本科毕业设计-小型搬运机械手控制系统的设计.doc

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1、济南大学毕业设计毕业设计题 目 小型搬运机械手控制 系统的设计 学 院 机械工程学院 专 业 机械工程及自动化 班 级 机自0711 学 生 王法建 学 号 20070405115 指导教师 门秀花 二一一年 五 月二十九日- 2 -济南大学毕业设计1 前 言1.1 课题背景工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。搬运机械手属于工业机械手的一种。20世纪40年代后期，美国在原子能实验中，首先采用机械手搬运放射性材料，人在安全室操纵机械手进行各种操作和实验。50年代以后，机械手逐步推广到工业生产部门，用于在高温污染严重的地方取放工件和装卸材料，也作为机床的辅助装置在自动机床自动生

2、产线和加工中心中应用，完成上下料或从刀库中取放刀具并按固定程序更换刀具等操作。机械手主要由手部机构和运动机构组成。手部机构随使用场合和操作对象而不同，常见的有夹持托持和吸附等类型。运动机构一般由液压气动电气装置驱动。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。搬运机械手的生产线上有两个传输线和一个自动小型搬运机械手，传输带1是用来传送零件的，传输带2是用来传送箱子的，两个生产线上都有传感器，是用来控制传输线的运动的。初始时机械手处于复位状态，控

3、制系统检测是否传输带1上已经有一个零件停在指定位置，传输带2上已经有一个箱子停在指定位置上。首先，机械手将传输带1上的零件移到传输带2的箱子里，同时传输带1又将一个新零件传送到指定位置后停止，接着机械手将零件移到箱子里，直到箱子装满了，传输带2运动，把装满零件的箱子运走，送来一个空箱子，待第二个箱子到达指定位置后，传输带停止运动，与此同时传输带1也将一个零件送到位后停止，待两个传输带都停止后，机械手又开始新的装箱工作。1现在要求设计该小型搬运机械手的控制系统，使其能够在控制系统的操控下按照上述描述的要求进行运动，从而完成工作目标。1.2机械手的发展现状机械手自二十世纪六十年代初问世以来，经过4

4、0多年的发展，现在已经成为制造业生产自动化中重要的机电设备。目前，机械手技术有了新的发展：出现了仿人型机械手、微型机械手和微操作系统（如细小工业管道机械手移动探测系统、微型飞行器等）、机械手化机器、智能机械手（不仅可以进行事先设定的动作，还可按照工作状况相应地进行动作，如回避障碍物的移动，作业顺序的规划，有效的动态学习等）。机械手的应用领域正在向非制造业和服务业方向扩展，并且蓬勃发展的军用机械手也将越来越多地装备部队。国外方面：近几年国外工业机械手领域有如下几个发展趋势。机械手性能不断提高，而单机价格不断下降；机械结构向模块化、可重构化发展；控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展；传感器作

5、用日益重要；虚拟现实技术在机械手中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制。国内方面：目前在一些机种方面，如喷涂机械手、弧焊机械手、点焊机械手、搬运机械手、装配机械手、特种机械手（水下、爬壁、管道、遥控等机械手）基本掌握了机械手操作机的设计制造技术，解决了控制驱动系统的设计和配置，软件的设计和编制等关键技术，还掌握了自动化喷漆线、弧焊自动线及其周边配套设备的全套自动通信、协调控制技术；在基础元件方面，谐波减速器、机械手焊接电源、焊缝自动跟踪装置也有了突破。从技术方面来说，我国已经具备了独立自主发展中国机械手技术的基础。1.3本文主要工作和总体设计要求本文主要工作是应用PLC（可编程控制器）实际设

