【正文】 章氣動系統(tǒng)設(shè)計 61 氣壓傳動系統(tǒng)工作原理圖 圖 6 1 所示為該機械手的氣壓傳動系統(tǒng)工作原理圖它的氣源是由空氣壓縮機 排氣壓力大于 04～ 06M Pa 通過快換接頭進入儲氣罐經(jīng)分水過濾器調(diào)壓閥油霧器進入各并聯(lián)氣路上的電磁閥以控制氣缸和手部動作 圖 61 機械手氣壓傳動系統(tǒng)工作原理圖 Fig61 Principium Diagram Of Air Pressure System of Manipulator 各執(zhí)行機構(gòu)的調(diào)速凡是能采用排氣口節(jié)流方式的都在電磁閥的排氣口安 裝節(jié)流阻尼螺釘進行調(diào)速這種方法的特點是結(jié)構(gòu)簡單效果尚好如手臂伸縮 氣缸在接近氣缸處安裝兩個快速排氣閥可加快起動速度也可調(diào)節(jié)全程上的速 度升降氣缸采用進氣節(jié)流的單向節(jié)流閥以調(diào)節(jié)手臂的上升速度 由于手臂靠自 重下降其速度調(diào)節(jié)仍采用在電磁閥排氣口安裝節(jié)流阻尼螺釘來完成氣液傳送 器氣缸側(cè)的排氣節(jié)流可用來調(diào)整回轉(zhuǎn)液壓緩沖器的背壓大小 為簡化氣路減少電磁閥的數(shù)量各工作氣缸的緩沖均采用液壓緩沖器這 樣可以省去電磁閥和切換節(jié)流閥或行程節(jié)流閥的氣路阻尼元件 電磁閥的通徑是根據(jù)各工作氣缸的尺寸行程速度計算出所需壓縮空氣 流量與所選用電磁閥在壓力狀態(tài)下的公稱使用流量相適應(yīng)來確定的 第七章機械手的 PLC 控制設(shè)計 考慮到機械手的通用性同時使用點位控制因此我們采用可編程序控制器 PLC 對機械手進行控制當機械手的動作流 程改變時只需改變 PLC 程序即 可實現(xiàn)非常方便快捷 71 可編程序控制器的選擇及工作過程 711 可編程序控制器的選擇 目前 國際上生產(chǎn)可編程序控制器的廠家很多如日本三菱公司的 F 系列 PC德國西門子公司的 SIMATIC N5 系列 PC 日本 OMRON 立石 公司的 C 型 P 型 PC 等考慮到本機械手的輸入輸出點不多工作流程較簡單同時考慮到制造 成本因此在本次設(shè)計中選擇了 OMRON 公司的 C28P 型可編程序控制器 712 可編程序控制器的工作過程 可編程序控制器是通過執(zhí)行用戶程序來完成各種不同控制任務(wù)的為此采用 了循環(huán)掃描的 工作方式具體的工作過程可分為 4 個階段 第一階段是初始化處理 可編程序控制器的輸入端子不是直接與主機相連 CPU 對輸入輸出狀態(tài)的詢 問是針對輸入輸出狀態(tài)暫存器而言的輸入輸出狀態(tài)暫存器也稱為 I0 狀態(tài)表 該表是一個專門存放輸入輸出狀態(tài)信息的存儲區(qū)其中存放輸入狀態(tài)信息的存儲 器叫輸入狀態(tài)暫存器存放輸出狀態(tài)信息的存儲器叫輸出狀態(tài)暫存器開機時 CPU 首先使 I0 狀態(tài)表清零然后進行自診斷當確認其硬件工作正常后進入 下一階段 第二階段是處理輸入信號階段 在處理輸入信號階段 CPU 對輸入狀態(tài)進行掃描將獲得的各個輸入端子的 狀態(tài)信息 送到 I0 狀態(tài)表中存放在同一掃描周期內(nèi)各個輸入點的狀態(tài)在 I0 狀態(tài)表中一直保持不變不會受到各個輸入端子信號變化的影響因此不能造成 運算結(jié)果混亂保證了本周期內(nèi)用戶程序的正確執(zhí)行 第三階段是程序處理階段 當輸入狀態(tài)信息全部進入 I0 狀態(tài)表后 CPU 工作進入到第三個階段在這 個階段中可編程序控制器對用戶程序進行依次掃描并根據(jù)各 I0 狀態(tài)和有關(guān) 指令進行運算和處理最后將結(jié)果寫入 I0 狀態(tài)表的輸出狀態(tài)暫存器中 第四階段是輸出處理階段 CPU 對用戶程序已掃描處理完畢并將運算結(jié)果寫入到 I0 