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雙爪機械手的設計與實現

作者: yhsstools 時間:2019-08-24 來源:未知
摘要:根據鈑金件沖壓生產的特點,設計了一種雙手爪式機械手,它同時完成了進給和沖裁,滿足了沖壓生產的高效率,滿足了、對自動沖壓的快速、要求,該機械手以可編程控制器為控制核心,結合...

自動化生產線是制造業大批量生產的主要設備,也是降低生產成本、提高生產效率的一種手段。機械手可以在危險和惡劣的環境中代替人的手,完成高重復性的分揀、裝卸,已成為機械零件制造和裝配生產線中必不可少的單元。機械傳動機械手具有定位精度高、維護簡單的特點,但在工作對象改變或工藝調整后,將對機械手進行重新設計。液壓傳動機械手具有輸出力大、響應速度快的特點,但技術要求高,維護復雜,一般用于大重量鍛件或鑄件的處理。電動傳動機械手具有定位精度高、對應速度快的特點,但技術要求和成本較高。氣動機械手以壓縮空氣為介質實現能量傳遞,具有成本低、流量阻力小、動作快、環境污染小等特點,但氣動機械手的氣體壓縮量較大,定位精度低。結合電動機械手和氣動機械手的優點,將雙爪機械手應用于沖壓生產線,有效地提高了進給精度和生產效率。

1 雙爪機械手的總體設計

在沖壓生產線上,機械手應將板材材料送到沖壓臺,完成沖壓工序后,將沖壓件運至下一站或傳送帶。板料沖壓機沖壓周期短,運行速度快。機械手需要快速完成進料和切割的工作。為了提高生產效率、減少沖床等待的時間,設計了雙手爪的上下料機械手,工作原理如圖1所示。

雙爪機械手的手臂有兩個爪子(進給爪和消隱爪),并與手臂一起運動。沖壓后,手臂水平向左移動,當達到進料點時,兩個爪伸出后手臂下垂,喂料爪上的真空吸盤吸收薄板,真空吸盤吸力吸走沖下爪的沖壓部分,兩個爪在手臂上升后收縮,手臂水平向右移動,到達排放點后,兩個爪子伸出,手臂下垂,進料爪將板料放置在沖床臺上。沖裁爪將沖壓件置于輸送帶上,傳送帶啟動,沖壓件送至下一位置,臂起。在兩個爪子被收回后,手臂水平地移動到工作來源,沖頭開始,沖壓工作開始。

從系統運行過程可知:上料手爪需要把板料準確放在沖床工作臺上,位置精度要求非常準確。除了手爪上真空吸盤的取、放料動作,手爪在工作中還有3個自由度,分別是手臂的水平移動和升降、手爪的伸縮。手臂的水平移動需要有3個固定的位置點:工作原點(上料手爪和下料手爪分別位于沖床兩側),取料點(上料手爪取薄板坯料,下料手爪取沖床工作臺上的沖壓件),放料點(上料手爪把薄板坯料放在工作臺上,下料手爪把沖壓件放在輸送帶上);手爪的伸縮和手臂的升降都是兩個固定的位置點。

2 雙爪機械手的傳動設計

手爪的伸縮和手臂的升降都是在運行方向上有兩個固定點的直線移動,采用氣缸驅動,活塞桿完全伸出或縮回的位置是固定的,并且缸體兩端裝有接近開關,能保證動作位置的精確度。

手臂的水平移動有3個位置點,并且準確度要求較高,機械傳動和氣壓傳動均不能實現,所以采用能實現多點運動位置要求的電氣傳動方式,步進電動機轉動精確度高(步距角為0.9°或1.8°),通過同步帶(齒形帶)把步進電動機的轉動轉換為直線運動,實現手臂水平位移的準確性。

手爪運動到設定位置后,對薄板坯料(或沖壓件)的抓取和投放,均由氣動真空吸盤來實現,真空吸盤固定在爪盤上,爪盤上均勻分布寬為13 mm的槽,根據薄板坯料的形狀,可以調整吸盤的位置和數量。吸盤手爪的三維模型如圖2所示。

