1、湘潭医卫职业技术学院毕业设计说明书第 1 页 共 32 页湘潭医卫职业技术学院毕业设计班 级： 机电 姓 名： 指导教师： 湘潭医卫职业技术学院毕业设计说明书第 2 页 共 32 页毕 业 设 计项目说明书设计题目： 基于 PLC 控制的拧螺丝机械手专 业： 机电一体化 班 级： 学 号： 设 计 者： 指导教师： 完成时间： 基于PLC控制的气动拧螺丝机械手湘潭医卫职业技术学院毕业设计说明书第 3 页 共 32 页摘 要随着美欧日等发达国家进入人口老龄化，婴儿潮开始退休了，高自动化的制造业，让老人发挥余热，用不需要太多的体力就可以应付大量的制造活动，从而把大量年青人从技术含量低从繁重的体力劳
2、动中退出来，转移到大量创造性、智能密集型高端链中活动。工业自动化的普及和发展，控制器的需求量逐年增大，搬运机械手的应用也逐渐普及，主要在汽车，电子，机械加工、食品、医药等领域的生产流水线或货物装卸调运, 可以更好地节约能源和提高运输设备或产品的效率，以降低其他搬运方式的限制和不足，满足现代经济发展的要求。本机械手的机械结构主要包括由两个电磁阀控制的液压缸来实现机械手的上升下降运动及安装工件的动作，其动作转换靠设置在各个不同部位的行程开关(SQ1-SQ9)产生的通断信号传输到 PLC 控制器，通过 PLC 内部程序输出不同的信号，从而驱动外部线圈来控制电动机或电磁阀产生不同的动作，可实现机械手的
3、精确定位；其动作过程包括：下降、安装、上升、前进、延时、下降、上升、慢退；其操作方式包括：回原位、手动、单步、单周期、连续；来满足生产中的各种操作要求。 【关键词】搬运机械手，可编程控制器（PLC），液压，电磁阀 ABSTRACTAs the us and Europe, and other developed countries into the population aging, the baby boomers start to retire, highly automated manufacturing, let the old man his retirement, dont nee
4、d too much physical can cope with a large number of manufacturing activities, to a large number of young people from the low technology content back from the heavy manual labor, transferred to a large number of creative, intelligent intensive activities of high-end chain. Popularization and developm
5、ent of industrial automation, the controllers demand is increasing year by year, the application of carrying manipulator is gradually popular, mainly in the automotive, electronic, mechanical processing, food, medicine and other production line or in the field of cargo transportation, can be better
6、to save energy and improve the efficiency of transportation equipment or products, in order to reduce the limitation and deficiency of other ways of transportation, to meet the requirements of the modern economic development. The mechanical structure of the manipulator is mainly include the two sole
7、noid valve control hydraulic cylinder to achieve the up and down movement of the manipulator and installation of the workpiece movement, its motion transformation by setting in various parts of the travel switch (SQ1 - SQ9) produced by on-off signals transmitted to the PLC controller, 湘潭医卫职业技术学院毕业设计
8、说明书第 4 页 共 32 页through the PLC program output within different signals, thus driving the external loop to control the motor or solenoid valve produce different movements, which can realize accurate positioning of the manipulator; Its action process includes: down, installation, up, forward, slow, de
