基于PLC的机械手设计.doc

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目录

摘要 1

引言 1

1.机械手总体方案设计 2

1.1设计要求 2

1.2运动形式的选择 2

1.3驱动方式的选择 4

1.4总体结构设计 5

2.机械手手部设计 6

2.1结构分析 6

2.2计算分析 6

3.PLC控制系统设计 11

3.1机械手移动工件控制系统的控制要求 11

3.2机械手移动工件控制系统的PLC选型和资源配置 13

3.3机械手移动工件控制系统的PLC程序 14

4.动画制作 18

4.1建立机械手模型 18

4.2制作机械手的动画 18

结束语 26

致谢 26

参考文献 26

附录 27

摘要

机械手设计包括机械结构设计，检测传感系统设计和控制系统设计等，是机械、电子、检测、控制和计算机技术的综合应用。

本课题通过对设计要求的分析，设计出机械手的总体方案，重点阐述了手部结构的设计以及控制系统硬软件的设计，完成了整个系统工作的动画设计。

实现了机械手的基本搬运功能，达到了预期要求，具有一定的应用前景。

关键词：

机械手PLC动画

引言

随着世界经济和技术的发展，人类活动的不断扩大，机器人应用正迅速向社会生产和生活的各个领域扩展，也从制造领域转向非制造领域，各种各样的机器人产品随之出现。

像海洋开发、宇宙探测、采掘、建筑、医疗、农林业、服务、娱乐等行业都提出了自动化各机器人化的要求。

随着机器人的产生和大量应用，很多领域，许多单一、重复的机械工作由机器人（也称机械手）来完成。

工业机器人是一种能进行自动控制的、可重复编程的，多功能的、多自由度的、多用途的操作机, 广泛采用工业机器人，不仅可提高产品的质量与产量，而且对保障人身安全，改善劳动环境，减轻劳动强度，提高劳动生产率，节约原材料消耗以及降低生产成本，有着十分重要的意义。

和计算机、网络技术一样，工业机器人的广泛应用正在日益改变着人类的生产和生活方式。

机械手是一种模仿人手动作，并按设定的程序来抓取、搬运工件或夹持工具，机械手可在空间抓放物体，动作灵活多样，适用于可变换生产品种的中、小批量自动化生产，广泛应用于自动生产线、自动机的上下料、数控设备的自动换刀装置中。

机械手一般由执行系统、驱动系统、控制系统和人工智能组成，主要完成移动、转动、抓取等动作。

控制系统是机械手的指挥系统，它通过控制驱动系统，让执行器按照规定的要求进行工作，并检测其正确与否。

可编程控制器（PLC）是一种数定运算操作的电子系统，它将逻辑运算、顺序控制、时序、计数、算术运算等控制程序，用指令形式存放在存储器中，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种机械或生产过程。

与继电器控制线路相比，PLC具有可靠性高、抗干扰能力强；编程简单、使用方便；设计、安装容易，维护工作量少；功能完善、通用性强；体积小、能耗低等特点。

因此，机械手控制系统越平越多的由可编程控制器来实现。

1.机械手总体方案设计

1.1设计要求：

1.机械手能够完成从一个工作点取物体旋转一定角度，放到另一个工作点上。

2.要求完成手抓结构的设计，进行夹紧力的计算分析。

初值给定如下：

工件质量m=0.1kg

摩擦系数μ=0.15

重力加速度g=9.8m/s2

垂直加速度a=0.3g=2.94m/s2

水平加速度a=0.3g=2.94m/s2

回转半径r=0.5m

角速度ω＝3.5rad/s

角加速度β＝2.1rad/s2

安全系数S=1.45

夹角φ＝45°

3.要求选用PLC作为控制系统。

1.2运动形式的选择：

根据主要的运动参数选择运动形式是结构设计的基础。

常见机器人的运动形式有四种，下面分别论述其特点，然后确定运动形式。

1.直角坐标型机器人

直角坐标型机器人的结构简图如图1-1所示，它在x,y,z轴上的运动是独立的，3个关节都是移动关节，关节轴线相互垂直，它主要用于生产设备的上下料，也可用于高精度的装卸和检测和作业。

