基于S7-300的机械手臂自动控制系统说明书
摘要
随着自动化生产程度的提高,PLC 在生产控制系统中的应用也越来越广泛。本设计是基于西门子公司S7-300可编程控制器，设计了机械手臂PLC控制的自动控制系统。该工艺过程主要是完成对电机的控制。系统主要由变频器、转台电机、液压泵电机、采样头电机、输送机、破碎机、缩分机、收集器以及控制系统组成。通过对系统主电路、控制电路设计，给出了机械手臂自动控制系统完整的硬件接线图和流程图。根据机械手臂的生产工艺要求，设计并使用STEP 7编制了一套适用于该生产工艺的梯形图。利用Simens公司的Wincc完成了机械手臂的监控界面。本设计过程中涉及较多的开关量输入输出点，故选用配置灵活的模块式结构PLC 以提高系统的可靠性与处理效率。
关键词： S7-300；机械手臂；自动控制
Abstract
With the improvement of automatic production, the PLC application in production control system is also more and more broad. This design based on the Siemens S7-300 programmable controller, PLC controlled robotic arm designed automatic control system. The key is to complete the process of motor control. System mainly consists of inverter, turntable motor, hydraulic pump motor, the sampling hea d and the motor, conveyor, crusher, reduced extension, the collector and the control system.Through the design of system main circuit and control circuit, gives the complete hardware of the control system wiring diagrams and flow charts.According to the mechanical arm's technique of production's request, Design and use STEP 7 for the preparation of a ladder in the production process. Wincc by Simens company completed a mechanical arm monitoring interface.This design involves more switches quantity input output spot, the simulation quantity input output spot, therefore selects input output disposition nimble module type structure PLC to enhance the system the reliability and the processing efficiency.
Key Words:S7-300；Mechanical arm；Automatic control
目录
第一章绪论 (1)
1.1设计背景 (1)
1.2设计目的 (1)
1.3国内外研究现状和趋势 (2)
1.4设计原则 (3)
第二章系统方案设计 (4)
2.1设计依据 (4)
2.2各部分功能分述 (5)
2.2.1 采样过程 (5)
2.2.2 制样过程 (5)
2.3控制方案的比较、论证和确定 (5)
2.3.1 方案的比较 (5)
2.3.2 方案论证及确定 (8)
2.4系统结构图 (9)
第三章系统硬件设计 (10)
3.1设计依据 (10)
3.2硬件设计 (10)
3.3电动机选型 (14)
3.4变频器设计 (15)
3.4.1 概述 (15)
3.4.2 变频器分类 (15)
3.4.3 变频器的组成、工作原理及控制方式 (15)
3.4.4 变频器选择 (18)
3.5硬件地址配置 (20)
3.6控制系统模块选择 (22)
3.6.1 设计依据 (22)
3.6.2 S7-300系列PLC组成 (23)
3.6.3 S7-300PLC特点 (24)
3.6.4 模块选择 (24)
第四章控制系统软件设计 (32)
4.1软件设计分析 (32)
4.2系统流程图 (32)
4.3STEP7编程过程 (37)
4.3.1 建立工程 (37)
4.3.2 硬件配置 (37)
4.3.3 STEP 7编程 (38)
第五章组态画面设计 (40)
5.1组态软件概述 (40)
5.2WINCC的介绍 (40)
5.3画面组态 (40)
5.3.1 建立主界面 (40)
5.3.2 建立手动控制界面 (41)
5.3.3 动作过程 (42)
第六章 S7-300与WINCC通讯 (43)
总结 (46)
参考文献 (47)
英文翻译原文 (48)
英文翻译译文 (60)
致谢 (69)
附录 (70)
第一章绪论
1.1 设计背景
机械手是在自动化生产过程中使用的一种具有抓取和移动工件功能的自动化装置，它是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。近年来，随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用，机器人的研制和生产已经成为高技术领域内迅速发展起来的一门新兴技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。机械手能代替人类完成危险、重复枯燥的工作，减轻人类劳动强度，提高劳动生产力。机械手越来越广泛的得到了应用，在机械行业中它可用于零部件组装，加工工件的搬运、装卸，特别是在自动化数控机床、组合机床上使用更普遍。目前，机械手已发展成为柔性制造系统FMS和柔性制造单元FMC中一个重要组成部分。把机床设备和机械手共同构成一个柔性加工系统或柔性制造单元，它适应于中、小批量生产，可以节省庞大的工件输送装置结构紧凑，而且适应性很强。当工件变更时柔性生产系统很容易改变，有利于企业不断更新适销对路的品种，挺高产品质量，更好地适应市场竞争的需要。而目前我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，应用规模和产业化水平低，从经济上、技术上考虑都是十分必要的。因此，进行机械手的研究设计是非常有意义的。
1.2 设计目的
本设计通过对电气工程及其自动化专业大学本科四年的所学知识进行整合，完成一个特定功能、特殊要求的数控机床上下料机械手的设计，能够比较好地体现电气工程及其自动化专业毕业生的理论研究水平，实践动手能力以及专业精神和态度，具有较强的针对性和明确的实施目标，能够实现理论和实践的有机结合。
目前，在国内很多工厂的生产线上数控机床装卸工件仍由人工完成，劳动强度大、生产效率低。为了提高生产加工的工作效率，降低成本，并使生产线发展成为柔性制造系统，适应现代自动化大生产，针对具体生产工艺，利用机器人技术，设计用一台装卸机械手代替人工工作，以提高劳动生产率。
本机械手主要与数控车床（数控铣床，加工中心等）组合最终形成生产线，实现加工过程（上料、加料、下料）的自动化、无人化。目前，我国的制造业正在迅速发展，越来越多的资金流向制造业，越来越多的厂商加入到制造业。本设计能够应用到加工工厂车间，满足数控机床以及加工中心的加工工程安装、卸载加工工件的要求，从而减轻工人劳动强度，节约加工辅助时间，提高生产效率和生产力。
1.3 国内外研究现状和趋势
机械手最早应用在汽车制造工业，常用于焊接、喷漆、上下料和搬运。机械手延伸和扩大了人的手足和大脑功能，它可替代人从事危险、有害、有毒、低温和高热等恶劣环境中的工作；代替人完成繁重、单调重复劳动，提高劳动生产率，保证产品质量。目前主要应用于制造业中，特别是电器制造、汽车制造、塑料加工、通用机械制造及金属加工等工业。工业机械手与数控加工中心，自动搬运小车与自动检测系统可组成柔性制造系统(FMS)和计算机集成制造系统，实现生产自动化。随着生产的发展，功能和性能的不断改善和提高，机械手的应用领域日益扩大。
目前，国际上的机械手公司主要分为日系和欧系。日系中主要有安川、oTC、松下、FANLUC、不二越、川崎等公司的产品。欧系中主要有德国的KUKA、CLOOS、瑞典的ABB、意大利的C0毗U及奥地利的工GM公司。
我国机械手起步于20世纪70年代初期，经过30多年发展，大致经历了3个阶段：70年代萌芽期，80年代的开发期和90年代的应用化期。在我国，机械手市场份额大部分被国外机械手企业占据着。在国际强手面前，国内的机械手企业面临着相当大的竞争压力。如今我国正从一个“制造大国”向“制造强国”迈进，中国制造业面临着与国际接轨、参与国际分工的巨大挑战，对我国工业自动化的提高迫在眉睫，政府务必会加大对机器人的资金投入和政策支持，将会给机械手产业发展注入新的动力。
随着机械手发展的深度和广度以及机器人智能水平的提高，机械手已在众多领域得到了应用。从传统的汽车制造领域向非制造领域延伸。如采矿机器人、建筑业机器人以及水电系统用于维护维修的机器人等。在国防军事、医疗卫生、食品加工、生活服务等领域机械手的应用也越来越多。
目前，在国内外各种机器人和机械手的研究成为科研的热点，其研究的现状和大体趋势如下：
