氣壓傳動兩維機械手設計

1、目錄一、 前沿2二、 設計任務 21.1設計任務介紹及意義 21.2設計任務明細 3三、 總體方案計 3四、機械系統(tǒng)設計 53.1縱向氣缸的設計 63.2橫行氣缸的設計 8五、控制系統(tǒng)組成 10六、控制系統(tǒng)的詳細設計 13七、設計小結 21八、參考文獻 22基于PLC的氣動兩維機械手一、前言 氣動技術是實現(xiàn)工業(yè)自動化的重要手段。氣壓傳動的介質來自于空氣，環(huán)境污染小，工程容易實現(xiàn)，所以其言傳動四一種易于推廣普及的實現(xiàn)工業(yè)自動化的應用技術。氣動技術在機械、化工、電子、電氣、紡織、食品、包裝、印刷、輕工、汽車等各個制造行業(yè)，尤其在各種自動化生產(chǎn)裝備和生產(chǎn)線中得到了廣泛的應用，極大地提高了制造業(yè)的生產(chǎn)

2、效率和產(chǎn)品質量。氣動系統(tǒng)的應用，引起了世界各國產(chǎn)業(yè)界的普遍重視，氣動行業(yè)已成為工業(yè)國家發(fā)展速度最快的行業(yè)之一。 可編程控制技器（PLC）是以微處理器為基礎，綜合計算機技術、自動控制技術和通信技術發(fā)展起來的一種新型、通用的自動控制裝置，他具有機構簡單、易于編程、性能優(yōu)越、可靠性高、靈活通用和使用方便等一系列優(yōu)點，近年來在工業(yè)生產(chǎn)過程的自動控制中得到了越來越廣泛的應用。二、設計目的和任務通過課程設計培養(yǎng)學生綜合運用所學知識的能力，提高分析和解決問題能的一個重要環(huán)節(jié)，專業(yè)課程設計是建立在專業(yè)基礎課和專業(yè)方向課的基礎的，是學生根據(jù)所學課程進行的工程基本訓練，課程設計的目的在于：1：培養(yǎng)學生綜合運用所學

3、的基礎理論和專業(yè)知識，獨立進行機電控制系統(tǒng)（產(chǎn)品）的初步設計工作，并結合設計或試驗研究課題進一步鞏固和擴大知 識領域。 2：培養(yǎng)學生搜集、閱讀和綜合分析參考資料，運用各種標準和工具書籍以及編寫技術文件的能力，提高計算、繪圖等基本技能。3：培養(yǎng)學生掌握機電產(chǎn)品設計的一般程序方法，進行工程師基本素質的訓練。4：樹立正確的設計思想及嚴肅認真的工作作風。1：該機械手的功能是：將貨物自動放到坐標位置（300，300）處，并延時1分鐘等待卸貨，然后返回原點位置，延時1分鐘等待裝貨。2：任務要求：執(zhí)行元件：氣動氣缸運動方式：直角坐標主要參數(shù)：氣缸工作行程400、300 mm運動負載質量100 Kg移動速度控

4、制3m/min3：具體步驟如下：（1）先根據(jù)參考資料，確定合適的設計方案。（2）.通過計算、分析設計執(zhí)行元件的參數(shù)：氣缸的內徑、壁厚，活塞桿的直徑，耗氣量的計算，驗算設計結果，導向裝置的設計，驅動元件的選擇，管路設計，底座的設計（3）.根據(jù)動力和總體參數(shù)的選擇和計算，進行總體設計，完成機械系統(tǒng)的主要部件圖。（4）.應用啟動原理圖，設計控制電路，編寫控制程序，繪制電氣控制電路原理圖。二.總體方案設計 機械手示意圖1 機械手示意圖2機械手示意圖3124右移左移5物料下降上升31. 左右移動氣缸2.升降氣缸3.導軌4.支架5.底座 氣動機械手示意 圖4參閱各種氣壓設計書籍和論文，找到了如機械手示意圖

5、1、2、3中的機械設計方案，對照示意圖1和示意圖2，二者實際是同一方案，只是在機械抓的表示上不同，且這兩個方案中有一個回轉缸，這我設計的任務中并沒有這個要求。在示意圖3中，其基本原理與示意圖1、2并沒什么區(qū)別，只是圖三中機械抓采用了真空吸盤。參考以上設計方案，對照設計任務要求，并通過對以前學習過的課程進行綜合考慮，發(fā)現(xiàn)該機械手的動作過程類似于我們在物流自動化課程上學習過的巷道式輸送機，所以可以依照巷道輸送機的結構布局進行該機械手系統(tǒng)的設計，設計出的氣動機械手的示意圖（如圖一所示），對于我的方案中的機械抓，我決定采用像叉車中的貨叉作為本方案中的機械抓,這個設計方案的好處是避免了氣缸承受較大的側向

