搬運(yùn)用液壓機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

第為系統(tǒng)達(dá)到最高速度的時間，一般選取0.03~0.5s；K3——方位系數(shù)，根據(jù)手指與工件位置不同進(jìn)行選擇；G——被抓取工件所受重力(N)。計(jì)算：假設(shè)a=2b，；機(jī)械手達(dá)到的最高響應(yīng)時間為0.5s，求夾緊力FN和驅(qū)動力F。取K1=1.5；；K3=0.5根據(jù)公式（3.7），將已知數(shù)據(jù)條件代入得：夾緊力：根據(jù)圖3.3受力分析，驅(qū)動力計(jì)算式為：取η=0.85；設(shè)夾緊時彈簧的回復(fù)力為50N，因此夾緊缸夾緊工件時，夾緊缸的負(fù)載為：F=255.686N。圖3.3手爪受力分析3.1.4手臂擺動缸載荷轉(zhuǎn)矩的計(jì)算手臂回轉(zhuǎn)的回轉(zhuǎn)驅(qū)動力矩Tw,應(yīng)該與手臂運(yùn)動時所產(chǎn)生的慣性力矩Ta及各密封裝置處的摩擦阻力矩Tf相平衡。（1）工作載荷力矩Tg=0（2）慣性力矩Ta（3.8）式中——角加速度(rad／s2)；J——手臂回轉(zhuǎn)部件(包括工件)對回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量(kg·m2)；——角速度變化量(rad／s)；——起動或制動時間(s)；(3.9）式中P——手臂回轉(zhuǎn)零件的重心與回轉(zhuǎn)軸的距離(P=O.37m)；J0——回轉(zhuǎn)部件的重心的轉(zhuǎn)動慣量。（3.10）回轉(zhuǎn)部件可以等效為一個長為400mm,直徑為100mm，質(zhì)量為44Kg的圓柱體。由于最大搬運(yùn)速度為5m/min，最大工作距離600mm，轉(zhuǎn)速n=0.265r/s,則啟動角速度ω=513rad/s，啟動時間設(shè)計(jì)為0.2s。將數(shù)據(jù)分別代入公式（3.8-3.10）有：（3）軸徑摩擦阻力力矩Tf密封處的摩擦阻力矩可以粗略估算下Tf=0.03T，由于回油背差一般很小，故在這里忽略不計(jì)。馬達(dá)載荷轉(zhuǎn)矩：(3.11)?。?）外載荷受力分析啟動加速時：穩(wěn)態(tài)運(yùn)動時：減速制動時：3.2液壓系統(tǒng)主要參數(shù)的確定3.2.1初選液壓系統(tǒng)工作壓力機(jī)械手的液壓系統(tǒng)屬于低壓系統(tǒng)，且本機(jī)械手設(shè)計(jì)為單步工作，載荷最大時為機(jī)械手夾取工件后大臂伸縮缸上升的工況。由于F大臂max=926.775N，因此選擇液壓缸壓力油工作壓力P1=1.0MPa。表3.1液壓缸工作壓力作用在活塞上的外力（N）液壓缸工作壓力（MPa）作用在活塞上的外力（N）液壓缸工作壓力（MPa）＜50000.8～120000～300002.0～4.05000～100001.5～230000～500004.0～5.010000～200002.5～3＞500005.0～7.03.2.2液壓缸的主要尺寸的確定（1）確定升降液壓缸的內(nèi)徑D和活塞桿直徑d:受力分析如圖3.3所示。(3.12)P2為回油路中的背壓力根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊4》表23.4.4，在輕載節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)中背壓力P2=0.2-0.5Mpa；根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊4》表23.4.5，選取活塞桿直徑d=0.5D。圖3.4升降缸將數(shù)據(jù)代入公式(3.12)有：根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊4》表23.6-33，選取液壓缸內(nèi)徑為：D=32mm。則活塞桿內(nèi)徑為：d=32×0.5=16mm，根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊4》表23.6-34，選取d=16mm。（2）確定小臂伸縮液壓缸的內(nèi)徑D和活塞桿直徑d：液壓缸內(nèi)徑D和活塞桿直徑d的計(jì)算(如圖3.5所示)圖3.5雙作用液壓缸示意圖當(dāng)油進(jìn)入無桿腔:F=P1A1-P2A2，回油路中的壓力P2可忽略不記。