1、搬运机械手及其PLC控制系统设计课件江 西 理 工 大 学 南 昌 校 区毕 业 设 计（论文）题 目：搬运机械手及其PLC控制系统设计 系 ：机电工程系专 业：机电一体化 班 级：08机电（1）学 生：王 淼 清学 号： 08312111 指导教师：王春花老师、张乐平老师 职称：副教授摘 要 随着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。搬运机械手是能模仿人和臂的某些动作功能，用以固定
2、程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。为了满足生产的需要，机械手要求设置多种工作方式，例如手动和自动（包括连续、单周期、单步和自动返回初始状态）工作方式。在运动控制方面，PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。所以利用PLC程序控制可以实现机械手的控制要求。通过梯形图程序使各动作电磁阀动作，配合各极限位置的限位开关，准确而又循环的连续操作。系统以液压传动为驱动方式，避免使用三相异步电动机，具有防过载的优点。机械手、PLC、液压系统组成的整体具有高效、安全、经济、实用等特点。关键词：搬运机械手；液压；电磁阀；可编程控制器（PLC）ABSTRACT With the popularity o
3、f industrial automation and development, the demand for year-on-year increase of controller, handling the application of robot gradually popularity, mainly in the automotive, electronic, mechanical processing, food, medicine and other areas of the production line or cargo transport, we can be more g
4、ood to save energy and improve the transport efficiency of equipment or products, to reduce restrictions on other modes of transportation and inadequate to meet the requirements of modern economic development. Handling manipulator is able to imitate some actions and arm function, fixed procedure of
5、crawling, handling objects or tools automatically-operated equipment. In order to meet the needs of production, various working methods required for the manipulator, such as manual and automatic (including continuous, single cycle, and automatically return to the initial state in a single step) work
6、s. In the area of motion control, PLC can be used for circular or linear motion control. Using PLC control manipulator control requirements can be implemented. By ladder diagram programs enable the solenoid valve action, combined with the extreme position of limit switches, accurate and continuous o
7、peration of the loop. System in hydraulic-driven way, avoiding the use of three-phase induction motor, has the advantage of overload-proof. Manipulator, PLC, hydraulic system as a whole is an efficient, secure, economical and practical characteristics.Keywords: handling mechanical hands；hydraulic；so
8、lenoid valve；Programmable Logic Controller (PLC)摘要 第一章 机械手的介绍 1 第二章 机械手抓取机构设计 3 2.1 手部设计计算 3 2.2 大臂上下移动机构设计 5 2.3 上臂左右移动机构设计 6第三章 液压系统原理设计 8 3.1手部抓取缸 83.2大臂伸缩缸液压回路 8 3.3上臂伸缩缸液压回路回路 83.4 总体系统图 9第四章 PLC的硬件设计 12 4.1系统的主电路设计 124.2 操作面板的设计 134.3 PLC型号的选择 144.4 PLCI/O分配表 144.5 PLC的外部接线图 164.6 电器元件的选用 174.
