气压传动两维机械手设计

目录 一、 前沿 2 二、 设计任务 2 1.1 设计任务介绍及意义 2 1.2 设计任务明细 3 三、 总体方案计 3 四、机械系统设计 5 3.1 纵向气缸的设计 6 3.2 横行气缸的设计 8 五、控制系统组成 10 六、控制系统的详细设计 13 七、设计小结 21 八、参考文献 22 基于 PLC 的气动两维机械手 一、前言 气动技术是实现工业自动化的重要手段。气压传动的介质来自于空气，环境污染小，工程容易实现，所以其言传动四一种易于推广普及的实现工业自动化的应用技术。气动技术在机械、化工、电子、电气、纺织、食品、 包装、印刷、轻工、汽车等各个制造行业，尤其在各种自动化生产装备和生产线中得到了广泛的应用，极大地提高了制造业的生产效率和产品质量。气动系统的应用，引起了世界各国产业界的普遍重视，气动行业已成为工业国家发展速度最快的行业之一。 可编程控制技器（ PLC）是以微处理器为基础，综合计算机技术、自动控制技术和通信技术发展起来的一种新型、通用的自动控制装置，他具有机构简单、易于编程、性能优越、可靠性高、灵活通用和使用方便等一系列优点，近年来在工业生产过程的自动控制中得到了越来越广泛的应用。 二、设计目的和任 务 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，课程设计的目的在于： 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。 1：该机械手的功能是：将货物自动放到坐标位置（ 300， 300）处，并延时 1分钟等待卸货，然后返回原点位置，延时 1 分钟等待装货。 2：任务要求： 执行元件：气动气缸 运动方式：直角坐标 主要参数： 气缸工作行程 400、 300 mm 运动负载质量 100 Kg 移动速度控制 3m/min 3：具体步骤如下： （ 1）先根据参考资料，确定合适的设计方案。 （ 2） .通过计算、分析设计执行元件的参数：气缸的内径、壁厚，活塞杆的直径，耗气量的计 算，验算设计结果，导向装置的设计，驱动元件的选择，管路设计，底座的设计 （ 3） .根据动力和总体参数的选择和计算，进行总体设计，完成机械系统的主要部件图。 （ 4） .应用启动原理图，设计控制电路，编写控制程序，绘制电气控制电路原理图。 二 .总体方案设计 机械手示意图 1 机械手示意图 2 机械手示意图 3 1. 左右移动气缸 2.升降气缸 3.导轨 4.支架 5.底座 气动机械手示意 图 4 参阅各种气压设计书籍和论文，找到了如机械手示意图 1、 2、 3 中的机械设计方案，对照示意图 1 和示意图 2，二者实际是同一方案，只是在机械抓的表示上不同，且这两个方案中有一个回转缸，这我设计的任务中并没有这个要求。在示意图 3 中，其基本原理与示意图 1、 2 并没什么区别，只是图三中机械抓采用了真空吸盘。 参考以上设计方案，对照设计任务要求，并通过对以前学习过的课程进行综合考虑，发现该机械手的动作过程类似于我们在物流自动化课程上学习过的巷道式输送机，所以可以依照巷道输送机的结构布局进行该机械手系统的设计，设计出的气 动机械手的示意图（如图一所示），对于我的方案中的机械抓，我决定采用像叉车中的货叉作为本方案中的机械抓 ,这个设计方案的好处是避免了气缸承受较大的侧向负载。机械手的自由度为 2 个，因此用2 个气缸控制，即横向移动气缸和纵向移动 气缸，采用气动设计、控制容易，其运动行程由传感器控制，动作过程由 PLC 控制系统控制 。 由于该系统要求该气动机械手的动作逻辑顺序为： 升降气缸 2 下降 装载物料 升降气缸 2 上升 左右移动气缸 1 右移 卸载物料 左右移动气缸 1 左移，完成一次物料的搬运 三 .机械系统设计 本方案的机械设 计中重在气缸的设计，气缸 1 的作用是实现物料的横向移动，气缸 2 的作用是实现物料纵向的提升及物品的释放。对气缸结构的要1 2 4 右 移 左移 5 物料 下降 上升 3 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 5 气缸设计流程图 气缸按供油方向分，可分为单作用缸和双作用缸。单作用缸只是往缸的一侧输入高压油，靠其它外力使活塞反向回程。