【正文】 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 36 頁 共 36頁 基于PLC的機械手自動操作系統(tǒng)設(shè)計畢業(yè)論文1 緒論 課題提出背景如今，機械自動化已經(jīng)成為了新時代的主題。其中，機械手是工業(yè)生產(chǎn)過程中應(yīng)用最多的，而且它的發(fā)展也是最快的。工業(yè)生產(chǎn)自動化的程度越來越高，而生產(chǎn)環(huán)境變得越來越惡劣，這樣對工人提出了更高的要求，比如安全性、健康性、環(huán)保性等。機械手可以有效的解決這個問題，它可以在高溫、高壓、有毒、放射性等場合應(yīng)用。在機械制造行業(yè)中，機械手又稱工業(yè)機器人，它主要被應(yīng)用于運送加工原料或者給特定的機床進行刀具的轉(zhuǎn)換和機器的裝配等一些自動化流水生產(chǎn)線上。綜上所述，機械手的應(yīng)用更加有效率，同時還能降低生產(chǎn)成本。機械手是一門綜合性的學(xué)科，它包含了機械、電子、材料、自動控制等許多學(xué)科方面的知識。隨著計算機和電子技術(shù)的飛速發(fā)展，機械手也不斷的更新?lián)Q代，朝著精密化、智能化、復(fù)雜化的方向發(fā)展。如今的機械手加入了傳感器反饋系統(tǒng)，當(dāng)機械手發(fā)生故障時，它可以自我檢測，并且自動修復(fù)。工業(yè)的自動化程度的高低離不開PLC， 它的控制能力越高，自動化的程度也越高。所以PLC常被用于工業(yè)生產(chǎn)中，隨著它的地位逐漸增長，它的功能也隨之有了很大的提高。對于PLC而言，它的程序編寫容易、系統(tǒng)操作靈活，同時對于控制也方便實現(xiàn)，這樣能夠提高工業(yè)生產(chǎn)的效率和加工的質(zhì)量。在一些惡劣的環(huán)境下，PLC同樣能夠取代人類去完成一些控制，從另一方面而言，成本也相對減輕了許多?；赑LC設(shè)計的機械手自動操作系統(tǒng)，更加容易實現(xiàn)生產(chǎn)的連續(xù)性。在本次設(shè)計任務(wù)中，選用三菱系列的PLC對機械手進行控制，完成自動操作系統(tǒng)的設(shè)計。實現(xiàn)對機械手的上下、左右、旋轉(zhuǎn)等控制，要完全實現(xiàn)這些，還需要其它輔助元器件，比如氣缸、傳感器、電磁閥、底座和支架等。為了能夠更加直觀的對機械手的動作進行展示，在本次設(shè)計中加入了組態(tài)軟件對機械手進行監(jiān)控。MCGS是一種用于對機械手整體監(jiān)控的一種組態(tài)軟件，通過對機械手運動數(shù)據(jù)的采集，MCGS以動畫形式表現(xiàn)，對機械手的運動過程進行監(jiān)控和整個流程的控制。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在1954年，美國的著名工程師沃爾德最早提出了人機一體化的構(gòu)想；到了1959年，擁有豐富創(chuàng)造力的兩人沃爾德和英格伯一同制造出了世界上第一臺機械手；1962年時，美國政府將機械手的實用性做了相關(guān)的敘述，機械手慢慢被大家所認知；1970年在美國召開了第一屆有關(guān)機械手相關(guān)的會議，主要研究它的價值和實用性；1973年美國一家公司開始制造出了一臺小型的機械手，為工業(yè)發(fā)展做奠基；直到1980年，機械手在日本很快的發(fā)展起來，使得機械手得到了充分的改進，現(xiàn)在機械手正在向智能化、高速化、精密化的方向發(fā)展，機械手的定位精度也是越來越高，能達到現(xiàn)在的納米級別，它的運行速度可以達到3m/s，產(chǎn)出的產(chǎn)品可以達到6軸，夾起工件的重量也是越來越大。