基于plc的气动机械手设计

基于plc的气动机械手设计内容摘要：

器人在二十余家企业的近 30条自动喷漆生产线 (站 )上获得规模应用，弧焊机器人己应用在汽车制造厂的焊装线上。 但总的来看，我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，如 :可靠性低于国外产品 :机器人应用工程起步较晚，应用领域窄，生产线系统技术与国外比有差距。 在应用规模上，我国己安装的国产工业机器人约 200台，约占全球已安装台数的万分之四。 以上原因主要是没有形成机器人产业，当前我国的机器人生产都是应用户的要求，“一客户，一次重新 设计”，品种规格多、批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、成本也不低，而且质量、可靠性不稳定。 因此迫切需要解决产业化前期的关键技术，对产品进行全面规划，搞好系列化、通用化、模块化设计，积极推进产业化进程 .我国的智能机器人和特种机器人在“ 863”计划的支持下，也取得了不少成果。 其中最为突出的是水下机器人， 6000m水下无缆机器人的成果居世界领先水平，还开发出直接遥控机器人、双臂协调控制机器人、爬壁机器人、管道机器人等机种 :在机器人视觉、力觉、触觉、声觉等基础技术的开发应用上开展了不少工作，有了一定的发展基础。 但是在多传感器信息融合控制技术、遥控加局部自主系统遥控机器人、智能装配机器人、机器人化机械等的开发应用方面则刚刚起步，与国外先进水平差距较大，需要在原有成绩的基础上，有重点地系统攻关，才能形成系统配套可供实用的技术和产品，以期在“十五”后期立于世界先进行列之中。 课题的提出及主要任务 课题的提出 进入 21世纪，随着我国人口老龄化的提前到来，近来在东南沿海还出现在大量的 缺工现象，迫切要求我们提高劳动生产率，降低工人的劳动强度，提高我国工业自动化水平势在必行，本设计的目的就是设计一个气动搬运 机械手，应用于工业自动化生产线，把工业产品从一条生产线搬运到另外一条生产线，实现自动化生产，减轻产业工人大量的重复性劳动，同时又可以提高劳动生产率。 现在的机械手大多采用液压传动，液压传动存在以下几个缺点 : (1)液压传动在工作过程中常有较多的能量损失 (摩擦损失、泄露损失等 ):液压传动易泄漏，不仅污染工作场地，限制其应用范围，可能引起失火事故，而且影响执行部分的运动平稳性及正确性。 江阴职业技术学院毕业设计说明书 9 (2)工作时受温度变化影响较大。 油温变化时，液体粘度变化，引起运动特性变化。 (3)因液压脉动和液体中混入空气，易产生噪声。 (4)为了减少泄漏，液压元件的制造工艺水平要求较高，故价格较高。 且使用维护需要较高技术水平。 鉴于以上这些缺陷，本机械手拟采用气压传动， 气动技术有以下优点 : (1)介质提取和处理方便。 气压传动工作压力较低，工作介质提取容易，而后排入大气，处理方便，一般不需设置回收管道和容器 :介质清洁，管道不易堵存在介质变质及补充的问题 . (2)阻力损失和泄漏较小，在压缩空气的输送过程中，阻力损失较小 (一般不卜浇塞仅为油路的千分之一 )，空气便于集中供应和远距离输送。 外泄漏不会像液压传动那样，造成压力明显降低和严重污染。 (3)动作迅速，反应灵敏。 气动系统一般只需要 速度。 气动系统也能实现过载保护，便于自动控制。 (4)能源可储存。 压缩空气可存贮在储气罐中，因此，发生突然断电等情况时，机器及其工艺流程不致突然中断。 (5)工作环境适应性好。 在易燃、易爆、多尘埃、强磁、强辐射、振动等恶劣环境中，气压传动与控制系统比机械、电器及液压系统优越，而且不会因温度变化影响传动及控制性能。 (6)成本低廉。 由于气动系统工作压力较低，因此降低了气动元、辅件的材质和加工精度要求，制造容易，成本较低。 传统观点 认为 :由于气体具有可压缩性，因此，在气动伺服系统中要实现高精度定位比较困难 (尤其在高速情况下，似乎更难想象 )。 此外气源工作压力较低，抓举力较小。 虽然气动技术作为机器人中的驱动功能已有部分被工业界所接受，而且对于不太复杂的机械手，用气动元件组成的控制系统己被接受，但由于气动机器人这一体系己经取得的一系列重要进展过去介绍得不够，因此在工业自动化领域里，对气动机械手、气动机器人的实用性和前景存在不少疑虑。 