小型物料运送手臂设计【搬运机械手、气动方式驱动、自由度可变】【含SOLIDWORKS三维图纸和CAD二维图纸说明书+仿真】
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小型物料运送手臂设计说明书学生姓名 学 号 所属学院 专 业 班 级 指导教师 日 期 前 言工业机器人由操作机(机械本体)、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成,是一种仿人操作,自动控制、可重复编程、能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、变批量的柔性生产。它对稳定、提高产品质量,提高生产效率,改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。机器人应用情况,是一个国家工业自动化水平的重要标志。生产中应用机械手臂可以提高生产的自动化水平,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。因此,在机械加工、冲压、铸、锻、焊接、热处理、电镀、喷漆、装配以及轻工业、交通运输业等方面得到越来越广泛的引用。机械手臂的结构形式开始比较简单,专用性较强,仅为某台机床的上下料装置,是附属于该机床的专用机械手臂。随着工业技术的发展,制成了能够独立的按程序控制实现重复操作,适用范围比较广的“程序控制通用机械手臂”,简称通用机械手臂。由于通用机械手臂能很快的改变工作程序,适应性较强,所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的引用。 本设计的核心是运用气压传动来驱动执行机构运动的;用PLC进行控制的小型物料运送手臂。由于设计时间仓促,水平有限,设计中难免存在缺点和错误,希望大家批评指正。设计者小型物料运送手臂设计,学 校:,机械手臂的组成及原理,立柱 手臂 手部,机械手臂的自由度,动画,PLC控制系统,请老师指正,压缩包内含CAD图纸和三维建模及说明书,咨询Q 197216396 或 11970985 小型物料运送手臂设计目 录1绪 论21.1 机械手臂概念21.2本课题研究的目的及意义21.3 国内外机械臂的发展和研究31.4 本课题的任务要求及其可行性41.4.1本课题将要完成的主要任务如下:41.4.2 可行性分析42 机械手臂的整体设计方案42.1 机械手臂的组成42.2 机械手臂的自由度52.3 机械手臂的手部结构方案设计52.4 机械手臂的手臂结构方案设计52.5 机械手臂的驱动方案设计52.6 机械手臂的控制方案设计52.7 机械手臂的主要技术参数62.8 机械手臂的系统工作原理73 手部结构设计83.1手指的形状和分类93.2设计时考虑的几个问题93.3手部夹紧气缸的设计94 臂部结构设计124.1 手腕的自由度124.2 手腕的回转气缸设计与校核124.3 臂部伸缩气缸的设计与校核134.3.1 手臂伸缩气缸的尺寸设计134.3.2 尺寸校核135 立柱的结构设计145.1 臂部升降气缸的尺寸设计与校核145.1.1 尺寸设计145.1.2 尺寸校核145.2 手臂回转气缸的尺寸设计与校核155.2.1 尺寸设计155.2.2 尺寸校核156 机械手臂的PLC控制系统设计166.1 可编程序控制器的选择及工作过程166.1.1 可编程序控制器的选择166.1.2 可编程序控制器的工作过程166.2 可编程序控制器的使用步骤176.3 机械手臂可编程序控制器控制方案176.3.1 控制要求176.3.2 机械手臂的工作流程186.3.3 机械手臂的PLC梯形图197 结论19致 谢21参考文献221绪 论1.1 机械手臂概念它是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。机械手是最早出现的工业机器人,也是最早出现的现代机器人,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。(如图1-1)图1-1 机械手臂1.2本课题研究的目的及意义 机械手臂对稳定、提高产品质量,提高生产效率,改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。