气动安装机械手（精选7篇）
气动安装机械手 篇1
0 引言
气动机械手作为机械手的一种,具有结构简单、重量轻、动作迅速、工作可靠、节能和环保等优点而被广泛应用。气动安装机械手主要用于完成以下功能:选择要安装的小工件,从料仓中推出来,并用吸盘吸住安装到大工件中。
1 气动安装机械手的结构和工作原理
气动安装机械手的结构示意如图1所示。系统主要组成部分有:上料模块和安装模块。
上料模块主要由2个圆桶料仓、推料装置、料仓平移气缸和支架组成。上料模块主要用于依次将2个料仓中的工件2推放到吸料工作台上,等待吸盘机械手取料。在两个气缸的两端都安装有磁性开关,分别用于判断两个气缸运动的极限位置。推料气缸和平移气缸的配合靠延时来实现。
1-安装平台2-翻转装置3-翻转气缸4-机械手臂5-真空吸盘6-圆桶料仓7-推料装置8-平移气缸
安装模块主要由真空发生器、吸盘、机械手、翻转气缸和翻转装置等组成。真空吸盘用于抓取工件2。吸盘内腔的负压(真空)是靠真空发生器产生的。安装模块工作过程:吸料→机械手向前翻转→安装(放料)→机械手向后翻转。
2 气动控制系统设计
气动安装机械手的气动控制回路如图2所示。气动系统由气源、气动三联件OZ、电磁阀、节流阀、真空发生器和各种气缸组成。气源工作压力:最小6bar,最大8bar。翻转、平移换向阀采用二位五通双电控电磁阀,推料、吸料电磁阀采用二位五通单电控电磁阀。电磁阀均选用AIRTAC公司型号为4V110-M5的产品。气缸选用SMC公司的产品,翻转气缸1A选用CDM2B20-45型,平移气缸2A选用CDJ2B16-60-B型,推料气缸3A选用CDJ2B10-60-B型。为了使各执行元件运动平稳,各气缸2个气口装有单向节流阀。翻转前限/后限、平移左限/右限、推料伸限/收限的行程位置用气缸开关检测,气缸开关选用SMC公司的D-C73产品。真空发生器选用SMC公司的ZU07L型。
3 电气控制系统设计
3.1 PLC选型与I/O接口分配
PLC是气动安装机械手的核心控制器。根据控制要求分析,PLC的输入信号有:起停控制信号3个,位置检测信号6个,联络信号2个,共11个开关量输入信号;输出信号有:电磁阀控制信号6个,与前站的联络信号各1个,共7个开关量输出信号。输入输出信号的具体作用和地址分配如表1所示。继电器和电磁阀的线圈均为DC24V。选用三菱FX2N-48MR型PLC,24点直流输入,24点继电器型输出,并向外提供24V直流电源,完全可以满足控制要求。
气动安装机械手接受的通讯信号有两个:一个是大工件1放好在安装平台上,安装机械手接受到的安装请求信号4C5A;一个是安装好的工件从安装平台被取走后,安装机械手接受到的搬取结束信号4C5B,用于实现安装机械手复位。
气动安装机械手的通讯输出信号通过中间继电器来实现隔离。继电器K1用来传送气动安装机械手安装完毕、允许其他机械搬取工件的信号。
3.2 PLC控制程序
1)控制功能要求
气动安装机械手控制系统分为单站控制、联络控制和停止控制三种控制功能。
单站控制。初始时吸盘下有工件2,推料气缸、翻转气缸处于收回状态,平移动气缸可以在左或右位置。按下单站起动按钮SB1,安装模块完成依次完成如下动作:吸盘吸料→翻转气缸向前翻转→工件2被搬运到安装工作台→吸盘放料→延时→机械手向后翻转。工件2被吸取走后,上料模块主要完成以下动作:推料和更换料仓。推料完毕后,吸盘机械手才能向后翻转,回到原位。如果没有停止信号,气动安装机械手按照以上过程循环进行。此时,要注意安装工作台的工件要及时取走,否则容易损坏机械。
联络控制。当工件1被放置在安装工作台且安装搬运机械手离开后,气动安装机械手位于初始状态时,按下联络按钮SB2,气动安装机械手按照单站控制方式下的要求,完成一次工件2的上料和安装任务。如果没有停止信号,气动安装机械手在下一个工件1放置好后,自动进入下一工作周期。
停止控制。任何时候按下停止按钮SB3,控制系统在完成当前工作周期后停止工作。
2)工艺流程
按照上述控制要求,绘制气动安装机械手的工艺流程如图3所示。气动安装机械手的控制流程比较复杂。起动系统,进入安装等待步;单站方式或联络方式下有安装请求信号来后,吸料,吸料机械手向前翻转。放料控制和上料控制分支流程同时进行。上料控制分支流程又有左料仓上料和右料仓上料两种选择。上料完毕,吸料机械手向后翻转,此时气动安装机械手的机械返回到了原点。
为了能使程序流程不出错,必须使程序的步进状态也要正确地返回原点。在S27步,发送安装完毕信号后,用第4站的联络信号——搬取结束信号4C5B作为程序步进状态返回原点的转换条件。
PLC的程序用步进指令编程实现,控制程序分为:安装等待、吸料、机械手前翻、安装、安装结束等待、推料、料仓判断、料仓左移或右移、上料结束等待、机械手后翻、发送联络信号及复位等待,加上初始步共13步动作。单站控制方式和联络控制方式的程序共用。在安装等待步,如果是单站工作方式,则延时后进入下一步,如果是联络工作方式,则等待安装请求信号,信号有效时,才进入下一步。为了避免两种控制方式冲突,在步进控制程序外的控制方式选择程序中,需设置两种控制方式的互锁。
4 结束语
气动安装机械手是较复杂的一个控制系统,主要体现在它的机械动作复杂,电气控制联锁关系较多。采用PLC对气动安装机械手进行自动控制,既解决了本系统上料模块和安装模块、推料气缸和平移气缸之间的互锁关系,也解决了本系统与其他机械单元之间的协同作业,很好地实现了气动安装机械手的上料、吸料、安装和联络等功能。控制系统经过运行调试,设备动作顺畅、性能稳定、可靠性高。
参考文献
[1]黄伟玲.基于PLC的气动搬运机械手设计[J].煤矿机械,2009,(30):20-22.
