搬运机械手及其控制系统设计.docx

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搬运机械手及其控制系统设计

目录摘要.........................................................................................................I

ABSTRACT英文摘要...........................................................................Ⅱ

目录.........................................................................................................IV

第一章引言............................................................................................1

1.1课题的背景和意义.....................................................................................1

1.2课题国内外发展现状.................................................................................2

第二章总体方案确定..................................................................................4

2.1总体方案论证............................................................................................4

2.1.1机械手手臂结构方案设计......................................................4

2.1.2机械手驱动方案设计.............................................................4

2.1.3机械手控制方案设计.............................................................5

2.1.4机械手主要参数....................................................................5

2.1.5机械手的技术参数列表.........................................................6

第三章机械手总体结构设计.......................................................................7

3.1动作工况与分析.........................................................................................7

3.2机械手各部分结构设计.............................................................................8

3.2.1机械手底座的设计................................................................8

3.2.2立柱结构的设计....................................................................8

3.2.3轴承的选择...........................................................................9

3.2.4上轴承座的选择....................................................................10

3.2.5下轴承座的选择....................................................................11

3.2.6大臂的结构设计....................................................................12

3.2.7小臂的结构设计....................................................................12

3.2.8气爪的结构设计....................................................................12

3.2.9手部夹紧气缸设计计算.........................................................14

3.2.10升降气缸设计计算...............................................................18

3.2.11伸缩气缸设计计算...............................................................22

3.2.12回转气缸设计计算...............................................................25

第四章气动部分设计..................................................................................28

第五章PLC控制部分设计..........................................................................30

5.1电磁铁动作顺序.........................................................................................30

5.2I/O分配......................................................................................................30

5.3PLC控制梯形图.........................................................................................31

5.4PLC控制程序指令.....................................................................................32

结论............................................................................................................37

参考文献.....................................................................................................38

致谢及声明..................................................................................................39摘要近20年来气动技术的应用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。

本课题设计源于生产线中的搬运站传动方式采用气压传动即用各

种气缸来控制机械手的动作控制部分结合可编程控制技术编写程序进行

控制来实现两站之间的搬运。

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。

本课题中设计的搬运机械手主要有旋转、伸缩、

升降、夹紧四个自由度组成。

课题从机械部分、气动部分和控制三部分对气动机械手进行设计要

求机械手实现上下站之间的搬运功能。

机械部分重点是总体结构的设计、

各个气缸的选择和安装设计、各零部件的结构设计等气动部分主要是给

出了搬运机械手的气动原理图而控制部分则主要是程序的设计和调试

论文采用西门子S7-200指令编程给出了相应的梯形图、语句表和简

单的流程图。

由于气动机械手有结构简单、易实现无级调速、易实现过载保护、易

实现复杂的动作等诸多独特的优点气动机械手正在向重复高精度模块

化无给油化机电气一体化方向发展。

可以预见在不久的将来气动

机械手将越来越广泛地进人工业、军事、航空、医疗、生活等领域。

关键词可编程控制器柔性自动生产线自由度梯形图AbstractOverthepast20years,thefieldofpneumatictechnologyexpandrapidly,whichiswidely

usedinadiversearrayofautomatedproductionlineespecially.Thecombineofelectrical

programmabletechnologyandpneumaticcontroltechnologymakesthewholesystemahigher

degreeofautomation,moreflexiblecontrolandmorereliableperformance;Therapiddevelopof

pneumaticmanipulatorandflexibleautomatedproductionlinesrequiermuchmoretothe

developmentofpneumatictechnology.

Thistopicoriginatedfromthehandlingstationoftheproductionline;Thedriveisusedpressure

transmission,whichusesavarietyofcylindertocontroltherobot'smovementandthecontrol

partscombiningtheprogrammablecontroltechnologymakeaprogrammetoachievethecontrol

ofthetransportationbetweenthetwoplaces.

