物流传输机械手机构设计.doc

广州学院机电系课程设计设计说明书 物料分拣机械手系统设计 院 （系） 机械工程学院 专 业 机械工程及自动化 班 级 09届机械制造及自动化10班 学 生 黎东军 指导老师 徐文斌 2013 年 1月5 日 机电方向课程设计任务书兹发给 机械10 班学生 黎东军 设计任务书，内容如下：设计题目：1 物料分拣机械手系统设计 2 应完成的项目：（1） PLC（或其他控制器）编程 （2） 物流传输机械手机构设计 （3） 物料识别传感器选型 （4） 人机界面（文本显示） （5） 驱动系统的分析与选择 （6） 3 参考资料以及说明：（1） 机电一体化强化训练实训教材， （2） 可编程控制器原理及运用 4 本设计任务书于2012年 12 月17日发出，应于2013年 1月11日前完成，然后进行答辩。指导教师 徐文斌 签发 2012 年 12 月 17 日课程设计评语：课程设计总评成绩：指导教师签字：年 月 日目录任务书.2摘要 .4第一章前言.51.1 研究的目的及意义.51.2 机械手在国内外现状和发展趋势.61.3 主要研究的内容.71.4 解决的关键问题.8第二章 物流传输机械手机构设计.92.1. 执行机构坐标形式的选择.92.2 手部的选择92.3 手臂结构的选择102.4 执行机构简图.11第三章驱动系统的分析与选择3.1 驱动系统的分析与选择123.2 机械手驱动系统的控制设计.15第四章 物料识别传感器的选择 154.1 析视觉传感器的选择 ：.154.2 颜色传感器的类型比较:154.3，确定传感器类型.16Plc编程程序.17I/O口分配19摘 要 机械手在先进制造领域中扮演着极其重要的角色。它可以搬运货物、分拣物品、代替人的繁重劳动。可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，因此被广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。本文在纵观了近年来机械手发展状况的基础上，结合机械手方面的设计，对机械手技术进行了系统的分析，提出了用气动驱动和PLC控制的设计方案。采用整体化的设计思想，充分考虑了软、硬件各自的特点并进行互补优化。对物料分拣机械手的整体结构、执行结构、驱动系统和控制系统进行了分析和设计。在其驱动系统中采用气动驱动，控制系统中选择PLC的控制单元来完成系统功能的初始化、机械手的移动、故障报警等功能。最后提出了一种简单、易于实现、理论意义明确的控制策略。 通过以上部分的工作，得出了经济型、实用型、高可靠型物料分拣机械手设计方案，对其他经济型PLC控制系统的设计也研究价值.第一章：前言1.1 研究的目的及意义机械手作为前沿的产品应自动化设备更新时的需要，可以大量代替单调往复或高精度需求的工作，在先进制造领域中扮演着极其重要的角色。它可以搬运货物、分拣物品、代替人的繁重劳动。可以实现生产的机械化和自动化，能在高温、腐蚀及有毒气体等环境下操作以保护人身安全，可以广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工业和原子能等部门。随着工业的高速发展，机械手作为前沿的产品应自动化设备更新时的需要，已经在工业生产中得到了广泛的应用。它可以搬运货物、分拣物品、用以代替人的繁重及单调劳动，实现生产的机械化和自动化；并能在高温、腐蚀及有毒气体等有害环境下操作以保护人身安全，被广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工业和原子能等部门。 可编程控制器(PLC)是以中央处理器为核心，综合了计算机和自动控制等先进技术，具有可靠性高、功能完善、组合灵活、编程简单、功耗低等优点，已成为目前在机械手控制系统中使用最多的控制方式。使用PLC的自动控制系统具有体积小，可靠高，故障率低，动作精度高等优点。适应工业需要，本课题试图开发PLC对物料分拣机械手的控制，并借助必要的精密传感器，使其能够对不同颜色的物料按预先设定的程序进行分拣，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，广泛应用于柔性生产线。