6、負載。機械手的自由度為 2個，因此用2個氣缸控制，即橫向移動氣缸和縱向移動 氣缸，采用氣動設計、控制容易，其運動行程由傳感器控制，動作過程由 PLC控制系統(tǒng)控制 。由于該系統(tǒng)要求該氣動機械手的動作邏輯順序為： 升降氣缸2下降裝載物料升降氣缸2上升左右移動氣缸1右移卸載物料左右移動氣缸1左移，完成一次物料的搬運三.機械系統(tǒng)設計本方案的機械設計中重在氣缸的設計，氣缸1的作用是實現(xiàn)物料的橫向移動，氣缸2的作用是實現(xiàn)物料縱向的提升及物品的釋放。對氣缸結構的要求一是重量盡量輕，以達到動作靈活、運動速度高、節(jié)約材料和動力，同時減少運動的沖擊，二是要有足夠的剛度以保證運動精度和定位精度 氣缸的設計流程圖如圖

7、5所示 圖5 氣缸設計流程圖氣缸按供油方向分，可分為單作用缸和雙作用缸。單作用缸只是往缸的一側輸入高壓油，靠其它外力使活塞反向回程。雙作用缸則分別向缸的兩側輸入壓力油，活塞的正反向運動均靠液壓力完成。由于單作用液壓缸僅向單向運動，有外力使活塞反向運動，而雙作用單活塞氣缸在壓縮空氣的驅動下可以像兩個方向運動但兩個方向的輸出力不同，所以該方案采用雙作用單活塞缸。由設計任務可以知道，要驅動的負載大小位100Kg，考慮到氣缸未加載時實際所能輸出的里，受氣缸活塞和缸筒之間的摩擦、活塞桿與前氣缸之間的摩擦力的影響。在研究氣缸性能和確定氣缸缸徑時，常用到負載率=（氣缸的實際負載F/氣缸的理論輸出力F0）X%

8、.由液壓與氣壓傳動P221表10-1知，=0.45，所以實際液壓缸的負載大小為：F理=F實/縱向氣缸的校核:（1） 氣缸內徑D=1.27F0p = 1.27F實p =1.274900.45×0.5×106 =59.3 mm按照GB/T2348-1993標準進行圓整，取D=63 mm（2） 活塞桿直徑的確定：由d=0.3D 估取活塞桿直徑 d=20 mm（3） 缸筒長度的確定：缸筒長度S=L+BL為活塞行程；B為活塞厚度活塞厚度B=(0.61.0)D= 0.7×63=44.1mm由于氣缸的行程L=400mm ,所以S=L+B=444.1 mm導向套滑動面長度A:由于

9、D<80mm 所以A=(0.61.0)D=0.7×63=44.1mm最小導向長度H40020 +632 =51.5 mm活塞桿的長度l=L+B+A+40=444.1+44.1+40=528 mm (4) 氣缸筒的壁厚的確定: =P.D2 + C 式中 -氣缸材料的許用拉應力=bn n為安全系數(shù) 取值在68 b 缸材料的抗拉強度(Pa) C 考慮到剛度、加工制造的裕度。 我們的缸體的材料選擇45鋼，b=600 MPa， =6008=75 MPa =P.D2 + C= 0.5632×75 + C =0.21 + C 按照表4-3，氣缸筒的壁厚推薦表取 = 7 mm（4）

10、氣缸耗氣量的計算：Q = D24ts = D2V4v P+PaPa = =1.24×10-3m3/s（5） 氣缸進排氣口直徑d0 d0 = 4QV = 4×1.24×10-3×20 = 8.885 mm 所以取氣缸排氣口直徑為10 mm Q工作壓力下輸入氣缸的空氣流量（m3s） V空氣流經(jīng)進排氣口的速度，可取v=1025（ms）（6） 活塞桿的校核：由于所選活塞桿的長度L>10d，所以不但要校核強度校核，還要進行穩(wěn)定性校核。活塞桿材料選擇 45鋼強度校核：d 4F =4×490 = 9.12mm ,所以強度滿足要求穩(wěn)定性校核:活塞可承受的

