《注塑件自動搬運機械手的控制結(jié)構(gòu)設(shè)計》7700字（論文）

注塑件自動搬運機械手的控制結(jié)構(gòu)設(shè)計目錄TOC\o"1-3"\h\u12684摘要 I第一章緒論1.1課題的背景和意義機械技術(shù)的發(fā)展是一個國家的經(jīng)濟、科技、國防的根本保證，隨著社會對機械科技的要求，機械手也隨之出現(xiàn)。機械手的出現(xiàn)節(jié)省了大量貨物搬運時間，使得人類的勞動力得到解放。機械手，顧名思義，實際上就是能夠模仿人的手和臂完成某些特定動作。以前，大多數(shù)企業(yè)是采用人工搬運這一勞力傷財?shù)霓k法來對倉庫進行搬運物料，效率低下。但隨著機械手與倉庫的結(jié)合，出現(xiàn)了自動化立體倉庫，完成使用人力很難完成倉庫搬運任務(wù)，大幅提高了工作效率，降低了人力成本，提高了空間利用率，使得管理變得更加簡便。隨著工業(yè)5.0的提出，對機械制造業(yè)質(zhì)量、效率提出了更高的要求，使用機械手代替人工方式進行貨物搬送能夠大幅度提高工作效率，且能夠使機械手準(zhǔn)確無誤將貨物到達我們指定的位置，尤其在人工成本日益增加的今天，使用機械手代替人工方式有著重要的意義，隨著機械行業(yè)制造的智能化、高效化、標(biāo)準(zhǔn)化的要求提出，機械手在機械行業(yè)的發(fā)展是未來發(fā)展的必然趨勢，近幾年，我國機械行業(yè)發(fā)展迅速，在機械行業(yè)生產(chǎn)中，避免不了產(chǎn)品、設(shè)備的搬運和翻轉(zhuǎn)工作，并且有時候設(shè)備、產(chǎn)品的翻轉(zhuǎn)工作還非常具有危險性，根本無法使用人力去實現(xiàn)，機械手的脫穎而出就能很好解決此類問題，能夠使我國機械行業(yè)發(fā)展更快，目前機械手使用較多的場合有物流行業(yè)、機械加工行業(yè)等，大大促進了我國的生產(chǎn)力。工業(yè)機械手又可以分成三代,在第一代的工業(yè)機器中,能夠使機械手來完成預(yù)定的工作,操作者先“指導(dǎo)”機器人,機器人牢記這種實際管理工作過程,然后按照正確的命令正確地重復(fù)記憶的實際管理工作。第二代機器人就是我們口中說的“智能機械手”,能夠使用多個感應(yīng)器來收集諸如觸摸、力覺、視覺信息等,并在捕捉這種信號之后運用網(wǎng)絡(luò)計算機的運算信息處理能力執(zhí)行下一個正確的動作命令。第三代機械手,是指一種“僅限治理的工業(yè)機械手”。雖然目前,第一代工業(yè)機械手在中國制造業(yè)領(lǐng)域已獲得了相當(dāng)普遍的運用,但第二代和第三代工業(yè)機械手還處在實驗階段。而機械手目前也是中國使用得最為普遍的工業(yè)機器人之一。1.2課題國內(nèi)外發(fā)展歷程與現(xiàn)狀美國是第一個發(fā)明了機械手的國家，它是一種球坐標(biāo)式的機器人，它的存儲能力很強，可以存儲和記憶200個不同的動作。通過對有關(guān)資料的研究，我們發(fā)現(xiàn)這種機械臂的驅(qū)動方式主要是電液伺服。在圖1-1中可以看到。圖1-1世界上第一臺工業(yè)機器人Unimate參考現(xiàn)有的文件資料來看，1973年，德國的一家名為KUKA的公司生產(chǎn)出了一種類似FAMULUS的機器人，這是一種六軸聯(lián)動的機器人，主要用來搬運零件和堆疊貨物，這些都是通過PC來實現(xiàn)的。該機器人S2000能夠?qū)崿F(xiàn)6軸連接，負(fù)載為150千克，如在圖1至3中所示。圖1-2IRB8700工業(yè)機器人圖1-3S2000重載工業(yè)機器人第二次世界大戰(zhàn)之后，日本在美國的幫助下，也開始了對機器人的研發(fā)，這些機器人的研發(fā)工作是基于美國的技術(shù)支持之上的，研發(fā)出了R-30iA，見圖1-4。這種機器人擁有最先進的科技，可以進行視覺探測，影像處理，并且具備一定的自動學(xué)習(xí)能力，讓機器人的智能程度得到了極大的提升。