双作用缸则分别向缸的两侧输入压力油，活塞的正反向运动均靠液压力完成。由于单作用液压缸仅向单向运动，有外力使活 塞反向运动，而双作用单活塞气缸在压缩空气的驱动下可以像两个方向运动但两个方向的输出力不同，所以该方案采用双作用单活塞缸。 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里，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 =（气缸的实际负载 F/气缸的理论输出力 F0） X%. 由液压与气压传动 P221 表 10-1 知， =0.45，所以实际液压缸的负载大小为： F 理 =F 实 / 纵向气缸的校核 : （ 1） 气缸内径 D= = 1.27 =1.27 =59.3 mm 按照 GB/T2348-1993标准进行圆整，取 D=63 mm （ 2） 活塞杆直径的确定： 由 d=0.3D 估取活塞杆直径 d=20 mm （ 3） 缸筒长度的确定： 缸筒长度 S=L+B L为活塞行程； B为活塞厚度 活塞厚度 B=(0.61.0)D= 0.763=44.1mm 由于气缸的行程 L=400mm ,所以 S=L+B=444.1 mm 导向套滑动面长度 A:由于 D80mm 所以 A=(0.61.0)D=0.763=44.1mm 最小导向长度 H + =51.5 mm 活塞杆的长度 l=L+B+A+40=444.1+44.1+40=528 mm (4) 气缸筒的壁厚的确定 : + C 式中 -气缸材料的许用拉应力 n为安全系数 取值在 68 缸材料的抗拉强度 (Pa) C 考虑到刚度、加工制造的裕度。 我们的缸体的材料选择 45钢， =600 MPa， =75 MPa + C=+ C =0.21 + C 按照表 4-3，气缸筒的壁厚推荐表取 = 7 mm （ 4） 气缸耗气量的计算： Q = = = =1.24/s （ 5） 气缸进排气口直径 d0 d0 = = = 8.885 mm 所以取气缸排气口直径为 10 mm Q 工作压力下输入气缸的空气流量（） V 空气流经进排气口的速度，可取 v=1025） （ 6） 活塞杆的校核： 由于所选活塞杆的长度 L10d，所以不但要校核强度校核，还要进行稳定性校核。活塞杆材料选择 45 钢 强度 校核： d = = 9.12mm ,所以强度满足要求 稳定性校核 : 活塞可承受的最大外载荷 Pmax 可按下式计算 : Pmax = =3.6 N (满足 ) 所以活塞杆的强度和稳定性均满足 . 横向气缸的校核 :由于横行气缸的工作载荷主要是纵向气缸和物料对导向装置的摩擦力 ,估算纵向气缸的重量 =7.9s=5.8 Kg 活塞杆的重量 = 7.9l=5.24 Kg 活塞及缸盖重量 =5 Kg 所以横行气缸的总载荷为 :F 总 =(5.8+15.24+5+50) =98N （ 1） 气缸内径 D= = 1.27 =1.27 =26.5 mm 按照 GB/T2348-1993标准进行圆整，取 D=32 mm （ 2） 活塞杆直径的确定： 由 d=0.3D 估取活塞杆直径 d=10 mm （ 3） 缸筒长度的确定： 缸筒长度 S=L+B L为活塞行程； B为活塞厚度 活塞厚度 B=(0.61.0)D= 0.732=22.4mm 由于气缸的行程 L=300mm ,所以 S=L+B=322.4 mm 导向套滑动面长度 A:由于 D80mm 所以 A=(0.61.0)D=0.732=22.4mm 最小导向长度 H + = 36mm 活塞杆的长度 l=L+B+A+30=322.4+22.4+30=375 mm (4) 气缸筒的壁厚的确定 : + C 式中 -气缸材料的许用拉应力 n为安全系数 取值在 68 缸材料的抗拉强度 (Pa) C 考虑到刚度、加工制造的裕度。 我们的缸体的材料选择 45钢， =600 MPa， =75 MPa + C=+ C =0.11 + C 按照表 4-3，气缸筒的壁厚推荐表取 = 5 mm （ 4） 气缸耗气量的计算： Q = = = =5.1/s （ 5） 气缸进排气口直径 d0 d0 = = = 5.7 mm 所以取气缸排气口直径为 8 mm Q 工作压力下输入气缸的空气流量（） V 空气流经进排气口的速度，可取 v=1025） （ 6） 活塞杆的校核： 由于所选活塞杆的长度 L10d，所以不但要校核强度校核，还要进行稳定性校核。