液压驱动和plc控制的设计

摘要机械手在先进制造领域中扮演着极其重要的角色。它可以搬运货物、分拣物品、代替人的繁重和危险劳动。可以实现生产机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身的安全，因此被广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。本文在纵观了近年来机械手发展和应用状况的基础上，结合机械手系统方面的设计，对机械手结构进行了系统的分析，提出了用液压驱动和PLC控制的设计方案。采用整体化设计思想，充分考虑了软、硬件各自的特点并进行互补优化。对多功能机械手的整体结构、执行结构、驱动系统和控制系统进行了分析和设计。在其驱动系统中采用液压驱动，控制系统中选择PLC控制单元来完成系统功能的初始化、机械手的移动、故障报警等功能。最后设计了一种简单、易于实现、理论意义明确的多功能机械手。通过以上部分的工作，得出了经济型、实用型、高可靠型多功能机械手的设计方案，对其他的设计也有一定的借鉴价值。关键词机械手；液压控制；可编程控制器（PLC）；自动化控制；仿真设计。ABSTRACTMANIPULATORPLAYSANEXTREMELYIMPORTANTROLEINTHEFIELDOFADVANCEDMANUFACTURINGITCANCARRYGOODS,SORTMATERIALSANDDOHEAVYWORKSINSTEADOFTHEHUMANBEINGITALSOCANREALIZEMECHANIZATIONANDAUTOMATIONOFTHEPRODUCTION,DOTHEJOBSINHARMFULENVIRONMENTTOPROTECTTHEPERSONALSAFETYSOITISWIDELYUSEDINMETALLURGY,MACHINERYMANUFACTURING,ELECTRONICS,LIGHTINDUSTRYANDATOMICENERGYETCINTHISPAPER,BYREVIEWINGTHEDEVELOPMENTALSTATUSOFTHEMANIPULATORINRECENTYEARS,COMBININGTHEDESIGNOFMANIPULATORANDSYSTEMATICANALYZINGTECHNOLOGYOFTHEMANIPULATOR,WEPROPOSEDTHEDESIGNSCHEMETHATTHEMANIPULATORWASDRIVENBYTHEHYDRAULICANDTHESYSTEMWASCONTROLLEDBYPLCINTEGRATIVEIDEAWASADOPTEDINTHISDESIGNTOFULLYCONSIDERTHECHARACTERISTICSOFTHESOFTWAREANDHARDWAREANDCOMPLEMENTARYOPTIMIZATIONWEANALYZEDANDDESIGNEDTHEOVERALLSTRUCTURE,THEIMPLEMENTATIONOFSTRUCTURAL,DRIVINGSYSTEMANDCONTROLSYSTEMOFTHEMANIPULATORWEUSEDHYDRAULICENINTHEDRIVINGSYSTEM,PLCCONTROLUNITINTHECONTROLSYSTEMTOCOMPLETEINITIALIZATIONOFTHESYSTEM,MANIPULATORSMOVING,FAILUREALARMANDSOONFINALLYWEDESIGNASIMPLE,EASYTOIMPLEMENTANDTHEORETICALMEANINGOFMULTIFUNCTIONALMANIPULATORTHROUGHTHEWORKABOVE,APRACTICAL,ECONOMICAL,HIGHRELIABILITYSORTINGMATERIALMANIPULATORWASDESIGNED,WHICHALSOHADCERTAINREFERENCEVALUEFORTHEOTHERTYPESOFECONOMICALPLCCONTROLSYSTEMDESIGNKEYWORDSMANIPULATORTHEHYDRAULICCONTROLPROGRAMMABLELOGICCONTROLLERPLCAUTOMATICCONTOTHESIMULATIONDESIGN目录第1章前言111研究的目的及意义112机械手在国内外现状和发展趋势113机械手的组成和分类2131机械手的组成2132机械手的分类414主要研究的内容5141仿真机械手执行系统的分析与选择5142仿真机械手驱动系统的分析与选择6143仿真机械手的零部件设计615解决的关键问题6第2章机械手的设计方案721机械手的坐标型式与自由度722机械手的手部结构方案设计723机械手的手腕结构方案设计724机械手的手臂结构方案设计825机械手的驱动方案设计826机械手的控制方案设计827机械手的主要参数828机械手的技术参数列表9第3章手部结构设计1031手指的形状和分类1032设计时考虑的几个问题1033手部夹紧缸液压的设计11331手部驱动力计算11332液压缸的直径12第4章手腕结构设计1541手腕的自由度1542手腕的驱动力矩的计算15第5章机械手升降臂设计1851升降臂设计参数要求1852运动方案1853