工业机械手液压及PLC控制系统设计毕业论文.docx

工业机械手液压及PLC控制系统设计毕业论文目录摘要IAbstractII目录III前言11 绪论21.1 工业机械手的简介及应用21.1.1 工业机械手简介21.1.2 工业机械手应用31.2 工业机械手的发展趋势32 机械手的总体方案设计52.1 机械手基本形式的选择52.2 方案设计62.3 机械手的运动分析73 机械手手部的设计计算103.1 手部设计基本要求103.2 典型的手部结构103.3 选择手抓的类型及夹紧装置103.3.1 手抓的力学分析103.3.2 夹紧力及驱动力的计算123.4 机械手夹持精度的分析计算143.5 手指夹紧液压缸的尺寸参数的确定154 腕部的设计计算164.1 腕部设计的基本要求164.2 腕部的结构以及选择164.2.1 典型的腕部结构164.2.2 腕部结构和驱动机构的选择164.3 腕部的设计计算174.3.1 腕部设计考虑的参数174.3.2 腕部的驱动力矩计算174.3.3 腕部驱动力的计算185 臂部的设计及有关计算195.1 臂部设计的基本要求195.2 手臂的典型机构以及结构的选择195.2.1 手臂的典型运动机构195.2.2 手臂运动结构的选择205.3 手臂驱动力的计算205.3.1 手臂摩擦力的分析与计算205.3.2 手臂惯性力的计算225.3.3 密封装置的摩擦阻力225.4 液压缸工作压力和结构的确定225.5 液压缸的尺寸参数的确定246 机械手液压系统的设计266.1 液压传动的优缺点及发展趋势266.2 机械手液压系统的分析与计算266.2.1 双作用单杆活塞式液压缸276.2.2 无杆活塞式液压缸306.2.3 单叶片回转油缸316.2.4 油泵的选择326.2.5 确定油泵电动机功率N336.3 液压系统控制原理图设计337机械手的PLC控制系统设计377.1PLC的特点及应用概况377.1.1PLC的应用概况377.1.2PLC的特点377.2PLC型号的选择387.3PLC在机械手中控制程序387.4PLC在机械手中控制系统图397.4.1PLC自动控制图397.4.2 手动控制系统图397.4.3 机械手自动方式状态图40总结42参考文献43致谢44III1 绪论1.1 工业机械手的简介及应用1.1.1 工业机械手简介机械手有多个自由度，可以通过自动化控制程序来控制，也可以不同环境中进行工作。例如：在高温的环境下，你可以设计一个机械手来帮忙，在粉尘多的环境下，也可以用机械手来帮忙等等恶劣环境下，都可以用机械手来完成任务，所以机械手应用十分广泛。机械手在我国最近二十年的发展也很快。,取得了一些成就，受到国人对机械手在制造业应用的重视。机械手的结构设计很简单，实用性也强。 随着现代工业技术的发展，现在的机械手可以用自动化程序来控制实现指定的运动，并且可以重复不断的工作。机械手最早研制的国家是美国。那时候他是在机身上安装一个回转臂，在机身端部装有电磁铁的工件抓放机构。美国这个机械铸造公司和普鲁曼公司签订协议，一起来研究并生产工业机械手，达到工业机械手使用要求。他们研究机械手主要是提高机械手的结构稳定性，同时降低制造成本。工业机械手发展最快的国家是日本。从美国那里引进了二种典型的机械手，发现机械手的应用前景，投入了大量资金和人力，当时风靡日本整个国家，相应研究机械手的研究基地及学校大力兴起。很多机械手及机器人相继出现，应用于各种场合，其中工业中的应用非常广泛。日本就开始大力研究机械手。于1979年，日本生产的机械手之类的产品在全球比例占最多。汽车工业是使用机械手最多行业。预计到1990年将有60万机器人在工业工作。按照机械手的经历来分，第一代机械手精度低，成本高，而且需要人工来操作。第二代机械手它具有微型电子计算机控制系统，可以具有相当于人眼睛，耳朵，手，思维等能力。安装各种各样的传感器，把感觉到的信息进行系统反馈，使机械手具有感觉机能。