【正文】 ―――― 18 4． 4 執(zhí)行元件用氣量的計算和空壓機(jī)的選擇 ―――――――――――――――――― 21 4． 5 氣動元件的清單 ――――――――――――――――――――――――――――― 22 動作順序表 ――――――――――――――――――――――――――――――― 23 5 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計 ―――――――――――――――――――――――――――― 25 5． 1 電氣控制方案設(shè)計和元件的選擇 ――――――――――――――――――――― 25 5． 2 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計及 PLC 及 I/O 端口 分配圖的設(shè)計 ―――――――――――― 25 5． 3 PLC 梯形圖的設(shè)計 ―――――――――――――――――――――――――――― 25 5． 4 PLC 的控制程序 ―――――――――――――――――――――――――――――― 25 總結(jié) 致謝 參考文獻(xiàn) 3 3 1 緒論 1． 1 課題設(shè)計的論述 機(jī)械是現(xiàn)代社會進(jìn)行生產(chǎn)的主要要素之一，機(jī)械制造工業(yè)是現(xiàn)代工業(yè)化國家的基礎(chǔ)工業(yè)，是我國社會主義現(xiàn)代化的重要領(lǐng)域之一。 1． 1． 1 工業(yè)機(jī)械手的技術(shù)概述 ㈠ 工業(yè)機(jī)械手的工作原理和分類 ⒈ 原理 機(jī)械手是一種模仿人手動作，并按設(shè)定的程序、軌跡和要求代替人手抓搬運工件或操持工具或進(jìn)行操作的自動化裝置。在規(guī)格性能范圍內(nèi)，其動作程序是可變的，通過調(diào)整可在不同場合使用，驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)是獨立的。液壓系統(tǒng)的密封要求嚴(yán) 格，油溫對油的粘度影響較大。 機(jī)械式機(jī)械手 —— 由工作機(jī)械帶動機(jī)械手運動，工作可靠，動作頻率高，結(jié)構(gòu)簡單，成本低。目前使用的專用和通用的工業(yè)機(jī)械手均屬于此類。 ⒊ 工業(yè)機(jī)械手的自由度 所謂工業(yè)機(jī)械手的自由度就是整機(jī)、手臂和手腕相對于固定坐標(biāo)所具有的獨立運動。自由度數(shù)越多，它的動作越靈活，應(yīng)用越廣。 4． 工業(yè)機(jī)械手手臂的坐標(biāo)形式 按照工業(yè)機(jī)械手手臂所具有的運動及其組合情況，若以坐標(biāo)形式可分為下列四種： （ 1）直角坐標(biāo)式 手臂的運動是由三個直線運動組合而成。 ㈡ 工業(yè)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)組成 目前國內(nèi)工業(yè)機(jī)械手的種類和型式比較多。是機(jī)械手直接用于抓取和握緊工件進(jìn)行操作的部件，要求其抓取工件牢固、定位準(zhǔn)確、小損傷工件。常用的手指運動型式有回轉(zhuǎn)型和 平移型。它可以有上下擺動、左右擺動和繞自身軸線的回轉(zhuǎn)三個運動，如有特殊要求（將軸類零件放在頂尖上，將筒類、盤類零件卡在卡盤上等），手腕還可以有小距離的橫移。 工業(yè)機(jī)械手的手臂是支撐通常由驅(qū)動手臂運動的部件（如油、氣缸、齒輪齒條機(jī)構(gòu)、連桿機(jī)構(gòu)、螺旋機(jī)構(gòu)和凸輪機(jī)構(gòu)等）與驅(qū)動源（如液壓、氣壓或電機(jī)等）相配合，以實現(xiàn)手臂的各種運動。 ⒊ 控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)是支配著工業(yè)機(jī)械手按規(guī)定的要 求運動的系統(tǒng)。例如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機(jī)，減速機(jī)，檢測系統(tǒng)三位一體化；由關(guān)節(jié)模塊，連桿模塊用重組方式構(gòu)造機(jī)器人整機(jī)；國外已有模塊化裝配機(jī)器人產(chǎn)品問市。 6．當(dāng)代遙控機(jī)器人系統(tǒng)的發(fā)展特點不是追求全自治系統(tǒng)，而是致力于操作者與機(jī)器人的人機(jī)交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構(gòu)成完整的監(jiān)控遙控操作系統(tǒng)，使智能機(jī)器人走出實驗室進(jìn)入實用化階段。 