毕业设计（论文）-智能码垛机的设计-PLC控制

I智能码垛机的设计目录摘要 IAbstract（英文摘要） ⅡTOC\o\t"标题3,3,标题4,4"引言 11.1设计的背景和意义 11.2国内外发展现状 2第二章总体方案确定 32.1总体方案论证 32.1.1码垛机手臂结构方案设计 32.1.2码垛机驱动方案设计 32.1.3码垛机控制方案设计 42.1.4码垛机主要参数 42.1.5码垛机的技术参数列表 5第三章智能码垛机总体结构设计 63.1动作工况与分析 63.2码垛机各部分结构设计 73.2.1智能码垛机的底座设计 73.2.2智能码垛机的柱杆设计 73.2.3智能码垛机轴承的设计 83.2.4智能码垛机上轴承座的设计 93.2.5智能码垛机下轴承座的设计 103.2.6智能码垛机机械大臂的设计 103.2.7智能码垛机机械小臂的设计 113.2.8智能码垛机夹具的设计 113.2.9智能码垛机夹紧气缸的设计 123.2.10智能码垛机升降气缸的设计 143.2.11智能码垛机伸缩气缸的设计 173.2.12智能码垛机回转气缸的设计 19第四章智能码垛机气压传动的设计 21第五章智能码垛机PLC程序的设计 225.1电磁铁动作顺序 225.2I/O分配 225.3PLC控制梯形图 23结论 25--PAGEXXXVII-摘要步入21世纪，科学技术飞速发展，在现代化的自动生产线当中码垛机发挥着至关重要的作用。而随着机械电气技术与液压气动技术的高速发展，使得码垛机的类型变得越来越多样化，工作效率越来越高效，在很多领域中都有很好的应用，因此，对于码垛机的设计或者说改进有了更多元化的要求。本论文设计的智能码垛机由夹具部分、动作部件和程序控制装置三大部分组成。夹具部分的功能是抓取所需的物品，由于物品的不确定性，夹具部分可按照要求设计成为不同的类型。动作部件的功能是通过各个部件之间的配合使码垛机完成所需要完成的动作。程序控制装置的功能是通过各种程序来实现码垛机的智能化。智能码垛机主要有抓取、旋转、伸缩、升降四个自由度组成。论文主要从三个方面对智能码垛机进行设计，分别为各个构件的设计，传动方式的设计以及程序系统的编程。根据各种条件的综合考虑，各机构部件参数设计更加的向高效化与智能化靠近。传动方式选择气压传动，并结合图片表述其工作原理。程序系统的编程也给出了语句指令与编程图片。智能码垛机性能优良，工作方式灵活，成本较低，并且还有很大的发展空间，无论是在机械领域还是在电气领域，甚至在液压领域中，都能够有很好的应用。随着时间的推移，科学技术发展的越来越成熟，相信智能码垛机在很多地方都能够看到它工作的身影。关键词：机械手，自动化，气动，PLCAbstractInthe21stcentury,withtherapiddevelopmentofscienceandtechnology,stackerplaysanimportantroleinthemodernautomaticproductionline.Withtherapiddevelopmentofmechanicalandelectricaltechnologyandhydraulicandpneumatictechnology,thetypesofpalletizerbecomemoreandmorediversified,theworkingefficiencyismoreandmoreefficient,andithasagoodapplicationinmanyfields.Therefore,thedesignofpalletizerhashigherrequirements.Thedesignofthisprojectcomesfromthetransportationstationintheproductionline.Thetransmissionmodeispneumatictransmission,thatistocontroltheactionofthestackerwithvariouscylinders.Thecontrolpartcombinestheprogrammablecontroltechnologytowriteaprogramtocontrolthetransportationbetweenthetwostations.Theintelligentstackeriscomposedofthreeparts:clamppart,actionpartandprogramcontroldevice.Thefunctionofthefixturepartistograbtherequireditems.Duetotheuncertaintyoftheitems,thefixturepartcanbedesignedintodifferenttypesaccordingtotherequirements.Thefunctionoftheactionpartsistomakethestackercompletetheactionsneededbythecooperationbetweenthevariousparts.Thefunctionoftheprogramcontroldeviceistorealizetheintellectualizationofthestackerthroughvariousprograms.Theintelligentstackermainlyconsistsoffourdegreesoffreedom:grabbing,rotating,stretchingandlifting.Thispapermainlydesignstheintelligentstackerfromthreeaspects:thedesignofeachcomponent,thedesignoftransmissionmodeandtheprogrammingofprogramsystem.Accordingtothecomprehensiveconsiderationofvariousconditions,theparameterdesignofeachmechanismcomponentisclosertothehighefficiencyandintelligence.Thetransmissionmodeispneumatictransmission,anditsworkingprincipleisdescribedwithpictures.Theprogrammingoftheprogramsystemalsogivesthestatementinstructionandprogrammingpicture.Intelligentstackerhasexcellentperformance,flexibleworkingmode,lowcost,andthereisalotofroomfordevelopment,whetherinthefieldofmachineryorinthefieldofelectrical,oreveninthefieldofhydraulic,itcanhaveagoodapplication.Withthedevelopmentofscienceandtechnology,itisbelievedthatintelligentstackercanseeitsworkinmanyplaces.Keywords:Manipulator,automation,pneumatic,PLC--PAGEXXXVII-引言1.1设计的背景和意义步入21世纪，科学技术飞速发展，在现代化的自动生产线当中码垛机发挥着至关重要的作用。而随着机械电气技术与液压气动技术的高速发展，使得码垛机的类型变得越来越多样化，工作效率越来越高效，在很多领域中都有很好的应用，因此，对于码垛机的设计有了更高的要求。手工方式的码垛是传统的码垛方式，通过人工把货盘先放在地面上，然后按照一定顺序把货物依次放在货盘上。对于这种非常传统的码垛方式也有显著的优点，因为需要工人来进行搬运码垛，成本较低，并且让人觉得安全可靠。但是人工码垛的方式一旦运用到大规模生产的过程中，就会有很多不足，耗时耗力，而且效率不高，并且还有可能出现很多意想不到的情况。此外，某些项目有严格的卫生安全规范，必须尽可能防止与人体的相互作用。