气动机械手的设计及其PLC控制系统(含CAD图纸).docx

《气动机械手的设计及其PLC控制系统(含CAD图纸).docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《气动机械手的设计及其PLC控制系统(含CAD图纸).docx（24页珍藏版）》请在优知文库上搜索。

1、河南科技学院现2届本科毕业论文（设计）论文题目：气动机械手的设计及其PLC控制系统学生姓名：周文涛所在院系：机电学院所学专业：机械设计制造及其自动化导师姓名：安爱琴完成时间：2012年5月10日摘要本文设计了一种气动搬运机械手，其控制部分采用PLC控制系统。论文首先对气动机械手的功能进行分析，确定了总体方案，并设计了驱动系统原理图。由设计参数对机械手的主要组成部分进行选型，并对其进行三维建模，用于演示其工作原理。然后，根据控制要求，对PLC进行了选型，编写出了控制系统的梯形图程序，并绘制出了硬件接线图。关键词：机械手，PLC,气压传动AbstractKeywords:Manipulator,P

2、LC,PneumaticTransmission1绪论由于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等领域的需要，能代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化、，在有害环境下操作以保护人身安全的机械手得到了广泛的应用。机械手是自动生产设备和生产线上的重要装置之一，它可以根据各种自动化设备的工作需要，按照预定的控制程序动作。因此，在机械加工、冲压、锻造、铸造、装配和热处理等生产过程中被广泛用来搬运工件，借以减轻工人的劳动强度；也可以自动取料、上料、卸料和自动换刀的功能，气动机械手是机械手的一种，它具有结构简单，重量轻，动作迅速、平稳、可靠和节能等优点。机械手技术涉及到力学、机械学、液压气压传动、自动控制

3、、传感器和计算机等多学科领域，是一门跨学科的综合技术。机械手是一种能自动化定位控制并可重新编程的多功能机器，它有多自由度，可代替人的劳动，以便在复杂、恶劣的环境中工作。1.1 设计背景工业机械手的是工业机器人的一个重要分支。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各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。机械手作业的准确性和适应各种复杂环境的能力，在国民经济领域中有着广阔的发展和应用前景。在机械工业中，机械手的应用意义可以概括如下：(I)提高生产过程的自动化程度。应用机械手，有利于提高材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化程度，从而可以提高劳动

4、生产率，降低生产成本，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。(2)改善劳动条件、避免人身事故。在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其它毒性污染以及工作空间狭窄等场合中，用人手直接操作是有危险的或是根本不可能的。而应用机械手即可部分或全部代替人安全地完成作业，大大地改善了工人的劳动条件。在一些动作简单但又重复作业的操作中，以机械手代替人手进行工作，可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。(3)可以减少人力，便于有节奏地生产。应用机械手代替人手进行工作，这是直接减少人力的一个侧面，同时由于应用机械手可以连续地工作，这是减少人力的另一个侧面。因此，在自动化机床和综合加工自动

5、生产线上，目前几乎都设有机械手，以减少人力和更准确地控制生产的节拍，便于有节奏地进行生产。综上所述，有效地应用机械手是发展机械工业的必然趋势。但是，目前，在一些企业中使用的气动机械手仍然采用继电器-接触器控制系统。其弊端主要表现在:大量的机械触点电瓠烧蚀和机械磨损，可靠性降低且寿命短；触点的机械动作频率低且存在抖动现象，控制精度低；接线多而复杂，一旦系统构成后就很难增加或改变功能。因此，灵活性和扩展性差。随着可编程控制器技术(PLC)的快速发展，其强大的控制功能不仅能完成复杂的继电器控制逻辑，而且能实现模拟量控制，具有可靠性高、抗干扰能力强、易于扩展、易实现工艺连锁和可在线修改等优点。因此在工

6、艺自动化领域起到了举足轻重的作用。基于对工厂控制系统的强大干扰能力的要求，对气动机械手进行了PLC控制，从根本上解决了上述弊端。1.2 目前国内外有关机械手的研究状况机械手的发展历程大体分为三代：第一代机械手主要是靠人工进行控制，控制方式为开环式，没有识别能力；改进的方向主要是将低成本和提高精度；第二代机械手设有电子计算机控制系统，具有视觉、触觉能力，甚至听、想的能力。研究安装各种传感器，把接收到的信息反馈，使机械手具有感觉机能；第三代机械手能独立完成工作过程中的任务，它与电子计算机和电视设备保持联系，并逐步发展成为柔性系统FMS(FlexibleManufacturingSystem)和柔性

7、制造单元FMC(FlexibleManufacturingCell)中的重要一个环节。目前，日本、美国和欧盟在气动技术和气动机械手方面最为领先。我国对气动技术和气动机械手的研究与应用相对较晚，但随着投入力度和研发力度的加大，我国自主研制的许多气动机械手已经广泛应用于汽车等行业，并为国家的发展与进步发挥着重要作用。随着微电子技术的迅速发展和机械加工工艺水平的提高及现代控制理论的应用，为研制出高性能的气动机械手奠定了坚实的技术基础。由于气动机械手有结构简单，易实现无级调速、过载保护、复杂动作等诸多优点，气动机械手将会越来越广泛应用于工业、军事、航空、医疗、生活等诸多领域。1.3 本文的主要研究内容