圖1-4R-30iA型機器人雖然我們的機器人技術(shù)和國外的科技水平還有很大的差距，但我們的科技發(fā)展速度很快，我們國家已經(jīng)有了自己的技術(shù)。綜上所述，從機械臂的應(yīng)用來看，機械手在機械工業(yè)中的地位是無可替代的。因此其總體發(fā)展勢頭正處在方興未艾的狀態(tài)。通過對有關(guān)數(shù)據(jù)的分析，不難看出，機器人在各個行業(yè)中的應(yīng)用非常廣泛。首先，由于某些科學(xué)研究領(lǐng)域的迅速發(fā)展，我們對某些操作的精度要求也在不斷提高，因此，我們可以使用機器人進行精密的控制。第二，機器人手臂可以充當(dāng)其他裝置的輔助原件，與其他裝置共同工作，充當(dāng)特定裝置的一部分。第二章總體方案確定2.1氣壓驅(qū)動方案其主要傳動形式為氣壓傳動，以完成大、小臂、尾臂等機構(gòu)的夾緊作用，具有成本低廉、操作簡單等特點。圖2-1氣動方案2.2電機驅(qū)動方案這種電動機驅(qū)動的機械臂方案具有高的定位精度，但是傳動元件的馬達等的控制復(fù)雜，費用高昂。圖2-2電機驅(qū)動方案2.3液壓驅(qū)動方案該方案要求采用專用的液壓系統(tǒng)來完成機械臂的動作，但其控制費用比較高。圖2-3液壓驅(qū)動方案2.4不同傳動方式的比較與選取各種機械手驅(qū)動的優(yōu)點和不足之處有：1.在工業(yè)上使用最多的是氣動驅(qū)動，比如氣泵，通過壓縮空氣的反作用力來驅(qū)動機械部件，因為內(nèi)部壓力較大，外界壓力較小，從而產(chǎn)生壓力差，從而產(chǎn)生一個推力推動部件[3]，我們?nèi)粘Ｉ钪凶畛Ｓ玫木褪强諝猓且环N壓力驅(qū)動的媒介，因此，它的原材料很好找，其工作原理很好理解，使用起來也很簡單，但是它的工作性能卻很差，在具體運行中的運動軌跡很難控制，也很難控制它的速度[4]。氣壓傳動的優(yōu)勢：(1)關(guān)于這一次的試驗分析，我們采用的是一種新型的驅(qū)動方式，它采用了一種線性的驅(qū)動方式，它的移動方式非常的簡單，而且它的運行軌跡也更加的靈活，而且工作方式也非常的方便，其安裝、使用甚至是維修都非常便捷的[5]。(2)使用氣缸，氣缸的工作介質(zhì)是我們平時使用的空氣，而空氣是我們的生活必需品，它并不是什么奢侈的東西，這就是為什么要使用氣缸作為動力的原因，這種的動力不但很容易找到，而且其價格也很便宜，在使用它的時候，它的氣壓很低，壓力很小，并不會產(chǎn)生太大的危險。(3)通過對氣缸的運動速度的研究，我們知道了氣缸的運動速度，它的運動速度要比水、電等能源要快得多，而且我們還發(fā)現(xiàn)，通過節(jié)流閥的調(diào)整，可以無限制地調(diào)整汽缸的工作效率，保障系統(tǒng)的順利運行。(4)通過查閱大量的數(shù)據(jù)，了解了有關(guān)的工作模式，我們知道，這套系統(tǒng)不但能達到我們的穩(wěn)定需求，還能在使用中達到運行的特殊需求。(5)我們從理論上知道，空氣中存在著一個分子間隙，我們可以將其壓縮到一定程度，這樣就可以達到壓縮空氣的目的，而且，我們還可以在很小的空間里，來滿足儲氣的需要，也可以在很小的空間里，進行集中供應(yīng)[6]。(6)同時，我們也知道，采用它的燃?xì)庾鳛閯恿?，具有更好的安全和實用價值，因此，與水力相比，氣體的應(yīng)用范圍更廣，即使是在高溫等極端條件下也能滿足。2.液壓驅(qū)動機械手，這種機械手需配備專用的液壓系統(tǒng)及設(shè)備，且投資大?？傊?，在我們認(rèn)識到空氣動力的優(yōu)越性后，我們就可以在這次試驗中使用空氣動力[7]。最后是部件和技術(shù)參數(shù)的需求：1、塑料夾子尺寸是200mm×30mm×20mm；重量約：0.1Kg2、升降行程250mm，升降速度：<60mm/s；伸縮行程80mm，伸縮速度：<250mm/s3、實現(xiàn)兩個方向的90°旋轉(zhuǎn)運動，回轉(zhuǎn)速度：<70/s4、定位方式：行程開關(guān)或可調(diào)機械擋塊等5、定位精度：士0.5mm。