物流分拣气动控制机械手设计.docx

物流分拣气动控制机械手设计.docx

《物流分拣气动控制机械手设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《物流分拣气动控制机械手设计.docx（43页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

物流分拣气动控制机械手设计

物流分拣气动控制机械手设计

摘要

在自动化生产领域中，工业机械手是近几十年发展起来的。

工业机械手是从工业机器人中分支出来的。

其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。

机械手作业具有准确性和在各种环境中完成作业的能力。

机械手是一种能自动化定位控制并可重新编程序以实现变动的多功能机器，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的工作。

本文将设计的是一个二自由度的机械手，用于物流的分拣。

首先，本文简要介绍了下工业机械手的概念，组成和分类以及国内外的发展情况和发展趋势。

然后对机械手进行总体方案的设计，确定机械手的坐标形式和自由度，确定机械手的技术参数。

同时，设计了机械手的夹持式手部结构，计算出驱动力矩和所需气缸尺寸以及进行各受力部分的校核。

最后，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，并绘制了可编程序控制器的程序梯形图。

最终实现的目标是:

机械手抓举起重量为1.0kg的物体，使物体在纵向上移动了150mm，在横向上移动了300mm的距离。

关键词工业机械手，气动，物流分拣，可编程序控制器（PLC）

ThedesignofthepneumaticcontrolmanipulatorforlogisticspickingAbstractInthefieldofautomation,industrialrobotisdevelopedinrecentdecades.Itsfeaturescanbeprogrammedtoperformvarioustasksexpectedoftheoperation,and,itsstructureandperformancehavetheirrespectiveadvantagesofhumansandmachines,inparticular,reflectsthepeople'sintelligenceandadaptability.Themanipulatorworkhastheaccuracyandcompletestheworkineachkindofenvironmentability.Themanipulatorisamulti-purposemachinethatcanautomaticthepositioningcontrolandmayprogramtheforewordtorealizethechange,ithasmanydegrees-of-freedom,mayusefortotransporttheobjecttocompletetheworkineachdifferentenvironment.

InthispaperIwilldesignanindustrialrobotwithtwoDOF,whichisusedtoPhysicaldistributionsort.Firstthepaperintroducestheconceptionsoftheindustrymanipulator,compositionandclassificationaswellasdomesticandforeignstateofplayandtrendofdevelopment.Thencarriesontheoverallprojectdesigntothemanipulator,definitemanipulator'scoordinateformanddegree-of-freedom,giveouttheprimaryspecificationparameterofthismanipulator.Atthesametime,Iwilldesignmanipulator'sclamptypehandstructureandcalculatethedrivingmomentandtheaircylindersizeneededaswellascarriesontheexaminationofthevariousstresspart.Finally,Iwillcarryonthecontroltothemanipulatorbyprogrammablecontroller,andselecttheappropriatePLCmodel,workouttheprogrammablecontroller'scontrolplanaccordingtomanipulator'sworkflow,drawthemanipulator'sworksuccessionchart,anddrawtheprogrammablecontroller'sproceduretrapezoidalchart.Realizesfinallythegoalis:

themanipulatorsnatchestheliftingcapacityisthe1.0kgobject,maketheobjecttomove150mmonlongitudinal,movethe300mmdistanceondeflection.Keywordsindustrymanipulator,pneumaticcontrolmanipulator,logisticspicking,PLC

第一章绪论

1.1工业机械手的概论

机械工业是国民的装备部，是为国民经济提供装备和为人民生活提供耐用消费品的产业。

不论是传统产业，还是新兴产业，都离不开各种各样的机械装备，机械工业所提供装备的性能、质量和成本，对国民经济各部门技术进步和经济效益有很大的和直接的影响。

机械工业的规模和技术水平是衡量国家经济实力和科学技术水平的重要标志。

因此，世界各国都把发展机械工业作为发展本国经济的战略重点之一。

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。

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。

在现代生产过程中，机械手被广泛的运用于自动生产线中，机械人的研制和生产已成为高技术邻域内，迅速发殿起来的一门新兴的技术，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。

机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动，不知疲劳，不怕危险，抓举重物的力量比人手力大的特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用。

