基于PLC的机械手控制系统设计毕业作品.docx

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基于PLC的机械手控制系统设计毕业作品

BIYESHEJI

（201届）

基于PLC的机械手控制系统设计

（英文）DesignofPLC-basedRobotControlSystem

所在学院电子信息学院

专业班级电气工程及其自动化

学生姓名学号

指导教师职称

完成日期年月日

摘要

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、等电子器件组成。

为了工业上能够提高提高其工作效率，开发了基于PLC的机械手臂控制系统，实现流水作业，提高其工作效益。

本机械手的机械结构主要包括由电磁阀控制的液压缸来实现机械手的上升下降运动及夹紧工件的动作，两个转速不同的电动机分别通过两线圈控制电动机的正反转，从而实现的进、退的运动；其动作转换靠设置在各个不同部位的行程开关产生的通断信号传输到PLC控制器，通过PLC内部程序输出不同的信号，从而驱动外部线圈来控制电动机或电磁阀产生不同的动作，可实现机械手的精确定位；其动作过程包括：

下降、夹紧、上升、延时、下降、放松、上升。

关键词：

搬运机械手，可编程控制器（PLC），液压，电磁阀

Abstract

Robotisanindustrialrobotsystems，thetraditionaltaskofimplementingagencies，isoneofthekeycomponentsoftherobot.Therobot'smechanicalstructureofballscrew，sliderandothermechanicaldevices;electricalACmotor，inverter，sensorsandotherelectronicdevices.Improvethesakeoftheindustrycanimproveitsworkingefficiency，thedevelopmentofthePLC-basedrobotcontrolsystemtoachieveassembly-line，toimprovetheirworkefficiency.Themanipulatormechanicalstructureincludestwosolenoidvalvescontrolledbyhydraulicmanipulatorsteeltoachievetheincreaseddeclineinsportsandworkpiececlampingaction，thetwodifferentmotorspeedthroughthetwomotorcoilspositivecontrolinordertoachievecaroftheforward，movement;conversionbysettingitsactioninvariousdifferentpartsofthetripswitchgeneratedon-offsignaltransmissiontothePLCcontroller，throughthePLCinternaldifferentoutputsignal，whichdrivestheexternalcoiltocontrolthemotororsolenoidvalveshaveadifferentaction，therobotcanachieveprecisepositioning;theircourseofactioninclude:

declineinclampingincreased，slowforward，，theextensionof，thedropin，relax，rise，rewind;itsoperation，including:

Backinsitu，manual，single-step，singlecycle，continuous;tomeettheproductionrequirementsofthevariousoperationsandmaintenance.

KeyWords:

Handlingmechanicalhands，ProgrammableLogicController（PLC），hydraulic，solenoidvalve

1　引言

随着时代的发展，当今的技术也日趋完善、竞争愈演愈烈；单靠人工的操作已不能满足于目前的制造业前景，也无法保证更高质量的要求和高新技术企业的形象.

人们在生产实践中看到，自动化给人们带来了极大的便利和产品质量上的保证，同时也减轻了人员的劳动强度，减少了人员上的编制。

在许多复杂的生产过程中难以实现的目标控制、整体优化、最佳决策等，熟练的操作工、技术人员或专家、管理者却能够容易判断和操作，可以获得满意的效果.人工智能的研究目标正是利用计算机来实现、模拟这些智能行为，通过人脑与计算机协调工作，以人机结合的模式，为解决十分复杂的问题寻找最佳的途径[1]。

我们在各种场合看到的继电器连接的控制，那已经是过去的时代，如今的继电器只能作为低端的基层控制模块或者简单的设备中使用到；而PLC的出现也成为了划时代的主题，通过极其稳定的硬件穿插灵活的软件控制，使得自动化走向了新的高潮。

基于PLC的机械手臂控制系统通过PLC控制，将在生产的流水线上对加工物体的搬运处理，简单但准确。

降低了劳动力的需求，减少了生产中的成本，并且提高了生产的效率。

1.1机械手的定义与分类

机械手是一种能自动化定位控制并可重新编程序以变动的多功能机器，它有多个自由度，可用来搬运物体以完成在各个不同环境中工作。

机械手的迅速发展是由于它的积极作用正日益为人们所认识。

其一，它能部分代替人工操作；其二，它能按照生产工艺要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送和装卸；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，受到各先进工业国家的重视，并投入了大量的物力和财力加以研究和应用。

