入点：36，24点继电器输出4680FX1N-40MR-001 输入点：24,16点继电器输出 4030FX1N-24MR-001 输入点：14,10点继电器输出 3330FX1N-14MR-001 输入点：8,6点继电器输出2310FN1N-60MR

28、-D输入点：36，24点继电器输出(直流供电)4490FN1N-40MR-D 输入点：24,16点继电器输出(直流供电) 4010FN1N-24MR-D 输入点：14,10点继电器输出(直流供电) 2990FX1N-60MT-001输入点：36，24点晶体管输出4800FX1N-40MT-001 输入点：24,16点晶体管输出 4130FX1N-24MT-001 输入点：14,10点晶体管输出 3400FX1N-14MT-001 输入点：8,6点晶体管输出2400FX1N-60MT-D输入点：36，24点晶体管输出(直流供电)4600FX1N-40MT-D 输入点：24,16点晶体管输出 (直

29、流供电)4100FX1N-24MT-D 输入点：14,10点晶体管输出(直流供电) 3100FX2N-128MR-001输入点：64，64点继电器输出10120FX2N-80MR-001输入点：40，40点继电器输出7030FX2N-64MR-001输入点：32，32点继电器输出6280FX2N-48MR-001输入点：24，24点继电器输出5490FX2N-32MR-001输入点：16，16点继电器输出5180FX2N-16MR-001输入点：8，8点继电器输出4150FX2N-80MR-D输入点：40，40点继电器输出(直流供电)7030FX2N-64MR-D输入点：32，32点继电器输出

30、(直流供电)6280FX2N-48MR-D输入点：24，24点继电器输出(直流供电)5490FX2N-32MR-D输入点：16，16点继电器输出(直流供电)5180FX2N-128MT-001输入点：64，64点晶体管输出10330FX2N-80MT-001输入点：40，40点晶体管输出7180FX2N-64MT-001输入点：32，32点晶体管输出6410FX2N-48MT-001输入点：24，24点晶体管输出5600FX2N-32MT-001输入点：16，16点晶体管输出5290FX2N-16MT-001输入点：8，8点晶体管输出4240FX2N-80MT-D输入点：40，40点晶体管输出

31、(直流供电)7180FX2N-64MT-D输入点：32，32点晶体管输出(直流供电)6410FX2N-48MT-D输入点：24，24点晶体管输出(直流供电)5600FX2N-32MT-D输入点：16，16点晶体管输出(直流供电)5290本次设计中共8个输入量，共3个输出量，共计11点，因此选用了FX2N-32MR-001输入点16，继电器16点输出. 2.3 PLC电路设计分配2.3.1 I/O地址分配根据机械手的输入信号为8个，输出信号为3个，建立I/O地址分配表。建立输入信号地址分配表如表所示：输入信号地址分配表序号名称地址1SB1X02SB2X13SQ1X24SQ2X35SQ3X46SQ

32、4X57SQ5X68SQ6X7建立输出信号地址分配表如表所示：输出信号地址分配表序号名称地址1KA 1Y02KA 2Y13KA 3Y22.3.2 PLC外部接线如图所示。FX2N-32MR外部接线图中：工作台物品检测开关SQ1机械手下降限位开关SQ2机械手夹紧检测开关SQ3机械手上升限位开关SQ4机械手伸出限位开关SQ5机械手缩回限位开关SQ6总启动按钮SB1，总停止按钮SB2，电气控制原理系统图： 机械手夹放电磁阀连接KA1；机械手升降电磁阀连接KA2；机械手伸缩电磁阀连接KA3；电磁阀失电气缸伸出，得电收缩。电气连接图如图3.7所示。图3.7 电气连接图2.3.2 阀的选择：此阀采用二位四

33、通电磁阀 8个基本操作：第1步当工作台上有物品时，机械手下降。第2步是机械手在最低位抓紧物品。第3步是机械手夹紧物品上升。第4步是机械手夹紧物品伸出。第5步是机械手夹紧物品下降。第6步是在最低位时松开物品。第7步机械手上升。第8步是机械手缩回回到原位。YV1（气爪）YV2（升降）YV3（水平伸缩）第1步第2步第3步第4步第5步第6步第7步第8步2.4 传感器的选型2.4.1 SQ1的选型SQ1属于存在性检测，可以用红外线传感器：光电子学是一门光学和半导体电子学综合学科。光电子元件制成的传感器性能可靠，经济实惠。该系列产品包括：标准红外线发射二极管（IRED)，传感器及其组件。 最佳使用环境：

