机械毕业设计论文]平衡臂机械手的设计之plc逻辑顺序控制和液压系统设计说明书

机械毕业设计论文]平衡臂机械手的设计之plc逻辑顺序控制和液压系统设计说明书内容摘要：

算机进行控制，用于装配作业。 到目前为止，日本是工业机械手发展最快，应用最多的国家。 但是，目前的机械手大部分还属于第一代，主要依靠人工进行控制；控制方式为开环式，没有识别能力；改进的方向主要是减低成本和提高精度。 第二代机械手设有微型电子计算机控制系统，具有视觉，触觉能力，甚至听、想的 8 能力。 研 究安装各种传感器，把感觉到的信息反馈，使机械手具有感觉机能。 第三代机械手（机器人）则能独立地完成工作过程中的任务。 它与电子计算机和电视设备保持联系。 并逐步发展成为柔性制造系统 FMS（ Flexible Manufacturing System）和柔性制造单元 FMC(Flexible Manufacturing Cell)中重要的一环。 应用简况 就国内机械工业，铁路 部门应用机械手的简况，介绍如下： 热加工方面的应用 热加工是高温、危险的笨重体力劳动，很久以来就要求实现自动化。 为了实现高效率和工作 安全，尤其对于大件、少量、低速和人力所不能胜任的作业就更加需要采用机械手操作 冷加工方面 冷加工方面机械手主要采用于柴油机配件以及轴类、盘类和箱体类等零件单机加工时的上下料和刀具安装等。 进而在程序控制、数字控制等机床上应用，成为设备的一个组成部分。 更在加工生产线、自动线上应用，成为机床、设备上下工序联结和重要手段。 拆修装方面 拆修装是铁路工业系统繁重体力劳动较多的部门之一，促进了机械手的发展。 目前国内铁路工厂、机务段等部门，已采用机械手拆装三通阀、钩舌、分解制动缸、装卸轴箱、组装轮对、清除 石棉等，减轻了劳动强度，提高了拆修装的效率。 采用机械手进行装配更是目前研制的重点，国外已研究采用摄象机和里的传感装置和微型计算机联系在一起，能确定零件的方位，达到镶装的目的。 国内外机械人发展趋势 在普及第一代工业机器人的基础上，第二代工业机器人已经推广，成为 主流安装机型，第三代智能机器人也占有一定比重 (占日本 1998 年安装台数的 10%，销售额的 36% )。 机械结构 以关节型为主流， 80 年代发明的适用于装配作业的平面关节型机器人约占总量的 1/3。 应 3K和汽车、建筑、桥梁等 行业的需求，超大型机器人应运而生。 CAD , CAM等技术己普遍用于设计、仿真和制造中。 控制技术 大多采用 32 位 CPU，控制轴数多达 27 轴， NC 技术、离线编程技术大量采用。 协调控制技术日趋成熟，实现了多手与变位机、多机器人的协调控制。 采用基于 PC的开放结构的控制系统已成为一股潮流。 驱动技术 80 年代发展起来的 AC 伺服驱动已成为主流驱动技术应用于工业机器人中。 新一代的伺服电机与基于微处理器的智能伺服控制器相结合已由 FANUC等公司开发并用于工业机器人中。 在远程控制中已采用了分布式智能驱动新技术。 应用 智能化的传感器 装有视觉传感器的机器人数量呈上升趋势，不少机器人装有两 9 种以上传感器，有些机器人留了多种机器人接口。 通用机器人编程语言 在 ABB 公司的 20 多个型号产品中，采用了通用模块化语言RAPID。 最近美国机器人空间技术公司开发了 Robot Script 通用语言，运行于该公司的通用机器人控制器 URC 的 Win NT/95 环境下。 该语言易学易用，可用于各种开发环境，与大多数 WINDOWS 软件产品兼容。 网络通讯方式 大部分机器人采用了 Ether 网络通讯方式，占总量的 %，其他采用RS232, RA422, RS485 等通讯接口。 高速、高精度、多功能化 目前，最快的装配机器人最大合成速度为 16. 5m/s，有一种大直角坐标搬运机器人，其最大合成速度竟达 80m/ s。 而另一种并联结构的 NC机器人，其位置重复精度达 limo 90 年代末的机器人一般都具有两、三种功能，向多功能化方向发展。 集成化与系统化 当今机器人技术的另一特点是机器人的应用从单机、单元向系统发展。 