基于S7-200PLC的搬運機械手設(shè)計-含動畫仿真【三維CATIA】

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II 目 錄 1 引言 1 第一章 機械手設(shè)計方案 2 1.1 氣動機械手功能和設(shè)計參數(shù) 2 1.2 基本設(shè)計思路 2 1.3 坐標(biāo)形式和自由度選擇 3 1.4 機械手驅(qū)動方式的選擇 3 1.5 總體設(shè)計框圖 4 第二章 系統(tǒng)主要組成結(jié)構(gòu)設(shè)計 5 2.1夾持器結(jié)構(gòu)設(shè)計與校核 5 2.1.1夾持器種類 5 2.1.2夾持器設(shè)計計算 6 2.2升降方向設(shè)計計算 7 2.2.1 初步確定系統(tǒng)壓力 7 2.2.2 升降氣缸計算 7 2.2.3 活塞桿的計算校核 8 2.2.4 氣缸工作行程的確定 9 2.2.5 缸體長度的確定 9 2.2.6 氣缸的選型 10 2.3底座回轉(zhuǎn)裝置的計算校核 11 2.3.1 回轉(zhuǎn)部位負載計算校核 11 2.3.2 馬達的選型 13 2.4導(dǎo)向裝置和平衡裝置 13 2.4.1導(dǎo)向裝置 13 2.5機械手的定位及平穩(wěn)性 14 2.5.1常用的定位方式 14 2.5.2影響平穩(wěn)性和定位精度的因素 14 2.5.3氣動機械手運動的緩沖裝置 14 2.6工件檢測裝置和壓力傳感器 15 第三章 氣動驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計 17 3.1手部抓取缸 17 3.2 手臂升降氣動回路 18 3.3手臂伸縮缸氣動回路 19 3.4整體系統(tǒng)圖 20 第四章PLC控制系統(tǒng)設(shè)計 21 4.1 可編程序控制器的設(shè)計步驟 21 4.2機械手PLC控制方案 22 參考文獻 26 附錄 25 致 謝 38 畢業(yè)設(shè)計說明書 引言 工業(yè)機械手在最早的時候只是被用于汽車的生產(chǎn)領(lǐng)域，主要用于零件的搬運，外殼的噴漆等工作。工業(yè)機械手在某種程度上來說相當(dāng)于人類的手腦功能的外延，他可以代替人類在一些惡劣環(huán)境中工作，完成繁重，單調(diào)或者人類很難完成的工作?，F(xiàn)在主要在制造產(chǎn)業(yè)，特別是汽車制造，和金屬材料加工等工業(yè)。工業(yè)機械手與數(shù)控控制系統(tǒng)，自動運載小車 與自動檢測系統(tǒng)可組成柔性制造系統(tǒng)和計算機集成制造系統(tǒng)，可以實現(xiàn)生產(chǎn)制造的自動化。而且隨著時代的發(fā)展，機械手的精度，功能和工作速度都會有很大的發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域也會有所擴大。 本設(shè)計的目的主要是設(shè)計通用型的搬運機械手，用來代替人們進行生產(chǎn)作業(yè)，以下是我設(shè)計機械手的意義和目的。 （1）本機械手可以完成搬運目標(biāo)物體，沖壓工件，完成數(shù)控機床刀具的裝卸以及汽車整車的安裝等工作，并且實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)的自動化，從而減少勞動時間，提高生產(chǎn)量并推動制造業(yè)的發(fā)展。 （2）在一些非常規(guī)的危險的的場合中，直接操作機器是會對人的身體健康產(chǎn)生危害的或者很難完成的，而這部分工作就可以由機械手代替完成，從而改善了比較惡劣的勞動環(huán)境。 （3）在以前，一些鋼鐵廠，重型機械制造廠中的危險笨重的工作都是由工人們親手完成的，而這些危險的工作難免會造成一些事故，對工人的身體健康造成傷害，而機械手的發(fā)展則完全可以代替工人做這些危險的工作，避免人身事故的發(fā)生。 應(yīng)用機械手在實際生產(chǎn)中減輕很大的人力。所以，在現(xiàn)代制造業(yè)的生產(chǎn)線中，幾乎都會配備機械手以減輕人力，準(zhǔn)確的掌控生產(chǎn)節(jié)奏，并進行高效的生產(chǎn)。 因此，在各種自動化生產(chǎn)線上配備相應(yīng)的機械手，不僅可以減輕人力的消耗，更加可以高效生產(chǎn)。 畢業(yè)設(shè)計說明書 第一章 機械手設(shè)計方案 1.1 氣動機械手功能和設(shè)計參數(shù) 功能 1、機械手能夠?qū)崿F(xiàn)自由伸縮300毫米和自由升降500毫米； 2、機械手能夠完成左右轉(zhuǎn)向180度； 3、機械手能完成工件的抓緊和松開并且快速完成搬運。 