毕业设计论文基于S7200PLC的四自由度搬运机械手设计.docx

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1、基于S7-200P1C的搬运机械手设计摘要机械手是近代新兴起的高科技自动化生产设备，不过区区数十载的发展历程，就已经成为工业自动化生产中不可或缺的一部分，对生产效率的提高，产品质量的改善,和快速的市场运作有着至关重要的作用。本次设计的机械手主要搬运小型物品，主要工作任务就是将目标物品从一个传送带搬运到另一个传送带上，实现生产加工的自动化。本次机械手的设计首先会根据目的来确定机械手的工艺流程，然后确定其自由度和坐标形式，再设计其外部结构，最后在用可编程控制器来进行编程实现对机械手的控制。本设计选用的P1C是西门子公司S7-200P1C,其控制原理是由可编程控制器控制相应的电磁阀或者液压马达，由电

2、磁阀控制相对应气缸来驱动执行部件完成抓取，而液压马达则带动齿轮旋转来完成机械手底座的旋转动作。有着几个动作的有序结合来实现对目标物品的搬运。关键词：机械手;气动;P1C控制摘要I目录1引言1第一章机械手设计方案11.1 气动机械手功能和设计参数11.2 基本设计思路11.3 坐标形式和自由度选择11.4 机械手驱动方式的选择11.5 总体设计框图2第二章系统主要组成结构设计42.1 夹持器结构设计与校核42.1.1 夹持器种类42.1.2 夹持器设计计算52.2 升降方向设计计算62.2.1 初步确定系统压力62.2.2 升降气缸计算62.2.3 活塞杆的计算校核72.2.4 气缸工作行程的确

3、定82.2.5 缸体长度的确定82.2.6 气缸的选型92.3 底座回转装置的计算校核92.3.1 回转部位负载计算校核92.3.2 马达的选型112.4 导向装置和平衡装置122.4.1 导向装置122.5 机械手的定位及平稳性132.5.1 常用的定位方式132.5.2 影响平稳性和定位精度的因素132.5.3 气动机械手运动的缓冲装置132.6 工件检测装置和压力传感器14第三章气动驱动系统设计153.1 手部抓取缸153.2 手臂升降气动回路173.3 手臂伸缩缸气动回路183.4 整体系统图19第四章P1e控制系统设计204.1 可编程序控制器的设计步骤214.2 机械手P1C控制方

4、案23参考文献26附录26致谢38引言工业机械手在最早的时候只是被用于汽车的生产领域，主要用于零件的搬运，外壳的喷漆等工作。工业机械手在某种程度上来说相当于人类的手脑功能的外延，他可以代替人类在一些恶劣环境中工作，完成繁重，单调或者人类很难完成的工作。现在主要在制造产业，特别是汽车制造，和金属材料加工等工业。工业机械手与数控控制系统，自动运载小车与自动检测系统可组成柔性制造系统和计算机集成制造系统，可以实现生产制造的自动化。而且随着时代的发展，机械手的精度，功能和工作速度都会有很大的发展，应用领域也会有所扩大。本设计的目的主要是设计通用型的搬运机械手，用来代替人们进行生产作业，以下是我设计机械

5、手的意义和目的。（1）本机械手可以完成搬运目标物体，冲压工件，完成数控机床刀具的装卸以及汽车整车的安装等工作，并且实现工业生产的自动化，从而减少劳动时间，提高生产量并推动制造业的发展。（2）在一些非常规的危险的的场合中，直接操作机器是会对人的身体健康产生危害的或者很难完成的，而这部分工作就可以由机械手代替完成，从而改善了比较恶劣的劳动环境。（3）在以前，一些钢铁厂，重型机械制造厂中的危险笨重的工作都是由工人们亲手完成的，而这些危险的工作难免会造成一些事故，对工人的身体健康造成伤害，而机械手的发展则完全可以代替工人做这些危险的工作，避免人身事故的发生。应用机械手在实际生产中减轻很大的人力。所以，

