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挖掘装载机设计【8张CAD图纸3A0+毕业论文】

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关键词：: 挖掘装载机设计 cad图纸挖掘装载机毕业论文

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挖掘装载机设计

53页 20000字数+说明书+任务书+开题报告+8张CAD图纸【详情如下】

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摘要

随着社会经济的高速发展，挖掘装载机是一种十分重要的工程机械，它广泛用于公路、铁路、建筑、水电、港口、矿山等建设工程。挖掘装载机俗称“两头忙”，它实际上是由三台建筑设备组成的单一装置，它包含了一台拖拉机、一台挖掘机和一台装载机。本次毕业设计为一种新型机型，型号为wz2011.

挖掘装载机所达到的装载量应当比别的装载机器所达到的铲装量稍微大一些。例如，如果一个机器可以一小时运载300吨物体，则挖掘装载机的装载能力应当稍大于300吨。当铲斗在制造时所需的装载量应当被精确计算出来。

装载机根据摇臂--连杆数目及铰接位置的不同，可组成不同形式的连杆机构。不同形式的连杆机构铲斗的铲起力随铲斗转角的变化关系，倾斜时的角速度大小及工作装置的运动特性也不同。因此装载机工作装置形式的选择，既要考虑结构简单又要考虑结构性质与铲掘方式来确定。

其装载铲斗的设计主要在于其铲斗机构的设计，斗容是铲斗设计的一个重要指标。当在一个硬的操作表面拖运松的颗粒材料时，对一个装载机来说，一个正常的基本循环周期大约为0.44-0.55分钟。这个过程包括装载、收斗、举升、翻斗、下降等过程。

当在一个硬的操作表面拖运松的颗粒材料时，对一个装载机来说，0.44-0.55分钟的基本循环周期是合情合理的。这个过程包括装载、收斗、举升、翻斗、下降等过程[1]。

挖掘部分主要由动臂、斗杆和挖掘铲斗构成，驱动装置和装载机类似，都采用液压驱动。

关键词：挖掘装载机装载量循环周期

ABSTRACT

With?the rapid development of?economy,?engineering?is changing, of which?machinery?plays an irreplaceable role. Backhoe loader?is a very?important engineering?machinery, it?is widely used in?highway, railway, construction, utilities,?ports, mines?and other constructionprojects.?Backhoe Loader commonly known as "two?busy ",?it actuallyis?composed of?three?single-unit?construction equipment, which includes?a tractor,?an excavator?and a?loader.?The graduation projectis?designed?to be?community needs?a new?model, model?wz2011.

The production required of a wheel loader should be slightly greater than production capability of the other critical units in the earth or materical moving system.For example,if a hopper can handle 300 tons per hour,a loader capable of slightly more than 300 tons should be used.Required production should be carefully calculated so the proper machine and bucket selections are made.

Loader rocker-connecting rod according to the number of different position and hinged, can make the different forms of link mechanism. Different forms of linkage mechanism of the bucket scooping up force with the change of the bucket corner relationship, tilt angular velocity and the size of the device the motion characteristics are different. So the choice of the form of loader working device, both must consider simple structure and to consider structure properties and shovel dug way to determine.

The design of the loader bucket institutions lies mainly in its design, let a bucket design is one of important index. When in a hard surface of the operation of the transferring loose particles material, to a loader for, a normal basic cycle is about 0.44-0.55 minutes. This process including loading, the measures, lifting, durable, decline process.

When hauling loose granular material on a hard smooth operating surface,a 0.45-0.55 minute basic cycle time is considered reasonable for caterpillar articulated loaders with a competent operator.This includes load,dump,four reversals of direction,full cycle of hydraulics and minimum travel.

Mining part mainly by the arm, measures stem and mining a bucket, device drivers and loaders similar with hydraulic drive.

Keywords:?backhoe loaders；loading；cycle

绪论1

第一章：挖掘装载机概述

1.1 国内外本课题现状及发展趋势1

1.1.1挖掘装载机的型式2

1.1.2国内外基本情况：2

1.2 挖掘装载机发展特点2

第二章：铲斗设计4

2.1 铲斗结构形式的选择4

2.2 装载铲斗基本参数的确定4

2.3 斗容的计算6

第三章：装载机工作装置设计7

3.1 工作装置设计方案7

3.2 装载机工作装置结构设7

第四章装载装置的受力分析14

4.1 外载荷的确定14

4.2 工作装置的受力分析15

4.3 强度校核20

第五章挖掘装置的设计22

5.1 铲斗总体方案的选择22

5.2 斗型参数的选择22

5.3 斗杆机构参数选择23

5.4 铲斗机构参数选择24

第六章 WZ2011装载机工作装置三维图27

6.1 工作装置三维图27

第七章 PLC在机械手控制系统中的应用.30

7.1 plc概况及应用.30

7.2 机械手动作过程31

7.3 机械手操作方式32

7.4 PLC程序设计.34

7.5 搬运机械手的软件系统设计39

设计总结48

参考文献49

致谢50

绪论

挖掘装载机是一种用途广泛的施工机械，广泛应用于建筑公路铁路水电港口矿山及国防工程中，对加快工程建设速度、减轻劳动强度、提高工程质量、降低工程成本都发挥着重要作用。因此近年来无论在国内还是国外装载机品种和产量都得到了迅猛发展，已成为工程机械的主导产品之一。

在通用拖拉机前端加装载装置，后部加挖掘装置可改装变形成前装后挖拖拉机，亦称挖掘装载机，俗称“两头忙”。挖掘装载机作为一种小型多功能工程和建筑机械，是挖掘、装载两用的工程机械。广泛应用于农田水利建设、工业和民用建筑、市政建设及电力建设等，主要用于建筑工程、农田水利的基槽、基坑、管沟等小型土方工程的开挖以及城市建设和工厂企业的装载作业，是一种适应性较强的现场施工机械。

考虑到挖掘装载机一机两用，可基本代替一台挖掘机和一台装载机能实现的功能，更具有机动灵活性，不仅为国家和社会节约了能源，而且大大降低了成本，经济效益无疑的也能得到显著提高。我国在“九五”期间在工程机械行业投资13万亿元人民币，比“八五”完成投资大两倍，而且建筑业已逐步成为国民经济的支柱产业，这将刺激工程机械迈入新的经济增长期。今后十五年，国家将集中必要的力量，在水利、能源、交通、通信和重要原材料工业方面，建设一批大型工程。由于今后从事笨重施工体力劳动的人员日益减少，机械化施工程度逐年提高，以往靠人海战术及小型机械装备的施工方式，将逐步被采用大型较先进的中大型工程机械的施工方式所替代。工程机械产品在今后5年、10年以至更长的时间，将具有更广阔的市场。挖掘装载机作为工程机械新型品种，市场开发具有很大潜力。通过本课题的研究，可以使其作业性能得到充分发挥，产品的成本大大降低，在国内外的市场竞争中处于有利地位，无疑经济效益将显著提高。

第二章铲斗设计

2.1 铲斗结构形式的选择

铲斗是直接用来切削、收集、运输和卸出物料，装载机工作时的插入能力及铲掘能力是通过铲斗直接发挥出来的，铲斗的结构形状及尺寸直接影响装载机的作业效率和工作可靠性，所以减少切削阻力和提高作业效率是铲斗结构设计的主要要求。铲斗是在恶劣条件下工作，承受很大的冲击载荷和剧烈的磨削，所以要求铲斗具有足够的强度和刚度，同时要耐磨。

根据装载物料的容量，铲斗做成三种类型：正常斗容的铲斗用来装载容量1.4-1.6吨/米的物料（如砂、碎石、松散泥土等）；增加斗容的铲斗，斗容一般为正常斗容的1.4-1.6倍，用来铲掘容重1.0吨/米3左右的物料（如煤、煤渣等）；减少斗容的铲斗，斗容为正常斗容的0.6-0.8，用来装载容重大于2吨/米3的物料（如铁矿石、岩石等）。用于土石工程的装载机，因作业对象较广，因此多采用正常斗容的通用铲斗，以适应铲装不同物料的需要[3]。

铲斗切削刃的形状根据铲掘物料的种类不同而不同，一般分为直线型和非直线型两种。直线型切削刃简单并利用与地面刮平作业，但切削阻力较大。非直线型切削刃有V型和弧形等，装载机用的较多的是V型斗刃。这种切削刃由于中间突出，在插入料堆时，插入力可以集中作用在斗刃中间部分，易于插入料堆；同时对减少“偏载切入”有一定的效果。但铲斗的装载系数要小于直线型斗刃的铲斗

斗齿的形状对切削阻力有影响：对称齿型的切削阻力比不对称型的大；长而狭窄的齿比宽而短的齿的切削阻力要小。弧线型侧刃的插入阻力比直线型侧刃小，但弧线型侧刃容易从两侧泄露物料，不利于铲斗的装满，适于铲装岩石。

对主要用于土石工程的装载机，在设计铲斗时，要考虑斗体内的流动性，减少物料在斗内的移动或滚动阻力，同时要利用在铲装粘性物料时有良好的倒空性。

2.2 装载铲斗基本参数的确定

铲斗的主要参数是铲斗宽度和铲斗的回转半径。

铲斗的宽度要大于装载机每边轮胎外侧宽度5-10厘米，否则铲装物料或分层铲取土时，所形成的阶梯地面不仅会损伤轮胎的侧面而且会引起轮胎的打滑影响牵引力的发挥。

铲斗的回转半径R0是指铲斗与动臂转角中心B与切削刃之间的距离

由于铲斗的回转半径不仅影响铲起力和插入阻力的大小，而且与整机的总体参数有关。因此铲斗的其它参数依据它来决定。

铲斗的回转半径R0可按下式计算：设计总结

挖掘装载机主要由挖掘装置和装载装置以及操作平台构成，装载机铲掘和装卸物料的作业是通过工作装置的运动来实现的。装载机的工作装置核心部分是装载铲斗、动臂、摇臂、连杆托架和液压系统等组成。铲斗用以铲装物料，动臂和动臂油缸的作用是提升铲斗并使之与车架相连；转斗油缸通过摇臂—连杆或托架使铲斗转动。动臂的升降和铲斗的转动采用液压操纵。

由动臂、动臂油缸、铲斗、转斗油缸、摇臂--连杆或托架及车架相互铰接所构成的连杆机构在装载及工作时要保证：当动臂处于某种位置不动时，在转斗油缸闭锁使动臂在动臂油缸作用下提升或下降铲斗过程中连杆机构应能使铲斗在提升时保持平移或斗底平面与地面的夹角变化控制在很小的范围内，以免装满物料的铲斗由于铲斗倾斜而使物料洒落；而在动臂下降时又自动将铲斗放平以减轻驾驶员的劳动强度，提高劳动效率。

挖掘部分主要由动臂、斗杆和挖掘铲斗构成，驱动装置和装载机类似，都采用液压驱动。

挖掘装载机在整体布局上应该满足机构紧凑，布局合理。

参考文献

[1] 孙静民. 机械优化设计[M]. 北京：机械工业出版社，1990.

