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基于PLC的上下料机械手设计.doc
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基于PLC的上下料机械手设计.doc
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1 章 绪论
1.1 引言
机械手是能模仿人手和臂的某些动作功能,用以按固定程序抓取、搬运物件或操作
工具的自动操作装置。它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化,能在有害
环境下操作以保护人身安全,因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等
部门。
机械手主要由手部、运动机构和控制系统三大部分组成。手部是用来抓持工件(或
工具)的部件,根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形
式,如夹持型、托持型和吸附型等。运动机构,使手部完成各种转动(摆动)、移动或复
合运动来实现规定的动作,改变被抓持物件的位置和姿势。运动机构的升降、伸缩、旋
转、平移等独立运动方式,称为机械手的自由度 。为了抓取空间中任意位置和方位的
物体,需有 6 个自由度。自由度是机械手设计的关键参数。自由度越多,机械手的灵活
性越大,通用性越广,其结构也越复杂。一般专用机械手有 2~3 个自由度。
机械手的种类,按驱动方式可分为机械式、气动式、电动式、液压式机械手;按
适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种;按运动轨迹控制方式可分为点位控制和
连续轨迹控制机械手等。
机械手通常用作机床或其他机器的附加装置,如在自动机床或自动生产线上装卸和
传递工件,在加工中心中更换刀具等,一般没有独立的控制装置。有些操作装置需要由
人直接操纵,如用于原子能部门操持危险物品的主从式操作手也常称为机械手。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。
本课题介绍了一种精确控制机械手的方法,以西门子公司的 S7-200 系列 PLC 作为
机械手的主控制器,外接控制面板以实现对 3 自由度机械手控制的功能,实现一个精确
的自动控制系统。
1.2 搬运机械手的应用现状
在现代工业中,生产过程的机械化、自动化已成为突出的主题。在机械工业中,加
工、装配等生产是不连续的。专用机床是大批量生产自动化的有效办法,程控机床、数
控机床、加工中心等自动化机械是有效解决多品种小批量生产自动化的重要办法。
但除切削加工本身外,还有大量的装卸、搬运、装配等作业,有待于进一步实现机
械化。据资料介绍,美国生产的全部工业零件中,有 75%是小批量生产;金属加工生产
基于 PLC 的上下料机械手设计
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批量中有四分之三在 50 件以下,零件真正在机床上加工的时间仅占零件生产时间的 5
%。从这里可看出,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。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,广泛应用于柔性自动线。
国内外机械工业、铁路部门中搬运机械手主要应用于以下几方面:
1、热加工方面的应用
热加工是高温、危险的笨重体力劳动,很久以来就要求实现自动化。为了提高工作
效率,和确保工人的人身安全,尤其对于大件、少量、低速和人力所不能胜任的作业就
更需要采用机械手操作。
2、冷加工方面的应用
冷加工方面机械手主要用于柴油机配件以及轴类、盘类和箱体类等零件单机加工时
的上下料和刀具安装等。进而在程序控制、数字控制等机床上应用,成为设备的一个组
成部分。最近更在加工生产线、自动线上应用,成为机床、设备上下工序联接的重要于
段。
3、拆修装方面
拆修装是铁路工业系统繁重体力劳动较多的部门之一,促进了机械手的发展。目前
国内铁路工厂、机务段等部门,已采用机械手拆装三通阀、钩舌、分解制动缸、装卸轴
箱、组装轮对、清除石棉等,减轻了劳动强度,提高了拆修装的效率。近年还研制了一
种客车车内喷漆通用机械手,可用以对客车内部进行连续喷漆,以改善劳动条件,提高
喷漆的质量和效率。
近些年,随着计算机技术、电子技术以及传感技术等在机械手中越来越多的应用,
工业机械手已经成为工业生产中提高劳动生产率的重要因素。
1.3 机械手的应用意义
在机械工业中,机械手的应用意义可以概括如下:
1、可以提高生产过程的自动化程度
应用机械手,有利于提高材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等
的自动化程度,从而可以提高劳动生产率,降低生产成本,加快实现工业生产机械化和
自动化的步伐。
2、可以改善劳动条件、避免人身事故在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、
臭味、有放射性或有其它毒性污染以及工作空间狭窄等场合中,用人手直接操作是有危
2
险或根本不可能的。而应用机械手即可部分或全部代替人安全地完成作业,大大地改善
