毕业设计（论文）-基于plc的液压传动钻孔机械手控制系统设计

基于plc的液压传动钻孔机械手控制系统设计摘要本文章是根据目前国内外机械人的发展趋势选用PLC 控制的液压机械手进行研究。它采用了一种四自由度多关节坐标点位伺服控制机器人，它的控制方式由一个目标点移向另一个目标点，只是在这个目标点上完成操作。选择液压其原因主要是液压压力高，可以获得很大的输入力，流量轻便简单，可实现无级调速，反应灵敏。该钻孔式机械手是由各种机械系统、驱动系统、控制装置等组成的一种钻孔式专用工业机械手，是比较典型的机电液一体化的系统。在工业领域被广泛使用。液压部分在整个系统中来说是比较重要的一部分，在这个新的液压部分系统中，是由PLC通过自动控制其上下运动电磁阀的一根自动电磁管铸铁，进一步的来实现对于一个工业机械手各个人体运动系统动作的自我控制。在通过系统分析对输入和输出数据采集的需求，合理的选择PLC控制系统3、IO模块、AD模块进行信息转换。之后通过继电器梯形图语言（LD）编程实现机身旋转、手臂伸缩完成钻孔。然后在绘制液压原理图以及机械手的设计。本课题的研究是将机械与计算机相互结合，体现出机电一体化的优越性。同时也符合时代需求，不仅仅是单纯的传统机械。而是一种灵活性与通用性相结合的机械式电子设备，能够让使用者具有各种类似与人或其他生物体的动作和功能，同时也具有一定程度的智能，自主地进行一些操作。所以对这种“机-电-液”组成的自动化控制装置的研究就十分有必要了。使其能够不断的推广到各个领域，不断的丰富和提升人类的生产和生活。关键词：机械手、PLC、液压Design of control system for hydraulic drilling manipulator based on plcAbstractAccording to the development trend of robots at home and abroad at present, the hydraulic manipulator controlled by PLC is selected for research in this paper. It is a four-degree-of-freedom multi-joint coordinate point servo control robot. Its control mode moves from one target point to another, and only completes the operation on the target point. The reasons for choosing hydraulic pressure are high hydraulic pressure, large output force, easy flow control, stepless speed regulation and sensitive response. The manipulator is a drilling industrial manipulator composed of mechanical system, driving system and control system, which is a typical electromechanical and hydraulic integrated system. It is widely used in the industrial field. The hydraulic part is an important part of the whole system. In this hydraulic system, PLC controls the electromagnet of its electromagnetic valve to further control the actions of the industrial manipulator. Through systematic analysis of the demand for input and output data collection, PLC control system, I/O module and A/D module are reasonably selected for information conversion. After that, through relay ladder diagram language (LD) programming, the machine body rotates and the arm expands and contracts to complete drilling17. Then draw the hydraulic schematic diagram and design the manipulator. The