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电气工程系毕业设计2008级 设计题目机械手直线运动液压系统设计与制作姓 名班 级技师机电081系 别电气工程系学 校指导教师 机械手直线运动液压系统设计与制作【摘要】简要地介绍了工业机器人的概念,机械手的组成和分类,机械手的广泛应用,使用特点,液压、气动技术的特点,PLC控制的特点及国内外的发展状况本文对机械手进行了总体方案设计,确定了机械手的座标型式和自由度,确定了机械手的技术参数设计出了机械手的液压系统,绘制了机械手液压系统工作原理图利用可编程序控制器对机械手进行控制,选取了合适的PLC型号,根据机械手的工作流程制定了可编程序控制器的控制方案,画出了机械手的工作时序图和梯形图,并编制了可编程序控制器的控制程序关键词工业机器人,机械手,气动,可编程序控制器PLC…………目录TOC\o1-3\h\z\u第一章绪论
11.1气动机械手概述
11.2机械手的组成和分类
11.
2.1机械手的组成
11.
2.2机械手的分类
31.3课题的主要任务7第二章机械手的设计方案
82.1机械手的坐标型式与自由度
82.2机械手的驱动方案设计
92.3机械手的控制方案设计
102.4机械手的技术参数列表10第三章机械手的液压部分
3.1液压系统的工作原理特性
3.2液压传动的工作
3.3液压系统的组成
3.4液压系统的优、缺点第四章机械传动方案的设计与计算
4.1小车的组成部分
4.2同步带传动方式优、缺点
4.3驱动动力源
4.4机械传动方案的设计计算第五章机械手的PLC控制设计
185.1可编程序控器的简介
185.2PLC的结构,种类和分类
185.3FX2n系列三菱PLC特点
205.4接近开关传感器
215.5I/O接口简介
215.6行程开关的介绍
225.
6.1行程开关的概念
225.
6.2行程开关的作用及原理
225.7电路的总体设计
235.
7.1回路的设计
235.
7.2系统输入/输出分布表
245.7.3机械手的程序设计
255.
7.4步进电机的运行控制25第六章结论35结束语36参考文献37第一章绪论
一、
1.1机械手概述工业机器人由操作机机械本体、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成,是一种仿人操作,自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备特别适合于多品种、变批量的柔性生产它对稳定、提高产品质量,提高生产效率,改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术,是当代研究十分活跃,应用日益广泛的领域机器人应用情况,是一个国家工业自动化水平的重要标志机器人并不是在简单意义上代替人工的劳动,而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置,既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力,又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力,从某种意义上说它也是机器的进化过程产物,它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设各,也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备.
1.2机械手历史机械手首先是从美国开始研制的1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手它的结构是机体上安装一个回转长臂,顶部装有电磁块的工件抓放机构,控制系统是示教形的1962年,美国联合控制公司在上述方案的基础上又试制成一台数控示教再现型机械手商名为Unimate(即万能自动)运动系统仿照坦克炮塔,臂可以回转、俯仰、伸缩、用液压驱动;控制系统用磁鼓作为存储装置不少球坐标通用机械手就是在这个基础上发展起来的同年该公司和普鲁曼公司合并成立万能自动公司专门生产工业机械手1962年美国机械制造公司也实验成功一种叫Vewrsatran机械手该机械手的中央立柱可以回转、升降采用液压驱动控制系统也是示教再现型虽然这两种机械手出现在六十年代初,但都是国外工业机械手发展的基础1978年美国Unimate公司和斯坦福大学,麻省理工学院联合研制一种Unimate-Vicarm型工业机械手,装有小型电子计算机进行控制,用于装配作业,定位误差小于±1毫米联邦德国机械制造业是从1970年开始应用机械手,主要用于起重运输、焊接和设备的上下料等作业联邦德国KnKa公司还生产一种点焊机械手,采用关节式结构和程序控制日本是工业机械手发展最快、应用最多的国家自1969年从美国引进两种机械手后大力从事机械手的研究前苏联自六十年代开始发展应用机械手,至1977年底,其中一半是国产,一半是进口目前,工业机械手大部分还属于第一代,主要依靠工人进行控制;改进的方向主要是降低成本和提高精度第二代机械手正在加紧研制它设有微型电子计算控制系统,具有视觉、触觉能力,甚至听、想的能力研究安装各种传感器,把感觉到的信息反馈,是机械手具有感觉机能第三代机械手则能独立完成工作中过程中的任务它与电子计算机和电视设备保持联系,并逐步发展成为柔性制造系统FMS和柔性制造单元FMC中的重要一环
