机械手气动回路设计.docx

机械手气动系统的设计气压传动是依靠空气或其他气体作为介质，将压缩气体的压力能转化为机械能的一种传动方式。近20年来，随着PLC技术与气动技术的结合，使得整个气压传动系统在多种自动化生产线上得到了广泛的应用。气压传动以空气作为介质，取用方便没有污染，用完可以直接排入大气;由于空气黏度很小，所以气压传动可以实现中、远距离输送;气压传动的环境适应性好，无论在易燃、易爆，多尘埃、振动等环境中气压传动均能安全可靠的工作。但是，气压传动噪声较大，必须在排气端加装消声器来降低噪声。气压传动系统主要由气体发生装置、执行元件、控制元件以及辅助元件四部分构成。气体发生装置将原动机提供的机械能转变成气体的压力能，一般使用空气压缩机。执行元件是以压缩空气为介质产生机械运动，将气体的压力能转变为机械能以驱动工作部件，包括气缸和气动马达。控制元件用来调节和控制压缩空气的压力、流量和流向，使执行机构按要求的程序和性能工作。控制元件种类比较多，基本包括压力、流量和方向三大类的各种阀。辅助元件是使压缩空气净化、润滑、消声以及用于元件间连接等所需要的一些装置，如分水过滤器、油雾器、消声器等。由于气压传动技术具有控制动作迅速、反应快等优点，为了保证产品的一致性，减轻工人体力劳动，提高生产效率降低成本，气压传动技术广泛应用在生产自动化领域，尤其在生产线的连接中使用更加广泛。这项技术应用在注塑机械手上，可以明显降低机械手的重量，降低机械手总体的能耗，使得机械手产品变的更具有竞争力16，17。1 气动系统总体方案描述本课题设计的机械手所拾取的工件为注塑件，不具磁性起模面一般是规则的表面，最大重量为5kg，在拾取时不能划伤工件，一次只能拾取一件。由于废料在工件顶出以后仍与工件相连，需要有效的夹断废料，同时废料的夹持必须可靠以防止落入注塑机中。最后工件的翻转还要求工作平稳快速。基于以上的要求选用气动设备来完成拾取的工作。在端拾器上安装真空吸盘，采用真空吸盘抓取和放置工件，能够有效地保护工件表面不被划伤，工件只受到自身重力作用，端拾器上的真空吸盘不给工件施加其他方向的力，工件在输送过程中不会产生变形。另外，端拾器上的真空吸盘可以根据被抓取工件的形状和尺寸调整自身位置。根据被抓取工件的重量，对真空系统中的元器件进行选型设计与计算，保证真空吸盘吸取工件之后工件不能脱落。安装的副臂上的气爪能够提供足够的夹紧力，有效夹断及夹持废料。翻转气缸采用气缓冲工作平稳、准确、快速完全能够满足小重量工件的翻转。机械手的气回路要完成的动作包括：主臂工件的翻转、主臂工件的吸取、副臂废料的夹持。其中，工件翻转由气缸配合手部的翻爪组件来实现；工件的吸取/释放采用安装在端拾器中的吸盘来完成；最后废料的夹持，使用专用气爪来实现。推动翻爪翻转的气缸为双作用单杆活塞气缸，采用调速阀进行调速。吸盘的真空吸力使用专用的真空发生器来产生。真空吸盘的压力采用专门的真空压力开关进行检测。夹取气缸使用弹簧复位的单作用气缸。各个气动执行元件，均采用对应的电磁阀进行控制，在回路进气口安装有气动三连件进行气源的过滤，由于气压传动采用空气作为介质，摩擦较小，在气回路中不需要使用油雾器进行润滑，故省略油雾器。在各个排气孔配置消声器消减排气的噪音。整个气压传动部分的回路原理图如图3-14所示。2翻转气缸的设计与选型气回路系统的气源采用一般工厂气源，工作压力为0.40.6Mpa,气缸的机械效率=0.8，翻转所用时间t=1.5s(1)确定气缸类型根据设计要求翻转气缸需要用气缸杆做伸缩运动来带动翻转机构完成工件翻转的动作，可采用单杆双作用式气缸。同时为了能够使PLC检测到翻转机构运动，气缸的活塞中需要带有磁环，配合装在气缸壁外侧的磁性开关来检测信号16。图3-14 气压传动部分回路原理图 Fig. 3-14 schematic diagram of air-operated system (2)计算气缸的直径D要计算气缸的直径首先要计算气缸的工作负载。