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机械手-PLC控制机械手设计.rar

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    机械手 PLC 控制 设计
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    毕 业 设 计 说 明 书 ( 论 文 ) 第 1 页 共 33 页驱动部分传送机构 控制部分 行程检测装置手部 传感装置被传送物件1 绪论随着我国工业生产的飞跃发展,自动化程度的迅速提高,实现工件的装卸、转向、输送或操持焊枪、喷枪、扳手等工具进行加工、装配等作业的自动化,已愈来愈引起人们的重视。机械手是模仿着人手的部分动作,按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。在工业生产中应用的机械手被称为“工业机械手” 。生产中应用机械手可以提高生产的自动化水平和劳动生产率;可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全生产;尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境中,它代替人进行正常的工作,意义更为重大。1.1 机械手及其组成1.1.1 什么是机械手机械手是一种能模仿人手臂的某些动作功能,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保护人身安全,因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。机械手是工厂企业高度自动化的标志,它能完成许多高技术难度和繁重的体力劳动,尤其对于高温、高压、高湿度、污染等不适宜以人工工作的环境中,机械手起到了不可取代的作用。1.1.2 机械手的组成机械手的组成及其相互之间的关系如图所示。机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等组成。(一) 执行机构包括手部、手腕、手臂和立柱等部件,有的还增设行走机构。1、 手部 即与物件接触的部件。手部是用来抓持工件(或工具)的部件,根据被抓持物件的形状、尺寸、重毕 业 设 计 说 明 书 ( 论 文 ) 第 2 页 共 33 页量、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。2、手腕 是联接手部和手臂的部件,其调整或改变工件方位的作用。3、手臂 支承手腕和手部的部件,用以改变工件的空间位置。4、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)运动均与立柱有密切的联系。5、行走机构 机械手为了完成远距离的操作和扩大使用范围,可以增设滚轮行走机构。滚轮式行走机构可分为有轨的或是无轨的两种。6、机座 它是机械手的基础部分,机械手执行机构的各部件和驱动系统均安装于基座上,故起支承和联接的作用。7、其它部分 行程检测装置和传感装置等。行程检测装置是检测和控制机械手各运动行程(位置)的装置。传感装置其中装有某种传感器,使手指具有敏感性和自控性,用以反映手指与物件是否接触、物件有无滑下或脱落、物件的位置是否准确、手指对物件的握紧力是否与物件的重量相适应。(二) 、运动机构使手部完成各种转动(摆动) 、移动或复合运动来实现规定的动作,改变被抓持物件的位置和姿势。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 。为了抓取空间中任意位置和方位的物体,需有 6 个自由度。自由度是机械手设计的关键参数。自由度越多,机械手的灵活性越大,通用性越广,其结构也越复杂。一般专用机械手有 2~3 个自由度。1.2 机械手的分类㈠、按机械手的使用范围分类:⑴ 专用机械手 一般只有固定的程序,而无单独的控制系统。它从属于某种机器或生产线,用以自动的传送物件或操作某一工具。这种机械手结构较简单,成本较低,适用于动作比较简单的大批量生产的场合。⑵ 通用机械手(也称工业机器人)即指具有可变程序和单独驱动的控制系统,又不从属于某种机器,而能自动地完成传送物件或操作某些工具的机械装置。㈡、按机械手的驱动方式分类:⑴ 液压驱动机械手 以压力油进行驱动。⑵ 气压驱动机械手 以压缩空气进行驱动。毕 业 设 计 说 明 书 ( 论 文 ) 第 3 页 共 33 页⑶ 电力驱动机械手 直接用电机进行驱动。