注塑机机械手

目录
题目：模具注塑机机械手控制电路设计 (1)
前言 (3)
引言 (3)
一、机械手的发展与应用现状 (3)
二、机械手的前景及方向 (5)
三、本课题的研究意义 (6)
第一章机械手硬件设计 (7)
一、机械手的总体设计 (7)
二、机械手的动作过程 (8)
三、主要部件及零件及要求 (8)
四、运动方式和工作过程 (8)
五、PLC控制方式 (8)
第二章电路设计 (9)
一、主线路 (9)
二、PLC控制及I/O分配 (9)
第三章软件设计 (12)
一、编程工具 (12)
二、梯形图如下 (13)
三、指语句令表 (15)
第四章整机调试 (18)
一、手动控制过程 (18)
二、自动运行控制过程 (18)
总结 (19)
致谢 (20)
参考文献 (21)
题目：模具注塑机机械手控制电路设计
作者：王家欢
【摘要】
机械手是在机械化，自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。

在现代生产过程中，机械手被广泛的运用于自动生产线中，机械人的研制和生产已成为高技术邻域内，迅速发殿起来的一门新兴的技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。

机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动，不知疲劳，不怕危险，抓举重物的力量比人手力大的特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用。

机械手技术涉及到力学、机械学、电气液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。

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。

机械手按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式和机械式机械手。

本文设计的机械手属于混合式机械手,它综合了电动式和气动式机械手的优点,既节省了行程开关和PLC的I/O 端口,又达到了简便操作和精确定位的目的。

【关键字】
气动机械手、注塑机机械手、机械手控制电路设计、PLC控制
Mold injection molding machine manipulator control circuit design
Author: Wang JiaHuan
【Abstract】
The robot is a mechanized and automated production process developed a new type of device. In the modern production process, the mechanical hand has been widely used in automatic production lines, robots have become the hi-tech development and production of neighborhood and quickly made up a Hall of emerging technology, it is even more to promote the development of mechanical hands, making robot better able to achieve with the combination of mechanization and automation. Although the robot is not as flexible as staff, but it has to repeat the work and labor, I do not know fatigue, not afraid of danger, the power of lifting a heavy object larger than manual force characteristics, therefore, mechanical hand has been of great importance to many sectors, and Yue Lai has been applied more widely.
Robot technology related to mechanics, mechanics, electrical hydraulic technology, automatic control technology, sensor technology and computer technology and other fields of science, is a cross-disciplinary integrated technology.
Robot is a kind of positioning control can be automated and can be
re-programmed to change in multi-functional machine, which has multiple degrees of freedom can be used to carry an object in order to complete the work in different environments.
Robot-driven approach can be classified according to hydraulic, pneumatic, electric and mechanical manipulator. This design belongs to a hybrid robot manipulator, which combines electric and pneumatic manipulator benefits, saving the trip switch and the PLC, I / O ports, but also to achieve a simple operation and precise positioning purposes.
【Keywords】
pneumatic manipulator, injection molding machine manipulator, manipulator control circuit design, PLC control
前言
引言
机械工业是国民的装备部，是为国民经济提供装备和为人民生活提供耐用消费品的产业。

不论是传统产业，还是新兴产业，都离不开各种各样的机械装备，机械工业所提供装备的性能、质量和成本，对国民经济各部门技术进步和经济效益有很大的和直接的影响。

机械工业的规模和技术水平是衡量国家经济实力和科学技术水平的重要标志。

因此，世界各国都把发展机械工业作为发展本国经济的战略重点之一。

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。

工业机械手的是工业机器人的一个重要分支。

它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。

机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。

机械手是在机械化，自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。

在现代生产过程中，机械手被广泛的运用于自动生产线中，机械人的研制和生产已成为高技术邻域内，迅速发殿起来的一门新兴的技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。

机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动，不知疲劳，不怕危险，抓举重物的力量比人手力大的特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用。