这种形式的主要特点是：

（1）在三个直线方向上移动，运动容易想象。

（2）计算比较方便。

（3）由于可以两端支撑，对于给定的结构长度，其刚性最大。

（4）要求保留较大的移动空间，占用空间较大。

（5）要求有较大的平面安装区域。

（6）滑动部件表面的密封较困难，容易被污染。

2.圆柱坐标型机器人

圆柱坐标型机器人的结构简图如图1-2所示，R、θ和x为坐标系的三个坐标，其中R是手臂的径向长度，θ是手臂的角位置，x是垂直方向上手臂的位置。

这种形式的主要特点是：

（1）容易想象和计算。

（2）能够伸入形腔式机器内部。

（3）空间定位比较直观。

（4）直线驱动部分难以密封、防尘及防御腐蚀物质。

（5）手臂端部可以达到的空间受限制，不能到达靠近立柱或地面的空间。

3.极坐标型机器人

极坐标型机器人又称为球坐标机器人，其结构图如图1-3所示，R，θ和β为坐标系的坐标。

其中θ是绕手臂支撑底座垂直轴的转动角，β是手臂在铅垂面内的的摆动角。

这种机器人运动所形成的轨迹表面是半球面。

其特点是：

（1）在中心支架附近的工作范围较大。

（2）两个转动驱动装置容易密封。

（3）覆盖工作空间较大。

（4）坐标系较复杂，较难想象和控制。

（5）直线驱动装置仍存在密封问题。

（6）存在工作死区。

4.多关节机器人

多关节机器人结构简图如图1-4所示，它是以其各相邻运动部件之间的相对角位移作为坐标系的。

θ、α和φ为坐标系的坐标，其中θ是绕底座铅垂轴的转角，φ是过底座的水平线与第一臂之间的夹角，α是第二臂相对于第一臂的转角。

这种机器人手臂可以达到球形体积内绝大部分位置，所能达到区域的形状取决于两个臂的长度比例。

其特点是：

（1）动作较灵活，工作空间大。

（2关节驱动处容易密封防尘。

（3）工作条件要求低，可在水下等环境中工作。

（4）适合于电动机驱动。

（5）运动难以想象和控制，计算量较大。

（6）不适于液压驱动。

图1-1直角坐标型图1-2圆柱坐标型

图1-3极坐标型图1-4多关节型

选择方案的准则：

1.满足设设计要求：

机械手能够旋转一定角度。

2.结构简单，便于计算分析。

分析比较以上四种运动形式，确定选用圆柱坐标型机器人。

1.3驱动方式的选择：

机器人关节的驱动方式有液压式、气动式、和电动式。

下面将三种驱动方式进行分析比较。

1.液压驱动

机器人的驱动系统采用液压驱动，有以下几个优点：

（1）液压容易达到较高的压力（常用液压为2.5～6.3MPa），体积较小，可以获得较大的推力或转矩；

（2）液压系统介质的可压缩性小，工作平稳可靠，并可得到较高的位置精度；

（3）液压传动中，力、速度和方向比较容易实现自动控制；

（4）液压系统采用油液作介质，具有防锈性和自润滑性能，可以提高机械效率，使用寿命长。

液压传动系统的不足之处是：

（1）油液的粘度随温度变化而变化，影响工作性能，高温容易引起燃爆炸等危险；

（2）液体的泄漏难于克服，要求液压元件有较高的精度和质量，故造价较高；

（3）需要相应的供油系统，尤其是电液伺服系统要求严格的滤油装置，否则会引起故障。

液压驱动方式的输出力和功率更大，能构成伺服机构，常用于大型机器人关节的驱动。

2.气压驱动

与液压驱动相比，气压驱动的特点是：

（1）压缩空气粘度小，容易达到高速；

（2）利用工厂集中的空气压缩站供气，不必添加动力设备；

（3）空气介质对环境无污染，使用安全，可直接应用于高温作业；

（4）气动元件工作压力低，故制造要求也比液压元件低。

它的不足之处是：

