搬运机械手及其控制系统

1、中文文摘 SHANDONG毕业设计说明书搬运机械手及控制系统设计学 院： 机械工程学院 专 业： 机械制造及其自动化 学生姓名： 学 号： 指导教师： 2012 年 5 月 - 36 - 摘要我国的机械手的发展在最近几年得到了突飞猛进的发展，机械手可以仿照人类的某些肢体运动完成某些特定的动作，所以机械手在生产活动中扮演着越来越重要的角色。因此机械手会在我国得到更普遍广泛的应用。 搬运机械手在当今工业、医疗、自然灾害等等的领域中等到了广泛的应用发展，然而搬运机械手的控制系统和执行机构在工作中起到举足轻重的作用，因此控制部分和执行部分对于机械手的工作的整体运转情况具有十分重要的意义。所以本次毕业设

2、计主要的任务是解决执行机构和控制部分的问题，该毕业设计采用气压传动作为执行机构，可编程控制器作为搬运机械手的控制部分。对于本论文的总体设计主要有一下几点，首先要确定搬运机械手的工作对象、设计的目的、搬运机械手的自由度。本毕业设计要通过计算计算出气爪个夹紧力，伸缩臂的气缸、摆动气缸的扭矩等，然后选择标准气缸。执行部分要画出气动原理图，控制部分要根据搬运机械手控的IO点数选择三菱FX系列PLC。根据毕业设计的任务书要求画出梯形图和程序语句表。关键词：搬运机械手 气压动传动 可编程控制器 SMC气缸 目录 AbstractThe robots development has been rapid d

3、evelopment in recent years, The robot can be modeled on the human limb movements to complete certain actions. Play an increasingly important role in the move. Robot in China more generally, a wide range of applicationsHandling robot in wait for a wide range of application development in the area of

4、todays industrial, medical, natural disasters, etc. However, the handling robot control system and the implementing agencies to play a decisive role in the work, Control and operative parts of great significance for the overall functioning of the robot work. The graduation project the main task is t

5、o solve the problem of implementing agencies and the control part of the, The graduation project adopts pneumatic transmission, programmable logic controller for moving the control part of the robot as the executing agency. For the overall design of this paper are mainly the following points, Must f

6、irst determine the object handling robot designed to degrees of freedom of the handling robot, the robot parameters, and so on. This graduation project is calculated by calculating the outlet claws clamping force, The cylinder of the telescopic boom、Parameters of robot and so on. Then select the sta

7、ndard cylinder. Operative to draw pneumatic schematic, The control section according to the IO handling robot control points to select the Mitsubishi FX series PLC. Graduated from the design task book draw the ladder and the program statement table.Keyword: Moving robot Pressure dynamic transmission

8、 Programmable controller SMC cylinder 目 录摘 要.1 Abstract（英文摘要） 目录第一章引言11课题的目和意义.12 工业机械手设计的基本步骤 . 2 总体设计 21 设计的容211总体说明.212驱动方式的选择和设计 6213整体机构的确定.3 工业机械手的机械部分设计.83.1 工业机械手的规格参数 . 3.2 工业设计手的参数计算 . 83.2.1 手部质量计算 .3.2.2 机械手的爪部夹紧气缸的选择 93.2.3 腕部传动气缸的选择 . 3.2.4 伸缩气缸的选择 3.2.5 对伸缩导杆的校核 . 123.2.6 配重算 3.2.7 升降

9、部分计算 .3.2.8 对升降导杆的核算 . 153.2.9挠度计算.3.2.10转台型齿杆式回转摆动气缸的计算 16 4 工业机械手的控制部分设计. 17 41 回路计算 .42 执行元件选择 .43 控制元件选择 .44 执行元件用气量的计算和空压机的选择 2145 气动元件的清单 .4.6 动作顺序表 .电气控制系统设计.51电气控制方案设计和元件的选择 25 52 PLC控制系统设计及PLC及I/O端口分配图的设计.53 PLC梯形图的设计54 PLC的控制程序.总结 致谢参考文献 第一章 引言 第一章 引言1.1课题来源及现实意义 该课程设计是机械及机械控制理论及课程教学计划的实践学

