搬运机械手及其PLC控制系统设计cad图纸+1.3万字说明书

装配图 在工业生产和其他领域内，由于工作的需要，人们经常受到高温、腐蚀及有毒气体等因素的危害，增加了工人的劳动强度，甚至于危及生命。自从自动化控制装置问世以来，相应的各种难题迎刃而解。

目录
摘要I
ABSTRACT（英文摘要） Ⅱ
目录IV
第一章引言1
1.1课题的背景和意义1
1.2课题国内外发展现状2
第二章总体方案确定4
2.1总体方案论证4
2.1.1机械手手臂结构方案设计4
2.1.2机械手驱动方案设计4
2.1.3机械手控制方案设计5
2.1.4机械手主要参数5
2.1.5机械手的技术参数列表6
第三章机械手总体结构设计7
3.1动作工况与分析7
3.2机械手各部分结构设计8
3.2.1机械手底座的设计8
3.2.2立柱结构的设计8
3.2.3轴承的选择9
3.2.4上轴承座的选择10
3.2.5下轴承座的选择11
3.2.6大臂的结构设计12
3.2.7小臂的结构设计12
3.2.8气爪的结构设计12
3.2.9手部夹紧气缸设计计算14
3.2.10升降气缸设计计算18
3.2.11伸缩气缸设计计算22
3.2.12回转气缸设计计算25
第四章气动部分设计28
第五章PLC控制部分设计30
5.1电磁铁动作顺序30
5.2 I/O分配30
5.3 PLC控制梯形图31
5.4 PLC控制程序指令32
结论37
参考文献38
致谢及声明39