圖2-4零件三維圖第三章機械手結(jié)構(gòu)分析3.1回轉(zhuǎn)部分分析圖3-1回轉(zhuǎn)氣缸示意圖3.2升降部分結(jié)構(gòu)分析上部的氣流通道主要是將氣流輸送至下面的三個氣缸，而下側(cè)的氣流通道則是通過氣路進入升降缸，帶動它的活動關(guān)節(jié)共同向上運動，使之達到預(yù)定的位置。它的結(jié)構(gòu)在圖3-2中顯示：圖3-2升降結(jié)構(gòu)分析簡圖3.3伸縮部分結(jié)構(gòu)分析在實際應(yīng)用中，經(jīng)常要考慮到設(shè)備的整體容積，當(dāng)要求小的時候，可以選擇氣缸，這主要是由于氣缸的體積比較小，在整個設(shè)備的容積中占有很大的比重，而且由于氣缸的重量比較小，所以我們在分析機械臂時，通常會選擇汽缸。圖3-3中顯示了手臂的分析：圖3-3大臂分析本公司研制的往復(fù)式推進器由以下部件組成：將傳導(dǎo)性的活塞軸與承載器相結(jié)合，氣缸上的執(zhí)行元件撞鐵，用來調(diào)整位置的定位器，導(dǎo)軌[8]等；其結(jié)構(gòu)簡圖如圖3?4所示：圖3-4結(jié)構(gòu)分析簡圖3.4手部夾緊部分結(jié)構(gòu)分析這次的實驗分析所使用的手臂，既能達到基本的要求，也能達到本次分析的基本功能，并且這一次的運動方式，與以往分析的大臂的運動方式如出一轍，都是類似的，最重要的是，機械手可以做一些簡單的動作，比如上下移動[6]。而每次直線移動，都是靠汽缸來提供每次移動所需的能量[11]。這只手臂的分析很簡單，只需要在上面加上一個汽缸就可以了，見圖3-5。圖3-5小臂分析手部的機械爪由一根可移動的手指和一根傳動機構(gòu)組成，該傳動機構(gòu)與驅(qū)動它的動作相結(jié)合。圖3-6氣爪分析在進行分析時，應(yīng)注意下列幾點：a.具有足夠的握力(即夾緊力)b.手指間應(yīng)具有一定的開閉角c.保證工件準(zhǔn)確定位。d.具有足夠的強度和剛度e.考慮被抓取對象的要求圖3-7手部結(jié)構(gòu)分析圖3.5其余部分結(jié)構(gòu)分析3.5.1機械手底座分析作為一臺機械的基礎(chǔ)，它的底部承載著機械的全部重量，同時也承載著大量的零件，這是一臺機械的運行基礎(chǔ)。因為要兼顧到底座上的部件之間的匹配，所以我們在分析的時候，要注意到底座上的部件的大小，以及部件之間的匹配，如果不協(xié)調(diào)的話，很有可能會導(dǎo)致整個部件的組裝失敗。除此之外，還有一個很重要的原則，那就是容易安裝。從整體上看，基座的分析是這樣的。圖3-8箱座在沒有零件的情況下，為了節(jié)約成本，我們可以將多余的零件少一些，在箱子的內(nèi)側(cè)沒有任何的零件，我們可以省去一些多余的工序，而對于內(nèi)壁的要求并不是很高，只需要簡單的處理就可以了。選擇的材質(zhì)是HT200。3.5.2軸承的選擇在設(shè)備的制造與分析中，選用適當(dāng)?shù)妮S承是非常關(guān)鍵的。我們研究了一下，發(fā)現(xiàn)其運行過程是這樣的，它主要是用來支撐軸的，也可以用來做任何可以轉(zhuǎn)動的部件。目前，我們的產(chǎn)品在應(yīng)用和制造中，有兩種類型，一種是比較常見和經(jīng)常使用的滾動軸承，另一種是我們?nèi)粘Ｉ钪羞€沒有廣泛應(yīng)用的滑動軸承[13]。在翻閱了相關(guān)的文獻資料之后，對滾動軸承的各種性能進行了詳細(xì)的描述，它的優(yōu)點與我們的分析思想是完全吻合的，在運行中，滾動軸承與其他的滑動軸承相比，滾動軸承在工作中的摩擦相對較少，因此其工作效率很高，因為它的摩擦和滑移幅度很小，所以潤滑工作比較便捷[14]。