目前国外已经研制出具有触觉和视觉机械手，应用于多种行业中。第三代机械手也称为机器人，它完全可以相当于人，可以独立完成一些简单的工作任务。与自动化控制系统相结合。并逐步发展成为柔性制造系统FMS(Flexible Manufacturing system)和柔性制造单元(Flexible Manufacturing Cell)中。1.1.2 工业机械手应用机械手在工业自动控制中作业，可以完成搬运货物，从一个地方搬到另一个地方，也可以进行各零件的装配工作，还可以进行线切割和电焊及激光焊接等应用中。跟着工业中的自动化程度提高，机械手也越来越多，工人的工作都可以用机械手来完成。工人每天8小时完成100套的组装工作，用机械手来完成只需要4个小时，大大的提高了生产效率，在搬运重物的时候，人手是很难搬运上百斤以上的东西，而机械手轻松的就可以搬动上千斤的重物。还有些机械手可以从模具中快速取出物件；抓取生产资料、输送生产资料。这篇文章就是把能够实现这类工作的搬运机械手为对象来进行研究。接下来具体说明在工业方面机械手实际应用的能力。1.2 工业机械手的发展趋势(1) 工业机械手性价比提高，也在向便于操作和批量维修中发展。(2) 机械手的各组成结构更加的模块化、标准化方向发展。当今就有些标准化机械手陆续上市。(3) 机械手的网络化，提高器件集成度，并且将在这种控制柜中运用标准化结构，减小电器控制柜的空间大小。(4) 机械手中的传感器减小，减小整体的空间体积，新增加视觉传感器和压力传感器等。(5) 有一项虚拟现实技术在机械手中的应用更加发达，与真实情况十分相符，可以让遥控机器人操作者有着身临其境的感觉。(6) 追求全自动化系统并非是当代遥控机器人系统的特点，而是让智能机器人走出实验室阶段。例如“索杰纳”机器人。(7) 机械手的操作机的控制系统硬件己基本掌握，部分机器人关键元器件被我国生产出来，汽车行业中的焊装线上弧焊机器人已经广泛应用。但是我国和国外的工业机械手技术及机械手制造水平还有很大的距离，我国机械手产品的可靠性低、范围窄，技术比国外落后。目前我国的机械手生产几乎都是按照“不同的功能不同的设计要求”来完成的，并没有形成一个完整的机械手产业，这使得我国机械手零部件稀缺。因此我国工业机械手行业暂时还不成熟，我们需要对产品进行全面规划，努力推进机械手产业化的发展进程.我国居世界领先水平的成果是水下无缆机器人，但是机器人化机械等的开发用方面与国外先进水平差距明显，还需要我国在原有基础上继续攻关，希望在“十五”后期能够立位于世界先进行列。2 机械手的总体方案设计2.1 机械手基本形式的选择工业机械手根据坐标方式可以分为以下几种:(1)直角坐标型:就是建立直角坐标系(2)圆柱坐标型：就是建立圆柱坐标系。 (3) 球坐标型：就是建立圆柱坐标系。按照机械手的运动形态可以为多关节型：就是采用两个及两个以上的手腕实现多自由度运动。本论文采用圆柱坐标型，因为圆柱坐标型机械手的机械结构简单，机械手的定位精度高。图2.1 是机械手搬运物品示意图。图2.1 机械手基本形式示意2.2 方案设计（1）结构如图2.2所示图2.2 设计方案（2）机械手动作分析如图2.3所示，机械手大臂先下降，下降到一定得位置，再夹紧工件，然后根据限位开关从PLC控制系统中获取信息，再进行上升运动，上升过程中大臂回转，到达上限位时再进行延伸过程，到达指定位置，放松工件，手臂收回。按动作顺序可以分为：大臂下降夹紧工件手腕上翻大臂上升大臂回转手臂延伸放松工件手臂收回手腕下翻大臂回转大臂下降。图2.3 机械手运动图（3）功能原理如图2.3所示图2.4 机械手功能原理图2.3 机械手的运动分析机械手的动作循环：大臂下降700mm夹紧工件手腕回转90大臂上升700mm大臂回转90手臂延伸900mm放松工件手臂收缩900mm手腕反转90大臂回转90大臂下降700mm。