新毕业设计--送料机械手设计(机械手、电气控制部分).pdf

1 第一章机械手的简介 1 1 机器人的概述和发展 1 1 1 机器人概述 工业机器人由操作机 机械本体 控制器 伺服驱动系统和检测传感装置构 成 是一种仿人操作 自动控制 可重复编程 能在三维空间完成各种作业的机 电一体化自动化生产设备 特别适合于多品种 变批量的柔性生产 它对稳定 提高产品质量 提高生产效率 改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重 要的作用 机器人技术是综合了计算机 控制论 机构学 信息和传感技术 人工智能 仿生学等多学科而形成的高新技术 是当代研究十分活跃 应用日益广泛的领域 机器人应用情况 是一个国家工业自动化水平的重要标志 机器人并不是在简单意义上代替人工的劳动 而是综合了人的特长和机器特长的 一种拟人的电子机械装置 既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力 又有 机器可长时间持续工作 精确度高 抗恶劣环境的能力 从某种意义上说它也是 机器的进化过程产物 它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设各 也是先 进制造技术领域不可缺少的自动化设备 机械手是模仿着人手的部分动作 按给定程序 轨迹和要求实现自动抓取 搬运或操作的自动机械装置 在工业生产中应用的机械手被称为 工业机械手 生产中应用机械手可以提高生产的自动化水平和劳动生产率 可以减轻劳动强 度 保证产品质量 实现安全生产 尤其在高温 高压 低温 低压 粉尘 易 爆 有毒气体和放射性等恶劣的环境中 它代替人进行正常的工作 意义更为重 大 因此 在机械加工 冲压 铸 锻 焊接 热处理 电镀 喷漆 装配以及 轻工业 交通运输业等方面得到越来越广泛的引用 机械手的结构形式开始比较简单 专用性较强 仅为某台机床的上下料装置 是附属于该机床的专用机械手 随着工业技术的发展 制成了能够独立的按程序 控制实现重复操作 适用范围比较广的 程序控制通用机械手 简称通用机械 手 由于通用机械手能很快的改变工作程序 适应性较强 所以它在不断变换生 产品种的中小批量生产中获得广泛的引用 工业机器人 英语 industrial robot 简称 IR 是广泛适用的能够自主 动作 且多轴联动的机械设备 它们在必要情况下配备有传感器 其动作步骤包 括灵活的 转动都是可编程控制的 即在工作过程中 无需任何外力的干预 它们通常配备有机械手 刀具或其他可装配的的加工工具 以及能够执行搬运操 2 作与加工制造的任务 我国工业机器人起步于70年代初期 经过20多年的发展 大致经历了3 个阶段 70年代的萌芽期 80年代的开发期和90年代的适用化期 70年代是世界科技发展的一个里程碑 人类登上了月球 实现了金星 火星的软着陆 我国也发射了人造卫星 世界上工业机器人应用掀起一个 高潮 尤其在日本发展更为迅猛 它补充了日益短缺的劳动力 在这种背 景下 我国于1972年开始研制自己的工业机器人 进入80年代后 在高技术浪潮的冲击下 随着改革开放的不断深入 我国机器人技术的开发与研究得到了政府的重视与支持 七五 期间 国 家投入资金 对工业机器人及其零部件进行攻关 完成了示教再现式工业 机器人成套技术的开发 研制出了喷涂 点焊 弧焊和搬运机器人 1986 年国家高技术研究发展计划 863计划 开始实施 智能机器人主题跟踪世 界机器人技术的前沿 经过几年的研究 取得了一大批科研成果 成功地研制出 了一批特种机器人 从90年代初期起 我国的国民经济 进入实现两个根本转变时期 掀起了新 一轮的经济体制改革和技术进步热潮 我国的工业机器人又在实践中迈进一大 步 先后研制出了点焊 弧焊 装配 喷漆 切割 搬运 包装码垛等各种用 途的工业机器人 并实施了一批机器人 应用工程 形成了一批机器人产业化基 地 为我国机器人产业的腾飞奠定了基 础 图 1 1 工业机械手 1 1 2 机器人的发展 国外机器人领域发展近几年有如下几个趋势 1 工业机器人性能不断提高 高速度 高精度 高可靠性 便于操作和 维修 而单机价格不断下降 平均单机价格从 91 年的 10 3 万美元降至 97 年 的 6 5 万美元 2 机械结构向模块化 可重构化发展 例如关节模块中的伺服电机 减 速机 检测系统三位一体化 由关节模块 连杆模块用重组方式构造机器人整机 3 国外已有模块化装配机器人产品问市 3 工业机器人控制系统向基于 PC 机的开放型控制器方向发展 便于标准 化 网络化 器件集成度提高 控制柜日见小巧 且采用模块化结构 大大提高 了系统的可靠性 易操作性和可维修性 4 机器人中的传感器作用日益重要 除采用传统的位置 速度 加速度 等传感器外 装配 焊接机器人还应用了视觉 力觉等传感器 而遥控机器人则 采用视觉 声觉 力觉 触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制 多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用 5 虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真 预演发展到用于过程控制 