2022年搬运机械手及其控制系统方案设计书.docx

精选学习资料 - - - - - - - - - 目录 摘要 . I 英文摘要. 目录 . IV 第一章 引言 . 1 1.1 课题的背景和意义 . 1 1.2 课题国内外进呈现状 . 2 其次章 总体方案确定 . 4 2.1 总体方案论证 . 4 2.1.1 机械手手臂结构方案设计 . 4 2.1.2 机械手驱动方案设计 . 4 2.1.3 机械手掌握方案设计 . 5 2.1.4 机械手主要参数 . 5 2.1.5 机械手的技术参数列表 . 6 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页,共 45 页精选学习资料 - - - - - - - - - 第三章 机械手总体结构设计 . 7 3.1 动作工况与分析. 7 3.2 机械手各部分结构设计 . 8 3.2.1 机械手底座的设计 . 8 3.2.2 立柱结构的设计 . 8 3.2.3 轴承的选择 . 9 3.2.4 上轴承座的选择 . 10 3.2.5 下轴承座的选择 . 11 3.2.6 大臂的结构设计 . 12 3.2.7 小臂的结构设计 . 12 3.2.8 气爪的结构设计 . 12 3.2.9 手部夹紧气缸设计计算 . 14 3.2.10 升降气缸设计计算 . 18 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页,共 45 页精选学习资料 - - - - - - - - - 3.2.11 伸缩气缸设计计算 . 22 3.2.12 回转气缸设计计算 . 25 第四章 气动部分设计 . 28 第五章 PLC 掌握部分设计 . 30 5.1 电磁铁动作顺序 . 30 5.2 I/O 分配 . 30 5.3 PLC 掌握梯形图 . 31 5.4 PLC 掌握程序指令 . 32 结论 . 37 参考文献 . 38 致谢及声明 .名师归纳总结 . 39 摘要 近 20 年来气动技术的应用领域第 3 页,共 45 页快速拓宽特别是在各种自动化生产线上得到广泛应掌握方式更灵用；电气可编程掌握技术与气动技术相结合使整个系统自动化程度更高- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 活 性能更加牢靠气动机械手、柔性自动生产线的快速进展对气动技术提出了更多更高的要求；本课题设计源于生产线中的搬运站 传动方式采纳气压传动 即用各种气缸来掌握机械手的动作 掌握部分结合可编程掌握技术编写程序进行掌握来实现两站之间的搬运；机械手主要由手部、运动机构和掌握系统三大部分组成；手部是用来抓持工件 或工具 的部件 依据被抓持物件的外形、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式 如夹持型、托持型和吸附型等；运动机构使手部完成各种转动 摇摆、移动或复合运动来实现规定的动作 转变被抓持物件的位置和姿态；运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式称为机械手的自由度；本课题中设计的搬运机械手主要有旋转、伸缩、升降、夹紧四个自由度组成； 课题从机械部分、气动部分和掌握三部分对气动机械手进行设计要求机械手实现上下站之间的搬运功能；机械部分重点是总体结构的设计、各个气缸的挑选和安装设计、各零部件的结构设计等 气动部分主要是给出了搬运机械手的气动原理图 而掌握部分就主要是程序的设计和调试论文采纳西门子-指令编程 给出了相应的梯形图、语句表和简单的流程图；由于气动机械手有结构简洁、易实现无级调速、易实现过载爱护、易实现复杂的动作等诸多特殊的优点 气动机械手正在向重复高精度 模块化 无给油化 机电气一体化方向进展；可以预见 在不久的将来 气动机械手将越来越广泛地进人工业、军事、航空、医疗、生活等领域；关键词 可编程掌握器柔性自动生产线 自由度 梯形图 Abstract Over the past 20 years, the field of pneumatic technology expand rapidly,which is widely used in a diverse array of automated production line especially.The combine of electrical programmable technology and pneumatic control technology makes the whole system a higher 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 45 页精选学习资料 - - - - - - - - - degree of automation, more flexible control and more reliable performance；The rapid develop of pneumatic manipulator and flexible automated production lines requier much more to the development of pneumatic technology . This topic originated from the handling station of the production ；The drive is used pressure line transmission, which uses a variety of cylinder to control the robot's movement and the control parts combining the programmable control technology make a programme to achieve the control of the transportation between the two places. Manipulator is competed