9、lay, down, up and back; Its operating mode including: back in situ, manual, single step, single cycle, continuous; To meet the requirements for the various operations in the production. 【 key words 】 carrying manipulator, programmable controller (PLC), hydraulic pressure, electromagnetic valve 湘潭医卫职
10、业技术学院毕业设计说明书第 5 页 共 32 页目 录前 言 _5第一章 机械手的介绍及应用 _71.1 气动机械手概述 _71.2 机械手的组成和分类 _71.2.1 机械手的组成 _71.2.2 机械手的分类 _91.3 机械手的应用意义 _11第二章 气控机械手传动回路的设计 _142.1 机械手结构 _142.2 气缸的设计 _152.2.1 气缸的种类 _152.2.2 气缸的选择 _152.3 气压换向阀的选择 _162.3.1 换向阀发分类 _162.3.2 换向阀的选择 _162.4 机械手传动系统设计 _172.5 气动回路图原理图 _17第三章 机械手的 PLC 控制设计
11、_193.1 可编程序控制器的选择及工作过程 _193.1.1 可编程序控制器的选择 _193.1.2 可编程序控制器的工作过程 _193.2 PLC 的特点 _203.3 PLC 选型 _203.4 PLC 的 I/O 资源配置 _213.4.1 PLC 输入和输出部分 _213.5 PLC 机械手的原理及流程图 _213.6 机械手的接线图 _223.7 机械手可编程序控制器控制方案 _223.9 安装调试方面的问题 _27设计小结 _29致谢 _30参考文献 _31湘潭医卫职业技术学院毕业设计说明书第 6 页 共 32 页前 言机械手：mechanical hand，也被称为自动手，au
12、to 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。手部是用来安装工件（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
13、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 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 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
14、的生产能力，改善热、累等劳动条件。 湘潭医卫职业技术学院毕业设计说明书第 7 页 共 32 页第 1 章机械手的介绍及应用1.1 气动机械手概述气动机械手由操作机(机械本体)、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种操作，自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化设备。特别适合于多品种、变批量的柔性生产。它对稳定、提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，是当代研究十分活跃，应用日益广泛的领域。机器人应用情况，是一个国家工业自动化
15、水平的重要标志。机器人并不是在简单意义上代替人工的劳动，而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置，既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力，从某种意义上说它也是机器的进化过程产物，它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设各，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备机械手是模仿着人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。在工业生产中应用的机械手被称为“工业机械手”。生产中应用机械手可以提高生产的自动化水平和劳动生产率可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全生产尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、
16、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境中，它代替人进行正常工作，意义更为重大。工业机械手的特点，是可通过编程来完成各种预期的作业，在构造和性能上有人和机器各自的优点，有广阔的发展前景。PLC 控制具有系单、可靠，控制灵活等特点。因此，PLC 控制的机械手得到广泛的应用由于通用机械手能很快的改变工作程序，适应性较强，所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的引用。 11.2 机械手的组成和分类1.2.1 机械手的组成机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等所组成。各系统相互之间的关系如方框图 1-1 所示。湘潭医卫职业技术学院毕业设计说明书第 8 页 共 32 页图 1-1
17、 机械手组成方框图(一)执行机构包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的还增设行走机构。1、手部即与物件接触的部件。由于与物件接触的形式不同，可分为夹持式和吸附式手在本课题中我们采用夹持式手部结构。夹持式手部由手指(或手爪)和传力机构所构成。手指是与物件直接接触的构件，常用的手指运动形式有回转型和平移型。回转型手指结构简单，制造容易，故应用较广泛。平移型应用较少，其原因是结构比较复杂，但平移型手指夹持圆形零件时，工件直径变化不影响其轴心的位置，因此适宜夹持直径变化范围大的工件。手指结构取决于被抓取物件的表面形状、被抓部位(是外廓或是内孔)和物件的重量及尺寸。常用的指形有平面的、V 形面的和曲面的