34、存在性检测、运动传感、位置编码、限位传感、运动物体的检测和计数。经济型红外光电传感器选型表：（1）3mm 塑料封装红外光电传感器 选型表型号类型波长驱动电流发光强度发光/接收角度亮电流Vce(sat)上升下降时间规格书页码发光管SEP-4216发光二极管940nm20mA0.52 1.02mW/cm220deg-SEP-4216.pdf接收管SDP-4206光电三极管-3.29.6mA0.4VTYP. 20usSDP-4206.pdf（2）5mm 塑料封装红外光电传感器 选型表型号类型波长驱动电流发光强度发光/接收角度亮电流Vce(sat)上升下降时间规格书页码发光管SEP-4208发光二极管

35、940nm20mA1.7 3.14mW/cm220deg-SEP-4208.pdf接收管SDP-0323光电二极管900nm-TYP. 13uA-TYP. 100nsSDP-0323.pdfSDP-3208光电三极管-2.08 3.60mA0.4VTYP. 25usSDP-3208.pdf（3）侧面发光塑料封装红外光电传感器 选型表型号类型波长驱动电流发光强度发光/接收角度亮电流Vce(sat)上升下降时间规格书页码发光管SEP-0322发光二极管940nm20mA1.00 1.62mW/cm240deg-SEP-0322.pdf接收管SDP-0301光电三极管-2.00 3.84mA 0.4

36、VTYP. 25usSDP-0301.pdf（4）反射式红外光电传感器 选型表外形型号组成驱动电流亮电流Vce(sat)上升下降时间规格书页码表贴式HOA-1550发光二极管/光电三极管20mA1.37 1.77mAmg/2=29.8/(20.65)=15.1N 传感器受力面积A=1cm2所以压力：P=F/A=15/0.0001m2=150KPa这里选用MPX2200压力传感器 最大压力范围为200KPA。 第三章 PLC程序的设计 3.1 PLC程序的设计1、流程图2、梯形图3、指令表。3.2 PLC程序的调试由于PLC是专门为工业生产环境设计的控制装置，因此一般不需要采取什么特殊措施，就可

37、以直接在工业环境中使用。但环境过于恶劣、电磁干扰特别强烈，或安装使用不当，都将不能保证PLC正常、安全、可靠的运行。因此，讨论PLC设计调试就具有十分重要的意义。3.2.1 PLC控制的安装与布线1、 输入接线（1）输入接线一般不要超过30m。但如果环境干扰较小，电压降不大时，输入接线可适当长些。 （2）输入、输出线不能用同一根电缆，输入、输出线要分开。 （3）利用普通二极管恰当的串接在PLC输入回路中，防止信号干扰，使PLC输入信号大大增强。2、电源接线电源是PLC引入干扰的主要途径之一，PLC应尽可能取用电压波动较小、波形畸变较小的电源，这对提高PLC的可靠性有很大帮助。PLC的供电线路应

38、与其他大功率用电设备或强干扰设备（如高频炉、弧焊机等）分开。为了提高整个系统的抗干扰能力，可编程序控制器供电回路一般可采用隔离变压器、交流稳压器、晶体管开关电源等。我们正是用了隔离变压器和交流稳压器来抗干扰。隔离变压器是初级和次级之间采用隔离屏蔽层，用漆包线或同等非导磁材料组成，电器回路上不允许短路，两极各引出一个接地抽头。初级与次级之间的静电屏蔽要联结到零点位，接地抽头配电容耦合最后引出到接地点。在选用交流稳压器时，一般可按照实际最大需求容量的130%计算。这样可以保证稳压特性又有助于稳压器工作可靠16。PLC供电电源为50Hz、220V10%的交流电。由于本设计使用的是FX1N系列可编程控

