3自由度棒料搬运机械手设计 三个自由度的棒料搬运机械手【芯模搬运机械手】【含CAD图纸、说明书】
1芯模搬运机械手设计摘 要本设计为三个自由度的棒料搬运机械手,搬运棒料为固定尺寸的芯模。机械手整体由控制部分和机械系统部分组成,设计中包括了旋转平台可以进行180旋转、手臂可以在水平方线伸缩、气爪张开与闭合。使用plc来控制驱动系统,让整个执行系统正常工作。本设计的机械手基于减少减轻工人劳动强度,提高其经济型。在一些比较恶劣的工作条件下可用本机械手代替工人劳动。本课题运用专业所学习的知识,来进行机械手的整体设计,通过计算校核来进行零件的选择,最后进行机械手的plc系统和驱动系统的设计。最后根据计算结果画出装配图和零件图图以及装配图。关键词:机械手,手臂伸缩,气爪张开闭合,PLC控制系统II棒料搬运机械手设计ABSTRACT窗体顶端The design for the three degrees of freedom manipulator rod materials handling, handling bar fixed size mandrel. Robot overall by the control section and the mechanical system components, including the design of the rotating platform can be rotated 180 , the arm can stretch in the horizontal line, gripper opening and closing. Use plc to control the drive system, so that the implementation of the system work. The design of the robot based on the reduction reduce labor intensity and improve its economy. In some relatively poor working conditions of the robot can be used in place of labor.This paper learned to use professional knowledge to carry out the overall design of the robot, by calculating the check to select a part of the final design of the plc manipulator systems and drive systems. Finally, draw the assembly diagram and parts diagram and assembly drawings based on the calculation result.Keywords: robot, telescopic arm, gripper opening is closed, PLC control system1棒料搬运机械手设计目 录1.绪论11.1选题背景及其意义11.2文献综述(目前国内外研究现状以及发展趋势)12.机械手的总体方案设计62.1研究内容62.2研究方案63.机械手本体设计93.1机械手气爪的设计93.2伸缩手臂的气缸设计123.3滚珠丝杠螺母副的选型以及计算134.机械手传动设计154.1电机的类型与特点154.2滚珠丝杠的电机选择164.3旋转台的电机选择195.机械手的控制设计215.1电控的选择与优点215.2机械手的工作流程235.3控制面板按键分布图245.4 I/O口分配255.5气压接线图265.6PLC梯形图276.结论29参考文献30致 谢311芯模搬运机械手设计摘 要本设计为三个自由度的棒料搬运机械手,搬运棒料为固定尺寸的芯模。机械手整体由控制部分和机械系统部分组成,设计中包括了旋转平台可以进行180旋转、手臂可以在水平方线伸缩、气爪张开与闭合。使用plc来控制驱动系统,让整个执行系统正常工作。本设计的机械手基于减少减轻工人劳动强度,提高其经济型。在一些比较恶劣的工作条件下可用本机械手代替工人劳动。本课题运用专业所学习的知识,来进行机械手的整体设计,通过计算校核来进行零件的选择,最后进行机械手的plc系统和驱动系统的设计。最后根据计算结果画出装配图和零件图图以及装配图。关键词:机械手,手臂伸缩,气爪张开闭合,PLC控制系统III棒料搬运机械手设计ABSTRACT窗体顶端The design for the three degrees of freedom manipulator rod materials handling, handling bar fixed size mandrel. Robot overall by the control section and the mechanical system components, including the design of the rotating platform can be rotated 180 , the arm can stretch in the horizontal line, gripper opening and closing. Use plc to control the