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

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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

Abstract

Overthepast20years,thefieldofpneumatictechnologyexpandrapidly,whichiswidelyusedinadiversearrayofautomatedproductionlineespecially.Thecombineofelectricalprogrammabletechnologyandpneumaticcontroltechnologymakesthewholesystemahigherdegreeofautomation,moreflexiblecontrolandmorereliableperformance;Therapiddevelopofpneumaticmanipulatorandflexibleautomatedproductionlinesrequiermuchmoretothedevelopmentofpneumatictechnology.

Thistopicoriginatedfromthehandlingstationoftheproductionline;Thedriveisusedpressuretransmission,whichusesavarietyofcylindertocontroltherobot'smovementandthecontrolpartscombiningtheprogrammablecontroltechnologymakeaprogrammetoachievethecontrolofthetransportationbetweenthetwoplaces.

Manipulatoriscompetedbythreemajorpartsincludinghand,sportsbodiesandcontrolsystem.Taskofhandistoholdtheworkpiece（ortool）ofthecomponents.Accordingtothegraspingobject’sshape,size,weight,materialsandoperatingrequirementsthehandhandsavarietyofstructuralforms,suchasclamptype,ADSholdersandadsorptiontypeandsoon.Themovementpartcancompletetheprescriptivemoveandachievethechangeofthesiteandgestureofthegraspingobjectsbyvariesrotating（twisting）,movingorcomplexmovementsonhand.Theindependencemovementssuchastheriseandfallofbody,stretchingandrotatingmannerarecalledthefreedegreesofmanipulator.Thehandlingmanipulatorofthetopiccompositesfourfreedegreeswhicharerotation,stretching,liftingandclaping

Thepneumaticmanipulatordesignisdesidedfromthreepartsinchudingthemechanicalparts,pneumaticpartsandcontrolparts,whichrequirestoachievemechanicalhandupanddownbetweenthehandlingfunction.Focusonthemechanicalpartsarethedesignofoverallstructure,thechoiceofeachcylinderandinstallationdesign,structuraldesignofvariouscomponentsetc;pneumaticpartisgiventhepneumaticmanipulatorhandlingschematics,andthecontrolpartoftheprocedurewasmainlydesignanddebugging,ThepapersuseSiemens（S7-200）instructionsprogram,givingthecorrespondingladderdiagram,statementformsandsimpleflowchart.

BecausethepneumaticManipulatorhasadvantagesofsimplestructure,easytoachievethesteplessspeedregulation,easytoachieveoverloadprotection,easytoachieveanumberofcomplexmovements,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，与国外先进水平差距较大，需要在原有成绩的基础上，有重点地系统攻关，才能形成系统配套可供实用的技术和产品，以期在“十五”后期立于世界先进行列之中。

第二章总体方案确定

2.1总体方案论证

机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等所组成。

对气动机械手的基本要求是能快速、准确地拾一放和搬运物件，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。

设计气动机械手的原则是:

充分分析作业对象（工件）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;明确工件的结构形状和材料特性，定位精度要求，抓取、搬运时的受力特性、尺寸和质量参数等，从而进一步确定对机械手结构及运行控制的要求;尽量选用定型的标准件，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.本次设计的机械手是通用气动机械手，是一种适合于小批生产的、可以变动作程序的自动搬运或操作设备生产场合。

2.1.1机械手手臂结构方案设计

按照抓取工件的要求，本机械手的手臂有四个自由度，即手臂的夹紧、左右回转、左右伸缩和升降运动。

手臂的回转和升降运动是通过立柱来实现的，立柱的横向移动即为手臂的手臂的左右伸缩，手臂的各种运动由气缸来实现

2.1.2机械手驱动方案设计

气压传动的优点：

1.对于传动形式而言，气缸作为线性驱动器可在空间的任意位置组建它所需的运动轨迹，安装维护简单；

2．工作介质是取之不尽、用之不竭的空气，空气本身不花钱。

排气处理简单，不污染环境，成本低。

压力等级低，使用安全；

3.气缸动作速度一般为50～500mm/s，比液压和电气方式的动作速度快，其间，通过单向节流阀，可使气缸速度无级调节；

4.可靠性高，使用寿命长。

电器元件的有效动作数约为数百万次，而进口的一般电磁阀的寿命大于3000万次，小型阀超过一亿次；

5．利用空气的可压缩性，可储存能量，实现集中供气；

6.全气动控制具有防火、防爆、耐潮的能力。

与液压方式相比，气动方式可在高温场合使用；

7.由于空气损失小，压缩空气可集中供应，远距离输送。

根据以上优点可知道气压传动系统的动作迅速，反应灵敏，阻力损失和泄漏较小，成本低廉因此本机械手采用气压传动方式。

2.1.3机械手控制方案设计

综合分析机械手的动作要求，PLC在机械手中需要完成的控制功能较多，控制精度较高，运算速度较快且具有数据处理能力，并考虑整个系统的经济和技术指标，由于PLC的输出电流较小，需要用功率模块来控制比例液压阀，选用西门子公司的S7-200系CPU226型PLC，其I／O功能和指令系统都能满足对该机械手的控制要求。

控制按钮、各处的行程开关及压力继电器等开关量信号直接与PLC的输入端子相连，PLC的开关量输出端子直接与各个电磁阀相连，用PLC上所带的24V电源或外接24V电源驱动，采用编程软件（STEP7-Micro／WINV4．4版）进行编程和运行监控。

