锻压机上下料机械手的机械及PLC控制设计
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毕业设计(论文)锻压机上下料机械手的机械及PLC控制设计The mechanical and control design of PLC manipulator under the forging press学生姓名学院名称专业名称指导教师年月日XX学院毕业设计(论文)XX学院学位论文原创性声明 本人郑重声明: 所呈交的学位论文,是本人在导师的指导下,独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用或参考的内容外,本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标注。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。论文作者签名: 日期: 年 月 日XX学院学位论文版权协议书 本人完全了解XX学院关于收集、保存、使用学位论文的规定,即:本校学生在学习期间所完成的学位论文的知识产权归XX学院所拥有。XX学院有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的纸本复印件和电子文档拷贝,允许论文被查阅和借阅。XX学院可以公布学位论文的全部或部分内容,可以将本学位论文的全部或部分内容提交至各类数据库进行发布和检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。论文作者签名: 导师签名: 日期: 年 月 日 日期: 年 月 日摘要本文简要介绍了工业机器人的概念,组成和分类以及自由度和坐标形式,并阐述了液压技术的特点以及其在国内外发展的特点和PLC控制。本文通过对锻压机取件机械手进行总体设计,确定了机械手的坐标形式和自由度,确定了机械手的技术参数。同时,对机械手的夹持式手部、手腕结构进行了结构设计,计算出了使它们动作需要的扭矩,同时设计了机械手的液压系统,机械手工作图液压系统原理图,液压系统的工作原理图的参数化绘制进行了研究,并对液压机械手所使用的轴承,传动轴等进行了计算,选择标准件。大大提高了绘图效率和图纸质量,这些早期的工作为后续的液压机械手的设计做足了充分的准备。本文所设计的液压机械手在很大方面提高了生产效率,节约了生产成本,对后续的机械手的研究和发展也有着重要的意义。关键词 工业机器人;锻压机上下料机械手;PLC IIABSTRACTAt first, the paper introduces the conception of the industrial robot and the eler. dary information of the development briefly . Whats more, the paper accounts for the background and the primary mission of the topic.The paper introduces the function, composing and classification of the manipulator , tells out the free-degree and the form of coordinate . At the same time, the paper gives out the primary specification parameter of this manipulator,The paper designs the structure of the hand and the equipment of the drive of the manipulator .This paper designs the structure of the wrist , computes the needed moment of the drive when the wrist wheels and the moment of the drive of the pump.The paper designs the structure of the arm.The paper designs the system of air pressure drive and draws the work