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文档简介
摘要目前轴承与轴的装配主要是人工装配,该装配耗费大量人力且工作效率低。此外还会因为长时间从事单调重复的工作减少热情,降低装配质量。本次设计是基于PLC控制的轴承装配机器人设计,通过查阅互联网,收集资料,根据任务书要求设计一款基于PLC控制的自动抓取并完成轴承装配的机器人的设计。本次设计中轴承装配机器人的横向移动和升降运动的驱动方式通过丝杠机构实现,采用回转气缸实现机器人手臂的回转运动,电机驱动手腕的弯转,气爪抓取轴承,伸缩气缸实现轴承压入装配。该设计能够自动完成轴承装配,可以没有人工参与,降低成本,还可以在适宜的条件下连续工作。关键词:轴承装配;装配机器人;丝杠机构;PLC控制
ABSTRACTAtpresent,theassemblyofbearingsandshaftsismainlymanualassembly,whichconsumesalotofmanpowerandhaslowworkefficiency.Inaddition,itwillreduceenthusiasmandreducethequalityofassemblyduetolonghoursofmonotonousandrepetitivework.ThisdesignisbasedonthedesignofabearingassemblyrobotcontrolledbyPLC.ByconsultingtheInternet,collectingdata,accordingtotherequirementsofthetaskbook,adesignofarobotbasedonPLCcontrolthatautomaticallygrabsandcompletesthebearingassemblyisdesigned.Inthisdesign,thehorizontalmovementandliftingmovementofthebearingassemblyrobotaredrivenbythescrewmechanism.Therotarycylinderisusedtorealizetherotarymovementoftherobotarm,themotordrivesthebendingofthewrist,theairclawgrabsthebearing,andthetelescopiccylinderrealizesthebearingpressure.Intotheassembly.Thisdesigncanautomaticallycompletethebearingassembly,withoutmanualinvolvement,reducecosts,andcanworkcontinuouslyundersuitableconditions.Keywords:bearingassembly;robot;screwmechanism;PLCcontrol
目录TOC\o"1-2"\h\z\u第一章绪论 第一章绪论1.1研究背景及其意义机器人是自动执行设定程序并接受预先创建的程序的机器,或按照人工智能技术制定指令完成相应动作。目前机器人的种类有很多,如医疗机器人、水下机器人等。随着基础科学的发展和人类需求的提高,会出现各种针对环境的机器人和各种不同需求的机器人。机器人会越来越普遍智能化。机器人是模仿人的产物。一般机器人是由四个主要部分组成,一是控制器,类似于人的大脑,用于接收处理信息和控制其他组成部分;二是动力,类似于人的体能,用于提供其他组成部分的能量;三是检测装置,类似人的视觉触觉等感官,用于及时反馈信息;四是执行器,类似人的整个手臂和腿,用于执行控制器的指令。毫无疑问机器人的发展依赖其他科学领域的发展,对于一般出现在生产线上的装配机器人来说,更智能、更自动是未来发展的主要方向。装配机器人广泛应用于工业、国防、科技和生活领域。汽车工业和电子工业是常用的工业领域,纺织加工、食品工业和日用品制造业也在逐步发展。装配机器人对改善工作条件和减少安全事故有很大帮助,因此有必要设计实现自动装配的工业机器人。