6、计一个小型机械手的控制系统，能实现工业机械手的基本功能。工作内容:（1）阐述小型搬运机械手在工业应用中的作用和意义；（2）机械手的结构设计及组成零件的选择；（3）机械手的硬件设计原理,包括可编程控制器型号的选定，PLC的电气连线图,I/O地址分配表等；（4）机械手的软件设计原理，包括流程图，程序清单。（5）最后是系统调试。1.3.1 机械手工作流程图1.1本设计机械手的示意图。机械手工作流程：开始运行后，如果机械手不在初始位置上，步进电动机开始运转（横轴向手爪方向移动，竖轴向上移动）。归位后首先横轴步进电动机工作，横轴前伸；前伸到位后，手抓电动机得电带动手抓旋转；当传感器检测到限位磁头时，电动

7、机停止，PLC控制电磁阀动作，手张开；延时一段时间，竖轴步进电动机工作，竖轴下降；下降到位后，电磁阀复位，手抓夹紧；延时过后竖轴上升，同时横轴缩回、底盘电动机带动底盘旋转；当横轴、竖轴、底盘都到位后，横轴前伸；到位后手爪旋转，然后竖轴下降，电磁阀动作，手爪张开；延时后竖轴上升复位，然后开始下一周期动作。1.3.2机械手的操作要求电动机械手的结构示意图如图1.1所示，电动机械手的功能是将工件从传输带1移送到传输带2。操作要求为：1、电动机械手的升降、左右移动、底盘旋转和手腕的转动分别由4个不同的步进电机的转动来实现，步进电机正转时能保持原来的状态，步进电机反转时反向运动；2、上升和下降由顶部的电

8、机控制；右行和左行由左边的电机控制；3、机械手的抓取由单线圈电磁铁来实现，线圈通电时夹紧工件，线圈断电时松开工件；4、机械手的夹钳的松开、夹紧通过延时2S实现；5、机械手的下降、上升、右行、左行，逆转、顺转的限位由行程开关SQ1、SQ2、SQ3、SQ4、SQ5、SQ6来实现；图1.1 搬运机械手结构示意图1.电磁铁控制的机械手2.YZ轴丝杠组 3.手转动机构 4.旋转底盘 5.物料输送带 6.PLC 7.控制面板8.步进电机驱动器9. 24V电源。1.3.3机械手控制要求(1)手臂上下直线运动。(2)手臂左右直线运动。(3)手腕旋转运动。(4)手爪夹紧动作。(5)机械手整体旋转运动。手臂采用步

9、进电机驱动，由PLC发出控制脉冲控制步进电动机运转,实现手臂的进给和定位，手爪的开合由电磁铁来控制。1.3.4基本技术指标及要达到的目标（1）基本技术指标（1）手臂的运动范围：手臂在水平方向和竖直方向的运动范围是0750mm；（2）底盘的旋转范围：底盘的旋转范围为0270；（3）手腕的旋转范围：手腕的旋转范围为090；（4）机械手最大抓取质量：2KG；（2）要达到的目标根据目前国内外搬运机械手搬运工作的经验、现状和发展趋势，组建一个人机交互控制系统的小型电动搬运系统，实现零件搬运的稳定性及精确性。解决和发展我国零件搬运方面的关键技术，实现零件搬运的数控化和自动化。（1）设计制作简易但功能齐全的

10、电动搬运系统，能够实现全自动或着手动运动，并能准确、快速地实现要求的动作。（2）利用可编程控制器PLC，实现对电动执行元件的稳定控制。- 34 -2 机械部分设计计算及选型2.1 PLC的选型可编程序控制器实施控制，其实质就是按一定算法进行输入输出变换，并将这个变换予以物理实现。输入输出变换、物理实现可以说是PLC实施控制的两个基本点，同时物理实现也是PLC与普通微机相区别之处，其需要考虑实际控制的需要，应能排除干扰信号适应于工业现场，输出应放大到工业控制的水平，能为实际控制系统方便使用，所以PLC采用了典型的计算机结构，主要是由微处理器（CPU）、存储器（RAM/ROM）、输入输出接口（I/

