毕业设计（论文）-基于PLC的数控机床上下料机械手设计

独创性声明本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：签字日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解沈阳工学院有关保留、使用学位论文的规定。特授权沈阳工学院可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，提供阅览服务，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。学校可以为存在馆际合作关系的兄弟高校用户提供文献传递服务和交换服务。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名：导师签名：签字日期：年月日签字日期：年月日.1研究的目的和意义机械手是一种能够模仿人的手和手臂的某些动作功能的自动操作装置，用于按固定程序抓取和携带物体或操作工具。它能代替繁重的劳动，实现生产的机械化和自动化，并能在有害环境中作业，保护人身安全。目前，在国内多家工厂的生产线上，数控机床工件的装卸仍然是手工完成的，劳动强度高，生产效率低。为了提高生产加工效率，降低成本，使生产线发展成为适应现代自动化大批量生产的柔性制造系统，设计了一种装卸机械手，利用机器人技术，根据具体的生产工艺，代替手工操作，实现了对大批量生产的快速控制，提高了劳动生产率。该机械手主要与数控车床（数控铣床、加工中心等）组成生产线，实现了加工过程的自动化和无人化。从而降低工人的劳动强度，节省加工辅助时间，提高生产效率和生产率。1.2国内外研究现状机器人技术在我国起步较晚。目前，我国已基本掌握了机器人的设计制造技术、控制系统的软硬件设计基础、运动学和轨迹规划技术，并生产出了机器人的一些关键部件。在国外机械制造业中，工业机械手应用广泛，发展迅速。国外机械手的发展趋势是发展一些具有一定传感能力的智能机械手，能够反馈外界条件的变化并做出相应的变化。重点研究视觉和触觉功能。随着传感技术的发展，机械手的装配能力将进一步提高。目前，机械手的发展主要是将机械手与柔性制造系统和柔性制造单元相结合，从根本上改变当前机械制造系统的人工操作状态。1.3本文的研究内容本设计结合机械设计与制造自动化专业四年制本科知识，完成了数控机床上下料机械手的特殊功能和特殊要求的设计。能更好地反映机械设计制造与自动化专业毕业生的理论研究水平、实践能力和专业精神和态度。有针对性、明确的实施目标，可以实现理论与实践的有机结合。本文研究的主要内容：1）查阅国内外相关资料，了解课题背景。2）总体方案的设计，包括：腰部、大臂、小臂以及夹持机构传动方案的选择。3）各个传动机构的设计计算与关键零部件的校核。4）基于PLC控制系统的设计。2.1机械手结构类型的选择工业机器人的主要结构形式有四种：矩形坐标结构、圆柱坐标结构、球面坐标结构和关节结构。如图2-1图2-1四种机器人坐标形式考虑数控机床的具体布局和机械手的具体要求，在满足系统技术要求的前提下，尽量简化结构，降低成本，提高可靠性。机械手在工作中需要三种运动，一种是臂的伸缩和立柱的升降，另一种是臂的旋转。综合考虑，机械手的自由度为3。圆柱坐标以坐标的形式选择，即一个旋转自由度和两个运动自由度。其特点是：结构简单，手臂运动范围宽，定位精度高准确性。2.2腰部回转方案设计机器人腰座是机器人的第一旋转关节，对机器人末端的运动精度影响最大。考虑到速度和扭矩的特殊要求，采用大传动比的传动系统来降低速度和增大扭矩。由于齿轮传动存在齿隙，影响传动精度，采用大传动比的蜗杆传动。同时，为了减小机械手的整体结构，采用高强度、高硬度v材料制造蜗轮，加工精度高，使蜗轮传动误差最小。腰座的具体结构如图2-1所示。