三坐标机械手的PLC控制系统设计_带图纸
三坐标机械手的PLC控制系统设计[20191210111407]
摘要
本次课题设计的是教学用机械手，主要包括机械手的总体方案设计、机械手的机械结构的选型、控制系统设计等，实现了机械手空间具有四自由度运动：手臂的升降、伸缩和回转以及手爪的回转。根据教学用机械手的功能要求和现实意义，本次设计是通过直线气缸来实现手臂的升降和伸缩，采用回转气压缸来实现手臂和手腕的回转，通过三菱PLC对其进行控制的。它的上升/下降、前进/右退、顺时针旋转/逆时针旋转以及夹紧/放松的动作都是采用电磁阀推动气压缸完成的。从而实现机械手对物料的搬运工作，包括手动工作方式，自动工作方式，复位工作方式，其中自动工作模式是连续工作的。设计的机械手结构简单、便于操作。
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关键字:机械手气缸PLC电磁阀
Key Words: Mechanical hand ; Cylinder ; PLC ; Solenoid valve 目录
1 绪论 1
1.1 机械手概述 1
1.2 国内外发展 1
1.3 问题的提出 2
2 方案设计 4
2.1 设计参数 4
2.2设计思路及要求 4
3 机械手元器件选型 6
3.1 机械手结构选型 6
3.1.1 机械手手爪 6
3.1.2 机械手伸缩手臂 7
3.1.3 机械手升降手臂 9
3.1.4 机械手回转手臂 11
3.1.5 机械手其他部分结构 13
3.2 PLC的选型 14
3.3 气动系统元器件的选型 15
3.3.1 电磁阀 15
3.3.2 接近开关 16
3.4 系统元器件列表 17
4 控制系统设计 18
4.1气压传动系统设计 18
4.2 PLC控制系统设计 19
4.2.1控制系统顺序功能图 19
4.2.2 控制系统PLC输入输出列表 22
4.2.3控制系统PLC接线原理图 23
4.2.4 PLC梯形图 24
结语 31
参考文献 32
附录1 PLC编程图 33
附录2 气动系统原理图 39
附录3 控制流程图 40
附录4 PLC接线图 41
附录5 PLC输入输出列表 42
1 绪论
1.1 机械手概述
机械手是自动化领域用汇编语言程序来实现自动控制的，以改变物体运动方式为目的的一种多功能机器。它有多个自由度，可用来完成在各个不同环境中的工作。在工业制造以及自动化控制领域是一项非常重要的技术,随着机械手技术的发展，逐渐成为自动控制领域的一个重要组成部分。组成机械手的系统主要由执行机构、驱动系统、控制系统和传感系统组成。
机械手的作用主要是用来模仿人手部的动作，从而可以实现用它来夹取物料，搬运物料等，它可以按照给定程序和要求进行工作。在工业生产过程和其他一些领域,由于需要生产工作,工人往往受到高温、高压、易燃、易爆、腐蚀性不同因素和有毒气体的危害,提高了工作人员的劳动强度,甚至危及工作人员的生活和安全。机械手是在这种条件下应运而生的,它是一个工业机器人系统的执行机构,是系统非常关键的部件之一。特别是在单调、频繁的操作环境下以及高温、高压、易燃、易爆及其他危险的环境中,工人就很难在这些环境中工作,机械手就可以突显出它自己的独特的优势,可以完全代替人的体力劳动。在当前机械手技术广泛运用的形势下,机械手工作还是相当灵活的,而且也可以做到的不知疲倦的重复工作,同时机械手在夹取物料的力量上也是比人工要大得多 ,所以机械手技术在实际的工业生产中越来越得到广泛的应用。
1.2 国内外发展
美国是最早对机械手开始研制的，并制造出了世界上第一台运用机械手技术的机械人。日本也相继对机械手展开了研究，成立了机械手研究会。机械手技术伴随着美国召开的工业机械人讨论会后，迅速被其他国家所认同，并且快速地普及到了其他各个国家。在1973年的时候，美国首先制造出世界上第一台小型机械手，并使用计算机对其进行控制，液压系统来驱动它的正常运行。
