上下料机械手设计毕业设计

武汉纺织大学2010届毕业设计（论文）目录摘 要2第一章 绪论41.1 选题背景41.2 设计目的41.3 国内外研究现状和趋势51.4 设计原则5第二章 机械手的概述62.1 机械手的组成62.2 机械手的分类62.3 机械手的基本动作72.4 机械手的操作原理92.5 机械手的应用9第三章 机械手自动控制系统113.1 控制系统的选择113.2 液压控制系统的元件113.3 液压控制系统原理123.4 机械手夹紧液压系统的控制回路153.5 液压控制的特点15第四章 机械手夹紧电气控制设计164.1 设计内容164.1.1 设计要求174.1.2 方案的确定174.2 机械结构的设计174.2.1 机械手的机械结构174.2.2 机械结构的设计要求184.3机械手夹紧工作原理图的设计194.3.1 元件的选择194.3.2 绘制原理图194.3.3 元件作用214.4 主要电器元件224.4.1 接触器224.4.2 热继电器224.4.3 时间继电器234.4 机械手夹紧电气控制系统的设计244.4.1机械手夹紧的工艺流程244.4.2机械手夹紧的动作状态表254.4.3 机械手夹紧电气控制电路的逻辑表达式274.4.4 电路图的描绘27第五章 PLC控制系统295.1 PLC概述295.1.1 PLC简介295.1.2 可编程序控制器的工作原理295.1.3 三菱PLC编程语言的特点305.1.4 PLC的应用设计步骤315.2机械手夹紧电气控制系统的设计325.2.2 机械手夹紧PLC控制系统的I/O端点分配和I/O接线图325.2.3 程序控制的设计33翻译40心得46参考文献48致 谢49毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日摘 要通过对机械设计制造及其自动化专业大学本科四年的所学知识进行整合，对工业机械手各部分机械结构和功能的论述和分析，设计了一种圆柱坐标形式的数控机床上下料机械手。重点针对机械手的腰座、手臂、手爪等各部分机械结构以及机械手控制系统进行了详细的设计。具体进行了机械手的总体设计，腰座结构的设计，机械手手臂结构的设计，机械手腕部的结构设计，末端执行器（手爪）的结构设计，机械手的机械传动机构的设计，机械手驱动系统的设计。同时对液压系统和控制系统进行了理论分析和计算。基于PLC对机械手的控制系统进行了深入细致的设计，通过对机械手作业的工艺过程和控制要求的分析，设计了控制系统的硬件电路，同时编制了机械手的控制程序。设计达到了设计的预期目标。关键词：机械手； PLC； 液压伺服定位； 电液系统AbstractIntegrate the knowledge of the past four years of undergraduate course of Machine, discuss and analysis the each part and function of manipulator; design a kind of cylinderical coordinate manipulator used to pack and unload work piece for CNC machine tools. In particular, made the detailed design about base, arm, and end effector and the control system etc. including Total design, waists construction design, the arms construction design, the wrists construction design, the end effectors construction design, and the drive system of manipulator. At the same time, analysis and compute the hydraulic pressure system and control system. Deeply design the manipulators control system, which based on PLC. After analysis about the craft process and the requests of the manipulator, the hardware circuit and the control program of the manipulator then is designed. In a word, the design of the manipulator has come to the anticipant object.Keyways: Manipulator； PLC； Hydraulic servo control； Electrohydraulic system第一章 绪论1.1 选题背景机械手是在自动化生产过程中使用的一种具有抓取和移动工件功能的自动化装置，它是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。