物料搬运真空吸附手.docx
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物料搬运真空吸附手
物料搬运真空吸附手
摘要:
本次设计是物料搬运真空吸附手整体设计与PLC控制系统设计,在设计过程中,要求我们运用机电气的知识完成,其设计的内容主要包括:
左右气缸设计,上下气缸设计,真空吸附手设计,气压控制系统设计,PLC控制设计等内容。
由于真空吸附手使用气体真空作用原理,所以机构中的气动源都采用气缸,而且气缸的采用也便于实现自动化控制。
其中具体写了设计步骤以及对气缸性能参数的计算,其中包括气缸的输出力,气缸的输出速度计算,计算气缸的主要结构尺寸,选用标准参数以及计算其输出功率等。
活塞杆直径的计算,气缸行程的确定以及对气缸结构强度计算与稳定性校核。
电气系统的设计就是运用机电传动的知识,即PLC系统进行控制,PLC控制系统有西门子系统,欧姆龙系统等。
本次设计采用的是日本三菱系统。
由于设计是机电一体化产品,要求机电气结合,电磁阀是本设计的关键,我使用双线圈二位电磁阀对系统的控制,在安全限止上使用光电传感器控制。
关键词:
气缸;真空发生器;真空吸盘;机器人传感器;PLC系统
Abstract:
ThistimedesignisamaterialporteragethevacuumadsorbhandoveralldesignandPLCcontrolsystemdesign,inthedesigntheprocess,requestweusagemachineelectricityofknowledgecompletion,itdesignofcontentsmaininclude:
socylinderdesign,topandbottomcylinderdesign,thevacuumadsorbahanddesign,airpressurecontrolsystemdesign,PLCcontroldesignetc.contents.
Becausethevacuumadsorbthehandusagefunctionprincipleoftheairvacuum,soorganizationinofspiritmoveasourcealladoptionaircylinder,andcylinderofadoptionalsoeasytorealizationautomationcontrol.Amongthemconcretewroteadesignstepandtoaircylinderfunctionparameterofcalculation,includeaircylinderamongthemofoutputdint,aircylinderofoutputspeedcalculation,calculationaircylinderofmainstructuresize,choosetousestandardparameterandcalculationitoutputpoweretc.calculationofpistonpolediameter,aircylinderrouteoftravelreallysettleandtoaircylinderstructurestrengthcalculationandstabilityschoolpit.
Thedesignofelectricitysystemisanusagemachinefaxmoveofknowledge,namelythePLCsystemcarryoncontrol,PLCcontrolthesystemcontainSiemenssystem,dragonsysteminEurope..WhatthistimedesignadoptionisMitsubishisystem.
Becausedesignisamachineelectricityintegralwholetoturnaproduct,requestthemachineelectricitycombine,theelectromagnetismvalvebethekeyofthisdesign,Iusagedoubletheelectromagnetismvalvewithtwocoilcontrolsystem,atsafetylimittopusagelightfaxmachinecontrol.
Keyword:
Aircylinder;Vacuumoccurrencemachine;Vacuumsucker;Therobotspreadafeelingmachine;PLCsystem
物料搬运真空吸附手
前言
毕业设计是学生的最后一个教学环节,全国高教机械设计及制造专业教学指导委员会第三次会议指出,“毕业设计题目应该以产品(或工程)设计类题目为主,尤其鼓励去工厂从事高真实产品设计”。
在实际工程设计中,学生可以得到所学过的理论基础,技术基础,专业课程全面的训练,为将来做好机械设计工程师的工作提供全面的锻炼。
本次设计主要完成物料搬运真空吸附手整体设计与PLC控制系统设计。
本次设计是在李静老师的指导下完成的。
因为此次设计涉及到真空原理的问题,是我此前从来没有接触过的新领域,因此首先用了一周的时间进行这些方面的理解与学习,熟悉了真空发生器的特点及原理,并收集了许多相关资料。
在十二月初开始了机构总体方案的探索性设计,在十二月下旬正式开始机构设计。
在李老师的指导下,结合所学机械方面的知识,查阅许多手册,经过不断的改进,最终设计出了此次专用机构。
通过这次毕业设计,我在机械CAD、机械原理、机械设计、机械制造工艺、电气控制PLC等方面的知识都受到全面的综合训练,在机电气的结合方面更使我受益匪浅。
特别是李老师在繁忙工作之余对我的耐心辅导,对科研的严谨要求,对我能够顺利完成此次设计起到了关键性的作用,同时她对学生强烈的责任感和严谨的治学态度,也给我了深刻的影响。
在此表示衷心的感谢!