(3.13）當(dāng)油進(jìn)入有桿腔中:(3.14）F=926.775N，根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊4》表23.4-2，選擇液壓缸壓力油工作壓力P1=1.0MPa；根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊4》表23.4-4，在輕載節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)中背壓力P2=0.2-0.5Mpa；根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊4》表23.4-5，選取活塞桿直徑d=0.5D。將有關(guān)數(shù)據(jù)代入公式(3.14):根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊4》表23.6-33，選取液內(nèi)徑為:D=40mm活塞桿直徑d=40×0.5=20mm。根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊4》表23.6-34,選取d=20mm?；钊麠U的強(qiáng)度校核：活塞桿的尺寸要滿足活塞(或液壓缸)運(yùn)動的要求和強(qiáng)度要求。對于桿長L大于直徑d的15倍以上，按拉、壓強(qiáng)度計(jì)算：（3.15）設(shè)計(jì)中活塞桿取材料為碳鋼，故=100～120MPa，活塞直徑d=20mm，L=400mm，現(xiàn)在將數(shù)據(jù)代入公式(3.15)進(jìn)行校核。結(jié)論：活塞桿的強(qiáng)度足夠。（3）確定手爪夾緊液壓缸的內(nèi)徑D和活塞桿直徑d．(3.16)根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊4》表23.6-33，選取液壓姑內(nèi)徑為：D=20mm，則活塞桿內(nèi)徑為：d=20×0.5=10mm，根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊4》表23.6-34，選取d=10mm。3.2.3液壓馬達(dá)的排量的計(jì)算（1）手臂擺動液壓馬達(dá)的排量為:(3.17)式中T——液壓馬達(dá)的載荷轉(zhuǎn)矩（N.m）；——液壓馬達(dá)的進(jìn)出口壓力差（Pa）。將T=21.504N.m，P1=1MPa，P2=0.2MPa代入得：故根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊4》p23-17()表23.6-29選擇YMD200擺動液壓馬達(dá)。其理論排量200mL/r，額定壓力14MPa，額定理論轉(zhuǎn)矩445N.m。3.3液壓缸和液壓馬達(dá)所需流量的確定（1）液壓缸工作時所需流量：(3.18)式中A——液壓缸有效作用面積(m2)；V——活塞與缸體的相對速度(m/s)。（2）液壓馬達(dá)的流量：（3.19）式中q——液壓馬達(dá)的排量(m3/r)；nm——液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速(r/s)。根據(jù)公式（3.18）和（3.19）計(jì)算，各執(zhí)行缸所需流量見表3.2。表3.2各執(zhí)行元件工作所需流量執(zhí)行元件名稱工況運(yùn)動速度結(jié)構(gòu)參數(shù)流量（ml/s）大臂升降缸上升0.06m/sA1=0.000804m248.24下降0.06m/sA2=0.000603m236.18小臂伸縮缸伸出0.2m/sA1=0.00126m2252縮回0.2m/sA2=0.000942m2188.4夾緊缸夾緊0.035m/sA=0.000314m210.995擺動缸擺動0.265r/sq=168.892m3/r44.7563.4各液壓缸執(zhí)行元件實(shí)際工作壓力的確定3.4.1液壓缸的實(shí)際工作壓力(3.20)式中F——液壓缸的實(shí)際工作載荷(KN)；P2——回路背壓力(MPa)；（1）升降液壓缸的實(shí)際工作壓力。將前面計(jì)算的數(shù)據(jù)代入公式(3.20)有:啟動加速時:（2）伸縮缸的實(shí)際工作壓力啟動加速時:（3）夾緊缸的實(shí)際工作壓力夾緊時：3.4.2液壓馬達(dá)的實(shí)際工作壓力旳確定（3.21）式中T——液壓馬達(dá)的實(shí)際負(fù)載轉(zhuǎn)矩(N.m)；q——液壓馬達(dá)的排量(m3/r)；P2——回路背壓力(MPa)。3.5液壓元件的選擇3.5.1液壓泵的選擇（1）確定液壓泵的最大工作壓力：（3.22）式中P1是液壓執(zhí)行元件的最高工作壓力，最高壓力是液壓馬達(dá)的壓力，是液壓泵到執(zhí)行元件間的管路損失。由系統(tǒng)圖可知，從泵到升降趕之間串接有一個單向節(jié)流閥和一個換向閥,取=0.5MPa。