氣壓傳動兩維機械手設(shè)計

目錄 一、 前沿 2 二、 設(shè)計任務(wù) 2 1.1 設(shè)計任務(wù)介紹及意義 2 1.2 設(shè)計任務(wù)明細 3 三、 總體方案計 3 四、機械系統(tǒng)設(shè)計 5 3.1 縱向氣缸的設(shè)計 6 3.2 橫行氣缸的設(shè)計 8 五、控制系統(tǒng)組成 10 六、控制系統(tǒng)的詳細設(shè)計 13 七、設(shè)計小結(jié) 21 八、參考文獻 22 基于 PLC 的氣動兩維機械手 一、前言 氣動技術(shù)是實現(xiàn)工業(yè)自動化的重要手段。氣壓傳動的介質(zhì)來自于空氣，環(huán)境污染小，工程容易實現(xiàn)，所以其言傳動四一種易于推廣普及的實現(xiàn)工業(yè)自動化的應(yīng)用技術(shù)。氣動技術(shù)在機械、化工、電子、電氣、紡織、食品、 包裝、印刷、輕工、汽車等各個制造行業(yè)，尤其在各種自動化生產(chǎn)裝備和生產(chǎn)線中得到了廣泛的應(yīng)用，極大地提高了制造業(yè)的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。氣動系統(tǒng)的應(yīng)用，引起了世界各國產(chǎn)業(yè)界的普遍重視，氣動行業(yè)已成為工業(yè)國家發(fā)展速度最快的行業(yè)之一。 可編程控制技器（ PLC）是以微處理器為基礎(chǔ)，綜合計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)和通信技術(shù)發(fā)展起來的一種新型、通用的自動控制裝置，他具有機構(gòu)簡單、易于編程、性能優(yōu)越、可靠性高、靈活通用和使用方便等一系列優(yōu)點，近年來在工業(yè)生產(chǎn)過程的自動控制中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。 二、設(shè)計目的和任 務(wù) 通過課程設(shè)計培養(yǎng)學(xué)生綜合運用所學(xué)知識的能力，提高分析和解決問題能的一個重要環(huán)節(jié)，專業(yè)課程設(shè)計是建立在專業(yè)基礎(chǔ)課和專業(yè)方向課的基礎(chǔ)的，是學(xué)生根據(jù)所學(xué)課程進行的工程基本訓(xùn)練，課程設(shè)計的目的在于： 1：培養(yǎng)學(xué)生綜合運用所學(xué)的基礎(chǔ)理論和專業(yè)知識，獨立進行機電控制系統(tǒng)（產(chǎn)品）的初步設(shè)計工作，并結(jié)合設(shè)計或試驗研究課題進一步鞏固和擴大知 識領(lǐng)域。 2：培養(yǎng)學(xué)生搜集、閱讀和綜合分析參考資料，運用各種標準和工具書籍以及編寫技術(shù)文件的能力，提高計算、繪圖等基本技能。 3：培養(yǎng)學(xué)生掌握機電產(chǎn)品設(shè)計的一般程序方法，進行 工程師基本素質(zhì)的訓(xùn)練。 4：樹立正確的設(shè)計思想及嚴肅認真的工作作風(fēng)。 1：該機械手的功能是：將貨物自動放到坐標位置（ 300， 300）處，并延時 1分鐘等待卸貨，然后返回原點位置，延時 1 分鐘等待裝貨。 2：任務(wù)要求： 執(zhí)行元件：氣動氣缸 運動方式：直角坐標 主要參數(shù)： 氣缸工作行程 400、 300 mm 運動負載質(zhì)量 100 Kg 移動速度控制 3m/min 3：具體步驟如下： （ 1）先根據(jù)參考資料，確定合適的設(shè)計方案。 （ 2） .通過計算、分析設(shè)計執(zhí)行元件的參數(shù)：氣缸的內(nèi)徑、壁厚，活塞桿的直徑，耗氣量的計 算，驗算設(shè)計結(jié)果，導(dǎo)向裝置的設(shè)計，驅(qū)動元件的選擇，管路設(shè)計，底座的設(shè)計 （ 3） .根據(jù)動力和總體參數(shù)的選擇和計算，進行總體設(shè)計，完成機械系統(tǒng)的主要部件圖。 （ 4） .應(yīng)用啟動原理圖，設(shè)計控制電路，編寫控制程序，繪制電氣控制電路原理圖。 二 .總體方案設(shè)計 機械手示意圖 1 機械手示意圖 2 機械手示意圖 3 1. 左右移動氣缸 2.升降氣缸 3.導(dǎo)軌 4.支架 5.底座 氣動機械手示意 圖 4 參閱各種氣壓設(shè)計書籍和論文，找到了如機械手示意圖 1、 2、 3 中的機械設(shè)計方案，對照示意圖 1 和示意圖 2，二者實際是同一方案，只是在機械抓的表示上不同，且這兩個方案中有一個回轉(zhuǎn)缸，這我設(shè)計的任務(wù)中并沒有這個要求。在示意圖 3 中，其基本原理與示意圖 1、 2 并沒什么區(qū)別，只是圖三中機械抓采用了真空吸盤。 參考以上設(shè)計方案，對照設(shè)計任務(wù)要求，并通過對以前學(xué)習(xí)過的課程進行綜合考慮，發(fā)現(xiàn)該機械手的動作過程類似于我們在物流自動化課程上學(xué)習(xí)過的巷道式輸送機，所以可以依照巷道輸送機的結(jié)構(gòu)布局進行該機械手系統(tǒng)的設(shè)計，設(shè)計出的氣 動機械手的示意圖（如圖一所示），對于我的方案中的機械抓，我決定采用像叉車中的貨叉作為本方案中的機械抓 ,這個設(shè)計方案的好處是避免了氣缸承受較大的側(cè)向負載。機械手的自由度為 2 個，因此用2 個氣缸控制，即橫向移動氣缸和縱向移動 氣缸，采用氣動設(shè)計、控制容易，其運動行程由傳感器控制，動作過程由 PLC 控制系統(tǒng)控制 。 由于該系統(tǒng)要求該氣動機械手的動作邏輯順序為： 升降氣缸 2 下降 裝載物料 升降氣缸 2 上升 左右移動氣缸 1 右移 卸載物料 左右移動氣缸 1 左移，完成一次物料的搬運 三 .機械系統(tǒng)設(shè)計 本方案的機械設(shè) 計中重在氣缸的設(shè)計，氣缸 1 的作用是實現(xiàn)物料的橫向移動，氣缸 2 的作用是實現(xiàn)物料縱向的提升及物品的釋放。對氣缸結(jié)構(gòu)的要1 2 4 右 移 左移 5 物料 下降 上升 3 求一是重量盡量輕，以達到動作靈活、運動速度高、節(jié)約材料和動力，同時減少運動的沖擊，二是要有足夠的剛度以保證運動精度和定位精度 氣缸的設(shè)計流程圖如圖 5 所示 圖 5 氣缸設(shè)計流程圖 氣缸按供油方向分，可分為單作用缸和雙作用缸。單作用缸只是往缸的一側(cè)輸入高壓油，靠其它外力使活塞反向回程。雙作用缸則分別向缸的兩側(cè)輸入壓力油，活塞的正反向運動均靠液壓力完成。由于單作用液壓缸僅向單向運動，有外力使活 塞反向運動，而雙作用單活塞氣缸在壓縮空氣的驅(qū)動下可以像兩個方向運動但兩個方向的輸出力不同，所以該方案采用雙作用單活塞缸。 由設(shè)計任務(wù)可以知道，要驅(qū)動的負載大小位 100Kg，考慮到氣缸未加載時實際所能輸出的里，受氣缸活塞和缸筒之間的摩擦、活塞桿與前氣缸之間的摩擦力的影響。在研究氣缸性能和確定氣缸缸徑時，常用到負載率 =（氣缸的實際負載 F/氣缸的理論輸出力 F0） X%. 