机械手课程设计-气压传动两维运动机械手.doc

课程设计说明书 论文题目：气压传动两维运动机械手 学生姓名： 学生学号： 专业班级：机械工程及自动化07级7班 指导教师： 中国矿业大学机电工程学院目录1 引言12 设计任务12.1设计任务介绍及意义12.2设计任务明细13 总体方案设计33.1 方案一33.2 方案二43.3 方案的比较及最终方案的确定44 机械传动系统设计54.1手指气缸的设计64.2纵向气缸的设计114.3横向气缸的设计125电气控制系统设计135.1控制系统的基本组成135.2气动回路的设计135.3 主要元件选择设计155.4 plc程序控制系统设计175.4.1 控制要求175.4.2 i/o分配表及i/o接线图175.4.3 流程图195.4.4 plc程序206设计小结287参考文献28气缸传动控制1 引言近20年来，气动技术的应用领域迅速拓宽，尤其是在各种自动化生产线上得到广泛应用。电气可编程控制技术与气动技术相结合，使整个系统自动化程度更高，控制方式更灵活，性能更加可靠；气动机械手、柔性自动生产线的迅速发展，对气动技术提出了更多更高的要求；微电子技术的引入，促进了电气比例伺服技术的发展，现代控制理论的发展，使气动技术从开关控制进入闭环比例伺服控制，控制精度不断提高；由于气动脉宽调制技术具有结构简单、抗污染能力强和成本低廉等特点，国内外都在大力开发研究。气动机械手作为机械手的一种，它具有结构简单、重量轻、动作迅速、平稳、可靠、节能和不污染环境等优点而被广泛应用。本文设计了一种气压传动两维运动机械手，用于生产流水线上物料的搬运。2 设计任务2.1设计任务介绍及意义通过课程设计培养学生综合运用所学知识的能力，提高分析和解决问题能的一个重要环节，专业课程设计是建立在专业基础课和专业方向课的基础的，是学生根据所学课程进行的工程基本训练，课程设计的意义在于：1培养学生综合运用所学的基础理论和专业知识，独立进行机电控制系统（产品）的初步设计工作，并结合设计或试验研究课题进一步巩固和扩大知 识领域。2培养学生搜集、阅读和综合分析参考资料，运用各种标准和工具书籍以及编写技术文件的能力，提高计算、绘图等基本技能。3培养学生掌握机电产品设计的一般程序方法，进行工程师基本素质的训练。4树立正确的设计思想及严肃认真的工作作风。2.2设计任务明细1. 基本要求：（1）方案设计：根据课程设计任务的要求，在搜集、归纳、分析资料的基础上，明确系统的主要功能，确定实现系统主要功能的原理方案，并对各种方案进行分析和评价，进行方案选优。（2）总体设计：针对具体的原理方案，通过对动力和总体参数的选择和计算，进行总体设计，最后给出机械系统的控制原理图或主要部件图（a2一张）。（3）根据控制功能要求，完成电气控制设计，给处电气控制电路原理图（a3图一张）。（4）课程设计的成果最后集中表现在课程设计说明书和所绘制的设计图纸上，每个学生应独立完成课程设计说明书一份，字数为5000字以上，设计图纸不少于两张。(5）用计算机绘图或手工绘图，打印说明书。(6）设计选题分组进行，每位同学采用不同方案（或参数）独立完成；2该机械手的功能：将圆柱形物料从位置1自动搬运到位置2，位置1和位置2相距400mm，放下物料后返回原始位置，继续搬运下一个物料，然后一直循环下去，直到搬完或接到停止命令。（如图 1 所示）图 1 搬运任务3任务要求：执行元件：气动气缸；运动方式：直角坐标；控制方式：plc控制；控制要求：速度控制；4主要设计参数参数：气缸工作行程400 mm；运动负载质量50 kg；移动速度控制0.2 m/s。