沖床上下料氣動機械手的設計

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溫州大學畢業(yè)論文 基于PLC控制的機械手設計 目 錄 摘要 1 引言 1 1.機械手總體方案設計 2 1.1設計要求 2 1.2運動形式的選擇 2 1.3驅(qū)動方式的選擇 4 1.4總體結(jié)構(gòu)設計 5 2.機械手手部設計 6 2.1結(jié)構(gòu)分析 6 2.2計算分析 6 3.PLC控制系統(tǒng)設計 11 3.1機械手移動工件控制系統(tǒng)的控制要求 11 3.2機械手移動工件控制系統(tǒng)的PLC選型和資源配置 13 3.3機械手移動工件控制系統(tǒng)的PLC程序 14 4.動畫制作 18 4.1建立機械手模型 18 4.2制作機械手的動畫 18 結(jié)束語 26 致謝 26 參考文獻 26 附錄 27 摘 要 機械手設計包括機械結(jié)構(gòu)設計，檢測傳感系統(tǒng)設計和控制系統(tǒng)設計等，是機械、電子、檢測、控制和計算機技術(shù)的綜合應用。本課題通過對設計要求的分析，設計出機械手的總體方案，重點闡述了手部結(jié)構(gòu)的設計以及控制系統(tǒng)硬軟件的設計，完成了整個系統(tǒng)工作的動畫設計。實現(xiàn)了機械手的基本搬運功能，達到了預期要求，具有一定的應用前景。 關鍵詞：機械手 PLC 動畫 引 言 隨著世界經(jīng)濟和技術(shù)的發(fā)展，人類活動的不斷擴大，機器人應用正迅速向社會生產(chǎn)和生活的各個領域擴展，也從制造領域轉(zhuǎn)向非制造領域，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)、服務、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)生和大量應用，很多領域，許多單一、重復的機械工作由機器人（也稱機械手）來完成。 工業(yè)機器人是一種能進行自動控制的、可重復編程的，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，而且對保障人身安全，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)成本，有著十分重要的意義。和計算機、網(wǎng)絡技術(shù)一樣，工業(yè)機器人的廣泛應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)，廣泛應用于自動生產(chǎn)線、自動機的上下料、數(shù)控設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。 控制系統(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)定的要求進行工作，并檢測其正確與否。可編程控制器（PLC）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.機械手總體方案設計 1.1設計要求： 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.要求完成手抓結(jié)構(gòu)的設計，進行夾緊力的計算分析。初值給定如下： 工件質(zhì)量m=0.1kg 摩擦系數(shù)μ=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ω＝3.5rad/s 角加速度β＝2.1rad/s2 安全系數(shù)S=1.45 夾角φ＝45° 3.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)選擇運動形式是結(jié)構(gòu)設計的基礎。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.直角坐標型機器人 直角坐標型機器人的結(jié)構(gòu)簡圖如圖1-1所示，它在x,y,z軸上的運動是獨立的，3個關節(jié)都是移動關節(jié)，關節(jié)軸線相互垂直，它主要用于生產(chǎn)設備的上下料，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)計算比較方便。 (3)由于可以兩端支撐，對于給定的結(jié)構(gòu)長度，其剛性最大。 (4)要求保留較大的移動空間，占用空間較大。 (5)要求有較大的平面安裝區(qū)域。 (6)滑動部件表面的密封較困難，容易被污染。 2.圓柱坐標型機器人 圓柱坐標型機器人的結(jié)構(gòu)簡圖如圖1-2所示，R、θ和x為坐標系的三個坐標，其中R是手臂的徑向長度，θ是手臂的角位置，x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內(nèi)部。 (3)空間定位比較直觀。 (4)直線驅(qū)動部分難以密封、防塵及防御腐蝕物質(zhì)。 (5)手臂端部可以達到的空間受限制，不能到達靠近立柱或地面的空間。 3.極坐標型機器人 極坐標型機器人又稱為球坐標機器人，其結(jié)構(gòu)圖如圖1-3所示，R，θ和β為坐標系的坐標。其中θ是繞手臂支撐底座垂直軸的轉(zhuǎn)動角，β是手臂在鉛垂面內(nèi)的的擺動角。這種機器人運動所形成的軌跡表面是半球面。其特點是： (1)在中心支架附近的工作范圍較大。 (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)坐標系較復雜，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.