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自動化生產線搬運機械手設計研究

放大字體  縮小字體 發布日期:2020-02-22 09:30:03    瀏覽次數:18    評論:0
導讀

在流水線生產中自動化機械手具有穩定性高、操作簡單、以及高效率特點,很好的適應在特殊場合和工作環境中,廣泛應用在工業、食品、醫療等領域[2-3]。目前,我國在工業生產中關于機械手的研究取得了很大突破,很多專家學者對其做出了具體研究。王士川[1]基于STM32的小型機械手的設計與控制方法,并闡述了機械手的基本

0 引言

在流水線生產中自動化機械手具有穩定性高、操作簡單、以及高效率特點,很好的適應在特殊場合和工作環境中,廣泛應用在工業、食品、醫療等領域[2-3]。

目前,我國在工業生產中關于機械手的研究取得了很大突破,很多專家學者對其做出了具體研究。王士川[1]基于STM32的小型機械手的設計與控制方法,并闡述了機械手的基本組成、機構運動特性、以及其工作原理;馬綱,王之櫟,韓松元等[4]。一種新型碼垛搬運機械手的設計,介紹了該機械手臂的結構和工作原理,并且利用PLC技術和氣壓傳動技術很好的控制機械手動作,取得了良好的效果;王從宏等[5]對板材下料自動拾取機器人結構進行的設計,利用Simulink對機器人結構進行了分析和仿真。

本文設計的自動生產搬運碼垛機械手是一種直角坐標式機械手,執行裝置是伺服電機和氣缸。機械手末端的夾取通過氣缸的伸縮來完成,而X、Y、Z三個方向的運動通過伺服電機的旋轉來帶動滾珠絲杠旋轉,從而實現前后、左右、上下運動。碼垛搬運機械手創新點和優點在于:①X、Y、Z三個方向的運動通過伺服電機帶動滾珠絲杠旋轉,運動過程中負載能力強,滿足了企業批量生產;②設計的結構簡單,占地面積小,降低了企業的生產成本,符合現代化生產需求。

1 自動化生產線流水線分析

自動化生產線碼垛機械手整體流水作業圖如圖1、圖2所示。主要由左、右機械手和檢測柜組成。機械手主要安裝在傳輸線兩側,左側作用是將傳輸線上產品抓取并放入檢測柜的每一層中,右側機械手平臺主要是將檢測完成的產品取出并放入傳輸線。其次,產品檢測柜平臺,主要組成有多層架構、產品檢測儀。其作用是將傳輸線上傳送過來的待檢產品進行檢測。而多層架構可以實現快速擺放并進行檢測,提高檢測和抓取效率。

圖1 碼垛機械手作業流程圖

圖2 碼垛機械手作業流程3D圖

2 機械手整體設計

2.1 機械手整體結構設計

設計的碼垛機械手是一種直角坐標式機械手,主要作用是將待檢測的產品從傳輸線上抓取、升起、移動、下降、松開,然后放入另一條傳輸線上并進行下一個工位。

直角坐標式機械手主要由支架、Y方向的移動臂、Z方向的升降臂、末端吸盤以及電機組成。其3D設計圖如圖3所示。

圖3 碼垛機械手三維圖

Y方向移動是靠導軌系統(圖3所示)完成的,雙側龍門式支架兩側安裝有導軌,導軌、齒條與龍門式支架的底座固定,滑塊與碼垛機械手相固定,而減速器及齒輪固定在機械手Y方向移動臂上,通過伺服電機轉動帶動齒輪齒條機構在滑塊上運行,從而完成Y方向前進后退動作,伺服電機精確控制滑塊移動行程,以此來實現精確定位和移動。同理,在X、Z方向上移動是靠滾珠絲杠實現傳動,伺服電機精確控制滾珠絲杠的行程,從而完成X、Z方向前后、升降動作的精確定位和移動。

導軌即滑軌,通常為線性的,設計中主要應用于機構的直線運動中,主要作用是帶動機械手本體在輥道與堆放支架之間的直線運動。該運行過程具有承載能力強、運行平穩無抖動、運行頻率高、定位精度高等特點,相比直線軸承,導軌能承載更高的載荷,并且能分擔一部分的扭矩,在高負載且對精度要求較高的直線運動中有無可比擬的優勢[6-7]。

