氣動機械手控制系統(tǒng)設(shè)計教材

1、機械工程學(xué)院氣動機械手設(shè)計說明書（論文）氣動機械手課程設(shè)計說明書設(shè)計題目:氣動機械手結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)設(shè)計學(xué)生姓名：學(xué) 號：1204010714專業(yè)班級：指導(dǎo)教師：2015年 07月23日目錄摘要1第一章 氣動機械手課題研究的意義、目的11. 1課題設(shè)計的意義11.2 課題設(shè)計的目的2第二章總體方案設(shè)計2第三章機械系統(tǒng)的設(shè)計與計算43. 1工況分析43. 2機械手重要部件的設(shè)計計算與校核4第四章氣動系統(tǒng)設(shè)計54.1 氣動系統(tǒng)原理54. 2氣動系統(tǒng)原理圖54. 3氣動系統(tǒng)控制過程6第五章氣動系統(tǒng)附件的選擇65. 1分水過濾器65. 2油霧器的選擇75.3減壓閥選擇85.4管道與管接頭85.5換向閥的

2、選擇85 .6單向節(jié)流閥的選擇8第六章PLC控制系統(tǒng)設(shè)計 96.1 PLC硬件系統(tǒng)設(shè)計96.2軟件的設(shè)計 10總結(jié) 14參考文獻 15附圖 16機械工程學(xué)院氣動機械手設(shè)計說明書（論文）摘要機械手是在機械化、自動化生產(chǎn)過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。機械手主要 由手部、運動機構(gòu)和控制系統(tǒng)三大部分組成。它具有能不斷重復(fù)工作和勞動、不知 疲勞、不怕危險、抓舉重物的力量比人手大等特點。氣動機械手控制系統(tǒng)的設(shè)計要 求是在控制系統(tǒng)的指令下，能將工件迅速、靈活、準確、可靠地抓起并運送到指定 位置。在工業(yè)生產(chǎn)中， 利用氣動機械手將工件從一條生產(chǎn)線搬運到另一條生產(chǎn)線是 一種高效的工作方式。因此采用PLC可編程控制

3、器作為工件抓取機械手的控制系統(tǒng), 根據(jù)機械手的控制要求和操作功能，設(shè)置動作流程，分配輸入輸出接點，按所需來 選PLC的型號，接著進行梯形圖的編輯，最后進行程序的編輯與調(diào)試，從而使機械手 能夠完成符合設(shè)計要求的動作。關(guān)鍵詞：機械手、可編程控制器、PLG控制設(shè)計第一章 氣動機械手課題研究的意義、目的1.1課題設(shè)計的意義機械手是工業(yè)自動化領(lǐng)域中經(jīng)常遇到的一種控制對象。近年來隨著工業(yè)自動化 的發(fā)展機械手逐漸成為一門新興學(xué)科，并得到了較快的發(fā)展。機械手廣泛地應(yīng)用與 鍛壓、沖壓、鍛造、焊接、裝配、機加、噴漆、熱處理等各個行業(yè)。特別是在笨重、 高溫、有毒、危險、放射性、多粉塵等惡劣的勞動環(huán)境中，機械手由于其

4、顯著的優(yōu) 點而受到特別重視?？傊瑱C械手是提高勞動生產(chǎn)率，改善勞動條件，減輕工人勞 動強度和實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)自動化的一個重要手段。國內(nèi)外都十分重視它的應(yīng)用和發(fā)展自動化還可以節(jié)省大量的人力、物力等。1.2課題設(shè)計的目的本課題主要研究的是基于 PLC的機械手模型控制系統(tǒng)的設(shè)計，包括硬件的設(shè)計 和軟件的設(shè)計。通過設(shè)計編制 PLC程序?qū)崿F(xiàn)機械手模型控制系統(tǒng)的自動控制。第二章總體方案設(shè)計參閱各種氣壓設(shè)計書籍和論文，對照設(shè)計任務(wù)要求，并通過對以前學(xué)習(xí)過的課 程進行綜合考慮，設(shè)計出的氣動機械手的示意圖如圖1所示。機械手采用氣壓傳動，選用品質(zhì)精良的氣動元件組合而成，為直角坐標式機械手結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)2個自由度，由機身、

