氣動(dòng)機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

.PAGE..---可修編.氣動(dòng)機(jī)械手課程設(shè)計(jì)說明書設(shè)計(jì)題目:氣動(dòng)機(jī)械手構(gòu)造及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)學(xué)生：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(dòng)機(jī)械手課題研究的意義、目的………11.1課題設(shè)計(jì)的意義………1課題設(shè)計(jì)的目的………2第二章總體方案設(shè)計(jì)..…………………2第三章機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與計(jì)算………43.1工況分析………………43.2機(jī)械手重要部件的設(shè)計(jì)計(jì)算與校核…………………4第四章氣動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)…………………54.1氣動(dòng)系統(tǒng)原理………………54.2氣動(dòng)系統(tǒng)原理圖……………………54.3氣動(dòng)系統(tǒng)控制過程…………………6第五章氣動(dòng)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(jì)………………96.1PLC硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)……………………96.2軟件的設(shè)計(jì)…………10總結(jié)………………………14參考文獻(xiàn)…………………15附圖………………………16..摘要機(jī)械手是在機(jī)械化、自動(dòng)化生產(chǎn)過程中開展起來的一種新型裝置。機(jī)械手主要由手部、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)三大局部組成。它具有能不斷重復(fù)工作和勞動(dòng)、不知疲勞、不怕危險(xiǎn)、抓舉重物的力量比人手大等特點(diǎn)。氣動(dòng)機(jī)械手控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要在控制系統(tǒng)的指令下，能將工件迅速、靈活、準(zhǔn)確、可靠地抓起并運(yùn)送到指定位置。在工業(yè)生產(chǎn)中，利用氣動(dòng)機(jī)械手將工件從一條生產(chǎn)線搬運(yùn)到另一條生產(chǎn)線是一種高效的工作方式。因此采用PLC可編程控制器作為工件抓取機(jī)械手的控制系統(tǒng)，根據(jù)機(jī)械手的控制要求和操作功能，設(shè)置動(dòng)作流程，分配輸入輸出接點(diǎn)，按所需來選PLC的型號，接著進(jìn)展梯形圖的編輯，最后進(jìn)展程序的編輯與調(diào)試，從而使機(jī)械手能夠完成符合設(shè)計(jì)要求的動(dòng)作。關(guān)鍵詞：機(jī)械手、可編程控制器、PLC、控制設(shè)計(jì)第一章氣動(dòng)機(jī)械手課題研究的意義、目的1.1課題設(shè)計(jì)的意義機(jī)械手是工業(yè)自動(dòng)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(dòng)化的開展機(jī)械手逐漸成為一門新興學(xué)科，并得到了較快的開展。機(jī)械手廣泛地應(yīng)用與鍛壓、沖壓、鍛造、焊接、裝配、機(jī)加、噴漆、熱處理等各個(gè)行業(yè)。特別是在笨重、高溫、有毒、危險(xiǎn)、放射性、多粉塵等惡劣的勞動(dòng)環(huán)境中，機(jī)械手由于其顯著的優(yōu)點(diǎn)而受到特別重視?？傊瑱C(jī)械手是提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，改善勞動(dòng)條件，減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度和實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化的一個(gè)重要手段。國外都十分重視它的應(yīng)用和開展。自動(dòng)化還可以節(jié)省大量的人力、物力等。1.2課題設(shè)計(jì)的目的本課題主要研究的是基于PLC的機(jī)械手模型控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，包括硬件的設(shè)計(jì)和軟件的設(shè)計(jì)。通過設(shè)計(jì)編制PLC程序?qū)崿F(xiàn)機(jī)械手模型控制系統(tǒng)的自動(dòng)控制。第二章總體方案設(shè)計(jì)參閱各種氣壓設(shè)計(jì)書籍和論文，對照設(shè)計(jì)任務(wù)要求，并通過對以前學(xué)習(xí)過的課程進(jìn)展綜合考慮，設(shè)計(jì)出的氣動(dòng)機(jī)械手的示意圖如圖1所示。機(jī)械手采用氣壓傳動(dòng)，選用品質(zhì)精良的氣動(dòng)元件組合而成，為直角坐標(biāo)式機(jī)械手構(gòu)造，實(shí)現(xiàn)2個(gè)自由度，由機(jī)身、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(dòng)作，可以方便的通過節(jié)流閥調(diào)節(jié)適宜的執(zhí)行元件的速度，完成物件平面點(diǎn)對點(diǎn)的移動(dòng)。