机械手PLC控制系统设计.pdf

!学位论：艾独创性声明学位论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得直昌太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名(手写研签字嘿列2 年朔如日l学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解南昌大学有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权南昌大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所和中国学术期刊(光盘版)电子杂志社将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库和中国优秀博硕士学位论文全文数据库中全文发表，并通过网络向社会公众提供信息服务。(保密的学位论文在解密后适用本授权书)学位论文作者签名(手写)：签字日期：2 烈2 年y-月；口R翩签名。玛：弓铭签-7-同期：7 o，)年彳月妇日雾蛙麟圈罐幽之譬：妇鹾黧囊簿簿黪鬻黪蝶霉鼷登群套麓瓣j口r：￥蕊鐾一鬟摘要摘要本文在了解机械手和P L C 控制技术的国内外研究现状及发展趋势基础上，选用四自由度液压机械手作为控制对象进行研究。由于液压机械手具有大功率、易控制和快速性等特点，在工业各领域得到广泛的运用。四自由度液压机械手涉及到了机械设计、液压系统和控制系统等综合知识，是典型的机电液一体化系统。本文在分析机械手工作环境和要完成的任务后，选定了机械手的机构；在分析机械手各动作后，对液压部分进行了分析。液压部分是控制的关键所在，本系统是通过P L C 控制电磁阀的电磁铁，从而实现对机械手各动作的控制。通过分析系统对输入输出数据采集的要求，选择适当的P L C、I O 模块、A D 模块和信号采集元件压力变送器和光栅传感器、分配P L C 输入输出地址、设计控制系统电路和控制柜。最后，课题以四自由度液压机械手为对象，采用O M R O N 公司生产的P L C和触摸屏进行控制，用自带编程软件C X P r o g r a m m e r 7 0 编程实现机身旋转、手臂伸缩、手腕转动和手指夹取等自动、半自动和点动动作。关键词：机械手；P L C；触摸屏；传感器；控制；程序A b s t r a c tA b s t r a c tT h i sa r t i c l ei Sb a s eo nt h eu n d e r s t a n d i n go ft h em a n i p u l a t o ra n dt h eP L Ct e c h n o l o g ya th o m ea n da b r o a db a s e do nt h ep r e s e n ts i t u a t i o na n dd e v e l o p m e n tt r e n d，s e l e c t e dF o u r-D O Fh y d r a u l i cm a n i p u l a t o ra st h ec o n t r o lo b je c tt os t u d yA st h eh y d r a u l i cm a n i p u l a t o rw i t h，h i g h p o w e r,e a s yc o n t r o la n df a s t，e t c W i d e l yu s e di nv a r i o u si n d u s t r i a lf i e l d s，F o u r D O Fh y d r a u l i cm a n i p u l a t o rI n v o l v eM e c h a n i c a lD e s i g nH y d r a u l i cS y s t e mC o n t r o lS y s t e mI sat y p i c a lm e c h a n i c a la n de l e c t r o n i ci n t e g r a t i o ns y s t e mT h i sa r t i c l ea n a l y z e st h em a n i p u l a t o rw o r k i n ge n v i r