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1、气动机械手PLC控制系统的毕业设计 本 科 毕 业 设 计(200*届) * *摘要 机械手是在自动化生产过程中使用的一种具有抓取和移动工件功能的自动化装置,它是在机械自动化生产过程中发展起来的一种新型装置,在生产过程中起着非常重要的作用。在工业生产和其他领域内,由于工作的需要,人们经常受到高温、腐蚀及有毒气体等因素的危害,增加了工人的劳动强度,甚至于危及生命。自从机械手问世以来,相应的各种难题迎刃而解。机械手能代替人类完成危险、重复、枯燥的工作,减轻人类劳动强度,提高劳动生产力,因此机械手得到了越来越广泛的应用。 机械手是一种能自动化定位控制并可重新编程序以变动的多功能机器,它有多个自由度,
2、可在各个不同环境中用来搬运物体。 本课题要完成的主要内容。设计工业通用机械手模型,是一个水平/垂直运动的机械设备,用来将工件从左工作台搬到右工作台。机械手能完成左右移动、上下升降和手部的放松夹紧,可在空间按固定动作夹放单个物体。 关键词:可编程控制器;机械手;自动化目录1 问题的提出11.1 课题背景及研究意义11.2 国内外现状11.3 课题设计的目的21.4 课题的主要内容22 机械手32.1 机械手介绍3 2.1.1 机械手的分类3 2.1.2机械手的构成32.2 机械手控制方式的选择4 2.2.1 控制方式的分类4 2.2.2 PLC与工业控制计算机和集散控制系统的比较及选型53 可编
3、程序控制器73.1 PLC简介7 3.1.1 PLC的基本结构7 3.1.2 PLC的工作原理10 3.1.3 PLC机型的选择134 机械手控制系统硬件结构154.1 气动机械手的控制要求154.2硬件结构164.3气动机械手的工作方式164.4根据设计要求、分析I/O情况、画出分配表174.5 CPU选择175.1主程序机构图195.2设计程序20 5.2.1公用程序20 5.2.2手动程序20 5.2.3自动程序20 5.2.4自动回原点程序246 软件仿真调试情况256.1环境要求256.2调试情况25致 谢28参考文献29附录A I/O分配表30附录B 梯形图31附录C 程序指令表3
4、91 问题的提出1.1 课题背景及研究意义 机械手是工业自动化领域中经常遇到的一种控制对象。近年来随着工业自动化的发展机械手逐渐成为一门新兴学科,并得到了较快的发展。机械手广泛地应用与锻压、冲压、锻造、焊接、装配、机加、喷漆、热处理等各个行业。特别是在笨重、高温、有毒、危险、放射性、多粉尘等恶劣的劳动环境中,机械手由于其显著的优点而受到特别重视。总之,机械手是提高劳动生产率,改善劳动条件,减轻工人劳动强度和实现工业生产自动化的一个重要手段。国内外都十分重视它的应用和发展。 可编程序控制器PLC是专为在工业环境下应用而设计的实时工业控制装置。随着微电子技术、自动控制技术和计算机通信技术的飞速发展
5、,PLC在硬件配置、软件编程、通讯联网功能以及模拟量控制等方面均取得了长足的进步,已经成为工厂自动化的标准配置之一。 由于自动化可以节省大量的人力、物力等,而PLC也具有其他控制方式所不具有的特殊优越性,如通用性好、实用性强、硬件配套齐全、编程方法简单易学,因此工业领域中广泛应用PLC。机械手在美国、加拿大等国家应用较多,如用果实采摘机械手来摘果实、装配生产线上应用智能机器人等。我国自动化水平本身比较低,因此用PLC来控制的机械手还比较少。本次课题设计的机械手就是通过PLC来实现自动化控制的。通过此次设计可以更进一步学习PLC的相关知识,了解世界先进水平,尽可能多的应用于实践。1.2 国内外现
6、状 机械手自二十世纪六十年代初问世以来,经过40多年的发展,现在已经成为制造业生产自动化中重要的机电设备。目前,正式投入使用的绝大部分机械手属于第一代机械手,即程序控制机械手。这代机械手基本上采用点位控制系统,没有感觉外界环境信息的感觉器官,主要用于焊接、喷漆和上下料。第二代机械手具有感觉器官,仍然以程序控制为基础,但可以根据外界环境信息对控制程序进行校正。这代机械手通常采用接触传感器一类的简单传感装置和相应的适应性算法。现在,第三代机械手正在第一、第二代机械手的基础上蓬勃发展起来,它是能感知外界环境与对象物,并具有对复杂信息进行准确处理,对自己行为做出自主决策能力的智能化机械手。它能识别景物
7、,具有触觉、视觉、力觉、听觉、味觉等多种感觉,能实现搜索、追踪、辨色识图等多种仿生动作,具有专家知识、语音功能和自学能力等人工智能。 目前机械手技术有了新的发展:出现了仿人型机械手、微型机械手和微操作系统(如细小工业管道机械手移动探测系统、微型飞行器等)、机械手化机器、智能机械手。机械手的应用领域正在向非制造业和服务业方向扩展,并且蓬勃发展的军用机械手也将越来越多地装备部队。 国外,近几年国外工业机械手领域有如下几个发展趋势。机械手性能不断提高,而单机价格不断下降;机械结构向模块化、可重构化发展;控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展;传感器作用日益重要;虚拟现实技术在机械手中的作用已从仿