11、O）电路、通信接口及电源组成。PLC的基本结构如下图所示：图2.1 PLC的基本结构 根据被控制对象选PLC,基本原则是满足控制系统的功能要求，可进行PLC型号的选定。进行PLC选型时，基本原则是既要满足控制系统的功能需要，又要兼顾维修、备件的通用性。对于开关量控制的系统，当控制速度要求较不高时，一般的小型PLC都可以满足要求，比如对小型泵的顺序控制、单台机械的目的自动控制等。当控制速度要求较高、输出有高速脉冲信号等情况时，要考虑输入/输出点的形式，最好采用晶体管形式输出。对带有部分模拟量控制的应用系统，如工业生产中经常遇到的温度、压力、流量、液位等连续量的控制，应选择具有所需功能的PLC主机

12、，还要根据需要选择相应的传动感器、变送器和驱动装置等。输入/输出的点数可以衡量PLC规模的大小。准确统计被控对像的输入信号和输出信号的总点数并考虑今后系统的调整和扩充，在实际的调整和扩充，在实际I/O点数基础上，一般应加上10%-20%的备用点数。多数小型PLC为整体式，具有体积小、价格便宜等优点，适于工艺过程比较稳定，控制要求比较简单的系统。模块式结构的PLC采用主机模块与输入模块、功能模块组合使用的方法，比整体式方便灵活，维修更换模块、判断与处理故障快速方便，适用于工艺变化较多、控制要求复杂的系统。此外，还应考虑用户存储器的容量、PLC的处理速度是否能满足实时控制的要求、编程器与外围设备的

13、选择等。 本设备控制的对象是一个开关量控制的系统，同时利用脉冲控制步进电动机的运转，故应采用晶体管形式的输出。三菱FX系列的PLC性价比搞、功能完善、指令丰富等优点，能满足本对象各项控制性能要求，因此，本系统采用三菱FX2N48MT系列PLC作为基本模块，能输出两路脉冲信号进行步进电动机的控制。2.2 步进电机及其驱动器的选型步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载情况下，电机的转速及停止位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响。即给电机加一个脉冲信号，电机就转过一个步距角。虽然步进电机已被广泛应用，但步进电机并不能像普通的直流电机和交流电机一样在常规

14、下使用，它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用（见图2.2.2）。选择电机一般应遵循图2.2.1所示的步骤。控制面板PLC 驱动器步进电机负载负载步距角静转矩矩频特性曲线电流修正电机型号 图2.2 步进电机选择步骤 图2.3 控制系统结构框图本文中的机械手主要用于教学，故所需精度不很高，力矩也不要太大。纵轴(Z轴)、横轴(Y轴)和手转动电机选用的是广州瑞宝公司的17HD0005-18型两相混合式步进电机，步距角为1.8，电流DC 0.28 A/相，最大静力矩16010-3Nm。 旋转底座选用23HD0020-25型步进电机，步距角为1.8，电流DC 0.6 A/相，最大静力

15、矩33010-3Nm。所选用的步进电机驱动器是RB2304ME型细分驱动器，驱动电压为DC1240 V，采用双极恒流斩波方式，可减少电机噪音。输出电流从03A/相连续可调。设有12/8档等角恒力矩细分，最大200细分。输入信号光电隔离，标准单脉冲接口，有脱机保持功能，半密闭式机壳可适应更恶劣的工况环境，提供节能的自动半电流方式，减少电机发热。2.3 电磁铁的选型系统中电磁铁的作用是利用电磁吸引力操纵机械手以完成预期动作。应根据负载的要求选择电磁铁的种类和结构形式，然后根据控制系统的电压选择电磁铁的线圈电压。电磁铁的功率应不小于制动或牵引功率。本文中的机械手选用DC 24 V直流电磁铁。2.4