11、最大外載荷Pmax可按下式計算:Pmaxm2Ed2A16L3n = 142×302d24×210×10916×5313×3=3.6×104 N (滿足) 所以活塞桿的強度和穩(wěn)定性均滿足.橫向氣缸的校核:由于橫行氣缸的工作載荷主要是縱向氣缸和物料對導向裝置的摩擦力,估算縱向氣缸的重量m缸=7.9×103×D××s=5.8 Kg 活塞桿的重量m桿 = 7.9×103×d2×l=5.24 Kg 活塞及缸蓋重量m其它=5 Kg 所以橫行氣缸的總載荷為:F總=(5.8+15.

12、24+5+50)×9.8 =98N（1） 氣缸內徑D=1.27F0p = 1.27F實p =1.27980.45×0.5×106 =26.5 mm按照GB/T2348-1993標準進行圓整，取D=32 mm（2） 活塞桿直徑的確定：由d=0.3D 估取活塞桿直徑 d=10 mm（3） 缸筒長度的確定：缸筒長度S=L+BL為活塞行程；B為活塞厚度活塞厚度B=(0.61.0)D= 0.7×32=22.4mm由于氣缸的行程L=300mm ,所以S=L+B=322.4 mm導向套滑動面長度A:由于D<80mm 所以A=(0.61.0)D=0.7×

13、32=22.4mm最小導向長度HL20 +D2 = 36mm活塞桿的長度l=L+B+A+30=322.4+22.4+30=375 mm (4) 氣缸筒的壁厚的確定: =P.D2 + C 式中 -氣缸材料的許用拉應力=bn n為安全系數(shù) 取值在68 b 缸材料的抗拉強度(Pa) C 考慮到剛度、加工制造的裕度。 我們的缸體的材料選擇45鋼，b=600 MPa， =6008=75 MPa =P.D2 + C= 0.5×322×75 + C =0.11 + C 按照表4-3，氣缸筒的壁厚推薦表取 = 5 mm（4） 氣缸耗氣量的計算：Q = D24ts = D2V4v P+PaP

14、a = =5.1×10-4m3/s（5） 氣缸進排氣口直徑d0 d0 = 4QV = 4×5.1×10-4×20 = 5.7 mm 所以取氣缸排氣口直徑為8 mm Q工作壓力下輸入氣缸的空氣流量（m3s） V空氣流經(jīng)進排氣口的速度，可取v=1025（ms）（6） 活塞桿的校核：由于所選活塞桿的長度L>10d，所以不但要校核強度校核，還要進行穩(wěn)定性校核?；钊麠U材料選擇 45鋼強度校核：d 4F =4×185.6 = 4.1mm ,所以強度滿足要求穩(wěn)定性校核:活塞可承受的最大外載荷Pmax可按下式計算:Pmaxm2Ed2A16L3n = 14

15、2×1021024×210×10916×3753×3=47028 N (滿足) 所以活塞桿的強度和穩(wěn)定性均滿足.四、控制系統(tǒng)組成一個完整的計算機控制系統(tǒng)應該包括被控對象、執(zhí)行機構、檢測裝置、模數(shù)(A/D)轉換器和數(shù)模(D/A)轉換器、數(shù)字計算機系統(tǒng)(包括硬件和軟件)。圖6所示是其基本框圖。在本系統(tǒng)中各個部分的組成如下: 控對象和執(zhí)行機構本系統(tǒng)的被控對象是機械手臂。兩個氣缸分別用于大臂的伸縮 (升降)、這樣機械手可以在垂直平面內的一個矩形區(qū)域內運動，裝在氣缸2伸縮氣缸活塞杠末端的手臂也能伸縮，檢測裝置位置檢測裝置是計算機控制系統(tǒng)的重要組成部分。在

