气动机械手设计项目说明指导书.docx

目录气动机械手及继电器控制系统设计3第一章 绪论41.1 气动机械手概述41.2 机械手的组成和分类51.2.1机械手的组成51.2.2机械手的分类51.3课题的提出及主要任务7第2章 继电器硬件系统设计82.1系统分析82.2方案确定92.3元器件介绍9第三章 软件系统设计143.1控制方案的确定143.2工作过程17第四章 调试过程19第五章 设计总结23第六章附图256.1三维零件图：256.2三维装配图：26第七章 参考文献28气动机械手及继电器控制系统设计第一章 绪论1.1 气动机械手概述气动机械手由操作机(机械本体)、控制器、驱动系统和检测传感装置组成，是一个仿人操作、自动控制、可反复编程、能在三维空间完成多种作业机电一体化设备。尤其适合于多品种、变批量柔性生产。它对稳定、提升产品质量，提升生产效率，改善劳动条件和产品快速更新换代起着十分关键作用。机械手是模拟着人手部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作自动机械装置。在工业生产中应用机械手被称为“工业机械手”。生产中应用机械手能够提升生产自动化水平和劳动生产率:能够减轻劳动强度、确保产品质量、实现安全生产;尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣环境中，它替换人进行正常工作，意义更为重大。所以，在机械加工、冲压、铸、锻、焊接、热处理、电镀、喷漆、装配和轻工业、交通运输业等方面得到越来越广泛引用.机械手结构形式开始比较简单，专用性较强，仅为某台机床上下料装置，是隶属于该机床专用机械手。伴随工业技术发展，制成了能够独立按程序控制实现反复操作，适用范围比较广“程序控制通用机械手”，简称通用机械手。因为通用机械手能很快改变工作程序，适应性较强，所以它在不停变换生产品种中小批量生产中取得广泛引用。1.2 机械手组成和分类1.2.1机械手组成机械手关键由实施机构、驱动系统、控制系统和位置检测装置等所组成。各系统相互之间关系如方框图1-1所表示。图1-1机械手组成方框图1.2.2机械手分类工业机械手种类很多，相关分类问题，现在在中国尚无统一分类标准，在此暂按使用驱动方法进行分类。按驱动方法分1、液压传动机械手是以液压压力来驱动实施机构运动机械手。其关键特点是:抓重可达几百千克以上、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏。但对密封装置要求严格，不然油泄漏对机械手工作性能有很大影响，且不宜在高温、低温下工作。若机械手采取电液伺服驱动系统，可实现连续轨迹控制，使机械手通用性扩大，不过电液伺服阀制造精度高，油液过滤要求严格，成本高。2、气压传动机械手是以压缩空气压力来驱动实施机构运动机械手。其关键特点是:介质李源极为方便，输出力小，气动动作快速，结构简单，成本低。不过，因为空气含有可压缩特征，工作速度稳定性较差，冲击大，而且气源压力较低，抓重通常在30千克以下，在一样抓重条件下它比液压机械手结构大，所以适适用于高速、轻载、高温和粉尘大环境中进行工作。3、机械传动机械手即由机械传动机构(如凸轮、连杆、齿轮和齿条、间歇机构等)驱动机械手。它是一个隶属于工作主机专用机械手，其动力是由工作机械传输。它关键特点是运动正确可靠，用于工作主机上、下料。动作频率大，但结构较大，动作程序不可变。4、电力传动机械手即有特殊结构感应电动机、直线电机或功率步进电机直接驱动实施机构运动械手，因为不需要中间转换机构，故机械结构简单。其中直线电机机械手运动速度快和行程长，维护和使用方便。这类机械手现在还不多，但有发展前途。1.3课题提出及关键任务本课题拟使用继电器设计控制电路，采取气压传动，经过控制四个电磁阀线圈得失电，进而切换压缩空气进出气缸方向，实现多个不一样动作。