基于plc的物料分揀機械手自動化控制系統設計論文t(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 可做上下直線運動和水平面內做圓弧狀的左右擺動。 球坐標式機械手 球坐標式機械手是一種自由度較多，用途較廣的機械手。它的工作范圍包括：一個旋轉運動；二個旋轉運動；二個旋轉運動加一個直線運動。 球坐標式機械手可實現八個動作： （ 1） 手臂上下動作，即俯仰動作； （ 2） 手臂左右動作，即回轉動作 ； （ 3） 手臂前后動作，即伸縮動作； （ 4） 手腕上下彎曲； （ 5） 手腕左右擺動； （ 6） 手腕旋轉運動； （ 7） 手爪夾緊動作； （ 8） 機械手的整體移動。 球坐標式機械手的特點是將手臂裝在樞軸上，樞軸又裝在叉形架上，能在垂直面內作圓弧狀上下俯仰動作，它的臂可作伸縮，橫向水平擺動，還可以上下擺動，工作范圍和人的手類似。它的特點能能自動選擇最合理的動作路線。所以工作效率高。另外由于上下擺動，它的相對體積小，動作范圍大。 關節式機械手 關節式機械手是一種適用于靠近機體操作傳動型式。它像人手一樣有肘關節 ，可以實現多個自由度，動作比較靈活，適于在狹窄的空間工作。關節式機械手，早在四十年代就在原子能工業中得到應用，隨后在開發海洋中應用，有一定的發展前途。 關節式機械手有大臂和小臂的擺動，以及肘關節和肩關節的運動。它還具有上肢結構，可實現近似于人手操作的機能。為具有近似人手的操作機能，需要研制最合適的結構。 機械手型式的選擇首先是從滿足它的運動要求方面進行考慮， 然后從機械手的復 貴州大學本科畢業論文（設計） 第 6 頁 雜程度以及經濟情況等方面來考慮。本設計中的機械手主要動作為機械手手臂的左右移動，升降移動和機械手的整體旋轉。 直角坐標式機械手雖然具備 手臂的伸縮上下、左右直線運動等動作，但是不具備機械手整體旋轉動作，所以不考慮用直角坐標式機械手。 球坐標式機械手和關節式機械手對動作要求方面足夠滿足要求，但是它們的結構都比較復雜，有很多動作是不必要的，顯得浪費和增加了制造的成本和難度。 圓柱坐標式機械手能滿足手臂伸縮、手臂上下、手臂回轉動等動作。可以將手臂回轉動作改換成機械手的整體轉動就可以滿足本設計中機械手的動作要求。這樣的修改并沒有改變機械手的總體結構，只是進行了局部變動，使得整個系統經濟、實惠，所以確定用圓柱坐標式機械手。 執行機構的組成 工業機械手的執行系統主要以下機械部分組成： （ 1） 手部 是機械手直接握持工件或工具的部分。 （ 2） 臂部 是機械手用來支持腕部與手部實現較大的運動范圍的部件。 （ 3） 立柱 支承手臂并帶動它升降、擺動和移動的機構。 （ 4） 機座 是機械手用來支撐臂部，并安裝驅動裝置及其他裝置的部分。 執行機構各部分的分析與選擇 手部的選擇 1 手部形式的確定 手部就是用來握持工件或工具的部分。由于被握持的工件的形狀、尺寸、重量、材質及表面狀態的不同，手部機構也是多種多樣。常用的手部結構按其握持原理可以 分為如下兩類 : 1）夾持式 夾持式手部的結構與人手類似，是工業機械廣泛應用的一種手部形式。它主要由手指、傳動機構、驅動機構組成。其又可分為內撐式、外夾式和內外夾持式，區別在于夾持工件的部位不同，手爪動作方向相反。 夾持式手部設計時應注意以下事項： （ 1） 手指應有一定的開閉范圍。 貴州大學本科畢業論文（設計） 第 7 頁 （ 2） 手指應具有適當的夾緊力。 （ 3） 要保證工件在手指內的定位精度。 （ 4） 結構緊湊，重量輕，效率高。 （ 5） 通用性和可換性。 2）氣吸式 氣吸式手部又稱為真空吸盤式手部，它是通過吸盤內產生真空或負壓，利用壓差而將工件吸附，是工業機械手常用的一種吸持工件 的裝置。它由吸盤、吸盤架及進排氣系統組成，具有結構簡單、質量輕、不易損傷工件、使用方便可靠等優點；但要求工件上與吸盤接觸的部位光滑平整、清潔、被吸附工件材質致密，沒有透氣空隙。