而且传统的码垛方式因为要考虑工人的工作环境，所以就变得更加具有局限性了。因为人工码出的垛容易重复、质量参差不齐、在搬运过程中经常出现倒垛现象，所以使产品更容易损坏。上述情况在很多领域内都存在，不管是搬运什么物品，保证其物品的完整性很重要，因此，这也是此次设计的一个重点：怎么样才能在在一些列的搬运过程中，不让物品损坏，提高其设备机器的稳定性。一些易碎易损坏的玻璃制品根本经不起这样一个长时间搬运的过程。本论文设计的码垛机，可以很好的提高装卸效率，更能适应高节奏的生产方式，同时调整参数实现对大型货物的码垛，使码垛更加智能高效化，从而提高公司的经济效益。故我们决定对码垛机器人进行研究，使码垛机器人的结构和控制程序变得相对简单，提高其可靠性，减低其成本，以满足我国的企业的生产要求，以便码垛机器人在工厂中能够更好的普及。1.2国内外发展现状关于外国码垛机领域发展的一些方面:a.智能码垛机技术很先进，性能优良，但是不同码垛机的价格却起伏不定，没有形成一个很好的行业标准。b.码垛机各部分的构件设计分布更为合理，更加精巧，并且控制系统算法更为先进，因此，码垛机的成本提高了很多。c.国外码垛机所采用的算法与国内不同，并且各个模块的设计向可重构化发展，由于这个原因，如果国采用外国的设备应用于自动化生产线当中，其零部件的替换会变得相当复杂麻烦，其维修费用会提高。d.智能码垛机所采用的传感器更多，而且相对于国内的码垛机有更为成熟的发展，国内所采用的传感器多为重力，动作，速度传感器，而国外还采用了色彩，光线，视觉传感器，这就使得国外的码垛机比国内的码垛机性能更加优良。对于复杂的工作条件，智能码垛机具有更多的操作空间。e.国外的码垛机有的还配置了远程操作系统，可以进行远距离长时间作业，此外，VR技术也已经在发展过程当中。f.外国码垛机的发展技术已经日益成熟，而国内的码垛机技术更多的还停留于实验室阶段，不能够很好的应用到很多领域当中，许多当代的码垛机设计很多都是从国外引进并加以改造，自主创新研发的码垛机少之又少。由于各种各样的原因，我认为技术的发展应该更倾向于应用到生活中，而不是停留于纸面。第二章总体方案确定2.1总体方案论证智能码垛机由动作构件，操作系统，传感器装置和程序指令装置等构成。为了能够高效化的搬运指定的物品或者货物，智能码垛机应该具备高准确度、高快速度、稳定的承载性、一定的自我调节恢复能力，长时间持续工作以及工作作业方式更加灵活的诸多特性。智能码垛机的设计思路为：首先充分考虑工作目标的各方面的特性与要求，然后指定最优化的方案，并且进行仿真模拟，看设计的各种参数是否符合预期的工作标准，对相应的控制程序进行不断改进，综合考虑各方面的经济效能与成本，逐步找到一中最适合此工作的最佳方案，另外，也要充分考虑到各种突发情况以及售后服务等方面，设计后续方案。本论文设计的码垛机采用气压传动，气压传动虽不能应用于大型工业生产的作业，但是其灵活度高，性能稳定，更能广泛应用于生活当中。2.1.1码垛机手臂结构方案设计为了作业的灵活度，智能码垛机设计成为4个自由度，即机械手的抓取、手臂的升降、手臂的伸缩和旋转运动。通过立柱来实现机械臂的旋转和升降运动，机械臂的伸缩通过立柱的移动来实现，而机械臂的其他复合动作则由气缸控制。2.1.2码垛机驱动方案设计气压传动的优点：1.相对于其他传动形式而言，选择气压传动能更好的保证其灵活性和稳定性，如果出现损坏，维修费用成本低；2．保护环境，重复契合当今中国环保的发展理念，并且由于是空气充当空气介质，具有很好介质来源，相对于其他传动方式，成本低，安全可靠；3.气压传动的方式可以使得码垛机的动作更加快速，更加协调，并且速度的快慢可以调节，可适用于更广的领域；4.可靠性高，使用寿命长；5.利用空气的可压缩性，可储存能量，实现集中供气；6.由于空气损失小，压缩空气可集中供应，远距离输送。2.1.3码垛机控制方案设计根据本论文的设计初衷，智能码垛机需要完成很多的复合动作，所以对于PLC模块的设计就变得尤为重要，既要考虑经济成本与所带来的经济收益之间的关系，又得保证其工作的稳定性与灵活性，还要意识到可操作性是否简便的问题。