畢業(yè)論文-基于plc控制的輕型平動搬運機械手設(shè)計(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡介】 stem)和柔性制造單元 (Flexible Manufacturing Cell)中重要一環(huán)。 重慶科技學(xué)院本科生畢業(yè)論文 1 緒論 3 隨著工業(yè)機器手（機械人）研究制造和應(yīng)用的擴大，國際性學(xué)術(shù)交流活動十分活躍，歐美各國和其他國家學(xué)術(shù)交流活動開展越來越多。 研究工業(yè)機械手的目的和意義 在現(xiàn)代工業(yè)中，隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，生產(chǎn)過程中的自動化已成為突出的主題。各行各業(yè)的自動化水平越來越高，現(xiàn)代化加工車間，常配有機械手，以提高生產(chǎn)效率，完成工人難以完成的或者危險的工作。據(jù)資料介紹，美國生產(chǎn)的全部工業(yè)零件中，有75%是小批量生產(chǎn)；金屬加工生產(chǎn)批量中有四分之三在 50件以下，零件真正在機床上加工的時間僅占零件生產(chǎn)時間的 5%。從這里可以看出，裝卸、搬運等工序機械化的迫切性，工業(yè)機械手就是為實現(xiàn)這些工序的自動化而產(chǎn)生的。 進(jìn)入 21 世紀(jì)，隨著我國人口老齡化的提前到來，近來在東南沿海還出現(xiàn)在大量的缺工現(xiàn)象，迫切要求我們提高勞動生產(chǎn)率，降低工人的勞動強度，提高我國工業(yè)自動化水平勢在必行，本設(shè)計的目的就是設(shè)計一個氣動搬運機械手，應(yīng)用于工業(yè)自動化生產(chǎn)線，把工業(yè)產(chǎn)品從一條生產(chǎn)線搬運到另外一條生產(chǎn)線，實現(xiàn)自動化生產(chǎn)，減輕產(chǎn)業(yè)工人大量的重復(fù)性 勞動，同時又可以提高勞動生產(chǎn)率。 我國機械手發(fā)展起步比較晚，但發(fā)展速度快，并且機械手技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化在中國具有一定的現(xiàn)實基礎(chǔ)和廣闊的市場前景。目前在我國機械手常用于完成的工作有：注塑工業(yè)中從模具中快速抓取制品并將制品傳送到下一個生產(chǎn)工序；機械手加工行業(yè)中用于取料、送料；澆鑄行業(yè)中用于提取高溫熔液等等。本課題以能夠?qū)崿F(xiàn)這類工作的搬運機械手為研究對象。 工業(yè)機械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動生產(chǎn)設(shè)備。工業(yè)機械手也是工業(yè)機器人的一個重要分支。他的特點是可以通過編程來完成各種預(yù)期的作業(yè)，在構(gòu)造和性能上建有人和機器各 自的優(yōu)點，尤其體現(xiàn)在人的智能和適應(yīng)性。機械手作業(yè)的準(zhǔn)確性和環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國民經(jīng)濟領(lǐng)域有著廣泛的發(fā)展空間。 本課題研究的輕型平動搬運機械手是工業(yè)機械手中的一種，它具有工業(yè)機械手的特點并且有著獨特的應(yīng)用場合和廣大的經(jīng)濟市場。該機械手主要的工作是搬運，它能部分替代人工操作，按照生產(chǎn)工藝的要求，遵循給定的程序來完成所需物體的傳送，并且可以不斷重復(fù)的運動。該機械手還具有結(jié)構(gòu)簡單，工作穩(wěn)定性高，精度準(zhǔn)確，研究成本低，使用壽命長等特點。可以應(yīng)用在不同的場合，尤其是在高溫、高壓、粉塵、噪音以及帶有放射性和污染的場 合應(yīng)用的更為廣泛，從而大大的改善了工人的勞動條件，顯著提高了勞動生產(chǎn)率，加快實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機械化和自動化的步伐。近年來，該類機械手在我國發(fā)展速度快，受到了各企業(yè)單位的高度重視，投入大量的人力物力來研究和應(yīng)用，并取得了一定的效果。 機械手的結(jié)構(gòu)形式開始比較簡單，專用性較強。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，制成了能夠獨立的按程序控制實現(xiàn)重復(fù)操作，適用范圍比較廣的“程序通用機械手 ” ，簡稱通用機械手。由于通用機械手能很快的改變工作程序，適應(yīng)性較強，所以它在不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量生產(chǎn)中獲得廣泛的引用。 