機電一體化課程設計報告書

1、機電一體化系統(tǒng)課程設計題目自動分揀工件機械手的設計班級學生姓名機 械蔣 金 成1211學 號1220116105同組姓名凌 一 銳上 文 龍薛 俊起迄日期2015 年12月25日2016 年1月5日下載可編輯指導教師汪幫富講師機械工程學院目錄1. 1 1.1 31.232. 42.142.1.142.1.252.1.362.1.462.242.2.162.2.272.2.383. 3 3.1 83.29.專業(yè) .整理 .下載可編輯4. 4 4.1 94.1.1104.1.2114.1.3115. 12 6. 127.131、自動分揀工件機械手設計的要求、目的及意義1.11、AB() () 24

2、V 1A,23/.專業(yè) .整理 .下載可編輯4、 設計控制系統(tǒng)程序流程圖并用匯編語言編寫其中的某一段程序。5、 設計操作臺面板布置示意圖。6、 編寫設計說明書和使用說明書。7、 在滿足控制要求的前提下，力求控制系統(tǒng)簡單 ，經(jīng)濟。1.2 目的及意義現(xiàn)代計算機技術的產(chǎn)業(yè)革命，將世界經(jīng)濟從資本經(jīng)濟帶入到知識經(jīng)濟時代 。在電子世界領域 ，從 20 世紀中的無線電時代也進入到21 世紀以計算機技術為中心的智能化現(xiàn)代電子系統(tǒng)時代。而機械手控制系統(tǒng)則逐步發(fā)展為與計算機互聯(lián) ，使機械手控制系統(tǒng)更加智能化，操作更加簡單方便 。隨著自動化的發(fā)展 ，機械手 （機器人 ）應用將更加普遍 ，尤其隨著汽車行業(yè)和塑膠行業(yè)的

3、發(fā)展 ，西歐、日本、蘇聯(lián)和中國等地域機械手開始百花爭放，可以這樣講 ，未來的人類社會將是機械手的時代。該課程設計的自動分揀機械手屬于搬運機械手。所謂搬運機械手 ，就是將機械手安裝在移動平臺之上。這種結構使機械手擁有很大的操作空間和高度的運動冗余性 ，并同時具有移動和操作功能，這使它優(yōu)于傳統(tǒng)的機械手，因此在危險作業(yè) 、制造業(yè)、服務業(yè)等行業(yè)具有廣闊的應用前景。但由于結構復雜 、強耦合 、非線性、非完整性等問題的存在，都使得對搬運機械手的研究具有相當?shù)奶魬?zhàn)性。機械手是模仿著人手的部分動作，按給定程序 、軌跡和要求實現(xiàn)自動抓取、搬運或操作的自動機械裝置。在工業(yè)生產(chǎn)中應用的機械手被稱為“上下料機械手 ”

4、。生產(chǎn)中應用機械手可以提高生產(chǎn)的自動化水平和勞動生產(chǎn)率:.專業(yè) .整理 .下載可編輯可以減輕勞動強度 、保證產(chǎn)品質量 、實現(xiàn)安全生產(chǎn) ；尤其在高溫 、高壓、低溫、低壓、粉塵、易爆、有毒氣體和放射性等惡劣的環(huán)境中，它代替人進行正常的工作 ，意義更為重大 。 因此，在機械加工 、沖壓、鑄、鍛、焊接、熱處理、電鍍、噴漆、裝配以及輕工業(yè) 、交通運輸業(yè)等方面得到越來越廣泛的引用 .機械手的結構形式開始比較簡單，專用性較強 ，僅為某臺機床的上下料裝置 ，是附屬于該機床的專用機械手。隨著工業(yè)技術的發(fā)展，制成了能夠獨立的按程序控制實現(xiàn)重復操作，適用范圍比較廣的 “程序控制通用機械手 ”，簡稱通用機械手 。 由