装配机器人能够在短时间内完成装配任务,提高效率,在恶劣环境中代替人工作,避免发生危险。与人相比,机器人具有生产时间短、无需休息、在适宜的条件下连续工作等优点。机器人可以在恶劣的工况下替代人类,减轻劳动强度,减少安全事故的发生。目前,在工业生产中,轴承装配机器人主要用于取代人工装配轴承,实现轴承自动抓取、定位以及自动装配。该机器人按照编写的程序工作具有高精度和高重复性。鉴于兰州交通大学王世伟提出轴承装配与拆卸是工业中使用频繁、工作强度大的一项工作,所以有必要设计一款轴承自动装配的机器人。1.2国内外装配机器人发展概况1.2.1国内发展状况虽然目前国内的装配机器人的研究取得了相当大的进展,但总体水平还是处于落后状态。我国正式进入机器人高速发展是在八十年代以后,不仅起步时间迟,从机器人数量增长趋势上也属于落后状态。六十年代,沈阳一个名叫杰宝春的普通工人凭借大量经验构思并制造电动螺丝机,这算是装配机器人的起始。直到七十年代我国才开始正式研究装配机器人,由于技术封锁和其他原因,我国机器人发展相当缓慢,一直到八十年代末,我国机器人的发展才开始好转。从中国与美国等国家关系的缓和开始,伴随国家相关政策的颁布,我国一些汽车行业引进由机器人组成的生产线,这大大刺激了我国机器人的发展。还有一些科研组织开始引入“洋机器人”,这些国外机器人的购入,同样解决了我国机器人的一些关键问题。1.2.2国外发展状况美国控制公司开发了第一台装配机器人,它的结构包括一个连接到主体的旋转臂和一个带有电磁块的工件的取放机构。随着计算机和自动控制技术的飞速发展,农业机械正进入先进的自动化和智能时代。装配机器人的应用不仅提高了生产效率和产品质量,还解决劳动力不足和长期成本等问题。美国机械铸造公司成功测试了Versatran装配机器人。该种装配机器人的中央支柱是可旋转的,手臂也是可旋转、升降、伸缩的液压驱动,并且控制方法是一种示教再现类型。这两个装配机器人最早出现在六十年代,是国外装配机器人发展的基础。Unimate斯坦福大学和麻省理工学院共同开发了Unimate-BigArm工业装配机器人,该机器人通过控制小型计算机,进行装配工作,其定位误差小于±1mm。美国还十分注意提高装配机器人的可靠性,改进结构,降低成本。比如Unimate公司建立了8年装配机器人试验台,进行各种性能的试验。把故障前平均时间由400小时提高到1500小时,精度可提高到±0.1mm。1.3课题研究的主要内容本次设计要求装配机器人完成轴Φ30mm和轴承Φ50mm的装配。其中基础数据如下:(1)抓重:260N;(2)驱动:气动或液压或电动;(3)控制:PLC;(4)手腕回转:0-180度;(5)手臂伸缩:200-400mm;(6)手臂回转:0-180度;(7)手臂升降:100-300mm。本次设计的轴承装配机器人的主要任务是固定轴与轴承的装配。轴与轴承的常用装配有间隙、过渡和过盈配合。需要转动的轴一般采用过盈配合,不需要转动的轴一般采用间隙或者过渡配合。本次设计的轴与轴承的装配采用过盈配合。常用的轴承装配方法:压入配合、加热配合和敲击装配。压入配合即直接把轴承压入轴。加热配合即加热轴承,通过热膨胀将轴承与轴装配的一种方法。敲击装配即通过敲打轴承进行轴与轴承的装配。综上几种装配方法,通过分析,采用压入配合的装配方法。轴承装配机器人通过运动使轴承到达目标固定轴所合适的压入位置,当传感器检测到轴与轴承完成装配时,机器人停止工作。即完成一个轴与轴承的装配。一个完整的轴承装配机器人主要分为六大部分。一是轴承装配机器人的横向移动机构,二是轴承装配机器人的升降机构,三是轴承装配机器人手臂的回转机构,四是轴承装配机器人的手臂伸缩机构,五是轴承装配机器人的手腕,六是轴承装配机器人的手爪。
