简易机械手的设计毕业设计.docx
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简易机械手的设计毕业设计
摘要
本文简要地介绍了工业机器人的概念,机械手的组成和分类,机械手的自由度和座标型式,气动技术的特点,PLC控制的特点及国内外的发展状况。
本文对机械手进行了总体方案设计,确定了机械手的座标型式和自由度,确定了机械手的技术参数。
同时,分别设计了机械手的夹持式手部结构以及吸附式手部结构;设计了机械手的手腕结构,计算出了手腕转动时所需的驱动力矩和回转气缸的驱动力矩;设计了机械手的手臂结构,设计了手臂伸缩、升降用液压缓冲器和手臂回转用液压缓冲器。
设计出了机械手的气动系统,绘制了机械手气压系统工作原理图。
利用可编程序控制器对机械手进行控制,选取了合适的PLC型号,根据机械手的工作流程制定了可编程序控制器的控制方案,画出了机械手的工作时序图和梯形图,并编制了可编程序控制器的控制程序。
关键词:
工业机器人,机械手,气动,可编程序控制器(PLC)
Abstract
Atfirst,thepaperintroducestheconceptionoftheindustrialrobotandtheelertaryinformationofthedevelopmentbriefly.What'smore,thepaperaccountsforbackgroundandtheprimarymissionofthetopic.
Thepaperintroducesthefunction,composingandclassificationofthemanipulator,tellsoutthefree-degreeandtheformofcoordinate.Atthesametime,thepapergivesouttheprimaryspecificationparameterofthismanipulator.Thispaperdesignsthestructureofthehandandtheequipmentofthedriveofthemanipulator,andanalyzestheerroroftheorientationofthefingers.Thepaperdesignsthestructureofthearm,anddesignsthehydraulicpressurebufferwhenthemanipulator'sarmflexes,ascend,descendandwheels.
Thepaperdesignsthesystemofairpressuredriveanddrawstheworkprinciplechair.ThemanipulatorusesPLCtocontrol.ThepaperinstitutestwocontrolschemesofPLCacordinetotheworkflowofthemanipulator.Thepaperdrawsouttheworktimesequencechartandthetrapeziachart.What’smore,thepaperworkoutthecontrolprogramofthePLC.
Keywords:
industrialrobot,manipulator,pump,PLC
前言
大学四年的本科学习即将结束,毕业设计也是其中最后一个环节,他是对以前所学的知识及所掌握的技能的综合运用,也是对我们大学四年的收获检验。
随着我国经济的迅速发展,采用PLC的技术得到愈来愈广泛的应用。
可编程序控制器,简称PLC,是在继电顺序控制基础上发展起来的以微处理器为核心的通用的工业自动化控制装置。
随着电子技术和计算机技术的迅猛发展,PLC的功能也越来越强大,更多地具有计算机的功能,目前PLC已经在智能化、网络化方面取得了很好的发展。
机械手采用PLC控制,具有可靠性高,改变程序灵活等优点。
无论进行时间控制还是控制或混合控制,都可以通过设置PLC的程序实现。
可以根据机械手的动作顺序改变程序,是机械手通用性更好。
机械手,也被称为自动手,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,广泛应用于机械制造冶金部门。
机械手主要由手部、运动机构和控制系统三大部分组成。