机器人应用情况,是一个国家工业自动化水平的重要标志。生产中应用机械手臂可以提高生产的自动化水平,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。此外,气压传动机械手臂是以压缩空气的压力来驱动执行机构运动的机械手臂。其主要特点是:介质来源极为方便,输出力小,气动动作迅速,结构简单,成本低。但是,由于空气具有可压缩的特性,工作速度的稳定性较差,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臂的结构大,所以适用于高速、轻载、高温和粉尘大的环境中进行工作。另外气动技术有以下特点:(1)介质提取和处理方便。气压传动工作压力较低,工作介质提取容易,而后排入大气,处理方便,一般不需设置回收管道和容器,介质清洁,管道不易堵存在介质变质及补充的问题。(2)阻力损失和泄漏较小,在压缩空气的输送过程中,阻力损失较小,空气便于集中供应和远距离输送。外泄漏不会像液压传动那样,造成压力明显降低和严重污染。(3)动作迅速,反应灵敏。气动系统一般只需要0.02s-0.3s即可建立起所需的压力和速度。气动系统也能实现过载保护,便于自动控制。(4)能源可储存。压缩空气可存贮在储气罐中,因此,发生突然断电等情况时,机器及其工艺流程不致突然中断。(5)工作环境适应性好。可在在易燃、易爆、多尘埃、强磁、强辐射、振动等恶劣环境中工作。气压传动与控制系统比机械、电器及液压系统优越,而且不会因温度变化影响传动及控制性能。 (6)成本低廉。由于气动系统工作压力较低,因此降低了气动元、辅件的材质和加工精度要求,制造容易,成本较低。传统观点认为:由于气体具有可压缩性,因此,在气动伺服系统中要实现高精度定位比较困难(尤其在高速情况下似乎更难想象)。此外气源工作压力较低,抓举力较小。虽然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臂,用气动元件组成的控制系统己被接受,但由于气动机器人这一体系己经取得的一系列重要进展过去介绍得不够,因此在工业自动化领域里,对气动机械手臂、气动机器人的实用性和前景存在不少疑虑。1.3 国内外机械臂的发展和研究 它是在早期出现的古代机器人基础上发展起来的,机械手研究始于20世纪中期,随着计算机和自动化技术的发展,特别是1946年第一台数字电子计算机问世以来,计算机取得了惊人的进步,向高速度、大容量、低价格的方向发展。同时,大批量生产的迫切需求推动了自动化技术的进展,又为机器人的开发奠定了基础。另一方面,核能技术的研究要求某些操作机械代替人处理放射性物质。在这一需求背景下,美国于1947年开发了遥控机械手,1948年又开发了机械式的主从机械手 机械手首先是从美国开始研制的。1954年美国戴沃尔最早提出了工业机器人的概念,并申请了专利。该专利的要点是借助伺服技术控制机器人的关节,利用人手对机器人进行动作示教,机器人能实现动作的记录和再现。这就是所谓的示教再现机器人。现有的机器人差不多都采用这种控制方式。1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手铆接机器人。作为机器人产品最早的实用机型(示教再现)是1962年美国AMF公司推出的“VERSTRAN”和UNIMATION公司推出的“UNIMATE”。这些工业机器人主要由类似人的手和臂组成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。研究方向及趋势 1 重复高精度精度是指机械手达到指定点的精确程度,它与驱动器的分辨率以及反馈装置有关。重复精度是指如果动作重复次数多,机械手到达同样位置的精确程度。重复精度比精度更重要,如果一个机械手定位不够精确,通常会显示一个固定的误差,这个误差是可以预测的,因此可以通过编程予以校正。重复精度限定的是一个随机误差的范围,它通过一定次数地重复运行机械手来测定。目前,最快的装配机器人最大合成速度为16. 5m/s。位置重复精度为1 0. 01mm。但有一种大直角坐标搬。机器人,其最大合成速度竟达80m/s;而另一种并联机构的NC 机器人,其位置重复精度达1P m。随着微电子技术和现代控制技术的发展,机械手的重复精度将越来越高,它的应用领域也将更广阔,如核工业和军事工业等。