1、基于 PLC 的五轴教学机械手设计摘要本毕业设计要求学生掌握机械手或工业机械手的结构及工作原理，设计一关节型五轴教学用机械人的控制系统。整个设计以控制为主，结构设计可参考同类机械人。机械人共有五个关节动作和一个抓手动作，使用五个步进电机分别控制五个关节的动作，抓手的抓物动作由气阀控制。控制箱部分由电源、可编程控制器、步进电机驱动模块及相应的按钮组成，具有手动和自动控制功能。所设计机械人可进行简单机械手模拟控制的实验。主要任务包括机械手总体设计、型式选择、机械手的 I/O 配置、设计机械手的流程图、设计机械手的梯形图、编制机械手的语句表、选择传感器等元件及设计系统图。关键词：教学机械手，五自由度
2、，步进电机，气阀控制，PLCPLC-based teaching of five-axis manipulator designAbstractDesign requirements of the graduate students to master the structure and working principle of manipulator or industrial robot , design a control system of the five-axis teaching type robot. The whole design is base on control sy
3、stem.structural design can refer to the same robot. There are five robot joint action and a handle movement, the movement of five joints were controlled by five separate stepper motor , the grasping movements were controlled by the valve. Control box in part by the power supply, programmable control
4、ler, stepper motor drive module and the corresponding button of the function with manual and automatic control. Designed robot manipulator can be simple analog control experiment.The main tasks include robot design, type selection, the robot I / O configuration, the flow chart of robot design, the l
5、adder diagram of robot design,the STL of robot design , select the design of sensor components and systems.Keywords: Teaching manipulator，Five degrees of freedom， Stepping Motor，Valve control, PLC目 录绪论 .1第一章 机械手的总体设计 .31.1 运动设计要求 .31.2 驱动系统的选择 .31.3 教学型五关节机械手机构简图 .3第二章 气动机械手的气缸设计 .52.1 基座及连杆的结构 .52.
6、1.1 基座的结构 .52.1.2 大臂的结构 .62.1.3 小臂的结构 62.1.4 手腕的结构 72.2 机械手手部的设计 .82.2.1 根据课程选择手部类型 .82.2.2 手部的设计 .82.3 机械手的驱动与转动 .102.3.1 手臂部分的传动方案 .112.3.2 手指驱动缸的设计和选定 .14第三章 机械手的控制系统设计 .193.1 步进电机控制系统的设计 .193.1.1PLC 对步进电机的控制 .193.1.2 脉冲分配器的选择 .203.1.3 功率放大电路的设计 .223.2 气动部分控制系统的设计 .233.2.1 气动系统的介绍 .243.2.2 气动系统的分
7、类 253.2.3 气动控制方式 253.2.4 装置的技术要求 273.2.5 控制方式的选择 273.2.6 气动回路的设计 273.2.7 传感器的选择 33第四章 机械手 PLC 程序设计 .374.1 PLC 概述 .374.2 输入和输出点分配表 .374.3 PLC 软件程序 .394.3.1 PLC 梯形图 .394.3.2 PLC 语句表 .434.3.3 机械手控制面板 .45参考文献 .46绪论一、机械手的研究现状热加工是高温、危险的笨重体力劳动，很久以来就要求实现自动化。为了实现高效率租工作安全，尤其对于大件、少量、低速和人力所不能胜任的作业就更需要采用机械手操作。国内
8、首先是用锻造操作机，装取料机械手来代替人工操作，减轻劳动强度。后来在精锻机上采用机械手，使精锻过程自动化，代替人工喂料。国外对锻造机械手的研制工作十分重视，如美国采用圆柱坐标式机械手在 1300 吨锻压机上锻造齿轮毛坯，瑞典采用 unimate 型机城手在压力机上锻造曲轴，采用 Versatran 型机械手生产大型轴承环，机械手在两台液压机间传送轴承环的坯料，联邦德国在一条模锻线上采用自动送料装置和操作机械手，能从炉子内取出毛坯，在粗杆、短行程模锻锤的三个模膛中进行锻造，然后取出。锻压机械手的手指部位必须采用耐热钢制造，相当于 40CrNi2Mo 的材料。同时用空气、水喷雾冷却。机械手外部装有
