搬运用液压机械手控制系统设计

本科毕业设计（论文）题目搬运用液压机械手控制系统设计学生姓名学号院（系）机电工程学院专业指导教师时间第1页摘要在工业生产过程中人们经常受到高温、腐蚀及有毒气体等因素的危害，增加了工人的劳动强度，甚至于危及生命。自从机械手问世以来，相应的各种难题迎刃而解。本文以三自由度搬运用液压机械手为研究对象，该机械手能在空间抓、放、搬运物体，动作灵活，适用于生产线中、小型批量自动化生产。机械手的全部动作由液压缸和液压马达驱动，液压缸和液压马达由电磁阀控制，电磁阀由PLC程序控制。论文的主要工作如下：设计了机械手的液压系统图，选取了相应的液压元器件，给出了PLC的控制方案，设计了PLC接线图、控制面板。并以此设计了PLC控制程序，此程序可实现机械手的上升/下降、伸出/缩回、抓取/放松和左转/右转等功能。关键词：三自由度、机械手、液压、PLC第2页AbstractIntheprocessofindustrialproduction,peopleareoftensubjectedtohightemperature,corrosionandtoxicgasesandotherfactors,increasingthelaborintensityofworkers,andevenendangerlife.Sincetheadventofmanipulator,smoothlydoneoreasilysolvedthecorrespondingproblems.Inthispaper,threedegreesoffreedomtomovetheuseofhydraulicmanipulatorastheresearchobject,therobothandinspacetograsp,put,movingobjects,actionflexible,applicabletotheproductionline,smallbatchautomatedproduction.Thewholemovementofthemanipulatorisdrivenbythehydrauliccylinderandthehydraulicmotor,thehydrauliccylinderandthehydraulicmotorarecontrolledbytheelectromagneticvalve,andtheelectromagneticvalveiscontrolledbythePLCprogram.Themainworkofthispaperareasfollows:designthemanipulatorofthehydraulicsystemdiagram,selectthecorrespondinghydrauliccomponents,thePLCcontrolschemeisproposed,andthusthedesignofthePLCcontrolprogram,thisprogramcanrealizetheriseofmanipulator/down,stretchedout/retracted,crawl/relaxandturnleft/rightetc.function.KeyWords:Threedegreesoffreedom，manipulator，hydraulic，PLC第3页目录1绪论…………………………………………………………………………（6）1.1课题研究背景及意义……………………………………………………（6）1.2研究现状及发展趋势……………………………………………………（6）1.2.1机械手的研究现状及发展趋势……………………………………（6）1.2.2液压技术的研究现状及发展趋势…………………………………（7）1.2.3PLC的研究现状及发展趋势………………………………………（9）1.3本设计的研究内容………………………………………………………（10）2机械手液压系统方案的拟定………………………………………………（11）2.1机械手的工作原理………………………………………………………（11）2.2液压系统设计参数………………………………………………………（11）2.3系统局部关键回路的分析………………………………………………（11）2.3.1调速回路分析………………………………………………………（12）2.3.2卸荷回路的分析和选用……………………………………………（12）2.3.3平衡回路……………………………………………………………（13）2.3.4减速缓冲回路………………………………………………………（13）2.3.5夹紧缸回路…………………………………………………………（14）2.4液压系统原理图…………………………………………………………（14）2.5本章小结…………………………………………………………………（16）3液压系统的设计计算…………………………………………………………（17）3.1液压执行元件载荷的组成和计算………………………………………（17）第4页3.1.1手臂升降缸驱动力的计算…………………………………………（17）3.1.2手臂伸缩缸驱动力的计算…………………………………………（19）3.1.3夹紧缸夹紧力及驱动力的计算……………………………………（21）3.1.4手臂摆动缸载荷转矩的计算………………………………………（22）3.2液压系统主要参数的确定………………………………………………（24）3.2.1初选液压系统工作压力……………………………………………（24）3.2.2液压缸的主要尺寸的确定…………………………………………（25）3.2.3液压马达的排量的计算……………………………………………（27）3.3液压缸和液压马达所需流量的确定……………………………………（27）3.4各液压缸执行元件实际工作压力的确定………………………………（28）3.4.1液压缸的实际工作压力……………………………………………（28）3.4.2液压马达的实际工作压力确定……………………………………（29）3.5液压元件选择……………………………………………………………