石勇毕业设计.docx
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石勇毕业设计
自动焊接设备
一、装置简介
本设计有2个搬运机械手（上料机械手、下料机械手）和一个焊机机械手以及工作台组成。
先由上料机械手夹取液压缸搬运至工作台再由焊接机械手焊接，焊接完毕后由下料机械手夹取下料再有传送带运走。
二、焊接机械手部分
1、直角坐标焊接机械手，首先，它是直角坐标机器人的一种。
直角坐标机器人，顾名思义，是能够实现自动控制的、可重复编程的、多功能的、多自由度的、运动自由度间成空间直角关系、多用途的操作机，属机器人中的一种[6]。
而直角坐标焊接机器人则是专门用来焊接的直角坐标机器人。
这类机器人的结构和控制方案与机床比较类似，其到达空间的三个运动（x、y、z）是由直线运动构成，运动方向相互垂直，这种形式的机器人的优点是运动学模型简单，各轴线位移分辨率在操作容积内任一点上均为恒定，控制精度容易提高
2、一般，一个直角坐标焊接机器人由水平轴X轴、Y轴、竖直轴Z轴、三轴的驱动电机，手抓和控制系统组成。
直线运动轴，也叫直线运动单元，它就是一个独立的运动轴，主要负责实现三个方向的运动。
驱动电机：
主要选用伺服电机或者步进电机。
当驱动轴的最高转速低于600r/min时通常选用步进电机，否则选用交流伺服电机。
手爪：
它是直角坐标焊接机器人的末端操作器，对于焊接机器人来说，手抓就是一把焊枪。
控制系统：
机器人要在一定时间内完成特定的任务，比如每10S内完成50mm长度的焊接任务。
在完成焊枪喷射，工进，焊枪停止的同时，还要与相关的设备通过通讯或I/O口实现一些时序上的协调同步。
其数控系统要按具体应用要求来选定其控制轴数、I/O口数量和软件功能。
通常选用数控系统，PLC，工控机加运动控制卡和带轴卡功能及I/O口的驱动电机来做控制系统。
3、机械手结构方案
1.底座2.小臂3.大臂
整个直角坐标焊接机器人由三部分组成：
底座、大臂和小臂
X轴步进电机2.两根平行导轨3.丝杠螺母4.工作台5.X轴滚珠丝杠
底座：
主要由X轴步进电机、导轨、X轴滚珠丝杠、丝杠螺母、工作台等几大部分组成。
它通过步进电机带动滚珠丝杠副的运动，化电机的转动为与滚珠丝杠螺母联接着的工作台沿着导轨和滚珠丝杠的直线运动而达到完成X轴方向行程的目的。
两根平行的的导轨能让工作台稳定的运动，而滚珠丝杠副则能保证达到所要求的定位精度。
4
2
1
5
3
1.连接焊枪的杆2.小臂外壳3.Y轴滚珠丝杠4.丝杠螺母5.Y轴步进电机
小臂：
小臂如上图所示。
主要由连接杆、小臂外壳、Y轴滚珠丝杠、丝杠螺母、Y轴步进电机等组成。
它通过步进电机带动滚珠丝杠副让连接杆沿着滚珠丝杠运动，使焊枪沿着Y轴伸出、缩进
3
4
1
2
5
1.大臂外壳2.光杆（两根）3.支架板4.Z轴步进电机5.Z轴滚珠丝杠
4、布局图
焊枪采用CO2保护焊
CO2电弧焊是一种高效率的焊接方法，以CO2气体作保护气体，依靠焊丝与焊件之间的电弧来熔化金属的气体保护焊的方法称CO2焊。
这种焊接法都采用焊丝自动送丝，敷化金属量大，生产效率高，质量稳定。
有以下特点：
1、生产效率高 CO2电弧焊穿透力强，熔深大、而且焊丝熔化率高，所以熔敷速度快、生产效率可比手工电弧焊高3倍。
2、焊接成本低 CO2焊的成本只有埋弧焊与手工电弧焊成本的40%-50%。
3、消耗能量低 CO2电弧焊和药皮焊条相比3mm厚钢板对接焊缝，每米焊缝的用电降低30%，25mm钢板对接焊缝时用电降低60%。
4、适用范围宽 不论何种位置都可以进行焊接，薄板可焊到1mm，最厚几乎不受限制（采用多层焊）。
而且焊接速度快、变形小。
5、抗锈能力强 焊缝含氢量低抗裂性能强。
6、焊后不需清渣，引弧操作便于监视和控制，有利于实现焊接过程机械化和自动化。
我国在CO2焊接设备、焊接材料、焊接工艺方面已取得了很大的成就。
