基于PLC的机械手操纵系统设计毕业设计

本科生毕业设计基于PLC的机械手操纵系统设计
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摘要
本文在了解机械手和PLC操纵技术的国内外研究现状及进展趋势基础上,选用四自由度液压机械手作为操纵对象进行研究。

由于液压机械手具有大功率、易操纵和快速性等特点，在工业各领域取得普遍的运用。

四自由度液压机械手涉及到了机械设计、液压系统和操纵系统等综合知识,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,对液压部份进行了分析。

液压部份是操纵的关键所在，本系统是通过PLC操纵电磁阀的电磁铁,从而实现对机械手各动作的操纵。

通过度析系统对输入输出数据釆集的要求,选择适当的PLC、I/O模块、信号搜集元件压力变送器、分派PLC输入输出地址、设计操纵系统电路和操纵柜。

最后,本设计以四自由度液压机械手为对象,采纳公司生产的西门子PLC和触摸屏进行操纵,用自带编程软件STEP 7 MicroWIN SP3与 Wincc flexible 2020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； PLC；触摸屏；传感器；操纵；程序
Abstract
This article is based on the understanding of the manipulator and the PLC technology at home and abroad based on the present situation and development trend, selected Four-DOF hydraulic manipulator as the control object to study.
As the hydraulic manipulator with, high-power, easy control and fast, etc. Widely used in various industrial fields, Four-DOF hydraulic manipulator Involve Mechanical Design Hydraulic System Control System Is a typical mechanical and electronic integration system This article analyzes the manipulator working environment, and mission to complete, then selected the manipulator, while analysis the manipulator motion, Analysis the hydraulic parts. Hydraulic part is the key to control, this system control the Electromagnet of Solenoid valve by the PLC, In order to achieve the movement of the manipulator control. Pressure Transmitter and Grating sensor by Analysis the hydraulic system on the input and output data collection requirements. I/O module, signal acquisition components pressure transmitter, PLC I/O address distribution, design control system circuit and the control cabinet.
Finally, the subject is an object with four degrees of freedom hydraulic manipulator, the company production of Siemens PLC and touch screen control, with their own programming software STEP 7 MicroWIN SP3 and Wincc flexible 2020 programming implementation body rotation, telescopic arm, wrist and fingers point such as automatic, semiautomatic and motion.
Key words: manipulator; PLC; Touch screen. The sensor; Control; The program
目录
第一章绪论.................................................. 错误!未定义书签。

课题研究背景及意义........................................ 错误!未定义书签。

研究现状及进展趋势........................................ 错误!未定义书签。

PLC操纵系统的研究现状及进展趋势........................ 错误!未定义书签。

PLC的选择................................................ 错误!未定义书签。

第二章机械电话构与液压系统分析.............................. 错误!未定义书签。

机械手工作环境分析........................................ 错误!未定义书签。

机械电话构分析............................................ 错误!未定义书签。

机械手液压系统分析........................................ 错误!未定义书签。

机械手设计时应考虑的几个问题.............................. 错误!未定义书签。

本章小结.................................................. 错误!未定义书签。

第三章机械手操纵系统设计.................................... 错误!未定义书签。

机械手动作分析............................................ 错误!未定义书签。

机械手运动参数分析...................................... 错误!未定义书签。

机械手操纵方式分析...................................... 错误!未定义书签。

仪器选型.................................................. 错误!未定义书签。

可编程操纵器简要介绍.......................................................................... 错误!未定义书签。

本系统PLC的选型.................................................................................. 错误!未定义书签。

操纵电路的设计.......................................................................................... 错误!未定义书签。

本章小结...................................................................................................... 错误!未定义书签。

第四章PLC操纵系统程序的设计 .................................................................. 错误!未定义书签。

总程序的设计.............................................................................................. 错误!未定义书签。

回原点程序的设计...................................................................................... 错误!未定义书签。

点动程序的设计.......................................................................................... 错误!未定义书签。

自动程序的设计.......................................................................................... 错误!未定义书签。

触摸屏程序的设计...................................................................................... 错误!未定义书签。

本章小结...................................................................................................... 错误!未定义书签。

第五章程序调试与功能实现........................................................................ 错误!未定义书签。

西门子S7-200的通信................................................................................ 错误!未定义书签。

PLC通信..................................................................................................... 错误!未定义书签。

第六章总结与展望........................................................................................ 错误!未定义书签。

总结.............................................................................................................. 错误!未定义书签。

展望.............................................................................................................. 错误!未定义书签。

致谢.................................................................................................................. 错误!未定义书签。

参考文献.......................................................................................................... 错误!未定义书签。

附录.................................................................................................................. 错误!未定义书签。