⑷ 机械驱动机械手 是将主机的动力通过凸轮、连杆、齿轮、间歇机构等传给机械手的一种驱动方式。㈢、按机械手臂力大小分类:⑴ 微型机械手 臂力小于 1 公斤。⑵ 小型机械手 臂力为 1~10 公斤。⑶ 中型机械手 臂力为 10~30 公斤。⑷ 大型机械手 臂力大于 30 公斤。㈣ 按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。1.3 应用机械手的意义随着科学技术的发展,机械手也越来越多地被应用。在机械工业中,铸、锻、焊、铆、冲压、热处理、机械加工、装配、检验、喷漆、电镀等工种都有应用的实例。其它部门,如轻工业、建筑业、国防工业等工作中也均有所应用。机械工业中,应用机械手的主要目的:一、可以提高生产过程的自动化程度。应用机械手,有利于实现材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化程度,从而可以提高劳动生产率和降低生产成本。二、可以改善劳动条件、避免人身事故在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其它毒性污染以及工作空间狭窄等场合中,用人手直接操作时有危险或根本不可能的。而应用机械手即可部分或全部代替人安全的完成作业,使劳动条件得以改善。在一些简单、重复,特别是较笨重的操作中,以机械手代替人手进行工作,可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。三、可以减少人力,并便于有节奏地生产应用机械手代替人手进行工作,这是直接减少人力的一个侧面,同时由于应用机械手可以连续地工作,这是减少人力的另一个侧面。因此,在自动化机床和综合加工自动线上,目前几乎都设机械手,以减少人力和更准确地控制生产的节拍,便于有节奏进行生产。综上所述,有效地应用机械手,使发展工业的必然趋势。1.4 机械手的发展概况毕 业 设 计 说 明 书 ( 论 文 ) 第 4 页 共 33 页1.4.1 对机械手的一般要求:1、 降低机械手的成本 为了扩大机械手的使用范围,必须降低机械手的成本。据统计,机械手电气控制装置所占成本的比重较大。2、 品种多样化 为了适应不同工作的需要,应使的机械手的品种多样化,用机械手代替更多的人的手工劳动,进而实现生产过程的自动化。特别是那些工作比较单一、重复性很大而工作条件又较差和劳动量较大的工种,更应注意设计和使用各种类型的机械手。3、 零件、部件系列化、通用化、标准化 为了加速扩大机械手的应用领域,应尽量缩短其设计和制造周期。这样,就要求机械手的某种零件、部件(如手部、臂部等)系列化、通用化、标准化。然后,即可根据具体工作的需要,将这些零件、部件(或再相应地增加一些其它零件、部件)进行组合,组成需要的机械手。当然,这样的机械手还应保证组合方便,一旦工作变更时,就能迅速而顺利的重新组合。4、 产品性能应准确可靠 机械手的重要技术指标之一,就是其性能应稳定可靠。为此,要求设计合理,元件稳定,制造精确。1.4.2 机械手的发展概况与发展趋势机械手是机械、电子、计算机、液压液力与气压传动等多学科高新技术融合的成果,是当代技术进步的典型范例。机械手通常用作机床或其它机器的附加装置,如在自动机床或自动生产线上装卸和传递工件,在加工中心中更换刀具等,一般没有独立的控制装置。有些操作装置需要由人直接操纵,如用于原子能部门操持危险物品的主从式操作手。专用机械手经过几十年的发展,如今已进入以通用机械手为标志的时代。由于通用机械手的应用发展,进而促进了智能机器人的研制。智能机器人涉及的知识内容,不仅包括一般的机械、液压、气压传动等基础知识,而且还应用一些电子技术、电视技术、通讯技术、计算技术、无线电控制、仿生学和假肢工艺等,因此它是一项综合性较强的新技术。目前国内外对发展这一新技术都很重视。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已被接受。由于气动技术与电子技术的结合,以及周边技术的成熟,在工业自动化领域里,气动机械手、气动机器人的实用性已经充分体现出来。因为气动伺服定位技术一出现,就受到工业界和学术界的高毕 业 设 计 说 明 书 ( 论 文 ) 第 5 页 共 33 页度重视,同时为气动机器人、气动机械手大规模进入工业自动化领域开辟了十分宽广的前景。研制具有一定“感触”和“智力”的智能机器人。这种机器人,具有各种传感装置,并配备有计算机。根据仿生学的理论,用计算机充当起“大脑”,使它能“思考”、能“分析”、能“记忆”。用电视摄像机、测距仪、纤维光学传感器、导光管或其它光敏元件作为“眼睛”,在其“视野”的范围内能“看”。用听筒和声敏元件等作“耳朵”能“听”。