铁质金属罐装箱机器手系统设计(附件)
摘 要本课题针对铁质金属罐如何装箱的问题进行分析和设计，要求机器手实现抓、放两个动作，抓放动作的时间是可调的并且在3秒到6秒之间；实现铁质金属罐的依次装箱，装箱时两罐瓶腹之间间距为5毫米；实现抓取力量大于铁质金属罐的自身重量300克。通过对不同方案的比较得出简便适宜的设计，并对机械结构进行地详细设计，对关键零部件展开分析、校验。根据本次设计的要求，类比各种控制方式，设计适宜的控制系统。采用可编程控制器进行控制，并介绍传感器的选型及应用，完成控制器的接口电路设计和控制软件的编写，设计系统的程序流程图和PLC硬件连接图以及梯形图。同时，对全篇展开总结，对关于铁质金属罐装箱机器手的设计进行整体叙述，对设备的改进提出展望，并展望铁质金属罐装箱机器手的发展前景。
目 录
第一章 绪论 1
1.1研究背景与意义 1
1.2国内外研究近况与发展趋向 1
1.3课题认识与总体方案设计 2
第二章 铁质金属罐装箱机器手总体设计 4
2.1铁质金属罐装箱机器手的组成 4
2.2方案的对比分析 4
2.3铁质金属罐装箱机器手系统工作原理 5
2.4铁质金属罐装箱机器手结构设计 5
2.4.1回转机构的设计 6
2.4.2电磁吸盘的水平移动机构设计 8
2.4.3电磁吸盘的升降机构设计 9
2.4.4电磁吸盘的设计 10
第三章 控制系统的设计 11
3.1运动过程分析 11
3.2传感器的选择 12
3.3驱动器的选型 13
3.4气压系统 13
3.5控制器的选择 14
3.6 PLC控制器型号的选择 14
3.6.1 I/O模块的选择 14
3.6.2 PLC的选择 15
3.7 I/O端子分配表 15
3.8硬件连接图 17
3.9控制系统软件设计 18
3.9.1程序流程图 18
3.9.2梯形图程序 19
结束语 24
致谢 25
参考文献
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
26
第一章 绪论
1.1研究背景与意义
上世纪60年代以来，在机器人技术迅猛发展的40多年时间里，汽车工业毫无争议地成为机器人最大的应用领域。随着中国罐装食品产业的不断发展以及生产技术装备的不断革新，机器人技术在产品装箱中也得到了广泛的应用。同时，机器人技术在医药和消费品领域的应用范围也正逐渐扩大，尤其在这些领域至关重要的装箱环节中，机器人已经在真正意义上成为生产商在装箱环节的有力武器。
目前，中国传统的装箱机器手大多为手抓式和真空吸盘式，但随着铁质金属罐形状的多样化和各瓶壁厚度存在差异等，传统的装箱机器手已经不适合各类铁质金属罐的装箱。为此设计一种既能稳稳地抓起各类铁质金属罐又能对瓶身没有 损坏的机器手，要求机器手工作效率高、成本适中、易于制造、适应性广、调整简便，可有效地解决快速、灵活、无损害性地铁质金属罐装箱的问题，以提高这个包装生产线的自动化水平。如图11所示，图为该铁质金属罐装箱系统示意图。
图11 铁质金属罐装箱系统示意图
1.2国内外研究近况与发展趋向
在国内外，装箱机器手已经广泛使用于饮料、化工、食品、医药等行业; 根据装箱要求，能自动对瓶罐类、盒类袋类系列产品整理排列后自动装箱;但是国内外的大多数装箱机器手都是由抓手充、放气来实现瓶子的抓、放，通过机器人本体运转，气动和电控制把瓶子准确、可靠地从输送平台上抓起并装入包装箱中。仅仅针对铁质金属罐的装箱，目前国内外的机器手生产厂家还没有设计出单独的、有针对性的装箱机器手。本文则是第一次对该课题进行分析和讨论。
