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投本機械手結構改進設計及PLC控制

添加時間:2021/12/01 來源:未知 作者:樂楓
根據投本機械手的作業要求擬定了PLC控制系統的控制要求,繪制了I/O表和I/O接線圖,編寫了控制程序梯形圖,并將編寫好的梯形圖程序輸入到GXWorks2軟件中進行仿真調試,驗證了梯形圖程序的合理性。
以下為本篇論文正文:

摘要

  隨著科學技術不斷進步,越來越多危險的、繁雜的崗位被工業機器人取代。特別是在人口老齡化日益嚴重、年輕勞動力大量缺失的今天,"機器代人"己成為大勢所趨。在我國大多數中小型印刷廠的書芯投放作業仍是由人工進行投放,這樣不僅效率低下,而且在髙頻率的投本后,還可能因疲勞而引發一系列的安全問題。故本文針對印刷廠的投本問題,設計了一款基于PLC控制的投本機械手。

  在了解了投本作業實際情況和設計要求,確定了投本機械手的坐標形式和驅動方式,明確了投本機械手、書芯架和圓盤包本機三者的位置關系后,對投本機械手的作業進行了運動分析和時間分析。投本機械手的運動分為底座和立柱的往復運動、手腕的旋轉運動、手爪的開合運動等四個部分的運動。借助Solidworks軟件對這四個部分進行了結構設計、虛擬裝配、干涉檢查,驗證了投本機械手結構的合理性。投本機械手的底座部分和立柱部分的執行元件為液壓缸,手腕和手爪部分分別為回轉氣缸和手指氣缸。在完成投本機械手的結構設計后,對液壓和氣壓系統的原理圖進行了繪制,對液壓和氣壓系統的元器件進行了設計和選型計算。

  根據投本機械手的作業要求擬定了PLC控制系統的控制要求,繪制了I/O表和I/O接線圖,編寫了控制程序梯形圖,并將編寫好的梯形圖程序輸入到GXWorks2軟件中進行仿真調試,驗證了梯形圖程序的合理性。最后,利用GTWorks3軟件對投本機械手的觸摸屏人機交互界面進行了設計,使工人在操作投本機械手時更加便利。在四個光纖傳感器的作用下,可實現投本機械手與書芯架和圓盤包本機的協同控制。投本機械手可對A4和B5兩種型號的書芯進行投放,且投放的效率遠高于人工投放時的效率,很大程度上解決了印刷廠投本作業的問題,提升了印刷廠生產線的自動化程度。

  關鍵詞:投本機械手;結構設計;液壓與氣壓系統;PLC控制

  目錄

  1緒論

  1.1課題研究背景和意義

  1.1.1背景

  面對國際制造業競爭加劇,國內經濟進入低速增長的新常態,人口紅利逐漸消失等方面的挑戰,中國制造業面臨轉型升級的巨大壓力[1].為此,我國政府在美國2012年推出"再工業化"發展戰略、日本制定并實施機器人產業發展戰略、韓國2012年10月發布"機器人未來戰略展望2020"、德國2013年4月提出"工業4.0"戰略之后,于2015年5月8日制定了制造強國戰略的第一個十年行動綱領《中國制造2025》,提出要通過機器人產業的發展引領我國制造業行業標準的提升[2-4].

  由圖1-1可知我國在接下來的10年至30年內65歲以上人群占人口比重急劇攀升,會導致人口老齡化嚴重、年輕的勞動力缺失,使得我國勞動力成本上升,制造業面臨轉型升級。制造業轉型升級的關鍵在于機械代替人工勞動,使企業制造成本降低。工業機器人在制造業轉型升級的過程中充當著不可或缺的角色[5].雖然我國工業機器人產業發展迅速,但是我國工業機器人產業起步較晚,在制造業轉型的過程中速度進展緩慢。所以,我國需要大力發展工業機器人技術,降低勞動力成本,促進國家制造業快速轉型[6_8].隨著21世紀自動化技術的飛速發展,機器人產業實現了騰飛。我國機器人的發展也進入了一個黃金時期,在這期間我國工業機器人技術不斷突破,己連續六年保持機器人銷量全球第一,成為了全球最大的工業機器人生產、消費市場,2008-2017年我國工業機器人銷量及增長率如圖1-2所示雖然我國工業機器人的發展取得了較為可喜的成績,但是由于我國對工業機器人的研宄起步較晚,也還存在一些問題。例如,我國在智能機器人等高端機器人領域的研究與一些發達國家還有較大的差距,工廠的工業機器人相對于日本、德國等國家來說,普及程度不夠大,自動化程度不夠高。

