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机械手气动回路设计


机械手气动系统的设计
气压传动是依靠空气或其他气体作为介质, 将压缩气体的压力能转化为机械 能的一种传动方式。近 20 年来,随着 PLC 技术与气动技术的结合,使得整个气 压传动系统在多种自动化生产线上得到了广泛的应用。 气压传动以空气作为介质, 取用方便没有污染,用完可以直接排入大气;由于空气黏度很小,所以气压传动 可以实现中、远距离输送;气压传动的环境适应性好,无

论在易燃、易爆,多尘 埃、振动等环境中气压传动均能安全可靠的工作。但是,气压传动噪声较大,必 须在排气端加装消声器来降低噪声。 气压传动系统主要由气体发生装置、执行元件、控制元件以及辅助元件四部 分构成。 气体发生装置将原动机提供的机械能转变成气体的压力能,一般使用空 气压缩机。 执行元件是以压缩空气为介质产生机械运动,将气体的压力能转变为 机械能以驱动工作部件, 包括气缸和气动马达。控制元件用来调节和控制压缩空 气的压力、流量和流向,使执行机构按要求的程序和性能工作。控制元件种类比 较多, 基本包括压力、 流量和方向三大类的各种阀。 辅助元件是使压缩空气净化、 润滑、消声以及用于元件间连接等所需要的一些装置,如分水过滤器、油雾器、 消声器等。 由于气压传动技术具有控制动作迅速、反应快等优点,为了保证产品的一致 性,减轻工人体力劳动,提高生产效率降低成本,气压传动技术广泛应用在生产 自动化领域, 尤其在生产线的连接中使用更加广泛。这项技术应用在注塑机械手 上,可以明显降低机械手的重量,降低机械手总体的能耗,使得机械手产品变的 更具有竞争力[16,17]。

1 气动系统总体方案描述
本课题设计的机械手所拾取的工件为注塑件, 不具磁性起模面一般是规则的 表面,最大重量为 5kg,在拾取时不能划伤工件,一次只能拾取一件。由于废料 在工件顶出以后仍与工件相连, 需要有效的夹断废料,同时废料的夹持必须可靠 以防止落入注塑机中。最后工件的翻转还要求工作平稳快速。 基于以上的要求选用气动设备来完成拾取的工作。 在端拾器上安装真空吸盘, 采用真空吸盘抓取和放置工件, 能够有效地保护工件表面不被划伤,工件只受到 自身重力作用, 端拾器上的真空吸盘不给工件施加其他方向的力,工件在输送过 程中不会产生变形。 另外, 端拾器上的真空吸盘可以根据被抓取工件的形状和尺 寸调整自身位置。 根据被抓取工件的重量,对真空系统中的元器件进行选型设计 与计算, 保证真空吸盘吸取工件之后工件不能脱落。安装的副臂上的气爪能够提

供足够的夹紧力,有效夹断及夹持废料。翻转气缸采用气缓冲工作平稳、准确、 快速完全能够满足小重量工件的翻转。 机械手的气回路要完成的动作包括:主臂工件的翻转、主臂工件的吸取、副 臂废料的夹持。其中,工件翻转由气缸配合手部的翻爪组件来实现;工件的吸取 /释放采用安装在端拾器中的吸盘来完成;最后废料的夹持,使用专用气爪来实 现。推动翻爪翻转的气缸为双作用单杆活塞气缸,采用调速阀进行调速。吸盘的 真空吸力使用专用的真空发生器来产生。 真空吸盘的压力采用专门的真空压力开 关进行检测。夹取气缸使用弹簧复位的单作用气缸。各个气动执行元件,均采用 对应的电磁阀进行控制, 在回路进气口安装有气动三连件进行气源的过滤,由于 气压传动采用空气作为介质, 摩擦较小, 在气回路中不需要使用油雾器进行润滑, 故省略油雾器。 在各个排气孔配置消声器消减排气的噪音。整个气压传动部分的 回路原理图如图 3-14 所示。

2 翻转气缸的设计与选型
气回路系统的气源采用一般工厂气源,工作压力为 0.4~0.6Mpa,气缸的机械 效率η =0.8,翻转所用时间 t=1.5s (1)确定气缸类型 根据设计要求翻转气缸需要用气缸杆做伸缩运动来带动翻转机构完成工件 翻转的动作, 可采用单杆双作用式气缸。同时为了能够使 PLC 检测到翻转机构运 动, 气缸的活塞中需要带有磁环, 配合装在气缸壁外侧的磁性开关来检测信号[16]。

图 3-14 气压传动部分回路原理图

Fig. 3-14 schematic diagram of air-operated system

(2)计算气缸的直径 D 要计算气缸的直径首先要计算气缸的工作负载 FR 。气缸的工作负载是指工 作机构在满负荷情况下,以一定加速度启动时对气缸产生的总阻力。
FR ? F1 ? F f ? Fg

(3-6)

其中:F1 为工作机构的负载、自重等对气缸产生的作用力,这里就取最大抓取工 件的重量 5kg 然后乘上一个安全系数 1.5。 F1 ? 1.5 ? 5 ? 9.81 ? 73.58?N ?
F f 为工作机构在满负载下启动的静摩擦力,由公式得
F f ? ? ? ?G ? F1 ? ? 0.15 ? ?1.5 ? 9.81 ? 73.58 ? ? 13.25?N ?

