【正文】 5 20 80 3~6 注：手爪柱塞缸工作壓力由系統(tǒng)壓力閥調(diào)定。 表 33 水平伸縮液壓缸參數(shù) 缸內(nèi)徑 mm 壁厚 mm 桿直徑 mm 行程 mm 工作壓力 MPa 60 10 25 400 1 因?yàn)樯炜s缸的作用主要是實(shí)現(xiàn)伸縮直線運(yùn)動(dòng)這個(gè)運(yùn)動(dòng)形式，在其軸向上并不承受顯性的工作載荷（因?yàn)槭肿A持工件，受力方向?yàn)榇怪狈较颍?，軸向主要是克服摩擦力矩，其所受的載荷主要是徑向載荷，載荷性質(zhì)為彎矩，使其產(chǎn)生彎曲變形。而且因 為機(jī)械手要求具有一定的柔性，水平液壓缸活塞桿要求具有比較大的工作行程。同時(shí)具有比較大的彎矩和比較長(zhǎng)的行程，這對(duì)液壓缸的穩(wěn)定性和剛度問題有較高的要求 [25]。 因此，在水平伸縮缸的設(shè)計(jì)上，一是增大其抗彎能力，二是通過合理的結(jié)構(gòu)布局設(shè)計(jì)，使其具有盡量大的剛度。為了達(dá)到這個(gè)目的，設(shè)計(jì)中采用了兩個(gè)導(dǎo)向桿，以滿足長(zhǎng)行程活塞桿的穩(wěn)定性和導(dǎo)向問題。另一方面，為增大結(jié)構(gòu)的剛度和穩(wěn)定性，將兩個(gè)導(dǎo)向桿與活塞桿布局成等邊三角形的截面形式，以增大抗彎截面模量，也大大增加了液壓缸的工作剛度。 表 34 垂直液壓缸參數(shù) 缸內(nèi)徑 mm 壁厚 mm 桿直徑 mm 行程 mm 工作壓力 MPa 60 10 25 100 1 因?yàn)榇怪币簤焊姿惺艿妮d荷方式既有一定的軸向載荷，又存在著比較大的傾覆力矩（由加工工件的重力引起的）。作為液壓執(zhí)行元件，滿足此處的驅(qū)動(dòng)力要求是輕而易舉的，要解決的關(guān)鍵問題仍然是它的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能否有足夠的剛度來抗傾覆。這里同 樣采用了導(dǎo)向桿機(jī)構(gòu)，圍繞垂直升降缸設(shè)置四根導(dǎo)桿，較好的解決了這一問題。 （ 1）缸筒壁厚的較核 第三章 理論分析和設(shè)計(jì)計(jì)算 21 當(dāng) D/ 10?? 時(shí)，液壓缸壁厚的較核公式如下： )1][ ][(2 ???? yyPPD ??? （ 310） 式中， D 為缸筒內(nèi)徑； yP 為缸筒試驗(yàn)壓力，當(dāng)缸的額定壓力 MPapn 16? 時(shí)，取為 ny pP ? ； ][? 為缸筒材料的許用應(yīng)力， nb /][ ?? ? ， b? 為材料抗拉強(qiáng)度，經(jīng)查相關(guān)資料取為 650MPa ， n 為安全系數(shù)，此處取 5?n ； 帶入數(shù)據(jù)計(jì)算，上式成立。因此液壓缸壁厚強(qiáng)度滿足要求。 （ 2）活塞桿直徑的較 核 活塞桿直徑的較核公式為 ][4??Fd? （ 311） 式中， F 為活塞桿上作用力； ][? 為活塞桿材料的許用應(yīng)力，此處 ][ b?? ? ； 帶入數(shù)據(jù)，進(jìn)行計(jì)算較核得上式成立，因此活塞桿的強(qiáng)度能滿足工作要求。 計(jì)算和選擇液壓元件 （ 1）確定液壓泵的實(shí)際工作壓力 p ???? 11 ppp p （ 312） 式中， 1p 計(jì)算工作壓力，前以定為 MPa4 ； ??1p 對(duì)于進(jìn)油路采用調(diào)速閥的系統(tǒng)，可估為（ ~） MPa ，這里取為 1MPa 。 因此，可以確定液壓泵的實(shí)際工作壓力為 MPap p 514 ??? （ 313） （ 2）確定液壓泵的流量 maxqKqp ?? （ 314） 式中， K 為泄露因數(shù)，取 ； maxq 為機(jī)械手工作時(shí)最大流量。 vAq ???max （ 315） 經(jīng)計(jì)算得 maxq = min/L 帶入上式得 m in/ Lq p ??? （ 3）確定液壓泵電機(jī)的功率 東北電力大學(xué)本科畢業(yè)論文 The genral stf(1mpoyidvc,uh)0jb。5wT 22 ????? 602 ma xqpP p工 （ 316） 式中， maxq 為最大運(yùn)動(dòng)速度下所需的流量，同前，取為 min/L ； p 液壓泵實(shí)際工作壓力， 5MPa ； ? 為液壓泵總效率，取為 ； 帶入數(shù)據(jù)計(jì)算得： 工P = 。 根據(jù)系統(tǒng)最高工作壓力和通過該閥的最大流量，在標(biāo)準(zhǔn)元件的產(chǎn)品樣本中選取各控制元件。這部分在考慮具體的作業(yè)時(shí)根據(jù)詳細(xì)的要求再結(jié)合具體情況進(jìn)行詳細(xì)，這里暫 從略。 （ 1）查閱設(shè)計(jì)手冊(cè)，選擇油管公稱通徑、外徑、壁厚參數(shù) 液壓泵出口流量以 ，選取 6? ；液壓泵吸油管稍微粗些，選擇 8? ；其余都選為 5? ； （ 2）確定油箱的容量 一般取泵流量的 3~5 倍，這里取為 5 倍，有效容積為 LqV p ????? （ 317） 液壓系統(tǒng)性能的驗(yàn)算 繪制液壓 系統(tǒng)圖后，進(jìn)行壓力損失驗(yàn)算。因?yàn)樵撘簤合到y(tǒng)比較簡(jiǎn)單，該項(xiàng)驗(yàn)算從略。本系統(tǒng)采用液壓回路簡(jiǎn)單，效率比較高，功率小，發(fā)熱少，油箱容量取得較大，因此，不再進(jìn)行溫升驗(yàn)算 [26]。 第四章 機(jī)械手控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 23 第四章 機(jī)械手控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 機(jī)械手控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 機(jī)械手工藝過程與控制要求 械手的動(dòng)作有水平手臂的伸縮，垂直手臂的升降，執(zhí)行手爪的加緊與松開以及腰部的旋轉(zhuǎn)。其中，垂直升降和水平伸縮有液壓實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)。而液壓缸又由相應(yīng)的電磁閥控制。其中，升降分別由雙線圈的兩位電磁閥控制，例如，當(dāng)下降電磁閥通電時(shí)，機(jī)械手下降；當(dāng)下降電磁閥斷 電時(shí)，機(jī)械手下降停止。只有當(dāng)上升電磁閥通電時(shí)，機(jī)械手才上升；而當(dāng)上升電磁閥斷電時(shí)，機(jī)械手上升停止。而水平方向的伸縮主要由電液伺服閥、伺服驅(qū)動(dòng)器、感應(yīng)式位移傳感器構(gòu)成的回路進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。 而執(zhí)行手爪的加緊與放松，通過柱塞缸與齒輪來實(shí)現(xiàn)。柱塞缸由單線圈的電磁閥（夾緊電磁閥）來控制，當(dāng)線圈不通電時(shí)，柱塞缸不工作，當(dāng)線圈通電時(shí)，柱塞缸工作沖程，手爪張開，柱塞缸工作回程，手爪閉合。 當(dāng)機(jī)械手旋轉(zhuǎn)到機(jī)床上方時(shí)并準(zhǔn)備下降進(jìn)行上下料工作時(shí)，為了確保安全，必須在機(jī)床停止工作并發(fā)出上下料命令時(shí)，才允許機(jī)械手下降進(jìn)行作業(yè) 。同時(shí)，從工件料架上抓取工件時(shí)，也要先判斷料架上有無工件可取 [27]。 機(jī)械手的作業(yè)流程 機(jī)械手的作業(yè)動(dòng)作流程如圖 41 所示： 圖 41 上下料機(jī)械手工作流程圖 東北電力大學(xué)本科畢業(yè)論文 24 從上下料機(jī)械手工作流程圖可以看出從原點(diǎn)開始，按下啟動(dòng)鍵，且有上下料命令，則水平液壓缸開始前伸并進(jìn)行伺服定位，前伸到位后，停止前伸； —— → 下降電磁閥通電，同時(shí)手爪柱塞缸電磁閥也通電，機(jī)械手下降，同時(shí)張開手爪，下降到位后碰到下限行程開關(guān)，下降電磁閥斷電，下降停止，同時(shí)手爪夾緊，抓住工件； —— → 上升電磁閥通電，機(jī)械手開始 上升，上升到位后，碰到上限位開關(guān)，上升電磁閥斷電，上升停止； —— → PLC 開始輸出高速脈沖，驅(qū)動(dòng)機(jī)械手逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)轉(zhuǎn)過 90 度到位后， PLC 停止輸出脈沖，機(jī)械手停止轉(zhuǎn)動(dòng)； —— → 接著下降電磁閥通電，機(jī)械手下降，下降到位后，碰到下限行程開關(guān)，下降電磁閥斷電，下降停止，機(jī)械手到達(dá)卡盤中心高度； —— → 機(jī)械手開始水平定位后縮，將工件裝入機(jī)床卡盤； —— → 當(dāng)工件裝入到位后，卡盤收緊； —— → 機(jī)械手松開手爪，準(zhǔn)備離開； —— → 接著上升電磁閥通電，機(jī)械手開始上升，上升到位后，碰到上限位開關(guān)，上升電磁閥斷電，上升停止； —— → PLC 啟動(dòng)高速脈沖驅(qū)動(dòng)機(jī)械手作順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)轉(zhuǎn)過 90 度到位后， PLC停止輸出脈沖，機(jī)械手停止轉(zhuǎn)動(dòng)，機(jī)械手回到原點(diǎn)待命； —— → 機(jī)床進(jìn)行加工。 