設(shè)計參數(shù) 1、抓重 5kg 2、自由度數(shù) 4個自由度 3、座標(biāo)型式 圓柱座標(biāo) 4、最大工作半徑 600mm 5、手臂最大中心高 1800mm 6、手臂運動參數(shù) 伸縮行程300mm 伸縮速度400mm/s 升降行程500mm 升降速度250mm/s 回轉(zhuǎn)范圍 回轉(zhuǎn)速度 7、手爪夾持范圍 80mm-150mm 8、定位方式 限位開關(guān)和可以調(diào)位的機械擋塊 9、定位精度 2mm 10、驅(qū)動方式 氣壓傳動 11、控制方式 采用PLC（可編程控制器）控制 1.2 基本設(shè)計思路 進行機械手的設(shè)計時，應(yīng)從以下步驟進行： （1）了解本次設(shè)計的機械手的用處，依次確定設(shè)計搬運機械手的目的。 （2）了解機械手所在系統(tǒng)的工作情況。 （3）知道工作系統(tǒng)的要求，機械手的主要功能和基本參數(shù)，比如機械手的運動方式， 39 13 畢業(yè)設(shè)計說明書 驅(qū)動方式，檢測方式等。還有氣動手抓取物體的質(zhì)量的極限，外形和大小等狀況，以此確定手手爪的形狀和大小 對此，我做了如下分析： （1）此次設(shè)計的機械手為氣動驅(qū)動，因為目標(biāo)物體為小型物品，搬運時不需要太大的動力，因此我選用氣動傳動的方式。 （2）而機械手的控制系統(tǒng)我選用PLC來控制，因為我學(xué)過PLC的課程，而且PLC的控制系統(tǒng)精度高，穩(wěn)定，完全能夠承擔(dān)本次機械手控制系統(tǒng)的角色。 1.3 坐標(biāo)形式和自由度選擇 根據(jù)所設(shè)計的機械手的運動方式：機械手的坐標(biāo)形式大致有直角坐標(biāo)和圓柱坐標(biāo)兩種，鑒于本機械手要完成旋轉(zhuǎn)動作，故圓柱坐標(biāo)是一個很不錯的選擇。而自由度為三，分別是底座的左右旋轉(zhuǎn)，手臂的上下升降，手臂的垂直伸縮，最后還有手爪的松緊。 1.4 機械手驅(qū)動方式的選擇 機械手常用的驅(qū)動方式主要是氣壓驅(qū)動，液壓馬達驅(qū)動和液壓缸驅(qū)動等。 氣壓驅(qū)動具有驅(qū)動效率高，系統(tǒng)不復(fù)雜，維修不難，價格不高等特點。 對于非大型機械手來說是不錯的選擇。 氣壓傳動有以下優(yōu)點: 1、空氣的成本低; 2、空氣的粘度系數(shù)小在氣缸內(nèi)流動阻力小,壓力損失不大; 3、氣壓反應(yīng)快; 4、元件簡單,易于標(biāo)準(zhǔn)化; 5、對環(huán)境適應(yīng)好; 6、空氣的密度小，容易壓縮; 7、設(shè)備可以自行降溫,長期工作不會發(fā)生過熱現(xiàn)象 而液壓驅(qū)動能提供的動力很大響應(yīng)速度快，能夠完成大重量物品的搬運任務(wù)，但液壓傳動需要液壓油來完成，成本高，并且液壓油的泄漏會對環(huán)境遭成污染，且工作時噪聲很大。 液壓馬達驅(qū)動源簡單，而且驅(qū)動速度高和位置控制精度高，便于購買使用，噪聲也低，安裝方便。 氣動驅(qū)動的特點是能夠輸出較大的功率，并且本身結(jié)構(gòu)不復(fù)雜，靈敏度較高。但也會有空氣的的泄漏，不過不會對環(huán)境產(chǎn)生污染。本設(shè)計為搬運小型，輕量的物體綜上考慮，方案分成兩個部分驅(qū)動方式。其中，機器人臂旋轉(zhuǎn)驅(qū)動的驅(qū)動方式，通過旋轉(zhuǎn)驅(qū)動馬達驅(qū)動齒輪旋轉(zhuǎn)，再驅(qū)動機械手旋轉(zhuǎn)。[1] 1.5 機械手工作原理圖 驅(qū)動系統(tǒng) （氣壓傳動） 執(zhí)行機構(gòu) 控制系統(tǒng)（PLC） 位置檢測裝置 手臂 手爪 底座 被抓取物品 圖1-5機械手工作原理圖 說明如下：機械手工作原理 (1) 控制系統(tǒng)：主要任務(wù)是PLC的CPU的選擇，CPU的程序的編寫等。 (2) 驅(qū)動系統(tǒng)：機械手在運作的時候的驅(qū)動設(shè)備。 (3) 機械系統(tǒng)：包括外部整體，機械手腕、手爪。還要明確機械手的自由度。 (4) 位置檢測裝置：傳感器的形式的選擇和型號的選用及作用。 1.6 機械手的基本結(jié)構(gòu)和工作流程 此次設(shè)計的機械手具有水平伸縮和垂直升降的功能，可以將工件從傳送帶搬運到另一個傳送帶。機械手裝置具有四個自由度并且其上有位置檢測裝置，能夠代替人類完成單調(diào)循環(huán)的任務(wù)，實現(xiàn)作業(yè)的智能化。且本機械手移動方便，固定可靠，能夠十分方便的投入到各類不同的生產(chǎn)線中。 根據(jù)要求：機械手先?？吭谧筮叺奈恢茫看螁訒r，依次完成機械手下降，抓取，上升，右轉(zhuǎn)，下降，放松并回到原點的動作。并能實現(xiàn)手動程序和自動程序，還有單步工作程序和單周期工作程序。機械手動作順序如圖2-2。 原位 下降 夾緊 上升 旋轉(zhuǎn) 停止 旋轉(zhuǎn) 上升 松開 下降 啟動動 右限 下限 延時 上限 左限 圖2-2 氣動機械手動作順序圖 第二章 系統(tǒng)主要組成結(jié)構(gòu)設(shè)計 2.1夾持器結(jié)構(gòu)設(shè)計與校核 2.1.1夾持器種類 為滿足工業(yè)上各種需求，機械式夾持器種類繁多，下面介紹集中是有代表性的夾持器類型。 1 .