设计内容18531动力系统的选择计算18532执行元件主要参数的确定19533升降臂导轨的设计与计算21第6章液压系统2661液压工作原理图2662液压系统工作原理2763油泵的选择计算30631流量计算30632油泵电机的选择31633液压系统性能验算32第7章PLC控制系统3371F1系列PLC的组成与性能简介3372基本单元和扩展单元3373器件功能及编号3474PLC的输入输出分配图3575步进指令、状态转换图及步进梯形图3676关于步进指令的使用说明154277PLC计的几点说明43第8章结论44参考文献45致谢46附录47第1章前言11研究的目的及意义机械手作为前沿的产品应自动化设备更新时需要，可以大量代替单调往复的或高精度的需求的工作，在先进制造领域中扮演着极其重要的角色。它可以搬运货物、分拣物品、代替人的繁重和危险劳动。可以实现生产的机械化和自动化，能在高温、腐蚀及有毒气体等环境下操作以保护人身的安全，可以广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工业和原子能等部门。可编程控制器PLC是以中央处理器为核心，综合了计算机和自动控制等先进技术，具有可靠性高、功能完善、组合灵活、编程简单、操作性高、功耗低等优点，已成为目前在机械手控制系统中使用最多的控制方式。使用PLC自动控制系统具有体积小，可靠高，故障率低，动作精度高等优点。推广机械手的应用，本课题试图开发基于PLC的多功能仿真机械手，并借助必要的精密传感器和液压驱动系统，使其能够完成各种抓举动作，动作灵活多样，适用于各种行业和多种动作任务，广泛应用于各种产线。采用PLC控制，是一种预先设定的程序完成各种既定的任务的自动化装置，可部分代替人工在高温和危险的作业区进行单调持久的作业，并能在各种不同的工作环境完成不同的任务。甚至进入家庭或服务也代替人手完成一些家务。12机械手在国内外现状和发展趋势机械手最早应用在汽车制造工业，常用于焊接、喷漆、下料和搬运。机械手延伸和扩大了人的手足和大脑功能，它可替代人从事危险、有毒、低温和高热等恶劣环境中的工作；代替人完成繁重、单调重复劳动，提高劳动生产率，保证产品的质量。目前主要应用于制造业中，特别是电器制造、汽车制造、塑料加工、通用机械制造、金属加工等工业。工业机械手与数控加工中心，自动搬运小车与自动检测系统可组成柔性制造系统FMS和计算机集成制造系统，实现生产的自动化。随着生产的发展，功能和性能的不断改善和提高，机械手的应用领域日益扩大1。目前，国际上的机械手公司主要分为日系和欧系。日系中主要有安川、松下、FANLUC、不二越、川崎等公司的产品。欧系中主要有德国的KUKA、CLOOS、瑞典的ABB、意大利的C0毗U及奥地利的工GM等公司。我国机械手起步于20世纪70年代初，经过40多年发展，大致经历了3个阶段70年代萌芽期，80年代的开发期和90年代的应用化期,00年高速发展期。在我国，机械手市场份额大部分被国外机械手企业占据着。在国际强手面前，国内的机械手企业面临着很大的竞争压力。如今我国正从一个“制造大国”向“生产强国”迈进，中国制造业面临着与国际接轨、参与国际分工的巨大挑战，对我国工业自动化的提高迫在眉睫，政府务必会加大对机器人的资金投入和政策支持，将会给机械手产业发展注入新动力。随着机械手发展的深度和广度以及机器人智能水平的提高，机械手已在众多领域得到了广泛应用。从传统的汽车制造领域向非制造领域延伸。如采矿机器人、建筑业机器人以及水电系统用于维护维修的机器人等。在国防军事、医疗卫生、食品加工、生活服务等领域机械手的应用也越来越多2。在未来几年，传感技术，激光技术，工程网络技术将会被广泛应用在机械手工作领域，这些技术会使机械手的应用更为高效率、运行成本低。今后机器人将在医疗、保健、生物技术和产业、教育、救灾、海洋开发、机器维修、交通运输和农业水产等领域得到应用。13机械手的组成和分类131机械手的组成机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等所组成。各系统相互之间的关系如方框图21所示。机械手组成方框图21执行机构包括手部、手腕、手臂等部件。手部即与物件接触的部件。由于与物件接触的形式不同，可分为夹持式和吸附式手在本课题中我们采用夹持式手部结构外加吸附式结构辅助。夹持式手部由手指或手爪和传力机构所构成。手指是与物件直接接触的构件，常用的手指运动形式有回转型和平移型。回转型手指结构简单，制造容易，故应用较广泛。平移型应用较少，其原因是结构比较复杂，但平移型手指夹持圆形零件时，工件直径的变化不影响其轴心的位置，因此适宜夹持直径变化范围大的工件。手指结构取决于被抓取物件的表面形状、被抓部位和物件的重量及尺寸。常用的指形有平面的、V形面的、曲面的手指有外夹式和内撑式指数有双指式、多指式。而传力机构则通过手指产生的夹紧力来完成夹放物件的任务。传力机构型式较多时常用滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜面杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母弹簧式和重力式等。