毕业设计（论文）-三自由度气动机械手搬运系统的开发与设计(含全套CAD图纸)

优秀毕业论文，支持预览，答辩通过，欢迎下载需要CAD图纸，Q咨询414951605或1304139763编号南京航空航天大学金城学院毕业设计题目三自由度气动机械手搬运系统设计学生姓名XXXXXXX学号XXXXXXXX系部机电工程系专业机械工程及自动化班级XXXXXXXXX指导教师姓名专业技术职务二一四年六月优秀毕业论文，支持预览，答辩通过，欢迎下载需要CAD图纸，Q咨询414951605或1304139763南京航空航天大学金城学院本科毕业设计（论文）诚信承诺书本人郑重声明所呈交的毕业设计（论文）（题目）是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的成果。尽本人所知，除了毕业设计（论文）中特别加以标注引用的内容外，本毕业设计（论文）不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。作者签名年月日（学号）毕业设计（论文）报告纸I摘要机械手在先进制造领域中扮演着极其重要的角色。它可以搬运货物、分拣物品、代替人的繁重劳动。可以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因此被广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。本文在纵观了近年来机械手发展状况的基础上，结合机械手方面的设计，对机械手技术进行了系统的分析，提出了用气动驱动和PLC控制的设计方案。对气动搬运机械手的整体结构、执行结构和控制系统进行了分析和设计。在其驱动系统中采用气动驱动，控制系统中选择西门子S7200PLC的控制单元来完成系统功能的初始化、机械手的移动、故障报警等功能。通过以上部分的工作，完成三自由度气动机械手控制系统的设计，对其他经济型PLC控制系统的设计也有一定的借鉴价值。关键词机械手，气动控制，PLC。毕业设计（论文）报告纸IIABSTRACTINTHEFIELDOFADVANCEDMANUFACTURINGROBOTPLAYSAVERYIMPORTANTROLEITCANCARRYCARGO,SORTINGITEMS,REPLACEHUMANHEAVYLABORCANACHIEVEPRODUCTIONMECHANIZATIONANDAUTOMATION,CANOPERATEINHAZARDOUSENVIRONMENTSTOPROTECTTHEPERSONALSAFETY,ITISWIDELYUSEDINMACHINERYMANUFACTURING,METALLURGY,ELECTRONICS,LIGHTINDUSTRYANDNUCLEARSECTORSTHROUGHOUTTHISPAPER,THERECENTDEVELOPMENTOFTHEROBOTBASEDONTHECOMBINEDASPECTSOFROBOTDESIGN,ROBOTTECHNOLOGYFORTHESYSTEMATICANALYSIS,PROPOSEDAPNEUMATICDRIVEANDPLCCONTROLDESIGNPNEUMATICMANIPULATORFORHANDLINGTHEOVERALLSTRUCTUREOFTHEIMPLEMENTATIONOFSTRUCTURALANDCONTROLSYSTEMSANALYSISANDDESIGNINITSDRIVESYSTEMWITHPNEUMATICDRIVE,CONTROLSYSTEMSIEMENSS7200PLCSELECTEDCONTROLUNITTOCOMPLETETHESYSTEMINITIALIZATIONFUNCTION,THEROBOTMOVES,FAULTALARMFUNCTIONSTHROUGHTHEABOVEPARTOFTHEWORK,THECOMPLETIONOFTHREEDEGREESOFFREEDOMPNEUMATICMANIPULATORCONTROLSYSTEMDESIGN,ONTHEOTHERECONOMICTYPEPLCCONTROLSYSTEMDESIGNALSOHASCERTAINREFERENCEVALUEKEYWORDSROBOT,PNEUMATICCONTROL,PLC毕业设计（论文）报告纸III目录摘要IABSTRACTII第一章引言111研究的目的及意义112机械手在国内外现状和发展趋势113主要研究的内容2第二章机械手整体方案的确认421执行机构坐标形式的选择4211直角坐标式机械手4212圆柱坐标式机械手4213球坐标式机械手5214关节式机械手522执行机构的组成623执行机构各部分的分析与选择6231手部的选择6232手臂结构的选择7233机座结构的选择924执行机构的工作原理925执行机构简图10第三章驱动系统的设计1131驱动系统的分析与选择1132机械手驱动系统的控制设计1233气动元件选取及工作原理13331气源装置13332执行元件14333控制元件15334辅助元件16335真空发生器17336吸盘1734气动回路的工作原理17第四章气动机械手PLC控制系统硬件设计2141PLC概述及其系统组成2142控制系统的组成结构2543传感器的选择25431位置检测装置25432视觉传感器2644PLCI/O点数的分配与选型26毕业设计（论文）报告纸IV441点表分配2645系统电气控制接线图设计27第五章气动机械手PLC控制程序的设计3151机械手控制原理3152PLC程序设计31521手动/自动选择程序31522复位程序32523到位显示程序32524手动运行程序33第六章总结与展望35参考文献36致谢37附录38毕业设计（论文）报告纸1第一章引言11研究的目的及意义机械手作为前沿的产品应自动化设备更新时的需要，可以大量代替单调往复或高精度需求的工作，在先进制造领域中扮演着极其重要的角色。