o n m e n t，a n dm i s s i o nt oc o m p l e t e，t h e ns e l e c t e dt h em a n i p u l a t o r w h i l ea n a l y s i st h em a n i p u l a t o rm o t i o n，A n a l y s i st h e h y d r a u l i cp a r t s H y d r a u l i cp a r ti st h ek e yt oc o n t r 0 1 t h i ss y s t e mc o n t o rt h eE l e c t r o m a g n e to fS o l e n o i dv a l v eb yt h eP L C，I no r d e rt oa c h i e v et h em o v e m e n to ft h em a n i p u l a t o rc o n t r 0 1 S e l e c tt h ea p p r o p r i a t eP L C、I 0m o d u l e s、A Dm o d u l e s、P r e s s u r eT r a n s m i t t e ra n dG r a t i n gs e n s o rb yA n a l y s i st h eh y d r a u l i cs y s t e mo nt h ei n p u ta n do u t p u td a t ac o l l e c t i o nr e q u i r e m e n t s D i s t r i b u t i o nt h ei n p u ta n do u t p u ta d d r e s sa n dC o m p l e t et h ec o n t r o ls y s t e mw i r i n gI nt h ed e s i g no fP L Cc o n t r o lc a b i n e t T h el a s t，F o u r D O Fh y&a u l i cm a n i p u l a t o rf o rt h e m i c l e So b je c t，W i t hO M R O NP L Ca n dT o u c hp a n e lt oc o n t r 0 1 P r o g r a m m i n gb o d yr o t a t i o n，a r ms t r e t c h i n g，w r i s tr o t a t i o na n df i n g e rg r i p p i n ga n dS Oa u t o m a t i c，s e m i a u t o m a t i c，a n dt om o v et h ea c t i o nK e yw o r d s：m a n i p u l a t o r；P L C；T o u c hp a n e l；S e n s o r；c o n t r o lP r o g r a m1 1目录目录第一章绪论11 1 课题研究背景及意义11 2 研究现状及发展趋势21 2 1 机械手的研究现状及发展趋势21 2 2P L C 控制系统的研究现状及发展趋势51 3 课题主要研究内容9第二章机械手机构与液压系统分析1 02 1 机械手工作环境分析102 2 机械手机构分析1O2 3 机械手液压系统分析1 12 4 机械手设计时应考虑的几个问题1 2第三章机械手控制系统设计133 1 机械手动作分析1 33 1 1 机械手运动参数分析1 33 1 2 机械手控制方式分析1 33 2 机械手P L C 控制系统设计1 53 2 1 可编程控制器简要介绍153 2 2 本系统P L C 的选型1 83 2 3 位移传感器的选用2 43 2 4 压力传感器的选用2 73 2 5 触摸屏的选用2 73 3P L C 控制电路的设计2 83 3 1 各模块电路的设计2 83 3 2 现场控制面板的相关设计3 03 3 3P L C 控制总电路图3 0第四章P L C 控制系统程序的设计3 2目录4 1 总程序的设计3 24 2 回原点程序的设计3 34 3 手动程序的设计3 44 4 自动程序的设计3 84 5 触摸屏程序的设计4 1第五章总结与展望4 45 1 总结4 45 2 展望4 4致谢4 5参考文献一4 6附录4 7l V第一章绪论第一章绪论1 1 课题研究背景及意义工业机械手(以下简称机械手)：是近代自动控制领域中出现的一项新技术，已经成为现代制造生产系统中的一个重要组成部分。