表2.1参数表运动方式最大速度平均速度结合生产所取速度手臂升降V=100 mm/sV=80 mm/sV=90 mm/s手臂伸缩V=100 mm/sV=80 mm/sV=90 mm/s手腕回转V= 90/sV= 60/sV= 60/s本机械手要在45s时间内完成上述工作循环图中的一次循环。因此，我们在整个运动过程中都将采用协调运动，这样可缓减每个动作的紧迫性。图2.5 机械手运动流程图如图2.5所示，当t=0s时，机械手大臂下降，用时7s，大臂下降速度：100 mm/s；t=9s时，机械手做夹紧工件运动；当t=10s时开始的还有手腕回转90，用时2s；与此同时大臂开始以100 mm/s做上升运动，用时7s。当t=19s时，大臂开始做回转运动，回转90，这里用时2s，回转速度45/s；当t=21s时，手臂开始做向外延伸900mm的运动，运动速度为100mm/s，用时9s；当t=30时，机械手手指开始做放松工件运动，用时2s；需要慢放，当t=32s时，手腕开始做下翻90的运动，用时2s；与此同时手臂开始收缩，收缩距离900mm，平均速度为100mm/s，用时9s；当t=43s时，手臂做90回转运动，用时2s。上述运动为一个整周期运动，完成上述运动共用时45s。运动简图见图2.6所示。图2.6 机械手运动简图3 机械手手部的设计计算3.1 手部设计基本要求(1) 应具有适当的夹紧力和驱动力。(2) 手指应该具有足够的开闭角度。(3) 要求结构紧凑、重量轻、效率高。(4) 还应保证手抓的夹持精度。3.2 典型的手部结构(1) 回转型 包括滑槽杠杆式和连杆杠杆式两种。(2) 移动型 移动型即两手指相对支座作往复运动。(3) 平面平移型。3.3 选择手抓的类型及夹紧装置本设计平动搬运机械手的设计，考虑到所要达到的原始参数：手抓张合角=，夹取重量为25kg。工业机械手手部按握持工件的原理，分为夹持式手指和吸附式手指两大类。本论文采用夹持式手指，因为这种手指结构简单，方便下料。通过综合考虑，选择夹持式回转型手抓结构和滑槽杠杆式结构。选择常开式夹紧装置方案。3.3.1 手抓的力学分析下面对其基本结构进行力学分析：滑槽杠杆 图3.1（a）为常见的滑槽杠杆式手部结构。(a)(b)图3.1 滑槽杠杆式手部结构、受力分析1手指 2销轴 3杠杆在杠杆3的作用下，销轴向上的拉力为F由=0 得 =0 得由=0 得(3-1)其中 a回转支点到对称中心的距离。手指滑槽方向与回转支点的夹角。由分析可知，当F不变时，角增大，但角过也不好，会导致运动行程增大，所以选择=30到40之间为宜。3.3.2 夹紧力及驱动力的计算手指加在工件上的夹紧力，是设计手部的主要依据。必须对大小、方向和作用点进行分析计算。一般来说，需要克服工件重力所产生的静载荷以及工件运动状态变化的惯性力产生的载荷，以便工件保持可靠的夹紧状态3。夹紧力计算公式为：（3-2）式中 安全系数，通常1.2-2.0；工作情况系数。可以按照下式算 可近似其中为重力方向的最大上升加速度；运载时工件最大上升速度系统达到最高速度的时间，一般选取0.03-0.5s方位系数，根据手指与工件位置不同进行选择。G被抓取工件所受重力（N）。表3.1 液压缸的工作压力作用在活塞上外力F（N）液压缸工作压力Mpa作用在活塞上外力F（N）液压缸工作压力Mpa小于500050000以上计算：设a=100mm,b=50mm,;机械手最高响应时间为0.5s。 （1）设 =1.02根据公式，将已知条件带入： （2）根据驱动力公式得：（3）取 （4）确定液压缸的直径D可以选活塞杆直径d=0.5D （5）确定液压缸压力油工作压力为P=1MPa根据表4.1选取液压缸内径为：D=10mm因为我们要夹取更大范围，所以在本论文设计中选取液压缸内径D=16mm那么活塞杆内径为:D=160.5=8mm3.4 机械手夹持精度的分析计算机械手的精度设计要求工件定位准确,抓取精度高,重复定位精度和运动稳定性好，并有足够的抓取能力。