近年来，随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用，机器人的研制和生产已成为高技术领域内迅速发展起来的一门新兴技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。机械手能代替人类完成危险、重复枯燥的工作，减轻人类劳动强度，提高劳动生产力。机械手越来越广泛的得到了应用，在机械行业中它可用于零部件组装 ，加工工件的搬运、装卸，特别是在自动化数控机床、组合机床上使用更普遍。目前，机械手已发展成为柔性制造系统FMS和柔性制造单元FMC中一个重要组成部分。把机床设备和机械手共同构成一个柔性加工系统或柔性制造单元，它适应于中、小批量生产，可以节省庞大的工件输送装置，结构紧凑，而且适应性很强。当工件变更时，柔性生产系统很容易改变，有利于企业不断更新适销对路的品种，提高产品质量，更好地适应市场竞争的需要。而目前我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，应用规模和产业化水平低，机械手的研究和开发直接影响到我国自动化生产水平的提高，从经济上、技术上考虑都是十分必要的。因此，进行机械手的研究设计是非常有意义的。 1.2 设计目的本设计通过对机械设计制造及其自动化专业大学本科四年的所学知识进行整合，完成一个特定功能、特殊要求的数控机床上下料机械手的设计，能够比较好地体现机械设计制造及其自动化专业毕业生的理论研究水平，实践动手能力以及专业精神和态度，具有较强的针对性和明确的实施目标，能够实现理论和实践的有机结合。目前，在国内很多工厂的生产线上数控机床装卸工件仍由人工完成，劳动强度大、生产效率低。为了提高生产加工的工作效率,降低成本,并使生产线发展成为柔性制造系统,适应现代自动化大生产,针对具体生产工艺,利用机器人技术，设计用一台装卸机械手代替人工工作，以提高劳动生产率。本机械手主要与数控车床（数控铣床，加工中心等）组合最终形成生产线，实现加工过程（上料、加工、下料）的自动化、无人化。目前，我国的制造业正在迅速发展，越来越多的资金流向制造业，越来越多的厂商加入到制造业。本设计能够应用到加工工厂车间，满足数控机床以及加工中心的加工过程安装、卸载加工工件的要求，从而减轻工人劳动强度，节约加工辅助时间，提高生产效率和生产力。1.3 国内外研究现状和趋势目前，在国内外各种机器人和机械手的研究成为科研的热点，其研究的现状和大体趋势如下：A机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化；由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机。B工业机器人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化；器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构；大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。C机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行决策控制；多传感器融合配置技术成为智能化机器人的关键技术。D关节式、侧喷式、顶喷式、龙门式喷涂机器人产品标准化、通用化、模块化、系列化设计；柔性仿形喷涂机器人开发，柔性仿形复合机构开发，仿形伺服轴轨迹规划研究，控制系统开发； E焊接、搬运、装配、切割等作业的工业机器人产品的标准化、通用化、模块化、系列化研究；以及离线示教编程和系统动态仿真。总的来说，大体是两个方向：其一是机器人的智能化，多传感器、多控制器，先进的控制算法，复杂的机电控制系统；其二是与生产加工相联系，满足相对具体的任务的工业机器人，主要采用性价比高的模块，在满足工作要求的基础上，追求系统的经济、简洁、可靠，大量采用工业控制器，市场化、模块化的元件。1.4 设计原则在设计之前，必须要有一个指导原则。这次毕业设计的设计原则是：以任务书所要求的具体设计要求为根本设计目标，充分考虑机械手工作的环境和工艺流程的具体要求。在满足工艺要求的基础上，尽可能的使结构简练，尽可能采用标准化、模块化的通用元配件，以降低成本，同时提高可靠性。本着科学经济和满足生产要求的设计原则，同时也考虑本次设计是毕业设计的特点，将大学期间所学的知识，如机械设计、机械原理、液压、气动、电气传动及控制、传感器、可编程控制器（PLC）、电子技术、自动控制、机械系统仿真等知识尽可能多的综合运用到设计中，使得经过本次设计对大学阶段的知识得到巩固和强化，同时也考虑个人能力水平和时间的客观实际，充分发挥个人能动性，脚踏实地，实事求是的做好本次设计。第二章 机械手的概述2.1 机械手的组成 1. 手部（或称抓取机构）：包括手指、传力机构等，主要起抓取和放置物件的作用。2. 传送机构（或称臂部）：包括手腕、手臂等，主要起改变物件方位和位置的作用。3. 驱动部分：是驱动前两部分的动力，因此也称动力源，常用的有液压、气压、电力和机械式驱动四种形式。4. 控制部分：是机械手动作的指挥系统，由它来控制动作的顺序（程序）、位置和时间（甚至速度与加速度）等。5. 