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湖南科技大學本科生畢業(yè)設計（論文） 湖 南 科 技 大 學 畢 業(yè) 設 計（ 論 文 ） 題目 自動送料機械手的設計 作者 王志全 學院 機電工程學院 專業(yè) 機械設計制造及其自動化 學號 1103010404 指導教師 馬繼英 二〇一五 年 五 月 三十 日 i 摘　要 本課題研究的是用于數(shù)控車床軸類零件加工自動送料機械手的設計。機械手是工業(yè)生產自動化的必然產物，它是一種模仿人體上肢的部分功能，按照事前設定的要求運送工件或夾持工件進行操作的自動化技術設備，對實現(xiàn)工業(yè)生產自動化和推動工業(yè)生產的進一步發(fā)展起著至關重要的作用。機械手能代替人類完成危險、重復枯燥的工作，減輕人類勞動強度，提高勞動生產力。機械手越來越廣泛的得到了應用，在機械行業(yè)中它可用于零部件組裝 ，加工工件的搬運、裝卸，特別是在自動化數(shù)控機床、組合機床上使用更普遍。 本課題主要涉及機械手夾持機構的設計及計算、液壓控制系統(tǒng)的設計、PLC選型及其控制系統(tǒng)的設計，并通過Auto-CAD 技術對機械手的的夾持機構進行裝配圖和液壓傳動系統(tǒng)圖及其PLC控制系統(tǒng)梯形圖的繪制，使其達到自動送料的功能。 關鍵詞：機械手；Auto-CAD；PLC ABSTRACT This research project is designed for CNC lathe machining shaft parts automatic feeding robot. Robot is the inevitable product of the industrial production automation, which is a part of imitating human upper limb function, automation technology and equipment in accordance with the requirements set in advance the delivery of the work-piece or work-piece clamping operation, the realization of industrial automation and promote the further development of industrial production plays a crucial role. Robot can replace humans complete dangerous, repeated boring work, reduce human labor intensity and improve labor productivity. Robot has been applied more widely in the machinery industry, it can be used for assembling parts, work-piece handling, loading and unloading, the use of more common, especially in the automation of CNC machine tools, combined machine tools. This topic mainly involved in the design and calculation, the hydraulic control system design, selection and design of PLC control system of the robot holding means, and through Auto-CAD technology for robot assembly drawing and clamping mechanism and hydraulic drive system diagram PLC control system ladder draw to reach the automatic feeding function. Keywords：Manipulator；Auto-CAD；PLC i 目　錄 第一章 緒　論 - 1 - 1.1 課題研究背景及意義 - 1 - 1.2 機械手的研制動向 - 2 - 1.3 機械手新的應用領域 - 2 - 1.4 設計目的及原則 - 2 - 第二章 設計簡介及傳動系統(tǒng)圖 - 4 - 2.1 機械手簡介 - 4 - 2.2 機器人的結構類型 - 4 - 2.3 機械手的設計方案 - 4 - 2.4 設計的主要內容 - 6 - 第三章 機械手夾持機構的設計與計算 - 7 - 3.1 夾持機構的設計 - 7 - 3.2 確定手部結構 - 7 - 3.3 手部受力分析 - 8 - 3.4 手部夾緊力的計算 - 9 - 3.5 手抓夾持誤差分析與計算 - 10 - 3.6 夾緊缸的設計與計算 - 11 - 3.7 活塞與活塞桿的設計計算 - 14 - 第四章 機械手液壓控制系統(tǒng)的設計 - 17 - 4.1 確定液壓系統(tǒng)基本方案 - 17 - 4.2 擬定液壓執(zhí)行元件運動控制回路 - 18 - 4.3 擬定液壓系統(tǒng)圖 - 19 - 4.4 確定液壓系統(tǒng)的主要參數(shù) - 20 - 4.4.1 水平伸縮液壓缸強度的校核 - 20 - 