1.1课题的背景和意义
自从自动化控制装置问世以来，相应的各种难题迎刃而解。能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓娶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和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。通用自动化控制装置因具有独立的控制系统、程序可变、可在空间抓、放、搬运物体，动作灵活多样，适用于可变换生产品种的中、小批量自动化生产，广泛应用于柔性自动线。近年来随着气动技术的迅速发展，气动元件及气动自动化技术已越来越多地应用于自动化控制装置中，构成气动自动化控制装置。
气动自动化控制装置的全部动作由电磁阀控制的气缸驱动。其中,上升、下降和左移、右移分别由双线圈两位电磁阀控制,自动化控制装置的放松、夹紧也由双线圈两位电磁阀(夹紧电磁阀)控制。自动化控制装置一般由执行系统、驱动系统、控制系统和人工智能系统组成,主要完成移动、转动、抓取等动作。
本课题用气动驱动，PLC控制。包括总体设计，各执行机构设计，气动系统设计、计算，控制系统设计。技术要求有以下几点：
a.装卸、调整方便；
b.结构简单，工作安全可靠；
c.设计合理，尽量使用标准件，以降低制造成本；
d.用PLC对自动化控制装置进行控制。
总体设计思路：
a.确定总体结构的组成、框架及各部分的功能与工作目标。
b.根据设计任务书的要求，初步计算各工艺参数和结构参数。
c.设计机体分级部分的结构及主要零件结构。
d.主要分级结构部分的主要零件强度和刚度，检查其加工工艺性和装配工艺性。
e.保证与其它部分的接口合理。
f.根据设计结果，修正设计参数。
1.2课题国内外发展现状
国外机器人领域发展近几年有如下几个趋势:
a.工业机器人性能不断提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修)，而单机价格不断下降，平均单机价格从91年的10.3万美元降至97年的65万美元。
b.机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化:由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机;国外已有模块化装配机器人产品问市。
c.工业机器人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化;器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构:大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。
d.机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制;多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用。
e.虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制，如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。
f.当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统，而是致力于操作者与机器人的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统，使智能机器人走出实验室进入实用化阶段。美国发射到火星上的“索杰纳”机器人就是这种系统成功应用的最著名实例。
g.机器人化机械开始兴起。从94年美国开发出“虚拟轴机床”以来，这种新型装置已成为国际研究的热点之一，纷纷探索开拓其实际应用的领域。我国的工业机器人从80年代“七五”科技攻关开始起步，在国家的支持下，通过“七五”、“八五”科技攻关，目前己基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人;其中有130多台套喷漆机器人在二十余家企业的近30条自动喷漆生产线(站)上获得规模应用，弧焊机器人己应用在汽车制造厂的焊装线上。但总的来看，我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，如:可靠性低于国外产品:机器人应用工程起步较晚，应用领域窄，生产线系统技术与国外比有差距;在应用规模上，我国己安装的国产工业机器人约200台，约占全球已安装台数的万分之四。以上原因主要是没有形成机器人产业，当前我国的机器人生产都是应用户的要求，“一客户，一次重新设计”，品种规格多、批量孝零部件通用化程度低、供货周期长、成本也不低，而且质量、可靠性不稳定。因此迫切需要解决产业化前期的关键技术，对产品进行全面规划，搞好系列化、通用化、模块化设计，积极推进产业化进程.我国的智能机器人和特种机器人在“863”计划的支持下，也取得了不少成果。其中最为突出的是水下机器人，6000m水下无缆机器人的成果居世界领先水平，还开发出直接遥控机器人、双臂协调控制机器人、爬壁机器人、管道机器人等机种:在机器人视觉、力觉、触觉、声觉等基础技术的开发应用上开展了不少工作，有了一定的发展基矗但是在多传感器信息融合控制技术、遥控加局部自主系统遥控机器人、智能装配机器人、机器人化机械等的开发应用方面则刚刚起步，与国外先进水平差距较大，需要在原有成绩的基础上，有重点地系统攻关，才能形成系统配套可供实用的技术和产品，以期在“十五”后期立于世界先进行列之中。
第二章总体方案确定
2.1总体方案论证
自动化控制装置主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等所组成。
对气动自动化控制装置的基本要求是能快速、准确地拾一放和搬运物件，这就要求它们具有高精度、快速反应、一定的承载能力、足够的工作空间和灵活的自由度及在任意位置都能自动定位等特性。设计气动自动化控制装置的原则是:充分分析作业对象(工件)的作业技术要求，拟定最合理的作业工序和工艺，并满足系统功能要求和环境条件;明确工件的结构形状和材料特性，定位精度要求，抓娶搬运时的受力特性、尺寸和质量参数等，从而进一步确定对自动化控制装置结构及运行控制的要求;尽量选用定型的标准件，简化设计制造过程，兼顾通用性和专用性，并能实现柔性转换和编程控制.本次设计的自动化控制装置是通用气动自动化控制装置，是一种适合于小批生产的、可以变动作程序的自动搬运或操作设备生产场合。
2.1.1自动化控制装置手臂结构方案设计
按照抓取工件的要求，本自动化控制装置的手臂有四个自由度，即手臂的夹紧、左右回转、左右伸缩和升降运动。手臂的回转和升降运动是通过立柱来实现的，立柱的横向移动即为手臂的手臂的左右伸缩，手臂的各种运动由气缸来实现
2.1.2自动化控制装置驱动方案设计
气压传动的优点：
1.对于传动形式而言，气缸作为线性驱动器可在空间的任意位置组建它所需的运动轨迹，安装维护简单；
2．工作介质是取之不劲用之不竭的空气，空气本身不花钱。排气处理简单，不污染环境，成本低。压力等级低，使用安全；
3.气缸动作速度一般为50～500mm/s，比液压和电气方式的动作速度快，其间，通过单向节流阀，可使气缸速度无级调节；