5、水平臂、豎直臂、夾緊手組成，可以完成水平臂的伸縮、豎直臂的升降以 及抓取等動作，可以方便的通過節(jié)流閥調(diào)節(jié)合適的執(zhí)行元件的速度，完成物件平面 內(nèi)點對點的移動。機械臂用 2個氣缸控制，即橫向移動氣缸和縱向移動氣缸，其控 制系統(tǒng)采用目前控制領(lǐng)域應(yīng)用比較普遍、 性能優(yōu)越的PLC根據(jù)需要選用西門子公司 的S7-200型PLC作為控制系統(tǒng)的核心。由于該系統(tǒng)要求該氣動機械手的動作邏輯順序為： 升降氣缸1下降一一抓取工 件一一升降氣缸1上升一一氣缸2左移一一氣缸1下降一一卸載工件，完成一次物 料的搬運。在設(shè)計計算時發(fā)現(xiàn)，如用方案一，則橫向氣缸活塞桿會承受很大的彎矩，影響 裝置的使用壽命，而且浪費原材料，不經(jīng)濟

6、。故采用方案二，其中導(dǎo)軌分擔(dān)了縱向 活塞的重力，故在設(shè)計時可視作橫向氣缸只受軸向力，不受徑向力。C1. 垂直臂2.水平臂3.夾緊手4.機座5.導(dǎo)軌方案2.氣動機械手示意圖第三章機械系統(tǒng)的設(shè)計與計算3.1工況分析（1）動作分析，運動部件的動作循環(huán)為：見附圖（2）確定執(zhí)行元件氣動機械手氣動控制完成的主要是直線運動，因此氣壓系統(tǒng)的執(zhí)行元件為氣壓缸（3）分析機械手的控制過程機械手是由手臂氣缸、橫向移動氣缸、和抓手氣缸協(xié)作完成工件的搬運。三個 氣缸均由電磁換向閥控制。機械手由初始位置開始工作時，按下啟動按鈕，手臂氣 缸活塞桿伸出，帶動機械手下降，下降到位后，下限位信號發(fā)出，觸發(fā)抓手夾鉗相 連的抓手氣缸活

7、塞桿伸出，抓手將工件夾緊，手臂氣缸的活塞桿收進，把工件提升； 當(dāng)工件提升到最高位置時產(chǎn)生上限位信號，啟動橫向氣缸水平移動；當(dāng)懸臂伸出到 最右端時，產(chǎn)生右移限位信號，觸發(fā)手臂氣缸活塞桿伸出，帶動機械手下降，下降 到位后，下限位信號發(fā)出，抓手將工件放開，手臂氣缸的活塞桿收進，達到高點時 產(chǎn)生上限位信號，啟動橫向氣缸向左移到原點，完成一個工作循環(huán)。3.2機械手重要部件的設(shè)計計算與校核一、水平氣缸的計算與校核（a）缸徑和活塞桿的計算（b）氣缸筒壁厚的確定（c）氣缸耗氣量的計算（d）活塞桿的校核（1）進行強度和特定強度校核（2）穩(wěn)定性校核二、豎直方向氣缸的選擇計算與校核（a）缸徑和活塞桿的計算（b）氣缸

8、筒壁厚的選擇（c）氣缸耗氣量的計算（d）氣缸排氣口徑（e）活塞桿的校核三、手抓氣缸的計算與校核（a）求活塞桿拉力（b）氣缸筒壁厚的選擇（c）氣缸耗氣量的計算（d）氣缸排氣口徑（e）活塞桿的校核第四章氣動系統(tǒng)設(shè)計4.1 氣動系統(tǒng)原理氣壓傳動機械手是以壓縮空氣的壓力來驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)運動的機械手。其主要特 點是：氣源的獲得極為方便，氣動動作迅速，結(jié)構(gòu)簡單，成本低。但是，由于空氣 具有可壓縮的特性，工作速度的穩(wěn)定性較差，沖擊大，而且氣源壓力較低，輸出壓 力小，抓重一般在30kg以下，在同樣抓重條件下它比液壓機械手的結(jié)構(gòu)大，所以適 用于高速，輕載，高溫和粉塵大的環(huán)境。氣動系統(tǒng)的組成按照控制過程可分為氣源信

9、號輸入，信號處理及最后的命令執(zhí) 行4個過程。1、氣源部分以空氣壓縮機，儲氣罐開始。2、信號輸入部分主要考慮被控對象能采用的信號源。3、信號處理有氣控和電控兩種方式。4、命令執(zhí)行元件主要包括方向控制閥和驅(qū)動器。4.2 氣動系統(tǒng)原理圖4.3氣動系統(tǒng)控制過程氣源接入系統(tǒng)后，首先經(jīng)過氣源處理三聯(lián)件（分水過濾器、減壓閥、油霧器） 處理后，進入管路系統(tǒng)。為保證系統(tǒng)的可靠運行，可在減壓閥后安裝一個壓力繼電 器。只有當(dāng)氣源壓力達到設(shè)定值之后，壓力繼電器才能產(chǎn)生壓力合格信號，啟動系 統(tǒng)開始工作。三個電磁換向閥控制均由PLC控制，其中兩個長行程氣缸都增加了單向節(jié)流閥來調(diào)速，而控制手抓的氣缸，考慮到其行程很短，因此

