基于西门子PLC的自动上下料机械手系统设计【含CAD图纸、说明书】
【温馨提示】压缩包内含CAD图有下方大图片预览,下拉即可直观呈现眼前查看、尽收眼底纵观。打包内容里dwg后缀的文件为CAD图,可编辑,无水印,高清图,压缩包内文档可直接点开预览,需要原稿请自助充值下载,所见才能所得,请见压缩包内的文件及下方预览,请细心查看有疑问可以咨询QQ:11970985或197216396
压缩包内含有CAD图纸和说明书,咨询Q 197216396 或 11970985 *专业代码*本科毕业设计 自动上下料机械手系统设计 学 院机械工程学院专 业机械设计制造及其自动化学 号*学生姓名*指导教师*提交日期*年* 月* 日诚信承 诺 书本人郑重承诺和声明:我承诺在毕业设计撰写过程中遵守学校有关规定,恪守学术规范,此毕业设计中均系本人在指导教师指导下独立完成,没有剽窃、抄袭他人的学术观点、思想和成果,没有篡改研究数据,凡涉及其他作者的观点和材料,均作了注释,如有违规行为发生,我愿承担一切责任,接受学校的处理,并承担相应的法律责任。毕业设计作者签名: 年月日摘 要随着我国工业技术的快速发展,自动化生产的日益加快,人们对工作环境和加工精度的要求越来越高,导致我国在超精加工、劳动力资源缺乏等方面的问题日益严重。因此,为提高生产精度,减少工人劳动强度,实现工厂生产的自动化,设计一款自动上下料机械手系统显得愈发必要。针对上述问题,通过对自动上下料机械手系统的结构、工作原理及机械手功能的分析,设计了一款自动上下料机械手系统,该系统可分为机械部分和控制部分。通过对机械手各部件工作原理及功能的分析,设计具有3自由度关节的机械手。控制系统是以S7-200 CPU224型PLC为主控,通过操作面板设置机械手的运行模式,以个人计算机为系统的显示和提示装置,采用闭环伺服定位对机械手位置进行检测,实现机械手的自动操作,达到自动上下料的目的。关键词:PLC;机械手;自动上下料ABSTRACTWith the rapid development of industrial technology in our country and the accelerating pace of automated production, people are increasingly demanding the working environment and processing accuracy, leading to increasingly serious problems in super-finishing and shortage of labor resources in China. Therefore, in order to improve the production accuracy, reduce the labor intensity of workers, and realize the automation of factory production, it is increasingly necessary to design an automatic loading and unloading robot system.To solve the above problems, an automatic loading and unloading manipulator system was designed by analyzing the structure, working principle and manipulator function of automatic loading and unloading manipulator system. The system can be divided into mechanical part and control part. Through the analysis of the working principle and function of each part of the manipulator, a manipulator with a 3-degree-of-freedom joint is designed. The control system is based on the S7-200 CPU224 type PLC. The operation mode of the robot is set through the operation panel. The personal computer is used as the display and prompting device. The closed-loop servo positioning is used to detect the position of the robot and the automatic operation of the robot is achieved. To achieve the purpose of automatic loading and unloading.Key Words: PLC;Manipulator;Automatic loading and unloading目 录 1 绪 论11.1 选题背景及意义11.1.1 选题背景11.1.2 研究意义11.2 国内外研究现状21.2.1 国外研究现状21.2.2 国内研究现状21.3 研究内容及结构安排31.4 