1) .机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速
机、检测系统三位一体化；由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器
人整机
2) .工业机器手控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准
化、网络化；器件集成度提高，控制柜日渐小巧，且采用模块化结构；
大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。
3) .机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等
传感器外，装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机
器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行决策
控制；多传感器融合配置技术成为智能化机器人的关键技术。
4) .焊接、搬运、装配、切割等作业的工业机器人产品的标准化、通用化、
模块化、系列化研究；以及离线示教编程和系统动态仿真。
总的来说，大体是两个方向：其一是机器人的智能化，多传感器、多控制器，先进的控制算法，复杂的机电控制系统；其二是与生产加工相联系，满足相对具体的任务的工业机器人，主要采用性价比高的模块，在满足工作要求的基础上，追求系统的经济、简洁、可靠，大量采用工业控制器，市场化、模块化的元件。
1.4 设计原则
在设计之前，必须要有一个指导原则。这次毕业设计的设计原则是：以任务书所要求的具体设计要求为根本设计目标，充分考虑机械手工作的环境和工艺流程的具体要求。在满足工艺要求的基础上，尽可能的使结构简练尽可能采用标准化、模块化的通用元配件，以降低成本，同时提高可靠性。本着科学经济和满足生产要求的设计原则，同时也考虑本次设计是毕业设计的特点，将大学期间所学的知识，如可编程控制器（PLC）、电子技术、自动控制等知识尽可能多的综合运用到设计中，使得经过本次设计对大学阶段的知识得到巩固和强化，同时也考虑到个人能力水平和时间的客观实际，充分发挥个人能动性，脚踏实地，实事求是的做好本次设计。
第二章系统方案设计
2.1 设计依据
机械手臂是目前在机械人技术领域中得到最广泛实际应用的自动化机械装置，在工业制造、医学治疗、娱乐服务、军事以及太空探索等领域都能见到它的身影。在多数工艺作业中，最常见的作业流程为：转台正转→上缸伸长→下缸伸长→采样头正转→上缸收缩→下缸收缩→转台反转→采样头反转→输送机→破碎机→缩分器→收集器。早期的机械手臂控制系统多为继电器、接触器组成的复杂系统，这种系统存在设计周期长、体积大、成本高等缺陷，几乎无数据处理和通信功能，必须有专人负责操作。而将PLC应用到机械手臂的控制系统后，不仅实现了机械手臂的自动化控制，降低了系统的运行费用，而且采用PLC控制系统具有连线简单，控制速度快，精度高，可靠性和可维护性好，安装、维修和改造方便等优点。
本系统设计中：机械手臂控制系统由采样控制部分和制样控制部分两部分共同组成。其中采样部分是由水平转台、两节液压驱动机械臂和机械手采样头装置三部分组成。制样部分由输送机、破碎机、缩分器和收集器等构成。机械手采样制样工作时的工艺顺序如图2.1所示。其中准备动作为系统上电自检、两节机械手臂的启动调整和校验过程，校检通过后才进行下一步动作。两节液压缸臂的伸缩配合水平转台共同精确定位采样位置。通过机械臂的伸缩以及装在机械臂上的采样头动作，来进行采样和放料。
图2.1机械手臂控制系统自动运行时的工艺流程本次设计是根据工业机械手臂的工艺要求，完成采样控制和制样控制系统的电器控制电路设计和PLC控制程序的设计。自动控制系统由可编程控制器（PLC）控制柜、电机操作台等组成。系统以PLC为核心，配以合理的低压电气、控制电动机，液压阀等机构协调动作，实现机械手臂工艺过程的自动化。
2.2 各部分功能分述
本设计主要完成机械手臂的采样控制和制样控制的PLC控制系统的设计，故采用作业范围大，效率高且便于操作的PLC控制来完成机械手臂生产过程的采样和制样动作过程。现将各部分设计的工艺过程分别介绍如下：
2.2.1采样过程
该环节主要任务是完成从原料中采集能够准确代表原料质量的样品，运用装在两节液压油缸上的限位开关信号，然后结合编码器送来的控制转台水平方向的定位信号，送给S7-300PLC，以便PLC控制采样电机采样；
本设计中的水平转台由变频器控制的电机来带动，转台电机的正反转控制以及转台的速度控制由变频器来控制完成，这样就可以在实现正反转控制的同时轻松实现速度的控制。在转台电机顺时针旋转和逆时针旋转的过程中都有限位开关控制其旋转的角度。采样过程的工艺流程如图2.2所示。
图2.2 机械手臂采样过程的工艺流程
2.2.2制样过程
该环节的任务是根据生产工艺的要求使PLC能够及时控制缩分器、收集器等工作，从而使生产连续的运行。机械手臂制样过程的工艺流程如图2.3所示。
图2.3机械手臂制样过程的工艺流程
2.3 控制方案的比较、论证和确定
2.3.1 方案的比较
实现机械手臂工艺控制系统设计的方案有多种。常用技术方案选项有单片机（MCS）、工业计算机（IPC）、可编程计算机控制器（PCC）、可编程控制器（PLC）等。
近几十年来，IPC、单片机和PLC三者在技术上都有了长足的发展，在微电子技术发展的背景下，它们之间也有许多相同之处。例如，从硬件的角度来看，它们都是由微电子元件，微处理器，大容量半导体存储器和I/O模件等组成。在软件编程方面，也有很多相同点。因此，这三类自动化控制装置在技术，功能和应用
领域上不断地相互渗透，在很多场合下可以相互补充或替代。但是，由于IPC、单片机和PLC三者的技术起源不同，在技术发展的侧重点和主要应用背景上也有差异，它们又保持着各自的特点和优势，适合的应用场合也不完全一样。
（一）：单片机
所谓单片机系统就是采用单片机CPU及其它外围芯片，根据不同系统设计电路板，最终设计成一台简易的计算机系统，并在此基础上设计程序以达到所要求的控制功能。单片机是由工业自动化仪表控制系统发展而来，目前形成了以工业控制计算机为中心的集散系统。所以，单片机在模拟量处理、回路调节方面具有一定优势，主要用在连续过程控制，侧重回路调节功能。
由于单片机的所有器件均不是工业级的，抗干扰性，特别是抗电源干扰能力很弱，可能引起单片机系统的不稳定。而且一旦单片机系统出现故障，很难诊断出故障元件，操作人员必须翻阅说明书方能发现故障所在，按说明书指示排除故障，这样排除故障的时间相对较长。最简单的方法是更换整个系统，这样就会增加维修成本。总之，这样的人机对话不够友善。
由于单片机的线路是根据一定的功能要求特别设计的，所以要增加一个功能就要重新设计线路，而且对应的程序都要重新设计。一般单片机系统的操作均采用自动设计的键盘，设定数据用拨码开关，显示用LED，整个面板显得繁锁，而且为了减少操作键，设计时往往一键多用，操作人员很难脱开说明书操作。
单片机系统在80年代国内很流行，但由于受到本身可靠性及其它方面的限制，目前除了仪表上仍然采用外，在工业现场的应用已逐步被PLC所代替。
单片机的显著优势在于单片机要改变控制规律和被控参数，只需要改变其程序就可以了，但同时也是它的劣势，因为工程技术人员必须具备有较高的计算机专业知识才能对控制规律和被控参数进行修改。鉴于这个原因且按照工程上的惯例，众多工程技术人员还是喜欢采用PLC进行控制。
图2.4 单片机控制系统
（二）：工业计算机（IPC）
所谓IPC系统就是采用工业控制计算机系统，在此基础上设计程序以达到所设计的功能。工控机由普通计算机发展起来，是为了满足快速大量数据处理要求的设备。在硬件结构方面，总线标准化程度高，兼容性强；在软件开发方面，软件资源丰富，特别是有实时操作系统的支持。因此，IPC在要求快速、实时性强、
模型复杂和计算工作量大的工业对象的控制方面占有优势。
由于IPC的主要器件均不是工业级的，相对单片机系统，抗干扰性特别是抗电源干扰能力虽然有一定提高，但变频调速对电源的干扰很大，因此也可能引起系统的不稳定。一旦工控机系统出现故障，很难诊断出故障元件，这样维修周期增加，而且非专业人员不能维修，如果故障由于程序设计不合理引起，如果缺乏合适的调试工具，要找出故障原因也很困难。系统若要增加一个功能就要重新设计对应的程序，而IPC的编程又相对比较复杂，这样对于现场操作人员的要求就比较高，虽然操作的界面较为友善，但对于不熟悉计算机系统的人来说，仍然不够简便易学。
工业计算机IPC用于工业现场的个人计算机系统，具有功能强大、软件丰富和界面友好等优点。但是IPC软件开发周期长，接口模块少，布线不灵活，安装体积大，扩展性差。
在本系统中，控制现场环境相对不是较恶劣（高温、多烟尘等），控制器的高度可靠性是工程师在设计中首先要考虑的问题。且IPC的价格相对较高。（三）：可编程计算机控制器（PCC）
PCC是一种不同于PLC和IPC的新一代控制器，代表了当今工业控制技术。它不仅吸收了PLC和IPC的优点，而且自身优势也很明显。它采用了分时多任务操作系统，可十分灵活的利用操作系统调度和管理整个系统，PCC模式和IPC 模式相比，优势在于设计时能提供面向工业的专业化标准，符合软件及硬件的模块化的设计。此外，PCC还能方便的处理设计中的开关量和模拟量、灵活的进行回路调节、能使用高级语言编程。
但作为新兴的控制器，广大工程技术人员对其可靠性和厂商能否提供优良的后续服务和技术支持抱怀疑的态度。同时，作为先进的控制技术，工厂维护人员对之知之甚少，不利于维护。而PCC的技术成本也是我们不得不考虑的因素。（四）：可编程逻辑控制器(简称PLC)
