搬运机械手及其控制系统设计

1、目录 摘要 .I英文摘要.目录 .IV第一章引言 .11.1课题的背景和意义 .11.2课题国内外发展现状 .2第二章总体方案确定 .42.1总体方案论证 .42.1.1.机械手手臂结构方案设4计2.1.2.机械手驱动方案设4计2.1.3机械手控制方案设计 .52.1.4机械手主要参数 . 52.1.5机械手的技术参数列表 .6第三章机械手总体结构设计 .73.1动作工况与分析.73.2机械手各部分结构设计 .83.2.1机械手底座的设计 .83.2.2立柱结构的设计 .83.2.3轴承的选择 .93.2.4上轴承座的选择 .103.2.5下轴承座的选择 .113.2.6大臂的结构设计 .12

2、3.2.7小臂的结构设计 .123.2.8气爪的结构设计 .123.2.9手部夹紧气缸设计计算 .143.2.10升降气缸设计计算 .伸缩气缸设计计算 .22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 . 305.1电磁铁动作顺序 . 305.2 I/O分配 . 305.3 PLC控制梯形图 . 315.4 PLC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

3、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

4、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-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。关键词柔性自动生产线自由度梯形图Abstract

5、Over the past 20 years, the fieldof pneumatic technology expand rapidly,which is widely可编程控制器used in a diverse array of automated production line especially.The combine of electricalprogrammable technology and pneumatic control technology makes the whole system a higherdegree of automation, more fle

6、xible control and more reliableperformance。The rapid develop ofpneumatic manipulator and flexible automated production linesrequier much more to thedevelopment of pneumatic technology .This topic originated from the handling station of the production line 。The drive is used pressuretransmission, whi

7、ch uses a variety of cylinder to control therobot's movement and the controlparts combining the programmable control technology make a programme to achieve the controlof the transportation between the two places.Manipulator is competed by three major parts including hand, sports bodies and contr

8、olsystem. Task of hand is to hold the workpiece (or tool) of thecomponents.According to thegrasping object s shape, size, weight, materials and operating requirements the hand hands avariety of structural forms, such as clamp type, ADS holders and adsorption type and so on.Therotating(twisting),movi

9、ng or complex movements on hand. Theindependence movements such as the rise and fall of body, stretching and rotating manner arecalled the free degrees of manipulator. The handling manipulator of the topic compositesfour free degrees which are rotation, stretching, lifting andclapingThe pneumatic ma

10、nipulator design is desided from three parts in chuding the mechanicalparts, pneumatic parts and control parts,which requires to achieve mechanical hand up and downbetween the handling function. Focus on the mechanical parts are the design of overall structure ,the choice of each cylinder and instal

11、lation design, structuraldesign of various components etc。pneumatic part is given the pneumatic manipulator handlingschematics, and the control part ofthe procedure was mainly design and debugging,The papers use Siemens (S7-200) instructionsprogram,giving the corresponding ladder diagram, statement

12、forms and simple flow chart.Because the pneumatic Manipulator has advantages of simple structure, easy to achieve thestepless speed regulation, easy to achieve overload protection, easy to achieve a number ofcomplex movements,the pneumatic manipulator is developing to the repeat-high-precision,modul

13、ar, non-oil and electrical integration direction. It isforeseeable that in the near future,pneumatic manipulator will become more and more widely used into the industrial, military,aviation, medical, and other areas of life.Keywords:PLC, flexible automated production lines, free degree,Ladder Diagra

14、m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

15、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

16、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

17、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。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

18、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

19、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:

20、 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、

21、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

22、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。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

23、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

24、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。机械手控制方案设计综合分析机械手的动作要求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 型其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 的输入端子相连的开关量输出端子直接与各个电磁阀相连用

25、 PLC 上所带的24V 电源或外接24V 电源驱动采用编程软件(STEP 7-版 ) 进行编程和运行监控。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最大回转速度设计为450°/s 。平均升降速度为平均回转速度为90°/s 。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

26、数4 个自由度c) 最大工作半径279mmd) 手臂最大中心高684.5mmB. 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 °/sC. 手指夹持范围塑料 : 40mmD. 定位方式行程开关E. 定位精度士 0.5mmF. 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

27、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

28、 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

29、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-得考虑倒安装轴承受扭矩作用 取则3minnP-式中由轴承的材料和承载情况缩确定的常数P轴的输出功率n轴的转速各参数值为C=106、P=15KW、则33min1510639.95280PdCmmn所以选择轴径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,