8、真、预演发展到用于过程控制。 国内,目前在一些机种方面,如喷涂机械手、弧焊机械手、点焊机械手、搬运机械手、装配机械手、特种机械手(水下、爬壁、遥控等机械手)基本掌握了机械手操作机的设计制造技术,解决了控制驱动系统的设计和配置,软件的设计和编制等关键技术,还掌握了自动化喷漆线、弧焊自动线及其周边配套设备的全套自动通信、协调控制技术;在基础元件方面,谐波减速器、机械手焊接电源、焊缝自动跟踪装置也有了突破。从技术方面来说,我国已经具备了独立自主发展中国机械手技术的基础。1.3 课题设计的目的 本课题主要研究的是基于PLC的机械手模型控制系统的设计,包括硬件的设计和软件的设计。通过设计编制PLC程序实
9、现机械手模型控制系统的自动控制。1.4 课题的主要内容 1. 正确选用机械手和PLC类型。 2. 绘制I/O分配表,画出PLC的外部接线图。 3. 设计梯形图。 4. 指令表。 5. 软件仿真。2 机械手2.1 机械手介绍 Mechanical hand也被称为自动手,Auto hand能模仿人手和臂的某些动作功能,用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化,能在有害环境下操作以保护人身安全,因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。 2.1.1 机械手的分类 机械手主要由手部和运动机构组成。手部是用来抓持工件(或工具)的
10、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、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。 机械手的种类,按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手;按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种;按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等
11、。 机械手通常用作机床或其他机器的附加装置,如在自动机床或自动生产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,如用于原子能部门操持危险物品的主从式操作手也常称为机械手。 机械手简述:机械手的形式是多种多样的,有的较为简单,有的较为复杂,但基本的组成形式是相同的,一般由执行机构、传动系统、控制系统和辅助装置组成。 1. 执行机构 机械手的执行机构,由手、手腕、手臂、支柱组成。手是抓取机构,用来夹紧和松开工件,与人的手指相仿,能完成人手的类似动作。手腕是连接手指与手臂的元件,可以进行上下、左右和回转动作。简单的机械手可以没有手腕。支柱用来支撑手
12、臂,也可以根据需要做成移动。 2. 传动系统 执行机构的动作要由传动系统来实现。常用机械手传动系统分机械传动、液压传动、气压传动和电力传动等几种形式。 3. 控制系统 机械手控制系统的主要作用是控制机械手按一定的程序、方向、位置、速度进行动作,简单的机械手一般不设置专用的控制系统,只采用行程开关、继电器、控制阀及电路便可实现动传动系统的控制,使执行机构按要求进行动作。动作复杂的机械手则要采用可编程控制器、微型计算机进行控制。2.2 机械手控制方式的选择 2.2.1 控制方式的分类 传统的工业设备自动控制主要由继电器或分立的电子线路来实现,这种控制方式投资相对少一些,目前仅在一些旧式的、简单的工
13、业设备中还有一定市场,但该控制方式却有以下致命缺陷: 1 仅适合于简单的逻辑控制; 2 仅适合特殊的工程项目,而没有通用性; 3 没有改动和优化的可能性。 伴随着工业自动化技术的迅速发展,我国工业领域的自动化已经基本实现了从继电器控制到计算机控制的转变,计算机控制方式具有以下两个特点: 1 硬件上至少有一个微处理器; 2 通过软件实现控制思想。 目前,工业自动化领域比较典型的控制方式有: 1 可编程序逻辑控制器(PLC) 2 工业控制计算机(IPC) 3 集散控制系统(DCS)2.2.2 PLC与工业控制计算机和集散控制系统的比较及选型 1. 各自技术发展的起源 计算机是为了满足快速大量数据处
14、理要求的设备。硬件结构方面,总线标准化程度高,兼容性强,软件资源丰富,特别是有实时操作系统的支持,故对要求快速、实时性强、模型复杂和计算工作量大的工业对象的控制占有优势。 集散系统从工业自动化仪表控制系统发展到以工业控制计算机为中心的集散系统,所以其在模拟量处理、回路调节方面具有一定优势,初期主要用在连续过程控制,侧重回路调节功能。PLC是由继电器逻辑系统发展而来,主要应用在工序控制上,初期主要是代替继电器控制系统,侧重于开关量顺序控制方面。 近年来随着微电子技术、大规模集成电路技术、计算机技术和通信技术等的发展,PLC在技术和功能上发生了飞跃。在初期逻辑运算的基础上,增加了数值运算、闭环调节等功能,增加了模拟量和PID调节等功能模块;运算速度提高,CPU的能力赶上了工业控制计算机;通信能力的提高发展了多种局部总线和网络LAN,因而也可构成为一个集散系统。特别是个人计算机也被吸收到PLC系统中。PLC在过程控制的发展将是一智能变送器和现场总线,暨向下拓展功能,开放总线。 2. 相同点 在微电子技术发展的背景下,从硬件的角度来看,PLC、工业计算机、集散系统DCS之间的差别正在缩小,都将由类似的一些微电子元件、微处理器、大容量半导体存储器和I/O模件组成。编程方面也有很多相同点。 3. 不同点 由于PLC
