液压缸缸底焊接机械手设计.pdf

J u n ．2 0 1 3 机床与液压 Hy d r o me c h a t r o ni c s En g i n e e rin g Vo 1 ．41 No ． 1 2 DOI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 - 3 8 8 1 ． 2 0 1 3 ． 1 2 ． 0 1 6 De s i g n o n M a n i p u l a t o r Us e d f o r Hy d r a u l i c Cy l i n de r Bo t t o m W e l d i ng W ANG Xi a o me i ，XI ANG We i ，ZHU Xi n c a i ，ZHOU Xi o n g ． C h o n g q i n g U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， C h o n g q i n g 4 0 1 3 3 1 ，C h i n a ； 2 ． C h o n g q i n g U n w e i t y o fT e c h n o l o g y ， C h o n g q i n g 4 0 0 0 5 4， C h i n a 1． I n t r o du c t i o n Ab s t r a c t Th is p a p e r in t r o d u c e s t h e wor k t a s k o f ma n ip u l a t o r wh i c h is u s e d f o r h y d r a u l ic c y l i n d e r b o R o m weld i n g ．Th e o v e r all d e s ig n s c h e me，t h e a n a l y s i s o f a c t u a t o r s，wi r e f e e d e r ，a r c s t r i k in g d e t e c t i o n a n d a u t o ma t ic a r c i n g a r e a c c o mp l i s h e d i n t h e d e s i g n ．Th e p a p e r i n t r o d u c e s t h e d e s ign o f p n e u ma t i c t r an s mi s s i o n s y s t e m a n d PL C c o n t r ol s y s t e m i n d e t a i l ．Th e d e s i g n i s t o pr o v id e t e c h n ic a l r e f e r e n c e f o r we l d i n g a u t o ma t io n o f o t h e r s ma l l p r o d u c t s ． Ke y wo r d sma n i p u l a t o r ，we ld i n g，p n e u ma t ic c o n t r o l ，PL C c on t r o l Th e d e ma n d o f h y d r a u l i c c y l i n d e r i s l a r g e r ． I n o r d e r t o s o l v e t h e s e a l a b i l i t y，s t r e ng t h a n d o t h e r u n ． r e a s o n a b l e pr o b l e m i n h y d r a u l i c c y l i n d e r wh i c h i s c o n n e c t e d b y t h r e a d，t h e f o r m o f c o n n e c t i n g wi t h h y d r a u l i c c y l i n d e r b o t t o m a n d c y l i n d e r b o d y i s g r a d u a l l y t r a n s e d i n t o we l d i ng ．Du e t o t h e he a v y wo r k l o a d a n d t h e l a r g e d u p l i c a t i o n o f we l d i n g， t h e we l d i n g ma ni p ul a t o r u s e d for h y d r a u l i c c y l i nd e r bo t t o m h a s t h e r e s e a r c h v a l u e ． 2． M e c ha n i c a l s t r uc t u r e o f we l di n g ma n i pu- l a t o r Th e we l di n g ma n i p u l a t o r i s r e q ui r e d t o c o mp l e t e v e r t i c a l l i fli n g a n d h o riz o n t a l l i ne a r mo v e me n t ．wh e n i t p e r f o rm s a r c s t ri k i n g a n d a r c e x t i n c t i o n ．T h e r e f o r e ． t he ma n i p u l a t o r u s i n g XY Ca rte s i a n c o o r d i n a t e t y p e， a n d h a s t wo d e g r e e s o f f r e e d o m ．Be c a us e t h e r e q u i r e ． me n t o f t w o d e g r e e s o f f r e e d o m i s n o t h i g h．s o t h e d e ． s i g n a d o p t s t h e s t e p p e r mo t o r t o d riv e b a l l be a rin g s c r e w t o a c h i e v e mo v e me n t i n a n d Y d i r e c t i o n s ． T he me c h a n i c a l s t r u c t u r e o f i mp l e me n t i n g X a n d Y Re c e i v e d2 0 1 30 51 9 WANG Xi a o me i ．