由液壓與氣壓傳動 P221 表 10-1 知， =0.45，所以實際液壓缸的負載大小為： F 理 =F 實 / 縱向氣缸的校核 : （ 1） 氣缸內(nèi)徑 D= = 1.27 =1.27 =59.3 mm 按照 GB/T2348-1993標準進行圓整，取 D=63 mm （ 2） 活塞桿直徑的確定： 由 d=0.3D 估取活塞桿直徑 d=20 mm （ 3） 缸筒長度的確定： 缸筒長度 S=L+B L為活塞行程； B為活塞厚度 活塞厚度 B=(0.61.0)D= 0.763=44.1mm 由于氣缸的行程 L=400mm ,所以 S=L+B=444.1 mm 導(dǎo)向套滑動面長度 A:由于 D80mm 所以 A=(0.61.0)D=0.763=44.1mm 最小導(dǎo)向長度 H + =51.5 mm 活塞桿的長度 l=L+B+A+40=444.1+44.1+40=528 mm (4) 氣缸筒的壁厚的確定 : + C 式中 -氣缸材料的許用拉應(yīng)力 n為安全系數(shù) 取值在 68 缸材料的抗拉強度 (Pa) C 考慮到剛度、加工制造的裕度。 我們的缸體的材料選擇 45鋼， =600 MPa， =75 MPa + C=+ C =0.21 + C 按照表 4-3，氣缸筒的壁厚推薦表取 = 7 mm （ 4） 氣缸耗氣量的計算： Q = = = =1.24/s （ 5） 氣缸進排氣口直徑 d0 d0 = = = 8.885 mm 所以取氣缸排氣口直徑為 10 mm Q 工作壓力下輸入氣缸的空氣流量（） V 空氣流經(jīng)進排氣口的速度，可取 v=1025） （ 6） 活塞桿的校核： 由于所選活塞桿的長度 L10d，所以不但要校核強度校核，還要進行穩(wěn)定性校核?；钊麠U材料選擇 45 鋼 強度 校核： d = = 9.12mm ,所以強度滿足要求 穩(wěn)定性校核 : 活塞可承受的最大外載荷 Pmax 可按下式計算 : Pmax = =3.6 N (滿足 ) 所以活塞桿的強度和穩(wěn)定性均滿足 . 橫向氣缸的校核 :由于橫行氣缸的工作載荷主要是縱向氣缸和物料對導(dǎo)向裝置的摩擦力 ,估算縱向氣缸的重量 =7.9s=5.8 Kg 活塞桿的重量 = 7.9l=5.24 Kg 活塞及缸蓋重量 =5 Kg 所以橫行氣缸的總載荷為 :F 總 =(5.8+15.24+5+50) =98N （ 1） 氣缸內(nèi)徑 D= = 1.27 =1.27 =26.5 mm 按照 GB/T2348-1993標準進行圓整，取 D=32 mm （ 2） 活塞桿直徑的確定： 由 d=0.3D 估取活塞桿直徑 d=10 mm （ 3） 缸筒長度的確定： 缸筒長度 S=L+B L為活塞行程； B為活塞厚度 活塞厚度 B=(0.61.0)D= 0.732=22.4mm 由于氣缸的行程 L=300mm ,所以 S=L+B=322.4 mm 導(dǎo)向套滑動面長度 A:由于 D80mm 所以 A=(0.61.0)D=0.732=22.4mm 最小導(dǎo)向長度 H + = 36mm 活塞桿的長度 l=L+B+A+30=322.4+22.4+30=375 mm (4) 氣缸筒的壁厚的確定 : + C 式中 -氣缸材料的許用拉應(yīng)力 n為安全系數(shù) 取值在 68 缸材料的抗拉強度 (Pa) C 考慮到剛度、加工制造的裕度。 