棒料搬運機械手設(shè)計

摘要在社會不斷發(fā)展的今天，機器人在工業(yè)現(xiàn)場中的應(yīng)用也越來越廣泛，用機器的力量代替人力，而將人類從繁重的體力勞動中解放出來是歷史發(fā)展的趨勢。近十幾年來，機器人的開發(fā)不僅越來越優(yōu)化，而且涵蓋了許多領(lǐng)域，應(yīng)用的范疇十分廣闊。在工業(yè)上，自動控制系統(tǒng)有著廣泛的應(yīng)用，如工業(yè)自動化機床控制，計算機系統(tǒng)，機器人等。而工業(yè)機器人是相對較新的電子設(shè)備，它正開始改變現(xiàn)代化工業(yè)面貌。本設(shè)計的機械手是基于提高勞動生產(chǎn)率、產(chǎn)品質(zhì)量和經(jīng)濟效益，減輕工人勞動強度而設(shè)計的。在某些勞動條件極其惡劣的條件下，工人難以用手工工作，可用本機械手代替人力勞動。本設(shè)計為四自由度圓柱坐標型工業(yè)機械手，其工作方向為兩個直線方向和兩個旋轉(zhuǎn)方向。本設(shè)計中的四自由度棒料搬運機械手，主要是針對質(zhì)量少于2KG的圓形棒料的搬運。通過氣爪手指的不同選擇可滿足直徑小于60mm的棒料的搬運。在控制器的作用下，機械手執(zhí)行將工件從一條流水線拿到另一條流水線并把工件翻轉(zhuǎn)過來這一簡單的動作。關(guān)鍵詞：四自由度；機械手；搬運；工業(yè)機器人

