PLC控制的通用翻转机械手的设计【说明书+CAD】
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PLC控制的通用翻转机械手的设计【说明书+CAD】,PLC,控制,通用,翻转,机械手,设计,说明书,CAD
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湖 南 农 业 大 学全日制普通本科生毕业设计 PLC控制的通用翻转机械手的设计THE DESIGN OF TURNING MANIPULATOR BASEDON PLC CONTROE学生姓名： 陈 斌学 号： 201120614201年级专业及班级： 2009级机械设计制造及自其动化 (2)班指导老师及职称： 周光永 副教授学 院： 工学院湖南长沙提交日期：2013 年 5 月湖南农业大学全日制普通本科生毕业设计 诚信声明本人郑重声明：所呈交的本科毕业设计是本人在指导老师的指导下，进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体在文中均作了明确的说明并表示了谢意。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 毕业设计作者签名： 2013年 月 日目 录1 绪论51.1 前言51.2 工业机械手在生产中的应用71.3 机械手的组成81.3.1执行机构81.3.2驱动机构91.3.3控制系统分类92 总体布局设计方案92.1 机械手的确定92.2驱动机构的选择102.3 机械手的技术参数列表113 机械手手部的设计计算113.1 手部设计时应注意的问题113.2 典型的手部结构113.3 机械手手部结构及驱动的设计计算123.3.1选择手部的类型及夹紧装置123.3.2手指夹紧力及液压缸驱动力的计算液压缸的选用123.4 机械手手指部的设计计算143.4.1齿轮齿条传动机构的设计计算143.4.2手指指部的设计计算183.4.3手指指部齿轮安装销的设计计算184 机械手腕部的设计计算184.1 机械手腕部结构及运动分析184.2 机械手腕部驱动装置的设计计算及选用185 机械手臂部的设计及有关计算205.1 臂部设计时应注意的问题205.2 手臂的典型结构以及结构的选择205.3 手臂Z方向升降运动的受力分析及其计算215.4手臂Z方向升降运动液压缸结构尺寸的设计计算及选用236 机身的设计246.1 机身的概述246.2 机身设计时应注意的问题247 液压元件及动力机的设计选择257.1 液压泵的选择257.2动力机选择257.3 油管的设计267.4 油箱的设计267.5 液压元件的选择267.6 液压油的选用288 液压系统的验算298.1 压力损失的验算298.1.1回路压力损失的验算298.1.2局部压力损失验算298.2 计算液压系统的发热温升309 可编程控制器PLC31 9.1 PLC简介319.2 PLC内部原理339.3 PLC工作元原理359.4 PLC 机型的选择 3810 PLC工作控制过程简述39结束语40参考文献 41致谢 42PLC控制的通用翻转机械手的设计学 生：陈 斌指导老师：周光永（湖南农业大学工学院，长沙 410128）摘要：机械手是机器人的操作机，是机器人完成各种任务的执行机构。本文主要针对生产线上的自动化设计了一个三个自由度的通用翻转机械手。为实现机械手的动作要求，该设计采用两个活塞式液压缸和一个摆动液压缸，活塞式液压缸一个用来驱动齿条式机械手的张合来抓住物体，一个用来实现物体的移动；摆动式液压缸用来实现机械手的翻转，并采用PLC控制液压电磁阀工作实现机械手的自动动作。 关键词：PLC控制；液压驱动；翻转；机械手 The Design Of Turning Manipulator Based On PLC Control Student:Chen Bin Tutor:Zhou Guangyong(College of Engineering, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China)Abstract: Robot manipulator is the operator who directs the robot in completing various tasks. This article focuses on the automation of the production line designed generic flip of a three-design-of-freedom robot. Actions requirements for achieveing the manipulator. The design uses two piston hydraulic cylinders and a rotary actuator. Piston hydraulic cylinder is used to drive a rack robot sheets together to grasp objects, one for the movement of objiect. The swining hydraulic cylinder used to acheve the robotic flip. And hydraulic solenoid valve is controlled by PLC automatic action of the robot.Key words:PLC control ；hydraulic drive; flip; Manipulator1 绪论1.1 前言在当今大规模制造业中，企业为提高生产效率，保障产品质量，普遍重视生产过程的自动化程度，工业机器人作为自动化生产线上的重要成员，逐渐被企业所认同并采用。工业机器人的技术水平和应用程度在一定程度上反映了一个国家工业自动化的水平，目前，工业机器人主要承担着焊接、喷涂、搬运以及堆垛等重复性并且劳动强度极大的工作，工作方式一般采取示教再现的方式。20世纪50年代以后机械手逐步推广到工业生产部门用于在高温污染严重的地方取放工件和装卸材料也作为机床的辅助装置在自动机床自动生产线和加工中心中应用完成上下料或从刀库中取放刀具并按固定程序更换刀具等作。机械手主要由手部机构和运动机构组成。手部机构随使用场合和作对象而不同常见的有夹持托持和吸附等类型。运动机构一般由液压气动电气装置驱动。机械手可独立地实现伸缩旋转和升降等运动一般有23个自由度。机械手广泛用于机械制造冶金轻工和原子能等部门。能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运对象或作工具的自动作装置。