可编程逻辑控制器(简称PLC)是以微处理器为基础，综合了计算机技术与自动化控制技术而开发的新一代工业控制器产品，广泛应用于各种生产机械的过程控制中，被认为是构成机电一体化产品的重要装置。
PLC是一种数字运算的电子系统，专为在工业环境下而设计，采用了可编程的存储器，用来在其内部存储逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作指令，并通过数字或模拟输入和输出，控制各种类型机械的生产过程。可编程控制器及其外围设备，都按易于与工业系统连成一个整体，易于扩展其功能的原则设计。由于其面向用户的指令系统、具有数字量或模拟量的输入输出能力，使得其应用非常方便，特别适用于各种工业设备的控制。
PLC之所以得到迅速发展和广泛应用，主要是由于它具有以下特点：
（1）.可靠性高、抗干扰能力强、用软件实现大量的开关量逻辑运算，克服了因继电器触头不良而造成的故障；输入采用直流低电压，更加可靠、安全；
面向工业环境设计，采用滤波、屏蔽、隔离等抗干扰措施，适应各种恶劣的工业环境，远远超过了传统的继电器控制系统和一般的计算机控制系统。（2）.编程简单、易于掌握PLC采用梯形图方式的编程，与继电器逻辑控制的设计相似，具有直观、简单、易于掌握等优点。
（3）.功能完善、使用灵活方便随着PLC技术的不断发展，其功能更加完善，不仅具有开关量逻辑控制功能、步进和计数功能，还具有模拟量处理、温度控制、网络通信等功能。既可单机使用，也可联网运行；既可集中控制，也可分布控制。运行过程中可随时修改控制逻辑，增减系统的功能。
（4）. 体积小、质量轻、功耗低由于采用了单片机等集成芯片，其体积小、质量轻、结构紧凑、功耗低。
进入90年代后，PLC机的性能价格比大幅度地提高，尤其是PLC机较过去的继电器回路，其硬件配置灵活，组态方便，控制系统简单明了，接线简单、可靠，便于查找故障点，使得PLC已经成为新一代工业控制机的首选装置。
图2.5 PLC控制系统
2.3.2方案论证及确定
由于本次设计的系统要在现场使用，且通过对以上几种控制方案的对比，我发现采用可编程序控制器(简称PLC)不但能达到机械手抓放工艺控制系统需要的控制要求，而且控制精度和可靠性能也都令人满意，PLC这项控制技术在工程实际中应用的时间较长，范围较广，技术已经相当成熟，在工程技术人员心目中有不可替代的地位。最重要的是PLC可根据电流保护的要求适时输出，控制断路器的脱扣跳闸装置完成保护动作。
综合比较以上四种方案，从本设计的设计要求来看，机械手臂工作环境比较差，处于高温、多尘环境；从其输入、输出来看，用到的基本上都是数字量，模拟量很少；从编程的角度来看，PLC编程简单、灵活；从可靠性、维修等方面来说，PLC具备高可靠性、便于维修的优点；通过以上的分析，本设计采用方案四较好，故我决定采用PLC控制。
2.4 系统结构图
转台电机的正反转控制以及转台的速度控制由变频器来控制完成，这样就可以在实现正反转控制的同时轻松实现速度的控制。液压站的启动停止由PLC发出的信号来控制。系统设置了报警提示，当系统出现异常工作情况时，报警指示灯点亮，以提示工作人员采取措施以保护设备。急停按钮可以在系统出现紧急情况的时候实现快速停车。本设计采用西门子S7-300系列PLC。通过上述对系统的工作原理的分析，设计出的系统的结构图如下图2.6所示：
图2.6 机械手臂控制系统结构图
第三章系统硬件设计
3.1设计依据
软件设计体现在怎样去控制所要控制的对象，怎样把整个控制系统的功能实现。硬件的设计则能体现出整个控制系统的流程。硬件设计是软件设计的基础，软件设计是硬件设计功能的集中体现。在本章主要是硬件设计及器件选择。
经过对系统的功能要求和性能指标的分析，把整个控制系统的硬件设计分为以下几个模块来完成：（1）.转台电机、变频器控制设计；（2）.上、下液压缸伸缩控制设计；（3）.采样头电机控制设计；（4）.输送机、破碎机、缩分器、收集器控制设计。根据前面已经确定了的方案来设计相关的硬件图。硬件设计之前，要考虑到供电系统。供电系统的设定直接影响到控制系统的可靠性，故在设计硬件时是要据以下几方面来设计：
1.输入电源电压在一定的允许范围内变化；
2. 当输入交流电断电时，应不破坏控制器的程序和数据；
3.当控制系统不允许断电的场合，要考虑供电电源的冗余；
4.当外部设备电源断电时，应不影响控制器的供电；
综合以上几方面的考虑，可以把供电线路设计如下：
供电直接采用市电网提供的380V/AC 50HZ；配电方面主要是给7台鼠笼式异步电动机和控制系统中PLC的电源模块、输入输出模块的电能分配，所用的PLC需要的电压既有交流又有直流，交流电压可以用照明电来供给，而直流电流则由电源模块来供给。变频器则是380V的三相交流电源来供给，电动机用的电也是380V的三相交流电。在整个供电系统中采取了很多的保护环节，如：熔断器，热继电器、断路器等等。
在硬件设计中，要注意应该对电的质量进行控制。各个硬件模块的设计主要是选择电机，变频器。
3.2硬件设计
（1）.机械手臂转台电机、变频器控制电路图如下图3.1所示：该电路图中有一台电机，M1为转台电机；三相交流电源通过断路器QF将电源引入，FU1 为转台电机M1的短路保护，FR1为转台电机M1的过载保护。SA 为转台电机的手、自动选择转换开关。使用变频器来控制电机的转速以及转台电机的正反转；由于变频器有过流保护，过载保护，欠压保护等，因此在电路中不需要再单独加入这些保护装置。
图3. 1 机械手臂转台电机、变频器控制电路图
a).转台电机M1：为整个转台提供动力之用。其控制方式可以有“自动”和“手
动”两种，在“自动”方式下，转台在电机的作用下自动旋转，转台的旋转停止位置由限位开关控制，S1、S2分别为转台旋转到90o和0o的限位开关；在“手动”方式下，则由手动按钮SB0、SB2转台旋转。
b).变频器: 变频器WIN9控制转台电机的转速，变频器的正、反转由PLC控制，
通电和断电由空气断路器控制QF1和接触器KM1控制。
（2）液压泵电机控制电路图如下图3.2所示：
该电路图中只有一台电机M2采样头电机，FU2、FR2分别为电机M2的短路保护和过载保护。液压泵电机可以手动启动，也可以由PLC控制启动。液压泵主要功能是向液压缸中输送液体，从而使液压缸伸长、收缩。在该电路中有两节液压缸，两节液压缸伸长、收缩的程度均由限位开关控制。
液压缸的伸缩是由继电器控制的，即液体进出液压缸是由继电器来控制，在转台电机转过90度后，液压泵电机启动，这时控制上缸的继电器动作，液体进入上缸，使上缸伸长，当上缸伸长到限位开关所限定的高度时，限位开关动作，使线圈失电，液体不再进入上缸；接下来控制下缸的继电器动作，液体进入下缸，使下缸伸长，当下缸伸长到限位开关所限定的高度时，限位开关动作，线圈失电，液体不再进入下缸。上、下缸的收缩也是同样的道理。
图3.2 液压泵电机控制电路图
（3）采样头电机控制电路图如下图3.3所示：
该电路图中只有一台电机M3采样头电机，FU3、FR3分别为电机M3的短路保护和过载保护。采样电机的正、反转可以由PLC控制，也可以手动控制。在采样头上安装有限位开关，控制采样头对货物的抓紧和松开。
在液压缸的下缸伸长到最高端时，采样头电机正转启动，采样头处在夹紧货物的状态，当控制采样头夹紧的限位开关动作后，采样头停止夹紧，采样头电机停止，夹取货物过程结束。
在液压缸的下缸收缩到最下端时，采样头电机反转启动，采样头处在松开货物的状态，当控制采样头松开的限位开关动作后，采样头停止松开，采样头电机停止，松开货物过程结束。
图3. 3 采样头电机控制电路图
（4）输送机、破碎机、缩分器、收集器控制电路图如下图3.4所示：该电路图中有四台电机，M4为输送电机，完成对机械手抓取货物的输送；M5为破碎机；M6为缩分器；M7为收集器；FU5、FU6、FU7、FU8分别为电机M4、M5、M6、M7的短路保护；FR5、FR6、FR7、FR8分别为四台电机的过载保护；对于四台电机都有手动开始、停止按钮。
图3.4输送机、破碎机、缩分器、收集器控制电路图
3.3 电动机选型
本设计中所采用的电机，选择一般的电动机，即可以满足要求，为此我选用
Y 系列电动机，该系列电动机为鼠笼型三相异步电动机，是我国统一设计的产品，具有效率高、节能、堵转矩高、噪声低、振动小、运行安全可靠等特点。
电机为B 级绝缘，外壳防护等级为IP23，安装形式为IMB3，3kW 及以下电
动机定子绕组为Y 形接法，4kW 及以上电动机定子绕组为三角形接法。
技术数据为：电动机额定电压为380V ，额定频率为50Hz 。
Y 系列电动机型号及含义如下图3.5所示：
根据本设计所需电动机容量选择三相异步电动机技术数据如下表1所示：
表1 三相异步电动机技术数据表
正常运行时，定子绕组接成三角形的三相鼠笼型异步电动机，可采用Y /Δ
的降压起动方法来达到限制起动电流的目的。采用该起动方法，定子绕组星型联结状态下起动电压为三角形联结起动电压的1/3。起动转矩为三角形联结起动转矩的1/3。起动电流也为三角形联结直接起动电流的1/3。与其它降压起动相比，该起动方法起动投资少、线路简单，但起动转矩小。
鼠笼型
异步电动机中心高（极数
图3.5 Y 系列电动机型号及含义
3.4 变频器设计
3.4.1概述
近年来，随着电力电子技术、微电子技术及大规模集成电路的发展，生产工艺的改进及功率半导体器件价格的降低，变频调速越来越被工业上所采用。如何选择性能好的变频器应用到工业控制中，是专业技术人员和研究人员追求的目标。
目前，我国市场上的变频器的种类很多同一公司又有许多不同型号，价格也不等。选用变频器时不要认为档次越高越好，而应按拖动负载的特性选择合适的变频器，满足使用要求就可，以便做到量才使用，经济实惠。
