機電一體化畢業設計-plc氣動機械手設計(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 。 (3)因液壓脈動和液體中混入空氣，易產生噪聲。 (4)為了減少泄漏，液壓元件的制造工藝水平要求較高，故價格較高 。且使用維護需要較高技術水平。 鑒于以上這些缺陷，本機械手擬采用氣壓傳動， 氣動技術有以下優點 : (1)介質提取和處理方便。氣壓傳動工作壓力較低，工作介質提取容易，而后排入大氣，處理方便，一般不需設置回收管道和容器 :介質清潔，管道不易堵存在介質變質及補充的問題 . （ 2)阻力損失和泄漏較小，在壓縮空氣的輸送過程中，阻力損失較小 (一般不卜澆塞僅為油路的千分之一 )，空氣便于集中供應和遠距離輸送。外泄漏不會像液壓傳動那樣，造成壓力明顯降低和嚴重污染。 (3)動作迅速，反應靈敏。氣動系統一般只需要 。氣 動系統也能實現過載保護，便于自動控制。 (4)能源可儲存。壓縮空氣可存貯在儲氣罐中，因此，發生突然斷電等情況時，機器及其工藝流程不致突然中斷。 (5)工作環境適應性好。在易燃、易爆、多塵埃、強磁、強輻射、振動等惡劣環境中，氣壓傳動與控制系統比機械、電器及液壓系統優越，而且不會因溫度變化影響傳動及控制性能。 7 (6)成本低廉。由于氣動系統工作壓力較低，因此降低了氣動元、輔件的材質和加工精度要求，制造容易，成本較低。傳統觀點認為 :由于氣體具有可壓縮性，因此，在氣動伺服系統中要實現高精度定位比較困難 (尤其在高速情況 下，似乎更難想象 )。此外氣源工作壓力較低，抓舉力較小。雖然氣動技術作為機器人中的驅動功能已有部分被工業界所接受，而且對于不太復雜的機械手，用氣動元件組成的控制系統己被接受，但由于氣動機器人這一體系己經取得的一系列重要進展過去介紹得不夠，因此在工業自動化領域里，對氣動機械手、氣動機器人的實用性和前景存在不少疑 慮。 課題的主要任務 本課題將要完成的主要任務如下 : (1) 進行 氣動機械手的總體研究，并進行整體運動方式設計； (2) 設計氣動機械手氣路設計，進行關鍵部件的設計計算； (3) 用 PLC對機 械手控制的 總體 設計 ； 8 第二章 機械手的設計方案 對氣動機械手的基本要求是能快速、準確地拾 放和搬運物件，這就要求它們具有高精度、快速反應、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則是 :充分分析作業對象 (工件 )的作業技術要求，擬定最合理的作業工序和工藝，并滿足系統功能要求和環境條件 。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、尺寸和質量參數等，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，并能實現柔性轉換和編程控制 . 機械手的 坐標 型式與自由度 按機械手手臂的不同運動形式及其組合情況，其 坐標 型式可分為直角 坐標 式、圓柱 坐標 式、球 坐標 式和關節式。由于本機械手在上下料時手臂具有升降、收縮及回轉運動，因此，采用圓柱 坐標 型式。相應的機械手具有 四 個自由度，為了彌補升降運動行程較小的缺點，增加手臂擺動機構，從而增加一個手臂上下擺動的自由度 9 圖 21 機械手的運動示意圖 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。 機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運動才可滿足工作的要求。因此，手腕設計成回轉結構，實現手腕回轉運動的機構為回轉氣缸。 機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 四 個自由度，即手臂的伸縮、左右 回轉和 升降 運動。手臂的回轉和升降運動是通過立柱來實現的，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。 機械手的驅動方案設 計 由于氣壓傳動系統的動作迅速，反應靈敏，阻力損失和泄漏較小，成本低廉因此本機械手采用氣壓傳動方式。 10 機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，非常方便快捷。 機械手的主要參數 ，由于是采用氣動方式驅動，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，結合工業生產的實際情況，本設計設計抓取的工件質量為 1公斤 。 數運動速度是機械手主要的基本參數。操作節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的速度。