機(jī)械制造及自動(dòng)化畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）_液壓機(jī)械手直線運(yùn)動(dòng)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、畢業(yè)設(shè)計(jì)液壓機(jī)械手直線運(yùn)動(dòng)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)系 部： 機(jī)械及自動(dòng)化系 專 業(yè)： 機(jī)械制造及自動(dòng)化 班 級(jí)： 機(jī)制09321 姓 名： 學(xué) 號(hào)： 聯(lián)系 ： 指導(dǎo)老師： 目錄摘要1緒論2第一章 液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)41.對(duì)液壓系統(tǒng)的分析41.1 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)41.2 工況分析42.確定液壓系統(tǒng)的主要參數(shù)52.1 確定系統(tǒng)最大工作壓力52.2 液壓缸有效工作面積52.3 系統(tǒng)最大流量52.4 計(jì)算液壓缸的主要結(jié)構(gòu)尺寸52.5 液壓執(zhí)行元件實(shí)際工作壓力63.制定系統(tǒng)方案63.1 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的確定63.2 升降缸動(dòng)作回路63.3 伸縮缸動(dòng)作回路73.4 夾緊缸動(dòng)作回路73.5 系統(tǒng)安全方案的制定74.液壓系統(tǒng)工

2、作原理75.液壓元件的計(jì)算與選擇85.1 液壓泵及電動(dòng)機(jī)的選擇95.2 確定油箱的有效容積95.3 系統(tǒng)部分液壓元件的選擇9第二章 PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)101.機(jī)械手PLC控制系統(tǒng)控制要求10 1.1 機(jī)構(gòu)要求11 1.2 工藝過程1 1.3 控制要求112.輸入輸出分析133.控制程序容量估計(jì)134.PLC選型135.畫出輸入,輸出接線圖及相關(guān)圖表136.程序設(shè)計(jì)156.1 整體設(shè)計(jì)156.2 手動(dòng)控制程序156.3 自動(dòng)操作程序16 6.4 輸出顯示程序18第三章 機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)201 機(jī)械手的發(fā)展202 機(jī)械手手抓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)213 機(jī)械手手臂的設(shè)計(jì)224 腰座結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)225 動(dòng)力臂的結(jié)構(gòu)

3、設(shè)計(jì)236 控制系統(tǒng)的選擇237 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)248 機(jī)械手的動(dòng)作示意圖25致謝26參考文獻(xiàn)27附錄28摘要機(jī)械手模仿人的手部動(dòng)作,按給定程序,軌跡和要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抓取,搬運(yùn)和操作的自動(dòng)裝置.其驅(qū)動(dòng)方式多用液壓驅(qū)動(dòng). 在設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)時(shí),對(duì)機(jī)械手的動(dòng)作過程及工作情況進(jìn)行分析,可以算出各執(zhí)行元件的最大負(fù)載F,運(yùn)動(dòng)速度V以及行程S等一系列參數(shù).然后根據(jù)這些參數(shù)可以得出液壓系統(tǒng)的主要參數(shù),系統(tǒng)最大工作壓力p和最大流量.然后確定各執(zhí)行元件的工作壓力,流量和有效工作面積. 3個(gè)液壓缸的尺寸.根據(jù)液壓缸的缸徑和活塞桿的直徑和壓力,查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)可以選用標(biāo)準(zhǔn)系列的液壓缸.根據(jù)系統(tǒng)工況分析和各執(zhí)行元件的壓力以及流量可

4、以擬定液壓系統(tǒng)圖.在擬定液壓系統(tǒng)圖時(shí),充分考慮了各執(zhí)行元件所需要的條件以及各個(gè)階段對(duì)系統(tǒng)的需求.為滿足工況的要求.系統(tǒng)中設(shè)置了調(diào)速回路,保壓回路,平衡回路和安全措施等.在本系統(tǒng)中充分考慮到了機(jī)械手的工況,在選擇各液壓回路時(shí)也充分考慮到了背壓,慣性沖擊力,管路壓力損失等對(duì)液壓系統(tǒng)帶來的影響.在本系統(tǒng)推廣方面,也可以在系統(tǒng)中加上回轉(zhuǎn)回路,這樣可以讓機(jī)械手更加靈活.用途更加廣泛.此液壓系統(tǒng)也可用于各種搬運(yùn)以及起重設(shè)備中. 關(guān)鍵詞:液壓 PLC 機(jī)械手 緒論機(jī)械手能模仿人手和臂的某些動(dòng)作功能,用以按固定程序抓取、搬運(yùn)物件或操作工具的自動(dòng)操作裝置.它可代替人的繁重勞動(dòng)以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的機(jī)械化和自動(dòng)化,能在有害

