棒料搬运机械手设计

摘要在社会不断发展的今天，机器人在工业现场中的应用也越来越广泛，用机器的力量代替人力，而将人类从繁重的体力劳动中解放出来是历史发展的趋势。近十几年来，机器人的开发不仅越来越优化，而且涵盖了许多领域，应用的范畴十分广阔。在工业上，自动控制系统有着广泛的应用，如工业自动化机床控制，计算机系统，机器人等。而工业机器人是相对较新的电子设备，它正开始改变现代化工业面貌。本设计的机械手是基于提高劳动生产率、产品质量和经济效益，减轻工人劳动强度而设计的。在某些劳动条件极其恶劣的条件下，工人难以用手工工作，可用本机械手代替人力劳动。本设计为四自由度圆柱坐标型工业机械手，其工作方向为两个直线方向和两个旋转方向。本设计中的四自由度棒料搬运机械手，主要是针对质量少于2KG的圆形棒料的搬运。通过气爪手指的不同选择可满足直径小于60mm的棒料的搬运。在控制器的作用下，机械手执行将工件从一条流水线拿到另一条流水线并把工件翻转过来这一简单的动作。关键词：四自由度；机械手；搬运；工业机器人

AbstractTodaythatdevelopcontinuouslyinthesociety,TherobotaremoreandmoreUsingatindustrysceneapplication.Replacesthemanpowerwiththemachinestrength,It‘sthehistoricaldevelopmenttendencythatliberatesthehumanityfromthearduousphysicallabor.Intherecentseveralyears,therobotdevelopmentnotonlymoreandmoreoptimizes,butalsomoreoverhascoveredmanydomains.Industrially,automaticcontrolsystemsarefoundinnumerousapplications,suchasautomationmachinetoolcontrol,computersystemsandrobotics.Industrialrobotsarerelativelynewelectromechanicaldevicesthatarebeginningtochangetheappearanceofmodernindustry.Thispaperdesignforenhancesthelaborproductivity,productquality,economicefficiencyandreducestheworkerlaborintensity.Somejobworkingatextremelybadenvironment,thatpeoplecan’tworkinhand,sotherobotscanreplaceworkertodoit.Thisschemeintroducedacylindricalrobotforfourdegreeoffreedom.ItiscomposedoftwolinearaxesandtworotaryaxiscurrentThispapermainlyuseatthetransportingofcirculargoodmaterialthatqualityisshortto2KG.ThedifferentfingernailfingerwasChoicefortransportingthegoodmaterialthatdiameterissmallerthan60mm.Undercontrollerfunctiontherobotmovethecomponentsfromoneassemblylinetootherassemblylineandturnoveritinspace,performrelativelysimpletakes.Keywords:fourdegreesoffreedom;robot;transporting;Industrialrobot目录TOC\o"1-3"\u摘要 ⑶气缸型号的选择由以上参数的计算选费斯托公司的DNG-32-320-PPV-A型气缸本气缸活塞安装有传感装置，活塞位置可以被行程开关检测到，从而实现对气缸位置的控制。选用的控制安装附件为SMB-2-B。该气缸的缓冲长度为19mm.表5-3气缸参数最大许用工作压力12bar（160320mm;10bar）温度范围-20℃+80℃[mm]6bar时推进力[N]6bar时推进力[N]缓冲长度[mm]连续尺寸3248241519表5-4气缸材料型号DNG轴承和端盖、缸筒；铝；（；高质合金钢）；活塞杆、拉杆：高质合金钢；密封；丁腈连接形式由于本气缸工作行程较大，且推杆端的垂直负载较大，使推杆受的弯曲应力较大。选用该气缸的一个安装附件，导向单元FENG-32-320-KF。气缸直接安装在该导向单元上。下图为该导向单元外观图5.5图5.5导向单元下图5.6为最大工作负载与导杆投影距离之间的关系图图5.6负载特性图由上图表可查得本设计选用的FENG-32气缸在最大伸长距离320mm的情况下其最大负载为55N。