如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人 6 当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统 而是致力于操 作者与机器人的人机交互控制 即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作 系统 使智能机器人走出实验室进入实用化阶段 美国发射到火星上的 索杰纳 机器人就是这种系统成功应用的最著名实例 7 机器人化机械开始兴起 从 94 年美国开发出 虚拟轴机床 以来 这种 新型装置已成为国际研究的热点之一 纷纷探索开拓其实际应用的领域 1 1 3 我国工业机器人的发展 有人认为 应用机器人只是为了节省劳动力 而我国劳动力资源丰富 发 展机器人不一定符合我国国情 这是一种误解 在我国 社会主义制度的优越性 决定了机器人能够充分发挥其长处 它不仅能为我国的经济建设带来高度的生产 力和巨大的经济效益 而且将为我国的宇宙开发 海洋开发 核能利用等新兴领 域的发展做出卓越的贡献 我国的工业机器人从 80 年代 七五 科技攻关开始起步 在国家的支持下 通过 七五 八五 科技攻关 目前已基本掌握了机器人操作机的设计制造技 术 控制系统硬件和软件设计技术 运动学和轨迹规划技术 生产了部分机器人 关键元器件 开发出喷漆 弧焊 点焊 装配 搬运等机器人 其中有 130 多台 套喷漆机器人在二十余家企业的近 30 条自动喷漆生产线 站 上获得规模应用 弧焊机器人已应用在汽车制造厂的焊装线上 但总的来看 我国的工业机器人技 术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离 如 可靠性低于国外产品 机 器人应用工程起步较晚 应用领域窄 生产线系统技术与国外比有差距 在应用 规模上 我国已安装的国产工业机器人约 200 台 约占全球已安装台数的万分之 四 以上原因主要是没有形成机器人产业 当前我国的机器人生产都是应用户的 要求 一客户 一次重新设计 品种规格多 批量小 零部件通用化程度低 4 供货周期长 成本也不低 而且质量 可靠性不稳定 因此迫切需要解决产业化 前期的关键技术 对产品进行全面规划 搞好系列化 通用化 模化设计 积极 推进产业化进程 我国的智能机器人和特种机器人在 863 计划的支持下 也取得了不少成 果 其中最为突出的是水下机器人 6000 米水下无缆机器人的成果居世界领先 水平 还开发出直接遥控机器人 双臂协调控制机器人 爬壁机器人 管道机器 人等机种 在机器人视觉 力觉 触觉 声觉等基础技术的开发应用上开展了不 少工作 有了一定的发展基础 但是在多传感器信息融合控制技术 遥控加局部 自主系统遥控机器人 智能装配机器人 机器人化机械等的开发应用方面则刚刚 起步 与国外先进水平差距较大 需要在原有成绩的基础上 有重点地系统攻关 才能形成系统配套可供实用的技术和产品 以期在 十五 后期立于世界先进行 列之中 1 2 机械手的概念和分类 机械手 英文名 mechanical hand 是指能模仿人手和臂的某些动作功能 用以按固定程序抓取 搬运物件或操作工具的自动操作装置 它可代替人的繁重 劳动以实现生产的机械化和自动化 能在有害环境下操作以保护人身安全 因而 广泛应用于机械制造 冶金 电子 轻工和原子能等部门 机械手主要由手部和运动机构组成 手部是用来抓持工件 或工具 的部件 根据被抓持物件的形状 尺寸 重量 材料和作业要求而有多种结构形式 如夹 持型 托持型和吸附型等 运动机构 使手部完成各种转动 摆动 移动或复合 运动来实现规定的动作 改变被抓持物件的位置和姿势 运动机构的升降 伸缩 旋转等独立运动方式 称为机械手的自由度 为了抓取空间中任意位置和方位的 物体 需有 6 个自由度 自由度是机械手设计的关键参数 自由度越多 机械手 的灵活性越大 通用性越广 其结构也越复杂 一般专用机械手有 2 3 个自由 度 机械手的种类 按驱动方式可分为液压式 气动式 电动式 机械式机械手 按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种 按运动轨迹控制方式可分为点 位控制和连续轨迹控制机械手等 机械手通常用作机床或其他机器的附加装置 如在自动机床或自动生产线上 装卸和传递工件 在加工中心中更换刀具等 一般没有独立的控制装置 有些操 作装置需要由人直接操纵 如用于原子能部门操持危险物品的主从式操作手也常 称为机械手 5 1 3 机械手的组成 工业机械手由执行机构 驱动机构和控制机构三部分组成 1 3 1 执行机构 1 手部 既直接与工件接触的部分 一般是回转型或平动型 多为回转型 因其结构简单 手部多为两指 也有多指 根据需要分为外抓式和内抓式两种 也可以用负压式或真空式的空气吸盘 主要用于吸冷的 光滑表面的零件或薄板 零件 和电磁吸盘 传力机构形式教多 常用的有 滑槽杠杆式 连杆杠杆式 斜槭杠杆式 齿 轮齿条式 丝杠螺母式 弹簧式和重力式 2 腕部 是连接手部和臂部的部件 并可用来调节被抓物体的方位 以扩 大机械手的动作范围 并使机械手变的更灵巧 适应性更强 手腕有独立的自由 度 有回转运动 上下摆动 左右摆动 一般腕部设有回转运动再增加一个上下 摆动即可满足工作要求 有些动作较为简单的专用机械手 为了简化结构 