基于PLC控制的机械手设计【毕业论文+CAD图纸全套】

温州大学毕业论文 基于 目 录 摘要 1 引言 1 2 计要求 2 动形式的选择 2 动方式的选择 4 体结构设计 5 6 构分析 6 算分析 6 11 械手移动工件控制系统的控制要求 11 械手移动工件控制系统的 型和资源配置 13 械手移动工件控制系统的 序 14 18 立机械手模型 18 作机械手的动画 18 结束语 26 致谢 26 参考 文献 26 附录 27 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 1 摘 要 机械手设计包括机械结构设计，检测传感系统设计和控制系统设计等，是机械、电子、检测、控制和计算机技术的综合应用。本课题通过对设计要求的分析，设计出机械手的总体方案，重点阐述了手部结构的设计以及控制系统硬软件的设计，完成了整个系统工作的动画设计。实现了机械手的基本搬运功能，达到了预期要求，具有一定的应用前景。 关键词 ： 机械手 动画 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 2 引 言 随着世界经济和技术的发展，人类活动的不断扩大，机器人应用正迅速向社会生产和生活的各个领域扩展，也从 制造领域转向非制造领域，各种各样的机器人产品随之出现。像海洋开发、宇宙探测、采掘、建筑、医疗、农林业、服务、娱乐等行业都提出了自动化各机器人化的要求。随着机器人的产生和大量应用，很多领域，许多单一、重复的机械工作由机器人（也称机械手）来完成。 工业机器人是一种能进行自动控制的、可重复编程的，多功能的、多自由度的、多用途的操作机 , 广泛采用工业机器人，不仅可提高产品的质量与产量，而且对保障人身安全，改善劳动环境，减轻劳动强度，提高劳动生产率，节约原材料消耗以及降低生产成本，有着十分重要的意义。和计算机、网络技 术一样，工业机器人的广泛应用正在日益改变着人类的生产和生活方式 。 机械手是一种模仿人手动作，并按设定的程序来抓取、搬运工件或夹持工具，机械手可在空间抓放物体，动作灵活多样，适用于可变换生产品种的中、小批量自动化生产，广泛应用于自动生产线、自动机的上下料、数控设备的自动换刀装置中。机械手一般由执行系统、驱动系统、控制系统和人工智能组成，主要完成移动、转动、抓取等动作。 控制系统是机械手的指挥系统，它通过控制驱动系统，让执行器按照规定的要求进行工作，并检测其正确与否。可编程控制器（ 一种数定运算操作的电 子系统，它将逻辑运算、顺序控制、时序、计数、算术运算等控制程序，用指令形式存放在存储器中，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种机械或生产过程。与继电器控制线路相比， 有可靠性高、抗干扰能力强；编程简单、使用方便；设计、安装容易，维护工作量少；功能完善、通用性强；体积小、能耗低等特点。因此，机械手控制系统越平越多的由可编程控制器来实现。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 3 计要求： 到另一个工作点上。 行夹紧力的计算 分析。初值给定如下： 工件质量 m=擦系数 =力加速度 g=直加速度 a=平加速度 a=转半径 r=速度 s 角加速度 全系数 S=角 45 为控制系统。 动形式的选择： 根据主要的运动参数选择运动形式是结构设计的基础。常见机器人的运动形式有四种，下面分别论述其特点，然后确定运动形式。 直角坐标型 机器人的结构简图如图 1示，它在 x,y,z 轴上的运动是独立的， 3 个关节都是移动关节，关节轴线相互垂直，它主要用于生产设备的上下料，也可用于高精度的装卸和检测和作业。这种形式的主要特点是： (1)在三个直线方向上移动，运动容易想象。 (2)计算比较方便。 (3)由于可以两端支撑，对于给定的结构长度，其刚性最大。 (4)要求保留较大的移动空间，占用空间较大。 (5)要求有较大的平面安装区域。 (6)滑动部件表面的密封较困难，容易被污染。 圆柱坐标型机器人的结构简图如图 1示， R、 和 x 为坐标系的三个坐标，其中 是手臂的角位置， 种形式的主要特点是： (1)容易想象和计算。 (2)能够伸入形腔式机器内部。 (3)空间定位比较直观。 (4)直线驱动部分难以密封、防尘及防御腐蚀物质。 (5)手臂端部可以达到的空间受限制，不能到达靠近立柱或地面的空间。 