三维机械手抓放装置设计专业方案设计.docx

毕业设计题 目： 三维机械手抓放装置设计 目 录序言21 机械手系统介绍31.1机械手系统研究背景31.2机械手系统研究现实状况31.3机械手系统研究目标42 机械手模拟系统方案制订52.1方案提出52.2方案选择52.3方案论证63 机械手系统方案设计63.1 各单元模块功效介绍63.2 编程元件介绍93.3系统电路接线图114 基于PLC控制机械手模拟系统程序设计114.1仿真软件介绍114.2模块程序设计125 基于PLC控制机械手模拟系统仿真和调试145.1系统仿真实现145.2系统测试145.3数据分析176 结论17参考文件18 三维机械手抓放装置设计摘 要：本设计为二维机械手抓放装置，采取三菱PLC作为主控制器，含有手动、回原点、自动和单周期和单步功效。工作时，机械手能在XY平面内定点移动抓取、放置小物件。设计绘制硬件电路走线和梯形图控制步骤，利用GX-developer软件进行程序编写调试，达成本设计所述功效。关键词:PLC；机械手；定点抓放Two-dimensional manipulator based on PLC device design Abstract:This design is a two-dimensional robot manipulator, with FX PLC as the main controller, with manual, back to the origin, automatic and single cycle and single step function. At work, the manipulator can move in the XY plane to crawl, place small objects. Design and draw hardware circuit and ladder diagram control process, using GX-developer software to write debugging, to achieve the function of the design.Keywords: PLC；manipulator；Designated catch and release序言Machine hand即机械手，类似人手臂，是一个能够进行简单抓取、搬运和放置物品装置。常见于工业生产中替换一般工人进行部分繁重或复杂劳动。在部分极端甚至有害于人体健康生产环境中，机械手应用则更为关键。而相对于人工操作机械手粗笨和不灵活，半自动机械手高效率和便捷操作使得其广泛应用于现代机械化、自动化生产中。可编程控制器，简称PLC，是把自动控制、计算机和通信融为一体高新技术产品。它含有功效性强、可靠性高、配置方便灵活、抗干扰能力强、维护简练、能耗低、开发周期短、安装轻易、体积小、重量轻、易学易用等特点，现在已经普遍应用于自动控制很多领域，而且已成为现代工业化自动生产关键产品。以后，PLC发展将会朝以下多个方向进行：方便灵活和小型化；大容量和强功效化；通用和网络标准化；机电一体化。机电一体化是以微型计算机和大规模集成电路为代表，在精密机械快速发展、机械和电子技术紧密结合、微电子技术全方面发展现代工业基础上，综合利用微电子技术、信息科技、自控理论技术、传感技术、机械技术、电力电子技术等众多技术，从本质上改变了产品组成，开创了现代工业新篇章1347。机械手自由度指是机械手伸长缩短、左右旋转、上升下降等单独动作方法。自由度是机械手性能好坏关键表现之一。二维机械手在本文设计之中共有三个自由度，分别为机械臂伸长缩短、机械臂左右旋转、竖轴上升下降，能够经过可编程控制器控制其完成所需功效。二维机械手控制系统设计，能够推进机械手行业快速发展，扩大机械手在工业生产领域中使用，增大PLC在自动控制领域实际应用，含有很高研究价值，而本文关键讨论机械手控制系统设计过程和仿真检测。1 机械手系统介绍1.1机械手系统研究背景伴随现代工业技术高速发展，在工业自动化技术要求是越来越苛刻，生产条件却日益恶劣情况下，生产线工人实际操作技能要求越来越高，同时操作工人也立即承受愈加恶劣工作环境影响320。