可以 不设腕部 而直接用臂部运动驱动手部搬运工件 目前 应用最为广泛的手腕回转运动机构为回转液压 气 缸 它的结构紧 凑 灵巧但回转角度小 一般小于 2700 并且要求严格密封 否则就难保证稳 定的输出扭距 因此在要求较大回转角的情况下 采用齿条传动或链轮以及轮系 结构 3 臂部手臂部件是机械手的重要握持部件 它的作用是支撑腕部和手 部 包括工作或夹具 并带动他们做空间运动 臂部运动的目的 把手部送到空间运动范围内任意一点 如果改变手部的姿 态 方位 则用腕部的自由度加以实现 因此 一般来说臂部具有三个自由度 才能满足基本要求 即手臂的伸缩 左右旋转 升降 或俯仰 运动 手臂的各种运动通常用驱动机构 如液压缸或者气缸 和各种传动机构来实 现 从臂部的受力情况分析 它在工作中既受腕部 手部和工件的静 动载荷 而且自身运动较为多 受力复杂 因此 它的结构 工作范围 灵活性以及抓重 大小和定位精度直接影响机械手的工作性能 4 行走机构 有的工业机械手带有行走机构 我国的正处于仿真阶段 1 3 2 驱动机构 驱动机构是工业机械手的重要组成部分 根据动力源的不同 工业机械手的 驱动机构大致可分为液压 气动 电动和机械驱动等四类 采用气压机构驱动机 6 械手 结构简单 尺寸紧凑 重量轻 控制方便 1 3 3 控制系统分类 在机械手的控制上 有点动控制和连续控制两种方式 大多数用插销板进行 点位控制 也有采用可编程序控制器控制 微型计算机控制 采用凸轮 磁盘磁 带 穿孔卡等记录程序 主要控制的是坐标位置 并注意其加速度特性 1 4 气动机械手的应用现状和发展趋势 随着工业机械化和自动化的发展以及气动技术自身的一些优点 气动机械手 已经广泛应用在生产自动化的各个行业 本文就气动机械手的应用现状和发展前 景作了简单概述 随着工业机械化和自动化的发展以及气动技术自身的一些优点 气动机械手 已经广泛应用在生产自动化的各个行业 本文就气动机械手的应用现状和发展前 景作了简单概述 1 4 1 前言 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 从各国的行业统计资料来看 近 30 多年来 气动行业发展很快 20 世纪 70 年代 液压与气动元件的产值比约为 9 1 而 30 多年后的今天 在工业技术发 达的欧美 日本等国家 该比例已达到 6 4 甚至接近 5 5 我国的气动行业起 步较晚 但发展较快 从 20 世纪 80 年代中期开始 气动元件产值的年递增率达 20 以上 高于中国机械工业产值平均年递增率 随着微电子技术 PLC 技术 计算机技术 传感技术和现代控制技术的发展与应用 气动技术已成为实现现代 传动与控制的关键技术之一 1 4 2 气动技术及气动机械手的发展过程 气动技术是以空气压缩机为动力源 以压缩空气为工作介质 进行能量传递 7 或信号传递的工程技术 是实现各种生产控制 自动控制的重要手段之一 大约开始于 1776 年 Johnwilkimson 发明能产生 1 个大气压左右压力的空 气压缩机 1880 年 人们第一次利用气缸做成气动刹车装置 将它成功地用到 火车的制动上 20 世纪 30 年代初 气动技术成功地应用于自动门的开闭及各种 机械的辅助动作上 至 50 年代初 大多数气压元件从液压元件改造或演变过来 体积很大 60 年代 开始构成工业控制系统 自成体系 不再与风动技术相提 并论 在 70 年代 由于气动技术与电子技术的结合应用 在自动化控制领域得 到广泛的推广 80 年代进入气动集成化 微型化的时代 90 年代至今 气动技 术突破了传统的死区 经历着飞跃性的发展 人们克服了阀的物理尺寸局限 真 空技术日趋完美 高精度模块化气动机械手问世 智能气动这一概念产生 气动 伺服定位技术使气缸高速下实现任意点自动定位 智能阀岛十分理想地解决了整 个自动生产线的分散与集中控制问题 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 气动机械手强调模块化的形式 现代传输技术的气动机械手在控制方面采用 了先进的阀岛技术 可重复编程等 气动伺服系统 町实现任意位置上的精确 定位 在执行机构上全部采用模块化的拼装结构 90 年代初 由布鲁塞尔皇家军事学院 Y Bando 教授领导的综合技术部开发 研制的电子气动机器人 阿基里斯 六脚勘探员 是气动技术 PLC 控制技 术和传感技术完美结合产生的 六足动物 6 个脚中的每一个脚都有 3 个自由度 一个直线气缸把脚提起 放下 一个 摆动马达控制脚伸展 退回运动 另一个摆动马达则负责围绕脚的轴心做旋转之 用 由汉诺威大学材料科学研究院设计的气动攀墙机器人 它集遥感技术和真空 技术于一体 成功地解决了垂直攀缘等视为危险工作的操作问题 Tron X 电子气动机器人 能与人亲切地握手 它的头部 腰部 手能与人 类一样弯曲运动 并且有良好的柔韧性 在幕后操纵人员的操作下 或通过自身 的编程控制 能与人进行对话 或作自我介绍等 Tron X 电子气动机器人集电 子技术 气动技术和人工智能为一体 它告诉我们 气动技术能够实现机器人中 最难解决的灵活的自由度 具有在足够工作空间的适应性 高精度和快速灵敏的 反应能力 1 4 3 气动机械手的应用现状 由于气压传动系统使用安全 可靠 可以在高温 震动 易燃 易爆 多尘 8 埃 强磁 