畢業(yè)設(shè)計(jì)----氣壓傳動(dòng)兩維運(yùn)動(dòng)機(jī)械手設(shè)計(jì)

1、<p>　　氣壓傳動(dòng)兩維運(yùn)動(dòng)機(jī)械手設(shè)計(jì)</p><p><b>　　1.前言</b></p><p>　　氣動(dòng)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)工業(yè)自動(dòng)化的重要手段。氣壓傳動(dòng)的介質(zhì)來(lái)自于空氣，環(huán)境污染小，工程容易實(shí)現(xiàn)，所以其言傳動(dòng)四一種易于推廣普及的實(shí)現(xiàn)工業(yè)自動(dòng)化的應(yīng)用技術(shù)。氣動(dòng)技術(shù)在機(jī)械、化工、電子、電氣、紡織、食品、包裝、印刷、輕工、汽車等各個(gè)制造行業(yè)，尤其在各種自動(dòng)化生產(chǎn)裝備

2、和生產(chǎn)線中得到了廣泛的應(yīng)用，極大地提高了制造業(yè)的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。氣動(dòng)系統(tǒng)的應(yīng)用，引起了世界各國(guó)產(chǎn)業(yè)界的普遍重視，氣動(dòng)行業(yè)已成為工業(yè)國(guó)家發(fā)展速度最快的行業(yè)之一。</p><p>　　可編程控制技器（PLC）是以微處理器為基礎(chǔ)，綜合計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和通信技術(shù)發(fā)展起來(lái)的一種新型、通用的自動(dòng)控制裝置，他具有機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于編程、性能優(yōu)越、可靠性高、靈活通用和使用方便等一系列優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)在工業(yè)生產(chǎn)過程的自動(dòng)控制中

3、得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。</p><p><b>　　2.設(shè)計(jì)任務(wù)</b></p><p>　　2.1設(shè)計(jì)任務(wù)介紹及意義</p><p>　　通過課程設(shè)計(jì)培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)的能力，提高分析和解決問題能的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，專業(yè)課程設(shè)計(jì)是建立在專業(yè)基礎(chǔ)課和專業(yè)方向課的基礎(chǔ)的，是學(xué)生根據(jù)所學(xué)課程進(jìn)行的工程基本訓(xùn)練，課程設(shè)計(jì)的意義在于：</p&

4、gt;<p>　　1．培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)的基礎(chǔ)理論和專業(yè)知識(shí)，獨(dú)立進(jìn)行機(jī)電控制系統(tǒng)（產(chǎn)品）的初步設(shè)計(jì)工作，并結(jié)合設(shè)計(jì)或試驗(yàn)研究課題進(jìn)一步鞏固和擴(kuò)大知 識(shí)領(lǐng)域。</p><p>　　2．培養(yǎng)學(xué)生搜集、閱讀和綜合分析參考資料，運(yùn)用各種標(biāo)準(zhǔn)和工具書籍以及編寫技術(shù)文件的能力，提高計(jì)算、繪圖等基本技能。</p><p>　　3．培養(yǎng)學(xué)生掌握機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)的一般程序方法，進(jìn)行工程師基本素

5、質(zhì)的訓(xùn)練。</p><p>　　4．樹立正確的設(shè)計(jì)思想及嚴(yán)肅認(rèn)真的工作作風(fēng)。</p><p><b>　　2.2設(shè)計(jì)任務(wù)明細(xì)</b></p><p>　　1．該機(jī)械手的功能：將貨物自動(dòng)放到坐標(biāo)位置（300，300）處，并延時(shí)1分鐘等待卸貨，然后返回原點(diǎn)位置，延時(shí)1分鐘等待裝貨。</p><p><b>　　2．

6、任務(wù)要求：</b></p><p>　　執(zhí)行元件：氣動(dòng)氣缸；</p><p>　　運(yùn)動(dòng)方式：直角坐標(biāo)；</p><p>　　控制方式：PLC控制；</p><p>　　控制要求：位置控制；</p><p><b>　　主要設(shè)計(jì)參數(shù)參數(shù)：</b></p><p>

7、　　氣缸工作行程——800 mm；</p><p>　　運(yùn)動(dòng)負(fù)載質(zhì)量——100 kg；</p><p>　　移動(dòng)速度控制——3m/min。</p><p><b>　　3．具體步驟如下：</b></p><p>　?。?）先根據(jù)參考資料，確定合適的設(shè)計(jì)方案。</p><p>　?。?）通過計(jì)算、分