采用PLC控制，是一种预先设定的程序进行物料分拣的自动化装置，可部分代替人工在高温和危险的作业区进行单调持久的作业，并且在产品变化或临时需要对机械手进行新的分配任务时，可以允许方便的改动或重新设计其新部件，而对于位置改变时，只要重新编程，并能很快地投产，降低安装和转换工作的费用。本设计主要完成机械手的硬件部分与软件部分设计。主要包括执行系统、驱动系统和控制系统的设计。1.2 机械手在国内外现状和发展趋势机械手最早应用在汽车制造工业，常用于焊接、喷漆、上下料和搬运。机械手延伸和扩大了人的手足和大脑功能，它可替代人从事危险、有害、有毒、低温和高热等恶劣环境中的工作；代替人完成繁重、单调重复劳动，提高劳动生产率，保证产品质量。目前主要应用于制造业中，特别是电器制造、汽车制造、塑料加工、通用机械制造及金属加工等工业。工业机械手与数控加工中心，自动搬运小车与自动检测系统可组成柔性制造系统(FMS)和计算机集成制造系统，实现生产自动化。随着生产的发展，功能和性能的不断改善和提高，机械手的应用领域日益扩大。目前，国际上的机械手公司主要分为日系和欧系。日系中主要有安川、oTC、松下、FANLUC、不二越、川崎等公司的产品。欧系中主要有德国的KUKA、CLOOS、瑞典的ABB、意大利的C0毗U及奥地利的工GM公司。我国机械手起步于20世纪70年代初期，经过30多年发展，大致经历了3个阶段：70年代萌芽期，80年代的开发期和90年代的应用化期。在我国，机械手市场份额大部分被国外机械手企业占据着。在国际强手面前，国内的机械手企业面临着相当大的竞争压力。如今我国正从一个“制造大国”向“制造强国”迈进，中国制造业面临着与国际接轨、参与国际分工的巨大挑战，对我国工业自动化的提高迫在眉睫，政府务必会加大对机器人的资金投入和政策支持，将会给机械手产业发展注入新的动力。随着机械手发展的深度和广度以及机器人智能水平的提高，机械手已在众多领域得到了应用。从传统的汽车制造领域向非制造领域延伸。如采矿机器人、建筑业机器人以及水电系统用于维护维修的机器人等。在国防军事、医疗卫生、食品加工、生活服务等领域机械手的应用也越来越多。在未来几年，传感技术，激光技术，工程网络技术将会被广泛应用在机械手工作领域，这些技术会使机械手的应用更为高效，高质，运行成本低。据猜测，今后机器人将在医疗、保健、生物技术和产业、教育、救灾、海洋开发、机器维修、交通运输和农业水产等领域得到应用。1.3 主要研究的内容随着机械手技术的飞速发展和机械手应用领域的不断深化，不仅要求其控制可靠性强、使用灵活性高和操作灵活性好，还要其成本低、可开发经济性强。本论文主要研究物料分拣机械手以下几个方面的内容：物料分拣机械手执行系统的分析与选择执行系统是由传动部件与机械构件组成，是机械手赖以实现各种运动的实体。主要包括机身、手臂、末端执行器3部分组成，其中每一部分都可以具有若干的自由度。执行系统的设计主要是对机械手的手部、手臂和机座进行设计物料分拣机械手驱动系统的分析与选择驱动系统是向执行系统各部分提供动力的装置。通过对液压、气压、电气三种驱动方式的比较，本设计选择气压驱动的方式。内容包括气动元件的选择及其工作原理、气动回路的设计和气动原理图的绘制。物料分拣机械手控制系统的设计控制系统是机械手的指挥系统，它控制驱动系统，让执行系统按规定的要求和时序进行工作。本机械手采用可编程控制器（PLC）对机械手进行控制，主要包括对PLC的型号选择、传感器类型进行选择、I/O口的选择、对控制系统原理图、自动程序梯形图的绘制等内容。1.4 解决的关键问题1 解决机械手机械结构的设计问题，要求机械手结构简单、经济、具有一定的代表性。2 执行部件的运动精度的问题。3 机械手的控制系统，包括控制系统的电路和控制程序，并解决工件和控制 系统的协调问题。4 元件的匹配规则和知识的获取及其表达形式第二章；物流传输机械手机构设计2.1. 执行机构坐标形式的选择 机械手的基本型式较多按手臂的坐标型式而言主要有四种基本型式直角坐标式、圆柱坐标式、球坐标式和关节式。