基于PLC控制的氣動機械手的設(shè)計

1、 畢業(yè)設(shè)計（論文、作業(yè)）畢業(yè)設(shè)計（論文、作業(yè)）題目： 基于PLC控制的氣動機械手的設(shè)計 分校（站、點）： 年級、專業(yè)： 教育層次： 學(xué)生姓名： 學(xué) 號： 指導(dǎo)教師： 完成日期： 目 錄摘要一、機械手設(shè)計方案1 （一）機械手的手部結(jié)構(gòu)方案設(shè)計 1 （二）機械手的手腕結(jié)構(gòu)方案設(shè)計 1 （三）機械手的手臂結(jié)構(gòu)方案設(shè)計 1 （四）機械手的驅(qū)動方案設(shè)計 1 （五）機械手的控制方案設(shè)計 1 （六）機械手的主要參數(shù) 1 （七）機械手的技術(shù)參數(shù)列表 2二、機械手手部設(shè)計2 （一）夾持式手部結(jié)構(gòu) 2 （二）升降缸的尺寸設(shè)計與校核和伸縮缸的選擇 3三、機械手的PLC控制設(shè)計13 （一）可編程序控制器的選擇及工作過

2、程13 （二）機械手可編程序控制器控制方案13四、結(jié)論 14參考文獻(xiàn) 14致謝 16內(nèi)容摘要對氣動機械手的基本要求是能快速、準(zhǔn)確地拾-放和搬運物件，這就要求它們具有高精度、快速反應(yīng)、一定的承載能力、足夠的工作空間和靈活的自由度及在任意位置都能自動定位等特性。設(shè)計氣動機械手的原則是:充分分析作業(yè)對象(工件)的作業(yè)技術(shù)要求，擬定最合理的作業(yè)工序和工藝，并滿足系統(tǒng)功能要求和環(huán)境條件;明確工件的結(jié)構(gòu)形狀和材料特性，定位精度要求，抓取、搬運時的受力特性、尺寸和質(zhì)量參數(shù)等，從而進(jìn)一步確定對機械手結(jié)構(gòu)及運行控制的要求;盡量選用定型的標(biāo)準(zhǔn)組件，簡化設(shè)計制造過程，兼顧通用性和專用性，并能實現(xiàn)柔性轉(zhuǎn)換和編程控制.

3、本次設(shè)計的機械手是通用氣動上下料機械手，是一種模擬大中型場合工作的機械搬運設(shè)備?？梢愿淖儎幼鞒绦虻淖詣影徇\或操作設(shè)備，操作頻繁的生產(chǎn)場合。在發(fā)出指令協(xié)調(diào)各有關(guān)驅(qū)動器之間的運動的同時，還要完成編程、示教/再現(xiàn)以及其他環(huán)境狀況（傳感器信息）、工藝要求、外部相關(guān)設(shè)備之間的信息傳遞和協(xié)調(diào)工作，使各關(guān)節(jié)能按預(yù)定運動規(guī)律運動。關(guān)鍵詞： 機械手 PCL 氣動基于PLC控制的氣動機械手的設(shè)計一、機械手的設(shè)計方案（一）機械手的手部結(jié)構(gòu)方案設(shè)計為了使機械手的通用性更強，把機械手的手部結(jié)構(gòu)設(shè)計成可更換結(jié)構(gòu)，當(dāng)工件是棒料時，使用夾持式手部;當(dāng)工件是板料時，使用氣流負(fù)壓式吸盤。（二）機械手的手腕結(jié)構(gòu)方案設(shè)計考慮到機械手

4、的通用性，同時由于被抓取工件是水平放置，因此手腕必須設(shè)有回轉(zhuǎn)運動才可滿足工作的要求。因此，手腕設(shè)計成回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)運動的機構(gòu)為回轉(zhuǎn)氣缸。（三）機械手的手臂結(jié)構(gòu)方案設(shè)計按照抓取工件的要求，本機械手的手臂有三個自由度，即手臂的伸縮、左右回轉(zhuǎn)和降(或俯仰)運動。手臂的回轉(zhuǎn)和升降運動是通過立柱來實現(xiàn)的，立柱的橫向移動即為手臂的橫移。手臂的各種運動由氣缸來實現(xiàn)。（四）機械手的驅(qū)動方案設(shè)計由于氣壓傳動系統(tǒng)的動作迅速，反應(yīng)靈敏，阻力損失和泄漏較小，成本低廉因此本機械手采用氣壓傳動方式。（五）機械手的控制方案設(shè)計考慮到機械手的通用性，同時使用點位控制，因此我們采用可編程序控制器(PLC)對機械手進(jìn)行控

