工业搬运机械手的控制设计

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1、济南大学毕业设计- 1 -1 前言1.1 工业机械手现状工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化设备，发展速度非常快，尤其是机器人技术的发展，极大地推动了机械手的发展。它可抓取和移动工件，将工件从一个位置移动到指定的位置，并且已实现自动化。它的特点是可以通过预先编制好的程序来完成机械手所要完成的各种动作。机械手容易与液压传动、气压传动和可编程控制器结合起来，实现自动化控制，在结构和性能上兼有人和机器各自的优点 2。目前，国内的工业机械手发展速度很快，主要用于机床加工、锻造和热处理等方面，但由于技术方面还比较欠缺，机械手的性能、品种等方面还不能满足工业生产发展的需要。所以，在国内发展方向主

2、要是逐步扩大机械手的应用范围，重点发展铸造、热处理方面的机械手，以减轻劳动强度，改善作业条件，提高生产效率。目前，国内大力发展了了专用机械手，专用机械手的技术已经比较成熟。与此同时，通用机械手也有了很大的发展。但是，目前国内缺乏生产机械手的高端技术，高端技术还不成熟，很多产品的关键技术还主要依赖进口，且国内机械手主要还受到控制系统的困扰，没有比较成熟稳定的伺服系统，所以不能生产出高端的机械手。我国一直很重视机械手的发展，大力推广机械手在工业中的应用，以提升科技水平,加快我国的机械化和自动化的发展速度。国外方面，机械手在机械制造行业中应用比较多，发展很快，技术也很成熟。目前主要用于机床的上下料、

3、点焊等任务，这些机械手可以按照预先设计好的程序规定的动作来完成动作，以实现了自动化，且定位精度高，工作人员可远离比较危险地工作环境。国外机械手的发展趋势是研究具有某种智能的机械手，例如视觉和触觉功能，使它具有一定的感知环境变化的能力，能感知外界条件的变化并反馈这些变化，通过控制系统的分析和处理对机械手进行位置调整，使其仍能正确的抓取工件，例如工件位置与其规定的位置发生稍微变化时，安放在机械手上的位置传感器能迅速检测到工件位置的变化经分析处理后做相应的调整。这种机械手重点是研究视觉功能和触觉功能，经过这几年的努力，在视觉和触觉功能方面取得了一定的成果。目前世界工业机械手均有精度高，速度快的特点。

4、同时随着机械手的小型化和微型化，其应用领域将会突破传统的机械加工领域，而向着电子信息、生物技术、生命科学及航空航天等高端行业发展。济南大学毕业设计- 2 -1.2 工业机械手的分类按规格（所搬运工件的重量）分为微型机械手（搬运重量在1千克以下）、小型机械手（搬运重量在10千克以下）、中型机械手（搬运重量在50千克以下）、大型机械手（搬运重量在50千克以上)。按功能分为简易型工业机械手、记忆再现型工业机械手、计算机数字控制的工业机械手、智能工业机械手。按用途分为专用机械手和通用机械手。按驱动方式可分为液压式机械手、气动式机械手、电动式机械手、机械式机械手。按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续控

5、制机械手。1.3 工业搬运机械手控制设计的目的与预期结果意义 机械手是近几年来发展起来的一种自动化装置，它可抓取和移动工件，将工件从一个位置移动到指定的位置，并且已实现自动化。随着技术的发展，机械手的功能在逐渐完善，性能也在得到改善，机械手以实现了与机械化和自动化相结合。机械手能完成危险、重复枯燥的工作，减轻人类劳动强度，提高生产效率。机械手越来越广泛的得到了应用，在机械行业中它可用于零部件组装，加工工件的搬运、装卸，特别是在自动化数控机床、组合机床上使用更普遍 3。机械手与机器人有密切的联系。它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，具有人和机器两者都有的优点，在很大程度上体现了人的智能