变频器是把电压、频率固定的交流电变换成电压、频率分别可调的交流电的变换器。变频器利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置，把DC(直流)转换成AC(交流)，利用常用电源供应的电力，在变频器内变换电压和频率，以控制电机速度。
变频调速器与外界的联系点基本上分三部分：
1）. 电路接线端：包括工频电网的输入端（R，S，T），接电机的频率，电压连续可调的输出端（U，V，W）。
2）. 控制端子：包括外部信号控制变频调速器工作的端子，变频带调速器工作状态指示端子，变频器与微机或其他变频的通讯接口。
3）. 操作面板：包括液晶显示屏和键盘。
3.4.2 变频器分类
1）.变频器按其供电电压分为：低压变频器（110V/220V/380V）、中压变（500V/660V/1140V）、高压变频器（3KV/3.3KV/6KV/6.6KV/10KV）。2）.变频器按其控制方式分为：V/F（电压/频率）控制、矢量控制、直接转矩控制三种主要方式。
3）.变频器按其功能分为：恒转矩型变频器、恒功率型变频器、平方转矩型变频器、简易型变频器、专用型变频器。
4）. 变频器按其直流电源的性质分为：电流型变频器和电压型变频器。
5）.变频器按其机壳外形分为：塑壳变频器、铁壳变频器、柜式变频器及无外壳特殊（专用）变频器。
6）.变频器按其输出功率大小分为：小功率变频器（10KW以下）、中功率变频器（100KW以下）、大功率变频器（100KW以上）。
3.4.3 变频器的组成、工作原理及控制方式
1. 变频器的组成
变频器的基本构成如下图3.6所示：
图3.6变频器的基本构成
变频器由整流电路、中间直流环节、逆变电路、控制电路组成，其功能是将
频率固定的交流电变换成频率连续可调的三相交流电源。变频器的输入端（R.S.T ）接至频率固定的三相交流电源，输出端（U.V.W ）输出的是频率在一定范围内连续可调的三相交流电，接至电动机。变频器的核心部分是“逆变电路”。
整流电路的作用是将三相（或单相）交流电整流成直流。中间直流环节负责
将整流器输出的交流成分滤除掉获得纯直流电提供给逆变器。逆变器将直流电重新逆变为新的频率的三相交流电，驱动负载电动机转动。
控制电路由检测电路、信号输入、信号输出、功率管驱动、各种控制信号的
计算等部分组成，该部分环节主要由高性能的微机与外围设备组成的微机控制系统完成。它具有控制功能强、硬件简单等特点。
目前应用最广泛的是交—直—交变频器，其基本结构框图如下图3.7所示：
2. 变频器的工作原理
我们知道，交流电动机的同步转速表达式为：
n ＝60 f(1－s)/p （1）
式中： n ———异步电动机的转速；
f ———异步电动机的频率；
s ———电动机转差率；
p ———电动机极对数。
由式(1)可知，转速n 与频率f 成正比，只要改变频率f 即可改变电动机的转速，当频率f 在0～50Hz 的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。变频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的，是一种理想的高效率、高性能的调速手段。
0 ~380V 0 ~100HZ 图3.7变频器基本结构框图
上下料机械手课程设计说明书
上下料机械手课程设计说明书
专业课程设计 任务书 一、目的与要求 《专业课程设计》是机械设计及自动化专业方向学生的重要实践性教育环节，也是该专业学生毕业设计前的最后一次课程设计。拟通过《专业课程设计》这一教学环节来着重提高学生的机构分析与综合的能力、机械结构功能设计能力、机械系统设计的能力和综合运用现代设计方法的能力，培养学生的创新与实践能力。在《专业课程设计》中，应始终注重学生能力的培养与提高。《专业课程设计》的题目为工业机械手设计，要求学生在教师的指导下，独立完成整个设计过程。学生通过《专业课程设计》，应该在下述几个方面得到锻炼： 1．综合运用已学过的“机械设计学”、“液压传动”、“机械系统设计”、“计算机辅助设计”等课程和其他已学过的有关先修课程的理论和实际知识，解决某一个具体设计问题，是所学知识得到进一步巩固、深化和发展。 2．通过比较完整地设计某一机电产品，培养正确的设计思想和分析问题、解决问题的能力，掌握机电产品设计的一般方法和步骤。 3．培养机械设计工作者必备的基本技能，及熟练
地应用有关参考资料，如设计图表、手册、图册、标 准和规范等。 4． 进一步培养学生的自学能力、创新能力和综合 素质。 二．主要内容 表1精锻机上料机械手主要技术参数 手臂运动形式 （ 圆柱坐标式 抓取重量 60kgf 自由度 4个 手 手臂运动行程和速度 水平伸缩 500mm 设定点2 升降 600mm 设定点2 左右旋转 200度 设定点3 手腕回转和速度180度 设定点2 手指夹持范围 四种规格 90-120 定位方式和定位精度 机械挡块 +-1mm 控制方式 点位程控，开关板预选 驱动方式 液压 kgf/cm2
自动控制系统组成
自动控制系统的组成及功能实现 自动控制系统作为目前工业领域控制的核心，已经为大家所熟悉。自动控制系统是指在无人直接参与下可使生产过程或其他过程按期望规律或预定程序进行的控制系统。自动控制系统是实现自动化的主要手段，其组建了整个系统的大脑及神经网络。自动控制系统的组成一般包括控制器，被控对象，执行机构和变送器四个环节组成。 一、自动控制系统的分类 自动控制系统按控制原理主要分为开环控制系统和闭环控制系统。 （一）开环控制系统 在开环控制系统中，系统输出只受输入的控制，控制精度和抑制干扰的特性都比较差。开环控制系统中，基于按时序进行逻辑控制的称为顺序控制系统；由顺序控制装置、检测元件、执行机构和被控工业对象所组成。主要应用于机械、化工、物料装卸运输等过程的控制以及机械手和生产自动线。 （二）闭环控制系统 闭环控制系统是建立在反馈原理基础之上的，利用输出量同期望值的偏差对系统进行控制，可获得比较好的控制性能。闭环控制系统又称反馈控制系统。 自动控制系统按给定信号分类，可分为恒值控制系统、随动控制系统和程序控制系统。（三）恒值控制系统 给定值不变，要求系统输出量以一定的精度接近给定希望值的系统。如生产过程中的温度、压力、流量、液位高度、电动机转速等自动控制系统属于恒值系统。 （四）随动控制系统 给定值按未知时间函数变化，要求输出跟随给定值的变化。如跟随卫星的雷达天线系统。（五）程序控制系统 给定值按一定时间函数变化。如程控机床。 在我们的工业领域中，因控制的工艺流程复杂、生产数多、对产品质量控制严格，所以一般控制系统均为闭环控制系统。 二、控制系统各部分的功能 （一）控制器 目前控制系统的控制器主要包括PLC、DCS、FCS等主控制系统。在底层应用最多的就是PLC控制系统，一般大中型控制系统中要求分散控制、集中管理的场合就会采用DCS 控制系统，FCS系统主要应用在大型系统中,它也是21世纪最具发展潜力的现场总线控制系
通用机械臂设计说明书
题目: 通用机械臂机构设计
目录 1.绪论 (1) 1.1 选题背景 (1) 1.2 国内外研究现状和趋势 (1) 1.3机械臂的组成 (2) 1.4 设计目的 (3) 1.5研究内容 (4) 2.机械臂的总体设计方案 (4) 2.1 机械臂总体结构的类型 (4) 2.2机械臂主要部件及其运动 (5) 2.3驱动机构选择 (6) 2.4机械臂技术参数 (6) 3.机械臂手部计算 (7) 3.1手部设计基本要求 (7) 3.2典型手部结构 (7) 3.3机械臂手爪的设计计算 (7) 4.腕部的设计计算 (12) 4.1腕部设计基本要求 (12) 4.2腕部结构 (13) 4.3腕部的设计计算 (13) 5.臂部设计以及有关计算 (17) 5.1臂部设计的基本要求 (18) 5.2手臂的典型机构及其选择 (19) 6机座设计 (24) 结论 (24) 参考文献 (25)
1.绪论 1.1 选题背景 机械臂是在自动化生产过程中使用的一种具有抓取和移动工件功能的自动化装置，它是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。近年来，随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用，机器人的研制和生产已成为高技术领域内迅速发展起来的一门新兴技术，它更加促进了机械臂的发展，使得机械臂能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。机械臂能代替人类完成危险、重复枯燥的工作，减轻人类劳动强度，提高劳动生产力。机械臂越来越广泛的得到了应用，在机械行业中它可用于零部件组装，加工工件的搬运、装卸，特别是在自动化数控机床、组合机床上使用更普遍。目前，机械臂已发展成为柔性制造系统FMS 和柔性制造单元FMC中一个重要组成部分。把机床设备和机械臂共同构成一个柔性加工系统或柔性制造单元，它适应于中、小批量生产，可以节省庞大的工件输送装置，结构紧凑，而且适应性很强。当工件变更时，柔性生产系统很容易改变，有利于企业不断更新适销对路的品种，提高产品质量，更好地适应市场竞争的需要。而目前我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，应用规模和产业化水平低，机械臂的研究和开发直接影响到我国自动化生产水平的提高，从经济上、技术上考虑都是十分必要的。因此，进行机械臂的研究设计是非常有意义的。 1.2 国内外研究现状和趋势 目前，在国内外各种机器人和机械臂的研究成为科研的热点，其研究的现状和大体趋势如下： A．机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化；由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机。 B．工业机器人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化；器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构；大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。