5、環(huán)境下操作以保護(hù)人身安全.因而廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門.機(jī)械手可把人類從危險(xiǎn),繁重的體力勞動(dòng)中解放出來,配合機(jī)械手工作.同時(shí)可極大地提高勞動(dòng)生產(chǎn)率,加快實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化和自動(dòng)化的步伐.下面介紹下機(jī)械手的歷史和前景.機(jī)械手是在早期出現(xiàn)的古代機(jī)器人基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,機(jī)械手研究始于20世紀(jì)中期,隨著計(jì)算機(jī)和自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展,特別是1946年第一臺(tái)數(shù)字電子計(jì)算機(jī)問世以來,計(jì)算機(jī)取得了驚人的進(jìn)步,向高速度、大容量、低價(jià)格的方向發(fā)展.同時(shí),大批量生產(chǎn)的迫切需求推動(dòng)了自動(dòng)化技術(shù)的進(jìn)展,又為機(jī)器人的開發(fā)奠定了基礎(chǔ).另一方面,核能技術(shù)的研究要求某些操作機(jī)械代替人處理放射性物質(zhì),在這一

6、需求背景下.美國(guó)于1947年開發(fā)了遙控機(jī)械手,1948年又開發(fā)了機(jī)械式的主從機(jī)械手.機(jī)械手首先是從美國(guó)開始研制的.1954年美國(guó)戴沃爾最早提出了工業(yè)機(jī)器人的概念,并申請(qǐng)了專利,該專利的要點(diǎn)是借助伺服技術(shù)控制機(jī)器人的關(guān)節(jié).利用人手對(duì)機(jī)器人進(jìn)行動(dòng)作示教,機(jī)器人能實(shí)現(xiàn)動(dòng)作的記錄和再現(xiàn).這就是所謂的示教再現(xiàn)機(jī)器人.1958年美國(guó)聯(lián)合控制公司研制出第一臺(tái)機(jī)械手鉚接機(jī)器人.作為機(jī)器人產(chǎn)品最早的實(shí)用機(jī)型是1962年美國(guó)AMF公司推出的“VERSTRAN”和UNIMATION公司推出的“UNIMATE”.從94年美國(guó)開發(fā)出“虛擬軸機(jī)床”以來,這種新型裝置已成為國(guó)際研究的熱點(diǎn)之一,紛紛探索開拓其實(shí)際應(yīng)用的領(lǐng)域.

7、我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人從80年代“七五”科技攻關(guān)開始起步,在國(guó)家的支持下,通過“七五”、“八五”科技攻關(guān),目前己基本掌握了機(jī)器人操作機(jī)的設(shè)計(jì)制造技術(shù),控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)技術(shù),運(yùn)動(dòng)學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù),生產(chǎn)了部分機(jī)器人關(guān)鍵元器件,開發(fā)出噴漆、弧焊、點(diǎn)焊、裝配、搬運(yùn)等機(jī)器人;其中有130多臺(tái)套噴漆機(jī)器人在二十余家企業(yè)的近30條自動(dòng)噴漆生產(chǎn)線(站)上獲得規(guī)模應(yīng)用,弧焊機(jī)器人己應(yīng)用在汽車制造廠的焊裝線上.但總的來看,我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國(guó)外比還有一定的距離,如:可靠性低于國(guó)外產(chǎn)品:機(jī)器人應(yīng)用工程起步較晚,應(yīng)用領(lǐng)域窄,生產(chǎn)線系統(tǒng)技術(shù)與國(guó)外比有差距,當(dāng)前我國(guó)的機(jī)器人生產(chǎn)都是應(yīng)用戶的要求“一客

8、戶,一次重新設(shè)計(jì)”,品種規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期長(zhǎng)、成本也不低,而且質(zhì)量、可靠性不穩(wěn)定.因此迫切需要解決產(chǎn)業(yè)化前期的關(guān)鍵技術(shù),對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行全面規(guī)劃,搞好系列化、通用化、模塊化設(shè)計(jì),積極推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程,我國(guó)的智能機(jī)器人和特種機(jī)器人在“863”計(jì)劃的支持下,也取得了不少成果,其中最為突出的是水下機(jī)器人,6000m水下無纜機(jī)器人的成果居世界領(lǐng)先水平.第一章:液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)對(duì)液壓系統(tǒng)的分析液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)負(fù)載最大壓力上下最大行程伸出最大行程伸出最大速度泵工作時(shí)的各缸最高壓力伸縮缸,夾緊缸,升降缸.分析工況根據(jù)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)依據(jù),對(duì)主機(jī)的工作過程進(jìn)行分析即負(fù)載分析和運(yùn)動(dòng)分析,確定負(fù)載和