手部是用来抓持工件(或工具)的部件,根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式,如夹持型、托持型和吸附型等。
运动机构,使手部完成各种转动(摆动)、移动或复合运动来实现规定的动作,改变被抓持物件的位置和姿势。
运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式,称为机械手的自由度。
为了抓取空间中任意位置和方位的物体,需有6个自由度。
自由度是机械手设计的关键参数越多、自由度越多,机械手的灵活性越大,通用性越广,其结构也越复杂。
机械手首先是从美国开始研制的。
1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手。
1.绪论
可编程序控制器(PLC)已在工业生产过程的自动控制中得到了广泛应用。
它是以微处理器为核心,综合计算机技术、自动控制技术和通信技术发展起来的一种通用的自动控制装置,它具有结构简单、易于编程、性能优越、可靠性高、灵活通用和使用简单等一系列有点;气动技术也是实现工业自动化的重要手段,并已广泛应用于各个部门,在机械产品自动化、工业自动化及企业技术改造方面占有重要的地位。
气压传动的介质来自于空气,环境污染小,工程已于实现。
机械手在工业自动化生产得到了很好的利用,它可以减少人的充分操作,并且它还可以完成人无法完成的操作,从而大大地提高了工业的生产效率。
机械手是工业机器人系统中传统的任务执行机构,是机器人的关键部件之一。
其中的工业机械手是近代控制领域中出现的一项新技术,它的发展是由于其积极作用正日益为人们所认识:
它能部分地代替人工操作;能按照生产工艺的要求,能遵循一定的程序、时间、位置能完成工件的传送和装卸;能制作必要的机具进行焊接和装配从而大大改善工人的工作条件,显著地提高劳动生产率,加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。
1.1机械手的概述
机械手主要由手部、运动机构和控制系统三大部分组成。
手部是用来抓持工件(或工具)的部件,根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式,如夹持型、托持型和吸附型等。
运动机构,使手部完成各种转动(摆动)、移动或复合运动来实现规定的动作,改变被抓持物件的位置和姿势。
运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式,称为机械手的自由度。
为了抓取空间中任意位置和方位的物体,需有6个自由度。
自由度是机械手设计的关键参数。
自由度越多,机械手的灵活性越大,通用性越广,其结构也越复杂。
一般专用机械手有2~3个自由度。
控制系统是通过对机械手每个自由度的电机的控制,来完成特定动作。
同时接收传感器反馈的信息,形成稳定的闭环控制。
控制系统的核心通常是由单片机或dsp等微控制芯片构成,通过对其编程实现所要功能。
机械手通常常机床或其他机器的附加装置,如在自动机床或自动生产线上装卸和传递工件,在加工中心中更换刀具等,一般没有独立的控制装置。
有些操作装置需要由人直接操纵,如用于原子能部门操持危险物品的主从式操作手也常称为机械手。
机械手在锻造工业中的应用能进一步发展锻造设备的生产能力,改善热、累等劳动条件。
机械手的机械结构采用滚珠丝杆、滑杆、等机械器件组成;电气方面有交流电机、变频器、传感器、等电子器件组成。
该装置涵盖了可编程控制技术,位置控制技术、检测技术等,是机电一体化的典型代表仪器之一。
机械手是在机械化、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。
在现代工业中,生产过程的机械化、自动化已成为突出的主题。
随着工业现代化的进一步发展,自动化已经成为现代企业中的重要支柱,无人车间、无人生产流水线等等,已经随处可见。
同时,现代生产中,存在着各种各样的生产环境,如高温、放射性、有毒气体、有害气体场合以及水下作业等,这些恶劣的生产环境不利于人工进行操作。
工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新的技术,是现代控制理论与工业生产自动化实践相结合的产物,并以成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分。
工业机械手是提高生产过程自动化、改善劳动条件、提高产品质量和生产效率的有效手段之一。
