机械手抓物电气控制系统设计

电气控制与PLC 课程设计说明书
题目：机械手抓物电气控制系统设计
专业班级：自动0901
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目录
1 系统概述 (3)
1.1 机械手的应用背景和意义 (3)
1.1.1机械手的运行简况 (3)
1.1.2机械手的应用意义 (4)
1.1.3机械手的发展概况 (4)
1.1.4机械手的发展趋势 (5)
1.2机械手的控制要求 (6)
1.2.1机械手的参数和要求 (6)
1.2.2问题补充 (7)
2 方案论证 (7)
2.1机械手的总指控过程 (7)
2.2自动运行过程 (7)
3 硬件设计 (8)
3.1 系统的原理方框图 (8)
3.2 控制面板 (9)
3.3 主电路图 (10)
3.4 I/O分配 (10)
3.5 I/O接线图 (11)
3.6元器件选型 (12)
4 软件设计 (14)
4.1自动运行的顺序控制功能图 (14)
4.2梯形图 (15)
4.3 程序 (18)
1 系统概述
1.1 机械手的应用背景和意义
1.1.1机械手的运行简况
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。

在机械工业中，加工、装配等生产是不连续的。

专用机床是大批量生产自动化的有效办法，程控机床、数控机床、加工中心等自动化机械是有效解决多品种小批量生产自动化的重要办法。

但除切削加工本身外，还有大量的装卸、搬运、装配等作业，有待于进一步实现机械化。

据资料介绍，美国生产的全部工业零件中，有75％是小批量生产；金属加工生产批量中有四分之三在50件以下，零件真正在机床上加工的时间仅占零件生产时间的5％。

从这里可看出，装卸、搬运等工序机械化的迫切性，工业机械手就是为实现这些工序的自动化而产生的。

机械手可在空间抓放物体，动作灵活多样，适用于可变换生产品种的中、小批量自动化生产，广泛应用于柔性自动线。

国内外机械工业、铁路部门中机搬运械手主要应用于以下几方面：
1.热加工方面的应用
热加工是高温、危险的笨重体力劳动，很久以来就要求实现自动化。

为了提高工作效率，和确保工人的人身安全，尤其对于大件、少量、低速和人力所不能胜任的作业就更需要采用机械手操作。

2.冷加工方面的应用
冷加工方面机械手主要用于柴油机配件以及轴类、盘类和箱体类等零件单机加工时的上下料和刀具安装等。

进而在程序控制、数字控制等机床上应用，成为设备的一个组成部分。

最近更在加工生产线、自动线上应用，成为机床、设备上下工序联接的重要于段。

3.拆修装方面
拆修装是铁路工业系统繁重体力劳动较多的部门之一，促进了机械手的发展。

目前国内铁路工厂、机务段等部门，已采用机械手拆装三通阀、钩舌、分解
制动缸、装卸轴箱、组装轮对、清除石棉等，减轻了劳动强度，提高了拆修装的效率。

近年还研制了一种客车车内喷漆通用机械手，可用以对客车内部进行连续喷漆，以改善劳动条件，提高喷漆的质量和效率。

近些年，随着计算机技术、电子技术以及传感技术等在机械手中越来越多的应用，工业机械手已经成为工业生产中提高劳动生产率的重要因素。

1.1.2机械手的应用意义
在机械工业中，机械手的应用意义可以概括如下：1.可以提高生产过程的自动化程度2.可以改善劳动条件、避免人身事故在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其它毒性污染以及工作空间狭窄等场合中，用人手直接操作是有危险或根本不可能的。

3.可以减少人力，便于有节奏地生产应用机械手代替人手进行工作，这是直接减少人力的一个侧面，同时由于应用机械手可以连续地工作，这是减少人力的另一个侧面。

1.1.3机械手的发展概况
专用机械手经过几十年的发展，如今已进入以通用机械手为标志的时代。

由于通用机械手的应用和发展，进而促进了智能机器人的研制。

智能机器人涉及的知识内容，不仅包括一般的机械、液压、气动等基础知识，而且还应用一些电子技术、电视技术、通讯技术、计算技术、无线电控制、仿生学和假肢工艺等，因此它是一项综合性较强的新技术。

目前国内外对发展这一新技术都很重视，几十年来，这项技术的研究和发展一直比较活跃，设计在不断地修改，品种在不断地增加，应用领域也在不断地扩大。

早在40年代，随着原子能工业的发展，已出现了模拟关节式的第一代机械手。

50～60年代即制成了传送和装卸工件的通用机械手和数控示教再现型机械手。

这种机械手也称第二代机械手。

如尤尼曼特(Unimate)机械手即属于这种类型。

60～70年代，又相继把通用机械手用于汽车车身的点焊和冲压生产自动线上，亦即是第二代机械手这一新技术进入了应用阶段。

80-90年代，装配机械手处于鼎盛时期，尤其是日本。

90年代机械手在特殊用途上有较大的发展，除了在工业上广泛应用外，农、林、矿业、航天、海洋、文娱、体育、医疗、服务业、军事领域上有较大的应用。

90年代以后，随着计算机技术、微电子技术、网络技术等的快速发展，机械手技术也得到飞速的多元化发展。

总之，目前机械手的主要经历分为三代：
第一代机械手主要是靠人工进行控制，控制方式为开环式，没有识别能力；改进的方向主要是将低成本和提高精度；第二代机械手设有电子计算机控制系统，具有视觉、触觉能力，甚至听、想的能力。

