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1、气压传动两维运动机械手设计1.前言气动技术是实现工业自动化的重要手段。气压传动的介质来自于空气,环境污染小,工程容易实现,所以其言传动四一种易于推广普及的实现工业自动化的应用技术。气动技术在机械、化工、电子、电气、纺织、食品、包装、印刷、轻工、汽车等各个制造行业,尤其在各种自动化生产装备和生产线中得到了广泛的应用,极提高了制造业的生产效率和产品质量。气动系统的应用,引起了世界各国产业界的普遍重视,气动行业已成为工业国家发展速度最快的行业之一。可编程控制技器PLC是以微处理器为基础,综合计算机技术、自动控制技术和通信技术发展起来的一种新型、通用的自动控制装置,他具有机构简单、易于编程、性能优越、
2、可靠性高、灵活通用和使用方便等一系列优点,近年来在工业生产过程的自动控制中得到了越来越广泛的应用。2.设计任务2.1设计任务介绍及意义通过课程设计培养学生综合运用所学知识的能力,提高分析和解决问题能的一个重要环节,专业课程设计是建立在专业基础课和专业方向课的基础的,是学生根据所学课程进行的工程基本训练,课程设计的意义在于：1培养学生综合运用所学的基础理论和专业知识,独立进行机电控制系统产品的初步设计工作,并结合设计或试验研究课题进一步巩固和扩大知 识领域。2培养学生搜集、阅读和综合分析参考资料,运用各种标准和工具书籍以及编写技术文件的能力,提高计算、绘图等基本技能。3培养学生掌握机电产品设计的
3、一般程序方法,进行工程师基本素质的训练。4树立正确的设计思想及严肃认真的工作作风。2.2设计任务明细1该机械手的功能：将货物自动放到坐标位置300,300处,并延时1分钟等待卸货,然后返回原点位置,延时1分钟等待装货。2任务要求：执行元件：气动气缸；运动方式：直角坐标；控制方式：PLC控制；控制要求：位置控制；主要设计参数参数：气缸工作行程800 mm；运动负载质量100 kg；移动速度控制3m/min。3具体步骤如下：1先根据参考资料,确定合适的设计方案。2通过计算、分析设计执行元件的参数：气缸的径、壁厚,活塞杆的直径,耗气量的计算,验算设计结果,导向装置的设计,驱动元件的选择,管路设计,底
4、座的设计.3根据动力和总体参数的选择和计算,进行总体设计,完成机械系统的主要部件图。4应用启动原理图,设计控制电路,编写控制程序,绘制电气控制电路原理图。3.总体方案设计方案一：1. 机身2.水平臂3.竖直臂4.夹紧手图1.气动机械手示意图方案二：1. 垂直臂2.水平臂3.夹紧手4.机座5.导轨图2.气动机械手示意图参阅各种气压设计书籍和论文,对照设计任务要求,并通过对以前学习过的课程进行综合考虑,设计出的气动机械手的示意图如图1所示。机械手采用气压传动,选用品质精良的气动元件组合而成,为直角坐标式机械手结构,实现2个自由度,由机身、水平臂、竖直臂、夹紧手组成,可以完成水平臂的伸缩、竖直臂的升
5、降以及抓取等动作,可以方便的通过节流阀调节合适的执行元件的速度,完成物件平面点对点的移动。机械臂用2个气缸控制,即横向移动气缸和纵向移动气缸,其控制系统采用目前控制领域应用比较普遍、性能优越的PLC,根据需要选用西门子公司的S7-200型PLC作为控制系统的核心。由于该系统要求该气动机械手的动作逻辑顺序为： 升降气缸1下降抓取工件升降气缸1上升气缸2左移气缸1下降卸载工件,完成一次物料的搬运。 在设计计算时发现,如用方案一,则横向气缸活塞杆会承受很大的弯矩,影响装置的使用寿命,而且浪费原材料,不经济。故采用方案二,其中导轨分担了纵向活塞的重力,故在设计时可视作横向气缸只受轴向力,不受径向力。4
6、.机械传动系统设计本方案的机械设计中重在气缸的设计,气缸1的作用是实现物料的横向移动,气缸2的作用是实现物料纵向的提升及物品的释放。对气缸结构的要求一是重量尽量轻,以达到动作灵活、运动速度高、节约材料和动力,同时减少运动的冲击,二是要有足够的刚度以保证运动精度和定位精度气缸的设计流程图如图3所示图3 气缸设计流程图气缸按供油方向分,可分为单作用缸和双作用缸。单作用缸只是往缸的一侧输入高压油,靠其它外力使活塞反向回程。双作用缸则分别向缸的两侧输入压力油,活塞的正反向运动均靠液压力完成。由于单作用液压缸仅向单向运动,有外力使活塞反向运动,而双作用单活塞气缸在压缩空气的驱动下可以像两个方向运动但两个