drive system, so that the implementation of the system work. The design of the robot based on the reduction reduce labor intensity and improve its economy. In some relatively poor working conditions of the robot can be used in place of labor.This paper learned to use professional knowledge to carry out the overall design of the robot, by calculating the check to select a part of the final design of the plc manipulator systems and drive systems. Finally, draw the assembly diagram and parts diagram and assembly drawings based on the calculation result.Keywords: robot, telescopic arm, gripper opening is closed, PLC control system目 录1.绪论11.1选题背景及其意义11.2文献综述(目前国内外研究现状以及发展趋势)12.机械手的总体方案设计62.1研究内容62.2研究方案63.机械手本体设计93.1机械手气爪的设计93.2伸缩手臂的气缸设计123.3滚珠丝杠螺母副的选型以及计算134.机械手传动设计154.1电机的类型与特点154.2滚珠丝杠的电机选择164.3旋转台的电机选择195.机械手的控制设计215.1电控的选择与优点215.2机械手的工作流程235.3控制面板按键分布图245.4 I/O口分配255.5气压接线图265.6PLC梯形图276.结论29参考文献30致 谢3131棒料搬运机械手设计1.绪论1.1选题背景及其意义本课题所涉及的机械手是以芯模的搬运为核心。以机器取代人工来进行这项重复的工作。设计棒料搬运机械手能够减轻工人的劳动强度节省大量的时间,提高生产效率以及自动化水平,同样也就提高了经济效益。相对于雇佣工人来说,机械手更安全更能保证产品质量,有着非常明显的优点。1.1.1课题目的和意义在机电一体化的领域中机械手是一种典型的代表,设计机械手能够充分应用机电专业学生所学习的专业知识,对于学生学习有着很好的促进效果。与此同时在工业生产中,机械手作为自动化的代表占据着重要的地位,可以将其作为学生学习的重要实验设备,具备着其他设备不具有的优点。但是因为大部分用于教学的机械手价值比较昂贵,针对性很低,有着很强的局限性,很难做到对学生全面开放,所以学生能够真正解除学习到机械手的机会并不多。本课题设计的机械手能够在工业自动化中起到重要作用,三自由度棒料搬运机械手经济性好,易于维修,还能在课堂上作为教学,让学生充分了解学习机械手一些特点,运作方式,结构特点等等,所以设计这种机械手对学生来说是大有裨益的。本课题中的棒料搬运机械手涉及到了多门课程的很多知识以及实验,其中包括plc控制、机械制图、计算机控制、气动等等。1.2文献综述(目前国内外研究现状以及发展趋势)当人们逐渐认识到了机械手众多的优点,机械手得到了快速的发展:第一、它能部分代替工人进行操作,第二、它能够按照生产工艺所进行的要求,遵循制定的程序以及时间相关位置来完成工件的传输和装卸。可以让工人的劳动环境得到改善,从而提高生产效率,增加经济效益,提高工业生产自动化和机械化化的进程。机械手的发明创造对整个工业生产来说就是一场风暴,有着巨大的促进作用,大大加快了人类生产自动化的步伐,与此同时野促进了人类科学的快速发展。随着机械手的大范围制造使得工业自动化发展迅速,人们对于精准、高效、灵活、等方面的追求很高了,又的机械手还具有简单的半自我意识,能够简单的完成一些活动(1) 执行器 机器人本身是常用于空间开链臂连杆机构(旋转或棱柱形)通常被称为关节,关节的数量通常是多自由度机器人。根据接头结构类型和不同形式的运动,对于拟人的考虑,腰部,手臂,手腕,手(夹持器或端部执行器)等在机器人主体中的相关部分通常被称为基部。窗体底端(2)驱动器窗体顶端 控制系统首先发出信号命令,机然后械手臂接收命令后由驱动器来进行驱动机械部分。机械手的主要驱动装置为电力驱动,比如步进电机驱动,液压驱动、气压驱动等.窗体底端(3)检测机构检测装置起到保证机器人的工作状态能够按照开始设定的工序要求进行运作的作用,当机器人在进行工作时,检测系统可以对周围外部环境进行检测,然后将检测结果反馈到控制系统在进行更改调整。传感器分为内外两种,前者在机器人工作时,能够测量机器人的的内部环境,然后将得到的信号快速的传入控制器上面。后者是检测机械手的外部条件以便于在不同外部环境下可以不断变化,进行多样的外部行动,提高自身更高的自动化水平,同时提高机械手工作的精度与效率。(4)控制系统窗体顶端 计算机对所有的机械手进行的控制成为集体控制。另一个是蔓延水平方向上的控制,可以用多台电脑实现共享,如在使用接下来的两个共同来完成机器人控制计算机控制的机器人,以较低的计算机,以便实现给定的运动,反馈信息到主机发送消息作为从站的从属命令,关联相应的CPU,插值计算和伺服控制过程。