传感装置：其中装有某种传感器，使手指具有敏感性和自控性，用以反映受制于物件是否接触、物件有无滑下或脱落、物件的方位是否正确、手指对物件的握紧力是否于物件的重量相适应等。6. 行程检测装置：是检测和控制机械手各运动行程（位置）的装置。2.2 机械手的分类1. 按用途分类（1）专用机械手专用机械手是专门为一定设备服务的，简单、实用，目前在生产中运用得比较广泛。它一般只能完成一、两种特定的作业，如用来抓取和传送工件。它的工作程序是固定的，也可根据需要编制控制程序来获得多种工作程序，以适应多种作业的需要。（2）通用机械手 通用机械手是在专用机械手的基础上发展起来的。它能对不同物件完成多种动作，具有相当的通用性。它是一种能独立工作的自动化装置，其动作程序可按照工作需要来改变，大都是采用顺序控制系统。2. 按控制形式分类（1）点位控制机械手点位控制机械手的运动轨迹是空间两点之间的连接。控制点数越多，性能愈好。它基本能满足各种要求，结构简单。（2）连续轨迹控制机械手这种机械手的运动轨迹是空间的任意曲线，它能在三维空间中做极其复杂的动作，工作性能完善，但控制部分比较复杂。3. 按驱动方式分类可分为四类：（1） 液压驱动式；（2） 气压驱动式；（3） 电气驱动式；（4） 机械驱动式。4. 按机械手臂力大小分类按臂力（即被传送物件的重量）的大小，又可将机械手分成如下4类：（1） 微型机械手，臂力小于1kg。（2） 小型机械手，臂力为110kg。（3） 中型机械手，臂力为1030kg。（4） 大型机械手，臂力大于30kg。2.3 机械手的基本动作机械手形式较多，按手臂的坐标形式而言，主要有4种基本形式直角坐标式、圆柱坐标式、球坐标式和关节式。现就每种形式所能完成的动作进行阐述。1. 直角坐标式直角坐标式机械手，是适合于工作位置成行排列或与传送带配合使用的一种机械手。它只能进行直线运动。具体动作如下：(1) 手臂伸缩；(2) 手臂左右移动；(3) 手臂上下移动。2. 圆柱坐标式圆柱坐标式机械手，是应用最多的一种形式，它适用于搬运和测量工件。基本动作如下：(1) 手臂水平回转；(2) 手臂伸缩；(3) 手臂上下；(4) 手臂回转动作；(5) 手指夹紧动作。3. 球坐标式 球坐标式机械手，是用途比较广的一种机械手。它的基本动作如下：(1) 手臂上下运动，即俯仰运动；(2) 手臂左右运动，即回转运动；(3) 手臂前后运动，即伸缩运动；(4) 手腕上下弯曲；(5) 手腕左右摆动；(6) 手腕旋转运动；(7) 手指夹紧运动；(8) 机械手整体运动。4. 关节式关节式机械手，是一种适用于靠近机体操作的传动形式。它像人手一样有肘有节，可实现多个动作，动作比较灵活，适于在狭小的空间工作。其动作如下：(1) 肩旋转；(2) 上臂弯曲摆动；(3) 下臂弯曲摆动；(4) 下臂旋转；(5) 手腕弯曲摆动；(6) 机械手整体旋转。2.4 机械手的操作原理设计机械手的灵感来自人的手臂，但也有些不同。例如，机器人的手臂可以通过嵌入重叠而扩展，即滑动一个套一个的圆筒使手臂延长。机器人的手臂将有待改造以便于他们能像大象鼻子那样弯曲。抓手,或末端效应器,被设计仿造人的手的作用和结构。许多机器人装备有特别的抓手以抓取特殊设备譬如试管或弧焊工机架。机器人手臂的关节通常是电动机驱动的，大多数机器人抓手从一个地方移到另一地方改变方向。运动中计算机计算关节角度时需要将抓手移到指定位置。一些多关节的手臂由伺服系统，反馈系统，从计算机接收输入信号的控制器构成。手臂各关节有一个设备测量它的角度并把结果送往控制器。如果手臂的实际角度不合指定位置的计算角度，伺服控制器控制关节移动到手臂角度等于计算值。控制器和与之相连的计算机还必须处理从照相机收集到的确定被抓物体位置的测量信息，不然的话就会碰坏抓手上调节抓力的传感器。任一种机械手的设计在一个无特定结构或未知的环境里将要求多个传感器和控制器,例如，超音波或红外传感器可避免障碍。机器人，像美国航空航天局（NASA）的齿轮机器，要求有许多传感器和强有力的机载计算机处理他们流动性的复杂信息。对于设计像人一样准确工作的机械手，例如帮助残疾人的机械手和在医院为病人喂食的机械手，就更是如此。安全性是设计为人类服务的机械手必备的。2.5 机械手的应用机械手是一种能按给定的程序或要求，自动地完成物件（如材料、工件、零件或工具等）传送或操作作业的机械装置，它能部分地代替人的手工劳动。较高级形式的机械手，还能模拟人的手臂动作，完成较复杂的作业3。机械手正在工业生产的各个领域大显身手。它们被用于搬运物品、装卸材料、组装零件等，或握住不同的工具，完成不同的工作，如：让机械手握住焊枪，可进行焊接；握住喷枪，可进行喷漆。而且让机械手处理高温、有毒产品等，它比人手更能适应工作。机器人技术发展到智能化阶段，机械手也越来越灵巧了，它们已能完成握笔写字、弹奏乐器、抓起鸡蛋、甚至穿针引线等精细复杂的工作。机械手还可以用来装配电子元件。机器人能很好的将芯片装配在印刷电路板上，因为它具备人所没有具备的能力。一旦适当地编程，机械手就不会将芯片放错地方。这种自动的精度在这种类型的工业中特别有价值，因为定位和安装错误代价是很高的。机械手的运动范围是指机械手在平面或空间的运动图形(轨迹的形状)及其大小是机械手的主要技术参数之一。机械手所具有的活动度的数目及组合不同，则其运动图形也不同，而活动度的变化范围(即直线运动的距离和回转角度的大小)决定着运动图形的大小。一般情况下臂部的活动度主要是用以基本上确定手部以及工件(或工具)在空间的运动范围和位置。