图2-2腰部蜗轮蜗杆传动系统2.3大臂、小臂传动方案的设计机械手的垂直臂（上臂）和水平臂（下臂）都沿直线移动。综合考虑，双臂采用液压驱动方式，液压缸直接驱动。液压缸不仅是驱动元件，而且是执行元件。同时，由于控制和具体工作的要求，机械手的臂架结构不能过大。在设计中增加了一个导杆机构，在臂部增加了一个导杆，以尽可能增加其刚度。臂内增加六根导杆，减轻重量，每根导杆采用中空结构。通过增加导杆，可以显著提高机械手的运动刚度和稳定性，解决机械手的结构和稳定性问题。2.4夹持机构方案设计末端执行器的使用是指用于抓取或吸收移动物体的各种夹紧装置。操纵器的总允许负载是抓取器的重量、被抓取物体的重量和操作力。因此，机器人末端执行器要求体积小、重量轻、结构紧凑。本设计采用伺服电机驱动小齿轮通过减速器旋转。小齿轮与大齿轮相啮合。这两个大齿轮互相啮合。它们以相同的速度旋转并转向相反的方向。分别驱动平行杠杆机构完成夹紧动作。夹持器的具体结构如图2-2所示。图2-3夹持机构工业机器人的腰部是圆柱坐标机器人、球面坐标机器人和关节机器人的旋转基础。它是机器人的第一个旋转关节。机器人的运动部分全部安装在腰座上。它承受着机器人的全部重量。计算条件：夹取工件重量10kg左右，回转角度为180°。3.1蜗轮轴的设计计算设计计算：（1）选择轴的材料轴的材料选择为45钢，经调质处理。由机械手册表6-1-3查得：，，，（2）初步确定最小轴径按表选取由机械手册查得（3.1）（3）轴的结构设计图4.1蜗轮轴结构图（4）键的选择与校核1、蜗轮连接键选择普通平键为由机械手册可查得（3.2）由机械手册可查得所以2、轴端连接键选择普通平键为。由机械手册可查得（3.3）由机械手册可查得所以（5）轴的强度校核其条件为（3.4）其中——轴的计算应力，MPa；M——轴所受的弯矩，Nmm（3.5）T——轴所受的扭矩，Nmm；W——轴的抗弯截面系数，；——对称循环变应力时轴的许用弯曲应力，其值按表计算（3.6）即＝270MPa，故轴安全。3.2蜗轮齿轮设计计算条件：蜗轮轴输出功率为，转速为，负载转矩为，传动比为。工作寿命为设计计算：1材料选择蜗杆材料选用45钢、蜗轮材料选用ZCuAl10Fe3、加工精度为7级初选几何参数，计算蜗轮蜗杆传动效率和蜗杆输入转矩粗算传动效率为（3.7）蜗轮输出转矩为（3.8）蜗杆输入转矩为（3.9）许用接触应力蜗杆输入功率为（3.10）滑动速度为、、、（3.11）（3.12）求载荷系数K动载荷系数为、啮合质量系数为、小时载荷率为、小时载荷率系数为、环境温度系数为、工作情况系数为由于不带风扇，所以：（3.13）计算m和q值（3.14）其中取，，167.蜗轮齿面接触强度的校核验算（3.15）所以接触强度足够。3.3步进电机选型腰座电机载荷约为850N，蜗轮轴转速为设计计算：手腕转动时的时间约为，期间做功为（3.16）蜗轮轴输出功率为（3.17）蜗轮轴转矩为（3.18）电机轴输出转矩为（3.19）电机轴输出功率为（3.20）步距角取。（3.21）静力矩为（3.22）选用型号为57BYG450C的永磁感应子式步进电机4.1确定液压系统基本方案机械手的设计采用柱面坐标的形式，具有三自由度、一旋转、两移动自由度。同时，考虑到机械手的工作负荷和工作环境对机械手布局和定位精度的具体要求，以及计算机控制的因素，腰部的旋转由电机驱动实现，其余两个运动为直线运动。因此，机械手的横臂和纵臂采用单活塞杆液压缸实现直线往复运动。4.2拟定液压执行元件运动控制回路液压执行元件确定后，其运动方向和运动速度的控制是液压回路的核心问题。方向控制由换向阀或逻辑控制单元实现。对于一般的中、小流量液压系统，所需的动作可以通过换向阀的有机组合来实现。对于高压大流量系统，主要采用插装阀和先导控制阀的逻辑组合。通过改变液压执行器输入或输出的流量或改变密封空间的体积来实现速度控制。相应的调速方式有节气门调速、容积调速和它们的组合。