机械手课程设计要点

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1、目录前 言 2第一章 绪论 31.1 课题背景与现实意义 . 31.2 PLC 概况及在机械手中的应用 41.3 本文的主要工作 . 6第二章 搬运机械手总体设计方案 62.1 搬运机械手结构及其动作 . 62.2 机械手的控制过程 . 72.3 机械手的控制要求 . 7第三章 搬运机械手硬件系统设 83.1 机械手的结构 83.2 电气控制的设计 . 93.3 操作面板及动作说明 . 103.4 I/O 分配 11第四章 搬运机械手的软件系统设计 . 12第五章 结 论 15谢 辞 15参考文献 17机械手控制程序机械手： mechanical hand ，也被称为自动手， auto han

2、d 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，广泛应用于机械制造冶金部门。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、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

3、 6 个自由度。自由度是机 械手设计的关 键参数越多、 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。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。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

4、。机械手首先是从美国开始研制的。 1958 年美国联合控制公司研制 出第一台机械手。第一章 绪论可编程序控制器 (PLC) 已在工业生产过程的自动控制中得到了广泛 应用。它是以微处理器为核心 , 综合计算机技术、自动控制技术和通信 技术发展起来的一种通用的自动控制装置， 它具有结构简单、 易于编程、 性能优越、可靠性高、灵活通用和使用简单等一系列有点；气动技术也 是实现工业自动化的重要手段，并已广泛应用于各个部门，在机械产品 自动化、工业自动化及企业技术改造方面占有重要的地位。气压传动的 介质来自于空气，环境污染小，工程已于实现。机械手在工业自动化生 产得到了很好的利用，它可以减少人的充分操作

5、，并且它还可以完成人 无法完成的操作， 从而大大地提高了工业的生产效率。 机械手是工业机 器人系统中传统的任务执行机构，是机器人的关键部件之一。其中的工 业机械手是近代控制领域中出现的一项新技术， 它的发展是由于其积极 作用正日益为人们所认识 : 它能部分地代替人工操作；能按照生产工艺 的要求，能遵循一定的程序、时间、位置能完成工件的传送和装卸；能 制作必要的机具进行焊接和装配从而大大改善工人的工作条件， 显著地 提高劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。1.1 课题背景与现实意义随着人类的发展、文明的进步，工业正不断发展着，需要人们完成 的工作量也不断增大(尤其是那种重复性大的工

6、作，像传运货物) ，涉 及到危险性的工作也日趋增多，这就迫使人们研究开发一种新装置，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 工具的自动操作的一种装置，而机械手正是这样一种装置：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。1.2 PLC 概况及在机械手中的应用1. 可编程序控制器的应用和发展概况可编程序控制器( programmable controller )，现在一般简称为 PLC( programmable logic controller)，它是以微处理器为

7、基础，综合了计算机技术、半导体集成技术、自动控制技术、数字技术、通 信 网络技发展起来的一种通用的工业自动控制装置。 以其显著的优点在冶 金、化工、交通、电力等领域获得了广泛的应用，成为了现代工业控制 三大支柱之一。在可编程序控制器问世以前， 工业控制领域中是继电器控制占主导 地位。传统的继电器控制具有结构简单、易于掌握、价格便宜等优点， 在工业生产中应用甚广。但是控制装置体积大、动作速度较慢、耗电较 多、功能少，特别是由于它靠硬件连线构成系统，接线繁杂，当生产工 艺或控制对象改变时，原有的接线刻控制盘(柜)就必须随之改变或更 换，通用性和灵活性较差。2. PLC 的应用概况PLC 的应用领域

8、非常广，并在迅速扩大，对于而今的PLC 几乎可以说凡是需要控制系统存在的地方就需要PLC,尤其近几年来 PLC的性价比不断提高已被广泛应用在冶金、机械、石油、化工、轻功、电力等各 行业。按PLC的控制类型，其应用大致可分为以下几个方面。1) . 用于逻辑控制这是PLC最基本，也是最广泛的应用方面。用PLC取代继电器控制和顺序控制器控制。例如机床的电气控制、包装机械的控制、自动电梯控制等。2) . 用于模拟量控制PLC通过模拟量I/O模块，可实现模拟量和数字量之间转换，并对 模拟量控制。3) . 用于机械加工中的数字控制现代PLC具有很强的数据处理功能，它可以与机械加工中的数字控制(NC及计算机

9、控制(CNC紧密结合，实现数字控制。4) . 用于工业机器人控制5) . 用于多层分布式控制系统高功能的PLC具有较强的通信联通能力，可实现PLC与PLC之间、PLC与远程I/O之间、PLC与上位机之间的通信。从而形成多层分布式 控制系统或工厂自动化网络。3. PLC 的特点1) . 可靠性高、抗干扰能力强PLC能在恶劣的环境如电磁干扰、电源电压波动、机械振动、温度 变化等中可靠地工作，PLC的平均无故障间隔时间高，日本三菱公司的F1系列PLC平均无故障时间间隔长达30万h，这是一般微机所不能比拟的。2) . 控制系统构成简单、通用性强由于PLC是采用软件编程来实现控制功能，对同一控制对象，当