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。

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。

1

1.2机械手的组成和分类

1.2.1机械手的组成

机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等所组成。

各系统相互之间的关系如方框图2-1所示。

控制系统驱动系统执行系统

位置检测装置

图.1-1机械手的组成

（1）执行结构

包括手部，手腕，手臂和立柱等部件，有的还增设行走机构。

手部1）

即与物件接触的部件。

由于与物件接触的形式不同，可分为夹持式和吸附式手。

夹持手部由手指和传力机构所构成。

手指是与物件直接接触的构件，常用的手指运动形式有回转型和平移型。

回转型手指结构简单，制造容易，故应用广泛。

平移型应用较少，其原因是结构比较复杂，但平移型手指夹持圆形零件时，工件直径变化不影响其轴心的位置，因此适宜夹持直径变化范围大的工件。

手指结构取决于被抓取物件的表面形状，被抓部位和物件的重量及尺寸。

常用的指形有平面的，V形面和曲面的:

手指有外夹持式和内撑式;指数有双指式，多指式和双手双指式等。

而传力结构则通过手指产生夹紧力来完成夹放物件的任务。

传力结构式较多时常用的有:

滑槽杠杆式，连杠杆式，斜面杠杆式，齿轮齿条式，丝杠螺母弹簧式和重力式等。

2）手腕

手腕是连接手部和手臂的部件，并可用来调整被抓取物件的方位。

3）手臂

2

手臂是支撑被抓物件、手部、手腕的重要物件。

手臂的作用是带动手指去抓取物件，并按预定要求将其搬运导致定的位置。

工业机械手的手臂通常由驱动手臂运动的部件（如油缸、气缸、齿轮齿条机构、螺旋机构和凸轮机构等）与驱动源（如液压、气压或电机等）想配合，以实现手臂的各种运动。

4）立柱

是支撑手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回转运动和升降（或俯仰）运动均与立柱有密切的联系。

机械手的立柱因工作需要，优势也可以横向移动，即称为可移式立柱。

5）行走结构

当工业机械手需要完成较远距离的操作，或扩大使用范围时，可在机上按滚轮式行走机构可分装滚轮、轨道等行走机构，以实现工业机械手的机运动。

滚轮式布为有轨的和无轨的两种。

驱动滚轮运动则应另外增设机手传动装置。

6）机座

机座是机械手的基础部分，机械手执行机构的各部件和驱动系统均安装于机座上，故起支撑和连接的作用。

（2）驱动系统

驱动系统是驱动工业机械手执行机构运动的动力装置调节装置和辅助装置。

常用的驱动系统有液压传动、气压传动、机械传动。

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。

（3）控制系统

控制系统是支配着工业机械手按规定的要求运动的系统。

目前工业机械手的控制系统一般由程序控制系统和电气定位系统组成。

控制系统有电气控制和射流控制两种，他支配着机械手按规定的程序运动，并记忆人们给予机械手的指令信息（如工作顺序、运动轨迹、运动速度及时间），同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令，必要时可以对机械手的工作进行监视，当工作有错误或发生故障时即发出报警信号。

3

1.2.2机械手的分类

（1）按机械手用途分

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，以完成各项规定的操作。

它的特点是具备普通机械的性能之外，还具备通用机械、记忆智能的三元机械。

第二类是需要人工才做的，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讯号操作机来进行探测月球等。

工业中采用的锻造操作机也属于这一范畴。

第三类是用专用机械手，主要附属于自动机床或自动线上，用以解决机床上下料和工件送。

这种机械手在国外称为“MechanicalHand”，它是为主机服务的，由主机驱动;除少数以外，工作程序一般是固定的，因此是专用的。

（2）按机械手的驱动分

1）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。

2）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:

介质李源极为方便，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。

3）机械传动机械手

即由机械传动机构（如凸轮、连杆、齿轮和齿条、间歇机构等）驱动的机械手。

它是一种附属于工作主机的专用机械手，其动力是由工作机械传递的。

它的主要特点是运动准确可靠，用于工作主机的上、下料。

动作频率大，但结构较大，动作程序不可变。

4

4）电力传动机械手

即有特殊结构的感应电动机、直线电机或功率步进电机直接驱动执行机构运动的械手，因为不需要中间的转换机构，故机械结构简单。

其中直线电机机械手的运动速度快和行程长，维护和使用方便。

此类机械手目前还不多，但有发展前途。

（3）按控制方式分

1）点位控制

它的运动为空间点到点之间的移动，只能控制运动过程中几个点的位置，不能控制其运动轨迹。

若欲控制的点数多，则必然增加电气控制系统的复杂性。

目前使用的专用和通用工业机械手均属于此类。

2）连续轨迹控制

它的运动轨迹为空间的任意连续曲线，其特点是设定点为无限的，整个移动过程处于控制之下，可以实现平稳和准确的运动，并且使用范围广，但电气控制系统复杂。

这类工业机械手一般采用小型计算机进行控制。

1.3机械手的历史、国内外现状

1.3.1机械手的历史

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。

它的结构是:

机体上安装一个回转长臂，顶部装有电磁块的工件抓放机构，控制系统是示教形的。

1962年，美国联合控制公司在上述方案的基础上又试制成一台数控示教再现型机械手。

商名为Unimate（即万能自动）。

运动系统仿照坦克炮塔，臂可以回转、俯仰、伸缩、用液压驱动;控制系统用磁鼓作为存储装置。

不少球坐标通用机械手就是在这个基础上发展起来的。

同年该公司和普鲁曼公司合并成立万能自动公司,专门生产工业机械手。

1962年美国机械制造公司也实验成功一种叫Vewrsatran机械手。

该机械手的中央立柱可以回转、升降采用液压驱动控制系统也是示教再现型。

虽然这两种机械手出现在六十年代初，但都是国外工业机械手发展的基础。

5

1978年美国Unimate公司和斯坦福大学，麻省理工学院联合研制一种Unimate-Vicarm型工业机械手，装有小型电子计算机进行控制，用于装配作业，定位误差小于?

1毫米。

联邦德国机械制造业是从1970年开始应用机械手，主要用于起重运输、焊接和设备的上下料等作业。

联邦德国KnKa公司还生产一种点焊机械手，采用关节式结构和程序控制。

日本是工业机械手发展最快、应用最多的国家。

自1969年从美国引进两种机械手后大力从事机械手的研究。

前苏联自六十年代开始发展应用机械手，至1977年底，其中一半是国产，一半是进口。

目前，工业机械手大部分还属于第一代，主要依靠工人进行控制;改进的方向主要是降低成本和提高精度。

第二代机械手正在加紧研制。

它设有微型电子计算控制系统，具有视觉、触觉能力，甚至听、想的能力。

研究安装各种传感器，把感觉到的信息反馈，是机械手具有感觉机能。

第三代机械手则能独立完成工作中过程中的任务。

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制造系统FMS和柔性制造单元FMC中的重要一环。

1.3.2机械手的国内外现状

国外机器人领域发展近几年有如下几个趋势:

（1）工业机器人性能不断提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修），而单机价格不断下降，平均单机价格从91年的10.3万美元降至97年的65万美元。

（2）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;国外已有模块化装配机器人产品问市。

（3）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。

（4）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

6

用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制;多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用。

（5）虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制，如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。

（6）当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统，而是致力于操作者与机器人的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统，使智能机器人走出实验室进入实用化阶段。

美国发射到火星上的“索杰纳”机器人就是这种系统成功应用的最著名实例。

（7）机器人化机械开始兴起。

从94年美国开发出“虚拟轴机床”以来，这种新型装置已成为国际研究的热点之一，纷纷探索开拓其实际应用的领域。

国内机器人领域发展近几年现状:

我国的工业机器人从80年代“七五”科技攻关开始起步，在国家的支持下，通过“七五”、“八五”科技攻关，目前己基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人;其中有130多台套喷漆机器人在二十余家企业的近30条自动喷漆生产线（站）上获得规模应用，弧焊机器人己应用在汽车制造厂的焊装线上。

但总的来看，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，如:

可靠性低于国外产品:

机器人应用工程起步较晚，应用领域窄，生产线系统技术与国外比有差距;在应用规模上，我国己安装的国产工业机器人约200台，约占全球已安装台数的万分之四。

以上原因主要是没有形成机器人产业，当前我国的机器人生产都是应用户的要求，“一客户，一次重新设计”，品种规格多、批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、成本也不低，而且质量、可靠性不稳定。

因此迫切需要解决产业化前期的关键技术，对产品进行全面规划，搞好系列化、通用化、模块化设计，积极推进产业化进程.我国的智能机器人和特种机器人在“863”计划的支持下，也取得了不少成果。

其中最为突出的是水下机器人，6000m水下无缆机器人的成果居世界领先水平，还开发出直接遥控机器人、双臂协调控制机器人、爬壁机器人、管道机器人等机种:

在机器人视觉、力觉、触觉、声觉等基础技术的开发应用上开展了不少工作，有了一定的发展基础。

但是在多传感器信息融合控制技术、遥控加局部

7

自主系统遥控机器人、智能装配机器人、机器人化机械等的开发应用方面则刚刚起步，与国外先进水平差距较大，需要在原有成绩的基础上，有重点地系统攻关，才能形成系统配套可供实用的技术和产品，以期在“十五”后期立于世界先进行列之中。

1.4机械手的发展前景和方向

（1）重复高精度

精度是指机器人、机械手到达指定点的精确程度，它与驱动器的分辨率以及反馈装置有关。

重复精度是指如果动作重复多次，机械手到达同样位置的精确程度。

重复精度比精度更重要，如果一个机器人定位不够精确，通常会显示一个固定的误差，这个误差是可以预测的，因此可以通过编程予以校正。

重复精度限定的是一个随机误差的范围，它通过一定次数地重复运行机器人来测定。

随着微电子技术和现代控制技术的发展，以及气动伺服技术走出实验室和气动伺服定位系统的成套化。

气动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

有的公司把带有系列导向驱动装置的气动机械手称为简单的传输技术，而把模化装的气动机械手称为现代传输技术。

模块化拼装的气动机械手比组合导向驱动装置更具灵的安装体系。

它集成电接口和带电缆及气管的导向系统装置，使机械手运动自如。

由于模化气动机械手的驱动部件采用了特殊设计的滚珠轴承，使它具有高刚性、高强度及精确的向精度。

优良的定位精度也是新一代气动机械手的一个重要特点。

模块化气动机械手使同机械手可能由于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，是气动机手的一个重要的发展方向。

智能阀岛的出现对提高模块化气动机械手和气动机器人的性能起到了十分重要的支持作用。

因为智能阀岛本来就是模块化的设备，特别是紧凑型CP阀岛，它对分散上的集中控制起了十分重要的作用，特别对机械手中的移动模块。

（3）无给油化

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（如

8

烧结金属石墨材料）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）机电气一体化

由“可编程序控制器-传感器-气动元件”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气动元件，使气动技术从“开关控制”进入到高精度的“反馈控制”;省配线的复合集成系统，不仅减少配线、配管和元件，而且拆装简单，大大提高了系统的可靠性。

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。

气动机械手、气动控制越来越离不开PLC，而阀岛技术的发展，又使PLC在气动机械手、气动控制中变得更加得心应手。

9

第二章机械手的总体设计方案

2.1机械手的底标型式与自由度

按机械手手臂的不同运动形式及其组合情况，其座标型式可分为直角座标式、圆柱座标式、球座标式和关节式。

由于本机械手在上下料时手臂具有升降、收缩，因此，采用圆柱座标型式，相应的机械手具有两个自由度。

图2-1机械手的运动示意图

10

2.2机械手的手部结构方案设计

为了使机械手的通用性更强，把机械手的手部结构设计成可更换结构，当工件是棒料时，使用夹持式手部;当工件是板料时，使用气流负压式吸盘。

本文设计由要求知所用的是夹持式手部。

2.3机械手的手臂结构方案设计

按照抓取工件的要求，本机械手的手臂有两个自由度，即手臂的伸缩和升降运动。

手臂的升降运动是通过立柱来实现的，立柱的横向移动即为手臂的横移。

手臂的各种运动由气缸来实现

2.4机械手的驱动方案设计

由于气压传动系统的动作迅速，反应灵敏，阻力损失和泄漏较小，成本低廉因此本机械手采用气压传动方式。

2.5机械手的控制方案设计

考虑到机械手的通用性，同时使用点位控制，因此我们采用可编程序控制器（PLC）对机械手进行控制。

当机械手的动作流程改变时，只需改变PLC程序即可实现，非常方便快捷。

2.6机械手的主要参数

（1）机械手的最大抓重是其规格的主参数，由于是采用气动方式驱动，因此考虑抓取的物体不应该太重，查阅相关机械手的设计参数，结合工业生产的实际情况，本设计设计抓取的圆柱形工件质量为1公斤，直径在65mm-145mm。

（2）基本参数运动速度是机械手主要的基本参数。

操作节拍对机械手速度提出了要求，设计速度过低限制了它的