机械手的迅速发展是由于它具有的积极作用正同益为人们所认识：其一，它能部分地代替人工操作；其二，它能按照生产工艺的要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送和卸载；其三，它能操作必要的机具进行焊接和装配。因此，它能大大地改善工人的劳动条件，显著地提高劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。因而，机械手受到各先进工业国家的重视，并投入了大量的人力物力加以研究和应用，尤其在高温、高压、粉尘、噪声以及带有放射性和污染性的场所，应用更为广泛。随着现代工业生产的迅速发展，机械手在世界范围内得以广泛应用。因而对机械手的控制要求也越来越高，若用传统的继电器控制方案进行控制，势必造成系统元件多，接线繁杂、稳定性差、故障率高，给工业生产带来很多不便。针对这些问题如果采用性能价格比高的可编程序控制器P L C(基于P L C 的优点在下一节有阐述)设计其控制系统，可使该系统的运行可靠性高、故障率低、维修方便，取得良好的工作效果【lJ。P r o g r a m m a b l eL o g i c a lC o n t r o l l e r 简称为P L C。但近年来，P L C 采用微处理器作为中央处理单元，不仅有逻辑控制功能，还有算术运算、模拟量处理甚至通信联网功能，正确应称为P C，但为了与个人计算机有所区别，仍称其为P L CC 2 1。工作原理如图1 1 所示。图1 1P L C 工作原理第一章绪论P L C 有以下几大优点：一)灵活、通用控制功能改变，只要改变软件及少量的线路即可实现。二)可靠性高、抗干扰能力强硬件方面：采用微电子技术开关动作由无触点的半导体电路及大规模集成电路完成，C P U 与输入输出之间，采用光电隔离措施，隔离了它们之间电的联系。软件方面：有自身的监控程序，对强干扰信号、欠电压等外界环境定期检查，有故障时，存现状态到存储器，并对其封闭以保护信息；监视定时器W T D，检查程序循环状态，超出循环时间时报警；对程序进行校验，程序有错误时输出报警信息并停止执行。三)使用简单采用自然语言梯形图语言编程方式，编程容易，更改方便。输入输出接口可以与各种开关、传感器、继电器、接触器、电磁阀连接，接线简单。四)功能强、体积小纵向P L C 不仅可能完成各种条件控制，还能完成模数、数模转换并进行数字运算，可以完成对模拟量的控制；横向可以控制一台至几台设备，还可实现远距离控制；重量轻，体积小，便于安装【2 J。本课题采用可编程控制器P L C 和触摸屏实现机械手液压系统运行过程的手动、半自动和全自动控制，可使控制过程精确可靠，减少了手动工作量，操作过程更加清晰明确，具有重要意义。1 2 研究现状及发展趋势1 2 1 机械手的研究现状及发展趋势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组成 3 1。1、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部。2)手腕是联接手部和手臂的部件，其调整或改变工件方位的作用。2第一章绪论3)手臂支承手腕和手部的部件，用以改变工件的空间位置。4)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。5)行走机构机械手为了完成远距离的操作和扩大使用范围，可以增设滚轮行走机构。滚轮式行走机构可分为有轨的或是无轨的两种。6)机座它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基座上，故起支承和联接的作用。2、驱动系统机械手的驱动系统是驱动执行机构运动的传动装置。常用的有液压传动、气压传动、电力传动和机械传动等四种形式。1)液压传动是以油液的压力来驱动执行机构运动。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，不然有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。2)气压传动是以压缩空气的压力来驱动执行机构运动。