（1）压缩空气常用压力为0.4～0.6MPa，若要获得较大的力，其结构就要相对增大；

（2）空气压缩性大，工作平稳性差，速度控制困难，要达到准确的位置控制很困难；

（3）压缩空气的除水问题是一个很重要的问题，处理不当会使钢类零件生锈，导致机器人失灵。

此外，排气还会造成噪声污染。

气动式驱动多用于点位控制、抓取、开关控制和顺序控制的机器人。

3.电动机驱动

电动机驱动可分为普通交、直流电动机驱动，交、直流伺服电动机驱动和步进电动机驱动。

普通交、直流电动机驱动需加减速装置，输出力矩大，但控制性能差，惯性大，适用于中型或重型机器人。

伺服电动机和步进输出力矩相对小，控制性能好，可实现速度和位置的精确控制，适用于中小型机器人。

交、直伺服电动机一般用于闭环控制系统，而步进电动机则主要用于开环控制系统，一般用于速度和位置精度要求不高的场合。

本课题设计的机械手的特点：

1.点位控制进行搬运工作，采用顺序控制方式。

2.负载小，精度要求不高。

3.要求成本低。

根据以上特点，确定选用气压驱动。

1.4总体结构设计

根据圆柱坐标型运动方式和气压驱动方式的选定，对机械手进行总体结构的设计，机械结构由摆动气缸、双联气缸、单联气缸和气爪组成，结构图如图1-5所示。

图1-5机械手总体结构图

2.机械手手部设计

2.1结构分析

机械手的手部是最重要的执行机构，是用来握持工件的部件。

常用的手部按其握持原理可以分为夹持类和吸附类两大类，本课题采用夹持类手部。

夹持类手部又可分夹钳式、托勾式和弹簧式。

本课题选用夹钳式，它是工业机器人最常见的一种手部。

手部传动机构可分回转型、平动型和平移型。

回转型的特点是当手爪夹紧和松开物体时，手指作回转运动。

当被抓物体的直径大小变化时，需要调整手爪的位置才能保持物体的中心位置不变。

平动型的特点是手指由平行四杆机构传动，当手爪夹紧和松开物体时，手指姿态不变，作平动。

和回转型手爪一样，夹持中心随被夹持物体直径的大小而变。

平移型的特点是当手爪夹紧和松开工件时，手指作平移运动，并保持夹持中心固定不变，不受工件直径变化的影响。

为便于夹持避免固定中心的麻烦，采用平移型，图2-1所示的是靠导槽保持手指作平移运动。

手部结构也采用气压驱动。

图2-1手部装配图

2.2计算分析

因工件运动速度引起视在重量增加情况下的夹紧力计算

机器人手臂停止状态开始的直线运动和旋转运动的组合，所以伴随有速度和加速度.工件有了加速度，其视在重量就变化。

设机械手手部纵向中心线上所加的驱动力为P，P＝气缸有效截面积×使用的气压×η.作用在一个指尖上的夹紧力为Q（方向沿手指的运动方向）.设两个手指以摩擦力2μQ，工件重量为G=mg.夹起工件要计算的是单个手指所必须的力Q.

1.垂直上升的情况

如图2-2所示，工件以加速度a垂直上升，要使工件不掉下，下式必须成立.

得

代入数据，得

图2-2工件垂直上升时受力分析图

2.水平旋转的情况

机械手部绕垂直轴以半径r作水平旋转，工件夹紧面与旋转圆弧切线方向平行，如图2-3所示。

切线方向：

主法线方向：

副法线方向：

联立上式，求解得

代入数据，得

后指：

由于是机械手部机构，QF=QR,所以结果Q必须满足下式

代入数据，得

图2-4工件水平直进时受力分析图

综上所述，得

由于考虑到设计的机械手的安全问题，应再乘上一个安全系数S。

夹紧力Q与压强的关系由实验测得，如图2-5所示。

由设计要求得知夹持长度L＝25mm,根据图2-5可知所加的压强约为0.5MPa.

