畢業(yè)設計----氣壓傳動兩維運動機械手設計

1、<p>　　氣壓傳動兩維運動機械手設計</p><p><b>　　1.前言</b></p><p>　　氣動技術是實現(xiàn)工業(yè)自動化的重要手段。氣壓傳動的介質(zhì)來自于空氣，環(huán)境污染小，工程容易實現(xiàn)，所以其言傳動四一種易于推廣普及的實現(xiàn)工業(yè)自動化的應用技術。氣動技術在機械、化工、電子、電氣、紡織、食品、包裝、印刷、輕工、汽車等各個制造行業(yè)，尤其在各種自動化生產(chǎn)裝備

2、和生產(chǎn)線中得到了廣泛的應用，極大地提高了制造業(yè)的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。氣動系統(tǒng)的應用，引起了世界各國產(chǎn)業(yè)界的普遍重視，氣動行業(yè)已成為工業(yè)國家發(fā)展速度最快的行業(yè)之一。</p><p>　　可編程控制技器（PLC）是以微處理器為基礎，綜合計算機技術、自動控制技術和通信技術發(fā)展起來的一種新型、通用的自動控制裝置，他具有機構簡單、易于編程、性能優(yōu)越、可靠性高、靈活通用和使用方便等一系列優(yōu)點，近年來在工業(yè)生產(chǎn)過程的自動控制中

3、得到了越來越廣泛的應用。</p><p><b>　　2.設計任務</b></p><p>　　2.1設計任務介紹及意義</p><p>　　通過課程設計培養(yǎng)學生綜合運用所學知識的能力，提高分析和解決問題能的一個重要環(huán)節(jié)，專業(yè)課程設計是建立在專業(yè)基礎課和專業(yè)方向課的基礎的，是學生根據(jù)所學課程進行的工程基本訓練，課程設計的意義在于：</p&

4、gt;<p>　　1．培養(yǎng)學生綜合運用所學的基礎理論和專業(yè)知識，獨立進行機電控制系統(tǒng)（產(chǎn)品）的初步設計工作，并結合設計或試驗研究課題進一步鞏固和擴大知 識領域。</p><p>　　2．培養(yǎng)學生搜集、閱讀和綜合分析參考資料，運用各種標準和工具書籍以及編寫技術文件的能力，提高計算、繪圖等基本技能。</p><p>　　3．培養(yǎng)學生掌握機電產(chǎn)品設計的一般程序方法，進行工程師基本素

5、質(zhì)的訓練。</p><p>　　4．樹立正確的設計思想及嚴肅認真的工作作風。</p><p><b>　　2.2設計任務明細</b></p><p>　　1．該機械手的功能：將貨物自動放到坐標位置（300，300）處，并延時1分鐘等待卸貨，然后返回原點位置，延時1分鐘等待裝貨。</p><p><b>　　2．

6、任務要求：</b></p><p>　　執(zhí)行元件：氣動氣缸；</p><p>　　運動方式：直角坐標；</p><p>　　控制方式：PLC控制；</p><p>　　控制要求：位置控制；</p><p><b>　　主要設計參數(shù)參數(shù)：</b></p><p>

7、　　氣缸工作行程——800 mm；</p><p>　　運動負載質(zhì)量——100 kg；</p><p>　　移動速度控制——3m/min。</p><p><b>　　3．具體步驟如下：</b></p><p>　?。?）先根據(jù)參考資料，確定合適的設計方案。</p><p>　　（2）通過計算、分

8、析設計執(zhí)行元件的參數(shù)：氣缸的內(nèi)徑、壁厚，活塞桿的直徑，耗氣量的計算，驗算設計結果，導向裝置的設計，驅(qū)動元件的選擇，管路設計，底座的設計.</p><p>　?。?）根據(jù)動力和總體參數(shù)的選擇和計算，進行總體設計，完成機械系統(tǒng)的主要部件圖。</p><p>　　（4）應用啟動原理圖，設計控制電路，編寫控制程序，繪制電氣控制電路原理圖。</p><p><b>

9、　　3.總體方案設計</b></p><p><b>　　方案一：</b></p><p>　　機身2.水平臂3.豎直臂4.夾緊手</p><p>　　圖1.氣動機械手示意圖</p><p><b>　　方案二：</b></p><p>　　垂直臂2.水平臂3.夾

