机械手设计自动化毕业论文概要.docx
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机械手设计自动化毕业论文概要
摘要
机械手是工业机器人系统中传统的任务执行机构,是机器人的关键部件之一。
机械手的机械结构采用滚珠丝杆、滑杆、等机械器件组成;电气方面有交流电机、变频器、传感器、等电子器件组成,由可编程控制器操控。
该装置涵盖了可编程控制技术,位置控制技术、检测技术等。
本文介绍的机械手是由PLC输出三路脉冲,分别驱动横轴、竖轴变频器,控制机械手横轴和竖轴的精确定位,微动开关将位置信号传给PLC主机;位置信号由接近开关反馈给PLC主机,通过交流电机的正反转来控制机械手手爪的张合,从而实现机械手精确运动的功能。
本课题拟开发的施釉机械手可在空间抓放物体,动作灵活多样,可代替人工的劳累、繁杂、重复的工作,并可根据工件的变化及运动流程的要求随时更改相关参数。
Abstract
关键词:
机械手PLC可编程控制器釉
Industrialrobotmanipulatoristhetaskoftraditionalsystem,isoneofthekeycomponentsofrobot.Mechanicalstructureofthemanipulatorusingballscrew,slider,machineryparts,Electricalmotor,acinverter,iscomposedofelectronicdevices,suchasthesensor.Thisdevicecoversaprogrammablecontroltechnology,thepositioncontroltechnologyandtestingtechnology,etc,andisthetypicalelectromechanicalequipment.ThepaperintroducedbyPLCoutputmanipulatoris3pulse,respectively,theverticalaxisinverterdrivingdistrbution,controlandverticalaxisoftherobotdistrbutionprecisepositioning,microswitchwillpositionsignaltoPLChost,LocationsignalbyproximityswitchfeedbacktoPLChost,throughtheacmotorisFanZhuanLaicontroloftherobothand,soastorealizethemanipulatorzhangprecisemovementfunction.Thissubjecttothematerialhandlinginspacemanipulatorcanbecaught,flexibleputobjects,canreplaceartificialinhightemperatureanddangeroussectionforhomework,andaccordingtothemotionprocessworkpieceandrequirementsofrelatedparameterschangeatanytime.
Keywords:
manipulatorPLCcontrollermanipulatorglaze
摘要
Abstract
第1章引言………………………………………………………………………………………3
1.1陶瓷行业对机械手的需求………………………………………………………………3
1.2国内外对机械手的研究状态………………………………………………3
1.3现代研究趋势……………………………………………………………4
1.4PLC应用简介…………………………………………………………………5
第2章机械手的一般知识……………………………………………………7
第3章施外釉机械手驱动方式的确定…………………………………………………10
3.1气压驱动…………………………………………………………………………10
3.2液压驱动…………………………………………………………………11
3.3电机驱动…………………………………………………………………11
第4章施外釉机械手工艺、机械描述…………………………………………………12
4.1工艺要求………………………………………………………………………………12
4.2机械装配………………………………………………………………………………13
4.2.1施外釉机械手配套设施的机械动作流程………………………………………13