5、于通用機械手能很快的改變工作程序，適應性較強 ，所以它在不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量生產(chǎn)中獲得廣泛的應用。2、總體方案設計與論證2.1 總體方案設計 (執(zhí)行機構 、驅動機構 、控制機構)2.1.1 主體功能設計如圖所示的工作臺.專業(yè) .整理 .下載可編輯機械手系統(tǒng)構成圖(1) pb1 、pb2 系統(tǒng)總控制開關 ,繼電器 XO、X1(2) PS1 工件檢測光電開關 ，繼電器 X6(3) LS1 控制機械手的夾緊與放松 ，繼電器 Y5(4) LS2 控制工作臺的左轉和右轉 ，繼電器 Y3、Y4(5) LS3 控制工作臺的上升與下降 ，繼電器 Y1、Y2(6) 圖上省略左轉和右轉 （X3、 X4）、上

6、升與下降限位開關 (X5、X2)以及傳送帶 A、B 電動機 (Y6、Y7)、液壓馬達 （ Y0）.專業(yè) .整理 .下載可編輯按下工作啟動按鈕 ，傳送帶 A、B 開始工作 。當光電開關檢測到工件時傳送帶 A 電動機停止運轉 ，機械手下降電磁閥工作 ，機械手下降 ，到達下降限位接近開關 ，機械手停止下降 , 夾緊電磁閥工作 ，夾緊工件 ， 2 秒鐘后機械手上升電磁閥工作 ，機械手上升 ，到達上升限位接近開關 ，電動機左轉電磁閥工作，機械手旋轉電動機左轉 ，將工件運到傳送帶B 上方，機械手左轉壓到左轉限位開關 ，機械手旋轉電動機停止運轉，同時機械手下降 ，到達限位接近開關 ，機械手停止下降并松開釋放

7、工件，2 秒鐘后機械手上升 ，到達限位接近開關 ，傳送帶 B 電動機工作 ，傳送帶 B 帶動工件運行 ，同時機械手旋轉電動機右轉 ，機械手右轉壓到右轉限位開關，傳送帶 B 電動機停止運轉 ，傳送帶 A 電動機又開始工作 ，機械手開始循環(huán)工作2.1.2 執(zhí)行機構即直接抓取工件的部分 ，由于與物件接觸的形式不同，可分為夾持式和吸附式手 。本設計項目中采用夾持式手部結構。夾持式手部由手指 (或手爪 )和傳力機構所構成 。手指是與物件直接接觸的構件，常用的手指運動形式有回轉型和平移型 ?；剞D型手指結構簡單 ，制造容易 ，故應用較廣泛 ，本設計采用回轉型 。 手部多為兩指 （也有多指 ，本設計采用兩指

8、）；指形也有不同設計，常用的指形有平面 、V 形面的和曲面的 ，本設計采用平面行的設計；手指有外夾式和內(nèi)撐式 ，本設計采用外夾式 ；另外，根據(jù)需要分為外抓式和內(nèi)抓式兩種 ，本設計采用外抓式 。如上圖可以看出 。2.1.3 驅動機構.專業(yè) .整理 .下載可編輯驅動機構是工業(yè)機械手的重要組成部分。根據(jù)動力源的不同 ， 工業(yè)機械手的驅動機構大致可分為液壓、氣動、電動和機械驅動等四類 。本驅動機構是液壓驅動 ，所有動作都可以通過液壓實現(xiàn)。2.1.4 控制機構本設計是自動化分揀工件機械手，所以肯定采取自動控制。我們學過單片機和 PLC 課程 。倆者各有利弊 ，可編程序控制器 (PLC)是以微處理器為核心

9、 ,綜合計算機技術 、自動控制技術和通信技術發(fā)展起來的一種通用的自動控制裝置 ,它具有結構簡單 、易于編程 、性能優(yōu)越 、可靠性高 、靈活通用和使用方便等一系列優(yōu)點。 PLC 在電磁閥的控制等領域已經(jīng)得到了廣泛的應用。所以，對于該分揀機械手首先想到的是PLC。采用 PLC 能靈活控制機械手的操作，而且操作簡單方便 ；另外，PLC 控制器的穩(wěn)定性是其成為工控首選的原因。所以本設計采取 三菱 FX2N-48MR PLC 。（ 1 ） 控制系統(tǒng)設計在一條自動生產(chǎn)線上 ，由機械手將傳送帶 A 上的物品傳送到傳送帶B上。機械手的上升 、下降、左轉、右轉、夾緊、放松動作分別由電磁閥控制液壓傳動系統(tǒng)工作 ，