4.4.2 垂直升降液壓缸強度的校核 - 22 - 4.5 計算和選擇液壓元件 - 24 - 4.5.1 液壓泵和電機的選擇 - 24 - 4.5.2 選擇液壓控制閥和輔助元件 - 26 - 4.6 根據動作要求編制電磁鐵動作表 - 26 - 第五章 PLC控制系統(tǒng)的設計 - 28 - 5.1 控制系統(tǒng)硬件設計 - 28 - 5.1.1 機械手的工藝過程和要求 - 28 - 5.1.2 機械手的作用流程 - 28 - 5.1.3 機械手操作面板的布置 - 29 - 5.1.4 PLC控制器的選型 - 30 - 5.1.5 PLC輸入輸出地址分配 - 31 - 5.2 機械手控制系統(tǒng)軟件系統(tǒng)的設計 - 31 - 5.2.1 機械手控制系統(tǒng)主程序流程圖 - 31 - 5.2.2 機械手整體程序結構 - 31 - 5.2.2 機械手單操作工作的程序 - 31 - 5.2.3 自動操作程序 - 32 - 5.2.4 自動操作程序指令語句 - 35 - 第六章 設計總結 - 38 - 參考文獻 - 39 - 致　謝 - 40 - iii 第一章 緒　論 1.1 課題研究背景及意義 在近代工業(yè)發(fā)展的進程中，機械手在自動化領域可以說是一項具有技術性突破的新技術，它已經成為了現(xiàn)代生產制造系統(tǒng)中不可或缺的一部分。機械手首先可以提高生產過程的自動化程度；其次能夠改善勞動條件、避免人身事故；再者可以減少人力，便于有節(jié)奏的生產，正是因為機械手有以上幾個突出的優(yōu)點，才能得到迅速的發(fā)展。也正因為它既能有效的改善一線工人的工作條件，給一線工人帶來了便利和良好的工作環(huán)境，也對實現(xiàn)工業(yè)生產自動化和機械化的具有很大的推動力，機械手也提高勞動生產率，增加企業(yè)的效率，因此機械手也逐漸引起了各先進工業(yè)國家高度重視，也因此投入了大量的人力和物力去認真的研究和應用，特別是在諸如高溫、高壓、噪聲、粉塵以及帶有污染性和放射性的惡劣環(huán)境下應用更為廣泛。 隨著電子計算機的廣泛應用，在工業(yè)化生產中機械設備的自動控制顯得越來越重要，并且由于工作的需要，人們經常需要在有腐蝕、高溫及有毒氣體的惡劣環(huán)境下進行人工操作，不僅增加了工人的勞動強度，而且更有可能危及人的生命安全。隨著科學技術的越來越發(fā)達，在這互聯(lián)網信息盛行的時代，我們對保證人身安全越來越重視的時代，我們對機械手的要求也越來越高，因此，在不同的工作條件，我們需要有不同控制類型的機械手來適應不同的工作場合，因為機械手的突出性能給人類生活帶來了越來越多的方便與利益，所以機械手不僅在工業(yè)發(fā)展上深受重視，在人類生活文明上也越來越多的被接受。在工業(yè)生產活動中特別是比較危險的工作環(huán)境中，如果能用具有遠程控制功能的機械手來代替，則不僅可以增加人身的安全性，系統(tǒng)的穩(wěn)定性，也能大大的降低損耗，提高工作效率。所以在工業(yè)化自動生產的進程中，在特殊背景環(huán)境下機械手的使用已經成為一種必然的趨勢。 采用PLC控制生產線的現(xiàn)代工業(yè)控制系統(tǒng)的控制精度準確，抗干擾性能大大提高；一套系統(tǒng)可實現(xiàn)多種控制操作，電路接線簡單，調試更方便；根據工藝要求靈活的改變生產流程，擴充系統(tǒng)更為方便。因此減少了殘次品，產品質量和生產效率大為提高；原材料得到節(jié)省，工人的勞動強度得到降低，方便了生產，提高了效率。 此次設計采用可編程控制器PLC來實現(xiàn)控制機械手液壓系統(tǒng)運行過程的手動、半自動、全自動控制，可使控制過程精準可靠，操作過程更加清晰明確，具有重要意義。 1.2 機械手的研制動向 研制機械手的時候，主要可分為兩個方向的研究，一個是工業(yè)機械手，另一個是假手。工業(yè)機械手在某些操作場合可以代替我們的一線工人進行簡單的操作，因此在設計時，我們應著重于它的功能設計，假手是可以代替斷肢者的上肢，因此對它要求比較高，要求其功能和形狀都像真的一樣。 我們通常說得“手”，具有兩種意思，一種指的是人手的整個上肢，另一種指的是從手腕處到手指尖部之間的“手部”。上肢是由臂部和手部組成的，從功能這一特點來說，臂部起著關鍵的作用，因為它決定著手部的位置。 1.3 機械手新的應用領域 工業(yè)機械手的技術，隨著科學技術的快速發(fā)展，不僅在工業(yè)界，而且在宇宙開發(fā)和海底開發(fā)方面也得到了廣泛的應用，在近代的醫(yī)術界，機械手也占有一席之地，它已作為新的應用領域被引進了醫(yī)療系統(tǒng)。在醫(yī)療系統(tǒng)中，機械手技術可住診斷、手術、護理等方便進行應用。 其中在診斷方便的應用，一個是機械手可以代替醫(yī)生用手觸診乳癌，另一個是機械手可以代替人手作X光攝影。在手術方面的應用則表現(xiàn)在遠程控制上，就是設想由一線城市里面的名醫(yī)、專家通過操縱遙控機械手給二線三線城市或者比較偏僻地方的病人進行手術，這樣不僅能節(jié)省時間和費用，更能讓病人在更短的時間內得到更好的醫(yī)術治療，可以說是在人類發(fā)展史上一項歷史性的突破。在護理方面的用意則主要體現(xiàn)在由機械手來代替人手做一些護理患有重度病癥人的費力工作。 以上這些用來醫(yī)療系統(tǒng)的機械手與以往的機械手在應用上有很大的區(qū)別，它們的工作對象不一樣，有著很大的區(qū)別，它們面對的是病人而不是冷冷清清的工件，因此在研制機械手的時候有著很高的要求，它必須要有與人一樣的皮膚感覺，否則就是傷害到病人。 