自动生产线上料系统设计

自动生产线上料系统设计摘要近年来，工业机械手在国民经济的各个部门得到了广泛的应用，采用机械手能够代替人工操作，大幅度减轻了操作者的劳动强度，提高了生产效率，节约了加工时间，提高了机械自动化生产水平，降低了企业成本。本文以天煌 THMSRX-3 型自动生产线为平台，对该自动生产线的上料机构进行设计和分析，在实用的基础上，对自动上下料机械手直臂与夹持部件进行设计与仿真，该上料机械手具备手臂的回转运动，手臂的伸缩运动，手爪的上下运动三个自由度。机械部分的设计采用了气动方式实现，机械部分主体分为手爪、手臂、腰臂几个部分。整体机械手为直角坐标型，结构简单可靠，精度高。最后，本文对上料机构进行了 PLC 机电控制系统的设计与仿真。关键词：机械手；天煌；上料；目录摘 要 _2目录 _31 绪论 _41.1 本文研究背景及意义 _41.2 国内外研究现状 _52 上料系统的总体设计 _82.1 天煌 THMSRX-3 型自动生产线为平台概述 _82.2 拟定总体设计方案 _93 上料系统的详细设计 _143.1 手 部 夹 紧 气 缸 的 设 计 计 算 _143.2 手 爪 升 降 气 缸 的 设 计 与 选 择 _173.3 手 臂 伸 缩 气 缸 的 设 计 与 选 择 _183.4 手 臂 回 转 气 缸 的 设 计 与 选 择 _213.5 气 路 系 统 的 设 计 与 选 择 _224 控制系统的设计与仿真 _264.1 PLC 控 制 系 统 设 计 _264.2 宇 龙 平 台 的 仿 真 _27总结 _29参考 文献 _301 绪论1.1 本文研究背景及意义随着社会的进步和经济的发展,客户对产品的需求呈现多样化,产品更新换代的周期越来越短,同时,人类社会对产品的功能与质量的要求越来越高,产品的复杂程度也随之增高。在这种情况下,为了赢得市场制造企业必须按照用户的不同要求开发新产品,传统的单品种、大批量的生产方式受到了挑战,这种挑战不仅对中小企业形成了威胁,同时也困扰着大中型企业。我们知道只有品种单一、批量大、设备专用、工艺稳定、效率高,才能构成规模经济效益;反之,多品种、小批量生产,设备的专用性低,在加工形式相似的情况下,频繁的调整工具,工艺稳定性难度增大,生产效率势必受到影响而降低。为了同时提高制造工业的柔性和生产效率,使之在保证产品质量的前提下,缩短产品生产周期,降低产品成本,使中小批量生产能与大批量生产抗衡,柔性自动化系统便应运而生。采用自动线进行生产的产品应有足够大的产量；产品设计和工艺应先进、稳定、可靠，并在较长时间内保持基本不变。在大批、大量生产中采用自动线能提高劳动生产率，稳定和提高产品质量，改善劳动条件，缩减生产占地面积，降低生产成本，缩短生产周期，保证生产均衡性，有显著的经济效益。本文根据自动生产线上的自动化需求设计了一个机械手上料系统，实现生产的自动化。该机械手选用圆柱坐标型，能实现机械手的伸缩，升降，旋转，加紧和放松等动作；驱动系统采用气压驱动，实现了伸缩、升降、旋转、夹紧和放松等动作。控制系统采用 PLC 控制，机械手设手动和自动两种工作方式，可以通过转换开关进行工作方式转换。系统设有报警功能，当机械手出现故障时，能及时报警。同时采用了 RGB 颜色传感器检测物料的颜色，可以对不同颜色的物料进行分拣。随着机电一体化在各个领域的应用，机械设备的自动控制成分显得越来越重要，由于工作的需要，人们经常受到高温、腐蚀及有毒气体等因素的危害，增加了工人的劳动强度，甚至于危机生命。因此机械手就在这样诞生了,机械手是机械手系统中传统的任务执行机构，是机器人的关键部件之一。其中的工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术，它的发展是由于其积极作用正日益为人们所认识：它能部分地代替人工操作；能按照生产工艺的要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送和装卸；广泛的应用机械手，可以逐步改善劳动条件，更强与可控的生产能力，加快产品更新换代，提高生产效率和保证产品质量，消除枯燥无味的工作，节约劳动力，提供更安全的工作环境，降低工人的劳动强度，减少劳动风险，提高机床，减少工艺过程中的工作量及降低停产时间和库存，显著地提高劳动生产率，提高企业竞争力，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。