周一至周五 | 9:00—22:00

期刊论文网 > 工业技术论文 > 机械仪表工业论文 > 机械手设计论文 气动机械手升降臂结构设计

机械手设计论文 气动机械手升降臂结构设计

2019-03-14 09:56:54来源:组稿人论文网作者:婷婷

  摘要

 

  本文简要介绍了工业机器人的概念,机械手的组成和分类,气动技术的特点,PLC控制的特点,触摸屏的特点及国内外的发展状况。

 

  本文对机械手进行总体方案设计,确定了机械手的技术参数。同时,设计计算了机械手的升降臂和回转臂结构,设计了机械手的手部结构。

 

  本文系统地研究了机械手的气动系统,对气压系统工作原理图的参数进行了了解,大大提高了绘图效率和图纸质量。

 

  利用可编程序控制器(PLC)对机械手进行控制,选取了合适的PLC型号,根据机械手的工作流程制定了可编程序控制器的控制方案,对机械手的面板操纵式(有动力)点位示教部分控制软件进行了设计。

 

  关键词:工业机器人;机械手;气动;可编程序控制器;触摸屏;示教

 

  第一章绪论

 

  1.1工业机械手的概述

 

  工业机器人是能模仿人体某些器官的功能(主要是动作功能)、有独立的控制系统、可以改变工作程序和编程的多用途自动操作装置。工业机器人在工业生产中能代替人做某些单调、频繁和重复的长时间作业,或是危险、恶劣环境下的作业,例如在冲压、压力铸造、热处理、焊接、涂装、塑料制品成形、机械加工和简单装配等工序上,以及在原子能工业等部门中,完成对人体有害物料的搬运或工艺操作。“机器人”一词出自捷克文,意为劳役或苦工。1920年,捷克斯洛伐克小说家、剧作家恰佩克在他写的科学幻想戏剧《罗素姆万能机器人》中第一次使用了机器人一词。此后被欧洲各国语言所吸收而成为专门名词。20世纪50年代末,美国在机械手和操作机的基础上,采用伺服机构和自动控制等技术,研制出有通用性的独立的工业用自动操作装置,并将其称为工业机器人;60年代初,美国研制成功两种工业机器人,并很快地在工业生产中得到应用;1969年,美国通用汽车公司用21台工业机器人组成了焊接轿车车身的自动生产线。此后,各工业发达国家都很重视研制和应用工业机器人。由于工业机器人具有一定的通用性和适应性,能适应多品种中、小批量的生产,70年代起,常与数字控制机床结合在一起,成为柔性制造单元或柔性制造系统的组成部分。工业机器人由主体、驱动系统和控制系统三个基本部分组成。主体即机座和执行机构,包括臂部、腕部和手部,有的机器人还有行走机构。大多数工业机器人有3~6个运动自由度,其中腕部通常有1~3个运动自由度;驱动系统包括动力装置和传动机构,用以使执行机构产生相应的动作;圆柱坐标型工业机器人示意图控制系统是按照输入的程序对驱动系统和执行机构发出指令信号,并进行控制。工业机器人按臂部的运动形式分为四种。直角坐标型的臂部可沿三个直角坐标移动;圆柱坐标型的臂部可作升降、回转和伸缩动作;球坐标型的臂部能回转、俯仰和伸缩;关节型的臂部有多个转动关节。工业机器人按执行机构运动的控制机能,又可分点位型和连续轨迹型。点位型只控制执行机构由一点到另一点的准确定位,适用于机床上下料、点焊和一般搬运、装卸等作业;连续轨迹型可控制执行机构按给定轨迹运动,适用于连续焊接和涂装等作业。工业机器人按程序输入方式区分有编程输入型和示教输入型两类。编程输入型是以穿孔卡、穿孔带或磁带等信息载体,输入已编好的程序。示教输入型的示教方法有两种:一种是由操作者用手动控制器(示教操纵盒),将指令信号传给驱动系统,使执行机构按要求的动作顺序和运动轨迹操演一遍;另一种是由操作者直接领动执行机构,按要求的动作顺序和运动轨迹操演一遍。在示教过程的同时,工作程序的信息即自动存入程序存储器中在机器人自动工作时,控制系统从程序存储器中检出相应信息,将指令信号传给驱动机构,使执行机构再现示教的各种动作。示教输入程序的工业机器人称为示教再现型工业机器人。具有触觉、力觉或简单的视觉的工业机器人,能在较为复杂的环境下工作;如具有识别功能或更进一步增加自适应、自学习功能,即成为智能型工业机器人。它能按照人给的“宏指令”自选或自编程序去适应环境,并自动完成更为复杂的工作。

 

  1.2机械手的组成及分类

 

  1.2.1机械手的分类

 

  机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等所组成。如下示意图1-1.

 

  图1-1机械手示意图

 

  1.2.2机械手的分类

 

  工业机械手的种类很多,关于分类的问题,目前在国内尚无统一的分类标准,在此暂按使用范围、驱动方式和控制系统等进行分类。

 

  (一)按用途分

 

  机械手可分为专用机械手和通用机械手两种:

 

  1、专用机械手

 

  专用机械手是附属于主机的、具有固定程序而无独立控制系统的机械装置。专用机械手具有动作少、工作对象单一、结构简单、使用可靠和造价低等特点,适用于大批量的自动化生产的自动换刀机械手,如自动机床、自动线的上、下料机械手等。

 

  2、通用机械手

 

