PLC控制的移置机械手的设计

1PLC 控制的移置机械手的设计摘 要:机械手是在机械化/自动化过程中发展起来的一种新型装置。它能模仿人手部分动作，按照预先设定的程序，轨迹或其他要求实现抓取，搬运工件或者操纵工具的机械化装置。本文的平移机械手设计采取的直角坐标式运动形式的机械手，液压驱动方式，通过油缸、阀、油泵、油箱等实现运动、同时采用 PLC 控制电磁换向阀、控制油缸的进油，从而控制机械手的直线运动来实现其自动化，能提高生产效率，实现实时控制。关键词：机械手；PLC；液压缸；液压泵The Design of Displacement Mainpulator Based on PLC Control2Abstract: With the developing of the mechanization, the manipulator turned out to be a new kind of device, which can mimic the actions of a persons hands, in accordance with the program, predetermined trajectory, or other requirements, to achieve capturing, porting materials or manipulating mechanized tools. The writing of moving manipulator design. Adopt dyadic motion of right angle coordinate from manipulator, way that hydraulic pressure drices, by the oil jar, valve, oil pump, the fuel tank waits to realize motion. At the same time, adopt PLC to control electromagnetism changing-over valve.Key words: Manipulator；PLC;Hydraulic cylinder;Hydraulic pump1 前言目前，PLC 在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下几类。1、开关量的逻辑控制：这是 PLC 最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。 2、模拟量控制：在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的 A/D 转换及 D/A 转换。PLC 厂家都生产配套的A/D 和 D/A 转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。3、运动控制：PLC 可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说，早期直接用于开关量 I/O 模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。世界上各主要PLC 厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。4、过程控制：过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机，PLC 能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。PID 调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。大中型 PLC 都有 PID 模块，目前许多小型3PLC 也具有此功能模块。PID 处理一般是运行专用的 PID 子程序。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。5、数据处理：现代 PLC 具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算） 、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统；也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。6、通信及联网：PLC 通信含 PLC 间的通信及 PLC 与其它智能设备间的通信。随着计算机控制的发展，工厂自动化网络发展得很快，各 PLC 厂商都十分重视 PLC 的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。新近生产的 PLC 都具有通信接口，通信非常方便 。12 PLC 概述2.1 PLC 的含义PLC 即可编程控制器（Programmable logic Controller，是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。在 1987 年国际电工委员会（International Electrical Committee）颁布的 PLC 标准草案中对 PLC 做了如下定义：“PLC 是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC 及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而进行设计 。 ”22.2 PLC 的特点1、可靠性高，抗干扰能力强高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC 由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。例如三菱公司生产的 F 系列 PLC 平均无故障时间高达 30 万小时。