基于PLC控制的三自由度氣動機械手設計

基于PLC控制的三自由度氣動機械手設計,基于,plc,控制,節(jié)制,自由度,氣動,機械手,設計 開 題 報 告 機械學院 基于PLC控制的三自由度氣動式機械手設計 一、課題的來源、目的、意義，國內(nèi)外基本情況 ●課題的來源： 本課題來源于企業(yè)需求。 ●課題的目的、意義: 在工業(yè)生產(chǎn)線中，機械手具有很廣泛的用途。它是工作抓取和裝配系統(tǒng)中的一個重要組成部分。它的基本作用是從指定位置抓取工件運送到另一個指定的位置進行裝配。機械手臂代替了人工的繁雜勞動，并且操作精度高，提高了產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。 ● 國內(nèi)外研究狀況及發(fā)展趨勢： 近20年來, 氣動技術的應用領域迅速拓寬, 尤其是在各種自動化生產(chǎn)線上得到廣泛應用。電氣可編程控制技術與氣動技術相結(jié)合, 使整個系統(tǒng)自動化程度更高, 控制方式更靈活, 性能更加可靠；氣動機械手、柔性自動生產(chǎn)線的迅速發(fā)展, 對氣動技術提出了更多更高的要求；微電子技術的引入, 促進了電氣比例伺服技術的發(fā)展, 現(xiàn)代控制理論的發(fā)展, 使氣動技術從開關控制進入閉環(huán)比例伺服控制, 控制精度不斷提高；由于氣動脈寬調(diào)制技術具有結(jié)構(gòu)簡單、抗污染能力強和成本低廉等特點, 國內(nèi)外都在大力開發(fā)研究。 從各國的行業(yè)統(tǒng)計資料來看, 近30 多年來, 氣動行業(yè)發(fā)展很快。20世紀70年代, 液壓與氣動元件的產(chǎn)值比約為9∶1, 而30 多年后的今天, 在工業(yè)技術發(fā)達的歐美、日本等國家, 該比例已達到6∶4, 甚至接近5 ∶5。我國的氣動行業(yè)起步較晚, 但發(fā)展較快。從20世紀80年代中期開始, 氣動元件產(chǎn)值的年遞增率達20%以上, 高于中國機械工業(yè)產(chǎn)值平均年遞增率。隨著微電子技術、PLC技術、計算機技術、傳感技術和現(xiàn)代控制技術的發(fā)展與應用, 氣動技術已成為實現(xiàn)現(xiàn)代傳動與控制的關鍵技術之一。 Ⅰ.氣動機械手的應用現(xiàn)狀 由于氣壓傳動系統(tǒng)使用安全、可靠, 可以在高溫、震動、易燃、易爆、多塵埃、強磁、輻射等惡劣環(huán)境下工作。而氣動機械手作為機械手的一種, 它具有結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、動作迅速、平穩(wěn)、可靠、節(jié)能和不污染環(huán)境、容易實現(xiàn)無級調(diào)速、易實現(xiàn)過載保護、易實現(xiàn)復雜的動作等優(yōu)點。所以, 氣動機械手被廣泛應用于汽車制造業(yè)、半導體及家電行業(yè)、化肥和化工, 食品和藥品的包裝、精密儀器和軍事上。 Ⅱ.發(fā)展前景及方向 a)重復高精度 精度是指機器人、機械手到達指定點的精確程度, 它與驅(qū)動器的分辨率以及反饋裝置有關。重復精度是指如果動作重復多次, 機械手到達同樣位置的精確程度。重復精度比精度更重要, 如果一個機器人定位不夠精確, 通常會顯示一個固定的誤差, 這個誤差是可以預測的, 因此可以通過編程予以校正。重復精度限定的是一個隨機誤差的范圍, 它通過一定次數(shù)地重復運行機器人來測定。隨著微電子技術和現(xiàn)代控制技術的發(fā)展, 以及氣動伺服技術走出實驗室和氣動伺服定位系統(tǒng)的成套化。氣動機械手的重復精度將越來越高, 它的應用領域也將更廣闊, 如核工業(yè)和軍事工業(yè)等。 b)模塊化 有的公司把帶有系列導向驅(qū)動裝置的氣動機械手稱為簡單的傳輸技術, 而把模塊化拼裝的氣動機械手稱為現(xiàn)代傳輸技術。模塊化拼裝的氣動機械手比組合導向驅(qū)動裝置更具靈活的安裝體系。它集成電接口和帶電纜及氣管的導向系統(tǒng)裝置, 使機械手運動自如。