該機械手最大移動速度設計為 。最大回轉速度設計為 s/90? 。平均移動速度為 。平均回轉速度為 s/60? 。 機械手的技術參數列表 一、用途 : 用于自動輸送線的上下料。 二、設計技術參數 : 抓重 1千克 自由度數 4個自由度 坐標 型式 圓柱 坐標 手臂運動參數 伸縮行程 100mm 伸縮速度 40mm/s 升降行程 150mm 升降速度 100mm/s 回轉范圍 ?? 1800 ? 11 回轉速度 s/90? 手腕運動參數 回轉范圍 ?? 1800 ? 回轉速度 s/90? 手指夾持范圍 棒料 : 248。10248。40 定位方式 行程開關 定位精度 mm1? 1 驅動方式 氣壓傳動 1控制方式 點位程序控制 (采用 PLC) 前法蘭式氣缸的簡介 氣缸是使機械裝置進行直線往復運動的氣動執行元件。氣缸的類型有很多種，根據使用的需要進行選擇。前法蘭式氣缸的特點：它是用螺釘緊固，易于安裝，它的缺點是螺釘所承受的軸向力較大！ 12 第三 章 手臂 伸 縮、 回轉氣缸的尺寸 設計 與校核 手 臂 伸縮氣缸的尺寸設計與校核 根據實驗設計要求， 手臂伸縮氣缸采用煙臺氣動元件廠生產的標準氣缸，參看此公司生產的各種型號的結構特點，尺寸參數，結合本設計的實際要求，氣缸用 CTA型氣缸，尺寸系列初選內徑為 ? 63/63. (1).在校核尺寸時，只需校核氣缸內徑 1D =63mm,半徑 R=要求即可 ,設計使用壓強 MPaP ? , 則驅動力： 2RPF ??? )(1246 26N? ???? （ 2） . 測定手腕質量 和重物的質量之和 為 7kg,設計加速度 )/(10 sma? ，則慣性力 maF?1 =10 7=70 （ 3） .考慮活塞等的摩擦力，設定摩擦系數 ?k , ? =70 =14 ? 總受力 mFFF ?? 10 =70+14=84 FF?0 所以標準 CTA氣缸的尺寸符合實際使用驅動力要求 （ 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 式中 氣缸的推力（ N）； 13 活塞桿材料的許用應力 (Pa), 材料的抗拉強度（ Pa）； 安全系數， S≥ 。 按縱向彎曲極限力計算 氣缸承受軸向壓力以后，會產生軸向彎曲，當縱向力達到極限力 以后，活塞桿會產生永久性彎曲變形，出現不穩定現象。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 當長細比 時 式中 活塞桿計算長度（ m） 活塞桿橫截面回轉半徑， 實心桿 空心桿 活塞桿橫截面慣性矩， 實心桿 空心桿 空心活塞桿內徑直徑（ m）； 活塞桿截面積 實心桿 空心桿 系數， 材料彈性模量，對鋼取 材料強度實驗值，對鋼取 系數，對鋼取 a=1/5000 14 平衡裝 置 在本設計中，為了使手臂的兩端能夠盡量接近重力矩平衡狀態，減少手抓一側重力矩對性能的影響，故在手臂伸縮氣缸一側加裝平衡裝置，裝置內加放砝碼，砝碼塊的質量根據抓取物體的重量和氣缸的運行參數視具體情況加以調節，務求使兩端盡量接近平衡。 手腕 回轉氣缸的尺寸設計與校核 尺寸設計 此部分選用單片葉片式擺動氣馬達需設計其葉片內直徑與葉片軸直徑計算公式如下： T=（ R178。r178。） bpn/8 葉片寬度設計為 b=9mm,氣缸內徑為 D1=53mm, 軸徑 D2=13mm, ,葉片 數 n=1, MPaP ? , 則理論驅動力矩 ： T=（ D1178。D2178。） bpn/8 = 尺寸校核 1．測定參與手臂轉動的部件的質量 m1=2kg,分析部件的質量分布情況， 質量密度等效分布在一個半徑 r=53mm的圓盤上，那么轉動慣量： 221rmJ? =2 =（ ） tJM ?? ?.慣 = (180/1)= 考慮軸承，油封之間的摩擦力，設定摩擦系數 ?k , 慣摩 MkM .? = = 總驅動力矩 摩慣驅 MMM ?? =+= 15 TM ? 設計尺寸滿足使用要求。 16 第四章 氣動系統設計 4． 1 氣壓傳動系統工作原理圖 圖 41為該機械手的氣壓傳動系統工作原理圖。它的氣源是由空氣壓縮機（排氣壓力大于 ）通過快換接頭進入儲氣罐，經分水過濾器、調壓閥、油霧器 ，進入各并聯氣路上的電磁閥，以控制氣缸和手部動作。 圖 41 機械手氣壓傳動原理圖 17 各執行機構調速。凡是能采用排氣口節流方式的，都 在電磁閥的排氣口安裝節流阻尼螺釘進行調速，這種方法的特點是結構簡單，效果尚好。如手臂伸縮氣缸在接近氣缸處安裝兩個快速排氣閥，可以加快啟動速度，也可調節全程上的速度。升降氣缸采用進氣節流的單向節流閥以調節手臂上升速度。由于手臂可自重下降，其速度調節仍采用在電磁閥排氣口安裝節流阻尼螺釘來完成。氣液傳送器氣缸側的排氣節流，可用來調整回轉液壓緩沖器的背壓大小。 為簡化氣路，減少電磁閥的數量，各工