气动机械手系统设计含全套CAD图纸Word格式.docx

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thispapermainlydiscussesthestructureofthemanipulator,pneumaticcontrolsystem,theselectionofthemaintechnicalparameters,cylinderdesignandPLCcontrolprogram.

Thisdesignismainlythroughtheprogrammablecontroltechnologytorealizethepneumaticdrivemanipulator,thuscompletingthecolumnlifting/rotation,armextension/retractionandhandgraspingmovements.Toexplorethesignificanceofthisdesignistobeabletochangethroughasimplemechanicalhandworkingprocedures,toachievetheworkrequirements.PLCmanipulatorcontrolsystemissimpleandconvenient,andstrongadaptability,whichhasanimportantmeaningforthefuturedevelopmentofthemanipulator.

Keywords:

Manipulator;

Pneumaticsystem;

Cylinder;

PLC;

Ladderdiagram;

第一章引言

1.1本课题的目的和意义

随着我国工业自动化生产的迅速发展，工业生产中要快速高效的实现工件的装卸、转向、输送；

或操持焊枪、扳手、喷枪等工具,进行加工、装配，就需要机械设备能够自动化作业，所以现如今自动化作业已受到生产者们越来越多的重视。

而“工业机械手”的出现就是最好的证明。

它模仿人手的局部动作，来实现生产的自动抓取、搬运等复杂流程，它能够代替人手进行高效率作业，在实际生产中具有重大意义。

它不仅大大减轻了工人的劳动强度、提高了工厂加工效率，而且还保障了工厂及工人们的人身安全。

本论文正是针对这一课题，选择了可编程控制器作为工业机械手的控制系统。

随着工业技术的发展，PLC控制系统的机械手，在专用生产线上也有着重要的地位。

PLC控制系统的机械手，我们能够通过改变它的工作程序，达到工作效果，简易方便、适应性较强，尤其在不断变换生产品种的中小批量生产中应用更为广泛。

这次课题主要包括机械手的总体方案设计、机械手的机械结构设计以及驱动、控制系统设计等。

本设计机械手采用圆柱坐标型，各动作由气压驱动，并由电磁阀控制。

通过气压缸来实现立柱的升降/回转、手臂的伸出/缩回和手爪的抓取动作。

动作顺序及各动作采用时间间隔原则。

功能主要用于上下料、搬运环类零件的重复动作，从内孔夹持工件，代替人手的繁重劳动，减轻工人的劳动强度，并可根据工件的变化及运动流程的要求随时更改相关参数，以实现生产自动化，提高劳动生产率。

1.2本课题研究的主要内容、预期结果、关键问题和相关发展趋势

1.2.1本课题研究的主要内容

本课题主要是通过可编程控制器来实现机械手的功能要求和现实意义，并对机械手的工作原理加以学习和了解，熟悉了其运动机理等。

在现有机械手技术基础上，确定了搬运机械手的基本系统结构，对机械手的运动进行了简单的力学模型分析，完成了机械手传动部分、执行系统、驱动系统等系统的相关设计，并对机械手的控制技术进行了一定的阐述。

1.2.2预期设计结果

本课题的预期结果是完成机械手气动系统总体设计，并实现可编程序控制PLC控制方式，并对其控制方式的工作原理及性能分析。

1.2.3关键问题

本课题的关键问题是对机械手气动系统的设计要符合技术参数要求，气动控制回路整体布局要合理，控制方式要合理可靠，且具有高的安全性和稳定性，使设计合理，准确，满足设计要求。

