七、回转气缸的尺寸设计与校核
5.3.1 尺寸设计
气缸长度设计为
,气缸内径为
,半径R=105mm,轴径
半径
,气缸运行角速度
=
，加速度时间
0.5s,压强
,
则力矩：
5.3.2 尺寸校核
1．测定参与手臂转动的部件的质量
,分析部件的质量分布情况，
质量密度等效分布在一个半径
的圆盘上，那么转动惯量：
（
）
考虑轴承，油封之间的摩擦力，设定一摩擦系数
,
总驱动力矩：
设计尺寸满足使用要求。
八、气动系统设计
8.1 气压工作原理图
图所示为本机械手的气压工作原理图，它的气源是空气压缩机，排气压力约0.5MPA，通过快换接头到储气罐，经分水过滤器，调压阀、油雾器进入各并联电磁阀，以控制气缸和手部动作。
图6 气压原理图
气动元件表
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1
|
QF-44
|
手动截止阀
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1
|
|
2
|
|
储气罐
|
2
|
|
3
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QSL-26-S1
|
分水滤气器
|
1
|
|
4
|
QTY-20-S1
|
减压阀
|
1
|
|
5
|
QIU-20-S1
|
油雾器
|
1
|
|
6
|
YJ-1
|
压力继电器
|
1
|
|
7
|
24DH-10-S1
|
二位五通电磁滑阀
|
1
|
|
8
|
24D2H-10-S1
|
二位五通电磁滑阀
|
4
|
|
9
|
24D2H-15-S1
|
二位五通电磁滑阀
|
1
|
|
10
|
|
单向节流阀
|
2
|
|
11
|
LI-25
|
单向节流阀
|
2
|
各通行机构的调速，凡是能采用排气口节流方式的，都在电磁阀的排气口安装节流阻尼螺钉进行调节，这种方法的特点是结构简单效果好。如平臂伸缩气缸在接近气缸处安装两个快速排气阀，可加快启动速度，也可调节全程的速度。升降气缸采用气节流的单向节流阀以调节手臂的上升速度，由于手臂靠自重下降，其速度调节仍采用在电磁阀排气口安装节流阻尼螺钉来完成。气液传送器气缸的排气节流，可用来调整回转液压缓冲器的背压大小。
为简化气路，减少电磁阀的数量，各工作气缸的缓冲均采用液压缓冲器，这样可以省去电磁阀和切换节流阀或行程节流阀的气路阻尼元件。
电磁阀的通径，是根据各工作气缸的尺寸，行程，速度计算出所需压缩空气流量，与选用的电磁阀在压力状态下的公称使用流量相适应来确定的。
九 机械手的PLC控制系统设计
考虑到机械手的通用性，同时使用点位控制，因此我们采用可编程序控制器(PLC)对机械手进行控制.当机械手的动作流程改变时，只需改变PLC程序即可实现，非常方便快捷。
9.1 可编程序控制器的选择及工作过程
7.1.1 可编程序控制器的选择
目前，国际上生产可编程序控制器的厂家很多，如日本三菱公司的F系列PC,德国西门子公司的SIMATIC N5系列PC、日本OMRON(立石)公司的C型、P型PC等。考虑到本机械手的输入输出点不多，工作流程较简单，同时考虑到制造成本，因此在本次设计中选择了OMRON公司的C28P型可编程序控制器。
7.1.2 可编程序控制器的工作过程
可编程序控制器是通过执行用户程序来完成各种不同控制任务的。为此采用了循环扫描的工作方式。具体的工作过程可分为四个阶段。
第一阶段是初始化处理。
可编程序控制器的输入端子不是直接与主机相连，CPU对输入输出状态的询问是针对输入输出状态暂存器而言的。输入输出状态暂存器也称为I/0状态表.该表是一个专门存放输入输出状态信息的存储区。其中存放输入状态信息的存储器叫输入状态暂存器;存放输出状态信息的存储器叫输出状态暂存器。开机时，CPU首先使I/0状态表清零，然后进行自诊断。当确认其硬件工作正常后，进入下一阶段。
第二阶段是处理输入信号阶段。
在处理输入信号阶段，CPU对输入状态进行扫描，将获得的各个输入端子的状态信息送到I/0状态表中存放。在同一扫描周期内，各个输入点的状态在I/0状态表中一直保持不变，不会受到各个输入端子信号变化的影响，因此不能造成运算结果混乱，保证了本周期内用户程序的正确执行。
第三阶段是程序处理阶段。
当输入状态信息全部进入I/0状态表后，CPU工作进入到第三个阶段。在这个阶段中，可编程序控制器对用户程序进行依次扫描，并根据各I/0状态和有关指令进行运算和处理，最后将结果写入I/0状态表的输出状态暂存器中。
第四阶段是输出处理阶段。
CPU对用户程序已扫描处理完毕，并将运算结果写入到I/0状态表状态暂存器中。此时将输入信号从输出状态暂存器中取出，送到输出锁存电路，驱动输出继电器线圈，控制被控设备进行各种相应的动作。然后，CPU又返回执行下一个循环的扫描周期。
9.2 可编程序控制器的使用步骤
在可编程序控制器与被控对象(机器、设备或生产过程)构成一个自动控制系统时，通常以七个步骤进行:
(1)系统设计
即确定被控对象的工作原理，控制要求，动作及动作顺序。
(2)I/0分配