机械手技术涉及到力学、机械学、电气液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。

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。

机械手的分类
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，以完成各项规定的操作。

它的特点是具备普通机械的性能之外，还具备通用机械、记忆智能的三元机械。

第二类是需要人工才做的，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讯号操作机来进行探测月球等。

工业中采用的锻造操作机也属于这一范畴。

第三类是用专用机械手，主要附属于自动机床或自动线上，用以解决机床上下料和工件送。

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

在国外，目前主要是搞第一类通用机械手，国外称为机器人。

本课题所做的机械手是属于第三类机械手。

一、机械手的发展与应用现状
机械手首先是从美国开始研制的。

1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手。

它的结构是：机体上安装一个回转长臂，顶部装有电磁块的工件抓放机构，控制系统是示教形的。

1962年，美国联合控制公司在上述方案的基础上又试制成一台数控示教再现型机械手。

商名为Unimate（即万能自动）。

运动系统仿照坦克炮塔，臂可以回转、俯仰、伸缩、用液压驱动；控制系统用磁鼓作为存储装置。

不少球坐标通用机械手就是在这个基础上发展起来的。

同年该公司和普鲁曼公司合并成立万能自动公司,专门生产工业机械手。

1962年美国机械制造公司也实验成功一种叫Vewrsatran机械手。

该机械手的中央立柱可以回转、升降采用液压驱动控制系统也是示教再现型。

虽然这两种机械手出现在六十年代初，但都是国外工业机械手发展的基础。

1978年美国Unimate公司和斯坦福大学，麻省理工学院联合研制一种Unimate-Vicarm型工业机械手，装有小型电子计算机进行控制，用于装配作业，定位误差小于±1毫米。

联邦德国机械制造业是从1970年开始应用机械手，主要用于起重运输、焊接和设备的上下料等作业。

联邦德国KnKa公司还生产一种点焊机械手，采用关节式结构和程序控制。

日本是工业机械手发展最快、应用最多的国家。

自1969年从美国引进两种机械手后大力从事机械手的研究。

前苏联自六十年代开始发展应用机械手，至1977年底，其中一半是国产，一半是进口。

目前，工业机械手大部分还属于第一代，主要依靠工人进行控制；改进的方向主要是降低成本和提高精度。

近20年来，气动技术的应用领域迅速拓宽，尤其是在各种自动化生产线上得到广泛应用。

电气可编程控制技术与气动技术相结合，使整个系统自动化程度更高，控制方式更灵活，性能更加可靠；气动机械手、柔性自动生产线的迅速发展，对气动技术提出了更多更高的要求；微电子技术的引入，促进了电气比例伺服技术的发展，现代控制理论的发展，使气动技术从开关控制进入闭环比例伺服控制，控制精度不断提高；由于气动脉宽调制技术具有结构简单、抗污染能力强和成本低廉等特点，国内外都在大力开发研究。

从各国的行业统计资料来看，近30多年来，气动行业发展很快。

20世纪70年代，液压与气动元件的产值比约为9:1，而30多年后的今天，在工业技术发达的欧美、日本等国家，该比例已达到6:4，甚至接近5:5。

我国的气动行业起步较晚，但发展较快。

从20世纪80年代中期开始，气动元件产值的年递增率达20%以上，高于中国机械工业产值平均年递增率。

随着微电子技术、PLC技术、计算机技术、传感技术和现代控制技术的发展与应用，气动技术已成为实现现代传动与控制的关键技术之一。

气动机械手作为机械手的一种，它具有结构简单、重量轻、动作迅速、平稳、可靠、节能和不污染环境等优点而被广泛应用。

由于气压传动系统使用安全、可靠，可以在高温、震动、易燃、易爆、多尘埃、强磁、辐射等恶劣环境下工作。

而气动机械手作为机械手的一种，它具有结构简单、重量轻、动作迅速、平稳、可靠、节能和不污染环境、容易实现无级调速、易实现过载保护、易实现复杂的动作等优点。

所以，气动机械手被广泛应用于汽车制造业、半导体及家电行业、化肥和化工，食品和药品的包装、精密仪器和军事工业等。

现代汽车制造工厂的生产线，尤其是主要工艺的焊接生产线，大多采用了气动机械手。

车身在每个工序的移动；车身外壳被真空吸盘吸起和放下，在指定工位的夹紧和定位；点焊机焊头的快速接近、减速软着陆后的变压控制点焊，都采用了各种特殊功能的气动机械手。

高频率的点焊、力控的准确性及完成整个工序过程的高度自动化，堪称是
最有代表性的气动机械手应用之一。

在彩电、冰箱等家用电器产品的装配生产线上，在半导体芯片、印刷电路等各种电子产品的装配流水线上，不仅可以看到各种大小不一、形状不同的气缸、气爪，还可以看到许多灵巧的真空吸盘将一般气爪很难抓起的显像管、纸箱等物品轻轻地吸住，运送到指定目标位置。

