气压传动两维机械手设计.docx

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气压传动两维机械手设计
目录
前沿………………………………………………………………2
设计任务………………………………………………………2
设计任务介绍及意义………………………………………2
设计任务明细………………………………………………3
三、总体方案计……………………………………………………3
四、机械系统设计……………………………………………………5
纵向气缸的设计……………………………………………6
横行气缸的设计……………………………………………8
五、控制系统组成………………………………………………10
六、控制系统的详细设计………………………………………13
七、设计小结……………………………………………………21
八、参考文献……………………………………………………22
基于PLC的气动两维机械手
一、前言
气动技术是实现工业自动化的重要手段。气压传动的介质来自于空气,环境污染小,工程容易实现,所以其言传动四一种易于推广普及的实现工业自动化的应用技术。气动技术在机械、化工、电子、电气、纺织、食品、包装、印刷、轻工、汽车等各个制造行业,尤其在各种自动化生产装备和生产线中得到了广泛的应用,极大地提高了制造业的生产效率和产品质量。气动系统的应用,引起了世界各国产业界的普遍重视,气动行业已成为工业国家发展速度最快的行业之一。
可编程控制技器(PLC)是以微处理器为基础,综合计算机技术、自动控制技术和通信技术发展起来的一种新型、通用的自动控制装置,他具有机构简单、易于编程、性能优越、可靠性高、灵活通用和使用方便等一系列优点,近年来在工业生产过程的自动控制中得到了越来越广泛的应用。
二、设计目的和任务
通过课程设计培养学生综合运用所学知识的能力,提高分析和解决问题能的一个重要环节,专业课程设计是建立在专业基础课和专业方向课的基础的,是学生根据所学课程进行的工程基本训练,课程设计的目的在于:
1:培养学生综合运用所学的基础理论和专业知识,独立进行机电控制系统(产品)的初步设计工作,并结合设计或试验研究课题进一步巩固和扩大知识领域。
2:培养学生搜集、阅读和综合分析参考资料,运用各种标准和工具书籍以及编写技术文件的能力,提高计算、绘图等基本技能。
3:培养学生掌握机电产品设计的一般程序方法,进行工程师基本素质的训练。
4:树立正确的设计思想及严肃认真的工作作风。
1:该机械手的功能是:将货物自动放到坐标位置(300,300)处,并延时1分钟等待卸货,然后返回原点位置,延时1分钟等待装货。
2:任务要求:
执行元件:气动气缸
运动方式:直角坐标
主要参数:
气缸工作行程——400、300mm
运动负载质量——100Kg
移动速度控制——3m/min
3:具体步骤如下:
(1)先根据参考资料,确定合适的设计方案。
(2).通过计算、分析设计执行元件的参数:气缸的内径、壁厚,活塞杆的直径,耗气量的计算,验算设计结果,导向装置的设计,驱动元件的选择,管路设计,底座的设计
(3).根据动力和总体参数的选择和计算,进行总体设计,完成机械系统的主要部件图。
(4).应用启动原理图,设计控制电路,编写控制程序,绘制电气控制电路原理图。

机械手示意图1机械手示意图2
机械手示意图3
1
2
4
右移
左移
5
物料
下降
上升
3

气动机械手示意图4
参阅各种气压设计书籍和论文,找到了如机械手示意图1、2、3中的机械设计方案,对照示意图1和示意图2,二者实际是同一方案,只是在机械抓的表示上不同,且这两个方案中有一个回转缸,这我设计的任务中并没有这个要求。在示意图3中,其基本原理与示意图1、2并没什么区别,只是图三中机械抓采用了真空吸盘。
参考以上设计方案,对照设计任务要求,并通过对以前学****过的课程进行综合考虑,发现该机械手的动作过程类似于我们在《物流自动化》课程上学****过的巷道式输送机,所以可以依照巷道输送机的结构布局进行该机械手系统的设计,设计出的气动机械手的示意图(如图一所示),对于我的方案中的机械抓,我决定采用像叉车中的货叉作为本方案中的机械抓,这个设计方案的好处是避免了气缸承受较大的侧向负载。机械手的自由度为2个,因此用2个气缸控制,即横向移动气缸和纵向移动气缸,采用气动设计、控制容易,其运动行程由传感器控制,动作过程由PLC控制系统控制。
由于该系统要求该气动机械手的动作逻辑顺序为:升降气缸2下降——装载物料——升降气缸2上升——左右移动气缸1右移——卸载物料——左右移动气缸1左移,完成一次物料的搬运