一些使用冗余 CPU的 PLC 的平均无故障工作时间则更长。从 PLC 的机外电路来说，使用 PLC 构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC 带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，4使系统中除 PLC 以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。这样，整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。2、配套齐全，功能完善，适用性强PLC 发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代 PLC 大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来 PLC 的功能单元大量涌现，使 PLC 渗透到了位置控制、温度控制、CNC 等各种工业控制中。加上 PLC 通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用 PLC 组成各种控制系统变得非常容易。3、易学易用，深受工程技术人员欢迎PLC 作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用 PLC 的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门 。34、系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造PLC 用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。5、体积小，重量轻，能耗低以超小型 PLC 为例，新近出产的品种底部尺寸小于 100mm，重量小于 150g，功耗仅数瓦。由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备 。42.3 PLC 的应用领域目前，PLC 在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下几类。1、开关量的逻辑控制这是 PLC 最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。2、模拟量控制在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度5等都是模拟量。为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的 A/D 转换及 D/A 转换。PLC 厂家都生产配套的 A/D 和 D/A 转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。3、运动控制PLC 可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说，早期直接用于开关量 I/O 模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。世界上各主要 PLC 厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。4、过程控制过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机，PLC 能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。PID 调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。大中型 PLC 都有 PID 模块，目前许多小型 PLC 也具有此功能模块。PID 处理一般是运行专用的 PID 子程序。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。5、数据处理现代 PLC 具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算） 、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统；也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。6、通信及联网PLC 通信含 PLC 间的通信及 PLC 与其它智能设备间的通信。随着计算机控制的发展，工厂自动化网络发展得很快，各 PLC 厂商都十分重视 PLC 的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。新近生产的 PLC 都具有通信接口，通信非常方便 。52.4 PLC 的国内外状况世界上公认的第一台 PLC 是 1969 年美国数字设备公司（DEC）研制的。限于当时的元器件条件及计算机发展水平，早期的 PLC 主要由分立元件和中小规模集成电路组成，可以完成简单的逻辑控制及定时、计数功能。为了方便熟悉继电器、接触器系统的工程技术人员使用，可编程控制器采用和继电器电路图类似的梯形图作为主要编程语言，并将参加运算及处理的计算机存储元件都以继电器命名。此时的 PLC 为微机技6术和继电器常规控制概念相结合的产物。20 世纪 70 年代中末期，可编程控制器进入实用化发展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID 功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。 20 世纪 80 年代初，可编程控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。