百台以上的机器人群与微机及周边设备和操作人员形成一个大群体。 跨国大集团的垄断和全球化的生产将世界众多厂家的产品联接在一起 ，实现了标准化、开放化、网络化的 “ 虚拟制造 ” ，为工业机器人系统化的发展推波助澜。 随着计算机技术的不断向智能化方向发展，机器人应用领域的不断扩展和深化以及机器人在 FMS, CIMS 系统中的群体应用，工业机器人也在不断向智能化方向发展，以适应 “ 敏捷制造 ”(Agile Manufacturing) ，满足多样化、个性化的需求，并适应多变的非结构环境作业，向非制造领域进军。 我国的工业机器人从 80 年代 “ 七五 ” 科技攻关开始起步，在国家的支持下，通过“ 七五 ” 、 “ 八五 ” 科技攻关，目前己基本掌握了机器人操作机的设计制造技术 、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人 :其中有 130 多台套喷漆机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，约占全球己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， “ 一位客户，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，而目 ‘ 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 “86 “ 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技术居世界领先水平，还开发出直接遥控机器人、双臂协调控 10 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。 国内主要是逐步扩大应用范围，重点发展铸锻，热处理方面的机械手，以减轻劳动强度，改善作业条件。 在应用专用机械手的同时，相应地发展通用机械手，有条件的还要研制示教型机械手、计算机控制机械手和组合 式机械手等。 将机械手各运动构件，如伸缩、摆动、升降、俯仰等机构，以及适于不同类型的夹紧机构，设计成典型的通用机构，以便根据不同的作业要求，选用不同的典型部件，即可组成各种不同用途的机械手。 既便于设计制造，又便于改换工作，扩大了应用的范围。 同时要提高速度，减少冲击，正确定位，以更好地发挥机械手的作用。 更为主要的是将机械手和柔性制造系统和柔性制造单元相结合，从而根本改变目前机械制造系统的人工操作状态。 机械手的组成和分类 机械手的组成 机械手主要由执行机构、驱动机构和控制系统三大部分组成。 一、 执 行 机 构 （ 1）手部 手部安装在手臂的前端，手臂的内孔装有传动轴，可把动作传给手腕， 以转动、伸屈手腕、开闭手指。 机械手手部的构造系模仿人的手指，分为无关节、固定关节和自由关节三种。 手指的数量又分为二指、三指、四指等，其中以二指用的最多。 （ 2）手臂 手臂有无关节臂和有关节臂之分。 目前采用的手臂几乎都是无关节臂。 手臂的作用是引导手指准确得抓住工件，并运送到所需要的位置上。 为了使机械手能够正确的工作，手臂的三个自由读都需要精确的定位。 （ 3）躯干 躯干是安装手臂、动力源和各种执行机构的支 架。 二、驱 动 系 统 驱动机构主要有四种：液压驱动、气体驱动、电气驱动和机械驱动。 其中以液压、气动用的最多，占 90%以上；电动、机械驱动用的较少。 液压驱动主要是通过油缸、阀、油泵和油箱实现传动。 它的优点是压力高、体积小，出力大，动作平缓，可无级变速，自锁方便，并能在中间位置停止。 缺点是需配备压力源，系统复杂，成本较高。 11 气动驱动所采用的元件为气压缸、气马达、气阀等。 它的优点是气源方便，维护简单，成本低。 缺点是出力小，体积大。 尤其空气的可压缩性大，很难实现中间位置的停止，只能用于点位控制，而 且润滑性较差，气压系统容易生锈。 为了减少停机时产生的冲击，气压系统的装有速度控制机构或缓冲减震机构。 