10、习的过程，是对这几年课程知识的综合考验与考察，是对我们的一个综合检测。本课题即搬运机械手与控制系统的设计是典型的机械、机电为一体的综合设计产品，该课题几乎设计了我所学的所有课程。涉及的领域包括了机械的几乎所有专业课，例如液压与气压传动技术、工厂电气控制技术、PLC技术等等课程。该毕业设计将系统的反应机械与控制的紧密联系。 应用搬运机机械手有利于实现材料的传送.共建的装卸.刀具的更换以及机器的装配的自动化的程度的提高，因此可以提高劳动生产率和生产本。搬运机械手也可以改善劳动条件，避免人身安全。在高、高压、低温、低压等恶性环境下的场合中，应用人手直接操作是非常危险或基本不可能的任务，从而应用机械手

11、即可部分或全部代替人安全的完成作业，使劳动条件得到改善和提高。最终可以减轻人力，便于有节奏高效的生产。通过运用两年来所学的机械.电气.气动PLC.计算机等有关知识，学会根据实际问题需要确定设计方案，构思机械结构，完成程序设计及调试通过本次毕业设计，将使我掌握写论文的一般步骤及方法。同时也锻炼了我在遇到困难时冷静分析。独立思考及解决问题的能力，而且培养了我和同学相互讨论，相互学习的习惯。1.2搬运机械手的技术概述 1.2.1 搬运机械手的原理搬运机械手是一种模仿人类手动作，并按设计者设定的程序、轨迹和要求代替人直接搬运工件或操持工具或搬运工件的自动化装置。1.21 机械手的分类 现在机械手的种类

12、，可按驱动方式划分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手等等；按适用范围可划分为专用的机械手与通用的机械手两类；按运动的轨迹控制方式可化分为点位控制方式和连续轨迹控制搬运的机械手等等。以下对各类机械手进行简要介绍。 对于液压机械手 输出力矩大，传动平稳可靠。若采用电液伺服机构控制，可以实现连续的轨迹控制。液压系统的密封要求很严格，油温对油的粘度影响也很大。 对于气压机械手 气源方便取之不尽用之不竭，但输出力比较小，气压传动速度较快，结构简单、成本低廉。但工作时稳定度低，冲击力很大，在同样抓重物条件下它比液压控制的机械手的结构大的多。 对于电动机械手 是用直接用直线电机或功率步进电机和具有特殊结

13、构的感应电动机等来驱动，动力源简单易于获取，不再需要多余的能量转换机构，维护使用方便可靠。 对于机械式机械手 由工作机械带动机械手工作，工作稳定可靠，结构简单易于制造，成本适中，但动作路线固定不可变。 对于点位控制 点位控制只能控制机械手运动的几个点的相对位置，运动轨迹不受控制。目前大多使用的专用机械手和通用的机械手均属于点位控制。 对于连续控制 大部分工业的机械手按给定的速度沿给定的轨迹路线实现平稳而且准确的运动。主要特点是设定点是无限的，整个运动过程都要在PLC控制之下。此类工业机械手一般采用小型计算机进行控制即可。1.3搬运机械手在国内外现状和发展趋势在应用专业机械手的同时，相应的发展通

14、用机械手，研制出示教式机械手工业机械手是在第二次世界大战中发展起来的，开始于40年代的美国橡树岭国家实验室的搬运核原料的遥控机械操作手研究，它是一种旧式的主从型的控制系统。1958年美国的联合控制公司研制出世界上的第一台机械手。它的结构简单：机体上安装一个回转的长臂，机械手端部装有电磁铁的工件抓放机构，控制系统是示教型的；至到1962年，美国联合控制公司在上述方案的基础上进一步改进设计，又试制成一台新型的数控示教再现型机械手。运动系统仿造了坦克的炮塔，臂可以回转、伸缩，用液压气压等驱动；美国联合公司控制系统用磁鼓做储存装置。因此不少球面坐标式机械手就是在这个基础上发展设计起来的；普曼公司专门生

