主页 > 案例大全 > 论文方法大全-送料机械手的结构设计与仿真分析

论文方法大全-送料机械手的结构设计与仿真分析

2021-05-06 18:42:00

  物料抓取、运送物料等工作是目前现代机器人工业生产过程中的重要一环,过去采用工人进行手工重复送料的方式,缺点是长时间重复相同的动作会使人感到疲劳,就会致使工作效率伴随工作时间的增加二大幅度降低,人工送料不及时,会导致生产线停工。随着自动化机器人技术的在现代工业生产中大规模全范围的推广和采用,工业自动化中机械手在现代工业生产过程中的重要性和应用逐步的增加。因为在工业自动化中机器人的应用有利于企业减少人工的劳动量、提高作业的效率,降低生产效率和成本的重要性和特点,用工业机械手臂来代替人手已经逐渐成为了现代机器人和工业自动化发展的一种必然趋势。如何开发和设计生产出更加先进、更加经济的现代工业自动化中机器人,直接的关乎机器人和企业的切身利益,也从侧面直接反映了企业和国家对于工业机器人自动化技术水平的发展,必须对企业予以高度重视。

  对此,本文将设计一个送料机械手,完成夹料、送料、放料的运动,来代替人工操作,方便快捷,提高效率。

  工业机械手的概念是在早期的古代工业机器人的基础上进一步发展起来的,特别是21世纪以来,在国家工业4.0体系的建立和推动下,国家进一步加大了对于工业生产的自动化和计算机智能化的建设和科技投入。其实早在20世纪初,随着我国机床、汽车等机械制造业的进步和发展就已经出现了工业机械手。工业机械手,即能够实现自动模仿人手各种机械操作功能的自动化装置。简单来说,机械手是一种自动设备,它模仿人的手做各种机械动作,并根据计算机控制系统提供的程序、轨迹和操作要求的程序自动执行抓取、操作或运输。20世纪50年代左右工业机械手的开始被研究,随着现代计算机技术和其他自动化设备的发展,尤其是自1946年一台数字电子类型的自动化计算机出现以来,计算机技术已朝着自动化,高速度,高容量和低成本的方向发展。同时,市场对批量生产的迫切需求直接推动了工业自动化和计算机技术的发展,也为现代机械手的研究,创新和应用奠定了坚实的基础。

  美国的联动控制公司在1958年自主制造并推出了第一台数控型冲压球坐标机械手,可用于汽车工业生产。它只有一条能够做回转运动的手臂,由一块电磁块在顶部进行控制。在当时尽管它解决了诸多的工业技术难题,它在实际应用和投入汽车工业生产时,指向运动精度差、运动灵活度低这些问题仍然是没有得到有效解决。1962年,在这一台的机械手的基础上成功又自主研制了一台数字控制的冲压球坐标机械手。这台冲压机械手所采用和仿照的传统是坦克炮台的机械运动控制方式,机械臂本身可以自由地通过伸缩、回转进行运动,采用先进的液压机械作为动力进行驱动,这也使之成为以后的球坐标冲压机械手的应用和发展打下坚实基础。1978年美国的制造技术公司和美国高校学院技术人员联合开发研制并完成一种新型的冲压球坐标机械手,由于这家公司突破性的成功使用了计算机技术进行了运动控制,所以其精度非常高,作业精度误差远远小于±1毫米。同时它的运动数控性能和汽车的续航时间控制性能也非常出色

  在国内,机械手的技术发展持续时间并不算是太长,大概也就十多年的发展历史,当前,在中国工业生产中广泛使用的第三代机械手实质上是第一代,主要依靠计算机在操作过程中进行手动控制的机械手[1]。第二代机械手配备了用于电子计算机的微型电子控制系统,该系统可以自动模拟人类的运动,还赋予机械手听觉和触觉。第三代的机械手则是能独立自主地完成人工指定的动作和任务。它可以与各种电子设备紧密连接,成为柔性制造系统和单元的重要环节。机械手冲压床使用的机械手在设计和生产的过程中由于自动化高、无疲劳,所以可以进行持续的生产,而且工人因为各种因素很难在生产中持续保持相同的工作效率连续的工作,另外也有效地避免了非作业人员直接劳动或作业时的严重工伤死亡风险。由于冲压机械手冲床所使用的机械手运行时间长,工作环境性质危险,冲压机械手的产品一出现,就立马使它得到了各大机械制造企业的充分认可和广泛喜爱,迅猛发展,现如今,冲压机械手被广泛的研究和应用。