5、制。當(dāng)機械手的動作流程改變時，只需改變PLC程序即可實現(xiàn)，非常方便快捷。（六）機械手的主要參數(shù)1、機械手的最大抓重是其規(guī)格的主參數(shù)，由于是采用氣動方式驅(qū)動，因此考慮抓取的物體不應(yīng)該太重，查閱相關(guān)機械手的設(shè)計參數(shù)，結(jié)合工業(yè)生產(chǎn)的實際情況，本設(shè)計設(shè)計抓取的工件質(zhì)量為5公斤2、基本參數(shù)運動速度是機械手主要的基本參數(shù)。操作節(jié)拍對機械手速度提出了要求，設(shè)計速度過低限制了它的使用范圍。而影響機械手動作快慢的主要因素是手臂伸縮及回轉(zhuǎn)的速度。該機械手最大移動速度設(shè)計為。最大回轉(zhuǎn)速度設(shè)計為。平均移動速度為。平均回轉(zhuǎn)速度為。機械手動作時有啟動、停止過程的加、減速度存在，用速度一行程曲線來說明速度特性較為全面，因為

6、平均速度與行程有關(guān)，故用平均速度表示速度的快慢更為符合速度特性。除了運動速度以外，手臂設(shè)計的基本參數(shù)還有伸縮行程和工作半徑。大部分機械手設(shè)計成相當(dāng)于人工坐著或站著且略有走動操作的空間。過大的伸縮行程和工作半徑，必然帶來偏重力矩增大而剛性降低。在這種情況下宜采用自動傳送裝置為好。根據(jù)統(tǒng)計和比較，該機械手手臂的伸縮行程定為600mm,最大工作半徑約為。手臂升降行程定為。定位精度也是基本參數(shù)之一。該機械手的定位精度為。（七） 機械手的技術(shù)參數(shù)列表1、用途:用于自動輸送線的上下料。2、設(shè)計技術(shù)參數(shù):（1）抓重:（2）自由度數(shù):4個自由度（3）坐標(biāo)型式:圓柱坐標(biāo)（4）最大工作半徑:（5）手臂最大中心高:

7、（6）手臂運動參數(shù): 伸縮行程伸縮速度升降行程升降速度回轉(zhuǎn)范圍回轉(zhuǎn)速度 （7）手腕運動參數(shù): 回轉(zhuǎn)范圍 回轉(zhuǎn)速度（8）手指夾持范圍:棒料:（9）定位方式:行程開關(guān)或可調(diào)機械擋塊等（10）定位精度:（11）驅(qū)動方式:氣壓傳動（12）控制方式: 點位程序控制(采用PLC)二、機械手手部設(shè)計（一）夾持式手部結(jié)構(gòu)夾持式手部結(jié)構(gòu)由手指(或手爪)和傳力機構(gòu)所組成。其傳力結(jié)構(gòu)形式比較多，如滑槽杠桿式、斜楔杠桿式、齒輪齒條式、彈簧杠桿式等。1、手指的形狀和分類夾持式是最常見的一種，其中常用的有兩指式、多指式和雙手雙指式:按手指夾持工件的部位又可分為內(nèi)卡式(或內(nèi)漲式)和外夾式兩種:按模仿人手手指的動作，手指可分