CO2电弧焊接在我国的造船、机车、汽车制造、石油化工、工程机械、农业机械中获得广泛应用。
6、总体结构设计与确定
7、PLC控制
三、搬运机械手
2.1工业机械手是由执行机构，驱动机构和控制部分所组成，各部分关系如下框图：
图2.1工业机械手各部分关系图
执行机构：
执行机构包括抓取部分（手部）、腕部、臂部和行走机构等运动部件所组成。
1.手部：
直接与工件接触的部分，一般是回转型或平移型。
传动机构形式多样，常用的有：
滑槽杠杆式、连杆杠杆式、弹簧式等。
2.腕部：
是联接手部和手臂的部件，并可用来调整被抓取物体的方位。
3.臂部：
手臂是支撑被抓物体，手部，腕部的重要部件。
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到给定位置。
该设计的手臂有二个自由度，采用关节式坐标（左右摆动和上下升降）关节坐标式具有较大的工作空间和操作灵活性，机械臂的结构性容易进行优化，便于提高机械手的动态操作性能。
4.行走机构：
有的工业机械手带有行走机构。
驱动机构：
有气动，液动，电动和机械式四种形式。
控制系统：
有点位控制和连续控制两种方式。
机身：
它是整个工业机械手的基础。
2.2设计
1、臂力的确定
液压机械手的臂力为N臂=500（N），安全系数K一般可在1.5~3，本机械手取安全系数K=2。
定位精度为±1mm。
2、工作范围的确定
机械手的工作范围根据工艺要求和操作运动的轨迹来确定。
一个操作运动的轨迹是几个动作的合成，在确定的工作范围时，可将轨迹分解成单个的动作，由单个动作的行程确定机械手的最大行程。
机械手各动作的最大行程确定之后，可根据生产需要的工作拍节分配每个动作的时间，进而确定各动作的运动速度。
液压上料机械手要完成整个上料过程，需完成夹紧工件、手臂升降、伸缩、回转，平移等一系列的动作，这些动作都应该在工作拍节规定的时间内完成，具体时间的分配取决于很多因素，根据各种因素反复考虑，对分配的方案进行比较，才能确定。
机械手的总动作时间应小于或等于工作拍节，如果两个动作同时进行，要按时间长的计算，分配各动作时间应考虑以下要求：
给定的运动时间应大于电气、液压元件的执行时间；
伸缩运动的速度要大于回转运动的速度，因为回转运动的惯性一般大于伸缩运动的惯性。
在满足工作拍节要求的条件下，应尽量选取较底的运动速度。
机械手的运动速度与臂力、行程、驱动方式、缓冲方式、定位方式都有很大关系，应根据具体情况加以确定。
在工作拍节短、动作多的情况下，常使几个动作同时进行。
为此驱动系统要采取相应的措施，以保证动作的同步。
3、位置检测装置的选择
机械手常用的位置检测方式有三种：
行程开关式、模拟式和数字式。
本机械手采用行程开关式。
利用行程开关检测位置，精度低，故一般与机械挡块联合应用。
在机械手中，用行程开关与机械挡块检测定位既精度高又简单实用可靠，故应用也是最多的。
4、驱动与控制方式的选择
机械手的驱动与控制方式是根据它们的特点结合生产工艺的要求来选择的，要尽量选择控制性能好、体积小、维修方便、成本底的方式。
控制系统也有不同的类型。
除一些专用机械手外，大多数机械手均需进行专门的控制系统的设计。
驱动方式一般有四种：
气压驱动、液压驱动、电气驱动和机械驱动。
按照设计要求，本机械手采用的驱动方式为液压驱动，控制方式为固定程序的PLC控制。
2、设计时应考虑的几个问题
应具有足够的握力（即夹紧力）
在确定手指的握力时，除考虑工件重量外，还应考虑在传送或操作过程中所产生的惯性力和振动，以保证工件不致产生松动或脱落。
手指间应有一定的开闭角
两个手指张开与闭合的两个极限位置所夹的角度称为手指的开闭角。
手指的开闭角保证工件能顺利进入或脱开。
若夹持不同直径的工件，应按最大直径的工件考虑。
应保证工件的准确定位
为使手指和被夹持工件保持准确的相对位置，必须根据被抓取工件的形状，选择相应的手指形状。
例如圆柱形工件采用带‘V’形面的手指，以便自动定心。
