【机械手】-基于PLC的机械手设计2

---宋停云与您共享------宋停云与您共享---基于PLC把握的机械手设计目 录摘要 1引言 11.机械手总体方案设计 2设计要求 2运动形式的选择 2驱动方式的选择 4总体结构设计 52.机械手手部设计 6结构分析 6计算分析 6PLC把握系统设计 11机械手移动工件把握系统的把握要求 11机械手移动工件把握系统的PLC选型和资源配置 13机械手移动工件把握系统的PLC程序 144.动画制作 18建立机械手模型 18制作机械手的动画 18结束语 26致谢 26 26附录 27---宋停云与您共享------宋停云与您共享---摘 要机械手 PLC 动画引 言工业机器人是一种能进行自动把握的、可重复编程的，多功能的、多自由度的、多用途的操作机,广泛接受工业机器人，不仅可提高产品的质量与产量，而且对保障人身平安，改善劳动环境，减轻劳动强度，提高劳动生产率，节省原材料消耗以及降低生产成本，有着格外重要的意义。和计算机、网络技术一样，工业机器人的广泛应用正在日益转变着人类的生产和生活方式。是一种数定运算操作的电子系统，它将规律运算、挨次把握、时序、计数、算术运算等把握程序，用---宋停云与您共享------宋停云与您共享---1.机械手总体方案设计设计要求：1.机械手能够完成从一个工作点取物体旋转确定角度，放到另一个工作点上。2.要求完成手抓结构的设计，进行夹紧力的计算分析。初值给定如下：m=0.1kg摩擦系数μ=0.15重力加速度g=9.8m/s2a=0.3g=2.94m/s2a=0.3g=2.94m/s2r=0.5m角速度ω＝3.5rad/s角加速度β＝2.1rad/s2S=1.45夹角φ＝45°3.要求选用PLC作为把握系统。运动形式的选择：1.直角坐标型机器人1-1x,y,z轴上的运动是(1)在三个直线方向上移动，运动简洁想象。(2)计算比较便利。(3)由于可以两端支撑，对于给定的结构长度，其刚性最大。(4)要求保留较大的移动空间，占用空间较大。(5)要求有较大的平面安装区域。(6)滑动部件表面的密封较困难，简洁被污染。2.圆柱坐标型机器人1-2所示，R、θxR(1)简洁想象和计算。(2)能够伸入形腔式机器内部。(3)空间定位比较直观。(4)直线驱动部分难以密封、防尘及防备腐蚀物质。(5)手臂端部可以达到的空间受限制，不能到达靠近立柱或地面的空间。3.极坐标型机器人1-3所示，R，θ和βθ是手臂在铅垂面内的的摇摆角。这种机器人运动所形成的轨迹表面是半球面。其特点是：---宋停云与您共享------宋停云与您共享---(1)在中心支架四周的工作范围较大。(2)两个转动驱动装置简洁密封。(3)掩盖工作空间较大。(4)坐标系较简洁，较难想象和把握。(5)直线驱动装置仍存在密封问题。(6)存在工作死区。4.多关节机器人1-4θα和φθ是绕底座铅垂轴的转φα是其次臂相对于第一臂的转角。(1)动作较机敏，工作空间大。(2(3)工作条件要求低，可在水下等环境中工作。(4)适合于电动机驱动。(5)运动难以想象和把握，计算量较大。(6)不适于液压驱动。θθ图1-1 直角坐标型 图1-2 圆柱坐标型βθβθφαθ图1-3 极坐标型 图1-4 多关节型---宋停云与您共享------宋停云与您共享---选择方案的准则：1.满足设设计要求：机械手能够旋转确定角度。2.结构简洁，便于计算分析。分析比较以上四种运动形式，确定选用圆柱坐标型机器人。驱动方式的选择：1.液压驱动机器人的驱动系统接受液压驱动，有以下几个优点：(1)液压简洁达到较高的压力（常用液压为2.5～6.3MPa，体积较小，可以获得较大的推力或转矩；(2)液压系统介质的可压缩性小，工作平稳牢靠，并可得到较高的位置精度；(3)液压传动中，力、速度和方向比较简洁实现自动把握；(4)液压传动系统的不足之处是：(1)险；(2)液体的泄漏难于克服，要求液压元件有较高的精度和质量，故造价较高；(3)2.气压驱动与液压驱动相比，气压驱动的特点是：(1)压缩空气粘度小，简洁达到高速；(2)利用工厂集中的空气压缩站供气，不必添加动力设备；(3)空气介质对环境无污染，使用平安，可直接应用于高温作业；(4)气动元件工作压力低，故制造要求也比液压元件低。它的不足之处是：(1)0.4～0.6MPa，若要获得较大的力，其结构就要相对增大；(2)(3)压缩空气的除水问题是一个很重要的问题，处理不当会使钢类零件生锈，导致机器人失灵。此外，排气还会造成噪声污染。气动式驱动多用于点位把握、抓取、开关把握和挨次把握的机器人。3.电动机驱动一般交、直流电动机驱动需加减速装置，输出力矩大，但把握性能差，惯性---宋停云与您共享------宋停云与您共享---本课题设计的机械手的特点：1.点位把握进行搬运工作，接受挨次把握方式。2.负载小，精度要求不高。3.要求成本低。依据以上特点，确定选用气压驱动。总体结构设计1-5所示。图1-5 机械手总体结构图---宋停云与您共享------宋停云与您共享---2.机械手手部设计结构分析2-1所示的是靠导槽保持手指作平移运动。手部结构也接受气压驱动。---宋停云与您共享------宋停云与您共享---计算分析

