基于PLC的机械手自动操作系统设计毕业论文

基于PLC的机械手自动操作系统设计毕业论文

1 绪论

1.1 课题提出背景

如今，机械自动化已经成为了新时代的主题。其中，机械手是工业生产过程中应用最多的，而且它的发展也是最快的。工业生产自动化的程度越来越高，而生产环境变得越来越恶劣，这样对工人提出了更高的要求，比如安全性、健康性、环保性等。机械手可以有效的解决这个问题，它可以在高温、高压、有毒、放射性等场合应用。在机械制造行业中，机械手又称工业机器人，它主要被应用于运送加工原料或者给特定的机床进行刀具的转换和机器的装配等一些自动化流水生产线上。综上所述，机械手的应用更加有效率，同时还能降低生产成本。

机械手是一门综合性的学科，它包含了机械、电子、材料、自动控制等许多学科方面的知识。随着计算机和电子技术的飞速发展，机械手也不断的更新换代，朝着精密化、智能化、复杂化的方向发展。如今的机械手加入了传感器反馈系统，当机械手发生故障时，它可以自我检测，并且自动修复。

工业的自动化程度的高低离不开PLC， 它的控制能力越高，自动化的程度也越高。所以PLC常被用于工业生产中，随着它的地位逐渐增长，它的功能也随之有了很大的提高。对于PLC而言，它的程序编写容易、系统操作灵活，同时对于控制也方便实现，这样能够提高工业生产的效率和加工的质量。在一些恶劣的环境下，PLC同样能够取代人类去完成一些控制，从另一方面而言，成本也相对减轻了许多。基于PLC设计的机械手自动操作系统，更加容易实现生产的连续性。

在本次设计任务中，选用三菱系列的PLC对机械手进行控制，完成自动操作系统的设计。实现对机械手的上下、左右、旋转等控制，要完全实现这些，还需要其它辅助元器件，比如气缸、传感器、电磁阀、底座和支架等。为了能够更加直观的对机械手的动作进行展示，在本次设计中加入了组态软件对机械手进行监控。MCGS是一种用于对机械手整体监控的一种组态软件，通过对机械手运动数据的采集，MCGS以动画形式表现，对机械手的运动过程进行监控和整个流程的控制。

1.2 国内外研究现状

在1954年，美国的著名工程师沃尔德最早提出了人机一体化的构想；到了1959

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年，拥有丰富创造力的两人沃尔德和英格伯一同制造出了世界上第一台机械手；1962年时，美国政府将机械手的实用性做了相关的叙述，机械手慢慢被大家所认知；1970年在美国召开了第一届有关机械手相关的会议，主要研究它的价值和实用性；1973年美国一家公司开始制造出了一台小型的机械手，为工业发展做奠基；直到1980年，机械手在日本很快的发展起来，使得机械手得到了充分的改进，现在机械手正在向智能化、高速化、精密化的方向发展，机械手的定位精度也是越来越高，能达到现在的纳米级别，它的运行速度可以达到3m/s，产出的产品可以达到6轴，夹起工件的重量也是越来越大。

生产过程慢慢的向着机械、自动、智能的方向发展，逐渐地融入了我们生活中。生产工业的连续性依靠工业的自动化，自动化逐渐成为了新时代的标志。在国外，利用计算机和镜头采集装置，再加上一些特殊的传感器装置组合在一起，能够有效的定位，这样更加精确和有效的进行加工。但是在机械加工的过程中，对于零件的加工、处理和装配这些过程是不连续的，所以在工业生产中加入生产自动化可以有效地解决这些问题。机械手的灵活多变性可以有效地适用于小批量的自动化生产和柔性的制造生产线上。

在我国，机械手技术是从80年代开始起步，在七五科技攻关的热潮中，生产出了部分的机械人的零件，慢慢的认识到机械手的实用性。在国家相对政策的扶持下，开始用机械手对加工零件进行喷漆和焊接的工作，这些都是国内自己开发研制的机器。其中孤焊机械手已经用于对当时汽车生产的焊接上，虽然技术和人才比较国外来说还有一定的差距，大部分的产品还是要通过进口才能完成组装。在当时，许多有着高技术的国家对自己的产品有严格保密性，不对外销售，使得我国落后于国外一些国家，但是随着时间的推移，技术和人才也飞快的跟上了世界的脚步。我国的企业主要生产一些中低端的产品，因为没有高端精密的伺服系统和反馈系统，这样很难生产出高端和有质量的产品。

目前，国家正在对中国未来的机械制造装备也出谋划策，争取让这些企业占取大量的市场份额。我国的“863”机械手技术主题成立以来，国家对于这些技术的推广和引进，逐渐使得机械手行业成为了真正高新的产业。国家对于机械手企业提高了优惠的政策支持，并且扶持这些企业提高技术水平，加大工业生产的进度。