它可以搬运货物、分拣物品、代替人的繁重劳动。可以实现生产的机械化和自动化，能在高温、腐蚀及有毒气体等环境下操作以保护人身安全，可以广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工业和原子能等部门。随着工业的高速发展，机械手作为前沿的产品应自动化设备更新时的需要，已经在工业生产中得到了广泛的应用。它可以搬运货物、分拣物品、用以代替人的繁重及单调劳动，实现生产的机械化和自动化；并能在高温、腐蚀及有毒气体等有害环境下操作以保护人身安全，被广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工业和原子能等部门。可编程控制器PLC是以中央处理器为核心，综合了计算机和自动控制等先进技术，具有可靠性高、功能完善、组合灵活、编程简单、功耗低等优点，已成为目前在机械手控制系统中使用最多的控制方式。使用PLC的自动控制系统具有体积小，可靠高，故障率低，动作精度高等优点。适应工业需要，本课题试图开发PLC对气动搬运机械手的控制，并借助必要的精密传感器，使其能够对不同颜色的物料按预先设定的程序进行分拣，动作灵活多样，适用于可变换生产品种的中小批量自动化生产，广泛应用于柔性生产线。采用PLC控制，是一种预先设定的程序进行物料分拣的自动化装置，可部分代替人工在高温和危险的作业区进行单调持久的作业，并且在产品变化或临时需要对机械手进行新的分配任务时，可以允许方便的改动或重新设计其新部件，而对于位置改变时，只要重新编程，并能很快地投产，降低安装和转换工作的费用。本设计主要完成机械手的硬件部分与软件部分设计。主要包括执行系统、驱动系统和控制系统的设计。12机械手在国内外现状和发展趋势机械手最早应用在汽车制造工业，常用于焊接、喷漆、上下料和搬运。机械手延伸和扩毕业设计（论文）报告纸2大了人的手足和大脑功能，它可替代人从事危险、有害、有毒、低温和高热等恶劣环境中的工作；代替人完成繁重、单调重复劳动，提高劳动生产率，保证产品质量。目前主要应用于制造业中，特别是电器制造、汽车制造、塑料加工、通用机械制造及金属加工等工业。工业机械手与数控加工中心，自动搬运小车与自动检测系统可组成柔性制造系统FMS和计算机集成制造系统，实现生产自动化。随着生产的发展，功能和性能的不断改善和提高，机械手的应用领域日益扩大。目前，国际上的机械手公司主要分为日系和欧系。日系中主要有安川、OTC、松下、FANLUC、不二越、川崎等公司的产品。欧系中主要有德国的KUKA、CLOOS、瑞典的ABB、意大利的C0毗U及奥地利的工GM公司。我国机械手起步于20世纪70年代初期，经过30多年发展，大致经历了3个阶段70年代萌芽期，80年代的开发期和90年代的应用化期。在我国，机械手市场份额大部分被国外机械手企业占据着。在国际强手面前，国内的机械手企业面临着相当大的竞争压力。如今我国正从一个“制造大国”向“制造强国”迈进，中国制造业面临着与国际接轨、参与国际分工的巨大挑战，对我国工业自动化的提高迫在眉睫，政府务必会加大对机器人的资金投入和政策支持，将会给机械手产业发展注入新的动力。随着机械手发展的深度和广度以及机器人智能水平的提高，机械手已在众多领域得到了应用。从传统的汽车制造领域向非制造领域延伸。如采矿机器人、建筑业机器人以及水电系统用于维护维修的机器人等。在国防军事、医疗卫生、食品加工、生活服务等领域机械手的应用也越来越多。在未来几年，传感技术，激光技术，工程网络技术将会被广泛应用在机械手工作领域，这些技术会使机械手的应用更为高效，高质，运行成本低。据猜测，今后机器人将在医疗、保健、生物技术和产业、教育、救灾、海洋开发、机器维修、交通运输和农业水产等领域得到应用。13主要研究的内容随着机械手技术的飞速发展和机械手应用领域的不断深化，不仅要求其控制可靠性强、使用灵活性高和操作灵活性好，还要其成本低、可开发经济性强。本论文主要研究气动搬运机械手以下几个方面的内容1气动搬运机械手执行系统的分析与选择毕业设计（论文）报告纸3执行系统是由传动部件与机械构件组成，是机械手赖以实现各种运动的实体。主要包括机身、手臂、末端执行器3部分组成，其中每一部分都可以具有若干的自由度。执行系统的设计主要是对机械手的手部、手臂和机座进行设计。2机械手驱动系统的分析与选择驱动系统是向执行系统各部分提供动力的装置。通过对液压、气压、电气三种驱动方式的比较，本设计选择气压驱动的方式。内容包括气动元件的选择及其工作原理、气动回路的设计和气动原理图的绘制。3气动搬运机械手控制系统的设计控制系统是机械手的指挥系统，它控制驱动系统，让执行系统按规定的要求和时序进行工作。