自动送料机械手的设计【数控车床轴类零件加工自动送料机械手的设计】【说明书+CAD】
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数控车床轴类零件加工自动送料机械手的设计
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湖南科技大学本科生毕业设计（论文）湖 南 科 技 大 学毕 业 设 计（ 论 文 ）题目自动送料机械手的设计作者王志全学院机电工程学院专业机械设计制造及其自动化学号1103010404指导教师马继英二一五 年 五 月 三十 日i摘要本课题研究的是用于数控车床轴类零件加工自动送料机械手的设计。机械手是工业生产自动化的必然产物，它是一种模仿人体上肢的部分功能，按照事前设定的要求运送工件或夹持工件进行操作的自动化技术设备，对实现工业生产自动化和推动工业生产的进一步发展起着至关重要的作用。机械手能代替人类完成危险、重复枯燥的工作，减轻人类劳动强度，提高劳动生产力。机械手越来越广泛的得到了应用，在机械行业中它可用于零部件组装 ，加工工件的搬运、装卸，特别是在自动化数控机床、组合机床上使用更普遍。本课题主要涉及机械手夹持机构的设计及计算、液压控制系统的设计、PLC选型及其控制系统的设计，并通过Auto-CAD 技术对机械手的的夹持机构进行装配图和液压传动系统图及其PLC控制系统梯形图的绘制，使其达到自动送料的功能。关键词：机械手；Auto-CAD；PLCABSTRACTThis research project is designed for CNC lathe machining shaft parts automatic feeding robot. Robot is the inevitable product of the industrial production automation, which is a part of imitating human upper limb function, automation technology and equipment in accordance with the requirements set in advance the delivery of the work-piece or work-piece clamping operation, the realization of industrial automation and promote the further development of industrial production plays a crucial role. Robot can replace humans complete dangerous, repeated boring work, reduce human labor intensity and improve labor productivity. Robot has been applied more widely in the machinery industry, it can be used for assembling parts, work-piece handling, loading and unloading, the use of more common, especially in the automation of CNC machine tools, combined machine tools.This topic mainly involved in the design and calculation, the hydraulic control system design, selection and design of PLC control system of the robot holding means, and through Auto-CAD technology for robot assembly drawing and clamping mechanism and hydraulic drive system diagram PLC control system ladder draw to reach the automatic feeding function.Keywords：Manipulator；Auto-CAD；PLCi目录第一章 绪论- 1 -1.1 课题研究背景及意义- 1 -1.2 机械手的研制动向- 2 -1.3 机械手新的应用领域- 2 -1.4 设计目的及原则- 2 -第二章 设计简介及传动系统图- 4 -2.1 机械手简介- 4 -2.2 机器人的结构类型- 4 -2.3 机械手的设计方案- 4 -2.4 设计的主要内容- 6 -第三章 机械手夹持机构的设计与计算- 7 -3.1 夹持机构的设计- 7 -3.2 确定手部结构- 7 -3.3 手部受力分析- 8 -3.4 手部夹紧力的计算- 9 -3.5 手抓夹持误差分析与计算- 10 -3.6 夹紧缸的设计与计算- 11 -3.7 活塞与活塞杆的设计计算- 14 -第四章 机械手液压控制系统的设计- 17 -4.1 确定液压系统基本方案- 17 -4.2 拟定液压执行元件运动控制回路- 18 -4.3 拟定液压系统图- 19 -4.4 确定液压系统的主要参数- 20 -4.4.1 水平伸缩液压缸强度的校核- 20 -4.4.2 垂直升降液压缸强度的校核- 22 -4.5 计算和选择液压元件- 24 -4.5.1 液压泵和电机的选择- 24 -4.5.2 选择液压控制阀和辅助元件- 26 -4.6 根据动作要求编制电磁铁动作表- 26 -第五章 PLC控制系统的设计- 28 -5.1 控制系统硬件设计- 28 -5.1.1 机械手的工艺过程和要求- 28 -5.1.2 机械手的作用流程- 28 -5.1.3 机械手操作面板的布置- 29 -5.1.4 PLC控制器的选型- 30 -5.1.5 PLC输入输出地址分配- 31 -5.2 机械手控制系统软件系统的设计- 31 -5.2.1 机械手控制系统主程序流程图- 31 -5.2.2 机械手整体程序结构- 31 -5.2.2 机械手单操作工作的程序- 31 -5.2.3 自动操作程序- 32 -5.2.4 自动操作程序指令语句- 35 -第六章 设计总结- 38 -参考文献- 39 -致谢- 40 -iii第一章 绪论1.1 课题研究背景及意义在近代工业发展的进程中，机械手在自动化领域可以说是一项具有技术性突破的新技术，它已经成为了现代生产制造系统中不可或缺的一部分。机械手首先可以提高生产过程的自动化程度；其次能够改善劳动条件、避免人身事故；再者可以减少人力，便于有节奏的生产，正是因为机械手有以上几个突出的优点，才能得到迅速的发展。也正因为它既能有效的改善一线工人的工作条件，给一线工人带来了便利和良好的工作环境，也对实现工业生产自动化和机械化的具有很大的推动力，机械手也提高劳动生产率，增加企业的效率，因此机械手也逐渐引起了各先进工业国家高度重视，也因此投入了大量的人力和物力去认真的研究和应用，特别是在诸如高温、高压、噪声、粉尘以及带有污染性和放射性的恶劣环境下应用更为广泛。随着电子计算机的广泛应用，在工业化生产中机械设备的自动控制显得越来越重要，并且由于工作的需要，人们经常需要在有腐蚀、高温及有毒气体的恶劣环境下进行人工操作，不仅增加了工人的劳动强度，而且更有可能危及人的生命安全。随着科学技术的越来越发达，在这互联网信息盛行的时代，我们对保证人身安全越来越重视的时代，我们对机械手的要求也越来越高，因此，在不同的工作条件，我们需要有不同控制类型的机械手来适应不同的工作场合，因为机械手的突出性能给人类生活带来了越来越多的方便与利益，所以机械手不仅在工业发展上深受重视，在人类生活文明上也越来越多的被接受。在工业生产活动中特别是比较危险的工作环境中，如果能用具有远程控制功能的机械手来代替，则不仅可以增加人身的安全性，系统的稳定性，也能大大的降低损耗，提高工作效率。所以在工业化自动生产的进程中，在特殊背景环境下机械手的使用已经成为一种必然的趋势。采用PLC控制生产线的现代工业控制系统的控制精度准确，抗干扰性能大大提高；一套系统可实现多种控制操作，电路接线简单，调试更方便；根据工艺要求灵活的改变生产流程，扩充系统更为方便。因此减少了残次品，产品质量和生产效率大为提高；原材料得到节省，工人的劳动强度得到降低，方便了生产，提高了效率。此次设计采用可编程控制器PLC来实现控制机械手液压系统运行过程的手动、半自动、全自动控制，可使控制过程精准可靠，操作过程更加清晰明确，具有重要意义。1.2 机械手的研制动向研制机械手的时候，主要可分为两个方向的研究，一个是工业机械手，另一个是假手。工业机械手在某些操作场合可以代替我们的一线工人进行简单的操作，因此在设计时，我们应着重于它的功能设计，假手是可以代替断肢者的上肢，因此对它要求比较高，要求其功能和形状都像真的一样。我们通常说得“手”，具有两种意思，一种指的是人手的整个上肢，另一种指的是从手腕处到手指尖部之间的“手部”。上肢是由臂部和手部组成的，从功能这一特点来说，臂部起着关键的作用，因为它决定着手部的位置。1.3 机械手新的应用领域工业机械手的技术，随着科学技术的快速发展，不仅在工业界，而且在宇宙开发和海底开发方面也得到了广泛的应用，在近代的医术界，机械手也占有一席之地，它已作为新的应用领域被引进了医疗系统。在医疗系统中，机械手技术可住诊断、手术、护理等方便进行应用。其中在诊断方便的应用，一个是机械手可以代替医生用手触诊乳癌，另一个是机械手可以代替人手作X光摄影。在手术方面的应用则表现在远程控制上，就是设想由一线城市里面的名医、专家通过操纵遥控机械手给二线三线城市或者比较偏僻地方的病人进行手术，这样不仅能节省时间和费用，更能让病人在更短的时间内得到更好的医术治疗，可以说是在人类发展史上一项历史性的突破。在护理方面的用意则主要体现在由机械手来代替人手做一些护理患有重度病症人的费力工作。以上这些用来医疗系统的机械手与以往的机械手在应用上有很大的区别，它们的工作对象不一样，有着很大的区别，它们面对的是病人而不是冷冷清清的工件，因此在研制机械手的时候有着很高的要求，它必须要有与人一样的皮肤感觉，否则就是伤害到病人。