本设计拟开发的上料机械手可在空间抓放物体，动作灵活多样，可代替人工在高温和危险的作业区进行作业，可抓取重量较大的工件，采用 PLC 控制，和传统继电器控制相比较，具有稳定性高，接线简单，抗干扰能力强，维修方便等优点。可以简化控制线路，节省成本，进一步提高劳动生产率。1.2 国内外研究现状目前，国际上的机械手公司主要分为日系和欧系。日系中主要有安川、oTC、松下、FANLUC、川崎等公司的产品。欧系中主要有德国的 KUKA、CLOOS、瑞典的 ABB 公司。我国机械手起步于 20 世纪 70 年代初期，经过 30 多年发展，大致经历了 3个阶段：70 年代萌芽期，80 年代的开发期和 90 年代的应用化期。在我国，机械手市场份额大部分被国外机械手企业占据着。在国际强手面前，国内的机械手企业面临着相当大的竞争压力。如今我国正从一个“制造大国”向“制造强国”迈进，中国制造业面临着与国际接轨、参与国际分工的巨大挑战，对我国工业自动化的提高迫在眉睫，政府务必会加大对机器人的资金投入和政策支持，将会给机械手产业发展注入新的动力。从二十世纪 20 年代开始，随着汽车、滚动轴承、小型电动机和缝纫机等工业发展，机械制造中开始出现自动线，最早出现的是组合机床自动线。在此之前，首先是在汽车工业中出现了流水生产线和半自动生产线，随后发展成为自动线。第二次世界大战后，在工业发达国家的机械制造业中，自动线的数目出现了急剧增加。 采用自动线进行生产的产品应有足够大的产量；产品设计和工艺应先进、稳定、可靠，并在较长时间内保持基本不变。在大批、大量生产中采用自动线能提高劳动生产率，稳定和提高产品质量，改善劳动条件，缩减生产占地面积，降低生产成本，缩短生产周期，保证生产均衡性，有显著的经济效益。 机械制造业中有铸造、锻造、冲压、热处理、焊接、切削加工和机械装配等自动线，也有包括不同性质的工序，如毛坯制造、加工、装配、检验和包装等的综合自动线。 自动线中设备的联结方式有刚性联接和柔性联接两种。在刚性联接自动线中，工序之间没有储料装置，工件的加工和传送过程有严格的节奏性。当某一台设备发生故障而停歇时，会引起全线停工。因此，对刚性联接自动线中各种设备的工作可靠性要求高。 在柔性联接自动线中，各工序(或工段)之间设有储料装置，各工序节拍不必严格一致，某一台设备短暂停歇时，可以由储料装置在一定时间内起调剂平衡的作用，因而不会影响其他设备正常工作。综合自动线、装配自动线和较长的组合机床自动线常采用柔性联接。 切削加工自动线在机械制造业中发展最快、应用最广。主要有：用于加工箱体、壳体、杂类等零件的组合机床自动线；用于加工轴类、盘环类等零件的，由通用、专门化或专用自动机床组成的自动线；旋转体加工自动线；用于加工工序简单小型零件的转子自动线等。 自动线的工件传送系统一般包括机床上下料装置、传送装置和储料装置。在旋转体加工自动线中，传送装置包括重力输送式或强制输送式的料槽或料道，提升、转位和分配装置等。有时采用机械手完成传送装置的某些功能。在组合机床自动线中当工件有合适的输送基面时，采用直接输送方式，其传送装置有各种步进式输送装置、转位装置和翻转装置等对于外形不规则、无合适的输送基面的工件，通常装在随行夹具上定位和输送，这种情况下要增设随行夹具的返回装置。 自动线的控制系统主要用于保证线内的机床、工件传送系统，以及辅助设备按照规定的工作循环和联锁要求正常工作，并设有故障寻检装置和信号装置。为适应自动线的调试和正常运行的要求，控制系统有三种工作状态：调整、半自动和自动。在调整状态时可手动操作和调整，实现单台设备的各个动作；在半自动状态时可实现单台设备的单循环工作；在自动状态时自动线能连续工作。 控制系统有“预停”控制机能，自动线在正常工作情况下需要停车时，能在完成一个工作循环、各机床的有关运动部件都回到原始位置后才停车。自动线的其他辅助设备是根据工艺需要和自动化程度设置的，如有清洗机工件自动检验装置、自动换刀装置、自动捧屑系统和集中冷却系统等。为提高自动线的生产率，必须保证自动线的工作可靠性。影响自动线工作可靠性的主要因素是加工质量的稳定性和设备工作可靠性。 自动线的发展方向主要是提高生产率和增大多用性、灵活性。为适应多品种生产的需要，将发展能快速调整的可调自动线。 数字控制机床、工业机器人和电子计算机等技术的发展，以及成组技术的应用，将使自动线的灵活性更大，可实现多品种、中小批量生产的自动化。