机械手-基于plc控制四自由度气动式机械手-说明书

机械手-基于plc控制四自由度气动式机械手-说明书内容摘要：

关键部件之一。 如蛇形机械手的出现，帮助人类完成了许多危险区域的任务 [4]。 其中的工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术，它的发展是由于其积极作用正日益为人们所认识：它能部分地代替人工操作；能按照生产工艺的要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送和装卸；广泛的应用机械手，可以逐步改善劳动条件，更强与可控的生产能力，加快产品更新换代，提高生产效率和保证产品质量，消除枯燥无味的工作，节约劳动力，提供更安全的工作环境，降低工人的劳动强度，减少劳动风险，提高机床，减少工艺过程中的工作量及基于 PLC控制四自由度气动式机械手 6 降低停产时间和 库存，显著地提高劳动生产率，提高企业竞争力，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐 [5]。 巴雷特机械手就是其中的典型代表， 一个在运行中能调整自己适应环境并安全的变成各种各样形状的一个智能化、高度灵活的八轴夹持器 [6]。 2 机械手的总体设计方案 机械手的工作原理及系统组成 机械手的工作原理：机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等所组成。 在 PLC 程序控制的条件下，采用气压传动方式，来实现执行机构的相应部位发生规定要求的，有顺序，有运动轨迹， 有一定速度和时间的动作 [7]。 （ 1）执行机构 包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的还增设行走机构。 基于 PLC控制四自由度气动式机械手 7 即与物件接触的部件。 由于与物件接触的形式不同，可分为夹持式和吸附式手在本课题中我们采用夹持式手部结构。 夹持式手部由手指 (或手爪 )和传力机构所构成。 手指是与物件直接接触的构件，常用的手指运动形式有回转型和平移型。 回转型手指结构简单，制造容易，故应用较广泛。 平移型应用较少，其原因是结构比较复杂，但平移型手指夹持圆形零件时，工件直径变化不影响其轴心的位置，因此适宜夹持直径变化范围大的工件。 手指结构取决 于被抓取物件的表面形状、被抓部位 (是外廓或是内孔 )和物件的重量及尺寸。 传力机构通过手指产生夹紧力来完成夹放物件的任务。 传力机构的型式较多时常用的有 :滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜面杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母弹簧式和重力式等。 手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。 手臂的作用是带动手指去抓取物件，并按预定要求将其搬运到指定的位置。 工业机械手的手臂通常由驱动手臂运动的部件 (如油缸、气缸、齿轮齿条机构、连杆机构、螺旋机构和凸轮机构等 )与驱动源 (如液压、气压或电机等 )相配合，以实现手臂的各种运动。 立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回转运动和升降 (或俯仰 )运动均与立柱有密切的联系。 机械手的立柱因工作需要，有时也可作横向移动，即称为可移式立柱。 机座是机械手的基础部分，机械手执行机构的各部件和驱动系统均安装于机座上，故起支撑和连接的作用。 （ 2）驱动系统 驱动系统是驱动工业机械手执行机构运动的。 它由动力装置、调节装置和辅助装置组成。 常用的驱动系统有液压传动、 气压传动、机械传动。 （ 3）控制系统 控制系统是支配着工业机械手按规定的要求运动的系统。 目前工业机械手的控制系统一般由程序控制系统和电气定位 (或机械挡块定位 )系统组成。 该机械手采用的是PLC 程序控制系统，它支配着机械手按规定的程序运动，并记忆人们给予机械手的指令信息 (如动作顺序、运动轨迹、运动速度及时间 )，同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令，必要时可对机械手的动作进行监视，当动作有错误或发生故障时即发出报警信号。 （ 4）位置检测装置 控制机械手执行机构的运动位置，并随时将执行机构的实际位置反馈给控制系统，并与设定的位置进行比较，然后通过控制系统进行调整，从而使执行机构以一定的精度达到设定位置 [8]。 基于 PLC控制四自由度气动式机械手 8 机械手基本形式的选择 常见的工业机械手根据手臂的动作形态 ,按坐标形式大致可以分为以下 4 种 : a 直角坐标型机械手； b 圆柱坐标型机械手； c 球坐标 (极坐标 )型机械手； d 多关节型机机械手。 其中圆柱坐标型机械手结构简单紧凑 ,定位精度较高 ,占地面积小，容易实现 [7]。 因此，本设计采用圆柱坐标型。 图 21 是机械手 外观轮廓图。 图 21 机械手外观轮廓图 驱动机构的选择 驱动机构是工业机械手的重要组成部分 , 工业机械手的性能价格比在很大程度上取决于驱动方案及其装置。 根据动力源的 不同 , 机械手的驱动方式共有三种方式：气动方式 ,液压方式 ,电驱动方式 [9]。 （ 1）气动方式：成本低 ,出力小 ,噪声大 ,控制简单。 但难以准确控制位置和速度。 属于简单非伺服型。 （ 2）液压方式： 功率重量比大 ,低速平稳 ,需液压动力源 ,漏油和油性变化会影响系统 ,各轴耦合较强 ,成本较高。 可用于易爆的环境。 （ 3）电驱动方式： 基于 PLC控制四自由度气动式机械手 9 ： 功率小 ,开环控制 ,控制简单 ,可能失步。 ： 调速性能好 ,功率较大 ,效率较高 ,但换向器需维护 ,不易用于易爆 ,多粉尘的环境。 ： 维护简单 ,使用环境不受限制 ,成本较低 ,调速性差。 根据课题要求确定圆柱坐标型机械手，利用双作用气缸驱动实现手臂上下运动；双作用气缸驱动实现手臂的伸缩运动；末端夹持器则采用夹持式手部结构，用小型单作用气压缸驱动夹紧；手腕和机座的旋转用旋转气缸驱动实现。 机械手详细设计参数 机械手的设计参数如下所示：  机械手（重复）定位精度：177。 ；  机械手最大抓重： 1kg；  工件尺寸：直径约 2～ 3cm，圆柱形，材料是铁质；  支座旋转角度为： 90 度（最大速度： 90 度每秒）；  物料盘（采用步进电机控制）每工步旋转角度： 30 度（最大转度： 30 度每秒）；  Y 轴大臂上下移动距离为： 20cm（最大速度 10cm/s）；  Y 轴小臂上下移动距离为： 10cm（最大速度 10cm/s）；  X 轴小臂伸缩距离： 10cm （最大速度 10cm/s）；  手指开合角度为： 60 度（最大速度 60 度每秒），手爪旋转角度为 180 度；  料槽小臂（推动工件的推杆）伸缩距离为： 15cm（最大速度 10cm/s）。 本章小结 本章主要讲述了机械手的工作原理和系统组成，并且简要介绍了执行部分。 机械手动作形态采用圆柱坐标式，四自由度的运动执行均由气缸驱动完成。 3 机械手手部结构设计及 计算 手部结构 四自由度气动机械手采用夹持式手部结构，由手爪和传力机构所组成。 其传力结构形式多样，有楔块杠杆式、滑槽杠杆式、连杆杠杆式、齿轮齿条平行连杆式、左右旋丝杠平移型 [10]，本设计采用滑槽杠杆式的传力机构。 端执行器的要求 （ 1）不论是夹持或是吸附，末端执行器需具有满足作业要求的足够的夹持力和所基于 PLC控制四自由度气动式机械手 10 需的夹持位置精度。 （ 2）应尽可能使末端执行器结构简单，紧凑、重量轻，以减轻手臂的负荷。 专用的末端执行器机构简单，工作效率高，而能完成多种作业的万能末端执行器可能具有结构复杂、费用昂贵的缺 点，因此提倡设计可快速更换的系列化、通用化专用末端执行器 [10]。 手爪的分类和选取 工业机器人中应用的机械式夹持器多为双指手爪式，按其手爪的运动方式可分为平移型和回转型。 回转型手爪又可分为单支点回转和双支点回转型，按夹持方式可分为外夹式和内撑式，按驱动方式有电动、液压和气动三种。 回转型夹持器结构较简单，但当所夹持的工件直径有变化时，将引起工件的轴心偏移。 这个偏移量称为夹持误差。 平移型夹持器，工件直径的变化不影响其轴心的位置，但其架构复杂，体积大，制造精度要求高。 当设计机械式夹持器式，在满 足工件定位精度要求的条件下，尽可能采用结构较简单的回转型夹持器。 [10] 结合机械手设计任务书中要求：手爪开合角为 60 度，且能够抓取重约 1kg 的圆柱形铁质工件。 所以本设计采用双支点回转型滑槽杠杆式手爪。 机械手手爪设计计算 手爪的力学分析 下面对其基本结构进行力学分析：滑槽杠杆，如图 31 为常见的滑槽杠杆式手部结构。 基于 PLC控制四自由度气动式机械手 11 αααα αα 图 31 滑槽杠杆式手部结构、受力分析 1—— 手指 2—— 销轴 3—— 杠杆 PF = 22 cos Nb Fa  （ 31） 式中： PF —— 驱动力； NF —— 夹紧力； a —— 手指的回转支点到对称中心的距离； b —— 手指长度；  —— 工件被夹紧时手指的滑槽方向与两回转支点的夹角。 由分析可知，当驱动力PF一定时，  角增大，则夹紧力 NF 也随之增大，但  角过大会导致拉杆行程过大，以及手部结构增大，因此最好  = 030 ~ 040。 夹紧力及驱动力的计算 手指加在工件上的夹紧力，是设计手部的主要依据。 必须对大小、方向和作用点进行分析计算。 一般来说，需要克服工件重力所产生的静载荷以及工件运动状态变化的惯性力产生的载荷，以便工件保持可靠的夹紧状态。 （ 1）手指对工件的夹紧力可按公式计算： 基于 PLC控制四自由度气动式机械手 12 sin 22XNakPF  （ 32） 式中 : K —— 安全 系数，通常 ~； xP—— 轴向力； a—— V形手抓的开合角；  —— 工件和手抓间的摩擦系数； 计算：设 a=10mm,b=30mm,  = 035 ，求夹紧力 NF 和驱动力PF。 设 K=， x mgP ，  根据公式，将已知条件带入得： 2 .5 1 9 .8 s in 6 03 5 .3 6 4 00 .6NF N N     （ 2）根据驱动力公式得： 2 2p 2 b c o s 4 0 2 3 0 c o s 3 51 6 1 . 0 4a 1 0NFFN      由于实际采用的气压缸驱动力大于计算，把手抓的机械效率考虑在内，一般取 ~  。 （ 3）取  p 1 6 1 .0 41 7 8 .9 1 8 00 .9FFN   实 （ 33） 夹紧气缸的设计 主要尺寸的确定 （ 1）气缸工作压力的确定 由表 31 取气缸工作压力 0. 4p MPa 基于 PLC控制四自由度气动式机械手 13 表 31 气压负载常用的工作压力 负载 F/N 5000 5000~ 10000 10000~ 20200 20200~ 30000 30000~ 50000 50000 工作压力 p/MPa ~1 ~2 ~3 3~4 4~5 5~7 （ 2）气缸内径 D 和活塞杆直径 d 的确定 可由下式推算出气压缸的内径 D：  224F D d p实 际 （ 34）  624 4 1 8 0 0 .0 2 7 60 .4 1 0 0 .7 51 0 .5FDp     。