3 总体方案设计3.1 方案一图 2 方案一示意图1- 夹紧气缸； 2-纵向气缸 ；3-横向气缸； 4-常开手部 5-固定支架导轨（2个）；6-弹簧3.2 方案二图3 方案二示意图1- 升降气缸 2-水平移动气缸 3-夹紧气缸 4-常开手部 5-弹簧3.3 方案的比较及最终方案的确定由以上两个方案可以看出：方案一为悬挂式，根据场地情况制作一个固定支架，机械手的所有重量都由固定支架来支撑。支架上方是一个导轨，气缸3通过固定设备固定在导轨上，气缸2通过与导轨相连，可以在水平方向移动。气缸1采用的是靠弹簧恢复的单作用气缸，它与手爪构成了一套常闭式夹紧装置；方案二为地面固定式，气缸3固定在地面上的固定台上，其它气缸重量由气缸3支撑，气缸1与方案一相同。通过方案比较可知，在负载相同的情况下，方案二中气缸3的尺寸将远远小于方案一，浪费原材料，不经济，而且横向气缸活塞杆会承受很大的弯矩，影响装置的使用寿命，但方案一的占地面积大些。综合考虑后，我认为方案一较方案二更好些，故我选择方案一。4 机械传动系统设计本方案的机械设计中重在气缸的设计，气缸1的作用是物品的抓紧和释放，气缸2的作用是实现物料纵向的提升与下降，气缸3的作用是实现物料的横向移动。对气缸结构的要求一是重量尽量轻，以达到动作灵活、运动速度高、节约材料和动力，同时减少运动的冲击，二是要有足够的刚度以保证运动精度和定位精度气缸的设计流程图如图5所示图4 气缸设计流程图气缸按结构特征分类如图 5单活塞杆气缸是各类气缸中应用最广的一种气缸。由于它只在活塞的一端有活塞杆，活塞两侧承受气压作用 的面积不等，因而活塞杆伸出时的推力大于退回时的拉力。双活塞杆气缸活塞两侧都有活塞杆，两侧受气压作用的面积相等， 活塞杆伸出时的推力和退回时的拉力相等。单作用气缸是由一侧气口供给气压驱动活塞运动，依靠弹簧力、外力或自重等作用返回；而双作用气缸是由两侧供气口交替供给气压使活塞作往复运动。结合课程设计的方案，夹紧气缸1选择单作用气缸，依靠弹簧力恢复；纵向气缸2选择单作用气缸，靠重力恢复；横向气缸3选择双作用气缸图5 气缸结构分类4.1手指气缸的设计图6 手指气缸结构图（1） 夹紧力fn的计算 手指加在工件上的夹紧力，是设计手部的主要依据。必须对其大小、方向和作用点进行分析、计算。一般来说，夹紧力必须克服工件重力所产生的静载荷以及工件运动状态变化所产生的载荷(惯性力或惯性力矩)，以使工件保持可靠的夹紧状态。手指对工件的夹紧力可按下式计算：fnk1k2k3g式中 k1安全系数，通常取1.2-2.0； k2工作情况系数，主要考虑惯性力的影响，可用下式估算k2=1+ag其中 a运载工件时重力方向的最大升加速度 g重力加速度 g9.8ms2 k3方位系数，根据手指与工件形状以及手指与工件位置不同进行选定。k3=0.5tan1+ftan f摩擦系数 g选取工件所受的重力（n）设k1为1.5，k2=1+ag=1+0.20.59.8=1.04 k3=0.74将已知条件代入得：fn=1.51.040.74490=566 n（2） 气缸的内径根据手指的几何关系得：f=2ba（cos）2fn=4018（cos30）2566=943 n由设计任务可以知道，要驱动的负载大小位100kg，考虑到气缸未加载时实际所能输出的力，受气缸活塞和缸筒之间的摩擦、活塞杆与前气缸之间的摩擦力的影响。在研究气缸性能和确定气缸缸径时，常用到负载率：由液压与气压传动技术表11-1：取=0.45根据气缸的结构得：f=4d2-d2p-ft估算时取d=0.3d, ft=40n, p=0.5mpa。