因此臂部的运动也称作机械手的主运动而腕部的活动度则主要是用来调整手部以及工件(或工具)在空间的方位。第三章 机械手夹紧自动控制系统3.1 控制系统的选择控制系统是机械手的一个重要组成部分，是保证机械手完成动作要求的主要手段。用它可以控制机械手的工作顺序、运动轨迹、动作时间和速度等，使机械手按照作业的要求去完成各项任务。在综合性装配作业中，机械手不仅需要具备各项装置的性能，还应具有相当的识别能力，如视觉、听觉和触觉的能力等。如要具有判断、思考能力，则还需要装配各种传感装置。对于复杂的作业则需要装配计算机来进行控制。目前生产中配备的机械手主要采用液压控制和程序控制。控制动作比较简单的可采用射流控制和机械控制；控制动作较多、较复杂的可采用数字控制；多台机械手同时操作时，则可采用小型计算机控制系统。本次设计中，基于考虑实际应用和机械手具体动作而采用液压控制系统，然后采用PLC逻辑编程。3.2 液压控制系统的元件 液压控制是机械手的一种主要的控制形式，机械手的运动速度和操作是根据油的流量与压力来确定的。1. 油缸 油缸是盛油液的主要装置，是进行自动控制的媒介。它与手爪夹紧时所需的压力、油缸的机械效率、机械手运行速度都有关系，应根据具体情况而定。当外部载荷确定后，工作压力高，可减小活塞面积，使机械手小巧灵活。但随着压力增高，对液压元件精度及密封要求也高。2. 油泵 油泵是液压系统的心脏，它把电动机输入的机械能转变成为油压，同时向液压系统提供具有一定压力和流量的压力油。油泵的种类较多，目前在机械手上多数是采用齿轮泵和叶片泵。而从流量的特性看，多数是采用定量泵。机械手常用的齿轮泵CB型，一般额定工作压力为25kg/，叶片泵（YB）型一般为63kg/。而定量泵是根据液压系统所需的油泵工作压力P和所需的流量q这两个参数来确定的。3. 控制阀液压元件主要有方向控制阀、压力控制阀和流量控制阀3大类。(1) 方向控制阀方向控制阀能够引导或阻止液流通过某选定的通道，它只起开关作用，而不能调节流量和压力。它通常是两通、三通和四通型的，可以采用手动和机械传动、气动和电动进行操作。(2) 压力控制阀压力控制阀用于调节油路压力，可分为溢流阀和减压阀两类，可以是单级（直接作用式），也可以是两级（复合式）。溢流阀是常闭的，达到最大压力时才开启，将多余流量从旁路流掉，以保持调定的压力；减压阀是常开的，它的关闭是为了对管道中液流进行节制，以保持某一最低压力。此外，与减压阀结构近似的压力控制阀还有安全阀或过载溢流阀、背压阀、卸荷阀、分载阀、顺序阀、降压阀以及冲击抑制阀等。(3) 流量控制阀流量控制阀用来调节油路中流量，其结构形式也很多。从简单的两通针阀、球阀、闸门阀直至固定式和可调式带压力补偿的流量控制阀等。分流阀、减速阀也是流量控制的一种特殊形式。总之，液压执行元件结构紧凑，输出功率大，作为动力元件是十分合适的。但怎样进行反馈测量以及信号放大、信号操纵，则有赖于电子元件。3.3 液压控制系统原理机械手的液压系统是以有压力的油液作为传递动力的工作介质。电动机带动油泵输出压力油，是将电动机供给的机械能转换成油液的压力能。压力油经过管道及一些控制调节装置进入油缸，推动活塞杆运动，从而使手臂作伸缩、升降等运动，将油液的压力能又转换机械能。手臂在运动时所克服的摩擦阻力大小，以及夹持式手部夹紧工件时所需保持的握力大小，均与油液的压力和活塞的有效面积有关。手臂做各种运动的速度决定于流入密封油缸中油液容积的多少。这种借助于运动着的压力油的容积变化来传递动力的液压传动称为容积式液压传动，机械手的液压传动系统都是属于容积式液压传动。液压传动系统框图可概括如下：机械能输出图3-3a 液压传动系统框图根据系统框图绘画出其原理图。 图3-3b 机械手夹紧液压原理图1-油箱 2-滤油器 3-油泵 4-溢流阀 5-单向阀 6、7、8-换向阀 9-压力表开关 10-压力表 11-直线缸 12-活塞杆（手臂） 13-手指 14-手指动作直线缸 20-回油油图3-3b中换向阀8是处于中间位置的，这时手臂是不动的。换向阀7处于断电状态（工作油路19与手指夹紧油缸14左腔断开）。压力油通过单向阀5进入工作油路19后，又分成几条油路分别进行工作。其中一条压力油经换向阀8（此时电磁铁线圈左通电，而右端的电磁铁断电）把阀芯推向右方，使压力油经左边的环槽进入手臂伸缩油缸11的左腔，活塞杆12向右移动（手臂伸出）。油缸11右腔的油经换向阀8右边的环槽和回油路20流回油箱。当换向阀8的电磁铁线圈左断电，而其右边的电磁铁线圈通电时，把阀芯推向左边，使工作油路19与手臂伸缩油缸11的右腔接通，压力油推动活塞杆（手臂）12向左移动，使伸缩缸11左腔的油经换向阀8左边的环槽和回油油路20流回油箱。另一路压力油经换向阀7，工作油路19中的压力油进到握紧油缸14的左腔，推动活塞杆21向右移动，借助其端面的楔形使手指13闭合，以握紧物件。手部握紧工件时要有一定的握力，因此要求油路系统要保持一定的压力，这个压力的调节是由溢流阀4实现的。从油泵3打出来的压力油，除了通向单向阀5以外，还有一条分路通向溢流阀4。当溢流阀中的钢球在弹簧的作用下将阀门堵死时，压力油不能通过溢流阀。当油液的压力增高到一定程度时，并能克服弹簧的作用力将钢球顶开时，压力油就通过溢流阀及管路而流回油箱，使工作油液的压力再不能继续升高。