汽车玻璃自动装配机械手控制系统设计.docx

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汽车玻璃自动装配机械手控制系统设计

毕业设计

题目：

汽车玻璃自动装配机械手控制系统设计

学院：

机械工程学院

专业：

机械设计制造及其自动化班级：

0702学号：

200702010214

学生姓名：

导师姓名：

完成日期：

2011.06.06

诚信声明

本人声明：

1、本人所呈交的毕业设计（论文）是在老师指导下进行的研究工作及取得的研究成果；

2、据查证，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，毕业设计（论文）中不包含其他人已经公开发表过的研究成果，也不包含为获得其他教育机构的学位而使用过的材料；

3、我承诺，本人提交的毕业设计（论文）中的所有内容均真实、可信。

作者签名：

日期：

年月日

毕业设计（论文）任务书

题目：

汽车玻璃自动装配机械手控制系统设计

姓名蔡媛学院机械工程专业机械设计班级0702学号14

指导老师黄菊生职称教授教研室主任陈小异

一、基本任务及要求：

本课题要求设计6自由度装配机械手，采用气动驱动，实现X、Y、Z方向移动，绕X、Z方向转动，进行运动仿真。

基本任务及要求：

1、分析汽车玻璃装配机械手的工作原理及工艺过程，制定控制方案。

2、根据实际环境与生产状态，设计具有自动、半自动、回原点和手动运行方式。

3、制定PLC控制I/O分配表、硬件接线电路、电气原理图。

4、进行气动系统设计，电磁阀等元器件的选择。

设计控制过程顺序功能图及PLC程序，调试通过多种工作方式程序。

5、按要求完成文献综述、开题报告及1.5～2万字毕业论文的撰写。

二、进度安排及完成时间：

1．2011年2月21日，布置课题，下达设计任务；

2．2月21日3月18日，查阅资料，撰写文献综述和开题报告；

3．3月18日，上交文献综述、开题报告；

4．3月18日4月15日，继续收集整理资料，确定毕业设计方案，开展毕业设计；

5．4月中，毕业设计中期检查；

6．4月15日5月24日，进行软件硬件设计，程序调试、图纸绘制等；

7．5月24日5月30日，撰写毕业设计论文，交导师初阅；

8．5月30日6月7日，按格式和要求修改毕业论文，装订成册，交导师评阅；

9．6月7日6月12日，毕业设计答辩；

汽车玻璃自动装配机械手控制系统设计

摘要：

汽车玻璃装配是汽车生产制造过程中的一道必要工序，采用玻璃装配机械手是企业实现汽车玻璃装配自动化与提高生产效率的必要途径。

设计了基于PLC控制的气动机械手可编程控制系统，实现了汽车玻璃装配的自动化控制。

它具有结构简单、简洁、不污染环境、自动化程度高、可靠性好等特点，对提高汽车装配自动化水平有借鉴作用。

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。

当然汽车玻璃装配行业的发展趋势是客户群越来越集中，使得汽车制造商逐渐合并趋势越来越明显。

重点对汽车玻璃装配机械手的各种原理图的设计及各种元器件的选择来满足要求。

关键词：

机械手；PLC；气动；汽车玻璃

TheAutoglassautomaticassemblyrobotcontrolsystemdesign

Abstract：

Autoglassassemblyisanecessaryprocedureofautoproductionmanufactureprocess.Usingglassassemblymanipulatorisenterprisestorealizetheautomobileglassassemblyautomationandimproveproductionefficiencynecessaryavenue.BasedonPLCcontroldesignofpneumaticmanipulatorprogrammablecontrolsystem,realizedtheautomationofautomobileglassassembly.Itissimpleinstructure,concise,nopollution,ahighdegreeofautomation,reliabilityisgoodwaitforacharacteristic,toenhancetheautomationlevelcarassemblycanbeusedforreference.Freedomofthemanipulator,themoreflexibility,thegreatertheversatilityiswider,itsstructureisalsomorecomplicated.ofcoursetheautomobileglassassemblingindustryisthedevelopmenttrendofcustomersmoreandmorecentralized,makeautomakersgraduallycoalescedtrendismoreandmoreobvious.Focusontheautomobileglassassemblymanipulatorofschematicdiagramofthedesignandselectionofvariouscomponentstomeettherequirements.