机械手能否准确夹持工件，把工件送到指定位置，不仅取决于机械手的定位精度（由臂部和腕部等运动部件来决定），而且也与机械手夹持误差大小有关4。图3.2 手抓夹持误差分析示意图该设计以棒料来分析机械手的夹持误差精度。机械手的夹持范围为。夹持误差一般不超过4mm工件的平均半径：手指长,取V型夹角偏转角按最佳偏转角确定：计算 =72.14当S时带入有：夹持误差满足设计要求。3.5 手指夹紧液压缸的尺寸参数的确定由3.4的计算可得液压缸的内径为16mm；下面要确定液压缸的长度L。L是由最大工作行程长度加上各种结构来确定的，即：L=l+B+A+M+C式中：l为活塞的最大工作行程；行程为34mm，B为活塞宽度，为9.6-16mm之间，取B=12mm；A为活塞杆导向长度，取A=14mm；M为活塞杆密封长度，由密封方式定；C为其他长度，在此由于定位方式为定位块式，以免在运动过程中损伤到缸体，所以取C=44mm。所以：L=34+12+D+14+C=120mm液压缸缸底厚度计算，本液压缸选用平行缸底，且缸底无油孔时，其中h为缸底厚度；为液压缸内径；为实验压力；为缸底材料的许用应力，缸体材料为45号钢，所以。，所以选取厚度。4 腕部的设计计算4.1 腕部设计的基本要求（1）力求结构紧凑、重量轻 腕部处在手臂的最前面。显然，腕部的内部结构会直接影响臂部的结构，腕部的重量也会影响臂部的结构。（2）结构考虑，合理布局 除了保证机械力和腕部的运动的要求外，还需要保证结构合理。初了保证有足够的强度、刚度外，还应考虑布局方面问题，合理的布局可以减小空间。（3） 必须考虑工作条件 本论文的机械手的工作条件是在工作场合中搬运加工的物料，没在其他的恶劣环境中工作，所以腕部的设计不用考虑太多的工作条件。4.2 腕部的结构以及选择4.2.1 典型的腕部结构（1）一个自由度的回转腕部结构（2）齿条活塞驱动的腕部结构（3） 两个自由度的回转腕部结构（4） 机-液结合的腕部结构4.2.2 腕部结构和驱动机构的选择因为要求手腕回转，腕部结构选择：一个自由度的回转腕部结构驱动机构选择：液压驱动4.3 腕部的设计计算4.3.1 腕部设计考虑的参数夹取工件重量0.5Kg，回转90。4.3.2 腕部的驱动力矩计算（1）腕部的驱动力矩需要的力矩。（2）腕部回转支撑处的摩擦力矩。夹取棒料 D=80mm L=100mm M=0.5Kg（1）当手部回转时，高为220mm，直径120mm，其重力估算G=3.14（2）擦力矩。（3）启动过程所转过的角度=0.314rad，等速转动角速度。（4-1）查取转动惯量公式有：代入： 4.3.3 腕部驱动力的计算表4.1 液压缸的内径系列（JB826-66）（mm）2025324050556365707580859095100105110125130140160180200250设定腕部的部分尺寸：设缸体内径D=100mm，液压缸壁最小厚度为120mm，其外径为140mm；宽度b=66mm，输出轴d=40mm。则双叶片摆动液压缸工作压力为：，其中为液压缸机械效率，据机械设计手册第五卷查得。为了和系统液压泵的匹配及冗余设计，选择2Mpa。表4.2 标准液压缸外径(JB1068-67)（mm）液压缸内径40 5063809010011012514015016018020020钢P5060769510812113316814618019421924545钢506076951081211331681461801942192455 臂部的设计及有关计算5.1 臂部设计的基本要求一、 臂部应承载能力大、刚度好、自重轻(1)根据受力情况，合理选择截面形状和轮廓尺寸。(2) 提高支撑刚度和合理选择支撑点的距离。(3) 合理布置作用力的位置和方向。(4) 注意简化结构。(5) 提高配合精度。二、 臂部运动速度要高，惯性要小(1)臂部运动的平均移动速度为1000mm/s。(2) 平均回转角速度为90/s。减少惯量具体有4个途径：(1) 手臂采用铝合金材料。