10、并用限位開關及光電開關檢測機械手動作的狀態(tài)和物品的位置 。傳送帶 A、B均由三相鼠籠型異步電動機驅動。電動機應有相應的保護 。（ 2 ） PLC（ I/O ）分配輸入元件輸入繼電器輸出元件輸出繼電器啟動開關X0上升電磁閥Y1.專業(yè) .整理 .下載可編輯關閉開關X1下降電磁閥Y2復位開關M10左轉電磁閥Y3上升限位開關X5右轉電磁閥Y4下降限位開關X2夾緊電磁閥Y5左轉限位開關X3傳送帶 A 電機Y6右轉限位開關X4傳送帶 B 電機Y7光電開光X6復位電磁閥M4液壓馬達YO輔助繼電器M10,M11,M12.專業(yè) .整理 .下載可編輯（3）程序設計原位下降夾緊上升左轉右轉上升松開下降上圖為實現(xiàn)自動

11、化控制所畫的流程圖，根據(jù)上圖可以輕松的設計出如下的梯形圖：.專業(yè) .整理 .下載可編輯這個程序是嚴格按照設計要求來編的,程序中加入的M4 輔助繼電器起到復位作用 ,啟動開關是X0,停止開關是X1,程序中還加入了了兩個計數(shù)器C0、C1。其中計數(shù)器 C0 對下降限位 SP2(X2)計數(shù)，從而實現(xiàn)機械手到達二號（B）傳送帶時松開機械手放置物品的控制。計數(shù)器 C1 對上升限位SP1(X5)計數(shù)，.專業(yè) .整理 .下載可編輯從而實現(xiàn)機械手在松開機械手放置物品以后上升第二次壓到上升限位SP1(X5)的時候實現(xiàn)右轉的控制 。2.2 總體方案論證2.2.1 調(diào)試過程按下啟動開關 X0 以后 ,觀察六秒鐘以后

12、,傳送帶 A(Y6)的燈是否亮 ,如果不亮 ,說明傳送帶 A 的電磁閥 Y6 沒有得電 ,相關開關沒有動作 ,重新查看程序 ,修改好 ;如果燈亮 ,說明這一步程序正常 .接下來按下光電開關 (模擬光電開關檢測到物品),觀察機械手是否下降 (Y2),如果沒有下降 ,說明這一步程序設計得有問題 ,修改程序 ,再監(jiān)測 ;如果機械手下降 ,程序正常 ,繼續(xù)下一步程序檢查 .壓下下降限位開關 ,不要松開 ,觀察機械手的夾緊 (Y5)檢測燈是否同時亮起來,如果沒有 ,程序錯誤 ,修改程序 ,再作檢測 ;如果燈同時亮了 ,程序正常 ,繼續(xù)下一步檢查 .看看兩秒鐘以后機械手是否上升 (機械手上升 Y1 檢測燈

13、是否亮 ),如果燈沒有亮 ,說明定時器沒有起作用 ,檢查修改這一步程序 ;如果燈亮了 ,說明程序正常 ,繼續(xù)下一步的檢查 .壓下上升限位開關 ,同時松開之前所壓的下降限位開關,觀察機械手是否左轉 (機械手左轉 Y3監(jiān)測燈是否亮 ),如果沒有亮 ,說明這一步程序有問題 ,檢查問題然后修改 ;如果燈亮了 ,說明程序正常 ,繼續(xù)下一步檢查 .接下來按下左轉限位開關(注 :上升限位開關依然被緊壓,機械手下降才松開),觀察機械手是否下降 ,如果不下降 ,說明程序有問題 ,檢查程序 ,作相應修改 ;如果機械手下降 (機械手下降的監(jiān)測燈亮 ),松開之前壓下的上升限位開關 ,但左轉限位開關不能松開 .按下下降

