1、湘潭医卫职业技术学院 1 湘潭医卫职业技术学院 毕 业 设 计 班 级： 姓 名： 指导教师： 年 月 日 湘潭医卫职业技术学院 2 毕 业 设 计 项目说明书 设计题目： 气动搬运机械手 专 业： 机 电 一 体 化 班 级： 学 号： 设 计 者： 指导教师： 完成时间： 湘潭医卫职业技术学院 3 目 录 第一章 绪 论 .4 1.1 气动机械手的研发背景及意义 .4 1.2 气动机械手的关键性技术 .4 1.2.1 气动技术 .4 1.2.2 系统软件平台开发技术 .4 1.3 气动机械手的发展趋势 .5 1.4 国内外机械手研究概况 .5 第二章 总体设计方案 .7 2.1 机械手机械
2、部分设计 .7 2.2 控制部分设计 .7 2.21 具体工作要求 .7 2.22 驱动和控制系统 .8 2.23 机械手总体设计简图 .8 2.24 气压缸控制原理图 .8 第三章 系统硬件电路的设计 .9 3.1 PLC 的简介 .9 3.1.1 可编程控制器的概念 .9 3.1.2 PLC 的应用领域 .9 3.1.3 PLC 的系统组成 . 10 3.1.4 PLC 的工作原理 . 12 3.2 PLC 的选型 . 14 3.2.1 输入 /输出信号 . 14 3.2.2 PLC 的选型 . 17 3.3 PLC 电路设计分配 . 19 3.3.1 I/O 地址分配 . 19 3.4
3、电机、电磁阀电路 . 21 3.4.1 异步电机主 -控电路 . 21 3.4.2 步进电机伺服驱动电路 . 21 3.4 电磁阀电气连接 (DOPOW-4HV 型 /三位四通电磁阀 /供电电压 ) . 22 3.5 机械手的基本操作与电磁阀动作表 . 23 3.6 压力传感器的选型 . 25 3.6.1FX2N-4AD 特殊功能模块 . 25 3.6.2 压力传感器 . 26 3.7 操作面板 . 28 第四章 总结 . 29 参考文献 . 31 湘潭医卫职业技术学院 4 第一章 绪 论 1.1 气动机械手的研发背景 及意义 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
4、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。 从各国的行业统计资料来看，近 30 多年来，气 动行业发展很快。 20 世纪 70 年代，液压与气动元件的产值比约为 9:1，而 30 多年后的今天，在工业技术发达的欧美、日本国家，该比例已达到 6:4
5、，甚至接近 5:5。我国的气动行业起步较晚，但发展较快。从 20世纪 80 年代中期开始 ,气动元件产值的年递增率达 20以上，高于中国机械工业产值平均年递增率。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。 气动机械手是集机械、电气、气动和控制于一体的典型机电一体化产品。近年来，机械手在自动化领域中，特 别是在有毒、放射、易燃、易爆等恶劣环境内，与电动和液压驱动的机械手相比，显示出独特的优越性，得到了越来越广泛的应用。 1.2 气动机械手的关键性技术 1.2.1气动技术 气动技术，全称气压传动与控制技术，是生产
6、过程自动化和机械化的最有效手段之一，具有高速高效、清洁安全、低成本、易维护等优点，被广泛应用于轻工机械领域中，在食品包装及生产过程中也正在发挥越来越重要的作用。 1.2.2系统软件平台开发技术 软件开发是根据用户要求建造出软件系统者系统中的软件部分的过程。软件开发是一项包括需求捕捉、需求分析、设计、实现 和测试的系统工程。软件一般是用某种程序设计语言来实现的。通常采用软件开发工具可以进行开发。软件分为系统软件和应用软件，并湘潭医卫职业技术学院 5 不只是包括可以在计算机上运行的程序，与这些程序相关的文件一般也被认为是软件的一部分。 软件设计思路和方法的一般过程，包括设计软件的功能和实现的算法和
7、方法、软件的总体结构设计和模块设计、编程和调试、程序联调和测试以及编写、提交程序。 1.3 气动机械手的发展趋势 尽管世界工业经济发展放缓，使得气动机械手的发展受到一定的影响，然而，作为新兴科学技术的产物，气动机械手的发展势不可挡。目前，气动机 械手的发展呈现出了以下趋势： 1、与电子技术结合，大量使用传感器，气动元件智能化 2、体积更小，重量更轻，功耗更低 3、执行元件定位精度提高，活塞杆不回转，使用方便 4、更高的安全性和使用性 5、向高速、高频、高响应、高寿命方向发展 6、各种异形截面缸筒和活塞杆的气缸更多 7、普遍使用无油润滑技术，满足某些特殊要求 1.4 国内外机械手研究概况 机械手
8、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，具
9、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（不仅可以进行事先设定的动作，还可按照工作状况相应地进行动作，如回避障碍物的移动，作业顺序的规划，有效的动态学习等）。机械手的应用领域正在向非制造业和服务业方向扩湘潭医卫职业技术学院 6 展，并且蓬勃发展的军用机械手也将越来越多地装备部队。 国外方面：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
10、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真、预演发展到用于过程控制。 国内方面：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、管道、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