(2) 减少臂部运动件的轮廓尺寸。(3) 减少回转半径。(4) 驱动系统中设缓冲装置。三、手臂动作应该灵活(1) 用滚动摩擦代替滑动摩擦。(2) 手臂运动尽可能平衡。(3)防止发生机构卡死现象。5.2 手臂的典型机构以及结构的选择5.2.1 手臂的典型运动机构(1)双导杆手臂伸缩机构。(2) 活塞杆和齿轮齿条机构。 本论文用双导杆手臂伸缩机构5.2.2 手臂运动结构的选择(1) 双层液压缸空心结构。(2) 双活塞杆液压缸结构。 本论文用双活塞杆液压缸结构5.3 手臂驱动力的计算(1) 首先确定有关机构的主要尺寸(2) 再进行校核计算，修正设计(3) 通过反复计算，绘出最终的结构液压缸活塞的驱动力的计算公式为：(5-1)5.3.1 手臂摩擦力的分析与计算分析：摩擦力的计算 图5.1是机械手的手臂示意图。图 5.1 机械手臂部受力示意本设计的导向杆对称配置在伸缩杆的两侧。 计算如下：由于导向杆对称配置，两杆受力相等，所以只需要计算一个导向杆的受力情况。得 得 (5-2)运动零部件所受的总重力（N）；L导向支撑的前端的距离（m）；a导向支撑的长度（m）；当量摩擦系数，与导向支撑的截面有关。对于圆柱面：摩擦系数，对于静摩擦且无润滑时：钢对青铜：取钢对铸铁：取计算：导向杆的材料选择钢，导向支撑选择铸铁 ，L=0.8-0.2=0.6m,导向支撑a设计为0.1m将有关数据代入进行计算5.3.2 手臂惯性力的计算本设计的手臂移动速度是100mm/s启动时间，启动速度V=V=0.08m/s(5-3)5.3.3 密封装置的摩擦阻力密封装置的摩擦阻力因为密封圈得不同而不同，本论文采用O型密封圈，需要满足以下两个条件：(1) 液压缸工作压力小于10Mpa(2) 密封处的总摩擦阻力可为：。最后计算出液压缸的驱动力：5.4 液压缸工作压力和结构的确定由上述可知液压缸的驱动力F=1625.7N(1) 确定液压缸的结构尺寸： 液压缸内径的计算，如图5.2所示图5.2 双作用液压缸示意图当油进入无杆腔，当油进入有杆腔中， 液压缸的有效面积：故有 （无杆腔） (5-4) （有杆腔） (5-5)F=1625.7N，=，选择机械效率将有关数据代入：根据表4-1，选择标准液压缸内径系列及机械的工作范围冗余设计，选择D=40mm.(2) 液压缸外径的设计选择液压缸的外径为54mm.(3) 活塞杆的计算校核对于杆长L大于直径d的15倍以上，按拉、压强度计算： (5-6)设计中活塞杆取材料为碳刚，故，校验结论： 活塞杆的强度足够。5.5 液压缸的尺寸参数的确定根据夹紧力和驱动力的计算，初步确定了液压缸的内径为16mm，行程为34mm；还需要知道液压缸的缸筒长度L。液压缸的缸筒长度L是由最大工作行程长度l和活塞的宽度B及活塞导向长度A等确定的，即：L=l+B+A+M+C式中：l为活塞的最大工作行程； B为活塞宽度，取B=0.8D； A为活塞杆导向长度，取A=1D；M为活塞杆密封长度 取M=0.9D； C为其他长度，C=60mm。因为缸筒的长度不超过内径的20倍，L=500+0.8D+D+0.9D+C=668mm液压缸为平行缸底，所以其中 h为缸底厚度；为液压缸内径；为实验压力；为缸底材料的许用应力，取。，所以选取厚度h=8mm。6 机械手液压系统的设计6.1 液压传动的优缺点及发展趋势表6.1液压传动优缺点液压传动的优点液压传动的缺点（1）元件可以灵活地来布置。（2）运动惯性小、反应速度快。（3）可实现大范围的无级调速。（4）可自动实现过载保护。（5）使用寿命长。（6）容易实现直线运动。（7）容易实现机器的自动化。（1）效率较低，容易污染环境。（2）不宜在恶劣环境中工作。（3）元件的制造精度又高又贵。（4）得不到严格的传动比。由于液压技术有许多突出的优点，所以在国防工业中、机床工业中、冶金工业中、工程机械中、汽车工业中等都有广泛的应用。例如飞机、坦克、磨床、铣床、刨床、挖掘机、汽车起重机、液压越野车等均采用了液压技木。