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1、;,茬/ g株业槎用学妃毕业设计报告课题：机械手的PLC控制系 部：机电系专业：电气自动化班 级：电气1332学 号：指导老师：2016-6摘要机械手是工业自动化系统中传统的任务执行机构，是机器人的关键部件之 一。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、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。本文介绍的机械手是由PLC 输出三路脉冲，控制机械手横轴和竖轴的精确定位，微动开关将位置信号传给 PLC主机；位置信号由接近开关反馈给PLC主机，通过交流电机的正反转来控制 机械手手爪的张合，从而实现
2、机械手精确运动的功能。本课题拟开发的物料搬运 机械手可在空间抓放物体，动作灵活多样，可代替人工在高温和危险的作业区进 行作业，并可根据工件的变化及运动流程的要求随时更改相关参数。关键词：机械手PLC 交流电机目录摘要1引 言3第一章机械手机械结构41. 1 传动机构41. 2机械手夹持器和机座的结构6第二章 机械手PLC及电机的应用82. 1 PLC 简介82.2 PLC内部原理102.3 机械手PLC选择及参数122. 4机械手电机的选用13第三章 机械手PLC控制系统设计143. 1机械手的工艺过程143. 2 PLC控制系统16致答谢词21参考文献21引言在现代工业中，随着工业现代化的进
3、一步发展，自动化已经成为现代企业 中的重要支柱，无人车间、无人生产流水线等等，已经随处可见。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进行操作。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，并取得一定的效果，受到
4、机械工业和铁路工业部门的重视。本课题拟开发物料搬运机械手，采用日本三菱公司的FX2N系列PLC，对 机械手的上下、左右以及抓取运动进行控制。该装置机械部分有滚珠丝杠、 滑轨、机械抓手等；电气方面由交流电机、操作台等部件组成。我们利用可 编程技术，结合相应的硬件装置，控制机械手完成各种动作。由于时间仓促和个人水平限制，我的设计存在着许多还没来得及解决的 问题，希望广大老师、同学能够给予批评指正并予以解决。第一章机械手机械结构1- 1传动机构1.1.1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
5、构和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。1.1.2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1-1b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) .
6、由螺母、螺杆和机架组成的滑动螺旋机构，如图1-1a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。(a)螺杆转动，螺母移动(b)螺母固定，螺杆转动并移动图1-11.1.3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
7、回时与螺杆脱离接触的循环叫外循环(如图1-2所示)。外循环螺母只需设置一个反向器，当滚珠进入反向器时，就被阻止而转弯，从返回通道回到滚道的另一端，形成一个循环回路。机械手的横向运动采用的便是滚动螺旋传动。滚动螺旋机构摩擦阻力小，动作灵敏度高，传动效率高，可达90%以上。用调整的方法可消除间隙，传动精度高。图1-21.2机械手夹持器和机座的结构1.2.1机械手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
8、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。本文设计的机械手采用的是楔槽杠杆式回 转型夹持器。如右图所示，装在杆上端的滚子3 和楔块之间为滚动接触。当电机带动连杆前进 时，通过楔块4的斜面和杠杆1，使两个手抓产 生加紧动作和加紧力。当楔块后移时，靠弹簧的 拉力使手指松开。这种末端执行器由于楔块和滚 子之间为滚动接触，摩擦力小，活动灵活，且机构简单。1.2.2机座机座是机械手的支撑部件，机座承受机械手的全部
9、重量和工作载荷，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-锹序蚯料3电的机4-戚速豚5、& r齿揪8-基座 图1-3如图1-3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。第二章机械手PLC及电机的应用2. 1 PLC简介自二十世纪六十年代美国推出可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller, PLC）取代传统继电器