10、可以省略調(diào)速裝置。 另外，每個控制閥的排氣口均裝有消音器，以消除氣流噴出帶來的噪音。第五章氣動系統(tǒng)附件的選擇5.1分水過濾器分水過濾器能除去壓縮空氣中的冷凝水，顆粒雜質(zhì)和油滴，具有較強的濾塵能 力。它的工作原理：當(dāng)壓縮空氣從輸入口流入后，由導(dǎo)流板引入濾杯中，導(dǎo)流板使 氣流沿切線方向旋轉(zhuǎn)，于是空氣中的冷凝水，油滴和顆粒較大的固態(tài)雜質(zhì)等因質(zhì)量 較大受離心力作用被甩到濾杯內(nèi)壁上，并流到底部沉積起來，隨后空氣流過濾心， 進一步除去其中的固態(tài)雜質(zhì)，潔凈的空氣便從輸出口輸出。分水過濾器主要性能參數(shù)有 流量特性，分水效率，和過濾精度。（1）流量特性流量特性是指過濾器在一定的進氣壓力下，其進出口兩端的壓力降與

11、通過該元 件 標準額定流量之間的關(guān)系在相同的流量和進氣壓力下，壓降越小，表明流動阻力 越小。（2）分水效率分水效率表示過濾器分離水分的能力（3）過濾精度濾心的過濾精度按其所能濾塵的最小微粒尺寸分為5um,10um,25um 40um四檔,可根據(jù)空氣質(zhì)量的要求選定。該設(shè)計選用型號QSL25最高使用壓力1MPa過濾精度50-75，分水效率80% 工作溫度：5-60 C。5.2 油霧器的選擇油霧器一種特殊的注油裝置，它使?jié)櫥挽F化，變成油霧，隨著氣流進入到所 需潤滑的部件上，實現(xiàn)潤滑，用這種方法潤滑，具有潤滑均勻，穩(wěn)定和無需大量的 儲油設(shè)備等特點。工作原理：壓縮氣體由輸入口進入后，通過噴嘴上正對著氣

12、流方向的小孔進入 閥座的腔內(nèi)，閥座與鋼球，彈簧組成的一個特殊的單向閥。在壓縮空氣剛剛進入閥 座的最初一瞬間，鋼球被壓在閥座上，但此單向閥密封不嚴有所泄露，壓縮空氣會 漏入油杯的上腔中，上腔處于密封狀態(tài)，故上腔壓力逐漸上升，其結(jié)果使鋼球處于 中間位置，這樣壓縮空氣即通過閥座上的孔進入儲油杯的上腔，油面受壓使油經(jīng)過 吸油管，將單向閥的鋼球頂起，鋼球上部管口為一個邊長小于鋼球直徑的四方孔， 所以鋼球不能將口部管口封死，油能不斷地經(jīng)過節(jié)流閥的閥口流入油霧器，再滴入 噴嘴中，氣流從小孔中引射出來霧化后從輸出口輸出。油霧器性能指標：1.流量特性：描述流量與壓力降的關(guān)系2. 噴霧特性3. 反應(yīng)速度4. 油霧

13、粒度5. 不停氣加油的泄氣特性該設(shè)計選用油霧器：QIO-10-SI （根據(jù)空氣流量及油霧粒度選擇）5.3 減壓閥選擇減壓閥是為了調(diào)整輸出壓力的閥，但經(jīng)過調(diào)定的輸出壓力值總是低于輸入壓力的值。本設(shè)計使用直動式減壓閥，基本特性：（1）調(diào)壓范圍（2）流量特性（3）壓力 特性選用 QTY20 最高使用壓力為1.6MPa,調(diào)壓范圍 0.05-0.63 0.05-1.000.05-0.40MPa5.4 管道與管接頭本次管道的設(shè)計選用軟管聚氨酯管是高性能聚氨酯制品，彈性極大，具有很好的耐磨彎曲疲勞特性，允許的溫度范圍在-35 C -60 C,適用于大多數(shù)的氣動氣流場合。 本次設(shè)計的管接頭選擇是快插式管接頭，