research of this subject is to combine machinery with computer, which shows the superiority of mechatronics. At the same time, it also meets the needs of the times, not just traditional machinery. It is a kind of mechanical and electronic device with flexibility and universality, which can have the action function similar to that of human beings or other organisms, and at the same time has a certain degree of intelligence to complete some operations autonomously. Therefore, it is necessary to study the automatic control device composed of mechanical-electrical-hydraulic. So that it can be continuously extended to various fields, and constantly enrich and enhance human production and life. Key words: manipulator、PLC、hydraulic pressure目录第一章 绪论11.1课题研究价值及意义11.2研究现状及发展趋势11.3主要研究内容3第二章 机械手的总体设计32.1机械手的基本结构32.2设计依据62.2.1传动方案的设计62.2.2本参数的确定62.3 机械手的运动学分析62.3.1刚体的姿态介绍72.3.2齐次坐标变换72.3.3连杆变换矩阵82.4机械手正运动学92.5机械手逆运动学11第三章 液压系统方案的设计123.1液压系统的初步拟定123.2液压系统的设计计算133.2.1底座回转缸的计算133.2.2手臂摆动缸的计算153.2.3手臂伸缩缸的计算163.3液压系统主要的参数确定173.3.1液压系统工作压力的选择173.3.2液压缸的尺寸设计183.3.3液压马达的排量计算19第四章 PLC控制系统的设计204.1可编程控制器的概述204.1.1可编程控制器(PLC)的简介204.1.2可编程控制器的组成204.1.3 PLC 的基本工作原理214.2 PLC控制电路的设计214.3控制面板的相关设计23致谢24参考文献25 第一章 绪论1.1课题研究价值及意义由于时代的发展和科技的进步，工业机械手(以下简称机械手)已经逐渐融入人类社会的生产生活中，它已成为人们工业生产中一种必备的新技术。在自动化控制方向中一大新型技术领域，逐渐发展成为现代制造和生产管理系统的一个重要组成部分。是机械手的出现让工业水平得到迅速的提升，在没有机械手之前，人们只能靠自身的劳动去完成一些高强度的工作，不仅浪费时间而且工作精准度也不高，导致生产水平低下，工业产品严重滞后。更严重的会影响整个国家的经济水平，对我国实现现代化的梦想产生了巨大的阻碍。国家必须要投入大量的资金去研发，只有科技才能强国。所以机械手的研究是提高国家生产水平不可或缺的关键一步。机械手的优点是它不仅可以部分代替人工进行高强度操作，还可以完成人工不易完成的工作。大大的减少了工人们的劳动和生产时间，提高了企业的劳动生产率，加快推进工业机械化以及现代自动化的进程。目前为止机械手已经被各个国家广泛使用。因此现在随着机械手的发展以及市场需求的不断提高，那么传统的控制系统稳定性差、故障率高的问题也就随之出现了。机械手刚研发的时候，由于技术不成熟，机械比较笨重、繁杂，生产效率并不高，给工业化生产带来诸多不便。为了能进一步提高生产效率，必要重新研发新技术。经过一系列的探索，针对以上的问题若采用性价比比较高的可编程序控制器PLC设计控制系统，可以很好的改善这些问题。同时也可以将工业生产领域做出新的技术突破，带给人类更加便捷的生活方式，使人们逐渐进入新的智能化、自动化的发展阶段。1.2研究现状及发展趋势机械手臂是机器人技术发展的过程中衍生而来的一个分支，是一种先进、智能化的新型设备。其可通过编程方式来完成各类预期作业任务，虽然不能达到人手的那种灵活程度，但可以实现高强度的持续作业。大大降低参加工人的劳动强度，也极大提高了加工企业的平均劳动生产率，因此被各个国家广泛使用，促使机械手领域得到了蓬勃的发展。我国机械手技术的发展史源于美国。1958年时美国的联合控制公司想方设法研发了第一台能够进行操纵工作的机械人。其基本结构是在机身上安装一个手臂，这个人的头部是可以进行高速回转，在其顶部直接安装一个具有电磁块的人体工件捕捉装置，其控制单元也都是示教图案。