【導(dǎo)讀】足現(xiàn)代經(jīng)濟發(fā)展的要求。的是機械手模型基于PLC的控制系統(tǒng)設(shè)計。部結(jié)構(gòu)的設(shè)計，以及液壓系統(tǒng)的設(shè)計，完成了搬運機械手的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計。統(tǒng)設(shè)計中，首先，對可編程序控制器進行相應(yīng)的介紹，選擇了PLC的型號。最后，進行PLC控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和軟件程序設(shè)計。Keywords：manipulator；structuredesign；hydraulicsystem；PLCcontrol

　　

【正文】 鋼對青銅：取 ~?μ 鋼對鑄鐵：取 ~?μ 計算： 導(dǎo)向桿的材料選擇鋼，導(dǎo)向支撐選擇鑄鐵 39。 ???μ , NG 1070?總 ，L==,導(dǎo)向支撐 a設(shè)計為 將有關(guān)數(shù)據(jù)代入進行計算 39。 2 2 1 . 4 1 0 . 1 61 0 7 0 0 . 3 5 9 7 8 . 60 . 1 6LF G Na? ??? ? ? ?? ? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ?總摩 手臂慣性力的計算 本設(shè)計要求手臂平動是 minm/5?V ,在計算慣性力的時候 ,設(shè)置啟動時間 st ?? ，啟動速度 smVV /??? , 畢業(yè)設(shè)計（論文） 17 GvF gt?? ?總慣 （ 43） GvF gt?? ?總慣 1 0 7 0 0 .0 8 3 4 5 .59 .8 0 .0 2NS NN K g S???? 密封裝置的摩擦阻力 不同的密封圈其摩擦阻力不同，在手臂設(shè)計中，采用 O 型密封，當(dāng)液壓缸工作 壓力小于 10Mpa。液壓缸處密封的總摩擦阻力可以近似為： FF ?封 。 經(jīng)過以上分析計算最后計算出液壓缸的驅(qū)動力： 0 .0 3 = 6 2 1 0 NF F F F? ? ?摩 慣 畢業(yè)設(shè)計（論文） 18 5 臂部運動驅(qū)動力計算 臂垂直升降運動驅(qū)動力的計算 如圖 41所示為手臂的升降運動機構(gòu)。當(dāng)升降缸上下兩腔通壓力油時，活塞杠 4做上下運動，活塞缸體 2固定在旋轉(zhuǎn)軸上。由活塞桿帶動套筒 3 做升降運動。其導(dǎo)向作用靠立柱的平鍵 9實現(xiàn)。圖中 6為位置檢測裝置。 圖 51 手臂升降和回轉(zhuǎn)機構(gòu)圖 1 升降臺 2 缸體 3 套筒 4 活塞桿 5 活塞 6 固定力柱 7 齒條缸 8 平鍵 手臂作垂直運動時，除克服摩擦阻力 Fm 和慣性力 Fg之外，還要克服臂部運動部件的重力，故其驅(qū)動力 Pq 可按下式計算： ? ?NwFgFmPq ??? （ 51） 式中 Fm—— 各支承處的摩擦力（ N）； Fg—— 啟動時慣性力（ N）可按臂伸縮運動時的情況計算； w —— 臂部運動部件的總重量（ N）； 畢業(yè)設(shè)計（論文） 19 177。 —— 上升時為正，下降時為負。 當(dāng) Fm=40N， Fg=100N， w =1098N 時 Pq=40+100+1098=1238（ N） 手臂回轉(zhuǎn)運動 實現(xiàn)手臂回轉(zhuǎn)運動的機構(gòu)形式是多種多樣的，常用的有回轉(zhuǎn)缸、齒輪傳動機 構(gòu)、鏈輪傳動機構(gòu)、連桿機構(gòu)等。本機械手采用齒條缸式臂回轉(zhuǎn)機構(gòu)，如圖 6所示，回轉(zhuǎn)運動由齒條活塞桿 8驅(qū)動齒輪，帶動配油軸和缸體一起轉(zhuǎn)動，再通過缸體上的平鍵 9 帶動外套一起轉(zhuǎn)動實現(xiàn)手臂的回轉(zhuǎn)。 