直线机械手设计方案

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

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

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，∅25×260

3 上料器一次上料为20-30个

4 X轴有效行程5400mm

5 Z轴有效行程1120mm

6 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

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。

机械手系统图

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。

（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

120/20，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0.1mm

Z轴运动单元有效行程1120mm，负载10kg，重复精度0.1mm

X轴减速机传动比80/20

Z轴减速机传动比120/20

X 轴电机750W

Z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。

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KTP700 Basic PN。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。

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