目前，世界上的一些高端工业机械手都是朝着高精度化，高速化的趋势发展。自动化控制系统中的定位精度可以满足到微米级的要求甚至于也能满足亚微米级要求，同时运行速度在当时也是相当惊人的，载重也已突破100KG。
在现代化工业生产中，机械化和自动化相结合的技术已成为了大家共同关注的话题。由于机械手的诞生，在很大程度上生产过程的自动化和连续性便已基本得到解决。不过目前在现代化的机械工业等一些领域中，加工、装配等生产过程的自动化程度仍然不高，而且连续性也比较差。因此，机械手实现连续的自动化生产的过程必将会成为时代的产物。机器人技术的发展有如下几个趋势:
(1) 性能不断提高(高精度化，高速化，轻量化以及便于操作和维修)。
(2) 机械结构模块化。
(3)元器件集成度大大提高,且采用模块化结构,更加有利于标准化；使得系统的可靠性有了明显的提高，同时可操作性也有了显著的改善。
(4)采用的传感器的种类也是越来越多的，除采用了传统的位置、速度、加速度等传感器外，还应用了视觉、听觉、触觉等多种传感器相结合技术来共同对系统进行控制。
目前由于一些高科技高新技术被世界上的龙头机械手制造商所垄断, 许多相关产品还主要是通过进口的， 所以目前国内生产工业机械手的企业并不是很多。国内生产厂家主要是在机械手控制系统方面存在一些技术问题，伺服系统还没有更加的成熟和稳定，因此这些厂家还不能独立自主地生产出高端机。国内生产的机械手也主要是在中低端市场得以运用。随着科技的进步，生产技术也会越来越成熟，相信会有越来越多的生产厂商加入到这个行业。
机械手技术这个研究方向自成立以来，我国就一直致力于在这一领域进行推广和应用以提升传统产业，同时利用高技术发展高新产业。目前，政府正在试着来提高中国制造业在市场中的占有份额，主要采取以下两方面的措施：一方面提供更加优惠的政策来招商引资，另一方面鼓励国内更多的传统企业加大对机械手的使用以此来提升在机械手运用方面的技术水平，缩短与国外的技术差距。随着政府的支持，国内越来越多的企业目前已经在生产过程中采用了机械手技术,机械手的销售量也因此有了大幅度的提高。
1.3 问题的提出
进入21世纪以来，全国很多地方都出现了缺工现象，同时伴随着人口老龄化的提前到来，这就迫切要求我们要不断地提高生产效率，同时又要降低工人的劳动强度，因此工业自动化技术就会显得日趋重要，就可以把机械手应用于到工业自动化生产线中，实现了生产过程的自动化生产，从而可以大大减轻产业工人的重复性劳动，同时又使得劳动生产率可以得到大步提高。
现在国内的机械手大多是采用的是液压传动系统，然而不可否认的是液压传动系统会存在以下几个缺点:
(1) 能量损失以及油液泄露等是液压传动系统中常见的问题；液压传动系统油液容易泄漏，这样不仅污染工作场地，还可能引起一些不必要的事故，一方面工人的生命安全会受到威胁，另一方面还会影响了一些运动机构的平稳性和精准性。
(2)温度对其正常工作的影响较大。当油温变化时，油液粘度会发生变化，将会导致油液运动特性变化，从而影响系统的正常工作。
(3)由于液压脉动，油液中就比较容易混入空气，这样整个系统就易产生噪声。
由于液压传动系统存在的这些问题，在实际工作中，势必会困扰着我们。所以，本次设计采用气压传动系统来对机械手进行控制。
气动技术有以下优点:
(1)介质提取和处理方便。由于气压传动工作压力一般都会较低的，故提取起来比较容易，而后当气体排出后，处理也是比较方便的，一般不需要设置回收管道和容器，对环境无污染。同时提取的介质比较清洁，不存在介质变质等问题，使用周期就会大大延长，节约了成本。
（2)在气压传动系统中，泄漏较小。空气到处都是，便于收集，可以就地进行取材，同时也能实现远距离输送。即时泄漏也不会像液压传动系统那样，压力明显降低，影响了正常工作。
(3)动作迅速，反应灵敏。气压传动系统可以在很短的时间类就可以得到所需要的压力和速度（通常只需要0.02s-0.3s）。