本章小结42 总体设计52.1 机械手总体结构52.1.1 结构类型52.1.2 设计方案62.2 机械手总体控制72.3 本章小结73 本体设计83.1 机械手腰座的设计83.1.1 设计要求83.1.2 设计方案83.2 机械手手臂的设计93.2.1 设计要求93.2.2 设计方案93.3 机械手手腕的设计93.3.1 设计要求93.3.2 设计方案103.4 机械手手爪的设计103.4.1 设计要求103.4.2 设计方案113.5 液压传动设计及计算113.5.1 液压元件的选择113.5.2 液压系统图的绘制113.5.3 液压系统参数的确定123.5.4 计算和选择液压元件153.6 电机的选择及有关参数计算153.7 本章小结154 控制系统设计174.1 控制系统的特点及功能174.1.1 控制系统的特点174.1.2 控制系统的主要功能174.2 上、下位机结构设计174.3 硬件系统设计184.3.1 控制要求184.3.2 作业流程194.3.3 操作面板的布置204.3.4 PLC概述204.3.5 PLC型号的选择214.3.6 I/O地址分配214.3.7 PLC外部接线设计224.4 软件系统设计234.4.1 控制流程234.4.2 程序设计234.5 本章小结255 PLC程序的模拟仿真265.1 S7-200的介绍265.2 仿真步骤265.3 仿真结果275.4 本章小结286 总结与展望296.1 总结296.2 展望29参考文献31附 录31致 谢44IX1 绪 论1.1 选题背景及意义1.1.1 选题背景随着中国科技的进步及制造业的发展,为了提高生产率、降低工人的劳动强度,越来越多的公司引进了机械手技术。机械手并不单单是代替人们工作,它更是一种机械电子设备,综合了人的特长和机器的特长。机械手能够代替人们完成危险以及枯燥乏味的工作,减轻人们的劳动强度,提高生产力。因此,机械手得到了越来越广泛的应用。在生产工厂中,它可用于零部件的组装,加工工件的搬运与装卸,特别是在自动化机床、加工中心中使用更加普遍。目前,发展日新月异的机械手已经是柔性制造系统FMS和柔性制造单元FMC中的一个重要组成部分。通过把机床设备和机械手共同构成一个柔性加工系统,不仅可以节省庞大的工件输送装置,并且该系统具有结构紧凑,适应性强的特点1-2,有利于提高产品的质量,能够更好地适应市场竞争的需要。1.1.2 研究意义本课题主要为自动上下料机械手系统的设计与研究,通过对机械手各组成部分的分析、比较以及查阅文献,最终设计出一种基于PLC控制的机械手,主要意义有:1通过对机械手的设计和研究,熟悉机械手的组成原理、运动原理,了解国内外机械手的发展状况,提高实践应用和工作能力。如:查阅文献、零件分析能力以及CAD绘图技能,培养正确的设计思想和使用工具书、国家技术标准等手册的能力。 2通过毕业设计,了解机械手相关方面的知识,对机械手有一个初步的认识。自动化是目前国内发展最快的工业趋势之一,而机械手是实现自动化控制、工作中最重要的一个环节。因此,通过对机械手的研究能够快速提高我国的工业水平,实现更好的发展。目前,数控机床在我国发展一日千里,已经朝着高速化、高精度化、智能化和绿色化的方向发展。中国作为制造业大国,主要依靠劳动力多、价格低、资源丰富等优势,但是在产品的技术创新及自主研发方面与国外同行存在着很大的差距3。因此,中国应加大改革创新力度,加强自主创新能力,加快对生产效率和生产精度的提高,而机械手的出现正是解决了普通数控机床定位不准确,加工精度达不到要求等问题3-4。因此,将机械手和数控机床组合生产,不仅能够加快加工速度,还能够适应于不同工件的生产,并且能够有效的节省工件运输费用。因此,设计出自动上下料机械手是非常有意义的。1.2 国内外研究现状1.2.1 国外研究现状1958年第一台机械手Unimate在美国诞生,它主要用于压铸作业,其手臂由计算机控制,能够记忆180个工作步骤。随着科技的进步与人们不懈努力的探索,美国又不断地推出用于示教的机械手。而起步晚于美国五、六年的日本,在经历了机械手的发展期、试用期后,进入了快速发展阶段,几年后,一举成为“机械手王国”。目前,机械手产业在迅速崛起,已经形成了欧洲、美国、日本、中国、韩国等五大机械手发展区。其中最具有代表性主要是欧洲瑞典的ABB、瑞士的Staubli、德国的KUKA 日本的FANUC以及美国的Adept Technology等公司5。图1.1 全球机械手销量及同比增速根据国际机械手联合会的统计,在过去十多年里全球机械手景气度较高,如图1.1所示。2015年,全球机械手总销售量达到248000台,同比增长15%,2002-2008年,全球机械手年复合增长率为8.6%,2009-2015年全球机械手年复合增长率为23.5%,是过去6年的2.7倍。近几年全球机械手增速明显加快,其中日本、美国和德国的总销量占全球销量的3/4,一个全新的“机械手时代”已经到来6。1.2.2 国内研究现状改革开放以来,我国开始着手对机械手的研究。其中上海交通大学机械手研究所是我国最早从事机械手的研究机构之一。被誉为“中国机械手之父”的蒋新松率先开展机械手研究,创建我国水下机械手产业7。经过几代人的艰苦奋斗和不懈努力,在这一领域取得了一定的成绩。目前主要应用于机械加工工业、汽车制造工业、食品加工行业等领域中。中国自2013年开始占领全球机械手第一大市场,制造业中“机器换人”的需求旺盛,预计仍将保持快速增长,截至2016年我国机械手累计安装量为34.9万台,保有量约30万台8。