（2）液壓泵流量的確定：（3.23）式中K是系統(tǒng)泄漏系數(shù)，取K=1.2；是同時動作的執(zhí)行元件的最大總流量。由工況圖看出，系統(tǒng)最大流量發(fā)生在伸縮缸伸出工況,，Q=0.252L/s，同時由于在工作過程中有節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)，還需加上溢流閥的最小溢流量，一般取0.5×l0-4m3/s。（3）選擇液壓泵的規(guī)格為使液壓泵有一定的壓力儲備，所選泵的額定壓力一般要比最大工作壓力大。根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊4》P23-70表23.5-8，選：齒輪泵：CB-B25，Q=25L/min，n=1450r/min，容積效率90%。3.5.2電動機(jī)的選用取電動機(jī)的額定轉(zhuǎn)速n=1430r/min，則泵的實(shí)際流量為：取泵的總效率=0.65，則電動機(jī)的功率：根據(jù)此數(shù)值查電動機(jī)產(chǎn)品樣本，選取Y90S-4電動機(jī)，額定功率P=1.1KW，額定轉(zhuǎn)速n=1400r/min。3.5.3液壓元件的選擇根據(jù)系統(tǒng)中的液體流量和壓力，選擇的液壓元件如表3.3所示。表3.3液壓元件型號表序號元件名稱型號5溢流閥Y-25B6、21二位二通換向閥22E1-10B8、14、18三位四通O型換向閥34E1-25B9、10、15、16單向節(jié)流閥LI-25B11單向順序閥XI-B25B19、20可調(diào)節(jié)流閥L-25B23減壓閥J-25B24節(jié)流閥L-10B25二位三通換向閥23E1-25B26液控單向閥IY-25B7單向閥I-25B4壓力表Y-602濾油器XU-B50X10027壓力繼電器HED203.6液壓系統(tǒng)的性能驗(yàn)算3.6.1液壓系統(tǒng)壓力損失計(jì)算本系統(tǒng)有多個液壓執(zhí)行元件動作回路，其中伸縮缸和升降缸的進(jìn)油管路壓力損失較大。故只分析伸縮缸和升降缸的壓力損失。壓力損失包括沿程壓力損失，管路的局部壓力損失和閥類元件的局部壓力損失。總的壓力損失為:(3.24)1.升降缸的壓力損失（1）沿程壓力損失 此管路長L=1.5m，管徑d=0.006m，快速時通過流量為Q=0.04824L/S，油選用L-HL型礦物油型液壓，油的密度=900kg/m3，運(yùn)動粘度=22x10—6mm/s。油在管路中的實(shí)際流速為：雷諾數(shù)：油在管路中呈層流流動狀態(tài)，其沿程阻力系數(shù)為：沿程壓力損失：（3.25）（2）局部壓力損失局部壓力損失包括管路的局部壓力損失和閥類元件的局部壓力損失，由上面計(jì)算可知V=1.71m/s，油的密度=900kg/m3，根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》P23-25表23.2-3，局部阻力系數(shù)取。(3.26)閥類元件的局部壓力損失：(3.27)式中Qn——閥的額定流量(m3/s)；Q——通過閥的實(shí)際流量(m3/s)；——閥的額定壓力損失(MPa)。參看液壓系統(tǒng)圖，從泵出口到伸縮缸進(jìn)油口，要經(jīng)過單向閥7，電磁換向閥8，單向節(jié)流閥10，單向順序閥11。單向閥7的額定流量為25L/min，額定壓力損失為0.2MPa，電磁換向閥8的額定流量為25L/min，額定壓力損失為0.35MPa，單向節(jié)流閥10的額定流量為25L/min，額定壓力損失為0.3MPa，單向順序闊11的額定流量為25L/min，額定壓力損失為0.3MPa。將以上計(jì)算數(shù)據(jù)代入公式(3.27)，通過各閥的局部壓力損失之和為：將以上計(jì)算數(shù)據(jù)代入公式(4.1)，總的壓力損失為：液壓泵的出口壓力為：2.伸縮缸的壓力損失（1）沿程壓力損失 此管路長L=1.5m，管徑d=0.01m，快速時通過流量為Q=0.252L/S，油選用L-HL型礦物油型液壓，油的密度=900kg/m3，運(yùn)動粘度=22x10—6mm/s。油在管路中的實(shí)際流速為：雷諾數(shù)：油在管路中呈層流流動狀態(tài)，其沿程阻力系數(shù)為:沿程壓力損失：（2）局部壓力損失局部壓力損失包括管路的局部壓力損失和閥類元件的局部壓力損失，由上面計(jì)算可知V=3.21m/s，油的密度=900kg/m3，根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》P23-25表23.2-3，局部阻力系數(shù)取。閥類元件的局部壓力損失：參看液壓系統(tǒng)圖，從泵出口到伸縮缸進(jìn)油口，要經(jīng)過單向閥7，電磁換向閥18，節(jié)流閥19。