在经过四年的探索和改进，美国联合公司经过不断的探索和改进终于设计制造了一台新型的数控示教模拟再现型机械手，命名为Unimate(即万能自动)，他的模型设计原理是按照坦克的炮塔，其手臂可以进行回转、俯仰、伸缩、驱动的方式都是液压型；机械手操纵控制单元一开始就由简单磁鼓组成的机器人来作为内容存储 2。之后绝大多数的球-坐标类型机械手都是根据这种技术的基础衍生而来。同年，此公司又开始研发出一种新型机械手，名为Versatran机械手。此类新型机械手对于中央移动立柱也同样能够具有自动回转、升降操作功能,也是一种能够采用新型液压机械驱动操作方式的新型机械手,同样也可分属于一种示教式和再现式的新型机械手。这两类工业机械手均已发展成为国内外专门的为研究我国工业机械手臂的发展趋势奠定了坚固的技术基石13。日本对于使用机器手和人手的制造行业研究发展虽然比欧和美国晚,但是由于日本最近更喜欢国外引入并不断学习国外先进的的科学家和技术。自从1967年7月日本川崎重工业公司率先从一家美国公司引进了先进的制造机械手段和制造设备技术后,日本政府在其工业技术、政策、教育和发展市场经济上都大力地对其采用了一些相关改进措施并不断使其产业取得了快速的成功和快速发展。自此以后现在日本的现代工业机械手快速地逐步进入了达到机床实验中投入应用的新阶段,并且也由此开始逐步地逐渐进入了达到成熟工业产品大量研发投入市场应用的发展阶段,在20世纪80年代就在汽车与电子等各大行业大量的使用工业机械手,从此以后工业机械手就开始被广泛使用16。之后,德国的瑞土的一家工业有限责任公司根据之前的工艺设计经验自己研发出了一种新型的涂漆机械手,它们都是直接采用了示教的方法进行编程。自从1970年,德国的机器人工厂就已经开始进行研发机械手,其中kuka公司也已经开发出一种称为点焊机械手,主要目的就是利用这种关节形状的结构及程序进行控制。它主要作业有三类:起重、焊接。1978年,美国unimate公司与美国麻省理工学院、斯坦福大学共同合作研制了一种unimate-vicarm型用于工业化全自动化的专用机械手,其主体结构设计特点之一就是通过手上安装一台小型的专用电子自动计算机系统来对其操作进行人工操纵和自动控制,其中的定位精度误差最小可以直接达到不大于1毫米的定位精度9。使机械手装置更加精密、稳定、更加具有实用性。当前，世界上机械手的发展无论是技术水平还是从装备的数量上来看，大多数都集中在以欧美为代表的国家和地区。但是，随着中国等发展国家的不断追赶，世界机械手的发展及需求格局发生了翻天覆地的变化。中国现代工业机器手的起步比较晚,开始于1970年左右,刚刚起步最主要的时候就是以吸引先进技术和设备为主,来减轻工人的劳动强度。1972年,中国在上海成功地研制了生产并推出第一台自动化的机械手。随后,各种大型企业都开始了自己的设备,并且也被广泛地使用。1986年后,政府的第七个五年行动计划决定优先发展新型工业机器。他们也开始了建设各类项目,大量地投入了财力物力去学习研究如何把工业机器手运用到农业生产中。此外专用机器手的零部件也都陆续量产，例如专用的轴承、传感器、伺服电动机等一系列的配件被广泛生产使用。再者中科院沈阳自动化研究所与北京科技大学机械人研究所共同研制出核心部件控制器1。随着计算机技术的发展，自动控制领域普以及机械制造业的发展，我国在许多工业上应用了机器人控制技术，并取得了快速的发展；智能化、柔性化、网络化、人性化和编程化图形的新型工业机械手逐渐融入这个时代并不断的蓬勃发展。 进年来的机械手层出不穷，其技术已经十分成熟了。尤其是智能仿生机械手，由英国生产的一种利用智能手机控制的机械手，基本上可以代替真正的人手，有着灵活的五指，而且各个手指都可以旋转。一位英国的男孩应患疾病，替换了该款仿生机械手，不仅可以完成人手的一些微动作，甚至还有人手的触感。在未来的几年，随着科技的突飞猛进，想必会出现更加智能化、人性化的机械手，为人类的生产生活带来更多的益处。1.3主要研究内容一般而言,机械手的结构主要可分为执行器机构、驱动器系统、控制器和位置自动检测设备等。该机械手通过触摸屏和PLC的控制下对液压系统发出指令,在通过液压驱动系统完成机械手的旋转、伸缩、摆动等一系列动作。机械手的作用和执行机构主要是通过进行运动和压力的传递;驱动系统是一个机械手臂的主要动力来源,它们可以是空气和风力。也可以是液压或者电动的。位置检测设备相当于一个传感器,主要是实现机器人的内部状况和外部环境情况的监测7。其主要设计内容如下：1、设计计算机身机座的结构尺寸。2、设计机械手连杆机构。对所设计的平面连杆机构进行速度分析。3、液压驱动系统的设计及液压原理图。4、PLC控制系统各个模块的选用和电路设计。第二章 机械手的总体设计2.1机械手的基本结构按机械手的结构坐标系特点可分为四类：a)直角坐标型如上图a)所示的是一种机械手,在x、y、z三个垂直线的方向上进行移动,运动比较简单明了,且对于运动的计算也比较方便。