PLC控制的通用翻转机械手的设计.doc

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目录

1绪论………………………………………………………………………………5

1.1前言………………………………………………………………………………5

1.2工业机械手在生产中的应用……………………………………………………7

1.3机械手的组成……………………………………………………………………8

1.3.1执行机构…………………………………………………………………8

1.3.2驱动机构……………………………………………………………9

1.3.3控制系统分类………………………………………………………9

2总体布局设计方案…………………………………………………………………9

2.1机械手的确定………………………………………………………………9

2.2驱动机构的选择……………………………………………………10

2.3机械手的技术参数列表…………………………………………………11

3机械手手部的设计计算…………………………………………………………11

3.1手部设计时应注意的问题…………………………………………………11

3.2典型的手部结构……………………………………………………………11

3.3机械手手部结构及驱动的设计计算………………………………………12

3.3.1选择手部的类型及夹紧装置………………………………………12

3.3.2手指夹紧力及液压缸驱动力的计算液压缸的选用………………12

3.4机械手手指部的设计计算………………………………………………14

3.4.1齿轮齿条传动机构的设计计算…………………………………14

3.4.2手指指部的设计计算……………………………………………18

3.4.3手指指部齿轮安装销的设计计算………………………………18

4机械手腕部的设计计算…………………………………………………………18

4.1机械手腕部结构及运动分析……………………………………………18

4.2机械手腕部驱动装置的设计计算及选用………………………………18

5机械手臂部的设计及有关计算…………………………………………………20

5.1臂部设计时应注意的问题………………………………………………20

5.2手臂的典型结构以及结构的选择………………………………………20

5.3手臂Z方向升降运动的受力分析及其计算……………………………21

5.4手臂Z方向升降运动液压缸结构尺寸的设计计算及选用……………23

6机身的设计…………………………………………………………………24

6.1机身的概述……………………………………………………………24

6.2机身设计时应注意的问题……………………………………………24

7液压元件及动力机的设计选择………………………………………………25

7.1液压泵的选择……………………………………………………………25

7.2动力机选择……………………………………………………………25

7.3油管的设计………………………………………………………………26

7.4油箱的设计………………………………………………………………26

7.5液压元件的选择…………………………………………………………26

7.6液压油的选用…………………………………………………………28

8液压系统的验算………………………………………………………………29

8.1压力损失的验算…………………………………………………………29

8.1.1回路压力损失的验算……………………………………………29

8.1.2局部压力损失验算……………………………………………29

8.2计算液压系统的发热温升………………………………………………30

9可编程控制器PLC………………………………………………………………31

9.1PLC简介……………………………………………………………………31

9.2PLC内部原理………………………………………………………………33

9.3PLC工作元原理………………………………………………………35

9.4PLC机型的选择……………………………………………………………38

10PLC工作控制过程简述………………………………………………………39

结束语…………………………………………………………………………40

参考文献……………………………………………………………………………41

致谢…………………………………………………………………………………42

附录…………………………………………………………………………………42

PLC控制的通用翻转机械手的设计

学生：

陈斌

指导老师：

周光永

（湖南农业大学工学院，长沙410128）

摘要：

机械手是机器人的操作机，是机器人完成各种任务的执行机构。

本文主要针对生产线上的自动化设计了一个三个自由度的通用翻转机械手。

为实现机械手的动作要求，该设计采用两个活塞式液压缸和一个摆动液压缸，活塞式液压缸一个用来驱动齿条式机械手的张合来抓住物体，一个用来实现物体的移动；摆动式液压缸用来实现机械手的翻转，并采用PLC控制液压电磁阀工作实现机械手的自动动作。

关键词：

PLC控制；液压驱动；翻转；机械手

TheDesignOfTurningManipulatorBasedOnPLCControl

Student:

ChenBin

Tutor:

ZhouGuangyong

（CollegeofEngineering,HunanAgriculturalUniversity,Changsha410128,China）

Abstract:

Robotmanipulatoristheoperatorwhodirectstherobotincompletingvarioustasks.Thisarticlefocusesontheautomationoftheproductionlinedesignedgenericflipofathree-design-of-freedomrobot.Actionsrequirementsforachieveingthemanipulator.Thedesignusestwopistonhydrauliccylindersandarotaryactuator.Pistonhydrauliccylinderisusedtodrivearackrobotsheetstogethertograspobjects,oneforthemovementofobjiect.Theswininghydrauliccylinderusedtoachevetheroboticflip.AndhydraulicsolenoidvalveiscontrolledbyPLCautomaticactionoftherobot.