4.2.2施外釉机械手的机械结构和电气设备的布置………………………………14
第5章电气元器件的选择…………………………………………………………………16
5.1材料工艺要求……………………………………………………………………………16
5.2使用要求………………………………………………………………………………16
5.3经济要求………………………………………………………………………………17
5.4零件要求………………………………………………………………………………17
5.5电机的选择………………………………………………………………………………18
5.5.1根据生产机械的负载性质来选择电动机的类型…………………………18
5.5.2电动机电压等级的选择………………………………………21
5.5.3电动机额定转速的选择………………………………………21
5.5.4电动机结构形式的选择………………………………………22
5.6PLC的选择………………………………………………………………………………23
5.6.1PLC的适应范围…………………………………………………23
5.6.2如何选择PLC…………………………………………………24
5.7PLC使用中的抗干扰措施………………………………………………………………25
5.7.1PLC的工作环境…………………………………………………25
5.7.2PLC的抗电源干扰…………………………………………………25
5.7.3PLC的I/O信号干扰防范…………………………………………………26
5.7.4PLC外部配线干扰防范…………………………………………………26
5.7.5PLC的控制接地…………………………………………………27
第6章施外釉机械手的电气原理设计…………………………………………………28
6.1PLC的输入输出端口配置表……………………………………………………………28
6.2施外釉机械手的主电气原理图说明……………………………………………………30
6.3施外釉机械手的动作流程图……………………………………………………………31
6.4机械手驱动的施外釉的梯形图…………………………………………………………34
经济分析报告………………………………………………………………………………35
致谢……………………………………………………………………………………………40
参考文献………………………………………………………………………………………41
1、引言
1.1陶瓷行业对机械手需求:
陶瓷生产一般分为三个主要工序:
原料、成型和烧炼。
成型是劳动密集成的简单机械劳动,很适应机械手完成。
在陶瓷制品的二不休表面上,一般都要浇上一层粉磨得很细的,由长石,石英,粘土以及其他矿物组成的物料,这层物料经高温培烧后即成为与二不休牢固地结合在一起的一薄层下班态物质。
这一玻璃态物质称为釉。
釉一般具有光亮、半透明度、圆滑和不透水等性质。
制品施釉后,表面不易沾污,弄脏后也容易洗涤干净。
此外,釉还可遮盖二不休上的某些瑕疵,幸美观大方,起着装饰的作用。
作为釉所使用的物料,即通常所谓的釉料,一般都制成泥浆状,利用干燥二不休的吸水性使之粘附在二不休表面现象上。
施釉的方法很多,其中主要有浇釉,浸釉和喷釉等几种。
目前施釉操作还有不少是借助于简单的设备用手工进行的,也有一些半自动的施釉机械。
由于工人的熟练程度和生产经验存在差异,再加上疲劳程度和工作状态的影响,难以保证施釉质量的稳定,另外手工施釉工作条件恶劣,影响工人身体健康,因此必须利用高新技术对我国的陶瓷企业进行改造
目前,由于陶瓷生产是低附加值的行业,很难支持高科技的装配,价格太高的装备无法在这一行业中广泛推广。
如果能设计一套成本不高,结构简单,功能相对独立的机械手,一定能得到市场认可。
1.2国内外对于机械手的研究现状:
近年来,随着人类活动领域的进一步扩大,人们对非制造业用机械手的研究空前活跃起来。
这些行业与制造业相比,其主要特点是工作环境的非结构化和不确定性,因而对机械手的要求更高,需要机械手具有对外感知能力以及局部的自}规划能力等。
我国的机械手研究与开发工作起步较早,曾经有过一些成果,但在产业化和应用上,一直步履维艰。
改革开放以来,通过“七五”、,’/又五”科技攻关,目前基本掌握了机械手的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术,生产了部分机械手关键元器件,开发出了喷漆、弧焊、装配、搬运等机械手.但是,我国的机械手技术及其应用程度和发达国家相比还有很大的差距,如:
可靠性低于国外产品;机械手应用工程起步较晚,应用领域窄,生产线系统技术与国外比有差距;在应用规模上远远赶不上发达国家。
以上原因主要是没有实现机械手的高度产业化。
当前我国机械手的生产几乎都是应用户的要求,“一客户,一次重新设计几,品种规格多、批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、成本高,而且质量、可靠性不稳定。
因此迫切需要解决产业化前期的关键技术,对产品进行全面规划,搞好系列化、通用化、模块化设计,积极推进产业化进程。
美国的AUSS、俄罗斯的MT-88、法国的EPAVLARD等装有水下机械手的机器人系统己用于海洋石油开采,海底勘探、救捞作业、管道敷设和检查、电缆敷设和维护等方面,形成了有缆水下机器人和无缆水下机器人两大类。
核工业用机械手,国外的研究主要集中在机构灵巧,动作准确可靠、反应快、重量轻、刚度好、便于装卸与维修的高性能伺服手。
己完成的典型系统,如美国ORML基于机器人的放射性储罐清理系统、反应堆用双臂操作器,加拿大研制成功的辐射监测与故障诊断系统,德国的C7灵巧手等。
目前,机器人技术发达的国家都在竞相开发地下机械手、医用机械手、建筑用机械手和军用机械手,并已经取得了一些卓有成效的结果。
1.3现代研究趋势
目前国际机械行业都在加大科研力度,进行机械手共性技术的研究,并朝着智能化和多样化方向发展。
主要研究内容集中在以下儿个方面:
1)工业机械手的优化设计技术:
探索新的高强度轻质材料,进一步提高负载/自重比,同时机构向着模块化、可重构方向发展。
2)机械手控制技术:
重点研究开放式,模块化控制系统,人机界面更加友好,语言、图形编程界面正在研制之中。
机械手控制器的标准化和网络化,以及从于Pc机网络式控制器己成为研究热点。
编程技术除进一步提高在线编程的可操作性之外,离线编程的实用化将成为研究重点。
3)多传感器系统:
为进一步提高机械手的智能和适应性,多种传感器的使用是其问题解决的关键。
其研究热点在于有效可行的多传感器信息融合算法,特别是在非线性及非平稳、非正态分布的情形下的多传感器信息融合算法。
另一个问题就是传感系统的实用化。
4)机械手的结构灵巧,控制系统愈来愈小,二者正朝着一体化方向发展。
5)机械手遥控及监控技术,半自主和自主技术,多个机械手和操作者之间的协调控制,通过网络建立大范围内的机械手遥控系统,在有时延的情况下,建立预先显示进行遥控等。
6)虚拟机械手技术,基于多传感器、多媒体和虚拟现实以及临场感技术,实现机械手的虚拟遥操作和人机交互。
7)多智能体调节控制技术:
这是目前机械手研究的一个崭新领域。
主要对多智能体的群体体系结构、相互间的通信与磋商机理,感知与学习方法,建模和规划、群体行为控制等方面进行研究。
1.4PLC应用简介:
伴随着微电子技术,控制技术与信息技术的不断发展,可编程控制器也在不断地发展。
可纺程控制器的发展趋势主要体现在在以下几个方面:
1,速度更快,体积更小
尽管可纺程控制器的体积很小,但由于微电子技术的发展,电子电路的集成度越来越高,电路析的制作及元件焊,巾技术不断改进工作,因而可纺程控制器的外菜尺寸仍在不断缩小,以便装入任何机器的细小空间中。
目前大型可编程控制器基本逻辑指令的执行速度可高达34纳秒。
速度提高就缩短了扫描周期,增加了控制的实时性,更能保证产品质量。
2、工业控制技术的集成:
现代工业要求为其生产控制与生产管理提供一种统一的解决方案,因而各大PLC厂商均摊努力提高全面解决问题的能力。
为此,必须以PLC为核心作用,向下延伸到远程I/O,现场设备、步进/伺服系统等。
向上扩展到人机界面、上位机、图形监控软件。
近年来在这方面的发展极其迅速。
有实力的厂商自身能力极强,可以为客户提供统一、完善的解决方案。
3开放性与主流计算机的结合
所谓开放性,体现在制定标准后台后各合作厂商按标准生产的设备经测试合格后均摊可直接挂上网,通信畅通无阻。
如前所述,PLC生产厂家众多。
各家都有专用的MPU和机器码,要制定统一的标准,目前尚有难度。
尽管各PLC厂商都在尽力采用最新技术落后,不断推陈出新,但世界主流计算机的发展速度极为惊人。
PLC有被发展潮流抛离的危险。
近前推出的以PC为基础的PLC就是解决上面问题的尝试。
解决方案有软件方式的也有硬件方式的。
4仿真软件开发
为了缩短安装调试工作,各大厂商推出自己模拟/虚拟PLC软件,即仿真的高度环境。
虚拟的PLC可代替实际硬件PLC运行,程序运行情况的监控方式与真实硬件PLC的监控方式完全相同。
5实现远程服务以Internet/Intranet为平台,可通过电话线或无线实现便于化的远程服务,少数高水平专家可为便于用户提供技术支援及服务。