图2-1 手部装配图---宋停云与您共享------宋停云与您共享---因工件运动速度引起视在重量增加状况下的夹紧力计算度.工件有了加速度，其视在重量就变化。设机械手手部纵向中心线上所加的驱动力为P，P＝气缸有效截面积×使用的气压×η.作用在一个指尖上的夹紧力为方向沿手指的运动方向2μQ，工件重量为G=mg.夹起Q.1.垂直上升的状况2-2a2Qmgma0---宋停云与您共享------宋停云与您共享---得Qm

ag2---宋停云与您共享------宋停云与您共享---代入数据，得Q0.1

19.820.15

4.25N---宋停云与您共享------宋停云与您共享---图2-2 工件垂直上升时受力分析图2.水平旋转的状况r2-3切线方向：2Qtmr0---宋停云与您共享------宋停云与您共享---主法线方向：(QFn

mr2)

mr02mr---宋停云与您共享------宋停云与您共享---(QRn(QFb(QRb

mr2) 02mgmgmr2) 02mgmgmr2) 02---宋停云与您共享------宋停云与您共享---联立上式，求解得(r)2g22r2Qm 2---宋停云与您共享------宋停云与您共享---代入数据，得Q0.1后指：

0.52.29.8220.53.5220.15

7.37N---宋停云与您共享------宋停云与您共享------宋停云与您共享------宋停云与您共享---(Q

masin) (

macos

mg)2 ( )2 0---宋停云与您共享------宋停云与您共享---R 2 2---宋停云与您共享------宋停云与您共享---由于是机械手部机构，Q=QQF R(acos)2g22asinQm 2---宋停云与您共享------宋停云与您共享---代入数据，得9.8cos45Q0.1

29.8220.150.39.8sin4520.15

3.55N---宋停云与您共享------宋停云与您共享---图2-4 工件水平直进时受力分析图---宋停云与您共享------宋停云与您共享---综上所述，得Q

7.37N---宋停云与您共享------宋停云与您共享---最大值由于考虑到设计的机械手的平安问题，Q应再乘上一个平安系数S。最大值---宋停云与您共享------宋停云与您共享------宋停云与您共享------宋停云与您共享---Q平安值

