冲压机床自动上下料机械手气压传动系统设计毕业设计.docx
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冲压机床自动上下料机械手气压传动系统设计毕业设计
冲压机床自动上下料机械手
气压传动系统设计
姓名：
学号：
指导教师：
学院：
机电工程学院
专业：
过程装备与控制工程
完成日期：
2016年5月20日
摘要
目前，在国内很多工厂的生产线上多工位冲床装卸工件仍由人工完成，劳动强度大、生产效率低。
在工业生产流水线中，利用气动机械手可以准确、快速地进行物品搬运，劳动强度大大减轻，生产的自动化程度得到提高。
而气动技术与ＰＬＣ技术相结合，则可以更为方便的实现机电一体化控制。
本文设计一台冲床专用的PLC控制的气动上下料机械手。
本文简要介绍了工业机械手的概念，组成及国内外的发展状况。
在分析总体方案的基础上，确定了机械手的技术参数。
重点阐述气动系统和PLC系统的设计。
设计出了机械手的气动系统，对气缸、空气压缩机、储气罐进行了计算和选型，对方向控制阀、单向节流阀和气动三联件进行了选型，绘制了机械手气压系统原理图，绘制了PLC系统输入输出分配表、输入输出接线图和梯形图。
【关键词】机械手；气动；可编程控制器
Abstract
Atpresent,productionlinepunchloadingandunloadingoftheworkpieceinmanydomesticfactoriesisstilldonem
anually,itislabor-intensiveandlowproductionefficiency.Inindustrialproductionlines,theuseofpneumaticmanipulatorcanaccurately,quicklytransportgoods,solaborintensityisgreatlyreducedandthedegreeofautomationoftheproductionisimproved.ThecombinationofpneumatictechnologywithPLCtechnologymakesmechatroniccontrolmoreconvenient.Thispaperdesignsapunch-specificpneumaticunloadingandunloadingrobotcontrolledbyPLCtechnology.
Thispaperbrieflyintroducestheconceptoftheindustrialrobot,compositionandstateofdevelopmentathomeandabroad.Onthebasisoftheanalysisofoverallprogramtodeterminethetechnicalparametersofthemanipulator，focusesonthedesignofthepneumaticsystemandPLCsystem.Itdesignstherobot'spneumaticsystem,thecylindercalculationandselection,directionalcontrolvalves,one-waythrottlevalveandpneumaticFRLselection,drawstheschematicofthepressuresystemoftherobot，drawstheinputandoutputallocationtableandtheinputandoutputwiringdiagramofthePLCsystem.
