機(jī)械手操作控制裝置系統(tǒng)技術(shù)畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、<p>　　電氣自動(dòng)化技術(shù)專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)</p><p>　　設(shè)計(jì)課題：機(jī)械手操作控制裝置系統(tǒng)技術(shù)</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　工業(yè)機(jī)械手是工業(yè)生產(chǎn)的必然產(chǎn)物，它是一種模擬人體上肢的部分功能，按照預(yù)定要求輸送工件或握工具進(jìn)行操作的自動(dòng)化技術(shù)設(shè)備，對(duì)現(xiàn)實(shí)工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化，推動(dòng)工業(yè)生產(chǎn)的進(jìn)一步發(fā)展起到重要作

2、用。因而具有強(qiáng)大的生命力受到人們的廣泛重視和歡迎。實(shí)踐證明，工業(yè)機(jī)械手可以替代人手的繁重勞動(dòng)，顯著減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，改善勞動(dòng)條件，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和自動(dòng)化水平。工業(yè)生產(chǎn)中常出現(xiàn)的笨重工件的搬運(yùn)和長(zhǎng)期頻繁,單調(diào)的操作，采用機(jī)械手是有效的。此外，它能在高溫、低溫、深水、宇宙、放射性和其他有毒、污染環(huán)境條件下進(jìn)行操作，更顯示其他優(yōu)越性，有著廣闊的發(fā)展空間前途。</p><p>　　本課題通過應(yīng)用PLC技術(shù)對(duì)其進(jìn)行程序設(shè)

3、計(jì)，使其能將基本的運(yùn)動(dòng)更具體的展現(xiàn)在人們面前。本文將大致的介紹下機(jī)械手的組成部件，然后在選擇合適的傳動(dòng)部件、驅(qū)動(dòng)部件，同時(shí)本文還將闡述該機(jī)器人的具體運(yùn)動(dòng)步驟。</p><p>　　關(guān)鍵字：機(jī)械手；PLC；傳動(dòng)部分；驅(qū)動(dòng)部分</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　1諸論1</b></

4、p><p>　　1.1 機(jī)器人概述1</p><p>　　1.2 機(jī)器人的歷史、現(xiàn)狀1</p><p>　　1.3 機(jī)器人發(fā)展趨勢(shì)1</p><p>　　2 機(jī)器人試驗(yàn)平臺(tái)介紹及機(jī)械手的設(shè)計(jì)2</p><p>　　2.1 機(jī)械手的機(jī)械傳動(dòng)概述2</p><p>　　2．1．2機(jī)械手的系統(tǒng)控

5、制要求：2</p><p>　　2.2 驅(qū)動(dòng)部分2</p><p>　　2.3 電機(jī)的選擇3</p><p>　　2.4電機(jī)的校準(zhǔn)3</p><p>　　2．5 繼電器的選擇4</p><p>　　3.1 控制部分4</p><p>　　3.1.1 程序步驟5</p>

6、<p>　　3.1.2 I/O分配6</p><p>　　3.1.3 外部接線圖7</p><p><b>　　3.2 程序7</b></p><p><b>　　結(jié)論11</b></p><p><b>　　致謝12</b></p>&l

7、t;p><b>　　參考文獻(xiàn)13</b></p><p><b>　　1諸論</b></p><p><b>　　1.1 機(jī)器人概述</b></p><p>　　在現(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過程的機(jī)械化、自動(dòng)化已成為突出的主題。在化工等連續(xù)形象生產(chǎn)過程的自動(dòng)化已基本得到解決。但在機(jī)械工業(yè)中，加工、裝配等

8、生產(chǎn)是不連續(xù)的。專用機(jī)床是大批量生產(chǎn)自動(dòng)化的有效辦法：程控機(jī)床、數(shù)控機(jī)床、加工中心等自動(dòng)化機(jī)械是有效地解決多品種小批量生產(chǎn)自動(dòng)化的重要辦法。但除切削加工本身外，還有大量的裝卸、搬運(yùn)、裝配等作業(yè)，有待于進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)機(jī)械化。機(jī)器人的出現(xiàn)并得到應(yīng)用，為這些作業(yè)的機(jī)械化奠定了良好的基礎(chǔ)。</p><p>　　簡(jiǎn)而言之，機(jī)器人就是用機(jī)器代替人手，把工件由一個(gè)地方移向指定的工作位置，或按照工作要求以操控工件進(jìn)行加工。</