3 雙爪機械手控制設計

3.1 氣壓傳動設計

雙爪機械手手爪的伸縮(上料手爪和下料手爪)、手臂的升降等動作由氣缸來實現,氣缸的兩端都內置有磁環,配合氣缸體外安裝的磁性開關,能夠準確檢測氣缸活塞的位置。氣動工作原理如圖3所示。由于氣體的壓縮比大,氣缸在工作中只有完全伸出和縮回兩個位置才是固定的,所以采用二位四通的電磁閥控制氣缸的動作。真空發生器是利用正壓氣源產生負壓的一種器件,由電磁開關閥控制產生真空(負壓)。

3.2 電氣控制設計

電氣控制以西門子S7-200 PLC為核心,完成對雙爪機械手的控制,接近開關、限位開關、按鈕等信號直接送給PLC,人機界面是人和機器的信息交換窗口,可以把機械手的工作狀態顯示出來,例如所搬運的沖壓件數量,操作人員還可以根據需要改變機械手的運行參數。上料后機械手回到工作原點位置,沖床才能開始沖壓;沖壓工藝完成后,機械手才能夠開始取件和上料的工作。上下料機械手的控制系統作為沖床控制系統的從站,通過PPI電纜通信,避免干擾和碰撞。PLC控制系統如圖4所示。

氣動系統的電磁閥采用AC 220 V供電,而西門子PLC數字輸出端口電壓為DC 24 V,功率只有0.75 W,不足以驅動AC220 V的電磁閥,需要通過中間繼電器和直流接觸器進行信號轉換,如圖5所示。PLC的高速脈沖端口和數字端口控制步進電動機的轉速、轉角和轉向。輸送帶的運行由三相異步電動機帶動,PLC的數字輸出端口控制變頻器的輸出頻率改變電動機的轉速。

雙爪機械手系統有12個數字量輸入端口,10個數字量輸出端口和1個高速脈沖量輸出端口,控制器選用西門子S7-200系列(CPU226)PLC作為控制核心,端口分配如表1。

雙爪機械手的動作是由3個氣缸、2個真空吸盤和1臺步進電動機完成,程序設計是根據雙爪機械手動作的時序圖來完成,用梯形圖編制控制程序,方便、直觀,還可以在線監控程序的運行狀態。西門子PLC中的運動控制功能,能控制高速脈沖的輸出數量和頻率,完成位移和速度的調節。

4 機械手的調試

為實現機械手動作的完整性,在設計好外圍電路和程序后,需要對機械手進行調試,調試分為硬件調試和軟件調試兩部分。外圍電路調試屬于硬件調試,主要是線路的搭接,保證傳感器檢測的數字量信號都能送給PLC控制器,PLC輸出數字量信號后,機械手上的氣缸和信號燈等元件能完成相應的動作。程序調試屬于軟件調試,主要是正確實現程序功能。雙爪機械手PLC程序的調試采用在線編程調試,V4.0 STEP7 Micro WIN SP3軟件中的程序監控功能能夠方便地檢測到程序的運行狀態。

表1 PLC輸入輸出端口分配

與傳統單手爪搬運機械手相比,雙爪機械手的運行效率更高,完成5件沖壓件的上下料工作后,單手爪搬運機械手只能完成3件沖壓件的上下料,在沖壓生產中應用之后能有效提高工作效率。

5 結語

雙爪機械手是集機械、電氣控制、PLC和氣動傳動于一體的機電一體化設備。利用運動函數控制步進電機的轉速和轉角,可以精確地完成機械手臂在沖頭給定位置的運動。人機界面可以實時顯示運動機械手的運行狀態和數量,并根據需要設置運動沖壓件數量等操作參數。雙爪機械手操作速度快,可隨時改變爪盤上吸盤的位置,完成不同形狀的沖壓件的處理。在沖壓生產線上應用,可以提高企業的生產效率和自動化水平。

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