课程设计机械手控制系统设计

图3.1 PLC的结构框图用户存储器包括用户程序存储器（程序区）和数据存储器（数据区）两部分。

用户程序存储器用来存放用户针对具体控制任务用规定的PLC编程语言编写的各种用户程序。

用户数据存储器可以用来存放（记忆）用户程序中所使用器件ON/OFF状态和数值、数据等。

用户存储器的大小关系到用户程序容量的大小，是反映PLC性能的重要指标之一。

PLC使用的存储器类型有三种。

第一种是随机存取存储器（RAM）；第二种是只读存储器（ROM）；第三种是可电擦除可编程的只读存储器（EEPROM或EPROM）。

3、输入/输出模块输入（Input）模块和输出（Output）模块简称为I/O模块。

PLC的输入和输出信号类型可以是开关量、模拟量和数字量。

输入/输出模块从广义上分包含两部分：一是与控制设备相连接的接口电路；另一部分是输入和输出的映像寄存器。

输入模块用于处理输入信号，对输入信号进行滤波、隔离、电平转换等，把输入信号的逻辑值安全可靠地传递到PLC内部。

输出模块用于把用户程序的逻辑运算结果输出到PLC 外部，输出模块具有隔离PLC内部电路和外部执行元件的作用，还具有功率放大的作用。

4、电源模块PLC一般使用220V的交流电源，内部的开关电源为PLC的中央处理器、存储器等电路提供5V、±12V、24V等直流电源，使PLC能正常工作。

2 机械手下降电磁阀YV 23 机械手伸出电磁阀YV 3表3.3辅助继电器符号表序名称电气符号1 机械手上升辅助继电器M02 机械手下降辅助继电器M13 机械手张开辅助继电器M24 机械手上升辅助继电器M32.2.2 PLC的选型目前，世界上有200多个厂家生产可编程控制器产品，比较著名的PLC生产厂家主要有美国的AB、通用（GE）、日本的三菱（MITSBISHI）、欧姆龙（OMRON）、德国的西门子（SIMENS）、法国的TE、韩国的三星（SUMSUNG）、LG等。

目前三菱PLC已经广泛应用于农业、渔业、交通、食品工业，制造业，娱乐业、健康和医疗，健康和环境！PLC是在继电器控制基础上以微处理器为核心，将自动控制技术，计算机技术和通信技术融为一体而发展起来的一种新型工业自动控制装置。

目前PLC已基本替代了传统的继电器控制系统，成为工业自动化领域中最重要、应用最多的控制装置，居工业生产自动化三大支柱（可编程控制器、机器人、计算机辅助设计与制造）的首位。

三菱PLC系列目前主要有:FX1N系列,FX1S系列,FX1N系列,FX2N系列, FX2N系列,FX3U系列,FX3UC,Q系列,A系列,L系列下面就一一来介绍这些系列型号。

三菱plc系列型号型号参数面价FX1N-60MR-001 输入点：36，24点继电器输出46801 KA 1 Y02 KA 2 Y13 KA 3 Y2 2.3.2 PLC外部接线如图所示。

FX2N-32MR外部接线图中：工作台物品检测开关SQ1机械手下降限位开关SQ2机械手夹紧检测开关SQ3机械手上升限位开关SQ4机械手伸出限位开关SQ5机械手缩回限位开关SQ6总启动按钮SB1，总停止按钮SB2，电气控制原理系统图：机械手夹放电磁阀连接KA1；机械手升降电磁阀连接KA2；机械手伸缩电磁阀连接KA3；电磁阀失电气缸伸出，得电收缩。

电气连接图如图3.7所示。

图3.7 电气连接图2.3.2 阀的选择：此阀采用二位四通电磁阀2.4 传感器的选型2.4.1 SQ1的选型SQ1属于存在性检测，可以用红外线传感器：光电子学是一门光学和半导体电子学综合学科。

光电子元件制成的传感器性能可靠，经济实惠。

该系列产品包括：标准红外线发射二极管（IRED)，传感器及其组件。

最佳使用环境：存在性检测、运动传感、位置编码、限位传感、运动物体的检测和计数。

经济型红外光电传感器选型表：（1）3mm 塑料封装红外光电传感器选型表型号类型波长驱动电流发光强度发光/接收角度亮电流Vce(sa ) 上升下降时间规格书页码发光管SEP-4216 发光二极管940nm 20mA 0.52 –1.02mW/cm220deg --- --- --- SEP-4216.pdf接收管SDP-4206 光电三极管--- --- --- --- 3.2–9.6mA <<0.4V TYP.20usSDP-4206.pdf（2）5mm 塑料封装红外光电传感器选型表型号类型波长驱动电流发光强度发光/接收角度亮电流Vce(sat) 上升下降时间规格书页码发光管SEP-4208 发光二极管940nm 20mA 1.7 –3.14mW/cm220deg --- --- --- SEP-4208.pdf接收管SDP-0323 光电二极管900nm --- --- --- TYP.13uA--- TYP.100nsSDP-0323.pdfSDP-3208 光电三极管--- --- --- --- 2.08 –3.60mA<0.4V TYP.25usSDP-3208.pdf（3）侧面发光塑料封装红外光电传感器选型表型号类型波长驱动电流发光强度发光/接收角度亮电流Vce(sat) 上升下降时间规格书页码发光管SEP-0322 发光二极管940nm 20mA 1.00 –1.62mW/cm240deg --- --- --- SEP-0322.pdf接收管SDP-0301 光电三极管--- --- --- --- 2.00 – 3.84mA < 0.4V TYP.25usSDP-0301.pdf（4）反射式红外光电传感器选型表外形型号组成驱动电流亮电流Vce(sat) 上升下降时间规格书页码表贴式HOA-1550 发光二极管/光电三极管20mA 1.37–1.77mA<0.4V TYP. 7us HOA-1550(SMTreflectivesensor).pdf根据实际环境要求，初步选用HOA-1550反射式红外光电传感器。

