機械手手爪部位畢業(yè)設(shè)計論文說明書

1、-PAGE . z . I . . r . .目 錄摘要1引言11.機械手總體方案設(shè)計21.1設(shè)計要求21.2運動形式的選擇21.3驅(qū)動方式的選擇41.4總體構(gòu)造設(shè)計52.機械手手部設(shè)計62.1構(gòu)造分析62.2計算分析63.PLC控制系統(tǒng)設(shè)計113.1機械手移開工件控制系統(tǒng)的控制要求113.2機械手移開工件控制系統(tǒng)的PLC選型和資源配置133.3機械手移開工件控制系統(tǒng)的PLC程序144.動畫制作184.1建立機械手模型184.2制作機械手的動畫18完畢語26致26參考文獻26附錄27摘 要機械手設(shè)計包括機械構(gòu)造設(shè)計，檢測傳感系統(tǒng)設(shè)計和控制系統(tǒng)設(shè)計等，是機械、電子、檢測、控制和計算機技術(shù)的綜合應(yīng)

2、用。本課題通過對設(shè)計要求的分析，設(shè)計出機械手的總體方案，重點闡述了手部構(gòu)造的設(shè)計以及控制系統(tǒng)硬軟件的設(shè)計，完成了整個系統(tǒng)工作的動畫設(shè)計。實現(xiàn)了機械手的根本搬運功能，到達了預(yù)期要求，具有一定的應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞：機械手 PLC 動畫引 言隨著世界經(jīng)濟和技術(shù)的開展，人類活動的不斷擴大，機器人應(yīng)用正迅速向社會生產(chǎn)和生活的各個領(lǐng)域擴展，也從制造領(lǐng)域轉(zhuǎn)向非制造領(lǐng)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(nóng)林業(yè)、效勞、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(yīng)用，很多領(lǐng)域，許多單一、重復(fù)的機械工作由機器人也稱機械手來完成。工業(yè)機器人是一種能進展自動控制

3、的、可重復(fù)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(zhì)量與產(chǎn)量，而且對保障人身平安，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)本錢，有著十分重要的意義。和計算機、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)一樣，工業(yè)機器人的廣泛應(yīng)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(shè)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(yīng)用于自動生產(chǎn)線、自動機的上下料、數(shù)控設(shè)備的自動換刀裝置中。機械手一般由執(zhí)行系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和人工智能組成，主要完成移動、轉(zhuǎn)動、抓取等動作

4、?？刂葡到y(tǒng)是機械手的指揮系統(tǒng)，它通過控制驅(qū)動系統(tǒng)，讓執(zhí)行器按照規(guī)定的要求進展工作，并檢測其正確與否?？删幊炭刂破鱌LC是一種數(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(shù)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，PLC具有可靠性高、抗干擾能力強；編程簡單、使用方便；設(shè)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)。1.機械手總體方案設(shè)計1.1設(shè)計要求：1.機械手能夠完成從一個工作點取物體旋轉(zhuǎn)一定角度，放到另一個工作點上。2.

5、要求完成手抓構(gòu)造的設(shè)計，進展夾緊力的計算分析。初值給定如下：工件質(zhì)量m=0.1kg摩擦系數(shù)=0.15重力加速度g=9.8m/s2垂直加速度a=0.3g=2.94m/s2水平加速度a=0.3g=2.94m/s2回轉(zhuǎn)半徑r=0.5m角速度3.5rad/s角加速度2.1rad/s2平安系數(shù)S=1.45夾角453.要求選用PLC作為控制系統(tǒng)。1.2運動形式的選擇：根據(jù)主要的運動參數(shù)選擇運動形式是構(gòu)造設(shè)計的根底。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。1.直角坐標(biāo)型機器人 直角坐標(biāo)型機器人的構(gòu)造簡圖如圖1-1所示，它在*,y,z軸上的運動是獨立的，3個關(guān)節(jié)都是移動關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié)軸線

6、相互垂直，它主要用于生產(chǎn)設(shè)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)計算比擬方便。(3)由于可以兩端支撐，對于給定的構(gòu)造長度，其剛性最大。(4)要求保存較大的移動空間，占用空間較大。(5)要求有較大的平面安裝區(qū)域。(6)滑動部件外表的密封較困難，容易被污染。2.圓柱坐標(biāo)型機器人圓柱坐標(biāo)型機器人的構(gòu)造簡圖如圖1-2所示，R、和*為坐標(biāo)系的三個坐標(biāo)，其中R是手臂的徑向長度，是手臂的角位置，*是垂直方向上手臂的位置。這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部。(3)空間定位比擬直觀。(4)直線驅(qū)動局

