氣動(dòng)機(jī)械手的PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、XXXXXXX目錄摘要 第一章 機(jī)械手的簡(jiǎn)介.411 概述.412 機(jī)械手的組成.413 機(jī)械手的應(yīng)用.414 機(jī)械手應(yīng)用.4第二章 機(jī)械手機(jī)械設(shè)計(jì).51 機(jī)械手總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).52 機(jī)械手的工作原理.63 機(jī)構(gòu)模塊化設(shè)計(jì).74 手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).8第三章 機(jī)械手機(jī)械控制設(shè)計(jì).101 工作過(guò)程與控制要求.102 氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)述. 113 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì).12結(jié)束語(yǔ).20謝辭 參考文獻(xiàn).222 摘要:為自動(dòng)化不可缺少的重要手段。進(jìn)入90 年代后，氣動(dòng)技術(shù)更突破傳統(tǒng)死區(qū)，經(jīng)歷著飛躍性進(jìn)展。再者，沖壓自動(dòng)化是解決沖壓生產(chǎn)成本及安全問(wèn)題、提高沖壓生產(chǎn)企業(yè)效益的必然選擇，而沖壓機(jī)械手是沖壓自動(dòng)化的重要

2、組成部分。但是，目前沖壓機(jī)械手高昂的價(jià)格卻使國(guó)內(nèi)眾多的中小沖壓企業(yè)望而卻步。PLC是以現(xiàn)代微處理器技術(shù)為核心的控制器，作為一種通用的工業(yè)控制器，其可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)；PLC由于采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術(shù)，采用嚴(yán)格的生產(chǎn)工藝制造，內(nèi)部電路采取了先進(jìn)的抗干擾技術(shù)，具有很高的可靠性，此外，PLC帶有硬件故障自我檢測(cè)功能，出現(xiàn)故障時(shí)可及時(shí)發(fā)出警報(bào)信息；PLC采用光電隔離和濾波技術(shù)技術(shù)有效抑制外部干擾源對(duì)PLCPLC本課題對(duì)現(xiàn)代工業(yè)的的發(fā)展具有很重要的意義。關(guān)鍵詞：意義，應(yīng)用，原理，plc，機(jī)械手，氣動(dòng)控制技術(shù)3第一章 機(jī)械手的簡(jiǎn)介11 概述機(jī)械手首先是由美國(guó)開始研制的。1958 年美國(guó)聯(lián)合控制公司

3、研制出了第一臺(tái)機(jī)械手。機(jī)械手能模仿人手和臂的某些動(dòng)作功能，并用以按固定程序抓取、搬運(yùn)。它可替代人的繁重勞動(dòng)以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的機(jī)械化和自動(dòng)化，能在有害環(huán)境下操作以保護(hù)人身安全，因而廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。12 機(jī)械手的組成機(jī)械手主要由手部、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)三大部分組成。手部是用來(lái)抓持工件（或工具） 的部件，根據(jù)被抓持物件的形狀、尺寸、重量、材料和作業(yè)要求而有多種結(jié)構(gòu)形式，如夾持型、托持型和吸附型等。運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，使手部完成各種轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的升降、伸縮、旋轉(zhuǎn)等獨(dú)立運(yùn)動(dòng)方式，成為機(jī)械手的自由度。為了抓取空間中任意位置和方位的物體，需要 8 個(gè)自由度。自由度是機(jī)械手設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)。自

4、由度越多，機(jī)械手的靈活性越大，通用性越廣，其結(jié)構(gòu)也越復(fù)雜。一般機(jī)械手有 2 到 3 個(gè)自由度。13 機(jī)械手的應(yīng)用機(jī)械手的種類，按驅(qū)動(dòng)方式可分為液壓式、氣動(dòng)式、電動(dòng)式、機(jī)械式機(jī)械手；按適用范圍可分為專用機(jī)械手和通用機(jī)械手兩種；按運(yùn)動(dòng)軌跡控制方式可分為點(diǎn)位控制和連續(xù)軌跡控制機(jī)械手等。14 機(jī)械手應(yīng)用機(jī)械手通常用作機(jī)床或其他機(jī)器的附加裝置，如在自動(dòng)機(jī)床或自動(dòng)生產(chǎn)線上裝卸和傳遞工件，在加工中心中更換刀具等，一般沒(méi)有獨(dú)立的控制裝置。有些操作裝置需要由人直接操縱，如用于原子能部門操持危險(xiǎn)物品的主從式操作手也常稱為機(jī)械手。另外，機(jī)械手在鍛造工業(yè)中的應(yīng)用不僅能進(jìn)一步發(fā)展鍛造設(shè)備的生產(chǎn)能力，而且能改善熱、累等勞

