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02308210于鹏飞09机电课程设计机械手
机电一体化课程设计机械手
一、机械手及其应用
机械手:
mechanicalhand,也被称为自动手,autohand
能模仿人手和臂的某些动作功能,用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。
它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化,能在有害环境下操作以保护人身安全,因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。
机械手主要由手部、运动机构和控制系统三大部分组成。
手部是用来抓持工件(或工具)的部件,根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式,如夹持型、托持型和吸附型等。
运动机构,使手部完成各种转动(摆动)、移动或复合运动来实现规定的动作,改变被抓持物件的位置和姿势。
运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式,称为机械手的自由度。
为了抓取空间中任意位置和方位的物体,需有6个自由度。
自由度是机械手设计的关键参数。
自由度越多,机械手的灵活性越大,通用性越广,其结构也越复杂。
一般专用机械手有2~3个自由度。
在中国工业韧带发展中,很多高生产率高精度的机械加工设备从国外引进,大大的提高了工作速度,产品的加工精度,降低了工作的劳动强度,所以大受欢迎。
机械手是一种模仿人体上肢运动的机器,它能按照预定要求输送工种或握持工具进行操作的自动化技术设备,对实现工业生产自动化,推动工业生产的进一步发展起着重要作用。
因而具有强大的生命力,受到人们的广泛重视和欢迎。
工业机械手可以代替人手的繁重劳动,显著减轻工人的劳动强度,提高劳动生产率和自动化水平。
工业生产中经常出现的笨重工件的搬运和长期频繁,单调的操作,如果没有机械手那么工人的劳动强度是很高的,有时候还要用行车员工件,生产速度大大延缓,这种情况采用机械手是很有效的。
此外,它能在高温、低温、深水、宇宙、反射性和其他有毒、有污染环境条件上进行操作。
更显其优越性,有着广阔的发展前途。
国内外机械工业、铁路部门中机搬运械手主要应用于以下几方面。
1.热加工方面的应用
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。
为了提高工作效率,和确保工人的人身安全,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
2.冷加工方面的应用
冷加工方面机械手主要用于柴油机配件以及轴类、盘类和箱体类等零件单机加工时的上下料和刀具安装等。
进而在程序控制、数字控制等机床上应用,成为设备的一个组成部分。
最近更在加工生产线、自动线上应用,成为机床、设备上下工序联接的重要于段。
3.拆修装方面
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。
目前国内铁路工厂、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,减轻了劳动强度,提高了拆修装的效率。
近年还研制了一种客车车内喷漆通用机械手,可用以对客车内部进行连续喷漆,以改善劳动条件,提高喷漆的质量和效率。
近些年,随着计算机技术、电子技术以及传感技术等在机械手中越来越多的应用,工业机械手已经成为工业生产中提高劳动生产率的重要因素。
机械手的应用意义。
在机械工业中,机械手的应用意义可以概括如下:
1.可以提高生产过程的自动化程度
应用机械手,有利于提高材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化程度,从而可以提高劳动生产率,降低生产成本,加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。
2.可以改善劳动条件、避免人身事故在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其它毒性污染以及工作空间狭窄等场合中,用人手直接操作是有危险或根本不可能的。
而应用机械手即可部分或全部代替人安全地完成作业,大大地改善了工人的劳动条件。
在一些动作简单但又重复作业的操作中,以机械手代替人手进行工作,可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。
3.可以减少人力,便于有节奏地生产
应用机械手代替人手进行工作,这是直接减少人力的一个侧面,同时由于应用机械手可以连续地工作,这是减少人力的另一个侧面。
因此,在自动化机床和综合加工自动生产线上,目前几乎都设有机械手,以减少人力和更准确地控制生产的节拍,便于有节奏地进行生产。
二、机械手的分类
工业机械手的种类很多,关于分类的问题,目前在国内尚无统一的分类标准,在此暂按使用范围、驱动方式和控制系统等进行分类。
(一)按用途分
机械手可分为专用机械手和通用机械手两种:
1.专用机械手
它是附属于主机的、具有固定程序而无独立控制系统的机械装置。