根据不同要求,机器人分为方向控制、轨道控制以及以及点位控制三种模式控制。窗体底端。1.2.1机械手的运用近几年来,机械手作为一个新兴行业发展日新月异,是工业生产自动化的经典代表,在工业生产中担负着重要的作用。在搬运、焊接、喷漆、等各个行业中都有着广泛的应用。尤其是在、高温、危险、放射性、粉尘较多等恶劣的劳动条件下,人工是远远不能跟机械手进行比较的。在现在所拥有的生产线上,都将有一步工序是将准备好的或安装好的材料或工件放置在所需要的位置,由于生产规模月越来越大,人工劳力,不仅成本高,而且效率低,现在完全可以把工作交给机械手来搬送这些工件即可。图1-1.机械手模型如图1-1所示,大臂上的电机工作,关节1进行转动;小臂上的电机工作带动钢带进行工;钢带动作进一步带动关节2转动关节3上面的电机转动带动手腕进行转动。这些关节统一运作,完成工作。1.2.2机械手的发展上世纪五六十年代,机械手问世,对工业生产产生了深远的影响,人们逐渐认识到了机械手对于工业生产的意义,机械手获得了长足的发展,如今,机械手对于机械生产自动化有着举足轻重的作用。目前,正式大规模使用的很大部分机械手都是第一代机械手,也就是程序控制机械手。第一类机械手结构简单,没有感觉器官,对于现在社会来看就是傻子机器,只会完成固定的工作,不能有丝毫的改变不会对外部环境的改变发生改变,结构、程序都很简单,但是它毕竟是第一类机械手,已经在很多行业有了广泛应用,对今后机械手的发展有着长足的作用。这类机械手大多数采用接触传感器这一类的简单的传输感应装置以及相对应的适应性算法,在我们看来,这类机械手已经有了简单的智能,能够稍微对外部环境做出应答,对比与第一类机械手,是一个重大的突破。知道现在,机械手几十年的发展,第三代机械手已经达到了很高的水平,不仅拥有第一第二类机械手的能力,可以对外部环境进行感知,并且可以对复杂信息进行简单准确处理,对自身行为做出自主决定能力的高智能化机械手。真正的模拟人类,有着跟人类一样的嗅觉、视觉等等,甚至有着不亚于人类的智能,他们可以更加系统的学习专业的知识,相对于人类 ,在记忆方面,有着无与伦比的优势,远远超过人类。机器手的研究一直都是将其类比于人类,在人类历史上,中国三国时代的木牛流马就是早先的机器人,在近代工业发展中,机械手起到了中流砥柱的作用。机械手的开发,从一开始就是为了代替人类去才完成一些比较危险或者比较有害的工作,但是随着时间的推移,机械手已经远远超过了开始发展,在众多的领域机械手都有了应用,可谓发展前景十分光明。作为机电一体的产品,机械手大大提高了生产的效率,做到了很多人工难以做到事情,能够精准,稳定的完成各种任务,解放了劳动力,提升了产品的质量,提高了企业的经济效益,未来机械手的发展势不可挡。机械手有着刚性的身体,但是程序灵活,可以有着很多的改变,有着更多的定位,机械手还有着很快的速度,更有力的机械臂,更稳定的控制。机械手正不断改变我们的社会以及我们的生活。当代机器人的发展已经不仅仅满足智能系统,而是更看重人类与机器人的交流,能够进行人机交互,是的智能机器人能够早日进入社会,进入实用化阶段。美国曾经发射到火星上进行探索的机器人索杰纳就是一个著名的案例。 我国的机器人起步比较晚,直到80年代左右才开始进入起步阶段,在国家75、85科技攻关支持下,取得了很大成就。基本掌握了机器人制造所需要的技术以及智能方面设计的能力,能够独立生产机器人大多部件,开发了人很多种类的机器人,在国内工业生产方面有了大规模的应用,但是因为我国机器人发展起步晚,跟国外相比较还有着较大的差距,无论是在机器人零件的生产上还是智能系统的设计上都差距明显,在工业上的应用更是只占据很小的一部分我国的机器人设计比较单一,都是有了需要在进行设计,太单一,通用性很低,这大大浪费资源,阻碍了机器人的发展,而且生产成本高稳定性地,不可靠。因此,目前就应该对机器人产业进行整体规划,更好的推动机器人行业的发展。在我国863计划支持下,智能机器人的发展获得了不小的进步,6000m水下机器人名列世界前茅,还开爬壁、管道机器人等等在机器人感官发展上有了一定的发展基础。目前与国外发展水平差距过大,需要在来原来的寄出了继续大力发展,期待我国机器人的发展早日进入世界一流行业。在国外方面,机械第一出现在人们的视野中是在上世纪五六十年代的美国,刚开始的机械手是用来搬运放射性等危险性较高的材料,自动化程度很低,再后来机械手得到了发展,在更多的不同的恶劣环境中应用越来越多,在一些机械化的机床上也得到了更多的应用,这个时候的机械手比较简单,只有有着简单的控制逻辑。60年代第一台意义上的工业机械手出现,随着社会的发展,科技的不断进步机械手也得到了迅速的发展。进入70年代,机械手得到了大量的生产,在工业中的应用越来越广泛,商品化程度越来越高,在工业生产中机械手的应用越来越广泛进。入90年代传统的机械手已经不能满足社会的需求,一些复杂的工作环境以及操作需要智能更高的机械手,于是,机械手的智能系统获得了大力发展,智能机械手能根据周边环境进行反馈然后改变工作状态,具有拟人的感官等等,国外的机械手智能化的水平越来越高。机械手臂是机械手最直观参与工作的部分,根据机械手手臂的不同来进对机械手的类型进行分类,根据坐标形式来划分的话大概可以分为4种:(1)圆柱坐标型机械手;(2)直角坐标型机械手;(3)多关节型机械手;(4)球坐标型机机械手。下图1-2是机械手搬送物品的简单示意图,图中将工件从A运到B就是机械手的任务。