氣動機械手設計說明書

1、目錄氣動機械手及繼電器控制系統(tǒng)設計3第一章 緒論41.1 氣動機械手概述41.2 機械手的組成和分類51.2.1機械手的組成51.2.2機械手的分類51.3課題的提出及主要任務7第2章 繼電器硬件系統(tǒng)設計82.1系統(tǒng)分析82.2方案確定92.3元器件介紹9第三章 軟件系統(tǒng)設計143.1控制方案的確定143.2工作過程17第四章 調(diào)試過程19第五章 設計總結(jié)23第六章附圖256.1三維零件圖：256.2三維裝配圖：26第七章 參考文獻28氣動機械手及繼電器控制系統(tǒng)設計第一章 緒論1.1 氣動機械手概述氣動機械手由操作機(機械本體)、控制器、驅(qū)動系統(tǒng)和檢測傳感裝置構(gòu)成，是一種仿人操作、自動控制、可

2、重復編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機電一體化設備。特別適合于多品種、變批量的柔性生產(chǎn)。它對穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，改善勞動條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。機械手是模仿著人手的部分動作，按給定程序、軌跡和要求實現(xiàn)自動抓取、搬運或操作的自動機械裝置。在工業(yè)生產(chǎn)中應用的機械手被稱為“工業(yè)機械手”。生產(chǎn)中應用機械手可以提高生產(chǎn)的自動化水平和勞動生產(chǎn)率:可以減輕勞動強度、保證產(chǎn)品質(zhì)量、實現(xiàn)安全生產(chǎn);尤其在高溫、高壓、低溫、低壓、粉塵、易爆、有毒氣體和放射性等惡劣的環(huán)境中，它代替人進行正常的工作，意義更為重大。因此，在機械加工、沖壓、鑄、鍛、焊接、熱處理、電鍍、噴漆、裝配以及輕工業(yè)

3、、交通運輸業(yè)等方面得到越來越廣泛的引用.機械手的結(jié)構(gòu)形式開始比較簡單，專用性較強，僅為某臺機床的上下料裝置，是附屬于該機床的專用機械手。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，制成了能夠獨立的按程序控制實現(xiàn)重復操作，適用范圍比較廣的“程序控制通用機械手”，簡稱通用機械手。由于通用機械手能很快的改變工作程序，適應性較強，所以它在不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量生產(chǎn)中獲得廣泛的引用。1.2 機械手的組成和分類1.2.1機械手的組成機械手主要由執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測裝置等所組成。各系統(tǒng)相互之間的關(guān)系如方框圖1-1所示。圖1-1機械手組成方框圖1.2.2機械手的分類工業(yè)機械手的種類很多，關(guān)于分類的問題，目前在

4、國內(nèi)尚無統(tǒng)一的分類標準，在此暫按使用驅(qū)動方式進行分類。按驅(qū)動方式分1、液壓傳動機械手是以液壓的壓力來驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)運動的機械手。其主要特點是:抓重可達幾百公斤以上、傳動平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)緊湊、動作靈敏。但對密封裝置要求嚴格，不然油的泄漏對機械手的工作性能有很大的影響，且不宜在高溫、低溫下工作。若機械手采用電液伺服驅(qū)動系統(tǒng)，可實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制，使機械手的通用性擴大，但是電液伺服閥的制造精度高，油液過濾要求嚴格，成本高。2、氣壓傳動機械手是以壓縮空氣的壓力來驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)運動的機械手。其主要特點是:介質(zhì)李源極為方便，輸出力小，氣動動作迅速，結(jié)構(gòu)簡單，成本低。但是，由于空氣具有可壓縮的特性，工作速度的穩(wěn)定性較差