第二章总体方案设计2.1机器人的功能要求根据轴承装配的工艺要求,设计一种五自由度机器人实现对轴承的抓取、装配等一系列动作,以代替人工作业,提高自动化水平。如图2-1是轴承装配机器人的方案简图,轴承装配机器人的工作过程如下:(1)光电传感器检测轴承到达指定位置后,轴承装配机器人开始工作,手臂3随着立柱2下降,手爪抓取轴承并保持夹紧状态;(2)轴承装配机器人整体沿着导轨水平运动,手臂3沿着立柱2移动;通过水平方向与垂直方向的调整实现机器人手爪的位置调节,从而保证轴承与轴的精确定位;(3)手腕弯转带动轴承转动,此时手爪一直保持夹紧状态,同时手臂沿着轴线方向进给,从而装配轴承,待传感器检测装配完成;(4)装配检测完成后,手爪放松,手腕弯转,再通过水平移动和上下升降回到原点位置,以便开始下一次循环。图2-1轴承装配机器人方案简图1—基座;2—立柱;3—手臂;4—手腕及手爪2.2各运动的传动方案设计(1)X轴移动的设计一般传动方式有带传动、丝杠机构传动、链传动和气缸液压缸传动。其中丝杠机构传动效率高,精度也很高,同步带传动较准确,传动比恒定。故水平移动机构采用同步带和丝杠机构传动,通过电机驱动。(2)立柱的设计和臂部的旋转伸缩设计立柱的设计实际上与水平移动类似,同样也是采用丝杠机构,通过电机驱动。对于手臂,常用的机构有曲柄式、凸轮式和气缸液压缸,经分析,臂部的旋转和伸缩设计均采用气缸实现。(3)腕部和手部的设计对于机器人腕部的设计,根据轴承装配机器人设计要求,只需要一个自由度就可以实现装配任务。有如下两种方案,一是采用蜗轮蜗杆,二是采用两个锥齿轮。经分析采用两个锥齿轮作为腕部结构,同样通过电机驱动。对于手部的设计,一般有两种,一种是由两个以上的机械指组成的机械爪用于抓取装配,二是吸附式如吸盘,通过吸取完成抓取工作。经分析选取气爪作为装配机器人的手部结构。2.3控制部分设计本次控制系统框图如图2-2所示。图2-2控制系统框图一般机器人的驱动类型有三种:电力驱动、气压驱动和液压驱动。根据本次的要求,轴承装配机器人的水平移动、立柱升降和腕部弯转均采用电机驱动,臂部的旋转、伸缩和手部的驱动方式都是气压驱动。本次设计采用PLC控制,PLC具有编程简单、抗干扰能力强等优点。在轴承装配机器人的系统中,我们会用到许多传感器。轴承与轴装配的精确定位,轴承与轴是否装配完成,装配完成后是否返回原点位置,这些都需要用到传感器。经过筛选分析,轴承装配机器人的水平移动和立柱升降可以采用行程开关。行程开关类似于按钮,通过机器人的撞击实现电路的转换,行程开关一般与机械挡块一起使用,实现限位功能。而工件检测即检测轴承是否到达指定位置,机器人是否可以开始工作,选用光电传感器。对于装配检测同样可以使用光电传感器。
第三章机器人移动机构设计3.1X轴移动机构分析本课题设计的轴承装配机器人的X轴移动采用丝杠机构和同步带,通过电机驱动。X轴移动机构由丝杠机构、同步带、电机和导轨组成。由电机驱动同步带齿形皮带,再带动丝杠机构,完成X轴移动。接下来对导轨、电机、同步带和丝杠机构进行计算选型。3.2丝杠机构的设计选型丝杠机构的工作过程:当同步带齿形皮带带动丝杠旋转时,滚珠在滚道中滚动,从而产生滚动摩擦,实现水平移动。丝杠机构具有效率高,传动平稳等特点。在设计中,丝杠机构是机器人的重要部件,通过螺纹驱动,实现机器人的移动。丝杠机构具有结构紧凑、高精度等优点。根据丝杠和螺母的运动方式如图3-1,丝杠螺母机构可以分为以下几种:(1)螺母是固定的,丝杠旋转并移动,如图a;(2)如图b,由于丝杠的旋转,螺母线性移动;(3)螺母是活动的,螺母被丝杠的旋转带动着在丝杠上移动,如图c;(4)丝杠固定,螺母旋转并移动,如图d。abcd图3-1丝杠传动的基本方式本次设计丝杠机构的传动方式选用丝杠旋转带动螺母旋转并移动。丝杠机构一共有四种支承方式,在本次设计选用两端固定的安装方式。该方式很好的约束丝杠的轴向窜动,适用于高精度场合,满足设计要求。丝杠传动时支撑的结构会受刚度的影响。需要在丝杠传动过程中加几个支承,降低刚度对传动的影响。还有丝杠与螺母的选材也很关键。常用材料如表3-1所示。对于本次设计要求,低速传动,选用45钢作为丝杠材料,锡青铜作为螺母材料。
