毕业设计—plc机械手控制系统设计.doc
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1、 毕 业 设 计 论 文 题目: 机械手控制系统的设计 系 别: 电气与电子工程系专 业:自动化姓 名:学 号:指导教师:河南城建学院2011年5月24日河南城建学院 毕业设计(论文)任 务 书题 目机械手控制系统的设计系 别电气与电子工程系专业自动化班级学号学生姓名指导教师发放日期河南城建学院教务处制河南城建学院本科毕业设计(论文)任务书一、主要任务与目标:主要任务:根据机械手的动作特点和控制要求,完成机械手控制系统的硬件和软件设计,并编写毕业设计说明书。目标:1、培养学生综合运用所学理论知识的能力。2、培养学生分析和解决实际问题的能力。3、培养学生调查研究、查阅技术文献、资料、手册以及编写
2、技术文献的能力。二、主要内容与基本要求:主要内容:1、了解机械手控制装置的结构和设计要求。2、根据控制系统的需求,预选有关设备的台数、规格,进行PLC的选型,确定此系统的结构形式。3、软件设计及程序调试。4、其它相关电气元件及机械部件的选定。基本要求:1、完成机械手旋转、移动和抓取的功能。2、使用PLC来控制直流伺服电动机使机械手各部分协调工作。3、根据设计的程序及控制策略尽可能使方案经济、实用。4、系统应具有较高的安全性和可靠性。三、计划进度:毕业设计从第5周到第14周共10周时间。第5周,熟悉题目,查阅资料,调研。第67周,确定系统控制方案,完成硬件接线图。第8-9周,完成设备选型。第10
3、-12周,进行系统软件设计并进行程序调试。第13周,编写整理设计说明书。第14周,答辩。四、主要参考文献1、梅晓榕,自动控制元件及线路,科学出版社2、顾绳谷,电机及拖动基础,机械工业出版社3、王庭有,可编程控制器原理及应用,国防工业出版社4、张燕宾,变频调速应用实践,机械工业出版社5、姜培刚、盖玉先,机电一体化系统设计,机械工业出版社指导教师(签名): 年 月 日教研室审核意见: (建议就任务书的规范性;任务书的主要内容和基本要求的明确具体性;任务书计划进度的合理性;提供的参考文献数量;是否同意下达任务书等方面进行审核。) 教研室主任签名: 年 月 日注:任务书必须由指导教师和学生互相交流后,
4、由指导老师下达并交教研室主任审核后发给学生,最后同学生毕业论文等其它材料一起存档。成绩评定成绩评定说明一、答辩前每个学生都要将自己的毕业设计(论文)在指定的时间内交给指导教师,由指导教师审阅,写出评语并预评分。二、答辩工作结束后,答辩小组应举行专门会议按学校统一的评分标准和评分办法,在参考指导教师预评结果的基础上,评定每个学生的成绩。系对专业答辩小组提出的优秀和不及格的毕业设计(论文),要组织系级答辩,最终确定成绩,并向学生公布。三、各专业学生的最后成绩应符合正态分布规律。四、具体评分标准和办法见河南城建学院毕业设计(论文)工作条例。五、答辩小组评分包括两部分:(1)学生答辩情况的得分和评阅教
5、师评分;(2)指导教师对学生毕业设计(论文)的评分毕业设计(论文)成绩评定班级 122407224 姓名 孙杰 学号 122407224综合成绩: 分(折合等级 )答辩小组组长签字 年 月 日答辩小组评定意见一、评语(根据学生答辩情况及其论文质量综合评定)。二、评分(按下表要求评定)评分项目答 辩 小 组 评 分评 阅 教 师 评 分合计(40分)完成任务情 况(5分)毕业设计(论文)质量(5分)表达情况(5分)回答问题情 况(5分)质 量(正确性、条理性、创造性、实用性)(10分)成果的技术水平(科学性、系统性)(10分)评分答辩小组成员签字 年 月 日 毕业答辩说明1、答辩前,答辩小组成员
6、应详细审阅每个答辩学生的毕业设计(论文),为答辩做好准备,并根据毕业设计(论文)质量标准给出实际得分。2、严肃认真组织答辩,公平、公正地给出答辩成绩。3、指导教师应参加所指导学生的答辩,但在评定其成绩时宜回避。4、答辩中要有专人作好答辩记录。指导教师评定意见一、对毕业设计(论文)的学术评语(应具体、准确、实事求是): 签字: 年 月 日二、对毕业设计(论文)评分按下表要求综合评定。(1)理工科评分表评分项目(分值)工作态度与 纪 律(10分)毕业设计(论文)完成任务情况与水平(工作量与质量)(20分)独 立工作能力(10分)基础理论和基本技能(10分)创 新能 力(10分)合 计(60分)得分
7、(2)文科评分表评分项目(分值)文献阅读与文献综述(10分)外文翻译(10分)论文撰写质量(10分)学习态度(10分)论证能力与创新(20分) 合 计(60分)得分 指导教师签字: 年 月 日摘要机械手是在自动化生产过程中发展起来的一种新型装置,广泛应用于工业生产和其他领域。可编程控制器(PLC)已在工业生产过程中得到广泛的应用。论文以西门子PLC为基础,介绍PLC在机械手搬运控制中的应用,设计了一套可行的机械手控制系统,并给出了详细的PLC程序。此机械运用到了步进电机、直流电机驱动和气压传动,能够使机械手满足控制要求。介绍了机械手的动作顺序及其应用PLC进行控制的设计方法,建立了相应的原理图