7、方向的输出力不同,所以该方案采用双作用单活塞缸。设计及计算结果4.1纵向气缸的设计计算与校核:由设计任务可以知道,要驱动的负载大小位100Kg,考虑到气缸未加载时实际所能输出的力,受气缸活塞和缸筒之间的摩擦、活塞杆与前气缸之间的摩擦力的影响,并考虑到机械爪的质量。在研究气缸性能和确定气缸缸径时,常用到负载率：由液压与气压传动技术表11-1：运动速度v=3m/min=50mm/s,取=0.60,所以实际液压缸的负载大小为：F=F0/=1633.3N4.1.1气缸径的确定D=1.27FP=1.271633.30.6106 =66.26mmF气缸的输出拉力 N；P 气缸的工作压力Pa按照GB/T23
8、48-1993标准进行圆整,取D=80 mm气缸缸径尺寸系列810121620253240506380901001101251401601802002202503204005006304.1.2活塞杆直径的确定由d=0.3D 估取活塞杆直径 d=25 mm4.1.3缸筒长度的确定缸筒长度S=L+B+30L为活塞行程；B为活塞厚度活塞厚度B=D= 0.780=56mm由于气缸的行程L=800mm ,所以S=L+B+30=886 mm导向套滑动面长度A:一般导向套滑动面长度A,在D80mm时,可取A=D；在D80mm时, 可取A=d。所以A=25mm最小导向长度H：根据经验,当气缸的最大行程为L,
9、缸筒直径为D,最小导向长度为：HL20+D2代入数据 即最小导向长度H80020 +802 =80 mm活塞杆的长度l=L+B+A+80=800+56+25+40=961 mm4.1.4气缸筒的壁厚的确定由液压气动技术手册可查气缸筒的壁厚可根据薄避筒计算公式进行计算： P.D2式中 缸筒壁厚m；D缸筒径m；P缸筒承受的最大工作压力MPa；缸筒材料的许用应力MPa；实际缸筒壁厚的取值：对于一般用途气缸约取计算值的7倍；重型气缸约取计算值的20倍,再圆整到标准管材尺码。参考液压与气压传动缸筒壁厚强度计算及校核=bn,我们的缸体的材料选择45钢,b=600 MPa, =6005=120 MPan为安
10、全系数 一般取 n=5； b 缸筒材料的抗拉强度P缸筒承受的最大工作压力MPa。当工作压力p16 MPa时,P=1.5p；当工作压力p16 MPa时,P=1.25p由此可知工作压力0.6 MPa小于16 MPa,P=1.5p=1.50.6=0.9 MPa P.D2= 0.9802120 =0.3mm参照下表 气缸筒的壁厚圆整取 = 7 mm4.1.5气缸耗气量的计算Q = D24ts = D2V4vP+PaPa = 0.082 0.05m/s40.950.6+0.10.1=1.8510-3m3/s4.1.6气缸进排气口直径d0v空气流经进排气口的速度,可取v=1015ms 选取v = 12 m
11、/s由公式 d0 = 2Qv代入数据得 d0 = 21.8510-312=14.014 mm所以取气缸排气口直径为15 mmQ 工作压力下输入气缸的空气流量m3sV-空气流经进排气口的速度,可取v=1025ms4.1.7活塞杆的校核由于所选活塞杆的长度L10d,所以不但要校核强度校核,还要进行稳定性校核。综合考虑活塞杆的材料选择45钢。参考机械设计手册单行本 由液压气动技术手册稳定性校核：由公式 FP0 FKnK式中 FP0 活塞杆承受的最大轴向压力N；FP0=1633N FK 纵向弯曲极限力N；nK 稳定性安全系数,一般取1.54。综合考虑选取2K活塞杆横截面回转半径,对于实心杆K=d/4代
12、入数据 K =25/4=6.25mm由于细长杆比LK 85m 即 FK = mEJ2L2实心圆杆： J = d464式中 L 气缸的安装长度 ；m 末端系数；选择固定自由 m = 1/4E 材料弹性模量,钢材 E = 2.1 1011 Pa ；J 活塞杆横截面惯性矩m4；d 活塞杆的直径m；L 气缸的安装长度为活塞杆的长度为961mm代入数据得 FK =2.685 104 N因为 FKnK = 1.34 104 FP0 所以活塞杆的稳定性满足条件；强度校核：由公式 d 4Fp0=bn ,n为安全系数 一般取 n=5； b 缸筒材料的抗拉强度45钢的抗拉强度,b=600 MPa ,=bn = 6