图2-5夹紧力、夹持长度、压强关系图

3.PLC控制系统设计

3.1机械手移动工件控制系统的控制要求

3.1.1机械手移动工件的基本结构、工作流程和工作原理

1.机械手移动工件的基本机构

机械移动工件的基本结构图如图3-1所示。

图3-1机械移动工件的基本结构图

2.机械手移动工作的工作流程

机械手移动工件单个工作流程示意图如图2-2所示。

机械手移动工件的单个工作流程由复位到初始位置、将机械手移动到工件处、夹紧工件、将工件移动到目标位置、放下工件和移动到初始位置6个过程组成。

机械手移动工件通过PLC平控制，可以实现这6个过程全自动依次运行。

3.机械手移动工件的工作原理

由于本机械手采用气动传动，为方便检测，选用磁性开关作为传感器。

安装在气缸外部即可。

机械手移动工件通过磁性限位开关与电磁阀来控制。

（1）机械手左转、右转、左移、右移、上移、下移分别通过左转电磁阀、右转电磁阀、左移电磁阀、右移电磁阀、上移电磁阀、下移电磁阀来实现，移动或转动的最大位置由左转限位开关SL0、右转限位开关SL1、左移限位开关SL2、右移限位开关SL3、上移限位开关SL4、下移限位开关SL5来控制。