7、部難以密封、防塵及防御腐蝕物質(zhì)。(5)手臂端部可以到達的空間受限制，不能到達靠近立柱或地面的空間。3.極坐標(biāo)型機器人 極坐標(biāo)型機器人又稱為球坐標(biāo)機器人，其構(gòu)造圖如圖1-3所示，R，和為坐標(biāo)系的坐標(biāo)。其中是繞手臂支撐底座垂直軸的轉(zhuǎn)動角，是手臂在鉛垂面的的擺動角。這種機器人運動所形成的軌跡外表是半球面。其特點是：(1)在中心支架附近的工作圍較大。(2)兩個轉(zhuǎn)動驅(qū)動裝置容易密封。(3)覆蓋工作空間較大。(4)坐標(biāo)系較復(fù)雜，較難想象和控制。(5)直線驅(qū)動裝置仍存在密封問題。(6)存在工作死區(qū)。4.多關(guān)節(jié)機器人 多關(guān)節(jié)機器人構(gòu)造簡圖如圖1-4所示，它是以其各相鄰運動部件之間的相對角位移作為坐標(biāo)系的。、和

8、為坐標(biāo)系的坐標(biāo)，其中是繞底座鉛垂軸的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)角。這種機器人手臂可以到達球形體積絕大局部位置，所能到達區(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(guān)節(jié)驅(qū)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(qū)動。(5)運動難以想象和控制，計算量較大。(6)不適于液壓驅(qū)動。圖1-1 直角坐標(biāo)型 圖1-2 圓柱坐標(biāo)型 圖1-3 極坐標(biāo)型 圖1-4 多關(guān)節(jié)型 選擇方案的準(zhǔn)則：1.滿足設(shè)設(shè)計要求：機械手能夠旋轉(zhuǎn)一定角度。2.構(gòu)造簡單，便于計算分析。分析比擬以上四種運動形式，確定選用圓柱

9、坐標(biāo)型機器人。1.3驅(qū)動方式的選擇：機器人關(guān)節(jié)的驅(qū)動方式有液壓式、氣動式、和電動式。下面將三種驅(qū)動方式進展分析比擬。1.液壓驅(qū)動機器人的驅(qū)動系統(tǒng)采用液壓驅(qū)動，有以下幾個優(yōu)點：(1)液壓容易到達較高的壓力常用液壓為2.56.3MPa，體積較小，可以獲得較大的推力或轉(zhuǎn)矩；(2)液壓系統(tǒng)介質(zhì)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、速度和方向比擬容易實現(xiàn)自動控制；(4)液壓系統(tǒng)采用油液作介質(zhì)，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)的缺乏之處是：(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)液體的泄漏難于克制

10、，要求液壓元件有較高的精度和質(zhì)量，故造價較高；(3)需要相應(yīng)的供油系統(tǒng)，尤其是電液伺服系統(tǒng)要求嚴(yán)格的濾油裝置，否則會引起故障。液壓驅(qū)動方式的輸出力和功率更大，能構(gòu)成伺服機構(gòu)，常用于大型機器人關(guān)節(jié)的驅(qū)動。2.氣壓驅(qū)動與液壓驅(qū)動相比，氣壓驅(qū)動的特點是：(1)壓縮空氣粘度小，容易到達高速；(2)利用工廠集中的空氣壓縮站供氣，不必添加動力設(shè)備；(3)空氣介質(zhì)對環(huán)境無污染，使用平安，可直接應(yīng)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。它的缺乏之處是：(1)壓縮空氣常用壓力為0.40.6MPa，假設(shè)要獲得較大的力，其構(gòu)造就要相對增大；(2)空氣壓縮性大，工作平穩(wěn)性差，速度控制困難，要

11、到達準(zhǔn)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(dāng)會使鋼類零件生銹，導(dǎo)致機器人失靈。此外，排氣還會造成噪聲污染。氣動式驅(qū)動多用于點位控制、抓取、開關(guān)控制和順序控制的機器人。3.電動機驅(qū)動電動機驅(qū)動可分為普通交、直流電動機驅(qū)動，交、直流伺服電動機驅(qū)動和步進電動機驅(qū)動。 普通交、直流電動機驅(qū)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)速度和位置的準(zhǔn)確控制，適用于中小型機器人。交、直伺服電動機一般用于閉環(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

