气动机械手控制系统设计教材

1、机械工程学院气动机械手设计说明书（论文）气动机械手课程设计说明书设计题目:气动机械手结构及控制系统设计学生姓名：学 号：1204010714专业班级：指导教师：2015年 07月23日目录摘要1第一章 气动机械手课题研究的意义、目的11. 1课题设计的意义11.2 课题设计的目的2第二章总体方案设计2第三章机械系统的设计与计算43. 1工况分析43. 2机械手重要部件的设计计算与校核4第四章气动系统设计54.1 气动系统原理54. 2气动系统原理图54. 3气动系统控制过程6第五章气动系统附件的选择65. 1分水过滤器65. 2油雾器的选择75.3减压阀选择85.4管道与管接头85.5换向阀的

2、选择85 .6单向节流阀的选择8第六章PLC控制系统设计 96.1 PLC硬件系统设计96.2软件的设计 10总结 14参考文献 15附图 16机械工程学院气动机械手设计说明书（论文）摘要机械手是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。机械手主要 由手部、运动机构和控制系统三大部分组成。它具有能不断重复工作和劳动、不知 疲劳、不怕危险、抓举重物的力量比人手大等特点。气动机械手控制系统的设计要 求是在控制系统的指令下，能将工件迅速、灵活、准确、可靠地抓起并运送到指定 位置。在工业生产中， 利用气动机械手将工件从一条生产线搬运到另一条生产线是 一种高效的工作方式。因此采用PLC可编程控制

3、器作为工件抓取机械手的控制系统, 根据机械手的控制要求和操作功能，设置动作流程，分配输入输出接点，按所需来 选PLC的型号，接着进行梯形图的编辑，最后进行程序的编辑与调试，从而使机械手 能够完成符合设计要求的动作。关键词：机械手、可编程控制器、PLG控制设计第一章 气动机械手课题研究的意义、目的1.1课题设计的意义机械手是工业自动化领域中经常遇到的一种控制对象。近年来随着工业自动化 的发展机械手逐渐成为一门新兴学科，并得到了较快的发展。机械手广泛地应用与 锻压、冲压、锻造、焊接、装配、机加、喷漆、热处理等各个行业。特别是在笨重、 高温、有毒、危险、放射性、多粉尘等恶劣的劳动环境中，机械手由于其

4、显著的优 点而受到特别重视。总之，机械手是提高劳动生产率，改善劳动条件，减轻工人劳 动强度和实现工业生产自动化的一个重要手段。国内外都十分重视它的应用和发展自动化还可以节省大量的人力、物力等。1.2课题设计的目的本课题主要研究的是基于 PLC的机械手模型控制系统的设计，包括硬件的设计 和软件的设计。通过设计编制 PLC程序实现机械手模型控制系统的自动控制。第二章总体方案设计参阅各种气压设计书籍和论文，对照设计任务要求，并通过对以前学习过的课 程进行综合考虑，设计出的气动机械手的示意图如图1所示。机械手采用气压传动，选用品质精良的气动元件组合而成，为直角坐标式机械手结构，实现2个自由度，由机身、

5、水平臂、竖直臂、夹紧手组成，可以完成水平臂的伸缩、竖直臂的升降以 及抓取等动作，可以方便的通过节流阀调节合适的执行元件的速度，完成物件平面 内点对点的移动。机械臂用 2个气缸控制，即横向移动气缸和纵向移动气缸，其控 制系统采用目前控制领域应用比较普遍、 性能优越的PLC根据需要选用西门子公司 的S7-200型PLC作为控制系统的核心。由于该系统要求该气动机械手的动作逻辑顺序为： 升降气缸1下降一一抓取工 件一一升降气缸1上升一一气缸2左移一一气缸1下降一一卸载工件，完成一次物 料的搬运。在设计计算时发现，如用方案一，则横向气缸活塞杆会承受很大的弯矩，影响 装置的使用寿命，而且浪费原材料，不经济

6、。故采用方案二，其中导轨分担了纵向 活塞的重力，故在设计时可视作横向气缸只受轴向力，不受径向力。C1. 垂直臂2.水平臂3.夹紧手4.机座5.导轨方案2.气动机械手示意图第三章机械系统的设计与计算3.1工况分析（1）动作分析，运动部件的动作循环为：见附图（2）确定执行元件气动机械手气动控制完成的主要是直线运动，因此气压系统的执行元件为气压缸（3）分析机械手的控制过程机械手是由手臂气缸、横向移动气缸、和抓手气缸协作完成工件的搬运。三个 气缸均由电磁换向阀控制。机械手由初始位置开始工作时，按下启动按钮，手臂气 缸活塞杆伸出，带动机械手下降，下降到位后，下限位信号发出，触发抓手夹钳相 连的抓手气缸活