8、析設(shè)計(jì)執(zhí)行元件的參數(shù)：氣缸的內(nèi)徑、壁厚，活塞桿的直徑，耗氣量的計(jì)算，驗(yàn)算設(shè)計(jì)結(jié)果，導(dǎo)向裝置的設(shè)計(jì)，驅(qū)動(dòng)元件的選擇，管路設(shè)計(jì)，底座的設(shè)計(jì).</p><p>　?。?）根據(jù)動(dòng)力和總體參數(shù)的選擇和計(jì)算，進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，完成機(jī)械系統(tǒng)的主要部件圖。</p><p>　?。?）應(yīng)用啟動(dòng)原理圖，設(shè)計(jì)控制電路，編寫控制程序，繪制電氣控制電路原理圖。</p><p><b>

9、　　3.總體方案設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　方案一：</b></p><p>　　機(jī)身2.水平臂3.豎直臂4.夾緊手</p><p>　　圖1.氣動(dòng)機(jī)械手示意圖</p><p><b>　　方案二：</b></p><p>　　垂直臂2.水平臂3.夾

10、緊手4.機(jī)座5.導(dǎo)軌</p><p>　　圖2.氣動(dòng)機(jī)械手示意圖</p><p>　　參閱各種氣壓設(shè)計(jì)書籍和論文，對(duì)照設(shè)計(jì)任務(wù)要求，并通過對(duì)以前學(xué)習(xí)過的課程進(jìn)行綜合考慮，設(shè)計(jì)出的氣動(dòng)機(jī)械手的示意圖如圖1所示。機(jī)械手采用氣壓傳動(dòng)，選用品質(zhì)精良的氣動(dòng)元件組合而成，為直角坐標(biāo)式機(jī)械手結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)2個(gè)自由度，由機(jī)身、水平臂、豎直臂、夾緊手組成，可以完成水平臂的伸縮、豎直臂的升降以及抓取等動(dòng)作，可以方

11、便的通過節(jié)流閥調(diào)節(jié)合適的執(zhí)行元件的速度，完成物件平面內(nèi)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的移動(dòng)。機(jī)械臂用2個(gè)氣缸控制，即橫向移動(dòng)氣缸和縱向移動(dòng)氣缸，其控制系統(tǒng)采用目前控制領(lǐng)域應(yīng)用比較普遍、性能優(yōu)越的PLC，根據(jù)需要選用西門子公司的S7-200型PLC作為控制系統(tǒng)的核心。</p><p>　　由于該系統(tǒng)要求該氣動(dòng)機(jī)械手的動(dòng)作邏輯順序?yàn)椋?升降氣缸1下降——抓取工件——升降氣缸1上升——?dú)飧?左移——?dú)飧?下降——卸載工件，完成一次物料的搬運(yùn)。

12、</p><p>　　在設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)發(fā)現(xiàn)，如用方案一，則橫向氣缸活塞桿會(huì)承受很大的彎矩，影響裝置的使用壽命，而且浪費(fèi)原材料，不經(jīng)濟(jì)。故采用方案二，其中導(dǎo)軌分擔(dān)了縱向活塞的重力，故在設(shè)計(jì)時(shí)可視作橫向氣缸只受軸向力，不受徑向力。</p><p>　　4.機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p>　　本方案的機(jī)械設(shè)計(jì)中重在氣缸的設(shè)計(jì)，氣缸1的作用是實(shí)現(xiàn)物料的橫向移動(dòng)，氣缸2的作用是

13、實(shí)現(xiàn)物料縱向的提升及物品的釋放。對(duì)氣缸結(jié)構(gòu)的要求一是重量盡量輕，以達(dá)到動(dòng)作靈活、運(yùn)動(dòng)速度高、節(jié)約材料和動(dòng)力，同時(shí)減少運(yùn)動(dòng)的沖擊，二是要有足夠的剛度以保證運(yùn)動(dòng)精度和定位精度</p><p>　　氣缸的設(shè)計(jì)流程圖如圖3所示</p><p>　　圖3 氣缸設(shè)計(jì)流程圖</p><p>　　氣缸按供油方向分，可分為單作用缸和雙作用缸。單作用缸只是往缸的一側(cè)輸入高壓油，靠其它