极坐标型机器人又称为球坐标机器人，其结构图如图 1示， R， 和为坐标系的坐标。其中是绕手臂支撑底座垂直轴的转动角，是 手臂在铅垂面内的的摆动角。这种机器人运动所形成的轨迹表面是半球面。其特点是： 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 4 (1)在中心支架附近的工作范围较大。 (2)两个转动驱动装置容易密封。 (3)覆盖工作空间较大。 (4)坐标系较复杂，较难想象和控制。 (5)直线驱动装置仍存在密封问题。 (6)存在工作死区。 多关节机器人结构简图如图 1是以其各相邻运动部件之间的相对角位移作为坐标系的。、和为坐标系的坐标，其中是绕底座铅垂轴的转角，是过底座的水平线与第一臂之间 的夹角，是第二臂相对于第一臂的转角。这种机器人手臂可以达到球形体积内绝大部分位置，所能达到区域的形状取决于两个臂的长度比例。其特点是： (1)动作较灵活，工作空间大。 (2关节驱动处容易密封防尘。 (3)工作条件要求低，可在水下等环境中工作。 (4) 适合于电动机驱动。 (5)运动难以想象和控制，计算量较大。 (6)不适于液压驱动。 图 1直角坐标型 图 1圆柱坐标型 图 1极坐标型 图 1多关节型 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 5 选择方案的准则： 械手能够旋转一定角度。 于计算分析。 分析比较以上四种运动形式，确定选用圆柱坐标型机器人。 动方 式的选择： 机器人关节的驱动方式有液压式、气动式、和电动式。下面将三种 驱动方式进行分析比较。 机器人的驱动系统采用液压驱动，有以下几个优点： (1)液压容易达到较高的压力（常用液压为 体积较小，可以获得较大的推力或转矩； (2)液压系统介质的可压缩性小，工作平稳可靠，并可得到较高的位置精度； (3)液压传动中，力、速度和方向比较容易实现自动控制； (4)液压系统采用油液作介质，具有防锈性和自润滑性能，可以提高机械效率，使用寿命长。 液压传动系统的不足之处是： (1)油液的 粘度随温度变化而变化，影响工作性能，高温容易引起燃爆炸等危险； (2)液体的泄漏难于克服，要求液压元件有较高的精度和质量，故造价较高； (3)需要相应的供油系统，尤其是电液伺服系统要求严格的滤油装置，否则会引起故障。 液压驱动方式的输出力和功率更大，能构成伺服机构，常用于大型机器人关节的驱动。 与液压驱动相比，气压驱动的特点是： (1)压缩空气粘度小，容易达到高速； (2)利用工厂集中的空气压缩站供气，不必添加动力设备； (3)空气介质对环境无污染，使用安全，可直接应用于高温作业； (4)气动 元件工作压力低，故制造要求也比液压元件低。 它的不足之处是： (1)压缩空气常用压力为 要获得较大的力，其结构就要相对增大； (2)空气压缩性大，工作平稳性差，速度控制困难，要达到准确的位置控制很困难； (3)压缩空气的除水问题是一个很重要的问题，处理不当会使钢类零件生锈，导致机器人失灵。此外，排气还会造成噪声污染。 气动式驱动多用于点位控制、抓取、开关控制和顺序控制的机器人。 电动机驱动可分为普通交、直流电动机驱动，交、直流伺服电动机驱动和步进电动机驱动。 普 通交、直流电动机驱动需加减速装置，输出力矩大，但控制性能差，惯性大，适用于中型或重型机器人。伺服电动机和步进输出力矩相对小，控制性能好，可实现速度和位置的精确控制，适用于中小型机器人。交、直伺服电动机一般用买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 6 于闭环控制系统，而步进电动机则主要用于开环控制系统，一般用于速度和位置精度要求不高的场合。 本课题设计的机械手的特点： 用顺序控制方式。 度要求不高。 根据以上特点，确定选用气压驱动。 体结构设计 根据圆柱坐标型运动方式和气压驱动方式的选 定，对机械手进行总体结构的设计，机械结构由摆动气缸、双联气缸、单联气缸和气爪组成，结构图如图 1 图 1机械手总体结构图 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 7 构分析 机械手的手部是最重要的执行机构，是用来握持工件的部件。常用的手部按其握持原理可以分为夹持类和吸附类两大类，本课题采用夹持类手部。夹持类手部又可分夹钳式、托勾式和弹簧式。本课题选用夹钳式，它是工业机器人最常见的一种手部。