by three major parts including hand, sports bodies and control system. Task of hand is to hold the workpiece or tool of the components.According to the grasping objects shape, size, weight, materials and operating requirements the hand hands a variety of structural forms, such as clamp type, ADS holders and adsorption type and so on.The movement part can complete the prescriptive move and achieve the change of the site and gesture of the grasping objects by varies rotatingtwisting,moving or complex movements on hand. The independence movements such as the rise and fall of body, stretching and rotating manner are called the free degrees of manipulator. The handling manipulator of the topic composites four free degrees which are rotation, stretching, lifting and claping The pneumatic manipulator design is desided from three parts in chuding the mechanical parts, pneumatic parts and control parts,which requires to achieve mechanical hand up and down between the handling function. Focus on the mechanical parts are the design of overall structure , 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页,共 45 页精选学习资料 - - - - - - - - - the choice of each cylinder and installation design, structural design of various components etc；pneumatic part is given the pneumatic manipulator handling schematics, and the control part of the procedure was mainly design and debugging,The papers use Siemens S7-200 instructions program,giving the corresponding ladder diagram, statement forms and simple flow chart. Because the pneumatic Manipulator has advantages of simple structure, easy to achieve the stepless speed regulation, easy to achieve overload protection, easy to achieve a number of complex movements,the pneumatic manipulator is developing to the repeat-high-precision, modular, non-oil and electrical integration direction. It is foreseeable that in the near future, pneumatic manipulator will become more and more widely used into the industrial, military, aviation, medical, and other areas of life. Keywords:PLC, flexible automated production lines, free degree, Ladder Diagram 引 言 1.1 课题的背景和意义 近 20 年来 气动技术的应用领域快速拓宽 特别是在各种自动化生产线上得到广泛应用；电气可编程掌握技术与气动技术相结合 使整个系统自动化程度更高 掌握方式更灵活 性能更加牢靠 气动机械手、柔性自动生产线的快速进展 对气动技术提出了更多更高的要求；自从机械手问世以来 相应的各种难题迎刃而解；能仿照人手和臂的某些动作功能用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置；它可代替人的繁重劳动 以实现生产的机械化和自动化能在有害环境下操作以爱护人身安全因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门；通用机械手因具有独立的掌握系统、名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页,共 45 页精选学习资料 - - - - - - - - - 程序可变、可在空间抓、放、搬运物体动作敏捷多样适用于可变换生产品种的中、小批量自动化生产 广泛应用于柔性自动线；近年来随着气动技术的快速进展 气动元件及气动自动化技术已越来越多地应用于机械手中 构成气动机械手；气动机械手的全部动作由电磁阀掌握的气缸驱动；其中, 上升、下降和左移、右移分别由双线圈两位电磁阀掌握, 机械手的放松、夹紧也由双线圈两位电磁阀 夹紧电磁阀 掌握；机械手一般由执行系统、驱动系统、掌握系统和人工智能系统组成 抓取等动作；, 主要完成移动、转动、本课题来源于试验课题 模拟生产线由六站组成 各站可独立 可简洁的连接在一起组成一条自动加工生产线；该课题要求设计搬运站 搬运机械手将工件从上料检测站搬至加工站；搬运过程中能实现抓取、提升、回转、下降、松开等动作 且动作次序、动作速度可调；用气动驱动 掌握；包括总体设计 各执行机构设计 气动系统设计、运算掌握系统设计；技术要求有以下几点a.