然而，在查閱了大量的使用數(shù)據(jù)之后，我們發(fā)現(xiàn)，在實際應(yīng)用中，滾動軸承存在著一些缺陷，其自身在工作時，會發(fā)出很大的噪聲，并且，因為它自身的工作方式是不同的，因此，通過比較，可以得出，在后續(xù)的使用過程中，滾動軸承通常會有更長的使用壽命[13]。我們要根據(jù)實際情況來選擇這款軸承。例如，我們要考慮到這次分析的設(shè)備所要承受的負(fù)荷的特定尺寸。另外，我們還必須考慮到軸承在使用過程中，所受到的載荷的具體方向，以及所承受的載荷的特性。在此項分析中，軸承在使用過程中所受到的荷載特性較為復(fù)雜。不僅要有一定的直徑，還要有一定的軸向力，還要承擔(dān)一定的扭矩[16]，所以，此次所要選擇的是推力球面和深溝面面的球面，以達到此次軸承的強度要求。根據(jù)此次外型的特殊尺寸，我們選擇了6006和51213。3.5.3上軸承座的選擇6006深溝球軸承：d=30mmD=55mmB=13mmda=36mmDa=49mm51213推力球軸承：d=65mmD=100mmT=27mmda=86mmDa=100mm根據(jù)以上的尺寸可以確定軸承上座的尺寸，,如圖3?9所示：圖3-9上軸承座軸承是一種特殊的零件，需要將兩個不同的部件連接在一起，所以在分析時對軸承的要求也很高，因為軸承要和其他軸接觸，這些部件之間的配合要非常的緊密，表面的光滑度一定要控制在規(guī)定的范圍內(nèi)，可以完全契合，有些可以用過盈配合熱脹冷縮鎖緊，也可以用機械結(jié)構(gòu)的螺絲固定[17]。由于我們使用的是標(biāo)準(zhǔn)的軸承，因此我們在此將一軸承的內(nèi)圈直徑作為參考來調(diào)整軸，使用的是基礎(chǔ)孔的公差匹配。軸承的外側(cè)要安裝一個軸承，這個軸承的外圈是不能改變的，這個時候只能調(diào)節(jié)它的內(nèi)圈，所以在這里，我們就采用基軸制得公差標(biāo)準(zhǔn)[18]。所以我們的軸和支座的分析要與軸承的大小相匹配，我們要按所選直徑30的軸承座來分析。3.5.4下軸承座的選擇在分析時，我們必須要認(rèn)真選擇每個部件，認(rèn)真的選擇它們的尺寸和型號大小。它的主要作用是作為軸承的接觸點，各部分必須與其它零件共同構(gòu)成一個整體，各系統(tǒng)之間缺一不可，因此每個零件的安裝都要考慮到裝配誤差，有些采用正誤差，有些采用負(fù)差，有些采用過盈配合，有些采用間隙配合[19]。具體見下圖3-10：圖3-10下軸承座在裝配這些零件時，有幾點要注意，例如要清楚地標(biāo)明特定的公差，并以此作為此次分析的參考，其次，還必須符合《機械分析手冊》中的有關(guān)規(guī)范和要求，并在此基礎(chǔ)上，詳細(xì)地標(biāo)明各部分的圓筒度，不僅如此，還必須詳細(xì)地說明對端面的相對參考表面的特定的圓跳程度[32]。3.6氣動系統(tǒng)分析圖3-11氣動原理圖1、2、3.電磁換向閥和消聲裝置圖4-6、單向節(jié)流閥7、夾緊油缸8、水平垂直提升缸和磁性沖程調(diào)節(jié)器9、向下水平運動缸和磁力沖程控制器10、氣源調(diào)節(jié)機構(gòu)和截止閥。本文結(jié)合所學(xué)知識，結(jié)合當(dāng)前的氣動工作原理，詳細(xì)說明了它的工作原理：第一，我們要為本次所用的裝置提供一個電源──壓縮機。在壓縮機經(jīng)過時，能夠正常工作時，壓縮機會產(chǎn)生足夠的能量，壓縮工作介質(zhì)中的空氣，從而將壓力轉(zhuǎn)換為機械能，從而驅(qū)動機器完成一定的動作，從而為裝置提供能量[20]。