气缸的工作负载是指工作机构在满负荷情况下，以一定加速度启动时对气缸产生的总阻力。 （3-6）其中：为工作机构的负载、自重等对气缸产生的作用力，这里就取最大抓取工件的重量5kg然后乘上一个安全系数1.5。为工作机构在满负载下启动的静摩擦力，由公式得其中：为摩擦因数，G为机构的自重为气缸运动的惯性载荷，这里取15N所以=73.58+13.25+15=101.83 N由公式 （3-7）其中：D缸筒直径 d活塞杆直径取 气缸的工作负载。 p系统的工作压力取0.4Mpa 气缸的机械效率取0.8这里气缸直径计算值取22mm。 (3)选择气缸根据气缸直径以及设计要求，选择日本SMC公司的CDM2E32-50A型气缸。气缸的直径D=32mm，气缸行程s=50mm，活塞杆直径d=12mm，气缸带有2个磁性开关，活塞带有磁环。（4）验算气缸力的大小 （3-8）气缸的推力满足要求。（5）耗气量计算取气缸的容积效率，使用SMC气缸选型软件计算气缸的耗气量为3气爪的设计与选型由于气爪所抓取的废料重量非常轻，对设计要求不是很严格，因此首先对气爪进行选型，然后再校核其参数。根据设计要求选用日本SMC的MHC2-6S-M9B支点开闭型气爪。其闭合时需要通气，而张开时有弹簧拉动。在气爪外侧可安装磁性开关来检测气爪活塞的位置，将气爪的动作反应给机械手PLC。1.夹紧力的计算虽然要夹取的废料很轻，但是为了保证机械手夹取的有效性，夹紧力要按夹取物重量的10倍进行计算。夹取过程如图所示即手指和工件之间的摩擦力要大于工件的重量。夹紧力按公式3-9计算。图3-15 夹钳加持受力图 Fig. 3-15 free-body diagram of working clamp （3-9）其中：为塑料与塑料的摩擦系数取0.2 ；a为安全系数取4,m为废料的重量这里按0.01kg计算。2.耗气量计算经查SMC气缸手册可得MHC2型气爪活塞行程s=10mm；活塞直径D=70mm；反应时间t=0.5s。取气缸的容积效率，气缸的耗气量为 18 （3-10）4吸盘及真空发生器的设计与选型机械手的主臂主要完成的动作是将工件从注塑机模具中取出，为了完成动作同时又要保证注塑件不被机械手划伤，必须使用根据模具尺寸专门设计的端拾器同时在端拾器上安装吸盘。吸盘产生真空吸力的方法主要有2种：一种是由真空泵产生真空，它是利用密封气体体积的增大来产生真空的；另一种是由真空发生器产生真空，是利用压缩空气的高速流动产生真空。真空泵需要专门装置结构比较复杂，而使用真空发生器不需要专门的动力装置，结构简单，使用寿命长19。故本课题选用真空发生器来制造真空产生吸力。1.吸盘的选型计算吸盘的选型主要需要计算吸盘的直径，根据公式可得： （3-11）其中：a安全系数，一般情况下，水平吸取工件时a4，这里取a=6n真空吸盘布置的数量，n=4p真空吸盘内的真空度G最大吸取重量 一般情况下取真空发生器的最大真空度pv的63%95%，由于抓取得工件重量不重这里取63%，以缩短真空吸盘的吸附时间。选用SMC标准ZH型真空发生器，其最大真空度为-88kPa。p=0.63pv=0.6388kPa=55.44 kPa=0.055MPa 根据所得结果选取日本SMC公司的ZPT40D标准吸盘，吸盘直径D=43mm。2.真空发生器的选型计算吸盘只是一个执行工具，真正产生真空吸力的是真空发生器。真空发生器是一种利用正压气源产生负压的小型的真空元器件，这使得在有压缩空气的地方，或在一个气动系统中同时需要正负压的地方获得负压变得十分容易和方便。在工业自动化中机械、电子、包装、印刷、塑料及机器人等领域，使用真空发生器与吸盘配合，可以进行各种物料的吸附、搬运，尤其适合于吸附易碎、柔软、薄的板料或球形物体。1）计算真空发生器的真空度前面在计算吸盘时已经选择了SMC公司ZH系列标准真空发生器，其最大真空度为：pv=88Kpa。