Q最大值

S7.371.4510.69N---宋停云与您共享------宋停云与您共享---夹紧力Q与压强的关系由试验测得，如图2-5所示。由设计要求得知夹持长度L＝25mm,依据图2-5可知所加的压强约为0.5MPa.夹紧力夹持长度（图2-5 夹紧力、夹持长度、压强关系图---宋停云与您共享------宋停云与您共享---3.PLC把握系统设计机械手移动工件把握系统的把握要求机械手移动工件的基本结构、工作流程和工作原理1.机械手移动工件的基本机构机械移动工件的基本结构图如图3-1所示。图3-1 机械移动工件的基本结构图2.机械手移动工作的工作流程机械手移动工件单个工作流程示意图如图2-2所示。6PLC6个过程全自动依次运行。3.机械手移动工件的工作原理---宋停云与您共享------宋停云与您共享---由于本机械手接受气动传动，为便利检测，选用磁性开关作为传感器。安装在气缸外部即可。机械手移动工件通过磁性限位开关与电磁阀来把握。(1)机械手左转、右转、左移、右移、上移、下移分别通过左转电磁阀、右转电磁阀、左移电磁阀、右移电磁阀、上移电磁阀、下移电磁阀来实现，移SL0SL1、左移限位SL2SL3SL4SL5来把握。(2)放松、夹紧工件通过放松电磁阀、夹紧电磁阀来实现。夹紧工件通过定时器把握，依据实际状况，夹紧时间设为3秒。放松工件通过放松限位开关来把握。(1)按下启动按按钮，系统先检查机械手是否在初始位置，若不是机械手先进行复位，然后再进入机械手正式工作状态。按下停止按扭，等机械手PLC外部负载电源和气动装置电源，系统马上停止。开始开始复位移到工件处夹紧工件移到目标处放下工件结束图3-2 机械手移动工件单个工作流程设备把握要求(1)按下启动按钮，系统进行自检查机械是否在初始位置，不是的话先进行复位工作，然后进行正式工作。(2)复位工作把握要求如下：①机械手首先上移，直到运动到最上端。---宋停云与您共享------宋停云与您共享---②上移后，机械手开头右移。③右移完成后，机械手开头左转，至此，复位工作完成。(3)正式工作把握要求如下：①机械手开头左移，始终运动到最左端。②运行到最左端后，机械手开头向下运动。3秒。④机械手开头向上运动，运动到最上端。⑤上移后，机械手开头右移。⑥右移完成后，机械手开头右转，直到右转限位开关检测到信号。⑦右转完成后，机械手下移。⑨工件松开后，机械手开头向上运动。(4)该系统进行自动连续循环工作。正常停车时，要求机械手回到初始位置时才能停车。急停时，切断全部电源，系统停止运行。重新启动后，由于急停时机械手位置的不确定性，要进行复位工作。PLC选型和资源配置PLC选型由于机械手把握系统的输入输出接点少，要求性价比高，编程简洁，维护FX1N-24MR-0013330元。14个输入点，101536256点，计数2358000点。系统资源支配1.I/O触点支配依据系统把握要求，I/O支配如表3-1所示。表3-1输入设备I/O触点支配表输入地址 输出设备输出地址左转限位开关SL0X000 左转电磁阀Y000右转限位开关SL1X001 右转电磁阀Y001左移限位开关SL2X002 左移电磁阀Y002右移限位开关SL3X003 右移电磁阀Y003上移限位开关SL4X004 上移电磁阀Y004下移限位开关SL5X005 下移电磁阀Y005放松限位开关SL6X006 放松电磁阀Y006启动按钮X007 夹紧电磁阀Y007停止按扭X010---宋停云与您共享------宋停云与您共享---2.定时器部分33-2所示。表3-2定时器支配定时器T0功能夹紧工件时定时3s硬件电路接线图COM0COM1·～COM0COM1·～～电源SL0X000Y000左转SL1X001Y001右转SL2X002Y002左移SL3X003Y003右移SL4X004COM2SL5X005Y004上移SL6X006Y005下移startstopX007Y006放松夹紧X010 Y007FX1N-24MR-001图3-3 硬件电路接线图PLC程序编程软件接受三菱公司编程软件FXGP/WIN-C，其界面如图3-4所示。