本设计的方向控制采用电磁换向阀，速度控制主要采用节流调速，主要采用简易节流阀。4.3液压源系统的设计液压系统的工作介质由液压源提供，液压源的核心是液压泵。容积控制系统采用变量泵供油，安全阀限制系统最大压力。根据液压设备的环境和温升的要求，还应考虑加热和冷却措施。本文设计的液压系统采用定量泵供油，减压阀V1调节系统压力。为了保证液压油的清洁度，避免液压油带来的污染，在油泵进口安装粗滤器，在油泵出口安装细滤器，对循环液压油进行净化。4.4绘制液压系统图本机械手的液压系统图如图4-1所示，它拥有垂直手臂的上升、下降，水平伸缩缸/的前伸、后缩等两个执行机构。其中，泵由三相交流异步电动机M拖动；系统压力由溢流阀V1调定；1DT的得失电决定了动力源的投入与摘除。由于机械手垂直升降缸的下降方向与负载的重力作用方向相同，因此下降方向有加速运动速度的趋势。为了使运动过程稳定，同时减小冲击和振动，保证系统的安全，采用由V2组成的平衡回路，为提升油缸下腔提供一定的排油背压，以平衡重力载荷。图4-1机械手的液压系统原理图4.5确定液压系统的主要参数4.5.1计算液压缸的总机械载荷根据机构的工作情况液压缸所受的总机械载荷为（4-1）式中，为外加的载荷，因为水平方无外载荷，故为0；为活塞上所受的惯性力；为密封阻力；为导向装置的摩擦阻力；为回油被压形成的阻力；（1）的计算（4-2）式中，为液压缸所要移动的总重量，取为100KG；为重力加速度，；为速度变化量；启动或制动时间，一般为0.01~0.5，取0.2s带入上式，得：=1.02（2）的计算（4-3）式中，克服液压缸密封件摩擦阻力所需空载压力，如该液压缸工作压力<16，查相关手册取=0.2；为进油工作腔有效面积；启动时：565N运动时：=283N（3）的计算机械手水平方向上有一个导杆，内导杆和外导套之间的摩擦力为（4-4）式中，为机械手和所操作工件的总重量，取为100KG；为摩擦系数，取f=0.1；计算得：=98（4）的计算回油背压形成的阻力按下式计算（4-5）式中，为回油背压，一般为0.3~0.5，取=0.3为有杆腔活塞面积，考虑两边差动比为2；将各值带入上式有，分析液压缸各工作阶段受力情况，作用在活塞上的总机械载荷为。4.5.2液压缸主要参数的确定经过认真分析，综合考虑各种因素，初步确定了各液压缸的基本参数如下。表4-2手爪执行柱塞缸参数缸内径壁厚直径行程工作压力20520803~6表4-3水平伸缩液压缸参数缸内径壁厚杆直径行程工作压力6010254001因为伸缩缸的主要功能是实现直线运动，所以它在轴向上不承受明确的工作载荷（因为夹持器固定工件，力的方向是垂直的），而轴向主要是克服摩擦力矩。它所承受的荷载主要是径向荷载，荷载性质为弯矩，引起其弯曲变形。由于机械手要求柔性，水平液压缸的活塞杆需要较大的工作行程。同时，它具有较大的弯曲力矩和较长的行程，对液压缸的稳定性和刚度有较高的要求。因此，在水平伸缩筒的设计中，一是提高其抗弯承载力，二是通过合理的结构布置设计，使其具有尽可能大的刚度。为了实现这一目标，设计中采用了导杆，以满足长行程活塞杆的稳定性和导向问题。表4-4垂直液压缸参数缸内径壁厚杆直径行程工作压力60102510014.5.3液压缸强度的较核（1）缸筒壁厚的较核当D/时，液压缸壁厚的较核公式如下：（4-10）式中，为缸筒内径；为缸筒试验压力，当缸的额定压力时，取为；为缸筒材料的许用应力，，为材料抗拉强度，经查相关资料取为650，为安全系数，此处取；带入数据计算，上式成立。因此液压缸壁厚强度满足要求。（2）活塞杆直径的较核活塞杆直径的较核公式为（4-11）式中，为活塞杆上作用力；为活塞杆材料的许用应力，此处；带入数据，进行计算较核得上式成立，因此活塞杆的强度能满足工作要求。4.6计算和选择液压元件1.液压泵的计算（1）确定液压泵的实际工作压力（4-12）式中，计算工作压力，前以定为；对于进油路采用调速阀的系统，可估为（0.5~1.5），这里取为1。