1、目錄目錄第一章第一章 機械手概況機械手概況.21.1 搬運機械手的應用簡況搬運機械手的應用簡況.21.21.2 機械手的應用意義機械手的應用意義.21.31.3 機械手的發展趨勢機械手的發展趨勢.31.4 PLC 在機械手中的應用在機械手中的應用.3第二章第二章 搬運機械手總體設計方案搬運機械手總體設計方案.52.1 搬運機械手結構及其動作搬運機械手結構及其動作.52.2 機械手的控制過程機械手的控制過程.52.3 機械手的控制要求機械手的控制要求.5第三章第三章 搬運機械手硬件系統設計搬運機械手硬件系統設計.73.1 機械手的結構機械手的結構.73.2 電氣控制的設計電氣控制的設計.73.3

2、 操作面板及動作說明操作面板及動作說明.73.4 I/O 分配分配.8第四章第四章 搬運機械手的軟件系統設計搬運機械手的軟件系統設計.104.1 梯形圖的總體設計梯形圖的總體設計.104.2 各部分梯形圖的設計各部分梯形圖的設計.10第五章第五章 結果分析結果分析.17課程設計心得課程設計心得.18參考文獻參考文獻.19第一章第一章 機械手概況機械手概況1.11.1 搬運機械手的應用簡況搬運機械手的應用簡況在科技的不斷發展，機械化、自動化不斷的發展，為我們的生產生活帶來了諸多的便利，尤其在工業生產中，許多大型的裝備貨物，并不是人力能進行搬運的，這就為機械手的應用帶來了諸多的發揮空間。在現代的工

3、業中，生產過程的機械化、自動化已成為突出的主題。在機械工業中，加工、裝配等生產是不連續的。專用機床是大批量生產自動化的有效辦法，程控機床、數控機床、加工中心等自動化機械是有效解決多品種小批量生產自動化的重要辦法。但除切削加工本身外，還有大量的裝卸、搬運、裝配等作業，有待于進一步實現機械化。，工業機械手就是為實現這些工序的自動化而產生的。機械手可在空間抓放物體，動作靈活多樣，適用于可變換生產品種的中、小批量自動化生產，廣泛應用于柔性自動線。機械手雖然目前還不如人手那樣靈活，但它具有能不斷重復工作和勞動、不知疲勞、不怕危險、抓舉重物的力量比人手大等特點，因此，機械手已受到許多部門的重視，并越來越廣

4、泛地得到了應用，例如：(1)機床加工工件的裝卸，特別是在自動化車床、組合機床上使用較為普遍。(2)可在勞動條件差，單調重復易子疲勞的工作環境工作，以代替人的勞動。(3)可在危險場合下工作，如軍工品的裝卸、危險品及有害物的搬運等。(4)宇宙及海洋的開發。1.21.2 機械手的應用意義機械手的應用意義在機械工業中，機械手的應用意義可以概括如下：1.可以提高生產過程的自動化程度應用機械手，有利于提高材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換以及機器的裝配等的自動化程度，從而可以提高勞動生產率，降低生產成本，加快實現工業生產機械化和自動化的步伐。2.可以改善勞動條件、避免人身事故。在高溫、高壓、低溫、低壓、有

5、放射性或有其它毒性污染以及工作空間狹窄等場合中，用人手直接操作是有危險或根本不可能的，而應用機械手即可部分或全部代替人安全地完成作業，大大地改善了工人的勞動條件。在一些動作簡單但又重復作業的操作中，以機械手代替人手進行工作，可以避免由于操作疲勞或疏忽而造成的人身事故。3.可以減少人力，快速生產應用機械手代替人手進行工作，這是直接減少人力的一個側面，同時由于應用機械手可以連續地工作，這是減少人力的另一個側面。因此，在自動化機床和綜合加工自動生產線上，目前幾乎都設有機械手，以減少人力和更準確地控制生產的節拍，便于有節奏地進行生產。1.31.3 機械手的發展趨勢機械手的發展趨勢機械手發展經歷三代第一

6、代機械手主要是靠人工進行控制，控制方式為開環式，沒有識別能力；改進的方向主要是將低成本和提高精度；第二代機械手設有電子計算機控制系統，具有視覺、觸覺能力，甚至聽、想的能力。研究安裝各種傳感器，把接收到的信息反饋，使機械手具有感覺機能；第三代機械手能獨立完成工作過程中的任務。在國外機械制造業中，工業機械手應用較多，發展較快。目前主要用于機床、模鍛壓力機的上下料，以及點焊、噴漆等作業中，它可按照事先制定的作業程序完成規定的操作，但是還不具備任何傳感反饋能力，不能應付外界的變化。如發生某些偏離時，就將引起零部件甚至機械手本身的損壞。為此，國外機械手的發展趨勢是大力研制具有某些智能的機械手，使其擁有一

