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1、 Harbin Institute of Technology 课程大作业说明书课程大作业说明书 课程名称：制造系统自动化技术 设计题目：搬运机械手运动控制系统设计 院 系： 机电学院 班 级： 0908107 设 计 者： XXX 学 号： 10908107XX 指导教师： 周亮 设计时间： 2012/6/28 哈尔滨工业大学 目录目录 第一部分：设计任务书. 3 一、 搬运机械手功能示意图. 3 二、 基本要求与参数. 3 三、 工作量. 4 四、 设计内容及说明. 4 第二部分：设计说明书. 5 一、 机械手工作臂及机身驱动部件的选择及设计. 5 1.驱动部件选择. 5 2.传感器选择.
2、 5 3.驱动及传动方案. 5 二、 末端夹持机构设计. 6 1.结构设计. 6 2.夹紧力计算. 7 三、 控制系统设计. 8 1.控制器选择. 8 2.控制模块与控制方案. 8 3.控制流程框图和电磁铁动作时序表. 9 4.PLC I/O 口分配 . 11 5.机械手运行步骤. 12 四、 参考文献. 13 第一部分：设计任务书第一部分：设计任务书 一、一、 搬运机械手功能示意图搬运机械手功能示意图 图 1 搬运机械手功能示意图 二、二、 基本要求与参数基本要求与参数 本作业要求完成一种二指机械手的运动控制系统设计。 该机械手采用二指夹 持结构，如图 1 所示，机械手实现对工件的夹持、搬运
3、、放置等操作。以夹持圆 柱体为例，要求设计运动控制系统及控制流程。机械手通过升降、左右回转、前 后伸缩、 夹紧及松开等动作完成工件从位置 A 到 B 的搬运工作， 具体操作顺序： 逆时针回转(机械手的初始位置在 A 与 B 之间)下降夹紧上升顺时 针回转下降松开上升，机械手的工作臂都设有限位开关 SQi。 设计参数： （1）抓重:10Kg （2）最大工作半径：1500mm （3）运动参数： 伸缩行程：0-1200mm； 伸缩速度：80mm/s； 升降行程：0-500mm； 升降速度：50mm/s 回转范围：0-1800 控制器要求： （1）在 PLC、单片机、PC 微机或者 DSP 中任选其一
4、； （2）具备回原点、手动单步操作及自动连续操作等基本功能。 三、三、 工作量工作量 （1）驱动及传动方案的设计及部件的选择； （2）二指夹持机构的设计及计算； （3）总体控制方案及控制流程的设计； （4）设计说明书一份。 四、四、 设计内容及说明设计内容及说明 （1）机械手工作臂及机身驱动部件的选择及设计，需设计出具体的驱动及 传动方案，画出方案原理框图。 （2）末端夹持机构设计，该结构需保证抓取精度高，重复定位精度和运动 稳定性好，并有足够的抓取能力。设计应包括确定夹持方案、计算夹持范围、计 算夹紧力及驱动力，完成夹持机构设计图。 （3）控制系统设计，包括确定控制方案、核心功能部件的选择、
5、主要功能 模块的实现原理、绘制控制流程框图。 第二部分：设计说明书第二部分：设计说明书 一、一、 机械手工作臂及机身驱动部件的选择及设计机械手工作臂及机身驱动部件的选择及设计 1.驱动部件选择驱动部件选择 考虑到本设计中的机械手抓取重量较轻，定位精度要求不是太高，但机械手 的收缩范围和升降范围较大，有考虑到对于一般的工厂都有压缩空气站，所以机 械手各驱动部位主要采用气动驱动，用电磁阀控制气缸，用单片机或 PLC 控制 电磁阀的状态。 考虑到制造成本， 宜选用单片机， 但有考虑到可靠性和使用寿命， 本设计采用松下 FP0 系列 PLC 作为主控制单元。 具体机械手的运动分为四种，其运动形式，驱动
