礦用多工位氣動機械手設(shè)計
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大大連大大學(xué)學(xué)2018屆屆學(xué)學(xué)生生畢業(yè)論文文(設(shè)計)中中期期檢查表表題目礦用多工位氣動機械手設(shè)計指導(dǎo)教師王艷穎職稱副教授學(xué)生姓名任書文閱讀文獻數(shù)17初稿完成時間2018-05-01工 作 量較少 適中較多 出勤情況較好 一般較差 工作進度快 按進度進行慢 任 務(wù) 書有開題報告有中期工作結(jié)論中調(diào)整情況無教研室主任意見同意教研室主任(簽名):王建維日期:2018-04-14學(xué)院意見同意教學(xué)院長(簽名):吳蒙華日期:2018-04-18 大 連 大 學(xué) 本科畢業(yè)論文 (設(shè)計 )開題報告 論 文 題 目: 礦用多工位氣動機械手設(shè)計 學(xué) 院: 機械工程學(xué)院 專 業(yè) 、班 級: 機械設(shè)計制造及其自動化 機英 144 學(xué) 生 姓 名: 任書文 指導(dǎo)教師(職稱): 王艷穎(副教授) 2017 年 12 月 31 日填 畢業(yè)論文(設(shè)計)開題報告要求 開題報告既是規(guī)范本科生畢業(yè)論文工作的重要環(huán)節(jié),又是完成高質(zhì)量畢業(yè)論文 (設(shè)計)的有效保證。為了使這項工作規(guī)范化和制度化,特制定本要求。 一、選題依據(jù) 1.論文(設(shè)計)題目及研究領(lǐng)域; 2.論文(設(shè)計)工作的理論意義和應(yīng)用價值; 3.目前研究的概況和發(fā)展趨勢。 二、論文(設(shè)計)研究的內(nèi)容 1.重點解決的問題; 2.擬開展研究的幾個主要方面(論文寫作大綱或設(shè)計思路); 3.本論文(設(shè)計)預(yù)期取得的成果。 三、論文(設(shè)計)工作安排 1.擬采用的主要研究方法(技術(shù)路線或設(shè)計參數(shù)); 2.論文(設(shè)計)進度計劃。 四、 文獻查閱及文獻綜述 學(xué)生應(yīng)根據(jù)所在學(xué)院及指導(dǎo)教師的要求閱讀一定量的文獻資料,并在此基礎(chǔ)上通 過分析、研究、綜合,形成文獻綜述。必要時應(yīng)在調(diào)研、實驗或?qū)嵙?xí)的基礎(chǔ)上遞交相 關(guān)的報告。綜述或報告作為開題報告的一部分附在后面,要求思路清晰,文理通順, 較全面地反映出本課題的研究背景或前期工作基礎(chǔ)。 五、其他要求 1.開題報告應(yīng)在畢業(yè)論文(設(shè)計)工作開始后的前四周內(nèi)完成; 2.開題報告必須經(jīng)學(xué)院教學(xué)指導(dǎo)委員會審查通過; 3.開題報告不合格或沒有做開題報告的學(xué)生,須重做或補做合格后,方能繼續(xù)論 文(設(shè)計)工作,否則不允許參加答 辯; 4.開題報告通過后,原則上不允許更換論文題目或指導(dǎo)教師; 5.開題報告的內(nèi)容,要求打印并裝訂成冊(部分專業(yè)可根據(jù)需要手寫在統(tǒng)一紙張 上,但封面需按統(tǒng)一格式打?。?。 一、選題依據(jù) 1研究領(lǐng)域 礦 機械設(shè)計、機電控制、氣壓傳動 2論文(設(shè)計)工作的理論意義和應(yīng)用價值 本設(shè)計 是對現(xiàn)有的運輸、夾持電動機械手優(yōu)化。 著重于研究適用于礦井內(nèi)使用的 多工位的氣動機械手。在遠程使用機電裝置控制氣路,使氣成為 主要動力用以驅(qū)動機 械手運動 ,具有替代人工,安全,高效,清潔 的特點。 在設(shè)計過程中,將主要給出機 械手的主要結(jié)構(gòu),控制等一系列的設(shè)計,并進行模擬仿真,以驗證設(shè)計的可行性。 隨著社會與科技的進步,工業(yè)生產(chǎn)自動化設(shè)備越來越廣泛應(yīng)用,其中機械手的誕 生就是基于生產(chǎn)技術(shù)不斷提高,是現(xiàn)代生產(chǎn)與科技應(yīng)用相結(jié)合形成的一個重要技術(shù)。 工業(yè)機械手的應(yīng)用減輕了勞動強度、可提高產(chǎn)品加工精度、減少危險性生 產(chǎn)由人工操 作環(huán)節(jié),尤其是在一些危險性大的行業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用較為實用 。在機械行業(yè)中 (鑄、鍛、 焊接、熱處理、電鍍、噴漆、裝配等 )應(yīng)用也十分廣泛,如在柔性生產(chǎn)線中用氣動機 械手來搬運上下料材 。 機械零件的裝配生 產(chǎn)線中, 也 利用機械手抓零件與另一零件裝 配在一起。以上種種應(yīng)用極大的減輕了勞動強度、促進安全生產(chǎn)、提高產(chǎn)品質(zhì)量,適 合現(xiàn)代化的生產(chǎn)趨勢,具有較強的生命力。 針對礦用設(shè)計氣動機械手 , 主要是考慮到礦井內(nèi)部充滿瓦斯等可燃性氣體 , 并且 近幾年 礦井坍塌及瓦斯爆炸事件頻繁發(fā)生,使得設(shè)計一種可以代替人工進行井下工作 的機械手成為大勢所趨。這類機械手通過控制通氣的時間長短,實現(xiàn)全方位的物品夾 持與釋放。 這種全氣動的機械手可以幫助人們完成礦井下的一部分危險的工作,解放了一大 批勞動力, 把空氣 做為它的主要驅(qū)動源,使得安全可靠,清潔無害成 為了它的突出特 點。并且多工位使得它可以一次完成多個工件的夾持與釋放,體現(xiàn)出了它的高效節(jié)能。 將這類機械手運用到礦井內(nèi),必定可以實現(xiàn)更加自動化,安全化,綠色化的工業(yè)現(xiàn)代 化 。 3目前研究的概況和發(fā)展趨勢 目前廣泛使用的氣壓技術(shù)以壓縮空氣為介質(zhì),具有安全、動作迅速、平穩(wěn)、可靠、 結(jié)構(gòu)簡單、較輕、體積小、節(jié)能、工作壽命長的特點,特別是對易于控制、易維護、 無環(huán)境污染場合,因此氣動技術(shù)常作為機械手的驅(qū)動系統(tǒng)的首選。氣動機械手與其它 控制方式的機械手相比,具有無污染、抗干擾性強、價格低廉、結(jié)構(gòu)簡單、功率體積 比高等特點。在機械 行業(yè)越來越多的自動化設(shè)備中采用了機械手,主要是液壓控制和 氣壓控制兩種方式。其中氣動機械手以其取之不盡、用之不完的氣源,及較低的生產(chǎn) 成本受用戶喜愛,各國對氣動機械手的研究越來越重視,現(xiàn)已發(fā)展成為滿足生產(chǎn)需要 的一種重要的實用技術(shù)。 20 年來,氣動技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域迅速拓寬,尤其是在各種自動化生產(chǎn)線上得到廣泛 應(yīng)用。電氣可編程控制技術(shù)與氣動技術(shù)相結(jié)合,使整個系統(tǒng)自動化程度更高,控制方 式更靈活,性能更加可靠 。 氣動機械手柔性自動生產(chǎn)線的迅速發(fā)展,對氣動技術(shù)提出 了更多更高的要求 。 微電子技術(shù)的引入,促進了電氣比例伺服技術(shù)的發(fā)展 。 現(xiàn)代控制 理論的發(fā)展, 也 使氣動技術(shù)從開關(guān)控制進入閉環(huán)比例伺服控制,控制精度不斷提高 。 由于氣動脈寬調(diào)制技術(shù)具有結(jié)構(gòu)簡單、抗污染能力強和成本低廉等特點,國內(nèi)外都在 大力開發(fā)研究。 我國的氣動行業(yè)起步較晚, 但發(fā)展較快。從 20 世紀 80 年代中期開始,氣動元件 產(chǎn)值的年遞增率達 20%以上,高于中國機械工業(yè)產(chǎn)值平均年遞增率。隨著微電子技術(shù)、 PLC 技術(shù)、計算機技術(shù)、傳感技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用,氣動技術(shù)已成為實 現(xiàn)現(xiàn)代傳動與控制的關(guān)鍵技術(shù)之一。氣動技術(shù)及氣動機械手的發(fā)展過程氣動技術(shù)是以 空氣 壓縮機為動力 源,以壓縮空氣為工作 介質(zhì),進行能量傳遞或信號傳遞的工程技術(shù), 是實現(xiàn)各種生產(chǎn)控制、自動控制的重要手段之一。 大約開始于 1776 年, Johnwilkimson 發(fā)明能產(chǎn)生 1 個大氣壓左右壓力的空氣壓縮 機。 1880 年,人們第一次利用氣缸做成氣動剎車裝置,將它成功地用到火車的制動上。 20 世紀 30 年代初,氣動技術(shù)成功地應(yīng)用于自動門的開閉及各種機械的輔助動作上。 至 50 年代初,大多數(shù)氣壓元件從液壓元件改造或演變過來,體積很大。 60 年代開始 構(gòu)成工業(yè)控制系統(tǒng),自成體系,不再與風(fēng)動技術(shù)相提并論。在 70 年代,由于氣動技 術(shù)與電子技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用,在自動化控 制領(lǐng)域得到廣泛的推廣。 80 年代進入氣動集成 化、微型化的時代。 90 年代至今,氣動技術(shù)突破了傳統(tǒng)的死區(qū),經(jīng)歷著飛躍性的發(fā)展, 人們克服了 氣壓 閥的物理尺寸局限,真空技術(shù) 日 趨完美,高精度模塊化氣動機械手問 世,智能氣動這一概念產(chǎn)生 。 氣動伺服定位技術(shù)使氣缸高速下實現(xiàn)任意點自動定位, 智能閥 島 的誕生 十分理想地解決了整個自動生產(chǎn)線的分散與集中控制問題。 90 年代 初,由布魯塞爾皇家軍事學(xué)院 Bando 教授領(lǐng)導(dǎo)的綜合技術(shù)部開發(fā)研制的電子氣動機器 人 -“ 阿基里斯 ” 六腳勘探員,是氣動技術(shù)、 PLC 控制技術(shù)和傳感技術(shù)完美結(jié)合產(chǎn)生的 “ 六足動物 ” , 6 個腳中的每一個腳都有 3 個自由度, 一個直線氣缸把腳提起、放下 , 一個擺動馬達控制腳伸展 /退回運動,另一個擺動馬達則負責(zé)圍繞腳的軸心做旋轉(zhuǎn)之 用。由漢諾威大學(xué)材料科學(xué)研究院設(shè)計的氣動攀墻機器人,它集遙感技術(shù)和真空技術(shù) 于一體,成功地解決了垂直攀緣等視為危險工作的操作問題。 目前機械手的應(yīng)用,絕大多數(shù)應(yīng)用于搬運類工作情況下。