Keywords：

Manipulator;PLC;pneumatic；Automobileglass

第1章绪论

1.1引言

随着人类社会的不断发展，技术要求越累越高，自动化、高效率不断在各种领域得到实现。

当然汽车的发展更是飞速，中国汽车工业从建国初期的一家整车生产厂发展到现在的几十个整车生产企业,走过了漫长的50多个春秋,2009年10月第1000万辆整车下线又使我国进入了年产千万辆汽车生产大国的行列,从这里我们也看到了整车装配技术的不断发展和进步。

OE行业的发展趋势是客户群越来越集中，使得汽车制造商逐渐合并趋势越来越明显，对汽车各种要求越来越高，而自动化的要求也越高[3][9]。

1.2汽车玻璃发展前景

汽车玻璃装配是汽车生产制造过程中的一道必要工序，采用玻璃装配机械手是企业实现汽车玻璃装配自动化与提高生产效率的必要途径。

基于PLC控制的6自由度气动机械手可编程控制系统，实现了汽车玻璃装配的自动化。

在汽车行业中机械手的应用不断得到改善。

机械行业的规模和技术水平，是衡量一个国家经济实力和科学技术水平的重要标志。

因此，各国都把发展机械工业作为发展经济的战略重点之一。

随着人类近代文明的进步，汽车已成为人类日常生活一种不可缺少的运输与代步工具。

对汽车的各种要求也越来越多，其中汽车玻璃的装配机械手控制系统中高效率、自动化要能实现。

现在汽车玻璃装配机械手现状能达到小型化、轻量化、高功率、高精度、多机能并行控制、复杂装配工艺性等。

近年来，在汽车行业中自动装配得到了迅速发展，装配机械手应用日益增多，其中日本的装配机械手发展现状特明显，约占机械手的一半。

装配机械手中以数控机械手为最多，从结构上看，直角坐标式机械手居多，近年来，带视觉传感器的机械手增多[12][15]。

1.3设计内容及意义

1、设计内容

（1）分析汽车玻璃装配机械手的工作原理及工艺过程，制定控制方案。

（2）根据实际环境与生产状态，设计具有自动、半自动、回原点和手动运行

方式。

（3）制定PLC控制I/O分配表、硬件接线电路、电气原理图。

（4）进行气动系统设计，元器件的选择。

设计控制过程顺序功能图及程序。

2、意义

此课题主要是解决汽车玻璃装配所存在的问题。

通过采用PLC系统及机械手控制实现玻璃装配的自动化控制。

可以简化汽车玻璃装配设计，提高效率。

同时通过此课题的设计培养我们利用PLC系统控制来设计新产品的能力。

再者，本课题研究采用了机械手来进行控制，与传统的控制方法相比，提高了生产效率，对项目的评估和产品的综合性能提供了参考。

通过设计后的汽车玻璃装配机械手系统环保型、智能化、自动化、高工作性、高耐久性于一体的新高性能设备。

气动技术的应领域迅速拓宽，尤其是在各种自动化生产线上得到广泛应用。

电气可编程控制技术与气动技术相结合，使整个系统自动化程度更高，控制方式更灵活，性能更加可靠：

气动机械手、柔性自动生产线的迅速发展，对气动技术提出了更多更高的要求。

由于气动脉宽调制技术具有结构简单、抗污染能力强和成本低廉等特点，国内外都在大力开发研究。

随着微电子技术、PLC技术、计算机技术、传感技术和现代控制技术的发展应用，气动技术已成为实现现代传动与控制的关键技术之一。

随着科技的发展，机械手应用的越来越多。

在机械行业中，机械手应用的意义概括如下：

（1）提高生产过程自动化程度，增强生产效率。

（2）改善劳动条件。

（3）减少人力资源，便于节奏生产。

机械手的应用增强了自动化生产，会减少人力德尔使用。

综上所述，机械手的合理利用是机械行业发展的必然趋势[1][13]。

第2章汽车玻璃自动装配机械手系统设计

2.1基本设计思路及功能

2.1.1功能

汽车玻璃装配机械手的功能是企业实现汽车玻璃装配自动化与提高生产效率的必要途径。

具有结构简单、清洁、不污染环境、自动化程度高、可靠性好等特点。

以压缩空气为动力源，气动阀为控制元件，气缸为执行元件，实现各种需要的动作。

要求机械手能从原位置沿一定的轨迹搬至要求的位置在进行装配。

机械手需实现X、Y、Z方向的移动和绕X、Z方向的转动，同时在抓取过程中应完成机械手立柱的上升及下降，机械手手臂的伸缩以及吸盘能吸放工件玻璃，在搬运过程中能完成机械手立柱的旋转，机械手手腕的旋转，结束玻璃的装配后能完成机械手原位的返回：

