哈工大制造系统自动化大作业

1、第一部分：设计任务书3一、搬运机械手功能示意图 3二、基本要求与参数 3三、工作量4四、设计内容及说明4第二部分：设计说明书 5一、机械手工作臂及机身驱动部件的选择及设计 51. 驱动部件选择52. 传感器选择53. 驱动及传动方案5二、末端夹持机构设计 61. 结构设计62. 夹紧力计算7三、控制系统设计81. 控制器选择82. 控制模块与控制方案83. 控制流程框图和电磁铁动作时序表 94. PLC I/O 口分配115. 机械手运行步骤 12四、参考文献13一、搬运机械手功能示意图二、基本要求与参数本作业要求完成一种二指机械手的运动控制系统设计。该机械手采用二指夹 持结构，如图1所示，机

2、械手实现对工件的夹持、搬运、放置等操作。以夹持圆柱体为例，要求设计运动控制系统及控制流程。机械手通过升降、左右回转、前后伸缩、夹紧及松开等动作完成工件从位置 A到B的搬运工作，具体操作顺序： 逆时针回转(机械手的初始位置在A与B之间)下降一 夹紧一 上升一 顺时针回转一下降一松开一上升，机械手的工作臂都设有限位开关设计参数：(1)抓重:10Kg( 2)最大工作半径： 15OOmm( 3)运动参数：伸缩行程： 0-1200mm；伸缩速度： 80mm/s ；升降行程： 0-500mm；升降速度： 50mm/s回转范围： 0-1800控制器要求：(1) 在PLG单片机、PC微机或者DSP中任选其一；

3、(2) 具备回原点、手动单步操作及自动连续操作等基本功能。三、工作量(1) 驱动及传动方案的设计及部件的选择；(2) 二指夹持机构的设计及计算；(3) 总体控制方案及控制流程的设计； ( 4)设计说明书一份。四、设计内容及说明(1 )机械手工作臂及机身驱动部件的选择及设计，需设计出具体的驱动及 传动方案，画出方案原理框图。( 2)末端夹持机构设计，该结构需保证抓取精度高，重复定位精度和运动 稳定性好，并有足够的抓取能力。设计应包括确定夹持方案、计算夹持范围、计 算夹紧力及驱动力，完成夹持机构设计图。( 3)控制系统设计，包括确定控制方案、核心功能部件的选择、主要功能模块 的实现原理、绘制控制流

4、程框图。第二部分：设计说明书一、机械手工作臂及机身驱动部件的选择及设计1. 驱动部件选择 考虑到本设计中的机械手抓取重量较轻，定位精度要求不是太高，但机械手的收缩 范围和升降范围较大，有考虑到对于一般的工厂都有压缩空气站，所以机械手各驱 动部位主要采用气动驱动，用电磁阀控制气缸，用单片机或PLC控制电磁阀的状态 考虑到制造成本，宜选用单片机，但有考虑到可靠性和使用寿命，本设计采用松下 FPO系列PLC作为主控制单元。具体机械手的运动分为四种，其运动形式，驱动装置，等见下表。表 1 机械手的运动形式2. 传感器选择 对于回转运动，可以采用光电码盘，对于直线运动可以采用光电开关，在各个运动的极限位

5、置布置限位开关起保护作用。3. 驱动及传动方案 首先是升降运动中升降气缸和旋转气缸的布置，总体而言有三种布置形式，如下图 所示，a）方式旋转气缸放在上面，升降气缸在下面，升降行程较小（通常200mm）, 满足不了要求，b）方式升降气缸放在上面，旋转气缸在下面，可以获得较大的行程， 可达到800mm,但机械臂需要额外增加导向装置，且转动惯量较大，c）方式采用缩放式升降机构，不需要导向支撑，也能获得较大的升降行程，机械臂转动惯量较 小，但占地面积较大。综合考虑以上因素，本设置中采用b）方案的布置形式。对于小臂收缩气缸和夹紧气缸，直接布置在小臂上即可。对整个系统而言，属于多动力源驱动，机械臂的每个动

6、作都可以单独受控，灵 活易用，并且节省了大量传动件，使系统结构复杂性降低。二、末端夹持机构设计1. 结构设计末端夹持机构指手指部分，其结构如下图所示。2. 夹紧力计算对前述夹持机构进行简化，如下图所示，受力分析，设夹紧力为 N，则夹紧气缸通 过拉杆3作用在销轴2向上的拉力为P,并通过销轴中心O点，两个指上的夹紧力分别 为Pi, P2,其力的方向垂直于滑槽的中心线 001和002并指向O点，Pi和P2的延长线 交OOi与A及B，由于 OOiB和4 00均为直角三角形，故/ AOCh BOCa。根据轴 销的力平衡条件，即艺 Fx=0, P=P,艺 Fy=0 P=2Picosa F=?2cosa销轴

7、对于手指的做用力为Pi，且Pi ?=?P?（表示向量关系，下同）。手 指握紧工件时所需要的力称为握力（即夹紧力），假想握力作用在过手指与工件接 触的对称平面内，并设两力大小相等，方向相反，用-N表示。由手指的力矩平衡方程，即卩艺? （F）=0得？?i，h=Nb 有因为 h=?cosa,所以 P=?2b?cos2? N式中a 手指的回转支点到对称中心线的距离（mm）a 工件被加进时手指的滑槽方向与两回转支点连线间的夹角。若取a =30o,贝yP=3b N/2ap图5夹紧力分析般来说，夹紧力一定要克服工件重力所产生的静负荷以及工件运动状态所产生的动 负荷（惯性力或惯性力矩），以使工件保持可靠的夹紧