[2] 王国彪、杨力夫. 装载机工作装置优化设计[M] . 北京：机械工业出版社，1996.

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[5] 杨力夫.轮式装载机八杆机构工作装置优化设计：[硕士论文] 长春，1992.

[6] 濮良贵、纪名刚. 机械设计[M] .北京：高等教育出版社，2006.5.

[7]Shimoda,Masatoshi．Multiob jrctive shape optimization of linearelastic structures considering

multipe loading conditions[J],material engineering,v39,n3.jul1996:407-414

[8] 王首航. 装载机工作装置运动特性[J]. 工程机械，1983，（12）： 31-37.

[9] 徐灏. 机械设计手册（1-5卷）[M] . 北京：机械工业出版社，1991.

[10]and real-time grasping force control for multi-fingered manipulation.　Proceedings of the IEEE Internationa1 Conference on　Robotics and Automation[M] . 1998， 631-638

[11]杨晋升. 铲土运输机械设计[J] .北京：机械工业出版社1981.

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[13]于骏一、邹青机械制造技术基础[M] . 北京：机械工业出版社，2004,1.

[14]曹智雄、洪志贤、赖育良. 《CATIA实作范例》[J] .北京：科学出版社，2001.

内容简介：: 题目名称挖掘装载机设计题目类别设计类题目性质结合实际专业机械电子工程参加本题目学生人数1论文类虚拟题目题目来源、教师准备情况、主要培养学生哪些能力1.本题目源于指导教师的命题。2.指导教师对此课题有理论基础也有实际设计的经验，在师生共同努力下能顺利、按期完成该课题设计。3.本课题主要培养学生对知识的运用能力、查找资料和阅读能力、英译汉的能力以及控制系统设计的能力。题目内容及要求内容：通过铲斗，动臂，连杆，托架及液压系统等工作装置实现铲掘和装卸物料。要求：完成工作装置的总体设计，铲斗、连杆、动臂、摇臂的结构设计及校核。实践环节安排实习吉林省吉通汽车零部件有限公司2周实验挖掘装载机仿真试验计算机应用计算机绘图42机时中、外文参考资料：1 孙静民. 机械优化设计M. 北京：机械工业出版社，1990.2 王国彪、杨力夫. 装载机工作装置优化设计M . 北京：机械工业出版社，1996.3 范祖尧、胡宗武. 现代机械设备设计手册M . 北京：机械工业出版社，1996.10.4 杨晋升. 装载机工作装置连杆机构设计J. 太原重型机械学院学报， 1982，（6）：18-23.5 杨力夫.轮式装载机八杆机构工作装置优化设计：硕士论文长春，1992.6 濮良贵、纪名刚. 机械设计M .北京：高等教育出版社，2006.5.7Shimoda,MasatoshiMultiob jrctive shape optimization of linearelastic structures consideringmultipe loading conditionsJ,material engineering,v39,n3.jul1996:407-4148 王首航. 装载机工作装置运动特性J. 工程机械，1983，（12）： 31-37.9 徐灏. 机械设计手册（1-5卷）M . 北京：机械工业出版社，1991.教研室主任审批签字李春梅分院院长审批签字刘薇娜注：题目类别和题目性质请用符号填在相应栏内编号本科生毕业论文挖掘装载机结构设计Backactor loader structure design学生姓名赵松松专业机械电子工程学号0852112指导教师陈玲学院机电工程分院二一二年六月毕业设计（论文）原创承诺书1本人承诺：所呈交的毕业设计（论文）挖掘装载机结构设计，是认真学习理解学校的长春理工大学本科毕业设计（论文）工作条例后，在教师的指导下，保质保量独立地完成了任务书中规定的内容，不弄虚作假，不抄袭别人的工作内容。2本人在毕业设计（论文）中引用他人的观点和研究成果，均在文中加以注释或以参考文献形式列出，对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体均已在文中注明。3在毕业设计（论文）中对侵犯任何方面知识产权的行为，由本人承担相应的法律责任。4本人完全了解学校关于保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交论文和相关材料的印刷本和电子版本；同意学校保留毕业设计（论文）的复印件和电子版本，允许被查阅和借阅；学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存毕业设计（论文），可以公布其中的全部或部分内容。以上承诺的法律结果将完全由本人承担！作者签名：赵松松 2012年6月2日毕业设计成绩评定手册论文题目挖掘装载机结构设计学生姓名赵松松专业机械电子工程班级学号0852112指导教师陈玲分院机电工程分院2012年6月毕业设计成绩评定表（指导教师用）姓名赵松松班级学号0852112专业机械电子工程题目挖掘装载机结构设计评价要素权重评分成绩选题0.10调查报告0.10创新性0.10基础理论与基本技能0.20撰写质量0.20可行性0.15学风与工作作风0.15指导教师评定成绩（合计）指导教师评语：指导教师签字：年月日毕业设计成绩评定表（评阅人用）姓名赵松松班级学号0852112专业机械电子工程题目挖掘装载机结构设计评价要素权重评分成绩选题0.15调查报告0.15创新性0.15基础理论与基本技能0.20撰写质量0.20可行性0.15评阅人评定成绩（合计）评阅人评语：评阅人签字：年月日毕业设计成绩评定表（答辩委员会用）姓名赵松松班级学号0852112专业机械电子工程题目挖掘装载机结构设计评价要素权重评分成绩选题0.15调查报告0.10创新性0.10基础理论与基本技能0.10撰写质量0.10可行性0.15答辩0.30答辩委员会评定成绩（合计）答辩委员会评语：答辩委员会主席签字：年月日答辩委员会记录答辩学生姓名：赵松松班级：08521答辩记录：答辩委员会主席签名：年月日本件在学生本人论文留存答辩委员会委员名单主席：委员：秘书：毕业设计综合成绩表姓名赵松松专业机械电子工程班级08521题目挖掘装载机结构设计指导教师评定成绩（X）评阅人评定成绩（Y）答辩委员会评定成绩（Z）0.3X+0.3Y+0.4Z等级填表人：教学副院长：本件投学生本人档案答辩委员会委员名单主席：委员：秘书：毕业设计综合成绩表姓名赵松松专业机械电子工程班级08521题目挖掘装载机结构设计指导教师评定成绩（X）评阅人评定成绩（Y）答辩委员会评定成绩（Z）0.3X+0.3Y+0.4Z等级填表人：教学副院长：长春理工大学光电信息学院学生毕业设计分院机电工程分院专业机械电子工程班级学生姓名指导教师设计（论文）起止日期2012.02.27-2012.06.10教研室主任题目名称（包括主要技术参数）及要求：挖掘装载机设计内容及要求：通过铲斗，动臂，连杆，托架及液压系统等工作装置实现铲掘和装卸物料。技术参数：最大行驶速度（3040KM/h）动臂提升时间（69s）动臂下降时间（36s）铲斗前倾时间（12s）最小离地距离（350mm）论文开题报告（设计方案论证）应包括以下几方面的内容：1、本课题研究的意义；2、调研（社会调查）情况总结；3、查阅文献资料情况（列出主要文献清单）；4、拟采取的研究路线；5、进度安排。1、本课题研究的目的和意义：挖掘装载机是一种用途较广的工程机械，广泛应用于铁路、公路、码头、矿山等工程建设，对于加快工程施工速度，减轻劳动强度都起到至关重要的作用。由于挖掘装载机经常工作在各种复杂的工况下，这就要求挖掘装载机具有良好的适应性和可靠性，尤其是工作装置的各种设计参数直接影响装载机的整机性能，因此对挖掘装载机的设计提出了严格的要求。因此，我们有必要研究它，挖掘装载机的设计能使我综合运用机械电子工程的基本理论，综合使用了再大学四年里所学的理论知识，并结合生产实践中学到的技能知识，独立的分析和解决问题，也是熟悉和运用有关手册，图标等技术资料及编写技术文件的一次实践机会，并且希望可以提高装载机作业效率，对挖掘装载机的发展起到一个推进的作用。2、国内外研究现状：一、国内技术现状目前我国挖掘装载机的生产企业有余家，主要是山工、烟工、辽宁朝阳、柳工、厦工、常林、北建、徐工等。目前该产品年产量大约在台左右。从我国小型、多功能挖装机械从无到有的发展历史看，我国挖掘装载机一直处于较为落后的状态，其发展速度缓慢。我国在上世纪年代初才开始自行开发设计，首先由北京建筑机械厂研制成功和型液压挖掘装载机，年烟台工程机械厂试制成功型挖掘装载机。之后福建建筑机械厂、一施、山东广饶液压机械厂先后研制出型、型、型挖掘装载机，到年柳州挖掘装载机厂、柳州工程机械股份有限公司分别研制出型和型挖掘装载机。山东工程机械厂年月成功研制出型挖掘装载机。、国内的挖掘装载机竞争企业与国内的发展趋势目前国内的挖掘装载机竞争企业分为：出口型：如四川公路机械厂生产的多功能工程机械以上都外销，而且销路一直很好，另外，桂林林业机械厂专门生产小型履带式挖掘装载机，产品绝大部分出口。国外进件、国内组装型：如上海的的系列产品。国外进口、国内代理型：如的；的；的等目前都有代理。国内生产企业：国内生产企业有余家，其产品为低档的挖掘装载机。价格为：万元以内。因此，挖掘装载机的国内的发展趋势是引进国外的先进技术，开发高质量、多功能、多品种、多规格的挖掘装载机系列产品，加强基础元件、部件的生产，尤其是提高挖掘装载机液压元件的质量，以达到在满足产品可靠性的前提下，降低挖掘装载机产品成本，并提高挖掘装载机产品的售后服务水平。、国内外差距与开发要求由于我国的挖掘装载机起步晚，不论在产品品种、性能参数以及使用可靠性、售后服务等方面，与国外相比均存在着相当大的差距。表现在：国产的挖掘装载机的主要是配套件可靠性不如国外。存在可靠性问题的有：柴油机、液压元件、液压系统清洁度、传动元件、电气系统及电器元件、紧固技术与密封技术、轮胎及作业装置等。