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基于PLC的机械手设计 (2).docx
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基于 PLC 控制的机械手设计
目 录
摘要
引言
···································································································· 1
···································································································· 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
1。4 总体结构设计
············································································ 4
············································································· 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/s
2
垂直加速度 a=0.3g=2。94m/s
2
水平加速度 a=0。3g=2。94m/s
2
回转半径 r=0.5m
角速度ω=3.5rad/s
角加速度β=2.1rad/s
2
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
φ
α
β
θ
θ
图 1-3 极坐标型
图 1-4 多关节型
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不吃鸳鸯锅
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