辐射等恶劣环境下工作 而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 容易实现无级 调速 易实现过载保护 易实现复杂的动作等优点 所以 气动机械手被广泛应 用于汽车制造业 半导体及家电行业 化肥和化工 食品和药品的包装 精密仪 器和军事工业等 现代汽车制造工厂的生产线 尤其是主要工艺的焊接生产线 大多采用了气 动机械手 车身在每个工序的移动 车身外壳被真空吸盘吸起和放下 在指定工 位的夹紧和定位 点焊机焊头的快速接近 减速软着陆后的变压控制点焊 都采 用了各种特殊功能的气动机械手 高频率的点焊 力控的准确性及完成整个工序 过程的高度自动化 堪称是最有代表性的气动机械手应用之一 在彩电 冰箱等家用电器产品的装配生产线上 在半导体芯片 印刷电路等 各种电子产品的装配流水线上 不仅可以看到各种大小不一 形状不同的气缸 气爪 还可以看到许多灵巧的真空吸盘将一般气爪很难抓起的显像管 纸箱等物 品轻轻地吸住 运送到指定目标位置 对加速度限制十分严格的芯片搬运系统 采用了平稳加速的 SIN 气缸 气动机械手用于对食品行业的粉状 粒状 块状物料的自动计量包装 用于 烟草工业的自动卷烟和自动包装等许多工序 如酒 油漆灌装气动机械手 自动 加盖 安装和拧紧气动机械手 牛奶盒装箱气动机械手等 此外 气动系统 气动机械手被广泛应用于制药与医疗器械上 如 气动自 动调节病床 Robodoc 机器人 da Vinci 外科手术机器人等 1 5 发展前景及方向 1 5 1 重复高精度 精度是指机器人 机械手到达指定点的精确程度 它与驱动器的分辨率以及 反馈装置有关 重复精度是指如果动作重复多次 机械手到达同样位置的精确程 度 重复精度比精度更重要 如果一个机器人定位不够精确 通常会显示一个固 定的误差 这个误差是可以预测的 因此可以通过编程予以校正 重复精度限定 的是一个随机误差的范围 它通过一定次数地重复运行机器人来测定 随着微电 子技术和现代控制技术的发展 以及气动伺服技术走出实验室和气动伺服定位系 统的成套化 气动机械手的重复精度将越来越高 它的应用领域也将更广阔 如 核工业和军事工业等 9 1 5 2 模块化 有的公司把带有系列导向驱动装置的气动机械手称为简单的传输技术 而把 模块化拼装的气动机械手称为现代传输技术 模块化拼装的气动机械手比组合导 向驱动装置更具灵活的安装体系 它集成电接口和带电缆及气管的导向系统装 置 使机械手运动自如 由于模块化气动机械手的驱动部件采用了特殊设计的滚 珠轴承 使它具有高刚性 高强度及精确的导向精度 优良的定位精度也是新一 代气动机械手的一个重要特点 模块化气动机械手使同一机械手可能由于应用不 同的模块而具有不同的功能 扩大了机械手的应用范围 是气动机械手的一个重 要的发展方向 智能阀岛的出现对提高模块化气动机械手和气动机器人的性能起到了十分 重要的支持作用 因为智能阀岛本来就是模块化的设备 特别是紧凑型 CP 阀岛 它对分散上的集中控制起了十分重要的作用 特别对机械手中的移动模块 1 5 3 无给油化 为了适应食品 医药 生物工程 电子 纺织 精密仪器等行业的无污染要 求 不加润滑脂的不供油润滑元件已经问世 随着材料技术的进步 新型材料 如 烧结金属石墨材料 的出现 构造特殊 用自润滑材料制造的无润滑元件 不仅 节省润滑油 不污染环境 而且系统简单 摩擦性能稳定 成本低 寿命长 1 5 4 机电气一体化 由 可编程序控制器 传感器 气动元件 组成的典型的控制系统仍然是自动 化技术的重要方面 发展与电子技术相结合的自适应控制气动元件 使气动技术 从 开关控制 进入到高精度的 反馈控制 省配线的复合集成系统 不仅减 少配线 配管和元件 而且拆装简单 大大提高了系统的可靠性 而今 电磁阀的线圈功率越来越小 而 PLC 的输出功率在增大 由 PLC 直接 控制线圈变得越来越可能 气动机械手 气动控制越来越离不开 PLC 而阀岛技 术的发展 又使 PLC 在气动机械手 气动控制中变得更加得心应手 1 5 5 结束语 气动技术经历了一个漫长的发展过程 随着气动伺服技术走出实验室 气动 技术及气动机械手迎来了崭新的春天 目前在世界上形成了以日本 美国和欧盟 10 气动技术 气动机械手三足鼎立的局面 我国对气动技术和气动机械手的研究与 应用都比较晚 但随着投入力度和研发力度的加大 我国自主研制的许多气动机 械手已经在汽车等行业为国家的发展进步发挥着重要作用 随着微电子技术的迅 速发展和机械加工工艺水平的提高及现代控制理论的应用 为研究高性能的气动 机械手奠定了坚实的物质技术基础 由于气动机械手有结构简单 易实现无级调 速 易实现过载保护 易实现复杂的动作等诸多独特的优点 可以预见 在不久 的将来 气动机械手将越来越广泛地进人工业 军事 航空 医疗 生活等领域 1 6 机械手的技术参数列表 1 6 1 用途 在 60 吨冲床上 用机械手往冲床上上料 1 6 2 规格参数 1 抓重 约 1 公斤 2 自由度数 1 个 3 坐标形式 圆坐标 4 手臂运动参数 手臂回转角度 60 手臂送料频率 f 50 60 次 分 5 缓冲方式 机械摩擦 刹车式 缓冲 6 驱动方式 气压 7 控制方式 继电器固定程序控制 11 第二章机械手的设计 2 1 机械手的坐标形式 常见的工业机械手根据手臂的动作形态 按坐标形式大致可以分为以下 4 