【Keywords】Manipulator;Pump;Airpressuredrive
目录
第1章绪论1
1.1工业机械手定义1
1.2国内外研究概况1
1.3选题背景2
1.4设计目的2
第2章机械手的总体设计方案4
2.1机械手的组成4
2.2驱动系统5
2.2.1驱动系统种类5
2.2.2驱动系统的选择5
2.2.3气压驱动系统组成5
2.3控制系统6
2.4运动流程6
2.5机械手的主要参数7
2.6基本回路7
2.6.1方向控制回路7
2.6.2速度控制回路8
2.6.3压力控制回路8
2.7气动原理图9
第3章气压驱动系统设计11
3.1执行机构的计算与选型11
3.1.1手部抓紧气缸计算与选型11
3.1.2手臂平移及伸缩气缸计算与选型13
3.1.3立柱升降气缸设计与选型14
3.2空气压缩机的计算与选型15
3.2.1空气压缩机的计算15
3.3储气罐的计算与选型16
3.3.1储气罐的计算16
3.3.2储气罐的选型17
3.4气动三联件选取17
3.5方向控制阀和单向节流阀选型17
第4章PLC控制系统的设计18
4.1电磁阀动作顺序表18
4.2输入输出控制分析18
4.3PLC的输入输出端子分配接线图19
4.4自动操作程序20
4.5程序总梯形图22
第5章总结23
参考文献24
致谢25
第1章绪论
1.1工业机械手定义
工业机械手是工业生产的必然产物，它能模仿人体上肢的部分功能，按照预定要求输送工件或握持工具进行操作，对实现工业生产自动化，推动工业生产的进一步发展起了重要作用。
工业生产中经常出现的笨重工件的搬运和长期频繁、单调的操作，采用机械手是有效的。
此外，它能在高温、深水、宇宙、放射性和其他有毒、污染环境条件下进行操作，更显示其优越性，有着广阔的发展前途[1]。
采用机械手是改善劳动条件，减轻劳动强度，提高劳动生产率和产品质量，实现生产过程自动化的一种有效手段[2]。
它的诞生和发展虽只有30多年的历史，但已被应用到国民经济，民事技术等众多的领域，具有广阔的应用和发展前景，显示出强大的生命力。
1.2国内外研究概况
1958年美国联合控制公司研制出的第一台机械手，是一台工件抓放机构，机体上安装一回转长臂，端部装有电磁铁，应用示教型的控制系统[3]。
德国机器制造业是从1970年开始应用机械手的，主要用于起重运输、焊接和设备的上下料等作业[4]。
日本在机械手领域发展最快、应用最多。
现在日本拥有世界上最多的机械手，约占总量的70%，并以每年50%～60%的速度增长[5]。
国外机械手主要用于压力机和机床的上下料，以及喷漆、点焊等。
正在大力研制具有某种智能的机械手。
使它能反馈外界条件的变化，具有一定的传感能力，作相应的变更。
重点是研究视觉功能和触觉功能，如果位置发生稍许偏差，就能更正并自行检测[6]。
国内主要是发展铸造、热处理方面的机械手，减轻劳动强度，有条件的地方和公司要研制计算机控制的机械手和组合机械手等。
此外还应大力研究记忆再现型、伺服型，以及具有视觉、触觉等性能的机械手，使其逐步成为整个机械制造系统中的一个基本单元，并考虑与计算机连用[7]。
目前世界高端工业机械手均有高速化，高精化，轻量化的发展趋势。
定位精度可以达到微米甚至亚微米级要求，可以达到3m/s的运行速度，负载2Kg的产品系统总重已突破100Kg。
同时，随着机械手的小型化和微型化，其应用领域将会突破传统的机械领域，而向着生物技术、电子信息、生命科学和航空航天等高端行业发展[8]。
1.3选题背景
机械工业是国民的装备部，是为国民经济提供装备和为人民生活提供耐用消费品的产业。
机械工业的规模和技术水平是衡量国家经济实力和科学技术水平的重要标志[9]。
然而在机械工业中，加工、装配等生产是不连续的。