我們的缸體的材料選擇 45鋼， =600 MPa， =75 MPa + C=+ C =0.11 + C 按照表 4-3，氣缸筒的壁厚推薦表取 = 5 mm （ 4） 氣缸耗氣量的計算： Q = = = =5.1/s （ 5） 氣缸進排氣口直徑 d0 d0 = = = 5.7 mm 所以取氣缸排氣口直徑為 8 mm Q 工作壓力下輸入氣缸的空氣流量（） V 空氣流經(jīng)進排氣口的速度，可取 v=1025） （ 6） 活塞桿的校核： 由于所選活塞桿的長度 L10d，所以不但要校核強度校核，還要進行穩(wěn)定性校核?；钊麠U材料選 擇 45 鋼 強度校核： d = = 4.1mm ,所以強度滿足要求 穩(wěn)定性校核 : 活塞可承受的最大外載荷 Pmax 可按下式計算 : Pmax = =47028 N (滿足 ) 所以活塞桿的強度和穩(wěn)定性均滿足 . 四、控制系統(tǒng)組成 一個完整的計算機控制系統(tǒng)應(yīng)該包括被控對象、執(zhí)行機構(gòu)、檢測裝置、模數(shù) (A/D)轉(zhuǎn)換器和數(shù)模 (D/A)轉(zhuǎn)換器、數(shù)字計算機系統(tǒng) (包括硬件和軟件 )。圖 6所示是其基本框圖。在本系統(tǒng)中各個部分的組成如下 : 1控對象和執(zhí)行機構(gòu) 本系統(tǒng)的被控對象是 機械手臂。兩個氣缸分別用于大臂的伸縮 (升降 )、這 樣機械手可以在垂直平面內(nèi)的一個矩形區(qū)域內(nèi)運動，裝在氣缸 2伸縮氣缸活塞杠末端的手臂也能伸縮， 檢測裝置 位置檢測裝置是計算機控制系統(tǒng)的重要組成部分。在閉環(huán)系統(tǒng)中，它的主要 作用是檢測位移量，該位移量與給定值進行比較，得到誤差信號，控制器根據(jù)誤 差信號進行控制調(diào)節(jié)，使系統(tǒng)趨向減小誤差，最終使誤差為零。 數(shù)據(jù)采集卡和數(shù)模 (D/A)轉(zhuǎn)換器 本系統(tǒng)中位置檢測用了光電編碼器，光電編碼器的輸出為脈沖信號，只擊對 輸出脈沖進行計數(shù)即可得到相關(guān)的數(shù)字量信號，系統(tǒng)采用了 PCI一 7296 數(shù)字 I/O卡作為數(shù)字信息與計算機之間的數(shù)據(jù)傳遞接口。 D/A轉(zhuǎn)換器是計算機控制系統(tǒng)的重要部件之一，擔(dān)任著將控制輸出量數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量去驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)的重要作用。 D/A轉(zhuǎn)換采用了 Pcl一 6024E數(shù)據(jù)采集卡，可將計算機輸出的轉(zhuǎn)換為模擬信號。兩塊卡都是 PCI插槽，控制程序通過虛擬驅(qū)動程序讀寫 PCI卡的端口地址 來實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送。 數(shù)字計算機系統(tǒng)本系統(tǒng)采用普通的兼容 PC 作為控制計算機。 系統(tǒng)工作的主要流程 圖 7 氣缸控制系統(tǒng)框圖 由液壓閥控制氣缸的 變量機構(gòu)，改變氣缸的流量或壓力，使氣缸按要求運動。它的控制系統(tǒng)框圖如圖 7，這種系統(tǒng)功率損失小，效率較高，最高可達 90%，在節(jié)能效益顯著，在目前能源問題得到重視時 ,對這種控制系統(tǒng)進行研究較多。但這種系統(tǒng)動態(tài)反應(yīng)較慢，只能用于動態(tài)性能要求不高的場合。對圖 7中的各流程進行實例化，得到如圖 8所示的氣缸控制系統(tǒng)框圖。 