其中: ? 为摩擦因数,G 为机构的自重
Fg 为气缸运动的惯性载荷,这里取 15N

所以 FR =73.58+13.25+15=101.83 N 由公式 D ? d 2 ?
4 FR ?p? m

(3-7)

其中:D—缸筒直径 d—活塞杆直径取 d ? 0.4D

FR —气缸的工作负载。
p—系统的工作压力取 0.4Mpa

? m —气缸的机械效率取 0.8
D? 101 .83 ? 21.97?mm? 0.84 ? 0.08 ? ?

这里气缸直径计算值取 22mm。 (3)选择气缸 根据气缸直径以及设计要求,选择日本 SMC 公司的 CDM2E32-50A 型气缸。气 缸的直径 D=32mm,气缸行程 s=50mm,活塞杆直径 d=12mm,气缸带有 2 个磁性开 关,活塞带有磁环。 (4)验算气缸力的大小

F?

? ( D 2 ? d 2 ) p? 3.14 ? ?0.032 2 ? 0.012 2 ?4 ? 10 5 ? 0.8 ? ? 221 .056?N ? ? FR (3-8) 4 4

气缸的推力满足要求。 (5)耗气量计算 取气缸的容积效率?V ? 0.9 ,使用 SMC 气缸选型软件计算气缸的耗气量为

q ? 41.0L / min

3 气爪的设计与选型
由于气爪所抓取的废料重量非常轻,对设计要求不是很严格,因此首先对气 爪进行选型,然后再校核其参数。根据设计要求选用日本 SMC 的 MHC2-6S-M9B 支点开闭型气爪。其闭合时需要通气,而张开时有弹簧拉动。在气爪外侧可安装 磁性开关来检测气爪活塞的位置,将气爪的动作反应给机械手 PLC。 1.夹紧力的计算 虽然要夹取的废料很轻, 但是为了保证机械手夹取的有效性,夹紧力要按夹 取物重量的 10 倍进行计算。夹取过程如图所示即手指和工件之间的摩擦力要大 于工件的重量。夹紧力按公式 3-9 计算。

图 3-15 夹钳加持受力图 Fig. 3-15 free-body diagram of working clamp

F?

m? g ?a 2? ?

(3-9)

其中:? 为塑料与塑料的摩擦系数取 0.2 ;a 为安全系数取 4,m 为废料的重量这

里按 0.01kg 计算。
F? 0.01 ? 9.81 ? 4 ? 0.981?N ? 2 ? 0.2

2.耗气量计算 经查 SMC 气缸手册可得 MHC2 型气爪活塞行程 s=10mm;活塞直径 D=70mm;反 应时间 t=0.5s。取气缸的容积效率?V ? 0.9 ,气缸的耗气量为
q?

? ? D2
4

?

S 3.14 ? 0.07 2 ? 0.01 ? ? 85.48 ? 10 ?6 m 3 s t ? ?V 4 ? 0.5 ? 0.9

?

?

[18]

(3-10)

4 吸盘及真空发生器的设计与选型
机械手的主臂主要完成的动作是将工件从注塑机模具中取出, 为了完成动作 同时又要保证注塑件不被机械手划伤, 必须使用根据模具尺寸专门设计的端拾器 同时在端拾器上安装吸盘。 吸盘产生真空吸力的方法主要有 2 种:一种是由真空 泵产生真空, 它是利用密封气体体积的增大来产生真空的;另一种是由真空发生 器产生真空, 是利用压缩空气的高速流动产生真空。真空泵需要专门装置结构比 较复杂,而使用真空发生器不需要专门的动力装置,结构简单,使用寿命长[19]。 故本课题选用真空发生器来制造真空产生吸力。 1.吸盘的选型计算 吸盘的选型主要需要计算吸盘的直径,根据公式可得:
D? 4a ? G (3-11) ? ?n? p

其中:a—安全系数,一般情况下,水平吸取工件时 a≥4,这里取 a=6 n—真空吸盘布置的数量,n=4 p—真空吸盘内的真空度 G—最大吸取重量 G ? 5 ? 9.81 ? 49.05?N ? 一般情况下取真空发生器的最大真空度 pv 的 63%~95%, 由于抓取得工件重量 不重这里取 63%, 以缩短真空吸盘的吸附时间。 选用 SMC 标准 ZH 型真空发生器, 其最大真空度为-88kPa。p=0.63pv=0.63×88kPa=55.44 kPa=0.055MPa
D? 4 ? 6 ? 49.05 ? 41.28?mm ? 3.14 ? 4 ? 0.055