单靠人力将这些不连续的生产工序衔接起来，不仅费时而且效率不高。
显然，这严重影响制约了整个生产过程的效率和自动化程度。
机械手的应用很好的解决了这一情况，它不存在重复的偶然失误，也能有效的避免了人身事故[10]。
1.4设计目的
本设计通过对大学本科四年的所学知识进行充分运用和深化，针对机械行业的具体生产工艺,利用机器人技术，打造一个具有特定功能、特殊要求的冲压机床上下料机械手，能够实现理论和实践的有机结合，因而具有较强的针对性和明确的实施目标。
该机械手能够实现以下设计目标：
第一、提高生产过程自动化程度；
第二、改善劳动条件，避免人身事故；
第三、连续地代替人进行工作，减轻劳动强度；
第四、更准确地控制生产的节拍，便于有节奏的进行工作生产。
在PLC程序控制下，采用气压传动方式，实现执行机构的相应部位发生规定要求的动作。
与冲压机床组合形成生产线，能够实现加工过程的自动化、无人化。
解决工业生产中，冲压成型这一工序人工上下料问题，提高劳动生产率。
第2章机械手的总体设计方案
2.1机械手的组成
机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统及位置检测装置组成[11]，如图2-1所示。
图2-1机械手组成方框图
现将各部分结构介绍如下：
1．执行机构
包括手部、腕部、手臂、立柱等部件，有的还设置行走机构。
A手部：
工件与机械手接触的部件。
本设计的工件是圆柱形的棒料，采用夹持式，它由传力机构和手指构成。
通过手指产生夹紧力来完成夹放物件，其由气缸实现。
B腕部：
是联接手部和手臂的部件，起调整或改变工件方位的作用。
C手臂：
支承腕部和手部的部件，其作用是带动手指去抓取物件，并按预定要求将其搬到设定位置。
本系统采用升降气缸、横移气缸和伸缩气缸，分别实现手臂的升降、横移以及伸缩的动作。
D立柱：
支承手臂的部件，本系统以手臂的升降气缸兼作立柱，以便实现该机械手的紧凑和简洁。
E机座：
它是基础部分，机械手的驱动系统和执行机构的各部件都被安装在机座上[12]。
2．驱动系统：
它的作用是提供执行系统各部件所需的动力，常用的驱动系统有液压驱动、气压驱动、电力驱动和机械驱动。
3．控制系统：
对驱动系统进行控制，使执行系统在规定的要求下进行工作，当发生故障或错误时，报警信号会被发出。
4.检测系统：
通过检测装置和传感装置来检测执行机构的运行情况，并反馈给控制系统，然后与设定进行比较，从而保证实现符合要求的运动[13]。
2.2驱动系统
2.2.1驱动系统种类
工业机器人的驱动系统可分为以下四种：
（1）气压驱动：
气源压力较小，适宜抓举较轻的物件。
（2）液压驱动：
结构紧凑，动作灵敏，传动平稳，但不宜在高温或低温的场合工作，且对密封的要求较高，对制造精度的要求也较高[14]。
（3）电力驱动：
不会对环境造成污染，有较高的运动精度，易于控制，成本低，驱动效率较高，它的运用最为广泛。
（4）机械驱动：
是将主机的动力通过凸轮、连杆、齿轮、间歇机构等传递给机械手的一种驱动方式。
2.2.2驱动系统的选择
气动机械手驱动执行机构运动，靠的是压缩空气的压力。
气动技术有以下优点:
（1）介质提取和处理方便；
（2）动作迅速，反应灵敏；（3）阻力损失和泄漏较小；（4）可储存能源；（5）成本低廉；（6）对工作环境的适应性好。
适于在高速、高温、轻载和粉尘大的场合进行工作。
工业正在向机械化和自动化方向发展，加上气动技术自身具有的优点，气动机械手已经在生产自动化的各个行业被广泛应用。
从各国的行业统计资料来看，近30多年来，气动行业的发展速度很快。
在20世纪70年代，液压和气动元件产值比为9:
1，今天，在欧美、日本等国家，已接近1:
1[15]。
