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文档简介

买文档就送您CAD图纸全套,Q号交流197216396或11970985摘要机械手是一种机械技术与电子技术相结合的高技术产品。采用机械手是提高产品质量与劳动生产率,实现生产过程自动化,改善劳动条件,减轻劳动强度的一种有效手段。它是一种模仿人体上肢的部分功能,按照预定要求输送工件或握持工具进行操作的自动化技术装备。机械手可以代替人手的繁重劳动,显著减轻工人的劳动强度,改善劳动条件,提高劳动生产率和生产自动化水平。工业生产中经常出现的笨重工件的搬运和长期、频繁、单调的操作,采用机械手是有效的;此外,它能在高温、低温、深水、宇宙、放射性和其它有毒、污染环境条件下进行操作,更显示其优越性,有着广阔的发展前途。本课题的主要内容是采用机械设计原理,进行三自由度搬运机械手的设计,熟悉三自由度机械手的运用场合和相关的设计步骤。机械手可以代替很多重复性的体力劳动,从而减轻工人的劳动强度,提高生产效率。结合三自由度设计的各方面的知识,在设计过程中学会怎样发现问题解决问题研究问题。并且在设计中融入自己的想法和构思,提高自己的创新能力。尽力使机械手使用方便,结构简单。关键词机械手,输送工件,搬运,三自由度买文档就送您CAD图纸全套,Q号交流197216396或11970985ABSTRACTMANIPULATORISAMECHANICALTECHNOLOGYANDELECTRONICTECHNOLOGYWITHTHECOMBINATIONOFHIGHTECHNOLOGYPRODUCTSUSINGMANIPULATORISTOIMPROVEPRODUCTQUALITYANDPRODUCTIVITY,ANDREALIZETHEAUTOMATICPRODUCTIONPROCESS,IMPROVEWORKINGCONDITIONS,ANDREDUCELABORINTENSITYOFAKINDOFEFFECTIVEMETHODITISANIMITATIONOFTHEUPPERPARTOFTHEHUMANBODYFUNCTION,ACCORDINGTOTHEPREDETERMINEDREQUIREMENTORPARTSTRANSPORTATIONHOLDINGTOOLSFOROPERATIONOFTHEAUTOMATIONTECHNOLOGYANDEQUIPMENTROBOTSCANREPLACETHEHANDSOFHEAVYLABOR,SIGNIFICANTLYREDUCETHELABORINTENSITY,IMPROVEWORKINGCONDITIONS,ANDIMPROVELABORPRODUCTIVITYANDPRODUCTIONAUTOMATIONLEVELINDUSTRIALPRODUCTIONOFTENAPPEARSINTHEHANDLINGOFTHEHEAVYANDLONGTERM,FREQUENT,DRABOPERATION,USESTHEMANIPULATORISEFFECTIVEINADDITION,ITCANBEINHIGHTEMPERATURE,LOWTEMPERATURE,DEEPWATER,THEUNIVERSE,RADIOACTIVEANDOTHERTOXIC,POLLUTIONENVIRONMENTCONDITIONSOPERATION,MORESHOWSITSSUPERIORITY,WITHBROADPROSPECTSTHISTOPICISTHEMAINCONTENTOFTHEMECHANICALDESIGNPRINCIPLEOFTHEDESIGNOFTHETHREEDOFCARRYINGMANIPULATOR,FAMILIARWITHTHREEDEGREESOFFREEDOMOFTHEMANIPULATORUSINGOCCASIONSANDRELATEDDESIGNSTEPSROBOTSCANREPLACEALOTOFREPEATABILITYOFPHYSICALLABOR,SOASTOREDUCETHELABORINTENSITY,IMPROVEPRODUCTIONEFFICIENCYCOMBINEDWITHTHREEDEGREESOFFREEDOMALLASPECTSOFDESIGNKNOWLEDGE,INTHEDESIGNPROCESSLEARNHOWTOFINDOUTTHEPROBLEMTOSOLVEPROBLEMSANDINTHEDESIGNIDEAANDINTOTHEIRIDEA,IMPROVETHEIRINNOVATIONABILITYTRYTOMAKEROBOTSEASYTOUSESIMPLESTRUCTUREKEYWORDSMANIPULATOR,CONVEYINGWORKPIECE,HANDLING,THREEDEGREESOFFREEDOM买文档就送您CAD图纸全套,Q号交流197216396或11970985目录第1章绪论111机械手的历史与发展1111工业机器人简介1112世界机器人的发展112机械手的组成3121执行机构3122驱动机构3123控制机构413机械手的分类4第2章搬运机械手机构总体方案设计721基本设计思路7211系统分析7212总体设计框图722搬运机械手结构设计8221搬运机械手坐标形式的选择823