毕业设计机械手及其应用.docx

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毕业设计机械手及其应用

机械手课程设计说明书

设计题目

机械手及其应用

选择与分析

总体方案选择

驱动系统方案选择

控制方式选择

相关计算

驱动系统设计

PLC控制系统设计

参考文献及设计心得

设计:

汤周平

指导:

刘玉峰

班级:

机制024

时间:

2006、3

一、设计题目

1、任务:

机械手抓取工件,提高300mm,顺时针转90°,前进300mm放下工件,回到原位置。

2、工件尺寸:

40mm×40mm×40mm

工件重量:

0、5Kg

工作空间:

8000mm×800mm×800mm

动力源:

380V10A20A220V10A 5A36V24V6V液压源气压源

控制:

PLC,计算机,各种传感器

3、设计时间安排:

2月20日——2月22日查资料

2月23日——2月24日确定方案

2月27日——3月1日确定零部件,元器件的设计计算

3月2日——3月7日绘制机械图,电路图

3月08日——3月10日整理说明书,答辩

二、机械手及其应用 

机械手就是一种能模拟人的手臂的部分动作,按预定的程序轨迹极其它要求,实现抓取,搬运工件或操做工具的自动化装置。

在我国由于大多数工业机器人所执行的工作为模拟人的手臂而工作,因而通常把工业机器人称做操作机械手。

机械手的特点:

（1） 对环境的适应性强能代替人从事危险,有害的工作。

在长时间工作对人体有害的场所,机械手不受影响,只要根据工作环境进行合理的设计,选择适当的材料与结构,机械手就可以在异常高温或低温,异常压力与有害气体,粉尘,放射线作用下,以及冲压,灭等危险环境中胜任工作。

（2） 机械手能持久,耐劳,可以把人从繁重单调的劳动中解放出来,并能扩大与延伸人的功能。

（3） 由于机械手的动作准确,因此可以稳定与提高产品的质量,同时又可以避免人为的操作错误。

（4） 机械手特点就是通过用工业机械手的通用性,灵活性好,能很好的适应产品的不断变化,以满足柔性生产的需要。

因此采用机械手最明显的特点就是提高劳动生产率与降低成本。

近年来,随着电子技术特别就是电子计算机的广泛应用,机器人的研制与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与自动化的有机结合。

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与劳动、不知疲劳、不怕危险、抓举重物的力量比人手大等特点,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。

例如:

在机床加工,装配作业,劳动条件差,单调重复易于疲劳的工作环境以及在危险场合下工作等。

随着工业技术的发展,工业机器人与机械手的应用范围不断扩大,其技术性能也在不断提高。

在国内,应用于生产实际的工业机器人特别就是示教再现性机器人不断增多,而且计算机控制的也有所应用。

在国外应用于生产实际的工业机器人多为示教再现型机器人,而且计算机控制的工业机器人占有相当比例。

带有“触觉”,“视觉”等感觉的“智能机器人”正处于研制开发阶段。

带有一定智能的工业机器人就是工业机器人技术的发展方向。

三、选择与分析

为实现机器人的末端执行器在空间的位置而提供的3个自由度,可以有不同的运动组合,通常可以将其设计成如下五种形式。

圆柱坐标型这种运动形式就是通过一个转动两个移动,共三个自由度组成的运动系统,工作空间为圆柱形,它与直角坐标型比较,在相同的空间条件下,机体所占体积小,而运动范围大。

直角坐标型直角坐标型机器人,其运动部分的三个相互垂直的直线组成,其工作空间为长方体,它在各个轴向的移动距离可在坐标轴上直接读出,直观性强,易于位置与姿态的编程计算,定位精度高,结构简单,但机体所占空间大,灵活性较差。

球坐标型又称极坐标型,它由两个转动与一个直线组成,即一个回转,一个俯仰与一个伸缩,其工作空间图形唯一球体,它可以做上下俯仰动作并能够抓取地面上的东西或较低位置的工件,具有结构紧凑、工作范围大的特点,但就是结构比较复杂。