連桿杠桿式夾持器 這種結(jié)構(gòu)的夾持方式可以產(chǎn)生較大的夾緊力，能夠穩(wěn)定的夾持工件，但缺點是鉗爪的張開角較小，工件尺寸誤差對夾緊力的影響較大。[2] 2.楔塊杠桿式夾持器 這種末端夾持器是由楔形塊斜面和滾子間為滾動接觸，這種夾持器工作時摩擦力小，活動靈活，而且結(jié)構(gòu)簡單，但有一個缺點就是夾緊力較小，只能適用于輕載場合。 3.滑槽杠桿式式夾持器 這種手爪的工作原理與連桿式夾持器工作原理相似，并且都有較大的夾緊力，但缺點是張開的角度較小。 4.齒輪齒條連桿式夾持器 齒輪齒條式夾持器主要由齒輪和齒條桿組成，齒條向下移動時，夾持器開始放松，向上移動時夾持器開始夾緊，這種夾持器的夾緊力大，能夠夾持較重的物體。 5.內(nèi)撐連桿杠桿式夾持器 內(nèi)撐式夾持器采用四連桿機構(gòu)傳遞撐緊力，其撐緊方向與外夾式相反，鉗壁撐緊工件，完成夾緊動作。這種內(nèi)撐式夾持器多用于內(nèi)孔薄壁零件的夾持。[3] 根據(jù)設(shè)計的具體需求，采用齒輪齒條連桿式手爪作為本設(shè)計夾持器種類。而這種夾持器也是通用性比較強的夾持器，能夠滿足本設(shè)計的的需求，而手爪的最小的張開角是工作的直徑來確定的。而手爪要有以下特點： a .適當(dāng)夾緊力 當(dāng)機械手在工作的時候手爪應(yīng)該有一定的夾緊力，這樣才能穩(wěn)定的夾取工件保證機械手平穩(wěn)運行。 b .充足的夾取范圍 夾取范圍就是工作時，手爪位置的最大變化量。而機械手手爪必須具備充分的開關(guān)范圍，這樣才能有效的抓取工件，如果沒有充分的開關(guān)范圍，就無法抓取體積較大的工件，這樣的設(shè)計也是不合格的。 c .追求結(jié)構(gòu)簡單，小型輕量機械手在工作時 機械手在工作時，它的外部結(jié)構(gòu)，整體重量將直接影響機械手工作的穩(wěn)定性，工作精度等。過于笨重的結(jié)構(gòu)會對機械手的精度產(chǎn)生不好的影響。故在設(shè)計時應(yīng)力求結(jié)構(gòu)簡單。 d .手爪應(yīng)該一定的強度和剛度 機械手的手爪應(yīng)該具有一定的強度和剛度，這樣才能讓能夠保證加持器在工作時的穩(wěn)定性。機械手爪使用采用外盒式兩手指鉗手爪，氣缸采用單作用缸。這個構(gòu)造簡單，制造方便，且夾緊目標(biāo)時，目標(biāo)受力均勻。 2.1.2夾持器設(shè)計計算 根據(jù)機械手抓取目標(biāo)物體滿足的受力條件是 （3-6） （公式來源：機械設(shè)計第178頁） 其中，F(xiàn)---手爪夾持力； k1---安全系數(shù)，一般取1.1-1.8； k2---為動載系數(shù) k3---方位系數(shù)，查表選取k3≈1 ---工件的重量 10； 由計算可得 ； 理論驅(qū)動力的計算： P=2bN （3-7） P---為氣壓缸缸所需要的力； B---力到支點的距離 N---為手指夾緊力； 其他同上。帶入數(shù)據(jù)，計算得 P=378N 計算驅(qū)動力計算公式為： （3-8） （公式來源：機械設(shè)計第182頁） 2.2升降方向設(shè)計計算 2.2.1 初步確定系統(tǒng)壓力 由以上計算可知，機械手所承受的的最大壓力約為15000N，所以確定氣缸的壓力為P1=1MPa。 2.2.2 升降氣缸計算 為了讓機械手升降，伸縮速度相等，并且盡可能減小氣泵流量，則氣缸有桿腔與無桿腔的等效面積A2與A1應(yīng)滿足A1=2A2。[2]（即氣缸內(nèi)徑D和活塞桿直徑d應(yīng)滿足：d=0.707D。并取氣缸機械效率。則氣缸上的平衡方程 故氣缸無桿腔的工作面積： 氣缸的直徑 表1 氣缸內(nèi)徑系列 根據(jù)上表可以得出，氣缸直徑D=63mm；考慮到一些其他的因素，取較大值。 2.2.3 活塞桿的計算校核 活塞桿是氣缸傳遞力的主要部件，主要承受拉力、壓力、剪切應(yīng)力等多種作用。因此要有很高的剛度和強度。其材料取Q235鋼。[4] 活塞桿直徑的計算 根據(jù)《氣動傳動與控制手冊》根據(jù)桿徑比d/D，選取原則為：活塞桿受到拉力時，取d/D=0.2-0.6，受到壓力時，取d/D=0.4-0.8。 因面積1是面積2的兩倍，所以活塞桿直徑取31.5mm ，結(jié)合表2取32mm） 活塞桿直徑系列表 表2活塞桿直徑系列 檢驗氣缸尺寸，調(diào)速閥最小穩(wěn)定流量，而工進速度 為最小速度，則由式 （4-3） 本例=122.65625>1.25，滿足最低速度的要求。 2.活塞桿強度計算： <90mm （4-4） 式中 ————許用應(yīng)力；（Q235鋼的抗拉強度為375-500MPa四舍五入后后取400MPa，安全系數(shù)取5，即活塞桿的強度適中）。[5] 3.活塞桿的密封與防塵 活塞桿的密封與防塵形式有好多種，其中密封圈有Y型的，U型的，O型的和V型的等[6]。為了結(jié)構(gòu)簡單化和維修方便，選擇O型密封圈作為活塞桿的密封防塵裝置。 2.2.4 氣缸工作行程的確定 氣缸的工作行程取決于機械手的最大伸縮長度和升降距離可以依照下列三個表格選取。 