初稿啤酒瓶装箱机械手升降机构设计

1、目录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc408352075 目录 PAGEREF _Toc408352075 h 1 HYPERLINK l _Toc408352076 摘要 PAGEREF _Toc408352076 h 2 HYPERLINK l _Toc408352077 引言 PAGEREF _Toc408352077 h 3 HYPERLINK l _Toc408352078 第一章 概述 PAGEREF _Toc408352078 h 4 HYPERLINK l _Toc408352079 1 装箱机的介绍 PAGEREF _Toc408352079

2、h 4 HYPERLINK l _Toc408352080 2 装箱机的分类 PAGEREF _Toc408352080 h 4 HYPERLINK l _Toc408352081 3工业机械手概述 PAGEREF _Toc408352081 h 5 HYPERLINK l _Toc408352082 第二章 主传动设计 PAGEREF _Toc408352082 h 6 HYPERLINK l _Toc408352083 第三章 移瓶机构设计 PAGEREF _Toc408352083 h 11 HYPERLINK l _Toc408352085 第四章 升降机构的设计 PAGEREF _T

3、oc408352085 h 13 HYPERLINK l _Toc408352086 1 手臂伸缩气缸的尺寸设计与校核 PAGEREF _Toc408352086 h 13 HYPERLINK l _Toc408352087 2 纵向气缸的设计 PAGEREF _Toc408352087 h 14 HYPERLINK l _Toc408352088 3 导向及平衡装置 PAGEREF _Toc408352088 h 16 HYPERLINK l _Toc408352089 第五章 控制系统设计 PAGEREF _Toc408352089 h 18 HYPERLINK l _Toc4083520

4、90 1控制要求 PAGEREF _Toc408352090 h 18 HYPERLINK l _Toc408352091 2 确定PLC的类型及I/O点 PAGEREF _Toc408352091 h 18 HYPERLINK l _Toc408352092 3 PLC的程序设计 PAGEREF _Toc408352092 h 21 HYPERLINK l _Toc408352093 总结 PAGEREF _Toc408352093 h 24 HYPERLINK l _Toc408352094 参考文献 PAGEREF _Toc408352094 h 25摘要本次课程设计我的题目是啤酒瓶装箱

5、机械手的设计。本文在参考国内外大量参考文献资料的基础之上，首先对啤酒瓶装箱机械手的课程设计题目进行了分析，论述了其特点、组成、动作顺序。并且运用大学四年所学习的机械原理、机械设计理论知识，设计了啤酒瓶装箱机械手的运动装置，该装置主要通过两个机械手完成对啤酒瓶的夹持、移动及放松工作。该机构广泛应用于啤酒制造企业中。对该机构的运动动作控制本文选用了PLC控制方法，本文首先论述了PLC技术的基本原理及应用方法，然后按照自顶向下的设计方法编制了一套适合的控制程序，在设计中应用了多种开关控制元件，如接近开关、光电开关、电磁阀等，实现了对机械手进行横向移动、竖向升降、夹持啤酒瓶等动作的控制，基本达到了预期

6、目的。关键词: PLC；气动；装箱机；引言课程设计是机械工程类专业我们完成本专业教学计划的最后一个极为重要的实践性。教学环节，是使我们综合运用所学过的基本理论、基本知识与基本技能去解决专业范围内的工程技术问题而进行的一次基本训练。这对我们即将从事的相关技术工作和未来事业的开拓都具有一定意义。主要目的一、培养我们综合分析和解决本专业的一般工程技术问题的独立工作能力，拓宽和深化我们的知识。二、培养我们树立正确的设计思想，设计构思和创新思维，掌握工程设计的一般程序规范和方法。三、培养我们树立正确的设计思想和使用技术资料、国家标准等手册、图册工具书进行设计计算，数据处理，编写技术文件等方面的工作能力。

7、四、培养我们进行调查研究，面向实际，面向生产，向工人和技术人员学习的基本工作态度，工作作风和工作方法。第一章 概述1 装箱机的介绍随着饮料业、啤酒业的迅速发展，装箱机已经成为现代啤酒饮料罐装生产线上不可缺少的设备，虽然，人们可以完成把罐装完成瓶子从输瓶带装进箱子里的工作。，但是与现代化生产极不相配，也远远不能满足生产发展的需要。半机械、办人工的装箱机的出现，虽然可以部分地替代人们的手工劳动，但这种机械适应生产线在1.5万瓶/时以下的工作状态。现在，人们已研究出采用计算机控制的全自动装箱机来满足市场的需求。装箱机就是其中之一。2 装箱机的分类装箱机一般从自动化的程度和装箱机的运动形式两大方面来划