它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。针对这一问题，本文将设计一台四自由度的工业机器人，用于移置轴类零件。首先，本文将设计机器人的伸缩臂、机身、横移液压缸和机械手的结构，然后选择合适的传动方式、驱动方式，搭建机器人的结构平台；在此基础上，本文还将设计该机器人的液压控制系统。机器人工程是近二十多年来迅速发展起来的综合学科。它集中了机械工程、电子工程、计算机工程、自动化控制工程以及人工智能等多种学科的最新研究成果，是当代科学技术发展最活跃的领域之一，也是我国高科技跟踪国际发展的重要方面。工业机器人的研究、制造和应用水平，是一个国家科技发展和经济实力的象征，正受到许多国家的广泛重视。目前，机器人的定义，世界各位尚未统一，分类也不近相同。最近联合国组织标准化组织采纳了美国机器人协会给工业机器人下的定义：工业机器人是一种可重复编程的多功能操作装置，可以通过改变动作程序来完成各种工作，主要应用于搬运材料，传递工件。参考国外的定义，综合我国的习惯用语，对工业机器人做如下定义：工业机器人是一种机体独立，动作自由度较多，程序可灵活变更，能任意定位，自动化程度高的自动操作机械。主要用于加工自动线和柔性制造系统中传递和装卸工件或夹具。工业机器人以刚性高的手臂为主题，与人相比，可以有更快的运动速度，可以搬运更重的东西，而且定位精度相当高。它可以根据外补来的信号自动进行操作。工业机器人的发展，由简单到复杂，由初级到高级逐步完善，它的发展阶段可分为三代：第一代机器人就是现在工业中大量使用的示教再现型工业机器人，它主要由手部、臂部、驱动系统和控制系统组成。它的控制方式比较简单，应用在线编程，即通过示教存储信息，工作是读取这些信息，向执行机构发出指令，执行机构按指令再现示教的操作。第二代机器人是带感觉的机器人。它具有寻力觉、嗅觉、视觉等进行反馈能力。其控制方式较第一代要复杂的多，这种机器人从1980年开始进入实验阶段，不久将普及应用。第三代机器人即智能机器人。这种机器人除了嗅觉、视觉等功能外，还能够根据人给出的指令认识自身或周围的环境，识别状态的有无及其状态，再根据这一识别自动选择程序进行操作，完成规定的任务，并且能跟踪工作对象的变化具有使用工作环境的功能。这种机器人还处于试验阶段，尚未大量投入实用。基于液压控制的移置机械手的设计有以下几个主要内容： 1)设计计算各非标准零部件及选用标准件 2)测绘各零部件图 3)设计并绘制PLC和液压系统控制图 4)编写机械手的设计计算说明书1.2 工业机械手在生产中的应用 机械手是工业自动控制领域中经常遇到的一种控制对象。机械手可以完成许多工作，如搬运、装配、切割、喷染等等，应用非常广泛。在现代工业中，生产过程中的自动化已成为突出的主题。各行各业的自动化水平越来越高，现代化加工车间，常配有机械手，以提高生产效率，完成工人难以完成的或者危险的工作。可在机械工业中，加工、装配等生产很大程度上不是连续的。据资料介绍，美国生产的全部工业零件中，有75%是小批量生产；金属加工生产批量中有四分之三在50件以下，零件真正在机床上加工的时间仅占零件生产时间的5%。从这里可以看出，装卸、搬运等工序机械化的迫切性，工业机械手就是为实现这些工序的自动化而产生的。目前在我国机械手常用于完成的工作有：注塑工业中从模具中快速抓取制品并将制品传诵到下一个生产工序；机械手加工行业中用于取料、送料；浇铸行业中用于提取高温熔液等等。本文以能够实现这类工作的搬运机械手为研究对象。下面具体说明机械手在工业方面的应用。1.3 机械手的组成要机械手像人一样拿取东西，最简单的基本条件是要有一套类似于指、腕、臂、关节等部分组成的抓取和移动机构执行机构；像肌肉那样使手臂运动的驱动传动系统；像大脑那样指挥手动作的控制系统。这些系统的性能就决定了机械手的性能。一般而言，机械手通常就是由执行机构、驱动传动系统和控制系统这三部分组成，如下图1：图1 机械手的组成Figure 1: The picture of Manipulators composition1.3.1 执行机构（1）手部 既直接与工件接触的部分，一般是回转型或平动型（多为回转型，因其结构简单）。手部多为两指（也有多指）；根据需要分为外抓式和内抓式两种；也可以用负压式或真空式的空气吸盘（主要用于吸冷的，光滑表面的零件或薄板零件）和电磁吸盘。 传力机构形式教多，常用的有：滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜槭杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母式、弹簧式和重力式。（2）腕部 是连接手部和臂部的部件，并可用来调节被抓物体的方位，以扩大机械手的动作范围，并使机械手变的更灵巧，适应性更强。手腕有独立的自由度。有回转运动、上下摆动、左右摆动。一般腕部设有回转运动再增加一个上下摆动即可满足工作要求，有些动作较为简单的专用机械手，为了简化结构，可以不设腕部，而直接用臂部运动驱动手部搬运工件。目前，应用最为广泛的手腕回转运动机构为回转液压（气）缸，它的结构紧凑，灵巧但回转角度小（一般小于 2700）,并且要求严格密封，否则就难保证稳定的输出扭距。因此在要求较大回转角的情况下，采用齿条传动或链轮以及轮系结构。（3）臂部 手臂部件是机械手的重要握持部件。它的作用是支撑腕部和手部（包括工作或夹具），并带动他们做空间运动。臂部运动的目的：把手部送到空间运动范围内任意一点。如果改变手部的姿态（方位），则用腕部的自由度加以实现。因此，一般来说臂部具有三个自由度才能满足基本要求，即手臂的伸缩、左右旋转、升降（或俯仰）运动。手臂的各种运动通常用驱动机构（如液压缸或者气缸）和各种传动机构来实现，从臂部的受力情况分析，它在工作中既受腕部、手部和工件的静、动载荷，而且自身运动较为多，受力复杂。因此，它的结构、工作范围、灵活性以及抓重大小和定位精度直接影响机械手的工作性能。1.3.2 驱动机构驱动机构是工业机械手的重要组成部分。根据动力源的不同, 工业机械手的驱动机构大致可分为液压、气动、电动和机械驱动等四类。采用液压机构驱动机械手,结构简单、尺寸紧凑、重量轻、控制方便。1.3.3 控制系统分类在机械手的控制上，有点动控制和连续控制两种方式。大多数用插销板进行点位控制，也有采用可编程序控制器控制、微型计算机控制，采用凸轮、磁盘磁带、穿孔卡等记录程序。主要控制的是坐标位置，并注意其加速度特性。2 总体布局设计方案2.1 机械手座标形式的确定常用工业机械手按驱动方式分:直角座标式、圆柱座标式、球座标式、多关节式几种类型，如图2.1所示。其中直角座标式手臂可沿X、Y、Z座标轴作直线移动，即伸缩、升降和横移。其特点是直观性好，所占空间位置大。根据设计任务所需，特选定为直角座标式。