  通用机械手是一种具有独立控制系统的、程序可变的、动作灵活多样的机械手。格性能范围内,其动作程序是可变的,通过调整可在不同场合使用,驱动系统和控制系统是独立的。通用机械手的工作范围大、定位精度高、通用性强,适用于不断变换生产品种的中小批量自动化的生产。通用机械手按其控制定位的方式不同可分为简易型和伺服型两种:简易型以“开一关”式控制定位,只能是点位控制:可以是点位的,也可以实现连续轨控制,伺服型具有伺服系统定位控制系统,一般的伺服型通用机械手属于数控类型。

 

  (二)按驱动方式分

 

  1、液压传动机械手

 

  液压传动机械手是以液压的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是:抓重可达几百公斤以上、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏。但对密封装置要求严格,不然油的泄漏对机械手的工作性能有很大的影响,且不宜在高温、低温下工作。若机械手采用电液伺服驱动系统,可实现连续轨迹控制,使机械手的通用性扩大,但是电液伺服阀的制造精度高,油液过滤要求严格,成本高。

 

  2、气压传动机械手

 

  气压传动机械手是以压缩空气的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是:介质李源极为方便,输出力小,气动动作迅速,结构简单,成本低。但是,由于空气具有可压缩的特性,工作速度的稳定性较差,冲击大,而且气源压力较低,抓重一般在30公斤以下,在同样抓重条件下它比液压机械手的结构大,所以适用于高速、轻载、高温和粉尘大的环境中进行工作。

 

  3、机械传动机械手

 

  机械传动机械手即由机械传动机构(如凸轮、连杆、齿轮和齿条、间歇机构等)驱动的机械手。它是一种附属于工作主机的专用机械手,其动力是由工作机械传递的。它的主要特点是运动准确可靠,用于工作主机的上、下料。动作频率大,但结构较大,动作程序不可变。

 

  4、电力传动机械手

 

  电力传动机械手即有特殊结构的感应电动机、直线电机或功率步进电机直接驱动执行机构运动的械手,因为不需要中间的转换机构,故机械结构简单。其中直线电机机械手的运动速度快和行程长,维护和使用方便。此类机械手目前还不多,但有发展前途。

 

  (三)按控制方式分

 

  1、点位控制

 

  点位控制的运动为空间点到点之间的移动,只能控制运动过程中几个点的位置,不能控制其运动轨迹。若欲控制的点数多,则必然增加电气控制系统的复杂性。目前使用的专用和通用工业机械手均属于此类。

 

  2、连续轨迹控制

 

  连续轨迹控制的运动轨迹为空间的任意连续曲线,其特点是设定点为无限的,整个移动过程处于控制之下,可以实现平稳和准确的运动,并且使用范围广,但电气控制系统复杂。这类工业机械手一般采用小型计算机进行控制。

 

  1.3 PLC与触摸屏概述

 

  PLC(Programmable Logical Controller)通常称为可编程逻辑控制器,是一种以微处理器为基础,综合了现代计算机技术、自动控制技术和通信技术发展起来的一种通用的工业自动控制装置,由于它拥有体积小、功能强、程序设计简单、维护方便等优点,特别是它适应恶劣工业环境的能力和它的高可靠性,使它的应用越来越广泛,已经被称为现代工业的三大支柱(即PLC、机器人和CAD/CAM)之一。

 

  人机界面是在操作人员和机器设备之间作双向沟通的桥梁,用户可以自由的组合文字、按钮、图形、数字等来处理或监控管理及应付随时可能变化信息的多功能显示屏幕。随着机械设备的飞速发展,以往的操作界面需由熟练的操作员才能操作,而且操作困难,无法提高工作效率。但是使用人机界面能够明确指示并告知操作员机器设备目前的状况,使操作变的简单生动`,并且可以减少操作上的失误,即使是新手也可以很轻松的操作整个机器设备。使用人机界面还可以使机器的配线标准化、简单化,同时也能减少PLC控制器所需的I/O点数,降低生产的成本同时由于面板控制的小型化及高性能,相对的提高了整套设备的附加价值。

 

  触摸屏作为一种新型的人机界面,从一出现就受到关注,它的简单易用,强大的功能及优异的稳定性使它非常适合用于工业环境,甚至可以用于日常生活之中,应用非常广泛,比如:自动化停车设备、自动洗车机、天车升降控制、生产线监控等,甚至可用于智能大厦管理、会议室声光控制、温度调整。

 

  随着科技的飞速发展,越来越多的机器与现场操作都趋向于使用人机界面,PLC控制器强大的功能及复杂的数据处理也呼唤一种功能与之匹配而操作又简便的人机的出现,触摸屏的应运而生无疑是21世纪自动化领域里的一个巨大的革新。

 

  1.4国内外发展状况

 

  国外机器人领域发展近几年有如下几个趋势:

 

  (1)工业机器人性能不断提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修),而单机价格不断下降。

 

  (2)机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化:由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机;国外已有模块化装配机器人产品问市。

 

  (3)工业机器人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展,便于标准化、网络化;器件集成度提高,控制柜日见小巧,且采用模块化结构:大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。

 

  (4)机器人中的传感器作用日益重要,除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外,装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器,而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制;多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用。

 

  (5)虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制,如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。

 

  (6)当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统,而是致力于操作者与机器人的人机交互控制,即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统,使智能机器人走出实验室进入实用化阶段。美国发射到火星上的“索杰纳”机器人就是这种系统成功应用的最著名实例。

 

  1.5课题研究内容

 

  1.5.1课题的提出

 

  现在的机械手大多采用液压传动,液压传动存在以下几个缺点:

 

  (1)液压传动在工作过程中常有较多的能量损失(摩擦损失、泄露损失等):液压传动易泄漏,不仅污染工作场地,限制其应用范围,可能引起失火事故,而且影响执行部分的运动平稳性及正确性。

 

  (2)工作时受温度变化影响较大。油温变化时,液体粘度变化,引起运动特性变化。

 

  (3)因液压脉动和液体中混入空气,易产生噪声。

 

  (4)为了减少泄漏,液压元件的制造工艺水平要求较高,故价格较高;且使用维护需要较高技术水平。鉴于以上这些缺陷,本机械手拟采用气压传动,

 

  气动技术有以下优点:

 

  (1)介质提取和处理方便。气压传动工作压力较低,工作介质提取容易,而后排入大气,处理方便,一般不需设置回收管道和容器:介质清洁,管道不易堵存在介质变质及补充的问题.

