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气动机械手设计说明书
气动机械手及继电器控制系统设计
第一章绪论
1.1气动机械手概述
气动机械手由操作机（机械本体）、控制器、驱动系统和检测传感装置构成，是一种仿人操作、自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化设备。
特别适合于多品种、变批量的柔性生产。
它对稳定、提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。
机械手是模仿着人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。
在工业生产中应用的机械手被称为“工业机械手”。
生产中应用机械手可以提高生产的自动化水平和劳动生产率:
可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全生产;尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境中，它代替人进行正常的工作，意义更为重大。
因此，在机械加工、冲压、铸、锻、焊接、热处理、电镀、喷漆、装配以及轻工业、交通运输业等方面得到越来越广泛的引用.机械手的结构形式开始比较简单，专用性较强，仅为某台机床的上下料装置，是附属于该机床的专用机械手。
随着工业技术的发展，制成了能够独立的按程序控制实现重复操作，适用围比较广的“程序控制通用机械手”，简称通用机械手。
由于通用机械手能很快的改变工作程序，适应性较强，所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的引用。
1.2机械手的组成和分类
1.2.1机械手的组成
机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等所组成。
各系统相互之间的关系如方框图1-1所示。
图1-1机械手组成方框图
1.2.2机械手的分类
工业机械手的种类很多，关于分类的问题，目前在国尚无统一的分类标准，在此暂按使用驱动方式进行分类。
按驱动方式分
1、液压传动机械手是以液压的压力来驱动执行机构运动的机械手。
其主要特点是:
抓重可达几百公斤以上、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏。
但对密封装置要求严格，不然油的泄漏对机械手的工作性能有很大的影响，且不宜在高温、低温下工作。
若机械手采用电液伺服驱动系统，可实现连续轨迹控制，使机械手的通用性扩大，但是电液伺服阀的制造精度高，油液过滤要求严格，成本高。
2、气压传动机械手是以压缩空气的压力来驱动执行机构运动的机械手。
其主要特点是:
介质源极为方便，输出力小，气动动作迅速，结构简单，成本低。
但是，由于空气具有可压缩的特性，工作速度的稳定性较差，冲击大，而且气源压力较低，抓重一般在30公斤以下，在同样抓重条件下它比液压机械手的结构大，所以适用于高速、轻载、高温和粉尘大的环境中进行工作。
3、机械传动机械手即由机械传动机构（如凸轮、连杆、齿轮和齿条、间歇机构等）驱动的机械手。
它是一种附属于工作主机的专用机械手，其动力是由工作机械传递的。
它的主要特点是运动准确可靠，用于工作主机的上、下料。
动作频率大，但结构较大，动作程序不可变。
4、电力传动机械手即有特殊结构的感应电动机、直线电机或功率步进电机直接驱动执行机构运动的械手，因为不需要中间的转换机构，故机械结构简单。
其中直线电机机械手的运动速度快和行程长，维护和使用方便。
此类机械手目前还不多，但有发展前途。
1.3课题的提出及主要任务
本课题拟使用继电器设计控制电路，采用气压传动，通过控制四个电磁阀线圈的得失电，进而切换压缩空气进出气缸的方向，实现多个不同的动作。
本课题将要完成的主要任务如下:
（1）进行气动机械手的总体研究，并进行整体运动方式设计，提出不同的控制方案，并综合各方面要求选择最优方案；
