氣動(dòng)機(jī)械手系統(tǒng)設(shè)計(jì) - 說(shuō)明書

1、說(shuō)明書設(shè)計(jì)題目： 氣動(dòng)機(jī)械手系統(tǒng)設(shè)計(jì)專業(yè)年級(jí)： 2011級(jí)機(jī)械制造及其自動(dòng)化學(xué) 號(hào)： 116722003姓 名：指導(dǎo)教師、職稱：2015 年 05 月 27 日目錄摘要 . I Abstract . II第一章 引言 . - 1 -1.1 本課題的目的和意義 . - 1 -1.2 本課題研究的主要內(nèi)容、預(yù)期結(jié)果、關(guān)鍵問(wèn)題和相關(guān)發(fā)展趨勢(shì) . - 1 -1.2.1 本課題研究的主要內(nèi)容 . - 1 -1.2.2 預(yù)期設(shè)計(jì)結(jié)果 . - 1 -1.2.3 關(guān)鍵問(wèn)題 . - 1 -1.2.4 相關(guān)發(fā)展趨勢(shì) . - 2 -1.3 本課題的設(shè)計(jì)方法 . - 2 -1.4 系統(tǒng)功能說(shuō)明 . - 3 -第二章

2、機(jī)械手氣動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) . - 4 -2.1 明確機(jī)械手的工作要求 . - 4 -2.1.1 氣動(dòng)機(jī)械手結(jié)構(gòu)示意圖分析 . - 4 -2.1.2 工作要求 . - 5 -2.1.3 運(yùn)動(dòng)要求 . - 5 -2.1.4 動(dòng)力要求 . - 5 -2.2 設(shè)計(jì)氣動(dòng)控制回路 . - 5 -2.2.1 列出氣動(dòng)執(zhí)行元件的工作程序 . - 5 -2.2.2 作X-D 線圖，寫出執(zhí)行信號(hào)的邏輯表達(dá)式 . - 6 -2.2.3 畫出系統(tǒng)的邏輯原理圖 . - 7 -2.2.4 畫出系統(tǒng)的氣動(dòng)回路原理圖 . - 7 -第三章 氣缸及氣動(dòng)元件設(shè)計(jì) . - 10 -3.1 手臂回轉(zhuǎn)、伸縮、夾緊、升降氣缸的設(shè)計(jì) . - 1

3、0 -3.3.1 確定氣缸類型 . - 10 -3.3.2 氣缸內(nèi)徑計(jì)算 . - 10 -3.3.3 選擇氣缸 . - 11 -3.3.4 驗(yàn)算氣缸力的大小 . - 11 -3.3.5 活塞桿直徑d 的校核 . - 12 -3.3.6 耗氣量計(jì)算 . - 13 -3.2 選擇氣動(dòng)控制元件 . - 14 -3.2.1 選擇主控氣動(dòng)換向閥 . - 14 -3.2.2 選擇行程閥 . - 14 -3.2.3 選擇手控?fù)Q向閥 . - 14 -第四章 機(jī)械手控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) . - 15 -4.1 控制系統(tǒng)分析 . - 15 -4.1.1 總體控制要求 . - 15 -4.1.2 PLC機(jī)械手的動(dòng)作分析

4、. - 16 -4.1.3 系統(tǒng)硬件配置 . - 16 -4.2 系統(tǒng)變量定義及分配表 . - 16 -4.2.1 輸入/輸點(diǎn)數(shù)分配 . - 16 -4.2.2 輸入/輸出點(diǎn)地址分配 . - 17 -4.2.3 系統(tǒng)接線圖 . - 18 -4.2.4 PLC外圍接線圖 . - 19 -4.3 控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì) . - 20 -4.3.1 控制程序流程圖設(shè)計(jì) . - 20 -4.3.2 程序設(shè)計(jì)（梯形圖） . - 21 -第五章 PLC機(jī)械手的程序調(diào)試 . - 28 -5.1 系統(tǒng)調(diào)試及結(jié)果分析 . - 28 -5.1.1 PLC程序調(diào)試及解決的問(wèn)題 . - 28 -5.1.2 PLC與上位機(jī)聯(lián)

5、調(diào) . - 28 -5.1.3 結(jié)果分析 . - 28 -第六章 設(shè)計(jì)總結(jié) . - 30 - 參考文獻(xiàn) . - 31 - 致謝詞 . - 32 -摘要機(jī)械手是模仿著人手的部分動(dòng)作，按給定程序、軌跡和要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抓取、搬運(yùn)或操作的自動(dòng)機(jī)械裝置。在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的機(jī)械手被稱為“工業(yè)機(jī)械手”。生產(chǎn)中應(yīng)用機(jī)械手可以提高生產(chǎn)的自動(dòng)化水平和勞動(dòng)生產(chǎn)率；可以減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、保證產(chǎn)品質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)；本論文主要論述了機(jī)械手的結(jié)構(gòu)、氣動(dòng)控制系統(tǒng)、主要技術(shù)參數(shù)、氣缸的選型設(shè)計(jì)以及PLC 控制程序的設(shè)定。本設(shè)計(jì)主要是通過(guò)可編程控制技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)氣壓驅(qū)動(dòng)機(jī)械手，從而完成立柱的升降/回轉(zhuǎn)、手臂的伸出/縮回和手爪的抓取動(dòng)作。