本课题将要完成关键任务以下:(1) 进行气动机械手总体研究，并进行整体运动方法设计，提出不一样控制方案，并综合各方面要求选择最优方案；(2) 进行气动机械手气路设计，绘制电气原理图； (3) 设计继电器控制线路，绘制控制系统原理图；（4） 依据控制原理图和电气原理图进行现场调试，对调试中出现问题认真分析，多方咨询研究，并进行具体统计。第2章 继电器硬件系统设计2.1系统分析该机械手有四个实施元件，可分别实施不一样动作，气缸A能够实现机械手正反转，气缸B能够实现机械手立柱上升下降运动，气缸D能够实现机械手手臂伸缩运动，气动手爪C能够实现抓料和松料动作。我们要经过控制这四个实施元件运动，实现搬运工件目标。依次要实现动作过程是：立柱反转手臂伸出立柱上升加紧工件手臂缩回立柱下降立柱正传手臂伸出松开工件手臂缩回。想要依次完成这多个动作，必需协调四个气缸气流换向，且每次只需一个气缸换向。图2.1 气动机械手系统原理图2.2方案确定方案一：经过多个电磁换向阀之间配合，利用X-D线图法设计气动机械手气动回路。方案二：利用四个电磁换向阀控制四个气缸换向，利用交流继电器KM和中间继电器KA和时间继电器KT设计控制电路来控制四个电磁换向阀依次换向以达成十个动作依次完成。 依据试验室电磁换向阀数量有限而继电器数量足够考虑，选择方案二进行系统设计。2.3元器件介绍 （1）时间继电器KT： 关键功效：时间继电器关键功效是作为简单程序控制中一个实施器件，当它接收了开启信号后开始计时，计时结束后它工作触头进行开或合动作，从而推进后续电路工作。通常来说，时间继电器延时性能在设计范围内是能够调整，从而方便调整它延时时间长短。单凭一只时间继电器恐怕不能做到开始延时闭合，闭合一段时间后，再断开，先实现延时闭合后延时断开，但总体上说，经过配置一定数量时间继电器和中间继电器全部是能够做到。 使用环境：时间继电器作为自动控制器件应用较广泛，尤其是在包含低压电器控制网络中有较多电器设备环境中使用时电磁干扰问题更趋于严重。组成时间继电器内部元器件损坏这时已不是引发时间继电器故障（失效）关键原因，而在于应用场所中多种干扰经过电磁耦合、电容耦合直接进入时间继电器，干扰其正常延时控制。时间继电器在此干扰环境下能否正常工作往往会影响到整个自动控制系统正常逻辑功效，甚至还可能造成大质量事故和经济损失。所以时间继电器在多种恶劣环境全部应有较高可靠性和抗干扰能力，也就是说时间继电器必需有良好电磁兼容性能，只有这么才能完善其产品质量，提升本身市场竞争能力。 接线方法：时间继电器电气控制系统中是一个很关键元器件。通常分为通电延时和断电延时两种类型。 从动作原理上有电子式、机械式等。电子式是采取电容充放电再配合电子元件原理来实现延时动作。机械式样式较多，有利用气囊、弹簧气囊式。 工作原理：计时无效期间，相当于日常电灯开关断开状态。有效时，继电器动作，用电器得电工作，相当于日常电灯开关接通状态。此次使用是温州沪瓯电气所生产数显型时间继电器，专利编号为9705 7.含有调时方便，延时正确等优点。（2）电磁换向阀 电磁阀（Electromagnetic valve）是用电磁控制工业设备，是用来控制流体自动化基础元件，属于实施器，并不限于液压、气动。用在工业控制系统中调整介质方向、流量、速度和其它参数。电磁阀能够配合不一样电路来实现预期控制，而控制精度和灵活性全部能够确保。电磁阀有很多个，不一样电磁阀在控制系统不一样位置发挥作用，最常见是单向阀、安全阀、方向控制阀、速度调整阀等。 工作原理：电磁阀里有密闭腔，在不一样位置开 有通孔，每个孔连接不一样油管，腔中间是活塞，两面是两块电磁铁，哪面磁铁线圈通电阀体就会被吸引到哪边，经过控制阀体移动来开启或关闭不一样排油孔，而进油孔是常开，液压油就会进入不一样排油管，然后经过油压力来推进油缸活塞，活塞又带动活塞杆，活塞杆带动机械装置。