基于PLC的五轴教学机械手设计毕业论文Word文件下载.docx
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绪论
一、机械手的研究现状
热加工是高温、危险的笨重体力劳动,很久以来就要求实现自动化。
为了实现高效率租工作安全,尤其对于大件、少量、低速和人力所不能胜任的作业就更需要采用机械手操作。
国首先是用锻造操作机,装取料机械手来代替人工操作,减轻劳动强度。
后来在精锻机上采用机械手,使精锻过程自动化,代替人工喂料。
国外对锻造机械手的研制工作十分重视,如美国采用圆柱坐标式机械手在1300吨锻压机上锻造齿轮毛坯,瑞典采用unimate型机城手在压力机上锻造曲轴,采用Versatran型机械手生产大型轴承环,机械手在两台液压机间传送轴承环的坯料,联邦德国在一条模锻线上采用自动送料装置和操作机械手,能从炉子取出毛坯,在粗杆、短行程模锻锤的三个模膛中进行锻造,然后取出。
锻压机械手的手指部位必须采用耐热钢制造,相当于40CrNi2Mo的材料。
同时用空气、水喷雾冷却。
机械手外部装有防热护翠,部通水冷却。
机械手在铸造、熔炼方面的应用,国已研制成功压铸机上下料机械手,仁下箱、合箱、浇注机械手,以及铸件表面清理机械手等。
有些工厂还将机械手和造型机配合组成铸造生产自动线,彻底改变了铸造幸产的面貌。
属外对电炉炼钢过程中采用机械手进行了大量的研究.由于强大电流的干扰,影响了机械手的采用,并由于熔渣和钢水难以区别,往往在浇注过程中容易液、渣不分,需研究带有特殊传感装置的机械手,才能实现浇注的机械化和自动化。
冷加工方面机械手主要用于柴抽机配件以及轴类、盘类和箱体类等零件单机加工时的上下料和刀具安装等。
进国机械工业、铁路工业中首先在单机、专机上采用机械手上下料,减轻工人劳动强度。
如在轴类、螺栓、气阀和螺撑帽坐等零件的加工机床上配置了机械手,代替人工上下料。
在三通阀体、轴瓦、平斜铁、柴油机摇臂加工生产自动线上采用单臂、双臂圆柱式机械手,成为联接工序、运送工件的重要装备。
并在连杆粗加工自动线上采用数控机械手,这样它不仅担负自动线上机床工件的装卸、运输,并能发出指令指挥全线工作。
国外铁路工业中应用机械手以加工铁路车轴、轮对等大、中批量零部件。
并和机床设备共同组成一个综合的数控加工系统。
拆修装是铁路工业系统繁重体力劳动较多的部门之一,促进了机械手的发展。
目前国铁路工厂、机务段等部门,已采用机械手拆装三通阀、钩舌、分解制动缸、装卸轴箱、组装轮对、清除石棉等,减轻子劳动强度,提高了拆修装的效率。
近年还研制了一种客车车喷漆通用机械手,可用以对客车部进行连续喷漆,以改善劳动条件,提高喷漆的质量和效率。
为了改善货车油漆作业,日本、美国、苏联、法国等国以货车、漏斗车、油罐车和TGV电动车组为对象,采用一种带转向架的货车徐漆机械手。
英国铁路工程公司采用机械手焊接电动车组零件。
美国铁路维修公司采用机械手进行调车,还利用悬挂行车式机械手完成有盖漏斗车部的清洗工作。
采用机械手进行装配更是目前研制的重点,国外已研究采用摄象机和力的传感装置和微型计算机联接在一起,能确定零件的方位,达到镶装的目的。
二、课题研究的意义
机械手在工业生产的应用极为广泛。
一般将其用在注塑机的上料,合模,成型,分模等自动工件循环;
冲床的自动上下料冲压循环。
机械手还用在锻、铸、焊、热处理等热加工方面,实现进出料自动化。
