五自由度搬运机械手关键技术研究

发布时间：2016-08-31 07:01

1  绪论 

无论是在冲压、压力铸造、热处理、焊接、涂装、机械加工和简单装配等工序上，还是在原子能工业等高危部门中，完成对人体有害物料的搬运或工艺操作等待方面，工业机器人都有显著的优势。例如，由美国 SME 公司生产的冲压机械手饱和状态下日产量可达 10000 件，极大地提升了冲压车间的产能[3]。其利用机械手自身的摆杆就能实现零件的翻转，故机械手在生产双件、侧围等大件时，不需要凭借翻转装置来翻转冲压件[4]。 而且，工业机器人的成本也比人工要低，在现有条件下，如再采用的科学的生产线配置，则可以把成本进一步缩小[5]。例如，近年来曾经拥有 120 万名员工、劳动力密集、引人关注的富士康公司，投入了几十万台自动化装置，取代几十万员工的手工作业，为中国工业自动化起到了很好的示范作用。 即便如此，通用型工业机械手的成本依然是较大的支出。尤其在能够负荷较大载荷的工业机械手中，大负载的通用型工业机械手的成本随着负载的增加而迅速递增。在许多中小企业中，这种通用型机械手的价格成了成本控制的一大问题。 所以，从市场的角度出发，低成本、高效率大负载机器人的应用填补了市场上的空白，是未来大负载机器人发展的方向。不过，单纯按某企业所需设计专用机械手意义不够重大，大负载机器人既要兼顾通用性，又保证中小企业的工程需要和成本控制及效率的要求。

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2  机械手总体方案的选定与传动方案设计 

2.1  机械手总体方案的论证

直角坐标机械手优点是刚度好，位置精度高、运动学求解容易、控制无耦合；但其结构较庞大、动作范围小、灵活性差且占地面积较大。 圆柱坐标机械手则具有位置精度高、控制简单；结构简单、占地面积小、价廉诸多优点，所以，应用广泛；但其不能抓取靠近立柱或地面上的物体。 而极坐标机械手的结构紧凑，动作也更加灵活，且占地面积小，，但其结构复杂、定位精度低、运动直观性差。 关节坐标机械手以模拟人手的工作特点为特点。它工作范围大、动作灵活、能抓取靠近机身的物体；可视作极坐标机械手的一种。 SCARA 型机器人最适宜于平面定位、在垂直方向进行装配，所以又称为装配机器人。它也可以视作柱坐标机械手的变形。 考虑抓取车轮动作的定位精度不需很高，本机械手的市场面向需考虑经济性，选择柱坐标机械手形制比较合适。

2.2  传动方案的具体设计

因空气压缩性较高，大负载机械手机身的重量很大，气缸精度很难保证。尤其是机身升降时，如果误差太大，手爪有可能越程撞在车轮轮毂表面上。气缸的一般定位方式是采用机械挡块，挡住气缸的前进，气缸自然停止。但本次设计需实现气缸多点定位，机械挡块无法满足。目前，实现气缸的多点定位经常应用各种伺服阀系统。但这种系统造价很高，许用公称流量又较小，不适合本次设计的大负载情况。 考虑到此设计虽然需要一定精度，但精度又不需要很高，2~3 毫米的误差也可以接受，故在机身升降处采用了三位五通中封式电磁阀与平衡阀结合控制的定位方式。同样需要缓冲的伸缩臂气缸也采用这种方式。 手臂伸缩气缸采用机械挡块就可以满足需求，所以只采用中封电磁阀控制即可。手爪夹紧气缸的定位可由其外壳体自然保证。夹紧时，夹紧力需要持续提供，被夹紧工件也就代替了挡块的作用，控制上直接使用两位换向阀即可。气动传动的具体气动原理总图如图 2.5 所示。