近几年，又在太阳跟踪系统及紧急刹车装置等没备中，也采用了液压技术。6.2 机械手液压系统的分析与计算按工作介质是油还是水，可以将液压机分为油压机和水压机两种。液压机械手主要动作是：首先由PLC控制液压系统使其大臂下降700mm，停留2秒，再夹紧工件，夹紧时间2秒，再手腕上翻90，然后大臂上升700mm，上升之后停留2秒，然后大臂回转90，手臂延伸900mm放松工件，最后手臂收缩900mm，大臂回转90，大臂下降700mm。完成上述的工作，需要用到两个回转液压缸和三个活塞式液压缸。6.2.1 双作用单杆活塞式液压缸图6.1 双作用单杆活塞式液压简图(1) 流量、驱动力的计算 当压力油输入无杆腔，油缸的流量Q1为：Q1 = DV1表6.2手臂伸缩液压缸手指夹紧液压缸大臂升降液压缸Q1=0.98cm/sQ1=1.02 cm/sQ1=0.83 cm/s此时油缸的驱动力为P1： P1 = Dp1表6.3手臂伸缩液压缸手指夹紧液压缸大臂升降液压缸p1=196Np1=126Np1=320N当压力油输入有杆腔，油缸的流量Q2为： Q2 = （D-d）V2表6.4手臂伸缩液压缸手指夹紧液压缸大臂升降液压缸Q1=0.87cm/sQ1=0.96 cm/sQ1=0.72 cm/s 此时油缸的驱动力为P2： P2 = （D-d）p1表6.5手臂伸缩液压缸手指夹紧液压缸大臂升降液压缸p1=172Np1=108Np1=305N(2) 活塞上的总机械载荷的计算 机械手手臂移动时P为： P = P工 + P导 + P封 + P惯 + P回 其中 P工 为工作阻力P导 导向装置处的摩擦阻力P封 密封装置处的摩擦阻力 P惯 惯性阻力 P回 背压阻力 P = 83+125+66+80+208=562(N)(3) 确定液压缸的结构尺寸 液压缸内径的计算 油缸工作时有： P = P1（无杆腔） = P2 （有杆腔） 液压缸的直径可由下式计算 D = = 1.13mm （无杆腔）表6.6手臂伸缩液压缸手指夹紧液压缸大臂升降液压缸D=50mmD=30mmD=80mm液压缸壁厚的计算： 依据薄壁筒公式得油缸的壁厚： = mm P计 为计算压力 油缸材料的许用应力。表6.7手臂伸缩液压缸手指夹紧液压缸大臂升降液压缸=6mm =17mm=16mm 活塞杆的计算：可按强度条件决定活塞直径d ，即 = 即 d mm表6.8手臂伸缩液压缸手指夹紧液压缸大臂升降液压缸d =30mmd =15mmd=50mm6.2.2 无杆活塞式液压缸 图6.2 齿条活塞缸计算简图(1) 流量、驱动力的计算Q = 当D=103mm,d=40mm,=0.95 rad/s时 Q = 952N(2) 作用在活塞上的总机械载荷PP =P工 + P封 + P惯 + P回 其中 P工 为工作阻力 P封 密封装置处的摩擦阻力 P惯 惯性阻力 P回 背压阻力 P = 66+108+208=382（N）(3) 液压缸内径的计算 根据总机械载荷的平衡条件可得 D = mm= 45mm6.2.3 单叶片回转油缸单叶片回转油缸是在液压机械手上实现手腕、手臂回转运动的另一种常用机构，其计算简图如下：图6.3 回转油缸计算简图(1) 流量、驱动力矩的计算 压力油需要输入到回转液压缸的流量Q为： Q = 当D=100mm,d=35mm,b=35mm, =0.95 rad/s时 Q=0.02m/s 作用在动片上的合成液压力矩M：M = 得M = 0.8 (Nm) 作用在动片上的外载荷力矩 M ： M = M工 +M封 + M惯 + M回 其中 M工 为工作阻力矩M封 密封装置处的摩擦阻力矩M惯 参与回转运动的零部件，在启动时的惯性力矩M回 回转油缸回油腔的背反力矩 M = 2.3+0.85+1.22+1.08=5.45 (Nm) (2) 回转液压缸内径的计算 上述作用的外载荷力矩与回转液压缸的合成液压力矩相等，所以：D = mmD = 30mm6.2.4 油泵的选择一般的机械手液压系统，大多采用定量油泵。