图2 机械手座标型式Figure 2: The picture of Manipulators Coordinates type该机械手具有3个自由度，即：手指张合；手腕回转；手臂升降3个主要运动。该机械手各运动可由3个液压缸实现。（1)手部 采用一个直线液压缸，预计通过齿轮齿条机构实现手指的张合。（2腕部 采用一个摆动液压缸来实现手部及工件的回转。（3)臂部 采用直线液压缸来实现手臂的升降。 根据以上参数，图2.2 是机械手整体结构示意图。图3机械手整体结构示意图Figure 3:The picture of the Manipulators whole design2.2 驱动机构的选择驱动机构是工业机械手的重要组成部分, 工业机械手的性能价格比在很大程度上取决于驱动方案及其装置。根据驱动方式的不同, 工业机械手大致可分为液压式、气动式、电动式和机械式驱动。采用液压机构驱动机械手,操作力大，体积小，动作平稳等优点。因此，此机械手的驱动方式选择液压驱动。2.3 机械手的技术参数列表表一 机械手主要技术参数Table1 The main technical parameters of Manipulator 项目 主要数据参数手臂运动型式 直角座标式抓取重量 自由度数 3个手臂升降行程 手臂升降时间 5秒手腕回转行程 180度手腕回转时间 3秒手指张合角度 30度手指张合时间 2秒定位方式和定位精度 机械挡块，控制方式 PLC控制驱动方式 液压驱动3 机械手手部的设计计算3.1 手部设计时应注意的问题1）应具有适当的夹紧力和驱动力。应当考虑到在一定的夹紧力下，不同的传动机构所需的驱动力大小是不同的。2）手指应具有一定的张开范围，手指应该具有足够的开闭角度（手指从张开到闭合绕支点所转过的角度），以便于抓取工件。3）要求结构紧凑、重量轻、效率高，在保证本身刚度、强度的前提下，尽可能使结构紧凑、重量轻，以利于减轻手臂的负载。4）应保证手抓的夹持精度。3.2 典型的手部结构手部主要有以下几类：手指式、吸盘式、磁吸式及其他形式。本设计抓取的零件为盘类零件，故选择二指式来实现对工件的抓放。手指式又可分为：1）平移式手指 当手指夹持的工件直径变化时并不影响工件中心位置的改变，即定位误差为零。但平移式手指结构较复杂，体积大，要求加工精度高。显然本设计机械手不适合使用此方案。2）回转式手指 当手指夹持不同直径的工件时则产生定位偏差。但回转式手指结构简单。综上，本机械手选择二指回转式手指。3.3 机械手手部结构及驱动的设计计算3.3.1选择手部的类型及夹紧装置本设计选择二指式回转型手部，在液压缸的液压推力作用下通过采用齿轮齿条传动来实现机械手手指张合，从而实现机械手对工件的抓放。3.3.2手指夹紧力及液压缸驱动力的计算液压缸的选用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。(1)手指对工件的夹紧力可按下式计算：式中安全系数，通常取1.2-2，这里取1.5 工作情况系数，主要考虑惯性力的影响，可按估算。为机械手在搬运工件过程中的加速度。取 方位系数，经查机械手册选取 G被抓取工件的重量，这里为50kg代入数据可解得 (1)（2）液压缸驱动力的计算手指张合采用齿轮齿条传动，结构简图如图4所示.图4 机械手手部结构Figure 4: The structure of the Manipulators hand取R=140mm,b=200mm,由手部的传动结构形式，查机械设计手册知其驱动力计算公式为 (2)取机械效率 (3) （3）确定手指张合驱动液压缸直径D及活塞杆直径d，液压缸受力分析如图3.2所示.图5 液压缸示意图Figure 5 Schematic diagram of hydraulic cylinder由以上计算知夹紧液压缸最大工作负载约为1885.33N，由参考文献1中表91选取液压缸工作压力p1Mpa。液压缸选用单杆式，并在机械手手指张开过程中采用差动连接，此时无杆腔工作面积为有杆腔工作面积的两倍，即活塞杆直径d与缸筒直径的关系为d0.707D。液压缸工作过程中必须具有一定背压，参考参考文献中表93取p20.2Mpa。 由夹紧时所需推力计算液压缸直径 (4)即解得D94.314mm，则d0.70794.31466.680mm根据液压缸的内径系列查参考文献3中表3.50选取液压缸内径为：D100mm; 查参考文献3中表3.51选活塞杆直径为:d70mm。（4）确定液压缸行程L由预计设计参数手指张合30度及齿轮齿条传动中确定的齿轮分度圆直径d140mm可计算 (5) 查参考文献3中表3.52选取液压缸行程L40mm。因采用差动连接，手指张合速度相等，预设手指张合所需时间为2s且为匀速，则 (6)手指张开所需流量手指闭合所需流量 （5）活塞杆的强度计算校核活塞杆的尺寸要满足活塞（或液压缸）运动的要求和强度要求，按拉、压强度计算：设计中活塞杆取材料为碳刚，故，活塞直径d=70mm,代入数据进行校核：由此可见活塞杆的强度足够。（6）液压缸的选用由以上计算结果查参考文献3选用HSGK100dE型液压缸。3.4 机械手手指部的设计计算3.4.1 齿轮齿条传动机构的设计计算此齿轮齿条传动按工作寿命为10年（设每年工作300天），两班制，工况平稳来设计计算。（1）选择齿轮类型、精度等级、材料及齿数根据设计任务要求选用圆柱齿轮齿条传动。运输机工作载荷平稳，速度不高，选用7级精度。选择小齿轮材料为45钢，调质处理，硬度为240HBS。选齿轮齿数Z100。（2）按齿面接触强度设计由设计计算公式进行试算，即 (7)确定公式内的各计算数值 1）、试选载荷系数Kt=1.3。 2）、计算齿轮传递的转矩。 3）、查参考文献2中表107选取齿宽系数d=0.5. 4)、查参考文献2中表106得知材料的弹性影响系数ZE=189.8MPa. 5)、查手册知齿轮的接触疲劳强度极限Hlim2550MPa. 6)、计算应力循环次数。 7）、查参考文献2中图1019取接触疲劳寿命系数KHN11.23。 8）、计算接触许用应力。 取失效概率为1，安全系数S1.4，由参考文献2中得 (8) 9）代入数据计算齿轮分度圆直径，代入H中的较小值。 (9) 10）、计算圆周速度。 (10) 11）计算齿宽b及模数mnt.b=dd1t=69.14mm12）计算齿宽与齿高之比齿高 h=2.25m=3.1113mm 齿宽与齿高之比 b/h=69.14/3.113=22.2101 13）计算载荷系数K。 查参考文献2得使用系数KA1，动载荷系数Kv1，KH=1.313，KF=1.35,KH=KF =1。 K=KAKvKHKH1111.3131.313 14）按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径，即 (11) 15）计算模数mn.