本机械手采用可编程控制器（PLC）对机械手进行控制，主要包括对PLC的型号选择、传感器类型进行选择、I/O口的选择、对控制系统原理图、自动程序梯形图的绘制等内容。第二章机械手整体方案的确认机器手的执行结构是机械手赖以实现各种运动的实体。执行机构的布局类型直接影响到毕业设计（论文）报告纸4机械手的工作性能。21执行机构坐标形式的选择机械手的基本型式较多，按手臂的坐标型式而言，主要有四种基本型式直角坐标式、圆柱坐标式、球坐标式和关节式。下面就各型式机械手作简单的分析对比211直角坐标式机械手直角坐标式机械手是适合于工作位置成行排列或与传送带配合使用的一种机械手。它的手臂可作伸缩、左右和上下移动，按直角坐标形式X、Y、Z三个方向的直线进行运动。其工作范围可以是一个直线运动；两个直线运动或三个直线运动。如在X、Y、Z三个直线运动方向上个具有A、B、C三个回转运动，即构成六个自由度。直角坐标式机械手的优点（1）产量大，节拍短，能满足高速的要求；（2）容易与生产线上的传送带和加工装配机械相配合；（3）适于装箱类、多工序复杂的工作，定位容易变更；（4）定位精度高，载重发生变化是不回影响精度；（5）易于实行数控，可与开环或闭环数控机械配合使用。缺点机械手的作业范围较小。212圆柱坐标式机械手圆柱坐标式机械手是应用最多的一种型式，它适用于搬运和测量工件。具有直观性好，结构简单，本体占用的空间较小，而动作范围较大等优点。圆柱坐标式机械手的工作范围可分为一个旋转运动，一个直线运动，加一个不在直线运动所在的平面内的旋转运动；二个直线运动加一个旋转运动。圆柱坐标式机械手有五个基本动作（1）手臂水平回转；（2）手臂伸缩；（3）手臂上下；（4）手臂回转动作；（5）手爪夹紧动作。圆柱式机械手的特点是在垂直导柱上装有滑动套筒，手臂装在滑动套筒上，手臂可做上毕业设计（论文）报告纸5下直线运动和水平面内做圆弧状的左右摆动。213球坐标式机械手球坐标式机械手是一种自由度较多，用途较广的机械手。它的工作范围包括一个旋转运动；二个旋转运动；二个旋转运动加一个直线运动。球坐标式机械手可实现八个动作（1）手臂上下动作，即俯仰动作；（2）手臂左右动作，即回转动作；（3）手臂前后动作，即伸缩动作；（4）手腕上下弯曲；（5）手腕左右摆动；（6）手腕旋转运动；（7）手爪夹紧动作；（8）机械手的整体移动。球坐标式机械手的特点是将手臂装在枢轴上，枢轴又装在叉形架上，能在垂直面内作圆弧状上下俯仰动作，它的臂可作伸缩，横向水平摆动，还可以上下摆动，工作范围和人的手类似。它的特点能能自动选择最合理的动作路线。所以工作效率高。另外由于上下摆动，它的相对体积小，动作范围大。214关节式机械手关节式机械手是一种适用于靠近机体操作传动型式。它像人手一样有肘关节，可以实现多个自由度，动作比较灵活，适于在狭窄的空间工作。关节式机械手，早在四十年代就在原子能工业中得到应用，随后在开发海洋中应用，有一定的发展前途。关节式机械手有大臂和小臂的摆动，以及肘关节和肩关节的运动。它还具有上肢结构，可实现近似于人手操作的机能。为具有近似人手的操作机能，需要研制最合适的结构。机械手型式的选择首先是从满足它的运动要求方面进行考虑，然后从机械手的复杂程度以及经济情况等方面来考虑。本设计中的机械手主要动作为机械手手臂的左右移动，升降移动和机械手的整体旋转。直角坐标式机械手虽然具备手臂的伸缩上下、左右直线运动等动作，但是不具备机械手整体旋转动作，所以不考虑用直角坐标式机械手。毕业设计（论文）报告纸6球坐标式机械手和关节式机械手对动作要求方面足够满足要求，但是它们的结构都比较复杂，有很多动作是不必要的，显得浪费和增加了制造的成本和难度。圆柱坐标式机械手能满足手臂伸缩、手臂上下、手臂回转动等动作。可以将手臂回转动作改换成机械手的整体转动就可以满足本设计中机械手的动作要求。这样的修改并没有改变机械手的总体结构，只是进行了局部变动，使得整个系统经济、实惠，所以确定用圆柱坐标式机械手。22执行机构的组成工业机械手的执行系统主要以下机械部分组成（1）手部是机械手直接握持工件或工具的部分。（2）臂部是机械手用来支持腕部与手部实现较大的运动范围的部件。（3）立柱支承手臂并带动它升降、摆动和移动的机构。（4）机座是机械手用来支撑臂部，并安装驱动装置及其他装置的部分。23执行机构各部分的分析与选择231手部的选择1手部形式的确定手部就是用来握持工件或工具的部分。由于被握持的工件的形状、尺寸、重量、材质及表面状态的不同，手部机构也是多种多样。常用的手部结构按其握持原理可以分为如下两类1）夹持式夹持式手部的结构与人手类似，是工业机械广泛应用的一种手部形式。它主要由手指、传动机构、驱动机构组成。其又可分为内撑式、外夹式和内外夹持式，区别在于夹持工件的部位不同，手爪动作方向相反。夹持式手部设计时应注意以下事项（1）手指应有一定的开闭范围。（2）手指应具有适当的夹紧力。（3）要保证工件在手指内的定位精度。（4）结构紧凑，重量轻，效率高。（5）通用性和可换性。毕业设计（论文）报告纸72）气吸式气吸式手部又称为真空吸盘式手部，它是通过吸盘内产生真空或负压，利用压差而将工件吸附，是工业机械手常用的一种吸持工件的装置。它由吸盘、吸盘架及进排气系统组成，具有结构简单、质量轻、不易损伤工件、使用方便可靠等优点；但要求工件上与吸盘接触的部位光滑平整、清洁、被吸附工件材质致密，没有透气空隙。主要适应于板材、薄壁零件、陶瓷搪瓷制品、玻璃制品、纸张及塑料等表面光滑工件的抓取。