手腕是连接手部和手臂的部件，并可用来调整被抓取物件的方位即姿势手臂手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是带动手指去抓取物件，并按预定要求将其搬运到指定的位置工业机械手的手臂通常由驱动手臂运动的部件如油缸、气缸、齿轮齿条机构、连杆机构、螺旋机构与驱动源如液压、气压或电机等相配合，以实现手臂的各种运动。机座机座是机械手的基础部分，机械手执行机构的各部件和驱动系统均安装于机座上，故起支撑固定和连接的作用。驱动系统驱动系统是驱动工业机械手执行机构运动的动力装置调节装置和辅助装置组成。常用驱动系统有液压传动、气压传动、机械传动。控制系统控制系统是支配着工业机械手按规定的要求运动的系统。目前工业机械手的控制系统一般由程序控制系统和电气定位或机械挡块定位系统组成。控制系统有电气控制和射流控制两种，它支配着机械手按规定的程序运动，并记忆人们给予机械手的指令信息如动作顺序、运动轨迹、运动速度及时间，同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令，必要时可对机械手的动作进行监视，当动作有错误或发生故障时即发出报警信号。132机械手的分类工业机械手的种类很多，关于分类的问题，目前在国内尚无统一的分类标准，在此暂按使用范围、驱动方式和控制系统等进行分类。按用途分机械手可分为专用机械手和通用机械手两种。专用机械手它是附属于主机、具有固定程序而无独立控制系统的机械装置。专用机械手具有动作少、工作对象单一、结构简单、使用可靠和造价低等特点，适用于大批量自动化生产的自动换刀机械手，如自动机床、自动线的上、下料机械手和加工中心。通用机械手它是一种具有独立控制系统的、程序可变的、动作灵活多样的机械手。在性能范围内，其动作程序是可变的，通过调整可在不同场合使用，驱动系统和控制系统是独立的。通用机械手的工作范围大、定位精度高、通用性强，适用于不断变换生产品种的中小批量自动化的生产。通用机械手按其控制定位的方式不同可分为简易型和伺服型两种简易型以“开一关”式控制定位，只能是点位控制，伺服型可以是点位的，也可以实现连续控制，伺服型具有伺服系统的定位控制系统，一般的伺服型通用机械手属于数控类型3。按驱动方式分液压传动机械手是以液压的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要的特点是抓重可达几百公斤以上、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏。但对密封装置要求严格，不然油的泄漏对机械手的工作性能有很大的影响，且不宜在高温、低温下的工作。若机械手采用电液伺服驱动系统，可实现连续轨迹的控制，使机械手的通用性扩大，但是电液伺服阀的制造精度较高，油液过滤要求严格，成本高。气压传动机械手以压缩空气的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是介质来源极为方便，输出力小，气动动作迅速，结构简单，成本低。但是由于空气具有可压缩的特性，工作速度的稳定性较差冲击大，而且气源压力较低，抓重一般在30公斤以下，在同样抓重条件下它比液压机械手结构大，所以适用于高速、轻载、高温和粉尘大的环境中进行工作。电力传动机械手即有特殊结构的感应电动机、直线电机或功率步进电机直接驱动执行机构运动的械手，因为不需要中间的转换机构，故机械结构简单。其中直线电机机械手的运动速度快和行程长，维护和使用方便。此类机械手目前还不多，但有发展前途。机械传动机械手即由机械传动机构如凸轮、连杆、齿轮和齿条、间歇机构等驱动的机械手。它是一种附属于工作主机的专用机械手，其动力是由工作机械传递的。它的主要特点是运动准确可靠，用于工作主机的上、下料。动作频率大，但结构较大，动作程序不可变。按控制方式分点位控制它的运动为空间点到点之间的移动，只能控制运动过程中几个点的位置，不能控制其运动轨迹。若欲控制的点数多，则必然增加电气控制系统的复杂性。目前使用的专用和通用工业机械手均属于此类5。连续轨迹控制它的运动轨迹为空间的任意连续曲线，其特点是设定点为无限的，整个移动过程处于控制之下，可以实现平稳和准确的运动，并且使用范围广，但电气控制系统复杂。这类工业机械手一般采用小型计算机进行控制。14主要研究的内容随着机械手技术的飞速发展和机械手应用领域的不断深化，不仅要求其控制可靠性强、使用灵活性高和操作灵活性好，还要其成本低、可实用性强。本论文主要设计仿真机械手以下几个方面的内容141仿真机械手执行系统的分析与选择执行系统是由传动部件与机械构件组成，是机械手赖以实现各种运动的实体。主要包括机身、手臂、末端执行器3部分组成，其中每一部分都可以具有若干的自由度。执行系统的选择主要是对机械手的手部、手臂。142仿真机械手驱动系统的分析与选择驱动系统是向执行系统各部分提供动力的装置。通过对液压、气压、电气三种驱动方式的比较，本设计选择液压驱动的方式。内容包括液压元件的选择及其工作原理、液压回路的设计和液压原理图的绘制。143仿真机械手的零部件设计机械手的零部件的结构设计，精度要求，都关系着机械手的适用范围和寿命，本机械手的零部件的设计主要包括抓指的外形设计，液压执行元件的设计，支撑杆的设计等。15解决的关键问题解决机械手机械结构的设计问题，要求机械手结构简单、经济、功能性强、适用范围广、具有一定的代表性。执行部件的运动精度的问题。