畢業(yè)設計機械手及其應用.doc

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1、機械手課程設計說明書 設計題目 機械手及其應用 選擇與分析 總體方案選擇 驅動系統(tǒng)方案選擇 控制方式選擇 相關計算 驅動系統(tǒng)設計 PLC控制系統(tǒng)設計 參考文獻及設計心得 設計：湯周平 指導：劉玉峰 班級：機制024 時間：2006.3 一、設計題目 1、任務：機械手抓取工件，提高300 mm，順時針轉90，前進300mm放下工件，回到原位置。 2、工件尺寸：40mm40mm40mm 工件重量：0.5Kg 工作空間：8000mm800mm800mm 動力源： 380V 10A 20A 220V 10A5A 36V 24V 6V 液壓源 氣壓源

2、 控制：PLC，計算機，各種傳感器 3、設計時間安排： 2月20日——2月22日 查資料 2月23日——2月24日 確定方案 2月27日——3月1日 確定零部件，元器件的設計計算 3月2日——3月7日 繪制機械圖，電路圖 3月08日——3月10日 整理說明書，答辯 二、機械手及其應用 機械手是一種能模擬人的手臂的部分動作，按預定的程序軌跡極其它要求，實現(xiàn)抓取，搬運工件或操做工具的自動化裝置。在我國由于大多數(shù)工業(yè)機器人所執(zhí)行的工作為模擬人的手臂而工作，因而通常把工業(yè)機器人稱做操作機械手。 機械手的特點： （1）對環(huán)境的適應性強 能代替人從事危險，有害的

3、工作。在長時間工作對人體有害的場所，機械手不受影響，只要根據(jù)工作環(huán)境進行合理的設計，選擇適當?shù)牟牧虾徒Y構，機械手就可以在異常高溫或低溫，異常壓力和有害氣體，粉塵，放射線作用下，以及沖壓，滅等危險環(huán)境中勝任工作。 （2）機械手能持久，耐勞，可以把人從繁重單調的勞動中解放出來，并能擴大和延伸人的功能。 （3）由于機械手的動作準確，因此可以穩(wěn)定和提高產品的質量，同時又可以避免人為的操作錯誤。 （4）機械手特點是通過用工業(yè)機械手的通用性，靈活性好，能很好的適應產品的不斷變化，以滿足柔性生產的需要。 因此采用機械手最明顯的特點是提高勞動生產率和降低成本。近年來，隨著電子技術特別是電子計算機的廣泛

4、應用，機器人的研制和生產已成為高技術領域內迅速發(fā)展起來的一門新興技術，它更加促進了機械手的發(fā)展，使得機械手能更好地實現(xiàn)與機械化和自動化的有機結合。機械手雖然目前還不如人手那樣靈活，但它具有能不斷重復工作和勞動、不知疲勞、不怕危險、抓舉重物的力量比人手大等特點，因此，機械手已受到許多部門的重視，并越來越廣泛地得到了應用。例如：在機床加工，裝配作業(yè)，勞動條件差，單調重復易于疲勞的工作環(huán)境以及在危險場合下工作等。 隨著工業(yè)技術的發(fā)展，工業(yè)機器人與機械手的應用范圍不斷擴大，其技術性能也在不斷提高。在國內，應用于生產實際的工業(yè)機器人特別是示教再現(xiàn)性機器人不斷增多，而且計算機控制的也有所應用。在國外應用

5、于生產實際的工業(yè)機器人多為示教再現(xiàn)型機器人，而且計算機控制的工業(yè)機器人占有相當比例。帶有“觸覺”，“視覺”等感覺的“智能機器人”正處于研制開發(fā)階段。帶有一定智能的工業(yè)機器人是工業(yè)機器人技術的發(fā)展方向。 三、選擇與分析 為實現(xiàn)機器人的末端執(zhí)行器在空間的位置而提供的3個自由度，可以有不同的運動組合，通常可以將其設計成如下五種形式。 圓柱坐標型 這種運動形式是通過一個轉動兩個移動，共三個自由度組成的運動系統(tǒng)，工作空間為圓柱形，它與直角坐標型比較，在相同的空間條件下，機體所占體積小，而運動范圍大。 直角坐標型 直角坐標型機器人，其運動部分的三個相互垂直的直線組成，其工作空間為長方體，它在各

6、個軸向的移動距離可在坐標軸上直接讀出，直觀性強，易于位置和姿態(tài)的編程計算，定位精度高，結構簡單，但機體所占空間大，靈活性較差。 球坐標型 又稱極坐標型，它由兩個轉動和一個直線組成，即一個回轉，一個俯仰和一個伸縮，其工作空間圖形唯一球體，它可以做上下俯仰動作并能夠抓取地面上的東西或較低位置的工件，具有結構緊湊、工作范圍大的特點，但是結構比較復雜。 關節(jié)型 關節(jié)型又稱回轉坐標型，這種機器人的手臂與人體上肢類似，其前三個自由度都是回轉關節(jié)，這種機器人一般由和大小臂組成，立柱與大臂間形成肘關節(jié)，可使大臂作回轉運動和使大臂作俯仰運動，小臂作俯仰擺動，其特點是工作空間范圍大，動作靈活，通用性強，能