挖掘装载机产品性能差、可靠性低。除了近年从国外引进的一些产品，国内的部分挖掘装载机产品的性能还处在国际世纪年代水平，早期故障率较高，还不能完全满足修筑公路的要求。挖掘装载机基础部件质量较差、配套件质量不过硬。目前，国产发动机及液压系统的缸、泵、阀等质量已成为制约挖掘装载机产品质量的“瓶颈”。挖掘装载机的品种少、成套性差、型号不全，部分产品没有形成系列。我国的挖掘装载机不论在品种上和机型方面都还存在着相当多的空白。现有的挖掘装载机产品缺少创新性和独有技术。我国挖掘装载机的研制开发工作缺乏创新性，没有自己独特的技术。在重视技术引进的时候，不太重视消化、吸收和关键技术的掌握与研究。因此，国内的挖掘装载机的开发应开发高质量、多功能、多品种、多规格的系列产品，并加强基础元件、部件的生产，尤其是提高液压元件的质量，以达到在满足产品可靠性的前提下，降低产品成本，并提高产品的售后服务水平。3、拟采取的研究路线收集资料，调研阅读有关资料撰写开题报告总体设计工作装置结构设计设计、计算、校核绘图设计说明书4、进度安排第一周：查阅资料，撰写开题报告第二周：调研，了解国内外现状，进行文献综述第三四周：了解挖掘装载机的设计要求及步骤，初步拟定总体设计方案第五七周：挖掘装载机铲斗、连杆、动臂、摇臂的结构设计第八十周：设计、计算、校核第十一十四周：计算机绘图第十五周：撰写设计说明书第十六周：整理所有资料，准备答辩长春理工大学光电信息学院本科毕业设计摘要摘要随着社会经济的高速发展，挖掘装载机是一种十分重要的工程机械，它广泛用于公路、铁路、建筑、水电、港口、矿山等建设工程。挖掘装载机俗称“两头忙” ，它实际上是由三台建筑设备组成的单一装置，它包含了一台拖拉机、一台挖掘机和一台装载机。本次毕业设计为一种新型机型，型号为 wz2011. 挖掘装载机所达到的装载量应当比别的装载机器所达到的铲装量稍微大一些。例如，如果一个机器可以一小时运载 300 吨物体，则挖掘装载机的装载能力应当稍大于 300 吨。当铲斗在制造时所需的装载量应当被精确计算出来。装载机根据摇臂-连杆数目及铰接位置的不同，可组成不同形式的连杆机构。不同形式的连杆机构铲斗的铲起力随铲斗转角的变化关系，倾斜时的角速度大小及工作装置的运动特性也不同。因此装载机工作装置形式的选择，既要考虑结构简单又要考虑结构性质与铲掘方式来确定。其装载铲斗的设计主要在于其铲斗机构的设计，斗容是铲斗设计的一个重要指标。当在一个硬的操作表面拖运松的颗粒材料时，对一个装载机来说，一个正常的基本循环周期大约为 0.44-0.55 分钟。这个过程包括装载、收斗、举升、翻斗、下降等过程。当在一个硬的操作表面拖运松的颗粒材料时，对一个装载机来说，0.44-0.55 分钟的基本循环周期是合情合理的。这个过程包括装载、收斗、举升、翻斗、下降等过程1。挖掘部分主要由动臂、斗杆和挖掘铲斗构成，驱动装置和装载机类似，都采用液压驱动。关键词：挖掘装载机关键词：挖掘装载机装载量装载量循环周期循环周期长春理工大学光电信息学院本科毕业设计 IABSTRACTWith the rapid development of economy, engineering is changing, of which machinery plays an irreplaceable role. Backhoe loader is a very important engineering machinery, it is widely used in highway, railway, construction, utilities, ports, mines and other constructionprojects. Backhoe Loader commonly known as two busy , it actuallyis composed of three single-unit construction equipment, which includes a tractor, an excavator and a loader. The graduation projectis designed to be community needs a new model, model wz2011. The production required of a wheel loader should be slightly greater than production capability of the other critical units in the earth or materical moving system.For example,if a hopper can handle 300 tons per hour,a loader capable of slightly more than 300 tons should be used.Required production should be carefully calculated so the proper machine and bucket selections are made. Loader rocker-connecting rod according to the number of different position and hinged, can make the different forms of link mechanism. Different forms of linkage mechanism of the bucket scooping up force with the change of the bucket corner relationship, tilt angular velocity and the size of the device the motion characteristics are different. So the choice of the form of loader working device, both must consider simple structure and to consider structure properties and shovel dug way to determine. The design of the loader bucket institutions lies mainly in its design, let a bucket design is one of important index. When in a hard surface of the operation of the transferring loose particles material, to a loader for, a normal basic cycle is about 0.44-0.55 minutes. This process including loading, the measures, lifting, durable, decline process.When hauling loose granular material on a hard smooth operating surface,a 0.45-0.55 minute basic cycle time is considered reasonable for caterpillar articulated loaders with a competent operator.This includes load,dump,four reversals of direction,full cycle of hydraulics and minimum travel. Mining part mainly by the arm, measures stem and mining a bucket, device drivers and loaders similar with hydraulic drive.Keywords: backhoe loaders；loading；cycle 长春理工大学光电信息学院本科毕业设计 II 目目录录绪论绪论.1第一章：挖掘装载机概述第一章：挖掘装载机概述1.1 国内外本课题现状及发展趋势.11.1.1 挖掘装载机的型式 .21.1.2 国内外基本情况： .21.2 挖掘装载机发展特点.2第第二二章：铲斗设计章：铲斗设计.42.1 铲斗结构形式的选择.42.2 装载铲斗基本参数的确定.42.3 斗容的计算.6第第三三章：装载机工作装置设计章：装载机工作装置设计.73.1 工作装置设计方案.73.2 装载机工作装置结构设.7第第四四章章装载装置的受力分析装载装置的受力分析.144.1 外载荷的确定.144.2 工作装置的受力分析.154.3 强度校核.20第第五五章章挖掘装置的设计挖掘装置的设计.225.1 铲斗总体方案的选择.225.2 斗型参数的选择.225.3 斗杆机构参数选择.235.4 铲斗机构参数选择.24第第六六章章 WZ2011WZ2011 装载机工作装置三维图装载机工作装置三维图 .276.1 工作装置三维图.27第七章第七章 PLCPLC 在机械手控制系统中的应用在机械手控制系统中的应用.30 7.1 plc 概况及应用.30 7.2 机械手动作过程.31 7.3 机械手操作方式.32 7.4 PLC 程序设计.34 7.5 搬运机械手的软件系统设计.39设计总结设计总结.48参考文献参考文献.49致谢致谢.50长春理工大学光电信息学院本科毕业设计第 0 页绪论绪论挖掘装载机是一种用途广泛的施工机械，广泛应用于建筑公路铁路水电港口矿山及国防工程中，对加快工程建设速度、减轻劳动强度、提高工程质量、降低工程成本都发挥着重要作用。因此近年来无论在国内还是国外装载机品种和产量都得到了迅猛发展，已成为工程机械的主导产品之一。在通用拖拉机前端加装载装置，后部加挖掘装置可改装变形成前装后挖拖拉机，亦称挖掘装载机，俗称“两头忙” 。挖掘装载机作为一种小型多功能工程和建筑机械，是挖掘、装载两用的工程机械。广泛应用于农田水利建设、工业和民用建筑、市政建设及电力建设等，主要用于建筑工程、农田水利的基槽、基坑、管沟等小型土方工程的开挖以及城市建设和工厂企业的装载作业，是一种适应性较强的现场施工机械。