7、定的傳感能力，能反饋外界條件的變化，做出相應的變更。如位置發生稍些偏差時，即能更正，并自行檢測，重點是研究視覺功能和觸覺功能。視覺功能即在機械手上安裝有電視照相機和光學測距儀（即距離傳感器）以及衛星計算機。工作時，電視照相機將物體形象變成視頻信號，然后傳送給計算機，以便分析物體的種類、大小、顏色和方位，并發出指令控制機械手進行工作。觸覺功能即在機械手上安裝有觸覺反饋控制裝置。工作時機械手先伸出手指尋找工件，通過裝在手指內的壓力敏感元件產生觸感作用，然后伸向前方，抓住工件。手的抓力大小可通過裝在手指內側的壓力敏感元件來控制，達到自動調整握力的大小。總之，隨著傳感技術的發展，機械手的裝配作業的能力

8、將進一步提高。到 1995 年，全世界約有 50%的汽車由機械手裝配。現在機械手的發展趨勢是：1 重復高精度2 模塊化3 節能化4 機電一體化1.4 PLC 在機械手中的應用在機械手中的應用1.PLC 的應用概況PLC 的應用領域非常廣，并在迅速擴大，對于而今的 PLC 幾乎可以說凡是需要控制系統存在的地方就需要 PLC，尤其近幾年來 PLC 的性價比不斷提高已被廣泛應用在冶金、機械、石油、化工、輕功、電力等各行業。 按 PLC 的控制類型，其應用大致可分為以下幾個方面。1）. 用于邏輯控制這是 PLC 最基本，也是最廣泛的應用方面。用 PLC 取代繼電器控制和順序控制器控制。例如機床的電氣控

9、制、包裝機械的控制、自動電梯控制等。2）. 用于模擬量控制PLC 通過模擬量 I/O 模塊，可實現模擬量和數字量之間轉換，并對模擬量控制。3）. 用于機械加工中的數字控制現代 PLC 具有很強的數據處理功能，它可以與機械加工中的數字控制（NC）及計算機控制（CNC）緊密結合，實現數字控制。4）. 用于工業機器人控制5）. 用于多層分布式控制系統2.PLC 在機械手中的應用機械手通常應用于動作復雜的場合來代替人的反復的操作，從而節省人的勞動，普通繼電器由于其體積和接口等各方面限制，經常被應用于動作簡單的電氣及流水線控制，而 PLC 以其可靠性高、抗干擾能力強;控制系統構成簡單、通用性強;編程簡單

10、、使用、維護方便;組合方便、功能強、應用范圍廣; 體積小、重量輕、功耗低等有點被廣泛應用于類似機械手的控制動作復雜的場合，本設計正是以 PLC 控制為基礎從而實現機械手的各種動。第二章第二章 搬運機械手總體設計方案搬運機械手總體設計方案2.12.1 搬運機械手結構及其動作搬運機械手結構及其動作本機械手用于生產線上工件的自動搬運，根據對機械手的工藝過程及控制要求分析，機械手的動作過程如圖 21 所示： 圖 21 機械手的動作周期2.2 機械手的控制過程機械手的控制過程如圖 32 所示由 A、B 兩個液壓缸完成工件的夾緊和提升的動作，A 缸通過一個單電兩位四通電磁換向閥控制工件的夾緊、放松，B 缸

11、通過一雙電兩位四通電磁閥控制機械手的升降；由小車實現機械手的移動。該小車由兩臺電動機驅動，一臺是高速，一臺是慢速。當小車前進時以慢快慢的形式進行，返回時按慢快慢的形式后退。當工件從傳送帶傳輸到機械手下方時，工件碰壓行程開關SQ1，B 缸活塞桿伸出，帶動機械手下降，下降至終點碰壓行程開關 SQ3 與機械手夾鉗相連的 A 缸活塞桿收進，機械手將工件夾緊；當工件夾緊到位時，行程開關 SQ5 動作，B 缸的活塞桿收進，把工件提升；當工件提升到最高位置時碰壓行程開關 SQ4，啟動小車慢速右行；當小車碰壓行程開關 SQ7 時轉為快速行走；接近終點時小車碰壓行程開關 SQ8，轉為慢速行走；行至右端行程開關

12、SQ9，小車停止前進；停留 5 秒后，B 缸活塞桿再次外伸，機械手下降至終點，A 缸活塞桿外伸帶動夾鉗松開，將工件放下；然后機械手上升，小車以慢快慢的形式沿原路返回，恢復到圖示所示的原點位置。 2.3 機械手的控制要求機械手的控制要求為了便于生產加工、維修、調整設置的工作方式選擇開關。分為手動和自動操作，其中自動操作中包括了：單步、單周期、連續；手動操作包括手動和回原位的操作。手動操作：供維修用，即用按鈕對機械手的每一步動作單獨控制。例如，當選擇手動操作時，按下上升/下降按鈕，機械手在滿足條件情況下即執行相應的動作，其它動作以此類推。回原位：當由于斷電或其它原因導致機械手運行中途停止時，再次通