5、，沖擊大，而且氣源壓力較低，抓重一般在30公斤以下，在同樣抓重條件下它比液壓機械手的結(jié)構(gòu)大，所以適用于高速、輕載、高溫和粉塵大的環(huán)境中進行工作。3、機械傳動機械手即由機械傳動機構(gòu)(如凸輪、連桿、齒輪和齒條、間歇機構(gòu)等)驅(qū)動的機械手。它是一種附屬于工作主機的專用機械手，其動力是由工作機械傳遞的。它的主要特點是運動準確可靠，用于工作主機的上、下料。動作頻率大，但結(jié)構(gòu)較大，動作程序不可變。4、電力傳動機械手即有特殊結(jié)構(gòu)的感應電動機、直線電機或功率步進電機直接驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)運動的械手，因為不需要中間的轉(zhuǎn)換機構(gòu)，故機械結(jié)構(gòu)簡單。其中直線電機機械手的運動速度快和行程長，維護和使用方便。此類機械手目前還不多，

6、但有發(fā)展前途。1.3課題的提出及主要任務本課題擬使用繼電器設計控制電路，采用氣壓傳動，通過控制四個電磁閥線圈的得失電，進而切換壓縮空氣進出氣缸的方向，實現(xiàn)多個不同的動作。本課題將要完成的主要任務如下:(1) 進行氣動機械手的總體研究，并進行整體運動方式設計，提出不同的控制方案，并綜合各方面要求選擇最優(yōu)方案；(2) 進行氣動機械手氣路設計，繪制電氣原理圖； (3) 設計繼電器控制線路，繪制控制系統(tǒng)原理圖；（4） 根據(jù)控制原理圖和電氣原理圖進行現(xiàn)場調(diào)試，對調(diào)試中出現(xiàn)的問題認真分析，多方咨詢研究，并進行詳細記錄。第2章 繼電器硬件系統(tǒng)設計2.1系統(tǒng)分析該機械手有四個執(zhí)行元件，可分別執(zhí)行不同的動作，氣

7、缸A可以實現(xiàn)機械手的正反轉(zhuǎn)，氣缸B可以實現(xiàn)機械手立柱的上升下降運動，氣缸D可以實現(xiàn)機械手手臂的伸縮運動，氣動手爪C可以實現(xiàn)抓料和松料動作。我們要通過控制這四個執(zhí)行元件的運動，實現(xiàn)搬運工件的目的。依次要實現(xiàn)的動作過程是：立柱反轉(zhuǎn)手臂伸出立柱上升加緊工件手臂縮回立柱下降立柱正傳手臂伸出松開工件手臂縮回。想要依次完成這幾個動作，必須協(xié)調(diào)四個氣缸的氣流換向，且每次只需一個氣缸換向。圖2.1 氣動機械手系統(tǒng)原理圖2.2方案確定方案一：通過多個電磁換向閥之間的配合，利用X-D線圖法設計氣動機械手的氣動回路。方案二：利用四個電磁換向閥控制四個氣缸的換向，利用交流繼電器KM和中間繼電器KA和時間繼電器KT設計

8、控制電路來控制四個電磁換向閥依次換向以達到十個動作依次完成。 根據(jù)實驗室的電磁換向閥的數(shù)量有限而繼電器的數(shù)量足夠考慮，選用方案二進行系統(tǒng)設計。2.3元器件介紹 （1）時間繼電器KT： 主要功能：時間繼電器的主要功能是作為簡單程序控制中的一種執(zhí)行器件，當它接受了啟動信號后開始計時，計時結(jié)束后它的工作觸頭進行開或合的動作，從而推動后續(xù)的電路工作。一般來說，時間繼電器的延時性能在設計的范圍內(nèi)是可以調(diào)節(jié)的，從而方便調(diào)整它的延時時間長短。單憑一只時間繼電器恐怕不能做到開始延時閉合，閉合一段時間后，再斷開，先實現(xiàn)延時閉合后延時斷開，但總體上說，通過配置一定數(shù)量的時間繼電器和中間繼電器都是可以做到的。 使用

