基于PLC控制的氣動機械手的設計

畢業(yè)設計〔論文、作業(yè)〕畢業(yè)設計〔論文、作業(yè)〕題目：基于PLC控制的氣動機械手的設計分?！舱尽Ⅻc〕：年級、專業(yè)：教育層次：學生姓名：學號：指導教師：完成日期：目錄摘要······························Ⅰ一、機械手設計方案························1〔一〕機械手的手部結構方案設計················1〔二〕機械手的手腕結構方案設計················1〔三〕機械手的手臂結構方案設計················1〔四〕機械手的驅(qū)動方案設計··················1〔五〕機械手的控制方案設計··················1〔六〕機械手的主要參數(shù)····················1〔七〕機械手的技術參數(shù)列表··················2二、機械手手部設計························2〔一〕夾持式手部結構·····················2〔二〕升降缸的尺寸設計與校核和伸縮缸的選擇··········3三、機械手的PLC控制設計·····················13〔一〕可編程序控制器的選擇及工作過程·············13〔二〕機械手可編程序控制器控制方案··············13四、結論····························14參考文獻····························14致謝······························16內(nèi)容摘要對氣動機械手的根本要求是能快速、準確地拾-放和搬運物件，這就要求它們具有高精度、快速反響、一定的承載能力、足夠的工作空間和靈活的自由度及在任意位置都能自動定位等特性。設計氣動機械手的原那么是:充分分析作業(yè)對象(工件)的作業(yè)技術要求，擬定最合理的作業(yè)工序和工藝，并滿足系統(tǒng)功能要求和環(huán)境條件;明確工件的結構形狀和材料特性，定位精度要求，抓取、搬運時的受力特性、尺寸和質(zhì)量參數(shù)等，從而進一步確定對機械手結構及運行控制的要求;盡量選用定型的標準組件，簡化設計制造過程，兼顧通用性和專用性，并能實現(xiàn)柔性轉(zhuǎn)換和編程控制.本次設計的機械手是通用氣動上下料機械手，是一種模擬大中型場合工作的機械搬運設備?？梢愿淖儎幼鞒绦虻淖詣影徇\或操作設備，操作頻繁的生產(chǎn)場合。在發(fā)出指令協(xié)調(diào)各有關驅(qū)動器之間的運動的同時，還要完成編程、示教/再現(xiàn)以及其他環(huán)境狀況〔傳感器信息〕、工藝要求、外部相關設備之間的信息傳遞和協(xié)調(diào)工作，使各關節(jié)能按預定運動規(guī)律運動。關鍵詞：機械手PCL氣動Ⅰ基于PLC控制的氣動機械手的設計一、機械手的設計方案〔一〕機械手的手部結構方案設計為了使機械手的通用性更強，把機械手的手部結構設計成可更換結構，當工件是棒料時，使用夾持式手部;當工件是板料時，使用氣流負壓式吸盤?！捕硻C械手的手腕結構方案設計考慮到機械手的通用性，同時由于被抓取工件是水平放置，因此手腕必須設有回轉(zhuǎn)運動才可滿足工作的要求。因此，手腕設計成回轉(zhuǎn)結構，實現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)運動的機構為回轉(zhuǎn)氣缸?！踩硻C械手的手臂結構方案設計按照抓取工件的要求，本機械手的手臂有三個自由度，即手臂的伸縮、左右回轉(zhuǎn)和降(或俯仰)運動。手臂的回轉(zhuǎn)和升降運動是通過立柱來實現(xiàn)的，立柱的橫向移動即為手臂的橫移。手臂的各種運動由氣缸來實現(xiàn)。〔四〕機械手的驅(qū)動方案設計由于氣壓傳動系統(tǒng)的動作迅速，反響靈敏，阻力損失和泄漏較小，本錢低廉因此本機械手采用氣壓傳動方式?！