8、分。从自动化程度分类的装箱机可分为全自动装和半自动两大类。本次所设计的啤酒装箱机为全自动型号，其优点主要有：1.结构合理工作可靠。该机由机械、气动和电子控制组合而成，结构简单。有气动式抓头抓放瓶，通过可靠的机械运动、灵敏的气动装置和先进的电控技术把瓶子准确、可靠地放进箱子里。2.运动平稳。它的主传动是由带制动的双速电机驱动。主传动的启动、增、减速和制动由微机控制，转换平稳，通过独特的四连杆机构，使瓶子在整个提速运行、移动和降落过程平稳。3.生产效率高。该机在起动和终止均缓慢平稳，而中途较快，空回程也快还速运行，缩短非工作时间。4.操作容易。该机全自动工作，并能自动调节生产速度，与整齐生产线同步

9、运行。5.安全可靠。该机除了设置保护罩、网外，还设置光电安全保护装置。操作人员误入危险区时，立即自动停机。该机噪音低，而且采用无油润滑的气动元件，避免油污污染，符号卫生标准。这种机主要由：输箱装置、排瓶装置、抓瓶装置、气动装置、四杆机构、主传动装置、输瓶装置、电控装置等组成。3工业机械手概述工业机械手是五十年代末才发展起来的一种高科技自动化生产设备。工业机械手的是工业机器人的一个重要分支。它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。随着工业自动化

10、的发展，出现了数控加工中心，它在减轻工人的劳动强度的同时， 大大提高了劳动生产率。但数控加工中常见的上下料工序，通常仍采用人工操作或传统继电器控制的半自动化装置。前者费时费工、效率低; 后者因设计复杂， 需较多继电器，接线繁杂，易受车体振动干扰，而存在可靠性差、故障多、维修困难等问题。机械手是一种能自动化定位控制并可重新编程序以变动的多功能机器，它有多个自由度，可用来搬运物体以完成在各个不同环境中工作。在工资水平较低的中国，塑料制品行业尽管仍属于劳动力密集型，机械手的使用已经越来越普及。那些电子和汽车业的欧美跨国公司很早就在它们设在中国的工厂中引进了自动化生产。但现在的变化是那些分布在工业密集

11、的华南、沿海地区的中国本土塑料加工厂也开始对机械手表现出越来越浓厚的兴趣，因为他们要面对工人流失率高，以及为工人交工伤费带来的挑战。随着我国工业生产的飞跃发展，特别是改革开发以后，自动化程度的迅速提高，实现工件的装卸、转向、输送或操作钎焊、喷枪、扳手等工具进行加工、装配等作业自化，已愈来愈引起我们重视。第二章 主传动设计主传动机构主要由带制动的减速电机直接套在转动轴上，然后用无键联接装置收缩联接把减速器与轴连结起来，支承主轴的是4个90的轴承。收缩联结是靠拧紧高强度螺栓使包容面间产生的压力和摩擦力实现扭矩传递的，由于无键槽，轴的材料有效利用率高，对轴不产生机械损伤，可承受变载荷和冲击载荷，还具

12、有过载保护等优点。主传动是整机主要负载功率输出，主电机由微机的程序控制着启动，增速，减速，使抓瓶运动平稳，当有故障或危险发生时，整机紧急停车，也是通过主电机控制完成的。装箱机的生产能力为500625箱/h（24瓶/箱）或10001250箱/h（12瓶/箱）选用生产能力为500625箱/h（24瓶/箱）进行设计由于装箱机传动轴每转一圈，完成一次动作，而每一次动作，同时完成2箱的装箱故装箱机传动轴的速度 已知电机的功率P已选用2.2KW，由公式故故选取电机外力偶矩为5037.84设计计算传动轴材料选用45号钢，查表得：45号钢的轴的许用扭剪应力轴材料和受载情况决定的系数C=107118由于该传动轴