7、塞杆伸出，抓手将工件夹紧，手臂气缸的活塞杆收进，把工件提升； 当工件提升到最高位置时产生上限位信号，启动横向气缸水平移动；当悬臂伸出到 最右端时，产生右移限位信号，触发手臂气缸活塞杆伸出，带动机械手下降，下降 到位后，下限位信号发出，抓手将工件放开，手臂气缸的活塞杆收进，达到高点时 产生上限位信号，启动横向气缸向左移到原点，完成一个工作循环。3.2机械手重要部件的设计计算与校核一、水平气缸的计算与校核（a）缸径和活塞杆的计算（b）气缸筒壁厚的确定（c）气缸耗气量的计算（d）活塞杆的校核（1）进行强度和特定强度校核（2）稳定性校核二、竖直方向气缸的选择计算与校核（a）缸径和活塞杆的计算（b）气缸

8、筒壁厚的选择（c）气缸耗气量的计算（d）气缸排气口径（e）活塞杆的校核三、手抓气缸的计算与校核（a）求活塞杆拉力（b）气缸筒壁厚的选择（c）气缸耗气量的计算（d）气缸排气口径（e）活塞杆的校核第四章气动系统设计4.1 气动系统原理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：气源的获得极为方便，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，输出压 力小，抓重一般在30kg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。气动系统的组成按照控制过程可分为气源信

9、号输入，信号处理及最后的命令执 行4个过程。1、气源部分以空气压缩机，储气罐开始。2、信号输入部分主要考虑被控对象能采用的信号源。3、信号处理有气控和电控两种方式。4、命令执行元件主要包括方向控制阀和驱动器。4.2 气动系统原理图4.3气动系统控制过程气源接入系统后，首先经过气源处理三联件（分水过滤器、减压阀、油雾器） 处理后，进入管路系统。为保证系统的可靠运行，可在减压阀后安装一个压力继电 器。只有当气源压力达到设定值之后，压力继电器才能产生压力合格信号，启动系 统开始工作。三个电磁换向阀控制均由PLC控制，其中两个长行程气缸都增加了单向节流阀来调速，而控制手抓的气缸，考虑到其行程很短，因此

10、可以省略调速装置。 另外，每个控制阀的排气口均装有消音器，以消除气流喷出带来的噪音。第五章气动系统附件的选择5.1分水过滤器分水过滤器能除去压缩空气中的冷凝水，颗粒杂质和油滴，具有较强的滤尘能 力。它的工作原理：当压缩空气从输入口流入后，由导流板引入滤杯中，导流板使 气流沿切线方向旋转，于是空气中的冷凝水，油滴和颗粒较大的固态杂质等因质量 较大受离心力作用被甩到滤杯内壁上，并流到底部沉积起来，随后空气流过滤心， 进一步除去其中的固态杂质，洁净的空气便从输出口输出。分水过滤器主要性能参数有 流量特性，分水效率，和过滤精度。（1）流量特性流量特性是指过滤器在一定的进气压力下，其进出口两端的压力降与

11、通过该元 件 标准额定流量之间的关系在相同的流量和进气压力下，压降越小，表明流动阻力 越小。（2）分水效率分水效率表示过滤器分离水分的能力（3）过滤精度滤心的过滤精度按其所能滤尘的最小微粒尺寸分为5um,10um,25um 40um四档,可根据空气质量的要求选定。该设计选用型号QSL25最高使用压力1MPa过滤精度50-75，分水效率80% 工作温度：5-60 C。5.2 油雾器的选择油雾器一种特殊的注油装置，它使润滑油雾化，变成油雾，随着气流进入到所 需润滑的部件上，实现润滑，用这种方法润滑，具有润滑均匀，稳定和无需大量的 储油设备等特点。工作原理：压缩气体由输入口进入后，通过喷嘴上正对着气

12、流方向的小孔进入 阀座的腔内，阀座与钢球，弹簧组成的一个特殊的单向阀。在压缩空气刚刚进入阀 座的最初一瞬间，钢球被压在阀座上，但此单向阀密封不严有所泄露，压缩空气会 漏入油杯的上腔中，上腔处于密封状态，故上腔压力逐渐上升，其结果使钢球处于 中间位置，这样压缩空气即通过阀座上的孔进入储油杯的上腔，油面受压使油经过 吸油管，将单向阀的钢球顶起，钢球上部管口为一个边长小于钢球直径的四方孔， 所以钢球不能将口部管口封死，油能不断地经过节流阀的阀口流入油雾器，再滴入 喷嘴中，气流从小孔中引射出来雾化后从输出口输出。油雾器性能指标：1.流量特性：描述流量与压力降的关系2. 喷雾特性3. 反应速度4. 油雾