机械手材料的选择824机械臂的运动方式925搬运机械手驱动与控制系统分析9251驱动方式的选择9252控制系统的选择10第3章搬运机械手机械结构设计与计算1131搬运机械手手爪设计1132搬运机械手手臂设计11321伸缩机械臂的设计11322升降机械臂的设计12323手臂回转运动14324臂垂直升降运动驱动力的计算14325臂部回转运动驱动力矩的计算1533手部设计计算1534腕部设计计算1935液压驱动系统设计21第4章搬运机械手控制系统的设计2541PLC简介2542PLC工作原理2543PLC机型的选择25买文档就送您CAD图纸全套,Q号交流197216396或11970985431PLC机型的选择25432所选PLC的参数2644PLC控制面板的拟定2745机械手工艺过程和控制方案的确定29451明确工艺要求29452确定工艺流程29453传感器选择31454确定I/O点数3146PLC程序编写31461总体程序设计思路31462手动程序的编写33463复位程序的编写34464自动控制程序的编写36结论与展望39参考文献41致谢43买文档就送您CAD图纸全套,Q号交流197216396或11970985I买文档就送您CAD图纸全套,Q号交流197216396或119709850第1章绪论11机械手的历史与发展111工业机器人简介几千年前人类就渴望制造一种像人一样的机器,以便将人类从繁重的劳动中解脱出来。如古希腊神话阿鲁哥探险船中的青铜巨人泰洛斯(TALOAS,犹太传说中所说的泥土巨人等等,这些优美的神话时刻激励着人们一定要把优美的神话变为现实,早在两千年前就开始出现了自动木人和一些简单的机械木偶人。到了近代,机器人这一词语的出现和世界上第一台工业机器人问世之后,不同功能的机器人也相继出现并且活跃在不同的领域,从天上到地下,从工业拓广到农业、林、牧、渔,甚至进入平常的百姓家。机器人的种类之多,应用之广,影响之深,是我们始料未及的。工业机器人由操作机(机械本体)、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成,是一种仿人操作、可重复编程、自动控制、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。特别适合于多品种、变批量的柔性生产。它对稳定、提高产品质量,提高生产效率,改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。机器人并不是在简单意义上的代替人工的劳动,而是综合了人的特长和机器特长的一种模拟人的电子机械装置,既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力,又有机器可长时间持续工作、精确度高、适应各种恶劣环境的能力,从某种意义上说它也是机器的进化过程的产物,它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设备,也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备。所以就有了就有了很多国家地区制造出来工业机器人,而如今我设计的题目就是机器人的一个简单部位机械手112世界机器人的发展国外机器人领域发展近几年有如下几个趋势(1)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),而单个工业机器人价格不断下降,平均单机价格从91年的103万美元降至97年的65万美元。(2)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、检测系统三位的一体化;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。(3)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,这就便于标准化、网络化;器件集成度提高,控制柜日见小巧,而且采用模块化结构;大大提高了系统的易操作性,可维修性和可靠性。买文档就送您CAD图纸全套,Q号交流197216396或119709851(4)机器人中的传感器作用日益重要,除了采用传统的位置、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。(5)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。(6)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的实例。7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。113我国工业机器人的发展有人认为,应用机器人只是为了节省劳动力,而我国劳动力资源丰富,发展机器人不一定符合我国国情。然而这是一种错误的想法。在我国,社会主义制度的优越性决定了机器人能够充分发挥其长处。它不仅能为我国的经济建设带来高度的生产力和巨大的经济效益,而且将为我国的海洋开发、宇宙开发、核能利用等新兴领域的发展做出卓越的贡献。