PLC的气动机械手控制系统的设计
PLC的气动机械手控制系统的设计[20200128195356]
摘要
在工业生产和其他领域中，由于工作环境的需要，工人经常受到高温、腐蚀及有毒气体等因素的危害，提高了工人的劳动强度，甚至于威胁生命。自从机械手问世以来相应的这些难题都得到有效的解决，机械手可以在空间中抓、放、搬运物体，动作灵活多样性。机械手一般用耐高温、抗腐蚀的材料制作，以适应恶劣的工作环境，工人的劳动强度大大的降低了，提高了工作效率。机械手是工业机器人重要的一部分，在多种情况下它被称为工业机器人。
本文介绍了一种基于PLC的气动机械手控制系统的设计，主要介绍了气动机械手的结构设计、工作原理、气压传动系统设计等具体内容，实现了机械手的物品搬运，具体是通过PLC的软件程序控制电磁阀、驱动气缸，从而控制机械手的一系列动作：上升、下降、左行、右行、夹紧及放松的控制。
*查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:】PLC、气动机械手、气压传动、电气控制系统
一．引言 - 1 -
(一)机械手研究的意义 - 1 -
(二)气动机械手发展现状及应用 - 1 -
(三)主要研究的内容 - 1 -
二．气动机械手的总体设计 - 2 -
(一)气动搬运机械手的结构设计 - 2 -
(二)气动搬运机械手的工作原理 - 2 -
(三)机械手模块化设计 - 3 -
1.机械手手部结构设计 - 4 -
2.机械手手臂结构设计 - 4 -
3.机械手底座结构的设计 - 5 -
(四)气动驱动系统设计 - 5 -
1.机械手驱动系统的设计 - 5 -
2.气动辅助元器件的选取 - 5 -
3.电路中主要元器件的介绍 - 6 -
三．PLC的硬件设计 - 6 -
(一)PLC的简介 - 6 -
(二)PLC的应用领域 - 7 -
(三)PLC的系统构成 - 7 -
(四)PLC的特点 - 10 -
(五)I/O分配表的确定 - 10 -
(六)I/O地址分配表 - 11 -
(七) PLC的选型 - 11 -
(八)PLC的I/O分配图 - 12 -
四、PLC软件设计 - 12 -
(一)初始化电路 - 12 -
(二)手动操作 - 13 -
(三)回原点初始状态图 - 13 -
(四)自动操作程序 - 14 -
五．结束语 - 16 -
六．致谢词 - 16 -
七．参考文献 - 17 -
一．引言
(一)机械手研究的意义
可编程控制器（PLC）从生产到现在，实现了接线逻辑到存储逻辑的跨跃，功能从弱到强，实现了逻辑到数字控制的进步；其应用领域由小到大，从单体设备简单控制到运动控制、过程控制以及集散控制等各种方面的飞跃。PLC在处理模拟量、数字量运算等各个方面的能力都得到了很大的提高，在工业控制领域成为主流控制设备，在各个行业的作用越来越大。
机械手是一种仿人运动的自动控制、、可重复编程、能够在三维空间中完成各种动作的机电一体化自动生产设备。本文主要研究一种气动机械手，实现多功能抓取上的更大自由度与多种产品的自动分拣。机器人的应用情况，是一个国家工业自动化水瓶的重要标志。
(二)气动机械手发展现状及应用
近20年来，气动技术的应用领域迅速扩大，气动技术——被誉为工业自动化“肌肉”的传动与控制技术，在加工制造领域中越来越受到人们的重视，并的道理广泛的应用。电气可编程控制技术与气动技术的结合，整个系统自动化程度变得更高，控制方式灵活，性能更加可靠；气动机械手自动生产线的迅速发展，对气动技术要求提高了很多。
气动技术是以压缩空气为工作介质来传动和控制的一门专业技术。气动技术因具有节能、安全可靠、结构简单以及可以在高温、震动、易燃、多尘埃、强磁等恶劣环境下工作的优点，气动技术正朝着精确化、高速化、小型化、复合化和集成化的方向发展。
气动机械手是机械手中的一种，它结构简单、重量轻、动作灵活、平稳和不污染环境等优点而被广泛的应用。机械手与数控加工中心，自动检测系统与自动搬运小车可组合成柔性制造系统(FMS )和计算机集成制造系统(CIMS )，实现生产自动化。随着生产的迅速发展，功能和性能的不断完善和提高，机械手的应用范围日益扩大。