9、速度在整個(gè)工作循環(huán)過程中得變化規(guī)律.然后計(jì)算執(zhí)行元件的主要參數(shù),以及確定液壓系統(tǒng)的主要參數(shù)即工作壓力和最大流量.啟動(dòng)階段： (1)加速階段： (2)恒速階段： (3)制動(dòng)階段： (4)式中FG為重力,若工作中執(zhí)行元件水平放置,則.為靜摩擦力, ,為靜摩擦系數(shù),取,為對(duì)支承面的正壓力.為動(dòng)摩擦力,為動(dòng)摩擦系數(shù)取.為慣性阻力,.為速度變化量,為啟動(dòng)或制動(dòng)時(shí)間.確定液壓系統(tǒng)的主要參數(shù)根據(jù)機(jī)械手伸出，上升，夾緊時(shí)的最大壓力和系統(tǒng)損失壓力，確定系統(tǒng)的最大工作壓力： (1.1)液壓缸有效工作面積： (1.2)系統(tǒng)最大流量： (1.3)計(jì)算液壓缸的主要結(jié)構(gòu)尺寸確定升降缸的活塞及活塞桿的直徑升降缸最大載荷時(shí),

10、為受壓使產(chǎn)品下降和提升產(chǎn)品.其載荷力為,工作在受壓和拉伸狀態(tài).活塞直徑為: (式4)根據(jù)液壓手冊(cè),取標(biāo)準(zhǔn)系列,取,即活塞桿直徑為: (式5)根據(jù)液壓手冊(cè)標(biāo)準(zhǔn)系列,取伸縮缸的活塞及活塞桿的直徑伸縮缸直接控制機(jī)械手臂的伸出和縮回,主要承受縱向力(彎矩),軸向力較小所以對(duì)活塞缸的強(qiáng)度要求較高,而對(duì)缸的伸出壓力并不需要很大. .(式6)根據(jù)液壓機(jī)械手冊(cè),取,取,即活塞桿直徑為:圓整標(biāo)準(zhǔn)系列,取.確定夾緊缸的活塞及活塞桿直徑夾緊缸最大載荷時(shí)至于不會(huì)讓產(chǎn)品滑落.其活塞直徑為: (式7)圓整標(biāo)準(zhǔn)系列取.取即活塞桿的直徑為:根據(jù)液壓設(shè)計(jì)手冊(cè),取標(biāo)準(zhǔn)系列液壓執(zhí)行元件實(shí)際工作壓力:表一執(zhí)行元件名稱載荷(KN)背壓

11、力(MPa)工作壓力(MPa)升降缸80伸縮缸30夾緊缸604制定系統(tǒng)方案壓缸,伸縮缸,升降缸,夾持缸,液壓系統(tǒng)采用單泵供油.為了保證多缸運(yùn)動(dòng)互不干擾,實(shí)現(xiàn)同步或非同步運(yùn)動(dòng), 換向閥采用中位機(jī)能為“O”型換向閥.由于整個(gè)系統(tǒng)采用單泵供油.各缸所需流量相差較大,因此各缸選擇節(jié)流閥進(jìn)行調(diào)速.此外,系統(tǒng)還設(shè)置了鎖緊保壓回路.平衡回路.以防止斷電,失壓等意外發(fā)生.執(zhí)行機(jī)構(gòu)的確定本系統(tǒng)液壓驅(qū)動(dòng)動(dòng)作均為直線運(yùn)動(dòng),各直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)均采用單活塞桿雙作用液壓缸直接驅(qū)動(dòng).升降缸動(dòng)作回路.另外,為防止垂直防止的液壓缸及其工作部件因自行下落或在下行云多功能藏獒功能因自重造成失控失速,特別在升降缸動(dòng)作回路中采用外控式順序

12、閥來實(shí)現(xiàn)平衡控制.并控制其通流速度,限制執(zhí)行元件的運(yùn)動(dòng)速度,由于外控式順序閥不但具有很好的密封性,能起到對(duì)活塞很長(zhǎng)時(shí)間的鎖緊定位作用.而且閥開口大小能自動(dòng)適應(yīng)不同載荷對(duì)背壓壓力的要求,保證了活塞下降速度的穩(wěn)定性不受載荷變化影響.伸縮缸動(dòng)作回路在機(jī)械手臂伸出和縮回的過程中,運(yùn)動(dòng)速度也較快,平穩(wěn)性要求也不高,故只采用了單向節(jié)流閥來調(diào)速,也能設(shè)置一定的背壓.夾緊缸動(dòng)作回路.手指夾緊缸夾緊工件后不受系統(tǒng)壓力波動(dòng)的影響,保證牢固地夾緊工件,采用了液控單向閥鎖緊回路.系統(tǒng)安全方案本系統(tǒng)為保證安全生產(chǎn),在溢流閥的遠(yuǎn)程調(diào)控口設(shè)置了一個(gè)兩位兩通的手動(dòng)換向閥,當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)意外時(shí),可以直接用手動(dòng)換向閥打開溢流閥的遠(yuǎn)程