这个时期可编程控制器发展的特点是大规模、高速度、高性能、产品系列化。这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。20 世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。从控制规模上来说，这个时期发展了大型机和超小型机；从控制能力上来说，诞生了各种各样的特殊功能单元，用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合；从产品的配套能力来说，生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。目前，可编程控制器在机械制造、石油化工、冶金钢铁、汽车、轻工业等领域的应用都得到了长足的发展。我国可编程控制器的引进、应用、研制、生产是伴随着改革开放开始的。最初是在引进设备中大量使用了可编程控制器。接下来在各种企业的生产设备及产品中不断扩大了 PLC 的应用。目前，我国自己已可以生产中小型可编程控制器。上海东屋电气有限公司生产的 CF 系列、杭州机床电器厂生产的 DKK 及 D 系列、大连组合机床研究所生产的 S 系列、苏州电子计算机厂生产的 YZ 系列等多种产品已具备了一定的规模并在工业产品中获得了应用。此外，无锡华光公司、上海乡岛公司等中外合资企业也是我国比较著名的 PLC 生产厂家。可以预期，随着我国现代化进程的深入，PLC 在我国将有更广阔的应用天地 。62.5 PLC 未来展望21 世纪，PLC 会有更大的发展。从技术上看，计算机技术的新成果会更多地应用于可编程控制器的设计和制造上，会有运算速度更快、存储容量更大、智能更强的品种出现；从产品规模上看，会进一步向超小型及超大型方向发展；从产品的配套性上看，产品的品种会更丰富、规格更齐全，完美的人机界面、完备的通信设备会更好地适应各种工业控制场合的需求；从市场上看，各国各自生产多品种产品的情况会随着国际竞争的加剧而打破，会出现少数几个品牌垄断国际市场的局面，会出现国际通用的编程语言；从网络的发展情况来看，可编程控制器和其它工业控制计算机组网构成大型的控制系统是可编程控制器技术的发展方向。目前的计算机集散控制系统7DCS（DistributedControlSystem）中已有大量的可编程控制器应用。伴随着计算机网络的发展，可编程控制器作为自动化控制网络和国际通用网络的重要组成部分，将在工业及工业以外的众多领域发挥越来越大的作用 。73 PLC 的构成3.1 PLC 基础知识3.1.1 PLC 的发展历程在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。1968 年美国 GM（通用汽车）公司提出取代继电气控制装置的要求，第二年，美国数字公司研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这就是第一代可编程序控制器，称 ProgrammableController（PC） 。个人计算机（简称 PC）发展起来后，为了方便，也为了反映可编程控制器的功能特点，可编程序控制器定名ProgrammableLogicController（PLC） 。上世纪 80 年代至 90 年代中期，是 PLC 发展最快的时期，年增长率一直保持为3040%。在这时期，PLC 在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC 逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的 DCS 系统。PLC 具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。PLC 在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位，在可预见的将来，是无法取代的。3.1.2 PLC 的构成从结构上分，PLC 分为固定式和组合式（模块式）两种。固定式 PLC 包括 CPU 板、I/O 板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式PLC 包括 CPU 模块、I/O 模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。3.1.3 CPU 的构成CPU 是 PLC 的核心，起神经中枢的作用，每套 PLC 至少有一个 CPU，它按 PLC 的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和 PLC 内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。进入运行后，从用户程序存贮器中逐条读取指令，8经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路。CPU 主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，CPU 单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。内存主要用于存储程序及数据，是 PLC 不可缺少的组成单元 。83.1.4 I/O 模块PLC 与电气回路的接口，是通过输入输出部分（I/O）完成的。I/O 模块集成了PLC 的 I/O 电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。输入模块将电信号变换成数字信号进入 PLC 系统，输出模块相反。I/O 分为开关量输入（DI） ，开关量输出（DO） ，模拟量输入（AI） ，模拟量输出（AO）等模块。常用的 I/O 分类如下：开关量：按电压水平分，有 220VAC、110VAC、24VDC，按隔离方式分，有继电器隔离和晶体管隔离。