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[3]吴明亮,蔡夕忠主编.可编程控制器实训教程[M].北京:化学工业出版社,2005.
[4]刘增辉.模块化生产加工系统应用技术[M].北京:电子工业出版社,2005.
[5]姜佩东.液压与气动技术[M].北京:高等教育出版社,2002.
气动安装机械手 篇2
气动技术的动力来源主要就是空气压缩机, 通过对空气进行压缩, 来传递能量或者传递信号, 是自动控制的一种主要手段。
最早在1776年, 由约翰威尔逊成功的研制了第一台空气压缩机, 这台空气压缩机只能产生一个气压的压力。1880年, 人们在火车的刹车上装上了气缸, 成功的做成气动刹车。在20世界30年代, 气动技术被广泛应用于自动门和机械的辅助动作上。到20世界50年代初期, 在液压的基础上, 研究出了气压元件, 不过这时气压元件体积庞大。60年代, 气动技术已经自成体系, 形成工业控制系统。70年代, 气动技术结合电子技术, 被广泛应用于自动化控制领域。80年代, 开始演变成气动微型化和集成化的时代。90年代一直到现代, 相关工作人员已经将气动技术逐渐完善, 各种高精度的气动机械手诞生, 智能化的气动技术概念诞生。在技术的不断完善下, 不断解决了生产线中遇到的控制问题。
气压系统可以适用于易燃易爆、高温震动强磁辐射等多种恶劣环境, 所以气动系与多种器械结合使用。气动机械手是机械手中最重要的一种, 它节能无污染、动作灵活、结构简单, 平稳可靠、重量轻, 这些优点使气动机械手被半导体、化工、汽车制造、家电制造、军事工业以及精密仪器等领域广泛使用。
2 PLC解析
PLC就是可编程逻辑控制器, 其采用可编辑的储存器, 用于内部储存程序, 执行逻辑运算、定时、顺序控制、算术操作和计数等面向用户的最终指令, 通过数字控制各种机械进行生产的过程。
PLC实质是专用于工业控制的计算机, 在硬件上与微型计算机差别不大, 基本由电源、CPU、储存器、输出输入接口电路、功能模块和通信模块六部分构成。电源是系统中最重要的部分, PLC对电源的要求极高, 如果没有可靠的电源, 就无法进行正常的工作。CPU是PLC的控制中枢系统, 它按照PLC赋予的功能接收存贮用户的数据, 并且诊断语法的错误。在PLC运行时, 首先就是CPU扫描输入的数据, 然后存入I/O映象区。接着从用户的储存器中读取用户的程序, 在经过命令解释后把运算结果送入数据寄存器, 在所有的用户程序处理完以后, 最后将储存器的数据送入输出装置, 在停止前一直反复运行。一般大型的PLC采用双CPU系统, 这样可以保证PLC系统的正常运行。存储器有存储系统软件和应用软件。功能模块有计数和定位等功能。PLC的工作原理, 是在PLC运行后, 有三个阶段的工作过程, 就是输入采样, 用户程序执行以及输入刷新。每一个扫描周期都必须完成这三个阶段。在运行的整个过程中, PLC的CPU重复执行这三个阶段的工作。
2.1 输入采样阶段
输入采样阶段中, PLC以扫描的方式依次读取所有的输入数据和状态, 并且存入I/O映象区的对应单元内。在输入采样过程结束以后, 进入用户执行程序和输出刷新阶段。这两个阶段, 输入数据和状态即使发生了变化, I/O映象区中的对应单元数据和状态也不会发生变化, 所以输入脉冲信号, 那么脉冲信号宽度要大于一个扫描周期, 这样才能保证输入读入的均匀。
2.2 用户程序执行阶段
在这一阶段中, PLC一直是按照从上到下的顺序依次进行对用户程序的扫描, 在每次扫描时, 又一直按照扫描左面的触电构成的控制路线, 然后扫描右侧, 始终按照从左到右, 从上到下的顺序对触电构成的线路图进行逻辑的运算处理, 在根据逻辑运算的实际结果, 进行刷新输出线圈在I/O映象区中的应位状态, 确定是否需要执行特殊功能的指令。
3 气动安装机械手的结构、工作原理以及系统的设计
气动安装机械手的结构主要有安装平台、翻转设备、翻转气缸、机械手臂、真空吸盘、圆桶料仓、推料装置和平移气缸。系统主要有上料和安装两种模块组成。上料模块包含推料装置、两个圆桶料仓料仓平移气缸与支架。上料模块就是把料仓中的工件放置在吸料台上, 让吸盘机械手进行取料操作。每个气缸都安有磁性的开关装置, 用来判断气缸运动的期限位置所在。需要依靠延时才能实现推料气缸与平移气缸的配合。真空发生器、机械手、翻转装置和吸盘组成了安装模块。真空吸盘的主要作用就是抓取工件。真空发生器产生了吸盘内的压力。安装模块的主要工作程序就是先吸料, 然后机械手向前翻转, 将料放下安装, 最后机械手在向后翻转就完成了。
3.1 气动安装机械手气动控制系统的设计
气动安装机械手的气动系统主要是电源、电磁阀、真空发生器、各种气缸、气动三联件以及节流阀构成。气源的工作压力在6bar到8bar之间。推料和吸料的电磁阀都是运用二位五通单电的控电磁阀, 翻转和平移是用双电的控电磁阀。
3.2 电气控制系统的设计
3.2.1 PLC的选型和I/O的接口分配
气动安装机械手核心的控制器就是PLC。对控制的要求要进行科学的分析, 选用合理的PLC输入信号和输出信号。PLC的输入信号包括位置检测信号、起停控制信号、联络信号等。输出信号包含:前站联络信号和电磁阀控制信号。
