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1、电子课程设计报告题 目： 基于PLC的机械手设计与仿真 学生姓名： 学生学号： 年 级： 12级 专 业： 电气工程及其自动化 班 级： 2 指导教师： 机械与电气工程学院制2015年3月目 录1、引言32、机械手的概述33、机械手的结构43.1传动机构43.1.1.螺旋机构43.1.2.滑动螺旋机构43.1.3滚动螺旋机构53.2 机械手夹持器和机座的结构63.2.1夹持器63.2.2机座结构64、PLC及其应用74.1 PLC的定义74.2 PLC的工作原理和特点84.2.1 PLC的特点84.2.2 PLC工作原理85、设计方案125.1 PLC的I/O口分布125.2 PLC程序的调试
2、125.3 PLC的安装与接线125.4 机械手控制系统的外围接线图以及梯形图135.5 机械手实现过程146、参考文献16附录17第2页 PLC控制机械手学生：程磊指导老师：缪玉桂机械与电气工程学院 电气工程及其自动化专业1、引言在现代工业中，生产过程的机械化、自动化已成为突出的主题。随着工业现代化的进一步发展,自动化已经成为现代工业企业中的重要支柱,例如无人车间、无人生产流水线等等生产源，已经遍及很多地方。同时，现代生产中，存在着各种各样的生产环境，如高温、放射性、有毒气体、有害气体场合以及水下作业等，这些恶劣的生产环境不利于人工操作。除了这些，还有大量的装卸、搬运、装配等作业。所以一种新
3、的技术也就随之而然诞生了，那就是工业机械手 工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新的技术，是现代控制理论与工业生产自动化实践相结合的产物，并以成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分。工业机械手是提高生产过程自动化、改善劳动条件、提高产品质量和生产效率的有效手段之一。尤其在高温、高压、粉尘、噪声以及带有放射性和污染的场合，应用得更为广泛，在我国，近几年来也有较快的发展，并取得一定的成果，受到国家工业部门的重视2、机械手的概述 机械手主要由手部、运动机构和控制系统三大部分组成。手部是用来抓持工件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、
4、托持型和吸附型等。运动机构，使手部完成各种转动（摆动）、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度。为了抓取空间中任意位置和方位的物体，需有6个自由度。自由度是机械手设计的关键参数。自由度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。一般专用机械手有23个自由度。控制系统是通过对机械手每个自由度的电机的控制，来完成特定动作。同时接收传感器反馈的信息，形成稳定的闭环控制。控制系统的核心通常是由单片机或dsp等微控制芯片构成，通过对其编程实现所要功能。 机械手通常是机床或其他机器的附加装置，如在自动机床或自动生产
5、线上装卸和传递工件，在加工中心中更换刀具等，一般没有独立的控制装置，有些操作装置需要由人直接操纵。机械手在锻造工业中的应用能进一步发展锻造设备的生产能力，改善热、累等劳动条件。机械手的机械结构采用滚珠丝杆、滑杆、等机械器件组成；电气方面有交流电机、变频器、传感器、等电子器件组成。该装置涵盖了可编程控制技术，位置控制技术、检测技术等，是机电一体化的典型代表仪器之一。机械手是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。近年来，随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用，机器人的研制和生产已成为高技术领域内迅速发展起来的一门新兴技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化
6、的有机结合。机械手的主要经历分为三代：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和柔性制造单元FMC中重要一环3、机械手的结构3.1传动机构 3.1.1.螺旋机构螺旋机构由螺杆、螺母和机架组成，其主要功能是将转动变换为直线运动，并同时传递运动和动力，按螺旋副中的摩擦性质，螺旋机构可以分为滑动螺旋机构和
7、滚动螺旋机构两种类型。按用途可以分为传力螺旋、传导螺旋和调整螺旋三种类型。螺旋机构具有结构简单，制造方便，传动平稳，无噪声易于自锁等优点。 3.1.2.滑动螺旋机构螺旋副内为滑动摩擦的的螺旋机构，称为滑动螺旋机构。滑动螺旋机构所用的螺纹为传动性能好，效率高的矩形、梯形和锯齿形螺纹。滑动螺旋机构由螺母和螺杆组成。根据机构的组成及运动方式，滑动螺旋机构又分为以下两种。（1）由螺母和螺杆组成的滑动螺旋机构，螺母与机架固联，螺杆转动并移动（如图2所示），这种螺旋机构以传递动力为主，故又称传力螺旋机构。一般要求用较小的转矩产生较大的轴向力，多用在工作时间短，速度较低的场合。 （2）由螺母、螺杆和机架组成
8、的滑动螺旋机构（如图1所示），螺杆转动，螺母移动，这种螺旋机构以传递运动为主，故又称为传导螺旋机构。本文所介绍的机械手的竖轴就是用的传导螺旋机构。这种传动形式结构紧凑，刚度较大，传动效率高，精度高。图 1 螺杆转动，螺母移动 图 2 螺母固定，螺杆转动并移动 3.1.3滚动螺旋机构 螺旋副内为滚动摩擦的螺旋机构，称为滚动螺旋机构或滚珠丝杠。其机构特点是在螺杆和螺母之间设有封闭循环滚道，并在其间放如刚球，当螺杆转动时，刚球沿螺旋滚道滚动并带动螺母作直线运动。按循环方式的不同，分为外循环和内循环两种形式。 滚珠始终在循环过程中始终与螺杆保持接触的循环叫内循环。滚珠在返回时与螺杆脱离接触的循环叫外循