principle chart , the manipulator uses PLC to control . The paper institutes two control schemes of PLC according to the work flow of the manipulator . The paper draws out the work time sequence chart and the trapezia chart . Whats more , the paper workout the control program of the PLC .Keywords industrial robot Forging machine loading manipulator PLC目 录1绪论.1 1.1机械手概述.1 1.2机械手的组成和分类.2 1.2.1机械手的组成.3 1.2.2机械手的分类.4 1.3国内外发展状况. .7 1.4课题的提出及主要任务.82 机械手的设计方案.9 2.1机械手的座标型式与自由度.10 2.2机械手的手部结构方案设计.11 2.3机械手的手腕结构方案设计.13 2.4机械手的手臂结构方案设计.14 2.5机械手的主要参数.18 2.6机械手的技术参数列表.193 手部结构设计.20 3.1夹持式手部结构.21 3.1.1手指的形状和分类.22 3.1.2设计时考虑的几个问题.22 3.1.3手部夹紧油缸的设计.224 手腕结构设计.22 4.1手腕的自由度.22 4.2手腕的驱动力矩的计算.23 4.2.1手腕转动时所需的驱动力矩.23 4.2.2回转油缸的驱动力矩计算.23 4.2.3回转油缸的驱动力矩计算校核.235 手臂伸缩,升降,回转油缸的设计与校核.23 5.1手臂伸缩部分尺寸设计与校核.24 5.1.1尺寸设计.25 5.1.2尺寸校核.25 5.1.3导向装置.26 5.1.4平衡装置.27 5.2手臂升降部分尺寸设计与校核.27 5.2.1尺寸设计.27 5.2.2尺寸校核.27 5.3手臂回转部分尺寸设计与校核.28 5.3.1尺寸设计.29 5.3.2尺寸校核.306 液压系统设计.31 6.1液压缸的选型计算.32 6.2液压系统原理图的确定.337 机械手的PLC控制设计.34 7.1可编程序控制器的选择及工作过程.35 7.1.1可编程序控制器的选择.36 7.1.2可编程序控制器的工作过程.37 7.2机械手可编程序控制器控制方案.39结论.40致谢.41参考文献.421 绪 论1.1 机械手概述 工业机器人由操作机(机械本体),控制器,伺服驱动系统和传感检测装置组成,它是一种仿人操作,自动控制,可重复编程,在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。特别适合于多品种柔性生产,可变容积。它的稳定性,提高产品质量,提高生产效率,改善工作条件和快速更新的产品更新换代起着非常重要的作用。机器人技术是一种高新技术集成,多学科理论,机制,控制,技术,人工智能信息和传感器,仿生和形成,是当代研究十分活跃,应用日益广泛的领域。机器人的应用,是一个国家工业自动化水平的重要指标。机器人并不是在简单意义上代替手工劳动,而是一个综合的电子机械装置的一个人形的人的技能和专业知识的机器,作为一个男人的快速反应的环境的分析和判断能力的状态,该机可长时间连续工作,精度高,抗恶劣环境的能力,这种进化是从某个意义上的机械过程的结果,是重要的制造业和服务业和非工业设备,自动化设备和先进制造技术不可缺少的。机械手是模仿人手的部分,根据给定的程序,轨迹和要求实现自动抓取,搬运和自动机械装置的操作。应用于工业生产的称为“工业机械手”。机械手的应用可以提高生产的自动化和生产力的生产水平:能降低劳动强度,保证产品质量,实现安全生产;特别是在高温,高压,低温,低压,粉尘,易爆,有毒液体和放射性等恶劣环境中,它不是人类正常的工作,更重要的。因此,越来越多的被广泛引用的机械加工,冲压,铸造,锻造,焊接,热处理,电镀,涂装,装配和轻工业,交通等。机械手的结构形式开始比较简单,更具体的,只有机器装卸装置,是一种特殊的机械连接到机械手。随着工业技术的发展,使得独立的按程序控制实现重复操作,具有适用范围广的程序控制通用机械手”,简称通用机械手。由于通用机械手能迅速改变工作程序,适应性强,所以它可以在不断变换的小批量生产品种生产线中广泛引用。