它的优点就是是定位精准，结构简单，适用于机体位置呈水平竖直的场合。但它也有占地面积大，灵活性差的缺点，因此不能适用于一些需要复杂运动轨迹的场合。b)圆柱坐标型同样如上图b)所示，其特点是结构简单，占地面积小，直观性好，活动范围大。但其在手臂端上所能够达到的位置有一定限制,不宜使用在距离立柱或者是地面较接近的空间,而且水平式驱动机构部分很难做到密封、防尘。c)极坐标型 如图c)所示机械手为极坐标式,其运动方法分别为一个直线式运动与两个旋转式运动。特点是动作灵活，占地面积小，使用范围大。但坐标系比较繁杂，不利于计算和运用，也存在一定的工作死区。d)多关节坐标型如图d)所示,手臂最好是类似于人的一只手臂,在多种方向上进行旋转。它由一个大的前臂和一根柱子共同构成,前臂和立柱之间的连接部分就是肘关节,前臂和立柱之间的连接部分称为肩关节,每个臂的关节都由一个特殊的铰链连接而形成,用来控制和完成转动。其主要特点是运动灵活,工作区域广，相对于其他机械手是最为先进和灵活的。但装置的结构复杂，制造安装难度高，成本也较高。2.2设计依据2.2.1传动方案的设计下图所示的为四自由度的工业机械手示意图，其中1代表底座；2则代表底座旋转副；3、4分别为大臂和小臂的摆动副，且3、4的摆动是靠下方的液压缸驱动；5是小臂伸缩的移动副；6就是机械手的末端装置，是一个可以任意更换的万能手部。（可钻孔，可运料以及加持的功能等等）6。2.2.2本参数的确定 （1）手部材料：钻头工件为高速钢，可根据需求更换的万能手部； （2）最大工作半径：3000 mm；整体最大高度：4500 mm；(3)底座的运动参数：回转范围：O1800 ；回转速度：小于900s(4)定位精度：-4mm +4mm (5)驱动方式：液压驱动(6)手部万能钻头工作行程：50100 mm 2.3 机械手的运动学分析 关于机械手的运动学问题,最主要的目标就是把一个机械手的固定参考体关系的运动理解成为关于运动时间的一个函数来进行研究,并不会充分地考虑到力和运动中的力矩对这些物体运动的影响。对于机器人运动学的问题可归纳如下：1）对于一定的机器手，已知杆件几何参数和关节角矢量求机器人末端执行器相对于参考坐标系的位置和姿态。2）就是已经知道机械手杆件的几何参数，给定机器人末端执行器相对于参考坐标系的期望位置和姿态，机械手的末端执行器是否能达到预期的位置和姿态的问题。一般认为存在两个问题，一个是运动学正问题，另一个是运动学逆问题。1955年Denavit和Hartenberg两人共同研究提出了一种可以利用矩阵代数的计算方法，用来解决机器手臂的杆件与指定参考系坐标之间的空间几何关系的问题9。2.3.1刚体的姿态介绍首先基于该刚体的基础上先重新确立一个直角坐标系B，然后根据该坐标系的主矢量相对于参考坐标系A的方向余弦组成一个矩阵BAR来表示B相对于A的方位Error! Reference source not found.。如下图三维坐标系所示； BAR = r11r12r13r21r22r23r31r32r33 2.3.2齐次坐标变换齐次坐标变换是指将一个坐标系的向量转化为用另一个参考坐标系来表示它们向量的变换。简而言之就是把坐标进行一定的平移和旋转。因此齐次坐标变换可以理解为一个旋转矩阵和一个平移矩阵的乘积15。可用T表示。T=nxoxnyoyaxpxaypynzoz00azpz01=10010px0py00001pz01nxoxnyoyax0ay0nzoz00az001=Trans(px，py，pz)Rot(K,)公式中Trans(px，py，pz)表示平移变换矩阵，Rot(K,)表示旋转变换矩阵。K表示旋转轴线方向的单位矢量。2.3.3连杆变换矩阵机械力学手指运动是由一系列的运动关节刚体组成连接起来的一个运动链,这些刚体通常被我们重新统称来作为基本连杆,其中每个运动关节的基本连杆都至少一个可以被我们分别重新采用四个基本的机械运动学基本参数重新进行基本描述,两个的基本参数分别重新进行了连杆的基本描述,另外两个的基本参数分别重新进行了连杆之间的运动关系和四个运动链的参数之间关系上的描述。机械手的每一个运动连杆都应该有一个可能被我们用来帮助建立一个运动坐标系,通过我们使用一个齐次运动变换矩阵方法来准确地测量描述这些运动坐标之间的相互作用位置和连杆运动时的姿态,来可以获得一个末端没有执行运动装置的连杆运动姿态相对于没有参考这个坐标系的一个齐次运动变换矩阵,即我们可以由此推导出来得出一个基于机械手的连杆运动姿态方程式。(其中旋转式转动关节线的选择就是取一个转动轴的关节中心线把它当作三个关节的旋转轴线,关节连杆夹角偏距是一个关节变量,其余三个关节连杆的变量参数均可以保持固定不变;然而平移式转动关节就是选择了一个取关节平移式转动方向的关节中心线把它当作三个关节的方向偏距和转轴线,同理关节偏距为一个变量,其余三个关节接头和连杆的变量参数也都保持固定不变)这方法就是著名的Denavit-Hartenberg法，简称为D-H参数法8。如下图所描述：设i+1坐标系的x轴垂直于i坐标系的z 轴，且要相交。