7、抓取靠近機座的工件。 平面關節(jié)型采用兩個回轉關節(jié)和一個移動關節(jié)；兩個回轉關節(jié)控制前后、左右運動，而移動關節(jié)控制上下運動，其工作空間的軌跡圖形如圖所示，它的縱截面為一矩形的回轉體，縱截面高為移動關節(jié)的行程長兩回轉關節(jié)的轉角的大小決定了回轉體截面的大小、形狀。這種機器人在水平方向上有柔順度，在垂直方向上有較大的剛度，它結構簡單，動作靈活，多用于裝配作業(yè)中，特別適合中小規(guī)格零件的插接裝配，如在電子工業(yè)的接插、裝配中應用廣泛。 根據(jù)本次設計的要求，工件要垂直升降、旋轉、水平移動?？紤]其復雜程度選擇圓柱坐標型。其結構簡圖如下： 四、總體方案 要執(zhí)行的詳細的動作為：（1）定位 （2）抓?。?）提

8、升（4）順時針轉90（5）前進 （6）下降 （7）松開 （8）提升 （9）后退 （10）逆時針轉90（11）下降，完成一個工作循環(huán)。 五、驅動系統(tǒng)方案選擇 一般情況下機器人驅動系統(tǒng)的選擇大致按照如下原則進行選擇： 1）物料搬運用有限點位控制的程序控制機器人，重負載用液壓驅動，中等載荷可選用電動驅動系統(tǒng)，輕載荷可選用氣動驅動系統(tǒng)。沖壓機器人多用氣動驅動系統(tǒng)。 2）用于點焊和弧焊及噴涂作業(yè)的機械手，要求具有任意點位和軌跡控制功能，需采用伺服驅動系統(tǒng)，需采用液壓驅動或電動驅動系統(tǒng)方能滿足要求。 按照動力源分為液壓、氣壓和電動三大類，根據(jù)需要，也可以將這三種基本類型組合成復合式的驅

9、動系統(tǒng)。 液壓驅動 液壓技術比較成熟，具有動力大、力慣量比大、快速響應高、易于實現(xiàn)直接驅動等特點，適用于承載能力大、慣量大以及在防爆環(huán)境中工作的機械手。 氣壓驅動 具有速度快、系統(tǒng)結構簡單、維修方便價格低等特點，適用于中小負載的系統(tǒng)中。難于實現(xiàn)伺服控制，多用于程序控制的機械手中，在上下料和沖壓機械手中應用較多。 電動驅動 隨著低慣量、直流伺服電機及配套的伺服驅動器的廣泛采用，這種驅動系統(tǒng)被大量選用。 目前廣泛采用的驅動系統(tǒng)的比較如下表： 特性 輸出功率和使用范圍 控制性能和安全性 結構性能 安裝和維護要求 效率和制造成本 氣壓驅動 氣壓較低，輸出功率小，當輸出功率

10、增大時，結構尺寸將過大 只適用于小型，快速驅動 壓縮性大，對速度、位置精確控制困難。阻尼效果差。低速不易控制，排氣有噪音 結構體積較大，結構易于標準化。易實現(xiàn)直接驅動，密封問題不突出 安裝要求不高，能在惡劣環(huán)境種工作，維護方便 效率低，（為0.15~0.2） 氣源方便，結構簡單，成本低 液壓驅動 油壓高，可獲得較大的輸出功率，適用于重型，低速驅動器 液體不可壓縮，壓力、流量易控制，反應靈敏，可無級調速、能實現(xiàn)速度、位置的精確控制，傳動平穩(wěn)，泄漏對環(huán)境污染 結構較氣動要小，易于標準化，易實現(xiàn)直接驅動，密封問題顯得重要 安裝要求高（防泄漏），要配置液壓元設備，安裝面積大，維護

11、要求較高 效率中等為0.3~0.6，管路結構較復雜，成本高 交直流普通電動機 適用于抓其重量較大而速度低的中、重型機器人的驅動 輸出力較大 控制性能差，慣性大，不易精確定位 對環(huán)境無影響 電動機驅動以實現(xiàn)標準化，需減速裝置，傳動體積較大 安裝維修方便 成本低 效率為0.5左右 步進、伺服電動機 步進電動機輸出力較小、伺服電機可大一些 適用于運動控制要求嚴格的中、小型機器人 控制性能好，控制靈活性強，可實現(xiàn)速度、位置的精確控制，對環(huán)境無影響 體積小，需減速裝置 維修使用較復雜 成本較高 效率為0.5左右 綜合考慮以上驅動系統(tǒng)的優(yōu)缺點以及工作要求，選擇氣動驅動