6、本設(shè)計(jì)探索的意義是希望能夠通過(guò)簡(jiǎn)單的改變機(jī)械手的工作程序，來(lái)達(dá)到相要求的工作效果。PLC 控制系統(tǒng)的機(jī)械手，簡(jiǎn)易方便且適應(yīng)性較強(qiáng)，這對(duì)于未來(lái)機(jī)械手的發(fā)展有著重要意義。關(guān)鍵詞：機(jī)械手；氣動(dòng)系統(tǒng)；氣缸；可編程控制器；梯形圖；AbstractThe manipulator is imitate the part of the hand, according to the given program, track and requirements for automatic capture, handling or operation of the automatic mechanical devic

7、e. The manipulator is used in the industrial production is known as "industrial manipulator". Production of mechanical hand can improve the automation level of production and labor productivity; can reduce labor intensity, to ensure product quality, to achieve safe production; this paper m

8、ainly discusses the structure of the manipulator, pneumatic control system, the selection of the main technical parameters, cylinder design and PLC control program.This design is mainly through the programmable control technology to realize the pneumatic drive manipulator, thus completing the column

9、 lifting / rotation, arm extension / retraction and hand grasping movements.To explore the significance of this design is to be able to change through a simple mechanical hand working procedures, to achieve the work requirements. PLC manipulator control system is simple and convenient, and strong ad

10、aptability, which has an important meaning for the future development of the manipulator.Key words: Manipulator ; Pneumatic system ; Cylinder ; PLC ; Ladder diagram ;第一章 引言1.1 本課題的目的和意義隨著我國(guó)工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)的迅速發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)中要快速高效的實(shí)現(xiàn)工件的裝卸、轉(zhuǎn)向、輸送；或操持焊槍、扳手、噴槍等工具, 進(jìn)行加工、裝配，就需要機(jī)械設(shè)備能夠自動(dòng)化作業(yè)，所以現(xiàn)如今自動(dòng)化作業(yè)已受到生產(chǎn)者們?cè)絹?lái)越多的重視。而“工業(yè)機(jī)械手”的

11、出現(xiàn)就是最好的證明。它模仿人手的局部動(dòng)作，來(lái)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的自動(dòng)抓取、搬運(yùn)等復(fù)雜流程，它能夠代替人手進(jìn)行高效率作業(yè)，在實(shí)際生產(chǎn)中具有重大意義。它不僅大大減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度、提高了工廠加工效率，而且還保障了工廠及工人們的人身安全。本論文正是針對(duì)這一課題，選擇了可編程控制器作為工業(yè)機(jī)械手的控制系統(tǒng)。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，PLC 控制系統(tǒng)的機(jī)械手，在專用生產(chǎn)線上也有著重要的地位。PLC 控制系統(tǒng)的機(jī)械手，我們能夠通過(guò)改變它的工作程序，達(dá)到工作效果，簡(jiǎn)易方便、適應(yīng)性較強(qiáng)，尤其在不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量生產(chǎn)中應(yīng)用更為廣泛。這次課題主要包括機(jī)械手的總體方案設(shè)計(jì)、機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及驅(qū)動(dòng)、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)等。本

12、設(shè)計(jì)機(jī)械手采用圓柱坐標(biāo)型，各動(dòng)作由氣壓驅(qū)動(dòng)，并由電磁閥控制。通過(guò)氣壓缸來(lái)實(shí)現(xiàn)立柱的升降/回轉(zhuǎn)、手臂的伸出/縮回和手爪的抓取動(dòng)作。動(dòng)作順序及各動(dòng)作采用時(shí)間間隔原則。功能主要用于上下料、搬運(yùn)環(huán)類零件的重復(fù)動(dòng)作，從內(nèi)孔夾持工件，代替人手的繁重勞動(dòng)，減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，并可根據(jù)工件的變化及運(yùn)動(dòng)流程的要求隨時(shí)更改相關(guān)參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)化，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。1.2 本課題研究的主要內(nèi)容、預(yù)期結(jié)果、關(guān)鍵問(wèn)題和相關(guān)發(fā)展趨勢(shì)1.2.1 本課題研究的主要內(nèi)容本課題主要是通過(guò)可編程控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的功能要求和現(xiàn)實(shí)意義，并對(duì)機(jī)械手的工作原理加以學(xué)習(xí)和了解，熟悉了其運(yùn)動(dòng)機(jī)理等。在現(xiàn)有機(jī)械手技術(shù)基礎(chǔ)上，確定了搬運(yùn)機(jī)械手

13、的基本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，對(duì)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了簡(jiǎn)單的力學(xué)模型分析，完成了機(jī)械手傳動(dòng)部分、執(zhí)行系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)計(jì)，并對(duì)機(jī)械手的控制技術(shù)進(jìn)行了一定的闡述。1.2.2 預(yù)期設(shè)計(jì)結(jié)果本課題的預(yù)期結(jié)果是完成機(jī)械手氣動(dòng)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)，并實(shí)現(xiàn)可編程序控制PLC 控制方式，并對(duì)其控制方式的工作原理及性能分析。 1.2.3 關(guān)鍵問(wèn)題本課題的關(guān)鍵問(wèn)題是對(duì)機(jī)械手氣動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要符合技術(shù)參數(shù)要求，氣動(dòng)控制回路整體布局要合理，控制方式要合理可靠，且具有高的安全性和穩(wěn)定性，使設(shè)計(jì)合理，準(zhǔn)確，滿足設(shè)計(jì)要求。 1.2.4 相關(guān)發(fā)展趨勢(shì)盡管世界工業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展放緩，使得氣動(dòng)機(jī)械手的發(fā)展受到一定的影響，然而，作為新興科學(xué)技術(shù)的產(chǎn)物，

