气动机械手机械结构设计

淄博职业学院毕业设计(论文)第1页共25页摘要伴随着机电一体化在各个领域的应用，机械设备的自动控制成分显得越来越重要，由于工作的需要，人们经常受到高温、腐蚀及有毒气体等因素的危害，增加了工人的劳动强度，甚至于危机生命。因此机械手就在这样诞生了,机械手是工业机器人系统中传统的任务执行机构，是机器人的关键部件之一。其中的工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术，它的发展是由于其积极作用正日益为人们所认识：它能部分地代替人工操作；能按照生产工艺的要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送和装卸；能制作必要的机具进行焊接和装配从而大大改善工人的劳动条件，显著地提高劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。本设计采用三菱Q系列PLC作为控制机对工业机械手进行控制及监控。关键词：可编程控制器PLC;机械手;气动淄博职业学院毕业设计(论文)第2页共25页目录摘要.2第一章绪论.41.1气动机械手概述.41.2机械手的组成和分类.41.2.1机械手的组成.41.2.2机械手的分类.41.3气动机械手的应用.5第二章机械手的设计方案.52.1机械手的坐标型式与自由度.52.2机械手的手部结构方案设计.52.3机械手的手腕结构方案设计.52.4机械手的手臂结构方案设计.52.5机械手的驱动方案设计.52.6机械手的控制方案设计.6第三章气动系统设计.631气压传动系统工作原理图.6第四章机械手的PLC控制设计.74.1可编程序控器的简介.84.2PLC的结构，种类和分类.84.3接近开关传感器.94.4I/O接口简介.94.5行程开关的介绍.94.5.1行程开关的概念.94.5.2行程开关的作用及原理.104.6电路的总体设计.104.6.1回路的设计.104.6.2系统输入/输出分布表.114.63机械手的程序设计.114.6.4步进电机的运行控制.124.6.5各模块的程序设计.13第五章结论.23致谢.24参考文献.25淄博职业学院毕业设计(论文)第3页共25页第一章绪论1.1气动机械手概述气动机械手由操作机(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，自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化设备。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。.机械手是模仿着人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。在工业生产中应用的机械手被称为“工业机械手”。生产中应用机械手可以提高生产的自动化水平和劳动生产率:可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全生产;尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境中，它代替人进行正常的工作，意义更为重大。随着工业技术的发展，制成了能够独立的按程序控制实现重复操作，适用范围比较广的“程序控制通用机械手”，简称通用机械手。由于通用机械手能很快的改变工作程序，适应性较强，所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的引用。1.2机械手的组成和分类1.2.1机械手的组成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。1.2.2机械手的分类工业机械手的种类很多，关于分类的问题，目前在国内尚无统一的分类标准，在此暂按驱动方式分类。(一)按驱动方式分1、液压传动机械手是以液压的压力来驱动执行机构运动的机械手。