搬運機械手及其控制系統(tǒng)設計方案

1、畢業(yè)設計 論文） 題目：搬運機械手及其控制系統(tǒng)設計 摘要 近20年來，氣動技術的應用領域迅速拓寬，尤其是在各種自動化生產線上得到廣泛應 用。電氣可編程控制技術與氣動技術相結合，使整個系統(tǒng)自動化程度更高，控制方式更靈 活，性能更加可靠；氣動機械手、柔性自動生產線的迅速發(fā)展，對氣動技術提出了更多更 高的要求。 本課題設計源于生產線中的搬運站，傳動方式采用氣壓傳動，即用各種 氣缸來控制機械手的動作，控制部分結合可編程控制技術編寫程序進行控制 來實現兩站之間的搬運。 機械手主要由手部、運動機構和控制系統(tǒng)三大部分組成。手部是用來抓 持工件 或工具）的部件，根據被抓持物件的形狀、尺寸、重量、材料和作 業(yè)要

2、求而有多種結構形式，如夾持型、托持型和吸附型等。運動機構，使手 部完成各種轉動 擺動）、移動或復合運動來實現規(guī)定的動作，改變被抓持 物件的位置和姿勢。運動機構的升降、伸縮、旋轉等獨立運動方式，稱為機 械手的自由度。本課題中設計的搬運機械手主要有旋轉、伸縮、升降、夾緊 四個自由度組成。 課題從機械部分、氣動部分和控制三部分對氣動機械手進行設計，要求 機械手實現上下站之間的搬運功能。機械部分重點是總體結構的設計、各個 氣缸的選擇和安裝設計、各零部件的結構設計等，氣動部分主要是給出了搬 運機械手的氣動原理圖，而控制部分則主要是程序的設計和調試，論文采用 西門子 of the components.A

3、ccording to the grasping object s shape, size, weight, materials and operating requirements the hand hands a variety of structural forms, such as clamp type, ADS holders and adsorption type and so on.The movement part can complete the prescriptive move and achieve the change of the site and gesture

4、ofthe grasping objects by varies rotating(twisting,moving or complex movements on hand. The independence movements such asthe rise and fall of body, stretching and rotating manner are called the free degrees of manipulator. Thehandling manipulator of the topic compositesfour free degrees which arero

5、tation, stretching, lifting and clapingThe pneumatic manipulator design is desided from three parts in chuding the mechanical parts, pneumatic parts and control parts,which requires to achieve mechanical hand up and down between the handling function. Focus on the mechanical parts are the design of

6、overall structure , the choice of each cylinder and installation design, structural design of various components etc 。 pneumatic part is given the pneumatic manipulator handling schematics, and the control part of the procedure was mainly design and debugging,The papers use Siemens (S7-200 instructi

7、ons program,giving the corresponding ladder diagram, statement forms and simpleflow chart. Because the pneumatic Manipulator has advantages of simple structure, easy to achieve the stepless speed regulation, easy to achieve overload protection, easy to achieve a number of complex movements,the pneum

8、atic manipulator is developing to the repeat-high-precision, modular, non-oil and electrical integration direction. It is foreseeable that in the near future, pneumatic manipulator will become more and more widely used into the industrial, military, aviation, medical, and other areas of life. Keywor

9、ds :PLC, flexible automated production lines, freedegree, Ladder Diagram 目錄 摘 要 I ABSTRACT 英文摘要） n 目 錄 4 第一章 引言 1 1.1課題的背景和意義 1 1.2課題國內外發(fā)展現狀 2 第二章總體方案確定 4 2.1總體方案論證 4 2.1.1 機械手手臂結構方案設計 4 2.1.2 機械手驅動方案設計 4 2.1.3 機械手控制方案設計 5 2.1.4 機械手主要參數 5 2.1.5 機械手的技術參數列表 6 第三章機械手總體結構設計 7 3.1動作工況與分析 7 3.2機械手各部分結構設計

10、8 3.2.1 機械手底座的設計 8 3.2.2 立柱結構的設計 8 3.2.3 軸承的選擇 9 3.2.4 上軸承座的選擇 10 3.2.5 下軸承座的選擇 11 3.2.6 大臂的結構設計 12 3.2.7 小臂的結構設計 12 3.2.8 氣爪的結構設計 12 3.2.9 手部夾緊氣缸設計計算 14 3.2.10 升降氣缸設計計算 18 3.2.11 伸縮氣缸設計計算 22 3.2.12 回轉氣缸設計計算 25 第四章氣動部分設計 28 第五章 PLC 控制部分設計 30 5.1電磁鐵動作順序30 5.2 I/O 分配30 5.3PLC控制梯形圖 31 5.4 PLC控制程序指令 32

