(河北化工医药职业技术学院,河北 石家庄 050026)
摘要:自动上下料装置是最典型的机电一体化数字化装备,技术附加值很高,应用范围很广,作为先进制造业的支撑技术和信息化社会的新兴产业,将对未来生产和社会发展起着越来越重要的作用。自动机械技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术,是当代研究十分活跃,应用日益广泛的领域。
关键词:机械手;上下料;可编程控制;气动
中图分类号:TP23文献标识码:A文章编号:1009-3044(2009)28-8076-03
The Design and Research of Automatic Feeding Device Up and Down
CHANG Shu-feng
(Department of Information Engineering, Hebei Chemical & Pharmaceutical College, Shijiazhuang 050026, China)
Abstract: Automatic feeding device from top to bottom is the most typical of the mechanical-electrical integration of digital equipment, high value-added technology, a wide range of applications, as the support of advanced manufacturing technology and information society of the new industries will be the future of production and social development play a more to the more important role. Automatic machinery and technology is the combination of computers, control theory, institutions, information and sensor technology, artificial intelligence, bionics and the formation of such multi-disciplinary high-tech, contemporary research is extremely active, and the application of the increasingly wide range of areas.
Key words: manipulator; upper and lower feed; programmable control pneumatic
在现代工业自动化生产领域里,物料的搬运、机床的上下料、整机的装配等实现自动化是十分必要的。自动上下料装置和工业机械手就是为实现这些工序的自动化而设计和采用的。
自动上下料装置使散乱的中小型的工件毛坯,经过定向机构,实现定向排序,然后顺序的由上下料装置把它送到机床和工作位置去,并把工件取走。如果工件较大,形状较为复杂,很难自动的定向,往往用人工定向后,在由上下料机构送到工作地点去。
广泛采用自动上下料装置,不仅可提高产品的质量与产量,而且对保障人身安全,改善劳动环境,减轻劳动强度,提高劳动生产率,节约原材料消耗以及降低生产成本,有着十分重要的意义。和计算机、网络技术一样,自动上下料装置的广泛应用正在日益改变着人类的生产和生活方式。
自动上下料装置是最典型的机电一体化数字化装备,技术附加值很高,应用范围很广,作为先进制造业的支撑技术和信息化社会的新兴产业,将对未来生产和社会发展起着越来越重要的作用。自动机械技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术,是当代研究十分活跃,应用日益广泛的领域。
1 自动上下料装置的总体设计
1.1 设计方案的确定
在自动上下料装置的设计选用中我们需要注意以下几个方面:
按照生产批量或生产率的计算出所需要的上料节拍或上料生产率,所需要的上料生产率越高,越有必要选用自动上下料装置。