14、外力使活塞反向回程。雙作用缸則分別向缸的兩側(cè)輸入壓力油，活塞的正反向運(yùn)動(dòng)均靠液壓力完成。由于單作用液壓缸僅向單向運(yùn)動(dòng)，有外力使活塞反向運(yùn)動(dòng)，而雙作用單活塞氣缸在壓縮空氣的驅(qū)動(dòng)下可以像兩個(gè)方向運(yùn)動(dòng)但兩個(gè)方向的輸出力不同，所以該方案采用雙作用單活塞缸。</p><p><b>　　4.3連接與密封</b></p><p>　　氣缸的連接與密封直接影響氣缸的性能和使用壽命，

15、正確的選用連接和密封裝置，對(duì)保證氣缸正常工作有著十分重要的意義。</p><p>　　缸筒與缸蓋的連接形式主要有拉桿式螺栓連接、螺釘式、鋼筒螺紋、卡環(huán)等，本氣缸四根采用拉桿式雙頭螺栓連接，由于工作壓力小于1MPa，不需要強(qiáng)度校核。根據(jù)許用靜載荷，查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)單行本》表22-1-58，分別選用M10、M6的螺栓。</p><p>　　對(duì)于活塞與氣缸筒之間采用兩個(gè)Y型密封圈，其它摩擦副均使

16、用O型密封圈密封。O型密封圈密封可靠，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，摩擦阻力小。O型密封圈安裝后，比被密封表面的內(nèi)徑大。Y型密封圈密封可靠，使用壽命長(zhǎng)，摩擦阻力較O型圈大。</p><p>　　5．電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)</p><p>　　5.1控制系統(tǒng)的基本組成</p><p>　　一個(gè)完整的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)該包括被控對(duì)象、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、檢測(cè)裝置、模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器和數(shù)模(D/A)轉(zhuǎn)換器

17、、數(shù)字計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(包括硬件和軟件)。圖6所示是其基本框圖。在本系統(tǒng)中各個(gè)部分的組成如下: </p><p>　　5.1.1機(jī)械手移動(dòng)工件的基本結(jié)構(gòu)</p><p>　　5.1.2機(jī)械手移動(dòng)工件的工作流程</p><p>　　5.1.3控對(duì)象和執(zhí)行機(jī)構(gòu)</p><p>　　本系統(tǒng)的被控對(duì)象是機(jī)械手臂。兩個(gè)氣缸分別用于手臂的伸縮 ，這樣機(jī)械手可以

18、在垂直平面內(nèi)的一個(gè)矩形區(qū)域內(nèi)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)工件在區(qū)域內(nèi)的移動(dòng)。</p><p><b>　　5.1.4檢測(cè)裝置</b></p><p>　　位置檢測(cè)裝置是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的重要組成部分。在閉環(huán)系統(tǒng)中，它的主要作用是檢測(cè)位移量，該位移量與給定值進(jìn)行比較，得到誤差信號(hào)，控制器根據(jù)誤差信號(hào)進(jìn)行控制調(diào)節(jié)，使系統(tǒng)趨向減小誤差，最終使誤差為零。</p><p&g

19、t;　　5.1.5數(shù)據(jù)采集卡和數(shù)模(D/A)轉(zhuǎn)換器</p><p>　　本系統(tǒng)中位置檢測(cè)用了光電編碼器，光電編碼器的輸出為脈沖信號(hào)，只擊對(duì)輸出脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)即可得到相關(guān)的數(shù)字量信號(hào)，系統(tǒng)采用了PCI一7296數(shù)字I/O卡作為數(shù)字信息與計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳遞接口。D/A轉(zhuǎn)換器是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的重要部件之一，擔(dān)任著將控制輸出量數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量去驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的重要作用。D/A轉(zhuǎn)換采用了Pcl一6024E數(shù)據(jù)采集卡，可將計(jì)

20、算機(jī)輸出的轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)。兩塊卡都是PCI插槽，控制程序通過虛擬驅(qū)動(dòng)程序讀寫PCI卡的端口地址</p><p><b>　　來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送。</b></p><p>　　5.1.5數(shù)字計(jì)算機(jī)系統(tǒng)本系統(tǒng)采用普通的兼容PC作為控制計(jì)算機(jī)。</p><p>　　5.1.6系統(tǒng)工作的主要流程</p><p>　　圖4 氣缸控制系