2 模块化有的公司把带有系列导向驱动装置的机械手称为简单的传输技术,而把模块化拼装的机械手称为现代传输技术。模块化拼装的机械手比组合导向驱动装置更具灵活的安装体系。它集成电接口和带电缆及油管的导向系统装置,使机械手动作自如。模块化机械手使同一机械手可能应用不同的模块而具有不同的功能,扩大了机械手的应用范围,是机械手的一个重要的发展方向。3 节能化为了适应食品、医药、生物工程、电子、纺织、精密仪器等行业的无污染要求不加润滑脂的不供油润滑元件已经问世。随着材料技术的进步,新型材料的出现,构造特殊、用自润滑材料制造的无润滑元件,不仅节省润滑油、不污染环境,而且系统简单、摩擦性能稳定、成本低、寿命长。4 机电一体化由“可编程控制器传感器液压元件”组成的典型的控制系统仍然是自动化技术的重要方面;发展与电子技术相结合的自适应控制液压元件,使液压技术从“开关控制”进入到高精度的“反馈控制” ;节省配线的复合集成系统,不仅减少配线、配管和元件,而且拆装简单,大大提高了系统的可靠性。而今,电磁阀的线圈功率越来越小,而PLC的输出功率在增大,由PLC直接控制线圈变得越来越可能。国外机械手的发展趋势是大力研制具有某种智能的机械手。使它具有一定的传感能力,能反馈外界条件的变化,作相应的变更。如位置发生稍许偏差时,即能更正并自行检测,重点是研究视觉功能和触觉功能。目前已经取得一定成绩。视觉功能即在机械手上安装有电视照相机和光学测距仪以及微型计算机。工作是电视照相机将物体形象变成视频信号,然后送给计算机,以便分析物体的种类、大小、颜色和位置,并发出指令控制机械手进行工作。触觉功能即是在机械手上安装有触觉反馈控制装置。工作时机械手首先伸出手指寻找工作,通过安装在手指内的压力敏感元件产生触觉作用,然后伸向前方,抓住工件。手的抓力大小通过装在手指内的敏感元件来控制,达到自动调整握力的大小。总之,随着传感技术的发展机械手装配作业的能力也将进一步提高。更重要的是将机械手、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。随着科学与技术的发展,机械手的应用领域也不断扩大。目前,机械手不仅应用于传统制造业,如采矿、冶金、石油、化学、船舶等领域,同时也已开始扩大到核能、航空、航天、医药、生化等高科技领域以及家庭清洁、医疗康复等服务业领域中。1.4 本课题的任务要求及其可行性1.4.1本课题将要完成的主要任务如下:(1)机械手臂为通用机械手臂,因此相对于专用机械手臂来说,它的适用面相对较广。(2)选取机械手臂自由度。(3)设计出机械手臂的各执行机构。(4)机械手臂的控制系统的设计。1.4.2 可行性分析由于生产中应用此机械手臂可以提高生产的自动化水平,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。所以实用性很强。并且随着当今科学技术的发展,这势必成为今后生产的一种趋势。所以具有可行性。2 机械手臂的整体设计方案对气动机械手臂的基本要求是能快速、准确地拾-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。设计气动机械手臂的原则是:充分分析作业对象(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臂结构及运行控制的要求;尽量选用定型的标准组件,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.此次设计的机械手臂是通用气动小型物料运送械手臂,是一种适合于成批或中、小批生产的、可以改变动作程序的自动搬运或操作设备,动作强度大和操作单调频繁的生产场合。它可用于操作环境恶劣的场合。包括手部、臂部和立柱等部件。2.1 机械手臂的组成机械手臂由手部、臂部和立柱等部件组成。 1、手部即与物件接触的部件。手部由手指(或手爪)和传力机构所构成。手腕是连接手部和臂部的部件,并可用来调整被抓取物件的方位。2、手臂手臂是支承被抓物件、手部的重要部件。手臂的作用是带动手指去抓取物件,并按预定要求将其搬运到指定的位置。3、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运动均与立柱有密切的联系。