【正文】 ；為活塞桿材料的許用應力，此處；帶入數(shù)據(jù)，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。 計算和選擇液壓元件（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(shù)，；為機械手工作時最大流量。 （315）經(jīng)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(shù)據(jù)計算得： =。根據(jù)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(jù)詳細的要求再結合具體情況進行詳細，這里暫從略。（1）查閱設計手冊，選擇油管公稱通徑、外徑、壁厚參數(shù)，選?。灰簤罕梦凸苌晕⒋中?，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） 液壓系統(tǒng)性能的驗算繪制液壓系統(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(shù)計算 有關參數(shù)的計算（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）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(shù)；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(shù)，；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(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)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：。 電機型號的選擇根據(jù)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(shù)。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(jīng)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。所選電機相關參數(shù)圖32圖33 110BYG550BSAKRMA0301步進電機的矩頻特性曲線4 機械手控制系統(tǒng)的設計 機械手控制系統(tǒng)硬件設計 機械手工藝過程與控制要求機械手的動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。其中，垂直升降和水平伸縮有液壓實現(xiàn)驅動。而液壓缸又由相應的電磁閥控制。其中，升降分別由雙線圈的兩位電磁閥控制，例如，當下降電磁閥通電時，機械手下降；當下降電磁閥斷電時，機械手下降停止。只有當上升電磁閥通電時，機械手才上升；而當上升電磁閥斷電時，機械手上升停止。而水平方向的伸縮主要由電液伺服閥、伺服驅動器、感應式位移傳感器構成的回路進行調節(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現(xiàn)。柱塞缸由單線圈的電磁閥（夾緊電磁閥）來控制，當線圈不通電時，柱塞缸不工作，當線圈通電時，柱塞缸工作沖程，手爪張開，柱塞缸工作回程，手爪閉合。當機械手旋轉到機床上方時并準備下降進行上下料工作時，為了確保安全，必須在機床停止工作并發(fā)出上下料命令時，才允許機械手下降進行作業(yè)。同時，從工件料架上抓取工件時，也要先判斷料架上有無工件可取。 機械手的作業(yè)流程機械手的作業(yè)動作流程如圖41所示：圖41 上下料機械手工作流程圖從原點開始，按下啟動鍵，且有上下料命令，則水平液壓缸開始前伸并進行伺服定位，前伸到位后，停止前伸；——→ 下降電磁閥通電，同時手爪柱塞缸電磁閥也通電，機械手下降，同時張開手爪，下降到位后碰到下限行程開關，下降電磁閥斷電，下降停止，同時手爪夾緊，抓住工件；——→ 上升電磁閥通電，機械手開始上升，上升到位后，碰到上限位開關，上升電磁閥斷電，上升停止；——→ PLC開始輸出高速脈沖，驅動機械手逆時針轉動，當轉過90度到位后，PLC停止輸出脈沖，機械手停止轉動；——→ 接著下降電磁閥通電，機械手下降，下降到位后，碰到下限行程開關，下降電磁閥斷電，下降停止，機械手到達卡盤中心高度；——→ 機械手開始水平定位后縮，將工件裝入機床卡盤；——→ 當工件裝入到位后，卡盤收緊；——→ 機械手松開手爪，準備離開；——→ 接著上升電磁閥通電，機械手開始上升，上升到位后，碰到上限位開關，上升電磁閥斷電，上升停止；——→ PLC啟動高速脈沖驅動機械手作順時針轉動，當轉過90度到位后，PLC停止輸出脈沖，機械手停止轉動，機械手回到原點待命；——→ 機床進行加工。