9、p><p>　　1.2 機(jī)器人的歷史、現(xiàn)狀</p><p>　　機(jī)器人首先是從美國(guó)開始研制的。1958年美國(guó)聯(lián)合控制公司研制出第一臺(tái)機(jī)器人。它的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是機(jī)體上安裝一回轉(zhuǎn)長(zhǎng)臂，端部裝有電磁鐵的工件抓放機(jī)構(gòu)，控制系統(tǒng)是示教型的。</p><p>　　日本是工業(yè)機(jī)器人發(fā)展最快、應(yīng)用最多的國(guó)家。自1969年從美國(guó)引進(jìn)兩種典型機(jī)器人后，大力從事機(jī)器人的研究。</p>

10、<p>　　隨著工業(yè)機(jī)器人研究制造和應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，國(guó)際型學(xué)術(shù)交流活動(dòng)十分活躍，歐美各國(guó)和其他國(guó)家學(xué)術(shù)交流活動(dòng)開展很多。國(guó)際工業(yè)機(jī)器人會(huì)議ISIR決定每年召開一次會(huì)議，討論和研究機(jī)器人的發(fā)展及應(yīng)用問題。</p><p>　　目前，工業(yè)機(jī)器人主要用于裝卸、搬運(yùn)、焊接、鑄鍛和熱處理等方面，無論數(shù)量、品種和性能方面還不能滿足工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的需要。使用工業(yè)機(jī)器人代替人工操作的，主要在危險(xiǎn)作業(yè)（廣義的）、多粉

11、塵、高溫、噪聲、工作空間狹小等不適合人工作業(yè)的地方。</p><p>　　我國(guó)雖然開始研制工業(yè)機(jī)器人僅比日本晚5-6年，但由于種種原因，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展比較慢。目前我國(guó)已開始有計(jì)劃地從國(guó)外引進(jìn)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)，通過引進(jìn)、仿制、改造、創(chuàng)新，工業(yè)機(jī)器人將會(huì)獲得快速的發(fā)展。</p><p>　　1.3 機(jī)器人發(fā)展趨勢(shì)</p><p>　　隨著現(xiàn)代化生產(chǎn)技術(shù)的提高，機(jī)器人

12、設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力進(jìn)一步得到加強(qiáng)，尤其當(dāng)機(jī)器人的生產(chǎn)于柔性化制造系統(tǒng)和柔性制造單元相結(jié)合，從而改變目前機(jī)械制造的人工操作狀態(tài)，提高了生產(chǎn)效率。</p><p>　　就目前來看，總的來說現(xiàn)代工業(yè)機(jī)器人有以下幾個(gè)發(fā)展趨勢(shì)：</p><p>　?、偬岣哌\(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)精度，減少重量和占用空間，加速機(jī)器人功能部件的標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化，將機(jī)器人的各個(gè)機(jī)械模塊、控制模塊、檢測(cè)模塊組成結(jié)構(gòu)不同的機(jī)器人。</p

13、><p>　　②開發(fā)各種新型結(jié)構(gòu)用于不同類型的場(chǎng)合，如開發(fā)微動(dòng)機(jī)構(gòu)用以保證精度；開發(fā)多關(guān)節(jié)多自由度的手臂和手指；開發(fā)各類行走機(jī)器人，以適應(yīng)不同的場(chǎng)合。</p><p>　　2 機(jī)器人試驗(yàn)平臺(tái)介紹及機(jī)械手的設(shè)計(jì)</p><p>　　該設(shè)計(jì)的目的是為了設(shè)計(jì)一臺(tái)物料搬運(yùn)機(jī)器人,同時(shí)對(duì)于該機(jī)器人的極限負(fù)載能力定為30公斤（并不包括機(jī)械手自己本身的重量）。</p>

14、<p>　　2.1 機(jī)械手的機(jī)械傳動(dòng)概述</p><p>　　工業(yè)機(jī)器人的手又稱為末端執(zhí)行器，它使機(jī)器人直接用于抓取和握緊（吸附）專用工具（如噴槍、扳手、焊具、噴頭等）進(jìn)行操作的部分。它具有模仿人手動(dòng)作的功能，并安裝于機(jī)器人手臂的前端。由于被握工件的形狀、尺寸、大小、重量、材質(zhì)及表面狀態(tài)等不同，因此工業(yè)機(jī)器人末端操作器是多種多樣的，大致科分為：（1）夾鉗式取料手（2）吸附式取料手（3）專用操作器及轉(zhuǎn)換器