参濉硻C械手的控制方案設計考慮到機械手的通用性，同時使用點位控制，因此我們采用可編程序控制器(PLC)對機械手進行控制。當機械手的動作流程改變時，只需改變PLC程序即可實現(xiàn)，非常方便快捷。〔六〕機械手的主要參數(shù)1、機械手的最大抓重是其規(guī)格的主參數(shù)，由于是采用氣動方式驅(qū)動，因此考慮抓取的物體不應該太重，查閱相關機械手的設計參數(shù)，結合工業(yè)生產(chǎn)的實際情況，本設計設計抓取的工件質(zhì)量為5公斤2、根本參數(shù)運動速度是機械手主要的根本參數(shù)。操作節(jié)拍對機械手速度提出了要求，設計速度過低限制了它的使用范圍。而影響機械手動作快慢的主要因素是手臂伸縮及回轉(zhuǎn)的速度。該機械手最大移動速度設計為。最大回轉(zhuǎn)速度設計為。平均移動速度為。平均回轉(zhuǎn)速度為。機械手動作時有啟動、停止過程的加、減速度存在，用速度一行程曲線來說明速度特性較為全面，因為平均速度與行程有關，故用平均速度表示速度的快慢更為符合速度特性。除了運動速度以外，手臂設計的根本參數(shù)還有伸縮行程和工作半徑。大局部機械手設計成相當于人工坐著或站著且略有走動操作的空間。過大的伸縮行程和工作半徑，必然帶來偏重力矩增大而剛性降低。在這種情況下宜采用自動傳送裝置為好。根據(jù)統(tǒng)計和比擬，該機械手手臂的伸縮行程定為600mm,最大工作半徑約為。手臂升降行程定為。定位精度也是根本參數(shù)之一。該機械手的定位精度為?！财摺硻C械手的技術參數(shù)列表1、用途:用于自動輸送線的上下料。2、設計技術參數(shù):〔1〕抓重:〔2〕自由度數(shù):4個自由度〔3〕坐標型式:圓柱坐標〔4〕最大工作半徑:〔5〕手臂最大中心高:〔6〕手臂運動參數(shù):伸縮行程伸縮速度升降行程升降速度回轉(zhuǎn)范圍回轉(zhuǎn)速度〔7〕手腕運動參數(shù):回轉(zhuǎn)范圍回轉(zhuǎn)速度〔8〕手指夾持范圍:棒料:〔9〕定位方式:行程開關或可調(diào)機械擋塊等〔10〕定位精度:〔11〕驅(qū)動方式:氣壓傳動〔12〕控制方式:點位程序控制(采用PLC)二、機械手手部設計〔一〕夾持式手部結構夾持式手部結構由手指(或手爪)和傳力機構所組成。其傳力結構形式比擬多，如滑槽杠桿式、斜楔杠桿式、齒輪齒條式、彈簧杠桿式等。1、手指的形狀和分類夾持式是最常見的一種，其中常用的有兩指式、多指式和雙手雙指式:按手指夾持工件的部位又可分為內(nèi)卡式(或內(nèi)漲式)和外夾式兩種:按模仿人手手指的動作，手指可分為一支點回轉(zhuǎn)型，二支點回轉(zhuǎn)型和移動型(或稱直進型)，其中以二支點回轉(zhuǎn)型為根本型式。當二支點回轉(zhuǎn)型手指的兩個回轉(zhuǎn)支點的距離縮小到無窮小時，就變成了一支點回轉(zhuǎn)型手指;同理，當二支點回轉(zhuǎn)型手指的手指長度變成無窮長時，就成為移動型?；剞D(zhuǎn)型手指開閉角較小，結構簡單，制造容易，應用廣泛。移動型應用較少，其結構比擬復雜龐大，當移動型手指夾持直徑變化的零件時不影響其軸心的位置，能適應不同直徑的工件。2、設計時注意的問題(1)具有足夠的握力(即夾緊力)在確定手指的握力時，除考慮工件重量外，還應考慮在傳送或操作過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動，以保證工件不致產(chǎn)生松動或脫落。(2)手指間應具有一定的開閉角兩手指張開與閉合的兩個極限位置所夾的角度稱為手指的開閉角。手指的開閉角應保證工件能順利進入或脫開，假設夾持不同直徑的工件，應按最大直徑的工件考慮。對于移動型手指只有開閉幅度的要求。(3)保證工件準確定位為使手指和被夾持工件保持準確的相對位置，必須根據(jù)被抓取工件的形狀，選擇相應的手指形狀。例如圓柱形工件采用帶“V〞形面的手指，以便自動定心。