多品种可调自动线，降低了自动线生产的经济批量，因而在机械制造业中的应用越来越广泛，并向更高度自动化的柔性制造系统发展。自动生产线的维修和保养 自动生产线节省了大量的时间和成本，近来，在工业发达的城市，自动生产线的维修成为热点。自动生产线维修主要靠操作工与维修工来共同完成。 随着机械手发展的深度和广度以及机器人智能水平的提高，机械手已在众多领域得到了应用。从传统的汽车制造领域向非制造领域延伸。如采矿机器人、建筑业机器人以及水电系统用于维护维修的机器人等。在国防军事、医疗卫生、食品加工、生活服务等领域机械手的应用也越来越多。在未来几年，传感技术，激光技术，工程网络技术将会被广泛应用在机械手工作领域，这些技术会使机械手的应用更为高效，高质，运行成本低。据猜测，今后机器人将在医疗、保健、生物技术和产业、教育、救灾、海洋开发、机器维修、交通运输和农业水产等领域得到应用。2 上料系统的总体设计2.1 天煌 THMSRX-3 型自动生产线为平台概述天煌 THMSRX-3 型自动生产线平台是典型的模块式柔性自动化生产线实训系统，是一种最为典型的机电一体化、自动化类产品，它是为职业院校、技工学校、教育培训机构等而研制的，它适合机械制造及其自动化、机电一体化、电气工程及自动化、自动化工程、控制工程、测控技术、计算机控制、自动控制、机械电子工程、机械设计与理论、等相关专业的教学和培训。它在接近工业生产制造现场基础上又针对教学进行了专门设计，强化了各种控制技术和工程实践能力。实训系统由 8 个单元组成。分别为：上料检测单元、搬运单元、加工与检测单元、搬运分拣单元、变频传送单元、安装单元、安装搬运单元和分类单元，控制系统可以选用西门子，三菱或欧姆龙的 PLC 进行控制，具有较好的柔性，即每站各有一套 PLC 控制系统独立控制，在基本单元模块培训完成以后，又可以将相邻的两站、三站直至八站连在一起，学习复杂系统的控制、编程、装配和调试技术。实训系统包含了机电一体化专业中的气动、电机驱动与控制、PLC、传感器等多种控制技术，适合相关专业学生进行工程实践、课程设计及初上岗位的工程技术人员进行培训，是培养机电一体化人才的理想设备。天煌 THMSRX-3 型系统将机械、气动、电气控制、电机传动、传感检测、PLC 以及工业网络控制技术有机地进行整合，结构模块化，便于组合，可以完成各类单项技能训练和综合性项目训练。可以进行机械部件安装与调试、气动系统的安装与调试、电气控制电路的安装和 PLC 编程、机电设备安装与调试、自动控制系统安装与调试、工业网络控制系统安装与调试于一体，能较好地满足实训教学、工程训练的需要。天煌 THMSRX-3 型系统无论机械结构还是控制，都采用统一标准接口，具有很高的兼容和扩展性，随工业现场技术的快速发展，本系统可以紧跟现场技术升级扩展，深入地满足实训教学的需要。天煌 THMSRX-3 型系统可以锻炼学习者创新思维和动手能力，学习者可以利用本系统从机械组装、电气设计、接线、PLC 编程与调试、现场总线组建与维修等方面进行工程训练。西门子 PLC 采用西门子 PROFIBUS-DP 网络通信，使各站之间的控制信息和状态数据能够实时相互交换，配有 10.4 英寸，256 色工业彩色触摸屏，实现工业控制。天煌 THMSRX-3 型主要技术参数如下：1.输入电源：单相三线 AC220V10% 50Hz2.工作环境：温度-1040 相对湿度85%（25）海拔4000m3.装置容量：1.5kVA4.外形尺寸：380cm170cm140cm 5.安全保护：具有漏电压、漏电流保护，安全符合国家标准2.2 拟定总体设计方案本课题主要研究了国内外机械手发展的现状，阐述了教学型机械手的功能要求和现实意义，通过对机械手工作原理的学习和了解，熟悉了机械手的运动机理。在现有机械手技术基础上，确定了教学型搬运机械手的基本系统结构，对机械手的运动进行了简单的力学模型分析，完成了机械手传动部分、执行系统、驱动系统等系统的相关设计，并对机械手的控制技术进行了一定的阐述。本次设计的机械手是一台教学用搬运机械手，实现手部四自由度运动，完成物件的搬运工作。能通过相关的演示可以给学生直观的印象，在这种前提和背景下，这就要求所设计的机械手达到以下目标：1.成本低廉，必要时可以降低精度要求；2.机械结构简单，便于学生掌握机械手结构特点；3.性能良好，可以较好的完成演示动作；4.各部分结构最好方便拆卸，以便于维修保养。对气动机械手的基本要求是能快速、准确地拾放和搬运物件，这就要求它们具有高精度、快速反应、一定的承载能力、足够的工作空间和灵活的自由度及在任意位置都能自动定位等特性。