2.2 机械手臂的自由度机械手臂有三个自由度(如图2-1所示) 图2-1 机械手臂的运动示意图2.3 机械手臂的手部结构方案设计考虑到机械手臂的通用性,同时由于被抓取物料的位置不确定,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气缸。2.4 机械手臂的手臂结构方案设计按照抓取物料的要求,本机械手臂的手臂有三个自由度,即手臂的伸缩,回转和升降运动。手臂的回转和升降运动是通过立柱来实现的,手臂的伸缩由和立柱垂直的臂实现。手臂的各种运动由气缸来实现。2.5 机械手臂的驱动方案设计由于气压传动系统的动作迅速,反应灵敏,阻力损失和泄漏较小,成本低廉因此本机械手臂采用气压传动方式。2.6 机械手臂的控制方案设计考虑到机械手臂的通用性,同时使用点位控制,因此我们采用可编程序控制器(PLC)对机械手臂进行控制。当机械手臂的动作流程改变时,只需改变PLC程序即可实现,非常方便快捷。2.7 机械手臂的主要技术参数一.机械手臂的最大抓重是其规格的主参数,由于是采用气动方式驱动,因此考虑抓取的物体不应该太重,查阅相关机械手臂的设计参数,结合工业生产的实际情况,本设计设计抓取的工件质量为5公斤。二.基本参数运动速度是机械手臂主要的基本参数。操作节拍对机械手臂速度提出了要求,设计速度过低限制了它的使用范围。(如图2-2所示)而影响机械手臂动作快慢的主要因素是手臂伸缩及回转的速度。该机械手臂最大移动速度设计为。最大回转速度设计为。平均移动速度为。平均回转速度为。机械手臂动作时有启动、停止过程的加、减速度存在,用速度一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。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。大部分机械手臂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刚性降低。在这种情况下宜采用自动传送装置为好。根据统计和比较,该机械手臂手臂的伸缩行程定为600mm,最大工作半径约为。手臂升降行程定为。定位精度也是基本参数之一。该机械手臂的定位精度为三设计技术参数:1、抓重 5kg 2、自由度数 4个自由度3、最大工作半径 1200mm 5、手臂最大中心高 1200mm 6、手臂运动参数 伸缩行程400 mm 伸缩速度200 mm/s 升降行程400 mm 升降速度250 mm/s 回转范围0-180 回转速度90/s 7、手腕运动参数 回转范围 0-18090/s 回转速度90/s 8、手指夹持范围 棒料:9、定位方式 行程开关10、定位精度 11、驱动方式 气压传动12、控制方式 点位程序控制(采用PLC)图2-2机械手臂的工作范围 2.8 机械手臂的系统工作原理 机械手臂的系统工作原理框图如图2-3所示。 图2-3机械手臂的系统工作原理框图 机械手臂的工作原理:机械手臂主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等所组成。在PLC程序控制的条件下,采用气压传动方式,来实现执行机构的相应部位发生规定要求的,有顺序,有运动轨迹,有一定速度和时间的动作。位置检测装置随时将执行机构的实际位置反馈给控制系统,并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达到设定位置.(一)驱动系统驱动系统是驱动工业机械手臂执行机构运动的。(二)控制系统控制系统是支配着工业机械手臂按规定的要求运动的系统。该机械手臂采用的是PLC程序控制系统,它支配着机械手臂按规定的程序运动,并记忆人们给予机械手臂的指令信息(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,必要时可对机械手臂的动作进行监视,当动作有错误或发生故障时即发出报警信号。(三)位置检测装置控制机械手臂执行机构的运动位置,并随时将执行机构的实际位置反馈给控制系统,并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达到设定位置.3 手部结构设计部结构由手指(或手爪)和传力机构所组成(如图3-1)图3-1手部3.1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。