1.3机械手应用简况现代工业中,生产过程的机械化,自动化已成为突出的主题化工等连续性生产过程的自动化已基本得到解决但在机械工业中,加工、装配等生产是不连续的因此,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有资料统计美国偏重于毛坯生产,日本偏重于机械加工随着机械手技术的发展,应用的对象还会有所改变机械手在锻造工业中的应用能进一步发展锻造设备的生产能力,改善热、累等劳动条件国内机械手工业、铁路工业中首先在单机、专机上采用机械手上下料,减轻工人的劳动强度国外铁路工业中应用机械手以加工铁路车轴、轮等大、中批零件并和机床共同组成一个综合的数控加工系统采用机械手进行装配更始目前研究的重点,国外已研究采用摄象机和力传感装置和微型计算机连在一起,能确定零件的方位达到镶装的目的目前工业机械手主要用于机床加工、铸造、热处理等方面,无论数量、品种和性能方面还是不能满足工业发展的需要
1.4国内外发展状况目前工业机械手主要用于机床加工、铸造、热处理等方面,无论数量、品种和性能方面还是不能满足工业发展的需要国外机器人领域发展近几年有如下几个趋势:1工业机器人性能不断提高高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修,而单机价格不断下降,平均单机价格从91年的
10.3万美元降至97年的65万美元2机械结构向模块化、可重构化发展例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化:由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机;国外已有模块化装配机器人产品问市3工业机器人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展,便于标准化、网络化;器件集成度提高,控制柜日见小巧,且采用模块化结构:大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性4机器人中的传感器作用日益重要,除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外,装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器,而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制;多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用5虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制,如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人6当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统,而是致力于操作者与机器人的人机交互控制,即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统,使智能机器人走出实验室进入实用化阶段美国发射到火星上的“索杰纳”机器人就是这种系统成功应用的最著名实例7机器人化机械开始兴起从94年美国开发出“虚拟轴机床”以来,这种新型装置已成为国际研究的热点之一,纷纷探索开拓其实际应用的领域我国的工业机器人从80年代“七五”科技攻关开始起步,在国家的支持下,通过“七五”、“八五”科技攻关,目前己基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术,生产了部分机器人关键元器件,开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人;其中有130多台套喷漆机器人在二十余家企业的近30条自动喷漆生产线站上获得规模应用,弧焊机器人己应用在汽车制造厂的焊装线上但总的来看,我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离,如:可靠性低于国外产品;机器人应用工程起步较晚,应用领域窄,生产线系统技术与国外比有差距;在应用规模上,我国己安装的国产工业机器人约200台,约占全球已安装台数的万分之四以上原因主要是没有形成机器人产业,当前我国的机器人生产都是应用户的要求,“一客户,一次重新设计”,品种规格多、批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、成本也不低,而且质量、可靠性不稳定因此迫切需要解决产业化前期的关键技术,对产品进行全面规划,搞好系列化、通用化、模块化设计,积极推进产业化进程.我国的智能机器人和特种机器人在“863”计划的支持下,也取得了不少成果其中最为突出的是水下机器人,6000m水下无缆机器人的成果居世界领先水平,还开发出直接遥控机器人、双臂协调控制机器人、爬壁机器人、管道机器人等机种:在机器人视觉、力觉、触觉、声觉等基础技术的开发应用上开展了不少工作,有了一定的发展基础但是在多传感器信息融合控制技术、遥控加局部自主系统遥控机器人、智能装配机器人、机器人化机械等的开发应用方面则刚刚起步,与国外先进水平差距较大,需要在原有成绩的基础上,有重点地系统攻关,才能形成系统配套可供实用的技术和产品,以期在“十五”后期立于世界先进行列之中
