四自由度液壓搬運(yùn)機(jī)械手設(shè)計(jì)

1、四自由度液壓搬運(yùn)機(jī)械手設(shè)計(jì)摘 要: 通過對(duì)機(jī)床工件搬運(yùn)機(jī)械手主要結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)形式的探究， 以及對(duì)機(jī)械手的工作過程和控制要求分析， 根據(jù)機(jī)械手動(dòng)作循環(huán)圖設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)控制圖;并采用歐姆龍控制器系統(tǒng)進(jìn)行電氣部分的軟硬件設(shè)計(jì)， 繪制了 PLC 的外部接線圖和單循環(huán)自動(dòng)工作狀態(tài)流程圖， 將 PLC 技術(shù)應(yīng)用于機(jī)械手具有整體技術(shù)及經(jīng)濟(jì)效益Abstract: The hydraulic system control was designed according to the cycle operation of manipulator，through the study of main structures

2、and movement forms of the manipulator and the analysis on working processes and control requirements of the manipulator The software and hardware design for the electrical part was done by using the Omron controller system The external wiring diagram and automatic single cycle working state flow cha

3、rt of the PLC were drawn The application of PLC to manipulator would have technological and economic benefits關(guān)鍵詞:機(jī)械手，四自由度，搬運(yùn)，液壓驅(qū)動(dòng)，PLC控制Key words: manipulator; Four dof handling PLC control hydraulic system1、 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案1.1機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)常見的工業(yè)機(jī)械手根據(jù)手臂的動(dòng)作形態(tài)，按坐標(biāo)形式大致可分為以下4種：（1）直角坐標(biāo)型機(jī)械手；（2）圓柱坐標(biāo)型機(jī)械手；（3）極坐標(biāo)系機(jī)械手；（4）多關(guān)節(jié)型

4、機(jī)械手1.1.1機(jī)構(gòu)原理 這里的機(jī)械手可完成的動(dòng)作有夾緊工件、手臂轉(zhuǎn)位、松開卸料、手臂復(fù)位等基本動(dòng)作，該機(jī)械手可看成是一個(gè)由4個(gè)自由度構(gòu)成的機(jī)構(gòu)（各組成部分的定義如圖1所示）四自由度分別為基座的旋轉(zhuǎn)、立柱的升降、大臂的伸縮以及小臂的旋轉(zhuǎn)。 圖一 機(jī)械手的結(jié)構(gòu)示意圖2、驅(qū)動(dòng)方案設(shè)計(jì)2.1 液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)2. 1.1 液壓回路的設(shè)計(jì)圖二 液壓系統(tǒng)控制圖機(jī)械手動(dòng)作順序: 從原位開始 右轉(zhuǎn) 升降臂下降 伸縮臂伸出 夾持器夾緊 升降臂上升左轉(zhuǎn) 升降臂下降 夾持器松開 伸縮臂縮回升降臂上升， 到原位 若為單循環(huán)模式下運(yùn)行， 則原位等待， 若為連續(xù)循環(huán)模式， 則進(jìn)入下一個(gè)周期上述動(dòng)作均由行程開關(guān)或壓力繼電器發(fā)

5、訊號(hào)控制相應(yīng)的電磁換向閥， 按程序依次順序動(dòng)作而實(shí)現(xiàn)(王增娣，2012) 。擬定的液壓系統(tǒng)圖如圖二2.2 液壓系統(tǒng)分析1) 夾持器采用單出桿雙作用缸， 保證運(yùn)動(dòng)過程中夾緊工件， 當(dāng)夾持器夾緊工件后， 由液控單向閥組成的鎖緊回路可在意外失電的情況下， 保持對(duì)工件的夾緊;2) 小臂回轉(zhuǎn)采用擺動(dòng)液壓缸， 正反方向均采用單向調(diào)速閥調(diào)速。由于回轉(zhuǎn)部分的重量大， 懸臂較長， 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大， 手臂回轉(zhuǎn)時(shí)具有很大的動(dòng)能。因此， 采用調(diào)速閥回油節(jié)流調(diào)速， 有緩沖作用;3) 手臂伸縮采用單出桿雙作用缸， 手臂伸出時(shí)， 由單向調(diào)速閥進(jìn)行回油節(jié)流調(diào)速， 回油路調(diào)速閥的設(shè)置可以完成緩沖作用( 張文漢，2008) ;4)

6、手臂升降運(yùn)動(dòng)采用單出桿雙作用缸， 上升和下降均由單向調(diào)速閥回油節(jié)流調(diào)速。因?yàn)樯蹈诪榱⑹剑?在其液壓缸下腔油路中安裝單向順序閥，避免因整個(gè)手臂的自重而下降， 起平衡作用3、控制方案設(shè)計(jì)3. 1 PLC 的選型3. 1. 1 I /O 點(diǎn)數(shù)的估算機(jī)械手采用行程開關(guān)進(jìn)行位置檢測， 根據(jù)下圖所示， PLC 需要對(duì)電磁閥進(jìn)行控制， 當(dāng)?shù)竭_(dá)行程之后， 使某一電磁鐵得電或失電， 使液壓缸換向 輸入輸出點(diǎn)如表1(付愚， 2005) 。3. 1. 2 PLC 機(jī)型選擇由上表 1 知: 輸入 20 點(diǎn)， 輸出 9 點(diǎn)， 總點(diǎn)數(shù)為29 留出20 %的余量: 總點(diǎn)數(shù)為29 + 6 = 35 點(diǎn) 故選擇40 點(diǎn)的 C