其参数如下：2.4.2 SQ3的选型查阅：由于机械设计部分中：F>mg/2µ=2×9.8/(2×0.65)=15.1N 传感器受力面积A=1cm2 所以压力：P=F/A=15/0.0001m2=150KPa这里选用MPX2200压力传感器最大压力范围为200KPA。

第三章PLC程序的设计3.1 PLC程序的设计1、流程图2、梯形图3、指令表。

机械手气动回路图本设计的气动机械手完成各个运动的气缸只有完全伸出和完全缩回两个状态，选择两位五通换向阀控制各个气缸的运动方向，气缸的进出口回路各设置一个单向节流阀，通过控制进出口空气流量的大小来控制气缸执行器动力的大小和运动速度。

设计中采用PLC控制机械手实现各种规定的预定动作，既可以简化控制线路，节省成本，又可以提高劳动生产率。

4.6末端执行器的设计由于本设计所采用标准气爪，不需要进行设计，直接选型即可。

本设计要求机械手手爪的最大持重m=2Kg，根据具体的工作要求，选择标准平行开闭型气爪，其结构如图所示。

当A口进气B口排气时，气缸活塞杆1伸出，通过杠杆2绕杠杆轴8回转，带动两个手指4通过一组钢球3在导轨5上作向外直线运动，两手指便张开，松开工件。

止动块6限制手指张开行程，定位销7保证直线导轨不错位。

平行开闭型气爪结构原理图1-活塞杆2-杠杆3-钢球4-手指5-导轨6-止动块7-定位销8-杠杆轴对夹持工件进行受力分析如图所示，2个手指的总夹持力产生的摩擦力2µF必须大于夹持工件的重力mg，故应满足2µF>mg即F>mg/2µ式中µ—摩擦系数，本设计的夹持辅助件材料为硬质橡胶，一般令µ=0.65；由此F>mg/2µ=2×9.8/(2×0.65)=15.1N夹持工件受力示意图根据计算出的夹持力的大小和表3-1，可选择合适的末端执行器（手爪）的型号：MHZ-10D。

表3-14.7升降手臂的设计升降手臂为机械手执行上下伸缩运动的机构，它是连接机械手末端执行器和平移手臂的部件，它的基本作用是完成末端执行器的伸出和缩回运动。

升降手臂主要承受末端执行器和夹持物件的重力，为使设计的标准化和简便化，在本设计中，伸缩手臂采用新薄型带导杆气缸（如图）。

该气缸体积小、轻巧，耐横向负载能力强，耐扭矩能力强，不回转精度高，导向杆的轴承可选择滑动轴承或球轴承，安装方便，二面接管位置可供选择。

新薄型带导杆气缸根据本机械手的设计技术参数，伸缩手臂的行程为200mm，气爪抓重约为2Kg，加上末端执行器（气爪）和连接板的重量，总质量约为3Kg，由此，伸缩手臂的最大负载F=mg=3×9.8=29.4N。

根据数据要求，初步选定为缸径为20mm型号为MGPL20—200的气缸作为机械手的升降手臂。

伸缩手臂作上下直线运动时，主要克服的是摩擦阻力和惯性力，因此，气缸所需要的驱动力应由摩擦阻力,重力和惯性力来确定。

式中F摩—摩擦阻力，应包括手臂与伸缩导轨间的摩擦阻力，活塞与密封装置处的摩擦阻力；F惯—手臂在启动过程的惯性力。

其大小可按以下公式计算；tg VG F∆•∆•=总惯其中G 总—手臂移动部件的重量（牛顿）； g —重力加速度（9.8米/秒2）； V ∆—启动或制动前后的速度差（米/秒）； t ∆—启动或制动所需的时间（秒）。

惯性力的计算：本设计要求手臂升降时V=200mm/s ，在计算惯性力的时候，设置启动时间t ∆=0.1s ，启动速度∆V=V=200mm/s 。

tg VG F∆•∆•=总惯=1.09.8.20.429⨯⨯=6 N由于升降运动，气缸所受的摩擦力很小，可以忽略不计。

所以：气缸所需的驱动力 F 驱= F 摩+ F 惯+F =0+6+29.4=35.4N 气缸的理论驱动力 F=1/4πd 2p其中 d —气缸活塞杆的直径（米）； p —气缸的工作压力（帕）。

根据设计技术参数 d=10mm ，p=0.5MP a代入数据进行计算得 F=1/4πd 2p=1/4×3.14×（0.01）2×0.5×106 =39.3 N 由计算的结果可知 F>F驱即气缸提供的理论驱动力大于气缸实际所需的驱动力，因此，伸缩手臂的设计符合设计要求。

4.8 平移手臂的设计平移手臂为机械手执行左右平移运动的机构，它是连接机械手升降手臂的部件，它的基本作用是完成机械手左右平移运动的。

平移手臂主要承受升降手臂，末端执行器和夹持物件的重力，为使设计的标准化和简便化，在本设计中，平移手臂采用气动滑台（如图3-4）。

该气缸体积小、轻巧，耐横向负载能力强，耐扭矩能力强。

图3-4 气动滑台根据本机械手的设计技术参数，平移手臂的行程为400mm ，气爪抓重约为2Kg ，加上升降手臂，末端执行器（气爪）和连接板的重量，总质量约为4Kg ，由此，伸缩手臂的最大负载F=mg=4×9.8=38.2N 。