21、統(tǒng)框圖</p><p>　　由氣壓閥控制氣缸的變量機(jī)構(gòu)，改變氣缸的流量或壓力，使氣缸按要求運(yùn)動(dòng)。它的控制系統(tǒng)框圖如圖4，這種系統(tǒng)功率損失小，效率較高，最高可達(dá)90%，在節(jié)能效益顯著，在目前能源問題得到重視時(shí),對(duì)這種控制系統(tǒng)進(jìn)行研究較多。但這種系統(tǒng)動(dòng)態(tài)反應(yīng)較慢，只能用于動(dòng)態(tài)性能要求不高的場(chǎng)合。對(duì)圖4中的各流程進(jìn)行實(shí)例化，得到如圖5所示的氣缸控制系統(tǒng)框圖。</p><p>　　圖5 氣缸控制系

22、統(tǒng)框圖</p><p>　　系統(tǒng)輸入信號(hào)由計(jì)算機(jī)控制程序產(chǎn)生，可由用戶選擇和設(shè)定參數(shù)，被控對(duì)象氣缸的位置數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)一采集卡PCI--7296采集返回計(jì)算機(jī)，控制程序通過讀端口操作取得數(shù)據(jù)，送入相應(yīng)控制子程序?？刂瞥绦蚋鶕?jù)當(dāng)前控制方案產(chǎn)生輸也控制量，輸出控制由PCI--6024E的D/A轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換、伺服放大器放大后送對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象的閉環(huán)控制。</p><p>　　5.2電氣

23、元件的選擇</p><p>　　該機(jī)構(gòu)的主要組成部件如下表：</p><p><b>　　各部件的功能如下:</b></p><p><b>　　1）氣缸</b></p><p>　　氣缸執(zhí)行元件，將壓縮空氣的壓力轉(zhuǎn)變成機(jī)械能的能量轉(zhuǎn)換裝置，用于實(shí)現(xiàn)直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)。</p><p&

24、gt;<b>　　2）方向控制閥</b></p><p>　　基本功能是對(duì)氣體流動(dòng)產(chǎn)生通、斷作用，氣體流通方向的改變作用。</p><p><b>　　3）比例流量閥。</b></p><p>　　比例流量閥是電--氣轉(zhuǎn)換元件，其作用是根據(jù)輸入電流信號(hào)的大小輸出相應(yīng)流量的壓縮空氣，驅(qū)動(dòng)氣缸動(dòng)作。這里，比例流量閥的結(jié)構(gòu)為二位

25、三通封閉式，功率放大器與計(jì)算機(jī)連接。采用電磁比例電磁鐵控制閥口開度，使通過閥的氣體流量和閥的開度成一定的關(guān)系。比例氣閥存在死區(qū)，當(dāng)線圈電流大于520mA時(shí)，閥口P和A連通;當(dāng)線圈電流小于28OmA時(shí)，閥口A和T相通;當(dāng)線圈電流280mA～52OmA時(shí)，三個(gè)閥口呈關(guān)閉狀態(tài)。</p><p>　　4）光電編碼器和數(shù)顯表</p><p>　　光電編碼器是氣缸位置檢測(cè)元件，將位移轉(zhuǎn)換為電脈沖，用于

26、在線測(cè)量活塞位移，以便送到計(jì)算機(jī)中進(jìn)行處理。計(jì)算機(jī)為系統(tǒng)控制器，在每一采樣控制周期，計(jì)算機(jī)根據(jù)系統(tǒng)偏差大小，計(jì)算出該采樣控制周期所需要的控制量大小，以完成活塞位移的實(shí)時(shí)控制?；钊灰频膶?shí)時(shí)控制。</p><p>　　5.3電氣控制電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　該控制系統(tǒng)的原理圖如圖6所示,起始時(shí)通過操作臺(tái)，設(shè)定要控制的氣缸的位置，S7-200經(jīng)過輸入口獲取輸入量，S7-200經(jīng)過對(duì)輸入量

27、進(jìn)行處理，輸出進(jìn)行控制。本此設(shè)計(jì)中的，直接被控對(duì)象是電磁閥，通過電磁閥的動(dòng)作在對(duì)氣缸的位置進(jìn)行控制。為了進(jìn)行精確控制，因而本例中使用了閉環(huán)控制系統(tǒng)，位置傳感器獲取位置量，并將獲取的值經(jīng)過總線送到S7-200的輸入口，進(jìn)行發(fā)饋控制，從而提高系統(tǒng)的精度。但閉環(huán)控制容易引起波動(dòng)，穩(wěn)定性不如開換好。</p><p>　　圖9 控制系統(tǒng)原理圖</p><p>　　5.4控制程序的設(shè)計(jì)及說明</

