直线机械手设计方案

1/15直线机械手设计方案芜湖哈特机器人产业技术研究院有限公司日期：2015年8月7日2/15一、项目概述项目设计的直线机械手是针对DMG310机床和冲压专用机床配套使用。设计内容包括直线机械手及上料器，满足以下运动过程。机械手从上料器取料，料为直径∅25×260，通过机械手送到DMG310机床加工，加工半成品后靠根抓取直径为∅20，取出后送到冲压专用机床，返回上料器待命。二、项目要求机械手横梁总长为8020mm，有效行程为5400mm，抓取的高度范围为780-1900mm，机械手有5个支脚。下图为机械手俯视图，同时，从机械手系统平面布局来看，其机械手放置在机床的上面。设计的机械手采用西门子PLC控制系统，能与主机系统（西门子）实现数据通讯。机械手俯视图3/15机械手系统平面布局图项目要求。序号名称参数1时间5分钟为一个循环周期2工件重量及形状1kg，∅25×2603上料器一次上料为20-30个4X轴有效行程5400mm5Z轴有效行程1120mm6控制系统采用PLC控制三、项目实施方案本项目从机械、电气控制方面具体展开项目的实施方案。从机械手系统图中，系统包括机架、机械手、DMG310机床、专用冲压机床、控制柜、上料器等组成。机架用于安装机械手，采用5个支脚结构。机械手包含两个自由度（X轴直线运动单元和Z轴直线运动单元）和两个动作（摆台旋转180度和工件夹具）。X轴直线运动单元有4/15效行程为5400mm，Z轴直线运动单元有效行程为1120mm。DMG310机床和专用冲压机床用于工件的加工。控制柜用于安装电气元件及控制机械手系统。上料器用于机械手自动夹取工件。错误!错误!错误!机械手系统图整个机械手系统中，机械手提供X轴，Z轴两个运动方向，机械手末端设置一个旋转和一个工件加紧动作。上料器出口、DMG310机床三爪卡盘、专业冲压机床卡盘在同一条直线上。下图列出了系统的运动过程。从图中可以看出。机械手首先从上料器取工件，送到DMG310三爪卡盘里，等待DGM310机床加工，加工完成后，机械手取出半成品送到专用机床上。完成后返回到上料器等待下一次循环过程。5/15（一）机械设计根据项目的描述，机械结构设计包括机架结构设计、机械手设计（包含夹具设计）、上料器设计等。（1）机架结构设计。机架主体需要承受机械手，同时需要很好的稳定性，项目需要设置5个支脚。同时为了考虑安装，横梁通过装配固定。五个支脚分别采用斜拉杆固定。结构如图所示。（2）机械手设计。机械手为X轴，Z轴两个运动，X轴有效行程为5400mm，Z轴有效行程为1120mm。考虑到行程较大，采用齿轮齿条结构的传动直线单元。设置X轴与Z轴的运动速度为0.4m/s。考虑到机械手末端需要安装两个自由度以及夹具，初步设计负载为10kg。重复定位精度不小于0.1mm。X轴直线运动单元选用齿轮齿条传动直线运动单元，有效行程5400mm。Z轴直线运动单元选用齿轮齿条传动直线运动单元，有效行程1120mm。X轴减速机选用行星减速机减速比为80/20。Z轴减速机选用行星减速机减速比为上料器取料送到DMG310三爪卡盘取半成品送到专用机床DGM310加工返回上料器待命6/15120/20，X轴电机选用750W伺服电机Z轴电机选用1.5KW带抱闸伺服电机。机械手基本参数名称参数说明X轴运动单元有效行程5400mm，负载100kg，重复精度0.1mmZ轴运动单元有效行程1120mm，负载10kg，重复精度0.1mmX轴减速机传动比80/20Z轴减速机传动比120/20X轴电机750WZ轴电机1.5KW（带抱闸）旋转动作采用气动摆台，选用的是齿轮齿条式摆台，可实现0-190°角度调整。末端采用气爪，开合最大距离为24mm，两手指加紧力根据气压调节。夹具设计应方便安装，夹取工程中需要夹具直径为25mm和直径为20mm。设计的夹具如图所示。夹具示意图摆台、气爪、夹具通过法兰连接，其连接图如下。7/15摆台、气爪、夹具连接图（3）上料器设计。上料器需要满以下条件：1、保证上料器前面的工件在机械手抓取范围内。2、抓取前一个工件之后，后面一个工件自动补充。考虑到这两个因素后，初步设计上料器的高度为1000mm，宽度为400mm。上料器一次能容纳20-30个。上料器设计成斜面，采用气缸将末端工件提起出来，便于夹取。（二）电气控制设计电气控制采用西门子PLC控制，选用型号为S7-1215C。S7-1200系列PLC具有集成PROFINET接口、强大的集成工艺功能和灵活的可扩展性等特点，为各种工艺任务提供了简单的通信和有效的解决方案。S7-1215C含有2路以太网通信端口，14点数字量输入、2点模拟量输入和10点数字量输出，2路100K高速脉冲输出。因PLC数字量点数偏少，增加了DIO板卡SB1223，8路数字量输入，8路数字量输出。显示器采用西门子7寸精简面板KTP700BasicPN。用户可以通过显示屏进行系统设置和运行程序。控制柜设计应满足安装方便，外观美观，同时为了操作方便，在控制柜的上安装显示屏，方便用户操作。同时控制柜上安装一些导轨，便于安装电气元器件。8/15控制柜为保证系统位置精度，机械手开机后进行零位查找，因此设置两个零位开关。