14、限位開關 ,剛才機械手是否動作 (機械手松開 ),如果動作 ,程序正常 ,不然就不正常 ,機械手動作以后 ,觀察兩秒鐘以后機械手是否上升 ,.專業(yè) .整理 .下載可編輯如果不上升 ,程序有問題 ;如果上升 ,松開下降限位開關 ,此時左轉限位開關依然處于壓下狀態(tài) .繼續(xù)下一步檢查 .按下上升限位開關 ,觀察傳送帶 B 是否動作 ,以及機械手是否同時右轉(Y4),如果同時動作 ,什么程序準確 ,不然就有錯誤 ,得修改程序 .然后同時松開左轉限位開關和上升限位開關 ,觀察傳送帶 B 和機械手是否同時停止動作,及傳送帶 A 是否動作 ,如果答案是 :是,那程序正常 ,所有程序調(diào)試完成 。接下來調(diào)試復位

15、開關 ,當機械手傳送帶在運作中的時候,按下停止按鈕 ,看看能不能復位 ,如果可以 ,什么復位正常 ,程序準確 ,如果不能 ,就應該找出問題并且修改程序了 。2.2.2 調(diào)試中出現(xiàn)的問題及解決方法調(diào)試過程中 ,由于好多按鍵是配合使用的,使用經(jīng)常會出問題 ,對程序的設計要求比較高 ,有時候好難顧及到多個方面,例如 :機械手還沒有上升的時候,下降限位開關必須被壓下 ,機械手還沒有左轉的時候,右轉限位就必須一直被按著,雖然只是簡簡單單的描述 ,但真正到了編程的時候 ,要求就比較高了 ,好多時候 ,在顧及到機械手右轉的同時 ,傳送帶 B 沒有動作 ;或者在松開上升限位和左轉限位的時候,傳送帶 B 和機械

16、手右轉還是動作的.解決方式也是有好多的 ,最好用的就是一邊調(diào)試一邊修改程序,最終完成程序的編寫 .2.2.3 結果分析通過運行自己設計的正確程序，可以實現(xiàn)用機械手將物品從傳送帶A 移.專業(yè) .整理 .下載可編輯到傳送帶 B，整個過程通過手動結合程序控制，PLC 控制的機械手傳送帶系統(tǒng)比較大的優(yōu)點就是容易作出相應的修改，從而適應不同的場合 ，而且控制比較簡單明了 。機械手的上升 、下降、左轉、右轉、夾緊、放松動作分別由電磁閥控制液壓傳動系統(tǒng)工作 ，并用限位開關及光電開關檢測機械手動作的狀態(tài)和物品的位置 。傳送帶 A、 B 均由三相鼠籠型異步電動機驅動。3、機構分析與計算3.1 機械手總體設計3.

17、1.1 機械手基本形式的選擇常見的工業(yè)機械手根據(jù)手臂的動作形態(tài),按坐標形式大致可以分為以下4種 : (1)直角坐標型機械手 ;(2)圓柱坐標型機械手 ; ( 3) 球坐標 (極坐標 )型機械手 ;(4)多關節(jié)型機機械手 。 其中圓柱坐標型機械手結構簡單緊湊 ,定位精度較高 ,占地面積小 ，因此本設計采用圓柱坐標型。3.1.2 機械手的主要部件及運動在圓柱坐在圓柱坐標式機械手的基本方案選定后，根據(jù)設計任務 ，為了滿足設計要求，本設計關于機械手具有5個自由度既 ：手抓張合 ；手部回轉 ；手臂伸縮 ；手臂回轉；手臂升降 5 個主要運動 。 本設計機械手主要由 4 個大部件和 5個液壓缸組成 ：（ 1