針對機械手的相關(guān)研 究主要集中在以下幾個方面 : ( 1)模塊化( 2)重復(fù)高精度( 3)無給油化( 4)機電一體化 未來氣動機械手的應(yīng)用前景如下: (1)氣動機械手性能不斷提高 (高速度、高精度、高可靠 性、便于操作和維修 ), 而單機價格不斷下降,平均單機價格將直線下降。 (2)機械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。例如機械手執(zhí)行末端和手腕手臂等。 (3)氣動機械手控制系統(tǒng)向基于 PC 機的開放型控制器方向發(fā)展,便于標(biāo)準(zhǔn)化、 網(wǎng)絡(luò)化 。 器件集成度提高,控制柜日見小巧,且采用模塊化結(jié)構(gòu) 。 大大提高了系統(tǒng)的 可靠性、易操作性和可維修性。 (4)氣動機械手中的傳感器作用日益重要,除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等 傳感器外,裝配、焊接機器人還應(yīng)用了視覺、力覺傳感器,而遙控機器人則采用視覺、 聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術(shù)來進行 環(huán)境建模及決策控制多傳感器融合配 置技術(shù)在產(chǎn)品化系統(tǒng)中已有成熟應(yīng)用。 (5)虛擬現(xiàn)實技術(shù)在氣動機械手中的作用已從仿真、預(yù)演發(fā)展到用于過程控制如 使遙控機器人操作者產(chǎn)生置身于遠端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱氣動機械手。 (6)當(dāng)代遙控氣動機械手系統(tǒng)的發(fā)展特點不是追求全自治系統(tǒng),而是致力于操作 者與機器人的人機交互控制,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), 使智能氣動機械手走出實驗室進入實用化階段。 經(jīng)過調(diào)查與多本文獻的參考,氣動礦用機械手還沒有得到 廣泛 的 應(yīng) 用,可以說還 是一個接近空白的領(lǐng)域,主要原因有以下幾點 (1)由于當(dāng)今進入大工業(yè)時代的時間還不夠長, 機械手還沒有普及到各行業(yè),而 礦井下空間狹小,不適合大型機械的安裝與工作,大大限制了礦用機械手的發(fā)展。 (2)氣體的可壓縮性強,氣壓傳動等不易控制。并且在氣路中,泄露的事件發(fā)生 率較高。 (3)人們?nèi)匀粺嶂杂陔娏︱?qū)動,對于氣壓的新能源還不能夠在短時間內(nèi)接受。 正是由于這種針對礦井下氣動機械手的市場空白,使得本次設(shè)計在未來具有很好 的發(fā)展前景,也會成為未來機械手的一種發(fā)展趨勢。 二、論文(設(shè)計)研究的內(nèi)容 1.重點解決的問題 (1)氣動 礦用機械手 的總體結(jié)構(gòu) 設(shè)計; (2)基于宇龍控制系統(tǒng)仿真軟件,完成控制系統(tǒng)的設(shè) 計與編程。 2.擬開展研究的幾個主要方面(論文寫作大綱或設(shè)計思路) (1)機械手 的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計; (2)確定控制對象的 設(shè)計 參數(shù) ; (3)完成機電控制系統(tǒng)的設(shè)計; (4)基于宇龍控制系統(tǒng)仿真軟件,完成控制系統(tǒng)的設(shè)計與編程; (5)繪制安裝接線圖; (6)氣動機械手 總裝圖繪制; (7)完成相關(guān)外文文獻的翻譯 。 3.本論文(設(shè)計)預(yù)期取得的成果 (1)完成并繪制礦用氣動機械手主要結(jié)構(gòu)圖; (2)基于宇龍仿真的控制系統(tǒng)的設(shè)計以及調(diào)試; (3)運用 三維 制圖 軟件對 機械手 設(shè)計進行建模; (4)編寫 10000 字以上的說明書。 三、論文(設(shè)計)工作安排 1.擬采用的主要研究方法(技術(shù)路線或設(shè)計參數(shù)) ( 1) 通過理論設(shè)計,完成礦用氣動機械手的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計并繪制圖紙 通過使用宇龍仿真軟件,控制氣動機械手完成其預(yù)期工作 ( 2)設(shè)計參數(shù) 最大工作半徑 :1000mm 回轉(zhuǎn)范圍 : 0-180 2.論文(設(shè)計)進度計劃 ( 1) 氣動 礦用機械手 相關(guān)資料查詢并進行 總體構(gòu)想 第 1 2 周 ( 2)完成一篇外文文獻翻譯并完成開題報告 第 3 4 周 ( 3)總體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計及 結(jié)構(gòu)圖完成 第 5 6 周 ( 4) 電氣元件的選擇及電氣控制系統(tǒng)設(shè)計 第 7 8 周 ( 5)基于宇龍仿真軟件的控制系統(tǒng)的設(shè)計與編程 第 9 周 ( 6)設(shè)計大體完成并撰寫說明書 第 10 周 ( 7)完成設(shè)計說明書,交導(dǎo)師審閱修改 第 11 12 周 ( 8)設(shè)計完成,答辯 第 13 14 周 四、需要閱讀的參考文獻 01 德伯特 ,斯托爾著 . 氣動技術(shù)低成本綜合自動化 M. 李 寶仁 ,譯 .機械工業(yè)出版社 ,1999; 02 王田苗 ,丑武勝 . 機電控制基礎(chǔ)理論及應(yīng)用 M. 北京 :清華大學(xué)出版社 ,2003:第二版 ; 03 鮑燕偉 ,吳玉蘭 . 一種通用氣動機械手的控制設(shè)計 J. 機床與液 壓 ,2006:9,2527; 04 張萍萍 . 基于 PLC 的氣動機械手控制系統(tǒng)設(shè)計 D. 西安 :電子科技大學(xué) ,2013:183; 05 高凌云 . 基于 PLC 的氣動自動生產(chǎn)線的研 究 D. 成都 :西南石油大學(xué) ,2011: 178; 06 王雄耀 . 近代氣動機械手的發(fā)展及應(yīng)用 J. 液壓氣動與密封 1999:5,1316; 07 汪歡歡 ,胡國清 ,周青輝 . 基于 PLC 的氣動機械手控制系統(tǒng)設(shè)計研究 J. 液壓與氣動 . 2012:9,3840; 08 謝靖 ,谷敏 . 氣動機械手 PLC 電路的設(shè)計淺析 J. 電子測試 . 2017:4,2829; 09 趙彤 . 氣動技術(shù)的發(fā)展及在新領(lǐng)域中的應(yīng)用 J. 液壓氣動與密封 . 2004:5,3537; 10 胡志剛 . 基于 S7-200 PLC 的氣動機械手控制系統(tǒng)設(shè)計 J. 機械工程師 . 2014:3,120121; 11 林立仁 . 基于 PLC 氣動式機械手控制系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā) J. 儀表技術(shù)與傳感器 . 2015:11,5961; 12 成經(jīng)平 ,孫穎 . 氣動搬運機械手的設(shè)計及其應(yīng)用 J. 湖北理工工學(xué)院學(xué)報 . 2016:05,13; 13 Zhi-li Zhao, Zhi-cheng Qiu,Xian-min Zhang,Jian-da Han. Vibration control of a pneumatic driven piezoelectric flexible manipulator using self-organizing map based multiple models.2016:10,345372; 14 Jihong Wang,Junsheng Pu,Philip Moore.Accurate Position Control of Servob Penumatic Actuator Systems: a Application to Food Packaging.Control Engmeering Practice.1999: 05, 255257; 15 A. REZOUG, F. HAMERLAIN, M. HAMERLAIN. Application of Fuzzy Sliding Mode to control of Manipulator Robot actuated by Pneumatic artificial Muscles.2009:09,580585; 16 M.Yu. Rachkov, M. Crisstomo, L. Marques, A.T. de Almeida. Positional control pneumatic manipulators for construction tasks. 2002:9,655665; 附:文獻綜述或報告 文獻綜述 機械手是在智能物流裝備中被廣泛應(yīng)用的一種工業(yè)自動化產(chǎn)品 ,其主要功能是抓 取工件并搬運到生產(chǎn)線上。氣動搬運機械手作為一種典型的機電一體化裝置,其優(yōu)點 是 :結(jié)構(gòu)簡單、維修方便、成本低、節(jié)能環(huán)保等,它的出現(xiàn)將產(chǎn)品的機械化大生產(chǎn)推 向了又一個新的高度。機械手能代替人類做很多事情 ,有的是人類能完成但比較枯燥 或勞動強度特別大的,也有的是比較危險的,如高溫、高壓的惡劣環(huán)境。氣動機械手 的應(yīng)用愈來愈廣泛,目前多數(shù)應(yīng)用在物料等輸送過程中,主要是在有關(guān)機械的 零部件 生產(chǎn)中負責(zé)裝卸、搬運所要加工的毛坯或成品。由于其結(jié)構(gòu)緊湊、適用性強,適合中、 小批量生產(chǎn) 。 傳統(tǒng)機器人的自動定位一直是依靠何服電機、步進馬達或液壓伺服定位系統(tǒng)來完 成的 ,而 Tron-X 電子氣動機器人應(yīng)用的則是 SPC-100氣動伺服定位系統(tǒng)。通過查閱資 料可知 ,在氣動伺服閉環(huán)定位系統(tǒng)的控制下,它的運行速度在 5m/s 的情況下,定位精 度可達士 0.1- 0.2, 盡管它的精度比起伺服電機和步進馬達要差一個等級 ,但它結(jié)構(gòu) 簡單 ,速度高 ,抗環(huán)境污染及抗千擾性強 ,價格要比伺服電機和步進馬達便宜得多。