种 1 直角坐标型机械手 2 圆柱坐标型机械手 3 球坐标 极坐标 型机械手 4 多关节型机机械手 其中圆柱坐标型机械手结构简单紧凑 定位精度较高 占 地面积小 因此本设计采用圆柱坐标型 2 2 机械手吸盘的选用 真空元件 利用低于大气的真空状态作为动力源 也是实现自动化的一种手 段 真空吸附已广泛用于电子 轻工 印刷 塑料 包装机械 机器人等许多工 业设备中 真空发生装置有真空泵和利用压缩空气的真空的真空发生器两种 1 真空发射器 1 引射原理 从喷管内喷射出来的一股流体的流动成为射流 射流能卷吸周围的静止流体 和它一起向前流动 称为射流的卷吸作用 产生卷吸的原因是 射流射击的空气 团撞击射流两侧的静止气体 由于气体具有粘性 带动射流两侧的气体一起向前 运动 故源流动方向 射流的质量不断增加 主射流 将部分动量传递给卷入的 静止气体 则射流宽度逐渐加大 速度逐渐减小 如果在喷管外部套一个比喷管尺寸大的管道这样就限制了射流与外界的接 图 2 1 但从喷管出来的主射流 还是要卷吸一部分周围的流体向前运动 于是在射流周围形成一个低压区 管套重的流体便被吸进来 与主流混合后 经 管套的另一端流出 这种利用较高速的流体 将另一股流体 静止或低速流 吸 进来 相互混合后一起流出的现象称为引流现象 12 喷 管 套 管 低 压 区 图 2 1引射现象 2 工作原理 真空发射器通常是由先收缩后扩张的喷管 接收管 扩散腔和吸附口等组成 在喷管两端压差高于一定值后 喷管射出超声速射流或近声速流 由于高速射流 的卷吸作用将扩散腔的气体抽走 使该腔很低的真空度 在吸附口街上真空吸盘 便可形成一定的吸力 抓起各种物品 3 真空发射器的吸吊能力 真空发射的洗掉能力可按下式计算 anAPF 式中 F 吸吊能力 N P 真空度 MPa 若产品样本上真空度使用 mmHg 计量 可按 1mmHg 133 3Pa 换算 A 吸盘的有效面积 mm 一般取吸盘面积的 80 n 吸盘数量 a 安全系数 根据工作需要并参考同类产品选择 A 63 n 2 13 图 2 2吸盘 安全系数与吸盘吸吊物的受力状态 吸盘搬运物体的运动状态 如移动速度 摇摆 晃动或倾斜状态 吸附表面的粗糙度 吸附表面有无油分和吸附物的材 质等有关 被吊物的中心已于重心往往不处于同一直线上 各吸盘的受力往往也 是不一样的 水平起吊时 图 2 2 令 a 4 垂直起吊时令 a 6 8 吸吊 速度大于 400 s 时 a 应再增加 1 2 倍 2 3 机械手系统的控制回路 2 3 1 压力控制回路 在一个气动控制系统中 进行压力控制主要有二个目的 第一是为了提高系 统的安全性 在此主要指控制 次压力 如果系统中压力过高 除了会增加压缩 空气输送过程中的压力损失和泄漏以外 还会使配管或元件破裂而发生危险 因 此 压力应始终控制在系统的额定值以下 一旦超过了所规定的允许值时 能够 迅速溢流降压 第二是给元件提供良好的工作条件 如恰当且稳定的工作压力 等 这样才能充分发挥元件的功能和性能 这主要是指二次压力控制 一 一次压力控制回路 一次压力控制 是指把空气压缩机的输出压力控制在一定位以下 在一般情 况下 空气压缩机的出口压力为 0 8MPa 左右 并设置储气罐 用来储气 冷却 除水和稳定系统压力 在储气罐上装有压力表 安全阀和放水阀等如图 2 3 所 示 图中气源 1 可根据使用单位的具体条件 采用压缩空气站集中供气或小型空 气压缩机单独供气 只要它们的容量能够与用气系统压缩空气的消耗量相匹配即 可 当空气压缩机的容量选定以后 在正常向系统供气时 储气罐中的压缩空气 压力由压力表 4 显示出来 其值一般低于安全阀 3 的调定值 因此安全阀通常处 14 于关闭状态 当系统用气量明显减少 储气罐中的压缩空气过量而使压力升高到 超过安全阀的调定值时 安全阀自动开启溢流 使罐中压力迅速下降 当罐中压 力降至安全阀的调定值以下时 安全阀自动关闭使罐中压力保持在规定范围内 可见 安全阀的调定要妥当 若调得过高 则系统不够安全 压力损失利泄漏也 要增加 若调得过低 则会使安全阀频繁开用溢流而消耗能量 安全阀压力的调 定值 一般可根据气动系统工作压力范围 调整在 0 7MPa 左右 图 2 3一次压力控制回路 1 气源2 单向阀3 安全阀4 压力表5 储气罐 在选择安全阀的额定压力时 要尽量接近其调定时的最高值 这样可使安全 阀的溢流特性好些 安全阀除具有自动开启或关闭的功能外 一般都设有手动操 作机构 如遇自控系统失灵 可采取应急措施 用手动操作使其开卸压 由于安 全阀对供气系统起安全保护作用 因此 要经常检查其工作是否正常 尤其是某 些使用单位 把储气罐放在室外 长期日晒雨淋 安全阀容易诱蚀而失灵 因此 应有专人进行定期检查 检查方法可采用于手动试操作 如能启闭灵活 实现短 时开启放气即可 储气罐上的压力表也可以用电接点压力表 这样可自动控制罐内的压力范 围 当罐内压力达到电接点压力表调定的上限值时 通过电信号控制驱动空气压 缩机的电动机停转或使离合器脱开 让电动机空运转 以减少能耗 如果罐内压 力下降至电接点压力表调定的下限值时 这样可以通过电信号仪离合器结合或使 电动机运转 采用电接点压力表个仪可以自动控制罐内压力范围 还可以实现远 距离控制 这种控制方式常用于中小型空气压缩机 储气罐下端设有放水阀门 要定时放掉积水 一般要求每天放水 1 2 次 遇到阴雨季节 