表3-1丝杠螺母常用材料螺纹副材料应用场合丝杠Q235Q2754550轻载、低速传动。材料不热处理40Gr65Mn20GrMnTi重载、高速传动。材料经热处理,提高耐磨性9Mn2VGrWMn38GrMoAl精密传导螺旋传动。材料需经热处理螺母ZcuSn10P1ZcuSn5Pb5Zn5一般传动ZcuAL10Fe3ZcuZ25AL6Fe3Mn载荷大、传动低速。或者小载荷高速传动,可用钢或铸铁制造推力公式Fa=μmg式(式中:μ——摩擦系数;m——立柱加手臂质量,kg。根据公式,选取摩擦系数μ=0.003,立柱加手臂质量m=100kg,g=9.81m/sF驱动力矩T=FaPh式中:Ph——导程,mmη——传动效率;T——驱动扭矩,N∙mm。根据公式,选取导程Ph=5mm,π=3.14,传动效率T=公称直径d≥0.8Fϕ[式中:[P]——许用应力,根据公式,选取F=3kN,许用应力d螺纹公称直径为d=40mm,螺距P=5.00mm,升角=3.87°,当量摩擦角φv为5.91°。选取GDM4005-4-T3型号为本设计的丝杠机构。该型号的丝杠机构参数如表3-2所示表3-2丝杠机构参数型号循环方式公称直径公称导程类型GDM4005-4-T3外循环40mm5mm传动型扭矩T=Ftan(式中:ψ——螺纹升角,度;φv——根据公式,选取螺纹升角ψ=3.87°,当量摩擦角φT危险截面应力σca=4Fπ式中:T——扭矩,N⋅根据公式,选取σs=335Mpaσ故满足丝杠强度校验。螺纹升角ψ=arctansπd式中:fv——根据公式,选取当量摩擦系数fvψ故满足自锁条件。3.3电机与同步带的计算与选型3.3.1电机的计算与选型根据设计要求选用三相交流异步电机时,主要包括容量和转速的选择。电动机功率Ped=Pw式中:η——机械效率;Ped——电动机功率,kW根据公式,选取同步带的传动效率η1=0.97,导轨的摩擦传动η2=0.85~0.92,η2P故所选电动机额定功率为15kW。转速n=60×1000vπD式(式中:n——转速,r/min。n=计算转速,因带传动常用传动比2~4,所以电动机转速选择范围1152~2304r/min。故选择型号Y160L-4电机。该型号的电机性能参数如表3-3所示。表3-3电机性能参数型号额定功率同步转速满载转速Y160L-415kW1500r/min1460r/min3.3.2同步带的设计由于同步带内侧为齿形,故带与带轮之间没有相对滑动,传动精度效率都很高。设计功率Pd=KAP式中:KA——根据公式,选取工作情况系数KA=1.20,P根据设计功率Pd=18kW和小带轮转速n1=200r/min小带轮节圆直径d1=z1Pbπ式中:z1——Pb——节距,mm在安装允许的条件下,小带轮齿数z1应该尽量选大些,选取z1d同步带转速v=πd1n160×1000式中:d1——小带轮节圆直径,mmv——同步带转速,m/根据公式,验算同步带速度,vmax=25~30v故满足速度要求。本设计中传动比要求为1:1,故大带轮齿数z2=24,大带轮节圆直径中心距0.7(d1+d式中:d1——大带轮直径,mmd2——小带轮直径,mma0——中心距,mm根据公式:得340.2mm≤a节线长L0P=2a0+π式中:L0P——节线长,mma0——中心距,mm根据公式,确定节线长L选取XXH型号LP=1778mm,齿数zb=56。该型号的同步带参数如表实际中心距a=a0+LP-式中:a0——中心距,mmL0P——节线长,mma——实际中心距,mm。根据公式,L0P=1264mm,LP=1778mm,aa=表3-4同步带参数型号齿数节线长带宽XXH561778mm127mm到此,同步带设计完成,下面进行校验。啮合齿数zm=entz12-式中:z1——z2——小带轮齿数根据公式,其中z1=24,z2=24,Pz故满足验算要求。额定功率P0=(Ta-m式中:m——质量,kg;P0——额定功率,kW根据公式,选取Ta=6398.03N,m=2.473kg,P故满足验算要求。3.4直线导轨的计算与选型3.4.1导轨副的工作原理由滑块和导轨两部分组成的导轨副具有安装便捷、结构紧凑等特点,应用有机床、测量仪器等。滑块中有滚珠,通过滚珠滚动带动滑块移动,实现水平移动。3.4.2导轨副的计算选型估算导轨长度L=1530mm。工作载荷F1=F+G4式中:F1——滑块工作载荷,N根据公式,总重量G=980N,得工作载荷FF故选取JSA-LG20KL2F2×1600-2J为本设计的导轨型号,可知导轨额定动载荷Ca=20.7kN,额定静载荷Coa=34.9kN。导轨性能参数如表3-5表3-5导轨性能参数型号CC导轨长度JSA-LG65KL2F2×1570-2J20.7kN34.9kN1600mm距离额定寿命L=(fH式中:fH——fT——fC——fR——fw——Ca——额定动载荷,kNF——工作载荷,N。根据公式,选取硬度系数fH=1,温度系数fT=1,接触系数fC=1,精度系数fR=1.5,载荷系数L小时额定寿命Lh=L×1032nS×60式中:L——距离额定寿命,km;n——每分钟往返次数;S——行程长度,m。根据公式,距离额定寿命L=101178km,每分钟往返次数n=1,行程长度S=1.5m,得小时额定寿命L该机器人每天工作8小时,每年使用300天,则寿命年限为L