我國的工業(yè)機(jī)器人從80 年代“七五”科技攻關(guān)開始起步，在國家的支持下，通過“七五”，“八五”科技攻關(guān)，目前已基本 掌握了機(jī)器人操作機(jī)的設(shè)計制造技術(shù)，控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計技術(shù)，運動學(xué)和軌道規(guī)劃技術(shù)，生產(chǎn)了部分機(jī)器人關(guān)鍵元器件，開發(fā)出噴漆，弧焊，點焊，裝配，搬運等機(jī)器人；其中有 130 多臺套噴漆機(jī)器人在二十余家企業(yè)的近 30 條自動噴漆生產(chǎn)線（站）上獲得規(guī)模應(yīng)用，弧焊機(jī)器人已應(yīng)用在汽車制造廠的焊裝線上。其中最為突出的是水下機(jī)器人， 6000 米水下無纜機(jī)器人的成果居世界領(lǐng)先水平，還開發(fā)出直接遙控機(jī)器人，雙臂協(xié)調(diào)控制機(jī)器人，爬壁機(jī)器人 ，管道機(jī)器人等機(jī)種；在機(jī)器人視覺，力覺，觸覺，聲覺等基礎(chǔ)技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用上開展了不少工作，有一定的發(fā)展基礎(chǔ)。 4．進(jìn)行主要的參數(shù)選擇，根據(jù)計算準(zhǔn)則求出零件的主要尺寸，選擇材料，考慮熱處理及結(jié)構(gòu)工藝性要求。 機(jī)械手的總體設(shè)計要進(jìn)行全面綜合考慮，盡可能使之做到結(jié)構(gòu)簡單，緊湊，容易操作安全可靠 ，安裝維修方便，經(jīng)濟(jì)性好。本工業(yè)機(jī)械手的控制定位方式是簡易型的點定位控制，因此，其控制系 統(tǒng)不是很復(fù)雜。所謂工業(yè)機(jī)械手的自由度就是整機(jī)手臂和手腕相對于固定坐標(biāo)所具有的獨立運動： 1 手臂的升降； 2 手臂的升縮； 3 手腕部回轉(zhuǎn)； 4．手臂回轉(zhuǎn)。其主要特點：介質(zhì)來源極方便，不污染環(huán)境，工作可靠，氣動動作迅速，結(jié)構(gòu)簡單，成本低，操作維修方便。它的特點是運動準(zhǔn)確可靠，動作頻率高，但結(jié)構(gòu)較大，動作程序不可變。此類機(jī)械手目前還不多，有發(fā)展前途。夾持式手部由手指（或手爪）和傳力機(jī)構(gòu)構(gòu)成。 （ 3）手臂：支撐手腕和手部的部件，以改變工件的位置。 2． 驅(qū)動系統(tǒng)：系統(tǒng)才用氣壓傳動方式。操控人員可遠(yuǎn)離機(jī)械手操作。爪部的張合弧度可通過改變楔塊的斜面角度和杠桿的長度和比例來調(diào)節(jié)。若Ｇ １ Ｇ ２ Ｇ ３ Ｇ ４ 和Ｘ１ Ｘ ２ Ｘ ３ Ｘ ４ 分別為工件 ，手部、手腕、手臂之重量和重心位置至手臂回轉(zhuǎn)軸的距離，則手臂，手腕等部件的總重量Ｇ為： 13 13 Ｇ＝Ｇ １ ＋Ｇ ２ ＋Ｇ ３ ＋Ｇ ４ ＋??＝ Σ Ｇ ｉ （ 3－ 24） 式中ｉ —— 表示工件、手部、手腕、手臂等零部件的順序號。從力的觀點分析必須使 Ｇ Ｆ １ ＋Ｆ ２ ＝２Ｆ １ ＝２Ｒ １ ｆ＝２ ρ Ｇｆ／ h 所以： h２ｆ ρ 式中：ｆ —— 摩擦系數(shù)。 根據(jù)公式： ? ＝Ｍ／Ｗ 。 3． 2． 10 轉(zhuǎn)臺型齒桿式回轉(zhuǎn)擺動氣缸的計算 根據(jù)公 式： ① ｍ 總２ ＝ｍ 工件 ＋ｍ 爪部 ＋ｍ 腕部回轉(zhuǎn)缸 ＋ｍ 伸縮缸 ＋ｍ 伸縮導(dǎo)向 ＋ｍ 配重 ＋ｍ 托板 （ 3－ 32） ｍ 總２ ＝ｍ 工件 ＋ｍ 爪部 ＋ｍ 腕部回轉(zhuǎn)缸 ＋ｍ 伸縮缸 ＋ｍ 伸縮導(dǎo)向 ＋ｍ 配重 ＋ｍ 托板 ＝ +++9++＝ kg ρ總２＝ (700 +622 2+442 68 )/＝ mm＝－ m ② J 總２ ＝ (ｍ /12)/(L2+ａ ２ ) （ 3－ 33） J 總２ ＝ (ｍ /12)/(L2+ａ ２ ) ＝ (11702+2020)/12 ＝ 106 kgmm2 ＝ J0＝ J 總２ +ｍ 總２ ρ總２ 2＝ + ()2＝ kgm2 ｍ 升降 ＝ ++++1＝ kg J 升降 ＝ (ｍ /12)/(12+ａ ２ )＝ (5842+602)/12 ＝ 10 106 kgmm2＝ kgm2 J 總 ＝ J 升降 +J0＝ +＝ Ｍ 慣 ＝ J 總 (△ ω /△ ｔ )＝ ( )/＝ Nm Ｍ 驅(qū) ＝ 慣 ＝ ＝ Nm Ｍ 手臂回轉(zhuǎn)缸 ＝ Nm Nm 可選用 SMC MSQ 系列轉(zhuǎn)臺型齒桿式回轉(zhuǎn)擺動氣缸 氣缸 MSQB200A。 