（2）进行气动机械手气路设计，绘制电气原理图；
（3）设计继电器控制线路，绘制控制系统原理图；
（4）根据控制原理图和电气原理图进行现场调试，对调试中出现的问题认真分析，多方咨询研究，并进行详细记录。
第2章继电器硬件系统设计
2.1系统分析
该机械手有四个执行元件，可分别执行不同的动作，气缸A可以实现机械手的正反转，气缸B可以实现机械手立柱的上升下降运动，气缸D可以实现机械手手臂的伸缩运动，气动手爪C可以实现抓料和松料动作。
我们要通过控制这四个执行元件的运动，实现搬运工件的目的。
依次要实现的动作过程是：
立柱反转→手臂伸出→立柱上升→加紧工件→手臂缩回→立柱下降→立柱正传→手臂伸出→松开工件→手臂缩回。
想要依次完成这几个动作，必须协调四个气缸的气流换向，且每次只需一个气缸换向。
图2.1气动机械手系统原理图
2.2方案确定
方案一：
通过多个电磁换向阀之间的配合，利用X-D线图法设计气动机械手的气动回路。
方案二：
利用四个电磁换向阀控制四个气缸的换向，利用交流继电器KM和中间继电器KA和时间继电器KT设计控制电路来控制四个电磁换向阀依次换向以达到十个动作依次完成。
根据实验室的电磁换向阀的数量有限而继电器的数量足够考虑，选用方案二进行系统设计。
2.3元器件介绍
（1）时间继电器KT：
主要功能：
时间继电器的主要功能是作为简单程序控制中的一种执行器件，当它接受了启动信号后开始计时，计时结束后它的工作触头进行开或合的动作，从而推动后续的电路工作。
一般来说，时间继电器的延时性能在设计的围是可以调节的，从而方便调整它的延时时间长短。
单凭一只时间继电器恐怕不能做到开始延时闭合，闭合一段时间后，再断开，先实现延时闭合后延时断开，但总体上说，通过配置一定数量的时间继电器和中间继电器都是可以做到的。
使用环境：
时间继电器作为自动控制器件应用较广泛，尤其是在涉及低压电器控制
网络中有较多电器设备环境中使用时电磁干扰问题更趋于严重。
组成时间继电器的部元器件的损坏这时已不是引起时间继电器故障（失效）的主要原因，而在于应用场合中的各种干扰通过电磁耦合、电容耦合直接进入时间继电器，干扰其正常的延时控制。
时间继电器在此干扰环境下能否正常工作往往会影响到整个自动控制系统的正常逻辑功能，甚至还可能造成大的质量事故和经济损失。
所以时间继电器在各种恶劣环境都应有较高的可靠性和抗干扰能力，也就是说时间继电器必须有良好的电磁兼容性能，只有这样才能完善其产品质量，提高自身的市场竞争能力。
接线方法：
时间继电器的电气控制系统中是一个非常重要的元器件。
一般分为通电延时和断电延时两种类型。
从动作的原理上有电子式、机械式等。
电子式的是采用电容充放电再配合电子元件的原理来实现延时动作。
机械式的样式较多，有利用气囊、弹簧的气囊式。
工作原理：
计时无效期间，相当于平常电灯开关断开状态。
有效时，继电器动作，用电器得电工作，相当于平常电灯开关接通状态。
本次使用的是沪瓯电气所生产的数显型时间继电器，专利编号为57.具有调时方便，延时精准等优点。
（2）电磁换向阀
电磁阀（Electromagneticvalve）是用电磁控制的工业设备，是用来控制流体的自动化基础元件，属于执行器，并不限于液压、气动。
用在工业控制系统中调整介质的方向、流量、速度和其他的参数。
电磁阀可以配合不同的电路来实现预期的控制，而控制的精度和灵活性都能够保证。
电磁阀有很多种，不同的电磁阀在控制系统的不同位置发挥作用，最常用的是单向阀、安全阀、方向控制阀、速度调节阀等。
工作原理：
电磁阀里有密闭的腔，在不同位置开有通孔，每个孔连接不同的油管，腔中间是活塞，两面是两块电磁铁，哪面的磁铁线圈通电阀体就会被吸引到哪边，通过控制阀体的移动来开启或关闭不同的排油孔，而进油孔是常开的，液压油就会进入不同的排油管，然后通过油的压力来推动油缸的活塞，活塞又带动活塞杆，活塞杆带动机械装置。
这样通过控制电磁铁的电流通断就控制了机械运动。
主要特点：
1、外漏堵绝，漏易控，使用安全;
2、系统简单，便接电脑，价格低廉