1.5小结机械手是模仿着人手的部分动作,按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置在工业生产中应用的机械手被称为“工业机械手”生产中应用机械手可以提高生产的自动化水平和劳动生产率:可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全生产;尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境中,它代替人进行正常的工作,意义更为重大因此,在机械加工、冲压、铸、锻、焊接、热处理、电镀、喷漆、装配以及轻工业、交通运输业等方面得到越来越广泛的引用.机械手的结构形式开始比较简单,专用性较强,仅为某台机床的上下料装置,是附属于该机床的专用机械手随着工业技术的发展,制成了能够独立的按程序控制实现重复操作,适用范围比较广的“程序控制通用机械手”,简称通用机械手由于通用机械手能很快的改变工作程序,适应性较强,所以它在不断变换生产品种的批量生产中获得广泛的引用
1.6课题的主要任务本课题将要完成的主要任务如下:1机械手为通用机械手,因此相对于专用机械手来说,它的适用面必须更广.2选取机械手的座标型式和自由度3设计出机械手的各执行机构,包括:手部、手腕、手臂等部件的设计为了使通用性更强,手部设计成可更换结构4机械手的控制系统的设计本机械手拟采用可编程序控制器PLC对机械手进行控制,本课题将要选取PLC型号,根据机械手的工作流程编制出PLC程序,并画出梯形图第2章机械手的设计方案简述机械手的分类工业机械手的种类很多,关于分类的问题,目前在国内尚无统一的分类标准,在此暂按使用范围、驱动方式和控制系统等进行分类一按用途分机械手可分为专用机械手和通用机械手两种:
1、专用机械手它是附属于主机的、具有固定程序而无独立控制系统的机械装置专用机械手具有动作少、工作对象单
一、结构简单、使用可靠和造价低等特点,适用于大批量的自动化生产,如自动机床、自动线的上、下料机械手和“加口工中心”附属的自动换刀机械手
2、通用机械手它是一种具有独立控制系统的、程序可变的、动作灵活多样的机械手在规格性能范围内,其动作程序是可变的,通过调整可在不同场合使用,驱动系统和控制系统是独立的通用机械手的工作范围大、定位精度高、通用性强,适用于不断变换生产品种的中小批量自动化的生产通用机械手按其控制定位的方式不同可分为简易型和伺服型两种:简易型以“开一关”式控制定位,只能是点位控制:伺服型具有伺服系统定位控制系统,可以是点位的,也可以实现连续轨迹控制,一般的伺服型通用机械手属于数控类型二按驱动方式分
1、液压传动机械手是以液压的压力来驱动执行机构运动的机械手其主要特点是:抓重可达几百公斤以上、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏但对密封装置要求严格,不然油的泄漏对机械手的工作性能有很大的影响,且不宜在高温、低温下工作若机械手采用电液伺服驱动系统,可实现连续轨迹控制,使机械手的通用性扩大,但是电液伺服阀的制造精度高,油液过滤要求严格,成本高
2、气压传动机械手是以压缩空气的压力来驱动执行机构运动的机械手其主要特点是:介质李源极为方便,输出力小,气动动作迅速,结构简单,成本低但是,由于空气具有可压缩的特性,工作速度的稳定性较差,冲击大,而且气源压力较低,抓重一般在30公斤以下,在同样抓重条件下它比液压机械手的结构大,所以适用于高速、轻载、高温和粉尘大的环境中进行工作
3、机械传动机械手即由机械传动机构如凸轮、连杆、齿轮和齿条、间歇机构等驱动的机械手它是一种附属于工作主机的专用机械手,其动力是由工作机械传递的它的主要特点是运动准确可靠,动作频率大,但结构较大,动作程序不可变它常被用于工作主机的上、下料
4、电力传动机械手即有特殊结构的感应电动机、直线电机或功率步进电机直接驱动执行机构运动的机械手,因为不需要中间的转换机构,故机械结构简单其中直线电机机械手的运动速度快和行程长,维护和使用方便此类机械手目前还不多,但有发展前途三按控制方式分
1、点位控制它的运动为空间点到点之间的移动,只能控制运动过程中几个点的位置,不能控制其运动轨迹若欲控制的点数多,则必然增加电气控制系统的复杂性目前使用的专用和通用工业机械手均属于此类
2、连续轨迹控制它的运动轨迹为空间的任意连续曲线,其特点是设定点为无限的,整个移动过程处于控制之下,可以实现平稳和准确的运动,并且使用范围广,但电气控制系统复杂这类工业机械手一般采用小型计算机进行控制我选择液压驱动方式液压机械手是指一液压油为动力源驱动的机械手液压机械手作为机械手的一种,具有结构简单﹑重量轻﹑工作迅速﹑平稳﹑可靠﹑而被机械加工也广泛采用一液压机械手臂“机、电、液”中的“液”即指液压系统液压系统相对于机械传动来说,是一门新兴的技术人类使用水力机械及液压技术虽然已有很长的历史,但是液压技术在机械领域中得以应用并取得迅速发展则是本世纪,特别是第二次世界大战以来的事由于液压传动具有许多突出的优点,因而目前已广泛的应用在工、农业机械、机床、交通运输、路地行走设备、船舶控制、火炮控制、飞机、导弹等各方面
1.1液压系统的工作原理所谓液压系统就是以液体为介质,依靠运动者的液体的压力能来传递力的液压系统工作是,液压泵把电动机传来的回转式机械能转变成油液的压力能油液被输送到液压缸(或液压马达)后,又由液压缸(或液压马达)把油液的压力能变为直线式(或回转式)的机械能输出液压系统中的油液在受调节、控制的状态下进行工作的因此液压传动和液压控制在这个意义上来说难以截然分开液压系统必须满足起执行元件在力和速度方面的要求
1.2液压传动的工作特性液压系统工作是,外界负载越大(在有效承压面积一定的前提下)所需要的压力也越大,反之亦然因此液压系统的由压力(简称系统的压力,下同)大小取决于外界负载负载大,系统压力大;负载小,系统压力小;负载为零,系统压力为零另外,活塞或工作台的运动速度(简称系统的速度,下同)取决于单位时间通过节流阀进入液压缸中油液的体积即流量流量越大(在有效承压面积一定的前提下)系统的速度越快,反之亦然流量为零,系统的速度亦为零液压系统的压力和外在负载,,速度和流量的这两个关系称作液压传动的两个工作特性
