直线机械手设计方案
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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