生產(chǎn)過程慢慢的向著機械、自動、智能的方向發(fā)展，逐漸地融入了我們生活中。生產(chǎn)工業(yè)的連續(xù)性依靠工業(yè)的自動化，自動化逐漸成為了新時代的標(biāo)志。在國外，利用計算機和鏡頭采集裝置，再加上一些特殊的傳感器裝置組合在一起，能夠有效的定位，這樣更加精確和有效的進行加工。但是在機械加工的過程中，對于零件的加工、處理和裝配這些過程是不連續(xù)的，所以在工業(yè)生產(chǎn)中加入生產(chǎn)自動化可以有效地解決這些問題。機械手的靈活多變性可以有效地適用于小批量的自動化生產(chǎn)和柔性的制造生產(chǎn)線上。在我國，機械手技術(shù)是從80年代開始起步，在七五科技攻關(guān)的熱潮中，生產(chǎn)出了部分的機械人的零件，慢慢的認識到機械手的實用性。在國家相對政策的扶持下，開始用機械手對加工零件進行噴漆和焊接的工作，這些都是國內(nèi)自己開發(fā)研制的機器。其中孤焊機械手已經(jīng)用于對當(dāng)時汽車生產(chǎn)的焊接上，雖然技術(shù)和人才比較國外來說還有一定的差距，大部分的產(chǎn)品還是要通過進口才能完成組裝。在當(dāng)時，許多有著高技術(shù)的國家對自己的產(chǎn)品有嚴格保密性，不對外銷售，使得我國落后于國外一些國家，但是隨著時間的推移，技術(shù)和人才也飛快的跟上了世界的腳步。我國的企業(yè)主要生產(chǎn)一些中低端的產(chǎn)品，因為沒有高端精密的伺服系統(tǒng)和反饋系統(tǒng)，這樣很難生產(chǎn)出高端和有質(zhì)量的產(chǎn)品。目前，國家正在對中國未來的機械制造裝備也出謀劃策，爭取讓這些企業(yè)占取大量的市場份額。我國的“863”機械手技術(shù)主題成立以來，國家對于這些技術(shù)的推廣和引進，逐漸使得機械手行業(yè)成為了真正高新的產(chǎn)業(yè)。國家對于機械手企業(yè)提高了優(yōu)惠的政策支持，并且扶持這些企業(yè)提高技術(shù)水平，加大工業(yè)生產(chǎn)的進度。 課題研究主要內(nèi)容該課題主要設(shè)計一個基于PLC的機械手自動操作系統(tǒng)，這套系統(tǒng)主要用于對機械手的過程控制。機械手的直線、旋轉(zhuǎn)運動都是通過氣缸來完成，氣缸的運動由電磁閥來驅(qū)動。剛開始時，要求將機械手復(fù)位，工作在左位、高位和放松狀態(tài)。一上電，先控制底部轉(zhuǎn)動氣缸擺動調(diào)整機械手的位置，讓它復(fù)位。然后通過傳感器檢測工件，檢測到工件后，機械手底部氣缸旋轉(zhuǎn)，中間氣缸右移到極限位置，下臂氣缸開始下降到極限位置，夾緊氣缸夾緊工件，下臂氣缸上升到高位，下臂氣缸上升到極限位置，中間氣缸縮回到極限位置，底部氣缸旋轉(zhuǎn)，中間氣缸右移到極限位置，下臂氣缸開始下降到極限位置，夾緊氣缸放下工件，最后機械手復(fù)位。如圖13所示：圖13 機械手實際效果圖本次課題主要設(shè)計內(nèi)容： (1) 對機械手動作進行構(gòu)思，設(shè)計出一套工作的整體方案 (2) 對機械手整體進行簡單設(shè)計 (3) 各氣缸選型，PLC和傳感器的選型(4) 系統(tǒng)硬件的設(shè)計和機械手控制程序的設(shè)計(5) 組態(tài)軟件MCGS的設(shè)計 (6) 通過PLC來控制機械手，完成自動控制并且連接MCGS進行調(diào)控 設(shè)計的目的和意義隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，對于機械產(chǎn)品的精度等級和結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度也是要求越來越高。人們對于機械產(chǎn)品的設(shè)計，同樣也要求具有創(chuàng)新性，更符合人性化和工業(yè)化。