11、結論37 參考文獻38 致謝及聲明39 勺A0-搬運門械手愛配圖Vwg 3 Al-總體布萱團dwg 再A2底座.Twg S A2-.dwg 色A2#臂部圍.dwg R陽-pl澧人疑出接歩圖Tv/g 靜 A3-jn,dwg 固 A3-承,dvrg R盟惟形囹dwg 帶 A-T/H.dwg 如需要完整文檔及cad 土等其他文件，請加球球：一九八五六三九七五五 引言 1.1 課題的背景和意義 近 20 年來，氣動技術的應用領域迅速拓寬，尤其是在各種自動化生產線上得到廣泛應 用。電氣可編程控制技術與氣動技術相結合，使整個系統(tǒng)自動化程度更高，控制方式更靈 活，性能更加可靠；氣動機械手、柔性自動生產線的迅

12、速發(fā)展，對氣動技術提出了更多更 高的要求。 自從機械手問世以來，相應的各種難題迎刃而解。能模仿人手和臂的某些動作功 能，用以按固定程序抓取、搬運物件或操作工具的自動操作裝置。它可代替人的繁重勞 動以實現生產的機械化和自動化，能在有害環(huán)境下操作以保護人身安全，因而廣泛應用 于機械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。通用機械手因具有獨立的控制系統(tǒng)、 程序可變、可在空間抓、放、搬運物體，動作靈活多樣，適用于可變換生產品種的中、小 批量自動化生產，廣泛應用于柔性自動線。近年來隨著氣動技術的迅速發(fā)展，氣動元件及 氣動自動化技術已越來越多地應用于機械手中，構成氣動機械手。 氣動機械手的全部動作由電磁閥控

13、制的氣缸驅動。其中 , 上升、下降和左移、右移分別 由雙線圈兩位電磁閥控制 , 機械手的放松、夾緊也由雙線圈兩位電磁閥 ( 夾緊電磁閥 控制。 機械手一般由執(zhí)行系統(tǒng)、驅動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和人工智能系統(tǒng)組成 , 主要完成移動、轉動、 抓取等動作。 本課題來源于實驗課題，模擬生產線由六站組成，各站可獨立，可容易的連接在一起 組成一條自動加工生產線，。該課題要求設計搬運站，搬運機械手將工件從上料檢測站搬 至加工站。搬運過程中能實現抓取、提升、回轉、下降、松開等動作，且動作順序、動作 速度可調。用氣動驅動， PLC 控制。包括總體設計，各執(zhí)行機構設計，氣動系統(tǒng)設計、計 算，控制系統(tǒng)設計。技術要求有以下幾

14、點： a. 裝卸、調整方便； b. 結構簡單，工作安全可靠； c. 設計合理，盡量使用標準件，以降低制造成本； d. 用PLC對機械手進行控制。 總體設計思路： a. 確定總體結構的組成、框架及各部分的功能與工作目標。 b. 根據設計任務書的要求，初步計算各工藝參數和結構參數。 c. 設計機體分級部分的結構及主要零件結構。 d. 主要分級結構部分的主要零件強度和剛度，檢查其加工工藝性和裝配工藝性。 e. 保證與其它部分的接口合理。 f. 根據設計結果，修正設計參數。 1.2 課題國內外發(fā)展現狀 國外機器人領域發(fā)展近幾年有如下幾個趨勢 : a. 工業(yè)機器人性能不斷提高 ( 高速度、高精度、高可靠

15、性、便于操作和維修 ，而單機 價格不斷下降，平均單機價格從 91年的 10.3萬美元降至 97年的65萬美元。 b. 機械結構向模塊化、可重構化發(fā)展。例如關節(jié)模塊中的伺服電機、減速機、檢測系 統(tǒng)三位一體化 : 由關節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構造機器人整機。國外已有模塊化裝配機 器人產品問市。 c. 工業(yè)機器人控制系統(tǒng)向基于 PC機的開放型控制器方向發(fā)展，便于標準化、網絡化。 器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結構 : 大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作 性和可維修性。 d. 機器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外， 裝配、焊接機器人還應用了視覺、力覺等傳感

16、器，而遙控機器人則采用視覺、聲覺、力 覺、觸覺等多傳感器的融合技術來進行環(huán)境建模及決策控制。多傳感器融合配置技術在產 品化系統(tǒng)中已有成熟應用。 e. 虛擬現實技術在機器人中的作用已從仿真、預演發(fā)展到用于過程控制，如使遙控機 器人操作者產生置身于遠端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機器人。 f. 當代遙控機器人系統(tǒng)的發(fā)展特點不是追求全自治系統(tǒng)，而是致力于操作者與機器人 的人機交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構成完整的監(jiān)控遙控操作系統(tǒng)，使智能機器人走 出實驗室進入實用化階段。美國發(fā)射到火星上的“索杰納”機器人就是這種系統(tǒng)成功應用 的最著名實例。 g. 機器人化機械開始興起。從 94 年美國開發(fā)出“虛擬軸機床”

