基于PLC的机械手设计Word文件下载.doc

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致谢 26

参考文献 26

附录 27

摘要

机械手设计包括机械结构设计，检测传感系统设计和控制系统设计等，是机械、电子、检测、控制和计算机技术的综合应用。

本课题通过对设计要求的分析，设计出机械手的总体方案，重点阐述了手部结构的设计以及控制系统硬软件的设计，完成了整个系统工作的动画设计。

实现了机械手的基本搬运功能，达到了预期要求，具有一定的应用前景。

关键词：

机械手PLC动画

引言

随着世界经济和技术的发展，人类活动的不断扩大，机器人应用正迅速向社会生产和生活的各个领域扩展，也从制造领域转向非制造领域，各种各样的机器人产品随之出现。

像海洋开发、宇宙探测、采掘、建筑、医疗、农林业、服务、娱乐等行业都提出了自动化各机器人化的要求。

随着机器人的产生和大量应用，很多领域，许多单一、重复的机械工作由机器人（也称机械手）来完成。

工业机器人是一种能进行自动控制的、可重复编程的，多功能的、多自由度的、多用途的操作机, 

广泛采用工业机器人，不仅可提高产品的质量与产量，而且对保障人身安全，改善劳动环境，减轻劳动强度，提高劳动生产率，节约原材料消耗以及降低生产成本，有着十分重要的意义。

和计算机、网络技术一样，工业机器人的广泛应用正在日益改变着人类的生产和生活方式。

机械手是一种模仿人手动作，并按设定的程序来抓取、搬运工件或夹持工具，机械手可在空间抓放物体，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，广泛应用于自动生产线、自动机的上下料、数控设备的自动换刀装置中。

机械手一般由执行系统、驱动系统、控制系统和人工智能组成，主要完成移动、转动、抓取等动作。

控制系统是机械手的指挥系统，它通过控制驱动系统，让执行器按照规定的要求进行工作，并检测其正确与否。

可编程控制器（PLC）是一种数定运算操作的电子系统，它将逻辑运算、顺序控制、时序、计数、算术运算等控制程序，用指令形式存放在存储器中，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种机械或生产过程。

与继电器控制线路相比，PLC具有可靠性高、抗干扰能力强；

编程简单、使用方便；

设计、安装容易，维护工作量少；

功能完善、通用性强；

体积小、能耗低等特点。

因此，机械手控制系统越平越多的由可编程控制器来实现。

1.机械手总体方案设计

1.1设计要求：

1.机械手能够完成从一个工作点取物体旋转一定角度，放到另一个工作点上。

2.要求完成手抓结构的设计，进行夹紧力的计算分析。

初值给定如下：

工件质量m=0.1kg

摩擦系数μ=0.15

重力加速度g=9.8m/s2

垂直加速度a=0.3g=2.94m/s2

水平加速度a=0.3g=2.94m/s2

回转半径r=0.5m

角速度ω＝3.5rad/s

角加速度β＝2.1rad/s2

安全系数S=1.45

夹角φ＝45°

3.要求选用PLC作为控制系统。

1.2运动形式的选择：

根据主要的运动参数选择运动形式是结构设计的基础。

常见机器人的运动形式有四种，下面分别论述其特点，然后确定运动形式。

1.直角坐标型机器人

直角坐标型机器人的结构简图如图1-1所示，它在x,y,z轴上的运动是独立的，3个关节都是移动关节，关节轴线相互垂直，它主要用于生产设备的上下料，也可用于高精度的装卸和检测和作业。