模拟量：按信号类型分，有电流型（4-20mA,0-20mA） 、电压型（0-10V,0-5V,-10-10V）等，按精度分，有 12bit,14bit,16bit 等。除了上述通用 IO 外，还有特殊 IO 模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。按 I/O 点数确定模块规格及数量，I/O 模块可多可少，但其最大数受 CPU 所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。3.1.5 电源模块PLC 电源用于为 PLC 各模块的集成电路提供工作电源。同时，有的还为输入电路提供 24V 的工作电源。电源输入类型有：交流电源（220VAC 或 110VAC） ，直流电源（常用的为 24VDC） 。3.1.6 底板或机架大多数模块式 PLC 使用底板或机架，其作用是：电气上，实现各模块间的联系，使 CPU 能访问底板上的所有模块，机械上，实现各模块间的连接，使各模块构成一个整体。3.1.7 PLC 系统的其它设备1、编程设备：编程器是 PLC 开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件，用于编程、对系统作一些设定、监控 PLC 及 PLC 所控制的系统的工作状况，但它不直接参与现场控制运行。小编程器 PLC 一般有手持型编程器，目前一般由计算机（运行编程软件）充当编程器。也就是我们系统的上位机。2、人机界面：最简单的人机界面是指示灯和按钮，目前液晶屏（或触摸屏）式9的一体式操作员终端应用越来越广泛，由计算机（运行组态软件）充当人机界面非常普及。3.1.8 PLC 的通信联网依靠先进的工业网络技术可以迅速有效地收集、传送生产和管理数据。因此，网络在自动化系统集成工程中的重要性越来越显著，甚至有人提出“网络就是控制器“的观点说法。PLC 具有通信联网的功能，它使 PLC 与 PLC 之间、PLC 与上位计算机以及其他智能设备之间能够交换信息，形成一个统一的整体，实现分散集中控制。多数 PLC 具有RS-232 接口，还有一些内置有支持各自通信协议的接口。PLC 的通信现在主要采用通过多点接口（MPI）的数据通讯、PROFIBUS 或工业以太网进行联网 。93.2 PLC 控制系统的设计基本原则1、最大限度的满足被控对象的控制要求。2、在满足控制要求的前提下，力求使控制系统简单、经济、使用和维护方便。3、保证控制系统安全可靠。4、考虑到生产的发展和工艺的改进在选择 PLC 容量时应适当留有余量。3.3 PLC 软件系统及常用编程语言PLC 软件系统由系统程序和用户程序两部分组成。系统程序包括监控程序、编译程序、诊断程序等，主要用于管理全机、将程序语言翻译成机器语言，诊断机器故障。系统软件由 PLC 厂家提供并已固化在 EPROM 中，不能直接存取和干预。用户程序是用户根据现场控制要求，用 PLC 的程序语言编制的应用程序（也就是逻辑控制）用来实现各种控制。STEP7 是用于 SIMATIC 可编程逻辑控制器组态和编程的标准软件包，也就是用户程序，我们就是使用 STEP7 来进行硬件组态和逻辑程序编制，以及逻辑程序执行结果的在线监视。PLC 提供的编程语言标准语言梯形图语言也是我们最常用的一种语言，它有以下特点它是一种图形语言，沿用传统控制图中的继电器触点、线圈、串联等术语和一些图形符号构成，左右的竖线称为左右母线。 梯形图中接点（触点）只有常开和常闭，接点可以是 PLC 输入点接的开关也可以是 PLC 内部继电器的接点或内部寄存器、计数器等的状态。梯形图中的接点可以任意串、并联，但线圈只能并联不能串联。内部继电器、计数器、寄存器等均不能直接控制外部负载，只能做中间结果供 CPU 内部使用。PLC 是按循环扫描事件，沿梯形图先后顺序执行，在同一扫描周期中的结果留在输出10状态暂存器中所以输出点的值在用户程序中可以当做条件使用。语句表语言，类似于汇编语言。逻辑功能图语言，沿用半导体逻辑框图来表达，一般一个运算框表示一个功能左边画输入、右边画输出 。103.4 主要特点1、结构灵活，不受环境的限制，有电即可组建网络，同时可以灵活扩展接入端口数量，使资源保持较高的利用率，在移动性方面可与 WLAN 媲美。2、传输质量高、速度快、带宽稳定，可以很平顺的在线观赏 DVD 影片，它所提供的 14Mbps 带宽可以为很多应用平台提供保证。最新的电力线标准 HomePlug AV 传输速度已经达到了 200Mbps；为了确保 QoS，HomePlug AV 采用了时分多路访问（TDMA）与带有冲突检测机能的载体侦听多路访问（CSMA）协议，两者结合，能够很好地传输流媒体。3、范围广。无所不在的电力线网络也是这种技术的优势。虽然无线网络可以做到不破墙，但对于高层建筑来说，其必需布设 N 多个 AP 才能满足需求，而且同样不能避面信号盲区的存在。而电力线是最基础的网络，它的规模之大，是其他任何网络无法比拟的。4、低成本。充分利用现有的低压配电网络基础设施，无需任何布线，节约了资源。无需挖沟和穿墙打洞，避免了对建筑物、公用设施、家庭装潢的破坏，同时也节省了人力。相对传统的组网技术，PLC 成本更低，工期短，可扩展性和可管理性更强。目前国内已开通电力宽带上网的地方，其包月使用费用一般为 50-80 元/月左右，这样的价格和很多地方的 ADSL 包月相持平。5、适用面广。PLC 作为利用电力线组网的一种接入技术，提供宽带网络“最后一公里”的解决方案，广泛适用于居民小区，酒店，办公区，监控安防等领域。它是利用电力线作为通信载体，使得 PLC 具有极大的便捷性，只要在房间任何有电源插座的地方，不用拨号，就立即可享受 4.545Mbps 的高速网络接入，来浏览网页拨打电话，和观看在线电影，从而实现集数据、语音、视频，以及电力于一体的“四网合一”。14 总体方案的设计与分析4.1 机械手设计的总体方案X 方向移动通过液压缸带动手臂伸缩来实现，Z 方向的移动通过伸缩液压缸带动手臂的移动来实现，Y 方向的移动同样通过液压带动移动来实现。