总之，综合各方面的考虑，西门子公司的S7-200系CPU226型PLC最为适用，不管是从成本角度，还是从技术角度，都能够满足要求码垛机的启动装置，各个位置的开关与PLC输入端相连，PLC的输出端则是与各部位相应阀连接，用24V电源驱动，配套相应的STEP7-Micro／WINV4.4版程序软件进行编程。2.1.4码垛机主要参数a.主参数智能码垛机的主参数是以机械手最大抓取的重量为基准的，考虑到是适用于小规模生产，也该考虑到常规参数的要求，将最大抓取重量的主参数设置为1KG。b.基本参数智能码垛机的最为重要的基本参数就是各个部位运动速度参数。各个部位运动速度参数影响着码垛机整体的协调性与精度，过快过慢都不行，需要设定合理的参数范围。此码垛机的机械臂平均升降速度为75m/s-80m/s，机械臂平均旋转速度为80°/s-90°/s，其最大升降速度不超过110mm/s，最大旋转速度不超过460°/s2.1.5码垛机的技术参数列表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:Φ40mmD.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PLC)第三章码垛机总体结构设计3.1动作工况与分析智能码垛机是采用气压传动的方式进行运动的，介质来源广，耗费能源小，对环境无污染，运动动作迅速，维修简便。但是，由于气压传动需要压缩空气的原因，在实际的作业中，速度起伏会很大，启动较慢，对于各部件有一定的冲击力，不能抓取重量特别大的物品。因此适用于小规模生产。码垛机的运动动作是由气缸带动，而气缸则是由与PLC相连的电磁阀控制。双线圈电磁阀控制机械臂的伸缩与升降，单线圈的电磁阀控制机械臂的旋转及机械手的抓取。智能码垛机的工作目标是将物品从不同的工作台转移，码垛机示意图如图3-1所示：图3-1码垛机示意图码垛机的工作原理就是利用PLC控制系统，先让智能码垛机的机械臂下降，抓取相应的物品，之后使得机械臂上升，通过机械臂的伸缩和旋转动作，把物品放在相应的位置后，夹具松开，然后机械臂上升，如此反复进行，可以实现长时间高强度的作业过程。3.2智能码垛机各机构的设计3.2.1智能码垛机的底座设计首先要考虑设计的便是底座部分，各种机构与系统的重量均由底座来支撑，此外，底座还连接了码垛机的各个机构。码垛机底座设计如图所示：图3-2智能码垛机底座示意图码垛机的底座部分是一个单独的部分，不会有和其他构件之间的配合，所以，底座的内表面不需要做特殊处理，对于外表面要进行粗糙度的要求，在左右两端的表面上要打上M10的螺纹孔，再底座的的下方打上一个光孔，用来固定整个码垛机的中心位置，方便以后的设计。3.2.2智能码垛机的柱杆设计对于机械臂的柱杆，立柱所支撑的重量取决于机械臂的重量，机械臂四自由度的运动也与立柱密不可分。此外，还可以根据工作需要将立柱设计成各种样式，以满足码垛机动作的要求。（1）立柱的材料因为是气压传动，不需要太大的功率，所以选择45号钢。（2）计算尺寸根据相关知识，查REF_Ref18297\r\h[1]表10-2，得Q=110~120，因为有扭转力的因素，取Q=115，代入公式：其中：Q——查表得出的参数；M——柱杆的额定输出功率，单位取KW；n——转速，单位取r/min.规定Q=110、M=20KW、n=320，计算得：根据计算所得出来的结果，应该选择比33.2大的轴径，为了保证有工作余量，可取D=40mm，又因为轴径尺寸小，所承受的重量很小，可以不做校核。3.2.3智能码垛机轴承的设计轴承方式的选择有很多，但是根据本论文的条件要求，滑动轴承或滚动轴承都可以满足其工作需要。滑动轴承承受载荷的方式是通过各个零部件工作过程当中的滑动来实现，这就加剧了各个构件之间的摩擦，增大了阻力，影响启动速度，容易损坏部件，使得效率变低，维修费用变高。所以我们采用滚动轴承，可以有效避免上述所出现的情况。那么进一步分析，滚动轴承也有很多的类型，选择哪一种滚动轴承还需要综合各方面因素考虑，但根据要求能够选择滚子轴承和球轴承，球轴承与滚子轴承特性完全相反。如果是在大规模生产当中选择滚子轴承，小规模生产选择球轴承。此外根据滚动轴承能否自动调心的工作特性，还需要配合推力轴承和向心轴承。