这种形式的主要特点是：

（1）在三个直线方向上移动，运动容易想象。

（2）计算比较方便。

（3）由于可以两端支撑，对于给定的结构长度，其刚性最大。

（4）要求保留较大的移动空间，占用空间较大。

（5）要求有较大的平面安装区域。

（6）滑动部件表面的密封较困难，容易被污染。

2.圆柱坐标型机器人

圆柱坐标型机器人的结构简图如图1-2所示，R、θ和x为坐标系的三个坐标，其中R是手臂的径向长度，θ是手臂的角位置，x是垂直方向上手臂的位置。

（1）容易想象和计算。

（2）能够伸入形腔式机器内部。

（3）空间定位比较直观。

（4）直线驱动部分难以密封、防尘及防御腐蚀物质。

（5）手臂端部可以达到的空间受限制，不能到达靠近立柱或地面的空间。

3.极坐标型机器人

极坐标型机器人又称为球坐标机器人，其结构图如图1-3所示，R，θ和β为坐标系的坐标。

其中θ是绕手臂支撑底座垂直轴的转动角，β是手臂在铅垂面内的的摆动角。

这种机器人运动所形成的轨迹表面是半球面。

其特点是：

（1）在中心支架附近的工作范围较大。

（2）两个转动驱动装置容易密封。

（3）覆盖工作空间较大。

（4）坐标系较复杂，较难想象和控制。

（5）直线驱动装置仍存在密封问题。

（6）存在工作死区。

4.多关节机器人

多关节机器人结构简图如图1-4所示，它是以其各相邻运动部件之间的相对角位移作为坐标系的。

θ、α和φ为坐标系的坐标，其中θ是绕底座铅垂轴的转角，φ是过底座的水平线与第一臂之间的夹角，α是第二臂相对于第一臂的转角。

这种机器人手臂可以达到球形体积内绝大部分位置，所能达到区域的形状取决于两个臂的长度比例。

（1）动作较灵活，工作空间大。

（2关节驱动处容易密封防尘。

（3）工作条件要求低，可在水下等环境中工作。

（4）适合于电动机驱动。

（5）运动难以想象和控制，计算量较大。

（6）不适于液压驱动。

图1-1直角坐标型图1-2圆柱坐标型

图1-3极坐标型图1-4多关节型

选择方案的准则：

1.满足设设计要求：

机械手能够旋转一定角度。

2.结构简单，便于计算分析。

分析比较以上四种运动形式，确定选用圆柱坐标型机器人。

1.3驱动方式的选择：

机器人关节的驱动方式有液压式、气动式、和电动式。

下面将三种驱动方式进行分析比较。

1.液压驱动

机器人的驱动系统采用液压驱动，有以下几个优点：

（1）液压容易达到较高的压力（常用液压为2.5～6.3MPa），体积较小，可以获得较大的推力或转矩；

（2）液压系统介质的可压缩性小，工作平稳可靠，并可得到较高的位置精度；

（3）液压传动中，力、速度和方向比较容易实现自动控制；

（4）液压系统采用油液作介质，具有防锈性和自润滑性能，可以提高机械效率，使用寿命长。

液压传动系统的不足之处是：

（1）油液的粘度随温度变化而变化，影响工作性能，高温容易引起燃爆炸等危险；

（2）液体的泄漏难于克服，要求液压元件有较高的精度和质量，故造价较高；

（3）需要相应的供油系统，尤其是电液伺服系统要求严格的滤油装置，否则会引起故障。

液压驱动方式的输出力和功率更大，能构成伺服机构，常用于大型机器人关节的驱动。

2.气压驱动

与液压驱动相比，气压驱动的特点是：

（1）压缩空气粘度小，容易达到高速；

（2）利用工厂集中的空气压缩站供气，不必添加动力设备；

（3）空气介质对环境无污染，使用安全，可直接应用于高温作业；

（4）气动元件工作压力低，故制造要求也比液压元件低。

它的不足之处是：

（1）压缩空气常用压力为0.4～0.6MPa，若要获得较大的力，其结构就要相对增大；

（2）空气压缩性大，工作平稳性差，速度控制困难，要达到准确的位置控制很困难；

（3）压缩空气的除水问题是一个很重要的问题，处理不当会使钢类零件生锈，导致机器人失灵。

此外，排气还会造成噪声污染。

气动式驱动多用于点位控制、抓取、开关控制和顺序控制的机器人。

3.电动机驱动

电动机驱动可分为普通交、直流电动机驱动，交、直流伺服电动机驱动和步进电动机驱动。

普通交、直流电动机驱动需加减速装置，输出力矩大，但控制性能差，惯性大，适用于中型或重型机器人。

伺服电动机和步进输出力矩相对小，控制性能好，可实现速度和位置的精确控制，适用于中小型机器人。

交、直伺服电动机一般用于闭环控制系统，而步进电动机则主要用于开环控制系统，一般用于速度和位置精度要求不高的场合。

本课题设计的机械手的特点：

1.点位控制进行搬运工作，采用顺序控制方式。

2.负载小，精度要求不高。

3.要求成本低。

根据以上特点，确定选用气压驱动。

1.4总体结构设计

根据圆柱坐标型运动方式和气压驱动方式的选定，对机械手进行总体结构的设计，机械结构由摆动气缸、双联气缸、单联气缸和气爪组成，结构图如图1-5所示。

图1-5机械手总体结构图

2.机械手手部设计

2.1结构分析

机械手的手部是最重要的执行机构，是用来握持工件的部件。

常用的手部按其握持原理可以分为夹持类和吸附类两大类，本课题采用夹持类手部。

夹持类手部又可分夹钳式、托勾式和弹簧式。

本课题选用夹钳式，它是工业机器人最常见的一种手部。

手部传动机构可分回转型、平动型和平移型。

回转型的特点是当手爪夹紧和松开物体时，手指作回转运动。

当被抓物体的直径大小变化时，需要调整手爪的位置才能保持物体的中心位置不变。

平动型的特点是手指由平行四杆机构传动，当手爪夹紧和松开物体时，手指姿态不变，作平动。

和回转型手爪一样，夹持中心随被夹持物体直径的大小而变。

平移型的特点是当手爪夹紧和松开工件时，手指作平移运动，并保持夹持中心固定不变，不受工件直径变化的影响。

为便于夹持避免固定中心的麻烦，采用平移型，图2-1所示的是靠导槽保持手指作平移运动。

手部结构也采用气压驱动。

图2-1手部装配图

2.2计算分析

因工件运动速度引起视在重量增加情况下的夹紧力计算

机器人手臂停止状态开始的直线运动和旋转运动的组合，所以伴随有速度和加速度.工件有了加速度，其视在重量就变化。

设机械手手部纵向中心线上所加的驱动力为P，P＝气缸有效截面积×

使用的气压×

η.作用在一个指尖上的夹紧力为Q（方向沿手指的运动方向）.设两个手指以摩擦力2μQ，工件重量为G=mg.夹起工件要计算的是单个手指所必须的力Q.

1.垂直上升的情况

如图2-2所示，工件以加速度a垂直上升，要使工件不掉下，下式必须成立.

得

代入数据，得

图2-2工件垂直上升时受力分析图

2.水平旋转的情况

机械手部绕垂直轴以半径r作水平旋转，工件夹紧面与旋转圆弧切线方向平行，如图2-3所示。

切线方向：

主法线方向：

副法线方向：

联立上式，求解得

后指：

由于是机械手部机构，QF=QR,所以结果Q必须满足下式

图2-4工件水平直进时受力分析图

综上所述，得

由于考虑到设计的机械手的安全问题，应再乘上一个安全系数S。

夹紧力Q与压强的关系由实验测得，如图2-5所示。

由设计要求得知夹持长度L＝25mm,根据图2-5可知所加的压强约为0.5MPa.

图2-5夹紧力、夹持长度、压强关系图

3.PLC控制系统设计

3.1机