單向閥7的額定流量為25L/min，額定壓力損失為0.2MPa，電磁換向閥18的額定流量為25L/min，額定壓力損失為0.35MPa，節(jié)流閥19的額定流量為25L/min，額定壓力損失為0.3MPa。將以上計(jì)算數(shù)據(jù)代入公式(3.27)，通過各閥的局部壓力損失之和為：將以上計(jì)算數(shù)據(jù)代入公式(3.24)，總的壓力損失為：液壓泵的出口壓力為：由計(jì)算結(jié)果來看，泵的實(shí)際出口壓力距泵的額定壓力還有一定的壓力裕度，所選泵是合適的。由于泵的實(shí)際出口壓力要比以上計(jì)算值小一些，故綜合考慮各工況的需要，確定系統(tǒng)的最高工作壓力為0.95MPa。3.6.2液壓系統(tǒng)發(fā)熱溫升計(jì)算1.液壓系統(tǒng)發(fā)熱功率的計(jì)算液壓系統(tǒng)的功率損失全部轉(zhuǎn)化為熱量。發(fā)熱功率計(jì)算如下：（3.28）對本系統(tǒng)來說，Pr是整個工作循環(huán)中泵的總輸入功率，Pc是輸出的有效功率。（3.29）式中P、Q、——泵的實(shí)際輸出壓力、流量、效率；T——系統(tǒng)工作周期(S)；t——泵的工作時間(S)。由系統(tǒng)分析可知，系統(tǒng)的工作周期和泵的工作時間是相同的，即T=t，泵的實(shí)際工作壓力就等于溢流閥的設(shè)定壓力，即P=0.95MPa，泵的實(shí)際流量Q=21.74L/min。代人上式(3.29)得：求系統(tǒng)的輸出有效功率：（3.30）式中n、m——分別為液壓缸、液壓馬達(dá)的數(shù)量；——液壓缸外載荷及驅(qū)動此載荷的行程(N、m)；——液壓馬達(dá)的外載轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、工作時間(N.m、rad/s、s)。由前面計(jì)算結(jié)果所得的工況圖和給定參數(shù)可知：T=51.08S；升降缸的外載荷為583.032N，升降行程0.3×2m；伸縮缸的外載荷為926.775N,伸縮行程0.4×2m；夾緊缸的外載荷為255.686N，行程0.05m；手臂擺動缸的外載轉(zhuǎn)矩為21.504N.m，轉(zhuǎn)速為1.67rad/s，工作時間為7.54s。代入公式(3.30)得：將計(jì)算數(shù)據(jù)代入公式(3.28)有總發(fā)熱功率為：2.液壓系統(tǒng)散熱功率的計(jì)算液壓系統(tǒng)的散熱渠道主要是油箱表面，管路散熱很小，在此就不作考慮。按下式來初步確定油箱的有效容積：式中QV——液壓泵每分鐘排出壓力油的容積(m3)；a——經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，參見《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊4》P23-54表23.4-11，a=3。一般油面的高度為油箱高的0.8倍,由公式（3.31）求油箱各邊之和：取a為0.4m，b為0.235m，h為1m，求得油箱的散熱面積為：則油箱的散熱功率為：(3.32)式中K1——油箱的散熱系數(shù)，查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊4》P23-56表23.4-12，取Kl=17W/(m2.℃)；——油溫與環(huán)境溫度之差，根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊4》P23-56表23.4-14，取=25℃。將數(shù)據(jù)代人公式(3.32)得：由此可見，油箱的散熱遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足系統(tǒng)散熱的要求。3.7本章小結(jié)本小節(jié)對大臂升降缸、大臂擺動缸、小臂伸縮缸、夾緊缸進(jìn)行了受力分析，算出了液壓執(zhí)行元件的載荷。根據(jù)算出的載荷，確定出液壓缸的內(nèi)徑、活塞桿的直徑和執(zhí)行元件的流量。對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了分析，選擇液壓系統(tǒng)所需的液壓元件型號，并驗(yàn)算了液壓系統(tǒng)的性能。

4搬運(yùn)用機(jī)械手PLC控制方案4.1可編程控制器(PLC)概述4.1.1可編程控制器的概述ProgrammableLogicalController簡稱為PLC。但近年來，PLC采用微處理器作為中央處理單元，不僅有邏輯控制功能，還有算術(shù)運(yùn)算、模擬量處理甚至通信聯(lián)網(wǎng)功能，正確應(yīng)稱為PC，但為了與個人計(jì)算機(jī)有所區(qū)別，仍稱為PLC。PLC有以下幾大優(yōu)點(diǎn)：可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)

