直線機械手設計方案

1、 直線機械手設計方案蕪湖哈特機器人產業(yè)技術研究院有限公司 日期：2015年8月7日一、項目概述項目設計的直線機械手是針對DMG310機床和沖壓專用機床配套使用。設計內容包括直線機械手及上料器，滿足以下運動過程。機械手從上料器取料，料為直徑25×260，通過機械手送到DMG310機床加工，加工半成品后靠根抓取直徑為20，取出后送到?jīng)_壓專用機床，返回上料器待命。二、項目要求 機械手橫梁總長為8020mm，有效行程為5400mm，抓取的高度范圍為780-1900mm，機械手有5個支腳。下圖為機械手俯視圖，同時，從機械手系統(tǒng)平面布局來看，其機械手放置在機床的上面。設計的機械手采用西門子PLC

2、控制系統(tǒng)，能與主機系統(tǒng)（西門子）實現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊。機械手俯視圖機械手系統(tǒng)平面布局圖項目要求。序號名稱參數(shù)1時間5分鐘為一個循環(huán)周期2工件重量及形狀1kg，25×2603上料器一次上料為20-30個4X軸有效行程5400mm5Z軸有效行程1120mm6控制系統(tǒng)采用PLC控制3、 項目實施方案 本項目從機械、電氣控制方面具體展開項目的實施方案。從機械手系統(tǒng)圖中，系統(tǒng)包括機架、機械手、DMG310機床、專用沖壓機床、控制柜、上料器等組成。機架用于安裝機械手，采用5個支腳結構。機械手包含兩個自由度（X軸直線運動單元和Z軸直線運動單元）和兩個動作（擺臺旋轉180度和工件夾具）。X軸直線運動單元有效

3、行程為5400mm，Z軸直線運動單元有效行程為1120mm。DMG310機床和專用沖壓機床用于工件的加工?？刂乒裼糜诎惭b電氣元件及控制機械手系統(tǒng)。上料器用于機械手自動夾取工件。機械手系統(tǒng)圖 整個機械手系統(tǒng)中，機械手提供X軸，Z軸兩個運動方向，機械手末端設置一個旋轉和一個工件加緊動作。 上料器出口、DMG310機床三爪卡盤、專業(yè)沖壓機床卡盤在同一條直線上。下圖列出了系統(tǒng)的運動過程。從圖中可以看出。機械手首先從上料器取工件，送到DMG310三爪卡盤里，等待DGM310機床加工，加工完成后，機械手取出半成品送到專用機床上。完成后返回到上料器等待下一次循環(huán)過程。DGM310加工取半成品送到專用機床送到

4、DMG310三爪卡盤上料器取料返回上料器待命（1） 機械設計根據(jù)項目的描述，機械結構設計包括機架結構設計、機械手設計（包含夾具設計）、上料器設計等。（1） 機架結構設計。 機架主體需要承受機械手，同時需要很好的穩(wěn)定性，項目需要設置5個支腳。同時為了考慮安裝，橫梁通過裝配固定。五個支腳分別采用斜拉桿固定。結構如圖所示。（2） 機械手設計。機械手為X軸，Z軸兩個運動，X軸有效行程為5400mm，Z軸有效行程為1120mm?？紤]到行程較大，采用齒輪齒條結構的傳動直線單元。設置X軸與Z軸的運動速度為0.4m/s?？紤]到機械手末端需要安裝兩個自由度以及夾具，初步設計負載為10kg。重復定位精度不小于0.

5、1mm。X軸直線運動單元選用齒輪齒條傳動直線運動單元，有效行程 5400mm。Z軸直線運動單元選用齒輪齒條傳動直線運動單元，有效行程 1120mm。X軸減速機選用行星減速機減速比為80/20 。Z軸減速機選用行星減速機減速比為120/20，X 軸電機選用750W 伺服電機Z軸電機選用1.5KW 帶抱閘伺服電機。機械手基本參數(shù)名稱參數(shù)說明X軸運動單元有效行程5400mm，負載100kg，重復精度0.1mmZ軸運動單元有效行程1120mm，負載10kg，重復精度0.1mmX軸減速機傳動比80/20Z軸減速機傳動比120/20X 軸電機750WZ軸電機1.5KW （帶抱閘）旋轉動作采用氣動擺臺，選用