(三)主要研究的内容
随着机械手技术的迅速发展和机械手应用领域的不断延伸，要求机械手控制可靠性使用灵活、操作灵活性好，要求成本低、可开发经济性强。本题主要研究机械手以下几个方面的内容：
（1） 机械手执行系统的分析与选择
执行系统是由传动部分与机械构件组成。是机械手实现各种运动的实体。主要有机手臂、夹子三部分组成。执行系统的设计主要是对机械手的手臂和机座的设计。
（2） 机械手驱动系统的分析与选择
驱动系统是给执行系统提供动力的部分。通过液、气压、电气三种驱动的比较，本题选择气压驱动的方式，包括气动元器件的选择。
（3） 机械手控制系统的设计
控制系统是机械手的指挥系统，由它控制驱动系统。通过可编程控制器（PLC）对机械手进行控制，主要包括PLC的型号的选择、传感器类型的选、I/O的选择、控制系统的原理图、程序梯形图等内容
二．气动机械手的总体设计
(一)气动搬运机械手的结构设计
气动机械手的分类有很多，按照机械手不同的运动形式可分为：直角坐标式、圆柱坐标式、球坐标式和关节坐标式。
本文所研究的机械手需要完成物品的抓取动作、手臂回转、升降及伸缩运动，因此选用圆柱坐标式；机械手主要由底座、手臂和夹子三部分组成。基座的主要功能是支撑和手臂完成回转，手臂装在底座上，做上下直线运动，手部做伸缩运动，夹子部分采用两根手爪，具有一个开合的动作（夹紧、放松）如图1所示。
图1 机械手原理图
机械手的全部动作由气缸驱动，气缸由电磁阀控制，驱动部分有升降气缸、伸缩气缸、手部驱动气缸（开合气缸）。
(二)气动搬运机械手的工作原理
机械手驱动部分是采用气压驱动，使用的压力为0.6MPa。气动驱动的主要优点是气源方便，驱动系统具有缓冲作用，成本低，维修方便。
这个机械手具有一个旋转运动自由度，两个直线运动自由度和一个开合运动，用于将工件从原工作台上的物品搬到其右侧工作台上，两个工作台高度不同，所在位置和机械手底座位置三点位置组成一定的角度，而且两个工作台与机械手底座的距离也不相同。
机械手的全部动作由气缸驱动，气缸由电磁阀控制，整个机械手在工作中能实现上升/下降、左旋转/右旋转、夹紧/放松功能，是目前较为简单的、应用比较广泛的一种机械手。
机械手的工作流程如图2所示
图2 工作流程
机械手实现物品移动操作，需要以下几个动作：
（1） 竖直下降：机械手的升降运动通过升降气缸、垂直导柱、滑动导柱，气缸下行至下限位置，使手部夹持机构（手爪）到达工作台上的物品工件位置。
（2） 夹紧：机械手开合气缸手爪伸出，手爪夹紧物品工件。
（3） 竖直上升：通过升降气缸，气缸上行至上升限位，将物品抓起，同时使手爪及其所夹紧的物品到达目标工作台上的平面位置。
（4） 右向回转：机械手气缸活塞伸出至目标工作台的正上方。
（5） 手臂伸长：机械手伸缩气缸活塞伸出至伸出限位，使手爪及其所抓紧的物品到达目标工作台的上方。
（6） 放松：机械手开合气缸活塞缩回，手爪张开放松物品在工作台上。
（7） 手臂缩短：机械手气缸活塞缩回至缩回限位。
（8） 左向回转：机械手回转气缸向左缩回至原位。
以上是机械手抓取物品的动作流程。至此，也是机械手的一个完整的动作循环完成。
(三)机械手模块化设计
气动机械手按功能分析可分为机械底座、立柱、手臂、手部模块。其中手臂模快和手部模块是机械手的最基本的模块，并可以细分为不同功能的局部模块。立柱模块也是不可缺失的。
1.机械手手部结构设计
手部就是与物品接触的部分。由于物品的形式不同，可分为夹持式和吸附式手部。当夹持物品是圆柱、长方形状时，一般试用的是夹持式手部；当被夹物品是平板、板料时，一般使用负压式吸盘。
夹持式手部是由手爪和传力机构构成的。手爪是与物品直接接触的部件，经常使用的手爪运动形式有回转型和平移型。回转型手爪结构简单，制造容易，所以应用范围比较广泛；平移型手爪应用较少，其原因是结构比较复杂。
手爪结构取决于被抓物品的表面形状被抓部位和物品的重量及尺寸。常有的指形有平面的、V面的和曲面的；手爪有外抓式和内抓式，手部指数多位两指（也多多指）；传力机构是通过手爪产生夹紧力来完成夹放物品的任务。