设计气动机械手的原则是:充分分析作业对象(工件)的作业技术要求，拟定最合理的作业工序和工艺，并满足系统功能要求和环境条件;明确工件的结构形状和材料特性，定位精度要求，抓取、搬运时的受力特性、尺寸和质量参数等，从而进一步确定对机械手结构及运行控制的要求；尽量选用定型的标准组件，简化设计制造过程，兼顾通用性和专用性，并能实现柔性转换和编程控制。本次设计的机械手是一台教学用搬运机械手，通过相关的演示可以给学生深刻的印象，在这种前提和背景下，这就要求所设计的机械手成本低廉、性能优越、结构简单等，必要时可以降低精度要求。机械手的坐标型式主要有直角坐标结构、圆柱坐标结构、球坐标结构和关节型结构四种。各结构型式及其相应的特点，分别介绍如表 2-1：表 2-1结构形式方案 特点 优缺点 结构简图1 直角坐标型操作机的手臂具有三个移动关节，其关节轴线按直角坐标配置结构刚度较好，控制系统的设计最为简单，但其占空间较大，且运动轨迹单一，使用过程中效率较低2 圆柱坐标型操作机的手臂至少有一个移动关节和一个回转关节，其关节轴线按圆柱坐标系配置结构刚度较好，运动所需功率较小，控制难度较小，但运动轨迹简单，使用过程中效率不高3 球坐标型操作机的手臂具有两个回转关节和一个移动关节，其轴线按极坐标系配置结构紧凑，但其控制系统的设计有一定难度，且机械手臂的刚度不足，机械结构较为复杂4 关节型操作机的手臂类似人的上肢关节动作，具有三个回转关节运动轨迹复杂，结构最为紧凑，但控制系统的设计难度大，机械手的刚度差初步确定选用圆柱坐标型机械手选用圆柱坐标型运动机构的原因：因本次设计的机械手是机电一体化产品，因此在进行机械结构设计时必须兼顾控制部分的要求。直角坐标型机械手的控制系统的设计最为简单，但其占空间较大，且运动轨迹单一，使用过程中效率较低；球坐标型机械手结构紧凑，但其控制系统的设计有一定难度，且机械手臂的刚度不足；关节型机械手的运动轨迹复杂，结构最为紧凑，但控制系统的设计难度最大，机械手臂的刚度很差。综合看来，圆柱坐标型机械手结构刚度较好，控制难度较小，本设计是设计一台教学用搬运机械手，因此用于本次毕业设计的选型比较合适。自由度是指描述物体运动所需的独立运动参数的数目，三维空间需要 6 个自由度。所谓机械手的运动自由度是指确定一个机械手操作位置时所需的独立运动参数的数目，它表示机械手动作的灵活程度。一般固定程序的机械手，动作比较简单，自由度数较少。工业机器人自由度数较多，动作灵活性和通用性较大。一般说来，机器人靠近机座的 3 个自由度是用来实现手臂未端的空间位置的，再用几个自由度来定出未端执行器的方位：7 个以上的自由度是冗余自由度，是用来躲避障碍物的。自由度的选择也与生产要求有关，若批量大，操作可靠性要求高，运行速度快，周围设备构成比较复杂，工件质量轻时，机械手的自由度数可少；如果要便于产品更换，增加柔性，则机械手的自由度要多一些。计算机械手的自由度时，末端执行器的夹持器动作是不计入的，因为这个动作不改变工件的位置和姿态。在满足机械手工作要求前提下，为简化机械手的结构和控制，应使自由度数最少。本设计的机械手力求结构简单，成本低廉，因此，自由度选择为 4 个自由度。图 2-1主参数机械手的最大抓重是其规格的主参数，定该机械手最大抓重为 10 千克。故该机械手主参数定为 10 千克。运动速度是机械手主要的基本参数。设计的速度过低限制了它的使用范围，速度过高对机械手的材料等有很高的要求，而影响机械手动作快慢的主要因素是手臂伸缩、回转、升降的速度及手腕的回转速度。机械手动作时有启动、停止过程的加、减速度存在，用速度一行程曲线来说明速度特性较为全面，因为平均速度与行程有关，故用平均速度表示速度的快慢更为符合速度特性。设计该机械手手臂升降的平均速度为 0.05m/s，平均回转速度设计为 90/s，伸缩平均速度为 0.05m/s，手腕平均回转速度为180/s。除了运动速度以外，手臂设计的基本参数还有伸缩行程和工作半径。大部分机械手设计成相当于人工坐着或站着且略有走动操作的空间。过大的伸缩行程和工作半径，必然带来偏重力矩增大而刚性降低。所以，该机械手手臂的伸缩行程定为 400mm,最大工作半径约为 1000mm。手臂回转行程范围定为 0-240。手臂升降行程定为 200mm。定位精度也是基本参数之一，该机械手的定位精度为0.5mm。