2机械手的一般知识
四十年代初期,雷茨和他领导的国立阿贡实验室机械手研制小组对机械手的设计进行了探索和命令,并把他们首次研制成的机械连接的的机械手取名为主从(或称模拟)机械手。
随着早期研制工作所取得的进展,出现了许多种在放射性操作中使用的机械手。
在这些机械手中,大多数是按关节性结构设计的,只能作一种伸缩运动。
在五十年代初期,由雷茨领导的这个机械手研制小组首创了双边电随动机械手的研制工作,试制了几台这样的用于热室操作的机械手。
随后于1958年,在第二届日内瓦和平利用原子能会议上展出了改进后的这种机械手。
意大利的一个机械手研制小组,根据同阿贡交换情报得到的资料也造造了一种和改进的E3型一样的电动主从机械手,取名为“Mascot”。
它和E3型都是世界上首次采用全晶体管化电子线路的电动主从机械手。
机械手的各种机械特性是互相制约的,因此在设计操作者操纵的主从式力反应机械手时,对这些特性作为选择就难于权衡了。
而且,因操纵任务是不断变化的,或才说被操纵的物件处于动态的运动中,因此机械手的那些反应到主动臂处的性能也就缺乏明确性。
机械手从控制特性机械特性和操作灵巧性上面,在有力反应的机械手的特定条件下,可以了解到机械手的一些重要参数:
回动性:
是力反馈的关键。
偏差:
是反映手臂动力学性能和模拟精度的一个指标。
无效行程:
虽可使摩擦力变小,但会使伺服装置的性能受到限制。
摩擦力:
将会使操作者操纵随动系统时受到限制。
力变换器:
虽能弥补机械手的不可回动性(或)摩擦力,但也会使控制系统变得更为复杂。
根据手动控制对机械手的分类:
1,双边机械手系统:
它又包括双边全动态控制及双边半动态控制。
2,单边机械手系统(无力反应)
根据机械性能进行机械手分类:
1,完全可回动的双边主从机械手系统;
2,在机械性能上可回动的单边控制的机械手;
3,在机械上不能回动的单边控制机械手;
和所有其它机械一样,机械手在设计与操作时必须先了解到它的具体特性。
当终端装置牌它可覆盖到的区域中的某些位置时,机械手会更新换代部分定向操作能力,这是由于机械手的终端装置牌这些位置时机械手的整个机械性能都发生了变化。
对所有机械手的覆盖区域进行解析分区,对解决我们所面临的评定机械手的各种性能极为重要。
以下是机械手机械特性的分散性
1,机械手操作力的分散性;
2,机械手运动速度的分散性;
3,机械手惯性的分散性;
4,机械手空载加速度的分散性;
我国的机械手研究与开发工作起步较早,曾经有过一些成果,但在产业化和应用上,一直步履维艰。
与国外相比,我国起步较晚,进入90年代以后才开始引入自动控制系统,落后于发达国家将近30-40年,这些差距还表现在工艺技术,设备制造,运行管理等各个方面。
此外,运行经费不足,设计经验不足,设备使用维护不当,完好率低,有经验的工艺及自控技术人员的缺乏。
改革开放以来,通过“七五”、,’/又五”科技攻关,目前基本掌握了机械手的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术,生产了部分机械手关键元器件,开发出了喷漆、弧焊、装配、搬运等机械手.但是,我国的机械手技术及其应用程度和发达国家相比还有很大的差距,如:
可靠性低于国外产品;机械手应用工程起步较晚,应用领域窄,生产线系统技术与国外比有差距;在应用规模上远远赶不上发达国家。
以上原因主要是没有实现机械手的高度产业化。
当前我国机械手的生产几乎都是应用户的要求,“一客户,一次重新设计几,品种规格多、批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、成本高,而且质量、可靠性不稳定。
因此迫切需要解决产业化前期的关键技术,对产品进行全面规划,搞好系列化、通用化、模块化设计,积极推进产业化进程。
近年来,随着人类活动领域的进一步扩大,人们对非制造业用机械手的研究空前活跃起来。
这些行业与制造业相比,其主要特点是工作环境的非结构化和不确定性,因而对机械手的要求更高,需要机械手具有对外感知能力以及局部的自}规划能力等。
美国的AUSS、俄罗斯的MT-88、法国的EPAVLARD等装有水下机械手的机器人系统己用于海洋石油开采,海底勘探、救捞作业、管道敷设和检查、电缆敷设和维护等方面,形成了有缆水下机器人和无缆水下机器人两大类。
核工业用机械手,国外的研究主要集中在机构灵巧,动作准确可靠、反应快、重量轻、刚度好、便于装卸与维修的高性能伺服手。
己完成的典型系统,如美国ORML基于机器人的放射性储罐清理系统、反应堆用双臂操作器,加拿大研制成功的辐射监测与故障诊断系统,德国的C7灵巧手等。