第四章机器人的立柱及臂部设计4.1立柱机构方案设计立柱下部通过四个支座安装在X轴机架的直线导轨上,通过丝杠机构,将丝杠的旋转运动转化为机械臂的上下直线运动,实现机器人的升降。4.1.1丝杠机构设计立柱机构的丝杠机构选用两端固定的安装方式。该方式很好的约束丝杠的轴向窜动,适用于高精度场合,满足要求。对于丝杠螺母的调整预紧同样采用垫片调整预紧。根据公式,选取摩擦系数μ=0.003,手臂质量m=30Kg,g=9.8m/sF驱动扭矩T=公称直径d选取GDM2505-4-T3型号为本设计的丝杠机构。这种型号的丝杠机构参数如表4-1所示。表4-1丝杠机构参数型号循环方式公称直径公称导程类型GDM2505-4-T3外循环25mm5mm传动型扭矩T危险截面应力σ故满足强度校验。4.1.2电机计算选型电动机功率P故所选电动机额定功率为7.5kW。n=计算转速,又带传动常用传动比2~4,所以电动机转速选择范围920~1840r/min。故选择型号Y132M-4电机。这种型号的电机性能参数如表4-2所示。表4-2电机性能参数型号额定功率同步转速满载转速Y132M-47.5kW1500r/min1440r/min4.2臂部的设计计算4.2.1手臂机构的方案设计在手臂的设计中,遵循以下原则:(1)机器人手臂的选择和结构设计必须满足机器人运动空间的要求;(2)机械臂结构和材料的重量应尽量最小,选择轻质的材料;(3)机器人的机械臂要平衡重量;(4)机械臂需要带有限位开关和缓冲功能的机械限位块。臂部是连接立柱和腕部的重要桥梁。本次设计的臂部的主要有两个功能:一是自身旋转带动腕部旋转调整角度,二是自身伸长协同手爪压装轴承。两个功能都相当重要,决定着轴承与轴装配的成功与否。本次设计的臂部选用气缸驱动,下面进行气缸的计算选型。4.2.2臂部旋转气缸和伸缩气缸的计算与选型摩擦阻力F摩=G臂部μ'式中:G臂部——臂重,N根据公式,选取臂重G臂部=300N,μ'=0.20×1.5=0.3F臂部惯性力F惯=G臂部ΔvgΔt式中:Δt——启动时间,s;∆v——启动速度,m/s;F惯——臂部惯性力,N根据公式,选取启动时间Δt=0.2s,启动速度∆v=0.083m/s,得臂部惯性力F则气缸的驱动力F=0.03F+气缸转动近似一个圆柱,它的高为220mm,直径120mm。G=π×部分气缸内径选择如表4-3所示。表4-3气缸内径(mm)2025324050556365707580859095100105110125130140160180200250工作压力P≥2MbR2-r式中:R——内径,mm;r——输出轴,mm。根据表4-3设内径R=63mm,外径=120mm,输出轴r=22.5mm。则工作压力P≥所以P≥0.3Mpa即可。本次设计中轴承质量取0.17Kg,腕部和手爪及轴承质量取3kg。那么根据公式可以求得,气缸的轴向负载力F=0.17×9.8+3×9.8=31N平均速度v=st式(式中:s——气缸工作行程,mm;T——行程时间,s。根据公式,取气缸工作行程s=400mm,气缸完成整个行程需要的时间t=5sv=理论输出力F0=Fβ式中:β——负载率;F0——理论输出力,N由负载率β=0.5,得理论输出力F气缸缸径D=4F0πp式中:D——气缸缸径,mm;F0——理论输出力,N由公式计算可得本设计气缸缸径为D=因此本设计选取的伸缩气缸缸径为63mm。根据计算,查阅《机械设计手册》选取双活塞杆QGEW-2LA-63B-800型号气缸作为伸缩气缸,该型号的伸缩气缸性能参数如表4-4所示。选取QGK-1FB63T180型号作为回转气缸。该型号的回转气缸性能参数如表4-5所示。表4-4伸缩气缸性能参数型号缸径工作压力最大行程QGEW-2LA-63B-80063mm0.1~1.0MPa800mm表4-5回转气缸性能参数型号缸径工作压力摆动角度QGK-1FB63T18063mm0.1~0.7MPa90~180