13、粒度5. 不停气加油的泄气特性该设计选用油雾器：QIO-10-SI （根据空气流量及油雾粒度选择）5.3 减压阀选择减压阀是为了调整输出压力的阀，但经过调定的输出压力值总是低于输入压力的值。本设计使用直动式减压阀，基本特性：（1）调压范围（2）流量特性（3）压力 特性选用 QTY20 最高使用压力为1.6MPa,调压范围 0.05-0.63 0.05-1.000.05-0.40MPa5.4 管道与管接头本次管道的设计选用软管聚氨酯管是高性能聚氨酯制品，弹性极大，具有很好的耐磨弯曲疲劳特性，允许的温度范围在-35 C -60 C,适用于大多数的气动气流场合。 本次设计的管接头选择是快插式管接头，

14、它具有以下特点：a. 对管接头的加工质量要求较严格b. 有直通，两通，三通四通等各种结构样式c. 主要 用干气动回路中小直径的软管连接5.5 换向阀的选择作用：控制管道内气流的通断和气流的流动方向。选择：左右移动，升降等适用三位四通电磁换向阀，夹松选用两位四通电磁换向阀。5.6 单向节流阀的选择单向节流阀是由单向阀和节流阀并联成的组合式控制阀在本设计中采用排气节流，当换向阀作为工作气缸有杆腔进入压缩空气，无杆腔 接大气，但排气受到节流，控制气缸向右运动速度，换向阀右位工作，无杆腔进压 缩空气，有杆腔接大气，排气时同样受到节流作用，控制气缸向右运动速度。选择：根据流量选择节流阀型号：AS100-

15、M38机械工程学院气动机械手设计说明书(论文)第六早 PLC控制系统设计6.1 PLC硬件系统设计(1)PLC选型(a) I/O点数选择控制系统，可知该机械手控制系统共使用了16个输入点，和6个输出点。选择相应规模的可编程控制器，并留有10%15的I/O裕量，因为S7-200CPU226 具有24个输入点和16个输出点，所以选用 S7-200CPU226(b) 内存估计公式为 总存储字数=(开关量输入点数+开关量输出点书)X (0+模拟量点数X 150X 1.25 ) =6837.5字节。(c) 响应时间此PLC的扫描周期小鱼产品通过监测点的时间间隙，故合理。(d) 选用模块式PLC，功能扩展

16、方便灵活，I/O点数的维修时更换模块，判断故障范围也很方便。(e) 输入，输出模块选择输入选择直流24V,输出模块内部直流24V,外部交流220V.I/O地址分配图14下萍上升4 _J24VDC3|I1L OiOflil 902603FWoBB24VDC3ZL184VDCSIMATICS7-200CPU226ex 氏 RR* 氏Kayss三 臺S三 ss 一愛fis h 一弐6.2 软件的设计(1)编制PLC控制梯形图左端下降右端下降ro.iT JM1p215T33 何仁2M.9nih-m10. 何IML* 已 ME 吗TilIg 斗 M.9 JL.RH HI右端上升INTONR1M3.斗C

17、)循环QO.OIL.2,6QO.lILOIl .Fj M2,8ILOnQ0.2Y)Q0.3011.2 M.711-010.2 11,41 I1 I1 卜Il2 M2,9QO 斗Y)Q0.511.0 10,2 T1.51 H H H11.2I InQ0,6(2)语句表LD10.0LDM1.2AI1.2OLDANI0.7=M1.2LDI0.2AI0.4AM2.8=Q0.6LDM3.1AI0.0OM2.4OM2.0AI1.2AQ0.6AI0.5AM1.2ANM2.7=M2.0LDI0.1机械工程学院气动机械手设计说明书（论文）A M2.0A M1.2=M2.7TON T37,20LD T37A M1

18、.2AN M2.6=M2.2LD I0.2A M2.2A M1.2AN M2.1=M2.6LD I0.3A M2.6A I0.6A M1.2A M2.8=M2.1LD I0.1A M2.1A M1.2TON T38.15LD T38A M1.2AN M2.9=M2.3LD I0.2A M2.3A M1.2=M2.9LD I0.4A M2.9A 11.2A M1.2=M2.4LD 11.2A M2.0O M2.1LD I1.0A I1.7OLD=Q0.0LDI1.2AM2.2OM2.3LDI1.0A11.6OLD=Q0.1LDI1.2AM2.6LDI1.0AI2.1OLD=Q0.2LDI1.2AM2.8LDI1.0AI2.0OLD=Q0.3LDI1.2AM2.7LDI1.0AI0.2AI1.4OLD=Q0.4LDI1.2AM2.9LDI1.0AI0.2AI1.5OLD=Q0.5LDI1.2OI1.0=Q0.6END19总结通过本次设计，让我很好的锻炼了实际动手操作能力，课题相结合开发、设计 产品的能力。既让我们懂得了怎样把理论应用于实际，又让我们懂得了在实践中遇 到的问题怎样用理论去解决。在本次设计中，我们还需要大量的以前没有学到过的知识，于是图书馆成了我 很好的助手。在查阅资料的过程中，我们学会取舍相关知识，不知不觉中我们查阅 资料的能力也得到了很好的锻炼。我们学习的知识