其主要特点是介质来源极方便、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，工作速度的稳定性差，而且气源压力较低，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。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、动作频率高，但结构较大，动作程序不可变。它常被用于为工作主机的上、下料。4)电力传动即由特殊结构的感应电动机、直线电机或功率步进电机直接驱动执行机构运动，因为不需要中间的转换机构，故机械结构简单。其中直线电机机械手的运动速度快和行程长，维护和使用方便。此类机械手目前还不多，但有发展前途。3、控制系统有电气控制和射流控制两种，一般常见的为电气控制。它是机械手的重要组成部分，它支配着机械手按规定的程序运动，并记忆人们给与机械手的指令信息(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。3第一章绪论4、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进度达到设定位置。5、机械手的发展趋势：机械手目前多数应用于机床、模锻压力机的上下料，以及点焊、喷漆等作业，它可按事先制订的程序完成操作，但普通不具备传感反馈能力，不能应付外界的变化。如发生某些偏离时，将引起零件甚至机械手本身的损坏。目前工业机械手的应用逐步扩大，技术性能在不断提高。由于发展时间较短，人们对它有一个逐步认识的过程，机械手在技术上还有一个逐步完善的过程：1)扩大机械手在热加工行业上的应用，目前国内机械手应用在机械工业冷加工作业中的较多，而在铸、锻、焊、热处理等热加工以及装配作业等方面的应用较少。因热加工作业的物件重、形状复杂、环境温度高等，给机械手的设计、制造带来不少困难，这就需要解决技术上的难点，使机械手更好地为热加工作业服务。同时，在其它行业和工业部门，也将随着工业技术水平的不断提高，而逐步扩大机械手的使用。2)提高工业机械手的工作性能机械手工作性能的优劣，决定着它能否正常地应用于生产中。机械手工作性能中的重复定位精度和工作速度两个指标，是决定机械手能否保质保量地完成操作任务的关键因素。因此要解决好机械手的工作平稳性和快速性的要求，除了从解决缓冲定位措施入手外，还应发展满足机械手性能要求价格低廉的电液伺服阀，将伺服控制系统应用于机械手上。3)发展组合式机械手从机械手本身的特点来说，可变程序的机械手更适应产品改型、设备更新，多品；f e e d,批量的要求，但是它的成本高，专用机械手价格低廉，但适用范围又受到限制。因此，对一些特殊用途的场合，就需要专门设计、专门加工，这样就提高了产品成本。为了适应应用领域分门别类的要求，可将机械手的结构设计成可以组合的型式。组合式机械手是将一些通用部件f 如手臂伸缩部件，升降部件、回转部件和腕部回转、俯仰部份等)根据作业的要求，选择必要的能完成预定机能的单元部件，以机座为基础进行组合，配上与其相适应的控制部分，4第一章绪论即成为能完成特殊要求的机械手。它可以简化结构，兼顾了使用上的专用性和设计上的通用性，便于标准化、系列化设计和组织专业化生产，有利于提高机械手的质量和降低造价，是一种有发展前途的机械手。4)研制具有“视觉”和“触觉”的所谓“智能机器人”对于需用人工进行灵巧操作及需要进行判断的工作场合，工业机械手很难代替人的劳动。如在工作过程中出现事故、障碍和情况变化等，机械手不能自动分辨纠正，而只能停机，待人们排除意外事故后才能继续工作。因此，人们对机械手提出了更高的要求，希望使其具有“视觉”、“触觉”等功能，使之对物件进行判断、选择，能连续调节以适应变化的条件，并能进行“手、脚”协调动作。这就需要一个能处理大量信息的计算机，要求人与机器“对话”进行信息交流。这种带“视觉”、触觉”反馈的，由计算机控制的，具有人的部分“智能”的机械装置称为“智能机器人”。所谓“智能”是包括识别、学习、记忆、分析判断的功能。而识别功能是通过“视觉”、“触觉”和“听觉”等感觉“器官”认识对象的。具有感觉功能的机器人，其工作性能是比较完善的，能够准确地夹持任意方位的物件，判断物件重量，越过障碍物进行工作，自动测出夹紧力大小，并能自动调节，适用于从事复杂、精密的操作，如装配作业等，它有着一定的发展前途。智能机器人是一种新兴的技术，对它的研究将涉及到电子技术、控制论、通讯技术、电视技术、空间机构和仿生机械学等学科。