多關節(jié)機器人 多關節(jié)機器人結(jié)構(gòu)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系的。θ、α和φ為坐標系的坐標，其中θ是繞底座鉛垂軸的轉(zhuǎn)角，φ是過底座的水平線與第一臂之間的夾角，α是第二臂相對于第一臂的轉(zhuǎn)角。這種機器人手臂可以達到球形體積內(nèi)絕大部分位置，所能達到區(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 直角坐標型 圖1-2 圓柱坐標型 圖1-3 極坐標型 圖1-4 多關節(jié)型 選擇方案的準則： 1.滿足設設計要求：機械手能夠旋轉(zhuǎn)一定角度。 2.結(jié)構(gòu)簡單，便于計算分析。 分析比較以上四種運動形式，確定選用圓柱坐標型機器人。 1.3驅(qū)動方式的選擇： 機器人關節(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)動方式進行分析比較。 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)液壓容易達到較高的壓力（常用液壓為2.5～6.3MPa），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、速度和方向比較容易實現(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)的不足之處是： (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)液體的泄漏難于克服，要求液壓元件有較高的精度和質(zhì)量，故造價較高； (3)需要相應的供油系統(tǒng)，尤其是電液伺服系統(tǒng)要求嚴格的濾油裝置，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，容易達到高速； (2)利用工廠集中的空氣壓縮站供氣，不必添加動力設備； (3)空氣介質(zhì)對環(huán)境無污染，使用安全，可直接應用于高溫作業(yè)； (4)氣動元件工作壓力低，故制造要求也比液壓元件低。 它的不足之處是： (1)壓縮空氣常用壓力為0.4～0.6MPa，若要獲得較大的力，其結(jié)構(gòu)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，要達到準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，處理不當會使鋼類零件生銹，導致機器人失靈。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)速度和位置的精確控制，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。 本課題設計的機械手的特點： 1.點位控制進行搬運工作，采用順序控制方式。 2.負載小，精度要求不高。 3.要求成本低。 根據(jù)以上特點，確定選用氣壓驅(qū)動。 1.4總體結(jié)構(gòu)設計 根據(jù)圓柱坐標型運動方式和氣壓驅(qū)動方式的選定，對機械手進行總體結(jié)構(gòu)的設計，機械結(jié)構(gòu)由擺動氣缸、雙聯(lián)氣缸、單聯(lián)氣缸和氣爪組成，結(jié)構(gòu)圖如圖1-5所示。 圖1-5 機械手總體結(jié)構(gòu)圖 2.機械手手部設計 2.1結(jié)構(gòu)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、平動型和平移型?；剞D(zhuǎn)型的特點是當手爪夾緊和松開物體時，手指作回轉(zhuǎn)運動。當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。為便于夾持避免固定中心的麻煩，采用平移型，圖2-1所示的是靠導槽保持手指作平移運動。手部結(jié)構(gòu)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 機器人手臂停止狀態(tài)開始的直線運動和旋轉(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×η.作用在一個指尖上的夾緊力為Q（方向沿手指的運動方向）.設兩個手指以摩擦力2μQ，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 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(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SL0、右轉(zhuǎn)限位開關SL1、左移限位開關SL2、右移限位開關SL3、上移限位開關SL4、下移限位開關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，夾緊時間設為3秒。放松工件通過放松限位開關來控制。 (1)按下啟動按按鈕，系統(tǒng)先檢查機械手是否在初始位置，若不是機械手先進行復位，然后再進入機械手正式工作狀態(tài)。按下停止按扭，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)立即停止。 