目前,机器人技术发达的国家都在竞相开发地下机械手、医用机械手、建筑用机械手和军用机械手,并已经取得了一些卓有成效的结果。
在核领域中,机械手主要的功能是通过屏蔽墙来保护操作人员防止辐射;能过环境隔离或气密,防止操作人员接触或者吸入有害的放射性物质基础。
机械手在其它方面的应用是,在操作其他形式的危险物质时保护操作者免受其害;这些危险物质包括爆炸性的,有腐蚀性的化学物质以及在生物学上有毒的物质。
与上述保护操作者的情况正好相反的一种操作行为,要求在被操作的工件本身需要受保护的环境中使用机械手,即要求被操作的工作或其环境与操作者避免接触或不被接触。
在一般情况下,若把被操作的物件放在清洁的房间时,这种是比较容易实现的。
对于某些操作,如由宇航员或不载人的星控飞行器对宇宙空间中的即贵重又有危险的进行观察,帽在真空密封条件下工作的机械手对执行此项操作似乎更为合适。
如上文艺工作者所述,这种机械手是当前在环境小室中在高真空条件下常用的操作工具,以便做人和鉴定将在航天中使用的材料和部件的性能。
3施外釉机械手驱动方式的确定
目前机械手常用的驱动方式有液压驱动、气压驱动、电机驱动等多种方式[3j,各种驱动方式有其自身的特点,在工业机器人中液压和气压驱动应用很广泛,亨些机器人则同时采用多种驱动方式,这都视不同机器人的特点和要求所定。
比较这些驱动方式的特点,从中选出适合移动机械手的驱动方式。
3.1气压驱动
气动驱动的特点有:
1)通过调节气流,就可实现无级变速;
2)由于压缩空气粘性小,流速大,因此气压驱动的机械手动作速度快;
3)压缩空气可从大气中吸取,故动力源获得方便、价格低廉,而且废气处理方便:
4)由于压缩空气粘度小,因此在管路中的压力损失也很小,一般其阻力损失不
到油液在油路中损失的千分之一;故压缩空气可以集中供应,远距离输送;
5)压缩空气的压缩性较大,因此使机械手的运动平稳性较差,定位精度较低,
而且压缩空气排到大气中时噪声较大,另外还须考虑润滑和防锈等;
6)压缩空气的工作压力较低,致使机械手结构较大。
3.2液压驱动
液压驱动的特点有:
1)调速范围较大,而且可以无级调速,易于适应不同的工作要求:
2)传动平稳,能吸收冲击力,可以实现较频繁而平稳的换向;
3)在产生相同驱动力的条件下,液压驱动比其他驱动方式体积小、重量轻、惯性小;
4)驱动力和驱动力矩较大,臂力可达100公斤;
5)速度反应性较好。
因为被驱动件的速度快慢取决于油液的容积变化,所以当不考虑油液的温度变化时,被驱动系统的滞后也几乎没有,而且液压机构的适量轻、惯性小,因此它的速度反应性较好;
6)定位精度比气动高,但比电机低;
7)液压系统的泄漏对机构的工作稳定性有一定的影响;
8)油液中如果混入气体,将降低传动机构的刚性,影响定位精度(产生爬行);
9)油液的温度和粘度变化影响传动性能。
液压驱动机械手多用于要求臂力较大而运动速度较低的工作场合。
3.3电机驱动
电机驱动系统按电机的功能可分为直流电机驱动系统、交流异步电机驱动系统、无刷直流电机驱动系统、开关磁阻电机驱动系统和多态电机驱动系统等。
各种电机系统的工作原理有很大的区别,性能上也存在着较大的差异。
在这里,不对这些电机系统作一一介绍。
只是把电机驱动与液压和气压驱动做一个比较,从中得到结论。
电机驱动机械手可避免电能变为压力能的中间环节,效率比液压和气压驱动要高;电机系统将电动机、测速机、编码器、减速器及制动器组装在一次加工的壳体中,使得整个电机系统体积小,可靠性和通用性也得到很大提高;另外,电动机根据运行距离及电机的脉冲当量算出脉冲数,将数据输入计算机,可达到非常高的位姿准确度,这些都是电机驱动的优点。
相对的,液压与气压驱动系统组成机构繁琐,维护不方便,液压源和气压源装置体积大,对于移动机器人来说也是一个无法实现的问题,对于移动机器人操作机械手所要求的位置精度,液压和气压驱动也很难满足。
综上所述,本文选择电机驱动为机械手的驱动方式
4施外釉机械手工艺、机械描述
设计一个驱动控制方案,首先就要充分的了解控制对象的工艺要求,从控制的专业角度描述这一生产工艺,确定可靠的、可行的控制模型,实现具体的控制。
只有掌握生产工艺,领会了实现工艺过程中的主要任务和步骤,才能为电气控制提供主要的依据。
一般来说,在工业机械手驱动方面,电气控制都要在一定的机械装备的基础上实施,正确描述,妥善处理机械与电气的关系,是保护控制方案最优的基础。
结合陶瓷行业的特点,本文认为:
陶瓷设备的机械控制技术成熟,但设备体积较大,要求较高的驱动能量;研究一套机械和电气控制有效的结合,以电气控制为主的综合控制策略是陶瓷成型机械手走向市
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