a.向心轴承选择角接触向心轴承，30°<60°，因为角接触向心轴承既可以承受径向载荷，又可以承受轴向载荷。b.推力轴承选择角接触推力轴承，60°<<90°，原因和向心轴承一样，能够承受双向载荷。根据上述分析，确定了滚动轴承的选择，查表得选用6006深沟球轴承和50032推力球轴承。3.2.4智能码垛机上轴承座的设计智能码垛机上轴承座的尺寸如图所示:图3-3智能码垛机上轴承座示意图由于上轴承座需要和很多机构链接，为了提高码垛机的稳定性，轴承外圈与轴承座孔采用基轴制配合，轴承内圈与轴颈采用基孔制配合，轴承内圈与轴颈的配合要远大于标准要求。此外轴承内外圈之间的配合需要根据工作条件来制定，如果配合不合适会影响码垛机运动的速度与精度，甚至会出现卡壳死机等情况，所以轴承内外圈的配合要谨慎选择，一般取决于物品重量的大小，构件的寿命，动作的连贯不卡顿，以及工作条件与环境的变化。所以Φ30的6006轴径上安装轴承，这个轴径就是根据轴承的d来的，Φ36是6006轴承的安装尺寸，同样根据推力轴承的尺寸来确定轴承座的尺寸。3.2.5智能码垛机下轴承座的设计智能码垛机下轴承座的尺寸如图所示：图3-4智能码垛机下轴承座示意图根据《机械设计手册》，要注意其表面粗糙度的要求，还要注意各个构件之间的配合是否合理。3.2.6智能码垛机机械大臂的设计码垛机机械大臂没有过多要求，内部有动作需要的气缸即可，如图所示：图3-5智能码垛机机械大臂的示意图3.2.7智能码垛机机械小臂的设计码垛机机械小臂的设计和大臂的设计一样，并没有过多要求，如图所示：图3-6智能码垛机机械小臂的示意图3.2.8智能码垛机夹具的设计因为工作环境比较多样化，可根据不同需要设计不同的夹具，在此设计了一种最常见的码垛机机械手的结构形式。图3-7智能码垛机夹具的示意图码垛机的夹具应该具备以下几点要求：1.能够准确高效的抓取物品2.夹具中的角度要适合抓取3.具有较长的使用寿命4.可根据工作条件随时改变5.操作指令要尽可能的简单3.2.9智能码垛机夹紧气缸的设计（1）夹具驱动力的计算如果取载荷T=20，A=75mm，B=140mm，规定其摩擦系数N=0.20。图3-8智能码垛机夹紧机构示意图运用所学知识，驱动力的计算公式为：运用所学知识，夹具的夹紧力的计算公式为:将数值代入驱动力计算公式得：参照REF_Ref20799\r\h[17]中所提到的实际驱动力计算公式:查REF_Ref18297\r\h[1]中表得，f=0.96，C1=2查REF_Ref20799\r\h[17]中的数据，C2=4：将所有数值代入实际驱动力计算公式得：所以夹具的实际驱动力约为1200N。（2）夹具上气缸直径的计算根据REF_Ref20799\r\h[17]中得公式:其中，T1是施加在气缸得推动力，单位是N，TL—气缸弹簧的反力，单位是N，TZ—夹具上气缸的摩擦力，单位是N，M—夹具的承重，单位是P考虑到摩擦力的影响，则:气缸直径可由以下公式计算:代入数据得：规定内外径之比为0.53，可以确定气缸的直径根据表REF_Ref20799\r\h[17]中的公式校核气缸直径，取=160MP则:因此校核成功，该计算结果可以使用。（3）码垛机气缸壁厚度计算根据REF_Ref20799\r\h[17]中的知识与大小径之间的关系，可由以下公式计算:其中H是所需计算的厚度，d已经算出，是载荷重力，取2.5Pa，取1.6MP将相关数据代入得:取H=2mm，那么大径为34mm综上所述，可以确定夹紧气缸的尺寸，从而选择合适的夹紧气缸型号。3.2.10智能码垛机升降气缸的设计机械臂的升降机构由升降气缸、机械臂、伸缩气缸，加紧气缸、气爪等组成。其工作原理为：立柱上方的气管将经过压缩的空气输送到伸缩气缸、加紧气缸与旋转气缸，立柱下方的气管把压缩空气输送到升降气缸，当经过压缩的空气进入升降气缸的上腔后，使缸体上升，同时与升降气缸相接的铁块也上移，当铁块触碰到上方的液压缓冲器后缓冲。如图所示：图3-9智能码垛机升降机构简图（1）升降气缸驱动力的计算根据REF_Ref20799\r\h[17]中的有关知识，确定升降气缸的驱动力计算公式为：取N=500N，f=0.36。