 

  (2)阻力损失和泄漏较小,在压缩空气的输送过程中,阻力损失较小(一般不卜浇塞仅为油路的千分之一),空气便于集中供应和远距离输送。外泄漏不会像液压传动那样,造成压力明显降低和严重污染。

 

  (3)动作迅速,反应灵敏。气动系统一般只需要0.02s-0.3s即可建立起所需的压力和速度。气动系统也能实现过载保护,便于自动控制。

 

  (4)能源可储存。压缩空气可存贮在储气罐中,因此,发生突然断电等情况时,机器及其工艺流程不致突然中断。

 

  (5)工作环境适应性好。在易燃、易爆、多尘埃、强磁、强辐射、振动等恶劣环境中,气压传动与控制系统比机械、电器及液压系统优越,而且不会因温度变化影响传动及控制性能。

 

  (6)成本低廉。由于气动系统工作压力较低,因此降低了气动元、辅件的材质和加工精度要求,制造容易,成本较低。传统观点认为:由于气体具有可压缩性,因此,在气动伺服系统中要实现高精度定位比较困难(尤其在高速情况下,似乎更难想象)。此外气源工作压力较低,抓举力较小。虽然气动技术作为机器人中的驱动功能已有部分被工业界所接受,而且对于不太复杂的机械手,用气动元件组成的控制系统己被接受,但由于气动机器人这一体系己经取得的一系列重要进展过去介绍得不够,因此在工业自动化领域里,对气动机械手、气动机器人的实用性和前景存在不少疑虑。

 

  由“可编程序控制器-传感器-气动元件”组成的典型的控制系统仍然是自动化技术的重要方面;发展与电子技术相结合的自适应控制气动元件,使气动技术从“开关控制”进入到高精度的“反馈控制”;省配线的复合集成系统,不仅减少配线、配管和元件,而且拆装简单,大大提高了系统的可靠性。

 

  而今,电磁阀的线圈功率越来越小,而PLC的输出功率在增大,由PLC直接控制线圈变得越来越可能。气动机械手、气动控制越来越离不开PLC,而阀岛技术的发展,又使PLC在气动机械手、气动控制中变得更加得心应手。

 

  1.5.2课题的主要任务

 

  1、进行气动机械手的总体研究,并进行整体运动方式设计;

 

  2、对气动机械手气路了解,进行关键部件的研究,完成气动阀座零件图。

 

  本课题采用的是南通大学电子气动控制系统实验台,

 

  3、设计气动机械升降臂回转臂部分结构,进行关键部件的设计计算;完成气动机械手升降臂结构装配图、气动机械手回转臂结构装配图。

 

  设计的气动机械手伸缩行程10CM,升降行程5CM,旋转180度;抓握零件直径ø5~ø20,最大重量0.5KG。

 

  4、完成面板操纵式(有动力)点位示教部分控制软件设计与上位监控系统设计

 

  要求界面友好,本课题所用操作版面是eview软件操作版面,其版面可简约成如下示意图

 

  机械手的操作版面如图1-2所示;

 

  示教

 

  图1-2操作版面

 

  5、机械手的控制系统的设计:本机械手拟采用可编程序控制器(PLC)对机械手进行控制,本课题将要选取PLC型号为西门子S7-200,根据机械手的工作流程编制出PLC示教程序,要求程序可读性好。

 

  第二章机械手的设计方案

 

  对气动机械手的基本要求是能快速、准确地拾-放和搬运物件,这就要求它们具有高精度、快速反应、一定的承载能力、足够的工作空间和灵活的自由度及在任意位置都能自动定位等特性。设计气动机械手的原则是:充分分析作业对象(工件)的作业技术要求,拟定最合理的作业工序和工艺,并满足系统功能要求和环境条件;明确工件的结构形状和材料特性,定位精度要求,抓取、搬运时的受力特性、尺寸和质量参数等,从而进一步确定对机械手结构及运行控制的要求;尽量选用定型的标准组件,简化设计制造过程,兼顾通用性和专用性,并能实现柔性转换和编程控制.本次设计的机械手是通用气动上下料机械手,是一种模拟大中型场合工作的机械搬运设备。可以改变动作程序的自动搬运或操作设备,操作频繁的生产场合。在发出指令协调各有关驱动器之间的运动的同时,还要完成编程、示教/再现以及其他环境状况(传感器信息)、工艺要求、外部相关设备之间的信息传递和协调工作,使各关节能按预定运动规律运动。

 

  2.1机械手主要类型和自由度的选择

 

  手臂的机构基本上决定了操作机的工作空间范围,按机械手手臂运动的不同运动的坐标形式和形态来进行分类,其座标型式可分为直角座标式、圆柱座标式、球座标式和关节式。(1)直角坐标型具有三个移动关节(PPP),可使手部产生三个互相垂直的独立位移。由于其运动方程可独立处理,且为线性的,具有定位精度高,控制简单等特点,但操作灵活性较差,运动速度低的特点。(2)圆柱坐标型具有两个移动关节和一个转动关节(PPR),受部的坐标为(z,r,θ)。这种操作机的优点是所占的空间尺寸较小,相对工作范围较大,结构简单,手部可获得较高的速度。而缺点是手部外伸离中心轴愈远,其切向线位移分辨精度愈低。通常用于搬运机器人。(3)球座标型具有两个转动关节和一个移动关节(RRP),优点是结构紧凑,所占空间尺寸小,但目前应用较少。(4)关节型是模拟人的上肢而构成的。它具有三个转动关节(RRR),可绕铅垂轴转动和绕两个平行于水平面的轴转动。具有结构紧凑,所占空间体积少,相对工作空间大等特点,用于复杂设备当中。

