PLC控制的通用翻轉(zhuǎn)機械手的設(shè)計說明

./目錄1緒論………………51.1前言………………51.2工業(yè)機械手在生產(chǎn)中的應(yīng)用……………………71.3機械手的組成……………………81.3.1執(zhí)行機構(gòu)…………………81.3.2驅(qū)動機構(gòu)……………91.3.3控制系統(tǒng)分類………92總體布局設(shè)計方案…………………92.1機械手的確定………………92.2驅(qū)動機構(gòu)的選擇……………………102.3機械手的技術(shù)參數(shù)列表…………………113機械手手部的設(shè)計計算…………113.1手部設(shè)計時應(yīng)注意的問題…………………113.2典型的手部結(jié)構(gòu)……………113.3機械手手部結(jié)構(gòu)及驅(qū)動的設(shè)計計算………123.3.1選擇手部的類型及夾緊裝置………123.3.2手指夾緊力及液壓缸驅(qū)動力的計算液壓缸的選用………………123.4機械手手指部的設(shè)計計算………………143.4.1齒輪齒條傳動機構(gòu)的設(shè)計計算…………………143.4.2手指指部的設(shè)計計算……………183.4.3手指指部齒輪安裝銷的設(shè)計計算………………184機械手腕部的設(shè)計計算…………184.1機械手腕部結(jié)構(gòu)及運動分析……………184.2機械手腕部驅(qū)動裝置的設(shè)計計算及選用………………185機械手臂部的設(shè)計及有關(guān)計算…………………205.1臂部設(shè)計時應(yīng)注意的問題………………205.2手臂的典型結(jié)構(gòu)以及結(jié)構(gòu)的選擇………205.3手臂Z方向升降運動的受力分析及其計算……………215.4手臂Z方向升降運動液壓缸結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計計算及選用……………236機身的設(shè)計…………………246.1機身的概述……………246.2機身設(shè)計時應(yīng)注意的問題……………247液壓元件及動力機的設(shè)計選擇………………257.1液壓泵的選擇……………257.2動力機選擇……………257.3油管的設(shè)計………………267.4油箱的設(shè)計………………267.5液壓元件的選擇…………267.6液壓油的選用…………288液壓系統(tǒng)的驗算………………298.1壓力損失的驗算…………298.1.1回路壓力損失的驗算……………298.1.2局部壓力損失驗算……………298.2計算液壓系統(tǒng)的發(fā)熱溫升………………309可編程控制器PLC………………319.1PLC簡介……………………319.2PLC部原理………………339.3PLC工作元原理………359.4PLC機型的選擇……………3810PLC工作控制過程簡述………39結(jié)束語…………40參考文獻……………41致…………………42附錄…………………42PLC控制的通用翻轉(zhuǎn)機械手的設(shè)計學(xué)生：斌指導(dǎo)老師：周光永〔農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院,410128摘要：機械手是機器人的操作機,是機器人完成各種任務(wù)的執(zhí)行機構(gòu)。本文主要針對生產(chǎn)線上的自動化設(shè)計了一個三個自由度的通用翻轉(zhuǎn)機械手。為實現(xiàn)機械手的動作要求,該設(shè)計采用兩個活塞式液壓缸和一個擺動液壓缸,活塞式液壓缸一個用來驅(qū)動齒條式機械手的合來抓住物體,一個用來實現(xiàn)物體的移動；擺動式液壓缸用來實現(xiàn)機械手的翻轉(zhuǎn),并采用PLC控制液壓電磁閥工作實現(xiàn)機械手的自動動作。關(guān)鍵詞：PLC控制；液壓驅(qū)動；翻轉(zhuǎn)；機械手TheDesignOfTurningManipulatorBasedOnPLCControlStudent:ChenBinTutor:ZhouGuangyong<CollegeofEngineering,HunanAgriculturalUniversity,Changsha410128,China>Abstract:Robotmanipulatoristheoperatorwhodirectstherobotincompletingvarioustasks.Thisarticlefocusesontheautomationoftheproductionlinedesignedgenericflipofathree-design-of-freedomrobot.Actionsrequirementsforachieveingthemanipulator.Thedesignusestwopistonhydrauliccylindersandarotaryactuator.Pistonhydrauliccylinderisusedtodrivearackrobotsheetstogethertograspobjects,oneforthemovementofobjiect.Theswininghydrauliccylinderusedtoachevetheroboticflip.AndhydraulicsolenoidvalveiscontrolledbyPLCautomaticactionoftherobot.Keywords:PLCcontrol；hydraulicdrive;flip;Manipulator1緒論1.1前言在當今大規(guī)模制造業(yè)中,企業(yè)為提高生產(chǎn)效率,保障產(chǎn)品質(zhì)量,普遍重視生產(chǎn)過程的自動化程度,工業(yè)機器人作為自動化生產(chǎn)線上的重要成員,逐漸被企業(yè)所認同并采用。工業(yè)機器人的技術(shù)水平和應(yīng)用程度在一定程度上反映了一個國家工業(yè)自動化的水平,目前,工業(yè)機器人主要承擔著焊接、噴涂、搬運以及堆垛等重復(fù)性并且勞動強度極大的工作,工作方式一般采取示教再現(xiàn)的方式。20世紀50年代以后﹐機械手逐步推廣到工業(yè)生產(chǎn)部門﹐用于在高溫﹑污染嚴重的地方取放工件和裝卸材料﹐也作為機床的輔助裝置在自動機床﹑自動生產(chǎn)線和加工中心中應(yīng)用﹐完成上下料或從刀庫中取放刀具并按固定程序更換刀具等作。機械手主要由手部機構(gòu)和運動機構(gòu)組成。手部機構(gòu)隨使用場合和作對象而不同﹐常見的有夾持﹑托持和吸附等類型。運動機構(gòu)一般由液壓﹑氣動﹑電氣裝置驅(qū)動。機械手可獨立地實現(xiàn)伸縮﹑旋轉(zhuǎn)和升降等運動﹐一般有2～3個自由度。機械手廣泛用于機械制造﹑冶金﹑輕工和原子能等部門。能模仿人手和臂的某些動作功能,用以按固定程序抓取、搬運對象或作工具的自動作裝置。它可代替人的繁重勞動以實現(xiàn)生產(chǎn)的機械化和自動化,能在有害環(huán)境下作以保護人身安全,因而廣泛應(yīng)用于機械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。針對這一問題,本文將設(shè)計一臺四自由度的工業(yè)機器人,用于移置軸類零件。首先,本文將設(shè)計機器人的伸縮臂、機身、橫移液壓缸和機械手的結(jié)構(gòu),然后選擇合適的傳動方式、驅(qū)動方式,搭建機器人的結(jié)構(gòu)平臺；在此基礎(chǔ)上,本文還將設(shè)計該機器人的液壓控制系統(tǒng)。機器人工程是近二十多年來迅速發(fā)展起來的綜合學(xué)科。它集中了機械工程、電子工程、計算機工程、自動化控制工程以及人工智能等多種學(xué)科的最新研究成果,是當代科學(xué)技術(shù)發(fā)展最活躍的領(lǐng)域之一,也是我國高科技跟蹤國際發(fā)展的重要方面。工業(yè)機器人的研究、制造和應(yīng)用水平,是一個國家科技發(fā)展和經(jīng)濟實力的象征,正受到許多國家的廣泛重視。目前,機器人的定義,世界各位尚未統(tǒng)一,分類也不近相同。最近聯(lián)合國組織標準化組織采納了美國機器人協(xié)會給工業(yè)機器人下的定義：工業(yè)機器人是一種可重復(fù)編程的多功能操作裝置,可以通過改變動作程序來完成各種工作,主要應(yīng)用于搬運材料,傳遞工件。參考國外的定義,綜合我國的習(xí)慣用語,對工業(yè)機器人做如下定義：工業(yè)機器人是一種機體獨立,動作自由度較多,程序可靈活變更,能任意定位,自動化程度高的自動操作機械。主要用于加工自動線和柔性制造系統(tǒng)中傳遞和裝卸工件或夾具。工業(yè)機器人以剛性高的手臂為主題,與人相比,可以有更快的運動速度,可以搬運更重的東西,而且定位精度相當高。它可以根據(jù)外補來的信號自動進行操作。工業(yè)機器人的發(fā)展,由簡單到復(fù)雜,由初級到高級逐步完善,它的發(fā)展階段可分為三代：第一代機器人就是現(xiàn)在工業(yè)量使用的示教再現(xiàn)型工業(yè)機器人,它主要由手部、臂部、驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。