9、7电器安装板接线图 19第五章 PLC的程序设计 22 5.1主程序 22 5.1.1 动作要求 22 5.1.2 工作方式 22 5.1.3 程序的总体结构 235.2子程序 23 5.2.1 公用程序 23 5.2.2 手动程序 24 5.2.3 自动程序 25 5.2.4 自动回原点程序 30参考文献 34附录 35致谢 39第一章 机械手的介绍1.1 机械手组成在我国，工业机器人的应用虽然起步较晚，但发展很快。目前，国内机器人已经从仿制引进阶段，逐渐过渡到自行设计和开发阶段了。机械手是在机械手、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬
10、运物件后哦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，因而广泛应用机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。近年来，随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用，机器人的研制和生产已成为高科技领域内迅速发展起来的一门新兴技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能跟好地实现与机械化和自动化的有机结合。机械手通常用于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。工业机械手是工业生产的必
11、然产物，它是一种模仿人体上肢的部分功能，按照预定要求输送工件或握持工具进行操作的自动化技术设备，对实现工业生产自动化，推动工业生产的进一步发展起着重要作用。因而具有强大的生命力受到人们的广泛重视和欢迎。实践证明，工业机械手可以代替人手的繁重劳动，显著减轻工人的劳动强度，改善劳动条件，提高劳动生产率和自动化水平。工业生产中经常出现的搬运和长期频繁、单调的操作，采用机械手是有效的。机械手主要由手部和运动机构组成。手部是用来抓持工件的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求面有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。运动机构，使手部完成各种转到、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被
12、抓持物件的位置和姿势。我设计的是一种液压机械手。本机构具有快递、高效等优点。机械手主要由手部和运动机构组成。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、材料和作业要求面有多种结构形式，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工作，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，成为机械手的自由度。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键参数。自由度越多，机械手的灵活越大，通用性越广，其结构也越复杂。一般专用机构有2-3个自由度。机械手主要由执行机构、驱动系统、
13、控制系统组成。 (1)执行机构：包括机械手部、大臂、上臂和立柱等部件，有的还增设行走机构如1-1所示。 图1）手部：是机械手与工件接触的部件。由于与物件的形式不同，可分为夹持式和 吸附式手部，由于本课题的工件是圆柱状棒料，所以采用夹持式。由手指和传力机构所构成，手指与工件接触而传力机构则通过手指夹紧力来完成夹放工件的任务。2）大臂：支撑手部的部件，用以改变工件的空间位置。3）上臂：支撑手部和大臂的部件，用以改变工件的空间位置。4）立柱：指支撑上臂的部件，是机械手的基础部分，起着支撑和联接的作用。（2）驱动系统：机械手的驱动系统是驱动执行运动的传动装置。常用的有液压传动、气压传动、电力传动和机械
14、传动等四种方式。3 第二章 机械手抓取机构设计2.1手部设计计算1、对手部设计的要求1、有适当的夹紧力手部在工作时，应具有适当的夹紧力，以保证夹持稳定可靠，变形小，且不损坏工件的已加工表面。对于刚性很差的工件夹紧力大小应该设计得可以调节，对于笨重的工件应考虑采用自锁安全装置。2、有足够的开闭范围 夹持类手部的手指都有张开和闭合装置。工作时，一个手指开闭位置以最大变化量称为开闭范围。对于回转型手部开闭范围，可用开闭角和手指夹紧端长度表示。手指开闭范围的要求与许多因素有关，如工件的形状和尺寸，手指的形状和尺寸，一般来说，如工作环境许可，开闭范围大一些较好，如图2.1所示。图2.1 机械手开闭示意图
15、3、力系结构简单，重量轻，体积小 手部处于大臂的最前端，工作时运动状态多变，其结构、重量和体积直接影响整个机械手的结构，抓重，定位精度等性能。因此。在设计手部时，必须力求结构简单，重量轻，体积小。4、手指应有一定的强度和刚度5、其它要求 因此送料，夹紧机械手，根据工件的形状，采用最常用的外卡式两指钳爪，夹紧方式用常闭史弹簧，松开时，用单作用式液压缸。此种结构较为简单，制造方便。152、手部装置原理 如图2.2所示：油缸右腔停止进油时，弹簧力夹紧工件，油缸右腔进油时松开工件。图2.2 油缸示意图1、右腔推力为 Fp=（/4）DP =（/4）X0.7X25X10 =9616.25N2、根据钳爪夹持