28、p><p>　　5.4.1該控制系統(tǒng)的流程圖:</p><p>　　5.4.2控制電路接線圖如下:</p><p>　　5.4.3應(yīng)用PLC編程代碼如下:</p><p>　　該控制系統(tǒng)充分發(fā)揮了 PLC 可靠、靈活的優(yōu)勢(shì)。實(shí)踐證明，系統(tǒng)具有較強(qiáng)的抗干擾能力，操作簡(jiǎn)單方便，適合在惡劣的施工現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，具有一定的推廣價(jià)值。該控制系統(tǒng)與其他控制系統(tǒng)相比

29、，節(jié)省了大量的電氣元件，縮小了控制柜的體積。由于采用軟件片成，其動(dòng)作安全行程可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行隨時(shí)調(diào)整。該氣動(dòng)機(jī)械手經(jīng)安裝，調(diào)試，能夠在模擬生產(chǎn)線上良好運(yùn)行。此系統(tǒng)簡(jiǎn)單可靠，安全性高，可重復(fù)性好，各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到預(yù)期要求。</p><p><b>　　6.小結(jié)</b></p><p>　　通過此次課程設(shè)計(jì),暴露出了平時(shí)學(xué)習(xí)當(dāng)中存在的問題:學(xué)習(xí)不夠深入,了解不透徹

30、,導(dǎo)致在做課程設(shè)計(jì)的過程中,經(jīng)常對(duì)一些基本的知識(shí)點(diǎn)弄混.這次課程設(shè)計(jì)是畢業(yè)設(shè)計(jì)前最后的一次練兵,對(duì)我來(lái)說非常有意義,在沒做課程設(shè)計(jì)之前,我以為做這次設(shè)計(jì)就是小意思,沒想到做了之后才發(fā)現(xiàn),很多的知識(shí)都已經(jīng)忘到了腦后,看到一個(gè)公式,一組數(shù)據(jù),明明很熟悉,可就是想不起在哪本參考書,哪本手冊(cè).通過了這次課程設(shè)計(jì),我對(duì)古人的一句話有了更深的理解”學(xué)而時(shí)習(xí)之,不亦悅乎”,是的,只有經(jīng)常復(fù)習(xí),經(jīng)常鞏固,才能不知識(shí)真正的扎根在你的腦海中.</p&

31、gt;<p><b>　　7.參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　1. 基于PLC控制的氣動(dòng)機(jī)械手系統(tǒng) 張州，張廣義等 機(jī)電產(chǎn)品與開發(fā)</p><p>　　2.《輕工業(yè)氣壓傳動(dòng)》</p><p>　　3.《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè) 氣壓傳動(dòng)》單行本 成大先 化學(xué)工業(yè)出版社</p><

32、p>　　4.《液壓與氣壓設(shè)計(jì)手冊(cè)》 張利平主編 機(jī)械工業(yè)出版社</p><p>　　5.《液壓元件手冊(cè)》 黎啟百主編 冶金工業(yè)、機(jī)械工業(yè)出版</p><p>　　6.《機(jī)械設(shè)計(jì)師手冊(cè)》 吳宗澤主編 機(jī)械工業(yè)出版社</p><p>　　7.《袖珍液壓設(shè)

33、計(jì)手冊(cè)》 宋學(xué)義主編 機(jī)械工業(yè)出版社</p><p>　　8.《液壓缸》 吳培起編 北京科學(xué)技術(shù)出版社</p><p>　　9．《液壓氣動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)運(yùn)行禁忌470例》周士昌編 機(jī)械工業(yè)出版社</p><p>　　10．《中國(guó)機(jī)械設(shè)計(jì)大典·電子版》

34、王啟義主編 中國(guó)機(jī)械工業(yè)學(xué)會(huì)</p><p>　　11.《機(jī)電控制及自動(dòng)化》 肖興明、丁保華、陳軍編 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社</p><p>　　12.《Programmable Controller》 苗運(yùn)江主編 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社</p><p>　　13.《機(jī)電一體化設(shè)計(jì)》 張建民主編