气吸式又可分为负压吸盘真空式、喷气式、自挤式空气吸盘。磁力吸盘永磁吸盘、电磁吸盘。真空式吸附型它是利用真空泵抽出吸附头的空气而形成真空，故称真空式。喷气式吸附的工作原理是当压缩空气高速进入喷嘴时，由于管路的开始段截面积是逐渐收缩的，所以气流速度逐渐增大，在管路的最小截面处，气流速度达到临界速度，此时的气体受压，密度加大。在排气管路中因界面逐渐增大，气流膨胀减压而使密度大大下降，致使气流速度继续增高，在吸气口处形成负压。吸附头与吸气口连同，故形成真空，以吸住工件。自挤式空气吸盘的工作原理是将软质吸盘按压在工件的表面，挤出吸盘内的空气、从而造成真空、吸住工件。磁吸式手是利用工件的导磁性，利用永久磁铁或电磁铁通电后产生的磁力来吸附材料工件。磁吸式手部不会破坏被吸附表面质量，但是由于被吸工件存在剩磁，吸附头上常吸附磁性屑，影响正常工作。通过以上对手部的分析真空式具有结构简单、质量轻、不损伤工件、使用方便、不影响机械手的正常工作等优点。而且满足所设计机械手的要求，所以选用真空式吸盘。232手臂结构的选择手臂是机械手的主要部分，是支撑手腕、手指和工件并使它们运动的机构。手臂一般有三个运动伸缩、旋转和升降。手臂的基本动作是将手部移动到所需的位置和承受抓取工件的最大重量，以及手臂本身的重量。1、手臂的组成1动作元件，如油缸、汽缸、齿条、凸轮等是驱动手臂运动的部件。2导向装置，是保证手臂的正确方向及承受由工件的重量所产生的弯曲和扭转力矩。3手臂，起着连接和承受外力的作用。毕业设计（论文）报告纸82、手臂设计的要求1手臂承载能力大、刚性好、自重轻。2手臂的运动速度要适当，惯性要小。3手臂的动作要灵活。4位置精度要高。5通用性要强。3、手臂的结构手臂的伸缩和升降运动一般采用直线油（气）缸驱动。手臂作直线运动的结构，基本上是由驱动机构和导向装置所组成。驱动机构一般用油缸、油马达加齿轮、齿条来实现直线运动。往复直线油（气）缸可以分为以下几种。双作用单活塞杆油缸液压机械手中实现手臂的往复运动用得最多的是双作用单活塞杆油缸。活塞在油压下作双向运动。机构上可以是油缸体固定、活塞杆运动；也可以是活塞杆固定，而缸体运动。双作用双活塞杆油缸当需要很大的行程时，将油缸做的很长、体积很大，则加工上有困难。如做成伸缩式双活塞杆油缸，既能满足行程要求，油缸的体积又小。其缺点是一次行程有两种速度。丝杆螺母机构该机构传动的特点是易于自锁，但传动效率低。如采用滚珠丝杠，效率可以提高，但因其较长，制造比较困难。本机械手的手臂有往复的直线运动，不需要很大的行程，考虑到结构的简单性和设计的经济性，选用缸体固定活塞杆运动的双作用单活塞杆气缸。4导向装置机械手手臂在进行伸缩运动时，为防止手臂沿伸缩方向向中轴线转动、加大承载能力，以及提高运动精度，必须设有导向装置。手臂的导向装置系根据安装形式、结构及负荷等条件来确定。常用的有单导向杆和双导向杆，本设计中，伸缩运动中选用双导向杆。233机座结构的选择机座是机械手的基础部分，机械手执行机构的各部件和驱动系统均安装于机座上，是支撑起机械手全部重量的构件。对其结构的要求是刚性好、占地面积小、操作维修方便和造型美观。毕业设计（论文）报告纸9机座结构从形式上分为落地式和悬浮式，或分为固定式、可移动式和行走式。无论哪一种形式，机械手工作时机座一定予以固定。可移动式的机座在停置时能够刹车定位，以保证机械手工作时的位置精度。根据本机械手的设计要求选用落地固定式机座。机座的结构与机械手的总体布置有关，对专用机械手而言，传动和控制部分通常是单独布置，故机座比较简单或不设机座。对通用机械手而言，传动部分布置在机架内部或后下方，控制部分则布置在机座的后上方或单独布置一个控制箱。搬运机械手手臂需要一个旋转模块，摆动气缸就要固定在机座上。如果水平缸、垂直缸和手部机构直接安装到摆动气缸的输出轴上，机构虽然简单，但摆动气缸的轴向受力增大，对气缸的自身要求较高，并易造成摆动气缸的损坏。同时，机械手本身重心偏离立柱轴线以及各气缸运动产生的冲击都形成作用在摆动气缸转动轴上的倾覆力矩，所以采用一个连接组件，将机械手立柱以上的重量和倾覆力矩由机架来承担。连接组件主要由四部分组成双向推力球轴承、底座、转台和扣罩。选择双向推力球轴承而不是单向的，因为机座与转台在轴向上无法直接连接。采用双向推力球轴承就可以方便的将轴承内环与转台连接，外环用罩扣固定在底座上。另外，推力球轴承应选择公称尺寸较大一些的，这样可以更好的承受倾覆力矩。24执行机构的工作原理搬运机械手的结构主要由机座、立柱、水平手臂、垂直手臂、电磁阀和吸盘等组成。其中机座采用摆动气缸进行驱动，手臂及吸盘采用单活塞杆双作用气缸驱动。机械手的动作基本有伸缩、升降、左右旋转、吸物和放物等动作。其结构原理如图22所示。其动作顺序为初始位置A右旋B前伸C气缸下降D吸物料C上升B收缩A左旋C气缸下降D放物料C上升回到初始位置。机械手的动作在整个过程中都是连续可循环的。25执行机构简图根据前面机械手各部分的设计，可做出机械手大体结构简图，如图21所示，详细结构图见CAD图。毕业设计（论文）报告纸101右旋限位开关2左旋限位开关3回缩限位开关4前伸限位开关5上升限位开关6下降限位开关A摆动气缸B前伸/回缩气缸C上升/下降气缸D真空吸盘图23执行机构简图毕业设计（论文）报告纸11第三章驱动系统的设计机械手的驱动系统是驱动执行机构运动的传动装置。