代入上式得：d68.5mm按照gb/t2348-1993标准进行圆整，取d=80 mm（3） 活塞杆直径由d=0.3d 估取活塞杆直径 d=25 mm(4) 缸筒长度的确定：缸筒长度s=l+b+20l为活塞行程；b为活塞厚度活塞厚度b=(0.200.25)d= 0.2080=16mm由于气缸的行程l=200mm ,所以s=l+b+20=236 mm（5） 气缸筒的壁厚的确定:由液压气动技术速查手册知：一般气缸缸筒与内径之比d110，其壁厚通常按薄壁筒公式计算：=dpp2p通常计算出的壁厚往往很薄，考虑机械加工工艺性，往往将缸筒壁厚适当加厚，且尽量选用标准内径和壁厚的钢管与铝合金管。下图所列缸筒壁厚可供参考。假设所选材料为无缝钢管，则由表知=3.5mm(6)气缸耗气量的计算：气缸的耗气量是指气缸往复运动时所消耗的压缩空气量。耗气量大小与气缸的性能无关， 但它是选择空压机排气量的重要依据。 qmax=（d2-d2）v4vp+papa=（0.082-0.0252）0.240.950.5+0.10.1=5.710-3m3s(7)气缸的进、排气口计算通常气缸的进、排气口的直径大小与气缸速度有关，根据iso-15552、iso-7180。气缸的进、排气口的直径见下表（iso标准规定）气缸直径3240506380气口尺寸m101(g18)m141.5(g14)m141.5(g14)m181.5(g38)m181.5(g38)汽缸直径100125150200250气口尺寸m221.5(g12)m221.5(g12)m272(g34)m272(g34)m332(g1)汽缸直径320气口尺寸m332(g1)查此表可知，气缸的进、排气口的规格为m181.5(g38)4.2纵向气缸的设计由设计方案可以知道，纵向气缸1不仅要承受负载50kg的重量，还要承受气缸3及手指部分的重量，假设此重量为负载的十分之一，即5kg。则纵向气缸实际的负载f=539n。进一步求的理论负载f0=f=5390.45=1198n（1） 气缸的内径由公式f0=4d2-d2p得：d=1.18f0p=1.1811980.5106=58mm查表后得：d=63mm。（2） 活塞杆直径由d=0.3d 估取活塞杆直径 d=18.9 mm查表后得：d=20mm(3) 缸筒长度的确定：缸筒长度s=l+b+20l为活塞行程；b为活塞厚度活塞厚度b=(0.200.25)d= 0.2063=13mm由于气缸的行程l=400mm ,所以s=l+b+20=433 mm（4） 气缸筒的壁厚的确定选用无缝钢管为材料，查表得：=3mm(5)气缸耗气量的计算 qmax=（d2-d2）v4vp+papa=（0.0632-0.022）0.240.950.5+0.10.1=3.510-3(6)气缸的进、排气口计算查表可知，气缸的进、排气口的规格为m181.5(g38)4.3横向气缸的设计（1） 气缸的内径根据机械手结构关系得：f=fn=(50+10+5)g取：=0.2，g=9.8得：f=130(近似)f0=f=1300.45=288.8290n根据气缸的结构得：f0=4d2-d2p估算时取d=0.3d, p=0.5mpa。代入上式得：d44.7mm按照gb/t2348-1993标准进行圆整，取d=50 mm（2） 活塞杆直径由d=0.3d 估取活塞杆直径 d=15 mm查表得：d=16mm（3） 缸筒长度的确定：缸筒长度s=l+b+20l为活塞行程；b为活塞厚度活塞厚度b=(0.200.25)d= 0.2050=10mm由于气缸的行程l=400mm ,所以s=l+b+20=430 mm（4） 气缸筒的壁厚的确定:假设所选材料为无缝钢管，则由表知=3mm（5） 气缸耗气量的计算： qmax=（d2-d2）v4vp+papa=（0.052-0.0162）0.240.950.5+0.10.12.210-3m3s（6） 气缸的进、排气口计算查表可知，气缸的进、排气口的规格为m181.5(g38)5电气控制系统设计5.1控制系统的基本组成一个完整的控制系统应该包括被控对象、执行机构、检测装置、模数(a/d)转换器和数模(d/a)转换器、数字计算机系统(包括硬件和软件)。