9、環(huán)境：時間繼電器作為自動控制器件應用較廣泛，尤其是在涉及低壓電器控制網(wǎng)絡中有較多電器設備環(huán)境中使用時電磁干擾問題更趨于嚴重。組成時間繼電器的內(nèi)部元器件的損壞這時已不是引起時間繼電器故障（失效）的主要原因，而在于應用場合中的各種干擾通過電磁耦合、電容耦合直接進入時間繼電器，干擾其正常的延時控制。時間繼電器在此干擾環(huán)境下能否正常工作往往會影響到整個自動控制系統(tǒng)的正常邏輯功能，甚至還可能造成大的質(zhì)量事故和經(jīng)濟損失。所以時間繼電器在各種惡劣環(huán)境都應有較高的可靠性和抗干擾能力，也就是說時間繼電器必須有良好的電磁兼容性能，只有這樣才能完善其產(chǎn)品質(zhì)量，提高自身的市場競爭能力。 接線方法：時間繼電器的電氣控制

10、系統(tǒng)中是一個非常重要的元器件。一般分為通電延時和斷電延時兩種類型。 從動作的原理上有電子式、機械式等。電子式的是采用電容充放電再配合電子元件的原理來實現(xiàn)延時動作。機械式的樣式較多，有利用氣囊、彈簧的氣囊式。 工作原理：計時無效期間，相當于平常電燈開關(guān)斷開狀態(tài)。有效時，繼電器動作，用電器得電工作，相當于平常電燈開關(guān)接通狀態(tài)。本次使用的是溫州滬甌電氣有限公司所生產(chǎn)的數(shù)顯型時間繼電器，專利編號為200420089705 7.具有調(diào)時方便，延時精準等優(yōu)點。（2）電磁換向閥 電磁閥（Electromagnetic valve）是用電磁控制的工業(yè)設備，是用來控制流體的自動化基礎元件，屬于執(zhí)行器，并不限于液

11、壓、氣動。用在工業(yè)控制系統(tǒng)中調(diào)整介質(zhì)的方向、流量、速度和其他的參數(shù)。電磁閥可以配合不同的電路來實現(xiàn)預期的控制，而控制的精度和靈活性都能夠保證。電磁閥有很多種，不同的電磁閥在控制系統(tǒng)的不同位置發(fā)揮作用，最常用的是單向閥、安全閥、方向控制閥、速度調(diào)節(jié)閥等。 工作原理：電磁閥里有密閉的腔，在不同位置開 有通孔，每個孔連接不同的油管，腔中間是活塞，兩面是兩塊電磁鐵，哪面的磁鐵線圈通電閥體就會被吸引到哪邊，通過控制閥體的移動來開啟或關(guān)閉不同的排油孔，而進油孔是常開的，液壓油就會進入不同的排油管，然后通過油的壓力來推動油缸的活塞，活塞又帶動活塞桿，活塞桿帶動機械裝置。這樣通過控制電磁鐵的電流通斷就控制了機

12、械運動。主要特點：1、外漏堵絕，內(nèi)漏易控，使用安全;2、系統(tǒng)簡單，便接電腦，價格低廉 3、 動作快遞，功率微小，外形輕巧 4、調(diào)節(jié)精度受限，適用介質(zhì)受限 5、型號多樣，用途廣泛本次設計采用的是編號為SY5120-5DZ-01的電磁換向閥。（3）氣動三聯(lián)件在氣動技術(shù)中，將空氣過濾器、減壓閥和油霧器三種氣源處理元件組裝在一起稱為氣動三聯(lián)件，用以進入氣動儀表之氣源凈化過濾和減壓至儀表供給額定的氣源壓力，相當于電路中的電源變壓器的功能。特點: 空氣過濾減壓閥設計輕小，安裝方便，因此，它與氣動變送器，氣動調(diào)節(jié)器等產(chǎn)品安裝在一起配套使用。若將空氣過濾器的減壓閥設計成一個整體，成為二聯(lián)件。 氣源處