3.4 机械手夹紧液压系统的控制回路机械手的液压系统，根据机械手动作的多少，液压系统可繁可简，但是总不外乎由一些基本控制回路所组成。这些基本控制回路具有各种功用，如工作压力的调整、油泵的卸荷、运动的换向、工作速度的调节以及同步运动等。而任何机械运动的全局都是由它的局部构成，掌握了实现这些基本功用的液压控制回路，对于分析和设计机械手的液压系统大有裨益。3.5 液压控制的特点1. 液压控制的优点 （1）液压执行元件（马达和油缸）结构紧凑，重量轻，功率-重量比小。（2）可通过液压油带走大量热能，保证机械的正常运行，并且由于液压油的润滑作用，可延长元件的使用寿命。（3）液压元件有直线位移式和旋转式两种，使用范围较广，其控制速度的区间也比较宽。只要通过阀和泵的调节就能实现开环与闭环的控制系统。（4）响应速度比较快，能高速启动、制动和反向，无滞后现象。其力矩-惯量比也较大，因而其加速能力较强。（5）液压元件与其他驱动元件相比，刚度较大、位置误差小、定位精度、耐振动。2. 液压控制的缺点（1）液压控制需要一套液压系统，不像电力容易获得，而且价格较贵。（2）油温有上限，并难以保持不漏，比较脏，容易使阀和执行元件堵塞。（3）控制系统比较复杂，处理功率信号的数字运算误差、检测、放大、测试与补偿功能不如电子、机电装置灵活简便。第四章 机械手夹紧电气控制设计4.1 设计内容 机械手的设计，主要是根据生产的具体要求进行机械手方案的设计，以便选择和确定机械手的形式、机械结构、驱动方式及系统原理图和控制方式及线路图等。它必须视具体情况而定。 此次设计因为要考虑到手部、大手臂、小手臂、手腕的动作状态，根据这几个动作要求，选择可进行多个动作操作的关节式。目前工业生产中多采用液压系统进行控制，故此次设计经实用性方面考虑驱动方式和控制方式均采用液压系统来进行驱动并控制。4.1.1 设计要求1. 被抓取对象的情况 就是被抓物件的重量、形状、尺寸、材料、表面加工情况、易碎性及数量等，以便选择手部的结构及计算必要的夹紧力或吸附力大小。2. 工作现场的情况 机械手所附属于工作主机或自动线的工作场地面积和空间大小，工作主机的排列情况等，决定着机械手的安装情况。3. 工作环境及其他特殊要求 此次设计主要是在高温环境下作业，由于有热的传导和辐射问题，手部要采取冷却与隔热措施，使机械手能够安全顺利的实施自动操作。4.1.2 方案的确定方案的确定主要是机械手的驱动方式的确定。究竟是用液压、气压、电动，还是机械传动，要根据生产工艺和工作环境来定，本次设计根据设计要求及实用性，采用液压驱动方式。4.2 机械结构的设计4.2.1 机械手的机械结构机械手的机械结构包括手指、手腕、手臂、机身。各结构控制的动作各不相同。(1) 手指：机械手中直接与工件或工具接触完成握持工件或工具的部件有些机械手直接将工具(如焊枪喷枪容器等)装置于机械手的前端而不设置手部。(2) 手腕：机械手中联接手部与臂部主要用来确定手部工作时的位置并扩大臂部动作范围的部件一些简易的机械手也有不设手腕部件将手部直接装在手臂部件的端部。(3) 手臂：机械手中支承腕部和手部用来实现较大范围运动的部件(4) 机身：机械手中用来支承手臂等部件并安装驱动装置及其他装置的部件。机械手的每一个活动度都相应要配有一个原动件(如油缸气缸或电动机等驱动装置) ，当原动件按一定的规律运动时，机械手各运动部件就随之作完全确定的运动。活动度数和原动件数必须相等，只有这样才能使机械手具有运动的确定性。本次设计中，手部的动作是夹紧和松开，由双作用式活塞油缸驱动齿条齿轮机构实现。手腕的动作是左右横移运动，由无杆活塞油缸和四个滚动轴承构成的滚动导轨等组成的机构来实现。小手臂的动作是上下摆动运动，由采用铰链连接的双作用活塞油缸推动杠杆支架来使其动作。大手臂的动作是上下摆动运动，与小手臂的运动分别在互相垂直的平面内，同样是采用铰链连接的双作用活塞油缸推动大臂杠杆使其动作。4.2.2 机械结构的设计要求1. 手臂设计要求手臂的基本作用是将手爪移动到所需位置和承受手爪抓取工件的最大重量，以及手臂本身的重量等。设计当中应该满足以下几点要求：(1) 手臂应承载能力大、刚性好、自重轻(2) 手臂的运动速度要适当，惯性要小(3) 手臂动作要灵活(4) 位置精度高(5) 通用性强，能适应多种作业；工艺性好，便于维修调整2. 手部设计要求手部除了要满足手指抓取机能的要求外，还应满足以下几点要求：(1) 握力的大小要适宜。握力过大，则需要较大的动力源和较大的结构，不经济，并可能损坏物件；握力过小，会由于物件的自重以及传送过程中的惯性和振动等而抓不住物件。在通常情况下，所需的握力是物件重量的23倍。(2) 有足够的加紧距离。无论哪种类型的手部，抓取物件时，要使物件能够顺利地进入手指；而放置物件时，物件又应易于摆脱手指的约束。3. 手腕设计要求手腕是连接手臂和手指的中间部分，所以对它的要求也很简单，只要能够灵活的移动及运转即可。4.3机械手夹紧工作原理图的设计液压系统工作原理图的绘制时设计液压机械手的主要内容之一。液压原理图是各种液压元件为满足机械手动作要求的有机联系图。绘制液压原理图的一般顺序是：先确定油缸和油泵，再布置中间的控制调节回路和相应元件，以及其他辅助装置，从而组成整个液压系统，并用液压系统图图形符号，画出液压原理图。4.3.1 元件的选择1. 油泵的选择此次设计中，机械手的动作共有八个，即手指夹紧零件、手指松开零件、大手臂上移、小手臂上移、大手臂下移、小手臂下移、手腕左移、手腕右移。