搬运机械手及其控制系统设计.doc
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1、目 录 - IV - 目 录 摘 要I ABSTRACT(英文摘要) 目 录IV 第一章第一章 引引 言言.1 1.1 课题的背景和意义1 1.2 课题国内外发展现状2 第二章 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 机械手控制方案设计 .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 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、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 目 录 - V - 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 控制部分设计 30 5.1 电磁铁动作顺序. 30 5.2 I/O 分配 30 5.3 PLC 控制梯形图 31 5.4 PLC 控制程序指令 32 结论.37 参考文献38 致谢及声明 39 摘 要
3、 近 20 年来,气动技术的应用领域迅速拓宽,尤其是在各种自动化生产线上得到广泛 应用。电气可编程控制技术与气动技术相结合,使整个系统自动化程度更高,控制方式更 灵活,性能更加可靠;气动机械手、柔性自动生产线的迅速发展,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,传动方式采用气压传动,即用各种 气缸来控制机械手的动作,控制部分结合可编程控制技术编写程序进行控制 来实现两站之间的搬运。 机械手主要由手部、运动机构和控制系统三大部分组成。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
4、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 。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。 目 录 - VI - 课题从机械部分、气动部分和控制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、 各个气缸的选择和安装设计、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,而控制部分则主要是程序的设计和调试, 论文采用 西门子( S7-200)指令编程,给出了相应的梯形图、语句表和简 单
5、的流程 图。 由于气动机械手有结构简单、易实现无级调速、易实现过载保护、易实 现复杂的动作等诸多独特的优点, 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 方向发展。 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:可编程控制器,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 automa
6、ted production line especially.The combine of electrical programmable technology and pneumatic control technology makes the whole system a higher degree of automation, more flexible control and more reliable performance;The rapid develop of pneumatic manipulator and flexible automated production lin
7、es requier much more to the development of pneumatic technology . This topic originated from the handling station of the production line;The drive is used pressure transmission, which uses a variety of cylinder to control the robots movement and the control parts combining the programmable control t
8、echnology 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, si
9、ze, 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 目 录 - VII - of the grasping objects by vari
10、es rotating(twisting),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, lifti
11、ng 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 , the
12、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 c
13、orresponding 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 dev
14、eloping 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 automa
15、ted production lines, free degree, Ladder Diagram 引引 言言 1.1 课题的背景和意义课题的背景和意义 近 20 年来,气动技术的应用领域迅速拓宽,尤其是在各种自动化生产线上得到广泛 应用。电气可编程控制技术与气动技术相结合,使整个系统自动化程度更高,控制方式更 灵活,性能更加可靠;气动机械手、柔性自动生产线的迅速发展,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。能模仿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 目 录 - VIII - 以实现生产的机
16、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。通用机械手因具有独立的控制系 统、程序可变、可在空间抓、放、搬运物体,动作灵活多样,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迅速发展,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控制的气缸驱动。其中,上升、下降和左移、右移分 别由双线圈两位电磁阀控制,机械手的放松、夹紧也由双线圈两位电磁阀(夹紧电磁阀)控 制。机械手一般由执行系统、驱动系统、控制系统和人工智能系统组成,主要完成移动
17、、 转动、抓取等动作。 本课题来源于实验课题,模拟生产线由六站组成,各站可独立,可容易的连接在一起 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,且动作顺序、动作 速度可调。用气动驱动,PLC 控制。包括总体设计,各执行机构设计,气动系统设计、计 算,控制系统设计。技术要求有以下几点: a.装卸、调整方便; b.结构简单,工作安全可靠; c.设计合理,尽量使用标准件,以降低制造成本; d.用 PLC 对机械手进行控制。 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.根
18、据设计任务书的要求,初步计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。 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。 e.保证与其它部分的接口合理。 f.根据设计结果,修正设计参数。 1.2 课题国内外发展现状课题国内外发展现状 国外机器人领域发展近几年有如下几个趋势: a.工业机器人性能不断提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修),而单机 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、可重构化发展。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
19、式构造机器人整机;国外已有模块化装配机 器人产品问市。 目 录 - IX - c.工业机器人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展,便于标准化、网络化; 器件集成度提高,控制柜日见小巧,且采用模块化结构:大大提高了系统的可靠性、易操 作性和可维修性。 d.机器人中的传感器作用日益重要,除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外, 装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器,而遥控机器人则采用视觉、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控制;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、预演发展到用于过程控制,如使遥控机 器人
20、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发展特点不是追求全自治系统,而是致力于操作者与机器人 的人机交互控制,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 出实验室进入实用化阶段。美国发射到火星上的“索杰纳”机器人就是这种系统成功应用 的最著名实例。 g.机器人化机械开始兴起。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研究的热点之一,纷纷探索开拓其实际应用的领域。 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
21、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
22、, “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 目 录 - X - 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
23、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。 第二章第二章 总体方案确定总体方案确定 2.1 总体方案论证总体方案论证 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所组成。 对气动机械手的基本要求是能快速、准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、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
24、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。 2.1.12.1.1 机械手手臂结构方案设计机械手手臂结构方案设计 按照抓取工件的要求,本机械手的手臂有四个自由度,即手臂的夹紧、左右回转、左右伸 缩和升降运动。手臂的回转和升
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- 搬运 机械手 及其 控制系统 设计
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