它是当代自动控制技术的一个新兴的领域。随着科学技术的发展，智能机器人将会代替人做更多的工作。为此，机械手发展趋势是大力研制具有某种智能的机械手，设它拥有一定的传感能力，能反馈外界条件的变化作相应的变更，如位置发生稍些偏差时即能更正，并自行检测。重点是研究“感觉”功能，将机械手和柔性制造系统和柔性制造单元相结合，从而根本改变目前的机械制造系统的人工操作状态。1 2 2P L C 控制系统的研究现状及发展趋势1、P L C 的运用现状【4 11)在制造工业和过程工业中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进5第一章绪论行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。1 9 6 8 年美国G M(通用汽车)公司提出取代继电气控制装置的要求，第二年，美国数字公司研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，使得电气控制功能实现的程序化，这就是第一代可编程序控制器，英文名字叫P r o g r a m m a b l eC o n t r o l l e r(P C)。2)随着电子技术和计算机技术的发生，P C 的功能越来越强大，其概念和内涵也不断扩展。3)上世纪8 0 年代，个人计算机发展起来，也简称为P C，为了方便，也为了反映或可编程控制器的功能特点，美国A B 公司将可编程序控制器定名为可编程序逻辑控制器P r o g r a m m a b l eL o g i cC o n t r o l l e r(P L C)，并将“P L C”作为其产品的注册商标。现在，仍常常将P L C 简称P C。4)上世纪8 0 年代至9 0 年代中期，是P L C 发展最快的时期，年增长率一直保持为3 0-4 0。在这时期，P L C 在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，P L C 逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的D C S 系统。5)目前我国P L C 生产厂约3 0 家，但没有形成颇具规模的生产能力和名牌产品，还有一部分是以仿制、来件组装或“贴牌”方式生产。虽然我国在P L C 生产方面非常弱，但在P L C 应用方面，我国是很活跃的，近年来每年约新投入1 0万台套P L C 产品，年销售额数十亿人民币，应用的行业也很广。在我国应用的P L C 系统中，I O6 4 点以下P L C 销售额占整个P L C 的4 7，6 4 点2 5 6 点的占3 1，合计占整个P L C 销售额的7 8。在我国应用的P L C，几乎涵盖了世界所有的品牌，呈现八国联军的态势，但从行业上分，有各自的势力范围。大中型集控系统采用欧美P L C 居多，小型控制系统、机床、设备单体自动化及O E M 产品采用日本的P L C 居多。欧美P L C在网络和软件方面具有优势，而日本P L C 在灵活性和价位方面占优势。6)近年，工业计算机技术(I P C)和现场总线技术(F C S)发展迅速，挤占了一部分P L C 市场，P L C 增长速度出现渐缓的趋势，但其在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位，在可预见的将来，是无法取代的。目前，国外具有代表性的先进的P L C 生产产家及其主要产品如表所示【9】：6第一章绪论施耐德公司罗克韦尔(A B)公司两门子公司G E 公司欧姆龙三菱富士松下Q u a n t u m、P r e m i u mS L C、M i c r o L o g i x、C o m p a c t L o g i xS 1 M A T I CS 7 4 0 0 3 0 0 2 0 0 系列9 0 T M 30 7 0、V E R S A M A X 系列C P M l A 2 A、C Q M l H、C 2 0 0 H X H G H E 及S Y S M A SC J 系列F X 2 N 1 N 1S、Q n、A n S 系列M I C R E X S X、F L E X N、N B 系列F P Q 1 2 3 E 系歹02、P L C 控制系统的发展趋势现在，虽然出现了性能更加优越的D C S 和F C S 控制系统，从长远看，P L C控制终将也会被先进的F C S 控制所取代，但是，在今后相当长的一段时间内，基于以下原因P L C 还会与D C S 和F C S 共存：1)现在企业的确正在朝着自动化、信息化、开放化的方向发展，但这是否就意味着要将现有的控制系统推倒重来呢?