9、环（如图3所示）。图 3 滚珠丝杠3.2 机械手夹持器和机座的结构3.2.1夹持器机械手的机械夹持器多为双指手抓式，按其手抓的运动方式可分为平移型和回转型。回转型手抓有可分为单支点和双支点回转型，按夹持方式可以分为外夹式和内撑式。按驱动方式可以电动、液压和气动三种。回转型夹持器结构较简单，但当所夹持的工件直径有变动时，将引起工件轴心的偏移。对平移型夹持器，工件直径的变化不影响其轴心的位置。但其机械机构繁杂，体积大，制造精度要求高。所以当设计机械手夹持器的时候，在满足工件的定位精度要求的条件下，尽可能的采用结构比较简单回转型夹持器。3.2.2机座结构机座是机械手的支撑部件，机座承受机械手的全部重
10、量和工作载荷，所以机座应有足够的强度、刚度和承载能力。另外机座还要求有足够大的安装基面，以保证机械手工作时的稳定行。1-轴承 2-丝杆 3-电动机 4-减速器 5、6、7-齿轮 8-基座图 4 机械手结构图 如图4所示，机械手采用普通轴承作为支撑元件的机座支撑结构。这种结构有制造简单、成本低、安装调整方便等优点。图中电动机3经减速器4、主动小齿轮5、中间齿轮6、大齿轮7驱动丝杆2旋转，从而驱动升降台上下运动，整个机座安装在基座8上。4、PLC及其应用 4.1 PLC的定义可编程序控制器，英文称ProgrammableController，简称PC。但由于PC容易和个人计算机（PersonalC
11、omputer）混淆，故人们仍习惯地用PLC作为可编程序控制器的缩写。它是一个以微处理器为核心的数字运算操作的电子系统装置，专为在工业现场应用而设计，它采用可编程序的存储器，用以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指令，并通过数字式或模拟式的输入、输出接口，控制各种类型的机械或生产过程。PLC是微机技术与传统的继电接触控制技术相结合的产物，它克服了继电接触控制系统中的机械触点的接线复杂、可靠性低、功耗高、通用性和灵活性差的缺点，充分利用了微处理器的优点，又照顾到现场电气操作维修人员的技能与习惯，特别是PLC的程序编制，不需要专门的计算机编程语言知识，而是采用了一套以继
12、电器梯形图为基础的简单指令形式，使用户程序编制形象、直观、方便易学；调试与查错也都很方便。用户在购到所需的PLC后，只需按说明书的提示，做少量的接线和简易的用户程序编制工作，就可灵活方便地将PLC应用于生产实践1。4.2 PLC的工作原理和特点4.2.1 PLC的特点（1）可靠性高、抗干扰能力强 高可靠性是电气控制设备非常关键的性能。PLC由于采用大规模集成电路技术、严格的生产工艺，内部电路采取了输入输出信号的光电隔离、滤波、电源的屏蔽、稳压和保护、故障诊断等先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性，它能在高粉尘、高噪音、强电磁干扰和温暖变化剧烈的环境下正常工作。PLC的平均无故障时间可高达510万
13、小时以上。从PLC的机外电路来说，PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障率也就大大降低。（2）功能完善、适应性强到现在为止PLC已经形成各种规模、系列化的产品。可以用于各种规模的工业控制场合，并能完成决大多数的工业控制任务。PLC所具有的完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来PLC的功能单元大量涌现，PLC通讯能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变的非常容易。（3）编程简单、直观PLC采用和继电器电路图接近的梯形图语言，只用少量的开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。为不熟悉电子电路
14、、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制提供了方便。（4）系统安装简单、体积小、价格低PLC在存储逻辑代替接线逻辑、采用模块化的结构，大大地减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建设的周期大大缩短了。现代集成电路技术的广泛应用，功耗仅数瓦。由于PLC体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。使得PLC的重量越来越轻、功耗也越来越少。在集成电路技术和生产厂家越来越多的情况下，PLC的价格也越来越低。4.2.2 PLC工作原理 PLC其硬件结构和微机是基本一致的，如图5所示，PLC硬件的基本结构图：图 5 PLC硬件的结构基本图 （1）中央处理单元（CPU） 中央处理单元（CPU）是PLC的控制中枢。它按照PLC系统程序赋予的功能，接受并存储从编程器键入的用户程序和数据，检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能检查用户程序的语法错误。（2）存储器 与微型计算机一样，除了硬件以外，还必须有软件。才能构成一台完整的PLC。PLC的软件分为两部分:系统软件和应用软件。存放系统软件的存储