所以，針對國外的設(shè)計可以進行參考和總結(jié)，幫助我們完成對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的設(shè)計。機械手技術(shù)對工業(yè)發(fā)展有很大的好處，首先，它可以按照生產(chǎn)進行加工，依照一定的程序和規(guī)定的時間內(nèi)完成工件的加工和傳送；其次，它可以減輕工人的壓力，而且它能單獨的對機械進行裝配，因此可以改善工人勞動環(huán)境，有效地提高生產(chǎn)效率，減輕工人勞動強度，節(jié)約了成本。尤其在一些有污染環(huán)境的場合，機械手的實用性更加體現(xiàn)出來。如今，電子技術(shù)的飛速發(fā)展和滲入，機械手的研究和開發(fā)是人類進步的橋梁，機械手的迅速發(fā)展使得它成為工業(yè)行業(yè)中的重要部分。同時，也是因為機器人的發(fā)展，促進了機械手的飛速發(fā)展。在現(xiàn)代生產(chǎn)過程中，機械手被用于自動化流水生產(chǎn)線上，這樣使得機械手能夠廣泛的被運用，并且能夠熟練地適用于工業(yè)生產(chǎn)的腳步。本次課題設(shè)計的機械手是通過用三菱PLC來進行程序系統(tǒng)的控制，PLC控制是機械手的靈魂。對于三菱系列的PLC,它的通用性好、適用范圍廣、靈活性和編程簡單等方法來實現(xiàn)自動化。2 機械手整體結(jié)構(gòu)設(shè)計 機械手概述在機械行業(yè)中，由于生產(chǎn)環(huán)節(jié)比較多，要想各環(huán)節(jié)協(xié)調(diào)運行需要大量的人力、物力、空間資源等，這樣的生產(chǎn)方法成本高、效率低、復(fù)雜程度高。為了解決上述難題，本設(shè)計主要研究基于PLC控制機械手的自動運行。在過去的幾十年里，機械手發(fā)展非?？?，迅速發(fā)展成為一種高科技的自動化程度非常高的生產(chǎn)設(shè)備。機械手是機器人的一部分，也是屬于機器人，它有機器人的部分特征，并且機械手可以通過簡單的編程來實現(xiàn)它的自動化來完成各種預(yù)期的任務(wù)，它繼承了人和機器人的一些特征和優(yōu)點，尤其是有了人工智能，在生產(chǎn)過程中更加的準確和在各種環(huán)境下能夠有效的工作。相對于我國來說，機械手有著更為廣大的發(fā)展空間，也有利于提高國民經(jīng)濟的水平[3]。 機械手工作原理機械手是一種通過一定的編程軟件來對其進行自動定位和以多變的動作形式來實現(xiàn)預(yù)期的功能。它擁有多個自由度，在空間中能夠靈活地自由運動。執(zhí)行元件、驅(qū)動元件和控制系統(tǒng)這三個部分組成了機械手。其中執(zhí)行元件由手部、手臂和身軀構(gòu)成。手部裝在手臂的上端可以夾緊。機械手的手部可以模仿人的手指，因此非常的靈活。在本設(shè)計中主要是用到夾緊氣缸，來完成對零件的夾緊和搬運功能。在設(shè)計中我們可根據(jù)被夾工件的大小和形狀來裝備各種各樣的夾頭，以便適應(yīng)不同的操作需要。手臂是用來引導(dǎo)氣爪能夠準確地抓住工件，并把工件搬送到另一個工位上。一般機械手的運動有兩種，一種是直線運動，另一種是旋轉(zhuǎn)運動。身軀主要是用來安裝手臂、動力源和各執(zhí)行元件，而且它可以起到連接的作用。驅(qū)動元件是用來驅(qū)動氣爪來抓取工件也可以吸取工件，以達到預(yù)定的功能?？梢噪S時改變被夾持工件件的位置。驅(qū)動元件的能夠?qū)崿F(xiàn)上升、下降、旋轉(zhuǎn)、前后左右移動的這些動作，叫做機械手的自由度。自由度是機械手一個很重要的參數(shù)性能，機械手的自由度越高，則機械手的靈活性就會越高，它的結(jié)構(gòu)就會越復(fù)雜，通用性就會越廣，反之則越小。