尤其在高温、高压、粉尘、噪声以及带有放射性和污染的场合,应用得更为广泛。
在我国,近几年来也有较快的发展,并取得一定的效果,受到机械工业和铁路工业部门的重视。
专用机械手经过几十年的发展,如今已进入以通用机械手为标志的时代。
由于通用机械手的应用和发展,进而促进了智能机器人的研制。
智能机器人涉及的知识内容,不仅包括一般的机械、液压、气动等基础知识,而且还应用一些电子技术、电视技术、通讯技术、计算技术、无线电控制、仿生学和假肢工艺等,因此它是一项综合性较强的新技术。
目前国内外对发展这一新技术都很重视,几十年来,这项技术的研究和发展一直比较活跃,设计在不断地修改,品种在不断地增加,应用领域也在不断地扩大。
早在40年代,随着原子能工业的发展,已出现了模拟关节式的第一代机械手。
50~60年代即制成了传送和装卸工件的通用机械手和数控示教再现型机械手。
这种机械手也称第二代机械手。
如尤尼曼特(Unimate)机械手即属于这种类型。
60~70年代,又相继把通用机械手用于汽车车身的点焊和冲压生产自动线上,亦即是第二代机械手这一新技术进入了应用阶段。
80-90年代,装配机械手处于鼎盛时期,尤其是日本。
90年代机械手在特殊用途上有较大的发展,除了在工业上广泛应用外,农、林、矿业、航天、海洋、文娱、体育、医疗、服务业、军事领域上有较大的应用。
90年代以后,随着计算机技术、微电子技术、网络技术等的快速发展,机械手技术也得到飞速的多元化发展。
总之,目前机械手的主要经历分为三代:
第一代机械手主要是靠人工进行控制,控制方式为开环式,没有识别能力;改进的方向主要是将低成本和提高精度;第二代机械手设有电子计算机控制系统,具有视觉、触觉能力,甚至听、想的能力。
研究安装各种传感器,把接收到的信息反馈,使机械手具有感觉机能;第三代机械手能独立完成工作过程中的任务。
它与电子计算机和电视设备保持联系,并逐步发展成为柔性系统FMS(FlexibleManufacturingSystem)和柔性制造单元FMC(FlexibleManufacturingCell)中重要一环。
1.2机械手的设计目的
工业机械手设计是机械制造、机械设计和机械电子工程等专业的一个重要教学环节,是学完技术基础课及有关专业课以后的一次专业课程内容得综合设计。
通过设计提高学生的机械分析与综合能力、机械结构设计的能力、机电液一体化系统设计的能力,掌握实现生产过程自动化的设计方法。
通过这一环节要求达到:
(1)通过设计,把握有关课程(机构分析与综合、机械原理、机械设计、液压与气压传动技术、自动控制理论、测试技术、数控技术、微型计算机原理及应用、自动化机械设计等)中所获得的理论知识在实际中综合地加以运用,是这些知识得到巩固和发展,并使理论知识和生产密切的结合起来。
因此,工业机械手的设计是有关专业基础课和专业课以后的综合性的专业课程设计。
(2)工业机械手设计是机械设计及制造专业和机械电子工程专业的学生一次比较完整的机电一体化的整机设计。
通过设计,培养学生独立的机械整机设计能力,树立正确的设计思路,掌握机电一体化机械产品设计的基本方法和步骤,为自动化机械设计打下良好的基础。
(3)通过设计,使学生能熟练地应用有关参考资料、计算图表、手册、图册及规范,熟悉有关国家标准和部分标准,以完成一个工业技术人员在机械整机设计方面所必须具备的基本技能训练。
(4)由于机械手设计工作量比较大,为使学生在短时间内得到完整训练,同学以小组为单位,分工合作共同完成此次机械手设计任务,这样既节省了时间,有解决了量大,时间紧的矛盾,同时最大限度的培养了学生分工协作完成大型设计的能力。
1.3机械手的设计内容
(1)机械手的方案论证
根据国内外同类产品现状,设计课题方案。
(2)机械手的总体设计
在方案论证的基础上进行机械手的总体设计,并绘制总体布局图。
(3)驱动系统的设计
根据机械手的特点,选用舍党的驱动方式,根据总体设计要求进行电机选型。
进行电机选型相关计算。
进行驱动系统零部件的选型和设计。
绘制驱动系统布局图。
(4)控制系统的设计
确定机械手的控制方式并进行控制系统的控制与编程。
绘制控制系统布局图。
(5)传感与测试系统的设计
进行控制与驱动系统的传感与测试系统的设计。
(6)机械本体设计
进行机械本体零部件设计,绘制总体和零件图。
1.4PLC概况及在机械手中的应用
1.4.1可编程序控制器的应用和发展概况
