自动取模机械手的改良设计毕业设计.doc

金 华 职 业 技 术 学 院JINHUA COLLEGE OF PROFESSION AND TECHNOLOGY毕业综合项目成果 （2014届）题 目 自动取模机械手的改良设计 学 院 机电工程学院 专 业 机械制造与自动化 班 级 机制111 学 号 201131020010134 姓 名 指导教师 2013年12月24日 目 录摘要1引言11.工业机械手及注塑机械手的发展和现状1 1.1工业机械手的发展过程1 1.2取模机械手的国内现状12取模机械手的控制系统总体设计2 2.1机械手总体控制方案2 2.2示意图33机构设计4 3.1手臂部分设计4 3.2气缸部分设计54工作状态 6 4.1运行设计6 4.2运行的控制设计7 5小结11谢辞12参考文献12附件1 16 全自动取模机械手 摘要：机械手是模仿着人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。在工业生产中应用的机械手被称为“工业机械手”。该注塑机取模机械手是一种抓取注塑工件的机械手，采用直接控制结构，完成了硬件电路设计，包括时钟复位电路、输入输出通道、液晶接口、键盘接口、串口下载等，包括菜单、机械手动作位置监督、故障报警等相关功能。整个控制系统结构简洁、各模块功能明确。有较好的市场应用前景。关键词：单片机；注塑机取模机械手引言 1954年，美国人乔治德沃尔设计了第一台电子可编程的工业机器人，并与1961年发表了该项机器人专利。从此以后，随着机器人技术的发展和知识经济的出现，工业机器人在现代制造业中起着越来越大的作用，机械手的设计和改进日益受到人们的关注。注塑机械手是现代产品制造业中主要加工设备之一，是成型塑料制品的专用设备。随着注塑工业的快速发展，对工厂自动化程度要求越来越高，对注塑机械手的要求程度也越来越高。1. 工业机械手及取模机械手的发展和现状1.1 工业机械手的发展过程机械手是能够模仿人手和手臂的功能，按固定程序抓取、搬运物件和操作工具的自动装置。它可以部分或全部代替人力，从事一些单调、繁重的重复性劳动，实现生产的自动化和机械化，能再有害环境中操作得以保护人身安全，当前正广泛用于机械制造、冶金、电子、轻工业和原子能等部门。1.2 取模机械手的国内外现状近几年，中国注塑机发展迅猛，每年都以超过30%的速度增长。随着产业的发展，用户对取模机自动化程度的要求也越来越高。一个大型的注塑企业通常会有几十甚至几百台注塑机需要管理，无论是从生产安全、生产效率还是从产品品质的角度来看，都不可能用人手来取产品，这个时候就迫切需要用到注塑机取模机械手。采用该机械手取工件，不仅大大提高了生产效率，而且大量节省了操作员工，提高了操作人员的安全性和舒适程度。目前，我国内地仅有少数几个企业通过仿制的方式在生产取模机机械手，大量的产品依靠台湾、日本和欧美进口。进口机械手不仅成本高昂，其设计思路更适合西方人的思维却不太适合中国人的操作习惯。而目前国内开发的机械手控制系统在稳定性方面欠缺，这为本课题找到了合适的切入点。研制与开发一种工作效率高、成本低，性能稳定的取模机械手控制系统是本课题的主要目标。 本课题涉及到机械技术、电子技术、气动技术等多个学科。通过本课题的工作，不仅可以实现取模机械手的单片机控制，而且对于多学科交叉、渗透与交流有积极的促进作用。2注塑机机械手控制系统的总体设计2.1机械手总体控制方案 机械手的整体控制部分主要有电源、电控箱、气阀箱和执行结构，具体图形如下：主控制板中继板近接开关电磁转向阀 机械手电源键盘液晶显示注塑机 图1 控制结构框图在这种结构设计中，硬件部分只要分为主控制板、中继板、键盘板和液晶显示电路板，对机械手的控制是通过主控制板直接对中继板发控制信号，中继板上的继电器根据主控制板的控制信号对气阀箱进行控制，从而对机械手进行相应的动作控制。主控制板、键盘板和液晶显示模块经过合理设计后被安装在控制盒中，继承性好，外部通过一根电缆连到中继板上，实现对机械手的直接控制 。这种硬件结构的优点是:硬件结构简单，主CPU对机械手的各运动机构进行直接控制，适用于单旋臂式注塑用机械手和双旋臂式注塑用机械手。这种硬件结构的不足之处是:由于硬件结构相对简单，唯一的控制单元核心要负责检测键盘、液晶显示、输出机械手的动作和检测输入点等大量的工作，这对处理器的处理能力和即时性提出了挑战，而且输入输出点有限，控制集中，只能适用于悬臂式机械手等紧凑系统，而对于相对大型的横走式机械手则无法适用。2.2示意图图2 整机器渲染图1. 顶盖帽 2.上盖板 3.固定手臂 4.高度螺杆 2. 5.固定杆 6.旋转底座 7.底座 8.夹头 9.滑动杆图3.整机装配简图 图4.工作原理图3机构设计3.1手臂部分设计气动机械手臂的动力输出由气动完成，夹取时必须能够稳定，根据夹子的设计结构然后外加模具的重量不是很重所以采取单气缸式的机械手, 图5夹具剖图图6夹具渲染图 由一个气缸带动一根杆子运动，杆子带动着滑块，在滑块上面有两个链条链接手臂的夹子，夹子的前两段链接旁边的壁部，当气缸回拉的时候手臂就张开，放出的时候就夹紧，以此反复，可以完成物件的夹起与放开。