AbstractTodaythatdevelopcontinuouslyinthesociety,TherobotaremoreandmoreUsingatindustrysceneapplication.Replacesthemanpowerwiththemachinestrength,It‘sthehistoricaldevelopmenttendencythatliberatesthehumanityfromthearduousphysicallabor.Intherecentseveralyears,therobotdevelopmentnotonlymoreandmoreoptimizes,butalsomoreoverhascoveredmanydomains.Industrially,automaticcontrolsystemsarefoundinnumerousapplications,suchasautomationmachinetoolcontrol,computersystemsandrobotics.Industrialrobotsarerelativelynewelectromechanicaldevicesthatarebeginningtochangetheappearanceofmodernindustry.Thispaperdesignforenhancesthelaborproductivity,productquality,economicefficiencyandreducestheworkerlaborintensity.Somejobworkingatextremelybadenvironment,thatpeoplecan’tworkinhand,sotherobotscanreplaceworkertodoit.Thisschemeintroducedacylindricalrobotforfourdegreeoffreedom.ItiscomposedoftwolinearaxesandtworotaryaxiscurrentThispapermainlyuseatthetransportingofcirculargoodmaterialthatqualityisshortto2KG.ThedifferentfingernailfingerwasChoicefortransportingthegoodmaterialthatdiameterissmallerthan60mm.Undercontrollerfunctiontherobotmovethecomponentsfromoneassemblylinetootherassemblylineandturnoveritinspace,performrelativelysimpletakes.Keywords:fourdegreesoffreedom;robot;transporting;Industrialrobot目錄TOC\o"1-3"\u摘要 ⑶氣缸型號的選擇由以上參數(shù)的計算選費斯托公司的DNG-32-320-PPV-A型氣缸本氣缸活塞安裝有傳感裝置，活塞位置可以被行程開關(guān)檢測到，從而實現(xiàn)對氣缸位置的控制。選用的控制安裝附件為SMB-2-B。該氣缸的緩沖長度為19mm.表5-3氣缸參數(shù)最大許用工作壓力12bar（160320mm;10bar）溫度范圍-20℃+80℃[mm]6bar時推進力[N]6bar時推進力[N]緩沖長度[mm]連續(xù)尺寸3248241519表5-4氣缸材料型號DNG軸承和端蓋、缸筒；鋁；（；高質(zhì)合金鋼）；活塞桿、拉桿：高質(zhì)合金鋼；密封；丁腈連接形式由于本氣缸工作行程較大，且推桿端的垂直負載較大，使推桿受的彎曲應(yīng)力較大。選用該氣缸的一個安裝附件，導(dǎo)向單元FENG-32-320-KF。氣缸直接安裝在該導(dǎo)向單元上。下圖為該導(dǎo)向單元外觀圖5.5圖5.5導(dǎo)向單元下圖5.6為最大工作負載與導(dǎo)桿投影距離之間的關(guān)系圖圖5.6負載特性圖由上圖表可查得本設(shè)計選用的FENG-32氣缸在最大伸長距離320mm的情況下其最大負載為55N。而氣爪連工件的質(zhì)量約為4kg，擺動氣缸質(zhì)量為1.02kg。所以導(dǎo)向單元的實際總負載=5.02kg=49.196N。滿足設(shè)計要求，該導(dǎo)向單元可用。氣缸DNG用于補償徑向和軸向偏差的連軸節(jié)用戶可以根據(jù)需要在這根軸上加打安裝孔圖5.7導(dǎo)向單元與氣缸連接圖6機器人控制系統(tǒng)的設(shè)置6.1機械手控制器的選擇工業(yè)機械于是一種模仿人手動作．井按設(shè)定的程序軌跡和要求代替人手抓取、搬運工件或操持工具進行操作的機電一體化自動化裝置。工業(yè)機械手的電氣控制系統(tǒng)是通過控制氣缸電磁換向閥，電機的正反轉(zhuǎn)來實現(xiàn)不同的動作的，有采用單片機控制的，也有采用可編程控制器來控制的，若采用單片機控制．由于電磁的工作電壓高于單片機的+5伏電源．所需驅(qū)動電流較大．因而須設(shè)計功率接口電路．還要進行抗干擾及其可靠性的設(shè)計。而采用PLC控制，則無需考慮上述問題。ＰＬＣ有著極大的靈活性，易于模塊化，當機械手工藝流程改變時，只要對Ｉ／Ｏ點的接線稍作修改，或Ｉ／Ｏ繼電器重新分配，程序中作簡單修改，補充擴展即可。機械手的速度、電機運行所需的脈沖數(shù)都可以根據(jù)給定的要求給予置。用ＰＬＣ控制的機械手將更具靈活性、可靠性、降低成本，提高效率，有著很好的經(jīng)濟效益。本設(shè)計機械手采用ＰＬＣ控制。6.2機械手控制系統(tǒng)的特點及對控制功能的基本要求工業(yè)機器人具有多個自由度，每個自由度一般包括一個伺服機構(gòu)，它們必須協(xié)調(diào)起來，組成一個多變量控制系統(tǒng)。這種多變量的控制系統(tǒng)，一般可用單片機，PLC，計算機等來實現(xiàn)。在作業(yè)中機器人的工作任務(wù)是要求操作機的末端執(zhí)行器按點位或軌跡運動，并保持設(shè)定的姿態(tài)。在運動中或在規(guī)定的某點位執(zhí)行作業(yè)規(guī)定的操作。在機器人的各類作業(yè)中，運動和控制方式主要有兩種。1）點位控制方式（PTP控制）這種控制方式考慮到末端執(zhí)行器在運動過程中只在某些規(guī)定的點上進行操作，因此只要求末端執(zhí)行器在目標點處保證準確的位姿以滿足作業(yè)質(zhì)量要求。而對達到目標點的運動軌跡（包括移動的路徑和運動的姿態(tài)）則不作任何規(guī)定，這種控制方式易于實現(xiàn)，但不易達到較高的定位精度，適用于上下料、搬運、點焊和在電路板上安插元件等只要求在目標點保持末端執(zhí)行器準確的位姿的作業(yè)中。2）連續(xù)軌跡控制方式（CP控制）這種控制方式要求末端執(zhí)行器嚴格按規(guī)定的軌跡和速度在一定精度要求內(nèi)運動，以完成作業(yè)要求，這種必須保證機器人各關(guān)節(jié)連續(xù)、同步地實現(xiàn)相應(yīng)的運動。這種連續(xù)軌跡運動，可看成是若干密集軌跡曲線。若設(shè)定的點足夠密，就能用點位控制的方法實現(xiàn)所需精度的連續(xù)軌跡運動。本設(shè)計機械手用于棒料的點對點搬運，對運動軌跡沒太大要求。所以選用點位控制方式。6.3控制系統(tǒng)的總體設(shè)計機械手控制系統(tǒng)的基本功能：本機械手要具有回原點、手動{點動)和自動{單步、連續(xù)1控制的操作方式。手動操作用按鈕操作對機械手的每一種運動單獨進行控制?；卦c操作方式按下回原點啟動按鈕，機械手自動返回原點位置。自動操作包括單步操作和連續(xù)運行兩種操作方式。操作前提是機械手須處在原點位置上。1)單步操作每按一次按鈕，機械手完成一步動作后自動停止。2)連續(xù)運行系統(tǒng)一旦啟動，機械手的動作將自動地連續(xù)不斷地周期性循環(huán)。期間若按停止按鈕，要完成一個完整的動作循環(huán)才停止。為方便控制系統(tǒng)適應(yīng)各具體工作情況作小幅，整個控制系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)，以方便指令中的IST狀態(tài)初始化指令來進行設(shè)計?？傑浖到y(tǒng)包括初始化電路、故障報警程序、點動操作程序、回原點程序及自動操作程序五大模塊構(gòu)成，分別解決單個問題．然后再進行綜合。各結(jié)構(gòu)模塊如下：初始電路初始電路障礙報警程序障礙報警程序點動操作程序點動操作程序回原點程序回原點程序自動操作程序`自動操作程序 [END]圖6.1機械手系統(tǒng)模塊本設(shè)計機械手完成的動作是一個固定的循環(huán)動作，其循環(huán)動作如下圖6.2手臂下降初始位置底座旋轉(zhuǎn)手臂收縮手臂上升松開手臂下降手臂伸長夾緊手臂上升底座旋轉(zhuǎn)手臂下降初始位置底座旋轉(zhuǎn)手臂收縮手臂上升松開手臂下降手臂伸長夾緊手臂上升底座旋轉(zhuǎn)圖6.2機械手的動作示意圖及動作順序本機械手中驅(qū)動部分由電機與氣動兩部分組成，其中電機部分由PLC直接控制。而氣動部分則由PLC控制電磁筏來實現(xiàn)控制。下圖6.3為氣動部分原理圖：圖6.3氣動原理表6-1氣動系統(tǒng)工作順序電磁鐵動作1YA2YA3YA4YA5YA6YA氣爪夾緊-+氣爪松開+手臂伸出+--手臂收縮--+翻轉(zhuǎn)工件+-轉(zhuǎn)正氣爪+為了使機械手在作過程中實現(xiàn)自動或手動運行及運行的安全可靠，擺動氣缸，手臂升降都選用限位開關(guān)控制，以給相應(yīng)的電磁闌傳遞通、斷信息。而氣爪，伸縮氣缸則運用其內(nèi)部的位置傳感器作為位置的控制。將其傳感器的信息傳遞給PLC，以實現(xiàn)PLC對其位置的控制。而底座旋轉(zhuǎn)通過帶傳動帶動底座位置傳感器，從而將位置信息傳給PLC實現(xiàn)控制。7手臂驗算與機械手參數(shù)7.1手臂平衡的驗算手臂工作長度較大，而且手臂伸縮端安裝有氣爪，氣爪夾緊工件。此處對絲桿力矩較大。所以應(yīng)該作平衡驗算。手臂氣爪端對絲桿的力矩：式中：——手臂工件端對絲桿的力矩（）；——擺動氣缸的重力（N）,本設(shè)計為12.25N；——工件的重力（N）,本設(shè)計為19.8N；——氣爪的重力（N）,本設(shè)計為19.6N；——手臂氣爪端對絲桿的力矩（