机械手立柱、X轴、Y轴、机械手手腕、机械手手臂、吸盘等返回[11]。

2.1.2基本设计思路

在设计汽车玻璃自动装配机械手可编程控制系统时，因为在设计机械手结构时，用到了真空吸取工件玻璃，所以使用了气动机械手控制系统。

现在汽车玻璃装配机械手现状能达到小型化、轻量化、高功率、高精度、多机能并行控制、复杂装配工艺性等。

汽车玻璃装配自动化通过对机械手的设计来达到要求。

在X、Y轴滑台的基础上利用立柱的转动以及升降来达到机械手的移动范围；并且通过机械手手臂伸出与缩回来实现玻璃的移动位置；腕部的旋转能实现旋转方向的位置转动；通过立柱、手臂、手腕等的旋转或升降能将洗盘能达到要求的范围内移动。

该系统设计时应该要考虑机械手的各种动作的合理性以及能自由动作的要求，其中机械手的X轴、Y轴滑台的移动，要能够实现整个机械手在平面上的移动，实现汽车玻璃的装配，机械手立柱、机械手手腕、机械手手臂等则要能够实现机械手在空间内的移动及旋转。

吸盘则能够实现吸放玻璃的动作，在机械手设计结构下能够满足上序要求的前提下，在考虑如何能够使机械手X轴、Y轴，机械手立柱升降、旋转，机械手手腕旋转，机械手手臂伸缩等能够按照步骤一步一步实行动作，这样则考虑用电磁阀的通电与否来进行各动作的控制，当相应的电

磁阀带电时，则会有相应的动作能够执行，从而能达到汽车玻璃的装配[4][7][11]。

2.2结构设计与工作原理

根据机械手的工作任务，以及机械手的特点，进行机械手结构的设计，采用气动机械手。

其机械手结构示意图如下图2.1所示。

图2.1机械手结构示意图

1—X、Y轴滑台2—立柱3—机械手腕4—机械手臂5—吸盘

机械手结构由X轴、Y轴、立柱、手臂、手腕等组成。

其中平面方向的移动由X轴、Y轴来实现，空间方向则由机械手立柱、机械手手腕、机械手手臂等共同来完成，吸盘则实现吸放玻璃动作。

机械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。

机械手是最早出现的工业机器人，也是最早出现的现代机器人，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，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能

等部门。

机械手主要由执行机构、运动机构和控制系统三大部分组成。

吸盘是用来吸取工件的部件，根据被吸取玻璃的形状、尺寸、重量、材料而有吸附型结构形式。

运动机构，使手部完成各种转动、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。

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。

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。

控制系统的核心通过对其编程实现所要功能。

其中机械手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。

尽管它们的形态各有不同，但它们都有一个共同的特点，就是能够接受指令，精确地定位到三维（或二维）空间上的某一点进行作业。

机械手手腕具有结构紧凑，重量轻；动作灵活、平稳，定位精度高；强度、刚度高；合理设计与手臂和手腕的连接部位以及传感器和驱动装置的布局和安装。

手腕结构比较复杂，选用RRR型手腕，应用较普遍。

机械手立柱具有一定的刚度和强度，能够使机械手能整体的移动并旋转，能实现在一定范围内的位置改变[6][8]。

1、机械手的设计方案

对气动机械手的基本要求是能快速、准确地拾放和搬运物件，这就要求它们具有高精度、快速反应、一定的承载能力、足够的工作空间和灵活的自由度及在任意位置都能自动定位等特性，根据本课题的要求，机械手的自由度为6个自由度。

设计气动机械手的原则是：

充分分析玻璃的作业技术要求，拟定最合理的作业工序和工艺，并满足系统功能要求和环境条件；明确玻璃的基本要求，从而进一步确定对机械手结构及运行控制的要求；简化设计制造过程，兼顾通用性和专用性，并能实现柔性转换和编程控制。

本课题设计的机械手是气动机械手，用来装配汽车玻璃，可以改变自动程序的自动搬运或设备操作，用于比较差的工作环境。

本机械手在吸取玻璃时具有升降、伸缩及回转动作，因此采用圆柱坐标型式。

因为本课题的工件是玻璃属于板料式，故采用真空吸盘。

考虑到机械手的通用性，同时由于被抓玻璃是水平放置的，因此手腕必须能够进行旋转运动才可满足工件的要求，因此，手腕设计成旋转结构，实现手腕旋转运动的机构为旋转气缸[2][10]。