机械手的控制系统，包括控制系统的电路和控制程序，并解决工件和控制系统的协调问题。机械手零部件材料的选择的问题。第2章机械手的设计方案21机械手的坐标型式与自由度按机械手手臂的不同运动形式及其组合情况，其坐标型式可分为直角坐标式、圆柱坐标式、球坐标式和关节式。由于本机械手是多功能机械手，在工作时手臂具有升降、收缩及回转运动，因此，采用圆柱座标型式。相应的机械手具有三个自由度，为了弥补升降运动的行程较小的缺点，增加手臂摆动机构，从而增加一个手臂上下摆动的自由度。图21机械手的运动示意图22机械手的手部结构方案设计为了使机械手的通用性更强，把机械手的手部结构设计成复合式结构，机械手有四个抓，在手腕上90度均匀分布，每个抓尖和手腕中央有负气流吸盘和压力感应器，可以控制每个抓的抓握度。能够适用抓取各种形状和材质的物料。23机械手的手腕结构方案设计考虑到机械手设计的简单性，因此假设物料和手腕在同一轴线上，所以手腕必须设有回转运动才可满足工作的要求。因此，手腕设计成回转结构，实现手腕回转运动的机构为回转单叶液压缸。24机械手的手臂结构方案设计按照抓取工件的要求，本机械手的手臂有三个自由度，即手臂的伸缩、左右回转和降或俯仰运动。手臂的回转和升降运动是通过立柱来实现的，立柱的横向移动即为手臂的横移。手臂的各种运动由液压缸来实现。25机械手的驱动方案设计抓重可达几百公斤以上、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏因此本机械手采用液压传动方式。26机械手的控制方案设计考虑到机械手的通用性，同时使用点位控制，因此我们采用可编程序控制器PLC对机械手进行控制。当机械手的动作流程改变时，只需改变PLC程序即可实现，非常方便快捷。27机械手的主要参数机械手的最大抓重是其规格的主参数，由于是采用液压方式驱动，因此负重范围大，查阅相关机械手的设计参数，结合工业生产的实际情况，本设计设计抓取的工件质量为50公斤。基本参数运动速度是机械手主要的参数。操作节拍是对机械手速度的要求，设计速度过低限制了它的使用范围10。从而影响机械手动作快慢的主要因素是手臂伸缩及回转的速度。该机械手最大移动的速度设计为。最大回转的速度设计为。SM/01S/90平均移动的速度为。平均回转的速度为。机械手动作时有启动、停止过SM/806程，加、减速度存在，用速度一行程曲线来说明速度特性较为全面，因为平均速度与行程有关，故用平均速度表示速度的快慢更为符合速度特性。除了运动速度以外，手臂设计的基本参数还有工作半径。大部分机械手设计成相当于人工坐着或站着的空间。过大的伸缩行程和工作半径，必然带来偏重力矩增大而刚性降低。根据统计和比较，该机械手手臂的伸缩行程定为2000MM,最大工作半径约为3400MM。手臂升降行程定为1200MM。定位精度也是基本参数之一。该机械手的定位精度为。M128机械手的技术参数列表用途多种场合的应用设计技术参数抓重20KG自由度数4个自由度坐标型式圆柱坐标最大工作半径3400MM手臂最大中心高2600MM手臂运动参数伸缩行程2000MM伸缩速度1000MM升降行程1200MM升降速度SM/250回转范围0160回转速度S/9手腕运动参数回转范围0160回转速度S/0手指夹持范围600MM定位方式行程开关或可调机械挡块等定位精度M1驱动方式液压传动第3章手部结构设计为了使机械手的通用性更强，把机械手的手部结构设计成复合式结构，机械手有四个抓，在手腕上90度均匀分布，每个抓尖和手腕中央有负气流吸盘和压力感应器，可以控制每个抓的抓握度。能够适用抓取各种形状和材质的物料。31手指的形状和分类夹持式是最常见的一种，其中常用的有两指式、多指式和双手双指式按手指夹持工件的部位分为内卡式或内涨式和外夹式两种按模仿人手手指动作，手指分为一支点回转型，二支点回转型和移动型或称直进型，其中以二支点回转型为基本型式。当二支点回转型手指的两个回转支点距离缩小到无穷小时，就变成了一支点回转型手指同理，当二支点回转型手指的长度变成无穷长时，就成为移动型。回转型手指开闭角小，结构简单，制造容易，应用广泛。移动型应用较少，其结构比较复杂庞大11。32设计时考虑的几个问题具有足够的握力即夹紧力在确定手指的握力时，除考虑工件的重量外，还应考虑在传送或操作过程中所产生惯性力和振动，保证工件不致产生松动或脱落。手指间应具有一定的开闭角两手指张开与闭合的两个极限位置所夹的角度称为手指的开闭角。手指的开闭角应保证工件能顺利进入或着脱开，若夹持不同直径的工件，应按最大直径工件考虑。保证工件准确定位为使手指和被夹持工件保持准确的相对位置，必须根据被抓取工件的形状，选择相应的手指形状。具有足够的强度和刚度手指除受到被夹持工件反作用力外，还受到机械手在运动过程中所产生惯性力和振动的影响，要求有足够强度和刚度以防折断或弯曲变形，当应尽量使结构简单，自重轻，并使手部的中心在手腕的回转轴线上，以使手腕的扭转力矩最小为佳。考虑被抓取对象的要求根据机械手的工作需要，通过比较，我们采用的机械手的手部结构是设计成复合式结构，机械手有四个抓，在手腕上90度均匀分布，每个抓尖和手腕中央有负气流吸盘和压力感应器，可以控制每个抓的抓握度。能够适用抓取各种形状和材质的物料,其结构如附图所示。