13、理三聯(lián)件包括空氣減壓閥、過濾器、油霧器三大件，減壓閥可對氣源進行穩(wěn)壓，使氣源處于恒定狀態(tài)，可減小因氣源氣壓突變時對閥門或執(zhí)行器等硬件的損傷。過濾器用于對氣源的清潔，可過濾壓縮空氣中的水份，避免水份隨氣體進入裝置。油霧器可對機體運動部件進行潤滑，可以對不方便加潤滑油的部件進行潤滑，大大延長機體的使用壽命。注意事項1、部分零件使用PC材質(zhì)，禁止接近或在有機劑環(huán)境中使用。PC杯清洗請用中性清洗劑。2、使用壓力請勿超過其使用范圍。3、當出口風量明顯減少時，應及時更換濾芯。本次設計采用的是編號為AF2D-01型氣動三聯(lián)件。第三章 軟件系統(tǒng)設計3.1控制方案的確定基于前面的硬件系統(tǒng)設計，選用兩個時間繼電器

14、KT1和KT2，分別控制機械手夾緊工件和松開工件的時間。根據(jù)現(xiàn)場的測試結(jié)果，KT1和KT2的定時時間均設置為5S。經(jīng)過多次測試修改，我們最終確定電氣控制原理圖如圖3.1所示，氣動原理圖如圖3.2所示，動作順序圖如圖3.3所示。其元器件的功能如下：SB1停止按鈕，SB2啟動按鈕，SQ1立柱反轉(zhuǎn)行程開關(guān)，SQ2立柱正轉(zhuǎn)行程開關(guān)，SQ3手臂伸出行程開關(guān)，SQ4手臂縮回行程開關(guān)，SQ5立柱上升行程開關(guān)，SQ6立柱下降行程開關(guān)。圖3.1電氣控制原理圖圖3.2 氣動回路原理圖元件動作YA1YA2YA3YA4立柱反轉(zhuǎn)+_手臂伸出+_立柱上升+_夾緊工件+手臂縮回+_+立柱下降+_+立柱正轉(zhuǎn)_+手臂伸出_+_

15、+松開工件_+_手臂縮回_圖3.3 動作順序圖3.2工作過程一.按下啟動按鈕SB2(1) 中間繼電器K1得電，其常開輔助觸點閉合，實現(xiàn)自鎖功能，并且其常開主觸點也閉合，YA1線圈得電，電磁閥1右位導通，立柱反轉(zhuǎn)。(2) 當立柱反轉(zhuǎn)碰到行程開關(guān)SQ1，SQ1常開觸點閉合，中間繼電器K21得電，其常開觸點閉合，中間繼電器K2得電，YA2線圈得電，電磁閥2右位導通，手臂伸出。(3) 當手臂伸出碰到行程開關(guān)SQ3，SQ3常開觸點閉合，中間繼電器K3得電，其常開主觸點閉合，YA3線圈得電，電磁閥3右位導通，立柱上升。(4) 立柱上升碰到行程開關(guān)SQ5，SQ5常開觸點閉合，中間繼電器K4得電，K4常開觸點

16、閉合自鎖，并且YA4線圈得電，電磁閥4右位導通，機械手開始夾緊工件。(5) 同時，K4常開觸點閉合，時間繼電器KT1線圈得電。(6) 時間繼電器KT1的常開觸點延時5S后閉合，中間繼電器K5得電，其常開觸點閉合自鎖，其常閉觸點斷開，K21失電，K21常開觸點斷開，K2失電，從而使YA2線圈失電，電磁閥2回復原位，手臂縮回。(7) 當手臂縮回碰到行程開關(guān)SQ4，SQ4常開觸點閉合，中間繼電器K6得電，其常閉觸點斷開，K3失電，使YA3線圈失電，電磁閥3回復原位。立柱下降。(8) 立柱下降碰到行程開關(guān)SQ6，SQ6常開觸點閉合，中間繼電器K7得電，其常閉觸點斷開，K1失電，使YA1線圈失電，電磁閥