12、設(shè)計的機械手的特點：1.點位控制進展搬運工作，采用順序控制方式。2.負載小，精度要求不高。3.要求本錢低。根據(jù)以上特點，確定選用氣壓驅(qū)動。1.4總體構(gòu)造設(shè)計根據(jù)圓柱坐標(biāo)型運動方式和氣壓驅(qū)動方式的選定，對機械手進展總體構(gòu)造的設(shè)計，機械構(gòu)造由擺動氣缸、雙聯(lián)氣缸、單聯(lián)氣缸和氣爪組成，構(gòu)造圖如圖1-5所示。圖1-5 機械手總體構(gòu)造圖2.機械手手部設(shè)計2.1構(gòu)造分析機械手的手部是最重要的執(zhí)行機構(gòu)，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(gòu)可分回轉(zhuǎn)型、

13、平動型和平移型?；剞D(zhuǎn)型的特點是當(dāng)手爪夾緊和松開物體時，手指作回轉(zhuǎn)運動。當(dāng)被抓物體的直徑大小變化時，需要調(diào)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(gòu)傳動，當(dāng)手爪夾緊和松開物體時，手指姿態(tài)不變，作平動。和回轉(zhuǎn)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(dāng)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。為便于夾持防止固定中心的麻煩，采用平移型，圖2-1所示的是靠導(dǎo)槽保持手指作平移運動。手部構(gòu)造也采用氣壓驅(qū)動。圖2-1 手部裝配圖2.2計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頓狀態(tài)開場的直

14、線運動和旋轉(zhuǎn)運動的組合，所以伴隨有速度和加速度.工件有了加速度，其視在重量就變化。設(shè)機械手手部縱向中心線上所加的驅(qū)動力為P，P氣缸有效截面積使用的氣壓.作用在一個指尖上的夾緊力為Q方向沿手指的運動方向.設(shè)兩個手指以摩擦力2Q，工件重量為G=mg.夾起工件要計算的是單個手指所必須的力Q.1.垂直上升的情況如圖2-2所示，工件以加速度a垂直上升，要使工件不掉下，下式必須成立.得代入數(shù)據(jù)，得圖2-2 工件垂直上升時受力分析圖2.水平旋轉(zhuǎn)的情況機械手部繞垂直軸以半徑r作水平旋轉(zhuǎn)，工件夾緊面與旋轉(zhuǎn)圓弧切線方向平行，如圖2-3所示。切線方向：主法線方向：副法線方向：聯(lián)立上式，求解得代入數(shù)據(jù)，得后指：由于是

15、機械手部機構(gòu)，QF=QR,所以結(jié)果Q必須滿足下式代入數(shù)據(jù)，得 圖2-4 工件水平直進時受力分析圖綜上所述，得由于考慮到設(shè)計的機械手的平安問題，應(yīng)再乘上一個平安系數(shù)S。夾緊力Q與壓強的關(guān)系由實驗測得，如圖2-5所示。由設(shè)計要求得知夾持長度L25mm,根據(jù)圖2-5可知所加的壓強約為0.5MPa.圖2-5 夾緊力、夾持長度、壓強關(guān)系圖3.PLC控制系統(tǒng)設(shè)計3.1機械手移開工件控制系統(tǒng)的控制要求3.1.1機械手移開工件的根本構(gòu)造、工作流程和工作原理1.機械手移開工件的根本機構(gòu)機械移開工件的根本構(gòu)造圖如圖3-1所示。圖3-1 機械移開工件的根本構(gòu)造圖2.機械手移開工作的工作流程機械手移開工件單個工作流程

16、示意圖如圖2-2所示。機械手移開工件的單個工作流程由復(fù)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(biāo)位置、放下工件和移動到初始位置6個過程組成。機械手移開工件通過PLC平控制，可以實現(xiàn)這6個過程全自動依次運行。3.機械手移開工件的工作原理由于本機械手采用氣動傳動，為方便檢測，選用磁性開關(guān)作為傳感器。安裝在氣缸外部即可。機械手移開工件通過磁性限位開關(guān)與電磁閥來控制。(1)機械手左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、左移、右移、上移、下移分別通過左轉(zhuǎn)電磁閥、右轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動的最大位置由左轉(zhuǎn)限位開關(guān)SL0、右轉(zhuǎn)限位開關(guān)SL1、左移限位開關(guān)SL2、右移