6、型。机械手作业的准确性和适应各种环境的能力，在国民经济中的作用是不可替代的。目前，我国机械手的发展与世界发达国家还有很大的差距。机械手的发展可推动我国工业机械化和自动化的发展。因此，工业机械手的研究设计是非常有意义的。预期结果 通过本次毕业设计，要完成一个完整的工业搬运机械手及其控制系统的设计，包括机械部分、驱动系统和控制系统。设计完成的机械手应具有相应的功能，可将在工作台上已完成加工的工件搬运到指定的地点。机械手的控制采用PLC控制，通过编写合理的PLC程序控制机械手的动作，在动作过程中保证机械手动作的精度，使机械手准确的抓取工件和放置工件。机械手的动作方式有手动、单周期和周期操作。1.4

7、工业搬运机械手设计的内容本课程设计要求设计一个工业机械手控制系统，是一个简单的搬运机械手，可将一个已加工完毕的工件从工作台搬运到指定的地点，或者将一个待加工的工件搬运到工作台上。机械手的控制主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测济南大学毕业设计- 3 -装置等组成。设计的内容有机械部分的设计和控制系统的设计。机械手的动作由控制系统按照预先设定好的程序来控制，通过编写不同的程序完成不同的动作。控制系统采用 PLC 控制，驱动系统采用液压驱动及步进电动机驱动。通过查阅相关资料，掌握工业机械手执行部分、驱动系统和控制系统的设计方法和思路，设计出一个合理的完整的工业搬运机械手。在预定控制要求下

8、，完成机械部分的设计、驱动系统各元器件的选择安装和 PLC 硬件系统的选择和安装连接，并编写出完整可行的 PLC 程序，最后检验自己所涉及的工业机械手是否能完成预定的动作，并对其加以修正。本课题要完成一下任务：(1)完成机械部分总装图及配套零部件图的绘制，其中包括计算机绘制和手工绘制。(2)编写一套 PLC 的应用程序其功能是实现对机械手的循环控制，使机械手按照预先设想的轨迹运行并实现物料搬运的功能。(3) 正确设计 PLC 与机械手的接线方式并进行控制信号线的连接。(4)运行程序使机械手按照预订的动作运动。济南大学毕业设计- 4 -2 机械手机械部分的计算与分析2.1 手部的计算与分析机械手

9、的手部按工作原理的不同可分为夹钳式和吸附式。由于本次设计的机械手所要搬运的工件为圆柱棒料，所以选用夹钳式手部。夹钳式手部是由手指，传动机构和驱动装置三部分组成，适用于抓取各种形状的工件。综合各种因素的考虑，选用滑槽杠杆式手部。2.1.1 滑槽杠杆式手部设计的要求（1） 手部在夹取工件时，由于工件重量和摩擦系数的不同，所需要的夹紧力和驱动力不同。手部应具有适当的夹紧力和驱动力。（2） 根据所抓取工件的最大直径与最小直径确定手指合理的开闭范围。（3） 应保证工件在手指内的夹持精度。（4） 要求设计结构合理，重量轻，体积小，材料合理。2.1.2 滑槽杠杆式手部的计算与分析（1）本课题选用的是回转型滑

10、槽杠杆式手部，其结构如图 2.1图 2.1 滑槽拉杆式手部结构济南大学毕业设计- 5 -1-手指 2-销轴 3-指座 4-拉杆其受力分析图如图 2.2 所示图 2.2 滑槽拉杆式手部受力分析在拉杆 4 的作用下，销轴 2 向左的拉力为 ，通过销轴 2 的中心 O 点，两手指F1 的滑槽对销轴的反作用力为 、 ，其力的方向垂直于花草的中心线 、1F1， 和 的延长线交 于 A、B 点。2O1F22O由 得 0y 21由 得 xFcos1F1由 得 0)(1FMO bFhN1因为 cosa2bF所以 FaN2)cos1(式中 手指的回转支点到对称中心线的距离（ ） 。a m济南大学毕业设计- 6

11、-工件被夹紧时手指的滑槽方向与两回转支点连线间的夹角。由上式可知，当驱动力 一定时， 角增大则 也随之增加，但 角过大会导FNF致杠杆的行程过大，以及手指滑槽尺寸长度增大，使之结构加大，因此，一般取=3040。这里取角 。30手指夹紧圆棒料时，手指对工件夹紧力大小可按下式计算： NGFN985.21K实 际式中 安全系数，一般取 1.22.0。本设计取为 1.6。1K工作情况系数，主要影响因素是惯性力，可近似按下式计算2 gaK12式中 运载工件时重力方向上的最大上升加速度。ag重力加速度， 。28.9smg响tvax式中 运载工件时重力方向上升的最大速度。maxv速度达到最大时的响应时间。根

