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1、课程设计说明书 论文题目：气压传动两维运动机械手 学生姓名： 学生学号： 专业班级：机械工程及自动化07级7班 指导教师： 中国矿业大学机电工程学院目录1 引言12 设计任务12.1设计任务介绍及意义12.2设计任务明细13 总体方案设计33.1 方案一33.2 方案二43.3 方案的比较及最终方案的确定44 机械传动系统设计54.1手指气缸的设计64.2纵向气缸的设计114.3横向气缸的设计125电气控制系统设计135.1控制系统的基本组成135.2气动回路的设计135.3 主要元件选择设计155.4 PLC程序控制系统设计175.4.1 控制要求175.4.2 I/O分配表及I/O接线图1
2、75.4.3 流程图195.4.4 PLC程序206设计小结287参考文献28气缸传动控制1 引言近20年来，气动技术的应用领域迅速拓宽，尤其是在各种自动化生产线上得到广泛应用。电气可编程控制技术与气动技术相结合，使整个系统自动化程度更高，控制方式更灵活，性能更加可靠；气动机械手、柔性自动生产线的迅速发展，对气动技术提出了更多更高的要求；微电子技术的引入，促进了电气比例伺服技术的发展，现代控制理论的发展，使气动技术从开关控制进入闭环比例伺服控制，控制精度不断提高；由于气动脉宽调制技术具有结构简单、抗污染能力强和成本低廉等特点，国内外都在大力开发研究。气动机械手作为机械手的一种，它具有结构简单、
3、重量轻、动作迅速、平稳、可靠、节能和不污染环境等优点而被广泛应用。本文设计了一种气压传动两维运动机械手，用于生产流水线上物料的搬运。2 设计任务2.1设计任务介绍及意义通过课程设计培养学生综合运用所学知识的能力，提高分析和解决问题能的一个重要环节，专业课程设计是建立在专业基础课和专业方向课的基础的，是学生根据所学课程进行的工程基本训练，课程设计的意义在于：1培养学生综合运用所学的基础理论和专业知识，独立进行机电控制系统（产品）的初步设计工作，并结合设计或试验研究课题进一步巩固和扩大知 识领域。2培养学生搜集、阅读和综合分析参考资料，运用各种标准和工具书籍以及编写技术文件的能力，提高计算、绘图等
4、基本技能。3培养学生掌握机电产品设计的一般程序方法，进行工程师基本素质的训练。4树立正确的设计思想及严肃认真的工作作风。2.2设计任务明细1. 基本要求：（1）方案设计：根据课程设计任务的要求，在搜集、归纳、分析资料的基础上，明确系统的主要功能，确定实现系统主要功能的原理方案，并对各种方案进行分析和评价，进行方案选优。（2）总体设计：针对具体的原理方案，通过对动力和总体参数的选择和计算，进行总体设计，最后给出机械系统的控制原理图或主要部件图（A2一张）。（3）根据控制功能要求，完成电气控制设计，给处电气控制电路原理图（A3图一张）。（4）课程设计的成果最后集中表现在课程设计说明书和所绘制的设计
5、图纸上，每个学生应独立完成课程设计说明书一份，字数为5000字以上，设计图纸不少于两张。(5）用计算机绘图或手工绘图，打印说明书。(6）设计选题分组进行，每位同学采用不同方案（或参数）独立完成；2该机械手的功能：将圆柱形物料从位置1自动搬运到位置2，位置1和位置2相距400mm，放下物料后返回原始位置，继续搬运下一个物料，然后一直循环下去，直到搬完或接到停止命令。（如图 1 所示）图 1 搬运任务3任务要求：执行元件：气动气缸；运动方式：直角坐标；控制方式：PLC控制；控制要求：速度控制；4主要设计参数参数：气缸工作行程400 mm；运动负载质量50 kg；移动速度控制0.2 m/s。3 总体
6、方案设计3.1 方案一图 2 方案一示意图1- 夹紧气缸； 2-纵向气缸 ；3-横向气缸； 4-常开手部 5-固定支架导轨（2个）；6-弹簧3.2 方案二图3 方案二示意图1- 升降气缸 2-水平移动气缸 3-夹紧气缸 4-常开手部 5-弹簧3.3 方案的比较及最终方案的确定由以上两个方案可以看出：方案一为悬挂式，根据场地情况制作一个固定支架，机械手的所有重量都由固定支架来支撑。支架上方是一个导轨，气缸3通过固定设备固定在导轨上，气缸2通过与导轨相连，可以在水平方向移动。气缸1采用的是靠弹簧恢复的单作用气缸，它与手爪构成了一套常闭式夹紧装置；方案二为地面固定式，气缸3固定在地面上的固定台上，其
7、它气缸重量由气缸3支撑，气缸1与方案一相同。通过方案比较可知，在负载相同的情况下，方案二中气缸3的尺寸将远远小于方案一，浪费原材料，不经济，而且横向气缸活塞杆会承受很大的弯矩，影响装置的使用寿命，但方案一的占地面积大些。综合考虑后，我认为方案一较方案二更好些，故我选择方案一。4 机械传动系统设计本方案的机械设计中重在气缸的设计，气缸1的作用是物品的抓紧和释放，气缸2的作用是实现物料纵向的提升与下降，气缸3的作用是实现物料的横向移动。对气缸结构的要求一是重量尽量轻，以达到动作灵活、运动速度高、节约材料和动力，同时减少运动的冲击，二是要有足够的刚度以保证运动精度和定位精度气缸的设计流程图如图5所示