油泵的选择主要是根据系统所需要的油泵工作压力p泵和最大流量Q泵来确定8。(1) 确定油泵的工作压力p泵 p泵 p + p 式中 p 油缸的最大工作油压p 压力油路（进油路）各部分压力损失之和p泵= 60*10帕(2) 确定油泵的 Q泵 油泵的流量应由系统的总泄漏来确定 Q泵 = K Q最大 其中K一般取1.101.25 Q泵=53升/分 6.2.5 确定油泵电动机功率NN = （千瓦）=7.5（千瓦） 式中 p油泵的最大工作压力Q所选油泵的额定流量油泵总效率6.3 液压系统控制原理图设计机械手液压系统原理如图6.4所示图6.4 机械手液压系统原理图1-液压系统油箱 2-过滤器3、4-双联齿轮液压泵 5-单向阀6、21-两位二通电磁阀 7-先导型溢流阀8-三位四通电磁阀 9-二位四通电磁阀10-节流阀 11-调速阀各缸运动过程分析：1、机械手大臂下降 首先按下开始启动按钮，电磁铁5DT收到PLC控制系统发出的指令后通电吸合。液压油通过泵3流进单向阀5，然后液压油进入到三位四通电磁阀的左位（从左到右第二个），调速阀由液压油进入节流阀和单向阀构成，液压油直接流向大臂升降液压缸的上腔，液压油推动手臂做下降运动。2、夹紧工件 泵4开始供油流经过单向阀，磁铁3DT收到PLC控制程序发出的指令后通电吸合，然后液压油进入到二位四通电磁阀的右位，最后液压油直接流进机械手手指，液压缸的右腔夹紧，从而拉动滑槽杠杆式手部结构进行夹紧工件。3、手腕上翻 电磁铁8DT收到PLC控制系统发出的指令后通电吸合。液压油通过泵3流进单向阀5，然后液压油进入到三位四通电磁阀的左位（从左到右第四个），调速阀由液压油进入节流阀和单向阀构成，最后液压油直接流向翻转液压缸，进行手腕翻转运动。4、大臂上升 电磁铁4DT收到PLC控制系统发出的指令后通电吸合。液压油通过泵3流进单向阀5，然后液压油进入到三位四通电磁阀左位（从左到右第二个），调速阀由液压油进入节流阀和单向阀构成，接着液压油进入到减压阀和单向阀，从而构成复合阀，最后直接流进升降液压缸的下腔，进行大臂上升运动。5、大臂回转 电磁铁6DT收到PLC控制系统发出的指令后通电吸合。液压油通过泵3流进单向阀5，然后液压油进入到三位四通电磁阀左位（从左到右第一个），调速阀由液压油进入节流阀和单向阀构成，最后直接流向回转液压缸，进行大臂回转运动。6、手臂延伸 电磁铁1DT收到PLC控制系统发出的指令后通电吸合。液压油通过泵3流进单向阀5，然后液压油进入到三位四通电磁阀右位（从左到右第三个），调速阀由液压油进入节流阀和单向阀构成，最后流向伸缩液压缸，进行手臂延伸运动。7、放松工件 泵4开始供油进入单向阀，电磁铁3DT收到PLC控制系统发出的指令后控制断电跳开，液压油进入到二位四通电磁阀的左位，最后液压油直接流进机械手手指，液压缸的右腔放松，从而拉动滑槽杠杆式手部结构进行放松工件。8、手臂收缩 电磁铁2DT收到PLC控制系统发出的指令通电吸合。液压油通过泵3流进单向阀5，然后液压油进入到三位四通电磁阀左位（从左到右第三个），最后流向伸缩液压缸，进行手臂收缩运动。9、手腕下翻 电磁铁9DT收到PLC控制系统发出的指令后通电吸合。液压油通过泵3流进单向阀5，然后液压油进入到三位四通电磁阀右位（从左到右第四个），调速阀由液压油进入节流阀和单向阀构成，最后液压油流向翻转液压缸，进行手腕下翻运动。10、大臂回转 电磁铁7DT收到PLC控制系统发出的指令后通电吸合。液压油通过泵3流进单向阀5，然后液压油进入到三位四通电磁阀左位（从左到右第一个），调速阀由液压油进入节流阀和单向阀构成，最后流向回转液压缸，进行大臂回转运动。完成机械手运动循环的一个过程，需要进行上述10个过程。如果收到PLC控制系统发出的停止指令，那么10DT和11DT就同时通电，这个时候液压系统就开始卸压，各个电磁铁同时断电，最后都回到初始位置。