第五章机器人腕部及手爪设计5.1腕部的设计要求(1)腕部的结构紧凑、重量轻;(2)结构考虑合理布局;(3)必须考虑工作条件。5.2腕部的结构的选择(1)自由度为1的回转驱动的腕部结构;(2)自由度为2的回转驱动的腕部结构。本设计手腕弯转角度是180度,腕部结构选择自由度为1的弯转驱动腕部结构。5.3腕部的设计计算腕部是连接臂部和手爪的重要部件,用来调整手爪的方向。本次设计的手腕只需要一个自由度,即向下弯曲抓取轴承,向上弯曲装配轴承。腕部由步进电机和锥齿轮组成,小型步进电机通过锥齿轮传动实现手腕的弯转,手腕简图如图5-1所示。图5-1手腕简图1—小型步进电机;2、3—锥齿轮5.3.1电机的计算选型腕部的电机不仅要小方便安装,还需要重量轻有足够的转矩。转矩T=d2×M×式中:M——腕部负载质量,kg;μ——动摩擦因数。根据公式,选取腕部负载质量M=3kg,动摩擦因数μ=0.04。T该步进电动机在启动时所需最大静转矩大于2.58N·步距角θb=δ×360°Ph式中:θb——δ——脉冲当量。根据公式,选取脉冲当量δ=0.01θ经分析选择步进电机步距角为0.9°,则脉冲当量δ综上,选择型号为56BYG250D的步进电机。该型号性能参数如表5-1所示。表5-1电机参数电机型号相数步距角相电流保持力矩转动惯量重量56BYG250D20.9°2.4A3.44601kg要想通过PLC控制步进电机,需要选择步进电机驱动器,根据要求选择型号SH-20504为步进电机驱动器。该型号的驱动器参数如表5-2所示。表5-2驱动器参数型号供电电源输出电流驱动方式重量SH-2050424V~50VDC4.0A/相恒相电流PWM控制0.52Kg5.3.2锥齿轮的设计计算齿轮齿数比i=n1n2=Z2Z分度圆直径dd分度圆锥角δδ锥距R=平均分度圆直径dd当量齿轮齿数ZZ当量齿轮模数m上述锥齿轮参数如表5-3所示。表5-3锥齿轮参数分度圆直径分度圆锥角当量齿轮齿数当量齿轮模数锥齿轮175mm34°362.125mm锥齿轮275mm56°542.125mm5.4手爪的设计计算5.4.1手爪选型需要考虑的几个问题(1)需要足够的开闭角即足够的开闭行程。本设计需要夹持的轴承直径为50mm,选取的手爪开闭行程大于50mm即可。(2)需要有足够的夹持力。在确定手爪的夹持力时,不仅需要考虑轴承重量,还需要考虑在传送过程中的振动及其他意外情况,保证轴承不松动或者脱落。(3)需要一定的压装力。压装力的大小要控制好,压装力既不能太大以致损伤零件,也不能太小导致不能压入。5.4.2夹紧力的计算夹紧力F=m×g×S2×μ式(式中:S——安全系数;m——轴承质量,kg。根据公式,选取g=9.81m/s2,安全系数S=4,μ=0.15,轴承质量取m=0.17kg,得F=5.4.3压装力的计算压装力系数Ca=da2+式中:df——结合直径,mm;da——包容件外径,mm。Ci=df2+式中:di——被包容件内径,mm。根据公式,计算系数,取结合直径df=32mm,包容件外径da=50mm,被包容件内径di=30mm,灰铸铁泊松比ν=0.25,碳钢泊松比ν=0.25,得系数CC最大压力Pfmax=δmaxdf式中:δmax——最大过盈量,mmEa——包容件的材料弹性模量,KN/mm2Ei——被包容件的材料弹性模量,KN/mm2根据公式,取最大过盈量δmax=2mm,包容件的材料弹性模量Ea=110KN/mm2,被包容件的材料弹性模量Ei=200KN/mm2,得最大压力P压入力F=PfmaxπdfL式中:Pfmax——最大压力,N/根据公式,取π=3.14,结合长度Lf=14mm,结合表面摩擦系数μ=0.15,得压入力F=与前面伸缩气缸的比较,符合要求。综上,查《机械设计手册》选择MHT2-63D作为夹持轴承的气爪,该型号的气爪为双作用动作方式,优点是断气时工件能保持。该型号的气爪性能参数如表5-4所示。表5-4气爪性能参数型号动作方式夹持力总开闭MHT2-63D双作用270N-2°-23°