11、自主发展中国机械手技术的基础。 湘潭医卫职业技术学院 7 第二章 总体设计方案 2.1 机械手机械部分设计 机械手工作范围： (1) 竖直移动行程： 200mm (2) 横直移动行程： 400mm (3) 抓重： 2Kg (4) 自由度数： 2 (5) 坐标型式：直角坐标 2.2 控制部分设计 本系统采用闭环控制，如图 1.1 图 1.1 系统闭环控制流程框图 2.21 具体工作要求 (1) 通过机械手实现物品的搬运、传输等功能； (2) 功能上采用自动（连续）、手动、单步设计，由启动、停止、急停按钮、状态转换开关来控制。要求分清停止和急停的功能，停止时机械手执行完此次任务后回到复位状态而停止
12、；急停时机械手无条件的立即停止，但是注意如果机械手爪上如有物体应注意抓紧防止手爪松动而使物体落下； (3) 要求指示灯进行功能指示，如：伸出、缩回、上升、下降 。 湘潭医卫职业技术学院 8 2.22 驱动和控制系统 (1) 该机械手驱动装置采用 PLC 控制，由 PLC 控制电磁阀来控制机械手升降、伸缩、夹松等动作； (2)选取压力传感器来实现抓取力的检测，选用行程限位开关连实现机械手的 位置检测 。 2.23 机械手总体设计简图 图 1.2 机械手结构简图 2.24 气压缸控制原理图 图 1.3 气缸控制原理图 湘潭医卫职业技术学院 9 第三章 系统硬件电路的设计 3.1 PLC 的简介 3
13、.1.1 可编程控制器的概念 可编程控制器 (Programmable Logical Controller)简称 PLC。国际电工委员会（ IEC）在1985 年的 PLC 标准草案第 3 稿中，对 PLC 作了如下定义：“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在其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。并通过数字式、模拟式的输入和输出，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，都应按易于使工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。” 现代工业生产过程是复杂多样的，它们对控制的要求
14、也各不相同。 PLC 一经出现就受到了广大工程技术人员的欢迎。 PLC 具有如下特点： 1、编程方法简单易学。 2、功能强，性能价格比高。 3、硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强。 4、可靠性高，抗干扰能力强。 5、系统的设计、安装、调试工作量少。 6、维修工作量小 ，维修方便。 7、体积小，能耗低。 3.1.2 PLC 的应用领域 PLC 的初期由于其价格高于继电器控制装置，使得其应用受到限制。但最近十年来，PLC 的应用面越来越广，其主要原因是：一方面由于处理器芯片及有关元件的价格大大下降，使得 PLC 的成本下降；另一方面 PLC 的功能大大增加，能解决复杂的计算和通信问题。目前 PL
15、C 在国内外已广泛应用于钢铁、采矿、石油、化工、电力、机械制造、汽车、装卸、纺织、环保和娱乐等行业。 PLC 的应用范围通常分成以下 5 种类型： 1、顺序控制 这是 PLC 应用最广泛的领域，也是最适合 PLC 使 用的领域，它用来取代传统的继电器顺序控制。 PLC 应用于单机控制、多机控制、生产自动线控制等。例如：注塑机械、印刷机械、订书机械、包装机械、切纸机械、组合机床、磨床、装配生产线、电镀流水线湘潭医卫职业技术学院 10 及电梯控制。 2、运动控制 PLC 制造商目前已提供了拖动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块，在多数情况下， PLC 把描述目标位置的数据送给模块，其输出移
16、动一轴或数轴到目标位置，每个轴移动时，位置控制模块保持适当的速度和加速度，保持运动平滑。 相对来说，位置控制模块比 CNC 装置体积更小，价格更低，速度更快，操作更方便， 3、过程控制 PLC 还能控制大量的过程参数，例如：温度、流量、压力、液位和速度等。 PID 模块提供了使 PLC 具有了闭环控制的功能，即一个具有 PID控制能力的 PLC 可用于过程控制。当过程控制中某个变量出现偏差时， PID 控制算法会计算出正确的输出，把变量保持在设定值上。 4、数据控制 在机械加工中， PLC 作为主要的控制和管理系统用于 CNC 和 NC 系统中，可以完成大量的数据控制。 5、通信控制 PLC
17、的通信包括主机与远程 I/O 的通信、多台 PLC 之间的通信、 PLC 和其他智能控制设备（如计算机、变频器、数控装置）之间的通 信。 PLC 与其他智能控制设备一起，可以组成“集中管理、分散控制”的分布式控制系统。 3.1.3 PLC 的系统组成 PLC 种类繁多，但其组成和工作原理基本相同。用 PLC 实施控制，其实质是按一定算法进行输入 /输出变换，并将这个变换给以物理实现，应用于工业现场。 PLC 专为工业现场应用而设计，采用了典型的计算机结构，它主要是由 CPU、电源、存储器和专门设计的输入 /输出接口电路等组成。 PLC 的结构框图如图 1.6 所示。 1、中央处理单元（ CPU） 中央处理单元（ CPU）一般由控制器、运算器和寄存器组成，这些电路都集成在 一个芯片内。 CPU 通过数据总线、地址总线和控制总线与存储单元、输入 /输出接口电路连接。 2、存储器 PLC 的存储器包括系统存储器和用户存储器两部分。 系统存储器包括用来存放由 PLC 生产厂家编写的系统程序，并固化在 ROM 内，用户不能直接更改。它使 PLC 具有基本的功能，能够完成 PLC 设计者规定的各项工作。系
