1.前言
氣動技術是實現工業自動化的重要手段。氣壓傳動的介質來自於空氣，環境汙染小，工程容易實現，所以其言傳動四一種易於推廣普及的實現工業自動化的應用技術。氣動技術在機械、化工、電子、電氣、紡織、食品、包裝、印刷、輕工、汽車等各個製造行業，尤其在各種自動化生產裝備和生產線中得到了廣泛的應用，極大地提高了製造業的生產效率和產品質量。
氣動系統的應用，引起了世界各國產業界的普遍重視，氣動行業已成為工業國家發展速度最快的行業之一。
可程式設計控制技器（plc）是以微處理器為基礎，綜合計算機技術、自動控制技術和通訊技術發展起來的一種新型、通用的自動控制裝置，他具有機構簡單、易於程式設計、效能優越、可靠性高、靈活通用和使用方便等一系列優點，近年來在工業生產過程的自動控制中得到了越來越廣泛的應用。
2.設計任務
2.1設計任務介紹及意義
通過課程設計培養學生綜合運用所學知識的能力，提高分析和解決問題能的乙個重要環節，專業課程設計是建立在專業基礎課和專業方向課的基礎的，是學生根據所學課程進行的工程基本訓練，課程設計的意義在於：
1．培養學生綜合運用所學的基礎理論和專業知識，獨立進行機電控制系統（產品）的初步設計工作，並結合設計或試驗研究課題進一步鞏固和擴大知識領域。
2．培養學生蒐集、閱讀和綜合分析參考資料，運用各種標準和工具書籍以及編寫技術檔案的能力，提高計算、繪圖等基本技能。
3．培養學生掌握機電產品設計的一般程式方法，進行工程師基本素質的訓練。
4．樹立正確的設計思想及嚴肅認真的工作作風。
2.2設計任務明細
1．該機械手的功能：將貨物自動放到座標位置（300，300）處，並延時1分鐘等待卸貨，然後返回原點位置，延時1分鐘等待裝貨。
2．任務要求：
執行元件：氣動氣缸；
運動方式：直角座標；
控制方式：plc控制；
控制要求：位置控制；
主要設計引數引數：
氣缸工作行程——800 mm；
運動負載質量——100 kg；
移動速度控制——3m/min。
3．具體步驟如下：
（1）先根據參考資料，確定合適的設計方案。
（2）通過計算、分析設計執行元件的引數：氣缸的內徑、壁厚，活塞桿的直徑，耗氣量的計算，驗算設計結果，導向裝置的設計，驅動元件的選擇，管路設計，底座的設計.
（3）根據動力和總體引數的選擇和計算，進行總體設計，完成機械系統的主要部件圖。
（4）應用啟動原理圖，設計控制電路，編寫控制程式，繪製電氣控制電路原理圖。
3.總體方案設計
方案一：
1. 機身2.水平臂3.豎直臂4.夾緊手
圖1.氣動機械手示意圖
方案二：
1. 垂直臂2.水平臂3.夾緊手4.機座5.導軌
圖2.氣動機械手示意圖
參閱各種氣壓設計書籍和**，對照設計任務要求，並通過對以前學習過的課程進行綜合考慮，設計出的氣動機械手的示意圖如圖1所示。機械手採用氣壓傳動，選用品質精良的氣動元件組合而成，為直角座標式機械手結構，實現2個自由度，由機身、水平臂、豎直臂、夾緊手組成，可以完成水平臂的伸縮、豎直臂的公升降以及抓取等動作，可以方便的通過節流閥調節合適的執行元件的速度，完成物件平面內點對點的移動。機械臂用2個氣缸控制，即橫向移動氣缸和縱向移動氣缸，其控制系統採用目前控制領域應用比較普遍、效能優越的plc，根據需要選用西門子公司的s7-200型plc作為控制系統的核心。
由於該系統要求該氣動機械手的動作邏輯順序為： 公升降氣缸1下降——抓取工件——公升降氣缸1上公升——氣缸2左移——氣缸1下降——解除安裝工件，完成一次物料的搬運。
在設計計算時發現，如用方案一，則橫向氣缸活塞桿會承受很大的彎矩，影響裝置的使用壽命，而且浪費原材料，不經濟。故採用方案二，其中導軌分擔了縱向活塞的重力，故在設計時可視作橫向氣缸只受軸向力，不受徑向力。
4.機械傳動系統設計
本方案的機械設計中重在氣缸的設計，氣缸1的作用是實現物料的橫向移動，氣缸2的作用是實現物料縱向的提公升及物品的釋放。對氣缸結構的要求一是重量盡量輕，以達到動作靈活、運動速度高、節約材料和動力，同時減少運動的衝擊，二是要有足夠的剛度以保證運動精度和定位精度
氣缸的設計流程圖如圖3所示
圖3 氣缸設計流程圖
氣缸按供油方向分，可分為單作用缸和雙作用缸。單作用缸只是往缸的一側輸入高壓油，靠其它外力使活塞反向回程。雙作用缸則分別向缸的兩側輸入壓力油，活塞的正反向運動均靠液壓力完成。
