济南大学毕业设计毕业设计题 目 小型搬运机械手控制 系统的设计 学 院 机械工程学院 专 业 机械工程及自动化 班 级学 生学 号指导教师二 年 五 月二十九日- 2 -目录目录11 前 言21.1 课题背景21.2机械手的发展现状21.3本文主要工作和总体设计要求31.3.1 机械手工作流程31.3.2机械手的操作要求31.3.3机械手控制要求41.3.4基本技术指标及要达到的目标42 机械部分设计计算及选型62.1 PLC的选型62.2 步进电机及其驱动器的选型72.3 电磁铁的选型82.4 滚珠丝杠的选型82.5 轴的结构设计、强度校核及轴承的寿命校核102.6 蜗轮蜗杆的设计计算与选择153 控制系统硬件设计193.1 PLC梯形图中的编程元件193.2 PLC的I/O分配193.3 机械手控制系统的外部接线图204 控制系统软件设计224.1公用程序224.2 自动操作程序234.3手动单步操作程序294.4回原位程序315 结 论34参 考 文 献351 前 言1.1 课题背景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。搬运机械手属于工业机械手的一种。20世纪40年代后期，美国在原子能实验中，首先采用机械手搬运放射性材料，人在安全室操纵机械手进行各种操作和实验。50年代以后，机械手逐步推广到工业生产部门，用于在高温污染严重的地方取放工件和装卸材料，也作为机床的辅助装置在自动机床自动生产线和加工中心中应用，完成上下料或从刀库中取放刀具并按固定程序更换刀具等操作。机械手主要由手部机构和运动机构组成。手部机构随使用场合和操作对象而不同，常见的有夹持托持和吸附等类型。运动机构一般由液压气动电气装置驱动。机械手能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化保护人身安全，因而广泛应用机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。搬运机械手的生产线上有两个传输线和一个自动小型搬运机械手，传输带1是用来传送零件的，传输带2是用来传送箱子的，两个生产线上都有传感器，是用来控制传输线的运动的。初始时机械手处于复位状态，控制系统检测是否传输带1上已经有一个零件停在指定位置，传输带2上已经有一个箱子停在指定位置上。首先，机械手将传输带1上的零件移到传输带2的箱子里，同时传输带1又将一个新零件传送到指定位置后停止，接着机械手将零件移到箱子里，直到箱子装满了，传输带2运动，把装满零件的箱子运走，送来一个空箱子，待第二个箱子到达指定位置后，传输带停止运动，与此同时传输带1也将一个零件送到位后停止，待两个传输带都停止后，机械手又开始新的装箱工作。1现在要求设计该小型搬运机械手的控制系统，使其能够在控制系统的操控下按照上述描述的要求进行运动，从而完成工作目标。1.2机械手的发展现状机械手自二十世纪六十年代初问世以来，经过40多年的发展，现在已经成为制造业生产自动化中重要的机电设备。目前，机械手技术有了新的发展：出现了仿人型机械手、微型机械手和微操作系统（如细小工业管道机械手移动探测系统、微型飞行器等）、机械手化机器、智能机械手（不仅可以进行事先设定的动作，还可按照工作状况相应地进行动作，如回避障碍物的移动，作业顺序的规划，有效的动态学习等）。机械手的应用领域正在向非制造业和服务业方向扩展，并且蓬勃发展的军用机械手也将越来越多地装备部队。国外方面：近几年国外工业机械手领域有如下几个发展趋势。机械手性能不断提高，而单机价格不断下降；机械结构向模块化、可重构化发展；控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展；传感器作用日益重要；虚拟现实技术在机械手中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制。国内方面：目前在一些机种方面，如喷涂机械手、弧焊机械手、点焊机械手、搬运机械手、装配机械手、特种机械手（水下、爬壁、管道、遥控等机械手）基本掌握了机械手操作机的设计制造技术，解决了控制驱动系统的设计和配置，软件的设计和编制等关键技术，还掌握了自动化喷漆线、弧焊自动线及其周边配套设备的全套自动通信、协调控制技术；在基础元件方面，谐波减速器、机械手焊接电源、焊缝自动跟踪装置也有了突破。从技术方面来说，我国已经具备了独立自主发展中国机械手技术的基础。1.3本文主要工作和总体设计要求本文主要工作是应用PLC（可编程控制器）实际设计一个小型机械手的控制系统，能实现工业机械手的基本功能。工作内容:（1）阐述小型搬运机械手在工业应用中的作用和意义；（2）机械手的结构设计及组成零件的选择；（3）机械手的硬件设计原理,包括可编程控制器型号的选定，PLC的电气连线图,I/O地址分配表等；（4）机械手的软件设计原理，包括流程图，程序清单。（5）最后是系统调试。1.3.1 机械手工作流程图1.1本设计机械手的示意图。机械手工作流程：开始运行后，如果机械手不在初始位置上，步进电动机开始运转（横轴向手爪方向移动，竖轴向上移动）。归位后首先横轴步进电动机工作，横轴前伸；前伸到位后，手抓电动机得电带动手抓旋转；当传感器检测到限位磁头时，电动机停止，PLC控制电磁阀动作，手张开；延时一段时间，竖轴步进电动机工作，竖轴下降；下降到位后，电磁阀复位，手抓夹紧；延时过后竖轴上升，同时横轴缩回、底盘电动机带动底盘旋转；当横轴、竖轴、底盘都到位后，横轴前伸；到位后手爪旋转，然后竖轴下降，电磁阀动作，手爪张开；延时后竖轴上升复位，然后开始下一周期动作。