或沿海地区空气湿度较大 储气罐中凝结水份增多 应增加放水 次数 如果空气压缩机是间断性供气的 则要在每次启动空气压缩机之前 先 把罐的冷水放掉 如有条件安装自动放水装置 则可实现自放水 图中的单向阀 2 是防止压缩空气倒流而设置的 15 二 二次压控制回路 二次压力控制是指把空气压缩机输送出来的压缩空气 经一次压力控制后作 为减压阀的输入压力 p1 再经减压阀减压稳压后所得到输出压力 p2 称为二次压 力 作为气动控制系统的工作气压使用 可见 气源的供气压力 Pl 不能低于二 次压力所必须的调定值 在选用图 2 4 所示的回路时 可以用三个分离元件 即 空气过滤器 减压阀和油雾器 组合而成 也可以采用称为气动三联件的组合件 在组合时三个元件的相对位置不能改变 由于这种过滤器的过滤精度较高 因此 在它的前面还要加一级过滤装器 一般称前者为一次过滤 后者为二次过滤 若 控制系统不需要油雾润滑 加某些传盛器 高压截止式气动逻辑元件等 则可省 去油容器或在油容器之前用三调接头引出支路即可 如果在该回路的接上一个二 位二通截止阀 就可组成吹风 喷涂等简单的控制回路 图 2 4 二次压力控制回路 a 详图b 简图 1 空气过滤器2 减压阀3 油雾器 三 高低压选择回路 在实际应用中 某些气动控制系统需要有商 低压力的选样 例如 加工塑 料门窗的三点焊机的气功控制系统中 用于控制移动工作台的回趴的工作压力 0 25 一 0 3MPa 用于控制其它执行元件的回路的工作气压为 0 5 一 0 6MPa 又 如某些测试设备在测试气阀时要高压 而在测试传感元件时要用低压或微压 对 于这种情况若采用调节减压阀的办法来解决会感到十分麻烦 因此可采用如图 2 5 所示的高 低压选样回路 该回路只要分别调节减压阀 就能得到所得要的 高压和低压输出 在实际应用中 有时需要用同一根管路有时输出高压 有时输 出低压 例如 在粗 精镗铝合金活塞零件的径向孔时 需要用一只气缸压工件 后进行镗削加工 在进行粗镗时 由于镗削量较大需要施加较大的夹紧力 可选 用高压 在精镗时 为了防止工件变形 提高加工精度 需要施加较小的夹紧 16 图 2 5高低压选择回路 图 2 6换向阀高低选择回路 力 可选用低压实现这样的高压和低压转换 可用图 2 6 所示回路 当换向阀 有控制信号 K 时 换向阀换向处于上位 输出高压 当换向阀无控制信号 K 时 换向阀处于图示位置 输出低压 可实现低压输出 上述所提及的压力 都是指常用的工作压力值 一般为 0 4MPa 0 5MPa 如果系统压力要求很低 如气动测量系统 气动传感器等 其工作压力要求在 0 05MPa 以下 有时甚至更低 此时使用普通减压阀就不合适了 因为这种阀的输 出压力在 0 1MPa 以下时 调节的线性度很差了 因此 要选用精密减压阀或气 动定值器 它们的输出压力可用小量程压力表 或用汞柱式 水柱式测压计 来度 量 2 3 2 方向控制回路 方向控制回路又称换向回路 这种回路的应用极为普及 它主要是通过换向 阀的换向 来实现改变执行元件的运动方向的 控制换向阀换向有多种方式 常 用的有人控 机控 气控 电控和电气控等 下面介绍几种较典型的方向控制回 17 路 一 单作用气缸的换向回路 单作用气缸的换向回路如图 2 7 所示 当电磁换向阀通电时 该阀换向阀 处于右位 此时 压缩空气进入气缸的无杆腔 推动活塞并压缩弹笛使活塞杆伸 出 当电磁换向阀断电时 该阀复位至图示位置 活塞杆在弹簧力的作用下缩回 图 2 7 单作用的换向回路腔的余气经换向阀排气口排入大气 这种回路具有简 单 耗气少等特点 但气缸的有效行程减小 承裁能力随弹簧的压缩量而变化 在应用中气缸的有杆腔要设呼吸孔 否则 不能保证回路正常工作 二 双作用气缸的换向回路 双作用气缸的换向回路 可采用二位换向阀 也可以采用三位换向阀 如果 能够满足控制回路的要求 从成本上考虑 则应尽量采用二位换向阀 图 2 8 所示是一种采用二位五通双气换向阀的换向回路 当有 K1 信号时 换向阀换向 处于左位 气缸无杆腔进气 有杆腔排气活塞杆伸出 当 K1 信号撤除 加入 K2 信号时 换向阀处于有右位 气缸进 排气方向互换 活塞杆缩回 由于双气控 换向阀具有记忆功能 故气控信号 K1 K2 使用长信号或短信号均可 但不允许 K1 K2 两个信号同时存在 图 2 7单作用的换向回路图 2 8二位五通换向阀回路 1 换向阀2 单作用缸气缸 图 2 9 二位五通换向回路 18 三 差动控制回路 所谓差动控制是指气缸的无杆腔进气活塞杆伸出时 有杆腔的排气又回到 进气端的无杆腔 如图 2 9 所示 该回路用一只二位三通手拉阀控制差动式气 缸 当操作手拉阀使该阀处于右位时 气缸的无杆腔透气 有杆腔的排气经手拉 阀也回到无杆腔构成差动控制回路 该回路与非差动联接回路相比较 在输 入同等流量的条件下 其活塞的运动速度可以提高 但活塞杆上的输出力要减小 当操作手拉阀处于左位时 气缸有杆腔进气无杆腔余气经手拉阀排气口排空 活 塞杆缩回 四 多位运动控制回路 采用一只二位换向阀的换向回路 一般只能在气缸的二个终端位置才能停 止 如果要使气缸有多个停止位置 就必须要增加其它元件 若采用三位换向阀 则实现控制就比较方便了 组成回路详见图 2 10 该回路利用三位换向阀不同 的中位机能 得到不同的控制方案 其中图 2 10a 是中封式控制回路 当三位 