基于PLC控制的气动机械手系统设计.doc
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1、济南大学毕业设计1 前言1.1 课题背景在世界工业发达国家的机械制造行业中,工业机械手已经得到了广泛的应用,有关机械手的理论研究也趋于成熟。工业机械手的普遍特点是能够按照事先编制的作业程序完成规定的动作,目前国外发达国家工业机械手的发展趋势是大力研制具有某些智能的机械手,使其拥有一定的传感能力,能够根据外界环境的变化,迅速、及时、准确地做出相应变更。国内工业机械手的发展,在最近几年也已经取得了巨大进步,在工业生产过程中,机械手已经代替了部分人体劳动,减轻了劳动强度,改善了作业条件,并且能够实现自动化管理,提高了生产效率。但相比较于国外,国内的机械手发展水平差距依然明显,相关理论的研究相对滞后,
2、工业生产过程中,很多情况是借鉴或直接应用国外已有的发展成果,这样虽然能够暂时保证生产过程的自动化,但长期忽略相关课题的自主研究,依然会限制自身的长远发展,所以,有关机械手的制造、控制等方面的研究就显得十分必要。1.2 选题意义工业生产过程中,大宗工件的搬运工作既耗时又耗力,例如,在铸造或锻造生产过程中,对体积不大但数量庞大的铸锻件的搬运工作。为了能够提高工作效率,减轻人体的劳动,本课题所设计的机械手应能够在程序控制下,自动完成固定路径上的工件搬运动作。 (1)通过设计,把有关课程(机械原理、机械设计、液压与气动技术、控制工程基础、测试技术、可编程控制器原理等)中所获得的理论知识在实际中综合的加
3、以运用,使这些知识得到巩固和发展,并使理论知识和生产密切的结合起来。 (2)通过设计,培养独立的机械整机设计能力,树立正确的设计思想,掌握机电一体化机械产品设计的基本方法和步骤。 (3)通过设计,学会应用有关参考资料、计算图表、手册、图册和规范;熟悉有关国家标准,培养在机械整体设计方面所必须具备的基本技能。1.3 设计内容和要求 基于PLC控制的气动机械手系统设计应包括三部分:执行机构设计、气动驱动系统设计和PLC控制系统设计。其组成示意图如图1-1所示。图1-11.3.1 设计内容(1)拟定整体方案,特别是传感、控制方式与机械本体的有机结合的设计方案。(2)根据给定的自由度和技术参数设计或选
4、择合适的手部、臂部和机身的结构, 使机械手能够完成升降、伸缩、旋转和抓放工件的动作。(3)对机械手各个部件进行设计计算,确定基本数据。(4)设计并绘制机械手的工作装配图和零件图。(5)实现气动控制元件的选型,为机械手提供动力装置,设计并绘制气动原理 图。 (6)实现以PLC为核心的控制系统设计,完成PLC的选型、I/O点分配与程序 设计,编制梯形图,绘制控制电路。2 机械手规格参数和运动分析2.1 机械手规格数表2-1 机械手的设计规格参数参数名称参数单位参数大小抓重N100自由度数个3最大工作半径mm1000手臂最大中心高mm680伸缩行程mm800伸缩速度mms-1100升降行程mm150
5、升降速度mms-1100回转范围度90回转速度度/s30手指夹持范围mm65852.2 机械手的运动分析为了能够达到表2-1中机械手的工作要求,机械手的各组成机构应该包括:手部(抓取机构)、臂部(伸缩机构)、立柱或机身(升降机构和旋转机构)。各运动过程可以归纳为表2-2。表2-2 机械手运动过程初始位置初始步手臂上升工步一手臂伸出工步二抓紧工件工步三手臂缩回工步四顺时针旋转工步五手臂下降工步六手臂伸出工步七放松工件工步八手臂缩回工步九逆时针旋转工步十3 手部结构的设计和计算3.1 手部结构设计 手部是用来直接握持工件的部件,由于被握持的工件的形状、尺寸大小、重量、材料性能、表面状况的不同,所以
6、机械手的手部结构是多种多样的,按其握持原理可以分为夹持和吸附两大类。其中夹持类常见的主要有夹钳式,夹钳式手部由手指、传动机构和驱动装置三部分组成,具有较大的适应性,可以抓取轴、盘、套类工件。夹钳式手部设计的基本要求为: (1)应该具有适当的夹紧力和驱动力; (2)手指应该具有一定的开闭范围,以便于抓取和退出工件; (3)应保证工件在手指内的夹持精度,即保证工件在手指内部有准确的相对位置; (4)要求结构紧凑、重量轻、效率高。典型的手部结构包括回转型、移动型和平面平行移动型。本课题中可以选择回转型结构中的滑槽杠杆式结构,原理图如图3-1所示。图 3-1 手部工作原理3.2 手部的计算与分析3.2