初步拟定本文所设计的机械手主要结构由以下几个部分组成：由气动机械手、气动手指、双导杆气缸、回转台、单杆气缸、旋转气缸、磁性传感器、开关电源、可编程序控制器、按钮、I/O 接口板、通讯接口板、电气网孔板、多种类型电磁阀组成。主要完成将工件从上料单元搬运到加工单元待料区工位。1)气动机械手：完成工件的抓取动作，由双向电控阀控制，手爪放松时磁性传感器有信号输出，磁性开关指示灯亮。2)双导杆气缸（双联气缸）：控制机械手臂伸出、缩回，由双向电控气阀控制。3)回转台：采用旋转气缸设计，由双向电控气阀控制机械的左、右摆动。4)单杆气缸：由单向气动电控阀控制。当气动电磁阀得电，气缸伸出，同时将物料送至等待位。5)磁性传感器：用于气缸的位置检测。当检测到气缸准确到位后将给 PLC发出一个到位信号。 （磁性传感器接线时注意蓝色接“-” ，棕色接“PLC 输入端”） 。6)开关电源：完成整个系统的供电任务。7)I/O 接口板：完成 PLC 信号与传感器、电磁信号、按钮之间的转接。8)控制按钮板：用于系统的基本操作、单机控制、联机控制。9)安装支架：用于安装提升气缸及各个检测传感器。10)电气网孔板：主要安装 PLC 主机模块、空气开关、开关电源、I/O 接口板、各种接线端子等。主要技术参数如下：一用途:教学型机械手二设计技术参数:控 制 电 源 ： 直 流 24V/4.5APLC 控 制 器 （ 西 门 子 ）电 磁 阀 ： 4V110-06-DC 4V120-06-DC 4V130-06-DC调 速 阀 ： 出 气 节 流 式磁 性 传 感 器 ： D-C73L D-A73 D-Z93气 动 机 械 手 ： MHZ2-16D旋 转 气 缸 ： MSQB20R 双 联 气 缸 ： CXSM15-100单 杆 气 缸 ： CDJ2KB16-45总 体 机 械 结 构 如 图 所 示 ：3 上料系统的详细设计3.1 手 部 夹 紧 气 缸 的 设 计 计 算本课题设计的气动机械手的手部结构如图 3-1 所示，其工件重量G=98N， “V”形手指的角度 2 =120 0，b=120mm，R=24mm, 夹持力主要来自工件与手爪部分的摩擦力，为增大摩擦，选用摩擦系数较大的橡胶作为手爪与工件接触部分的材料。假设工件材料为钢，查手册可知橡胶与刚的摩擦系数为。17.0（1）手指加在物件上的夹紧力，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)，以使物件保持可靠的夹紧状态。手指对物件的夹紧力可按下式计算： GKFN321式中 安全系数，通常取 ，这里 取 1.5；1K.0 1工作情况系数，主要考虑惯性力的影响。 可近似按下式估算2 221ag其中 运载物件时重力方向的最大上升加速度；a重力加速度， ；g29.8/gms=axvt响 2/1.05s运载物件时重力方向的最大上升速度；maxv系统达到最高速度的时间；根据设计参数选取，一般取 。t响 0.35s01.2K方位系数，根据手指与物件形状以及手指与物件位置不同进行选3K定，对于水平 V 形手指夹持垂直放置的圆柱形物件时,如图 3-2 所示，, 为摩擦系数， 为 V 形手指半角；30.5sinKf2.517.06sin53K被抓取物件所受重力( )。GN图 3-2 水平手指抓取垂直圆柱工件图所以：=GKFN321N36985.201.(2)根据手部结构的传动示意图，其驱动力为: NFRb= 36024.1=3710N(3)实际驱动力: F实 际因为传力机构为齿轮齿条传动，取 =0. 94。 所以： )(3947.01NF实 际所以夹持工件时所需夹紧气缸的驱动力为 3947N。2气缸的直径本气缸属于单向作用气缸。根据力平衡原理，单向作用气缸活塞杆上的输出推力必须克服弹簧的反作用力和活塞杆工作时的总阻力，其公式为: ztFpDF421式中:F 1活塞杆上的推力，N；Ft弹簧反作用力，N；Fz气缸工作时的总阻力,N；P气缸工作压力，Pa。弹簧反作用按下式计算: )(slcFftnDGdCf31482式中:C f弹簧刚度，N/m；l弹簧预压缩量，m；S活塞行程，m；d1弹簧钢丝直径，m；D1弹簧平均直径，m；D2弹簧外径，m；n弹簧有效圈数；G弹簧材料剪切模量，一般取 G=79.4 109Pa。气缸工作时的总阻力 与众多因素有关，如运动部件惯性力，背压阻力，zF密封处摩擦力等，以上因素可以载荷率 的形式计入公式, 计入载荷率就能保证气缸工作时的动态特征，若气缸动态参数要求较高,，且工作频率高，气载荷率一般取 ；速度高时取小值，速度低时取大值。