主要適應于板材、薄壁零件、陶瓷搪瓷制品、玻璃制品、紙張及塑料等表面光滑工件的抓取。 氣吸式又可分為： 負壓吸盤：真空式、噴氣式、自擠式空氣吸盤。 磁力吸盤：永磁吸盤、電磁吸盤。 真空式吸附型它是利用真空泵抽出吸附頭的空氣而形成真空，故稱真空式。噴氣式吸附的工作原理是當壓縮空氣高速進入噴嘴時，由于管路的開始段截面積是逐漸收縮的， 所以氣流速度逐漸增大，在管路的最小截面處，氣流速度達到臨界速度，此時的氣體受壓，密度加大。在排氣管路中因界面逐漸增大，氣流膨脹減壓而使密度大大下降，致使氣流速度繼續增高，在吸氣口處形成負壓。吸附頭與吸氣口連同，故形成真空，以吸住工件。自擠式空氣吸盤的工作原理是將軟質吸盤按壓在工件的表面，擠出吸盤內的空氣、從而造成真空、吸住工件。磁吸式手是利用工件的導磁性，利用永久磁鐵或電磁鐵通電后產生的磁力來吸附材料工件。磁吸式手部不會破壞被吸附表面質量，但是由于被吸工件存在剩磁，吸附頭上常吸附磁性屑，影響正常工作。 通過 以上對手部的分析真空式具有結構簡單、質量輕、不損傷工件、使用方便、不影響機械手的正常工作等優點。而且滿足所設計機械手的要求，所以選用真空式吸盤。 真空吸盤機構如圖 所示。 貴州大學本科畢業論文（設計） 第 8 頁 圖 吸盤機構圖 手臂結構的選擇 手臂是機械手的主要部分，是支撐手腕、手指和工件并使它們運動的機構。手臂一般有三個運動 — 伸縮、旋轉和升降。手臂的基本動作是將手部移動到所需的位置和承受抓取工件的最大重量，以及手臂本身的重量。 1 手臂的組成： (1)動作元件 ，如油缸、汽缸、齒條、凸輪等是驅動手臂運動的部件。 (2)導向裝置，是保證手臂的正確方向及承受由工件的重量所產生的彎曲和扭轉力矩。 (3)手臂，起著連接和承受外力的作用。 2 手臂設計的要求： (1)手臂承載能力大、剛性好、自重輕。 (2)手臂的運動速度要適當，慣性要小。 (3)手臂的動作要靈活。 (4)位置精度要高。 (5)通用性要強。 3 手臂的結構 手臂的伸縮和升降運動一般采用直線油（氣）缸驅動。 手臂作直線運動的結構，基本上是由驅動機構和導向裝置所組成。驅動機構一般用油缸、油馬達加齒輪、齒條來實現直線運動。往復直線油（ 氣）缸可以分為以下幾種。 貴州大學本科畢業論文（設計） 第 9 頁 雙作用單活塞桿油缸 :液壓機械手中實現手臂的往復運動用得最多的是雙作用單活塞桿油缸。活塞在油壓下作雙向運動。機構上可以是油缸體固定、活塞桿運動；也可以是活塞桿固定，而缸體運動。 雙作用雙活塞桿油缸：當需要很大的行程時，將油缸做的很長、體積很大，則加工上有困難。如做成伸縮式雙活塞桿油缸，既能滿足行程要求，油缸的體積又小。其缺點是一次行程有兩種速度。 絲桿螺母機構：該機構傳動的特點是易于自鎖，但傳動效率低。如采用滾珠絲杠，效率可以提高，但因其較長，制造比較困難。 本機械手的手臂有往復的直 線運動，不需要很大的行程，考慮到結構的簡單性和設計的經濟性，選用缸體固定活塞桿運動的雙作用單活塞桿氣缸。 4 導向裝置 機械手手臂在進行伸縮運動時，為防止手臂沿伸縮方向向中軸線轉動、加大承載能力，以及提高運動精度，必須設有導向裝置。手臂的導向裝置系根據安裝形式、結構及負荷等條件來確定。常用的有單導向桿和雙導向桿，本設計中，伸縮運動中選用雙導向桿。 機座結構的選擇 機座是機械手的基礎部分，機械手執行機構的各部件和驅動系統均安裝于機座上，是支撐起機械手全部重量的構件。對其結構的要求是剛性好、 占地面積小、操作維修方便和造型美觀。 機座結構從形式上分為落地式和懸浮式，或分為固定式、可移動式和行走式。無論哪一種形式，機械手工作時機座一定予以固定。可移動式的機座在停置時能夠剎車定位，以保證機械手工作時的位置精度。根據本機械手的設計要求選用落地固定式機座。 機座的結構與機械手的總體布置有關，對專用機械手而言，傳動和控制部分通常是單獨布置，故機座比較簡單或不設機座。