根據(jù)機械手的工作要求再結(jié)合以上表格給出的數(shù)值，選擇氣缸的行程為420mm。 2.2.5 缸體長度的確定 氣缸缸體內(nèi)部長度應(yīng)等于活塞的行程與活塞的寬度之和。缸體外部長度則還需要考慮到氣缸兩端端蓋的厚度[1]。一般情況下氣缸缸體長度不應(yīng)大于缸體內(nèi)徑的20-30倍。取系數(shù)為5,則氣缸缸體長度：L=5*100mm=500mm。 2.2.6 氣缸的選型 經(jīng)過以上的計算和校核，在對比市場上的氣缸型號，我們選擇速易可（上海）有限公司生產(chǎn)的MDA63型的氣缸。氣缸的相關(guān)信息如下表2-6： 標(biāo)準(zhǔn)氣缸型號表 型號 動作形式 缸徑 標(biāo)準(zhǔn)行程 使用速度 固定裝置 額定壓力 MDA32 復(fù)動 （雙軸） 32 25-500 50-800 空白：標(biāo)準(zhǔn)型 LB:腳架 FA:前法蘭 FB：后法蘭 TC:耳軸 TCM:耳軸附腳架 0.15-0.85 MDA40 40 25-800 MDA50 50 25-1000 MDA63 63 MDA80 80 MDA100 100 表2-6標(biāo)準(zhǔn)氣缸型號表 在計算的前提下，根據(jù)上圖的標(biāo)準(zhǔn)型氣缸的種類，在這選擇MDA63標(biāo)準(zhǔn)型氣缸。它的運動形式是復(fù)動雙軸，標(biāo)準(zhǔn)行程為25-1000mm，符合標(biāo)準(zhǔn)。其固定裝置有腳架，前后法蘭等。 2.3底座回轉(zhuǎn)裝置的計算校核 2.3.1 回轉(zhuǎn)部位負載計算校核 因為液壓馬達帶動齒輪做回轉(zhuǎn)運動，所以： 額定功率： （2-24） （公式來源：機械設(shè)計第212頁） 加速功率： （2-25） （公式來源：機械設(shè)計第215頁） 力矩： （2-26） （公式來源：材料力學(xué)第45頁） （2-27） （公式來源：機械設(shè)計第248頁） 起動時間： （2-28） （公式來源：機械設(shè)計第252頁） 制動時間： （2-29） （公式來源：機械設(shè)計第253頁） 底座的回轉(zhuǎn)只存在摩擦力矩,則在回轉(zhuǎn)軸上有； （2-30） （公式來源：材料力學(xué)第78頁） 式中，---為軸承摩擦系數(shù)，取0.005； ---為總重量，取80； ---為傳動大齒輪分度圓半徑，R=210； 經(jīng)計算得 =0.15； 同時，腰部回轉(zhuǎn)速度定為=5r/min；傳動比定為1/7； 且， 帶入數(shù)值得： =10.5。 將其帶入上（2-24）~（2-30）式，得： 起動時間 ： ； 制動時間 ： ； 那么液壓馬達所在軸的負載轉(zhuǎn)矩為：。 2.3.2 馬達的選型 BM-R100液壓馬達采用簡單的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和良好的進口密封件，因此具有結(jié)構(gòu)簡單，起動靈敏度高，可選轉(zhuǎn)速范圍寬，使用壽命長，小巧輕便等優(yōu)點。根據(jù)表2-3BM-R型馬達型號參數(shù)表選擇合適的馬達。 BM-R型馬達型號參數(shù)表 參數(shù) 型號 BM-R80 BM-R100 BM-R125 BM-R160 BM-R200 BM-R250 額定轉(zhuǎn)速 R/min 620 500 400 310 250 200 公稱排量 Ml/r 80 100 125 160 200 250 額定壓力 MPA 12.5 12.5 12.5 12.5 10.0 10.0 額定轉(zhuǎn)矩 N.M 120 150 190 240 250 310 額定轉(zhuǎn)矩 R/min 620 500 400 310 250 200 額定流量 L/min 50 50 50 50 50 50 重量 kg 7.0 7.1 7.3 7.6 7.9 8.5 總效率 68 68 68 68 68 68 長度L mm 145 148.5 153 159 166 175 表2-3BM-R型馬達型號參數(shù)表 根據(jù)上表參數(shù)，選則BM-R100液壓馬達作為機械手旋轉(zhuǎn)的動力源。 BM-R100液壓馬達采用簡單的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和良好的進口密封件，因此具有結(jié)構(gòu)簡單，起動靈敏度高，可選轉(zhuǎn)速范圍寬，使用壽命長，小巧輕便等優(yōu)點。而且此液壓馬達可直接與工作機構(gòu)相連。就比如本設(shè)計中，液壓馬達的末端和主動小齒輪相連，帶動與小齒輪嚙合的大齒輪轉(zhuǎn)動，大齒輪又和機械手的中心主軸通過平鍵連接，帶動機械手整體旋轉(zhuǎn)。 2.4導(dǎo)向裝置和平衡裝置 2.4.1導(dǎo)向裝置 氣壓機械手的手臂在進行伸縮運動時，機械手臂可能會繞中心軸旋轉(zhuǎn)，這樣會對機械手的精度產(chǎn)生一定的影響，導(dǎo)致機械手在抓取物體時會偏移一定的距離，盡管這個距離可能很小，但是隨著機械手不斷的運動這個偏移就可能會變的不容忽視，最終導(dǎo)致抓不到工件。