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,目前已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,开发出装配、喷漆、点焊、弧焊、搬运等机器人;其中有150多台套喷漆机器人在二十余家企业的近30条自动喷漆生产线或生产站上获得了规模的应用,弧焊机器人已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,我国已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、成本比较高、供货周期长,而且可靠性、质量不稳定。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、模化设计,积极推进工业机器人产业化的进程。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,6000米水下无缆机器人的成果在世界上处于领先水平,还开发出双臂协调控制机器人、直接遥控机器人、管道机器人、爬壁机器人等几种机器买文档就送您CAD图纸全套,Q号交流197216396或119709852人;在机器人视觉、触觉、力觉、声觉等基础技术的开发应用上耗费了不少时间与工作量,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才刚刚起步,与国外先进水平相比差距较大,需要在原有成绩的基础上,作出比较突出的改变,才能形成系统配套可供实用的技术和产品,以其在“十五”后期立于世界先进行列之中。12机械手的组成一般来说,机械手主要有以下几部分组成1手部或称抓取机构包括手爪、传力机构等,主要起抓取和放置物件的作用。2传送机构或称臂部包括手臂、手腕等,主要起到改变物件方向和位置的作用。3驱动部分它是前两部分的动力,因此也称为动力源,常用的有气压、液压、电机和电力四种驱动形式。4控制部分它是机械手动作的指挥系统,是机械手的核心部位,由它来控制动作的顺序程序、位置和时间甚至速度与加速度等。5其它部分如机体、行走机构、液压装置、步进机、传感装置和行程检测装置等。121执行机构一般机械手的执行机构由手部或者叫抓取部分、臂部、腕部、缓冲与定位,还有行走机构组成。122驱动机构驱动机构主要有气动驱动、液压驱动、机械驱动和电动驱动等形式。不过目前还是以液压和气动用的居多,尤其是液压作为控制源的。液压驱动具有出力大、体积小、控制性能好、动作平稳等特点,它利用油缸、马达加上齿轮、齿条实现直线运动;利用摆动油缸、油缸与齿条、马达与减速器、齿轮或链条、链轮等实现回转运动。液压驱动具有润滑性能好、寿命长的特点,结构紧凑,刚度韧性好。定位精度高,可以实现任意位置开停。有很多专业机械手能直接利用主机的液压系统。但缺点是需要配备压力源,系统复杂成本较高。气动驱动结构简单、造价低廉。气源方便,所需的压缩气源一般工厂都有,并且无污染,一般采用的压力0406MPA,最高可达1MPA。缺点是出力小,体积大。由于空气的可压缩性大,想要实现中间位置的停止是很难的,所以只能用于点位的控制,而且润滑性较差,气压系统会容易生锈。电动由于减速和回转运动变往复运动机构复杂,很少采用。机械式用于简单的场合。买文档就送您CAD图纸全套,Q号交流197216396或119709853123控制机构机械手的控制方式有点动和连续控制两种方式。大多数是用插销板进行点位程序控制,也有采用可编程序控制器控制、微型计算机数字控制,采用凸轮、磁盘磁带、穿孔卡等记录程序。主要控制的是坐标位置,并注意其加速度特性。13机械手的分类机械手从使用范围、驱动方式、运动坐标形式以及臂力大小四个方面的分类分别为1按使用范围分类1专用机械手一般只有固定的程序,而无单独的控制系统。它从属于某种机器或生产线用以自动传送物件或操作某一工具,例如“毛坯上下料机械手”、“曲拐自动车床机械手”、“油泵凸轮轴自动线机械手”等等。这种机械手结构较简单,成本较低,适用于动作比较简单的大批量生产的场合。2通用机械手指具有可变程序和单独驱动的控制系统,不从属于某种机器,而且能自动完成传送物件或操作某些工具的机械装置。通用机械手按其定位和控制方式的不同,可分为简易型和伺服型两种。简易型只是点位控制,故属于程序控制类型,伺服型可以是点位控制,也可以是连续轨迹控制,一般属于数字控制类型。2按驱动方式分类1液压驱动机械手以压力油进行驱动;2气压驱动机械手以压缩空气进行驱动;3电力驱动机械手直接用电动机进行驱动;4机械驱动机械手是将主机的动力通过凸轮、连杆、齿轮、间歇机构等传递给机械手的一种驱动方式。3按运动坐标型式分类1直角坐标式机械手臂部可以沿直角坐标轴X、Y、Z三个方向移动,亦即臂部可以前后伸缩定为沿X方向的移动、左右移动定为沿Y方向的移动和上下升降定为沿Z方向的移动;2圆柱坐标式机械手手臂可以沿直角坐标轴的X和Z方向移动,又可绕Z轴转动定为绕Z轴转动,亦即臂部可以前后伸缩、上下升降和左右转动;3球坐标式机械手臂部可以沿直角坐标轴X方向移动,还可以绕Y轴和Z轴转动,亦即手臂可以前后伸缩沿X方向移动、上下摆动定为绕Y轴摆动和左右转动仍定为绕Z轴转动;4多关节式机械手这种机械手的臂部可分为小臂和大臂。其小臂和大臂的连接肘部以及大臂和机体的连接肩部均为关节铰链式连接,亦即小臂对大臂可绕买文档就送您CAD图纸全套,Q号交流197216396或119709854肘部上下摆动,大臂可绕肩部摆动多角,手臂还可以左右转动。