基于PLC的气动吸盘式工业机械手设计.pdf

液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 01 3年 第 0 3期 基于 P L C的气动吸盘式工业机械手设计 张海英 宁波职业技术学院， 浙江 宁波3 1 5 8 0 0 摘 要 以板材加工过程 中用于板材搬运的机械手 为研究对象 ， 分析了该 机械手 的本体结构 。机械手采用气动吸盘作为机械手 的末端 执行器 ， 有 4个 自由度 。详细阐述了其末 端执行器关键参数 的设计计算。实践证明 ， 该机械手能完成 满足生产线 的要求 。 关键词 机械手 ； 气动吸盘 ； 搬运 中图分类号 T H1 3 8 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 3 0 3 0 0 7 4 0 3 Th e De s i g n o f Pn e uma t i c M a n i p u l a t o r Ba s e d o n PLC ZHANG Hc d - yi n g N i n g b o P o l y t e c h n i c ， N i n g b o 3 1 5 8 0 0 ， C h i n a Ab s t r a c t A m a n i p u l a t o r i s r e g a r d e d a s s t u d y o b j e c t ．I t h a s f o u r d e g r e e o f fr e e d o m w h i c h i s a p p l i e d f o r c a r r y i n g p l a t e s ．A n a l y z e d t h e s t r u c t u r e o f ma n i p u l a t o r ． T h e k e y p a r a me t e r s o f e n d a c t u a t o r a r e c a l c u l a t e d a n d d e v i s e d ． T h e r e s u l t p r o v e d t h a t t h e ma n i p u l a t o r c a n me e t t h e d e ma n d s o f p r o d u c t i o n l i n e ． Ke y wor d s ma n i pu l a t o r； p ne u ma t i c s u c ke r ； C a ／ T y O 引言 随着工业生产规模 的不断扩大 ， 生产线的自动化水 平须大力提高 ， 特别是在高温、 重载 、 大噪声等恶劣的工 作环境中， 人工操作劳动强度大 ， 易发生安全事 ” 。某 公司的板材生产线上 ， 板材经熔化后压铸成形 ， 再进行 粗切割 ．切割后需把板材搬运到指定框架 中。因工件 重 、 形状大 ， 所 以人工搬运效率低 ， 所需员工多 ， 且易发 生碰撞 ． 影响板材的后续加工。所设计的工业机械手采 用真空 吸盘作为机械手 的末端执行器 ，利用真空吸附 方式抓取工件 ． 可 自动搬运板材阁 。 1 机械手结构 1 ． 1 结构 要 求 该机械手的作用是将粗切割后的板材 约 l O k g 从 工作 台上搬运到堆放架 内， 要求叠放有序 ， 不能碰撞 。 结构上要求能实现 X、 Y、 Z三个方向的移动 ， 且 Z轴能 旋转 ， 结合实际生产线情况， 机械手要达到以下要求『3 1 1 分升降机构 、 横移机构 、 抓放机构三个机构 ； 2 升降机构设计 直线升降 ， 采用滚珠丝杠传动 ， 用直线光杆导向。 上下升降速度最快 5 0 m m ／ s ， 升降行程 范围 0 1 8 0 0 mm， 最大承载力 1 O 0 0 N； 基金项 目 2 0 1 1年院级教科研 项 目N Z l l O 1 2 收稿 E t 期 2 0 1 2 1 0 2 4 作者 简介 张海 英 1 9 7 8 一 ， 女 ， 浙江诸 暨人 ， 讲师 ， 硕士 ， 主要 从事机 器 人 、 数控技术方面的研究。 7 4 3 横移机构设计 X、 Y两个方向横移 ， 采用滚珠 丝杠和同步带传动 ， 移动速度最大 5 0 mm ／ s ， 移动行程范 围 0 ～ 3 5 0 0 ram， 最大承载力 1 0 0 0 N； 4 抓 放机构设计 采用气 动方 式进行 工件 的抓 放 ， 总最大吸附力 2 5 0 N。 