机械手项目设计说明书

机械手的设计论文

说明

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。机械手可在空间抓、放、搬运物体，动作灵活多样，适用于可变换生产品种的中、小批量自动化生产，广泛应用于柔性自动线。PLC机械手设计主要是依靠限位开关和电磁阀的控制及推动来实现的。机械手的所有动作均采用电控制、气压驱动。它的上升/下降、左移/右移和左旋转/右旋转均采用双线圈双位电磁阀推动气压缸完成。机械手的动作转换依靠限位开关来控制并且按照一定的顺序动作。在机械手运动的过程中会安装检测灯来检测其运动的启停。本设计所用机械部件有模拟机械手爪，电气方面有可编程控制器（PLC）、开关电源、电磁阀、等部件。按钮发出两路脉冲到机械手驱动，控制它的前后移动由气动阀Y4控制，左右移动由气动阀Y5控制，左右旋转由气动阀Y6控制，夹紧和放松由气动阀Y7控制，另外还有启动和停止两个按钮。机械手自动完成全部动作。

目录

前言 (3)

前言 (3)

第一章 PLC的介绍 (4)

1.1 PLC概述 (4)

1.1.1 可编程控制器的产生和发展 (4)

1.2 PLC的主要功能 (5)

1.2.1 PLC基本组成 (5)

1.2.2 PLC的特点 (6)

第二章 PLC机械手的介绍 (7)

2.1 PLC机械手的原理 (7)

2.1.1 PLC机械手的原理及流程图 (7)

2.2 电路中主要元器件的介绍 (8)

2.2.1 电磁继电器的原理及应用 (8)

2.2.2 电磁阀的工作原理及应用 (8)

2.2.3 接近开关工作原理及应用 (9)

第三章应用PLC设计机械手的步骤 (10)

3.1 输入输出点分配表 (10)

3.2 机械手的接线图 (11)

3.3 PLC机械手的程序设计 (13)

3.3.1 PLC机械手的梯形图语言 (13)

3.3.2 PLC机械手指令表语言 (14)

第四章 PLC机械手的程序调试 (17)

4.1 控制系统的程序调试步骤 (17)

4.2 调试过程中要注意的事项 (17)

结论 (18)

参考文献 (19)

前言

随着工业自动化的发展，机械手的出现大大减轻了工人的劳动强度，提高了劳动生产率，但传统的继电器控制的半自动化装置因设计复杂、接线繁杂、易受干扰，从而存在可靠性差、故障多、维修困难等问题，为解决以上问题，可以采用可编程序控制器械手控制系统机械手在专用及自动生产线上应用的十分广泛，主要用于搬动或卸零件的重复动作，以实现生产自动化.电磁阀控制气动阀的开关来控制机械手手爪的张合，从而实现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。

本设计中的机械手采用关节式结构。各动作由气压驱动，并由电磁阀控制。动作顺序及各动作时间的间隔采用按时间原则。该机械手的动作过程如下：当按下启动按钮时，机械手从原点开始前进，前进到底时，碰到前限位开关，前进停止。同时接通定时器，机械手开始上升工件，定时结束，上升完成。机械手左旋，左旋到顶时，碰到左限位开关，左旋停止。机械手夹紧，夹紧碰到夹紧限位开关时，夹紧停止。机械手下降，下降到底，碰到下限位开关时，下降停止。同时接通定时器，机械手放松工件，定时结束，工件已松开。机械手后退，后退到顶碰到后退限位开关时，后退停止。于是机械手动作的一个周期结束。