13、005 = 120 MPa则 4Fp0 = 4.16 mm d ,所以强度满足要求；综上所述：活塞杆的稳定性和强度满足要求。4.2横向气缸的设计计算与校核:如按原方案横向气缸活塞杆需承受很大的径向力,对活塞杆的强度要求很高,耗费原材料,且寿命减短,极为不合理。故在纵向气缸上端铰接一工型导轨,以分担横向气缸的径向力,使整个系统简约合理。这样横向气缸的工作载荷主要是纵向气缸和导轨的摩擦力,取摩擦系数 = 0.17。估算 纵向气缸的重量m缸=7.9103DS=12.30 Kg 活塞杆的重量m杆 = 7.9103d24l=3.72 Kg 活塞及缸盖重量m其它=9 Kg所以 横行气缸的总载荷为:F总=9
14、.8 = 208.3 N F= F_总 =208.30.6=347.17N4.2.1气缸径的确定D=1.27FP=1.27 F总P=1.27208.30.60.6106 =30.55mmF气缸的输出拉力 N；P 气缸的工作压力Pa按照GB/T2348-1993标准进行圆整,取D=32 mm气缸缸径尺寸系列810121620253240506380901001101251401601802002202503204005006304.2.2活塞杆直径的确定由d=0.3D 估取活塞杆直径 d=10mm4.2.3缸筒长度的确定缸筒长度S=L+B+20L为活塞行程；B为活塞厚度活塞厚度B=D= 0.73
15、2=23mm由于气缸的行程L=800mm ,所以S=L+B+20=843mm导向套滑动面长度A:一般导向套滑动面长度A,在D80mm时,可取A=D；在D80mm时, 可取A=d。所以A=20mm最小导向长度H：根据经验,当气缸的最大行程为L,缸筒直径为D,最小导向长度为：HL20+D2代入数据 即最小导向长度H80020 +322 =56 mm活塞杆的长度l=L+B+A+40=800+23+20+60=903 mm4.2.4气缸筒的壁厚的确定由液压气动技术手册可查气缸筒的壁厚可根据薄避筒计算公式进行计算： P.D2式中 缸筒壁厚m；D缸筒径m；P缸筒承受的最大工作压力MPa；缸筒材料的许用应力
16、MPa；实际缸筒壁厚的取值：对于一般用途气缸约取计算值的7倍；重型气缸约取计算值的20倍,再圆整到标准管材尺码。参考液压与气压传动缸筒壁厚强度计算及校核=bn,我们的缸体的材料选择45钢,b=600 MPa, =6005=120 MPan为安全系数 一般取 n=5； b 缸筒材料的抗拉强度P缸筒承受的最大工作压力MPa。当工作压力p16 MPa时,P=1.5p；当工作压力p16 MPa时,P=1.25p由此可知工作压力0.6 MPa小于16 MPa,P=1.5p=1.50.6=0.9 MPa P.D2= 0.9322120 =0.12mm参照下表 气缸筒的壁厚圆整取 = 3mm4.2.5气缸耗
17、气量的计算Q = D24ts = D2V4vP+PaPa = 0.0322 0.05m/s40.950.6+0.10.1=0.3010-3m3/s4.2.6气缸进排气口直径d0v空气流经进排气口的速度,可取v=1015ms 选取v = 12 m/s由公式 d0 = 2Qv代入数据得 d0 = 20.3010-312=5.643 mm所以取气缸排气口直径为8 mmR 工作压力下输入气缸的空气流量m3sV-空气流经进排气口的速度,可取v=1025ms4.2.7活塞杆的校核由于所选活塞杆的长度L10d,所以不但要校核强度校核,还要进行稳定性校核。综合考虑活塞杆的材料选择45钢。参考机械设计手册单行本
18、 由液压气动技术手册稳定性校核：由公式 FP0 FKnK式中 FP0 活塞杆承受的最大轴向压力N；FK 纵向弯曲极限力N；nK 稳定性安全系数,一般取1.54。综合考虑选取2K活塞杆横截面回转半径,对于实心杆K=d/4代入数据 K =10/4=2.5mm由于细长杆比LK 85m 即 FK = mEJ2L2实心圆杆： J = d464式中 L 气缸的安装长度 ；m 末端系数；选择固定自由 m = 1/4E 材料弹性模量,钢材 E = 2.1 1011 Pa ；J 活塞杆横截面惯性矩m4；d 活塞杆的直径m；L 气缸的安装长度为活塞杆的长度为903mm代入数据得 FK =3.11 104 N因为