1.3液压系统的组成液压系统由以下五个部分组成1)动力元件它是将原动机输入的机械能转换为液压能的装置液压泵即为动力元件2)执行元件它是将液体的压力能转换为机械能的装置,以驱动部件液压缸和液压马达即为执行元件3)控制调节元件控制调节元件是指各种阀类元件,它们的作用是控制液压系统中油液的压力、流量和方向,以保证执行元件完成预期的工作运动4)辅助元件辅助元件是指油箱、油管、管接头、滤油器、压力表、流量表等5)工作介质在液压系统中使用液压油(通常为矿物油)
1.4液压系统的优、缺点液压系统与机械、电力等传动相比有以下特点1)能方便的进行无级调速,调速范围大2)体积小,、重量轻、功率大一方面,在相同输出功率的前提下,其体积小、重量轻、惯性小、动作灵敏,这对于液压自动控制系统有重要的意义另一方面,在体积或重量相近的情况下,其输出功率大,能传递较大的扭矩或推力(如万吨水压力等)3)控制和调节简单、方便、省力,易实现自动化控制和过载保护4)可实现无间隙传动,运动平稳5)因为传动介质为油液,故液体元件有自我润滑作用,使用寿命长6)液压元件实现了标准化、系列化、通用化、便于设计、制造和推广使用7)可以采用大推力的液压缸和大扭矩的液压马达直接带动负载,从而失去了中间的减速装置,使传动简化液压传动的主要缺点1)漏由于作为传动介质的液体是在一定的压力下,有时是在较高的压力下工作的,因此在有相对运动的表面间不可避免要产生泄漏同时,由于油液并不是不可以压缩的,油管等也回产生弹性变形,所以液压传动不宜用在传动比要求较严格的场合2)震液压传动中的“液压冲击和空穴现象”会产生很大的震动和噪声3)热在能量转换和传递过程中,由于存在机械摩擦、压力损失、泄漏损失,因而易使油液发热,总效率降低,故液压传动不宜远距离转动4)液压传动性能对温度比较敏感,故不宜在高温及低温下工作液压传动装置对油液的污染也较敏感,故要求有良好的过滤设施5)液压元件加工要求高一般情况下又要求有独立的能源(如液压泵站),这些可能使产品成本提高6)液压系统出现鼓故障时不宜追查原因,不宜迅速排除综上所述,液压传动由于其优点比较突出,故在工、农业各个部门获得广泛的应用它的某些缺点随着生产技术的不断发展、提高,正在逐步得到克服由于液压传动相对于机械传动有以上几个突出的优点,所以确定机械手的前伸后退、左转右转、夹紧放松着三部分动作用液压传动来实现第三章机械传动方案的设计与计算
3.1机械手的坐标型式与自由度按机械手手臂的不同运动形式及其组合情况,其坐标型式可分为直角坐标式、圆柱坐标式、球坐标式和关节式由于本机械手在上下料时手臂具有升降、收缩及回转运动,因此,采用圆柱坐标型式相应的机械手具有四个自由度,为了弥补升降运动行程较小的缺点,增加手臂摆动机构,从而增加一个手臂上下摆动的自由度图2-1机械手的运动示意
3.2机械手的主要参数
1.机械手的最大抓重是其规格的主参数,由于是采用气动方式驱动,因此考虑抓取的物体不应该太重,查阅相关机械手的设计参数,结合工业生产的实际情况,本设计设计抓取的工件质量为1公斤
2.基本参数运动速度是机械手主要的基本参数操作节拍对机械手速度提出了要求,设计速度过低限制了它的使用范围而影响机械手动作快慢的主要因素是手臂伸缩及回转的速度该机械手最大移动速度设计为
0.1m/s最大回转速度设计为平均移动速度为
0.08m/s平均回转速度为
3.3小车的组成部分
1、驱动系统采用步进电动机带动同步带与带轮驱动小车沿导轨作径向往复运动
2、执行机构交换工作台的送出采用液压送出方式,交换工作台应沿相应的轨道送出
3、控制部分采用PLC可编程控制器来实现小车各个运动状态的控制
3.2同步带传动方式优缺点
(一)优点
1、传动比准确,同步带是啮合传动,工作时无滑动
2、传动效率高,效率可达96%,与V带相比可节能10%以上
3、传动平稳,能吸收振动,噪声小
4、使用范围广,传动比可达10,且带轮直径比V带小得多,也不需要大的张紧力,结构系统高速大50m/s,传递功率300KW
5、传动比准确,对轴及轴承的压力小,耐油耐磨性好,允许采用较小的带轮直径,较短的中心距和较大是速比
6、维护保养方便,能在高温,灰尘、水及、腐蚀,介质的恶劣环境中工作,不需润滑
(二)缺点
1、安装要求高要求二带轮轴线平行同步在与二带轮轴线垂直的平面内运行带轮中心距要求较严格安装不当易发生干涉,爬齿,跳齿等现象
2、带与带轮的制造工艺比较复杂,成本受批量影响
3.3驱动动力源步进电动机是一种把脉冲信号变换成直线位移或角位移的执行元件,也可以说是一种机械式的数模转换器,每输入一个脉冲,步进电动机就前进一步,因此称作脉冲电动机,步进电动机的种类繁多,主要分三大类反应式步进电动机、机床磁式步进电动机以及永磁感应式步进电动机,本是合计采用反应式步进电动机,因为其结构简单,是应用最广泛的一种步进电动机能成为现代数字控制系统重要的执行元件是因为步进电动机本身也在不断发展,性能也在不断完善其优点如下
1、可直接实现数字控制
2、控制性能好
3、无接触式元件,没有电刷和转换器,运行平稳可靠,在步进电动机的负载范围内,步距值不受电源电压的大小,负载大小,波形及周围环境温度变换的影响,抗干扰能力强,能保持运行转速
4、误差不长期积累
5、反应式步进电动机在一相绕组通电的情况下,具有自锁能力,永磁式步进电动机在不通电的情况下也能保持转矩
3.4机械传动方案的设计计算本设计采用一级传动,传动比为
1.5本设计计算参照实用机械设计手册下册机械工业出版社出版中的第十章链传动和带传动中第五节多楔带和同步带传动中的同步带传动章节
3.