1 ． 2总体结构 该工业机械手 由支架 、手臂和手爪组成 ． 4个 自由 度分别为 X、 Y、 Z三个方 向的移动和 Z轴旋转 ， 图 l为 设计的机械手总体结构图。 总体设计思想为 X、 Y、 z三 个方 向采用伺服电机驱 动， 通过丝杠 、 同步带 、 轮 系等 机械机构进行间接传动 ， 末端执行器为气动吸盘手爪 ， 可通过改变吸盘位置实现不同形状工件的抓放 。 图 1机械手示意图 1 ． 3传动 过程 以把工件从位置 1 搬运到位置 2为例 ，机械手从 原点位置开始 ， X轴伺服电机运转带动装在输出轴上的 同步带一起旋转 ，经同步带传动带动与 x轴平行的轴 Hv d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ／ No ． O 3 ．2 0 1 3 旋转 ． 从而驱动机械手工作平 台在 X轴方 向移动 ， 紧接 着 Y轴伺 服电机运转带动机械 手平台在 Y轴方 向移 动。然后 Z轴伺服 电机运转带动手爪下移从位置 1 抓 取工件 ； 手爪上升沿 X方 向后退 ， Y轴伺服电机运转带 动机械手平 台在 Y轴方 向移动到达位置 2上方 ， Z轴 伺服电机运转带动手爪下移放工件 。 1 ． 4 机械手参数 表 l为气动吸盘式工业机械手的参数。 表 1机械 手 参数 项 目 规格 结构 自由度 驱动方式 位置检查方式 X方 向移动范 围 m n 1 Y方向移动范围 咖 Z方 向移动范 围 m m 最大移动速度 m m ／ s 可搬运最重工件 N 直角坐标式 4 伺服驱动 编码器、限位开关 O ～ 3 5 00 O ～ 3 5 00 0 ～ 1 8 00 5 0 2 5 0 2 吸附装置设计 2 ． 1真 空 吸盘原 理 如图 2所示 ，首先将真空吸盘通过接管与真空设 备 如真空发生器等 接通 ， 然后与待提升物如玻璃 、 纸 张等接触 ， 起 动真空设备抽 吸， 使 吸盘 内产生 负气压 ， 从而将待提升物吸牢 ， 即可开始搬送待提升物 。当待提 升物搬送到 目的地时 ， 平稳地充气进真空吸盘内， 使真 空吸盘内由负气压变成零气压或稍为正的气压 ，真空 吸盘就脱离待提升物 ，从而完成了提升搬送重物的任 务 [5 J 。 至 图2吸 盘 工 作原 理 图 2 ． 2吸盘直径计算 被搬运物体 的重量决定吸盘 的大小和数量 ，根据 生产线作业要求 ， 吸盘工作时为水平吊状态 ， 吸盘直径 参数的计算公式如下嘲 D ≥ 、 ／ 盟 I V 式 中D 吸盘的理论直径 ． m m； m 需吸工件质量 ， k g ； f 安全系数 水平 吊 ≥4 ， 垂直 吊f ≥8 ； p 吸盘内的真空度 ， MP a ； n 吸盘数量。 生产线上需搬运工件的重约 1 0 0 N，吸盘工作时为 水平吊， ￡ 取 4 ， 真空度P取 0 ． 0 6 MP a ， 如单个吸盘吸附 n 取 1 ， 代人式 1 中计算 ， 得 D≥ 9 2 ． 1 6 mm 因为实际可选择的直径尺寸范围在 5 0 ram以内， 考 虑实际工件的形状 ， 在满足需要的条件下 ， 吸盘尺寸应 尽可8 r 4 , ， 所以增加吸盘数量 ／1 , ， 取 n 1 6 ， 代入式 1 中 计算 ， 得 D ≥ 2 3． 0 4mm 结合吸盘直径标准取值表 ， 取 D 2 5 m m。 2 ． 3吸盘提升力计算 根据吸盘提升力 的计算公式 缶 s 3 2 式 中 吸盘提升力 ， N； 安全系数 在此取 为 1 ； S 吸盘 面积 。 o m 2 。 以 规 格 为 D 1 0 m m、 1 6 mm、 2 0 mm、 2 5 ra m、 3 2 mm、 4 0 m m、 5 0 mm 为例 ， 根 据公 式 2 分别 计算 出它们 在 一 4 0 0 m mH g 、 一 5 0 0 m mH g和一 6 0 0 mmH g真空度下 的提升 力 ， 计算结果如表 2 所示。 表 2吸盘水平提升力 N 实际使用时， [ 】 3 式 中【 】 为许用 提升力 ， 根据经验值 ， 安全 系数一 般取 2 ． 5 ， 现在取 D 2 5 m m 的吸盘进行许用提升力的检 验计算 ， 在真空度比较低的情况下 一 4 0 0 m mH g ， 将表 l 中的数值 2 6 ． 