1.3课题认识与总体方案设计
行业中，经常把“机器人”称为“机器手”，也常把“机器手”称为“机器人”的。本课题中，“机器人”是指本体结构（如图1），它的功能是通过本体各关节运动实现前臂点A（末端）的空间位置。机器手是完成类似人手功能的机电系统，是机器人的末端执行器。这里我们主要设计的是机器手，即铁质金属罐装箱机器人的末端执行器。
在该机器手装箱过程中，该机器手系统主要完成的功能有：一次循环使四只铁质金属罐装箱；单个吸盘的吸力大于罐的自重300g；装箱时，依次装箱，瓶腹间距5mm；抓放动作的时间是可调的，且在3s到6s之内。
此次设计的铁质金属罐装箱机器手是以电磁吸盘为主要抓取装置。该机器手主要动作包括电磁吸盘的吸放、升降、水平移动和机器手的回转等几个动作。其基本结构包括：机械结构、驱动装置、控制部分和检测部分。该机器手的机械结构主要由机器手的回转机构、电磁吸盘的水平移动机构、电磁吸盘的升降机构和电磁吸盘本体组成；系统的控制部分主要有控制器，即通过控制器来控制机械执行机构来实现各个部分的功能。另外，要实现机器手准确地抓和放，则需要传感检测系统。
（1）回转机构：回转机构由回转支承装置和回转驱动装置两部分组成。回转支承装置将机器手的回转部分支承在固定支架上，回转驱动装置驱动回转部分相对于固定部分回转。电机装在机器手的回转部分上，电机转动带动最后一级小齿轮，小齿轮与装在固定支架上的大齿圈相啮合，以实现回转。因为机器手的回转装置是实现机器手旋转运动的，所以这里选用电气驱动，在电气驱动方面，电机的选择主要有直流电机、交流电机、控制电机（伺服电机，步进电机）等。这里选用交流伺服电机，可以更加智能地控制机器手的旋转运动。
（2）电磁吸盘的升降、水平移动机构：电磁吸盘的升降、水平移动都是做直线运动，可以选择同一种驱动方式。实现直线运动驱动方式有电机驱动，气动驱动，液压驱动三种。电机驱动时为了缩减传动链，需要把电机安装在机器手上，这会增大机器手重量。液压驱动必须要有液压回路，传动效率较低，且液压系统成本高，可靠性差，维修保压麻烦。气动驱动成本低，无污染，其装置结构简单、轻便、安装维护简单。结合本次设计要求，决定选用气动驱动，通过控制气缸的往复运动来实现电磁吸盘的升降和水平移动。
（3）传感器：铁质金属罐装箱机器手系统中我们要对各运动机构的位置和速度进行检测。需要通过角位移传感器来检测机器手回转的角度和回转的角速度；通过直线位移传感器来检测电磁吸盘的升降位置、水平移动位置、升降移动速度和水平移动速度。
（4）控制器：常用控制器的选择有两种：单片机和可编程控制器。单片机抗干扰能力差，不易扩展，电路较复杂；PLC可靠性高、有丰富的I/O接口模块、易于设备的扩展、安装简单、维修方便。综合考虑运用在铁质金属罐装箱机器手系统控制器的选择选用PLC更为适合。
第二章 铁质金属罐装箱机器手总体设计
为了满足铁质金属罐装箱的要求，铁质金属罐装箱机器手需具备较高的精确度、较高的抓放稳定性、平稳快速的移动性、较大的驱动力输出特性和较高的驱动效率等特性，这样才能保证实现铁质金属罐快速、平稳、精确地装箱的功能。
2.1铁质金属罐装箱机器手的组成
铁质金属罐装箱机器手系统是针对自动化生产过程中，用铁质金属瓶做为容器的产品的装箱工作。从装箱的开始到结束，主要就是实现对铁质金属罐的抓与放。因此铁质金属罐装箱机器手系统的设计是以机器手为主体的设计。