狀態(tài)表狀態(tài)暫存器中此時將輸入信號從輸出狀態(tài) 暫存器中取出送到輸出鎖存電路驅(qū)動輸出繼電器線圈控制被控設(shè)備進行各種相應(yīng)的動作然后 CPU 又返回執(zhí)行下一個循環(huán)的掃描周期 72 可編程序控制器的使用步驟 在可編程序控制器與被控對象 機器設(shè)備或生產(chǎn)過程 構(gòu)成一個自動控制系 統(tǒng)時通常以七個步驟進行 1 系統(tǒng)設(shè)計 即確定被控對象的動作及動作順序 2 I0 分配 即確定哪些信號是送到可編程序控制器的并分配給相應(yīng)的輸入端號哪些信號是由可編程序控制器送到被控對象的并分配相應(yīng)的輸出端號此外對用到的可編程序控制器內(nèi)部的計數(shù)器定時器等也要進行分配可編程序控制器是通過編 號來識別信號的 3 畫梯形圖 它與繼電器控制邏輯的梯形圖概念相同表達了系統(tǒng)中全部動作的相互關(guān)系如果使用圖形編程器 LCD 或 CRT 則畫出梯形圖相當于編制出了程序可將梯形圖直接送入可編程序控制器對簡易編程器則往往要經(jīng)過下一步的助記符程序轉(zhuǎn)換過程 4 助記符機器程序 相當于微機的助記符程序是面向機器的 即不同廠家的可編程序控制器助記符指令形式不同 用簡易編程器時應(yīng)將梯形圖轉(zhuǎn)化成助記符程序才能將其輸入到可編程序控制器中 5 編制程序 即檢查程序中每條語法錯誤若有則修改這項工作在編程器上進行 6 調(diào)試程序 即檢查程序是否能正確完成邏輯要求不合要求可以在編程器上修改程序設(shè)計 包括畫梯形圖助記符程序編輯甚至調(diào)試 也可在別的工具上進行如 IBMPC 機只要這個機器配有相應(yīng)的軟件 7 保存程序 調(diào)試通過的程序可以固化在 EPROM 中或保存在磁盤上備用 73 機械手可編程序控制器控制方案 1 系統(tǒng)簡介 控制對象為圓柱座標氣動機械手它的手臂具有三個自由度即水平方向的伸縮豎直方向的上下繞豎直軸的順時針方向旋轉(zhuǎn)及逆時針方向旋轉(zhuǎn)另外其末端執(zhí)行裝置機械手還可完成抓放功能 以上動作均采用氣動方式驅(qū)動即用五個二位五通電磁 閥 每個閥有兩個線圈對應(yīng)兩個相反動作 分別控制五個氣缸使機械手完成伸縮上下旋轉(zhuǎn)及機械手抓放動作其中旋轉(zhuǎn)運動用一組齒輪齒條使氣缸的直線運動轉(zhuǎn)化 為旋轉(zhuǎn)運動 這樣 可用 PLC 的 8 個輸出端與電磁閥的 8 個線圈相連通過編程使電磁閥各線圈按一定序列激勵從而使機械手按預(yù)先安排的動作序列工作如果欲改變機械手的動作不需改變接線只需將程序中動作代碼及順序稍加修改即可 另外 除抓放外其余六個動作末端均放置一限位開關(guān)以檢測動作是否到位如果某動作沒有到位則出錯指示燈亮 2 工業(yè)機械手的工作流程 此機械手用于沖床的上下料 當按下機械手啟 動按鈕之后機械手有如下動作 先右轉(zhuǎn)至右限位開關(guān)動作 1DT 通電 →下降至下限位開關(guān) 5DT 通電 → 手腕逆時針轉(zhuǎn)動 90176。 s G 工件的重量 N 工件的重心到轉(zhuǎn)動軸線的偏心距 cm 手腕轉(zhuǎn)動時的角速度 弧度 s 起動過程所需的時間 S 起動過程所轉(zhuǎn)過的角度 弧度 2 手腕轉(zhuǎn)動件和工件的偏重對轉(zhuǎn)動軸線所產(chǎn)生的偏重力矩 M M 式中 G 手腕轉(zhuǎn)動件的重量 N e 手腕轉(zhuǎn)動件的重心到轉(zhuǎn)動 軸線的偏心距 cm 當工件的重心與手腕轉(zhuǎn)動軸線重合時則 0 3 手腕轉(zhuǎn)動軸在軸頸處的摩擦阻力矩 M M 式中 dd 手腕轉(zhuǎn)動軸的軸頸直徑 cm f 軸承摩擦系數(shù)對于滾動軸承 f 001 對于滑動軸承 f 01 RR 軸頸處的支承反力 N 可按手腕轉(zhuǎn)動軸的受力分析求解根據(jù)得 RlGl Gl Gl 同理根據(jù)得 R 式中 G 手部的重量 N 11ll 如圖 