基于PLC控制的機械手設計【畢業(yè)論文+CAD圖紙全套】

溫州大學畢業(yè)論文 基于 目 錄 摘要 1 引言 1 2 計要求 2 動形式的選擇 2 動方式的選擇 4 體結構設計 5 6 構分析 6 算分析 6 11 械手移動工件控制系統(tǒng)的控制要求 11 械手移動工件控制系統(tǒng)的 型和資源配置 13 械手移動工件控制系統(tǒng)的 序 14 18 立機械手模型 18 作機械手的動畫 18 結束語 26 致謝 26 參考 文獻 26 附錄 27 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 1 摘 要 機械手設計包括機械結構設計，檢測傳感系統(tǒng)設計和控制系統(tǒng)設計等，是機械、電子、檢測、控制和計算機技術的綜合應用。本課題通過對設計要求的分析，設計出機械手的總體方案，重點闡述了手部結構的設計以及控制系統(tǒng)硬軟件的設計，完成了整個系統(tǒng)工作的動畫設計。實現(xiàn)了機械手的基本搬運功能，達到了預期要求，具有一定的應用前景。 關鍵詞 ： 機械手 動畫 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 2 引 言 隨著世界經(jīng)濟和技術的發(fā)展，人類活動的不斷擴大，機器人應用正迅速向社會生產(chǎn)和生活的各個領域擴展，也從 制造領域轉向非制造領域，各種各樣的機器人產(chǎn)品隨之出現(xiàn)。像海洋開發(fā)、宇宙探測、采掘、建筑、醫(yī)療、農林業(yè)、服務、娛樂等行業(yè)都提出了自動化各機器人化的要求。隨著機器人的產(chǎn)生和大量應用，很多領域，許多單一、重復的機械工作由機器人（也稱機械手）來完成。 工業(yè)機器人是一種能進行自動控制的、可重復編程的，多功能的、多自由度的、多用途的操作機 , 廣泛采用工業(yè)機器人，不僅可提高產(chǎn)品的質量與產(chǎn)量，而且對保障人身安全，改善勞動環(huán)境，減輕勞動強度，提高勞動生產(chǎn)率，節(jié)約原材料消耗以及降低生產(chǎn)成本，有著十分重要的意義。和計算機、網(wǎng)絡技 術一樣，工業(yè)機器人的廣泛應用正在日益改變著人類的生產(chǎn)和生活方式 。 機械手是一種模仿人手動作，并按設定的程序來抓取、搬運工件或夾持工具，機械手可在空間抓放物體，動作靈活多樣，適用于可變換生產(chǎn)品種的中、小批量自動化生產(chǎn)，廣泛應用于自動生產(chǎn)線、自動機的上下料、數(shù)控設備的自動換刀裝置中。機械手一般由執(zhí)行系統(tǒng)、驅動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和人工智能組成，主要完成移動、轉動、抓取等動作。 控制系統(tǒng)是機械手的指揮系統(tǒng)，它通過控制驅動系統(tǒng)，讓執(zhí)行器按照規(guī)定的要求進行工作，并檢測其正確與否。可編程控制器（ 一種數(shù)定運算操作的電 子系統(tǒng)，它將邏輯運算、順序控制、時序、計數(shù)、算術運算等控制程序，用指令形式存放在存儲器中，并通過數(shù)字式、模擬式的輸入和輸出，控制各種機械或生產(chǎn)過程。與繼電器控制線路相比， 有可靠性高、抗干擾能力強；編程簡單、使用方便；設計、安裝容易，維護工作量少；功能完善、通用性強；體積小、能耗低等特點。因此，機械手控制系統(tǒng)越平越多的由可編程控制器來實現(xiàn)。 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 3 計要求： 到另一個工作點上。 行夾緊力的計算 分析。