对加速度限制十分严格的芯片搬运系统，采用了平稳加速的SIN气缸。

气动机械手用于对食品行业的粉状、粒状、块状物料的自动计量包装；用于烟草工业的自动卷烟和自动包装等许多工序。

如酒、油漆灌装气动机械手；自动加盖、安装和拧紧气动机械手，牛奶盒装箱气动机械手等。

二、机械手的前景及方向
（一）重复高精度
机械手到达指定点的精确程度，它与驱动器的分辨率以及反馈装置有关。

重复精度是指如果动作重复多次，机械手到达同样位置的精确程度。

重复精度比精度更重要，如果定位不够精确，通常会显示一个固定的误差，这个误差是可以预测的，因此可以通过编程予以校正。

重复精度限定的是一个随机误差的范围，它通过一定次数地重复运行来测定。

随着微电子技术和现代控制技术的发展，以及气动伺服技术走出实验室和气动伺服定位系统的成套化。

气动机械手的重复精度将越来越高，它的应用领域也将更广阔，如核工业和军事工业等。

（二）模块化
有的公司把带有系列导向驱动装置的气动机械手称为简单的传输技术，而把模块化拼装的气动机械手称为现代传输技术。

模块化拼装的气动机械手比组合导向驱动装置更具灵活的安装体系。

它集成电接口和带电缆及气管的导向系统装置，使机械手运动自如。

由于模块化气动机械手的驱动部件采用了特殊设计的滚珠轴承，使它具有高刚性、高强度及精确的导向精度。

优良的定位精度也是新一代气动机械手的一个重要特点。

模块化气动机械手使同一机械手可能由于应用不同的模块而具有不同的功能，扩大了机械手的应用范围，是气动机械手的一个重要的发展方向。

智能阀岛的出现对提高模块化气动机械手和气动机器人的性能起到了十分重要的
支持作用。

因为智能阀岛本来就是模块化的设备，特别是紧凑型CP阀岛，它对分散上的集中控制起了十分重要的作用，特别对机械手中的移动模块。

（三）无给油化
为了适应食品、医药、生物工程、电子、纺织、精密仪器等行业的无污染要求，不加润滑脂的不供油润滑元件已经问世。

随着材料技术的进步，新型材料（如烧结金属石墨材料）的出现，构造特殊、用自润滑材料制造的无润滑元件，不仅节省润滑油、不污染环境，而且系统简单、摩擦性能稳定、成本低、寿命长。

（四）机电气一体化
由“可编程序控制器-传感器-气动元件”组成的典型的控制系统仍然是自动化技术的重要方面；发展与电子技术相结合的自适应控制气动元件，使气动技术从“开关控制”进入到高精度的“反馈控制”；省配线的复合集成系统，不仅减少配线、配管和元件，而且拆装简单，大大提高了系统的可靠性。

而今，电磁阀的线圈功率越来越小，而PLC的输出功率在增大，由PLC直接控制线圈变得越来越可能。

气动机械手、气动控制越来越离不开PLC，而阀岛技术的发展，又使PLC在气动机械手、气动控制中变得更加得心应手。

三、本课题的研究意义
机械工业是国民的装备部，是为国民经济提供装备和为人民生活提供耐用消费品的产业。

不论是传统产业，还是新兴产业，都离不开各种各样的机械装备，机械工业所提供装备的性能、质量和成本，对国民经济各部门技术进步和经济效益有很大的和直接的影响。

机械工业的规模和技术水平是衡量国家经济实力和科学技术水平的重要标志。

因此，世界各国都把发展机械工业作为发展本国经济的战略重点之一。

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。

工业机械手的是工业机器人的一个重要分支。

它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。

机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。

机械手是在机械化，自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。

在现代生产过程中，机械手被广泛的运用于自动生产线中，机械人的研制和生产已成为高技术邻域内，迅速发殿起来的一门新兴的技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。

机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动，不知疲劳，不怕危险，抓举重物的力量比人手力大的特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用。