為了防止這種情況的發(fā)生，我們需要在氣壓缸上端安裝導(dǎo)向桿，以此來增加手臂的剛性。至于具體的安裝形式要根據(jù)機械手手臂結(jié)構(gòu)來確定。 本機械手由于是氣動機械手，運行速度不算太快，手臂產(chǎn)生的偏移也不太大，因此采用單導(dǎo)向桿裝置來提高機械手臂的剛性和導(dǎo)向性。 2.4 .2平衡裝置 在本設(shè)計中，由于機械手伸縮臂不是對稱分布的，如果不安裝平衡裝置會對機械手的穩(wěn)定性，精度和壽命有影響。因此為了使機械手臂兩端的力矩相等，需要在其中一端安裝平衡裝置。一般情況下平衡裝置內(nèi)會放置重物來平衡機械手左右力矩，至于平衡裝置內(nèi)重物的質(zhì)量，則要根據(jù)機械手抓去的工件質(zhì)量來確定。抓取不同的物體就放之相對應(yīng)的重物，力求手臂兩端力矩相等。因為這樣不僅可以增加機械手的穩(wěn)定性，精度還會增加機械手的壽命。 2.5機械手的定位及平穩(wěn)性 2.5.1常用的定位方式 本次定位方式選用的是機械擋塊定位，方式是在每一步的最終位置放置機械擋塊，機械手經(jīng)PLC控制到達最終位置時減速，并且貼著機械擋塊而停止，從而達到定位的目的。[6] 2.5.2影響平穩(wěn)性和定位精度的因素 任何機器的正常運作，實際上都是空間的定位問題，是由很多線量和角量結(jié)合組成的，而影響這些線量和角量定位誤差的因素有定位速度，制造精度，結(jié)構(gòu)剛度，運動件的重量，驅(qū)動源，控制系統(tǒng)等。[7] 2.5.3氣動機械手運動的緩沖裝置 一般情況下，緩沖裝置有兩種，分為內(nèi)緩沖和外緩沖。 本次機械手設(shè)計用的氣缸端部緩沖裝置。其作用原理是當(dāng)活塞運動到距氣缸蓋一段距離時，端蓋和活塞之間能行成緩沖室，緩沖室可以產(chǎn)生背壓阻力而這個背壓阻力可以是活塞運動減速然后停止，從而達到了避免碰撞的目的，而這個裝置被稱為氣缸端部緩沖裝置。[5] 在設(shè)計緩沖裝置時， 最大加速度、 緩沖腔最大沖擊壓力和 殘余速度是受外部因素影響的。而我們在這里采取的校核方法是固定變量法，即讓其他因素不變校核一個因素[6] (1)選擇最大加速度 一般情況下，最大加速度的選取要參考機械手的外部結(jié)構(gòu)，機械手越大最大加速度越大，機械手越小，最大加速度越小。重載低速氣動機械手，最大加速度一般取 5以下，對于輕載高速氣動機械手，最大加速度一般取- 取5～10m/s2 。因為本機械手是輕載高速機械手，所以最大加速度取8m/s2。 (2)計算沿運動方向作用在活塞上的外力F 水平運動時： （2.23） =138N (3)計算殘余速度 （2.24） m/s（來源：機械動力學(xué)第132頁） 2.6工件檢測裝置和壓力傳感器 本設(shè)計的工件檢測測裝置為光電傳感器。光電檢測方法檢測目標(biāo)物體時，檢測精度非常高，而且檢測速度很快，不用直接接觸工件，而且能夠測量的參數(shù)很多并且結(jié)構(gòu)簡單，能夠安裝在很多不同裝置上。 當(dāng)光電傳感器可以檢測傳送帶上的工件是否到位，如果工件到位，那么傳感器就會發(fā)送信號到PLC控制系統(tǒng)，然后PLC控制系統(tǒng)就會發(fā)出指令給與其相連的為傳送帶提供動力的電動機，使電動機停止，機械手開始工作，當(dāng)工件離開傳送帶時，電機工作，檢測到工件就停止。 壓力傳感器是為了保證機械手能抓到目標(biāo)物體。壓力傳感器(Pressure Transducer)是能感受壓力信號，并且能將壓力信號并能按照一定的規(guī)律將壓力信號轉(zhuǎn)換成可用的輸出的電信號的器件或裝置。[8] 壓力傳感器可以保證機械手在抓取過程中抓到工件，保持機械手的正常運轉(zhuǎn)，如果壓力傳感器感受不到工件的存在，PLC的程序就不會往下走。所以，壓力傳感器可以保證機械手在抓取工件時高效，正常運作。 畢業(yè)設(shè)計說明書 第三章 氣動驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計 氣動驅(qū)動和液壓驅(qū)動都是是機械手的控制形式。而氣動驅(qū)動通過氣壓泵壓縮空氣推動活塞運動，進而使機械手臂移動。氣動驅(qū)動的運行速度室友氣體的流動量和壓力來決定的。 主要優(yōu)點： (1)氣壓缸的結(jié)構(gòu)簡單，市場上能直接選購且工作效率高。 (2)氣泵壓縮的空氣具有環(huán)保性，不會因泄漏而污染空氣。 (3)氣動元件可以長時間工作，因為氣動元件可以自動降溫，不會因為發(fā)熱而影響工作的正常進行。 (4)氣動元件氣動元件的響應(yīng)能力強，能夠在第一時間起動，并且?guī)缀鯖]有后滯現(xiàn)象，能夠快速的制動防止事故發(fā)生。并且其工作時精度很高，位移上幾乎沒有誤差。 缺點:氣動控制的主要缺點是其控制系統(tǒng)相對復(fù)雜，檢測裝置補償功能都不如電子系統(tǒng)。 