答案是否定的。企业投入大量的人力和财力建立起来的P L C 控制系统已经成型，如果要完全推翻再建立新的D C S 或F C S 控制系统，需要更大的资金投入，将造成很大的浪费。2)基于以上市场需求，许多软件厂商(例如：华富惠通软件公司)正在考虑如何利用企业已经成型的控制系统及新建的厂级网络，开发控制系统软件，帮助企业实现工厂自动化、信息化，为企业提供控制系统与管理网络的集成。3)P L C 的功能增强、结构优化，I O 模块趋向分散化、智能化，编程工具和编程语言更具标准化和高级化。4)P L C 的联网通信能力增强，能向高速度、多层次、大信息量、高可靠性及开放式的通信发展。5)现在的P L C 系统与D C S 技术、现场总线I 0 技术相结合，使其结构开放、扩展方便、技术先进、价格低廉。由以上分析可以预见，未来P L C 将朝着多功能化、集成化、智能化、标准化、开放化的方向发展，故P L C 虽然面临其它自动化控制系统的挑战，但同时也在吸收它们的优点，互相融合，不断创新，在今后一段时间内将与其它先进控制方式并存，共同发展p 1。P L C 发展至今已有几十年的历史，随着半导体技术、计算机技术和通信技7第一章绪论术的发展，工业控制领域已有翻天覆地的变化，P L C 亦在不断的发展，正朝着新的技术发展。一是P L C 网络化技术的发展，其中有两个趋势：一方面，P L C 网络系统已经不再是自成体系的封闭系统，而是迅速向开放式系统发展，各大品牌P L C 除外形成自己各具特色的P L C 网络系统，完成设备控制任务之外，还可以与上位计算机管理系统联网，实现信息交流，成为整个信息管理系统的一部分；另一方面，现场总线技术得到广泛的采用，P L C 与其他安装在现场的智能化设备，比如智能仪表、传感器、智能型电磁阀、智能型驱动执行机构等，通过一根传输介质(L L P H 双绞线、同轴电缆、光缆)链接起来，并按照同一通信规约互相传输信息，由此构成一个现场工业控制网络，这种网络与单纯的P L C 远程网络相比，配置更灵活，扩展更方便，造价更低，性能价格比更好，也更具开放意义。二是P L C 向高性能小型化方向发展，P L C 的功能正越来越丰富，而体积则越来越小。比如三菱的F X I S 系列P L C，最小的机种，体积仅为6 0 x 9 0 x 7 5 m m，相当于一个继电器，但却具有高速计数、斜坡、交替输出及1 6 位四则运算等能力，还具有可调电位器时间设定功能。P L C 己不再是早期那种只能进行开关量逻辑运算的产品了，而是具有越来越强的模拟量处理能力，以及其他过去只有在计算机上刊能具有的高级处理能力，如浮点数运算、P I D 调节、温度控制、精确定位、步进驱动、报表统计等。从这种意义上说，P L C 系统与D C S(集散控制系统)的差别越来越小了，用P L C 同样可以构成一个过程控制系统。三是P L C 操作向简易化方向发展。目前P L C 推广的难度之一就是复杂的编程使得用户望而却步，而且不同厂商P L C 所有编程的语言也不尽相同，用户往往需要掌握更多种编程语言，难度较大。P I D 控制、网络通信、高速计数器、位置控制、数据记录、配方和文本显示器等编程和应用也是P L C 程序设计中的难点，用普通的方法对它们编程时，需要熟悉有关的特殊存储器的意义，在编程时对它们赋值，运行时通过访问它们来实现对应的功能。这些程序往往还与中断有关，编程的过程既繁琐又容易出错，阻碍了P L C 的进一步推广应用。P L C的发展必然朝着操作简化对复杂任务的编程，在这一点上西门子就充当了先行者，西门子S 7 2 0 0 的编程软件设计了大量的编程向导，只需要在对话框中输入一些参数，就可以自动生成包括中断程序在内的用户程序，大大方便了用户的使用。8第一章绪论1 3 课题主要研究内容光栅位移传感器线(S G C 一4 2 1角(E 6 8 2 一C 1触摸屏H(盅蕊)A D 模数转(C P M l A-压力传感器(P T 2 1 0 B)液压传动系统图1 2 机械手控制系统框图手臂升降手臂正，反摆动手臂伸缩手腕正反回转手指夹紧本课题主要研究内容是针对实际生产中用到的工业机械手，其整体控制系统框图如图1 2 所示，使用可编程控制器P L C 和触摸屏进行控制，实现运行过程的手动、半自动和全自动控制。