1.2 机械手的组成和分类1.2.1 机械手的组成锻压机取件机械手主要由执行机构、控制系统以及位置检测机构等等部分组成。下图即为各组成部分的逻辑框图:(一)执行机构 包括手部、手腕、手臂和立柱等部件,有的还增设有行走机构。1、手部手部是直接与目标对象接触,而且是与不同形式的物体接触,可分为夹持式和吸附式手在本文中我们使用手握式结构。手握式的手指(或爪)形成和传力机制。手指与物体直接接触的部件,常用的手指运动形式的旋转和平移式。旋转手指结构简单,制造容易,因此被广泛应用。翻译类型较少使用,原因是结构较为复杂,但翻译式指夹圆形零件时,工件直径变化不影响其轴向位置,使工件装夹的变化范围大直径是合适的。手指结构取决于表面形状,对象的把握抓住了网站(是大纲或孔)的重量和大小和对象。常用的指形平面,在V形和表面:手指有外夹式和内;双指型指数,多指型和双指式等。通过手指的力传动机构产生夹紧力来完成夹持物体的任务。传力机构的类型是比较常用的是:滑杆,连杆杠杆式,斜杆,齿轮齿条式,螺母弹簧式和重力式等。2、手腕 是连接手部和手臂的部件,并可用来调整被抓取物件的方位(即姿势)。3、手臂 手臂是支撑抓住物体,手的一个重要组成部分,手腕。手臂是指驱动来把握对象的作用,并根据预定的要求将被运到指定的位置。工业机械手的手臂通常由驱动手臂运动的部件(如气缸,液压缸,齿轮齿条机构,连杆机构,螺旋机构和凸轮机构)和驱动源(如液压,液压或电机匹配,等)实现各种的手臂动作。4、立柱 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。机械手的立I因工作需要,有时也可作横向移动,即称为可移式立柱。5、行走机构 当工业机械手需要完成远程操作,或扩大使用范围,可以是一个惰轮行走机构可以包辊,履带行驶在框架机制,以实现工业机械手的机械运动。滚轮式轨道和无轨两布。驱动辊的运动应加机械传动装置。6、机座 基座是机械手的基础部分,机械手执行机构和驱动系统的各个部分都安装在基座上,起支撑和连接的作用。(二)驱动系统驱动系统是驱动工业机械手执行机构运动的调节装置,动力装置和辅助装置。传动系统中常用的液压传动,液压传动,机械传动。控制系统是由运动的要求按工业机械手系统为主。目前工业机械手的控制系统一般由程序控制系统和电液位置(或定位块组成的机械系统)。电液控制系统和流量控制,它支配着机械手按规定的程序运行,指令信息和人给机械手的记忆(如动作顺序,运动轨迹,运动速度和时间),同时,根据控制系统的信息,必要时执行机构发出指令,机械手的动作,监控,报警信号时发出的动作有错误或失败。(三)控制系统 控制系统是支配着工业机械手按规定的要求运动的系统。目前工业机械手的控制系统一般由程序控制系统和电液定位(或机械挡块定位)系统组成。控制系统有电液控制和射流控制两种,它支配着机械手按规定的程序运动,并记忆人们给予机械手的指令信息(如动作顺序、运动轨迹、运动速度及时间),同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令,必要时可对机械手的动作进行监视,当动作有错误或发生故障时即发出报警信号。(四)位置检测装置 机械手的控制执行机构的运动位置,并保持实际执行器的位置反馈给控制系统,与设定的位置进行比较,然后通过控制系统进行调整,从而使执行机构以一定的精度到达设定位置。1.2.2 机械手的分类 工业机械手的种类很多,关于分类的问题,目前在国内尚无统一的分类标准,在此暂按使用范围、驱动方式和控制系统等进行分类。 机械手可分为专用机械手和通用机械手两种:1、专用机械手 它是附属于主机的、具有固定程序而无独立控制系统的机械装置。专用机械手具有动作少、工作对象单一、结构简单、使用可靠和造价低等特点,适用于大批量的自动化生产的自动换刀机械手,如自动机床、自动线的上、下料机械手和“加工中心”2、通用机械手它是一个独立的控制系统,机械手程序,灵活多变的动作。网格的性能范围,其行动计划是可变的,通过调整可在不同场合下使用,驱动系统和控制系统是独立的。通用机械手的工作范围大,定位精度高,通用性强,适用于小批量自动化生产品种的变化。根据不同的定位控制一般的机械手可分为简单和伺服型两种:“一关”控制方向的简单类型,唯一的点对点控制:可以是一个点,也可以实现连续轨迹控制,定位伺服控制系统,伺服式,伺服万能机械手属于数控型。1.3 国内外发展状况 对国外机器人领域发展近几年有如下趋势:(1)工业机器人性能不断提高(高速度,高精度,高可靠性,操作和维修方便),和单一的价格不断下降,从91年到97年的103000美元到650000美元的平均单位价格。