随着PLC技术、微电子技术、计算机技术、传感技术和现代控制技术的发展与应用，气动技术已成为实现现代传动与控制的关键技术之一[16]。
因此，本课题研究的机械手选用气动驱动方式。
2.2.3气压驱动系统组成
气压驱动系统大体由以下几部分组成。
1.气源由总压缩空气站提供。
气源部分包括空气压缩机，分水滤气器，调压器，过滤器等。
2.气动三联件由过滤器，减压阀，油雾器三大件组成。
可以是分离式，也可以是三联组装式的，多数情况下用三联组装式结构。
3.气动阀气动阀的种类很多，在工业机械手的气压驱动系统中，常用的阀件有电磁阀、节流调速阀、减压阀等。
4.气动执行机构多数情况下使用气缸。
直线气缸分单动式和双动式两类。
气缸的结构形式和其与机械手机构的连接方式，由设计机械手时的结构要求而定。
气缸的内径、行程大小，可根据对机械手的运动分析和动力分析进行计算。
2.3控制系统
本机械手的控制系统选用可编程控制器。
可编程控制器（PROGRAMMABLECONTROLLER，简称PC）。
为了与个人计算机的PC相区别，用PLC表示。
可编程控制器是由微机控制的电子装置，不仅能完成各种程序控制，而且还有数字运算、数据处理、模拟量调节、操作显示、联网通信等功能，在工业控制当中发挥着越来越大的作用。
具有应用灵活，简单易学，操作方便，功能齐全，稳定可靠，体积小、重量轻、功耗低等优点[18]。
2.4运动流程
该冲压机床上下料机械手，采用直角坐标系，三个自由度。
臂部可以沿直角坐标轴x、y、z三个方向移动，亦即臂部可以前后伸缩、左右移动和上下升降，分别通过伸缩气缸、横移气缸、升降气缸来实现。
通过分析机械手要完成的动作,得到其运动流程:
启动-手臂前伸-立柱下降-抓紧工件-立柱上升-手臂收缩-手臂左移-手臂前伸-立柱下降-松开工件-立柱上升-手臂收缩-手臂右移。
动作示意图如图2-2所示。
图2-2单工位机械手动作示意图
2.5机械手的主要参数
设计技术参数:
1、抓重:
1.5Kg
2、自由度数:
3个自由度
3、坐标型式:
直角坐标
4、手臂运动参数:
伸缩行程100mm,升降行程50mm,横移行程150mm
5、冲床动作颇率:
12次/分
6、手指夹持范围:
7、驱动方式:
气压传动
8、控制方式:
可编程控制器
2.6基本回路
2.6.1方向控制回路
方向控制回路又称换向回路，这种回路的应用极为普及。
它是通过换向阀的换向，来改变执行元件的运动方向的。
本设计的气缸均为双作用气缸，采用二位五通电磁换向阀的换向回路。
当K2有信号时，换向阀换向，处于右位，气缸有杆腔进气，无杆腔排气活塞杆伸出。
当K2信号撤除，加入K1信号时，换向阀处于左位，气缸进、排气方向互换，活塞杆伸出。
该换向阀有记忆功能，但K1、K2两个信号不能同时存在。
方向控制回路如图2-3所示。
图2-3方向控制回路
2.6.2速度控制回路
速度控制是指对流量阀进行调节，从而对执行元件运动速度进行控制。
气动系统承受的负载较小，本设计对运动速度平稳性要求不高，选择一定的速度控制回路来满足一定的调速要求。
本设计的升降气缸、伸缩气缸、横移气缸采用单向节流阀式的双向节流调速回路，在气缸的进排气口装设节流阀。
如图2-4所示。
图2-4速度控制回路
2.6.3压力控制回路
在气动控制系统中，进行压力控制主要有二个目的。
第一是为了提高系统的安全性，在此主要指控制—次压力。
第二是给元件提供恰当且稳定的工作压力，这样才能充分发挥元件的功能和性能，这主要是指二次压力控制。
将空气压缩机输送出来的压缩空气，经一次压力控制后作为减压阀的输入压力，再经减压阀稳压后所得到输出压力称为二次压力。
把二次压力作为气动控制系统的工作气压使用的回路称为二次压力控制回路。
为保证气动系统使用的气体压力为一稳定值，本设计采用二次压力控制回路，采用气动三联件的组合形式，由过滤器-减压阀-油雾器组成。
