【正文】 ；為活塞桿材料的許用應(yīng)力，此處；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 （312）式中，計(jì)算工作壓力，前以定為；對(duì)于進(jìn)油路采用調(diào)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(shí)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(jī)械手工作時(shí)最大流量。 （315）經(jīng)計(jì)算得 =帶入上式得 （3）確定液壓泵電機(jī)的功率 （316）式中，為最大運(yùn)動(dòng)速度下所需的流量，同前，；液壓泵實(shí)際工作壓力，5；為液壓泵總效率，；帶入數(shù)據(jù)計(jì)算得： =。根據(jù)系統(tǒng)最高工作壓力和通過(guò)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)，選取；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） 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。 電機(jī)選型有關(guān)參數(shù)計(jì)算 有關(guān)參數(shù)的計(jì)算（通過(guò)滾珠絲杠）則有負(fù)載額定功率： （318）負(fù)載加速功率： （319）負(fù)載力矩（折算到電機(jī)軸）： （320）負(fù)載（折算到電機(jī)軸）： （321）起動(dòng)時(shí)間： （322） 制動(dòng)時(shí)間： （323）負(fù)載額定功率： （324）負(fù)載加速功率： （325）負(fù)載力矩（折算到電機(jī)軸）： （326）負(fù)載GD（折算到電機(jī)軸）： （327）起動(dòng)時(shí)間： （328）制動(dòng)時(shí)間： （329）式中，為額定功率，KW；為加速功率，KW；為負(fù)載軸回轉(zhuǎn)速度，r/min；為電機(jī)軸回轉(zhuǎn)速度，r/min；為負(fù)載的速度，m/min；為減速機(jī)效率；為摩擦系數(shù)；為負(fù)載轉(zhuǎn)矩（負(fù)載軸），；為電機(jī)啟動(dòng)最大轉(zhuǎn)矩，；為負(fù)載轉(zhuǎn)矩（折算到電機(jī)軸上），；為負(fù)載的，；為負(fù)載（折算到電機(jī)軸上），；為電機(jī)的，；具體到本設(shè)計(jì)，因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)是驅(qū)動(dòng)腰部的回轉(zhuǎn)，傳遞運(yùn)動(dòng)形式屬于第二種。下面進(jìn)行具體的計(jì)算。 因?yàn)檠炕剞D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)只存在摩擦力矩，在回轉(zhuǎn)圓周方向上不存在其他的轉(zhuǎn)矩，則在回轉(zhuǎn)軸上有； （330）式中，為滾動(dòng)軸承摩擦系數(shù)，；為機(jī)械手本身與負(fù)載的重量之和，取100；為回轉(zhuǎn)軸上傳動(dòng)大齒輪分度圓半徑，R=240；帶入數(shù)據(jù)，計(jì)算得 =； 同時(shí)，腰部回轉(zhuǎn)速度定為=5r/min；傳動(dòng)比定為1/120；且， 帶入數(shù)據(jù)得： =。將其帶入上（324）~（330）式，得： 啟動(dòng)時(shí)間 ； 制動(dòng)時(shí)間 ；折算到電機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩為：。 電機(jī)型號(hào)的選擇根據(jù)以上結(jié)果，綜合考慮各種因素，選擇國(guó)產(chǎn)北京和利時(shí)電機(jī)技術(shù)有限公司（原北京四通電機(jī)公司）的步進(jìn)電機(jī)，具體型號(hào)為： 110BYG550BSAKRMA0301 或 110BYG550BSAKRMT0301 或 110BYG550BBAKRMT0301,該步進(jìn)電機(jī)高轉(zhuǎn)矩，低振動(dòng)，綜合性能很好。下圖為110BYG550BSAKRMA0301型步進(jìn)電機(jī)矩頻特性曲線和相關(guān)技術(shù)參數(shù)。驅(qū)動(dòng)方式：升頻升壓； 步距角：176。；，同時(shí)因?yàn)檠魁X輪傳動(dòng)比為1：120，步進(jìn)電機(jī)經(jīng)過(guò)減速后傳遞到回轉(zhuǎn)軸，回轉(zhuǎn)軸實(shí)際的步距角將為電機(jī)實(shí)際步距角的1/120（理論上），雖然實(shí)際上存在著間隙和齒輪傳動(dòng)非線性誤差，實(shí)際回轉(zhuǎn)軸的最小步距角也仍然是很小的，故其精度是相當(dāng)高的，完全能滿足機(jī)械手上下料的定位精度要求。