4按机械手的臂力大小分类1微型机械手臂力小于1;2小型机械手臂力为110;3中型机械手臂力为1030;4大型机械手臂力大于30。我所设计的搬运机械手,是以搬运物料为目的的圆柱坐标式三自由度机械手。它采用液压驱动方式,属于小型机械手。注另外本设计机械手要求立柱回转转角180大臂臂长350MM转角115小臂臂长250MM转角115买文档就送您CAD图纸全套,Q号交流197216396或119709855买文档就送您CAD图纸全套,Q号交流197216396或119709856第2章搬运机械手机构总体方案设计21基本设计思路211系统分析机械手是实现生产过程自动化、提高劳动生产率的一种有力工具。要在一个生产过程中实现自动化,需要对各种机械化、自动化装置进行综合的技术和经济分析,从而判断机械手是否合适。所以要完成机械手的设计,一般要先做如下工作1根据机械手的使用场合,明确机械手的目的和任务。2分析机械手所在的系统工作环境。3认真分析系统的工作要求,确定机械手的基本功能和方案,比如机械手的自由度数目、定位精度、动作速度、抓取重量等。进一步搬运物体的质量、根据抓取、尺寸、形状及生产批量等情况,来确定机械手爪的形式及抓取工件的部位和握力的大小。对此,我进行以下的分析1本设计课题为三自由度搬运机械手之机构设计,是通过机械手来抓持物体通过伸缩运动来进行搬运的机械手。而机械手的使用场合,非常广泛,要涉及到物料的状态,运作流水线的环境等等因素,相较于我所掌握的理论知识和能力,我选择非批量生产的小型物体加工流水线上的物料传送机械手,而且也只仅限于固态物料。2由于我所选择的机械手是非批量生产的小型物体加工流水线上的物料搬运机械手,所以,机械手所在的系统工作环境一定是工厂,要求容错率低,精度高,速度快。(3)再者是搬运物体的考虑,由于是小型物件,所以对机械手的抓取力量并无太高要求,而物体形状初步拟定为圆柱形或有一定形状的物料,以此可以方便设计。212总体设计框图人机交互系统系统软件、编程语言系统控制器及控制算法控制系统驱动系统各驱动器机械系统机身、臂部、手腕、手爪作业对象内部传感器信息反馈工作对象及环境信息反馈感知系统买文档就送您CAD图纸全套,Q号交流197216396或119709857图1总体设计框图如图2为总设计框图,说明如下1控制系统任务是根据机械手的传感器反馈和作业指令程序回来的信号,控制机械手的执行机构,使其完成规定的运动和功能。主要设计目标为CPU的选择,CPU程序的编写调试等。2驱动系统驱动系统工作的驱动装置。3机械系统包括机身、机械臂、手腕、手爪。需要确定其自由度、坐标形式,并计算得出具体结构。4感知系统即传感器的选择及具体作用。22搬运机械手结构设计221搬运机械手坐标形式的选择根据所设计的机械手的运动方式机械臂的转动,机械臂的升降,机械臂的伸缩,得到了机械臂的三个自由度。根据上文所说的,机械手按照坐标的分类情况,选择圆柱坐标式机械手更为妥当。23机械手材料的选择机器人手臂的材料应根据手臂的工作状况来进行选择,并满足机器人的设计和制作要求。从设计的思想出发,机器人手臂要完成各种运动。因此,对材料的一个要求是作为运动的部件,它应是轻型材料。另一方面,手臂在运动过程中往往会产生振动,这必然大大降低它的运动精度。所以在选择材料时,需要对刚度、质量、阻尼进行综合考虑,以便有效地提高手臂的动态性能。此外,机器人手臂选用的材料与一般的结构材料不同。机器人手臂是一种伺服机构,要受到控制,必须考虑它的可控性。在选择手臂材料时,可控性还要和材料的可加工性、结构性、质量等性质一起考虑。总之,选择机器人手臂的材料时,要综合考虑刚度、强度、弹性、重量、抗震性、外观及价格等多方面因素。下面介绍几种机器人手臂常用的材料L碳素结构钢和合金结构钢等高强度钢这类材料强度好,尤其是合金结构钢强度增加了45倍、弹性模量E大、抗变形能力强,它不仅广泛应用于建筑,桥梁,铁道,车辆,船舶和各种机械制造工业,而且在近代的石油化工业,海洋开发产业,等也得到了大量的使用,所以这是应用最广泛的材料2铝、铝合金及其它轻合金材料其共同特点是重量轻、弹性模量E不大,但是材料密度小,则E/P之比仍可与钢材相比3陶瓷陶瓷材料具有良好的品质,但是脆性大,可加工型不好,与金属等零件连接的接合部需要特殊设计。陶瓷一般硬度较高,但是可塑性比较差,常温遇水可塑,微干可雕,全干可磨。然而,日本己试制了在小型高速机器人上通过使用的陶瓷机器买文档就送您CAD图纸全套,Q号交流197216396或119709858人手臂的样品从本文设计的三自由度搬运机械手的角度来看,在选用材料时不需要很大的负载能力,也不需要很高的弹性模量和抗变形能力,此外还要考虑材料的成本,可加工性和方便设计等因素。在衡量了各种因素和结合工作状况的条件下,初步选用了应用较广的铝合金作为机械手臂的构件。24机械臂的运动方式结构设计的基础是根据主要的运动参数选择运动形式。常见的机器人的运动形式有五种圆柱坐标型、直角坐标型、关节型、极坐标型和SCARA型。同一种运动形式为适应不同生产工艺的需要,可采用不同的结构。具体选用哪种形式,必须根据作业要求、工作现场、位置以及搬运前后工件中心线方向的变化等情况,分析比较并择优选取。考虑到机械手的作业特点,即要求其动作灵活、有较大的工作空间、且要求结构紧凑、占用空间小等特点,故选用关节型机械手。