如图2-5所示。
图2-5压力控制回路
2.7气动原理图
该驱动系统由气源，储气罐，气动阀（电磁阀、节流调速阀、减压阀），气动三联件（过滤器，减压阀，油雾器），气缸等组成。
共包含12个动作过程,分别为:
启动-手臂前伸-立柱下降-抓紧工件-立柱上升-手臂收缩-手臂左移-手臂前伸-立柱下降-松开工件-立柱上升-手臂收缩-手臂右移。
机械手的主要动作归纳为立柱的升降、手部的抓紧与松开、手臂的平移和伸缩,分别用双线圈二位五通电磁阀推动4个气缸,完成这4个动作。
特定的电磁阀线圈通电后，现有的机械动作就一直被保持，如上升的电磁阀线圈通电，机械手就会上升，即使线圈断电，机械手也会保持现有的上升动作状态，一直到控制下降的线圈通电为止。
该系统共包括4个二位五通电磁换向阀、6个单向调速阀。
调速阀控制气缸升降、伸缩、横移过程中的速度,防止速度过大对物料及机械手臂的冲击;二位五通电磁换向阀是改变气缸的运动方向，手爪的动作[17]。
气动原理图如图2-6所示。
图2-6气动原理图
第3章气压驱动系统设计
3.1执行机构的计算与选型
计算的主要内容是，根据执行机构所要求的输出力，确定气缸的结构尺寸、确定气压系统所需的压缩空气量，以选择空气压缩机的规格。
确定控制阀的通流量和压力以及辅助装置的某些参数等。
3.1.1手部抓紧气缸计算与选型
1.手部抓紧气缸计算
图3-1手部结构图
手部结构如图3-1所示，取手部几何尺寸分别为：
，
，
=
，
，手部移动最大加速度
，工作压力
，
，机械效率
。
工件质量
。
其中D为气缸直径，d为活塞杆直径。
（1）抓取力计算
抓取力
（3-1）
手部输入-输出力的比率
（3-2）
查表选取安全系数
动载系数
（3-3）
其中
为机械手在搬运工件过程的加速度为
，
，
为重力加速度；
方位系数
（3-4）
代入数据计算得F=78N。
（2）汽缸直径计算
将式（3-2），式（3-5）带入气缸输出力计算式
（3-5）
得
（3-6）
代入数据计算得汽缸直径D=25mm，参照机械设计手册，圆整后取汽缸直径D=32mm，活塞杆直径d=16mm。
（3）活塞杆强度校核
活塞杆材料选择45号钢，其许用应力
=120MPa。
在气缸工作过程中，活塞杆最好受拉力，但是在很多场合承受推力负载，应对其应力进行校核，由式
（3-7）
可知
，则
满足设计要求。
（4）缸筒壁厚的设计
缸筒直接承受压缩空气压力，必须有一定厚度。
一般气缸缸筒壁厚与内径之比小于或等于1/10，其壁厚可按薄壁筒公式计算:
（3-8）
式中:
-缸筒壁厚，mm
-气缸内径，mm
-工作压力，为0.5MPa
材料为:
铝合金ZL203,
代入已知数据，参照机械设计手册，得壁厚
。
手部抓紧气缸参数如表3-1所示。
表3-1手部抓紧气缸参数
直径mm
壁厚mm
活塞杆直径mm
工作压力MPa
32
4
16
0.5
2.手部抓紧气缸的选型
本设计采用烟台厂自主开发的LG系列气缸，其安装尺寸与国内主要产品10A-5系列、QGBQ系列相同,二者可以通用、互换。
根据气缸在手部结构中的安装要求选取气缸的具体型号为:
LGB32×50M-FA,属于轻型铝合金系列,前法兰式气缸。
3.1.2手臂平移及伸缩气缸计算与选型
伸缩气缸比横移气缸要支撑更多的机构,它所需要的推力远大于横移气缸所需要的,以伸缩气缸为标准择来选,平移气缸的性能一定满足要求。
1.手臂平移及伸缩气缸计算
（1）气缸直径D
气缸的直径也就是气缸的内径，可根据外负载F的大小来确定，当工作压力为P时，气缸内径D为
（3-9）
依据前面设计的各个机构,估算F=3500N,其中工作压力P=0.5MPa，计算得D
94mm，