(4)具有足夠的強度和剛度手指除受到被夾持工件的反作用力外，還受到機械手在運動過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動的影響，要求有足夠的強度和剛度以防折斷或彎曲變形，當應盡量使結構簡單緊湊，自重輕，并使手部的中心在手腕的回轉(zhuǎn)軸線上，以使手腕的扭轉(zhuǎn)力矩最小為佳?！?)考慮被抓取對象的要求根據(jù)機械手的工作需要，通過比擬，我們采用的機械手的手部結構是一支點兩指回轉(zhuǎn)型，由于工件多為圓柱形，故手指形狀設計成V型。〔二〕升降缸的尺寸設計與校核和伸縮缸的選擇1、氣缸的分類普通氣缸的結構組成見圖3-1。主要由前蓋、后蓋9、活塞6、活塞桿4、缸筒5其他一些零件組成。圖3-1普通氣缸的結構組成1—組合防塵圈；—前端蓋；3—軸用YX密封圈；4—活塞桿；5—缸筒；6—活塞；7—孔用YX密封圈；8—緩沖調(diào)節(jié)閥；9—后端蓋〔1〕單作用氣缸柱塞式氣缸：壓縮空氣只能使柱塞向一個方向運動；借助外力或重力復位活塞式氣缸：壓縮空氣只能使活塞向一個方向運動；借助外力或重力復位〔或借助彈簧力復位；用于行程較小場合〕薄膜式氣缸：以膜片代替活塞的氣缸。單向作用；借助彈簧力復位；行程短；結構簡單，缸體內(nèi)壁不須加工；須按行程比例增大直徑。假設無彈簧，用壓縮空氣復位，即為雙向作用薄膜式氣缸。行程較長的薄膜式氣缸膜片受到滾壓，常稱滾壓〔風箱〕式氣缸?！?〕雙作用氣缸普通氣缸：利用壓縮空氣使活塞向兩個方向運動，活塞行程可根據(jù)實際需要選定，雙向作用的力和速度不同雙活塞桿氣缸：壓縮空氣可使活塞向兩個方向運動，且其速度和行程都相等不可調(diào)緩沖氣缸：設有緩沖裝置以使活塞臨近行程終點時減速，防止沖擊，緩沖效果不可調(diào)整可調(diào)緩沖氣缸：緩沖裝置的減速和緩沖效果可根據(jù)需要調(diào)整〔3〕特殊氣缸差動氣缸：氣缸活塞兩端有效面積差較大，利用壓力差原理使活塞往復運動，工作時活塞桿側(cè)始終通以壓縮空氣雙活塞氣缸：兩個活塞同時向相反方向運動多位氣缸：活塞桿沿行程長度方向可在多個位置停留，圖示結構有四個位置串聯(lián)氣缸：在一根活塞桿上串聯(lián)多個活塞，可獲得和各活塞有效面積總和成正比的輸出力沖擊氣缸：利用突然大量供氣和快速排氣相結合的方法得到活塞桿的快速沖擊運動，用于切斷、沖孔、打入工件等數(shù)字氣缸：將假設干個活塞沿軸向依次裝在一起，每個活塞的行程由小到大，按幾何級數(shù)增加回轉(zhuǎn)氣缸：進排氣導管和導氣頭固定而氣缸本體可相對轉(zhuǎn)動。用于機床夾具和線材卷曲裝置上伺服氣缸：將輸入的氣壓信號成比例地轉(zhuǎn)換為活塞桿的機械位移。用于自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)中。撓性氣缸缸筒由撓性材料制成，由夾住缸筒的滾子代替活塞。用于輸出力小，占地空間小，行程較長的場合，缸筒可適當彎曲鋼索式氣缸：以鋼絲繩代替剛性活塞桿的一種氣缸，用于小直徑，特長行程的場合〔4〕組合氣缸增壓氣缸：活塞桿面積不相等，根據(jù)力平衡原理，可由小活塞端輸出高壓氣體氣-液增壓缸：液體是不可壓縮的，根據(jù)力的平衡原理，利用兩兩相連活塞面積的不等，壓縮空氣驅(qū)動大活塞，小活塞便可輸出相應比例的高壓液體氣-液阻尼缸：利用液體不可壓縮的性能及液體流量易于控制的優(yōu)點，獲得活塞桿的穩(wěn)速運動2、升降氣缸的尺寸設計與校核(1)活塞桿上輸出力和缸徑的計算本課題中采用的是雙作用氣缸,單活塞桿雙作用氣缸是使用最為廣泛的一種普通氣缸,因其只在活塞一側(cè)有活塞桿,所以壓縮空氣作用在活塞兩側(cè)的有效面積不等.活塞左行時活塞桿產(chǎn)生推力,活塞右行時產(chǎn)生拉力。〔3-1〕〔3-2〕式中活塞桿的推力(N);活塞桿的拉力(N);活塞直徑(m);活塞桿直徑(m);氣缸工作壓力(Pa);氣缸工作總阻力(N);氣缸工作時的總阻力與眾多因素有關,如運動部件慣性力,背壓阻力,密封處摩擦力等.