對伸縮缸主控電磁換向閥的選擇 因伸縮缸要求壓力 Pa≤ ，流量 Qa=，查《機(jī)械設(shè)計手冊 5》表 可選得閥的通徑為 3/8。 結(jié) 合以上數(shù)據(jù)，參考資料 (SMC 公司的《 四 通先導(dǎo)式電磁閥 VF4000 系列 橡膠 密閉》 )，選得閥 如表 4－ 2： 表 4－ 2 元件的種類 執(zhí)行元件 電磁閥 數(shù)量 配合管道 (O/I) 速度控制器 夾緊缸 SY313D5GC8 1 個 φ 6mm AS202001 腕馬達(dá) VF42205GB03 1 個 3/8 AS400002 伸縮缸 VF42205GB03 1 個 3/8 AS400002 升降缸 VF42205GB03 1 個 3/8 AS400002 臂馬達(dá) VF42205GB03 1 個 3/8 AS400002 19 19 3)選擇減壓閥和其它氣動動助件 過濾器、減壓閥、油霧器集全起來統(tǒng)稱為氣源三大件。而總氣源管的氣管管徑： 因 Q=πD 2V/4= π d12V/4+ πd 22V/4則 D=( d12+ d22)1/2 =( 82+ 82)1/2= 取標(biāo)準(zhǔn)管徑： D=14mm ② 驗算壓力損失 預(yù)設(shè)供氣壓力為 ，壓力損失為 [△ P]100Kpa A、沿程損失 由于設(shè)計系統(tǒng)的管道很短，故此項損失很小，可在總壓力損失時計入系數(shù)。 5）中央控制閥的功能 中央控制閥 上面集成了電磁閥，風(fēng)缸速度調(diào)整和緩沖等重要功能。 20 20 圖 4－ 1 風(fēng)缸速度調(diào)整 圖 4－ 2 緩沖原理 21 21 4． 4 執(zhí)行元件用氣量的計算和空壓機(jī)的選擇 各執(zhí)行元件的壓縮空氣用氣量如上計算，將其和一些數(shù)據(jù)列入下表 003 夾緊缸的壓縮空氣用氣量 Qa = Q(p+p0)/p0 （ 4－ 6） Qa = Q(p+p0)/p0 =(10 6+10 6)/(10 6) = 同理可得 ： 伸縮缸 和馬達(dá)的壓縮空氣用氣量 ： Qb= cm3/s 升降缸的壓縮空氣用氣量 ： Qb= cm3/s 結(jié)果記入下表 43： 表 4－ 3 部件 缸或馬達(dá) 耗氣量 cm3/s 工作壓力 MPa 大氣壓 MPa 自由空氣量 cm3/s 工作時間 S 計算公式 指部 夾緊缸 3 Q’=Q(p+p0)/p0 腕部 葉片馬達(dá) 3 1 臂部 伸縮缸 2 升降缸 齒輪齒條馬達(dá) 3 2091． 242 2 氣缸的理論用氣量 查《機(jī)械設(shè)計手冊 5》 得 公式 ： Qz=[∑iaQt] （ 4－ 7） Qz── 一臺設(shè)備在一個周期內(nèi)的平均用氣量 cm3/s a── 氣缸每一往復(fù)的作用次數(shù)：單作用缸 a=1 雙作用缸 a=2 T── 系統(tǒng) 一次工作循環(huán)時間 (25S) Q── 某個執(zhí)行元件一個行程的用氣量 cm3/s t── 某個執(zhí)行元件一個行程的時間 S 由公式 4－ 6可知，氣缸理論用氣量為： Qz=[∑iaQt] =1+22+2+21+22091.2422 ） /25 =1056cm3/s 考慮系統(tǒng)泄漏，取泄漏量為用氣量的 15%，及其總系數(shù)為 ，則系統(tǒng)工作用氣量為： Qg= Q z= 1056 = cm3/s=10 3cm3/s 22 22 = m3/min 氣罐容積計算 公式： Vc= 105QT/(pp1) （ 4－ 8） Qz── 使用需要的空氣消耗量 T── 儲備氣最小工作時間 P── 貯氣罐的空氣壓力 P1── 用氣需要的工作壓力 由公式 4－ 7，得 Vc= 105QT/(pp1) = 105 (10 6 25)/( 106) ≈ m 3 選擇空壓機(jī) 根據(jù)《機(jī)械設(shè)計手冊 5》表 38。 5． 2 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計及 PLC 及 I/O 端口分配圖的設(shè)計 PLC 端口分配圖設(shè)計輸入部分包括手動控制、自動控制、停止、急停保護(hù)和手動單個動作操作以及行程開關(guān)輸入接點。 5． 3 PLC 梯形圖的設(shè)計 1）考慮到雙動電磁閥的兩側(cè)線圈不能同時帶電，故在梯形圖的設(shè)計中將輸出驅(qū)動 24 24 線圈回路加入互鎖功能，保證雙 動電磁閥兩側(cè)線圈不會同時通電。 4）自動循環(huán)的功能由時間繼電器接點和行程限位共同串聯(lián)啟動。所以，我衷