因此，可以确定液压泵的实际工作压力为（4-13）（2）确定液压泵的流量（4-14）式中，为泄露因数，取1.1；为机械手工作时最大流量。（4-15）经计算得=3.140带入上式得（3）确定液压泵电机的功率（4-16）式中，为最大运动速度下所需的流量，同前，取为3.140；液压泵实际工作压力，5；为液压泵总效率，取为0.8；带入数据计算得：=。2.油管及其他辅助装置的选择（1）查阅设计手册，选择油管公称通径、外径、壁厚参数液压泵出口流量以3.140L/MIN计，选取；液压泵吸油管稍微粗些，选择；其余都选为；（2）确定油箱的容量一般取泵流量的3~5倍，这里取为5倍，有效容积为（4-17）4.7液压系统性能的验算绘制液压系统图后，检查压力损失。由于液压系统比较简单，故省略了验算。本系统采用液压回路简单，效率高，功率低，热量少，实现了油箱容积大，因此不再检查温升。5.1PLC控制系统设计的步骤1）分析被控对象并提出控制要求2）确定输入／输出设备3）选择PLC4）分配I/O点并设计PLC外围硬件线路5.2控制系统的要求首先，当系统启动时，系统首先清除本程序中的所有计时器和计数器，并启动t0计数器0.5s，在t0计时器的作用下，蜂鸣器和c0每0.5d连接一次，当c0计数器计数三次，蜂鸣器呼叫三次时，复位c0和t0连接，finAlly启动初始程序。在运行初始操作程序后，将根据程序执行初始操作程序。操纵器将向各个方向快速移动。首先，上臂上下移动，直到上位移传感器连接，然后上下气缸向下移动，直到下位移传感器连接，然后上下气缸再次向上移动，直到上下气缸的中间位移传感器连接。然后停在上下缸的中间，下一步是在腰部转动转盘的左侧，直到转盘的左侧位移传感器连接好，然后再向右向后转动，直到转盘的右侧位移传感器连接好，转盘再向左转动unt。l旋转台中间传感器连接在旋转台中间位置，最后一步是肘伸。伸缩缸向前移动，直到伸缩缸的前位移传感器连接，然后向后移动，直到伸缩缸的后位移传感器连接，然后伸缩缸再次向前移动，直到伸缩缸的中间传感器连接并保持在中间位置。伸缩缸的位置。上述初始程序使用户能够确定操纵器是否正确运行，并帮助用户减少操纵器故障的可能性。程序第一步完成后，进入运行模式选择状态。本设计中有两种操作方式。第一种模式为自动模式，第二种模式为手动模式。在初始操作程序完成后，自动模式满足机械手的整体操作模式，没有其他不良操作模式。此模式是操纵器的正常操作模式。当初始程序运行且发现操纵器运行或维护不良时，使用手动模式。根据操作面板，操作器可以进行上、下、左转弯90度、右转弯90度、左转弯180度、右转弯180度、夹持夹持、松开夹持器和复位操作。维护、检修等操作非常方便。同时，当自动化程序出现故障或不应用自动化程序时，可以起到替代人工操作的作用。在手动模式下，按下操作按钮后，操纵器将执行所需的程序，包括：向上、向下、向左90度、向右90度、向左180度、向右180度、夹持器拧紧、夹持器停止和复位功能按钮。每次按下后，操纵器将自动执行相应的程序。执行操作后，操纵器将等待下一个指令。在自动模式下，上下气缸向上移动，直到上位移传感器连接好，然后向右旋转90度，直到转盘的右位移传感器连接好，然后上下气缸向下移动，直到下位移传感器连接好，然后是上下气缸的夹持器。操纵器被激活，延时1秒使抓取器完全抓取物料，然后上下气缸再次向上移动。在上下缸上位移传感器连接好之前，下一步是将转盘向左旋转180度，直到转盘左位移传感器连接好，然后上下缸向下移动，直到下位移v传感器连接好，最后进行执行操纵器夹持器。上面是自动化程序一次性完成的步骤。重复程序后，可自动移动、抓取和释放操作。机械手的功能图如图5-1所示。图5-1机械手功能图示机械手的控制系统I/O点分配表见表5-1与表5-2。