(3)按齿根弯曲强度设计 (12)确定计算参数 1）、由设计手册查得齿轮的弯曲疲劳强度极限FE=380MPa。 2）、由设计手册查得齿轮的弯曲疲劳寿命系数KFN1。 3）、计算弯曲疲劳许用应力。 取弯曲疲劳安全系数S1.4，则 4）、计算载荷系数。 5）查取齿形系数，应力校正系数。查参考文献2中表105得YFa=2.18;YSa=1.1.79 6)计算大、小齿轮的并加以比较。7)设计计算对比计算结果，由齿面接触强度计算的模数小于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数，取m=2,已同时满足接触疲劳强度及齿根弯曲疲劳强度。按接触疲劳强度算得的分度圆直径d138.7394mm来计算应有的齿数。于是有 取z70。（4）齿轮齿条其它尺寸参数的计算 1)齿轮宽度2）取齿条宽度b60mm。 3）齿距 4）齿顶高系数 5）顶隙系数 6）齿轮基圆直径 7）变位系数 8）齿厚 9）齿顶高 10）齿根高 11）齿顶圆直径 12）齿根圆直径 (5)、齿轮结构设计 由以上计算知大齿轮的齿顶圆直径小于160mm，故做成实心结构的齿轮。3.4.2 手指指部的设计计算手指选用45钢，查机械设计手册知其弯曲许用应力，手指指腹采用长方形横截面，宽度为齿轮宽度b70mm，取安全系数为1.5， 则手指的弯曲强度条件为式中最大弯曲力矩，其值为 抗弯截面系数代入数据解得 为保证一定的工作强度和使用寿命，取h15mm。为保证对工作的定位夹紧，手指采用120度的V形指尖。具体尺寸数值详见图纸。3.4.3手指指部齿轮安装销的设计计算传动齿轮采用销轴安装定位，选用45钢，查机械设计手册知其弯曲许用应力，选取销轴直径d30mm，取安全系数1.5，其销轴强度计算校核如下： 故销轴强度足够。4 机械手腕部的设计计算4.1 机械手腕部结构及运动分析腕部是连接手部和臂部的部件，腕部运动主要用于改变被夹工件的方位，它动作灵活，转动惯量小。本课题要求具有腕部回转这一自由度，可用具有一个回转自由度的摆动回转液压缸来实现所要求动作。动作参数要求如下：手腕回转：180度 回转时间：3秒4.2 机械手腕部驱动装置的设计计算及选用 （1）驱动腕部回转的驱动力矩的计算 查机械设计手册知驱动腕部回转的驱动力矩可由下式计算出 (13)式中1.11.2液压缸密封摩擦损失系数Mm腕部转动支承处摩擦阻力矩 (14)f轴承摩擦系数，滚动轴承取f0.02，滑动轴承取f0.1、轴承直径、轴承处支反力代入数据解得 (15)式中Mp克服工件重心偏置的力矩 G手部重量e偏心矩代入数据解得 (16)式中Mg腕部起动的惯性力矩J手部转动惯量，将机械手手部及工件近似看作圆柱体，其半径R120mm，保守估取手部及工件总质量m80kg，则该部分转动惯量 腕部回转角速度，2.22rad/st启动所需时间，t0.2s代入数据解得 代入数据解得驱动腕部回转的驱动力矩 （2）摆动液压缸的选择查参考文献2中表387选用UBFZD40P03型摆动液压缸，其每度转角用油0.00097L，摆动速度为48度每秒，由此可估算出所需流量以上数据留备后用。5 机械手臂部的设计及有关计算臂部是支承手部和腕部的结构，主要用来改变工件位置的部件。手部在空间的活动范围主要取决于臂部的运动形式。5.1 臂部设计时应注意的问题臂部的运动和结构形式对机械手的工作性能有着较大的影响。设计时应注意下列几点：(1)刚度要好 手臂的截面形状选择要合理，常用钢管作手臂和导向杆，用工字钢和槽钢作支承板，以保证有足够的刚度。(2)偏重力矩要小 所谓偏重力矩是指臂部的重量对其支承回转轴所产生的力矩。(3)重量要轻，惯量要小 由于机械手在高速情况下经常起停和换向，为了减少冲击，必须有缓冲装置。(4)导向性要好 为了防止手臂在直线移运动中沿运动轴线不发生相对转动，以保证手部的正确方向，必须有导向装置。其结构应根据手臂的安装形式、抓取重量和运动行程等因素来确定。5.2 手臂的典型结构以及结构的选择（1）手臂的典型运动机构常见的手臂伸缩机构有以下几种：1) 双导杆手臂伸缩机构。2) 手臂的典型运动形式有：直线运动，如手臂的伸缩，升降和横向移动；回转运动，如手臂的左右摆动，上下摆动；符合运动，如直线运动和回转运动组合，两直线运动的双层液压缸空心结构。3) 双活塞杆液压岗结构。4) 活塞杆和齿轮齿条机构。(2) 手臂运动机构的选择综合考虑，本设计选择双导杆伸缩机构，使用液压驱动,液压缸选取单作用液压缸。5.3 手臂Z方向升降运动的受力分析及其计算（1）手臂Z方向升降运动受力分析先进行粗略的估算，或类比同类结构，根据运动参数初步确定有关机构的主要尺寸，再进行校核计算，修正设计。如此反复，绘出最终的结构。手臂垂直伸缩直线运动时需要克服摩擦力和惯性力及机械手手部总重力，其驱动力可按下式计算： (17)式中机械手手部总重量摩擦阻力包括导轨间的摩擦阻力；活塞与缸壁及密封处的摩擦阻力起动过程的惯性力；其大小按下式估算 (18)式中 机械手升降运动部分总重量 重力加速度 手臂运动速度 起动时所需的时间 ， 一般可取（2）手臂Z方向升降运动摩擦力的分析计算1）手臂摩擦力受力分析摩擦力的计算 不同的配置和不同的导向截面形状，其摩擦阻力是不同的，要根据具体情况进行估算。图5.1是机械手的手臂受力示意图，本设计是双导向杆，导向杆对称配置在伸缩杆两侧。图6 手臂受力示意图Figure 6 Schematic diagram of the arm forces2）手臂所受摩擦力的计算由于导向杆对称配置，两导向杆受力均衡，可按一个导向杆计算。 得 得 式中参与运动的零部件所受的总重力（含工件）（Kg）； L手臂与运动的零部件的总重量的重心到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，其值与导向支撑的截面有关。对于活塞与缸壁及密封处的摩擦阻力：不同的密封圈其摩擦阻力不同，在手臂设计中，采用O型密封，当液压缸工作压力小于10Mpa。液压缸处密封的总摩擦阻力可以近似为：（3）手臂Z方向升降运动惯性力的计算本设计要求手臂平动时,在计算惯性力的时候,设置启动时间，启动速度,则 (20)（4）手臂Z方向升降运动所受合力计算1）代入数据解得手臂作上升运动时驱动合力为解得 F=2987.63N2）代入数据解得手臂作下降运动时驱动合力为解得 F1750.62N5.4 手臂Z方向升降运动液压缸结构尺寸的设计计算及选用（1）液压缸结构尺寸的设计计算及选择经过上面的计算，确定了液压缸的最大驱动力为F=2987.63N，根据参考文献1中表91选择液压缸的工作压力，液压缸内径及活塞杆的设计计算，如图5.2所示图5.2 液压缸示意图 Picture5.2 Schematic diagram of hydraulic cylinder液压缸选用单杆式，并在机械手手指张开过程中采用差动连接，此时无杆腔工作面积为有杆腔工作面积的两倍，即活塞杆直径d与缸筒直径的关系为d0.707D。