本课题液压驱动机械手的手部结构如图32所示，图32手部33手部夹紧缸液压的设计331手部驱动力计算其工件重量G50公斤，手指的角度A90度，,摩擦系数为MRB241010F1根据手部结构的传动示意图，其驱动力为根据手指夹持工件的方位，P2N可得握力计算公式50TGN24256所以RBP0N3实际驱动力21K实际I,因为传力机构为齿轮齿条传动，故取，并取。若被抓取工件的94051K最大加速度取时，则GA312GAK所以56309450NP实际所以夹持工件时所需夹紧气缸的驱动力为。15630332液压缸的直径本液压缸属于单向作用液压缸。根据力平衡原理2，单向作用液压缸活塞杆上的输出推力必须克服活塞杆工作时的总阻力14，其公式为ZFPD421式中活塞杆上的推力，N；液压缸工作时的总阻力，N1ZF液压缸工作压力，PA在设计中，必须考虑负载率的影响，则TFPD421由以上分析得单向作用液压缸的直径1代入有关数据，可得FGNDD3148439507/67MN1SGFFT2066373N所以DPNFT1461052498M查有关手册圆整3，得M8由,可得活塞杆直径302/DDD10532圆整后，取活塞杆直径校核，按公式04/21DF有其中，50/14FMPA0N则29D87满足实际设计要求。缸筒直接承受压缩液压液压力，必须有一定厚度。一般液压缸缸筒壁厚与内径之比小于或等于1/10，其壁厚可按薄壁筒公式计算2/PDP式中6缸筒壁厚，MM；液压缸内径，MM；实验压力，取,PADPP51材料为ZL3,3MPA代入己知数据，则壁厚为/P101032/665M取，则缸筒外径为41802410MD液压缸三视图第4章手腕结构设计考虑到机械手设计的简单性，因此假设物料和手腕在同一轴线上，所以手腕必须设有回转运动才可满足工作的要求。因此，手腕设计成回转结构，实现手腕回转运动的机构为回转液压缸。41手腕的自由度手腕是连接手部和手臂的部件，它的作用是调整或改变手指的方位，因而它具有独立的自由度，以使机械手适应复杂的动作要求。手腕自由度的选用与机械手的通用性、加工工艺要求、工件放置方位和定位精度等许多因素有关。由于本机械手抓取的工件是假设物料和手腕在同一轴线上，同时考虑到通用性，因此给手腕设一绕X轴转动回转运动才可满足工作的要求目前实现手腕回转运动的机构，应用最多的为回转油缸，因此我们选用回转液压缸。它的结构紧凑，但回转角度小于，并且要求严格360的密封。42手腕的驱动力矩的计算手腕转动时所需的驱动力矩手腕的回转运动，驱动手腕回转时的驱动力矩必须克服手腕起动时所产生的惯性力矩，手腕的转动轴与支承孔处的摩擦阻力矩，动片与缸径、定片、端盖处密封装置的摩擦阻力矩以及由于转动件的中心与转动轴线不重合所产生的偏重力矩4。图41所示为液压缸的示意图。手腕转动时所需的驱动的力矩可按下式计算3封摩偏惯驱MM式中驱动手腕转动的驱动力矩惯性力矩；驱MCMN惯CMN参与转动的零部件的重量包括工件、手部、手腕回转缸的动片对转动轴偏线所产生的偏重力矩；CMN手腕回转缸的动片与定片、缸径、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩封；CMN分析各阻力矩的计算手腕加速运动时所产生的惯性力矩M若手腕的起动过程按等加速运动，手腕转动时的角速度为，起动过程所用的时间为，则6T1CMNTJ）（惯式中参与手腕转动的部件对转动轴线的转动惯量J2SC工件对手腕转动轴线的转动惯量。12SCMN若工件中心与转动轴线不重合，其转动惯量为1JGGJC121E式中工件对过重心轴线的转动惯量；C2SCMN工件的重量N工件的重心到转动轴线的偏心距CM；11E手腕转动时的角速度弧度/S起动过程所需的时间S；T起动过程所转过的角度弧度。手腕转动件和工件的偏重对转动轴线所产生的偏重力矩M偏5偏M1EG3CMN式中手腕转动件的重量N3手腕转动件的重心到转动轴线的偏心距CM。当工件的重心与手腕转动轴线重E合时，则。1EG0手腕转动轴在轴颈处的摩擦阻力矩封M式中，转动轴的轴颈直径CM；封M21DRFBACMN1D2摩擦系数，对于滚动轴承，对于滑动轴承；F0F10F,处的支承反力N，可按手腕转动轴的受力分析求解，ARB根据,得0）（F3LGRBL12BRLLG321同理，根据F,得BM式中的重量NLLLGRA3212,如图41所示的长度尺寸CM。321,L转缸的动片与缸径、定片、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩M封，与选用的密衬装置的类型有关，应根据具体的情况加以分析。第5章机械手升降臂设计51升降臂设计参数要求升降臂起升高度0500MM，任意可调；单向升降运动时间05S；升降臂与旋转底座、伸缩臂为法兰连接；结构设计时考虑伸缩臂原位时的整机平衡；升降过程速度变化均匀，无刚性的冲击；升降臂定位可靠、精确。52运动方案液压驱动方案采用直线油缸，考虑手臂最底工位。53设计内容大臂的结构设计。大臂结构强度的计算。动系统液压油流量，压力，驱动油缸的选择。连接件及其固定件的选择。531动力系统的选择计算根据设计任务书要求，应采用液压驱动方案，液压驱动具有运动平稳，易于控制，便于安装安装，调试方便等优点7。但采用液压驱动方案可能会使升降臂的上下尺寸加大，因此其刚度会因此而降低。5311液压缸的选择执行元件的工况分析一般情况液压缸承受的工作负载，导轨摩擦的负载，惯性负载，重力负载和背压负载，工作负载。不同机器有不同的工作负载。