臂部回轉(zhuǎn)運動驅(qū)動力矩應(yīng)根據(jù)啟動時產(chǎn)生的慣性力矩與回轉(zhuǎn)部件支承處的摩擦力矩來計算。由于啟動過程一般不是等加速度運動，故最大驅(qū)動力矩要比理論平均值大一些，一般取平均值的 。故驅(qū)動力矩 Mq 可按下式計算： Mq = (Mm + Mg )(N178。 m) 式中 Mm—— 各支承處的總摩擦力矩； Mg—— 啟動時慣性力矩，一般按下式計算： ? ?mN ??? tJMg ? （ 52） 式中 J—— 手臂部件對其回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量（ kg178。m 2 ） 。 ? —— 回轉(zhuǎn)手臂的工作角速度（ rad/s） 。 △t —— 回轉(zhuǎn)臂啟動時間（ s） 當(dāng) Mm=84(N178。m) , ???Mg (N178。m) 5 01 1 ???qM (N178。m) 對于活塞、導(dǎo)向套筒和油缸等的轉(zhuǎn)動慣量都要做詳細計算，因為這些零件的重量較大或回轉(zhuǎn)半徑較大，對總的計算結(jié)果影響也較大，對于小零件則可作為質(zhì)點計算其轉(zhuǎn)動慣量，對其質(zhì)心轉(zhuǎn)動慣量忽略不計。對于形狀復(fù)雜的零件，可劃分為幾個簡單的零件分別進行計算，其中有的部分可當(dāng)作質(zhì)點計算。 臂水平伸縮運動驅(qū)動力的計算 手臂做水平伸縮運動時，首先要克服摩擦阻力，包括油缸與活塞之間的摩擦阻力及導(dǎo) 向桿與支承滑套之間的摩擦阻力等，還要克服啟動過程中的慣性力。其驅(qū)動力 Pq 可按下式計算： Pq = Fm + Fg (N) 式中 Fm—— 各支承處的摩擦阻力； Fg—— 啟動過程中的慣性力，其大小可按下式估算 畢業(yè)設(shè)計（論文） 20 agwFg? (N) 式中 w —— 手臂伸縮部件的總重量 （ N）； g —— 重力加速度（ 2/ sm ） 。 a —— 啟動過程中的平均加速 度（ 2/sm ）， 而 ? ?2/ smtva ??? 式中 △v —— 速度變化量。如果手臂從靜止?fàn)顟B(tài)加速到工作速度 V時，則這個過程的速度變化量就等于手臂的工作速度； △t —— 啟動過程中所用的時間，一般為 ~ 。 當(dāng) Fm=80N,W=1098（ N）， △V = 500mm/s 時， ? ?NPq ?????? 畢業(yè)設(shè)計（論文） 21 6 液壓系統(tǒng)的設(shè)計 液壓系統(tǒng)簡介 機械手的液壓傳動是以有壓力的油液作為傳遞動力的工作介質(zhì)。電動機帶動油泵輸出壓力油，是將電動機供給的機械能轉(zhuǎn)換成油液的壓力能。壓力油經(jīng)過管道及一些控制調(diào)節(jié)裝置等進入油缸，推動活塞桿運動，從而使手臂作伸縮、升降等運動，將油液的壓力能又轉(zhuǎn)換成機械能。手臂在運動時所能克服的摩擦阻力大小，以及夾持式手部夾緊工件時所需保持的握力大小，均與油液的壓力和活塞的有效工作面積有關(guān)。手臂做各種運動的速度決定于流入密封油缸中油液容積的多少。這種借助于運動著的壓力油的容積變化來 傳遞動力的液壓傳動稱為容積式液壓傳動，機械手的液壓傳動系統(tǒng)都屬于容積式液壓傳動。 液壓系統(tǒng)的組成 液壓傳動系統(tǒng)主要由以下幾個部分組成： （ 1） 油泵 它供給液壓系統(tǒng)壓力油，將電動機輸出的機械能轉(zhuǎn)換為油液的壓力能，用這壓力油驅(qū)動整個液壓系統(tǒng)工作。 （ 2） 液動機 壓力油驅(qū)動運動部件對外工作部分。手臂做直線運動，液動機就是手臂伸縮油缸。也有回轉(zhuǎn)運動的液動機一般叫作油馬達，回轉(zhuǎn)角小于 360176。 的液動機，一般叫作回轉(zhuǎn)油缸（或稱擺動油缸）。 （ 3） 控制調(diào)節(jié)裝置 各種閥類，如單向閥、溢流閥、節(jié)流閥、調(diào)速閥、減壓 閥、順序閥等，各起一定作用，使機械手的手臂、手腕、手指等能夠完成所要求的運動。 