4.1设计数据确定因为设计车速为3km/h,考虑到实际车速有±50%的误差,所以实际最高车速应为
4.5km/h折算成米/秒应为
1.25m/sV车=
1.25m/s据实际工作要求取车轮直径为130mm因为车速为
1.25m/s所以车速也应等于轮子的切向速度因为V=dn/60×1000V—车轮切向速度V=
1.25m/sd—车轮直径d=130mmn—车轮转速所以经计算得n=60×1000V/d=60×1000×
1.25/
3.14×130=184rpm因为车轮转速也等于驱动轴转速所以n转驱=n=184rpmn转驱=184rpm因为T=
9.55×P驱/nT—驱动转矩T=9NMP驱—驱动轴功率n—驱动轴转速n=184rpm所以经计算得9×=
9.55××P驱/184P驱=
0.2KM因为ī=n电/n驱n驱—驱动轴转速n驱=184rpmn电—电机轴转速ī—传动比所以计算得n电=ī.n电驱n电=
1.5×184=276rpm记n电=276rpm因为驱动轴转驱为9N.m所以据实际工作要求选用型号为130BF001相数为5相,步距角为
0.75°电压为12/80V相电流为10A最大转距为
9.31N.m空载起动频率为3000步/S,空载运行频率为16000步/S的反应式步进电动机因为T电=
9.55×P电/n电T电—电机轴转矩T电=
9.31n.mn电—电机轴转速n电=276rpmP电—电机功率所以计算得P电=T电×n电/
9.55×=
9.31××276/
9.55×=
0.26kmP电=
0.26km因为总=带·联·滚总—总的传动效率带—同步带的传动效率带=
0.98联—联轴器的传动效率联=
0.99滚—滚动轴承的传动效率滚=
0.99所以总=
0.98×
0.99×
0.99=
0.99总=
0.99因为P驱=P实电×总P驱——驱动轴功率P驱=
0.2Kw总——总机械传动功率总=
0.99P实电—电动机实际功率所以计算得P实电=P驱/总=
0.2/
0.99=
0.21kwP实电=
0.21kw因为P实电〈P电所以符合工作要求
3.
4.2同步带结构的设计计算1)求出设计功率因为Pd=Pm·KPd—设计功率Pm—名义传递功率也就是电动机功率PP=
0.26kwK—载荷修正系数《实用机械设计手册》(下)表
10.5-9载荷修正系数K取
1.8又因为传动装置未及张紧装置和系统为减速运动所以其附加修正系数为零所以Pd=
1.8×
0.26=
0.5kw2)、选择带的节距因为Pd=
0.5kwn电=276rpm=n1—小带轮转速查《实用机械设计手册》(下)图
10.5-4查得同步带的节距代号为H,对应的节距Pd=
12.7mm3)、确定带轮直径和带节线长查《实用机械设计手册》表
10.5-8得H型带,小带轮转速n1=276rpm小于900rpm所以小带轮最少齿数Z1应为14Z1取22因为ⅰ=Z2/Z1ⅰ—传动比ⅰ=
1.5Z2—大带轮齿数Z1—小带轮齿数Z1=22所以ⅰ=Z1·ⅰ=
1.5×22=33查《机电一体化机械系统设计》表3-11大带轮齿数Z2取标准值32Z2=32小带轮节圆直径因为 d1=Pb·Z1/Pb——同步带节距Pb=
12.7mmZ1—小带轮齿数Z1=22所以计算得d1=
12.7×22/
3.14=
88.94mmd1=
88.94mm同理可得大带轮节圆直径d2=
129.36mmd2=
129.36mm选择带长LP初定中心距a因为
0.7d2+d1<a<2d2+d1d2—大带轮节圆直径d2=
129.36mmd1—小带轮节圆直径d1=
88.94mm所以
152.81<a<
436.6a取420mma=420mm因为Lp=2aCOS+d2+d1/2+d2-d1/180定角因为=arcsind2-d1/2a所以=arcsin
129.36-
88.94/2×420=3所以a=420mm=3所以Lp=2×420×COS3+
129.36+
88.94/2+×3(
129.36-
88.94)/180=839+343+2=1184mm节线长Lp=1184mm查《实用机械设计手册》(下)表
10.5-5取整后选用长度代号为510Lp=
1295.4mm齿数Zb=102的同步带
4、传动中心距a的确定因为M=Pb/82Zb-Z1-Z2M—修正系数Pb—同步带节距Pb=
12.7mmZb—同步带齿数Zb=102Z1—大带轮齿数Z1=22Z2—小带轮齿数Z2=32所以计算得M=
12.7/821×102-22-32=
238.125M=
238.125mm因为a=M+≈
238.125+=476mma=476mm所以节线长Lp=
1295.4mm传动中心距a=476mm
5、选择标准带宽确定小带轮齿数Z1=22小带轮转速n1=184rpm查《实用机械设计手册》下表
10.5-17用差值法计算得H型带的基准额定功率P=
2.7Kw确定实际带宽bs因为bs≥bs(Pd/k2·P)bs—标准带宽查《实用机械设计手册》下表
10.5-4bs=
76.2mmPd—设计功率Pd=
0.5kwK2—啮合齿数系数K2据实际工作要求K2=1所以bs≥
76.