7、PM2A- 40CDR- A 繼電器觸點(diǎn)輸出型的 CPU 單元， 有24 點(diǎn)輸入， 16 點(diǎn)輸出 程序容量: 8× 35 = 280 字( 普通系K=8) 圖三 PLC接線圖根據(jù)所選歐姆龍的 CPM1A- 40CDR- A 系列的內(nèi)部元件及輸入輸出的相關(guān)元件、 設(shè)備， 編制出 PLC接線圖， 如圖三 所示3. 2 程序設(shè)計(jì)程序功能: 泵單按鈕起動(dòng)， 泵起動(dòng)后， 機(jī)械手才能有動(dòng)作; 操作分為手動(dòng)模式和自動(dòng)模式， 自動(dòng)模式又分為單周期運(yùn)行和連續(xù)自動(dòng)運(yùn)行， 手動(dòng)采用點(diǎn)動(dòng)方式， 機(jī)械手在等待狀態(tài)下， 泵自動(dòng)卸荷。其狀態(tài)流程圖如圖5 所示3. 3 助記符程序:LD 00108 泵起停DIFU(

8、 13) 2000LD2000LD2000AND 01100KEEP( 11) 01100 泵單按鈕起?？刂芁D NOT 00201AND NOT 00202AND NOT 00203AND NOT 00204AND NOT 00205AND NOT 00206AND NOT 00207AND NOT 00208AND NOT 00209AND NOT 00210AND 01100OUT 00200 手動(dòng)等待/自動(dòng)切換( 按下起動(dòng)按鈕00008 為 ON 后， 自動(dòng)進(jìn)入自動(dòng)模式)LD 00210AND 00009AND 00003LD 00200AND 00008OR LDOR 00201AN

9、D NOT 00202AND NOT 00007OUT 00201 工步1LD 00201OR 00202AND 00000AND NOT 00203AND NOT 00007OUT 00202 工步2LD 00202OR 00203AND 00004AND NOT 00204AND NOT 00007OUT 00203 工步3LD 00203AND 00104OR 00204AND NOT 00205AND NOT 00007OUT 00204 工步4( 部分)參考文獻(xiàn)1 液壓機(jī)械手 技術(shù)與市場 1997-06-28 期刊 0 276 2 基于PD型迭代學(xué)習(xí)的液壓機(jī)械手軌跡控制 張琦 湖南科

10、技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版) 2005-03-30 期刊 6 168 3 基于機(jī)電液一體化的液壓機(jī)械手設(shè)計(jì)及其控制 趙旭 東北大學(xué) 2010-06-01 碩士 4 深海水下液壓機(jī)械手驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)壓力適應(yīng)型控制器研制 張艷 浙江大學(xué) 2012-02-10 碩士 5 放射源運(yùn)輸車及其應(yīng)用液壓機(jī)械手的設(shè)計(jì)研究 賈起軍 吉林大學(xué) 2011-10-01 碩士 32 6 基于液壓機(jī)械手的綠化帶自動(dòng)澆灌裝置設(shè)計(jì) 王增娣 機(jī)械工程與自動(dòng)化 2012-12-15 期刊 7 基于PLC的液壓機(jī)械手控制系統(tǒng)改造 張文漢 科技廣場 2008-07-01 期刊 1 177 8 基于PLC的液壓機(jī)械手的控制系統(tǒng) 付愚 湖南工程學(xué)

11、院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版) 2005-06-25 期刊 4 592 9 Lopez-Guede, J.M.,Fernandez-Gauna, B.,Graa, M. et al.Improving the control of single robot hose transportJ.Cybernetics and Systems,2012,43(1/4):261-275. 10 Nouyan, S.,Gross, R.,Bonani, M. et al.Teamwork in Self-Organized Robot ColoniesJ.IEEE transactions on evolution

12、ary computation,2009,13(4):695-711. 考文獻(xiàn)目錄序號(hào) 題名 作者 來源 發(fā)表時(shí)間 來源數(shù)據(jù)庫 被引頻次 下載頻次 1 液壓機(jī)械手 技術(shù)與市場 1997-06-28 期刊 0 276 2 基于PD型迭代學(xué)習(xí)的液壓機(jī)械手軌跡控制 張琦 湖南科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版) 2005-03-30 期刊 6 168 3 基于機(jī)電液一體化的液壓機(jī)械手設(shè)計(jì)及其控制 趙旭 東北大學(xué) 2010-06-01 碩士 4 深海水下液壓機(jī)械手驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)壓力適應(yīng)型控制器研制 張艷 浙江大學(xué) 2012-02-10 碩士 5 放射源運(yùn)輸車及其應(yīng)用液壓機(jī)械手的設(shè)計(jì)研究 賈起軍 吉林大學(xué) 2011-1