总的来说,机械手对坏境的适应性强,能代替人从事危险,有害的操作,在长时间工作对人体有害的场所,机械手不受影响,只要根据工作环境进行合理设计,选择适当的材料和结构,机械手就可以在异常高温或低温、异常压力和有害气体、粉尘、放射线作用下,以及冲压、灭火等危险环境中胜任工作。
由此可见,机械手的特点使其在工业生产中得到了广泛的应用。
所以机械手功能的好坏,影响着产品的质量和生产的效率。
教学用机械手正正是为了学习机械手的技术和原理而设计的。
随着机电一体化技术应用的发展,在了解中职机电一体化技术教育需求的基础上,在学习PLC编程的基础上,教学用机械手可以实现编程—安装—调试—运行—检测的实际训练,并获取更多接近实际工业应用的工作经验。
通过实际操作,进一步强化PLC编程的技能和实际应用能力,同时,认识常用传感器和气动元件,了解机械手的多种工业应用。
第一章机械手的总体设计
机械手对坏境的适应性强,能代替人从事危险,有害的操作,在长时间工作对人体有害的场所,机械手不受影响,可以在异常高温或低温、异常压力和有害气体、粉尘、放射线作用下,以及冲压、灭火等危险环境中胜任工作。
机械手的特点使其在工业生产中得到了广泛的应用。
随着机电一体化技术应用的发展,在了解机电一体化技术教育需求的基础上,教学用机械手使学生在学习PLC编程的基础上进一步强化PLC编程的技能和实际应用能力以及了解机械手的多种工业应用。
1.1运动设计要求
要求该机械手能够实现手动和自动控制功能(自动控制功能用一个机械手的搬运动作为例进行编程)。
所设计的机械人可进行简单机械手模拟控制的实验。
1.2驱动系统的选择
考虑到该机械手是用于教学,实验室的环境比较理想,没有高磁性、高温、粉尘等恶劣因素。
机械手模拟实验要求的机械手的负载比较小,对机械手的精度要求不高。
故使用五个步进电机分别控制五个关节的动作,抓手的抓物动作由气动控制。
为了实现机械手的自动控制,另附PLC系统设计程序。
该机械手有五个自由度,包括腰部转动,大臂,小臂的摆动,还有手腕的仰俯摆动和转动。
的根据机械手的动作要求,采用5个步进电机。
1.3教学型五关节机械手机构简图
教学型五关节机械手的手部所握持的工件(或工具)在空间的位置,是由臂部、腕部以至整机等各自独立运动的合成来确定的。
本设计的气动机械手具有五个自由度,能够实现抓取、搬运、完成工件的上料或卸料。
为执行这些动作,系统共设有五个步进电机,可在五个坐标工作。
该机械手的结构简图如下:
图1-1机械手结构简图
该机械手分为:
底座、腰部、大臂、小臂、腕部和手部等六个部分,图中的五个关节的转动都是通过五台不进电机来实现,而手部的夹紧动作是通过气动控制实现。
第二章五关节机械手的设计
关节式机械手是一种适用于靠近机体操作的传动型式。
它像人手一样有肘关节,可实现多个自由度,动作比较灵活,适于在狭窄空问工作。
本设计具有五台步进电机,分别控制腰部的转动、大臂的摆动、小臂的摆动、手腕的转动、手腕的仰俯运动。
每个步进电机有各自的作用和负载,因此需要根据各自的情况选择电机的型号。
2.1基座及连杆的设计
2.1.1基座的设计
基座是整个机器人本体的支撑。
为了保持机械手运行的稳定性,固采用实心铸铁作为基座的底部。
基座安装了一台步进电机和一组传动齿轮和连接轴,与机械手的腰部相连,其功能是实现机械手腰部的回转运动。
图2.1基座及腰部外形
2.1.2大臂的设计
大臂长度198mm,具体尺寸如图2.2所示:
图2.2大臂外形