装卸、调整便利以降低制造成本b.结构简洁工作安全牢靠c.设计合理尽量使用标准件d.用 PLC 对机械手进行掌握；总体设计思路a. 确定总体结构的组成、框架及各部分的功能与工作目标；b. 依据设计任务书的要求 初步运算各工艺参数和结构参数；c.设计机体分级部分的结构及主要零件结构；名师归纳总结 d.主要分级结构部分的主要零件强度和刚度检查其加工工艺性和装配工艺性；第 7 页,共 45 页e.保证与其它部分的接口合理；f.依据设计结果修正设计参数； 1.2 课题国内外进呈现状国外机器人领域进展近几年a.有如下几个趋势: 工业机器人性能不断提高 高速度、高精度、高牢靠性、便于操作和修理而单机- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 价格不断下降平均单机价格从91 年的 10.3万美元降至97 年的 65 万美元；b. 机械结构向模块化、可重构化进展；例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化 : 由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机；国外已有模块扮装配机器人产品问市； PC 机的开放型掌握器方向进展便于标 c.工业机器人掌握系统向基于准化、网络化；器: 大大提高了系统的牢靠性、易操作性件集成度提高掌握柜日见小巧且采纳模块化结构和可修理性；d. 机器人中的传感器作用日益重要除采纳传统的位置、速度、加速度等传感器外装配、焊接机器人仍应用了视觉、力觉等传感器 而遥控机器人就采纳视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策掌握；多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用；e. 虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演进展到用于过程掌握 如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人；f. 当代遥控机器人系统的进展特点不是追求全自治系统 而是致力于操作者与机器人的人机交互掌握 即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统 使智能机器人走出试验室进入有用化阶段；美国发射到火星上的“ 索杰纳 ” 机器人就是这种系统胜利应用的最闻名实例； g. 机器人化机械开头兴起；从 94 年美国开发出 “ 虚拟轴机床 ” 以来这种新型装置已成为国际讨论的热点之一 纷纷探究开拓其实际应用的领域；我国的工业机器人从 80 岁月 “ 七五 ” 科技攻关开头起步 在国家的支持下 通过 “ 七五 ” 、“ 八五 ” 科技攻关 目前己基本把握了机器人操作机的设计制造技术、掌握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；名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页,共 45 页精选学习资料 - - - - - - - - - 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仍有一定的距离 如: 牢靠性低于国外产品 : 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；以上缘由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、牢靠性不稳固；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 积极推动产业化进程 . 我国的智能机器人和特种机器人在“ 863” 方案的支持下 也取得了不少成果；其中最为突出的是水下机器人 水下无缆机 器人的成果居世界领先水平仍开发出直接遥控机器人、双臂和谐掌握机器人、爬壁机器人、管道机器人等机种 等基础技术的开发应用上开展了不少工作: 在机器人视觉、力觉、触觉、声觉 有了肯定的进展基础；但是在多传感器信息融合掌握技术、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就刚刚起步 与国外先进水平差距较大 需要在原有成果的基础上 有重点地系统攻关 才能形成系统配套可供有用的技术和产品 以期在 “ 十五 ” 后期立于世界先进行列之中；其次章 总体方案确定 2.1 总体方案论证 机械手主要由执行机构、驱动系统、掌握系统以及位置检测装置等所组成；对气动机械手的基本要求是能快速、精确地拾一放和搬运物件 这就要求它们具有高精度、快速反应、肯定的承载才能、足够的工作空间和敏捷的自由度及在任意位置都能自动定位名师归纳总结 等特性；设计气动机械手的原就是: 充分分析作业对象 工件 的作业技术要求拟定最合理第 9 页,共 45 页的作业工序和工艺并满意系统功能要求和环境条件；明确工件的结构外形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掌握的要求；尽量选用定型的标准件简化设计制造过程兼顾通用性和专用性- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 并能实现柔性转换和编程掌握. 