12、系統(tǒng)作為驅動方式。 六、控制方式選擇 根據(jù)條件選擇PLC控制。型號：西門子S7-200 系統(tǒng)為非伺服型： 七、相關計算 1.爪部氣缸 為了減少重量選用材料ZL203,[σ]=30MPa,ρ=2700kg/m3 內徑 D: 由于工件重： 考慮到附件重以及慣性力等因素，適當取大。取,氣壓P=1MPa。 則： 考慮工件尺寸等因素，取標準值 活塞桿直徑：(標準值) 活塞桿受軸向拉伸，只做強度校核。 故強度足夠。 缸筒臂厚： 進排氣孔直徑：（標準） 活塞行程：，?。? 排氣量：（?。? 2、懸臂氣缸：同樣材料選為ZL203 由設計要求可知：活塞行程： 參數(shù)

13、計算：由于外負載分析復雜，這里依式：，?。? 考慮重量適當取?。? 則： 可以選用。 查表： 校核：氣缸水平放置，當活塞伸出是最危險。主要受彎曲載荷。受力圖如下： （取系數(shù)200%） 所以： 則： 合適。 3、本體氣缸計算： 本體氣缸主要承受懸臂、爪部以及零件等的重量?；钊麠U受壓縮和彎曲。 由設計要求知： 主要受力： 本體活塞桿以及活塞自重： 所以： 由式： 選擇： 則： 而：可以。 穩(wěn)定性校核：

14、 形式為：一端固定、一端自由 柔度： 由于是脆性材料其應小于45#，則： 故應用歐拉公式計算： 故： 穩(wěn)定。 緩沖計算： 取 由： 取 4、基座部分設計： 旋轉轉矩： 包括兩個軸承以及密封圈的摩擦力矩。 氣缸近似為一細長桿： 懸臂：

15、 本體： 齒輪：設節(jié)圓半徑為r 則。取轉速 材料為40Cr ，m=5，Z=20。 則： 質量： 則： 所以： 取系數(shù)200%。 則： 基體氣缸內經： 考慮齒條寬度取活塞桿直徑： 材料：45# 臂厚不考慮。 活塞行程： 八、驅動系統(tǒng)設計 設計機械手時，要根據(jù)機械手的用途、作業(yè)要求、機械手的性能規(guī)范、控制功能、維護的復雜程度、運行的功耗，性價比以及現(xiàn)有條件等綜合因素加以考慮。一般情況下機械手的驅動系統(tǒng)的選擇應按以下原則：

16、 物料搬運用有限點位控制的程控機械手，重負載的可選用液壓驅動系統(tǒng)，重等負載的可選用電動驅動系統(tǒng)，輕負載的可選氣動驅動系統(tǒng)。沖壓機械手多選用氣動系統(tǒng)。 九、PLC控制系統(tǒng)的設計 1、PLC控制系統(tǒng)設計的基本內容 一個PLC控制系統(tǒng)由信號輸入元件（如按鈕，限位開關，傳感器等），輸出執(zhí)行器件（如電磁閥，接觸器，電鈴等），顯示器件和PLC構成。因此，PLC控 制系統(tǒng)的設計，就包括這些器件的選取和連接等。 ①號輸入器件，輸出執(zhí)行器件，顯示器件等。一個輸入信號，進入PLC后和PLC內部可以多次重復使用，而且和可獲得其常開，常閉，延時等各種形式的觸點。因此，信號輸入器件只要有一個觸點即可

17、。輸出器件應盡量選取相同電源電壓的器件，并盡可能選取工作電流較小的器件。顯示器件應盡量選取LED器件，其壽命較長，而且工作電流較小。 ②設計控制系統(tǒng)主回路。應根據(jù)執(zhí)行機構是否需要正，反向動作，是否需要高低速，設計出控制系統(tǒng)主回路。 ③選取PLC。根據(jù)輸入，輸出信號的數(shù)量，輸入輸出信號的空間分布情況，程序容量的大致情況，具有的特殊功能等，選取PLC。 ④進行I/O分配，繪制PLC控制系統(tǒng)硬件原理圖。 ⑤程序設計及模擬調試。設計PLC控制程序，并利用輸入信號開關板進行模擬調試，檢查硬件設計是否完整，正確，軟件是否能滿足工藝要求。 ⑥設計控制柜。在控