3.2.2 PLC的控制程序
PLC的控制程序只要有控制的要求和工艺的流程。气动安装机械手有三种控制的功能:单站控制、联络控制、停止控制。
单站控制是在工作初始时, 在吸盘下有工件, 翻转气缸和推料气缸都在收回的状态中, 平移气缸的位置可以在左右的任何方位, 起动单站控制程序, 安装模块会先用吸盘吸料, 然后翻转气缸向前方翻转, 这样工件就会被搬运到安装的工作台, 吸盘将料放在工作台上, 经过延时, 机械手会向后进行翻转。在工件被吸走以后, 上料模块就会完成推料和更换料仓的程序。在推料工作完成以后, 吸盘机械手会向后进行翻转, 回到原来的位置。如果不停止操作, 给出停止信号, 那么气动安装机械手就不会停止, 会按照刚才的程序无限的循环操作下去。这个时候, 要注意的是把安装工作台上的所有工件全部拿走, 不然会损害机械。
4 气动安装机械手的发展趋势
4.1 重复高精度化
精度是指机械手所能达到的精确程度, 这需要精良的驱动器分辨率和反馈装置。重复高精度就是指在机械手经历重复的工作多次, 还能够达到一样的精细程度。如果气动机械手不能够有完美的高精度, 那么在工作中就会出现误差, 会为工作带来严重的后果。所以气动机械手的发展法相是朝着高精度进行, 可以结合现代化的控制技术与微电子技术, 尽量的减少误差, 通过对程序的编辑, 来校正误差数据, 然后经过机械手的不断重复测试, 找到合理的误差范围。因此, 只要气动机械手的重复精度持续提升, 那么它的应用范围也就会逐渐扩大, 能够更好地服务不同的行业。
4.2 实现自动化
自动化的控制系统还需要以可编程序控制器-传感器-气动元件为基础, 发展结合电子技术的自动控制气动元件, 将气动技术的开关控制提升到更高精度的反馈控制, 减少配线以及元件, 这样不但可以使拆装操作更简单, 还能够极大地提升系统的可靠性。
5 结束语
气动安装机械手的控制系统十分复杂, 所以在控制中难以避免出现误差。而使用PLC控制气动安装机械手, 不但处理了安装和上料模块与推移和平移气缸之间的互相繁琐关系, 同时增加了系统和其他机械但愿的共同协作, 提高了气动安装机械手工作各个程序的效率, 极大的促进了气动安装机械手的优点和性能。
摘要：本文介绍了气动机械手的发展历程、应用现状以及PLC的工作原理, 在此基础上, 对气动安装机械手的结构、工作原理、系统设计以及发展趋势进行了详细分析。
关键词：气动安装机械手,PLC干预,控制设计
参考文献
[1]关明, 周希伦, 马立静, 等.基于PLC的机械手控制系统设计[J].制造业自动化, 2012 (14) .
气动机械手的结构设计 篇3
1 机械手结构设计
为了使该机械手在实际应用中有着更强的通用性, 这里将该机械手设计为可更换式手部结构, 以期在实际应用中能够按照实际需要更换结构。
1.1 小臂升降设计
小臂升降模块的作用是将模拟刀具从刀架槽中插入或提出。对其的设计需要考虑气缸内径、气缸的耗气量以及小臂升降气缸计算三个重点部分。
1.1.1 气缸内径的确定
由初始工作压力以及工作载荷的相对关系, 可以根据式 (1) 将缸径D计算出来。
其中, D为气缸的内径, F代表活塞推力, P代表初始压力, 通常情况下P= (0.46-1) MPa, η=0.29-0.51, 取值与速度呈相反的趋势。对于气缸的动态性能则没有特殊严格苛刻的要求。
1.1.2 气缸耗气量
气缸的耗气量与气缸的行程S、直径D、换向阀到气缸管道的容积和缸的动作时间有关。一般情况下, 忽略气缸管道自身的容积, 那么气缸在单位时间内用掉的空压可以根据式 (2) 得出。
其中, Q代表每秒钟消耗的压缩空气量, Q1、Q2分别代表气缸有、无进气时消耗的压缩空气量, D与d分别代表缸的内径以及活塞杆直径, M则代表气缸的行程。
1.1.3 小臂升降气缸计算
按照换刀机械手在实际生产中的最基本要求, 气缸吸住载荷时要求的力F≤15N, 所走的路程为30s, 剩余的时间为0.3s。其主要尺寸的确定如下。
缸径D的计算:取d/D为0.5, 取P为0.5MPa, η=0.3来进行计算, 可以得到D=16.6mm。
按照文献报道, 取SMC标准缸径为20mm, 取活塞杆的直径为d=8mm, 行程S取30mm, 如图1所示。
1.2 手腕结构的设计
实现机械手手臂手腕运动的机构形式是多种多样的。本文机械手的一切气动元件全部购买SMC标准气动件。
气缸的理论输出力矩为:
其中, M代表气缸所受到实际的力矩, η代表负载率, 且η≤0.3。
如果工作压力处于0.5MPa, 则输出的扭矩会达到0.53N·m, 可以得出允许动能大约在0.40J左右。除此以外, 摆动角度可以达到90°, 可调角度也能够精确到在±5°, 摆速也能够控制在0.2~1.0s/90°, 使用气压可以从0.1MPa一直到0.99MPa。
2 结束语
本文对气动机械手进行研究, 对小臂升降以及手腕进行详细设计, 给出了各个参数的定量计算, 为下一步的机械手自动化控制提供了有力的机械基础。
参考文献
[1]刘明保, 吕春红, 张春梅.机械手的组成机构及其技术指标的确定[J].河南高等专科学校学报, 2004, (1) :18-20.