高可靠性是電氣控制設(shè)備的關(guān)鍵性能。PLC由于采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術(shù)，采用嚴(yán)格的生產(chǎn)工藝制造，內(nèi)部電路采取了先進(jìn)的抗干擾技術(shù)，具有很高的可靠性。配套齊全，功能完善，適用性強(qiáng)

PLC發(fā)展到今天，已經(jīng)形成了大、中、小各種規(guī)模的系列化產(chǎn)品?？梢杂糜诟鞣N規(guī)模的工業(yè)控制場合。除了邏輯處理功能以外，現(xiàn)代PLC大多具有完善的數(shù)據(jù)運(yùn)算能力，可用于各種數(shù)字控制領(lǐng)域。近年來PLC的功能單元大量涌現(xiàn)，使PLC滲透到了位置控制、溫度控制、CNC等各種工業(yè)控制中。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、建造工作量小，維護(hù)方便，容易改造

PLC用存儲邏輯代替接線邏輯，大大減少了控制設(shè)備外部的接線，使控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及建造的周期大為縮短，同時維護(hù)也變得容易起來。更重要的是使同一設(shè)備經(jīng)過改變程序改變生產(chǎn)過程成為可能。這很適合多品種、小批量的生產(chǎn)場合。體積小，重量輕，能耗低

以超小型PLC為例，新近出產(chǎn)的品種底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗僅數(shù)瓦。由于體積小很容易裝入機(jī)械內(nèi)部，是實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化的理想控制設(shè)備。4.1.2可編程控制器系統(tǒng)組成可編程控制器雖然種類眾多，但是其主要是由電源、存儲器、中央處理單元、專門的輸入輸出接口等組成，并且其基本的工作原理都是將輸入/輸出的物理量通過一定的算法加以實(shí)現(xiàn)，以便實(shí)現(xiàn)其工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用?？删幊炭刂破鞯慕Y(jié)構(gòu)圖如圖4.1所示，可編程控制器的外觀圖如圖4.2所示(以S7-200為例)。圖4.1PLC結(jié)構(gòu)圖圖4.2PLC外觀圖可編程控制器的各個組成部分如下所示：1.中央處理單元（CPU）中央處理單元（CPU）由集成在同一個芯片內(nèi)的運(yùn)算器、控制器及寄存器組成，并通過地址總線、數(shù)據(jù)總線與控制總線實(shí)現(xiàn)與輸入/輸出接口及存儲器的連接。2.存儲器可編程控制器分為：只讀存儲器、隨機(jī)存取存儲器、可電擦除的只讀存儲器與可編程的只讀存儲器四種，其存儲器結(jié)構(gòu)由用戶存儲器與系統(tǒng)存儲器組成。用戶存儲器由用戶數(shù)據(jù)存儲器及用戶程序存儲器組成。前者用于存放用戶程序中所用原件的數(shù)據(jù)、數(shù)值等信息；后者用于存放使用可編程控制器針對不同的命令所編寫的用戶程序。系統(tǒng)存儲器主要由系統(tǒng)管理程序、用戶指令解釋程序、標(biāo)準(zhǔn)程序與系統(tǒng)調(diào)用組成。其中系統(tǒng)管理程序的質(zhì)量對可編程控制器的性能的好壞起決定性作用。該存儲器用于存放可編程控制器的系統(tǒng)程序，并且用戶無法直接更改固化在只讀存儲器內(nèi)的系統(tǒng)程序。4.輸入/輸出模塊輸入模塊和輸出模塊都是由接口電路和映像寄存器兩部分組成。前者主要用于處理數(shù)字量、模擬量等輸入信號，并對其進(jìn)行轉(zhuǎn)換、隔離、濾波等處理，并將其平穩(wěn)地傳輸至可編程控制器內(nèi)部。而后者主要用于將程序的運(yùn)算結(jié)果傳輸至可編程控制器的外部。除此之外，該模塊還有隔離可編程控制器外部元件與內(nèi)部電路及放大功率的作用。5.電源可編程控制器外部電源為220V的交流電源，而可編程控制器的內(nèi)部元件則使用5V、12V、24V的直流電源。6.接口模塊通過接口模塊可以把可編程控制器的基本元件與其功能模塊連接起來，以實(shí)現(xiàn)對不同系統(tǒng)的控制，從而使可編程控制器配置更加靈活。7.通信接口利用通信接口可編程控制器可實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)、打印機(jī)或者其他可編程控制器等之間的連接，從而實(shí)現(xiàn)人機(jī)對話。