图6所示是其基本框图。在本系统中各个部分的组成如下: 图7 控制系统的组成（1） 被控参数由设计任务可知，此系统中的控制参数为速度，即气缸活塞的运动速度（2）执行机构系统中的执行机构是气动控制回路中的气缸，通过调节节流阀来控制进入和排除气缸的流量，来控制活塞的运动速度。（3）控制器本系统采用的控制方式是plc程序控制。因通用性好，变更程序方便，plc程序控制是线路复杂时程序控制的典型代表。它不仅可使控制部分小型化，容易实现联锁信号处理，同时各种逻辑及附加运算和d/a与a/d转换均可在plc内部进行，使整个传动控制回路中的气动回路部分非常简单。其缺点是维修人员应具备一定的微机知识，能及时进行工作异常时的事故处理及复位启动等问题。5.2气动回路的设计由设计任务知，系统控制要求是速度控制，即物料在运输过程中的速度保持在一定数值，所以设计的气动回路为调速回路。整个控制原理回路图将在大图中展示。（1） 单作用气缸的调速回路设计方案中，升降气缸2和夹紧气缸1均为单作用气缸，气缸2通过重力恢复，而气缸1通过弹簧力恢复。对于单作用气缸，调速回路该回路由左右两个单向节流阀来分别控制活塞杆的升降速度。 图8为单作用气缸调速回路的示意图:图8 单作用气缸的调速回路图9 双作用气缸的调速回路（2） 双作用气缸的调速回路设计方案中，气缸3为双活塞杆双作用气缸，气缸3的作用是使物料水平移动。双作用气缸的调速回路主要有进气节流和排气节流方法，一般多采用排气节流，如图9（a）所示。图9（b）也是排气节流回路，在换向阀的排气口安装排气节流阀，实现速度控制。这种方法比较简单，也较常用。但是要注意所选用的二位五通换向阀是否允许后接排气节流阀，以免引起动作失常。图9（c）是进气节流回路。由于进气流量小而排气流量大，进气腔压力上升缓慢，当进气和排气两腔压差达到刚好克服各种反力时，活塞就突然前进，使进气腔容积突然增大，进气腔压力下降，活塞就停止前进。气缸活塞这种“忽走忽停”的现象称为气缸的爬行，故较少采用这种调速方法。5.3 主要元件选择设计（1） 节流阀节流阀是依靠改变阀的流通面积来调节流量的。要求节流阀流量的调节范围 较宽，能进行微小流量调节，调节精确，性能稳定，阀芯开度与通过的流量成正比。为使节流阀适用于不同的使用 场合，节流阀的结构有多种，图10为常用的典型节流结构。图10 常用的节流阀结构（a） 平板阀；（b）针阀；（c）球阀由方案可知，系统中的速度调节靠普通的节流阀无法实现，应该使用单向节流阀，它是由单向阀和节流阀组合而成的流量控制阀，常用作气缸的速度控制，又称为速度控制阀。这种阀仅对一个方向的气流进行节流控制，旁路的单向阀关闭； 在相反方向上气流可以通过开启的单向阀自由流过（满流）。一般，单向节流阀的流量调节范围为管道流量的。对于要求能在较宽范围里进行速度控制的场合，可采用单向 阀开度可调的速度控制阀。图11为单向节流阀和双单向节流阀的结构图：（a） （b）图11 节流阀（a） 单向节流阀；（b）双单向节流阀（2） 换向阀按控制方式分类，常用的有气压控制、电磁控制、人力控制和机械控制四类。根据方案，我选择电磁控制方式。plc控制利用继电器km，进而控制电磁线圈中电流的通断，达到换向的目的按方案要求，此系统中需二个三位三通电磁换向阀和一个三位五通电磁换向阀。（具体图将在控制原理图中表示）。（3） 压差流量计压差流量计，压差流量计是一种测定流量的仪器。它是利用流体流经节流装置时所产生的压力差与流量之间存在一定关系的原理，通过测量压差来实现流量测定。节流装置是在管道中安装的一个局部收缩元件，最常用的有孔板、喷嘴和文丘里管。