机械手技术涉及到力学、机械学、电气液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。

随着注塑成型工业的发展，以后将有越来越多的机械手用于上料、混合、自动装卸模具、回收废料等各个工序上，而且将朝着智能化方向发展。

研究本课题既是对前沿科技的一次近距离接触，又是对我们在大学期间多门课程学习的一次综合检验和提高，同时可以为我们积累宝贵的设计经验。

第一章机械手硬件设计
一、机械手的总体设计
机械手是一种能模拟人的手臂动作,按照设定程序、轨迹和要求 ,代替人手进行抓取、搬运工件或操持工具的机电一体化自动装置。

能够实现水平、垂直的抓取或放置物品,具有操作范围大,灵活性好 ,应用广泛的特点。

可编程控制器( PLC)是一种专门为工业应用而设计的进行数字运算操作的电子控制装置。

由于其具有可靠性高,功能强 ,编程简单,人机交互界面友好等特性而广泛用于工业控制系统。

步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环执行元件。

在非超载情况下 ,电机的转速、停止位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数目。

这一线性关系的存在 ,加上步进电机只有周期性误差而无累计误差的特点,使其在速度、定位等控制领域应用得非常广泛。

机械手按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式和机械式机械手。

本文设计的机械手属于混合式机械手,它综合了电动式和气动式机械手的优点,既节省了行程开关和 PLC的 I/ O 端口,又达到了简便操作和精确定位的目的。

图1-1 机械手结构示意图
二、机械手的动作过程
图 1 为机械手结构示意图
机械结构：机械手手臂的左右运动(水平方向)由伸缩步进电机的正反转来控制；上下运动(垂直方向)由升降步进电机的正反转来控制；机械手的夹紧装置采用气缸和真空吸盘 ,其夹紧采用伸缩缸挤压排气式靠外力将吸盘皮压向被吸物体表面，吸盘内腔空气被挤压出去，形成吸盘内腔负压，松开采用电磁阀控制向吸盘内通入空气的方法来实现,整个夹紧与松开由电磁阀控制。

另外，改机械手要实现上述动作，系统还有步进电机驱动模块、PLC控制模块和行程控制元件。

三、主要部件及零件及要求
1、吸盘吸盘是机械手用于吸取工件的部件，要求其吸取工件牢固、定位准确。

手部由吸盘、吸盘杆、连杆、支承座、拉头和吸盘组成。

2、手臂手臂是机械手执行机械过程的重要部件，其作用是将被吸取的工件送到规定的位置上，它具有伸缩、升降二个自由度。

（1）伸缩机械。

伸缩机构应具有较大的刚度和强度，并具有导向和定位装置。

它由导向杆、导向块和定位螺母组成。

（2）升降机构。

手臂前伸部分与固定部分保持平衡，以减少手臂的偏重力矩。

四、运动方式和工作过程
1、机械手可以根据设定程序的动作将工件从 A 处搬运到 B 处。

2、SQ3 ,SQ4 ,SQ5 ,SQ6 为水平和垂直方向上的行程开关（限位开关）。

3、SQ1,SQ2为原点位置和终点位置的光接近开关，分别用于检测A、B两处是否有物体。

4、动作过程：大臂上升手臂伸出吸盘吸紧手臂缩回大臂下降
吸盘松开次序依次运行 ; 自动抓取A处的物体放到B处。

五、PLC控制方式
采用24V直流电源, 采用OMROM P L C（欧姆龙 P L C）控制,输入为24点继电器接点,输出为16点,外部输入电源在机内,内存程序循环扫描控制。