应具有足够的强度和刚度
手指除受到被夹持工件的反作用力外，还受到机械手在运动过程中所产生的惯性力和振动的影响，要求具有足够的强度和刚度以防止折断或弯曲变形，但应尽量使结构简单紧凑，自重轻。
应考虑被抓取对象的要求
应根据抓取工件的形状、抓取部位和抓取数量的不同，来设计和确定手指的形状。
3、简图
1.手指2.销轴3.拉杆4.指座
图1滑槽杠杆式
4、液压系统的组成
液压传动系统主要由以下几个部分组成：
油泵它供给液压系统压力油，将电动机输出的机械能转换为油液的压力能，用这压力油驱动整个液压系统工作。
液动机压力油驱动运动部件对外工作部分。
手臂做直线运动，液动机就是手臂伸缩油缸。
也有回转运动的液动机一般叫作油马达，回转角小于360°的液动机，一般叫作回转油缸（或称摆动油缸）。
控制调节装置各种阀类，如单向阀、溢流阀、节流阀、调速阀、减压阀、顺序阀等，各起一定作用，使机械手的手臂、手腕、手指等能够完成所要求的运动。
5.3机械手液压系统的控制回路
机械手的液压系统，根据机械手自由度的多少，液压系统可繁可简，但是总不外乎由一些基本控制回路组成。
这些基本控制回路具有各种功能，如工作压力的调整、油泵的卸荷、运动的换向、工作速度的调节以及同步运动等。
5、压力控制回路
调压回路在采用定量泵的液压系统中，为控制系统的最大工作压力，一般都在油泵的出口附近设置溢流阀，用它来调节系统压力，并将多余的油液溢流回油箱。
卸荷回路在机械手各油缸不工作时，油泵电机又不停止工作的情况下，为减少油泵的功率损耗，节省动力，降低系统的发热，使油泵在低负荷下工作，所以采用卸荷回路。
此机械手采用二位二通电磁阀控制溢流阀遥控口卸荷回路。
减压回路为了是机械手的液压系统局部压力降低或稳定，在要求减压的支路前串联一个减压阀，以获得比系统压力更低的压力。
平衡与锁紧回路在机械液压系统中，为防止垂直机构因自重而任意下降，可采用平衡回路将垂直机构的自重给以平衡。
为了使机械手手臂在移动过程中停止在任意位置上，并防止因外力作用而发生位移，可采用锁紧回路，即将油缸的回油路关闭，使活塞停止运动并锁紧。
本机械手采用单向顺序阀做平衡阀实现任意位置锁紧的回路。
油泵出口处接单向阀在油泵出口处接单向阀。
其作用有二：
第一是保护油泵。
液压系统工作时，油泵向系统供应高压油液，以驱动油缸运动而做功。
当一旦电机停止转动，油泵不再向外供油，系统中原有的高压油液具有一定能量，将迫使油泵反方向转动，结果产生噪音，加速油泵的磨损。
在油泵出油口处加设单向阀后，隔断系统中高压油液和油泵时间的联系，从而起到保护油缸的作用。
第二是防止空气混入系统。
在停机时，单向阀把系统能够和油泵隔断，防止系统的油液通过油泵流回油箱，避免空气混入，以保证启动时的平稳性。
6、速度控制回路
液压机械手各种运动速度的控制，主要是改变进入油缸的流量Q。
其控制方法有两类：
一类是采用定量泵，即利用调节节流阀的通流截面来改变进入油缸或油马达的流量；另一类是采用变量泵，改变油泵的供油量。
本机械手采用定量油泵节流调速回路。
根据各油泵的运动速度要求，可分别采用LI型单向节流阀、LCI型单向节流阀或QI型单向调速阀等进行调节。
节流调速阀的优点是：
简单可靠、调速范围较大、价格便宜。
其缺点是：
有压力和流量损耗，在低速负荷传动时效率低，发热大。
采用节流阀进行节流调速时，负荷的变化会引起油缸速度的变化，使速度稳定性差。
其原因是负荷变化会引起油缸速度的变化，使速度稳定性差。
其原因是负荷变化会引起节流阀进出油口的压差变化，因而使通过节流阀的流量以至油缸的速度变化。
调速阀能够随负荷的变化而自动调整和稳定所通过的流量，使油缸的运动速度不受负荷变化的影响，对速度的平稳性要求高的场合，宜用调速阀实现节流调速。
7、方向控制回路
在机械手液压系统中，为控制各油缸、马达的运动方向和接通或关闭油路，通常采用二位二通、二位三通、二位四通电磁阀和电液动滑阀，由电控系统发出电信号，控制电磁铁操纵阀芯换向，使油缸及油马达的油路换向，实现直线往复运动和正反向转动。