20.5/1×
2.7=
17.4查《实用机械设计手册》表
10.5-4bs取标准为
25.4mm其标准宽度代号为100宽度极限偏差为bs=
25.4mm确定带宽系数Kw因为Kw=bs/bs所以Kw=(
25.4/
76.2)=
0.29Kw=
0.29确定额定功率P因为P=K2·Kw·PK2—啮合齿数系数k2=1Kw—带宽系数kw=
0.29P—基准额定功率P=
2.7kw所以计算得P=
0.29×
2.7=
0.77kw因为P>Pd所以满足设计要求带的圆周速度V的确定因为V=Pb·Z1n1/60×1000Pb—带的节距Pb=
12.7mmZ1—小带轮齿数Z1=22n1-小带轮转速n1=276r/mm所以计算得V=
12.7×22×276/60×1000=
1.3m/s工作能力验算因为P=K2·kw·Ta-bs·m·v/bsV×10K2—啮合齿数系数K2=1Kw—带宽系数Kw=
0.29Ta—许用工作拉力查《实用机械设计手册》表
10.5-9Ta=
2100.85Nm—单位长度质量查《实用机械设计手册》表
10.5-9m=
0.448㎏/m所以P=〔1×
25.4/
76.2×
2100.85-
25.4×
0.448×
1.3/
76.2〕×
1.3/1000=
0.78因为P>Pd所以额定功率大于设计功率故带的传动能力足够最小轴径的确定因为dmin≥AA—修正系数查《简用机械设计手册》表14-13轴的材料为45钢A为118P—传递功率为
0.26kwn—驱动轴转速为184r/mm所以dmin≥A=118=13mmd取30mm6结果整理选用H型同步带Pb=
12.7mmLp=
1295.4mmBs=
25.4mm小带轮Z=22d=
88.94mm大带轮Z=32d=
129.36mm传动的中心距a=476mm带的长度带号为510宽度带号为100其余查《实用机械设计手册》表
10.5-20表
10.5-10最小轴径为30mm第4章机械手控制机构的选择考虑到机械手的通用性,同时使用点位控制,因此我们采用可编程序控制器PLC对机械手进行控制.当机械手的动作流程改变时,只需改变PLC程序即可实现,非常方便快捷
4.1PLC的特点1可靠性高,抗干扰能力强高可靠性是电气控制设备的关键性能PLC由于采用现代大规模集成电路技术,采用严格的生产工艺制造,内部电路采取了先进的抗干扰技术,具有很高的可靠性例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间高达30万小时一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长从PLC的机外电路来说,使用PLC构成控制系统,和同等规模的继电接触器系统相比,电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一,故障也就大大降低此外,PLC带有硬件故障自我检测功能,出现故障时可及时发出警报信息在应用软件中,应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序,使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护这样,整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了2配套齐全,功能完善,适用性强PLC发展到今天,已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品可以用于各种规模的工业控制场合除了逻辑处理功能以外,现代PLC大多具有完善的数据运算能力,可用于各种数字控制领域近年来PLC的功能单元大量涌现,使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展,使用PLC组成各种控制系统变得非常容易3易学易用,深受工程技术人员欢迎PLC作为通用工业控制计算机,是面向工矿企业的工控设备它接口容易,编程语言易于为工程技术人员接受梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近,只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门4系统的设计、建造工作量小,维护方便,容易改造PLC用存储逻辑代替接线逻辑,大大减少了控制设备外部的接线,使控制系统设计及建造的周期大为缩短,同时维护也变得容易起来更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能这很适合多品种、小批量的生产场合5体积小,重量轻,能耗低以超小型PLC为例,新近出产的品种底部尺寸小于100mm,重量小于150g,功耗仅数瓦由于体积小很容易装入机械内部,是实现机电一体化的理想控制设备
4.2PLC的结构,种类和分类PLC实质是一种专用于工业控制的计算机,其硬件结构基本上与微型计算机相同,如图所示图5-1
(一)中央处理单元CPU中央处理单元CPU是PLC的控制中枢它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据;检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态,并能诊断用户程序中的语法错误
(二)存储器存放系统软件的存储器称为系统程序存储器存放应用软件的存储器称为用户程序存储器PLC常用的存储器类型1RAMRandomAssessMemory这是一种读/写存储器随机存储器,其存取速度最快,由锂电池支持2EPROMErasableProgrammableReadOnlyMemory这是一种可擦除的只读存储器在断电情况下,存储器内的所有内容保持不变在紫外线连续照射下可擦除存储器内容3EEPROMElectricalErasableProgrammableReadOnlyMemory这是一种电可擦除的只读存储器使用编程器就能很容易地对其所存储的内容进行修改