全国大学生机械产品数字化设计大赛作品说明书概要
全国大学生数字化机械产品设计大赛作品说明书 聚会用快速布场机器人 作者:王腾丁振宇时贝超(排名不分先后指导老师:朱衍飞 学校:合肥工业大学 2 目录 作品背景 (4 作品特点 (4 作品结构 (5 作品工作原理 (5 1.攀爬系统工作原理 (6 ①爬壁机构工作原理 (6 ②跨墙壁攀爬工作原理 (9 2.悬挂横幅系统工作原理 (9 3.控制系统工作原理 (9 4.供电系统工作原理 (12 5.传感器系统工作原理 (13
6.电机系统工作原理 (15 7.功能系统工作原理 (15 作品主要创新点 (16 作品市场潜在价值 (17 参考文献 (18 附录 (19 一,作品背景 现代社会,人与人之间交流越来越频繁,交流的形式也多种多样,其中,聚会作为极为重要的一种形式,已越来越被人们青睐。 聚会,就要有聚会的场合。聚会的场合不同于教学,办公场合那样有固定的场合,它是随着聚会的内容,聚会的人员,聚会的时间,聚会的地点而决定的。而日常生活中所能提供的场所又相对固定,那么可以解决人们与日俱增的聚会次数,多种多样的聚会形式和固定单调的聚会场所之间的矛盾么? 答案是肯定的。随着科技的飞速发展,机器人技术正在悄悄改变着我们的生活。爬墙机器人作为机器人家族中重要的分支,已被越来越多的人所重视。我们将先进的机器人技术用于解决实际生活中的问题,基于爬墙机器人工作原理,设计出聚会用快速布场机器人,可以很好的解决这样的问题。 二,作品特点 1.内置储存卡和音响,用户可将聚会时所需的音乐拷贝至储存卡中,再由机器人沿室内墙壁爬至天花板,用机器人强大的吸力将自己牢牢固定在天花板上,这时机器人就成为了一个高品质的音响,可为用户聚会时提供全环绕,堪比舞厅的音乐环境。
自动控制系统案例分析
北京联合大学 实验报告 课程（项目）名称：过程控制 学院：自动化学院专业：自动化 班级：0910030201 学号：2009100302119 姓名：张松成绩：
2012年11月14日 实验一交通灯控制 一、实验目的 熟练使用基本指令，根据控制要求，掌握PLC的编程方法和程序调试方法，掌握交通灯控制的多种编程方法，掌握顺序控制设计技巧。 二、实验说明 信号灯受一个启动开关控制，当启动开关接通时，信号灯系统开始工作，按以下规律显示：按先南北红灯亮，东西绿灯亮的顺序。南北红灯亮维持25秒，在南北红灯亮的同时东西绿灯也亮，并维持20秒；到20秒时，东西绿灯闪亮，闪亮3秒后熄灭。在东西绿灯熄灭时，东西黄灯亮，并维持2秒。到2秒时，东西黄灯熄灭，东西红灯亮，同时，南北红灯熄灭，绿灯亮。东西红灯亮维持25秒，南北绿灯亮维持20秒，然后闪亮3秒后熄灭。同时南北黄灯亮，维持2秒后熄灭，这时南北红灯亮，东西绿灯亮……如此循环，周而复始。如图1、图2所示。 图 1
图 2 三、实验步骤 1．输入输出接线 输入SD 输出R Y G 输出R Y G I0.4 东西Q0.1 Q0.3 Q0.2 南北Q0.0 Q0.5 Q0.4 2.编制程序，打开主机电源编辑程序并将程序下载到主机中。 3.启动并运行程序观察实验现象。 四、参考程序 方法1：顺序功能图法 设计思路：采用中间继电器的方法设计程序。这个设计是典型的起保停电路。
方法2：移位寄存器指令实现顺序控制 移位寄存器位（SHRB）指令将DATA数值移入移位寄存器。S_BIT指定移位寄存器的最低位。N指定移位寄存器的长度和移位方向（移位加=N，移位减=-N）。SHRB指令移出的每个位被放置在溢出内存位（SM1.1）中。该指令由最低位（S_BIT）和由长度（N）指定的位数定义。
机械手臂设计说明书_
成都航空职业技术学院 汽车工程系 设计说明书 设计题目: 汽车模拟装配线两关节机械手臂 组员姓名：赵治帅张良李杉李廷堃郑宁波 专业班级：机电一体化 10939 指导教师：申爱民 20011 年10 月30日
摘要 本文对模拟汽车装配线的工作原理和运动控制做了阐述，对如何防止故障时撞车和故障报警做出了系统说明，并深入研究了导轨的滑撬式传动和脱钩式等其他传动的优缺点；认真研究了步进电机伺服电机的原理，然后给出了具体的实现方法。现代汽车总装工艺自动化程度越来越高。汽车制造总装机械化生产包括整车装配线、车身输送线、储备线、升降机等。主要分为一次内饰装配线（车身打号、天窗、线束、ABS、顶棚、地毯、气囊帘、车门支撑板、车门玻璃、密封条、仪表盘、水箱等）、底盘线（油管、油箱、隔热板、动力总成、后悬、排气管、挡泥板、轮胎等）、二次内饰线（风窗玻璃、座椅、仪表板后端、电瓶、空滤器、备胎、后备箱备附件、雨刷、介质加注、车门调整、线路管路插接等）、整车完整性检查、整车测试线、路试跑到、调整雨淋线等。 但由于受资源和能力限制，我们的模拟生产线只取其中的一次内饰、底盘、二次内饰，加上上线和下线工位，一共是五个工位且都采用一个工位表示。主要目的是将说学过的机电一体化只是都用到，并实现部分功能。达到训练、学以致用，能力提高的目的。 关键词:汽车装配工艺结构原理
目录 摘要................................................................................................................................. 目录 ............................................................................................................................. 序言................................................................................................................................... 1总体结构方案说明： ....................................................................................................... 1.1 ........................................................................................................................... 1.1.1..................................................................................................................... 1.1. 2..................................................................................................................... 1.2 .............................................................................................................................. 1.3 ........................................................................................................................... 1.3.1..................................................................................................................... 1.3. 2..................................................................................................................... 1.3.3..................................................................................................................... 1.3.4..................................................................................................................... 2．系统主要功能及技术指标、原理图................................................................................