由於單作用液壓缸僅向單向運動，有外力使活塞反向運動，而雙作用單活塞氣缸在壓縮空氣的驅動下可以像兩個方向運動但兩個方向的輸出力不同，所以該方案採用雙作用單活塞缸。
4.3連線與密封
氣缸的連線與密封直接影響氣缸的效能和使用壽命，正確的選用連線和密封裝置，對保證氣缸正常工作有著十分重要的意義。
缸筒與缸蓋的連線形式主要有拉桿式螺栓連線、螺釘式、鋼筒螺紋、卡環等，本氣缸四根採用拉桿式雙頭螺栓連線，由於工作壓力小於1mpa，不需要強度校核。根據許用靜載荷，查《機械設計手冊單行本》表22-1-58，分別選用m10、m6的螺栓。
對於活塞與氣缸筒之間採用兩個y型密封圈，其它摩擦副均使用o型密封圈密封。o型密封圈密封可靠，結構簡單，摩擦阻力小。o型密封圈安裝後，比被密封表面的內徑大。
y型密封圈密封可靠，使用壽命長，摩擦阻力較o型圈大。
5．電氣控制系統的設計
5.1控制系統的基本組成
乙個完整的計算機控制系統應該包括被控物件、執行機構、檢測裝置、模數(a/d)轉換器和數模(d/a)轉換器、數字計算機系統(包括硬體和軟體)。圖6所示是其基本框圖。在本系統中各個部分的組成如下:
5.1.1機械手移動工件的基本結構
5.1.2機械手移動工件的工作流程
5.1.3控物件和執行機構
本系統的被控物件是機械手臂。兩個氣缸分別用於手臂的伸縮 ，這樣機械手可以在垂直平面內的乙個矩形區域內運動，從而實現工件在區域內的移動。
5.1.4檢測裝置
位置檢測裝置是計算機控制系統的重要組成部分。在閉環系統中，它的主要作用是檢測位移量，該位移量與給定值進行比較，得到誤差訊號，控制器根據誤差訊號進行控制調節，使系統趨向減小誤差，最終使誤差為零。
5.1.5資料採集卡和數模(d/a)轉換器
本系統中位置檢測用了光電編碼器，光電編碼器的輸出為脈衝訊號，只擊對輸出脈衝進行計數即可得到相關的數字量訊號，系統採用了pci一7296數字i/o卡作為數字資訊與計算機之間的資料傳遞介面。d/a轉換器是計算機控制系統的重要部件之一，擔任著將控制輸出量數字量轉換為模擬量去驅動執行機構的重要作用。d/a轉換採用了pcl一6024e資料採集卡，可將計算機輸出的轉換為模擬訊號。
兩塊卡都是pci插槽，控制程式通過虛擬驅動程式讀寫pci卡的埠位址
來實現資料傳送。
5.1.5數字計算機系統本系統採用普通的相容pc作為控制計算機。
5.1.6系統工作的主要流程
圖4 氣缸控制系統框圖
由氣壓閥控制氣缸的變數機構，改變氣缸的流量或壓力，使氣缸按要求運動。它的控制系統框圖如圖4，這種系統功率損失小，效率較高，最高可達90%，在節能效益顯著，在目前能源問題得到重視時,對這種控制系統進行研究較多。但這種系統動態反應較慢，只能用於動態效能要求不高的場合。
對圖4中的各流程進行例項化，得到如圖5所示的氣缸控制系統框圖。
圖5 氣缸控制系統框圖
系統輸入訊號由計算機控制程式產生，可由使用者選擇和設定引數，被控物件氣缸的位置資料由資料一採集卡pci--7296採集返回計算機，控制程式通過讀埠操作取得資料，送入相應控制子程式。控制程式根據當前控制方案產生輸也控制量，輸出控制由pci--6024e的d/a轉換模組轉換、伺服放大器放大後送對執行機構，從而實現對被控物件的閉環控制。
5.2電氣元件的選擇
該機構的主要組成部件如下表：
各部件的功能如下:
1）氣缸
氣缸執行元件，將壓縮空氣的壓力轉變成機械能的能量轉換裝置，用於實現直線往復運動。
2）方向控制閥
基本功能是對氣體流動產生通、斷作用，氣體流通方向的改變作用。
3）比例流量閥。
比例流量閥是電--氣轉換元件，其作用是根據輸入電流訊號的大小輸出相應流量的壓縮空氣，驅動氣缸動作。這裡，比例流量閥的結構為二位三通封閉式，功率放大器與計算機連線。採用電磁比例電磁鐵控制閥口開度，使通過閥的氣體流量和閥的開度成一定的關係。
比例氣閥存在死區，當線圈電流大於520ma時，閥口p和a連通;當線圈電流小於28oma時，閥口a和t相通;當線圈電流280ma～52oma時，三個閥口呈關閉狀態。
4）光電編碼器和數顯表
氣壓傳動與控制
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