那么：根据REF_Ref20799\r\h[17]中所知的公式:规定N=0.96，并取C1=2那么可以确定C2的具体值，其结果为：将数据代入公式得：夹紧气缸工作中得实际驱动力约为1700N。.（2）夹紧气缸的直径计算根据REF_Ref20799\r\h[17]中的公式:其中，T1是施加在气缸得推动力，单位是N，TL—气缸弹簧的反力，单位是N，TZ—夹具上气缸的摩擦力，单位是N，M—夹具的承重，单位是Pa。考虑到摩擦力的影响，则:气缸直径由以下公式计算:计算得：规定内外径之比为0.53，可得确定升降气缸直径:根据表REF_Ref20799\r\h[17]中的公式校核气缸的直径，取=160MP则:因此校核成功，该计算结果可以使用。（3）升降气缸壁厚的计算根据REF_Ref20799\r\h[17]中的知识与大小径之间的关系，可由以下公式计算:其中H是所需计算的厚度，d已经算出，是载荷重力，取2.5Pa，取1.6MP将相关数据代入得:取H=3，那么大径为38mm。综上所述，可以确定升降气缸的尺寸，从而选择合适的升降气缸型号。3.2.11智能码垛机伸缩气缸的设计机械臂伸缩机构也是由各气缸以及压力缓冲器所组成的，具体的工作过程就是通过气管把压缩空气压入伸缩气缸的上腔，从而推动刚体向右移动，使得机械臂完成相应动作，当触碰到压力缓冲器的时候，会进行缓冲处理，左右行程的位移距离可以通过定位块也可以调节。结构简图如图所示：图3-10智能码垛机伸缩机构简图伸缩气缸驱动力的计算规定摩擦系数N=0.20。根据所学知识，驱动力的计算公式为：取T=400N。那么：根据REF_Ref20799\r\h[17]中所提到的实际驱动力计算公式:查REF_Ref18297\r\h[1]中表得，f=0.96，C1=2查REF_Ref20799\r\h[17]中的数据，C2=4将所有数值代入实际驱动力计算公式得：所以伸缩气缸的实际驱动力约为246N。（2）伸缩气缸直径的计算根据REF_Ref20799\r\h[17]中的公式:其中，T1是施加在气缸得推动力，单位是N，TL—气缸弹簧的反力，单位是N，TZ—夹具上气缸的摩擦力，单位是N，M—夹具的承重，单位是Pa考虑到摩擦力的影响，则:气缸直径可由以下公式计算:代入数据得：规定内外径之比为0.53，可以确定气缸的直径根据表REF_Ref20799\r\h[17]中的公式校核气缸直径，取=160MP则：因此校核成功，该计算结果可以使用。（3）码垛机气缸壁厚计算根据REF_Ref20799\r\h[17]中的知识与大小径之间的关系，可由以下公式计算:取H=1.5，那么大径为36mm。综上所述，可以确定伸缩气缸的尺寸，从而选择合适的伸缩气缸型号。3.2.12智能码垛机旋转气缸的设计机械臂的旋转采用多点定位缓冲装置，其工作原理与旋转液压缓冲部分一样。工作原理如图所示。图3-10智能码垛机旋转机构简图根据REF_Ref20799\r\h[17]中所提到的压力与驱动力的关系公式：或旋转气缸的尺寸可由上述的关系公式得出，从而选择合适的旋转气缸型号。第四章智能码垛机气压传动的设计根据本论文的设计思路,码垛机的工作原理就是先让智能码垛机的机械臂下降，抓取相应的物品，之后使得机械臂上升，通过机械臂的伸缩和旋转动作，把物品放在相应的位置后，夹具松开，然后机械臂上升，如此反复进行的动作。码垛机气压传动结构如图所示。图4-1码垛机气压传动示意图气压传动各部件的需要表如图所示：图4-2气压传动所需产品图产品型号名称数量1M26C-14-B1二位三通电磁阀12GI-62截止阀13YC-7压力继电器14QSL-36WQDE-30-S气压构件25L6-17节流阀6632LZ-22-G三位四通电磁阀2第五章智能码垛机PLC程序的设计5.1电磁铁动作顺序由图4-1可知,电磁铁1YA、2YA实现码垛机的升降，电磁铁3YA、4YA实现码垛机的抓取,电磁铁5YA、6YA实现码垛机的伸缩，电磁铁7YA、8YA实现码垛机的旋转。码垛机的动作指令如表5-1。表5-1电磁铁动作顺序指令号动作电磁铁1YA2YA3YA4YA5YA6YA7YA8YA0初始位置+++-++++1向下移动+-+-++++2夹具抓取++-+++++3向上移动-+-+++++4向右移动++-+-+++5