PLC机械手毕业设计.doc
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1、中南大学毕业设计(论文)任务书韶关高级技工学校站 电气自动化专业 09级 姓名毕业设计(论文)题目:交流伺服电机驱动PLC控制的机械手起止日期:2011年2月21日至2010年3月20日指导教师:杨锋毕业设计(论文)要求(包括日程安排和进度):一、任务:机械原点设在可动部分左上方,即压下左限开关和上限开关,并且工作处于放松状态,下降、上升和左、右移动由交流伺服电机驱动实现的,当工件处于工作台B上方准备下放时,为确保安全,用光电开关检测工作台B有无工件,只在无工件时才发出下放信号。机械手工作循环为:启动 右移 下降 夹紧 上升 正摆 下降 放松 上升 左移 反摆二 、要求:(1) 电气原理图设计
2、,工作方式设置为自动循环和点动两种;(2) PLC梯形图设计,工作方式设置为手动和自动。其手动方式包括:单一、回原点;自动包括:单步运行、 单周运行、连续运行。(3) 有必要的电气保护和联锁;(4) 自动循环时应按上述顺序动作。(5) 任务上的机械手动作图: 三、日程安排和进度 (1)机械手动工作原理一天讲课 (2)气-电工作原理一天讲课 (3)电气原理图设计三天 (4)PLC梯形图设计调试五天 (5)写论文五天 (6)论文修改三天 (7)论文答辩两天审查意见: 院(站)负责人: 年 月 日注:本任务书由指导教师填写并审查后,复印一份交学生装订在毕业设计(论文)的封面之后,原件存函授站。摘 要
3、:机械手是工业机器人系统中传统的任务执行机构,是机器人的关键部件之一。机械手的机械结构采用滚珠丝杆、滑杆、等机械器件组成;电气方面有交流电机、变频器、传感器、等电子器件组成。该装置涵盖了可编程控制技术,位置控制技术、检测技术等,是机电一体化的典型代表仪器之一。本文介绍的机械手是由PLC输出三路脉冲,分别驱动横轴、竖轴变频器,控制机械手横轴和竖轴的精确定位,微动开关将位置信号传给PLC主机;位置信号由接近开关反馈给PLC主机,通过交流电机的正反转来控制机械手手爪的张合,从而实现机械手精确运动的功能。本课题拟开发的物料搬运机械手可在空间抓放物体,动作灵活多样,可代替人工在高温和危险的作业区进行作业
4、,并可根据工件的变化及运动流程的要求随时更改相关参数。关键词:机械手 交流伺服点机 PLC目 录摘要1第一章 机械手简介5第一节 概述5第二节 机械手的组成5 第三节 机械手的应用5第二章 机械手的控制方案与选择6第一节 控制要求6第二节 机械手的控制系统设计方案的比较7第三章 PLC的简介8第一节 PLC的产生8第二节 PLC定义与特点83.2.1 PLC定义.83.2.2 PLC特点.9第三节 可编程控制器的主要性能指标9第四节 可编程控制器的分类.10第五节 PLC系统的组成.113.5.1 PLC的硬件结构.113.5.2 PLC的软件.11第六节 可编程控制器的工作方式.11第七节
5、PLC的编程语言.12第八节 PLC的应用领域.13第四章 伺服电动机 .15第一节 伺服电动机的简介.15第二节 交流伺服电动机的简介15第五章 机械手电路图分析 16第六章 顺序控制状态转移图19第七章 PLC程序图.20第八章 程序指令表.22第九章 毕业设计总结24第十章 致谢词25参考文献 26引 言在现代工业中,生产过程的机械化、自动化已成为突出的主题。随着工业现代化的进一步发展,自动化已经成为现代企业中的重要支柱,无人车间、无人生产流水线等等,已经随处可见。同时,现代生产中,存在着各种各样的生产环境,如高温、放射性、有毒气体、有害气体场合以及水下作业等,这些恶劣的生产环境不利于人
6、工进行操作。工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新的技术,是现代控制理论与工业生产自动化实践相结合的产物,并以成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分。工业机械手是提高生产过程自动化、改善劳动条件、提高产品质量和生产效率的有效手段之一。尤其在高温、高压、粉尘、噪声以及带有放射性和污染的场合,应用得更为广泛。在我国,近几年来也有较快的发展,并取得一定的效果,受到机械工业和铁路工业部门的重视。本课题拟开发物料搬运机械手,采用日本三菱公司的FX2N系列PLC,对机械手的上下、左右以及抓取运动进行控制。该装置机械部分有滚珠丝杠、滑轨、机械抓手等;电气方面由交流电机、变频器、操作台等部件组成。我