13、調(diào)控口,直接讓系統(tǒng)卸荷.從而保證安全.該液壓系統(tǒng)在整個(gè)工作循環(huán)中徐友亮變化較大,另外在夾緊后又要求有較長(zhǎng)時(shí)間的保壓.雖采用單泵供油,但是在需要快速運(yùn)動(dòng)時(shí)可以采用蓄能器和泵同時(shí)供油. 液壓系統(tǒng)圖見附錄機(jī)械手原位手臂伸出手臂下降手指夾緊手臂縮回手臂下降手指松開手臂上升4. 液壓系統(tǒng)工作原理按下啟動(dòng)按鈕后，泵啟動(dòng)給系統(tǒng)供油，同時(shí)1YA得電。閥1處左位，油液通過單向閥，缸1左腔進(jìn)油，控制機(jī)械手臂伸出。當(dāng)活塞伸出碰到定位擋塊，左腔持續(xù)進(jìn)油，回路壓力升高，當(dāng)油液壓力達(dá)到壓力繼電器(K1)的調(diào)定壓力時(shí)，壓力繼電器動(dòng)作。1YA失電，液壓閥1處中位，缸1鎖緊。同時(shí)使3得電。閥2處左位，油液經(jīng)過節(jié)流閥.，缸2下油

14、腔進(jìn)油，當(dāng)回路壓力達(dá)到順序的開啟壓力時(shí)，順序閥打開，控制機(jī)械手下降，當(dāng)活塞運(yùn)動(dòng)到下極限位置碰到定位擋塊時(shí)，液壓缸2內(nèi)持續(xù)進(jìn)油，回路壓力升高，當(dāng)油液壓力達(dá)到壓力繼電器K4動(dòng)作。5YA得電。閥3處左位，油液經(jīng)過單向閥進(jìn)入液壓缸3的左腔?？刂茩C(jī)械手手指夾緊工產(chǎn)品，當(dāng)活塞碰到行程開關(guān)S2時(shí)，5YA失電，閥3處中位。同時(shí)4YA得電。閥2處右位油液經(jīng)過右邊的單向閥流入缸2的上腔，控制機(jī)械手上升，當(dāng)缸2的活塞運(yùn)動(dòng)到極限位置時(shí)，壓力繼電器K3動(dòng)作，控制4YA失電，閥2處中位，同時(shí)2YA得電，閥1處右位，油液經(jīng)過單向閥進(jìn)入液壓缸1的右腔，控制機(jī)械手縮回，當(dāng)活塞運(yùn)動(dòng)到左端極限位置時(shí),液壓繼電器K1動(dòng)作,控制3YA

15、得電.閥2處左位，油液經(jīng)過節(jié)流閥，缸2下油腔進(jìn)油，當(dāng)回路壓力達(dá)到順序閥的開啟壓力時(shí)，順序閥打開，控制機(jī)械手下降，當(dāng)活塞運(yùn)動(dòng)到極限位置時(shí)，液壓缸2內(nèi)持續(xù)進(jìn)油，回路壓力升高，當(dāng)油液壓力達(dá)到壓力繼電器K4動(dòng)作。同時(shí)6得電。閥3處右位，夾緊缸在液壓力下縮回，機(jī)械手指在彈簧張力下自動(dòng)回位，從而使機(jī)械手松開工件。當(dāng)液壓缸3退回碰到時(shí)，控制2YA得電，從而使得液壓缸1上升（即復(fù)原位），等待下一個(gè)循環(huán)。液壓元件的計(jì)算與選擇 液壓泵及電動(dòng)機(jī)的選擇液壓泵的最大工作壓力：根據(jù)系統(tǒng)工況，最大流量q確定液壓泵的最大供油量考慮到系統(tǒng)泄漏的修正系數(shù)，取.根據(jù)設(shè)計(jì)要求和系統(tǒng)工況可確定液壓泵的類型，然后根據(jù)算出的和,參照產(chǎn)品樣

16、本，即可選擇液壓泵的規(guī)格和型號(hào).在整個(gè)工作循環(huán)中，液壓泵的工作壓力和流量比較穩(wěn)定,則液壓泵的驅(qū)動(dòng)功率為選用標(biāo)準(zhǔn)5.5kw的電動(dòng)機(jī). 確定油箱的有效容積已知所選泵的總流量為50.4(L/min),這樣液壓泵沒分鐘排出來壓力油,根據(jù)液壓設(shè)計(jì)手冊(cè),取a=5,算出有效面積為: 部分液壓系統(tǒng)元件列表第二章PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)1.機(jī)械手直線運(yùn)動(dòng)PLC控制系統(tǒng)控制要求圖2-1機(jī)械手的工作示意圖機(jī)械結(jié)構(gòu)在圖2-1中，機(jī)械手的所有動(dòng)作均采用液壓驅(qū)動(dòng)。它的上升/下降，左移/右移和夾緊/放松均采用雙線圈三位電磁閥推動(dòng)液壓缸完成。當(dāng)某個(gè)電磁閥線圈通電時(shí)，就一直保持當(dāng)前的機(jī)械動(dòng)作，直到相反動(dòng)作的線圈通電為止。例如當(dāng)下降