上述的过程动作顺序表如下：表6.9 机械手液压系统电磁铁通电顺序表动作顺序1DT2DT3DT4DT5DT6DT7DT8DT9DT10DT11DT大臂下降+夹紧+手腕上翻+ +大臂上升+大臂回转+手臂延伸+放松工件+手臂收缩+手腕下翻+大臂回转+停止+7 机械手的PLC控制系统设计7.1PLC的特点及应用概况7.1.1PLC的应用概况当今的PLC凡是需要控制系统存在的地方就需要它，尤其在最近几年，PLC的性价比高，已被广泛应用在冶金、机械、石油、化工等行业。其应用可分为以下几个方面。(1) 用于逻辑控制 例如：机床的电气控制、包装机械的控制等。(2) 用于模拟量控制 (3) 用于机械加工中的数字控制 (4) 用于工业机器人控制(5) 用于多层分布式控制系统 7.1.2PLC的特点(1) 可靠性高、抗干扰能力强 例如：PLC能在恶劣的环境下工作。(2) 控制系统构成简单、通用性强 例如：控制同一个对象时，可以不用改变PLC的硬件设备，改变软件程序就可以。(3) 编程简单、使用、维护方便(4) 组合方便、功能强、应用范围广 例如：PLC不仅可以控制简单系统，而且还可以控制复杂系统。(5) 体积小、重量轻、功耗低 例如：PLC采用了半导体集成电路。7.2PLC型号的选择选择PLC首先应该考虑该系列是否满足控制系统的设计要求，其实还一个比较重要的就是性价比。本设计PLC控制系统选择三菱公司的FX1S系列的PLC控制器，该系列PLC是一种卡片大小的PLC，一般用于中小型环境中进行控制。它具有很高的性能、串行通讯功能以及紧凑的尺寸，最重要的是性价比非常高，对于工业机械手的设计降低了成本。7.3PLC在机械手中控制程序表7.1 机械手自动控制程序步序号指令数据步序号指令数据步序号指令数据1LDX40017ANDT453K1.52ANIX40118ANIT45431OUTY4393ANIT45019OUTY43532OUTT5504OUTY43020OUTT454K25OUTT450K1.533ANDT550K221ANDT45434ANIT5516ANDT45022ANIT45535OUTY5307ANIT45123OUTY43636OUTT5518OUTY43224OUTT455K1.59OUTT451K237ANDX500K0.525ANDT45538ANIT55210ANDT45126ANIT45639OUTY53111ANIT45227OUTY43740OUTY53213OUTY43328OUTT45641OUTT55214OUTT452K0.5K3K1.527ANDT45615OUTY43428ANIT45716OUTT45329OUTY438K230OUTT4577.4PLC在机械手中控制系统图7.4.1PLC自动控制图图7.1 机械手自动控制系统图当机械手在原点时，X400接通，大臂下降。当下降碰到下限位开关时，又接通下一个状态T450，当机械手夹紧工件时。T451接通，手腕翻转，T452闭合，Y434接通，大臂上升。上升到上限位时T453接通，T454闭合，大臂回转，1.5秒之后，T454接通，手臂延伸到右限位时，T455接通，放松工件0.5秒后T456接通，手腕翻转，1.5秒之后，Y439接通，手臂收缩，T550接通，大臂回转1.5秒之后X500接通，T552闭合，卸荷，一个工作循环完成。7.4.2 手动控制系统图图7.2 机械手手动控制系统图当机械手在原点时，程序处于初始状态S0，执行下降动作。当下降到下限位开关时，X12接通，夹紧物料，停留2秒之后接通X5，此时大臂上升，上升到上限位时，X6接通，手臂伸出，碰到右限位，X11接通，手臂收缩，收缩之后碰到左限位，大X13接通，大臂正转90，之后接着执行下一步动作，X9接通，手臂上翻，X14接通，手臂下翻，如此进行一个周期的循环。7.4.3 机械手自动方式状态图机械手自动方式状态图如图7.3所示，其中S2是自动方式的初始状态。初始化程序设定状态转移开始为