（29）3.5.1液压泵的选用………………………………………………………（29）3.5.2电动机的选用………………………………………………………（30）3.5.3液压元件的选择……………………………………………………（30）3.6液压系统的性能计算……………………………………………………（30）3.6.1液压系统压力损失计算……………………………………………（31）3.6.2液压系统发热温升计算……………………………………………（34）3.7本章小结…………………………………………………………………（36）4搬运用机械手PLC控制方案………………………………………………（37）4.1可编程控制器（PLC）概述………………………………………………（37）4.1.1可编程控制器的概述………………………………………………（37）第5页4.1.2可编程控制器系统组成……………………………………………（38）4.2PLC选型………………………………………………………………（39）4.3机械手的动作要求及控制过程…………………………………………（40）4.4PLC的I/O分配表……………………………………………………（41）4.5设计电气控制原理图……………………………………………………（42）4.5.1主电路设计…………………………………………………………（42）4.5.2控制电路设计………………………………………………………（42）4.5.3辅助电路设计………………………………………………………（43）4.6机械手的控制梯形图……………………………………………………（44）4.6.1手动操作方式………………………………………………………（44）4.6.2单周期操作方式和连续操作方式…………………………………（45）4.6.3回原点操作方式……………………………………………………（49）4.7本章小结…………………………………………………………………（50）5总结……………………………………………………………………………（51）参考文献…………………………………………………………………………（52）致谢………………………………………………………………………………（53）第6页1绪论1.1课题研究背景及意义工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术，已经成为现代（自动）制造生产系统中的一个重要组成部分。机械手的迅速发展是由于它具有的积极作用正日益为人们所认识：首先，它能部分地代替人工操作；其次，它能按照生产工艺的要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送和卸载；最后，它能操作必要的机具进行焊接和装配。因此，机械手受到各先进工业国家的重视，并投入大量的人力物力加以研究和应用，尤其在高温、高压、粉尘、噪声以及带有放射性和污染性的场所，应用更为广泛。本课题采用可编程控制器PLC实现搬运用液压机械手控制系统运行过程的手动和自动控制，解决了传统继电器控制方案的接线复杂、稳定性差、故障率高的缺点。PLC控制方案使控制过程可靠性高、故障率低、并且维修方便，减少了手动工作量，操作过程更加清晰明确。1.2研究现状及发展趋势1.2.1机械手的研究现状及发展趋势机械手是一种模拟人手操作的自动机械。它可按固定程序抓取、搬运物件或操持工具完成某些特定操作。应用机械手可以代替人从事单调、重复或繁重的体力劳动，实现生产的机械化和自动化，代替人在有害环境下的手工操作，改善劳动条件，保证人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。机械手主要由手部和运动机构组成。手部是用来抓持工件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，第7页如夹持型、托持型和吸附型等。运动机构，使手部完成各种转动（摆动）、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度。为了抓取空间中任意位置和方位的物体，需有6个自由度。自由度是机械手设计的关键参数。自由度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。一般专用机械手有2～3个自由度。机械手的种类，按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手；按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种；按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。机械手通常用作机床或其他机器的附加装置，如在自动机床或自动生产线上装卸和传递工件，在加工中心中更换刀具等，一般没有独立的控制装置。有些操作装置需要由人直接操纵，如用于原子能部门操持危险物品的主从式操作手也常称为机械手。伴随着人类社会的不断发展，科学和技术的不断进步，人类对资源的依赖也越来越大，最终将不可避免的要向陆地以外甚至是地球以外的地方扩展，而在这些对人类来说恶劣的环境里，搬运用机械手的发展就显得尤为重要了。作为新生产力代表的劳动工具，搬运用机械手能代替人类在恶劣的环境中完成人类无法完成又不得不做的工作。由于搬运用机械手的应用不得不向更广的范围延伸，这就要求搬运用机械手有更好的通用性，更高的适应能力，更加专业化，当然在这个基础上还有考虑到搬运用机械手的经济性要求。所以发展在能满足基本功能要求的基础上，实现结构模块化、方便修改设计、通用性强并且可靠性高的的搬运用机械手是市场所需，社会发展的必然。1.2.2液压技术的研究现状及发展趋势液压技术渗透到很多领域，不断在民用工业、在机床、工程机械、冶金机械、塑料机械、农林机械、汽车、船舶等行业得到大幅度的应用和发展，而且发展成为包括传动、控制和检测在内的一门完整的自动化技术。现今，采用液压传动程度已成为衡量一个国家工业水平的重要标志之一。如发达国家生产的第8页95%的工程机械、90%的数控加工中心、95%