根据工件的类型和尺寸、形状,从必要性和可能性综合考虑合理的自动化程度,决定必要的组成成分,决定上下料装置的类型以及定向机构。尺寸小的而且形状简单的工件易于实现自动定向,可以采用料抖式自动上下料装置。
自动上下料机构的设计中采用如图1结构形式,主要由平移气缸,升降气缸,托架,电机转子等部件组成。其动作过程为:在平移气缸的驱动下,两个升降气缸在合适的位置进行协调运动,从而托架可以带动电机转子进行轨迹为矩形的运动。从而实现自动上下料的动作。
从中我们可以看到,与传统的方法相比,机构大大简化,气动取代电机作为驱动源,只要提高工作介质的工作压力便能提高系统的输出功率。系统的自动化程度和工作效率明显提高,运行更加可靠。不仅解决本工位的自动生产,而且兼顾到工件的上料、下料的动作结合。
2 机械部分的设计
2.1 机械手的结构确定
机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等所组成。各系统相互之间的关系如框图2。
2.1.1 执行机构
由气缸控制的手爪为夹紧执行机构。手爪,即与物件接触的部件。由于与物件接触的形式不同,可分为夹持式手部和吸附式手部。夹持式手部由手指和传力机构所构成,手指是与物件直接接触,而传力则通过手指产生夹紧力来完成夹放物件的任务。自动上下料装置的上升下降运动的执行机构为机械手的两个主气缸。这两个气缸既起执行机构的作用,又起支撑自动上下料装置躯体的作用。
2.1.2 驱动系统
机械手的驱动系统是驱动执行机构运动的传动装置。常用的有液压传动、气压传动、电力传动和机械传动等四种形式。本次设计主要是气压传动。
2.1.3 控制系统
本系统采用PLC控制,应用灵活、扩展性好,操作方便,体积小,重量轻,价格比高,省电。
2.1.4 位置检测装置
控制机械手执行机构的运动位置,并随时将执行机构的实际位置反馈给控制系统,并与设定的位置进行比较,然后通过控制系统进行调整,从而,执行机构以一定精度达到位置设定。
2.2 机械手的工作原理
机械手在工作时,首先由PLC发出电控制信号,电磁阀动作输出电信号到气控阀,气控阀接到信号后,将动力气输给气缸,气缸运动,当运动到指定行程时,触及机械阀,机械阀将气信号传给气电继电器,继电器将电信号传至间机械手控制系统,PLC根据气缸到位情况,按程序执行下一步动作。
在本次设计中,自动上下料装置主体部分分别是由LG型气缸(32、50、80)组成的,机械手为气压驱动,考虑到在工件的位置过低时,手爪与机床容易产生碰撞而损坏机床或机械手,因此机械手的动作顺序应首先使水平臂上升,所以机械手的工作过程为:
1) 抓取工件:启动→垂直臂上升→水平臂前伸→垂直臂下降→手爪抓取工件→垂直臂上升→水平臂回缩→转动到工件放置位置。
2) 放置工件:水平臂前伸→垂直臂下降→手爪放开工件→手爪反向转动(复位)→垂直臂上升(复位)→水平臂回缩(复位)→垂直臂下降(复位)。
2.3 手爪的设计计算
2.3.1 手指式手部的类型
手部所爪持的工件的尺寸、形状、重量、材料和表面状况等的不同,手部具有多种结构形式。手指的手部是以手部的张开和闭合来实现抓持工件。他对抓取各种形状的工件具有较大的适应性,故应用最广。手指式手部按手指的运动形式可以分为,回转型和平移型。
2.3.2手指夹紧力的计算
手指对工件的夹紧力可按照下式计算:
N≥K1K2K3Gkgf
N≥21.34 kgf (1)
式中K1——安全系数,通常取1.2～2
K2——动载系数,主要考虑惯性力的影响,可按照K2=1+a/g估算。
a——为机械手在搬运工件过程的加速度m/s2,a=9.8m/s2,g为重力加速度。
K3——方位系数,按照表1选取。
G——被抓持工件的重量Kg。
2.3.3 手指式手部结构和驱动力计算
手指式手部按其传动机构的不同具有多种结构形式,各有特点。在设计时必须根据具体情况来正确选择。
图3所示为连杆传动的手部结构。驱动活塞往复移动。通过活塞杆末端铰接的连杆,使手指张开与闭合。
作用于活塞杆上的驱动力为:
3 气动部分的设计
3.1 气缸的设计计算
气缸一般由缸筒,前后缸盖、活塞、活塞杆、密封件和紧固件组成。气缸被活塞分成有杆腔和无杆腔。当从无杆腔输入压缩空气时,有杆腔排气,压缩空气作用在活塞右端面上的力克服各种反作用力,推动活塞杆前进,使活塞杆伸出;当活塞杆排气时,有杆腔进气时,活塞杆缩回到处始位置。两腔交替进气,排气,活塞杆实现往复直线运动。