  工業機器人是自動執行工作的機器裝置,是靠自身動力和控制能力來實現各種功能的一種機器。工業機器人由主體、驅動系統和控制系統三個基本部分組成,可以仿造人的手臂的各個關節代替人完成各種重復、復雜或具有危險性的動作。工業機器人是造業的支柱,可以提高企業的生產效率、促進實體經濟快速發展、解決我國因人口老齡化帶來的勞動力短缺等問題。

投本機械手

  1.1.2意義

  我國印刷總量在2013年己經位居世界第二,是名副其實的印刷大國。但是印刷效率又遠遠低于世界發達國家,顯得又有些名不副實[1M2].德國和日本等印刷行業發達的國家其印刷工廠的自動化程度都非常高。例如,德國的印刷工廠連抖紙和搬紙這樣的"重活"都是由專門的電動設備來完成。德國的人工成本非常高,像這種簡單的體力活,能用機械完成一定是用機械的[13_14].反觀我國的印刷行業,大多數中小型印刷工廠的印刷設備可能都實現了自動化,但是設備與設備之間的銜接仍是由人工來完成,沒有真正意義上實現生產線的全自動化。比如,書芯的膠訂工作仍然需要人工進行投放,因為人的投放速度是有限的,并不能發揮出膠訂機的最大膠訂速度,會造成機器產能浪費,且人會疲勞,不能像機器一樣24小時不間斷的工作。所以,本文擬設計出一款基于PLC控制的投本機械手來代替人工完成投本膠訂工作。投本機械手代替人工進行投本工作不僅可以大幅提高企業的生產效率、最大限度的發揮機器產能,實現工廠的全自動化生產,還能降低工人在工作中的安全患,故對投本機械手的設計研究是有意義的。

  1.2國內外工業機器人研究現狀

  1.2.1國外工業機器人研究現狀

  自1961年美國的Unimation成為了世界上第一個工業機器人以來,世界各個國家都對工業機器人市場非常樂觀,并且投入了大量的人力和財力來開發工業機器人。美國早在1961年就開發了世界上第一臺工業機器人,與此同時美國的失業率在1960年代和1970年代也迅速上升。美國政府擔心機器人會讓更多人的失業,因此只有幾所大學和幾所公司來從事與機器人技術有關的研究工作[15].此時,美國研發機器人僅僅只是處于理論研宄階段,還沒有到進行應用程序開發的階段。1978年,美國公司Unimation推出了一款通用工業機器人(ProgrammableUniversalMachineforAssembly,PUMA),該機器人已應用于通用汽車的裝配線,這代表了工業機器人技術的全面成熟。PUMA仍在工廠第一線上運行[16-18].1960年至1970年,日本經濟的快速發展導致了工人嚴重短缺,美國生產的第一臺工業機器人給日本的工業市場帶來了巨大希望。1967年,川崎重工有限公司的日本人首次從美國引進機器人和技術,并建立了生產廠房。1968年,日本制造的第一臺unimate機器人問世[19_2()].

  1982年,日本不二越公司也成功研制出"FUJIACE"系列的專用碼垛機器人。機器人結構簡單、重量輕、振動小,每小時可以運轉1600次,有效載荷能力達到200公斤。2000年,FANUC公司推出的N41Oiww碼垛機器人,有效的工作范圍為1600mm,每小時730個工作周期。適用于各種包裝箱的碼垛,可同時服務于多個不同的進料和碼垛工作站[21].2008年,FANUC公司研制出當時世界上承載能力最大的6軸機器人M-2000iA.其有效載荷可達1200公斤[22_23].