这类机械手一般由2个肩关节和1个肘关节进行定位,由2个或3个腕关节进行定向。其中,一个肩关节绕铅直轴旋转,另一个肩关节实现俯仰。这两个肩关节轴线正交。肘关节平行于第二个肩关节轴线,如图所示。这种构形动作灵活、工作空间大、在作业时空间内手臂的干涉最小、结构紧凑、占地面积小、关节上相对运动部位容易密封防尘。但是这类机械手运动学比较复杂,运动学的反解比较困难确定末端杆件的姿态不够直观,且在进行控制时,计算量比较大。图2常见的运动方式25搬运机械手驱动与控制系统分析251驱动方式的选择机械手常用的驱动方式主要有液压驱动、气压驱动和电机驱动三种基本形式。液压驱动的特点是功率大、结构简单,可省去减速装置,响应快,精度较高。但是需要有液压源,而且容易发生液体泄漏。气压驱动的能源、结构都比较简单,但与液压驱动相比,功率较小,速度不容易买文档就送您CAD图纸全套,Q号交流197216396或119709859控制,精度不高。电机驱动能源简单,机构速度变化范围大,效率高,位置和速度的精度都很高,使用方便,噪声低,控制灵活。开始设计这个搬运机械手的时候,我先选择步进电机的传动结构,但是考虑到机械手的升降运动运用纯机械结构并不能达到理想传动效果。本课题设计的机械手的运动形式只要实现伸缩就可以了,所以用液压驱动是没有问题的;而机械手臂旋转如若使用气压或者液压传动,就必须带有旋转气压或者旋转液压缸,相对来说结构较为复杂,不利于设计。所以就需要对方案进行改进,将驱动的方式分成两个部分。其中,机械臂的回转可以采用电机传动的驱动方式,通过电机带动齿轮链进行旋转传动;而机械臂的伸缩、升降和机械手抓的抓取,都采用液压驱动方式。但是本课题设计的机械手比较简单,只需要实现由伸缩的运动,因此在立柱和手臂部分都采用液压驱动的方式。252控制系统的选择这里选择用PLC控制的控制系统。买文档就送您CAD图纸全套,Q号交流197216396或1197098510第3章搬运机械手机械结构设计与计算31搬运机械手手爪设计设计时考虑的几个问题1具有足够的夹紧力在确定手爪的握力时,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。2手爪间应具有一定的开闭角两手爪张开与闭合的两个极限位置所夹的角度称为手爪的开闭角。手爪的开闭角应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。对于移动型手爪只有开闭幅度的要求。3保证工件准确定位为使手爪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,选择相应的手爪形状。考虑被抓取对象的要求,手爪形状设计成V型。4具有足够的强度和刚度手爪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,要求有足够的强度和刚度以防折断或弯曲变形,应当尽量使结构简单紧凑,自重轻,并使手部的中心在手腕的回转轴线上,以使手腕的扭转力矩最小。32搬运机械手手臂设计机械手臂,在我的设计中,涉及到三个自由度升降、伸缩、旋转。水平手臂作伸缩用,而垂直手臂则有两部分组成。与底座连接部分为机械臂旋转部分,通过电机带动齿轮链使得机械臂旋转;上面部分为机械臂升降部分,通过液压驱动控制机械臂的升降。所以,我将机械手臂的设计分为三个步骤,先完成立柱的设计,再完成水平手臂的设计。321伸缩机械臂的设计1尺寸校核1在校核尺寸时,只需校核气压缸内径50MM,半径R25MM的气压缸的尺寸1D满足使用要求即可,设计使用压强,则驱动力MPA40312RPFN2463516(2)分析计算伸缩手臂加速度如下图所示,,将其分为三段,分别为加速状态,匀速状态和减速状ST81T2T买文档就送您CAD图纸全套,Q号交流197216396或1197098511态。切运动距离L为500MM,所以有公式3T图3VT关系图32SMTTL1052121又有加速度公式3330STVA3测定手臂质量为,加速度,则惯性KGM5212/30SA力34AF1N183054考虑活塞等的摩擦力,设定摩擦系数,20K351KM62总受力36F10781358F0所以气压缸的尺寸符合实际使用驱动力要求。322升降机械臂的设计1尺寸设计气压缸运行长度设计为80MM,气压缸内径为80MM,半径R40MM,压强L1DP04MPA,则驱动力3720RGN37905143262尺寸校核(1)测定手臂质量为,则重力KGM850321买文档就送您CAD图纸全套,Q号交流197216396或119709851238NG8501MG2分析计算伸缩手臂加速度图4VT关系图如下图所示,,将其分为三段,分别为加速状态,匀速状态和减速状态。ST31T2T3T切运动距离L为100MM,所以有公式39SMTTL05150231又有加速度公式3102STVA则惯性力为311NMF54081(3)考虑活塞等的摩擦力,设定一摩擦系数K01,如图所示图5若安装时升降臂完全竖直,则摩擦力为零。但在实际操作中,不能达到此效果,所以设定偏斜角度为13。所以重力G在机械臂面上有一个分力对机械臂侧MG面产生压力,故产生了摩擦力。则有公式MF311N493SIN买文档就送您CAD图纸全套,Q号交流197216396或1197098513312NKGFM451094总受力313Q98850Q所以设计尺寸符合实际使用要求。