第六章控制系统硬件设计6.1主要元器件的选择6.1.1PLC选型在选择PLC时,应首先考虑到PLC的经济成本问题。I/O端口数目是影响PLC价格的重要因素,每增加一个I/O端口就要增加一定的PLC设备费用;当I/O端口增加到一定数量后,相关的存储器等硬件设备也要增加,甚至连CPU的型号都要改变。所以在进行PLC选型时应充分考虑I/O端口数目,以选出性价比较高的可编程控制器。其次就是需要的输入输出端口数量。本次设计传感检测需要9个输入端口,即左限、上限、下限、右限4个,轴承到位检测和装配完成检测5个,均由光电传感器输入信号。工作模式有两种,自动和手动模式,需要2个输入端口。手动模式需要13个输入端口,分别为左移、上升、伸长、夹紧、放松、缩回、下降、右移,手臂正转、手臂反转、手腕电机正转、手腕电机反转和暂停。自动模式只需两个输入端口,即启动和停止。再加横移电机和升降电机的热继电器一共需要28个输入,一般PLC没有这么多输入接口,所以选择扩展,选定24输入16输出的S7-200CPU226加上4输入4输出EM223扩展模块。输出端口包括机器人左移、上升、伸长、夹紧,放松、缩回、下降、右移,手臂正转、手臂反转、手腕电机正转、手腕电机反转一共12个输出接口。在机器人完成一个装配任务后,需要检测机器人是否返回原点位置,所以还需要一个输出端口即原点指示灯,一共13个输出接口。综合分析,确定选用的PLC为S7-200CPU226加上4输入4输出EM223扩展模块。S7-200系列CPU226型PLC和扩展模块EM223的主要技术指标如表6-1所示。表6-1PLC和扩展模块技术指标型号CPU226DC/DC/DC物理特性尺寸196×80×62mm重量660g功耗17WI/O特性本机数字量输入24输入本机数字量输出16输出常规特性定时器总数256个计数器总数236个时钟内置型号EM223输入点数4输入输出点数4输出6.1.2传感器的选择本次设计需要选择5个光电传感器和4个限位开关。其中一个光电传感器用于检测轴承是否到达指定位置,指示轴承装配机器人是否可以开始工作。另4个光电传感器放置在垂直于轴上侧,用于检测轴承是否装配完成。4个限位开关分别为上限位、下限位、左限位和右限位。上限位开关和右限位开关用于保证轴与轴承的精确定位,下限位和左限位开关用于机器人回到原点。光电传感器就是通过对光的阻断和导通,在感应电流的变化来判断开关。光电传感器的选型需要考虑安装位置,即所安装的位置要有利于检测轴承。综上,选定GRTE18作为本次设计的光电传感器。该型号的光电传感器参数如表6-2所示。表6-2光电传感器参数型号检测原理检测范围光源种类GRTE18漫反射5mm-100mm可见红光限位开关就是类似于按钮的作用,将限位开关安置在指定位置,由机器人撞击限位开关完成电路转换。上限位、下限位、左限位和右限位应选择直动防护式限位开关,选用JLXKI-111型号作为限位开关。该型号的限位开关参数如表6-3所示。表6-3限位开关参数型号额定电压触头换接时间交流直流JLXKI-111380V220V0.04s6.2I/O地址分配表本次设计的I/O地址分配表如表6-4所示。表6-4I/O地址分配表输入序号地址符号功能1I0.0SB1启动2I0.1SB2急停3I0.2SB3左移4I0.3SB4右移5I0.4SB5上升6I0.5SB6下降7I0.6SB7伸长8I0.7SB8缩回9I1.0SQ1上限开关10I1.1SQ2下限开关11I1.2SQ3左限开关12I1.3SQ4右限开关13I1.4SB9暂停续表6-4序号地址符号功能14I1.5工件检测15I1.6SB10手爪夹紧16I1.7SB11手爪放松17I2.0SB12手臂正转18I2.1SB13手臂反转19I2.2SB14手动模式20I2.3SB15自动模式21I2.4装配检测122I2.5装配检测223I2.6装配检测324I2.7装配检测425I3.0SB16手腕电机正转26I3.1SB17手腕电机反转27I3.2FR1移动电机热继电器28I3.3FR2升降电机热继电器输出序号地址符号功能1Q0.0KM1左移2Q0.1KM2右移3Q0.2KM3上升4Q0.3KM4下降5Q0.4H1原点指示灯6Q0.51YA伸长7Q0.62YA缩回8Q0.73YA手爪夹紧9Q1.04YA手爪放松10Q1.15YA手臂正转11Q1.26YA手臂反转12Q1.3手腕电机正转13Q1.4手腕电机反转6.3主电路电气原理图本次设计的主电路电气原理图如图6-1所示。