(4)能源可储存。可先将空气进行压缩然后存贮在储气罐中，这样即时发生断电、机械损坏等突发情况时，生产过程也不致于突然终止，这样就会大大提高了生产效率。
(5)工作环境适应性好。在易燃、易爆等一系列的恶劣的危险环境中，气压传动系统的工作性能要比电气控制及自动化系统和液压系统稳定的多；而且气体受温度影响小，不会因温度变化从而影响了系统的性能。
2 方案设计
2.1 设计参数
结合课题内容以及设计要求，本次设计的机械手是按照表2-1的详细参数对机械手系统进行设计。
表2-1 机械手的技术参数
设计用途 教学型机械手
设计技术参数
抓重 1千克
空间坐标系 三坐标
坐标型式 圆柱坐标
手臂运动参数
伸缩行程 200mm
伸缩速度 40mm/s
升降行程 100mm
升降速度 100mm/s
回转范围
回转速度
定位设计
定位精度 ±0. 5mm
定位方式 接近开关
驱动方式 气压传动
控制方式 点位程序控制(PLC)
2.2设计思路及要求
由于气压传动系统阻力较小，反应动作迅速，而且对环境无污染，成本低廉的优势也是非常明显，因此本次设计的机械手拟采用的是气压传动系统。由于是气动方式驱动，所以这次机械手夹取的物料不应该太重，否则就需要较高的压力。结合实际情况以及查阅相关机械手的设计参数，本设计的机械手夹取物料的质量为1公斤，且主要用于教学，所以设计精度要求不是太高。但是在工业实际生产中，会对机械手速度性能提出要求，如果设计速度过低，就会使得机械手的效率降低，从而会限制机械手的应用范围。影响机械手搬运物料快慢的速度，主要是是手臂的升降速度、手臂伸缩速度以及及手臂回转速度等一些原因共同决定的。本次设计的机械手的移动速度设计为 ；回转速度设计为 。
根据实际工作的需求，机械手在夹取物料以及搬运物料的过程中时，手臂肯定要具有升降、收缩及回转运动等一系列运动，才能灵活多变地进行夹取、搬运物料，因此，本次设计的机械手采用是一个升降气缸，一个收缩气缸以及一个回转气缸共同组成的。由于有回转结构，所以机身设计为圆柱坐标型式。为了增强手腕夹取物料时的灵活性，增加手腕旋转机构，从而增加一个手腕旋转的自由度，相应的机械手具有四个自由度。机械手运动示意图如下图2.1所示。
图2.1 机械手运动示意图
由于PLC可以实现点位控制，而且编程，调试工作简便。本次设计的机械手我们采用PLC对其进行控制的。当根据实际的要求，机械手的工序发生改变时，我们只需对PLC程序进行适当的修改即可满足生产要求，非常的快捷，而且操作也非常简单。
3 机械手元器件选型
3.1 机械手结构选型
3.1.1 机械手手爪
因为本次设计用的是标准气爪，所以不需要对机械手手爪进行设计，可以直接对手爪部分进行选型。
由于本次设计要求机械手的最大抓重m=1Kg，结合实际情况以及相关机械手的设计参数，所以选择的是标准平行开闭型气爪，如图3.1。
图3.1 标准平行开闭型气爪实物图
夹持物料的受力分析如图3.2所示， 手指在夹持物料时，产生的摩擦力为2μF，而且必须要满足夹力F大于夹持工件的重力mg。
故应满足 2μF>mg
即 F>mg/2μ
式中 μ—摩擦系数，本次设计中所用的材料为硬质橡胶，一般令μ=0.65；
因此 F>mg/2μ=1×9.8/(2×0.65)=7.54N。
图3.2 夹持物料受力示意图
根据表3-1，选择的标准型气爪型号为：MHZ-10D。
表3-1 标准型气爪技术参数
3.1.2 机械手伸缩手臂
伸缩手臂是一个机械手用于手臂伸缩的,它是用来连接机械手的手爪和升降手臂的一个构建，它的作用是完成手爪的收缩运动。是在水平方向设置的一个的自由度,可以更方便和灵活的夹取材料。由于伸缩手臂结构的主要载体是手爪和夹持物料的材料的重力, 在完全伸出完即距离达到最大时，伸缩手臂这时会承受最大弯矩，所以对机械手的伸缩手臂进行设计时，应该考虑手臂水平伸缩时要能承受的住弯矩和转矩。