指令 信號 控制 放大器 電液 控制閥 氣缸 變量機構(gòu) 氣 缸 氣缸 變量機構(gòu) 檢測元件 圖 8 氣缸控制系統(tǒng)框圖 系統(tǒng)輸入信號由計算機控制程序產(chǎn)生，可由用戶選擇和設(shè)定參數(shù)，被控對象 氣缸的位置數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)一采集卡 PCI一 7296 采集返回計算機，控制程序通過讀端口操作取得數(shù)據(jù)，送入相應(yīng)控制子 程序?？刂瞥绦蚋鶕?jù)當(dāng)前控制方案產(chǎn)生輸也控制量，輸出控制由 PCI一 6024E的 D/A轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換、伺服放大器放大后送對執(zhí)行機構(gòu)，從而實現(xiàn)對被控對象的閉環(huán)控制。 該機構(gòu)的主要組成部件如下表： 機構(gòu)的主要組成部件 序號 名稱 數(shù)量 1 伸縮氣缸 2 2 比例流量閥 4 3 位置傳感器 2 4 數(shù)據(jù)采集卡 2 各部件的功能如下 : 1.氣缸 氣缸執(zhí)行元件，將壓縮空氣的壓力轉(zhuǎn)變成機械能的能量轉(zhuǎn)換裝置，用于實現(xiàn)直線往復(fù)運動。 比例流量閥。 比例流量閥是電一氣轉(zhuǎn)換元件，其 作用是根據(jù)輸入電流信號的大小輸出相應(yīng)流量的壓縮空氣，驅(qū)動氣缸動作。這里，比例流量閥的結(jié)構(gòu)為二位三通封閉式，功率放大器與計算機連接。采用電磁比例電磁鐵控制閥口開度，使通過閥的氣體流量和閥的開度成一定的關(guān)系。比例氣閥存在死區(qū)，當(dāng)線圈電流大于 520mA時， 閥口 P和 A連通 ；當(dāng)線圈電流小于 28OmA時，閥口 A和 T相通 ；當(dāng)線圈電流 280mA52OmA時，三個閥口呈關(guān)閉狀態(tài)。 光電編碼器和數(shù)顯表 光電編碼器是氣缸位置檢測元件，將位移轉(zhuǎn)換為電脈沖，用于在線測量活塞位移，以便送到計算機中進行處理。計算機為系統(tǒng)控制器，在每 一采樣控制周期，計算機根據(jù)系統(tǒng)偏差大小，計算出該采樣控制周期所需要的控制量大小，以完成活塞位移的實時控制?；钊灰频膶崟r控制。 數(shù)字采集卡 數(shù)字采集卡 PCI-7296共有 96個通道，共分 4組，每一組 24個，每一個通道都可以作為輸入或者輸出，具體由軟件來設(shè)置。流量控制閥是對回路中的流動給予一定的阻力，從而控制氣缸等執(zhí)行元件的運動速度、控制換向閥的切換時間和速度或者調(diào)整放氣量的閥的總稱。在開環(huán)控制中，將閥的開度調(diào)定在某一固定值，在使用中保持不變。在氣動系統(tǒng)設(shè)計時，系統(tǒng)的流量特性是由組成系統(tǒng)的每個元件的流量特性 經(jīng)過一定的換算得到。氣動伺服控制則為連續(xù)控制，所用控制閥為伺服閥或比例閥。比例閥控制的特點是輸出量隨輸入量變化而相應(yīng)地變化，輸出量與輸入量之間有一定的比例關(guān)系。比例控制又有開環(huán)控制和閉環(huán)控制之分。開環(huán)控制的輸出量與輸入量之間不進行比較，而閉環(huán)控制的輸出量不斷地被檢測，與輸入量進行比較，其差值為誤差信號，以誤差信號進行控制。閉環(huán)控制也稱反饋控制。反饋控制的特點是能夠在存在擾動的條件下，逐步消除誤差信號，或使誤差信號減小。在伺服系統(tǒng)中，比例 (伺服 )閥被用于執(zhí)行器的控制元件。