E- ma i l wa n g x ma b e y a h o o ． c o n． a n d i r e c t i o n mo v e me n t s i s s h o wn i n Fi g ．1 F i g ． 1 XY mo v e me n t me c h a n i c a l s t ruc t u r e T h e w e l d i n g ma n i p u l a t o r mu s t q u i c k l y l e a v e t h e we l d me n t a f t e r a r c s t rik i n g，a n d t h e p n e u ma t i c t r a n s mi s s i o n s y s t e m h a s t h e a d v a n t a g e s o f r a p i d a c t i o n， s e ns i t i v e r e a c t i o n，s malI r e s i s t a n c e l o s s a n d l e a k a g e， a n d l o w c o s t ，s o t h e d e s i g n a d o p t s a c y l i n de r a s t he r a p i d mo v i n g me c h a n i s m． Th r o u g h t he a n a l y s i s a n d c a l c u l a t i o n， t h e d e s i g n fin a l l y s e l e c t s CDMU4 0F- 1 6 S - C 7 3 t y p e c y l i n d e r ． T h e p n e u ma t i c a r c s t rik i n g me c h a ni c al s t ruc t u r e o f t he we l d i n g t o r c h i s s ho wn i n Fi g ． 2． T h e d e s i g n u s e s a p h o t o e l e c t r i c s e n s o r t o d e t e c t a r c i ng s u c c e s s ． By s e n s i n g t h e l i g ht i n t e n s i t y i n t h e we l d i n g p r o c e s s i n r e a l t i me，t he c o n t r o l s y s t e m i s t o d e t e c t t h e n e e d for r e a r c i n g ． I n a d d i t i o n，t h e we l d i n g ma n i p u l a t o r c o mp ris e s a wi r e f e e d e r ．I t i s t h e r o l e o f a u t o ma t i c s u p p l y we l d i ng wi r e d u rin g t he we l di ng p r o c e s s ．Th i s d e s i g n us e s W ANG Xi a o me i ，e t a l De s i g n o n Ma n i pu l a t o r Us e d f o r Hy d r a u l i c Cy l i n d e r B o t t o m We l d i n g 7 5 t h e P a n a s o n i c 5 0 0 t y p e w i r e f e e d i n g m a c h i n e S B 一 1 0 一 A一 1 ． 1 ． we l d i n g t o r c h，2． fix e d c l a w ，3 ．p i s t o n r o d，4． p n e u ma t i c c y l i n d e r ，5． g u i d e md，6 ． fix e d b r a c k e t f o r we l d i n g t o r c h，7． f i x e d b r a c k e t f o r s e n s o r ，8． s e n s o r F i g ． 2 P n e u ma t i c a r e s t r i k i n g me c h a n i c a l s t r u c t u r e o f w e l d i n g t o r c h C o n s i d e rin g s p e c i fi c s i z e s o f t h e h y d r a u l i c c y l i n - d e r b o t t o m i n t h e d e s i g n，t h r o u g h a n a l y s i s a n d c alc u l a t i o n， t h e ma c h a n i c a l s t r u c t u r e o v e r all d e s i g n o f we l d i n g ma n i p u l a t o r i s fi n all y a c c o mp l i s h e d ． I t i s s h o wn i n Fi g ． 3． 4 1 ． wi r e f e e d e r ，2．gu i d e r o d i n y d i r e c t i o n，3 ． w e l d i n g wi r e c o n d u i t ， 4．s t e p p e r mo t o r i n Yd i r e c t i o n，5．b a l l g e a nn g s c r e w i n Y d i r e c i o n，6．s t e p p e r mo t o r i n X d i r e c t i o n， 7．b a l l g e a r i n g S C reW i n X d i r e c i o n，8 ．p n e u ma t i c c y l i nd e r ， 9．we l d i n g t o r c h， 1 0 ． t r e s t l e F i g ． 3 Ov e r a l l ma c h a n i e a l s t r u c t u r e o f we l d i n g ma n i p u l a t o r T h e we l d i n g t o r c h a n d p n e u ma t i c c y l i n d e r i n Fi g ． 