为了保证系统安全性，在X轴、Z轴两侧分别设置了限位开关；在上料器两侧使用一对光电开关检测工件有无。下图是系统各设备位置示意图。系统各设备位置示意图9/15系统开机后，手动测试X轴、Z轴的限位开关D点、C点、E点、F点以及零位开关A点和B点。测试无故障后，机械手运动到上料器位置初始点，光电开关检测到有工件，机械手下降高度H2后，电磁阀控制夹具夹取工件。若开关检测当前无工件，则系统等待。抓取到工件后机械手回升到初始点，继而运动到加工点。待机械手下降H1，将工件输送动三爪卡盘中，返回到加工点。再次等待DMG310门打开，机械手将工件取出，机械手运动到冲压点。待专用冲压机床门打开，机械手下降H3，将半成品输送到卡盘中，回升到冲压点，继而运动到初始点，等待下一个过程。机械手夹取系统有手动、自动以及示教三种模式。手动模式用于设备的开机检查，示教模式用于记录系统运动过程，应用于自动模式，系统最多可保存三种运动过程。示教模式完成后，自动模式调用示教数据，完成自动运行。其系统的结构控制如下所示。控制总体结构机械手夹取系统手动自动示教回零位至初始位取料放料加工完成检测换料10/15系统的程序流程图如下：系统流程图自动运行图零点检测及限位检测开始自动运行系统断电结束系统上电本工作位置结束是否开始检测是否有信号取料加工结束否是11/15四、技术问题1、机械手旋转及工件夹取需要气源，设备是自配空气压缩机，还是车间配置气源。2、机械手需要DMG310机床或专用冲压机床一个输入信号，将工件放置到三角卡盘中，此信号是通过DMG310机床或专用冲压机床门上安装光电开关，还是通过通讯方式实现。3、机械手将工件放入DMG310机床中，机械手等待机床加工工件，是通过DMG310机床给定信号，还是通过延时信号实现机床完成加工工件。4、机械手对工件需要精确定位，因此工件的表面粗糙度及尺寸公差如何。12/15五、项目预算结合项目的要求，以及产品的基本选型，对其项目做个初步预算。具体预算如下：产品数量/套说明单价（元/套）元（两套）机械结构2包括机架、上料器、夹具、2400048000机械手2X直线运动单元、Z直线运动单元、X轴减速机、Z轴减速机、X轴电机、Z轴电机、摆台、气爪。64000128000控制系统软硬件2控制柜、控制器、显示屏、DIO板卡，软件编程(调试)。52000104000辅助器件2包括电磁阀2个，过滤阀1个、限位开关4、光电开关6个，线缆、气管接头等。30006000设计费用14500045000包装运输费用230006000人工安装21200024000其他费用2设计研发过程中不可预知费用800016000税费2费率17%3587064090总价（元）246870441090一套总价为贰拾肆万陆仟捌佰柒拾圆，两套总价为肆拾肆万壹仟零玖拾圆13/15附录PLC1215C技术参数尺寸WxHxD（mm）130x100x75重量520g功耗12W可用电流（SM和CM总线）最大1600mA（5VDC）可用电流（24VDC）最大400mA（传感器电源）数字输入电流消耗（24VDC）所用的每点输入4mA用户存储器125KB工作存储器/4MB负载存储器，可用专用SD卡扩展/10KB保持性存储器板载数字I/O14点输入/10点输出板载模拟I/O2点输入/2点输出位存储器（M）8192个字节信号模块扩展最多8个信号模块信号板扩展最多1块信号板通信模块扩展最多3个通信模块高速计数器共6个单相：3个100kHz以及3个30kHz的时钟频率；正交相位：3个80kHz以及3个20kHz的时钟频率端口数2类型以太网接数•3个用于HMI•8个用于客户端GET/PUT(CPU间S7通信)•1个用于编程设备•8个用于用户程序中的以太网指令•3个用于服务器GET/PUT(CPU间S7通信)电压范围20.4－28.8VDC/22.0－28.8VDC（环境温度-20ºC－0ºC）输入电流最大负载时仅包括CPU最大负载时包括CPU和所有扩展附件24VDC时500mA24VDC时1500mA脉冲串输出频率（Qa.0和Qa.2）最大100kHz，最小2Hz14/15DIO板卡SB1223技术参数尺寸WxHxD（mm）45x100x75重量210g功耗2.5W电流消耗（SM总线）145mA电流消耗（24VDC）所用的每点输入4mA数字输入输入点数8类型漏型/源型（IEC1类漏型）额定电压4mA时24VDC，额定值允许的连续电压最大30VDC浪涌电压35VDC，持续0.5s同时接通的输入数8数字输出输出点数8类型固态－MOSFET电压范围20.4－28.8VDC灯负载5W通态触点电阻最大0.6Ω浪涌电流过载保护无开关延迟断开到接通最长为50μs接通到断开最长为200μs同时接通的输出数8精简面板KTP700BasicPN技术参数15/15显示屏TFT真彩液晶屏，64K色尺寸（英寸）7分辨率（宽x高，像素）800x480背光平均无故障时间（MTBF10），小时）20,000前面板尺寸（mm）214x158操作方式8个功能按键（可编程）用户内存10MB接口PROFINET（以太网）画面数100可用组态软件WinCCBasicV13或更高版本棒图/曲线图√/f(t)矢量图√画面数100变量800报警系统（报警数量/报警类别）1,000/32