初值給定如下： 工件質量 m=擦系數(shù) =力加速度 g=直加速度 a=平加速度 a=轉半徑 r=速度 s 角加速度 全系數(shù) S=角 45 為控制系統(tǒng)。 動形式的選擇： 根據(jù)主要的運動參數(shù)選擇運動形式是結構設計的基礎。常見機器人的運動形式有四種，下面分別論述其特點，然后確定運動形式。 直角坐標型 機器人的結構簡圖如圖 1示，它在 x,y,z 軸上的運動是獨立的， 3 個關節(jié)都是移動關節(jié)，關節(jié)軸線相互垂直，它主要用于生產(chǎn)設備的上下料，也可用于高精度的裝卸和檢測和作業(yè)。這種形式的主要特點是： (1)在三個直線方向上移動，運動容易想象。 (2)計算比較方便。 (3)由于可以兩端支撐，對于給定的結構長度，其剛性最大。 (4)要求保留較大的移動空間，占用空間較大。 (5)要求有較大的平面安裝區(qū)域。 (6)滑動部件表面的密封較困難，容易被污染。 圓柱坐標型機器人的結構簡圖如圖 1示， R、 和 x 為坐標系的三個坐標，其中 是手臂的角位置， 種形式的主要特點是： (1)容易想象和計算。 (2)能夠伸入形腔式機器內部。 (3)空間定位比較直觀。 (4)直線驅動部分難以密封、防塵及防御腐蝕物質。 (5)手臂端部可以達到的空間受限制，不能到達靠近立柱或地面的空間。 極坐標型機器人又稱為球坐標機器人，其結構圖如圖 1示， R， 和為坐標系的坐標。其中是繞手臂支撐底座垂直軸的轉動角，是 手臂在鉛垂面內的的擺動角。這種機器人運動所形成的軌跡表面是半球面。其特點是： 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 4 (1)在中心支架附近的工作范圍較大。 (2)兩個轉動驅動裝置容易密封。 (3)覆蓋工作空間較大。 (4)坐標系較復雜，較難想象和控制。 (5)直線驅動裝置仍存在密封問題。 (6)存在工作死區(qū)。 多關節(jié)機器人結構簡圖如圖 1是以其各相鄰運動部件之間的相對角位移作為坐標系的。、和為坐標系的坐標，其中是繞底座鉛垂軸的轉角，是過底座的水平線與第一臂之間 的夾角，是第二臂相對于第一臂的轉角。這種機器人手臂可以達到球形體積內絕大部分位置，所能達到區(qū)域的形狀取決于兩個臂的長度比例。其特點是： (1)動作較靈活，工作空間大。 (2關節(jié)驅動處容易密封防塵。 (3)工作條件要求低，可在水下等環(huán)境中工作。 (4) 適合于電動機驅動。 (5)運動難以想象和控制，計算量較大。 (6)不適于液壓驅動。 圖 1直角坐標型 圖 1圓柱坐標型 圖 1極坐標型 圖 1多關節(jié)型 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 5 選擇方案的準則： 械手能夠旋轉一定角度。 于計算分析。 分析比較以上四種運動形式，確定選用圓柱坐標型機器人。 動方 式的選擇： 機器人關節(jié)的驅動方式有液壓式、氣動式、和電動式。下面將三種 驅動方式進行分析比較。 機器人的驅動系統(tǒng)采用液壓驅動，有以下幾個優(yōu)點： (1)液壓容易達到較高的壓力（常用液壓為 體積較小，可以獲得較大的推力或轉矩； (2)液壓系統(tǒng)介質的可壓縮性小，工作平穩(wěn)可靠，并可得到較高的位置精度； (3)液壓傳動中，力、速度和方向比較容易實現(xiàn)自動控制； (4)液壓系統(tǒng)采用油液作介質，具有防銹性和自潤滑性能，可以提高機械效率，使用壽命長。 液壓傳動系統(tǒng)的不足之處是： (1)油液的 粘度隨溫度變化而變化，影響工作性能，高溫容易引起燃爆炸等危險； (2)液體的泄漏難于克服，要求液壓元件有較高的精度和質量，故造價較高； (3)需要相應的供油系統(tǒng)，尤其是電液伺服系統(tǒng)要求嚴格的濾油裝置，否則會引起故障。 