图1.2 2015年世界各国制造业机械手密度比较(单位:台/万人)尽管我国保有量已居全球前列,但目前我国机械手密度仍处于落后水平的现状。据统计,2015年全球制造业机械手密度为69台/万人,其中在工业发达国家中,机械手密度普遍超过200台/万人,然而中国的机械手密度仅为49台/万人,如图1.2所示。其中在这些机械手中,国产品牌占比不到一半,所以机械手的渗透率还处于较低水平,这也预示着中国机械手市场仍具备十分广阔的提升空间。1.3 研究内容及结构安排本课题主要研究的是基于PLC控制的一种自动上下料机械手系统,在研究的过程中,需要完成的主要任务是机械手的总体设计、本体设计、控制系统以及程序的模拟仿真。自动上下料机械手主要是与数控机床组合,自动抓取待加工产品送到数控车床卡盘等待加工,待加工完成后,自行取下已加工工件放置流水线上。具体研究如下:(1)机械手的总体设计 根据生产的要求以及实际的需要,对自动上下料机械手系统进行总体设计,保证系统的合理性、高效性。(2)机械手的本体设计根据所夹取零件的位置、所抓取零件的重量以及与机床的位置,选择合适的动力装置、传动装置和控制装置,以便使机械手能够完美的和数控机床配合工作。(3)机械手的控制系统设计采用合适的控制系统,通过控制机械手爪的张开和闭合,从而实现对工件的抓取、运输、安装等操作。(4)控制程序的编制与模拟仿真运用STEP 7 Micro/WIN SP9 V4.0编写机械手的控制程序,并采用S7-200仿真器对程序进行模拟仿真,以保证程序满足工作的要求。1.4 本章小结本章主要对机械手的发展历程进行简单的介绍,同时针对国内外机械手的研究现状及未来发展规划进行说明分析。此外,由于本次设计内容为自动上下料机械手系统,故最后对本文中主要研究的机械手进行简单的说明,以便更好地学习机械手的相关理论知识,从而提高我国的工业发展水平。32 总体设计自动上下料机械手的总体设计共分为三大模块,分别是机械手本体设计、控制系统设计以及程序的模拟仿真,具体各模块分布如图2.1所示。图2.1 自动上下料机械手系统分布图2.1 机械手总体结构2.1.1 结构类型目前机械手的结构形式主要有:直角坐标型、圆柱坐标型、球坐标型和关节型四大类,如图2.2所示8。(a)直角坐标型 (b)圆柱坐标型 (c)球坐标型 (d)关节型图2.2 机械手的四种坐标形式各种类型的特点介绍如下:(1)直角坐标型(3P)这类机械手末端操作器的位置是由3个线性关节来确定的,其中各个关节的运动都是独立的,并且运动方程呈线性,所以容易通过计算机来实现闭环的位置控制,达到高的位置精度和分辨率,并且不随工作场合的变化而变化。但是手臂在收缩的同时又向着另外的方向伸长,因此它具有操作范围小,工作空间大等缺点。(2)圆柱坐标型(R2P)圆柱坐标机械手的动作是由两个滑动关节和一个旋转关节共同完成。这种机械手计算简单,可以采用液压驱动输出较大的动力,能够伸入机器型腔内部。但是,它的手臂受到空间的限制,不能够到达接近地面的位置。(3)球坐标型(2RP)球坐标机械手采用两个旋转关节和一个滑动关节来实现自身的运动。这种机械手可以绕中心轴进行旋转,覆盖空间较大。球坐标系较为复杂难以控制,因此,此类机械手也不容易控制,并且存在工作死区和密封性不好等问题。(4)关节型(3R)关节型机械手采用三个旋转关节实现其空间运动。这种机械手类似于人的手臂,动作灵活,结构紧凑,工作范围复杂,是当今工业领域最常见的机械手形态之一。2.1.2 设计方案图2.3 机械手的工作布局图机械手的工作布局如图2.3所示。根据设计要求,因所抓取的工件质量为30KG,同时考虑到数控机床的布局以及对机械手的要求,在满足机械加工工艺的要求下,尽量做到节约成本、简化结构。因此,机械手共需要3种运动来完成工件的上下料,即垂直手臂的升降和水平手臂的伸缩两个运动,以及腰座的回转运动。经过多方面的综合考虑,采用圆柱坐标形式的机械手,自由度数为3。其特点是:结构简单紧凑,工作范围大,且易于控制,具有较高的定位精度。2.2 机械手总体控制机械手在工作的时候要求具有较高的位置精度,因此,采用伺服电机控制腰部的回转运动,通过PLC控制液压电磁阀的得失电进而控制机械手的动作,实现自动上下料功能。2.3 本章小结在本章中主要对机械手的总体结构及控制模块进行分析、设计,通过结合数控机床的分布,考虑在满足机械手工作的前提下,尽量做到经济化、合理化。3 本体设计3.1 机械手腰座的设计3.1.1 设计要求腰座是机械手的首个回转关节,承受机械手的所有重量和载荷。因此,在设计腰座时,必须遵循以下的设计原则:1安装基面要足够大,防止机械手在工作的时候出现乱动,导致位置精度不能满足设计要求。2腰座承受机械手的全部重量,因此,需要足够大的强度和刚度,保证其承载能力。3腰座的重量相对比较集中,因此需要一定的驱动装置才能使其做回转运动。4腰部结构便于安装、调整与拆卸。腰部与机械手的手臂要有可靠的连接以及定位,并且还要增加调节装置,保证各关节之间的位置精度9。5为了减轻腰部的转动惯量及提高机械手的稳定性,回转部分经常使用轻质合金材料,而不运动的则使用比较重的铸铁制成。3.1.2 设计方案腰座的回转运动既可借助伺服电动机来驱动,又可通过使用液压缸来实现。因液压系统需要借助液压缸和其他辅助元件,而电机控制不需要,并且具有控制精度高,结构紧凑等优点。因此,目前更趋向于电机实现回转运动。考虑到电机不能直接驱动及转速和扭矩的要求,故采用传动比大于100的一级齿轮传动系统降低转速,减小齿侧间隙对传动精度的影响,同时齿轮宜采用强度和硬度比较高的材料,并且要保证其精度等级,减小齿轮传动所引起的误差。