14、它具有以下特點：a. 對管接頭的加工質(zhì)量要求較嚴格b. 有直通，兩通，三通四通等各種結(jié)構(gòu)樣式c. 主要 用干氣動回路中小直徑的軟管連接5.5 換向閥的選擇作用：控制管道內(nèi)氣流的通斷和氣流的流動方向。選擇：左右移動，升降等適用三位四通電磁換向閥，夾松選用兩位四通電磁換向閥。5.6 單向節(jié)流閥的選擇單向節(jié)流閥是由單向閥和節(jié)流閥并聯(lián)成的組合式控制閥在本設(shè)計中采用排氣節(jié)流，當(dāng)換向閥作為工作氣缸有桿腔進入壓縮空氣，無桿腔 接大氣，但排氣受到節(jié)流，控制氣缸向右運動速度，換向閥右位工作，無桿腔進壓 縮空氣，有桿腔接大氣，排氣時同樣受到節(jié)流作用，控制氣缸向右運動速度。選擇：根據(jù)流量選擇節(jié)流閥型號：AS100-

15、M38機械工程學(xué)院氣動機械手設(shè)計說明書(論文)第六早 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計6.1 PLC硬件系統(tǒng)設(shè)計(1)PLC選型(a) I/O點數(shù)選擇控制系統(tǒng)，可知該機械手控制系統(tǒng)共使用了16個輸入點，和6個輸出點。選擇相應(yīng)規(guī)模的可編程控制器，并留有10%15的I/O裕量，因為S7-200CPU226 具有24個輸入點和16個輸出點，所以選用 S7-200CPU226(b) 內(nèi)存估計公式為 總存儲字數(shù)=(開關(guān)量輸入點數(shù)+開關(guān)量輸出點書)X (0+模擬量點數(shù)X 150X 1.25 ) =6837.5字節(jié)。(c) 響應(yīng)時間此PLC的掃描周期小魚產(chǎn)品通過監(jiān)測點的時間間隙，故合理。(d) 選用模塊式PLC，功能擴展

16、方便靈活，I/O點數(shù)的維修時更換模塊，判斷故障范圍也很方便。(e) 輸入，輸出模塊選擇輸入選擇直流24V,輸出模塊內(nèi)部直流24V,外部交流220V.I/O地址分配圖14下萍上升4 _J24VDC3|I1L OiOflil 902603FWoBB24VDC3ZL184VDCSIMATICS7-200CPU226ex 氏 RR* 氏Kayss三 臺S三 ss 一愛fis h 一弐6.2 軟件的設(shè)計(1)編制PLC控制梯形圖左端下降右端下降ro.iT JM1p215T33 何仁2M.9nih-m10. 何IML* 已 ME 嗎TilIg 斗 M.9 JL.RH HI右端上升INTONR1M3.斗C

17、)循環(huán)QO.OIL.2,6QO.lILOIl .Fj M2,8ILOnQ0.2Y)Q0.3011.2 M.711-010.2 11,41 I1 I1 卜Il2 M2,9QO 斗Y)Q0.511.0 10,2 T1.51 H H H11.2I InQ0,6(2)語句表LD10.0LDM1.2AI1.2OLDANI0.7=M1.2LDI0.2AI0.4AM2.8=Q0.6LDM3.1AI0.0OM2.4OM2.0AI1.2AQ0.6AI0.5AM1.2ANM2.7=M2.0LDI0.1機械工程學(xué)院氣動機械手設(shè)計說明書（論文）A M2.0A M1.2=M2.7TON T37,20LD T37A M1

18、.2AN M2.6=M2.2LD I0.2A M2.2A M1.2AN M2.1=M2.6LD I0.3A M2.6A I0.6A M1.2A M2.8=M2.1LD I0.1A M2.1A M1.2TON T38.15LD T38A M1.2AN M2.9=M2.3LD I0.2A M2.3A M1.2=M2.9LD I0.4A M2.9A 11.2A M1.2=M2.4LD 11.2A M2.0O M2.1LD I1.0A I1.7OLD=Q0.0LDI1.2AM2.2OM2.3LDI1.0A11.6OLD=Q0.1LDI1.2AM2.6LDI1.0AI2.1OLD=Q0.2LDI1.2AM2.8LDI1.0AI2.0OLD=Q0.3LDI1.2AM2.7LDI1.0AI0.2AI1.4OLD=Q0.4LDI1.2AM2.9LDI1.0AI0.2AI1.5OLD=Q0.5LDI1.2OI1.0=Q0.6END19總結(jié)通過本次設(shè)計，讓我很好的鍛煉了實際動手操作能力，課題相結(jié)合開發(fā)、設(shè)計 產(chǎn)品的能力。既讓我們懂得了怎樣把理論應(yīng)用于實際，又讓我們懂得了在實踐中遇 到的問題怎樣用理論去解決。在本次設(shè)計中，我們還需要大量的以前沒有學(xué)到過的知識，于是圖書館成了我 很好的助手。在查閱資料的過程中，我們學(xué)會取舍相關(guān)知識，不知不覺中我們查閱 資料的能力也得到了很好的鍛煉。我們學(xué)習(xí)的知識