2、气压传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。3、机械传动机械手即由机械传动机构(如凸轮、连杆、齿轮和齿条、间歇机构等)驱动的机械手。4、电力传动机械手即有特殊结构的感应电动机、直线电机或功率步进电机直接驱动执行机构运动的械手。淄博职业学院毕业设计(论文)第4页共25页1.3气动机械手的应用由于气压传动系统使用安全、可靠，可以在高温、震动、易燃、易爆、多尘埃、强磁、辐射等恶劣环境下工作。而气动机械手作为机械手的一种，它具有结构简单、重量轻、动作迅速、平稳、可靠、节能和不污染环境、容易实现无级调速、易实现过载保护、易实现复杂的动作等优点。所以，气动机械手被广泛应用于汽车制造业、半导体及家电行业、化肥和化工，食品和*的包装、精密仪器和军事工业等。第二章机械手的设计方案2.1机械手的坐标型式与自由度按机械手手臂的不同运动形式及其组合情况，其坐标型式可分为直角坐标式、圆柱坐标式、球坐标式和关节式。由于本机械手在上下料时手臂具有升降、收缩及回转运动，因此，采用圆柱坐标型式。相应的机械手具有四个自由度，为了弥补升降运动行程较小的缺点，增加手臂摆动机构，从而增加一个手臂上下摆动的自由度2.2机械手的手部结构方案设计为了使机械手的通用性更强，把机械手的手部结构设计成可更换结构，当工件是棒料时，使用夹持式手部;当工件是板料时，使用气流负压式吸盘。2.3机械手的手腕结构方案设计考虑到机械手的通用性，同时由于被抓取工件是水平放置，因此手腕必须设有回转运动才可满足工作的要求。因此，手腕设计成回转结构，实现手腕回转运动的机构为回转气缸。2.4机械手的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，即手臂的伸缩、左右回转和升降运动。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横移。手臂的各种运动由气缸来实现。2.5机械手的驱动方案设计由于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。淄博职业学院毕业设计(论文)第5页共25页2.6机械手的控制方案设计考虑到机械手的通用性，同时使用点位控制，因此我们采用可编程序控制器(PLC)对机械手进行控制。当机械手的动作流程改变时，只需改变PLC程序即可实现，非常方便快捷。第三章气动系统设计31气压传动系统工作原理图图4-1为该机械手的气压传动系统工作原理图。它的气源是由空气压缩机（排气压力大于0.4-0.6MPa）通过快换接头进入储气罐，经分水过滤器、调压阀、油雾器，进入各并联气路上的电磁阀，以控制气缸和手部动作。图3-1机械手气压传动原理图淄博职业学院毕业设计(论文)第6页共25页各执行机构调速。凡是能采用排气口节流方式的，都在电磁阀的排气口安装节流阻尼螺钉进行调速，这种方法的特点是结构简单，效果尚好。如手臂伸缩气缸在接近气缸处安装两个快速排气阀，可以加快启动速度，也可调节全程上的速度。升降气缸采用进气节流的单向节流阀以调节手臂上升速度。由于手臂可自重下降，其速度调节仍采用在电磁阀排气口安装节流阻尼螺钉来完成。气液传送器气缸侧的排气节流，可用来调整回转液压缓冲器的背压大小。为简化气路，减少电磁阀的数量，各工作气缸的缓冲均采用液压缓冲器。这样可以省去电磁阀和切换调节阀或行程节流阀的气路阻尼元件。电磁阀的通径，是根据各工作气缸的尺寸、行程、速度计算出所需压缩空气流量，与所选用电磁阀在压力状态下的公称使用流量相适应来确定的。第四章机械手的PLC控制设计考虑到机械手的通用性，同时使用点位控制，因此我们采用可编程序控制器(PLC)对机械手进行控制.当机械手的动作流程改变时，只需改变PLC程序即可实现，非常方便快淄博职业学院毕业设计(论文)第7页共25页捷。4.1可编程序控器的简介1969年，美国数字设备公司(DEC)研制出第一台PLC，在美国通用汽车自动装配线上试用，获得了成功。