具体的腰座结构如图3.1所示。图3.1 腰座结构图453.2 机械手手臂的设计3.2.1 设计要求手臂作为机械手的主要握持部件,其作用主要是将手爪移动到所需位置并且能够使其准确地抓住工件,并运送到要求的位置上。因此,在设计手臂时,必须遵循以下的设计原则:1机械手臂不仅承载着手臂自身、末端操作器和手腕的重量,并且还承受被抓取工件的最大重量。因此在保证其有足够的刚度和强度的情况下,尽可能在材料和结构上减轻手臂的重量。2为便于控制,应该使手臂各关节之间保持水平,相互垂直的轴尽量交于一点,简化机械手的运动学。3手臂的运动速度要适当,不能盲目的追求高速度。在速度一定的情况下,尽量减小自重,从而降低由手臂运动产生的惯性力。因此,机械手臂要尽可能的轻。而铝合金具有质轻且柔软、强度好、加工性能好等优点,所以目前大部分企业通常采用高强度的铝合金制造机械手手臂。3.2.2 设计方案机械手手臂的伸缩运动为直线运动,一般是采用气压传动、液压传动或者电动机驱动滚珠丝杠来实现9。基于本设计,考虑到所搬运的工件重量达30kg,对手臂的刚度和强度有较高的要求,同时为提高手臂运动的稳定性和安全性。综上考虑,其手臂采用液压驱动,液压缸既是动力元件又是执行元件,因此不需要再设计其他元件。随着工件的形状、尺寸不同,手臂伸出的长度也不同。因此,需要采用具有伺服定位功能的液压系统进行控制手臂的伸缩。由于手臂在工作的时候稳定性不高,所以在手臂四周添加空心导杆,提高手臂的刚度和稳定性,从而满足系统的要求。3.3 机械手手腕的设计3.3.1 设计要求手腕是能够将手爪和手臂连接起来的部件,主要用于调节、改变工件的方向。它具有独立的自由度,从而使机械手手爪能够完成复杂的动作。因此,在设计手腕时,必须遵循以下的设计原则:1由于手腕处于手臂尾部,为减轻手臂上的载荷,应尽量使手腕结构简单,紧凑轻巧,减少其自重。2手腕的自由度越多,机械手各关节的运动范围就越大,其动作的灵活性就越高,对作业的适应能力也越强,但会使其结构复杂,难以控制。所以手腕的自由度应该根据作业的要求设定,一般机械手手腕自由度为2-3个,有的需要更多,但是有的却不需要自由度,仅仅依靠手臂和腰部的运动就能实现其工作要求10。因此,在满足工作需要的前提下,应具体问题具体分析,选择合适的、自由度尽可能少的方案。3为提高腕部动作的准确性,应尽量提高传动机构的刚度和强度,减少传动过程中由间隙产生的回转反差。3.3.2 设计方案根据对数控机床在上下料作业时候的分析,考虑数控机床的布局以及对机械手作业时候的要求,在满足系统要求的前提下,尽量能够提高设备的安全性和可靠性,降低其控制难度,使机械手结构简单。因此,本设计中手腕部分不再增加自由度,具体的手臂手爪联结结构如图3.2所示。图3.2 手臂手爪联结结构图3.4 机械手手爪的设计3.4.1 设计要求手爪位于机械手的末端,因此又称为末端操作器,是机械手直接用于抓取和握持工件并进行操作的部件。由于被握工件的尺寸、形状、重量、材质等不同,手爪的种类也是多种多样的,按握持原理主要可以分为两大类:夹持类、吸附类11-12。因此,在设计手腕时,必须遵循以下的设计原则:1要有足够的夹紧力。在确定手指握工件力大小的时候,除了要考虑工件自身的重量外,还要考虑在传送的过程中由转动产生的离心惯性力,以防止工件出现松动或者脱落的情况。2手指之间要有一定的开闭角。所谓开闭角就是手指在张开和闭合的极限位置之间产生的夹角,开闭角的大小应该确保工件能够顺利的进入和脱开手爪13。3保证工件能够精确定位。为了使手指和被搬运工件之间的相对位置保持准确,必须根据被搬运工件的形状和大小,合理选择合适的手爪。例如圆柱形的工件一般采用“V”字型的手指,以便于定心。3.4.2 设计方案结合设计的具体情况,本设计采用夹持类手爪,通过液压柱塞缸活塞的往返移动,从而带动活塞杆端部的齿条,进而带动中间齿轮和扇形齿轮使手指张开或者闭合。手指的开闭角可由压力的大小控制。本系统按照所搬运工件的直径为50mm设计,具体的手爪结构如图3.3所示。图3.3 机械手手爪结构图3.5 液压传动设计及计算3.5.1 液压元件的选择由于机械手的手臂为直线运动,因此为了节省成本,使结构简单,采用单活塞杆的液压缸足以实现其功能。本设计为中小流量的液压系统,可通过电磁换向阀来控制方向,速度的控制通常是改变液压缸输入或者输出油的流量,也可以利用液压封闭的容积来实现,本设计采用节流阀实行节流调速。3.5.2 液压系统图的绘制本系统要求具有垂直手臂的上升和下降、水平手臂的前伸与后缩以及手爪的张开与夹紧机构。液压系统图如图3.4所示,其中系统的压力是由三相异步电动机M拖动的泵来提供,溢流阀调节系统的压力,电磁阀1DT的得失电决定了系统是否有动力。因为手爪在工作时候需要缓慢抓取、迅速松开工件,故采用两个节流效果不同的节流阀。考虑到垂直升降液压缸在下降的时候与重力方向一致,为了使系统运动平稳,减小液压冲击,故采用溢流阀向液压缸的下腔提供背压,平衡重力负载。1-油箱 2、9-过滤器 3-齿轮液压泵 4-交流电动机 5-单向阀 6、11-电磁换向阀 7-油压表 8-蓄能器 10-溢流阀 12-调速阀 13-执行手爪柱塞缸 14-电液伺服阀 15-水平伸缩液压缸 16-位移传感器 17-垂直升降液压缸 18-行程开关图3.4 机械手液压系统原理图3.5.3 液压系统参数的确定液压系统的两个主要参数是压力和流量,压力决定于外界载荷,流量取决于执行元件的速度和尺寸14。