8、為一支點回轉(zhuǎn)型，二支點回轉(zhuǎn)型和移動型(或稱直進(jìn)型)，其中以二支點回轉(zhuǎn)型為基本型式。當(dāng)二支點回轉(zhuǎn)型手指的兩個回轉(zhuǎn)支點的距離縮小到無窮小時，就變成了一支點回轉(zhuǎn)型手指;同理，當(dāng)二支點回轉(zhuǎn)型手指的手指長度變成無窮長時，就成為移動型?；剞D(zhuǎn)型手指開閉角較小，結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，應(yīng)用廣泛。移動型應(yīng)用較少，其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜龐大，當(dāng)移動型手指夾持直徑變化的零件時不影響其軸心的位置，能適應(yīng)不同直徑的工件。2、設(shè)計時注意的問題(1)具有足夠的握力(即夾緊力)在確定手指的握力時，除考慮工件重量外，還應(yīng)考慮在傳送或操作過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動，以保證工件不致產(chǎn)生松動或脫落。(2)手指間應(yīng)具有一定的開閉角兩手指張開與閉合

9、的兩個極限位置所夾的角度稱為手指的開閉角。手指的開閉角應(yīng)保證工件能順利進(jìn)入或脫開，若夾持不同直徑的工件，應(yīng)按最大直徑的工件考慮。對于移動型手指只有開閉幅度的要求。(3)保證工件準(zhǔn)確定位為使手指和被夾持工件保持準(zhǔn)確的相對位置，必須根據(jù)被抓取工件的形狀，選擇相應(yīng)的手指形狀。例如圓柱形工件采用帶“V”形面的手指，以便自動定心。(4)具有足夠的強度和剛度手指除受到被夾持工件的反作用力外，還受到機械手在運動過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動的影響，要求有足夠的強度和剛度以防折斷或彎曲變形，當(dāng)應(yīng)盡量使結(jié)構(gòu)簡單緊湊，自重輕，并使手部的中心在手腕的回轉(zhuǎn)軸線上，以使手腕的扭轉(zhuǎn)力矩最小為佳。（5)考慮被抓取對象的要求根據(jù)

10、機械手的工作需要，通過比較，我們采用的機械手的手部結(jié)構(gòu)是一支點兩指回轉(zhuǎn)型，由于工件多為圓柱形，故手指形狀設(shè)計成V型。（二）升降缸的尺寸設(shè)計與校核和伸縮缸的選擇1、氣缸的分類普通氣缸的結(jié)構(gòu)組成見圖3-1。主要由前蓋、后蓋9、活塞6、活塞桿4、缸筒5 其他一些零件組成。圖3-1普通氣缸的結(jié)構(gòu)組成1組合防塵圈；前端蓋；3軸用YX密封圈；4活塞桿；5缸筒；6活塞；7孔用YX密封圈；8緩沖調(diào)節(jié)閥；9后端蓋（1）單作用氣缸柱塞式氣缸：壓縮空氣只能使柱塞向一個方向運動；借助外力或重力復(fù)位活塞式氣缸：壓縮空氣只能使活塞向一個方向運動；借助外力或重力復(fù)位（或借助彈簧力復(fù)位；用于行程較小場合）薄膜式氣缸：以膜片代

11、替活塞的氣缸。單向作用；借助彈簧力復(fù)位；行程短；結(jié)構(gòu)簡單，缸體內(nèi)壁不須加工；須按行程比例增大直徑。若無彈簧，用壓縮空氣復(fù)位，即為雙向作用薄膜式氣缸。行程較長的薄膜式氣缸膜片受到滾壓，常稱滾壓（風(fēng)箱）式氣缸。（2）雙作用氣缸普通氣缸：利用壓縮空氣使活塞向兩個方向運動，活塞行程可根據(jù)實際需要選定，雙向作用的力和速度不同雙活塞桿氣缸：壓縮空氣可使活塞向兩個方向運動，且其速度和行程都相等不可調(diào)緩沖氣缸：設(shè)有緩沖裝置以使活塞臨近行程終點時減速，防止沖擊，緩沖效果不可調(diào)整可調(diào)緩沖氣缸：緩沖裝置的減速和緩沖效果可根據(jù)需要調(diào)整（3）特殊氣缸差動氣缸：氣缸活塞兩端有效面積差較大，利用壓力差原理使活塞往復(fù)運動，工