16、的方位，查出当量夹紧力计算公式为： F1=(2b/a)X(cosa)N 其中N=4X98=392N，带入上式得： F1=(2b/a)X(cosa)X392 =1680N 则实际夹紧力为F1实际+F1K1K2/y=1680X1.5X1.1/0.85=3261N 经圆整F1=3300N3、计算手部活塞杆行程长L，即 L=（D/2）tan a =35tan30 =20.2 mm4、确定“V”型钳爪的L, 。 取L/Rcp=3 式中：Rcp=P/4=200/4=50 由上两式可得：L=Rcp=150取“V”型钳口的夹角2=120，则偏转角按最佳偏转角来确定，查表得：=22395、机械运动范围（速度）
17、(1)伸缩运动 Vmax=500mm/s Vmin=50mm/s （2)上下运动 Vmax=600mm/s Vmin=60mm/s (3)左右运动 Vmax=800mm/s Vmin=80mm/s 所以取手部驱动活塞速度V=60mm/s6、手部右腔流量： Q=sv =60r =60X3.14X35 =230790mm/s7、手部工作压强 P=F1/S =3500/3846.5 =0.86Mpa2.2 大臂上下移动机构设计大臂是机械手的主要执行部件。它的作用是支撑手部，并带动他们在空间运动。大臂运动的目的，一般是把手部送达空间范围内的任意点上，从上臂的受力情况看，它在工作中即直接受着手部和工件的
18、动、静载荷，而且自身运动又较多，故受力较复杂。机械手的精度最终集中在反映在手部的位置精度上，所示在选择合适的导向装置和定位方式就显得尤其重要了。大臂的上下速度为200mm/s行程L为800mm1、大臂右腔流量，由公式得： Q=sv =200XX45 =1271700mm/s =1271.7mL/s2、大臂右腔工作压力，由公式得： P=F/S 式中：F-取工件重和大臂活动部件总量，估算F=500+150=650N，F摩=1000N。所以带入上式得： P=（F+F摩）/S =1650/X45 =1.26Mpa2.3 上臂左右移动机构设计上臂是机械手的主要执行部件。它的作用是支撑手部，并带动他们在空
19、间运动。上臂运动的目的，一般是把手部送达空间范围内的任意点上，从上臂的受力情况看，它在工作中即直接受着手部和工件的动、静载荷，而且自身运动又较多，故受力较复杂。机械手的精度最终集中在反映在手部的位置精度上，所示在选择合适的导向装置和定位方式就显得尤其重要了。上臂的伸缩速度为：300mm/s行程L为：800mm1.、上臂右腔流量，公式得： Q=sv =300XX50 =2355mL/s2、上臂右腔工作压力，公式得： P=F/S 式中：F-活塞左右移动的摩擦力F摩=1000N。所以代入上公式得： P=F摩/S =1000/X50 =0.13Mpa3、绘制机构工作变参数变如下表2.4所示： 表2.4
20、 机构工件参数表机构名称工作速度行程工作压力流量手部抓紧60mm/s20mm0.86Mpa231mL/s大臂上下200mm/s800mm0.26Mpa1271.7mL/s上臂左右300mm/s800mm0.13Mpa2355mL/s 4、由初步计算选液压缸所需液压最高压力为0.86Mpa所需液压最大流量Q=2311mL/s选取CB-D型液压缸（齿轮泵）此泵工作压力为10Mpa，转速为1800r/min，工作流量Q在32-70mL/r之间，可以满足需要。5.圆整各缸的数值： 手部抓取缸工作压力 P1=0.85Mpa 流量 Q1=231mL/s 大臂抓取缸工作压力 P2=0.25Mpa 流量 Q2
21、=1271mL/s 上臂抓取缸工作压力 P3=0.15Mpa 流量 Q3=2355mL/s第三章液压系统原理设计3.1 手部抓取缸 图3.1 手部抓取缸液压原理图1、手部抓取缸液压原理如图3.1所示142、泵的供油压力取10Mpa，流量Q取系统所需最大流量即Q=1300mL/s。因此，需装图3.1所示的调速阀，流量定为7.2L/min，工作压力P=2Mpa。采用： YF-B10B 溢流阀 2FRM5-20/102 调速阀 23E1-10B 二位三通换向阀3.2 大臂伸缩缸液压回路图3.2大臂伸缩缸液压回路1、大臂伸缩缸液压原理如图3.2所示2、工作压力 P=0.25Mpa 流量 Q=1271m
22、l/s采用： 2FRM5-20/102 调速阀 34E1-10B 三位四通换向阀3.3 上臂伸缩缸液压回路回路 图 3.3 上臂伸缩缸液压回路1、上臂伸缩缸原理图如图3.3所示2、工作压力 P=0.15Mpa 流量 Q=2355ml/s采用： 23E1-10B 三位四通换向阀 2FRM5-20/102 调速阀3.4 总体系统图 图3.4总体系统图1、总体系统如图3.4所示2、工作过程 下降夹持上升右移下降松开上升松开上升左移3、电磁铁动作顺序表：表3.5 电磁阀顺序动作表元件动作1DT2DT3DD4DT5DT下降-+-夹持+-上升+-+-右移+-+-下降+-松开-上升-+-左移-+ 4、确定电