16、閉環(huán)系統(tǒng)中，它的主要作用是檢測位移量，該位移量與給定值進行比較，得到誤差信號，控制器根據(jù)誤差信號進行控制調節(jié)，使系統(tǒng)趨向減小誤差，最終使誤差為零。數(shù)據(jù)采集卡和數(shù)模(D/A)轉換器本系統(tǒng)中位置檢測用了光電編碼器，光電編碼器的輸出為脈沖信號，只擊對輸出脈沖進行計數(shù)即可得到相關的數(shù)字量信號，系統(tǒng)采用了PCI一7296數(shù)字I/O卡作為數(shù)字信息與計算機之間的數(shù)據(jù)傳遞接口。D/A轉換器是計算機控制系統(tǒng)的重要部件之一，擔任著將控制輸出量數(shù)字量轉換為模擬量去驅動執(zhí)行機構的重要作用。D/A轉換采用了Pcl一6024E數(shù)據(jù)采集卡，可將計算機輸出的轉換為模擬信號。兩塊卡都是PCI插槽，控制程序通過虛擬驅動程序讀寫P

17、CI卡的端口地址來實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送。數(shù)字計算機系統(tǒng)本系統(tǒng)采用普通的兼容PC作為控制計算機。系統(tǒng)工作的主要流程氣缸變量機構氣缸氣缸變量機構電液控制閥控制放大器指令信號檢測元件圖7 氣缸控制系統(tǒng)框圖由液壓閥控制氣缸的變量機構，改變氣缸的流量或壓力，使氣缸按要求運動。它的控制系統(tǒng)框圖如圖7，這種系統(tǒng)功率損失小，效率較高，最高可達90%，在節(jié)能效益顯著，在目前能源問題得到重視時,對這種控制系統(tǒng)進行研究較多。但這種系統(tǒng)動態(tài)反應較慢，只能用于動態(tài)性能要求不高的場合。對圖7中的各流程進行實例化，得到如圖8所示的氣缸控制系統(tǒng)框圖。圖8 氣缸控制系統(tǒng)框圖系統(tǒng)輸入信號由計算機控制程序產(chǎn)生，可由用戶選擇和設定參數(shù)，被控

18、對象氣缸的位置數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)一采集卡PCI一7296采集返回計算機，控制程序通過讀端口操作取得數(shù)據(jù)，送入相應控制子程序?？刂瞥绦蚋鶕?jù)當前控制方案產(chǎn)生輸也控制量，輸出控制由PCI一6024E的D/A轉換模塊轉換、伺服放大器放大后送對執(zhí)行機構，從而實現(xiàn)對被控對象的閉環(huán)控制。該機構的主要組成部件如下表：機構的主要組成部件序號名稱數(shù)量1伸縮氣缸22比例流量閥43位置傳感器24數(shù)據(jù)采集卡2各部件的功能如下:.氣缸 氣缸執(zhí)行元件，將壓縮空氣的壓力轉變成機械能的能量轉換裝置，用于實現(xiàn)直線往復運動。比例流量閥。比例流量閥是電一氣轉換元件，其作用是根據(jù)輸入電流信號的大小輸出相應流量的壓縮空氣，驅動氣缸動作。這里，比

19、例流量閥的結構為二位三通封閉式，功率放大器與計算機連接。采用電磁比例電磁鐵控制閥口開度，使通過閥的氣體流量和閥的開度成一定的關系。比例氣閥存在死區(qū)，當線圈電流大于520mA時，閥口P和A連通;當線圈電流小于28OmA時，閥口A和T相通;當線圈電流280mA52OmA時，三個閥口呈關閉狀態(tài)。光電編碼器和數(shù)顯表光電編碼器是氣缸位置檢測元件，將位移轉換為電脈沖，用于在線測量活塞位移，以便送到計算機中進行處理。計算機為系統(tǒng)控制器，在每一采樣控制周期，計算機根據(jù)系統(tǒng)偏差大小，計算出該采樣控制周期所需要的控制量大小，以完成活塞位移的實時控制?；钊灰频膶崟r控制。數(shù)字采集卡數(shù)字采集卡PCI-7296共有96

20、個通道，共分4組，每一組24個，每一個通道都可以作為輸入或者輸出，具體由軟件來設置。流量控制閥是對回路中的流動給予一定的阻力，從而控制氣缸等執(zhí)行元件的運動速度、控制換向閥的切換時間和速度或者調整放氣量的閥的總稱。在開環(huán)控制中，將閥的開度調定在某一固定值，在使用中保持不變。在氣動系統(tǒng)設計時，系統(tǒng)的流量特性是由組成系統(tǒng)的每個元件的流量特性經(jīng)過一定的換算得到。氣動伺服控制則為連續(xù)控制，所用控制閥為伺服閥或比例閥。比例閥控制的特點是輸出量隨輸入量變化而相應地變化，輸出量與輸入量之間有一定的比例關系。比例控制又有開環(huán)控制和閉環(huán)控制之分。開環(huán)控制的輸出量與輸入量之間不進行比較，而閉環(huán)控制的輸出量不斷地被檢