(2)机械结构向模块化,可重构的发展。例如,伺服电机,减速器,检测系统的关节模块中的三个关节模块,集成连接模块:采用特种机器人重组形式;模块化的装配机器人产品问市,在国外已。(3)工业机器人控制系统向基于PC机的开放式控制系统的发展方向,易于标准化,网络化;器件集成度提高,控制柜变得更加紧凑,和模块化结构的使用大大提高了系统的可靠性,可操作性和可维护性。(4)传感器在机器人成为越来越重要的作用,除了使用的位置,速度,加速度传感器的传统,装配,焊接机器人也用于视觉,触觉传感器,同时使用视觉,听觉的远程控制机器人,融合技术力量,环境建模和决策控制的触觉和其他多传感器;在产品配置系统的多传感器融合技术已经成熟的应用。(5)虚拟现实技术在机器人中的作用已从模拟发展到预览,用于过程控制,如在远程工作环境的感觉产生的远程控制机器人操作机器人。(6)的远程控制机器人的现代系统发展的特点是不充分的自主控制系统人机交互的追求,而是致力于操作者和机器人,即远程监控远程操作系统和地方自治制度形成一个完整的,使机器人走出实验室进入实用阶段。最著名的例子是美国旅居者”机器人在火星”是成功应用的发射系统。(7)机器人化机械开始兴起。从94年美国开发的“虚拟轴机床,这个新设备已成为世界研究的热门课题之一,研究探讨其应用领域。1.4 课题的提出及主要任务 该项目将完成的主要工作如下:(1)为液压机械手,因此相对于专用机械手,适用面较宽。(2)坐标式机械手的自由度和选择。(3)设计机械手的执行机构,包括:设计的手,手腕,手臂和其他部分。为了使一个更通用的,一方面旨在取代结构,不仅可以应用于夹手指的抓取和锻件,也可以吸收金属薄板工件的液流负压抽油时所需要的行业。(4)液压传动系统的设计本课题将机械手液压传动系统的设计,包括液压元件的选择,液压回路的设计,并绘制液压系统原理图。(5)研究了液压传动系统原理图的参数化绘图,提高绘图效率,提高绘图质量。(6)对机械手控制系统设计。 机械手采用可编程控制器(PLC)控制机械手,该项目将选择PLC型号,根据工作流程组织的机械手的PLC程序,并画出梯形图。2 机械手的设计方案 液压机械手的基本要求是快速,准确地取放和搬运物体,具有精度高,响应速度快,有一定的承载能力,在任何位置足够的工作空间和灵活的自由度,可以自动定位性能。液压机械手的设计原理是:充分分析作业对象(工件)所提出的技术要求,操作程序和最合理的过程,并满足系统功能要求和环境条件;明确的结构形状和材料特性的工件,定位精度高,采集,处理应力特性,尺寸和质量参数等,从而进一步确定机械手的结构及运行控制的要求;标准件尽量选择定型,简化设计和制造过程中,普遍性与特殊性,并能实现柔性转换和编程控制。本设计的机械手是一个通用的液压装卸机械手,是一种自动处理或设备的合适的操作为批,小批量生产,可以改变行动计划,动态强度和单调频繁的生产场合操作。它可用于在恶劣环境下的应用操作。2.1 机械手的座标型式与自由度 根据运动的不同形式和组合的机械臂,坐标型式可分为直角坐标式,圆柱坐标型,标准型和三通。由于起重机械臂,收缩和旋转运动的进料,因此,使用圆柱坐标式。三自由度相应的机械手,以弥补升降运动行程较小的缺点,增加手臂摆动机构,从而增加一个臂上下摆动的自由度。图2-1 机械手的运动示意图2.2 机械手的手部结构方案设计为了使机械手变得更加通用,机械手的结构设计成可变结构方面,当工件是锻件,使用手握式;当工件是板料时,使用负压吸盘即可。2.3 机械手的手腕结构方案设计 考虑到机械手的通用性,同时由于被抓取工件是水平放置,因此手腕必须设有回转运动才可满足工作的要求。因此,手腕设计成回转结构,实现手腕回转运动的机构为回转液缸。2.4 机械手的手臂结构方案设计 按照抓取工件的要求,本机械手的手臂有三个自由度,即手臂的伸缩、左右回转和降(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。手臂的各种运动由液缸来实现。2.5 机械手的主要参数 机械手抓是最大重量规格的主要参数,是液压驱动的使用,所以考虑把握对象不应该太重,咨询了机械手的相关设计参数,结合工业生产的实际情况,为10公斤抓取工件的设计质量。运动的2个基本参数是主机械手的基本参数。操作机械手设计速度击败提出了要求,速度低,限制了它的使用范围。影响机械手的运动速度的主要因素是伸缩臂和旋转速度。最大移动速度的机械手的设计。