机械创新设计说明书
精心整理机械创新设计综合实训 设计说明书 设计名称：_________笔记本电脑散热桌________________; 实训班级：_____________机自0911____________________; 组长姓名：_____刘强_________学号_________; 组员姓名：_____刘强_________学号_________; 南京工业职业技术学院 2010年11月19日 目录 第一章背景概述-----------------------------------------------------2 第二章设计方案-----------------------------------------------------3 第三章设计计算-----------------------------------------------------4 第四章设计创新点--------------------------------------------------5 第五章总结-----------------------------------------------------------6 参考文献--------------------------------------------------------------------6 附图： 装配图-----------------------------------------------------------------------7 零件图-----------------------------------------------------------------------7-10 三维图-----------------------------------------------------------------------10-13 第一章背景概述 中国电脑桌产业发展研究报告 中国电脑桌产业发展出现的问题中，许多情况不容乐观，如产业结构不合理、产业集中于劳动力密集型产品；技术密集型产品明显落后于发达工业国家；生产要素决定性作用正在削弱；产业能源消耗大、产出率低、环境污染严重、对自然资源破坏力大；企业总体规模偏小、技术创新能力薄弱、管理水平落后等。 从什么角度分析中国电脑桌产业的发展状况？以什么方式评价中国电脑桌产业的发展程度？中国电脑桌产业的发展定位和前景是什么？中国电脑桌产业发展与当前经济热点问题关联度如何……诸如此类，都是电脑桌产业发展必须面对和解决的问题——中国电脑桌产业发展已到了岔口；中国电脑桌产业生产企业急需选择发展方向。 中国电脑桌产业发展研究报告阐述了世界电脑桌产业的发展历程，分析了中国电脑桌产业发展现状与差距，开创性地提出了“新型电脑桌产业”及替代品产业概念，在此基础上，从四个维度即“以人为本”、“科技创新”、“环境友好”和“面向未来”准确地界定了“新型电脑桌产业”及替代产品的内涵。根据“新型电脑桌产业”及替代品的评价体系和量化指标体系，从全新的角度对中国电脑桌产业发展
冰蓄冷自动控制系统设备及功能说明
第三章机房自动控制系统 一、冰蓄冷自动控制系统综述 工程的自控系统由上位机远程控制系统、PLC现场控制系统、电动阀、传感检测器件、系统配电柜、系统软件等部分组成。系统结构图如下所示：
PLC控制软件为主的控制程序，该程序为美国西门子公司与CRYOGEL公司联合开发，已经在美国的多个工程中和台湾杰美利（GEMINI）得到应用，直接输入后调整。上位机控制软件也可带采用CRYOGEL/（GEMINI）公司软件包的WinCC操作系统。 上位机远程控制设置先进的集中控制台，采用工控机配置打印机进行远程监控和打印，现场控制机采用PLC可编程控制器控制，进行系统控制、参数设置、数据显示，确保实现系统的参数化，实现系统的智能化运行。 本系统中的核心控制部分与机电执行装置采用国际著名品牌（西门子、江森、霍尼韦尔）的产品。 蓄能系统控制具体功能如下： ⑴控制系统通过对主机、蓄热锅炉、蓄冰装置、板式换热器、泵、冷却塔、系统管路调节阀进行控制，调整蓄冷系统各应用工况的运行模式，在最经济的情况下给末端提供稳定的供水温度。 ⑵根据季节和机组运行情况，自控系统具备所有工况的转换功能。 ⑶控制、监测范围： a、制冷主机、泵、冷却塔启停、状态、故障报警； b、总供/回水管温度显示与控制； c、蓄冰装置及蓄热水箱进出口温度、显示与控制； d、蓄冰量、余冰量、乙二醇流量、瞬时释冷速度、蓄冷速度等标准规定参数的 显示； e、电动阀开关、调节显示； f、备用水泵选择功能； g、各时段用电量及电费自动记录； h、空调冷负荷以及室外温湿度监测； i、可选的功能（包括楼宇智能化系统接口及接口转换程序）。 ⑷控制系统对一重要的参数进行长时间记录保存，并将空调的实际运行日负荷通过报表或曲线图的方式记录，可以查询到某一段时间内的历史数据值，供使用者进行了解、分
机械手设计说明书doc
机械手设计说明书 篇一：机械手设计说明书 指导老师： 设计合作成员： 一、设计项目名称 机械手臂手指机构2 二、设计目的 本设计拟搬运宽度尺寸90～110mm、质量为5kg以内的六菱柱形钢质工件，手指机构带水平转盘。手指的动力驱动方式为液压传动。液压传动的机械手是以压缩液体的压力来驱动执行机构运动的机械手。 三、设计要求 (1)机械手为专用机械手，适用于夹六菱柱形钢质工件。 (2)选取机械手的座标型式和自由度。 (3)主要设计出机械手的手部机构。 (4)液压传动系统液压缸的选用 四、设计方案 4.1 机械手基本形式的选择 机械手的典型结构一般可分为：回转型（包括滑槽杠杆式和连杆杠杆式两种）、移动型（移动型即两手指相对支座作往复运动）和平面平移型。本设计采用二指回转型手抓。 4.2 机械手的主要部件及运动 本机械手的部件有齿轮、齿条、连杆和液压缸等。主要
的运动有直动液压缸驱动齿条的平动、齿轮和齿条的啮合运动、连杆的转动和手抓的平行移动。 4.3 驱动方式的选择 本机械手的驱动方案采用液压机构驱动机械手,结构简单、尺寸紧凑、重量轻、控制方便。 4.4 机械手的技术参数列表 用途：卸码垛机械手臂抓重：5kg 抓取的物体的几何形状：宽度为90～110mm六菱柱形钢质工件机械手自重：小于等于10kg 4.5 机械工作原理 机械手的夹工件的工作原理框图如图1所示。 图1. 机械手夹工件的工作原理框图 该机械手采用了液压驱动方式来实现其工作的要求，工作要求就是机械手能适应六菱柱形钢质工件不同面的夹持，故带有水平转盘手臂的回转运动。 传动机构采用齿条与齿轮啮合。本机械通过液压驱动传递动力推动齿条平动，齿条与齿轮啮合将液压缸传来的水平运动转化为齿轮连杆的回转运动。而齿条与齿轮啮合驱动四连杆转动，四连杆机构使夹板水平移动，完成对工件的夹紧松开。机械手的整体结构图如图2、图3所示。手爪部分特点如下表述： 1. 机械手手部由手爪（即夹板）和传力机构所构成。
(机械制造行业)工业机械手设计说明书
第一章引言 1.1 液压机械手概述 液压传动机械手是以压缩液体的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是:介质源极为方便，输出力小，液压动作迅速，结构简单，成本低。但是，由于空气具有可压缩的特性，工作速度的稳定性较差，冲击大，而且气源压力较低，抓重一般在30公斤以下，在同样抓重条件下它比液压机械手的结构大，所以适用于高速、轻载、高温和粉尘大的环境中进行工作。 液压技术有以下优点: （1）体积小、重量轻，因此惯性力较小，当突然过载或停车时，不会发生大的冲击； （2）能在给定范围内平稳的自动调节牵引速度，并可实现无极调速； （3）换向容易，在不改变电机旋转方向的情况下，可以较方便地实现工作机构旋转和直线往复运动的转换； （4）液压泵和液压马达之间用油管连接，在空间布置上彼此不受严格限制； （5）由于采用油液为工作介质，元件相对运动表面间能自行润滑，磨损小，使用寿命长；（6）操纵控制简便，自动化程度高； （7）容易实现过载保护。 1.2 液压机械手的设计要求 1.2.2 课题的设计要求 本课题将要完成的主要任务如下: (1)机械手为通用机械手，因此相对于专用机械手来说，它的适用面相对较广。 (2)选取机械手的座标型式和自由度。 (3)设计出机械手的各执行机构，包括:手部、手腕、手臂等部件的设计。为了使通用性更强，手部设计成可更换结构，不仅可以应用于夹持式手指来抓取棒料工件，在工业需要的时候还可以用气流负压式吸盘来吸取板料工件。 (4)液压传动系统的设计 本课题将设计出机械手的液压传动系统，包括液压元器件的选取，液压回路的设计，并绘出液压原理图。 (5)机械手的控制系统的设计 本机械手拟采用可编程序控制器(PLC)对机械手进行控制，本课题将要选取PLC型号，根
机械臂设计毕设计说明书
目录 1 绪论 (1) 1.1前言 (1) 1.2课题的来源与背景 (1) 1.3研究的目的和意义 (2) 1.4林业集材机的概述 (3) 1.5国内外研究现状及发展趋势 (3) 1.5.1 国内发展动态及研究现状 (3) 1.5.2 国外发展动态及研究现状 (4) 1.6论文主要研究内容 (5) 2 机械臂设计理论 (7) 2.1机械臂的组成及分类 (7) 2.1.1 机械臂的组成 (7) 2.1.2 机械臂的分类 (7) 2.2机械臂的自由度及坐标形式 (8) 2.2.1 机械臂的自由度 (8) 2.2.2 机械臂的坐标形式 (8) 3 集材机机械臂的总体设计 (10) 3.1机械臂的设计参数 (10) 3.2机械臂的结构形式 (10) 3.3机械臂典型部件特点 (10) 3.4机械臂的工作范围 (11) 4 集材机工作装置的受力分析 (13) 4.1集材机机械臂的工况分析 (13) 4.2集材机机械臂的受力分析 (13) 4.2.1 空载时各级臂架所受的弯矩 (13) 4.2.2 抓举活立木时各级臂架所受弯矩 (14) 4.3机械臂连接处的受力分析 (15) 4.3.1 主臂铰接处分析 (15) 4.3.2 副臂铰接处分析 (15) 5 基于SOLIDWORKS集材机机械臂的造型 (17) 5.1参数化设计与S OLID W ORKS软件 (17) 5.1.1 参数化设计 (17)