电器驱动都采用三相感应电机作为动力，用大减速比减速器来驱动执行机构；直线运动则用电机带动丝杠螺母机构；有的采用直线电动机。 电气驱动的优点是动力源简单；维护、使用方便。 一般只用于动作固定的场合。 一般用凸轮连杆机构实现规定的动作。 它的优点是动作确实可开，工作速度高，成本低；缺点是不易于调整。 三、控 制 系 统 机械手控制的要素，包括工作顺序、到达位置、动作时间、运动速度和加减速度等。 机械手的控制分为点位控制 和连续诡计控制两种。 控制系统可根据动作的要求，设计采用数字顺序控制。 它首先要编制程序加以存储，然后再根据规定的程序，控制机械手进行工作。 程序的存储方式分为分离存储和集中存储两种。 对于动作复杂的机械手（机械人），采用示教再现型控制系统。 更复杂的机械手（机械人）则采用数字控制系统、小型计算器或微处理机控制的系统。 机械手的分类 一、按 用 途 分 类 1. 专用机械手 专用机械手是专为一定设备服务的，简单、使用，目前在生产中运用的比较广泛。 它一般只能完成一、二种特定的作业。 如用来抓取和 传送工件。 它的工作程序是固定的，也可根据需要编制程序控制，以获得多种工作程序，适应多种作业的需要。 2. 通用机械手 通用机械手是在专用机械手的基础上发展起来的。 它能对不同物件完成多种动作，具有相当的通用性。 它是一种能独立工作的自动话装置。 它的动作程序可以按照工作需要来改变，大概是采用顺序控制系统。 通用机械手又分简易型、示教再现型和只能机械手、草中式机械手等几种。 二、按控制型式分类 点位控制型机械手的运动诡计是空间二个点之间的连接。 控制点书越多，性能越好。 它基本能满 足于各种要求，结构简单。 绝大部分机械手是点位控制型。 这种机械手的运动轨迹是空间的任意连续曲线，它能在三维空间中作极其复杂 12 的动作。 工作性能完善，但控制部分比较复杂。 控制方式分为开关式和伺服式两种。 本课题研究的主要内容及意义 课题 七杆二自由度机械手设计内容及基本要求 设计一个机械手，用于工厂机床边抓取圆棒料和饼类零件，实现从地面到机床卡盘和从机床卡盘到地面的运动。 最大活动半径 2m 最大活动高度 2m 回转 活动范围 0176。 ～ 360176。 最大抓取重量 40kg 抓取规格 棒料φ 120mm，盘类φ 300mm 动力：尽可能采用机械传动、电磁力或气动。 必要时可以采用液压，但不宜使用高压液压设备。 工作量要求：〈 1〉整套机械手图纸（含外构件、标准件汇总）（含电器图、 PLC图） 〈 2〉使用说明书 〈 3〉设计说明书 〈 4〉英文翻译成汉文（ 5000 字） 重点研究的问题 ： 机械、机构、机电一体化功能零部件；机械手、机械夹持、运动传递和动力传送。 强电电控、弱电电控、弱电反馈、 PLC 控制。 本次设计的意义 本次设计的对象是湖南省湘潭江麓机械有限公司所设计制造的七杆机械手，主要是对此机械手进行实体改造。 我们这次设计主要是针对此机械手，而且还要对机械手的整体布局及工作原理和过程做一些介绍。 在外型上，我们要解决的问题主要是我们设计出来的实体要和实物相同或相近。 在大的方面，一个机械手可以分为大臂、小臂和手爪手腕等部分。 而手腕部分是我们所重点 要求的，对其中的每一个零件、部件及组合体的尺寸和形体都有严格的要求，因为江麓的机械手是有人力动作部分的，而且没有手腕，取而代之的是一个吊钩，为了将其改造成为可自动抓取的机械手，每个零件的配合都要很考究。 而油路的布置也要合理。 整体要整齐美观。 机构实用且经济。 13 第 二 章 平衡臂机械手机械结构的设计计算 机械手机构的分析与设计 机械手的自由度 机械手要像人的手一样完成各种动作是比较困难的。 因为人的手指、手长、手腕、手臂由十九个关节所组成，并具有 27 个自由度，而生产实践中机械手不需要这么多自由度。 下面按机械手所具有的主运动和辅助运动来分析其自由度。 手臂和立柱的运动成为主运动，因为它们能改变抓取工件在空间的位置。 手腕和手指的运动成为辅助运动，因为手腕的运动只能改变被抓取工件的方位，而手指的夹放运动不能改变工件的位置和方位，故它不计为自由度数，其他运动都算。