图1-2.示意图1.2.3可编程控制器(P L C)气动机械手的发展与运用用PLC来控制机械手,驱动装置为气缸,通过PLC来进行控制比较稳定,具有很多优点,比如精、,经济、环保、结构简单。在国内很多行业有着广泛的应用。 2.机械手的总体方案设计2.1研究内容该课题棒料搬运机械手设计,目的是实现对棒料的搬运,主要完成的动作有上升、下降、伸缩、顺/逆时针旋转90、手爪张开、手爪抓紧等。从而降低劳动强度,提高经济性。设计内容如下:1.棒料搬运机械手的机械部分,包括执行系统和驱动系统,通过计算与校核来完成相应部件的选择与设计。2.PLC控制系统设计,驱动系统控制执行系统工作。2.2研究方案2.2.1总体方案设计棒料搬运机械手基本要求能够准确无误的搬运棒料,同时兼具效率与安全。机械手能够快速反应,运行安全,足够的自由度,精准的动作到位。棒料搬运机械手设计:根据机械手实际工作状况,设计正确的工作工序和操作流程,并且能满足需求,完成任务;工件的尺寸材料都已经确定,定位精度要求,以及在工作当中的各部件的受力情况、尺寸和各种参数等,以此来更进一步的确定机械结构和运动控制;尽可能多的去选择标准组件,尽可能简单化机械手设计的过程,但是也要照顾到它的通用性和经济性。1. 旋转装置2.垂直升降丝杠3.横移丝杠4.夹紧气缸5.手抓6.基座图2-1.棒料搬运机械手总示意简图如图2-1所示为机械手的工作行程:首先气缸3工作伸出机械手臂,然后夹紧气缸4工作气爪5从平台上抓取芯模,气缸3工作收缩机械手臂,步进电机2工作,手臂上升到一定高度,由电机带动机体旋转,横移气缸3伸出到一定位置,然后夹紧气缸4工作气爪5放松,物体被放置在正确位置,收缩旋转手臂后再作垂直下降,最后棒料搬运机械手复位。2.2.2机械结构设计(1)手爪的结构设计按照初始设计方案,为了满足机械手的通用性,机械手爪是为了抓取芯模,所以决定采用V型指夹钳式。如下图2-2所示:1.传动部分2.支架3.手指4.芯模图2-2.棒料搬运机械手手爪(2)机械手的升降结构设计丝杆连接在步进电机上面,通过控制步进电机来控制机械手臂的升降。丝杆螺母副安装在机械手臂上,从而驱动手臂的升降。丝杠传动有很多优点,稳定,自锁,经济。(3) 机械手的旋转设计通过底部的步进电机可以对机械手进行旋转,如图2-3所示。步进电机价格比较低,而且运行基本不会出错,很稳定,维修也很方便,通过计算就可以得到要选取的电机类型。1.电动机2.轴承3.轴承套4.旋转部件5.固定电机基座图2-3.棒料搬运机械手旋转机构(4) 机械手的控制系统部分的设计使用PLC控制机械手,控制稳定,精确,可靠性也很高,同时降低成本具有很好的经济效益。机械手工作流程图如下2-4所示。图2-4.机械手循环工作过图3.机械手本体设计3.1机械手气爪的设计棒料搬运机械手最直接参与棒料的搬运结构就是气爪,所以气爪是一个很重要的部件,一个优秀的气爪要能够快速、安全的抓取棒料。在进行设计时要注意的点:(1)能否有足够的夹紧力,工件质量以及在运送过程中的动载荷也要计算到。(2)机械手气爪的工作范围是否足够,手爪在抓取工作的过程中对工作环境的影响。(3)机械手爪能否准备无误的到位。(4)是否有紧凑的结构以利于手臂的设计。3.1.1结构设计机械手爪有着各种不同的类型,有些直接参与工作,有的需要抓取一些工具。一般直接参与的机械手部分,比如气爪,采用了一种拟人的方式,跟人们的手非常的相似。因为抓取工件在不同工作条件下有很多不同的外形、尺寸、状态等等,所以机械手气爪的样子是多种多样的,有下列分类:(1) 夹钳式取料手;(2) 吸附式取料手;(3) 操作器及转换器;(4) 仿生多指灵巧手。(1)夹钳式取料手夹钳式取料手的手部很像人手,在国内众多行业有广泛的应用。,该气爪抓取物体是通过手爪的张开与闭合来实现的。(2)吸附式取料手该吸附式取料手可以分为气吸附以及磁吸附,将一个工件的平面作为目标进行抓取,该机械手适用于有较大平面的工件,有着广泛的应用。本设计的机械手选择夹钳式取料手,如下图3-1所示。采用滑槽式杠杆回转型的抓取方式。1. 工件2.手指3.铰销4.圆柱销5.驱动杆图3-1.机械手爪3.1.2夹紧力的计算夹紧力大小要适度,太小了则在夹持工件时容易松动,容易发生安全事故等力度,太大了会让工件变形损坏等。在正常工作中,涉及到夹紧力方面时再由工人进行操作时,是不需要对设备的夹紧力进项精确计算的,但是本课题中夹紧力是由气缸提供的,所以要计算夹紧力的大小,根据计算出来的结果来确定气缸的壁厚以及大小等。在本课题中对夹紧力进行计算时,首先要计算工件的重量,还有考虑到摩擦力,重力等等外在力。夹紧力有三个三要素,分别去确定他们是一个包含很多方面的问题。手爪对于工件重力为M1=8KG,工件最中心部位到圆柱销的距离S=5cm。(3-1)式中K1是安全系数,常取1.22.0K2取1g取9.8代入公式3-1中,得驱动杆的力是F,3-2为手指的受力图。图3-2.机械手指受力图3.1.3手爪夹紧气缸设计通过夹紧气缸工作来对机械手指的夹紧和放开进行控制。气缸伸长时气爪张开,气缸收缩时气爪夹紧。气缸内径D的计算公式如下: D(3-2)作用力F驱动力=67.9 N,系统的压力P=0.4 MPa代入公式3-2D15(mm)根据设计需要,把上述计算的D值增大20%,再调整到系列标准值。升降气缸D=15+1520%=18(mm)气缸行程选取L=15 mm表3.1气缸筒的壁厚气缸直径D/mm铸铁HT15045钢,Q235铝合金ZL203507581280871001081214125108160129200149141725016113201612查表得3.1气缸壁厚取8 mm。