F伸缩臂及夹持器的总重量。工件的质量M约50KG估计；夹持器的质量20KG已知；伸缩臂的质量20KG估计；滑台的重量40KG液压缸的重量20KG；齿条的重量20KG15P其他部件的质量40KG估计；工作负载大约为F1700。共计工作负载大约为1700。导轨摩擦负载FF导轨摩擦的负载是指液压缸驱动运动部件时的导轨摩擦力，理想状态圆柱导轨受正压力FN0所以可以忽略不计9。惯性负载FA由设计的任务书可知02V取025M/SV液压转动教材取012125NTAF重力负载对该项设计任务，液压缸上升取正，反之取负。GFG背压负载液压缸回油腔背压所造成阻力称为背压负载，在系统方案及液压缸结构尚未确定之前是无法计算的。GF532执行元件主要参数的确定5321、初选执行元件的工作阻力工作的压力选的高，执行元件和系统的结构紧凑，但对密封、强度和刚度的要求高，反之，如果工作的压力选的低，就会增及执行元件的尺寸和质量。根据本项目实际情况工作压力P取2MPA。5322执行元件主要结构尺寸的确定需确定的结构尺寸是指液压缸内径和活塞杆直径D。首先受力分析由静止起动时，液压缸受力最大，受力分析如图31所示分析得取F10000N10625WAFN图51液压缸受力示意图P2MPA,初定PB0（背压）规为标准，D取80MM对工作压力P10MPA的工况，往返速度比P取133对于工程用压力缸，由钢径D和速度比可以查出活塞杆直径D为75MM有说明书要求活塞杆长度应为580MM5323校核已知背压PB06MPA，受力分析如图52由受力平衡（522PDDF2）22206510582BMPAD80MM的液压缸选择合理对活塞杆的强度校核1580231LD（53）由于长径比大于10220454AFMP（54）所以刚度校核满足要求。5324液压缸的选择与安装考虑到活塞杆与滑块相连接，活塞杆与液压缸较长，选用中部轴销连接液压缸的型号选择为B231100533升降臂导轨的设计与计算大臂立柱按照设计要求应是两圆柱导轨，它与旋转底座连接为法兰式连接12。材料为。235Q5331升降臂的结构设计对液压传动的方案会增加升降臂的高度，42601FMP图52液压缸校核示意图图53圆柱导轨示意图因此大臂的结构设计要有利与提高其抗弯强度和刚度。为对任务方案进行改进后使用，如图53结构选两圆柱导轨的直径为40MM；长为1200MM；两端由直径为30MM的螺纹通过螺母连接到法兰板上。5332结构设计中需注意的几个问题及其解决方案（1）机械运动冲击，对于本传动方案可采用液压方式来缓冲定位。（2）结构设计满足产品适用性，通用性，升降臂行程可调，设计者采用可移动当铁来控制行程。（3）结构便于维护、安装、调试。5333升降臂大臂的强度校核升降臂的具体尺寸在图纸上有明确表示，所以升降臂校核是基本图纸的尺寸柱身的计算。（1）导轨的刚度校核受力分析如下图两圆柱导轨中心线间距离为160MM所以N/M106280EMNM由材料力学（I）的挠度公式；（55）54圆柱导轨受力分析图2EBLWEI；44743102106XDM钢的弹性模量为。235Q20GPA代入公式计算得出导轨的在径向的位移为（56）224980163012EBMLWEIMLM导轨满足在径向偏移量小于的要求。10L5334导轨与法兰连接处校核导轨下端与底部法兰采取螺纹连接加螺栓连接如螺栓预紧力的校核（57）22F10434AMPD满足螺栓强度要求。受力如右图弯距最大的位置在最上端，此时距离最低端的距离为。M21计算出最低端的受力为（5806712EMFNL8）EMF图55圆柱导轨底部连接示意图图56圆柱导轨受力分析示意图（59）6734906305PPFPAMADH所以满足设计要求。5335校核与法兰连接的螺栓校核螺栓所需预紧力参考机械设计2式（52），对碳素钢螺栓，要求1076AFS已知，（510）MPAS240222193474MDA预紧力下限即NS5806要求预紧力，小于上值，故满足要求。NF870确定螺栓的公称直径后，螺栓的类型、长度、精度以及相应的螺母、垫片等结构尺寸，可根据底板的厚度、螺栓在侧板的固定方法及防松装置等全面考虑后定出。轴两端为直径20MM的螺纹，右端螺母应选择M20GB39765336撞块设计与行程开关的设计为了使机械手定位准确必须有定位块，考虑到设计方案，在起导轨上加以下结构可调节撞块由两个卡片经两根螺栓联接与导轨处加上羊毛毡圈用来保护导轨表面粗糙度不被破坏，在撞块上装有行程开关来实现对液压缸的动作信号发出，该撞块在导轨上可实现任意可调。两螺栓的预紧力让两卡片卡到导轨上在停止的时候M50不被撞动。，停止时间为FTMVS2NTV2510685（511）卡片与导轨间摩擦力F摩选取二者间的摩擦系数取所以螺栓预紧力NF5230158摩预由机械设计螺栓联接强度校核公式2图57挡铁，查表58得（512）预FD41MPA40（513）M7216351预在设计中选择为螺栓，其长度根据安装时择。8M5337结构设计中需注意的几个问题及其解决方案（1）机械运动冲击，对于本传动方案可以采用液压方式来缓冲定位。（2）结构的设计满足产品的适用性，通用性，升降臂的行程可调设计者采用可移动当铁来控制行程。