13、的弯矩相对扭矩很小，C值应取较小值故C取110故传动轴最小直径为电机减速器的安放位置有如下两种方案：方案一：安放在两曲柄之间方案二：安放在曲柄的外侧方案一分析：由前面已确定电机的外力偶矩电机减速器安放位置见如图2-1 图2-1传动轴所受的扭矩如图2-2 图2-2由于故故方案一传动轴的扭矩图如图2-3 图2-3故 由扭转图可知：按强度条件设计轴的直径由公式得又由于由2解得传动轴最小直径故选择方案一时，传动轴最小直径为90mm。方案二分析：电机减速器安放位置如图2-4 图2-4传动轴所受的扭矩如图2-5 图2-5 故方案二传动轴的扭矩图如图2-6 图2-6 由扭矩图可知：按强度条件设计轴的直径由公

14、式得又由于由2解得传动轴最小直径故选择方案二时，传动轴最小直径为95mm。比较方案一与方案二：当选择方案一时，最小直径d为90mm.当选择方案二时，最小直径d为95mm.因为方案一的最小直径比方案二的要小，可减轻轴的重量，节省材料节约成本，且电机减速器安放在曲柄之间比安放在外侧的所占用的空间要少和安全等优点，综合考虑最终选用方案一。轴如图2-7 图2-7根据已知电机功率为2.2KW，轴的最小直径为90mm，转速n=4.17r/min，进行查表，选取电机的型号为KH107DV100M4.第三章 移瓶机构设计抓瓶机构是由两套双杆机构和一套双平行机构组成。要实现从抓瓶到装箱，以放瓶到回程抓瓶这个过程

15、，必须按照一定的运动轨迹运行。双四杆机构就是为了实现这一运动轨迹而设计的，这个机构可分成两套四杆机构，曲柄摇杆机构和双摇杆机构。二抓瓶运动机构运动分析如图3-1 图3-1 (1)(2)式中， 根据图3-1所示的关系，可以求出k点的轨迹点，并作出k点的轨迹如图所示：第四章 升降机构的设计1 手臂伸缩气缸的尺寸设计与校核由设计方案可以知道，横向气缸1不仅要承受负载10kg的重量，还要承受气缸3及手指部分的重量，假设此重量为负载的十分之一，即5kg。则纵向气缸实际的负载F=150N。进一步求的理论负载 QUOTE 气缸的内径 QUOTE (式4.1)查表后得：D=40mm。活塞杆直径由d=0.3D

16、估取活塞杆直径 d=18 mm查表后得：d=20mm(3) 缸筒长度的确定：缸筒长度S=L+B+20L为活塞行程；B为活塞厚度活塞厚度B=(0.20 QUOTE 0.25)D= 0.20 QUOTE 40=8mm由于气缸的行程L=500mm ,所以S=L+B+20=628 mm气缸筒的壁厚的确定选用无缝钢管为材料，查表得：(5)气缸的进、排气口计算查表可知，气缸的进、排气口的规格为 QUOTE 活塞杆的强度校核机械手爪的重量约为：5Kg。 工件重量为：10Kg。 图3-5 活塞杆的受力分析如图3-5所示，由静力平衡方程8MB=0 R1LAB QLBC=0 (式4.2)MA=0 R2LAB QL

17、AC=0 (式4.3) 求得支反力为：R1=703NR2=278N 以A点为坐标原点，得剪力图3-6和弯矩图3-7如下：图3-6 剪力图图3-7 弯矩图 由表得活塞杆=140MPa, =240MPa. 则在B处横截面上的剪应力为： B= R2/A= 安全 在B处的弯应力为： B= MB/A= 安全。2 纵向气缸的设计(1)气缸的内径 根据机械手结构关系得： (公式4.4) 根据气缸的结构得： 估算时取d=0.3D, QUOTE P=0.7 QUOTE 。代入上式得： 按照GB/T2348-1993标准进行圆整，取D=63mm(2)活塞杆直径由d=0.3D 估取活塞杆直径 d=18 mm(3)缸

18、筒长度的确定： 缸筒长度S=L+B+20 L为活塞行程；B为活塞厚度 活塞厚度B=(0.20 QUOTE 0.25)D= 0.20 QUOTE 63=10mm 由于气缸的行程L=200mm ,所以S=L+B+20=232mm (4)气缸筒的壁厚的确定: 假设所选材料为无缝钢管，则由表知 QUOTE (5)气缸的进、排气口计算 查表可知，气缸的进、排气口的规格为 QUOTE (2)计算作用在活塞上的总机械载荷 机械手手臂移动油缸的受力简图如图5-1所示。作用在活塞上的总机械载荷P为： (公式4.5)工作阻力：工作阻力的数值要根据油缸工作的具体情况确定有无，并进行计算或估算。在此为完成搬运工件的伸