3.2伸缩手臂的气缸设计已知,工件重量M1=8kg,估算得到气爪重量M2=4kg。气缸内径D计算公式如下所示: D(3-2)其中作用力F驱动力=(8+4)x9.8x0.8=94.08 N,系统压力P=0.4 MPa代入公式3-2D17(mm)根据实际设计需要,将上述计算的D值再增加20%,再调整到系列标准值。伸缩气缸D=17+1720%=20(mm)气缸行程取L=80 mm查表3.1得到气缸壁厚取7 mm。3.3滚珠丝杠螺母副的选型以及计算滚珠丝杠副是一种很巧妙地设计,它可以将直线运动变成曲线旋转运动,或者相反将曲线旋转运动变成直线运动,改变运动的形式。滚珠丝杠副传送效率比较高、经济性好、使用寿命长等特性,在工业设备、精密仪器以及数控机床等方面都有着广泛的应用。滚珠丝杠副有专门的工厂进行制造,通过计算选定型号后,可以直接购买或者定制。滚珠丝杠副使用需要注意的事项1、滚珠丝杠螺母的运动是具有有效行程,为了避免发生意外,需要在两端安装限位开关。2.、滚珠丝杠副不能自锁,所以在使用时要防止其突然停止工作,产生逆传动。滚珠丝杠副的计算(1) 最大工作载荷的计算工作台在上升下降时(与丝杠垂直)时受到=G气缸+G气爪+G工件+G工作台估算:G气缸=60N,G工作台=190N,G气爪=40N已知:G工件=78.4N则部件重量G总=368.4N按照导轨进行计算查表后3-29,取颠覆力矩 影响系数K=1.1,滚动导轨摩擦因数=0.005。求滚珠丝杠副的最大工作载荷:(2) 最大动载荷的计算工作台上下升降时速度v=20mm/s,初次选丝杠导程=5mm,则此时丝杠的转速取滚珠丝杠的工作寿命T=15000h,代入,得丝杠寿命系数(单位为:)。查表3-30,取载荷系数,滚道硬度为60HRC时,取硬度系数,代入上式求得最大动载荷大小为:(3) 初选型号根据计算得到的最大动载荷和开始选的丝杠杆导程,查表3-31,选取GD系列2005-3型滚珠丝杠副,名称为内循环固定反向器单螺母式,其导程为5mm,公称直径为20mm,精度等级取5级,循环滚珠为3圈x 2列,额定动载荷9309N,大于,符合要求。(4) 传动效率的计算将公称直径,导程,代入,得丝杠螺旋升角。将摩擦角,代入,得传动效率。4.机械手传动设计4.1电机的类型与特点电动机的种类有很多,可谓是五花八门。我们选取电动机首先要考虑能不能满足设计所需要求,这是原则性的一点,再然后电动机的性能方面的好坏,是否满足经济性,维修是否方便,购买方面是否方面等等问题都要考虑到。(1)三相笼型异步电动机。在三相笼型异步电动机中电源采所用的是应用最为普遍的电源三相交流电源。该电机购买方便,很多厂家都可以买到,并且价格低廉,运行稳定,维修起来也很方便。缺点就是启动以及调速性能较差。所以,在不太要求调速和启动性能要求不是很高的一些场合,比如各种机床、水泵、通风机等部分机械上应优先选用三相笼型异步电动机;对于一些要求大启动转矩的生产机械,比如一些纺织机械、空气压缩机、传送机等,就可以选择具有比较高启动转矩的三相笼型异步电动机;三相笼型异步电动机还适合于需要有级调速的一些生产设备。(2)三相绕线转子异步电动机。该电机适用于生产机械对于调速有一定要求的生产机械上面,比如一些起重机而且大多使用转子串接电阻,因为该电机启动、制动次数比较多。调速范围是有限的,使用晶闸管串级进行调速,扩大了绕线转子异步电动机的工作范围,比如水泵、风机的节能调速。(3)三相同步电动机。这种电机大多数在一些空气压缩机,大型水泵设备上使用,因为这些设备都需要比较大的功率该电机还可以保持恒定的转速。(4)直流电动机。因为直流电动机的启动性能比较好,可以很容易实现无级平滑调速,而且调速的范围广、精确度高,所以,对于要求在比较大的范围内平滑调速以及需要准确的位置控制的生产机械,比如一些要求高精度的机床或者机械上面近年来,在一些大功率的生产机械上,广泛的采用晶闸管励磁的直流发电机一电动机组或晶闸管一直流电动机组。电气驱动同时还需考虑采用伺服驱动器。电动驱动伺服器分类如下:(1)直流电机伺服驱动器脉冲宽度调制伺服驱动驱动器是目前大多数伺服电机的驱动器。电流内环以及速度外环构成了该伺服驱动器三极管是一种开关元件,想要改变加在电机上的电压,只需要改变它的脉冲的数值就可以对电路进行控制就可以改变脉冲宽度。末级一般采用采用大功率三极管构成桥式开关电路。 P W M伺服驱动器具有很多优点比如调速范围宽、低速特性好,响应快、精确度高、效率高、过载能力强等。在一些精密机床,机器人等产品的的伺服电机驱动都是它参与在其中。(2)步进电机驱动器脉冲发生器,环行分配器以及功率放大器等几部分组成步进电机的控制装置。脉冲发生器控制电机靠的是改变频率只需要简单地进行速度的控制就可以了环形分配器控制绕组一组一组的通过,保持设定的次序。它的主要作用是把脉冲发生器传输来的的信号按规定的循环规律分配给各绕组,以此能够让使步进电机按着一定的规律运动。当我们需要设计的机械进行短暂高频率的工作时,步进电机是很适合的可以实现开环控制不需要反馈。伺服电机价格过高,不符合经济性所以排除。推荐选择步进电机。 步进电机配合驱动器使用,很多驱动器都能够支持细分功能,控制更加精确。由上述可以知道步进电机应用于驱动工业机器人有着很多无可替代的优点,比如价格经济实惠、控制精准误差小。相对来说体积较小自重较轻,可以完成比较复杂的运动。