机械手的驱动系统根据动力源的不同，分为液压、气压、电气、机械、气液联合和电液联合等多种方式。目前采用的主要有液压、气压、电气这三种驱动方式。31驱动系统的分析与选择液压驱动，功率重量比大，可实现频繁平稳的变速和换向，容易实现过载保护，可自行润滑，使用寿命长。但也存在其油液容易泄露污染环境，需要配备油源，成本较高，工作噪声较大。电气驱动，控制精度高，驱动力较大，响应快，信号检测、传递、处理方便。但是由于这种驱动方式价格昂贵，限制了在一些场合的应用。因此，人们寻求其他一些经济适用的驱动方式。气压驱动具有价格低廉、结构简单、功率体积比高、无污染及抗干扰性强、在工业机械手中应用较多。另一方面，气动技术作为“廉价的自动化技术”，由于其元器件性能的不断提高，生产成本的不断降低，被广泛应用于现代化工业生产领域。在现代化的成套设备与自动化生产线上，几乎都配有气动系统。据统计在工业发达国家中，全部自动化流程中约有30装有气动系统，有90的包装机械，70的铸造、焊接设备，50的自动操机、40的锻造设备和洗衣设备、30的采煤机械，20的纺织机械、制鞋业、木材加工、食品机械，43的工业机器人装有气压系统。日、美、德等国的气动元件销售平均每年增长超过1015。许多工业发达国家的气动元件产值已接近液压元件的产值，且仍以较大速度发展，气动机械手技术已经成为能够满足许多行业生产实践要求的一种重要使用工具。表31给出了各种控制方式的比较毕业设计（论文）报告纸12表31各种控制方式的比较通过以上三种驱动方式的比较选用气动驱动的方式，不仅能够满足了本设计的要求，而且节约了成本。32机械手驱动系统的控制设计根据搬运机械手的要求，在驱动系统中气缸的运动方式主要有两种（1）直线运动（缸体固定，活塞杆运动）；（2）摆动（缸体固定）。其气动驱动系统原理图如图31所示。毕业设计（论文）报告纸13图31驱动系统原理图气动系统包括三个三位四通电磁换向阀、一个二位二通电磁阀、三个气缸、一个吸盘、四个调速阀、六个单向调速阀、消声器（若干）等。图中的调速阀控制气缸上升和下降、伸长和缩短、摆动过程中的速度，防止速度过大对物料及机械手臂的冲击；三位四通电磁换向阀是改变气缸的运动方向；真空发生器的工作原理利用气体的喷射产生真空吸附物料，其主要功能是实现对物料的吸取和释放，真空发生器的动作是由二位二通电磁阀控制的。33气动元件选取及工作原理气压驱动是利用压缩气体的压力能来实现能量传递的一种方式，其介质主要是空气，也包括燃气和蒸汽。典型的气压传动系统由以下四部分组成331气源装置气源装置是获得具有一定能量的压缩空气的装置，其主体部分是空气压缩机，有的还配有气源净化处理装置、气罐等附属设备。它将原动机提供的机械能转变为气体的压力能。气压传动对气源的要求毕业设计（论文）报告纸141要求压缩空气具有一定的压力和足够的流量。2要求压缩空气有一定的清洁度和干燥度。下面对于主要的气源装置元件进行如下介绍1、空气压缩机空气压缩机是产生压缩空气的气压发生装置，是气源主要的设备。按结构和工作原理可分为速度型和容积型两大类。容积型压缩机是利用特殊形状的转子或活塞压缩吸入封闭容积室空气的体积来增加空气的压力。容积型结构简单、使用方便。本设计选用容积型压缩机。2、储气罐储气罐可以调节气流，减少输出气流的脉动，使输出气流连续和气压稳定，也可以作为应急气源使用，还可以进一步分离油水杂质。储气罐上装有安全阀，使其极限压力比正常工作压力高10，并装有指示罐内压力的压力表和排污阀等。罐的型式可分为立式和卧式两种。本设计选用立式储气罐，因为它的进气口在下，出气口在上，以利用进一步分离空气中的油、水。332执行元件执行元件是以压缩空气为工作介质产生机械运动，并将气体的压力能转变为机械能的能量转换装置，如气缸输出直线往复式机械能，摆动气缸输出回转摆动式机械能。1、气缸输出直线往复式气缸是气动执行元件之一。目前最常选用的是标准气缸，其结构和参数都已系列化、标准化、通用化。水平伸缩气缸选用单活塞杆双作用气缸。单活塞杆双作用气缸一般由缸筒、前后缸盖、活塞、活塞杆、密封件和紧固件等组成。其工作原理对于前伸/回缩气缸，当左侧无杆腔进气，右侧有杆腔排气时活塞杆前伸，反之，活塞杆回缩；对于上升/下降气缸，当上侧无杆腔进气，下侧有杆腔排气时，活塞杆下降，反之活塞杆上升。2、摆动气缸输出回转摆动式摆动气缸分为单叶片式和双叶片式。单叶片式摆动气缸压缩空气由进气口输入，作用在叶片上，带动轴回转产生转矩，另一腔的空气从排气口排出。双叶片式摆动气缸从进气口进入的压缩空气作用在一个叶片上，同时通过轴上的气路也作用在另一叶片上带动轴回转。这样双叶片式产生的转矩将是单叶片式的2倍。毕业设计（论文）报告纸15本设计采用双叶片式摆动气缸，这样就能产生更大的转矩，以利于机械手的转动。333控制元件控制元件是用来调节压缩空气的压力、流量和控制其流动方向，使气动执行机构获得必要的力、动作速度和改变运动方向，并按规定的程序工作。气动控制元件按功能分为压力控制阀、流量控制阀和方向控制阀。1、压力控制阀调节和控制压力大小的气动元件称为压力控制阀。它包括调压阀、溢流阀、顺序阀及多功能组合阀。调压阀是出口侧压力可调，并能保持出口侧压力稳定的压力控制阀。溢流阀是在回路中的压力达到阀的规定值时，使部分气体从排气侧排出，以保持回路内的压力在规定值的阀。调速阀是根据“流量负反馈”原理设计而成的单路流量阀。调速阀一般用于执行元件负载变化大而运动速度要求稳定的系统中。