機(jī)械臂用2個(gè)氣缸控制，即橫向移動(dòng)氣缸和縱向移動(dòng)氣缸，其控制系統(tǒng)采用目前控制領(lǐng)域應(yīng)用比擬普遍、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(dòng)機(jī)械手的動(dòng)作邏輯順序?yàn)椋荷禋飧?下降——抓取工件——升降氣缸1上升——?dú)飧?左移——?dú)飧?下降——卸載工件，完成一次物料的搬運(yùn)。在設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)發(fā)現(xiàn)，如用方案一，那么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(fèi)原材料，不經(jīng)濟(jì)。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(jì)時(shí)可視作橫向氣缸只受軸向力，不受徑向力。機(jī)身2.水平臂3.豎直臂4.夾緊手方案1.氣動(dòng)機(jī)械手示意圖垂直臂2.水平臂3.夾緊手4.機(jī)座5.導(dǎo)軌方案2.氣動(dòng)機(jī)械手示意圖第三章機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與計(jì)算3.1工況分析〔1〕動(dòng)作分析，運(yùn)動(dòng)部件的動(dòng)作循環(huán)為：見附圖〔2〕確定執(zhí)行元件 氣動(dòng)機(jī)械手氣動(dòng)控制完成的主要是直線運(yùn)動(dòng)，因此氣壓系統(tǒng)的執(zhí)行元件為氣壓缸〔3〕分析機(jī)械手的控制過程機(jī)械手是由手臂氣缸、橫向移動(dòng)氣缸、和抓手氣缸協(xié)作完成工件的搬運(yùn)。三個(gè)氣缸均由電磁換向閥控制。機(jī)械手由初始位置開場工作時(shí)，按下啟動(dòng)按鈕，手臂氣缸活塞桿伸出，帶動(dòng)機(jī)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塞桿伸出，抓手將工件夾緊，手臂氣缸的活塞桿收進(jìn)，把工件提升；當(dāng)工件提升到最高位置時(shí)產(chǎn)生上限位信號，啟動(dòng)橫向氣缸水平移動(dòng)；當(dāng)懸臂伸出到最右端時(shí)，產(chǎn)生右移限位信號，觸發(fā)手臂氣缸活塞桿伸出，帶動(dòng)機(jī)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(jìn)，到達(dá)高點(diǎn)時(shí)產(chǎn)生上限位信號，啟動(dòng)橫向氣缸向左移到原點(diǎn)，完成一個(gè)工作循環(huán)。3.2機(jī)械手重要部件的設(shè)計(jì)計(jì)算與校核一、水平氣缸的計(jì)算與校核缸徑和活塞桿的計(jì)算氣缸筒壁厚確實(shí)定氣缸耗氣量的計(jì)算活塞桿的校核〔1〕進(jìn)展強(qiáng)度和特定強(qiáng)度校核〔2〕穩(wěn)定性校核二、豎直方向氣缸的選擇計(jì)算與校核〔a〕缸徑和活塞桿的計(jì)算〔b〕氣缸筒壁厚的選擇〔c〕氣缸耗氣量的計(jì)算〔d〕氣缸排氣口徑〔e〕活塞桿的校核三、手抓氣缸的計(jì)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(jì)算〔d〕氣缸排氣口徑〔e〕活塞桿的校核第四章氣動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.1氣動(dòng)系統(tǒng)原理氣壓傳動(dòng)機(jī)械手是以壓縮空氣的壓力來驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械手。其主要特點(diǎn)是：氣源的獲得極為方便，氣動(dòng)動(dòng)作迅速，構(gòu)造簡單，本錢低。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(jī)械手的構(gòu)造大，所以適用于高速，輕載，高溫和粉塵大的環(huán)境。氣動(dòng)系統(tǒng)的組成按照控制過程可分為氣源信號輸入，信號處理及最后的命令執(zhí)行4個(gè)過程。氣源局部以空氣壓縮機(jī)，儲氣罐開場。信號輸入局部主要考慮被控對象能采用的信號源。信號處理有氣控和電控兩種方式。命令執(zhí)行元件主要包括方向控制閥和驅(qū)動(dòng)器。4.2氣動(dòng)系統(tǒng)原理圖4.3氣動(dòng)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(jìn)入管路系統(tǒng)。為保證系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，可在減壓閥后安裝一個(gè)壓力繼電器。只有當(dāng)氣源壓力到達(dá)設(shè)定值之后，壓力繼電器才能產(chǎn)生壓力合格信號，啟動(dòng)系統(tǒng)開場工作。三個(gè)電磁換向閥控制均由PLC控制，其中兩個(gè)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，因此可以省略調(diào)速裝置。另外，每個(gè)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(dòng)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(qiáng)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壁上，并流到底部沉積起來，隨后空氣流過濾心，進(jìn)一步除去其中的固態(tài)雜質(zhì)，干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?！?