用扬声器等作“嘴”能“说话”进行“应答”。用热电偶和电阻应变仪等作“触觉”能“感触”。用滚轮或双足式的行走机构作为“脚”来实现自动移位。这样的智能机器人,可以由人用特殊的语言对其下达命令,布置任务。受令后的智能机器人,即可根据现场环境的各种条件或信息,独立地“分析”和“判断”并自编或自变程序的进行工作;能够自找(选择)物件的方位,字调握力的大小,自找传送路线以避开障碍物。因此,它将成为“无人化”系统的重要组成环节之一。2 机械手的设计2.1 机械手设计的总体方案由于本次设计的机器人需要通过气缸来实现机械手臂的三个方向上的自由度如:手臂的上下的升降运动、手臂的前后伸缩运动、手臂的回转运动以及用气压马达来实现小车按轨道运动。总体设计方案如下面的框图所示:毕 业 设 计 说 明 书 ( 论 文 ) 第 6 页 共 33 页机 械 手手 臂 小 车气压马达减速装置轮子空气压缩机控制调节装置(各类阀类)控制系统压力、运动方向、运动速度气 泵设计示意图如下所示 伸 缩 伸降回 转气 压 驱 动 近 距 离 自 动 移 动 式 机 械 手 臂 的 结 构 示 意 图1、 手 指 夹 紧 气 缸 2、 手 臂 伸 缩 气 缸 3手 臂 升 降 气 缸 4、 回 转 气 缸 5、 小 车夹 紧 张 开 机械手的执行机构由于采用积木式连接,结构非常简单、实用。2.2 机器人的规格参数该机械手属于圆柱坐标式。(一) 机器手的参数:1、主参数 机械手的最大抓重是其规格的主参数,机械手最大抓重以 10 公斤左右的为最多。故该机械手主参数定为 10 公斤。上下升降气缸前后伸缩气缸左右回转气缸手指夹紧气缸毕 业 设 计 说 明 书 ( 论 文 ) 第 7 页 共 33 页2、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,设计速度过低则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 1200 毫米/秒,最大回转速度设计为 1200/秒。平均移动速度为 1000 毫米/秒,平均回转速度为 900/秒。机械手动作时有起动、停止过程的加、减速度存在,用速度—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。则手臂前后伸缩平均速度为 1000 毫米/秒,手臂上下升降平均速度为 500 毫米/ 秒,手臂回转平均速度为 900/秒。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使刚性降低。在这种情况下宜采用自动传送装置为好。据统计和比较,该机械手手臂的伸缩行程定为 600 毫米,最大工作半径为 1500毫米,手臂安装前后可调 200 毫米。手臂回转行程范围定为 2400,又由于该机械手设计成手臂安装方位可调,从而扩大了它的适用范围。手臂升降行程定为 150 毫米。气压驱动工作压力 P 为 4~6 公斤/厘米 2。机械手臂定位和缓冲采用机械挡块和缓冲器定位;定位精度为±0.5~±1 毫米。2.3 气动部件设计的简要分析1、 气缸 气缸是利用压缩空气的压力能转换为机械能的一种能量转换装置。它可以输出力,驱动工作部分作直线运动或往复摆动。气缸是由缸体、活塞、活塞杆、密封件及紧固件等组成。气缸的种类很多,主要有单作用气缸、双作用气缸、组合气缸,摆动气缸。单作用气缸又可分为柱塞式气缸、活塞式气缸、薄膜式气缸;双作用气缸又可分为普通气缸、双活塞杆气缸、不可调缓冲气缸、可调缓冲气缸、活塞带导向杆气缸、串联式气缸;组合气缸又可分为气液阻尼缸和步进式气缸;摆动气缸又可分为单叶片摆动气缸和双叶片摆动气缸。本次机械手的设计中 :① 手臂的升降机构中采用了单作用气缸中的柱塞式气缸,压缩空气推动活塞单方向向上运动,借助自重下降。结构简单又实用。② 手臂的前后伸缩机构中采用了双作用气缸中的普通气缸,压缩空气推动活毕 业 设 计 说 明 书 ( 论 文 ) 第 8 页 共 33 页塞双向运动,应用很广泛。③ 手臂的回转机构中采用了摆动气缸中的单叶片摆动气缸,将压缩空气的能量变为回转运动的机械能,摆动角度小于 3600。刚开始打算采用两个直动气缸带动链条链轮或带动齿条齿轮来获得回转运动,经设计方案的比较得出采用回转气缸的结构要紧凑的多,所以还是采用了摆动气缸。④ 手指夹紧气缸中我采用了单作用气缸中的活塞式气缸,压缩空气推动活塞但方向运动,借助弹簧力反向运动。结构简单,压缩空气用量较柱塞式少。2、 空气控制阀 空气控制阀是气动控制元件,它的作用是控制和调节气路系统中压缩空气的压力、流量和方向,从而保证气动执行机构按规定的程序正常地进行工作。