  德國KUKA公司作為世界上四大工業機器人家族之一,在工業機器人技術領域也有著很深的沉淀。1973年,KUKA公司建造了世界上第一臺六軸機電驅動的工業機器人FAMULUS.2007年,最強大的6軸工業機器人titan被KUKA設計出來。它具有開放式運動系統和獨特的負載功能,能準確快速地對6.5米外的重物進行搬運。圖1-3為KRAGILUS:HygienicMachine款機器人,這款機器人是KRAGILUS系列機器人中最新產物之一。此款機器人的設計和材料都可以達到最高的健康標準。這使得它可以適用于直接接觸食品和藥品的應用。圖1-4為KR1000L750titan型號的機器人。它的有效載荷是瑞典的ABB是世界上最大的機器人制造公司之一。

  1974年,世界上第一臺全電子控制的工業機器人IRB6問世,主要使用于工件的揀放和物件的搬運[28].

  2009年,六軸小型工業機器人IRB120被制造出,在當時世界上所有的工業機器人中,它的精度最高,速度最快,且重量僅為25kg,其外形如圖1-5所示[29].當前全新的IRB120T做為快速拾放應用的基準,需要極大的靈活性和業界領先的10微米重復性。改進后的六軸機器人IRB120T在保持傳統的緊湊、靈活、輕便功能的同時,也實現了4、5、6軸最大速度的大幅提升,工作循環時間提高了將近25%.2011年,世界上速度最快的碼垛機器人IRB460被研制出,其外形如圖1-6所示。IRB460的有效載荷為110公斤,可達2.4米,負載為60公斤,每小時可循環工作2190次,比最接近的競爭對手快15%[3M2].

  上述各個國家的機器人公司都是世界上著名的工業機器人生產公司,他們工業機器人技術基本上代表著全球工業機器人技術的尖端水平。這里值得一提的是,美國的工業機器人技術雖然不如日本、德國等國家先進,但是在軍工、太空、生活服務等領域上,美國的機器人技術是處于世界領先水平的。

  1.2.2國內工業機器人研究現狀

  二十世紀七十年代,世界上掀起了一波工業機器人的熱潮,各國都在大力發展工業機器人技術,其中日本因為勞動力減少的原因,發展最為迅速。在這種背景之下,我國于1972年開始了對工業機器人的研宄。到現在,我國對工業機器人的研究己有近50年,發展的歷史過程大致能分為以下三個不同階段:1972年-1985年的萌芽期;1985年-2000年的技術研發期;2000年至今的產業化期[33_35].1972年至1985年是萌芽時期,在萌芽初期,主要是對機器人的基礎理論進行研究,并且在機器人機構學、運動學等方面取得了一定的成果。在后期,隨著工業機器人技術逐漸得到政府的高度重視和支持后,開始了樣機的研發。1985年,上海交通大學的機器人研究所完成了中國第一臺自主研發的六度自由聯合機器人"上海一號弧焊機器人的研究[36-37].但由于當時國家經濟體制的限制,導致我國發展工業機器人技術可以在此期間,相對于日本、美國等發達國家來說,發展并不迅速。在1985年-2000年技術研發期間,在幾位科學家的建議下,863國家高技術研宄發展計劃于1986年3月正式啟動。在863計劃啟動后,國家大量引進了國外有關工業機器人的先進技術。

  至此,我國的工業機器人技術開始了高速發展。1987年,航空部633研究所、上海工業大學、上海第一機床廠聯合研制了一臺五自由度全電動關節式機器人SIR-II,它負荷重量15kg可適用于上下料、搬運、點焊、弧焊等作業[38_39].1995年5月,我國第一臺能實現高精密裝配的工業機器人被上海交通大學研究院研制出,它的誕生也表示我國的工業機器人技術己達到第二代工業機器人的技術水平[4(M1].

