1、学 号：200903010229HEBEI UNITED UNIVERSITY毕 业 论 文GRADUATE THESIS设计题目：气动机械手控制系统设计学生姓名： 专业班级：09 机设 2 班学 院：机械工程学院指导教师： 教授2013 年 5 月 28 日摘要摘 要为工业机械手研制一个技术性能优良的控制系统，对于提高工业机械手的整体技术性能来说具有十分重要的意义。本论文正是针对这一课题，选择了可编程控制器(PLC)作为工业机械手的控制系统，这对提升工业机械手的整体技术性能起到了良好的作用。本论文的控制对象是由两个搬运机械手组成的机械手群，每个机械手完成十个基本动作，两个机械手互相配合动作。
2、机械手由气缸驱动，气缸受电磁阀控制。限位开关检测机械手是否到达固定位置。可编程控制器(PLC)控制每个机械手的动作，实现机械手群的自动运行。本论文可编程控制器(PLC)选用西门子（SIEMENS）公司 S7200 系列的 CPU224，并扩展了 EM221 数字量输入模块和 EM222 继电器输出模块。机械手的开关量信号直接输入 PLC，PLC 通过中间继电器对电磁阀加以控制。在软件上，设计了主程序和子程序。主程序控制机械手群动作，子程序控制每个机械手动作。本论文的重点放在 PLC 各硬件部分的设计和介绍、PLC 梯形图的编写上。在整体设计过程中按照“提出问题，分析问题，解决问题”的主导思想，
3、对整个系统的设计工作做出了细致的阐述。关键词：可编程控制器(PLC)；气动控制系统；气动元件；西门子。AbstractAbstractDevelops a technical performance fine control system for the industry manipulator, regarding enhances the industry manipulators overall technical performance to have the extremely vital significance. The present paper is precisely in
4、 view of this topic, chose programmable logical controller (PLC) to take the industry manipulators control system, this to promoted the industry manipulators overall technical performance to play the good role. The present paper controlled member is by two the manipulator group which transports the
5、manipulator to be composed, each manipulator completes ten elementary actions, two manipulators coordinate the movement mutually. The manipulator actuates by the air cylinder, air cylinder solenoid valve control. The limit switch examines the manipulator whether arrives the stationary position. The
6、programmable logical controller (PLC) controls each manipulators movement, realizes the manipulator group automatic movement. Present paper programmable logical controller (PLC) selects SIEMENS Corporation S7200 series CPU224, and expanded the EM221 numeral quantity load module and the EM222 relay o
7、utput module. Manipulators switch quantity signal direct input PLC, PLC controls through the intermediate relay to the solenoid valve. On the software, has designed the master routine and the subroutine. The master routine controls the manipulator group movement, the subroutine controls each manipul
8、ator to act. The present paper key point places the PLC various hardware part the design and the introduction, in the PLC trapezoidal chart compilation. Defers to in the overall design process “asks the question, the analysis question, solves the problem” the guiding ideology, has made the careful e
9、laboration to the overall system design workKey words：Programmable Logical Controller (PLC) ；The pneumatic control system ；Pneumatic components ；Siemens. 第一章 绪论目录摘要 .IAbstract.II第一章 绪论 .- 1 -1. 课题来源、目的及意义 .- 1 -2. 国内外研究现状 .- 1 -第二章 总体方案设计 .- 4 -2.1 原来的产品介绍 .- 4 -2.2 本论文的主要内容及达到的目标 .- 5 -2.3 气动机械手的动作
10、过程 .- 6 -2.4 本系统的控制方案 .- 8 -第 3 章气动执行元件的选型 .- 10 -3.1 气动执行元件和控制元件 .- 10 -3.2 气缸的工作原理、分类及安装形式 .- 10 -3.2.1 气缸的典型结构和工作原理 .- 10 -3.2.2 气缸的分类 .- 11 -3.3 气缸类型的选择及总体方案的确定 .- 17 -3.4 气压驱动系统设计 .- 18 -第 4 章系统硬件电路的设计 .- 20 -4.1 PLC 的简介 .- 20 -4.1.1 可编程控制器的概念 .- 20 -4.2PLC 的工作原理 .- 23 -4.3 输入/输出信号 .- 25 -4.4PL