Keywords:

PLCcontrol；hydraulicdrive;flip;Manipulator

1绪论

1.1前言

在当今大规模制造业中，企业为提高生产效率，保障产品质量，普遍重视生产过程的自动化程度，工业机器人作为自动化生产线上的重要成员，逐渐被企业所认同并采用。

工业机器人的技术水平和应用程度在一定程度上反映了一个国家工业自动化的水平，目前，工业机器人主要承担着焊接、喷涂、搬运以及堆垛等重复性并且劳动强度极大的工作，工作方式一般采取示教再现的方式。

20世纪50年代以后﹐机械手逐步推广到工业生产部门﹐用于在高温﹑污染严重的地方取放工件和装卸材料﹐也作为机床的辅助装置在自动机床﹑自动生产线和加工中心中应用﹐完成上下料或从刀库中取放刀具并按固定程序更换刀具等作。

机械手主要由手部机构和运动机构组成。

手部机构随使用场合和作对象而不同﹐常见的有夹持﹑托持和吸附等类型。

运动机构一般由液压﹑气动﹑电气装置驱动。

机械手可独立地实现伸缩﹑旋转和升降等运动﹐一般有2～3个自由度。

机械手广泛用于机械制造﹑冶金﹑轻工和原子能等部门。

能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运对象或作工具的自动作装置。

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。

针对这一问题，本文将设计一台四自由度的工业机器人，用于移置轴类零件。

首先，本文将设计机器人的伸缩臂、机身、横移液压缸和机械手的结构，然后选择合适的传动方式、驱动方式，搭建机器人的结构平台；在此基础上，本文还将设计该机器人的液压控制系统。

机器人工程是近二十多年来迅速发展起来的综合学科。

它集中了机械工程、电子工程、计算机工程、自动化控制工程以及人工智能等多种学科的最新研究成果，是当代科学技术发展最活跃的领域之一，也是我国高科技跟踪国际发展的重要方面。

工业机器人的研究、制造和应用水平，是一个国家科技发展和经济实力的象征，正受到许多国家的广泛重视。

目前，机器人的定义，世界各位尚未统一，分类也不近相同。

最近联合国组织标准化组织采纳了美国机器人协会给工业机器人下的定义：

工业机器人是一种可重复编程的多功能操作装置，可以通过改变动作程序来完成各种工作，主要应用于搬运材料，传递工件。

参考国外的定义，综合我国的习惯用语，对工业机器人做如下定义：

工业机器人是一种机体独立，动作自由度较多，程序可灵活变更，能任意定位，自动化程度高的自动操作机械。

主要用于加工自动线和柔性制造系统中传递和装卸工件或夹具。

工业机器人以刚性高的手臂为主题，与人相比，可以有更快的运动速度，可以搬运更重的东西，而且定位精度相当高。

它可以根据外补来的信号自动进行操作。

工业机器人的发展，由简单到复杂，由初级到高级逐步完善，它的发展阶段可分为三代：

第一代机器人就是现在工业中大量使用的示教再现型工业机器人，它主要由手部、臂部、驱动系统和控制系统组成。

它的控制方式比较简单，应用在线编程，即通过示教存储信息，工作是读取这些信息，向执行机构发出指令，执行机构按指令再现示教的操作。

第二代机器人是带感觉的机器人。

它具有寻力觉、嗅觉、视觉等进行反馈能力。

其控制方式较第一代要复杂的多，这种机器人从1980年开始进入实验阶段，不久将普及应用。

第三代机器人即智能机器人。

这种机器人除了嗅觉、视觉等功能外，还能够根据人给出的指令认识自身或周围的环境，识别状态的有无及其状态，再根据这一识别自动选择程序进行操作，完成规定的任务，并且能跟踪工作对象的变化具有使用工作环境的功能。