以上因素可以載荷率的形式計入公式,如要求氣缸的靜推力和靜拉力,那么計入載荷率后〔3-3〕〔3-4〕計入載荷率就能保證氣缸工作時的動態(tài)特征.假設氣缸動態(tài)參數(shù)要求較高;且工作頻率高,其載荷率一般取,速度高時取小值,速度低時取大值.假設氣缸動態(tài)參數(shù)要求一般,且工作頻率低,根本是勻速運動,其載荷率可取。根據(jù)要求本次設計中,我們?nèi)??；钊麠U拉力為克服機械手的自重〔1.5KG〕和克服抓取物的重量(0.5KG)所用的力為由式〔3-3，3-4〕可求得氣缸直徑D。當推力作功時〔3-5〕〔3-6〕用式〔3-6〕計算時，活塞桿d可根據(jù)氣缸拉力預先估定，詳細計算見活塞的計算。估定活塞桿直徑可按計算〔必要時也可取0.4〕。假設將代入式〔3-6〕，那么可得〔3-7〕式中系數(shù)在缸徑較大時取小值，缸徑較小時取大值。以上公式計算出的氣缸內(nèi)徑D應圓整為標準值。參考表3-1得根據(jù)可估算得表缸筒內(nèi)徑系列〔mm〕810121620253240506380(90)100(110)125(140)160(180)200(220)250320400500630注：無括號的數(shù)值為優(yōu)先選用者活塞桿直徑系列〔mm〕456810121416182022252832364045505663708090100110125140160180200220250280320360400〔2〕活塞桿的計算①按強度條件計算當活塞桿的長度L較小時〔L≤10d〕，可以只按強度條件計算活塞桿直徑d〔3-8〕式中氣缸的推力〔N〕；活塞桿材料的許用應力(Pa),材料的抗拉強度〔Pa〕；平安系數(shù)，S≥1.4。②按縱向彎曲極限力計算氣缸承受軸向壓力以后，會產(chǎn)生軸向彎曲，當縱向力到達極限力以后，活塞桿會產(chǎn)生永久性彎曲變形，出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象。該極限力與缸的安裝方式、活塞桿直徑及行程有關。當長細比時〔3-9〕當長細比時〔3-10〕式中活塞桿計算長度〔m〕，見表3-3活塞桿橫截面回轉(zhuǎn)半徑，實心桿空心桿活塞桿橫截面慣性矩，實心桿空心桿空心活塞桿內(nèi)徑直徑〔m〕；活塞桿截面積實心桿空心桿系數(shù)，見表3-3材料彈性模量，對鋼取材料強度實驗值，對鋼取系數(shù)，對鋼取a=1/5000安裝方式為鉸支---鉸支,根據(jù)表3-3得知取n=1,由于活塞桿長度L=10cm(行程為5mm),活塞桿桿橫截面回轉(zhuǎn)半徑(實心桿)所以長細比所以假設縱向推力載荷〔總載荷〕超過極限力，就應采取相應措施。在其他條件〔行程、安裝方式〕不變的前提下，多以加大活塞桿直徑d來解決。表活塞桿計算長度L及系數(shù)nn安裝方式(3)缸筒壁厚的計算缸筒直接承受壓力，需有一定的厚度。由于一般氣缸缸筒壁厚與內(nèi)徑之比，所以通?？梢园幢”谕补接嬎恪?-11〕式中氣缸筒的壁厚〔m〕；氣缸筒內(nèi)徑〔缸徑〕〔m〕；氣缸試驗壓力，一般取氣缸工作壓力〔Pa〕；缸筒材料許用應力〔Pa〕；材料抗拉強度〔Pa〕；平安系數(shù)，一般取常用缸筒材料有：鑄鐵HT150或HT200等，其Q235A鋼管、20鋼管，其鋁合金ZL3，其；45鋼，其本氣缸選用45號缸,，其所以常用計算出的缸筒壁厚都相當薄，但考慮到機械加工，缸筒兩端要安裝缸蓋等需要，往往將氣缸筒壁厚作適當加厚，且盡量選用標準內(nèi)徑和壁厚的鋼管和鋁合金管。表3-4所列缸筒壁厚值可供參考。因加工等原因如表3-4選=5mm.表氣缸筒壁厚(mm)材料氣缸直徑鑄鐵HT1505080100125160200250320壁厚78101012141616鋼Q235A、45、20號無縫管5677881010鋁合金ZL38--1212--1414--173、伸縮缸的選擇根據(jù)機械手的總體的受力,伸縮缸的選擇可以和升降缸使用相同的尺寸?！