表5-1机械手的控制系统I点分配表输入口元件编号动作解析输入口元件编号动作解析X001SB1启动X024SQ1上位位移传感器X002SB2复位X025SQ2下位位移传感器X003SB3急停X026SQ3左转位移传感器X004SB4自动X027SQ4右转位移传感器X005SB5手动X030SQ5前行位移传感器X006SB6上行X031SQ6后行位移传感器X007SB7下行X032SQ7旋转台中位位移传感器X010SB8左转90度X033SQ8上下缸中位位移传感器X011SB9右转90度X034SQ9伸缩缸中位位移传感器X012SB10左转180度X035SQ10上位超程位移传感器X013SB11右转180度X036SQ11下位超程位移传感器X014SB12手爪夹紧X037SQ12左转超程位移传感器X015SB13手爪松开X040SQ13右位超程位移传感器X016SB14关机X041SQ14前行超程位移传感器X017SB15确认X042SQ15后行超程位移传感器X020SB16前行X043SQ16前行超程位移传感器X021SB17后行X044SQ17后行超程位移传感器———X046Q1夹紧压力传感器———X047Q2松开压力传感器X050SQ18转动向前位移传感器X054SQ19转动向前后中位移传感器X051SQ20转动向后位移传感器X055SQ21转动向前X052SQ22转动向前超程位移传感器X056SB18转动向后X053SB19转动向后超程位移传感器———表5-2机械手的控制系统O点分配表输出口元件编号动作解析Y000YA1上下缸上行Y001YA2上下缸下行Y002KM1旋转台左转Y003KM2旋转台右转Y004YA3伸缩缸前行Y005YA4伸缩缸后行Y006KA5手爪夹紧Y007KM3手爪松开Y010KM4蜂鸣器Y011—LED灯Y012KM5向前旋转Y013KM6向后旋转5.3控制系统及原理根据机械手传动系统的I/O点分配表，选用日本三菱公司的可编程控制器。型号为FX2N-128MR-001，继电器输出，80个输入点，80个输出点。FX2N是FX系列中最强大、最快PLC。基本单元有两个独立轴和最高20kHz定位功能（晶体管输出型）。它可以连接在fx2n系列中使用的扩展模块和fx2n系列中使用的扩展单元。它有27个实时时钟基本指令，2个阶梯图指令和132个应用指令。它有输入和输出刷新指令，输入和过滤调整。指令、输入中断、定时中断、计数中断、脉冲捕获功能、最大输入和输出点256、辅助继电器、定时器辅助继电器：3072点、定时器：256点、计数器一般采用16位递增计数器：200点、32位递增和递减计数器：35点、高速32位递增和减法计数器，通过通信扩展板或专用适配器可以实现多种通信和数据链路。PLC的外部硬件接线图如图5-2。

图5-2PLC的外部硬件接线图系统原理图如图5-3。PCPCPLCFX2N-128MR-001机械手到位检测、升降限位检测、夹紧/放松检测、机械手自动控制等开关量输入信号机械手升降、夹紧/放松控制、机械手工作状态指示状态等输出信号图5-3系统原理图本文设计的机械手工作过程由电机和液压缸组成的执行机构驱动。该系统由可编程控制器控制，并通过步进顺序控制进行编程。机械手可与数控机床配合，实现加工过程的自动化和无人上下料。此外，只要夹持器的结构稍有改变，就可以实现各种工件的自动送料。它在实际生产中的应用和推广，必将提高产品质量，节约能源，降低工人劳动强度，促进生产技术进步。具有良好的经济效益。本设计是在X老师的指导下进行的，X老师为我们提供了很大的帮助，并在老师的指导下解决了设计过程中遇到的许多问题。感谢X老师的无私教学。同时，我要感谢一些为我提供帮助和指导的老师和同学，感谢他们的帮助和指导。最后，我要感谢我的母校沈阳理工学院为我四年的学习和生活提供了良好的环境。祝母校的前途更美好。[1]付永领,王岩,裴忠才.基于CAN总线液压喷漆机器人控制系统设计与实现[J].机床与液压.2003,(6