12、作時活塞桿側(cè)始終通以壓縮空氣雙活塞氣缸：兩個活塞同時向相反方向運動多位氣缸：活塞桿沿行程長度方向可在多個位置停留，圖示結(jié)構(gòu)有四個位置串聯(lián)氣缸：在一根活塞桿上串聯(lián)多個活塞，可獲得和各活塞有效面積總和成正比的輸出力沖擊氣缸：利用突然大量供氣和快速排氣相結(jié)合的方法得到活塞桿的快速沖擊運動，用于切斷、沖孔、打入工件等數(shù)字氣缸：將若干個活塞沿軸向依次裝在一起，每個活塞的行程由小到大，按幾何級數(shù)增加回轉(zhuǎn)氣缸：進(jìn)排氣導(dǎo)管和導(dǎo)氣頭固定而氣缸本體可相對轉(zhuǎn)動。用于機床夾具和線材卷曲裝置上伺服氣缸：將輸入的氣壓信號成比例地轉(zhuǎn)換為活塞桿的機械位移。用于自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)中。撓性氣缸缸筒由撓性材料制成，由夾住缸筒的滾子代替活

13、塞。用于輸出力小，占地空間小，行程較長的場合，缸筒可適當(dāng)彎曲鋼索式氣缸：以鋼絲繩代替剛性活塞桿的一種氣缸，用于小直徑，特長行程的場合（4）組合氣缸增壓氣缸：活塞桿面積不相等，根據(jù)力平衡原理，可由小活塞端輸出高壓氣體氣-液增壓缸：液體是不可壓縮的，根據(jù)力的平衡原理，利用兩兩相連活塞面積的不等，壓縮空氣驅(qū)動大活塞，小活塞便可輸出相應(yīng)比例的高壓液體氣-液阻尼缸：利用液體不可壓縮的性能及液體流量易于控制的優(yōu)點，獲得活塞桿的穩(wěn)速運動2、升降氣缸的尺寸設(shè)計與校核(1) 活塞桿上輸出力和缸徑的計算本課題中采用的是雙作用氣缸,單活塞桿雙作用氣缸是使用最為廣泛的一種普通氣缸,因其只在活塞一側(cè)有活塞桿,所以壓縮空

14、氣作用在活塞兩側(cè)的有效面積不等.活塞左行時活塞桿產(chǎn)生推力,活塞右行時產(chǎn)生拉力。 （3-1） （3-2）式中 活塞桿的推力(N); 活塞桿的拉力(N); 活塞直徑(m); 活塞桿直徑(m); 氣缸工作壓力(Pa); 氣缸工作總阻力(N); 氣缸工作時的總阻力與眾多因素有關(guān),如運動部件慣性力,背壓阻力,密封處摩擦力等.以上因素可以載荷率的形式計入公式,如要求氣缸的靜推力和靜拉力,則計入載荷率后 （3-3） （3-4）計入載荷率就能保證氣缸工作時的動態(tài)特征.若氣缸動態(tài)參數(shù)要求較高;且工作頻率高,其載荷率一般取,速度高時取小值,速度低時取大值.若氣缸動態(tài)參數(shù)要求一般,且工作頻率低,基本是勻速運動,其載

15、荷率可取。根據(jù)要求本次設(shè)計中,我們?nèi)??；钊麠U拉力為克服機械手的自重（1.5KG）和克服抓取物的重量(0.5KG)所用的力為由式（3-3，3-4）可求得氣缸直徑D。當(dāng)推力作功時 （3-5） （3-6） 用式（3-6）計算時，活塞桿d可根據(jù)氣缸拉力預(yù)先估定，詳細(xì)計算見活塞的計算。估定活塞桿直徑可按 計算（必要時也可取0.4）。若將代入式（3-6），則可得 （3-7） 式中系數(shù)在缸徑較大時取小值，缸徑較小時取大值。 以上公式計算出的氣缸內(nèi)徑D應(yīng)圓整為標(biāo)準(zhǔn)值。參考表3-1得 根據(jù)可估算得 表缸筒內(nèi)徑系列 （mm）810121620253240506380(90)100(110)125(140)160(

16、180)200(220)250320400500630注：無括號的數(shù)值為優(yōu)先選用者 活塞桿直徑系列 （mm）456810121416182022252832364045505663708090100110125140160180200220250280320360400（2）活塞桿的計算按強度條件計算 當(dāng)活塞桿的長度L較小時（L10d），可以只按強度條件計算活塞桿直徑d （3-8）式中 氣缸的推力（N）； 活塞桿材料的許用應(yīng)力(Pa), 材料的抗拉強度（Pa）； 安全系數(shù)，S1.4。按縱向彎曲極限力計算 氣缸承受軸向壓力以后，會產(chǎn)生軸向彎曲，當(dāng)縱向力達(dá)到極限力以后，活塞桿會產(chǎn)生永久性彎曲變形，