13、電將操作方式選擇置于回原位位置，按下復位按鈕，機械手即可按最短路徑的原則返回到原點位置。單步運行：供試用，即沒按一次啟動按鈕機械手向前執行一個動作后停止。單周期運行：供首次檢驗用，當機械手在原點時按下啟動按鈕，機械手自動執行一個周期后停止在原點位置連續運行：正常使用，當機械手在原點并按下啟動按鈕時，機械手周而復始的執行各工步動作。該機械手在自動工作狀態時，應先將其工作方式選擇開關放在“返回原位”，并按下返回原位按鈕，對狀態器進行置位，然后再將工作方式選擇開關放置自動工作方式下。若自動工作狀態解除，則硬件工作方式選擇開關放置于“手從操作”位置。第三章第三章 搬運機械手硬件系統設計搬運機械手硬件系

14、統設計硬件系統設計包括機械部分和電氣控制部分的設計。3.1 機械手的結構機械手的結構設計其結構如圖 31 所示圖 31 機械手的結構示意圖圖中設置 9 個行程開關 SQ1SQ9 用于檢測工件、小車、機械手的位置及機械手夾鉗的夾緊、放松狀態，并對系統實施控制。其中 SQ1 為工件是否到位的檢測開關；SQ2 為小車原位檢測開關；SQ3、SQ4 分別為機械手下降上升是否到位檢測開關；SQ5、SQ6 分別為機械手夾緊放松檢測開關；SQ7、SQ8 分別為小車速度轉換開關；SQ9 為小車運動停止開關。3.2 電氣控制的設計電氣控制的設計包括主電路和控制電路的設計。主電路由兩臺電動機，即慢速電機和快速電機，

15、分別拖動小車慢行和快行，其控制如下：慢速電動機 M1 由接觸器KM1、KM2 分別控制其正傳和反轉；快速電動機 M2 由接觸器 KM3 和 KM4 分別控制其正傳和反轉。機械手的夾緊放松動作是由一單電兩位四通電磁閥控制的一個液壓缸完成的，在通電情況下，機械手松開，得電時松開，可以防止在設備運行過程中突然斷電導致的機械手松開，工件脫落的情況發生。3.3 操作面板及動作說明操作面板及動作說明根據控制和生產工藝的要求，控制操作包括手動和自動，手動又包括手動步進、回原位操作，自動控制包括單步、單周期、連續的操作。故操作方式選擇開關設置有五個檔位。手動工作方式下，手動動作包括上升、下降、放松、快進、慢進

16、、快退、慢退和復位，故設置六個動作看官按鈕。各個動作進行的同時均設有動作指示燈。另外設有啟動停止按鈕。3.4 I/O 分配分配I/O 設備即所需的 I/O 點數如下表所示：信號I/O 設備I/O 點數信號I/O 設備I/O 點數輸 入操作方式選擇旋鈕開關手動時運動選擇按鈕啟動停止按鈕行程開關5829輸 出交流接觸器控制線圈電磁閥動作指示原點指示4381表 3-1 I/O 點數根據 I/O 點的分配要求及考慮 10%到 15%的 I/O 裕量，本設計 PLC 采用 F160MR 36/24 型，樣圖見圖 3-4 所示：控制電路設計主要是 PLC 輸入、輸出接線的設計，其 I/O 分配如圖 33

17、所示。圖 32 PLC I/O 接線控制圖第四章第四章搬運機械手的軟件系統設計搬運機械手的軟件系統設計機械手動控制屬順序控制，故其手動程序采用普通的 PLC 控制指令控制，自動程序采用步進梯形指令控制4.1 梯形圖的總體設計梯形圖的總體設計按照機械手控制和工藝流程的要求，在選擇“手動方式”時應執行手動程序；在選擇“回原位”時應執行回原位程序；在選擇自動程序時應執行自動程序。其中自動程序要在啟動按鈕按下時才執行。故梯形圖的總體構成如圖 4-1 所示。 圖 4-1 搬運機械手 PLC 控制梯形圖總體構成4.2 各部分梯形圖的設計各部分梯形圖的設計1.通用部分梯形圖設計通用部分梯形圖分為三部分：1）