  進入二十一世紀以來,由于我國龐大的工業機器人市場需求,工業機器人開始大規模批量的生產。不同領域的企業和工廠紛紛引進工業機器人來代替人工進行一些重復且復雜的危險動作。市場需求也促進了工業機器人技術的蓬勃發展。在"九五"期間,國家的"863"計劃將沈陽新松機器人自動化股份公司、哈爾濱博實自動化公司、北京機械工業所以及上海機電一體工程公司等企業,設立為智能機器人的產業化基地[4244].2004年,首鋼莫托曼圖有限公司研制了一臺六軸多關節型工業機器人SG-MOTOMAN-UP6,如圖1-7所示。其具有精度高、速度快、動作范圍廣、安全性可靠等特點,廣泛應用在噴涂、焊接、切割、搬運等領域[45"^.

  2009年,哈爾濱工業大學和奇瑞汽車公司合作開發出了第一臺奇瑞點焊機器人,并且將這臺點焊機器人投放到奇瑞的焊接車間進行點焊工作t47'48]〇沈陽新松機器人自動化股份有限公司與中國科學院和哈爾濱工業大學等國內著名的科研院所和高校有著密切的合作關系,其工業機器人技術在國內處于頂尖水平[49].工業機器人產品包括6kg-300kg等,主要面向點焊、搬運、裝配、碼垛、研磨等多方面應用,產品性能達到國際同類產品技術水平,圖1-8為6軸工業機器人典型產品[5()].

  1.3主要研究內容

  本課題的主旨是設計一款自動投本機械手代替人工進行投本工作。首先投本機械手的結構要能滿足運動要求,其次投本機械手投本的效率要高于人工投本時的效率。投本機械手的設計內容包含結構設計、液壓與氣動傳動系統的設計、及控制系統的設計等三個主要部分。具體的章節內容如下:

 。1)首先闡明選題的研究背景及課題意義,其次通過閱讀大量相關的文獻后,總結工業機器人國內外的發展現狀,最后對整體的研究內容進行概括。

 。2)根據印刷廠生產線的實際應用環境和設計要求對投本機械手進行坐標形式和驅動方案選擇,之后確定書芯、投本機械手、圓盤包本機三者具體的位置關系,最后對投本機械手的動作流程和投本時間進行分析。

 。3)對投本機械手各部分進行具體的結構設計,利用Solidworks軟件對投本機械手的各零部件進行三維建模、裝配和干涉檢查。

 。4)根據投本機械手的動作要求設計液壓與氣動系統,繪制液壓系統原理圖和氣動回路原理圖,完成液壓和氣動系統關鍵零部件的選型。

 。5)在明確整體控制要求后,對PLC的型號、行程開關和傳感器進行選型。在繪制I/O點分配表和1/?點接線圖后,利用梯形圖進行程序設計。將編寫好的程序導入到GXW〇rks2軟件進行仿真,以此來檢驗程序語法和邏輯上的合理性。最后利用GTWorks3軟件對設計投本機械手的觸摸屏人機交互界面。