17、電磁閥通電后，機(jī)械手下降，即使線圈再斷電后，仍保持當(dāng)前的下降動(dòng)作狀態(tài)，直到上升電磁閥線圈通電為止。夾緊/放松電磁閥處中位具有保持前一個(gè)動(dòng)作的功能。為了保證動(dòng)作準(zhǔn)確到位，機(jī)械手上安裝了壓力繼電器(視為限位開關(guān)）SQ1、SQ2、SQ3、SQ4，分別對(duì)機(jī)械手進(jìn)行下降、上升、右行、左行等動(dòng)作的限位，并給出了動(dòng)作到位的信號(hào)。另外，還安裝了光電開關(guān)SP負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)工作臺(tái)B上的工件是否已移走,從而產(chǎn)生無工件信號(hào),為下一個(gè)工件的下放做好準(zhǔn)備.工藝過程機(jī)械手的動(dòng)作順序、檢測(cè)元件和執(zhí)行元件的布置如圖2-2所示。機(jī)械手的初始位置在原位，按下起動(dòng)按鈕后，機(jī)械手將依次完成：手臂伸出手臂下降手臂夾緊手臂上升手臂縮回手臂下降手

18、臂松開手臂上升8個(gè)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手一個(gè)周期的動(dòng)作。機(jī)械手的下降、上升、右移、左移的動(dòng)作轉(zhuǎn)換靠限位開關(guān)來控制，而夾緊放松動(dòng)作的轉(zhuǎn)換是由時(shí)間繼電器來控制的.圖2-2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖為了保證安全，機(jī)械手右移到位后，必須在工作臺(tái)B上無工件時(shí)才能下降。若上一次搬到右工作臺(tái)上的工件尚未移走，則機(jī)械手應(yīng)自動(dòng)暫停等待。為此設(shè)置了一只光電開關(guān)，以檢測(cè)“無工件”信號(hào)?？刂埔蠊ぷ髋_(tái)A、B上工件的傳送不用PLC控制。機(jī)械手要求按一定的順序動(dòng)作，其流程圖如圖2-3所示。2-3控制系統(tǒng)流程圖起動(dòng)時(shí)，機(jī)械手從原點(diǎn)開始順序動(dòng)作。停止時(shí)，機(jī)械手停止在現(xiàn)行工步上。重新起動(dòng)時(shí)，機(jī)械手按停止前的動(dòng)作繼續(xù)進(jìn)行。為滿足生產(chǎn)要求，機(jī)械手設(shè)

19、置有手動(dòng)工作和自動(dòng)工作兩種方式，而自動(dòng)工作方式又分為單步、單周和連續(xù)工作方式。 1) 手動(dòng)工作方式：利用按鈕對(duì)機(jī)械手每一步單獨(dú)進(jìn)行控制，例如，按“上升”按鈕，機(jī)械手上升；按“下降”按鈕，機(jī)械手下降。此種工作方式可使機(jī)械手置原位。2) 單步工作方式：從原點(diǎn)開始，按自動(dòng)工作循環(huán)的工序，每按一下“起動(dòng)”按鈕，機(jī)械手完成一步動(dòng)作后自動(dòng)停止。3) 單周期工作方式：按下起動(dòng)按鈕，從原點(diǎn)開始，機(jī)械手按工步自動(dòng)完成一個(gè)周期的動(dòng)作后，停在原位。4) 連續(xù)工作方式：機(jī)構(gòu)在原位時(shí)，按下起動(dòng)按鈕，機(jī)構(gòu)自動(dòng)連續(xù)地執(zhí)行周期動(dòng)作。當(dāng)按下停止按鈕時(shí)，機(jī)械手保持當(dāng)前狀態(tài)。重新恢復(fù)后機(jī)械手按停止前的動(dòng)作繼續(xù)進(jìn)行。輸入、輸出分析根

20、據(jù)控制要求分析，系統(tǒng)為開關(guān)量順序控制系統(tǒng)。輸入共有14個(gè)開關(guān)量控制信號(hào)和一個(gè)4位多檔轉(zhuǎn)換開關(guān)：起動(dòng)按鈕、停止按鈕、下降按鈕、上升按鈕、左移按鈕、右移按鈕、夾緊按鈕、松開按鈕、上限位、下限位、左限位、右限位、無工件檢測(cè)和模式選擇開關(guān)。輸出共有6個(gè)開關(guān)量控制信號(hào)：下降電磁閥、上升電磁閥、左移電磁閥、右移電磁閥、夾緊/松開電磁閥和原位顯示?？刂瞥绦蛉萘抗烙?jì)從控制要求來看出，系統(tǒng)為開關(guān)量循環(huán)控制系統(tǒng)，每個(gè)工作循環(huán)共有10步，每一步只是完成一些簡(jiǎn)單動(dòng)作，程序比較簡(jiǎn)單，200步內(nèi)即可實(shí)現(xiàn)。PLC選型根據(jù)控制要求分析，PLC控制系統(tǒng)選用SIEMNS公司的S7-200系列CPU 224和EM221，其輸入、輸