1.4 设计目的及原则本次设计是大学里最后的一个学术性研究的问题，也是最重要的一次设计，它是对我们大学四年来学习程度的一次检测，不仅使检测，更可以说是一次系统的复习，以使我们更加牢固的掌握所学的专业知识，因为毕业设计所针对的都是专业方面的知识，必须将我们所学过的专业进行整合以及综合，这样才能很好的，顺利的完成这次的毕业大考，在此设计过程中，不仅能使我们巩固所学过的课本知识，更是对我们自学能力的一次检测，毕业设计不同于课程设计，因为它需要查找大量的书籍，需要我们自己学会去查表，去看表，更是对设计经验的一次考验，所以我觉得此次设计的目的很明确，培养大家自己的动手能力和巩固专业知识以适应即将面对的社会工作。此次设计本着以老师发给的任务书为根本设计目标，充分考虑机械手工作的要求以及使用场合，在满足设计要求的基础上尽可能使结构简单，在保证可靠性的同时尽可能减低成本的原则进行设计。第二章 设计简介及传动系统图2.1 机械手简介随着科技日新月异的进展，机械人的手臂与人类的手臂最大的区别就在于灵活度与耐力度，也就是机械手在机械正常情况下可以重复的做同一动作。机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动生产设备，机械手臂也将得到越来越广泛的应用，工业机械手是机器人的一个重要分支。按驱动方式机械手可分为气动式、液压式、机械式、电动式，这几种方式都可以利用计算机编程控制机械手的动作进而完成各种作业。2.2 机器人的结构类型机器人结构的种类大致我们可以分成4个种类，它们分别为直角、圆柱、球坐标型和关节型4钟，具体可见图2-1。图2-1 四种机器人坐标形式本次课题设计的主要是圆柱坐标型的机器人机械手，圆柱型主要是包括腰部的旋转，以及上下移动和左右移动三个自由度，结构形式也比较简单，可用于一般送料系统，精度要求不是高。圆柱型机器人工作是一个圆柱型的空间故此成为圆柱坐标型的机器人。2.3 机械手的设计方案本次课题设计的自动送料机械手的设计，假设机械手的工作布局图如图2-2所示。机械手的腰部回转角度为90度，上下行程为100mm，左右移动200mm。腰部的回转有两种方式来进行控制，一是通过电机带动齿轮来实现腰部的回转，另一个是通过液压缸液压马达来实现，目前的趋势是利用电机通过减速机构来实现腰部的回转，要求设计的具体结构可参照图2-3所示；对于机械手的升降和左右移动采用的是单活塞杆左右的液压缸，机械手爪的夹紧与放松则是通过单活塞杆弹簧复位缸来实现。图2-2 机械手工作布局图2-3 腰座结构图2.4 设计的主要内容 本次设计的主要内容包括：执行机构中的手部设计，驱动机构中的液压系统的设计，主要设计手部夹紧缸的设计，控制系统中采用PLC控制。 本次设计的机械手的传动系统运动简图如图2-4。图2-4 传动系统简图第三章 机械手夹持机构的设计与计算3.1 夹持机构的设计 机械手的夹持机构是根据机械手的工作条件而确定的，它由被夹持工件的形状、大小、重量等方面综合而确定的，因此机械手的夹持机构的样式也是各种各样的，机械手夹持机构可大致分为两大类，一类是人型的，这类机械手主要用作于假手，另一种是自由型，自由型机械手又包括以下几类：捏持型、夹持型、吸附型、磁力型。 本此设计采用常用的液压夹持式手部结构，它也是国内工业生产中很常见的一种夹持式结构。夹钳式手部是由手指、传动机构和驱动装置三部分组成的，它对抓取各种形状的工件具有较大的适应性，可以抓取轴、盘和套类零件。一般情况下多采用两个手指，少数采用三指或多指。本设计中的工件是棒料，所以选择较简单的两指结构。夹钳式手部设计的基本要求：（1）应具有适当的夹紧力和驱动力；（2）手指应具有一定的开闭范围；（3）应保证工件在手指内的夹持精度；（4）要求结构紧凑，重量轻，效率高；（5）应考虑通用性和特殊要求。设计参数及要求（1）采用夹钳式夹手部，执行动作为夹紧放松；（2）手部设计需要抓取的工件直径范围为65mm-85mm，夹紧与放松的时间都是1s,水平液压缸的行程为200mm，速度为200m/s，升降液压缸的行程为100mm，速度为100m/s，左右转动90；（3）所被夹持的工件质量为10kg；（4）夹持器有足够的夹持力；（5）夹持器靠法兰联接在手臂上，由液压缸提供动力。3.2 确定手部结构根据设计要求设计出的手部结构如图3-1所示：图3-1 手部结构图图中F为手指对工件的夹紧力，为夹紧缸活塞杆的推力。3.3 手部受力分析经分析，手部受力图如图3-2所示图3-2 机械手手部受力分析图由图可知，手部结构对称，则 由 得 （3.1）且由 得 h=b（3.2） 且F由几何关系有 h（3.3）由上述等式可得：F（3.4） 即 = 式中 b 手指回转中心到夹紧力作用点之间的距离； c 手指回转中心到滑槽支点之间的距离； 工件被夹紧时手指滑槽方向与回转中心在水平方向的夹角。3.4 手部夹紧力的计算手指加在工件上的夹紧力，是机械手的手部设计的一个重要依据。必须夹紧力作用力的三要素进行分析和计算（作用力的大小、方向及作用点）。为保证夹持性能的稳定性与可靠型，夹紧力必须克服工件的动载荷与静载荷。