1.4 設計目的及原則 本次設計是大學里最后的一個學術性研究的問題，也是最重要的一次設計，它是對我們大學四年來學習程度的一次檢測，不僅使檢測，更可以說是一次系統(tǒng)的復習，以使我們更加牢固的掌握所學的專業(yè)知識，因為畢業(yè)設計所針對的都是專業(yè)方面的知識，必須將我們所學過的專業(yè)進行整合以及綜合，這樣才能很好的，順利的完成這次的畢業(yè)大考，在此設計過程中，不僅能使我們鞏固所學過的課本知識，更是對我們自學能力的一次檢測，畢業(yè)設計不同于課程設計，因為它需要查找大量的書籍，需要我們自己學會去查表，去看表，更是對設計經驗的一次考驗，所以我覺得此次設計的目的很明確，培養(yǎng)大家自己的動手能力和鞏固專業(yè)知識以適應即將面對的社會工作。 此次設計本著以老師發(fā)給的任務書為根本設計目標，充分考慮機械手工作的要求以及使用場合，在滿足設計要求的基礎上盡可能使結構簡單，在保證可靠性的同時盡可能減低成本的原則進行設計。 第二章 設計簡介及傳動系統(tǒng)圖 2.1 機械手簡介 隨著科技日新月異的進展，機械人的手臂與人類的手臂最大的區(qū)別就在于靈活度與耐力度，也就是機械手在機械正常情況下可以重復的做同一動作。機械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動生產設備，機械手臂也將得到越來越廣泛的應用，工業(yè)機械手是機器人的一個重要分支。 按驅動方式機械手可分為氣動式、液壓式、機械式、電動式，這幾種方式都可以利用計算機編程控制機械手的動作進而完成各種作業(yè)。 2.2 機器人的結構類型 機器人結構的種類大致我們可以分成4個種類，它們分別為直角、圓柱、球坐標型和關節(jié)型4鐘，具體可見圖2-1。 圖2-1 四種機器人坐標形式 本次課題設計的主要是圓柱坐標型的機器人機械手，圓柱型主要是包括腰部的旋轉，以及上下移動和左右移動三個自由度，結構形式也比較簡單，可用于一般送料系統(tǒng)，精度要求不是高。圓柱型機器人工作是一個圓柱型的空間故此成為圓柱坐標型的機器人。 2.3 機械手的設計方案 本次課題設計的自動送料機械手的設計，假設機械手的工作布局圖如圖2-2所示。機械手的腰部回轉角度為90度，上下行程為100mm，左右移動200mm。腰部的回轉有兩種方式來進行控制，一是通過電機帶動齒輪來實現(xiàn)腰部的回轉，另一個是通過液壓缸液壓馬達來實現(xiàn)，目前的趨勢是利用電機通過減速機構來實現(xiàn)腰部的回轉，要求設計的具體結構可參照圖2-3所示；對于機械手的升降和左右移動采用的是單活塞桿左右的液壓缸，機械手爪的夾緊與放松則是通過單活塞桿彈簧復位缸來實現(xiàn)。 圖2-2 機械手工作布局 圖2-3 腰座結構圖 2.4 設計的主要內容 本次設計的主要內容包括：執(zhí)行機構中的手部設計，驅動機構中的液壓系統(tǒng)的設計，主要設計手部夾緊缸的設計，控制系統(tǒng)中采用PLC控制。 本次設計的機械手的傳動系統(tǒng)運動簡圖如圖2-4。 圖2-4 傳動系統(tǒng)簡圖 第三章 機械手夾持機構的設計與計算 3.1 夾持機構的設計 機械手的夾持機構是根據機械手的工作條件而確定的，它由被夾持工件的形狀、大小、重量等方面綜合而確定的，因此機械手的夾持機構的樣式也是各種各樣的，機械手夾持機構可大致分為兩大類，一類是人型的，這類機械手主要用作于假手，另一種是自由型，自由型機械手又包括以下幾類：捏持型、夾持型、吸附型、磁力型。 本此設計采用常用的液壓夾持式手部結構，它也是國內工業(yè)生產中很常見的一種夾持式結構。 夾鉗式手部是由手指、傳動機構和驅動裝置三部分組成的，它對抓取各種形狀的工件具有較大的適應性，可以抓取軸、盤和套類零件。一般情況下多采用兩個手指，少數(shù)采用三指或多指。本設計中的工件是棒料，所以選擇較簡單的兩指結構。 夾鉗式手部設計的基本要求： （1）應具有適當?shù)膴A緊力和驅動力； （2）手指應具有一定的開閉范圍； （3）應保證工件在手指內的夾持精度； （4）要求結構緊湊，重量輕，效率高； （5）應考慮通用性和特殊要求。 設計參數(shù)及要求 （1）采用夾鉗式夾手部，執(zhí)行動作為夾緊—放松； （2）手部設計需要抓取的工件直徑范圍為65mm-85mm，夾緊與放松的時間都是1s,水平液壓缸的行程為200mm，速度為200m/s，升降液壓缸的行程為100mm，速度為100m/s，左右轉動90°； （3）所被夾持的工件質量為10kg； （4）夾持器有足夠的夾持力； （5）夾持器靠法蘭聯(lián)接在手臂上，由液壓缸提供動力。 3.2 確定手部結構 根據設計要求設計出的手部結構如圖3-1所示： 圖3-1 手部結構圖 圖中F為手指對工件的夾緊力，為夾緊缸活塞桿的推力。 3.3 手部受力分析 經分析，手部受力圖如圖3-2所示 圖3-2 機械手手部受力分析圖 由圖可知，手部結構對稱，則 由 得 ＝ （3.1） 且＝ 由 得 h=b （3.2） 且F＝ 由幾何關系有 h＝ （3.3） 由上述等式可得： F＝ （3.4） 即 = 式中 b —手指回轉中心到夾緊力作用點之間的距離； c —手指回轉中心到滑槽支點之間的距離； —工件被夾緊時手指滑槽方向與回轉中心在水平方向的夾角。 3.4 手部夾緊力的計算 手指加在工件上的夾緊力，是機械手的手部設計的一個重要依據。必須夾緊力作用力的三要素進行分析和計算（作用力的大小、方向及作用點）。為保證夾持性能的穩(wěn)定性與可靠型，夾緊力必須克服工件的動載荷與靜載荷。 