程序流程图---宋停云与您共享------宋停云与您共享---依据系统把握要求，画出程序流程图。见附件1。状态图此程序用步进指令编写比较便利直观。依据流程图。可画出状态图，如图3-5所示。梯形图见附录语句表见附录图3-4 FXGP/WIN-C界面---宋停云与您共享------宋停云与您共享---M8002初始脉冲M8002初始脉冲S0X007启动按钮S20Y004X004S21Y003X003S22Y000X000S23Y002X002S24Y005X005S25Y007T0T0S26Y004X004S27Y003X003S28Y001X001S29Y005X005S30Y006---宋停云与您共享------宋停云与您共享---X006X006S31Y004X004S32Y000X000S33X010停止按钮按下结束2-5状态图---宋停云与您共享------宋停云与您共享---4.动画制作为了使视觉动态效果逼真突出，选用优秀的三维动画软件3dsmax来制作。建立机械手模型4-1，4-2所示。图4-1 图4-2创建六角螺母时，先创建图形中的多边形。再通过修改\修改器列表，选择挤出，完成六边形的拉伸。如图4-3，4-4所示。通过 将创建好的几何体进行装配再通过复合对象中布尔操作将几何体中的重叠部分切除。如图4-5所示。4-6所示。制作机械手的动画3dmax基础动画比较简洁，通过激活自动关键点按钮，为物体的移动、旋FK。3dsmaxmax中上臂称为小臂的父物体，小臂则称为上臂的子物体。---宋停云与您共享------宋停云与您共享---图4-3---宋停云与您共享------宋停云与您共享---气动机械手的介绍与特点气动机械手的介绍与特点近近20年来，气动技术的应用领域快速拓宽，尤其是在各种自动化生产线上得到广泛应用。气压传动工作压力较低，运作提件简洁，简洁，处理便利，一般压缩空气可存贮在储气罐中，就算发生突然断电也不会导致工艺流程突然中断。气动机械手通用性强，机械手臂接受气流负压式吸盘或是夹持式，能实现手腕回转运动，依据抓取工件的要求，手臂有三个自由度，即手臂的伸缩、左右回转、和上下升降运动。回转与升降运动是通过立柱来实现的。由气动元件组成的把握系统只适用于简洁工艺、小型产品，由于定位精准方面欠缺，不能在高速状况下实现高度的精准定位。气动技术是以空气压缩机为动力源，以压缩空气为工作介质，进行能量传递或信号传递的工程技术，是实现各种生产把握、自动把握的重要手段之一。大约大约开头于1776Johnwilkimson制造能产生1个大气压左右压力的空气压缩机188020世纪30年月初，气动技术成功地应用于自动门的开闭及各种机械的挂念动作上。至50年月初，大60年月，开头构成产业把握系统，自成体系，不再与风动技术相提并论。在70年月，由于气动技术与电子技术的结合应用，8090年月至今，气动机械手作为机械手的一种，它具有结构简洁、重量轻、动作快速、平稳、牢靠、节能和不污染环境等优点而被广泛应用。（町实现任意位置上的精确定位90Y·Bando教授领导的综合技术部开发研制的电子气——“”PLC把握技术和传感技术完善结合产生的“六足动物”。63个自由度，一个直线气缸把脚提起、放下，一个摇摆马达把握脚伸展退回运动，另一个摇摆马达则负责围绕脚的轴心做旋转之用。精度是指机器人、机械手到达指定点的精确程度，它与驱动器的辨别率以及反馈装置有关。---宋停云与您共享------宋停云与您共享---如核产业和1事产业等。精度是指机器人、机械手到达指定点的精确程度，一．气动机械手进展史1776Johnwilkimson11880年，人们第一次利用气缸做成气动刹车20305060年月，开头构成产业把握系统，自成体系，不再与风动技术相提并论。在70年月，由于气动技术与电子技术的结合应用，在自动化把握领域得到广泛的推广。80