即确定哪些信号是送到可编程序控制器的，并分配给相应的输入端号;哪些信号是由可编程序控制器送到被控对象的，并分配相应的输出端号.此外，对用到的可编程序控制器内部的计数器、定时器等也要进行分配。可编程序控制器是通过编号来识别信号的。
(3)画梯形图
它与继电器控制逻辑的梯形图概念相同，表达了系统中全部动作的相互关系。如果使用图形编程器(LCD或CRT)，则画出梯形图相当于编制出了程序，可将梯形图直接送入可编程序控制器。对简易编程器，则往往要经过下一步的助记符程序转换过程。
(4)助记符机器程序
相当于微机的助记符程序，是面向机器的(即不同厂家的可编程序控制器，助记符指令形式不同)，用简易编程器时，应将梯形图转化成助记符程序，才能将其输入到可编程序控制器中。
(5)编制程序
即检查程序中每条语法错误，若有则修改。这项工作在编程器上进行。
(6)调试程序
即检查程序是否能正确完成逻辑要求，不合要求，可以在编程器上修改。程序设计(包括画梯形图、助记符程序、编辑、甚至调试)也可在别的工具上进行。如IBM-PC机，只要这个机器配有相应的软件。
(7)保存程序
调试通过的程序，可以固化在EPROM中或保存在磁盘上备用。
9.3 机械手可编程序控制器控制方案
9.3.1 控制系统的工作原理及控制要求
1）控制对象为圆柱座标气动机械手。它的手臂具有三个自由度，即水平方向的伸、缩;竖直方向的上、下;绕竖直轴的顺时针方向旋转及逆时针方向旋转。另外，其末端执行装置— 机械手，还可完成抓、放功能。以上各动作均采用气动方式驱动，即用五个二位五通电磁阀(每个阀有两个线圈，对应两个相反动作)分别控制五个气缸，使机械手完成伸、缩、上、下、旋转及机械手抓放动作。其中旋转运动用一组齿轮齿条，使气缸的直线运动转化为旋转运动。这样，可用PLC的8个输出端与电磁阀的8个线圈相连，通过编程，使电磁阀各线圈按一定序列激励，从而使机械手按预先安排的动作序列工作.如果欲改变机械手的动作，不需改变接线，只需将程序中动作代码及顺序稍加修改即可。另外，除抓放外，其余六个动作末端均放置一限位开关，以检测动作是否到位，如果某动作没有到位，则出错指示灯亮。
2）控制要求
为了满足生产需要，机械手应设置手动工作方式、单动工作方式和自动工作方式。
（1）手动工作方式
便于对设备进行调整和检修，设置手动工作方式。用按钮对机械手每一动作单独进行控制。
（2）单动工作方式
从原点开始，按照自动工作循环的步序，每按下一次起动按钮，机械手完成一步的工作后，自动停止。
（3）自动工作方式
按下起动按钮，机械手从原点开始，按工序自动反复连续工作，直到按下停止按钮，机械手在完成最后一个周期的动作后，返回原点自动停机。
9.3.2 气动机械手的工作流程（如图7-1所示）
气动机械手的工作流程如下：
（1） 立柱上升电磁阀通电，立柱上升，至上限位开关动作。
（2） 立柱下降电磁阀通电，立柱下降，至下限位开关动作。
（3） 手爪抓紧电磁阀通电，手爪抓紧，至限位开关动作。
（4） 立柱上升电磁阀通电，立柱上升，至上限位开关动作。
（5） 立柱右转电磁阀通电，机械手右转，至右限位开关动作。
（6） 立柱下降电磁阀通电，立柱下降，至下限位开关动作。
（7） 手爪松开电磁阀通电，手爪松开，至限位开关动作。
（8） 按下停止按钮或停电时，机械手停止在现行的工步上，重新启动时，机械手按上一工步继续工作。
9.3.3 I/0分配
根据系统输入输出点的数目，选用OMRON C28P型PC，它有8个输入点，
标号为0000-007; 5个输出点，标号为0500-0511.如下表所示。
I/O分配
|
输入
|
输出
|
|
启动 0000
|
|
|
停止 0001
|
|
|
上升限位开关 0002
|
手臂上升 0500
|
|
下降限位开关 0003
|
手臂下降 0501
|
|
手抓抓紧 0004
|
手部抓紧 0502
|
|
左转限位开关 0005
|
手臂左转 0503
|
|
右转限位开关 0006
|
手臂右转 0504
|
|
物品检测 0007
|
|
其它地址分配：
1、 夹紧定时器:T1,定时5s 2、 放松定时器:T2，定时5s 3、 自动方式标志:M0.0 4 、单动方式标志:M0.1 5、 手动方式标志:M0.2 6、 结束标志:M0.5
九 结 论
9.1、本次设计的是芯柱链轮传送机构及气动专用机械手设计，传送机构结构紧凑，制造简单，机械手控制方便，专用性强。
9.2、采用气压传动，动作迅速，反应灵敏，能实现过载保护，便于自动控制。工作环境适应性好，不会因环境变化影响传动及控制性能。阻力损失和泄漏较小，不会污染环境。同时成本低廉。
9.3、通过对气压传动系统工作原理图的参数化绘制，大大提高了绘图速度，节省了大量时间和避免了不必要的重复劳动，同时做到了图纸的统一规范。
9.4、机械手采用PLC控制，具有可靠性高、改变程序灵活等优点，无论是进行时间控制还是行程控制或混合控制，都可通过设定PLC程序来实现。可以根据机械手的动作顺序修改程序，使机械手的通用性更强。
9.5、链轮传动机构采用槽轮传动机构和齿轮传动机械的组合，实现间歇传动，。
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