由于第一次接触类似的大型课题,又有本领域外的真空知识,加之本人知识有限,经验不足,虽有李老师的细心帮助,设计中依然存在许多不足之处,错误之处,有待于进一步的完善,恳请各位老师给予批评指正。
第一章总体方案设计
1.1总体设计目的
市场的饱和特别是消费品市场的饱和要求不断推出新产品以满足新的消费愿望。
产品的类型增加的同时使批量减少,产品的寿命也缩短。
由于这一发展要求使我们不断改进产品的设计,更新旧产品,设计新产品。
随着科学技术日新月异的变化,尤其是信息技术的发展,传统的制造业及其制造系统正在发生深刻变化。
制造业是创造社会财富的支柱产业。
制造业的水平反映了一个国家或地区的经济实力、国防实力、科技水平和生活水准,制造业的先进与否是一个国家经济发展的重要标志。
本设计是对柔性制造系统中的机器人的末端执行器进行步进控制和结构设计。
机械结构采用模块化、柔性化设计。
我设计的就是工业机械手的步进控制及其结构设计。
设计中涉及到了先进制造技术、工业机器人技术、液压与气动技术、机电一体化技术、传感器与检测技术、机械设计知识、电路知识、PLC编程的知识。
正是这些知识综合具体的应用使设计不断的完善与创新。
1.2总体设计要求
真空吸附手的基本任务是将传送带A上的工件搬运到传送带B上。
当光电开关PS1检测到传送带A上有物体时,机械手从原点开始下降,吸附工件,向右移动,机械手下降,松开工件把工件放到传送带B上,机械手上升,左移回到原点。
机械手可以进行手动操作和自动操作两种方式。
1.3总体设计方案
根据总体设计的要求,本次设计的真空吸附手采用两个气缸来实现其功能和结构设计;用PLC对其实现步进控制。
左右运动气缸带动吸附手实现左、右移动;上下运动气缸带动吸附手完成上升和下降运动。
真空发生器实现夹紧和放松。
在满足上述各项功能的前提下,应尽量采用结构简单,制造方便的零部件来组成各部分结构。
根据结构所要实现的基本功能,既将传送带A上的工件搬运到传送带B上,需要用光电开关对传送带A上是否有工件进行检验,当检测到工件存在时,将工件搬运到传送带B上。
为了使运动部件的运动方向、行程大小和位置保护得到控制。
因此,此装备设有上、下、左、右四个限位开关,工作台的行程精度也得以实现。
根据装置的设计要求,我选用气压驱动作为该机构运动的主要动力源。
气压驱动的其主要特点是;无污染、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏、造价低廉,更易实现机械手的基本任务。
对于各个机构的自动控制,我采用PLC控制各动作的执行元件。
第二章吸附手气缸的设计
2.1上下运动缸径计算
由气缸带动的负载,运动状态及工作压力,就可以进行气缸缸径的计算和选择。