在此，我选择直角坐标式机械手直角坐标式机械手是适合于工作位置成行排列或与传送带配合使用的一种机械手。它的手臂可作伸缩、左右和上下移动按直角坐标形式X、Y、Z三个方向的直线进行运动。 其工作范围可以是一个直线运动两个直线运动或三个直线运动。如在X、Y、Z三个直线运动方向上个具有A、B、C三个回转运动即构成六个自由度。 直角坐标式机械手的优点： 1 产量大节拍短能满足高速的要求 2 容易与生产线上的传送带和加工装配机械相配合 3 适于装箱类、多工序复杂的工作定位容易变更 4 定位精度高载重发生变化是不回影响精度 5 易于实行数控可与开环或闭环数控机械配合使用。 缺点机械手的作业范围较小。2.2手部的选择 手部形式的确定 手部就是用来握持工件或工具的部分。由于被握持的工件的形状、尺寸、重量、材质及表面状态的不同手部机构也是多种多气吸式 气吸式手部又称为真空吸盘式手部它是通过吸盘内产生真空或负压利用压差而将工件吸附是工业机械手常用的一种吸持工件的装置。它由吸盘、吸盘架及进排气系统组成具有结构简单、质量轻、不易损伤工件、使用方便可靠等优点但要求工件上与吸盘接触的部位光滑平整、清洁、被吸附工件材质致密没有透气空隙。主要适应于板材、薄壁零件、陶瓷搪瓷制品、玻璃制品、纸张及塑料等表面光滑工件的抓取。 气吸式又可分为 负压吸盘真空式、喷气式、自挤式空气吸盘。 磁力吸盘永磁吸盘、电磁吸盘。 真空式吸附型它是利用真空泵抽出吸附头的空气而形成真空故称真空式。喷气式吸附的工作原理是当压缩空气高速进入喷嘴时由于管路的开始段截面积是逐渐收缩的所以气流速度逐渐增大在管路的最小截面处气流速度达到临界速度此时的气体受压密度加大。在排气管路中因界面逐渐增大气流膨胀减压而使密度大大下降致使气流速度继续增高在吸气口处形成负压。吸附头与吸气口连同故形成真空以吸住工件。自挤式空气吸盘的工作原理是将软质吸盘按压在工件的表面挤出吸盘内的空气、从而造成真空、吸住工件。磁吸式手是利用工件的导磁性利用永久磁铁或电磁铁通电后产生的磁力来吸附材料工件。磁吸式手部不会破坏被吸附表面质量但是由于被吸工件存在剩磁吸附头上常吸附磁性屑影响正常工作。 通过以上对手部的分析真空式具有结构简单、质量轻、不损伤工件、使用方便、不影响机械手的正常工作等优点。而且满足所设计机械手的要求所以选用真空式吸盘。 真空吸盘机构如图2.1所示。 2.3 手臂结构的选择 手臂是机械手的主要部分是支撑手腕、手指和工件并使它们运动的机构。手臂一般有三个运动伸缩、旋转和升降。手臂的基本动作是将手部移动到所需的位置和承受抓取工件的最大重量以及手臂本身的重量。手臂的组成： (1)动作元件如油缸、汽缸、齿条、凸轮等是驱动手臂运动的部件。 (2)导向装置是保证手臂的正确方向及承受由工件的重量所产生的弯曲和扭转力矩。 (3)手臂起着连接和承受外力的作用。 手臂设计的要求： (1)手臂承载能力大、刚性好、自重轻。 (2)手臂的运动速度要适当惯性要小。 (3)手臂的动作要灵活。 (4)位置精度要高。 (5)通用性要强。手臂的结构：手臂的伸缩和升降运动一般采用直线油气缸驱动。 手臂作直线运动的结构基本上是由驱动机构和导向装置所组成。驱动机构一般用油缸、油马达加齿轮、齿条来实现直线运动。往复直线油气缸可以分为以下几种。双作用单活塞杆油缸:液压机械手中实现手臂的往复运动用得最多的是双作用单活塞杆油缸。活塞在油压下作双向运动。机构上可以是油缸体固定、活塞杆运动也可以是活塞杆固定而缸体运动。 双作用双活塞杆油缸当需要很大的行程时将油缸做的很长、体积很大则加工上有困难。如做成伸缩式双活塞杆油缸既能满足行程要求油缸的体积又小。其缺点是一次行程有两种速度。本机械手的手臂有往复的直线运动不需要很大的行程考虑到结构的简单性和设计的经济性选用缸体固定活塞杆运动的双作用单活塞2.4 执行机构的工作原理 物料分拣机械手的结构主要由机座、立柱、水平手臂、垂直手臂、电磁阀和吸盘等组成。其中机座采用摆动气缸进行驱动手臂及吸盘采用单活塞杆双作用气缸驱动。机械手的动作基本有伸缩、升降、左右旋转、吸物和放物等动作。其结构原理如图所示。其动作顺序为初始位置 A右旋 B前伸 C气缸下降 D吸物料 C上升 B收缩A左旋 C气缸下降 D放物料 C上升回到初始位置。