3.2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,还受到机械手臂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臂的工作需要,通过比较,我们采用的机械手臂的手部结构是一支点, 两指回转型,指形状设计成V型,其结构如附图3-1所示。3.3手部夹紧气缸的设计1、手部驱动力计算本课题气动机械手臂的手部结构如图3-2所示: 图3-2齿轮齿条式手部其工件重量G=5公斤,V形手指的角度为,,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,可得握力:所以(3)实际驱动力: 1、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a=3g时,则:所以 所以夹持工件时所需夹紧气缸的驱动力为1914N。2、气缸的直径 根据力平衡原理,单向作用气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- 气缸工作时的总阻力,N- 气缸工作压力,Pa弹簧反作用按下式计算: 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气缸的直径: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气压力,必须有一定厚度。一般气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:气缸壁:650.1=6.5 mm 取6 mm- 气缸内径,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 臂部结构设计4.1 手腕的自由度手腕(如图4-1)是连接手部和臂部的部件,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,以使机械手臂适应复杂的动作要求。手腕应用最多的为回转油(气)缸,因此我们选用回转气缸。它的结构紧凑,但回转角度小于,并且要求严格的密封。图4-1手腕部分4.2 手腕的回转气缸设计与校核 回转气压缸主要用于机床夹具和线材卷曲登装置上。本机械手相当于机床夹具。1.尺寸设计气缸长度设计为l=200mm,气缸动片宽度b=100mm气缸内径为=96mm,半径R=48mm,轴径=26mm,半径r=13mm,气缸效率取0.8,回转工作压力,气缸运行角速度=,加速度时间0.1s 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: () 设计尺寸符合使用要求,安全。4.3 臂部伸缩气缸的设计与校核4.3.1 手臂伸缩气缸的尺寸设计手臂伸缩气缸采用烟台气动元件厂生产的标准气缸,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,气缸用CTA型气缸,尺寸系列初选内径为100/63。4.3.2 尺寸校核1. 在校核尺寸时,只需校核气缸内径=63mm,半径R=31.5mm的气缸的尺寸满足使用要求即可,设计使用压强, 则驱动力: 2测定汽缸作用的部件质量为30kg,设计加速度,则惯性力: 3.考虑活塞等的摩擦力,设定摩擦系数, 总受力 所以标准CTA气缸(如图4-2)的尺寸符合实际使用驱动力要求。图4-2 标准气缸5 立柱的结构设计5.1 臂部升降气缸的尺寸设计与校核5.1.1 尺寸设计气缸运行长度设计为=118mm,气缸内径为=210mm,半径R=105mm,气缸运行速度,加速度时间=0.1s,压强p=0.4MPa,则驱动力: =3799N5.1.2 尺寸校核1测定手腕质量为60kg,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 =300+600+60=960N 所以设计尺寸符合实际使用要求。