15、（4）仿生多指靈巧手。本文設(shè)計(jì)的是物料搬運(yùn)機(jī)器人，并不需要復(fù)雜的多指人工指。手指是直接與工件接觸的部件。手指松開和夾緊工件是通過手指的張開與閉合來實(shí)現(xiàn)的。該設(shè)計(jì)采用兩個(gè)手指，其外形如圖2.1： </p><p>　　圖2.1 機(jī)械手手指形狀（中心線對(duì)稱）</p><p>　　2．1．2機(jī)械手的系統(tǒng)控制要求 </p><p>　　1）在傳輸帶A端有光電開關(guān)。當(dāng)光電開關(guān)

16、檢測(cè)到物品時(shí)為ON狀態(tài)； 2）機(jī)械手在原位時(shí)，按下啟動(dòng)按鈕，系統(tǒng)啟動(dòng) ，傳送帶A運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)光電開關(guān)檢測(cè)到物品后，傳送帶A停止；</p><p>　　3）傳送帶A停止后，機(jī)械手進(jìn)行一次循環(huán)動(dòng)作，把物品從傳送帶A上搬到傳送帶B（連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)）上；</p><p>　　4）按下停止按鈕，應(yīng)等到整個(gè)循環(huán)完成后回到機(jī)械手原位，才會(huì)停止工作； 2.2 驅(qū)動(dòng)

17、部分</p><p>　　該機(jī)器人一共具有左伸右縮、左右移動(dòng)、上下移動(dòng)、緊松動(dòng)作以及兩條輸送帶的運(yùn)行，故一共需要六個(gè)動(dòng)力源。</p><p>　　機(jī)器人常用的驅(qū)動(dòng)方式有液壓驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)三種類型。</p><p><b>　?、僖簤候?qū)動(dòng)：</b></p><p>　　a）控制性能：利用液體的不可壓縮性，控制精度

18、較高，輸出功率大，可無級(jí)調(diào)速，反應(yīng)靈敏，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌跡控制； </p><p><b>　?、跉鈩?dòng)驅(qū)動(dòng)：</b></p><p>　　a）控制性能：氣體壓縮性大，精度低，阻尼效果差，低速不易控制，難以實(shí)現(xiàn)高速、高精度的連續(xù)軌跡控制；</p><p><b>　?、?電機(jī)驅(qū)動(dòng)：</b></p><p>

19、;　　a）輸出功率：較大；</p><p>　　b）控制精度高，功率較大，能精確定位，反應(yīng)靈敏，可實(shí)現(xiàn)高速、高精度的連續(xù)軌跡控制，伺服特性好，控制系統(tǒng)復(fù)雜； </p><p>　　c）響應(yīng)速度：很高；</p><p>　　機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)各有優(yōu)缺點(diǎn)，通常對(duì)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)要求有：</p><p>　?、衮?qū)動(dòng)系統(tǒng)的質(zhì)量盡可能要輕，單位質(zhì)量的輸

20、出功率要高，效率也要高；</p><p>　?、诜磻?yīng)速度要快，即要求力矩質(zhì)量比和力矩轉(zhuǎn)動(dòng)慣量比要大，能夠進(jìn)行頻繁</p><p>　　地起、制動(dòng)，正、反轉(zhuǎn)切換；</p><p>　　③驅(qū)動(dòng)盡可能的靈活，位移偏差和速度偏差要??；</p><p><b>　　④安全可靠；</b></p><p>&l

21、t;b>　?、莶僮骱途S修方便；</b></p><p>　?、迣?duì)環(huán)境無污染，噪聲要小；</p><p>　　⑦經(jīng)濟(jì)上合理，尤其要盡量減少占地面積。</p><p>　　基于上述驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn)和機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，本文選用三相異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)的方式對(duì)機(jī)器人進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。</p><p>　　2.3 電機(jī)的選擇</p>

22、;<p>　　負(fù)載轉(zhuǎn)矩T2=50N·1M</p><p>　　n1=60f1÷p=60×50÷3=1000r/min </p><p>　　n1:同步轉(zhuǎn)速 </p><p><b>　　f1:頻率 </b></p><p><b&

23、gt;　　p：極對(duì)數(shù)</b></p><p>　　根據(jù) T2=P2÷=P2÷（2×3.14×1000÷60）=50N·1M </p><p>　　T2：輸出轉(zhuǎn)距 </p><p><b>　　P2；輸出功率 </b></p><p>　

24、　n :定子轉(zhuǎn)速 </p><p>　　所以，P2=5.2KW</p><p>　　因此，根據(jù)這些條件，選擇Y2-160M-6電機(jī)，其額定功率為7.5KW,額定電流為17A,額定電壓為380V，額定轉(zhuǎn)速為970r/min，功率因數(shù)為0.8。</p><p>　　由于該電機(jī)的額定電流比較大，從而導(dǎo)致電機(jī)的瞬間啟動(dòng)電流會(huì)很大，導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)燒壞；所以在電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，應(yīng)該

25、采用降壓?jiǎn)?dòng)。同時(shí)，在實(shí)際的運(yùn)行中，機(jī)械手還應(yīng)該安裝變速器使實(shí)際轉(zhuǎn)速下降，大大降低機(jī)械手的移動(dòng)速度，使其大約在0.6m/s左右。</p><p><b>　　2.4電機(jī)的校準(zhǔn)</b></p><p>　?、?T2=P2÷=7500÷2÷3.1415926÷970×60=73.8350N·M≥50 N

26、3;M</p><p><b>　　能滿足設(shè)計(jì)要求</b></p><p>　?、?Sn=(n1-Nn）÷n1=（1000-970）÷1000=0.03 </p><p>　　Sn：額定轉(zhuǎn)差率 </p><p>　　n1： 同步轉(zhuǎn)速 </p><p>

27、<b>　　Nn：額定轉(zhuǎn)速</b></p><p><b>　　所以損耗為</b></p><p>　　SnPem=0.03×7500÷（1-0.03）=232.0W</p><p>　　Sn：額定轉(zhuǎn)差率 </p><p><b>　　Pem：電磁功率 </

28、b></p><p>　　同時(shí)，該電機(jī)的散熱系數(shù)為3.5。</p><p>　　所以，根據(jù) 溫升公式</p><p>　　C：溫升 </p><p><b>　?。簱p耗 </b></p><p><b>　　A：散熱系數(shù)</b><

29、/p><p>　　電機(jī)的溫升為232.0÷3.5=66.3。</p><p>　　溫升是以B級(jí)考核的，即允許的溫升為130-40=90≥66.3，故該電機(jī)符合實(shí)際應(yīng)用情況。</p><p>　　2．5 繼電器的選擇</p><p>　　由于繼電器的額定的電流應(yīng)為電動(dòng)機(jī)額定電流的1.1-1.25倍，所以繼電器的額定的電流為18.7-21.

30、25A。同時(shí)，PLC 所接的電壓為AC220，因此，選擇TK-E5B-C。</p><p>　　該繼電器參數(shù)為：額定電流為18-26A，且滿足電壓的需求，故該繼電器能滿足設(shè)計(jì)需求。</p><p><b>　　3.1 控制部分</b></p><p>　　西門子S7-200PLC具有：1）極高的可靠性；2）極豐富的指令集；3）易于掌握； 4）便

31、捷的操作； 5）實(shí)時(shí)特性； 6）豐富的擴(kuò)展模塊；7）最主要的是，設(shè)計(jì)的機(jī)械手中I/O有13入/12出。所以，該程序設(shè)計(jì)中采用了西門子S7-200PLC的CPU型號(hào)為226（24入/16出）。同時(shí)，選擇的限位開關(guān)的型號(hào)為M4-4104，額定電流為25A，符合設(shè)計(jì)要求。</p><p>　　3.1.1 程序步驟</p><p>　　圖3.1.1 機(jī)械手運(yùn)行圖</p><p&

32、gt;　　向左伸長(zhǎng)：在I0.4檢測(cè)到物體閉合時(shí)，由于I0.5處于閉合狀態(tài)(向左伸長(zhǎng)的限位開關(guān)），故Q0.5得電閉合，使機(jī)械手開始往左伸長(zhǎng)（網(wǎng)絡(luò)6）</p><p><b>　　右移：（網(wǎng)絡(luò)7）</b></p><p><b>　　下移：（網(wǎng)絡(luò)8）</b></p><p><b>　　夾緊：（網(wǎng)絡(luò)9）</b&

33、gt;</p><p><b>　　左移：（網(wǎng)絡(luò)10）</b></p><p><b>　　放開：（網(wǎng)絡(luò)12）</b></p><p><b>　　上移：（網(wǎng)絡(luò)13）</b></p><p>　　向右收縮：（網(wǎng)絡(luò)14）</p><p>　　該機(jī)械手是自動(dòng)