2.1.3小臂的设计
大臂长度203mm,具体尺寸如图2.3所示:
图2.3小臂外形
2.1.4手腕的设计
手腕半径40mm,具体尺寸如图2.4所示:
图2.4小臂末端及手腕外形
2.2机械手手部的设计
手部(亦称抓取机构)是用来直接握持工件的部件,由于被握持工件的形状、尺寸大寸、重量、材料性能、表面状况等的不同,所以工业机械手的手部结构是多种多样的,大部分的手部结构是根据特定的工件要求而设计的。
归结起来,常用的手部,按其握持工件的原理.大致可分成夹持和吸附两大类。
2.2.1根据课程选择手部类型
根据课题,该机械手用于机电一体化的教学以及实验,在手部类型的选取上,因为考虑到用于教学的关系,所以选择了夹钳式和吸附式共用的方案。
这种方案的特点是使用同一个驱动系统来驱动两种不同类型的机械手,使用时只需把对应的手部装上,无需更换驱动系统。
这样的设计可以只用同一个机械手就可以进行夹钳式机械手和吸附式机械手两方便的教学和实验,节省了教学资源的同时也能使学生对机械手有更多方面的了解。
2.2.2手部的设计
(1).夹钳式
夹钳式手部是由手指,传动机构和驱动装置三部分组成的,它对抓取各种形状的工件具有较大的适应性,可以抓取轴、盘、套类零件。
一般情况下,多采用两个手指,少数采用三指或多指。
驱动装置为传动机构提供动力,驱动源有液压的、气动的和电动的等几种形式。
常见的传动机构往往通过滑槽、斜楔、齿轮齿条、连杆机构实现夹紧或松开。
图2.5为滑槽杠杆式手部的结构,其工作原理是通过杠杆的上下运动,利用销轴带动滑槽,使手指开和闭合。
图2.5滑槽杠杆式手部结构
1、手指2、销轴3、杠杆
在杠杆3作用下,销轴2向上的拉力为F,并通过销轴中心O点,两手指1的滑槽对销轴的反作用力为F1,F2,其力的方向垂直于滑槽的是中心线OO1,和OO2:
并指向O点。
由
得:
得:
图2.6滑槽杠杆式手部受力分析
(2).吸盘式
吸盘式抓取机构是利用特制的橡胶皮碗形成真空而将工件吸住。
它与机械式手爪相比,具有结构简单、重量轻、表面吸附力分布均匀,以及能自动对准等特性,适用于板材、玻璃件、弧形壳体零件,特别适用于冲压零件。
但要求被吸物体表面光滑、无孔无糟。
根据工件的大小和轻重,可将几个吸盘同时装在一个手腕上。
图2.7机械手用吸盘
图2.8为吸盘的受力分析图,工件受到大气压强(P0)和腔的大气压强(P)的共同作用。
作用在工件上的压力(即吸盘吸力)等于外压强差与吸盘面积的乘积。
即
F=(P0-P)S
式中F——吸盘吸力(公斤);
P0——大气压强(公斤/厘米2);
P——墙压强(公斤/厘米2);
S——吸盘面积(厘米2)图2.8吸盘受力分析
2.3机械手的驱动与传动
该机械手一共具有五个独立的转动关节,连同末端机械手的运动,一共需要六个动力源。
机械手常用的驱动方式有液压驱动、气压驱动和电机驱动三种类型。
这三种方法各有所长,各种驱动方式的特点见表2.1:
表2.1机械手各种驱动方式比较表
比较容
传递方式
气压驱动
电机驱动
液压驱动
异步电机、直流电机
步进电机、伺服电机
输出力
气体压力少,输出力较少。
输出力可较大
输出力较小
液体压力高,可以获得较大输出力。
控制性能
可高速,冲击较严重,精确定位困难,气体压缩性大,低速不易控制。
控制性能较差,惯性大,不易精确定位。
控制性能好,能精确定位,但控制系统复杂。
可压缩性很小,压力流量均较易控制,可无级变速。
反应灵敏,能实现连续动作。