换向阀两侧均无控制信号时 阀处于中位 此时 缸停留在某一位置上 当阀的 左端加入控制信号时 使阀处于左位 气流右端进气 左端排气 活塞向左运动 在活塞起动过程中若撤去控制信号 则阀在对中弹簧的作用下又回到中位 此时 气缸两腔里的压缩空气均被封住 活塞停止在某一位置上 要使活塞继续向左运 动 必须在换向阀左侧再加入控制信号 另外 如果阀处于中位上 要随活塞向 右运动 只要在换向阀右侧加入控制信号使阀处于右位即可 图 2 10b 和 c 所 示控制回路的工作原理与图 2 10a 的回路基本相同 所不同的是三位阀的中位 机能不一样 当阔处于中位时 图 2 10b 气缸两端均与气源相通 即气缸两腔 均保持气源的压力 由于气缸两腔的气源压力和有效作用面积都相等 所以活塞 处于平衡状态而停留在某一位置上图 2 10c 所示回路中气缸两腔均与排气口相 通 即两腔均无压力作用 活塞处于浮动状态 图 2 10多位运动控制回路 19 以上三种控制回路 可根据应用中的具体要求选用 各有利弊 图 2 10a 和 b 的控制回路在阀处于中位时 有较高的定位精度 其中加压型更好一些 因 中封型存在少许泄漏时 定位精度会受到一定的影响 图 2 10c 回路中气缸两 腔都处于卸压状态 活塞浮动 定位精度稍低一些 但一旦在活塞上加上外力 就能位活塞移动 要实现工作台手摇等操作比较方便 在实践中 控制气缸的多 位停止也有用制动缸来实现的 2 3 3 速度控制回路 速度控制主要是指通过对流量阀的调节 达到对执行元件运动速度的控制 对于气动系统来说 其承受的负载较小 如果对执行元件的运动速度平稳性要求 不很高 那么选择一定的速度控制回路 以满足一定的调速要求是可能的 对于 气动系统的调速来讲 较易实现气缸运动的快速性 是其特有的优点 但由于空 气的可压缩性 要想得到平稳的低速难度就大了 对此 可采取一些措施 如通 过气 液阻尼成气 液转换等方法 就能得到较好的平稳低速 众所周知 速度控制回路的实现 都是改变回路中流量阀的流通面积以达到 对执行元件调速的目的 其具体方法主要有以下几种 一 单作用气缸的速度控制回路 1 双向调速回路 如图 2 11 所示回路 采用了二只单向节流阀串联联接 分别实现进气节流 和排气节流来控制气缸活塞杆伸出和缩回的运动速度 图 2 11双向调速回路 1 换向阀2 单向节流阀3 单作用气缸 2 慢进快退调速回路 如图 2 12 所示 当有控制信号 K 时 换向阀换向 其输出经节流阀 快排 20 阀进入单作用缸的无杆腔 使活塞杆慢速伸出 伸出速度的大小取决于节流阀的 开口量 当无控制信号 K 时 换阀复位 无杆腔的余气经快排阀排入大气 活塞 图 2 12慢进快退调速回路 1 换向阀2 节流阀3 快排阀4 单作用气缸 杆在弹簧作用下缩回 快排阀至换向阀联接管内的余气经节流阀 换向阀的排气 口排空 这种回路适用于要求执行元件慢速进给 快速返回的场合 尤其适用于 执行元件的结构尺寸较大 连接管路长而细的回路 单作用气缸调速回路的优点比较简单 可省去一半管子 耗气量也可节省近 一半 不足之处是由于弹簧的存在 气缸的有效行程有所缩短 其输出力也随弹 簧的压缩量而有所变化 这种回路常用于调速要求不太高的场合 另外 使用这 种回路时 必须敞开气缸有杆腔的排气口 以保证气缸的正常吸气或排气 最好 在气缸有杆腔的接口上装一只消声器 这样既可降低噪声 又能起呼吸孔作用和 防尘作用 二 双作用气缸的速度控制回路 1 双向调速回路 图 2 13 所示是双作用气缸的双向调速回路 其中图 2 13a 为采用单向节 流阀的调速回路 图 2 13b 所示回路是在换向阀的排气口上安装排气节流阀的 调速回路 这两种调速回路的调速效果基本相同 都是属于排气节流调速 从成 本上考虑 图 2 13b 的回路经济一些 在采用图 2 13a 回路时 应注意不能把 单向阀接反 否则就会出现 因采用进气节流调速而产生的爬行等不良后果 21 图 2 13双向调速回路 a 使用单向节流阀b 使用排气节流阀 2 慢进快退调速回路 在许多应用场合 为了提高工作效率 希望气缸在空行程快速退回 此时 可选用图 2 14 所示的调速回路 当控制活塞杆伸出时 采用排气节流控制 活 塞杆慢速外伸 活塞杆缩回时 无杆腔余气经快排阀排空 使活宽杆快速缩回 若需要在活塞杆伸出和缩回时称快速运动 只要分别在气缸两端都接上快排阀 以上几种回路应用极为广泛 在选用时 应合理选择阀的通径和管件的尺寸 以确保调速回路的实际效果 图 2 14慢进快退调速回路 22 3 缓冲回路 对于气缸有效行程较长 速度较快的应用场合 为了避免活塞运动到终点时 撞击端盖 一般要有缓冲措施 气缸的终端缓冲 可采用缓冲气缸 也可以通过 缓冲回路来实现 在此仅介绍两种缓冲回路 如图 2 15 所示 当图 2 15a 回 路的换向阀有控制信号 Kl 时 该阀处于左位 压缩空气经快排阀进入气缸的无 杆腔 有杆腔余气经换向阀排气口排空 活塞杆快速伸出 当换向阀右侧有控制 信号 K2 时 该阀处于右位 气缸有杆腔进气 无杆腔排气 活塞杆缩回 由于 回路中节流阀 4 的开口量调得较小 其气阻较大 使气缸无杆腔的排气受阻而产 生一定的背压 余气只能经快排阀 3 溢流阀 2 和节流阀 1 开口量比节流阀 4 大 排空 当气缸活塞左移接近终端 无杆腔压力下降至打不开溢流阀时 剩余 气体只能经节流阀 4 