装卸机械手设计研究

收稿日期:2004 02 16

装卸机械手设计研究

侯沂,刘涛

(重庆大学机械工程学院,重庆 400044)

摘 要:对生产线上装卸机械手进行设计研究。用机器人机构学理论推导出装卸机械手运动学方程;完成了机械手结构设计、液压及PC 控制系统的设计,选出了合适的PC 控制器,设计了控制程序,满足了生产线的需要。关键词:机械手;液压系统;可编程控制器

中图分类号:TH122 文献标识码:A 文章编号:1006-0316(2004)06-0053-03

Study on the load and unload manipulator

HOU Yi,LIU Tao

(College of Machinery and Engineering,C hongqing Univ.Chongqing 400044,C hina)

Abstract:This paper study on the load and unload manipulator,the kinematics equation of manipulator is described with the mecha nism theory of robot.We designed the machinery of manipulator,hydraulic pressure system and programmable logic controller system.Key words:manipulator;hydraulic pressure system;programmable logic controller

某生产线上装卸工件原由人工完成,劳动强度大、生产效率低。为了提高生产线的工作效率,降低成本,使生产线发展成为柔性制造系统,适应现代自动化大生产,针对具体生产工艺,利用机器人技术,设计用一台装卸机械手代替人工工作。机械手采用圆柱坐标方案,设计方案结构简图见图1。

图1 机械手结构简图

该机械手有4个自由度,手动作顺序是:手臂伸出 手指闭合 机身上升 手臂缩回 手臂旋转 手腕旋转 机身下降 手臂伸出 手指张开 手臂缩回 手腕反转 手臂反转 停机待料。本文介绍了机械手的结构设计、液压及控制系统的设计,设计出机械手的PC (可编程控制)控制系统,满足了生产线的需要。

1总体方案

1 1装卸机械手模型

根据图1的结构简图,将其视为具有4个连

杆的机器人操作手系统,除手指加紧动作外,运

动是由两个直线运动和两个回转运动组成,即机身的垂直上升、回转,手臂水平伸出和手腕的回转。采用Denavit-Hartenberg 机器人运动学表示法建立坐标,建立运动学方程。装卸机械手属于平面关节机器人,4个连杆坐标系如图2所示。相应的连杆参数列于表1,表中d 1、 2、d 3、 4为关节变量。

图2 机械手连杆D -H 坐标系表1装卸机械手连杆D -H 坐标参数

i a i -1 i -1d i i 100d 102000

23090 d 304

4

设与装卸机械手机座相固连的坐标系统

O 0X 0Y 0Z 0为参考坐标系,每个连杆上固接一个坐标系统,即为动坐标系,从而根据D-H 方程和表1连杆参数,写出相应的连杆变换矩阵,记

53 机械 2004年第31卷第6期

0 1T=

1000

0100

001d1

0001

(1)

1

2T=c 2-s 2

00

s 2c 200

0010

0001

(2)

2 3T=

10 0 0

00-1-d3

01 0 0

00 0 1

(3)

3 4T

=

c 4-s 400

s 4c 400

0010

0001

(4)

1 2装卸机械手运动学方程

将各连杆变换矩阵式(1)式(2)式(3)式(4)相乘,得到装卸机械手末端执行器的位姿方程:

4

T=01T12T23T34T

=c 2c 4-c 2s 4s 2d3s 2

s 2c 4-s 2s

4-c 2-d3c 2

s 4c 40d1

0001

(5)式(5)为装卸机械手运动学方程,它表示

手末端位姿与关节变量d1、 2、d3、 4之间的关系。根据各关节位置传感器的输出,得到各关节变量的值,即可得到手末端的位姿。为校核04T 方程的正确性,将d1=d1、 2=90 、d3=d3、 4=90 代入式(5),计算结果为:

0 4T=

0 00d3

0-100

1 00d1

0 001

与图2的位姿完全一致。在控制系统设计中,我们只要控制4个关节变量,就可以准确地确定手的位置和姿态。

2装卸机械手结构设计2 1结构

装卸机械手结构如图3所示。由于夹持工件有近15kg,所以机械手采用液压为动力,PC程序控制。机身为液压油缸,结构简单且刚性好,升降行程为305mm;机身回转采用叶片回转油缸,回转范围0~210 ;手臂的伸缩和手腕回转仍然采用直线油缸和回转叶片缸,伸缩行程小于750mm,回转范围0~180