1手爪执行液压缸工作压力计算(1)手爪夹紧力的计算手爪能够抓起工件必须满足 (31)式中:为所需夹持力;为安全系数,通常取,这里取2;为动载系数,考虑到运动中产生的惯性力的影响可按估算,其中为机械手在工作过程中的加速度,为重力加速度;为方位系数,查表可选;为被抓持工件的重量,为30KG。将数据代入公式(31)得 (2)理论驱动力的计算 (32)式中:为柱塞缸所需理论驱动力;为夹紧力至回转支点的垂直距离,为84mm;为扇形齿轮分度圆半径,为18mm;为手指夹紧力;为齿轮传动机构的效率,此处取0.92;其他同上。将数据代入公式(32)计算得 (3)实际驱动力的计算 (33)式中:为实际驱动力;为安全系数,此处选1.9;为工作条件系数,此处选1.6;其他同上。将数据代入公式(33)计算得 (4)柱塞缸工作油压的计算液压缸的驱动力是由液压缸的油压提供的,故可知 (34)式中:为柱塞缸工作油压;为柱塞缸内径截面积,其直径为72mm;其他同上。将数据代入公式(34),则所需的油压为2液压缸主要参数的确定针对本设计的特点,机械手的刚度、强度及其系统的稳定性是尤为重要的。因此,先从此角度考虑选择液压缸的直径,保证机械手运动的平稳性和安全性。经过大量计算和分析以及综合前面的考虑,初步确定各液压缸的基本参数分别如表3.1、3.2、3.3所示。表3.1 执行手爪柱塞缸参数缸内径壁厚杆直径行程工作压力7221258013注:手爪柱塞缸工作压力由系统压力阀调定。表3.2 水平伸缩液压缸参数缸内径壁厚杆直径行程工作压力6010254001表3.3 垂直液压缸参数缸内径壁厚杆直径行程工作压力60103010013校核液压缸的强度(1)缸筒壁厚的较核当D/时,液压缸壁厚的较核公式如下 (35)式中:为缸筒内径;为缸筒内径;为缸筒实验压力,当额定压力时,取;为缸筒材料的许用应力,, 为材料抗拉强度,经查资料取为;为安全系数,此处取。将数据代入公式(35)计算得即上式成立,因此液压缸壁厚强度能满足工作要求。(2)活塞杆强度的较核活塞杆直径d的较核公式为 (36)式中:F为活塞杆上作用力, ;为活塞杆材料的许用应力,此处,n取2。将数据代入公式(36)计算得即上式成立,因此活塞杆的强度能满足工作要求。3.5.4 计算和选择液压元件(1)确定液压泵的实际工作压力 (37)式中:为计算工作压力,定为;为进油路采用调速阀的系统压力,可估为,这里取为。因此,可以确定液压泵的实际工作压力为(2)确定液压泵的流量 (38)式中:为泄露因数,取1.1;为机械手工作时最大流量,经计算得。 将数据代入公式(38)计算得(3)确定液压泵电机的功率 (39)式中:为最大运动速度下所需的流量,同前,取为;为液压泵实际工作压力;为液压泵总效率,取为0.8。将数据代入公式(39)计算得3.6 电机的选择及有关参数计算因为腰部的回转主要是由步进电机驱动,而回转运动只存在摩擦力矩,在回转圆周方向上不存在其他转矩,因此回转轴上的负载转矩为 (310)式中:为滚动轴承的摩擦系数,取0.005;为机械手本身与负载的重量之和,取100;为回转轴上大齿轮的分度圆半径,R=240mm。将数据代入公式(310)计算得综合考虑,步进电动机采用110BYG550B-SAKRMT-0301型号,该电机具有高转矩,低振动的良好综合性能,完全能够达到设计所要求。3.7 本章小结本章主要内容为对机械手腰座、手臂、腕部、手爪的结构分析,根据机械手工作需要完成的任务以及各部件的设计要求选择合理的方案,其次对液压传动系统进行液压系统图的绘制和有关参数的计算,最后对电机进行选择并计算相关参数。4 控制系统设计控制系统是自动上下料机械手系统的一个重要组成部分,决定着机械手功能及性能的好坏,类似于人的大脑15。机械手要与外接设备协调动作,共同完成任务,就必须要有一个功能完善、灵敏可靠、定位精度高的控制系统。4.1 控制系统的特点及功能4.1.1 控制系统的特点1机械手的控制与机械机构的运动学和动力学密切相关。机械手的手爪可以在各种坐标下进行描述,并且根据具体需要选择合适的坐标系,做出一定的坐标变换。2能够将多个独立的伺服系统相互协调起来,使其按照人们的意愿行动,甚至可以赋予机械手一定的“智能”,不过这个任务只能由计算机来完成。因此,机械手控制系统必须是一个计算机控制系统16-17。3机械手的动作往往可以通过不同的路径和方法实现,因此,必然存在一个“最优”的问题。机械手可以利用人工智能的方法,创建一个计算机信息库,通过借助信息库进行控制、决策、管理和操作,能够根据传感器识别获得对象以及外界环境的信息,按照给定的要求,自动选择最佳的控制方式。4.1.2 控制系统的主要功能控制系统主要完成的任务是控制机械手在空间运动的位置、轨迹、操作顺序以及运动的时间 18,其主要功能有:1示教再现功能。通过有线或者手把手的方式示教,将动作的顺序、速度、位置等信息教给机械手,机械手会将这些信息自动存储到存储器中,当需要再现操作,只需要重放存储器的内容即可。2运动控制功能。主要是指机械手的手爪从一点移动到另一点的过程中,对其位置、速度和加速度的控制。4.2 上、下位机结构设计根据上述对控制系统的特点及功能的分析,考虑在本设计中采用上、下位机的控制结构,其结构如图4.1所示。其中上位机以个人计算机为中心,下位机以PLC为中心。这种控制结构,一方面充分利用PLC编程简单、运行速度快、性价比高等特点,能够完成实时采集信息及控制任务;另一方面可以利用个人计算机和人机交换界面实现人机对话、信息监控,同时也可以进行实时诊断、故障报警等功能,更加实现人性化操作。图4.1 控制系统结构示意图在控制系统中,上位机主要负责整个系统的各个部件之间的相互协调、系统的优化,以保证整个系统能够高效、平稳的运行。主要有:对PLC发送命令,从而实现对机械手各关节的控制;对PLC和其他设备进行实时监控其运营状况,并且还具有模拟仿真功能。下位机主要负责接收个人计算机的指令,通过控制液压系统中的各个电磁阀通断电进而控制机械手的动作,另外下位机还具有动作位置信息反馈等功能。总之,PLC的参与使机械手的控制系统变得更加简洁,程序的编制以及修改也变得易如反掌。4.3 硬件系统设计4.3.1 控制要求在本设计中,机械手的动作主要是腰部的回转、垂直手臂的升降、水平手臂的伸缩以及机械手爪的张开与闭合。手臂的升降和伸缩主要由液压驱动,而液压缸的行程又有对应的电磁阀控制。其中,当上升电磁阀得电时,手臂开始上升;当上升电磁阀失电时,上升停止。同理,通过下降电磁阀的通断电控制手臂下降的开始及停止。而水平手臂的主要通过感应式位移传感器、电液伺服阀、伺服驱动器构成的伺服液压系统进行控制。因机械手在工作的时候对取、放、安装和卸载工件有严格的定位要求,因此,在设计控制系统的时候,对垂直手臂、机械手爪和腰部均采用开环结构的控制,而水平手臂对位移要求较高,所以采用闭环结构的控制,控制原理如图4.2所示。图4.2 水平手臂闭环控制原理图为了降低PLC 的输入输出点数,采用伺服放大器作为比较点。伺服放大器能够将PLC输入和位移传感器反馈的信号进行放大和调节,然后输出给伺服阀,对水平手臂的伸缩进行定位。这种控制能够有效的减少PLC对模拟量的控制,并且程序的编写也较为简单,能够满足要求。机械手爪的张开和闭合可以通过柱塞缸与齿轮进行调节,其中柱塞缸的行程是由单线圈的电磁阀控制。当线圈失电时,柱塞缸不工作;当线圈得电,柱塞缸冲程时带动机械手爪张开,柱塞缸回程时带动机械手爪闭合。为了确保设备的安全性,当机械手旋转到数控机床上方,准备下降进行上下料工作的时候,必须在数控机床停止工作并发出命令,才允许机械手下降进行工作。同时,在从料架上抓取工件时,应该先判断料架上是否有可抓取的工件。4.3.2 作业流程上下料机械手的作业流程如图4.3所示。图4.3 上下料机械手作业流程图机械手从原点开始,按下启动键,机械手接收到有上料命令的时候水平液压缸开始前伸,位移传感器感应到伸出位移到位时给伺服阀发送指令液压缸停止前伸;下降电磁阀3DT和手爪张开动作电磁阀5DT同时得电,机械手臂开始下降,手爪张开当碰到下限行程开关SM2,下降电磁阀3DT断电,手臂停止下降,手爪开始抓取并夹紧待加工的工件上升电磁阀2DT得电同时带动机械手臂上升,直到碰到上限行程开关SM1上升电磁阀2DT断电,上升停止随后,步进电机驱动PLC输出高速脉冲,机械手逆时针旋转,直到转到90脉冲输出停止,机械手停止转动接着下降电磁阀3DT得电,机械手臂开始下降当碰到下限行程开关SM2,下降电磁阀3DT断电并且机械手臂停止下降,机械手到达卡盘的中心上方随后,机械手开始后缩进行水平定位,定位成功后,手爪松开,工件放置到位接着,上升电磁阀2DT得电,手臂开始上升上升到位后,碰到上限位开关SM1,上升电磁阀2DT断电,上升动作停止PLC输出高速脉冲,并驱动机械手顺时针旋转,直到旋转到90脉冲输出停止,机械手停止转动机械手回到原点,上料动作完成,机床开始对工件进行加工。当工件加工完成,在机械手接收到下料命令以后步进电动机迅速驱动PLC输出高速脉冲,机械手逆时针转动,直到旋转到90脉冲输出停止,机械手停止转动此时,3DT和5DT同时得电,机械手开始下降,手爪张开当碰到SM2时,3DT断电,手臂停止下降,手爪开始抓取加工好的工件,机床卡盘松开机械手前伸,将工件从机床上取下来运走接着,2DT通电,机械手上升上升到位后,碰到SM1,2DT断电,机械手上升动作停止PLC输出高速脉冲,驱动机械手顺时针旋转,直到转到90脉冲输出停止,机械手停止转动接着3DT得电,机械手臂开始下降当碰到SM2时,3DT断电并且机械手臂停止下降然后,5DT得电,机械手爪张开,放下工件并准备离开接着,2DT通电,机械手开始上升上升到位后,碰到SM1,2DT断电,机械手爪闭合机械手水平手臂开始后缩,当后缩到位时,位移传感器给伺服阀发送指令,后缩停止机械手回到原点,下料完成。一个上下料过程完成后,机械手都会在原点等待命令,准备下一个工件,机械手的每一次上下料过程都是在原点开始动作。4.3.3 操作面板的布置机械手的操作面板如图4.4所示,分为自动操作和手动操作两种。图4.4 机械手操作面板示意图1自动操作:当机械手处于原点时,原点指示灯亮起,将旋钮拨到自动档位,按下启动按钮后,机械手自动做周期性、连续性的循环。 2手动操作:用按钮控制机械手的每一个动作。当机械手处于原点时,原点指示灯亮起,调至手动档位并同时选择升/降按钮,在按下启动按钮的时候,机械手上升;而按下停止按钮,则机械手下降;同理,当选择夹紧/松开时,按下启动按钮,机械手爪夹紧,而按下停止按钮,机械手爪松开。4.3.4 PLC的系统组成及其工作原理PLC又称为可编程逻辑控制器,是专门为工业生产而设计的电子装置,它具有逻辑运算、顺序控制、定时与计数等功能。随着计算机和网络技术的不断发展,PLC被广泛的应用于各个领域19。PLC主要有中央处理单元(CPU)、存储器、输入输出接口、电源单元、编程单元、I/O拓展接口等组成。PLC的工作分为3个阶段,分别是输入采样、用户程序执行和输出刷新。在PLC运行期间,PLC会依次以扫描的方式读取用户输入的数据,并将其存入相应的单元内。待采样结束,PLC将进入程序执行阶段,按照自上而下的顺序扫描程序,并按照先左后右、先上后下的顺序进行逻辑运算,最后进入输出刷新阶段20。