(1)根据气缸带动的负载,计算气缸的轴向负载F,本设计是上下运动气缸,它的最大负载是40㎏,结构是气吊的结构。
图2-1汽缸带动负载图
气缸的轴向负载力F=mg=40×9.8=392.5N
(2)由气缸的平均速度来选定气缸的负载β,如表1。
气缸的运动速度越高,负载应选小。
表2.1气缸的运动状态和负载率
阻性负载
(静负载)
阻性负载
〈100mm/s
100-500mm/s
>500mm/s
β≤0.8
≤0.65
〈-0.5
〈-0.35
本设计的气缸的行程是200mm,动作时间t=2s。
根据速度公式V=s/t=200/2=100mm/s
根据速度V选择阻性负载β是0.5
(3)由气缸的理论输出力计算公式。
负载率β及工作压力p即能计算缸径,由计算的缸径再圆整到缸径。
本题的理论输出力F=F/β=392.5/0.5=785N
气缸的工作压力为:
p=0.4MPa
双作用气缸缸径D=
=50
故本设计取双作用气缸缸径D=50mm,活塞杆的直径为25mm。
2.2左右运动缸径计算
由气缸带动的负载,运动状态及工作压力,就可以进行汽缸缸径的计算和选择。
根据汽缸带动的负载,计算汽缸的轴向负载F,本设计是左右运动汽缸是伸出的悬臂梁水平结构,最大负载是320㎏。
图2-2左右气缸负载图
汽缸的轴向负载力:
F=μmg=0..5×320×9.8=1570N
设计汽缸的行程为:
400mm,动作时间为:
3s
根据速度公式:
V=s/t=400/3=134mm/s
根据速度V选择阻性负载β是0.5
本题的理论输出力F=F/β=1570/0.5=3140N
气缸的工作压力为:
p=0.4MPa
双作用汽缸缸径D=
=100
故本设计取双作用气缸缸径D=100mm。
2.3缓冲性能
气缸活塞运动到行程终端位置时,为避免活塞与缸盖产生机械碰撞而造成机件变形,损害及极强的噪声,气缸必须采用缓冲装置。
通常缸径小于16㎜的气缸采用弹性缓冲垫,缸径大于16㎜的气缸采用气垫缓冲结构。
从缓冲柱塞封闭柱塞孔起,到活塞停止下来为止,活塞所走的行程称为缓冲行程。
缓冲装置就是利用形成的气垫(即产生背压阻力)和节流阻尼来吸收活塞运动产生的能量,到达缓冲的目的。
为了达到缓冲作用,缓冲腔室内空气绝热压缩所吸收的压缩能Ep必须大于活塞等运动部件所具有的动能Ed,即Ep≥Ed。
Ep=
………………………………………………………(1-1)
Ed=
…………………………………………………………………………(1-2)
式中,p1-----绝热压缩开始时的缓冲腔室内的绝对压力(Pa)
p2-----绝热压缩结束时的缓冲腔室内的绝对压力(Pa)
V1-----绝热压缩开始时的缓冲腔室的容积(m2)
m-----活塞等运动部件的总重量(kg)
v-----缓冲开始前活塞的运动速度(m/s)
k-----空气绝热指数k=1.4.