因 此 ,氣動伺服定位技術(shù) 一經(jīng)出現(xiàn) ,便受到工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的高度重視 ,同時為氣動機器 人、氣動機械手大規(guī)模進入工業(yè)自動化領(lǐng)域開辟了十分寬廣的前景。 【 9】 氣動技術(shù) 氣動技術(shù)被稱為工業(yè)自動化的“肌肉”,其應(yīng)用靈活,夾持工件的重量越來越重, 在各種機械加工行業(yè)和制造行業(yè)中,尤其在有毒的環(huán)境下作業(yè)等其應(yīng)用程序越來越受 重視,并得到相應(yīng)廣泛使用。隨著科技不斷日新月異發(fā)展,自動化控制技術(shù)也不斷更 新,在微電子技術(shù)、計算機技術(shù)等技術(shù)的迅猛發(fā)展形勢下,氣動技術(shù)不斷技術(shù)創(chuàng)新, 以工程實際應(yīng)用為目標(biāo),不斷取得巨大的進步 【 4】 。 在煤礦開采的礦井中,氣動機械手 可搬運輕小的貨物, 原因是全氣動可避免密閉礦井中因甲烷濃度過高使電火花引起爆 炸的風(fēng)險。 從各國的行業(yè)統(tǒng)計資料來看, 近 30 多年來氣動行業(yè)發(fā)展很快。 20 世紀 70 年代 液壓與氣動元件的產(chǎn)值比約為 9:1,而 30多年后的今天,在工業(yè)技術(shù)發(fā)達的歐美、日 本等國家,該比例已達到 6:4,甚至接近 5:5【 6】 。 隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷應(yīng)用、電子技術(shù)不斷精細化、更多的高技術(shù)附加于機械手, 促進機械手的智能化水平更高,完成人類許多工作。作為機械制造行業(yè)的柔性制造生 產(chǎn)將更大范圍應(yīng)用,比如上海摩恩電氣公司新開工的廠區(qū)均引入了最先進的生產(chǎn)線, 原來十個人的生產(chǎn)線現(xiàn)只需要二人,大量減少了人力。 氣動驅(qū)動元件: (1) 普通氣缸 普通氣缸由缸筒,前后缸蓋,活塞,活塞桿,密封件和緊固件等零件組成 (2) 無桿氣缸 無桿氣缸沒有普通氣缸的剛性活塞桿,它利用活塞直接或間接地實現(xiàn)往復(fù)運動。 行程為 L的有活塞桿氣缸,沿行程方向的實際占有安裝空間約為 2.2L。沒有活塞桿, 則占有安裝空間僅為 1.2L,且行程缸徑比可達 50 100。沒有活塞桿,還能避免由于 活塞桿及桿密封圈的損傷而帶來的故障。而且由于沒有活塞桿,活塞兩側(cè)受壓面積相 等雙向行程具有同樣的推力有利于提高定位 精度。這種氣缸的最適用于小缸徑、長行 程的場合 , 最大優(yōu)點是節(jié)省了安裝空間 。 (3) 擺動氣缸 擺動氣缸是出力軸被限制在某個角度內(nèi)做往復(fù)擺動的一種氣缸,又稱為旋轉(zhuǎn)氣 缸。擺動氣缸目前在工業(yè)上應(yīng)用廣泛,多用于安裝位置受到限制或轉(zhuǎn)動角度小于 360 的回轉(zhuǎn)工作部件,其動作原理也是將壓縮空的壓力能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能。常用的擺動氣缸 的最大擺動角度分為 90、 180、 270 三種規(guī)格。 (4) 氣爪 氣爪能實現(xiàn)各種抓取功能,是現(xiàn)代氣動機械手的關(guān)鍵部件。 【 6】 PLC 的發(fā)展及其功用 PLC 是微型計算機技術(shù)與繼電器常規(guī)控制技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物 ,是在順序控制器基 礎(chǔ)上發(fā)展起來的新型控制器,是一種以微處理器為核心用作數(shù)字控制的專用計算機。 以前所用的繼電接觸器控制系統(tǒng),以繼電器簡單、實用而廣泛使用,但因設(shè)備體積龐 大、動作慢、功能少,難以實現(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)的控制,特別是在工藝發(fā)生變化時,需要重 新設(shè)計、布線、裝配與調(diào)試。軟件設(shè)計主要指以生產(chǎn)工藝要求和現(xiàn)場信號與 PLC 編程 元件的對照表為依據(jù),根據(jù)程序設(shè)計思想,繪出流程圖,然后以編程指令為基礎(chǔ),畫 出程序梯形圖,編寫程序注釋 【 10】 。 PLC 控制成本相對較低,采用高速的氣缸構(gòu)成能夠?qū)崿F(xiàn)生產(chǎn)線上工件的自動裝 卸。 基于氣動機械手 PLC 電路的程序特點,能夠借助模塊化設(shè)計理念 ,將氣動機械手 PLC電路程序設(shè)計為手動程度與自動程序 ,在程序編程的過程中,需要科學(xué)設(shè)計條件跳 轉(zhuǎn)指令 ,實現(xiàn)合理選擇 ,提升編程的效率 ,保證氣動機械手運行的運行效率,真正發(fā) 揮氣動機械手 PLC 電路程序設(shè)計的價值。 自 80年代以來工業(yè)控制軟件隨著 PC機的發(fā)展獲得了空前發(fā)展,主要有人機界面 軟件、基于 PC 的控制的軟件及生產(chǎn)管理軟件等。前些年國外的應(yīng)用軟件占壟斷地位, 經(jīng)一些年的研究開發(fā)部分軟件具有了自主知識產(chǎn)權(quán),如實時監(jiān)控軟件、先進的控制軟 件、過程優(yōu)化軟件等。應(yīng)用于化工、工業(yè) 控制等產(chǎn)生了較好的經(jīng)濟效益。 我國在 70 年代中期開始引進 PLC 技術(shù),發(fā)展到現(xiàn)在可以生產(chǎn)一些小中型產(chǎn)品 。 在產(chǎn)品的發(fā)展上隨著計算機技術(shù)發(fā)展會有更多成果應(yīng)用于 PLC上,甚至部分學(xué)者認為 可能會被計算機所取代 【 7】 。 PLC硬件主要由中央處理單元 CPU、存儲器、輸入輸出接口、電源、 I/O 擴展接 口 、 外部設(shè)備接 口 、編程器等幾個主要部分構(gòu)成。 (1) CPU CPU作為整個 PLC 的核心 , 起著總指揮的作用,是 PLC 的運算和控制中心。它的 主要任務(wù)是 : 1診斷 PLC電源、內(nèi)部電路的工作狀態(tài)及編制程序中的語法錯誤 ; 2 采集由現(xiàn)場輸入裝置送來的狀態(tài)或數(shù)據(jù),并存 入 輸入映象寄存器或數(shù)據(jù)寄存器 中的錯誤 ; 3在運行狀態(tài)時,編譯解釋后完成各種運算和操作,根據(jù)運算結(jié)果存儲相應(yīng)數(shù)據(jù), 并更新有關(guān)標(biāo)志位的狀態(tài)和輸出映像寄存器的內(nèi)容 ; (2) 存儲器 用以存放系統(tǒng)程序。另外 PLC 內(nèi)部的存儲器有兩類 :一類是系統(tǒng)程序存儲器,另 一類是用戶存儲器,包括用戶程序存儲區(qū)及工作數(shù)據(jù)存儲區(qū) ; (3) 輸入輸出接口 輸入接口通過光電耦合器件連接 PLC的輸入端子接受現(xiàn)場輸入設(shè)備 (如限位開關(guān)、 操作按鈕、光電開關(guān)、溫度開關(guān)等 )的控制信號,并 將這些信號轉(zhuǎn)換成 CPU 所能接受 和處理的數(shù)字信號。 【 11】 隨著 PLC的推廣與普及,其產(chǎn)品與數(shù)量越來越多,功能也日趨完善。不同系列、 不同型號的 PLC其結(jié)構(gòu)形式、性能、指令系統(tǒng)、編程方式、價格等不盡相同,根據(jù)不 同的場合各有側(cè)重。因此選擇硬件時主要從以下幾方面考慮 : 1、 PLC機型選擇 : 主要從結(jié)構(gòu)合理、機型統(tǒng)一 、 功能與任務(wù)相適應(yīng) 、 響應(yīng)速度等方面進行考慮 ; 2、 PLC容量選擇 : 1) I/O 點數(shù)選擇 根據(jù)被控對象的輸入輸出設(shè)備對所需要的輸入輸出點數(shù)進行統(tǒng)計,開關(guān)量輸入點 與輸出點之比一般可按 3:2估算。在滿足要求的前 提下盡量使用最少的 I/O點,但要 留一定的 余 量 (通常是所用總點數(shù)的 15%左右 )。 (2) 存儲內(nèi)容估算 用戶程序所需要的存儲容量不僅與 PLC系統(tǒng)的輸入與輸出點數(shù)、運算處理量、程 序結(jié)構(gòu)、控制要求等有關(guān),且與功能實現(xiàn)方法、程序編寫水平有關(guān)。通常采用經(jīng)驗估 算法來統(tǒng)計所需程序容量:存儲容量 (字節(jié) )= 開關(guān) I/O點數(shù) 10+模擬量 I/O 通道數(shù) 100。 【 4】 在應(yīng)用 PLC 技術(shù)編程時注意以下幾點 :其一是認真分析氣動機械手控制要求, 用 功能流程圖的形式表示程序設(shè)計思想,為編程做準(zhǔn)備 ; 其二是根據(jù)現(xiàn)場信號與 PLC 外 部電路接線、流程圖 進行程序編制 ; 其三是嚴格遵守梯形圖、指令語句表的格式規(guī)則、 編寫程序。 經(jīng)過對多部文獻的參考閱讀,本次的礦用氣動機械手是以氣動技術(shù)為主,以機械 結(jié)構(gòu),控制手段,傳感技術(shù)等為輔的機電氣一體化的機電產(chǎn)品,能夠跟好的適應(yīng)現(xiàn)代 化發(fā)展的工業(yè)需求,更好的解決在生產(chǎn)過程中的安全,便利等問題,具有良好的發(fā)展 前景。 審 核 意 見 指導(dǎo)教師評閱意見 (對選題情況、研究內(nèi)容、工作安排、文獻綜述等方面進 行評閱) 簽字: 年 月 日 教研室主任意見 簽字: 年 月 日 學(xué)院教學(xué)指導(dǎo)委員會意見 簽字: 年 月 日 公章: 大連大學(xué) 2018 屆畢業(yè)論文 (設(shè)計) 題目名稱: 礦用多工位氣動機械手 所 在 學(xué)院 : 機械工程學(xué)院 專業(yè)(班級): 機英 144 學(xué)生姓名 : 任書文 指導(dǎo)教師 : 王艷穎 評閱人 : 院 長 : 吳 蒙 華 DALIAN UNIVERSITY 礦用多工位氣動機械手 總計:畢 業(yè)論 文: 37 頁 表 格: 8 表 插 圖: 15 幅 指導(dǎo)教師: 王艷穎 評 閱 人: 完成時間: 2018.5.20 I 摘 要 基于現(xiàn)階段在充滿可燃氣體的場所內(nèi)的搬運問題的研究和分析,并結(jié)合實際用途和 機械結(jié)構(gòu)的可行性,通過對力和工作效率的計算下,設(shè)計一種工作效率高,實用性強, 并且是全氣動的 礦用機械手 。氣動技術(shù)使用氣體為動力傳輸介質(zhì)。氣源來源廣泛,可直 接從空氣中汲取,廉價便捷。