17、以來， 這種新型裝置已成為國際研究的熱點之一，紛紛探索開拓其實際應用的領 域。我國的工業(yè)機器人從 80 年代“七五”科技攻關開始起步，在國家的支 持下，通過“七五”、“八五”科技攻關，目前己基本掌握了機器人操作機 的設計制造技術、控制系統(tǒng)硬件和軟件設計技術、運動學和軌跡規(guī)劃技術， 生產了部分機器人關鍵元器件，開發(fā)出噴漆、弧焊、點焊、裝配、搬運等機 器人。其中有 130 多臺套噴漆機器人在二十余家企業(yè)的近 30 條自動噴漆生 產線( 站上獲得規(guī)模應用，弧焊機器人己應用在汽車制造廠的焊裝線上。但 總的來看，我國的工業(yè)機器人技術及其工程應用的水平和國外比還有一定的 距離，如 : 可靠性低于國外產品

18、: 機器人應用工程起步較晚，應用領域窄，生 產線系統(tǒng)技術與國外比有差距。在應用規(guī)模上，我國己安裝的國產工業(yè)機器 人約 200 臺，約占全球已安裝臺數的萬分之四。以上原因主要是沒有形成機 器人產業(yè)，當前我國的機器人生產都是應用戶的要求，“一客戶，一次重新 設計”，品種規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期長、成本也 不低，而且質量、可靠性不穩(wěn)定。因此迫切需要解決產業(yè)化前期的關鍵技 術，對產品進行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、模塊化設計，積極推進產 業(yè)化進程 . 我國的智能機器人和特種機器人在“ 863 ”計劃的支持下，也取得 了不少成果。其中最為突出的是水下機器人， 6000m 水下無纜機

19、器人的成果 居世界領先水平，還開發(fā)出直接遙控機器人、雙臂協(xié)調控制機器人、爬壁機 器人、管道機器人等機種 : 在機器人視覺、力覺、觸覺、聲覺等基礎技術的 開發(fā)應用上開展了不少工作，有了一定的發(fā)展基礎。但是在多傳感器信息融 合控制技術、遙控加局部自主系統(tǒng)遙控機器人、智能裝配機器人、機器人化 機械等的開發(fā)應用方面則剛剛起步，與國外先進水平差距較大，需要在原有 成績的基礎上，有重點地系統(tǒng)攻關，才能形成系統(tǒng)配套可供實用的技術和產 品，以期在“十五”后期立于世界先進行列之中。 第二章 總體方案確定 2.1 總體方案論證 機械手主要由執(zhí)行機構、驅動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測裝置等所組成。 對氣動機械手的基本

20、要求是能快速、準確地拾一放和搬運物件，這就要求它們具有高精 度、快速反應、一定的承載能力、足夠的工作空間和靈活的自由度及在任意位置都能自動 定位等特性。設計氣動機械手的原則是 :充分分析作業(yè)對象 （工件 的作業(yè)技術要求，擬定最 合理的作業(yè)工序和工藝，并滿足系統(tǒng)功能要求和環(huán)境條件。明確工件的結構形狀和材料特 性，定位精度要求，抓取、搬運時的受力特性、尺寸和質量參數等，從而進一步確定對機 械手結構及運行控制的要求。盡量選用定型的標準件，簡化設計制造過程，兼顧通用性和 專用性，并能實現柔性轉換和編程控制 . 本次設計的機械手是通用氣動機械手，是一種適合 于小批生產的、可以變動作程序的自動搬運或操作設

21、備生產場合。 2.1.1 機械手手臂結構方案設計 按照抓取工件的要求，本機械手的手臂有四個自由度，即手臂的夾緊、左右回轉、左右伸 縮和升降運動。手臂的回轉和升降運動是通過立柱來實現的，立柱的橫向移動即為手臂的 手臂的左右伸縮，手臂的各種運動由氣缸來實現 2.1.2 機械手驅動方案設計 氣壓傳動的優(yōu)點： 1. 對于傳動形式而言，氣缸作為線性驅動器可在空間的任意位置組建它所需的運動軌 跡，安裝維護簡單； 2工作介質是取之不盡、用之不竭的空氣，空氣本身不花錢。排氣處理簡單，不污 染環(huán)境，成本低。壓力等級低，使用安全； 3. 氣缸動作速度一般為 50500mm/s,比液壓和電氣方式的動作速度快，其間，