活塞杆材料选 择 45 钢 强度校核： d = = 4.1mm ,所以强度满足要求 稳定性校核 : 活塞可承受的最大外载荷 Pmax 可按下式计算 : Pmax = =47028 N (满足 ) 所以活塞杆的强度和稳定性均满足 . 四、控制系统组成 一个完整的计算机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 : 1控对象和执行机构 本系统的被控对象是 机械手臂。两个气缸分别用于大臂的伸缩 (升降 )、这 样机械手可以在垂直平面内的一个矩形区域内运动，装在气缸 2伸缩气缸活塞杠末端的手臂也能伸缩， 检测装置 位置检测装置是计算机控制系统的重要组成部分。在闭环系统中，它的主要 作用是检测位移量，该位移量与给定值进行比较，得到误差信号，控制器根据误 差信号进行控制调节，使系统趋向减小误差，最终使误差为零。 数据采集卡和数模 (D/A)转换器 本系统中位置检测用了光电编码器，光电编码器的输出为脉冲信号，只击对 输出脉冲进行计数即可得到相关的数字量信号，系统采用了 PCI一 7296 数字 I/O卡作为数字信息与计算机之间的数据传递接口。 D/A转换器是计算机控制系统的重要部件之一，担任着将控制输出量数字量转换为模拟量去驱动执行机构的重要作用。 D/A转换采用了 Pcl一 6024E数据采集卡，可将计算机输出的转换为模拟信号。两块卡都是 PCI插槽，控制程序通过虚拟驱动程序读写 PCI卡的端口地址 来实现数据传送。 数字计算机系统本系统采用普通的兼容 PC 作为控制计算机。 系统工作的主要流程 图 7 气缸控制系统框图 由液压阀控制气缸的 变量机构，改变气缸的流量或压力，使气缸按要求运动。它的控制系统框图如图 7，这种系统功率损失小，效率较高，最高可达 90%，在节能效益显著，在目前能源问题得到重视时 ,对这种控制系统进行研究较多。但这种系统动态反应较慢，只能用于动态性能要求不高的场合。对图 7中的各流程进行实例化，得到如图 8所示的气缸控制系统框图。 指令 信号 控制 放大器 电液 控制阀 气缸 变量机构 气 缸 气缸 变量机构 检测元件 图 8 气缸控制系统框图 系统输入信号由计算机控制程序产生，可由用户选择和设定参数，被控对象 气缸的位置数据由数据一采集卡 PCI一 7296 采集返回计算机，控制程序通过读端口操作取得数据，送入相应控制子 程序。控制程序根据当前控制方案产生输也控制量，输出控制由 PCI一 6024E的 D/A转换模块转换、伺服放大器放大后送对执行机构，从而实现对被控对象的闭环控制。 该机构的主要组成部件如下表： 机构的主要组成部件 序号 名称 数量 1 伸缩气缸 2 2 比例流量阀 4 3 位置传感器 2 4 数据采集卡 2 各部件的功能如下 : 1.气缸 气缸执行元件，将压缩空气的压力转变成机械能的能量转换装置，用于实现直线往复运动。 比例流量阀。 比例流量阀是电一气转换元件，其 作用是根据输入电流信号的大小输出相应流量的压缩空气，驱动气缸动作。这里，比例流量阀的结构为二位三通封闭式，功率放大器与计算机连接。采用电磁比例电磁铁控制阀口开度，使通过阀的气体流量和阀的开度成一定的关系。比例气阀存在死区，当线圈电流大于 520mA时， 阀口 P和 A连通 ；当线圈电流小于 28OmA时，阀口 A和 T相通 ；当线圈电流 280mA52OmA时，三个阀口呈关闭状态。 光电编码器和数显表 光电编码器是气缸位置检测元件，将位移转换为电脉冲，用于在线测量活塞位移，以便送到计算机中进行处理。计算机为系统控制器，在每 一采样控制周期，计算机根据系统偏差大小，计算出该采样控制周期所需要的控制量大小，以完成活塞位移的实时控制。活塞位移的实时控制。 数字采集卡 数字采集卡 PCI-7296共有 96个通道，共分 4组，每一组 24个，每一个通道都可以作为输入或者输出，具体由软件来设置。流量控制阀是对回路中的流动给予一定的阻力，从而控制气缸等执行元件的运动速度、控制换向阀的切换时间和速度或者调整放气量的阀的总称。在开环控制中，将阀的开度调定在某一固定值，在使用中保持不变。在气动系统设计时，系统的流量特性是由组成系统的每个元件的流量特性 经过一定的换算得到。