而气爪连工件的质量约为4kg，摆动气缸质量为1.02kg。所以导向单元的实际总负载=5.02kg=49.196N。满足设计要求，该导向单元可用。气缸DNG用于补偿径向和轴向偏差的连轴节用户可以根据需要在这根轴上加打安装孔图5.7导向单元与气缸连接图6机器人控制系统的设置6.1机械手控制器的选择工业机械于是一种模仿人手动作．井按设定的程序轨迹和要求代替人手抓取、搬运工件或操持工具进行操作的机电一体化自动化装置。工业机械手的电气控制系统是通过控制气缸电磁换向阀，电机的正反转来实现不同的动作的，有采用单片机控制的，也有采用可编程控制器来控制的，若采用单片机控制．由于电磁的工作电压高于单片机的+5伏电源．所需驱动电流较大．因而须设计功率接口电路．还要进行抗干扰及其可靠性的设计。而采用PLC控制，则无需考虑上述问题。ＰＬＣ有着极大的灵活性，易于模块化，当机械手工艺流程改变时，只要对Ｉ／Ｏ点的接线稍作修改，或Ｉ／Ｏ继电器重新分配，程序中作简单修改，补充扩展即可。机械手的速度、电机运行所需的脉冲数都可以根据给定的要求给予置。用ＰＬＣ控制的机械手将更具灵活性、可靠性、降低成本，提高效率，有着很好的经济效益。本设计机械手采用ＰＬＣ控制。6.2机械手控制系统的特点及对控制功能的基本要求工业机器人具有多个自由度，每个自由度一般包括一个伺服机构，它们必须协调起来，组成一个多变量控制系统。这种多变量的控制系统，一般可用单片机，PLC，计算机等来实现。在作业中机器人的工作任务是要求操作机的末端执行器按点位或轨迹运动，并保持设定的姿态。在运动中或在规定的某点位执行作业规定的操作。在机器人的各类作业中，运动和控制方式主要有两种。1）点位控制方式（PTP控制）这种控制方式考虑到末端执行器在运动过程中只在某些规定的点上进行操作，因此只要求末端执行器在目标点处保证准确的位姿以满足作业质量要求。而对达到目标点的运动轨迹（包括移动的路径和运动的姿态）则不作任何规定，这种控制方式易于实现，但不易达到较高的定位精度，适用于上下料、搬运、点焊和在电路板上安插元件等只要求在目标点保持末端执行器准确的位姿的作业中。2）连续轨迹控制方式（CP控制）这种控制方式要求末端执行器严格按规定的轨迹和速度在一定精度要求内运动，以完成作业要求，这种必须保证机器人各关节连续、同步地实现相应的运动。这种连续轨迹运动，可看成是若干密集轨迹曲线。若设定的点足够密，就能用点位控制的方法实现所需精度的连续轨迹运动。本设计机械手用于棒料的点对点搬运，对运动轨迹没太大要求。所以选用点位控制方式。6.3控制系统的总体设计机械手控制系统的基本功能：本机械手要具有回原点、手动{点动)和自动{单步、连续1控制的操作方式。手动操作用按钮操作对机械手的每一种运动单独进行控制。回原点操作方式按下回原点启动按钮，机械手自动返回原点位置。自动操作包括单步操作和连续运行两种操作方式。操作前提是机械手须处在原点位置上。1)单步操作每按一次按钮，机械手完成一步动作后自动停止。2)连续运行系统一旦启动，机械手的动作将自动地连续不断地周期性循环。期间若按停止按钮，要完成一个完整的动作循环才停止。为方便控制系统适应各具体工作情况作小幅，整个控制系统采用模块化结构，以方便指令中的IST状态初始化指令来进行设计。总软件系统包括初始化电路、故障报警程序、点动操作程序、回原点程序及自动操作程序五大模块构成，分别解决单个问题．然后再进行综合。各结构模块如下：初始电路初始电路障碍报警程序障碍报警程序点动操作程序点动操作程序回原点程序回原点程序自动操作程序`自动操作程序 [END]图6.1机械手系统模块本设计机械手完成的动作是一个固定的循环动作，其循环动作如下图6.2手臂下降初始位置底座旋转手臂收缩手臂上升松开手臂下降手臂伸长夹紧手臂上升底座旋转手臂下降初始位置底座旋转手臂收缩手臂上升松开手臂下降手臂伸长夹紧手臂上升底座旋转图6.2机械手的动作示意图及动作顺序本机械手中驱动部分由电机与气动两部分组成，其中电机部分由PLC直接控制。而气动部分则由PLC控制电磁筏来实现控制。下图6.3为气动部分原理图：图6.3气动原理表6-1气动系统工作顺序电磁铁动作1YA2YA3YA4YA5YA6YA气爪夹紧-+气爪松开+手臂伸出+--手臂收缩--+翻转工件+-转正气爪+为了使机械手在作过程中实现自动或手动运行及运行的安全可靠，摆动气缸，手臂升降都选用限位开关控制，以给相应的电磁阑传递通、断信息。而气爪，伸缩气缸则运用其内部的位置传感器作为位置的控制。将其传感器的信息传递给PLC，以实现PLC对其位置的控制。而底座旋转通过带传动带动底座位置传感器，从而将位置信息传给PLC实现控制。7手臂验算与机械手参数7.1手臂平衡的验算手臂工作长度较大，而且手臂伸缩端安装有气爪，气爪夹紧工件。此处对丝杆力矩较大。所以应该作平衡验算。手臂气爪端对丝杆的力矩：式中：——手臂工件端对丝杆的力矩（）；——摆动气缸的重力（N）,本设计为12.25N；——工件的重力（N）,本设计为19.8N；——气爪的重力（N）,本设计为19.6N；——手臂气爪端对丝杆的力矩（