主要研究内容如下：1、机械手运动机构和液压系统分析。2、P L C 控制系统各个模块的选用和电路设计。如下表1 2 所列。表1-2P L C 各模块3、绘制P L C 控制系统整体电路图。4、编制触摸屏和P L C 控制程序。9第二章机械手机构与液压系统分析第二章机械手机构与液压系统分析2 1 机械手工作环境分析本机械手运用于锻造车间流水作业生产线上如图，处于高温、危险的环境当中。机械手把高温的大型棒料传送到即将进行锻造的传送带上。基于上述分析，机械手要求在高温、承受重载荷的条件下，能实现对棒料的快速，准确地搬运。这样就代替了人工的操作，大大地改善工人的劳动条件，显著地提高劳动生产率。图2 1 机械手i i i l：作流程示意图2 2 机械手机构分析工作环境也自然影响到一台机械手的机构。此台机械手(图2-2 为示意图)由手部、手腕、手臂、立柱、支撑机构以及驱动和控制系统组成。图2-2 机械手示意图1 0第二章机械手机构与液压系统分析课题以四自由度液压机械手为对象，采用可编程控制器(P L C)和触摸屏进行控制，实现机身升降、机身旋转、手臂伸缩、手腕旋转、和手指夹取，如图所示，其中1 为沿立柱作上下移动；2 为手臂作回转运动；3 为沿水平方向作伸缩运动柱；4 为手腕作回转运动；5 为手指的夹紧、放松运动。2 3 机械手液压系统分析本台机械手采用液压驱动，升降、收缩和夹紧执行元件采用液压缸，手臂、手腕旋转采用液压马达【6 J。液压换向回路用三位四通阀控制；手臂伸缩设置有缓冲功能，用两位两通阀进行控制；手指的夹紧和放松用一个两位三通阀进行控制；液压系统的卸荷用两位两通阀进行控制。如图2 3 所示：2 5图2 3 液压系统原理图1 液压泵；2 一先导式溢流阀；3 两位两通阀；4 普通单向阀；5、6、7、8 三位四通换向阀；9 一两位两通换向阀；1 0 两位三通换向阀；1 1、1 2、1 3、1 4、1 5、1 6 一单向顺序阀；1 7、1 8 一普通顺序阀；1 9 一单向节流阀第二章机械手机构与液压系统分析2 4 机械手设计时应考虑的几个问题1、应具有足够的握力(夹紧力)在确定手指的握力时，除考虑工件重量外，还应考虑在传送或操作过程中所产生的惯性力和振动，以保证工件不致产生松动或脱落。2、手指间应具有一定的开闭角两手指张开与闭合的两个极限位置所夹的角度称为手指的开闭角。手指的开闭角应保证工件能顺利进入或脱开。若夹持不同直径的工件，应按最大直径的工件考虑。对于移动型手指只有开闭幅度的要求。3、应保证工件准确定位为使手指和被夹持工件保持准确的相对位置，必须根据被抓取工件的形状，选择相应形状的手指。例如圆柱形工件采用带“V”形面的手指，以便自动定心。4、应具有足够的强度和刚度手指除受到被夹持工件的反作用力外，还受到机械手在运动过程中所产生的惯性力和振动的影响，要求有足够的强度和刚度以防折断或弯曲变形，但应尽量使结构简单紧凑，自重轻，并使手部的重心在手腕的回转轴线上，使手腕的扭转力矩最小为佳。5、应考虑被抓取对象的要求1)抓取形状手指形状应根据工件形状而设计。如工件为圆柱形，则采用V形手指，圆球状工件用圆弧形三指手指，方料用平面形手指，细丝工件用尖指勾形或细齿钳爪手指。总之应根据工件形状来选定手指形状。2)抓取部位的尺寸尽可能是不变的，若加工后尺寸有变化，手指应能适应尺寸变化的要求，否则不允许定为抓取部位。对于工件表面质量要求高的，抓取时尽量避开高质量表面或在手指上加软质垫片(如橡皮、泡沫塑料、石棉衬垫等)以防央持时损坏工件。3)抓取数量若用一对手指抓取多个工件，为了不发生个别工件的松动或脱落现象，在手指上可增加弹性衬垫，如橡皮、泡沫塑料等，对于较长工件可采用双指或多指抓取。6、应考虑手指的多用性手指是专用性较强的部件，为适应小批量多品种工件的不同形状和尺寸的要求，可制成组合式的手指。对于这种手指要求结构简单，安装维修方便，更换方便。1 2第三章机械手控制系统设计第三章机械手控制系统设计3 1 机械手动作分析3 1 1 机械手运动参数分析1、抓重：抓取工件为灰铸铁，最大重量为3 0k g；形状为圆柱体(R=7 0m m)，表面粗糙度R a=6 3；2、最大工作半径：1 6 0 0 m m；3、手臂运动参数；手臂最大中心高：9 0 0 r a m；伸缩行程：8 0 0 m m；伸缩速度：小于2 0 0 m m s；升降行程：3 0 0 m m；升降速度：小于6 0 m m s；摆动范围：O -一2 1 0。