工件的所受的夹紧力可按以下公式进行计算：1.51.002498=589.18N（3.5）取FN =590N式中：K1安全系数，取K11.5；K2动载系数，主要考虑惯性力的影响。可按估算。a为机械手在搬运工件过程中的加速度,g=9.8,g为重力加速度。取=1.002； K3方位系数，按机械工程手册第10卷表56.2-3选取，取K34 G被抓持工件的重量，取Gmg109.898N。则：（3.6）（3.7）式中 手指传力效率，一般为0.80.9，取0.85。表3-1 驱动力与液压缸工作压力关系图作用在活塞上外力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MPa500005.08.0由上表可知，20645000，所以取液压缸的工作压力为1MPa，考虑到为使液压缸结构尺寸简单紧凑，取工作压力为2MPa。3.5 手抓夹持误差分析与计算机械手是否能准确无误夹持工件，并把工件送到指定的位置，不仅取决于机械手的定位精度，还与手指的夹持误差大小有着很大的相关程度，所以既要保证定位精度，而且要保证手指的夹持误差在一定的范围内。在机械加工中，通常情况要求手抓的夹持误差不超过1mm就可以了。根据设计要求知棒料半径为65mm85mm。 则：工件平均半径：mm（3.8）取手指LAB为工件平均半径的2倍：LAB275150mm取V型钳的夹角偏转角按最佳偏转角确定：（3.9）计算 则定位误差为和中的较大者。（3.10）（3.11）0.544mm1mm 夹持误差满足设计要求。3.6夹紧缸的设计与计算（1）由前面计算可知夹持机构的驱动力和液压缸的工作压力分别为2604N和2MPa。由此可以计算得液压缸的直径：（3.12）式中: D夹紧缸内径； P液压缸工作压力。由液压缸内径系列（GB/T2348-1993）将缸内径圆整到D=50mm，取d=0.5D=25mm。（2）缸体壁厚计算及验算 缸体采用45号钢无缝钢管，由机械设计手册第四版第4卷表17-6-9查得可取缸筒外径为60m，则壁厚5mm。 液压缸额定工作压力应低于一定极限值，以保证工作安全：（3.13）式中： D缸筒内径（m）； D1缸筒外径（m）； s缸筒材料的屈服强度，（45号钢为340）。已知工作压力PN236.36，故安全。 同时为避免缸筒在工作时发生塑性变形，液压缸的额定压力值也应与完全塑性变形压力有一定的比例范围。（0.350.42）（3.14）式中：缸筒发生完全塑性变形时的压力（），。 计算可得：61.92 已知实际工作压力PN221.67,故安全。 缸筒爆裂压力应远远大于耐压试验压力PT。（3.15） 查表知45号钢，则： 取1.53，可知远远大于耐压实验压力。（3）缸筒底部厚度的计算 此夹紧缸采用了平行缸底，且底部设有油孔，则底部厚度为：mm（3.16） 考虑结构的设计要求和缸底的强度，取10mm式中： D缸筒内径（m）； Pmax液压缸最大工作压力，取Pmax2PN4。 缸底材料的许用应力（），材料为45号钢，600。则 ，n为安全系数，取n5。（4）缸筒与端部联接强度计算 缸筒与端部采用焊接，材料为45号钢，其焊缝应力应小于材料的许用应力。 焊缝应力计算如下：（3.17）式中：F-缸内最大推力； -缸筒外径； -焊接底径； -焊接效率，取0.7； -焊接材料的抗拉强度，600MPa； n-安全系数，取n=5.（5）缸筒端部联接强度计算缸筒与端盖是用法兰联接，螺栓的强度计算如下：螺纹处的拉应力： （3.18）螺纹处的剪应力（3.19）则合成应力：（3.20）则知螺纹连接处安全可靠。式中： K拧紧螺纹的系数，取K3； K1螺纹连接处的摩擦系数K10.12； d0螺纹外径（mm），d012mm； d1螺纹底径（mm），d110.106mm； Z螺钉数量 Z4。(6）缸筒制造加工要求（如图所示） 热处理：调质，硬度HBS241-285。 缸筒内径D采用H8配合。表面粗糙度取为0.2-3.2um需进行研磨。 缸筒内径的圆度公差值可按9级精度选取，圆柱度公差值可按8级精度选取。 缸筒端面的垂直度公差值按7级精度选取。此外，为了不损坏密封件和为了装配，缸筒内孔口应倒15角，同时为了防止腐蚀生锈和提高使用寿命，在缸筒内表面可以镀铬，再进行研磨抛光。图3-3 缸筒机加要求3.7 活塞与活塞杆的设计计算（1）活塞设计由于活塞在液压油压力的作用下沿缸筒做往复滑动运动，因此，它与缸筒的配合应适当，既不能过紧，也不能间隙过大。间隙过大，会引起液压缸内部泄露，降低容积效率，使液压缸达不到要求的设计性能；配合过紧，不仅使最低启动压力增大，降低机械效率，而且容易损坏缸筒和活塞的滑动配合表面。液压力的大小与活塞的有效工作面积有关，活塞直径应与缸筒内径一直。活塞的外径与缸筒内径一致为D=50mm，活塞宽度B一般为活塞外径的0.61.0倍， 这里取为0.6倍，则B0.65030mm。因是单作用弹簧缸，活塞与活塞杆采用较简单的螺栓连接。活塞与缸筒内壁采用O型密封圈密封。活塞结构如下：图3-4 活塞结构图对于无导向环活塞的材料，一般选用高强度铸铁HT200-HT300，此处我选用的是高强度铸铁HT200。