总体设计方案如图 1：11图 1 总体设计方案图Fig 1 The sketch map of totality dessigns plan 要求是通用平移机械手，满足在三个方向的平移，所以选择设计示意图如图 2：图 2 总体设计示意图Fig 2 The sketch map of Totality dessigns plan4.2 手指的夹紧力的计算手指对工件的夹紧力可按下式计算：123()NKGkgf（1）K1 取 1.5，按照 K2=1+0.1a 计算，a 为机械手在搬运工件过程中的加速度，本题取 a=0，所以 K2=1，K3=1.G 按照任务书的要求为：5kg，直径为 100mm，长 300mm.手部的设计示意图如图 3：12图 3 手部设计示意图Fig3 The sketch map of hand part designs确定参数，b=150，a=60,角度为 30 ，0手部驱动力的计算：2)(cos2NabP（2）其中 b 的取值 150mm，a 取 150，a 取 300（kgf）2)30(cos5.7601A1=170.2/（0.5-0.2）=6.30（cm ）24.3 手臂结构设计手臂的结构采用导向管的结构，采用导管内部管走油。结构示意如图 4：图 4 手臂Fig 4 Arm diagram5 液压缸主要参数的确定1314将上面的结果总结如表 1：表 1 各方向运动负载表Table1 The list of Each direction load 负载值 F（N）夹紧缸手臂缸（空行程伸出）手臂缸（带工件收缩）升降杆（空行程下降） 升降缸（带工件上升）升降缸（带工件下降）升降缸（空行程上升）横移缸（空行程）横移缸（带工件） 275.62544.3951.8-596.4860-640803.60162.8170.206 液压系统主要参数计算6.1 选择系统的工作压力 12各类液压设备由于各自的工作性能，工况特点以及使用场合的不同，系统工作压力也不尽相同，在充分考虑系统所需流量，系统效率和性能，工作可靠性，工艺性和经济性等因素后，参考液压传动表 11.2,选择升降缸的压力 P=0.6MPa,夹紧缸，伸缩缸，横移缸的压力 P=0.5Mpa。6.2 确定执行元件的几何参数执行元件的几何参数是指液压缸的工作面积 A。液压缸的工作面积与缸内液压力及所需克服的负载之间的关系，可根据缸受力的平衡关系得出。6.2.1 确定夹紧缸机构尺寸根据夹紧驱动力 F=275.625N，由液压传动表 5-2 选取 d/D=0.5，选取液压缸的机械效率 =0：=F/ （1A)(21P（4）式中，取回油背压 P=20MPa,代入数据得： )(8.23).06/(821 cmA79.41Dd=0.5D=1.395(cm)查液压元件及选用表 3.51,3.52 将其圆整得：15D=32（cm）,d=14(cm)查机械手册表 37.7-3，选取缸外径 =50（cm）0D查机械手册表 37.7-64,选取活塞行程为 53（cm）由于此液压系统为低压系统，所以液压缸的缸筒壁厚，活塞杆直径和固定螺栓的直径均不需要强度校核。6.2.2 手臂伸缩缸结构尺寸取 =0.5MPa,1PMPa2.0=51.8/(0.5-0.2)=1.92( )A2cmD= =1.56( )142cD=0.5D=0.48(cm)查液压元件及选用表 3.51,3.52 将其圆整得：D=20（cm）,d=10(cm)查机械手册表 37.7-3，选取缸外径 =30（cm）0D查机械手册表 37.7-64,选取活塞行程为 53（cm）6.2.3 机身升降缸机身升降缸，取 =0.2MPa2P=860/(0.6-0.2)=23.88MPa1AD= =5.516(cm)4d=0.5D=2.758(cm)查液压元件及选用表 3.51,3.52 将其圆整得：D=63（cm）,d=28(cm)查机械手册表 37.7-3，选取缸外径 =73（cm）0D查机械手册表 37.7-64,选取活塞行程为 40（cm）6.2.4 机座横移缸取 ，得MPa2.0=170.2/（0.5-0.2）=6.30( )1A2cmD= =2.83(cm)416d=0.5D=1.416(cm)查液压元件及选用表 3.51,3.52 将其圆整得：D=32（cm）,d=16(cm)查机械手册表 37.7-3，选取缸外径 =40（cm）0D查机械手册表 37.7-64,选取活塞行程为 53（cm）总结上述结果得到如表 2：表 2 液压缸在不同工作阶段的压力、流量和功率Hydraulic cylinder in different working stage pressure,current capacity and performance mumber回油腔压力P2（MPa）进油腔压力P1(MPa)流量 Q（L/min） 输入功率 P(Kw)夹紧X 方向Y 方向Z 方向伸缩进退降（空）升（载）降（载）升（空）00.20.20.20.20.20.20.20.20.4710.2090.2450.2650.3820.2840.3570.3140.2991.950.70650.70651.8459.3481.8459.3482.40.60.0150.0250.00290.0080.060.00870.0560.01260.0037 拟定液压系统原理图拟定液压系统原理图主要包括两个方面：一是选择液压基本回路；二是把选出来的基本回路组成液压系统。本机构的运动包括三个方向的直线运动，因此，直线运动直接采用单杆活塞杆液压缸直接驱动，以给定的参数初步计算可知，升降所需的力是最大的，但此力也较小，所以不需要增压缸本机构功率较小，执行机构速度低，工作平稳性要求不高，所以选择用节流调速回路，在一般情况下，节流调速系统选用定量泵 。137.1 系统回路设计采用三位四通电磁阀来控制流向，作用和上边相同，单伸缩缸夹取工件反向运动时还需要保持手指的夹紧力，因此，在无杆腔进油路上安装溢流阀来保持压力。7.1.1 主油路的设计17主油路采取节流调速回路设计，同时，为了控制主油路上的流量，在主油路上安装一个调速阀，为了控制主油路上的压力，采用一个溢流阀来控制油压。