目前在液压系统中使用的电磁阀，按其电源的不同，可分为交流电磁阀（D型）和直流电磁阀（E型）两种。
交流电磁阀的使用电压一般为220V（也有380V或36V），直流电磁阀的使用电压一般为24V（或110V）。
这里采用交流电磁阀。
交流电磁阀起动性能好，换向时间短，接线简单，价廉，但是如吸不上时容易烧坏，可靠性差，换向时有冲击，允许换向频率底，寿命较短。
8、机械手的液压传动系统
液压系统图的绘制是设计液压机械手的主要内容之一。
液压系统图是各种液压元件为满足机械手动作要求的有机联系图。
它通常由一些典型的压力控制、流量控制、方向控制回路加上一些专用回路所组成。
绘制液压系统图的一般顺序是：
先确定油缸和油泵，再布置中间的控制调节回路和相应元件，以及其他辅助装置，从而组成整个液压系统，并用液压系统图形符号，画出液压原理图。
9、液压原理图
10、PLC控制应用
10.1机械手的动作顺序
上料与下料机械手工作顺序基本一致：
上料机械手-----机械手1；下料机械手2
1原位置状态下，按启动按钮，机械手1从右下限开始上升
2上升到上限行程开关SQ4受压动作，上升动作结束，机械手开始左旋
3左旋到左极限行程开关SQ2受压动作，左旋动作结束，机械手开始下降
4下降到下限行程开关SQ5受压动作，下降动作结束，传送带A启动
5传送带A上的液压缸进入光电开关测量区，光电开关开始工作，传送带A停止，机械手1开始抓物，
6机械手开始抓物，直到抓物限位开关动作。
抓物动作结束，延迟T时间，上升运动开始
7上升到上限位行程开关SQ4受压动作，上升运动开始，机械手开始右旋
8右旋到有限行程开关受压动作，右旋运动结束，机械手开始下降
9下降到下限行程开关受压动作，下降动作结束，开始放物
10经过t1时间，放物结束
11机械手1重复1到10步骤
12当机械手1离开下限位行程开关，工作台开始旋转，焊接开始工作
13焊接结束后，下料机械手2开始工作步骤和机械手1大致一样。
10.2输入/输出
由机械手执行机构与PLC输入、输出关系可以自动：
1输入为9个开关量信号
2输出为8二哥开关量信号
3工步状态采用带电保护的HR继电器
10.3用户程序容量估算
分析控制要求，一个循环油12个工步，各工步为开关量，故用户程序估计在100步左右
10.4PLC选型
综合分析系统要求，选用OMRON公司微机型C-20P机型，该机有基本单元12个输入，8点输出，其指令系统完全达到控制要求
10.5安排I/O型端口和所用的内部继电器地址如下表
I/O型端口和所用的内部继电器地址分配表
序号
输入0000-0008
输出500-507
保持继电器HR000-HR015
计时器
内部继电器
1
0000-启动（SB1）
0500-传送带A
HR000-上升工步
T00-放物保持
1815-初始化脉冲
2
0001-停止（SB2）
0501-机械手1
HR001-左旋工步
T01-焊接过程
1000-中间继电器
3
0002-抓物限位（SQ1）
0502-左旋转
HR002-下降工步
1001-中间继电器
4
0003-左旋限位（SQ2）
0503-右旋转
HR003-传送带A工作
1002-中间继电器
5
0004-右旋限位（SQ3）
0504-下降
HR004-抓物工步
1003-中间继电器
6
0005-上升限位（SQ4）
0505-上升
HR005-上升工步
7
0006-下降限位（SQ5）
0506-抓物
HR006-右旋工步
8
0007-物体检测（SQ6）
0507-放物
HR007-下降工步
9
0008-连续/单循环（SA）
HR008-放物工步
10
HR009-恢复初始
10.6PLC控制功能流程图
启动0000
10.7梯形图
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