【正文】 詳細(xì)程序參照附錄 。 學(xué)士學(xué)位論文 44 圖 PLC 硬件接線圖 I/O 地址分配 PLC 輸入元件地址分配明細(xì)表 如 所示 ： 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) 學(xué)士學(xué)位論文 45 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 PLC 輸入元件地址分配明細(xì)表 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 為 1 順時(shí)針，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 表 PLC 輸出元件地址分配明學(xué)士學(xué)位論文 46 圖 主程序流程圖 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。 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。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。 ［ 15］ 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學(xué)士學(xué)位論文 43 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。 I/O 端子排可很容易地整體拆卸。 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?？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)。具體型號(hào)為 SIMATIC S7200 CPU224。在工作中若按下停止按鈕，機(jī)械手將繼續(xù)完成一個(gè)學(xué)士學(xué)位論文 42 周期動(dòng)作后，回到原點(diǎn)位置。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。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。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。 機(jī)械手的每次循環(huán)都從原點(diǎn)位置開始動(dòng)作。 機(jī)械手的作業(yè)流程 圖 機(jī)械手作業(yè)流程 學(xué)士學(xué)位論文 40 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)手爪液壓缸電磁閥也通電，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)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) 。 ［ 7］ 而執(zhí)行手爪的加緊與放松，通過(guò)液壓缸與齒輪來(lái)實(shí)現(xiàn)。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。而液壓缸又由相應(yīng)的電磁閥控制。 所選電機(jī)相關(guān)參數(shù) 圖 所示： 表 電機(jī)參數(shù) 學(xué)士學(xué)位論文 39 機(jī)械手控制要求 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)。驅(qū)動(dòng)方式：升頻升壓； 步距角： 176。 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。 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； RfGRFT fl ????? （式 ） 式中， f 為滾動(dòng)軸承摩擦系數(shù)，取 ； G 為機(jī)械手本身與負(fù)載的重量之和，取 100KG ； R 為回轉(zhuǎn)軸半徑， R=240mm ； 帶入數(shù)據(jù)，計(jì)算得 lT = mN? ； 同時(shí)，腰部回轉(zhuǎn)速度定為 lN =5r/min；傳動(dòng)比定為 1/120； 2mgDGDl ? （式 ） 帶入數(shù)據(jù)得： lGD = 2mN? 。 （ 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 ????? 電機(jī)相關(guān)參數(shù)和選型 （通過(guò)滾珠絲杠）則有 負(fù)載額定功率： ?? ?? ??? 40 106 LVWP （式 ） 負(fù)載加速功率： aLLa tNGDP ?? ?? 3 22 103577 （式 ） 負(fù)載力矩（折算到電機(jī)軸）： ??? ?? ??? M LL N VWT 2 （式 ） 負(fù)載 2GD （折算到電機(jī)軸）： 22 ）（MLL NVWGD ??? ? （式 ） 起動(dòng)時(shí)間： )(3 7 5 )(22LPMLMa TT NGDGDt ? ??? （式 ） 學(xué)士學(xué)位論文 36 制動(dòng)時(shí)間： )(3 7 5 )(22LPMLMd TT NGDGDt ? ??? （式 ） 負(fù)載額定功率： ????955010 LNTP （式 ） 負(fù)載加速功率： aLLa tNGDP ?? ?? 3 22 103577 （式 ） 負(fù)載力矩（折算到電機(jī)軸）： lM LL TNNT ??? ? （式 ） 負(fù)載 GD（折算到電機(jī)軸）： 222 )( lMLL GDNNGD ? （式 ） 起動(dòng)時(shí)間： )(3 7 5 )(22LPMLMa TT NGDGDt ? ??? （式 ） 制動(dòng)時(shí)間： )(3 7 5 )(22LPMLMd TT NGDGDt ? ??? （式 ） 式中， 0P 為額定功率， KW； aP 為加速功率， KW； lN 為負(fù)載軸回轉(zhuǎn)速度， r/min； MN 為電機(jī)軸回轉(zhuǎn)速度， r/min； 學(xué)士學(xué)位論文 37 lV 為負(fù)載的速度， m/min； ? 為減速機(jī)效率； ? 為摩擦系數(shù)； lT 為負(fù)載轉(zhuǎn)矩（負(fù)載軸）， mN? ； pT 為電機(jī)啟動(dòng)最大轉(zhuǎn)矩， mN? ； LT 為負(fù)載轉(zhuǎn)矩（折算到電機(jī)軸上）， mN? ； 2lGD 為負(fù)載的 2GD ， 2mN? ； 2LGD 為負(fù)載 2GD （折算到電機(jī)軸上）， 2mN? ； 2MGD 為電機(jī)的 2GD ， 2mN? ； 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。 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。 因此，可以確定液壓泵的實(shí)際工作壓力為 MPap p 514 ??? （ 2）確定液壓泵的流量 maxqKqp ?? （式 ） 式中， K 為泄露因數(shù)，取 ； maxq 為機(jī)械手工作時(shí)最大流量。 （ 2）活塞桿直徑的較核 活塞桿直徑的較核公式為 ][4?? Fd? （式 ） 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。 ［ 13］ 學(xué)士學(xué)位論文 33 （ 1）缸筒壁厚的較核 當(dāng) D/ 10?? 時(shí)，液壓缸壁厚的較核公式如下： )1][ ][(2 ???? yyPPD ??? （式 ） 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。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(wèn)題仍然是它的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能否有足夠的剛度來(lái)抗傾覆。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。 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(guò)合 理的結(jié)構(gòu)布局設(shè)計(jì)，使其具有盡量大的剛度。而且因?yàn)闄C(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。經(jīng)過(guò)仔細(xì)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(shù)如下； 手爪執(zhí)行液壓缸參數(shù) 表 : 缸內(nèi)徑 mm 壁厚 mm 直徑 mm 行程 mm 工作壓力 MPa 20 5 20 80 3~6 表 ：手爪執(zhí)行液壓缸參數(shù) 學(xué)士學(xué)位論文 32 注：手爪液壓缸工作壓力由系統(tǒng)壓力閥調(diào)定。因此，先從剛度角度進(jìn)行液壓缸缸徑的選擇，以盡量?jī)?yōu)先保證機(jī)械手的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性、安全性。帶入數(shù)據(jù)，計(jì)算得 NP 377? 學(xué)士學(xué)位論文 31 計(jì)算驅(qū)動(dòng)力計(jì)算公式為： ?FkkFc 41? （式 ） 式中， cF 為計(jì)算驅(qū)動(dòng)力； 1k 安全系數(shù)，此處選 ； 4k 工作條件系數(shù)，此處選 ； 其他同上。 ［ 14］ 根據(jù)機(jī)構(gòu)的工作情況液壓缸所受的總機(jī)械載荷為 bfsfmw FFFFFF ????? （式 ） 式中， wF 為外加的載荷，因?yàn)樗椒綗o(wú)外載荷，故為 0； mF 為活塞上所受的慣性力； sfF 為密封阻力； fF 為導(dǎo)向裝置的摩擦阻力； bF 為回油被壓形成的阻力； （ 1） mF 的計(jì)算 tvgGFm ???? （式 ） 式中， G為液壓缸所要移動(dòng)的總重量，取為 100KG； g 為重力加速度， 2/ sm ； v? 為速度變化量； t? 啟動(dòng)或制動(dòng)時(shí)間，一般為 ~ ，取 學(xué)士學(xué)位論文 29 將各值帶入上式，得： mF = （ 2） sfF 的計(jì)算