 

  由于本机械手在上下料时手臂具有升降、收缩及回转运动,在操作机中主动关节的数目应等于操作机的自由度,因此,采用圆柱座标型式,相应的机械手具有三个自由。

 

  2.2机械手的驱动方案设计

 

  由于气压传动系统的动作迅速,反应灵敏,阻力损失和泄漏较小,成本低廉因此本机械手采用气压传动方式。本系统采用南通大学的WQK-III电子气动控制系统实验台实现对机械手的控制。

 

  2.3机械手的控制方案设计

 

  考虑到机械手的通用性,同时使用点位控制,因此我们采用可编程序控制器(PLC)对机械手进行控制。当机械手的动作流程改变时,只需改变PLC程序即可实现,非常方便快捷。本机械手采用了西门子S7-200的PLC(CPU 224CN)进行编程控制。

 

  2.4机械手的手部结构方案确定

 

  为了使机械手的通用性更强,把机械手的手部结构设计成可更换结构,当工件是棒料时,使用夹持式手部;当工件是板料时,使用气流负压式吸盘。本文设计的是抓握直径为ø5~ø20的零件。

 

  2.5机械手的手臂结构方案设计

 

  按照抓取工件的要求,本机械手的手臂有三个自由度,即手臂的伸缩、左右回转和升降运动。手臂的回转和升降运动是通过立柱来实现的,立柱的横向移动即为手臂的横移。手臂的各种运动由气缸来实现。手臂的伸缩、升降运动由伸缩气缸来实现,回转由回转气缸实现。

 

  2.6机械手的主要参数

 

  1.机械手的最大抓重是其规格的主参数,由于是采用气动方式驱动,因此考虑抓取的物体不应该太重,查阅相关机械手的设计参数,结合工业生产的实际情况,本设计设计要求抓取的工件质量为0.5KG。

 

  2.基本参数运动速度是机械手主要的基本参数。操作节拍对机械手速度提出了要求,设计速度过低限制了它的使用范围。而影响机械手动作快慢的主要因素是手臂伸缩及回转的速度。该机械手最大移动速度设计为。最大回转速度设计为。平均移动速度为。平均回转速度为。机械手动作时有启动、停止过程的加、减速度存在,用速度一行程曲线来说明速度特性较为全面,因为平均速度与行程有关,故用平均速度表示速度的快慢更为符合速度特性。除了运动速度以外,手臂设计的基本参数还有伸缩行程和工作半径。大部分机械手设计成相当于人工坐着或站着且略有走动操作的空间。过大的伸缩行程和工作半径,必然带来偏重力矩增大而刚性降低。在这种情况下宜采用自动传送装置为好。根据统计和比较,该机械手手臂的伸缩行程定为,最大工作半径约为。手臂升降行程定为。定位精度也是基本参数之一。该机械手的定位精度为。

 

  2.7机械手的技术参数列表

 

  一、用途:

 

  用于教学实验、课程设计等内容研究。

 

  二、设计技术参数:

 

  1、抓重

 

  2、自由度数

 

  3个自由度

 

  3、座标型式

 

  圆柱座标

 

  4、最大工作半径

 

  5、手臂运动参数

 

  伸缩行程

 

  伸缩速度

 

  升降行程

 

  升降速度

 

  回转范围

 

  回转速度

 

  8、手指夹持范围

 

  棒料:

 

  9、定位方式

 

  行程开关

 

  10、定位精度

 

  11、驱动方式

 

  气压传动

 

  12、控制方式

 

  点位程序控制(采用PLC)

 

  图2-1机械手的模型

 

  第三章手部结构的选择,手臂伸缩,

 

  升降、回转气缸的设计与校核

 

  为了使机械手的通用性更强,把机械手的手部结构设计成可更换结构,当工件是棒料时,使用夹持式手部;如果有实际需要,还可以换成气压吸盘式结构。

 

  3.1夹持式手部结构

 

  夹持式手部结构由手指(或手爪)和传力机构所组成。其传力结构形式比较多,如滑槽杠杆式、斜楔杠杆式、齿轮齿条式、弹簧杠杆式等。

 

  3.1.1手指的形状和分类

 

  夹持式是最常见的一种,其中常用的有两指式、多指式和双手双指式:按手指夹持工件的部位又可分为内卡式(或内涨式)和外夹式两种:按模仿人手手指的动作,手指可分为一支点回转型,二支点回转型和移动型(或称直进型),其中以二支点回转型为基本型式。当二支点回转型手指的两个回转支点的距离缩小到无穷小时,就变成了一支点回转型手指;同理,当二支点回转型手指的手指长度变成无穷长时,就成为移动型。回转型手指开闭角较小,结构简单,制造容易,应用广泛。移动型应用较少,其结构比较复杂庞大,当移动型手指夹持直径变化的零件时不影响其轴心的位置,能适应不同直径的工件。

 

  3.1.2设计时注意的问题

 

  (一)具有足够的握力(即夹紧力)

 

  在确定手指的握力时,除考虑工件重量外,还应考虑在传送或操作过程中所产生的惯性力和振动,以保证工件不致产生松动或脱落。

 

  (二)手指间应具有一定的开闭角

 