第一章 PLC的介绍

1.1 PLC概述

1.1.1 可编程控制器的产生和发展

传统的继电器--接触器控制系统，由继电器、接触器和各种开关按一定的逻辑关系用线连接而成。要改变控制逻辑，需要重新布线、连接，甚至要增减元器件，由于接线多，非常费时费力。因此只适用于工作模式固定、控制逻辑简单、大批量生产的制造设备和一些自动化程度较低的制造设备。20世纪30年代出现了电子管顺序逻辑控制器，解决了因继电器等开关触点通断延时太长而引起的不稳定问题；20世纪50年代半导体二极管、三极管逻辑控制电路取代了电子管控制器，解决了电子管热丝大功率耗能问题；20世纪60年代中小规模集成电路的出现大大减少了逻辑控制器连接点数量，降低了故障率。20世纪60年代末，随着大规模集成电路技术、计算机技术、自动控制理论的发展，以及汽车制造业日益激烈的竞争对生产线具有柔性的要求，美国通用汽车公司首先提出了将继电器—接触器控制的简单易懂、使用方便、价格低廉的优点，与计算机的功能完善、灵活性、通用性好的优点结合起来，将继电器—接触器控制的硬件连线逻辑转变为计算机的软件逻辑编程的设想。1969年美国数字设备公司（DEC）根据上述设想，研制开发出世界上第一台可编程逻辑控制器。20世纪80年代超大规模集成电路的出现，产生了CPU、单板计算机、单片计算机，可编程逻辑控制器具有了通用性、易用性和易学性，PLC得到进一步发展，不仅具有继电器的逻辑控制特性，也具有了连续控制的特性，PLC也因此更名为可编程控制器。1985年1月国际电工委员会（IEC）对可编程控制器定义如下：“可编程控制器是一种数字运算电子系统，专为工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在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的指令，并通过数字或模拟量的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统连成一个整体，易于扩充的原

则设计。”

1.2 PLC的主要功能

1.2.1 PLC基本组成

现场控制或检测元件输入给PLC各种控制信号，如限位开关、操作按钮、选择开关以及其他一些传感器输出的开关量或模拟量等，通过输入接口电路将这些信号转换成CPU能够接收和处理的信号。输出接口电路将CPU送出的弱电控制信号转换成现场需要的强电信号输出，以驱动电磁阀、接触器等被控设备的执行元件。

1)输入接口

输入接口用于接收和采集两种类型的输入信号，一类是由按钮、转换开关、行程开关、继电器触头等开关量输入信号；另一类是由电位器、测速发电机和各种变换器提供的连续变化的模拟量输入信号。

2)输出接口

输出接口电路向被控对象的各种执行元件输出控制信号。常用执行元件有接触器、电磁阀、调节阀(模拟量)、调速装置(模拟量)、指示灯、数字显示装置和报警装置等。输出接口电路一般由微电脑输出接口电路和功率放大电路组成，与输入接口电路类似，内部电路与输出接口电路之间采用光电耦合器进行抗干扰电隔离。微电脑输出接口电路一般由输出数据寄存器、选通电路和中断请求逻辑电路集成在芯片上，CPU通过数据总线将输出信号送到输出数据寄存器中，功率放大电路是为了适应工业控制要求，将微电脑的输出信号放大。

3)其它接口

若主机单元的I/O数量不够用，可通过I/O扩展接口电缆与I/O扩展单元(不带CPU)相接进行扩充。PLC还常配置连接各种外围设备的接口，可通过电缆实现串行通信、EPROM写入等功能。

4)编程器

编程器作用是将用户编写的程序下载至PLC的用户程序存储器，并利用编程器检查、修改和调试用户程序，监视用户程序的执行过程，显示PLC状态、内部器件及系统的参数等。编程器有简易编程器和图形编程器两种。简易编程器体积小，携带方便，但只能用语句形式进行联机编程，适合小型PLC的编程及现场调试。图形编程器既可用语句形式编程，又可用梯形图编程，同时还能进行脱机编程。目前PLC 制造厂家大都开发了计算机辅助PLC编程支持软件，当个人计算机安装了PLC编程支持软件后，可用作图形编程器，进行用户程序的编辑、修改，并通过个人计算机