16、滚珠丝杠的选型（一）Y向进给丝杠1.计算进给牵引力Y向进给为滑动导轨 （2.1）式中 滑动导轨摩擦系数：0.150.18；G电机及支撑架重量：G=200N2.计算最大动载荷C （2.2） （2.3） （2.4）式中：滚珠丝杠导程，初选=6mm 进给速度； T使用寿命，按15000h算； 运转系数，按一般运转取=1.21.5； L寿命，以转为一单位。3.滚珠丝杠螺母副的选型查阅附录A表5，可采用NL3005内循环螺纹调整预紧的螺母滚珠丝杠副，2列2.5圈，其额定动负载为9100N，精度等级按表315选为3级。4.传动效率计算 （2.5）式中 螺旋升角，NL3005 = 摩擦角取10 （2.6）5

17、.刚度验算最大牵引力为32N，支撑间距L=750丝杠螺母及轴承均进行预紧，预紧力为最大轴向负荷的。 （1）丝杠的拉伸或压缩变形量查图36，根据，查出可算出 （2.7）由于一端采用角接触球轴承，一端采用深沟球轴承，且丝杠又进行了拉伸，故其拉伸刚度可以提高四倍，其实际变形量为 （2.8）（2）滚珠与螺纹滚道间接触变性查图39，N系列2列25圈滚珠和螺纹滚道接触变形量： （2.9）因进行了预紧，（3）支撑滚珠丝杠轴承的轴向接触变形采用7204C角接触球轴承，滚动体直径，滚动体数量，注意，此公式中单位为kg*f因施加预紧力，故 （2.10）根据以上计算：45HRC，可丛表117中查得蜗轮的基本许用应力

18、=268MPa。应力循环次数寿命系数则（6）估算中心距 （2.28）取中心距a=63，因为i=20，故从表11-2中取模数m=2.5,蜗杆分度圆直径。这时,从图11-18中可查得接触系数，因为，因此以上计算结果可用。4. 蜗杆与蜗轮的主要参数与几何尺寸（1）蜗杆轴向齿距=7.85直径系数q=11.20;齿顶圆直径33，齿根圆直径23；分度圆导程角；蜗杆轴向齿厚。（2）蜗轮蜗轮齿数；变位系数；验算传动比，这时传动比误差为，是允许的。蜗轮分度圆直径蜗轮喉圆直径蜗轮齿根圆直径蜗轮咽喉母圆半径5.校核齿根弯曲疲劳强度 （2.29）当量齿数根据，从图11-19中可查得齿形系数。螺旋角系数许用弯曲应力 从

19、表11-8中查得由ZCuSn10P1制造的蜗轮的基本许用弯曲应力。寿命系数 （2.30） （2.31）弯曲强度是满足的。6.验算效率 （2.32）已知与相对滑动速度有关。 （2.33）从表11-18中用插植法查得代入式中得，大于原估算值，因此不用重新计算。7.精度公差等级和表面粗糙度的确定考虑到所设计的蜗杆传动是动力传动，属于通用机械减速器，从GB/T10089-1988圆柱蜗杆，蜗轮精度中选8级精度，侧隙类型选f,标注为8f GB/T10089-1988。然后由有关手册查得要求的公差项目及表面粗糙度。综上所述，根据机械手的各部分要求条件可确定本设计机械手控制系统所选器材列表如表2-1。表2-

20、1所选器材列表名称型号或规格数量名称型号或规格数量PLCFX2N-48MT1限位开关LX19-1118电磁铁YV11转换开关LW6-51按钮LA10-1H13熔断器RC1A-30/152连接导线若干步进电机17HD0005-183步进电机23HD0020-251滚珠丝杠NL300523 控制系统硬件设计机械手电气控制系统，除了有多工步特点之外，还要求有连续控制和手动控制等操作方式。工作方式的选择可以很方便地在操作面板上表示出来，在手动方式时可以通过手动按钮来实现，其控制面板如下图3.1。当旋钮打向回原点时，系统自动地回到右上角位置待命。当旋钮打向连续时，系统自动完成各工步操作，且循环动作。当旋