关节型关节型又称回转坐标型,这种机器人的手臂与人体上肢类似,其前三个自由度都就是回转关节,这种机器人一般由与大小臂组成,立柱与大臂间形成肘关节,可使大臂作回转运动与使大臂作俯仰运动,小臂作俯仰摆动,其特点就是工作空间范围大,动作灵活,通用性强,能抓取靠近机座的工件。

平面关节型 采用两个回转关节与一个移动关节;两个回转关节控制前后、左右运动,而移动关节控制上下运动,其工作空间的轨迹图形如图所示,它的纵截面为一矩形的回转体,纵截面高为移动关节的行程长两回转关节的转角的大小决定了回转体截面的大小、形状。

这种机器人在水平方向上有柔顺度,在垂直方向上有较大的刚度,它结构简单,动作灵活,多用于装配作业中,特别适合中小规格零件的插接装配,如在电子工业的接插、装配中应用广泛。

根据本次设计的要求,工件要垂直升降、旋转、水平移动。

考虑其复杂程度选择圆柱坐标型。

其结构简图如下:

四、总体方案

要执行的详细的动作为:

（1）定位

（2）抓取 （3）提升 （4）顺时针转90° （5） 前进（6）下降（7）松开（8）提升（9）后退（10）逆时针转90° （11） 下降,完成一个工作循环。

五、驱动系统方案选择

一般情况下机器人驱动系统的选择大致按照如下原则进行选择:

1）物料搬运用有限点位控制的程序控制机器人,重负载用液压驱动,中等载荷可选用电动驱动系统,轻载荷可选用气动驱动系统。

冲压机器人多用气动驱动系统。

2）用于点焊与弧焊及喷涂作业的机械手,要求具有任意点位与轨迹控制功能,需采用伺服驱动系统,需采用液压驱动或电动驱动系统方能满足要求。

按照动力源分为液压、气压与电动三大类,根据需要,也可以将这三种基本类型组合成复合式的驱动系统。

液压驱动液压技术比较成熟,具有动力大、力惯量比大、快速响应高、易于实现直接驱动等特点,适用于承载能力大、惯量大以及在防爆环境中工作的机械手。

气压驱动具有速度快、系统结构简单、维修方便价格低等特点,适用于中小负载的系统中。

难于实现伺服控制,多用于程序控制的机械手中,在上下料与冲压机械手中应用较多。

电动驱动随着低惯量、直流伺服电机及配套的伺服驱动器的广泛采用,这种驱动系统被大量选用。

目前广泛采用的驱动系统的比较如下表:

特性

输出功率与使用范围

控制性能与安全性

结构性能

安装与维护要求

效率与制造成本

气压驱动

气压较低,输出功率小,当输出功率增大时,结构尺寸将过大

只适用于小型,快速驱动

压缩性大,对速度、位置精确控制困难。

阻尼效果差。

低速不易控制,排气有噪音

结构体积较大,结构易于标准化。

易实现直接驱动,密封问题不突出

安装要求不高,能在恶劣环境种工作,维护方便

效率低,（为0、15~0、2）

气源方便,结构简单,成本低

液压驱动

油压高,可获得较大的输出功率,适用于重型,低速驱动器

液体不可压缩,压力、流量易控制,反应灵敏,可无级调速、能实现速度、位置的精确控制,传动平稳,泄漏对环境污染

结构较气动要小,易于标准化,易实现直接驱动,密封问题显得重要

安装要求高（防泄漏）,要配置液压元设备,安装面积大,维护要求较高

效率中等为0、3~0、6,管路结构较复杂,成本高

交直流普通电动机

适用于抓其重量较大而速度低的中、重型机器人的驱动输出力较大

控制性能差,惯性大,不易精确定位

对环境无影响

电动机驱动以实现标准化,需减速装置,传动体积较大

安装维修方便

成本低

效率为0、5左右

步进、伺服电动机

步进电动机输出力较小、伺服电机可大一些

适用于运动控制要求严格的中、小型机器人

控制性能好,控制灵活性强,可实现速度、位置的精确控制,对环境无影响

体积小,需减速装置

维修使用较复杂

成本较高

效率为0、5左右

综合考虑以上驱动系统的优缺点以及工作要求,选择气动驱动系统作为驱动方式。

六、控制方式选择

根据条件选择PLC控制。

型号:

西门子S7-200

系统为非伺服型:

七、相关计算

1、爪部气缸

为了减少重量选用材料ZL203,[σ]=30MPa,ρ=2700kg/m3

内径D:

由于工件重:

考虑到附件重以及惯性力等因素,适当取大。

取 ,气压P=1MPa。

则:

 考虑工件尺寸等因素,取标准值 

活塞杆直径:

 （标准值）

活塞杆受轴向拉伸,只做强度校核。

故强度足够。

缸筒臂厚:

进排气孔直径:

 （标准）

活塞行程:

 ,取:

排气量:

 （取 ）

2、悬臂气缸:

同样材料选为ZL203

由设计要求可知:

活塞行程:

参数计算:

由于外负载分析复杂,这里依式:

 ,取:

考虑重量适当取小:

则:

可以选用。

查表:

校核:

气缸水平放置,当活塞伸出就是最危险。

主要受弯曲载荷。

受力图如下:

（取系数200%） 

所以:

则:

 合适。

3、本体气缸计算:

本体气缸主要承受悬臂、爪部以及零件等的重量。

活塞杆受压缩与弯曲。

由设计要求知:

主要受力:

本体活塞杆以及活塞自重:

所以:

由式:

选择:

则:

而:

 可以。

稳定性校核:

形式为:

一端固定、一端自由

柔度:

 由于就是脆性材料其 应小于45#,则:

故应用欧拉公式计算:

故:

 稳定。

缓冲计算:

取 由:

取 

4、基座部分设计:

旋转转矩:

包括两个轴承以及密封圈的摩擦力矩。

气缸近似为一细长杆:

悬臂:

本体:

齿轮:

设节圆半径为r则 。

取转速 材料为40Cr,m=5,Z=20。

则:

质量:

则:

所以:

取系数200%。

则:

基体气缸内经:

考虑齿条宽度取活塞杆直径:

 材料:

45#

臂厚不考虑。

活塞行程:

八、驱动系统设计

设计机械手时,要根据机械手的用途、作业要求、机械手的性能规范、控制功能、维护的复杂程度、运行的功耗,性价比以及现有条件等综合因素加以考虑。

一般情况下机械手的驱动系统的选择应按以下原则:

物料搬运用有限点位控制的程控机械手,重负载的可选用液压驱动系统,重等负载的可选用电动驱动系统,轻负载的可选气动驱动系统。

冲压机械手多选用气动系统。

九、PLC控制系统的设计

1、PLC控制系统设计的基本内容

一个PLC控制系统由信号输入元件（如按钮,限位开关,传感器等）,输出执行器件（如电磁阀,接触器,电铃等）,显示器件与PLC构成。

因此,PLC控

制系统的设计,就包括这些器件的选取与连接等。

①号输入器件,输出执行器件,显示器件等。

一个输入信号,进入PLC后与PLC内部可以多次重复使用,而且与可获得其常开,常闭,延时等各种形式的触点。

因此,信号输入器件只要有一个触点即可。

输出器件应尽量选取相同电源电压的器件,并尽可能选取工作电流较小的器件。

显示器件应尽量选取LED器件,其寿命较长,而且工作电流较小。

②设计控制系统主回路。

应根据执行机构就是否需要正,反向动作,就是否需要高低速,设计出控制系统主回路。

③选取PLC。

根据输入,输出信号的数量,输入输出信号的空间分布情况,程序容量的大致情况,具有的特殊功能等,选取PLC。

④进行I/O分配,绘制PLC控制系统硬件原理图。

⑤程序设计及模拟调试。

设计PLC控制程序,并利用输入信号开关板进行模拟调试,检查硬件设计就是否完整,正确,软件就是否能满足工艺要求。

⑥设计控制柜。

在控制柜中,强电与弱电控制信号应尽可能进行隔离与屏蔽,防止强电磁干扰影响PLC的正常运行。

⑦编制技术文件,包括电器原理图,软件清单,使用说明书,元件明细表等。

2、PLC控制系统设计的步骤

对控制任务的分析与软件的编制,就是PLC控制系统设计的两个关键环节。

通过对控制任务的分析,确定PLC控制系统的硬件构成与软件工作过程;通过软件的编制,实现被控对象的动作关系。

PLC控制系统设计的一般步骤为:

①对控制任务进行分析,对较复杂的控制任务进行分块,划分成几个相对独立的子任务,以减小系统规模分散故障。

如卷烟厂中香烟的自动包装,就可以分成三个子任务,盒包装,条包装,箱包装,而且每个子任务都具有一定的复杂程序,机械设备上也相对独立。

②分析各个子任务中执行机构的动作过程。

通过对各个子任务执行机构动作过程的分析,画出动作逻辑关系图,列出输入信号与输出信号,列出要实现的非逻辑功能。

对于输入信号,每个按钮,限位开关,开关式传感器等作为输入信号占用一个输入点,接触的辅助触点不需要输入PLC,故不作为输入信号。

对于输出信号,每个输出执行器件,如接触器,电磁阀,电铃等,均作为输出信号占用一个输出点,对于状态显示,如果就是输出执行器件的动作显示,可与输出执行器件的动作的显示,可与输出执行器件共用输出点,不再作为新的输出信号;如果就是非动作显示,如“运行”,“停止”,“故障”等指示,应作为输出信号占用输出点。

③根据输入输出信号的数量,要实现的非逻辑功能,输入输出信号的空间分布情况,选择PLC、

④根据PLC型号,选择信号输入器件,输出执行器件与显示器件等。

⑤进行输入输出（I/O）口的分配,绘出控制系统硬件原理图,设计控制系统主回路。

⑥利用输入信号开关板模拟现场输入信号,根据动作逻辑关系图编制PLC程序,进行模拟调试。

⑦制作控制柜。

⑧进行现场调试,对工作过程中可能出现的各种故障进行模拟,考察PLC程序的完整性与可靠性。

⑨编制技术文件,进行控制系统现场试运行。

3、机械手动作过程分析

将机械手的原点（即原始状态）定位左位,高位,放松状态。

在原始状态下,检测到下工作台有工件时,机械手下降到低位,吸附工件,上升到高位,右转到右位。

在右工作台上无工件时,机械手下降到低位,放松,然后上升到高位,左转回原位。

其动作逻辑关系图如下:

原位→下降→夹紧→上升→顺时针转90度

↑↓

逆时针90度←上升←放松←下降←前进

3个启动按钮,分别完成自动方式、半自动方式、手动方式的启动

1个停止按钮

4个限位开关（高位限位开关、低位限位开关、左位限位开关、右位限位开关）

7个输入信号（下降按钮、上升按钮、夹紧按钮、顺转按钮、逆转按钮、左移按钮、右移按钮）

7个输出信号（下降驱动信号、上升驱动信号、右移驱动信号、左移驱动信号、夹紧驱动信号、顺转驱动信号、逆转驱动信号）

4、I/O地址分配

输入/出地址号信号名称

1I0、0自动按钮

2I0、1半自动按钮

3I0、2手动按钮

4I0、3停止

5I0、4高位

6I0、5低位

7I0、6右位

8I0、7左位

9I1、0手动下降

10I1、1手动上升

11I1、2手动夹紧

12I1、3手动左移

13I1、4手动右移

14I1、5有工件

15I1、6顺转

16I1、7逆转

1Q0、0下降

2Q4、1上升

3Q4、2右移

4Q4、3左移

5Q4、4夹紧

6Q4、5顺转

7Q4、6逆转

夹紧定时器T1定时5S

放松定时器T2定时5S

5、程序梯形图

启动机械手下降

I0、4I0、6I1、5Q4、1M1、1Q4、0

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