5.2 手臂回转气缸的尺寸设计与校核5.2.1 尺寸设计 气缸长度设计为,气缸内径为,半径R=105mm,轴径半径,气缸运行角速度=,加速度时间0.5s,压强, 则力矩: 5.2.2 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 机械手臂的PLC控制系统设计考虑到机械手臂的通用性,同时使用点位控制,因此我们采用可编程序控制器(PLC)对机械手臂进行控制.当机械手臂的动作流程改变时,只需改变PLC程序即可实现,非常方便快捷。6.1 可编程序控制器的选择及工作过程6.1.1 可编程序控制器的选择目前,国际上生产可编程序控制器的厂家很多,如日本三菱公司的F系列PC,德国西门子公司的SIMATIC N5系列PC、日本OMRON(立石)公司的C型、P型PC等。考虑到本机械手臂的输入输出点不多,工作流程较简单,同时考虑到制造成本,因此在本次设计中选择了OMRON公司的C28P型可编程序控制器(如图6-1)。图6-1 OMRON公司的C28P型可编程序控制器6.1.2 可编程序控制器的工作过程可编程序控制器是通过执行用户程序来完成各种不同控制任务的。为此采用了循环扫描的工作方式。具体的工作过程可分为四个阶段。第一阶段是初始化处理。可编程序控制器的输入端子不是直接与主机相连,CPU对输入输出状态的询问是针对输入输出状态暂存器而言的。输入输出状态暂存器也称为I/0状态表.该表是一个专门存放输入输出状态信息的存储区。其中存放输入状态信息的存储器叫输入状态暂存器;存放输出状态信息的存储器叫输出状态暂存器。开机时,CPU首先使I/0状态表清零,然后进行自诊断。当确认其硬件工作正常后,进入下一阶段。第二阶段是处理输入信号阶段。在处理输入信号阶段,CPU对输入状态进行扫描,将获得的各个输入端子的状态信息送到I/0状态表中存放。在同一扫描周期内,各个输入点的状态在I/0状态表中一直保持不变,不会受到各个输入端子信号变化的影响,因此不能造成运算结果混乱,保证了本周期内用户程序的正确执行。第三阶段是程序处理阶段。当输入状态信息全部进入I/0状态表后,CPU工作进入到第三个阶段。在这个阶段中,可编程序控制器对用户程序进行依次扫描,并根据各I/0状态和有关指令进行运算和处理,最后将结果写入I/0状态表的输出状态暂存器中。第四阶段是输出处理阶段。 CPU对用户程序已扫描处理完毕,并将运算结果写入到I/0状态表状态暂存器中。此时将输入信号从输出状态暂存器中取出,送到输出锁存电路,驱动输出继电器线圈,控制被控设备进行各种相应的动作。然后,CPU又返回执行下一个循环的扫描周期。6.2 可编程序控制器的使用步骤在可编程序控制器与被控对象(机器、设备或生产过程)构成一个自动控制系统时,通常以七个步骤进行:(1)系统设计即确定被控对象的工作原理,控制要求,动作及动作顺序。(2)I/0分配即确定哪些信号是送到可编程序控制器的,并分配给相应的输入端号;哪些信号是由可编程序控制器送到被控对象的,并分配相应的输出端号.此外,对用到的可编程序控制器内部的计数器、定时器等也要进行分配。可编程序控制器是通过编号来识别信号的。(3)画梯形图它与继电器控制逻辑的梯形图概念相同,表达了系统中全部动作的相互关系。如果使用图形编程器(LCD或CRT),则画出梯形图相当于编制出了程序,可将梯形图直接送入可编程序控制器。对简易编程器,则往往要经过下一步的助记符程序转换过程。(4)助记符机器程序相当于微机的助记符程序,是面向机器的(即不同厂家的可编程序控制器,助记符指令形式不同),用简易编程器时,应将梯形图转化成助记符程序,才能将其输入到可编程序控制器中。(5)编制程序即检查程序中每条语法错误,若有则修改。这项工作在编程器上进行。(6)调试程序即检查程序是否能正确完成逻辑要求,不合要求,可以在编程器上修改。程序设计(包括画梯形图、助记符程序、编辑、甚至调试)也可在别的工具上进行。如IBM-PC机,只要这个机器配有相应的软件。(7)保存程序调试通过的程序,可以固化在EPROM中或保存在磁盘上备用。6.3 机械手臂可编程序控制器控制方案6.3.1 控制要求1.控制要求为了满足生产需要,机械手臂应设置手动工作方式、单动工作方式和自动工作方式。(1)手动工作方式便于对设备进行调整和检修,设置手动工作方式。用按钮对机械手臂每一动作单独进行控制。(2)单动工作方式从原点开始,按照自动工作循环的步序,每按下一次起动按钮,机械手臂完成一步的工作后,自动停止。