19、FKnK = 1.55 104 FP0 所以活塞杆的稳定性满足条件；强度校核：由公式 d 4Fp0=bn ,n为安全系数 一般取 n=5； b 缸筒材料的抗拉强度45钢的抗拉强度,b=600 MPa ,=bn = 6005 = 120 MPa则 4Fp0 = 1.92 mm d ,所以强度满足要求；综上所述：活塞杆的稳定性和强度满足要求。F= 1633.3ND=80 mmd=25 mmS=886 mmA=25mml= 961 mm = 7 mmQ=1.8510-3m3/sd0 =15 mmF=347.17ND=32mmd=10mmS=843mmA=20mml=903mm = 3mmQ=0.30
20、10-3m3/sd0=8 mm4.3连接与密封气缸的连接与密封直接影响气缸的性能和使用寿命,正确的选用连接和密封装置,对保证气缸正常工作有着十分重要的意义。缸筒与缸盖的连接形式主要有拉杆式螺栓连接、螺钉式、钢筒螺纹、卡环等,本气缸四根采用拉杆式双头螺栓连接,由于工作压力小于1MPa,不需要强度校核。根据许用静载荷,查机械设计手册单行本表22-1-58,分别选用M10、M6的螺栓。对于活塞与气缸筒之间采用两个Y型密封圈,其它摩擦副均使用O型密封圈密封。O型密封圈密封可靠,结构简单,摩擦阻力小。O型密封圈安装后,比被密封表面的径大。Y型密封圈密封可靠,使用寿命长,摩擦阻力较O型圈大。5电气控制系统
21、的设计5.1控制系统的基本组成一个完整的计算机控制系统应该包括被控对象、执行机构、检测装置、模数转换器和数模转换器、数字计算机系统。图6所示是其基本框图。在本系统中各个部分的组成如下:5.1.1机械手移动工件的基本结构5.1.2机械手移动工件的工作流程开始机械手移动到工件处夹紧工件将工件移动到指定位置放下工件结束5.1.3控对象和执行机构本系统的被控对象是机械手臂。两个气缸分别用于手臂的伸缩 ,这样机械手可以在垂直平面的一个矩形区域运动,从而实现工件在区域的移动。5.1.4检测装置位置检测装置是计算机控制系统的重要组成部分。在闭环系统中,它的主要作用是检测位移量,该位移量与给定值进行比较,得到
22、误差信号,控制器根据误差信号进行控制调节,使系统趋向减小误差,最终使误差为零。5.1.5数据采集卡和数模转换器本系统中位置检测用了光电编码器,光电编码器的输出为脉冲信号,只击对输出脉冲进行计数即可得到相关的数字量信号,系统采用了PCI一7296数字I/O卡作为数字信息与计算机之间的数据传递接口。D/A转换器是计算机控制系统的重要部件之一,担任着将控制输出量数字量转换为模拟量去驱动执行机构的重要作用。D/A转换采用了Pcl一6024E数据采集卡,可将计算机输出的转换为模拟信号。两块卡都是PCI插槽,控制程序通过虚拟驱动程序读写PCI卡的端口地址来实现数据传送。5.1.5数字计算机系统本系统采用普
23、通的兼容PC作为控制计算机。5.1.6系统工作的主要流程输出信号气缸变量机构气缸气缸变量机构电气控制阀控制放大器指令信号检测元件图4 气缸控制系统框图由气压阀控制气缸的变量机构,改变气缸的流量或压力,使气缸按要求运动。它的控制系统框图如图4,这种系统功率损失小,效率较高,最高可达90%,在节能效益显著,在目前能源问题得到重视时,对这种控制系统进行研究较多。但这种系统动态反应较慢,只能用于动态性能要求不高的场合。对图4中的各流程进行实例化,得到如图5所示的气缸控制系统框图。图5 气缸控制系统框图系统输入信号由计算机控制程序产生,可由用户选择和设定参数,被控对象气缸的位置数据由数据一采集卡PCI-
24、7296采集返回计算机,控制程序通过读端口操作取得数据,送入相应控制子程序。控制程序根据当前控制方案产生输也控制量,输出控制由PCI-6024E的D/A转换模块转换、伺服放大器放大后送对执行机构,从而实现对被控对象的闭环控制。5.2电气元件的选择该机构的主要组成部件如下表：序号名称数量1伸缩气缸22方向控制阀33比例流量阀64光电传感器4各部件的功能如下:1气缸气缸执行元件,将压缩空气的压力转变成机械能的能量转换装置,用于实现直线往复运动。2方向控制阀 基本功能是对气体流动产生通、断作用,气体流通方向的改变作用。3比例流量阀。比例流量阀是电-气转换元件,其作用是根据输入电流信号的大小输出相应流