重慶科技學(xué)院本科生畢業(yè)論文 1 緒論 4 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及展 望 機器人技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)該說是一個科學(xué)技術(shù)發(fā)展共同的一個綜合性的結(jié)果，同時，為社會經(jīng)濟發(fā)展產(chǎn)生了一個重大影響的一門科學(xué)技術(shù)，它的發(fā)展歸功于在第二次世界大戰(zhàn)中各國加強了經(jīng)濟的投入，就加強了本國的經(jīng)濟的發(fā)展。 機器人的發(fā)展也 歸功于電子技術(shù)，計算機技術(shù)以及制造技術(shù)等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展而產(chǎn)生了提供了強大的技術(shù)保證。 目前 機器人已經(jīng)從制造業(yè)逐漸轉(zhuǎn)向了非制造業(yè)和服務(wù)行業(yè)， 例如： 如圖 ，在美國，他們研制的像大型客機這種清洗工作，如果人來做的話十分繁重，那么大一個機體來清洗的話，工作量是很大，而且也很不方便，那么他們采 用這種機器人來實現(xiàn)像飛機的這些清洗的工作，包括一些國家開發(fā)像高層建筑的清洗機器人，這也都是服務(wù)行業(yè)的機器人，還包括像家庭使用的，還有一些賓館和一些公共場合使用的這種清潔機器人，對地面來進(jìn)行清掃，還包括網(wǎng)球場上能夠自動地把撒下的球，集中收集起來，這種機器人也都是存在的。 我國 目前主要單位像中科院沈陽自動化所，原機械部的北京自動化所，像哈爾濱工業(yè)大學(xué)，北京航空航天大學(xué)，清華大學(xué)，還包括中科院北京自動化所等等的一些單位都做了非常重要的研究工作，也取得了很多的成果，而且目前這幾年來看，我們國家在高校里邊，有很 多單位從事機器人研究，很多研究生和博士生都在從事機器人方面的研究，目前我們國家比較有代表性的研究，有工業(yè)機器人，水下機器人 （如圖 ） ，空間機器人，核工業(yè)的機器人，都在國際上應(yīng)該處于領(lǐng)先水平，總體上我們國家與發(fā)達(dá)國家相比，還存在很大的差距，主要表現(xiàn)在，我們國家在機器人的產(chǎn)業(yè)化方面，目前還沒有固定的成熟的產(chǎn)品，但是在上述這些水下、空間、核工業(yè)，一些特殊機器人方面，我們?nèi)〉昧撕芏嘤刑厣难芯砍删汀? 目前國外機器人領(lǐng)域發(fā)展近幾年有如下幾個趨勢 ： (1)工業(yè)機器人性能不斷提高 (高速度、高精度、高可靠性、便于操作和 維修 )，而單機價格不斷下降，平均單機價格從 91年的 97年的 65萬美元。 (2)機械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。例如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機、減速機、檢測系統(tǒng)三位一體化 ： 由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機器人整機 ； 國外已有模塊化裝配機器人產(chǎn)品問市。 (3)工業(yè)機器人控制系統(tǒng)向基于 PC機的開放型控制器方向發(fā)展，便于標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)圖 飛機清洗機器人 圖 水下機器人 重慶科技學(xué)院本科生畢業(yè)論文 1 緒論 5 化 ； 器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結(jié)構(gòu) ： 大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。 (4)機器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感 器外，裝配、焊接機器人還應(yīng)用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機器人則采用視覺、聲覺、力覺 、 觸覺等多傳感器的融合技術(shù)來進(jìn)行環(huán)境建模及決策控制 ； 多傳感器融合配置技術(shù)在產(chǎn)品化系統(tǒng)中已有成熟應(yīng)用。 (5)虛擬現(xiàn)實技術(shù)在機器人中的作用已從仿真、預(yù)演發(fā)展到用于過程控制，如使遙控機器人操作者產(chǎn)生置身于遠(yuǎn)端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機器人。 (6)當(dāng)代遙控機器人系統(tǒng)的發(fā)展特點不是追求全自治系統(tǒng)，而是致力于操作者與機器人的人機交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構(gòu)成完整的監(jiān)控遙控操作系統(tǒng)，使智能機器人走出實驗室進(jìn)入實用化階段。美國發(fā)射到火 星上的“索杰納”機器人就是這種系統(tǒng)成功應(yīng)用的最著名實例。 本課題研究內(nèi)容 本文研究了國內(nèi)外機械手發(fā)展的現(xiàn)狀，通過學(xué)習(xí)機械手的工作原理，熟悉了搬運機械手的運動機理。在此基礎(chǔ)上，確定了搬運機械手的基本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，對搬運機械手的運動進(jìn)行了簡單的力學(xué)模型分析，完成了機械手機械方面的設(shè)計工作（包括傳動部分、執(zhí)行部分、驅(qū)動部分）的設(shè)計及 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計和調(diào)試 。根據(jù) 機械 結(jié)構(gòu)的設(shè)計 計算結(jié)果，繪制機械手的整體裝配圖。 機械手實現(xiàn)的運動參數(shù) 1）機械 手爪 重 5kg； 2）自由度 4（即左移 /右移、上升 /下降、夾緊 /放松、左旋 /右旋）； 3）手腕運動參數(shù)： 回轉(zhuǎn)范圍 0～ 180176。，最大速度 45176。/s； 4）手臂運動參數(shù)：伸縮范圍 500mm，最大速度 200mm/s，升降行程 40mm； 5）機座運動參數(shù)： 旋轉(zhuǎn)范圍 0～ 180176。 重慶科技學(xué)院本科生畢業(yè)論文 2 機械手總體設(shè)計 6 2 機械手總體設(shè)計 總體構(gòu)想 工業(yè)機械手是一種模仿人手動作，并按設(shè)定的程序，軌跡和要求代替人手搬運或操作工具或進(jìn)行操作自動化裝置。 機械手的總體設(shè)計要進(jìn)行綜合考慮，盡可能使之做到結(jié)構(gòu)簡單，緊湊，容易操作安全可靠，安裝維護方便，經(jīng)濟性好。 為了提高機械手的運動速度和控制精度，在保證機械手有足 夠強度與剛度的條件下，盡可能從結(jié)構(gòu)域材料上設(shè)法減輕機械手的重量，力求選高強度，輕質(zhì)材料，通常用高強度的鋁合金制造。 據(jù)設(shè)計題目給定的坐標(biāo)形式和基本參數(shù)確定該設(shè)計和各項結(jié)構(gòu)，其中已確定的各項有 ： 1）本工業(yè)機械手是通用機械手，是一種具有獨立控制系統(tǒng)的，程序可變，動作靈活多樣的機械手。通用機械手工作的范圍大，定位精度高，通用性強，適用于不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量自動化生產(chǎn)。本工業(yè)機械手的控制定位方式是簡易型的定位控制，因此，其控制系統(tǒng)不是很復(fù)雜。 2） 如圖 所示，工業(yè)機械手手臂的坐標(biāo)形式有：直角坐標(biāo)式、 圓柱坐標(biāo)式、球坐標(biāo)式及關(guān)節(jié)式。 本工業(yè)機械手是圓柱坐標(biāo)的坐標(biāo)形式，其手臂的運動系由兩個直線運動和一個回轉(zhuǎn)運動所組成，即沿 X 軸的伸縮，沿 Z 軸的升降和 Z 軸的回轉(zhuǎn)。特點：占地面積小而活動范圍大，結(jié)構(gòu)較簡單，并能達(dá)到較高的定位精度，應(yīng)用廣泛，但因機械手結(jié)構(gòu)關(guān)系，沿 Z 軸方向移動的最低位置的限制，故不能抓取地面上的物體。 3）本工業(yè)機械手是 四 自由度機械手。所謂工業(yè)機械手的自由度就是整機手臂和手腕相對于固定坐標(biāo)所具有的獨立運動。 驅(qū)動方式的選擇和計算 根據(jù)有關(guān)資料顯示，現(xiàn)在機械手驅(qū)動方式的成熟控制方式有多種，主要以 下幾種方式，分析并進(jìn)行比較選擇： （ 1）機械傳動機械手，它是由機械傳動機構(gòu)（凸輪、連桿、齒輪、齒條、間歇機構(gòu)等）驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)運動的機械手。它是一種附屬于工作主機的專用機械手，其動力是由工作機圖 機械傳動機械手 圖 機械手手臂的坐標(biāo)形式 重慶科技學(xué)院本科生畢業(yè)論文 2 機械手總體設(shè)計 7 械傳遞的。它的主要特點是運動準(zhǔn)確可靠、動作頻率高、但結(jié)構(gòu)尺寸較大，動作程序不可變。