18、. 狀態器的初始化。初始化狀態器 S600 在手動方式下被置位、復位。當方式選擇開關置于“返回原位”（X514 接通）時，按下復位按鈕（X507）時被置位，在“手動操作”（X510）接通時，S600 復位。處于中間工步的狀態器用手動做復位操作，即在方式選擇開關位于“手動操作”或“返回原位”時，中間狀態器同步復位。故初始化梯形圖如圖 4-2 所示，（如果狀態器要在供電時從斷電前條件開始繼續工作，則不需要 M71）。圖 4-2 狀態器初始化梯形圖2）. 狀態器轉換啟動。若機械手工作在自動工作方式下，當初始狀態器S600 被置位后按下啟動按鈕，輔助繼電器 M575 工作，狀態器的狀態可以一步一步的向

19、下傳遞，即可進行轉換。在執行“連續程序” 時，轉換啟動繼電器 M575一直保持到停機按鈕按下為止。另一面采用 M100 檢查機器是否處于原位。當M575 和 M100 都接通時，從初始狀態器開始進行轉換，故其梯形圖如圖 4-3 所示。圖 4-3 狀態器轉換啟動梯形圖3）. 狀態器轉換禁止梯形圖。激活特殊輔助繼電器 M574 并用步進梯形指令控制狀態器轉換時，狀態器的轉換就被自動禁止。在“單周期”工作期間，按下停止按鈕時，M574 應被激勵并自保持，操作停止在現行工步。當按下停止按鈕時，從現行工步重新開始工作，M574 應復位，即重新允許新轉換。在“步進”工作方式時，M574 應始終工作，此時，

20、禁止任何狀態轉換。但沒按下一次啟動按鈕時，M574 斷開一次，允許狀態器轉換一次。在“手動”工作方式時禁止進行狀態轉換。在手動方式解除之后，按下啟動按鈕，則狀態轉換禁止解除，M574 復位，。PLC 在啟動時，用初始化脈沖 M71 和 M574 自保持，以此禁止狀態轉換，直到按下啟動按鈕。故狀態器轉換禁止梯形圖如圖 4-4 所示。圖 4-4 狀態器轉換禁止梯形圖通過對 37 和 38 的分析可得出：在執行“手動操作”和“返回原位”程序時，M575 一直不能被接通，而 M574 長期被接通，（按下啟動按鈕時除外）；執行“步進”程序時沒按一次啟動按鈕，M574 斷開一次，M575 接通一次，狀態器

21、轉換一次；在執行“單周期操作”程序時，按下啟動按鈕，M574 斷開，M575接通，狀態器的轉換可一步一步向下轉換，直至按下停止按鈕時，M574 自鎖，狀態器的轉換被禁止，操作停止在現行工序（再次按下啟動按鈕時從現行工序開始工作）；在執行“連續程序”時，M575 一直接通到按下停止按鈕，此時 M574 一直不能接通。2.手動操作梯形圖 手動操作方式由于不需要任何復雜的順序控制，可以用常規繼電器順序方式來設計梯形圖。“手動操作時”按下放松按鈕時，機械手卡抓松開，當松開放松按鈕時，機械手卡爪在液壓缸作用下自動加緊并保持；按下上升按鈕，上升輸出Y435 保持接通；按下下降按鈕，Y436 保持接通；在上

22、限位按下慢進按鈕，慢進輸出 Y430 接通，至行程開關 SQ7 閉合，小車停止；快進、快退、慢退情況同慢進。手動操作梯形圖設置有互鎖，只有在小車處于左限位（即 X403 閉合）或右限位（即 X412 閉合）時機械手的上升下降動作才能進行，只有當機械手處于下限位（即 X404 接通）機械手的加緊放松動作才可以手動控制；為了安全，同一個電動機的正反轉線圈不能同時接通，設計中設計了自鎖開關，防止線圈同時接通造成的短路。故手動操作時梯形圖如圖 4-5 所示。圖 4-5 手動操作梯形圖3.返回原位梯形圖 在“返回原位”狀態下，“夾緊”與“下降”動作應被停止，上限位未動作時，應進行“上升”；上限位動作時，

23、“右行”動作應停止，并左行至左限位位置。 4.“自動”狀態梯形圖 圖 39 表示了機械手自動工作時執行各工步的情況，表示了各工步的實現和轉換的條件。在第一次下降工步中，下降電磁閥 Y436接通。自下限位置時，X404 接通，轉換為“夾持”過程；夾持電磁閥 Y434 復位，至加緊限位 X406 接通，轉換為上升動作；當上限為開關 SQ4 閉合，X405 接通，小車開始慢進動作。快進、慢進、延時、下降、加緊、上升、慢退、快退、慢退動作依次類推，如上所述一步一步按順序驅動各個負載動作，稱為順序控制或過程步進型控制。圖 4-6 搬運機械手自動工作流程圖用狀態器代替自動工作流程圖的各工步，可得到 4-7 所示的功能表圖： 圖 4-7 搬運機械手自動工作功能表圖根據圖 4-8 所示的自動工作功能表圖，可設計出自動操作時的梯形圖如圖312 所示。圖 4-8 搬運機械手自動工作梯形圖第五章第