【正文】 （35）式中，為回油背壓，~ ，取= 為有桿腔活塞面積，考慮兩邊差動比為2；將各值帶入上式有，分析液壓缸各工作階段受力情況，作用在活塞上的總機械載荷為。⑵.手爪執(zhí)行液壓缸工作壓力計算手爪要能抓起工件必須滿足： （36）式中，為所需夾持力；安全系數，~2；為動載系數，主要考慮慣性力的影響可按估算，為機械手在搬運工件過程的加速度，為重力加速度；方位系數，查表選??；被抓持工件的重量 30；帶入數據，計算得： ；理論驅動力的計算： （37）式中，為柱塞缸所需理論驅動力；為夾緊力至回轉支點的垂直距離；為扇形齒輪分度圓半徑；為手指夾緊力；齒輪傳動機構的效率，；其他同上。帶入數據，計算得 計算驅動力計算公式為： （38）式中，為計算驅動力；安全系數，；工作條件系數，；其他同上。帶入數據，計算得： 而液壓缸的工作驅動力是由缸內油壓提供的，故有 （39）式中，為柱塞缸工作油壓；為柱塞截面積；經計算，所需的油壓約為： ⑶.液壓缸主要參數的確定 針對本設計是一個機械手的特點考慮，機械手系統(tǒng)的剛度及其穩(wěn)定性是很重要的。因此，先從剛度角度進行液壓缸缸徑的選擇，以盡量優(yōu)先保證機械手的結構和運動的穩(wěn)定性、安全性。至于液壓缸的工作壓力和缸的工作速度，放在液壓系統(tǒng)設計階段，通過外部的液壓回路、采用合適的調速回路和元件來實現。經過仔細分析，綜合考慮各方面的因素，初步確定各液壓缸的基本參數如下；表32 手爪執(zhí)行柱塞缸參數缸內徑壁厚直徑行程工作壓力20520803~6注：手爪柱塞缸工作壓力由系統(tǒng)壓力閥調定。表33 水平伸縮液壓缸參數缸內徑壁厚桿直徑行程工作壓力6010254001因為伸縮缸的作用主要是實現伸縮直線運動這個運動形式，在其軸向上并不承受顯性的工作載荷（因為手爪夾持工件，受力方向為垂直方向），軸向主要是克服摩擦力矩，其所受的載荷主要是徑向載荷，載荷性質為彎矩，使其產生彎曲變形。而且因為機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。同時具有比較大的彎矩和比較長的行程，這對液壓缸的穩(wěn)定性和剛度問題有較高的要求。因此，在水平伸縮缸的設計上，一是增大其抗彎能力，二是通過合理的結構布局設計，使其具有盡量大的剛度。為了達到這個目的，設計中采用了兩個導向桿，以滿足長行程活塞桿的穩(wěn)定性和導向問題。另一方面，為增大結構的剛度和穩(wěn)定性，將兩個導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 垂直液壓缸參數缸內徑壁厚桿直徑行程工作壓力6010251001因為垂直液壓缸所承受的載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，滿足此處的驅動力要求是輕而易舉的，要解決的關鍵問題仍然是它的結構設計能否有足夠的剛度來抗傾覆。這里同樣采用了導向桿機構，圍繞垂直升降缸設置四根導桿，較好的解決了這一問題。⑷.液壓缸強度的較核① 缸筒壁厚的較核 當 D/時，液壓缸壁厚的較核公式如下： （310）式中，為缸筒內徑；為缸筒試驗壓力，當缸的額定壓力時，取為；為缸筒材料的許用應力，為材料抗拉強度，經查相關資料取為650，為安全系數，此處?。? 帶入數據計算，上式成立。因此液壓缸壁厚強度滿足要求。② 活塞桿直徑的較核活塞桿直徑的較核公式為 （311）式中， 為活塞桿上作用力；為活塞桿材料的許用應力，此處；帶入數據，進行計算較核得上式成立，因此活塞桿的強度能滿足工作要求。⑴.液壓泵的計算① 確定液壓泵的實際工作壓力 （312）式中，計算工作壓力，前以定為； 對于進油路采用調速閥的系統(tǒng)，可估為（~），這里取為1。因此，可以確定液壓泵的實際工作壓力為 （313）② 確定液壓泵的流量 （314）式中，為泄露因數，；為機械手工作時最大流量。 （315）經計算得 =帶入上式得 ③ 確定液壓泵電機的功率 （316）式中，為最大運動速度下所需的流量，同前，；液壓泵實際工作壓力，5；為液壓泵總效率，；帶入數據計算得： =。⑵.控制元件的選擇根據系統(tǒng)最高工作壓力和通過該閥的最大流量，在標準元件的產品樣本中選取各控制元件。這部分在考慮具體的作業(yè)時根據詳細的要求再結合具體情況進行詳細，這里暫從略。⑶.油管及其他輔助裝置的選擇① 查閱設計手冊，選擇油管公稱通徑、外徑、壁厚參數，選??；液壓泵吸油管稍微粗些，選擇；其余都選為；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 （317）繪制液壓系統(tǒng)圖后，進行壓力損失驗算。因為該液壓系統(tǒng)比較簡單，該項驗算從略。本系統(tǒng)采用液壓回路簡單，效率比較高，功率小，發(fā)熱少，油箱容量取得較大，因此，不再進行溫升驗算。 電機選型有關參數計算⑴.若傳動負載作直線運動（通過滾珠絲杠）則有負載額定功率： （318）負載加速功率： （319）負載力矩（折算到電機軸）： （320）負載（折算到電機軸）： （321）起動時間： （322） 制動時間： （323）⑵.若傳動負載作回轉運動負載額定功率： （324）負載加速功率： （325）負載力矩（折算到電機軸）： （326）負載GD（折算到電機軸）： （327）起動時間： （328）制動時間： （329） 式中，為額定功率，KW；為加速功率，KW；為負載軸回轉速度，r/min；為電機軸回轉速度，r/min；為負載的速度，m/min；為減速機效率；為摩擦系數；為負載轉矩（負載軸），；為電機啟動最大轉矩，；為負載轉矩（折算到電機軸上），；為負載的，；為負載（折算到電機軸上），；為電機的，；具體到本設計，因為步進電機是驅動腰部的回轉，傳遞運動形式屬于第二種。下面進行具體的計算。 因為腰部回轉運動只存在摩擦力矩，在回轉圓周方向上不存在其他的轉矩，則在回轉軸上有； （330）式中，為滾動軸承摩擦系數，；為機械手本身與負載的重量之和，取100；為回轉軸上傳動大齒輪分度圓半徑，R=240；帶入數據，計算得 =； 同時，腰部回轉速度定為=5r/min；傳動比定為1/120；且， 帶入數據得： =。將其帶入上（324）~（330）式，得： 啟動時間 ； 制動時間 ；折算到電機軸上的負載轉矩為：。根據以上結果，綜合考慮各種因素，選擇國產北京和利時電機技術有限公司（原北京四通電機公司）的步進電機，具體型號為：110BYG550BSAKRMA0301 或 110BYG550BSAKRMT0301 或 110BYG550BBAKRMT0301,該步進電機高轉矩，低振動，綜合性能很好。下圖為110BYG550BSAKRMA0301型步進電機矩頻特性曲線和相關技術參數。驅動方式：升頻升壓； 步距角：176。；，同時因為腰部齒輪傳動比為1：120，步進電機經過減速后傳遞到回轉軸，回轉軸實際的步距角將為電機實際步距角的1/120（理論上），雖然實際上存在著間隙和齒輪傳動非線性誤差，實際回轉軸的最小步距角也仍然是很小的，故其精度是相當高的，完全能滿足機械手上下料的定位精度要求。圖32 所選電機相關參數圖33 110BYG550BSAKRMA0301步進電機的矩頻特性曲線第4章 控制系統(tǒng)的設計 PLC簡介自二十世紀六十年代美國推出可編程邏輯控制器（Programmable Logic CONtroller，PLC）取代傳統(tǒng)繼電器控制裝置以來，PLC得到了快速發(fā)展，在世界各地得到了廣泛應用。同時，PLC的功能也不斷完善。隨著計算機技術、信號處理技術、控制技術網絡技術的不斷發(fā)展和用戶需求的不斷提高，PLC在開關量處理的基礎上增加了模擬量處理和運動控制等功能。今天的PLC不再局限于邏輯控制，在運動控制、過程控制等領域也發(fā)揮著十分重要的作用。作為離散控的制的首選產品，PLC在二十世紀八十年代至九十年代得到了迅速發(fā)展，世界范圍內的PLC年增長率保持為20%～30%。