3、动作快递，功率微小，外形轻巧
4、调节精度受限，适用介质受限
5、型号多样，用途广泛
本次设计采用的是编号为SY5120-5DZ-01的电磁换向阀。
（3）气动三联件
在气动技术中，将空气过滤器、减压阀和油雾器三种气源处理元件组装在一起称为气动三联件，用以进入气动仪表之气源净化过滤和减压至仪表供给额定的气源压力，相当于电路中的电源变压器的功能。
特点:
空气过滤减压阀设计轻小，安装方便，因此，它与气动变送器，气动调节器等产品安装在一起配套使用。
若将空气过滤器的减压阀设计成一个整体，成为二联件。
气源处理三联件包括空气减压阀、过滤器、油雾器三大件，减压阀可对气源进行稳压，使气源处于恒定状态，可减小因气源气压突变时对阀门或执行器等硬件的损伤。
过滤器用于对气源的清洁，可过滤压缩空气中的水份，避免水份随气体进入装置。
油雾器可对机体运动部件进行润滑，可以对不方便加润滑油的部件进行润滑，大大延长机体的使用寿命。
注意事项
1、部分零件使用PC材质，禁止接近或在有机剂环境中使用。
PC杯清洗请用中性清洗剂。
2、使用压力请勿超过其使用围。
3、当出口风量明显减少时，应及时更换滤芯。
本次设计采用的是编号为AF2D-01型气动三联件。
第三章软件系统设计
3.1控制方案的确定
基于前面的硬件系统设计，选用两个时间继电器KT1和KT2，分别控制机械手夹紧工件和松开工件的时间。
根据现场的测试结果，KT1和KT2的定时时间均设置为5S。
经过多次测试修改，我们最终确定电气控制原理图如图3.1所示，气动原理图如图3.2所示，动作顺序图如图3.3所示。
其元器件的功能如下：
SB1—停止按钮，SB2—启动按钮，SQ1—立柱反转行程开关，SQ2—立柱正转行程开关，SQ3—手臂伸出行程开关，SQ4—手臂缩回行程开关，SQ5—立柱上升行程开关，SQ6—立柱下降行程开关。
图3.1电气控制原理图
图3.2气动回路原理图
元件
动作
YA1
YA2
YA3
YA4
立柱反转
+
_
_
_
手臂伸出
+
+
_
_
立柱上升
+
+
+
_
夹紧工件
+
+
+
+
手臂缩回
+
_
+
+
立柱下降
+
_
_
+
立柱正转
_
_
_
+
手臂伸出
_
+
_
+
松开工件
_
+
_
_
手臂缩回
_
_
_
_
图3.3动作顺序图
3.2工作过程
一.按下启动按钮SB2
（1）中间继电器K1得电，其常开辅助触点闭合，实现自锁功能，并且其常开主触点也闭合，YA1线圈得电，电磁阀1右位导通，立柱反转。
（2）当立柱反转碰到行程开关SQ1，SQ1常开触点闭合，中间继电器K21得电，其常开触点闭合，中间继电器K2得电，YA2线圈得电，电磁阀2右位导通，手臂伸出。
（3）当手臂伸出碰到行程开关SQ3，SQ3常开触点闭合，中间继电器K3得电，其常开主触点闭合，YA3线圈得电，电磁阀3右位导通，立柱上升。
（4）立柱上升碰到行程开关SQ5，SQ5常开触点闭合，中间继电器K4得电，K4常开触点闭合自锁，并且YA4线圈得电，电磁阀4右位导通，机械手开始夹紧工件。
（5）同时，K4常开触点闭合，时间继电器KT1线圈得电。
（6）时间继电器KT1的常开触点延时5S后闭合，中间继电器K5得电，其常开触点闭合自锁，其常闭触点断开，K21失电，K21常开触点断开，K2失电，从而使YA2线圈失电，电磁阀2回复原位，手臂缩回。
（7）当手臂缩回碰到行程开关SQ4，SQ4常开触点闭合，中间继电器K6得电，其常闭触点断开，K3失电，使YA3线圈失电，电磁阀3回复原位。
立柱下降。
（8）立柱下降碰到行程开关SQ6，SQ6常开触点闭合，中间继电器K7得电，其常闭触点断开，K1失电，使YA1线圈失电，电磁阀1回复原位，立柱正转。
（9）当立柱正转碰到行程开关SQ2，SQ2常开触点闭合，中间继电器K22得电，K22常开触点闭合，K2得电，YA2线圈得电，电磁阀2右位导通，手臂伸出。
（10）手臂伸出碰到行程开关SQ3，中间继电器K8得电，K8常开触
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