本研究的对象为单瓶重为300g的铁质金属罐，要求机器手一次抓取四个，依次装箱，装箱时罐腹之间间距为5mm，且抓放时间在3s到6s之间。重在解决采用何种原理进行铁质金属罐装箱机器手的设计，采取何种升降、水平移动机构确保铁质金属罐的抓放，采用何种控制来确保移动的速度，采用何种类型的传感器进行信息的采集以确保金属罐的精确定位。
目 录
第一章 绪论 1
1.1研究背景与意义 1
1.2国内外研究近况与发展趋向 1
1.3课题认识与总体方案设计 2
第二章 铁质金属罐装箱机器手总体设计 4
2.1铁质金属罐装箱机器手的组成 4
2.2方案的对比分析 4
2.3铁质金属罐装箱机器手系统工作原理 5
2.4铁质金属罐装箱机器手结构设计 5
2.4.1回转机构的设计 6
2.4.2电磁吸盘的水平移动机构设计 8
2.4.3电磁吸盘的升降机构设计 9
2.4.4电磁吸盘的设计 10
第三章 控制系统的设计 11
3.1运动过程分析 11
3.2传感器的选择 12
3.3驱动器的选型 13
3.4气压系统 13
3.5控制器的选择 14
3.6 PLC控制器型号的选择 14
3.6.1 I/O模块的选择 14
3.6.2 PLC的选择 15
3.7 I/O端子分配表 15
3.8硬件连接图 17
3.9控制系统软件设计 18
3.9.1程序流程图 18
3.9.2梯形图程序 19
结束语 24
致谢 25
参考文献
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
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第一章 绪论
1.1研究背景与意义
上世纪60年代以来，在机器人技术迅猛发展的40多年时间里，汽车工业毫无争议地成为机器人最大的应用领域。随着中国罐装食品产业的不断发展以及生产技术装备的不断革新，机器人技术在产品装箱中也得到了广泛的应用。同时，机器人技术在医药和消费品领域的应用范围也正逐渐扩大，尤其在这些领域至关重要的装箱环节中，机器人已经在真正意义上成为生产商在装箱环节的有力武器。
目前，中国传统的装箱机器手大多为手抓式和真空吸盘式，但随着铁质金属罐形状的多样化和各瓶壁厚度存在差异等，传统的装箱机器手已经不适合各类铁质金属罐的装箱。为此设计一种既能稳稳地抓起各类铁质金属罐又能对瓶身没有 损坏的机器手，要求机器手工作效率高、成本适中、易于制造、适应性广、调整简便，可有效地解决快速、灵活、无损害性地铁质金属罐装箱的问题，以提高这个包装生产线的自动化水平。如图11所示，图为该铁质金属罐装箱系统示意图。
图11 铁质金属罐装箱系统示意图
1.2国内外研究近况与发展趋向
在国内外，装箱机器手已经广泛使用于饮料、化工、食品、医药等行业; 根据装箱要求，能自动对瓶罐类、盒类袋类系列产品整理排列后自动装箱;但是国内外的大多数装箱机器手都是由抓手充、放气来实现瓶子的抓、放，通过机器人本体运转，气动和电控制把瓶子准确、可靠地从输送平台上抓起并装入包装箱中。仅仅针对铁质金属罐的装箱，目前国内外的机器手生产厂家还没有设计出单独的、有针对性的装箱机器手。本文则是第一次对该课题进行分析和讨论。
1.3课题认识与总体方案设计
行业中，经常把“机器人”称为“机器手”，也常把“机器手”称为“机器人”的。本课题中，“机器人”是指本体结构（如图1），它的功能是通过本体各关节运动实现前臂点A（末端）的空间位置。机器手是完成类似人手功能的机电系统，是机器人的末端执行器。这里我们主要设计的是机器手，即铁质金属罐装箱机器人的末端执行器。