若Ep≥Ed则认为气缸缓冲装置能起到缓冲作用。
反之,则不能满足缓冲要求,应采取一定措施,如在气缸外部安装液压缓冲器。
最后要特别指出,对于气缸之所以要讨论缓冲性能及其计算,是因为要防止气缸运动到行程末端时撞击缸盖,即气缸活塞具有运动速度。
若活塞在末端处于静止状态时,无论加在哪的的压力都务必关心其会撞击杠盖(除强度问题外)。
同时,气缸运动过程所有出现的摩擦力(能),重力(能)等的影响,都以反映在活塞的运动速度上,也就是说,气缸运动的速度决定于作用在活塞两侧的压力差Δp产生的气压作用力克服了摩擦力(总阻力)的大小。
因此,气缸缓冲计算时,只要考虑气缸运动的动能,就必计算活塞上作用的气压能,重力能及摩擦能。
2.4耗气量
耗气量是指气缸往复运动时所消耗的压缩气体量,耗气量大小与气缸的性能无关,但是选择空压机排量的重要依据。
2.4.1最大耗气量
是指气缸活塞完成一次行程所须的耗气量,其计算式如下:
Qmax=
式中,Qmax-----最大耗气量(L/min)(ANR)
D-----缸径(cm)
S-----气缸行程(cm)
t-----气缸一次往返行程所需时间(s)
p-----工作压力(MPa)
2.4.2上下运动气缸耗气量
缸径:
D=5cm
气缸行程:
S=20cm
工作压力:
p=0.4MPa气缸一次往返行程所需时间t=4s
最大耗气量:
Qmax=
=
=29.375(L/min)(ANR)
2.4.3左右运动气缸耗气量
缸径:
D=10cm
气缸行程:
S=40cm
工作压力:
p=0.4MPa气缸一次往返行程所需时间t=6s
最大耗气量:
Qmax=
=
=156.7(L/min)(ANR)
2.5气缸使用注意事项
(1)一般气缸的正常工作条件;环境温度为-35-80°C,工作压力为0.4-0.6MPa。
(2)安装前,应用1.5倍工作压力条件下进行试验,不应漏气。
(3)装配时,所有密封元件的相对运动工作表面应涂以润滑脂。
(4)安装的气源进口处必须设置气源调节装置;过滤器-减压阀-油雾器。
(5)安装时注意活塞杆应尽量承受拉力载荷,承受推力载荷应尽可能使载荷作用在活塞杆轴线上,活塞杆不允许承受偏心或横向载荷。
(6)载荷在行程中有变化时,应使用输出力足够的气缸,并附设缓冲装置。
(7)尽量不使用满行程。
第三章真空发生器的设计
3.1真空发生器的工作原理
真空发生器由工作喷嘴,负压室,接收室组成。
压缩空气通过收缩的喷嘴后,从喷嘴内喷射出来的一束流动的流体称为射流。
射流能卷吸周围的静止流体和它一起向前流动,称为射流的卷吸作用,负压室限制了射流与外界的接触,但从喷嘴射出的主射流还是要卷吸一部分周围的流体向前运动,于是在射流的周围形成一个低压区。
若在喷嘴两端的压差达到一定值时,气流则为超声波流动,于是在负压室内可获得一定的负压。
对于真空发生器,若在负压室内通道接真空吸盘,当吸盘与平面工件接触,只要将吸盘腔室内的气体抽吸完并达到一定真空度,就可将平版吸持住。
真空发生器可用于产生负压,也可用作喷射器。
3.2真空发生器的分类及选择
真空发生器按其结构组合形式分为普通真空发生器,带喷射开关的真空发生器与组合真空发生器三种。
真空发生器按外形分,有盒式和管式。
盒式在排气口带有消音器,管式不带消音器。
按性能分,有标准型和大流量型两种。
标准型的最大真空度可达到88kPa,但最大吸入比大流量型小。
大流量型的最大真空度为48kPa,但最大吸入量比标准型大,可用于吸吊有透气性的瓦楞硬纸之类的物体。
普通真空发生器的供气口接正压气源,排气口接消声器,真空口接真空吸盘压缩气从真空发生器的供气口流向排气口时,在真空口产生真空。
当供气口无压缩空气输入时,抽吸过程停止。