3.1手部抓取缸 圖 3.1 手部抓取缸氣動原理圖 (1) 手部抓取缸氣動原理圖如圖3.1所 工作原理如下： 由圖可知機械手的手部抓取缸有一個兩位五通閥和一個調(diào)速閥組成。電磁鐵沒有通電時氣泵沒有打開，氣壓不會產(chǎn)生。當(dāng)電磁通電時滑閥可以控制氣流的進口方向，當(dāng)氣流從左邊進入氣壓缸，會推動活塞向下移動，齒條會帶動齒輪旋轉(zhuǎn)，此時機械手爪夾緊；當(dāng)滑閥改變氣流進入的方向時，即氣流從右邊進入氣缸活塞會向上運動，而此時齒輪的轉(zhuǎn)動方向與上面相反，機械手爪放松。 與此同時，手部抓取缸還設(shè)有調(diào)速閥，可以控制氣體的流速，進而控制活塞桿的運動速度，來達到調(diào)整機械手的抓取速度的目的。 17 3.2 手臂升降氣動回路 圖 3.2 手臂升降缸氣動原理圖 (1) 手臂升降氣動原理圖如圖3.2所示 畢業(yè)設(shè)計說明書 工作原理如下： 由上圖知，機械手臂的升降氣動回路主要由一個兩位三通閥和一個調(diào)速閥組成。當(dāng)電磁鐵通電時，滑閥可以選擇左右入口，當(dāng)氣流從流入入口時，氣流會推動活塞向上運動，活塞向上運動會帶動導(dǎo)向桿也向上運動，此時機械手開始上升。當(dāng)你想調(diào)整機械手的上升速度時，我們可以找到回路中有一個和主回路并聯(lián)的調(diào)速閥，撥動開關(guān)，氣流就會從主回路轉(zhuǎn)移到有調(diào)速閥的回路，此時我們可以通過調(diào)速閥來調(diào)節(jié)氣體的流量大小，從而達到調(diào)整機械手升降速度的目的。 而當(dāng)氣流從另一個入口進入氣壓缸時，活塞會向下運動，從而帶動機械手向下運動這就是機械手的升降氣動回路。 3.3手臂伸縮缸氣動回路 圖 3.3 手臂伸縮缸氣動原理圖 19 (1)小臂伸縮缸氣動原理圖如圖3.3所示 工作原理如下： 機械手臂的升降氣動回路主要由一個兩位三通閥和一個調(diào)速閥組成。當(dāng)電磁鐵通電時，滑閥可以選擇左右入口，當(dāng)氣流從流入入口時，氣流會推動活塞向上運動，活塞向上運動會帶動導(dǎo)向桿也向上運動，此時機械手開始上升。當(dāng)你想調(diào)整機械手的上升速度時，我們可以找到回路中有一個和主回路并聯(lián)的調(diào)速閥，撥動開關(guān)，氣流就會從主回路轉(zhuǎn)移到有調(diào)速閥的回路，此時我們可以通過調(diào)速閥來調(diào)節(jié)氣體的流量大小，從而達到調(diào)整機械手升降速度的目的。 3.4氣動系統(tǒng)總體原理圖 圖 3.4氣動系統(tǒng)總體原理圖 （1）整體系統(tǒng)圖如圖3.4所示, （2）工作過程: 手臂下降→手爪抓緊→手臂上升→底座旋轉(zhuǎn)→手臂下降→手爪放松 （3） 電磁鐵動作順序如表3-5 畢業(yè)設(shè)計說明書 電磁鐵動作順序表 元件 動作 1DT 2DT 3DT 4DT 5DT 6DT 手臂伸長 手爪抓緊 底座上升手臂收縮 手部放松 底座下降 - - - + - - + - - - - - - - - - + + - - + - - - - + - - - - - - - - + + 表3-5電磁鐵動作順序表 第四章PLC控制系統(tǒng)設(shè)計 4.1 可編程序控制器的設(shè)計步驟 用PLC完成對生產(chǎn)過程的控制，通常的設(shè)計任務(wù)分為硬件和軟件設(shè)計兩部分。而具體設(shè)計時，可按照如下步驟: (1) 工藝流程圖 機械手的工藝流程如下：首先機械手原點位置，當(dāng)檢測裝置檢測到傳送帶上有物體時，機械手下降，下降到指定位置時，機械手執(zhí)行夾緊動作，夾緊到位后，機械手上升，上升到位后，兩個嚙合齒輪帶動機械手向左旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)到位后，機械手下降，下降到位后，執(zhí)行松開動作，之后再上升，然后向左旋轉(zhuǎn)，到達左限位后停止，到光電開關(guān)再一次檢測到物品時，再次執(zhí)行以上操作。這就是機械手的工藝流程。如圖5-1所示 23 （2)PLC硬件的選擇 PLC的型號有很多，選用時要考慮以下幾個因素1.PLC的功能2.輸入接口模塊3.輸出接口模塊，另外還要考慮其可靠性，價格，等問題。 結(jié)合以上因素，我們選擇S7-200CPU226. (3)編制I/0地址號分配對照表和符號表 即要編寫一個輸入輸出信號代號和分配到PLC內(nèi)的與其相連接的輸入輸出繼電器號的對照表，就是所謂的I/O分配表還要確定的就是控制程序內(nèi)的計時器，定時器，繼電器等數(shù)量和編號，就是為了現(xiàn)場調(diào)試和查找故障。 （4）畫出接線圖 接線圖就是PLC與現(xiàn)場器件的實際安裝連線圖。因為不同的輸入信號連接到PLC輸入端時決定輸入繼電器是通電還是斷電，借助接線圖，我們可以理清邏輯關(guān)系，，按圖進行現(xiàn)場接線，從而使系統(tǒng)正常運作。如圖5-2 (5)畫出梯形圖 如圖5-5所示，為機械手自動程序的梯形圖。 