若气缸动态参数要5.03求一般，且工作频率低，基本是均匀运动，其载荷率可取 。根据85.07要求本次设计中，取 ，则:8. tFpD421由以上分析得单向作用气缸的直径: pt)(1代入有关数据，可得 )/(46.3715)03(8/)105.3(4.798 34331 mNnDGdCf slCFft .26.7所以： )(45.78).015./()6.203947()(4 2161 mpFDt 查表 3-2，得 D=80mm由 d/D=0.20.3，可得活塞杆直径:d=(0.2-0.3)D=16-24mm，查表 3-3，取活塞杆直径 d=18 mm 表 3-2 缸筒内径系列（mm）8 10 12 16 20 25 32 40 50 63 80 （90） 100（110） 125 （140） 160 （180） 200 （220） 250 320 400 500 630注：无括号的数值为优先选用者 表 3-3 活塞杆直径系列（mm）4 5 6 8 10 12 14 16 18 20 22 25 2832 36 40 45 50 56 63 70 80 90 100 110 125140 160 180 200 220 250 280 320 360 400校核，按公式 )4/(21dF1/=20Mpa， =3947N1则:d(43947/20 ) =15.8mm18mm 满足设计要求。60213.2 手 爪 升 降 气 缸 的 设 计 与 选 择气动机械手中实现手臂往复运动用的最多的是双作用单活塞杆气缸。活塞在气压下作双向运动。结构上可以是气缸体固定、活塞杆运动；也可以是活塞杆固定，而缸体运动。本设计采用缸体固定，活塞运动的结构。一、 计算气缸拉动手臂上升时应输出的起动拉力矩用直线气缸拉动手臂上升时，其所能输出的启动拉力应满足： 惯摩总拉 FGF式中： 总 上升过程中运动件的总重量，N； Ngm1703.41）（总总摩上升过程中的摩擦阻力，N；采用的是 O 型密封圈，其摩擦阻力计算式为 拉摩 F0.惯F起动时的惯性力，N； 惯 大小可按 amF总惯 计算，其中 总 为上升过程中运动件的总质量，kg；a 为起动时的加速度， 2/s。则有 NtvF.10.7总总惯根据公式（3-19） ，得 2.103.7拉惯摩总拉 FFG计算出气缸拉动手臂上升时应输出的起动拉力为 N04.28拉二、 计算气缸内径气缸承受纵向拉力达到极限力以后，活塞杆会产生轴向弯曲，出现不稳定现象。因此，必须使拉力负载小于极限力。此时有 PAF拉式中：P推动气缸运动的工作压力 MPa；取 P=0.2MPa；活塞受力面积， 2m；此时， 42DA，其中 D 为气缸内径；则有 4DAF所以 36.12.038P拉根据气缸的标准，取其内径为 40mm；最大行程为 250mm。根据国内一些气缸生产厂商的产品手册，本设计选取了威海气动元件有限公司的圆尾型MAL40250 的气缸组件。其主要外形如图 3.2 所示。图 3.2 MAL 系列气缸外形图3.3 手 臂 伸 缩 气 缸 的 设 计 与 选 择本课题所设计的机械手水平横移的行程比较大，为 250mm。如果采用双作用单活塞气缸，不仅增大了活塞杆所受的弯矩和转动惯量，而且还增加了所选横移气缸的体积，给加工制造带来了困难。为了解决以上困难，我们选择了收缩式双活塞杆气缸。既能满足行程要求，所选的气缸体积又小。当气缸推动垂直手臂做往复移动的时候，在活塞行程的最远端，气缸受到的弯矩最大。根据活塞杆的受力图（如图 3.4 所示） 。活塞杆 N 处所受最大弯矩 M，即受到最GNM图 3.4 活塞杆的受力图大拉应力 ， 由弯矩产生的拉应力 与向心力的反作用力 F 产生的maxmax 1组成，即221max（4-8）其中 ZWM1式中： GLM（4-9） NgmmG21 ）（ 手 爪联 接 件夹 紧 气 缸导 杆垂 直 气 缸抗弯截面系数，仅与截面形状有关。对于圆形截面有ZW 32DWZAF2（4-10）式中 2LmF总（4-11）A手臂横截面积， ；2m241DA（4-12）根据抗拉强度条件有SZAFWMmax（4-13）式中： 活塞杆的许用弯曲应力，由于双杆气缸大多数为铝合金材料，所S以 PaS96将以上各式及已知数据代入式（4-13） ，得 s234DLmG总取 ，计算整理得2/10smg 096.38.713解之得 mD5.4由于采用的是双活塞杆气缸，所以单个活塞杆的直径必须大于 20mm，根据活塞杆的最小直径选择气缸的内径为 25mm。