8.編程器編程器供用戶用于程序的編輯、調(diào)試、監(jiān)視等操作，分為智能型和簡易型兩類。前者不僅可以實(shí)現(xiàn)聯(lián)機(jī)的程序編制還支持脫機(jī)操作，同時還具備圖形顯示和對話功能。9.其他部分一部分可編程控制器還具有存儲器、寫入器等外部的設(shè)備。4.2PLC的選型迄今為止國內(nèi)外生產(chǎn)可編程控制器的企業(yè)有兩百多個，但總體來講比較具有規(guī)模的主要有以下這些：美國的通用、AB公司、德國的西門子公司、日本的歐姆龍、三菱公司、韓國的LG、三星公司及法國的TE公司等。本文中選用的是德國西門子公司生產(chǎn)的小型S7-200可編程控制器，S7-200系列是性價比較高的小型可編程控制器，其功能十分強(qiáng)大，甚至達(dá)到了大中型可編程控制器的水平。特別是其中的S7-200CPU22系列可編程控制器，不僅系統(tǒng)集成方便，而且可輕松的組建可編程控制器網(wǎng)絡(luò)，還具有許多功能模塊及人機(jī)對話界面可供挑選。除此之外，其功能齊備的編程和控制組態(tài)軟件使該系列的可編程控制器能夠更加簡單快捷的完成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并且通信能力強(qiáng)，基本上可以完成所有的控制任務(wù)。S7-200CPU22系列可編程控制器具有以下五類結(jié)構(gòu)不同的配置單元：S7-200CPU221可編程控制器：共10點(diǎn)，6點(diǎn)輸入/4點(diǎn)輸出，無擴(kuò)展功能；S7-200CPU222可編程控制器：共14點(diǎn)，8點(diǎn)輸入6點(diǎn)輸出，能夠完成一定模擬量的控制及兩個模塊的擴(kuò)展功能；S7-200CPU224可編程控制器：共24點(diǎn)，14點(diǎn)輸入/10點(diǎn)輸出，能夠完成七個模塊的擴(kuò)展功能，并且具有內(nèi)置的時鐘；S7-200CPU226可編程控制器：共40點(diǎn)，24點(diǎn)輸入/16點(diǎn)輸出，通信口數(shù)量更多，與此同時通信能力更加強(qiáng)大；S7-200CPU226XM可編程控制器：共40點(diǎn)，24點(diǎn)輸入/16點(diǎn)輸出，在數(shù)據(jù)的存儲容量上有了更大的擴(kuò)展?；诒疚闹兴O(shè)計(jì)的可編程控制器22點(diǎn)輸入8點(diǎn)輸出的情況，選用德國西門子公司的S7-200系列的CPU226型可編程控制器。4.3機(jī)械手的動作要求及控制過程

本機(jī)械手用于生產(chǎn)線上小型工件的自動搬運(yùn)，其結(jié)構(gòu)如圖4.3所示。要執(zhí)行的詳細(xì)動作為：（1）原點(diǎn)（2）伸出（3）下降（4）夾緊（5）上升（6）右轉(zhuǎn)（7）下降（8）放松（9）上升（10）左轉(zhuǎn)（11）縮回（12）原點(diǎn)，完成一個工作循環(huán)如圖5.3所示。圖4.3機(jī)械手的動作過程當(dāng)機(jī)械手工作時，機(jī)械手在上限、左限，即滿足原點(diǎn)啟動條件，然后按下啟動按鈕，機(jī)械手開始工作，當(dāng)光電開關(guān)檢測到工件時，機(jī)械手伸出，伸出到右限位時，右限位開關(guān)閉合，機(jī)械手下降，下降到下限位時，機(jī)械手夾緊工件，然后手機(jī)械手上升，上升到上限位，機(jī)械手右轉(zhuǎn)，右轉(zhuǎn)到右轉(zhuǎn)限位處，機(jī)械手下降，下降到下限位處，機(jī)械手松開工件，同時等待20秒，然后機(jī)械手上升，上升到上限位處，機(jī)械手左轉(zhuǎn)，左轉(zhuǎn)到左轉(zhuǎn)限位處，機(jī)械手縮回，縮回到左限位處，此時回到原點(diǎn)，開始下一個循環(huán)。4.4PLC的I/O分配表表4.1I/O分配表名稱輸入名稱輸出光電開關(guān)SQ1I0.0松開電磁閥YV1Q0.0夾緊開關(guān)SQ2I0.1夾緊電磁閥YV2Q0.1上限位行程開關(guān)SQ3I0.2上升電磁閥YV3Q0.2下限位行程開關(guān)SQ4I0.3下降電磁閥YV4Q0.3左轉(zhuǎn)限位行程開關(guān)SQ5I0.4左轉(zhuǎn)電磁閥YV5Q0.4右轉(zhuǎn)限位行程開關(guān)SQ6I0.5右轉(zhuǎn)電磁閥YV6Q0.5左移限位行程開關(guān)SQ7I0.6左移電磁閥YV7Q0.6右移限位行程開關(guān)SQ8I0.7右移電磁閥YV8Q0.7松開按鈕SB1I1.0泵Q1.0夾緊按鈕SB2I1.1上升按鈕SB3I1.2下降按鈕SB4I1.3左轉(zhuǎn)按鈕SB5I1.4右轉(zhuǎn)按鈕SB6I1.5縮回按鈕SB7I1.6伸出按鈕SB8I1.7啟動按鈕SB9I2.0續(xù)表4.1I/O分配表名稱輸入名稱輸出停止按鈕SB10I2.1回原點(diǎn)操作方式選擇開關(guān)SA1-1I2.2手動操作方式選擇開關(guān)SA1-2I2.3單周期操作方式選擇開關(guān)SA1-3I2.4連續(xù)操作方式選擇開關(guān)SA1-4I2.54.5設(shè)計(jì)電氣控制原理圖4.5.1主電路設(shè)計(jì)根據(jù)任務(wù)書的設(shè)計(jì)要求和總體方案，繪制出的主電路如圖4.4所示。