9、防热护翠，内部通水冷却。机械手在铸造、熔炼方面的应用，国内已研制成功压铸机上下料机械手，仁下箱、合箱、浇注机械手，以及铸件表面清理机械手等。有些工厂还将机械手和造型机配合组成铸造生产自动线，彻底改变了铸造幸产的面貌。属外对电炉炼钢过程中采用机械手进行了大量的研究.由于强大电流的干扰，影响了机械手的采用，并由于熔渣和钢水难以区别，往往在浇注过程中容易液、渣不分，需研究带有特殊传感装置的机械手，才能实现浇注的机械化和自动化。冷加工方面机械手主要用于柴抽机配件以及轴类、盘类和箱体类等零件单机加工时的上下料和刀具安装等。进国内机械工业、铁路工业中首先在单机、专机上采用机械手上下料，减轻工人劳动强度。如
10、在轴类、螺栓、气阀和螺撑帽坐等零件的加工机床上配置了机械手，代替人工上下料。在三通阀体、轴瓦、平斜铁、柴油机摇臂加工生产自动线上采用单臂、双臂圆柱式机械手，成为联接工序、运送工件的重要装备。并在连杆粗加工自动线上采用数控机械手，这样它不仅担负自动线上机床工件的装卸、运输，并能发出指令指挥全线工作。国外铁路工业中应用机械手以加工铁路车轴、轮对等大、中批量零部件。并和机床设备共同组成一个综合的数控加工系统。拆修装是铁路工业系统繁重体力劳动较多的部门之一，促进了机械手的发展。目前国内铁路工厂、机务段等部门，已采用机械手拆装三通阀、钩舌、分解制动缸、装卸轴箱、组装轮对、清除石棉等，减轻子劳动强度，提高
11、了拆修装的效率。近年还研制了一种客车车内喷漆通用机械手，可用以对客车内部进行连续喷漆，以改善劳动条件，提高喷漆的质量和效率。为了改善货车油漆作业，日本、美国、苏联、法国等国以货车、漏斗车、油罐车和 TGV 电动车组为对象，采用一种带转向架的货车徐漆机械手。英国铁路工程公司采用机械手焊接电动车组零件。美国铁路维修公司采用机械手进行调车，还利用悬挂行车式机械手完成有盖漏斗车内部的清洗工作。采用机械手进行装配更是目前研制的重点，国外已研究采用摄象机和力的传感装置和微型计算机联接在一起，能确定零件的方位，达到镶装的目的。二、课题研究的意义机械手在工业生产的应用极为广泛。一般将其用在注塑机的上料，合模，
12、成型，分模等自动工件循环；冲床的自动上下料冲压循环。机械手还用在锻、铸、焊、热处理等热加工方面，实现进出料自动化。总的来说，机械手对坏境的适应性强，能代替人从事危险，有害的操作，在长时间工作对人体有害的场所，机械手不受影响，只要根据工作环境进行合理设计，选择适当的材料和结构，机械手就可以在异常高温或低温、异常压力和有害气体、粉尘、放射线作用下，以及冲压、灭火等危险环境中胜任工作。由此可见，机械手的特点使其在工业生产中得到了广泛的应用。所以机械手功能的好坏，影响着产品的质量和生产的效率。教学用机械手正正是为了学习机械手的技术和原理而设计的。随着机电一体化技术应用的发展，在了解中职机电一体化技术教
13、育需求的基础上，在学习 PLC 编程的基础上，教学用机械手可以实现编程安装调试运行检测的实际训练，并获取更多接近实际工业应用的工作经验。通过实际操作，进一步强化 PLC 编程的技能和实际应用能力，同时，认识常用传感器和气动元件，了解机械手的多种工业应用。第一章 机械手的总体设计机械手对坏境的适应性强，能代替人从事危险，有害的操作，在长时间工作对人体有害的场所，机械手不受影响，可以在异常高温或低温、异常压力和有害气体、粉尘、放射线作用下，以及冲压、灭火等危险环境中胜任工作。机械手的特点使其在工业生产中得到了广泛的应用。教学用机械手正正是为了学习机械手的技术和原理而设计的。随着机电一体化技术应用的
14、发展，在了解机电一体化技术教育需求的基础上，教学用机械手使学生在学习 PLC 编程的基础上进一步强化 PLC 编程的技能和实际应用能力以及了解机械手的多种工业应用。1.1 运动设计要求要求该机械手能够实现手动和自动控制功能（自动控制功能用一个机械手的搬运动作为例进行编程） 。所设计的机械人可进行简单机械手模拟控制的实验。1.2 驱动系统的选择考虑到该机械手是用于教学，实验室的环境比较理想，没有高磁性、高温、粉尘等恶劣因素。机械手模拟实验要求的机械手的负载比较小，对机械手的精度要求不高。故使用五个步进电机分别控制五个关节的动作，抓手的抓物动作由气动控制。为了实现机械手的自动控制，另附 PLC 系
15、统设计程序。该机械手有五个自由度，包括腰部转动，大臂，小臂的摆动，还有手腕的仰俯摆动和转动。的根据机械手的动作要求，采用 5 个步进电机。1.3 教学型五关节机械手机构简图教学型五关节机械手的手部所握持的工件（或工具）在空间的位置，是由臂部、腕部以至整机等各自独立运动的合成来确定的。本设计的气动机械手具有五个自由度，能够实现抓取、搬运、完成工件的上料或卸料。为执行这些动作，系统共设有五个步进电机，可在五个坐标内工作。该机械手的结构简图如下：图 1-1 机械手结构简图该机械手分为：底座、腰部、大臂、小臂、腕部和手部等六个部分，图中的五个关节的转动都是通过五台不进电机来实现，而手部的夹紧动作是通过
16、气动控制实现。 第二章 五关节机械手的设计关节式机械手是一种适用于靠近机体操作的传动型式。它像人手一样有肘关节，可实现多个自由度，动作比较灵活，适于在狭窄空问工作。本设计具有五台步进电机,分别控制腰部的转动、大臂的摆动、小臂的摆动、手腕的转动、手腕的仰俯运动。每个步进电机有各自的作用和负载，因此需要根据各自的情况选择电机的型号。2.1 基座及连杆的设计2.1.1 基座的设计基座是整个机器人本体的支撑。为了保持机械手运行的稳定性，固采用实心铸铁作为基座的底部。基座内安装了一台步进电机和一组传动齿轮和连接轴，与机械手的腰部相连，其功能是实现机械手腰部的回转运动。图 2.1 基座及腰部外形2.1.2 大臂的设计大臂长度 198mm，具体尺寸如图 2.2 所示：图 2.2 大臂外形2.1.3 小臂的设计大臂长度 203mm，具体尺寸如图 2.3 所示：图 2.3 小臂外形