  两手指张开与闭合的两个极限位置所夹的角度称为手指的开闭角。手指的开闭角应保证工件能顺利进入或脱开,若夹持不同直径的工件,应按最大直径的工件考虑。对于移动型手指只有开闭幅度的要求。

 

  (三)保证工件准确定位

 

  为使手指和被夹持工件保持准确的相对位置,必须根据被抓取工件的形状,选择相应的手指形状。例如圆柱形工件采用带“V”形面的手指,以便自动定心。

 

  (四)具有足够的强度和刚度

 

  手指除受到被夹持工件的反作用力外,还受到机械手在运动过程中所产生的惯性力和振动的影响,要求有足够的强度和刚度以防折断或弯曲变形,当应尽量使结构简单紧凑,自重轻,并使手部的中心在手腕的回转轴线上,以使手腕的扭转力矩最小为佳。

 

  (五)考虑被抓取对象的要求

 

  根据机械手的工作需要,通过比较,我们采用的机械手的手部结构是一支点两指回转型,由于工件多为圆柱形,故手指形状设计成V型。

 

  3.2升降缸的尺寸设计与校核和伸缩缸的选择

 

  3.2.1气缸的分类

 

  普通气缸的结构组成见图3-1。主要由前盖、后盖9、活塞6、活塞杆4、缸筒5其他一些零件组成。

 

  图3-1普通气缸的结构组成

 

  1—组合防尘圈;—前端盖;3—轴用YX密封圈;4—活塞杆;5—缸筒;

 

  6—活塞;7—孔用YX密封圈;8—缓冲调节阀;9—后端盖

 

  气缸的种类很多。一般按压缩空气作用在活塞面上的方向、结构特征和安装方式来分类。

 

  气缸的类型

 

  (1)单作用气缸

 

  柱塞式气缸:压缩空气只能使柱塞向一个方向运动;借助外力或重力复位

 

  活塞式气缸:压缩空气只能使活塞向一个方向运动;借助外力或重力复位(或借助弹簧力复位;用于行程较小场合)

 

  薄膜式气缸:以膜片代替活塞的气缸。单向作用;借助弹簧力复位;行程短;结构简单,缸体内壁不须加工;须按行程比例增大直径。若无弹簧,用压缩空气复位,即为双向作用薄膜式气缸。行程较长的薄膜式气缸膜片受到滚压,常称滚压(风箱)式气缸。

 

  (2)双作用气缸

 

  普通气缸:利用压缩空气使活塞向两个方向运动,活塞行程可根据实际需要选定,双向作用的力和速度不同

 

  双活塞杆气缸:压缩空气可使活塞向两个方向运动,且其速度和行程都相等

 

  不可调缓冲气缸:设有缓冲装置以使活塞临近行程终点时减速,防止冲击,缓冲效果不可调整

 

  可调缓冲气缸:缓冲装置的减速和缓冲效果可根据需要调整

 

  (3)特殊气缸

 

  差动气缸:气缸活塞两端有效面积差较大,利用压力差原理使活塞往复运动,工作时活塞杆侧始终通以压缩空气

 

  双活塞气缸:两个活塞同时向相反方向运动

 

  多位气缸:活塞杆沿行程长度方向可在多个位置停留,图示结构有四个位置

 

  串联气缸:在一根活塞杆上串联多个活塞,可获得和各活塞有效面积总和成正比的输出力

 

  冲击气缸:利用突然大量供气和快速排气相结合的方法得到活塞杆的快速冲击运动,用于切断、冲孔、打入工件等

 

  数字气缸:将若干个活塞沿轴向依次装在一起,每个活塞的行程由小到大,按几何级数增加

 

  回转气缸:进排气导管和导气头固定而气缸本体可相对转动。用于机床夹具和线材卷曲装置上

 

  伺服气缸:将输入的气压信号成比例地转换为活塞杆的机械位移。用于自动调节系统中。挠性气缸缸筒由挠性材料制成,由夹住缸筒的滚子代替活塞。用于输出力小,占地空间小,行程较长的场合,缸筒可适当弯曲

 

  钢索式气缸:以钢丝绳代替刚性活塞杆的一种气缸,用于小直径,特长行程的场合

 

  (4)组合气缸

 

  增压气缸:活塞杆面积不相等,根据力平衡原理,可由小活塞端输出高压气体

 

  气-液增压缸:液体是不可压缩的,根据力的平衡原理,利用两两相连活塞面积的不等,压缩空气驱动大活塞,小活塞便可输出相应比例的高压液体

 

  气-液阻尼缸:利用液体不可压缩的性能及液体流量易于控制的优点,获得活塞杆的稳速运动

 

  3.2.2升降气缸的尺寸设计与校核

 

  (1)活塞杆上输出力和缸径的计算

 

  本课题中采用的是双作用气缸,单活塞杆双作用气缸是使用最为广泛的一种普通气缸,因其只在活塞一侧有活塞杆,所以压缩空气作用在活塞两侧的有效面积不等.活塞左行时活塞杆产生推力,活塞右行时产生拉力。

 

  (3-1)

 

  (3-2)

 

  式中活塞杆的推力(N);

 

  活塞杆的拉力(N);

 

  活塞直径(m);

 

  活塞杆直径(m);

 

  气缸工作压力(Pa);

 

  气缸工作总阻力(N);

 

  气缸工作时的总阻力与众多因素有关,如运动部件惯性力,背压阻力,密封处摩擦力等.以上因素可以载荷率的形式计入公式,如要求气缸的静推力和静拉力,则计入载荷率后

 

  (3-3)

 

  (3-4)

 