根据所得结果选取日本 SMC 公司的 ZPT40D 标准吸盘, 吸盘直径 D=43mm。 2.真空发生器的选型计算

吸盘只是一个执行工具, 真正产生真空吸力的是真空发生器。真空发生器是 一种利用正压气源产生负压的小型的真空元器件,这使得在有压缩空气的地方, 或在一个气动系统中同时需要正负压的地方获得负压变得十分容易和方便。 在工 业自动化中机械、电子、包装、印刷、塑料及机器人等领域,使用真空发生器与 吸盘配合,可以进行各种物料的吸附、搬运,尤其适合于吸附易碎、柔软、薄的 板料或球形物体。 1)计算真空发生器的真空度 前面在计算吸盘时已经选择了 SMC 公司 ZH 系列标准真空发生器,其最大真 空度为:pv=88Kpa。根据公式 来计算实际所需的真空量然后与最大真空量进行 比较。
P? 4?a ?G 4 ? 6 ? 49.05 ? ? 0.0507 ?Mpa? ? 50.7?Kpa? 2 ? ?n?D 3.14 ? 4 ? 0.043 2

(3-12)

Pv ? P 所以满足设计要求。 在治具上一共有 4 个吸盘, 采用一个吸盘配一个

真空发生器的形式。 2)真空发生器平均吸入空气流量(即耗气量) 60 ? V 根据公式 Q ? 0.9 T 其中:Q—真空发生器平均吸入空气流量 为 6mm 的软管,长度为 0.5m, 一个真空发生器配带一个真空吸盘。 T—真空发生器的动作时间,这里取 1s
V ?

(3-13)

V—真空发生器到真空吸盘的配管的体积单位为 L,本课题选用内径

? ?d 2 ?l
1000

?

3.14 ? 0.006 2 ? 0.5 ? 0.01413 ?L? 1000

60 ? 0.01413 ? 0.763?L / min ? 1 3)真空发生器的最大吸入流量 Q ? 0.9 ?

根据公式 Qe =

Q CQ

(3-14)

对于真空发生器而言,系数 CQ =

1 Q 0.763 , Qe = = = 2.289 L / min 1 3 CQ 3 最终选择日本 SMC 的 ZH15BS-02-03-03 型真空发生器,喷嘴直径 1.5mm,最

大吸入流量为 55L/min ,空气消耗量为 95L/min[19,20]。

5 控制元件的选型
根据系统对控制元件工作压力及流量的要求, 使用 SMC 专用的选型软件来选 定气压传动系统的控制元件,然后针对选型结果做出相应调整。调速阀、换向阀 以及真空压力开关都在控制回路上,统一选取控制回路的通径为 6mm。 1. 换向阀选型 翻转气缸换向阀:根据计算结果系统要求压力 p=0.4Mpa, q ? 41.0l / min 选 取 SY5220—5GD—01—C6 型 2 位 5 通双电控型电磁阀。使用 DC24V 电源,配管直 径为 C6。
-8 3 气爪换向阀:根据计算结果 q= 85.48 ?10 m /s 选取 SY3120—5GD—01—C6

型 2 位 5 通单电控型电磁阀。使用 DC24V 电源,配管直径为 C6。 吸盘换向阀选型:根据计算结果 Q=0.763L/min 选取 SY5120—5GD—01—C6 型 2 位 5 通单电控型电磁阀。使用 DC24V 电源,配管直径为 C6。 2.调速阀选型 翻转气缸的运行速度使用调速阀进行控制。 调速阀是一种通过调节气体流量 的大小来控制气动元件速度的元件。根据气缸的最大流量 q=0.1*Q Q=370 l/min 选择调速阀型号:AS2201F-02-06S,调速方式采用排压调速[20]。 3.真空压力开关的选型 为了提高机械手的自动化程度, 保证工件拿取能够连续、 可靠、 安全地运行, 气动真空系统部分需要随时向机械手 PLC 反馈真空吸盘内的真空度, 以确定真空 吸盘是否吸取或放置了工件, 以方便机械手 PLC 进行下一步操作,而这个采集数 据与反馈数据的任务就是由真空压力开关来完成的[21]。 本课题采用由 SMC 公司生产的 ZSE30 系列 2 色显示高精度数字式真空压力开 关。这种真空压力开关具有如下特点:数字用 2 色显示,可根据使用用途自由设 定;安装更省空间;显示值有微调功能。真空压力开关的规格型号为 ZSE30A-01-N-MLA1[20]。