根据公式 来计算实际所需的真空量然后与最大真空量进行比较。 （3-12）所以满足设计要求。在治具上一共有4个吸盘，采用一个吸盘配一个真空发生器的形式。2）真空发生器平均吸入空气流量（即耗气量）根据公式 （3-13）其中：Q真空发生器平均吸入空气流量 V真空发生器到真空吸盘的配管的体积单位为L，本课题选用内径为6mm的软管，长度为0.5m, 一个真空发生器配带一个真空吸盘。 T真空发生器的动作时间，这里取1s3）真空发生器的最大吸入流量根据公式 （3-14） 对于真空发生器而言，系数 ，最终选择日本SMC的ZH15BS-02-03-03型真空发生器，喷嘴直径1.5mm，最大吸入流量为55L/min ，空气消耗量为95L/min19,20。5 控制元件的选型根据系统对控制元件工作压力及流量的要求，使用SMC专用的选型软件来选定气压传动系统的控制元件，然后针对选型结果做出相应调整。调速阀、换向阀以及真空压力开关都在控制回路上，统一选取控制回路的通径为6mm。1. 换向阀选型翻转气缸换向阀：根据计算结果系统要求压力p=0.4Mpa, 选取SY52205GD01C6型2位5通双电控型电磁阀。使用DC24V电源，配管直径为C6。气爪换向阀：根据计算结果q= 选取SY31205GD01C6型2位5通单电控型电磁阀。使用DC24V电源，配管直径为C6。吸盘换向阀选型：根据计算结果Q=0.763L/min选取SY51205GD01C6型2位5通单电控型电磁阀。使用DC24V电源，配管直径为C6。2.调速阀选型翻转气缸的运行速度使用调速阀进行控制。调速阀是一种通过调节气体流量的大小来控制气动元件速度的元件。根据气缸的最大流量q=0.1*Q Q=370 l/min选择调速阀型号:AS2201F-02-06S，调速方式采用排压调速20。3.真空压力开关的选型为了提高机械手的自动化程度，保证工件拿取能够连续、可靠、安全地运行，气动真空系统部分需要随时向机械手PLC反馈真空吸盘内的真空度，以确定真空吸盘是否吸取或放置了工件，以方便机械手PLC进行下一步操作，而这个采集数据与反馈数据的任务就是由真空压力开关来完成的21。本课题采用由SMC公司生产的ZSE30系列2色显示高精度数字式真空压力开关。这种真空压力开关具有如下特点：数字用2色显示，可根据使用用途自由设定；安装更省空间；显示值有微调功能。真空压力开关的规格型号为ZSE30A-01-N-MLA120。6 辅助元件的选型气动辅助元件的选型主要是选择减压阀、空气过滤器以及消声器。其中减压阀需要按照气路中流量和压力最大的元件来选。根据翻转气缸的流量选取同时具有过滤和减压功能的过滤减压阀，型号为：AW30-03BDE。消声器选择SMC的AN30型消声器20。7压力损失的校核由于翻转气缸的耗气量比较大因此有必要验算从供气管到气缸进口段的压力损失是否在允许范围以内，即1. 沿程压力损失的计算 （3-15）式中：为沿程阻力系数值由雷诺数Re和管壁相对粗糙度确定 为管道的长度，单位m;d为管道直径，单位m v为气体的运动速度，单位m/s 为空气的密度，单位。这里取5.77在计算沿程压力损失时，需要按照气管的直径进行划分。如图，AB段气管的直径d=12mm，气管长度l=1m,流量q取气缸流量的2倍。查表得空气的动力粘度根据、查手册得=0.0265则图3-16 AB段压力损失 Fig. 3-16 pressure loss of AB section同理CD段：d=6mm,l=1m, ，流量q直接取气缸的流量。根据公式可以直接求得AD段总的沿程压力损失为：2局部压力损失的计算查手册确定入口处局部阻力系数，B处汇流板处的局部阻力系数整个气管的局部阻力系数，D处入口的局部阻力系数换向阀的局部压力损失。则流经管路中的局部压力损失为：查表得流经过滤减压阀的压力损失，经过换向阀的压力损失经过节流阀的压力损失则经过元件的压力损失为总的局部压力损失为总的压力损失为取安全