液壓驅動方式的輸出力和功率更大，能構成伺服機構，常用于大型機器人關節(jié)的驅動。 與液壓驅動相比，氣壓驅動的特點是： (1)壓縮空氣粘度小，容易達到高速； (2)利用工廠集中的空氣壓縮站供氣，不必添加動力設備； (3)空氣介質對環(huán)境無污染，使用安全，可直接應用于高溫作業(yè)； (4)氣動 元件工作壓力低，故制造要求也比液壓元件低。 它的不足之處是： (1)壓縮空氣常用壓力為 要獲得較大的力，其結構就要相對增大； (2)空氣壓縮性大，工作平穩(wěn)性差，速度控制困難，要達到準確的位置控制很困難； (3)壓縮空氣的除水問題是一個很重要的問題，處理不當會使鋼類零件生銹，導致機器人失靈。此外，排氣還會造成噪聲污染。 氣動式驅動多用于點位控制、抓取、開關控制和順序控制的機器人。 電動機驅動可分為普通交、直流電動機驅動，交、直流伺服電動機驅動和步進電動機驅動。 普 通交、直流電動機驅動需加減速裝置，輸出力矩大，但控制性能差，慣性大，適用于中型或重型機器人。伺服電動機和步進輸出力矩相對小，控制性能好，可實現(xiàn)速度和位置的精確控制，適用于中小型機器人。交、直伺服電動機一般用買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 6 于閉環(huán)控制系統(tǒng)，而步進電動機則主要用于開環(huán)控制系統(tǒng)，一般用于速度和位置精度要求不高的場合。 本課題設計的機械手的特點： 用順序控制方式。 度要求不高。 根據(jù)以上特點，確定選用氣壓驅動。 體結構設計 根據(jù)圓柱坐標型運動方式和氣壓驅動方式的選 定，對機械手進行總體結構的設計，機械結構由擺動氣缸、雙聯(lián)氣缸、單聯(lián)氣缸和氣爪組成，結構圖如圖 1 圖 1機械手總體結構圖 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 7 構分析 機械手的手部是最重要的執(zhí)行機構，是用來握持工件的部件。常用的手部按其握持原理可以分為夾持類和吸附類兩大類，本課題采用夾持類手部。夾持類手部又可分夾鉗式、托勾式和彈簧式。本課題選用夾鉗式，它是工業(yè)機器人最常見的一種手部。手部傳動機構可分回轉型、平動型和平移型?；剞D型的特點是當手爪夾緊和松開物體時，手指作回轉運動。當被抓物體的 直徑大小變化時，需要調整手爪的位置才能保持物體的中心位置不變。平動型的特點是手指由平行四桿機構傳動，當手爪夾緊和松開物體時，手指姿態(tài)不變，作平動。和回轉型手爪一樣，夾持中心隨被夾持物體直徑的大小而變。平移型的特點是當手爪夾緊和松開工件時，手指作平移運動，并保持夾持中心固定不變，不受工件直徑變化的影響。為便于夾持避免固定中心的麻煩，采用平移型，圖 2示的是靠導槽保持手指作平移運動。手部結構也采用氣壓驅動。 圖 2手部裝配圖 算 分析 因工件運動速度引起視在重量增加情況下的夾緊力計算 機器人手臂停止狀態(tài)開始的直線運動和旋轉運動的組合，所以伴隨有速度和加速度 視在重量就變化。設機械手手部縱向中心線上所加的驅動力為 P， P氣缸有效截面積 使用的氣壓 向沿手指的運動方向） Q，工件重量為 G=. 如圖 2件以加速度 使工件不掉下，下式必須成立 . 20Q m g m a 得2買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 8 代入數(shù)據(jù)，得 0 . 3 1 9 . 80 . 1 4 . 2 52 0 . 1 5圖 2工件垂直上升時受力分析圖 機械手部繞垂直軸以半徑 件夾緊面與旋轉圓弧切線方向平行，如圖 2 切線方向： 20Q t m r 主法線方向： 2( ) 02n m r 2( ) 02n m r 副法線方向： 2( ) 02b m r 2( ) 02b m r 聯(lián)立上式，求解得 2 2 2( ) 22r g 代入數(shù)據(jù)，得 2 220 . 