18、:手指有外夹式和内撑式;指数有双指式、多指式和双手双指式等。而传力机构则通过手指产生夹紧力来完成夹放物件的任务。传力机构型式较多时常用的有滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜面杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母弹簧式和重力式等。2、手腕是连接手部和手臂的部件，并可用来调整被抓取物件的方位(即姿势）3、手臂手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是带动手指 去抓取物件，并按预定要求将其搬运到指定的位置工业机械手的手臂通常由驱动手臂运动的部件(如油缸、气缸、齿轮齿条机构、连杆机构、螺旋机构和凸轮机构等)与驱动源(如液压、气压或电机等)相配合，以实现手臂的各种运动。4、立柱执行系统位置检测系统控制系统
19、驱动系统图 1-1 机械手的组成湘潭医卫职业技术学院毕业设计说明书第 9 页 共 32 页立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回转运动和升降(或俯仰)运动均与立柱有密切的联系。机械手的立柱因工作需要，有时也可作横向移动，即称为可移式立柱。5、行走机构当工业机械手需要完成较远距离的操作，或扩大使用范围时，可在机座 上安滚轮式行走机构可分装滚轮、轨道等行走机构，以实现工业机械手的整机运动。滚轮式布为有轨的和无轨的两种。驱动滚轮运动则应另外增设机械传动装置。6、机座机座是机械手的基础部分，机械手执行机构的各部件和驱动系统均安装 于机座上，故起支撑和连接的作用。(二)驱动系统驱动系统
20、是驱动工业机械手执行机构运动的动力装置调节装置和辅助 装置组成。常用的驱动系统有液压传动、气压传动、机械传动。控制系统是支配着工业机械手按规定的要求运动的系统。目前工业机械手的控制系统一般由程序控制系统和电气定位(或机械挡块定位)系统组成。控制系统有电气控制和射流控制两种，它支配着机械手按规定的程序运动，并记忆人们给予机械手的指令信息(如动作顺序、运动轨迹、运动速度及时间)，同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令，必要时可对机械手的动作进行监视，当动作有错误或发生故障时即发出报警信号。(三)控制系统控制系统是支配着工业机械手按规定的要求运动的系统。目前工业机械手的控制系统一般由程序控制系统和
21、电气定位(或机械挡块定位)系统组成。控制系统有电气控制和射流控制两种，它支配着机械手按规定的程序运动，并记忆人们给予机械手的指令信息(如动作顺序、运动轨迹、运动速度及时间)，同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令，必要时可对机械手的动作进行监视，当动作有错误或发生故障时即发出报警信号。(四)位置检测装置控制机械手执行机构的运动位置，并随时将执行机构的实际位置反馈给控制系统，并与设定的位置进行比较，然后通过控制系统进行调整，从而使执行机构以一定的精度达到设定位置湘潭医卫职业技术学院毕业设计说明书第 10 页 共 32 页1.2.2 机械手的分类工业机械手的种类很多，关于分类的问题，目前在国内尚
22、无统一的分类标准，在此暂按使用范围、驱动方式和控制系统等进行分类。(一)按用途分类机械手可分为专用机械手和通用机械手两种: 1、专用机械手它是附属于主机的、具有固定程序而无独立控制系统的机械装置。专用机械手具有动作少、工作对象单一结构简单、使用可靠和造价低等特 点，适用于大批量的自动化生产的自动换刀机械手，如自动机床、自动线的上、下料机械手。2、通用机械手它是一种具有独立控制系统的、程序可变的、动作灵活多样的机械手。格性能范围内，其动作程序是可变的，通过调整可在不同场合使用，驱动系统和控制系统是独立的。通用机械手的工作范围大、定位精度高、通用性强，适用于不断变换生产品种的中小批量自动化的生产。
23、通用机械手按其控制定位的方式不同可分为简易型和伺服型两种:简易型以“开一关”式控制定位，只能是点位控制:可以是点位的，也可以实现连续轨控制；同时还可分为伺服型和一般型的机械手，伺服型具有伺服系统定位控制系统，一般的伺服型通用机械手属于数控类型。(二)按驱动方式分1、液压传动机械手是以液压的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是:抓重可达几百公斤以上、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏。但对密封装置要求严格，不然油的泄漏对机械手的工作性能有很大的影响，且不宜在高温、低温下工作。若机械手采用电液伺服驱动系统，可实现连续轨迹控制，使机械手的通用性扩大，但是电液伺服阀的制造精度高，油液过滤要求严格，成本高。2、气压传动机械手是以压缩空气的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是:介质资源为空气极为方便，输出力小，气动动作迅速，结构简单，成本低。但是，由于空气具有可压缩的特性，工作速度的稳定性较差，冲击大，而且气源压力较低，抓重一般在 30 公斤以下，在同样抓重条件下它比液压机械手的结构大，所以适用于高速、轻载、高温和粉尘大的环境中进行工作。3、机械传动机械手即由机械传动机构(如凸轮、连杆、齿轮和齿条、间歇机构等)驱动的机械手。它是一种附属于工作主机的专用机械手，其动力是由工作机械传递的。它的主要特点是运动准确可靠，用于工作主机的上、下料。动作频率大，但结构较大，动作程序不可变。