机械手系统设置为自动方式，按下“启动”按钮自动抓取A处的物体放到B处，然后依次运行，直到按下“停机”按钮，机械手停止工作。

第二章电路设计
一、主线路
（一）步进电机
步进电机驱动采用中美合资SH系列步进电机驱动模块驱动，主要由电源部分、信号输入部分和输出部分。

电源部分：由电源模块提供。

信号输入部分：由PLC提供。

信号输出部分：与步进电机连接，控制步进电机的正反转。

（二）检测元件
采用行程开关和光电开关。

行程开关SQ3 SQ4分别限制大臂下降和上升，SQ5 SQ6分别现在手臂的伸出和缩回。

光电开关SQ1用来检测A点的开模信息和吸盘是否将A处的物体吸起，并辅助自动运行是的机械手动作控制，光电开关SQ2用来做回零检测，并辅助机械手的自动运行。

二、PLC控制及I/O分配
根据机械手动作要求以及气动系统原理，其电气执行元件(气动电磁阀)选用直流2 4V的型式，安全可靠，并设置了状态显示灯。

（一）机械手动作顺序如下
手臂下降—吸盘吸紧—手臂上升—手臂右行—手臂下降吸盘松开—手臂上升—手臂左行的，次序依次运行。

（二）PLC选用
1、采用24VDC，欧姆龙C系列P型机的CPM1A，输入为24点继电器接点，输出为16点，外部输入电源在机内，内存程序循环扫描控制。

2、在外围设备方面采用RS-232或RS-485通信方式，与上位机连接，外部输入设备有行程开关、按钮和电磁阀等。

外部输出设备有继电器，指示灯等。

3、编程时，要使用外部输入相应的端子设备号：外部输入接点闭合，操作指示灯亮，输出断开，操作指示灯灭。

4、时间定时器当前值设为 20ms，定时器的点数为TIM000-127 预置值 0-100ms 。

5、指令有LD ，LD-NOT,AND，AND-NOT,OR,OR-NOT,OUT,TIN N #xxx,END。

6、用外围设备编程软件将 P L C梯形图程序用可识读的使用指令写入，输入后 PLC 就按设计思路准确地完成各种操作。

利用编程软件还可以完成每一条程序的读出，搜索所需要的 I/0 记号或指令，并可检查写入的程序中有无语法错误，正确无误且用强制输出可以测试运行
（三）PLC的I/O配线图
图2-1
（三）控制界面
图2-2
如图2-2，为该机械手的控制界面，左边为检测元件的指示灯，其中SQ1、SQ2是光电开关只是灯,SQ3、SQ4,SQ5、SQ6分别指示机械手上下、伸缩是否到位。

右边为该机械手的动作控制按钮面板，红色为急停按钮。

第三章软件设计
一、编程工具
编写PLC程序时使用了欧姆龙编程软件CX-Programmer 7.3
二、梯形图如下
图3-1
图3-2
图3-3 三、指语句令表：
表3-1
序号指令操作数
1 LD 00004
2 AND 00202
3 OR 01000
4 ANDNOT 01800
5 OUT 01000
6 LD 00100
7 AND 01800
8 LD 01700
9 LD 00100
10 OR 01100
11 ANDLD
第四章整机调试
为了有效的控制自动话机械手，在进行自动话编程控制前先进行手动控制。

一、手动控制过程
在进行自动运行前先检查PLC控制程序，确定无误后，启动机械手进行回零，然后：
●手臂上升—动作是否完成，行程开关是否实现到限制行程的的功能，对应的
指示灯是否正常工作。

●手臂右行—动作是否完成，行程开关是否实现到限制行程的的功能，对应的
指示灯是否正常工作。

●手臂下降—动作是否完成，行程开关是否实现到限制行程的的功能，对应的指
示灯是否正常工作。

●吸盘吸紧工件—动作是否完成（是否将工件吸起），光电开关是否实现到限制
行程的的功能，对应的指示灯是否正常工作。

●手臂上升—动作是否完成，行程开关是否实现到限制行程的的功能，对应的
指示灯是否正常工作。

●手臂左行—动作是否完成，行程开关是否实现到限制行程的的功能，对应的指
示灯是否正常工作。

●手臂下降—动作是否完成，行程开关是否实现到限制行程的的功能，对应的指
示灯是否正常工作。

●放下工件—动作是否完成，光电开关是否实现到限制行程的的功能，对应的指
示灯是否正常工作。

上述动作如果能实现，说明机械手的手动功能正常，反之则需对不能正常完成的部分进行调试。

二、自动运行控制过程
在进行自动运行前先检查PLC控制程序，确定无误后，启动机械手，回零准备自动运行。

自动控制过程中需要完成的的动作过程是：自动抓取A处的物体放到B处。

PLC需要实现：大臂上升、手臂伸出、吸盘吸紧、手臂缩回、大臂下降、吸盘松开全过程的自动运行控制。

上述动作如果能实现，说明机械手的自动运行功能正常，反之则需对不能正常完成的部分进行分析可能的原因然后进行调试调试。