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      雙吸盤機械手的設計與實現

      放大字體  縮小字體 發布日期:2020-02-24 09:18:21    瀏覽次數:17    評論:0
      導讀

      自動化生產線是制造業大批量生產的主要設備,也是減少制造成本、提高生產效率的手段。機械手能夠在危險性大、環境惡劣的場所取代人手完成重復性高的分揀、搬運、裝卸等工作,已經成為機械零件制造及裝配生產線上必備的單元[1-4]。采用機械傳動的機械手,具有定位精度高、維護簡單的特點,但是工作對象發生變化或者工藝調整

      自動化生產線是制造業大批量生產的主要設備,也是減少制造成本、提高生產效率的手段。機械手能夠在危險性大、環境惡劣的場所取代人手完成重復性高的分揀、搬運、裝卸等工作,已經成為機械零件制造及裝配生產線上必備的單元[1-4]。采用機械傳動的機械手,具有定位精度高、維護簡單的特點,但是工作對象發生變化或者工藝調整后,機械式機械手就要重新設計;采用液壓傳動的機械手,具有輸出力大、響應速度快的特點,但是技術要求高,維護復雜,一般用于重量較大的鍛壓件或鑄造件的搬運;電氣傳動機械手具有定位精度高、相應速度快的特點[5],但技術要求和成本都較高[6];氣動機械手以壓縮空氣為介質實現能量的傳遞,具有成本低、流動阻力小、動作迅速、環境污染小等特點,但氣體的壓縮比較大,氣動機械手的定位精度較低。雙爪機械手結合電氣傳動機械手和氣動機械手的優點,應用在沖壓生產線上,可有效提高上料精度和生產效率。

      1 雙爪機械手的總體設計

      在沖壓生產線上,機械手要把板料送到沖壓工作臺上,完成沖壓工序后,再把沖壓件搬運到下一個工位或輸送帶上。板料沖壓機床的沖壓周期短,運行速度快,機械手需要快速完成上料和下料的工作。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。

      雙爪機械手的手臂上帶有兩個手爪(上料手爪和下料手爪),隨手臂一起運動。沖壓完成后,手臂水平左移,到達取料點時,兩個手爪均伸出后手臂下降,上料手爪上的真空吸盤吸緊薄板料,下料手爪的真空吸盤吸緊沖壓件,手臂上升后兩個手爪都縮回,手臂水平右移,到達放料點后,兩個手爪都伸出,手臂下降,上料手爪把薄板料放置沖床工作臺上,下料手爪把沖壓件放在輸送帶上,輸送帶啟動,把沖壓件送到下一工位,同時手臂上升,兩個手爪都縮回后,手臂水平左移到工作原點,沖床啟動,開始沖壓工作。

      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[7]。

      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[8]。

      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、氣壓傳動為一體的機電一體化設備。采用運動功能實現步進電動機轉速和轉角的控制,能準確完成機械手手臂在沖床給定位置上的運動。人機界面能夠實時顯示機械手的運行狀態和搬運的數量,并且根據需求設定搬運沖壓件的數量及其他運行參數。雙爪機械手搬運速度快,并能隨時改變吸盤在爪盤上的位置,完成不同形狀沖壓件的搬運工作,在沖壓生產線上應用之后能提高企業的生產效率和自動化水平。

      參考文獻

      [1]徐帥.基于PLC的氣動搬運機械手控制系統[J].儀表技術與傳感器,2016(9):75-78.

      [2]范金玲.基于PLC的氣動機械手控制系統設計[J].液壓與氣動,2010(7):36-38.

      [3]唐少琴.基于PLC的氣動機械手控制系統設計[J].機械設計與制造工程,2016(5):51-53.

      [4]王月芹.基于PLC的機械手控制系統設計[J].液壓與氣動,2011(9):41-43.

      [5]郭北濤,張眾宇.搬運機械手控制系統的設計和實現[J].機床與液壓,2016(9):35-37.

      [6]彭國慶,陳柏金.基于氣動機械手的自動化沖壓生產線的設計[J].鍛壓技術,2012,37(3):85-88

      [7]徐曉東,龔國芳,李喜蓮,等.大型液壓設備PLC控制系統設計[J].機床與液壓,2008(3):11-15.

      [8]袁清珂,周鵬,劉奕華,等.擠壓式織物脫水機的設計與開發[J].機床與液壓,2010(9):54-56,124.


       
      關鍵詞: 雙夾爪 雙吸盤
      (文/小編)
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