5.1.2 SolidWorks软件介绍 (17) 5.2集材机机械臂零部件造型 (18) 5.2.1 旋转基座的造型 (18) 5.2.2 其它零部件的造型 (21) 5.3集材机机械臂的虚拟装配 (22) 6 集材机机械臂的有限元分析 (24) 6.1S OLID W ORKS有限元分析模块及理论基础 (24) 6.1.1 有限元法理论基础 (24) 6.1.2 SolidWorks的Simulation模块 (24) 6.2机械臂零部件的有限元分析 (25) 6.2.1 有限元分析过程 (25) 6.2.2 主臂的有限元分析结果 (26) 6.2.3 副臂的有限元分析结果 (28) 6.2.4 主臂结构优化 (29) 6.2.5 副臂结构优化 (31) 结论 (34) 致谢 (35) 参考文献 (36)
机床上下料机械手设计_说明书(65页)
机床上下料机械手设计_说明书(65页) 机床上下料机械手设计说明书第1章绪论1.1 选题背景机械手是在自动化生产过程中使用的一种具有抓取和移动工件功能的自动化装置，它是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。近年来，随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用，机器人的研制和生产已成为高技术领域内迅速发展起来的一门新兴技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。机械手能代替人类完成危险、重复枯燥的工作，减轻人类劳动强度，提高劳动生产力。机械手越来越广泛的得到了应用，在机械行业中它可用于零部件组装，加工工件的搬运、装卸，特别是在自动化数控机床、组合机床上使用更普遍。目前，机械手已发展成为柔性制造系统FMS和柔性制造单元FMC中一个重要组成部分。把机床设备和机械手共同构成一个柔性加工系统或柔性制造单元，它适应于中、小批量生产，可以节省庞大的工件输送装置，结构紧凑，而且适应性很强。当工件变更时，柔性生产系统很容易改变，有利于企业不断更新适销对路的品种，提高产品质量，更好地适应市场竞争的需要。而目前我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，应用规模和产业化水平低，机械手的研究和开发直接影响到我国自动化生产水平的提高，从经济上、技术上考虑都是十分必要的。因此，进行机械手的研究设计是非常有意义的。 1.2 设计目的本设计通过对机械设计制造及其自动化专业大学本科四年的所学知识进行整合，完成一个特定功能、特殊要求的数控机床上下料机械手的设计，能够比较好地体现机械设计制造及其自
动化专业毕业生的理论研究水平，实践动手能力以及专业精神和态度，具有较强的针对性和明确的实施目标，能够实现理论和实践的有机结合。目前，在国内很多工厂的生产线上数控机床装卸工件仍由人工完成，劳动强度大、生产效率低。为了提高生产加工的工作效率,降低成本,并使生产线发展成为柔性制造系统,适应现代自动化大生产,针对具体生产工艺,利用机器人技术，设计用一台装卸机械手代替人工工作，以提高劳动生产率。本机械手主要与数控车床（数控铣床，加工中心等）组合最终形成生产线，实现加工过程（上料、加工、下料）的自动化、无人化。目前，我国的制造业正在迅速发展，越来越多的资金流向制造业，越来越多的厂商加入到制造业。本设计能够应用到加工工厂车间，满足数控机床以及加工中心的加工过程安装、卸载加工工件的要求，从而减轻工人劳动强度，节约加工辅助时间，提高生产效率和生产力。 1.3 国内外研究现状和趋势目前，在国内外各种机器人和机械手的研究成为科研的热点，其研究的现状和大体趋势如下： A．机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化；由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机。B．工业机器人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化；器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构；大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。 C．机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行决策控制；多传感器融合配置技术成为智能化机器人的关键技术。 D．关节式、侧喷式、顶喷式、龙门式喷涂机器人产品标准化、通用化、模块化、系列化设计；柔性仿形喷涂机器人开发，柔性仿形复合机构开发，仿形伺服轴轨迹规
PLC控制系统中设备手动和自动切换功能的实现
引言 在当前的工业生产过程控制中，普遍采用了PLC控制系统，通过软件程序来实现控制设备之间的联锁控制也就是自动控制，由控制设备驱动的工厂机械设备来完成满足工艺要求的生产过程。这里，设备的运行分为单体手动操作和自动控制运行两种方式。在单体手动操作中，一般是在设备就地（机旁）操作。PLC的程序控制主要是进行自动控制，但其中也包括单体手动操作，其完成的功能和就地（机旁）操作是一样的，不同之处在于，它是通过程序的方式来实现，并且一般是在上位机的监控画面中通过点击鼠标的方式进行，也就是在机房或控制室中进行而不是就地（机旁）。手动操作（包括程序中的手动单体操作）和自动控制程序的主要区别在于，自动控制程序是在正式投产后，各个设备没有故障可正常工作时运行。 而手动操作是在调试期间用于俗称的“打点”时用，或正常运行时，有设备出现故障时用。例如，某供水水箱的液位控制，水位高时，启动出水泵供水，水位低时，停止泵供水，假如水箱的液位传感器出现故障，自动控制就无法进行，那么为了继续维持生产，就需要操作人员现场手动操作，根据水箱的液位指示器来手动启动和停止出水泵的运行及相应阀门的开关。需要指出的是，本文所指的设备是PLC输出控制的开关量设备，模拟量设备不在本文的讨论之列。 设备手动和自动切换的方式 在本文中，设备是指工厂机械设备及其控制设备。控制设备是指电机，阀门等等，而设备的手动和自动运行，主要体现在控制设
备的手动和自动运行。例如，对于电机的控制一般是通过MCC（电机控制中心）电气控制系统来进行的，电机的远程和就地信号，即自动和手动的切换信号，以及启动、停止、故障等信号均由MCC提供并接到PLC硬件系统。在MCC柜上的远程就地转换开关打到就地时，进行就地手动操作；打到远程时，进行PLC的程序自动控制，或在上位机画面上进行点击鼠标式的手动操作。我们可以这样来理解PLC控制系统、就地电气控制系统、控制设备和工厂机械设备之间的关系，即自动控制（包括PLC程序中的手动操作）是由PLC控制系统通过电气控制系统，由电气控制系统来控制像电机一样的控制设备，最后由控制设备来驱动工厂机械设备的运行。而电气控制系统像MCC柜本身，就可以直接进行手动就地操作。 对于电机的控制来说，正常运行时，首先是PLC程序的自动控制，此时的远程就地转换开关处于远程的位置，然后如果出现PLC 无法处理的问题或故障，则需要在上位机的画面上，人工进行单体设备的操作，以维持生产或进行安全联锁操作。最后如果依然不能解决问题，则需要在就地（机旁）进行操作，一般是进行电机停止的操作。 对于阀门来说，一般也有相应的电气控制系统，就像MCC一样，其一般是就地的现场电磁阀控制柜（箱），一般都有远程就地的转换开关，用于手动和自动运行的切换。和电机控制一样，正常运行时，首先是PLC的自动控制，此时的远程就地的转换开关处于远程的位置，然后如果出现PLC无法处理的问题或故障，则需要在上位
搬运机械手设计说明书
机械与装备工程学院 课程设计说明书（2016/2017学年第 1学期） 课程名称：机械设计课程设计 题目：搬运机械手的设计 专业班级：机械设计制造及其自动化学生姓名： 学号： 130200216 指导教师： 设计周数： 2周 设计成绩： 2016年 12月 31日
目录 第一章绪论 (1) 1.1 机械手的应用现状 (1) 1.2 机械手研究的目的、意义 (1) 1.3 设计时要解决的几个问题 (1) 第二章机械手总体方案的设计 (3) 2.1 机械手的系统工作原理及组成 (3) 2.2 机械手的基本结构及工作流程 (3) 第三章机械手的方案设计及其主要参数 (5) 3.1 坐标形式和自由度选择 (5) 3.2 执行机构 (5) 3.3 驱动系统 (6) 3.4 控制系统 (7) 第四章结构设计及优化 (8) 4.1手部夹紧气缸的设计 (8) 4.1.1手部夹紧气缸的设计 (8) 4.1.2 确定气缸直径 (9) 4.1.3 气缸作用力的计算及校核 (9) 4.1.4 缸筒壁厚的设计 (10) 4.1.5 气缸的基本组成部分及工作原理 (10) 4.2手臂结构优化设计 (10) 4.2.1问题描述 (10) 4.2.2设计分析 (10) 4.2.3建立数学模型 (12) 4.2.4优化计算 (13) 4.2.5优化结果分析 (16) 第五章 Adams运动仿真 (17) 总结与展望 (20)