摘要
在工业生产和其他领域中，由于工作环境的需要，工人经常受到高温、腐蚀及有毒气体等因素的危害，提高了工人的劳动强度，甚至于威胁生命。自从机械手问世以来相应的这些难题都得到有效的解决，机械手可以在空间中抓、放、搬运物体，动作灵活多样性。机械手一般用耐高温、抗腐蚀的材料制作，以适应恶劣的工作环境，工人的劳动强度大大的降低了，提高了工作效率。机械手是工业机器人重要的一部分，在多种情况下它被称为工业机器人。
本文介绍了一种基于PLC的气动机械手控制系统的设计，主要介绍了气动机械手的结构设计、工作原理、气压传动系统设计等具体内容，实现了机械手的物品搬运，具体是通过PLC的软件程序控制电磁阀、驱动气缸，从而控制机械手的一系列动作：上升、下降、左行、右行、夹紧及放松的控制。
*查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:】PLC、气动机械手、气压传动、电气控制系统
一．引言 - 1 -
(一)机械手研究的意义 - 1 -
(二)气动机械手发展现状及应用 - 1 -
(三)主要研究的内容 - 1 -
二．气动机械手的总体设计 - 2 -
(一)气动搬运机械手的结构设计 - 2 -
(二)气动搬运机械手的工作原理 - 2 -
(三)机械手模块化设计 - 3 -
1.机械手手部结构设计 - 4 -
2.机械手手臂结构设计 - 4 -
3.机械手底座结构的设计 - 5 -
(四)气动驱动系统设计 - 5 -
1.机械手驱动系统的设计 - 5 -
2.气动辅助元器件的选取 - 5 -
3.电路中主要元器件的介绍 - 6 -
三．PLC的硬件设计 - 6 -
(一)PLC的简介 - 6 -
(二)PLC的应用领域 - 7 -
(三)PLC的系统构成 - 7 -
(四)PLC的特点 - 10 -
(五)I/O分配表的确定 - 10 -
(六)I/O地址分配表 - 11 -
(七) PLC的选型 - 11 -
(八)PLC的I/O分配图 - 12 -
四、PLC软件设计 - 12 -
(一)初始化电路 - 12 -
(二)手动操作 - 13 -
(三)回原点初始状态图 - 13 -
(四)自动操作程序 - 14 -
五．结束语 - 16 -
六．致谢词 - 16 -
七．参考文献 - 17 -
一．引言
(一)机械手研究的意义
可编程控制器（PLC）从生产到现在，实现了接线逻辑到存储逻辑的跨跃，功能从弱到强，实现了逻辑到数字控制的进步；其应用领域由小到大，从单体设备简单控制到运动控制、过程控制以及集散控制等各种方面的飞跃。PLC在处理模拟量、数字量运算等各个方面的能力都得到了很大的提高，在工业控制领域成为主流控制设备，在各个行业的作用越来越大。
机械手是一种仿人运动的自动控制、、可重复编程、能够在三维空间中完成各种动作的机电一体化自动生产设备。本文主要研究一种气动机械手，实现多功能抓取上的更大自由度与多种产品的自动分拣。机器人的应用情况，是一个国家工业自动化水瓶的重要标志。
(二)气动机械手发展现状及应用
近20年来，气动技术的应用领域迅速扩大，气动技术——被誉为工业自动化“肌肉”的传动与控制技术，在加工制造领域中越来越受到人们的重视，并的道理广泛的应用。电气可编程控制技术与气动技术的结合，整个系统自动化程度变得更高，控制方式灵活，性能更加可靠；气动机械手自动生产线的迅速发展，对气动技术要求提高了很多。
气动技术是以压缩空气为工作介质来传动和控制的一门专业技术。气动技术因具有节能、安全可靠、结构简单以及可以在高温、震动、易燃、多尘埃、强磁等恶劣环境下工作的优点，气动技术正朝着精确化、高速化、小型化、复合化和集成化的方向发展。
气动机械手是机械手中的一种，它结构简单、重量轻、动作灵活、平稳和不污染环境等优点而被广泛的应用。机械手与数控加工中心，自动检测系统与自动搬运小车可组合成柔性制造系统(FMS )和计算机集成制造系统(CIMS )，实现生产自动化。随着生产的迅速发展，功能和性能的不断完善和提高，机械手的应用范围日益扩大。
(三)主要研究的内容