6、装置，等见下表。 表 1 机械手的运动形式 运动 运动形式 驱动装置 装置命名 机械臂的升降 直线运动 普通气缸 升降气缸 小臂的伸缩 直线运动 普通气缸 伸缩气缸 机械臂旋转 回转运动 单叶片摆动气缸 旋转气缸 夹紧 直线运动 普通气缸 夹紧气缸 两种气缸的特点及其应运见下图。 图 2 气缸 2.传感器选择传感器选择 对于回转运动，可以采用光电码盘，对于直线运动可以采用光电开关，在各 个运动的极限位置布置限位开关起保护作用。 3.驱动及传动方案驱动及传动方案 首先是升降运动中升降气缸和旋转气缸的布置，总体而言有三种布置形式， 如下图所示，a）方式旋转气缸放在上面，升降气缸在下面，升降行程较小
7、（通 常200mm） ，满足不了要求，b）方式升降气缸放在上面，旋转气缸在下面，可 以获得较大的行程，可达到 800mm，但机械臂需要额外增加导向装置，且转动 惯量较大，c）方式采用缩放式升降机构，不需要导向支撑，也能获得较大的升 降行程，机械臂转动惯量较小，但占地面积较大。综合考虑以上因素，本设置中 采用 b）方案的布置形式。 图 3 布置形式 对于小臂收缩气缸和夹紧气缸，直接布置在小臂上即可。 对整个系统而言，属于多动力源驱动，机械臂的每个动作都可以单独受控， 灵活易用，并且节省了大量传动件，使系统结构复杂性降低。 二、二、 末端夹持机构设计末端夹持机构设计 1.结构设计结构设计 末端夹持
8、机构指手指部分，其结构如下图所示。 图 4 夹持末端件结构 2.夹紧力计算夹紧力计算 对前述夹持机构进行简化，如下图所示，受力分析，设夹紧力为 N，则夹紧 气缸通过拉杆 3 作用在销轴 2 向上的拉力为 P， 并通过销轴中心 O 点， 两个指上 的夹紧力分别为 P1，P2，其力的方向垂直于滑槽的中心线 OO1和 OO2并指向 O 点， P1和 P2的延长线交 OO1与 A 及 B， 由于OO1B 和O2OA 均为直角三角形， 故AOC=BOC=。根据轴销的力平衡条件，即Fx=0，P1=P2，Fy=0 P = 2P1cos P1= 2cos 销轴对于手指的做用力为P1，且P1= P1（表示向量关
9、系，下同） 。手指握紧工件时所需要的力称为握力（即夹紧力） ，假想握力作用在过手指与工件接触 的对称平面内，并设两力大小相等，方向相反，用-N 表示。由手指的力矩平衡 方程，即a1(F) = 0 得1h = Nb，有因为h = cos，所以P = 2bcos2 N 式中 a手指的回转支点到对称中心线的距离（mm） 工件被加进时手指的滑槽方向与两回转支点连线间的夹角。 若取=30o，则 P=3bN/2a 图 5 夹紧力分析 一般来说， 夹紧力一定要克服工件重力所产生的静负荷以及工件运动状态所 产生的动负荷（惯性力或惯性力矩） ，以使工件保持可靠的夹紧状态。 手指对工件的夹紧力可按下式计算：123
10、PNK K K G1.41.053.898=547N 取PN =550N其中： K11.4,K21.05,K33.8， Gmg109.898N。则：P3b/2a5500(b=2a)N理论165取 P16P2062.5N理论 实际500.8式中 效率=0.8 三、三、 控制系统设计控制系统设计 1.控制器选择控制器选择 考虑到成本和可靠性，使用寿命，调试方便性等各方面的因素，选择松下 FP0 系列 PLC 为主控部件，外围传感器主要有光电码盘（编码器）检测机械臂 转角，光电开关（共 3 处）检测机械臂是否运动到位，工件是否到夹持机构的正 确位置等，此外用限位开关做故障保护。设计一控制面板，可以手动调节控制每 一步，也可以设置全自动运行和回零点。零点设置在 A 处。PLC 控制电磁阀， 从而控制气缸运动。 2.控制模块控制模块与与控制方案控制方案