21、出端子電氣接線圖如圖2-4所示。畫出輸入、輸出接線圖及相關(guān)的圖紙圖 控制系統(tǒng)PLC外部接線根據(jù)電路要求，輸入、輸出地址分配見表2-5。表2-5輸入、輸出地址分配輸入輸出符號(hào)地址功能符號(hào)地址功能SB1起動(dòng)KM1下降SB2下限KM2夾緊，松開SB3上限KM3上升SB4右限KM4右移SB5左限KM5左移SP無工件檢測(cè)LAMP原位顯示SB6停止KA手動(dòng)單步單周期連續(xù)SB7下降SB8上升SB9右移SB10左移SB11夾緊SB12放松SB13復(fù)位設(shè)計(jì)程序整體設(shè)計(jì)手動(dòng)程序和自動(dòng)程序分別編成相對(duì)獨(dú)立的子程序模塊，通過調(diào)用指令進(jìn)行功能選擇。當(dāng)工作方式選擇開關(guān)選擇手動(dòng)工作方式時(shí)，I0.7接通，執(zhí)行手動(dòng)工作程序；當(dāng)

22、工作方式選擇開關(guān)選擇自動(dòng)方式（單步、單周、連續(xù)）時(shí)，I1.0、I1.1、I1.2分別接通，執(zhí)行自動(dòng)控制程序。整體設(shè)計(jì)的梯形圖（主程序）如圖2-6所示。手動(dòng)控制程序手動(dòng)操作不需要按工序順序動(dòng)作，可以按普通繼電器接觸器控制系統(tǒng)來設(shè)計(jì)。手動(dòng)控制的梯形圖見子程序O。手動(dòng)按鈕I1.3、I1.4、I1.5、I2.0、I2.1、I2.2分別控制下降、上升、右移、左移、夾緊、松開、各個(gè)動(dòng)作。為了保持系統(tǒng)的安全運(yùn)行，設(shè)置了一些必要的連鎖保護(hù)，其中左右移動(dòng)的控制環(huán)節(jié)中加入了I0.2作為上限連鎖。因?yàn)闄C(jī)械手只有處于上限位置（I0.2=1）時(shí)才允許左右移動(dòng)。手動(dòng)控制的程序如圖2-7所示。2-6主程序梯形圖2-7手動(dòng)程

23、序梯形圖 自動(dòng)操作程序機(jī)械手的自動(dòng)操作流程圖如圖2-3所示。對(duì)于順序控制可用多種方法進(jìn)行編程，用移位寄存器也很容易實(shí)現(xiàn)這種控制功能，轉(zhuǎn)換的條件由各行程開關(guān)及定時(shí)器的狀態(tài)來決定。機(jī)械手的夾緊和松開動(dòng)作的控制原則，可以采用壓力檢測(cè)、位置檢測(cè)或按照時(shí)間的原則進(jìn)行控制。本例題用定時(shí)器T37控制夾緊時(shí)間，T38控制放松時(shí)間。其工作過程分析如下。1) “1”，0.5輸出原位顯示，機(jī)構(gòu)當(dāng)前處于原位。2) “1”（同時(shí)M1.0恢復(fù)為零），M1.1得電，Q0.0輸出下降信號(hào)。3) “1”（其余為零），Q0.1接通，夾緊動(dòng)作開始，同時(shí)T37接通，定時(shí)器開始計(jì)時(shí)。4) “1”（其余為零），Q0.2接通，機(jī)構(gòu)上升，由

24、于M1.2為1，夾緊動(dòng)作繼續(xù)執(zhí)行。5) “1（其余為零），Q0.3接通，機(jī)構(gòu)右行。6) 右行至右限位，I0.3接通，將寄存器中“1”移到M1.5,Q0.0得電，機(jī)構(gòu)再次下降。7) 下降至下限位，下限位開關(guān)受壓，移位寄存器又右移一位，使M1.6置1(其余為零），Q0.1復(fù)位，機(jī)構(gòu)松開，放下搬運(yùn)零件同時(shí)接通T38定時(shí)器，定時(shí)器開始計(jì)時(shí)。8) “1”（其余為零），Q0.2再次得電上升。9) “1”“1”，機(jī)構(gòu)左行?！?”（其余為零),一個(gè)自動(dòng)循環(huán)結(jié)束?！?”“1”“0”。當(dāng)機(jī)構(gòu)回到原位時(shí)，按下起動(dòng)按鈕，機(jī)構(gòu)自動(dòng)動(dòng)作一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期后停止在原位。圖2-8自動(dòng)操作程序控制圖輸出顯示程序機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)主要包括上