開 始 復位 移到工件處 夾緊工件 放下工件 移動初始位置處 移到目標處 結(jié)束 圖3-2 機械手移動工件單個工作流程 3.1.2設備控制要求 該系統(tǒng)要求機械手能自動進行工作，轉(zhuǎn)動時要求回轉(zhuǎn)半徑最小，要具體控制要求如下： (1)按下啟動按鈕，系統(tǒng)進行自檢查機械是否在初始位置，不是的話先進行復位工作，然后進行正式工作。 (2)復位工作控制要求如下： ① 機械手首先上移，直到運動到最上端。 ② 上移后，機械手開始右移。 ③ 右移完成后，機械手開始左轉(zhuǎn)，至此，復位工作完成。 (3)正式工作控制要求如下： ① 機械手開始左移，一直運動到最左端。 ② 運行到最左端后，機械手開始向下運動。 ③ 到達最下端后，機械手開始夾緊工件，一直到把工件夾緊為止，時間由定時器控制，定時為3秒。 ④ 機械手開始向上運動，運動到最上端。 ⑤上移后，機械手開始右移。 ⑥ 右移完成后，機械手開始右轉(zhuǎn)，直到右轉(zhuǎn)限位開關檢測到信號。 ⑦ 右轉(zhuǎn)完成后，機械手下移。 ⑧ 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檢測到信號。 ⑨ 工件松開后，機械手開始向上運動。 ⑩ 到達最上端后，機械手開始左轉(zhuǎn)，真到左轉(zhuǎn)限位開關檢測到信號，此時機械手已加到初始位置。 (4)該系統(tǒng)進行自動連續(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)停止運行。重新啟動后，由于急停時機械手位置的不確定性，要進行復位工作。 3.2機械手移動工件控制系統(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，故選用三菱公司的FX1N-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)寄存器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 輸入設備 輸入地址 輸出設備 輸出地址 左轉(zhuǎn)限位開關SL0 X000 左轉(zhuǎn)電磁閥 Y000 右轉(zhuǎn)限位開關SL1 X001 右轉(zhuǎn)電磁閥 Y001 左移限位開關SL2 X002 左移電磁閥 Y002 右移限位開關SL3 X003 右移電磁閥 Y003 上移限位開關SL4 X004 上移電磁閥 Y004 下移限位開關SL5 X005 下移電磁閥 Y005 放松限位開關SL6 X006 放松電磁閥 Y006 啟動按鈕 X007 夾緊電磁閥 Y007 停止按扭 X010 　 　 　 2.定時器部分 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3s 3.2.3硬件電路接線圖 硬件電路接線圖如圖3-3所示。 COM0 COM1 X000 Y000 X001 Y001 X002 Y002 X003 Y003 X004 COM2 X005 Y004 X006 Y005 X007 Y006 X010 Y007 SL0 SL1 SL2 SL3 SL4 SL5 SL6 start stop ～～ ～ 電源 左轉(zhuǎn) 右轉(zhuǎn) 左移 放松 右移 上移 下移 · 夾緊 FX1N-24MR-001 圖3-3 硬件電路接線圖 3.3機械手移動工件控制系統(tǒng)的PLC程序 3.3.1編程軟件 采用三菱公司編程軟件FXGP/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較方便直觀。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 3.3.5語句表 見附錄 圖3-4 FXGP/WIN-C界面 X005 Y005 Y006 S29 X001 S30 Y002 S22 X003 S23 X000 Y000 S0 S20 X007 S21 X004 Y004 Y003 M8002 初始脈沖 啟動按鈕 S24 X002 S25 X005 Y005 Y007 T0 T0 K30 Y004 S26 X004 S27 S28 X003 Y003 Y001 S33 X000 Y000 Y004 X004 S32 X006 S31 停止按鈕 按下結(jié)束 X010 圖2-5 狀態(tài)圖 4.動畫制作 為了使視覺動態(tài)效果逼真突出，選用優(yōu)秀的三維動畫軟件3ds max來制作。 4.1建立機械手模型 機械手的建模比較簡單，通過創(chuàng)建標準基本體與擴展基本體即可建立氣缸、氣爪等。如圖4-1，4-2所示。 圖4-1 圖4-2 創(chuàng)建六角螺母時，先創(chuàng)建圖形中的多邊形。再通過修改\修改器列表，選擇擠出，完成六邊形的拉伸。如圖4-3，4-4所示。 通過 將創(chuàng)建好的幾何體進行裝配，再通過復合對象中布爾操作將幾何體中的重疊部分切除。如圖4-5所示。 最終的機械手模型如圖4-6所示。 4.2制作機械手的動畫 3d max 基礎動畫比較簡單，通過激活自動關鍵點按鈕，為物體的移動、旋轉(zhuǎn)、縮放等變換參數(shù)記錄動畫。制作機械手的動畫，還要用到層次式關系和FK。首先了解什么是層次關系。比如我們要制作人的手臂動畫。我們希望這樣來控制：對人物的上臂作旋轉(zhuǎn)操作，上臂的運動自動帶動了小臂、手腕、手掌、手指等肢體的運動。這種用一個物體的運動可以帶動其他肢體運動的動畫關系在3ds max 中我們稱其為層次關系。在這個動畫關系中，上臂的運動決定了小臂的運動，小臂會跟隨上臂的運動而運動；那么在3ds max 中上臂稱為小臂的父物體，小臂則稱為上臂的子物體。 圖4-3 20