体积
体积较大
需要减速装置,体积较大。
体积较大。
在输出相同的条件下,体积小。
维修及使用
维修简单,能在高温粉尘恶劣环境中使用。
泄漏影响少。
维修、使用方便。
维修、使用复杂。
维修方便,液体对温度的变化敏感,易泄漏。
应用围
中小型专用,通用机械手都不应用。
适用于抓重大、速度低的专用机械手。
可用于程序复杂,轨迹要求严格的小型通用机械手。
中小型专用,通用机械手均有应用,特别是中心机械手都采用液压传动。
成本
结构简单,能源方便,成本低。
成本低
成本较高。
液压元件成本较高,管路较复杂。
对于教学用机械手,通常对驱动系统的要求有:
1).驱动系统的质量尽可能要轻,单位质量的输出功率要高,效率也要高;
2).反应速度要快,即要求力矩质量比和力矩转动惯量比要大,能够进行频繁地起、制动,正、反转切换;
3).驱动尽可能灵活,位移偏差和速度偏差要小;
4).安全可靠;
5).操作和维护方便;
6).对环境无污染,噪声要小;
7).经济上合理,尤其要尽量减少占地面积。
基于上述驱动系统的特点和机械手驱动系统的设计要求,所以选用步进电机驱动的方式对机械手的五个关节部分进行驱动。
选用气压驱动的方式对机械手的手部进行驱动。
2.3.1手臂部分的传动方案。
图2.9五关节机械手传动原理
五关节机械手的的传动系统一共用了24个齿轮,为了实现在同一平面改变传递方向90◦,有10个齿轮为锥齿轮,有利于简化系统运动方程的结构形式。
如果采用蜗轮蜗杆机构,则必然以空间交叉方式变向,就不利于简化系统运动方程式的结构形式。
各关节传动特征
关节1
关节1的传动分为两级,两级都为直齿轮传动,关节传输路线:
关节1电机→Z1/Z2→轴→Z3/Z4→轴(关节1)
关节输出轴转速
n1=n1机(Z1/Z2)(Z3/Z4)
图2.10关节1传动简图
关节2
关节2的传动分三级,第一级为锥齿轮传动,后两级都为直齿轮传动,关节传输路线:
关节2电机→Z5/Z6→轴→Z7/Z8→轴→Z9/Z10→轴(关节2)
n2=n2机(Z5/Z6)(Z7/Z8)(Z9/Z10)
关节3
关节3的传动分三级,第一级为锥齿轮传动,后两级都为直齿轮传动,关节传输路线:
关节3电机→Z11/Z12→轴→Z13/Z14→轴→Z15/Z16→轴(关节3)
n3=n3机(Z11/Z12)(Z13/Z14)(Z15/Z16)
图2.11关节2、3传动简图
关节4
关节4的传动分两级,都为直齿轮传动,关节传输路线:
关节4电机→Z17/Z18→轴→Z19/Z20→轴(关节4)
n4=n4机(Z17/Z18)(Z19/Z20)
关节5
关节5的传动分两级,前一级为直齿轮传动,后一级为锥齿轮传动,关节传输路线:
关节5电机→Z21/Z22→轴→Z23/Z24轴(关节5)
n5=n5机(Z21/Z22)(Z23/Z24)(Z25/Z26)
图2.12关节4、5传动简图
各关节传动比看表2.2:
表2.2各关节传动比
关节
关节转角
关节电机输出转角
转动比i
1
(由结构测得)
48.27
2
90◦
6270.67◦
69.67
3
45◦
1897.60◦
42.17
4
(见注)
47.83
5
3510◦
39
注:
关节4转角90◦,第一级齿轮输出12转角是2130.67◦1其传动比i2为第一级齿轮传动比。
测试数据为i2=2130.67◦/360◦,i1=z17/z18=105/13=8.08,所以i=i1*i2=5.92*8.08≈47.83。