加工上，活塞外径与缸筒的配合采用h7，内孔与活塞杆的配合采用H8，外径对内孔的同轴度公差不大于0.02mm，外表面的圆度和圆柱度一般不大于外径公差之半，端面与轴线的垂直度公差不大于0.04mm/100mm，外表面粗糙度控制在0.4um-0.8um之间。（2）活塞杆设计由前知活塞杆的直径d25mm，活塞杆一端用螺栓与活塞相连接，另一端采用轴销与手指连接（如图）图3-5 活塞杆外端部结构图活塞杆直径d25mm，故取，L22mm （螺纹长度短型）活塞杆结构（如图）采用实心杆图3-6 活塞杆结构图杆体材料采用45号钢，加工后调质到硬度为229285HBS，必要时，再经高频淬火，硬度达4555HRC。活塞杆与活塞之间的H8/h7一般配合，方便拆卸与更换，其圆度和圆柱度公差不大于0.03mm，安装活塞的轴颈与外圆的同轴度公差不大于0.01mm，是为了保证活塞杆外圆和活塞外圆的同轴度，避免活塞与缸筒之间的卡滞现象，安装活塞的轴肩断面与活塞杆轴线的垂直度公差不大于0.03mm，以保证活塞安装不产生歪斜，活塞杆外圆表面粗糙度一般为1.6um3.2um。（3）验算活塞杆的强度假设活塞杆的计算长度为180mm，活塞杆的行程为25mm 则 ，属于短行程活塞杆，则主要验算抗拉强度，不需要验算弯曲稳定性。活塞杆承受拉压载荷的强度计算公式：（3.21） 活塞杆螺纹处危险截面的合成应力应满足：（3.22）式中：F活塞杆的作用力，N； d活塞杆直径，m； 危险截面直径，此处取螺纹直径m。第四章 机械手液压控制系统的设计4.1 确定液压系统基本方案液压执行元件的类型大致分为液压缸和液压马达，前者实现直线运动，后者实现回转运动。液压执行元件的选择可参考表4-1：表4-1 液压执行元件表名 称特 点应用柱塞缸单出杆结构简单，容易制造，靠自重或外力回程液压机，千斤顶，小缸用于定位和夹紧双出杆结构简单，杆在两处有导向，可做得细长液压机，注塑机动梁回程缸液压缸双出杆两杆直径相等，往返速度和力相同，反之亦然磨床，往返速度相同和不同的机构单出杆一般连接，往返方向的速度和出力不同各类机械叶片式摆动缸单叶片式转角小于360双叶片式转角小于180机床夹具，流水线转向调头装置，装载机翻斗摆线齿轮马达速度中等，扭矩范围宽结构简单、价格便宜塑料机械，煤矿机械，挖掘机行走机械叶片马达转速高，扭矩小，动作灵敏，噪声低磨床回转工作台，机床操纵机构球塞马达速度中等，扭矩较大，轴向尺寸小塑料机械，行走机械轴向柱塞马达速度大，可变速，扭矩中等，低速平稳性好起重机，绞车，铲车，内燃机车，数控机床径向柱塞马达转速低，结构复杂，输出转矩大挖掘机，冶金机械，起重机 本课题研究的是包括一个自由度为转动，另外两个自由度为移动的三自由度机械手。在满足基本的设计要求的同时，我们尽可能的将将进行简单化。其中机械手的上升与下降，左移和右移我们采用的是单活塞的液压缸来现实运动，机械手腰部的回转我们采用的是电机通过减速机构来实现转动。腰部的回转采用电机驱动也是国内广泛利用的一种，可以保证机械手的定位精度和较好的稳定性。4.2 拟定液压执行元件运动控制回路液压执行元件确定后，其运动方向和运动速度的控制是液压回路的核心问题。（1）换向回路 方向控制一般是用换向阀或是逻辑控制单元来实现。对于一般中小流量的液压系统，可以通过换向阀的有机组合来实现所要求的动作，由于夹紧采用的是弹簧的复位，故夹紧缸选用二位三通电磁换向阀来进行换向，其他液压缸为单杆双作用缸，则全部选用O型三位四通电磁换向阀进行换向。选电磁阀易于实现机械手的自动控制，选中位为O型可使定位准确，如图4-1。图4-1 换向回路（2）调速回路 速度控制通过改变液压执行元件输入或输出的流量或者利用密封空间的容积变化来实现。本液压系统较为简单，故选用简单采用节流阀进行速度的调节。同时选用单泵供油，力求获得较好的经济性，如图4-2。图4-2调速回路（3）系统的安全可靠性 为防止夹紧缸压力受系统压力波动的影响，导致夹紧力过低无法夹紧工件，或因压力过大而损坏工件，则需在油路上加减压阀保证夹紧缸的压力恒定不变。同时，由于机械手垂直升降缸在工作时其下降方向与负荷重力作用方向一致，下降时有使运动速度加快的趋势，为使运动过程的平稳，同时尽量减小冲击、振动，保证系统的安全性，可采用单向顺序阀来平衡，如图4-3。图4-3 升降缸防滑保护回路4.3 拟定液压系统图 本机械手的总的液压系统图如图4-4所示，图4-4 机械手的液压系统原理图4.4 确定液压系统的主要参数在设计液压系统时，我们需着重考虑液压系统的压力和流量，因为它们是我们选择液压元件的一个主要的依据。液压系统的压力取决于外部载荷，流量则主要决定于活塞杆的行程以及运动速度和液压缸的基本尺寸。由于本次主要是夹紧缸的设计，在此就不进行对其他液压缸的详细尺寸的设计与计算了，经过仔细分析与讨论，所以初步把垂直升降缸和水平伸缩缸的基本参数如下面表4-2与4-3所示：表4-2 垂直升降液压缸参数缸内径壁厚杆直径行程工作压力405202002 因为垂直升降液压缸所承受的载荷方向主要是来自垂直方向，所受力也来自垂直方向的力，所以我们需要对液压缸活塞杆抗压强度进行校核以及液压缸壁厚和液压缸底部强度的验算，需保证各部分的强度时液压缸满足机械手的动作要求。