323手臂回转运动图6手臂升降和回转机构图实现手臂回转运动的机构形式是多种多样的,常用的有齿轮传动机构、回转缸、链轮传动机构、连杆机构等。本机械手采用齿条缸式臂回转机构,如图7所示,回转运动由齿条活塞杆4驱动齿轮,带动配油轴和缸体一起转动,再通过缸体上的平键8带动外套一起转动实现手臂的回转。324臂垂直升降运动驱动力的计算手臂作垂直运动时,除克要服摩擦阻力FM和惯性力FG之外,还要克服臂部运动买文档就送您CAD图纸全套,Q号交流197216396或1197098514部件的重力,故其驱动力PQ可按下式计算PQFMFGWN式中FM各支承处的摩擦力(N);FG启动时惯性力(N)可按臂伸缩运动时的情况计算;W臂部运动部件的总重量(N);上升时为正,下降时为负。当FM40N,FG100N,W1098N时PQ4010010981238(N)325臂部回转运动驱动力矩的计算臂部回转运动驱动力矩应根据启动时回转部件支承处的摩擦力矩与产生的惯性力矩来计算。由于启动过程一般不是等加速度运动,故最大驱动力矩要比理论平均值大一些,一般取平均值的13倍。故驱动力矩MQ可按下式计算MQ13MMMGNM式中MM各支承处的总摩擦力矩;MG启动时惯性力矩,一般按下式计算MGJ/TNM式中J手臂部件对其回转轴线的转动惯量(KGM)2回转手臂的工作角速度(RAD/S)T回转臂启动时间(S)当MM84NM,MG832NM208MQ131161508NM对于活塞、油缸和导向套筒等的转动惯量都要做详细的计算,因为这些零件的重量较大或回转半径较大,对总的计算结果影响也较大,对于小零件则可作为质点计算其转动惯量,对其质心转动惯量可以忽略不计。对于形状复杂的零件,可划分为几个简单的零件分别进行计算,其中有的部分可当作质点计算。33手部设计计算1对手部设计的要求A有适当的夹紧力手部在工作时,应具有适当的夹紧力,以保证夹持稳定可靠,变形小,且不损坏工件的已加工表面。对于刚性很差的工件夹紧力大小应该设计得可以调节,对于笨重的工件应考虑采用自锁安全装置。B有足够的开闭范围买文档就送您CAD图纸全套,Q号交流197216396或1197098515根据工件外圆大小,夹持的大小直径必须大于120MM。夹持类手部的手指都有张开和闭合装置。工作时,一个手指开闭位置以最大变化量称为开闭范围。对于回转型手部手指开闭范围,可用开闭角和手指夹紧端长度表示。手指开闭范围的要求与许多因素有关,如工件的手指的形状和尺寸,一般来说,如果工作环境许可的情况下,开闭范围大一些较好,如图5所示。图7机械手机构开闭示例简图C力求结构简单,重量轻,体积小手抓处于腕部的最前端,工作时运动状态比较多,其结构,重量和体积都会直接影响整个机械手机构的结构,抓重,运动速度,定位精度等性能。因此,在设计手抓部分时,必须力求结构简单,重量轻,体积小。D手指应有一定的强度和刚度E其它要求因此送料,夹紧机械手机构,根据工件的形状,采用最常用的外卡式两指钳爪,夹紧方式用常闭史弹簧夹紧,松开时,用单作用式液压缸。此种结构较为简单,制造方便。2拉紧装置如图6所示油缸右腔在进油停止的时候,弹簧力主动夹紧工件,油缸右腔在进油的时候松开工件,这样就可以通过油的进出来控制加紧工件。买文档就送您CAD图纸全套,Q号交流197216396或1197098516图8油缸示意图(A)右腔推力为设定活塞的直径D50MM,系统压力P25MPAFP24/(316)3105/49087NB根据钳爪夹持的方位,查出当量夹紧力计算公式为NABF21COS/2(317)其中N498N392N,带入公式22得21S/2150/50(COS30)3921764N则实际加紧力为F1实际PK1K2/(318)17641511/0853424N经圆整F13500N由公式PBACOS/2得P买文档就送您CAD图纸全套,Q号交流197216396或1197098517A505MMB72MMC计算手部活塞杆行程长L,即TGD2/(319)25TG30231MM经圆整取L25MMD确定“V”型钳爪的L、。取L/RCP3(320)式中RCPP/4200/450(321)由公式得L3RCP150取“V”型钳口的夹角2120,则偏转角按最佳偏转角来确定,查表得22395机械运动范围(速度)A伸缩运动VMAX500MM/SVMIN50MM/SB上升运动VMAX500MM/SVMIN40MM/SC下降VMAX800MM/SVMIN80MM/SD回转MAXW90/SIN30/S所以取手部驱动活塞速度V60MM/S6手部右腔流量SQ(3买文档就送您CAD图纸全套,Q号交流197216396或119709851822)602R603142511775MM/S7手部工作压强SFP/1(323)3500/19625178MPA34腕部设计计算腕部是联结手部和臂部的部件,腕部运动主要用来改变被夹物体的方位,它动作灵活,转动惯性小。本课题的搬运机械手腕部具有回转这一个自由度,可采用具有一个活动度的回转缸驱动的腕部结构。要求回转90角速度45/S以最大负荷计算当工件处于水平位置时,摆动缸的工件扭矩最大,采用估算法,工件重10KG,长度L650MM。如图7所示。