5、動(dòng)條件。4第二章 機(jī)械手機(jī)械設(shè)計(jì)圖 2-1-1 機(jī)械手氣動(dòng)系統(tǒng)圖機(jī)械手的機(jī)械系統(tǒng)由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)組成。本設(shè)計(jì)項(xiàng)目中機(jī)械手的操作對(duì)象為小型工件，所需要的驅(qū)動(dòng)力較小，同時(shí)沖壓模具可以實(shí)現(xiàn)工件的自對(duì)正，為簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)和降低成本，機(jī)械手各自由度均采用氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)部分有回轉(zhuǎn)氣缸、升降氣缸和開合氣缸。522 機(jī)械手的工作原理本機(jī)械手采用氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)，使用的壓力為 06MPa。氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)的主要優(yōu)點(diǎn)是氣源方便，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有緩沖作用、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、維修方便。本機(jī)械手具有一個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)自由度，兩個(gè)直線運(yùn)動(dòng)自由度和一個(gè)開合運(yùn)動(dòng)，用于將工件從源工作臺(tái)搬運(yùn)到目標(biāo)工作臺(tái)上，兩個(gè)工作臺(tái)高度不同，所在位置和機(jī)械手基座位置三點(diǎn)組

6、成的位置組成一定角度，而且兩個(gè)工作臺(tái)與機(jī)械手基座的距離也不相同。機(jī)械手的全部運(yùn)動(dòng)由氣缸驅(qū)動(dòng)，氣缸由電磁閥控制，整個(gè)機(jī)械手在工作中能夠?qū)崿F(xiàn)正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)、上升/下降、伸出/縮回、夾緊/放松功能。其回轉(zhuǎn)自由度是通過(guò)普通氣缸經(jīng)過(guò)齒輪/齒條傳動(dòng)將直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的，由氣缸、齒輪/齒條、齒條導(dǎo)軌和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)磁性限位開關(guān)配合完成，回轉(zhuǎn)工作行程為 0180氣缸行程為 0125mm)；升降自由度和伸縮自由度直接由普通氣缸實(shí)現(xiàn)，皆由氣缸、氣缸運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌和磁性限位開關(guān)配合完成，其工作行程皆為 0200mm；開合運(yùn)動(dòng)由開合氣缸實(shí)現(xiàn)，工作行程為 030mm，由于氣缸行程較小，無(wú)法安裝磁性限位開關(guān)，所以其開合運(yùn)動(dòng)的限

7、位由氣缸端蓋實(shí)現(xiàn)，即開合氣缸滿行程工作。將機(jī)械手的原點(diǎn)原始狀態(tài)及放松狀態(tài)。機(jī)械手為實(shí)現(xiàn)移料動(dòng)作，需要以下幾個(gè)動(dòng)作：(1) 豎直下降 機(jī)械手升降氣缸活塞縮回，氣缸下行至下降限位，使手部夾持機(jī)構(gòu)手爪到達(dá)與源工作臺(tái)上的工件水平的位置。(2) 夾緊 機(jī)械手開合氣缸活塞伸出，手爪夾緊工件。(3) 豎直上升 機(jī)械手升降氣缸活塞伸出，氣缸上行至上升限位，將工件提起，同時(shí)使手爪及其所夾緊的工件到達(dá)稍微超越目標(biāo)工作臺(tái)上平面的位置。(4) 正向回轉(zhuǎn) 機(jī)械手回轉(zhuǎn)氣缸活塞伸出，機(jī)械手正轉(zhuǎn)至正轉(zhuǎn)限位。(5) 手臂伸長(zhǎng) 機(jī)械手伸縮氣缸活塞伸出至伸出限位，使手爪及其所夾緊的工件到達(dá)目標(biāo)工作臺(tái)的正上方。(6) 放松 機(jī)械手開