17、1回復原位，立柱正轉(zhuǎn)。(9) 當立柱正轉(zhuǎn)碰到行程開關(guān)SQ2，SQ2常開觸點閉合，中間繼電器K22得電，K22常開觸點閉合，K2得電，YA2線圈得電，電磁閥2右位導通，手臂伸出。(10) 手臂伸出碰到行程開關(guān)SQ3，中間繼電器K8得電，K8常開觸點斷開，K4失電，其常開觸點斷開，YA4線圈失電，電磁閥4回復原位，機械手松開工件。(11) 同時，K8常開觸點閉合，時間繼電器KT2得電。(12) 時間繼電器KT2的常開觸點延時5S后閉合，中間繼電器K9得電，其常閉觸點斷開，K22失電，K22常開觸點斷開，K2線圈失電，使YA2線圈失電，電磁閥2回復原位，手臂縮回。二.按下停止按鈕SB1，控制線路失電

18、，電磁閥全部回復原位。第四章 調(diào)試過程氣動機械手的調(diào)試是一個有著過渡作用并且十分重要的環(huán)節(jié)。它不僅要對之前整個電路的氣動原理圖，電氣原理圖，以及各氣動元器件有深刻的了解，也需要知道繼電器回路的控制系統(tǒng)如何運作以及正確的接線方式。我們的最終控制方案更是在調(diào)試中，不斷優(yōu)化得來的。實驗室里的機械手有4個氣缸，分別是正反轉(zhuǎn)氣缸，伸縮氣缸，升降氣缸和夾緊放松氣缸。我們需要4個二位五通的電磁閥，來分別控制各個氣缸的進出氣。我們這次設計的機械手需要完成立柱反轉(zhuǎn)-手臂伸出-立柱上升-夾緊工件-手臂縮回-立柱下降-立柱正傳-手臂伸出-松開工件-手臂縮回這一系列動作。經(jīng)過幾天的整理后我們把自己的電路圖給老師看了，

19、由于設計的電路圖有點復雜，所以老師讓我們在調(diào)試過程中選擇簡單的4個動作的調(diào)試，即機械手立柱的反轉(zhuǎn)，手臂伸出，立柱上升，夾緊工件。這也讓我和小伙伴們輕輕地舒了口氣。然而事實并沒有我們想象的那么容易。因為許多隊伍接線時都需要用到工作臺上的電氣控制線路，很多時間我們都浪費在了等人上，不過時間擠擠就有了，我和隊友們還是把握了不少機會。在確保電路圖是正確后，我們開始了用繼電器控制的氣動機械手調(diào)試。當然首先接線是至關(guān)重要的。氣泵的氣管都要接到不同的電磁閥進出氣口上以及機械手4個氣缸的8個進出氣口。機械手的6個限位開關(guān)都需要連到工作臺的控制線路上 ，工作臺上則需要一個停止按鈕，一個啟動按鈕，4個繼電器，以及

20、幾個重要觸點，同時觸點與電磁閥的得失電接口相連接。 之前接觸連線這塊也少，所以我們一開始還是碰到了不少問題。我們根據(jù)接線規(guī)范的操作，按著電路圖都完整的連好了線，按下氣動按鈕，但是發(fā)現(xiàn)機械手不能動，仔細查看后發(fā)現(xiàn)是機械手位置的初始狀態(tài)不對 ，針對初始狀態(tài)，我和小伙伴們可花了不少心思。打開氣泵，氣管通氣后，傳到機械手氣缸里，機械手會有一個初始狀態(tài)。按照我們需要進行的動作，一開始機械手立柱正轉(zhuǎn)到極限，手臂要縮回到底，立柱是下降的同時機械爪要松開，這4個動作都需要氣缸8根氣管來控制，一次次的嘗試，檢查進氣還是出氣 。并且我們還要確保立柱極限位置的氣管要保持通的狀態(tài)，不能關(guān)閉，否則機械手動不起來。剛開始