  1.1.2机械手的发展趋势

  1高重复精度精度是指机械手到特定位置的精度程度。它与计算机驱动程序的图像分辨率和驱动程序的反馈控制单元的性能有关。重复精度是指当机械手移动数次时,机械手重复到指定位置是否相同的重复精度程度。重复精度相对于定位精度更重要。如果装配机械手的精度不足,则计算机通常会在屏幕上显示固定的随机误差。该固定误差的范围可以由计算机完全预测,以便计算机可以直接通过编程语言进行更正。通过重复操纵一定次数来确定重复位置移动精度的数量和范围。16.5m/s是当前最快的送料机械手的组装速度,精度也高达mm。机械手的通用性也将随着电子技术和控制技术的发展下愈来愈高,很可能应用在军事工业和核工业中。

  2模块化一些机械公司将带有该系列组合式导向驱动系统设备的模块化机械手技术称为简单的组合式导向传动技术,将与模块化机械手组装在一起的现代机械手技术称为先进的现代组合式导向传动技术。与传统的面向组合的驱动系统相比,模块化组装机械手提供了更加灵活的技术安装和操作系统。使用模块化技术能够使加载了不同的机械技术模块的同一类型机械手具有不同的操作功能,这使得模块化组成的机械手拥有了极大的应用范围,同时代表了模块化机械手的重要发展方向。

  3节能化为了满足使用机械手的各个行业的环保和节能要求,已经设计出了不添加润滑脂以及不需要油润滑的各种元件已经被设计出来。自从自润滑材料的进步以及新材料的出现,使得用一些自润滑材料直接制做的产品不再需要油润滑,它不仅节省了润滑油,而且不污染环境,而且系统特别简单,摩擦性能稳定,成本低廉,使用寿命长。

  4机电一体化我们拿如今的液压技术举例液压技术已经从繁琐开关控制发展到了高精度的反馈控制,大多数液压系统由液传感器、压元件、可编程控制器等模块组成,典型的机电一体化。实现机电一体化,不仅大大减少了元器件的数量,而且拆装简单,提高了整体的稳定性和可靠性。本设计采用PLC控制,气压阀都设有位置开关,实现了机电一体化、反馈控制。

  在国外,机械手的发展趋势让机械手拥有一定的智能型。它将拥有一定的控制能力和触觉传感器,可以准确地报告工件受外部环境条件影响和变化,并在运行过程中进行相应的智能更改。如果物体的位置和速度略有偏差,将对其进行智能校正和自动识别。特别是视觉和触觉功能已经在机械手上取得了一定的成就,除了安装在操纵器中的便携式微型计算机之外,视觉反馈控制功能还包括微型视频摄像头和微型光学测距仪。触觉感应功能是视频摄像头将工件的图像转为视频信号,并将其发送到电脑用以分析工件的类型,颜色,大小和位置,然后计算机发送指令以控制机器人进行组装。机械手通过安装在手部的触觉感应反馈控制装置实现触觉反馈功能。在其运行过程中,先通过上述的视觉感应系统定位工件,然后进行抓取,抓取过程中,手指通过压力以及温度敏感元件,可以如同人收一半感受到初觉效果,然后加紧工件。当然也可以通过反馈的信息使操作系统更精准。换句话说,传感器的技术发展操纵器的组装工作的触觉可控性进一步提高。

  综上所述,高精度、模块化、节能化、机电一体化将会是未来机械手的发展趋势,现在我们的工作就是根据这些趋势再结合现代工业发展态势调整设计理念,向高精度、模块化、自动化机械手发展,为我国的工业生产带来更好更大的帮助。