1.3.2机械手的操作要求电动机械手的结构示意图如图1.1所示，电动机械手的功能是将工件从传输带1移送到传输带2。操作要求为：1、电动机械手的升降、左右移动、底盘旋转和手腕的转动分别由4个不同的步进电机的转动来实现，步进电机正转时能保持原来的状态，步进电机反转时反向运动；2、上升和下降由顶部的电机控制；右行和左行由左边的电机控制；3、机械手的抓取由单线圈电磁铁来实现，线圈通电时夹紧工件，线圈断电时松开工件；4、机械手的夹钳的松开、夹紧通过延时2S实现；5、机械手的下降、上升、右行、左行，逆转、顺转的限位由行程开关SQ1、SQ2、SQ3、SQ4、SQ5、SQ6来实现；图1.1 搬运机械手结构示意图1.电磁铁控制的机械手2.YZ轴丝杠组 3.手转动机构 4.旋转底盘 5.物料输送带 6.PLC 7.控制面板8.步进电机驱动器9. 24V电源。1.3.3机械手控制要求(1)手臂上下直线运动。(2)手臂左右直线运动。(3)手腕旋转运动。(4)手爪夹紧动作。(5)机械手整体旋转运动。手臂采用步进电机驱动，由PLC发出控制脉冲控制步进电动机运转,实现手臂的进给和定位，手爪的开合由电磁铁来控制。1.3.4基本技术指标及要达到的目标（1）基本技术指标（1）手臂的运动范围：手臂在水平方向和竖直方向的运动范围是0750mm；（2）底盘的旋转范围：底盘的旋转范围为0270；（3）手腕的旋转范围：手腕的旋转范围为090；（4）机械手最大抓取质量：2KG；（2）要达到的目标根据目前国内外搬运机械手搬运工作的经验、现状和发展趋势，组建一个人机交互控制系统的小型电动搬运系统，实现零件搬运的稳定性及精确性。解决和发展我国零件搬运方面的关键技术，实现零件搬运的数控化和自动化。（1）设计制作简易但功能齐全的电动搬运系统，能够实现全自动或着手动运动，并能准确、快速地实现要求的动作。（2）利用可编程控制器PLC，实现对电动执行元件的稳定控制。- 1 -2 机械部分设计计算及选型2.1 PLC的选型可编程序控制器实施控制，其实质就是按一定算法进行输入输出变换，并将这个变换予以物理实现。输入输出变换、物理实现可以说是PLC实施控制的两个基本点，同时物理实现也是PLC与普通微机相区别之处，其需要考虑实际控制的需要，应能排除干扰信号适应于工业现场，输出应放大到工业控制的水平，能为实际控制系统方便使用，所以PLC采用了典型的计算机结构，主要是由微处理器（CPU）、存储器（RAM/ROM）、输入输出接口（I/O）电路、通信接口及电源组成。PLC的基本结构如下图所示：图2.1 PLC的基本结构 根据被控制对象选PLC,基本原则是满足控制系统的功能要求，可进行PLC型号的选定。进行PLC选型时，基本原则是既要满足控制系统的功能需要，又要兼顾维修、备件的通用性。对于开关量控制的系统，当控制速度要求较不高时，一般的小型PLC都可以满足要求，比如对小型泵的顺序控制、单台机械的目的自动控制等。当控制速度要求较高、输出有高速脉冲信号等情况时，要考虑输入/输出点的形式，最好采用晶体管形式输出。对带有部分模拟量控制的应用系统，如工业生产中经常遇到的温度、压力、流量、液位等连续量的控制，应选择具有所需功能的PLC主机，还要根据需要选择相应的传动感器、变送器和驱动装置等。输入/输出的点数可以衡量PLC规模的大小。准确统计被控对像的输入信号和输出信号的总点数并考虑今后系统的调整和扩充，在实际的调整和扩充，在实际I/O点数基础上，一般应加上10%-20%的备用点数。多数小型PLC为整体式，具有体积小、价格便宜等优点，适于工艺过程比较稳定，控制要求比较简单的系统。模块式结构的PLC采用主机模块与输入模块、功能模块组合使用的方法，比整体式方便灵活，维修更换模块、判断与处理故障快速方便，适用于工艺变化较多、控制要求复杂的系统。此外，还应考虑用户存储器的容量、PLC的处理速度是否能满足实时控制的要求、编程器与外围设备的选择等。 本设备控制的对象是一个开关量控制的系统，同时利用脉冲控制步进电动机的运转，故应采用晶体管形式的输出。三菱FX系列的PLC性价比搞、功能完善、指令丰富等优点，能满足本对象各项控制性能要求，因此，本系统采用三菱FX2N48MT系列PLC作为基本模块，能输出两路脉冲信号进行步进电动机的控制。2.2 步进电机及其驱动器的选型步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载情况下，电机的转速及停止位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响。即给电机加一个脉冲信号，电机就转过一个步距角。虽然步进电机已被广泛应用，但步进电机并不能像普通的直流电机和交流电机一样在常规下使用，它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用（见图2.2.2）。选择电机一般应遵循图2.2.1所示的步骤。控制面板PLC 驱动器步进电机负载负载步距角静转矩矩频特性曲线电流修正电机型号 图2.2 步进电机选择步骤 图2.3 控制系统结构框图本文中的机械手主要用于教学，故所需精度不很高，力矩也不要太大。纵轴(Z轴)、横轴(Y轴)和手转动电机选用的是广州瑞宝公司的17HD0005-18型两相混合式步进电机，步距角为1.8，电流DC 0.28 A/相，最大静力矩16010-3Nm。 旋转底座选用23HD0020-25型步进电机，步距角为1.8，电流DC 0.6 A/相，最大静力矩33010-3Nm。所选用的步进电机驱动器是RB2304ME型细分驱动器，驱动