8、图4 气缸设计流程图气缸按结构特征分类如图 5单活塞杆气缸是各类气缸中应用最广的一种气缸。由于它只在活塞的一端有活塞杆，活塞两侧承受气压作用 的面积不等，因而活塞杆伸出时的推力大于退回时的拉力。双活塞杆气缸活塞两侧都有活塞杆，两侧受气压作用的面积相等， 活塞杆伸出时的推力和退回时的拉力相等。单作用气缸是由一侧气口供给气压驱动活塞运动，依靠弹簧力、外力或自重等作用返回；而双作用气缸是由两侧供气口交替供给气压使活塞作往复运动。结合课程设计的方案，夹紧气缸1选择单作用气缸，依靠弹簧力恢复；纵向气缸2选择单作用气缸，靠重力恢复；横向气缸3选择双作用气缸图5 气缸结构分类4.1手指气缸的设计图6 手指气
9、缸结构图（1） 夹紧力的计算 手指加在工件上的夹紧力，是设计手部的主要依据。必须对其大小、方向和作用点进行分析、计算。一般来说，夹紧力必须克服工件重力所产生的静载荷以及工件运动状态变化所产生的载荷(惯性力或惯性力矩)，以使工件保持可靠的夹紧状态。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； 工作情况系数，主要考虑惯性力的影响，可用下式估算其中 a运载工件时重力方向的最大升加速度 g重力加速度 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。 f摩擦系数 G选取工件所受的重力（N）设为1.5， 将已知条件代入得：（2） 气缸的内径根据手指的几何关系得：由设计
10、任务可以知道，要驱动的负载大小位100Kg，考虑到气缸未加载时实际所能输出的力，受气缸活塞和缸筒之间的摩擦、活塞杆与前气缸之间的摩擦力的影响。在研究气缸性能和确定气缸缸径时，常用到负载率：由液压与气压传动技术表11-1：取=0.45根据气缸的结构得：估算时取d=0.3D,=40N, P=0.5。代入上式得：按照GB/T2348-1993标准进行圆整，取D=80 mm（3） 活塞杆直径由d=0.3D 估取活塞杆直径 d=25 mm(4) 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=(0.200.25)D= 0.2080=16mm由于气缸的行程L=200mm ,所
11、以S=L+B+20=236 mm（5） 气缸筒的壁厚的确定:由液压气动技术速查手册知：一般气缸缸筒与内径之比，其壁厚通常按薄壁筒公式计算：通常计算出的壁厚往往很薄，考虑机械加工工艺性，往往将缸筒壁厚适当加厚，且尽量选用标准内径和壁厚的钢管与铝合金管。下图所列缸筒壁厚可供参考。假设所选材料为无缝钢管，则由表知(6)气缸耗气量的计算：气缸的耗气量是指气缸往复运动时所消耗的压缩空气量。耗气量大小与气缸的性能无关， 但它是选择空压机排气量的重要依据。 (7)气缸的进、排气口计算通常气缸的进、排气口的直径大小与气缸速度有关，根据ISO-15552、ISO-7180。气缸的进、排气口的直径见下表（ISO标
12、准规定）气缸直径3240506380气口尺寸汽缸直径100125150200250气口尺寸汽缸直径320气口尺寸查此表可知，气缸的进、排气口的规格为4.2纵向气缸的设计由设计方案可以知道，纵向气缸1不仅要承受负载50kg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=539N。进一步求的理论负载（1） 气缸的内径由公式得：查表后得：D=63mm。（2） 活塞杆直径由d=0.3D 估取活塞杆直径 d=18.9 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=(0.200.25)D
13、= 0.2063=13mm由于气缸的行程L=400mm ,所以S=L+B+20=433 mm（4） 气缸筒的壁厚的确定选用无缝钢管为材料，查表得：(5)气缸耗气量的计算(6)气缸的进、排气口计算查表可知，气缸的进、排气口的规格为4.3横向气缸的设计（1） 气缸的内径根据机械手结构关系得：取：，得：(近似)根据气缸的结构得：估算时取d=0.3D,P=0.5。代入上式得：按照GB/T2348-1993标准进行圆整，取D=50 mm（2） 活塞杆直径由d=0.3D 估取活塞杆直径 d=15 mm查表得：d=16mm（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=
14、(0.200.25)D= 0.200=10mm由于气缸的行程L=400mm ,所以S=L+B+20=430 mm（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（5） 气缸耗气量的计算： （6） 气缸的进、排气口计算查表可知，气缸的进、排气口的规格为5电气控制系统设计5.1控制系统的基本组成一个完整的控制系统应该包括被控对象、执行机构、检测装置、模数(A/D)转换器和数模(D/A)转换器、数字计算机系统(包括硬件和软件)。图6所示是其基本框图。在本系统中各个部分的组成如下: 图7 控制系统的组成（1） 被控参数由设计任务可知，此系统中的控制参数为速度，即气缸活塞的运动速度（2）执行机构系统中的执行机构是气动控制回路中的气缸，通过调节节流阀来控制进入和排除气缸的流量，来控制活塞的运动