  1.1.3机械手的组成、分类和应用

  1组成(1)执行机构。机械手为了准确抓取重要物料时就需要一个能够具备类似电动机器臂或人手的自动执行操作机构,包括臂、腕、指关节等部件。还需要有腰部和基座,方便自动旋转移动,这些都属于执行机构。按照抓取物料的方式能够分为夹持型、吸附型等;在一些板材工厂生产过程中我们通常可以看到,工作线上基本没有工人,都是机械手通过吸盘吸附板材和物料来进行送料。(2)驱动机构。有些执行驱动机构必须在液压和外力的驱动下工作才能实现有所谓的执行动作,所以机器人需要使用液压驱动执行机构。液压驱动系统工作方式的种类有很多,液压、气压两种驱动系统应用最广。以一种用液压驱动的系统为机器人举例,包括液动机、油泵、油箱、伺服阀等,其系统结构特别紧凑,抓取板材的能力强,且需要拥有良好的机械耐冲击性,而且各种驱动元件都需要特别高的精确度和可靠性。(3)控制系统。类似于人的大脑,控制执行动作的方向、速度、顺序等。连续轨迹控制和点位控制最为常用。有些抓取动作较复杂,多使用数字控制系统,这也是当前机器人研究的方向和重点。除了这些基本的构成,机器人正朝着智能化的方向进一步发展,增加了机器人的在视觉、感觉、语言上的识别等功能。[2]

  2分类总的来说,机器人就是能够模拟人且具有人体部分功能的机器。可大致归为3类:(1)操作机。它是一种需要人工操作的机器去完成特定的任务;(2)专业机器人。可代替人体部分功能,有固定的工作程序,应用于生产线上主要负责物料传送。因为是为主机服务并且由主机驱动,所以比较专业;(3)工业通用自动化机器人。是独立自主的一种自动化控制装置,在机器人编制完成相应的工作程序后,无需人工的操作,便可自动地完成相应的任务。下文研究的就是这一种。

  3应用

  随着工业自动化的进步,机械手早已普遍的应用到了诸多行业,例如:在工厂机床加工时工件的拆卸、零部件的装配;在汽车行业中零部件的制作、焊接、喷漆;在物流行业中快件的搬运、包装等等很多方面。从当前来看,机械手在我国的制造业中应用普遍,我国应该加大力度发展机械手,增强科技创新,是我国走在世界前沿。

  1.2本课题的研究内容和任务要求

  1.2.1研究内容

  (1)设计、校核末端执行器,末端执行器就是整个送料机械手的手部,这个部分在机械手臂的最前端,是整个机械手的最后一道执行程序,是机械手最主要的结构设计,就如同人手一般抓取物料,大多都是根据人手形状设计,也有其他类型,例如吸附型。

  (2)机械手运动起来就需要驱动系统的帮助,通常,该系统首先必须是安全可靠的,并且必须提供足够的功率以保持执行器连续运动;其次,质量不要太重,操作也不要太复杂。它应具有良好的灵活性和准确性,并应将所有类型的错误控制在最小范围内,就是为了提高长期运行的效率,响应速度应该快,移动快并且能够执行各种切换。另外,必须考虑经济性,成本应在工厂允许范围内,并且空间需求应最小化。在操作过程中,驱动机构的噪音应低,以免造成污染。

  (3)关于传动机构方式的基本设计,传动机构主要的目的是在电机较大时或驱动系统电机输出的力矩较小时用来增加电机输出力矩的,以保证电机驱动系统的能够正常工作提供给了足够的动力。传动机构的设计应该具有较大的刚度和扭矩,这样不仅使传动机器固有频率升高,降低低频振动,还能使结构尽量紧凑,使占地面积减少,自重减轻,同时使用寿命也有了保障。

  (4)运用所学软件,画出所设计的相关零部件图、整体装配图,模拟仿真。

  1.2.2任务要求

  (1)送料机械手为通用机械手臂,因此仅从技术上说它相对于其他行业专用的各种机械运动手臂来说,它的工作可靠性和适用性方面相对较广。

  (2)选取机械手臂自由度。

  (3)设计出送料机械手的各执行机构。

  (4)设计送料机械手的驱动系统,并校核。

  第二章送料机械手的整体设计方案

  2.1送料机械手的组成

  送料机械手由手部、臂部和立柱等部件组成。

  1、手部

  这部分在机械手臂前端,是整个机器人系统的最后一道执行程序,所以又称为呼叫机器人的末端程序或执行器。常见的机械手都如人手一般,送料机械手还有有钳夹式、吸附式、专业操作器等。根据所做的任务来确定类型。