课题的主要任务 本课题将要完成的主要任务如下 : (1)机械手为通用机械手，因此相对于专用机械手来说 ，它的适用面相对较广 . (2)选取机械手的座标型式和自由度 第一章 绪论 10 (3)设计出机械手的各执行机构，包括 :手部、 手臂等部件的设计。 为了使通用性更强，手部设计成可更换结构，不仅可以应用于夹持式手指来抓取棒料工件，在工业需要的时候还可以用气流负压式吸盘来吸取板料工件。 (4)气压传动系统的设计 ， 本课题将设计出机械手的气压传动系统，包括气动元器件的选取，气动回路的设计，并绘出气动原理图。 (5)机械手的控制系统的设计 本机械手拟采用可编程序控制器 (PLC)对机械手进行控制，本课题将要选取 PLC型号，根据机械手的工作流程编 制出 PLC程序，并画出梯形图。 江阴职业技术学院毕业设计说明书 11 第二章机械手的设计方案 对气动机械手的基本要求是能快速、准确地拾放和搬运物件，这就要求它们具有高精度、快速反应、一定的承载能力、足够的工作空间和灵活的自由度及在任意位置都能自动定位等特性。 设计气动机械手的原则是 :充分分析作业对象 (工件 )的作业技术要求，拟定最合理的作业工序和工艺，并满足系统功能要求和环境条件。 明确工件的结构形状和材料特性，定位精度要求，抓取、搬运时的受力特性、尺寸和质量参数等，从而进一步确定对机械手结构及运行控制的要求。 尽量选用定型的标准组件，简化设计 制造过程，兼顾通用性和专用性，并能实现柔性转换和编程控制 .本次设计的机械手是通用气动上下料机械手，是一种适合于成批或中、小批生产的、可以改变动作程序的自动搬运或操作设备，动强 度大和操作单调频繁的生产场合。 机械手的座标型式与自由度 按机械手手臂的不同运动形式及其组合情况，其座标型式可分为直角座标式、圆柱座标式、球座标式和关节式。 由于本机械手在上下料时手臂具有升降、 移动、收缩及回转运动，因此，采用圆柱座标型式。 相应的机械手具有四 个自由度，为了弥补升降运动行程较小的缺点，增加手臂摆动机构，从而增加一个手臂 上下摆动的自由度 图 21 机械手的运动示意图 第二章 机械手的设计方案 12 机械手的手部结构方案设计 为了使机械手的通用性更强，把机械手的手部结构设计成可更换结构，当工件是棒料时，使用夹持式手部。 当工件是板料时，使用气流负压式吸盘。 机械手的手臂结构方案设计 按照抓取工件的要求，本机械手的手臂有四 个自由度，即手臂的伸缩、左右回转移动 和 升 降 (或俯仰 )运动。 手臂的回转和升降运动是通过立柱来实现的，立柱的横向移动即为手臂的横移。 手臂的各种运动由气缸来实现。 机械手的驱动方案设计 由于气压传动系统的动作迅速，反 应灵敏，阻力损失和泄漏较小，成本低廉因此本机械手采用气压传动方式。 机械手的控制方案设计 考虑到机械手的通用性，同时使用点位控制，因此我们采用可编程序控制器 (PLC)对机械手进行控制。 当机械手的动作流程改变时，只需改变 PLC程序即可实现，非常方便快捷。 机械手的主要参数 ，由于是采用气动方式驱动，因此考虑抓取的物体不应该太重，查阅相关机械手的设计参数，结合工业生产的实际情况，本设计设计抓取的工件质量为 5公斤。 操作 节拍对机械手速度提出了要求，设计速度过低限制了它的使用范围。 而影响机械手动作快慢的主要因素是手臂伸缩及回转的速度。 该机械手最大移动速度设计为 / s。 最大回转速度设计为 90。 / s。 平均移动速度为 / s。 平均回转速度为 60。 / s。 机械手动作时有启动、停止过程的加、减速度存在，用速度一行程曲线来说明速度特性较为全面，因为平均速度与行程有关，故用平均速度表示速度的快慢更为符合速 度特性。 除了运 动速度以外，手臂设计的基本参数还有伸缩行程和工作半径。 大部分机械手设计成相当于人工坐着或站着且略有走动操作的空间。 过大的伸缩行程和工作半径，必然带来偏重力矩增大而刚性降低。 在这种情况下宜采用自动传送装置为好。 根据统计和比较，该机械手手臂的伸缩行程定为 600mm,最大工作半径约为 1400mm。 