1.3 课题研究主要内容

该课题主要设计一个基于PLC的机械手自动操作系统，这套系统主要用于对机械

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手的过程控制。机械手的直线、旋转运动都是通过气缸来完成，气缸的运动由电磁阀来驱动。

刚开始时，要求将机械手复位，工作在左位、高位和放松状态。一上电，先控制底部转动气缸摆动调整机械手的位置，让它复位。然后通过传感器检测工件，检测到工件后，机械手底部气缸旋转，中间气缸右移到极限位置，下臂气缸开始下降到极限位置，夹紧气缸夹紧工件，下臂气缸上升到高位，下臂气缸上升到极限位置，中间气缸缩回到极限位置，底部气缸旋转，中间气缸右移到极限位置，下臂气缸开始下降到极限位置，夹紧气缸放下工件，最后机械手复位。如图1-3所示：

图1-3 机械手实际效果图

本次课题主要设计内容：

(1) 对机械手动作进行构思，设计出一套工作的整体方案 (2) 对机械手整体进行简单设计 (3) 各气缸选型，PLC和传感器的选型 (4) 系统硬件的设计和机械手控制程序的设计 (5) 组态软件MCGS的设计

(6) 通过PLC来控制机械手，完成自动控制并且连接MCGS进行调控

1.4 设计的目的和意义

随着信息技术的不断发展，对于机械产品的精度等级和结构的复杂程度也是要求越来越高。人们对于机械产品的设计，同样也要求具有创新性，更符合人性化和工业化。所以，针对国外的设计可以进行参考和总结，帮助我们完成对产品结构的设计。

机械手技术对工业发展有很大的好处，首先，它可以按照生产进行加工，依照一定的程序和规定的时间内完成工件的加工和传送；其次，它可以减轻工人的压力，而且它能单独的对机械进行装配，因此可以改善工人劳动环境，有效地提高生产效率，

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减轻工人劳动强度，节约了成本。尤其在一些有污染环境的场合，机械手的实用性更加体现出来。

如今，电子技术的飞速发展和渗入，机械手的研究和开发是人类进步的桥梁，机械手的迅速发展使得它成为工业行业中的重要部分。同时，也是因为机器人的发展，促进了机械手的飞速发展。在现代生产过程中，机械手被用于自动化流水生产线上，这样使得机械手能够广泛的被运用，并且能够熟练地适用于工业生产的脚步。

本次课题设计的机械手是通过用三菱PLC来进行程序系统的控制，PLC控制是机械手的灵魂。对于三菱系列的PLC,它的通用性好、适用范围广、灵活性和编程简单等方法来实现自动化。

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2 机械手整体结构设计

2.1 机械手概述

在机械行业中，由于生产环节比较多，要想各环节协调运行需要大量的人力、物力、空间资源等，这样的生产方法成本高、效率低、复杂程度高。为了解决上述难题，本设计主要研究基于PLC控制机械手的自动运行。在过去的几十年里，机械手发展非常快，迅速发展成为一种高科技的自动化程度非常高的生产设备。机械手是机器人的一部分，也是属于机器人，它有机器人的部分特征，并且机械手可以通过简单的编程来实现它的自动化来完成各种预期的任务，它继承了人和机器人的一些特征和优点，尤其是有了人工智能，在生产过程中更加的准确和在各种环境下能够有效的工作。相对于我国来说，机械手有着更为广大的发展空间，也有利于提高国民经济的水平[3]。

2.2 机械手工作原理

机械手是一种通过一定的编程软件来对其进行自动定位和以多变的动作形式来实现预期的功能。它拥有多个自由度，在空间中能够灵活地自由运动。

执行元件、驱动元件和控制系统这三个部分组成了机械手。其中执行元件由手部、手臂和身躯构成。手部装在手臂的上端可以夹紧。机械手的手部可以模仿人的手指，因此非常的灵活。在本设计中主要是用到夹紧气缸，来完成对零件的夹紧和搬运功能。在设计中我们可根据被夹工件的大小和形状来装备各种各样的夹头，以便适应不同的操作需要。手臂是用来引导气爪能够准确地抓住工件，并把工件搬送到另一个工位上。一般机械手的运动有两种，一种是直线运动，另一种是旋转运动。身躯主要是用来安装手臂、动力源和各执行元件，而且它可以起到连接的作用。

驱动元件是用来驱动气爪来抓取工件也可以吸取工件，以达到预定的功能。可以随时改变被夹持工件件的位置。驱动元件的能够实现上升、下降、旋转、前后左右移动的这些动作，叫做机械手的自由度。自由度是机械手一个很重要的参数性能，机械手的自由度越高，则机械手的灵活性就会越高，它的结构就会越复杂，通用性就会越广，反之则越小。