5 2 . 1 9 . 8 2 0 . 5 3 . 50 . 1 7 . 3 72 0 . 1 5 |注塑模具 |沖壓模具 |工藝夾具 |減速器 |變速器 |機械手 |機器人 |汽修設計|數(shù)控加工編程 |數(shù)控改造 |數(shù)控機床 |液壓設計 |機電 單片機 |專用組合買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 9 機床 |污水處理工程 |化工設備類 |自動生產(chǎn)線類 |三維造型類 床類 |礦用機械 |農用機械 |專用機械 |本科精品設計 |部分下載 | 為很快找到自己要的題目，可以通過上面分類選擇，也可以直接 夾 ： 249796576 題目每天在更新，一定有你要的資料， 24小時客服 :249796576,也可點進網(wǎng)站下載到歷屆同學的設計內容 . 后指： 22c o s( s i n ) ( ) ( ) 022R m a m gQ m a 由于是機械手部機構， R,所以結果 22( c o s ) 2 s i g 代入數(shù)據(jù)，得 2 20 . 3 9 . 8 c o s 4 5 9 . 8 2 0 . 1 5 0 . 3 9 . 8 s i n 4 50 . 1 3 . 5 52 0 . 1 5 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 10 圖 2工件水平直進時受力分析圖 綜上所述，得 7 . 3 7 大 值由于考慮到設計的機械手的安全問題， Q 應再乘上一個安全系數(shù) S。 7 . 3 7 1 . 4 5 1 0 . 6 9Q Q S N 安 全 值 最 大 值 夾緊力 圖 2示。 由設計要求得知夾持長度 L 25據(jù)圖 2知所加的壓強約為 夾持長度（夾緊力買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 11 夾持長度（夾緊力圖 2夾緊力、夾持長度、壓強關系圖 制系統(tǒng)設計 械手移動工件控制系統(tǒng)的控制要求 械手移動工件的基本結構、工作流程和工作原理 機械移動工件的基本結構圖如圖 3示。 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 12 圖 3機械移動工件的基本結構圖 機械手移動工件單個工作流程示意圖如圖 2示 。 機械手移動工件的單個工作流程由復位到初始位置、將機械手移動到工件處、夾緊工件、將工件移動到目標位置、放下工件和移動到初始位置 6 個過程組成。機械手移動工件通過 控制，可以實現(xiàn)這 6 個過程全自動依次運行。 由于本機械手采用氣動傳動，為方便檢測，選用磁性開關作為傳感器。安裝在氣缸外部即可。機械手移動工件通過磁性限位開關與電磁閥來控制。 (1)機械手左轉、右轉、左移、右移、上移、下移分別通過左轉電磁閥、右轉電磁閥、左移電磁閥、右移電磁閥、上移電磁閥、下移電磁閥來實現(xiàn)，移動或轉 動的最大位置由左轉限位開關 轉限位開關 移限位開關 移限位開關 移限位開關 移限位開關 控制。 (2)放松、夾緊工件通過放松電磁閥、夾緊電磁閥來實現(xiàn)。夾緊工件通過定時器控制，根據(jù)實際情況，夾緊時間設為 3 秒。放松工件通過放松限位開關來控制。 (1)按下啟動按按鈕，系統(tǒng)先檢查機械手是否在初始位置，若不是機械手先進行復位，然后再進入機械手正式工作狀態(tài)。按下停止按扭，等機械手運行到初始位置后，再停車。按下急停按鈕，斷開 部負載電源和氣動裝置電源，系統(tǒng)立即停止。 