研究安装各种传感器，把接收到的信息反馈，使机械手具有感觉机能；第三代机械手能独立完成工作过程中的任务。

它与电子计算机和电视设备保持联系，并逐步发展成为柔性系统FMS(Flexible Manufacturing System)和柔性制造单元FMC(Flexible Manufacturing Cell)中重要一环。

1.1.4机械手的发展趋势
目前国内工业机械于主要用于机床加工、铸锻、热处理等方面，数量、品种、性能方面都不能满足工业生产发展的需要。

将机械手各运动构件，如伸缩、摆动、升降、横移、俯仰等机构，以及适于不同类型的夹紧机构，设计成典型的通用机构，以便根据不同的作业要求，选用不用的典型部件，即可组成各种不同用途的机械手。

既便于设计制造，又便于改换工作，扩大了应用的范围。

同时要提高精度，减少冲击，定位精确，以更好地发挥机械手的作用。

此外还应大力研究伺服型、记忆再现型，以及具有触觉、视觉等性能地机械手，并考虑于计算机联用，逐步成为整个机械制造系统中的一个基本单元。

在国外机械制造业中，工业机械手应用较多，发展较快。

目前主要用于机床、模锻压力机的上下料，以及点焊、喷漆等作业中，它可按照事先制定的作业程序完成规定的操作，但是还不具备任何传感反馈能力，不能应付外界的变化。

视觉功能即在机械手上安装有电视照相机和光学测距仪（即距离传感器）以及卫星计算机。

工作时，电视照相机将物体形象变成视频信号，然后传送给计算机，以便
分析物体的种类、大小、颜色和方位，并发出指令控制机械手进行工作。

触觉功能即在机械手上安装有触觉反馈控制装置。

工作时机械手先伸出手指寻找工件，通过装在手指内的压力敏感元件产生触感作用，然后伸向前方，抓住工件。

手的抓力大小可通过装在手指内侧的压力敏感元件来控制，达到自动调整握力的大小。

总之，随着传感技术的发展，机械手的装配作业的能力将进一步提高。

到1995年，全世界约有50%的汽车由机械手装配。

现今机械手的发展更主要的是将机械手和柔性制造系统以及柔性制造单元相结合，从而根本改变目前机械制造系统的人工操作状态。

机械手设计任务及要求
1.2机械手的控制要求
1.2.1机械手的参数和要求
机械手抓取物块的结构如图所示。

系统右3个气缸组成，每个气缸的动作分别由电磁阀控制DC24V 5W，工作过程如下：
M1
图1.2.1
具体要求如下：
（1）如果人工放置物块到工作台上，汽缸B向下动作。

（2）汽缸B向下动作到位，汽缸C动作，抓紧物块。

（3）汽缸C动作，抓紧物块后，汽缸B向上动作。

（4）汽缸B向上动作到位后，汽缸A向左动作。

（5）汽缸A向左动作到位后，汽缸B向下动作。

（6）汽缸B向下动作到位后，汽缸C松开抓手，物块放置到传送带上。

（7）汽缸C松开抓手到位后，汽缸B向上动作。

（8）汽缸B向上到位后，传送带转动，送出物块。

同时汽缸A向右移动。

（9）物块送出后，汽缸A向右移动。

汽缸A向右移动到位后，进行下次循环。

1.2.2问题补充
问题1：由于机械手在右上方时才能向下自动运行，因此，补充一个原位显示，条件是机械手在右上方且处于松开状态
问题2：当机械手不在原位时，得手动将其回到原位状态，同时如果机械手出故障能够手动运行，基于此设定一个手动运行。

2 方案论证
2.1机械手的总指控过程
机械手的左右移动，上下移动用两组三位五通电磁阀控制，机械手的抓紧放松用两位五通电磁阀控制。

PLC上电后，当机械手处于右上方且松开状态时，原位显示，如果不在原位，可以用手动调节到原位。

当开关处于手动状态时，可以用手动控制上下左右抓紧松开和电机运行；当处于自动运行状态，只要无谓检测开关检测到有物体，机械手就连续自动运行。

2.2自动运行过程
当处于自动运行时，一旦物位检测开关动作，机械手就从原位向下运动，当到下限时，下限开关动作，此时机械抓紧，保持一段时间后（30s），当时间到，机械就上升，到达上限时，上限开关动作，机械手开始向左运行，当到达左限时，左限开关动作，机械手开始下降，到达下限时，下限开关动作，机械手开始松开，保持一段时间后（30s），保证放平稳，时间到后，机械手开始上升，当到达上限后，上限开关动作，机械手向右运行，同时电机开始运转，这两个动作并行运行，当机械手到达右限后，右限开关动作，电动机带动物体移动时，当物体到位后，到位开关动作，这两个动作任一个动作就等待另一个动作，当两个都动作后，开
始运行下一次循环。