（3）结构便于维护、安装、调试5338升降臂的安装导轨两端直径为20MM的螺纹，上端螺母选择GB3976升降臂与底座相连为法兰连接定位销选择GB11786固定液压缸装置；结构如图58所示与法兰连接处采用沉头M6螺钉紧固图58升降缸固定装置第6章液压系统61液压工作原理图62液压系统工作原理根据设计要求可知该机械手是多功能仿真机械手能适用于各种场合。机械手总体设计分为机械手、伸缩臂、升降臂和底座四大部件设计及二个系统PC电控系统与液压控制系统设计。机械手安装于伸缩臂上，伸缩臂安装在升降臂上，升降臂安装在底座上。连接方式均为法兰盘螺栓连接。油泵电机齿条缸夹紧缸伸缩缸升降缸图61液压工作原理图机械手的动作分为16步。从原位开始升降臂下降机械手夹紧升降臂上升底座快进回转底座慢进伸缩臂伸出机械手松开伸缩臂缩回；待工作完毕后，伸缩臂伸出机械手夹紧伸缩臂缩回底座快退回转底座慢退升降臂下降机械手松开升降臂上升到原位停止，准备下次循环。16步动作依次为1升降臂下降当有需要夹持物料过来时，发出信号给升降缸工作，升降臂1YA下降到位置后压下行程开关并撞到挡铁停下来；1ST2机械手抓紧行程开关接通后将电信号传送给即夹持缸工作。当回油路5压力达到某一固定值时，压力继电器发出信号后，使断电夹持缸处于夹紧状态；3升降臂上升断电同时，发出信号传给使升降缸上升到原位后压下行5YA2YA程开关并撞到挡铁停下来。2ST4底座快速回转得电时将电信号送给，使回转缸工作，底座快速回转，2ST75底座慢进当其快到位时压下行程开关并发出信号给回油经节流阀慢5ST9YA速回油箱实现底座慢进，到位后碰到行程开关和挡铁挺下来。66伸缩臂伸出得电时将电信号传送给时伸缩缸工作并伸出，当到位时6ST4YA压下行程开关并撞到挡铁停止运动。37机械手松开得电时将电信号传送给是夹持缸工作，夹持器松开。68伸缩臂缩回延时后，继电器工作将电信号传送给使伸缩臂缩回，到位S23后压下行程开关并撞上挡铁停下来，得电的同时将电信号传送给使泵在4ST4ST10YA先导式顺序阀的作用下使泵处于卸荷状态。同时发出信号给机床开始加工。9伸缩臂伸出加工完成后，机床发出信号给，是伸缩臂伸出，到位时压下YA，并撞上挡铁停下来。3ST10机械手抓紧得电时发出电信号给使夹持缸工作，当回油路压力达3ST5到某一固定值时，压力继电器发出信号后，使断电夹持缸处于夹紧状态；11伸缩臂缩回当回油路压力达到某一固定值时，压力继电器工作将电信号传送给使伸缩臂缩回，到位后压下行程开关并撞上挡铁停下来；3YA4ST12底座快退得电时将电信号送给，使回转缸工作，底座快速回转，4ST8YA13底座慢退当其快到位时压下行程开关并发出信号给回油经节流阀7ST9YA慢速回油箱实现底座慢进，到位后碰到行程开关和挡铁挺下来。814升降臂下降发出信号给升降缸工作，升降臂下降到位置后压下行程8ST1YA开关并撞到挡铁停下来；1ST15机械手松开得电时将电信号传送给是夹持缸工作，机械手松开。1616升降臂上升到原位停止延时发信号给升降缸上升到原位后压下行程开关S2并撞到挡铁停下来。2S表61液压换向阀继电器的输出信号表输出条件运动情况输入条件YA1YA2YA3YA4YA5YA6YA7YA8YA9YA10升降臂下降YA1机械手抓紧YA5升降臂上升YA2底座快速右转YA7底座慢速右转YA9伸缩臂伸出YA4机械手松开YA6伸缩臂缩回YA3卸荷等待YA10伸缩臂伸出YA4机械手抓紧YA5伸缩臂缩回YA363油泵的选择计算根据设计工作要求，整个机构选用YBX型限压式叶片变量泵631流量计算根据其余各组数据统计如下计算得（61）VSQ升降缸伸缩缸MIN16LMIN152LQ加紧缸回转缸4033474选择系数11（61）41728PQK确定泵的压力四个液压缸的压力分别为升降缸伸缩缸加紧缸回转缸MPA21MPA12MPA23MPA24液压缸最大工作压力（611P2）个液压缸压力最大数值进油路总压力损失1P1PMPA21底座快速左转YA8底座慢速左转YA9升降臂下降YA1机械手松开YA6升降臂上升YA2取MPA501。P2泵的额定压力为51035PPPA油泵具体型号的选定油泵型号YBX16技术参数排量调节016ML/R；额定压力63MPA压力调节2063MPA；额定转速6001800R/MIN；驱动功率26KW632油泵电机的选择有公式计算电动机功率其中液压泵总效率取085PQP液压系统总流量；泵的压力PP电动机功率（63）328750161PPQKW选择电动机型号为Y100_6型异步电动机电动机规格及参数如下额定功率15KW；电流4A转速940R/MIN；效率775；功率因数014轴管内径一般可以参照所接元件的接口尺寸确定，也可以按照管路允许的流速进行计算，本系统中油管选用1815无缝钢管。油箱的选择计算油箱的容量其中PMQVV为油箱的有效容积（L）；为液压泵的流量（L/MIN）；M为系数，（MIN）P低压系统为24MIN，中压系统为57MIN，中高压系统和大功率系统为612MIN。本系统选择57MIN。所以油箱容积为（6PMQV4）（57）20810414562L633液压系统性能验算由于本液压系统结构简单，压力损失验算可以从略。有由于系统采用限压式变量叶片泵，而且本系统功率较低，油箱体积相对较大，所以系统升温的现象不明显，其余元件性能满足要求，因此本系统性能符合要求。第7章PLC控制系统71F1系列PLC的组成与性能简介F1系列PLC属于小低档机，为整体式的结构，共有三个不同的单元即基本单元（主机）、扩展单元和特殊单元。