隨著工廠自動化程度的不斷提高和PLC市場容量基數的不斷擴大，近年來PLC在工業(yè)發(fā)達國家的增長速度放緩。但是，在中國等發(fā)展中國家PLC的增長十分迅速。綜合相關資料，2004年全球PLC的銷售收入為100億美元左右，在自動化領域占據著十分重要的位置。 PLC是由摸仿原繼電器控制原理發(fā)展起來的，二十世紀七十年代的PLC只有開關量邏輯控制，首先應用的是汽車制造行業(yè)。它以存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數和運算等操作的指令；并通過數字輸入和輸出操作，來控制各類機械或生產過程。用戶編制的控制程序表達了生產過程的工藝要求，并事先存入PLC的用戶程序存儲器中。運行時按存儲程序的內容逐條執(zhí)行，以完成工藝流程要求的操作。PLC的CPU內有指示程序步存儲地址的程序計數器，在程序運行過程中，每執(zhí)行一步該計數器自動加1，程序從起始步（步序號為零）起依次執(zhí)行到最終步（通常為END指令），然后再返回起始步循環(huán)運算。PLC每完成一次循環(huán)操作所需的時間稱為一個掃描周期。不同型號的PLC，循環(huán)掃描周期在1微秒到幾十微秒之間。PLC用梯形圖編程，在解算邏輯方面，表現出快速的優(yōu)點，在微秒量級，解算1K邏輯程序不到1毫秒。它把所有的輸入都當成開關量來處理，16位（也有32位的）為一個模擬量。大型PLC使用另外一個CPU來完成模擬量的運算。把計算結果送給PLC的控制器。相同I/O點數的系統(tǒng)，用PLC比用DCS，其成本要低一些（大約能省40%左右）。PLC沒有專用操作站，它用的軟件和硬件都是通用的，所以維護成本比DCS要低很多。一個PLC的控制器，可以接收幾千個I/O點（最多可達8000多個I/O）。如果被控對象主要是設備連鎖、回路很少，采用PLC較為合適。PLC由于采用通用監(jiān)控軟件，在設計企業(yè)的管理信息系統(tǒng)方面，要容易一些。 近10年來，隨著PLC價格的不斷降低和用戶需求的不斷擴大，越來越多的中小設備開始采用PLC進行控制，PLC在我國的應用增長十分迅速。隨著中國經濟的高速發(fā)展和基礎自動化水平的不斷提高，今后一段時期內PLC在我國仍將保持高速增長勢頭。 通用PLC應用于專用設備時可以認為它就是一個嵌入式控制器，但PLC相對一般嵌入式控制器而方具有更高的可靠性和更好的穩(wěn)定性。實際工作中碰到的一些用戶原來采用嵌入式控制器，現在正逐步用通用PLC或定制PLC取代嵌入式控制器。 PLC內部結構PLC實質上是一種被專用于工業(yè)控制的計算機，其硬件結構和微機是基本一的。， PLC硬件的基本結構圖所示：編程器中央處理單元（CPU）輸入電路輸出電路系統(tǒng)程序存儲區(qū)用戶程序存儲區(qū)電源 PLC硬件的基本結構圖 PLC工作原理可編程序控制器有兩種基本的工作狀態(tài)，即運行（RUN）狀態(tài)與停止（STOP）狀態(tài)。在運行狀態(tài)，可編程控制器通過執(zhí)行反映控制要求的用戶程序來實現控制功能。為了使可編程序控制器的輸出及時地響應隨時可能變化的輸入信號，用戶程序不是只執(zhí)行一次，而是反復不斷地重復執(zhí)行，直至可編程序控制器停機 或切換到STOP工作狀態(tài)。除了執(zhí)行用戶程序之外，在每次循環(huán)過程中，可如上圖編程序控制器還要完成，內部處理、通信處理等工作，一次循環(huán)可分為5個階段?？删幊绦蚩刂破鞯倪@種周而復始的循環(huán)工作方式稱為掃描工作方式。由于計算機執(zhí)行指令的速度極高，從外部輸入輸出關系來看，處理過程似乎是同時完成的。在內部處理聯合階段?？删幊绦蚩刂破鳈z查CPU模塊內部的硬件是否正常，將監(jiān)控定時器復位，以及完成一些別的內部工作。 在通信服務階段，可編程序控制器與別的帶微處理器的智能裝置