  计入载荷率就能保证气缸工作时的动态特征.若气缸动态参数要求较高;且工作频率高,其载荷率一般取,速度高时取小值,速度低时取大值.若气缸动态参数要求一般,且工作频率低,基本是匀速运动,其载荷率可取。根据要求本次设计中,我们取。活塞杆拉力为克服机械手的自重(1.5KG)和克服抓取物的重量(0.5KG)所用的力为

 

  由式(3-3,3-4)可求得气缸直径D。

 

  当推力作功时

 

  (3-5)

 

  (3-6)

 

  用式(3-6)计算时,活塞杆d可根据气缸拉力预先估定,详细计算见活塞的计算。估定活塞杆直径可按计算(必要时也可取0.4)。若将代入式(3-6),则可得

 

  (3-7)

 

  式中系数在缸径较大时取小值,缸径较小时取大值。

 

  以上公式计算出的气缸内径D应圆整为标准值。参考表3-1得

 

  根据可估算得

 

  表3-1缸筒内径系列(mm)

 

  810121620253240506380(90)100(110)125(140)160(180)200(220)250320400500630注:无括号的数值为优先选用者

 

  3-2活塞杆直径系列(mm)

 

  456810121416182022252832364045505663708090100110125140160180200220250280320360400(2)活塞杆的计算

 

  1)按强度条件计算当活塞杆的长度L较小时(L≤10d),可以只按强度条件计算活塞杆直径d

 

  (3-8)

 

  式中气缸的推力(N);

 

  活塞杆材料的许用应力(Pa),

 

  材料的抗拉强度(Pa);

 

  安全系数,S≥1.4。

 

  按纵向弯曲极限力计算气缸承受轴向压力以后,会产生轴向弯曲,当纵向力达到极限力以后,活塞杆会产生永久性弯曲变形,出现不稳定现象。该极限力与缸的安装方式、活塞杆直径及行程有关。

 

  当长细比时

 

  (3-9)

 

  当长细比时

 

  (3-10)

 

  式中活塞杆计算长度(m),见表3-3

 

  活塞杆横截面回转半径,

 

  实心杆

 

  空心杆

 

  活塞杆横截面惯性矩,

 

  实心杆

 

  空心杆

 

  空心活塞杆内径直径(m);

 

  活塞杆截面积

 

  实心杆

 

  空心杆

 

  系数,见表3-3

 

  材料弹性模量,对钢取

 

  材料强度实验值,对钢取

 

  系数,对钢取a=1/5000

 

  安装方式为铰支---铰支,根据表3-3得知取n=1,由于活塞杆长度L=10cm(行程为5mm),活塞杆杆横截面回转半径(实心杆)

 

  所以长细比

 

  所以

 

  若纵向推力载荷(总载荷)超过极限力,就应采取相应措施。在其他条件(行程、安装方式)不变的前提下,多以加大活塞杆直径d来解决。

 

  表3-3活塞杆计算长度L及系数n

 

  n安装方式(3)缸筒壁厚的计算

 

  缸筒直接承受压力,需有一定的厚度。由于一般气缸缸筒壁厚与内径之比,所以通常可以按薄壁筒公式计算

 

  (3-11)

 

  式中气缸筒的壁厚(m);

 

  气缸筒内径(缸径)(m);

 

  气缸试验压力,一般取

 

  气缸工作压力(Pa);

 

  缸筒材料许用应力(Pa);

 

  材料抗拉强度(Pa);

 

  安全系数,一般取

 

  常用缸筒材料有:铸铁HT150或HT200等,其Q235A钢管、20钢管,其铝合金ZL3,其;45钢,其

 

  本气缸选用45号缸,,其

 

  所以

 

  常用计算出的缸筒壁厚都相当薄,但考虑到机械加工,缸筒两端要安装缸盖等需要,往往将气缸筒壁厚作适当加厚,且尽量选用标准内径和壁厚的钢管和铝合金管。表3-4所列缸筒壁厚值可供参考。

 

  因加工等原因如表3-4选=5 mm.

 

  表3-4气缸筒壁厚(mm)

 

  材料气缸直径铸铁HT1505080100125160200250320壁厚78101012141616钢Q235A、45、20号无缝管5677881010铝合金ZL38--1212--1414--173.2.3伸缩缸的选择

 

  根据机械手的总体的受力,伸缩缸的选择可以和升降缸使用相同的尺寸。

 

  3.3回转气缸的尺寸设计与校核

 

  1、工件的转动惯量计算

 

  当工件为Φ20时,

 

  R=10>

 

  J的计算取R>情况下的公式,查表3-5可知,按圆柱体计算:

 

  当工件为Φ5时,

 

  J的计算取R=10>情况下的公式,查表3-5可知,按圆柱体计算:

 

  因为,J工件(ф20)>J工件(ф5),

 

  所以,J工件取J工件(ф20)=计算。

 

  2、手部的转动惯量计算

 

  根据手部结构,查表3-5可知,按长方体计算。

 

  因为,m手部总=1.5(kg)

 

  表3-5

 

  (续表3-5)

 

  伸缩转动惯量

 

  3、旋转的转动惯量计算

 

  4、旋转回转力矩的计算:

 

  ⑴克服启动惯性所需的力矩M惯:

 

  式中:ω——手腕回转过程的角速度(1/s)

 

  t启——启动过程中所需的时间(s)t启=0.1 s

 

  图3-6

 

  那么,

 

  ⑵腕部回转所属的总力矩M总:

 

  由于手夹持在工件重心(中心)位置转动,

 

  M偏=0,腕部与手部联接使用非轴承元件,所生

 

  的摩擦力矩M摩不大,为了简化计算可以将M惯

 

  适当放大,而省略掉M偏、M摩,这时M总=1.5×M惯

 

  那么,M总=1.5×M惯=0.45(Nm)

 