當數(shù)控機床加工完一個工件時，發(fā)送下料命令給機械手，機械手接到命令后，PLC馬上輸出脈沖驅動機械手逆時針轉動，當轉過90度到位后，PLC停止輸出脈沖，機械手停止轉動；——→ 下降電磁閥通電，同時手爪柱塞缸電磁閥也通電，機械手下降且張開手爪，下降到位后碰到下限行程開關，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；——→機床卡盤松開；——→ 機械手開始前伸，將工件從機床上取出，準備運走；——→ 上升電磁閥通電，機械手開始上升，上升到位后，碰到上限位開關，上升電磁閥斷電，上升停止；——→ PLC輸出高速脈沖，驅動機械手順時針轉動，當轉過90度到位后，PLC停止輸出脈沖，機械手停止轉動；——→ 下降電磁閥通電，機械手下降，下降到位后碰到下限行程開關，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，放下工件準備離開；——→ 接著上升電磁閥通電，機械手開始上升，上升到位后，碰到上限位開關，上升電磁閥斷電，上升停止同時手爪也閉合復原；——→ 接著機械手水平手臂開始后縮，準備回原點，當后縮到位時，后縮停止，機械手回到原點，一個上下料過程結束；——→ 機械手在原點等待命令，準備下一個工作循環(huán)。機械手的每次循環(huán)都從原點位置開始動作。 機械手操作面板布置操作面板布置如圖42所示。 機械手的操作方式分為手動操作和自動操作兩種工作方式可以選擇。：就是用按鈕作機械手的每一步運動進行單獨的控制。例如，當選擇上/下按鈕時，按下啟動按鈕，機械手上升；按下停止按鈕時，機械手上升。當選擇逆轉/順轉按鈕時，按下啟動按鈕，機械手順時針轉動，而按下停止按鈕時，機械手逆時針轉動。同理，當選擇夾緊/放松按鈕時，按下啟動按鈕，機械手爪夾緊，而按下停止按鈕時，手爪松開。圖42：機械手從原點開始，按下啟動按鈕，機械手的動作將自動的、連續(xù)的周期性循環(huán)。在工作中若按下停止按鈕，機械手將繼續(xù)完成一個周期動作后，回到原點位置。 控制器的選型機械手控制系統(tǒng)的硬件設計上考慮到機械手工作的穩(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)境設計開發(fā)的工業(yè)控制器PLC，選擇在國內應用較多的西門子S7200型PLC。具體型號為SIMATIC S7200 CPU224。圖43 SIEMENS SIMATIC S700 PLC該機集成14 輸入/10 輸出共24 個數(shù)字量I/O 點。可連接7 個擴展模塊，最大擴展至168 路數(shù)字量I/O 點或35 路模擬量I/O 點。16K 字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲空間。6 個獨立的30kHz 高速計數(shù)器，2 路獨立的20kHz 高速脈沖輸出，具有PID 控制器。1 個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。是具有較強控制能力的控制器。 控制系統(tǒng)原理分析因為機械手作業(yè)時，取工件、放工件，安裝工件、卸下工件都有定位精度的要求，所以在機械手控制中，除了要對垂直手臂、執(zhí)行手爪液壓缸和腰部步進驅動進行開環(huán)控制外，還要水平手臂進行閉環(huán)伺服控制。為了減少PLC的I/O點數(shù)，以伺服放大器作為閉環(huán)的比較點。伺服放大器具有傳感器反饋輸入端，給定的輸入信號和反饋信號進行比較后形成的控制信號經(jīng)過PID調節(jié)和功率放大后，驅動電液伺服閥對液壓缸進行伺服定位。PLC將上位機輸入的給定信號轉換為電壓信號，輸出至伺服放大器，由伺服放大器作為閉環(huán)比較點，組成模擬控制系統(tǒng)，如圖44所示。這種方案使得PLC控制量少（尤其是模擬量），節(jié)省了系統(tǒng)資源，而且編程簡單，不必過多考慮控制算法等優(yōu)點，也是完全能滿足工作要求的。`圖44 水平手臂伺服定位控制原理圖 PLC外部接線設計為適應水平手臂液壓缸的伺服定位的控制要求，利用西門子SIMATIC S7200 （CPU224）PLC，考慮到位移傳感器和伺服放大器工作采用的都為模擬量，故增加一個模擬量輸出模塊EM232，鑒于伺服放大器和位移傳感器的輸入要求，PLC的模擬量采用10V~ +10V輸入輸出，各輸入輸出點及其接線如圖45所示。PLC的具體硬件接線圖如下圖所示（詳細的硬件設計見圖紙）圖45 PLC硬件接線圖 I/O地址分配表41 PLC輸入元件地址分配明細表控 制 元 件符 號編程地址備注總停開關SB0按下停止工作啟動開關SB1按下開始工作垂直缸上限行程開關SM1垂直缸下限行程開關SM2機床上下料命令開關SB2檢測料架有無工件光電開關SP0常閉開關，閉合表示有工件控制面板上/下選擇開關SQ1用于手動調整時控制面板夾緊/松開選擇開關SQ2用于手動調整時控制面板順/逆選擇開關SQ3用于手動調整時控制面板手動工作選擇開關SQ4用于手動調整時控制面板自動工作選擇開關SQ5表42 PLC輸出元件地址分配明細表控 制 元 件符 號編程地址備注步進電機高速驅動脈沖輸出/步進電機方向控制/，反之為逆時針；垂直缸上升動作電磁閥2DT垂直缸下降動作電磁閥3DT手爪張開動作電磁閥5DT機械手原點狀態(tài)指示燈L1顯示原點位置中斷強制關機開關KM用于中斷控制 機械手控制系統(tǒng)軟件設計 機械手控制主程序流程圖機械手控制主程序流程圖如圖46所示：圖46 機械手控制主程序流程圖 機械手控制程序設計機械手控制系統(tǒng)的軟件設計采用西門子S7200 PLC的編程軟件STEP7Micro/WIN32進行，通過編程給出具體控制程序梯形圖并進行編譯和調試。得出了具體的程序梯形圖，詳細梯形圖（LAD）程序見附錄3。圖47 STEP 7MICRO/WIN 32編程窗口