其次,氣動傳動迅速,穩(wěn)定可靠,結(jié)構(gòu)簡單,質(zhì)量也較其 他機構(gòu)更輕。在末端執(zhí)行效果來看,使用氣動可使執(zhí)行機構(gòu)具有很好的柔性,這樣在 使 用過程中更加的安全,對所工作對象的損傷也較小。另外,由于氣體無害,清潔,其在 維修、檢查等方面都較為方便。 本氣動 礦用機械手 適用于多種場合和各種貨物的運輸,特別是在充滿了瓦斯氣體的 礦井下,具有良好的實用價值。 本此設(shè)計中主要是通過機械設(shè)計的方式,完成對 礦用機械手 結(jié)構(gòu)的設(shè)計,并對其中 重要部件進行校核 ,其中包括手指,腕部,手臂及機械底盤的設(shè)計 。完成選型后使用 Solidworks 對 礦用機械手 進行三維建模。 在完成結(jié)構(gòu)設(shè)計之后根據(jù)其特性在加上氣路設(shè) 計,增加氣壓元件完成各執(zhí)行件的運動。 并在后期對控制系統(tǒng)進行了設(shè)計,而且 使用宇 龍仿真軟件對控制系統(tǒng)進行仿真,以驗證其可行性。 關(guān)鍵詞:礦用機械手, 機械設(shè)計,氣壓傳動, Solidworks 三維建模, PLC II ABSTRACT Based on the research and analysis of the handling problem in the place of combustible gas at the present stage, and combining the practical use and the feasibility of the mechanical structure, a kind of mine manipulator with high efficiency and practicability is designed by calculating the force and working efficiency. The pneumatic technology uses gas as a dynamic transmission medium. The source of gas is extensive and can be directly drawn from the air, which is cheap and convenient. Secondly, pneumatic transmission is fast, stable and reliable, simple in structure and lighter in quality than other institutions. In the end effect, the use of pneumatic can make the actuator have a good flexibility, so that it is more safe in the process of use and less damage to the working object. In addition, because gas is harmless and clean, it is more convenient in maintenance and inspection. The pneumatic mine manipulator is suitable for various occasions and the transportation of various goods, especially in mines full of gas and gas, and has good practical value. In this design, the design of the mechanical hand structure of the mine is completed by the mechanical design, and the important parts are checked, including the design of the finger, wrist, arm and mechanical chassis. After completing the selection, 3D modeling of mine manipulator is carried out by using Solidworks. After completing the structural design, plus pneumatic design according to its characteristics, the pneumatic components are added to complete the movement of each actuator. The control system was designed in the later stage, and the simulation of the control system was carried out using Yulong simulation software to verify its feasibility. Key Words: Mine manipulator, Mechanical design, Pneumatic transmission, Solidworks 3D modeling, PLC 目 錄 摘 要 . I ABSTRACT . II 1. 緒 論 . - 1 - 1.1 論文背景、研究意義 . - 1 - 1.2 氣動礦用機械手國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 . - 1 - 1.3 論文的主要工作和章節(jié)安排 . - 2 - 2. 礦用機械手總體方案設(shè)計 . - 3 - 2.1 礦用機械手結(jié)構(gòu)設(shè)計 . - 3 - 2.2 控制系統(tǒng)的設(shè)計 . - 4 - 2.3 氣壓系統(tǒng)設(shè)計 . - 5 - 3. 礦用機械手手部結(jié)構(gòu)設(shè)計 . - 6 - 3.1 手部結(jié)構(gòu)分類 . - 6 - 3.2 夾鉗式手部設(shè)計 . - 7 - 3.3 夾緊力及驅(qū)動力的計算 . - 9 - 3.4 軸的載荷分析和計算 . - 11 - 3.5 軸的材料的選擇 . - 12 - 3.6 銷連接的設(shè)計 . - 12 - 4 礦用機械手主體結(jié)構(gòu)設(shè)計 . - 13 - 4.1 腕部結(jié)構(gòu)的選擇 . - 13 - 4.2 腕部的設(shè)計計算 . - 13 - 4.3 手臂典型運動機構(gòu) . - 15 - 4.4 手臂的設(shè)計計算 . - 15 - 5 礦用機械手底盤設(shè)計 . - 19 - 5.1 底盤的整體設(shè)計 . - 19 - 5.2 底盤各結(jié)構(gòu)的設(shè)計方案 . - 19 - 6 PLC 控制程序的設(shè)計 . - 22 - 6.1 PLC 簡介 . - 22 - 6.2 礦用機械手控制程序編寫 . - 22 - 7 氣壓系統(tǒng)設(shè)計 . - 30 - 7.1 氣壓元 件的選用 . - 30 - 7.2 氣路的設(shè)計 . - 30 - 結(jié)論 . - 33 - 致謝 . - 34 - 參考文獻 . - 35 - 附錄 1:外文原文 . - 36 - 附錄 2:中文翻譯 . - 42 - 礦用多工位氣動機械手 - 1 - 1. 緒 論 1.1 論文背景、研究意義 1.1.1 論文的背景與研究意義 目前就我國的氣動行業(yè)的發(fā)展來看,我國作為發(fā)展中國家,該行業(yè)發(fā)展迅速。并且 由于氣動本身就具有節(jié)能、高效、無污染、低成本、結(jié)構(gòu)簡單等各種優(yōu)點,因此,本月 愛越多的運用在不同的領(lǐng)域上。其中,工業(yè)機器人中氣動機構(gòu)的發(fā)展尤為迅速。并且在 上世紀 90 年代后期,微型處理器 PLC 的出現(xiàn)使得控制方面的領(lǐng)域一下子擴大了很多, 而氣動行業(yè)也伴隨著微型控制器的崛起迅速發(fā)展了起來。 本項目是適用于煤礦下各種工具、零件、貨物的夾持工具,通過全氣動的過程控制, 避免因可燃性氣體濃度過大, 引起的安全問題。流水線上的夾持設(shè)備是根據(jù)各種工件形 狀、支撐位置設(shè)計的,都具有簡捷實用的特點,設(shè)計要求結(jié)構(gòu)簡單,動作迅捷。本設(shè)計 是對現(xiàn)有的運輸、夾持電動 礦用機械手 優(yōu)化。著重于研究適用于礦井內(nèi)使用的多工位的 氣動 礦用機械手 。在遠程使用機電裝置控制氣路,使氣成為主要動力用以驅(qū)動 礦用機械 手 運動,具有替代人工,安全,高效,清潔的特點。在設(shè)計過程中,將主要給出 礦用機 械手 的主要結(jié)構(gòu),控制等一系列的設(shè)計,并進行模擬仿真,以驗證設(shè)計的可行性。 1.1.2 論文要求 整個礦用機械手的設(shè)計包括機械設(shè)計,理論力學(xué),動力分析,三維設(shè)計 ,控制系統(tǒng) 設(shè)計等方面的專業(yè)知識,需要設(shè)計者將結(jié)構(gòu)設(shè)計與控制系統(tǒng)相結(jié)合。本論文將介紹設(shè)計 礦用機械手的機械結(jié)構(gòu)并做以力學(xué)校核。通過對 PLC 的學(xué)習(xí)對控制線路進行設(shè)計,同 時進行程序的編制。力求貫徹機電一體化的概念,完成一整套的礦用機械手整體的設(shè)計。 1.2 氣動礦用機械手國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 目前廣泛使用的氣壓技術(shù)以壓縮空氣為介質(zhì),具有安全、動作迅速、平穩(wěn)、可靠、 結(jié)構(gòu)簡單、較輕、體積小、節(jié)能、工作壽命長的特點,特別是對易于控制、易維護、無 環(huán)境污染場合,因此氣動技術(shù)常作為 礦用機械手 的驅(qū)動系統(tǒng)的首選。氣動 礦用機械手 與 其它控 制方式的 礦用機械手 相比,具有無污染、抗干擾性強、價格低廉、結(jié)構(gòu)簡單、功 率體積比高等特點。在機械行業(yè)越來越多的自動化設(shè)備中采用了 礦用機械手 ,主要是液 壓控制和氣壓控制兩種方式。 氣壓傳動以清潔能源氣作為傳遞介質(zhì),取之不盡用之不竭, 而且價格低廉,環(huán)保。