6、的是齒輪齒條式擺臺，可實現(xiàn)0-190°角度調整。末端采用氣爪，開合最大距離為24mm，兩手指加緊力根據(jù)氣壓調節(jié)。夾具設計應方便安裝，夾取工程中需要夾具直徑為25mm和直徑為20mm。設計的夾具如圖所示。夾具示意圖擺臺、氣爪、夾具通過法蘭連接，其連接圖如下。擺臺、氣爪、夾具連接圖（3） 上料器設計。 上料器需要滿以下條件：1、保證上料器前面的工件在機械手抓取范圍內。2、 抓取前一個工件之后，后面一個工件自動補充?？紤]到這兩個因素后，初步設計上料器的高度為1000mm，寬度為400mm。上料器一次能容納20-30個。上料器設計成斜面，采用氣缸將末端工件提起出來，便于夾取。（2） 電氣控制

7、設計 電氣控制采用西門子PLC控制，選用型號為S7-1215C。S7-1200系列PLC 具有集成PROFINET接口、強大的集成工藝功能和靈活的可擴展性等特點， 為各種工藝任務提供了簡單的通信和有效的解決方案。S7-1215C含有2路以太網(wǎng)通信端口，14點數(shù)字量輸入、2點模擬量輸入和10點數(shù)字量輸出，2路100K高速脈沖輸出。因PLC數(shù)字量點數(shù)偏少，增加了DIO板卡SB1223，8路數(shù)字量輸入，8路數(shù)字量輸出。顯示器采用西門子7寸精簡面板KTP700 Basic PN。用戶可以通過顯示屏進行系統(tǒng)設置和運行程序。 控制柜設計應滿足安裝方便，外觀美觀，同時為了操作方便，在控制柜的上安裝顯示屏，方

8、便用戶操作。同時控制柜上安裝一些導軌，便于安裝電氣元器件?？刂乒駷楸ＷC系統(tǒng)位置精度，機械手開機后進行零位查找，因此設置兩個零位開關。為了保證系統(tǒng)安全性，在X軸、Z軸兩側分別設置了限位開關； 在上料器兩側使用一對光電開關檢測工件有無。下圖是系統(tǒng)各設備位置示意圖。系統(tǒng)各設備位置示意圖系統(tǒng)開機后，手動測試X軸、Z軸的限位開關D點、C點、E點、F點以及零位開關A點和B點。測試無故障后，機械手運動到上料器位置初始點，光電開關檢測到有工件，機械手下降高度H2后，電磁閥控制夾具夾取工件。若開關檢測當前無工件，則系統(tǒng)等待。抓取到工件后機械手回升到初始點，繼而運動到加工點。待機械手下降H1，將工件輸送動三爪卡盤

9、中，返回到加工點。再次等待DMG310門打開，機械手將工件取出，機械手運動到?jīng)_壓點。待專用沖壓機床門打開，機械手下降H3，將半成品輸送到卡盤中，回升到?jīng)_壓點，繼而運動到初始點，等待下一個過程。 機械手夾取系統(tǒng)有手動、自動以及示教三種模式。手動模式用于設備的開機檢查，示教模式用于記錄系統(tǒng)運動過程，應用于自動模式，系統(tǒng)最多可保存三種運動過程。示教模式完成后，自動模式調用示教數(shù)據(jù)，完成自動運行。其系統(tǒng)的結構控制如下所示。機械手夾取系統(tǒng)自 動手 動示 教換料放料取料至初始位回零位加工完成檢測控制總體結構系統(tǒng)的程序流程圖如下：開始系統(tǒng)上電零點檢測及限位檢測自動運行否本工作位置結束是系統(tǒng)斷電結束系統(tǒng)流程圖