〕流量特性流量特性是指過濾器在一定的進(jìn)氣壓力下，其進(jìn)出口兩端的壓力降與通過該元件標(biāo)準(zhǔn)額定流量之間的關(guān)系在一樣的流量和進(jìn)氣壓力下，壓降越小，說明流動(dòng)阻力越小?！?〕分水效率分水效率表示過濾器別離水分的能力〔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(jì)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℃。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(jìn)入到所需潤滑的部件上，實(shí)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(diǎn)。工作原理：壓縮氣體由輸入口進(jìn)入后，通過噴嘴上正對著氣流方向的小孔進(jìn)入閥座的腔，閥座與鋼球，彈簧組成的一個(gè)特殊的單向閥。在壓縮空氣剛剛進(jìn)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(yán)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(jìn)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(gè)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(biāo)：1.流量特性:描述流量與壓力降的關(guān)系2.噴霧特性3.反響速度4.油霧粒度5.不停氣加油的泄氣特性該設(shè)計(jì)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(jì)使用直動(dòng)式減壓閥，根本特性：〔1〕調(diào)壓圍〔2〕流量特性〔3〕壓力特性選用QTY20最高使用壓力為1.6MPa，調(diào)壓圍0.05-0.630.05-1.000.05-0.40MPa5.4管道與管接頭本次管道的設(shè)計(jì)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，允許的溫度圍在-35℃-60℃，適用于大多數(shù)的氣動(dòng)氣流場合。本次設(shè)計(jì)的管接頭選擇是快插式管接頭，它具有以下特點(diǎn)：a.對管接頭的加工質(zhì)量要求較嚴(yán)格b.有直通，兩通，三通四通等各種構(gòu)造樣式c.主要用干氣動(dòng)回路中小直徑的軟管連接5.5換向閥的選擇作用：控制管道氣流的通斷和氣流的流動(dòng)方向。選擇：左右移動(dòng)，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(jì)中采用排氣節(jié)流，當(dāng)換向閥作為工作氣缸有桿腔進(jìn)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(yùn)動(dòng)速度，換向閥右位工作，無桿腔進(jìn)壓縮空氣，有桿腔接大氣，排氣時(shí)同樣受到節(jié)流作用，控制氣缸向右運(yùn)動(dòng)速度。選擇：根據(jù)流量選擇節(jié)流閥型號：AS100-M3第六章PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)6.1PLC硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)〔1〕PLC選型〔a〕I/O點(diǎn)數(shù)選擇控制系統(tǒng)，可知該機(jī)械手控制系統(tǒng)共使用了16個(gè)輸入點(diǎn)，和6個(gè)輸出點(diǎn)。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?yàn)镾7-200CPU226具有24個(gè)輸入點(diǎn)和16個(gè)輸出點(diǎn)，所以選用S7-200CPU226?！瞓〕存估計(jì)公式為總存儲字?jǐn)?shù)=〔開關(guān)量輸入點(diǎn)數(shù)+開關(guān)量輸出點(diǎn)書〕×〔0+模擬量點(diǎn)數(shù)×150×1.25〕=6837.5字節(jié)。〔c〕響應(yīng)時(shí)間此PLC的掃描周期小魚產(chǎn)品通過監(jiān)測點(diǎn)的時(shí)間間隙，故合理。〔d〕選用模塊式PLC，功能擴(kuò)展方便靈活，I/O點(diǎn)數(shù)的維修時(shí)更換模塊，判斷故障圍也很方便?！瞖〕輸入，輸出模塊選擇輸入選擇直流24V，輸出模塊部直流24V，外部交流220V.(2)I/O地址分配圖6.2軟件的設(shè)計(jì)〔1〕編制PLC控制梯形圖〔2〕語句表LDI0.0LDM1.2AI1.2OLDANI0.7=M1.2LDI0.2AI0.4AM2.8=Q0.6LDM3.1AI0.0OM2.4OM2.0AI1.2AQ0.6AI0.5AM1.2ANM2.7=M2.0LDI0.1AM2.0AM1.2=M2.7TONT37,20LDT37AM1.2ANM2.6=M2.2LDI0.2AM2.2AM1.2ANM2.1=M2.6LDI0.3AM2.6AI0.6AM1.2AM2.8=M2.1LDI0.1AM2.1AM1.2TONT38.15LDT38AM1.2ANM2.9=M2.3LDI0.2AM2.3AM1.2=M2.9LDI0.4AM2.9AI1.2AM1.2=M2.4LDI1.2AM2.0OM2.1LDI1.0AI1.7OLD=Q0.0LDI1.2AM2.2OM2.3LDI1.0AI1.6OLD=Q0.1LDI1.2AM2.6LDI1.0AI2.1OLD=Q0.2LDI1.2