专用机械手具有动作少、工作对象单一、结构简单、使用可靠和造价低等特点,适用于大附属,如自动机床、自动线的上、下料机械手和‘加工中心”批量的自动化生产的自动换刀机械手。
2.通用机械手
它是一种具有独立控制系统的、程序可变的、动作灵活多样的机械手。
通过调整可在不同场合使用,驱动系统和格性能范围内,其动作程序是可变的,控制系统是独立的。
通用机械手的工作范围大、定位精度高、通用性强,适用于不断变换生产品种的中小批量自动化的生产。
通用机械手按其控制定位的方式不同可分为简易型和伺服型两种:
简易型以“开一关”式控制定位,只能是点位控制:
伺服型具有伺服系统定位控制系统,可以点位控制,也可以实现连续轨迹控制,一般的伺服型通用机械手属于数控类型。
(二)按驱动方式分
1.液压传动机械手
是以液压的压力来驱动执行机构运动的机械手。
其主要特点是:
抓重可达几百公斤以上、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏。
但对密封装置要求严格,不然油的泄漏对机械手的工作性能有很大的影响,且不宜在高温、低温下工作。
若机械手采用电液伺服驱动系统,可实现连续轨迹控制,使机械手的通用性扩大,但是电液伺服阀的制造精度高,油液过滤要求严格,成本高。
2.气压传动机械手是以压缩空气的压力来驱动执行机构运动的机械手。
其主要特点是:
介质来源极为方便,输出力小,气动动作迅速,结构简单,成本低。
但是,由于空气具有可压缩的特性,工作速度的稳定性较差,冲击大,而且气源压力较低,抓重一般在30公斤以下,在同样抓重条件下它比液压机械手的结构大,所以适用于高速、轻载、高温和粉尘大的环境中进行工作。
3.机械传动机械手
即由机械传动机构(如凸轮、连杆、齿轮和齿条、间歇机构等)驱动的机械手。
它是一种附属于工作主机的专用机械手,其动力是由工作机械传递的。
它主要特点是运动准确可靠,动作频率大,但结构较大,动作程序不可变。
它常被用于工作主机的上、下料。
4.电力传动机械手
即有特殊结构的感应电动机、直线电机或功率步进电机直接驱动执行机构运动的机械手,因为不需要中间的转换机构,故机械结构简单。
其中直线电机机械手的运动速度快和行程长,维护和使用方便。
此类机械手目前还不多,但有发展前途。
(三)按控制方式分
1.点位控制
它的运动为空间点到点之间的移动,只能控制运动过程中几个点的位置,不能控制其运动轨迹。
若欲控制的点数多,则必然增加电气控制系统的复杂性。
目前使用的专用和通用工业机械手均属于此类。
2.连续轨迹控制
它的运动轨迹为空间的任意连续曲线,其特点是设定点为无限的,整个移动过程处于控制之下,可以实现平稳和准确的运动,并且使用范围广,但电气控制系统复杂。
这类工业机械手一般采用小型计算机进行控制[4]。
三、机械手的组成
工业机械手由执行机构、驱动机构和控制机构三部分组成。
1、执行机构
手部、腕部、臂部、手臂等部件。
2、驱动机构
驱动机构是工业机械手的重要组成部分。
根据动力源的不同,工业机械手的驱动机构大致可分为液压、气动、电动和机械驱动等四类。
采用液压机构驱动机械手,结构简单、尺寸紧凑、重量轻、控制方便。
3、控制系统分类
在机械手的控制上,有点动控制和连续控制两种方式。
大多数用插销板进行点位控制,也有采用可编程序控制器控制、微型计算机控制,采用凸轮、磁盘磁带、穿孔卡等记录程序。
主要控制的是坐标位置,并注意其加速度特性。
四、机械手整体设计方案
在现有生产线的基础上,设计一种机械手,该机械手能利用吸盘自动吸取工件,并将工件放到指定位置。
该手运行路径合理,整个过程无人工操作,系统通过传感装置检测工件,工作结束后能自动停止。
机械手有上行/下行、左摆/右摆、放松/吸取几个运行方式,并且能够准确把握工件的起始、终止位置因素。
总体设计框图
1.控制装置的选择
本设计中用单片机取代PLC控制。
2.机械手坐标形式的选择
本设计中精度要求较高,直角坐标式灵活性差,不利于提高工作效率。
因此为了使其工作方式更加简单直观,机械手坐标类型选择为圆柱坐标机械手。
3.传动机构的选择
本设计要求传动方式为电机的转动带动机械手臂的上下、左右移动,由于设计精度要求较高,从零件的加工方面考虑,最终确定了加工较为简单的齿轮传动。
4.抓取机构的选择
目前工业上较长采用的抓取机构为真空吸盘,考虑到材质(表面光滑工件),因此选择了真空吸盘作为抓取机构。
通过气缸活塞的上下运动来控制工件的抓取和放下,操作方便。
5.驱动方式的选择
选择驱动方式阶段,电机选择相对较为简单,由于步进电机有步距角误差,机械手在齿轮传动和摆动时会进一步放大该误差,因此选择伺服电机驱动。
三维图如图所示:
1—真空吸盘;2—气缸;3—小臂;4—齿轮;5—伺服电机;6—大臂;7—支撑座。
抓取及放松工件的过程:
伺服电机带动大臂6绕着各自的旋转轴进行旋转,使工件在水平面内转动,通过伺服电机5和齿轮4传动,使小臂3也可在水平面内旋转。
当移动到工件上方时,气缸2控制真空吸盘1吸取工件,然后通过大臂与小臂的旋转使工件到达指定位置,将工件放松。
伺服电机的驱动芯片选用型号为LMD18200的芯片。
它可以根据PWM控制信号的占空比来决定直流电机的转速和转向。
采用一个增量型光电编码器来反馈电动机的实际位置,输出AB两相,检测电机转速和位置,形成闭环位置反馈,从而达到精确控制电机。
所设计的电路图如下图所示:
五、总结与体会