8、,确定了PLC的输入输出量,建立了PLC控制的硬件接线图及相应的控制流程图。通过PLC的软件程序控制各电磁阀,驱动气缸动作,给出一定的脉冲驱动步进电机,从而控制机械手的动作。本课题拟开发的物料搬运机械手可在空间抓放物体,动作灵活多样,可代替人工在高温和危险的作业区进行作业,并可根据工件的变化及运动流程的要求随时更改相关参数。关键字:机械手, PLC, 驱动AbstractThe manipulator is a new device developed in the automatic production process. It is widely used in industrial pr
9、oducing and other fields. Programmable Logic Controller (PLC), has been widely used in industrial producing as well. This paper based on Siemens PLC is introduced, and control of PLC in manipulator handling applications, design a feasible robot control system, and gives the detailed PLC program. Thi
10、s machine use to step motor, dc motor drive and pneumatic transmission, can make robots meet the control requirements well. Introduces the order and application of the manipulator action PLC control design method, establishes the principle diagram, confirmed the input/output of PLC, and established
11、the PLC control hardware hookup and corresponding control flow. The PLC program control each electromagnetic valve software, drive, and give certain cylinder drive stepping motor pulse of the manipulator to control movements. This subject is the development of material handling manipulator to put in
12、 space objects, flexible motion caught diversiform, can replace artificial in high temperature and dangerous areas in the operations, and can according to the changes and the movement process workpiece requirements of related parameters change at any time. Keywords: manipulator, PLC, drive目录1 绪论11.1
13、课题背景11.2 机械手的定义及分类21.3 机械手的应用及组成机构31.4 机械手的发展趋势42 可编程逻辑控制器(PLC)42.1 PLC的特点42.2 PLC的选型52.3 西门子S7-200系列PLC的结构功能63 机械手的结构设计83.1 机械手的结构概述83.1.1 机械手的运动自由度83.2 机械手的各部分结构93.2.1手部的设计93.2.2 手腕123.2.3 臂部133.2.4 机身143.3 本设计的总体要求154 机械手的硬件设计及驱动164.1气压传动164.1.1 气压传动简介164.1.2 气压传动的设计164.2 步进电机的驱动174.2.1步进电机驱动的原理1
14、74.2.2 步进电机驱动的设计194.3直流电机的驱动214.3.1 驱动芯片的介绍214.3.2 驱动的设计215 机械手的控制系统设计225.1 机械手的功能介绍225.2 机械手的控制235.2.1 S7-200 PLC的CPU选择235.2.2 PLC的I/O分配235.2.3 物块的位置控制及程序流程图255.3 PLC的程序设计275.4 PLC程序设计的总结31结论32参考文献33附录A34致谢471 绪论1.1课题背景随着现代工业技术的发展,工业自动化技术越来越高,生产工况也有趋于恶劣的态势,这对一线工人的操作技能也提出了更高的要求,同时操作工人的工作安全也受到了相应的威胁。
15、工人工作环境和工作内容也要求理想化简单化,对于一些往复的工作由机械手远程控制或自动完成显得非常重要。这样可以避免一些人不能接触的物质对人体造成伤害,如冶金、化工、医药、航空航天等。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。机械手发展较快,应用较多。目前主要应用于机床、模锻压力机的上下料以及焊接、喷漆等作业,它可以按照事先制定的作业程序完成规定的操作,有些还具备有传感反馈能力,能应付外界的变化。如果机械手发生某些