了工人的劳动条件。在一些动作简单但又重复作业的操作中,以机械手代替人手进行工
作,可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。
3、可以减少人力,便于有节奏地生产应用机械手代替人手进行工作,这是直接减少
人力的一个侧面,同时由于应用机械手可以连续地工作,这是减少人力的另一个侧面。
因此,在自动化机床和综合加工自动生产线上,目前几乎都设有机械手,以减少人力和
更准确地控制生产的节拍,便于有节奏地进行生产。
1.4 机械手的构成和分类
1.4.1 机械手的构成
机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等所组成。 执行
机构包括手部、手腕、手臂和立柱等部件,有的还增设行走机构。
1、手部:
即与物件接触的部件。由于与物件接触的形式不同,可分为夹持式和吸附式手在本
课题中我们采用夹持式手部结构。夹持式手部由手指(或手爪和传力机构)所构成。手指
是与物件直接接触的构件,常用的手指运动形式转型和平移型。回转型手指结构简单,
制造容易,故应用较广泛。平移型应用较少,其原因是结构比较复杂,但平移型手指夹
持圆形零件时,工件直径变化不影响其轴心的位置,因此适宜夹持直径变化范围大的工
件。手指结构取决于被抓取物件的表面形状、被抓部位(是外廓或是内孔)和物件的重量
及尺寸。常用的指形有平面的、V 形面的和曲面的:手指有外夹式和内撑式;指数有双指
式、多指式和双手双指式等。而传力机构则通过手指产生夹紧力来完成夹放物件的任务。
传力机构型式较多时常用的有:滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜面杠杆式、齿轮齿条式、丝
杠螺母弹簧式和重力式等。
2、手腕:
是连接手部和手臂的部件,并可用来调整被抓取物件的方位(即姿势)。
3、手臂:
手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是带动手指去抓取物件,
并按预定要求将其搬运到指定的位置.工业机械手的手臂通常由驱动手臂运动的部件(如
油缸、气缸、齿轮齿条机构、连杆机构、螺旋机构和凸轮机构等)与驱动源(如液压、气
基于 PLC 的上下料机械手设计
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压或电机等)相配合,以实现手臂的各种运动。
4、立柱:
立柱是支承手臂的部件,立柱也可以是手臂的一部分,手臂的回转运动和升降(或
俯仰)运动均与立柱有密切的联系。机械手因工作需要,有时也可作横向移动,即称为
可移式立柱。
5、行走机构:
当工业机械手需要完成较远距离的操作,或扩大使用范围时,可在机座上安滚轮式
行走机构可分装滚轮、轨道等行走机构,以实现工业机械手的整机运动。滚轮式布为有
轨的和无轨的两种。驱动滚轮运动则应另外增设机械传动装置。
7、机座:
机座是机械手的基础部分,机械手执行机构的各部件和驱动系统均安装于机
座上,故起支撑和连接的作用。
1.4.2 机械手的分类
机器人的分类目前世界各国对处于发展阶段的机器人还没有统一的分类标准,大致
有以下几种分类方法。
1、按使用范围分类
(1)固定程序的专用机器人(机械手)通常根据主机的特定要求设计成固定程序或简单
的可变程序)。这种机器人(机械手)多为气动或液动用行程开关、机械挡块来控制其工作
位置。工作对象单一动作较结构与系统简单价格低廉可以应用。
(2)可编程序的通用机器人工作程序可变,以适应不同的工作对象,通用性强,适合于
以多品种、中小批量生产为特点的柔性制造系统中。
2、按使用行业、部门和用途分类
(1)工业机器人它们又可按作业类别分为锻压、焊接、表面喷涂、装卸、装配、检测等
机器人。
(2)采掘机器人如海洋探矿机器人等。
(3)军事用途机器人
在跨世纪的军事活动中,机器人部队无疑将会参战。这些机器人具有较强的自主作
战和参与军事使命的能力,它们纪律严明,组织紧凑,行动快捷,效果明显。这是和机
器人部队的设计者与策划者的智慧、思想、设计和制造分不开的。不过,随着机器人在
陆、海、空、天、电战场的超立方形空间中全面地投入军事活动,也为领导这些机器人
4
部队的人类的指挥机构和各级作战人员带来不少新的、涉及到如何对待机器人行为的复
杂问题
(4)服务机器人如医疗机器人、家用机器人、教学机器人等。
3、按机械结构、坐标系特点分类
按机械结构、坐标系特点可分为直角坐标型、圆柱坐标型、球坐标型、多关节型等。
这些配置方式都是经过实践证明为经济可行的方式,也是组合式模块化工业机器人坐标
配置方式设计时所要借鉴和参照的方式。
(1)直角坐标型机器人
其运动部分由三个相互垂直的直线移动(即 PPP)组成,其工作空间图形为长方形。
它在各个轴向的移动距离,可在各个坐标轴上直接读出,直观性强,易于位置和姿态的
编程计算,定位精度高,控制无耦合,结构简单,但机体所占空间体积大,动作范围小,
灵活性差,难与其他工业机器人协调工作。
图 1.1 直角坐标型机器人
(2)圆柱坐标型机器人
其运动形式是通过一个转动和两个移动组成的运动系统来实现的,其工作空间图形
为圆柱与直角坐标型工业机器人相比,在相同的工作空间条件下,机体所占体积小,而
运动范围大,其位置精度仅次于直角坐标型机器人,难与其他工业机器人协调工作。
图 1.2 圆柱坐标型机器人
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