4.3.5 PLC型号的选择考虑到机械手工作的稳定性以及可靠性,因此,控制器要求具有良好的适应性、优良的可拓展性,而PLC具有简单易操作,能够进行实时通信、响应速度快、系统稳定、物美价廉等优点。综合考虑,在本次控制系统中采用国内应用最多的西门子S7-200 CPU224型PLC结合步进电机进行实时控制21。该PLC中的CPU共集成24个数字量I/O点数,其中输入和输出分别为14、10,最多可以连接7个拓展模块。除此以外,本PLC还具有13k字节的存储空间来储存程序和数据,具有3种通讯能力,分别是PPI通讯、MPI通讯和自由通讯,具有较强的控制能力21-22。西门子S7-200 CPU224型PLC如图4.5所示。图4.5 西门子S7-200CPU224型PLC4.3.6 I/O地址分配因为伺服放大器和位移传感器在工作的时候输出均为模拟量,为了便于控制,故增加一个模拟量输出模块EM232。在控制过程中,PLC会将上位机给定的信号转化为电压信号,输出给伺服放大器,然后再通过EM232控制伺服驱动器,进而控制电液伺服阀的通断电。因此,对水平手臂的伸缩不进行I/O地址分配。具体的PLC输入/输出地址分配分别如表4.1、4.2所示。表4.1 PLC输入元件地址分配表控 制 元 件符 号编程地址备 注停止开关SB0I0.0按下停止工作启动开关SB1I0.1按下开始工作垂直液压缸上限行程开关SM1I0.2垂直液压缸下限行程开关SM2I0.3机床上下料命令开关SB2I0.4检测料架有无工件开关SP0I0.5常闭开关,闭合表示有工件控制面板升/降选择开关SQ1I0.6用于手动调整控制面板夹紧/松开选择开关SQ2I0.7用于手动调整控制面板顺/逆旋转选择开关SQ3I1.0用于手动调整控制面板手动工作选择开关SQ4I1.1闭合为手动控制面板自动工作选择开关SQ5I1.2闭合为自动表4.2 PLC输出元件地址分配表控 制 元 件符 号编程地址备注步进电机驱动PLC输出高速脉冲KMQ0.0输出高速脉冲垂直液压缸上升动作电磁阀2DTQ0.1步进电机转向控制KM1Q0.2控制电机正转垂直液压缸下降动作电磁阀3DTQ0.3手爪张开动作电磁阀5DTQ0.4机械手原点状态指示灯L1Q0.5显示原点位置步进电机转向控制KM2Q0.6控制电机反转4.3.7 PLC外部接线设计根据I/O地址分配画出外部接线图,如图4.6所示。图4.6 PLC外部接线图4.4 软件系统设计4.4.1 控制流程在没有按下启动键时,PLC进行初始化,当按下启动键后,系统开始选择自动操作和手动操作,自动操作执行自动程序,直至按下停止按钮,程序结束。机械手的控制流程如图4.7所示。图4.7 控制流程图4.4.2 程序设计机械手的PLC控制程序采用Siemens S7-200编程软件STEP7-Micro/win64进行编写程序23,如图4.8所示。图4.8 STEP7-Micro/win64编程软件窗口图1双击STEP 7 Micro/WIN SP9 V4.0图标,打开安装好的软件,进入主页面后,选择新建项目,出现一个项目1;2双击项目1下方的按钮,在弹出的对话框中选择PLC的类型及CPU版本,点击确定;3单击菜单栏的查看,选择梯形图语言,(也可选STL(语句表)、FBD(功能块);4选择MAIN主程序,在网络1中输入程序。单击网络1中的,从菜单栏或指令树中选择相关符号24。如在指令树中选择,可在指令树中双击,从中选择常开触点符号,双击;再选择调用子程序符号,选择需要调用的子程序。如果需要输出,只要选择位逻辑指令下方的输出线圈指令即可。在编写程序的过程中,如果发现程序过于复杂、庞大,可以灵活选择工具栏中的向上/下连线、向左/右连线按钮;5单击编辑区中的,输入相应的器件号;6为了方便维修与调试,在程序编辑过程中,可以给每个程序加上注释,每个网络加上标题;7在菜单栏的文件中选择保存,输入“自动上下料机械手系统设计”文件名,保存成为nwp格式的文件,方便后续程序的修改;8通过编写程序并进行调试、翻译,最终得到具体的梯形图程序(LAD)和STL程序,详细的梯形图见附录。4.5 本章小结本章主要内容为机械手的控制系统设计。首先阐述控制系统的特点和功能,然后确定上、下位机结构,其后根据本设计的控制要求以及作业流程,对PLC进行型号选择以及I/O地址的分配,最后对程序的控制流程进行了分析,通过编写程序进行控制,从而实现整个系统的正常工作。5 PLC程序的模拟仿真受实际情况的限制,控制系统的设计仅仅提供了一种控制方式的设计思想,完全没必要花费巨额投资来实现,因此采用S7-200仿真软件验证程序的可靠性。5.1 S7-200的介绍S7-200的仿真软件最早是由西班牙的PLC爱好者开发,后来传入国内被汉化。该软件可以仿真大量的S7-200指令(支持常用的逻辑运算指令、定时指令、位触点指令、比较指令、计数器指令和大部分数学运算指令等),并且提供了数字信号输入开关,2个模拟电位器和发光二极管的输出显示,同时支持对TD-200文本显示器的仿真25。仿真界面如图5.1所示。图5.1 S7-200仿真软件窗口图本软件可以识别awl格式的文件,其工作方式为解释运行。因此,在程序编辑完成后,应该将程序导出为awl格式。程序在模拟仿真过程中,执行速度只与扫描频率的快慢有关,而与程序本身的长度无关。5.2 仿真步骤1在程序编写完成后,点击工具栏中的全部编译按钮,检查程序是否有错误。检查结果如图5.2所示;图5.2 程序检查结果图2程序检查无误后,将程序导出为awl格式的文件;3启动仿真器,双击CPU类型选择区,选择224类型的CPU,点击确定按钮;4单击菜单栏中的程序,选择载入程序,将程序导入仿真软件。