(3)自动工作方式按下起动按钮,机械手臂从原点开始,按工序自动反复连续工作,直到按下停止按钮,机械手臂在完成最后一个周期的动作后,返回原点自动停机。6.3.2 机械手臂的工作流程气动机械手臂的工作流程如下(如图6-2所示): (1) 当按下机械手臂启动按钮之后,立柱上升,上升至位置开关处。(2) 立柱左转,左转至位置开关处。(3) 手腕逆时针转动,转动至逆时针位置开关处。(4) 手指打开,打开至位置开关处。(5) 手臂伸长,伸长至位置开关处。(6) 手指闭合,闭合至位置开关处。(7) 手臂收缩,收缩至位置开关处。(8) 立柱右转,右转至位置开关处。(9) 手臂伸长,伸长至位置开关处。(10) 手指打开,打开至位置开关处。(11) 手臂收缩,收缩至位置开关处。(12) 手腕顺时针转动,转动至位置开关处(13) 手指闭合,闭合至位置开关处。(14) 立柱下降,下降至位置开关处。完成循环。图6-2 机械手臂自动控制工作流程图6.3.3 机械手臂的PLC梯形图机械手臂的PLC梯形图如下:(如图6-2)图6-2a 机械手臂 图7-2b中:I0.0为立柱上升信号,I0.1为手臂左转信号,I0.2为手腕逆时针旋转信号,I0.3为手指打开信号,I0.4为手臂伸长信号,I0.5为手指闭合信号,I0.6为手臂收缩信号,I0.7为手臂右转信号,I0.8、I0.9、I1.0I1.2为互锁开关信号,I1.1为顺时针旋转信号,I1.3为立柱下降信号,M0.0为立柱上升气压阀,M0.1为手臂左转气压阀,M0.2为手腕逆时针旋转气压阀,M0.3为手指打开气压阀,M0.4为手臂伸长气压阀,M0.5为手指闭合气压阀,M0.6为手臂收缩气压阀,M0.7为手臂右转气压阀,M0.8为顺时针旋转气压阀,M0.9为立柱下降气压阀。7 结论 (1)本次设计的是气动机械手臂,自由度可变,控制程序可调,因此适用面更广。(2)采用气压传动,动作迅速,反应灵敏,能实现过载保护,便于自动控制。工作环境适应性好,不会因环境变化影响传动及控制性能。阻力损失和泄漏较小,不会污染环境。同时成本低廉。(3)机械手臂采用PLC控制,具有可靠性高、改变程序灵活等优点,无论是进行时间控制还是行程控制或混合控制,都可通过设定PLC程序来实现。可以根据机械手臂的动作顺序修改程序,使机械手臂的通用性更强。图6-2b 机械手臂的PLC梯形图致 谢在本毕业设计论文即将完成之际,我想对所有曾经给过我帮助和支持的人们表示衷心的感谢。首先要感谢的是养育我的父母,他们给了我无私的爱,我深知他们为我求学和生活所付出的巨大的牺牲和努力,至今我一直无以为报,在这里仅表达我对他们的深深地思念和感恩。 感谢我的指导老师黄新成,同时感谢张宏老师对我的帮助,他们在学习和工作方面给了我大量的指导,让我学到了很多知识,掌握了此次设计中的知识,也获得了实践锻炼的机会,对我的严格要求以及为人的诚恳都将使我终身受益。毕业设计是我们在学校的最后一个任务,毕业设计对我们来说的确是一个不小的考验,起初很慌乱,不知如何下手,由于对题目不限制,这使我们的设计范围扩大了,减少了很少难度,三个月认真查找资料,和同学配合,终于告一段落,这次设计又使我学到了很多知识,温故了以前的知识。同时也明白了老师的良苦用心,也知道的自己的知识是多么的少,还需要学习。三个月的努力我学到了很多知识,更多的了解了机械,知道自己的以后人生方向在哪,以后的路懂得怎么走了,找到了自己的人生价值观。借此机会向各位老师说声谢谢,谢谢你们的培养,祝你们身体健康,事业顺利!参考文献1.韩建海.工业机器人.华中科技大学出版社,2009,092.王雄耀.近代气动机器人(气动机械手臂)的发展及应用.液压气动与密封,1999, 53.金茂青,曲忠萍,张桂华.国外工业机器人发展势态分析.机器人技术与应用 ,20014.严学高,孟正大.机器人原理.南京:东南大学出版社,19925.黄锡恺,郑文伟.机械原理.北京:人民教育出版社,19816.吴振顺.气压传动与控制.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,19957.徐永生.气压传动.北京:机械工业出版社,1990, 58.宋文骐,万光珉,杨宗正.机械手的基本知识(四).昆明工学院,1979 25
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