18、 ）手部，采用一個直線液壓缸 ，通過機構運動實現(xiàn)手抓的張合 ；（ 2 ） 腕部 ，采用一個回轉液壓缸實現(xiàn)手部回轉180 ；（3 ）臂部 ，采用直線缸來實現(xiàn)手臂平動50mm ；（ 4 ）機身，采用一個直線缸和一個回轉缸來實現(xiàn)手臂升降和回轉。3.1.3 驅動機構的選擇驅動機構是工業(yè)機械手的重要組成部分, 工業(yè)機械手的性能價格比在很大程度上取決于驅動方案及其裝置。 根據(jù)動力源的不同, 工業(yè)機械手的驅動機構大致可分為液壓、.專業(yè) .整理 .下載可編輯氣動 、電動和機械驅動等四類 。 采用液壓機構驅動機械手 ,結構簡單 、尺寸緊湊 、重量輕、控制方便 ，驅動力大等優(yōu)點 。 因此，機械手的驅動方案選擇液壓

19、驅動 。3.1.4 機械手的技術參數(shù)列表一、用途 ：搬運 :用于車間搬運二、設計技術參數(shù) :1 、抓重 :6Kg ( 夾持式手部 )2、自由度數(shù) :5個自由3、座標型式 :圓柱座標4 、最大工作半徑:60mm5 、手臂最大中心高:100mm3.2 機身的總體設計按照設計要求 ，機械手要實現(xiàn)手臂 1800 的回轉運動 ，實現(xiàn)手臂的回轉運動機構一般設計在機身處 。 為了設計出合理的運動機構 ，就要綜合考慮 ，分析。機身承載著手臂 ，做回轉 ，升降運動 ，是機械手的重要組成部分 。常用的機身結構有以下幾種 ：（ 1） 回轉缸置于升降之下的結構 。 這種結構優(yōu)點是能承受較大偏重力矩。其缺點是回轉運動傳

20、動路線長 ，花鍵軸的變形對回轉精度的影響較大。（ 2）回轉缸置于升降之上的結構。這種結構采用單缸活塞桿，內(nèi)部導向 ，結構緊湊。 但回轉缸與臂部一起升降，運動部件較大 。（ 3）活塞缸和齒條齒輪機構 。 手臂的回轉運動是通過齒條齒輪機構來實現(xiàn)：齒條的往復運動帶動與手臂連接的齒輪作往復回轉，從而使手臂左右擺動。分析 ：經(jīng)過綜合考慮，本設計選用回轉缸置于升降缸之上的結構。本設計機身包括兩個運動，機身的回轉和升降。如上圖所示 ，回轉機構置于升降缸之上的機身結構。手臂部件與回轉缸的上端蓋連接，回轉缸的動片與缸體連接，由缸體帶動手臂回轉運動?；剞D缸的轉軸與升降缸的活塞桿是一體的?；钊麠U采用空心，內(nèi)裝一花鍵

21、套與花鍵軸配合，活塞升降由花鍵軸導向?；ㄦI軸與與升降缸的下端蓋用鍵來固定，下短蓋與連接地面的的底座固定 。 這樣就固定了花鍵軸，也就通過花鍵軸固定了活塞桿。這種結構是導向桿在內(nèi)部，結構緊湊 。 具體結構見下圖。驅動機構是液壓驅動，回轉缸通過兩個油孔，一個進油孔，一個排油孔 ，分別通向回轉葉片的兩側來實現(xiàn)葉片回轉?；剞D角度一般靠機械擋塊來決定，對于本設計就是考慮兩個葉片之間可以轉動的角度，為滿足設計要求，設計中動片和靜片之間可以回轉180 4、關鍵部件設計與校核4.1 機械手手抓的設計計算.專業(yè) .整理 .下載可編輯4.1.1 選擇手抓的類型及夾緊裝置本設計是設計平動搬運機械手的設計，考慮到所要