6 辅助元件的选型
气动辅助元件的选型主要是选择减压阀、空气过滤器以及消声器。其中减压 阀需要按照气路中流量和压力最大的元件来选。根据翻转气缸的流量
q ? 41.0l / mi n选取同时具有过滤和减压功能的过滤减压阀, 型号为: AW30-03BDE。

消声器选择 SMC 的 AN30 型消声器[20]。

7 压力损失的校核
由于翻转气缸的耗气量比较大因此有必要验算从供气管到气缸进口段的压 力损失是否在允许范围以内,即 ? ?p ? ? ?pl ? ? p? ? ??p ? 1. 沿程压力损失的计算
?pl ? ? l v2? ? d 2

(3-15)

式中:λ 为沿程阻力系数值由雷诺数 Re 和管壁相对粗糙度 ι 为管道的长度,单位 m;d 为管道直径,单位 m v 为气体的运动速度,单位 m/s ρ 为空气的密度,单位 kg / m 3 。这里取 5.77 kg / m 3

? 确定 d

在计算沿程压力损失时,需要按照气管的直径进行划分。如图,AB 段气管 的直径 d=12mm, 气管长度 l=1m,流量 q 取气缸流量的 2 倍。查表得空气的动力粘 度 ? ? 1.66 ? 10 ?5 m 2 / s
v AB ? q 2 ? 6.83 ? 10 ?4 ? ? 12.08?m / s ? A1 ? ? 0.012 2 4

Re ?

v AB ? d

?
?

?

12.08 ? 0.012 ? 0.873 ? 10 4 ?5 1.66 ? 10
0.03 ? 0.0025 12

根据 Re 、

? 查手册得λ =0.0265 则 d

d

?

1 12.08 2 ? 5.77 ?pl1 ? 0.0265 ? ? ? 929 .7?Pa? ? 9.2 ? 10 ?4 ?Mpa? 0.012 2

图 3-16 AB 段压力损失 Fig. 3-16 pressure lossof AB section

同理 CD 段:d=6mm,l=1m, ? ? 1.66 ? 10 ?5 m 2 / s ,流量 q 直接取气缸的流量。 根据公式可以直接求得
?pl 2 ? 0.0263 ? 1 24.2 2 ? 5.77 ? ? 7405 .95?Pa? ? 74.05 ? 10 ?4 ?Mpa? 0.006 2

AD 段总的沿程压力损失为:

? ?p

l

? ?pl1 ? ?pl 2 ? 9.2 ? 10 ?4 ? 74.05 ? 10 ?4 ? 0.008325 ?Mpa?

2.局部压力损失的计算 查手册确定入口处局部阻力系数 ? A ? 0.5 ,B 处汇流板处的局部阻力系数

? B ? 1.2 整个气管的局部阻力系数 ? l ? 0.25 ,D 处入口的局部阻力系数 ? D ? 1
换向阀的局部压力损失 ? f ? 3.1 。 则流经管路中的局部压力损失为:

? ?p? 1 ? ? A ?

v12 v2 ? (? B ? ? l ? ? D ? ? f ) ? 2 2 2 2 12 .08 24 .2 2 ? 0.5 ? ? ?1.2 ? 0.25 ? 1 ? 3.1? ? ? 1661 .63? pa? 2 2

查表得流经过滤减压阀的压力损失 ?p1 ? 0.02 Mpa ,经过换向阀的压力损失

?p2 ? 0.015 Mpa 经过节流阀的压力损失 ?p3 ? 0.022 Mpa 则经过元件的压力
损失为 ? ?p? 2 ? ?p1 ? ?p 2 ? ?p3 ? 0.02 ? 0.015 ? 0.022 ? 0.057 Mpa 总的局部压力损失为

? ?p? ?? ?p? ? ? ?p?
1

2

?0.00166 ? 0.057 ? 0.05866 ?Mpa?

总的压力损失为

?p ? 0.008325 ? 0.05866 ? 0.067 ?Mpa?
取安全系数 K=1.2,则

? ?p ?1.2 ? ?p ? 1.2 ? 0.067 ? 0.0804 Mpa ? ?? ?p? ? 0.1Mpa

气动元件的工作压力为 0.4Mpa, 压力损失为 0.0804Mpa 供气压力为 0.5Mpa, 可以满足使用要求[16]。

小结
本课题主要进行了注塑机械手的机械和气动系统的设计。首先,根据总体方 案,依据模块化的设计原则,对机械手动作的执行系统的各个部分进行了设计; 然后,根据动作执行的具体要求,以横行运动为例,详细介绍了机械手驱动系统 的设计、伺服电机及减速器的选型;最后,给出了机械手气动系统的具体设计方 案, 根据设计方案对气动系统中的各个气动元件进行了选型,同时为了保证气动 元件的正常运动,校核了气回路中的压力损失。


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