工件的所受的夾緊力可按以下公式進行計算： ＝1.5×1.002×4×98=589.18N （3.5） 取FN =590N 式中：K1—安全系數(shù)，取K1＝1.5； K2—動載系數(shù)，主要考慮慣性力的影響?？砂垂浪?。a為機械手在搬運工件過程中的加速度,g=9.8,g為重力加速度。取=1.002； K3—方位系數(shù)，按機械工程手冊第10卷表56.2-3選取，取K3＝4 G—被抓持工件的重量，取G＝mg＝10×9.8＝98N。 則： （3.6） （3.7） 式中 —手指傳力效率，一般為0.8~0.9，?。?.85。 表3-1 驅動力與液壓缸工作壓力關系圖 作用在活塞上外力 F(N) 液壓缸工作壓力 MPa 作用在活塞上外力 F(N) 液壓缸工作壓力 MPa <5000 0.8~1.0 20000~30000 2.0~4.0 5000~10000 1.5~2.0 30000~50000 4.0~5.0 10000~20000 2.5~3.0 >50000 5.0~8.0 由上表可知，2064<5000，所以取液壓缸的工作壓力為1MPa，考慮到為使液壓缸結構尺寸簡單緊湊，取工作壓力為2MPa。 3.5 手抓夾持誤差分析與計算 機械手是否能準確無誤夾持工件，并把工件送到指定的位置，不僅取決于機械手的定位精度，還與手指的夾持誤差大小有著很大的相關程度，所以既要保證定位精度，而且要保證手指的夾持誤差在一定的范圍內。在機械加工中，通常情況要求手抓的夾持誤差不超過±1mm就可以了。根據設計要求知棒料半徑為65mm～85mm。 則： 工件平均半徑： mm （3.8） 取手指LAB為工件平均半徑的2倍：LAB＝2×75＝150mm 取V型鉗的夾角 偏轉角按最佳偏轉角確定： （3.9） 計算 則定位誤差為和中的較大者。 （3.10） （3.11） ∴＝＝0.544mm<1mm 夾持誤差滿足設計要求。 3.6夾緊缸的設計與計算 （1）由前面計算可知夾持機構的驅動力和液壓缸的工作壓力分別為2604N和2MPa。 由此可以計算得液壓缸的直徑： （3.12） 式中: D—夾緊缸內徑； P—液壓缸工作壓力。 由液壓缸內徑系列（GB/T2348-1993）將缸內徑圓整到D=50mm，取d=0.5D=25mm。 （2）缸體壁厚計算及驗算 缸體采用45號鋼無縫鋼管，由機械設計手冊第四版第4卷表17-6-9查得可取缸筒外徑為60m，則壁厚＝5mm。 ? 液壓缸額定工作壓力應低于一定極限值，以保證工作安全： （3.13） 式中： D—缸筒內徑（m）； D1—缸筒外徑（m）； σs—缸筒材料的屈服強度，（45號鋼為340）。 已知工作壓力PN＝2<36.36，故安全。 ? 同時為避免缸筒在工作時發(fā)生塑性變形，液壓缸的額定壓力值也應與完全塑性變形壓力有一定的比例范圍。 ≤（0.35～0.42） （3.14） 式中：－缸筒發(fā)生完全塑性變形時的壓力（），。 計算可得：61.92 已知實際工作壓力PN＝2<21.67,故安全。 ? 缸筒爆裂壓力應遠遠大于耐壓試驗壓力PT。 （3.15） 查表知45號鋼，則： 取1.5＝3，可知遠遠大于耐壓實驗壓力。 （3）缸筒底部厚度的計算 此夾緊缸采用了平行缸底，且底部設有油孔，則底部厚度為： mm （3.16） 考慮結構的設計要求和缸底的強度，?。?0mm 式中： D—缸筒內徑（m）； Pmax—液壓缸最大工作壓力，取Pmax＝2PN＝4。 —缸底材料的許用應力（），材料為45號鋼，＝600。則 ＝，n為安全系數(shù)，取n＝5。 （4）缸筒與端部聯(lián)接強度計算 缸筒與端部采用焊接，材料為45號鋼，其焊縫應力應小于材料的許用應力。 焊縫應力計算如下： （3.17） 式中：F-缸內最大推力； -缸筒外徑； -焊接底徑； -焊接效率，取0.7； -焊接材料的抗拉強度，600MPa； n-安全系數(shù)，取n=5. （5）缸筒端部聯(lián)接強度計算 缸筒與端蓋是用法蘭聯(lián)接，螺栓的強度計算如下： 螺紋處的拉應力： （3.18） 螺紋處的剪應力 （3.19） 則合成應力： （3.20） 則知螺紋連接處安全可靠。 式中： K—擰緊螺紋的系數(shù)，取K＝3； K1—螺紋連接處的摩擦系數(shù)K1＝0.12； d0—螺紋外徑（mm），d0＝12mm； d1—螺紋底徑（mm），d1＝10.106mm； Z—螺釘數(shù)量 Z＝4。 (6）缸筒制造加工要求（如圖所示） ? 熱處理：調質，硬度HBS≥241-285。 ? 缸筒內徑D采用H8配合。表面粗糙度取為0.2-3.2um需進行研磨。 ? 缸筒內徑的圓度公差值可按9級精度選取，圓柱度公差值可按8級精度選取。 ④ 缸筒端面的垂直度公差值按7級精度選取。 此外，為了不損壞密封件和為了裝配，缸筒內孔口應倒15°角，同時為了防止腐蝕生銹和提高使用壽命，在缸筒內表面可以鍍鉻，再進行研磨拋光。 圖3-3 缸筒機加要求 3.7 活塞與活塞桿的設計計算 （1）活塞設計 由于活塞在液壓油壓力的作用下沿缸筒做往復滑動運動，因此，它與缸筒的配合應適當，既不能過緊，也不能間隙過大。間隙過大，會引起液壓缸內部泄露，降低容積效率，使液壓缸達不到要求的設計性能；配合過緊，不僅使最低啟動壓力增大，降低機械效率，而且容易損壞缸筒和活塞的滑動配合表面。 液壓力的大小與活塞的有效工作面積有關，活塞直徑應與缸筒內徑一直。 活塞的外徑與缸筒內徑一致為D=50mm，活塞寬度B一般為活塞外徑的0.6～1.0倍， 這里取為0.6倍，則B＝0.6×50＝30mm。因是單作用彈簧缸，活塞與活塞桿采用較簡單的螺栓連接。活塞與缸筒內壁采用O型密封圈密封。活塞結構如下： 圖3-4 活塞結構圖 對于無導向環(huán)活塞的材料，一般選用高強度鑄鐵HT200-HT300，此處我選用的是高強度鑄鐵HT200。 