  2、手臂

  手臂在整个机械手中起到了关键作用,不仅能够使末端执行器运动到工作位置,还能承受末端执行器、手臂本身以及被抓取工件的重力。手臂一般有3个运动:伸缩、旋转和升降。

  3、立柱

  立柱主要起支撑作用,在本次设计中也与升降和旋转有关。

  2.2送料机械手手臂的自由度

  送料机械手手臂有三个自由度(见图2-1)

  图2-1送料机械手机构运动简图

  2.3送料机械手手部结构设计方案

  为了使送料机械手增加通用性以及消除抓取物料的不确定性,手腕应该设置回转结构就可以满足要求。所以,手腕使用回转气缸,设计成回转结构。

  2.4送料机械手臂部结构设计方案

  按照设计要求,本送料机械手应该有立柱的上下升降、手臂的前后伸缩和整体的旋转这三个自由度。所有的运动都由气缸完成。

  2.5送料机械手的驱动设计方案

  通过查阅大多数机械手的驱动方式,发现气压传动系统拥有反应敏捷、较小的泄漏、动作迅速以及成本低廉等特点。所以本设计使用气压传动方式。

  2.6送料机械手的控制设计方案

  本次设计要保证送料机械手的通用性、功能性好、还能使用点位控制,所以我们在设计中使用了可编程序控制器(plc)对送料机械手进行控制。而且当一个机械手臂的点位和动作控制流程发生改变时,只需要通过改变plc可编程程序设置即可完成控制实现,非常方便快捷。[3]

  2.7送料机械手的主要技术参数

  (1)抓重4kg

  (2)工件直径径范围50mm-200mm

  (3)自由度数4

  (4)最大工作半径1500mm

  (5)手臂最大中心高1200mm

  (6)手臂伸缩行程350mm

  (7)手臂伸缩速度200mm/s

  (8)手臂升降行程400mm

  (9)手臂升降速度250mm/s

  (10)手臂回转幅度0°-180°

  (11)手腕回转幅度0°-180°

  (12)手臂回转角速度90°/s

  (13)手腕回转角速度90°/s

  (14)定位方式行程开关

  (15)定位精度

  (16)传动方式气压传动

  (17)控制系统PLC控制

  2.8送料机械手的系统工作原理

  如图2-2

  图2-2送料机械手的系统工作原理框图

  第三章送料机械手整体设计和计算

  3.1手部的结构设计

  3.1.1手指的确定

  本设计手指(末端执行器)采用夹持式,常见的有两指式、多指式和双手双指式;其中两指式又分为常见单驱动V型指夹持器和双驱动平移夹持器,两者各有优点,前者结构简单、设计方便、夹取范围较大;后者误差为零、定位精度高[4]。应为本次送料机械手为通用型,夹取的物料一般为圆棒类物料,所以采用V型手指,齿轮齿条传动。

  3.1.2设计时需考虑的问题

  在我们设计送料机械手的手臂部位时,首先我们要考虑是否使工件拥有足够的机械加紧力,除了考虑工件自身的机械重力外,还要充分考虑在工件传送物料运动过程中的惯性作用力和振动,避免了工件的脱落;其次考虑机械手指间是否有足够的的开闭和夹角,能够有效地使得工件顺利地进入和完全脱开,应尽量使用最大直径的工件进行计算。在送料机械手工作的过程中,手指部位受到了三个不同的力,分别为把持工件使工件给的反作用力、整体在运动过程中产生的直接惯性力以及运动时产生的各种振动给的反作用力,在这些力的作用下,手部容易发生折断或弯曲,所以设计时,应保证送料机械手拥有一定程度的刚度和机械强度。在设计时,机械手的结构应尽可能简单紧凑,重量轻。手腕最小扭矩更好。

  3.1.3手部加紧缸的设计

  1手部驱动力的计算

  根据手部结构,手指的角度为120°、L=115mm、R=22mm,其驱动力为:

  L-齿轮圆心到工件中心的距离

  R-齿轮的分度圆半径

  (1)根据工件数据,工件重量为4kg,可得握力:

  所以

  (2)实际驱动力

  手部传动机构使用齿轮齿条结构传动,查阅相关资料从范围中取η=0.94,其中K1取1.5。

  K1--工作安全系数,范围在1.2-2.0。

  K2--工作情况系数,经常本此式估算,其中a=3g(式中的a是重力方向上的最大加速度)所以

  所以手部加紧工件的驱动力为1340N。

  2气缸直径的计算

  当单作用活塞气缸工作时,通过力平衡原理,得知气缸在活塞杆上的驱动力须要抵消两个力,一个是活塞与气缸内壁的摩擦力,另一个为弹簧的反作用力,还要考虑负载率的影响,其公式为[5];

  式中:-活塞杆上的推力,N

  -弹簧反作用力,N

  -活塞受到的摩擦力,N

  -气缸工作压力,Pa

  -气缸的直径,mm

  -负载率如图3-2,取=0.6

  图3-2负载率关系表

  其中

  式中:-弹簧刚度,N/m

  -弹簧预压缩量,m

  -活塞行程,m

  -弹簧钢丝直径,m

  -弹簧平均直径,.

  -弹簧有效圈数.

  -弹簧材料剪切模量,一般取

  由以上的气缸直径为

  带入相关数据得

  设活塞与缸壁之间的摩擦系数为0.2,工件与夹子质量为6kg,则

  所以:

  查阅相关手册圆整得:

  由,可得活塞杆直径:

  圆整后,活塞杠直径。

  校核,按公式有:其中,[],。

  则:

  满足设计要求。

  3气缸筒壁厚设计

  一般气缸缸筒壁厚与内径之比小于或等于1/10[6],气缸壁厚下面这个公式计算:

  气缸壁:65×0.1=6.5mm

  式中:

  -气缸内径,mm

  -实验压力,取,Pa

  材料为:ZL3,[]=3MPa

  代入己知数据,则壁厚为:

  取,则缸筒外径为:

  3.1.4手腕的自由度与回转气缸的设计与校核

  1回转气缸一般有两种:叶片式和齿轮齿条式。本机械手体型轻巧,结合实际,使用叶片式即可,气缸的长度,轴径,轴半径,气缸的效率取0.8,气缸的内径,半径,工作时压力,气缸转动速度,加速时间。

  2计算力矩

  3尺寸校核

  末端执行器与工件总质量,等效分布在一个圆盘上,半径

  则转动惯量:

  设计尺寸符合使用要求,安全。

  3.2臂部与立柱的结构设计

  3.2.1臂部伸缩气缸的设计和校核

  图3-3SC标准气缸

  手臂伸缩气缸采用亚德客型SC标准气缸(如图3-3),型号为SC-63*166-LB,在单杆活塞气缸工作时,其产生的驱动力应克服活塞与缸内壁之间的摩擦阻力,手臂在运行过程中产生的惯性力,根据分析驱动力计算公式为:

  其中:

  手部与腕部质量为28kg,设计加速度,摩擦系数k=0.2。

  则此气缸符合设计要求。

  3.2.2臂部升降气缸的设计和校核

  手臂升降刚工作时,需克服末端执行器、手臂以及腕部的重量,总质量为45kg;活塞与缸壁的摩擦力,摩擦系数0.3;气缸向上运动时产生的惯性力,加速度设为10m/s2。则:

  其中,

  则

  所以只要气缸半径大于28mm即可,则继续使用上述标准气缸即可。

  3.2.3立柱回转气缸的设计和校核

  与腕部回转气缸不同,其所受到的上面各部件的重力,而且作为整个机构的最底部,不仅要完成回转动作,而且还要保持机械回收的平衡,所以这个回转气缸应该半径大,高度低,所以气缸整体高度高度,工作压强,内径,半径,轴直径根据以上数据驱动力为:

  尺寸校核,立柱承受以上部件的总质量为60kg,质量密等于分布在一个半径为r=150mm的圆盘上,运行加速的时间,运行的角速度,缸内压强,摩擦系数设为0.2,则转动惯量:

  ,设计尺寸满足使用要求。

  第四章送料机械手的PLC控制系统设计

  4.1PLC的工作原理和选用

  4.1.1PLC的工作原理

  PLC是采用循环执行用户程序的方式,此种运动方式也被称为扫描工作方式[7]。(如图4-1)