考虑到挖掘装载机一机两用，可基本代替一台挖掘机和一台装载机能实现的功能，更具有机动灵活性，不仅为国家和社会节约了能源，而且大大降低了成本，经济效益无疑的也能得到显著提高。我国在“九五”期间在工程机械行业投资 13 万亿元人民币，比“八五”完成投资大两倍，而且建筑业已逐步成为国民经济的支柱产业，这将刺激工程机械迈入新的经济增长期。今后十五年，国家将集中必要的力量，在水利、能源、交通、通信和重要原材料工业方面，建设一批大型工程。由于今后从事笨重施工体力劳动的人员日益减少，机械化施工程度逐年提高，以往靠人海战术及小型机械装备的施工方式，将逐步被采用大型较先进的中大型工程机械的施工方式所替代。工程机械产品在今后 5 年、10 年以至更长的时间，将具有更广阔的市场。挖掘装载机作为工程机械新型品种，市场开发具有很大潜力。通过本课题的研究，可以使其作业性能得到充分发挥，产品的成本大大降低，在国内外的市场竞争中处于有利地位，无疑经济效益将显著提高。长春理工大学光电信息学院本科毕业设计第 1 页第一章第一章挖掘装载机概述挖掘装载机概述1.1 国内外本课题现状及发展趋势国内外本课题现状及发展趋势作为装载机多种作业化品种之一，挖掘装载机在我国起步较晚，但发展较快，已有十余家企业生产这种装载机。尤其近年来，由于应用领域日渐扩大，挖掘装载机得到了不断发展。此产品在国外应用广泛，1990 年世界上挖掘装载机销售量达 48000-50000 台，可见挖掘装载机占有相当的市场份额。1.1. .1 挖掘装载机的型式挖掘装载机的型式根据 GB10186-88挖掘装载机术语，挖掘装载机（backhoe loader）的型式定义为：一种机体前部装有装载装置，机体后部装有反铲挖掘装置的自行式机械。作为反铲挖掘使用时，是通过铲斗向机械方向运动进行地平面以下的挖掘。铲斗在提升、回转和卸料，机体固定不动。作为装载机使用时，通过机体向前运动，装载斗进行装载或挖掘，并可提升、运料和卸料。1.1.2 国内外基本情况：国内外基本情况：美国生产挖掘装载机的公司主要有：凯斯（case）、约翰迪尔（Jhon Deere）、卡特彼勒（Caterpillar）、福特公司拖拉机分部（Ford tractor operation）等。综合四家公司的挖掘装载机，共有二十余种型号。（1）凯斯公司自称其 Burlington的工厂为“Bsckhoe Capital of the World” （世界挖掘装载机的首都），该厂 1995年获得 ISO9001 质量认证，其挖掘装载机产量一直雄居世界第一位，自 1957 年至今已生产挖掘装载机近 50 万台。先后推出了480E、580F、680k、680H、580D、580K、580L 等各种型号的挖掘装载机；又于 1999 年将其整个挖掘装载机系列产品进行了升级，提高了发动机能力，新的Super L 挖掘装载机采用新型动力换档变速器，有自动换档和自动四轮制动功能。（2）约翰迪尔公司 70 年代开始生产挖掘装载机，1982 年以后每年推出一种，目前共有 7 种型号。发动机功率 46-78KW，整机质量 5900-9900Kg。（3）卡特彼勒公司 1985 年推出了 416 型，采用了 CAD 技术，把用户的需要和建议进行修改设计。1986 年开发出 426 型，国内订货 2000 台。1987 年推出了 428 和436 型。1989 年又推出了 438 型。之后，又推出了 446 型。反铲斗容范围 0.07-0.48m3,装载额定提升能力 23.3-38.5kN,发动机功率 46-70.8KW，整机质量 6156-8781Kg；卡特彼勒新的 C 系列挖掘装载机加大了动臂液压缸直径和发动机功率，使举升能力比前任系列提高了 20%，挖掘和装载作业装置的负荷传感液压系统采用变量泵，提高了作业性能，所有的挖掘装载机都配备了 Ride Control 系统，提高了驾驶舒适性，Cat-416C 型还具有平行距升功能，通过快换接头，不需离开驾驶室，可在 30 秒内换装各种工作装置2。1.2 挖掘装载机发展特点挖掘装载机发展特点长春理工大学光电信息学院本科毕业设计第 2 页综合国内外挖掘装载机的发展情况，其在机构上有以下特点：（1）根据挖掘装载机的主要用途，综合考虑工作速度、作业要求、道路状况和配置不同附属装置时变形方便等因素，广泛采用轮胎式行走装置。 1)国外欧美大多数公司仍继续生产采用传统的农业拖拉机地盘的挖掘装载机，而近年来日本却发展专用工程机械地盘的挖掘装载机。采用拖拉机底盘需要增设专业用于联接工作装置的加强车架，使机器工作时产生的扭转载荷和弯曲载荷由车架承受，而不会传到传动装置。车轮由驱动轮和导向轮组成。国内由北京机械厂生产的 WZ-2C 型挖掘装载机，采用铁牛-55 型拖拉机地盘，以专用前桥更换原强度不足的前桥。2）如果在固定施工现场及松软道路状况上持久稳定作业，或需要经常使用较大的切屑力铲装坚实的物料工况时，则采用前置式发动机和液力机械传动装置的工业拖拉机底盘。约翰迪尔公司生产的 350、350B、350C 型装载机，都能在其后部安装反铲挖掘装置。（2）前、后桥用装载斗作业时，采用全轮驱动，在道路状况不好的条件下作业时，发挥了机器的最大牵引力。根据用户需要，驱动桥可以做成后轮或全轮驱动。并根据要求，可在前桥或后桥上装有防滑差速器，使整机具有牵引和自救能力高、轮胎磨损小等特点。卡特比勒公司 416 和 428 型挖装载机选用了德国蔡夫（ZF）公司的防滑差速器。沃尔沃公司 BW6300 型挖掘装载机在后桥上采用了自锁差速器，由于锁紧过程式自动完成的，可以省去一套差速锁的控制系统，适用于挖掘装载装置工作工况。（3）挖掘装置转载斗在举升过程中能自动调节的结构和在降落到停机面时自动复位机构。反铲装置的几何位置取决于动臂液压缸的长度 L1、斗杆液压缸的长度 L2和铲斗液压缸的长度 L3。显然 L1,L2,L3为某组确定值时反铲装置就相应处于一个确定的几何位置。长春理工大学光电信息学院本科毕业设计第 3 页第二章第二章铲斗设计铲斗设计2.1 铲斗结构形式的选择铲斗结构形式的选择铲斗是直接用来切削、收集、运输和卸出物料，装载机工作时的插入能力及铲掘能力是通过铲斗直接发挥出来的，铲斗的结构形状及尺寸直接影响装载机的作业效率和工作可靠性，所以减少切削阻力和提高作业效率是铲斗结构设计的主要要求。铲斗是在恶劣条件下工作，承受很大的冲击载荷和剧烈的磨削，所以要求铲斗具有足够的强度和刚度，同时要耐磨。根据装载物料的容量，铲斗做成三种类型：正常斗容的铲斗用来装载容量1.4-1.6 吨/米的物料（如砂、碎石、松散泥土等）；增加斗容的铲斗，斗容一般为正常斗容的 1.4-1.6 倍，用来铲掘容重 1.0 吨/米3左右的物料（如煤、煤渣等）；减少斗容的铲斗，斗容为正常斗容的 0.6-0.8，用来装载容重大于 2 吨/米3的物料（如铁矿石、岩石等）。用于土石工程的装载机，因作业对象较广，因此多采用正常斗容的通用铲斗，以适应铲装不同物料的需要3。铲斗切削刃的形状根据铲掘物料的种类不同而不同，一般分为直线型和非直线型两种。直线型切削刃简单并利用与地面刮平作业，但切削阻力较大。非直线型切削刃有 V 型和弧形等，装载机用的较多的是 V 型斗刃。这种切削刃由于中间突出，在插入料堆时，插入力可以集中作用在斗刃中间部分，易于插入料堆；同时对减少“偏载切入”有一定的效果。但铲斗的装载系数要小于直线型斗刃的铲斗。斗齿的形状对切削阻力有影响：对称齿型的切削阻力比不对称型的大；长而狭窄的齿比宽而短的齿的切削阻力要小。弧线型侧刃的插入阻力比直线型侧刃小，但弧线型侧刃容易从两侧泄露物料，不利于铲斗的装满，适于铲装岩石。对主要用于土石工程的装载机，在设计铲斗时，要考虑斗体内的流动性，减少物料在斗内的移动或滚动阻力，同时要利用在铲装粘性物料时有良好的倒空性。2.2 装载铲斗基本参数的确定装载铲斗基本参数的确定铲斗的主要参数是铲斗宽度和铲斗的回转半径。铲斗的宽度要大于装载机每边轮胎外侧宽度 5-10 厘米，否则铲装物料或分层铲取土时，所形成的阶梯地面不仅会损伤轮胎的侧面而且会引起轮胎的打滑影响牵引力的发挥。铲斗的回转半径 R0是指铲斗与动臂转角中心 B 与切削刃之间的距离长春理工大学光电信息学院本科毕业设计第 4 页由于铲斗的回转半径不仅影响铲起力和插入阻力的大小，而且与整机的总体参数有关。因此铲斗的其它参数依据它来决定。铲斗的回转半径 R0可按下式计算：式中 VK几何斗容量B0铲斗内侧宽度g铲斗斗底长度系数，通常 g=1.4-1.5；z后斗壁长度系数，通常 z=1.1-1.2；k挡板高度系数，通常 k=0.12-0.14；R斗底和后斗壁直线间的圆弧半径系数，通常 R=0.35-0.40；b1挡板与后斗壁间的夹角，通常 b1=5-10；b0斗底与后斗壁间的夹角，通常 b0=45-52，由计算可得： R0=1066-1178mm 选取 R0=1085mm斗底长度 Lg是指由铲斗切削刃到斗底与后斗壁交点的距离：Lg= g R0=(1.4-1.5) R0=1520mm 后斗壁长度 LZ是指由后斗壁上缘到与斗底相交点的距离： LZ=z R0=(1.1-1.2) R0=1194mm 挡板高度 LK: LK= k R0 =(0.12-0.14) R0=130mm图 2-1 铲斗设计图长春理工大学光电信息学院本科毕业设计第 5 页铲斗圆弧半径 R1: R1=R R0=(0.35-0.41) R0=380mm铲斗与动臂铰销距斗底的高度： hw=(0.20-0.25) R0=260mm铲斗侧壁切削刃相对于斗底的倾角 a=50-602.3 斗容的计算斗容的计算铲斗的斗容量可以根据铲斗的几何尺寸确定。a) 几何斗容（平装斗容）VK铲斗平装的几何斗容可按下式确定。对于有挡板的铲斗： VK=AB0-2/3h2b m3式中 A铲斗横截面面积；B0铲斗内壁宽；h挡板高度；b斗刃刃口与挡板最上部之间的距离。b) 额定斗容（堆装斗容）VH铲斗堆装的额定斗容 VH是指斗内堆装物料的四边坡度均为 1：2，此时额定斗容可按下式确定。对于装有挡板的铲斗： VH= VK+b2B0/8-b2(h+c)/6 m3式中 c=物料堆积高度由作图法确定，在铲斗内堆装物料的四边坡度均为 1：2，由料堆尖端 m 点作直线 mn 与 cd 垂直，将 mn 延长，与斗刃刃口和挡板最下端之间的连线相交，此交点与料堆尖端的距离，即为物料堆积高度 c.经计算：额定斗容 VH=1.6m3 长春理工大学光电信息学院本科毕业设计第 6 页第三章第三章装载机工作装置设计装载机工作装置设计3.1 工作装置设计方案工作装置设计方案装载机铲掘和装卸物料的作业是通过工作装置的运动实现的。