第一章绪论
课题研究背景及意义
工业机械手(以下简称机械手)是近代自动操纵领域中显现的一项新技术,已经成为现代制造生产系统中的一个重要组成部份。

机械手的迅速进展是由于它具有的踊跃作用正日趋为人们所熟悉:其一,它能部份地代替人工操作;其二,它能依照生产工艺的要求,遵循必然的程序、时刻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,加速实现工业生产机械化和自动化的步伐。

因此,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、噪声和带有放射性和污染性的场所,应用更为普遍。

随着现代工业生产的迅速进展,机械手活着界范围内得以普遍应用。

因此对机械手的操纵要求也愈来愈高,假设用传统的继电器操纵方案进行操纵,必将造成系统元件多,接线繁杂、稳固性差、故障率高,给工业生产带来很多不便。

针对这些问题若是采纳性能价钱比高的可编程序操纵器PLC (基于PLC的优势在下一节有论述)设计其操纵系统,。

可使该系统的运行靠得住性高、故障率低、维修方便,取得良好的工作成效
⑴Programmable Logical Controller简称为PLC。

但最近几年来,PLC米用微处置器作为中央处置单元,不仅有逻辑操纵功能,还有算术运算、模拟量处置乃至通信联网功能,正确应称为PC,但为了与个人运算机有所区别,仍称其为PLC。

[2]
工作原理如图1-1所示。

图1-1PLC操纵系统示用意
PLC有以下几大优势:
(一)灵活、通用
操纵功能改变,只要改变软件及少量的线路即可实现。

(二）靠得住性高、抗干扰能力强
硬件方面:采纳微电子技术关动作由无触点的半导体电路及大规模集成电路完成,CPU与输入输出之间,采纳光电隔离方法,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、欠电压等外界环境按期检查,有故障时,存现状态到存储器,并对其封锁以爱惜信息;监视按时器WTD,检查程序循环状态,超出循环时刻时报警;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)利用简单
采纳自然语言——梯形图语言编程方式,编程容易,更改方便。

输入输出接口能够与各类开关、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——PLC不仅可能完成各类条件操纵,还能完成模/数、数/模转换并进行数字运算,能够完成对模拟量的操纵;横向——能够操纵一台至几台设备,还可实现远距离操纵;重量轻,体积小,便于安装。

本课题采纳可编程操纵器PLC和触摸屏实现机械手液压系统运行进程的手动、半自动和全自动操纵,可使操纵进程精准靠得住,减少了手动工作量,操作进程加倍清楚明确,具有重要意义。

研究现状及进展趋势
1.2.1机械手的研究现状及进展趋势
机械手要紧由执行机构、驱动系统、操纵系统和位置检测装置等组成。

一、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。

(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,立柱也能够是手臂的一部份,手臂的回转运动和起落(或俯仰)运动均与立柱有紧密的联系。

(5)行走机构机械手为了完成远距离的操作和扩大利用范围,能够增设滚轮行走机构。

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份,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。

二、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。

经常使用的有液压传动、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。

其要紧特点是:抓重可达几百千克以上、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专门大的阻碍,且不宜在高温、低温下工作。

(2)气压传动是以紧缩空气的压力来驱动执行机构运动。

其要紧特点是介质来源极方便、气动动作迅速、结构简单、本钱低。

可是,由于空气具有可紧缩的特性,工作速度的稳固性差,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。

它的要紧特点是运动准确靠得住、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,保护和利用方便。

此类机械手目前还不多,但有进展前途。

3、操纵系统
有电气操纵和射流操纵两种,一样常见的为电气操纵。

它是机械手的重要组成部份,它支配着机械手按规定的程序运动,并经历人们给与机械手的指令信息(如动作顺序、运动轨迹、运动速度及时刻),同时按其操纵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。

4、位置检测装置
操纵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操纵系统,并与设定的位置进行比较,然后通过操纵系统进行调整,从而使执行机构以必然的进度达到设定位置。

五、机械手的进展趋势
机械手目前多数应用于机床、模锻压力机的上下料,和点辉、喷漆等作业,它可按事前制订的程序完成操作,但一般不具有传感反馈能力,不能应付外界的转变。

如发生某些偏离时,将引发零件乃至机械抄本身的损坏。

目前工业机械手的应用慢慢扩大,技术性能在不断提高。

由于进展时刻较短,人们对它有一个慢慢熟悉的进程,机械手在技术上还有一个慢慢完善的进程:
(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、燥、热处置等热加工和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、制造带来很多困难,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效劳。

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,而慢慢扩大机械手的利用。

(2)提高工业机械手的工作性能
机械手工作性能的好坏,决定着它可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,是决定机械手可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,除从解决缓冲定位方法入手外,还应进展知足机械手性能要求价钱低廉的电液伺服阀,将伺服操纵系统应用于机械手上。