（2）放松、夹紧工件通过放松电磁阀、夹紧电磁阀来实现。

夹紧工件通过定时器控制，根据实际情况，夹紧时间设为3秒。

放松工件通过放松限位开关来控制。

（1）按下启动按按钮，系统先检查机械手是否在初始位置，若不是机械手先进行复位，然后再进入机械手正式工作状态。

按下停止按扭，等机械手运行到初始位置后，再停车。

按下急停按钮，断开PLC外部负载电源和气动装置电源，系统立即停止。

开始

复位

移到工件处

夹紧工件

放下工件

移动初始位置处

移到目标处

结束

图3-2机械手移动工件单个工作流程

3.1.2设备控制要求

该系统要求机械手能自动进行工作，转动时要求回转半径最小，要具体控制要求如下：

（1）按下启动按钮，系统进行自检查机械是否在初始位置，不是的话先进行复位工作，然后进行正式工作。

（2）复位工作控制要求如下：

①机械手首先上移，直到运动到最上端。

②上移后，机械手开始右移。

③右移完成后，机械手开始左转，至此，复位工作完成。

（3）正式工作控制要求如下：

①机械手开始左移，一直运动到最左端。

②运行到最左端后，机械手开始向下运动。

③到达最下端后，机械手开始夹紧工件，一直到把工件夹紧为止，时间由定时器控制，定时为3秒。

④机械手开始向上运动，运动到最上端。

⑤上移后，机械手开始右移。

⑥右移完成后，机械手开始右转，直到右转限位开关检测到信号。

⑦右转完成后，机械手下移。

⑧运行到最低位置后，机械手把工件松开，一直到放松限位开关检测到信号。

⑨工件松开后，机械手开始向上运动。

⑩到达最上端后，机械手开始左转，真到左转限位开关检测到信号，此时机械手已加到初始位置。

（4）该系统进行自动连续循环工作。

正常停车时，要求机械手回到初始位置时才能停车。

急停时，切断所有电源，系统停止运行。

重新启动后，由于急停时机械手位置的不确定性，要进行复位工作。

3.2机械手移动工件控制系统的PLC选型和资源配置

3.2.1PLC选型

由于机械手控制系统的输入/输出接点少，要求性价比高，编程简单，维护方便，机身小巧，故选用三菱公司的FX1N-24MR-001型号。

市场为3330元。

该机有14个输入点，10个输出点，辅助继电器1536点，定时器256点，计数器235点，数据寄存器8000点。

3.2.2系统资源分配

1.I/O触点分配

根据系统控制要求，I/O分配如表3-1所示。

表3-1I/O触点分配表

输入设备

输入地址

输出设备

输出地址

左转限位开关SL0

X000

左转电磁阀

Y000

右转限位开关SL1

X001

右转电磁阀

Y001

左移限位开关SL2

X002

左移电磁阀

Y002

右移限位开关SL3

X003

右移电磁阀

Y003

上移限位开关SL4

X004

上移电磁阀

Y004

下移限位开关SL5

X005

下移电磁阀

Y005

放松限位开关SL6

X006

放松电磁阀

Y006

启动按钮

X007

夹紧电磁阀

Y007

停止按扭

X010

2.定时器部分

这个控制系统夹紧工件需要定时器来控制夹紧程度。

时间设为3秒。

定时器分配如表3-2所示。

表3-2定时器分配

定时器

功能

T0

夹紧工件时定时3s

3.2.3硬件电路接线图

硬件电路接线图如图3-3所示。

COM0COM1

X000Y000

X001Y001

X002Y002

X003Y003

X004COM2

X005Y004

X006Y005

X007Y006

X010Y007

SL0

SL1

SL2

SL3

SL4

SL5

SL6

start

stop

～～

～

电源

左转

右转

左移

放松

右移

上移

下移

·

夹紧

FX1N-24MR-001

图3-3硬件电路接线图

3.3机械手移动工件控制系统的PLC程序

3.3.1编程软件

采用三菱公司编程软件FXGP/WIN-C，其界面如图3-4所示。

3.3.2程序流程图

根据系统控制要求，画出程序流程图。

见附件1。

3.3.3状态图

此程序用步进指令编写比较方便直观。

根据流程图。

可画出状态图，如图3-5所示。

3.3.4梯形图

见附录

3.3.5语句表

见附录

图3-4FXGP/WIN-C界面

X005

Y005

Y006

S29

X001

S30

Y002

S22

X003

S23

X000

Y000

S0

S20

X007

S21

X004

Y004

Y003

M8002

初始脉冲

启动按钮

S24

X002

S25

X005

Y005

Y007

T0

T0

K30

Y004

S26

X004

S27

S28

X003

Y003

Y001

S33

X000

Y000

Y004

X004

S32

X006

S31

停止按钮

按下结束

X010

图2-5状态图

4.动画制作

为了使视觉动态效果逼真突出，选用优秀的三维动画软件3dsmax来制作。

4.1建立机械手模型

机械手的建模比较简单，通过创建标准基本体与扩展基本体即可建立气缸、气爪等。

如图4-1，4-2所示。

图4-1图4-2

创建六角螺母时，先创建图形中的多边形。

再通过修改\修改器列表，选择挤出，完成六边形的拉伸。

如图4-3，4-4所示。

通过将创建好的几何体进行装配，再通过复合对象中布尔操作将几何体中的重叠部分切除。

如图4-5所示。

最终的机械手模型如图4-6所示。

4.2制作机械手的动画

3dmax基础动画比较简单，通过激活自动关键点按钮，为物体的移动、旋转、缩放等变换参数记录动画。

制作机械手的动画，还要用到层次式关系和FK。

首先了解什么是层次关系。

比如我们要制作人的手臂动画。

我们希望这样来控制：

对人物的上臂作旋转操作，上臂的运动自动带动了小臂、手腕、手掌、手指等肢体的运动。

这种用一个物体的运动可以带动其他肢体运动的动画关系在3dsmax中我们称其为层次关系。

在这个动画关系中，上臂的运动决定了小臂的运动，小臂会跟随上臂的运动而运动；那么在3dsmax中上臂称为小臂的父物体，小臂则称为上臂的子物体。

图4-3