装载机的工作装置是由铲斗、动臂、摇臂、连杆托架及液压系统等组成。铲斗用以铲装物料，动臂和动臂油缸的作用是提升铲斗并使之与车架相连；转斗油缸通过摇臂连杆或托架使铲斗转动。动臂的升降和铲斗的转动采用液压操纵。由动臂、动臂油缸、铲斗、转斗油缸、摇臂-连杆或托架及车架相互铰接所构成的连杆机构在装载及工作时要保证：当动臂处于某种位置不动时，在转斗油缸闭锁使动臂在动臂油缸作用下提升或下降铲斗过程中连杆机构应能使铲斗在提升时保持平移或斗底平面与地面的夹角变化控制在很小的范围内，以免装满物料的铲斗由于铲斗倾斜而使物料洒落；而在动臂下降时又自动将铲斗放平以减轻驾驶员的劳动强度，提高劳动效率。装载机根据摇臂-连杆数目及铰接位置的不同，可组成不同形式的连杆机构。不同形式的连杆机构铲斗的铲起力随铲斗转角的变化关系，倾斜时的角速度大小及工作装置的运动特性也不同。因此装载机工作装置形式的选择，既要考虑结构简单又要考虑结构性质与铲掘方式来确定。正转连杆机构的工作装置当机构运动时，铲斗与摇臂的转动方向相同，其运动特点是发出最大铲起力时的铲斗转角是负的，有利于地面的挖掘，铲斗倾斜时的角速度大易于抖落砂石，但冲击较大。反转连杆机构的工作装置，当机构运动时铲斗与摇臂的运动方向相反。其运动特点是发出最大铲起力时的铲斗转角是正的且铲起力变化曲线陡峭，因此提升铲斗时铲起力较大适于装载矿石，不利于地面挖掘；铲斗倾斜时角速度小，卸料平缓，但难于抖落砂石。易于实现铲斗自动放平。摇臂-连杆的传动比较小。3.2 装载机工作装置结构设装载机工作装置结构设根据装载机用途作业条件及技术经济指标等拟定的设计任务书的要求选定了工作装置的结构形式后便可进行工作装置的结构设计。工作装置的结构设计包括：a)确定动臂长度形状及与车架的铰接位置。长春理工大学光电信息学院本科毕业设计第 7 页b)确定动臂油缸的铰接位置及动臂油缸的行程。c)连杆机构的设计。工作装置的结构设计应满足以下要求：a)保证满足设计任务书中规定的使用性能及技术经济指标的要求，如最大卸载高度，最大卸载距离，在任何位置都能卸净物料并考虑可换工作装置等。b)保证作业时与其他构件无运动干涉。c)保证驾驶员有良好的劳动条件，如工作安全、视野开阔、操作简单等。目前在实际设计中，大多根据统计资料参考同类样机结构，采用比较法设计。3.2.1 确定动臂长度、形状与车架的铰接位置确定动臂长度、形状与车架的铰接位置1.动臂与车架的铰接点位置的确定：动臂与车架的铰接点位置，动臂与车架铰点的左右位置，根据装载机的轮距，动臂和转斗油缸的尺寸布置和视线等确定。动臂回转角通常取 80-90 度4。动臂铰点的位置可通过作图来确定动臂下铰点的最高位置 Bi、确定了最大卸载高度、最大卸载高度时的卸载距离及最高位置时的卸载角。图中 a,为斗底与铲斗回转半径的夹角，动臂下铰点当铲斗在地面铲掘时的位置 B1,在考虑斗底与地平面夹角为 3-5 度时及铲斗装满物料后倾不与轮胎相碰的情况下尽量靠近轮胎，以减小装载机的整机尺寸。动臂的上铰点应在 BiB1连线的垂直平分线上，当最大卸载高度和最小卸载距离一定时他的前后位置影响动臂的长度、动臂的回转角及动臂最大伸出时的稳定性，La 大，动臂增长，动臂回转角减小，倾翻力矩小，提高力装载机铲斗最大伸出时的稳定性，因此在总体布置允许的情况下希望 La 大些，动臂与车架铰点的高度通常取： Ha=(1.5-2.5)R0 式中 R0铲斗回转半径初步确定 Ha=2000mm 如图所示：当铲斗与动臂的下铰点 B 点的 X 坐标值越小，转斗铲取力就越大，所以 B 点靠近 O 点是有利的，但它受斗底和最小离地高度的限制，不能随意减小；而 B 点的 Y 坐标值增大时，铲斗在料堆中的铲取面积增大，装的物料多，但这就缩小了 B 点与连杆铲斗铰接点 C 的距离，使铲取力下降。综合考虑各种因素的影响，设计时，一般根据坐标图上工况 1 时的铲斗实际情况，在保证 B 点 Y 轴坐标值 Yc=200-250mm 和 X 轴坐标值 Xb 尽可能减小而且不与斗底干涉的前提下，人为的把 B 点初步确定下来。现在，有的轮胎式装载机为了提高铲取力，把 B 点布置在斗底圆弧里侧，长春理工大学光电信息学院本科毕业设计第 8 页不过这给制造者增加了麻烦，使斗容也有所减小。图 3-1 铲斗与动臂运动分析图2.动臂与机架的铰接点 A（1）以 B 点为圆心，使铲斗顺时针转动，至铲斗斗口 OO，与 X 轴平行为止，即工况 2。（2）把已选定的轮胎画在坐标图上。作图时，应使轮胎前沿与工况 2 时铲斗后壁的间隙尽量小些，目的使机构紧凑、前悬小，但一般不小于 50mm，轮胎中心 Z 的 Y 轴坐标值应等于轮胎的工作半径 RK:确定 YZ=RK=25.4dw/2+(H/bw)bw(1-)式中 YZZ 点的 Y 坐标值； dw轮胎直径；bw轮胎宽度；H/bw轮胎断面高度与宽度之比。普通轮胎取 1，宽免轮胎取 0.83，超宽轮胎取 0.64；轮胎变形系数，普通轮胎取 0.1-0.16，宽面轮胎为 0.05-0.1。（3）根据给定的最大卸载高度、最小卸载距离和卸载角，画出铲斗在最高位置卸载时的位置图，即工况 4，并令此时斗尖为 O4,B 点位置为B4，如图 3-1 所示。（4）以 B4 点为圆心，顺时针旋转铲斗，使铲斗口与 X 轴平行，即铲斗被长春理工大学光电信息学院本科毕业设计第 9 页举到最高位置图（工况 3）（5）连接 B、B4 并作其垂直平分线。因为 B 和 B4 点同在以 A 点为圆心，动臂 AB 长为半径的圆弧上，所以 A 点必在 BB4 的垂直平分线上。A 点应在垂直平分线上何处才合适呢？原则是其位置尽可能低一些以提高整机工作的稳定性，减小及其强度，改善司机视野。一般，A 点取在前轮右上方，与前轴心水平距离为轴距的 1/3-1/2 处。本机取 A 点与前轮轴心距离为 700mm。A 点位置的变化，可借挪动 B4 点和轮胎中心 Z 点的位置来进行。c) 确定动臂与摇臂的铰接点 JJ 点位置是一个十分关键的参数。它对连杆机构的传动比、倍力系数、连杆机构的布置以及转斗油缸的长度等都有很大影响。如图 3-1 所示，根据分析和经验，一般取 J 点在 AB 连线上方，过 A 点的水平线下方。相对前轮胎，J 点在其外廓的左上部。综合考虑实际情况及工作经验可确定动臂长度为 2743mm。d) 动臂的形状与结构：动臂的形状一般可分为直线型和曲线型两种，直线型动臂结构简单，制造容易，并且受力情况良好，通常正转连杆工作装置较多采用；曲线型动臂，一般反转式连杆工作装置采用较多，这种结构形式的动臂可使工作装置的布置更为合理4。3.2.2 连杆机构设计连杆机构设计在连杆机构的设计中，较多采用的是根据统计数据，参考同类型装载机，用图解法确定连杆机构的尺寸及铰接位置。1)上拉杆的确定根据经验和分析，上拉杆的长、短臂夹角一般为 5-10 度，长度比为 1.5 左右。长臂的长度为支杆与动臂的铰接点到铲斗与动臂的铰接点之长的 1.1-1.3 倍。综合考虑可取长短臂夹角为 7 度。长臂长度为 526mm，短臂长度为486mm。2)下拉杆的确定根据经验和分析，下拉杆的长度为动臂的 1/6-1/7。可取下拉杆为 352mm。3)支杆的确定根据经验和分析，支杆与动臂的铰接点位于 B 点的左上方，AB 连线之下，BE 连线与 AB 的夹角为 1-2 度。BE 的长度为动臂长度的 1/6-1/7。可取支杆长度为 696mm。4)摇臂的确定如图 3-1KJ 与 JI 夹角（即摇杆折角）可取KJI=130-180 度，摇臂长短臂长春理工大学光电信息学院本科毕业设计第 10 页之比为 1.5 左右。其长度为动臂的 1/5-1/6。I 点不可与前桥相碰，并应有足够的离地高度。可取摇臂的长臂长度为 540mm,短臂的长度为 311mm。3.2.3 确定确定 K 点及点及 L 点点K 和 L 点的布置直接影响到铲斗举升平动和自动放平性能，对铲取力和动臂举升阻力矩的影响较大。，1) 确定 K 点K 点一般取在 J 点左上方，并注意使工况 1 时摇臂 JI 与水平面趋近垂直；K 点的高度不能影响司机视野。2) 确定 L 点下拉杆与机架的铰接点 L，是依据铲斗由工况 2 举升到工况 3 过程为平动和由工况 4 下降到工况 1 时能自动放平这两大要求来确定的。如图 3-1 所示，但铰接点 D、E、F、K、J、I 被确定后，则摇臂分别在工况 1、2、3、4 时的 I点位置 I1、I2、I3、I4也就唯一被确定下来。将 I1L1、I2L2、I3L3、I4L4分别绕I1、I2、I3、I4旋转，它们的交点就是下拉杆与机架的铰接点 L。实践证明，按上述要求所求得的 L 点，往往很难一次就满足了总体布置的要求，它或者远高于 A 点，或者远低于 A 点。所以，需经过多次试凑方能奏效。通常可先变动 JK 的长度或KJL 的大小来进行试凑，若不行，在变动其他杆件长度，这样做可大大减小试凑的工作量。研究证明，L 点设计在 A 点的右下方比较好，这样不但平动性能好，而且动臂举升时，可减小举升阻力矩，有利于举升油缸的设计。3.2.4 举升油缸与动臂和机架的铰接点举升油缸与动臂和机架的铰接点 G 和和 H 举升油缸的布置应本着举升时工作力矩大、油缸稳定性好、构件互不干扰、整机稳定性好等原则来确定。综合考虑这些因素，一般举升油缸都布置在前后车架的铰接点之间的狭窄空间里。如图 3-1 所示，一般 G 点选定在 AB 连线附近或上方，并取 AGAB/3。AH 不可能取得太大，他还受到油缸行程的限制5。 H 点往前桥方向靠是比较有利的。这样做，可使举升油缸在动臂整个举升过程中，举升工作力臂大小的变化较小，即工作力臂变化不大，避免铲斗举升到最高位置时的举升力不足，因为此时工作力臂往往较小或最小。为克服 H 点前移的困难，可采取 H 点上移和 G 点方向前移的方法，使举升油缸几乎成水平状。计算证明，这样布置也能得到较好的举升特性。美国卡特比勒公司的 966D 轮胎式装载机就是这种设计13。经过上述各种作图，整个工作机构连杆系统的尺寸参数即设计完毕，但最后还必须进一步检验一下铲斗举升平动的质量，因为上述方法只保证铲斗在工况2 和工况 3 的转角相等，而工况 2 至工况 3 之间个瞬时位置的转角就不一定和长春理工大学光电信息学院本科毕业设计第 11 页工况 2 都一样了，为此，可在 2 和 3 工况之间任选 1-2 各位置，画出已定的机构简图，然后检验铲斗的转角，如果相对工况 2 的铲斗转角小于或等于 10 度，则设计合理，否则，修改有关尺寸，重复前述各布，直到满意为止。