本次设计的机械手是通用气动机械手是一种适合于小批生产的、可以变动作程序的自动搬运或操作设备生产场合； 2.1.1 机械手手臂结构方案设计依据抓取工件的要求 本机械手的手臂有四个自由度 即手臂的夹紧、左右回转、左右伸缩和升降运动；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手臂的左右伸缩 手臂的各种运动由气缸来实现 2.1.2 机械手驱动方案设计 气压传动的优点1. 对于传动形式而言 气缸作为线性驱动器可在空间的任意位置组建它所需的运动轨 迹 安装爱护简洁工作介质是取之不尽、用之不竭的空气 空气本身不花钱；排气处理简洁 不污染环境 成本低；压力等级低 使用安全3. 气缸动作速度一般为 比液压和电气方式的动作速度快 其间 通过单向节流阀 可使气缸速度无级调剂4. 牢靠性高 使用寿命长；电器元件的有效动作数约为数百万次 而进口的一般电磁阀的寿命大于 3000 万次 小型阀超过一亿次利用空气的可压缩性 可储存能量 实现集中供气6. 全气动掌握具有防火、防爆、耐潮的才能；与液压方式相比 合使用7. 由于空气缺失小压缩空气可集中供应远距离输送；气动方式可在高温场名师归纳总结 依据以上优点可知道气压传动系统的动作快速反应灵敏阻力缺失和泄漏较小成第 10 页,共 45 页本低廉因此本机械手采纳气压传动方式； 2.1.3 机械手掌握方案设计综合分析机械手的动作要求在机械手中需要完成的掌握功能较多掌握精度较高运算速度较快且具有数据处理才能并考虑整个系统的经济和技术指标由于 PLC 的输出电流较小需要用功率模块来掌握比例液压阀选用西门子公司的S7-200系 CPU226 型其功能和指令系统都能满意对该机械手的掌握要求；掌握按钮、各处的行程开关及压力继电器等开关量信号直接与PLC 的输入端子相连的开关量输出端子直接与各个电磁- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 阀相连用 PLC 上所带的 24V 电源或外接24V 电源驱动采纳编程软件STEP 7-版 进行编程和运行监控； 2.1.4 机械手主要参数 a.主参数机械手的最大抓重是其规格的主参数本设计机械手最大抓重以1kg为数最多；故该机械手主参数定为1kg ；b. 基本参数运动速度是机械手主要的基本参数；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畴；而影响机械手动作快慢的主要因素是手臂回转的速度；该机械手最大升降速度设计为 最大回转速度设计为 450° /s ；平均升降速度为 平均回转速度为 90° /s ； 2.1.5 机械手的技术参数列表 A. 设计技术参数 : a 抓重1 公斤 夹持式手部 b 自由度数4 个自由度c 最大工作半径279mm d 手臂最大中心高684.5mm B. 手臂运动参数夹紧行程 50mm 夹紧速度 50mn/s 升降行程 100mm 升降速度 100mm/s 回转范畴 0 ° 180° 回转速度 90 ° /s 名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页,共 45 页精选学习资料 - - - - - - - - - C. 手指夹持范畴塑料 : 40mmD. 定位方式行程开关E. 定位精度士 0.5mm F. 缓冲方式液压缓冲器G. 驱动方式气压传动H. 掌握方式点位程序掌握 采纳 PLC 第三章 机械手总体结构设计 3.1 动作工况与分析 气动机械手是以压缩空气的压力来驱动执行机构运动的机械手；其主要特点是 : 介质源极为便利 输出力小 气动动作快速 结构简洁 成本低；但是 由于空气具有可压缩的特性 工作速度的稳固性较差 冲击大 而且气源压力较低 抓重一般在 30 公斤以下 在同样抓重条件下它比液压机械手的结构大 中进行工作；所以适用于高速、轻载、高温顺粉尘大的环境机械手的全部动作由电磁阀掌握的气缸驱动；其中 , 上升 / 下降、左移 / 右移以及摇摆分别由双线圈两位电磁阀掌握 , 机械手的放松 / 夹紧由一个单线圈两位电磁阀 夹紧电磁阀 掌握；机械手的任务是将 A 工作台上的工件搬运到 B 工作台 或 B 到 机械手示意图如图 3-1 所示名师归纳总结 图 3-1 机械手示意图在连续自动工作方式的状态下机械手的次序实现的动作如图1 示意图第 12 页,共 45 页所示手臂下降- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 手指夹紧 手臂上升 手臂右摇摆 手臂右伸 手臂下降 手指松开 手臂上升 手臂左伸 手臂左摇摆回到初始位机械手可以反复不断的进行上述循环动作； 3.2 机械手各部分结构设计机械手执行机构的各部件和驱动系统3.2.1 机械手底座的设计底座是机械手的基础部分均安装于机座上故起支撑和连接的作用；底座的设计是依据各个零件的尺寸及有助于拆装便利来设计的如图 2-2 所示 图 3-2 箱座 箱座内壁不需要与其他零件有协作的关系 所以内表面不需要加工；左右厚壁上端有M10 的螺纹孔 要求加工表面粗糙度 连接轴承下座的 底版的光孔是用来固定整个装置的 材料为铸铁 HT200 ； 3.2.2 立柱结构设计 立柱是支承手臂的部件 立柱也可以是手臂的一部分 手臂的回转运动和升降 或俯仰 运动均与立柱有亲密的联系；机械手的立往通常为固定不动的 但机械手的立柱因工作需要 有时也可作横向移动 即称为可移式立柱； a. 立柱的材料及热处理 由于设计功率不是太大对其重量和尺寸无特别要求故挑选常用材料45 钢 调质处理； b.初估轴径按扭矩初估轴的直径依据 1查表 10-得考虑倒安装轴承担扭矩作用取就3 minn P -式中由轴承的材料和承载情形缩确定的常数P轴的输出功率n轴的转速各参数值为 C=106、P=15KW、就33 名师归纳总结 - - - - - - -第 13 页,共 45 页精选学习资料 - - - - - - - - - min15 10639.95 280 P dCmm n 所以挑选轴径轴上面设计个法兰用法兰来固定轴承由于轴是靠气缸摇摆来旋转的 所以所