气动伺服控制则为连续控制，所用控制阀为伺服阀或比例阀。比例阀控制的特点是输出量随输入量变化而相应地变化，输出量与输入量之间有一定的比例关系。比例控制又有开环控制和闭环控制之分。开环控制的输出量与输入量之间不进行比较，而闭环控制的输出量不断地被检测，与输入量进行比较，其差值为误差信号，以误差信号进行控制。闭环控制也称反馈控制。反馈控制的特点是能够在存在扰动的条件下，逐步消除误差信号，或使误差信号减小。在伺服系统中，比例 (伺服 )阀被用于执行器的控制元件。这些阀的稳态方程为非线性，故很难建立一 个正确的模型，尤其在气动系统中更难。通常需要考虑阀的动态特性，虽然阀的固有频率比整个系统的固有频率大得多，但是，为了最精确的分析，应使用阀芯位移量的二阶模型。 五 .控制系统的详细设计 该控制系统的原理图如图 9所示 ,起始时通过操作台，设定要控制的气缸的位置， S7-200经过输入口获取输入量， S7-200经过对输入量进行处理，输出进行控制。本此设计中的，直接被控对象是电磁阀，通过电磁阀的动作在对气缸的位置进行控制。为了进行精确控制，因而本例中使用了闭环控制系统，位置传感器获取位置量，并将获取的值经过总线送到 S7-200的输入口，进行发馈控制， 从而提高系统的精度。但闭环控制容易引起波动，稳定性不如开换好。 图 9 控制系统原理图 该控制系统的流程图如图 10所示 : 操作台 S7-200 标准数据线传输 I/0 接线端子 传感 器信号 电磁阀 气缸 系统开机 有送料请求 气缸右行 气缸到右限位 ? Y N 气缸 1 停止 气缸到上限位 ?限位 ? 气缸 2 上行 N Y 气缸 2 下行 Y 气缸 1 左行 气缸到下限位 ?限位 ? N 气缸 1 左行 有物料运输请求 ? N Y 返回开始 继续运行 气缸 1 到 达左限位 N Y 图 10 控制系统的流程图 应用 PLC编程代码如下 : 等待 Network 1 LD I0.0 AN I0.5 AB= SB0, 0 S S0.0, 1 Network 2 LSCR S0.0 Network 3 / 启动气缸 1向右移 LD SM0.0 = M0.0 Network 4 LD I0.4 SCRT S0.1 Network 5 SCRE Network 6 LSCR S0.1 Network 7 LD SM0.0 TON T38, 20 Network 8 LD T38 SCRT S0.2 Network 9 SCRE Network 10 LSCR S0.2 Network 11 / 启动气缸 2向上移 LD SM0.0 = M1.0 Network 12 LD I0.2 SCRT S0.3 Network 13 SCRE Network 14 LSCR S0.3 Network 15 / 启动气缸 2下降 LD SM0.0 = Q0.0 Network 16 LD I0.1 SCRT S0.4 Network 17 SCRE Network 18 LSCR S0.4 Network 19 / 启动气缸 1左移 LD SM0.0 = Q0.2 Network 20 LD I0.3 SCRT S1.0 Network 21 SCRE Network 22 LD S1.0 R S1.0, 1 Network 23 LD M0.0 = Q0.3 Network 24 LD M1.0 = Q0.1 Network 25 LD I0.1 R S0.0, 8 R T38, 2 控制电路接线图如下 : 该控制系统充分发挥了 PLC 可靠、灵活的优势。实践证明，系统具有较强的抗干扰能力，操作简单方便，适合在恶劣的施工现场应用，具有一定的推广价值。该控制系统与其他控制系统相比，节省了大量的电气元件，缩小了控制柜的体积。由于采用软件片成，其动作安全行程可根据现场实际情况进行随时调整。该气动机械手经安装，调试，能够在模拟生产线上良 好运行。此系统简单可靠，安全性高，可重复性好，各项性能指标均达到预期要求。 六 .设计小结 . 通过此次课程设计 ,暴露出了平时学习当中存在的问题 :学习不够深入 ,了解不透彻 ,导致在做课程设计的过程中 ,经常对一些基本的知识点弄混 .这次课程设计是毕业设计前最后的一次练兵 ,对我来说非常有意义 ,在没做课程设计之前 ,我以为做这次设计就是小意