4.可靠性高，使用寿命长。电器元件的有效动作数约为数百万次，而进口的一般电磁阀的寿命大于3000万次，小型阀超过一亿次；
5．利用空气的可压缩性，可储存能量，实现集中供气；
6.全气动控制具有防火、防爆、耐潮的能力。与液压方式相比，气动方式可在高温场合使用；
7.由于空气损失小，压缩空气可集中供应，远距离输送。
根据以上优点可知道气压传动系统的动作迅速，反应灵敏，阻力损失和泄漏较小，成本低廉因此本自动化控制装置采用气压传动方式。
2.1.3自动化控制装置控制方案设计
综合分析自动化控制装置的动作要求，PLC在自动化控制装置中需要完成的控制功能较多，控制精度较高，运算速度较快且具有数据处理能力，并考虑整个系统的经济和技术指标，由于PLC的输出电流较小，需要用功率模块来控制比例液压阀，选用西门子公司的S7-200系CPU226型PLC，其I／O功能和指令系统都能满足对该自动化控制装置的控制要求。控制按钮、各处的行程开关及压力继电器等开关量信号直接与PLC的输入端子相连，PLC的开关量输出端子直接与各个电磁阀相连，用PLC上所带的24V电源或外接24V电源驱动，采用编程软件(STEP 7-Micro／WIN V4．4版)进行编程和运行监控。
2.2 PLC慨况
可编程控制器（PROGRAMMABLE CONTROLLER，简称PC）。与个人计算机的PC相区别，用PLC表示。
自二十世纪六十年代美国推出可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）取代传统继电器控制装置以来，PLC得到了快速发展，在世界各地得到了广泛应用。同时，PLC的功能也不断完善。随着计算机技术、信号处理技术、控制技术网络技术的不断发展和用户需求的不断提高，PLC在开关量处理的基础上增加了模拟量处理和运动控制等功能。今天的PLC不再局限于逻辑控制，在运动控制、过程控制等领域也发挥着十分重要的作用。
PLC是由摸仿原继电器控制原理发展起来的，二十世纪七十年代的PLC只有开关量逻辑控制，首先应用的是汽车制造行业。它以存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和运算等操作的指令；并通过数字输入和输出操作，来控制各类机械或生产过程。用户编制的控制程序表达了生产过程的工艺要求，并事先存入PLC的用户程序存储器中。运行时按存储程序的内容逐条执行，以完成工艺流程要求的操作。PLC的CPU内有指示程序步存储地址的程序计数器，在程序运行过程中，每执行一步该计数器自动加1，程序从起始步（步序号为零）起依次执行到最终步（通常为END指令），然后再返回起始步循环运算。PLC每完成一次循环操作所需的时间称为一个扫描周期。不同型号的PLC，循环扫描周期在1微秒到几十微秒之间。PLC用梯形图编程，在解算逻辑方面，表现出快速的优点，在微秒量级，解算1K逻辑程序不到1毫秒。它把所有的输入都当成开关量来处理，16位（也有32位的）为一个模拟量。大型PLC使用另外一个CPU来完成模拟量的运算。把计算结果送给PLC的控制器。
相同I/O点数的系统，用PLC比用DCS，其成本要低一些（大约能省40右）。PLC没有专用操作站，它用的软件和硬件都是通用的，所以维护成本比DCS要低很多。一个PLC的控制器，可以接收几千个I/O点（最多可达8000多个I/O）。如果被控对象主要是设备连锁、回路很少，采用PLC较为合适。PLC由于采用通用监控软件，在设计企业的管理信息系统方面，要容易一些。
近10年来，随着PLC价格的不断降低和用户需求的不断扩大，越来越多的中小设备开始采用PLC进行控制，PLC在我国的应用增长十分迅速。随着中国经济的高速发展和基础自动化水平的不断提高，今后一段时期内PLC在我国仍将保持高速增长势头。
通用PLC应用于专用设备时可以认为它就是一个嵌入式控制器，但PLC相对一般嵌入式控制器而方具有更高的可靠性和更好的稳定性。实际工作中碰到的一些用户原来采用嵌入式控制器，现在正逐步用通用PLC或定制PLC取代嵌入式控制器
PLC是在传统的顺序控制器的基础上引入了微电子技术、计算机技术、自动控制技术和通讯技术而形成的一代新型工业控制装置，目的是用来取代继电器、执行逻辑、记时、计数等顺序控制功能，建立柔性的程控系统。国际电工委员会（IEC）颁布了对PLC的规定：可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。
PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。可以预料：在工业控制领域中，PLC控制技术的应用必将形成世界潮流
PLC程序既有生产厂家的系统程序，又有用户自己开发的应用程序，系统程序提供运行平台，同时，还为PLC程序可靠运行及信息与信息转换进行必要的公共处理。用户程序由用户按控制要求设计。
2.2.1 PLC的结构及基本配置
和继电器控制系统类似，PLC控制系统也是由输入部分、逻辑部分和输出部分组成。
一般讲，PLC分为箱体式和模块式两种。但它们的组成是相同的，对箱体式PLC，有一块CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，当然按CPU性能分成若干型号，并按I/O点数又有若干规格。对模块式PLC，有CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架。无任哪种结构类型的PLC，都属于总线式开放型结构，其I/O能力可按用户需要进行扩展与组合。
CPU的构成：PLC中的CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，每台PLC至少有一个CPU，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。进入运行后，从用户程序存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路。
CPU功能：
（1）用扫描方式（后面介绍）接收现场输入装置的状态或数据，并存入输入映象寄存器或数据寄存器；
（2）接收并存储从编程器输入的用户程序和数据；
（3）诊断电源和PC内部电路的工作状态及编程过程中的语法错误；
（4）在PC进入运行状态后：
a）执行用户程序产生相应的控制信号（从用户程序存储器中逐条读取指令，经命令解释后，按指令规定的任务产生相应的控制信号，去启闭有关的控制电路）
b）进行数据处理分时、分渠道地执行数据存娶传送、组合、比较、变换等动作，完成用户程序中规定的逻辑或算术运算任务
c）更新输出状态输出实施控制（根据运算结果，更新有关标志位的状态和输出映象寄存器的内容，再由输入映象寄存器或数据寄存器的内容，实现输出控制、制表、打英数据通讯等）
存储器
系统程序存储器存放系统工作程序（监控程序）、模块化应用功能子程序、命令
解释、功能子程序的调用管理程序和系统参数
*不能由用户直接存取
用户存储器用户程序存储器存放用户程序。即用户通过编程器输入的用户程序。
功能存储器（数据区）存放用户数据
PC的用户存储器通常以字（16位/字）为单位来表示存储容量。
注意：系统程序直接关系到PC的性能，不能由用户直接存取，所以，通常PC产品资料中所指的存储器形式或存储方式及容量，是指用户程序存储器而言。