2.1.4机械手主要参数

a.主参数

机械手的最大抓重是其规格的主参数，本设计机械手最大抓重以1kg为数最多。

故该机械手主参数定为1kg。

b.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回转的速度。

该机械手最大升降速度设计为100mm/s，最大回转速度设计为450°/s。

平均升降速度为80m/s，平均回转速度为90°/s。

2.1.5机械手的技术参数列表

A.设计技术参数:

a）抓重

1公斤（夹持式手部）

b）自由度数

4个自由度

c）最大工作半径

279mm

d）手臂最大中心高

684.5mm

B.手臂运动参数

夹紧行程50mm

夹紧速度50mn/s

升降行程100mm

升降速度100mm/s

回转范围0°~180°

回转速度90°/s

C.手指夹持范围

塑料:

Φ40mm

D.定位方式

行程开关

E.定位精度

士0.5mm

F.缓冲方式

液压缓冲器

G.驱动方式

气压传动

H.控制方式

点位程序控制（采用PLC）

第三章机械手总体结构设计

3.1动作工况与分析

气动机械手是以压缩空气的压力来驱动执行机构运动的机械手。

其主要特点是:

介质源极为方便，输出力小，气动动作迅速，结构简单，成本低。

但是，由于空气具有可压缩的特性，工作速度的稳定性较差，冲击大，而且气源压力较低，抓重一般在30公斤以下，在同样抓重条件下它比液压机械手的结构大，所以适用于高速、轻载、高温和粉尘大的环境中进行工作。

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、左移/右移以及摆动分别由双线圈两位电磁阀控制,机械手的放松/夹紧由一个单线圈两位电磁阀（夹紧电磁阀）控制。

机械手的任务是将A工作台上的工件搬运到B工作台（或B到A），机械手示意图如图3-1所示：

图3-1机械手示意图

在连续自动工作方式的状态下机械手的顺序实现的动作如图1示意图所示：

手臂下降→手指夹紧→手臂上升→手臂右摆动→手臂右伸→手臂下降→手指松开→手臂上升→手臂左伸→手臂左摆动（回到初始位），机械手可以反复不断的进行上述循环动作。

3.2机械手各部分结构设计

3.2.1机械手底座的设计

底座是机械手的基础部分，机械手执行机构的各部件和驱动系统均安装于机座上，故起支撑和连接的作用。

底座的设计是根据各个零件的尺寸及有助于拆装方便来设计的如图2-2所示：

图3-2箱座

箱座内壁不需要与其他零件有配合的关系，所以内表面不需要加工。

左右厚壁上端有M10的螺纹孔，要求加工表面粗糙度，连接轴承下座的，底版的光孔是用来固定整个装置的，材料为铸铁HT200。

3.2.2立柱结构设计

立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回转运动和升降（或俯仰）运动均与立柱有密切的联系。

机械手的立往通常为固定不动的，但机械手的立柱因工作需要，有时也可作横向移动，即称为可移式立柱。

a.立柱的材料及热处理

由于设计功率不是太大，对其重量和尺寸无特殊要求，故选择常用材料45钢，调质处理。

b.初估轴径

按扭矩初估轴的直径，根据[1]查表10-2，得C=106~117，考虑倒安装轴承受扭矩作用，取C=106，则

（3-1）

式中：

C——由轴承的材料和承载情况缩确定的常数；

P——轴的输出功率，KW；

n——轴的转速，r/min.

各参数值为C=106、P=15KW、n=280，则

所以选择轴径40mm，轴上面设计个法兰，用法兰来固定轴承因为轴是靠气缸摆动来旋转的，所以所受的载荷很小，不需要校核。

3.2.3轴承的选择

轴承是用以支承轴和轴上回转或摆动零件的部件,在各种机械中应用广泛。

根据轴承工作时的摩擦性质，可分为滚动轴承和滑动轴承两大类。

滚动轴承依靠主要元件间的滚动接触来承受载荷，它与滑动轴承相比，具有摩擦阻力小、效率高、启动容易、润滑简便等优点。

同时，滚动轴承绝大部分已经标准化，并由专业厂家生产，选用和更换很方便。

其缺点就是抗击能力差，工作时有噪声，以及工作寿命不及液体摩擦的滑动轴承。

滚动轴承的类型很多，按照滚动体的形状，滚动轴承可分为球轴承和滚子轴承两大类。

球轴承的滚动体与内、外圈是点接触，运转时摩擦耗损小，但承载能力和抗击能力差；滚子轴承为线接触，承载能力和抗冲击能力较球轴承大，但运转是耗损大。

按照滚动轴承能否自动调心，可分为调心轴承和非调心轴承。

按照滚动体列数多少，可分为单列轴承、双列轴承和多列轴承。

按照轴承能承受的主要载荷方向和公称接触角的不同，可分为向心轴承和推力轴承两大类。

a.向心轴承

向心轴承主要承受径向载荷，0°45°，又可分为：

①径向接触轴承，=0°，只能承受径向载荷；②角接触向心轴承，0°<45°，不仅能承受径向载荷,而且随着角的增大,其承受轴向载荷的能力随之增大。

b.推力轴承

推力轴承主要承受轴向载荷，45°90°，又可分为：

①轴向接触轴承，=90°，