液压缸工作过程中必须具有一定背压，参考参考文献中表93取p20.2Mpa。 由夹紧时所需推力计算液压缸直径 (21)即解得D68.547mm，则d0.70768.54748.462mm。根据以上所计算的液压缸的内径参数查参考文献3中表3.50选取液压缸内径为：D90mm；查参考文献3中表3.51选活塞杆直径为:d50mm。因采用差动连接，手指张合速度相等，预设手指张合所需时间为5s且为匀速，则：手臂下降所需流量手臂上升所需流量（2）活塞杆的计算校核活塞杆的尺寸要满足活塞（或液压缸）运动的要求和强度要求。按拉、压强度计算如下： (22)设计中活塞杆取材料为碳刚，故，活塞直径d=50mm,L=500mm,代入数据进行校核： (23)由此可见活塞杆的强度足够。由可知，该升降液压缸为机械手受弯矩力最大部件，对其进行校核。机械手整体受力载荷图如下： （3）手臂Z方向升降运动液压缸的选用由以上计算结果查参考文献3选用HSGK90dE型液压缸。6 机身的设计6.1 机身的概述机身是机械手的主体，它是支承手部、腕部（本设计中没有腕部）和臂部的部分，并实现升降和回转或俯仰和回转的部件（本设计即为机架）。6.2 机身设计时应注意的问题（1）要有足够的刚度和稳定度。（2）有运动部件的情况下，需保证动作灵活，升降立柱的导套长度不宜过短，否则可能产生卡死现象；一般要有导向装置。（3）结构布置要合理，便于装配修理。 本设计因无对所夹持工作的水平位移要求，故不作设计，只简略选用一个支座底架并用螺栓连接固定即可。7 液压元件及动力机的设计选择7.1 液压泵的选择（1）系统压力计算 式中液压缸或液压马达的最大工作压力 液压泵出口到液压缸或液压马达入口之间总的管路损失 压力继电器调整压力高出系统最大压力之值，取的标准计算要待元件选定，并绘出管路时才能进行，初算时可以按经验数据选取，管路简单的可选，管路复杂的，进油口有调速阀的，取。（2）系统流量计算 (24)式中系统泄露系数，取K1.1 同时动作的液压缸或液压马达的最大流量。对于在工作过程中用节流调速阀的系统还必须加上溢流阀的最小流量，一般取。机械手在工作过程中，各液压缸动作均为分步进行，由之前计算知手臂下降时所需流时最大，此即为系所需最大流量查机械设计手册，选取HY0135 25型齿轮泵，其基本参如下：压力：P2.5Mpa；流量：；转速：；驱动功率：W1.65kw。7.2动力机选择 因该机械手在室内使用，固选用电动机较为方便且电机结构简单，价格便宜。结合上述计算结果，查参考文献4中表121选取Y100L14型三相异步电机，其参数为：额定功率：2.2kw 转速：1430r/min 质量：34kg7.3 油管的设计各元件间管道的规格由元件接口处尺寸决定，液压缸进出油管则按输入、排出的最大流量计算。油管的内径按公式计算。根据表3数值当油液在油管中流速取，算得液压缸无杆腔和有杆腔相连的油管内径分别为：夹紧缸： 查机械设计手册表2082选用油管公称通径为，外径为的无缝钢管。回转缸： 查机械设计手册表2082选用油管公称通径为，外径为的无缝钢管。升降缸： 查机械设计手册表2082选用油管公称通径为，外径为的无缝钢管。7.4 油箱的设计油箱的功用主要是储存油液，此外还起着散发油液中热量（在周围环境温度较低的情况下则是保持油液中热量）、释放处混在油液中的气体、沉淀在油液中污染物等作用。油箱的有效面积（油面高度80%时的容积）应根据液压系统发热、散热平衡的原则来计算，这项计算在系统负载较大、长期连续工作时时必不可少的。但对于一般情况而言，油箱的有效容积可按液压泵的额定流量估计出来。可按下式计算： (25)式中油箱的有效容积 与系统有关的经验数字；低压系统，中压系统，高压系统。此液压系统为低压系统，取，又已知，则：根据国际标准JB-T7938-1995选用200L的油箱。7.5 液压元件的选择阀的规格，根据系统的工作压力和实际通过阀的流量，选择有定型产品的阀件。溢流阀按液压泵最大流量选取，选择调速阀时，必须保证最小稳定流量能满足执行机构最低稳定速度的要求。控制阀的流量一般要选得比实际通过的流量大一些，必要时也允许有以内的短时间过流量。选择液压阀主要根据阀的工作压力和通过阀的流量来确定，本系统工作压力较小，流量也较小，所以选择低压低流量的阀。本液压系统中，三个液压缸选取三个三位四通电磁换向阀，使得机械手能顺利完成所规定的动作，换向阀的开启与关闭通过电气开关或压力继电器来控制，运动速度由调速阀通过调节进油路的流量来控制。部分油路采用单向阀来保持压力，用溢流阀来保护液压缸。通过上面的计算和校核，初步决定使用以下液压元件，在经济性和安全性方面都能满足要求。选择的液压元件型号及规格如下表7.1：表二 液压元件型号及规格Table2 The type and specifications of Hydraytic components元件名称 估计流量 型号 规格 调定压力齿轮泵 HY0135 25 2.5Mpa；35L/min 手臂液压缸 26.4L/min HSGK90dE 摆动液压缸 2.8L/min UBFZD40P03 夹紧液压缸 2.7L/min HSGK100dE 溢流阀 35L/min DBDH6P 5Mpa；50L/min 2.5Mpa三位四通电磁换向阀 26.4L/min 22D63B 6.3Mpa；63L/min三位四通电磁换向阀 2.8L/min 25D10B 6.3Mpa；10L/min三位四通电磁换向阀 2.7L/min 2510B 6.3Mpa；10L/min单向调速阀 26.4L/min QC1163B 6.3Mpa；0.163L/min单向调速阀 12L/min QC1163B 6.3Mpa；0.163L/min单向调速阀 2.8L/min LCA610 6.3Mpa；06L/min单向调速阀 2.8L/min LCA610 6.3Mpa；06L/min单向调速阀 2.8L/min LCA610 6.3Mpa；06L/min单向调速阀 4.8L/min LCA610 6.3Mpa；06L/min单向调速阀 4.6L/min LCA610 6.3Mpa；06L/min压力继电器 DP63B 0.66.3Mpa 1.5Mpa压力继电器 DP63B 0.66.3Mpa 1.5Mpa液控单向阀 26.4L/min IY63 6.3Mpa；63L/min液控单向阀 4.8L/min IY25 6.3Mpa；25L/min单向阀 35L/min I63 6.3Mpa；63L/min油箱 200L过滤器 WU63180 63L/min压力表 L710612 06MPa7.6 液压油的选用正确而合理的选择液压油，对液压系统适应各种工作环境，延长液压元件使用寿命，提高系统工作的可靠性有着重要的意义。