最大转速设计。平均速度。平均旋转速度。机械手在启动,停止,存在减速过程,在一个行程曲线来说明一个更全面的速度特性,由于平均速度和行程,所以用平均速度与速度特性线速度更。除了移动速度,基本参数设计和臂伸缩行程和工作半径。大部分机械手设计成人工坐或站立和行走的操作空间稍等。过度的膨胀冲程和工作半径,必然带来对转矩增加刚度折减的重点。在这种情况下,应采用自动输送装置好。根据统计和比较,伸缩行程机械臂设置为600mm,最大工作半径约1500mm。2.6 机械手的技术参数列表一、用途:用于锻压件的上下料。二、设计技术参数:1、抓重 2、最大工作半径 3、定位方式 行程开关或可调机械挡块等5、定位精度 6、驱动方式 液压传动7、控制方式 点位程序控制(采用PLC)图2-6机械手的工作范围3 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,还可以换成液压吸盘式结构, 3.1 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。3.1.1 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。3.1.2 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。3.1.3 手部夹紧液缸的设计1、手部驱动力计算 本课题液压机械手的手部结构如图3-2所示,图3-2 活塞式油缸手部Fig.3-2 Gear Wheel Hand其工件重量G=10公斤,V形手指的角度,,摩擦系数为 (1)根据手部结构的传动示意图,其驱动力为:(2)根据手指夹持工件的方位,可得握力计算公式:所以 (3)实际驱动力: I,因为传力机构为齿轮齿条传动,故取,并取。若被抓取工件的最大加速度取时,则:所以 所以夹持工件时所需夹紧液缸的驱动力为。2、液缸的直径本液缸属于单向作用液缸。根据力平衡原理,单向作用液缸活塞杆上的输出推力必须克服弹簧的反作用力和活塞杆工作时的总阻力,其公式为:式中: - 活塞杆上的推力,N - 弹簧反作用力,N- 液缸工作时的总阻力,N- 液缸工作压力,Pa弹簧反作用按下式计算:Gf = 式中:- 弹簧刚度,N/m- 弹簧预压缩量,m- 活塞行程,m- 弹簧钢丝直径,m- 弹簧平均直径,.- 弹簧有效圈数.- 弹簧材料剪切模量,一般取在设计中,必须考虑负载率的影响,则:由以上分析得单向作用液缸的直径:代入有关数据,可得 所以:查有关手册圆整,得由,可得活塞杆直径:圆整后,取活塞杆直径校核,按公式有:其中,则:满足实际设计要求。3,缸筒壁厚的设计缸筒直接承受压缩空液压力,必须有一定厚度。一般液缸缸筒壁厚与内径之比小于或等于1/10,其壁厚可按薄壁筒公式计算:式中:6- 缸筒壁厚,mm- 液缸内径,mm- 实验压力,取, Pa材料为:ZL3,=3MPa代入己知数据,则壁厚为:取,则缸筒外径为:4 手腕结构设计考虑到机械手的通用性,同时由于被抓取工件是水平放置,因此手腕必须设有回转运动才可满足工作的要求。因此,手腕设计成回转结构,实现手腕回转运动的机构为回转液缸。4.1 手腕的自由度手腕是连接手部和手臂的部件,它的作用是调整或改变工件的方位,因而它具有独立的自由度,以使机械手适应复杂的动作要求。手腕自由度的选用与机械手的通用性、加工工艺要求、工件放置方位和定位精度等许多因素有关。由于本机械手抓取的工件是水平放置,同时考虑到通用性,因此给手腕设一绕x轴转动回转运动才可满足工作的要求目前实现手腕回转运动的机构,应用最多的为回转油(液)缸,因此我们选用回转液缸。它的结构紧凑,但回转角度小于,并且要求严格的密封。4. 2手腕的驱动力矩的计算4.2.1 手腕转动时所需的驱动力矩手腕的回转、上下和左右摆动均为回转运动,驱动手腕回转时的驱动力矩必须克服手腕起动时所产生的惯性力矩,手腕的转动轴与支承孔处的摩擦阻力矩,动片与缸径、定片、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩以及由于转动件的中心与转动轴线不重合所产生的偏重力矩.图4-1所示为手腕受力的示意图。1.工件2.手部3.手腕 图4-1手碗回转时受力状态Fig.4-1 Bear Force Condition of Wrist When Rotating手腕转动时所需的驱动力矩可按下式计算: 式中: - 驱动手腕转动的驱动力矩();- 惯性力矩();- 参与转动的零部件的重量(包括工件、手部、手腕回转缸的动片)对转动轴线所产生的偏重力矩()。