無論是在成本還是在維修等方面都占有巨大的優(yōu)勢,因此在能源 正逐漸枯竭的今天,氣壓傳動正在作為一種新的傳動方式而崛起。 礦用多工位氣動機械手 - 2 - 從各國的行業(yè)統(tǒng)計資料來看,近 20 多年來,氣動行業(yè)發(fā)展很快。 20 世紀 70 年代, 液壓與氣動元件的產(chǎn)值比約為 9: 1。 40 多年后的今天,在工業(yè)技術(shù)發(fā)達的歐美 、 日本 等國家,該比 例已達 5:5。 由于氣動元件的單價比液壓元件便宜,在相同產(chǎn)值的情況下, 氣動元件的使用量及使用范圍已遠遠超過了液壓行業(yè)。從地區(qū)劃分,可以說美洲 (以美 國為中心 )、歐洲 (歐洲各工業(yè)發(fā)達國家 )和亞太地區(qū) (以日本為中心 )三分天下。作為氣動 行業(yè)的知名企業(yè),有日本的 SMC、德國的 FESTO、英國的 NORGREN 和美國的 PARKER 等。 SMC 公司在世界 30 個國家建有海外子公司和海外生產(chǎn)工廠。氣動元件的基本生產(chǎn) 品種達 9100 種及 53000 種不同的規(guī)格。 中國改革開放以來,氣動行業(yè)發(fā)展很快。 1986 年至 1993 年間,氣動元件產(chǎn)值的年 遞增率達 24.2%,高于中國機械工業(yè)產(chǎn)值平均年遞增率 10.5% 的水平。 1996 年全國氣 動行業(yè)的產(chǎn)值約在 6000 萬美元左右。雖然中國的基礎(chǔ)工業(yè)離世界先進工業(yè)國家還有一 定的差距,但在氣動行業(yè)同行的努力下,中國的氣動技術(shù)正在得到很快發(fā)展和提高。 礦用機械手 的組成部分一般為驅(qū)動部分,執(zhí)行機構(gòu),和控制系統(tǒng)。 礦用機械手 的手 部是末端執(zhí)行器,也是直接和工件接觸的部分。一般的它是根據(jù)被夾持工件的形狀、材 料、質(zhì)量,或者工作條件等特定條件設(shè)計的,都具有特定性等。 礦用機械手 臂部分是連 接 礦用機械手 手 部的部分其主要功能是為了控制 礦用機械手 能夠自由的到達合適的空 間坐標(biāo)之內(nèi),并且能夠控制 礦用機械手 末端的仰俯、旋轉(zhuǎn)等一下裂的動作。為了抓取物 體在任何位置和方向上的空間,必須有 6 個自由度。自由度是指 礦用機械手 在空間內(nèi)運 動的自由程度,并將其以精確地數(shù)字表達出來,以顯示其靈活成度。自由度越高,那么 礦用機械手 的可用性及其靈活性也會大大的提高。最后 礦用機械手 逇控制系統(tǒng)是指通過 各種各樣的控制硬件并配合其相應(yīng)的軟件編程,合理的完成對相應(yīng)的控制部件的控制。 1.3 論文的主要工作和章節(jié)安排 本篇論文 針對礦用設(shè)計氣動 礦用機械手 ,主要是考慮到礦井內(nèi)部充滿瓦斯等可燃性 氣體,并且近幾年礦井坍塌及瓦斯爆炸事件頻繁發(fā)生,使得設(shè)計一種可以代替人工進行 井下工作的 礦用機械手 成為大勢所趨。這類 礦用機械手 通過控制通氣的時間長短,實現(xiàn) 全方位的物品夾持與釋放。 再論文中涉及到的有礦用機械手整體的框架涉及,力學(xué)理論 計算,三維設(shè)計,控制系統(tǒng)設(shè)計及程序編制。 論文中第二章主要是對礦用機械手的整體設(shè)計方案的確定,包括結(jié)構(gòu),驅(qū)動形式, 控制方案等。從第二章起,一直到第五章是計算部分,分別對礦用機械手的手指,手腕, 手臂進行設(shè)計及校核。第六章是對礦用機械手運動底盤的設(shè)計 。第七章主要是針對控制 系統(tǒng),編程等方面的介紹。其后八、九章是對礦用機械手的三維設(shè)計的介紹。 礦用多工位氣動機械手 - 3 - 2. 礦用機械手 總體方案設(shè)計 2.1 礦用機械手結(jié)構(gòu)設(shè)計 在本次實際設(shè)計中,為了能夠滿足礦用機械手可以在情況多變的礦井下使用,因此 盡可能多得增加它的自由度。并且該礦用機械手的目標(biāo)用途范圍較廣,既可以夾持零部 件又可以夾持工具,因此工作范圍較為廣泛。綜上所述,并根據(jù)以上對各類礦用機械手 的特點的介紹,此次設(shè)計選用關(guān)節(jié)式進行設(shè)計。 為了擴大礦用機械手的工作范圍和符合本設(shè)計的根本理念, 模擬人體手指關(guān)節(jié)自由 活動, 同時完成礦用機 械手的旋轉(zhuǎn)與夾持動作,末端執(zhí)行器的兩邊采用完全對稱的結(jié)構(gòu), 以便于在抓貸物的過程中達到力的均勻分布,并且在末端執(zhí)行機構(gòu)與礦用機械手臂以一 個氣缸連接,這樣就可以達到末端機構(gòu)可以橫向抓貸物的目的,并配合礦用機械手臂的 運動完成整個礦用機械手的貨物搬運的過程。 為了使機械于能夠在任意的場所隨意的運動,設(shè)計了一種全向輪底座配合使用 。 并 且為了符合全氣動的現(xiàn)念,設(shè)計時將能 量 轉(zhuǎn) 換 機構(gòu)從普通的電動電機改為氣動 馬達 使用, 且在每個輪子上都加上一個氣動馬達,進行分別控制,使每個輪子都可以獨立運動。通 過控制輪子的轉(zhuǎn)速使輪子存在不同的速 度差,以速度合成的方式以達到轉(zhuǎn)向的目的,從 而做到底盤的全向運動。并且在每個輪子與底盤的連接處都是用彈簧進行減震,是之能 夠適應(yīng)較大的起伏地面,滿足室外環(huán)境的要求。 根據(jù)各部分機構(gòu)的選擇,可得機械手裝配總圖如下: 礦用多工位氣動機械手 - 4 - 圖 2.1 機械手總裝圖 如上圖所示,機械手整體大致由三部分組成: ( 1) 機械手手部 利用機械原理等完成對所要夾持件的夾緊和放松 ; ( 2) 機械手主體 這包括有機械手腕部及機械臂兩部分結(jié)構(gòu),其都是帶動手部運 動,完成工件的空間上的移動; ( 3) 機械手底 盤 主要是為了擴大機械手工作空間,增多機械手的工作性能。 2.2 控制系統(tǒng)的設(shè)計 考慮到該礦用機械手的用途的廣泛性,在控制系統(tǒng)方面的設(shè)計應(yīng)該滿足以下幾個要 求: ( 1) 控制元件應(yīng)簡單易學(xué); ( 2) 控制元件應(yīng)該有較強的互換性,應(yīng)是模塊化設(shè)計,這樣既便于維修,也大大 的降低了程序設(shè)計時的難度; ( 3) 控制程序應(yīng)該簡單易學(xué),這樣可以使得礦用機械手大規(guī)模推廣。 因此,綜上所述,再對控制硬件進行選擇。并且根據(jù)近幾年 PLC 的應(yīng)用越來越廣 泛,功能方面的開發(fā)越來越完善,滿足我們對本礦用機械手控制系統(tǒng)硬件方面的要求。 因此硬件方面選用 PLC 進行控制, 并結(jié)合其匯編語言進行編程。 礦用多工位氣動機械手 - 5 - 2.3 氣壓系統(tǒng)設(shè)計 驅(qū)動機構(gòu)作為動力來源,是任何一個機器都不可缺少的部分。并且機械設(shè)備的價格 及其應(yīng)用范圍等也在很大程度上受到驅(qū)動機構(gòu)的限制。在工業(yè)上,一般的驅(qū)動機構(gòu)有電 動、氣動以及液動。在不同的工作條件下選擇不同的驅(qū)動方式。其中 使用電力 為使用最 為廣泛的驅(qū)動方式。而此次根據(jù)實際情況,本 礦用機械手 是要在充滿易燃易爆的瓦斯氣 體的礦井下使用,因此擬采用氣壓驅(qū)動。 其中為了能夠?qū)崿F(xiàn)礦用機械手逇直線運動,旋轉(zhuǎn)運動等。為了簡化機構(gòu),在對驅(qū)動 元件選擇時,選擇可以為運動部件直接提供動力的驅(qū)動元 件。 根據(jù)控制系統(tǒng)的設(shè)計 ,設(shè) 計氣壓系統(tǒng)。氣壓系統(tǒng) 設(shè)計 是 對 驅(qū)動氣缸等執(zhí)行元件的直接驅(qū)動器 氣路的設(shè)計。 在本次設(shè)計中,擬采用 10 個各類氣缸元件,因此為了簡化設(shè)計方案,也選用 10 個 電磁閥進行控制,并且為了能夠方便的控制氣缸的兩個腔室,使其可以前后兩腔室同樣 工作,使用三位四通電磁換向閥,每個換向閥上都帶有兩個電磁線圈,可以控制閥芯兩 向運動 。這樣一共會有這樣的分支氣路 10 路,再由總氣路供氣。而整體則有氣泵作為 供氣源。 礦用多工位氣動機械手 - 6 - 3. 礦用機械手 手部結(jié)構(gòu)設(shè)計 3.1 手部結(jié)構(gòu)分類 根據(jù)工業(yè)機器人的常用手部結(jié)構(gòu) 劃分 ,機械手手部一般 分為吸附類和夾持類 。 而根 據(jù)本次設(shè)計的需求來看,各種各樣的夾持元件及工具,顯然吸附類的手部結(jié)構(gòu)顯然不適 用,因此選用夾持類的手部結(jié)構(gòu)。 如下圖所示為幾種加持時礦用機械手的類型 圖 3.1 礦用機械手結(jié)構(gòu)類型 圖 ( a)是單點式夾持手指,其兩根手指皆繞著右側(cè)一點進行旋轉(zhuǎn),結(jié)構(gòu)簡單,但 也限制了其運用范圍。圖( b)為雙點式加持手指,其上下兩根手指分別繞著兩個支點 進行轉(zhuǎn)動,其結(jié)構(gòu)較( a)復(fù)雜點,但是也大大的增加了它的實用性。( c)為移動式夾 持礦用機械手,它是使用手指的直線運動 ,將工件夾持,但是其結(jié)構(gòu)復(fù)雜,所占范圍也 較前兩種大,對工作條件要求高,并且,它的加工制造也較為復(fù)雜,成本高,但是其定 位精度高。 礦用多工位氣動機械手 - 7 - 因此綜上,為能夠適應(yīng)礦井下惡劣的工作條件,并且又要使礦用機械手能夠如期的 完成預(yù)想的工作,選用第二種雙點式夾持礦用機械手。 3.2 夾鉗式手部設(shè)計 在 3.1 中介紹了幾種基本形式的手部,并且根據(jù)設(shè)計要求選用了雙點式夾鉗手指, 下面將對夾鉗式手部進行詳細的介紹及設(shè)計。 3.2.1 手部的類型及夾緊裝置 由 3.1 分析得出結(jié)論可知本次手部設(shè)計擬采用雙點式夾持方式。且使用滑槽杠桿機 構(gòu)。 如圖所 示 3 2 1 圖 3.2 滑槽杠桿式手部原理圖 圖示為雙點式夾持手指結(jié)構(gòu)。圖中 1 為手指, 2 為滑動圓柱, 3 為氣缸桿, 在圓柱 體用于傳動氣缸桿的動力到手指上 。當(dāng)氣缸桿向前運動時手指開始繞著其支點進行轉(zhuǎn)動, 同時滑動圓柱與手指之間的相對位置也發(fā)生變化,因此,在手指上有一條槽型滑道可以 允許滑動圓柱在其中運動,以保證手指部位不是卡死的狀態(tài)。 