當(dāng)數(shù)控機(jī)床加工完一個(gè)工件時(shí)，發(fā)送下料命令給機(jī)械手，機(jī)械手接到命令后，PLC 馬上輸出脈沖驅(qū)動(dòng)機(jī)械手逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)轉(zhuǎn)過 90 度到位后， PLC 停止輸出脈沖，機(jī)械手停止轉(zhuǎn)動(dòng)； —— → 下降電磁閥通電，同時(shí)手爪柱塞缸電磁閥也通電，機(jī)械手下降且張開手爪，下降到位后碰到下限行程開關(guān)，下降電磁閥斷電，下降停止且手爪夾緊，夾緊已加工好的工件； —— →機(jī)床卡盤松開； —— → 機(jī)械手開始前伸 ，將工件從機(jī)床上取出，準(zhǔn)備運(yùn)走； —— → 上升電磁閥通電，機(jī)械手開始上升，上升到位后，碰到上限位開關(guān)，上升電磁閥斷電，上升停止；—— → PLC 輸出高速脈沖，驅(qū)動(dòng)機(jī)械手順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)轉(zhuǎn)過 90 度到位后， PLC停止輸出脈沖，機(jī)械手停止轉(zhuǎn)動(dòng)； —— → 下降電磁閥通電，機(jī)械手下降，下降到位后碰到下限行程開關(guān)，下降電磁閥斷電，下降停止； —— → 接著手爪柱塞缸電磁閥通電，手爪張開，放下工件準(zhǔn)備離開； —— → 接著上升電磁閥通電，機(jī)械手開始上升，上升到位后，碰到上限位開關(guān)，上升電磁閥斷電，上升停止同時(shí)手爪也閉合復(fù)原； —— → 接著 機(jī)械手水平手臂開始后縮，準(zhǔn)備回原點(diǎn)，當(dāng)后縮到位時(shí)，后縮停止，機(jī)械手回到原點(diǎn)，一個(gè)上下料過程結(jié)束； —— → 機(jī)械手在原點(diǎn)等待命令，準(zhǔn)備下一個(gè)工作循環(huán)。機(jī)械手回到原點(diǎn)待命； —— → 機(jī)床進(jìn)行加工。機(jī)械手的每次循環(huán)都從原點(diǎn)位置開始動(dòng)作 [28]。 機(jī)械手操作面板布置 第四章 機(jī)械手控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 25 圖 42 機(jī)械手操作面板示意圖 操作面板布置如圖 42 所示。 機(jī)械手的操作方式分為手動(dòng)操作和自動(dòng)操作兩種工作方式可以選擇。 ： 就是用按鈕作機(jī)械手的每 一步運(yùn)動(dòng)進(jìn)行單獨(dú)的控制。例如，當(dāng)選擇上 /下按鈕時(shí)，按下啟動(dòng)按鈕，機(jī)械手上升；按下停止按鈕時(shí)，機(jī)械手上升。當(dāng)選擇逆轉(zhuǎn) /順轉(zhuǎn)按鈕時(shí)，按下啟動(dòng)按鈕，機(jī)械手順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，而按下停止按鈕時(shí)，機(jī)械手逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。同理，當(dāng)選擇夾緊 /放松按鈕時(shí)，按下啟動(dòng)按鈕，機(jī)械手爪夾緊，而按下停止按鈕時(shí)，手爪松開。 ： 機(jī)械手從原點(diǎn)開始，按下啟動(dòng)按鈕，機(jī)械手的動(dòng)作將自動(dòng)的、連續(xù)的周期性循環(huán)。在工作中若按下停止按鈕，機(jī)械手將繼續(xù)完成一個(gè)周期動(dòng)作后，回到原點(diǎn)位置。 控制器的選型 機(jī)械手控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)上考慮到機(jī)械手工作的穩(wěn)定性 、可靠性以及各種控制元件連接的靈活性和方便性，控制器選擇有極高可靠性、專門面向惡劣的工業(yè)環(huán)境設(shè)計(jì)開發(fā)的工業(yè)控制器 PLC，選擇在國(guó)內(nèi)應(yīng)用較多的西門子S7200 型 PLC。具體型號(hào)為 SIMATIC S7200 CPU224。 圖 43 SIEMENS SIMATIC S700 PLC 該機(jī)集成 14 輸入 /10 輸出共 24 個(gè)數(shù)字量 I/O 點(diǎn)?？蛇B接 7 個(gè)擴(kuò)展模塊，最大擴(kuò)展至 168 路數(shù)字量 I/O 點(diǎn)或 35 路模擬量 I/O 點(diǎn)。 16K 字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存東北電力大學(xué)本科畢業(yè)論文 26 儲(chǔ)空間。 