14、氣動(dòng)機(jī)械手的發(fā)展勢(shì)不可擋。目前，氣動(dòng)機(jī)械手的發(fā)展呈現(xiàn)出了以下趨勢(shì)：(1、結(jié)構(gòu)模塊化(2、控制智能化 (3、感覺(jué)功能變強(qiáng) (4、系統(tǒng)應(yīng)用與集成化 (5、可靠性越來(lái)越高 (6、易操作更靈活 (7、向微型化方向發(fā)展1.3 本課題的設(shè)計(jì)方法氣動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法可以分為下幾種：1）、試湊法2）、邏輯法3）、分組供氣法 試湊法是將選用的的氣動(dòng)基本回路、常用回路試湊在一起組成控制回路，然后分析是否能滿足設(shè)計(jì)要求。如若不滿足要求，則要修改或另選回路，直到滿足要求為止。此法是氣動(dòng)回路常用的設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)氣動(dòng)回路也可以參照使用。邏輯法包括邏輯運(yùn)算法和圖解法。輯運(yùn)算法是根據(jù)控制要求，直接應(yīng)用邏輯代數(shù)進(jìn)行計(jì)算簡(jiǎn)化，但計(jì)

15、算過(guò)程較復(fù)雜，對(duì)于復(fù)雜的控制回路不易得到最佳結(jié)果。圖解法是利用邏輯代數(shù)的特性，把復(fù)雜的計(jì)算用圖解的方法表示出來(lái)，如信號(hào)-動(dòng)作線圖法（X -D 線圖）、卡諾圖法等。分組供氣法是在控制回路中，增加若干個(gè)控制元件對(duì)行程閥采用分組供氣的方式。產(chǎn)生障礙時(shí)，可切斷障礙信號(hào)的氣源，防止障礙的產(chǎn)生。在本次機(jī)械手氣動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用邏輯法中的信號(hào)-動(dòng)作線圖法（X -D 線圖）設(shè)計(jì)氣動(dòng)回路，整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程如圖1-1所示。 圖1-1 氣動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟框圖1.4 系統(tǒng)功能說(shuō)明機(jī)械手氣動(dòng)系統(tǒng)是工業(yè)生產(chǎn)中不可缺少的一部分。機(jī)械手通過(guò)可控制編程來(lái)控制氣動(dòng)系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的立柱的升降/回轉(zhuǎn)、手臂的伸出/縮回和手爪的抓取動(dòng)作。

16、機(jī)械手具有獨(dú)立的控制系統(tǒng)、程序可變、動(dòng)作靈活多樣。并適用于可變換生產(chǎn)品種的中小批量自動(dòng)化生產(chǎn)，工作范圍大，定位精度高，通用性強(qiáng)，是一種比較合理的控制方法，對(duì)于未來(lái)工業(yè)的發(fā)展，機(jī)械手氣動(dòng)系統(tǒng)的自動(dòng)改進(jìn)有著深遠(yuǎn)的意義。第二章 機(jī)械手氣動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.1 明確機(jī)械手的工作要求2.1.1 氣動(dòng)機(jī)械手結(jié)構(gòu)示意圖分析本設(shè)計(jì)介紹氣控機(jī)械手模擬人手動(dòng)作，按預(yù)先給定的程序，軌跡和工藝要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抓取、搬運(yùn)，完成工作的上料或下料。為了完成這些動(dòng)作，系統(tǒng)共有 A 、B 、C 、D 四個(gè)氣缸，可在三個(gè)坐標(biāo)內(nèi)工作。A 夾緊缸、B 手臂伸縮缸、C 立柱升降缸、D 立柱回轉(zhuǎn)缸。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2-1所示：表2-1 氣動(dòng)機(jī)械手

17、系統(tǒng)的初始狀態(tài) 圖2-1 氣動(dòng)機(jī)械手結(jié)構(gòu)示意圖2.1.2 工作要求本設(shè)計(jì)機(jī)械手主要用于自動(dòng)輸送線的上下料，采用氣動(dòng)方式驅(qū)動(dòng)，可控制編程進(jìn)行控制。由于機(jī)械手工作速度的穩(wěn)定性較差、沖擊大、氣源壓力較低，手爪抓重一般在30kg 以下，所以結(jié)合工業(yè)生產(chǎn)的實(shí)際情況。 2.1.3 運(yùn)動(dòng)要求由于影響機(jī)械手動(dòng)作快慢的主要因素是立柱的升降/回轉(zhuǎn)、手臂的伸縮和手爪的抓取速度。本設(shè)計(jì)確定該手臂升降行、伸縮行程均定為500mm ；手臂回轉(zhuǎn)行程范圍定為00-1800；立柱升降、手臂伸縮、立柱回轉(zhuǎn)一次時(shí)間t 2s ；手爪伸縮行程定為200mm ，手爪抓取一次時(shí)間t 1s 。 2.1.4 動(dòng)力要求手臂設(shè)計(jì)還包括手爪伸縮氣缸