表2.3为选定的各个关节电机型号及其相关参数。
表2.3机械手驱动电机参数
电机参数
腰部转动
大臂摆动
小臂摆动
手腕转动
手腕摆动
型号
VRDM368
VRDM366
相电流
5.8A
保持转矩
1.74N·
m
1.2N·
工作扭矩
1.5N·
0.9N·
空载启动速度
6.3r/s
转动惯量
0.38kgcms2
0.22kgcms2
步进电机相电压分为325VAC和155VAC两种,电机每转的步数可任意设置为:
、400、500、1000、2000、4000、5000、10000步/转。
2.3.2手指驱动缸的设计和选定
1、根据机构运动要求选择气缸的类型
夹钳式手部的驱动装置较多采用往复直线运动的单杆活塞气动缸。
气缸的往复运动带动夹钳式手部的杠杆,使夹钳式手部的手指完成合的动作。
而吸盘式手部的驱动装置较多采用真空泵,通过真空泵使吸盘式手部的腔形成真空,与外界产生压力差,把工件吸起。
因为本机械手要求共用夹钳式和吸盘式结构的手部,如果分别用两种不同的驱动装置的话,不但增加成本,而且使结构复杂化,违背了教学用机械手设计的准则,因此驱动装置必须做到用一个驱动装置就能驱动这两种结构的手部。
2、气缸的设计和受力分析
手部的驱动部件采用两气缸串联的形式(如图2.13所示)。
当选用夹钳式手部结构时,换向阀B左位。
当换向阀A左位时,气体推动气缸A的活塞向左运动,体推动气缸B的活塞向左运动,从而使连接夹钳式手部的活塞运动,使手指产生一个开的动作。
当换向阀右左位时,气体推动气缸A的活塞向右运动,气缸A的杠杆推动气缸B的活塞向右运动,从而使连接夹钳式手部的活塞运动,使手指产生一个夹紧的动作。
当选用吸盘式手部结构时,开始换向阀B右位,换向阀A左位,气体推动气缸A的活塞向左运动,体推动气缸B的活塞向左运动,把气缸B右端的气体排出。
然后换向阀B右位,换向阀A右位,气体推动气缸A的活塞向右运动,气缸A的杠杆推动气缸B的活塞向右运动,使气缸B的右端气缸形成真空,从而形成压力差,把工件吸起。
图2.13手部驱动气缸示意图
夹钳式手部驱动力的计算
手部尺寸如图2.14所示,a=20,b=50,α=30◦,2θ=120◦。
工件移动速度为0.1m/s,达到最高速度的响应时间为0.5s,工件重力为3N。
手指对工件的夹紧力
式中K1——安全系数,通常取1.2——2;
K2——工作情况系数,主要考虑惯性力的影响。
K2可近似按下式估算
其中a——运载工件时重力方向的最大上升加速度;
g——重力加速度
vmax——运载工件时重力方向的最大上升速度;
——系统达到最高速度的时间;
根据设计参数选取;
K3——方位系数,根据手指与工件形状以及手指与工件位置不同进行选定;
G——被抓取工件所受重力。
设K1=1.5
K3=1.03
代入公式得:
把已知条件代入得:
取η=0.85
气缸直径D的确定
设活塞直径d=0.5D,气缸工作压力为
,标准大气压
。
取η=0.85
气缸直径D的确定
设活塞直径d=0.5D,气缸工作压力为
根据两种手部手部结构的计算以及SDA薄型气缸系列的种类,
取D=12mm,即d=6mm。
表2.4Sda12x8基本参数
缸径(mm)
12
流体
空气
动作形式
双动
保证耐压力
10.5kgf/cm2
最高使用压力
9.0kgf/cm2
最低使用压力
1.0kgf/cm2
环境和流体温度
0°
C~70°
C
活塞速度