3.2气缸部分设计考虑到取模机械手一般使用于一般的模具，不会很重，所以气缸只需要有3公斤的气压就足够了，将气缸如图方式固定 图7 气缸渲染图 图8气缸简图伸缩手臂为机械手执行水平伸缩运动的机构，它是连接机械手末端执行器和竖直升降手臂的部件，它的基本作用是完成末端执行器的伸出和缩回运动。伸缩手臂在进行运动时，为防止手臂沿伸缩方向轴线转动、加大承载能力，以及提高运动精度，必须设有导向装置。伸缩手臂导向装置需根据伸缩手臂的安装形式、结构及负荷等条件来确定，常用的有单导向杆和双导向杆。为使设计标准化和简单化，在本设计中，伸缩手臂采用的是新薄型带导杆气缸，该气缸体积小、轻巧耐横向负载能力强，耐扭矩能力强，不回转精度高，导向杆的轴承课选择滑动轴承或球轴承，安装方便，二面接管位置可供选择 图9气缸连接图4工作状态4.1运行设计 该机械手为圆柱坐标型。图为机械手结构示意图，机械手手臂的左右运动(水平方向)由气缸1控制，上下运动(垂直方向)由气缸2控制，逆时针和顺时针旋转运动则由底盘直流电机的正反转控制。机械手的夹紧装置采用关节结构，其夹紧与松开用气压驱动，并由电磁阀控制。机械手可以根据设定程序的动作将工件从A处搬运到B处，分别用几个限位开关控制。图10机器工作状态图工件在A点时候底盘直流电机转动，触碰到SQ1的限位开关，气缸1开始向外，触碰SQ3限位开关，气缸2开始向下，触碰SQ5限位开关，机械手气缸开始动作夹起A点的工件，气缸2开始向上，触碰SQ6限位开关，气缸1开始动作，触碰SQ4限位开关，底盘直流电机开始动作，触碰SQ2限位开关，气缸1开始向外，触碰SQ3限位开关，气缸2开始向下，触碰SQ5限位开关，机械手气缸开始动作松开工件，气缸2开始向上，触碰SQ6限位开关，气缸1开始动作，触碰SQ4限位开关，完成一次动作。本设计是通过以下技术方案实现的：一种三自由度气动机械手，主要由平移气缸、平移滑块、机架、底座、摆动气缸、平移导杆、手爪、垂直升降气缸、垂直升降导杆及摆动装置所组成，平移气缸和平移滑块相连接并设置在平移机架上，平移导杆与平移滑块相连接，垂直升降气缸与垂直升降导杆安装在平移滑块上，手爪安装在垂直升降气缸的下端部，摆动气缸的下端部连接在底座上，摆动气缸的上部连接在摆动装置上，摆动装置的下端固定地连接在机架上，摆动装置通过旋转轴与底座相连接。4.2运行的控制设计 可编程控制器（PLC）是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关设备都应按易于与工业控制系统练成一个整体机易于扩充功能的原则设计。PLC是一种工业计算机，其种类繁多，不同厂家的产品有各自的特点，但作为工业标标准设备，可编程控制器又有一定的共性。 PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，如图所示：图11 PLC硬件结构示意图图12工作顺序图 图13 plc控制图I/O分配输入输出启动I0.7三位三通电磁换向阀YA1 Q0.1直流电机反转I0.1三位三通电磁换向阀YA2 Q0.2直流电机正转I0.2三位三通电磁换向阀YB1Q0.3气缸1向外运动I0.3三位三通电磁换向阀YB2Q0.4气缸1向内运动I0.4两位两通电磁换向阀YC1Q0.5气缸2向下运动I0.5气缸2向上运动I0.6 表1I/O分配 1.气源 2.气压检测 3.三位五通电磁换向阀 4.三位五通电磁换向阀 5三位五通电磁换向阀 6.两位四通电磁换向阀 7.气缸1 8.气缸2 9.气缸3 10气缸4图15气动回路5小结 这是一款运用单片机调控的机械手，简化了市面上的横走机，或者单臂的机器，合理的添加了可整体旋转的功能，并且使材料缩减，节省了空间，使整体优化了许多，更加的实用了。设计前，虽然在书本上已了解到单片机的一些知识，但不够深入，在实际应用时遇到了很多问题，理论与实际之间存在一定的差距。在此次设计过程中，涉及到了很多专业知识（如单片机、电路、数电、模电、传感器等），我们也对这些课程进行了系统的复习。通过我的努力，翻阅了大量的资料，在指导老师的帮助下，从方案的论证到每一步设计任务的实现，尽职尽责，按照设计要求，逐步完成了该项设计任务。当然，因为时间的短暂，课题完成的还不够完善，要想达到运用于生产还有一段差距，尤其是在软件方面很难达到理想的控制效果。希望能在将来得到不断改进，最终开发出比较成熟的系统并应用于实际的生产生活中。谢辞本论文设计在陆勇星老师的悉心指导和严格要求下业已完成，从初期的定题到修改，还有最后的完成毕业设计，写作期间，老师们为我提供了种种专业知识上的指导和一些富于创造性的建议，给我巨大的启迪，鼓舞和鞭策，没有这样的帮助和关怀，我不会这么顺利的完成毕业论文。同时感谢所有教育过我的专业老师，你们传授的专业知识是我不断成长的源泉也是完成本论文的基础。参考文献1杨明忠,朱家诚.机械设计M.武汉理工大学出版社,2006.2张建民.工业机器人.北京:北京理工大学出版社，1988.3蔡自兴.机器人学的发展趋势和发展战略.机器