18、推力F A 5kN ；手臂伸縮氣缸推力F B 15kN ；立柱回轉(zhuǎn)氣缸推力F C 20kN ；立柱升降氣缸推力F D 30kN 。2.2 設(shè)計(jì)氣動(dòng)控制回路根據(jù)機(jī)械手（圖2-1）結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求，其中A 缸為夾緊缸，當(dāng)活塞桿退回時(shí)將工件夾緊，當(dāng)活塞桿伸出時(shí)將工件松開(kāi)；B 缸為伸縮缸，實(shí)現(xiàn)手臂的伸出和縮回動(dòng)作；C 缸為升降缸，實(shí)現(xiàn)立柱的上升和下降動(dòng)作；D 缸為回轉(zhuǎn)缸，通過(guò)齒輪齒條將活塞的直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為立柱的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)立柱的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。 2.2.1 列出氣動(dòng)執(zhí)行元件的工作程序 圖2-2 機(jī)械手的動(dòng)作順序 圖2-3 機(jī)械手的工作順序2.2.2 作X -D 線圖，寫出執(zhí)行信號(hào)的邏輯表達(dá)式根據(jù)上述分析

19、的可以畫出氣動(dòng)機(jī)械手在C 0-B 1-A 0-B 0-C 1-D 0-A 1-D 1順序動(dòng)作下的X -D 線圖，如圖2-7所示，從圖中可以比較容易地看出原始信號(hào)d 1 、c 0 、b 0 、c 1 均為障礙信號(hào)，因而必須排除。為了減少整個(gè)氣動(dòng)系統(tǒng)中元件的數(shù)量，這四個(gè)障礙信號(hào)都采用邏輯回路來(lái)排除，其消障后的執(zhí)行信號(hào)分別為d 1*(C0=d1a 1q 、c 0*(B1=c0a 1和b 0*(C1=b0a 0 、c 1*(D0=c1b 0a 0 。 圖2-4 氣動(dòng)機(jī)械手的X-D 線圖在圖2-4中，頂端依次寫入的是程序的相位及對(duì)應(yīng)的動(dòng)作名稱，左側(cè)由上至下是控制信號(hào)及對(duì)應(yīng)的被控動(dòng)作，其中控制信號(hào)在上，被

20、控動(dòng)作在下，在最右側(cè)為“執(zhí)行信號(hào)”表達(dá)式。在圖中動(dòng)作線的起點(diǎn)是在該動(dòng)作的開(kāi)始處，用“O ”表示，動(dòng)作線的終點(diǎn)在對(duì)立動(dòng)作的開(kāi)始處（對(duì)立動(dòng)作是指A 1與A 0、B 1與B 0等不能同時(shí)存在的動(dòng)作），用“×”表示；信號(hào)線的起點(diǎn)是在該信號(hào)所控制動(dòng)作的開(kāi)始處開(kāi)始，用“O ”表示，信號(hào)線的終點(diǎn)是在產(chǎn)生該控制信號(hào)動(dòng)作的對(duì)立動(dòng)作開(kāi)始處結(jié)束，用“×”表示。如控制第一個(gè)動(dòng)作C 0的信號(hào)d 1，信號(hào)線的起點(diǎn)是在該信號(hào)所控制動(dòng)作C 0的開(kāi)始處開(kāi)始，即C 0左側(cè)，用“O ”表示；信號(hào)線的終點(diǎn)是在產(chǎn)生該信號(hào)d 1的動(dòng)作D 1的對(duì)立動(dòng)作D 0開(kāi)始處結(jié)束，即D 0左側(cè)，用“×”表示。畫信號(hào)線時(shí)應(yīng)

21、注意：信號(hào)線的起點(diǎn)就是同組中動(dòng)作線的起點(diǎn)，信號(hào)線的終點(diǎn)就是上一組中動(dòng)作線的終點(diǎn)。在X -D 線圖中有的信號(hào)線比其所控制的動(dòng)作線長(zhǎng)，說(shuō)明當(dāng)動(dòng)作狀態(tài)要改變時(shí)，其控制信號(hào)不允許它改變，這種阻礙動(dòng)作改變的信號(hào)是障礙信號(hào)，其長(zhǎng)于動(dòng)作線的部分為障礙段，用“ ”表示，在圖2-5中，其中d 1(C0 、c 0(B1 、b 0(C1 、c 1(D0 均為障礙信號(hào)。為了排除某個(gè)有障礙信號(hào)m 的障礙段，需要另外一個(gè)信號(hào)（又稱為制約信號(hào)）n ，將信號(hào)m 與信號(hào)n 相“與”，去除m 信號(hào)中的障礙段。選擇制約信號(hào)n 的原則是：使信號(hào)n 在信號(hào)m 的障礙段中不存在，而在m 信號(hào)的執(zhí)行段有信號(hào)。如控制動(dòng)作C 0的信號(hào)d 1是

22、有障礙信號(hào)，選擇信號(hào)a 1作為制約信號(hào)；控制動(dòng)作B 1的信號(hào)c 0是有障礙信號(hào)，選擇信號(hào)a 1作為制約信號(hào)；控制動(dòng)作C 1的信號(hào)b 0是有障礙信號(hào)，選擇信號(hào)a 0作為制約信號(hào)；控制動(dòng)作D 0的信號(hào)c 1是有障礙信號(hào)，選擇信號(hào)b 0a 0作為制約信號(hào)。 2.2.3 畫出系統(tǒng)的邏輯原理圖系統(tǒng)的氣動(dòng)邏輯原理圖如圖2-8所示，圖中列出了四個(gè)氣缸的八個(gè)狀態(tài)以及與氣缸相對(duì)應(yīng)的主控閥。圖中左側(cè)列出的是由行程閥、啟動(dòng)閥等發(fā)出的原始信號(hào)(簡(jiǎn)略畫法 。圖中四個(gè)與門元件四個(gè)與門均有排除障礙作，其中有兩個(gè)是三輸入的與門元件，是啟動(dòng)信號(hào)q 對(duì)d 1a 1起開(kāi)關(guān)作用；b 0a 0c 1的和輸出。b 0 d 1 q a 1