这种新型的工业控制装置以其简单易懂，操作方便，可靠性高，通用灵活，体积小，使用寿命长等一系列优点，很快地在美国其他工业领域推广应用。到1971年，已经成功地应用于食品，饮料，冶金，造纸等工业。这一新型工业控制装置的出现，也受到了世界其他国家的高度重视。1971年，日本从美国引进了这项新技术，很快研制出了日本第一台PLC。1973年，西欧国家也研制出它们的第一台PLC。我国从1974年开始研制,于1977年开始工业应用。4.2PLC的结构，种类和分类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，如图所示：图5-1plc的分类有：(一)小型PLC小型PLC的I/O点数一般在128点以下，其特点是体积小、结构紧凑，整个硬件融为一体，除了开关量I/O以外，还可以连接模拟量I/O以及其他各种特殊功能模块。它能执行包括逻辑运算、计时、计数、算术运算、数据处理和传送、通讯联网以及各种应用指令。(二)中型PLC中型PLC采用模块化结构，其I/O点数一般在2561024点之间。I/O的处理方式除了采用一般PLC通用的扫描处理方式外，还能采用直接处理方式，即在扫描用户程序的过程中，直接读输入，刷新输出。它能联接各种特殊功能模块，通讯联网功能更强，指令系统更丰富，内存容量更大，扫描速度更快。淄博职业学院毕业设计(论文)第8页共25页(三)大型PLC一般I/O点数在1024点以上的称为大型PLC。大型PLC的软、硬件功能极强。具有极强的自诊断功能。通讯联网功能强，有各种通讯联网的模块，可以构成三级通讯网，实现工厂生产管理自动化。大型PLC还可以采用三CPU构成表决式系统，使机器的可靠性更高。4.3接近开关传感器1接近开关传感器的概念在各类开关中，有一种对接近它物件有“感知”能力的元件位移传感器。利用位移传感器对接近物体的敏感特性达到控制开关通或断的目的，这就是接近开关。2接近传感器的选型和检测对于不同的材质的检测体和不同的检测距离，应选用不同类型的接近传感器，以使其在系统中具有高的性能价格比，4.4I/O接口简介（1）I/O接口的概念CPU与外部设备、存储器的连接和数据交换都需要通过接口设备来实现，前者被称为I/O接口，而后者则被称为存储器接口。存储器通常在CPU的同步控制下工作，接口电路比较简单；而I/O设备品种繁多，其相应的接口电路也各不相同，因此，习惯上说到接口只是指I/O接口。(2）接口的分类I/O接口的功能是负责实现CPU通过系统总线把I/O电路和外围设备联系在一起，按照电路和设备的复杂程度，I/O接口的硬件主要分为两大类：1）I/O接口芯片这些芯片大都是集成电路，通过CPU输入不同的命令和参数，并控制相关的I/O电路和简单的外设作相应的操作，常见的接口芯片如定时计数器、中断控制器、DMA控制器、并行接口等。2）I/O接口控制卡有若干个集成电路按一定的逻辑组成为一个部件，或者直接与CPU同在主板上，或是一个插件插在系统总线插槽上。按照接口的连接对象来分，又可以将他们分为串行接口、并行接口、键盘接口和磁盘接口等。4.5行程开关的介绍4.5.1行程开关的概念淄博职业学院毕业设计(论文)第9页共25页行程开关就是一种由物体的位移来决定电路通断的开关。行程开关又称限位开关,可以安装在相对静止的物体(如固定架、门框等，简称静物)上或者运动的物体（如行车、门等，简称动物）上。当物体接近静物时，开关的连杆驱动开关的接点引起闭合的接点分断或者断开的接点闭合。由开关接点开、合状态的改变去控制电路和机构的动作。4.5.2行程开关的作用及原理行程开关用于控制机械设备的行程及限位保护。在实际生产中，将行程开关安装在预先安排的位置，当装于生产机械运动部件上的模块撞击行程开关时，行程开关的触点动作，实现电路的切换。因此，行程开关是一种根据运动部件的行程位置而切换电路的电器，它的作用原理与按钮类似。行程开关广泛用于各类机床和起重机械，用以控制其行程、进行终端限位保护。在电梯的控制电路中，还利用行程开关来控制开关轿门的速度、自动开关门的限位，轿厢的上、下限位保护。