19、缩油缸，故不受工作阻力，即为0。导向装置处的摩擦阻力：不同配置和不同的导向截面形状，其摩擦阻力不同，要根据具体情况进行估算。图5-1 手臂伸缩气图5-1 手臂伸缩气缸受力简图本设计如图5-1所示的是双向杆导向，其导向杆截面形状是圆柱面。导向杆对称配置在气缸的两侧，并布置在过气缸活塞杆的平面内。 密封装置处的摩擦阻力在压力油驱动活塞运动时，各密封装置处摩擦阻力之和为，即 (式4.6)分别为活塞杆和缸盖处、活塞与缸壁处、伸缩气管处等密封装置处的摩擦阻力，其值随密封圈结构的不同而异。惯性力机械手的手臂在起动时，活塞杆上所受到的平均惯性力，可近似计算如下： (式4.7)式中： 参与运动的零部件的总重量

20、（包括被抓物件重量） g重力加速度 速度变化量 启动过程的时间背压阻力 背压阻力为气缸低压气体所造成的阻力。一般背压阻力较小，可按计算。由于，故。 所以： (3)气缸的校核a)计算气缸可以产生的输出力 已知气缸的直径D=63mm，气缸的工作压力p=0.7Mpa。则有机械设计手册表12-9：可以算出气缸所产生的推力P0.65p=0.6563mm63mm0.7Mpa =1805.895N气缸可以产生的拉力0.6p=1666.98Nb）计算机械手臂所产生的重力机械手爪的重量约为：5Kg；工件重量为：10Kg；驱动手爪开合气缸的重量为1.45 Kg；伸缩气缸的重量为6.6 Kg；机械手臂的安装底座和以

21、及导向杆支架等其他零件的总重量约为150 Kg。机械手臂总体产生的重力G=mg=1723.08N气缸所产生的推力P机械手臂总体产生的重力G，所以气缸能够推动手臂而完成手臂的升降运动。3 导向及平衡装置气压驱动的机械手臂在进行伸缩运动时，为了防止手臂绕轴线转动，以保证手指的正确方向，并使活塞杆不受较大的弯曲力矩作用，以增加手臂的刚性，在设计手臂结构时，应该采用导向装置。具体的安装形式应该根据本设计的具体结构和抓取物体重量等因素来确定，同时在结构设计和布局上应该尽量减少运动部件的重量和减少对回转中心的惯量。目前导向杆常采用的装置有单导向杆，双导向杆，四导向杆等，在本设计中采用双向导向杆来增加手臂的

22、刚性和导向性。在本设计中，为了使手臂的两端能够尽量接近重力矩平衡状态，减少手抓一侧重力矩对性能的影响，故在手臂伸缩气缸一侧加装平衡装置，装置内加放砝码，砝码块的质量根据抓取物体的重量和气缸的运行参数视具体情况加以调节，务求使两端尽量接近平衡。第五章 控制系统设计1控制要求 在机械手的工作过程中，机械手的手臂的伸缩由电磁阀1YA2YA控制,机械手立柱的升降由电磁阀3YA4YA控制,机械手的放松夹紧有电磁阀5YA6YA控制,机械手的旋转由电磁阀7YA8YA控制.机械手的到位信号分别是：手臂伸出到位行程开关1SA, 手臂缩回到位行程开关2SA, 立柱上升到位行程开关3SA, 立柱下降到位行程开关4S

23、A, 手爪放松到位行程开关5SA, 手爪夹紧到位行程开关6SA, 立柱正转到位行程开关7SA, 立柱反转到位行程开关8SA.在设计中，搬运机械手的气动系统的工作顺序为：启动手臂伸出手爪夹紧工件手臂缩回立柱顺时针转动立柱上升手臂伸出手爪松开工件手臂缩回立柱下降立柱反时针转回原位 该机械手的控制要求是： 按下启动按钮后，首先手臂伸出电磁阀通电，手臂伸出，至伸出行程开关动作。 手爪夹紧电磁阀通电，手爪夹紧，至夹紧行程开关动作。 手臂缩回电磁阀通电，手臂缩回，至缩回行程开关动作。 立柱正转电磁阀通电，立柱正转，至正转行程开关动作。 立柱上升电磁阀通电，立柱上升，至上升行程开关动作。 手臂伸出电磁阀通电