手臂升降行程定为 120mm。 定位精度也是基本参数之一。 该机械手的定位精度为 1mm。 江阴职业技术学院毕业设计说明书 13 机械手的技术参数列表 一、用途 : 用于自动输送线的上下料。 二、设计技术参数 : 抓重 10kg 自 由度数 4个自由度 座标型式 圆柱座标 最大工作半径 1400mm 手臂最大中心高 1250mm 手臂运动参数 伸缩行程 1200mm 伸缩速度 400mm / s 升降行程 120mm 升降速度 250mm / s 回转范围 0。 180。 回转速度 90。 / s 手指夹持范围 棒料 : 80mm 150mm 定位方式 行程开关或可调 机械挡块等 定位精度 1mm 驱动方式 气压传动 1控制方式 点位程序控制 (采用 PLC) 第三章 手部结构设计 14 第三章手部结构设计 为了使机械手的通用性更强，把机械手的手部结构设计成可更换结构，当工件是棒料时，使用夹持式手部 :如果有实际需要，还可以换成气压吸盘式结构， 夹持式手部结构 夹持式手部结构由手指 (或手爪 )和传力机构所组成。 其传力结构形式比较多，如滑槽杠杆式、斜楔杠杆式、齿轮齿条式、弹簧杠杆式等。 手指的形状和分类 夹持式是最常见的一种，其中常用的有两指式、多指式和双手双指式 :按手指夹持工件 的部位又可分为内卡式 (或内涨式 )和外夹式两种 :按模仿人手手指的动作，手指可分为一支点回转型，二支点回转型和移动型 (或称直进型 )，其中以二支点回转型为基本型式。 当二支点回转型手指的两个回转支点的距离缩小到无穷小时，就变成了一支点回转型手指。 同理，当二支点回转型手指的手指长度变成无穷长时，就成为移动型。 回转型手指开闭角较小，结构简单，制造容易，应用广泛。 移动型应用较少，其结构比较复杂庞大，当移动型手指夹持直径变化的零件时不影响其轴心的位置，能适应不同直径的工件。 设计时考虑的几个问题 (一 )具有足够的 握力 (即夹紧力 ) 在确定手指的握力时，除考虑工件重量外，还应考虑在传送或操作过程中所产生的惯性力和振动，以保证工件不致产生松动或脱落。 (二 )手指间应具有一定的开闭角 两手指张开与闭合的两个极限位置所夹的角度称为手指的开闭角。 手指的开闭角应保证工件能顺利进入或脱开，若夹持不同直径的工件，应按最大直径的工件考虑。 对于移动型手指只有开闭幅度的要求。 (三 )保证工件准确定位 为使手指和被夹持工件保持准确的相对位置，必须根据被抓取工件的形状，选择相应的手指形状。 例如圆柱形工件采用带“ V”形面的手指，以便自动定心。 (四 )具有足够的强度和刚度 手指除受到被夹持工件的反作用力外，还受到机械手在运动过程中所产生的惯性力和振动的影响，要求有足够的强度和刚度以防折断或弯曲变形，当应尽量使结构简 江阴职业技术学院毕业设计说明书 15 单紧凑，自重轻，并使手部的中心在手腕的回转轴线上，以使手腕的扭转力矩最小为佳。 (五 )考虑被抓取对象的要求 根据机械手的工作需要，通过比较，我们采用的机械手的手部结构是一支点两指回转型，由于工件多为圆柱形，故手指形状设计成 V型，其结构如附图所示。 手部夹紧气缸的设计 手部驱动力计算 本课题气动机械手的手部结构如图 31所示 ， 图 31 齿轮齿条式手部 其工件重量 G=10公斤， V形手指的角度 b =120mm R = 24mm ,摩擦系数为 f= (1)根据手部结构的传动示意图，其驱动力为 : 2bPNR= （ 31） (2)根据手指夹持工件的方位，可得握力计算公式 : ( )N tg  （ 32） 0 .5 1 0 ( 6 0 5 4 2tg  。 ，） =50 N 所以 2 490( )bP N NR== （ 33） 第三章 手部结构设计 16 (3)实际驱动力 : P实际 12p （ 34） I,因为传力机构为齿轮齿条传动，故取  = ，并取 K1=。 若被 抓取工件的最大加速度取 a= 3g 时，则 : 2 14ag    （ 35） 所以 P实际 1 .5 44 9 0 3 1 2 6 ( )0 .9 4 N   所以夹持工件时所需夹紧气缸的驱动力为 3126N。 气缸的直径 本气缸属于双 向作用气缸。 根据力平。