m）,本設(shè)計為0.4m;把以上數(shù)據(jù)代入得:手臂端蓋端對絲桿的力矩：式中：Md——手臂端蓋端對絲桿的力矩（）；Gd——端蓋端的重力（N）,本設(shè)計為其質(zhì)量為4.452KG,得重力為43.623N；L1——手臂端蓋對絲桿的力臂（

m）,本設(shè)計為0.3m;把以上數(shù)據(jù)代入得:由此得手臂端蓋端與手臂工件端的合力矩為代入得:手臂對絲桿的力矩總終由底座來平衡.底座通過螺栓安裝.考慮最大負載情況，由單個螺栓承受此力矩時其受的拉力為Fl=M/L2式中：L2——螺栓到絲桿的力臂（m），本設(shè)計為0.165m；M——手臂端蓋端與手臂工件端的合力矩，由前計算得M=7.83把以上數(shù)據(jù)代入Fl=M/L2得:Fl==7.83/0.165=47.45N底座選用的安裝螺栓為M10可得其最大工作條件下的應(yīng)力式中：A——螺栓的截面面積，代入得：普通的螺栓的抗拉強度都大于450，可見螺栓能滿足要求。機械手工作能達到平衡。7.2機械手參數(shù)氣爪夾力為表7-1機械手的最終運動設(shè)計參數(shù)：機械手機構(gòu)工作范圍工作速度底座轉(zhuǎn)動角度2400轉(zhuǎn)動速度伸縮手臂伸縮距離300mm伸縮速度80mm/s手臂升降升降距離320mm升降速度35mm/s氣爪擺動擺動角度1800轉(zhuǎn)動速度表7-2機械手工作精度：機械手機構(gòu)工作精度底座0.030伸縮手臂0.5mm手臂升降0.05mm氣爪擺動通過擋塊定位

8結(jié)論與展望8.1結(jié)論到此近90天的畢業(yè)設(shè)計就要結(jié)束了，我大學(xué)階段的學(xué)習也將畫上句號。通過本次畢業(yè)設(shè)計的學(xué)習，牢固了自己所學(xué)的專業(yè)知識，提高了獨立思考解決問題的能力，同時也真正初步了解一個機械設(shè)計的設(shè)計過程。也使我學(xué)會怎樣更好的利用圖書館，網(wǎng)絡(luò)查找資料和運用資料，還使我學(xué)會如何與同學(xué)共同討論問題。這對我以后的工作有很大的幫助。8.2不足之處及未來展望在設(shè)計過程中，我經(jīng)常遇到各種各樣的問題。從中使我認識到自己在很多地方的不足。有很多東西還要慢慢學(xué)習。由于本人水平有限以及畢業(yè)設(shè)計時間有限，本設(shè)計難免有不合理或不太準確的地方，懇請各位老師批評指正。致謝在此衷心感謝學(xué)校、學(xué)院各位老師4年來給我的教育和培養(yǎng)，特別要感謝XX老師在我的畢業(yè)設(shè)計期間給予的諸多指導(dǎo)。參考文獻[1]成大先.機械設(shè)計手冊[M].第3卷.北京：化學(xué)工業(yè)出版社.2001[2]