10、控制装置以来，PLC得到了快速发展，在世 界各地得到了广泛应用。同时，PLC的功能也不断完善。随着计算机技术、信号 处理技术、控制技术网络技术的不断发展和用户需求的不断提高，PLC在开关量 处理的基础上增加了模拟量处理和运动控制等功能。今天的PLC不再局限于逻辑 控制，在运动控制、过程控制等领域也发挥着十分重要的作用。作为离散控的制的首选产品，PLC在二十世纪八十年代至九十年代得到了迅 速发展，世界范围内的PLC年增长率保持为20%30%。随着工厂自动化程度的 不断提高和PLC市场容量基数的不断扩大，近年来PLC在工业发达国家的增长速 度放缓。但是，在中国等发展中国家PLC的增长十分迅速。综合
11、相关资料，2004 年全球PLC的销售收入为100亿美元左右，在自动化领域占据着十分重要的位置。PLC是由摸仿原继电器控制原理发展起来的，二十世纪七十年代的PLC 只有开关量逻辑控制，首先应用的是汽车制造行业。它以存储执行逻辑运算、顺 序控制、定时、计数和运算等操作的指令；并通过数字输入和输出操作，来控制 各类机械或生产过程。用户编制的控制程序表达了生产过程的工艺要求，并事先 存入PLC的用户程序存储器中。运行时按存储程序的内容逐条执行，以完成工艺 流程要求的操作。PLC的CPU内有指示程序步存储地址的程序计数器，在程序运 行过程中，每执行一步该计数器自动加1，程序从起始步（步序号为零）起依次
12、 执行到最终步（通常为END指令），然后再返回起始步循环运算。PLC每完成一 次循环操作所需的时间称为一个扫描周期。不同型号的PLC，循环扫描周期在1 微秒到几十微秒之间。PLC用梯形图编程，在解算逻辑方面，表现出快速的优点， 在微秒量级，解算1K逻辑程序不到1毫秒。它把所有的输入都当成开关量来处 理，16位（也有32位的）为一个模拟量。大型PLC使用另外一个CPU来完成模 拟量的运算。把计算结果送给PLC的控制器。相同I/O点数的系统，用PLC比用DCS，其成本要低一些（大约能省40% 左右）。PLC没有专用操作站，它用的软件和硬件都是通用的，所以维护成本比 DCS要低很多。一个PLC的控制
13、器，可以接收几千个I/O点（最多可达8000多 个I/O）。如果被控对象主要是设备连锁、回路很少，采用PLC较为合适。PLC 由于采用通用监控软件，在设计企业的管理信息系统方面，要容易一些。近10年来，随着PLC价格的不断降低和用户需求的不断扩大，越来越多的中小 设备开始采用PLC进行控制，PLC在我国的应用增长十分迅速。随着中国经济的 高速发展和基础自动化水平的不断提高，今后一段时期内PLC在我国仍将保持高 速增长势头。通用PLC应用于专用设备时可以认为它就是一个嵌入式控制器，但PLC相对 一般嵌入式控制器而方具有更高的可靠性和更好的稳定性。实际工作中碰到的一 些用户原来采用嵌入式控制器，现
14、在正逐步用通用PLC或定制PLC取代嵌入式控 制器2. 2 PLC内部原理PLC实质上是一种被专用于工业控制的计算机，其硬件结构和微机是基本一 的。如图2.1所示，PLC硬件的基本结构图所示：图2-1 PLC硬件的基本结构图（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。当PLC投入运行时，首先它 以扫描的方式接受现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后 从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指
15、令的规定执行逻辑 或算术运算等任务。并将逻辑或算术运算等结果送入I/O映象区或数据寄存器 内。等所有的用户程序执行完毕以后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄 存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行为止。（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器称 为系统程序存储器。PLC存储空间的分配：虽然大、中、小型PLC的CPU的最大可寻址存储空间 各不相同，但是根据PLC的工作原理，其存储空间一般包括以下三个区域：系 统程序存储区，系统RAM存储区（包括I/O映象区和系统软设备等）和用户程序 存储区。（3）PLC电源PLC电源在整个系统中起着十分重要的作用。无论是小型的PLC，还是中、 大型的PLC，其电源的性能都是一样的，均能对PLC内部的所有器件提供一个稳 定可靠的直流电源。一般交流电压波动在正负10%（15%）之间，因此可以直接 将PLC接入到交流电网上去。可编程序控制器一般使用220V交流电源。可编程序控制器内部的直流稳压 电源为各模块内的元件提供直流电压。某些可编程序控制器可以为输入电路和少 量的外部电子检测装置（如接近开关）提供24V直流电源。驱动现场执行机构的 电源一般由用户提供。可编程序控制器是从继电器控制系统发展而来