機械手液壓系統(tǒng)的控制回路 機械手的液壓系統(tǒng)，根據(jù)機械手自由度的多少，液壓系統(tǒng)可繁可簡，但是總不外乎由一些基本控制回路組成。這些基本控制回路具有各種功能，如工作壓力的調(diào)整、油泵的卸荷、運動的換向、工作速度的調(diào)節(jié)以及同步運動等。 壓力控制回路 （ 1） 調(diào)壓回路 在采用定量泵的液壓系統(tǒng)中，為控制系統(tǒng)的最大工作壓力，一般都在油泵的出口附畢業(yè)設(shè)計（論文） 22 近設(shè)置溢流閥，用它來調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力，并將多余的油液溢流回油箱。 （ 2） 卸荷回路 在機械手各油缸不工作時，油泵電機又不停止工作的情況下，為減少油泵的功率損耗，節(jié)省動力，降低系統(tǒng)的發(fā)熱，使油泵在低負荷下工作，所以采用卸荷回路。此機械手采用二位二通電磁閥控制溢流閥遙控口卸荷回路。 （ 3） 減壓回路 為了是機械手的液壓系統(tǒng)局部壓力降低或穩(wěn)定，在要求減壓的支路前串聯(lián)一個減壓閥，以獲得比系統(tǒng)壓力更低的壓力。 （ 4） 平衡與鎖緊回路 在機械液壓系統(tǒng)中，為防止垂直機構(gòu)因自重而任意下降，可采用平衡回路將垂直機構(gòu)的自重給以平衡。 為了使機械手手臂在移動過程中停止在任意位置上，并防止因外 力作用而發(fā)生位移，可采用鎖緊回路，即將油缸的回油路關(guān)閉，使活塞停止運動并鎖緊。本機械手采用單向順序閥做平衡閥實現(xiàn)任意位置鎖緊的回路。 （ 5） 油泵出口處接單向閥 在油泵出口處接單向閥。其作用有二：第一是保護油泵。液壓系統(tǒng)工作時，油泵向系統(tǒng)供應(yīng)高壓油液，以驅(qū)動油缸運動而做功。當(dāng)一旦電機停止轉(zhuǎn)動，油泵不再向外供油，系統(tǒng)中原有的高壓油液具有一定能量，將迫使油泵反方向轉(zhuǎn)動，結(jié)果產(chǎn)生噪音，加速油泵的磨損。在油泵出油口處加設(shè)單向閥后，隔斷系統(tǒng)中高壓油液和油泵時間的聯(lián)系，從而起到保護油缸的作用。第二是防止空氣混入系統(tǒng) 。在停機時，單向閥把系統(tǒng)能夠和油泵隔斷，防止系統(tǒng)的油液通過油泵流回油箱，避免空氣混入，以保證啟動時的平穩(wěn)性。 速度控制回路 液壓機械手各種運動速度的控制，主要是改變進入油缸的流量 Q。其控制方法有兩類：一類是采用定量泵，即利用調(diào)節(jié)節(jié)流閥的通流截面來改變進入油缸或油馬達的流量；另一類是采用變量泵，改變油泵的供油量。本機械手采用定量油泵節(jié)流調(diào)速回路。 根據(jù)各油泵的運動速度要求，可分別采用 LI 型單向節(jié)流閥、 LCI 型單向節(jié)流閥或 QI型單向調(diào)速閥等進行調(diào)節(jié)。 節(jié)流調(diào)速閥的優(yōu)點是：簡單可靠、調(diào)速范圍較大、價格 便宜。其缺點是：有壓力和流量損耗，在低速負荷傳動時效率低，發(fā)熱大。 采用節(jié)流閥進行節(jié)流調(diào)速時，負荷的變化會引起油缸速度的變化，使速度穩(wěn)定性差。其原因是負荷變化會引起油缸速度的變化，使速度穩(wěn)定性差。其原因是負荷變化會引起節(jié)流閥進出油口的壓差變化，因而使通過節(jié)流閥的流量以至油缸的速度變化。 調(diào)速閥能夠隨負荷的變化而自動調(diào)整和穩(wěn)定所通過的流量，使油缸的運動速度不受負荷變化的影響，對速度的平穩(wěn)性要求高的場合，宜用調(diào)速閥實現(xiàn)節(jié)流調(diào)速。 