本次设计对机械手整体机构进行控制，来完成特定的工作内容。通过一定的硬件控制系统对其编程来实现所有的功能，在此基础上加上传感器系统，进行运动的反馈工作，使其更加地稳定和精确[4]。

通过上面的有关知识，我们设计出了一套机械手，他总共有4个自由度，包括：

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手臂上下运动、手臂前后伸缩、气爪的夹紧、底座的旋转。其中，底座的旋转采用的是摆动气缸，手臂前后和上下运动选择的是带导向的气缸，保证气爪在抓取工件时的稳定性和可靠性，能够有效地抓取到工件，然后在每个极限位置加上传感器进行反馈，以实现机械手运动的精确性和平稳性[10]。

2.3 机械手整体控制要求

机械手运动控制要求一般为手动模式和自动控制模式。其中手动控制模式是适用于调试和安装的时候使用或者在出现机器发生故障的时候使用。本次课题所设计的是自动控制模式，通过对PLC编写特定的程序，机械手会按照一定的运动规律完成特定的动作，往往在设计中我们加入手动控制模式，这样便于安装和调试，当机械手出现故障的时候，可以用手动控制来检测故障点。通常在设计先确定控制方案，然后按照方案进行设计。如图2-3所示，机械手工作流程图：

图2-3 机械手工作流程图

在机械手控制系统的设计中，往往加入手动控制的方式。机械手的手动控制包括上升、下降、伸出、缩回、左摆、右摆、夹紧和放松等这些操作过程。一旦自动控制发生故障或者在第一次设备安装调试过程中，可以通过手动控制进行检测。

2.4 气动控制元件选型

2.4.1 单向阀

单向阀的气体的流动方向一般是单向的，当P口的气压大于活塞弹簧的压力时，活塞将会被打开，此时P口和A口将会联通，这时气体能够顺利通过。要使得单向阀保持通畅，需要气体有一定的压力来抵消弹簧的压力。如果气体反向进入单向阀中，不论压力多大，都不能使得反向阀流通，除非阀口被压力破坏。

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2.4.2 单向节流阀

单向节流阀是由单向阀和节流阀组合而成的，带有压力的气体从P流向A，经过节流阀的作用，它只能向一个方向流动，这种方式常被用于调速和延时回路中。 2.4.3 先导式电磁阀

先导式电磁阀顾名思义它带有一个先导阀芯，要想电磁阀工作，我们要先打开先导阀芯，然后改变气体流动方向来打开主阀芯。这样的结合就是为了在频繁控制的场合多次开闭主阀芯，对其造成冲击和磨损。先导式电磁阀也分为单电控和双电控两种形式[5]。

2.5 执行机构

2.5.1 水平气缸

本设计中主要运用到气缸元件，气缸因为结构的不同可以分为两大类：膜片式和活塞式。在日常生活中，单作用分为两类：有杆活塞和无杆活塞。气动控制元件是将

压力能转化为机械能的一种装置，如：气缸和气动马达。

(1) 普通气缸

普通气缸是由缸筒机构、活塞杆、活塞装置、前后缸盖、密封圈和紧固零件等零件组成。缸筒前后盖四角有四根拉杆和螺母进行紧固。活塞中装有密封圈和导向磁性环，磁性环是用来产生一定的磁场，是活塞杆接近磁性开关的时候发出一定的型号，即可以在任何时候可以检测出活塞干的位置。

（2） 无杆气缸

无杆气缸利用活塞直接或间接方式来实现机构的往复运动，并且没有像普通气缸一样的刚性活塞杆。无杆气缸能够有效的节约空间，还能够有效地避免了有杆活塞和密封圈之间摩擦而带了的机械能的损失。与有杆气缸相比，它的行程推动力是双向的，特别适用于小缸径和长行程场合的试用。现在无杆气缸广泛的应用于数控机床、注塑机等开门装置中，通常也用于多功能的坐标机器人的输送线和抓取工件上。

(3) 摆动气缸

摆动气缸是指在空间中一定范围内进行一定角度的运动，它的运动的幅度是有一定的局限性。目前摆动气缸在工业中被广泛的应用，经常被应用受到限制或者转动角度较小的360度的回转工作部件上，其动作原理也是将压力能转换成机械能，摆动气缸有一定的摆角。

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2.5.2 升降导向气缸

在机械手中往往不只有水平气缸，在本设计中也用到了升降导向气缸，通常为了完成抓取并将工件放置到目标工作台上，这时必须设置具有升降功能的气缸来完成特定的抓取任务。同时，为了避免气缸在工作的时候气缸会因为某些原因发生一定的偏转，所以在气缸中加了导向机构，防止发生不定性和歪斜。所以选择时必须要带有导向的气缸。带导杆的气缸的实物图,如图2-3所示：