调速阀根据“串联减压式”和“并联溢流式”，又分为调速阀和溢流节流阀两种主要类型。本设计选用串联减压式调速阀。2、方向控制阀方向控制阀是改变压缩空气流动方向和气流通断状态，使气动执行元件的动作或状态发生变换的控制阀，其通常可分为单向型控制阀和换向型控制阀两类。1单向型控制阀单向阀是指气流只能向一个方向流动而不能反向流动通过的阀，是最简单的单向型方向阀。在气动系统中，单向阀除单独使用之外，经常与流量阀、换向阀和压力阀组合成只能单向控制的阀。单向调速阀就是单向阀与节流阀并联而成。单向调速阀是把节流阀芯分成了上阀芯和下阀芯两部分。当流体正向流动时，其节流过程与调速阀是一样的，节流缝隙的大小可通过手柄进行调节；当流体反向流动时，靠流体的压力把阀芯压下，下阀芯起单向阀作用，单向阀打开，可实现流体反向自由流动。当正向流动时，经过节流阀节流。当反向流动时，单向阀打开，不节流。2换向型控制阀换向型方向控制阀按控制方式分类，分为气压控制、电磁控制、人力控制。换向阀是利用阀芯和阀体间相对位置的不同来变换不同管路间的通断关系，实现接通、切断，或改变流毕业设计（论文）报告纸16体方向的阀。它的用途很广，种类也很多。换向阀的性能的主要要求是（1）油液流经换向阀时的压力损失小；（2）互不相通的油口间的泄漏小；（3）换向可靠、迅速且平稳无冲击。按换向阀的操纵方式有手动式、机动式、电磁式、液动式、电液动式、气动式。按工作位置数和控制的通道数有二位二通阀、二位三通阀、二位四通阀、二位五通阀、三位四通阀、三位五通阀等。本设计选用三位四通电磁换向阀理由如下1电磁换向阀是利用电磁铁吸力推动阀芯来改变阀的工作位置。由于它操作轻便，易于实现自动化，因此应用广泛。2当三位四通电磁换向阀两端电磁铁都断电时，阀芯处于中位，各口互不相通。3使用三位四通电磁换向阀能够快速实现气缸的正反向运动。334辅助元件辅助元件是保证压缩空气的净化、元件的润滑、元件间的连接及消声等所必须的。可分为气源净化装置和其他辅助元件两大类。1、气源净化装置过滤器、调压阀和油雾器等组合在一起称为空气处理单元，又称为气动三联件。压缩的空气中含有各种杂质，这些杂质的存在会降低气动元件的耐用度和性能，造成误动作和事故，必须清除。空气处理单元就是用来清除压缩空气的杂质，提高空气质量的元件。2、消声器消声器是降低排气噪声的装置。压缩空气完成驱动工作后，由换向阀的排气口排入大气。此时的压缩空气是以接近音速的状态进入大气，由于压力的骤然变化，使空气急速膨胀从而发出噪音，其音量一般为80DB100DB，为了改善劳动条件，应使用消声器。常用的消声器有三种类型吸收型、膨胀型和吸收膨胀型。吸收型消声器是依靠吸声材料来消声的。膨胀型消声器的结构比较简单，相当于一段比排气口径大的管件，当气流通过时，让气流在其内部扩散、膨胀、碰壁撞击、反射、相互干涉而消声。吸收膨胀型消声器是上述两种的结合。气流由斜孔引入，气流束相互撞击、干涉、进一步减速，再通过设在消声器内表面的吸声材料消声，最后排向大气。本设计选用膨胀型消声器。毕业设计（论文）报告纸17335真空发生器真空发生器的作用主要是使吸盘的橡胶皮碗形成真空而将工件吸附。真空发生器的工作原理是利用喷管高速喷射压缩空气，在喷管出口形成射流，产生卷吸流动。在卷吸流动作用下，使得喷管出口周围的空气不断地被抽吸走，使吸附腔内的压力降至大气压以下，形成一定真空度。336吸盘吸盘是直接吸吊物体的元件，一般用橡胶做成。真空吸盘之所以能吸附在工件上的原因是由于环境压力（大气压力）大于吸盘与工件之间的压力。将吸盘与真空发生装置连接，吸盘内部空间的空气被抽去，当吸盘接触到工件时，大气和吸盘之间形成了密封，就会吸住物料，吸气大小与大气压和吸盘内部空间的压力差成正比。34气动回路的工作原理搬运机械手的工作循环是摆动气缸的右旋水平手臂的伸出垂直手臂的下降吸物垂直手臂的上升水平手臂的缩回摆动气缸的左旋垂直手臂的下降放物垂直手臂的上升回到初始位置。系统中选用电磁换向阀，限位开关，实现气缸的往复运动。二位二通电磁阀实现吸盘的吸物和放物。实现工作循环的工作原理如下1摆动气缸的右旋按下启动按钮，右旋按钮接通，使三位四通电磁换向阀12的5YA得电，阀12的阀芯右移，摆动气缸会执行右旋的命令。这时的气路是进气路线2空气处理单元储气罐3三位四通电磁换向阀12左端单向调速阀18摆动气缸C的D口。排气路线摆动气缸C的E口单向调速阀19三位四通电磁换向阀12排气口调速阀8消声器9排出。2水平气缸的伸出当摆动气缸C右旋到指定位置时（90度），就会碰到右旋限位开关，使二位五通电磁换向阀12的5YA断电，摆动气缸旋转运动会停止，经时间继电器延时，使三位四通电磁换向阀10的1YA得电，阀10的阀芯右移，执行手臂前伸动作。这时的气路是进气路线2空气处理单元储气罐3三位四通电磁换向阀10左端单向调速阀毕业设计（论文）报告纸1814气缸A的无杆腔。排气路线气缸A的有杆腔单向调速阀15三位四通电磁换向阀10的排气口调速阀4消声器5排出。3垂直手臂的下降当水平伸缩气缸A伸出到指定位置时，就会碰到前限开关，使三位四通电磁换向阀10的1YA断电，手臂伸出动作会停止。经时间继电器延时，小臂下降按钮接通，使三位四通电磁换向阀11的3YA得电，阀11的阀芯右移，执行小臂的下降动作。这时的气路是进气路线2空气处理单元储气罐3三位四通电磁换向阀11左端单向调速阀16气缸B的无杆腔。