3  机械手机械传动结构的设计研究 ... 17 

3.1  手部夹持器设计 ...................... 17 
3.2  腕部机构设计 .................... 24
3.3  机身回转计算与选型............ 32 
3.4  伸缩臂与机身升降设计计算与气缸选型 .................... 38
4  基于数值仿真技术的机架结构研究和整机运动仿真 .............. 41 
4.1  腕部壳体分析 .................... 41
4.2  伸缩臂壳体分析 ........................... 45 
4.3  柱身壳体分析 ............................ 47 
4.4  整体接触分析 .......................... 48 
4.5  疲劳强度校核 ........................ 51 
4.6  运动仿真 ..................... 53 
4.7  本章小结 .................... 53 
5 PLC 与触摸屏控制系统的研究与实验 ................. 54 
5.1  机械手的 PLC 控制方案 ................. 54 
5.2 PLC 与触摸屏的选型 ....................... 54 
5.3  机械手动作流程与 I/O 点分配 ................ 54 
5.4  机械手伺服控制 .................. 56

5 PLC 与触摸屏控制系统的研究与实验 

5.1  机械手的 PLC 控制方案 

所谓 PLC，其中文名称是可编程控制器，是以微处理器为核心，把微型计算机技术、自动控制技术及网络通信技术融为一体的工业自动化控制装置。PLC 技术因其控制能力强、可靠性高、编程简单等特点，成为了现代工业控制的四大支柱技术之一。 PLC 与控制人员的信息交互，一般由触摸屏系统实现。操作员只需对触摸屏进行操作，即可控制机械手做到所需的动作，也可通过触摸屏进行简单的数据修改操作。 本机械手处于动平衡检测线上，需要自动在辊道上抓取车轮，安放到如图 2.1 所示工人操作位。而车轮有三种不同的型号，其来到辊道上的顺序不定。所以，控制时需要令机械手读取传感器检测到的车轮顶面高度数据，以令机械手下降到所需位置。机械手抓取车轮，放置到工人操作位后需要等待工人操作。因工人操作时间不确定，此时令机械手停止在该位置不动。 工人完成操作后可选择两种运行方式。 如需机械手翻转车轮至图 2.2 所示角度二，则启动一种自动运行模式，工人进行二次操作，之后再启动一种运行模式，放下车轮。如无需在角度二的情况下操作，则启动第三种运行模式，直接放下车轮至辊道。 

5.2 PLC 与触摸屏的选型 

PLC 选型时需要考虑所需的 I/O 点数和 PLC 是否具备所需的控制功能。 本机械手动作不复杂，只需要两个高频脉冲输出，无特殊控制要求。西门子公司生产的 S7-200 型 PLC 的 CPU226 配置已足够满足要求本机械手的需要。这一型号的 PLC在我国应用很广，具有体积小、价格低、功能相对强大的优点，很受技术人员青睐。 CPU226 有 40 个 I/O 点，24 输出，16 输入，设计时 I/O 配置需在此范围内。 西门子 S7-200 型 PLC 可以使用的触摸屏有许多种，但西门子原装的配套触摸屏只有一种，型号为 Smart1000IE。 
本文采用这一触摸屏进行设计。 

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6  结论

大负载机械手的应用范围很广；但由于大负载带来的高能耗、高成本、低精度和低寿命，大负载机械手在应用上存在困难。本文根据工程需求，着重进行了五自由度大负载搬运机械手的方案设计、机构设计和机架结构的设计与优化，主要完成的工作如下：（1）介绍了工业机械手在国内外的应用，论证了机械手的基本型制，选择采用圆柱坐标机械手的型制来完成工作；（2）详细分析了设计的需求，比较了传动方式的优缺点，提出了本设计方案的机械手的类型，根据此类型论证了机械的传动方案、定位方式：机械手的型制为圆柱坐标，有五个自由度，又因为大负载的客观要求，需要降低能耗，定位精度不需很高，最终确定了气动与电传动相结合的传动方案，其中手腕回转的定位精度最低，触摸屏一次点动就转动 36°； （3）对机械手机械结构进行设计计算并选择元件，根据大负载机械手降低能耗的要求和机械手排布需要，设计了与斜楔式三爪卡盘原理相同，但根据机械手抓取特性紧凑排布夹爪内机构的夹爪；设计了通过滚子链传动将转矩传递到回转机构前端，使得较小转矩也能做到腕部俯仰动作的腕部机构；设计了通过滑轨将与伸缩臂并行排布的气缸推力转到伸缩臂上，以减小机械手占据空间的机构。

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参考文献（略）

本文编号：106461