选择液压油需考虑以下几方面的因素：（1）系统工作环境方面1)是否抗燃（闪点、燃点）。2）抑制噪音的能力（空气溶解度、消泡性）。3）毒性和气味。（2）系统工作条件方面1)压力范围（润滑性、承载能力）。2）温度范围。3）转速（气蚀、对支承而浸润能力）。（3）油液质量方面1）物理化学指标。2)对金属和密封件的相容性。3）过滤性能、吸斥水性能、吸气情况、抗水解能力、防锈防腐蚀能力。4）化稳定性 f, 剪切稳定性。5）电学特性（耐电压冲击强度、介电强度导电率、磁场中极化程度）。（4）经济性方面的考虑 1）价格及使用寿命。 2）维护、更换的难易程度。 在众多的考虑因素中，最重要的因素是液压的粘度。粘度太大，液流的压力损失和发热大，使系统效率下降；粘度太小，泄漏增大也影响系统效率。因此应选择使系统能正高效和可靠工作的油液粘度。 在液压系统中，液压泵的工作条件最为严峻，不但压力大、转速高和温度高，而且油液在被泵吸入和由泵压出时要受到剪切作用，所以一般根据泵的要求来确定液压油液的粘度。 上面说过，油温对粘度影响极大，因此，为了发挥江东液压系统的最佳运转效率，应依具体情况控制油温，使泵和系统在油液的最佳粘度范围内工作。事实上，过高的油温不仅大大改变了油液的粘度，而且会使常温下平和、稳定的油液变得带腐蚀性，分解出不利于使用的成分，彧因过量汽化而使液压泵吸空，无法正常工作。我国在液压系统中大量采用汽轮机油，其氧化要定性好，使用寿命长，与水混合后能迅速分离，纯净度高。根据液压油的选择要求及原则，选用机械油即适合本设计计算要求，所以选择此液压油。8 液压系统的验算8.1 压力损失的验算实际油液是有粘性的，所以流动时要损耗一部分热量，这种热量损失表现为压力损失。能量的损耗转变为热量，使液压系统的温度升高。液体在流动时产生的压力损失包括两部分，一部分是沿程压力损失，另一部分是局部压力损失。8.1.1 回路压力损失的验算因为手臂升降液压缸的动作回路系统油路较多，管路损失较大，在此主要验算手臂升降液压缸这一系统的管路压力损失，管内径为，流量为，即，设管长为，选用机械油，正常运行向右的运动粘度，油的密度。油在管中实际的流速为： (26 )查参考文献1中表23判断出油管中液流为层流状态，其行程阻力系数为：回路压力损失为： (27)8.1.2 局部压力损失验算局部压力损失包括通过管路和管接头处的管路局部压力损失，以及通过控制阀的局部压力损失，但由于管路局部压力损失相对控制阀的局部压力损失小得多，所以主要计算控制阀的局部压力损失。从原理图可以看出，从齿轮泵出口到升降缸进油口要经过电磁换向阀，调速阀。手臂升降电磁换向阀的额定流量为，调速阀的额定流量为，实际流量为，额定压力损失；手腕回转电磁换向阀的额定流量为，调速阀的额定流量为，实际流量为，额定压力损失为；手指夹紧电磁换向阀的额定流量为，调速阀的额定流量为，实际流量为，额定压力损失为。代入下式，则局部压力损失为： 系统总压力损失计算由以上计算结果知：系统总压力损失小于计算时的估取损失值，故之前设计计算合理。8.2 计算液压系统的发热温升这项验算时用热平衡原理来对油液的温升值进行估计。单位时间内进入液压系统的热量是液压泵输入功率和液压执行元件有效功率之差，假如这些热量全部由油箱散发出去，不考虑系统其他部分的散热效能，则油液温升的估算公式可以根据不同的条件分别从有关的手册中找出来。油液温升的计算式可以用单位时间内输入热量和油箱有效容积近似地表示成： (28)液压系统工作时，除开执行元件驱动外载荷输出有效功率外，其余功率损失全部转化为热量，使油温升高。（1）液压泵的功率损失： 式中工作循环周期液压泵的输入功率各台液压泵的总效率 第台泵的工作时间 投入工作的液压泵的台数（2）液压执行元件的功率损失： （3）溢流阀的功率损失： （4）液压油液流经阀或管路的功率损失： 总的功率损失：由公式（8.3）计算，油液温升为：式中油箱的散热面积 油管的散热面积 、散热系数经计算，温升没有超过所选型号液压油的允许使用范围，因此本设计液压系统中不需要冷却器。9 可编程控制器PLC9.1 PLC简介自二十世纪六十年代美国推出可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）取代传统继电器控制装置以来，PLC得到了快速发展，在世界各地得到了广泛应用。同时，PLC的功能也不断完善。随着计算机技术、信号处理技术、控制技术网络技术的不断发展和用户需求的不断提高，PLC在开关量处理的基础上增加了模拟量处理和运动控制等功能。今天的PLC不再局限于逻辑控制，在运动控制、过程控制等领域也发挥着十分重要的作用。PLC是由摸仿原继电器控制原理发展起来的，二十世纪七十年代的PLC只有开关量逻辑控制，首先应用的是汽车制造行业。它以存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和运算等操作的指令；并通过数字输入和输出操作，来控制各类机械或生产过程。用户编制的控制程序表达了生产过程的工艺要求，并事先存入PLC的用户程序存储器中。运行时按存储程序的内容逐条执行，以完成工艺流程要求的操作。PLC的CPU内有指示程序步存储地址的程序计数器，在程序运行过程中，每执行一步该计数器自动加1，程序从起始步（步序号为零）起依次执行到最终步（通常为END指令），然后再返回起始步循环运算。PLC每完成一次循环操作所需的时间称为一个扫描周期。不同型号的PLC，循环扫描周期在1微秒到几十微秒之间。PLC用梯形图编程，在解算逻辑方面，表现出快速的优点，在微秒量级，解算1K逻辑程序不到1毫秒。它把所有的输入都当成开关量来处理，16位（也有32位的）为一个模拟量。大型PLC使用另外一个CPU来完成模拟量的运算。把计算结果送给PLC的控制器。相同I/O点数的系统，用PLC比用DCS，其成本要低一些（大约能省40%左右）。PLC没有专用操作站，它用的软件和硬件都是通用的，所以维护成本比DCS要低很多。一个PLC的控制器，可以接收几千个I/O点（最多可达8000多个I/O）。如果被控对象主要是设备连锁、回路很少，采用PLC较为合适。PLC由于采用通用监控软件，在设计企业的管理信息系统方面，要容易一些。 近10年来，随着PLC价格的不断降低和用户需求的不断扩大，越来越多的中小设备开始采用PLC进行控制，PLC在我国的应用增长十分迅速。随着中国经济的高速发展和基础自动化水平的不断提高，今后一段时期内PLC在我国仍将保持高速增长势头。 通用PLC应用于专用设备时可以认为它就是一个嵌入式控制器，但PLC相对一般嵌入式控制器而方具有更高的可靠性和更好的稳定性。实际工作中碰到的一些用户原来采用嵌入式控制器，现在正逐步用通用PLC或定制PLC取代嵌入式控制器。9. 