(3)进展组合式机械手
从机械抄本身的特点来讲,可变程序的机械手更适应产品改型、设备更新,多品种小批量的要求,可是它的本钱高,专用机械手价钱低廉,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,如此就提高了产品本钱。

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能够组合的型式。

组合式机械手是将一些通用部件(如手臂伸缩部件,起落部件、回转部件和腕部回转、俯仰部份等)依照作业的要求,选择必要的能完成预定性能的单元部件,以机座为基础进行组合,配上与其相适应的操纵部份,即成为能完成特殊要求的机械手。

它能够简化结构,兼顾了利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,是一种有进展前途的机械手。

(4)研制具有“视觉”和“触觉”的所谓“智能机械人”关于需用人工进行灵巧操作及需要进行判定的工作场合,工业机械手很难代替人的劳动。

如在工作进程中显现事故、障碍和情形转变等,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,使之对物件进行判定、选择,能持续调剂以适应转变的条件,并能进行“手、脚”和谐动作。

这就需要一个能处置大量信息的运算机,要求人与机械“对话”进行信息交流。

这种带“视觉"、触觉”反馈的,由运算机操纵的,具有人的部份“智能”的机械装置称为“智能机械人”。

所谓“智能”是包括识别、学习、经历、分析判定的功能。

而识别功能是通过“视觉”、“触觉”和“听觉”等感觉“器官”熟悉对象的。

具有感觉功能的机械人,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,判定物件重量,越过障碍物进行工作,自动测出夹紧力大小,并能自动调剂,适用于从事复杂、周密的操作,如装配作业等,它有着必然的进展前途。

智能机械人是一种新兴的技术,对它的研究将涉及到电子技术、操纵论、通信技术、电视技术、空间机构和仿生机械学等学科。

它是今世自动操纵技术的一个新兴的领域。

随着科学技术的进展,智能机械人将会代替人做更多的工作。

为此,机械手进展趋势是大力研制具有某种智能的机械手,设它拥有必然的传感能力,能反馈外界条件的转变作相应的变更,如位置发生稍些误差时即能更正,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,从而全然改变目前的机械制造系统的人工操作状态。

1.2.2 PLC操纵系统的研究现状及进展趋势
一、PLC的运用现状
(1)在制造工业和进程工业中,大量的开关量顺序操纵,它依照逻辑条件进行顺序动作,并依照逻辑关系进行连锁爱惜动作的操纵,及大量离散量的数据釆集。

传统上,这些功能
是通过气动或电气操纵系统来实现的。

1968年美国GM(通用汽车)公司提出取代继电气操纵装置的要求,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操纵装置,使得电气操纵功能实现的程序化,这确实是第一代可编程序操纵器,英文名字叫Programmable Controller (PC)。

(2)随着电子技术和运算机技术的发生,PC的功能愈来愈壮大,其概念和内涵也不断扩展。

(3)上世纪80年代,个人运算机进展起来,也简称为PC,为了方便,也为了反映或可编程操纵器的功能特点,美国A-B公司将可编程序操纵器定名为可编程序逻辑操纵器Programmable Logic Controller (PLC),并将“PLC”作为其产品的注册商标。

此刻,仍常常将PLC简称PC。

(4)上世纪80年代至90年代中期,是PLC进展最快的时期,年增加率一直维持为30～40%。

在这时期,PLC在处置模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力取得大幅度提高,PLC慢慢进入进程操纵领域,在某些应用上取代了在进程操纵领域处于统治地位的DCS系统。

(5)目前我国PLC生产厂约30家,但没有形成颇具规模的生产能力和名牌产品,还有一部份是以仿造、来件组装或“贴牌”方式生产。

尽管我国在PLC生产方面超级弱,但在PLC 应用方面,我国是很活跃的,最近几年来每一年约新投入10万台套PLC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PLC系统中,I/O 64点以下PLC销售额占整个PLC的47%,64点~256点的占31%,合计占整个PLC销售额的78%。

在我国应用的PLC,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。

大中型集控系统采纳欧美PLC占多数,小型操纵系统、机床、设备单体自动化及OEM产品采纳R本的PLC占多数。

欧美PLC在网络和软件方面具有优势,而日本PLC在灵活性和价位方面占优势。

(6)最近几年,工业运算机技术(IPC)和现场总线技术(FCS)进展迅速,挤占了一部份PLC 市场,PLC增加速度显现渐缓的趋势,但其在工业自动化操纵专门是顺序操纵中的地位,在可预见的以后,是无法取代的。

目前,国外具有代表性的先进的PLC生产产家及其要紧产品如表所示:
表1-1先进PLC厂家及要紧产品
来越丰硕,而体积那么愈来愈小。

比如三菱的FX-IS系列PLC,最小的机种,体积仅为60x90x75mm,相当于一个继电器,但却具有高速计数、斜坡、交替输出及16位四那么运算等能力,还具有可调电位器时刻设定功能。