为了减轻工人负担，提升生产效率，同时也为了能够很好避免不能接触有害健康物质对人体造成伤害，工人尤其是工作在医药、冶金、航空航天、化工等领域工作内容和工作环境需要深入优化。这么来看操作部分简单机器人进行远程控制工作或自动完成简单往返就显得尤为关键。在机械制造业中，机械手发展快速，应用极其广泛。现在关键应用于机床、喷漆、焊接和模锻压力机上下料等作业36。大家能够编制作业程序来控制它完成指定操作，有些还含有传感反馈能力能够应付外界改变。机械手工作时有时会因为部分意外造成其偏离正确工作路线，此时它能够依据反馈自行调整偏离，避免引发零部件乃至机械本身损坏5。机械手应用，能够很大程度上提升材料传送、工件装卸、机器装配和刀具更换等操作自动化程度，深入提升劳动生产率，降低生产成本，全方面促进工业生产自动化机械化实现步伐。机械手技术是近几十年发展起来一项综合技术，其包含范围很广如自动控制技术、传感器技术、机械学、力学、电气液压技术和计算机技术等。进入二十一世纪以来，伴随自动控制技术、电子技术、传感技术和计算机技术不停发展，机械手系统中愈加完善，工业生产中机械手已经成为提升生产效率关键手段之一18 19。因为PLC强大工业生产数据处理能力，工业生产自动化很轻易实现。基于PLC设计机械手，能够实现多个工序要求，提升了工业过程质量，而且大大解放了生产力，减轻了工人劳动强度，改善了工作环境，提升了生产效率，节省了生产成本，受到越来越多人重视20。1.2机械手系统研究现实状况机械手系统是一个在自动化、机械化生产过程中逐步受到大家重视高科技创新系统，现在在工业自动化快速发展时候，它已经广泛出现在各个自动化生产一线上。机械手能够根据生产所要实现功效快速数次完成各个繁琐动作，大大改善了职员工作内容和环境，显著降低工业生产所存在安全隐患，提升工业生产率，为工业生产机械化和自动化快速发展提供动力。研制机械手一开始目标是为了帮助职员脱离繁琐劳动或数次反复简单操作，还有替换工作人员到部分危害重大环境中进行操作，保护工人人身安全，所以机械手最开始应用于汽车制造业等部分工业、重工业领域。因为机械手操作技术日渐成熟，工业领域洞中环境或生产过程中，己经开始批量使用机器手臂替换人工操作。另外在海洋探测、军事、医疗、航天、林业、农业以至于服务餐饮等行业，也全部逐步实现机械手应用419。机械手在工业领域最常见应用表现在四个方面，即零件制造、材料加工、产品检验和装配，材料加工通常是最简单。零件制造包含捣碎、锻铸造和点焊等。产品检验包含显式检验和隐性检测两种。显式检验即在产品加工过程中或加工以后检验其零件和尺寸完整性、表面图像还有立体空间形状，隐性检测是在加工过程中检测零件表面或质量是否完整。产品装配过程中可能会包含在线检验、材料加工、配套、零件供给等多种复杂工序，所以成为了最繁杂应用领域。而在农业领域，机械手多被用于给家畜剪毛、挤牛奶或实现蔬菜和水果嫁接、收获、分类和检验等。可编程控制器，简称PLC，它是以中央处理器为关键，同时结合了自动控制和现代计算机等众多优异技术，含有体积小、方便组合、功效强、抗干扰性好、易于编程等优点，现在已成为机械手控制系统中使用最广泛关键控制元件。使用可编程控制器为关键自动控制系统含有体积小，操作正确度高，故障率低，可靠性高等优点。1.3机械手系统研究目标机械工业是国民生产力最有力表现领域，是为人民生活提供基础用具、为国家经济提供基础保障支柱产业。衡量一个国家科学技术水平和经济实力最关键指标之一就是其机械工业技术水平和所拥有规模大小，这种情况之下，世界各国纷纷把全力发展机械工业当做发展本国经济关键战略之一。科学技术及生产水平强势连续发展会带动整体机械工业快速崛起。生产过程自动化、机械化已成为现代工业发展中突出专题3。不过在机械工业生产中，零件加工和物料装配等具体生产往往不是连续。仅仅依靠工人手工劳动来完成这些不连续生产工序，不仅费时且效率不高。同时在高强度劳动之下，工人有时还会出现失误甚至受到严重伤害，这么会对生产自动化程度和效率产生很大制约和影响。而假如使用机械手则能够很好处理这个问题，它在工作时偶然失误极少，较之于人来说也可适应更多工作内容，能够有效避免人身事故发生，提升生产效率。