机械手的动作在整个过程中都是连杆气缸。2.4 执行机构简图 根据前面机械手各部分的设计可做出机械手大体结构简图如第三章驱动系统的分析与选择机械手的驱动系统是驱动执行机构运动的传动装置。机械手的驱动系统根据动力源的不同，分为液压、气压、电气、机械、气液联合和电液联合等多种方式。目前采用的主要有液压、气压、电气这三种驱动方式。3.1 驱动系统的分析与选择液压驱动，功率重量比大，可实现频繁平稳的变速和换向，容易实现过载保护，可自行润滑，使用寿命长。但也存在其油液容易泄露污染环境，需要配备油源，成本较高，工作噪声较大。电气驱动，控制精度高，驱动力较大，响应快，信号检测、传递、处理方便。但是由于这种驱动方式价格昂贵，限制了在一些场合的应用。因此，人们寻求其他一些经济适用的驱动方式。气压驱动具有价格低廉、结构简单、功率体积比高、无污染及抗干扰性强、在工业机械手中应用较多。另一方面，气动技术作为“廉价的自动化技术”，由于其元器件性能的不断提高，生产成本的不断降低，被广泛应用于现代化工业生产领域。在现代化的成套设备与自动化生产线上，几乎都配有气动系统。据统计：在工业发达国家中，全部自动化流程中约有30装有气动系统，有90的包装机械，70的铸造、焊接设备，50的自动操机、40的锻造设备和洗衣设备、30的采煤机械，20的纺织机械、制鞋业、木材加工、食品机械，43的工业机器人装有气压系统。日、美、德等国的气动元件销售平均每年增长超过10-15。许多工业发达国家的气动元件产值已接近液压元件的产值，且仍以较大速度发展，气动机械手技术已经成为能够满足许多行业生产实践要求的一种重要使用工具。表3.1给出了各种控制方式的比较：表3.1 各种控制方式的比较通过以上三种驱动方式的比较选用气动驱动的方式，不仅能够满足了本设计的要求，而且节约了成本。3.2 机械手驱动系统的控制设计根据物料分拣机械手的要求，在驱动系统中气缸的运动方式主要有两种：（1）直线运动（缸体固定，活塞杆运动）；（2）摆动（缸体固定）。其气动驱动系统原理图如图3.1所示。图3.1 驱动系统原理图气动系统包括三个三位四通电磁换向阀、两个二位二通电磁阀、三个气缸、一个吸盘、四个调速阀、六个单向调速阀、消声器（若干）等。图中的调速阀控制气缸上升和下降、伸长和缩短、摆动过程中的速度，防止速度过大对物料及机械手臂的冲击；三位四通电磁换向阀是改变气缸的运动方向；真空发生器的工作原理利用气体的喷射产生真空吸附物料，其主要功能是实现对物料的吸取和释放，真空发生器的动作是由二位二通电磁阀控制的。第四章：物料识别传感器选型由于该机械手是用来分拣不同的黑白工件，所以选择视觉传感器下面来4.1 析视觉传感器的选择 ： 机械手视觉的作用就是最大程度模仿人的眼睛能够对不同的物体进行识别本机械手采用颜色传感器根据不同物料有不同的颜色可以针对一种颜色的物料进行拣出。目前用于颜色识别的传感器有两种基本类型1色标传感器它使用一个白炽灯光源或单色LED光源2RGB红绿蓝颜色传感器它检测物体的对三基色的反射比率从而鉴别物体颜色。这类装置许多是温反射型、光束型、光纤型的封装在各种金属和聚碳酸脂外壳中。典型的输出有NPN和PNP、继电器和模拟输出。 4.2 颜色传感器的类型比较: (1)光到光电流转换器 光到光电流转换器由光电二极管或具有色彩滤波器的光电二极管组成将光转换成光电流。可以使用外部电路将光电流转换成一定比例的电压输出然后可以通过模拟数字转换器将电压转换成数字格式输送到微控制器中。 优点 设计灵活。可以针对各个应用订制放大器的增益和带宽及模拟数字转换器的速度和分辨率。 缺点 增加了组装成本提高了设计复杂程度光到光电流转换器适合要求响应时间短、定制增益和速度调节及在光线变化条件下工作的应用。 (2)光到模拟电压转换器 光到模拟电压转换器由搭配色彩滤波器的光电二极管阵列组成并整合一个跨阻抗放大器。要求使用外部电路将模拟电压转换成数字输出然后才能输送到数字信号处理器。 优点简化外设电路设计改善空间利用效率降低组装成本。 缺点响应时间预先由内置电流到电压转换器确定如跨阻抗放大器要求额外的模拟数字转换器将电压输出转换成