摘要
本次课题设计的是教学用机械手，主要包括机械手的总体方案设计、机械手的机械结构的选型、控制系统设计等，实现了机械手空间具有四自由度运动：手臂的升降、伸缩和回转以及手爪的回转。根据教学用机械手的功能要求和现实意义，本次设计是通过直线气缸来实现手臂的升降和伸缩，采用回转气压缸来实现手臂和手腕的回转，通过三菱PLC对其进行控制的。它的上升/下降、前进/右退、顺时针旋转/逆时针旋转以及夹紧/放松的动作都是采用电磁阀推动气压缸完成的。从而实现机械手对物料的搬运工作，包括手动工作方式，自动工作方式，复位工作方式，其中自动工作模式是连续工作的。设计的机械手结构简单、便于操作。
查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:机械手气缸PLC电磁阀
Key Words: Mechanical hand ; Cylinder ; PLC ; Solenoid valve 目录
1 绪论 1
1.1 机械手概述 1
1.2 国内外发展 1
1.3 问题的提出 2
2 方案设计 4
2.1 设计参数 4
2.2设计思路及要求 4
3 机械手元器件选型 6
3.1 机械手结构选型 6
3.1.1 机械手手爪 6
3.1.2 机械手伸缩手臂 7
3.1.3 机械手升降手臂 9
3.1.4 机械手回转手臂 11
3.1.5 机械手其他部分结构 13
3.2 PLC的选型 14
3.3 气动系统元器件的选型 15
3.3.1 电磁阀 15
3.3.2 接近开关 16
3.4 系统元器件列表 17
4 控制系统设计 18
4.1气压传动系统设计 18
4.2 PLC控制系统设计 19
4.2.1控制系统顺序功能图 19
4.2.2 控制系统PLC输入输出列表 22
4.2.3控制系统PLC接线原理图 23
4.2.4 PLC梯形图 24
结语 31
参考文献 32
附录1 PLC编程图 33
附录2 气动系统原理图 39
附录3 控制流程图 40
附录4 PLC接线图 41
附录5 PLC输入输出列表 42
1 绪论
1.1 机械手概述
机械手是自动化领域用汇编语言程序来实现自动控制的，以改变物体运动方式为目的的一种多功能机器。它有多个自由度，可用来完成在各个不同环境中的工作。在工业制造以及自动化控制领域是一项非常重要的技术,随着机械手技术的发展，逐渐成为自动控制领域的一个重要组成部分。组成机械手的系统主要由执行机构、驱动系统、控制系统和传感系统组成。
机械手的作用主要是用来模仿人手部的动作，从而可以实现用它来夹取物料，搬运物料等，它可以按照给定程序和要求进行工作。在工业生产过程和其他一些领域,由于需要生产工作,工人往往受到高温、高压、易燃、易爆、腐蚀性不同因素和有毒气体的危害,提高了工作人员的劳动强度,甚至危及工作人员的生活和安全。机械手是在这种条件下应运而生的,它是一个工业机器人系统的执行机构,是系统非常关键的部件之一。特别是在单调、频繁的操作环境下以及高温、高压、易燃、易爆及其他危险的环境中,工人就很难在这些环境中工作,机械手就可以突显出它自己的独特的优势,可以完全代替人的体力劳动。在当前机械手技术广泛运用的形势下,机械手工作还是相当灵活的,而且也可以做到的不知疲倦的重复工作,同时机械手在夹取物料的力量上也是比人工要大得多 ,所以机械手技术在实际的工业生产中越来越得到广泛的应用。
1.2 国内外发展
美国是最早对机械手开始研制的，并制造出了世界上第一台运用机械手技术的机械人。日本也相继对机械手展开了研究，成立了机械手研究会。机械手技术伴随着美国召开的工业机械人讨论会后，迅速被其他国家所认同，并且快速地普及到了其他各个国家。在1973年的时候，美国首先制造出世界上第一台小型机械手，并使用计算机对其进行控制，液压系统来驱动它的正常运行。