6、在现代制造业的生产线中，几乎都会配备机械手以减轻人力，准确的掌控生产节奏，并进行高效的生产。因此，在各种自动化生产线上配备相应的机械手，不仅可以减轻人力的消耗，更加可以高效生产。第一章机械手设计方案U气动机械手功能和设计参数功能1、机械手能够实现自由伸缩300毫米和自由升降500毫米;2、机械手能够完成左右转向180度；3、机械手能完成工件的抓紧和松开并且快速完成搬运。设计参数1、抓重2、自由度数3、座标型式4、最大工作半径5手臂最大中心高6、手臂运动参数5kg4个自由度圆柱座标600mm1800mm伸缩行程30Omm伸缩速度40Omm/s升降行程50Omm升降速度25OmIn/s回转范围0T

7、80回转速度90S7、手爪夹持范围8、定位方式9、定位精度10、驱动方式11、控制方式80mm-150mm限位开关和可以调位的机械挡块2un气压传动采用P1C（可编程控制器）控制1.2基本设计思路进行机械手的设计时，应从以下步骤进行：（1） 了解本次设计的机械手的用处，依次确定设计搬运机械手的目的。（2） 了解机械手所在系统的工作情况。（3）知道工作系统的要求，机械手的主要功能和基本参数，比如机械手的运动方式,驱动方式，检测方式等。还有气动手抓取物体的质量的极限，外形和大小等状况，以此确定手手爪的形状和大小对此，我做了如下分析：(1)此次设计的机械手为气动驱动，因为目标物体为小型物品，搬运时不

8、需要太大的动力，因此我选用气动传动的方式。(2)而机械手的控制系统我选用P1C来控制，因为我学过P1C的课程，而且P1C的控制系统精度高，稳定，完全能够承担本次机械手控制系统的角色。1.3 坐标形式和自由度选择根据所设计的机械手的运动方式：机械手的坐标形式大致有直角坐标和圆柱坐标两种，鉴于本机械手要完成旋转动作，故圆柱坐标是一个很不错的选择。而自由度为三，分别是底座的左右旋转，手臂的上下升降，手臂的垂直伸缩，最后还有手爪的松紧。1.4 机械手驱动方式的选择机械手常用的驱动方式主要是气压驱动，液压马达驱动和液压缸驱动等。气压驱动具有驱动效率高，系统不复杂，维修不难，价格不高等特点。对于非大型机械

9、手来说是不错的选择。气压传动有以下优点：1、空气的成本低；2、空气的粘度系数小在气缸内流动阻力小,压力损失不大；3、气压反应快；4、元件简单,易于标准化；5、对环境适应好；6、空气的密度小，容易压缩；7、设备可以自行降温,长期工作不会发生过热现象而液压驱动能提供的动力很大响应速度快，能够完成大重量物品的搬运任务，但液压传动需要液压油来完成，成本高，并且液压油的泄漏会对环境遭成污染，且工作时噪声很大。液压马达驱动源简单，而且驱动速度高和位置控制精度高，便于购买使用，噪声也低，安装方便。气动驱动的特点是能够输出较大的功率，并且本身结构不复杂，灵敏度较高。但也会有空气的的泄漏，不过不会对环境产生污染

10、。本设计为搬运小型，轻量的物体综上考虑，方案分成两个部分驱动方式。其中，机器人臂旋转驱动的驱动方式，通过旋转驱动马达驱动齿轮旋转，再驱动机械手旋转。1.5 机械手工作原理图图1-5机械手工作原理图说明如下：机械手工作原理(1)控制系统：主要任务是P1C的CPU的选择，CPU的程序的编写等。(2)驱动系统：机械手在运作的时候的驱动设备。(3)机械系统：包括外部整体，机械手腕、手爪。还要明确机械手的自由度。(4)位置检测装置：传感器的形式的选择和型号的选用及作用。1.6 机械手的基本结构和工作流程此次设计的机械手具有水平伸缩和垂直升降的功能，可以将工件从传送带搬运到另一个传送带。机械手装置具有四个