4.6电路的总体设计4.6.1回路的设计整个系统的回路设计如下:机械手右旋转机械手上升机械手手臂伸长机械手下降机械手手腕右旋机械手加紧机械手上升机械手手腕左旋机械手手臂收缩机械手左旋机械手下降机械手手臂伸长机械手手腕右旋机械手下降机械手松开机械手手臂收缩淄博职业学院毕业设计(论文)第10页共25页4.6.2系统输入/输出分布表输入输出X0SQ1右旋限位开关Y0YA1右旋电磁阀X1SQ2上升限位开关Y1YA2左旋电磁阀X2SQ3手臂伸长限位开关Y2YA3手臂伸长电磁阀X3SQ4手腕右转限位开关Y3YA4手臂收缩电磁阀X4SQ5下降限位开关Y4YA5上升电磁阀X5SQ6工件光电检测开关Y5YA6下降电磁阀X6SQ7手腕左转限位开关Y6YA7手腕右转电磁阀X7SQ8手臂收缩限位开关Y7KA1手腕左转电磁阀X10SQ9左转限位开关Y10YA8加紧电磁阀X11SQ10机械手光电限位开关Y112YA9松开电磁阀X12SB5停止按钮Y12YA10急停电磁阀X13SB6复位按钮Y30YA11步进电机X14SB7步进电机手动启动Y31YA15空气压缩机继电器X15YJ2步进电机停止按钮X16SB8暂停按钮X17SB8急停按钮X26YJ4接近传感器X27K1空气压缩机启动X30K2系统启动4.63机械手的程序设计自动线的输送动作由步进电动机带动实现间隔输送，实现设计要求的输送状况。其工淄博职业学院毕业设计(论文)第11页共25页作的过程是：机械手首先处于初始位置，然后经过一系列的动作将断续传送带上的工件拿走，此时传送带上的光电检测检测开关检测到工件被取走。然后传送带开始转动，当检测到下一个工件时传送带停止转动等待机械手来取工件，当然只要机械手取走工件传送带就开始转动，这样设计是为了节省工作时间从而不会出现机械手等待传送带的时间。对程序的要求如下：(1)首先启动机械手时机械手自动复位处于初始位置；(2)在机械手工作前还要对其进行设备的检测即机械手空运行一次而且机械手的每一个动作都有相应的定时器进行监控若超出规定的运行时间则认为是设备出现故障。(3)机械手设有急停按钮（一般情况下是不被允许使用的）只有出现紧急情况时才允许按此按钮，按下此按钮将切断储气罐与各汽缸的联系将被切断各汽缸处于无动力状态。4.6.4步进电机的运行控制由于传送带的速度要求不高且精度也不是太高所以本设计选择三相步进电机通电方式为三相双三拍，利用PLC中的M8014特殊功能继电器向环形脉冲分配器中发送脉冲然后经光电转换和功放电路驱动步进电机。环形脉冲分配器选择YB013芯片此芯片为专用三相步进电机环形脉冲分配器此芯片工作稳定性能优良在实际生产中被广泛应用。1.步数控制当对射式光电检测开关检测到共建的位置时此时停止向脉冲分配器中发送脉冲步进电机将停在此位置不动。2手动控制步进电机当按下手动启动步进电机按钮时M8013即向环形脉冲分配器中发送脉冲步进电机开始转动，当按下停止按钮时步进电机将停下。3.此外在报警和暂停状态下步进电机也将停止转动。综合上述情况步进电机控制程序如下：STL507OUTM20LDM8013ANIM574ANIM4ANDM20淄博职业学院毕业设计(论文)第12页共25页OUTY314.6.5各模块的程序设计程序初始化采用中间继电器M8002中间继电器对系统各部分复位，定义个种标志包括系统初始化标志，系统启动暂停急停复位等标志；LDM8002ZRSTY000Y267ZRSTM0M1023ZRSTS0S899SETS0系统处于初始状态M0定义为系统初复位标志它由机械手的右限位开关X0，下限位开关X4，收缩限位开关X7，手腕右转限位开关X3同时激活；LDX0ANDX4ANDX7ANDX3OUTM0定义系统复位标志M1定义为系统启动标志由启动按钮和M0共同激活；LDX30ANDM0ORM1OUTM1定义系统启动标志M2为暂停标志由暂停按钮激活；LDX16ANDM1ORM2OUTM2M4定义为急停标志由急停按钮X17激活M4被激活同时激活特殊功能继电淄博职业学院毕业设计(论文)第13页共25页