8、状态。手指对工件的夹紧力可按下式计算：123PNKKKG 恙1.4X 1.05X 3.8X 98=547N取Pn=550N其中：Ki = 1.4,K2= 1.05,K3 = 3.8, G= mg= 10X 9.8 = 98N。则:123PNKKKG P3b/2a5500（b=20） X理论=165取P2062.5N n里论实际 50= = = 0.8式中效率n =0.8三、控制系统设计1. 控制器选择考虑到成本和可靠性，使用寿命，调试方便性等各方面的因素，选择松下FP0系列PLC为主控部件，外围传感器主要有光电码盘（编码器）检测机械臂转角，光电开 关（共3处）检测机械臂是否运动到位，工件是否到

9、夹持机构的正确位置等，此外用 限位开关做故障保护。设计一控制面板，可以手动调节控制每一步，也可以设置全 自动运行和回零点。零点设置在 A处。PLC控制电磁阀，从而控制气缸运动。2. 控制模块与控制方案按照功能不同划分为主要分为以下几个模块：电磁阀控制模块，传感器检测模块， 故障检测模块和主控模块。电磁阀控制模块传感器检测模块，故障检测模块：主控模块：3. 控制流程框图和电磁铁动作时序表如下图所示，PL（不断检测各传感器的信号，顺次控制电磁阀的状态， 实现控制气缸 的运动，从而控制机械手的运动。电磁阀的动作序列如下表所示。表中+”表示改电磁阀通电，处于接通状态，对应的气缸动作，同理，表示电磁阀处

10、于中位，相对应的气缸静止不动或方向动作。 电磁铁1Y, 2Y, 3Y, 4Y分别控制的气缸是升降气缸, 回转气缸，收缩气缸，夹紧气缸。表 2 电磁阀电阻时序图此外,为了让运动平稳,当存放料台光电传感器检测工件到位后 , 机械手手臂前伸 , 手臂伸出限位传感器检测到位后，延时0.5s升降气缸下降，升降下降限位传感器检测 到位后，延时0.5s气动手爪抓取工件，手爪夹紧限位传感器检测到夹紧信号后，延时 0.5s升降气缸上升，手爪提升限位传感器检测到位后，手臂气缸缩回，手臂缩回限位 传感器检测到位后 ,手臂向右旋转 ,手臂旋转完成一定角度后 ,手臂前伸,手臂伸出限 位传感器检测到位后，手爪气缸下降，手

11、爪下降限位传感器检测到位后，延时0.5s气 动手爪放开工件 , 手爪气缸上升 , 手爪提升限位传感器检测到位后 , 手臂气缸缩回 , 手 臂缩回限位传感器检测到位后 ,手臂向左旋转 ,等待下一个工件到位 ,重复上面的动 作。再给系统刚开始上电后 ,点动“复位”按钮后系统自动复位。点动 “启动”按钮,放 入工件后设备开始运行。按 “停止”按钮, 所有部件停止工作。如果出现意外情况中途突然停电,则所有的动作停止,等到重新上电后重新复位, 继续工作。在选择模式为手动式时,根据手动操作按键值作相应的操作,如果手动操作连续摁 下两个不相邻的动作,则如果后一个动作是前一个动作在同一个工作循环内的后续 工作

12、,则之间的部分用自动模式补上,如果是下一个动作循环中的动作,则忽略不 动。4. PLC I/O 口分配根据输入输出的特点及数量,本系统采用松下FPO系列PLC乍为控制器。参考下表列出 本设计中气动搬运机械手控制系统的 I/O 口分配表。表4机械手I/O 口分配表5. 机械手运行步骤 机械手应处于原位。运行时,先按下复位按钮SB2,输入继电器的动合触点408闭合,单脉冲指令使辅助继 电器200产生一个脉冲。使移位寄存器复位。因此 ，移位寄存器的动断触点101111 均为闭合状态。同时,因机械手在原点，上限位开关SQ2左限位开关SQ4被压合,相应 的动合触点 402、404闭合, 程序使100置1

13、。 压下起动按钮 ,400接通,产生移位信号 ,使100右移一位,则101置1,从而432通电, 手臂前伸，至伸出限位开关打开，X432断。继而433通电，执行下降动作。机械手下 移，上限位开关SQ2丁开。 下降到位，下限位开关SQ被压下,401闭合,从而产生移位信号，100的0状态移到 101,使Y433失电,下移停止。同时101的1态移到102,使M201通电并保持，通过201的 保持触点使Y434定时器450同时通电，将工件夹紧，并延时。 延时继电器450延时3S后,其动合触点接通，产生移位信号，使M103置1,M102置0。于 是Y431得电，驱动电磁阀YV1执行上升动作。由于M201

14、的保持作用，丫434不会失电， 工件继续保持夹紧状态。 上升到位，上限位开关SQ被压下,402接通，产生缩回和移位信号，使M10置1 ,M103置0,使Y431失电，停止上升；输出继电器Y432失电，手臂缩回，Y436得电， 通过一套装置驱动步进电机 , 使机械手右移。 右移到右限位开关SQ3动作时，接通403,又产生移位信号，使M105置1,M104置0。 从而使Y436失电，停止右移；Y432,Y433再次通电，驱动电磁阀YV1,YV3,使机械手伸 出并下降。 下降到位,压下SQ1使401接通,产生移位信号，M105置0 ,M106置1。Y433失电,下移 停止,M201被复位,从而使Y434失电,夹紧的工件被松开,同时定时器451通电,开始松 开延时。 451延时2S后,其触点接通,产生移位信号,使M106置0 ,M107置1。Y431再次通电, 上升。上升到无工件检测开关 S处,检测到无工作信号，继续上升，若检测到有工件， 则405断开,433 失电 , 停止上升。 上升到上限位开关处,402接通,产生移位信号，使M