摘要 机械手是近几十年发展起来一种高科技自动化生产设备，它对稳定、提高产品质量、提高生产效率、改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用，随着工业机械化和自动化的发展以及气动技术自身的一些优点，气动机械手已经广泛应用在生产自动化的各个行业。 本设计中的搬运机械手的动作由气动缸驱动，气动缸由相应的电磁阀来控制，电磁阀由PLC控制。驱动执行元件完成，能十分方便的嵌入到各类工业生产线中。 本文中对机械手臂运用MATLAB算法进行优化设计，它使得优化过程变得非常简单、容易理解和掌握，从而避免编写各种复杂的运算程序，提高了设计效率。 用 ADAMS 软件建立虚拟样机进行仿真并优化参数，得出了机械手的运动过程的演示动画，发现设计结构能有机地结合在一起，工作平稳，并在指定的速度和负载等参数下得出了所需要的驱动力和结构参数等。虚拟样机代替物理样机对工程机械进行创新设计、测试和评估，可以降低设计成本，缩短开发周期，而且设计质量和效率都可以得到提高。 关键词:机械手，气动，优化设计，仿真
机械手设计汇总
第一章（ 第二章绪论 课题研究的目的及意义 随着工业自动化程度的提高，工业现场的很多易燃、易爆等高危及重体力劳动场合必将由机器人所代替。这一方面可以减轻工人的劳动强度，另一方面可以大大提高劳动生产率。例如，目前在我国的许多中小型汽车生产以及轻工业生产中，往往冲压成型这一工序还需要人工上下料，既费时费力，又影响效率。为此，我们把上下料机械手作为我们研究的课题。 工业机械手是工业物流自动化中上网重要装置之一，是当今世界新技术革命的一个重要标志。工业机械手是典型的机电一体化产品。 工业机械手的产生和推广是社会生产和发展的需要，也是现代生产和科技发展的新技术产品。工业机械手已经在工业生产、资源开发、社会服务、排险救灾以及军事技术等方面发挥着愈来愈大的应用。 工业机械手的应用和推广已经并将获得极大的效益。例如在机械制造工业、汽车工业等生产中采用电焊、弧焊、喷漆等机械手，可以大大提高劳动生产率，保证产品质量，改善劳动条件。又如在微电子、医药等生产部门，采用机械手操作，可以消除人对产品的污染、确保产品质量。 机械手可以在有毒、噪音、高温、易燃、易爆等危险有害的环境中代替人长期稳定的工作，从根本上解决了操作者的安全保障问题。因而在这方面应用和推广机器人技术是十分迫切和必要的。 近代工业机械手的原型可以从本世纪40代算起。当时适应核技术的发展需要开发了处理放射性材料的主从机械手。50年代初美国提出了“通用重复操作机器人”的方案，59年研制出第一工业机械手原型。由于历史条件和技术水平关系，在60年代机械手发展较慢。进入70年代后，焊接、喷漆机械手相继在工业中应用和推广。随着计算机技术、控制技术、人工智能的发展、机械手技术得到迅速发展，出现了更为先进的可配视觉、触觉的机器人所应用的机械手。如美国Unimation公司PUMA系列工业机器人相关的机械手，即使由直流伺服驱动、关节式结构、多cpu微机控制、采用专用语言编程的技术先进的机械手。到了80、90年代机器人及相关的机械手开始在工业上普及应用。据统计1980年全世界约有两万台机器人在工业上应用，而到今年增长更快。今年已近开发出
气动机械手设计说明书
气动机械手－设计说明书
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一、设计要求 为卸码垛机械手臂配制造附件,即夹持工件的手指机构。机构应根据工件的形状、尺寸、工件质量大小、表面性质等因素专门设计。本设计拟搬运宽度尺寸9０～11０mｍ、质量为5kg以内的六菱柱形钢质工件，手指机构带水平转盘。设计手指机构的机械结构，机构自身重量控制在10ｋg以内,手指的动力驱动方式自选。 二、具体设计方案 本次机械手的主要设计构思来源于实验室的机械手模型,通过对实验室机械手的一系列观察研究，开始了如下方案的设计。 首先，我们选择了气动的方式来驱动机械手的运动,而对于气缸的选择，因为在这方面的学习还不够,而且对于我们所设计的机械手结构在气缸方面的要求不高,故在此不作进一步研究。 根据实验室的机械手模型,我们仿照其结构把机械手设计为平行式夹持手爪,接下来是对一些重要尺寸的确定做一较为详细的介绍。 2．1机械手手爪伸缩运动的设计 通过查阅相关资料,对于夹持型手爪进行受力分析如图所示,两个手指总夹持力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为摩擦系数,本次设计的手指夹持处设有辅助件，材料取为硬质橡胶，一般令μ=0.65； 另外已知m为5kg； 由此可得 F>ｍg／2μ=5×9．8/(2×0.６5)＝38N
机械手的结构图如下： 此部分为机械手的夹持部分,由图中可知，此结构主要是以齿轮齿条的啮合运动来实现手指的夹紧与放松,而通过两个类似于单缸气缸的腔体充气和放气产生推动力。因此根据公式可得: Ｄ=(4F／(πPη)）? 其中η为负载率,一般取0．4。代入相关数据可得：D=0．017m 又知腔体中受压缩气体作用的面积为一圆环，即 ｓ=π*（R2-r2)=π*D2/4 (其中Ｒ为腔体外半径，r为轴半径) 只要圆环面积s大于π*D2/4即可,现取Ｄ=0.02m=20mｍ r=10mm R＝20mm 则s的面积足够大,能提供足够的推力来满足运动。 之后根据所夹持件尺寸的要求是9０至11０mm,则按照90mm来计算(最小的工件尺寸），若能夹到的话,则110ｍm的也一定能夹到,然后通过一系列的尺寸推导运算(该部分是通过先初步设计尺寸，然后在建模过程中不断修改所得），即可设计出如上所示的机械手结构。其中最主要的就是齿轮齿条的行程大小确定，它是根据所要夹持工件的尺寸要求来设计的。
机械手电气设计说明书
（一）、基本情况介绍 机械手结构、动作与控制要求 机械手在专用机床及自动生产线上应用十分广泛，主要用于搬动或装卸零件的重复动作，以实现生产自动化。本设计中的机械手采用关节式结构。各动作由液压驱动，并右电磁阀控制。动作顺序及各动作时间的间隔采用按时间原则控制的电气控制系统。 机械手的结构如图8-13所示，主要由手指1、手腕2、小臂3、和大臂5等几部分组成。料架6为旋转式，由料盘和棘轮机构组成。每转动一定角度（由工件数决定）以保证待加工零件4对准机械手。 机械手各动作与相应电磁阀动作关系如表8-4所示。 以镗孔专用机床加工零件的上料、下料为例，机械手的动作顺序是：由原始位置将以加工好的工件卸下，放回料架，等料架转过一定角后，再将未加工零件拿起，送到加工位置，等待镗孔加工结束，再将加工完毕工件放回料架，如此重复循环。 图8-13 机械手的外形及其与料架的配置 1-手部 2-手腕 3-小臂 4-工件 5-大臂 6料架 (二)、拖动情况介绍 具体动作顺序是： 原始位置（装好工件等待加工位置，其状态是大手臂竖立，小手臂伸出并处于水平位置，手腕很横移向右，手指松开）——手指夹紧（抓住卡盘上的工件）——松卡盘——手腕左移（从卡盘上卸下已加工好的工件）——小手臂上摆——大手臂下摆——手指松开（工件放回料架）——小手臂收缩——料架转位——小手臂伸出——手指夹紧（抓住未加工零件）——大手臂上摆（取送零件）——小手臂下摆——手腕右移（将工件装到机床的主轴卡盘中）——卡盘收紧——手指松开，等待加工。
（三）、设计要求 1）加工中上料、下料各动作采用自动循环。 2）各动作之间应有一定的延（由时间继电器调定）。 3）机械手各部分应能单独动作，以便于调整及维修。 4）油泵电机（采用）及各电磁阀运行状态应有指示。 5）应有必要的电气保护与联锁环节。 二、设计过程 （一）、总体方案选择说明 机械手的分类 工业机械手的种类很多，关于分类的问题，目前在国内尚无统一的分类标准，在此暂按使用范围、驱动方式和控制系统等进行分类。 1按用途分 机械手可分为专用机械手和通用机械手两种: 专用机械手 它是附属于主机的、具有固定程序而无独立控制系统的机械装置。专用机械手具有动作少、工作对象单一、结构简单、使用可靠和造价低等特点，适用于大附属，如自动机床、自动线的上、下料机械手和‘加工中心”批量的自动化生产的自动换刀机械手。 通用机械手 它是一种具有独立控制系统的、程序可变的、动作灵活多样的机械手。通过调整可在不同场合使用，驱动系统和格性能范围内，其动作程序是可变的，控制系统是独立的。通用机械手的工作范围大、定位精度高、通用性强，适用于不断变换生产品种的中小批量自动化的生产。 通用机械手按其控制定位的方式不同可分为简易型和伺服型两种:简易型以“开一关”式控制定位，只能是点位控制:伺服型具有伺服系统定位控制系统，可以点位控制，也可以实现连续轨迹控制，一般的伺服型通用机械手属于数控类型。 2按驱动方式分 液压传动机械手 是以液压的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是:抓重可达几百公斤以上、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏。但对密封装置要求严格，不然油的泄漏对机械手的工作性能有很大的影响，且不宜在高温、低温下工作。若机械手采用电液伺服驱动系统，可实现连续轨迹控制，使机械手的通用性扩大，但是电液伺服阀的制造精度高，油液过滤要求严格，成本高。 气压传动机械手是以压缩空气的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是:介质来源极为方便，输出力小，气动动作迅速，结构简单，成本低。但是，由于空气具有可压缩的特性，工作速度的稳定性较差，冲击大，而且气源压力较低，抓重一般在30公斤以下，在同样抓重条件下它比液压机械手的结构大，所以适用于高速、轻载、高温和粉尘大的环境中进行工作。