3 硬件设计
3.1 系统的原理方框图
图3.1
3.2 控制面板
图3.2
3.3 主电路图
图 3.3 3.4 I/O分配
表3.4 3.5 I/O接线图
图3.5
3.6元器件选型
1、电动机选型：电机带动传送带，因此需要稳定，固转速不要求太大，功率视负载而定，此处选用Y160M2-8，额定功率5.5KW，转速720r/min，电流13.3A；
启动电流Ist=（5.5-7.0）IN,此处取90A。

2、PLC选型：此处选用FX2N-48MR继电器型PLC，FX2N-48MR PLC共有输入24点，输出24点，此处需16个输入，7个输出，满足控制需要；
3、熔断器选择：溶体的额定电流Ifu=Ist/(1.6-2),此处取45A，此处选RT14-50；
4、线型选择：由于电动机额定电流13.3A，此处用3mm2铝芯绝缘线（约为15A）；
5、电磁阀选择：控制左右移动上下移动的用两组三位五通电磁换向阀，控制机械手抓紧放松的用二位五通电磁换向阀
6、刀开关选择：三极式HD11-100
7、接触器选择：采用CJ20J-16A
4 软件设计
4.1自动运行的顺序控制功能图
图4.1
4.2梯形图
4.3 程序
0 LD M8002
OR M100
OUT M100
3 LD M100
AND X002
AND X004
ANI Y006
OUT Y000
8 LD X022
ANI X021
ANI X023
OUT M101
12 LD M101
AND X012
ANI X004
ANI Y004
OUT Y005
17 LD M101
AND X013
ANI X005
ANI Y005
OUT Y004
22 LD M101
AND X004
MPS
AND X014
ANI X003
ANI Y003
OUT Y002
MPP
AND X015
ANI X002
ANI Y002
OUT Y003 34 LD M101
AND X016
SET Y006
37 LD M101
AND X017
RST Y006
40 LD M101
AND X011
OUT Y001
43 LD Y000
OR M213
OR M200
ANI M201
OUT M200
48 LD M200
AND X021
OR M201
ANI X022
ANI X023
ANI M202
OUT M201
55 LD M201
AND X001
OR M202
ANI X203
OUT M202
60 LD M202
AND X005
OR X203
ANI M204
OUT M203
65 LD M203
AND T0
OR M204
ANI M205
OUT M204
70 LD M204
AND X004
OR M205
ANI M206
OUT M205
75 LD M205
AND X005
OR M206
ANI M207
OUT M206
80 LD M206
AND X005
OR M207
ANI M208
OUT M207
85 LD M207
AND T1
OR M208
ANI M209
ANI M211
OUT M208
91 LD M208
AND X004
OR M209
ANI M210
OUT M209
96 LD M208
AND X004
OR M211
ANI M212
OUT M211
101 LD M209 AND X007
OR M210
ORI M213
OUT M210
106 LD M211 AND X002
OR M212
ANI M213
OUT M212
111 LD M202 OUT Y004
113 LD M203 MPS
SET Y006
MPP
T0 K30
118 LD M204 OUT Y005
120 LD M205 OUT Y002
122 LD M206 OUT Y004
124 LD M207 MPS
RST Y006
MPP
T1 K30
129 LD M208 OUT Y005
131 LD M209 OUT Y001
133 LD M211 OUT Y003
135END
设计心得
通过此次设计，一方面让我认识到自己的不足，发现了学习中的错误之处；另一方面又积累丰富的知识，吸取别人好的方法和经验，增强对复杂问题的解决能力，摸索出一套解决综合问题的方法，为自己以后的工作和学习打下坚实的基础。

再一方面也加强了我和老师的交流，认识到知识的渊博度。

课程设计中既动脑、，又动手，是一个理论与实际结合的过程。

仅仅有理论是不够的，更重要的是实际的，是我们所设计的实物，具有设计合理，经济实用的优点。

这就需要我们设计者考虑问题是要仔细、周密，不能有丝毫的大意。

对设计方案的优越化，也需要我们综合各方面的因素考虑，尤其是实际。

参考文献
[1] 常晓玲．电气控制系统与可编程控制器[M]．北京：机械工业出版社，2008
[2] 杨后川．三菱PLC应用100例[M]．北京：电子工业出版社，2011
21。