15、产工业用机械手，联邦德国机器制造业是从1970年开始应用制造机械手的，主要用于工厂的起重运输、焊接和设备的上下料等工厂作业：联邦德国K公司还生产过一种点焊式的机械手，采用关节式结构和PLC等程序控制；日本是工业机器人发展最快最先进的，应用国家也是最多的国家，自1969年从美国引进两种典型工业机械手后，开始大力发张从事机械手的研究工作，目前已经成为世界上工业机械手最发达应用最多的国家之一。当今世界机械手的发展仍在迅猛发展。我国的工业机械手的研究研发开发始于20世纪70年代左右。1972年我国的第一台工业机械手开发制造于上海，随着全国各省都开始研制和研发应用机械手。自从第七个五年计划的开始，我国政

16、府将工业机器人的发展列入其中并作为重点项目，并且为此项目投入大量的人力物力，研究开发并且制造了一系列的工业机器人，有由北京机械自动化研究所设计制造的喷涂机器人，广州机床研究所和北京机床研究所合作设计制造的点焊机器人，大连机床研究所设计制造的氩弧焊机器人等等。这些工业机器人的控制器，几乎大部分都是由中国科学院沈阳自动化研究所和北京科技大学机器人研究所开发的，同时一系列的机器人关键部件也被开发出来，如机器人专用轴承，减震齿轮，直流伺服电机，编码器，气压液压等技术等等。如今我国正从一个“制造型大国”向“制造型强国”迈进，中国的制造业正在面临着与国际接轨、世界接轨、参与国际分工的巨大工作和挑战当中，对

17、我国工业自动化的提高迫在眉睫，中国政府务必会加大对机器人的资金投入和政策支持，将会给机械手产业发展注入新的动力和活力。随着机械手发展的深度和广度以及机器人智能水平的不断提高，中国的机械手已在众多领域得到了广泛普遍的应用。已经从传统的汽车的制造领域向非制造领域延伸。如采矿机器人、建筑业机器人以及水电系统用于维护维修的机器人等。在国防军事、医疗卫生、食品加工、生活服务等领域机械手的应用也越来越多。在未来几年，我国将在传感技术，激光技术，工程网络技术中机械手将会被广泛应用，因此这些技术会使机械手的应用更为高效，高质，运行成本将更低。据一系列现象证据表明，今后机械手将在医疗、保健、生物技术和产业、教育

18、、救灾、海洋开发、机器维修、交通运输和农业水产等等各领域得到广泛应用。1.4搬运机械手需要解决的问题 1 需要解决机械手机械结构的设计问题，并且要求搬运机械手结构简单、经济、操作方便具有一定的代表性和可性行。2 各执行部件的运动要协调稳定精度要达到一定的精度的问题。3 机械手的控制系统问题，解决工件和控制系统的协调稳定连续运行问题。4 还需要解决元件的匹配规则和知识的获取及其表达形式等等问题。 第二章 搬运机械手夹持部分计算 第二章 搬运机械手夹持部分计算2.1 夹持式手部驱动力计算任务书给出的工件的质量是G=1 千克，尺寸等于3232（直径高度），材料是塑料。1 根据夹持工件的质量G及方位计

19、算手指能够把工件夹紧的夹紧力N粗略为N（0.91.1）G10N。 2 根据夹紧力N和所采用的传力机构，计算出理论的驱动力。有上图可知c=15mm b=40mm 得=N=25N3 计算出实际的驱动力p（千克） 理论驱动力 安全系数 ，一般情况下取1.5至2 负载50000工作压力0.811.522.53344557工作情况系数，其中主要考虑惯性力的影响，由此可按以下公式计算 =1+ a为手部抓取工件的手臂运动的最小加速度（） 传力机构的机械效率，一般情况取=0.850.9由以上求如果被抓取工件为匀速运动则a=0。则=1+=1+0=1,所以=50N所以夹持工件时所需要的夹紧气缸的驱动力约为50N第