7、们利用可编程技术,结合相应的硬件装置,控制机械手完成各种动作。由于时间仓促和个人水平限制,我的设计存在着许多还没来得及解决的问题,希望广大老师、同学能够给予批评指正并予以解决。第一章 机械手简介第一节 概述机械手首先是由美国开始研制的。1958年美国联合控制公司研制出了第一台机械手。机械手能模仿人手和臂的某些动作功能,用以按固定程序抓取、搬运物件或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,因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。第二节 机械手的组成机械手主要由手部、运动机构和控制系统三大部分组成。手部是用来抓持工件
8、(或工具)的部件,根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式,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动作,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,称为机械手的自由度 。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,机械手的灵活性越大,通用性越广,其结构也越复杂。一般专用机械手有23个自由度。第三节 机械手的应用机械手通常用作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
9、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。另外,机械手在锻造工业中的应用不仅能进一步发展锻造设备的生产能力,而且还能改善热、累等劳动条件。 第二章 机械手的控制方案与选择第一节 控制要求如下图所示为某生产车间中自动化搬运机械手,用于将左工作台上的工件搬运到右工作台上。机械手的全部动作由液压驱动。液压泵由电磁阀控制,其上升/下降、左移/右移运动由双线圈两位电磁阀控制,即上升电磁阀得电时机械手上升,下降电磁阀得电时机械手下降。夹紧/放松运动由单线圈两位电磁阀控制,线圈得电时机械手夹紧,断电时机械手放松。图2.1机械手的动作示意图为便于控制系统调试和维护,本
10、控制系统应有手动功能和显示功能。当手动/自动转换开关置于“手动”位置时,按下相应的手动按钮,就可实现上升、下降、左移、右移、夹紧、放松的手动控制。当机械手处于原位时,将手动/自动转换开关置于“自动”位置时,进入自动工作状态,手动按钮无效。第二节 机械手的控制系统设计方案的比较在工业自动化生产中常用的控制系统有:传统的继电器接触器控制系统、PLC控制系统和微机控制系统这三种。但从使用性、经济性、可靠性出发,本设计选用了PLC。因为从上述该机械手所需完成的控制动作分析来看,本机械手是用于各种传感器在复杂的条件下工件的传输,主要动作是上升、下降、左移、右移、夹紧、放松和工序延时控制等,控制动作基本上
11、是以简单的顺序逻辑动作为主。是属典型的继电逻辑顺序动作控制系统,这是PLC最擅长的功能,而且PLC具有体积小、重量轻、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单、易于维护等特点,特别是替代继电器控制系统,这更是它的优势。第三章 PLC的简介第一节 PLC的产生 1968年美国通用汽车公司(GM)招标要求:软连接代替硬接线;维护方便;可靠性高于继电器控制柜;体积小于继电器控制柜;成本低于继电器控制柜;有数据通讯功能;输入115V;可在恶劣环境下工作;扩展时,原系统变更要少;用户程序存储容量可扩展到4K 。核心思想:用程序代替硬接线,输入/输出电平可与外部装置直接相联,结构易于扩展 ,这是PLC的雏形。 1