换向阀的排气口排出 从而取得缓冲效果 选用这种缓冲 回路时 要仔细凋节才能取得良好的缓冲效果 在调试时 要把溢流阀 2 节流 阀 1 的气阻 压降 之和调得比节流阀 4 的气阻小一些 图 2 15b 所示回路是单 向节流阀与二位二通机控行程阀配合使用的缓冲回路 当换向阀处于左位时 气 缸无杆腔进气 活塞杆快速伸出 此时 有杆腔余气经二位二通行程阀 换向阀 排气口排空 当活塞杆伸出至活塞杆上的挡块压下二位二通行程阀时 二位二通 行程阀的快速排气通道被切断 此时 有杆腔余气只能经分流阀和换问阀的排气 口排空 使活塞的运动速度由快速转为慢速 达到了缓冲的目的 这种缓冲回路常用于惯性力较大的场合 可压缩性 要实现完全缓冲是很困 难的 图 2 15缓冲回路 a 1 节流阀2 溢流阀3 快排阀4 节流阀 b 1 气缸2 单向节流阀3 行程阀 23 三 气 液联动的速度控制回路 采用气 液联动 得到平稳运动速度的常用方式有两种 一种是应用气 液 阻尼缸的回路 另一种是应用气 液转换器的速度控制回路 这两种调速回路都 不需要设置液压动力源 却可以获得如液压传动那样平稳的运动速度 并可实现 无级调速 1 气 液阻尼缸调速回路 1 慢进快退回路 在许多应用场合 如组合机床的动力滑台 一般都希望以平稳的运动速度实 现进给运动 在返程时则尽可能快速 以利于提高工效 这样的调速回路如图 2 16 所示 由图可知 气 液阻尼缸是由气缸和阻尼缸串联接而成的 气缸是 动力缸 油缸是阻尼缸 当换向阀处于左位时 气缸无杆腔进气 有杆腔排气 活塞杆伸出 此时 油缸右腔的油液经节流阀流到左腔 其活塞的运动速度取决 于节流阀开口量的大小 由于油液可视为不可压缩的流体 因此能够得到像液压 传动那样的平稳的运动速度 当换向阀处于右位时 气缸活塞杆缩回 此时 油 缸左腔的油液经单向阀流回右腔 因液阻很小 故可实现快退动作 采用气 液阻尼缸的调速回路 把单出杆缸作为气缸 以取得较大的推力 把双出杆缸作为油缸 即阻尼缸 以使两腔取得等量的回油量 所设油杯是补油 用的 其作用是防止油液泄漏以后惨入空气而使调速平稳性变差 它应放置在比 缸高的地方 图 2 16慢进快退调速回路 1 气 液阻尼缸2 油杯3 单向节流阀4 换向阀 2 变速回路 在生产实际中 如为了提高金属切削机床的工作效率 希望刀架快速接近工 24 件 然后进行慢速切削加工 加工完毕后 立即快速退回原位 因此 在行程中 途要进行速度换接 图 2 17 所示是两种速度换接回路 其中图 2 17a 回路的 换问阀处于左位时 活塞杆伸出 在伸出过程中 a b 段为快速进给行程 见图 2 17c 6 为速度换接点 b c 段行程为慢速进给 进给速度取决于节流阀的开 口量 接向阀处于右位时 活塞杆快速缩回 油缸左腔油液经单向阀快速流回右 腔 图中 a b 段可通过外接管路沟通 也可在油缸内壁加工一条较窄助长槽沟通 图 2 17b 是借助于二位二通行程阀实现速度换接的 当活塞秆伸出时 在其上 的挡块木压下行程阀时 实现快速进给 一旦挡块压下行程阀时 就变快进为慢 进运动 活塞杆缩回时同样为快速运动 可见 这两种变速回路基本相同 其不 同之处是 前者速度换接的行程不可变 外接管路简单 后者安装行程阀要占空 间位置 但只要改变行程阀的安装位置 就可改变速度换接的行程 图 2 17变速回路 另外 必须指出 在选择上述几种用气 液阻尼缸的调速回路时 除了上面 已经提及的有关问题外 还应注意以下几点 1 气缸与油缸可以串联联接 也可以并联联接 前者结构比较紧凑 但加工精 度要求高 装配比较闲难 后者加工及装配要求有所降低 但工作时会产生一个 附加力矩 因此 要有良好的导向措施 2 凡是使阻尼缸产生阻尼的阀类 如调速阀和行程阀等均采用液压元件 3 如需要实现双向调速时 要对阻尼缸采取相应的调速措施 2 气 液转换器的调进回路 采用气 液转换器的调速回路与采用气 液阻尼缸的调速回路一样 也能得 25 到平稳的运动速度 在图 2 18a 回路中 当换向阀处于左位时 压缩空气进入 气 液缸的无杆腔 推动活塞右移 有杆腔油液经节流阀 进入气 液转换器的 下端 上端的压缩空气经换向阀排气口排出 此时 活塞杆以平稳的慢速伸出 伸出的速度由节流阀调节 当换向阀处于右位时 压缩空气进入气 液转换器的 上端 油液受压后从下端经单向阀进入气 液缸的有杆腔 活塞杆缩回 无杆腔 的余气经换向阀的排气口排空 气液缸的活塞伸出时 如需速度换接时 可借助 与图 2 18b 所示的带机控行程阀的回路 在此回路中的活塞杆伸出过程中 当 其挡块未压下行程阀时为快速运动 一旦压下行程阀时 就立刻转为慢速运动 进给速度取决于节流阀的开口量 选用这种回路时要注意气液转换器的安装位 置 正确的方法是气腔在上液腔在下 不能颠倒 采用气液转换器与采用气液阻尼缸进行调速效果基本相同 但前者不受安装 位置的限制 可任意安装在方便的地方 而且加工简单 工艺性好 若要实现双 向调速 则可采用两只气液转换器分别串联在气液缸的两端即可实现 图 2 18气 液转换器的速度控制回路 a 1 气 液缸2 单向节流阀3 气 转换器4 换向阀 b 1 气 液缸2 行程阀3 单向节流阀4 气 液转换器5 换向阀 2 4 机械手的传动系统 气压系统图的绘制是设计气压机械手的主要内容之一 气压系统图是各种气 26 压元件为满足机械手动作要求的有机联系图 它通常由一些