随着机械手技术的迅速发展和机械手应用领域的不断延伸，要求机械手控制可靠性使用灵活、操作灵活性好，要求成本低、可开发经济性强。本题主要研究机械手以下几个方面的内容：
（1） 机械手执行系统的分析与选择
执行系统是由传动部分与机械构件组成。是机械手实现各种运动的实体。主要有机手臂、夹子三部分组成。执行系统的设计主要是对机械手的手臂和机座的设计。
（2） 机械手驱动系统的分析与选择
驱动系统是给执行系统提供动力的部分。通过液、气压、电气三种驱动的比较，本题选择气压驱动的方式，包括气动元器件的选择。
（3） 机械手控制系统的设计
控制系统是机械手的指挥系统，由它控制驱动系统。通过可编程控制器（PLC）对机械手进行控制，主要包括PLC的型号的选择、传感器类型的选、I/O的选择、控制系统的原理图、程序梯形图等内容
二．气动机械手的总体设计
(一)气动搬运机械手的结构设计
气动机械手的分类有很多，按照机械手不同的运动形式可分为：直角坐标式、圆柱坐标式、球坐标式和关节坐标式。
本文所研究的机械手需要完成物品的抓取动作、手臂回转、升降及伸缩运动，因此选用圆柱坐标式；机械手主要由底座、手臂和夹子三部分组成。基座的主要功能是支撑和手臂完成回转，手臂装在底座上，做上下直线运动，手部做伸缩运动，夹子部分采用两根手爪，具有一个开合的动作（夹紧、放松）如图1所示。
图1 机械手原理图
机械手的全部动作由气缸驱动，气缸由电磁阀控制，驱动部分有升降气缸、伸缩气缸、手部驱动气缸（开合气缸）。
(二)气动搬运机械手的工作原理
机械手驱动部分是采用气压驱动，使用的压力为0.6MPa。气动驱动的主要优点是气源方便，驱动系统具有缓冲作用，成本低，维修方便。
这个机械手具有一个旋转运动自由度，两个直线运动自由度和一个开合运动，用于将工件从原工作台上的物品搬到其右侧工作台上，两个工作台高度不同，所在位置和机械手底座位置三点位置组成一定的角度，而且两个工作台与机械手底座的距离也不相同。
机械手的全部动作由气缸驱动，气缸由电磁阀控制，整个机械手在工作中能实现上升/下降、左旋转/右旋转、夹紧/放松功能，是目前较为简单的、应用比较广泛的一种机械手。
机械手的工作流程如图2所示
图2 工作流程
机械手实现物品移动操作，需要以下几个动作：
（1） 竖直下降：机械手的升降运动通过升降气缸、垂直导柱、滑动导柱，气缸下行至下限位置，使手部夹持机构（手爪）到达工作台上的物品工件位置。
（2） 夹紧：机械手开合气缸手爪伸出，手爪夹紧物品工件。
（3） 竖直上升：通过升降气缸，气缸上行至上升限位，将物品抓起，同时使手爪及其所夹紧的物品到达目标工作台上的平面位置。
（4） 右向回转：机械手气缸活塞伸出至目标工作台的正上方。
（5） 手臂伸长：机械手伸缩气缸活塞伸出至伸出限位，使手爪及其所抓紧的物品到达目标工作台的上方。
（6） 放松：机械手开合气缸活塞缩回，手爪张开放松物品在工作台上。
（7） 手臂缩短：机械手气缸活塞缩回至缩回限位。
（8） 左向回转：机械手回转气缸向左缩回至原位。
以上是机械手抓取物品的动作流程。至此，也是机械手的一个完整的动作循环完成。
(三)机械手模块化设计
气动机械手按功能分析可分为机械底座、立柱、手臂、手部模块。其中手臂模快和手部模块是机械手的最基本的模块，并可以细分为不同功能的局部模块。立柱模块也是不可缺失的。
1.机械手手部结构设计
手部就是与物品接触的部分。由于物品的形式不同，可分为夹持式和吸附式手部。当夹持物品是圆柱、长方形状时，一般试用的是夹持式手部；当被夹物品是平板、板料时，一般使用负压式吸盘。
夹持式手部是由手爪和传力机构构成的。手爪是与物品直接接触的部件，经常使用的手爪运动形式有回转型和平移型。回转型手爪结构简单，制造容易，所以应用范围比较广泛；平移型手爪应用较少，其原因是结构比较复杂。
手爪结构取决于被抓物品的表面形状被抓部位和物品的重量及尺寸。常有的指形有平面的、V面的和曲面的；手爪有外抓式和内抓式，手部指数多位两指（也多多指）；传力机构是通过手爪产生夹紧力来完成夹放物品的任务。
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