21、钮打向手动时，每一工步都要按下该工步按钮才能实现。图3.1 控制面板示意图3.1 PLC梯形图中的编程元件设计选用FX2N48MT，其输入继电器（X）36点，输出继电器(Y)24点，辅助继电器(M)384点，状态继电器(S)1000点，定时器(T)256点，计数器(C)，数据寄存器(D)等。特殊辅助继电器M8000运行监控（PLC运行时自动接通，停止时断开）；M8002初始脉冲（仅在PLC运行开始时接通一个扫描周期）；M8005PLC后备锂电池电压过低时接通；M801110ms时钟脉冲； M8013100ms时钟脉冲；M80121s时钟脉冲； M80141min时钟脉冲。3.2 PLC的I/O

22、分配根据机械手动作的要求，输入、输出分配如表3-1所示。表3-1 PLC输入/输出分配表输入信号输出信号手动SAX0上升/下降步进电机YA0Y0回原位SAX1YA1Y1连续SAX2YA2Y2回原位SB1X3前进/后退步进电机YA3Y3启动SB2X4YA4Y4停止SB3X5YA5Y5下降SB4X6夹紧YA6Y6上升SB5X7手顺转YA 7Y7夹紧SB6X10手逆转YA 8Y10松开SB7X11底盘顺转YA 9Y11手顺转SB8X12底盘逆转YA10Y12手逆转SB9X13底盘顺转SB10X14底盘逆转SB11X15下限位SQ1X16上限位SQ2X17前限位SQ3X20后限位SQ4X21底盘顺限位

23、SQ5X22底盘逆限位SQ6X23手顺限位SQ7X24手逆限位SQ8X25底旋转脉冲SQ9X26前行SB12X30后退SB13X313.3 机械手控制系统的外部接线图PLC外部电气接线图如下图4-2图3.2 PLC外部电气接线图4 控制系统软件设计机械手控制系统软件设计的程序总体结构如图4.1，分为公用程序、自动程序、手动程序和回原位程序等四部分。其中自动程序包括单步、连续运动程序，因它们的工作顺序相同所以可将它们和编在一起。CJ（FNC00）是条件跳转应用指令，指针标号PX是其操作数。该指令由于某种条件下跳过CJ指令和指针标号之间的程序，从指针标号处继续执行，以减少程序执行时间。如果选择“手

24、动”工作方式，即X0为ON，X1为OFF则PLC执行完公用程序后将跳过自动程序到P0处，由于X0动断触点断开所以直接执行“手动程序”。由于P1处的X1的动断触点闭合，所以又跳过回原位程序到P2处。如果选择“回原位”工作方式，同样只执行公用程序和回原位程序，如果选择“连续”方式，则只执行公用程序和自动程序。4图4.1 程序总的结构图4.1公用程序公用程序如图4.2，简要说明如下：当Y6复位（电磁铁松开）、后限位X21和上限位X17接通时，辅助继电器M0变为ON，表示机械手在原位。如果开始执行用户程序（M8002为ON）、系统处于手动或回原位状态（X0或X1为ON），那么初始步对应的M10被置位，

25、连续工作方式做好准备。如果M0为OFF，M10被复位，系统不能进入连续工作方式。指令ZRST是成批复位应用指令，以防止系统从自动方式转换手动方式，再返回自动方式时出现两种不同的活动步。图4.2公用程序梯形图4.2 自动操作程序 自动操作顺序的功能流程图见图4.3所示。当机械手处于原位时，按启动X4接通，状态转移到S1，驱动前伸Y3，当到达前限位使行程开关X20接通，状态转移到S2，而S1自动复位。驱动手顺转Y7，X24接通，状态转移到S3，驱动下降Y2，X16接通，状态转移到S4，S4驱动Y6置位，延时1秒，以使电磁力达到最大夹紧力。当T0接通，状态转移到S5，驱动Y0上升，当上升到达最高位，