1.2.4相关发展趋势

尽管世界工业经济发展放缓，使得气动机械手的发展受到一定的影响，然而，作为新兴科学技术的产物，气动机械手的发展势不可挡。

目前，气动机械手的发展呈现出了以下趋势：

（1）、结构模块化

（2）、控制智能化

（3）、感觉功能变强

（4）、系统应用与集成化

（5）、可靠性越来越高

（6）、易操作更灵活

（7）、向微型化方向发展

1.3本课题的设计方法

气动系统的设计方法可以分为下几种：

1）、试凑法2）、逻辑法3）、分组供气法

试凑法是将选用的的气动基本回路、常用回路试凑在一起组成控制回路，然后分析是否能满足设计要求。

如若不满足要求，则要修改或另选回路，直到满足要求为止。

此法是气动回路常用的设计方法，设计气动回路也可以参照使用。

逻辑法包括逻辑运算法和图解法。

辑运算法是根据控制要求，直接应用逻辑代数进行计算简化，但计算过程较复杂，对于复杂的控制回路不易得到最佳结果。

图解法是利用逻辑代数的特性，把复杂的计算用图解的方法表示出来，如信号-动作线图法（X-D线图）、卡诺图法等。

分组供气法是在控制回路中，增加若干个控制元件对行程阀采用分组供气的方式。

产生障碍时，可切断障碍信号的气源，防止障碍的产生。

在本次机械手气动系统设计中采用逻辑法中的信号-动作线图法（X-D线图）设计气动回路，整个设计过程如图1-1所示。

图1-1气动系统设计步骤框图

1.4系统功能说明

机械手气动系统是工业生产中不可缺少的一部分。

机械手通过可控制编程来控制气动系统，从而实现机械手的立柱的升降/回转、手臂的伸出/缩回和手爪的抓取动作。

机械手具有独立的控制系统、程序可变、动作灵活多样。

并适用于可变换生产品种的中小批量自动化生产，工作范围大，定位精度高，通用性强，是一种比较合理的控制方法，对于未来工业的发展，机械手气动系统的自动改进有着深远的意义。

第二章机械手气动系统设计

2.1明确机械手的工作要求

2.1.1气动机械手结构示意图分析

本设计介绍气控机械手模拟人手动作，按预先给定的程序，轨迹和工艺要求实现自动抓取、搬运，完成工作的上料或下料。

为了完成这些动作，系统共有A、B、C、D四个气缸，可在三个坐标内工作。

A夹紧缸、B手臂伸缩缸、C立柱升降缸、D立柱回转缸。

其结构示意图如图2-1所示：

表2-1气动机械手系统的初始状态

执行元件

初始状态

功能

A气缸

伸出位置

抓取工件

B气缸

缩回位置

横向伸缩

C气缸

上端位置

上下移动

D气缸

左端位置

左右旋转

图2-1气动机械手结构示意图

2.1.2工作要求

本设计机械手主要用于自动输送线的上下料，采用气动方式驱动，可控制编程进行控制。

由于机械手工作速度的稳定性较差、冲击大、气源压力较低，手爪抓重一般在30kg以下，所以结合工业生产的实际情况。

2.1.3运动要求

由于影响机械手动作快慢的主要因素是立柱的升降/回转、手臂的伸缩和手爪的抓取速度。

本设计确定该手臂升降行、伸缩行程均定为500mm；

手臂回转行程范围定为00-1800；

立柱升降、手臂伸缩、立柱回转一次时间

；

手爪伸缩行程定为200mm，手爪抓取一次时间

。

2.1.4动力要求

手臂设计还包括手爪伸缩气缸推力FA≥5kN；

手臂伸缩气缸推力FB≥15kN；

立柱回转气缸推力FC≥20kN；

立柱升降气缸推力FD≥30kN。

2.2设计气动控制回路

根据机械手（图2-1）结构的设计要求，其中A缸为夹紧缸，当活塞杆退回时将工件夹紧，当活塞杆伸出时将工件松开；

B缸为伸缩缸，实现手臂的伸出和缩回动作；

C缸为升降缸，实现立柱的上升和下降动作；

D缸为回转缸，通过齿轮齿条将活塞的直线运动转换为立柱的旋转运动，从而实现立柱的回转运动。

2.2.1列出气动执行元件的工作程序

根据上述工作要求，现列出气动执行元件的工作程序，如图2-2所示：

图2-2机械手的动作顺序

图2-3机械手的工作顺序

2.2.2作X-D线图，写出执行信号的逻辑表达式

根据上述分析的可以画出气动机械手在C0-B1-A0-B0-C1-D0-A1-D1顺序动作下的X-D线图，如图2-7所示，从图中可以比较容易地看出原始信号d1、c0、b0、c1均为障碍信号，因而必须排除。

为了减少整个气动系统中元件的数量，这四个障碍信号都采用逻辑回路来排除，其消障后的执行信号分别为d1*（C0）=d1a1q、c0*（B1）=c0a1和b0*（C1）=b0a0、c1*（D0）=c1b0a0。