22、通過 單向節(jié)流閥，可使氣缸速度無級調節(jié)； 4. 可靠性高，使用壽命長。電器元件的有效動作數約為數百萬次，而進口的一般電磁 閥的壽命大于 3000 萬次，小型閥超過一億次； 5利用空氣的可壓縮性，可儲存能量，實現集中供氣； 6. 全氣動控制具有防火、防爆、耐潮的能力。與液壓方式相比，氣動方式可在高溫場 合使用； 7. 由于空氣損失小，壓縮空氣可集中供應，遠距離輸送。 根據以上優(yōu)點可知道氣壓傳動系統(tǒng)的動作迅速，反應靈敏，阻力損失和泄漏較小，成 本低廉因此本機械手采用氣壓傳動方式。 2.1.3 機械手控制方案設計 綜合分析機械手的動作要求， PLC 在機械手中需要完成的控制功能較多，控制精度較 高，

23、運算速度較快且具有數據處理能力，并考慮整個系統(tǒng)的經濟和技術指標，由于PLC 的 輸出電流較小，需要用功率模塊來控制比例液壓閥，選用西門子公司的S7-200 系 CPU226 型PLC,其I / O功能和指令系統(tǒng)都能滿足對該機械手的控制要求?？刂瓢粹o、各處的行程 開關及壓力繼電器等開關量信號直接與PLC的輸入端子相連，PLC的開關量輸出端子直接 與各個電磁閥相連，用 PLC上所帶的24V電源或外接24V電源驅動，采用編程軟件 (STEP 7-Micro / WIN V4. 4版進行編程和運行監(jiān)控。 2.1.4 機械手主要參數 a. 主參數 機械手的最大抓重是其規(guī)格的主參數，本設計機械手最大抓重以

24、1kg 為數最多。故該 機械手主參數定為 1kg。 b. 基本參數 運動速度是機械手主要的基本參數。操作節(jié)拍對機械手速度提出了要求，設計速度過 低限制了它的使用范圍。而影響機械手動作快慢的主要因素是手臂回轉的速度。 該機械手最大升降速度設計為 100mm/s,最大回轉速度設計為 450 /s。平均升降速度 為80m/s，平均回轉速度為 90 /s。 2.1.5 機械手的技術參數列表 A. 設計技術參數 a抓重 1 公斤 ( 夾持式手部 b自由度數 4 個自由度 c最大工作半徑 279mm d手臂最大中心高 684.5mm B. 手臂運動參數 夾緊行程 50mm 夾緊速度 50mn/s 升降行程

25、 100mm 升降速度 100mm/s 回轉范圍 0 180 回轉速度 90 /s C. 手指夾持范圍 塑料：40mm D. 定位方式 行程開關 E. 定位精度 士 0.5mm F. 緩沖方式 液壓緩沖器 G. 驅動方式 氣壓傳動 H. 控制方式 點位程序控制 ( 采用 PLC 第二章 總體方案確定 2.1 總體方案論證 機械手主要由執(zhí)行機構、驅動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測裝置等所組成。 對氣動機械手的基本要求是能快速、準確地拾一放和搬運物件，這就要求它們具有高精 度、快速反應、一定的承載能力、足夠的工作空間和靈活的自由度及在任意位置都能自動 定位等特性。設計氣動機械手的原則是 ：充分分析作業(yè)

26、對象 (工件 的作業(yè)技術要求，擬定最 合理的作業(yè)工序和工藝，并滿足系統(tǒng)功能要求和環(huán)境條件。明確工件的結構形狀和材料特 性，定位精度要求，抓取、搬運時的受力特性、尺寸和質量參數等，從而進一步確定對機 械手結構及運行控制的要求。盡量選用定型的標準件，簡化設計制造過程，兼顧通用性和 專用性，并能實現柔性轉換和編程控制 . 本次設計的機械手是通用氣動機械手，是一種適合 于小批生產的、可以變動作程序的自動搬運或操作設備生產場合。 2.1.1 機械手手臂結構方案設計 按照抓取工件的要求，本機械手的手臂有四個自由度，即手臂的夾緊、左右回轉、左右伸 縮和升降運動。手臂的回轉和升降運動是通過立柱來實現的，立柱的

27、橫向移動即為手臂的 手臂的左右伸縮，手臂的各種運動由氣缸來實現 2.1.2 機械手驅動方案設計 氣壓傳動的優(yōu)點： 1. 對于傳動形式而言，氣缸作為線性驅動器可在空間的任意位置組建它所需的運動軌 跡，安裝維護簡單； 2工作介質是取之不盡、用之不竭的空氣，空氣本身不花錢。排氣處理簡單，不污 染環(huán)境，成本低。壓力等級低，使用安全； 3. 氣缸動作速度一般為 50500mm/s,比液壓和電氣方式的動作速度快，其間，通過 單向節(jié)流閥，可使氣缸速度無級調節(jié)； 4. 可靠性高，使用壽命長。電器元件的有效動作數約為數百萬次，而進口的一般電磁 閥的壽命大于 3000 萬次，小型閥超過一億次； 5利用空氣的可壓縮性，可儲存能量，實現集中供氣； 6. 全氣動控制具有防火、防爆、耐潮的能力。與