【正文】 不勝感謝！ 參 考 文 獻(xiàn)[1] 付永領(lǐng), 王巖, 裴忠才. 基于CAN總線液壓噴漆機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[R]. 機(jī)床與液壓. 2003, (6): 90～92[2] 丁又青, 朱新才. 一種新型型鋼翻面機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)[A]. 機(jī)床與液. 2003,(5): 128～129[3] 劉劍雄, 韓建華. 物流自動化搬運(yùn)機(jī)械手機(jī)電系統(tǒng)研究[C]. 機(jī)床與液壓. 2003, (1): 126～128[4] 徐軼, 楊征瑞, 。此外，非常感謝許多其他同學(xué)，他們很多想法和建議對我啟發(fā)很大。在設(shè)計(jì)前期的準(zhǔn)備時，X老師就非常關(guān)注我的選題，指明選題方向，幫助分析題目的可行性和實(shí)際中可能出現(xiàn)的問題以及需要注意的事項(xiàng)；在進(jìn)行方案選擇時，為我指出所需要重點(diǎn)掌握的知識范圍，并幫助我分析相應(yīng)知識難點(diǎn)的原理，使我的畢業(yè)設(shè)計(jì)能順利進(jìn)行。此次畢業(yè)設(shè)計(jì)能夠順利完成，我得到了很多老師、同學(xué)的關(guān)心、幫助和支持，在此本人首先向他們表示感謝。因此，通過畢業(yè)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了預(yù)期目標(biāo)。經(jīng)過重新編制相應(yīng)的控制程序，就能夠比較容易的推廣到其他類似的加工情況。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、工作可靠，設(shè)計(jì)周期短且造價較低。具有很好的經(jīng)濟(jì)效益。而且，只要把手爪的結(jié)構(gòu)稍作改變,就可實(shí)現(xiàn)多種工件的自動上料。在滿足系統(tǒng)工藝要求的前提下，將機(jī)械手系統(tǒng)中相對獨(dú)立的環(huán)節(jié)采用高性價比且相對簡潔的結(jié)構(gòu)形式和控制系統(tǒng)，采用模塊化設(shè)計(jì)，大量采用標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的通用元配件，從而使成本大為降低，具有顯著的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。首先根據(jù)數(shù)控機(jī)床的總體結(jié)構(gòu)，確定合適的機(jī)械手的運(yùn)動空間，然后根據(jù)機(jī)械手的運(yùn)動空間要求確定機(jī)械手的總體結(jié)構(gòu)、手臂結(jié)構(gòu)、夾持方法等，設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)原理圖。通過這次畢業(yè)設(shè)計(jì)使我初步掌握機(jī)械設(shè)計(jì)、PLC控制設(shè)計(jì)、液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法及基本步驟。得出了具體的程序梯形圖，詳細(xì)梯形圖（LAD）程序。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[31]。PLC將上位機(jī)輸入的給定信號轉(zhuǎn)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(diǎn)，組成模擬控制系統(tǒng)，如圖44所示。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)。是具有較強(qiáng)控制能力的控制器。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。16K 字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲空間。圖43 SIEMENS SIMATIC S700 PLC該機(jī)集成14 輸入/10 輸出共24 個數(shù)字量I/O 點(diǎn)。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，選擇在國內(nèi)應(yīng)用較多的西門子S7200型PLC[29]。圖42 機(jī)械手操作面板示意圖(2) 自動操作：機(jī)械手從原點(diǎn)開始，按下啟動按鈕，機(jī)械手的動作將自動的、連續(xù)的周期性循環(huán)。當(dāng)選擇逆轉(zhuǎn)/順轉(zhuǎn)按鈕時，按下啟動按鈕，機(jī)械手順時針轉(zhuǎn)動，而按下停止按鈕時，機(jī)械手逆時針轉(zhuǎn)動。(1) 手動操作：就是用按鈕作機(jī)械手的每一步運(yùn)動進(jìn)行單獨(dú)的控制。 機(jī)械手操作面板布置操作面板布置如圖42所示。