。手部夹持工件范围 65~ 80mm。油缸是手臂、手腕及机座的主体。各油缸即有自身的运动,又有空间中的相对运动,既作为传递运动的执行机构,又作为支承机构。机械手和液压驱动系统及油箱安装在一个底板上,便于在生产线上定位安装。

图3 装卸机械手结构图

2 2液压系统

按照生产线工艺,可知装卸机械手主要有:机身伸降和回转、手臂伸缩、手腕回转、手指夹紧等动作。设计相应的几个液压控制回路来实现,液压系统采用O型电磁换向阀换向、单向调速阀调速及采用限位器来协调机械部分和控制部分的工作。采用双联油泵供油,既能实现分步运动又能满足需要大流量时的合流。

3控制系统设计

机械手各部分动作均由液压驱动,机身上升和下降、手臂伸出和缩回、回转均由双线圈双位电磁阀控制。即:当伸出时,伸出方向的电磁阀通电,机械手伸出;若断电时,机械手停止伸出,只有当回缩电磁阀通电时,机械手才回缩。而手指夹紧和定位都是使用的单线圈双位电磁阀来控制,当线圈通电时,手指夹紧;断电时则松开。机械手的下降、上升、旋转等动作的转换,由相应的限位开关来控制;而夹紧、放松两个动作的转换是由时间延迟来控制。(下转第58页)(3)非线性控制技术、神经网络技术、自适应逆控制技术等在主动噪声控制技术中的应用将成为新的重要的研究方向和工程应用的突破点。

(4)在对噪声 治标 的同时,还应积极探索 治本 的途径,从以末端治理为主,逐步转到从噪声的源头开始控制。

尽管目前ANC技术还未能充分地应用到实际工程中,它的理论还有待进一步发展。然而,它所具有的优势预示着这一高新技术产业的美好前景,ANC技术必将在未来的噪声控制技术中发挥重要的作用。

参考文献:

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(上接第54页)

由上分析可知,机械手动作是属于步进型的,控制输入量是开关量,因此采用PC控制器控制。设计两种控制方式:一是手动控制、二是自动控制。自动工作方式又分为单步、单周期和连续工作方式。为了保证安全,机械手转动后,只有在工装内没有零件的情况下才能伸出将工件放下,若还有工件,则机械手应自动暂停等待。为此,设置了一只光电开关,以检测 无工件 的信号。

PC的输入位置检测信号有下限(下降限)、上限(上升限)、缩回限、伸出限、手臂正转限、手臂反转限、手腕正转限、手腕反转限,总共需要8个输入端子; 无工件 的检测信号,用光电开关作检测元件则需要一个输入端子;工作方式选择开关为手动、单步、单周期、连续4种,则需要4个输入端子;手动操作时,需要有下降、上升、回缩、手臂下降、手臂正转、手臂反转、手腕正转、手腕反转、夹紧、放松,总共需要10个输入端子;自动工作时,尚需启动按钮、停止按钮和复位按钮,总共需要3个输入端子。从上面的分析可知:输入端需要26个输入端子。

PC的输出信号用来控制机械手的下降、上升、伸出、缩回、手臂正转、手臂反转、手腕正转、手腕反转、夹紧等9个电磁阀线圈,则需要9个输出点;机械手从原点开始工作,需要一个原点指示,即也需要一个输出点,总共则需要10个输出点。

综上所述,I/O总数可为36,则选用三菱公司的F1 60MR型PC,其中I:36;O:24。将手动程序和自动程序分别编出相应的的程序段,用条件跳转指令进行选择。其中设置一段公用程序,当系统从自动工作方式切换到手动工作方式时,将移位寄存器M100和表示连续工作方式的M200复位,否则在返回自动逐个方式时可能会出现错误的动作。

4结论

机器人技术的发展成为工业自动化的一个象征,在现代化大生产中应用广泛。本文实例说明用机器人技术改造传统生产线切实可行;用机器人机构学理论推导出装卸机械手运动学方程可以准确地控制手部的位置和姿态;抓重较大的机械手可以考虑用液压系统作为动力,采用PC(可编程控制)控制器对机械手进行顺序控制,可以实现手动控制、自动控制即单步、单周期和连续工作方式。从设计制造出的结果表明,该机械手结构简单、控制性能良好、成本低,满足生产线的要求,而且可将其运用于柔性制造系统,大大提高了设备利用率。在生产实际中,对改进生产线及提高生产率有重大的帮助。

参考文献:

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