18、制柜中，強電和弱電控制信號應盡可能進行隔離和屏蔽，防止強電磁干擾影響PLC的正常運行。 ⑦編制技術文件，包括電器原理圖，軟件清單，使用說明書，元件明細表等。 2、PLC控制系統(tǒng)設計的步驟 對控制任務的分析和軟件的編制，是PLC控制系統(tǒng)設計的兩個關鍵環(huán)節(jié)。通過對控制任務的分析，確定PLC控制系統(tǒng)的硬件構成和軟件工作過程；通過軟件的編制，實現(xiàn)被控對象的動作關系。PLC控制系統(tǒng)設計的一般步驟為： ①對控制任務進行分析，對較復雜的控制任務進行分塊，劃分成幾個相對獨立的子任務，以減小系統(tǒng)規(guī)模分散故障。如卷煙廠中香煙的自動包裝，就可以分成三個子任務，盒包裝，條包裝，箱包裝，而且每個子任務都具有一定

19、的復雜程序，機械設備上也相對獨立。 ②分析各個子任務中執(zhí)行機構的動作過程。通過對各個子任務執(zhí)行機構動作過程的分析，畫出動作邏輯關系圖，列出輸入信號和輸出信號，列出要實現(xiàn)的非邏輯功能。對于輸入信號，每個按鈕，限位開關，開關式傳感器等作為輸入信號占用一個輸入點，接觸的輔助觸點不需要輸入PLC，故不作為輸入信號。對于輸出信號，每個輸出執(zhí)行器件，如接觸器，電磁閥，電鈴等，均作為輸出信號占用一個輸出點，對于狀態(tài)顯示，如果是輸出執(zhí)行器件的動作顯示，可與輸出執(zhí)行器件的動作的顯示，可與輸出執(zhí)行器件共用輸出點，不再作為新的輸出信號；如果是非動作顯示，如“運行”，“停止”，“故障”等指示，應作為輸出信號占用輸出

20、點。 ③根據(jù)輸入輸出信號的數(shù)量，要實現(xiàn)的非邏輯功能，輸入輸出信號的空間分布情況，選擇PLC. ④根據(jù)PLC型號，選擇信號輸入器件，輸出執(zhí)行器件和顯示器件等。 ⑤進行輸入輸出（I/O）口的分配，繪出控制系統(tǒng)硬件原理圖，設計控制系統(tǒng)主回路。 ⑥利用輸入信號開關板模擬現(xiàn)場輸入信號，根據(jù)動作邏輯關系圖編制PLC程序，進行模擬調試。 ⑦制作控制柜。 ⑧進行現(xiàn)場調試，對工作過程中可能出現(xiàn)的各種故障進行模擬，考察PLC程序的完整性和可靠性。 ⑨編制技術文件，進行控制系統(tǒng)現(xiàn)場試運行。 3、機械手動作過程分析 將機械手的原點（即原始狀態(tài)）定位左位，高位，放松狀態(tài)。在原始狀態(tài)下，檢測到下工作臺有

21、工件時，機械手下降到低位，吸附工件，上升到高位，右轉到右位。在右工作臺上無工件時，機械手下降到低位，放松，然后上升到高位，左轉回原位。其動作邏輯關系圖如下： 原位→ 下降→夾緊→上升→順時針轉90度 ↑ ↓ 逆時針90度← 上升← 放松← 下降← 前進 3個啟動按鈕，分別完成自動方式、半自動方式、手動方式的啟動 1個停止按鈕 4個限位開關（高位限位開關、低位限位開關、左位限位開關、右位限位開關） 7個輸入信號（下降按鈕、上升按鈕、夾緊按鈕、順轉按鈕、逆轉按鈕、左移按鈕、右移按鈕） 7個輸出信號（下降驅動信號、上升

22、驅動信號、右移驅動信號、左移驅動信號、夾緊驅動信號、順轉驅動信號、逆轉驅動信號） 4.I/O地址分配 輸入/出 地址號 信號名稱 1 I0.0 自動按鈕 2 I0.1 半自動按鈕 3 I0.2 手動按鈕 4 I0.3 停止 5 I0.4 高位 6

23、 I0.5 低位 7 I0.6 右位 8 I0.7 左位 9 I1.0 手動下降 10 I1.1 手動上升 11 I1.2 手動夾緊 12 I1.3 手動左移 13

24、 I1.4 手動右移 14 I1.5 有工件 15 I1.6 順轉 16 I1.7 逆轉 1 Q0.0 下降 2 Q4.1 上升 3 Q4.2 右移 4 Q4.3 左移 5 Q4.4 夾緊 6 Q4.5 順轉 7 Q4.6 逆轉 夾緊定時器T1 定時5S 放松定時器T2 定時5S 5.程序梯形圖 啟動機械手下降 I0.4 I0.6 I1.5 Q4.1 M1.1 Q4.0 < 分享到搜狐微博