21、測，與輸入量進行比較，其差值為誤差信號，以誤差信號進行控制。閉環(huán)控制也稱反饋控制。反饋控制的特點是能夠在存在擾動的條件下，逐步消除誤差信號，或使誤差信號減小。在伺服系統(tǒng)中，比例(伺服)閥被用于執(zhí)行器的控制元件。這些閥的穩(wěn)態(tài)方程為非線性，故很難建立一個正確的模型，尤其在氣動系統(tǒng)中更難。通常需要考慮閥的動態(tài)特性，雖然閥的固有頻率比整個系統(tǒng)的固有頻率大得多，但是，為了最精確的分析，應使用閥芯位移量的二階模型。五.控制系統(tǒng)的詳細設計該控制系統(tǒng)的原理圖如圖9所示,起始時通過操作臺，設定要控制的氣缸的位置，S7-200經(jīng)過輸入口獲取輸入量，S7-200經(jīng)過對輸入量進行處理，輸出進行控制。本此設計中的，直接

22、被控對象是電磁閥，通過電磁閥的動作在對氣缸的位置進行控制。為了進行精確控制，因而本例中使用了閉環(huán)控制系統(tǒng)，位置傳感器獲取位置量，并將獲取的值經(jīng)過總線送到S7-200的輸入口，進行發(fā)饋控制，從而提高系統(tǒng)的精度。但閉環(huán)控制容易引起波動，穩(wěn)定性不如開換好。操作臺I/0接線端子標準數(shù)據(jù)線傳輸S7-200電磁閥氣缸傳感器信號 圖9 控制系統(tǒng)原理圖 該控制系統(tǒng)的流程圖如圖10所示:系統(tǒng)開機有送料請求Y氣缸右行N氣缸到右限位?氣缸2上行氣缸1停止N氣缸到上限位?限位?Y 氣缸2下行N氣缸到下限位?限位?氣缸1左行Y氣缸1左行N氣缸1到達左限位Y 有物料運輸請求?Y返回開始繼續(xù)運行N等待圖10 控制系統(tǒng)的流程

23、圖應用PLC編程代碼如下:Network 1 LD I0.0AN I0.5AB= SB0, 0S S0.0, 1Network 2 LSCR S0.0Network 3 / 啟動氣缸1向右移LD SM0.0= M0.0Network 4 LD I0.4SCRT S0.1Network 5 SCRENetwork 6 LSCR S0.1Network 7 LD SM0.0TON T38, 20Network 8 LD T38SCRT S0.2Network 9 SCRENetwork 10 LSCR S0.2Network 11 / 啟動氣缸2向上移LD SM0.0= M1.0Network 1

24、2 LD I0.2SCRT S0.3Network 13 SCRENetwork 14 LSCR S0.3Network 15 / 啟動氣缸2下降LD SM0.0= Q0.0Network 16 LD I0.1SCRT S0.4Network 17 SCRENetwork 18 LSCR S0.4Network 19 / 啟動氣缸1左移LD SM0.0= Q0.2Network 20 LD I0.3SCRT S1.0Network 21 SCRENetwork 22 LD S1.0R S1.0, 1Network 23 LD M0.0= Q0.3Network 24 LD M1.0= Q0.1

25、Network 25 LD I0.1R S0.0, 8R T38, 2控制電路接線圖如下:該控制系統(tǒng)充分發(fā)揮了 PLC 可靠、靈活的優(yōu)勢。實踐證明，系統(tǒng)具有較強的抗干擾能力，操作簡單方便，適合在惡劣的施工現(xiàn)場應用，具有一定的推廣價值。該控制系統(tǒng)與其他控制系統(tǒng)相比，節(jié)省了大量的電氣元件，縮小了控制柜的體積。由于采用軟件片成，其動作安全行程可根據(jù)現(xiàn)場實際情況進行隨時調整。該氣動機械手經(jīng)安裝，調試，能夠在模擬生產(chǎn)線上良好運行。此系統(tǒng)簡單可靠，安全性高，可重復性好，各項性能指標均達到預期要求。六.設計小結. 通過此次課程設計,暴露出了平時學習當中存在的問題:學習不夠深入,了解不透徹,導致在做課程設計的過程中,經(jīng)常對一些基本的知識點弄混.