带喷射开关的真空发生器,一般真空吸盘持工件后,要放掉工件就必须使吸盘内的真空消除。
若在真空发生器引射通道流入一股正压气流,就能使吸盘内压力从负压迅速变为正压,使工件脱离。
带喷射开关的真空发生器就能完成这一功能。
组合真空发生器有几种形式。
主要分为:
按连续耗气和断续耗气两种。
真空发生器常与电磁阀,压力开关和单向阀等真空元件构成组件。
采用一体化设计,便于安装使用。
本次设计从经济性,寿命性,维修性,技术性等多方面考虑,决定使用普通真空发生器从经济性考虑它制造成本低,生产普遍,采购容易,从寿命考虑它使用时间长,能在恶劣条件下使用,从维修方面考虑普通真空发生器结构简单,便于维修,在技术上普通真空发生器的技术成熟,应用广泛,简化设计难度。
所以选用普通真空发生器。
3.3真空发生器的应用
真空系统作为实现自动化的一种手段,在电子,半导体元件组装,汽车组装,自动搬运机械,轻工机械,医疗机械,印刷机械,塑料制品机械,锻造机械,机器人等许多方面得到广泛的应用。
如真空包装机械中,包装纸的吸附,送标,贴标,包装袋的启动;电视机的显象管,电子枪的加工,运输,装配及电视机的组装;印刷机械中的双张,折面的检测,印刷纸张的运输;玻璃的搬运和装运;机器人抓起重物,搬运和装配;真空成型,真空卡盘等。
总之,对任何具体较光滑表面的物体,特别对于非金属且不适合夹紧的物体,如簿的柔软的纸张,塑料膜,铝簿,易碎的玻璃及其制品,集成电路等微型精密零件,都可以使用真空吸附,完成各种作业。
3.4真空发生器的主要性能
3.4.1排气特性
真空发生器的排气特性表示最大真空度,空气消耗量和最大吸入流量三者分别与供给压力之间的关系。
最大真空度是指真空口被完全封闭时,真空口内的真空度。
空气消耗量是通过供给喷管的流量(标准状态下),最大吸入流量是指真空口向大气开时,从真空口吸入的流量(标准状态下)。
空气消耗量是由工作喷嘴直径决定的。
喷嘴直径范围一般为0.5-0.3mm。
对同一喷嘴直径的真空发生器,其耗气量随着工作压力的增加而增加。
真空度有最大值,当超过最大值,即使增加工作压力,真空度非但没有增加反而会下降。
真空发生器产生的真空度最大可达88kPa。
建议实际使用时真空度可选定在70kPa,工作压力在0.5MPa左右。
3.4.2流量特性
流量特性是指供给压力为0.45MPa条件下,真空口处于变化的不封闭状态下,吸入量与真空度之间的关系,为了获得较大的真空度或较大的吸入流量真空发生器的供给压力应处于0.25-0.6MPa范围内,最佳使用范围为0.4-0.45MPa。
真空发生器的使用温度范围为5-60℃,不得给油工作。
3.5真空吸盘的理论吸吊力
真空吸盘的外径称为公称直径,其吸持工件被抽空的直径称为有效直径D,真空吸盘的理论吸吊力F为;
---真空度(kPa)
D------真空吸盘的有效直径(m)
--吸盘的有效吸着面积(m2)
这样,若有一个真空吸盘,只要设定真空度,就可计算吸盘的理论力吸吊力。
(a)(b)
图4-1真空吸盘
选用时应注意吸盘的安装方式。
图a是吸盘水平安装时,除了要吸持住工件负载,还应考虑吸盘移动时工件的惯性力对吸力的影响。
图b是吸盘垂直安装时,吸盘的吸力必须大于工件与吸盘间的摩擦力
吸盘的理论吸吊力是吸盘内的真空度p与吸盘的有效吸着面积A的乘积。
吸盘的实际吸吊力应考虑吸吊工件的重量及搬运过程中的加速度外,还应给予足够的余量,以保证吸吊安全。
搬运过程中的加速度,应考虑启动加速度,停止加速度,平移加速度和转动加速度(包括摇摆)特别是面积大的板壮物的吸吊,不应忽视搬运过程中的风阻。
对面积大的,重的,有振动的吸吊物或要求快速搬运的吸吊物,为防止吸吊物脱离通常用多个吸盘进行吸吊。