将基座坐标系看做参考坐标系固定不变。旋转关节i向i-1的D-H坐标变换矩阵记为AiAi=Rot(xi, i-1)Trans(xi，i-1)Trans(zi，i-1)Rot(zi, i) = ci-sici sicicisiciici-cisi isi0 si0 0ci di0 1移动关节的坐标变换矩阵Ai=Rot(xi, i-1)Trans(xi，i-1)Trans(zi，i-1)Rot(zi, i)= ci-sici sicicisisi0 -cisi 0 0 si0 0ci di0 1各参数的定义连杆长度ai表示沿xi轴，从zi移动到zi+1的距离；连杆扭转角i表示绕xi轴，从zi旋转到zi+1的角度；连杆偏置量 di表示沿zi轴，从xi-1移动到xi的距离；关节角i表示绕zi轴，从xi-1旋转到xi的角度。机械手的末端装置固定坐标系n不存在关节问题，所以令n与n-1平行。所以机械手末端的姿态为前面连杆关节的变换矩阵的乘积T=nxoxnyoyaxpxaypynzoz00azpz01 T4=A1A2A3A4(四个自由度)2.4机械手正运动学如下图所示，在各个连杆上分别确立一个坐标系，参考坐标系为O,连杆i的坐标系为i。连杆长度ai-1：z1到z2沿x1的距离，故第三个连杆的长度记为l3；扭转角i-1：zi-1到zi沿xi-1旋转的角度。连杆转角i：zi-1到zi沿xi-1旋转的角度，最后一个关节为移动关节，所以连杆转角为0；偏置量 di：xi-1到xi沿zi所测距离。由于所有连杆都在同一平面内，所以各个关节的坐标原点位于一个平面上，即各个偏置量 di=0。建立D-H参数表连杆变量dacossin11900000122000010339000l3014400001 0根据以上连杆D-H参数表格，可求出四个连杆的齐次变换矩阵：A1=c10s100 0-c1 00 10 0 0 0 0 1 A2=c2-s2s2c2s200 00 00 0 1 0 0 1A3=c30s300l3c3-c3l3s30 10 0 0 0 0 1 A4=1 00 1 0 00 0 0 0 0 0 1 0 0 1由此可得出机械手的变换矩阵T为： T4=A1A2A3A4=nxoxnyoyaxpxaypynzoz00azpz01其中各项参数为： nx=c1c2c3-c1s2s3 ny=s1c2c3-s1s2s3 nz=s2c3+c2s3ox=c1s2 oy=0 oz=0ax=c1s2c3 ay=s1s2c3 az= -c2c3px=l3c1c2c3l3c1s2s3 py=l3c2c3s1l3s1s2s3 pz=l3s2c3+l3s3c2上述表示的是手部末端的变换矩阵，是相对于参考坐标系的位置关系。2.5机械手逆运动学机械手正运动学的变换矩阵表示从参考坐标系算出到末端装置的方位。逆运动学问题则是由已经给出的末端执行器相对于参考坐标系的方位，求出相应的各个关节的变位量。且求出的解一般不唯一。假设机械手末端姿态的矩阵已经给出，求各个关节变量1，2，3的值。求解1用逆变换A1-1左乘方程两边，由 T4=A1A2A3A4，可得A1-1 T4=A1A2A3=c1c23-s2s3s1c23+s2-c1s23+c2c12-s1s23-s23c3-l3c30 l3s3-s1c1 c1s20 0 0 - d1 0 1为了简化计算，引入中间变量r，。通过三角变换px=cos, py=sin, =p2x+p2y , =arctan2(px,py)将上面几个公式联立可得cos1sinsin1cos=d2r利用积化和差公式可得 sin(- 1)= d2r因此 1= arctan2(px,py)- arctan2(d2，p2x+p2y -d22 )求解3在求得的两个1的值中选取一个解，使矩阵方程两端相等，即可得： c1px+s1py=a3c23-d4s23+a2c2 -px=a3s23+d4c23+a2s2联立上述两个方程求解可得： 3=arctan2(a3,d4)arctan2(k,a23+d24 -k2)求解2在矩阵方程两边同时左乘逆变换T3-1可得：c1c23s1c23-c1s23-s1s23-s23-a2c3-c23a2s3-s1 c10 00 -d20 1nxoxnyoyaxpxaypynzoz00azpz01=3T4可推导出s23=-a3-a2c3pz+(c1px+s1py)(a2s3-d4)p2z+(c1px+s1py)2c23=-d4+a2s3pz-(c1px+s1py)(-a2c3-a3)p2z+(c1px+s1py)22= arctan2-(a3+a2c3)px+c1px+s1pya2s3-d4，-d4+a2s3pz+(c1px+s1py)(a2c3+a3)-arctan2a3,d4+arctan2k,a23+d24 k2第三章 液压系统方案的设计3.1液压系统的初步拟定 设计的工业机械手，需要传递很大的动力，液压相对于气压的优点就是不仅可以获得较大的动力，还能进行低速大吨位的作业，传动也比气压传动平稳的多。