39、制器，所以有直流24V输出接线端。该接线端可为输入及传感器（如光电开关或接近开关）提供直流24V电源。3、接地正确选择接地点，完善接地系统接地的目的通常有两个，其一为了安全，其二是为了抑制干扰。完善的接地系统是PLC控制系统抗电磁干扰的重要措施之一。系统接地方式有：浮地方式、直接接地方式和电容接地三种方式。对PLC控制系统而言，它属高速低电平控制装置，应采用直接接地方式。良好的接地是保证PLC可靠工作的重要条件，可以避免偶然发生的电压冲击危害。所以我们给可编程控制器接上了专用接地线。第四章 机械部分设计4.1 气动搬运机械手的结构机械手的种类很多，但按手臂坐标类型来分主要有直角坐标式、圆柱坐标

40、式、球坐标式、关节坐标式、SCARA型。本次是一个用于传送带上轻型平动搬运机械手的设计。所针对的机械手属于直角坐标式，如图所示，机械手主要是由基座和手臂两部分组成。基座的主要任务是支撑。手臂装在基座上，作上下直线运动和伸缩运动，手部可夹紧/放松。机械手手部机械手横臂机械手立柱机械手基座机械手原理图本机械手的全部动作由气缸驱动。气缸由电磁阀控制。驱动部分有升降气缸、摆动气缸和手部驱动气缸。4.2 机械手的主要部件及运动在直角坐标式机械手的基本方案选定后，根据设计任务，为了满足设计要求，本设计的机械手具有2个自由度：手臂伸缩；手指升降。本设计的机械手主要由3个大部件和3个气缸组成：（1）手部，采用

41、一个气爪，通过机构运动实现手爪的张合。（2）升降臂部，采用直线缸来实现手臂的伸缩。（3）平移臂部，采用气动滑台来实现手臂的平移。4.3 驱动机构的选择驱动机构是工业机械手的重要组成部分, 工业机械手的性能价格比在很大程度上取决于驱动方案及其装置。根据动力源的不同, 工业机械手的驱动机构大致可分为液压、气动、电动和机械驱动等四类。气动机械手因为结构简单、成本低廉、重量轻、动作迅速、平稳、安全、可靠、节能和不污染环境等优点而被广泛应用在生产自动化的各个行业。因此，机械手的驱动方案选择气压驱动。4.4 机械手的技术参数列表一、用途：车间皮带机之间的搬运二、设计技术参数：1、抓重：2Kg (夹持式手部

42、)2、自由度数：2个自由度3、坐标型式：圆柱坐标4、最大工作半径：200mm5、机身最大中心高：415mm6、主要运动参数：手臂伸缩行程：400mm 手臂伸缩速度：300mm/s手指升降行程：200mm 手指升降速度：200mm/s4.5气动回路的设计机械手气动回路的设计主要是选用合适的控制阀，通过控制和调节各个气缸压缩空气的压力、流量和方向来使气动执行机构获得必要的力、动作速度和改变运动方向，并按规定的程序工作，设计的气动回路图如图所示。机械手气动回路图本设计的气动机械手完成各个运动的气缸只有完全伸出和完全缩回两个状态，选择两位五通换向阀控制各个气缸的运动方向，气缸的进出口回路各设置一个单向

43、节流阀，通过控制进出口空气流量的大小来控制气缸执行器动力的大小和运动速度。设计中采用PLC控制机械手实现各种规定的预定动作，既可以简化控制线路，节省成本，又可以提高劳动生产率。4.6末端执行器的设计由于本设计所采用标准气爪，不需要进行设计，直接选型即可。本设计要求机械手手爪的最大持重m=2Kg，根据具体的工作要求，选择标准平行开闭型气爪，其结构如图所示。当A口进气B口排气时，气缸活塞杆1伸出，通过杠杆2绕杠杆轴8回转，带动两个手指4通过一组钢球3在导轨5上作向外直线运动，两手指便张开，松开工件。止动块6限制手指张开行程，定位销7保证直线导轨不错位。平行开闭型气爪结构原理图1-活塞杆 2-杠杆