11、C 的选型 .- 27 -4.5 I/O 地址分配 .- 29 -4.6 PLC 外部接线 .- 31 -4.7 电气控制原理 .- 35 -第五章 软件设计 .- 37 -5.1 机械手群主程序 .- 37 -5.2 机械手 1 控制程序 .- 40 -5.3 机械手 2 控制程序 .- 43 -工作总结 .- 46 -致 谢 .- 47 -参考文献 .- 48 -附 录 1.- 49 -附 录 2.- 50 -河北联合大学机械工程学院- 1 -第一章 绪论1. 课题来源、目的及意义由于现在在外面实习，也去了几家的工厂，很多工厂工作环境差，条件有限对于这种恶劣环境下工人们需要人工控制或者利用
12、其他一些方法作为工具来搬运重物，而且都是一些机械的工作，我们完全可以利用机械手等机械来代替工人，从而高效率可靠的完成任务而且减轻工人的劳动强度。鉴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，因此很适合在工业领域特别是那些环境比较差温度高，多震动、噪声大，灰尘多以及辐射等不适于人类长期工作的环境中工作。这样一来不仅提高了生产力，而且为生产力大大减轻了劳动强度和难度，为生产提供了基本保障。 本课题
13、是设计一个气动机械手装置，用以搬运体积大，重量大，温度高，有辐射等工业生产原材料或成品。 在机械工业中，机械手的应用意义可以概括如下：（1）可以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）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。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
14、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。1.3.3 机械手的发展概况与发展趋势2. 国内外研究现状河北联合大学机械工程学院- 2 -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
15、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。5060 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。6070 年代，又相继把通用机
16、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
17、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)中重要一环随着工业的机械化和自动化的发展和气动技术本身的一些优点，气动机械手已经广泛应用在生产自动化的各个行业。80 年代以来，气动技术的运用领域快速扩展，特别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、
18、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河北联合大学机械工程学院- 3 -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
19、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。目前在世界上日本、美国和欧盟气动技术、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都比较晚，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在汽车等行业为国家的发展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，为研究高性能的气动机械手奠定了坚实的物质技术基础。由于气动机械手有结构简单、易实现无级调速、易实现过载保护、易实现复
20、杂的动作等诸多独特的优点，气动机械手将越来越广泛地进人工业、军事、航空、医疗、生活等领域。河北联合大学机械工程学院- 4 -河北联合大学机械工程学院- 0 -第二章 总体方案设计2.1 原来的产品介绍助力机械手可完成重物抓取，搬运，对接等三维空间移载动作。为物料上下线和生产部品组装提供极理想的助力搬运和组装工具。助力机械手是全气控设备，安全可靠。配合各种非标夹具，硬臂式助力机械手可以实现起吊各种形状的工件。使负载达到零重力的漂浮状态，操作者可以很轻易将负载起降，移动，旋转等。并把负载快速，精确放置在预先设定的位置。让您的日常搬运任务变得轻松简单！助力机械手安装形式可以是地面固定、导轨移动。1
21、工作原理由气缸给臂杆一个适度的力，使其臂杆处于悬浮状态，调节气缸的平衡力点，操作员给以很小的力，可以提起 60Kg 以下的物料，作三维空间移载动作。组成部分主支架、回转支架、主臂杆、回转臂杆、操作把手、夹具、主轴刹车、回转臂刹车、多路回转接头。2 工作参数：气源气压：0.50.6 MPa最大提升高度差：1.2 m最大回转半径：1.9 m最大负载重量：60 Kg3 操作说明 图 2-1移动把手，使夹具对好工件，按“夹紧”按钮；夹稳工件后，按“负载”按钮，调节负载压力（能轻轻提起工件即可）；移动工件到目标地后，轻轻放下，按“空载”按钮；工件放稳后，按“松开”按钮；移开把手，继续下一工件。不用时，一
22、定要处于“空载”状态，并把手压到最低位置，打开“制动”旋钮。河北联合大学机械工程学院- 1 -2.2 本论文的主要内容及达到的目标本论文主要内容是以气动搬运机械手作为控制对象，用 PLC 作为控制器，最终实现对多个气动搬运机械手自动运行的控制。本论文要达到的目标是，当系统工作开始时，机械手 1 首先工作，完成 10个基本操作后（即一个循环），机械手 2 便启动工作，同样完成一个循环；当系统工作结束时，机械手 1 首先完成一个循环后停止，然后机械手 2 停止工作。每个机械手的完成 10 个基本操作，第 1 步当工作台上有物品时，机械手下降。第 2 步是机械手前伸.第 3 步是机械手臂夹紧物品。第 4 步是机械手夹紧物品上升。第 5 步是机械手夹紧物品右旋 180 度。第 6 步是机械手夹紧物品下降。第7 步是在最低位时松开物品。第 8 步机械手横臂后移. 第 9 步机械手上升。第10 步是机械手左旋 180 度，回到原位。在总体方案里，气动机械手将模拟人手的部分动作，按预先给定的程序、轨迹和工艺要求实现自动夹取、移动，完成工件的搬运。这些动作归结起来可分解成以下几个基本动作：（1）水平方向手臂的伸缩移动.（2）垂直方向高度的上升、下降移动.（3）绕某一个轴线（如 Z 轴）的回转运动.（4）手臂的夹紧,放松.能实现以上四个基本动作的气动机械手结构示意图如图 2.1：