10、緊手4.機座5.導軌</p><p>　　圖2.氣動機械手示意圖</p><p>　　參閱各種氣壓設計書籍和論文，對照設計任務要求，并通過對以前學習過的課程進行綜合考慮，設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構，實現(xiàn)2個自由度，由機身、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作，可以方

11、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)采用目前控制領域應用比較普遍、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。</p><p>　　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——抓取工件——升降氣缸1上升——氣缸2左移——氣缸1下降——卸載工件，完成一次物料的搬運。

12、</p><p>　　在設計計算時發(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。故采用方案二，其中導軌分擔了縱向活塞的重力，故在設計時可視作橫向氣缸只受軸向力，不受徑向力。</p><p>　　4.機械傳動系統(tǒng)設計</p><p>　　本方案的機械設計中重在氣缸的設計，氣缸1的作用是實現(xiàn)物料的橫向移動，氣缸2的作用是

13、實現(xiàn)物料縱向的提升及物品的釋放。對氣缸結構的要求一是重量盡量輕，以達到動作靈活、運動速度高、節(jié)約材料和動力，同時減少運動的沖擊，二是要有足夠的剛度以保證運動精度和定位精度</p><p>　　氣缸的設計流程圖如圖3所示</p><p>　　圖3 氣缸設計流程圖</p><p>　　氣缸按供油方向分，可分為單作用缸和雙作用缸。單作用缸只是往缸的一側輸入高壓油，靠其它

14、外力使活塞反向回程。雙作用缸則分別向缸的兩側輸入壓力油，活塞的正反向運動均靠液壓力完成。由于單作用液壓缸僅向單向運動，有外力使活塞反向運動，而雙作用單活塞氣缸在壓縮空氣的驅(qū)動下可以像兩個方向運動但兩個方向的輸出力不同，所以該方案采用雙作用單活塞缸。</p><p><b>　　4.3連接與密封</b></p><p>　　氣缸的連接與密封直接影響氣缸的性能和使用壽命，

15、正確的選用連接和密封裝置，對保證氣缸正常工作有著十分重要的意義。</p><p>　　缸筒與缸蓋的連接形式主要有拉桿式螺栓連接、螺釘式、鋼筒螺紋、卡環(huán)等，本氣缸四根采用拉桿式雙頭螺栓連接，由于工作壓力小于1MPa，不需要強度校核。根據(jù)許用靜載荷，查《機械設計手冊單行本》表22-1-58，分別選用M10、M6的螺栓。</p><p>　　對于活塞與氣缸筒之間采用兩個Y型密封圈，其它摩擦副均使

16、用O型密封圈密封。O型密封圈密封可靠，結構簡單，摩擦阻力小。O型密封圈安裝后，比被密封表面的內(nèi)徑大。Y型密封圈密封可靠，使用壽命長，摩擦阻力較O型圈大。</p><p>　　5．電氣控制系統(tǒng)的設計</p><p>　　5.1控制系統(tǒng)的基本組成</p><p>　　一個完整的計算機控制系統(tǒng)應該包括被控對象、執(zhí)行機構、檢測裝置、模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器和數(shù)模(D/A)轉(zhuǎn)換器

17、、數(shù)字計算機系統(tǒng)(包括硬件和軟件)。圖6所示是其基本框圖。在本系統(tǒng)中各個部分的組成如下: </p><p>　　5.1.1機械手移動工件的基本結構</p><p>　　5.1.2機械手移動工件的工作流程</p><p>　　5.1.3控對象和執(zhí)行機構</p><p>　　本系統(tǒng)的被控對象是機械手臂。兩個氣缸分別用于手臂的伸縮 ，這樣機械手可以

18、在垂直平面內(nèi)的一個矩形區(qū)域內(nèi)運動，從而實現(xiàn)工件在區(qū)域內(nèi)的移動。</p><p><b>　　5.1.4檢測裝置</b></p><p>　　位置檢測裝置是計算機控制系統(tǒng)的重要組成部分。在閉環(huán)系統(tǒng)中，它的主要作用是檢測位移量，該位移量與給定值進行比較，得到誤差信號，控制器根據(jù)誤差信號進行控制調(diào)節(jié)，使系統(tǒng)趨向減小誤差，最終使誤差為零。</p><p&g