21、，我們的機械手只能立柱反轉(zhuǎn)，不能進行下一個動作。每次出了問題，我們都需要去找出來并且改正。電磁閥的信號燈是否亮也是說明了我們的動作是否能順利走到下一步。因為我們設計的機械手一套動作完成的比較快，很多時候電磁閥的信號燈有沒有亮都不好看出來，所以我們的辦法是打開工作臺控制電路，通上電源，但是不通氣，我們手動來檢查問題所在。把機械手反轉(zhuǎn)，碰到限位開關(guān)后看燈是否有亮，如果亮了，則能進行下一步動作手臂伸出，如果沒亮，說明閥的接口接線不對。同理，一步一步檢查燈是否有亮，要確保每次要進行下一個動作時，信號燈都能亮，這樣才能完成這4個動作。有好幾次，機械手立柱上升時老是卡在中間或是升不上去，導致我們的機械手的

22、氣動手爪根本不能進行夾緊動作。分析后，我們覺得一方面原因是立柱本身缺少潤滑，另一方面，機械手設計本身問題，或者說是第三個限位開關(guān)位置不正確。立柱上升的時候根本碰不到那個限位開關(guān)，充氣時立柱能上升到最高狀態(tài)，可是限位開關(guān)的指示燈以及二位五通的信號燈完全不亮。我們都使勁的把立柱往上提，想把它升到最高處，結(jié)果事與愿違。經(jīng)過思考后，我們決定把那個限位開關(guān)改成了時間繼電器，即在中間繼電器后面連接一個時間繼電器，這樣不需要升到最高位置，在控制立柱的線圈得電時，時間繼電器就會接通，延時3秒后，時間繼電器常開觸點接通，就會接通下一個動作，氣動手爪開始夾緊，這樣一來，幾個完整的動作都能實現(xiàn)了。調(diào)試不是簡簡單單就

23、能完成的，除了正確的操作規(guī)范，我們還需要實事求是，一絲不茍，敢于探索的精神。在遇到問題時，我們要冷靜并及時找出問題所在，和伙伴們一起合作，一起完成調(diào)試，最后讓機械手真正動起來，這種收獲與目標的實現(xiàn)是值得我們驕傲的。對于這次調(diào)試，我確實學到了很多。一個最簡單的動作也許包含了你想不到的難度，我們需要認真對待每一次實驗，把這些經(jīng)歷看成是對自己的磨礪。每一次小的成功都是對大目標的再一次挑戰(zhàn)，不管是現(xiàn)在的實驗調(diào)試，還是在今后，我們需要做的就是腳踏實地走好每一步，用自己的汗水辛勤的雙手努力，朝著夢想前進。第五章 設計總結(jié)此次實驗考驗我們大學這幾年來的所學，它要求我們將大學這幾年來所學的知識能夠融會貫通、熟

24、練應用，并要求我們能夠理論聯(lián)系實際，培養(yǎng)我們的綜合運用能力以及解決實際問題的能力。剛接到實驗時，我們是一頭霧水，不知道該如何下手。后來通過鄭老師的講解，我們對這個實驗有了一個大體的理解。接下來我們就開始畫接線圖，接線圖畫出來以后，給老師看過覺得可以后，我們就開始對硬件進行連接。接下來我們就開始不斷的進行調(diào)試，最后在老師的指導下我們獲得了最終的成功。系統(tǒng)的分析與設計過程也是對學習的總結(jié)過程，更是進一步學習和探索的過程。在這過程中，我對利用繼電器等控制器進行控制系統(tǒng)的設計與開發(fā)有了深刻的認識，對機械手的工作原理有了進一步的掌握，對控制系統(tǒng)的分析與設計有了切身的認識和體會，并在學習和實踐過程中增長了只是，豐富了經(jīng)驗?？刂葡到y(tǒng)的開發(fā)設計是一項復雜的系統(tǒng)工程，必須嚴格按照系統(tǒng)分析、系統(tǒng)設計、系統(tǒng)實施、系統(tǒng)運行與調(diào)試的過程來進行。系統(tǒng)的分析與設計是一項很辛苦的工作，同時也是一個充滿樂趣的過程。在設計過程中，要邊學習，邊實踐，遇到新的問題就不斷探索和努力，即可使問題得到解決。同時，在本次設計中，也深刻體會到理論與實踐相結(jié)合的重要性只有理