参照机械设计手册，圆整后选取气缸直径D=100m，活塞杆直径d=25mm。
（2）缸筒壁厚的设计
缸筒直接承受压缩空气压力，必须有一定厚度。
一般气缸缸筒壁厚与内径之比小于或等于1/10，其壁厚可按薄壁筒公式（3-8）计算。
材料为:
铝合金ZL203,
，取工作压力p=0.5MPa，代入已知数据，参照机械设计手册，得壁厚
。
（3）活塞杆强度校核
在气缸工作过程中，活塞杆最好受拉力，但是在很多场合承受推力负载，应按式（3-7）对活塞杆进行强度校核。
活塞杆材料选择45号钢，其
得
，则d<25mm,满足要求。
手臂伸缩气缸参数如表3-2所示。
表3-2手臂伸缩气缸参数
直径mm
壁厚mm
活塞杆直径mm
行程mm
工作压力MPa
100
12
25
100
0.5
2.手臂平移及伸缩气缸选型
本设计采用LG系列气缸,是烟台厂自主开发的，其安装尺寸与国内主要产品10A-5系列、QGBQ系列相同,二者可以通用、互换。
手臂伸缩气缸型号为LGB100×100LB,手臂平移气缸型号为LGB100×150LB,都属于轴向脚架式气缸。
3.1.3立柱升降气缸设计与选型
1.立柱升降气缸计算
（1）气缸直径D
依据前面设计的各个机构,估算F=5000N,其中工作压力P=0.5MPa，根据式（3-9）得
圆整后，参照机械手册选取气缸直径D=125mm，d活塞杆直径=32mm。
（2）气缸筒的壁厚
缸筒直接承受压缩空气压力，必须有一定厚度。
一般气缸缸筒壁厚与内径之比小于或等于1/10，其壁厚可按薄壁筒公式（3-8）计算。
材料为:
铝合金ZL203,
，代入已知数据，参照机械设计手册，得壁厚
。
（3）活塞杆强度校核
在气缸工作过程中，活塞杆最好受拉力，但是在很多场合承受推力负载，应按式（3-7）对其进行强度校核。
活塞杆材料选择45号钢，其
，得
，则
满足要求。
立柱升降气缸参数如表3-3所示。
表3-3立柱升降气缸参数
直径mm
壁厚mm
活塞杆直径mm
行程mm
工作压力MPa
125
12
32
50
0.5
2.立柱升降气缸选型
本设计采用烟台厂自主开发的LG系列气缸，其安装尺寸与国内主要产品10A-5系列、QGBQ系列相同,二者可以通用、互换。
所选定的立柱升降气缸型号为LGB125×50FA，安装方式为前法兰式。
综合以上的计算与选型，将各气缸参数列入表3-4。
表3-4各气缸参数
名称
抓紧气缸
伸缩气缸
横移气缸
升降气缸
直径
32mm
100mm
100mm
125mm
壁厚
4mm
12mm
12mm
12mm
活塞杆直径
16mm
252mm
25mm
32mm
行程
50mm
100mm
150mm
50mm
工作压力
0.5MPa
0.5MPa
0.5MPa
0.5MPa
型号
LGB32×50M-FA
LGB100×100LB
LGB100×150LB
LGB125×50FA
安装方式
前法兰式
轴向脚架式
轴向脚架式
前法兰式
3.2空气压缩机的计算与选型
3.2.1空气压缩机的计算
空气压缩机是一种气压发生装置，它是将机械能转化成气体压力能的能量转换装置，其种类很多，分类形式也有数种。
如按其工作原理可分为往复式与回转式两大类。
气压传动系统中最常用的空气压缩机是往复活塞式。
选用空气压缩机的根据是气压传动系统所需要的输出压力和流量两个参数。
本设计选用往复活塞式压缩机。
1.空气压缩机的输出压力
由以上计算可知，气动执行元件的最高压力p=0.5MPa。
根据机械设计手册，选取气动系统的总压力损失
=0.3MPa，空气压缩机的输出压力
（3-10）
式中
：
空气压缩机的输出压力，MPa
：
气动执行元件的最高压力，MP
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