踩郴剞D(zhuǎn)氣缸的尺寸設計與校核1、工件的轉(zhuǎn)動慣量計算當工件為Φ20時，R=10＞J的計算取R＞情況下的公式，查表3-5可知，按圓柱體計算：當工件為Φ5時，J的計算取R=10＞情況下的公式，查表3-5可知，按圓柱體計算：因為，J工件〔ф20〕＞J工件〔ф5〕，所以，J工件取J工件〔ф20〕=計算。2、手部的轉(zhuǎn)動慣量計算根據(jù)手部結構，查表3-5可知，按長方體計算。因為，m手部總=1.5〔kg〕表2-13、旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動慣量計算4、旋轉(zhuǎn)回轉(zhuǎn)力矩的計算：⑴克服啟動慣性所需的力矩M慣：式中：ω——手腕回轉(zhuǎn)過程的角速度〔1/s〕t啟——啟動過程中所需的時間〔s〕t啟=0.1s那么，⑵腕部回轉(zhuǎn)所屬的總力矩M總：由于手夾持在工件重心〔中心〕位置轉(zhuǎn)動，M偏=0，腕部與手部聯(lián)接使用非軸承元件，所生的摩擦力矩M摩不大，為了簡化計算可以將M慣適當放大，而省略掉M偏、M摩，這時M總=1.5×M慣那么，M總=1.5×M慣=0.45(Nm)查《機械設計手冊》第4版資料，選擇齒輪齒條轉(zhuǎn)擺動氣缸〔缸徑為50mm〕型號：DRQ-PPVJ-A。在0.5Mpa時，轉(zhuǎn)矩為6Nm，大于M總〔平安〕。三、機械手的PLC控制設計〔一〕可編程序控制器的選擇及工作過程1、可編程序控制器的選擇目前，國際上生產(chǎn)可編程序控制器的廠家很多，如日本三菱公司的F系列PC,德國西門子公司的SIMATICN5系列PC、日本OMRON(立石)公司的C型、P型PC等?？紤]到本機械手的輸入輸出點不多，工作流程較簡單，同時考慮到制造本錢，因此在本次設計中選擇了OMRON公司的C28P型可編程序控制器。2、可編程序控制器的工作過程可編程序控制器是通過執(zhí)行用戶程序來完成各種不同控制任務的。為此采用了循環(huán)掃描的工作方式。具體的工作過程可分為4個階段。第一階段是初始化處理。可編程序控制器的輸入端子不是直接與主機相連，CPU對輸入輸出狀態(tài)的詢問是針對輸入輸出狀態(tài)暫存器而言的。輸入輸出狀態(tài)暫存器也稱為I/0狀態(tài)表.該表是一個專門存放輸入輸出狀態(tài)信息的存儲區(qū)。其中存放輸入狀態(tài)信息的存儲器叫輸入狀態(tài)暫存器;存放輸出狀態(tài)信息的存儲器叫輸出狀態(tài)暫存器。開機時，CPU首先使I/0狀態(tài)表清零，然后進行自診斷。當確認其硬件工作正常后，進入下一階段。第二階段是處理輸入信號階段。在處理輸入信號階段，CPU對輸入狀態(tài)進行掃描，將獲得的各個輸入端子的狀態(tài)信息送到I/0狀態(tài)表中存放。在同一掃描周期內(nèi)，各個輸入點的狀態(tài)在I/0狀態(tài)表中一直保持不變，不會受到各個輸入端子信號變化的影響，因此不能造成運算結果混亂，保證了本周期內(nèi)用戶程序的正確執(zhí)行。第三階段是程序處理階段。當輸入狀態(tài)信息全部進入I/0狀態(tài)表后，CPU工作進入到第三個階段。在這個階段中，可編程序控制器對用戶程序進行依次掃描，并根據(jù)各I/0狀態(tài)和有關指令進行運算和處理，最后將結果寫入I/0狀態(tài)表的輸出狀態(tài)暫存器中。第四階段是輸出處理階段。段CPU對用戶程序已掃描處理完畢，并將運算結果寫入到I/0狀態(tài)表狀態(tài)暫存器中。此時將輸入信號從輸出狀態(tài)暫存器中取出，送到輸出鎖存電路，驅(qū)動輸出繼電器線圈，控制被控設備進行各種相應的動作。然后，CPU又返回執(zhí)行下一個循環(huán)的掃描周期?！捕硻C械手可編程序控制器控制方案四、結論〔一〕本次設計的是氣動通用機械手，相對于專用機械手，通用機械手的自由度可變，控制程序可調(diào)，因此適用面更廣?！捕巢捎脷鈮簜鲃?，動作迅速，反響靈敏，能實現(xiàn)過載保護，便于自動控制。工作環(huán)境適應性好，不會因環(huán)境變化影響傳動及控制性能。阻力損失和泄漏較小，不