在该机器手装箱过程中，该机器手系统主要完成的功能有：一次循环使四只铁质金属罐装箱；单个吸盘的吸力大于罐的自重300g；装箱时，依次装箱，瓶腹间距5mm；抓放动作的时间是可调的，且在3s到6s之内。
此次设计的铁质金属罐装箱机器手是以电磁吸盘为主要抓取装置。该机器手主要动作包括电磁吸盘的吸放、升降、水平移动和机器手的回转等几个动作。其基本结构包括：机械结构、驱动装置、控制部分和检测部分。该机器手的机械结构主要由机器手的回转机构、电磁吸盘的水平移动机构、电磁吸盘的升降机构和电磁吸盘本体组成；系统的控制部分主要有控制器，即通过控制器来控制机械执行机构来实现各个部分的功能。另外，要实现机器手准确地抓和放，则需要传感检测系统。
（1）回转机构：回转机构由回转支承装置和回转驱动装置两部分组成。回转支承装置将机器手的回转部分支承在固定支架上，回转驱动装置驱动回转部分相对于固定部分回转。电机装在机器手的回转部分上，电机转动带动最后一级小齿轮，小齿轮与装在固定支架上的大齿圈相啮合，以实现回转。因为机器手的回转装置是实现机器手旋转运动的，所以这里选用电气驱动，在电气驱动方面，电机的选择主要有直流电机、交流电机、控制电机（伺服电机，步进电机）等。这里选用交流伺服电机，可以更加智能地控制机器手的旋转运动。
（2）电磁吸盘的升降、水平移动机构：电磁吸盘的升降、水平移动都是做直线运动，可以选择同一种驱动方式。实现直线运动驱动方式有电机驱动，气动驱动，液压驱动三种。电机驱动时为了缩减传动链，需要把电机安装在机器手上，这会增大机器手重量。液压驱动必须要有液压回路，传动效率较低，且液压系统成本高，可靠性差，维修保压麻烦。气动驱动成本低，无污染，其装置结构简单、轻便、安装维护简单。结合本次设计要求，决定选用气动驱动，通过控制气缸的往复运动来实现电磁吸盘的升降和水平移动。
（3）传感器：铁质金属罐装箱机器手系统中我们要对各运动机构的位置和速度进行检测。需要通过角位移传感器来检测机器手回转的角度和回转的角速度；通过直线位移传感器来检测电磁吸盘的升降位置、水平移动位置、升降移动速度和水平移动速度。
（4）控制器：常用控制器的选择有两种：单片机和可编程控制器。单片机抗干扰能力差，不易扩展，电路较复杂；PLC可靠性高、有丰富的I/O接口模块、易于设备的扩展、安装简单、维修方便。综合考虑运用在铁质金属罐装箱机器手系统控制器的选择选用PLC更为适合。
第二章 铁质金属罐装箱机器手总体设计
为了满足铁质金属罐装箱的要求，铁质金属罐装箱机器手需具备较高的精确度、较高的抓放稳定性、平稳快速的移动性、较大的驱动力输出特性和较高的驱动效率等特性，这样才能保证实现铁质金属罐快速、平稳、精确地装箱的功能。
2.1铁质金属罐装箱机器手的组成
铁质金属罐装箱机器手系统是针对自动化生产过程中，用铁质金属瓶做为容器的产品的装箱工作。从装箱的开始到结束，主要就是实现对铁质金属罐的抓与放。因此铁质金属罐装箱机器手系统的设计是以机器手为主体的设计。
本研究的对象为单瓶重为300g的铁质金属罐，要求机器手一次抓取四个，依次装箱，装箱时罐腹之间间距为5mm，且抓放时间在3s到6s之间。重在解决采用何种原理进行铁质金属罐装箱机器手的设计，采取何种升降、水平移动机构确保铁质金属罐的抓放，采用何种控制来确保移动的速度，采用何种类型的传感器进行信息的采集以确保金属罐的精确定位。
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