这些吸盘应该合理配置,以使吸吊合力作用点与被吸吊物体重心尽量靠近。
这次设计的极限负载为40Kg,所以吸吊物重量:
W=40×9.8=392N,安全系数:
n=4,吸盘内的真空度:
p=80×10-3MPa
D-----吸盘直径(mm)
W-----吸吊物重量(N)
t-----安全系数,水平吊(t≧4;垂直吊t≧8)
p-----吸盘内的真空度(Mpa)
使用的吸盘的直径为50mm,在安装板上有10个空,最多可以安装10个吸盘,可以根据实际情况安装。
3.6真空吸盘的材料
通常吸盘是由橡胶材料与金属骨架压制而成的。
制造吸盘所使用的橡胶材料及其性能见上表。
橡胶材料如长时间在高温下工作,则使用寿命变短。
硅橡胶的使用温度范围较宽,但在潮热条件下工作则性能变差。
吸盘的橡胶出现脆裂,是橡胶老化的表现。
除过度使用的原因外,多由于受热和日光照射所致,故吸盘宜保管在冷阴的室内。
表3.1真空吸盘的材料
真空吸盘的材料
吸盘的橡胶材料
弹性
扯断强度
硬度
压缩变形
使用温度
透气性
耐磨性
耐油性
耐酸性
耐碱性
耐溶剂型
耐臭氧
电气绝缘性
搬运物体
丁腈橡胶
良
可
良
良
-30
-120
可
良
优
良
良
可
良
差
硬壳纸,胶合板,铁板及其他一般供件
聚氮酯橡胶
优
优
良
优
-30
-80
优
优
优
可
差
差
优
良
氟橡胶
可
可
优
良
-10
-200
优
良
优
优
可
优
优
可
药品类
第四章吸附手PLC控制程序设计
4.1PLC总体概述
PLC是以CPU为核心的电子系统,实际上就是一种工业控制用的专用计算机,它由硬件系统和软件系统两大部分组成的,一般小型PLC的基本单元主要由CPU、存储器、输入和输出模块、电源模块、I/O扩展接口、外设I/O接口以及编程器等部分组成,PLC的软件系统也包括系统程序和用户程序。
PLC采用的是周期性循环扫描的工作方式。
PLC运行工作时,CPU对用户程序作周期循环扫描,在无跳转指令的情况下CPU从第一条指令开始顺序逐条地执行用户程序,直到用户程序结束,然后又返回第一条指令,开始新的一轮扫描。
在每次扫描过程中,还要完成对输入信号的采集和对输出状态的刷新等工作。
PLC就是这样周而重复的扫描循环。
4.1.1PLC的应用
可编程序控制器(ProgrammableController)简称PC,早期也称为PLC(ProgrammaboeLogicController),区别于个人计算机的“PC”(PersonalComputer)。
PLC是从60年代末发展起来的一种新型的电气控制装置,它将传统的控制技术和计算机控制技术、通信技术融为一体,以其显著的优点正被广泛地应用于各种生产机械和生产过程的自动控制中。
传统的继电器接触器控制虽具有其自身的特点,但其控制装置体积大,动作速度较慢,耗电较大,功能少,特别是由于它靠硬件连线构成系统,接线繁杂,当生产工艺或控制对象改变时,原有的接线和控制盘就必须随之改变或更换,通用性和灵活性较差。
PLC的应用领域非常广,并正在迅速扩大。
对早期的PLC,凡是有继电器的地方,都可采用。
而对当今的PLC,几乎可以说凡是需要控制系统存在的地方就需要PLC。
尤其是近几年来,PLC的成本下降,功能又不断增强,所以,目前PLC在国内外已被广泛应用于冶金、机械、石油、化工、轻工、电力、建筑、交通运输等各行各业。
一般来说,小型PLC主要用于单机自动化,而大、中型PLC则是自动生产线上不可缺少的控制部件。
PLC主要有以下几种控制类型:
逻辑控制、模拟控制
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