机电传动与控制》课程综合训练项目报告-基于PLC控制机床搬运机械手的设计.doc

1、 辽宁工程技术大学机电传动与控制课程综合训练项目报告综合训练项目 基于 PLC 控制机床搬运机械手的设计 指 导 教 师 李建刚 院（系、部） 机械学院 专 业 班 级 机电 14-4 组 别 第六组 学 号 1407060430 姓 名 张旭东 日 期 2016.11 一、综合训练项目任务书综合训练项目 基于 PLC 控制机床搬运机械手的设计目的和要求：加强对 PLC 控制线路的多机拖动系统的理解；应用 PLC 控制的基本理论和方法；提高分析和解决实际工程问题的能力。促成“富于探索精神，具有较强的自学能力、开拓创新意识和敏锐的观察事物以及分析处理事物的能力”的目标实现。成果形式：基于 PLC

2、 控制机床搬运机械手设计说明书主回路和控制回路的图纸液压回路的设计图相关参数：搬运机械手基本参数如下：工件质量 零件尺寸最大移动速度 最小移动速度 最大回转速度平均移动速度平均回转速度伸缩行程 最大工作半径 升降行程 详细设计要求（1）机床搬运机械手是友异步电动机驱动，由 A、B 两个液压缸控制机械手的夹紧和提升，由小车实现机械手的移动，小车由两个电动机驱动一台高速，一台低速。 （2）工作过程：当工件从传送带传送到机械手下方时，工件碰压行程开关SQ1，B 缸活塞缸伸出带动机械手下降，下降到终点时碰压行程开关 SQ3，与机械手相连的 A 缸活塞杆收进，机械手将工件夹紧。当工件加紧到位后行程开关

3、SQ5 工作，B缸活塞杆收进，机械手带动工件上升，当工件上升到最高位置时，碰到行程开关SQ4，启动小车慢速右行。当小车碰到行程开关 SQ7 时，快速移动。接近终点时，碰到行程开关 SQ8，小车慢速 行走。行至右边碰到行程开关 SQ9，小车停止行走。（3）小车停止后五秒后，B 缸活塞杆再次外伸机械手下降至终点，A 缸活塞杆外伸带动机械手放下工件，然后机械手上升，小车以慢-快-慢形式慢慢返回，最终回到原点位置。（4）电动机具有短路保护、长期过载保护，自锁和互锁保护；（5）能熟练运用绘图软件绘制机床搬运机械手控制主回路图、控制回路图和自动往返工序流程图。机械手结构示意图二、指导教师评阅意见指导教师签

4、字：3、综合训练项目设计内容（需另加附页）1. 机床搬运机械手简介：机械手：mechanicalhand，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。 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

5、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 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。 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

6、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。，在工业生产中，专用机床是工件大批量生产的有效工具，数控机床、加工中心等是工件多品种小批量生产的重要装备。但除切削加工等工艺外，还有大量的装卸、搬运、装配等作业，有待于进一步实现自动化。若将 PLC 控制运用于工业机械手，实现了机床之间高温、笨重等工件的搬运，使高温、笨重等工件的搬运过程自动化，则可代替人手做繁重劳动，减轻工人的劳动强度，改善劳动条件。为作业的自动化，提高劳动生产率，保障工人人身安全奠定了基础

7、。2.机床搬运机械手研究现状在现代工业中，生产过程的机械化、自动化已成为突出的主题。在机械工业中，加工、 装配等生产是不连续的。专用机床是大批量生产自动化的有效办法，程控机床、数控机床、 加工中心等自动化机械是有效解决多品种小批量生产自动化的重要办法。 但除切削加工本身外，还有大量的装卸、搬运、装配等作业，有待于进一步实现机械化。据资料介绍，美国生产的全部工业零件中，有 75是小批量生产；金属加工生产批量中有四 分之三在 50 件以下，零件真正在机床上加工的时间仅占零件生产时间的5。从这里可看出， 装卸、搬运等工序机械化的迫切性，工业机械手就是为实现这些工序的自动化而产生的。机械手可在空间抓放

8、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。3机床搬运机械手的应用意义在机械工业中，机械手的应用意义可以概括如下： 1.可以提高生产过程的自动化程度 应用机械手，有利于提高材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自 动化程度，从而可以提高劳动生产率，降低生产成本，加快实现工业生产机械化和自动化的 步伐。 2.可以改善劳动条件、避免人身事故在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、 有放射性或有其它毒性污染以及工作空间狭窄等场合中，用人手直接操作是有危险或根本不 可能的。而应用机械手即可部分或全部代替人安全地完成作业，大大地改善了工人的

9、劳动条 件。在一些动作简单但又重复作业的操作中，以机械手代替人手进行工作，可以避免由于操 作疲劳或疏忽而造成的人身事故。 3.可以减少人力，便于有节奏地生产 应用机械手代替人手进行工作，这是直接减少人力的一个侧面，同时由于应用机械手可 以连续地工作，这是减少人力的另一个侧面。因此，在自动化机床和综合加工自动生产线上， 目前几乎都设有机械手，以减少人力和更准确地控制生产的节拍，便于有节奏地进行生产。 综上所述，有效地应用机械手是发展机械工业的必然趋势。机床搬运手的发展现状及趋势目前，国内外各种机械手和机械手的研究成为科研的热点，其研究的现状和大体趋势如下： 一机械结构向模块化、可重构化发展。 二

