【精品毕设】机械手毕业设计

第一章 PLC控制机械手的发展历程1.1 气动机械手简介近20年来，气动技术的应用领域迅速拓宽，尤其是在各种自动化生产线上得到广泛应用。

电气可编程控制技术与气动技术相结合，使整个系统自动化程度更高，控制方式更灵活，性能更加可靠；气动机械手、柔性自动生产线的迅速发展，对气动技术提出了更多更高的要求；微电子技术的引入，促进了电-气比例伺服技术的发展；现代控制理论的发展，使气动技术从开关控制进入闭环比例伺服控制，控制精度不断提高；由于气动脉宽调制技术具有结构简单、抗污染能力强和成本低廉等特点，国内外都在大力开发研究。

随着微电子技术、PLC技术、计算机技术、传感技术和现代控制技术的发展与应用，气动技术已成为实现现代传动与控制的关键技术之一。

PLC控制能更灵活地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，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。

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。

机械手为了抓取空间中任意位置和方位的物体，所需有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2～3个自由度。

1.2 气动技术的发展气动技术由风动技术及液压技术演变、发展而成为独立的技术门类不到50年，却已经充分显示出它在自动化领域中强大的生命力，成为二十世纪应用最广，发展最快，也最易被接受及重视的技术之一。

气动技术有几个主要的历史发展阶段。

至50年代初.大多数组件从液压组件改造或演变过来，体积很大。

60年代，开始构成工业控制系统，自成体系，不与风动技术相提并论。

在70年代，由于与电子技术的结合应用，在自动化控制领域得到广泛的推广。

80年代则是集成化、微型化的时代。

90年代末，气动技术突破了传统的死区，经历着飞跃性的发展。

气动方式作为一种新的自动化方式，与这几种传统的传动与控制方式相比，具有如下的优点：1.气动装置结构简单、轻便、安装维护简单。

压力等级低，故使用安全.2.工作介质是取之不尽、用之不竭的空气，空气本身不花钱。

排气处理简单，不污染环境，成本低。

3.输出力及工作速度的调节非常容易。

气缸动作速度一般为(( 50500) mm/s,比液压和电气方式的动作速度快。

4.可靠性高，使用寿命长。

电器元件的有效动作次数约为数百万次，而SMC的一般电磁阀的寿命大于3000万次，小型阀超过一亿次。

5.利用空气的可压缩性，可储存能量，实现集中供气。

可短时间释放能量，以获得间歇运动中的高速响应。

可实现缓冲，对冲击负载和过负载有较强的适应能力。

在一定条件下，可使气动装置有自保持能力。

6.全气动具有防火、防爆、耐潮的能力。

与液压方式相比，气动方式可在高温场合使用。

7.由于空气流动损失小，压缩空气可以集中供应，远距离输送。

为了适应自动化的发展形势，90年代国际气动行业，在不断提高气动元器件性能和降低生产成本的同时，致力于开发各类新型元器件。

气动领域发展的趋势表现在两个方面:即气动技术与机械技术的结合以及气动技术与电子技术的结合。

这些新型气动技术的出现，在很大程度上促进了气动技术在自动化领域的广泛应用。

1)气动技术与机械技术的结合气动、机械一体化的特点是将传统系统的多种单立组件和机构经过优化和专门化设计有机地集成为一体，成为系列的规范产品。

与此同时，采用模块化设计原理，使产品的尺寸规格覆盖面更为广阔，为用户带来更多的方便和经济效益。

2)气动技术与电子技术的结合近10年来电子技术的突飞猛进是最令人注目的，这为气动技术的进一步发展提供了必要的条件。

气电一体化的发展趋势和现实意义已为实践所证明.近10年来在气电一体化方面最为成功的产品可以说是以下三类：a)阀岛b)伺服定位系统c)比例控制组件正是气动技术的飞速发展，推动了气动自动化控制技术的广泛应用。

气动自动化控制技术是利用压缩空气作为传递动力或信号的工作介质，配合气动控制系统的主要气动组件，与机械、液压、电气、电子(包含PLC控制器)相结合。

1.3 PLC的发展概况和发展可编程控制器（PLC）的应用使电气控制技术发生了根本的变化。

PLC是以微处理器为基础，综合了计算机技术，半导体技术，自动控制技术，数字技术和网络通信技术发展起来的一种通用工业自动控制装置。

PLC以其可靠性高，灵活性强，使用方便的优越性，迅速占领了工业控制领域。

从运动控制到过程。

从单机自动化到生产线自动化，从工业机器人。

数控设备到柔性制造系统（FMS），从集中控制系统到大型集散控制系统，PLC均充当着重要角色，并展现出了强劲的态势。

PLC作为先进的，应用势头最强的工业控制器风靡全球。

PLC技术，CAD/CAM技术和工业机器人成为现代工业控制的三大支柱。

经过30多年的发展，PLC已形成了完整的工业控制器产品系列，其功能从初期的主要用于替代继电——接触器控制的简单功能，发展到目前的具有接近计算机的强有力的软硬件功能。