根据国内一些气缸生产厂商的产品手册，本设计选取了威海气动元件有限公司的 TN25200 气缸组件。其主要外形如图4.5 所示。图 4.5 TN 系列气缸外形尺寸图3.4 手 臂 回 转 气 缸 的 设 计 与 选 择（1）尺寸设计气缸长度设计为 b=120mm，气缸内径为 =112mm，半径 R=56mm，轴颈1D=10mm，r=5mm，气缸运行角度 ，加速度时间 s，压强2Ds/905.0tP=0.4Mpa，则力矩 2)(rRpbM= )05.6.(104.226=74.664（N）（2）尺寸校核1.测定参与手臂转动的部件的质量 ，分析部件的质量分布情况，kgm451质量密度等效分布在一个半径 r=50mm 的圆盘上，那么转动惯量： 21rJ05.4=0.05625（ ）2mkgtJM惯 =0.05625 1.09=50.625（ ）mN2.考虑轴与轴承之间的摩擦力，设定一摩擦系数 k=0.2 =k摩M惯=0.2 50.625=10.125（ ）mN= +驱 惯 摩=50.625+10.125=60.75（ ）M驱M所以设计尺寸符合使用要求，安全。3.5 气 路 系 统 的 设 计 与 选 择气动机械手的气动原理见图 4-1，它的气源是由空气压缩机（排气压力大于 0.4-0.6Mpa）通过快速接头进入储气罐，经分水过滤器、调压阀、油雾器，先后经过过滤、净化等处理，得到稳定的工作气压，最后进入各并联气路上的电磁阀，通过电磁阀控制各个气缸动作，达到实现上料系统各部位动作的目的。图 4-1表 4-1 气路元件表序号 名称1 手动截止阀2 储气缸3 分水滤气器4 减压阀5 油雾器6 压力继电器7 三位四通电磁滑阀8 单向节流阀9 手臂伸缩气缸10 手腕回转气缸11 二位四通电磁滑阀12 手指夹持气缸13 手臂升降气缸14 手臂回转气缸4.2 气动元件介绍（一）分水过滤器分水过滤器的作用是滤去空气中的灰尘、杂质、并将空气中的水分分离出来。目前，分水过滤器的种类很多，但工作原理及结构大体相同。1.工作原理图 4-2 是分水过滤器的结构原理图。图 4-2 分水过滤器1-旋风叶子 2-存水杯 3-挡水板 4-滤芯 5-手动排水阀当压缩空气从输入口进入后被引进旋风叶子 1，旋风叶子上冲制有很多小缺口，迫使空气沿切线方向产生强烈的旋转，这样，混杂在空气中较大的水滴、油污、灰尘便获得较大的离心力，并与存水杯 2 的内壁高速碰撞，而从气体中分离出来，沉淀于存水杯 2 中。然后，气体通过中间的滤芯 4，少量的灰尘、雾状水被拦截而滤去，洁净的空气便从输出口输出。挡水板 3 是起防止杯中污水卷起而破坏分水过滤器的过滤作用。污水由排水阀 5 放掉。2.分水过滤器的主要性能指标（1）过滤度 是指能允许通过的杂志颗粒的最大直径。常用的规格有：5-10 ,10-20 ，25-40 ，50-75 四种，需要精过滤的还有 0.01-mm0.1 ，0.1-0.3 ，0.3-3 ，3-5 四种规格，以及其他规格如气味过滤等。（2）水分离率 是指分离水分的能力，用符号 表示。12式中 分水过滤器前空气的相对湿度1分水过滤器后空气的相对湿度2规定分水过滤器的水分分离率不小于 65%。（3）分水过滤器的其他性能滤灰效率 指分水过滤器分离灰尘的质量和进入分水过滤器的灰尘质量之比。流量特性 表示一定压力的压缩空气进入分水过滤器后，其输出压力与输入流量之间的关系。在额定流量下，输入压力与输出压力之差不超过输入压力的5%。（二）油雾器油雾器是一种特殊的注油装置。当压缩空气流过时，它将润滑油喷射成雾状，随压缩空气一起流进需要润滑的部件，达到润滑的目的。1.，油雾器的工作原理及结构油雾器分一次油雾器和二次油雾器两种。图 4-3 所示为普通型油雾器（一次油雾器）的结构图。压缩空气从输入口 1 进入后。通过小孔 3 进入截止阀（由阀座 5、钢球 12 和弹簧 13 组成） ，如图 4-3c，在钢球 12 上下表面形成压力差，此压力差被弹簧 13 的弹簧力所平衡，而使钢球处于中间位置，因而压缩空气就进入贮油杯 6 的上腔 A，油面受压，压力油经吸油管 10 将单向阀 9 的钢球托起，钢球上部管道有一个边长小于钢球直径的四方孔，使钢球不能将上部管道封死，压力油能不断地流入视油器 8 内，到达喷嘴小孔 2 中，被主通道中的气流从小孔 2 中引射出来，雾化后从输出口 4 输出。