基于PLC控制的气动机械手系统设计.doc

济南大学毕业设计--1前言1.1课题背景在世界工业发达国家的机械制造行业中，工业机械手已经得到了广泛的应用，有关机械手的理论研究也趋于成熟。工业机械手的普遍特点是能够按照事先编制的作业程序完成规定的动作，目前国外发达国家工业机械手的发展趋势是大力研制具有某些智能的机械手，使其拥有一定的传感能力，能够根据外界环境的变化，迅速、及时、准确地做出相应变更。国内工业机械手的发展，在最近几年也已经取得了巨大进步，在工业生产过程中，机械手已经代替了部分人体劳动，减轻了劳动强度，改善了作业条件，并且能够实现自动化管理，提高了生产效率。但相比较于国外，国内的机械手发展水平差距依然明显，相关理论的研究相对滞后，工业生产过程中，很多情况是借鉴或直接应用国外已有的发展成果，这样虽然能够暂时保证生产过程的自动化，但长期忽略相关课题的自主研究，依然会限制自身的长远发展，所以，有关机械手的制造、控制等方面的研究就显得十分必要。1.2选题意义工业生产过程中，大宗工件的搬运工作既耗时又耗力，例如，在铸造或锻造生产过程中，对体积不大但数量庞大的铸锻件的搬运工作。为了能够提高工作效率，减轻人体的劳动，本课题所设计的机械手应能够在程序控制下，自动完成固定路径上的工件搬运动作。（1）通过设计，把有关课程（机械原理、机械设计、液压与气动技术、控制工程基础、测试技术、可编程控制器原理等）中所获得的理论知识在实际中综合的加以运用，使这些知识得到巩固和发展，并使理论知识和生产密切的结合起来。（2)通过设计，培养独立的机械整机设计能力，树立正确的设计思想，掌握机电一体化机械产品设计的基本方法和步骤。（3）通过设计，学会应用有关参考资料、计算图表、手册、图册和规范；熟悉有关国家标准，培养在机械整体设计方面所必须具备的基本技能。1.3设计内容和要求基于PLC控制的气动机械手系统设计应包括三部分：执行机构设计、气动驱动系统设计和PLC控制系统设计。其组成示意图如图1-1所示。图1-11.3.1设计内容（1）拟定整体方案，特别是传感、控制方式与机械本体的有机结合的设计方案。（2）根据给定的自由度和技术参数设计或选择合适的手部、臂部和机身的结构，使机械手能够完成升降、伸缩、旋转和抓放工件的动作。（3）对机械手各个部件进行设计计算，确定基本数据。（4）设计并绘制机械手的工作装配图和零件图。（5）实现气动控制元件的选型，为机械手提供动力装置，设计并绘制气动原理图。（6）实现以PLC为核心的控制系统设计，完成PLC的选型、I/O点分配与程序设计，编制梯形图，绘制控制电路。2机械手规格参数和运动分析2.1机械手规格数表2-1机械手的设计规格参数参数名称参数单位参数大小抓重N100自由度数个3最大工作半径mm1000手臂最大中心高mm680伸缩行程mm800伸缩速度mm•s-1<100升降行程mm150升降速度mm•s-1<100回转范围度90回转速度度/s30手指夹持范围mmϕ65—ϕ852.2机械手的运动分析为了能够达到表2-1中机械手的工作要求，机械手的各组成机构应该包括：手部（抓取机构）、臂部(伸缩机构）、立柱或机身（升降机构和旋转机构）。各运动过程可以归纳为表2-2。表2-2机械手运动过程初始位置初始步手臂上升工步一手臂伸出工步二抓紧工件工步三手臂缩回工步四顺时针旋转工步五手臂下降工步六手臂伸出工步七放松工件工步八手臂缩回工步九逆时针旋转工步十3手部结构的设计和计算3.1手部结构设计手部是用来直接握持工件的部件，由于被握持的工件的形状、尺寸大小、重量、材料性能、表面状况的不同，所以机械手的手部结构是多种多样的，按其握持原理可以分为夹持和吸附两大类。其中夹持类常见的主要有夹钳式，夹钳式手部由手指、传动机构和驱动装置三部分组成，具有较大的适应性，可以抓取轴、盘、套类工件。夹钳式手部设计的基本要求为：（1）应该具有适当的夹紧力和驱动力；（2）手指应该具有一定的开闭范围，以便于抓取和退出工件；（3）应保证工件在手指内的夹持精度，即保证工件在手指内部有准确的相对位置；（4）要求结构紧凑、重量轻、效率高。典型的手部结构包括回转型、移动型和平面平行移动型。本课题中可以选择回转型结构中的滑槽杠杆式结构，原理图如图3-1所示。图3-1手部工作原理3.2手部的计算与分析3.2.1夹紧力计算手指对工件的夹紧力可按下式计算：式中--安全系数，通常取1.2-2.0，此取=2.0;--工作情况系数，主要考虑惯性力的影响。可近似按下式计算：其中a--运载时重力方向的最大上升加速度；g--重力加速度，；--运载工件时重力方向的最大上升速度，由表2-1知=0.1;--系统达到最高速度的时间，一般取0.03-0.5s，此处去=0.4s；--方位系数根据手指与工件形状以及手指与工件位置不同进行选定，此处可