機械手末端吸盤臂的作用是將碼垛產品有效的吸附,吸盤臂制作材料采用鋁合金,利用鋁合金材料的特性,既保證了吸盤臂的剛度,同時又可以降低吸盤臂的自身重量??紤]到成本及技術成熟問題,吸盤臂抬起采用氣缸驅動,采用的氣壓傳動好處在于控制系統快速做出反應,能量損失小,性價比高。氣缸缸徑為50mm,最大行程為200mm [8-9]。

2.2 氣缸的選型

機械手整體裝置參數設計至關重要,首先氣缸作為氣動控制回路系統中的重要執行元件,本文設計中采用直線運動類型氣缸[6]。根據碼垛產品平均的尺寸和重量,計算氣缸參數如下:氣缸采用類型為:SC32X25,缸徑75mm,最大行程300mm。

2.3 氣動元器件的選型

本文設計碼垛搬運機械手所選用末端執行裝置氣動回路中其他主要相關元器件型號分別如表1、表2所示。

表1 氣動主要元器件列表

2.4 電器元件的選型

根據搬運機械手各個部位及傳輸所需要的實際扭矩大小來確定電器元件詳細參數,數據如表2所示。

表2 電器元件列表

2.5 末端吸盤力計算

如圖3所示,末端執行機構吸盤臂上安裝1個吸盤,吸盤直徑為:

(1)

式中,G是碼垛重量,單位N;t是安全系數,當水平吸附碼垛時t≥4; n為洗盤的個數,此時n=1;P為吸盤真空度,單位為MPa;R是吸盤直徑,單位mm。

試驗中,一塊碼垛的平均重力G=200N,單個吸盤直徑R=160mm,因此在水平吸附吸附下,吸盤的真空度分別為:

(2)

吸盤臂上的吸盤真空度P應該取最大真空度pmax(即真空泵)的40%~60%之間,既保證了吸盤能夠吸附光伏玻璃,又能隨時控制吸盤松開。

3 控制系統設計

3.1 機械手流程控制要求

將待檢碼垛產品經左側傳輸帶傳輸到檢測柜處,左側搬運機械手將產品依次碼放在檢測柜的各層之間,待檢測完成后,右側碼垛機械手依次抓取存放在右側傳輸帶中進入下一道工序繼續加工處理。碼垛機械手機抓取工步順序如圖1所示,具體要求如下:

分揀工步要求:

(1)X、Y方向水平移動情況:X方向移動是靠導滾珠絲杠完成的,而Y方向移動是靠導軌系統完成的,兩者都是由PLC脈沖輸出位置控制功能驅動伺服放大器控制伺服電機精確定位。

(2)變頻調速:控制過程中采用變頻器進行調速,提供準確的速度控制,便于控制機械臂前后、左右、上下運動。

(3)整個碼垛搬運過程可以由兩種操作方式完成搬運動作:

①自動循環操作:按下啟動按鈕,碼垛機械手按照人為設定的控制程序連續完成碼垛搬運工作,直到按下停止按鈕,否則搬運工作一直進行;

②手動操作:在設計過程中,機械臂末端吸盤吸附和松開、X方向的機械臂前后移動、Y方向的機械臂左右移動、Z機械臂升降等8個動作步設置8個按鈕,分別控制碼垛搬運機械手運動。

(4)機械臂末端吸盤吸附和松開、X方向的機械臂前后移動、Y方向的機械臂左右移動、Z機械臂升降等運動都能實現精確定位,且每個動作相互之間必須有互鎖作用;

(5)機械手末端吸盤的吸附、松開動作所用的真空吸盤必須氣密性良好;