7.2 拟定液压系统原理图液压执行元件及各回路基本确定之后，经过综合考虑，整理后的液压系统如图，伸缩缸液压如图 5：图 5 伸缩缸液压图Fig 5 Expansion cylinder hydraulic pressure chat升降缸液压如图 6：图 6 升降缸液压图Fig 6 Hydraulic pressure the promotion and demotion jar横移缸液压如图 7：图 7 横移缸液压图Fig 7 The hydraulic pressure picture of horizontal storke changs jar 8 液压元件的选择188.1 确定液压泵的最大工作压力PMPap)5.10(式中，P：液压缸或液压马达工作腔的最大工作压力 ：从液压泵出口到液压马达P或者液压缸入口处的总管路损失。粗算时，可以按经验数据选取，当管路简单的可以选择 ，复杂时，进油口有调速阀的取 =（0.5-1.5MPa）.8.2 确定液压泵的流量maxQKLP（5）式中， :考虑系统泄漏和溢流阀保持最小溢流量的系数，通常取 =1.1-1.3，LK LK此处取 1.2：液压缸或液压马达所需最大流量，对于液压缸：maxQ= =9.348（L/min）6ax10AV根据液压泵的最大工作压力 P 选择泵类型，根据液压泵的流量确定液压泵的规格，查液压技术手册 ，可选取定量叶片泵，查表选择 YB1-16 型：Q=15L/min,P=6.3MPa,转速为 960（r/min）8.3 确定液压泵驱动机的功率 电机功率计算310PQ（6）液压泵最大工作压力 P=2.1Mpa，压力损失p=0.5Mpa，则：paP =2.6M查液压技术手册表 37-8 确定， =0.6， 则：310.9()PQkw查液压元件及选刊 ，选用 Y90S-2 电机，功率为 1.5kw 。148.4 选择辅助元件油管的规格尺寸一般由它所连接的液压元件接口处尺寸决定，液压缸进出口油管则按输入，排出的最大流量计算。管道内径按公式1934d=10QV（7）根据前面的表格数值，当油液在油管中流速取 0.6（m/s） ，算的和液压缸无杆腔和有杆腔相连的油管内径分别为：夹紧缸：d4.631.95/068.3()m按液压技术手册表 31-5 取内径为 8mm，外径为 12mm。伸缩缸：d4.630.75/.602()按液压技术手册表 31-5 选取内径为 5mm，外径为 8.9mm。升降缸：d4.639.8/0.61.2()m按液压技术手册表 31-5 取内径为 19mm，外径为 24.6mm。横移缸：d4.632./09.6()按液压技术手册表 31-5 取内径为 10mm，外径为 14.5mm 。158.5 确定油箱的容积油箱在液压系统中的主要功能是贮存共系统循环所需的油液，散发系统工作室产生的热量，散发混在油液中的气体，为系统中远见安装提供位置，油箱的容量，即油面高度为油箱高度的 80%时的油箱有效容积，应根据液压系统的发热，散热平原理来计算，对于一般情况而言，油箱的容积可按液压泵的额定流量估算出来，油箱的容积 v（单位 L）可按下式估算：p=qV（8）式中，为与液压系统压力有关的经验数字；一般液压系统 =2-4；中系统一般=5-7；高压系统 =10-2。此系统为低压系统，取 3，又已则345()VL20按液压技术手册表 30-3，选取标准值 V=60L.8.6 液压阀的选择阀的规格，根据系统的工作压力进而实际通过阀的流量。选择液压阀主要根据阀的工作压力和通过阀的流量来确定，本系统工作压力较小所以选择低压低流量的阀。本液压系统中，三个液压缸选取四个三位四通电磁换向阀换向，是机械手能顺利的完成所规定的动作。换向阀的换位是通过 PLC 来控制，运动速度由调速阀通过调节回路的流量来控制，部分油路采用单向阀来保持压力，用溢流阀来保护回路的安全。16通过以上的计算和校核，初步确定使用以下液压元件，在经纪上和安全上都能满足要求，将选用的元件和型号规格填在下表 3：表 3 液压元件的型号、规格Table 3 Hydraulic pressure component type and their sepcificantion序 号 元件名称 通过流量 型 号 规 格12345678910调速阀 1调速阀 2调速阀 3调速阀 4溢流阀换向阀油箱定量泵行程开关单行阀1.95L/min0.7065L/min1.845L/min0.6L/minMG6G1.22FRM62X/3QMK6G1.22FRM62X/3QY2523QDF6K/315E24YH-50 型S8A16 通径，2.2 最小稳流6 通径，工作压力31.5Mpa6 通径，工作压力31.5Mpa，流量 1.2-1.56 通径，工作压力31.5Mpa0.5-6.3Mpa， 3/8（in）8 通径，额定压力 20-25Mpa60L6.3Mpa,15l/min开启压力为 0.5MPa9 液压系统的性能验算实际油液是有粘性的，所以流动时要消耗一部分的热量，这种热量损耗表现为压力的损失，能量的损耗转化为热量，是液压系统的温度升高，液体在流动时产生的压力损失包括两个方面，一是沿油路压力的损失，另一部分是局部压力损失 。179.1 回油路压力损失的验算因为系统右路较多而管路损失较大的是升降缸油路，所以，主要验算升降缸这段21油路的压力损失，设管路长度为 1.5m，又因为管路内径为 19mm，流量为9.348L/min，选用 20 井机械油，正常向右运动粘度为 V=2.7x10 m /s,油的密度为52=918kg/m 3所以油在管中的实际流速为： smQV/5.019.4358d242 7/vRe所以油在油管中位层流状态，其行程阻力系数为： 165.0/4e回路压力损失为： MPavdP24.2Re9.2 局部压力损失计算：局部压力损失包括通过管路和管接头等处的管路局部压力损失P2，以及通过控制阀的局部压力损失P3，但由于管路局部压力损失相对控制阀的局部压力损失小得多，所以只要计算控制阀的局部压力损失。