本設(shè)計的程序分為四個子程序，分別為公用程序，手動程序，回原點程序和自動程序。附表會依次給出其梯形圖。 自動程序的順序功能圖如圖5-7 (6)進行系統(tǒng)模擬和調(diào)試程序 即檢查程序是否能正常運行，如果不能正常運行則必須在編輯器上修改程序直至能夠正常運行。 在我們進行現(xiàn)場調(diào)試的前面，首先進行模擬調(diào)試。如果執(zhí)行動作和輸出動作正常則可進行現(xiàn)場調(diào)試，如果執(zhí)行動作和輸出動作不正常，或者程序不能正常運行，則繼續(xù)模擬調(diào)試進行修正，當(dāng)程序能夠輸出正確的動作時調(diào)試成功。 (7)保存程序 硬件和軟件都滿足設(shè)計要求即可保存程序，正常使用?？梢詫⒆罱K程序由打印機打出，作為技術(shù)文件存檔備用。 4.2機械手PLC控制方案 4.2 控制系統(tǒng)的工作原理及控制要求 4.2.1 PLC的控制原理 本設(shè)計為圓柱座標(biāo)氣動機械手。機械手臂具有三個自由度，即水平方向的伸縮;豎直方向的升降;底座的左右旋轉(zhuǎn)。其次，機械手的手爪部分還可以完成對工件的抓放功能。旋轉(zhuǎn)動作采用氣壓馬達驅(qū)動，其余的動作都采用氣壓缸驅(qū)動，即用三個二位五通電磁閥，分別控制三個氣壓缸和馬達，使機械手完成伸縮、升降，旋轉(zhuǎn)及機械手抓放動作。這樣，可用PLC的輸入端和輸出端各連接相應(yīng)的裝置，通過編寫程序，使機械手按照程序的指令來進行運動，當(dāng)你需要改變機械手的動作時，只要重新編程就可以了，而不用去重新接線。除此之外，機械手的各個執(zhí)行器的末端都安裝有限位開關(guān)，保證機械手的動作精確無誤，如果動作出現(xiàn)偏差，則出錯信號燈亮，機械手就停止工作，知道故障排除才能工作。 4.2.2.控制要求 為了能夠應(yīng)對各種需要，機械手設(shè)置了手動工作方式、單周期工作方式和自動工作方式和單步工作方式。[9] （1）手動工作方式 為了便于觀察機械手的每一步動作和對設(shè)備的調(diào)整和維修，在這里設(shè)置手動工作方式。即用六個按鈕來控制機械手的各個動作，松開。同時為了機械手的安全運轉(zhuǎn)，在手動程序中設(shè)置了一些動作相互的連鎖。 手動工作方式的梯形圖如圖5.2.1 用限位開關(guān)的常閉觸點I0.1-I0.4來保證機械手的工作范圍。設(shè)置升降，左轉(zhuǎn)與右轉(zhuǎn)之間的連鎖，防止兩個相反的動作同時為運行。上限位開關(guān)I0.2的常開觸點與控制旋轉(zhuǎn)的Q0.3和Q0.4的線圈串聯(lián)，機械手升到指定位置才能左右旋轉(zhuǎn)，以防止機械手在不合適的位置時和其他東西碰撞。機械手在最左邊或最右邊時才允許松開工件和升降操作。 （2）自動工作方式 顧名思義，其工作方式是機械手手從初始位置開始反復(fù)工作下去，但按下停止按鈕時就會停止工作。 自動工作和單周期不一樣的地方在于“連續(xù)標(biāo)志”M0.7和“轉(zhuǎn)換允許”M0.6 自動工作時單步開關(guān)I2.2的常閉觸點接通，轉(zhuǎn)換允許標(biāo)志M0.6接通,允許步與步之間的轉(zhuǎn)換。且連續(xù)開關(guān)I2.4接通，初始步時系統(tǒng)處于原始狀態(tài)，M0.5和M0.0接通,按下啟動按鈕I2.6,A點降步M2.0為ON，下降閥Q0.0的線圈通電，機械手下降，同時，M0.7的線圈接通并一直保持下去。 當(dāng)機械手碰到下限位開關(guān)I0.1時，轉(zhuǎn)換到“夾緊”步M2.1，夾緊閥Q0.1被置位，工件被夾緊。同時接通延時定時器T37開始計時，2S后時間到，完成加緊，T37常開觸點閉合，A點升M2.2被置為1，機械手上升，以此類推，機械手將一步一步走下去。 當(dāng)機械手返回到最左邊時，左限位開關(guān)為ON，連續(xù)標(biāo)志M0.7為ON,轉(zhuǎn)換條件M0.7I0.4滿足，系統(tǒng)將返回M2.0，以后系統(tǒng)會一直按照這種方式工作下去，除非工作人員按下終止按鈕。 （3） 單周期工作方式 手臂從初始位置開始運轉(zhuǎn)，一個周期后就會停止工作。 單周期工作方式中，連續(xù)標(biāo)志M0.7沒有接通。其余的都和自動工作方式一樣，當(dāng)機械手在最后一步M2.7返回到最左邊時，左限位開關(guān)連接，連續(xù)標(biāo)志非M0.7I0.4滿足，系統(tǒng)停留在原點位置，機械手運動停止。 （4） 單步工作方式 在單步工作方式中，單步開關(guān)I2.2接通，它的常閉觸點斷開，M0.6在一般情況下為斷開，不允許步與步之間的轉(zhuǎn)換。 按下啟動按鈕I2.6，轉(zhuǎn)換允許M0.6在一個掃描周期為接通，A點降M2.0被置為活動步，機械手得到指令下降，在啟動按鈕接通后，M0.6變?yōu)镺FF。機械手碰到下限位開關(guān)I0.1時，與下降閥Q0.0線圈串聯(lián)的下限位開關(guān)I0.1常閉觸點斷開，讓Q0.0線圈斷電，機械手停止下降。