23、1d 0 b 11 0A 1 A 0c 0 a 0&1 0B 1 B 0& &c b a q da1 0C 1 C 0c1&c aD 1 D 0圖2-5 氣控邏輯原理圖2.2.4 畫出系統(tǒng)的氣動(dòng)回路原理圖根據(jù)氣控邏輯原理圖，可繪制出相應(yīng)的氣動(dòng)回路圖。如圖2-8所示，系統(tǒng)中的原始信號(hào)d 1、c 0和b 0、c 1是無(wú)源信號(hào)，不能直接與氣源相連。原始信號(hào)d 1、c 0和b 0、c 1 ，應(yīng)分別通過(guò)a 1與a 0、a 0c 1才能與氣源相連接。圖2-6 氣動(dòng)控制系統(tǒng)回路原理圖由系統(tǒng)圖的工作循環(huán)分析可知：（1）當(dāng)按下啟動(dòng)閥q 后，壓縮空氣經(jīng)d 1、a 1閥和手動(dòng)閥進(jìn)入C

24、 缸主控閥左腔，使C 缸主控閥處于左位，C 缸活塞桿縮回，立柱下降，實(shí)現(xiàn)動(dòng)作C 0。（2）當(dāng)立柱下降到位，C 缸活塞桿上的擋鐵壓下c 0后，壓縮空氣經(jīng)c 0閥和a 1閥進(jìn)入B 缸主控閥左腔，使B 缸主控閥處于左位，B 缸活塞桿伸出，手臂伸出，實(shí)現(xiàn)動(dòng)作B 1。（3）當(dāng)手臂伸出到位，B 缸活塞桿上的擋鐵壓下b 1后，壓縮空氣經(jīng)b 1閥進(jìn)入A 缸主控閥左腔，使A 缸主控閥處于左位，A 缸活塞桿縮回，夾緊工件，實(shí)現(xiàn)動(dòng)作A 0。（4）當(dāng)工件被夾緊，A 缸活塞桿上的擋鐵壓下a 0后，壓縮空氣經(jīng)a 0閥進(jìn)入B 缸主控閥右腔，使B 缸主控閥處于右位，B 缸活塞桿縮回，手臂縮回，實(shí)現(xiàn)動(dòng)作B 0。（5）當(dāng)手臂縮回

25、到位，B 缸活塞桿上的擋鐵壓下b 0后，壓縮空氣經(jīng)b 0閥和a 0閥進(jìn)入C 缸主控閥右腔，使C 缸主控閥處于右位，C 缸活塞桿伸出，立柱上升，實(shí)現(xiàn)動(dòng)作C 1。（6）當(dāng)立柱上升到位，C 缸活塞桿上的擋鐵壓下c 1后，壓縮空氣經(jīng)c 1閥和a 0 閥和 b 0閥進(jìn)入D 缸主控閥右腔，使D 缸主控閥處于右位，D 缸活塞桿左移，通過(guò)齒輪齒條機(jī)構(gòu)帶動(dòng)立柱右旋，實(shí)現(xiàn)動(dòng)作D 0。（7）當(dāng)立柱回轉(zhuǎn)到位，D 缸活塞桿上的擋鐵壓下d 0后，壓縮空氣經(jīng)d 0閥進(jìn)入A 缸主控閥右腔，使A 缸主控閥處于右位，A 缸活塞桿伸出，放開(kāi)工件，實(shí)現(xiàn)動(dòng)作A 1。（8）當(dāng)工件被放開(kāi)，A 缸活塞桿上的擋鐵壓下a 1后，壓縮空氣經(jīng)a 1

26、閥進(jìn)入D 缸主控閥左腔，使D 缸主控閥處于左位，D 缸活塞桿右移，通過(guò)齒輪齒條機(jī)構(gòu)帶動(dòng)立柱左旋，實(shí)現(xiàn)動(dòng)作D 1。（9）當(dāng)立柱回轉(zhuǎn)到位，D 缸活塞桿上的擋鐵壓下d 1后，壓縮空氣經(jīng)d 1 、a 1閥和手 動(dòng)閥q 后，再次進(jìn)入A 缸主控閥的左腔，使A 缸的主控閥又處于左位，重新開(kāi)始下一個(gè)工作循環(huán)。第三章 氣缸及氣動(dòng)元件設(shè)計(jì)3.1 手臂回轉(zhuǎn)、伸縮、夾緊、升降氣缸的設(shè)計(jì)氣缸的品種繁多，各種類型及型號(hào)的氣缸性能和適用工況條件不盡相同。選擇氣缸的過(guò)程包括確定氣缸的類型、安裝方式、具體的結(jié)構(gòu)尺寸、行程、密封形式、耗氣量等。 3.3.1 確定氣缸類型根據(jù)設(shè)計(jì)要求，機(jī)械手的升降、伸縮、抓取選用單活塞缸，轉(zhuǎn)動(dòng)選用

27、雙活塞缸。又考慮到開(kāi)閉時(shí)行程要平穩(wěn)，可采用緩沖型氣缸。因此初步選擇執(zhí)行元件為四臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)緩沖氣缸。3.3.2 氣缸內(nèi)徑計(jì)算 3.3.3 選擇氣缸根據(jù)氣缸標(biāo)準(zhǔn)缸徑，查表22-4-34JB 系列氣缸7：夾緊氣缸A 型號(hào)為：JB-125×200-S ；伸縮氣缸B 型號(hào)為：JB-200×500-S ；升降氣缸C 型號(hào)為：JB-250×500-S ；回轉(zhuǎn)氣缸D 型號(hào)為：JB-320×500-S 。3.3.4 驗(yàn)算氣缸力的大小夾緊氣缸A 工作時(shí)，A 氣缸輸出力為： 22(D A -d A p 3. 14×(0. 1252-0. 0322 ×6