从原来图可以看出，从叶片泵出口到伸缩缸进口要经过电磁换向阀，调速阀，电磁换向阀的额定流量为 14L/min，额定压力损失为 0.2Mpa,调速阀的额定流量为6L/min，额定压力为 0.2Mpa,电磁换向阀的额定流量为 8L/min,额定压力损失为 0.2Mpa,代入下面的式子，则局部压力损失为： 21()nQP10.38Mpa9.3 计算液压系统的发热升温这项验算是用热平衡原理来对油液的升温进行估算，单位时间内进入液压系统的热量 H1（kw）是液压泵输入功率 P1 和液压执行元件有效功率 P0 之差，假如这些热量全部由邮箱发散出去，不考虑系统其他部分的散热效能，则油液温升的估算公式可以根据不同条件分别从有关的手册中找出来。油液温升T（C ）的估算公式可以用单位时间内输入热量 H1 和邮箱的有效容积 V（L）近似的表示成：21AKPThr22（9）液压系统工作室，除执行元件驱动外载荷输出有效功率外，其余功率损失全部转化热量，使油温升高。液压泵的功率损失：=1hP kwpTiziri 93.04.)701(.34x9.0)( 式中 T1 为工作循环周期，Pri 为液压泵的输入功率，为各个液压泵的总效率， ti为第 i 台泵的工作时间，Z 为投入工作液压泵的台数。液压执行元件的功率损失： kwtPTiirih 3.0)1(2溢流阀的功率损失： QYyh24.3液压油液流经阀或管路的功率损失为： kwPh05.4总功率的损失为：hhhr 329.14321而油液温升为： CT0058.7.69.08式中，A1 与 A2 为油箱和油管的散热面积，K1，K2 散热系数。温升没有超过允许的范围，液压系统中部需要设置冷却器 。1810 重要连接部位螺钉强度校核Z 方向的上升的动态负载为 860（N）,采用的普通螺栓组与机座连接，对于普通螺栓连接，应保证连接预紧后，结合面间产生的最大摩擦力必须大于或者等于横向载荷。其平衡条件01afFzik（10）由此得预紧力 F0 为23a01.2897.162.5()4KFNfzi式中：f 为结合面的摩擦系数，查机械设计表 5-5;I 结合面面数Ka 为防滑系数， Ka=1.1-1.3.由于所选择的气缸提供的连接的螺钉大小为 M6，校核其危险截面的拉伸强度条件为： 021.34d.68.59.430cacFMpa查机械设计表 5-8 螺栓等级表格里的最低等级为 3.6 的抗拉强度 。30MPas=故符合条件 。1911 PLC 控制系统的设计可编程控制器（PLC ）是以微处理机为基础，综合计算机技术，自动控制 技术和通信技术等现代科技而发展起来的一种新型工业自动控制装置，是将计算机技术应用于工业控制领域的新产品。早期的可编程控制器主要用来替代继电器实现逻辑控制，因此称为可编程控制器。作为一种新型的工业自动控制装置，PLC 有许多的优点：（1）高可靠性和抗强干扰能力，用软件代替传统继电器控制系统中大量的中间继电器和时间继电器仅剩下与输入和输出有关的少量硬件。接线大大减少，因触点接触不良造成的故障大大减少。（2）良好的自诊能力，一旦电源或其他软件、硬件发生异常情况，CPU 立即采取有效措施，以防止故障扩大。（3）所有的 I/O 接口电路均采用光电隔离，使工业现场的外电路与 PLC 内部电路之间电气上下隔离。（4）丰富的 I/O 接口模块，对不同的工业现场信号，设计有相应的 I/O 模块与工业现场的期间或设备直接相连接，灵活性好，绝大部分 PLC 均采用模块化结构，PLC的各个部件，均采用模块化设计，系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。（5）系统安装简单，维修方便，PLC 不需要专门的机房，可以在各种工业环境下直接运行由于采用模块化结构，因此一旦某模块发生故障，用户可以通过更换模块的方法使系统迅速恢复运行 。202411.1 PLC 的选择在本设计中，以操作人员的指令信号和检测液压缸运动的反馈信号为 PLC 的输入，PLC 输出的控制信号控制系统中三位四通换向阀，进而控制液压油路的流动方向，控制液压缸进行伸出与收缩运动。基于此运动分析，选用了西门子 S7-200 型的PLC。选用此型号的 PLC 主要有以下几点原因：（1）存储容量；存储容量是指用户程序存储器的容量。用户程序存储器的容量大，可以编制出复杂的程序，一般来说，小型 PLC 用户存储器容量为几千字，而大型的用户存储容量为几万字。（2）I/O 点数；输入、输出（I/O）点数是 PLC 可以接受的输入信号和输出信号的总和，是衡量 PLC 性能的重要指标。 （I/O）点数越多，外部可接的输入设备就越多，其控制规模就越大。（3）指令的功能与数量；指令功能的强弱、数量的多少也是衡量 PLC 性能的重要指标。编程指令的功能越强、数量越多、PLC 的处理能力和控制力也越强，用户编程也越简单方便，越容易完成复杂的控制任务。11.2 往返运动 PLC 控制原理、输入输出分配、PLC 梯形图、PLC 程序代码（2）输入和输出分配如下所示：表 4 输入和输出点分配表Table 4 Input and output assigned to watch some名称 代号 输入 名称 代号 输入 名称 代号 输入启动伸出下降抓紧上升收缩SB2SQ7SQ3SQ6SQ1SQ5X001X009X005X008X003X007右移左移关闭电磁阀下降电磁阀上升电磁阀抓紧SQ4SQ4SB1KM6KM5KM1X006X006X000Y006Y005Y001电磁阀放开电磁阀左行电磁阀右行电磁阀伸出电磁阀收缩KM2KM7KM8KM3KM4Y002Y007Y008Y003Y004（3）根据回路的液压原理图和对应动作的控制要求，可以边制出控制液压缸运动的控制梯形图，如图 9：2526图 9 控制梯形图Fig 9 Control ladder diagrain27（4）根据梯形图，写出程序代码见附录 111.3 总结与评价在此液压驱动运动控制设计中，用 PLC 控制系统来代替传统控制的控制方式，可以克服继电器接触控制系统的可靠性差，控制不方便，响应慢等方面的不足，其优点主要体现在以下的几个方面：（1）PLC 控制为可编程控制，具有良好的柔性，当实验项目改变后，PLC 控制的硬件设备可以不变，只需要改变相应的应用程序即可。