- 手腕回转缸的动片与定片、缸径、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩();下面以图4-1所示的手腕受力情况,分析各阻力矩的计算:1、手腕加速运动时所产生的惯性力矩M悦若手腕起动过程按等加速运动,手腕转动时的角速度为,起动过程所用的时间为,则: 式中:- 参与手腕转动的部件对转动轴线的转动惯量;- 工件对手腕转动轴线的转动惯量。若工件中心与转动轴线不重合,其转动惯量为:式中: - 工件对过重心轴线的转动惯量:- 工件的重量(N);- 工件的重心到转动轴线的偏心距(cm), - 手腕转动时的角速度(弧度/s);- 起动过程所需的时间(s); 起动过程所转过的角度(弧度)。2、手腕转动件和工件的偏重对转动轴线所产生的偏重力矩M偏 + ()式中: - 手腕转动件的重量(N);- 手腕转动件的重心到转动轴线的偏心距(cm)当工件的重心与手腕转动轴线重合时,则.3、手腕转动轴在轴颈处的摩擦阻力矩 ()式中: ,- 转动轴的轴颈直径(cm);- 摩擦系数,对于滚动轴承,对于滑动轴承;,- 处的支承反力(N),可按手腕转动轴的受力分析求解,根据,得:同理,根据(F),得: 式中:- 的重量(N), 如图4-1所示的长度尺寸(cm).4、转缸的动片与缸径、定片、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩M封,与选用的密衬装置的类型有关,应根据具体情况加以分析。4.2.2 回转液缸的驱动力矩计算在机械手的手腕回转运动中所采用的回转缸是单叶片回转液压缸,它的原理如图4-2所示,定片1与缸体2固连,动片3与回转轴5固连。动片封圈4把液腔分隔成两个.当压缩液体从孔a进入时,推动输出轴作逆时4回转,则低压腔的液从b孔排出。反之,输出轴作顺时针方向回转。单叶液缸的压力P驱动力矩M的关系为: ;4.2.3 手腕回转缸的尺寸及其校核1.尺寸设计液压缸长度设计为,液缸内径为=96mm,半径,轴径=26mm,半径,液缸运行角速度=,加速度时间=0.1s, 压强, 则力矩 2.尺寸校核1测定参与手腕转动的部件的质量,分析部件的质量分布情况,质量密度等效分布在一个半径的圆盘上,那么转动惯量: ()工件的质量为10,质量分布于长的棒料上,那么转动惯量。假如工件中心与转动轴线不重合,对于长的棒料来说,最大偏心距,其转动惯量为: 2、手腕转动件和工件的偏重对转动轴线所产生的偏重力矩为M偏,考虑手腕转动件重心与转动轴线重合,夹持工件一端时工件重心偏离转动轴线,则 + 3、手腕转动轴在轴颈处的摩擦阻力矩为,对于滚动轴承,对于滑动轴承=0.1, ,为手腕转动轴的轴颈直径,, , ,为轴颈处的支承反力,粗略估计, 4回转缸的动片与缸径、定片、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩M封,与选用的密衬装置的类型有关,应根据具体情况加以分析。在此处估计为的3倍,3 设计尺寸符合使用要求,安全。5 手臂伸缩,升降,回转液缸的尺寸设计与校核5.1 手臂伸缩液缸的尺寸设计与校核5.1.1 手臂伸缩液缸的尺寸设计手臂伸缩液缸采用烟台液压元件厂生产的标准液缸,参看此公司生产的各种型号的结构特点,尺寸参数,结合本设计的实际要求,液缸用CTA型液缸,尺寸系列初选内径为100/63。5.1.2 尺寸校核1.在校核尺寸时,只需校核液缸内径=63mm,半径R=31.5mm的液缸的尺寸满足使用要求即可,设计使用压强, 则驱动力: 1、 测定手腕质量为50kg,设计加速度,则惯性力 2.考虑活塞等的摩擦力,设定摩擦系数, 总受力 所以标准CTA液缸的尺寸符合实际使用驱动力要求要求。5.1.3 导向装置液压驱动的机械手臂在进行伸缩运动时,为了防止手臂绕轴线转动,以保证手指的正确方向,并使活塞杆不受较大的弯曲力矩作用,以增加手臂的刚性,在设计手臂结构时,应该采用导向装置。具体的安装形式应该根据本设计的具体结构和抓取物体重量等因素来确定,同时在结构设计和布局上应该尽量减少运动部件的重量和减少对回转中心的惯量。导向杆目前常采用的装置有单导向杆,双导向杆,四导向杆等,在本设计中才用单导向杆来增加手臂的刚性和导向性。5.1.4 平衡装置在本设计中,为了使手臂的两端能够尽量接近重力矩平衡状态,减少手抓一侧重力矩对性能的影响,故在手臂伸缩液缸一侧加装平衡装置,装置内加放砝码,砝码块的质量根据抓取物体的重量和液缸的运行参数视具体情况加以调节,务求使两端尽量接近平衡。