[2]李超.气动通用上下料机械手的研究与开发[D].西安:陕西科技大学, 2003.
轻型气动平动搬运机械手设计 篇4
机械手是工业自动控制领域中经常遇到的一种控制对象。机械手可以完成许多工作,如搬物、装配、切割、喷染等等,应用非常广泛。机械手能模仿人手和臂的某些动作功能,用于按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化,能在有害环境下操作以保护人身安全,因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。一般专用机械手有2～3个自由度。本课题设计的是一个四自由度工件搬运气动机械手。
1 机械手的总体方案设计
课题是气动轻型平动搬运机械手的设计。轻型气动平动搬运机械手的设计,工作可靠、定位准确、气动控制回路简单、电气控制容易实现、成本相对低,很适合用于工业中单调、频繁的搬运或抓取类工作。
2 手部的设计计算
2.1 手部的工作原理及力学分析
下面对其基本结构进行力学分析:图1为常见的齿轮杠杆式手部结构。
在活塞杆1的作用下,手指3和连杆2一起随连杆移动,从而实现手指的张开与闭合。当活塞杆向下移动时,手指闭合。当活塞杆向上移动时手指张开。
2.2 夹紧力及驱动力的计算
手指加在工件上的夹紧力,是设计手部的主要依据。必须对大小、方向和作用点进行分析计算。一般来说,需要克服工件重力所产生的静载荷以及工件运动状态变化的惯性力产生的载荷,以便工件保持可靠的夹紧状态。
手指对工件的夹紧力可按公式计算:
FN≥K1K2K3G (1)
式中:K1——安全系数,通常1.2～2.0;
K2——工作情况系数,主要考虑惯性力的影响。可近似按下式估
vmax——运载时工件最大上升速度;
t响 ——系统达到最高速度的时间,一般选取0.03～0.5s;
K3 ——方位系数,根据手指与工件位置不同进行选择;
G ——被抓取工件所受重力(N)。
计算:设a=100mm,b=50mm,10°<α<40°;机械手达到最高响应时间为0.5s,求夹紧力FN和驱动力F和驱动气压缸的尺寸。
1)设K1=1.5
根据式(1),将已知条件代入得到:
FN=1.5×1.02×0.5×588N=449.8N (2)
2) 根据驱动力公式得:
4) 确定气压缸的直径D
选取活塞杆直径d=0.5D,选择气压缸工作压力P=0.8~1 MPa,
根据表1(JB826-66),选取气压缸内径为:D=63mm。
则活塞杆内径为:
D=63×0.5=31.5mm,选取d=32mm
2.3 手指夹持范围计算
为了保证手指张开角为60°,活塞杆运动长度为34mm。手指夹持范围,手指长100mm,当手指没有张开角的时候,如图2(a)所示,根据机构设计,它的最小夹持半径R1=40,当张开60°时,如图2(b)所示,最大夹持半径R2计算如下:R2=100×tan30°+40cos30°≈90,机械手的夹持半径从40～90mm。
2.4 机械手手指夹持精度的分析计算
机械手的精度设计要求工件定位准确,抓取精度高,重复定位精度和运动稳定性好,并有足够的抓取能力。
机械手能否准确夹持工件,把工件送到指定位置,不仅取决于机械手的定位精度(由臂部和腕部等运动部件来决定),而且也于机械手夹持误差大小有关。特别是在多品种的中、小批量生产中,为了适应工件尺寸在一定范围内变化,需进行机械手的夹持误差设计。该设计以棒料来分析机械手的夹持误差精度。
机械手的夹持范围为80～180mm。一般夹持误差不超过1mm,分析如下:工件的平均半径:RCD =65mm手指长l=100mm,取V型夹角2θ=120°。偏转角β按最佳偏转角确定:
计算 R0=lsinθcosβ=100×sin60°cos46°=60.15
当R0≥Rmax≥Rmin时代入有:
夹持误差满足设计要求。
3 机械手气动回路及PLC 控制系统设计
轻型气动平动搬运机械手气缸驱动,PLC 控制。图3是气动控制回路原理图,图中每个气缸的运动方向都分别由各自的方向控制阀(单电控两位五通阀)进行控制,气缸的运动速度则通过节流阀进行调节。机械手垂直手臂由摆动气缸构成,气爪为平行气爪结构,分别由各自的方向控制阀进行控制,摆动气缸也可通过节流阀进行调速。
应用PLC 控制机械手实现各种规定的预定动作,可以简化控制线路,节省成本,提高劳动生产率,该设计中全部采用双电控电磁阀作为驱动气缸的主控阀。输人信号端:12 个行程开关发出信号,另外根据系统控制的要求,需要TART,POSITION 和RESET 共3 个按钮信号,1 个STOP 按钮信号,还需要1 个用来控制机械手运行方式的AUTO/MAN 旋动开关。输出信号端:用来驱动6 个气缸的电磁阀需要12 个输出信号,电磁阀14 需要1 个输出信号,3个用来显示工作状态的START,RESET,POSITION 信号指示灯。
利用 PLC 进行多气缸顺序动作控制,有如下特点:
1) 整个控制系统包括PLC 控制部分和气动控制部分;
2) 可用双电控电磁阀或单电控电磁阀或采用阀岛进行气路转换,结构紧凑;
3) 信号控制可用行程开关,也可根据需要用非接触式传感器接收信号;
4) 工作可靠性高,大大提高了生产率;
5) 运用PLC 控制与计算机通信可实现远程控制,因而在生产中运用广泛。
4 结语
轻型气动平动搬运机械手充分利用气动自动化技术,根据应用工况的要求,选择相应功能和参数的模块,像搭积木一样进行组合。这是一种先进的设计思想,反映了气动技术今后的发展方向,也将始终贯彻于气动机械手的开发应用中。实践证明,该机械手运行可靠,操作便捷。
摘要：叙述了机械手的设计计算过程,介绍了搬运机械手的设计理论与方法,讨论了搬运机械手的手爪、手臂以及旋转立柱等主要部件的结构设计。
关键词：机械手,气压传动,气压缸
参考文献
[1]刘明保,吕春红,等.机械手的组成机构及技术指标的确定[J].河南高等专科学校学报,2004,1(1).