这种机器人还处于试验阶段，尚未大量投入实用。

基于液压控制的移置机械手的设计有以下几个主要内容：

1）设计计算各非标准零部件及选用标准件

2）测绘各零部件图

3）设计并绘制PLC和液压系统控制图

4）编写机械手的设计计算说明书

1.2工业机械手在生产中的应用

机械手是工业自动控制领域中经常遇到的一种控制对象。

机械手可以完成许多工作，如搬运、装配、切割、喷染等等，应用非常广泛。

在现代工业中，生产过程中的自动化已成为突出的主题。

各行各业的自动化水平越来越高，现代化加工车间，常配有机械手，以提高生产效率，完成工人难以完成的或者危险的工作。

可在机械工业中，加工、装配等生产很大程度上不是连续的。

据资料介绍，美国生产的全部工业零件中，有75%是小批量生产；金属加工生产批量中有四分之三在50件以下，零件真正在机床上加工的时间仅占零件生产时间的5%。

从这里可以看出，装卸、搬运等工序机械化的迫切性，工业机械手就是为实现这些工序的自动化而产生的。

目前在我国机械手常用于完成的工作有：

注塑工业中从模具中快速抓取制品并将制品传诵到下一个生产工序；机械手加工行业中用于取料、送料；浇铸行业中用于提取高温熔液等等。

本文以能够实现这类工作的搬运机械手为研究对象。

下面具体说明机械手在工业方面的应用。

1.3机械手的组成

要机械手像人一样拿取东西，最简单的基本条件是要有一套类似于指、腕、臂、关节等部分组成的抓取和移动机构——执行机构；像肌肉那样使手臂运动的驱动－传动系统；像大脑那样指挥手动作的控制系统。

这些系统的性能就决定了机械手的性能。

一般而言，机械手通常就是由执行机构、驱动－传动系统和控制系统这三部分组成，如下图1：

图1机械手的组成

Figure1:

ThepictureofManipulator'scomposition

1.3.1执行机构

（1）手部既直接与工件接触的部分，一般是回转型或平动型（多为回转型，因其结构简单）。

手部多为两指（也有多指）；根据需要分为外抓式和内抓式两种；也可以用负压式或真空式的空气吸盘（主要用于吸冷的，光滑表面的零件或薄板零件）和电磁吸盘。

传力机构形式教多，常用的有：

滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜槭杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母式、弹簧式和重力式。

（2）腕部是连接手部和臂部的部件，并可用来调节被抓物体的方位，以扩大机械手的动作范围，并使机械手变的更灵巧，适应性更强。

手腕有独立的自由度。

有回转运动、上下摆动、左右摆动。

一般腕部设有回转运动再增加一个上下摆动即可满足工作要求，有些动作较为简单的专用机械手，为了简化结构，可以不设腕部，而直接用臂部运动驱动手部搬运工件。

目前，应用最为广泛的手腕回转运动机构为回转液压（气）缸，它的结构紧凑，灵巧但回转角度小（一般小于2700）,并且要求严格密封，否则就难保证稳定的输出扭距。

因此在要求较大回转角的情况下，采用齿条传动或链轮以及轮系结构。

（3）臂部手臂部件是机械手的重要握持部件。

它的作用是支撑腕部和手部（包括工作或夹具），并带动他们做空间运动。

臂部运动的目的：

把手部送到空间运动范围内任意一点。

如果改变手部的姿态（方位），则用腕部的自由度加以实现。

因此，一般来说臂部具有三个自由度才能满足基本要求，即手臂的伸缩、左右旋转、升降（或俯仰）运动。

手臂的各种运动通常用驱动机构（如液压缸或者气缸）和各种传动机构来实现，从臂部的受力情况分析，它在工作中既受腕部、手部和工件的静、动载荷，而且自身运动较为多，受力复杂。

因此，它的结构、工作范围、灵活性以及抓重大小和定位精度直接影响机械手的工作性能。

1.3.2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。

1.3.3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。

2总体布局设计方案

2.1机械手座标形式的确定

常用工业机械手按驱动方式分:

直角座标式、圆柱座标式、球座标式、多关节式几种类型，如图2.1所示。

其中直角座标式手臂可沿X、Y、Z座标轴作直线移动，即伸缩、升降和横移。

其特点是直观性好，所占空间位置大。

根据设计任务所需，特选定为直角座标式。

图2机械手座标型式

Figure2:

ThepictureofManipulator'sCoordinatestype

该机械手具有3个自由度，即：

手指张合；手腕回转；手臂升降3个主要运动。

该机械手各运动可由3个液压缸实现。

（1）手部采用一个直线液压缸，预计通过齿轮齿条机构实现手指的张合。

（2腕部采用一个摆动液压缸来实现手部及工件的回转。

（3）臂部采用直线液压缸来实现手臂的升降。

根据以上参数，图2.2是机械手整体结构示意图。

图3机械手整体结构示意图

Figure3:

ThepictureoftheManipulator'swholedesign

2.2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。

根据驱动方式的不同,工业机械手大致可分为液压式、气动式、电动式和机械式驱动。

采用液压机构驱动机械手,操作力大，体积小，动作平稳等优点。

因此，此机械手的驱动方式选择液压驱动。

2.3机械手的技术参数列表

表一机械手主要技术参数

Table1ThemaintechnicalparametersofManipulator

项目主要数据参数

手臂运动型式直角座标式

抓取重量

自由度数3个

手臂升降行程

手臂升降时间5秒

手腕回转行程180度

手腕回转时间3秒

手指张合角度30度

手指张合时间2秒

定位方式和定位精度机械挡块，

控制方式PLC控制

驱动方式液压驱动

3机械手手部的设计计算

3.1手部设计时应注意的问题

1）应具有适当的夹紧力和驱动力。

应当考虑到在一定的夹紧力下，不同的传动机构所需的驱动力大小是不同的。

2）手指应具有一定的张开范围，手指应该具有足够的开闭角度（手指从张开到闭合绕支点所转过的角度），以便于抓取工件。

3）要求结构紧凑、重量轻、效率高，在保证本身刚度、强度的前提下，尽可能使结构紧凑、重量轻，以利于减轻手臂的负载。

4）应保证手抓的夹持精度。

3.2典型的手部结构

手部主要有以下几类：

手指式、吸盘式、磁吸式及其他形式。

本设计抓取的零件为盘类零件，故选择二指式来实现对工件的抓放。

手指式又可分为：

1）平移式手指当手指夹持的工件直径变化时并不影响工件中心位置的改变，即定位误差为零。

但平移式手指结构较复杂，体积大，要求加工精度高。

显然本设计机械手不适合使用此方案。

2）回转式手指当手指夹持不同直径的工件时则产生定位偏差。

但回转式手指结构简单。

综上，本机械手选择二指回转式手指。

3.3机械手手部结构及驱动的设计计算

3.3.1选择手部的类型及夹紧装置

本设计选择二指式回转型手部，在液压缸的液压推力作用下通过采用齿轮齿条传动来实现机械手手指张合，从而实现机械手对工件的抓放。

3.3.2手指夹紧力及液压缸驱动力的计算液压缸的选用

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下式计算：

式中——安全系数，通常取1.2--2，这里取1.5

——工作情况系数，主要考虑惯性力的影响，可按估算。

为机械手在搬运工件过程中的加速度。

取

——方位系数，经查机械手册选取

G——被抓取工件的重量，这里为50kg

代入数据可解得

（1）

（2）液压缸驱动力的计算

手指张合采用齿轮齿条传动，结构简图如图4所示.

图4机械手手部结构

Figure4:

ThestructureoftheManipulator`shand

取R=140mm,b=200mm,由手部的传动结构形式，查机械设计手册知其驱动力计算公式为

（2）

取机械效率

（3）

（3）确定手指张合驱动液压缸直径D及活塞杆直径d，液压缸受力分析如图3.2所示.

图5液压缸示意图

Figure5Schematicdiagramofhydrauliccylinder

由以上计算知夹紧液压缸最大工作负载约为1885.33N，由参考文献[1]中表9－1选取液压缸工作压力p＝1Mpa。

液压缸选用单杆式，并在机械手手指张开过程中采用差动连接，此时无杆腔工作面积为有杆腔工作面积的两倍，即活塞杆直径d与缸筒直径的关系为d＝0.707D。

液压缸工作过程中必须具有一定背压，参考参考文献中表9－3取p2＝0.2Mpa。

由夹紧时所需推力计算液压缸直径

（4）

即

解得D＝94.314mm，则d＝0.70794.314＝66.680mm

根据液压缸的内径系列查参考文献［3］中表3.50选取液压缸内径为：

D＝100mm;

查参考文献［3］中表3.51选活塞杆直径为:

d＝70mm。

（4）确定液压缸行程L

由预计设计参数手指张合30度及齿轮齿条传动中确定的齿轮分度圆直径d＝140mm可计算

（5）

查参考文献［3］中表3.52选取液压缸行程L＝40mm。

因采用差动连接，手指张合速度相等，预设手指张合所需时间为2s且为匀速，则

（6）

手指张开所需流量

手指闭合所需流量

（5）活塞杆的强度计算校核

活塞杆的尺寸要满足活塞（或液压缸）运动的要求和强度要求，按拉、压强度计算：

设计中活塞杆取材料为碳刚，故，活塞直径d=70mm,代入数据进行校核：

由此可见活塞杆的强度足够。

（6）液压缸的选用

由以上计算结果查参考文献［3］选用HSGK－100dE型液压缸。

3.4机械手手指部的设计计算

3.4.1齿轮齿条传动机构的设计计算

此齿轮齿条传动按工作寿命