7 N代入式 3 ， 计算得[ l 0 ． 6 8 N。 机械手 共 l 6个 吸盘 ， 总许用提升力为 1 7 0 ． 8 8 N 1 0 0 N， 由此 可 得， 在保证安全的情况下， 设计计算所得数据能确保提 升待搬运工件 。 7 5 液 压 气 动 与 密 ／ 2 0 1 3年 第 0 3期 往复式油气混输泵组合阀滞后角的研究 陈锡栋， 张生昌， 邓鸿英， 柯愈龙 浙江工业大学 机械工程学院， 浙江 杭州 3 1 0 0 1 4 摘要 针对实际组合阀的结构特点 ， 结合相关工作参数 ， 推导出了往复式 油气混输泵组合阀滞后角的计算公式 ． 得 到了不 同气液 比下 组合阀的滞后 角。采用 F L U E N T软件 中的 V O F多相流模 型及动态分层动 网格模型 ， 结合 U D F将运动边界定义为活塞运动 。 对 6组不 同气 液比下 的组合 阀滞后角进行了数值模拟 ， 与理论计算结果 比较 ， 相 当吻合 。 结果表明 ， 往复泵输送油气 两相介质时组合阀滞后角远 远大于介质为纯液态的工况 ； 随着介质气液 比的增大 ， 组合 阀的滞后角不断增大。该研 究可为往复式油气 混输泵 阀的设计计算提供一 定的理论基础 。 关键 词 往复式油气混输泵 ； 组合阀 ； 气液 比； 滞后 角 中图分类 号 T H1 3 7 ． 5 T H3 2 1 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 8 - 0 8 1 3 2 0 1 3 0 3 0 0 7 6 埘 Re s e a r c h o n Co mb i n a t i o n Va l v e La g An g l e f o r Re c i pr o c a t i ng Oi l g a s M u l t i p ha s e Pu mp C HEN Xi d o n g ， Z HANG S h e n g - c h a n g， DE NG Ho n g - y i n g ， KE Yu - l o n g C o l l e g e o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g Z h e j i a n g U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ，Ha n g z h o u 3 1 0 0 1 4 ， C h i n a Ab s t r a c t Ac c o r d i n g t o t h e p r a c t i c a l s t r u c t u r e a n d r e l a t e d wo r k i n g p a r a me t e r s o f c o mb i n e d v a l v e ， t h e c a l c u l a t i o n f o r mu l a o f l a g a n g l e o f r e c i p r o c a t i n g o i l g a s mu h i p h a s e p u mp c o mb i n e d v a l v e wa s d e d u c e d ． T h e l a g a n g l e f o r c o mb i n e d v alv e u n d e r d i ff e r e n t g a s l i q u i d r a t i o w a s o b t a i n e d ．T h e VOF mu l t i p h a s e l i q u i d mo d e l a n d mo v e a b l e me s h mo d e l we r e e mp l o y e d ， t h e mo v i n g b o u n d a r y wa s d e fi n e d a s p i s t o n mo ti o n b y UDF , a n d t h e n u me r i c a l c alc u l a ti o n o f l a g ang l e u n d e r s i x d i ff e r e n t g a