3 a r e fi x e d t o t h e s l i d e r i n X d i r e c t i o n b y b r a c k． e t ．T h e s t e p p e r mo t o r i n X d i r e c t i o n d r i v e s b a l l b e a r ． i n g s c r e w i n X d i r e c t i o n t o r o t a t e． d riv e s s l i d e r t o mo v e i n X d i r e c t i o n，a n d t he n d riv e s we l di n g t o r c h t o mo v e i n h o ri z o n t al l i n e a r d i r e c t i o n e v e n t u a l l y ．T h e mo v i n g p r i n c i p l e o f we l d i n g t o r c h i n Y d i r e c t i o n i s t h e s a me a s t h a t i n X d i r e c t i o n ．T h e we l d i n g t o r c h mo v ． i n g i n X d i r e c t i o n i S u s e d t o a d j u s t t h e w e l d d i s t a n c e b e t we e n t h e we l d i n g t o r c h a n d t h e h y d r a u l i c c y l i n d e r ．Th e we l d i n g t o r c h mo v i n g i n y d i r e c t i o n i S u s e d t o a d j u s t t h a t t h e c e n t e r o f w e l d i n g t o r c h i s a l i g n e d wi t h t h e c e n t e r o f w e l d s e a m．NB- 5 0 0 t y p e w i r e f e e d e r i s fi x e d t o t h e r e a r e n d o f t h e t r e s t l e a n d f e e d s we l d i n g wi r e a u t o ma t i c a l l y t h r o u g h t h e wi r e c o n d u i t ． 3． De s i g n o f pn e u ma t i c t r a ns mi s s i o n s y s t e m Th e pn e u ma t i c t r a ns mi s s i o n s y s t e m i s t h e k e y t o t h e c o mp l e t i o n o f t h e w e l d i n g ma n i p u l a t o r a r c i n g a c t i o n． Be c a us e a r c s t r i k i n g u s e s s p o t c o n t a c t me t h o d， i t D e e d s t h e w e l d i n g t o r c h c o n t a c t t h e we l d i n g w i t h i n a s ho r t t i me， a n d t h e n r a p i d l y s e p e r a t e ． Th e pn e u ma fi c t r a n s mi s s i o n s y s t e m d i a g r a m o f ma n i p u l a t o r i s s h o wn i n F i g ． 4． Fi g． 4 Pn e uma t i c t r a n s mi s s i o n s y s t e m Ac c o r d i n g t o t h e t a s k r e q u i r e me n t s ，t h r o u g h d e s i g n c alc u l a t i o n， t he ma i n p n e u ma t i c c o n t r o l c i r c u i t c o mp o n e n t s a r e s ho wn i n Ta b． 1 ． T a b ． 1 T y p e a n d s p e c if ic a t i o n s o f t h e c o mp o n e n t s T h e d e s i g n u s e s a q u i c k e x h a u s t d e v i c e 5 wh i c h e n s u r e s t h a t t h e p n e u ma t i c c y l i n d e r r e t u r n s q u i c k l y ． A p r e s s u r e c o mp e n s a t e d f l o w c o n t r o l v a l v e 4 i s u s e d t o a d j u s t t h e s p e e d a n d t h e s t a b l i t y o f a r c s t r i k i n g ． 76 Hy d r o me c h a t r o n i c s En g i n e e ring Ar c t a n k 2 i s u s e d t o e n s u r e i n s t a n t a n e o u s a n d 1 a r g e flo w c o mp r e s s e d a i r ．Th e s e d e s i g ns c a n g u a r a nt e e t h e s p e e d s t a b i l i t y o f p n e u ma t i c c y l i n d e r i n w e l d i n g a r c s t r i k i n g p r o c e s s ， a n d t h e n a v o i d a d v e r s e e f f e c t s ． T h r o u g h t h e q u i c k e x h a u s t d e v i c e，t h e l o a d o f t h e s i n g l e - - a c t i n g c y l i n d e r s p rin g i s de c r e a s e d wh e n i t r e - t u r n ．