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[7]蔡自兴.机械人学的发展趋势和发展战略[J].机械人技术,2001(4).
气动机械手回转臂结构设计 篇5
1 气动机械功能以及优点
气压传动机械手是以压缩空气的压力来驱动执行机构运动的机械手。它巧妙地应用力的平衡原理, 使操作者对重物进行相应的位移, 就可在空间内平衡移动定位负荷。重物在提升或下降时形成浮动状态, 靠气路实现微重力的物料位移, 操作力受工件重量影响。无需熟练的点动操作, 操作者用手推拉重物, 就可以把重物正确地放到空间中的任何位置, 或者通过操作台控制工件的位移。可完成以下动作:送料、预夹紧、手臂上升、手臂旋转、小臂伸长、手腕旋转。
气动技术有以下优点: (1) 全程平衡、运动顺滑, 可使不同物料或工件达到重力平衡状态, 实现物料的精确位移操作。 (2) 空载、满载及处理不同工件时, 系统可感知其重量变化, 并实现载荷在三维空间中的浮动状态, 便于精确定位。 (3) 刚性手臂可使机械手带工件越过障碍;系统可始终保持机械手头部的水平, 发挥高作业性。 (4) 能源可储存。压缩空气可存贮在储气罐中, 可适应突然断电等情况。 (5) 关节刹车装置, 具有多个回转关节, 以实现广域范围内的物料取置;配备有刹车装置, 操作者可在操作过程中随时中断机械手的运动。
2 气动机械手的主要部件和设计要求
选择圆柱坐标式机械手, 本设计的机械手具有3个自由度:手臂伸缩;机身回转;机身升降。本设计的机械手主要由3个大部件和3个气缸组成: (1) 手部, 采用一个气爪, 通过机构运动实现手爪的运动。 (2) 臂部, 采用直线缸来实现手臂的伸缩。 (3) 机身, 采用一个直线缸和一个回转缸来实现手臂升降和回转。
2.1 对手部设计的要求
机械手的手部是机械手上承担抓取工件的机构, 由于被抓取物件 (炮弹) 的形状近似于圆台, 所以, 其手爪采用特殊的V字型结构, 即手爪的内表面设计成与圆台斜度相同的斜面, 即保证了抓取的稳定又不会因“线接触”而影响炮弹的表面质量。通过对平衡气缸内空气压力快速精确的调节, 实现对某一重量范围内工件的实时平衡状态。机械手可选择定制功能:平衡系统;垂直提升;负载平衡。设备回转关节设置刹车系统, 可在任意所需要的位置刹车, 使机械手可以长期或定期保持需要的状态。翻转90度、翻转180度和翻转任意角度 (MAX270°) ;断气保护:设备被意外断气时, 设备上的储气罐装置可保证工人正常完成一个循环工作, 然后进入刹车状态。指示功能:负载指示、到位指示。误操作保护功能:工件在悬空时不可被释放。人性化操作手柄:控制按钮和人性化防滑手柄集成一体, 让操作人更便捷操纵机体。工件表面保护:夹具接触工件部位装置保护物件, 保证工件表面不会被刮伤。高效率工作:夹具设置抓取导向, 让工件的拾取更高效。
控制系统可根据动作的要求, 设计采用数字顺序控制。它首先要编制程序加以存储, 然后再根据规定的程序, 控制机械手进行工作程序的存储方式有分离存储和集中存储两种。分离存储是将各种控制因素的信息分别存储于两种以上的存储装置中, 如顺序信息存储于插销板、凸轮转鼓、穿孔带内;位置信息存储于时间继电器、定速回转鼓等;集中存储是将各种控制因素的信息全部存储于一种存储装置内, 如磁带、磁鼓等。这种方式使用于顺序、位置、时间、速度等必须同时控制的场合, 即连续控制的情况下使用。
2.2 腕部设计计算
考虑到机械手的通用性, 同时由于被抓取工件是水平放置, 因此手腕必须设有回转运动才可满足工作的要求。因此, 手腕设计成回转结构, 实现手腕回转运动的机构为回转气缸。腕部采用回转结构, 可以实现回转运动, 手臂采用双作用式汽缸, 可以实现伸缩、升降、回转运动。腕部是将手部和臂部联接的部件, 其运动主要用来改变被夹物体的方位, 它动作灵活, 转动惯性小。本课题腕部具有回转这一个自由度, 可采用具有一个活动度的回转缸驱动的腕部结构。要求:回转±90°角速度W=45°/s以最大负荷计算:当工件处于水平位置时, 摆动缸的工件扭矩最大, 采用估算法, 工件重10kg, 长度l=650mm。
(1) 计算扭矩M1、M2、M摩
设重力集中于离手指中心200mm处, 即扭矩M1=F×S=10×9.8×0.2=20 (N·M)
油缸 (伸缩) 及其配件的估算扭矩M2=F×S=5×9.8×0.1=5 (N·M)
摆动缸的摩擦力矩M摩=F摩×S=6 (N·M)
(2) 摆动缸的总摩擦力矩M;M=M1+M2+M摩=31 (N·M) ;W=8Q/ (ΦA12-Φmm2) b所以Q=W (ΦA12-Φmm2) b/8=28ml/s