對通用機械手而言，傳動部分布置在機架內部或后下方，控制部分則布置在機座的后上方或單獨布置一個控制箱。 物料分揀機械手手臂需要一個旋轉模塊，擺動 氣缸就要固定在機座上。如果水平缸、垂直缸和手部機構直接安裝到擺動氣缸的輸出軸上，機構雖然簡單，但擺動氣缸的軸向受力增大，對氣缸的自身要求較高，并易造成擺動氣缸的損壞。同時，機械手本身重心偏離立柱軸線以及各氣缸運動產生的沖擊都形成作用在擺動氣缸轉動軸上的傾覆力矩， 貴州大學本科畢業論文（設計） 第 10 頁 所以采用一個連接組件，將機械手立柱以上的重量和傾覆力矩由機架來承擔。連接組件主要由四部分組成：雙向推力球軸承、底座、轉臺和扣罩。如圖 所示。選擇雙向推力球軸承而不是單向的，因為機座與轉臺在軸向上無法直接連接。采用雙向推力球軸承就可以方便的將軸承內 環與轉臺連接，外環用罩扣固定在底座上。另外，推力球軸承應選擇公稱尺寸較大一些的，這樣可以更好的承受傾覆力矩。 底座 擺動氣缸 雙向推力球軸承 扣罩 轉臺 圖 執行機構的工作原理 物料分揀機械手的結構主要由機座、立柱、水平手臂、垂直手臂、電磁閥和吸盤等組成。其中機座采用擺動氣缸進行驅動，手臂及吸盤采用單活塞桿雙作用氣缸驅動。機械手的動作基本有伸縮、升降、左右旋轉、吸物和放物等動作。其結構原理如圖 。其動作順序為：初始位置 → A右旋 → B前伸 → C氣缸下降 → D吸物料 → C上升 → B收縮 → A左旋 → C氣缸下降 → D放物料 → C上升 → 回到初始位置。機械手的動作在整個過程中都是連續可循環的。 執行機構簡圖 根據前面機械手各部分的設計，可做出機械手大體結構簡圖，如圖 所示，大圖 貴州大學本科畢業論文（設計） 第 11 頁 見 CAD 圖。 1右旋限位開關 2 左旋限位開關 3 回縮限位開關 4 前伸限位開關 5 上升限位開關 6 下降限位開 關 A 擺動氣缸 B前伸 /回縮氣缸 C上升 /下降氣缸 D 真空吸盤 圖 執行機構簡圖 貴州大學本科畢業論文（設計） 第 12 頁 第三章 驅動系統的 分析與選擇 機械手的驅動系統是驅動執行機構運動的傳動裝置。機械手的驅動系統根據動力源的不同，分為液壓、氣壓、電氣、機械、氣液聯合和電液聯合等多種方式。目前采用的主要有液壓、氣壓、電氣這三種驅動方式。 驅動系統的分析與選擇 液壓驅動，功率重量 比大，可實現頻繁平穩的變速和換向，容易實現過載保護，可自行潤滑，使用壽命長。但也存在其油液容易泄露污染環境，需要配備油源，成本較高，工作噪聲較大。 電氣驅動，控制精度高，驅動力較大，響應快，信號檢測、傳遞、處理方便。但是由于這種驅動方式價格昂貴，限制了在一些場合的應用。因此，人們尋求其他一些經濟適用的驅動方式。 氣壓驅動具有價格低廉、結構簡單、功率體積比高、無污染及抗干擾性強、在工業機械手中應用較多。另一方面，氣動技術作為“廉價的自動化技術”，由于其元器件性能的不斷提高，生產成本的不斷降低，被廣泛應用于現代 化工業生產領域。在現代化的成套設備與自動化生產線上，幾乎都配有氣動系統。據統計：在工業發達國家中，全部自動化流程中約有 30﹪裝有氣動系統，有 90﹪的包裝機械， 70﹪的鑄造、焊接設備，50﹪的自動操機、 40﹪的鍛造設備和洗衣設備、 30﹪的采煤機械， 20﹪的紡織機械、制鞋業、木材加工、食品機械， 43﹪的工業機器人裝有氣壓系統。日、美、德等國的氣動元件銷售平均每年增長超過 1015﹪。許多工業發達國家的氣動元件產值已接近液壓元件的產值，且仍以較大速度發展， 氣動機械手技術已經成為能夠滿足許多行業生產實踐要求的一種重 要使用工具。 表 給出了各種控制方式的比較： 貴州大學本科畢業論文（設計） 第 13 頁 表 各種控制方式的比較 通過以上三種驅動方式的比較選用氣動驅動的方式，不僅能夠滿足了本設計的要求，而且節約了成本。 機械手驅動系統的控制設計 根據物料分揀機械手的要求，在驅動系統中氣缸的運動方式主要有兩