单靠一个油泵无法达到供油的目的，所以采用双联泵共同控油。2. 电磁换向阀的选择设计中，机械手的动作都是相对的，即上下摆动、抓紧松开、左右横移，鉴于此可采用一个换向阀控制手臂的相对动作，节省财力和能源。而又因为每个电磁换向阀均控制两个动作，故采用三位四通形式。3. 调速阀的选择调速阀的选择首先应该具有调速的功能，同时为了避免油泵停止工作时，液压系统中的油液流空和进入空气，可选择具有单向调速阀。4.3.2 绘制原理图鉴于以上所作的分析，此次八动作机械手的原理图的绘制如图4-3-2所示。 图4-3-2 机械手夹紧液压系统4.3.3 元件作用1. 原理图中采用34D-25B三位四通电磁换向阀来控制油缸的动作。大、小手臂上下摆动工作油路，采用QI-25B单向调速阀分别调节大、小手臂上下摆动的速度。大、小手臂油缸的下端进油腔分别接入1Y-25液控单向阀，以防止突然断电时大、小手臂倒下来。在系统的回油路设置了单向阀I-25，使系统在油缸停止工作时不致因油液流空而进入空气，以保证启动平稳。手指夹紧需要一定的握力，所以单独用一油泵控制其动作。换向阀采用34D-10B，单向阀采用型号为1Y-10，避免突然断电时手指松开。2. 37-100L为网式滤油器。油泵从油箱中吸进的油液先经过滤油器，将油液过滤，以防止碎屑等杂质进入工作油路而损坏工作机械。3. 单向阀用来保证该油路只能单方向工作。当油泵停止工作时，借以防止液压系统中的油液流空和进入空气而影响液压驱动的性能。4. Y-25B和Y-10B均为溢流阀，其调节液油压力作用。应当注意的是在液压系统中由于液压要流经溢流阀、节流阀、减压阀和调速阀等，以及液压元件的自身泄漏和油液流经长而曲折的管道时均有压力损失，这些压力损失都转变为热能，运动部件之间的互相摩擦也产生热量，致使液压系统的油液温度升高。在高温环境下工作的机械手（如在锻造、热处理和压铸生产中使用的机械手），其手部和手臂要伸入到加热炉内抓取工件或舀取金属溶液，或是在炉外抓取灼热的工件等，并将工件或金属溶液送至工作机械处。机械手在高温下工作，由于热的传导和辐射作用。会使机械手的手部和手臂本身温度升高，并将热量传给液压系统，使油液温度升高。为使液压机械手能正常工作，对油温要进行控制。首先在液压系统设计时要考虑卸荷，减少功率损耗，同时油箱的容量与系统所需流量相匹配，使油液在油箱中有一散热的机会（自然冷却）。另外减少液压元件的泄漏，提高运动件的加工精度和表面光洁度，以减少摩擦产生的热量等。4.4 主要电器元件4.4.1 接触器接触器是用来接通或切断电动机或其它负载主电路（如电阻炉）的一种控制元件。它是利用电磁力来使开关打开或闭合的电器，适用于频繁操作（高过每小时1500次），远距离控制大电流电路。接触器的动作过程是：当励磁线圈通电，在铁心中产生磁通，将衔铁吸合，主触点在衔铁的带动下闭合，于是接通了主电路。与此同时，辅助触点的动合触点闭合，而动断触点断开。当励磁线圈失电或电压显著降低时，由于反力弹簧的作用，衔铁被释放，所有触点恢复常态。4.4.2 热继电器热继电器是利用电流的热效应原理工作的电器，广泛用于三相异步电动机的长期过载保护。电动机在实际运行中，常会遇到过载情况，但只要过载不严重、时间短，绕组不超过允许的温升，这种过载是允许的。但如果过载情况严重、时间长，则会加速电动机绝缘的老化，甚至烧毁电动机，因此必须对电动机进行长期过载保护。但须指出的是，由于热继电器中发热元件有热惯性，在电路中不能用于瞬时过载保护，更不能用于短路保护。热继电器主要由热元件、双金属片和触头组成。热元件由发热电阻丝做成。双金属片由两种热膨胀系数不同的金属碾压而成，当双金属片受热时，会出现弯曲变形。使用时，把热元件串接于电动机的主电路中，而常闭触头串接于电动机的控制电路中。当电动机正常运行时，热元件产生的热量虽能使双金属片弯曲，但还不足以使热继电器的触头动作。当电动机过载时，双金属片弯曲位移增大，推动导板使常闭触头断开，从而切断电动机控制电路以起保护作用。热继电器动作后，经过一段时间的冷却即能自动或手动复位。4.4.3 时间继电器从得到输入信号（线圈的通电或断电）开始，经过一定的延时后才输出信号（触头的闭合或断开）的继电器，称为时间继电器。时间继电器可以有三种工作方式：瞬动触点，即触点不延时，当继电器线圈得电时，其动合触点即时闭合，动断触点即时打开；继电器线圈失电时，触点恢复常态。得电延时，即当线圈得电时，动合触点延时闭合，动断触点延时打开；继电器线圈失电时，触点即时恢复常态。失电延时，即当继电器线圈得电时，动合触点同时闭合，动断触点断开，一直维持到当继电器线圈失电时，延时一段时间触点才恢复常态，即动合触点打开，动断触点闭合。电路中的延时元件是时间继电器。时间继电器有两个作用，一是在一个工序（即延时工序）中，它是执行此延时工序的控制元件；二是其延时触点动作发出的信号又是下一工序继续进行的指令，起着如行程开关一样的信号元件的作用。而时间继电器的电磁线圈带电或失电仍然由已知的信号元件发出的信号进行控制，它何时带电或失电便要根据工艺要求进行设计。因此，在元件动作状态表中表示时，时间继电器的电磁线圈在得电状态时相当于控制元件，任务是执行延时工序；其延时触点相当于信号元件，4.4 机械手夹紧电气控制系统的设计4.4.1机械手夹紧的工艺流程机械手夹紧采用时间继电器实现自动程序动作。