由于模塊化氣動機械手的驅(qū)動部件采用了特殊設計的滾珠軸承, 使它具有高剛性、高強度及精確的導向精度。優(yōu)良的定位精度也是新一代氣動機械手的一個重要特點。模塊化氣動機械手使同一機械手可能由于應用不同的模塊而具有不同的功能, 擴大了機械手的應用范圍, 是氣動機械手的一個重要的發(fā)展方向。 c)無給油化 為了適應食品、醫(yī)藥、生物工程、電子、紡織、精密儀器等行業(yè)的無污染要求, 不加潤滑脂的不供油潤滑元件已經(jīng)問世。隨著材料技術的進步, 新型材料(如燒結(jié)金屬石墨材料) 的出現(xiàn), 構(gòu)造特殊、用自潤滑材料制造的無潤滑元件, 不僅節(jié)省潤滑油、不污染環(huán)境, 而且系統(tǒng)簡單、摩擦性能穩(wěn)定、成本低、壽命長。 d)機電氣一體化 由“可編程序控制器- 傳感器- 氣動元件”組成的典型的控制系統(tǒng)仍然是自動化技術的重要方面;發(fā)展與電子技術相結(jié)合的自適應控制氣動元件, 使氣動技術從“開關控制”進入到高精度的“反饋控制”; 省配線的復合集成系統(tǒng), 不僅減少配線、配管和元件, 而且拆裝簡單, 大大提高了系統(tǒng)的可靠性。而今, 電磁閥的線圈功率越來越小, 而PLC的輸出功率在增大, 由PLC直接控制線圈變得越來越可能。氣動機械手、氣動控制越來越離不開PLC, 而閥技術的發(fā)展, 又使PLC在氣動機械手、氣動控制中變得更加得心應手。 氣動技術經(jīng)歷了一個漫長的發(fā)展過程, 隨著氣動伺服技術走出實驗室, 氣動技術及氣動機械手迎來了嶄新的春天。目前在世界上形成了以日本、美國和歐盟氣動技術、氣動機械手三足鼎立的局面。我國對氣動技術和氣動機械手的研究與應用都比較晚, 但隨著投入力度和研發(fā)力度的加大, 我國自主研制的許多氣動機械手已經(jīng)在汽車等行業(yè)為國家的發(fā)展進步發(fā)揮著重要作用。隨著微電子技術的迅速發(fā)展和機械加工工藝水平的提高及現(xiàn)代控制理論的應用, 為研究高性能的氣動機械手奠定了堅實的物質(zhì)技術基礎。由于氣動機械手有結(jié)構(gòu)簡單、易實現(xiàn)無級調(diào)速、易實現(xiàn)過載保護、易實現(xiàn)復雜的動作等諸多獨特的優(yōu)點, 可以預見, 在不久的將來, 氣動機械手將越來越廣泛地進入工業(yè)、航空、醫(yī)療、生活等領域。 二、 預計達到的目標、關鍵理論和技術、完成課題的方案和主要措施 1．預計達到的目標： 采用氣動裝置PLC控制機械手，它的基本作用是從指定位置抓取工件運送到另一個指定的位置進行裝配。主要完成的是氣動式機械手臂的結(jié)構(gòu)方面設計，以及用PLC軟件進行簡單的控制編程設計。 機械手具有三個自由度：上下一個，旋轉(zhuǎn)一個，手指的開閉一個。上下是10cm，前后是25cm，旋轉(zhuǎn)是90度，手抓開合是60度。工件尺寸大約在1.5～2cm直徑。 2．關鍵理論和技術： 運用機械手的工作原理：機械手主要由執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測裝置等所組成。在PLC程序控制的條件下，采用氣壓傳動方式，來實現(xiàn)執(zhí)行機構(gòu)的相應部位發(fā)生規(guī)定要求的，有順序，有運動軌跡，有一定速度和時間的動作。同時按其控制系統(tǒng)的信息對執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出指令，必要時可對機械手的動作進行監(jiān)視，當動作有錯誤或發(fā)生故障時即發(fā)出報警信號。位置檢測裝置隨時將執(zhí)行機構(gòu)的實際位置反饋給控制系統(tǒng)，并與設定的位置進行比較，然后通過控制系統(tǒng)進行調(diào)整，從而使執(zhí)行機構(gòu)以一定的精度達到設定位置。（如下圖所示） 機械手的系統(tǒng)工作原理框圖 運用到所學知識有機械設計理論，液壓傳動技術，電液控制技術，PLC控制編程技術，電工電子技術，液壓系統(tǒng)設計原理等。 