12、据设计参数选取，一般取为响t0.030.5s。方位系数，根据手指与工件形状以及手指与工件位置同选取，本设3K计取为 1.03。在本课题设计中，搬运工件的重量不超过 20kg，选取最大情况， ，手kgm20爪夹持范围 3070mm，上升最大速度 80mm/s，响应时间取为 0.3s。经设计计算，取 50mm， 取 100mm。ab济南大学毕业设计- 7 -22max /67.0/7.63.0/8smsstv响 3.12gaK所以 NabFN294)(cos取 85.0FK8.4921实 际（2）液压缸直径的计算液压缸所受的力为图 2.3 液压缸结构简图当油进入有杆腔时 PdDF)42（拉 当油进

13、入有杆腔时 2推式中 活塞直径（ ） ；Dm活塞杆直径（ ） ；d驱动压力（ ） 。PPa计算液压缸的直径 取 ，压力油工作压力 。Dd7.0Pa510mPF.29)5.1(4实 际济南大学毕业设计- 8 -由国标 GB/T 2348-1993，选取液压缸活塞直径 ， 。mD32d02.2 手臂的计算与分析手臂是工业机械手的主要执行部件，主要完成水平方向的伸缩运动。主要作用是支撑手部和工件的重量，并将工件传送到指定位置。手臂的结构、工作范围和移动精度直接影响机械手的性能。所以必须根据机械手的抓取重量、运动形式、自由度数、运动速度及其定位精度的要求来设计手臂的结构型式。2.2.1 手臂的设计要求

14、（1）要有足够大的刚度 手臂在伸缩运动过程中不仅承受了自身的重量，而且承受了手部和工件的重量，在此过程中承受了一定的弯矩的作用。为了防止臂部在运动过程中发生弯曲现象，设计臂部时一定要注意臂部的结构，保证手臂具有足够的刚度。（2）导向性要好 手臂在伸缩运过程中为沿轴线方向的直线运动，不能发生沿轴线转动的现象，因此，在设计手臂是一定要安装导向装置，以保证手指的正确方向，并使活塞杆不受较大的弯曲力矩的作用。（3）偏重力矩要小 所谓偏重力矩就是指手臂的重量对其支承回转轴所产生的静力矩。设计过程中要尽量减少手臂和手部的重量，在保证手臂刚度的要求下选择合理的材料和减小尺寸，以减小立柱的工作负担。（4）保证

15、手臂运动要平稳、定位精度高 机械手采用的是液压驱动方式，手臂内安装的是液压缸和活塞杆及其他组成部件。手臂的重量和运动速度直接影响着定位精度，手臂运动速度越高，重量越大，手臂的惯性就越大，其引起的冲击就越大，影响了定位精度。因此要合理设计手部，尽量减小手臂重量，结构要紧凑，同时采取一定的缓冲措施。2.2.2 手臂结构设计手臂伸缩运动结构如图 2.4 所示图 2.4 手臂伸缩运动结构图1-油口 2-活塞 3-缸筒 4-活塞杆 5-油口 6-端盖 7-紧固螺钉 8-导向套济南大学毕业设计- 9 -当液压油从油口 1 流入，从油口 5 流出时，压力油推动活塞杆向右移动，手臂伸长；当液压油从油口 5 流入，从油口 1 流出时，压力油推动活塞杆向左移动，手臂缩回。2.2.3 手臂的设计与计算（1）手臂水平伸缩运动驱动力的计算手臂做水平伸缩运动时，首先要克服摩擦阻力，包括油缸与活塞之间的摩擦阻力及活塞杆与导向套之间的摩擦阻力等，还要克服启动过程中的惯性力。其驱动力可按下式计算：qF gmqF式中 各支承处的摩擦阻力；mF启动过程中的惯性力，其大小可按下式估算：g agWF式中 手臂伸缩部件的总重量 （N） ；Wgm)(工 件爪臂工 件爪臂 重力加速度（ ）;g2/8.9sm 启动过程中的平均加速度（ ） ，a 2/stva式中 速度变化量。如果手臂从静止