流量q的计算公式为：q=a02(p1-p2)式中：为流量系数；为气体膨胀修正系数；a0为节流部的截面积；1为流体密度；p1和p2分别为节流前后的压力。对于不可压缩的气体，可不考虑气体膨胀修正系数，即流量公式为： 和一般由实验方法确定。目前，压差流量计的标准化程度已相当高，它的构造、尺寸严格按照规定制作时，则可查出c和无需通过实验方法确定。图12为其外形结构图：图12 压差流量计通过测得管道的流量，求得气缸运动速度，并与规定值比较，通过误差来调节节流阀控制流量，进而达到控制速度的目的。5.4 plc程序控制系统设计5.4.1 控制要求该系统要求该气动机械手的动作逻辑顺序为： 夹紧物料上升水平移动下降松开物料返回初始位置，完成一次物料的搬运，并循环下去。具体动作如下：（1） 按下启动按钮，夹紧气缸1夹紧物料（2s）；（2） 升降气缸2动作，向上提升物料，到达上极限位置后停止动作；（3） 水平气缸3使物料水平向右移动，到达右极限位置后停止；（4） 升降气缸2使物料下降，至到达下极限位置后停止；（5） 松开物料。并原路返回进行下一次搬运。5.4.2 i/o分配表及i/o接线图（1） i/o分配表在作分配表前，首先应该确定plc的输入和输出。本系统中，输入有：启动按钮sb1,停止按钮sb2，上下限位开关sb3和sb4，左右限位开关sb5和sb6；输出有：夹紧km1和松开km2，上升km3和下降km4，左移km5，右移km6。即有六个数字量输入和四个数字量输出，故选择西门子公司的s7-200中的cpu222模块，此型号为8入/6出，足够系统使用，并且其可以扩展两个模块数量，在以后中如果有需要，完全可以满足要求。i/o分配表如下所示i/o分配表输入信号启动按钮sb1i0.1停止按钮sb2i0.2上限位开关sb3i0.3下限位开关sb4i0.4左限位开关sb5i0.5右限位开关sb6i0.6输出信号夹紧km1q0.1松开km2q0.2上升km3q0.3下降km4q0.4左移km5q0.5右移km6q0.6（2） i/o接线图图10为plc的i/o接线图：图10 i/o接线图5.4.3 流程图5.4.4 plc程序（1） 梯形图（2） 语句表network 1/ 启动ld i0.1o m0.0an i0.2= m0.0network 2ld m0.0= s0.1network 3/ 夹紧工件lscr s0.1network 4ld sm0.0= q0.1ton t37, 30network 5ld t37scrt s0.2network 6screnetwork 7/ 上升lscr s0.2network 8ld sm0.0= q0.3network 9ld i0.3scrt s0.3network 10screnetwork 11/ 右移lscr s0.3network 12ld sm0.0= q0.6network 13ld i0.6scrt s0.4network 14screnetwork 15/ 下降lscr s0.4network 16ld sm0.0= q0.4network 17ld i0.4scrt s0.5network 18screnetwork 19/ 松开lscr s0.5network 20ld sm0.0r q0.1, 1s q0.2, 1ton t38, 30network 21ld t38scrt s0.6network 22screnetwork 23/ 上升lscr s0.6network 24ld sm0.0= q0.3network 25ld i0.3scrt s0.7network 26screnetwork 27/ 左移lscr s0.7network 28ld sm0.0= q0.5netwo