17、限位開關(guān)SL3、上移限位開關(guān)SL4、下移限位開關(guān)SL5來控制。(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(shè)為3秒。放松工件通過放松限位開關(guān)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，假設(shè)不是機械手先進展復(fù)位，然后再進入機械手正式工作狀態(tài)。按下停頓按扭，等機械手運行到初始位置后，再停車。按下急停按鈕，斷開PLC外部負載電源和氣動裝置電源，系統(tǒng)立即停頓。開 始復(fù)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(biāo)處完畢圖3-2 機械手移開工件單個工作流程 3.1.2設(shè)備控制要求該系統(tǒng)要求機械手能自動進展工作，轉(zhuǎn)動時要求回轉(zhuǎn)半

18、徑最小，要具體控制要求如下：(1)按下啟動按鈕，系統(tǒng)進展自檢查機械是否在初始位置，不是的話先進展復(fù)位工作，然后進展正式工作。(2)復(fù)位工作控制要求如下：= 1 * GB3 機械手首先上移，直到運動到最上端。= 2 * GB3 上移后，機械手開場右移。= 3 * GB3 右移完成后，機械手開場左轉(zhuǎn)，至此，復(fù)位工作完成。(3)正式工作控制要求如下：= 1 * GB3 機械手開場左移，一直運動到最左端。= 2 * GB3 運行到最左端后，機械手開場向下運動。= 3 * GB3 到達最下端后，機械手開場夾緊工件，一直到把工件夾緊為止，時間由定時器控制，定時為3秒。= 4 * GB3 機械手開場向上運動

19、，運動到最上端。= 5 * GB3上移后，機械手開場右移。= 6 * GB3 右移完成后，機械手開場右轉(zhuǎn)，直到右轉(zhuǎn)限位開關(guān)檢測到信號。= 7 * GB3 右轉(zhuǎn)完成后，機械手下移。= 8 * GB3 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(guān)檢測到信號。= 9 * GB3 工件松開后，機械手開場向上運動。= 10 * GB3 到達最上端后，機械手開場左轉(zhuǎn)，真到左轉(zhuǎn)限位開關(guān)檢測到信號，此時機械手已加到初始位置。(4)該系統(tǒng)進展自動連續(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)停頓運行。重新啟動后，由于急停時機械手位置的不確定性，要進展復(fù)位工作。3

20、.2機械手移開工件控制系統(tǒng)的PLC選型和資源配置3.2.1PLC選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，應(yīng)選用三菱公司的F*1N-24MR-001型號。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)存放器8000點。3.2.2系統(tǒng)資源分配1.I/O觸點分配根據(jù)系統(tǒng)控制要求，I/O分配如表3-1所示。表3-1 I/O觸點分配表輸入設(shè)備輸入地址輸出設(shè)備輸出地址左轉(zhuǎn)限位開關(guān)SL0*000左轉(zhuǎn)電磁閥Y000右轉(zhuǎn)限位開關(guān)SL1*001右轉(zhuǎn)電磁閥Y001左移限位開關(guān)SL2*002左移電磁閥Y002

21、右移限位開關(guān)SL3*003右移電磁閥Y003上移限位開關(guān)SL4*004上移電磁閥Y004下移限位開關(guān)SL5*005下移電磁閥Y005放松限位開關(guān)SL6*006放松電磁閥Y006啟動按鈕*007夾緊電磁閥Y007停頓按扭*0102.定時器局部這個控制系統(tǒng)夾緊工件需要定時器來控制夾緊程度。時間設(shè)為3秒。定時器分配如表3-2所示。表3-2 定時器分配定時器功能T0夾緊工件時定時3s3.2.3硬件電路接線圖硬件電路接線圖如圖3-3所示。0 1*000 Y000*001 Y001*002 Y002*003 Y003*004 2*005 Y004*006 Y005*007 Y006*010 Y007SL0SL1SL2SL3SL4SL5SL6startstop電源左轉(zhuǎn)右轉(zhuǎn)左移放松右移上移下移夾緊F*1N-24MR-001 圖3-3 硬件電路接線圖3.3機械手移開工件控制系統(tǒng)的PLC程序3.3.1編程軟件采用三菱公司編程軟件F*GP/WIN-C，其界面如圖3-4所示。3.3.2程序流程圖根據(jù)系統(tǒng)控制要求，畫出程序流程圖。見附件1。3.3.3狀態(tài)圖此程序用步進指令編寫比擬方便直觀。根據(jù)流程圖?？僧嫵鰻顟B(tài)圖，如圖3-5所示。3.3.4梯形圖見附錄 3.