2 PLC内部原理 PLC实质上是一种被专用于工业控制的计算机，其硬件结构和微机是基本一的。如图2.1所示， PLC硬件的基本结构图所示：编程器中央处理单元（CPU）输入电路输出电路系统程序存储区用户程序存储区电源图9.1 PLC硬件的基本结构图 Figure9.1: PLC handware basic stuction of FIG（1）中央处理单元（CPU）中央处理单元（CPU）是PLC 的控制中枢。它按照PLC系统程序赋予的功能，接受并存储从编程器键入的用户程序和数据，检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能检查用户程序的语法错误。当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式接受现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区, 然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算术运算等任务。并将逻辑或算术运算等结果送入I/O映象区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕以后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行为止。（2）存储器与微型计算机一样，除了硬件以外，还必须有软件。才能构成一台完整的PLC。PLC的软件分为两部分: 系统软件和应用软件。存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。PLC存储空间的分配：虽然大、中、小型 PLC的CPU的最大可寻址存储空间各不相同，但是根据PLC的工作原理， 其存储空间一般包括以下三个区域：系统程序存储区，系统RAM存储区（包括I/O映象区和系统软设备等）和用户程序存储区。A. 系统程序存储区在系统程序存储区中存放着相当于计算机操作系统的系统程序。它包括监控程序、管理程序、命令解释程序、功能子程序、系统诊断程序等。由制造厂商将其固化在EPROM中，用户不能够直接存取。它和硬件一起决定了该PLC的各项功能。B. 系统RAM存储区系统RAM存储区包括I/O映象区以及各类软设备（例如：逻辑线圈、数据寄存器、计时器、计数器、变址寄存器、累加器等）存储区。（A）I/O映象区由于PLC投入运行后，只是在输入采样阶段才依次读入各输入状态和数据，在输出刷新阶段才将输出的状态和数据送至相应的外设。因此，它需要有一定数量的存储单元（RAM）以供存放I/O的状态和数据，这些存储单元称作I/O映象区。一个开关量I/O占用存储单元中的一个位（bit）, 一个模拟量I/O占用存储单元中的一个字（16个bit)。因此，整个I/O映象区可看作由开关量的I/O映象区和模拟量的I/O映象区两部分组成。（B）系统软设备存储区除了I/O映象区以外，系统 RAM存储区还包括PLC内部各类软设备（逻辑线圈、数据寄存器、计时器、计数器、变址寄存器、累加器等）的存储区。该存储区又分为具有失电保持的存储区域和无失电保持的存储区域，前者在PLC断电时，由内部的锂电子供电。使这部分存储单元内的数据得以保留；后者当PLC停止运行时，将这部分存储单元内的数据全部置“零”。C用户程序存储区 用户程序存储区存放用户编制的用户程序。不同类型的PLC其存储容量各不相同，一般来说，随着PLC机型增大其存储容量也相应增大。不过对于新型的PLC，其存储容量可根据用户的需要而改变。D常用的I/O分类常用的I/O分类如下：开关量：按电压水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔离方式分，有继电器隔离和晶体管隔离。模拟量：按信号类型分，有电流型（4-20mA,0-20mA）、电压型（0-10V,0-5V,-10-10V）等，按精度分，有12bit,14bit,16bit等。除了上述通用I/O外，还有特殊I/O模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。按I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少，但其最大数受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。（3）PLC电源PLC电源在整个系统中起着十分重要的作用。无论是小型的PLC，还是中、大型的PLC，其电源的性能都是一样的，均能对PLC内部的所有器件提供一个稳定可靠的直流电源。一般交流电压波动在正负10%（15%）之间，因此可以直接将PLC接入到交流电网上去。可编程序控制器一般使用220V交流电源。可编程序控制器内部的直流稳压电源为各模块内的元件提供直流电压。某些可编程序控制器可以为输入电路和少量的外部电子检测装置（如接近开关）提供24V直流电源。驱动现场执行机构的电源一般由用户提供。可编程序控制器是从继电器控制系统发展而来的，它的梯形图程序与继电器系统电路图相似，梯形图中的某些编程元件也沿用了继电器这一名称，如输入、输出继电器等。这种计算机程序实现的“软继电器”，与继电器系统中的物理结构在功能上某些相似之处。9. 3 PLC的工作原理可编程序控制器有两种基本的工作状态，即运行（RUN）状态与停止（STOP）状态。在运行状态，可编程控制器通过执行反映控制要求的用户程序来实现控制功能。为了使可编程序控制器的输出及时地响应随时可能变化的输入信号，用户程序不是只执行一次，而是反复不断地重复执行，直至可编程序控制器停机 或切换到STOP工作状态。除了执行用户程序之外，在每次循环过程中，可如上图编程序控制器还要完成，内部处理、通信处理等工作，一次循环可分为5个阶段。可编程序控制器的这种周而复始的循环工作方式称为扫描工作方式。由于计算机执行指令的速度极高，从外部输入-输出关系来看，处理过程似乎是同时完成的。在内部处理联合阶段。可编程序控制器检查CPU模块内部的硬件是否正常，将监控定时器复位，以及完成一些别的内部工作。 在通信服务阶段，可编程序控制器与别的带微处理器的智能装置通信，响应编程器键入的命令，更新编程器的显示内容。当可编程序控制器处于停止（STOP）状态时，只执行以上的操作。可编程序控制起处于（RUN）状态时，还要完成另外3个阶段的操作。在可编程序控制器的存储器中，设置了一片区域用来存放输入信号和输出信号的状态，它们分别称为输入映像寄存器和输出映像寄存器。可编程序控制器梯形图中别的编程元件也有对应的映像存储区，它们统称为元件映像寄存器。在输入处理阶段，可编程序控制器把所有外部输入电路的接通/断开（ON/OFF）状态读入输入寄存器。