s - l i q u i d r a ti o s W as c a r r i e d o u t ． F u r t h e r mo r e ， t h e r e s u l t s o f t h e o r e t i c a l c alc u l a t i o n a n d n u me ri c al s i mu l a t i o n a r e me a s u r e d ． T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e l a g a n e o f c o mb i n e d v a l v e i s v e r y b i g wh e n t h e me d i u m i s g a s l i q u i d t wo p h a s e f l o w，wh i c h i s f a r b i g g e r t h a n t h e me d i u m i s p u r e l i q u i d ．Al o n g wi t h t h e i n c r e a s e o f g a s l i q u i d r a t i o ， t h e d e l a y ang l e o f c o mb i n e d v a l v e i n c r e a s e ．T h e s t u d y r e s u l t s c a n p rov i d e a the o b a s i s for d e s i g n o f r e c i p roc a t i n g o i l - g a s mult i p h a s e p u mp v alv e ． Ke y wo r d s r e c i p r o c a t i n g o i l g a s mu hi p h a s e p u mp； c o mb i n a t i o n v a l v e； g a s - l i q u i d r a t i o ； l a g a n g l e O 引言 油气混输是近几年迅速发展的一种先进油 田开采 收稿 日期 2 0 1 2 1 0 2 3 作者简介 陈锡栋 1 9 8 7 一 ， 男 ， 浙江宁波人 ， 硕士研究生 ， 主要从事流体机 械 的教学与科研工作。 工艺 ，已在石油开采 中得到应用。然而油气属多相介 质 ， 混输极为困难 ， 是 国际原油开采业面临的一项重大 难题[ 1 - 2 ] 。往复式油气混输泵是油气混输增压的关键设 备之一。 进出口阀是往复式油气混输泵最关键的水力元件 ， 3 结束语 通过对工业机械手本体机构的关键零部件进行设 计计算 ，并将该气动吸盘式工业机械手在实际生产线 上进行调试运行后【 7 J 。 证实机械手能对工件进行 自动抓 放动作 ， 且在抓放过程中不发生碰撞 ， 实践证 明使 用该 机械手后 ， 企业现场工作人员数量降低了 5 0 ％， 在降低 了劳动力成本 的同时提高了生产率。 参考文献 【 1 】 初晓 旭， 陈文 军． 浅谈气 动密 封 的设计【 J 】 ． 液压气 动 与密 封， 2 0 1 2 ， 2 1 1 - 1 3 ． 7 6 [ 2 ] 张海英， 陈子 珍， 翟志永． 基于 P L C的物料搬运机械手设计 [ J ] ． 机械工程师， 2 0 1 0 ， f 9 8 3 8 4 ． 【 3 】 候博， 阎明印， 王世杰 ． 芯片搬运机 械手设 计[ J 】 ． 机械设计与制 造， 2 0 1 1 , 1 0 3 5 3 6 ． [ 4 】 张海 英． 基 于 P L C的注塑机机 械手控制 系统设计【 J ] ． 机 械工 程师， 2 0 1 1 ， 1 1 7 2 7 3 ． 【 5 】 钟文， 阎秋生， 潘继生， 等． 圆片提升机的结构设计[ J 】 ． 机电工程 技术。 2 0 1 1 , 4 0 7 6 0 6 2 ． [ 6 】 张兴国， 倪远征， 张磊． 禽蛋吸运分级机械手设计及研究[ J ] ． 制 造业自动化。 2 0 1 1 , 3 3 7 1 4 ． [ 7 ] 王建军 ． 搬运 机械手及 P L C控 制系统设计[ J 】 ． 液压 气动 与密 封， 2 0 1 0 ， 1 0 1 6 1 8 ．