m）,本设计为0.4m;把以上数据代入得:手臂端盖端对丝杆的力矩：式中：Md——手臂端盖端对丝杆的力矩（）；Gd——端盖端的重力（N）,本设计为其质量为4.452KG,得重力为43.623N；L1——手臂端盖对丝杆的力臂（

m）,本设计为0.3m;把以上数据代入得:由此得手臂端盖端与手臂工件端的合力矩为代入得:手臂对丝杆的力矩总终由底座来平衡.底座通过螺栓安装.考虑最大负载情况，由单个螺栓承受此力矩时其受的拉力为Fl=M/L2式中：L2——螺栓到丝杆的力臂（m），本设计为0.165m；M——手臂端盖端与手臂工件端的合力矩，由前计算得M=7.83把以上数据代入Fl=M/L2得:Fl==7.83/0.165=47.45N底座选用的安装螺栓为M10可得其最大工作条件下的应力式中：A——螺栓的截面面积，代入得：普通的螺栓的抗拉强度都大于450，可见螺栓能满足要求。机械手工作能达到平衡。7.2机械手参数气爪夹力为表7-1机械手的最终运动设计参数：机械手机构工作范围工作速度底座转动角度2400转动速度伸缩手臂伸缩距离300mm伸缩速度80mm/s手臂升降升降距离320mm升降速度35mm/s气爪摆动摆动角度1800转动速度表7-2机械手工作精度：机械手机构工作精度底座0.030伸缩手臂0.5mm手臂升降0.05mm气爪摆动通过挡块定位

8结论与展望8.1结论到此近90天的毕业设计就要结束了，我大学阶段的学习也将画上句号。通过本次毕业设计的学习，牢固了自己所学的专业知识，提高了独立思考解决问题的能力，同时也真正初步了解一个机械设计的设计过程。也使我学会怎样更好的利用图书馆，网络查找资料和运用资料，还使我学会如何与同学共同讨论问题。这对我以后的工作有很大的帮助。8.2不足之处及未来展望在设计过程中，我经常遇到各种各样的问题。从中使我认识到自己在很多地方的不足。有很多东西还要慢慢学习。由于本人水平有限以及毕业设计时间有限，本设计难免有不合理或不太准确的地方，恳请各位老师批评指正。致谢在此衷心感谢学校、学院各位老师4年来给我的教育和培养，特别要感谢XX老师在我的毕业设计期间给予的诸多指导。参考文献[1]成大先.机械设计手册[M].第3卷.北京：化学工业出版社.2001[2]