24、，手臂伸出，至伸出行程开关动作。 手爪放松电磁阀通电，手爪放松，至放松行程开关动作。 手臂缩回电磁阀通电，手臂缩回，至缩回行程开关动作。 立柱下降电磁阀通电，立柱下降，至下降行程开关动作。 立柱反转电磁阀通电，立柱反转，至反转行程开关动作返回原点。2 确定PLC的类型及I/O点根据前述要求可知PLC需要以下输入信号端：8个行程开关并发生的信号，分别用来检测机械手的伸缩极限、升降极限、放松夹紧极限、旋转极限。8各起动按钮用以单步操作。另外根据系统控制的要求，需要启动、停止、手动单步操作、自动连续操作和原点按钮信号。PLC所需的输出信号端：用来驱动4个气缸的电磁阀需要8个输出信号，2个用来显示工作

25、状态的开始和原点信号指示灯。则我们可作出的PLC的输入、输出地址分配表如表1所示 表1 PLC的输入、输出地址分配表现场器件内部等效继电器地址说明现场器件内部等效继电器地址说明输入SB0X000启动按钮输入SB5X018下降按钮1SAX001伸出行程开关SB6X019放松按钮2SAX002缩回行程开关SB7X020夹紧按钮3SAX003上升行程开关SB8X021正转按钮4SAX004下降行程开关SB9X022反转按钮5SAX005放松行程开关输出1YAY001伸出电磁阀6SAX006夹紧行程开关2YAY002缩回电磁阀7SAX007正转行程开关3YAY003上升电磁阀8SAX010反转行程开关

26、4YAY004下降电磁阀SB1X011停止按钮5YAY005放松电磁阀X012手动单步操作6YAY006夹紧电磁阀SAX013自动连续操作7YAY007正转电磁阀X014原点8YAY010反转电磁阀SB2X015伸出按钮HL1Y011原点指示灯SB3X016缩回按钮HL2Y012开始指示灯SB4X017上升按钮根据以上分析，需要选择输入点的个数20、输出点数个数13的PLC。故我们选用三菱公司的48MR型号的PLC。它共有24个输入、24个输出点。其I/O接点的分配及PLC与器件的逻辑连线如图7所示 图7 机械手PLC控制硬件接线图3 PLC的程序设计该机械手在PLC的控制下可实现手动单步和自

27、动连续和原点三种执行方式。手动单步：以按钮的形式实现各个步的操作。自动连续：按下“启动”按钮后，机械手从第一个动作开始自动延续到最后一个动作，然后重复循环以上过程。PLC软件系统的设计软件系统包括回原点程序、手动单步程序、和自动连续程序，如图8所示 回原点程序 如图9所示。用S10 S14作零操作元件。应注意，当S10 S14作零操作元件时，在最后状态中在自我恢复前应使特殊继电器M8043置1。 手动单步操作程序 如图10所示。在此次的设计中，其按钮操作顺序为：X12,X15,X20.X16,X21,X17,X15,X19,X16,X18,X22。当我们不用此机械手的控制顺序时，可改变手动控制

28、顺序，当然，自动程序相应改变即可。图10 手动单步操作程序 自动操作程序 如图11所示。其中我们需注意的是，因为是气动系统的电磁阀控制，故每个气缸不能同时断电，不然机械手的活塞就会停在任意位置而达不到设计要求，无法实现机械手的正常运行，故我们在设计是，每个状态的电磁阀必须等到相应气缸的另一个电磁阀的得电此电磁阀才能失电，如A气缸中1YA得电后直到2YA得电1YA才能失电，同理，其它气缸也类似。当机械手处于原位是，按启动按钮X0接通，状态转移到S200，驱动伸出电磁阀Y1，当到达伸出行程开关X1接通，状态转移到S201，驱动夹紧电磁阀Y6，当到达夹紧行程开关X6接通，状态转移到S202,驱动缩回电磁阀Y2，当到达缩回行程开关X2接通，状态转移到S203,驱动正转电磁阀Y7,当到达正转行程开关X7接通，状态转移到S204,驱动上升电磁阀Y3,当到达上升行程开关X3接通，状态转移到S205,驱动伸出电磁阀Y1,当到达伸出行程开关X1接通，状态转移到S206,驱动松开电磁阀Y5，当到达松开行程开关X5接通，状态转移到S207,驱动缩回电磁阀Y2,当到达缩回行程开关X2接通，状态转移到S208,驱动下降电磁阀Y4,当到达下降行程开关X4接通，状态转移到S209,驱动反转电磁阀Y10,当到达反转行程开关X10接通，状态转移到初始