20、三章 上下移动气缸的选型计算 第三章 上下移动气缸的选型计算 3.1机械部分主要尺寸的确定 3.1.1 上下移动缸的计算确定 由机械设计手册第四卷 取气缸工作压力约为=0.4MP， 气缸内径D和活塞杆直径d的确定。单活塞杆气缸是当今现代应用最为广泛的，所以该课题夹紧气缸采用单活塞杆。由于其单活塞作用缸一侧有活塞杆，所以压缩空气作用在活塞两侧的有效的面积不再相等，活塞上行是产夹紧的力，活塞下行时产生松开的力。其中 =公式中表示活塞杆拉的松开力N表示活塞杆的夹紧力N表示气缸工作时总阻力N表示气缸工作阻力D表示活塞直径 mmd表示活塞杆直径 mm其中总阻力与多种因素有关，比如惯性力、摩擦力、背压力等

21、等，综上以上因素可以用载荷率的形式代入公式。求得气缸的松开力和夹紧力由此 =；=对于气缸动态参数的要求较高时，一般情况取=0.30.5，因此该课题要求一般取=0.70.9，所以此处取=0.8。由以上分析计算可以得双向作用的气缸直径尺寸。 其中=N=100N D=19.95mm 查机现代实用气动技术圆整，得D=25mm标准气缸直径，由=0.20.4，可得活塞杆直径。 d=（0.20.4）*D=510mm 所以取活塞杆直径d=10mm 。31.2缸筒壁厚和外径的设计计算由于缸筒筒璧直接承受空气压力，所以必须需要一定的厚度，通常情况一般的气缸缸筒壁厚与内径之比应小于或等于1:10，所以气缸壁厚可按以

22、下薄壁缸公式来计算。 其中式中 缸筒的壁厚 mm。 D表示气缸的内径 mm 表示气缸实验的压力，通常取1.5MPa表示 缸筒璧材料的许用压力缸筒材料先按铸铝合金ZL106其中=3MPa。于是壁厚=2mm取=2mm，则缸筒外径为=D+=25+2*2=29mm。3.1.3手部活塞行程l确定为了扩大搬运机械手的工作范围，臂伸距离尽量扩大，初步估计l=75mm。3.2搬运机械手的校核：一3.2.1活塞杆稳定性校核根据设计手册公式可知当活塞杆长度L10d时，所以要校核杆的稳定性。气缸承受的轴向负载当达到极限值以后，即使有很小的干扰力便会使杆产生弯曲变形，从而导致气缸不能进行正常的工作。由机械设计手册第四

23、卷可知活塞杆稳定性条件如下。 以上式中表示气缸所承受的轴向负载 ，N表示气缸的压杆稳定极限力 ， N 表示气缸的压杆稳定性安全系数，通常情况一般取=26由于气缸的压杆稳定极限力与缸的安装形式活塞杆直径及行程等等有关，所以根据机械设计手册公式可知。当长细杆比的 时侯， 如果长细比的时侯， =其中式中 L表示活塞杆的计算系数， m K 表示活塞杆横截面的回转半径， 杆为实心杆时K= I表示活塞杆断面惯性矩则实心杆I= A表示活塞杆截面积 m表示系数，机械设计手册第四卷 E表示材料弹性模量，对刚取E=2.11011Paf表示材料强度实验值，对刚取f=49107Pa 表示系数，对刚材取实心杆K=2.5

24、查机械手册 得安装方式为一端固定一端自由取m=，将上式代入公式得 实心杆K=2 .5 由于因此 =3.021010 由于，所以活塞杆稳定.3.2.2 手抓和气缸质量估算和工件质量 33.2.3搬运气缸选型根据以上上式计算结果选择气缸 根据SMC气缸选型手册选择CDM2HL25F-75AJC73 如图 3.2.4气缸的安装结构的选择根据安装条件位置、结构和工作要求等，从SMC选型气缸中选择脚座安装。第四章 伸缩气缸的计算选型第四章 伸缩气缸的计算选型4.1 伸缩气缸的设计 4.1. 1 气缸的内径和活塞杆的直径的确定 根据课题设计要求，结合末端执行器的尺寸结构，采用单活塞双作用气缸，初步确定气缸