28、5;105×0. 8=5502N >5000N （3-8） F A =44伸縮氣缸B 工作時(shí)，B 氣缸輸出力為： 22(D B -d B p 3. 14×(0. 22-0. 0452 ×6×105×0. 8=14309N >10000N （3-9） F B =44升降氣缸C 工作時(shí)，C 氣缸輸出力為： 22(D C -d C p 3. 14×(0. 2992-0. 052 ×6×105×0. 8=32744N >20000N （3-10） F C =44 回轉(zhuǎn)氣缸D 工作時(shí)，D 氣缸輸出

29、力為： 22(D D -d D p 3. 14×(0. 322-0. 0632 ×6×105×0. 8=37098N >30000N （3-11） F D =443.3.5 活塞桿直徑d 的校核按本設(shè)計(jì)，缸行程s=500mm，則查表22-1-56活塞桿的校核公式7 為：d 4F pu=1. F pu （3-12）其中：F pu 活塞桿的作用力活塞桿材料的需用應(yīng)力，=b /1. 4無(wú)特殊要求活塞桿選用45鋼調(diào)質(zhì)處理，則材料的抗拉強(qiáng)度b =640MPa ，則活塞桿材料許用應(yīng)力為：=則由設(shè)計(jì)題目要求:夾緊氣缸A 所產(chǎn)生的推力F pu 5KN，則活塞桿直徑

30、： b 640M P a =457M P a （3-13） 1. 41. 4d A 1. F pu=1. 5000=0. 0033m =3. 3mm （3-14） 457×106故所選活塞桿直徑d A =32mm，滿足要求；伸縮氣缸B 所產(chǎn)生的推力F pu 15KN，則活塞桿直徑：d B 1. F pu=1. 15000=0. 0073m =7. 3mm （3-15） 457×106故所選活塞桿直徑d B =45mm，滿足要求。升降氣缸C 所產(chǎn)生的推力F pu 20KN，則活塞桿直徑：d C 1. F pu=1. 20000=0. 0084m =8. 4mm （3-16）

31、457×106故所選活塞桿直徑d C =50mm，滿足要求?；剞D(zhuǎn)缸D 所產(chǎn)生的推力F pu 30KN，則活塞桿直徑d D 1. F pu=1. 30000=0. 0103m =10. 3mm （3-17） 6457×10故所選活塞桿直徑d D =63mm，滿足要求。3.3.6 耗氣量計(jì)算取氣缸的容積效率 V =0.9已知夾緊氣缸A 的缸徑D A 125mm ，行程s 200mm ，全行程需要時(shí)間t 1s ，且氣缸A 耗氣量為：223(D A dA s 3. 14×(0. 12520. 0322 ×0. 53m Q A =×=6. 37×

32、;10 （3-18） 4t ×V 4×1×0. 9已知伸縮氣缸B 的缸徑D B 200mm ，行程s 500mm ，全行程需要時(shí)間t 2s ，且氣缸B 耗氣量為：223(D B dB s 3. 14×(0. 220. 0452 ×0. 5 Q B =×=8. 28×103m （3-19） 4t ×V 4×2×0. 9已知升降氣缸C 的缸徑D C 250mm ，行程s 500mm ，全行程需要時(shí)間t 2s ，且氣缸C 耗氣量為：223(D C dC s 3. 14×(0. 2520. 0

33、52 ×0. 53m Q C =×=13. 08×10 （3-20） 4t ×V 4×2×0. 9已知回轉(zhuǎn)氣缸D 的缸徑D D 320mm ，行程s 500mm ，全行程需要時(shí)間t 2s ，且氣缸D 耗氣量為：223(D D dD s 3. 14×(0. 3220. 0632 ×0. 5 Q D =×=21. 46×103m （3-21） 4t ×V 4×2×0. 93.2 選擇氣動(dòng)控制元件根據(jù)系統(tǒng)對(duì)控制元件工作壓力及流量的要求，并按照氣動(dòng)控制回路原圖選定下列各閥。

34、氣動(dòng)換向閥、行程閥、手動(dòng)換向閥均為控制氣路上的閥，所以可選通徑較小的閥，為了使氣動(dòng)回路管路盡可能一致，此處通徑選用6mm 。3.2.1 選擇主控氣動(dòng)換向閥3m 缸A 主控?fù)Q向閥：系統(tǒng)要求壓力P 0.6Mpa ，Q A =6. 37×10，查表22-1-27控3制閥通徑與通流能力7，選換向閥A 的通徑為10mm ，則查表22-4-131 QQI系列四通氣控?fù)Q向閥7，選缸A 主控?fù)Q向閥的型號(hào)為：Q24Q2 I-L10。缸B 主控?fù)Q向閥：系統(tǒng)要求壓力P 0.6Mpa ，Q B =8. 28×103m ，查表22-1-27控制閥通徑與通流能力7，選換向閥B 的通徑為10mm 。則查