1计算扭矩1设重力集中于离手指中心200MM处,即扭矩1为SF1(324)109802196(NM)F工件买文档就送您CAD图纸全套,Q号交流197216396或1197098519SF图9腕部受力简图2油缸(伸缩)及其配件的估算扭矩2F5KGS10CM带入公式29得25980149(NM)3摆动缸的摩擦力矩摩摩F300(N)(估算值)S20MM(估算值)摩摩S6(NM)4摆动缸的总摩擦力矩12摩(325)305(NM)5由公式8/10621MABPT(326)其中B叶片密度,这里取B3CM;1A摆动缸内径,这里取1A10CM;M转轴直径,这里取M3CM。买文档就送您CAD图纸全套,Q号交流197216396或1197098520所以代入公式62108MABTP8305/003(01003)106089MPA又因为BAQWM21/8所以8/21(/4)(01003)003/8027104M/S27ML/S35液压驱动系统设计液压控制机械手机构的一种主要的控制形式。机械手机构的操作和运动速度室要根据液压油的流量与压力来判断,因而只要控制液压油的流量和压力,就可以控制机械手机构的操作力和运动速度,液压油压压力一般在5140公斤/厘米的可控制范围内,最大臂力可达160公斤以上。主要优点1液压执行元件马达和油缸结构紧凑,重量轻,功率小。2可通过液压油带能走大量热能的特性,保证机械的正常运行,并可以利用液压油的润滑作用,可延长工件的使用寿命。3液压元件有旋转式和直线位移式二种,适用的范围比较广,它能控制速度的区间也比较宽。只要通过阀和泵的调节就能实现开环和闭环的控制系统。4响应速度比较快,能高速启动,制动和反向,无后滞现象。其力矩一惯量比也较大,因而其加速度能力较强。5液压元件于其他驱动元件相比,刚度较大,位置误差小,定位精度高,而且耐振动等。缺点1液压控制需要一套液压系统,不像电力容易获得,而且价格较贵。2油温有上限,并难以保持不漏,比较脏,易于使阀和执行元件堵塞。3控制系统比较复杂,处理功率讯号的数学运算误差,检测,放大,测试和补偿功能不如电子,机电装置灵活简便。总体系统图买文档就送您CAD图纸全套,Q号交流197216396或1197098521图10总体系统图1总体系统图如图8所示,2工作过程小臂伸长手部抓紧腕部回转小臂回转小臂收缩手部放松3电磁铁动作顺序表买文档就送您CAD图纸全套,Q号交流197216396或1197098522表2总体系统图元件动作1DT2DT3DT4DT5DT小臂伸长手部抓紧腕部回转小臂收缩手部放松卸荷图11液压传动系统简图买文档就送您CAD图纸全套,Q号交流197216396或1197098523买文档就送您CAD图纸全套,Q号交流197216396或1197098524第4章搬运机械手控制系统的设计41PLC简介PLCPROGRAMMABLELOGICCONTROLLER,是可编程逻辑控制器。它采用一类可编程的存储器,用于其内部存储程序,执行逻辑运算,顺序控制,定时,计数与算术操作等面向用户的指令,并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。PLC实质是一种专用于工业控制的计算机,其硬件结构基本上与微型计算机相同,基本构成为1电源;2存储器;3中央处理单元CPU;4输入输出接口电路;5通信模块;6功能模块。42PLC工作原理当PLC投入运行后,它的工作过程一般分为这三个阶段1即输入采样2用户程序执行3输出刷新三个阶段。完成以上三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间,PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。1输入采样阶段2用户程序执行阶段3输出刷新阶段43PLC机型的选择我选择使西门子PLC。原因如下西门子与其他的PLC相比,指令采用功能块。更通俗易懂在模拟量的输出和读取上要简单得多,只需要使用传送命令就可以了,模拟量达寄存器在PLC中就相当于一个普通的数据寄存器,在脉冲输出功能和可设置性更强大,更适合精准控制,通信能力更强大。扩展能力和适应性更强,更多的智能模块可以更广泛的应用于各种行业。西门子既可以使用NPN的传感器也可以使用PNP的传感器,适用于改造旧设备,不管以前的设备是何种传感器都能轻松的代替。程序编写采用子程序编写方法。更主观更容易看懂,对于编程者的编写顺序,手自动程序的编写,某个独立部件编写等等都能清清楚楚的分开来。西门子PLC的端子设计的是非常好的,非常容易拆卸,吴螺丝锁定一秒钟就可以拆下来了综上所述,所以我选择了西门子PLC431PLC机型的选择因每种品牌配置不一样,所以它的选型方式也有所差异。西门子PLC的型号有多种多样,比如S7200CN,S7200,S7300,S7买文档就送您CAD图纸全套,Q号交流197216396或1197098525400,ET200,S71200。而本次设计采用S7200。要选择相对应的机型,就要分析被控对象此次PLC需要控制的对象为物料传送机械手,由于用途比较固定,I/O点数并不复杂,所以选择小型PLC即可。故选择三菱PCL中FX1N系列的PLC。