12、969年美国DEC公司研制出世界上第一台PLC(PDP-14),并在GM公司汽车生产线上应用成功 。第二节 PLC的定义和特点3.2.1 PLC的定义美国电气协会制造商协会NEMA和国际电工委员会IEC对可编程控制器分别作了定义:可编程控制器是一种专门用于工业环境的、以开关量逻辑控制为主的自动控制装置。它具有存储控制程序的存储器,能够按照控制程序,将输入的开关量(或模拟量)进行逻辑运算、定时、计数和算术运算等处理后,以开关量(或模拟量)的形式输出,控制各种类型的机械或生产过程。早期的可编程控制器,主要用于开关量逻辑控制,所以称为可编程逻辑控制器,简称PLC,后来随着计算机计术不断发展,其功能已
13、不仅限于开关逻辑控制,所以被称之为可编程控制器PC,但这很容易和个人计算机PC相混淆,因此,一般仍把PLC作为可编程控制器的简称。3.2.2 PLC的特点可编程控制器之所以能够得到迅速发展和广泛应用,主要是由于它具有以下特点:(1) 可靠性高,抗干扰能力强 用软件实现大量的开关量逻辑运算,克服了因继电器触点接触不良而造成的故障;输入采用直流低电压,更加可靠、安全;面向工业环境设计,采取了滤波、屏蔽、隔离等抗干扰措施,适应各种恶劣的工作环境,远远地超过了传统的继电器控制系统和一般的计算机控制系统。(2) 编程简单,易于掌握 PLC采用梯形图方式编写程序,与继电器控制逻辑的设计相似,具有直观、简单
14、、容易掌握等优点。(3) 功能完善,灵活方便 随着PLC技术的不断发展,其功能更加完善,不仅具有开关量逻辑控制功能和步进、计算功能,而且还具有模拟量处理、温度控制、位置控制、网络通信等功能。既可以单机使用、也可联网运行,既可集中控制、也可分布控制或者集散控制。而且在运行过程中,可随时修改控制逻辑,增减系统的功能。(4) 体积小、质量轻、功耗低 由于采用了单片机等集成芯片,体积小、质量轻、机构经凑、功耗低。第三节 可编程控制器的主要性能指标 可编程控制器的性能指标有很多,主要有以下几项指标。(1)输入/输出点数(I/O) I/O点数是指可编程控制器外部输入、输出端子数的总和。它标志着可以接多少个
15、开关按钮和可以控制多少个负载。(2)存储容量 存储容量是指可编程控制器内部用于存放用户程序的存储容量。(3)扫描速度 一般以执行1000步指令所需的时间来衡量,单位为ms/千步,也有以执行一步指令所需来计算,单位us/步。(4)功能扩展能力 可编程控制器除了主模板块之外,通常都可配备一些可扩展模块,以适应各种特殊功能应用的需要。如A/D模块、D/A模块、位置控制模块等。(5)指令系统 指令系统是指一台可编程控制器指令的总和,它是衡量可编程控制器功能强弱的主要指标。第四节 可编程控制器的分类通常PLC产品可按结构形式、控制规模等进行分类。(1)按结构形式分类 按结构形式不同,可分为整体式和模块式
16、两类。整体式的PLC是将电源、CPU、存储器、输入/输出单元等各个功能部件集成在一个机壳内,从而具有结构经凑、体积小、价格低等优点,许多小型PLC多采用这种机构。模块式的PLC将各个功能部件做成独立模块,如电源模块、CPU模块、I/O模块等,然后进行组合。(2)按控制规模分类 按控制规模大小,可分为小型、中型和大型PLC三种类型。 1)小型PLC。 型PLC的I/O点数在256点以下,存储容量在2K步以内,其中输入输出点数小于64点的PLC又称为超小型或微型PLC,具有逻辑运算、定时、计数、移位及自诊断、监控等基本功能。 2)中型PLC。 中型PLC的开关量I/O点数通常在2562048点之间
17、,用户程序存储器的容量为28KB,除具有小型机的功能外,还具有较强的模拟量I/O、数字计算、过程参数调节,如比例、积分、微分(PID)调节、数据传送与比较、数制转换、中断控制、远程I/O及通信联网功能。 3)大型PLC。 大型PLC也称为高档PLC,I/O点数在2048点以上,用户程序存储容量在8K以上,其中I/O点数大于8192点的又称为超大型PLC,除具有中型机的功能外,还具有较强的数据处理、模拟调节、特殊功能函数运算、监视、记录、打印等功能,以及强大的通信联网、中断控制、智能控制和远程控制等功能。第五节 PLC系统的组成PLC是一种以微处理器为核心的工业通用自动控制装置,其硬件结构上与微
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