(6)步驟①、②動作的完成時間分別為8s,12s;在碼垛機械手控制設計過程中,控制系統的主控器采用西門子S7-200CN標準型PLC。西門子S7-200CN的PLC具有豐富的CPU單元(8/14/16/24/40點型),為了以后的擴展功能,我們選擇40點型;具有一個獨特的逆變器的簡單定位功能;程序的最高容量為5千步,數據容量高達18千字;脈沖輸出70kHz×2軸;最大2個串行通訊接口(RS232/RS485任選);標準配置USB編程接口,支持FB和ST編程,液晶顯示選項板支持豐富的顯示/控制功能。變頻器采用FR-E700系列多功能通用變頻器,選用的變頻器型號為FR-E540-2.5K-CHT,容量范圍為三相400V;變頻器功率為2.2kW;用磁通矢量控制;實現1Hz運行150%轉矩輸出;內置RWM,實現更低噪音運行;內置RS485通信口;輸出頻率:0.2~400Hz 精度0.01%;高應答電流限制機能,大幅減少過電流產生之跳機;全容量可連接直流電抗器,達到抑制高諧波的功能;通訊設備采用臺達RS-485通信擴展板,型號為VFD-E。

3.2 機械手主控電機電路設計

主電路設計圖如圖4所示。

圖4 碼垛機械手伺服電機設計圖

(1)電機SM101 為機械手Y方向上的臂控制電機,外接伺服放大器MR-J3-200A,利用電機的正反轉來實現在導軌的直線運動,控制過程中采用伺服控制、變頻器進行調速,提供準確的速度控制,便于控制機械臂X方向運動。

(2)電機SM102 為機械手X方向上的臂控制電機,外接伺服放大器MR-J3-350A,利用伺服電機的正反轉帶動滾珠絲杠傳動,從而實現機械臂在X方向上直線運動,控制過程中采用伺服控制、變頻器進行調速,提供準確的速度控制,便于控制機械臂X方向運動。

(3)同理,電機SM103 Z方向(垂直方向)傳輸電機,它的主要作用就是帶動滾珠絲杠轉動,從而實現機械臂在垂直方向的直線運動,控制過程中采用伺服控制、變頻器進行調速,提供準確的速度控制,便于控制機械臂垂直方向運動。

(4)電機SM104為左右兩側傳輸線動力源,用PLC直接控制接觸器接通或斷開電機傳動,不同之處在于,它采用變頻器多速段控制模式,由變頻器RH、RM、RL三個端子分別接入PLC端口,然后分別設定高速,中速和低速。當輥道上有產品傳送時,采用高速模式,快速將待檢產品傳送到工位;當玻產品定位的時候采用中速模式,方便傳感器定位;當輥道上產品取完時,采用低速模式,降低輥道機械磨損,提高設備使用壽命。

4 結論

結合現有的多自由度坐標系機器人,設計一種新型的碼垛搬運機械手,為企業自動化生產打下良好的基礎。實際生產測試表明:利用PLC技術和伺服控制技術來控制碼垛搬運機械手,使得機械手很好的抓取且平穩碼放在檢測柜的每一層中,最終實現快速有效生產,降低了生產成本,提高了生產效率,達到企業生產要求。

[參考文獻]

[1] 劉士川,鄧甲昊,占銀玉,等.基于STM32的小型機械手的設計與控制方法[J].探測與控制學報,2017,39(2) :19-23.

[2] 姚猛,韓寶玲.工業碼垛機器人機構設計與運動分析[J].組合機床與自動化加工技術,2015(5):47-50.

[3] 李成偉,贠超.碼垛機器人機構設計與運動學研究[J].機械設計與制造,2014(6):181-183.

[4] 馬綱,王之櫟,韓松元.一種新型碼垛搬運機械手的設計[J].機械設計與制造,2010 (4):26-27.

[5] 王從宏,萬熠,王桂森.板材下料自動拾取機器人控制系統設計[J].實驗室研究與探索,2017(4):64-65.

[6] 張強.料桶提升加料機構的研究與設計[D].南京:南京理工大學,2012.

[7] 席文清,周傳俊,王志東.一種利用直線型氣缸代替擺動型氣缸的機構[J].金屬加工,2015(4):40-41.

[8] 李攀,昌希武,顏高彥.基板上片機的機電一體化控制系統[J].中國高新技術企業,2013(17):64-65.

[9] 陳建明.自動控制理論[M].哈爾濱:電子工業出版社,2009.

[10] 付鐵,李金泉,陳懇,等.一種新型高速碼垛機械手的設計與實現[J].北京理工大學學報,2007,27(1):17-18.


 
關鍵詞: 流水線機械手
(文/小編)
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