8、合氣缸活塞縮回，手爪放松工件。(7) 手臂縮短 機(jī)械手伸縮氣缸活塞縮回至縮回限位。(8) 反向回轉(zhuǎn) 機(jī)械手回轉(zhuǎn)氣缸活塞縮回，機(jī)械手反轉(zhuǎn)至反轉(zhuǎn)限位。以上是機(jī)械手移料動(dòng)作，完成之后，目標(biāo)工作臺(tái)所在沖床進(jìn)入沖壓過(guò)程。至6此，機(jī)械手的一個(gè)完整動(dòng)作循環(huán)就完成了。圖 2-2-2 所示為沖壓機(jī)械手的工作流程圖。圖 2-2-1 機(jī)械手工作流程圖23 機(jī)構(gòu)模塊化設(shè)計(jì)近幾十年來(lái)，產(chǎn)品更新速度越來(lái)越快，加之市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日益激烈，許多企業(yè)被迫走上了多品種，中小批量的生產(chǎn)方式。因此，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想和制造方式已無(wú)法適應(yīng)現(xiàn)代化社會(huì)多樣化、快節(jié)奏的要求。為適應(yīng)這一轉(zhuǎn)變，各種新思想、新方法，例如成組技術(shù)、計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)等應(yīng)運(yùn)而生，

9、模塊化思想也是其中之一。模塊化是用來(lái)描述公共單元的使用以便實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的各種變型，它的主要目標(biāo)就是確定獨(dú)立的、標(biāo)準(zhǔn)化的或可改變的單元來(lái)滿足功能的變化。模塊化設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)最初來(lái)自于 Suh 的獨(dú)立性公理：在好的設(shè)計(jì)中保持功能要求的獨(dú)立性。因此在可能的情況下，產(chǎn)品完成的每一個(gè)功能都應(yīng)獨(dú)立于產(chǎn)品完成的所有其它功能，這個(gè)公理就要求尋找物理結(jié)構(gòu)獨(dú)立性與功能獨(dú)立性之間的統(tǒng)一。在模塊化設(shè)計(jì)的早期主要根據(jù)兩個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)特征來(lái)定義模塊性：一是在物理結(jié)構(gòu)與功能結(jié)構(gòu)之間的相似性；二是極小化物理元件之間附加的相互作用。即模塊化產(chǎn)品或部件從功能結(jié)構(gòu)中的功能元件向產(chǎn)品的物理元件有一對(duì)一的映射關(guān)系。要建立模塊庫(kù)，首先要將產(chǎn)品劃

10、分成若干模塊，劃分的一般原則為：(1) 盡量減少產(chǎn)品包含的模塊總數(shù)，簡(jiǎn)化模塊自身的復(fù)雜程度，以免模塊組合7時(shí)產(chǎn)生混亂；(2) 以有限的模塊數(shù)來(lái)獲得盡可能多的實(shí)用組合方案，以滿足用戶的需要；(3) 劃分中應(yīng)使模塊具有一定的功能獨(dú)立性和結(jié)構(gòu)完整性；(4) 要充分注意模塊間的結(jié)合要素，以便于結(jié)合和分離；(5) 要考慮模塊的劃分對(duì)產(chǎn)品的精度、剛度帶來(lái)的影響；(6) 模塊單元的劃分必須考慮經(jīng)濟(jì)因素等。模塊式機(jī)械手是將一些通用部件，根據(jù)作業(yè)的要求，選擇必要的能完成預(yù)定機(jī)能的單元部件，以基座為基礎(chǔ)進(jìn)行組合，配上與其相適應(yīng)的控制部分，即成為能完成特殊要求的機(jī)械手。通過(guò)模塊選擇與組合以構(gòu)成一定范圍內(nèi)的不同功能或

11、同功能不同性能、不同規(guī)格的系列產(chǎn)品。并且在產(chǎn)品變化或臨時(shí)需要對(duì)機(jī)械手進(jìn)行新的分配任務(wù)時(shí)，可以允許方便的改動(dòng)或重新設(shè)計(jì)其新部件，能很快地投產(chǎn)，降低安裝和轉(zhuǎn)換工作的費(fèi)用。氣動(dòng)通用機(jī)械手按其功能分析可分為基座、立柱、手臂、手腕、手部模塊。其中手臂模塊和手部模塊是該機(jī)械手的基本模塊，并可以細(xì)分為不同功能的局部模塊。立柱模塊和手腕模塊為可選模塊，如機(jī)械手需要手臂的升降功能則可省略立柱模塊。各部分連接件和關(guān)節(jié)具備一定的互換性和繼承性，夾持式和吸附式手部模塊可以根據(jù)需要互換，根據(jù)各種實(shí)際情況需要還可以增加或減少功能模塊。24 手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手部就是與物件接觸的部件。由于與物件接觸的形式不同，可分為夾持式和吸附