部分梯形图、语句表如图5.3所示;图5.3 部分梯形图、语句表图5点击工具栏按钮,开始仿真。5.3 仿真结果因程序较长,本文就简单介绍一下垂直手臂的升/降程序、手爪的张开/夹紧程序的仿真结果。1按下I1.1,调用子程序SBR_1;2按下I0.6,I0.1,Q0.1输出,手臂开始上升;3按下I0.6,I0.0,Q0.3输出,手臂开始下降;4按下I0.7,I0.1,手爪抓紧;5按下I0.7,I0.0,手爪松开;6经过仿真发现,程序中没有出现错误,故满足工作要求。5.4 本章小结本章主要内容为利用S7-200仿真软件对程序进行模拟仿真,仿真的结果主要通过观察软件颜色的变化判断按钮是否得电,从而判断程序是否正确运行。通过以上仿真结果,可以验证程序的合理性,能够满足生产的要求。6 总结与展望6.1 总结本次毕业设计主要研究了机械手的结构特性以及控制系统的相关理论,并在实习的基础上形成具体方案,设计基于PLC控制的机械手系统,实现工件的自动上下料。在对整个系统进行设计时,考虑到生产实践的需要,分为4个步骤,分别是:机械手的总体设计、本体设计、控制系统设计以及PLC程序的模拟仿真。本设计主要在以下几个方面进行了研究:1首先通过阅读大量的文献资料,了解国内外机械手的研究现状,深入学习了相关的理论知识,并对相关的应用领域、发展现状、技术特点等进行了总结和归纳,在此基础上,结合对现状的了解,对存在的问题进行分析,并最终解决问题。2在对整个系统进行设计的时候,机械手的相关理论知识为任务的实现打下基础。3利用多门学科的知识以及根据生产经验,分别对机械手的腰座、手臂、腕部、手爪展开了分析,并形成设计方案。4在控制系统中采用国内目前应用最多的控制器PLC,根据任务的要求,经过选择PLC的型号、PLC接线图的设计、I/O地址的分配以及控制程序的编写、仿真,最终形成了控制系统,实现任务的目的。本机械手可以和机床相配合使用,实现工件在加工过程的自动化,并且只要把手爪稍微进行改变或者更换,就可以抓取不同形状、类型的工件。控制系统采用可编程逻辑控制器,可以实现手动和自动控制。当加工工序有所改变时,只需要重新分配I/O点,就可实现其功能。通过此次毕业设计,我对机械手设计的相关理论知识以及软件的使用有了很大的收获,同时也对大学四年的知识有了一个深层次的理解,相信这些对我今后的学习和工作大有裨益。6.2 展望虽然已经完成了课题相关的研究和系统的设计工作,但是受限于国内的发展现状和本人对机械手方面的了解,课题和系统的发展仍存在一些问题没有很好的解决,如由于机械手的自由度过低,导致对于某些复杂的动作难以实现。此外,对于加工大批量工件时,由于系统响应速度慢,进而加工效率低,不能普遍使用。在今后的发展阶段,机械手的结构和控制系统还有许多方面需要完善和改进:1加大对关键零部件的研发制造,例如:伺服电机、伺服驱动器、末端执行器、传感器等,只有良好的零部件才能提高加工精度。2采用多自由度的机械手,以便使机械手更加灵活,可以适合不同场合的需要。6 总结与展望3重复精度限定的是一个随机误差范围,与驱动器的分辨率和反馈装置有关。误差范围越小,重复精度就越高,从而能够达到准确定位。因此提高重复精度也尤为重要26。4由“可编程序控制器-传感器-气动元件”组成的控制系统仍然是自动化技术的主要方面,继机电气一体化的相结合将是一个发展趋势27-28。随着科学技术以及工业自动化的进一步发展,人工智能的时代已经到来,相信在不久的将来自动上下料机械手将会完全代替工人,能够切实解决工业遇到的疑难问
收藏
编号:2588457
类型:共享资源
大小:3.79MB
格式:ZIP
上传时间:2019-11-25
50
积分
- 关 键 词:
-
含CAD图纸、说明书
基于
西门子
plc
自动
上下
机械手
系统
设计
cad
图纸
说明书
仿单
- 资源描述:
-
【温馨提示】压缩包内含CAD图有下方大图片预览,下拉即可直观呈现眼前查看、尽收眼底纵观。打包内容里dwg后缀的文件为CAD图,可编辑,无水印,高清图,压缩包内文档可直接点开预览,需要原稿请自助充值下载,所见才能所得,请见压缩包内的文件及下方预览,请细心查看有疑问可以咨询QQ:11970985或197216396
展开阅读全文
- 温馨提示:
1: 本站所有资源如无特殊说明,都需要本地电脑安装OFFICE2007和PDF阅读器。图纸软件为CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.压缩文件请下载最新的WinRAR软件解压。
2: 本站的文档不包含任何第三方提供的附件图纸等,如果需要附件,请联系上传者。文件的所有权益归上传用户所有。
3.本站RAR压缩包中若带图纸,网页内容里面会有图纸预览,若没有图纸预览就没有图纸。
4. 未经权益所有人同意不得将文件中的内容挪作商业或盈利用途。
5. 装配图网仅提供信息存储空间,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对用户上传分享的文档内容本身不做任何修改或编辑,并不能对任何下载内容负责。
6. 下载文件中如有侵权或不适当内容,请与我们联系,我们立即纠正。
7. 本站不保证下载资源的准确性、安全性和完整性, 同时也不承担用户因使用这些下载资源对自己和他人造成任何形式的伤害或损失。
装配图网所有资源均是用户自行上传分享,仅供网友学习交流,未经上传用户书面授权,请勿作他用。