44、3-钢球 4-手指 5-导轨 6-止动块 7-定位销 8-杠杆轴对夹持工件进行受力分析如图所示， 2个手指的总夹持力产生的摩擦力2F必须大于夹持工件的重力mg，故应满足 2Fmg即 Fmg/2式中 摩擦系数，本设计的夹持辅助件材料为硬质橡胶，一般令=0.65；由此 Fmg/2=29.8/(20.65)=15.1N 夹持工件受力示意图根据计算出的夹持力的大小和表3-1，可选择合适的末端执行器（手爪）的型号：MHZ-10D。表3-14.7升降手臂的设计升降手臂为机械手执行上下伸缩运动的机构，它是连接机械手末端执行器和平移手臂的部件，它的基本作用是完成末端执行器的伸出和缩回运动。升降手臂主要承受末端

45、执行器和夹持物件的重力，为使设计的标准化和简便化，在本设计中，伸缩手臂采用新薄型带导杆气缸（如图）。该气缸体积小、轻巧，耐横向负载能力强，耐扭矩能力强，不回转精度高，导向杆的轴承可选择滑动轴承或球轴承，安装方便，二面接管位置可供选择。新薄型带导杆气缸根据本机械手的设计技术参数，伸缩手臂的行程为200mm，气爪抓重约为2Kg，加上末端执行器（气爪）和连接板的重量，总质量约为3Kg，由此，伸缩手臂的最大负载F=mg=39.8=29.4N。根据数据要求，初步选定为缸径为20mm型号为MGPL20200的气缸作为机械手的升降手臂。伸缩手臂作上下直线运动时，主要克服的是摩擦阻力和惯性力，因此，气缸所需要

46、的驱动力应由摩擦阻力,重力和惯性力来确定。 式中 摩擦阻力，应包括手臂与伸缩导轨间的摩擦阻力，活塞与密封装置处的摩擦阻力； 手臂在启动过程的惯性力。其大小可按以下公式计算； 其中手臂移动部件的重量（牛顿）； g重力加速度（9.8米/秒2）； 启动或制动前后的速度差（米/秒）； 启动或制动所需的时间（秒）。惯性力的计算：本设计要求手臂升降时V=200mm/s，在计算惯性力的时候，设置启动时间=0.1s，启动速度V=V=200mm/s。=6N由于升降运动，气缸所受的摩擦力很小，可以忽略不计。所以：气缸所需的驱动力 F驱= F摩+ F惯+F=0+6+29.4=35.4N 气缸的理论驱动力 F=1/4

47、d2p其中 d气缸活塞杆的直径（米）； p气缸的工作压力（帕）。根据设计技术参数 d=10mm，p=0.5MPa代入数据进行计算得 F=1/4d2p=1/43.14（0.01）20.5106 =39.3N由计算的结果可知 FF驱即气缸提供的理论驱动力大于气缸实际所需的驱动力，因此，伸缩手臂的设计符合设计要求。4.8 平移手臂的设计平移手臂为机械手执行左右平移运动的机构，它是连接机械手升降手臂的部件，它的基本作用是完成机械手左右平移运动的。平移手臂主要承受升降手臂，末端执行器和夹持物件的重力，为使设计的标准化和简便化，在本设计中，平移手臂采用气动滑台（如图3-4）。该气缸体积小、轻巧，耐横向负载

48、能力强，耐扭矩能力强。图3-4 气动滑台根据本机械手的设计技术参数，平移手臂的行程为400mm，气爪抓重约为2Kg，加上升降手臂，末端执行器（气爪）和连接板的重量，总质量约为4Kg，由此，伸缩手臂的最大负载F=mg=49.8=38.2N。根据数据要求，初步选定为缸径为12mm型号为mxy12400的气动滑台作为机械手的平移手臂。平移手臂做水平直线运动时，主要克服的是摩擦阻力和惯性力，因此，气缸所需要的驱动力应由摩擦阻力,和惯性力来确定。 式中 摩擦阻力，应包括手臂与伸缩导轨间的摩擦阻力，活塞与密封装置处的摩擦阻力； 手臂在启动过程的惯性力。其大小可按以下公式计算； 其中手臂移动部件的重量（牛顿