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 13 圖 3 機械手移動工件單個工作流程 備控制要求 該系統(tǒng)要求機械手能自動進行工作，轉動時要求回轉半徑最小，要具體控制要求如下： (1)按下啟動按鈕，系統(tǒng)進行自檢查機械是否在初始位置，不是的話先進行復位工作，然后進行正式工作。 (2)復位工作控制要求如下： 機械手首先上移，直到運動到最上端。 上移后，機械手開始右移。 右移完成后，機械手開始左轉，至此，復位工作完成。 (3)正式工作控制要求如下： 機械手開始左移，一直運動到最左端。 運行到最左端后，機械手開始向下運動。 到達最下端后，機械手開始夾緊工件，一直到把工件夾緊為止，時間由定時器控制，定時為 3 秒。 機械手開始向上運動，運動到最上端。 上移后，機械手開始右移。 右移完成后，機械手開始右轉，直到右轉限位開關檢測到信號。 右轉完成后，機械手下移。 運行到最低位置后，機械手把工件松開，一直到放松限位開關檢測到信號。 工件松開后，機械手開始向上運動。 開 始 復位 移到工件處 夾緊工件 放下工件 移動初始位置處 移到目標處 結束 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 14 到達最上端后，機械手開始左 轉，真到左轉限位開關檢測到信號，此時機械手已加到初始位置。 (4)該系統(tǒng)進行自動連續(xù)循環(huán)工作。正常停車時，要求機械手回到初始位置時才能停車。急停時，切斷所有電源，系統(tǒng)停止運行。重新啟動后，由于急停時機械手位置的不確定性，要進行復位工作。 械手移動工件控制系統(tǒng)的 型和資源配置 型 由于機械手控制系統(tǒng)的輸入 /輸出接點少，要求性價比高，編程簡單，維護方便，機身小巧，故選用三菱公司的 號。市場為 3330 元。該機有 14 個輸入點， 10 個輸出點，輔助繼電器 1536 點，定時器 256 點，計數(shù)器 235 點，數(shù)據(jù)寄存器 8000 點。 統(tǒng)資源分配 觸點分配 根據(jù)系統(tǒng)控制要求， I/O 分配如表 3示。 表 3 I/O 觸點分配表 輸入設備 輸入地址 輸出設備 輸出地址 左轉限位開關 000 左轉電磁閥 轉限位開關 001 右轉電磁閥 移限位開關 002 左移電磁閥 移限位開關 003 右移電磁閥 移限位開關 004 上移電磁閥 移限位開關 005 下移電磁閥 松限位開關 006 放松電磁閥 動按鈕 夾緊電磁閥 止按扭 這個控制系統(tǒng)夾緊工件需要定時器來控制夾緊程度。時間設為 3 秒。定時器分配如表 3示。 表 3 定時器分配 定時器 功能 緊工件時定時 3s 件電路接線圖 硬件電路接線圖如圖 3示。 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 15 圖 3硬件電路接線圖 械手移動工件控制系統(tǒng)的 序 程軟件 采用三菱公司編程軟件 界面如圖 3示。 序流程圖 根據(jù)系統(tǒng)控制要求，畫出程序流程圖。見附件 1。 態(tài)圖 此程序用步進指令編寫比較方便直觀。根據(jù)流程圖?？僧嫵鰻顟B(tài)圖，如圖 3示。 形圖 見附錄 句表 見附錄 000 001 002 003 004 005 006 007 010 L6 電源 左轉 右轉 左移 放松 右移 上移 下移 夾緊 文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 16 圖 3面 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 17 20 21 004 8002 初始脈沖 啟動按鈕 002 005 007 0 004 004 28 003 22 23 000 29 30 005 文檔就送您 紙全套， Q 號交流