(1)垂直升降、水平伸縮、旋轉(zhuǎn)運動部分電磁調(diào)節(jié)器二的EMF線圈CY2-1被接通，壓力室中的空氣通過E-換向閥二和節(jié)流閥五流到垂直升降氣瓶八下汽缸，機械手向上，氣瓶八再次伸到ST2，機械手就會停止，當(dāng)電磁調(diào)節(jié)器2的電磁線圈CY2-0被打開，壓力室的空氣再次流到氣瓶八的上部時，機械手下降，氣瓶八返回到ST的一個位置，此時機械手就會下降；EMC1的EMF線圈CY1-1被接通，經(jīng)過EMC換向閥一、節(jié)流閥四將室內(nèi)的空氣引入到液面上，使機手向左轉(zhuǎn)動，氣缸9返回到ST4，機械手停止轉(zhuǎn)動，如果EMC1的電磁線圈CY1-0被打開，壓縮后的空氣流到氣缸9的左側(cè)，機械臂向右轉(zhuǎn)動，氣缸九延伸至ST3，機械手停止轉(zhuǎn)動[21]。(2)夾緊、松開運動部分當(dāng)機械手下到左側(cè)工作臺后，將電磁換向閥三的電輸入線圈CY3-1接通，通過電磁換向閥三、節(jié)氣門六后，將壓縮空氣開關(guān)送入夾持式液壓缸的七個下汽缸，并用機械手抓住該對象[20]。當(dāng)機械手按照控制要求移動右工作臺后，將電磁換向閥三的EMC輸入線圈CY3-1切斷，壓縮的空氣已進入到夾緊油缸七的汽缸中，并隨著油缸七的夾緊而釋放。氣動技術(shù)特征：我們知道，氣動自動裝置的能源主要來源于氣缸，因此，它的動力主要是通過氣缸來驅(qū)動，而通過電磁閥的統(tǒng)一控制，既可以保證操作的準(zhǔn)確性，又可以提高操作的效率。通過對各種數(shù)據(jù)的分析，我們發(fā)現(xiàn)，目前的自動控制設(shè)備，主要有：高效的執(zhí)行器，自主研發(fā)的傳動系統(tǒng)[22]，通過上述各主要部件的緊密配合，再配合完成每個動作，其中包含了簡單的諸如抓、移等簡單的指令。另外，我們也知道，氣動系統(tǒng)還有很多其他的優(yōu)勢，例如整個氣動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)相對來說比較簡單，因此在以后的使用和維護當(dāng)中，無論是安裝，拆卸，都是非常方便的，而且與其他傳動系統(tǒng)相比，氣動系統(tǒng)最大的優(yōu)勢就在于它的安全性[23]。另外，我們使用氣缸的時候，都是以空氣為媒介，它最大的特點就是，它的來源非常豐富，非常的干凈，這也是我們的發(fā)展目標(biāo)。我們的氣動系統(tǒng)，可以在一些極端的情況下使用，比如溫度很高的地方，如果我們使用了其它的驅(qū)動裝置，那么就會影響到我們的工作，甚至?xí)ξ覀兊纳眢w造成危害。然而，在實際應(yīng)用中，我們也發(fā)現(xiàn)該產(chǎn)品存在著一些不足之處，即當(dāng)采用該產(chǎn)品時，該產(chǎn)品的工作穩(wěn)定性不佳。第四章PLC控制部分分析4.1電磁鐵動作順序如上文所示，該設(shè)備的提升和下降是由兩塊電磁體控制的，這兩塊電磁體分別是1YA、2YA，在這個方向上，兩塊電磁鐵振動也是一樣的，可以用電磁體來伸縮，來控制。當(dāng)計算機運行完成后，返回時，將會有一個反饋，它的整個過程的運行序列見表4-1。表4-1電磁鐵動作順序[33]我們的系統(tǒng)很簡單，只需要八個電磁鐵，一個是光電開關(guān)。機械手實際運行狀況及所掌握的資料，需要十八個輸入端。具體的分布形式如下：位移測量信號有下限、上限、右限、左限位開關(guān)四個，共需要4個輸入端；"無工件"的測量數(shù)據(jù)采用光電轉(zhuǎn)換器作為測試設(shè)備，需要輸入端[24]；"操作方法"所選擇的沖程控制器有四種：自動、單步、單循環(huán)、連續(xù)四種運行方式。在自動操作過程中，需要有7個鍵，如：下、上、右、左、夾、放、回原位置；而手工操作時，仍需要啟動按鍵，暫停按鍵等，需要占用兩個輸入端口。控制機械手輸出信號，需要六個輸入或輸出端[2]。具體分為：下落、上升、右移、左移和夾持，需要五個輸入輸出點；機器人從原點開始工作時，需要使用前一組的指示燈，并使用一套輸出點。因此需要六個輸入和輸出終端。本文針對控制要求及終端數(shù)量的不同，選用FX2N-48MR繼電器型PLC。FX2N-48MRPLC提供24個輸入端和24個輸出端，以滿足控制器要求的終端數(shù)目?？刂茩C械手輸出信號，需要六個輸入或