除此之外,液压传动器还可以直接实现无级自动调速,同就是在一个相等功率的条件下,液压传动器和控制单元的特点是重量轻、结构紧凑;液压单元可以通过各个管路相互联系，以便于灵活的安装。液压系统有过载保护的功能，安全可靠，使用的寿命相对来说比较长。综上所述，选用液压传动。液压系统原理图启动后整个液压泵就已经开始正常工作,此时单向启动电磁阀3已经关闭开始自动通电,泵1进入停机等待正常运行工作的停机状态。底座手臂回转伸缩缸、两个机械手臂手部摆动伸缩缸、两个机械手臂摆动伸缩缸分别设计可以用来控制该一个手臂机械手的四个手臂自由度,手部末端是一个万能机械手,暂时不进行设计,可根据需求去设计使用。底座式回转气缸是一种利用液压泵提供的液压动力能进行转变成工具机械动力的一种气缸,由操纵阀控制进入液压马达的液压油流量,通过压力和机器人的相互作用,受力不均匀而导致转子产生旋转矩。带动底座1800回转；两个手臂摆动缸以及手臂伸缩缸都是通过类似于液压千斤顶的液压柱，通过打开液压阀产生的压力推动手臂的摆动。只不过第一个手臂摆动缸的摆动速度是由单向节流阀13、14来调节，第二个摆动缸的摆动速度则是由15、16来调节。手臂伸缩缸的伸缩速度是由单向电磁阀23和单向节流阀14来调节。顺序阀18为底座的回转气缸进行保压。手部的末端定位是用液控单向阀20来调节。21是压力继电器，是对末端手部进行过载保护的吗，当发生过载时就能发出电信号使液压泵卸载4。3.2液压系统的设计计算3.2.1底座回转缸的计算(1)工作载荷力矩Tg由于底座重心与底座轴心线重合，所以其工作载荷力矩Tg=0。(2)轴颈摩擦力矩TfTf=Gr=0.2(30+20)9.835210-3=1.75 公式中 G底座轴颈径向力。G=G重 摩擦系数；高速时=0.05-0.08；启动时=0.15-0.20；低速时=0.1-0.12； r轴的回转半径(m)Error! Reference source not found.(3)惯性力矩Ta Ta=(J+J1)=(J+J1)t式中 角加速度(rad/m2)； J底座的转动惯量(Kg*m2)； J1手臂的转动惯量(Kg*m2)； 角速度变化量(rad/s)；t启动或制动时间(s)；假设采用底座式齿轮回转驱动气缸的最大转动件结构是一个等效的方形圆柱体,高1500 mm,直径大约为1000mm,其所受的最大转动的重力约为G=30kg。第一段的圆形手臂及其大小通常是一个直径1500mm,长1500mm,重10kg。启动转过的角度=180=0.314rad，启动或制动时间t=0.2s。J=12mR2=0.5300.52=3.75 J1=112Gg(l2+3R2)= 112109.89.81.52+30.752=3.28 Ta=(J+J1)t =(3.75+3.28) 0.3140.2 =11.0371 (4)工况分析在考虑液压马达的机械效率m(一般为0.9-0.99)的情况下，计算其载荷转矩T.启动加速时 Tw=Tg+Tf+Ta=0+1.75+11.0371=12.7871 T= Twm= 12.78710.9=14.21 稳态运行时 Tw=Tg+Tf=1.75 T= Twm=1.750.9=1.94 制动减速时 Tw=Tg+Tf-Ta=1.75-11.0371=-9.2871 T= Twm= -9.28710.9 =-10.319 3.2.2手臂摆动缸的计算密封时产生摩擦力的电阻制动力矩Tf和通过手臂运动产生的驱动惯性力矩Ta与回转驱动缸的回转驱动力矩Tw应该相平衡 (1)同理工作载荷力矩 Tg=0惯性力矩Ta Ta=J=Jt J=J0+Ggp2式中 p作为手臂定向回转传动机械零件传动重心和手臂回转传动轴之间的一定距离 J0回转部件的重心的转动惯量 J0= m(l2+3R2)12 回转的手臂可以看做是一个长1500mm,直径为1500mm的杆件，其重量为10kg。启动时，转过的角度=180=0.314rad，启动或制动时间t=0.2s。代入上述公式可得：J0= m(l2+3R2)12 =3.28125 J=J0+Ggp2=3.28125+109.89.81.52+30.752=42.64 Ta=J=Jt=42.640.3140.2=66.9448(1)轴颈的摩擦阻力矩Tf轴颈密封处的摩擦阻力矩Tf0.03T。马达载荷转矩：T= Twm (取m=0.9)(2)外部载荷的受力情况启动加载时 Tw=Tf+Ta=0.03T+66.9448 T= Twm Tw=Tf+Ta=0.03T+66.9448可得 T=76.948稳态运行时 Tw=Tf=0.03T=2.30844T= Twm= 2.308440.9 =2.5649制动减速时 Tw=Tf-Ta=2.30844-66.9448=-64.6363T= Twm= -64.63630.9 =-71.81823.2.3手臂伸缩缸的计算(1)导轨的摩擦载荷Ff上图显示的是一种用于机械手臂部位的示意图,该手臂部分采用双导向杆对称地布置在伸缩端两侧面,所以两杆受力平衡，可按照一个杆进行计算5。