當(dāng)數(shù)控機(jī)床加工完一個工件時，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)動機(jī)械手逆時針轉(zhuǎn)動，當(dāng)轉(zhuǎn)過90度到位后，PLC停止輸出脈沖，機(jī)械手停止轉(zhuǎn)動；——→ 下降電磁閥通電，同時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)動機(jī)械手順時針轉(zhuǎn)動，當(dāng)轉(zhuǎn)過90度到位后，PLC停止輸出脈沖，機(jī)械手停止轉(zhuǎn)動；——→ 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，后縮停止，機(jī)械手回到原點(diǎn)，一個上下料過程結(jié)束；——→ 機(jī)械手在原點(diǎn)等待命令，準(zhǔn)備下一個工作循環(huán)。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。柱塞缸由單線圈的電磁閥（夾緊電磁閥）來控制，當(dāng)線圈不通電時，柱塞缸不工作，當(dāng)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。而水平方向的伸縮主要由電液伺服閥、伺服驅(qū)動器、感應(yīng)式位移傳感器構(gòu)成的回路進(jìn)行調(diào)節(jié)控制[27]。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，機(jī)械手下降；當(dāng)下降電磁閥斷電時，機(jī)械手下降停止。其中，垂直升降和水平伸縮有液壓實(shí)現(xiàn)驅(qū)動。同時因?yàn)檠魁X輪傳動比為1：120，步進(jìn)電機(jī)經(jīng)過減速后傳遞到回轉(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。驅(qū)動方式：升頻升壓； 步距角：176。 電機(jī)型號的選擇 根據(jù)以上結(jié)果，綜合考慮各種因素，選擇國產(chǎn)北京和利時電機(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)，具體型號為： 110BYG550BSAKRMA0301 或 110BYG550BSAKRMT0301 或 110BYG550BBAKRMT0301,該步進(jìn)電機(jī)高轉(zhuǎn)矩，低振動，綜合性能很好。帶入數(shù)據(jù)，計(jì)算得 =；同時，腰部回轉(zhuǎn)速度定為=5r/min；傳動比定為1/120；且， 帶入數(shù)據(jù)得： =。下面進(jìn)行具體的計(jì)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(1) 若傳動負(fù)載作直線運(yùn)動（通過滾珠絲杠）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）起動時間： （322） 制動時間： （323）(2) 若傳動負(fù)載作回轉(zhuǎn)運(yùn)動負(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）起動時間： （328）制動時間： （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。因?yàn)樵撘簤合到y(tǒng)比較簡單，該項(xiàng)驗(yàn)算從略。這部分在考慮具體的作業(yè)時根據(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。帶入數(shù)據(jù)計(jì)算得： =。因此，可以確定液壓泵的實(shí)際工作壓力為 （313）(b) 確定液壓泵的流量 （314）式中 為泄露因數(shù)，；為機(jī)械手工作時最大流量。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。因此液壓缸壁厚強(qiáng)度滿足要求。(4) 液壓缸強(qiáng)度的較核(a) 缸筒壁厚的較核當(dāng) D/時，液壓缸壁厚的較核公式如下： （310）式中 為缸筒內(nèi)徑；為缸筒試驗(yàn)壓力，當(dāng)缸的額定壓力時，取為；為缸筒材料的許用應(yīng)力，為材料抗拉強(qiáng)度，經(jīng)查相關(guān)資料取為650，為安全系數(shù)，此處取。作為液壓執(zhí)行元件，滿足此處的驅(qū)動力要求是輕而易舉的，要解決的關(guān)鍵問題仍然是它的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能否有足夠的剛度來抗傾覆。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，二是通過合理的結(jié)構(gòu)布局設(shè)計(jì)，使其具有盡量大的剛度[26]。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；表32 手爪執(zhí)行柱塞缸參數(shù)缸內(nèi)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(diào)定。因此，先從剛度角度進(jìn)行液壓缸缸徑的選擇，以盡量優(yōu)先保證機(jī)械手的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動的穩(wěn)定性、安全性[25]。