缸内径壁厚杆直径行程工作压力325162002表4-3 水平伸缩液压缸参数 因为水平伸缩液压缸主要是用来实现机械手的左移和右移，主要受力方向也是水平方向，主要是克服摩擦力矩，为保证工作的稳定性，保证活塞在运动过程中不会产生变形，因此需要对活塞进行强度的校核。此设计的液压缸的行程属于短程，所以在稳定相和刚度要求方面不需要进行相应的验算及其强度的校核。4.4.1 水平伸缩液压缸强度的校核（1）缸体壁厚计算及验算 缸体采用45号钢无缝钢管，缸筒内径为32mm，壁厚5mm。 液压缸额定工作压力应低于一定极限值，以保证工作安全：（4.1）式中： D缸筒内径（m）； D1缸筒外径（m）； s缸筒材料的屈服点，（45号钢为340）。已知工作压力PN249.92，故安全。 为避免缸筒在工作时发生塑形变形，液压缸的额定压力PN值应与塑性变形压力有一定的比例范围。 （0.350.42）（4.2）式中：缸筒发生完全塑性变形时的压力（），。计算可得：=92.35（4.3）已知实际工作压力PN221.67,故安全。 缸筒爆裂压力应远远大于耐压试验压力PT。 （4.4）查表知45号钢，则：取1.53，可知远远大于耐压实验压力。（3）缸筒底部厚度的计算 此伸缩缸采用了平行缸底，且底部设有油孔，则底部厚度为：mm（4.5） 考虑结构要求，取10mm式中： D缸筒内径； Pmax液压缸最大工作压力，取Pmax2PN4。 缸底材料的许用应力（），材料为45号钢，600。则： ，n为安全系数，取n5。（4）缸筒与底部联接强度计算 缸筒与端部采用焊接，材料为45号钢，其焊缝应力应小于材料的许用应力 焊缝应力计算如下： （4.6）式中：F-缸内最大推力； -缸筒外径； -焊接底径； -焊接效率，取0.7； -焊接材料的抗拉强度，600MPa； n-安全系数，取n=5.（5）缸筒与端盖联接强度计算 此处强度计算与夹紧缸计算一致。（6）缸筒制造加工要求 此处的要求与夹紧缸要求一致。（7）活塞杆强度的校核 活塞杆承受拉压载荷的强度计算公式： （4.7） 活塞杆螺纹处危险截面的合成应力应满足： （4.8）式中：F活塞杆的作用力，N； d活塞杆直径，m； 危险截面直径，此处取螺纹直径m。4.4.2 垂直升降液压缸强度的校核（1）缸体壁厚计算及验算 缸体采用45号钢无缝钢管，缸筒内径为40mm，壁厚5mm。 液压缸额定工作压力应低于一定极限值，以保证工作安全：（4.9）式中： D缸筒内径（m）； D1缸筒外径（m）；s缸筒材料的屈服点，（45号钢为340）。 已知工作压力PN242.84，故安全。 为避免缸筒在工作时发生塑形变形，液压缸的额定压力PN值应与塑性变形压力有一定的比例范围。（0.350.42）（4.10）式中：缸筒发生完全塑性变形时的压力（），。 计算可得：=75.78已知实际工作压力PN226.52,故安全。 缸筒爆裂压力应远远大于耐压试验压力PT。（4.11）查表知45号钢，则： 取1.53，可知远远大于耐压实验压力。（3）缸筒底部厚度的计算此升降缸采用了平行缸底，且底部设有油孔，则底部厚度为：mm（4.12）考虑结构要求，取10mm式中： D缸筒内径； Pmax液压缸最大工作压力，取Pmax2PN4。 缸底材料的许用应力（），材料为45号钢，600。则 ，n为安全系数，取n5。（4）缸筒与底部联接强度计算 缸筒与端部采用焊接，材料为45号钢，其焊缝应用应小于材料的许用应力 焊缝应力计算如下： （4.13）式中：F-缸内最大推力； -缸筒外径； -焊接底径； -焊接效率，取0.7； -焊接材料的抗拉强度，600MPa； n-安全系数，取n=5.（5） 缸筒与端盖联接强度计算 此处强度计算和夹紧缸计算基本一致。 (6）缸筒制造加工要求 此处强度计算和夹紧缸要求基本一致。（7）活塞杆强度的校核 假设活塞杆的计算长度为150mm，活塞杆已知16mm，则，属于短行程活塞杆，主要验算抗拉强度，不需要验算弯曲稳定性。 活塞杆承受拉压载荷的强度计算公式：（4.14） 活塞杆螺纹处危险截面的合成应力应满足：（4.15）式中：F活塞杆的作用力，N； d活塞杆直径，m； 危险截面直径，此处取螺纹直径m。4.5 计算和选择液压元件4.5.1 液压泵和电机的选择1、确定系统工作压力由第三张及本章计算可知，各缸的设计工作压力均为2，则系统工作压力还应加上各管接头及回路上油管的压力损失，。因本液压系统较为简单，估算0.5。则Ps=2+0.5=2.5。2、各个液压缸流量的计算液压系统所需流量为各液压缸的最大流量，当各缸为无杆腔进油时，此时即为各缸的最大流量，因此，在此只计算无杆腔的流量。（1）夹紧缸流量计算假设夹紧缸在夹紧过程中的行程为25mm，所需时间t0.5s，则平均速度为:（4.16）已知缸内径D=50mm5cm，则所需流量：（4.17）（2）水平伸缩缸流量计算由前知，伸缩缸行程为200mm，假设运动时间1s，则平均速度为：（4.18） 已知缸内径D32mm3.2cm，则所需流量：（4.19）（3）垂直升降缸流量计算由前知，升降缸行程100mm，假设运动时间为1s，则平均速度为：（4.20）已知缸内径D40mm4cm，则所需流量：（4.21）由以上计算可知，各缸的最大流量为9.64，则系统流量应以此为设计依据，此时液压泵的流量为：（4.22）式中： K泄漏系数，一般取K1.11.3，这里取K1.1。