排气路线气缸B的有杆腔单向调速阀17三位四通电磁换向阀11的排气口调速阀6消声器7排出。4吸物小臂气缸下降到指定位置时，撞到下限位开关，使三位四通电磁换向阀11的3YA断电，小臂下降动作停止。经时间继电器延时，二位二通电磁阀13的7YA得电，真空发生器21开始动作，经真空开关22检测真空度，并发出讯号给控制器，真空吸盘24将物料吸起。这时的气路是进气路线2空气处理单元储气罐3二位二通电磁阀13真空发生器21过滤器23吸盘24。排气路线2空气处理单元储气罐3二位二通电磁阀13真空发生器21消声器20。5垂直手臂的上升经传感器检测到物料已经被吸起时，发出讯号，使三位四通电磁阀11的电磁铁4YA得电，阀11的阀芯左移，执行小臂的上升动作。这时的气路是进气路线2空气处理单元储气罐3三位四通电磁换向阀11右端单向调速阀17气缸B的有杆腔。排气路线气缸B的无杆腔单向调速阀16三位四通电磁换向阀11的排气口调速阀6消声器7排出。毕业设计（论文）报告纸196水平手臂的回缩小臂气缸上升到指定位置时，撞到上限位开关，使三位四通电磁阀11的电磁铁4YA断电，小臂上升动作停止。经时间继电器延时，使三位四通电磁阀10的电磁铁2YA得电，阀10的阀芯左移，执行水平手臂的回缩动作。这时的气路是进气路线2空气处理单元储气罐3三位四通电磁换向阀10右端单向调速阀15气缸A的有杆腔。排气路线气缸A的无杆腔单向调速阀14三位四通电磁换向阀10的排气口调速阀4消声器5排出。7摆动气缸的左旋水平手臂气缸回缩到指定位置时，撞到后限位开关，使三位四通电磁阀10的电磁铁4YA断电，水平手臂的回缩动作停止。经时间继电器延时，使三位四通电磁阀12的电磁铁6YA得电，阀12的阀芯左移，执行摆动气缸的向左旋转动作。这时的气路是进气路线2空气处理单元储气罐3三位四通电磁换向阀12右端单向调速阀19摆动气缸C的E口。排气路线摆动气缸C的D口单向调速阀18三位四通电磁换向阀12排气口调速阀8消声器9排出。8垂直手臂的下降摆动气缸左旋到指定位置（90度），撞到左转限位开关，使三位四通电磁阀12的电磁铁6YA断电，摆动气缸的左旋运动停止。经时间继电器延时，使三位四通电磁阀11的电磁铁3YA得电，阀11的阀芯右移，执行小臂的下降运动。这时的气路是进气路线2空气处理单元储气罐3三位四通电磁换向阀11左端单向调速阀16气缸B的无杆腔。排气路线气缸B的有杆腔单向调速阀17三位四通电磁换向阀11的排气口调速阀6消声器7排出。9放物小臂气缸下降到指定位置时，撞到下限位开关，使三位四通电磁阀11的电磁铁3YA断电，垂直手臂的下降运动停止。经时间继电器延时，使二位二通电磁13断电，真空发生器毕业设计（论文）报告纸20停止运动，真空消失，压缩空气进入吸盘26，将物料与吸盘吹开。10垂直手臂的上升经传感器检测到物料已脱离吸盘，发出讯号，经时间继电器延时，使三位四通电磁阀11的4YA得电，阀11的右位接入工作，执行垂直手臂的上升动作。这时的气路是进气路线2空气处理单元储气罐3三位四通电磁换向阀11右端单向调速阀17气缸B的有杆腔。排气路线气缸B的无杆腔单向调速阀16三位四通电磁换向阀11的排气口调速阀6消声器7排出。11回到初始位置垂直手臂上升到指定位置，撞到上限位开关，接通复位按钮，回到初始位置，重复以上动作。毕业设计（论文）报告纸21第四章气动机械手PLC控制系统硬件设计41PLC概述及其系统组成可编程控制器与继电器控制的区别在可编程控制器的编程语言中，梯形图是最为广泛使用的语言。通过可编程控制器的指令系统将梯形图变成可编程控制器能接收的程序。由编程器将程序键入到可编程控制器的用户存储区中去。可编程控制器的梯形图与继电器控制线路图十分相似，主要原因是可编程控制器梯形图的发明大致上沿用了继电器控制的电路元件符号，仅个别地方有些不同。同时，信号的输入/输出形式及控制功能也是相同的，但可编程控制器的控制与继电器的控制还是有不同之处，主要表现在以下几个方面1可靠性高，抗干扰能力强这是PLC用户关心的首要问题。为了满足PLC专在工业环境下应用的要求，PLC采用了如下硬件和软件措施（1）光电耦合隔离和RC滤波器，有效的防止了各类电磁干扰信号的进入。（2）采用内部电磁屏蔽，防止辐射干扰。（3）采用优良的开关电源，防止电源线引入的干扰。（4）具有良好的自诊断功能。可以对CPU等内部电路进行检测，一旦出错，立即报警。（5）程序及有关数据用电池供电进行备份，一旦电源断电或运行停止，有关状态及信息不会丢失。（6）采用了冗余技术进一步增强可编程序控制器的可靠性。对于某些大型的PLC，采用双CPU构成冗余系统，或三CPU构成表决式系统。（7）对采用的器件都进行严格的筛选和老化处理，排除了因器件可靠问题而造成的故障。毕业设计（论文）报告纸22随着构成PLC的元器件自身性能的提高，PLC整体的可靠性也在相应提高。一般PLC的平均无故障时间可达到几万小时以上。某些PLC的生产厂家甚至宣布，今后生产的可编程序控制器不再标明可靠性这一指标，因为对可编程序控制器这一指标已毫无意义了。经过大量实践，人们发现PLC系统在使用中发生的故障，大多是由于PLC的外部开关、传感器、执行机构引起的，而不是PLC自身的问题产生的。2通用性强，使用方便现在的PLC产品都已系列化了，PLC配备有各种各样，种类齐全的I/O模块和配套部件用户选用，可以很方便地搭建成可满足不同控制要求的控制系统,用户不再需要自己设计和制作相应的硬件装置。