帶入數(shù)據(jù)，計(jì)算得： 而液壓缸的工作驅(qū)動力是由缸內(nèi)油壓提供的，故有 （39）式中 為柱塞缸工作油壓；為柱塞截面積。帶入數(shù)據(jù)，計(jì)算得 計(jì)算驅(qū)動力計(jì)算公式為： （38）式中 為計(jì)算驅(qū)動力；安全系數(shù)，；工作條件系數(shù)。帶入數(shù)據(jù)，計(jì)算得： ；理論驅(qū)動力的計(jì)算： （37）式中 為柱塞缸所需理論驅(qū)動力；為夾緊力至回轉(zhuǎn)支點(diǎn)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(jī)構(gòu)的效率。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(jī)械載荷為。 啟動時： 565N運(yùn)動時： =283N(c) 的計(jì)算機(jī)械手水平方向上有兩個導(dǎo)桿，內(nèi)導(dǎo)桿和外導(dǎo)套之間的摩擦力為 （34）式中 為機(jī)械手和所操作工件的總重量，取為100KG；為摩擦系數(shù)，取f=。(1) 計(jì)算液壓缸的總機(jī)械載荷根據(jù)機(jī)構(gòu)的工作情況液壓缸所受的總機(jī)械載荷為 （31）式中 為外加的載荷，因?yàn)樗椒綗o外載荷，故為0；為活塞上所受的慣性力；為密封阻力；為導(dǎo)向裝置的摩擦阻力；為回油被壓形成的阻力。圖31 機(jī)械手的液壓系統(tǒng)原理圖 確定液壓系統(tǒng)的主要參數(shù) 液壓系統(tǒng)的主要參數(shù)是壓力和流量，他們是設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)，選擇液壓元件的主要依據(jù)。當(dāng)5DT得電時，工作液體經(jīng)由節(jié)流閥V5進(jìn)入柱塞缸，實(shí)現(xiàn)手爪的輕緩抓緊；當(dāng)6DT失電時，工作液體進(jìn)入柱塞缸中，實(shí)現(xiàn)手爪迅速松開。其中，泵由三相交流異步電動機(jī)M拖動；系統(tǒng)壓力由溢流閥V1調(diào)定；1DT的得失電決定了動力源的投入與摘除。為了保證液壓油的潔凈，避免液壓油帶入污染物，故在油泵的入口安裝粗過濾器，而在油泵的出口安裝精過濾器對循環(huán)的液壓油進(jìn)行凈化。根據(jù)液壓設(shè)備所處的環(huán)境及對溫升的要求，還要考慮加熱、冷卻等措施。一般泵的入口要裝粗濾油器，進(jìn)入系統(tǒng)的油液根據(jù)要求，通過精濾油器再次過濾。容積調(diào)速系統(tǒng)多用變量泵供油，用安全閥來限定系統(tǒng)的最高壓力。 液壓源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)的工作介質(zhì)完全由液壓源來提供，液壓源的核心是液壓泵。相應(yīng)的調(diào)速方式有節(jié)流調(diào)速、容積調(diào)速以及二者結(jié)合的容積節(jié)流調(diào)速。對高壓大流量的系統(tǒng)，多采用插裝閥與先導(dǎo)控制閥的邏輯組合來實(shí)現(xiàn)。方向控制是用換向閥或是邏輯控制單元來實(shí)現(xiàn)。因此，機(jī)械手的水平手臂和垂直手臂都采用單活塞桿液壓缸，來實(shí)現(xiàn)直線往復(fù)運(yùn)動[24]。二者的特點(diǎn)及適用場合見表31：表31名 稱特 點(diǎn)適 用 場 合雙活塞桿液壓缸雙向?qū)ΨQ雙向工作的往復(fù)場合單活塞桿液壓缸有效工作面積大、雙向不對稱往返不對稱的直線運(yùn)動，差動連接可實(shí)現(xiàn)快進(jìn)柱塞缸結(jié)構(gòu)簡單單向工作，靠重力或其它外力返回?cái)[動缸單葉片式小于360雙葉片式小于180小于360的擺動；小于180的擺動齒輪馬達(dá)結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜高轉(zhuǎn)速、低轉(zhuǎn)矩的回轉(zhuǎn)運(yùn)動葉片馬達(dá)體積小、轉(zhuǎn)動慣量小高速低轉(zhuǎn)矩、動作靈敏的回轉(zhuǎn)運(yùn)動擺線齒輪馬達(dá)體積小、輸出轉(zhuǎn)局大低速、小功率大轉(zhuǎn)矩的回轉(zhuǎn)運(yùn)動軸向柱塞馬達(dá)運(yùn)動平穩(wěn)、轉(zhuǎn)矩大、轉(zhuǎn)速范圍寬大轉(zhuǎn)矩的回轉(zhuǎn)運(yùn)動徑向柱塞馬達(dá)轉(zhuǎn)速低，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，輸出轉(zhuǎn)矩大低速大轉(zhuǎn)矩回轉(zhuǎn)運(yùn)動本設(shè)計(jì)因?yàn)闄C(jī)械手的形式為圓柱坐標(biāo)形式，具有3個自由度，一個轉(zhuǎn)動，兩個移動自由度。若實(shí)際工作中平衡結(jié)果不滿足，則設(shè)置彈簧平衡機(jī)構(gòu)進(jìn)行平衡。用于配重平衡、彈簧平衡滿足不了工作要求的場合。(3) 活塞推桿平衡機(jī)構(gòu)活塞式平衡系統(tǒng)有液壓和氣動兩種：液壓平衡系統(tǒng)平衡力大，體積小，有一定的阻尼作用；氣動平衡系統(tǒng)，具有很好的阻尼作用，但體積比較大