M574（禁止状态转换）安全阀将储气罐与机械手的联系切断；LDX17OUTM4LDM4SETM574LDM574OUTY12定义急停标志M5定义为系统复位标志由复位按钮激活，当按下复位按钮系统将按右转，手腕右转，手臂收回，机械手下降,机械手右转，的顺序进行复位，当最后一个动作完成下限位开关有效时程序将RSTM5；LDX13RSTM574RSTM4SETM5LDM5MPSANIX3OOUTY6LDX3SETY3ANDX7RSTY3SETY5LDX4RSTY5SETYOLDX0RSTM5系统复位机械手自检程序淄博职业学院毕业设计(论文)第14页共25页机械手按照给定的顺序（手抓加紧松开手腕右转左转手臂伸长收缩机械手左转右转）空执行一次在每一个动作执行的过程中都会有定时器对每个动作进行监控若超过设定时间（定时器设定的时间都超过每个动作的时间）则认为是机械系统出错，停止当前的动作发出报警信号；STLS0LDX3SETS24STLS24MPSOUTY7MRDOUTT0K40MPPLDX6SETS25STLS25MPSOUTY2MRDOUTT0K40MPPSETS26STLS26MPSOUTY3MRDOUTT0K40MPPLDX7淄博职业学院毕业设计(论文)第15页共25页SETS27STLS27MPSOUTY1MRDOUTT0K400SETS21OUTY10MPSOUTY10MRDOUTT0K40MPPLDX26SETS22STLS22MPSOUTY11MRDOUTT0K40MPPLDX31SETS23STLS23MPSOUTY6MRDOUTT0K40淄博职业学院毕业设计(论文)第16页共25页MPPLDX3SETS24STLS24MPSOUTY7MRDOUTT0K40MPPLDX6SETS25STLS25MPSOUTY2MRDOUTT0K40MPPSETS26STLS26MPSOUTY3MRDOUTT0K40MPPLDX7SETS27STLS27MPS淄博职业学院毕业设计(论文)第17页共25页OUTY1MRDOUTT0K40MPPLDX10SETS28STLS28MPSOUTY0MRDOUTT0K40MPPLDX0SETS29STLS29MPSOUTY4MRDOUTK40MPPLDX1SETS30STLS30MPSOUTY5MRDOUTT0K40MPPSETS31淄博职业学院毕业设计(论文)第18页共25页STLS31OUTS2自检程序结束自动运行程序此模式为机械手工作的主要模式,这部分采用具有保持功能的状态组件S500-S899,可以让机械手在断电后再次通电继续执行断电前的动作，程序如下：STLS2LDM0SETS500STLS500MPSOUTY0MPPLDX0SETS501STLS501MPSOUTY4MPPLDX1SETS502STLS502MPSOUTY2MPPLDX2SETS503STLS503MPSOUTY7MPP淄博职业学院毕业设计(论文)第19页共25页LDX6SETS504STLS504MPSOUTY5MPPLDX11SETS505STLS505MPSSETY10MPPLDX26SETS506SETS507STLS506MPSOUTY4MPPLDX1SETS508STLS508MPSOUTY6MPPLDX3SETS508STLS508MPS淄博职业学院毕业设计(论文)第20页共25页OUTY3MPPLDX0SETS510STLS510MPSOUTY5MPPLDX4SETS511STLS511MPSOUYY7MPPLDX6SETS512STLS512MPSOUTY2MPPLDX2SETS513STLS513MPSOUTY5MPPLDX4SETS514STLS514淄博职业学院毕业设计(论文)第21页共25页MPSOUTY7MRDRSTY10MPPLDX6SETS515STLS515MPSOUTY6MPPLDX3SETS516STLS516MPSOUTY3MPPLDX7SETS517STLS5170UTS2RET自控程序结束淄博职业学院毕业