（2）PLC 具有体积小，重量轻的特点，易于实现机电液一体化的控制装置。（3）PLC 控制具有较好的可靠性，适应工作环境。（4）PLC 控制功能完善，除了一般的开头量，模拟输入输出及控制功能外，还可以实现人机对话，记录和显示等功能。因此，在此液压系统的运动控制设计中，PLC 控制方式有重要的应用价值。另一方面。12 结论两个月的机械手毕业设计，由于自身的能力有限，在前期的设计中困难重重，曾经一度失去信心。后来在同学的鼓励下，以及在机械教研室周光永老师的精心指导下，我参阅了机械设计，液压，PLC 等多方面的书籍，终于对自己的设计有了一定的认识，这给我继续做下去的信心，经过我的努力，终于认真地完成了此次毕业设计。经过这次的设计，使我在机械设计方面学到很多知识，对机械的设计研究过程有了新的认识，同时自己的设计能力水平得到了很大的提高，而且对大学四年学到的知识有了一个很好的总结，在基本技能方面得到了训练，同时通过调查研究、搜集资料、工程制图、撰写技术文件的能力也有了很大的提高。通过对英文资料的翻译，使我的英文水平也得到了很大的提高，这些都为我将来走向工作岗位打下了扎实的基础。同时通过这次的毕业设计，我平时学习的缺点和不足也都体现了出来，在理论学些的过程中，我没有把所学的知识应用到实践中区，这还需要自己以后的工作岗位上不断的学习和总结。参考文献1 王永华.现代电气及可编程控制技术M.北京：航天航空出版社.2002：45-482 张应金. PLC 在机械手搬运控制系统中的应用J.武汉：自动化博览，2008 年 02 月刊：71-73283 史国生.赵阳.王念春.电气控制与可编程控制技术N.上海：化学工业出版社.2003：12-174 罗庚合.蔡霞 . 搬运机械手的 PLC 控制D. 西安:航空技术高等专科学校，2002 年，第20 卷第一期：7-95 吴秀凤.可编程控制器原理与应用M.重庆：冶金工业出版社.1999:70-816 高钦和.可编程控制感应器应用技术与设计实例M.北京：人民邮电出版社.2004:32-457 李壮云.葛宜远.液压元件与系统M.广州：机械工业出版社.1999:23-568 王积伟.章宏甲.黄宜.液压传动M.广州：机械工业出版社.2006:45-569 濮良贤.机械设计.液压元件M.高等教育出版.2006:46-7210 机械工程手册.化学工业出版社M.2004:55-5811 机械零件设计手册.机械工业出版社M.2005：56-7812 机械设计手册.机械工业出版社M.2002：23-5613 王守成.段俊勇.液压元件及选用M.化学工业出版社.2007：23-3014 曾繁铃. 一种 PLC 控制的工业机械手N. 常熟：理工学院报，2008 年 4 月第 22 卷第四期：101-10415 许贤良.王传礼.液压传动系统M.国防工业出版社.2006：15-3016 言纪兰. 懂峰. 基于 PLC 控制的搬运机械手的应用 . 机械工程与自动化，2008 年 4 月第 2 期：156-15817 G.E.McCreey.Liquid flow and vapor formation phenomena a flat heat pipe. Heat Transfer EngineeringM.1994(4):33-4118 Song-Yi LE.Transient thermoplastic problem on the vapor flow of heat pipe. Applied Mathematics and ComputationM.2004(154):127-15119 Bernd Gromoll.Advanced Micro Air-Cooling Systems for High Density Packaging. Tenth IEEE THERM SymposiumM .1994：154-15820 H.Vollbrecht.Stress in cylindrical and spherical walls subjected to internal pressure and stationary heat flow.VerfahrenstechnikM.1974：88-9629附录附录 1：梯形图程序代码0 LD X001 26 OUT Y001 50 ANI X0101 OR X009 27 LD X003 51 OUT M6052 OR M600 28 OR X004 52 LD M6053 ANI X010 29 OR M603 53 OUT Y0074 ANI X000 30 ANI M604 54 LD X0085 ANI X000 31 ANI X010 55 OR M6066 OUT M600 32 ANI X000 56 AND M6087 LD X005 33 OUT M603 57 ANI M6038 OUT Y003 34 LD M603 58 ANI X0009 LD X005 35 OUT Y005 59 ANI X01010 OR M601 36 LD X007 60 OUT M60611 ANI M606 37 OR M604 61 LD M60612 ANI M602 38 ANI M607 62 OUT Y00213 ANI X010 39 ANI M605 63 LD X00614 ANI X000 40 ANI X000 64 OR M60715 OUT M601 41 ANI X010 65 AND M60816 LD M601 42 OUT M604 66 ANI X00017 OUT Y006 43 LD M604 67 ANI X01018 LD X008 44 OUT Y004 68 OUT M60719 OR M602 45 LD X006 69 LD M6072 0 ANI M603 46 OR M605 70 OUT Y00821 ANI M608 47 ANI M600 71 LD M60522 ANI