432所选PLC的参数表5FS1S系列PLC的参数项目规格备注运转控制方式通过储存的程序周期运转I/O控制方法批次处理方法I/O指令可以刷新运转处理时间基本指令055至07S应用指令37至几百S编程语言逻辑梯形图和指令清单使用步进梯形图生成SFC类型程序程式容量内置2K步EEPROM存储盒FX1NEEPROM8L可选I/O配置最大总I/O由主处理单元设置指令数目基本顺序指令27步进梯形指令2应用指令85最大可用167条应用指令,包括所有的变化一般384点M0至M383锁定128点(子系统)M384至M511辅助继电器M特殊256点M8000至M8255一般128点S0至S127状态继电器S初始10点(子系统)S0至S9100毫秒范围0至32767秒63点T0至T5510毫秒范围0至32767秒31点当特殊M线圈工作时T32至T62定时器T1毫秒范围0001至32767秒1点T63一般范围1至32767数16点C0至C15类型16位增计数器计数器C锁定范围1至32767数16点C16至C31类型16位增计数器一般128点D0至D12732位元件的16位数据存储寄存器对锁定128点D128至D25532位元件的16位数据存储寄存器对数据寄存器D外部调节范围0至2552点通过外部设置电位计间接输入D8013或D8030D803114数据买文档就送您CAD图纸全套,Q号交流197216396或1197098526特殊256点(包含D8030,D8031)从D8000至D825516位数据存储寄存器变址16点V和Z16位数据存储寄存器用于CALL64点P0至P64指标P用于中断6点100至130(上升触发1,下降触发0)十进位K16位32768至3276832位2147483648至2147483647常数十六进位H16位0000至FFFF32位00000000至FFFFFFFF44PLC控制面板的拟定我初步设想的机械手工作,有三种工作状态第一种是自动工作,用于批量物料搬运,使用时间长,普遍;第二种是单步工作,就是机械手只运送一次工件就停止运行,用于个别物料的搬运,使用时间不长;第三种为手动操作,是根据实际情况人为操作的控制方式。买文档就送您CAD图纸全套,Q号交流197216396或1197098527上升下降右移左移启动停止复位急停自动手动单周期单步调零夹紧放松左转右转图12建议控制面板的设计图13PLC控制原理图买文档就送您CAD图纸全套,Q号交流197216396或1197098528图14机械手操作面板示意图45机械手工艺过程和控制方案的确定451明确工艺要求1初始状态,按启动按钮传送带A开始传送物料,光电传感器开始工作,机械手回原点。2当光电传感器检测到有物料时,传感器将信号传给机械手,机械手开始工作。3机械手从初始位置开始运动,通过机械手臂的旋转,机械手抓伸出,机械臂下降,机械手抓抓紧来获得传送带A上的物料。4获得物料后,通过机械手臂升降,机械手抓的伸缩,机械臂旋转,机械手抓的放松,将物体运送到传送带B上。5机械手完成这一系列动作后,自行复位,开始重复工作。6传送带B获得物体后,通过光电传感器测定是否有物体在传送带B上,来控制传送带B的工作。452确定工艺流程确认工艺要求后,开始着手思考工艺流程。根据我的设计思路,完成一次物料传送动作需要完成如下几个步骤判断物料;买文档就送您CAD图纸全套,Q号交流197216396或1197098529机械手准备其中包括机械臂的上升旋转、机械手抓张开;机械臂旋转到指定位置;机械臂下降;机械手抓取;运输过程其中包括机械臂上升、旋转、下降到指定位置,此期间机械手不放松;机械手放松。在执行这个过程前,考虑到机械手在工厂中使用,不能排除机械手误开的情况,所以加入若20S内无物料信号则系统自动停止这条指令。执行中,分析整个流程,发下如下问题(1)如何设置机械臂运动限位,设置值为多少合适。为了最快速有效的完成传送工作,并且简化程序,我想为机械臂直接设计限位,而机械臂的每次运动都直接运动至限位,这样方便编程,并且方便操作。(2)在整个过程中,无疑需要涉及到传感器。现在已知需要光电传感器来判断是否有物料,需要判断机械臂旋转的磁性传感器。那是否还需要其他传感器来完善整个系统也成为了一个需要思考改进的地方。确定工艺流程后,就需要制作工艺流程图,来更清晰的表现机械臂系统的运行情况。工艺流程图如下买文档就送您CAD图纸全套,Q号交流197216396或1197098530启动设备物料T20S机械臂右转至点机械臂下降至点机械臂伸出至点机械手爪夹紧机械臂上升至点机械臂左转至点机械臂下降至点机械臂上升至点机械手抓放松机械臂缩回至点Y设备停止运行N回原点图15工艺流程图根据工艺流程,可知此物料传送机械手工作的步骤,也能比较清晰的了解整个系统的运行情况。根据流程图,我们可以开始展开接下去的工作根据工艺流程确定控制方案、选择传感器以及确定I/O分配点数。然后再根据流程图编写单步程序、总程序,调试,改进,最后的出设计成果。买文档就送您CAD图纸全套,Q号交流197216396或1197098531453传感器选择从工艺流程的先后来看,传感器基本上可分为上料机构用于检测物料有无的光电传感器;机械手机构上用到感应机械手旋转的电感传感器和磁性传感器。其中,光电传感器为光电漫反射型传感器,检测到有物料在皮带轮上时为PLC提供一个输入信号。电感传感器是测定机械手旋转到位后,提供输出信号。磁性传感器是用于检测机械手与运货皮带轮的相对位置,当位置达到要求,传感器提供输出信号。表6选定的各类传感器名称型号数量光电传感器电磁传感器电感传感器E3ZLS63DA73LE41K2

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