图2-4气动机械手的X-D线图

在图2-4中，顶端依次写入的是程序的相位及对应的动作名称，左侧由上至下是控制信号及对应的被控动作，其中控制信号在上，被控动作在下，在最右侧为“执行信号”表达式。

在图中动作线的起点是在该动作的开始处，用“O”表示，动作线的终点在对立动作的开始处（对立动作是指A1与A0、B1与B0等不能同时存在的动作），用“×

”表示；

信号线的起点是在该信号所控制动作的开始处开始，用“O”表示，信号线的终点是在产生该控制信号动作的对立动作开始处结束，用“×

”表示。

如控制第一个动作C0的信号d1，信号线的起点是在该信号所控制动作C0的开始处开始，即C0左侧，用“O”表示；

信号线的终点是在产生该信号d1的动作D1的对立动作D0开始处结束，即D0左侧，用“×

画信号线时应注意：

信号线的起点就是同组中动作线的起点，信号线的终点就是上一组中动作线的终点。

在X-D线图中有的信号线比其所控制的动作线长，说明当动作状态要改变时，其控制信号不允许它改变，这种阻碍动作改变的信号是障碍信号，其长于动作线的部分为障碍段，用“”表示，在图2-5中，其中d1（C0）、c0（B1）、b0（C1）、c1（D0）均为障碍信号。

为了排除某个有障碍信号m的障碍段，需要另外一个信号（又称为制约信号）n，将信号m与信号n相“与”，去除m信号中的障碍段。

选择制约信号n的原则是：

使信号n在信号m的障碍段中不存在，而在m信号的执行段有信号。

如控制动作C0的信号d1是有障碍信号，选择信号a1作为制约信号；

控制动作B1的信号c0是有障碍信号，选择信号a1作为制约信号；

控制动作C1的信号b0是有障碍信号，选择信号a0作为制约信号；

控制动作D0的信号c1是有障碍信号，选择信号b0a0作为制约信号。

2.2.3画出系统的逻辑原理图

系统的气动逻辑原理图如图2-8所示，图中列出了四个气缸的八个状态以及与气缸相对应的主控阀。

图中左侧列出的是由行程阀、启动阀等发出的原始信号（简略画法）。

图中四个与门元件四个与门均有排除障碍作，其中有两个是三输入的与门元件，是启动信号q对d1a1起开关作用；

b0a0c1的和输出。

图2-5气控逻辑原理图

2.2.4画出系统的气动回路原理图

根据气控逻辑原理图，可绘制出相应的气动回路图。

如图2-8所示，系统中的原始信号d1、c0和b0、c1是无源信号，不能直接与气源相连。

原始信号d1、c0和b0、c1，应分别通过a1与a0、a0c1才能与气源相连接。

图2-6气动控制系统回路原理图

由系统图的工作循环分析可知：

（1）当按下启动阀q后，压缩空气经d1、a1阀和手动阀进入C缸主控阀左腔，使C缸主控阀处于左位，C缸活塞杆缩回，立柱下降，实现动作C0。

（2）当立柱下降到位，C缸活塞杆上的挡铁压下c0后，压缩空气经c0阀和a1阀进入B缸主控阀左腔，使B缸主控阀处于左位，B缸活塞杆伸出，手臂伸出，实现动作B1。

（3）当手臂伸出到位，B缸活塞杆上的挡铁压下b1后，压缩空气经b1阀进入A缸主控阀左腔，使A缸主控阀处于左位，A缸活塞杆缩回，夹紧工件，实现动作A0。

（4）当工件被夹紧，A缸活塞杆上的挡铁压下a0后，压缩空气经a0阀进入B缸主控阀右腔，使B缸主控阀处于右位，B缸活塞杆缩回，手臂缩回，实现动作B0。

（5）当手臂缩回到位，B缸活塞杆上的挡铁压下b0后，压缩空气经b0阀和a0阀进入C缸主控阀右腔，使C缸主控阀处于右位，C缸活塞杆伸出，立柱上升，实现动作C1。

（6）当立柱上升到位，C缸活塞杆上的挡铁压下c1后，压缩空气经c1阀和a0阀和b0阀进入D缸主控阀右腔，使D缸主控阀处于右位，D缸活塞杆左移，通过齿轮齿条机构带动立柱右旋，实现动作D0。

（7）当立柱回转到位，D缸活塞杆上的挡铁压下d0后，压缩空气经d0阀进入A缸主控阀右腔，使A缸主控阀处于右位，A缸活塞杆伸出，放开工件，实现动作A1。

（8）当工件被放开，A缸活塞杆上的挡铁压下a1后，压缩空气经a1阀进入D缸主控阀左腔，使D缸主控阀处于左位，D缸活塞杆右移，通过齿轮齿条机构带动立柱左旋，实现动作D1。