2 机械手模拟系统方案制订2.1方案提出 图1 设计过程方案图 图2 设计程序方案图2.2方案选择方案一 ： 使用单片机控制机械手来完成回原点、手动、单步运行、单周期和自动运行五个工作方法实施和相互间切换，此时需要为单片机编写程序，单片机输出脉冲信号来驱动机械手。 方案二： 使用PLC来控制机械手。PLC用于多个方法控制系统时，首先考虑要使用到功效触点，设计操作面板，添加需要按钮。因为初始化状态激活，多种工作方法之间切换全部是由指令去自动完成，所以只需首先考虑要使用到功效触点，设计操作面板，添加需要按钮编写公用程序，手动方法程序、原点回归程序和自动运行程序即可，单步和单周期只需要共用操作面板上自动控制使用开启和停止按钮，即可完成单步和单周期动作实施。 2.3方案论证 方案一使用单片机来写入程序达成控制机械手动作目标，但其程序较长而且相当烦琐，对于大型工业生产设备来说使用单片机开发控制系统生产成本高，开发周期长，在实际使用时很不方便；方案二使用PLC来控制机械手，编程很简单而且比较明了，用户不需要考虑各个功效初始状态，只需要正确使用各个功效对应触点，然后进行对应编程，设计操作面板时候也不需要添加较多按钮。实际使用时很方便，而且PLC实际上也是专为工业环境使用通用控制平台。对比以上两个方案，得出结果是：方案二操作比较轻易，不易犯错，使用方便，能够节省更多时间，且更适应该代化工业生产需求。所以选择方案二来进行机械手系统程序模拟设计。3 机械手系统方案设计3.1 各单元模块功效介绍3.1.1 控制单元介绍控制单元：在选择PLC类型时，需要考虑到多种方面影响，对于PLC本身而言，比如扫描速度，输入/输出点数要求，功效模块，指令条数，内存容量等，另外还要考虑到其综合性价比和环境适应性。PLC经历这么多年改善创新，技术日益成熟，类型也开始变得繁多，不一样厂家生产产品性能也不尽相同，所以我们需要依据自己具体设计要求，全方面考虑并做出选择。三菱企业生产FX系列可编程控制器是现今中国外最具代表性，创新性最高，最具特色微型控制器。1FX系列产品，包含最基础指令表编程方法之外，还拥有采取梯形图进行编程功效和SFC次序功效图编程，另外以上三种程序可在控制器中相互进行转换。FX系列PLC中还有一个特殊设定，它设置了一个高数计数器用对部分来自特定继电器输入高频脉冲信号进行中止处理，深入增大了PLC实际应用领域。结合以上所说，使用PLC控制系统和使用其它类型控制系统相比较，对于被控对象而言，客观性价比，简单使用方法和维修方便更有优势。在PLC组成控制系统中，实现一个控制任务，需要针对具体控制对象，分析控制系统要求，确定所需输入输出设备，然后编制出对应控制程序7，选定PLC配置、控制等性能要和胎压监测、GPS定位中需求一致。另外，在选择中还应该考虑到以后操控要求进化和发展，在满足现有要求外，要有一定富余，进而确保整个控制系统可靠运行。在此，我选择三菱FX1N来做控制关键。三菱FX1N-60MR-001实物图3所表示。 图3 三菱FX1N-PLC实物图3.1.2实施单元介绍实施单元：本系统实施单元即一个简易机械手，能够简单地完成手臂夹取动作、伸缩动作、躯干旋转运动，其功效简易图图4所表示。图 4 简易机械手机械手工作步骤：按下开启按钮，程序开始运行，假如此时机械手不处于原点位置，则各个步进电动机开始运转，机械手横轴向手爪方向运动，机械手竖轴向上方运动直至机械手抵达原点位置。回归远点位置后，机械手横轴电动机开始工作，机械臂横轴前伸，运动到前限位置，电机恢复停止状态，PLC控制电磁阀动作，手爪放松，经过一段时间延时，机械手竖轴电机开始工作，机械臂竖轴下降，运动到下限位置，电磁阀复位，手爪夹紧，经过一段时间延时，机械臂竖轴上升，横轴开始退回，同时底部电动机带动机械臂旋转，当机械臂横轴、竖轴、底部全部抵达指定位置够，机械臂横轴前伸，竖轴下降，电磁阀动作，手爪张开，再经过一段时间延时，机械臂各部位复位，然后开始下一周期动作3。此次研究机械手臂驱动电动机均使用步进电机，PLC利用本身发出脉冲来控制步进电机运作,实现机械臂各轴进退和定位。3.1.3操作单元介绍操作单元：要求设计一个操作面板来实现自动、手动、回原点、单周期和单步运行往返切换功效，并能随时开启、停止（急停），在手动模式时候还应设置相对应动作按钮，来实现手动控制，操作面板图5所表示。图 5 操作面板图示