(三)电源PLC的电源在整个系统中起着十分重要得作用如果没有一个良好的、可靠得电源系统是无法正常工作的,因此PLC的制造商对电源的设计和制造也十分重视一般交流电压波动在+10%+15%范围内,可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去常见的PLC的类型挺多的,有三菱的FX系列、西门子的S7系列、台湾的丰炜等等plc的分类有一小型PLC小型PLC的I/O点数一般在128点以下,其特点是体积小、结构紧凑,整个硬件融为一体,除了开关量I/O以外,还可以连接模拟量I/O以及其他各种特殊功能模块它能执行包括逻辑运算、计时、计数、算术运算、数据处理和传送、通讯联网以及各种应用指令二中型PLC中型PLC采用模块化结构,其I/O点数一般在256~1024点之间I/O的处理方式除了采用一般PLC通用的扫描处理方式外,还能采用直接处理方式,即在扫描用户程序的过程中,直接读输入,刷新输出它能联接各种特殊功能模块,通讯联网功能更强,指令系统更丰富,内存容量更大,扫描速度更快三大型PLC一般I/O点数在1024点以上的称为大型PLC大型PLC的软、硬件功能极强具有极强的自诊断功能通讯联网功能强,有各种通讯联网的模块,可以构成三级通讯网,实现工厂生产管理自动化大型PLC还可以采用三CPU构成表决式系统,使机器的可靠性更高
5.4接近开关传感器1接近开关传感器的概念在各类开关中,有一种对接近它物件有“感知”能力的元件——位移传感器利用位移传感器对接近物体的敏感特性达到控制开关通或断的目的,这就是接近开关当有物体移向接近开关,并接近到一定距离时,位移传感器才有“感知”,开关才会动作通常把这个距离叫“检出距离”不同的接近开关检出距离也不同2接近传感器的选型和检测对于不同的材质的检测体和不同的检测距离,应选用不同类型的接近传感器,以使其在系统中具有高的性能价格比,为此在选型中应遵循以下原则
(1)当检测体为金属材料时,应选用高频振荡型接近传感器,该类型接近传感器对铁镍、A3钢类检测体检测最灵敏对铝、黄铜和不锈钢类检测体,其检测灵敏度就低
(2)当检测体为非金属材料时,如;木材、纸张、塑料、玻璃和水等,应选用电容型接近传感器
(3)金属体和非金属要进行远距离检测和控制时,应选用光电型接近传感器或超声波型接近传感器
(4)对于检测体为金属时,若检测灵敏度要求不高时,可选用价格低廉的磁性接近式传感器或霍尔式接近传感器3接近开关传感器的原理图:
5.5I/O接口简介
(1)I/O接口的概念CPU与外部设备、存储器的连接和数据交换都需要通过接口设备来实现,前者被称为I/O接口,而后者则被称为存储器接口存储器通常在CPU的同步控制下工作,接口电路比较简单;而I/O设备品种繁多,其相应的接口电路也各不相同,因此,习惯上说到接口只是指I/O接口2)接口的分类I/O接口的功能是负责实现CPU通过系统总线把I/O电路和外围设备联系在一起,按照电路和设备的复杂程度,I/O接口的硬件主要分为两大类1)I/O接口芯片这些芯片大都是集成电路,通过CPU输入不同的命令和参数,并控制相关的I/O电路和简单的外设作相应的操作,常见的接口芯片如定时/计数器、中断控制器、DMA控制器、并行接口等2)I/O接口控制卡有若干个集成电路按一定的逻辑组成为一个部件,或者直接与CPU同在主板上,或是一个插件插在系统总线插槽上按照接口的连接对象来分,又可以将他们分为串行接口、并行接口、键盘接口和磁盘接口等
5.6机械手的程序设计自动线的输送动作由步进电动机带动实现间隔输送,实现设计要求的输送状况其工作的过程是机械手首先处于初始位置,然后经过一系列的动作将断续传送带上的工件拿走,此时传送带上的光电检测检测开关检测到工件被取走然后传送带开始转动,当检测到下一个工件时传送带停止转动等待机械手来取工件,当然只要机械手取走工件传送带就开始转动,这样设计是为了节省工作时间从而不会出现机械手等待传送带的时间对程序的要求如下1首先启动机械手时机械手自动复位处于初始位置;2在机械手工作前还要对其进行设备的检测即机械手空运行一次而且机械手的每一个动作都有相应的定时器进行监控若超出规定的运行时间则认为是设备出现故障3机械手设有急停按钮(一般情况下是不被允许使用的)只有出现紧急情况时才允许按此按钮,按下此按钮将切断储气罐与各汽缸的联系将被切断各汽缸处于无动力状态
5.
7.步进电机的运行控制由于传送带的速度要求不高且精度也不是太高所以本设计选择三相步进电机通电方式为三相双三拍,利用PLC中的M8014特殊功能继电器向环形脉冲分配器中发送脉冲然后经光电转换和功放电路驱动步进电机环形脉冲分配器选择YB013芯片此芯片为专用三相步进电机环形脉冲分配器此芯片工作稳定性能优良在实际生产中被广泛应用
1.步数控制当对射式光电检测开关检测到共建的位置时此时停止向脉冲分配器中发送脉冲步进电机将停在此位置不动2.手动控制步进电机当按下手动启动步进电机按钮时M8013即向环形脉冲分配器中发送脉冲步进电机开始转动,当按下停止按钮时步进电机将停下
3.此外在报警和暂停状态下步进电机也将停止转动综合上述情况步进电机控制程序如下STL507OUTM20LDM8013ANIM574ANIM4ANDM20OUTY
315.8各模块的程序设计程序初始化采用中间继电器M8002中间继电器对系统各部分复位,定义个种标志包括系统初始化标志,系统启动暂停急停复位等标志;LDM8002ZRSTY000Y267ZRSTM0M1023ZRSTS0S899SETS0系统处于初始状态M0定义为系统初复位标志它由机械手的右限位开关X0,下限位开关X4,收缩限位开关X7,手腕右转限位开关X3同时激活;LDX0ANDX4ANDX7ANDX3OUTM0定义系统复位标志M1定义为系统启动标志由启动按钮和M0共同激活;LDX30ANDM0ORM1OUTM1定义系统启动标志M2为暂停标志由暂停按钮激活;LDX16ANDM1ORM2OUTM2M4定义为急停标志由急停按钮X17激活M4被激活同时激活特殊功能继电M574(禁止状态转换)安全阀将储气罐与机械手的联系切断;LDX17OUTM4LDM4SETM574LDM574OUTY12定义急停标志M5定义为系统复位标志由复位按钮激活,当按下复位按钮系统将按右转,手腕右转,手臂收回,机械手下降机械手右转,的顺序进行复位,当最后一个动作完成下限位开关有效时程序将RSTM5;LDX13RSTM574RSTM4SETM5LDM5MPSANIX3OOUTY6LDX3SETY3ANDX7RSTY3SETY5LDX4RSTY5SETYOLDX0RSTM5系统复位