13、0-01 碩士 32 6 基于液壓機(jī)械手的綠化帶自動(dòng)澆灌裝置設(shè)計(jì) 王增娣 機(jī)械工程與自動(dòng)化 2012-12-15 期刊 7 液壓機(jī)械手電液比例系統(tǒng)模糊PID控制研究 楊晶 機(jī)械科學(xué)與技術(shù) 2013-06-15 期刊 8 一種全自動(dòng)液壓機(jī)械手在馬鋼車輪公司的應(yīng)用 虞長銀 安徽冶金科技職業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào) 2011-01-15 期刊 0 57 9 基于AMESim的液壓機(jī)械手負(fù)載敏感系統(tǒng)仿真研究 王光磊 礦山機(jī)械 2011-12-10 期刊 1 136 10 三自由度液壓機(jī)械手的PLC控制研究 詹貴印 可編程控制器與工廠自動(dòng)化 2007-07-15 期刊 3 618 11 四自由度液壓機(jī)械手液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

14、胡海洪 南昌大學(xué) 2012-06-30 碩士 12 基于PLC的液壓機(jī)械手控制系統(tǒng)改造 張文漢 科技廣場 2008-07-01 期刊 1 177 13 液壓機(jī)械手 科技簡報(bào) 1975-03-12 期刊 0 112 14 分解組裝制動(dòng)缸液壓機(jī)械手 鐵道車輛 1977-04-01 期刊 0 23 15 液壓機(jī)械手握力的軟抓取控制 林建亞 液壓與氣動(dòng) 1987-05-01 期刊 1 77 16 PC在全液壓機(jī)械手中的應(yīng)用 姜佩東 冶金自動(dòng)化 1990-10-28 期刊 0 39 17 復(fù)雜柔性車載液壓機(jī)械手振動(dòng)主動(dòng)控制方法研究 馬振書 系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào) 2011-09-08 期刊 0 54 18 基于P

15、LC的液壓機(jī)械手的控制系統(tǒng) 付愚 湖南工程學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版) 2005-06-25 期刊 4 592 19 配電作業(yè)液壓機(jī)械手系統(tǒng) 沼波正衛(wèi) 水利電力施工機(jī)械 1994-05-15 期刊 0 34 20 數(shù)控機(jī)床液壓機(jī)械手的PLC控制系統(tǒng) 王焱玉 機(jī)床與液壓 2005-04-30 期刊 8 494 21 關(guān)節(jié)式液壓機(jī)械手脈碼調(diào)制控制研究 王宣銀 機(jī)械工程學(xué)報(bào) 2002-12-30 期刊 0 90 22 新型液壓升船機(jī)的設(shè)計(jì)和研究 李昕濤 中北大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版) 2007-08-15 期刊 1 79 23 水下作業(yè)液壓機(jī)械手夾持力模糊控制技術(shù)的研究 譚定忠 機(jī)床與液壓 2001-02-2

16、8 期刊 2 129 24 基于多傳感器信息融合的液壓機(jī)械手控制模型研究 張琦 機(jī)床與液壓 2005-03-30 期刊 2 137 25 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在機(jī)械手動(dòng)力學(xué)辨識(shí)和位置控制中的應(yīng)用 陳默子 機(jī)器人 1993-10-28 期刊 9 124 26 液壓機(jī)械手搗固機(jī)的研制 杜麗紅 鐵道建筑 2010-08-15 期刊 1 60 27 壓力適應(yīng)型深海水下液壓機(jī)械手及主從式多關(guān)節(jié)復(fù)合控制研究 章艷 浙江大學(xué) 2006-11-01 碩士 4 308 28 復(fù)雜柔性車載液壓機(jī)械手彈性動(dòng)力學(xué)建模方法研究 馬振書 中國機(jī)械工程 2010-01-25 期刊 0 159 29 用于方形物件裝卸液壓機(jī)械手的設(shè)計(jì)

17、 何芹 機(jī)床與液壓 2010-09-28 期刊 1 152 30 基于三菱FX1N PLC的液壓機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 裴艷芳 機(jī)床電器 31 Lopez-Guede, J.M.,Fernandez-Gauna, B.,Graa, M. et al.Improving the control of single robot hose transportJ.Cybernetics and Systems,2012,43(1/4):261-275. 32 Nouyan, S.,Gross, R.,Bonani, M. et al.Teamwork in Self-Organized Robot Col

18、oniesJ.IEEE transactions on evolutionary computation,2009,13(4):695-711. 33 Nouyan, S.,Gross, R.,Bonani, M. et al.Teamwork in Self-Organized Robot ColoniesJ.IEEE transactions on evolutionary computation,2009,13(4):695-711. 34 Zhang, D.,Wang, L.,Yu, J. et al.Coordinated Transport by Multiple Biomimetic Robotic Fish in Underwater EnvironmentJ.