7、.1夹紧力计算 手指对工件的夹紧力可按下式计算: 式中 -安全系数,通常取1.2-2.0,此取=2.0; -工作情况系数,主要考虑惯性力的影响。可近似按下式计算: 其中 a-运载时重力方向的最大上升加速度; g-重力加速度,; -运载工件时重力方向的最大上升速度,由表2-1知=0.1; -系统达到最高速度的时间,一般取0.03-0.5s,此处去=0.4s; -方位系数根据手指与工件形状以及手指与工件位置不同进行选定,此处 可取=0.5; -被抓取工件所受重力,由表2-1知=100()。 手指对工件的夹紧力 3.2.2 确定夹紧缸驱动力 对于如图3-1所示的手部结构,由工业机械手设计表2-1可以
8、查得驱动力公式为:由表2-1中手指夹持范围可以取:,;考虑手爪的机械效率,可取,3.2.3 确定气缸的内径D和活塞杆直径d 根据机械设计手册,活塞杆d可以根据气缸拉力预先估定,并且,选取活塞杆直径;由液压传动与气压传动表3.2取气缸工作压力:表3.2 气压负载常用的工作压力负载F/N 50000工作压力57取气缸工作压力为,由机械设计手册表24.2-4可以选择气缸内径为:D=50mm,则活塞杆直径为:3.2.4 缸筒壁厚的计算 由于一般气缸缸筒壁厚与内径之比,所以通常可以按薄壁筒公式计算:式中 -缸筒壁厚,(m) - 气缸内径,(m) - 气缸试验压力,一般取(Pa) -气缸工作压力 (Pa)
9、 -缸筒材料许用应力(Pa)本课题手爪夹紧气缸缸筒材料采用为:铝合金ZL3,=3MPa则壁厚为:由机械设计手册表24.2-7可以选择气缸筒壁厚为:3.2.5 夹紧缸行程计算夹紧缸的活塞杆位移量:为保证加紧效果,可取活塞杆行程L=40mm。3.2.6 活塞杆校核 活塞杆稳定性的校核:当活塞杆的长度较小时,可以只按强度条件校核计算活塞杆直径有: (3.12)其中,则:所以活塞杆满足实际设计要求。综合以上计算与分析,通过机械设计手册,可以选择夹紧缸为LG系列气缸。4 臂部和机身结构的设计和计算4.1 臂部结构设计手臂部件是机械手的主要握持部件。它的作用是支撑手部,并带动他们作空间运动。手臂的各种运动
10、通常用驱动机构(如气缸)和各种传动机构来实现,从臂部受力情况分析,它在工作中既承受手部和工件的静动载荷,而且自身运动又较多,故受力复杂。4.1.1 臂部设计的基本要求: (1)臂部应承载能力大、刚度好、自重轻,所以应该根据受力情况,合理选择截 面形状和轮廓尺寸,提高支撑刚度和合理选择支撑间的距离; (2)臂部运动速度要高,惯性要小; (3)手臂动作要灵活; (4)位置精度要高。4.1.2 臂部运动机构双导向杆手臂伸缩机构如图4-1所示,导向杆在导向套内移动,以防止手臂伸缩时转动;手臂的伸缩气缸安装在两根导向杆之间,由导向杆承受弯曲作用,活塞杆只受拉压作用,故受力简单,传动平稳。图4-1 手臂结
11、构4.1.3 臂部的设计计算伸缩气缸活塞的驱动力计算:式中 -摩擦阻力,运动件表面间的摩擦阻力; -密封装置处得摩擦阻力; -气动或者制动时,活塞杆所受的平均惯性力。、的计算如下:(1) 的计算双导向杆导向,导向杆截面形状为圆柱面,导向杆对称配置在伸缩杆的两侧,如图4-2所示,图4-2计算如下: 又 式中 -参与运动的零部件的总重力,此处取=300N L-手臂参与运动的零部件的总重量的重心到导向支承前段的距离,此处取 L=200mm a-导向支承的长度,取a=80mm -当量摩擦系数,由于导向支承的截面形状为圆形,则 -摩擦系数,对于钢与铸铁,取=,此处可取 (2) 的计算 由于O形密封圈密封
12、可靠,结构简单,摩擦阻力小,所以可以使用O形密封圈,则气缸密封处的总的摩擦力为: (3)的计算 式中 -参与运动的零部件所受的总重力(包括工件),此处取=300(N); g -重力加速度,取; -又静止加速到常速的变化量,=0.1; -起动过程时间,=0.4 综上可得: 得 4.1.4 臂部伸缩气缸的尺寸计算在有杆腔: 即: 式中 p-气缸工作压力,可取p=0.7(MPa); -气缸的机械效率,取; -气缸内径; -活塞杆直径,可以暂取。 由机械设计手册表24.2-4可以选择气缸内径为:D=32(mm), 由机械设计手册表24.2-4可以选择活塞杆直径为:d=14(mm)。4.1.5 缸筒壁厚