3．完成課題具體方案措施如下： （1）、機械手各執(zhí)行機構(gòu)設計，包括：末端執(zhí)行器、手臂、手腕及基座的設計 設計參數(shù)： 機械手（重復）定位精度：±0.5mm 機械手最大抓重：0.5kg 工件尺寸：直徑約1.5～2cm 支座旋轉(zhuǎn)角度為：90度（最大速度：90度每秒） 物料盤（采用步進電機控制）每工步旋轉(zhuǎn)角度：30度（最大轉(zhuǎn)度：30度每秒） Y軸大臂上下移動距離為：20cm（最大速度10cm/s） Y軸小臂上下移動距離為：10cm（最大速度10cm/s） X軸小臂伸縮距離：10cm （最大速度10cm/s） 手指開合角度為：60度（最大速度60度每秒） 料槽小臂（推動工件的推桿）伸縮距離為：15cm（最大速度10cm/s） （2）、驅(qū)動系統(tǒng)的設計 本課題上下、旋轉(zhuǎn)和手爪開合三個自由度選擇氣壓傳動系統(tǒng)驅(qū)動，包括氣動元器件的選取，氣動回路的設計，并繪出氣動原理圖。 （3）、設計控制部分 本機械手采用可編程序控制器(PLC)對機械手進行控制，本課題將要選取PLC型號（初定三菱的PLC裝置），根據(jù)機械手的工作流程編制出PLC程序，并畫出梯形圖。預定工作流程如圖所示。 （4）、圖紙繪制。 裝配圖、零件圖、電路原理圖的繪制。 三、課題進展計劃 日期 工作內(nèi)容 08.10.1～08.10.30 完成開題報告及資料翻譯 08.11.1～08.12.30 確定結(jié)構(gòu)方案 09.1.1～09.2.30 電氣控制部分方案設計與編程 09.3.1～09.4.30 圖紙繪制 09.5.1～09.5.30 撰寫畢業(yè)論文 09.6.1～09.6.10 答辯準備及答辯 四、主要參考文獻 　　【1】徐炳輝. 氣動手冊[M ]. 上?？茖W技術出版社, 2005 　　【2】明仁雄, 等. 液壓與氣壓傳動[M ]. 國防工業(yè)出版社, 2003 　　【3】SMC (中國) 有限公司. 現(xiàn)代實用技術[M ] 北京:機械工業(yè)出版社, 1998 　　【4】SMC (中國) 有限公司. 現(xiàn)代實用技術[M ] 二版.北京: 機械工業(yè)出版社, 2003 　　【5】陸鑫盛, 周洪. 氣動自動化系統(tǒng)的優(yōu)化設計[M ]. 上?？茖W技術文獻出版社, 1999 　　【6】馬振福. 液壓與氣壓傳動[M ]. 機械工業(yè)出版社,2004 　　【7】陳新元, 張安龍. 裝配線機械手電氣混合控制[ J ].液壓與氣動, 2007 (3) 　　【8】姜繼海, 宋錦春, 高常識. 液壓與氣壓傳動[M ]. 高等教育出版社, 2002 　　【9】上海工業(yè)大學流控研究室. 氣動技術基礎[M ]. 機械工業(yè)出版社, 1982 　　【10】杜來林, 等. 北京大學出版社, 2005 　　【11】鄭洪生. 氣壓傳動[M ]. 機械工業(yè)出版社 【12】[德] Werner Deppert/Kurt Stoll1 氣動技術——低成本綜合自動化[M ]. 李寶仁, 譯. 機械工業(yè)出版社,1999 【13】(日)大熊繁編著.機器人控制[M].北京:科學出版社,2002 【14】遷三郎.機器人工程學及其應用[M].王琪民,等譯.北京:國防工業(yè)出版社,1989 【15】白井良明.機器人工程[M].北京:科學出版社,2001 　　【16】王孝華, 趙中林, 等. 氣動元件及系統(tǒng)的使用與維修[M ]. 機械工業(yè)出版社, 1996 　　【17】蔡自興. 機器人學[M ]. 北京: 清華大學出版社,2000 　　【18】袁子榮. 液氣壓傳動與控制[M ]. 重慶大學出版社, 2002 　　【19】路甬祥. 液壓氣動技術手冊[M ]. 機械工業(yè)出版社,2002 　　【20】[美] Saeed B. 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