  查《机械设计手册》第4版资料,选择齿轮齿条转摆动气缸(缸径为50mm)型号:DRQ-PPVJ-A。

 

  在0.5Mpa时,转矩为6Nm,大于M总(安全)。

 

  第四章气动系统设计

 

  气压传动系统工作原理图

 

  基本气动系统的组成部分(生产系统、消耗系统)及主要元器件的功能;

 

  生产系统——压缩机、压力开关、储气罐、单向阀、自动排水器、安全阀、压力表等;

 

  消耗系统——空气过滤组合、集束分流、汇流板、方向控制阀、速度控制元件、执行气缸等;

 

  图4-1气动系统图

 

  V1a V1b

 

  V2a V2b

 

  V3a V3b

 

  V1

 

  V2

 

  V3

 

  V4

 

  气动机械手的气动原理见图4-1,双电控换向阀可以保证电气系统发生故障时,机械手动作不变。两位五通阀可以使手臂回转实现多点定位。各气缸的到位信号由磁性开关产生,控制器检测到信号后控制电磁阀做出下一部动作。只要更改控制程序,机械手就可胜任不同任务。

 

  单向节流阀直接安装在气缸上。现有的气动元件基本上是无油润滑,可以不用油雾器。

 

  第五章机械手的PLC控制设计

 

  考虑到机械手的通用性,同时使用点位控制,因此我们采用可编程序控制器(PLC)对机械手进行控制.当机械手的动作流程改变时,只需改变PLC程序即可实现,非常方便快捷。

 

  5.1可编程序控制器的选择

 

  目前,国际上生产可编程序控制器的厂家很多,如日本三菱公司的F系列PC,德国西门子公司的SIMATIC N5系列PC、日本OMRON(立石)公司的C型、P型PC等。本次设计中选择了SIMATIC公司的S7-200的可编程序控制器。

 

  S7-200不同的CPU模块的性能有较大的差别,在选择CPU模块时,应考虑到开关量、模拟量模块的扩展能力,程序存储器与数据存储器的容量,通信接口的个数,本机I/O点的点数等,当然还要考虑性能价格比,在满足要求的前提下尽量降低硬件成本。本机选用S7-200 CPU 224CN的型号。

 

  5.2机械手可编程序控制器控制方案

 

  5.2.1系统简介

 

  本系统控制对象为圆柱座标气动机械手。它的手臂具有三个自由度,即水平方向的伸、缩;竖直方向的上、下;绕竖直轴的顺时针方向旋转及逆时针方向旋转。另外,其末端执行装置—机械手,还可完成抓、放功能。以上各动作均采用气动方式驱动,即用五个二位五通电磁阀(每个阀有两个线圈,对应两个相反动作)分别控制五个气缸,使机械手完成伸、缩、上、下、旋转及机械手抓放动作。其中旋转运动用一组齿轮齿条,使气缸的直线运动转化为旋转运动。这样,可用PLC的8个输出端与电磁阀的8个线圈相连,通过编程,使电磁阀各线圈按一定序列激励,从而使机械手按预先安排的动作序列工作.如果欲改变机械手的动作,不需改变接线,只需将程序中动作代码及顺序稍加修改即可。

 

  5.2.2可编程序控制器的工作流程设计

 

  可编程序控制器是根据用户需要来完成各种不同控制任务的。进入界面以后,先进行初始化,使机械手的各个位置处于未工作状态,CPU首先使I/0状态表清零。当确认其硬件工作正常后,进入下一阶段。

 

  当进入手动程序后,用户可根据自己的需要选择机械手的工作方式。当进入自动以后,按下开始示教后,PLC内部就记录下用户所操作的内容,当结束示教的时候,PLC停止记录数据。在机械手回原来的位置时(初始化状态),按下预备示教后,机械手处在再现准备状态,当按下再现示教后,机械手就按先前用户所操作的顺序进行操作。当然也可根据需要进行储存所操作的程序,在有必要的时候进行调用。所以我们还需要开辟一个存储先前程序的区域。其工作流程图如下图5-1所示。

 

  图5-1工作流程图

 

  图5-2存储区分布图

 

  5.2.3可编程序控制器的存储区设计

 

  本系统将存储区分成若干个存储区,vb1000---vb1099作为各种暂存区,vb1100---vb1299作为公共再现区,其他每隔两百的区域作为文件存储区。具体存储方式与区域设计如下图5-2所示。

 

  5.3硬件、软件的设计与调试

 

  5.3.1系统硬件设计与组态

 

  1)首先给各输入、输出变量分配地址。因为梯形图中变量的地址与PLC的外部接线端子号是一致的,这一步为绘制硬件接线图做好了准备,也为梯形图的设计做好了准备。

 

  2)了解PLC的外部硬件接线图,以及其他电气原理图和接线图。

 

  5.3.2软件设计

 

  软件设计包括设计系统的初始化程序、主程序、子程序等。

 

  首先根据总体要求和控制系统的具体情况,确定用户程序的基本结构,画出程序流程图。

 

  用PLC的硬件来调试程序时,用接在输入端的小开关或按钮来模拟PLC实际的输入信号,例如用它们发出操作指令,或在适当的时候用它们来模拟实际的反馈信号,例如用限位开关触点的接通和断开。通过输出模块上各输出点对应的发光二极管,观察输出信号是否满足设计的要求。

 

  调试程序的主要任务是检查程序是否符合规定,可以用程序状态功能或状态表来监视程序的运行。

 

  5.3.3硬件调试与系统调试

 

  在对程序进行模拟调试的同时,可以设计、制作控制屏,PLC之外其他硬件的安装、接线工作也可以同时进行,完成硬件的安装和接线后,应对硬件的功能进行检查,观察各输入点的状态变化是否送给PLC。在STOP模式用编程软件将PLC的输出点强制为ON或OFF,观察对应的PLC的负载(例如外部的电磁阀和接触器)的动作是否正常。