25、升、下降、左行、右行、夾緊、松開，在控制程序中M1.1、M1.5分別控制左右下降，M1.2控制夾緊，M1.6控制松開，M1.3、M1.7分別控制左右上升，M1.4、M2.0分別控制右、左運(yùn)行，M1.0原位顯示。設(shè)計(jì)輸出梯形圖如圖2-8所示。圖2-8輸出顯示程序第三章 機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)機(jī)械手工作的分析 機(jī)械手是一種能自動(dòng)化定位控制并可重新編程序以變動(dòng)的多功能機(jī)器，它有多個(gè)自由度，可用來搬運(yùn)物體以完成在各個(gè)不同環(huán)境中工作。機(jī)械手由以下結(jié)構(gòu)：執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)-傳動(dòng)機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)智能系統(tǒng)遠(yuǎn)程診斷監(jiān)控系統(tǒng)，五部分組成。機(jī)械手的設(shè)計(jì)構(gòu)想是以人的手為基礎(chǔ)，以機(jī)械拉來實(shí)現(xiàn)人的動(dòng)作，它的動(dòng)作由以下三部分來實(shí)現(xiàn)：1、肩

26、的前后動(dòng)作 2、肘的上下動(dòng)作 3、腕(手)的動(dòng)作 驅(qū)動(dòng)-傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與執(zhí)行機(jī)構(gòu)是相輔相成的，在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中可以分:機(jī)械式、電氣式、液壓式和復(fù)合式，本設(shè)計(jì)主要設(shè)計(jì)PLC和液壓復(fù)合式的控制?？刂葡到y(tǒng)采用西門子PLC控制。本設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)形式:前后、上下兩個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)，均由液壓伺服系統(tǒng)控該控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是可以給操作臂一個(gè)信號(hào)的動(dòng)力反饋系統(tǒng)。該工作臂類似一個(gè)伸縮儀。在方位、肩部和肘部上的軸直接控制位置，利用主臂控制速度。在機(jī)械手的操作柄有一個(gè)按鈕來控制工作頭（降低、翻轉(zhuǎn)、傾斜和抓住的裝置）?？刂葡到y(tǒng)的特性是可以使操縱器以一定的速度和精確性進(jìn)行工作。工業(yè)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)是基于模組塊系統(tǒng)上的，模組塊系統(tǒng)適合于提高移動(dòng)的速

27、度或特殊類型的工作。在設(shè)計(jì)上考慮維修的簡(jiǎn)單性。維修的人員需要具備一定的資格，應(yīng)能處理一般的機(jī)械設(shè)備的問題或通常液壓件的安裝。工業(yè)機(jī)械手傳輸在末端工具上的力或負(fù)載的感覺到操作者的手中(動(dòng)力反饋)“動(dòng)力反饋”的意思是在機(jī)械手臂末端上的力有一小部分反饋到操作柄。減少比率意味著操作者必須用2公斤的力才能將工具額定的負(fù)載舉起。對(duì)于動(dòng)力反饋，操作者有機(jī)會(huì)感覺在方位、肩部和肘部的軸的負(fù)載改變的不同情況(慣性和加速度)。通過提供額外的力，操作者可以優(yōu)先確定使用的力和搬運(yùn)的路徑，目的是為了獲得一個(gè)快慢速.機(jī)械手手爪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3 設(shè)計(jì)要求手爪是用來進(jìn)行操作及作業(yè)的裝置，其種類很多，根據(jù)操作及作業(yè)方式的不同，分為搬運(yùn)

28、用、加工用、測(cè)量用等。本次設(shè)計(jì)主要是針對(duì)搬運(yùn)用，而搬運(yùn)用手爪是指各種夾持裝置，用來抓取或吸附被搬運(yùn)的物體。一般工業(yè)機(jī)械手手爪，多為雙指手爪。按手指的運(yùn)動(dòng)方式，可分為回轉(zhuǎn)型和移動(dòng)型；按夾持方式來分，有外夾式和內(nèi)撐式兩種。3.2.2機(jī)械手手腕結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)機(jī)械手手腕是機(jī)械手操作機(jī)的最末端，與手爪相連接，它與機(jī)械手手臂配合，使手爪在空間運(yùn)動(dòng)，完成所需要的作業(yè)動(dòng)作。圖3-1.手臂、手爪的機(jī)械機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖機(jī)械手手臂的設(shè)計(jì)3手臂結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求機(jī)械手的手臂在工作時(shí)，要承受一定的載荷，且其運(yùn)動(dòng)本身具有一定的速度，因此，機(jī)械手手臂的設(shè)計(jì)需要遵循以下設(shè)計(jì)要求：1工作空間的形狀和大小與機(jī)械手手臂的長(zhǎng)度有密切的關(guān)系，因此手臂

