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基于PLC的搬运机械手.docx
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第 1 章 机械手概况
1.1 机械手的应用及概况
机械手除切削加工本身外,还有大量的装卸、搬运、装配等作业,有待
于进一步实现机械化。据资料介绍,美国生产的全部工业零件中,有75%是
小批量生产;金属加工生产批量中有四分之三在 50 件以下,零件真正在机床
上加工的时间仅占零件生产时间的 5%。从这里可看出,装卸、搬运等工序
机械化的迫切性,工业机械手就是为实现这些工序的自动化而产生的。机械
手可在空间抓放物体,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,工业机械手已经成为工业生产中提高劳动生产率的重要因素。
在机械工业中,机械手的应用意义可以概括如下:
1.可以提高生产过程的自动化程度
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。
2.可以改善劳动条件
避免人身事故在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放
射性或有其它毒性污染以及工作空间狭窄等场合中,用人手直接操作是有危
险或根本不可能的。而应用机械手即可部分或全部代替人安全地完成作业,
大大地改善了工人的劳动条件。在一些动作简单但又重复作业的操作中,以
机械手代替人手进行工作,可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。
3.可以减少人力,便于有节奏地生产
应用机械手代替人手进行工作,这是直接减少人力的一个侧面,同时由
于应用机械手可以连续地工作,这是减少人力的另一个侧面。因此,在自动
化机床和综合加工自动生产线上,目前几乎都设有机械手,以减少人力和更
准确地控制生产的节拍,便于有节奏地进行生产。
综上所述,有效地应用机械手是发展机械工业的必然趋势。
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1.2 机械手的发展历程与趋势
1)发展历程
机械手是在早期就有的古机器人基础上发展起来的,我国古代的机关人制
造者是最早研究有关机械手、关节活动等问题的.现代机械手的研究始于 20
世纪中期,随着计算机和自动化技术的发展,特别是 1946 年第一台数字电子
计算机问世,计算机取得了惊人的进步,向高速度、大容量、低价格的方向
发展。同时,大批量生产的迫切需求推动了自动化技术的进展,又为机器人
的开发奠定了基础。另一方面,核能技术的研究要求某些操作机械代替人处
理放射性物质。在这一需求背景下,美国于 1947 年开发了遥控机械手,1948
年又开发了机械式的主从机械手。
2)发展趋势
1 重复高精度
重复精度是指如果动作重复次数多,机械手到达同样位置的精确程度。
随着微电子技术和现代控制技术的发展,机械手的重复精度将越来越高,它
的应用领域也将更广阔,如核工业和军事工业等。
2 模块化
模块化拼装的机械手比组合导向驱动装置更具灵活的安装体系。它集成
电接口和带电缆及油管的导向系统装置,使机械手动作自如。模块化机械手
使同一机械手可能应用不同的模块而具有不同的功能,扩大了机械手的应用
范围,是机械手的一个重要的发展方向。
3 节能化
为了适应食品、医药、生物工程、电子、纺织、精密仪器等行业的无污
染要求不加润滑脂的不供油润滑元件已经问世。随着材料技术的进步,新型
材料的出现,构造特殊、用自润滑材料制造的无润滑元件,不仅节省润滑油、
不污染环境,而且系统简单、摩擦性能稳定、成本低、寿命长。
4 机电一体化
由“可编程控制器—传感器—液压元件”组成的典型的控制系统仍然是
自动化技术的重要方面;发展与电子技术相结合的自适应控制液压元件,使
液压技术从“开关控制”进入到高精度的“反馈控制” ;而今,电磁阀的线
圈功率越来越小,而 PLC 的输出功率在增大,由 PLC 直接控制线圈变得越来
越可能。
国外机械手的发展趋势是大力研制具有某种智能的机械手。使它具有一定
的传感能力,能反馈外界条件的变化,作相应的变更。如位置发生稍许偏差
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时,即能更正并自行检测,重点是研究视觉功能和触觉功能。目前已经取得
一定成绩。
随着科学与技术的发展,机械手的应用领域也不断扩大。
1.3 PLC 概述及应用
1、可编程序控制器概况