12、式手部。當(dāng)被夾持工件是圓柱形狀時(shí)，一般使用夾持式手部；當(dāng)被夾持工件是板料時(shí)，一般使用氣流負(fù)壓式吸盤。夾持式手部由手指(或手爪)和傳力機(jī)構(gòu)所構(gòu)成。手爪是與物件直接接觸的構(gòu)件，常用的手爪運(yùn)動(dòng)形式有回轉(zhuǎn)型和平移型?；剞D(zhuǎn)型手爪結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易，故應(yīng)用較廣泛。平移型手爪應(yīng)用較少，其原因是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，但平移型手爪夾持圓形零件時(shí)，工件直徑變化不影響其軸心的位置，因此適宜夾持直徑變化范圍大的工件。手爪結(jié)構(gòu)取決于被抓取物件的表面形狀被抓部位 (是外廓或是內(nèi)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；手爪有外夾式和內(nèi)撐式；指數(shù)有雙指式、多指式和雙手雙指式等。而傳力機(jī)構(gòu)則通過(guò)手爪產(chǎn)生夾緊力來(lái)完

13、成夾放物件的任務(wù)。其傳力結(jié)構(gòu)形式比較多，如滑槽杠桿式、斜楔杠桿式、齒輪8931 工作過(guò)程與控制要求工作過(guò)程控制要求10單周期工作方式按下啟動(dòng)按鈕，從原點(diǎn)開始，機(jī)械手按工序自動(dòng)完成一個(gè)周期的動(dòng)作，返回原點(diǎn)后停止；機(jī)械手的氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)裝置，主要實(shí)現(xiàn)機(jī)械手垂直升降、水平左右旋轉(zhuǎn)和手爪的夾緊動(dòng)作。氣動(dòng)原理如圖 3-2所示。圖 3-2-1 氣動(dòng)系統(tǒng)工作原理圖垂直升降、水平左右旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)部分電磁閥 2 的電磁線圈 CY2-1 通電，壓縮空氣經(jīng)電磁換向閥 2 和節(jié)流閥 5 進(jìn)入垂直升降氣缸 8 下缸體，機(jī)械手上升，氣缸8 伸出到 ST2 位置，機(jī)械手上升停止，電磁閥 2 的電磁線圈 C

14、Y2-0 通電，壓縮空氣進(jìn)入氣缸 8 上缸體，則機(jī)械手下降，氣缸 8 縮回到 ST1 位置，機(jī)械手下降停止；電磁閥 1 的電磁線圈 CY1-1 通電，壓縮空氣經(jīng)電磁換向閥 1 和節(jié)流閥 4 進(jìn)入水平左右移動(dòng)氣缸 9 右缸體，機(jī)械手左旋，氣缸 9 縮回到 ST4 位置，機(jī)械手左旋停止，電磁閥 1 的電磁線圈 CY1-0 通電，壓縮空氣進(jìn)入氣缸 9 左缸體，則機(jī)械手右旋，氣缸 9 伸出到 ST3 位置，機(jī)械手右旋停止。夾緊、松開運(yùn)動(dòng)部分機(jī)械手下降到左工作臺(tái)后，電磁換向閥 3 的電磁線圈 CY3-1 通電，壓縮空氣經(jīng)電磁換向閥 3 和節(jié)流閥 6 進(jìn)入夾緊氣缸 7 下缸體，機(jī)械手夾緊物體。當(dāng)機(jī)械手按控

15、制要求運(yùn)動(dòng)右工作臺(tái)后，電磁換向閥 3 的電磁線圈 CY3-1 斷電，壓縮空氣經(jīng)進(jìn)入夾緊氣缸 7 上缸體，夾緊氣缸 7 松開物體。33PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)1) PLC的選擇和 I/O地址分配：表 3-1-1 PLC輸入點(diǎn)及輸出點(diǎn)的分配表X1X2X3X4X5SB2SAX6X7SAX10X11X12X13X14X15X16SA單周期連續(xù)下降上升右移左移SASB3SB4SB5SB612SB7SB8SB9X17X20X21夾緊放松原點(diǎn)名Y0Y1Y2Y3Y4Y5下降電磁閥線圈夾緊電磁閥線圈上升電磁閥線圈右移電磁閥線圈左移電磁閥線圈原點(diǎn)指示燈HL1機(jī)械手的工作狀態(tài)和操作的信息需要 18 :位置檢測(cè)信號(hào)有下限、