手部传动机构可分回转型、平动型和平移型。回转型的特点是当手爪夹紧和松开物体时，手指作回转运动。当被抓物体的 直径大小变化时，需要调整手爪的位置才能保持物体的中心位置不变。平动型的特点是手指由平行四杆机构传动，当手爪夹紧和松开物体时，手指姿态不变，作平动。和回转型手爪一样，夹持中心随被夹持物体直径的大小而变。平移型的特点是当手爪夹紧和松开工件时，手指作平移运动，并保持夹持中心固定不变，不受工件直径变化的影响。为便于夹持避免固定中心的麻烦，采用平移型，图 2示的是靠导槽保持手指作平移运动。手部结构也采用气压驱动。 图 2手部装配图 算 分析 因工件运动速度引起视在重量增加情况下的夹紧力计算 机器人手臂停止状态开始的直线运动和旋转运动的组合，所以伴随有速度和加速度 视在重量就变化。设机械手手部纵向中心线上所加的驱动力为 P， P气缸有效截面积 使用的气压 向沿手指的运动方向） Q，工件重量为 G=. 如图 2件以加速度 使工件不掉下，下式必须成立 . 20Q m g m a 得2买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 8 代入数据，得 0 . 3 1 9 . 80 . 1 4 . 2 52 0 . 1 5图 2工件垂直上升时受力分析图 机械手部绕垂直轴以半径 件夹紧面与旋转圆弧切线方向平行，如图 2 切线方向： 20Q t m r 主法线方向： 2( ) 02n m r 2( ) 02n m r 副法线方向： 2( ) 02b m r 2( ) 02b m r 联立上式，求解得 2 2 2( ) 22r g 代入数据，得 2 220 . 5 2 . 1 9 . 8 2 0 . 5 3 . 50 . 1 7 . 3 72 0 . 1 5 |注塑模具 |冲压模具 |工艺夹具 |减速器 |变速器 |机械手 |机器人 |汽修设计|数控加工编程 |数控改造 |数控机床 |液压设计 |机电 单片机 |专用组合买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 9 机床 |污水处理工程 |化工设备类 |自动生产线类 |三维造型类 床类 |矿用机械 |农用机械 |专用机械 |本科精品设计 |部分下载 | 为很快找到自己要的题目，可以通过上面分类选择，也可以直接 夹 ： 249796576 题目每天在更新，一定有你要的资料， 24小时客服 :249796576,也可点进网站下载到历届同学的设计内容 . 后指： 22c o s( s i n ) ( ) ( ) 022R m a m gQ m a 由于是机械手部机构， R,所以结果 22( c o s ) 2 s i g 代入数据，得 2 20 . 3 9 . 8 c o s 4 5 9 . 8 2 0 . 1 5 0 . 3 9 . 8 s i n 4 50 . 1 3 . 5 52 0 . 1 5 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 10 图 2工件水平直进时受力分析图 综上所述，得 7 . 3 7 大 值由于考虑到设计的机械手的安全问题， Q 应再乘上一个安全系数 S。 7 . 3 7 1 . 4 5 1 0 . 6 9Q Q S N 安 全 值 最 大 值 夹紧力 图 2示。 由设计要求得知夹持长度 L 25据图 2知所加的压强约为 夹持长度（夹紧力买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 11 夹持长度（夹紧力图 2夹紧力、夹持长度、压强关系图 制系统设计 械手移动工件控制系统的控制要求 械手移动工件的基本结构、工作流程和工作原理 机械移动工件的基本结构图如图 3示。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 12 图 3机械移动工件的基本结构图 机械手移动工件单个工作流程示意图如图 2示 。 机械手移动工件的单个工作流程由复位到初始位置、将机械手移动到工件处、夹紧工件、将工件移动到目标位置、放下工件和移动到初始位置 6 个过程组成。机械手移动工件通过 控制，可以实现这 6 个过程全自动依次运行。 由于本机械手采用气动传动，为方便检测，选用磁性开关作为传感器。安装在气缸外部即可。机械手移动工件通过磁性限位开关与电磁阀来控制。 (1)机械手左转、右转、左移、右移、上移、下移分别通过左转电磁阀、右转电磁阀、左移电磁阀、右移电磁阀、上移电磁阀、下移电磁阀来实现，移动或转 动的最大位置由左转限位开关 转限位开关 移限位开关 移限位开关 移限位开关 移限位开关 控制。 (2)放松、夹紧工件通过放松电磁阀、夹紧电磁阀来实现。夹紧工件通过定时器控制，根据实际情况，夹紧时间设为 3 秒。放松工件通过放松限位开关来控制。 (1)按下启动按按钮，系统先检查机械手是否在初始位置，若不是机械手先进行复位，然后再进入机械手正式工作状态。按下停止按扭，等机械手运行到初始位置后，再停车。按下急停按钮，断开 部负载电源和气动装置电源，系统立即停止。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 13 图 3 机械手移动工件单个工作流程 备控制要求 该系统要求机械手能自动进行工作，转动时要求回转半径最小，要具体控制要求如下： (1)按下启动按钮，系统进行自检查机械是否在初始位置，不是的话先进行复位工作，然后进行正式工作。 (2)复位工作控制要求如下： 机械手首先上移，直到运动到最上端。 上移后，机械手开始右移。 右移完成后，机械手开始左转，至此，复位工作完成。 (3)正式工作控制要求如下： 机械手开始左移，一直运动到最左端。 运行到最左端后，机械手开始向下运动。 到达最下端后，机械手开始夹紧工件，一直到把工件夹紧为止，时间由定时器控制，定时为 3 秒。 机械手开始向上运动，运动到最上端。 上移后，机械手开始右移。 右移完成后，机械手开始右转，直到右转限位开关检测到信号。 右转完成后，机械手下移。 运行到最低位置后，机械手把工件松开，一直到放松限位开关检测到信号。 工件松开后，机械手开始向上运动。 开 始 复位 移到工件处 夹紧工件 放下工件 移动初始位置处 移到目标处 结束 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 14 到达最上端后，机械手开始左 转，真到左转限位开关检测到信号，此时机械手已加到初始位置。 (4)该系统进行自动连续循环工作。正常停车时，要求机械手回到初始位置时才能停车。急停时，切断所有电源，系统停止运行。重新启动后，由于急停时机械手位置的不确定性，要进行复位工作。 械手移动工件控制系统的 型和资源配置 型 由于机械手控制系统的输入 /输出接点少，要求性价比高，编程简单，维护方便，机身小巧，故选用三菱公司的 号。市场为 3330 元。该机有 14 个输入点， 10 个输出点，辅助继电器 1536 点，定时器 256 点，计数器 235 点，数据寄存器 8000 点。 统资源分配 触点分配 根据系统控制要求， I/O 分配如表 3示。 表 3 I/O 触点分配表 输入设备 输入地址 输出设备 输出地址 左转限位开关 000 左转电磁阀 转限位开关 001 右转电磁阀 移限位开关 002 左移电磁阀 移限位开关 003 右移电磁阀 移限位开关 004 上移电磁阀 移限位开关 005 下移电磁阀 松限位开关 006 放松电磁阀 动按钮 夹紧电磁阀 止按扭 这个控制系统夹紧工件需要定时器来控制夹紧程度。时间设为 3 秒。定时器分配如表 3示。 表 3 定时器分配 定时器 功能 紧工件时定时 3s 件电路接线图 硬件电路接线图如图 3示。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 15 图 3硬件电路接线图 械手移动工件控制系统的 序 程软件 采用三菱公司编程软件 界面如图 3示。 序流程图 根据系统控制要求，画出程序流程图。见附件 1。 态图 此程序用步进指令编写比较方便直观。根据流程图。可画出状态图，如图 3示。 形图 见附录 句表 见附录 000 001 002 003 004 005 006 007 010 L6 电源 左转 右转 左移 放松 右移 上移 下移 夹紧 文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 16 图 3面 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 17 20 21 004 8002 初始脉冲 启动按钮 002 005 007 0 004 004 28 003 22 23 000 29 30 005 文档就送您 纸全套， Q 号交流