所以步进电动机是本设计将要选择的电动机类型。4.2滚珠丝杠的电机选择(1) 计算轴上的总的转动惯量为由于已知:滚珠丝杠的公称直径=20mm,总长l=500mm,导程=5mm,选用材料密度;移动部件总重力G=368.4N。如表4-1所示,算得各个零部件的动惯量如下:滚珠丝杠的转动惯量联轴器初选步进电机型号为55BF009,从表4-5查的该型号电动机转子的转动惯量在步进电动机轴上的存在的总转动惯量为:(2) 计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩可分为所能承受最大载荷以及空载启动两种情况来进行计算。当空载启动时电动机转轴上的负载转矩由式,可知,包括三个部分:一部分是当电机空载起动时折算到电动机中心轴上的最大加速度转矩;一部分是移动部件进行运动相对于电动机中心转轴上的摩擦转矩;还有一部分是滚珠丝杠进行预紧后相对于到电动机中心转轴上的附加摩擦转矩。因为传动效率很高,相对于和比较小,则忽略不计。则有: (4-1)因为传动链的总效率,计算快速空载起动时相对于电动机中心转轴上的最大加速转矩: (4-2)式中对应空载最快运动速度的步进电机最大转速,单位为;步进电机从静止不动到加速至转速所需要的时间,单位为s。其中:(4-3)式中空载最快移动速度,且任务书上面要求为;步进电机步距角,已经预选电动机为0.9;脉冲当量,。代入式子(4-3),算得。假设步进电动机由静止不动到加速至转速所需要的时间,传动链总效率。则由式(4-2)求得:由式可知,部件工作时,相对于到电动机中心轴上面的摩擦转矩为: (4-4)式中摩擦因数,取;物体总重量不包括工件,;传动链总效率,取0.7。则由式(4-4),得:由式(4-1),求得空载动作时时电动机中心轴上所能承受的负载转矩:满工作负载状态下电动机转轴所能承受的负载转矩为,由式,可知,包括三部分:一部分是快速空载起动时折算到电动机中心轴上的最大工作负载转矩;一部分是移动部件动作时折算到电动机中心轴上面的摩擦转矩;还有一部分是滚珠丝杠经过预紧后相对于到电动机中心轴上的所能附加的摩擦转矩。由于滚珠丝杠副传动效率很高,相对于以及很小,所以可以忽略不计。则有:(4-5)其中,折算至电动机中心轴的满工作负载转矩由,则有:式中摩擦因数,取;物体总重量,;传动链总效率,取0.7.那么由式(4-4),得:由式可知,当移动部件动作时,相对于到中心轴上的摩擦转矩为: 最后由式(4-5),求得满工作负载状态下中心轴所能够承载的负载转矩为: 经过一系列计算后,步进电机中心轴最大等效负载转矩为:4.3旋转台的电机选择通过安装在支座上的步进电机驱动转动机座转动,从而实现机器手臂的旋转运动,通过安装在顶部的步进电机和联轴器来带动滚珠丝杠转动就可以实现手臂的上下移动。采用了双导柱导向,以防止手臂在滚珠丝杠上转动,能够保证手臂随机座一起转动。如图4-1所示,为设计中的旋转平台机构。1.丝杠电机2.滚珠丝杠3.气缸手臂4.气缸放置平台5.旋转台6.旋转电机图4-1.旋转台简图机构图4-2.旋转平台受力(1)通过4-2平台中各零件受力,算得各个零部件的动惯量如下:丝杠平台工件与气爪工件与气爪总转动惯量(2) 已知为,物体转速3r/min电机功率选择反应式电机75BF003。5.机械手的控制设计5.1电控的选择与优点5.1.1 P L C的基本概念PLC,即可编程逻辑控制器,为以前的可编程控制器,其主要实现的就是放弃继电器来进行逻辑控制。目前,科技发展迅速,逻辑控制已经远远不能满足要求,利用微型计算机技术来实现控制功能的装置已广泛运用在各类机器中。所以,这种逻辑控制的装置我们成为可编程控制器,即PC,但是,个人计算机常常也被称之为PC,所以为了区分,我们将其简称为PLC,1969年,美国数据设备公司研发出第一台PLC,后来不断发展完善,目前,美国、德国、日本生产研发的的PLC功能较好,可靠性较高。 5.1.2 PLC的基本结构 实际上,可编程控制器PLC就是一种微型计算机,其一般用于工业控制机器上,内部的硬件结构与微型计算机也大致相同。其主要组成部分:(1)电源PLC一般需要选用优质可靠的电源,其电源在整个控制系统中至关重要,需要一个好的电源来实现其正常工作,所以,在生产PLC的时候,对电源的选用也较为严格,正常情况下,交流电压的波动在10%之内,可以直接接到PLC之上,不需要采取整流稳压等操作。(2) 中央处理器(CPU)PLC的大脑,控制中心,即是中央处理器(CPU),PLC控制系统会给其信号,让其实现相应的功能,即其能收到从输入端输入的信号,并对其进行存储,如:电源状态,存储器,输入输出,定时器状态,并能其具有自检功能,检查程序中的错误所在,PLC开始工作,其工作方式为扫描,以这种工作方式接收输入信号,并进行存储,放在I/O映象区,然后再进行读取,从存储器中一条一条的读出用户所编的应用程序,再通过内部分析后,按程序进行逻辑运算或者数字运算,数据存储器用来存储执行结果。这样完成整个程序, 最后将结果传到输出端,循环往复的完成动作,直到结束指令。通常大型的PLC一般会选用两个CPU,或者三个CPU,当其中的一个PLC发生问题的时候,能保证系统能正常工作,不影响生产,提高整体可靠性。(3) 存储器存储器分两类,一种是系统程序存储器,其功能为存放系统软件。另一种是用户程序存储器,其功能是存放应用软件。(4) 输入输出电路PLC将用电路与控制接口相连接,即需要输入接口电路。PLC的输出信号将于执行元件相连接,即需要输出接口电路。