这么经过控制电磁铁电流通断就控制了机械运动。关键特点：1、外漏堵绝，内漏易控，使用安全;2、系统简单，便接电脑，价格低廉 3、 动作快递，功率微小，外形轻巧 4、调整精度受限，适用介质受限 5、型号多样，用途广泛此次设计采取是编号为SY5120-5DZ-01电磁换向阀。（3）气动三联件在气动技术中，将空气过滤器、减压阀和油雾器三种气源处理元件组装在一起称为气动三联件，用以进入气动仪表之气源净化过滤和减压至仪表供给额定气源压力，相当于电路中电源变压器功效。特点: 空气过滤减压阀设计轻小，安装方便，所以，它和气动变送器，气动调整器等产品安装在一起配套使用。若将空气过滤器减压阀设计成一个整体，成为二联件。气源处理三联件包含空气减压阀、过滤器、油雾器三大件，减压阀可对气源进行稳压，使气源处于恒定状态，可减小因气源气压突变时对阀门或实施器等硬件损伤。过滤器用于对气源清洁，可过滤压缩空气中水份，避免水份随气体进入装置。油雾器可对机体运动部件进行润滑，能够对不方便加润滑油部件进行润滑，大大延长机体使用寿命。注意事项1、部分零件使用PC材质，严禁靠近或在有机剂环境中使用。PC杯清洗请用中性清洗剂。2、使用压力请勿超出其使用范围。3、当出口风量显著降低时，应立即更换滤芯。此次设计采取是编号为AF2D-01型气动三联件。第三章 软件系统设计3.1控制方案确实定基于前面硬件系统设计，选择两个时间继电器KT1和KT2，分别控制机械手夹紧工件和松开工件时间。依据现场测试结果，KT1和KT2定时时间均设置为5S。经过数次测试修改，我们最终确定电气控制原理图图3.1所表示，气动原理图图3.2所表示，动作次序图图3.3所表示。其元器件功效以下：SB1停止按钮，SB2开启按钮，SQ1立柱反转行程开关，SQ2立柱正转行程开关，SQ3手臂伸出行程开关，SQ4手臂缩回行程开关，SQ5立柱上升行程开关，SQ6立柱下降行程开关。图3.1电气控制原理图图3.2 气动回路原理图元件动作YA1YA2YA3YA4立柱反转+_手臂伸出+_立柱上升+_夹紧工件+手臂缩回+_+立柱下降+_+立柱正转_+手臂伸出_+_+松开工件_+_手臂缩回_图3.3 动作次序图3.2工作过程一.按下开启按钮SB2(1) 中间继电器K1得电，其常开辅助触点闭合，实现自锁功效，而且其常开主触点也闭合，YA1线圈得电，电磁阀1右位导通，立柱反转。(2) 当立柱反转碰到行程开关SQ1，SQ1常开触点闭合，中间继电器K21得电，其常开触点闭合，中间继电器K2得电，YA2线圈得电，电磁阀2右位导通，手臂伸出。(3) 当手臂伸出碰到行程开关SQ3，SQ3常开触点闭合，中间继电器K3得电，其常开主触点闭合，YA3线圈得电，电磁阀3右位导通，立柱上升。(4) 立柱上升碰到行程开关SQ5，SQ5常开触点闭合，中间继电器K4得电，K4常开触点闭合自锁，而且YA4线圈得电，电磁阀4右位导通，机械手开始夹紧工件。(5) 同时，K4常开触点闭合，时间继电器KT1线圈得电。(6) 时间继电器KT1常开触点延时5S后闭合，中间继电器K5得电，其常开触点闭合自锁，其常闭触点断开，K21失电，K21常开触点断开，K2失电，从而使YA2线圈失电，电磁阀2回复原位，手臂缩回。(7) 当手臂缩回碰到行程开关SQ4，SQ4常开触点闭合，中间继电器K6得电，其常闭触点断开，K3失电，使YA3线圈失电，电磁阀3回复原位。立柱下降。(8) 立柱下降碰到行程开关SQ6，SQ6常开触点闭合，中间继电器K7得电，其常闭触点断开，K1失电，使YA1线圈失电，电磁阀1回复原位，立柱正转。(9) 当立柱正转碰到行程开关SQ2，SQ2常开触点闭合，中间继电器K22得电，K22常开触点闭合，K2得电，YA2线圈得电，电磁阀2右位导通，手臂伸出。