3、液压泵和电机的确定 由前计算知，。根据液压传动手册选：CB-B20，n1450r/min， ，电动机的选用：取泵的总效率0.65，则（4.23）选电动机：YZC100L1-4，N2.2kW，n1430r/min。4.5.2 选择液压控制阀和辅助元件根据控制阀的额定压力和额定流量大于系统最高压力和流量的原则，选择控制阀及辅助元件，如表3-4所示：表4-4 液压元件表序号元件名称型 号规 格数 量1线隙式滤油器XU-2520025L/min14溢流阀P-B25B2.5 10mm15电磁换向阀22D-25B2.5 10mm16,18单向阀L-25B6.3 10mm27,8,9节流阀L10B6.3 10mm310,11电磁换向阀34D10B6.3 10mm212电磁换向阀23D10B6.3 10mm114单向顺序阀XLB25B2.5 10mm117减压阀J10B14.6 根据动作要求编制电磁铁动作表（1）机械手动作要求：下降夹紧上升右移下降上升左移放松图4-5 机械手动作顺序图（2）绘制电磁铁动作表：表4-5 电磁铁动作表动作循环电磁铁工作状态1234567手臂伸缩手臂伸出+手臂缩回+手臂升降手臂上升+手臂下降+手指夹紧夹紧+松开原位卸荷+第五章 PLC控制系统的设计5.1 控制系统硬件设计5.1.1 机械手的工艺过程和要求 本课题设计的机械手为三自由度的机械手，它的动作分别由机械手臂的垂直上升下降和左右移动，以及腰部的旋转和机械手爪的夹紧与放松组成。由于腰部的转动是由电机带动齿轮直接驱动的，故在此只需设计机械手的的上升与下降，左移和右移，夹紧与放松电磁阀控制系统的设计。由前面的第四章我们可以得知机械手的动作都是通过电磁阀控制液压缸来实现各动作的有序工作，根据液压控制系统图我们可以得知，机械手的上升/下降的动作和左移/右移分别由双线圈两位电磁阀控制。例如，当1YA通电时，左边油路接通，机械手右移，当1YA断电时，则机械手停止左移，只有当接通2YA时，机械手才会实现右移。同样，机械手的上升与下降分别由3YA与4YA来控制，当某一个电磁阀接通时则实现相应的动作，断电则停止动作。机械手的夹紧与放松则是由单线圈的电磁阀来控制，当5YA处于断电状态时，机械手爪是放松状态，当5YA接通时，则机械手夹紧。为了确保我们的工作安全可靠，在机械手执行下降动作的时候我们需先检测工作台上是否有工件，如果有的话，必须停止下降，只有当无工件的状况下才允许机械手的下降，因此，我们可以利用光电开关进行工作台上有无工件的检测。5.1.2 机械手的作用流程由前面的设计，机械手的动作过程可见图5-1：图5-1 机械手动作过程图由上面的图我们可以很清楚的了解到，从原点位开始，当按下启动键的时候，下降电磁阀也就是4YA接通，机械手执行下降的动作，当下降到底碰到下降限位开关后，4YA电磁阀断电，机械手停止下降；同时5YA电磁阀接通，机械手执行夹紧动作，夹紧工件之后，3YA电磁阀通电，机械手执行上升动作，当上升到碰到上升限位开关时，3YA立即断电，机械手停止上升；与此同时，1YA电磁阀接通，机械手执行右移动作，当右移到碰到右移限位开关时，1YA断电，机械手停止右移；若此时没有工件在工作台上，则光电开关接通，4YA电磁阀也接通，机械手执行下降的动作，当下降到碰到下降限位开关的时候4YA电磁阀断电，机械手停止下降；同时5YA电磁阀断电，机械手放开工件。放开之后，3YA电磁阀有继续接通，机械手执行上升的动作，当上升到碰到上升限位开关的时候则3YA电磁阀断电，机械手停止上升，同时接通2YA电磁阀，机械手执行左移的动作，当左移到原点碰到左移限位开关的时候，2YA电磁阀断电，机械手停止左移。到此，机械手完成了一个以上面9步动作组成的周期的工作。当然我们设置机械手的每次循环都是由原点开始的。5.1.3 机械手操作面板的布置操作面板的布置可见图5-2所示。图5-2 PLC操作面板示意图由上面的操作面板我们可以很轻易的看出，机械手的加载方式有三种，上/下，左/右，夹/松，工作方式总的大致可以分为手动操作和自动操作。1、 手动操作：手动操作方式为每一步分操作都必须进行人工操作才能完成动作的执行，例如，当加载的方式打到上下时，当按下启动按钮，则机械手执行上升动作，当按下停止按钮时，机械手执行下降动作，；当选择左右加载方式时，按下启动按钮，则机械手执行右移动作，当按下停止按钮时，则机械手执行左移的动作；同样，当选择加载方式为夹紧放松的时候，按下启动按钮，机械手执行夹紧动作，当按下停止按钮时，则机械手执行放松动作。2、 自动操作：自动操作只需人工按下启动键，机械手将会从原点位自动的开始执行连续的动作，进行周期性的循环。只有当按下停止按钮时，机械手将会完成一个周期动作后回到原始点的位置。5.1.4 PLC控制器的选型1、PLC的硬件结构PLC的硬件系统结构如图5-3所示。 图5-3 PLC硬件系统结构2、 机型的选择基本原则是在满足控制功能要求的前提下，保证系统的安全、可靠、经济及使用维护方便，一般需考虑一下几个方面：（1） I/0点数；（2） 用户程序储存器的存储容量；（3） 响应速度；（4） 输入、输出方式及负载能力。