30、 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

31、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又可分为径向接触轴承只能承受径向载荷角接触向心轴承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又可分为轴向接触轴承只能承受轴向载荷 角接触推力轴承 它主要承受轴向载荷 , 同时也能承受较小的径向载荷。随着 角的增大 , 其承受径向载荷的能力将减小。 轴承所受载荷的大小、方向和性质 是选择滚动轴承的主要依据。本设计中轴承既承受径向力及转矩又承受轴向力因此选用推力球轴承和深沟球轴承,

32、 推力轴承主要受轴向力球轴承主要受径向力又根据外廓尺寸的条件和轴的内径选用6006深沟球轴承和51213推力球轴承。上轴承座的选择6006深沟球轴承 : d=30 mmD=55mmB=13mmda=36mmDa=49mm51213推力球轴承 : d=65mmD=100mmT=27mmda=86mmDa=100mm根据以上的尺寸可以确定轴承上座的尺寸, 如图 3-3所示:图 3-3 上轴承座由于配合接触的面比较多, 所以对表面粗糙度的要求也高, 轴承配合的地方要求公差等级, 轴承的配合主要是内圈与轴颈、外圈与轴承座孔的配合。滚动轴承是标准件因此 轴承内圈与轴颈采用基孔制配合轴承外圈与轴承座孔采用

33、基轴制配合普通圆柱公差标准中基准孔的公差带都在零线之上故滚动轴承内圈与轴颈的配合要比圆柱公差标准中规定的基孔制同名配合要紧的多。例如一般圆柱体基孔制的 K6配合为过度配合而在滚动轴承内圈配合中则为过盈配合。滚动轴承内、外圈的处的配合既不能过紧也不能过松。过紧的配合会使轴承的内、外圈产生变形可破坏轴承的正常工作而增加了装拆的难度。过松的配合不仅会影响轴的旋转精度甚至会使配合表面发生滑动。因此轴承配合种类的选取应根据轴承的类型与尺寸、载荷的大小、方向和性质以及工作环境决定。所以 30 的 6006轴径上安装轴承这个轴径就是根据轴承的d 来的是 6006 轴承的安装尺寸同样根据推力轴承的尺寸来确定轴

34、承座的尺寸。3.2.5下轴承座的选择下轴承座的尺寸是根据轴承尺寸来定的。其主要配合的地方也是安装轴承的地方需要公差的配合。同上 如图 3-图 3-4 下轴承座在安装轴承的端面上要注明公差配合分别以其为基准面查机械设计手册 标明 几个端面的圆柱度和相对基准面的圆跳动度大臂的结构设计本设计的手臂实现的是水平直线运动还有表面粗糙度。实现直线往复运动采用的是气压驱动的活塞气缸。由于活塞气缸的体积小、重量轻因而在机械手的手臂结构中应用比较多。本设计手臂很简单在手臂内侧固定个伸缩气缸如图 3- 5 所示图 3-5 大臂设计 小臂的结构设计 本设计的手臂与上述的大臂实现的运动方式一样主要是上下直线运动。实现

35、直线往复运动采用的也是气压驱动的活塞气缸。本设计手臂很简单在上面固定个夹紧气缸如图 3-6所示图 3-6 小臂设计构所组成。其传力结构形式比较多气爪的结构设计如滑槽夹持式手部结构由手指( 或手爪) 和传力机杠杆式、斜楔杠杆式、齿轮齿条式、弹簧杠杆式.等。夹持式是最常见的一种其中常用的有两指式、多指式和双手双指式: 按手指夹持工件的部位又可分为内卡式( 或内涨式) 和外夹式两种: 按模仿人手手指的动作手指可分为一支点回转型二支点回转型和移动型( 或称直进型其中以二支点回转型为基本型式。当二支点回转型手指的两个回转支点的距离缩小到无穷小时就变成了一支点回转型手指。同理当二支点回转型手指的手指长度变

36、成无穷长时就成为移动型。回转型手指开闭角较小结构简单制造容易应用广泛。移动型应用较少其结构比较复杂庞大当移动型手指夹持直径变化的零件时不影响其轴心的位置能适应不同直径的工件。图 3-7气爪设计本设计是采用两指式内卡式上下气爪通过销来连接过盈配合如图3-7所示。设计时考虑的几个问题a. 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。b. 手指间应具有一定的开闭角两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