10、工业机械手控制系统向基于 PC 机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化；器件集成度提高，结构小巧，且采用模块化结构；大大提高了系统的可靠性、易操作性，而且维修方便。 三机械手中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，还引进了视觉、听觉、接触觉传感器，使其向智能化方向发展。 四关节式、侧喷式、顶喷式、龙门式喷涂机械手产品标准化、通用化、模块化、系列化设计；柔性仿形喷涂机械手开发，柔性仿形复合机构开发，仿形伺服轴轨迹规划研究，控制系统开发； 五焊接、搬运、装配、切割等作业的工业机械手产品的标准化、通用化、模块化、系列化研究；以及离线示教编程和系统动态仿真。 总的来说，

11、大体是两个方向：其一是机械手的智能化，多传感器、多控制器，先进的控制算法，复杂的机电控制系统；其二是与生产加工相联系，性价比高，在满足工作要求的基础上，追求系统的经济、简洁、可靠，大量采用工业控制器，市场化、模块化的元件。5.设计要求（1）机械手手爪是根据机械手作业要求来设计的。既根据其应用场合设计手爪，在满足作业要求的前提下，机械手手爪还要求体积小、重量轻、结构紧凑。（2）机械手手爪的万能性与专用性是矛盾的。万能手爪在结构上很复杂，甚至很难 实现，从工业实际应用出发，应着重开发各种专用的、高效率的机械手 手爪，加之以快速更换装置，以实现机械手的多种作业功能，而不主张用一个万能的手 爪去完成多

12、种作业，以考虑设计的经济效益。（3）机械手手爪的通用性。通用性是指有限的手爪，可适用于不同的机械手，这 就要求末端执行器要有标准的机械接口（如法兰），使末端执行器实现标准化。（4）机械手手爪要便于安装和维修，易于实现计算机控制。6.机床搬运机械手电气控制设计机床搬运机械手控制电路主要是基于 PLC 控制的，由继电器控制电路参与控制，这里只说明继电器电路控制。该电路包含主电路和控制电路，主电路由两台电动机，慢速电动机 M1 和快速电动机 M2，分别拖动小车慢速和快速行走。其控制过程为：慢速电动机 M1 由接触器 KM1 和 KM2 控制其正转和反转，快速电动机 M2 由 KM3 和 KM4 控制

13、正转和反转。机械手的夹紧和放松是由两位四通电磁阀控制的液压缸来完成。当工件从传送带传送到机械手下方时，工件碰压行程开关 SQ1，B 缸活塞缸伸出带动机械手下降，下降到终点时碰压行程开关 SQ3，与机械手相连的 A 缸活塞杆收进，机械手将工件夹紧。当工件加紧到位后行程开关 SQ5 工作，B 缸活塞杆收进，机械手带动工件上升，当工件上升到最高位置时，碰到行程开关 SQ4，启动小车慢速右行。当小车碰到行程开关 SQ7 时，快速移动。接近终点时，碰到行程开关 SQ8，小车慢速 行走。行至右边碰到行程开关 SQ9，小车停止行走。小车停止后五秒后，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

14、机械手放下工件，然后机械手上升，小车以慢-快-慢形式慢慢返回，最终回到原点位置。参看下图：图中九个行程开关 SQ1-SQ9 主要检测小车，工件以及机械手的位置和机械手的夹紧放松状态。SQ1 和 SQ2 检测工件SQ3 和 SQ4 检测小车位置SQ5 和 SQ6 检测机械手夹紧放松SQ7 和 SQ8 转换小车速度为小车停止开关机床搬运机械手液压回路的设计 机械手动作顺序: 从原位开始右转升降臂下降伸缩臂伸出夹持器夹紧升降臂上升左转升降臂下降夹持器松开伸缩臂缩回升降臂上升，到原位。若为单循环模式下运行，则原位等待，若为连续循环模式，则进入下一个周期。上述动作均由行程开关或压力继电器发讯号控制相应的

15、电磁换向阀，按程序依次顺序动作而实现。机械手的动作周期机床搬运机械手控制方案设计本设计主要是对机械手进行有序的控制，提高搬运工作的准确性、安全性。 主要由 PLC 来进行控制，通过步进电机，直流减速电机，电磁阀来控制搬运机 械手的运动。由于 PLC 的抗干扰能力强，所以能在恶劣的工作环境中，可靠地完成控制任务， 为了使设备便于安装、调试，以及从经济角度考虑，设计出如下图所示的机械手控 制系统的功能框图。 机械手完成以上工艺主要是通过机械控制来实现的，即利用 PLC 控制电动机的转 动、步进电机的运行和电磁阀的通断，电动机的转动来驱动机械手臂和夹手的旋转和 回转，步进电机控制机械手的上升、下降、伸出和回缩，电磁阀驱机械手爪的夹紧和放松。 机械手控制系统的功能框图机床搬运机械手选型. 电动机选型步进电机最大特点是它接受数字控制信号(电脉冲信号)，并转换成与之相对应的 角位移或直线位移。它本身就是一个完成数字/模拟转换的执行组件。而且它可开环 位置控制，输入一个脉冲信号就得到一个规定的位置增量，这样的所谓增量位置控制 系统与传统的直流伺服系统相比，其成本明显降低，几乎不必进行系统调整。步进电 机在精密小型电动机中是一种应用最为广泛的机种。本次用到的步进电机为 2S42Q-02940。