5.2 手臂升降液缸的尺寸设计与校核5.2.1 尺寸设计液压缸运行长度设计为=118mm,液缸内径为=110mm,半径R=55mm,液压缸运行速度,加速度时间=0.1s,压强p=0.4MPa,则驱动力: 5.2.2 尺寸校核1测定手腕质量为80kg,则重力 设计加速度,则惯性力 考虑活塞等的摩擦力,设定一摩擦系数, 总受力 所以设计尺寸符合实际使用要求。5.3 手臂回转液缸的尺寸设计与校核5.3.1 尺寸设计液缸长度设计为,液缸内径为,半径R=105mm,轴径半径,液缸运行角速度=,加速度时间0.5s,压强, 则力矩: 5.3.2 尺寸校核1测定参与手臂转动的部件的质量,分析部件的质量分布情况,质量密度等效分布在一个半径的圆盘上,那么转动惯量: () 考虑轴承,油封之间的摩擦力,设定一摩擦系数, 总驱动力矩 设计尺寸满足使用要求。6 液压系统设计6.1液压缸的选型计算 液压缸运行长度设计为=118mm,气缸内径为=110mm,半R=55mm,气缸运行速度,加速度时间=0.1s,压强p=0.4MPa,则驱动力 2、尺寸校核(1)测定质量为5kg,则重力 (2) 设计加速度,则惯性力 (3)考虑活塞等的摩擦力,设定一摩擦系数, 总受力 所以设计尺寸符合实际使用要求。6.2液压系统原理图的确定 初步拟定液压系统原理图如下所示;见下图:7 机械手的PLC控制设计 考虑到通用机械手,同时,控制点的使用,所以我们采用了可编程控制器(PLC)控制机械手。当机械手运动变化的过程中,只需实现PLC程序的变化,非常方便。7.1 可编程序控制器的选择及工作过程7.1.1 可编程序控制器的选择 目前,可编程控制器厂家大量生产,如日本三菱公司的F系列PC,PC SIMATIC N5系列,德国西门子公司日本欧姆龙(石),C型,P型PC考虑输入和机械手的输出点不多,工作过程比较简单,同时考虑到制造成本,因此本设计选用c28p公司欧姆龙可编程控制器。7.1.2 可编程序控制器的工作过程 可编程控制器是通过执行用户程序来完成各种控制任务。本文采用循环扫描工作。具体过程可以分为4个阶段。第一阶段是初始化过程。 可编程控制器的输入端不能直接与主机连接,是输入和CPU的输入和输出状态查询输出状态寄存器。输入和输出状态寄存器也被称为I / 0状态表。该表是一个专门的输入输出状态信息的存储。存储输入存储状态信息称为输入状态寄存器;存储器存储输出状态信息被称为输出状态寄存器。开机时,CPU首先使我/ 0状态表被清除,然后自我诊断。当硬件确认是否工作正常,进入下一阶段。第二阶段是输入信号处理阶段。 在输入信号的相位处理,CPU扫描输入状态,每个输入端获得的状态信息发送给我/ 0存储在状态表。在同一扫描周期,每个输入点的状态不变,在I0状态表的维护,不受信号变化的各输入端的影响,因此不能引起混乱的运行效果,保证在这一段用户程序的正确执行。第三阶段是程序处理阶段。 当输入状态信息到我/ 0状态表,CPU工作进入第三阶段。在这个阶段,用户可以按顺序扫描可编程控制器程序,及操作和处理根据我/ 0的状态和相关的指令,然后将结果写入输出状态寄存器状态表在我/ 0。第四阶段是输出处理阶段。用户程序的CPU部分是扫描处理完成,并将运算结果写入到I / 0状态表状态寄存器。当输入信号从输出状态寄存器取出,送到输出锁存电路,驱动输出继电器线圈,各种相应的动作控制设备。然后,CPU返回执行下一个循环扫描周期。步骤7.2中使用的可编程控制器 可编程控制器和被控对象(机器,设备或过程)为自动控制系统,通常分七个步骤进行:(1)系统设计是确定动作对象和动作顺序。(2)I / 0分布 那是,以确定哪些信号送入可编程控制器,并分配给相应的信号输入数;它是由可编程控制器控制对象,和相应的输出信号分布。此外,可编程控制器的使用,程序计数器内部定时器也被分配到。可编程控制器是识别信号数。(3)画出梯形图 它与继电器控制逻辑梯形图的概念相同,体现在系统中的所有行动。如果你使用图形编程器(LCD或CRT),然后画出梯形图相当于编译程序,可以直接传送到可编程控制器的梯形图。对于简单的编程,往往是记忆程序转换过程中的下一步后。(4)助记符机器程序 微电脑记忆程序是等价的,是面向机器的(即,不同厂家的可编程控制器,助记符指令形式不同),编程简单,应该是一个梯形图成助记符程序,可以输入到可编程控制器。(5)程序 那是,每个检查程序中的语法错误,如果有修改。