25、的内径为。 由机械设计手册知，可求得活塞杆直径的d=（0.20.3）=812mm. 所以由机械设计手册圆整后活塞杆直径d取14mm。由公式= 式中表示活塞杆拉力N表示活塞杆的推力，ND表示活塞直径， mmd表示活塞杆直径 ，mmP表示气缸工作的阻力，得=502.4N =487.01N4.1.2 缸筒壁厚和外径的设计计算 由于缸筒筒璧直接承受压力，必须需要一定的厚度，由于一般情况下根据机械设计手册气缸缸筒壁厚与内径之比小于或等于1:10，所以气缸壁厚可按薄壁缸公式来计算。 其中 表示缸筒壁厚， mm D表示气缸内径， mm 气缸实验压力，取1.5MPa表示缸筒材料许用压力缸筒材料采用HT200其

26、中 =30MPa。 =0.4mm其中取=2mmm则缸筒外径为=44mm4.1.3伸缩缸行程长度l的确定 为了尽量扩大工作范围，伸缩距离应尽量扩大即s=200mm4.2搬运机械手伸缩气缸校核：4.2.1 活塞杆稳定性的校核计算根据设计手册公式可知当活塞杆长度L10d时，所以要校核杆的稳定性。气缸承受的轴向负载当达到极限值以后，即使有很小的干扰力便会使杆产生弯曲变形，从而导致气缸不能进行正常的工作。由机械设计手册第四卷可知活塞杆稳定性条件如下。 其中式中表示气缸承受的轴向负载, N 表示气缸的压杆稳定极限力 , N 表示气缸的压杆稳定性安全系数，一般取=26由机械设计手册气缸的压杆稳定极限力与缸的

27、安装形式活塞杆直径及行程有关。长细杆比 时 长细比时 =其中式中 L表示活塞杆计算系数 m K 表示活塞杆横截面回转半径 实心杆K= I表示活塞杆断面惯性矩实心杆I= A 表示活塞杆截面积 m表示系数，机械设计手册第四卷 E表示材料弹性模量，对刚取E=2.11011Paf表示材料强度实验值，对刚取f=49107Pa 系数，对刚取 查现代实用气动技术可知安装方式为固定固定形式 故取m=， 将数值代入上式得实心杆得。 K= 由于所以 所以 =4 由上式计算知，所以活塞杆直径取d=14mm时细杆稳定。4.3 标准气缸的选择根据上式计算结果，可根据SMC气缸选型手册选择标准的气缸，所以 伸缩气缸的选择

28、CDM2HL40 F-200 AJC73 如图。 4.3.1 气缸的安装结构的选择 根据安装条件位置、结构和工作要求等，从SMC选型气缸中选择脚座安装。第五章 摆动气缸的选型计算 第五章 摆动气缸的计算选型5.1 摆动气缸的计算和选型 由摆动气缸所受力矩预选缸的有效输出力矩。 则有效输出力矩=其中式中 M表示摆动气缸承受的实际力矩，N.m 表示负载率负载性质负载率静负载0.9动负载惯性负载 静负载是指摆动气缸施加在静止工件上的静力矩M。 M=FL 其中 式中 F表示外力 ，N L表示外力臂 ，m由外伸缩缸行程加其它行程距离L300mm，工件加手抓、气缸和零部件质量约为m3kg。 所以 F=39

29、.829N 所以 M=FL=29 0。3=8.7N.m = = =9.66 N.m所以根据摆动气缸选型手册摆动气缸选为 CDRB1BW50-90SE-73 惯性负载是指摆动气缸驱动工件作往复摆动时所需要的摆动力矩。 M=J 其中式中 M表示摆动力矩，N.m J 表示转动惯量，负载难于回转或回转负载难于停止的程度，kg . 。 表示负载的平均回转角加速度， J=m = 其中式中 m表示回转负载的质量， kg r 表示最大负载回转半径， m 表示摆动角度 ，() t 表示摆动时间，s 毕业设计 t一般取1s ，取90、m=3kg、r300mm所以 =3.14 J=m=30.32=0.27 kg .