13、的计算 由于一般气缸缸筒壁厚与内径之比,所以通常可以按薄壁筒公式计算:式中 -缸筒壁厚,(m) - 气缸内径,(m) - 气缸试验压力,一般取(Pa) -气缸工作压力 (Pa) -缸筒材料许用应力(Pa)本课题手爪夹紧气缸缸筒材料采用为:铝合金ZL3,=3MPa则壁厚为:由机械设计手册表24.2-7可以选择气缸筒壁厚为:4.1.6 手臂伸缩气缸行程: 由表2-1知手臂的工作最大伸长量为800mm,为了保证活塞不与气缸壁发生碰撞,所以可以取行程L=900mm。4.1.7 手臂伸缩气缸校核当活塞杆的长度时,一般按压杆稳定性来计算活塞杆直径。活塞杆稳定性条件是: -气缸承受的轴向负载,即气缸的理论输
14、出推力气缸的压杆稳定极限力-气缸的压杆稳定性安全系数,一般取气缸的压杆稳定极限力与缸的安装形式、活塞杆直径及行程有关。当长细比时, 当长细比时, 活塞杆计算长度 活塞杆横截面回转半径 实心杆 活塞杆断面惯性矩 实心杆 空心活塞杆内孔直径活塞杆截面积 实心杆 系数,材料弹性模量,对钢取材料强度实验值,对钢取系数,对钢取查阅机械手册气缸设计由表得安装方式为固定-自由式 取 实心杆 所以该活塞杆满足稳定性条件。综合以上计算和分析,通过机械设计手册,可以选择水平伸缩缸为QM系列缸。4.2 机身结构设计4.2.1 升降运动机构 臂部的升降运动由固定于底座上的气缸直接完成。为了防止手臂升降过程中的倾覆作用
15、和手臂绕竖直方向的转的,在气缸两侧安装导向杆导向装置,结构如图4-3所示。图4-34.2.2 升降气缸的驱动力计算 考虑手臂在上升过程中,气缸所需要提供的驱动力大于手臂在下降过程中所需要提供的驱动力,所以:式中 -摩擦阻力,运动件表面间的摩擦阻力; -密封装置处得摩擦阻力; -气动或者制动时,活塞杆所受的平均惯性力; -零部件和工件所受的总重力。、的计算与臂部伸缩气缸的计算方法相同,即: 式中 -参与运动的零部件所受的总重力,因为加入了竖直方向的导向杆,所以可 取=320N; g-重力加速度, -由静止加速到常速的变化量,=0.1m/s -起动过程时间,取=0.4s = 的计算:如图4-4所示
16、:图4-4升降导向立柱不自锁条件: 考虑自锁的临界状态: 式中 取 =3200.16=51.2(N)综上可得: 可求的: 4.2.3 升降运动气缸结构尺寸计算式中 D-气缸内径; p-气缸工作压力,取p=0.7Mpa; -气缸的机械效率,取=0.95. 由机械设计手册表24.2-4可以选择气缸内径为:D=40mm,活塞杆直径,可以取d=18mm。4.2.4 缸筒壁厚和外径的设计缸筒直接承受压缩空气压力,必须有一定厚度。一般气缸缸筒壁厚与内径之比小于或等于1/10,其壁厚可按薄壁筒公式计算:气缸缸筒材料为:铝合金ZL3,=3MPa代入己知数据,则壁厚为: 4.2.5 升降气缸活塞杆行程长确定按设
17、计要求,腰部上下运行距离为150mm。为防止活塞与缸壁碰撞,活塞行程留有一定的余量,故行程查有关手册圆整为4.2.6升降气缸活塞杆稳定性校核当活塞杆的长度时,一般按压杆稳定性来计算活塞杆直径。活塞杆稳定性条件公式:当长细比时, 实心杆 实心杆系数材料强度实验值,对钢取系数,对钢取实心杆 得 所以该活塞杆满足稳定性条件。综合以上计算分析,通过机械设计手册,升降气缸可以选择为LG系列气缸。5 驱动气缸和基座的设计和计算5.1 旋转机构设计 如图5-1所示,旋转机构由气缸直接驱动齿条,通过齿轮齿条传动带动支撑架,从而带动手臂转动。根据承受载荷及力方向,该支撑轴承选用推力球轴承和深沟球轴承配合使用。5
18、.1.1轴承的选取(1)由于要承受轴向载荷,故可以选择推力球轴承,以限制轴向位移。根据机械设计课程设计手册滚动轴承中选择型号为51209(GB/T301-1995),参数如表5.1所示。表5.1 推力球轴承型号轴承代号 基本额定 极限转速 动载荷 /KN静载荷 /KN 脂润滑油润滑5120947.810522003400(2) 选择深沟球轴承6003(GB/T276-1994),作为辅助轴承,如表5.2。表5-2 深沟球轴承型号轴承代号 基本额定 极限转速 动载荷 /KN静载荷 /KN 脂润滑油润滑60036.003.2517000220005.1.2齿轮轴的设计齿轮轴与上下移动的气缸的基座螺
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