41 所示的長度尺寸 cm 4 回轉(zhuǎn)缸的動片與缸徑定片端蓋等處密封裝置的摩 擦阻力矩 M 與選用 的密襯裝置的類型有關(guān)應(yīng)根據(jù)具體情況加以分析 422 回轉(zhuǎn)氣缸的驅(qū)動力矩計算 在機械手的手腕回轉(zhuǎn)運動中所采用的回轉(zhuǎn)缸是單葉片回轉(zhuǎn)氣缸它的二理如圖 42所示定片 1與缸體 2固連動片 3與回轉(zhuǎn)軸 5固連動片封圈 4把氣腔分隔成兩個當壓縮氣體從孔 a進入時推動輸出軸作逆時 4回轉(zhuǎn)則低壓腔的氣從 b孔排出反之輸出軸作順時針方向回轉(zhuǎn)單葉 J 氣缸的壓力 p 和驅(qū)動力矩 M 的關(guān)系為 49 或 圖 42 回轉(zhuǎn)氣缸簡圖 Fig42 Sketch of Rotating Gas Vat 式中 M 回轉(zhuǎn)氣缸的驅(qū)動力矩 N178。 cm M 手 腕轉(zhuǎn)動軸與支承孔處的摩擦阻力矩 Kg178。 回轉(zhuǎn)速度 90176。 s 機械手動作時有啟動停止過程的加減速度存在用速度一行程曲線來說明速度特性較為全面因為平均速度與行程有關(guān)故用平均速度表示速度的快慢更為 符合速度特性 除了運動速度以外手臂設(shè)計的基本參數(shù)還有伸縮行程和工作半徑大部分機械手設(shè)計成相當于人工坐著或站著且略有走動操作的空間過大的伸縮行程和工作半徑必然帶來偏重力矩增大而剛性降低在這種情況下宜采用自動傳送裝置為好根據(jù)統(tǒng)計和比較該機械手手臂的伸縮行程定為 600mm 最大工作半徑約為1500mm手臂安裝前后可調(diào) 200mm手臂回轉(zhuǎn)行程范圍定為 2400 應(yīng)大于 180否則需安裝多只手臂 又由于該機械手設(shè)計成手臂安裝范圍可調(diào)從而擴大了它的使用范圍手臂升降行程定為 150mm 定位精度也是基本參數(shù)之一該機械手的定位精度為 土 05～177。 b 120mm R 24mm 摩擦系數(shù)為 f 010 圖 32 齒輪齒條式手部 Fig32 Gear Wheel Hand 根據(jù)手部結(jié)構(gòu)的傳動示意圖其驅(qū)動力為 根據(jù)手指夾持工件的方位可得握力計算公式 所以 490N 實際驅(qū)動力 因為傳力機構(gòu)為齒輪齒條傳動故取 094 并取 15 若被抓取工件的最大加速度取 a g 時則 所以 所以夾持工件時所需夾緊氣缸的驅(qū)動力為 1563N 2 氣缸的直徑 本氣缸屬于單向作用氣缸根據(jù)力平衡原理單向作用氣缸活塞桿上的輸出推力必須克服彈簧的反作用力和活塞桿工作時 的總阻力其公式為 式中 活塞桿上的推力 N 彈簧反作用力 N 氣缸工作時的總阻力 N P 氣缸工作 壓力 Pa 彈簧反作用按下式計算 式中 彈簧剛度 Nm L 彈簧預(yù)壓縮量 m S 活塞行程 m d 彈簧鋼絲直徑 m D 彈簧平均直徑 m D 彈 簧外徑 m n 彈 簧 有效 圈數(shù) G 彈簧 材料剪切模量一般取 G 794X 1 護 Pa 在設(shè)計中必須考慮負載率幾的影響則 由以上分析得單向作用氣缸的直徑 代入有關(guān)數(shù)據(jù)可得 所以 查有關(guān)手冊圓整得 D 65 mm 由 dD O2～ 03 可得活塞桿直徑 d 02～ 03 D 13～ 195 mm 圓整后取活塞桿直徑 d 18 mm 校核按公式 有 其中 120MPa F 750N 則 d 4490120 228 18 滿足設(shè)計要求 3 缸筒壁厚的設(shè)計 缸筒直接承受壓縮空氣壓力必須有一定厚度一般氣缸缸筒壁厚與內(nèi)徑之比小于或等于 110 其壁厚可按薄壁筒公式計算 式中 6 缸筒壁厚 mm D 氣缸內(nèi) 徑 咖 P 實驗壓力取 P 15PPa 材料為 ZL3[] 3MPa 代入己知數(shù)據(jù)則壁厚為 65 mm 取 75 mm 則缸筒外徑為 D 65752 80 mm 32 氣流負壓式吸盤 氣流負壓式吸盤是利用吸盤 即用橡膠或軟性塑料制