17、出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象。該極限力與缸的安裝方式、活塞桿直徑及行程有關(guān)。 當(dāng)長細(xì)比 時 （3-9） 當(dāng)長細(xì)比 時 （3-10）式中 活塞桿計算長度（m），見表3-3 活塞桿橫截面回轉(zhuǎn)半徑， 實心桿 空心桿 活塞桿橫截面慣性矩， 實心桿 空心桿 空心活塞桿內(nèi)徑直徑（m）； 活塞桿截面積 實心桿 空心桿 系數(shù)，見表3-3 材料彈性模量，對鋼取 材料強度實驗值，對鋼取 系數(shù)，對鋼取a=1/5000安裝方式為鉸支-鉸支,根據(jù)表3-3得知取n=1,由于活塞桿長度L=10cm(行程為5mm),活塞桿桿橫截面回轉(zhuǎn)半徑(實心桿)所以長細(xì)比 所以 若縱向推力載荷（總載荷）超過極限力，就應(yīng)采取相應(yīng)措施。在其他條件（行程、安

18、裝方式）不變的前提下，多以加大活塞桿直徑d來解決。表 活塞桿計算長度L及系數(shù)nn安裝方式(3)缸筒壁厚的計算缸筒直接承受壓力，需有一定的厚度。由于一般氣缸缸筒壁厚與內(nèi)徑之比 ，所以通常可以按薄壁筒公式計算 （3-11）式中 氣缸筒的壁厚（m）； 氣缸筒內(nèi)徑（缸徑）（m）； 氣缸試驗壓力，一般取 氣缸工作壓力（Pa）； 缸筒材料許用應(yīng)力（Pa）； 材料抗拉強度（Pa）； 安全系數(shù)，一般取常用缸筒材料有：鑄鐵HT150或HT200等，其Q235A鋼管、20鋼管，其鋁合金ZL3，其；45鋼，其 本氣缸選用45號缸, ，其 所以常用計算出的缸筒壁厚都相當(dāng)薄，但考慮到機械加工，缸筒兩端要安裝缸蓋等需要，

19、往往將氣缸筒壁厚作適當(dāng)加厚，且盡量選用標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)徑和壁厚的鋼管和鋁合金管。表3-4所列缸筒壁厚值可供參考。因加工等原因如表3-4選=5 mm. 表氣缸筒壁厚 (mm)材料氣缸直徑鑄鐵HT1505080100125160200250320壁 厚78101012141616鋼Q235A、45、20號無縫管5677881010鋁合金ZL38-1212-1414-173、伸縮缸的選擇根據(jù)機械手的總體的受力,伸縮缸的選擇可以和升降缸使用相同的尺寸。（三）回轉(zhuǎn)氣缸的尺寸設(shè)計與校核1、工件的轉(zhuǎn)動慣量計算當(dāng)工件為20時，R=10J的計算取R情況下的公式，查表3-5可知，按圓柱體計算：當(dāng)工件為5時，J的計算取R=1

20、0情況下的公式，查表3-5可知，按圓柱體計算：因為，J工件（20）J工件（5），所以，J工件取J工件（20）=計算。2、手部的轉(zhuǎn)動慣量計算根據(jù)手部結(jié)構(gòu)，查表3-5可知，按長方體計算。因為，m手部總=1.5（kg）表 2-13、旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動慣量計算4、旋轉(zhuǎn)回轉(zhuǎn)力矩的計算：克服啟動慣性所需的力矩M慣： 式中：手腕回轉(zhuǎn)過程的角速度（1/s）t啟啟動過程中所需的時間（s） t啟=0.1 s那么，腕部回轉(zhuǎn)所屬的總力矩M總：由于手夾持在工件重心（中心）位置轉(zhuǎn)動，M偏=0，腕部與手部聯(lián)接使用非軸承元件，所生的摩擦力矩M摩不大，為了簡化計算可以將M慣適當(dāng)放大，而省略掉M偏、M摩，這時M總=1.5M慣那么，M總=