16、上限、右限、左限位共 4 個(gè)行程開關(guān)，需要 4 檢測(cè)信號(hào)采用光電開關(guān)作檢測(cè)元件，需要1 手動(dòng)、單步、單周期和連續(xù) 4 種工作方式，需要 4 個(gè)輸入端子；手動(dòng)操作時(shí)，需要有下降、上升、右移、左移、夾緊、放松、回原點(diǎn) 7 個(gè)按鈕，需要 7 個(gè)輸入端子；自動(dòng)工作時(shí)，尚需啟動(dòng)按鈕、停止按鈕，需占 2 個(gè)輸入端子?？刂茩C(jī)械手的輸出信號(hào)需要 6 :右移、左移和夾緊 5 個(gè)電磁閥線圈，需要 5 個(gè)輸出點(diǎn)；機(jī)械手從原點(diǎn)開始工作，需要有 1 個(gè)原點(diǎn)指示燈，需用 1 個(gè)輸出點(diǎn)。因此需要 6 個(gè)輸出端子。根據(jù)控制要求及端子數(shù)，此處選用 FX2N-48MR 繼電器型 PLC。FX2N-48MRPLC 共有輸入 24

17、點(diǎn)，輸出 24 點(diǎn)，滿足控制所需端子數(shù)，分配 PLC 的 I/O端子接線如圖 3-3所示。13圖 3-3-2機(jī)械手 PLC控制外部接線圖控制程序設(shè)計(jì)公用程序公用程序用于處理各種工作方式都要執(zhí)行的任務(wù)，以及不同的工作方式之間相互切換的處理，公用程序如圖3-3-4所示。左限位開關(guān)X004、上限位開關(guān)X002的常開觸點(diǎn)和表示機(jī)械手夾緊的 Y001M5 變?yōu)?(M5 為 ON)(M8001為、系統(tǒng)處于手動(dòng)狀態(tài)或自動(dòng)回原點(diǎn)狀態(tài)(X007 或 1 為 ON)時(shí)，初始步對(duì)應(yīng)的 S0 將被置位，為進(jìn)入單步、單周期和連續(xù)工作方式做好準(zhǔn)備。如果此時(shí) M5為 OFF 狀態(tài)， S0 將被復(fù)位，初始步為不活動(dòng)步，即使按

18、下啟動(dòng)按鈕也不能進(jìn)入步 S20，系統(tǒng)不能在單步、單周期和連續(xù)工作方式下工作。手動(dòng)程序15圖 3-3-5 手動(dòng)操作程序圖圖 3-3-6 自動(dòng)控制程序圖自動(dòng)程序由于自動(dòng)操作的動(dòng)作較復(fù)雜，采用順序功能圖設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)程序，用以表明動(dòng)方向。橫線表示轉(zhuǎn)換的條件。若轉(zhuǎn)換條件得到滿足則程序從上一工步轉(zhuǎn)到下一工步。其順序功能圖(SFC)如圖 3-3-6 所示，根據(jù)順序功能圖可以方便地轉(zhuǎn)換為梯形圖程序。19結(jié)束語(yǔ)對(duì)沖壓氣動(dòng)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、分析和控制的一些普遍性問(wèn)題及方法進(jìn)行了研究。并設(shè)計(jì)了用于沖壓機(jī)床上下料及移料的氣動(dòng)機(jī)械手。在全面分析機(jī)械手功能的基礎(chǔ)上，著重進(jìn)行了機(jī)械手機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、機(jī)械手抓取機(jī)構(gòu)夾緊力的優(yōu)化、氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)等幾個(gè)方面的研究工作?？偨Y(jié)如下：(1) 塊式的特點(diǎn)，每一個(gè)部件成為一個(gè)模塊，通過(guò)更換或調(diào)整伸縮氣缸、升降氣缸、手部結(jié)構(gòu)及其連接件等，可適應(yīng)不同類型的工作要求。在滿足基本動(dòng)作要求的基礎(chǔ)上，采用氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)作為機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方式。(2) 上結(jié)合機(jī)械手順序動(dòng)作流程建立了機(jī)械手驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)