35、表22-4-131 QQI系列四通氣控?fù)Q向閥7，選缸B 主控?fù)Q向閥的型號(hào)為：Q24Q2 I-L10。缸C 主控?fù)Q向閥：系統(tǒng)要求壓力P 0.6Mpa ，Q C =13. 08×103m ，查表22-1-27控制閥通徑與通流能力7，選換向閥C 的通徑為15mm 。則查表22-4-131 QQI系列四通氣控?fù)Q向閥7，選缸C 主控?fù)Q向閥的型號(hào)為：Q24Q2 I-L15。3m 缸D 主控?fù)Q向閥：系統(tǒng)要求壓力P 0.6Mpa ，Q D =21. 46×10，查表22-1-27333控制閥通徑與通流能力7，選換向閥D 的通徑為20mm 。則查表22-4-131 QQI系列四通氣控?fù)Q向閥7

36、，選缸D 主控?fù)Q向閥的型號(hào)為：Q24Q2 I-L20。3.2.2 選擇行程閥a 0、a 1、b 0、b 1、c 0、c 1、d 0、d 1均為二位三通常閉直動(dòng)滾輪式行程閥，通徑為6mm ，查表22-4-179 XQ系列三通機(jī)控?fù)Q向閥7，選八個(gè)行程閥的型號(hào)為：XQ230611。3.2.3 選擇手控?fù)Q向閥q 為二位三通手動(dòng)按鈕式換向閥，通徑為6mm ，查表22-4-143 K23JR1系列三能按扭式換向閥7，選手控?fù)Q向閥的型號(hào)為：K23JR1-L6。第四章 機(jī)械手控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)整個(gè)系統(tǒng)由操控面板來(lái)完成整個(gè)機(jī)械手的的操作，機(jī)械手的各個(gè)動(dòng)作由汽缸驅(qū)動(dòng)，而汽缸由相應(yīng)的電磁閥控制，完成各類的工作要求

37、。如手臂回轉(zhuǎn)、伸縮、上下移動(dòng)；手爪的抓取、松開(kāi)動(dòng)作等。機(jī)械手的所有動(dòng)作執(zhí)行，全部動(dòng)作由PLC 控制完成。4.1 控制系統(tǒng)分析4.1.1 總體控制要求1 、本設(shè)計(jì)機(jī)械手由上升/下降、左轉(zhuǎn)/右轉(zhuǎn)、伸臂/縮臂的執(zhí)行用雙線圈二位電磁閥推動(dòng)氣缸完成。當(dāng)某個(gè)獨(dú)立的電磁閥線圈通電，就一直保持現(xiàn)有的機(jī)械動(dòng)作。即：一旦左轉(zhuǎn)的電磁閥線圈通電，手臂左轉(zhuǎn)，即使電磁閥線圈再斷電，手臂仍保持左轉(zhuǎn)動(dòng)作狀態(tài)，直到相反方向的線圈通電為止。另外，夾緊/放松由單線圈二位電磁閥推動(dòng)氣缸完成，線圈通電執(zhí)行夾緊動(dòng)作，線圈斷電時(shí)執(zhí)行放松動(dòng)作。設(shè)備裝有上、下限位和左、右限位開(kāi)關(guān)，它的工作過(guò)程：有八個(gè)動(dòng)作且運(yùn)行方式分為單步，單周期，連續(xù)三種模

38、式。各個(gè)脈沖電磁閥的工作順序是：原位下降伸臂夾緊縮臂上升右轉(zhuǎn)松開(kāi)左轉(zhuǎn)原位2 、為檢修和維護(hù)方便，每個(gè)電磁閥應(yīng)有自動(dòng)/手動(dòng)兩種工作方式，正常工作時(shí)采用：自動(dòng)方式；檢修和維護(hù)時(shí)采用：手動(dòng)方式。 4.1.2 PLC 機(jī)械手的動(dòng)作分析機(jī)械手處在原始位置（左轉(zhuǎn)到位、上升、縮臂），按下啟動(dòng)按鈕，機(jī)械手臂開(kāi)始下降。 機(jī)械手下降到下限位置，狀態(tài)開(kāi)關(guān)動(dòng)作，下降動(dòng)作結(jié)束，機(jī)械手開(kāi)始伸臂。 機(jī)械手伸臂到限定位置，狀態(tài)開(kāi)關(guān)動(dòng)作，伸臂動(dòng)作結(jié)束，機(jī)械手開(kāi)始夾緊。 機(jī)械手夾緊到夾緊位置，狀態(tài)開(kāi)關(guān)動(dòng)作，夾緊動(dòng)作結(jié)束，機(jī)械手開(kāi)始縮臂。 機(jī)械手縮臂到限定位置，狀態(tài)開(kāi)關(guān)動(dòng)作，縮臂動(dòng)作結(jié)束，機(jī)械手開(kāi)始上升。 機(jī)械手上升到上限位置，狀

39、態(tài)開(kāi)關(guān)動(dòng)作，上升動(dòng)作結(jié)束，機(jī)械手開(kāi)始右轉(zhuǎn)。 機(jī)械手右轉(zhuǎn)到右限位置，狀態(tài)開(kāi)關(guān)動(dòng)作，右轉(zhuǎn)動(dòng)作結(jié)束，機(jī)械手開(kāi)始松開(kāi)。 機(jī)械手松開(kāi)到松開(kāi)位置，狀態(tài)開(kāi)關(guān)動(dòng)作，松開(kāi)動(dòng)作結(jié)束，機(jī)械手開(kāi)始左轉(zhuǎn)。 機(jī)械手左轉(zhuǎn)到位，一個(gè)工作循環(huán)過(guò)程完畢。4.1.3 系統(tǒng)硬件配置按照設(shè)計(jì)的控制要求，在設(shè)計(jì)中選用了可編程序控制器S7-200系列PLC 實(shí)現(xiàn)氣動(dòng)機(jī)械手的工作方式，用S7-200來(lái)編寫控制程序，可編程序控制器CPU 模塊型號(hào)選用224XP ，無(wú)需輸出擴(kuò)展模塊。4.2 系統(tǒng)變量定義及分配表4.2.1 輸入/輸點(diǎn)數(shù)分配為了將機(jī)械手的控制關(guān)系用PLC 控制器實(shí)現(xiàn)，PLC 需要10個(gè)輸入點(diǎn)（啟動(dòng)按鈕、停止按鈕和八個(gè)控制開(kāi)關(guān)），4