和PLC之间的通信接口实现用户程序的双向传送、监控PLC运行状态等。

5)电源

PLC的电源将外部供给的交流电转换成供CPU、存储器等所需的直流电，是整个PLC的能源供给中心。PLC大都采用高质量的工作稳定性好、抗干扰能力强的开关稳压电源，许多PLC电源还可向外部提供直流24V稳压电源，用于向输入接口上的接入电气元件供电，从而简化外围配置。

1.2.2 PLC的特点

1)可靠性高,抗干扰能力强

由PLC的定义可知道，它是专门为工业环境下应用而设计的，因此在设计OLC 时从硬件和软件上都采取了抗干扰的措施，提高了其可靠性。

①硬件措施：屏蔽、滤波、隔离、采用模块式结构

②软件措施：故障检测、信息保护和恢复、设置了警戒时钟WDT、对程序进行检查和检验

2)通用性强，使用方便

用户在进行控制系统的设计时，不需要自己设计和制作硬件装置，只需根据控制要求进行模块的配置。对于一个控制系统，当控制要求改变时，只需修改程序，就能变更控制功能。

3)采用模块化结构，使系统组合灵活方便

PLC的各个部件，均采用模块化设计，各模块之间可由机架和电缆连接。系统的功能和模块可根据用户的实际需求自行组合，使系统的性能价格更容易趋于合理。

4)编程语言简单，易学，便于掌握

PLC的主要使用对象是广大的电气技术人员，所以为了便于工程技术人员方便学习和掌握PLC的编程，采用了与继电器接触器控制原理相似的梯形图语言，易学易懂。

5)系统设计周期短

由于系统硬件的设计任务仅仅是根据对象的控制要求配制适当的模块，而不要去设计具体的接口电路，这样大大缩短了整个设计所花费的时间，加快了整个工程的进度。

6)安装简单,调试方便,维护工作量小

PLC控制系统的安装接线比继电器接触器控制系统少的多，只需将现场的各种设备与PLC相应的I/O端相连。PLC软件设计和调试可在实验室进行，用模拟实验开关代替输入信号，其输出状态可以观察PLC上的发光二极管，也可以另接输出实验板。模拟调试好后，再将PLC控制系统安装到现场，进行连机调试，这样既省时间又很方便。由于PLC本身的可靠性高，又有完善的自诊断能力，一旦发生故障，可以根据报警信息，迅速查明原因。如果是PLC本身，则可用更换模块的方法排除鼓掌。这样提高了维护的工作效率，保证了生产的正常进行。

第二章 PLC机械手的介绍

2.1 PLC机械手的原理

2.1.1 PLC机械手的原理及流程图

1．机械手在原始位置时（右旋到位）动作，按下启动按钮，机械手臂开始上升，机械手放松，机械手开始前进。

2．机械手上升到上限位置，状态开关动作，上升动作结束，机械手开始左旋。

3．机械手左旋到左限位置，状态开关动作，左旋动作结束，机械手开始抓紧。

4．机械手抓紧到抓紧位置，状态开关动作，抓紧动作结束，机械手开始右旋。

5．机械手开始右旋，状态开关动作，抓紧动作结束，机械手开始下降。

6．机械手下升到下降位置，状态开关动作，下降动作结束，机械手开始后退。

7．机械手右旋到右限位置，状态开关动作，右旋动作结束，机械手开始下降。

8．机械手后退到后退位置，机械手开始放松，一个工作循环过程完毕。

9．机械手的工作方式为：单步。

机械手的动作顺序如下：机械手初始位置是后退、下降、逆时针旋转均到底部，机械手成放松状态。当按下启动按钮后，机械手开始前进，前进到底碰到限位开关，前进动作停止，机械手开始上升，上升到顶端，碰到限位开关，上升动作停止，机械手开始执行顺时针旋转动作，顺时针旋转到底，碰到限位开关，旋转动作停止，机械手开始执行夹紧动作，碰到限位开关，夹紧动作停止，机械手开始执行逆时针