对程序员的工作。(6)调试程序 检查是否正确完整程序的逻辑要求,不要求,可以在程序员修改。程序设计(包括绘画,助记符,梯形图程序编辑,甚至调试)也可以在其他工具进行。如IBM-PC机,只要配备相应的软件。(7)保存程序 通过调试过程,可固化在EPROM或保存备份的磁盘。7.2 机械手可编程序控制器控制方案7.2.1 系统简介 对液压机械手的控制对象。它的手臂具有三个自由度,即水平伸展,收缩;垂直,绕垂直轴顺时针和逆时针旋转。此外,终端执行装置的机械手,还可完成抓,释放功能。以上动作采用液压驱动,采用五二位五通电磁阀(每个阀有两个线圈,对应于两个相反动作)分别控制五个液压缸,使机械手成拉伸,收缩,上下,旋转机械手抓放。使用一组齿轮齿条的直线运动转变为旋转运动,旋转运动的液压缸。在这种方式中,8线圈8输出可用PLC端与电磁阀连接,通过编程,按一定的序列每个励磁线圈电磁阀,以便根据预先设置的机器人运动序列的工作。如果想改变机械手的动作,不需要改变接线,只有动作代码和程序的顺序可以稍微修改。此外,除了抓放外,其余六个动作端放置一个限位开关,以检测运动到位,如果动作不到位,那么错误指示灯。7.2.2 工业机械手的工作流程 这种机械手自动输送线装卸。按下启动按钮,机械手后,机械手具有以下作用:右转限位开关动作正确(1DT功率)下降到下限位开关(5DT功率)手腕90逆时针旋转(7dT功率)臂延伸至限位开关(3DT功率)检查货物,如果货物,手爪(9dt功率)合同限制武器位置开关(4DT功率)上升至上限位开关(6dt功率)左到右限位开关动作(2DT功率)手腕顺时针旋转900(8dt功率)臂延伸至最长(3DT功率)夹持释放(iodt功率)最短的延迟臂收缩(4DT通电)。这样,就完成了一个工作循环。7.2.3 机械手工作时序图如附图所示 1/0分配 根据系统输入输出点的数目,选用OMRON C28P型PC,它有16个输入点,标号为0000-0015; 12个输出点,标号为0500-0511. 机械手控制程序清单如下: 结论在最近的一段时间的毕业设计,使我们充分把握的设计方法和步骤,不仅复习所学的知识,而且还获得新的经验与启示,在各种软件的使用找到的资料或图纸设计,会遇到不清楚的作业,老师和学生都能给予及时的指导,确保设计进度,本文所设计的是锻压机上下料机械手的设计,通过初期的定稿,查资料和开始正式做毕设,让我系统地了解到了所学知识的重要性,从而让我更加深刻地体会到做一门学问不易,需要不断钻研,不断进取才可要做的好,总之,本设计完成了老师和同学的帮助下,在大学研究的最感谢帮助过我的老师和同学,是大家的帮助才使我的论文得以通过。致谢 至此在论文完成之际,向我的导师表示由衷的感谢!真心的感谢我的导师这几年来对我的谆谆教导,感谢我敬爱的老师,您不仅在学习学业上给我以精心的指导,同时还在思想给我以无微不至的关怀支持和理解,给予我人生的启迪,使我在顺利地完成大学阶段的学业同时,也学到了很多有用的做人的道理,明确了人生目标。知道自己想要什么了,不再是从前那个爱贪玩的我了。导师严谨求实的治学态度,锐意创新的学术作风,认真加负责,公而忘私的敬业精神,豁达开朗的宽广胸怀,平易近人。经过近半年努力的设计与计算,查找了各类的锻压机上下料机械手的设计资料,论文终于可以完成了,我的心里无比的激动和开心。虽然它不是最完美的,也不是最好的,但是在我心里,它是我最珍惜的,因为我自己已经尽力的做了,它是我用心、用汗水成就的,也是我在大学四年来对所学知识的应用和体现。四年的学习和生活,不仅丰富了我的知识,而且锻炼了我的个人能力,更重要的是从周围的老师和同学们身上潜移默化的学到了许多有用的知识,在此对所有关心我帮助我的表达我由衷敬意,谢谢各位同学老师。参考文献1 郑淑芳 机械设计理论研究与探讨 北京:科学出版社,2004.52 黄长艺 锻压机上下料机械手操作系统概述 北京:机械工业出版社,2005.13 周宏甫 工业机械手的创新设计.高等教育出版社,2004.34 姜继海,宋锦春,高常识. 机械手工作原理.高等教育出版社,2002.85 张春林,曲继方,张美麟.机械创新设计.机械工业出版社,2001.46 钱平. 加工专机应用技术 机械工业出版社,2005.17 张辽远. 通用机械手的设计与实现. 机械工业出版社,2002.88 基恩士传感器选择手册 2010版本9 黄长艺,严普强.机械工程测试技术基础. 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