(5) 通信模块RS485、Profibus-DP,以太网等。(6) 功能模块 定时器,计数器等。5.1.3 P L C的特点P L C具有以下鲜明的特点:(1)功能,组合灵活,扩容方便,实用。PLC可以组成各种大小尺寸不同的系统,满足不同的要求,以适应各种工业控制需要的。要切换控制其专业也是一个连续的过程P I D闭环控制;与主机机构成复杂的控制系统,如D D C和D C S等,实现生产过程综合自动化。(2)对编程人员要求低,简单易懂。利用了P L C可以在网上做的修改程序,改变程序,而无需拆卸控制设备。它可以运行在不同的环境中,可靠性是非常强大的。(3)PLC的维护工作特别简便可以在工作环境中直接修改运行。只需要各种现场设备与P L C相应的I/O端子的连接,写的程序运行。各个模块的运行和故障指示装置,易于理解的用户操作和故障调查。P L C具有强大的自检功能,它提供了其易于维护。(4)抗干扰能力强以及可靠性的能力都非常强,远远高于别的类型的模型。的分离和过滤,是两个主要的抗干扰措施。就算是PLC的电源都会采取各种措施来保障它的正常运行,确保它的安全。此外PLC内部不同部位采取不同的电源就是为了消除不同点源之间的影响,为了适应各种恶劣的工作环境也密封,防尘,防震的外壳封装结构。这么多措施,就是为了能够让PLC稳定的运行,提供控制,从而使平均故障间隔时间长度,故障维修时间短。(5)环境要求低。P L C可以再各种恶劣的环境下工作比如温度过高,灰尘较多的车间以及静电较强等,有着很高的性价比。5.1.4 P L C与单片机相比的优点(1) 通用性强,使用方便(2)PLC内部接口都被隔离开来,能够使内部电路与外部环境完全分开内部模块也都被分隔开来加以保护,具有很高的可靠性,PLC电源也会与外部隔离,能够使系统稳定运行。(3)有很多的I/O接口模块,足够满足需求。(4)结构模块化,有很多种组合方式。(5)PLC更容易让人理解加以学习,不需要计算机专门知识也能理解(6)安装简单,维修方便(7)驱动能力强,单片机不够稳定,不能抵抗较强的干扰。单片机的编程也比PLC更加复杂,需要了解单片机的内部结构以及工作方式。所以,最终本设计采用PLC进行控制。5.2机械手的工作流程首先需要按下启动按钮,然后选择自动挡或者手动挡,机械手随后开始工作。如下图5-1就是机械手工作流程图。当选择自动档位时:(1) 从原点开始立柱向左旋转9 0,到达左限位开关时停止;(2) 立柱垂直向下运动,到达下限位开关停止;(3) 手臂气缸伸出,到达前进限位开关停止;(4) 气爪抓紧工件;(5) 手臂气缸收缩,到达后退限位开关停止;(6) 立柱垂直向上运动,到达上限位开关停止;(7) 立柱向右旋转1 8 0,达到右限位开关停止;(8) 手臂气缸伸出,到达前进限位开关停止;(9) 气爪松开工件;(10) 手臂气缸收缩,到达后退限位开关停止;(11) 立柱左旋转9 0回到原点,原点灯亮起。按下停止按钮,机械手停止工作,按下启动按钮,机械手运动先归零,在开始运动。如果选择手动挡可以继续按下任何按钮进行操作,直到运动到限位开关为止。初始位置立柱左转手抓松开立柱下降手臂伸出手臂伸出 立柱右转抓取芯模立柱上升手臂收缩图5-1.机械手工作流程5.3控制面板按键分布图图5-2.控制面板按键分布图5.4 I/O口分配 信号送给可编程控制器,然后分配对应的输入端口;一些信号由可编程控制器输送到被控制的对象,分配对应的输出端口。另外,计数器以及定时器也要向对应的分配可编程序控制器是通过编号来识别信号的。根据系统输入输出点的数目,决定选择三菱的FX2N系列FX2N-48MR。如图所示:表5-1输入点分配表名称代号输入启动SB1X0右转限位SQ1X1左转限位SQ2X2上升限位SQ3X3下降限位SQ4X4手臂前进限位SQ5X5手臂后退限位SQ6X6停止SB2X7手动1SAX10自动2SAX11手爪夹紧SB3X12手爪张开SB4X13上升SB5X14下降SB6X15手臂前进SB7X16手臂后退SB8X17左转SB9X20右转SB10X21回原点SB11X22原点限位SQ7X23表5-2输出点分配表名称代号输出丝杠上升丝杠下降Y3平台左转平台右转Y4气爪张开电磁阀1YAY5气爪夹紧电磁阀2YAY6手臂前进电磁阀3YAY7手臂退后电磁阀4YAY8原点灯Y95.5气压接线图下图所示的连接方式就是手臂气缸与手指气缸的连接方式。图5-4.气爪连接三位五通阀图5-5.手臂气缸连接三位五通阀5.6PLC梯形图图5-3.PLC梯形图6.结论本课题综合运用了大学四年来所学习的所学习的机电专业所学习的知识,设计了一个满足要求的棒料搬运机械手。完成整个设计对于整个大学的学习是一个很好的总结,将整个大学所学习的知识温习了一遍,串联在了一起。形成了一个完整的知识框架,将实践与理论真正结合在了一起,对于今后的学习生活,有着重要的意义。进行设计棒料搬运机械手时实事求是,先以国内外机械手发展作为参考,但不会去盲区跟风去选择高性能、昂贵的一些原件,而是要根据要求本身去设计符合实际情况的机械手,坚决杜绝盲目模仿抄袭。本课题所设计的机械手尽可能的选用标准件,一方面尽可能降低成本,另一方面,也方便以后的维护与检修。在满足设计需求的前提下,在设计中对于机械手爪稍微做了改变,就可以轻易实现对更多的工件进箱行操作,适用于更多的工作环境,也就提高了它的性价比,能够给企业带来更多的利益。在对机械手控制系统设计时,选择了PLC来进行控制,这种控制系统具有很高的灵活性的同时也非常稳定。