所選電機(jī)相關(guān)參數(shù)圖32圖33 110BYG550BSAKRMA0301步進(jìn)電機(jī)的矩頻特性曲線4 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(guò)程與控制要求機(jī)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(guò)柱塞缸與齒輪來(lái)實(shí)現(xiàn)。柱塞缸由單線圈的電磁閥（夾緊電磁閥）來(lái)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(wú)工件可取。 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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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)械手的每次循環(huán)都從原點(diǎn)位置開始動(dòng)作。 機(jī)械手操作面板布置操作面板布置如圖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。圖42：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)。可連接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。 控制系統(tǒng)原理分析因?yàn)闄C(jī)械手作業(yè)時(shí)，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(jī)械手控制中，除了要對(duì)垂直手臂、執(zhí)行手爪液壓缸和腰部步進(jìn)驅(qū)動(dòng)進(jìn)行開環(huán)控制外，還要水平手臂進(jìn)行閉環(huán)伺服控制。為了減少PLC的I/O點(diǎn)數(shù)，以伺服放大器作為閉環(huán)的比較點(diǎn)。伺服放大器具有傳感器反饋輸入端，給定的輸入信號(hào)和反饋信號(hào)進(jìn)行比較后形成的控制信號(hào)經(jīng)過(guò)PID調(diào)節(jié)和功率放大后，驅(qū)動(dòng)電液伺服閥對(duì)液壓缸進(jìn)行伺服定位。PLC將上位機(jī)輸入的給定信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，輸出至伺服放大器，由伺服放大器作為閉環(huán)比較點(diǎn)，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(jiǎn)單，不必過(guò)多考慮控制算法等優(yōu)點(diǎn)，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(shè)計(jì)為適應(yīng)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(gè)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(diǎn)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(xì)的硬件設(shè)計(jì)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(xì)表控 制 元 件符 號(hào)編程地址備注總停開關(guān)SB0按下停止工作啟動(dòng)開關(guān)SB1按下開始工作垂直缸上限行程開關(guān)SM1垂直缸下限行程開關(guān)SM2機(jī)床上下料命令開關(guān)SB2檢測(cè)料架有無(wú)工件光電開關(guān)SP0常閉開關(guān)，閉合表示有工件控制面板上/下選擇開關(guān)SQ1用于手動(dòng)調(diào)整時(shí)控制面板夾緊/松開選擇開關(guān)SQ2用于手動(dòng)調(diào)整時(shí)控制面板順/逆選擇開關(guān)SQ3用于手動(dòng)調(diào)整時(shí)控制面板手動(dòng)工作選擇開關(guān)SQ4用于手動(dòng)調(diào)整時(shí)控制面板自動(dòng)工作選擇開關(guān)SQ5表42 PLC輸出元件地址分配明細(xì)表控 制 元 件符 號(hào)編程地址備注步進(jìn)電機(jī)高速驅(qū)動(dòng)脈沖輸出/步進(jìn)電機(jī)方向控制/，反之為逆時(shí)針；垂直缸上升動(dòng)作電磁閥2DT垂直缸下降動(dòng)作電磁閥3DT手爪張開動(dòng)作電磁閥5DT機(jī)械手原點(diǎn)狀態(tài)指示燈L1顯示原點(diǎn)位置中斷強(qiáng)制關(guān)機(jī)開關(guān)KM用于中斷控制 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 機(jī)械手控制程序設(shè)計(jì)機(jī)械手控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)采用西門子S7200 PLC的編程軟件STEP7Micro/WIN32進(jìn)行，通過(guò)編程給出具體控制程序梯形圖并進(jìn)行編譯和調(diào)試。得出了具體的程序梯形圖，詳細(xì)梯形圖（LAD）程序見附錄3。圖47 STEP 7MICRO/WIN 32編程窗口