3.2.2 手爪的力學(xué)分析 如圖 3.3 所示,其為本次設(shè)計選用的滑槽式杠桿手部結(jié)構(gòu)原 理圖: 礦用多工位氣動機械手 - 8 - F 氣缸桿對手部連接件的拉力 ; , 2 為兩根手指對滑動圓柱的方向作用力 FN 手部的夾緊力 ; a 手指回轉(zhuǎn)軸線與手部中軸線之間的距離 ; b 手指回轉(zhuǎn)軸線到夾持部位中軸線距離 ; 圖 3.3 手部結(jié)構(gòu)受力分析原理圖 由平衡條件計算公式 12 cosFF ( 3.1) 得 1 2cosFF ( 3.2) 由 01( ) 0MF 得, 礦用多工位氣動機械手 - 9 - 1 NFh F b ( 3.3) 1 N FhF b ( 3.4) cos ah ( 3.5) 21()2 cosN aFFb ( 3.6) 由上述計算得, 隨之 的增大 , 其所需要的工作里雨大 , 但是隨著夾角的擴大 , 氣 缸活塞的行程也會隨之增加加長 , 導(dǎo)致手部結(jié)構(gòu)整體尺寸增加 。 因此建議 30 40 。 3.3 夾緊力及驅(qū)動力的計算 手指部位的計算是整個礦用機械手的重要計算過程。在所有的工業(yè)機器人中,對手 部的設(shè)計計算都是至關(guān)重要的 。 手部夾緊力公式可查閱資料得 1 2 3NF K K K G ( 3.7) K1 安全系數(shù),通常取 1.22.0; K2 工作情況系數(shù),主要考慮慣性力的影響。 其中 K3 空間位置系數(shù)。 氣缸的 工作力計算: 22()4F D d p拉 ( 3.8) 其中 D 氣缸內(nèi)壁直徑 ( m) 。 d 氣缸桿直徑 ( m) 。 P 氣壓缸工作壓力 ( pa)。 根據(jù)要求,就袖手最大夾持重物重量為 6Kg。 因此可得 如下計算 : 其中 取 K1=1.5 并且取 max 0.1 ms , 0.5響 ts,得 m a x 2 0 . 10 . 51 1 1 1 . 0 2 9 . 8 taK gg 響 ( 3.9) 礦用多工位氣動機械手 - 10 - 根據(jù)礦用機械手在使用過程中的實際環(huán)境分析,取 K3=4.0 由式 3.2 得 1 2 3 1 . 5 1 . 0 2 4 . 0 6 0 9 . 8 3 5 9 8 . 5 6NF K K K G N ( 3.10) 由 22 cos NbFFa ( 3.11) 將已知條件 , 35 , 帶入,得 222 2 90c os c os 35 3598.56 4575.1695NbF F Na ( 3.12) 取 0.85 得 4575.16 5382.540.85F 實 際 F N ( 3.13) 表 3.1 夾緊氣缸工作壓力 如 表 3.1 所示, 5 0 0 0 5 3 8 2 . 5 4 1 0 0 0 0N F N N 實 際 ,取 p=2MPa 如圖 3.4, 當(dāng)前腔室進氣時,活塞直徑查 閱資料 可得公式 : 2 2 1 2 1 2 4() dPFD P P p p ( 3.14) P2=0, 因可得 11 4 1.13FFD PP ( 3.15) 當(dāng)后腔室進氣時,活塞直徑查閱資料可得 公式 : 2 2 4FDdP ( 3.16) 式中 F 氣缸工作力 。 用在活塞上外 力 F( N) 氣缸 工作壓力 ( MPa) 作用在活塞上 外力( N) 氣缸 工作壓力 ( MPa) 小于 5000 0.81 2000030000 2.04.0 500010000 1.52.0 3000050000 4.05.0 1000020000 2.53.0 大于 50000 5.07.0 礦用多工位氣動機械手 - 11 - 氣缸 的工作壓力 。 氣缸總效率。 d 活塞桿直徑 。 有 1dD ( 3.17) 表 3.2 夾緊氣缸的工作壓力與速比 根 據(jù)上表查詢可得 ,取 1.33 , 代入到上述公式 。 得 ( 3.18) 將以上已知條件代入式 3.5 得 : 1 1 5 3 8 2 .5 41 .1 3 1 .1 3 5 7 .9 30 .9 5 2FD m mP ( 3.19) 2222 2 4 4 53 82 .5 4 ( 0. 49 8 ) 60 .03. 14 0. 95 2FD d DP ( 3.20) 取最大值,得: D=50mm d=30mm 圖 3.4 夾緊缸示意圖 3.4 軸的載荷分析和計算 氣缸 工作壓力 P1(MPa) 10 1020 20 速比 1.33 1.462 2 礦用多工位氣動機械手 - 12 - 根據(jù)手部的分析,礦用機械手手部的軸應(yīng)為拉緊軸,所受力為兩端的拉緊力,對于 夾持式手部的結(jié)構(gòu)分析,軸中由開槽平頭緊定螺釘固定。因此,拉緊軸僅受彎矩影響, 受力分析圖及其彎矩圖如圖 3-4 所示。由已知夾緊力為 5382.54N,根據(jù)參數(shù)以及手部結(jié) 構(gòu)的參數(shù),取夾緊力距離軸為 195mm,根據(jù)彎矩公式 M=Fl 得出彎矩為 1049.595Nm。 圖 3.5 軸的受力分析及其彎矩圖 如上圖所示, F1=F3=5382.84N, F2=10765.68N,所以 軸所受最大載荷即為 1049.595Nm。根據(jù)軸的直徑設(shè)計公式 0.1Md ( 3.21) 其中 M 為 1049.595Nm,由前文可知,許用應(yīng)力 =2MPa,因此可得出軸的直徑 d 6.8mm,取整則為 8mm。由于這為拉緊軸,因此不需要分段,僅需一段即可。 3.5 軸的材料的選擇 由于礦用機械手手部 在抓取物體時會在手抓處產(chǎn)生應(yīng)力集中,在軸的運轉(zhuǎn)過程中會 產(chǎn)生大量的熱量,需要具有抗氧化性和足夠的高溫強度以及良好的耐熱性能。為了手部 抓取不產(chǎn)生松動或脫落,保證抓取的可靠性,同時考慮經(jīng)濟性。因此選用經(jīng)過耐熱鋼作 為軸的材料。 3.6 銷連接的設(shè)計 銷按用途分為用于定位的定位銷,用來進行零件連接的連接銷等。前者用來個別固 定零件對于整體零件的相對位置,它是組合加工和裝配時很重要的零件;后者用于連接, 也可以傳遞較小的載荷。 銷的類型有很多,例如圓錐銷,圓柱銷,槽銷等,這些銷都是 標(biāo)準(zhǔn)件,因此可直接選用。本設(shè)計采用圓柱銷,由 于圓柱銷需要進行過盈配合從而固定 在銷的孔內(nèi),所以選擇過盈配合連接。在裝配前,需要對其相關(guān)精度進行復(fù)查。 礦用多工位氣動機械手 - 13 - 4 礦用機械手 主體 結(jié)構(gòu)設(shè)計 手腕部分是用于連接手部和手臂部分的結(jié)構(gòu)。在這里為了盡可能多的增加 礦用機械 手 手部的自由度,將手部的結(jié)構(gòu)設(shè)計為兩部分。一部分是用于控制 礦用機械手 手部的旋 轉(zhuǎn),使 礦用機械手 能在是水平方向上能夠更加方便的夾持工件。另一部分是用于控制手 部的仰俯,所起作用是使 礦用機械手 在手指方向上便于 礦用機械手 的夾持。 4.1 腕 部結(jié)構(gòu)的選擇 手腕的動作雖然不多,但它要求結(jié)構(gòu)極其緊湊。 本次設(shè)計的礦用機械手 需要較大的自由度,因此將其設(shè)計為兩處回轉(zhuǎn)運動,一處是 控制手部沿自身軸線回轉(zhuǎn)。另一個方向上是實現(xiàn)手部可以進行仰俯運動。 4.2 腕部的設(shè)計計算 腕部進行旋轉(zhuǎn)時需要克服以下幾種性質(zhì)的力 : ( 1) 回轉(zhuǎn)時的摩擦力 矩 M摩 0.1總摩 MM ( 4.1) ( 2) 由于重力引起的彎矩 M偏 1偏 M Ge ( 4.2) ( 3)動量引起的慣性力矩 M慣 ()慣 工 件 啟 M J J t ( 4.3) 式中 工 件J 工件 轉(zhuǎn)動慣量 (Nms2)。 J 手腕轉(zhuǎn)動慣量 (Nms2)。 角速度 (1/s)。 啟t 啟動過程所需要的時間。 因此可求得總力矩 M總 總 摩 偏 慣 M M M M ( 4.4) 4.2.1 腕部設(shè)計考慮的參數(shù) 將手腕與手指整體近似簡化為一個圓柱體,高 , 直徑 高 , 質(zhì)量為 6kg。 4.2.2 腕部的驅(qū)動力矩的計算 ( 1) 0.1 總摩 MM ( 4.5) 礦用多工位氣動機械手 - 14 - ( 2) ()慣 工 件 啟M J J t ( 4.6) 式中 2 2 21 0.5 132.01 0.07 0.3232J m R N ms 腕 腕 ( 4.7) 2 2 2 2 211( 3 ) 60 ( 0.1 3 0.0 5 ) 0.0 87 512 12J m l R N ms 件 件 件 件 ( 4.8) 代入公式,有 3 . 5 1( ) ( 0 . 3 2 3 0 . 0 8 7 5 ) 7 . 2 00 . 2M J J N mt 慣 工 件 啟 ( 4.9) ( 3) 理想的工作位置為將工件夾持在手部中心位置 ,所以 M0偏 。 ( 4)總力矩 0 . 1 8 . 8 6 0總 總摩 慣 偏 M M M M M ( 4.10) 因此 7.20 8.00.9M 總 ( 4.11) 由于回旋氣缸所能提供的力矩要大與驅(qū)動力拒 總M , 因此 22()2 總P b R rMM ( 4.12) 又 22 2()總 MP b R r ( 4.13) 式中 P 回旋氣缸工作壓力 ; R 氣缸內(nèi)壁半徑 ; r 氣缸輸出軸半徑 ; b 氣缸片寬度 。 由 圖 可得 R=110mm, r=55mm, b=70mm, 得 2 2 2 2 2 2 8 . 0 0 . 0 2 5 2( ) 0 . 0 7 (0 . 1 1 0 . 0 5 5 )MP M P ab R r 總 ( 4.14) 礦用多工位氣動機械手 - 15 - 以上為礦用機械手腕部的回旋氣缸的尺寸設(shè)計 , 在手腕的后半部分 , 還安裝有控制 手部仰俯得的一個仰俯氣缸 , 其所起作用與手部回旋氣缸大致相同 , 因此在這里不做詳 細計 算 ,選用與手部回旋氣缸一樣的型號的回旋氣缸既可。 4.3 手臂典型運動機構(gòu) 手臂的運動一般都是直線運動,其中也有一部分的旋轉(zhuǎn)運動。其中直線運動 形式 一 般有手臂的伸縮 ,平行移動 。旋轉(zhuǎn)運動有沿自身軸線回轉(zhuǎn),也有 礦用機械手 的上下擺動, 左右搖動。 為了使礦用機械手具有足夠多的自由度,能在情況復(fù)雜的礦井下如期的完 成指定的運動,因此將礦用機械手設(shè)計為多關(guān)節(jié)的多自由度礦用機械手,使用三組氣缸 分別完成礦用機械手的大臂的仰俯,伸縮以及小臂的仰俯。 4.4 手臂的設(shè)計計算 氣壓缸活塞的驅(qū)動力的計算 回密 慣 F F F F ( 4.15) 式中 密F 密封圈與氣缸內(nèi)壁摩擦力 。 回F 氣缸氣體造成壓力 。 慣F 啟動或制動時 內(nèi)部結(jié)構(gòu)的慣性力 。 