加工上，活塞外徑與缸筒的配合采用h7，內孔與活塞桿的配合采用H8，外徑對內孔的同軸度公差不大于0.02mm，外表面的圓度和圓柱度一般不大于外徑公差之半，端面與軸線的垂直度公差不大于0.04mm/100mm，外表面粗糙度控制在0.4um-0.8um之間。 （2）活塞桿設計 由前知活塞桿的直徑d＝25mm，活塞桿一端用螺栓與活塞相連接，另一端采用軸銷與手指連接（如圖） 圖3-5 活塞桿外端部結構圖 活塞桿直徑d＝25mm，故取，L＝22mm （螺紋長度短型） 活塞桿結構（如圖）采用實心桿 圖3-6 活塞桿結構圖 桿體材料采用45號鋼，加工后調質到硬度為229～285HBS，必要時，再經高頻淬火，硬度達45～55HRC。 活塞桿與活塞之間的H8/h7一般配合，方便拆卸與更換，其圓度和圓柱度公差不大于0.03mm，安裝活塞的軸頸與外圓的同軸度公差不大于0.01mm，是為了保證活塞桿外圓和活塞外圓的同軸度，避免活塞與缸筒之間的卡滯現(xiàn)象，安裝活塞的軸肩斷面與活塞桿軸線的垂直度公差不大于0.03mm，以保證活塞安裝不產生歪斜，活塞桿外圓表面粗糙度一般為1.6um～3.2um。 （3）驗算活塞桿的強度 假設活塞桿的計算長度為180mm，活塞桿的行程為25mm 則 ，屬于短行程活塞桿，則主要驗算抗拉強度，不需要驗算彎曲穩(wěn)定性。 活塞桿承受拉壓載荷的強度計算公式： （3.21） 活塞桿螺紋處危險截面的合成應力應滿足： （3.22） 式中：F—活塞桿的作用力，N； d—活塞桿直徑，m； —危險截面直徑，此處取螺紋直徑m。 第四章 機械手液壓控制系統(tǒng)的設計 4.1 確定液壓系統(tǒng)基本方案 液壓執(zhí)行元件的類型大致分為液壓缸和液壓馬達，前者實現(xiàn)直線運動，后者實現(xiàn)回轉運動。液壓執(zhí)行元件的選擇可參考表4-1： 表4-1 液壓執(zhí)行元件表 名 稱 特 點 應用 柱塞缸 單出桿 結構簡單，容易制造，靠自重或外力回程 液壓機，千斤頂，小缸用于定位和夾緊 雙出桿 結構簡單，桿在兩處有導向，可做得細長 液壓機，注塑機動梁回程缸 液壓缸 雙出桿 兩桿直徑相等，往返速度和力相同，反之亦然 磨床，往返速度相同和不同的機構 單出桿 一般連接，往返方向的速度和出力不同 各類機械 葉片式擺動缸 單葉片式轉角小于360 雙葉片式轉角小于180 機床夾具，流水線轉向調頭裝置，裝載機翻斗 擺線齒輪馬達 速度中等，扭矩范圍寬結構簡單、價格便宜 塑料機械，煤礦機械，挖掘機行走機械 葉片馬達 轉速高，扭矩小，動作靈敏，噪聲低 磨床回轉工作臺，機床操縱機構 球塞馬達 速度中等，扭矩較大，軸向尺寸小 塑料機械，行走機械 軸向柱塞馬達 速度大，可變速，扭矩中等，低速平穩(wěn)性好 起重機，絞車，鏟車，內燃機車，數(shù)控機床 徑向柱塞馬達 轉速低，結構復雜，輸出轉矩大 挖掘機，冶金機械，起重機 本課題研究的是包括一個自由度為轉動，另外兩個自由度為移動的三自由度機械手。在滿足基本的設計要求的同時，我們盡可能的將將進行簡單化。其中機械手的上升與下降，左移和右移我們采用的是單活塞的液壓缸來現(xiàn)實運動，機械手腰部的回轉我們采用的是電機通過減速機構來實現(xiàn)轉動。腰部的回轉采用電機驅動也是國內廣泛利用的一種，可以保證機械手的定位精度和較好的穩(wěn)定性。 4.2 擬定液壓執(zhí)行元件運動控制回路 液壓執(zhí)行元件確定后，其運動方向和運動速度的控制是液壓回路的核心問題。 （1）換向回路 方向控制一般是用換向閥或是邏輯控制單元來實現(xiàn)。對于一般中小流量的液壓系統(tǒng)，可以通過換向閥的有機組合來實現(xiàn)所要求的動作，由于夾緊采用的是彈簧的復位，故夾緊缸選用二位三通電磁換向閥來進行換向，其他液壓缸為單桿雙作用缸，則全部選用O型三位四通電磁換向閥進行換向。選電磁閥易于實現(xiàn)機械手的自動控制，選中位為O型可使定位準確，如圖4-1。 圖4-1 換向回路 （2）調速回路 速度控制通過改變液壓執(zhí)行元件輸入或輸出的流量或者利用密封空間的容積變化來實現(xiàn)。本液壓系統(tǒng)較為簡單，故選用簡單采用節(jié)流閥進行速度的調節(jié)。同時選用單泵供油，力求獲得較好的經濟性，如圖4-2。 圖4-2調速回路 （3）系統(tǒng)的安全可靠性 為防止夾緊缸壓力受系統(tǒng)壓力波動的影響，導致夾緊力過低無法夾緊工件，或因壓力過大而損壞工件，則需在油路上加減壓閥保證夾緊缸的壓力恒定不變。同時，由于機械手垂直升降缸在工作時其下降方向與負荷重力作用方向一致，下降時有使運動速度加快的趨勢，為使運動過程的平穩(wěn)，同時盡量減小沖擊、振動，保證系統(tǒng)的安全性，可采用單向順序閥來平衡，如圖4-3。 圖4-3 升降缸防滑保護回路 4.3 擬定液壓系統(tǒng)圖 本機械手的總的液壓系統(tǒng)圖如圖4-4所示， 圖4-4 機械手的液壓系統(tǒng)原理圖 4.4 確定液壓系統(tǒng)的主要參數(shù) 在設計液壓系統(tǒng)時，我們需著重考慮液壓系統(tǒng)的壓力和流量，因為它們是我們選擇液壓元件的一個主要的依據。液壓系統(tǒng)的壓力取決于外部載荷，流量則主要決定于活塞桿的行程以及運動速度和液壓缸的基本尺寸。由于本次主要是夾緊缸的設計，在此就不進行對其他液壓缸的詳細尺寸的設計與計算了，經過仔細分析與討論，所以初步把垂直升降缸和水平伸縮缸的基本參數(shù)如下面表4-2與4-3所示： 表4-2 垂直升降液壓缸參數(shù) 缸內徑 壁厚 桿直徑 行程 工作壓力 40 5 20 200 2 因為垂直升降液壓缸所承受的載荷方向主要是來自垂直方向，所受力也來自垂直方向的力，所以我們需要對液壓缸活塞桿抗壓強度進行校核以及液壓缸壁厚和液壓缸底部強度的驗算，需保證各部分的強度時液壓缸滿足機械手的動作要求。 