每个PLC控制系统必须要有一台基本单元，若增加输入输出点数，就要扩展单元。若要增加控制功能，则可连接相应的特殊单元，如高速计数单元，模拟量单元等。F1系列PLC可公用F2系列的特殊单元。F1系列PLC的芯片为8093单片机芯片，执行速度平均，程序容量为步/12S1000步。而F2系列容量为2000步。输出方式像F系列PLC一样也为三种，即晶体管输出（用T表示）、晶闸管输出（用S表示）、继电器输出（用R表示）。72基本单元和扩展单元F1系列PLC共有五种基本单元M（均采用相同型号的CPU和编程器）和扩展单元E，如表1所示，但F2系列PLC比F1系列多2个扩展单元（F212EX、F28EY）表71F1系列PLC的基本单元和扩展单元单元型号输入点数输出点数F112MR66F120MR1218F130MR1614F140MR2416基本单元F160MR3624F11OER46F120ER128F140ER2416扩展单元F160ER362473器件功能及编号（1）输入继电器X输入继电器是PLC接受外部用户输入设备开关信号的接口，它具有无数对常开接点和常闭接点，供PLC编程时使用。其基本单元和扩展单元编号（八位制编制）如表2所视。每种型号的F1系列PLC机面板上，通常都标出该机的X编号和Y编号（2）输入继电器Y。输入继电器输出端是PLC向外部负载传送信号的接口。它具有一对输出接点与PLC输出端相连，此外它具有无数对常开接点和常闭接点，供PLC编程时使用。输出继电器的编号为（八进制）基本单元Y030Y037，Y430Y437，Y530Y537。扩展单元Y040Y047，Y440Y447，Y540Y547。表72输入继电器X的编号单元型号编号F112MRX400X405F120MRX400X407，X410X413F130MRX400X407，X410X413，X500X503F140MRX400X413，X500X513基本单元F160MRX000X013，X400X413，X500X513F11OERX（）14X（）17F120ERX（）14X（）27F140ERX414X427，X514X527扩展单元F160ERX014X027，X414X427，X514X527注表中（）号中的数字可以用0或4、或取5，这取决于电缆接在基本单元哪个扩展口上3辅助继电器M。辅助继电器是逻辑运算继电器，与输入输出继电器一样，具有无数对常开接点和常闭接点。4状态继电器S。F1系列PLC提供40个状态继电器，通常与步进指令一起使用，它们均为继电保护。状态继电器编号（八进制）如下S600607，S610617，S620S627，S630S637，S640S647。74PLC的输入输出分配图泵启动泵停止启动停止下降限位上升限位伸出限位缩回限位右转限位慢右转限位慢左转限位左转限位夹紧压力信号上升下降伸出缩回右转左转夹紧松开手动自动工件到位信号加工完毕信号信号信号图71PLCI/O分配图75步进指令、状态转换图及步进梯形图步进指令是利用状态转换图来设计梯形图一种指令。状态转换图可以直观地表达工艺流程。采用步进指令指令设计的梯形图不仅简单直观，而且是顺序控制变得比较容易，大大的缩短程序设的时间。使用步进指令时，利用状态转化图来设计步进梯形图。状态转换图中的每个状态表示顺序工作的一个操作，因此步进指令常用控制时间和位移等顺序的操作过程。是步进指令可以直观地表示顺序操作的流程，可以减少指令程序的条数和容易被人们理解。步进接点只有常开接点，而没有常闭接点。指令用STL表示，连接步进接点的其他继电器用LD和LDI指令表示。自动步进梯形图总框图手动程序自动程序公共程序图72自动步进梯形图自动控制梯形图伸出慢右转右转上升夹紧下降伸出卸荷等待加工缩回松开2后下一动作左转慢左转缩回夹紧下降松开2后下一动作上升图73自动控制梯形图缩回限位上限位左转限位左转限位上限位手动程序缩回限位缩回限位缩回限位互锁互锁互锁互锁互锁互锁互锁左转左转左转限位右转右转右转限位松开松开夹紧夹紧缩回缩回缩回限位上限位伸出伸出伸出限位上限位下降下降下限位左转限位左转限位上限位互锁上升上升图手动程序泵启动启动公共程序表73机械手自动和手动控制总程序语句表步序指令数据步序指令数据步序指令数据步序指令数据0LDIX40015STLS60130LDX41045SS6101ORY43016OUTY43531SS60546STLS6102OUTY43017LDX41432STLS60547OUTY5323LDX40218SS60233OUTT43448LDX5004ORM10219STLS60234LDX40649SS6115OUTM10220OUTY43235SS60650STLS6116LDX42621LDX40536STLS60651OUTY4347CJP70022SS60337OUTY43652LDX4068LDM10223STLS60338OUTY45053SS6129ANDX42724OUTY43739K254STLS61210SS60025LDX41140LDT45055OUTY435图75公共程序图11STLS60026SS60441SS60756LDX41412OUTY43127STLS60442STLS60757SS61313LDX40428OUTY43743OUTY43358STLS61314SS60129OUTY53144LDX