29、尺寸設(shè)計(jì)應(yīng)合理，一般滿足其工作空間即可。2為了提高機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)速度與控制精度，應(yīng)在保證機(jī)械手手臂有足夠強(qiáng)度和剛度的條件下，盡可能在結(jié)構(gòu)上、材料上設(shè)法減輕手臂的重量。3機(jī)械手手臂的結(jié)構(gòu) 該機(jī)械手采用直角坐標(biāo)系式結(jié)構(gòu)方式，該種結(jié)構(gòu)的三個(gè)運(yùn)動(dòng)方向相對(duì)獨(dú)立，不會(huì)受到其他方向運(yùn)動(dòng)的影響，所以該機(jī)械手運(yùn)動(dòng)更加符合本次題目要求。 考慮到本機(jī)械手采用液壓控制，綜合各方面決定將機(jī)械手臂的上下臂都采用液壓缸來代替，機(jī)械手爪的張、合也用液壓缸來控制，這三個(gè)分別為機(jī)械手的上臂、下臂以及手爪的輔助部分。腰座結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)機(jī)械手的腰座，就是機(jī)械手的回轉(zhuǎn)基座。它是機(jī)械手的第一個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，承受了機(jī)械手的全部重量。因此在設(shè)計(jì)機(jī)械手

30、腰座結(jié)構(gòu)時(shí)，有以下設(shè)計(jì)要求：由于腰座要承受機(jī)械手全部的重量和載荷，因此，機(jī)械手腰座的結(jié)構(gòu)要有足夠大的強(qiáng)度和剛度，以保證其承載能力它對(duì)機(jī)械手末端的運(yùn)動(dòng)精度影響最大，因此，在設(shè)計(jì)時(shí)要特別注意腰部軸系及傳動(dòng)鏈的精度與剛度。腰部結(jié)構(gòu)要便于安裝、調(diào)整。要有可靠的定位基準(zhǔn)面和調(diào)整機(jī)構(gòu)。且腰座要安裝在足夠大的基面，以保證機(jī)械手在工作時(shí)整體安裝的穩(wěn)定性。動(dòng)力臂的機(jī)械構(gòu)造動(dòng)力臂由上臂和一個(gè)較底臂(下臂)連接組成，它建立一個(gè)軸的支撐上。在垂直面的運(yùn)動(dòng)是上臂的水平運(yùn)動(dòng)和下臂的上下運(yùn)動(dòng)疊加而獲得的。上、下臂的運(yùn)動(dòng)是通過液壓缸直接控制，手爪的運(yùn)動(dòng)是由液壓缸與一個(gè)鉸鏈機(jī)構(gòu)來控制。通過橫梁和和肘部零件的連接保持最終配置部件

31、的位置恒定不便。這樣上臂和下臂的運(yùn)動(dòng)各自具有獨(dú)立的方向?？刂葡到y(tǒng)本機(jī)械手采用液壓控制和PLC兩種控制方式并用，相輔相成。液壓控制主要是利用電磁閥和液壓缸。機(jī)械手的控制運(yùn)用plc編程來控制，PLC以體積小功能強(qiáng)大所著稱，它不但可以很容易的完成順序邏輯，運(yùn)動(dòng)控制，定時(shí)控制，記數(shù)控制，數(shù)字運(yùn)算，數(shù)據(jù)處理等功能，而且可以通過輸入輸出接口建立與各類生產(chǎn)機(jī)械數(shù)字量和模擬量的聯(lián)系，而從實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動(dòng)控制。PLC的工作方式為掃描加中斷，這既可保證它能有序地工作，避免繼電控制系統(tǒng)常出現(xiàn)的冒險(xiǎn)競(jìng)爭(zhēng)，其控制結(jié)果總是確定的；而且又能應(yīng)急處理急于處理的控制，保證了PLC對(duì)應(yīng)急情況的及時(shí)響應(yīng)，使PLC能可靠地工作Pl

32、C的可靠性好，它的平均無故障時(shí)間可達(dá)幾萬小時(shí)以上；出了故障平均修復(fù)時(shí)間也很短，幾小時(shí)以至于幾分鐘即可在機(jī)械手運(yùn)動(dòng)的極限位置都裝有位置開關(guān)，當(dāng)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)到位時(shí)觸碰開關(guān)同時(shí)將信號(hào)傳替到cpu經(jīng)過PLC來控制下一個(gè)動(dòng)作。 圖3-3機(jī)械手位置控制原理圖該系統(tǒng)并裝有壓力傳感器，它將負(fù)載信號(hào)輸送到電子控制器，起到動(dòng)壓反饋的作用，它將改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性（如：穩(wěn)定性等）驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可以選擇液壓驅(qū)動(dòng)，氣動(dòng)和伺服電機(jī)作為機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，但是根據(jù)本次設(shè)計(jì)的要求選擇液壓系統(tǒng)作為本次的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)液壓驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手具有很大的抓取能力，可抓取質(zhì)量達(dá)上百公斤的的物體，油壓可達(dá)7MPA,液壓傳動(dòng)平穩(wěn)，動(dòng)作靈敏，但對(duì)密封性要求高，不宜在高溫和低溫現(xiàn)場(chǎng)工作，需配備一套液壓系統(tǒng)。機(jī)械手的動(dòng)作示意圖圖3-3機(jī)械手的動(dòng)作示意圖致 謝 二