40、個(gè)輸出點(diǎn)。 表4-1 輸入/輸出點(diǎn)分配表4.2.2 輸入/輸出點(diǎn)地址分配表4-2 輸入/輸出點(diǎn)地址分配表 4.2.3 系統(tǒng)接線圖根據(jù)機(jī)械手的輸入/輸出點(diǎn)分配表，完成控制系統(tǒng)I/O接線圖，如圖4.2所示： 夾緊 松開(kāi) 伸出 縮回 上升 下降 左轉(zhuǎn) 右轉(zhuǎn)啟動(dòng) 停止圖4-1 PLC 系統(tǒng)接線圖 4.2.4 PLC 外圍接線圖 圖4-2 PLC 外圍接線圖SB1、SB2分別接主機(jī)的輸入點(diǎn)I0.0、I0.7；SQ1、SQ2、SQ3、SQ4、SQ5、SQ6分別接主機(jī)的輸入點(diǎn)I0.1、I0.2、I0.3、I0.4、I0.5、I0.6；HL 、YV1、YV2、YV3、YV4、YV5、YV6、YV7分別接主機(jī)的

41、輸出點(diǎn)Q0.0、Q0.1、Q0.2、Q0.3、Q0.4、Q0.5、Q0.6、Q0.7；4.3 控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)4.3.1 圖4-3 控制程序流程圖4.3.2 程序設(shè)計(jì)（梯形圖） - 21 - - 22 - - 23 - - 24 - - 25 - 圖4-4 梯形圖 第五章 PLC機(jī)械手的程序調(diào)試5.1 系統(tǒng)調(diào)試及結(jié)果分析5.1.1 PLC程序調(diào)試及解決的問(wèn)題在PLC 程序調(diào)試過(guò)程中，首先必須連接好實(shí)驗(yàn)設(shè)備的接線口。L+端連接V+端，1M 、2M 端連接L+端，1L 、2L 、3L 端連接M 端；然后打開(kāi)用軟件S7-300打開(kāi)設(shè)計(jì)的PLC 梯形圖，打開(kāi)實(shí)驗(yàn)設(shè)備開(kāi)關(guān)后進(jìn)行對(duì)PLC 梯形圖進(jìn)行調(diào)試，

42、打開(kāi)通訊找到實(shí)驗(yàn)設(shè)備所對(duì)應(yīng)的CPU 連接之后，點(diǎn)擊下載程序?qū)⒊绦蚣虞d到實(shí)驗(yàn)設(shè)備，打開(kāi)程序監(jiān)控按鈕，將軟件啟動(dòng)至RUN 模式，按照其實(shí)驗(yàn)要求進(jìn)行整個(gè)實(shí)驗(yàn)的模擬；最后我們可以通過(guò)控制實(shí)驗(yàn)設(shè)備上的開(kāi)關(guān)以及相關(guān)按鈕進(jìn)行調(diào)試。將編寫好的PLC 控制程序和實(shí)驗(yàn)設(shè)備模擬運(yùn)行程序進(jìn)行仿真測(cè)試, 要確保做到：1）、當(dāng)PLC 在通訊情況下，刷新不出實(shí)驗(yàn)設(shè)備的CPU ，應(yīng)當(dāng)查看實(shí)驗(yàn)設(shè)備開(kāi)關(guān)是否打開(kāi)或查看電腦與實(shí)驗(yàn)設(shè)備之間的連接線是否松動(dòng)，當(dāng)及時(shí)解決。2）、當(dāng)PLC 在RUN 情況下，實(shí)驗(yàn)設(shè)備模擬運(yùn)行程序進(jìn)行仿真測(cè)試時(shí)，出現(xiàn)仿真出錯(cuò)或異常，應(yīng)當(dāng)暫停設(shè)備，進(jìn)行起查看程序書寫是否出錯(cuò)、程序符號(hào)書寫是否重復(fù)等，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行修改。5.1.2 PLC 與上位機(jī)聯(lián)調(diào)將編寫好的PLC 控制程序和上位機(jī)組態(tài)畫面用仿真軟件和編寫的模擬運(yùn)行程序進(jìn)行仿真測(cè)試，要確保做到：1）、PLC 程序IO 變量與實(shí)際PLC 模塊地址對(duì)應(yīng)正確。2）、檢查上位機(jī)與PLC 的通訊設(shè)置是否正確，向PLC 下載程序。檢查PLC 之間的通訊設(shè)置和PLC 模塊的地址撥碼開(kāi)關(guān)設(shè)置和DP 插頭上拉電阻設(shè)置，觀察PLC 通訊指示燈是否正常、通過(guò)上位機(jī)監(jiān)控測(cè)試PLC 之間通訊是否成功。3）、檢查上位機(jī)組態(tài)項(xiàng)目與PLC 的通訊設(shè)置，