  图4-1扫描过程

  下面通过PLC运行过程详细介绍西门子公司的S7-300系列PLC(如图4-2)的储存器工作原理:

  图4-2S7-300

  1.PLC断电或run→stop

  (1)将工作存储器内的逻辑块(OB)和数据块(DB)送回到MMC(微存储卡)中。

  (2)将系统内部存储器中含有保持性的T、M、C送回到MMC中。(其中T为定时器、M为位存储器、C为计数器。)

  2.PLC上电或stop→run

  (1)清除系统存储器内的所有数据。

  (2)将MMC中与程序执行相关的逻辑块、数据块送入到工作存储器中。

  (3)将MMC中有保持性的M、T、C送入系统存储器中。

  3.PLC存储器MRES复位

  (1)工作存储器中的程序和数据被清除。

  (2)全部系统存储器中的数据被清除。

  (3)初始化软硬件,恢复软硬件默认值(SP)。

  (4)MPI网络的参数被保留,其他通讯方式被清除。

  (5)复位后,装载存储器中的数据和程序基本不变。

  4.1.2PLC的选用

  本次设计结合在学校所学知识和现有设备,选择西门子公司的S7-300系列PLC,其CPU名称为CPU315-2DP。

  4.2PLC的使用步骤

  在可编程控制器(PLC)与被控对象构成一个自动控制系统时,一般有以下几个步骤:

  (1)分析控制流程,即被控制系统的工作原理,工作方式,工作流程。

  (2)选择合适PLC,主要依据以下原则:先特殊后一般原则、由下至上原则、先内置后扩展原则。

  (3)I/0分配,即确定哪些信号是输入的信号;哪些信号是输出信号。可编程序控制器识别信号是通过编码来进行的。此外,还需要分配可编程序控制器内部的计数器C、定时器T,对他们也要编码。

  (4)画梯形图,一般有以下几个要点:根据控制流程图分配程序段、简化编程、注释清晰。

  (5)编程调试结束后可以进行一次模拟编程调试,检查是否能正确地完成规定的逻辑编程要求,对模拟编程调试进行了修改和更新加以完善。

  (6)保存程序,试运行程序后,如果PLC在执行该程序时没有错误的话,就将该程序传入到PC中,或保存到磁盘中。

  (7)填写调试报告,完成了编程后,应该详细地填写最后的程序调试的报告,将编程中遇到的一些问题和如何完成程序的一些关键难点和问题一一记录下来。因为长一段时间以后,自己也有可能会对如何完成程序的某些需要技巧的地方产生遗忘

  4.3送料机械手的PLC控制方案

  4.3.1送料机械手的工作流程

  送料机械手通过自动工作方式进行,就是按下开始按钮后,送料机械手从原点开始运动,按照工序连续不断工作,直到按下停止按钮为止,其工作流程如下(如图4-3):

  (1)当按下机械手臂启动按钮之后,升降气缸启动上升,上升至位置开关处。

  (2)手指V型夹子打开,打开到位置开关处停止。

  (3)腕部旋转使手部对准工件,转动到位置开关处停止。

  (4)手臂伸缩气缸启动伸长,伸长到位置开关处。

  (5)手指V型夹子闭合,加紧工件。

  (6)手臂伸缩气缸启动使手部收缩,收缩到位置开关处。

  (7)手臂旋转气缸启动使机械手整体逆时针转动,转动到位置开关处。

  (8)手臂伸缩气缸启动伸长,伸长到位置开关处。

  (9)手指V型夹子打开,打开到位置开关处。

  (10)手臂伸缩气缸启动再次使手部收缩,收缩到位置开关处。

  (11)手指V型夹子闭合,防止碰撞,闭合到位置开关处。

  (12)腕部旋转使手部回到初始位置,转动到位置开关处。

  (13)手臂旋转气缸启动使机械手整体顺时针转动,转动到位置开关处。

  (14)立柱升降气缸启动下降,下降到位置开关处。完成循环。

  图4-3送料机械手工作流程图

  4.3.2送料机械手的PLC编程图

  PLC拥有三种语言分别是梯形图、语句表和功能块,这三种语言能够互相转换,其中梯形图是使用最多的编程语言。