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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、轨迹和要求实现自动抓取、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，适用范围比较广的“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，目前在国内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:
介质李源极为方便，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范围内是可以调节的，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。
组成时间继电器的内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。
本次使用的是温州沪瓯电气有限公司所生产的数显型时间继电器，专利编号为2004200897057.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，内漏易控，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范围。
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常开触点断开，K4失电，其常开触点断开，YA4线圈失电，电磁阀4回复原位，机械手松开工件。
（11）同时，K8常开触点闭合，时间继电器KT2得电。
（12）时间继电器KT2的常开触点延时5S后闭合，中间继电器K9得电，其常闭触点断开，K22失电，K22常开触点断开，K2线圈失电，使YA2线圈失电，电磁阀2回复原位，手臂缩回。
二.按下停止按钮SB1，控制线路失电，电磁阀全部回复原位。
第四章调试过程
气动机械手的调试是一个有着过渡作用并且十分重要的环节。
它不仅要对之前整个电路的气动原理图，电气原理图，以及各气动元器件有深刻的了解，也需要知道继电器回路的控制系统如何运作以及正确的接线方式。
我们的最终控制方案更是在调试中，不断优化得来的。
实验室里的机械手有4个气缸，分别是正反转气缸，伸缩气缸，升降气缸和夹紧放松气缸。
我们需要4个二位五通的电磁阀，来分别控制各个气缸的进出气。
我们这次设计的机械手需要完成立柱反转-手臂伸出-立柱上升-夹紧工件-手臂缩回-立柱下降-立柱正传-手臂伸出-松开工件-手臂缩回这一系列动作。
经过几天的整理后我们把自己的电路图给老师看了，由于设计的电路图有点复杂，所以老师让我们在调试过程中选择简单的4个动作的调试，即机械手立柱的反转，手臂伸出，立柱上升，夹紧工件。
这也让我和小伙伴们轻轻地舒了口气。
然而事实并没有我们想象的那么容易。
因为许多队伍接线时都需要用到工作台上的电气控制线路，很多时间我们都浪费在了等人上，不过时间挤挤就有了，我和队友们还是把握了不少机会。
在确保电路图是正确后，我们开始了用继电器控制的气动机械手调试。
当然首先接线是至关重要的。
气泵的气管都要接到不同的电磁阀进出气口上以及机械手4个气缸的8个进出气口。
机械手的6个限位开关都需要连到工作台的控制线路上，工作台上则需要一个停止按钮，一个启动按钮，4个继电器，以及几个重要触点，同时触点与电磁阀的得失电接口相连接。
之前接触连线这块也少，所以我们一开始还是碰到了不少问题。
我们根据接线规范的操作，按着电路图都完整的连好了线，按下气动按钮，但是发现机械手不能动，仔细查看后发现是机械手位置的初始状态不对，针对初始状态，我和小伙伴们可花了不少心思。
打开气泵，气管通气后，传到机械手气缸里，机械手会有一个初始状态。
按照我们需要进行的动作，一开始机械手立柱正转到极限，手臂要缩回到底，立柱是下降的同时机械爪要松开，这4个动作都需要气缸8根气管来控制，一次次的尝试，检查进气还是出气。
并且我们还要确保立柱极限位置的气管要保持通的状态，不能关闭，否则机械手动不起来。
刚开始，我们的机械手只能立柱反转，不能进行下一个动作。
每次出了问题，我们都需要去找出来并且改正。
电磁阀的信号灯是否亮也是说明了我们的动作是否能顺利走到下一步。
因为我们设计的机械手一套动作完成的比较快，很多时候电磁阀的信号灯有没有亮都不好看出来，所以我们的办法是打开工作台控制电路，通上电源，但是不通气，我们手动来检查问题所在。
把机械手反转，碰到限位开关后看灯是否有亮，如果亮了，则能进行下一步动作手臂伸出，如果没亮，说明阀的接口接线不对。