  2投本機械手的總體設計

  2.1應用環境與設計要求

  2.2坐標形式和驅動方案確定

  2.2.2驅動方案的確定

  2.3位置關系的確定及時間分析

  2.3.1位置關系的確定

  2.3.2運動規劃及時間分析

  2.4本章小結

  3投本機械手的結構設計

  3.2立柱部分的設計

  3.3臂、腕和手爪部分的設計

  3.4基于Solidworks軟件的三維建

  3.4.1投本機械手各結構的三維建模

  3.4.2整機的虛擬裝配

  3.4.3干涉檢查分析

  3.5本章小結

  4液壓與氣壓傳動系統設備

  4.1液壓系統原理圖的擬定

  4.2液壓元件的選擇與

  4.2.1液壓執行件的設計

  4.2.2液壓泵的計算與選型

  4.2.3液壓閥的選型

  4.2.4管路參數計算

  4.2.5液壓油箱參數計算

  4.3氣壓系統原理圖的報定

  4.3.1氣壓回路的設計

  4.3.2繪制氣壓原理圖

  4.4關鍵氣壓元件的選型計算

  4.4.1手指氣缸的逸型計算

  4.4.2回轉氣缸的選型計算

  4.5本章小結

  5 PLC控制系統的設計

  5.1 PLC的述

  5.1.1PLC的特點

  5.1.2 PLC的組

  5.1.3 PLC的工作原理

  5.2投本機械手與的后設備的協同控制要求

  5.3硬件部分的設計

  5.3.1 PLC的

  5.3.2 IO點的分配和I0接線圖

  5.4控制程序的設計

  5.4.1 0X Works2編程軟件簡介,

  5.4.2相關指令說明

  5.4.3梯形圖程序設計

  5.5梯形圖程序的檢查與仿真

  5.5.1程序檢查,

  5.5.2程序的仿真調試

  5.6控制系統觸摸屏操作界面設計

  5.7本章小結

  結論

  針對圓盤包本機書芯投放存在的安全、效率等問題,設計了一款投本機械手代替人工進行投本作業。主要對投本機械手進行了結構設計、液壓與氣壓傳動系統設計、PLC控制系統設計等。得到的具體結論如下:

 。1)投本機械手的坐標形式為直角坐標式,底座和立柱部分由液壓驅動,手腕和手爪部分由氣壓驅動。底座部分采用了齒輪齒條倍增機構,大大的減少了底座占用的空間面積。對投本機械手進行三維建模和干涉檢查后,可知結構設計合理。

 。2)在確定投本機械手的底座和立柱部分采用液壓驅動,手腕和手爪部分采用氣壓驅動后,根據擬定的液壓和氣壓的原理圖對系統所需的液壓和氣壓元件進行參數選型計算,確定底座和立柱液壓缸的缸徑為40mm,活塞桿徑為14_.液壓泵的型號為CB-B50,單向閥的型號為S10A12B,底座和立柱部分三位四通換向閥的型號分別為4WE6E50B/AW220-50N和4WE5E6.0B/AW220-50NZ5L,單向節流閥的型號為MK10G1.2B,溢流閥的型號為DBDH6G10B,油箱的容量為100L,回轉氣缸的型號為HRQ70A,手指氣缸的型號為MHL2-20D1-M9BW.

 。3)投本機械手的運動由PLC進行控制,PLC的型號為三菱公司的FX2N-48MR-001,共有24個輸入點和24個輸出點,輸出類型為繼電器輸出。梯形圖程序編寫完畢后,在GXW〇rks2軟件中驗證了其語法和邏輯上的合理性。最后出于增強工人與投本機械手交互性的角度考慮,利用GTW〇rks3軟件設計了觸摸屏人機交互界面,觸摸屏的型號為GT2308-VTBA〇。

 。4)在四個光纖傳感器的作用下,投本機械手可實現與書芯架和圓盤包本機的協同控制,即投本機械手在感應到書芯架上有書芯時才會對書芯進行夾持,在感應到圓盤包本機旋轉到合適的工位后才會進行投放。投本機械手可投放市面上最普遍的A4和B5型號的書芯,厚度范圍為3?40mm.其中書芯型號為A4時投放一次的時間為2.2s,圓盤包本機旋轉一周進行五次包本作業,時間為11s,人工投放時平均每本投時間為3秒,即投本機械手的投本效率比人工投本的效率高了36.4%.當書芯型號為B5時投放一次的時間為2.6s,圓盤包本機旋轉一周的時間為13s,投本的效率比人工投放的效率高了15.4%.

  致謝

  緊張的研宄生學習生涯即將結束,在這里我要特別感謝哈爾濱商業大學給了我一個廣闊的學習平臺,讓我在這期間不僅學習到了很多專業方面的知識,也學到了很多為人處世的道理。感謝輕工學院為我提供了良好的學習環境和學習氛圍,同時也感謝學院的領導和老師對我的教導和幫助!

  本論文是在導師于貴文教授親切的指導和悉心的關懷下完成的,每次遇到問題向于貴文老師請教時,老師總能非常耐心的指導我很長時間,而且在指導我專業知識之余,也會關心我生活上的問題,讓我在學校學習知識的同時也感受到了莫大的溫暖,在此由衷的感謝于貴文老師在我研宄生學習階段對我的幫助!最后還要感謝室友和同學在校期間對我的幫助,感謝爸媽一直以來對我的支持!

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