气动机械手的设计及其PLC控制系统(含CAD图纸)

河南科技学院

2012届本科毕业论文（设计）

论文题目：气动机械手的设计及其PLC控制系统

学生姓名：周文涛

所在院系：机电学院

所学专业：机械设计制造及其自动化

导师姓名：安爱琴

完成时间：2012年 5月 10日

摘要

本文设计了一种气动搬运机械手，其控制部分采用PLC控制系统。论文首先对气动机械手的功能进行分析，确定了总体方案，并设计了驱动系统原理图。由设计参数对机械手的主要组成部分进行选型，并对其进行三维建模，用于演示其工作原理。然后，根据控制要求，对PLC进行了选型，编写出了控制系统的梯形图程序，并绘制出了硬件接线图。

关键词：机械手，PLC，气压传动

Abstract

Keywords: Manipulator，PLC，Pneumatic Transmission

目录

1 绪论

由于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等领域的需要，能代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化、，在有害环境下操作以保护人身安全的机械手得到了广泛的应用。机械手是自动生产设备和生产线上的重要装置之一，它可以根据各种自动化设备的工作需要，按照预定的控制程序动作。因此，在机械加工、冲压、锻造、铸造、装配和热处理等生产过程中被广泛用来搬运工件，借以减轻工人的劳动强度；也可以自动取料、上料、卸料和自动换刀的功能，气动机械手是机械手的一种，它具有结构简单，重量轻，动作迅速、平稳、可靠和节能等优点。

机械手技术涉及到力学、机械学、液压气压传动、自动控制、传感器和计算机等多学科领域，是一门跨学科的综合技术。机械手是一种能自动化定位控制并可重新编程的多功能机器，它有多自由度，可代替人的劳动，以便在复杂、恶劣的环境中工作。

1.1 设计背景

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适应各种复杂环境的能力，在国民经济领域中有着广阔的发展和应用前景。

在机械工业中，机械手的应用意义可以概括如下：

（1）提高生产过程的自动化程度。应用机械手，有利于提高材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化程度，从而可以提高劳动生产率，降低生产成本，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。

（2）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的或是根本不可能的。而应用机械手即可部分或全部代替人安全地完成作业，大大地改善了工人的劳动条件。在一些动作简单但又重复作业的操作中，以机械手代替人手进行工作，可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。

（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。因此，在自动化机床和综合加工自动生产线上，目前几乎都设有机械手，以减少人力和更准确地控制生产的节拍，便于有节奏地进行生产。

综上所述，有效地应用机械手是发展机械工业的必然趋势。但是，目前，在一些企业中使用的气动机械手仍然采用继电器-接触器控制系统。其弊端主要表现在:大量的机械触点电弧烧蚀和机械磨损，可靠性降低且寿命短；触点的机械动作频率低且存在抖动现象，控制精度低；接线多而复杂，一旦系统构成后就很难增加或改变功能。因此，灵活性和扩展性差。

随着可编程控制器技术（PLC）的快速发展，其强大的控制功能不仅能完成复杂的继电器控制逻辑，而且能实现模拟量控制，具有可靠性高、抗干扰能力强、易于扩展、易实现工艺连锁和可在线修改等优点。因此在工艺自动化领域起到了举足轻重的作用。基于对工厂控制系统的强大干扰能力的要求，对气动机械手进行了PLC控制，从根本上解决了上述弊端。

1.2 目前国内外有关机械手的研究状况

机械手的发展历程大体分为三代：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)中的重要一个环节。

目前，日本、美国和欧盟在气动技术和气动机械手方面最为领先。我国对气动技术和气动机械手的研究与应用相对较晚，但随着投入力度和研发力度的加大，我国自主研制的许多气动机械手已经广泛应用于汽车等行业，并为国家的发展与进步发挥着重要作用。随着微电子技术的迅速发展和机械加工工艺水平的提高及现代控制理论的应用，为研制出高性能的气动机械手奠定了坚实的技术基础。由于气动机械手有结构简单，易实现无级调速、过载保护、复杂动作等诸多优点，气动机械手将会越来越广泛应用于工业、军事、航空、医疗、生活等诸多领域。

1.3 本文的主要研究内容

本文研究的主要内容为气动机械手的设计及其PLC控制系统，包含的内容如下：

论文首先介绍了机械手的结构功能和总体设计方案，并设计了机械手的驱动系统。接着是依据机械手的技术参数，对气动机械手的主要组成部件进行了设计选型，然后又对PLC做了较为全面的介绍，对系统所需的PLC进行了选型，并

确定了系统I/O点的分配，最后编写了系统的梯形图程序，并绘制出了PLC的硬件接线图。

2 机械手系统的结构功能和总体设计方案

气动机械手主要由控制系统、驱动系统、执行机构以及位置检测系统4部分组成。其控制系统采用PLC控制。

2.1 机械手的功能分析

气动机械手搬运工件的工作过程示意图如图1所示。图中传送带A、B由电机驱动，光电开关用于检测工件，当光电开关检测到工件时，传送带A停止运动，同时给气动机械手发出一个信号，气动机械手便将工件从传送带A上搬运到传送带B上。

图1 机械手工作过程示意图

机械手动作过程如图2所示。