图2-3 导向气缸

如图所示，气缸外连接板与转接板以及气爪进行连接，外连接板处安装有三根轴，中间的一根端部带有螺纹，与活塞杆一体的细长轴，在活塞的作用下带动外连接板运动。两边的两根光轴为导杆，与外连接板为过盈配合，在活塞杆带动外连接板运动时，两根导杆便随连接板一起运动，同时两导杆又限制了活塞杆的转动，使得活塞杆以及外连接板只能沿着导杆的方向进行运动，从而起到导向的作用。 2.5.3 气爪

机械手的气爪是用来实现抓取功能，是现代工业机械手重要组成部分之一。气爪抓取工件时要迅速、灵活、准确,其夹紧力不宜过大或者过小，则应该根据所夹取工件的外形、大小、尺寸来计算。同时考虑开口尺寸，以适应被抓工件的尺寸的不同，大大提升机械手的应用广度。同时还需要配备多种抓取机构，以必要时可以安装旋转气爪。

机械夹紧的方式运用是最广泛的。其中按气爪运动的方式可分为平移、平动、回转这三种。通过PLC来对电磁阀控制，驱动机械手爪的夹紧。

手爪由驱动元件、手爪零部件、传动机构、手指、垫片、附件等组成。以下介绍几种常见的气爪：

如图2.5（a）所示为平行移动的气爪，平行气爪通过两个活塞进行控制，成对心

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方式移动。这种气爪的抓取力和对中性比较好，同时也可用于内外抓取工件进行移动。

如图2.5（b）所示为摆动气爪，它的摆角大概有 40°，其抓取力较大，并且可以确保力恒定。

如图2.5（c）所示为旋转气爪，它工作原理与齿轮啮合相似，两个手指可以同时移动并且居中对齐，确保了力的平衡性。几种不同的气爪如图2-5所示：

图2-5 气爪

在本设计中选择一种平行二指气爪。对于机械手底座设计为圆形底盘式，柱形支撑结构。

综上所述：对于各气缸、气爪的选型如下表2-5所示：

表2-5 气压系统清单

序号 1 2 3 4 5 6 名称 水平气缸 垂直气缸 摆动气缸 气爪缸 单向节流阀 三位四通换向阀 数量 1 1 1 1 4 4 型号 MY1B63G-200 MY1B50G-200 MHS3-32D MHZ2 系列 JSC L型节流阀 巨普/TG2512-06 备注 2.6 气动系统图设计

气动系统图主要是实现对机械手运动控制，可以使机械手平移、旋转、上下、抓紧等动作在本次设计中均采用单向节流阀来对整个控制系统进行控制[15]。大概工作原来如下所示：

(1) 当电磁阀5得电，气压进入控制回路后，经过电磁阀15，气流会经过单向节流阀7，最后进入垂直气缸左侧内推动气缸运动，使得垂直气缸伸出。

(2) 当电磁阀2得电，气压进入控制回路后，经过电磁阀13，气流会经过单向

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节流阀2，最后进入水平气缸右侧内推动气缸运动，使得水平气缸缩回。

(3) 当电磁阀3得电，气压进入控制回路后，经过电磁阀14，气流会经过单向节流阀4，最后进入回转气缸左侧内推动气缸运动，使得回转气缸向左摆动。

(4) 当电磁阀4得电，气压进入控制回路后，经过电磁阀14，气流会经过单向节流阀5，最后进入回转气缸右侧内推动气缸运动，使得气缸向右摆动。

(5) 当电磁阀1得电，气压进入控制回路后，经过电磁阀13，气流会经过单向节流阀1，最后进入垂直气缸左侧内推动气缸运动，使得水平气缸伸出。

(6) 当电磁阀6得电，气压进入控制回路后，经过电磁阀15，气流会经过单向节流阀8，最后进入垂直气缸右侧内推动气缸运动，使得垂直气缸向上缩回。

(7) 当电磁阀7得电，气压进入控制回路后，经过电磁阀16，气流会经过单向节流阀10，最后进入垂直气缸右侧内推动气缸运动，使得气爪夹紧。

(8) 当电磁阀8得电，气压进入控制回路后，经过电磁阀16，气流会经过单向节流阀11，最后进入垂直气缸右侧内推动气缸运动，使得气爪放松。

按照上述控制可以进行手动控制和自动控制，在本次设计中最主要对机械手能够进行自动操作控制，使其能够自动运行，加入手动控制是为了检验和故障处理方便[16]。 其中气动系统控制系统图如下图2-6所示：

图2-6 气动控制系统图

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/yc0.html