缸內徑 壁厚 桿直徑 行程 工作壓力 32 5 16 200 2 表4-3 水平伸縮液壓缸參數(shù) 因為水平伸縮液壓缸主要是用來實現(xiàn)機械手的左移和右移，主要受力方向也是水平方向，主要是克服摩擦力矩，為保證工作的穩(wěn)定性，保證活塞在運動過程中不會產生變形，因此需要對活塞進行強度的校核。此設計的液壓缸的行程屬于短程，所以在穩(wěn)定相和剛度要求方面不需要進行相應的驗算及其強度的校核。 4.4.1 水平伸縮液壓缸強度的校核 （1）缸體壁厚計算及驗算 缸體采用45號鋼無縫鋼管，缸筒內徑為32mm，壁厚＝5mm。 ? 液壓缸額定工作壓力應低于一定極限值，以保證工作安全： （4.1） 式中： D—缸筒內徑（m）； D1—缸筒外徑（m）； σs—缸筒材料的屈服點，（45號鋼為340）。 已知工作壓力PN＝2<49.92，故安全。 ? 為避免缸筒在工作時發(fā)生塑形變形，液壓缸的額定壓力PN值應與塑性變形壓力有一定的比例范圍。 ≤（0.35～0.42） （4.2） 式中：－缸筒發(fā)生完全塑性變形時的壓力（），。 計算可得：=92.35 （4.3） 已知實際工作壓力PN＝2<21.67,故安全。 ? 缸筒爆裂壓力應遠遠大于耐壓試驗壓力PT。 （4.4） 查表知45號鋼，則： 取1.5＝3，可知遠遠大于耐壓實驗壓力。 （3）缸筒底部厚度的計算 此伸縮缸采用了平行缸底，且底部設有油孔，則底部厚度為： mm （4.5） 考慮結構要求，取＝10mm 式中： D—缸筒內徑； Pmax—液壓缸最大工作壓力，取Pmax＝2PN＝4。 —缸底材料的許用應力（），材料為45號鋼，＝600。則： ＝，n為安全系數(shù)，取n＝5。 （4）缸筒與底部聯(lián)接強度計算 缸筒與端部采用焊接，材料為45號鋼，其焊縫應力應小于材料的許用應力 焊縫應力計算如下： （4.6） 式中：F-缸內最大推力； -缸筒外徑； -焊接底徑； -焊接效率，取0.7； -焊接材料的抗拉強度，600MPa； n-安全系數(shù)，取n=5. （5）缸筒與端蓋聯(lián)接強度計算 此處強度計算與夾緊缸計算一致。 （6）缸筒制造加工要求 此處的要求與夾緊缸要求一致。 （7）活塞桿強度的校核 活塞桿承受拉壓載荷的強度計算公式： （4.7） 活塞桿螺紋處危險截面的合成應力應滿足： （4.8） 式中：F—活塞桿的作用力，N； d—活塞桿直徑，m； —危險截面直徑，此處取螺紋直徑m。 4.4.2 垂直升降液壓缸強度的校核 （1）缸體壁厚計算及驗算 缸體采用45號鋼無縫鋼管，缸筒內徑為40mm，壁厚＝5mm。 ? 液壓缸額定工作壓力應低于一定極限值，以保證工作安全： （4.9） 式中： D—缸筒內徑（m）； D1—缸筒外徑（m）； σs—缸筒材料的屈服點，（45號鋼為340）。 已知工作壓力PN＝2<42.84，故安全。 ? 為避免缸筒在工作時發(fā)生塑形變形，液壓缸的額定壓力PN值應與塑性變形壓力有一定的比例范圍。 ≤（0.35～0.42） （4.10） 式中：－缸筒發(fā)生完全塑性變形時的壓力（），。 計算可得：=75.78 已知實際工作壓力PN＝2<26.52,故安全。 ? 缸筒爆裂壓力應遠遠大于耐壓試驗壓力PT。 （4.11） 查表知45號鋼，則： 取1.5＝3，可知遠遠大于耐壓實驗壓力。 （3）缸筒底部厚度的計算 此升降缸采用了平行缸底，且底部設有油孔，則底部厚度為： mm （4.12） 考慮結構要求，取＝10mm 式中： D—缸筒內徑； Pmax—液壓缸最大工作壓力，取Pmax＝2PN＝4。 —缸底材料的許用應力（），材料為45號鋼，＝600。則 ＝，n為安全系數(shù)，取n＝5。 （4）缸筒與底部聯(lián)接強度計算 缸筒與端部采用焊接，材料為45號鋼，其焊縫應用應小于材料的許用應力 焊縫應力計算如下： （4.13） 式中：F-缸內最大推力； -缸筒外徑； -焊接底徑； -焊接效率，取0.7； -焊接材料的抗拉強度，600MPa； n-安全系數(shù)，取n=5. （5） 缸筒與端蓋聯(lián)接強度計算 此處強度計算和夾緊缸計算基本一致。 (6）缸筒制造加工要求 此處強度計算和夾緊缸要求基本一致。 （7）活塞桿強度的校核 假設活塞桿的計算長度為150mm，活塞桿已知16mm，則，屬于短行程活塞桿，主要驗算抗拉強度，不需要驗算彎曲穩(wěn)定性。 活塞桿承受拉壓載荷的強度計算公式： （4.14） 活塞桿螺紋處危險截面的合成應力應滿足： （4.15） 式中：F—活塞桿的作用力，N； d—活塞桿直徑，m； —危險截面直徑，此處取螺紋直徑m。 4.5 計算和選擇液壓元件 4.5.1 液壓泵和電機的選擇 1、確定系統(tǒng)工作壓力 由第三張及本章計算可知，各缸的設計工作壓力均為2，則系統(tǒng)工作壓力還應加上各管接頭及回路上油管的壓力損失，。因本液壓系統(tǒng)較為簡單，估算＝0.5。則Ps=2+0.5=2.5。 2、各個液壓缸流量的計算 液壓系統(tǒng)所需流量為各液壓缸的最大流量，當各缸為無桿腔進油時，此時即為各缸的最大流量，因此，在此只計算無桿腔的流量。 （1）夾緊缸流量計算 假設夾緊缸在夾緊過程中的行程為＝25mm，所需時間t＝0.5s，則平均速度為: （4.16） 已知缸內徑D=50mm＝5cm，則所需流量： （4.17） （2）水平伸縮缸流量計算 由前知，伸縮缸行程為＝200mm，假設運動時間＝1s，則平均速度為： （4.18） 已知缸內徑D＝32mm＝3.2cm，則所需流量： （4.19） （3）垂直升降缸流量計算 由前知，升降缸行程＝100mm，假設運動時間為＝1s，則平均速度為： （4.20） 已知缸內徑D＝40mm＝4cm，則所需流量： （4.21） 由以上計算可知，各缸的最大流量為＝9.64，則系統(tǒng)流量應以此為設計依據，此時液壓泵的流量為： （4.22） 式中： K—泄漏系數(shù)，一般取K＝1.1～1.3，這里取K＝1.1。 3、液壓泵和電機的確定 由前計算知，，。根據《液壓傳動手冊》選： CB-B20，n＝1450r/min， ， 電動機的選用：取泵的總效率＝0.65，則 （4.23） 選電動機：YZC100L1-4，N＝2.2kW，n＝1430r/min。 4.5.2 選擇液壓控制閥和輔助元件 根據控制閥的額定壓力和額定流量大于系統(tǒng)最高壓力和流量的原則，選擇控制閥及輔助元件，如表3-4所示： 表4-4 液壓元件表 序號 元件名稱 型 號 規(guī) 格 數(shù) 量 1 線隙式濾油器 XU-25×200 25L/min 1 4 溢流閥 P-B25B 2.5 Ф10mm 1 5 電磁換向閥 22D-25B 2.5 Ф10mm 1 6,18 單向閥 L-25B 6.3 Ф10mm 2 7,8,9 節(jié)流閥 L－10B 6.3 Ф10mm 3 10,11 電磁換向閥 34D－10B 6.3 Ф10mm 2 12 電磁換向閥 23D－10B 6.3 Ф10mm 1 14 單向順序閥 XL－B25B 2.5 Ф10mm 1 17 減壓閥 J—10B 1 4.6 根據動作要求編制電磁鐵動作表 （1）機械手動作要求： 下降 夾緊 上升 右移 下降 上升 左移 放松 圖4-5 機械手動作順序圖 （2）繪制電磁鐵動作表： 表4-5 電磁鐵動作表 動作循環(huán) 電磁鐵工作狀態(tài) 1 2 3 4 5 6 7 手臂伸縮 手臂伸出 + 手臂縮回 + 手臂升降 手臂上升 + 手臂下降 + 手指夾緊 夾緊 + 松開 原位卸荷 + 第五章 PLC控制系統(tǒng)的設計 5.1 控制系統(tǒng)硬件設計 5.1.1 機械手的工藝過程和要求 本課題設計的機械手為三自由度的機械手，它的動作分別由機械手臂的垂直上升下降和左右移動，以及腰部的旋轉和機械手爪的夾緊與放松組成。由于腰部的轉動是由電機帶動齒輪直接驅動的，故在此只需設計機械手的的上升與下降，左移和右移，夾緊與放松電磁閥控制系統(tǒng)的設計。 由前面的第四章我們可以得知機械手的動作都是通過電磁閥控制液壓缸來實現(xiàn)各動作的有序工作，根據液壓控制系統(tǒng)圖我們可以得知，機械手的上升/下降的動作和左移/右移分別由雙線圈兩位電磁閥控制。例如，當1YA通電時，左邊油路接通，機械手右移，當1YA斷電時，則機械手停止左移，只有當接通2YA時，機械手才會實現(xiàn)右移。同樣，機械手的上升與下降分別由3YA與4YA來控制，當某一個電磁閥接通時則實現(xiàn)相應的動作，斷電則停止動作。機械手的夾緊與放松則是由單線圈的電磁閥來控制，當5YA處于斷電狀態(tài)時，機械手爪是放松狀態(tài)，當5YA接通時，則機械手夾緊。 為了確保我們的工作安全可靠，在機械手執(zhí)行下降動作的時候我們需先檢測工作臺上是否有工件，如果有的話，必須停止下降，只有當無工件的狀況下才允許機械手的下降，因此，我們可以利用光電開關進行工作臺上有無工件的檢測。 5.1.2 機械手的作用流程 由前面的設計，機械手的動作過程可見圖5-1： 圖5-1 機械手動作過程圖 由上面的圖我們可以很清楚的了解到，從原點位開始，當按下啟動鍵的時候，下降電磁閥也就是4YA接通，機械手執(zhí)行下降的動作，當下降到底碰到下降限位開關后，4YA電磁閥斷電，機械手停止下降；同時5YA電磁閥接通，機械手執(zhí)行夾緊動作，夾緊工件之后，3YA電磁閥通電，機械手執(zhí)行上升動作，當上升到碰到上升限位開關時，3YA立即斷電，機械手停止上升；與此同時，1YA電磁閥接通，機械手執(zhí)行右移動作，當右移到碰到右移限位開關時，1YA斷電，機械手停止右移；若此時沒有工件在工作臺上，則光電開關接通，4YA電磁閥也接通，機械手執(zhí)行下降的動作，當下降到碰到下降限位開關的時候4YA電磁閥斷電，機械手停止下降；同時5YA電磁閥斷電，機械手放開工件。放開之后，3YA電磁閥有繼續(xù)接通，機械手執(zhí)行上升的動作，當上升到碰到上升限位開關的時候則3YA電磁閥斷電，機械手停止上升，同時接通2YA電磁閥，機械手執(zhí)行左移的動作，當左移到原點碰到左移限位開關的時候，2YA電磁閥斷電，機械手停止左移。到此，機械手完成了一個以上面9步動作組成的周期的工作。當然我們設置機械手的每次循環(huán)都是由原點開始的。 5.1.3 機械手操作面板的布置 操作面板的布置可見圖5-2所示。 圖5-2 PLC操作面板示意圖 由上面的操作面板我們可以很輕易的看出，機械手的加載方式有三種，上/下，左/右，夾/松，工作方式總的大致可以分為手動操作和自動操作。 1、 手動操作：手動操作方式為每一步分操作都必須進行人工操作才能完成動作的執(zhí)行，例如，當加載的方式打到上下時，當按下啟動按鈕，則機械手執(zhí)行上升動作，當按下停止按鈕時，機械手執(zhí)行下降動作，；當選擇左右加載方式時，按下啟動按鈕，則機械手執(zhí)行右移動作，當按下停止按鈕時，則機械手執(zhí)行左移的動作；同樣，當選擇加載方式為夾緊放松的時候，按下啟動按鈕，機械手執(zhí)行夾緊動作，當按下停止按鈕時，則機械手執(zhí)行放松動作。 2、 自動操作：自動操作只需人工按下啟動鍵，機械手將會從原點位自動的開始執(zhí)行連續(xù)的動作，進行周期性的循環(huán)。