外接的输入触点电路接通时，对应的输入映像寄存器为“1”状态，梯形图中对应的输入继电器的常开触点接通，常闭触点断开。外接的输入触点电路断开，对应的输入映像寄存器为“0”状态，梯形图中对应的输入继电器的常开触点断开，常闭触点接通。在程序执行阶段，即使外部输入信号的状态发生了变化，输入映像寄存器的状态 也不会随之而变，输入信号变化了的状态只能在下一个扫描周期的输入处理阶段被读入。可编程序控制器的用户程序由若干条指令组成，指令在存储器中按步序号顺序排列。在没有跳转指令时，CPU从第一条指令开始，逐条顺序的执行用户程序，直到用户程序结束之处。在执行指令时，从输入映像寄存器或别的元件映像寄存器中将有关编程元件的0/1状态读出来，并根据指令的要求执行相应的逻辑运算，运算结果写入到对应的元件映像寄存器中，因此，各编程元件的映像寄存器（输入映像寄存器除外）的内容随着程序的执行而变化。在输出处理阶段，CPU 将输出映像寄存器的0/1状态传送到输出锁存器。体型图某一输出继电器的线圈“通电”时，对应的输出映像寄存器为“1”状态。信号经输出模块隔离 和功率放大后，继电器型输出模块中对应的硬件继电器的线圈通电，其常开触点闭合，使外部负载通电工作。若梯形图中输出继电器线圈断电对应的输出映像寄存器为“0”状态，在输出处理阶段后，继电器型输出模块中对应的硬件继电器的线圈断电，其常开触点断开，外部负载断电，停止工作。某一编程元件对应的映像寄存器为“1”状态时，称该编程元件为ON，映像寄存器为“0”状态时，称该编程元件为OFF。扫描周期可编程序控制器在RUN工作状态时，执行一次图2.5.1a所示的扫描操作所需的时间称为扫描周期，其典型值为1100ms。指令执行所需的时间与用户程序的长短、指令的种类和CPU执行指令的速度有很大的关系。当用户程序较长时，指令执行时间在扫描周期中占相当大的比例。不过严格地来说扫描周期还包括自诊断、通信等。如图2.1c所示。（1）输入采样阶段在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次读入所有的数据和状态它们存入I/O映象区的相应单元内。输入采样结束后，转入用户程序行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入数据和状态发生变化I/O映象区的相应单元的数据和状态也不会改变。所以输入如果是脉冲信号，它的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。第(N-1)个扫描周期输出刷新第(N+1)个扫描周期输入采样第N个扫描周期输入采样输出刷新用户程序执行 图9.2 PLC的扫描运行方式Figure9.2: PLC scan openration mode （2）用户程序执行阶段在用户程序执行阶段，PLC的CPU总是由上而下，从左到右的顺序依次的扫描梯形图。并对控制线路进行逻辑运算，并以此刷新该逻辑线圈或输出线圈在系统RAM存储区中对应位的状态。或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。例如：算术运算、数据处理、数据传达等。（3）输出刷新阶段在输出刷新阶段，CPU按照I/O映象区内对应的数据和状态刷新所有的数据锁存电路，再经输出电路驱动响应的外设。这时才是PLC真正的输出。(4)输入/输出滞后时间输入/输出滞后时间又称系统响应时间，是指可编程序控制器的外部输入信号发生变化的时刻至它控制的有关外部输出信号发生变化的时刻之间的时间间隔，它由输入电路滤波时间、输出电路的滞后时间和因扫描工作方式产生的滞后时间三部分组成。输入模块的CPU滤波电路用来滤除由输入端引入的干扰噪声，消除因外接输入触点动作是产生的抖动引起的不良影响，滤波电路的时间常数决定了输入滤波时间的长短，其典型值为10ms左右。输出模块的滞后时间与模块的类型有关，继电器型输出电路的滞后时间一般在10ms左右；双向可空硅型输出电路在负载接通时的滞后时间约为1ms，负载由导通到断开时的最大滞后时间为10ms；晶体管型输出电路的滞后时间约为1ms。由扫描工作方式引起的滞后时间最长可达到两个多扫描周期。可编程序控制器总的响应延迟时间一般只有几十ms，对于一般的系统是无关紧要的。要求输入输出信号之间的滞后时间尽量短的系统，可以选用扫描速度快的可编程序控制器或采取其他措施。9. 4 PLC机型的选择方法1PLC的类型 PLC按结构分为整体型和模块型两类，按应用环境分为现场安装和控制室安装两类；按CPU字长分为1位、4位、8位、16位、32位、64位等。从应用角度出发，通常可按控制功能或输入输出点数选型。整体型PLC的I/O点数固定，因此用户选择的余地较小，用于小型控制系统；模块型PLC提供多种I/O卡件或插卡，因此用户可较合理地选择和配置控制系统的I/O点数，功能扩展方便灵活，一般用于大中型控制系统。本设计选用8位三菱FX2N-16M的PLC.输入点X000-X007，输出点Y000-Y007，输入点8个，输出点8个，共16个。2输入输出模块的选择输入输出模块的选择应考虑与应用要求的统一。例如对输入模块，应考虑信号电平、信号传输距离、信号隔离、信号供电方式等应用要求。对输出模块，应考虑选用的输出模块类型，通常继电器输出模块具有价格低、使用电压范围广、寿命短、响应时间较长等特点；可控硅输出模块适用于开关频繁，电感性低功率因数负荷场合，但价格较贵，过载能力较差。输出模块还有直流输出、交流输出和模拟量输出等，与应用要求应一致。可根据应用要求，合理选用智能型输入输出模块，以便提高控制水平和降低应用成本。考虑是否需要扩展机架或远程I/O机架等。3.电源的选择 PLC的供电电源，除了引进设备时同时引进PLC应根据产品说明书要求设计和选用外，一般PLC的供电电源应设计选用220VAC电源，与国内电网电压一致。重要的应用场合，应采用不间断电源或稳压电源供电。如果PLC本身带有可使用电源时，应核对提供的电流是否满足应用要求，否则应设计外接供电电源。为防止外部高压电源因误操作而引入PLC，对输入和输出信号的隔离是必要的，有时也可采用简单的二极管或熔丝管隔离。4.存储器的选择 由于计算机集成芯片技术的发展，存储器的价格已下降，因此，为保证应用项目的正常投运，一般要求PLC的存储器容量，按256个I/O点至少选8K存储器选择。需要复杂控制功能时，应选择容量更大，档次更高的存储器。5.冗余功能的选择a控制单元的冗余（1）重要的过程单元：CPU（包括存储器）及电源均应1B1冗余。（2）在需要时也可选用PLC硬件与热备软件构成的热备冗余系统、2重化或3重化冗余容错系统等。b I/O接口单元的冗余（1）控制回路的多点I/O卡应冗余配置。（2）重要检测点
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