3 机械手回转臂的结构优化措施
伸缩手臂在进行运动时, 为防止手臂沿伸缩方向轴线转动、加大承载能力, 以及提高运动精度, 必须设有导向装置。伸缩手臂的导向装置需根据伸缩手臂的安装形式、结构及负荷等条件来确定。常用的有单导向杆和双导向杆。在气动伺服系统中要实现高精度定位比较困难, 将旋转气缸安装在底板上, 实现机械手的回转运动, 使机械手向左或向右摆动。机械手末端执行器的水平伸缩运动和竖直升降运动各由一个气缸控制, 即以最简单的形式, 在两个位置 (完全伸出和回缩位置) 之间进行切换。
结构优化: (1) 由于最大应力出现在齿轮的齿根处, 所以, 为了减小应力给齿轮寿命带来的影响, 应采用热处理方法增强齿根强度。 (2) 由于最大变形出现在手爪受压的地方, 长期使用定会加剧磨损, 从而间接影响炮弹在检测平台上的位置。因此, 对于下半部分手爪结构进行热处理, 以增强其耐磨性和强度。
4 结束语
本文所设计的气动机械手结构比较简单, 功能比较简单, 设计比较合理, 能够满足部分不同形状的工件的转移、夹取、安装等功能, 方便快捷。气动机械手回转臂在易燃、易爆、多尘埃、强磁、强辐射、振动等恶劣环境中, 气压传动与控制系统比机械、电器及液压系统优越, 而且不会因温度变化影响传动及控制性能。
参考文献
[1]周惠明.关节型机械手的结构创新设计[J].煤矿机械, 2007 (10) .
气动平衡助力机械手的原理及应用 篇6
气动平衡助力机械手(power balance pneumatic manipulator),是气动辅助人力,由人工操纵的机械手。使用者手动操作机械手臂完成机械手的上下运动和回转运动等动作,并通过操作气动开关实现夹具的夹持,从而进行工件的搬运,移载,装配等作业。气动平衡助力机械手操作简单方便,灵活性强,适合于现代装配工业及加工中心、汽车装配等行业。使用该助力机械手可以减轻操作人员的劳动强度,实现搬运大质量工件时操作轻便和定位准确,保证设备和操作人员的安全。
1 结构与工作原理
气动平衡助力机械手分为立柱式和悬挂式两种(如图1、图2所示),主体结构分三个主回转关节,可分别绕自身轴线作360°、300°以及自由回转,其中每个关节上均装有制动装置,可根据实际需要在任意位置制动。图示大臂部分为四连杆结构由气缸驱动实现机械手上下运动,结合三个主关节的回转实现工件的灵活搬运或装配。夹具结构可根据工件的不同采用不同的非标设计,图示为发动机缸体加工行业对缸体上加工中心用搬运助力机械手,由于需要工件上加工中心前后对姿态在机械手上进行调整,需要对工件进行平面回转,90°翻转及夹紧等动作,在夹具非标设计上较为复杂,并在设计细节及精度上提出很高要求。工作时,操作人员将机械手拉到工作地点,将手柄下压,以夹具上的定位装置作为定位基准,对工件进行夹紧,这时将负载压力切换成高压,提起工件后,根据需要将工件进行翻转等动作。当工件装配完毕后,再将负载压力切换成低压。机械手在高低压状态时可在任意位置保持平衡。在正常情况下,机械手不会自行滑动或转动,当机械手带载或脱载运行时均可按下制动开关,将机械手停在空间任意位置。
2 气动系统
气动平衡助力机械手为气动控制系统,所有执行机构--气缸的运动信号均由人工操作气动开关发出或由机械结构实现如图3所示。
当气控信号分别由1口或2口发出到阀体时,由3口输入到气缸经过阀体的气压会线性变化,当选定1口或2口输入压力时,输出到气缸的压力即恒定,调节1口或2口的控制压力,气缸压力随之变化,即是机械手保持平衡的原理,当有多个控制压力输入到阀体时,可由逻辑气路选择性输入,可使机械手适应多品种重量的平衡。
当搬运大质量工件时,由于运动惯性较大,空载和负载压力相差很大,在搬运和装配时很难适应快节拍的要求,在气路控制上可分别利用实时调整1口和2口的压力提起工件,高低压的切换只需要实时调整单一控制压力即可。
3 助力机械手操作使用及注意事项
系统通气前,先检查各操作开关方向是否正确,应将机械手远离设备和人员,以免机械手手臂突然翘起造成人员受伤等事故。打开开关接通气源,系统通气时三个关节的制动气缸应均为制动状态,通气后,将制动开关旋开,各关节即可在指定的范围内旋转。
调整平衡时,先将压力降为“0”,缓慢顺时针旋转,这时,压力表读数缓缓上升,机械手缓缓升起,当人工用力将机械手抬起时升起和下拉的力相当时,表示该状态处于平衡状态。
机械手在工作期间不得随意关断气源。不使用时,应将机械手旋转到远离其它设备的位置,再将夹具下降到最低。气源关断时应注意检查机械手,将其操作按钮全部恢复到“关闭”状态。
操作上的基本注意事项:
1)起吊重量不得超过最大的起吊量;
2)不得将手、脚及身体的任何部位伸至吊物下面;
3)不得将手或手指伸入机械臂的间隙;
4)操作中脸和手不得伸入机械臂的顶端或配件上部;
5)在没有确认工件是否夹紧前,不得带载操作机械手,以免工件滑落;
6)当机械手不工作或暂时停止时应将制动开关恢复到原位,将机械手停止在空闲位置,以免机械手受外力牵动随意旋转造成设备和人员受伤;
7)不得采用使重物偏位、溃散的操作方法,即操作中不得剧烈晃动机械臂;
8)操作人员工作时任何人不得进入作业现场;
9)操作人员离开作业现场时,应将机械手放置到空闲位置,机械手夹具放到最低。
4气动平衡助力机械手的应用
气动平衡助力机械手广泛应用于汽车、发动机装配、化工等行业,在现代工业装配自动化中起着重要的作用,下图为应用实例:
5 结束语
气动平衡助力机械手在工业上的广泛应用,大大减轻了工人的劳动强度,使工人从繁重的体力劳动中解放出来,大大提高了劳动生产率和工业自动化程度,为企业节省了人员成本并带来了显著的经济效益,有效的增强企业适应市场的能力和企业产品的市场竞争力。
参考文献
[1]成大先.机械设计手册[M],化学工业出版社.
[2]朱耀祥,浦林祥.现代夹具设计手册[M],机械工业出版社.
气动安装机械手 篇7
气动搬运机械手是在生产过程中采用机电结合来模拟人手动作的机械设备, 它可以代替人手搬运笨重物体或在高温、有毒、高粉尘及易燃易爆等恶劣的环境下工作。原机械手采用单片机控制系统由于所需驱动电流较大因而必须设计功率接口电路, 还要进行抗干扰及其可靠性的设计[1]。而使用可编程控制器PLC的自动控制系统不需外接电路, 其体积小、抗干扰能力强、可靠性高、故障率低、动作精度高[2]。
本设计采用PLC, 通过对机械手结构、气动、电气和PLC控制系统的综合设计, 使该模型能够实现工件搬运的自动、单周循环远程控制, 能够满足对搬运工作提高自动化程度及生产安全性的要求, 具有一定的实用性。
该机械手选用了三菱FX2N-48MR作为控制器, 程序的编写修改方便, 后期的维护也较方便。用气源选作驱动[3], 控制比较方便, 其使用效果良好。本文为实际运用中机械手的设计及生产提供了一定的借鉴意义。
1 控制系统程序总体设计
本机械手主要由手部和运动机构组成, 主要完成抓持工件 (或工具) 的动作。通过机械结构和气动控制系统的设计使机械手能够完成夹紧、松开、上升、下降、伸出、缩回、左转、右转运动来实现规定的动作。通过设计其相应的硬件电路和软件编程实现对夹持式气动机械手的控制, 通过光电传感器的运用能够识别不合格工件, 并切换搬运流程, 而将不合格工件搬至废料槽, 具有一定的分辨力, 简单实用。
机械手的控制要求分为如下几个方面:
(1) 手动工作方式是利用按钮对机械手进行每一步的单独控制。按“左转”按钮, 机械手左转;按“右转”按钮, 机械手右转。用此方式可以使机械手处于原点, 同时也便于机械手的维修调整。
(2) 单周期工作方式时按下开始按钮, 则机械手从原点起按工序自动完成一个动作周期, 返回原点后停止。
(3) 连续工作方式时按下启动按钮, 机械手从原位起按工序自动往返连续循环工作, 在按下停止按钮后, 机械手才停止运动。
(4) 回原位工作方式按下复位按钮, 机械手自动回复到初始位置, 即:摆动气缸左摆到位, 伸缩气缸伸缩到位, 升降气缸上升到位, 夹紧气缸松开到位。
(5) 转换工作方式按下转换按钮时, 介于机械臂动作中搬运次品工件和正品工件的动作顺序不同, 所以设计程序时, 划分了动作一、动作二两种方式:模式一, 光电传感器检测到工件为次品工件时, 发出信号使触点X3转为ON, 执行动作二, 搬运次品工件。模式二, 若工件为正品时, 则光电传感器不发出信号, 即X3状态为OFF, 则执行动作一, 搬运正品工件。
2 机械手的整体结构布置及控制系统设计
2.1 气动机械手结构布置
本机械手选用了一个双作用旋转气缸, 实现其左右旋转动作, 并用一个双电控的三位五通阀来控制, 使其能停在活动范围的任意位置。伸缩气缸安装在旋转气缸上, 可实现伸缩动作, 控制由一个双电控的两位五通阀完成。升降气缸则安装在伸缩气缸上, 可实现上下运动, 其控制由一个单电控的两位五通阀来完成。机械手的终端是一个气动夹爪, 安装在升降气缸上, 可以实现抓放动作, 控制过程由一个双作用气缸和一个双电控两位五通电磁阀来完成。
综上所述, 机械手的动作由4个气缸, 一共7个电磁阀控制点来实现其旋转、伸缩、上下和抓放的动作。如图1所示为机械手结构布置图。