视油器上部的节流阀 7用以调节油量，可在 0200 滴/min 范围内调节。图 4-3 油雾器其工作情况如图 4-3c、d、雾油器能在进气状态下加油，这时只要拧松油塞 11 后，A 腔与大气相通而压力下降，同时输入进来的压缩空气将钢球 12 压在阀座 5 上，切断压缩空气进入 A 腔的通道，如图 4-3e 所示。又由于吸油管中单向阀 9 的作用，压缩空气也不会从吸油管倒灌到贮油杯中，所以就可以在不停气状态下向油塞口加油。加油完毕，拧上油塞，截止阀又恢复工作状态，油雾器又重新开始工作。4 控制系统的设计与仿真4.1 PLC 控 制 系 统 设 计I032567QMGND+V右转电磁阀 开始灯 复位灯 复位按钮 单机/联机 停止按钮上电信号 开始按钮 调试按钮 手动自动 元S-AREY摆台左限位传感器 手指夹紧限位传感器 手臂下限位传感器摆台右限位传感器 手臂后限位传感器 手臂前限位传感器 手臂上限位传感器左转电磁阀 前伸电磁阀 后缩电磁阀 放松电磁阀 夹紧电磁阀 下降电磁阀系统输入输出接口分配表:输入 输出输入端子地址 功能说明 输出端子地址 功能说明I0.0 启动 SB1 Q0.0 下降 KM1I0.1 左限 SQ1 Q0.1 夹紧 YVI0.2 下限 SQ2 Q0.2 上升 KM2I0.3 上限 SQ3 Q0.3 右移 KM3I0.4 右限 SQ4 Q0.4 左移 KM4I0.6 停止按钮 SB2 Q0.5 复位指示灯显示 HL1Q0.7 夹紧指示灯显示 HL2网络控制单元的复位信号、开始信号、停止信号均从触摸屏发出，经过S7-300 程序处理后，向各本单元发送控制要求，以实现各站的复位、开始、停止等操作。各从站在运行过程中的状态信号，应存储到该单元 PLC 规划好的数据缓冲区，以实现整个系统的协调运行。网络读写数据规划表：序号 系统输入网络向 MES发送数据200 从站数据从站 1（上料）300 主站对应数据主站（S7-300）功能1 上电 I0.7 V 10.7 I32.72 开始 I1.0 V 11.0 I33.03 复位 I1.1 V 11.1 I33.14 调试 I1.2 V 11.2 I33.25 手动 I1.3 V 11.3 I33.36 联机 I1.4 V 11.4 I33.47 停止 I1.5 V 11.5 I33.58 开始灯 Q1.0 V 13.0 I35.09 复位灯 Q1.1 V 13.1 I35.110 已经加工 VW8 IW304.2 宇 龙 平 台 的 仿 真上海宇龙软件工程有限公司开发的宇龙 PLC 仿真软件是用于电子电工及相关专业实验室实训的仿真软件。 宇龙 PLC 仿真软件由三大类功能部件构成：电路功能部件、液压系统功能部件、气压系统功能部件。 宇龙 PLC 仿真软件可以在全软件环境中，通过系统自带的各种功能部件搭建所想象的自动化平台。PLC 仅仅是一种电路功能部件。目前的宇龙 PLC 仿真软件已经涵盖了欧姆龙、西门子和三菱系列 PLC 部件。本系统中提供了以上三种系列 PLC 部件的仿真程序编辑器。在这些编辑器中，用户可以进行 PLC 程序的编制。用户可以通过鼠标操作，从部件库中获取所需要的各种功能部件（比如：各种开关、液压件、电机等） ，然后，用导线连接各种电路功能部件、用导管连接各种液压件和气压部件，并且，向 PLC 部件灌入用户所编制的 PLC 程序。最后，系统根据所搭建的电路、液路和气路以及本系统对 PLC 程序的输入输出进行逻辑解释，从而对应用对象进行自动控制。宇龙 PLC 仿真软件也提供了大量的各种应用实例。这些应用实例将根据用户编制的 PLC 程序和设计搭建的链路以可视化形式真实直观地表现应用对象的自动控制。宇龙 PLC 仿真软件是纯软件的实验实训的仿真软件。因此，不仅具有投资小、占地面积小、安全、耐用无损耗等优点。用户可以使用功能部件库自主发挥想象搭建各种自动控制应用。并且， 宇龙 PLC 仿真软件具有对用户编制的程序进行自动、合理、可视化的评判等功能。宇龙 PLC 仿真软件的功能部件库是一个开放式的资源库，可根据需求不断将各种功能部件添加到现有的部件库。有些功能部件还可以让用户自己添加或修改。目前， 宇龙 PLC 仿真软件已经包括上百种三大类功能部件，十多个应用实例。电路功能部件：通用继电器、中间继电器、电流继电器、电压继电器、时间继电器、热继电器、接触器、按钮开关、万能转换开关、熔断器、液位传感器、电磁阀、限位开关、固态继电器、刀开关、P