4.4.1 氣缸所需驅(qū)動力大小 如圖所示: G F 1 圖 4.1 軸的受力分析及其彎矩圖 將機械小臂及手部重量簡化至杠桿的左端 G=650N,由三角函數(shù)關(guān)系式可得 F1=963N 4.4.2 手臂密封裝置阻力的分析與計算 礦用多工位氣動機械手 - 16 - 在氣缸內(nèi)壓力小于 1MPa 時, O 型密封圈與氣缸內(nèi)圈形成的摩擦力計算公式為 0.03密FF ( 4.16) 4.4.3 手臂慣性力的分析與計算 手臂慣性力的計算公式為: 總慣 GF gt ( 4.17) 式中 總G 部件總重力。 g 重力加速度。 臂部所需伸縮速度。 t 啟動時間。 本設(shè)計中 取 0.233=s 0.2=st , 因此將數(shù)值帶入公式 ,得 7 0 0 0 . 2 3 38 3 . 29 . 8 0 . 2總慣 GFNgt ( 4.18) 取 0.05回 =FF, 可 得 110 .0 3 0 .0 5 8 3 .2 F F F ( 4.19) 則 160.24FN 4.4.4 氣壓缸工作壓力和結(jié)構(gòu)尺寸的確定 由 上述計算可得氣壓缸所提供的驅(qū)動力大小為 F=260.24N。經(jīng)查表可得,就近選擇 氣壓缸的工作壓力為 P=0.8MPa 經(jīng)過計算,確定了氣壓缸的驅(qū)動力 F=260.24N,根據(jù) 表 3.1,選擇氣壓缸的工作壓 礦用多工位氣動機械手 - 17 - 圖 4.2 雙作用氣壓缸示意圖 當(dāng)氣缸后腔室進氣時 , 氣缸內(nèi)壁直徑計算公式查閱資料可得: 2 2 1 2 1 2 4() dPFD P P p p ( 4.20) 由于 P2=0,所以 11 4 1.13FFD PP ( 4.21) 當(dāng)氣缸前腔室進氣時,氣缸內(nèi)壁直徑計算公式查閱資料可得 : 2 2 4FDdP ( 4.22) 式中 F 氣缸工作力。 總機械效率。 d 氣缸內(nèi)桿直徑 , 因此 有 1dD ( 4.23) 表 4.1 氣壓缸的工作壓力與速比 根據(jù)上述表格進行參數(shù)選擇 ,取 1.33 , 帶入式中可得: d=0.636D ( 4.24) 1 1 160.241. 13 1. 13 11 .5 70. 95 1. 6 FD P ( 4.25) 2222 2 4 4 1 6 0 .2 4 ( 0 .4 9 8 )3 .1 4 0 .9 5 1 .6 FD d DP ( 4.26) 計算得到 取其 中的最大值,因此各尺寸為: 氣壓缸工作壓 力 P1(MPa) 10 1020 20 速比 1.33 1.462 2 礦用多工位氣動機械手 - 18 - 礦用多工位氣動機械手 - 19 - 5 礦用機械手底盤設(shè)計 5.1 底盤的整體設(shè)計 底盤設(shè)計是為了使礦用機械手整體可以完成在工作場地內(nèi)的任意坐標(biāo)的移動,擴大 了礦用機械手的工作范圍。因此將礦用機械手安置在一個可全方位移動的底盤上??紤] 到礦井下的空間及地形等惡劣條件,這里主要對底盤的設(shè)計提出幾點的要求: ( 1) 為了能夠更好地適應(yīng)礦井下凸凹不平的地形,為使礦用機械手能夠更加平穩(wěn)的夾 持工件,礦用機械手底盤應(yīng)具有較好的減震效果; ( 2) 礦井下地方狹小,底盤在轉(zhuǎn)彎時的轉(zhuǎn)彎半徑應(yīng)盡可能的減??; ( 3) 底盤的結(jié)構(gòu)設(shè) 計應(yīng)該充分的適應(yīng)地況不平的工作環(huán)境; 5.2 底盤各結(jié)構(gòu)的設(shè)計方案 5.2.1 全向輪轉(zhuǎn)向機構(gòu) 為了使礦用機械手整體可以在工作場地內(nèi)可以自由轉(zhuǎn)動,最理想的狀況就是可以使 其轉(zhuǎn)彎半徑減小至零。因此為了實現(xiàn)這一目的,在這里選用全向輪作為本全向底盤的輪 子。 這里使用雙排的全向輪,可以使礦用機械手的震動更加的減小。如下圖所示,為全 向底盤的三維結(jié)構(gòu)示意圖 圖 5.1 底盤三維設(shè)計圖 底盤分為上 中下三層,最上面一層用以安置礦用機械手,以作為礦用機械手整體支 撐表面。第二層處則連接全向輪,為礦用機械手整體與地面接觸層,并與第一層相連接。 礦用多工位氣動機械手 - 20 - 全向輪因為功能特殊,因此安裝的方法與普通輪子的安裝方法不同,它是將各全向 輪的軸線相較于一點,這樣既可通過控制每個驅(qū)動馬達的不同轉(zhuǎn)速,來完成礦用機械手 整體的轉(zhuǎn)向。 5.2.2 驅(qū)動方式的選擇 為了能夠符合本此設(shè)計全氣動礦用機械手的主題,底盤的驅(qū)動方式也選擇為了氣動 驅(qū)動,并且為了簡化機構(gòu),這里使用氣動馬達來作為底盤的驅(qū)動裝置。 氣動馬達也是氣動驅(qū)動元件的一種,使用氣體作為其 動力傳輸?shù)慕橘|(zhì),將氣體的內(nèi) 能轉(zhuǎn)化為機械能的裝置 ,其中裝有葉片,使用其中特有的氣路用氣體推動葉片沿中軸旋 轉(zhuǎn),從而輸出轉(zhuǎn)矩。 其中氣動馬達相對于普通電機具有以下優(yōu)點 ( 1) 體積小,功率高; ( 2) 所需能源清潔 ; ( 3) 噪聲小,可進行無極調(diào)速,且調(diào)速控制方便,只需要控制其進氣的流量既可; ( 4) 安全可靠,不產(chǎn)生電火花 ,不會過熱,爆炸等危險現(xiàn)象出現(xiàn); 5.2.3 減震結(jié)構(gòu)的設(shè)計 底盤在經(jīng)過礦井下凸凹不平的地面時,多多少少的都會引起 礦用機械手 本身的震動, 因此為了減少這一部分的震動,為了簡化結(jié)構(gòu)既節(jié)約成本,這里使用彈簧對 礦用機械手 整體進行減 震,如圖所示: 將礦用機械手的第一層和第二層之間使用彈簧相連 。并且設(shè)置了四個彈簧,這樣既 可以達到減震的效果,又能起到支撐礦用機械手的作用。 這樣 , 就相當(dāng)于將礦用機械手 整體與全向輪之間以柔性連接 , 很好的起到了減震的效果 , 就相當(dāng)于懸掛減震 。 礦用多工位氣動機械手 - 21 - 圖 5.2 底盤減震機構(gòu) 5.2.4 平穩(wěn)結(jié)構(gòu)設(shè)計 為了使礦用機械手底盤能夠平穩(wěn)的在凸凹不平的地面上仍然能夠保持四個車輪全 部著地 ,特此設(shè)計了一個使用鉸鏈連接的底盤,這種底盤不同于普通的運動底盤。它在 安裝有全向輪的底盤第二層實際上是有兩塊對稱的板組成,每一塊板上都裝有兩 個全向 輪。而這兩部分則是由中間的一組鉸鏈連接,其工作原理是三點定一面,當(dāng)?shù)孛娌黄绞牵?如果是普通的底盤,必定會有一個輪子懸空,這樣會導(dǎo)致控制程序的混亂以及整個礦用 機械手的晃動,而設(shè)計這種機構(gòu)可以保證在遇到不平的地面時,鉸鏈轉(zhuǎn)動,使四個輪子 始終保持全部著地,這樣就彌補了由于不確定情況而造成的控制結(jié)果的混亂。 礦用多工位氣動機械手 - 22 - 6 PLC 控制程序的設(shè)計 6.1 PLC 簡介 隨著計算機的逐漸發(fā)展 , 人們不再局限于使用大型計算機進行控制各種元件進行工 作 , 因此有人開始將微型計算機與各種繼電器相結(jié)合 , 做成了一種更加油針對性的 , 模 塊化 的計算機設(shè)備 , 及 PLC。 PLC 作為一種可編程控制器,是將計算機與各種繼電器巧妙結(jié)合的微型計算器,其 內(nèi)部是由中央處理器,電源,觸點等部分組成。是人們在不斷地設(shè)計研究中不斷地升級 所得到的一種模塊化的,使用便捷,簡單大眾化的控制硬件。并且在使用過程中不斷地 進行改造設(shè)計,使得 PLC 的使用范圍更加的廣泛,功能更加強大。其使用的領(lǐng)域現(xiàn)在 越來越多,汽車、輪船、礦用機械手以及各種自動化的設(shè)備上。其中 PLC 的軟件設(shè)計 比較通俗易懂,是通過控制要求制定流程圖,再將之轉(zhuǎn)化為與 PLC 相匹配的梯形圖, 最后編寫程序注釋,由輸入端輸入信 號,內(nèi)部處理器處理,有輸出端輸出信號,以完成 整個控制過程。 6.2 礦用機械手控制程序編寫 6.2.1 控制程序任務(wù) 根據(jù) PLC 的工作機制完成接線及程序編制。其中 PLC 的工作原理為: PLC 是由微 型處理器與繼電器相結(jié)合的產(chǎn)物,它可以根據(jù)程序員編寫的 T 形圖完成程序流程,模擬 現(xiàn)實電路的運行,完成其中各繼電器的得電及開關(guān)的閉合,并最終輸出正確的模擬結(jié)果。 其輸出的結(jié)果即可以控制所連接繼電器的得失電,進而控制主電路的通斷電。 礦用機械手 的整體驅(qū)動部分是由各個氣缸組成,其控制元件則選擇電磁閥,為了簡 化控制程序的編寫, 電 磁閥的類型皆選用三位四通電磁閥 ,每個電磁閥只控制一個氣缸 的一個氣腔的通放氣(尤其主要注意的是當(dāng)氣缸的一個氣腔進氣時,必須在編程中控制 另外一個氣缸處于放氣狀態(tài),否則,氣缸將不能工作)??刂撇糠质褂萌?PLC。 驅(qū)動元件分別為手部夾持氣缸,手部回旋氣缸,手部仰俯氣缸,小臂仰俯氣缸,大 臂伸縮氣缸,大臂仰俯氣缸以及底盤上作為輪子轉(zhuǎn)動的驅(qū)動元件氣動馬達。 氣源為氣泵,由總氣管輸入氣體,經(jīng)由 PLC 控制的電磁閥,按照順序先后輸送給 各個驅(qū)動元件。 按照指導(dǎo)老師意見 , 編寫可以控制驅(qū)動元件完成以下的動作的控制順序 , 即大臂抬 起 ( 大臂仰俯氣缸伸出) -大臂伸出 (大臂伸縮氣缸伸出) -小臂下降(小臂仰俯氣缸 礦用多工位氣動機械手 - 23 - 伸出) -手指張開(手指夾持氣缸收縮) -手指夾持(手指夾持氣缸伸出) -小臂上升 (小臂仰俯氣缸收回),即完成工件的夾持。 以上完成的動作為設(shè)定的一系列的礦用機械手所完成的加持動作 , 此時礦用機械手 為工件的夾持狀態(tài) 。 再經(jīng)過底座上氣動馬達速度合成 (此次設(shè)計是為了模擬底盤的運動, 因此將設(shè)計一種簡單的底盤運動路徑)。底盤上連接有四個氣動馬達,這次設(shè)計預(yù)定是 使礦用機械手原地旋轉(zhuǎn) 90,因此根據(jù)全向輪的設(shè)計特性,應(yīng)使四個啟動馬達轉(zhuǎn)向相 同, 轉(zhuǎn)速相同,這樣,可以趨使礦用機械手整體圍繞自身的 Z 軸進行旋轉(zhuǎn),即可完成工件在 水平面上的移動(以上可知若要完成更加復(fù)雜的運動,可通過控制氣動馬達完成)。 之后在完成工件的放下動作,即大臂下降(大臂仰俯氣缸收回) -大臂 收縮(大 臂伸縮氣缸收回) -小臂下降(小臂仰俯氣缸伸出) -手指張開(手指夾持氣缸收縮), 即完成整個礦用機械手夾放工件的動作。 