（9）当立柱回转到位，D缸活塞杆上的挡铁压下d1后，压缩空气经d1、a1阀和手动阀q后，再次进入A缸主控阀的左腔，使A缸的主控阀又处于左位，重新开始下一个工作循环。

第三章气缸及气动元件设计

3.1手臂回转、伸缩、夹紧、升降气缸的设计

气缸的品种繁多，各种类型及型号的气缸性能和适用工况条件不尽相同。

选择气缸的过程包括确定气缸的类型、安装方式、具体的结构尺寸、行程、密封形式、耗气量等。

3.3.1确定气缸类型

根据设计要求，机械手的升降、伸缩、抓取选用单活塞缸，转动选用双活塞缸。

又考虑到开闭时行程要平稳，可采用缓冲型气缸。

因此初步选择执行元件为四台标准缓冲气缸。

3.3.2气缸内径计算

根据设计要求：

立柱升降、立柱回转、手臂伸缩一次时间

，B、C缸行程s均为500mm，得B、C气缸活塞杆平均速度

手爪抓取一次时间

，A缸行程s均为200mm，得A气缸活塞杆平均速度

在选择气缸时，系统压力按0.6MPa计算。

夹紧气缸A内径D的计算公式为：

（3-1）

式中：

F——为气缸输出的推力；

p——为系统工作压力，取0.6MPa；

η——为气缸工作效率，取0.8；

则顶部料钟气缸内径为：

=0.115m=115mm（3-2）

查气缸理论出力表及气缸内径表，取标准缸径DA=125mm，活塞杆直径dA=32mm，标准行程s=200mm。

同理伸缩气缸B的内径D为：

=0.199m=199mm（3-3）

查气缸理论出力表及气缸内径表，取标准缸径DB=200mm，活塞杆直径dB=45mm，标准行程s=500mm。

由于总体布置限制，C升降气缸操作力为升力，则升降气缸内径为：

（3-4）

由于升降气缸作用力大，气缸缸径较大，取系数为1.06，则升降气缸内径为：

=0.244m=244mm（3-5）

查气缸理论出力表及气缸内径表，取标准缸径DC=250mm,活塞杆直径dC=50mm，标准行程s=500mm。

由于总体布置限制，回转气缸D操作力为回转力，则回转气缸内径为：

（3-6）

由于回转气缸作用力大，气缸缸径较大，取系数为1.06，则回转气缸内径为：

=0.299m=299mm（3-7）

查气缸理论出力表及气缸内径表，取标准缸径DD=320mm,活塞杆直径dD=63mm，标准行程s=500mm。

3.3.3选择气缸

根据气缸标准缸径，查表22-4-34JB系列气缸[7]：

夹紧气缸A型号为：

JB-125×

200-S；

伸缩气缸B型号为：

JB-200×

500-S；

升降气缸C型号为：

JB-250×

回转气缸D型号为：

JB-320×

500-S。

3.3.4验算气缸力的大小

夹紧气缸A工作时，A气缸输出力为：

（3-8）

伸缩气缸B工作时，B气缸输出力为：

（3-9）

升降气缸C工作时，C气缸输出力为：

（3-10）

回转气缸D工作时，D气缸输出力为：

（3-11）

3.3.5活塞杆直径d的校核

按本设计，缸行程s=500mm，则查表22-1-56活塞杆的校核公式[7]为：

（3-12）

其中：

——活塞杆的作用力

——活塞杆材料的需用应力，

无特殊要求活塞杆选用45钢调质处理，则材料的抗拉强度

，则活塞杆材料许用应力为：

（3-13）

则由设计题目要求:

夹紧气缸A所产生的推力

≥5KN，则活塞杆直径：

（3-14）

故所选活塞杆直径

=32mm，满足要求；

伸缩气缸B所产生的推力

≥15KN，则活塞杆直径：

（3-15）

=45mm，满足要求。

升降气缸C所产生的推力

≥20KN，则活塞杆直径：

（3-16）

=50mm，满足要求。

回转缸D所产生的推力

≥30KN，则活塞杆直径

（3-17）

=63mm，满足要求。

3.3.6耗气量计算

取气缸的容积效率

已知夹紧气缸A的缸径DA＝125mm，行程s＝200mm，全行程需要时间t＝1s，且气缸A耗气量为：

（3-18）

已知伸缩气缸B的缸径DB＝200mm，行程s＝500mm，全行程需要时间t＝2s，且气缸B耗气量为：

（3-19）

已知升降气缸C的缸径DC＝250mm，行程s＝500mm，全行程需要时间t＝2s，且气缸C耗气量为：

（3-20）

已知回转气缸D的缸径DD＝320mm，行程s＝500mm，全行程需要时间t＝2s，且气缸D耗气量为：

（3-21）

3.2选择气动控制元件

根据系统对控制元件工作压力及流量的要求，并按照气动控制回路原图选定下列各阀。

气动换向阀、行程阀、手动换向阀均为控制气路上的阀，所以可选通径较小的阀，为了使气动回路管路尽可能一致，此处通径选用6mm。

3.2.1选择主控气动换向阀

缸A主控换向阀：

系统要求压力P＝0.6Mpa，

，查表22-1-27控制阀通径与通流能力[7]，选换向阀A的通径为10mm，则查表22-4-131QQI系列四通气控换向阀[7]，选缸A主控换向阀的型号为：

Q24Q2I-L10。

缸B主控换向阀：

，查表22-1-27控制阀通径与通流能力[7]，选换向阀B的通径为10mm。

则查表22-4-131QQI系列四通气控换向阀[7]，选缸B主控换向阀的型号为：

缸C主控换向阀：

，查表22-1-27控制阀通径与通流能力[7]，选换向阀C的通径为15mm。

则查表22-4-131QQI系列四通气控换向阀[7]，选缸C主控换向阀的型号为：

Q24Q2I-L15。

缸D主控换向阀：

，查表22-1-27控制阀通径与通流能力[7]，选换向阀D的通径为20mm。

则查表22-4-131QQI系列四通气控换向阀[7]，选缸D主控换向阀的型号为：

Q24Q2I-L20。

3.2.2选择行程阀

a0、a1、b0、b1、c0、c1、d0、d1均为二位三通常闭直动滚轮式行程阀，通径为6mm，查表22-4-179XQ系列三通机控换向阀[7]，选八个行程阀的型号为：

XQ230611。

3.2.3选择手控换向阀

q为二位三通手动按钮式换向阀，通径为6mm，查表22-4-143K23JR1系列三能按扭式换向阀[7]，选手控换向阀的型号为：

K23JR1-L6。

第四章机械手控制系统的设计

本设计整个系统由操控面板来完成整个机械手的的操作，机械手的各个动作由汽缸驱动，而汽缸由相应的电磁阀控制，完成各类的工作要求。

如手臂回转、伸缩、上下移动；

手爪的抓取、松开动作等。

机械手的所有动作执行，全部动作由PLC控制完成。

4.1控制系统分析

4.1.1总体控制要求

1）、本设计机械手由上升/下降、左转/右转、伸臂/缩臂的执行用双线圈二位电磁阀推动气缸完成。

当某个独立的电磁阀线圈通电，就一直保持现有的机械动作。

即：

一旦左转的电磁阀线圈通电，手臂左转，即使电磁阀线圈再断电，手臂仍保持左转动作状态，直到相反方向的线圈通电为止。

另外，夹紧/放松由单线圈二位电磁阀推动气缸完成，线圈通电执行夹紧动作，线圈断电时执行放松动作。

设备装有上、下限位和左、右限位开关，它的工作过程：

有八个动作且运行方式分为单步，单周期，连续三种模式。

各个脉冲电磁阀的工作顺序是：

原位→下降→伸臂→夹紧→缩臂→上升→右转→松开→左转→原位……

2）、为检修和维护方便，每个电磁阀应有自动/手动两种工作方式，正常工作时采用：

自动方式；

检修和维护时采用：

手动方式。

4.1.2PLC机械手的动作分析

①机械手处在原始位置（左转到位、上升、缩臂），按下启动按钮，机械手臂开始下降。

②机械手下降到下限位置，状态开关动作，下降动作结束，机械手开始伸臂。

③机械手伸臂到限定位置，状态开关动作，伸臂动作结束，机械手开始夹紧。

④机械手夹紧到夹紧位置，状态开关动作，夹紧动作结束，机械手开始缩臂。

⑤机械手缩臂到限定位置，状态开关动作，缩臂动作结束，机械手开始上升。

⑥机械手上升到上限位置，状态开关动作，上升动作结束，机械手开始右转。

⑦机械手右转到右限位置，状态开关动作，右转动作结束，机