26、X17接通，状态转移到S6。S6驱动Y4后退。移到后限位，状态转移到S7底逆转Y12，状态到S8，X20接通，状态转移到S9下降。下降到最低位，X16接通，电磁铁放松。为了使电磁力完全失掉，延时1秒。延时时间到，T1接通，状态转移到S11上升。上升到最高位，X25接通，状态转移到S13后退。后退到后限位，使X21接通，状态转移到S14，底盘顺转是X21接通，返回初始状态，再开始第二次循环动作。在编写状态转移图时注意各状态元件只能使用一次，但它驱动的线圈，却可以使用多次，但两者不能出现在连续位置上。因此步进顺控的编程，比起用基本指令编程较为容易，可读性较强。图4.3自动的功能流程图自动连续程序说

27、明：当系统处于自动连续方式时，X2为ON，它的动合触点闭合，在初始步时按下启动按钮X4，M1得电并保持，就按照图4.3自动功能图进行工作。按下停止按钮X7后，M1变为OFF，系统不会立即停止，而是完成当前的工作周期后，机械手最终停止在原位。根据自动功能流程图的顺序编写的自动程序梯形图为图4.4。图4.4自动程序段梯形图4.3手动单步操作程序如下图所示。图中上升/下降，左移/右移都有连锁和限位保护。手动程序说明：用对应机械手的上下、前后移动和夹紧松开按钮。按下不同的按钮，机械手就会执行相应的动作。在前后移动的程序中串联上位置开关的动合触点是为了避免机械手在较低位置移动时碰撞到其他工件。为保证系统

28、安全运行，程序之间还进行必要的连锁设置。图4.5手动程序梯形图4.4回原位程序回原位程序；在系统处于回原位工作状态时，按下回原位按钮（X3），M3变为ON，机械手就会松开和上升，当升到上限位（X17变为ON），机械手会后退，直到后限位（X21为ON）才停止，并且M3复位。图4.6回原位程序梯形图梯形图程序经过检验语法错误以及逻辑上的可靠性后,编译成指令表，以便后传入PLC中。并可以运用软件在线监测PLC的运行情况，同时可以用手持编程器根据现场要求修改程序中的各参数，达到任意位置停止的目的。5 结 论在本次毕业设计中，我采用了用PLC作为小型搬运机械手控制系统核心的设计方案，完成了控制电路的设计

29、，在PLC控制系统设计的过程中根据控制系统的控制电路完成了PLC梯形图控制程序，在课程设计中还绘制了系统工作流程图。使我熟悉了三菱FX2N系列PLC的基本组成和外部接线；熟悉编程器的功能，掌握了其使用方法；熟悉了三菱系列PLC的基本指令，掌握了程序的输入、编辑、监视和模拟运行方法。在本次设计中，我们有大量的以前没有接触到的知识，于是图书馆和网络成了我很好的助手。在查阅资料的过程中，我判断优劣、取舍相关知识，不知不觉中我查阅资料的能力也有了一定的提升。我们学习的知识是有限的，在以后的工作中我们肯定会遇到许多未知的领域，这方面的能力便会使我们受益匪浅。在设计过程中，总是遇到这样或那样的问题。有时发

30、现一个问题的时候，需要做大量的工作，花大量的时间才能解决。自然而然，我的耐心便在其中建立起来了。为以后的工作积累了经验，增强了信心。鉴于现在所学知识有限以及毕业设计中的时间紧迫，在本文的设计过程中还存在思路不完善之处，在整个系统的设计上，做的还不够细致，仅仅编写了PLC控制线路的电路原理图及梯形图程序。还有很多工作要做。因此，对于本文的不足之处还望各位老师给予指点。参 考 文 献1 李雪静, 杜玉红. 小型搬运机械手结构及PLC控制系统的设计J. 装备制造设计, 2010, 58(3):58-592 陈杨, 杜玉红, 李阳. 小型搬运机械手控制系统设计J. 机电工程技术, 2010, 39(4

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