MA=0 G总L=aFb可得 Fb=G总LaY=0G总+Fb=Fa故 Fa=G总(a+La)Ff=Fb+Fa=(Fb+Fa)Ff=G总(a+2La)式中 G总有效零部件所受的总重力 (N)L有效配件的重心到前端导向支撑的距离(m) a导向的支撑长度(m) 摩擦系数 当量摩擦系数设计支架导向杆时,选用的支架导向杆和支撑主体材料一般一定为不锈钢,支撑端面所选用的材料是优质铸铁=0.152=0.3，G总=100N，L=1500mm=1.5m,导向支撑的长度设为200mm=0.2m。代入上述公式就可得Ff=G总(a+2La)=0.3100(0.2+21.50.2)=480 (2)惯性载荷Fa该机械手的手臂平动要求为v200mm/s,设置的启动持续时间t=0.2s，启动持续速度v=0.2m/s,将以上数据代入公式可得： Fa=G总gvt=1009.80.20.2=10.2 (3)液压缸摩擦阻力Fm,由于密封的程度不同，所以形成的密封阻力很难进行准确计算，可大致估算：Fm=(1-m)F=0.1F可推导出伸缩液压缸所受负载： F= Fwm(4)工况分析 制动加速时 F= Fwm Fw=Ff+Fa+Fm=480+10.2+0.1F 可得 F=612.75 稳定运转时 F= Fwm Fw=Ff+Fm=480+0.1F可得 F=600 制动减速时 F= Fwm Fw=Ff-Fa+Fm=480-10.2+0.1F同样可得 F=587.253.3液压系统主要的参数确定3.3.1液压系统工作压力的选择机械手的各种液压传递系统一般均属于较低的液压传递系统,当载荷量达到极限时为保持机械手缩回状态,此时伸缩气缸的功能主要是用来给机械手提供驱动,其他部分载荷几乎不高。根据械设计手册表4表23.4-2,所以我们在选定时所需要的液压缸工作压力为P1=2MPa。3.3.2液压缸的尺寸设计(1)确定可以伸缩式液压缸的活塞杆内径D和伸缩式活塞杆直径d受力分析图如下F=p14D2-p24(D2-d2)取F=1992N,根据械设计手册表4表23.4-2,选取一个液压缸的工作电动机压力p1=2.0MPa；然后根据表23.4-4，选取液压缸背压力p2=0.2-0.5 MPa；同理查表23.4-5，可选取活塞杆直径d=0.5D。将以上数据代入公式可得D=4Fp1-p2(1-0.52) =419922106-0.3106(1-0.52)=38mm查找械设计手册表4表23.6-33,选取的液压缸直径D=40mm。所以活塞杆内径d=400.5=20mm。(2)设计液压缸的结构尺寸下图是液压缸内径D以及活塞杆内径d的计算若油进入液压缸无杆腔：F=P1A1-P2A2。回路中P2可以忽略不记。F=P1A1=P14D2当油进入有杆腔时：F=P1A2=P14(D2-d2)所以有杆腔时 D=4Fp11-2无杆腔时 D=4Fp1取F=2189.25N将以上数据代入公式可得D=4Fp11-2 =42189.2521061-0.52 =43.1mm根据手册选取D=50mm活塞杆的内径d=500.5=25mm。活塞杆的尺寸大小应符合液压气缸的运动性能及其强度。而且杆长L要大于杆内径d的15倍以上，按拉、压的强度来计算：=4Fd2选取一个活塞杆的主要材料为低质量的碳钢，因此=100-120 MPa，活塞的直径d=25 mm,L=1000 mm,把数据代入公式可得= 4Fd2 =42189.250.0252 = 4.46 MPa100 MPa可知活塞杆的强度满足使用条件(3)设计夹紧缸的直径DF=P4D2查表取得F=717.04所以 D=4FP =4717.042106 =21.8 mm查找机械设计手册4表23.6-33,可得到一个液压气缸的内径D=25mm活塞杆内径d=250.5=12.5 mm通过手册表23.6-34取d=12mm3.3.3液压马达的排量计算(1)手臂摆动液压马达的排量q q=2TP其中 T液压马达的载荷转矩(N.m)；P=P1-P2液压马达在进出口时的压力差(Pa)。查找机械设计手册4表23.4-4，取得T=70.82 N.mq=2TP = 270.82(2.0-0.3)106 =0.00026 m3/r=260 ml/r查找机械设计手册4表23.6-29可知在选用YMD300摆动液压马达是最优的。该马达的额度理论转矩排量300 ml/r,额定工作电压15 MPa，额定理论转矩660N.m2。(2)底座回转液压马达的排量为；q=2TP查表选取选取T=11.79 N.m,并把以上数据代入公式得q=2TP=211.79(2.0-0.3)106 =0.000043m3/r=43 ml/r根据手册查表23.6-29选择YMD60摆动液压马达为最佳。理论排量范围为60mLr，额定电动机的工作压力15MPa，额定理论旋转扭矩140 N.m。 第四章 PLC控制系统的设计4.1可编程控制器的概述4.1.1可编程控制器(PLC)的简介1969年,可编程的控制器在美国就已经开始流行和出现了,主要的目的就是为了替换继电器,实现执行时的逻辑判断、控制功能等。