礦用多工位氣動機械手 - 24 - 6.2.2 宇龍仿真軟件與程序編寫 宇龍仿真軟件是一款在電腦上就可以完成各種電路的實際模擬的軟件。 根據(jù)控制欲求選擇元器件。 熔斷器熔體電流根據(jù)電動機進行 選擇。根據(jù)公式 , = (1.52.5) 其中 = 2.57A 求得 = (3.876.34)A 故取熔體電流為 6A 對于熱繼電器的電流,根據(jù)公式 = 0.951.051ed 取 = =2.57A。每個氣缸都需要控制前后兩個腔室的進氣與出氣, 因此選用三位四通電磁換向閥??刂戚敵鲇?20 個線圈,因此在 PLC 硬件上需要有大與 20個輸出點可以使用,因此 PLC選用三菱 FX2N-48MR-D其上有 24個輸出 點可以使用。 表 6.1 宇龍機電控制仿真軟件元件 元件名稱 元件型號 數(shù)量 元件相關(guān)參數(shù) 直流電源 220V 直流流電源 2 電壓 220V 低壓斷路器 DZ47-60-D5 2 熔斷器 NT0 5 額定電壓 220V 額定電流 125A 電磁閥 10 額定電壓 220V 熱繼電器 HR-1 2 額定電流 100A 按鈕開關(guān) BS-1 1 氣泵 1 額定電壓 220V 直線氣缸 4 回旋氣缸 6 PLC FX2N-48MR-D 1 導(dǎo)線 若干 氣管 若干 礦用多工位氣動機械手 - 25 - 表 6.2 輸出、輸入信號接口 輸入信號 輸出信號 名稱 代號 輸入點編號 名稱 代號 輸入點編號 啟動按鈕 SB1 I0.0 電磁閥 KM1 Y1 電磁閥 KM2 Y2 電磁閥 KM3 Y3 電磁閥 KM4 Y4 電磁閥 KM5 Y5 電磁閥 KM6 Y6 電磁閥 KM7 Y7 電磁閥 KM8 Y11 電磁閥 KM9 Y12 電磁閥 KM11 Y13 電磁閥 KM12 Y14 電磁閥 KM13 Y15 電磁閥 KM14 Y16 電磁閥 KM15 Y17 電磁閥 KM16 Y18 電磁閥 KM17 Y19 電磁閥 KM18 Y20 電磁閥 KM19 Y22 電磁閥 KM20 Y23 上表中包含了在設(shè)計中所有輸出端每個接觸器代表的都是一個線圈。下表為每個線 圈通電后所能完成的氣缸動作。 礦用多工位氣動機械手 - 26 - 表 6.3 各線圈得電所完成的動作 線圈代號 完成動作 KM1 手部夾持氣缸伸出 KM2 手部夾持氣缸收縮 KM3 手部回旋氣缸順時針旋轉(zhuǎn) KM4 手部回旋氣缸 逆 時針旋轉(zhuǎn) KM5 手部仰俯氣缸順時針旋轉(zhuǎn) KM6 手部仰俯氣缸 逆 時針旋轉(zhuǎn) KM7 小臂仰俯氣缸伸出 KM8 小臂仰俯氣缸收縮 KM9 大臂伸縮氣缸伸出 KM10 大臂伸縮氣缸收縮 KM11 大臂仰俯氣缸伸出 KM12 大臂仰俯氣缸收縮 KM13 氣動馬達 1 順時針旋轉(zhuǎn) KM14 氣動馬達 1 逆時針旋轉(zhuǎn) KM15 氣動馬達 2 順時針旋轉(zhuǎn) KM16 氣動馬達 2 逆時針旋轉(zhuǎn) KM17 氣動馬達 3 順時針旋轉(zhuǎn) KM18 氣動馬達 3 逆時針旋轉(zhuǎn) KM19 氣動馬達 4 順時針旋轉(zhuǎn) KM20 氣動馬達 4 逆時針旋轉(zhuǎn) 接線圖使用 1 個輸入接口分別控制 1 個按鈕開關(guān)和,并有 20 個輸出接口連接電 磁閥,如圖所為 PLC 的外部接線圖: 礦用多工位氣動機械手 - 27 - I0. 0 SB 1 1M Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7 Y1 1 Y1 2 Y1 3 Y1 4 Y1 5 Y1 6 Y1 7 Y1 8 Y1 9 Y2 0 Y2 1 Y2 2 Y2 3 24 V 220 V KM 1 KM 2 KM 3 KM 4 KM 5 KM 6 KM 7 KM 8 KM 9 KM1 0 KM1 1 KM1 2 KM1 3 KM1 4 KM1 5 KM1 6 KM1 7 KM1 8 KM1 9 KM2 0 圖 6.1PLC 的外部接線圖 由 PLC 外部接線圖,在宇龍仿真軟件上連接元件進行工作原理模擬運行,控制接 線圖如下圖所示: 礦用多工位氣動機械手 -31- 圖 6.2 PLC 控制接線圖 根據(jù)工作順序的要求,使用三菱 PLC 進行程序編制梯形圖,如圖所示: 圖 6.3 PLC 程序圖 礦用多工位氣動機械手 -32- 圖 6.4 PLC 程序圖 2 圖 6.5 PLC 程序圖 3 礦用多工位氣動機械手 -33- 7 氣壓系統(tǒng)設(shè)計 本章主要介紹礦用機械手的整體氣壓傳動系統(tǒng)的設(shè)計,其中包括氣壓元件的選用, 氣路的設(shè)計等 7.1 氣壓元件的選用 根據(jù)前幾章的介紹,機械手總體的可以完成的動作有手指的開合,手部的旋轉(zhuǎn),手 部的仰俯,機械手小臂的仰俯,大臂的伸縮,大臂的仰俯及底盤上的四個氣動馬達。 根據(jù)上面的各關(guān)節(jié)的自由度要求,分別對各關(guān)節(jié)驅(qū)動元件進行選擇,手指開合,小 臂仰俯,大臂仰俯,大臂伸縮,這些都可以以直線氣缸來進行驅(qū)動。而在手腕部結(jié)構(gòu)空 間小,且要求回旋運動,因此選用回旋氣缸。 7.2 氣路的設(shè)計 為了使氣路控制較為簡單,并且 氣壓元件 盡 可能的少。因此每一個氣缸都 有 一個三 位四通電磁換向閥控制,并有 PLC 控制其線圈的得失電。其控制原理圖如下 10 54321 6 7 9 8 氣動馬達2 氣動馬達4氣動馬達3 氣動馬達1大臂仰俯氣缸 手指開合氣缸 大臂伸縮氣缸 小臂仰俯氣缸 手部仰俯氣缸手部旋轉(zhuǎn)氣缸 2 0DT1 9 DT1 8 DT1 7 DT 16 DT15 DT14 DT13 DT 11 DT 12 DT9 DT 10 DT 6 DT5 DT4 DT3 DT 7DT 8 DT1 DT 2 DT 圖 7.1 氣壓原理圖 礦用多工位氣動機械手 -34- 其工原理是 , 由氣泵供氣 , 通過開啟截流閥 , 再經(jīng)濾氣器等氣路元件將氣體供給各 個執(zhí)行元件 。 其中在總氣路上有溢流閥 , 氣壓表等氣路配件 。 由各個電磁換向閥控制各 個氣缸的有桿腔或者無桿腔進氣或者出氣 。 圖 7.2 直線氣缸與氣動馬達驅(qū)動原理圖 如圖所示 , 由進氣 口進氣 , 為整個氣路提供動力源 , 再經(jīng)過截流器 (控制總氣 路的通斷),蓄氣器(儲存一定量的壓力氣體,以作為備用氣源),濾氣器(過濾氣體 中的雜志,以保護氣管及通氣元件通暢),之后氣路中還包括由溢流閥和壓力表。溢流 閥在這里做為安全閥使用,當(dāng)氣路中的氣壓達到溢流閥的調(diào)定壓力時,溢流閥開啟,將 氣體排出,以達到保護氣路的作用。而為了方便操作者能夠更加直觀的觀察整個氣路中 1-截流器 2-蓄氣器 3-濾 氣 器 4-調(diào)速閥 5-油霧器 6-壓力表開關(guān) 7-壓力表 8-單向調(diào)速器 9-直線氣缸 10-氣動馬達 11-三位四通電磁換向閥 12-溢流閥 礦用多工位氣動機械手 -35- 的氣壓變化,在這里有做出一個支路直連氣壓表。經(jīng)過這樣一套主氣路的設(shè)計及各種輔 助元器件的使用后,進入到對各驅(qū)動元件直接連接的各支路中的設(shè)計中來,并就以一組 小 臂仰俯氣缸和一個氣動馬達做詳細介紹。 如圖所示 , 直線氣缸的連接線路上有一個三位四通電磁換向閥以及一個單向調(diào)速閥 , 其中電磁換向閥是用來控制是前腔室進氣還是后腔室進氣又或者兩腔室都不工作,在電 磁換向閥的兩側(cè)有兩塊電磁鐵,分別控制閥芯向左移動還是向右移動(說明:這里當(dāng)電 磁鐵的電時是將閥芯推出去而不是吸過來)。比如說,如上圖若 12DT 得電,則將閥芯 向左推,因此將右腔室放在了工作位置,則前腔室通氣,右腔室出氣, 11DT 得電 則反之。 以上是對直線氣缸的工作機制的介紹,回旋氣缸的工作過程及控制氣路與其大 致相同,也是由電磁 換向閥控制其旋轉(zhuǎn)方向,由調(diào)速閥控制其旋轉(zhuǎn)速度。 以上介紹的為小臂仰俯氣缸和氣動馬達 1 的氣壓設(shè)計,而其他的是指開合,大臂伸 縮,大臂仰俯與小臂仰俯工作機制相同。手部回旋,手部仰俯及氣動馬達 2、 3、 4 與氣 動馬達 1 的工作機制相同。 礦用多工位氣動機械手 -36- 結(jié)論 通過本次的畢業(yè)設(shè)計,成功的將各種氣壓驅(qū)動元件及各種零部件進行設(shè)計拼接,組 成了一個符合本次課題的礦用氣動機械手。根據(jù)其完全氣動的工作機制,可以將它運用 在充滿可燃氣體的礦井下使用而不用擔(dān)心會在工作過程中產(chǎn)生火花而引起瓦斯氣體爆 炸。并且其擁有全方位運動底盤,并且可以自己調(diào)整輪子的 著地,可以使機械手整體在 礦井下各種不平的地面上自由移動。 在設(shè)計過程中,通過實際研究總結(jié)發(fā)現(xiàn),本次設(shè)計的礦用多工位氣動機械手具有以 下幾種優(yōu)點及改進之處。 優(yōu)點: ( 1) 全氣動的運行可在礦井等危險工作環(huán)境下安全使用; ( 2) 使用氣動驅(qū)動方式,柔性較強,對機械手本身或工件造成的傷害較??; ( 3) 結(jié)構(gòu)關(guān)節(jié)多,自由度大,可靈活操作。 缺點: ( 1) 結(jié)構(gòu)設(shè)計關(guān)節(jié)多,控制復(fù)雜; ( 2) 設(shè)計簡單,改進空間大。 在能源逐漸枯竭,環(huán)境污染日趨嚴重的今天,氣動行業(yè)的發(fā)展將會越來越好,也會 有越來越多的設(shè)備使用氣動的驅(qū)動方式,氣動機械手的普及指日可待。 礦用多工位氣動機械手 -37- 致謝 通過這五個月的時間,畢業(yè)設(shè)計即將告一段落。在各老師的諄諄教導(dǎo)下,在同學(xué)們 的熱心幫助下和自己的不懈鉆研努力下,我終于順利地完成了這一次的畢業(yè)設(shè)計。 通過這次的畢業(yè)設(shè)計,我不僅學(xué)習(xí)到了一個產(chǎn)品的設(shè)計過程應(yīng)該如何思考并設(shè)計計 算,同時也溫習(xí)了曾經(jīng)自己所學(xué)習(xí)的專業(yè)知識,例如機械設(shè)計,工程制圖, PLC 等。 在我看來,作為一個機械專業(yè)本科的學(xué)生,這些專業(yè)知識是十分重要的,而且這些學(xué)科 也是十分嚴謹細致的,標(biāo)準(zhǔn)十分嚴格,無論是標(biāo)準(zhǔn)件還是非標(biāo)準(zhǔn)件,都需要嚴格按照國 家標(biāo)準(zhǔn)來選取零件,非標(biāo)準(zhǔn)件也需要進行
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