8、本文研究的主要内容为气动机械手的设计及其PLC控制系统，包含的内容如下：论文首先介绍了机械手的结构功能和总体设计方案，并设计了机械手的驱动系统。接着是依据机械手的技术参数，对气动机械手的主要组成部件进行了设计选型，然后又对PLC做了较为全面的介绍，对系统所需的PLC进行了选型，并确定了系统I/O点的分配，最后编写了系统的梯形图程序，并绘制出了PLe的硬件接线图。2机械手系统的结构功能和总体设计方案气动机械手主要由控制系统、驱动系统、执行机构以及位置检测系统4部分组成。其控制系统采用PLC控制。2.1 机械手的功能分析气动机械手搬运工件的工作过程示意图如图1所示。图中传送带A、B由电机驱动，光电

9、开关用于检测工件，当光电开关检测到工件时，传送带A停止运动，同时给气动机械手发出一个信号，气动机械手便将工件从传送带A上搬运到传送带B上。底座图1机械手工作过程示意图机械手动作过程如图2所示。图2机械手动作过程2.2 机械手的执行机构及运动分析图3为气动机械手的结构示意图，它由气爪夹持机构、手臂平移机构、手臂升降机构和手臂回转机构和各种固定支架等部分组成。该机械手具有三个自由度，在气压驱动下可实现升降、伸缩、回转运动及气爪的夹紧与松开动作。图3气动机械手的结构示意图A一气爪，B一伸缩缸，C升降缸，D一齿轮齿条式摆动缸气爪A活塞的运动可实现对工件的夹紧和松开。伸缩缸B可实现手臂的伸出和缩回动作。

10、升降缸C用于实现立柱的上升与下降。摆动缸D有两个活塞，分别装在带齿条的活塞杆两头，齿条的往复运动带动立柱上的齿轮旋转，从而实现立柱及长臂的回转运动。2.3 机械手的驱动系统机械手的全部执行机构均有气压驱动，主要由气源及气源处理装置、气爪、伸缩气缸、升降气缸、摆动气缸及控制阀组成，如图4所示。各种执行气缸均采用单向节流阀来调节机械手的运动速度。通过对单电控电磁阀通断电的控制，使机械手执行相应的动作，再配合检查系统,即可让机械手按照某种控制要求实现自动的顺序动作。图4驱动系统原理图2.4 机械手的检测系统检查系统主要由检查工件的光电开关和设置在气爪夹紧与松开，手臂伸缩、升降与回转气缸上的8各限位磁

11、性开关组成。光电开关用来检测是否有工件，其检测结果作为机械手控制系统的输入信息。磁性开关的作用是对机械手的行程进行检测和判断，其检测结果亦作为机械手控制系统的输入信息，从而控制机械手,使其按照程序规定的顺序动作。3机械手结构的设计气动机械手系统均采用标准型气动元器件，不需要进行尺寸设计，只需根据设计要求选型即可。论文选用SMC气动元件，SMC公司为世界级的气动元件研发、制造、销售商。在日本本土更拥有庞大的市场网络。SMC产品以其品种齐全、可靠性高、经济耐用、能满足众多领域不同用户的需求而闻名于世。SMC气动元件超过IlOOO种基本系列，610000余种不同规格，主要包括气动洁净设备、电磁阀、各

12、种气动压力、流量、方向控制阀、各种形式的气缸、摆缸、真空设备、气动仪表元件及设备，以及其他各种传感器与工业自动化元器件等。3.1 机械手的技术参数(1)夹取工件重量：0.5Kg;(2)工作气压：0.5MPa；(3)主要运动参数：伸缩缸行程：150mm；升降缸行程100mm；回转缸转动角度90。3.2 气爪的选型机械手系统采用支点开闭型气爪。气爪夹持工件的受力分析如图5所示，由IrK图可知，两个手指的总夹持力产生的摩擦力为/U2F必须大于夹持工件的重力mg,考虑到搬/一运工件时加速度及冲击力等，必须设定一个安.一全系数S,故应满足277wgSmg27式中:气爪夹持力(单位N)；安全系数，取S=3

13、;图5工件受力分析图m夹持工件质量，m=0.5Kg;g重力加速度，g=9.8ms2;气爪夹头与工件的摩擦因数，一般=0.10.2,取=0.150则所需夹持力产=3x5x98n=49N,由表1可知，双作用比单作用夹持2x0.15力矩要大些，故选择双作用动作方式。初选缸径为25mm,可查知力臂E为27mm,计算出所需夹持力矩M=FXE=49X0.027Nm=1.32Nm,依据表1可知，选择气爪型号为MHC2-25D可满足要求。表1标准型气爪动作方式型号缸径mm夹持力矩(Nm)开闭角度(两侧)MHC2IOD100.116D160.39双作用30o-1020D200.7-25D251.36MHCM27

14、S70.01720-7MHC2IOS100.07单作用16S160.3130T020S200.54-25S251.083.3伸缩缸的选型伸缩缸行程为150mm,工件质量0.5Kg,考虑到气爪及连接板的重量，总质量约为IKg,故伸缩缸的最大横向负载为F=mg=lx9.8N=9.8N0考虑到一定冗余量，根据表2可选定伸缩缸型号为MGPLI6150。表2气缸最大横向负载缸径(mm)轴承的种类行程(mm)405()75I(X)1251501752(X)2501。MGPM141326221917151311IZMGPL35302318151211108MGPM232137322724222016IOMGPL544735282320171512onMGPM383587756659544942NUMGPL1019070586254484335OCMGPM54491161008879716555MGPL132118937780706255453.4升降缸的选型机械手升降缸是支撑和驱动伸缩缸的部件，用来实现机械手的升降运动，这些机构直接构成机身躯干与地底座相连。为了设计合理的运动机构，要和伸缩缸、气爪、工件一起考虑。工件、气爪、伸缩缸及连接板总重量约为2Kg,所以，升降缸最大轴向