10、開始否檢測是否有信號是取料加工結束自動運行圖4、 技術問題 1、 機械手旋轉及工件夾取需要氣源，設備是自配空氣壓縮機，還是車間配置氣源。2、 機械手需要DMG310機床或專用沖壓機床一個輸入信號，將工件放置到三角卡盤中，此信號是通過DMG310機床或專用沖壓機床門上安裝光電開關，還是通過通訊方式實現(xiàn)。3、 機械手將工件放入DMG310機床中，機械手等待機床加工工件，是通過DMG310機床給定信號，還是通過延時信號實現(xiàn)機床完成加工工件。4、 機械手對工件需要精確定位，因此工件的表面粗糙度及尺寸公差如何。 5、 項目預算結合項目的要求，以及產品的基本選型，對其項目做個初步預算。具體預算如下：產品數(shù)

11、量/套說明單價（元/套）元（兩套）機械結構2包括機架、上料器、夾具、2400048000機械手2X直線運動單元、Z直線運動單元、X 軸減速機、Z 軸減速機、X 軸電機、Z 軸電機、擺臺、氣爪。64000128000控制系統(tǒng)軟硬件2控制柜、控制器、顯示屏、DIO板卡，軟件編程(調試)。52000104000輔助器件2包括電磁閥2個，過濾閥1個、限位開關4、光電開關6個，線纜、氣管接頭等。30006000設計費裝運輸費用230006000人工安裝21200024000其他費用2設計研發(fā)過程中不可預知費用800016000稅費2費率17%3587064090總價（元）246

12、870441090一套總價為貳拾肆萬陸仟捌佰柒拾圓，兩套總價為肆拾肆萬壹仟零玖拾圓附錄PLC 1215C 技術參數(shù)尺寸 W x H x D（ mm）130 x 100 x 75重量520 g功耗12 W可用電流（ SM 和 CM 總線）最大 1600 mA（ 5 V DC）可用電流（ 24 V DC）最大 400 mA（ 傳感器電源）數(shù)字輸入電流消耗（ 24 V DC）所用的每點輸入 4 mA用戶存儲器125 KB 工作存儲器 /4 MB 負載存儲器， 可用專用 SD 卡擴展 /10 KB 保持性存儲器板載數(shù)字 I/O14 點輸入 /10 點輸出板載模擬 I/O2 點輸入 /2 點輸出位存儲器

13、（ M）8192 個字節(jié)信號模塊擴展最多 8 個信號模塊信號板擴展最多 1 塊信號板通信模塊擴展最多 3 個通信模塊高速計數(shù)器共 6 個單相： 3 個 100 kHz 以及 3 個 30 kHz 的時鐘頻率； 正交相位： 3 個 80 kHz 以及 3 個 20 kHz 的時鐘頻率端口數(shù)2類型以太網(wǎng)接數(shù) 3 個用于 HMI 8 個用于客戶端 GET/PUT(CPU 間 S7 通信 ) 1 個用于編程設備 8 個用于用戶程序中的以太網(wǎng)指令 3 個用于服務器 GET/PUT(CPU 間 S7 通信 )電壓范圍20.4 28.8 V DC/22.0 28.8 V DC（ 環(huán)境溫度 -20 º

14、;C 0 ºC）輸入電流最大負載時僅包括 CPU最大負載時包括 CPU 和所有擴展附件24 V DC 時 500 mA24 V DC 時 1500 mA脈沖串輸出頻率（ Qa.0 和 Qa.2）最大 100 kHz， 最小 2 HzDIO板卡SB1223 技術參數(shù)尺寸 W x H x D（ mm）45 x 100 x 75重量210 g功耗2.5 W電流消耗（ SM 總線）145 mA電流消耗（ 24 V DC）所用的每點輸入 4 mA數(shù)字輸入輸入點數(shù)8類型漏型 / 源型（ IEC 1 類漏型）額定電壓4 mA 時 24 V DC， 額定值允許的連續(xù)電壓最大 30 V DC浪涌電壓35 V DC， 持續(xù) 0.5 s同時接通的輸入數(shù)8數(shù)字輸出輸出點數(shù)8類型固態(tài) MOSFET電壓范圍20.4 28.8 V DC燈負載5 W通態(tài)觸點電阻最大 0.6 浪涌電流過載保護無開關延遲斷開到接通最長為 50s接通到斷開最長為 200s同時接通的輸出數(shù)8精簡面板KTP700 Basic PN