19、t;　　5.1.5數(shù)據(jù)采集卡和數(shù)模(D/A)轉(zhuǎn)換器</p><p>　　本系統(tǒng)中位置檢測用了光電編碼器，光電編碼器的輸出為脈沖信號，只擊對輸出脈沖進行計數(shù)即可得到相關的數(shù)字量信號，系統(tǒng)采用了PCI一7296數(shù)字I/O卡作為數(shù)字信息與計算機之間的數(shù)據(jù)傳遞接口。D/A轉(zhuǎn)換器是計算機控制系統(tǒng)的重要部件之一，擔任著將控制輸出量數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量去驅(qū)動執(zhí)行機構的重要作用。D/A轉(zhuǎn)換采用了Pcl一6024E數(shù)據(jù)采集卡，可將計

20、算機輸出的轉(zhuǎn)換為模擬信號。兩塊卡都是PCI插槽，控制程序通過虛擬驅(qū)動程序讀寫PCI卡的端口地址</p><p><b>　　來實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送。</b></p><p>　　5.1.5數(shù)字計算機系統(tǒng)本系統(tǒng)采用普通的兼容PC作為控制計算機。</p><p>　　5.1.6系統(tǒng)工作的主要流程</p><p>　　圖4 氣缸控制系

21、統(tǒng)框圖</p><p>　　由氣壓閥控制氣缸的變量機構，改變氣缸的流量或壓力，使氣缸按要求運動。它的控制系統(tǒng)框圖如圖4，這種系統(tǒng)功率損失小，效率較高，最高可達90%，在節(jié)能效益顯著，在目前能源問題得到重視時,對這種控制系統(tǒng)進行研究較多。但這種系統(tǒng)動態(tài)反應較慢，只能用于動態(tài)性能要求不高的場合。對圖4中的各流程進行實例化，得到如圖5所示的氣缸控制系統(tǒng)框圖。</p><p>　　圖5 氣缸控制系

22、統(tǒng)框圖</p><p>　　系統(tǒng)輸入信號由計算機控制程序產(chǎn)生，可由用戶選擇和設定參數(shù)，被控對象氣缸的位置數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)一采集卡PCI--7296采集返回計算機，控制程序通過讀端口操作取得數(shù)據(jù)，送入相應控制子程序?？刂瞥绦蚋鶕?jù)當前控制方案產(chǎn)生輸也控制量，輸出控制由PCI--6024E的D/A轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換、伺服放大器放大后送對執(zhí)行機構，從而實現(xiàn)對被控對象的閉環(huán)控制。</p><p>　　5.2電氣

23、元件的選擇</p><p>　　該機構的主要組成部件如下表：</p><p><b>　　各部件的功能如下:</b></p><p><b>　　1）氣缸</b></p><p>　　氣缸執(zhí)行元件，將壓縮空氣的壓力轉(zhuǎn)變成機械能的能量轉(zhuǎn)換裝置，用于實現(xiàn)直線往復運動。</p><p&

24、gt;<b>　　2）方向控制閥</b></p><p>　　基本功能是對氣體流動產(chǎn)生通、斷作用，氣體流通方向的改變作用。</p><p><b>　　3）比例流量閥。</b></p><p>　　比例流量閥是電--氣轉(zhuǎn)換元件，其作用是根據(jù)輸入電流信號的大小輸出相應流量的壓縮空氣，驅(qū)動氣缸動作。這里，比例流量閥的結構為二位

25、三通封閉式，功率放大器與計算機連接。采用電磁比例電磁鐵控制閥口開度，使通過閥的氣體流量和閥的開度成一定的關系。比例氣閥存在死區(qū)，當線圈電流大于520mA時，閥口P和A連通;當線圈電流小于28OmA時，閥口A和T相通;當線圈電流280mA～52OmA時，三個閥口呈關閉狀態(tài)。</p><p>　　4）光電編碼器和數(shù)顯表</p><p>　　光電編碼器是氣缸位置檢測元件，將位移轉(zhuǎn)換為電脈沖，用于