11、自由度并且其上有位置检测装置，能够代替人类完成单调循环的任务，实现作业的智能化。且本机械手移动方便，固定可靠，能够十分方便的投入到各类不同的生产线中。根据要求：机械手先停靠在左边的位置，每次启动时，依次完成机械手下降，抓取，上升，右转，下降，放松并回到原点的动作。并能实现手动程序和自动程序，还有单步工作程序和单周期工作程序。机械手动作顺序如图2-2。图2-2气动机械手动作顺序图第二章系统主要组成结构设计2.1 夹持器结构设计与校核2.1.1 夹持器种类为满足工业上各种需求，机械式夹持器种类繁多，下面介绍集中是有代表性的夹持器类型。1 .连杆杠杆式夹持器这种结构的夹持方式可以产生较大的夹紧力，能

12、够稳定的夹持工件，但缺点是钳爪的张开角较小，工件尺寸误差对夹紧力的影响较大。2 .楔块杠杆式夹持器这种末端夹持器是由楔形块斜面和滚子间为滚动接触，这种夹持器工作时摩擦力小，活动灵活，而且结构简单，但有一个缺点就是夹紧力较小，只能适用于轻载场合。3 .滑槽杠杆式式夹持器这种手爪的工作原理与连杆式夹持器工作原理相似，并且都有较大的夹紧力，但缺点是张开的角度较小。4 .齿轮齿条连杆式夹持器齿轮齿条式夹持器主要由齿轮和齿条杆组成，齿条向下移动时，夹持器开始放松，向上移动时夹持器开始夹紧，这种夹持器的夹紧力大，能够夹持较重的物体。5 .内撑连杆杠杆式夹持器内撑式夹持器采用四连杆机构传递撑紧力，其撑紧方向

13、与外夹式相反，钳壁撑紧工件，完成夹紧动作。这种内撑式夹持器多用于内孔薄壁零件的夹持。根据设计的具体需求，采用齿轮齿条连杆式手爪作为本设计夹持器种类。而这种夹持器也是通用性比较强的夹持器，能够满足本设计的的需求，而手爪的最小的张开角是工作的直径来确定的。而手爪要有以下特点：a.适当夹紧力当机械手在工作的时候手爪应该有一定的夹紧力，这样才能稳定的夹取工件保证机械手平稳运行。b.充足的夹取范围夹取范围就是工作时，手爪位置的最大变化量。而机械手手爪必须具备充分的开关范围，这样才能有效的抓取工件，如果没有充分的开关范围，就无法抓取体积较大的工件，这样的设计也是不合格的。c.追求结构简单，小型轻量机械手在

14、工作时机械手在工作时，它的外部结构，整体重量将直接影响机械手工作的稳定性，工作精度等。过于笨重的结构会对机械手的精度产生不好的影响。故在设计时应力求结构简单。d.手爪应该一定的强度和刚度机械手的手爪应该具有一定的强度和刚度，这样才能让能够保证加持器在工作时的稳定性。机械手爪使用采用外盒式两手指钳手爪，气缸采用单作用缸。这个构造简单，制造方便，且夹紧目标时，目标受力均匀。2.1.2 夹持器设计计算根据机械手抓取目标物体满足的受力条件是Nkxk1kfi(3-6)(公式来源：机械设计第178页)其中，F一手爪夹持力；k1一安全系数,一般取1.1-1.8；k2-为动载系数k3-方位系数，查表选取k31

15、G一工件的重量10依；由计算可得N=12000N;理论驱动力的计算：P=2bN(3-7)P为气压缸缸所需要的力；B-力到支点的距离N-为手指夹紧力；其他同上。带入数据，计算得P=378N计算驱动力计算公式为:E=她C(3-8)(公式来源：机械设计第182页)其中,月_一_为计算驱动力；k1-安全系数，这里为13k4-工作条件系数，这里为12而气缸所需要的力是由缸内压提供的，所以Fc=PA(3-9)式中，P为柱塞缸的工作压力；A为柱塞缸的横截面积，选取缸内径为30mm2.2 升降方向设计计算2.2.1 初步确定系统压力由以上计算可知，机械手所承受的的最大压力约为15000N,所以确定气缸的压力为P1=IMPao2.2.2 升降气缸计算为了让机械手升降，伸缩速度相等，并且尽可能减小气泵流量，则气缸有杆腔与无杆腔的等效面积A2与A1应满足A1=2A2。