只有當按下停止按鈕時，機械手將會完成一個周期動作后回到原始點的位置。 5.1.4 PLC控制器的選型 1、PLC的硬件結構 PLC的硬件系統(tǒng)結構如圖5-3所示。 圖5-3 PLC硬件系統(tǒng)結構 2、 機型的選擇基本原則是在滿足控制功能要求的前提下，保證系統(tǒng)的安全、可靠、經濟及使用維護方便，一般需考慮一下幾個方面： （1） I/0點數(shù)； （2） 用戶程序儲存器的存儲容量； （3） 響應速度； （4） 輸入、輸出方式及負載能力。 S7-200 CPU224行PLC控制器擁有14個 輸入I和10個輸出共24 個數(shù)字量I/O點，在存儲容量，響應速度，輸入/輸出方式等等方面都滿足我們的設計要求，再綜合考慮機械手工作當中的可靠性與穩(wěn)定性，同時各控制元件之間連接的方便性和靈活性，我們所選擇的必須擁有非常強的可靠性、而且專門面對惡劣環(huán)境有很強的穩(wěn)定性的PLC控制器，所以在此我們選擇在國內外應用廣泛的西門子S7-200型PLC。，它的外觀圖可見圖5-4。 5.1.5 PLC輸入輸出地址分配 本課題設計的機械手PLC控制系統(tǒng)所采用的PLC是德國西門子公司生產的S7-200CPU224，圖5-4是S7-200CPU224輸入/輸出端子分配圖。該機械手的控制系統(tǒng)共使用了14個輸入點，6個輸出點。 機械手輸入/輸出接線圖見圖5-5。 圖5-4 S7-200 CPU外觀圖 圖5-5 機械手的輸入/輸出接線圖 5.2 機械手控制系統(tǒng)軟件系統(tǒng)的設計 5.2.1 機械手控制系統(tǒng)主程序流程圖 機械手控制系統(tǒng)主程序流程圖見圖5-6。 5.2.2 機械手整體程序結構 機械手整體程序見圖5-7. 5.2.2 機械手單操作工作的程序 機械手單操作程序見圖5-8. 5.2.3 自動操作程序 機械手自動操作功能圖見圖5-9。 自動操作梯形圖見CAD圖紙。 圖5-6 機械手控制系統(tǒng)主程序流程圖 圖5-7 機械手控制系統(tǒng)整體程序圖 圖5-8 單操作程序 圖5-9 自動操作功能圖 由上面的自動操作功能圖，我們可以對自動操作的動作進行簡單的分析，當PLC由停止到工作時，PLC初始脈沖SM0.1對機械手的狀態(tài)進行初始化為0，當機械手在原點時，將狀態(tài)繼電器S0.0進行置位，置位1，這是最先準備的第一步，當選擇為自動連續(xù)操作時，按下啟動按鈕后，將狀態(tài)繼電器S0.1進行置位，與此同時，將清零原工作狀態(tài)繼電器S0.0，輸出繼電器Q0.0得電，機械手執(zhí)行下降動作，同時Q0.5復位，原點指示燈熄滅；當機械手下降到碰到下降限位開關的時候，I0.1接通，使得狀態(tài)繼電器S0.2得電置位，同時也清零上步的繼電器S0.1，復位輸出繼電器Q0.0，同時將Q0.2置為1，機械手也停止下降，夾持工件此時T37定時器開始進行定時，在計時1s后，T37定時器接通，同時將狀態(tài)繼電器S0.3置為1，清零上步的狀態(tài)繼電器S0.2，此時輸出繼電器Q0.1得電，機械手執(zhí)行上升動作，因為Q0.2在置位狀態(tài)，所以機械手繼續(xù)保持夾緊動；當機械手上升到上升限位開關的時候，I0.2接通，使得狀態(tài)繼電器S0.4得電置位，同時也清零上步的繼電器S0.3，Q0.1失電，機械手停止上升，而此時Q0.3得電，機械手將進行右移動作，當右移到右移限位開關的時候，I0.3接通，Q0.3失電，機械手停止右移，此時再將I0.5接通，則置位狀態(tài)繼電器S00.5，同時也將清零上步的狀態(tài)繼電器S0.4，此時，輸出繼電器Q0.0再次得電，機械手執(zhí)行下降的動作，當機械手下降到觸到下降限位開關的時候，I0.1再次接通，狀態(tài)繼電器S0.6得電置位，同時將清零上步的S0.5，復位輸出繼電器Q0.0，同時，SM0.0接通使得Q0.2置為1，機械手下降動作停止，同時將工件松開放下，此時T38定時器開始定時，當計時1s后，T38定時器接通，使得狀態(tài)繼電器S0.7置為1，同時清零上步的S0.6，Q0.1再次得電，所以機械手也再次執(zhí)行上升動作，當上升到觸到上升限位開關的時候，I0.2接通使得狀態(tài)繼電器S1.0得電置為1，同時將清零上步的狀態(tài)繼電器S0.7，Q0.1失電，機械手上升停止，此時輸出繼電器Q0.得電接通，機械手執(zhí)行左移動作，當左移到觸到左移限位開關的時候，I0.4接通，同時清零上步的狀態(tài)繼電器S1.0。到此，一個周期的動作都完成了，如果工作方式為連續(xù)方式的話，則輔助繼電器M1.0將置為1，將會反復執(zhí)行自動程序，機械手循環(huán)的工作，直到按下停止鍵，如果此時的操作方式為單周期的話，狀態(tài)繼電器S0.0置為1，機械手則會完成一個周期后停在原點位。 5.2.4 自動操作程序指令語句 自動操作程序的指令語句如下： 步序 指令 地址號 00 LD SM01 01 MOVW 0，SW0 02 LD I0.2 03 A I0.4 04 S S0.0，1 05 LSCR S0.0 06 LD SM0.0 07 = Q0.5 08 LD I0.1 09 SCRT S0.1 10 SCRE 11 LSCR S0.1 12 LDN I0.1 13 = Q0.0 14 LD I0.1 15 SCRT S0.2 16 SCRE 17 LSCR S0.2 18 LD SM0.0 19 S Q0.2，1 20 TON T37，+10 21 LD