对于在零件直径与表面粗糙度方面不合格工件的检测, 用了一个光电传感器, 其能将这些微小尺寸的变化转换成光电量的变化, 且可以实现非接触式检测, 因此不会对检测物体和传感器造成损伤, 方便实用。在该传感器检测出该工件不合格时, 便将机械手动作流程切换, 将不合格工件搬至废料槽。
2.2 气动机械手动作顺序
根据机械手的动作要求以及气动控制的实际需要, 机械手的动作顺序如图2所示。
该气动机械手能够实现的功能是:将工件从上一个工作站向下一个工作站传送。机械手的控制要完成左转、右转、上升、下降、前行、后行、夹紧和放松八个动作, 其中工件抓取是采用机械爪来实现的。若检测到工件不合格, 则搬运正品步序第7步水平臂不伸出, 搬运次品步序第7步机械手手爪松开, 工件直接被放入废料槽中。反之, 若工件合格则走搬运正品步序的第7步, 即水平臂伸出。
3 机械手气动控制系统开发
气动控制主要负责机械手的伸缩、升降、旋转及夹紧松开的控制, 气动控制原理图如图3所示。
1—夹紧气缸2-升降气缸3-伸缩气缸4-摆动气缸5~8—单向节流阀9~12—电磁换向阀和消音器13-气源14-气源通断阀15-气源三联体
1) 伸出缩回、上升下降运动部分。机械手臂伸出电磁线圈3Y1得电, 则其机械手臂伸出到3S2位置;机械手臂回缩电磁线圈3Y2得电, 则手臂缩回至3Sl位置;手臂下降电磁线圈2Y1得电, 则手臂下降至2S2位置;一旦手臂下降电磁线圈2YI失电, 那么手臂上升至2S1位置。2) 夹紧、松开运动部分。机械手爪夹紧电磁线圈1Y1得电, 则手爪夹紧, 并延时4 s完成夹紧动作同时以保夹紧到位;手爪松开电磁线圈1Y2得电, 那么手爪松开, 同时延时2 s完成松开动作并确保手爪完全松开。3) 左、右旋转运动部分。机械手臂右摆电磁线圈4Y1得电, 那么手臂右转至4S2位置, 该处的电容式传感器得电则右转停止;手臂左摆电磁线圈4Y2得电, 则手臂左转至4S1位置, 此处的电容式传感器得电, 那么手臂左转停止。
4 PLC的选择及控制系统硬件电路设计
此设备共需22点输入和12点输出, 并且本系统不需要模拟量变换及存储, 同时又对PLC的扫描速度及其他方面无特殊要求。因此选用FX2N-48MR PLC一台及其相应的驱动线圈、夹钳、发光二极管、接触器和电磁阀。其共有24点输入和24点输出, 满足控制要求。外部电气接线图如图4所示。
该PLC的输入信号端:8个检测机械手运动状态的传感器信号, 分别用来检测机械手臂的伸缩极限、升降极限、摆动极限和手爪开闭极限。同时有一个光电传感器, 用来检测工件是否合格。此外, 还有8个控制机械手臂摆动、伸缩、升降、手抓开闭的按钮。根据系统控制的要求, 还有开始和复位2个按钮信号, 1个停止按钮信号, 并有2个用来控制机械手连续和单周运行方式的按键开关。PLC的输出信号端:用来驱动四个气缸的电磁阀有7个输出信号, 并有5个用来显示工作状态的信号指示灯。
5 控制系统软件设计
1) 机械手复位程序的编写如图5所示。程序开始运行后, 接通一个初始化脉冲M8002, 将S0置位, 此时按下开始按钮X0后, 程序开始运行, 但若机械手不在初始位置, 则程序不能继续进行下去, 机械手将不会动作。这时需按下按钮X2, 则将回零状态继电器S10接通, 机械手开始复位:升降臂上升, 伸缩臂回缩, 摆动臂左摆, 机械爪松开。等复位到位后, 复位灯亮, 同时通用状态继电器S20得电, 机械手开始按原定路线动作。
2) 合格工件与不合格工件搬运流程转换的PLC程序的编写如图6所示。光电传感器检测到该工件为次品后则发出信号使X3得电闭合, 转换灯亮, 辅助继电器M2得电, 其常开触点闭合, 常闭触点断开, 这样就完成了两个不同流程的切换。
3) 自动程序的SFC见图7。机械手移动工件以左上为原点, 按伸出、下降、夹紧、上升、回缩、右转、伸出、下降、松开、上升、回缩、左转次序依次运行的。动作有明显状态特点, 故用SFC语言编程。
6 结语
本文针对传统气动机械手搬运方式存在的不足, 并考虑易燃、易爆等特殊工况条件下, 搬运人员不宜直接进行搬运的情况, 利用计算机技术、PLC、气动技术, 从机械手气动控制和PLC控制系统方面开发了一台气动搬运机械手模型, 其中重点分析介绍了FX2N系列小型PLC在机械手顺序控制中的实际应用。分析了机械手的动作顺序、气动原理、硬件电路设计以及控制的方法。通过多次模拟仿真, 能够顺利完成预定动作, 具有很好的实用性。
参考文献
[1]田效伍.电气控制与PLC与技术应用[M].北京:机械工业出版社, 2006.
[2]陈杨, 杜玉红, 李阳.小型搬运机械手控制系统设计[J].机电工程技术, 2010, 39 (4) :96-97.