泵的電機(jī)M1由接觸器KM控制，由熱繼電器FR1實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)，由斷路器QF1實(shí)現(xiàn)電機(jī)的短路保護(hù)、電源開關(guān)控制，用一個電壓表V監(jiān)測電網(wǎng)供電電壓，用一個電流表A來監(jiān)測系統(tǒng)的電流。圖4.4主電路圖4.5.2控制電路設(shè)計(jì)PLC電源采用交流220V供電，直流輸入，繼電器輸出。所有負(fù)載全部采用交流220V驅(qū)動。根據(jù)控制對象、控制面板和輸入/輸出繼電器地址分配表繪制控制系統(tǒng)電路圖如圖4.5所示。熔斷器FUO-FU2和急停按鈕SB11用于電路保護(hù)。為了盡可能減少PLC點(diǎn)數(shù)、簡化電路，將閥的驅(qū)動線圈與對應(yīng)指示燈并聯(lián)在同一輸出點(diǎn)上。圖4.5系統(tǒng)控制電路4.5.3輔助電路設(shè)計(jì)根據(jù)電路要求，電機(jī)必須有各自的工作指示燈，但為了盡可能不占或減少占用PLC點(diǎn)數(shù)，可將指示燈由其接觸器的輔助觸頭控制，如圖4.6所示。圖4.6系統(tǒng)輔助電路4.6機(jī)械手的控制梯形圖4.6.1手動操作方式初始時，機(jī)械手在上限（I0.2=1）、左限（I0.6=1）處。在梯形圖中，有四種操作方式，即手動操作方式、單周期操作方式、連續(xù)操作方式、回原點(diǎn)操作方式，通過使用跳轉(zhuǎn)指令JMP-LBL將這些操作方式的梯形圖分開。梯形圖中的I2.3常閉接點(diǎn)斷開，執(zhí)行JMP1-LBL1之間的回原位梯形圖，如圖4.7。圖4.7跳轉(zhuǎn)控制梯形圖程序啟動時，按下啟動按鈕I2.0，線圈Q1.0得電，形成自鎖，啟動泵。當(dāng)操作方式選擇為手動操作方式時，通過按鈕來控制機(jī)械手的運(yùn)動。在網(wǎng)絡(luò)3中，當(dāng)按下松開按鈕I1.0時，此時夾緊開關(guān)I0.1若接通（即機(jī)械手有夾緊物塊），則松開電磁閥Q0.0得電，機(jī)械手松開。在網(wǎng)絡(luò)4中，當(dāng)按下夾緊按鈕I1.1時，夾緊開關(guān)I0.1進(jìn)行檢測此時機(jī)械手是否夾緊有物塊，若夾緊開關(guān)I0.1斷開，說明此時機(jī)械手沒有夾緊物塊，則夾緊電磁閥Q0.1得電，機(jī)械手夾緊物塊。在網(wǎng)絡(luò)3和網(wǎng)絡(luò)4中，由于機(jī)械手夾緊和放松不能同時進(jìn)行，所用使用松開按鈕I1.0和夾緊按鈕I1.1進(jìn)行互鎖。當(dāng)I0.2和I1.3閉合時，按下按鈕I1.2，Q0.2得電，機(jī)械手上升；當(dāng)I0.3和I1.2閉合時，按下按鈕I1.3，Q0.3得電，機(jī)械手下降。其他手動梯形圖原理如上所述，網(wǎng)絡(luò)5是機(jī)械手上升的動作，網(wǎng)絡(luò)6是機(jī)械手下降的動作，網(wǎng)絡(luò)7是機(jī)械手左轉(zhuǎn)的動作，網(wǎng)絡(luò)8是機(jī)械手右轉(zhuǎn)的動作，網(wǎng)絡(luò)9是機(jī)械手伸出的動作，網(wǎng)絡(luò)10是機(jī)械手縮回的動作。圖4.8手動模式梯形圖程序4.6.2單周期操作方式和連續(xù)操作方式初始時，機(jī)械手在上限（I0.2=1）、左限（I0.6=1）處。選擇開關(guān)打到單周期或者連續(xù)工作位置，I2.4或I2.5輸入端接通，梯形圖中的I2.4或I2.5常開接點(diǎn)閉合，JMP1-LBL1之間的手動工作梯形圖被跳過。梯形圖中的I2.4或I2.5常閉接點(diǎn)斷開，執(zhí)行JMP2-LBL2之間的回原位梯形圖。啟動時，按下啟動按鈕I2.0，選擇單周期或者連續(xù)操作方式。初始狀態(tài)步S0.0置位，當(dāng)M0.0線圈得電S0.0復(fù)位，S0.1置位。Q0.7得電，機(jī)械手伸出，伸出后，右移限位開關(guān)I0.7動作，轉(zhuǎn)移到S0.2狀態(tài)步。