可编程序控制器(programmable controller),现在一般简称为 PLC
(programmable logic controller),它是以微处理器为基础,综合了计算
机技术、半导体集成技术、自动控制技术、数字技术、通信网络技发展起来
的一种通用的工业自动控制装置。以其显著的优点在冶金、化工、交通、电
力等领域获得了广泛的应用,成为了现代工业控制三大支柱之一。
2、 PLC 的应用领域
PLC 已经广泛地运用在所有的工业部门,随着起能性价格比的不断提高,
PLC 的应用范围不断扩大,主要有以下几方面:
1)数字量逻辑控制
2)运动控制
3)闭环过程控制
4)数据处理
5)通信联网
3. PLC 的特点
1). 编程方法简单易学
2). 功能强,性能价格比高
3). 硬件配套及齐全,用户使用方便,适应性强
4). 可靠性高,抗干扰能力强
5). 系统的设计、安装、调试工作量少
6). 维修工作量小,维修方便
7). 体积小,重量輕,能耗小
4.PLC在机械手中的应用用
机械手通常应用与动作复杂的场合來代替人的反复的操作,从而节省人
的劳动,普通继电器由于其体积和接口等各方面限制,经常被应用于动作简
单的电气及流水线控制,而 PLC 以其可靠性高、抗干扰能力强;控制系统构成
简单、通用性强;编程简单、使用、维护方便;组合方便、功能强、应用范围
广; 体积小、重量轻、功耗低等有点被广泛应用于类似机械手的控制动作复
杂的场合,本设计正是以 PLC 控制为基础从而实现机械手的各种动作。
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第 2 章 机械手的总体设计方案
2.1 机械手结构及其动作
机械手有水平和垂直移位两种。其上升/下降和左移/右移的执行,分
别由双线圈二位电磁阀控制气缸的运动完成。例如,当下降电磁阀通电,机
械手下降,若下降电磁阀断电,机械手停止下降,但保持现有的动作状态。
只有当上升电磁阀通电时,机械手才上升。同样左移/右移动作也是由对应
的电磁阀控制。夹紧/放松则是由单线圈二位电磁阀控制气缸运动来实现,
线圈通电时执行夹紧动作,断电时执行放松动作。并且要求,只有当右工作
台上无工件时才能允许机械手在右边下降。因此,该设备的检测元件有上、
下、左、右四个限位开关,和一个无工件检测的光电开关。如图 2-1 所示。
图 2-1 机械手动作示意图
图 2-2 机械手动作周期
机械手的动作过程分为 8 工步,即从原点开始经下降、夹紧、上升、右
移、下降、放松、上升、左移 8 个动作后完成一个周期并回到原点。机械手
的动作周期如图 2-2 所示。
2.2 机械手的控制过程
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如图 2—3 所示,结合图 2-1 进行分析。当停留在原点时,左限位开关和
上限位开关闭合,按下启动按钮,置位下降电磁阀是垂直气缸坐下将动作,
直到下限位开关闭合,置位夹紧电磁阀使气动手指加紧工件,延时 1s 后置位
上升电磁阀使机械手加紧工件上升,上限位开关闭合,然后置位右行电磁阀
使水平气缸右移,右移到位后置位下降电磁阀,垂直气缸下降,到位后下限
位开关闭合,然后复位夹紧电磁阀使气动手指松开,延时 1s 后置位上升电磁
阀,到位后右限位开关闭合,置位左行电磁阀使水平气缸左移,回到原点。
图 2-3 机械手示意图
2.3 机械手的控制要求
控制方面的要求为了满足生产要求,机械手设置了手动工作方式和自动
工作方式,而自动工作方式又分为单步、单周期和连续工作方式。
手动操作:供维修用,即用按钮对机械手的每一种动作进行单独控制。
例如,当选择上/下运动时,按下起动按钮,机械手上升;按下停止按钮时,
机械手下降。其它动作,以此类推。手动操作可用于调整工作位置和紧急停
车后机械手返回原点。
单工步运行:供调试用,即每按一次起动按钮,机械手按顺序向前执行
一个动作后停止。再按一次启动按钮,才开始执行下一步的操作。单工步工
作方式常用于系统的调试。
单周期运行:供首次检验用,当机械手在原点时,按下起动按钮,机械
手自动执行一个周期的动作后,自动停止在原点。
自动连续运行:正常工作用,当机械手在原点并按下起动按钮时,机械
手周而复始地执行各工步动作。按下停止按钮,并不马上停止工作,而是完
成最后一个周期的工作后,系统才返回并停留在初始步。
为了更加方便,和考虑到现实中的需要,我增加了回原点的工作方式。
在进行单周期、连续和单工步工作方式前,系统应处于原点状态;如果不满
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