Manipulatoriscompetedbythreemajorpartsincludinghand,sportsbodiesandcontrol

system.Taskofhandistoholdtheworkpiece（ortool）ofthecomponents.Accordingtothe

graspingobject’sshape,size,weight,materialsandoperatingrequirementsthehandhandsa

varietyofstructuralforms,suchasclamptype,ADSholdersandadsorptiontypeandsoon.The

movementpartcancompletetheprescriptivemoveandachievethechangeofthesiteandgesture

ofthegraspingobjectsbyvariesrotating（twisting）,movingorcomplexmovementsonhand.The

independencemovementssuchastheriseandfallofbody,stretchingandrotatingmannerare

calledthefreedegreesofmanipulator.Thehandlingmanipulatorofthetopiccomposites

fourfreedegreeswhicharerotation,stretching,liftingandclaping

Thepneumaticmanipulatordesignisdesidedfromthreepartsinchudingthemechanical

parts,pneumaticpartsandcontrolparts,whichrequirestoachievemechanicalhandupanddown

betweenthehandlingfunction.Focusonthemechanicalpartsarethedesignofoverallstructure,

thechoiceofeachcylinderandinstallationdesign,structuraldesignofvariouscomponentsetc;

pneumaticpartisgiventhepneumaticmanipulatorhandlingschematics,andthecontrolpartof

theprocedurewasmainlydesignanddebugging,ThepapersuseSiemens（S7-200）instructions

program,givingthecorrespondingladderdiagram,statementformsandsimpleflowchart.

BecausethepneumaticManipulatorhasadvantagesofsimplestructure,easytoachievethe

steplessspeedregulation,easytoachieveoverloadprotection,easytoachieveanumberof

complexmovements,thepneumaticmanipulatorisdevelopingtotherepeat-high-precision,

modular,non-oilandelectricalintegrationdirection.Itisforeseeablethatinthenearfuture,

pneumaticmanipulatorwillbecomemoreandmorewidelyusedintotheindustrial,military,

aviation,medical,andotherareasoflife.

Keywords:

PLC,flexibleautomatedproductionlines,freedegree,LadderDiagram引言1.1课题的背景和意义近20年来气动技术的应用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。

自从机械手问世以来相应的各种难题迎刃而解。

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因而广泛应用

于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。

通用机械手因具有独立的控制系统、

程序可变、可在空间抓、放、搬运物体动作灵活多样适用于可变换生产品种的中、小

批量自动化生产广泛应用于柔性自动线。

近年来随着气动技术的迅速发展气动元件及

气动自动化技术已越来越多地应用于机械手中构成气动机械手。

气动机械手的全部动作由电磁阀控制的气缸驱动。

其中,上升、下降和左移、右移分别

由双线圈两位电磁阀控制,机械手的放松、夹紧也由双线圈两位电磁阀（夹紧电磁阀）控制。

机械手一般由执行系统、驱动系统、控制系统和人工智能系统组成,主要完成移动、转动、

抓取等动作。

本课题来源于实验课题模拟生产线由六站组成各站可独立可容易的连接在一起

组成一条自动加工生产线。

该课题要求设计搬运站搬运机械手将工件从上料检测站搬至

加工站。

搬运过程中能实现抓取、提升、回转、下降、松开等动作且动作顺序、动作速

度可调。

用气动驱动PLC控制。

包括总体设计各执行机构设计气动系统设计、计算

控制系统设计。

技术要求有以下几点

a.装卸、调整方便

b.结构简单工作安全可靠

c.设计合理尽量使用标准件以降低制造成本

d.用PLC对机械手进行控制。

总体设计思路

a.确定总体结构的组成、框架及各部分的功能与工作目标。

b.根据设计任务书的要求初步计算各工艺参数和结构参数。

c.

设计机体分级部分的结构及主要零件结构。

d.主要分级结构部分的主要零件强度和刚度检查其加工工艺性和装配工艺性。

e.保证与其它部分的接口合理。

f.根据设计结果修正设计参数。

1.2课题国内外发展现状国外机器人领域发展近几年有如下几个趋势:

a.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。

b.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。

c.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。

d.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。

e.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。

f.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。

g.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。

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