同理，一步一步检查灯是否有亮，要确保每次要进行下一个动作时，信号灯都能亮，这样才能完成这4个动作。
有好几次，机械手立柱上升时老是卡在中间或是升不上去，导致我们的机械手的气动手爪根本不能进行夹紧动作。
分析后，我们觉得一方面原因是立柱本身缺少润滑，另一方面，机械手设计本身问题，或者说是第三个限位开关位置不正确。
立柱上升的时候根本碰不到那个限位开关，充气时立柱能上升到最高状态，可是限位开关的指示灯以及二位五通的信号灯完全不亮。
我们都使劲的把立柱往上提，想把它升到最高处，结果事与愿违。
经过思考后，我们决定把那个限位开关改成了时间继电器，即在中间继电器后面连接一个时间继电器，这样不需要升到最高位置，在控制立柱的线圈得电时，时间继电器就会接通，延时3秒后，时间继电器常开触点接通，就会接通下一个动作，气动手爪开始夹紧，这样一来，几个完整的动作都能实现了。
调试不是简简单单就能完成的，除了正确的操作规范，我们还需要实事求是，一丝不苟，敢于探索的精神。
在遇到问题时，我们要冷静并及时找出问题所在，和伙伴们一起合作，一起完成调试，最后让机械手真正动起来，这种收获与目标的实现是值得我们骄傲的。
对于这次调试，我确实学到了很多。
一个最简单的动作也许包含了你想不到的难度，我们需要认真对待每一次实验，把这些经历看成是对自己的磨砺。
每一次小的成功都是对大目标的再一次挑战，不管是现在的实验调试，还是在今后，我们需要做的就是脚踏实地走好每一步，用自己的汗水辛勤的双手努力，朝着梦想前进。
第五章设计总结
此次实验考验我们大学这几年来的所学，它要求我们将大学这几年来所学的知识能够融会贯通、熟练应用，并要求我们能够理论联系实际，培养我们的综合运用能力以及解决实际问题的能力。
刚接到实验时，我们是一头雾水，不知道该如何下手。
后来通过郑老师的讲解，我们对这个实验有了一个大体的理解。
接下来我们就开始画接线图，接线图画出来以后，给老师看过觉得可以后，我们就开始对硬件进行连接。
接下来我们就开始不断的进行调试，最后在老师的指导下我们获得了最终的成功。
系统的分析与设计过程也是对学习的总结过程，更是进一步学习和探索的过程。
在这过程中，我对利用继电器等控制器进行控制系统的设计与开发有了深刻的认识，对机械手的工作原理有了进一步的掌握，对控制系统的分析与设计有了切身的认识和体会，并在学习和实践过程中增长了只是，丰富了经验。
控制系统的开发设计是一项复杂的系统工程，必须严格按照系统分析、系统设计、系统实施、系统运行与调试的过程来进行。
系统的分析与设计是一项很辛苦的工作，同时也是一个充满乐趣的过程。
在设计过程中，要边学习，边实践，遇到新的问题就不断探索和努力，即可使问题得到解决。
同时，在本次设计中，也深刻体会到理论与实践相结合的重要性只有理论知识是远远不够的，虽然之前收集了大量的资料但在实际应用中却有很大差异，出现了很多意想不到的问题，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。
通过查资料，分析资料及请教老师和同学等途径，在全组同学的努力和合作下，经过了长时间的摸索我们最终还是设计出了达到要求的系统。
但是由于时间紧迫，有些设计工作还有待完善，在以后的工作中我们会继续努力，不断提高自己的技术水平，以适应未来的激烈竞争形势。
一个人要不断的否定自己，不断战胜自己，不断超越自己，不断完善自己，这样才能不断进步，总之，通过此次实验，我们学到了很多东西，意外收获也很大，不仅进一步学习了继电器控制的重要性和艰难性，同时还增强了我们的动手能力，能把我们所学到的书本知识应用到实践中去，现在看到硬件不再是无头绪的了，对继电器和电磁阀也有了了解，同时学习气动控制的机械手对我真的很有用，现在自动化与我们的生活息息相关，不过，经过前面的一些努力之后，我们也有信心，有能力去把它完成的更加完美。
最后，感谢郑老师对我们细心的指导，正因为你细心的指导，我们才得以在这么快的时间完成此次课程设计！
第六章附图
6.1三维零件图：
6.2三维装配图：
第七章参考文献
【1】史国生.电气控制与可编程控制器技术.北京：
化学工业出版社，2010.
【2】许福玲，陈尧明.液压与气压传动.北京：
机械工业出版社，2012.
【3】郑洪生.气压控制与控制.北京：
机械工业出版社,1992.
【4】张凤珊.电气控制及可编程序控制器.北京：
中国轻工业出版社，2001.
【5】熊葵容.电气逻辑控制技术.北京：
科学出版社。
2002.
【6】王永华.现代电气及可编程控制技术.北京：
北京航天工业出版社，2002.
【7】郑萍.现代电气控制技术.重庆：
重庆大学出版社,2001.
【8】大连理工大学工程图学教研室.机械制图.北京：
高等教育出版社.
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