目前，世界上的一些高端工业机械手都是朝着高精度化，高速化的趋势发展。自动化控制系统中的定位精度可以满足到微米级的要求甚至于也能满足亚微米级要求，同时运行速度在当时也是相当惊人的，载重也已突破100KG。
在现代化工业生产中，机械化和自动化相结合的技术已成为了大家共同关注的话题。由于机械手的诞生，在很大程度上生产过程的自动化和连续性便已基本得到解决。不过目前在现代化的机械工业等一些领域中，加工、装配等生产过程的自动化程度仍然不高，而且连续性也比较差。因此，机械手实现连续的自动化生产的过程必将会成为时代的产物。机器人技术的发展有如下几个趋势:
(1) 性能不断提高(高精度化，高速化，轻量化以及便于操作和维修)。
(2) 机械结构模块化。
(3)元器件集成度大大提高,且采用模块化结构,更加有利于标准化；使得系统的可靠性有了明显的提高，同时可操作性也有了显著的改善。
(4)采用的传感器的种类也是越来越多的，除采用了传统的位置、速度、加速度等传感器外，还应用了视觉、听觉、触觉等多种传感器相结合技术来共同对系统进行控制。
目前由于一些高科技高新技术被世界上的龙头机械手制造商所垄断, 许多相关产品还主要是通过进口的， 所以目前国内生产工业机械手的企业并不是很多。国内生产厂家主要是在机械手控制系统方面存在一些技术问题，伺服系统还没有更加的成熟和稳定，因此这些厂家还不能独立自主地生产出高端机。国内生产的机械手也主要是在中低端市场得以运用。随着科技的进步，生产技术也会越来越成熟，相信会有越来越多的生产厂商加入到这个行业。
机械手技术这个研究方向自成立以来，我国就一直致力于在这一领域进行推广和应用以提升传统产业，同时利用高技术发展高新产业。目前，政府正在试着来提高中国制造业在市场中的占有份额，主要采取以下两方面的措施：一方面提供更加优惠的政策来招商引资，另一方面鼓励国内更多的传统企业加大对机械手的使用以此来提升在机械手运用方面的技术水平，缩短与国外的技术差距。随着政府的支持，国内越来越多的企业目前已经在生产过程中采用了机械手技术,机械手的销售量也因此有了大幅度的提高。
1.3 问题的提出
进入21世纪以来，全国很多地方都出现了缺工现象，同时伴随着人口老龄化的提前到来，这就迫切要求我们要不断地提高生产效率，同时又要降低工人的劳动强度，因此工业自动化技术就会显得日趋重要，就可以把机械手应用于到工业自动化生产线中，实现了生产过程的自动化生产，从而可以大大减轻产业工人的重复性劳动，同时又使得劳动生产率可以得到大步提高。
现在国内的机械手大多是采用的是液压传动系统，然而不可否认的是液压传动系统会存在以下几个缺点:
(1) 能量损失以及油液泄露等是液压传动系统中常见的问题；液压传动系统油液容易泄漏，这样不仅污染工作场地，还可能引起一些不必要的事故，一方面工人的生命安全会受到威胁，另一方面还会影响了一些运动机构的平稳性和精准性。
(2)温度对其正常工作的影响较大。当油温变化时，油液粘度会发生变化，将会导致油液运动特性变化，从而影响系统的正常工作。
(3)由于液压脉动，油液中就比较容易混入空气，这样整个系统就易产生噪声。
由于液压传动系统存在的这些问题，在实际工作中，势必会困扰着我们。所以，本次设计采用气压传动系统来对机械手进行控制。
气动技术有以下优点:
(1)介质提取和处理方便。由于气压传动工作压力一般都会较低的，故提取起来比较容易，而后当气体排出后，处理也是比较方便的，一般不需要设置回收管道和容器，对环境无污染。同时提取的介质比较清洁，不存在介质变质等问题，使用周期就会大大延长，节约了成本。
（2)在气压传动系统中，泄漏较小。空气到处都是，便于收集，可以就地进行取材，同时也能实现远距离输送。即时泄漏也不会像液压传动系统那样，压力明显降低，影响了正常工作。
(3)动作迅速，反应灵敏。气压传动系统可以在很短的时间类就可以得到所需要的压力和速度（通常只需要0.02s-0.3s）。