可编程控制器基本设计思路就是通过计算机灵活、通用、便捷的优势以及继电器控制系统的方便快捷、通俗易懂、成本低等优点进行综合考虑,就把所有需要控制的动作和内容都编成了一个软件输入控制器的用户程序存储器,将控制系统和执行系统联系起来。随着科学技术的不断发展，半导体技术的发展也在不断地更新，到了1975年后，PLC已经成为一种中央微处理器。I/O模块和外部电路均采用了一种较为大规模的集成电路，现在PLC已经不在是只具有单一的逻辑诊断功能，同时它们还具备数据处理和数字通信的功能。当前的可编程控制器已经逐渐被各个企业采用，得到了人们广泛的推广和使用。4.1.2可编程控制器的组成中央处理器(CPU)、储存器、通讯网络接口、电源、I/O模块(具有输入和控制输出两个接口)。中央处理器：简称cpu。一般是整个控制电路的核心。cpu包含逻辑运算、寄存器和控制器。用一个集成的芯片把整个电路焊接起来。cpu的主要功能就是处理计算机中的发出的指令并进行翻译。 存储器（ram、rom）：存储器就是一种用半导体的磁性介质制成的电子设备。主要的功能就是储存数据和信息。并且在计算机的运行过程中，有了存储器的存在，计算机就能够拥有记忆功能，用来存放目前正在执行的数据和程序，保证数据在重启之后不会轻易丢失。输入输出接口（I/O单元）：I/O单元本质就是CPU与外界的信息交换。I/O单元具有良好的过滤波长和电隔离的作用。其中接到可编程控制器的输入接口大多数都是各种开关、按钮、等输入部件；另外接到可编程控制器的输出接口一般都是电磁阀、继电器等输出部件Error! Reference source not found.。 电源：电源本质就是把其他形式的能转换成电能的装置。在可编程控制器中就是对该系统中的cpu和I/O接口进行供电。 编程器：一个编程器本质上就是一个通过和计算机的连接而修改其中一个只读存储器的程序。编程器在plc中占有十分重要的外部位置。由一个编程器把所有的用户程序传递到plc的一个存储器中,就可以使用一个编程器进行检查、修改程序,检测plc的正常工作状态等一系列问题。通过将计算机上添加一个硬件接口以及在软件包中安装一个软件集成化的方式来对电脑进行编程。用一台微机做成的编程仪,就能够直接进行编制和显示出一个梯形图。4.1.3 PLC 的基本工作原理 PLC扫描的工作方式主要分三个阶段，输入采样阶段、用户程序执行阶段以及输出刷新阶段。如下图所示。4.2 PLC控制电路的设计(1)cpu单元CP1H的电路连接设计(2)扩展I/O单元CPM1A-20EDR1的电路连接设计(3)A/D转换单元CPM1A-AD041的电路设计(4)动力电路的设计4.3控制面板的相关设计(1)模块的安装图PLC的各个模块连接到的电源及接触器是由导轨通过底板连接上的。如下图所示。(2)开关和接线面板 PLC模块各接口经过长时间的使用可能回导致接线口损坏，为了能够有效的防止损坏的发生，可以通过设计一个接线面板，该面板包含了电源插头、电源指示灯、I/O接口以及停止启动按钮等等的接口设计3。 致谢在设计本文的过程中我学会了很多东西，提高了自身的科研能力以及实践能力。掌握了阅读文献的方法，并且学到了如何去发现问题并解决问题。导师不厌其烦的教导让我在大学期间，无论是学术还是生活上都得到极大的帮助。在此，十分感谢。回想这几个月的设计过程，虽然不能说是硕果累累，但付出了很大的心血。通过整篇文章的编写，让我对本专业的机械方面有更进一步的了解，机电结合更能符合社会的需求。即使在设计过程中遇到了很多的难题，但通过自己的自学，文献的查找以及老师同学们的帮助，不仅帮助我解决了难题，也让我对该问题有了更深的理解。最后忠心的感谢四年的培养和各位老师们的潺潺教诲。参考文献1 张萍萍.基于PLC的气动机械手控制系统设计D.电子科技大学,2013.2 胡海洪.四自由度液压机械手液压系统设计D.南昌大学,2012.3 郭剑晖.机械手PLC控制系统设计D.南昌大学,2012.4 鲍泽富,胡广珊,王冲,党鹏. 基于PLC的液压钻台机械手设计J. 机械,2019,46(04):64-69.5 赵旭.基于机电液一体化的液压机械手设计及其控制D.东北大学,2010. 6 李明,栗全庆. 基于PLC的液压搬运机械手设计J. 机床与液压,2009,37(08):99-101.7 朱凌宏.基于PLC的液压驱动式机械手动作设计J. 机床与液压,2011,39(06):79-80+104.8 张钦国.基于液压驱动的四自由度机械手的运动仿真与优化设计D.吉林大学,2011.9 邹博. 管制玻璃瓶生产线自动上管系统的研究D.华中科技大学,2012.10 陈伟华. 工业机器人笛卡尔空间轨迹规划的研究D.华南理工大学,2010.11 王勇. 全液压炮弹转运机械手液压控制系统的建模与仿真D.东北大学,2015.12 雷诚. 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