T h e r e f o r e ，t h e r e t u rn s p e e d o f p n e u ma t i c c y l i n d e r b e c o me s f a s t e r，wh i c h e n s u r e s t ha t t h e p n e u ma t i c c y l i n d e r r e a c h e s t h e l i mi t s wi t c h p o s i t i o n a f t e r t h e r e ． s e t o p e r a t i o n i n a r e l a t i v e l y s h o r t p e ri o d o f t i me ． 4 ． De s i g n o f c o n t r o l s y s t e m T h e d e s i g n a d o p t s P L C c o n t r o l s y s t e m．Ac c o r d ． i n g t o t h e a n a l y s i s o f ma n i p u l a t o r c o n t r o l r e q u i r e me n t s ，P L C i s r e q u i r e d t o p r o v i d e 9 i n p u t p o i n t s a n d 1 4 o u t p u t p o i n t s ．S o ，t h e ma n i p u l a t o r u s e s Mi t s u b i s h i F 【 2 N- 4 8 mr - 0 0 1 P L C a s t h e c o n t r o l l e r ．T h e P L C ma i n p r o g r a m flo w c h a rt i s s h o wn i n F i g ． 5． Th e c o nt r o l p rin c i p l e i s t ha t 1 A t b e g i n n i n g ，t h e d i a m e t e r a n d t h i c k n e s s o f t h e t o b e we l d e d h y d r a u l i c c y l i n d e r i s i n p u t b y t h e o p e r a t o r ．Th e o pe r a t o r c o n t r o l s we l d i n g t o r c h t o mo v e i n X d i r e c t i o n i n o r d e r t o ma k e t h e we l d i n g t o r c h a t t h e w e l d s e a m c e n t e r r o u g h l y ．A f t e r t h a t ，t h e o p e r a - t o r c e n t r e I t h e we l d i n g t o r c h t o mo v e i n Y d i r e c t i o n i n o r d e r t o ma k e t h e we l d i n g t o r c h a r r i v e a t a s u i t a b l e p o s i t i o n． 2 Aft e r t h e h y d r a u l i c c y l i n d e r i s fi x e d t o t h e we l d i n g t a b l e ，t h e c o mp l e t e s i g n a l i s s e n t t o t h e P L C f o r s u b s e qu e n t o pe r a t i o ns ． 3 Ma n u a l s e l e c t i o n ．T h e o p e r a t o r d e t e r mi n e s wh e t h e r i t we l d s a u t o ma t i c a l l y ． 4 A ft e r a c c o mp l i s h i n g t h e a r c p r e p a r a t i o n s ， t h e s o l e n o i d o p e r a t e d d i r e c t i o n a l v a l v e i s e n e r g i z e d，t ha t ma k e s t h e p ne u ma t i c c y l i n d e r mo v e ． An d t h e n， t h e P L C c o n t r o l s y s t e m s e n d s s i g n a l t o t h e s t e p p e r mo t o r i n Y d i r e c t i o n i n o r de r t o e n s ur e t h e d i s t a n c e o f 1 0 ～ 1 5 1 T i m b e t w e e n t h e we l d i n g t o r c h a n d t h e we l d s e a m． Th e d i s t a n c e c a n e ns u r e t h e a r c c a n n o t b e e x t i n． g u i s h e d ． 5 S i g n a l d e t e c t i o n ．B a s e d o n t h e me a s u r e d l i g h t i n t e n s i t y s i g n a l b y p h o t o e l e c t ric s e n s o r ，i t i s j u d g e d t h a t w h e t h e r t h e a r c s t ri k i n g i s s u c c e s s f u l o r n o t ．