23、动机规格： 液压泵选取CB-D型液压泵，额定供油压力P=1Mpa，工作流量在32-70ml/r之间，选取80L/min为额定流量的泵。因此：传动功率 P0=PQ/ 式中： =0.8（经验值）所示代入上式得： P0=1701000000/1000/60/0.8 =1.677/8 1.46KW选取电动机JQZ-61-2型电动机，额定功率1.5KW 转速为2187.5r/min第4章 PLC的硬件设计4.1 系统的主电路设计本设计只由一个液压电机拖动，功率为1.5KW，要求设置过载与短路保护。这部电机的功率小，可直接起动，不需降压起动。液压电机控制电路接触器控制电路图4-1为电动机单向旋转接触器控制
24、电路。图中QF为电源开关,KM为接触器，KR为热继电器，SB2、SB1分别为起动按钮与停止按钮，M为三相鼠笼式感应电动机。电动机起动控制：合上电源开关QF，按下起动按钮SB2，其常开触点闭合，接触器KM线圈通电吸合，其主触点闭合，电动机接通三相电源起动。同时，与起动按钮SB2并联的接触器常开辅助触点闭合，使KM线圈经SB2触点与KM自身常开辅助触点通电，当松开SB2时，KM线圈仍通过自身常开触点继续保持通电，从而使电动机获得连续运转。电动机需停转时，可按下停止按钮SB1，接触器KM线圈断电释放，KM常开主触点与辅助触点均断开，切断电动机主电路及控制电路，电动机停转。电路保护环节（1）短路保护
25、由断路器QF实现主电路与控制电路的短路保护。（2）过载保护 由热继电器KR实现电动机的长期过载保护。当电动机出现长期过载时，串接在电动机定子电路中的发热元件使双金属片弯曲，使串接在控制电路中的常闭触点断开，切断KM线圈电路，使电动机断开电源，实现保护目的。（3）欠压和失压保护 当电源严重下降或电压消失时，接触器电磁吸力急剧下降或消失，衔铁释放，各触点复原，断开电动机电源，电动机停止旋转。一旦电源恢复时，电动机也不会自行起动，从而避免事故发生。因此，具有自保电路的接触器具有欠压与失压保护作用。9图4-1 主电路图4.2 操作面板的设计根据控制和生产工艺的要求，控制操作包括手动和自动，手动又包括手
26、动步进、回原位操作，自动控制包括单步、单周期、连续的操作。故操作方式选择开关设置有五个档位。手动工作方式下，手动动作包括上升、下降、放松、左移、右移、夹紧，故设置六个动作开关按钮。另外设有启动停止按钮，还有负载电源、紧急停车两个按钮。设计如图4-2所示：图4-2 操作面板4.3 PLC型号的选择本次设计使用的是可编程控制实验装置。由于机械手系统的输入/输出点少，要求电气控制部分体积小，成本低，并能够用计算机对PLC进行监控和管理，该机械手的控制为纯开关量控制，且I/O点数不多，仅需18个输入点和5个输出点，考虑留有一定的裕量。故选用德国西门子公司生产的多功能小型S7-200 CPU 226 C
27、N主机，该机输入点为24个，输出点为16个。4.4 PLC I/O分配表根据机械手动作的要求及各限位开关和各保护系统的开关设备，输入、输出点分配如表4-3所示。表4-3 I/O分配表 名称输入名称输出下限位I0.1下降Q0.0上限位I0.2夹紧Q0.1右限位I0.3上升Q0.2左限位I0.4右行Q0.3上升I0.5左行Q0.4左行I0.6松开I0.7下降I1.0右行I1.1夹紧I1.2手动I2.0回原点I2.1单步I2.2单周期I2.3连续I2.4返回原位I2.5起动I2.6停止I2.74.5 PLC的外部接线图图4-3 PLC的外部接线图4.6 电器元件的选用电动机运行的各相关参数：本次设计
28、采用的电机是JO2-21-2小型鼠笼型转子异步电动机，功率为1.5KW。经查表得：额定电压为380V，额定频率为50HZ,满载时，转速为2860r/min，电流3.24A，效率为80%，功率因数为0.87，起动电流为7.0A，起动转矩为1.8KNM，最大转矩为2.2KNM。估算出线路中出现的最大短路电流为18.5A。1.塑料外壳式断路器的选用：（1）额定电压：它是表征断路器绝缘强度的参数，它是断路器长期工作的标准电压。为了适应电力系统工作的要求，断路器又规定了与各级额定电压相应的最高工作电压。（2）额定电流：它是表征断路器通过长期电流能力的参数，即断路器允许连续长期通过的最大电流。（3）额定短
29、路通断能力：等于或大于线路中可能出现的最大短路电流，一般按有效值计算（4）欠电压脱扣器电压：等于线路额定电压（5）分励脱扣器额定电压：等于控制电源电压（6）长延时电流整定值：电动机额定电流（7）瞬时整定电流：（815）倍电动机额定电流（8）6倍长延时电流整定值的可返回时间：等于或大于电动机实际起动时间因此选型号为DZX19-63/130的限流塑料外壳式断路器，级数为1，额定电压为380V，壳架等级额定电流为63A，额定电流为20A，额定分断能力P-2为6KA，限流因数小于0.6，机电寿命4000次，外形尺寸：单极25.4mm，安装尺寸：长76.2mm，宽为64.6mm，高为88mm。2.交流接
30、触器的选用： 电动机负载时的选用：本电机的功率为1.5KW，为一般任务型，选配接触器时只要使选用接触器的额定电压和额定电流等于或稍大于电动机的额定电压和额定电流即可。因此选用型号为CJ8-10的交流接触器，额定电流为10A，接触器所能控制电动机的最大功率为4.0KW，机械寿命为330万次，电寿命为60万次，开断能力为10倍，接通能力为12倍，最高操作频率为1200次/时，外形尺寸为长、宽、高为69、68、90mm。3.热继电器的选用本设计的电动机处于长期工作制，（1）根据电动机起动时间，选取6IN,下具有相应可返回时间的热继电器，通常在6IN下热继电器的可返回时间与动作时间有下列关系：t1=(