S7-200 CPU224行PLC控制器拥有14个 输入I和10个输出共24 个数字量I/O点，在存储容量，响应速度，输入/输出方式等等方面都满足我们的设计要求，再综合考虑机械手工作当中的可靠性与稳定性，同时各控制元件之间连接的方便性和灵活性，我们所选择的必须拥有非常强的可靠性、而且专门面对恶劣环境有很强的稳定性的PLC控制器，所以在此我们选择在国内外应用广泛的西门子S7-200型PLC。，它的外观图可见图5-4。5.1.5 PLC输入输出地址分配本课题设计的机械手PLC控制系统所采用的PLC是德国西门子公司生产的S7-200CPU224，图5-4是S7-200CPU224输入/输出端子分配图。该机械手的控制系统共使用了14个输入点，6个输出点。机械手输入/输出接线图见图5-5。图5-4 S7-200 CPU外观图图5-5 机械手的输入/输出接线图5.2 机械手控制系统软件系统的设计5.2.1 机械手控制系统主程序流程图机械手控制系统主程序流程图见图5-6。5.2.2 机械手整体程序结构机械手整体程序见图5-7.5.2.2 机械手单操作工作的程序机械手单操作程序见图5-8.5.2.3 自动操作程序机械手自动操作功能图见图5-9。自动操作梯形图见CAD图纸。图5-6 机械手控制系统主程序流程图图5-7 机械手控制系统整体程序图图5-8 单操作程序图5-9 自动操作功能图 由上面的自动操作功能图，我们可以对自动操作的动作进行简单的分析，当PLC由停止到工作时，PLC初始脉冲SM0.1对机械手的状态进行初始化为0，当机械手在原点时，将状态继电器S0.0进行置位，置位1，这是最先准备的第一步，当选择为自动连续操作时，按下启动按钮后，将状态继电器S0.1进行置位，与此同时，将清零原工作状态继电器S0.0，输出继电器Q0.0得电，机械手执行下降动作，同时Q0.5复位，原点指示灯熄灭；当机械手下降到碰到下降限位开关的时候，I0.1接通，使得状态继电器S0.2得电置位，同时也清零上步的继电器S0.1，复位输出继电器Q0.0，同时将Q0.2置为1，机械手也停止下降，夹持工件此时T37定时器开始进行定时，在计时1s后，T37定时器接通，同时将状态继电器S0.3置为1，清零上步的状态继电器S0.2，此时输出继电器Q0.1得电，机械手执行上升动作，因为Q0.2在置位状态，所以机械手继续保持夹紧动；当机械手上升到上升限位开关的时候，I0.2接通，使得状态继电器S0.4得电置位，同时也清零上步的继电器S0.3，Q0.1失电，机械手停止上升，而此时Q0.3得电，机械手将进行右移动作，当右移到右移限位开关的时候，I0.3接通，Q0.3失电，机械手停止右移，此时再将I0.5接通，则置位状态继电器S00.5，同时也将清零上步的状态继电器S0.4，此时，输出继电器Q0.0再次得电，机械手执行下降的动作，当机械手下降到触到下降限位开关的时候，I0.1再次接通，状态继电器S0.6得电置位，同时将清零上步的S0.5，复位输出继电器Q0.0，同时，SM0.0接通使得Q0.2置为1，机械手下降动作停止，同时将工件松开放下，此时T38定时器开始定时，当计时1s后，T38定时器接通，使得状态继电器S0.7置为1，同时清零上步的S0.6，Q0.1再次得电，所以机械手也再次执行上升动作，当上升到触到上升限位开关的时候，I0.2接通使得状态继电器S1.0得电置为1，同时将清零上步的状态继电器S0.7，Q0.1失电，机械手上升停止，此时输出继电器Q0.得电接通，机械手执行左移动作，当左移到触到左移限位开关的时候，I0.4接通，同时清零上步的状态继电器S1.0。到此，一个周期的动作都完成了，如果工作方式为连续方式的话，则辅助继电器M1.0将置为1，将会反复执行自动程序，机械手循环的工作，直到按下停止键，如果此时的操作方式为单周期的话，状态继电器S0.0置为1，机械手则会完成一个周期后停在原点位。5.2.4 自动操作程序指令语句自动操作程序的指令语句如下：步序 指令 地址号00 LD SM0101 MOVW 0，SW002 LD I0.203 A I0.404 S S0.0，105 LSCR S0.006 LD SM0.007 = Q0.508 LD I0.109 SCRT S0.110 SCRE11 LSCR S0.112 LDN I0.113 = Q0.014 LD I0.115 SCRT S0.216 SCRE17 LSCR S0.218 LD SM0.019 S Q0.2，120 TON T37，+1021 LD T3722 SCRT S0.323 SCRE24 LSCR S0.325 LDN I0.226 = Q0.127 LD I0.228 SCRT S0.429 SCRE30 LSCR S0.431 LDN I0.332 = Q0.333 LD I0.334 A I0.535 SCRE36 LSCR S0.537 LDN I0.138 = Q0.039 LD I0.140 SCRT S0.641 SCRE42 LSCR S0.643 LD SM0.044 S Q0.2，145 TON T38，+1046 LD T3847 LSCRT S0
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