按压SB按钮启动油泵电动机后，选择SA按钮的工作位置。若将SA扳到手动位置时，分别按下按钮各点动开关，使换向阀的电磁铁分别得电，便可控制各个油缸的动作；若将SA扳到自动位置时，按一下启动按钮，机械手就能按顺序自动工作。其自动控制的工艺流程如图4-4-1所示。 图4-4-14.4.2机械手夹紧的动作状态表根据图4-3-2和图4-4-1，制作机械手夹紧动作状态表，如图4-4-24.4.3 机械手夹紧电气控制电路的逻辑表达式KM1：接触器KM1是控制油泵电动机。其启动信号为SB，复信号为SB14.考虑介入热续电器FR1.。则其自动控制电路的逻辑表达式为：KM1=(SB+KM1)KA1：运算元件。由执行机构的动作状态图形可见，8线磕作为所有的执行机构的对称中线，因而其信号设在1先，12345678区间。启动信号为SB12,抚慰信号为kt7。启动与抚慰信号没有出现同时动作。其逻辑表达式为：KA1=（SB12+KA1)换向阀的电磁铁YA1YA11可以从图4-4-2中直接的找出它们与时间续电器的瞬时蓄点的关系。其逻辑表达式为：YA2=KT1;YA3=KT2;YA5=KT3;YA8=KT4;YA1=KT5;YA10=KT6;YA11=KT7;YA9=KT8;YA7=KT9; YA6=KT10;YA4=KT11.从图4-4-2中可见，所有的时间续电器的启动信号与其复位信号均不出现同时动作，故都可用它们的瞬时触点实现“起停保”电路。其逻辑表达式为：上述的逻辑表达式要考虑下面的几点而进行修改：（a） SB12在KA1与KT1都用它做启动信号，但又不能共用，因而增加中间继电器KA2；（b） KT1和KT5在一个循环中出现两次动作，用中间继电器KA1进行逻辑组合来区分它们；（c） KT2和KT9都是由kt1作为启动信号，用中间继电器KA1进行逻辑组合来区分它们；（d） KT1和KT5瞬间触点在多处使用，又不能合并使用，则分别以中间继电器KA3与KA4来增加它们的触点；（e） 增设手动按钮。 机械手夹紧自动控制电路逻辑表达式经修改后如下所示：4.4.4 电路图的描绘 根据机械手夹紧液压系统的原理图绘制其自动控制的电路图如图4-4-3所示。图4-4-4 机械手夹紧自动控制电路图 图中，手动控制各换向阀得电均由起动按钮直接控制。自动控制时，换向阀的电磁铁由时间继电器控制，因其延时的作用，可使其动作自动行进下去，直到完成。第五章 PLC控制系统5.1 PLC概述5.1.1 PLC简介可编程序控制器(PLC) 是20世纪60年代发展起来的一种新型自动化控制置。最早是用于替代传统的继电器控制装置，功能上只有逻辑运算、定时、计数以及顺序控制等，而且只能进行开关量控制。此种控制器英文名为“Programmable Logic Controller”，简称PLC，中文称为“可编程序逻辑控制器”。随着微电子技术、计算机技术和通信技术的发展，在PLC的基础上，与先进的微机控制技术相结合而发展起来的一种崭新的工业控制器，其控制功能己远远超出了逻辑控制的范畴。如今，可编程序控制器己广泛地应用在自动化领域。比如，在机电一体化系统中成为了电子信息处理系统中的主要组成部分。在本文中所叙述组合机床系统中PLC就是控制系统中的一个组成部分，主要实现各种开关量的控制。5.1.2 可编程序控制器的工作原理PLC采用循环(巡回)扫描工作方式，而中大型PLC还增加了中断工作方式。循环扫描既可按固定顺序，也可按用户程序所规定二级顺序(高级和低级顺序)或可变顺序等进行。因为有的用户程序不需要每扫描一次执行一次，也有的是在控制系统需要处理的I/O点数较多时，通过不同的模块组合的安排，采用分时分批扫描执行的办法，可缩短循环扫描周期和增加控制的实时性。用户将用户程序设计、调试后，用编程器键入PLC的存贮器中，并将现场的输入信号和被驱动的执行元件相应地接在输入模板的输入端和输出模板的输出端上，然后用PLC的控制开关使其处于运行工作方式，PLC就以循环扫描的工作方式进行工作。在输入信号、用户程序的控制下，产生相应的输出信号，完成预期的控制任务。PLC的典型的循环顺序扫描工作过程如图5-1-2所示。从图4-1可以看出，一个典型的可编程序控制器在一个扫描周期中要完成六个扫描过程。在系统软件的指挥下，按下图所示的程序流程顺序地执行，这种工作方式成为顺序扫描方式。从扫描过程中的某个扫描过程开始，顺序扫描后又回到该过程成为一个扫描周期。进行一个扫描周期所需的时间称为一个扫描周期。图5-1-2：PLC扫描周期图5.1.3 三菱PLC编程语言的特点F1系列的PLC是三菱公司生产的一种低档小型机，是较早进入我国市场的PLC机型之一，在我国市场上占有较大的比例。三菱PLC的编程语言与一般计算机语言相比，具有明显的特点，它既不同于高级语言，也不同与一般的汇编语言，它既要满足易于编写，又要满足易于调试的要求。其编程语言具有以下特点： (1). 图形式指令结构：程序由图形方式表达，指令由不同的图形符号组成，易于理解和记忆。系统的软件开发者已把工业控制中所需的独立运算功能编制成象征性图形，用户根据自己的需要把这些图形进行组合，并填入适当的参数。在逻辑运算部分，几乎所有的厂家都采用类似于继电器控制电路的梯形图，很容易接受。如西门子公司还采用控制系统流程图来表示，它沿用二进制逻辑元件图形符号来表达控制关系，很直观易懂。