尤其在高温、高压、粉尘、噪音以及带有放射性和污染的场合，应用得更为广泛。

机械手一般分为三类。

第一类是不需要人工操作的通用机械手，它是一种独立的不附属于某一主机的装置。

它可以根据任务的需要编制程序，以完成各项规定工作。

它的特点是除具备普通机械的物理性能外，还具备通用机械、记忆智能的三元机械。

第二类是需要人工操作的，称为操作机。

它起源于原子、军事工业，先是通过操作机来完成特定的作业，后来发展到用无线电信号操作机械手来进行探测月球、火星等。

第三类是专用机械手，主要附属于自动机床或自动线上，用于解决机床上下料和工件传送。

这种机械手在国外称为“MechanicalHand”，它是为主机服务的，由主机驱动，除少数外，工作程序一般是固定的，因此是专用的。

本项目要求设计的机械手模型可归为第一类，即通用机械手。

1.2机械手发展现状和趋势

目前，国内外各种机械手和机械手的研究成为科研的热点，其研究的现状和大体趋势如下：

1．机械结构向模块化、可重构化发展。

2．工业机械手控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化；器件集成度提高，结构小巧，且采用模块化结构；大大提高了系统的可靠性、易操作性，而且维修方便。

3．机械手中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，还引进了视觉、听觉、接触觉传感器，使其向智能化方向发展。

4．关节式、侧喷式、顶喷式、龙门式喷涂机械手产品标准化、通用化、模块化、系列化设计；柔性仿形喷涂机械手开发，柔性仿形复合机构开发，仿形伺服轴轨迹规划研究，控制系统开发[2]。

5．焊接、搬运、装配、切割等作业的工业机械手产品的标准化、通用化、模块化、系列化研究；以及离线示教编程和系统动态仿真。

2　总体设计

由于本次设计的机器人需要通过液压来实现机械手臂的方向上的自由度如：

手臂的上下的升降运动、手臂的前后伸缩运动等。

通过PLC为基础控制整个系统的运行，停止等功能。

2.1机械手臂机构

机械手臂由传送带、旋转台、机械臂、交流电机，液压，电磁阀等构成。

如图2-1：

图2-1机械手臂机结构图

2.2控制要求

（1）手臂上下直线运动，

（2）手臂左右直线运动，（3）手爪夹紧动作，（4）机械手整体旋转运动，（5）加工件的补给。

2.3方案确定与比较

1、控制原件：

PLC与传统继电器

传统继电器控制使用大量的机械触电，触电的开闭会产生电弧，造成损伤并有机械磨损，使用寿命短，可靠性差，不易维护，受环境因素影响大，精度不高。

PLC控制由程序指令控制半导体电路来实现控制，数度快寿命长，可靠性高，可将控制状况及时反馈给用户。

PLC有专用的步进顺控指令，能使复杂的顺序控制方便的实现。

设计中采用PLC控制。

2、动力选择：

液压与气动

它们的介质不一样，一个压缩空气，一个液压油。

它们的承载能力不同，因气动的一般在1MPa以下，液压的一般在30MPa（国内）以下，高于这个值为超高压对元件和泵的要求过高。

因为压力（我们通说的压力是指压强，都是说多少MPa和多少公斤）高了，驱动力也就大了。

液压油是循环使用的，气动是用完的气不再回收。

在工厂中气动一般用集中供气，液压一般是一台机器一个液压站。

设计中采用液压式。

3、动力控制：

阀控与泵控

在液压控制中，使用阀控时，使用的是定量油泵，由溢流阀确定工作压力，由各种工作阀门输入的油量基本就不能改变了，工作速度只能分档调节，比较低档的就是一个工作速度。

设备简单。

泵控是使用比较高级的变量油泵，除了必要的控制阀门，油泵的变量，提供了更多的速度等工况的调节空间。

泵控的设备、技术比较高级，当然造价也高。

设计中采用油泵控制。

2.4机械手臂工作原理

1、开始复位到如图所示的初始位置，等待工作。

2、当传送带A送至SQ5处，传送带A停止机械手臂开始工作，伸出至SQ2处往下伸至SQ4处，机械手臂抓去加工物件至SQ3停止。

3、抓起加工件后机械手臂升起，底座旋转至中间SQ7处停止，机械手臂下降至SQ4处，机械抓松开，将物品放到加工台，机械臂升起后等待物件加工，到时间后机械臂再从工作台将加工物件抓起。

4、待机械手臂升起至SQ3，底座开始向右转动，至SQ8停止。

机械手臂开始将加工后的物体放于传送带B，然后机械臂左转到SQ6后继续上次的工作任务。

2.5机械手臂的系统框图

机械手臂的系统框图如图2-2所示。

图2-2系统框图

按键有SB1常开，SB2常闭；限位开关SQ1-SQB8,代表机械手的上升，下降，收缩，伸出；机械手指的闭合，张开，底座的旋转停止，开始开关；电磁阀有6个代表着机械手的各个运行动作；电机包括底座旋转电机，传送带AB电机，油泵电机。

3　硬件设计

3.1PLC简介

可编程控制器（简称PLC）：

是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。

它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。

1、PLC的基本结构

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，并将这个变换与以物