PLC用于包括逻辑运算，数值运算，数据传送，过程控制，位置控制，高速计数，中断控制，人机对话，网络通信等功能的控制领域。

PLC源于替代继电——接触器控制，它与传统的电器控制技术有着密不可分的联系。

（一）第一阶段从1969年第一台PLC问世到1972年，是PLC的初创阶段。

（二）第二阶段从1973年到1978年，是PLC的成熟阶段。

（三）第三阶段从1978年到1984年，是PLC的大发展阶段。

（四）第四阶段从1984年至今，是PLC的继续发展阶段。

虽然PLC只有30年的历史，但其发展势头迅猛，目前PLC的年生产增长率仍保持在30%到40%的水平。

成为当今增长速度最快的工业控制器，而且还将要继续发展下去。

PLC将向两个方向发展：一方面向着大型化的方向发展，另一方面向着小型化方向发展，以适应不同场合和不同要求的控制需要。

运用PLC控制的机械手具有操作简单，安全，与通用计算机可直或通过通信处理单元、通信转换单元相连构成网络，以实现信息的交换，并购成“集中管理、分散控制”的多级分布式控制系统，是机械化向自动化系统发展的需要。

第二章总体方案设计2.1 方案的提出该机械手可用于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，本设计主要是热处理淬火加工的物料搬运机械手，有自动和手动操作两种模式。

自动模式下，PLC控制机械手上的各汽缸按程序预定的轨迹运动；手动模式下，由操作员在操作面板上采用按钮对系统进行控制，按钮控制各汽缸的启停动作及相关行程阀的方向切换。

其控制逻辑是以程序的方式存放在存储器中的，要改变控制逻辑只需改变程序，因而很容易改变或增加系统功能。

系统连线少、体积小、功耗小。

同时还具有操作方便，工作可靠，安全，维护简单，节省成本，提高劳动生产率等特性。

2.2 系统总体设计将工件由A处传送到B处，上升/下降和左移/右移的执行用双线圈二位电磁阀推动汽缸完成。

当某个电磁阀线圈通电，就一直保持现有的机械动作，一旦下降的电磁阀线圈通电，机械手下降，即使线圈再断电，仍保持现有的下降动作状态，直到相反方向的线圈通电为止。

线圈，夹紧/放松由单线圈二位电磁阀推动汽缸完成，线圈通电执行夹紧动作，线圈断电时执行放松动作。

设备装有上、下限和左、右限位开关，线圈的通断由PLC来控制。

（机械手的动作过程图如下图）下放上升右上夹紧下降（动作过程图）第三章PLC控制机械手系统设计（硬件）3.1 机械手传递动作流程分析下图是气动机械手动作示意图，其功能是将工件从A处移送到B处。

气动机械手的升降和左右移行分别使用双线圈的电磁阀，在某方向的驱动线圈失电时能保持在原位，必须驱动反方向的线圈才能反向运动。

上升、下降对应的电磁阀线圈分别是YV3、YV1，右行、左行对应的电磁阀线圈分别是YV4、YV5，机械手的夹钳使用单线圈电磁阀YV2，线圈通电时夹紧工件，断电时松开工件。

通过设置限位开关，分别对机械手的下降、上升、右行、左行进行限位，而夹钳不带限位开关，它是通过延时1S来表示夹紧、松开动作的完成。

3.2 各电气设备的控制方式及控制要求机械手电气控制系统，除了有多工步特点之外，还要求有手动控制、回原位和自动控制等工作方式。

工作方式的选择可以很方便地在操作面板上表示出来（操作面板如下图）。

当旋钮打向手动时，每一工步都要按下该工步按钮才能实现；当旋钮打向“回原位”时，系统会自动地回到左上角位置待命。

自动工作方式时，机械手在原位，只要按下启动按钮，机械手就会连续循环动作，直到按下停止按钮，机械手才会最后运行到原位并停止；而在传送工件的过程中，机械手必须升到最高位置才能左右移动，以防止机械手在较低位置运行时碰到其它工件。

图1 机械手传送示意及操作面板图3.3 电器元件、硬件的选择机械手的硬件结构通常机械手的结构由以下几部分组成:( 1) 执行机构。

执行机构是由杆件与关节组成, 从功能上可分为手部、腕部、臂部、腰部与基座。

( 2) 驱动—传动装置。

驱动—传动装置包括驱动器和传动机构两部份, 它们通常与执行机构连成一体。

驱动装置通常采用的是电动机、液压作为驱动元件; 传动机构采用的是同步带轮传动, 而PLC控制的气动机械手主要采用汽缸作为传动机构，它是由PLC控制的电磁阀控制汽缸的伸缩动作，从而实现夹紧，上升，下降，放松等相应动作。

( 3) 控制系统。

在本次设计中采用FX2N-48MR型PLC进行控制, 并在PLC 上连接位置控制模块, 通过位置控制模块对汽缸动作进行控制。

(4)PLC的硬件组成PLC主要由电源、中央处理器、存储器、输入\输出接口及外围设备接口等组成。

其中，CPU是PLC的核心，输入单元与输出单元是连接现场输入\输出设备与CPU之间的接口电路，通信接口用于与编程器、上位机算计等外设连接。

3.4 PLC所需各类继电器与元件的I\O点数表3.5. PLC 型号的选择此次研究的机械手驱动装置为汽缸, 汽缸主要由PLC 与位置控制（行程开关）模块来控制, 机械手的运动是由3个汽缸协调运作而完成的, PLC 控制3个汽缸的运动, 位置控制模拟汽缸动作行程，是保护装置。

因此在选用PLC 的型号时，就应在满足机械手的硬件要求下选择。

在本次设计中选用PLC，通过采用RS- 232 通信端口使用串行通信传输数据来控制汽缸的动作。

设计选择PLC 型号为三菱公司的FX2N-48MR型。

FX2N-48MR型PLC 输入/ 输出点数为 24点, 体积小, 容量大, 基本性能好，CPU处理速度达到了0.065us/基本指令内置了高达64K步的大容量RAM存储器。