26、在線測量活塞位移，以便送到計算機中進行處理。計算機為系統(tǒng)控制器，在每一采樣控制周期，計算機根據(jù)系統(tǒng)偏差大小，計算出該采樣控制周期所需要的控制量大小，以完成活塞位移的實時控制。活塞位移的實時控制。</p><p>　　5.3電氣控制電路的設計</p><p>　　該控制系統(tǒng)的原理圖如圖6所示,起始時通過操作臺，設定要控制的氣缸的位置，S7-200經(jīng)過輸入口獲取輸入量，S7-200經(jīng)過對輸入量

27、進行處理，輸出進行控制。本此設計中的，直接被控對象是電磁閥，通過電磁閥的動作在對氣缸的位置進行控制。為了進行精確控制，因而本例中使用了閉環(huán)控制系統(tǒng)，位置傳感器獲取位置量，并將獲取的值經(jīng)過總線送到S7-200的輸入口，進行發(fā)饋控制，從而提高系統(tǒng)的精度。但閉環(huán)控制容易引起波動，穩(wěn)定性不如開換好。</p><p>　　圖9 控制系統(tǒng)原理圖</p><p>　　5.4控制程序的設計及說明</

28、p><p>　　5.4.1該控制系統(tǒng)的流程圖:</p><p>　　5.4.2控制電路接線圖如下:</p><p>　　5.4.3應用PLC編程代碼如下:</p><p>　　該控制系統(tǒng)充分發(fā)揮了 PLC 可靠、靈活的優(yōu)勢。實踐證明，系統(tǒng)具有較強的抗干擾能力，操作簡單方便，適合在惡劣的施工現(xiàn)場應用，具有一定的推廣價值。該控制系統(tǒng)與其他控制系統(tǒng)相比

29、，節(jié)省了大量的電氣元件，縮小了控制柜的體積。由于采用軟件片成，其動作安全行程可根據(jù)現(xiàn)場實際情況進行隨時調(diào)整。該氣動機械手經(jīng)安裝，調(diào)試，能夠在模擬生產(chǎn)線上良好運行。此系統(tǒng)簡單可靠，安全性高，可重復性好，各項性能指標均達到預期要求。</p><p><b>　　6.小結</b></p><p>　　通過此次課程設計,暴露出了平時學習當中存在的問題:學習不夠深入,了解不透徹

30、,導致在做課程設計的過程中,經(jīng)常對一些基本的知識點弄混.這次課程設計是畢業(yè)設計前最后的一次練兵,對我來說非常有意義,在沒做課程設計之前,我以為做這次設計就是小意思,沒想到做了之后才發(fā)現(xiàn),很多的知識都已經(jīng)忘到了腦后,看到一個公式,一組數(shù)據(jù),明明很熟悉,可就是想不起在哪本參考書,哪本手冊.通過了這次課程設計,我對古人的一句話有了更深的理解”學而時習之,不亦悅乎”,是的,只有經(jīng)常復習,經(jīng)常鞏固,才能不知識真正的扎根在你的腦海中.</p&

31、gt;<p><b>　　7.參考文獻</b></p><p>　　1. 基于PLC控制的氣動機械手系統(tǒng) 張州，張廣義等 機電產(chǎn)品與開發(fā)</p><p>　　2.《輕工業(yè)氣壓傳動》</p><p>　　3.《機械設計手冊 氣壓傳動》單行本 成大先 化學工業(yè)出版社</p><

32、p>　　4.《液壓與氣壓設計手冊》 張利平主編 機械工業(yè)出版社</p><p>　　5.《液壓元件手冊》 黎啟百主編 冶金工業(yè)、機械工業(yè)出版</p><p>　　6.《機械設計師手冊》 吳宗澤主編 機械工業(yè)出版社</p><p>　　7.《袖珍液壓設

33、計手冊》 宋學義主編 機械工業(yè)出版社</p><p>　　8.《液壓缸》 吳培起編 北京科學技術出版社</p><p>　　9．《液壓氣動系統(tǒng)設計運行禁忌470例》周士昌編 機械工業(yè)出版社</p><p>　　10．《中國機械設計大典·電子版》

34、王啟義主編 中國機械工業(yè)學會</p><p>　　11.《機電控制及自動化》 肖興明、丁保華、陳軍編 中國礦業(yè)大學出版社</p><p>　　12.《Programmable Controller》 苗運江主編 中國礦業(yè)大學出版社</p><p>　　13.《機電一體化設計》 張建民主編