图6-1主电路电气原理图6.4气动控制回路对于本次设计的气动控制回路选用三位五通电磁换向阀,以便在某一动作完成后保持状态。经分析选用4V230C-08型三位五通电磁换向阀。该型号的产品规格如表6-5。表6-5换向阀性能参数型号工作介质接管口径有效截面积工作温度4V230C-08空气PT1/812mm2-20~70°C本次设计的气动原理图如图6-2所示。图中1YA得电手臂伸长,2YA得电手臂缩回;3YA得电手爪夹紧,4YA得电手爪放松;5YA得电气缸左回转,6YA得电气缸右回转。图6-2气动原理图6.5PLC接线原理图本次设计共需要28个输入端口,13个输出端口,根据上面的I/O端口分配表,其硬件接线图如图6-3所示。图6-3PLC硬件接线图
第七章控制系统软件设计7.1机器人工作流程如图7-1显示了轴承装配机器人的工作流程。当按下启动按钮,机器人从原点位置完成以下10个动作:手臂下降、手爪夹紧、手臂上升、手臂右移、手腕上转、手臂伸长、轴承安装(有轴承安装检测),手爪放松、手臂缩回、手腕下转和手臂左移(回原点位置),从而实现机器人动作的循环。机器人开始工作前,必须由光电传感器检测是否有轴承。机器人下降、上升、向左移动和向右移动的运动转换都由限位开关控制,手爪夹紧和放松的转换由光电传感器和限位开关共同控制。为了确保安全和效率,将机器人向左移动后,如果在安装位置没有任何工作,则必须降低机器人的位置。如果尚未完成轴承安装之前的工作,则机器人自动暂停并待命。同时,还检测轴承的运动。在机器人返回原始位置后,传送带会一直移动直到检测到工件为止。这样减少了能耗,使其更加准确和智能。因此,有一个光电传感器被配置检测轴承是否存在的信号。图7-1机器人工作流程图7.2程序流程图本次设计的轴承装配机器人的控制方式包括手动和自动两种方式。两种模式如下:手动工作模式:通过点动控制使轴承装配机器人单独完成相应的动作。手动操作可用于单独完成某些装配动作。自动工作模式:在自动模式下,只需按下启动按钮,轴承装配机器人会自动完成如图7-1所示的流程进行装配工作,并可自动进行下一个装配工作周期。手动模式和自动模式不能同时进行,在各自程序中加入互锁。主程序流程图如图7-2所示。图7-2主程序流程图7.2.1手动模式流程图在手动模式下,该设计程序梯形图有以下特点:一是相反方向的运动加了互锁装置,比如在手臂“上升”的时候,“下降”按钮不会起作用等。二是限位开关的作用,当到达指定位置时,PLC相关程序会自动断电,避免超出量程。三是手动模式与自动模式增加了互锁装置,保证了机器人只能在一个工作模式下工作。四是手动模式包括了机器人的十个简单的动作,但不包含检测工件装置的手动操作。手动模式的流程图如图7-3所示。图7-3手动模式流程图7.2.2自动模式流程图在自动模式下的梯形图有以下特点:一是急停开关位于总线,暂停开关位于每段程序末端,故急停能做到随时停止工作;二是为了保证机器人的初始位置在原点,在程序开始执行前,增加了一个复位程序,保证机器人初始位置在原点处。三是当开关夹紧或者放松时,很难通过限位开关判断动作是否完成,故采用延时控制程序,给工件夹紧和放开留出充足的时间。自动模式流程图如图7-4所示。图7-4自动模式流程图
结束语本次设计的目的是设计一款基于PLC控制的自动抓取并完成轴承装配的机器人的设计。随着对装配机器人的深入了解和在李老师的指导下,完成了课题的设计——先对轴承装配机器人总体方案进行设计,再对具体的机械部分和控制部分进行设计。课题涉及到同步带设计,三相异步电机的计算选型,导轨的计算选型,丝杠机构传动设计,气缸、步进电机的选型,锥齿轮的选型,气爪的选型和PLC的选型。本次设计综合运用了大学所学知识,包括电工学、机械设计、液压与气动技术、自动机与自动线等。在设计期间,发现自己传感器方面的知识相当匮乏,对于传感器的选型十分困难,在以后的工作中要增强这方面的学习。本设计仍然存在个别没有解决的问题:首先是各个传动机构之间的衔接安装问题并没有解决
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