6 個(gè)獨(dú)立的 30kHz 高速計(jì)數(shù)器， 2 路獨(dú)立的 20kHz 高速脈沖輸出，具有 PID 控制器。 1 個(gè) RS485 通訊 /編程口，具有 PPI 通訊協(xié)議、 MPI 通訊協(xié)議和自由方式通訊能力。 I/O 端子排可很容易地整體拆卸。是具有較強(qiáng)控制能力的控制器。 機(jī)械手控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 機(jī)械手控制主程序流程圖 機(jī)械手控制主程序流程圖如圖 46 所示： 圖 46 機(jī)械手控制主程序流程圖 結(jié) 論 27 結(jié) 論 本設(shè)計(jì)通過對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)大學(xué)本科四年所學(xué)知識(shí)進(jìn)行整合，完成一個(gè)特定功能、滿足特殊要求的數(shù)控機(jī)床上下料機(jī)械手的設(shè)計(jì)，比較好地體現(xiàn)機(jī)械設(shè) 計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)生的理論研究水平、實(shí)踐動(dòng)手能力以及專業(yè)精神和態(tài)度，具有較強(qiáng)的針對(duì)性和明確的實(shí)施目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了理論和實(shí)踐的有機(jī)結(jié)合。 本設(shè)計(jì)摒棄了照搬照抄國(guó)外設(shè)計(jì)，不具體問題具體分析，不顧具體工作要求，一味仿照國(guó)外原型，盲目選擇高精度、高性能、高價(jià)格的先進(jìn)元件和設(shè)備，從而導(dǎo)致很多功能根本用不著，“大材小用”，無謂的提高了成本，造成資源浪費(fèi)的老設(shè)計(jì)“套路”和老方法。在滿足系統(tǒng)工藝要求的前提下，將機(jī)械手系統(tǒng)中相對(duì)獨(dú)立的環(huán)節(jié)采用高性價(jià)比且相對(duì)簡(jiǎn)潔的結(jié)構(gòu)形式和控制系統(tǒng)，采用模塊化設(shè)計(jì)， 大量采用標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的通 用元配件，從而使成本大為降低，具 有顯著的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。本機(jī)械手能夠?qū)崿F(xiàn)與數(shù)控機(jī)床相配合，實(shí)現(xiàn)加工過程中上下料的自動(dòng)化、無人化。而且，只要把手爪的結(jié)構(gòu)稍作改變 ,就可實(shí)現(xiàn)多種工件的自動(dòng)上料。它在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用推廣必將提高產(chǎn)品的質(zhì)量，并且節(jié)約能源，減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，促進(jìn)生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)步。具有很好的經(jīng)濟(jì)效益。 機(jī)械手采用可編程序控制器控制 ,可以實(shí)行手動(dòng)調(diào)整、手動(dòng)及自動(dòng)控制。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、工作可靠，設(shè)計(jì)周期短且造價(jià)較低。 PLC 有較高的靈活性，當(dāng)機(jī)械手工藝流程改變時(shí)，只要對(duì) I/O 點(diǎn)的接線稍作修改，或?qū)?I/O 重新分配，在 控制程序中作簡(jiǎn)單修改，補(bǔ)充擴(kuò)展即可。經(jīng)過重新編制相應(yīng)的控制程序，就能夠比較容易的推廣到其他類似的加工情況。 綜上，通過近三個(gè)月的畢業(yè)設(shè)計(jì)，經(jīng)過資料的收集、方案的選擇比較和論證，到分析計(jì)算，再到工程圖紙的繪制以及畢業(yè)設(shè)計(jì)論文的撰寫等各個(gè)環(huán)節(jié)，我對(duì)大學(xué)四本科階段的知識(shí)有了一個(gè)整體的深層次的理解，同時(shí)對(duì)工程的理解更加深刻和準(zhǔn)確。因此，通過畢業(yè)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了預(yù)期目標(biāo)。 東北電力大學(xué)本科畢業(yè)