在确定了PLC的硬件配置和I/O外部接线后，用户所做的工作只是程序设计而已。3程序设计简单，易学易懂PLC是一种工业自动化控制装置，其主要的使用对象是广大电气技术人员。PLC生产厂家大都根据这种实际情况，一般不采用微机所用的编程语言，而采用与继电器控制原理图非常相似的梯形图语言，工程技术人员学习和使用这种语言十分方便。4采用先进的模块化结构，系统组合灵活方便PLC的各个部件，包括CPU、电源、I/O通道等均采用模块化设计，由机架和电缆将各模块连接起来。系统的功能和规模可根据用户的实际需求自行组合，这样便可满足用户要求的合理的性能价格比。5系统设计周期短由于系统硬件的设计任务仅是依据对象的要求配置适当的模块，如同吃饭从菜单中点菜一样方便，这就大大缩短了整个设计所花费的时间，加快了整个工程设计的进度。6安装简便、调试方便、维护工作量小可编程序控制器一般不需要专门的机房，可以在各种工业环境下直接运行。使用时只需将现场的各种设备与PLC相应的I/O端子相连，系统便可以投入运行，安装接线工作量比继电器控制系统小得多。PLC软件的设计和调试大都可以在实验室里进行，用模拟实验开关代替输入信号，其输出状态可以观察PLC上的相应发光二极管显示，也可以另接输出模拟实验板。模拟调试完成后，再将本身故障率很低，又有完善的自诊断能力和显示功能，一旦发生故障可以根据PLC上发光二极管或编程器提供的信息，迅速查明原因或直接找到发生毕业设计（论文）报告纸23故障的外围设备。如果是PLC本身故障，则可用更换模块的方法迅速排除故障。这样既提高了维护的工作效率，使故障造成的对工业生产的影响降低到最低程度，也保证了生产的正常进行。PLC是以微处理器为核心，综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术而发展起来的一种新型、通用的自动控制装置，具有结构简单、可靠性高、灵活通用、易于编程、使用方便等优点，近年来在工业自动控制、机电一体化、改造传统产业方面得到了广泛应用。近年来，随着微处理器芯片及其有关元器件的价格大幅度下降，使得PLC成本也随之下降。与此同时，PLC的性能却在不断完善，功能也在增多增强，应用领域也在逐渐拓宽，使PLC的应用已由早期的开关逻辑到现在工业控制的各个领域。根据PLC的特点，可以将应用形式归纳为如下几种类型1开关逻辑控制这是PLC的最基本最广泛的应用领域。PLC具有较强的逻辑运算能力，可以实现各种开关量从简单到复杂的逻辑控制。2模拟量控制在现代工业生产过程中，除必不可少的开关量和数字量外，还有许多连续变化的模拟量，如温度、压力、流量、液位等都是模拟量。而PLC所处理的量为数字量，为了能接受模拟量输入和输出模拟量信号，PLC配置有A/D和D/A转换模块，现将现场的温度、压力等模拟量经过A/D模块转换为数字量，送入微处理器进行处理，微处理器处理过的数字量，又经D/A模块转换为模拟量后，去控制被控对象，这样就可实现PLC对模拟量的控制。3顺序控制在工业控制中，用PLC实现顺序控制，可以用移位寄存器和步进指令编写程序。也可采用IEC规定的用于顺序控制的标准化语言顺序功能图SFC编写程序，使得PLC在实现按照事件或输入状态的顺序，控制相应输出更加容易。4定时控制PLC具有定时控制的功能，它可以为用户提供几十甚至上百个计时器，其计时的时间可由用户根据控制时间要在编写用户程序时设定，定时时间可以从01秒至若干小时，时间长短可任意设定，也可以由操作人员在工业现场通过编程器进行修改或重新设定，实现定时或延时的控制，通过编程既可以实现通电延时功能，也可以实现断电延时的功能。毕业设计（论文）报告纸245计数控制计数控制也是控制系统不可缺少的，PLC也同样为用户提供了几十甚至上有个计数器，实现对某些信号的计数功能。其设定方式如同定时器一样，可实现增计数控制，也可实现减计数控制，若用户需要对频率较高的信号进行跟踪计数，可选用高速计数模块。6闭环过程控制运用PLC不仅可以对模拟量进行开环控制，而且还可以进行闭环控制。现代大中型的PLC及部分小型的PLC配备有专门的PID控制模块，当控制过程中某一个变量出现偏差时，PLC就按照PID算法计算出正确的输出去控制被控制量，把被控制量保持在整定值上。PLC的PID控制已广泛地应用在洗煤、酿酒、反应堆、锅炉以及位置和速度等控制中。7数据处理现代PLC都具有数据处理的能力。它不仅能进行算术运算、数据传送，而且还能进行数据比较、数据转换、数据显示和打印以及数据通信等对于大中型PLC还可进行浮点运算、函数运算等。8通信和联网PLC的控制已从早期的单机控制发展到了多机控制，实现了工业自动化。现代的PLC一般都具有通信功能，应用远程I/O模块，可实现远程控制，应用通信模块，可实现PLC与PLC、PLC与计算机之间的通信。也可以构成“集中管理，分散控制”的分布式控制系统。因此，PLC是实现工业生产自动化的理想工业控制装置。本系统选用日本西门子公司生产的S720032MRPLC，属于整体式PLC。整体式PLC提供多种不同的I/O点数的基本单元和扩展单元供用户选用，基本有CPU模块，I/O模块和电源，扩展单元内有I/O模块和电源。一般配有许多专用的特殊功能单元，如模拟量I/O单元、位置控制单元、和通信单元等使PLC的功能得到扩展。主要的控制功能有如下几项主令操作控制和保护监视控制。S72