；摆动速度：小于7 0。s；4、手腕运动参数回转范围：0 1 8 0。；回转速度：小于9 0。s；5、定位精度：一3 m m+3 m m；6、驱动方式：液压(中、低压系统)；7、手指夹持范围：5 0 -1 0 0 m m。3 1 2 机械手控制方式分析1、液压系统电磁阀动作顺序安排对各电磁阀进行相应的控制从而实现对机械手动作的控制表3 1 电磁铁动作顺序表1 3第三章机械手控制系统设计2、动作方式图如3 1 所示：图3。1 机械手动作方式图机械手的控制方式分为三大部分，1)回原点控制；2)点动控制；3)自动控制，其中自动包括半自动和全自动【7 J1)回原点控制：每次开机要进行原点搜索，若检测到不是原点，则由选择开关选择点动操作，手动回原点，并有回原点到位显示。2)点动(手动)控制：由操作面板上的选择开关选择手动，再由面板上的按钮分别控制手动控制机械手的十个动作，如图3 2 所示。每个动作都有状态显示，以直观的显示出各个动作，在动作过程中有位移和压力1 4第三章机械手控制系统设计传感器进行检测，并在触摸屏相应的画面中显示运动数据。圈3 2 机械手点动方式图3)自动控制：a、半自动控制：由操作面板上的选择开关选择半自动控制，机器在原位时，按起动按钮，自动的完成一个周期的操作，操作完后机器又停在原位上。若在执行过程中，按下停止按钮，则机器停留该步工序上。再按下启动按钮，则又从该步工序继续工作，最后仍自动地停在原位上，动作过程中有各个动作的状态显示灯和进行位移、压力检测，并在触摸屏相应的画面中显示数据。塑堕H!堕H 垦簦H 堡旦H 垫坠H 堡些H 垂壁图3-3 机械手自动方式图b、全自动控制：由操作面板上的选择开关选择自动控制方式，机器在原位时，按下起动按钮，机器就连续周期地重复进行各步序工作。直到按下停止按钮，机器执行完最后一个工作周期返回原位，然后停机。动作过程中同样有各个动作的状态显示灯和进行位移、压力检测，并在触摸屏相应的画面中显示数据。3 2 机械手P L C 控制系统设计3 2 1 可编程控制器简要介绍1、可编程控制器的基本结构可编程控制器的主要由C P U 单元、输入单元、输出单元、扩展单元和编程器组成等组成，如下图3 3 所示：1 5第三章机械手控制系统设计缎牲褥瓣静帆钉f i l i a lE P R O M；A 嚣热啦躲柠舔缝P I。c 浅卜俭旃鞔娉嘲潞祷图3 4P L C 控制系统示意图1)C P U 模块C P U 模块主要由微处理器(C P U 芯片)和存储器组成，在可编程控制器系统中，C P U 模块相当于人的大脑和心脏，它不断地采集输入信号，执行用户程序，刷新系统的输。存储器用来储存程序和数据。2)I O 模块输入(I n p u t)模块和输出(O u t p u t)模块简称为I O 模块，它们是系统的眼、耳、手、脚，是联系外部现场和C P U 模块的桥梁。输入模块用接收和采集输入信号，输入信号有两类：一类是从按钮、选择开关、数字拔码开关、限位开关、接近开关、光电开关、压力继电器等开关量输入信号；另一类是由电位器、热电偶、测速发电机、各种变送器提供的连续变化的模拟量输入输出信号电压一般较高，如直流2 4 V 和交流2 2 0 V。从外部引入的尖锐电压和干扰噪声可能损坏C P U 模块中的元器件，或使用权可编程控制器不能正常工作。在I O 模块中，用光电耦合器，光电可控硅、小型继电器等器件来隔离外部输入电路和负载，U O模块除了传递信号外，还有电平转换与隔离的作用。b)交流雅入a)J：!l：流输入图3 5P L C 输入电路1 6第三章机械手控制系统设计图3-6P L C 输出电路aj 攥嗽藤燃3)编程器编程器除了用来输入和编辑用户程序外，还可以用来监视可编程控制器运行中各种编程元件的工作状态。编程器可以永久地连接在可编程控制器上，将编程器取下来后系统也可以运行。一般只在程序逻辑输入、调试和检修时使用编程器，一台编程器可供多台可编程控制器公用。4)电源可编程控制器使用2 2 0 V 交流电源或2 4 V 直流电源。可编程控制器内部的直流稳压电源为各模块内的电路供电，某些可编程控制器可以为输入电路和外部电子检测装置(如接近开关)提供2 4 V 直流电源，驱动现场执行机构的直流电源一般由用户提供。5)触摸屏触摸屏是显示器和触摸开关一体型的可编程终端，简称P T，是新一代高科技人机界面产品。专为P L C 应用而设计的触摸屏集主机、输入输出设备于一体，适合在恶劣的工业环境中使用(防护等级达I P 6 5)，