总体布置图 自动化控制装置可在空间抓、放、搬运物体，动作灵活多样，适用于可变换生产品种的中、小批量自动化生产，广泛应用于柔性自动线。自动化控制装置一般由耐高温，抗腐蚀的材料制成，以适应现场恶劣的环境，大大降低了工人的劳动强度，提高了工作效率。

梯形图 自动化控制装置是工业机器人的重要组成部分，在很多情况下它就可以称为工业机器人。工业机器人是集机械、电子、控制、计算机、传感器、人工智能等多学科先进技术于一体的现代制造业重要的自动化装备。

plc输入输出接线图 可编程控制器是继电器控制和计算机控制出上开发的产品，逐渐发展成以微器处理为核心把自动化技术、计算机技术、通信技术融为一体的新型工业自动控制装置。本文应用三菱公司生产的可编程控制器FX系列PLC，实现自动化控制装置搬运控制系统，该系统充分利用了可编程控制器（PLC）控制功能。使该系统可靠稳定，时期功能范围得到广泛应用。

气动原理 近20年来，气动技术的应用领域迅速拓宽，尤其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、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。

上气爪 本课题设计源于生产线中的搬运站，传动方式采用气压传动，即用各种气缸来控制机械手的动作，控制部分结合可编程控制技术编写程序进行控制来实现两站之间的搬运。

上轴承 机械手主要由手部、运动机构和控制系统三大部分组成。手部是用来抓持工件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。运动机构，使手部完成各种转动（摆动）、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度 。本课题中设计的搬运机械手主要有旋转、伸缩、升降、夹紧四个自由度组成。

手臂部装图 课题从机械部分、气动部分和控制三部分对气动机械手进行设计，要求机械手实现上下站之间的搬运功能。机械部分重点是总体结构的设计、各个气缸的选择和安装设计、各零部件的结构设计等，气动部分主要是给出了搬运机械手的气动原理图，而控制部分则主要是程序的设计和调试，论文采用西门子（S7-200）指令编程，给出了相应的梯形图、语句表和简单的流程图。