22、達到的原始參數(shù)：手抓張合角= 60 0 ，夾取重量為 6Kg 。 常用的工業(yè)機械手手部 ,按握持工件的原理 ,分為夾持和吸附兩大類 。吸附式常用于抓取工件表面平整 、面積較大的板狀物體 ,不適合用于本方案 。本設計機械手采用夾持式手指,夾持式機械手按運動形式可分為回轉型和平移型。平移型手指的張開閉合靠手指的平行移動 ,這種手指結構簡單 , 適于夾持平板方料 , 且工件徑向尺寸的變化不影響其軸心的位置 , 其理論夾持誤差零 。 若采用典型的平移型手指 , 驅動力需加在手指移動方向上 ,這樣會使結構變得復雜且體積龐大 。顯然是不合適的 ，因此不選擇這種類型 。通過綜合考慮 ，本設計選擇二指回轉型手

23、抓 ，采用滑槽杠桿這種結構方式 。 夾緊裝置選擇常開式夾緊裝置 ，它在彈簧的作用下機械手手抓閉和 ，在壓力油作用下 ，彈簧被壓縮 ，從而機械手手指張開 。4.1.2 手抓的力學分析下面對其基本結構進行力學分析：滑槽杠桿圖 3.1 （ a）為常見的滑槽杠桿式手部結構。 .專業(yè) .整理 .下載可編輯(a)(b)圖 3.1滑槽杠桿式手部結構、受力分析1 手指 2 銷軸3 杠桿在杠桿 3 的作用下 ，銷軸 2 向上的拉力為 F，并通過銷軸中心O 點，兩手指 1 的滑槽對銷軸的反作用力為 F和 F其力的方向垂直于滑槽的中心線oo1 和 oo2 并指向 o 點，交12，F(xiàn)1 和 F2 的延長線于 A 及

24、B。由Fx =0得F1F2Fy =0得F1FF1F12cos由M01 F =0得F1FN hhab2cosF=cos FNa式中a 手指的回轉支點到對稱中心的距離（ mm ）； 工件被夾緊時手指的滑槽方向與兩回轉支點的夾角。 由分析可知 ，當驅動力 F 一定時 ，角增大 ，則握力 FN也隨之增大，但角過大會導致拉桿行程過大，以及手部結構增大，因此最好= 300- 400。4.1.3 機械手手抓夾持精度的分析計算機械手的精度設計要求工件定位準確,抓取精度高 ,重復定位精度和運動穩(wěn)定性好,并有足夠的抓取能力。機械手能否準確夾持工件，把工件送到指定位置，不僅取決于機械手的定位精度（由臂部和腕部等運動

25、部件來決定）， 而且也于機械手夾持誤差大小有關。 特別是在多品種的中、小批量生產(chǎn)中 ，為了適應工件尺寸在一定范圍內(nèi)變化，一定進行機械手的夾持誤差。.專業(yè) .整理 .下載可編輯圖 3.3 手抓夾持誤差分析示意圖該設計以棒料來分析機械手的夾持誤差精度 。機械手的夾持范圍為 80mm-180mm 。一般夾持誤差不超過1mm, 分析如下 ：904065mm工件的平均半徑 ： Rcp2手指長 l100mm,取 V 型夾角 21200偏轉角按最佳偏轉角確定：cos 1 RCPcos 160460l sin100sin 600計算R0l sin cos100 sin 600 cos 46060.15當 R0RMAXRMIN S 時帶入有 ：22l 2Rmax2l RMAX cos2l 2RMAX2l Rmin cos0.6782sinsinsinsin.專業(yè) .整理 .下載可編輯夾持誤差滿足設計要求。5、結論本智能系統(tǒng)擁有強大的分揀能力，可以根據(jù)物體的大小 ，顏色進行現(xiàn)場調(diào)試從而快速的進行調(diào)整和分揀。該系統(tǒng)具有良好的開放性能，可用來分揀材料、零件、工具等物件 ；為了執(zhí)行不同的任務而具有可改變和可編程動作的專用系統(tǒng) 。適用于大批量大規(guī)模小型工件的分揀工作，然后所采用的機構和動力驅動都是精度很高 ，適用性很強的元器件 。 所采取的 PLC 可編程控制器也是簡單易操作 ，在工廠的實際生產(chǎn)作業(yè)中，可以