机械手设计摘要

题目：搬运机械手及其PLC控制系统设计

摘要

搬运机械手是能模仿人和臂的某些动作功能，用以固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。为了满足生产的需要，机械手要求设置多种工作方式，例如手动和自动（包括连续、单周期、单步和自动返回初始状态）工作方式。在运动控制方面，PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。所以利用PLC程序控制可以实现机械手的控制要求。通过梯形图程序使各动作电磁阀动作，配合各极限位置的限位开关，准确而又循环的连续操作。系统以液压传动为驱动方式，避免使用三相异步电动机，具有防过载的优点。机械手、PLC、液压系统组成的整体具有高效、安全、经济、实用等特点。

下面我主要介绍一下设计过程中的具体展开工作：

初始阶段，指导老师要求我们上网查阅该设计的例子，以及阅读老师发的设计资料。看过之后，在脑子里有了大概的思路。本设计主要涉及的要点、重点、难点都清楚。从大的方面来说有硬件设计和软件设计。硬件设计包括机械手的抓取机构设计、液压系统原理设计、PLC的硬件设计；软件设计只有PLC的软件设计。经小组讨论，一致认为设计的路线为机械手的介绍、机械手抓取机构设计、液压系统原理设计、PLC的硬件设计、PLC的软件设计。下面具体介绍各部分的主要内容与展开的设计内容：

机械手的介绍：主要讲述了目前机械手在国内的发展状况，机械手的功能及应用场合。阐述了机械手的优点和特点，简单介绍了机械手的主要组成部分以及每个部分在机械手的作用。

机械手抓取机构设计：

对手部的设计要求：

1、有适当的夹紧力

2、有足够的开闭范围

3、力系结构简单，重量轻，体积小

4、手指应有一定的强度和刚度

5、其它要求

根据以上要求，计算出手部装置、大臂上下移动机构、上臂左右移动机构的右腔推力、夹紧力的大小，手部活塞杆行程长，确定“V”型钳爪的L,β。根据机械运动范围，确定出各腔流量以及工作压强。计算出各机构工件参数后，绘制成表格，初步计算选取液压缸。

液压系统原理设计：根据泵的供油压力、系统所需的最大流量，选择好溢流阀、调速阀、换向阀。设计出总体液压原理图，如下图所示。根据机械手的工

作流程，作出电磁铁动作顺序表，从而可以确认电动机规格。

PLC的硬件设计：

1）系统的主电路：本设计只由一功率为1.5KW的电动机拖动，任务书中要求设置过载与短路保护。根据要求，电动机功率小可直接起动。采用接触器控制电路，利用起保停的控制电路方式来控制电动机的正常运行。该主电路设有电路保护环节：短路保护、过载保护、欠压和失压保护。电路图如下：2）操作面板的设计：根据控制和生产工艺的要求：控制操作包括手动和自动；手动和自动又包括了几个按钮，总计五个档位、六个动作开关按钮，另设有启动停止按钮、负载电源、紧急停车两个按钮。设计如下：

3）PLC型号的选择：本次设计使用的是可编程控制实验装置。由于机械手系统的输入/输出点少，要求电气控制部分体积小，成本低，并能够用计算机对PLC进行监控和管理，该机械手的控制为纯开关量控制，且I/O点数不多，仅需18个输入点和5个输出点，考虑留有一定的裕量。故选用德国西门子公司生产的多功能小型S7-200 CPU 226 CN主机，该机输入点为24个，输出点为16个。

4）PLC I/O分配表

根据选择好的型号的PLC、输入输出点的个数，确定好每个输入输出相对应的I/O 地址。S7-200 CPU 226 CN本机I/O就足够，不必用到扩展单元的I/O地址。

5）PLC外部接线图：

在外部电路图中，为了保证在紧急情况下（包括PLC发生故障是）能可靠地切断PLC的负载电源，设置了交流接触器KM。在运行时按下“负载电源”按钮，使KM线圈得电并自锁，KM的主触点接通，给外部负载电源提供交流电源，

出现紧急情况时用“紧急停车”按钮切断负载电源。在这个图中可以清楚看出交流电源系统的外部接线，对于一些保护可以一目了然。

6）电器元件的选用：本设计使用到的电器元件有断路器、交流接触器、控制按钮、行程开关，按照各自的选用原则，选择出符合条件的型号，并根据电气设备手册查出各电器的主要参数、安装尺寸、外形尺寸。

7）电器安装板接线图：按照国家标准GB5226-85规定，还有电柜内的电器要按一定的原则布置。根据接线图，可以看出具体哪个电器具体放置在安装板的位置。图中还有端子号，根据端子号连接好外部与内部的连线，直接与外部相连是端子排，相同端子号直接通过走线槽用导线相连接。有了这张图，工人可自行连接好线路。画出电器安装板接线图，如下图所示：

PLC的软件设计：

1）主程序：根据工作方式，绘制主程序的梯形图如下：

对于连续、单周期、单步三种工作方式都是属于自动操作，为了程序的简单化、操作简便，我使用一个子程序来控制这三个工作方式。

2）子程序：

（1）公用程序：公用程序是用来处理各种工作方式都要执行的任务，已经不同的工作方式之间的相互切换的处理，绘制梯形图如下：

（2）手动程序：为了保证系统的安全运行，在手动程序中设置了一些必要的连锁，梯形图如下：

（3）自动程序：单周期、连续和单步这三种工作方式主要用“连续”标志M0.7和“转换”标志M0.6来区分。在文中详细阐述了单步与非单步的区分、单周期与连续的区分、单周期工作过程、单步工作过程与输出回路。顺序功能图如

（4）自动回原点程序：按下返回原位按钮，机械手可能处于任意状态中，根据机械手当时所处的位置和夹紧的状态，可以分为三种情况，采用不用的出路方法：

（1）夹紧装置松开（Q0.1为0状态）

表明机械手没有夹持工件，应上升和左行，直接返回原点位置。按下返回原位按钮I2.5，应进入图5-25中的上升步M1.4，转换条件为I2.5·Q0.1。如果机械手已经在最上面，上限位开关I0.2为1状态，进入上升后，因为转换条件已经满足，将马上转换到左行步。

（2）夹紧装置处于夹紧状态，机械手在最右边

此时Q0.1和I0.3均为1状态，应将工件搬运到B点后在返回原点位置。按下返回原位按钮I2.5，机械手应进入下降步M1.2，转换条件为I2.5·Q0.1·I0.3，首先执行下降和松开操作。释放工件后，再返回原点位置。

（3）夹紧装置处于夹紧状态，机械手不在最右边

此时Q0.1为1状态，右限位开关I0.3为0状态。按下起动按钮I2.6，应进入M1.0，转换条件为I2.5·Q0.1·I0.3，首先上行、右行、下降和松开工件，将工件搬运到B点后在返回原点位置。

机械手返回原点位置后，原点条件满足，公用程序中的原点条件标志M0.5为1状态，因此此时I2.1为ON，图5-7顺序功能图中的初始步M0.0在公用程序中被置位，为进入单周期、连续和单步工作方式做好了准备，因此可以认为自动程序的顺序功能图的初始步M0.0是步M1.5的后续步。