实践证明，只要保证 2、3 工况为平动，则其间各位置铲斗转角变化不会超过10。通过上述步骤，确定出工作装置上各铰点的坐标，如图 4-1：A(0,2000) B(2120,260)C(2350,825)D(1940,1200)E(1760,540)F(1740,2040)G(1004,1020)H(0,1435)I(300,1489)J(324,1760)K(132,2270)L(21,1705) 3.2.5 铲斗举升平动分析及最大卸载高度、最小卸载距离的确定铲斗举升平动分析及最大卸载高度、最小卸载距离的确定1.铲斗平动分析若铲斗要实现举升近似平动的要求，则应有下列不等式成立： |i-2|10式中：2工况 2 时铲斗对地位置角。动臂由工况 2 举升到工况 3 位置时，其转角 i由 2变到 3.取 2=0，3在设计时，一般在 65-85 之间选取。长春理工大学光电信息学院本科毕业设计第 12 页图 3-2 铲斗平动分析图根据平动要求作出铲斗在各个工况时的位置图，图 3-2 只作出由工况 2 至工况 3 中任一瞬间位置图。由作图可知，铲斗可以实现举升平动的要求。2.最大卸载高度和最小卸载距离铲斗高位卸载时的卸载高度 hx和卸载距离 lx，必须分别不小于设计任务给定的最大卸载高度 hmax和最小卸载距离 lmin,否则将影响卸载效率，甚至不能影响高位卸载。hx太大时，将增加卸载冲击，损坏运输车辆；lx过大，虽然有利于装车，但加大了工作机构前悬，降低了整机稳定性6。如图 3-1 所示，高位卸载时，铲斗与动臂铰接点 B,的坐标为：X,B=XB+BB,.cosBA+(180-s)/2Y,B=YB+BB,.sinBA+(180-s)/2式中：XB和 YB工况 2 时 B 点的坐标值；BA工况 2 时动臂 AB 对 X 轴的方向角BB,=2BA.sin(s/2) =2x2743.sin(83/2) =3635mm由图 3-1 可得，XB=1125mm，YB=260mm, BA=39，s=83代入上式可得：X,B=1125+3635.cos39+(180-83)/2=1284mmY,B=260+3635.sin39+(180-83)/2=3892mm长春理工大学光电信息学院本科毕业设计第 13 页若要满足 hmax和 lmin要求，必须有下列要求成立： hx= Y,B-OBsin4hmax lx=xqz-RL- X,B+OG.cos4lmin式中：OB铲斗尖 O 至 B 点距离； xqz前轮轴心的 X 轴坐标值； RL轮胎充气半径； 4工况 4 时 OB 对 X 轴的方向角，它可用下式计算： 4=+arctan(YB/XB)-(3-5)=45+arctan(260/1284)- (3-5)=52 hx=3892-1085.sin52 =3037mmlmin=1050mm lx=2545-700-1125+543.5cos52 =1055mmlmin=1050mm通过计算可知，所设计的连杆机构符合给定的最大卸载高度 hmax和最小卸载距离 lmin.第四章第四章装载装置的受力分析装载装置的受力分析4.1 外载荷的确定外载荷的确定由于物料种类和作业条件的不同，装载机实际作业时不可能使铲斗切削刃均匀受载，但可简化为两种极端情况：（1）认为载荷沿切削刃均匀分布，并以作用在铲斗切削刃中部的集中载荷来代替其均匀载荷，称为对称受载情况；（2）由于铲斗偏铲、料堆密实处程度不均，使载荷偏于铲斗一侧，形成偏载情况时，通常是将其简化后的集中载荷加在铲斗侧边第一斗齿上7。装载机的铲掘过程通常可分为如下三种受力情况：（1）铲斗水平插入料堆，工作装置油缸闭锁，此时认为铲斗切削刃只受到水平力的作用。（2）铲斗水平插入料堆后，翻转铲斗（靠转斗油缸）或提升动臂（靠动臂油缸工作）铲掘时，此时认为铲斗切削刃只受到垂直力的作用。（3）铲斗边插入边转斗或边插入便提臂铲掘时，此时认为水平力与垂直力同时作用在切削刃上。综合上述分析，可以得到如下几种工作装置的典型工况：长春理工大学光电信息学院本科毕业设计第 14 页a) 对称水平力的作用工况水平力（即插入阻力 Pc）的大小由装载机的牵引力决定，其水平力的最大值为：Rx=PKpmax=Pc=6t (1)式中：PKpmax装载机空载时的最大牵引力；1. Pc插入力。b) 对称垂直力的作用情况垂直力（即铲起阻力）的大小受装载机纵向稳定条件的限制，其最大值为：RY=额定载重量 x2=5.6t (2)c) 对称水平力与垂直力同时作用情况：此时垂直力由式（2）给出，水平力取发动机扣除工作油泵功率后，装载机所能发挥的牵引力 PKp.d) 受水平偏载的作用情况：水平力大小与工况（1）相同。e) 受垂直偏载的作用情况：水平力与垂直力大小与工况（3）相同。如图（4-1）装载铲斗结构简图。 4.2 工作装置的受力分析工作装置的受力分析在确定了计算位置及外载荷的大小后，便可进行工作装置的受力分析。由于工作装置是一个受力较复杂的空间超静定系统，为简化计算，通常要做如下假设：（1）在对称受载工况，由于工作装置是一个对称结构，故两动臂受的载荷相等。同时略去铲斗及支撑横梁对动臂受力与变形的影响，则可取工作装置就结构的图 4-1 装载铲斗结构简图长春理工大学光电信息学院本科毕业设计第 15 页一侧进行受力分析，如图 4-2 所示，其上作用的载荷取相应工况外载荷之半进行计算，即：Rax=1/2Rx,RaY=1/2RY(2)认为动臂轴线与连杆摇臂轴线处于同一平面，则所有的作用力都通过构件（除铲斗外）断面的弯曲中心，即略去了由于安装铰座而产生的附加的扭转，从而可以用轴线、折线或曲线来代替实际构件通过上面的分析与假设，就能将工作装置这样一个空间超静定结构，简化为平面问题进行受力分析。工作装置的受力分析，就是根据上述各种工况下作用在铲斗的外力，用解析法或图解法求出对应工况下工作量装置个构件的内力。如图 4-3 所示，取铲斗为脱离体，根据平衡原理，分析铲斗的受力：根据求得的各交点的坐标，可得： h1=260mm h2=565mm 11=1125mm 12=230mm图 4-2 工作装置受力分析图长春理工大学光电信息学院本科毕业设计第 16 页 1=45 图 4-3 铲斗受力分析图由MB=0,可得：Xch2-Ycl2+RaXh1+RaYl1=0 (1) 图 4-4 上拉杆受力分析图如图 4-4，取上拉杆为脱离体，根据平衡原理，分析上拉杆受力8。根据求得的各交点的坐标，可得：1=452=276=157=25CD=526DF=486由MD=0，可得：X,cCDsin1+Y,c CDcos1+PFDF sin7=0 (2)由X=0，可得长春理工大学光电信息学院本科毕业设计第 17 页-X,c+PDsin7+PFcos2=0 (3)由Y=0，可得:-Y,c+ PDcos7- PFsin2=0 (4)将式子（1）、（2）、（3）、（4）联立，代入已知参数，求解可得： Xc=-3.85t Yc=7.6t Pd=-5.25t Pf=6.78t由X=0，可得： XB-RaX+Xc=0 XB=RaX- Xc=3+3.85=6.85t由Y=0，可得: -YB+YC-RaY=0 YB=Yc-RaY=7.6-2.8=4.8t 图 4-5 支杆受力分析图图 4-6 摇臂受力分析图如图 4-5，取支杆为脱离体，根据平衡原理，分析支杆受力，可得： PD=P,D=PE PE=-5.25t如图 4-6，取摇臂为脱离体，根据平衡原理，分析摇臂受力。根据求得的各铰点的坐标，可得：长春理工大学光电信息学院本科毕业设计第 18 页 3=43 4=54 IJ=311 JK=540 Pk=PF=6.78t由MJ=0，可得： PkJKsin3-PIIJsin4=0代入已知量，得 PI=9.9t由X=0，可得： -XJ+PI sin4+PKcos(90-24-3)=0代入已知量，得 XJ=14.25t由Y=0，可得: YJ-PKsin(90-24-3)- PI cos4=0代入已知量，得 YJ=-3.16t 图 4-7 动臂受力分析图如图 4-7，取动臂为脱离体，根据平衡原理，分析动臂受力。根据求得的各铰点的坐标，可得：长春理工大学光电信息学院本科毕业设计第 19 页 5=23 h3=2000 l3=2120 h4=216 l4=318 l5=2743 l6=519对 A 点取矩，得：X,Bh3-Y,Bl3+P,El5-PGl6-X,Jh4+Y,Jl4=0代入已知量，得 PG=-28.8t此外，根据前面的计算可知： P,E=PE=-5.25t X,B=XB=6.85t Y,B=YB=4.8t X,J=XJ=14.25t Y,J=YJ=-3.16t由X=0，可得：-XA+X,J-P,Esin6-X,B+PGcos5=0代入已知量，得 XA=-17.49t由Y=0，可得:YA+Y,B-P,Ecos6-Y,J-PGsin5=0代入已知量，得 YA=-24.2t 根据力平衡原理，可知 L、H 两铰接点所受的力分别为 I、G 两点所受的力大小相等、方向相反9。4.3 强度校核强度校核根据计算工况及其受力分析，即可按强度理论对工作装置主要构件进行强度校核。根据求得的各铰点的坐标，可得： L1=1116mm L2=1008mm L3=1044mm L4=150mm L5=168mm长春理工大学光电信息学院本科毕业设计第 20 页图 4-8 动臂受力分析图动臂可看成是支撑在前车架 A 点和动臂油缸上铰点 G 点的双支点悬臂梁，其危险断面在 G 点附近，动臂宽为 b=30mm,如图 4-8，动臂上 M 点所在的横截面m-m 为 H 点附近横截面最小的截面 m-m 长为 h=330mm，为危险界面。在此截面上作用有弯曲应力和正应力： =M/W+N/F式中 M计算断面上的弯矩；N计算断面上的轴向力；W计算断面上的抗弯断面系数；F计算断面的横截面积。对于 M 点的 m-m 断面： M=X,BL2-Y,BL1+P,El3-PGcos23L5+PGsin23L4=11.67KN.m W=bh2/6=5.4x10-4m3 N=X,Bcos38.6+Y,Bsin38.6-PGcos(38.6-23)-P,Ecos69=175N F=330x30=9.9x10-3m2强度计算中所用的许用应力可按下式计算：= s/n式中：s材料的屈服极限。