10、控 制要求改变需改变控制系统的功能时，不必改变PLC的硬件设备，只需相应改变软件程序。3) . 编程简单、使用、维护方便4) . 组合方便、功能强、应用范围广PLC既可用于开关量的控制又可用于模拟量的控制；既可用单片机 控制，又可用于组成多级控制系统；既可控制简单系统，又可控制复杂 系统。因此，PLC应用范围很广。5) . 体积小、重量轻、功耗低PLC采用了半导体集成电路，外形尺寸很小，重量轻，同时功耗也 很低，空载功耗约 1.2KW。5.PLC 在机械手中的应用 机械手通常应用于动作复杂的场合来代替人的反复的操作，从而节省人的劳动，普通继电器由于其体积和接口等各方面限制，经常被应用 于动作简

11、单的电气及流水线控制，而PLC以其可靠性高、抗干扰能力强控制系统构成简单、通用性强 ;- # -编程简单、使用、维护方便；组合方便、功能强、应用范围广 ；体积小、重量轻、功耗低等有点被广泛应用于类似机械手的控制动作复杂 的场合，本设计正是以PLC控制为基础从而实现机械手的各种动。1.3本文的主要工作本文用实验室器材来模拟用机械手把物体从传送带A拿到传送带B,从而进一步了解机械手的功能、工作方式，并且进一步熟悉PLC的控制程序。第二章搬运机械手总体设计方案PLC在机械手搬物控制中的应用下图为机械手动作示意图，机械手按下述顺序周而复始地工作:图卜越机械手工柞不意图2.1搬运机械手结构及其动作本机械

12、手用于生产线上工件的自动搬运，根据对机械手的工艺过程及控制要求分析，机械手的动作过程如图3 1所示：2.2机械手的控制过程如图31所示由A B两个液压缸完成工件的夹紧和提升的动作，A缸通过一个单电两位四通电磁换向阀控制工件的夹紧、放松，B缸通过一双电两位四通电磁阀控制机械手的升降；由小车实现机械手的移 动。该小车由两台电动机驱动，一台是高速，一台是慢速。当小车前进 时以慢一快一慢的形式进行，返回时按慢一快一慢的形式后退。当工件 从传送带传输到机械手下方时，工件碰压行程开关SQ1, B缸活塞杆伸出，带动机械手下降，下降至终点碰压行程开关 SQ3与机械手夹钳相连 的A缸活塞杆收进，机械手将工件夹紧

13、；当工件夹紧到位时，行程开关 SQ5动作，B缸的活塞杆收进，把工件提升；当工件提升到最高位置时 碰压行程开关 SQ4,启动小车慢速右行；当小车碰压行程开关SQ7时转为快速行走；接近终点时小车碰压行程开关SQ8转为慢速行走；行至右端行程开关 SQ9,小车停止前进；停留 5秒后，B缸活塞杆再次外伸， 机械手下降至终点，A缸活塞杆外伸带动夹钳松开，将工件放下；然后机械手上升，小车以慢一快一慢的形式沿原路返回，恢复到图示所示的 原点位置。2.3机械手的控制要求为了便于生产加工、维修、调整设置的工作方式选择开关。分为手 动和自动操作，其中自动操作中包括了：单步、单周期、连续；手动操- # -作包括手动和

14、回原位的操作手动操作：供维修用，即用按钮对机械手的每一步动作单独控制。 例如，当选择手动操作时，按下上升 / 下降按钮，机械手在满足条件情 况下即执行相应的动作，其它动作以此类推。回原位：当由于断电或其它原因导致机械手运行中途停止时，再次 通电将操作方式选择置于回原位位置，按下复位按钮，机械手即可按最 短路径的原则返回到原点位置。单步运行：供试用，即没按一次启动按钮机械手向前执行一个动作 后停止。单周期运行：供首次检验用，当机械手在原点时按下启动按钮，机 械手自动执行一个周期后停止在原点位置连续运行：正常使用，当机械手在原点并按下启动按钮时，机械手 周而复始的执行各工步动作。该机械手在自动工作

15、状态时， 应先将其工作方式选择开关放在“返 回原位”，并按下返回原位按钮，对状态器进行置位，然后再将工作方 式选择开关放置自动工作方式下。若自动工作状态解除，则硬件工作方 式选择开关放置于“手从操作”位置。第三章 搬运机械手硬件系统设3.1 机械手的结构设计其结构如图 31 所示图31机械手的结构示意图图中设置9个行程开关SQ1 SQ9用于检测工件、小车、机械手的位置及机械手夹钳的夹紧、放松状态，并对系统实施控制。其中SQ1为工件是否到位的检测开关；SQ2为小车原位检测开关；SQ3 SQ4分别为机械手下降上升是否到位检测开关；SQ5 SQ6分别为机械手夹紧放松检测开关；SQ7 SQ8分别为小车速度转换开关；SQ9为小车运动停止开关。3.2电气控制的设计包括主电路和控制电路的设计。主电路由两台电动机，即慢速电机和快速电机，分别拖动小车慢行和快行，其控制如下：慢速电动机M1由接触器KM1 KM2分别控制其正传和反转；快速电动机 M2由接触器 KM3和KM4分别控制其正传和反转。机械手的夹紧放松动作是由一单电两位四通电磁阀控制的一个液压缸完成的，在通电情况下，机械