较复杂的算术运算、定时计数等，一般也参照梯形图或逻辑元件图给于表示，虽然象征性不如逻辑运算部分，也受用户欢迎。 (2). 明确的变量常数：图形符相当于操作码，规定了运算功能，操作数由用户填人，如：K400，T120等。PLC中的变量和常数以及其取值范围有明确规定，由产品型号决定，可查阅产品目录手册。 (3). 简化的程序结构：PLC的程序结构通常很简单，典型的为块式结构，不同块完成不同的功能，使程序的调试者对整个程序的控制功能和控制顺序有清晰的概念。 (4). 简化应用软件生成过程：使用汇编语言和高级语言编写程序，要完成编辑、编译和连接三个过程，而使用编程语言，只需要编辑一个过程，其余由系统软件自动完成，整个编辑过程都在人机对话下进行的，不要求用户有高深的软件设计能力。 (5). 强化调试手段：无论是汇编程序，还是高级语言程序调试，都是令编辑人员头疼的事，而PLC的程序调试提供了完备的条件，使用编程器，利用PLC和编程器上的按键、显示和内部编辑、调试、监控等，并在软件支持下，诊断和调试操作都很简单。(6). F1系列PLC步进指令STL（step ladder）：步进接点指令；RET（return）：步进返回指令。STL/RET步进指令使用状态继电器S600S647共40个，状态继电器均由电池支持。使用步进指令时，用状态转换（移）图设计步进梯形图。状态转换图中的每个状态表示顺序工作的一个操作，因此步进指令常用于控制时间和位移等顺序的操作过程。使用步进指令不但可以直观地表示顺序操作的流程，而且可以减少指令程序的条数和容易被人们理解。步进指令只有常开接点，而没有常闭接点，指令用STL表示，连接步进接点的其它继电器接点用LD或LDI指令表示。步进接点须与梯形图左母线连接。使用STL指令后，凡是以步进接点为主体地程序，最后必须用RET指令返回母线。由此可见，步进指令具有主控功能。使用S指令后的状态继电器（有时亦称步进继电器），才具有步进控制功能。这时除了提供步进常开接点外，还可提供普通的常开接点与常闭接点，但STL指令只适用于步进接点。只有步进接点闭合时，它后面的电路才能动作。如果步进接点断开，则其后面的电路将全部断开。当需保持输出结果时，可用S和R指令来实现。总之，三菱PLC的编程语言是面向用户的，对使用者不要求具备高深的知识、不需要长时间的专门训练。三菱公司的F1系列产品的一些编程元件及其功能。5.1.4 PLC的应用设计步骤 PLC控制系统是以程序形式来体现其控制功能的，大量的工作时间将用在软件设计，也就是程序设计上。由于PLC内部继电器数量大，其接点在内存允许的情况下可重复使用，具有存储数量大、执行速度快等特点，所以采用此设计方法可缩短设计周期。PLC程序设计可遵循以下六步进行： (1) 确定被控系统必须完成的动作及完成这些动作的顺序。 (2) 分配输入输出设备，即确定哪些外围设备是发送信号到PLC，哪些信号是接收来自PLC信号的，并将PLC的输入、输出口与之对应进行分配。 (3) 设计PLC程序画出梯形图。梯形图体现了按照正确的顺序所要求的全部功能及其相互关系。 (4) 实现用计算机对PLC的梯形图直接编程。 (5) 对程序进行调试(模拟和现场)。 (6) 保存已完成的程序。显然，在建立一个PLC控制系统时，必须首先把系统需要的输入、输出数量确定下来。然后按需要确定各种控制动作的顺序和各个控制装置彼此之间的相互关系。确定控制上的相互关系之后，就可进行编程的第二步分配输入输出设备，在分配了PLC的输入输出点的内部辅助继电器、定时器、计数器之后，就可以设计PLC程序画出梯形图。之后便可以使用相应PLC的编程工具写入PLC进行调试，直到符合控制要求。这便是程序设计的整个过程。5.2机械手夹紧电气控制系统的设计5.2.1机械手夹紧电气控制系统的流程图图5-2-1夹紧工件流程图5.2.2 机械手夹紧PLC控制系统的I/O端点分配和I/O接线图输入设备是输入控制信号和被控制设备连接起来的部件，输入部件接收从开关、按钮、继电器触点和传感器等输入的现场控制信号，并将这些信号转换成中央处理器能接收和处理的数字信号。输出部件接收经过中央处理器处理过的输出数字信号，并把它转换成被控制设备或显示装置所能接收的电压或电流信号，以驱动接触器、电磁阀和指示器件等。中央处理单元的主要任务是按一定的规律和要求读入被控对象的各种工作状态，然后根据用户所编制的应用程序的要求去处理有关数据，最后再向被控对象送出相应的控制（驱动）信号。PLC的基本结构如图5-2-2. 图5-2-2 PLC的基本结构PLC的输入信号有26个，包括油泵电动机启动、停止按钮，组合机床自动启动按钮，转换开关手动、自动信号，热继电器的触点及每一个动作的点动按钮。PLC的输出信号有21个，包括控制油泵电动机的信号和控制电磁阀动作及其对应显示灯的信号。当转换开关扳到自动位置时，手动控制线路被切除，组合机床由PLC控制并显示组合机床各个动作。当选择开关扳到手动位置时，在油泵电动机已启动的条件下，不再由PLC控制组合机床动作，而是由按钮直接操纵。5.2.3 程序控制的设计本次设计当中涉及到两种工作方式：点动操作和自动控制。点动操作时，用按钮单独操作机构上升或下降、右移或左移、夹紧或放松。自动控制工作时，按下启动按钮，机构从“原点”开始，自动完成一个工作循环过程，即将工件夹紧后，从A点移动到B点放下工件，然后返回“原点”，等待下一次操作。设计当中可选用F1-3