(10) 手臂伸出碰到行程开关SQ3，中间继电器K8得电，K8常开触点断开，K4失电，其常开触点断开，YA4线圈失电，电磁阀4回复原位，机械手松开工件。(11) 同时，K8常开触点闭合，时间继电器KT2得电。(12) 时间继电器KT2常开触点延时5S后闭合，中间继电器K9得电，其常闭触点断开，K22失电，K22常开触点断开，K2线圈失电，使YA2线圈失电，电磁阀2回复原位，手臂缩回。二.按下停止按钮SB1，控制线路失电，电磁阀全部回复原位。第四章 调试过程气动机械手调试是一个有着过渡作用而且十分关键步骤。它不仅要对之前整个电路气动原理图，电气原理图，和各气动元器件有深刻了解，也需要知道继电器回路控制系统怎样运作和正确接线方法。我们最终控制方案更是在调试中，不停优化得来。试验室里机械手有4个气缸，分别是正反转气缸，伸缩气缸，升降气缸和夹紧放松气缸。我们需要4个二位五通电磁阀，来分别控制各个气缸进出气。我们这次设计机械手需要完成立柱反转-手臂伸出-立柱上升-夹紧工件-手臂缩回-立柱下降-立柱正传-手臂伸出-松开工件-手臂缩回这一系列动作。经过几天整理后我们把自己电路图给老师看了，因为设计电路图有点复杂，所以老师让我们在调试过程中选择简单4个动作调试，即机械手立柱反转，手臂伸出，立柱上升，夹紧工件。这也让我和小伙伴们轻轻地舒了口气。然而事实并没有我们想象那么轻易。因为很多队伍接线时全部需要用到工作台上电气控制线路，很多时间我们全部浪费在了等人上，不过时间挤挤就有了，我和队友们还是把握了不少机会。在确保电路图是正确后，我们开始了用继电器控制气动机械手调试。当然首先接线是至关关键。气泵气管全部要接到不一样电磁阀进出气口上和机械手4个气缸8个进出气口。机械手6个限位开关全部需要连到工作台控制线路上 ，工作台上则需要一个停止按钮，一个开启按钮，4个继电器，和多个关键触点，同时触点和电磁阀得失电接口相连接。 之前接触连线这块也少，所以我们一开始还是碰到了不少问题。我们依据接线规范操作，按着电路图全部完整连好了线，按下气动按钮，不过发觉机械手不能动，仔细查看后发觉是机械手位置初始状态不对 ，针对初始状态，我和小伙伴们可花了不少心思。打开气泵，气管通气后，传到机械手气缸里，机械手会有一个初始状态。根据我们需要进行动作，一开始机械手立柱正转到极限，手臂要缩回到底，立柱是下降同时机械爪要松开，这4个动作全部需要气缸8根气管来控制，一次次尝试，检验进气还是出气 。而且我们还要确保立柱极限位置气管要保持通状态，不能关闭，不然机械手动不起来。刚开始，我们机械手只能立柱反转，不能进行下一个动作。每次出了问题，我们全部需要去找出来而且更正。电磁阀信号灯是否亮也是说明了我们动作是否能顺利走到下一步。因为我们设计机械手一套动作完成比较快，很多时候电磁阀信号灯有没有亮全部不好看出来，所以我们措施是打开工作台控制电路，通上电源，不过不通气，我们手动来检验问题所在。把机械手反转，碰到限位开关后看灯是否有亮，假如亮了，则能进行下一步动作手臂伸出，假如没亮，说明阀接口接线不对。同理，一步一步检验灯是否有亮，要确保每次要进行下一个动作时，信号灯全部能亮，这么才能完成这4个动作。有好几次，机械手立柱上升时老是卡在中间或是升不上去，造成我们机械手气动手爪根本不能进行夹紧动作。分析后，我们认为首先原因是立柱本身缺乏润滑，其次，机械手设计本身问题，或说是第三个限位开关位置不正确。立柱上升时候根本碰不到那个限位开关，充气时立柱能上升到最高状态，可是限位开关指示灯和二位五通信号灯完全不亮。我们全部使劲把立柱往上提，想把它升到最高处，结果事和愿违。