畢業(yè)設(shè)計（論文） 23 方向控制回路 在機械手液壓系統(tǒng)中，為控制各油缸、馬達的運動方向和接通或 關(guān)閉油路，通常采用二位二通、二位三通、二位四通電磁閥和電液動滑閥，由電控系統(tǒng)發(fā)出電信號，控制電磁鐵操縱閥芯換向，使油缸及油馬達的油路換向，實現(xiàn)直線往復(fù)運動和正反向轉(zhuǎn)動。 目前在液壓系統(tǒng)中使用的電磁閥，按其電源的不同，可分為交流電磁閥（ D 型）和直流電磁閥（ E 型）兩種。交流電磁閥的使用電壓一般為 220V（也有 380V 或 36V），直流電磁閥的使用電壓一般為 24V（或 110V）。這里采用交流電磁閥。交流電磁閥起動性能好，換向時間短，接線簡單，價廉，但是如吸不上時容易燒壞，可靠性差，換向時有沖擊，允許換向頻率底，壽命 較短。 機械手的液壓傳動系統(tǒng) 液壓系統(tǒng)圖的繪制是設(shè)計液壓機械手的主要內(nèi)容之一。液壓系統(tǒng)圖是各種液壓元件為滿足機械手動作要求的有機聯(lián)系圖。它通常由一些典型的壓力控制、流量控制、方向控制回路加上一些專用回路所組成。 繪制液壓系統(tǒng)圖的一般順序是：先確定油缸和油泵，再布置中間的控制調(diào)節(jié)回路和相應(yīng)元件，以及其他輔助裝置，從而組成整個液壓系統(tǒng)，并用液壓系統(tǒng)圖形符號，畫出液壓原理圖。 上料機械手的動作順序 本液壓傳動上料機械手主要是從一個地方拿到工件后，橫移一定的距離后把工件給立式精鍛機進行加工。它的 動作順序是：待料（即起始位置。手指 打開 ，待夾料立放） → 手臂前伸 → 手指夾料 → 手臂上升 → 手腕回轉(zhuǎn) 115176。 → 手臂回轉(zhuǎn) 115176。 → 手指松開 → 手臂縮回 → 手腕反轉(zhuǎn) （手腕復(fù)位） → 手臂下降 → 手臂反轉(zhuǎn)（上料機械手復(fù)位） → 待料（一個循環(huán)結(jié)束）卸荷。 上述動作均由電控系統(tǒng)發(fā)信控制相應(yīng)的電磁換向閥，按程序依次步進動作而實現(xiàn)的。該電控系統(tǒng)的步進控制環(huán)節(jié)采用步進選線器，其步進動作是在每一步動作完成后，使行程開關(guān)的觸點閉合或依據(jù)每一步動作的預(yù)設(shè)停留時間，使時間繼電器動作而發(fā)信，使步進器順序 “ 跳步 ” 控制電磁閥的電磁鐵線圈通斷電，使電磁鐵按程序動作（見電磁鐵動作程序表）實現(xiàn)液壓系統(tǒng)的自動控制。 自動上料機械手液壓系統(tǒng)原理 液壓系統(tǒng)原理如圖 51 所示。該系統(tǒng)選用功率 N = 千瓦的電動機，帶動雙聯(lián)葉片泵 YB35/18 ，其公稱壓力為 60179。 105 帕，流量為 35升 /分 +18升 /分 =53升 /分，系統(tǒng)壓力調(diào)節(jié)為 30179。 105 帕，油箱容積選為 250 升。手臂的升降油缸及伸縮油缸工作時兩個油泵同時供油；手臂及手 腕的回轉(zhuǎn)和手指夾緊用的拉緊油缸以及手臂回轉(zhuǎn)的定位油缸工作時只有小油泵供油，大泵自動卸荷。 畢業(yè)設(shè)計（論文） 24 手臂伸縮、手臂升降、手臂回轉(zhuǎn)、手臂橫向移動和手腕回轉(zhuǎn)油路采用單向調(diào)速閥（ QI63B、 QI25B、 QI10B）回程節(jié)流，因而速度可調(diào)，工作平穩(wěn)。 手臂升降油缸支路設(shè)置有單向順序閥（ XI63B） ,可以調(diào)整順序閥的彈簧力使之在活塞、活塞桿及其所支承的手臂等自重所引起的油液壓力作用下仍保持斷路。工作時油泵輸出的壓力油進入升降油缸上腔，作用在順序閥的壓力增加使之接通，活塞便向下運動。當(dāng)活塞要上升時，壓力油液經(jīng)單向閥進入升 降油缸下腔而不會被順序閥所阻，這樣采用單向順序閥克服手臂等自重，以防下滑，性能穩(wěn)定可靠。 手指夾緊油缸支路裝有液控單向閥（ IY25B），使手指夾緊工件時不受系統(tǒng)壓力波動的影響，保證保證手指夾持工件牢靠。當(dāng)反向進油時，油箱通過控制油路將單向閥芯頂開，使回