49、）； g重力加速度（9.8米/秒2）； 启动或制动前后的速度差（米/秒）； 启动或制动所需的时间（秒）。惯性力的计算：本设计要求手臂升降时V=300mm/s，在计算惯性力的时候，设置启动时间=0.1s，启动速度V=V=300mm/s。=11.69N摩擦力的计算：在垂直方向，可近似认为 FN=G总=.38.2N。导杆所受到的水平方向的摩擦力 F摩=FN 其中 摩擦系数，气缸导向杆的材料为钢，取=0.2。 将有关数据代入进行计算F摩=FN =0.238.2=7.64N所以：气缸所需的驱动力 F驱= F摩+ F惯+F=7.64+11.69=19.33N 气缸的理论驱动力 F=1/4d2p其中 d气缸

50、活塞杆的直径（米）； p气缸的工作压力（帕）。根据设计技术参数 d=10mm，p=0.5MPa代入数据进行计算得 F=1/4d2p=1/43.14（0.01）20.5106 =39.3N由计算的结果可知 FF驱即气缸提供的理论驱动力大于气缸实际所需的驱动力，因此，平移手臂的设计符合设计要求。第五章 结 论在本次课题设计中，机械手模型控制系统采用PLC进行控制，大大提高了该系统的自动化程度，减少了大量的中间继电器、时间继电器和硬件接线，提高了控制系统的可靠性。同时，使用PLC进行控制可方便更改生产流程，增强控制功能。通过本次设计，可以根据工件的变化及运动流程的要求随时更改相关参数，实现机械手控制

51、系统的不同工作需求，机械手控制系统具有了很大的灵活性和可操作性。本文中介绍的机械手模型控制系统对于教学有很好的辅助作用。机械手控制技术是一项综合型的技术，机械手控制系统又是一个复杂的随机系统，本次设计的机械手模型控制系统与真正的机械手控制系统之间还有很大的差距。另外，本文中的机械手模型控制系统比较简单，还需要不断改进和加强。参考文献1 廖常初可编程序控制器应用技术(第四版)重庆：重庆大学出版社，2005，1-142 许志军工业控制组态软件及应用北京：机械工业出版社2005，192-1983 王承义机械手及其应用北京：机械工业出版社，1981，12-254 彭商贤、赵臣、张启先试论国内外机器人机

52、械学的发展趋向J，机器人，1991，13 (3)：48-535 Saeed B. Niku, Introduction to Robotics: Analysis, Systems, Application. USA: Pearson Education,2001,16426 陈恳，杨向东，刘莉，杨东超机器人技术与应用北京：清华大学出版社，2006，27-357 吴建强可编程控制器原理及其应用哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1998，12-608 林小峰可编程序控制器及应用北京：高等教育出版社，1991，17-269 David G. Johnson. “Programmable Control

53、lers for Factory Automation”. Marcel Decker, Inc. New York and Basel, 1987,1023 10 王永华现代电气及可编程序控制器技术北京：航空航天大学出版社，2003，32-4511 廖常初可编程控制器的编程方法与工业应用重庆：重庆大学出版社，2001，26-3712 郭洪红工业机器人技术西安：西安电子科技大学出版社，2006年，20-2813 王承义机械手及其应用北京：机械工业出版社，1981，8-2514 张凤珊电器控制及可编程序控制器北京：中国轻工业出版社1999，62-7915 杨长能，张兴毅可编程序控制器基础及应用重

54、庆：重庆大学出版社1992，31-52致 谢本论文是在谭季秋老师和黄中华的精心指导和热情的帮助下完成的。老师渊博的知识、严谨的治学态度、孜孜不倦的钻研精神以及平易近人的作风为我树立了榜样，激励着我奋发向上，努力学习。值此论文完成之际，谨向导师致以崇高的敬意和衷心的感谢！在我做设计的过程中，我的各位老师和同学给我提供了很多帮助和支持，在此表示特别的感谢！在论文完成答辩之际，向本次论文评审和答辩的各位老师，表示最诚挚的谢意！湖南工程学院课程设计任务书 设计题目：机械手控制系统设计姓名系别机械学院专业机械电子班级0901学号指导老师谭季秋、黄中华教研室主任陈小异一、基本任务及要求1设计任务（1）硬件 设计机械手控制电路PLC控制；启动、停止、复位按键；定时器T1（延时50ms）；计数器C；机械手工位指示灯；按键控制机械手作业系统的启动、停止与复位。（2）软件 设计搬运机械手控制系统程序机械手当前工作位指示灯亮，准备位指示灯闪烁，闪烁频率15Hz。按键控制系统启动、停止与