這些閥的穩(wěn)態(tài)方程為非線性，故很難建立一 個正確的模型，尤其在氣動系統(tǒng)中更難。通常需要考慮閥的動態(tài)特性，雖然閥的固有頻率比整個系統(tǒng)的固有頻率大得多，但是，為了最精確的分析，應(yīng)使用閥芯位移量的二階模型。 五 .控制系統(tǒng)的詳細設(shè)計 該控制系統(tǒng)的原理圖如圖 9所示 ,起始時通過操作臺，設(shè)定要控制的氣缸的位置， S7-200經(jīng)過輸入口獲取輸入量， S7-200經(jīng)過對輸入量進行處理，輸出進行控制。本此設(shè)計中的，直接被控對象是電磁閥，通過電磁閥的動作在對氣缸的位置進行控制。為了進行精確控制，因而本例中使用了閉環(huán)控制系統(tǒng)，位置傳感器獲取位置量，并將獲取的值經(jīng)過總線送到 S7-200的輸入口，進行發(fā)饋控制， 從而提高系統(tǒng)的精度。但閉環(huán)控制容易引起波動，穩(wěn)定性不如開換好。 圖 9 控制系統(tǒng)原理圖 該控制系統(tǒng)的流程圖如圖 10所示 : 操作臺 S7-200 標準數(shù)據(jù)線傳輸 I/0 接線端子 傳感 器信號 電磁閥 氣缸 系統(tǒng)開機 有送料請求 氣缸右行 氣缸到右限位 ? Y N 氣缸 1 停止 氣缸到上限位 ?限位 ? 氣缸 2 上行 N Y 氣缸 2 下行 Y 氣缸 1 左行 氣缸到下限位 ?限位 ? N 氣缸 1 左行 有物料運輸請求 ? N Y 返回開始 繼續(xù)運行 氣缸 1 到 達左限位 N Y 圖 10 控制系統(tǒng)的流程圖 應(yīng)用 PLC編程代碼如下 : 等待 Network 1 LD I0.0 AN I0.5 AB= SB0, 0 S S0.0, 1 Network 2 LSCR S0.0 Network 3 / 啟動氣缸 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 / 啟動氣缸 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 / 啟動氣缸 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 / 啟動氣缸 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 控制電路接線圖如下 : 該控制系統(tǒng)充分發(fā)揮了 PLC 可靠、靈活的優(yōu)勢。實踐證明，系統(tǒng)具有較強的抗干擾能力，操作簡單方便，適合在惡劣的施工現(xiàn)場應(yīng)用，具有一定的推廣價值。該控制系統(tǒng)與其他控制系統(tǒng)相比，節(jié)省了大量的電氣元件，縮小了控制柜的體積。由于采用軟件片成，其動作安全行程可根據(jù)現(xiàn)場實際情況進行隨時調(diào)整。該氣動機械手經(jīng)安裝，調(diào)試，能夠在模擬生產(chǎn)線上良 好運行。此系統(tǒng)簡單可靠，安全性高，可重復(fù)性好，各項性能指標均達到預(yù)期要求。 六 .設(shè)計小結(jié) . 通過此次課程設(shè)計 ,暴露出了平時學(xué)習(xí)當(dāng)中存在的問題 :學(xué)習(xí)不夠深入 ,了解不透徹 ,導(dǎo)致在做課程設(shè)計的過程中 ,經(jīng)常對一些基本的知識點弄混 .這次課程設(shè)計是畢業(yè)設(shè)計前最后的一次練兵 ,對我來說非常有意義 ,在沒做課程設(shè)計之前 ,我以為做這次設(shè)計就是小意