3.2 气路的设计
电气系统由三部份组成:
1)能量供应部分
其作用类似人的心脏。它提供气动执行元件和电气控制作用所需要的能量。如提供压缩气体的气源系统,提供电气控制元件的电源(交流电或直流电)。
2)电气控制部份
电气控制部份的作用相当于人的大脑。对于不同的应用环境,需要按照指定的逻辑控制气动元件的动作。比如汽车车门的开启控制,汽车车门的开启所由气缸来推动,而气缸活塞何时动作以及向哪个方向运动,这都是由电气控制部分控制的。
3)气动执行部分
可以将气动执行部分比喻成人的手和腿。它是整个系统的终端输出,将压缩空气的压力能转化为机械能,直接驱动应用对象,如车门,传送带,导轨,夹具等。
3.3 气路系统原理
压缩空气是由空气压缩机经储蓄罐(储存和稳定工作压力)、分水滤气器(干燥和净化)、减压阀(调整和稳定气压)、油雾器(渗入油雾润滑气动元件和气缸)、压力继电器(控制空气压缩机的开于关)输送到主气路1。各工作气缸所用的压缩空气,均由气路1并联输入,它的工作情况是:
压缩空气经过三位四通换向阀1进入水平臂驱动气缸,用来操纵整个机械手的水平运动。压缩空气经过三位四通换向阀2进入垂直臂驱动气缸,用来操纵垂直臂的升降运动。在阀2的进气口和排气口装有排气节流阀和顺序阀,用以调节活塞的排气速度和排气方向,从而控制活塞的运动速度。
压缩空气经二位三通换向阀3进入下夹紧气缸,用来操纵下手臂的夹紧、放松。在阀3的进气口和排气口装有排气节流阀和顺序阀,用以调节活塞的排气速度和排气方向,从而控制活塞的运动速度。
压缩空气由一个二位三通阀控制弹簧气缸的运动,从而控制中间手臂。在阀4的进气口有顺序阀和节流阀,作用同上。
控制方式:该气路系统各工作气缸的程序必须协调,采用PLC可编程控制进行程序控制。
4 控制部分的设计
4.1 可编程逻辑控制器(PLC)
本设计采用的是PLC可编程控制器,可编程序控制器PC(Programmable Controller)又程可编程逻辑控制器PLC(Programmable Logic Controller),是微机技术与继电器常规控制技术相结合的产物,是在顺序控制器和微机控制器的基础上发展起来的新型控制器,是一种以微处理器为核心用作数字控制的专用计算机。可编程控制器PLC在现代工业自动控制中是最值得重视的先进控制技术。
4.1.1 PLC的组成
可编程逻辑控制器一般由运算控制单元、存贮器RAM/ROM、输入/输出等部件组成。PLC型号、功能繁多,它主要由中央处理单元、寄存器、储存器、输入、输出等部分组成。
如图4所示。
4.1.2 选择PLC
首先估计需要的PLC规模,选择功能和容量满足要求的PLC。为完成预定的控制任务所需要的PLC规模,主要取决于设备对输入输出点的需求量和控制过程的难易程度。估算PLC需要的各种类型的输入、输出点数,并拒此估算出用户的存储容量,是系统设计中的重要环节。
4.1.3 PLC的输入、输出及控制方式确定
根据机械手的动作要求,系统应有的输入信号是:气泵的起动、停止(2个),机械手的上、下、左、右4个方向移动、夹紧、放松(6个),手动工作方式、半自动工作方式(2个),半自动的起动、停止(2个)等等按钮类手工操作信号12个;机械手的下、右2个方向的行程开关(2个),夹紧时的压力继电器,放松时的行程开关(2个) 。所以应设有16个输入信号。系统的输出信号有:气泵电机运转控制用接触器,机械手的下、右2个方向移动控制用电磁阀和机械手夹紧控制用电磁阀,半自动循环指示灯,共计5个输出信号。根据机械手的半自动循环流程要求,可以画出机械手的工作循环图,如图5所示。从而可以得到机械手电磁阀的动作顺序表,如表1所示。
将程序输入PLC机,先在PLC机上进行模拟调试,用开关模拟输入信号,用PLC机上的指示灯模拟输出情况,调试通过后再与机械部分连接,进行在线连机调试,直到全部系统运行正常为止。
参考文献:
[1] 沈乃勋, 陈珂. 自动嵌绝缘纸机的机电一体化创新设计机械设计与研究[J]. 机械设计与研究, 2002,18(2):68-71.
[2] 机械设计手册编委会. 机械设计手册[M]. 北京:机械工业出版社, 2005.
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