本方案的机械设计中重在气缸的设计,气缸1的作用是实现物料的横向移动,气缸2的作用是实现物料纵向的提升及物品的释放。对气缸结构的要求一是重量尽量轻,以达到动作灵活、运动速度高、节约材料和动力,同时减少运动的冲击,二是要有足够的刚度以保证运动精度和定位精度
气缸的设计流程图如图5所示
图5气缸设计流程图
气缸按供油方向分,可分为单作用缸和双作用缸。单作用缸只是往缸的一侧输入高压油,靠其它外力使活塞反向回程。双作用缸则分别向缸的两侧输入压力油,活塞的正反向运动均靠液压力完成。由于单作用液压缸仅向单向运动,有外力使活塞反向运动,而双作用单活塞气缸在压缩空气的驱动下可以像两个方向运动但两个方向的输出力不同,所以该方案采用双作用单活塞缸。
由设计任务可以知道,要驱动的负载大小位100Kg,考虑到气缸未加载时实际所能输出的里,受气缸活塞和缸筒之间的摩擦、活塞杆与前气缸之间的摩擦力的影响。在研究气缸性能和确定气缸缸径时,常用到负载率β=(气缸的实际负载F/气缸的理论输出力F0)X%.
由《液压与气压传动》P221表10-1知,β=,所以实际液压缸的负载大小为:F理=F实/β
纵向气缸的校核:
气缸内径
D==F实βp=××106=mm
按照GB/T2348-1993标准进行圆整,取D=63mm
活塞杆直径的确定:
由d=估取活塞杆直径d=20mm
缸筒长度的确定:
缸筒长度S=L+B
L为活塞行程;B为活塞厚度
活塞厚度B=~×=
由于气缸的行程L=400mm,所以S=L+B=mm
导向套滑动面长度A:由于D<80mm所以A=~×最小导向长度H≥40020+632=mm
活塞杆的长度l=L+B+A+40=++40=528mm
(4)气缸筒的壁厚的确定:
δ=+C式中
σ--气缸材料的许用拉应力σ=σbn
n为安全系数取值在6~8
σb缸材料的抗拉强度(Pa)
C–考虑到刚度、加工制造的裕度。
我们的缸体的材料选择45钢,σb=600MPa,σ=6008=75MPa
δ=+C=?632×75+C=+C
按照表4-3,气缸筒的壁厚推荐表取
δ=7mm
气缸耗气量的计算:
Q=πD24ts=πD2V4ηvP+PaPa=×6m/min4××+
=×10-3m3s
气缸进排气口直径d0
d0=4QπV=4××10-3π×20=mm
所以取气缸排气口直径为10mm
Q——工作压力下输入气缸的空气流量(m3s)
V——空气流经进排气口的速度,可取v=10~25(ms)
活塞杆的校核:
由于所选活塞杆的长度L>10d,所以不但要校核强度校核,还要进行稳定性校核。活塞杆材料选择45钢
强度校核:
d≥4Fπσ=4×490πσ=,所以强度满足要求
稳定性校核:
活塞可承受的最大外载荷Pmax可按下式计算:
Pmax≤m?π2Ed2A16?L3n=14π2×302πd24×210×10916×5313×3=×104N(满足)
所以活塞杆的强度和稳定性均满足.
横向气缸的校核:由于横行气缸的工作载荷主要是纵向气缸和物料对导向装置的摩擦力,估算纵向气缸的重量m缸=×103×πD×δ×=Kg
活塞杆的重量m杆=×103×πd2×=Kg
活塞及缸盖重量m其它=5Kg
所以横行气缸的总载荷为:F总=μ++5+50)×
=98N
气缸内径
D==F实βp=××106=mm
按照GB/T2348-1993标准进行圆整,取D=32mm
活塞杆直径的确定:
由d=估取活塞杆直径d=10mm
缸筒长度的确定:
缸筒长度S=L+B
L为活塞行程;B为活塞厚度
活塞厚度B=~×=
由于气缸的行程L=300mm,所以S=L+B=mm
导向套滑动面长度A:由于D<80mm所以A=~×最小导向长度H≥L20+D2=36mm
活塞杆的长度l=L+B+A+30=++30=375mm
(4)气缸筒的壁厚的确定:
δ=+C式中
σ--气缸材料的许用拉应力σ=σbn
n为安全系数取值在6~8
σb缸材料的抗拉强度(Pa)
C–考虑到刚度、加工制造的裕度。
我们的缸体的材料选择45钢,σb=600MPa,σ=6008=75MPa
δ=+C=×322×75+C=+C
按照表4-3,气缸筒的壁厚推荐表取
δ=5mm
气缸耗气量的计算:
Q=πD24ts=πD2V4ηvP+PaPa=×6m/min4××+
=×10-4m3s
气缸进排气口直径d0
d0=4QπV=4××10-4π×20=mm
所以取气缸排气口直径为8mm
Q——工作压力下输入气缸的空气流量(m3s)
V——空气流经进排气口的速度,可取v=10~25(ms)
活塞杆的校核:
由于所选活塞杆的长度L>10d,所以不但要校核强度校核,还要进行稳定性校核。活塞杆材料选择45钢
强度校核:
d≥4Fπσ=4×=,所以强度满足要求
稳定性校核:
活塞可承受的最大外载荷Pmax可按下式计算:
Pmax≤m?π2Ed2A16?L3n=14π2×102π1024×210×10916×3753×3=47028N(满足)
所以活塞杆的强度和稳定性均满足.
四、控制系统组成
一个完整的计算机控制系统应该包括被控对象、执行机构、检测装置、模数(A/D)转换器和数模(D/A)转换器、数字计算机系统(包括硬件和软件)。图6所示是其基本框图。在本系统中各个部分的组成如下:
控对象和执行机构
本系统的被控对象是机械手臂。两个气缸分别用于大臂的伸缩(升降)、这样机械手可以在垂直平面内的一个矩形区域内运动,装在气缸2伸缩气缸活塞杠末端的手臂也能伸缩,
②检测装置