16、偏离时,会引起零部件甚至机械本身的损坏,但若有了传感反馈自动,机械手就可以根据反馈自行调整。应用机械手,有利于提高材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化程度,从而可以提高劳动生产率,降低生产成本,加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。机械手技术涉及到力学、机械学、电气液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域,是一门跨学科综合技术。近些年,随着计算机技术、电子技术以及传感技术等在机械手中越来越多的应用,机械手已经成为工业生产中提高劳动生产率的重要因素。PLC由于采用现代大规模集成电路技术,采用严格的生产工艺制造,内部电路采取了先进的抗干扰技术,具有很高的可靠性
17、,此外,PLC带有硬件故障自我检测功能,出现故障时可及时发出警报信息;PLC采用光电隔离和滤波技术技术有效抑制外部干扰源对PLC的影响,此外PLC还可在较为复杂的环境下工作;具有编程简单,易于掌握;设计安装容易,维护工作量少;功能强、通用性好;开发周期短,功耗小等优点。本课题对现代工业的的发展具有很重要的意义。可编程序控制器PLC控制的物料搬运机械手控制系统动作简便、线路设计合理、具有较强的抗干扰能力,保证了系统运行的可靠性,降低了维修率,提高了工作效率。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。工业机械手是工业机器人的一个重要分支。它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务,
18、在构造和性能上兼有人和机器各自的优点,尤其体现了人的智能和适应性。机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力,在国民经济各领域有着广阔的发展前景。综上所述,有效地应用机械手是发展机械工业的必然趋势。1.2 机械手的定义及分类工业机械手是五十年代末才发展起来的一种高科技自动化生产设备。工业机械手的是工业机器人的一个重要分支。它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务,在构造和性能上兼有人和机器各自的优点,尤其体现了人的智能和适应性。机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力,在国民经济各领域有着广阔的发展前景。随着工业自动化的发展,出现了数控加工中心,它在减轻工人的劳动强度的同时, 大大提
19、高了劳动生产率。但数控加工中常见的上下料工序,通常仍采用人工操作或传统继电器控制的半自动化装置。前者费时费工、效率低; 后者因设计复杂,需较多继电器,接线繁杂,易受车体振动干扰,而存在可靠性差、故障多、维修困难等问题。机械手是一种能自动化定位控制并可重新编程序以变动的多功能机器,它有多个自由度,可用来搬运物体以完成在各个不同环境中工作。机械手的迅速发展是由于它的积极作用正日益为人们所认识。其一,它能部分代替人工操作;其二,它能按照生产工艺要求,遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送和装卸;其三,它能操作必要的机具进行焊接和装配。因此,它能大大地改善工人的劳动条件,显著地提高劳动生产率,加快
20、实现工业生产机械化和自动化的步伐。因而,受到各先进工业国家的重视,并投入了大量的物力和财力加以研究和应用。尤其在高温、高压、粉尘、噪音以及带有放射性和污染的场合,应用得更为广泛。机械手一般分为三类。第一类是不需要人工操作的通用机械手,它是一种独立的不附属于某一主机的装置。它可以根据任务的需要编制程序,以完成各项规定工作。它的特点是除具备普通机械的物理性能外,还具备通用机械、记忆智能的三元机械。第二类是需要人工操作的,称为操作机。它起源于原子、军事工业,先是通过操作机来完成特定的作业,后来发展到用无线电信号操作机械手来进行探测月球、火星等。第三类是专用机械手,主要附属于自动机床或自动线上,用于解
21、决机床上下料和工件传送。这种机械手在国外称为“Mechanical Hand”,它是为主机服务的,由主机驱动,除少数外,工作程序一般是固定的,因此是专用的。本项目要求设计的机械手模型可归为第一类,即通用机械手。1.3 机械手的应用及组成机构目前工业机械手主要用于流水线传送、焊接、装配、机床加工、铸造、热处理等方面,无论数量、品种和性能方面都能满足工业生产发展的需要。在国内主要是发展各方面的机械手,逐步扩大应用范围,以减轻劳动强度,改善作业条件。在应用专用机械手的同时,相应地发展通用机械手,专用条件还要研制示教机械手、组合机械手等。将机械手各运动构件,如伸缩、摆动、升降、横移、俯仰等机构,以及用
22、于不同类型的夹紧机构,设计成典型的通用机构,以便根据不同的作业要求,选用不同的典型部件,即可组成不同用途的机械手,即便于设计制造,又便于改换工作,扩大了应用的范围。同时要提高速度,减少冲击,正确定位,以更好地发挥机械手的作用。机械手主要由执行机构、驱动机构和控制系统构成。执行机构包括手部、手臂和躯干。手部装在手臂前端,可以转动、开闭手指。机械手手部的构造系统模仿人的手指,分为无关节、固定关节和自由关节三种。手指的数量又可以分为二指、三指、四指等,其中以二指用得最多。可根据夾持对象的形状和大小配备多种形状和尺寸的夹头,以适应操作的需要。本设计采用二指的构造。手臂的作用是引导手指准确地抓住工件,并
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