国内装载机工作装置的动臂长选用 16Mn 钢10，其 s=3600 公斤/厘米2n安全系数，设计手册规定 n=1.1-1.5，由于工程机械工作繁重，条长春理工大学光电信息学院本科毕业设计第 21 页件恶劣，并考虑到计算上的误差，通常 n1.5 =M/W+N/F=216.3Mpa352.8MPa=第五章第五章挖掘装置的设计挖掘装置的设计 5.1 铲斗总体方案的选择铲斗总体方案的选择铲斗与铲斗液压缸的连接有三种形式，如图 5-1 所示，其区别主要在于液压缸活塞杆端部与铲斗的连接方式不同。图 a 为直接连接，铲斗，斗杆与液压缸组成四连杆机构。图 b 中铲斗液压缸通过摇杆 1 和连杆 2 与铲斗相连，它们与斗杆一起组成六连杆机构。图 d 与图 b 类似，区别在于前者液压缸活塞杆端铰接于摇杆两端之间，图 c 的机构传动比与 b 差不多，但铲斗摆角位置向顺时针方向转动了一个角度。图 5-1 挖掘铲斗与铲斗液压缸的连接形式六连杆方式与四连杆方式相比在同样的液压缸行程下能得到较大的铲斗转角，改善了机构的传动特性。六连杆中方式 b 和 d 在液压缸行程相同时，后者长春理工大学光电信息学院本科毕业设计第 22 页能得到更大的铲斗转角。但其铲斗挖掘力的平均值较小。铲斗液压缸一般用一个，因传动比小，单液压缸作用力足以保证斗齿所所需的挖掘力11。5.2 斗型参数的选择斗型参数的选择斗容量 q，平均斗宽 B，转斗挖掘半径 R 和转斗挖掘装满转角 2（令2=max）是铲斗的四个主要参数。R,B 及 2 三者与 q 之间有以下几何关系Q=（5-1） KsBR)2sin2(212式中 q 标准斗容量即堆尖斗容，32 . 0 mq ； B平均斗宽，选取R=750mm； R转斗挖掘半径；K土壤松散系数，取 1.25；2挖掘装满角，全面考虑有关因素，可以取 2=90o100o，取2=96o。将以上各值代入式(51)，计算得 R=790mm800mm。铲斗上两个铰点 K 和 Q 的间距 L24太大将影响铲斗机构的传动特性，太小则影响铲斗结构刚度，一般取特性参数0.38。取3 . 03242QVKQLLKk2=0.375。则 KQ=0.375QV=0.375800=3005.3 斗杆机构参数选择斗杆机构参数选择确定斗杆液压缸的铰点位置，行程及力臂比时应考虑以下因素：A.保证斗杆液压缸产生足够的斗齿挖掘力。一般来说希望液压缸在全行程中产生的斗齿挖掘力始终大于正常挖掘阻力；液压缸全伸时的作用力矩应足以支承满载斗和斗杆静止不动；液压缸作用力臂最大时产生的最大斗齿挖掘力应大于要求克服的最大挖掘阻力12。B.保证斗杆液压缸有必要的闭锁能力。对于以转斗挖掘为主的中小型反铲，选择斗杆机构参数时必须注意转斗挖掘时斗杆液压缸的闭锁能力，要求在主要挖掘区内转斗液压缸的挖掘力能得到充分的发挥。C.保证斗杆的摆角范围。斗杆摆角范围大致在 105125之间。在满足工作范围和运输要求的前提下此值应尽可能取的小些。一般说斗杆愈长，其摆角范围也可稍小。当斗杆液压缸和转斗液压缸同时伸出最长时，铲斗前臂与动臂之间的距离应大于 10cm。长春理工大学光电信息学院本科毕业设计第 23 页斗杆上的大小取决于结构因素，并考虑到工作范围一般在EFQ130170之间。本设计取45EFQ参考国内同类机型机器斗杆挖掘力值，按要求的最大挖掘力确KNPG40max定斗杆液压缸的最大作用力臂 L9。初选斗杆液压缸缸筒内径为 140mm，杆径为80mm，伸缩比。可查得，液压缸的推力为 215.46KN，拉力为67. 12145.04KN。则mmle5 .48446.2158001810409max2斗杆的摆角在125105之间，取110max2斗杆液压缸初始力臂20e与最大力臂max2e之比是斗杆摆角max2的余弦函数。设，则z220ee可见 L9已定时愈大，和就愈小。如图 4-2 所示，平均挖掘力也就越max220ez2e小11。图 5-2 斗杆机构参数计算简图由图 5-2，取，求得z220ee长春理工大学光电信息学院本科毕业设计第 24 页=1185mm，则1978.5mm12sinl 22max29min2Lmax2L 将所得结果代入上式得 l8=1606挖掘机在最大卸载高度处，斗杆液压缸全缩,此时 2517014025360360CFQEFQEFDDFC5.4 铲斗机构参数选择铲斗机构参数选择作机构参数选择时，已知待选的参数还有 7 个（见图 5-3）即l10=FG，l15=GN，l13=MN，l12=MK，l24=NQ，以及 L3max，L3min等。图 5-3 铲斗机构参数选择如前所述，铲斗在挖掘过程中的转角大致为 90100，为了要满足开挖和最后卸载及运输状态的要求，铲斗的总转角往往要达到 150180，本设计初选。160max3如图 5-4 所示，设时斗齿尖为 V0，则 V0肯能在 FQ 延长线上，或者在3min3ll 其上侧的 030处，本设计初选 V0在其上侧 15处，此时为仰角。10QVV长春理工大学光电信息学院本科毕业设计第 25 页图 5-4 铲斗机构参数选择要求铲斗液压缸伸缩比应当在允许的范围内，对铲斗机构可取。65. 145. 13本设计初选。46. 13由图得，MM1 =S=517mm，即转斗液压缸的行程。则S=0.46=517mmmin33min3min3max3l1lll）（mm1635lmm1120lmax3min3，则可测的，GF=567mm60GFQ由结构确定 G 点位置，必须保证铲斗六连杆机构在 l3全行程中任一瞬时都不会被破坏，即保证在任何瞬时都成立。l3全行程中机构都不应出现GNMGFN，死点，且传动角应在允许的范围内。在任何瞬间各构件之间都不应有干涉，碰撞现象12。MNGNMNGN3l 符合要求长春理工大学光电信息学院本科毕业设计第 26 页第六章第六章 WZ2011WZ2011 装载机工作装置三维图装载机工作装置三维图6.1 工作装置三维图工作装置三维图 CATIA 是法国 Dassault System 公司的 CAD/CAE/CAM 一体化软件，居世界CAD/CAE/CAM 领域的领导地位，并由 IBM 公司负责销售。它广泛应用于航空航天、汽车制造、造船、机械制造、电子电器、消费品行业，它的集成解决方案覆盖所有的产品设计与制造领域，迎合所有工业领域的大、中、小型企业需要。包括:从大型的波音 747 飞机、火箭发动机到化妆品的包装盒，几乎涵盖了所有的制造业产品。在世界上有超过 13,000 的用户选择了 CATIA。CATIA 源于航空航天业，但其强大的功能以得到各行业的认可，在欧洲汽车业，已成为事实上的标准。CATIA 的著名用户包括波音、克莱斯勒、宝马、奔驰等一大批知名企业。其用户群体在世界制造业中具有举足轻重的地位。波音飞机公司使用 CATIA 完成了整个波音 777 的电子装配，创造了业界的一个奇迹，从而也确定了 CATIA 在 CAD/CAE/CAM 行业内的领先地位14。此装载机工作装置是采用八连杆机构，是 WZ2011 型“两头忙”挖掘装载机的一部分。由于采用多功用结构，所以按常规设计方法设计成本高、周期长、长春理工大学光电信息学院本科毕业设计第 27 页设计困难、用户不愿用有限的资金去承担试制新产品的风险，所以虽然有市场，但一直发展迟缓，而 CATIA 软件恰好能满足上述要求。根据装载机的部件划分，我们将工作装置分成铲斗、斗齿、动臂、摇臂、上下拉杆、支杆、铲斗油缸和举升油缸等几部分。如图：图 6-1 工作装置三维观察图不同位置的工作装置观察图：图 6-2 工作装置三维观察图长春理工大学光电信息学院本科毕业设计第 28 页图 6-3 工作装置三维观察图组成装置的各个零件：长春理工大学光电信息学院本科毕业设计第 29 页图 6-4 工作装置分解三位观察图第七章第七章 PLCPLC 在机械手控制系统中的应用在机械手控制系统中的应用 7.1 plc 概况及应用概况及应用1.可编程序控制器（programmable controller），现在一般简称为PLC（programmable logic controller），它是以微处理器为基础，综合了计算机技术、半导体集成技术、自动控制技术、数字技术、通信网络技发展起来的长春理工大学光电信息学院本科毕业设计第 30 页一种通用的工业自动控制装置。以其显著的优点在冶金、化工、交通、电力等领域获得了广泛的应用，成为了现代工业控制三大支柱之一。在可编程序控制器问世以前，工业控制领域中是继电器控制占主导地位。传统的继电器控制具有结构简单、易于掌握、价格便宜等优点，在工业生产中应用甚广。但是控制装置体积大、动作速度较慢、耗电较多、功能少，特别是由于它靠硬件连线构成系统，接线繁杂，当生产工艺或控制对象改变时，原有的接线刻控制盘（柜）就必须随之改变或更换，通用性和灵活性较差。2.PLC 的应用概况 PLC 的应用| | 领域非常广，并在迅速扩大，对于而今的 PLC 几乎可以说凡是需要控制系统存在的地方就需要PLC，尤其近几年来 PLC 的性价比不断提高已被广泛应用在冶金、机械、石油、化工、轻功、电力等各行业。按 PLC 的控制类型，其应用大致可分为以下几个方面。1）. 用于逻辑控制这是 PLC 最基本，也是最广泛的应用方面。用 PLC 取代继电器控制和顺序控制器控制。例如机床的电气控制、包装机械的控制、自动电梯控制等。2）. 用于模拟量控制 PLC 通过模拟量 I/O 模块，可实现模拟量和数字量之间转换，并对模拟量控制。3）. 用于机械加工中的数字控制现代 PLC 具有很强的数据处理功能，它可以与机械加工中的数字控制（NC）及计算机控制（CNC）紧密结合，实现数字控制。4）. 用于工业机器人控制5）. 用于多层分布式控制系统长春理工大学光电信息学院本科毕业设计第 31 页高功能的 PLC 具有较强的通信联通能力，可实现 PLC 与 PLC 之间、PLC 与远程 I/O 之间、PLC 与上位机之间的通信。从而形成多层分布式控制系统或工厂自动化网络。3. PLC 的特点1）. 可靠性高、抗干扰能力强 PLC 能在恶劣的环境如电磁干扰、电源电压波动、机械振动、温度变化等中可靠地工作，PLC 的平均无故障间隔时间高，日本三菱公司的 F1 系列 PLC 平均无故障时间间隔长达 30 万 h，这是一般微机所不能比拟的。2）. 控制系统构成简单、通用性强由于 PLC 是采用软件编程来实现控制功能，对同一控制对象，当控制要求改变需改变控制系统的功能时，不必改变 PLC 的硬件设备，只需相应改变软件程序。3）. 编程简单、使用、维护方便4）. 组合方便、功能强、应用范围广 PLC 既可用于开关量的控制又可用于模拟量的控制；既可用单片机控制，又可用于组成多级控制系统；既可控制简单系统，又可控制复杂系统。因此，PLC 应用范围很广。5）. 