30、 所以 M=J =0.273.14=0.8478 N.m根据上式计算在SMC摆动气缸选型手册可选CDRAIBWHU50-90A53 。 如图 第六章 搬运机械手动力与驱动方案 第六章 搬运机械手动力与驱动方案6.1 搬运机械手的气压控制 考虑到机械构造简单、维护的方便性以及性能的可靠性稳定性的要求，本课所以首先采用气压传动的驱动方案。 本次毕业设计任务书的工作对象为1千克的工件，所以需要的夹紧力较小，相对应的夹紧机构原件尺寸和质量都较小。气压传动是以压缩空气的压力来驱动执行机构运动的机械手。所以其主要特是：介质来源极方便取之不尽用之不竭，即不污染环境且工作可靠，气动动作迅速准确、结构简单、成本

31、低廉、操作维修方便。但是由于空气具有可压缩的特性，机械手工作速度的稳定性较差，而且气源压力通常较低，抓重通常在30公斤以下，气压传动控制适用于高速，轻载，高温、低温和粉尘大的恶劣环境中进行工作。除以上气压传动还有许多其他的优点 。例如1 气压缸的动作速度的范围可达50500mm/s，高速可达3m/s，最高速几乎可达20m/s 左右。气压传动比液压传动和电气传动速度快的多，通过气压传动原件可实现无极调速，且可以随意控制工作位置。2 气压的可靠性较高，实用的寿命相对也较长3利用空气的可压缩性和取之不尽用之不竭的特点，可储存能量集中供气对工件进行操作搬运等。4气压传动系统维护简单经济，可以实现远程操

32、作，有一定的安装的自由度。综上一系列的优缺点，本毕业设计将采用气压传动的方案。动作要求四个气压缸完成气压控制系统，一个摆动气缸实现搬运机械手的旋转运动，一个水平的伸缩缸实现机械手的工进与收缩，一个竖直气缸实现机械手的上下运动，还有一个夹紧缸用于夹紧工件。气压回路的压力一般取标准值0.4千帕。启动原理图图如下图。 气动原理图 PLC控制系统方案的确定 第七章的控制系统方案的确定7.1PLC可编程控制器的概述 由于任何机构的控制系统是其本身的重要的组成部分。在其某种意义上讲，控制系统起着控制指导作用与人脑有相似的作用。搬运机械手的手部、臂部等的动作以及相关机械部分的的协调动作都是通过控制系统来实现

33、完成的。主要控制内容有动作的顺序控制，动作的位置控制与路径、动作的时间控制。现代一些现代化的机械手已经代替人完成某些特定的操作。当今各种控制的方式有多种多样。搬运机械手的程序控制方式可分为两大类，包括固定程序的控制方式和可变程序控制的方式。该课题所用的是固定程序控制类别的机械式控制系统。本课题的气动控制系统为直接执行机构，机械手要实现自动化里不开控制系统，本课题采用PLC实现对气压系统的控制，电磁阀实现控制要求的输出。控制系统详见控制系统的详细论述。7.2 PLC的构成及工作原理可编程逻辑控制器它是当今在工业环境中应用最为广泛最为主要的数字操作的电子系统。它使用可编程存储器存用户设计编制的程序

34、指令，这些编辑的程序用来实现逻辑运算、顺序操作、定时、计数及算术运算和通过数模转换来控制各种各样的机电一体化产品，编辑的程序可变、具有抗干扰能力强、工作可靠性高、性能强大、体积不大、相对耗电低，特别易于购买、价格便宜等等优良的特点，具有广泛的发展应用前景。以上种种PLC的这些特点，远远可以满足当今工业搬运机械机械手的要求。本次毕业设计工业搬运机械手流程图如下图所示。7.2.1 PLC控制机械手的流程步骤如图手臂原点气爪夹紧下降手臂上升手臂左旋手臂停止手臂右旋手臂上升气爪松开下降低位手臂延时高位低位 PLC的构成及工作原理延时高位左位左位启动 机械手的运动路线7.4 PLC可编程控制器的选择7.4.1 PLC的选择要按以下方式进行选择：（1）首先要对 I/O点数的估算根据以上机械手分析的结果，进行统计估算可知，选择FX-2N系列48点的PLC编程控制器。（2）容量计算可编程控制器内存容量指的是用户程序的容量。一般小型的最大I/O点数为120，一般可编程控制器的指令的条数为I/O点数的10-12倍左右，PLC的容量尽量不得小于此要求。所以根据所选的PLC FX-