1、機(jī)械工程學(xué)院氣動(dòng)機(jī)械手設(shè)計(jì)說明書（論文）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)械手結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名： 學(xué) 號(hào)： 1204010714 專業(yè)班級(jí)： 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11.2 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

2、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) 96.1 PLC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)過程中發(fā)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)三大部分組成。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)要求是在控制系統(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

3、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(hào)，接著進(jìn)行梯形圖的編輯，最后進(jìn)行程序的編輯與調(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(duì)象。近年來隨著工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展機(jī)械手逐漸成為一門新興學(xué)科，并得到了較快的發(fā)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)

4、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。國內(nèi)外都十分重視它的應(yīng)用和發(fā)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(duì)照設(shè)計(jì)任務(wù)要求，并通過對(duì)以前學(xué)習(xí)過的課程進(jìn)行綜合考慮，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)械手結(jié)構(gòu)，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

5、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)合適的執(zhí)行元件的速度，完成物件平面內(nèi)點(diǎn)對(duì)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(dòng)機(jī)械手的動(dòng)作邏輯順序?yàn)椋?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(yùn)。在設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)發(fā)現(xiàn)，如用方案一，則橫向氣缸活塞桿會(huì)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

6、力，不受徑向力。1. 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1. 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)械手由初始位置開始工作時(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(hào)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

7、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(hào)，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(hào)，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(hào)發(fā)出，抓手將工件放開，手臂氣缸的活塞桿收進(jìn)，達(dá)到高點(diǎn)時(shí)產(chǎn)生上限位信號(hào)，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（a） 缸徑和活塞桿的計(jì)算（b） 氣缸筒壁厚的確定 （c） 氣缸耗氣量的計(jì)算（d） 活塞桿的校核（1）進(jìn)行強(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

8、（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，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(jī)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(dòng)系統(tǒng)的組成按照控制過程可分為氣源信號(hào)輸入，信號(hào)處

9、理及最后的命令執(zhí)行4個(gè)過程。1、 氣源部分以空氣壓縮機(jī)，儲(chǔ)氣罐開始。2、 信號(hào)輸入部分主要考慮被控對(duì)象能采用的信號(hào)源。3、 信號(hào)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(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)氣源壓力達(dá)到設(shè)定值之后，壓力繼電器才能產(chǎn)生壓力合格信號(hào)，啟動(dòng)系統(tǒng)開始工作。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)

10、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內(nèi)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)，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(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)

11、額定流量之間的關(guān)系在相同的流量和進(jìn)氣壓力下，壓降越小，表明流動(dòng)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(jì)選用型號(hào)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(chǔ)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(duì)著氣流方向的小孔進(jìn)入閥

12、座的腔內(nèi)，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(huì)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(chǔ)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.反應(yīng)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

13、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，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 0.05-1.00 0.05-0.40MPa5.4 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，允許的溫度范圍在-35-60，適用于大多數(shù)的氣動(dòng)氣流場(chǎng)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(duì)管接頭的加工質(zhì)量要求較嚴(yán)格b.有

14、直通，兩通，三通四通等各種結(jié)構(gòu)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：控制管道內(nèi)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(hào)：AS100-M3第六章 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)6.1 PLC硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)（

15、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。（b）內(nèi)存估計(jì) 公式為 總存儲(chǔ)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)1501.25）=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(cè)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

16、內(nèi)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LD I0.0LD M1.2A I1.2OLD AN I0.7= M1.2LD I0.2A I0.4A M2.8= Q0.6LD M3.1A I0.0O M2.4O M2.0A I1.2A Q0.6A I0.5A M1.2AN M2.7= M2.0LD I0.1A M2.0A M1.2= M2.7TON T37,20LD T37A M1.2AN M2.6= M2.2LD I0.2A M2.2A M1.2AN M2.1= M2.6LD I0.3A M2.6A I0.6A M1.2A

17、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 I1.2A M1.2= M2.4LD I1.2A M2.0O M2.1LD I1.0A I1.7OLD = Q0.0LD I1.2A M2.2 O M2.3LD I1.0A I1.6OLD = Q0.1LD I1.2A M2.6LD I1.0A I2.1 OLD= Q0.2LD I1.2A M2.8LD I1.0A I2.0OLD= Q0.3LD I1.2A M2.7LD I1.0A I0.2A I1.4OLD= Q0.4LD I1.2A M2.9LD I1.0A I0.2A I1.5OLD = Q0.5LD I1.2O I1.0= Q0.6END 總結(jié)通過本次設(shè)計(jì)，讓我很好的鍛煉了實(shí)際動(dòng)手操作能力，課題相結(jié)合開發(fā)、設(shè)計(jì)產(chǎn)品的能力。既讓我們懂得了怎樣把理論應(yīng)用于實(shí)際，又讓我們懂得了在實(shí)踐中遇到的問題怎樣用理論去解決。在本次設(shè)計(jì)中，我們還需要大量的以前沒有學(xué)到過的知識(shí)，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(huì)取舍相關(guān)知識(shí)，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(shí)是有限的，在以后的工作中我們肯定會(huì)