可编程序控制器(programmablecontroller),现在一般简称为PLC(programmablelogiccontroller),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。
在可编程序控制器问世以前,工业控制领域中是继电器控制占主导地位。
传统的继电器控制具有结构简单、易于掌握、价格便宜等优点,在工业生产中应用甚广。
但是控制装置体积大、动作速度较慢、耗电较多、功能少,特别是由于它靠硬件连线构成系统,接线繁杂,当生产工艺或控制对象改变时,原有的接线刻控制盘(柜)就必须随之改变或更换,通用性和灵活性较差。
1.4.2PLC的应用概况
PLC的应用领域非常广,并在迅速扩大,对于而今的PLC几乎可以说凡是需要控制系统存在的地方就需要PLC,尤其近几年来PLC的性价比不断提高已被广泛应用在冶金、机械、石油、化工、轻功、电力等各行业。
按PLC的控制类型,其应用大致可分为以下几个方面。
(1)用于逻辑控制
这是PLC最基本,也是最广泛的应用方面。
用PLC取代继电器控制和顺序控制器控制。
例如机床的电气控制、包装机械的控制、自动电梯控制等。
(2)用于模拟量控制
PLC通过模拟量I/O模块,可实现模拟量和数字量之间转换,并对模拟量控制。
(3)用于机械加工中的数字控制
现代PLC具有很强的数据处理功能,它可以与机械加工中的数字控制(NC)及计算机控制(CNC)紧密结合,实现数字控制。
(4)用于工业机器人控制
(5)用于多层分布式控制系统
高功能的PLC具有较强的通信联通能力,可实现PLC与PLC之间、PLC与远程I/O之间、PLC与上位机之间的通信。
从而形成多层分布式控制系统或工厂自动化网络。
1.4.3PLC的特点
(1)可靠性高、抗干扰能力强
PLC能在恶劣的环境如电磁干扰、电源电压波动、机械振动、温度变化等中可靠地工作,PLC的平均无故障间隔时间高,日本三菱公司的F1系列PLC平均无故障时间间隔长达30万h,这是一般微机所不能比拟的。
(2)控制系统构成简单、通用性强
由于PLC是采用软件编程来实现控制功能,对同一控制对象,当控制要求改变需改变控制系统的功能时,不必改变PLC的硬件设备,只需相应改变软件程序。
(3)编程简单、使用、维护方便
(4)组合方便、功能强、应用范围广
PLC既可用于开关量的控制又可用于模拟量的控制;既可用单片机控制,又可用于组成多级控制系统;既可控制简单系统,又可控制复杂系统。
因此,PLC应用范围很广。
(5)体积小、重量轻、功耗低
PLC采用了半导体集成电路,外形尺寸很小,重量轻,同时功耗也很低,空载功耗约1.2KW。
1.4.4PLC在机械手中的应用
机械手通常应用于动作复杂的场合来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。
1.5机械手的应用意义
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。
1.6机械手的技术发展方向
目前国内工业机械于主要用于机床加工、铸锻、热处理等方面,数量、品种、性能方面都不能满足工业生产发展的需要。
因此,国内主要是逐步扩大机械手应用范围,重点发展铸锻、热处理方面的机械手,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,有条件的还要研制示教式机械手、计算机控制机械手和组合式机械手等。
将机械手各运动构件,如伸缩、摆动、升降、横移、俯仰等机构,以及适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,选用不用的典型部件,即可组成各种不同用途的机械手。
既便于设计制造,又便于改换工作,扩大了应用的范围。
同时要提高精度,减少冲击,定位精确,以更好地发挥机械手的作用。
此外还应大力研究伺服型、记忆再现型,以及具有触觉、视觉等性能地机械手,并考虑于计算机联用,逐步成为整个机械制造系统中的一个基本单元。
在国外机械制造业中,工业机械手应用较多,发展较快。
目前主要用于机床、模锻压力机的上下料,以及点焊、喷漆等作业中,它可按照事先制定的作业程序完成规定的操作,但是还不具备任何传感反馈能力,不能应付外界的变化。
如发生某些偏离时,就将引起零部件甚至机械手本身的损坏。
为此,国外机械手的发展趋势是大力研制具有某些智能的机械手,使其拥有一定的传感能力,能反馈外界条件的变化,做出相应的变更。
如位置发生稍些偏差时,即能更正,并自行检测,重点是研究视觉功能和触觉功能。