Q0.3得電，機(jī)械手下降，下降到下限位，I0.3動作，轉(zhuǎn)移到S0.3狀態(tài)步。Q0.1得電，機(jī)械手夾緊物塊，夾緊開關(guān)I0.1動作，轉(zhuǎn)移到S0.4狀態(tài)步。Q0.2得電，機(jī)械手上升，上升到上限位，I0.2動作，轉(zhuǎn)移到S0.5狀態(tài)步。圖4.9機(jī)械手工作狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖Q0.5得電，機(jī)械手右轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)到右轉(zhuǎn)限位開關(guān)處，I0.5動作，轉(zhuǎn)移到S0.6狀態(tài)步。Q0.3得電，機(jī)械手下降，下降到下限位，I0.3動作，轉(zhuǎn)移到S0.7狀態(tài)步。Q0.0得電，機(jī)械手放松，手指松開后，夾緊限位開關(guān)I0.1常閉接點(diǎn)斷開，轉(zhuǎn)移到S1.0狀態(tài)步，且計(jì)時器T37開始計(jì)時。Q0.2得電，機(jī)械手上升，上升到上限位開關(guān)處，I0.2動作，轉(zhuǎn)移到S1.1狀態(tài)步。Q0.4得電，機(jī)械手左轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)到左轉(zhuǎn)限位開關(guān)處，I0.4動作，轉(zhuǎn)移到S1.2狀態(tài)步。Q0.6得電，機(jī)械手縮回，縮回到左限位開關(guān)處，I0.6動作，如果光電開關(guān)檢測到物塊，在連續(xù)工作方式下I2.5接點(diǎn)閉合時轉(zhuǎn)移到S0.1狀態(tài)步，抓取下一個物塊。在單周期工作方式下I2.4接點(diǎn)閉合，轉(zhuǎn)移到S0.0狀態(tài)步，結(jié)束。在連續(xù)工作方式下I2..5接點(diǎn)閉合，轉(zhuǎn)移S0.1狀態(tài)步，繼續(xù)執(zhí)行。圖4.10連續(xù)模式梯形圖程序4.6.3回原點(diǎn)操作方式選擇開關(guān)打到回原點(diǎn)位置，I2.2輸入端接通，梯形圖中的I2.2常開接點(diǎn)閉合，JMP1-LBL1之間的手動工作梯形圖被跳過，JMP2-LBL2之間的連續(xù)和單周期的工作梯形圖也被跳過。梯形圖中的I2.2常閉接點(diǎn)斷開，執(zhí)行JMP3-LBL3之間的回原位梯形圖。如圖4.11所示，I2.2的上升沿使Q0.0-Q0.7復(fù)位一下。此時，如果機(jī)械手不在上限位，則IO.2常閉接點(diǎn)閉合，Q0.2得電，機(jī)械手先上升，上升到上限位，IO.2常閉接點(diǎn)斷開，Q0.2失電，IO.2常開接點(diǎn)閉合，Q0.6得電，機(jī)械手回到原位，限位開關(guān)IO.6動作，IO.6常閉接點(diǎn)斷開，Q0.6失電，機(jī)械手回到原位停止。圖4.11回原點(diǎn)模式梯形圖程序4.7本章小結(jié)本小節(jié)介紹了可編程控制器的組成并對中央處理器、存儲器、輸入/輸出模塊、電源、接口模塊等功能加以說明。在比較PLC不同型號特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)搬運(yùn)用機(jī)械手控制要求選擇了德國西門子公司生產(chǎn)的S7-200系列CPU226型可編程控制器。隨后對搬運(yùn)機(jī)械手控制系統(tǒng)的輸入、輸出進(jìn)行了I/O配置，并設(shè)計(jì)了PLC電氣接線圖、控制面板，設(shè)計(jì)調(diào)試了控制程序。5總結(jié)首先，本文根據(jù)設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)了機(jī)械手的液壓驅(qū)動系統(tǒng)。然后對機(jī)械手的液壓驅(qū)動系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算和選擇了各驅(qū)動元件的缸徑、行程以及系統(tǒng)的配件型號。并對選型后的液壓系統(tǒng)進(jìn)行了性能驗(yàn)算。最后，根據(jù)機(jī)械手的控制要求和液壓系統(tǒng)選擇PLC的型號，并設(shè)計(jì)PLC接線電路、操作面板和控制程序。本論文結(jié)論如下：本論文設(shè)計(jì)了由一個旋轉(zhuǎn)運(yùn)動和兩個直線運(yùn)動的三自由度的搬運(yùn)用液壓機(jī)械手。機(jī)械手動作由四個液壓缸完成，設(shè)計(jì)了液壓缸的回路圖、控制液壓缸動作的電磁鐵動作表，并對液壓控制的原理