通过本次机械手的课程设计,使我对以前所学的理论知识有了更进一步的了解,同时学会了将所学过的知识技能应用到实际中去,能够系统的、全面的锻炼我的整体设计能力,并且能够将大学期间所学到的知识得到有效的复习和巩固。
机械手的课程设计,要求内容更高,设计过程更加复杂。
我们需要有充分专业知识,和良好的理解能力、掌握能力以及实际运用的灵活性。
通过此次毕业设计,使我了解了很多机械手的相关知识。
使我也了解了当前国内外在此方面的一些先进生产和制造技术。
了解了机械手程序设计的一般过程,掌握了程序设计方面的基础,为以后的工作、学习打下了坚实的基础。
同时我也认识到了自身控制方向的不足,以后仍需继续努力。
附件1
仿真程序
#include
#defineTH0_TL0(65536-1000)//设定中断的间隔时长
unsignedcharcount0=0;
unsignedcharcount1=0;
bitFlag=1;//电机正反转标志位,1正转,0反转
sbitKey_add=P3^2;//电机减速
sbitKey_dec=P3^3;//电机加速
sbitKey_turn=P3^4;//电机换向
sbitPWM1=P3^6;//PWM通道1
sbitPWM2=P3^7;//PWM通道2
unsignedcharTime_delay;
//函数声明
voidDelay(unsignedcharx);
voidMotor_speed_high(void);
voidMotor_speed_low(void);
voidMotor_turn(void);
voidTimer0_init(void);
/*****************************************************************
***/
voidDelay(unsignedcharx)//延时处理
{
Time_delay=x;
while(Time_delay!
=0);
}
/*****************************************************************
***/
voidTimer0_int(void)interrupt1using1//定时0中断处理
{
TR0=0;
TL0+=(TH0_TL0+9)%256;
TH0+=(TH0_TL0+9)/256+(char)CY;
TR0=1;
if(Time_delay!
=0)//延时函数用
{
Time_delay--;
}
if(Flag==1)//电机正转
{
PWM1=0;
if(++count1 { PWM2=1; } else PWM2=0; if(count1>=100) { count1=0; } } else//电机反转 { PWM2=0; if(++count1 { PWM1=1; } else PWM1=0; if(count1>=100) { count1=0; } }//反转 } /***************************************************************** ***/ voidMotor_speed_high(void)//按键处理加pwm占空比,电机加速 { if(Key_add==0) { Delay(10); if(Key_add==0) { count0+=5; if(count0>=100) { count0=100; } } while(Key_add==0);//等待键松开 } } /***************************************************************** ***/ voidMotor_speed_low(void)//按键处理减pwm占空比,电机减速 { if(Key_dec==0) { Delay(10); if(Key_dec==0) { count0-=5; if(count0<=0) { count0=0; } } while(Key_dec==0); } } /***************************************************************** ***/ voidMotor_turn(void)//电机正反向控制 { if(Key_turn==0) { Delay(10); if(Key_turn==0) { Flag=~Flag; } while(Key_turn==0); } } /***************************************************************** ***/ voidTimer0_init(void)//定时器0初始化 { TMOD=0x01; TH0=TH0_TL0/256; TL0=TH0_TL0%256; TR0=1; ET0=1; EA=1; } /***************************************************************** ***/ voidmain(void)//主函数 { Timer0_init(); while (1) { Motor_turn(); Motor_speed_high(); Motor_speed_low(); } }
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