视觉功能即在机械手上安装有电视照相机和光学测距仪(即距离传感器)以及卫星计算机。
工作时,电视照相机将物体形象变成视频信号,然后传送给计算机,以便分析物体的种类、大小、颜色和方位,并发出指令控制机械手进行工作。
触觉功能即在机械手上安装有触觉反馈控制装置。
工作时机械手先伸出手指寻找工件,通过装在手指内的压力敏感元件产生触感作用,然后伸向前方,抓住工件。
手的抓力大小可通过装在手指内侧的压力敏感元件来控制,达到自动调整握力的大小。
总之,随着传感技术的发展,机械手的装配作业的能力将进一步提高。
到1995年,全世界约有50%的汽车由机械手装配。
现今机械手的发展更主要的是将机械手和柔性制造系统以及柔性制造单元相结合,从而根本改变目前机械制造系统的人工操作状态。
2.搬运机械手总体设计方案
2.1操作要求
气动机械手的动作示意图如图1所示,气动机械手的功能是将工件从A处移送到B处。
控制要求为:
1.气动机械手的升降和左右移行分别由不同的双线圈电磁阀来实现,电磁阀线圈失电时能保持原来的状态,必须驱动反向的线圈才能反向运动;
2.上升、下降的电磁阀线圈分别为YV2、YV1;右行、左行的电磁阀线圈为YV3、YV4;
3.机械手的夹钳由单线圈电磁阀YV5来实现,线圈通电时夹紧工件,线圈断电时松开工件;
4.机械手的夹钳的松开、夹紧通过延时1.7S实现;
5.机械手的下降、上升、右行、左行的限位由行程开关SQ1、SQ2、SQ3、SQ4来实现;
2.2操作功能
机械手的操作面板如图2所示。
机械手能实现手动、回原位、单步、单周期和连续等五种工作方式。
1.手动工作方式时,用各按钮的点动实现相应的动作;
2.回原位工作方式时,按下“回原位”按钮,则机械手自动返回原位;
3.单步工作方式时,每按下一次启动安钮,机械手向前执行一步;
4.单周期工作方式时,每按下一次启动安钮,机械手只运行一个周期;
5.连续工作方式时,机械手在原位,只要按下启动安钮,机械手就会连续循环工作,直到按下停止安钮;
6.传送工件时,机械手必须升到最高点才能左右移动,以防止机械手在较低位置运行时碰到其他工件;
7.出现紧急情况,按下紧急停车按钮时,机械手停止所有的操作。
3.PLC及机械手的选择和论证
3.1可编程控制器PLC
3.1.1PLC简介
自二十世纪六十年代美国推出可编程逻辑控制器(ProgrammableLogicCONtroller,PLC)取代传统继电器控制装置以来,PLC得到了快速发展,在世界各地得到了广泛应用。
同时,PLC的功能也不断完善。
随着计算机技术、信号处理技术、控制技术网络技术的不断发展和用户需求的不断提高,PLC在开关量处理的基础上增加了模拟量处理和运动控制等功能。
今天的PLC不再局限于逻辑控制,在运动控制、过程控制等领域也发挥着十分重要的作用。
作为离散控的制的首选产品,PLC在二十世纪八十年代至九十年代得到了迅速发展,世界范围内的PLC年增长率保持为20%~30%。
随着工厂自动化程度的不断提高和PLC市场容量基数的不断扩大,近年来PLC在工业发达国家的增长速度放缓。
但是,在中国等发展中国家PLC的增长十分迅速。
综合相关资料,2004年全球PLC的销售收入为100亿美元左右,在自动化领域占据着十分重要的位置。
PLC是由摸仿原继电器控制原理发展起来的,二十世纪七十年代的PLC只有开关量逻辑控制,首先应用的是汽车制造行业。
它以存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和运算等操作的指令;并通过数字输入和输出操作,来控制各类机械或生产过程。
用户编制的控制程序表达了生产过程的工艺要求,并事先存入PLC的用户程序存储器中。
运行时按存储程序的内容逐条执行,以完成工艺流程要求的操作。
PLC的CPU内有指示程序步存储地址的程序计数器,在程序运行过程中,每执行一步该计数器自动加1,程序从起始步(步序号为零)起依次执行到最终步(通常为END指令),然后再返回起始步循环运算。
PLC每完成一次循环操作所需的时间称为一个扫描周期。
不同型号的PLC,循环扫描周期在1微秒到几十微秒之间。
PLC用梯形图编程,在解算逻辑方面,表现出快速的优点,在微秒量级,解算1K逻辑程序不到1毫秒。
它把所有的输入都当成开关量来处理,16位(也有32位的)为一个模拟量。
大型PLC使用另外
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