经过思索后，我们决定把那个限位开关改成了时间继电器，即在中间继电器后面连接一个时间继电器，这么不需要升到最高位置，在控制立柱线圈得电时，时间继电器就会接通，延时3秒后，时间继电器常开触点接通，就会接通下一个动作，气动手爪开始夹紧，这么一来，多个完整动作全部能实现了。调试不是简简单单就能完成，除了正确操作规范，我们还需要实事求是，一丝不苟，勇于探索精神。在碰到问题时，我们要冷静并立即找出问题所在，和伙伴们一起合作，一起完成调试，最终让机械手真正动起来，这种收获和目标实现是值得我们骄傲。对于这次调试，我确实学到了很多。一个最简单动作可能包含了你想不到难度，我们需要认真对待每一次试验，把这些经历看成是对自己磨砺。每一次小成功全部是对大目标再一次挑战，不管是现在试验调试，还是在以后，我们需要做就是脚扎实地走好每一步，用自己汗水辛勤双手努力，朝着梦想前进。第五章 设计总结此次试验考验我们大学这几年来所学，它要求我们将大学这几年来所学知识能够融会贯通、熟练应用，并要求我们能够理论联络实际，培养我们综合利用能力和处理实际问题能力。刚接到试验时，我们是一头雾水，不知道该怎样下手。以后经过郑老师讲解，我们对这个试验有了一个大致了解。接下来我们就开始画接线图，接线图画出来以后，给老师看过认为能够后，我们就开始对硬件进行连接。接下来我们就开始不停进行调试，最终在老师指导下我们取得了最终成功。系统分析和设计过程也是对学习总结过程，更是深入学习和探索过程。在这过程中，我对利用继电器等控制器进行控制系统设计和开发有了深刻认识，对机械手工作原理有了深入掌握，对控制系统分析和设计有了切身认识和体会，并在学习和实践过程中增加了只是，丰富了经验。控制系统开发设计是一项复杂系统工程，必需严格根据系统分析、系统设计、系统实施、系统运行和调试过程来进行。系统分析和设计是一项很辛劳工作，同时也是一个充满乐趣过程。在设计过程中，要边学习，边实践，碰到新问题就不停探索和努力，即可使问题得四处理。同时，在此次设计中，也深刻体会到理论和实践相结合关键性只有理论知识是远远不够，即使之前搜集了大量资料但在实际应用中却有很大差异，出现了很多意想不到问题，只有把所学理论知识和实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提升自己实际动手能力和独立思索能力。经过查资料，分析资料及请教老师和同学等路径，在全组同学努力和合作下，经过了长时间探索我们最终还是设计出了达成要求系统。不过因为时间紧迫，有些设计工作还有待完善，在以后工作中我们会继续努力，不停提升自己技术水平，以适应未来猛烈竞争形势。一个人要不停否定自己，不停战胜自己，不停超越自己，不停完善自己，这么才能不停进步，总而言之，经过此次试验，我们学到了很多东西，意外收获也很大，不仅深入学习了继电器控制关键性和艰苦性，同时还增强了我们动手能力，能把我们所学到书本知识应用到实践中去，现在看到硬件不再是无头绪了，对继电器和电磁阀也有了了解，同时学习气动控制机械手对我真很有用，现在自动化和我们生活息息相关，不过，经过前面部分努力以后，我们也有信心，有能力去把它完成愈加完美。最终，感谢郑老师对我们细心指导，正因为你细心指导，我们才得以在这么快时间完成此次课程设计！第六章附图6.1三维零件图：6.2三维装配图：第七章 参考文件【1】 史国生.电气控制和可编程控制器技术.北京：化学工业出版社，.【2】 许福玲，陈尧明.液压和气压传动.北京：机械工业出版社，.【3】 郑洪生.气压控制和控制.北京：机械工业出版社,1992.【4】 张凤珊.电气控制及可编程序控制器.北京：中国轻工业出版社，.【5】 熊葵容.电气逻辑控制技术.北京：科学出版社。.【6】 王永华.现代电气及可编程控制技术.北京：北京航天工业出版社，.【7】 郑萍.现代电气控制技术.重庆：重庆大学出版社,.【8】 大连理工大学工程图学教研室.机械制图.北京：高等教育出版社.