 

  对于有模拟量输入的系统,可以给模拟量输入模块提供标准的输入信号,通过调节模块上的电位器或程序中的系数,使模拟量输入信号和转换后的数字之间的关系满足要求。

 

  完成上述的调试后,将PLC置于RUN状态,运行用户程序,检查控制系统是否满足要求。在调试过程中将暴露出的系统中可能存在的硬件问题,以及程序设计中的问题,发现问题后在现场加以解决,直到完全符合要求。

 

  5.3.4梯形图设计(见附录所示)

 

  5.3.5机械手控制程序

 

  机械手存储数据过程:当按下开始示教按钮M1.3时,PLC内部首先将VB1100的地址送入VD1046,VB1104的地址送到VD1004内,建立指针,其中VD1100中存储的是总共操作的步数,VB1104以后存储的是内容和间歇时间。当操作者按下开始示教M1.3时,PLC开始记录数据,过程为:首先将第一个信号QB0送到暂存区VB1000当中,当操作者进行第二步操作时,定时器将两步操作的时间间隔送到VW1001(有信号输入时先将定时器T38的值放到暂存区VW1030,然后在第二个信号来时,将T38的时间与VW1030的时进行相减,然后将差值送到VW1001),当一个信号和一个时间差都存到相应的位置时,然后将这三个数据打包利用BMB VB1000,*VD1004,3指令将这三个数据放到相应需要存储的位置(从VB1104开始储存)。然后进行指针偏移三个位置,进行下一个信号的存储。

 

  机械手的再现过程:当按下再现开始按钮M1.6时,先将VB1104的地址送到VD1054,重新建立指针,并且将步数VD1100的数值送到VD4中。然后进行数据的发送,将存储去的数据三个VB区的数据(一个操作指令和一个间歇时间的数据)用BMB指令进行打包,VB1050、VB1051、VB1052三个暂存区当中,然后将VB1050中的数值直接送给QB0,机械手就按信息进行操作,然后将VW1051的值送给VW1060,当VW1060有值时,定时器T39就开始记时,当到达VW1060这个数时,PLC进行发送第二个信号(此时地址已经偏移到下一个需要输出信息地址的位置),操作其中的信息。一直到操作结束,再现开始按钮M1.6自动复位,可进行下一次操作。

 

  第六章触摸屏上位设计

 

  MT500系列触摸屏是专门面向PLC应用的,它不同于一些简单的仪表式或其它的一些简单的控制PLC的设备,其功能非常强大,使用非常方便,非常适合现代工业越来越庞大的工作量及功能的需求。日益成为现代工业必不可少的设备之一。

 

  本次课题采用EasyBuilder500组态软件来设计触摸屏。

 

  SIEMENS S7--200系列PLC与eView MT500触摸屏的连接说明。

 

  1.EasyBuilder500软件设置:(见表6-1)

 

  表6-1 EasyBuilder500软件设置

 

  2.PLC软件设置。

 

  需要设置PLC地址为2。

 

  3.可操作的地址范围:(见表6-2)

 

  表6-2触摸屏可操作的地址范围

 

  说明:D表示十进制,0表示八进制,范围为0---7,注意VW地址起始必须为偶数。如果需要操作双字节变量,只需在相应的元件地址属性对话框内选择字数为2即可。上表可操作范围为MT500触摸屏可操作范围,实际PLC的范围可能小于或大于此范围。

 

  4.详细接线图:(见图6-1)

 

  说明SIEMENS S7--200系列PLC包含,CPU212/CPU214/CPU215/CPU/216/CPU221

 

  /CPU222/CPU224/CPU226等型号,都可以通过CPU单元上的编程通讯口(PPI端口)与eView触摸屏连接,其中CPU226有两个通讯端口,都可以用来连接触摸屏,但需要分别设定通讯参数。通过CPU直接连接时需要注意软件中通讯参数的设定。

 

  图6-1 CPU单元详细接线图

 

  上位界面最后设计的显示图面如下图6-2和6-3所示。

 

  图6-2上位界面的主界面图

 

  6-3上位界面的执行界面图

 

  界面说明:在按下手动演示后,可操作者可进行手动的演示,此时不能储存数据。当操作者又按下自动时,再按下开始储存后,系统开始储存数据,此时操作者的每一步骤都被系统识别并记录下来直到操作者按下结束储存后,系统结束自动储存。在结束储存状态下,如果需要在现演示,操作者必须先初始化,使机械手处在原始状态,然后在按下预备示教,此时系统自动识别示教程序,等待操作者按下在线示教,,一旦按下此键,机械手就按先前的储存程序进行示教过程。操作者也可以按下储存程序来储存本次演示程序,以备将来需要重新演示本次内容。当需要演示先前存储的程序时,只需要按下在线储存程序,在弹出的窗口中选择先前所储存的文件就可进行演示。

 

  第七章结论

 

  1、本次设计的是气动通用机械手,相对于专用机械手,通用机械手的自由度可变,控制程序可调,因此适用面更广。

 

  2、采用气压传动,动作迅速,反应灵敏,能实现过载保护,便于自动控制。工作环境适应性好,不会因环境变化影响传动及控制性能。阻力损失和泄漏较小,不会污染环境。同时成本低廉。

 

  3、机械手采用PLC控制,具有可靠性高、改变程序灵活等优点,无论是进行时间控制还是行程控制或混合控制,都可通过设定PLC程序来实现。可以根据机械手的动作顺序修改程序,使机械手的通用性更强。

 

  4、本课题实现了机械手的再现过程,有利于教学研究和学生的课程设计。

栏目分类