21、1.5M慣=0.45(Nm)查機械設(shè)計手冊第4版資料，選擇齒輪齒條轉(zhuǎn)擺動氣缸（缸徑為50mm）型號：DRQ-PPVJ-A。在0.5Mpa時，轉(zhuǎn)矩為6Nm，大于M總（安全）。三、機械手的PLC控制設(shè)計（一）可編程序控制器的選擇及工作過程1、 可編程序控制器的選擇目前，國際上生產(chǎn)可編程序控制器的廠家很多，如日本三菱公司的F系列PC,德國西門子公司的SIMATIC N5系列PC、日本OMRON(立石)公司的C型、P型PC等?？紤]到本機械手的輸入輸出點不多，工作流程較簡單，同時考慮到制造成本，因此在本次設(shè)計中選擇了OMRON公司的C28P型可編程序控制器。2、 可編程序控制器的工作過程可編程序控制器是

22、通過執(zhí)行用戶程序來完成各種不同控制任務(wù)的。為此采用了循環(huán)掃描的工作方式。具體的工作過程可分為4個階段。第一階段是初始化處理?？删幊绦蚩刂破鞯妮斎攵俗硬皇侵苯优c主機相連，CPU對輸入輸出狀態(tài)的詢問是針對輸入輸出狀態(tài)暫存器而言的。輸入輸出狀態(tài)暫存器也稱為I/0狀態(tài)表.該表是一個專門存放輸入輸出狀態(tài)信息的存儲區(qū)。其中存放輸入狀態(tài)信息的存儲器叫輸入狀態(tài)暫存器;存放輸出狀態(tài)信息的存儲器叫輸出狀態(tài)暫存器。開機時，CPU首先使I/0狀態(tài)表清零，然后進(jìn)行自診斷。當(dāng)確認(rèn)其硬件工作正常后，進(jìn)入下一階段。第二階段是處理輸入信號階段。在處理輸入信號階段，CPU對輸入狀態(tài)進(jìn)行掃描，將獲得的各個輸入端子的狀態(tài)信息送到I/

23、0狀態(tài)表中存放。在同一掃描周期內(nèi)，各個輸入點的狀態(tài)在I/0狀態(tài)表中一直保持不變，不會受到各個輸入端子信號變化的影響，因此不能造成運算結(jié)果混亂，保證了本周期內(nèi)用戶程序的正確執(zhí)行。第三階段是程序處理階段。當(dāng)輸入狀態(tài)信息全部進(jìn)入I/0狀態(tài)表后，CPU工作進(jìn)入到第三個階段。在這個階段中，可編程序控制器對用戶程序進(jìn)行依次掃描，并根據(jù)各I/0狀態(tài)和有關(guān)指令進(jìn)行運算和處理，最后將結(jié)果寫入I/0狀態(tài)表的輸出狀態(tài)暫存器中。第四階段是輸出處理階段。段CPU對用戶程序已掃描處理完畢，并將運算結(jié)果寫入到I/0狀態(tài)表狀態(tài)暫存器中。此時將輸入信號從輸出狀態(tài)暫存器中取出，送到輸出鎖存電路，驅(qū)動輸出繼電器線圈，控制被控設(shè)備進(jìn)行各種相應(yīng)的動作。然后，CPU又返回執(zhí)行下一個循環(huán)的掃描周期。（二） 機械手可編程序控制器控制方案四、結(jié)論（一）本次設(shè)計的是氣動通用機械手，相對于專用機械手，通用機械手的自由度可變，控制程序可調(diào)，因此適用面更廣。（二）采用氣壓傳動，動作迅速，反應(yīng)靈敏，能實現(xiàn)過載保護(hù)，便于自動控制。工作環(huán)境適應(yīng)性好，不會因環(huán)境變化影響傳動及控制性能。阻力損失和泄漏較小，不會污染環(huán)境。同時成本低廉。（三）通過對氣壓傳動系統(tǒng)工作原理圖的參數(shù)化繪制，大大提高了繪圖速度，節(jié)省了大量時間和避免了不必要的重復(fù)勞動