34、運(yùn)行的。當(dāng)按下啟動(dòng)按鈕時(shí)，機(jī)械手就會(huì)進(jìn)行循環(huán)動(dòng)作。若遇到緊急情況時(shí)，可按下停止按鈕。當(dāng)機(jī)械手在原位時(shí)，機(jī)械手就會(huì)直接停止；若機(jī)械手正處于工作狀態(tài)，那么按下停止按鈕，機(jī)械手也不會(huì)馬上停止，只有等機(jī)械手回到原位，才會(huì)停止；同時(shí)，輸送帶B也只有等機(jī)械手回到原位時(shí)才會(huì)停止。</p><p>　　3.1.2 I/O分配</p><p>　　表3.1.2 I/O分配</p><p

35、>　　3.1.3 外部接線圖</p><p>　　圖3.1.3 外接接線圖</p><p><b>　　3.2 程序</b></p><p><b>　　網(wǎng)絡(luò)1</b></p><p><b>　　網(wǎng)絡(luò)2</b></p><p><b&g

36、t;　　網(wǎng)絡(luò)3</b></p><p><b>　　網(wǎng)絡(luò)4</b></p><p><b>　　網(wǎng)絡(luò)5</b></p><p><b>　　網(wǎng)絡(luò)6</b></p><p><b>　　網(wǎng)絡(luò)7</b></p><p>&l

37、t;b>　　網(wǎng)絡(luò)8</b></p><p><b>　　網(wǎng)絡(luò)9</b></p><p><b>　　網(wǎng)絡(luò)10</b></p><p><b>　　網(wǎng)絡(luò)11</b></p><p><b>　　網(wǎng)絡(luò)12</b></p><

38、;p><b>　　網(wǎng)絡(luò)13</b></p><p><b>　　網(wǎng)絡(luò)14</b></p><p><b>　　結(jié)論</b></p><p>　　隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，科技的日新月異，機(jī)械手勢(shì)必會(huì)成為我們生活上不可或缺的一部分。 本文所設(shè)計(jì)的機(jī)械手不僅包含了PLC程序設(shè)計(jì)，還囊括了設(shè)備選型，電氣原理

39、圖以及CAD圖紙。它是利用電動(dòng)機(jī)執(zhí)行，PLC控制的自動(dòng)化機(jī)械手。采用PLC程序控制不僅具有可靠性高，改變程序靈活的優(yōu)點(diǎn)。無論是實(shí)現(xiàn)點(diǎn)動(dòng)，單循環(huán)還是循環(huán)控制，均可通過更改PLC程序來實(shí)現(xiàn)，使該機(jī)械手有更大的作用空間。實(shí)踐證明：正是因?yàn)闄C(jī)械手具有各種人手所不具備的功能，在某些方面，機(jī)械手正有逐步取代手工操作的趨勢(shì)。</p><p><b>　　致謝</b></p><p>

40、;　　本論文在**老師及各位教務(wù)處老師的的悉心指導(dǎo)和嚴(yán)格要求下業(yè)已完成，從課題選擇到具體構(gòu)思和內(nèi)容，無不凝聚著老師們的心血和汗水，也始終感受著老師們的精心指導(dǎo)和無私的關(guān)懷，我受益匪淺。 </p><p>　　這次做論文的經(jīng)歷也會(huì)使我終身受益，我感受到做論文是要真真正正用心去做的一件事情，是真正的自己學(xué)習(xí)的過程和研究的過程，沒有學(xué)在以后學(xué)習(xí)中激勵(lì)我繼續(xù)進(jìn)習(xí)就不可能有研究的能力，沒有自己的研究，就不會(huì)有所突破，那也就

41、不叫論文了。希望這次的經(jīng)歷能讓我進(jìn)步。不積跬步何以至千里，本設(shè)計(jì)能夠順利的完成，也歸功于各位任課老師的認(rèn)真負(fù)責(zé)，使我能夠很好的掌握和運(yùn)用專業(yè)知識(shí)，并在設(shè)計(jì)中得以體現(xiàn)。正是有了他們的悉心幫助和支持，才使我的畢業(yè)論文工作順利完成，在此向全體老師表示由衷的謝意。 </p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1]李益民，《電機(jī)與電氣控制技術(shù)》，高等教

42、育出版社，2006</p><p>　　[2]許曉峰，《電機(jī)與拖動(dòng)》 （第二版）， 高等教育出版社，2007</p><p>　　[3]張勇，《電機(jī)拖動(dòng)與控制》，機(jī)械工業(yè)出版社，2004</p><p>　　[4]劉子林，《電機(jī)與電氣控制》，電子工業(yè)出版，2003</p><p>　　[5]田效伍，《電氣控制與PLC應(yīng)用技術(shù)》，機(jī)械工業(yè)出版社

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