5.9机械手自检程序机械手按照给定的顺序(手抓加紧松开﹑手腕右转左转﹑手臂伸长收缩﹑机械手左转右转)空执行一次在每一个动作执行的过程中都会有定时器对每个动作进行监控若超过设定时间(定时器设定的时间都超过每个动作的时间)则认为是机械系统出错,停止当前的动作发出报警信号;STLS0LDX30SETS21OUTY10MPSOUTY10MRDOUTT0K40MPPLDX26SETS22STLS22MPSOUTY11MRDOUTT0K40MPPLDX31SETS23STLS23MPSOUTY6MRDOUTT0K40MPPLDX3SETS24STLS24MPSOUTY7MRDOUTT0K40MPPLDX6SETS25STLS25MPSOUTY2MRDOUTT0K40MPPSETS26STLS26MPSOUTY3MRDOUTT0K40MPPLDX7SETS27STLS27MPSOUTY1MRDOUTT0K40MPPLDX10SETS28STLS28MPSOUTY0MRDOUTT0K40MPPLDX0SETS29STLS29MPSOUTY4MRDOUTK40MPPLDX1SETS30STLS30MPSOUTY5MRDOUTT0K40MPPSETS31STLS31OUTS2自检程序结束自动运行程序此模式为机械手工作的主要模式这部分采用具有保持功能的状态组件S500-S899可以让机械手在断电后再次通电继续执行断电前的动作,程序如下STLS2LDM0SETS500STLS500MPSOUTY0MPPLDX0SETS501STLS501MPSOUTY4MPPLDX1SETS502STLS502MPSOUTY2MPPLDX2SETS503STLS503MPSOUTY7MPPLDX6SETS504STLS504MPSOUTY5MPPLDX11SETS505STLS505MPSSETY10MPPLDX26SETS506SETS507STLS506MPSOUTY4MPPLDX1SETS508STLS508MPSOUTY6MPPLDX3SETS508STLS508MPSOUTY3MPPLDX0SETS510STLS510MPSOUTY5MPPLDX4SETS511STLS511MPSOUYY7MPPLDX6SETS512STLS512MPSOUTY2MPPLDX2SETS513STLS513MPSOUTY5MPPLDX4SETS514STLS514MPSOUTY7MRDRSTY10MPPLDX6SETS515STLS515MPSOUTY6MPPLDX3SETS516STLS516MPSOUTY3MPPLDX7SETS517STLS5170UTS2RET自控程序结束第六章结论
1、本次设计的是液压通用机械手,相对于专用机械手,通用机械手的自由度可变,控制程序可调,因此适用面更广
2、采用液压传动,动作迅速,反应灵敏,能实现过载保护,便于自动控制工作环境适应性好,不会因环境变化影响传动及控制性能阻力损失和泄漏较小,不会污染环境同时成本低廉
3、机械手采用PLC控制,具有可靠性高、改变程序灵活等优点,无论是进时间控制还是行程控制或混合控制,都可通过设定PLC程序来实现可以根据机械手的动作顺序修改程序,使机械手的通用性更强主要参考资料机械设计手册机械工业出版社机电一体化技术 西安电子科技大学出版社工业机器人技术 西安电子科技大学出版社电气可编程控制原理及应用 清华大学出版社PLC原理及应用(三菱FX系列) 清华大学出版社PLC应用开发从基础到实践 电子工业出版社电气控制与PLC实用编程 黄河水利出版社液压与气动技术西安电子科技大学出版社结束语本次毕业设计是在学完大学的基础知识和专业知识,进行了一系列的生产实习和以前各次课程设计的基础上进行的一次综合性的大总结旨在培养我们综合运用所学的基础知识、专业知识去分析和解决生产实际问题的能力及培养正确的设计思想,我通过运用设计标准、规范、手册、图册、和查阅有关技术资料去进行理论计算、结构思考、绘制图样、写相关说明性材料等等我学会了机械设计的基本技能和工程设计工作者的基本素质,为我们走上工作岗位打下坚实的基础当然,由于本人设计水平有限、在课程中没有接触过机械手的相关课程,实际经验的不足,以及时间上的限制,在设计中难免存在一些错误恳请老师给予以批评以及指正!我希望通过本次毕业设计对自己未来将从事的工作进行一次适应性的训练,从中锻炼自己分析问题、解决问题的能力,为将来的工作打下一个良好的基础致谢行文至此,我的这篇论文已接近尾声;岁月如梭,我3年的大学时光也即将敲响结束的钟声离别在即,站在人生的又一个转折点上,心中难免思绪万千,一种感恩之情油然而生育我成才者老师感谢我的尊敬的刘同营老师!这篇论文是在刘同营老师的的悉心指导与鼓励下完成的刘同营老师渊博的学识、严谨的治学态度、精益求精的工作作风和诲人不倦的高尚师德,都将深深地感染和激励着我,将是我以后生活中的追求和目标在此谨向刘同营老师致以诚挚的感谢!感谢为这篇论文的完成付出了辛勤劳动和心血的同学——张记刚和孙九森他们在资料搜集,拓展思路等各方面,团结合作、认真严谨、不畏艰苦,给了我极大的帮助感谢技师机电08级的老师们和同学们四年来,是老师们得孜孜不倦得辛勤付出,让我学到更专业的知识!是同学们得欢声笑语,让我的大学生活变得更加丰富多彩!愿我们师生情谊之树长青在此对我尊重的老师们,挚爱的同学们,真诚地道一声“谢谢”!2011年8月12日。