I f s u c c e s s f u l ，t h e P L C c o n t r o l s y s t e m c o n t i n u e s w i t h t h e f o l l o wi n g o p e r a t i o n ． Ot h e r w i s e ， t h e P L C s e n d s t h e s t e p p e r mo t o r a p u l s e s i g n a l i n Y d i r e c t i o n t o ma k e i t r e s e t a n d c o n t r o l s t h e NB-- 5 0 0 w e l d i n g ma - c h i n e t o a r c s t r i k a g a i n ． 6T h e p o s i t i o n o f t h e we l d i n g ma n i p u l a t o r r e - ma i n s u n c h a n g e d i n t h e w e l d i n g p r o c e s s ，t h e s t a t e o f NB一 5 0 0 we l d i n g ma c h i n e i s k e e p．a n d t h e s e n s o r d e ． t e e t s t h e p h o t o ． e l e c t r i c s i g na l i n r e a l t i me ．I f t he e a s e o f a c c i d e n t a l a r c e x t i n g u i s h i n g a p p e a r s ，t h e P L C wi l l s e n d s i g n a l s t o c o n t r o l s t e p p e r mo t o r t o r e s e t ． An d f u r t h e r ．t h e we l d i n g t o r c h wi l l mo v e u p t o i～5 mm t o e n s u r e t h e w e l d i n g t o r c h a n d t h e we l d me n t o f t h e s a me d i s t a nc e ． F i g ． 5 P L C ma i n p r o g r a m fl o w c h a r t 7 I t i s mo n i t o r e d i n r e a l t i m e d u ri n g w e l d i n g t h a t w h e t h e r t h e we l d i n g i s c o mp l e t e d ．T h e fi n i s h e d s i g n i s t h e w e l d me n t r o t a t i n g a c i r c l e o r a f e w l a p s ． 8 T h e a r c e x t i n gui s h i n g o p e r a t i o n i s r e q u i r e d wh e n t h e we l d i n g fi n i s h e d ．T h e w e l d me n t s t o p s r o t a - t i n g a n d t h e we l d i n g t o r c h r e p e a t s a r c s t ri k i n g a n d a r e e x t i ng u i s h i n g s e v e r a l t i me s ． Th a t i s t o e ns u r e t h e f i n a l we l d s e a m c o mp l e t e s c l o s ur e ． 9 A f t e r g e t t i n g fi n i s h e d s i g n a l ，t h e P L C c o n t r o l s s t e p p e r mo t o r i s t o r e s e t a n d s e n d s w e l d i n g ma - c h i n e a s t o p s i g n a 1 ． A n d s y s t e m wa i t s for t h e n e x t w e l d me n t i n p l a c e ，a n d r e p e a t s all t h e o p e r a t i o n a - b o v e ． W ANG Xi a o me i ，e t a l De s i g n o n Ma n i p u l a t o r Us e d f o r Hy d r a u l i c C y l i n d e r Bo t t o m W e l di ng 7 7 5 ．Co n c l u s i o ns I n mo d e m i n d u s t r y，a s t h e a u t o m a t e d p r o d u c t i o n a n d t h e d e m a n d o f h u m a n s e c u r i t y i n j o b c o n t i n u e s t o b e s t r e n g t h e n e d， ma n i p u l a t o r i s u s e d mo r e w i l d l y ．T h e w e l d i n g ma n i p ula t o r h a s t h e a d v a n t a g e s o f s i mp l e i n d e - s i g n， s t a b l e a n d r e l i a b l e a c t ， a n d r e s e a r c h a n d d e v e l o p - me ri t i n l o w- c o s t ．Th e P L C c o n t r o l s y s t e m h a s t h e c h a r - a c t e r i s t i c o f s i mp l e i n p r o g r a mmi n g，h i g h r e l i a b i l i t y， g o o d i n v e r s a t i l i t y，s t ron g f u n c t i o n s a n d e asy t o u s e ． [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] Re f e r e nc e s [ 5 ] [ 1 ] L V J u n c h e n g ，Y A N G L i a n b o ．S t r u c t u r a l s t a b i l i t y a n a l y - 液压缸缸底焊接机械手设计 王晓梅h， 向伟 ， 朱新才 ， 周 雄