2、工作原理：

气源产生压缩空气，经气源调节装置处理后，经三位五通电磁阀和单向调速阀分别进入X轴执行缸，Y轴执行缸，立柱升降执行缸，立柱旋转执行缸，手臂伸缩执行缸，手腕旋转执行缸等各元件，单向调速阀能够调节气缸的运行速度，产生一定的背压缓冲。

真空吸盘吸取工件回路由真空吸盘、真空安全阀、压力继电器、分配器、三位三通电磁阀真空发生器、节流阀以及减压阀等元件组成，完成吸附玻璃动作。

吹脱工件时吹力的大小由减压阀调定，流量由节流阀调节。

真空吸盘吸取时则由压力继电器来控制，采用三分配器来设计三个真空吸盘，并且都必须要有真空安全阀，保证在一个吸盘失效后，仍能维持该系统的真空不变。

气动机械手作为机械手的一种，它具有结构简单、重量轻、动作迅速、平稳、可靠、节能和不污染环境、容易实现无级调速、易实现过载保护、易实现复杂的动作等优点[7]。

2.3机械手的主要参数

1、机械手的最大抓重是其规格的主要参数，由于是采用气动方式驱动，因此考虑抓取的玻璃重量不应该太重，查阅相关机械手的设计参数，结合工业生产的实际情况。

.

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使用范围。

而影响机械手动作快慢的主要因素是手臂伸缩的速度、立柱的升降及转动速度、X轴、Y轴的移动速度和手腕部分的转动速度。

该机械手最大移动速度设计为1.0m/s。

最大回转速度设计为900/s。

平均移动速度为0.8m/s。

平均回转速度为600/s。

机械手动作时有启动、停止过程的加、减速度存在，用速度-行程曲线来说明速度特性较为全面，因为平均速度与行程有关，故用平均速度表示速度的快慢更为符合速度特性。

除了运动速度以外，手臂的设计还的基本参数有伸缩行程和工作半径。

过大的伸缩行程和工作半径，必然带来偏重力矩增大而刚性降低。

达不到要吸取玻璃的要求。

根据一般数据，该机械手手臂的伸缩行程为600mm，吸盘直径50mm。

立柱升降行程定位1000mm,定位精度也是基本参数之一。

其定位精度为±1mm。

3、设计技术参数

（1）自由度数：

6个自由度。

（2）坐标型式：

圆柱坐标。

（3）定位方式：

行程开关。

（4）运动参数：

立柱升降行程1000mm，立柱升降速度250mm/s。

手臂伸缩

程600mm,手臂伸缩速度300mm/s。

各回转范围0°-180°，各回转速度60°/s。

（5）玻璃尺寸：

700mm×1200mm×10mm。

（6）驱动方式：

气压传动。

（7）控制方式：

PLC控制[17]。

2.4工艺过程及组成

汽车玻璃装配控制方法种类很多，最主要的是手动控制和机械手自动控制。

汽车玻璃装配通过实现对机械手的控制实现自动化。

其工艺过程如下图2.2所示。

图2.2工艺流程图

根据气缸顺序控制要求，运用FX2n系列PLC中的指令来实现。

即要实现的动作如上的所示，确定各动作的先后顺序和相互关系，得出机械手控制流程图，PLC控制程序主要由手动操作和自动操作两部分组成[8][11]。

机械手的形式是多样的，但是基本的组成都是相似的，一般机械手由执行机构、传动机构，控制机构等组成。

1、执行机构

执行机构由手腕、关节、手臂、立柱、吸盘、滑台等组成，吸盘为抓取机构，用于吸取玻璃。

手腕时能够实现转动的元件，关节起连接手腕与手臂的元件，手臂是能够实现伸出缩回的，使吸盘能够上下移动，滑台是水平方向X轴、Y轴方向的移动。

立柱是既能够升降又能够旋转的，并具有支撑作用。

2、传动机构

传动机构用于实现执行机构的动作，本系统设计采用气压传动。

气压传动以压缩气体为工作介质，靠气体的压力传递动力或信息的流体传动。

传递动力的系统是将压缩气体经由管道和控制阀输送给气动执行元件，把压缩气体的压力能转换为机械能而作功；传递信息的系统是利用气动逻辑元件或射流元件以实现逻辑运算等功能，亦称气动控制系统。

气压传动的特点是:

工作压力低，气体粘度小，管道阻力损失小，便于集中供气和中距离输送，使用安全，无爆炸和电击危险，有过载保护能力；但气压传动速度低，需要气源。

气压传动由气源、气动执行元件、气动控制阀和气动辅件组成。

气动执行元件把压缩气体的压力能转换为机械能，用来驱动工作部件，包括气缸和气动马达。

气动控制阀用来调节气流的方向、压力和流量，相应地分为方向控制阀、压力控制阀和流量控制阀。

气动辅件包括：

净化空气用的分水滤气器，改善空气润滑性能的油雾器，消除噪声的消声器，管子联接件等。

在气压传动中还有用来感受和传递各种信息的气动传感器。

采用气压传动是因为：

（1）气压传动的工作介质是空气，它取之不尽用之不竭，用后的空气可以排到大气中去，不会污染环境。

（2）气压传动的工作介质粘度很低，所以流动阻力很小，压力损失小，便于集中供气和远距离输送。

（3）与液压传动相比，启动动作迅速、反应快、维修简单、管路不易堵塞，且不从在介质变质、补充和更换等问题。

（4）工作环境适应好，可安全可可靠地应用于易燃易爆场所。

（5）气动装置结构简单、轻便、安装维护简单，压力等级低，固使用安全。

（6）空气具有可压缩性，气动系统能够实现过载自动保护。

3、控制系统

控制系统是指由控制主体、控制客体和控制媒体组成的具有自身目标和功能的管理系统。

控制系统意味着通过它可以按照所希望的方式保持和改变机器、机构或其他设备内任何感兴趣或可变化的量。

控制系统同时是为了使被控制对象达到预定的理想状态而实施的。

控制系统使被控制对象趋于某种需要的稳定状态。

机械手按照制定的程序，步骤，参数进行动作完成该指定工作要依靠控制系统来实现。

简单机械手通常情况下不使用专用的控制系统，只有动作复杂的机械手采用可编程控制器等控制进行动作[5][14][18]。

第3章汽车玻璃自动装配机械手系统的硬件设计

3.1概述

PLC主要是指数字运算操作电子系统的可编程逻辑控制器，用于控制机械的生产过程。

可编程控制器是以微处理器为基础，综合计算机技术，自动控制技术和通讯技术而展起来的一种新型工业控制装置，它将传统继电器控制技术和现代计算机信息处理两者的优点结合起来成为工业自动化领域中最重要，应用最多的控制设备，并已跃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。

1、PLC的工作原理

扫描技术：

当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。

完成上述三个阶段称作一个扫描周期。

2、PLC的选择

在对本设计所需要的PLC进行选择时要考虑很多方面，主要是依据机械手控制系统工作过程的特点和应用要求，详细分析工作过程的特点、控制要求，明确控制任务和范围，确定所需要的操作和动作，然后根据控制要求确定输入输出点数，确定所需要存储器的容量、PLC的功能、外部设备特性等，最后选择有较高性价比的PLC和设计相应的控制系统。

（1）输入输出点数。

（2）存储器容量。

（3）PLC控制功能的选择：

PLC的控制功能有很多，包括运算功能、控制功能、通信功能、编程功能、诊断功能等。

（4）可编程控制器机型的选择：

可编程控制器的种类繁多，型号各异，要选出合适本设计的PLC产品，就要通过对输入和输出点数的选择、对存储器容量的选择以及负载情况等进行分析。

最后我决定使用三菱公司生产的FX系列的FX2N-64MR型号的可编程控制器作为机械手的控制器[16]。

3.2I/O分配表及PLC硬件接线图

在进行I/O分配表设计时，估算I/O点数应详细分析工艺过程的特点、控制要求，明确控制任务和范围确定所需的操作和动作，然后根据控制要求，估算出

输入点数、所需存储容量、控制功能的选择和整个控制系统有比较合理的性比价，确定PLC的功能、外部设备特性等，最后选择较高性能价格比的PLC和设计相应的控制系统。

根据估算的方法确定本课题的I/O点数为输入29点，输出14点。

I/O分配表下图表3.1所示。

表3.1I/O分配表

序号

输入信号

序号

输出信号

1

连续

X1

SA1

30

立柱下降

Y0

2YV

2

回原点

X2

SA2

31

真空吸取

Y1

3YV

3

单周期

X3

SA3

32

立柱上升

Y2

1YV

4

手动

X4

SA4

33

吹脱工件

Y3

4YV

5

启动

X5

SB1

34

立柱X轴正向

Y4

5YV

6

停止

X6

SB2

35

立柱X轴负向

Y5

6YV

7

立柱上升

X7

SB3

36

立柱Y轴正向

Y6

7YV

8

立柱下降

X10

SB4

37

立柱Y轴负向

Y7

8YV

9

立柱上升限位

X11

SQ1

38

手腕顺转

Y10

11YV

10

立柱下降限位

X12