此時第四個網(wǎng)絡(luò)的I0.1常開觸點閉合，等到按下啟動按鈕，M0.6常開觸點接通，，夾緊步上升沿，才能轉(zhuǎn)換到夾緊步。以后在完成某一步的操作后，都必須按一次啟動按鈕，使轉(zhuǎn)換允許標(biāo)志M0.6的常開觸點接通一個掃描周期，才能轉(zhuǎn)換到下一步。 畢業(yè)設(shè)計說明書 結(jié) 論 本設(shè)計為氣壓搬運機械手，具有三個自由度和機械手爪的抓緊，放松功能。能夠完成對目標(biāo)物品的搬運工作，其次，本設(shè)計為通用型搬運機械手，可以通過修改程序來完成對不同物品的搬運。 采用氣動傳動，因為搬運目標(biāo)物品較輕，故采用氣動傳動，并且氣動傳動成本低，能實現(xiàn)過載保護，便于自動控制。 采用PLC控制，可靠性高，靈活性高，可以根據(jù)具體的情況來編寫程序，通用性強。 因此本設(shè)計完全可以滿足搬運目標(biāo)物體的功能。 基于PLC的機械手利用PLC編程控制，實現(xiàn)機械手的夾緊、松動、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)，上下。PLC機械手，未來的發(fā)展趨勢，不僅易學(xué)，而且更通用。[10] 通過本次設(shè)計我學(xué)到了很多東西，以前不太懂得知識經(jīng)過不斷的翻閱資料現(xiàn)在都已經(jīng)熟稔于心，而且本次畢業(yè)設(shè)計是多門專業(yè)課的綜合，這種跨度大設(shè)計也鍛煉了我的多種能力，也加強了我對專業(yè)知識掌握?？傊?，我從畢業(yè)設(shè)計中受益良多。 參考文獻 [1] 徐灝.機械設(shè)計手冊3[M].北京：機械工業(yè)出版社,1998，p20-p55 [2] 張建民.工業(yè)機械手[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，1994,p66-p91 [3] 《工業(yè)氣動機械手》編寫組.工業(yè)氣動機械手-機械結(jié)構(gòu)上[M].上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社,2005,p20-p22 [4] 李允文.《工業(yè)氣動機械手設(shè)計》[M].機械工業(yè)出版社,北京，1996,p30-p31 [5] 丁樹模.《氣動傳動》[M].機械工業(yè)出版社,北京，1992,p1-p40 [6] 陸祥生、楊秀蓮.《氣動機械手》[M].中國鐵道出版社,北京，1985,p33-p56 [7]陳在平等.可編程控制器（PLC）系統(tǒng)設(shè)計[M].北京：電子工業(yè)出版社.2007 [8]晁陽，胡軍，熊偉.可編程控制器原理應(yīng)用與實例解析[M].北京：清華大學(xué)出版社.2007 [9] 廖常初.PLC編程及應(yīng)用[M].北京:機械工業(yè)出版社.2015 [10]Xin Wen Wang,Feng Lan Wang. PLC Application in Carrying Manipulator[J]. Applied Mechanics and Materials,2014,3512(651). [11]Peng Peng Huang,Jian Fu Chen,Qiang Lei. A Design of Sheet Metal Handing Manipulator Based on PLC[J]. Advanced Materials Research,2011,1335(291). [12]Fuwen, Hu. Loading and Unloading Manipulator Controlled by Built-in PLC in CNC System[J]. Sensors & Transducers,2013,159(11). 附錄 附錄1 I/O地址分配表 附錄2 機械手外部接線圖 附錄3手動程序梯形圖 附錄4公用程序梯形圖 附錄5自動返回原點程序梯形圖 附錄6自動程序梯形圖 附錄7 PLC程序的仿真 （1）手動程序仿真 （2）自動程序仿真 （3）自動返回原點程序仿真 致 謝 首先向安老師表示誠摯的謝意。本設(shè)計是安老師的悉心指導(dǎo)下完成的，從一開始的毫無頭緒，到一步步的熟悉設(shè)計的大致方向，到最后完成設(shè)計，安老師都給了我很大的幫助。每當(dāng)自己被設(shè)計困擾時，都會去辦公室找安老師，每次老師都會耐心的講解我問的問題，然后自己就會豁然開朗，再次帶著熱情投入到接下來的設(shè)計中。老師也給我們提供了很多的資料，讓我們可以了解到更多的內(nèi)容，完善自己的畢業(yè)設(shè)計。 同時我還要感謝各專業(yè)老師和同學(xué)們，是你們的幫助讓我順利的完成自己的畢業(yè)設(shè)計，最后我要感謝我的父母和妹妹，每當(dāng)自己很累的時候，他們最會在我背后默默支持我，鼓勵我。 四年轉(zhuǎn)瞬即逝，但思念會一直留在心中，我不會忘記老師的教誨和同學(xué)的情誼，讓我們后會有期