在设计从控制系统时,为了让设备适应更多的工作环境,对于机械手的控制,可以进行手动调整,即可以进行手动操作,也可以自动运行工作。并且在实际操作时,如遇到不同的情况,只要重新编写一个PLC系统就可以满足其他类系的工作情况。此次我选的毕业论文的题目是棒料搬运机械手设计,在刚开始做这个课题的时候,感觉没有头绪,不知从何下手,所以为了能更好、更顺利的完成这个课题,我去图书馆翻阅了大量资料,也在网上自己买了几本相关书籍参考,并且指导老师也很负责任,每周都会要求我们和她见一次面,现场指导我们,我严格按照设计进度完成每个任务,然后完成了整个课题设计。在整个机械手的设计过程中,我也遇到了很多问题,有些问题书本上学过,有些通过查资料能找到,有些没听说过的,不知从何下手,然后老师告诉我应该怎么做,帮助我完成了机械手的机械结构系统,由于控制系统学的不是很好,所以很难下手,指导老师推荐我们去找电气学院研究生,经过两天的悉心学习,终于把控制系统做了出来,并且把整个机器的所有问题都弄明白了,指导老师人很好,性格也很好,很负责任,很有责任心,答辩老师也指出了我的论文中所存在的问题。可以在这么好的老师手下做完此次毕业设计我感到很幸运,在这里,非常感谢各位老师,同学的帮助与支持。在一个学期的毕业设计课程中,从一无所有到最后的课题完成,可以说是一步一个脚印,从最开始的资料收集到中间的零件计算,再到最后的控制系统PLC编程,都让我对所学专业知识有了更加深刻的学习,所谓温故而知新不过如此吧。同时在绘图时,也让自己对工程更加深刻理解,从开始画图到最后一步步的修改,让我明白,每一个尺寸都需要精密的计算,决不能凭空捏造。也让我能够踏踏实实面对以后的学习与挑战。参考文献1 杨长能,张兴毅可编程控制器基础及应用M重庆:重庆大学出版社,19992 李静、机电一体化技术基础与产品设计MI北京:机械工业出版社。1996.3 王雄耀.近代气动机器人(气动机械手)的发展与应用J.液压气动与密封, 1999(5):13一16.4 金茂青,曲忠萍,张桂华.国外工业机器人发展势态分析J.机器人技术与应 用,2001(2):6一8.5 姚二民,王新杰,吴隆.一种气动式机械手的设计J.机械设计与制造,1992 (2)19-20.6 于复生,沈孝芹,范文利等,三自由度气动教学机械手的研制与应用J.电气 电子教学学报,2006(3):63-65.7 成大先.机械设计手册M.化学工业出版社,2004.8 曾文宣.液压与气动控制M.机械工业出版社,2012.9 丁玉兰.人机工程学北京:北京理工大学出版社,2000.10 周美兰.工业设计应用人机工程学.北京:中国轻工业出版社,2001.11 裘建新.现代工业制造中的人机工程学.机械制造,2002.12 刘春荣.现代制造系统中的人因工程.机械设计与制造工程,2002.13 严杨.人机工程学设计应用.北京:国轻工业出版社,1993.14 丁玉兰,郭钢,赵江洪.人机工程学.北京:京理工大学出版社,2000.15 吴宗泽.机械设计禁忌500例.北京:机械工业出版社,1997. 16 三菱电机. 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Nanotechnology,1999(10):300-307.致 谢在这次毕业设计中,收获了许多,首先把我近4年来的只是做了一次系统的复习,锻炼了自我的学习的独立分析问题和解决问题的能力,培养了我综合处理并且运用所学的知识。在这次设计中,让我学会了运用多种途径来搜索查找所需要的资料方法,与同学间一同分享资料和讨论处理问题。为了继续提升自己处理问题的能力,以后还学要更加勤奋的学习。经过本次设计,发现要完美的设计出来时相当困难的,大大小小的问题不断发生,还会发现自己未学过的知识等,就因为设计经验不充足导致设计的停顿问题。随着毕业设计、毕业论文的完成,能够继续在校园学习的时间也不多了,校园生活也终于告一段落。回首在上海电机学院四年生活,酸甜苦辣,学到了很多,也失去了很多,酸甜苦辣都在其中,这将是我人生中最宝贵的经历,也是最美好的回忆。在校园里有着很多知识渊博的老师,四年大学生让我在生活与学习两方面都受益匪浅。能够顺利的完成毕业设计,各位老师给了我巨大的帮助。论文的写作是枯燥艰辛而又富有挑战的。在学富五车的老师帮助下,克服了重重困难,让我最终完成了论文。在此,我要特别感谢孙渊老师。孙渊老师为了帮助我们尽快完整的完成毕业设计,舍弃了自己很多的休息时间,基本上,无论何时何地,只要我们在设计上碰到任何困难,老师都会不遗余力的帮助我们解决。正是由于孙渊老师对我们的负责,付出了足够多的心血我们才能顺利的完成毕业设计课题,在此,祝老师美满幸福。同时对我帮助还有我的同学们,在生活与学习上给了我很多的帮助,经常鼓励我,有一些小的疑问,也会相互讨论,在我迷茫的时候,给了我坚持下去的动力。在最后,同样给我了信心和勇气的是我的家人,家人朋友总是在生活上关心我,对我学习生活也是一直支持理解,这对我完成毕业设计有着重要的意义。我知道我现在的设计还有很多的不足之处,但是,这次的毕业设计给我带来的知识也好、经验也好,都是不能替代的,也许在将来的工作中也会被用到,知识是越多越好,它只会帮助到我。但是毕竟我学习经验不足,时间仓促,在论文中肯定存在错误,还请各位老师多多指正,我将虚心改正。
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