空气控制阀按其作用可分为压力控制阀、流量控制阀和方向控制阀三类。 压力控制阀根据它的作用不同又可分为:调压法、安全阀和顺序阀。 流量控制阀是用来调节和控制压缩空气的流量、流速以及改变执行机构的工作速度。它主要有截流阀、单向截流阀和排气节流阀。 方向控制阀是用来控制气流的方向、气路的通断,从而使执行机构的动作发生变化的气动元件。方向控制阀按阀内气流的方向分:单向型方向控制阀,它只允许气流沿一个方向流动。如单向阀、快速排气阀等;换向型方向阀,它可以改变气流流动的方向。按控制方式分:电磁、气压、机械和人力等控制方法实现。按动作方式可分为:直动式和先导式。按联结方式分:管式连接、板式连接和法兰连接式连接。本次机械手的设计中:经过考虑和分析后,在不光满足各气路要求的条件下又考虑到控制阀的统一性和方便性,我统一选择了型号为 Q24D2H-15-S1的电磁方向控制阀。各气缸凡能采用排气节流方式的,都通过电磁阀的排气口节流阻尼螺钉(锥面式)调速。手臂前后伸缩气缸的气路上,在最接近气缸处,装有两个快速排气阀,以加快启动速度和调节全行程上的速度,同时通过调节阀又可使其加速度限制在允许的范围内,以减少制动时的惯性冲击,提高定位精度。手臂的上下升降则采用进气节流方式,用一个单向节流阀调整手臂的上升速度。下降(靠自重下降)速度仍有电磁阀排气口节流调整。3、气动基本回路 气动回路和液压回路相比,有几方面的不同;毕 业 设 计 说 明 书 ( 论 文 ) 第 9 页 共 33 页一台气动机械手的气动系统有时比较复杂,但经过剖析却不外乎一些基本回路所组成。掌握了气动基本回路以后,对分析和设计气动机械手的气动系统都有较大的帮助。第一, 空气压缩机输出的压缩空气首先储存于储气罐中,然后供给各个回路使用。画气动回路图示空气压缩机常省略不画,但设计气动东回路时,不要忘记考虑气源的能力。第二, 气动回路使用过的空气是经排气口排入大气的,因而不设回气管道来回收空气。第三, 由于空气的粘性很小,在管路中的压力损失较小。因此,在尽量缩短气动管路的情况下管路仍然很长,并不妨碍使用。由于气动执行机构中,以气缸应用最广泛,故下面所论及的基本回路均以气缸为其执行机构。设计机械手的气动系统时,最简便的方法是把选定的完成不同任务的基本回路组合起来。气动基本回路的种类:气动基本回路的种类很多,为了便于设计机械手的气动回路,仅将气动基本回路按方向控制回路和速度控制回路两方面加以叙述。① 方向控制回路(一)单作用气缸中间停止回路(图 2-1)这种回路可使活塞停在气缸中间的任意位置。当三位三通电磁阀的滑阀处在中间位置时,气缸的通路封闭,活塞停止运动。滑阀处在位置 I 时,活塞下腔进气,推动活塞杆伸出。滑阀处在位置 II 时,活塞下腔排气,弹簧力推动活塞下行。(二)双作用气缸换向回路(图 2-2)采用二位五通单电控滑阀控制活塞双向运动。图示位置,活塞右腔进气,左腔排气,活塞向左运动。滑阀切换后,活塞左腔进气,右腔排气,实现了气缸活塞的换向。这种回路时双作用气缸的最基本的换向回路。毕 业 设 计 说 明 书 ( 论 文 ) 第 10 页 共 33 页(三)双作用气缸的活塞可在任意位置停止的回路图 2-3 所示为单活塞杆气缸的这种回路。它采用中封式三位五通双电控滑阀,当滑阀处在中间位置时,各口互不相通,活塞可停留在气缸的任意位置。这种回路不允许有漏损,这样才能保证气缸可靠地工作。在气缸终端需要保持活塞固定的停止位置时,也使用这种回路。图 2-4 所示为双活塞杆气缸的这种回路。它采用中封式三位五通双电控滑阀,当滑阀处在中间位置时,压缩空气同时与活塞左、右两腔相通。因两腔活塞的有效受压面积相等,从而保证了活塞两腔同时受压时,活塞能停留在任意位置。但当外界加在活塞杆上的轴向力不平衡时,则活塞停止的位置不稳定。为了克服这个缺点,可增设调压阀进行压力调解,控制活塞两侧压力平衡,如图 2-5 所示。这种回路可允许有少量漏损,比采用中封式阀较可靠。(四)延时控制回路图 2-6 所示的延时控制回路,为控制信号 A 使二位四通单气控滑阀 1 切换时,压缩空气经阀 1、单向节流阀 3 向气容 4 充气,经过一定的时间,气容压力达到一定数值,控制二位三通气控阀 2 切换。压缩空气经阀 2 的 B 口输往执行机构。信号 A取消后,阀 1 又弹簧复位,压缩空气控制阀 2 也复位而关闭,B 口无输出。气容 4中的空气经阀 3 的单向阀、阀 1 而排空。延时控制回路用于不允许使用时间继电器的场合,如易燃、易爆和大粉尘的场合。2—2 双作用气缸换向回路2—1 单作用气缸中间停止回路
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