50~500mm/s
润滑
不需要
行程误差
0~250+10
251~500+10
接口管径
M5*8
第3章机械手的控制系统设计
本机械手分别采用五台步进电机和两个寸连的薄型气缸进行驱动。
因此需要对两个驱动系统分别进行控制系统的设计。
3.1步进电机控制系统的设计
步进电动机在开环控制系统中具有控制精度高(可精确到1度以下)、可靠性高、使用方便等优点,所以其应用非常普遍,尤其随着混合式步进电机的产生和应月,步进电机的输出功率和力矩不断增加,而成本价格不断降低,为步进电机的推广和应用打下了良好基础,PLC作为一种工业控制计算机,对步进电机具有良好的控制能力。
3.1.1PLC对步进电机的控制
PLC控制步进电机常用的形式有普通用PLC控制和PLC专用步进驱动模块控制等两种。
模块式控制方式具有控制可靠性高的优点:
而普通型通用步进驱动系统,具有PLC系统构成简单,工程造价低等优点,易于推广应用。
考虑到本机械手是教学用机械手,普通型通用步进电机系统不仅价格便宜,更重要的是它比步进电机驱动模块更利于学生对PLC步进电机控制系统的了解,所以本设计采用普通用PLC控制方式。
小型可编程控制器为非模块设计结构,无专用的步进驱动模块,而且一般输入输出响应速度较慢,不能同时满足步进电机高分辨率的控制精度和进给速度对应的高频脉冲处理的要求。
实际应用时,可利用PLC的高速计数器与外置电路配合使用。
小型PLC控制步进电机驱动系统原理图如图3.1所示,图中脉冲信号发生电路用以产生步进脉冲信号,其频率按步进电机进给速度的要求设计,步进量采用步进脉冲计数法进行控制,具体做法是利用PLC的高速脉冲输人端(其响应频率可达2KHz以上)和高速脉冲计数器对进给脉冲计数,按脉冲的个数控制进给量。
图3.1PLC控制步进电机驱动系统原理图
整个步进电机控制系统包括4部分,分别是可编程控制器(PLC)、脉冲分配器、功率放大器以及步进电机。
3.1.2脉冲分配器的选择
脉冲分配器是时序逻辑电路的一种,它接受脉冲发生器的控制脉冲信号,输出按一定时序排列的多路电路电平信号,通常电机的脉冲分配器为环形分配器,即时序按环形移位封闭排列。
脉冲分配器的工作方式是步进电机的相数、拍数、运行状态、正反转等要求有关。
脉冲分配器可以由分立元件组成数字电路,但较复杂、可靠性差。
目前,脉冲分配器大多数采用专用集成电路组成,已完成各种脉冲分配方式。
本机械手选用的是一款比较简单的脉冲分配器——PMM8713。
图3.2PMM8713原理图
PMM8713具有把时钟脉冲分配给三相或四相的功能,有六钟通电状态可供选择(三相三种,四相三种)。
该电路采用cmos铝栅工艺结构,输入端与标准cmos兼容,而且均采用施密特整形电路;
输出端驱动力不低于20ma,同时还将控制器的状态变成检测信号输出。
图3.3PMM8713外形图
各管脚功能如下:
1脚(Cu)—正转时钟脉冲输入端。
当该端有脉冲输人时,那么在输出端Φ1~Φ4将有正转脉冲序列输出。
2脚(CD)—反转时钟脉冲输入端。
当该端有脉冲输入时,那么在输出端Φ1~Φ4将有反转脉冲序列输出。
3脚(CK)—正/反转时钟脉冲输入端。
4脚(U/D)—正/反转控制端。
1、2与3、4脚构成本电路的一两种时钟脉冲输人模式,前者采用正反转两种脉冲分别输人,后者则仅需要一个脉冲
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