(4)能源可储存。可先将空气进行压缩然后存贮在储气罐中，这样即时发生断电、机械损坏等突发情况时，生产过程也不致于突然终止，这样就会大大提高了生产效率。
(5)工作环境适应性好。在易燃、易爆等一系列的恶劣的危险环境中，气压传动系统的工作性能要比电气控制及自动化系统和液压系统稳定的多；而且气体受温度影响小，不会因温度变化从而影响了系统的性能。
2 方案设计
2.1 设计参数
结合课题内容以及设计要求，本次设计的机械手是按照表2-1的详细参数对机械手系统进行设计。
表2-1 机械手的技术参数
设计用途 教学型机械手
设计技术参数
抓重 1千克
空间坐标系 三坐标
坐标型式 圆柱坐标
手臂运动参数
伸缩行程 200mm
伸缩速度 40mm/s
升降行程 100mm
升降速度 100mm/s
回转范围
回转速度
定位设计
定位精度 ±0. 5mm
定位方式 接近开关
驱动方式 气压传动
控制方式 点位程序控制(PLC)
2.2设计思路及要求
由于气压传动系统阻力较小，反应动作迅速，而且对环境无污染，成本低廉的优势也是非常明显，因此本次设计的机械手拟采用的是气压传动系统。由于是气动方式驱动，所以这次机械手夹取的物料不应该太重，否则就需要较高的压力。结合实际情况以及查阅相关机械手的设计参数，本设计的机械手夹取物料的质量为1公斤，且主要用于教学，所以设计精度要求不是太高。但是在工业实际生产中，会对机械手速度性能提出要求，如果设计速度过低，就会使得机械手的效率降低，从而会限制机械手的应用范围。影响机械手搬运物料快慢的速度，主要是是手臂的升降速度、手臂伸缩速度以及及手臂回转速度等一些原因共同决定的。本次设计的机械手的移动速度设计为 ；回转速度设计为 。
根据实际工作的需求，机械手在夹取物料以及搬运物料的过程中时，手臂肯定要具有升降、收缩及回转运动等一系列运动，才能灵活多变地进行夹取、搬运物料，因此，本次设计的机械手采用是一个升降气缸，一个收缩气缸以及一个回转气缸共同组成的。由于有回转结构，所以机身设计为圆柱坐标型式。为了增强手腕夹取物料时的灵活性，增加手腕旋转机构，从而增加一个手腕旋转的自由度，相应的机械手具有四个自由度。机械手运动示意图如下图2.1所示。
图2.1 机械手运动示意图
由于PLC可以实现点位控制，而且编程，调试工作简便。本次设计的机械手我们采用PLC对其进行控制的。当根据实际的要求，机械手的工序发生改变时，我们只需对PLC程序进行适当的修改即可满足生产要求，非常的快捷，而且操作也非常简单。
3 机械手元器件选型
3.1 机械手结构选型
3.1.1 机械手手爪
因为本次设计用的是标准气爪，所以不需要对机械手手爪进行设计，可以直接对手爪部分进行选型。
由于本次设计要求机械手的最大抓重m=1Kg，结合实际情况以及相关机械手的设计参数，所以选择的是标准平行开闭型气爪，如图3.1。
图3.1 标准平行开闭型气爪实物图
夹持物料的受力分析如图3.2所示， 手指在夹持物料时，产生的摩擦力为2μF，而且必须要满足夹力F大于夹持工件的重力mg。
故应满足 2μF>mg
即 F>mg/2μ
式中 μ—摩擦系数，本次设计中所用的材料为硬质橡胶，一般令μ=0.65；
因此 F>mg/2μ=1×9.8/(2×0.65)=7.54N。
图3.2 夹持物料受力示意图
根据表3-1，选择的标准型气爪型号为：MHZ-10D。
表3-1 标准型气爪技术参数
3.1.2 机械手伸缩手臂
伸缩手臂是一个机械手用于手臂伸缩的,它是用来连接机械手的手爪和升降手臂的一个构建，它的作用是完成手爪的收缩运动。是在水平方向设置的一个的自由度,可以更方便和灵活的夹取材料。由于伸缩手臂结构的主要载体是手爪和夹持物料的材料的重力, 在完全伸出完即距离达到最大时，伸缩手臂这时会承受最大弯矩，所以对机械手的伸缩手臂进行设计时，应该考虑手臂水平伸缩时要能承受的住弯矩和转矩。
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