体积小、重量轻、功耗低 PLC 采用了半导体集成电路，外形尺寸很小，重量轻，同时功耗也很低，空载功耗约 1.2KW7.2 机械手动作过程机械手动作过程机械手的动作过程如图 7-1 所示。从原点开始按下启动按钮时，下降电磁阀通电，机械手开始下降。下降到底时，碰到下限位开关，下降电磁阀断电，下降停止；同时接通夹紧电磁阀，机械手夹紧，夹紧后，上升电磁阀开始通电，机械手上升；上升到顶时，碰到上限位开关，上升电磁阀断电，上升停止；同时接通右移电磁阀，机械手右移，右移到位时，碰到右移极限位开关，右移电磁阀断电，右移停止。此时，右工作台上无工作，则光电开关接通，下降电磁长春理工大学光电信息学院本科毕业设计第 32 页阀接通，机械手下降。下降到底时碰到下限位开关下降电磁阀断电，下降停止；同时夹紧电磁阀断电，机械手放松，放松后，上升电磁阀通电，机械手上升，上升到极限时碰到极限位开关，上升电磁阀断电，上升停止；同时接通左移电磁阀，机械手左移；左移到原点时，碰到左极限开关，左移电磁阀断电，左移停止。至此，机械手经过八步动作完成一个循环。图 7-1 机械手动作过程7.3 机械手操作方式机械手操作方式机械手的操作方式分为手动操作方式和自动操作方式。自动操作方式又分为单步、单周期和连续操作方式。手动操作：就是用按钮操作，对机械手的每一种运动单独进行控制。例如：当选择上下运动时，按下启动按钮，机械上升；按下停止按钮，机械手下降。当选择左右运动时，按下启动按钮，机械手左移；按下停止按钮，机械手右移。当选择夹紧放松运动时，按下启动按钮，机械手夹紧；按下停止按钮，机械手放松。单步操作：每按一下启动按钮，机械手完成一步动作后自动停止。单周期操作：机械手从原点开始，按下启动按钮，机械手自动完成一个周期的动作后停止。在工作中若按一下停止按钮，则机械手动作停止。重新启动时需用手动操作方式将机械手移回到原点，然后按一下启动按钮，机械手又开始重新单周期操作。连续操作：机械手从原点开始，按一下启动按钮，机械手将自动地、连续地周期性循环。在工作中若按一下停止按钮，则机械手停止工作。重新启动时，长春理工大学光电信息学院本科毕业设计第 33 页必须用手动操作将机械手移回到原点，然后按下启动按钮，机械手又开始重新连续工作。在工作中若按下复位按钮，则机械手将继续完成一个周期的动作后，回到原点自动停止。 2 用户所需输入输出设备的确定 7.3.1 输入设备输入设备用于产生输入控制信号用于产生输入控制信号本设计中输入设备应包括以下几种：操作方式转换开关，该开关应有手动、单步、单周期、连续等四个位置可供选择。手动时的运动选择开关。该开关应有上下、左右、夹紧放松三个位置可供选择。启动、停止及复位按钮。开关及按钮在操作屏上的布置如图 7-2 所示。位置检测元件。机械手的动做是按行程原则进行控制的，其上限、下限、左限、右限的位置分别用限位开关来检测。图 7-2 操作屏布置7.3.2 输出设备输出设备由由 PLC 的输出信号驱动的执行元件的输出信号驱动的执行元件本设计中输出设备应包括下降电磁阀、上升电磁阀、左移电磁阀、右移电磁阀、夹紧电磁阀等部分。为了对机械手原点位置进行指示，还要配置一个原点指示灯。总之，根据所确定的用户输入设备及输出设备可知，PLC 共需要 15 点输入、6 点输出。 7.3.3PLC 的选择的选择该控制系统要实现的是步进控制，可以选择使用一般 PLC，用移位寄存器和移位指令宋编程，由于所需的 IO 点数为 156 点，考虑机械手操作的工长春理工大学光电信息学院本科毕业设计第 34 页艺是固定的，PLC 的 IO 基本上可不留余量。考虑经济、维修等因素可选择F1F2 系列可编程控制器。 F1F2 系列 PLC 的 CPU 为 8039 单片机芯片，执行时间为 12步，F1系列容量为 1K。F2 系统容量为 2K 步。储存方式有机内RAM、EPROM、EEPROM。输入为直流 24V。输出有继电器、晶体管和可控硅三种输出方式。 F1F2 系列 PLC 最大 IO 点数为 120 点，可任意组合。用模拟量单元F2-6A-E 后可进行模拟量控制。其中一台 F2-6A-E 可处理四路 AD、2 路DA。一台 30 点以上的主机可带三个模拟量单元，共计可处理 12 路AD、6 路 DA，且不占用开关量点数。用定位控制单元 F2-30GM 可进行位置控制，驱动伺服电机或步进电机。F1F2 系列 PLC 除可用简易型编程器外，还可进行图形编程，用 IBM 计算机或其他兼容机进行编程。经综合考虑，可选择 F140M 可编程控制器。7.4 PLC 程序设计程序设计图 7-3 为机械手控制总程序结构框图。在该结构框图中，当操作方式选择开关置于“手动”时，输入点 X407 接通，其输入继电器常闭接点断开，执行手动操作程序。图 7-3 总程序结构框图长春理工大学光电信息学院本科毕业设计第 35 页当选择开关置于“单步”、“单周期”、“连续”时，其对应的输入点X410、X411、X412 接通，其输入继电器常闭接点断开，执行自动操作程序。在执行自动操作程序时，如操作选择开关置于“连续”时，启动后辅助继电器M200 接通，程序自动循环。操作开关置于“单步”时，M200 同样接通，程序也可以循环，但必须是每按一次启动按钮执行一步。如果操作开关置于“单周期”或运行过程中按下复位按钮时，则辅助继电器 M200 复位，程序执行完一个周期(即机械手回到原点)时自动停止。由于手动程序和自动程序采用了跳转指令，因此这两个程序段可以采用同一套输出继电器。硬件系统设计包括机械部分和电气控制部分的设计。7.4.1 机械手的结构机械手的结构设计其结构如图 7-4 所示图 7-4：机械手的结构示意图图中设置 9 个行程开关 SQ1SQ9 用于检测工件、小车、机械手的位置及机械手夹钳的夹紧、放松状态，并对系统实施控制。其中 SQ1 为工件是否到位的检测开关；SQ2 为小车原位检测开关；SQ3、SQ4 分别为机械手下降上升是否到位检测开关；SQ5、SQ6 分别为机械手夹紧放松检测开关；SQ7、SQ8 分别为小车速度转换开关；SQ9 为小车运动停止开关。7.4.2 电气控制的设计电气控制的设计长春理工大学光电信息学院本科毕业设计第 36 页包括主电路和控制电路的设计。主电路由两台电动机，即慢速电机和快速电机，分别拖动小车慢行和快行，其控制如下：慢速电动机 M1 由接触器KM1、KM2 分别控制其正传和反转；快速电动机 M2 由接触器 KM3 和 KM4 分别控制其正传和反转。机械手的夹紧放松动作是由一单电两位四通电磁阀控制的一个液压缸完成的，在通电情况下，机械手松开，得电时松开，可以防止在设备运行过程中突然断电导致的机械手松开，工件脱落的情况发生。7.4.3 操作面板及动作说明操作面板及动作说明根据控制和生产工艺的要求，控制操作包括手动和自动，手动又包括手动步进、回原位操作，自动控制包括单步、单周期、连续的操作。故操作方式选择开关设置有五个档位。手动工作方式下，手动动作包括上升、下降、放松、快进、慢进、快退、慢退和复位，故设置六个动作看官按钮。各个动作进行的同时均设有动作指示灯。另外设有启动停止按钮。其操作面板如图 7-5 所示：图 7-5 机械手操作面板示意图长春理工大学光电信息学院本科毕业设计第 37 页3.4 I/O 分配I/O 设备即所需的 I/O 点数如下表所示：信号I/O 设备I/O 点数信号I/O 设备I/O 点数输入操作方式选择旋钮开关手动时运动选择按钮启动停止按钮行程开关5829输出交流接触器控制线圈电磁阀动作指示原点指示4381根据 I/O 点的分配要求及考虑 10%到 15%的 I/O 裕量，本设计 PLC 采用 F160MR 36/24 型，样图见图 7-6 所示：长春理工大学光电信息学院本科毕业设计第 38 页图 7-6 F1-40MR 样图控制电路设计主要是 PLC 输入、输出接线的设计，其 I/O 分配如图 7-7 所示。电气接线图见附图长春理工大学光电信息学院本科毕业设计第 39 页图 7-7 PLC I/O 接线控制图7.5 搬运机械手的软件系统设计搬运机械手的软件系统设计机械手动控制属顺序控制，故其手动程序采用普通的 PLC 控制指令控制，自动程序采用步进梯形指令控制7.5.1 梯形图的总体设计梯形图的总体设计按照机械手控制和工艺流程的要求，在选择“手动方式”时应执行手动程序；在选择“回原位”时应执行回原| | 位程长春理工大学光电信息学院本科毕业设计第 40 页序；在选择自动程序时应执行自动程序。其中自动程序要在启动按钮按下时才执行。故梯形图的总体构成如图 7-8 所示。图 7-8 搬运机械手 PLC 控制梯形图总体构成7.5.2 各部分梯形图的设计各部分梯形图的设计1.通用部分梯形图设计通用部分梯形图分为三部分： 1）. 状态器的初始化。初始化状态器 S600 在手动方式下被置位、复位。当方式选择开关置于“返回原位”（X514 接通）时，按下复位按钮（X507）时被置位，在“手动操作”（X510）接通时，S600 复位。处于中间工步的状态器用手动做复位操作，即在方式选择开关位于“手动操作”或“返回原位”时，中间状态器同步复位。故初始化梯形图如图 7-9 所示，（如果状态器要在供电时从断电前条长春理工大学光电信息学院本科毕业设计第 41 页件开始继续工作，则不需要 M71）。图 7-9 状态器初始化梯形图 2）. 状态器转换启动。若机械手工作在自动工作方式下，当初始状态器S600 被置位后按下启动按钮，辅助继电器 M575 工作，状态器的状态可以一步一步的向下传递，即可进行转换。在执行“连续程序” 时，转换启动继电器M575 一直保持到停机按钮按下为止。另一面采用 M100 检查机器是否处于原位。当 M575 和 M100 都接通时，从初始状态器开始进行转换，故其梯形图如图 7-10 所示。图 7-10 状态器转换启动梯形图 3）. 状态器转换禁止梯形图。激活特殊辅助继电器 M574 并用步进梯形指令控制状态器转换时，状态器的转换就被自动禁止。在“单周期”工作期间，按下停止按钮时，M574 应被激励并自保持，操作停止在现行工步。当按下停止按钮时，从现行工步重新开始工作，M574 应复位，即重新允许新转换。在“步进”工作方式时，M574 应始终工作，此时，禁止任何状态转换。但没按下一次启动按钮时，M574 断开一次，允许状态器转换一次。长春理工大学光电信息学院本科毕业设计第 42 页在“手动”工作方式时禁止进行状态转换。在

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