一般用作自動機的上料或卸料裝置。 （ 2） 液壓傳動機械手，它是以油液的壓力來驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)運動的機械手。抓重能力大，結(jié)構(gòu)小巧輕便，傳動平穩(wěn)，動作靈便，可無級調(diào)速，進(jìn)行連續(xù)軌跡控制。但因油的泄露對工件性能影響較大，故它對密封裝置要求嚴(yán)格，且 不宜在高溫或低溫下工作。若機械手采用電液伺服驅(qū)動系統(tǒng) ，可實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制，使機械手的通用性擴大，但電液伺服閥的制造精度高，油液過濾要求嚴(yán)格，成本高。 （ 3）氣動傳動機械手，它是利用壓縮空氣的壓力，來驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)運動的機械手。其主要特點是介質(zhì)來源方便，氣動動作迅速，結(jié)構(gòu)簡單，成本低。能在高溫、高速和粉塵大的環(huán)境中工作、但由于空氣具有可壓縮的特性，工作速度的穩(wěn)定性較差，且因氣源壓力低，只宜輕載下工作。 （ 4）電力傳動機械手，它是由特殊設(shè)計的電動機、直線電動機或步進(jìn)電動機直接驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)運動的機械手。因 不需中間轉(zhuǎn)換機構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單，其中直線電機機械手的運動速度快，行程長，使用和維護方便。目前機械手設(shè)計正朝 “ 機電一體化 ” 方向發(fā)展，采用電力直接驅(qū)動機械手將日益增多。 綜合上述四種驅(qū)動方式的優(yōu)缺點結(jié)合本設(shè)計之工業(yè)機械手的各項規(guī)格要求，應(yīng)選用氣壓傳動來實現(xiàn)，則其抓重和定位都可達(dá)到，且結(jié)構(gòu)簡單，其傳動平穩(wěn)和動作靈敏性可達(dá)到設(shè)計要求。因此，本設(shè)計選用氣壓傳動機械手作為驅(qū)動方式。 整體機構(gòu)的確定 執(zhí)行機構(gòu) （ 1）手部：即與物體直接接觸的部件。由于與物件接觸的形式不同，可分為夾持式和吸附式手在本課題中我們采 用夾持式手部結(jié)構(gòu)。夾持式手部由手指 (或 手爪 )和傳力機構(gòu)所構(gòu)成。手指結(jié)構(gòu)取決于被抓取物件的表面形狀、被抓部位 (是外廓或是內(nèi)孔 )和物件的重量及尺寸。常用的指形有平面的、 V形面的和曲面的 ： 手指有外夾式和內(nèi)撐式 ；指數(shù)有雙指式、多指式和雙手雙指式等。而傳力機構(gòu)則通過手指產(chǎn)生夾緊力來完成夾放物件的任務(wù)。傳力機構(gòu)型式較多時常用的有 ： 滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜面杠桿式、齒輪齒條式、絲杠螺母彈簧式和重力式等。本課題采用 V形面雙指式手指和滑槽杠桿式傳力機構(gòu)。 圖 液壓傳動機械手 圖 電動缸機械手 圖 氣動搬運機械手 重慶科技學(xué)院本科生畢業(yè)論文 2 機械手總體設(shè)計 8 （ 2） 手臂：是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是帶動手 指去抓取物件，并按預(yù)定要求將其搬運到指定的位置。工業(yè)機械手的手臂通常由驅(qū)動手臂運動的部件 (如油缸、氣缸、齒輪齒條機構(gòu)、連桿機構(gòu)、螺旋機構(gòu)和凸輪機構(gòu)等 )與驅(qū)動源(如液壓、氣壓或電機等 )相配合，以實現(xiàn)手臂的各種運動。本課題設(shè)計在手臂上加有定位擋塊和緩沖擋塊，且定位擋塊和緩沖擋塊位置連續(xù)可調(diào)，這樣既保證了位置精度，又可滿足不同規(guī)格工作的需要。 （ 3）機座：機座是機械手的基礎(chǔ)部分，機械手執(zhí)行機構(gòu)的各部件和驅(qū)動系統(tǒng)均安裝于機座上，故起支撐和連接的作用。 在基座上安裝齒輪齒條旋轉(zhuǎn)機構(gòu)，使手臂達(dá)到 0176。～ 180176。的旋 轉(zhuǎn)。 驅(qū)動系統(tǒng) 驅(qū)動系統(tǒng)是驅(qū)動工業(yè)機械手執(zhí)行機構(gòu)運動的動力裝置調(diào)節(jié)裝置和輔助裝置組成。常用的驅(qū)動系統(tǒng)有液壓傳動、 氣壓傳動、機械傳動。本課題采用氣壓傳動。控制系統(tǒng)是支配著工業(yè)機械手按規(guī)定的要求運動的系統(tǒng)。目前工業(yè)機械手的控制系統(tǒng)一般由程