25、量的压缩空气,驱动气缸动作。这里,比例流量阀的结构为二位三通封闭式,功率放大器与计算机连接。采用电磁比例电磁铁控制阀口开度,使通过阀的气体流量和阀的开度成一定的关系。比例气阀存在死区,当线圈电流大于520mA时,阀口P和A连通;当线圈电流小于28OmA时,阀口A和T相通;当线圈电流280mA52OmA时,三个阀口呈关闭状态。4光电编码器和数显表光电编码器是气缸位置检测元件,将位移转换为电脉冲,用于在线测量活塞位移,以便送到计算机中进行处理。计算机为系统控制器,在每一采样控制周期,计算机根据系统偏差大小,计算出该采样控制周期所需要的控制量大小,以完成活塞位移的实时控制。活塞位移的实时控制。5.3
26、电气控制电路的设计该控制系统的原理图如图6所示,起始时通过操作台,设定要控制的气缸的位置,S7-200经过输入口获取输入量,S7-200经过对输入量进行处理,输出进行控制。本此设计中的,直接被控对象是电磁阀,通过电磁阀的动作在对气缸的位置进行控制。为了进行精确控制,因而本例中使用了闭环控制系统,位置传感器获取位置量,并将获取的值经过总线送到S7-200的输入口,进行发馈控制,从而提高系统的精度。但闭环控制容易引起波动,稳定性不如开换好。操作台I/0接线端子标准数据线传输S7-200电磁阀气缸传感器信号图9 控制系统原理图5.4控制程序的设计及说明5.4.1该控制系统的流程图:开始机械手在初始位
27、置N气按启动按钮Y纵向气缸向下运动N运动到下限位限位?Y夹紧工件N延时5s纵向气缸向上运动Y运动到上限位置N横向气缸向左运动N运动到达左限位Y纵向气缸向下运动N运动到下限位Y松开工件N是否松开Y纵向气缸向上运动N运动到上限位限位?Y横向气缸向右运动N运动到右端N按下停止按钮YY结束5.4.2控制电路接线图如下:I0.0启动Q0.0下降I0.1停止Q0.1上升I0.2下限Q0.2左移I0.3上限Q0.3右移I0.4左限Q0.4夹紧I0.5右限5.4.3应用PLC编程代码如下:该控制系统充分发挥了 PLC 可靠、灵活的优势。实践证明,系统具有较强的抗干扰能力,操作简单方便,适合在恶劣的施工现场应用
28、,具有一定的推广价值。该控制系统与其他控制系统相比,节省了大量的电气元件,缩小了控制柜的体积。由于采用软件片成,其动作安全行程可根据现场实际情况进行随时调整。该气动机械手经安装,调试,能够在模拟生产线上良好运行。此系统简单可靠,安全性高,可重复性好,各项性能指标均达到预期要求。6.小结通过此次课程设计,暴露出了平时学习当中存在的问题:学习不够深入,了解不透彻,导致在做课程设计的过程中,经常对一些基本的知识点弄混.这次课程设计是毕业设计前最后的一次练兵,对我来说非常有意义,在没做课程设计之前,我以为做这次设计就是小意思,没想到做了之后才发现,很多的知识都已经忘到了脑后,看到一个公式,一组数据,明
29、明很熟悉,可就是想不起在哪本参考书,哪本手册.通过了这次课程设计,我对古人的一句话有了更深的理解学而时习之,不亦悦乎,是的,只有经常复习,经常巩固,才能不知识真正的扎根在你的脑海中.7.参考文献1.基于PLC控制的气动机械手系统 州,广义等 机电产品与开发2.轻工业气压传动3.机械设计手册 气压传动单行本 成大先 化学工业4.液压与气压设计手册 利平主编 机械工业5.液压元件手册 黎启百主编 冶金工业、机械工业出版6.机械设计师手册 吴宗泽主编 机械工业7.袖珍液压设计手册 宋学义主编 机械工业8.液压缸 吴培起编 科学技术9液压气动系统设计运行禁忌470例周士昌编 机械工业10中国机械设计大典电子版 王启义主编 中国机械工业学会11.机电控制及自动化 肖兴明、丁保华、军编 中国矿业大学12.Programmable Controller 苗运江主编 中国矿业大学13.机电一体化设计 建编 高等教育14.液压与气压传动 延俊主编 机械工业15.物流自动化技术 军 洪晓华 主编 中国矿业大学38 / 38