PLC已再也不是初期那种只能进行开关量逻辑运算的产品了,而是具有愈来愈强的模拟量处置能力,和其他过去只有在运算机上才能具有的高级处置能力,如浮点数运算、PID调剂、温度操纵、精准定位、步进驱动、报表统计等。

从这种意义上说,PLC系统与DCS(集散操纵系统)的不同愈来愈小了,用PLC 一样能够组成一个进程操纵系统。

三是PLC操作向简易化方向进展。

目前PLC推行的难度之一确实是复杂的编程使得用户望而却步,而且不同厂商PLC所有编程的语言也不尽相同,用户往往需要把握更多种编程语言,难度较大。

PID操纵、网络通信、高速计数器、位置操纵、数据记录、配方和文本显示器等编程和应用也是PLC程序设计中的难点,用一般的方式对它们编程时,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,编程的进程既繁琐又容易犯错,阻碍了 PLC的进一步推行应用。

PLC的进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S7-200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,就能够够自动生成包括中断程序在内的用户程序,大大方便了用户的利用。

图1-2机械手操纵系统框图
PLC的选择
本次毕业设计要研究内容是针对实际生产顶用到的工业机械手,其整体操纵系统框图如图1-2所示,利用可编程操纵器PLC和触摸屏进行操纵,实现运行进程的手动、半自动和全自动操纵。

要紧研究内容如下:
一、机械手运动机构和液压系统分析。

二、PLC操纵系统各个模块的选用和电路设计。

如下表1-2所列。

表1-2 PLC操纵系统各模块
1 西门子S7-200PLC 4 触摸屏（Smart 700 IE）
2 扩展模块（EN231） 5 供电电路单元
3 压力传感器（PT210B） 6 相关控制柜单元与开关
3、绘制PLC操纵系统整体电路图。

4、编制触摸屏和PLC操纵程序。

第二章机械电话构与液压系统分析
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、经受重载荷的条件下,能实现对棒料的快速,准确地搬运。

如此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机械手样机图
机械电话构分析
工作环境也自然阻碍到一台机械手的机构。

此台机械手(图2-2为示用意)由手部、手腕、手臂、立柱、支撑机构和驱动和操纵系统组成。

图2-2机械手示用意
课题以四自由度液压机械手为对象,采纳可编程操纵器(PLC)和触摸屏进行操纵,实现机身起落、机身旋转、手臂伸缩、手腕旋转、和手指夹取,如下图,其中1为沿立柱作上下移动;2为手臂左右转运动;3为沿水平方向作伸缩运动柱;4为手指的夹紧、放松运动。

机械手液压系统分析
本台机械手采纳液压驱动,机械手臂起落、收缩和手指夹紧执行元件采纳液压缸,手臂旋转采纳液压马达。

[6]
液压换向回路用三位四通阀操纵;手臂伸缩设置有缓冲功能,用两位两通阀进行操纵;手指的夹紧和放松用一个两位三通阀进行操纵;液压系统的卸荷用两位两通阀进行操纵。

如图2-3所示:
图2-3液压系统原理图
机械手设计时应考虑的几个问题
1、应具有足够的夹紧力
在确信手指的握力时,除考虑工件重量外,还应考虑在传送或操作进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、手指间应具有必然的开闭角
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闭角。

手指的闭角应保证工件能顺利进入或脱。

假设夹持不同直径的工件,应按最大直径的工件考虑。

关于移动型手指只有闭幅度的要求。

3、应保证工件准确信位
为使手指和被夹持工件维持准确的相对位置,必需依照被抓取工件的形状,选择相应形状的手指。

例如圆柱形工件釆用带“V”形面的手指,以便自动定心。

4、应具有足够的刚度和强度
手指除受到被夹持工件的反作使劲外,还受到机械手在运动进程中所产生的惯性力和振动的阻碍,要求有足够的强度和刚度以防折断或弯曲变形,但应尽可能使结构简单紧凑,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。

五、应考虑被抓取对象的要求
(1)抓取形状手指形状应依照工件形状而设计。

如工件为圆柱形,那么采纳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。

总之应依照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,假设加工后尺寸有转变,手指应能适应尺寸转变的要求,不然不许诺定为抓取部位。

关于工件表面质量要求高的,抓取时尽可能躲开高质量表面或在手指上加软质垫片(如泡沫塑料、橡皮、石棉衬垫等)以防夹持时损坏工件。

(3)抓取数量假设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,关于较长工件可采纳双指或多指抓取。

六、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。

关于这种手指要求结构简单,安装维修方便,改换方便。