它的控制方式比較簡單,應(yīng)用在線編程,即通過示教存儲信息,工作是讀取這些信息,向執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出指令,執(zhí)行機構(gòu)按指令再現(xiàn)示教的操作。第二代機器人是帶感覺的機器人。它具有尋力覺、嗅覺、視覺等進行反饋能力。其控制方式較第一代要復(fù)雜的多,這種機器人從1980年開始進入實驗階段,不久將普及應(yīng)用。第三代機器人即智能機器人。這種機器人除了嗅覺、視覺等功能外,還能夠根據(jù)人給出的指令認識自身或周圍的環(huán)境,識別狀態(tài)的有無及其狀態(tài),再根據(jù)這一識別自動選擇程序進行操作,完成規(guī)定的任務(wù),并且能跟蹤工作對象的變化具有使用工作環(huán)境的功能。這種機器人還處于試驗階段,尚未大量投入實用?；谝簤嚎刂频囊浦脵C械手的設(shè)計有以下幾個主要容：1>設(shè)計計算各非標準零部件及選用標準件2>測繪各零部件圖3>設(shè)計并繪制PLC和液壓系統(tǒng)控制圖4>編寫機械手的設(shè)計計算說明書1.2工業(yè)機械手在生產(chǎn)中的應(yīng)用機械手是工業(yè)自動控制領(lǐng)域中經(jīng)常遇到的一種控制對象。機械手可以完成許多工作,如搬運、裝配、切割、噴染等等,應(yīng)用非常廣泛。在現(xiàn)代工業(yè)中,生產(chǎn)過程中的自動化已成為突出的主題。各行各業(yè)的自動化水平越來越高,現(xiàn)代化加工車間,常配有機械手,以提高生產(chǎn)效率,完成工人難以完成的或者危險的工作?？稍跈C械工業(yè)中,加工、裝配等生產(chǎn)很大程度上不是連續(xù)的。據(jù)資料介紹,美國生產(chǎn)的全部工業(yè)零件中,有75%是小批量生產(chǎn)；金屬加工生產(chǎn)批量中有四分之三在50件以下,零件真正在機床上加工的時間僅占零件生產(chǎn)時間的5%。從這里可以看出,裝卸、搬運等工序機械化的迫切性,工業(yè)機械手就是為實現(xiàn)這些工序的自動化而產(chǎn)生的。目前在我國機械手常用于完成的工作有：注塑工業(yè)中從模具中快速抓取制品并將制品傳誦到下一個生產(chǎn)工序；機械手加工行業(yè)中用于取料、送料；澆鑄行業(yè)中用于提取高溫熔液等等。本文以能夠?qū)崿F(xiàn)這類工作的搬運機械手為研究對象。下面具體說明機械手在工業(yè)方面的應(yīng)用。1.3機械手的組成要機械手像人一樣拿取東西,最簡單的基本條件是要有一套類似于指、腕、臂、關(guān)節(jié)等部分組成的抓取和移動機構(gòu)——執(zhí)行機構(gòu)；像肌肉那樣使手臂運動的驅(qū)動－傳動系統(tǒng)；像大腦那樣指揮手動作的控制系統(tǒng)。這些系統(tǒng)的性能就決定了機械手的性能。一般而言,機械手通常就是由執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動－傳動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)這三部分組成,如下圖1：圖1機械手的組成Figure1:ThepictureofManipulator'scomposition1.3.1執(zhí)行機構(gòu)〔1手部既直接與工件接觸的部分,一般是回轉(zhuǎn)型或平動型〔多為回轉(zhuǎn)型,因其結(jié)構(gòu)簡單。手部多為兩指〔也有多指；根據(jù)需要分為外抓式和抓式兩種；也可以用負壓式或真空式的空氣吸盤〔主要用于吸冷的,光滑表面的零件或薄板零件和電磁吸盤。傳力機構(gòu)形式教多,常用的有：滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜槭杠桿式、齒輪齒條式、絲杠螺母式、彈簧式和重力式?！?腕部是連接手部和臂部的部件,并可用來調(diào)節(jié)被抓物體的方位,以擴大機械手的動作圍,并使機械手變的更靈巧,適應(yīng)性更強。手腕有獨立的自由度。有回轉(zhuǎn)運動、上下擺動、左右擺動。一般腕部設(shè)有回轉(zhuǎn)運動再增加一個上下擺動即可滿足工作要求,有些動作較為簡單的專用機械手,為了簡化結(jié)構(gòu),可以不設(shè)腕部,而直接用臂部運動驅(qū)動手部搬運工件。目前,應(yīng)用最為廣泛的手腕回轉(zhuǎn)運動機構(gòu)為回轉(zhuǎn)液壓〔氣缸,它的結(jié)構(gòu)緊湊,靈巧但回轉(zhuǎn)角度小〔一般小于2700,并且要求嚴格密封,否則就難保證穩(wěn)定的輸出扭距。因此在要求較大回轉(zhuǎn)角的情況下,采用齒條傳動或鏈輪以及輪系結(jié)構(gòu)?！?臂部手臂部件是機械手的重要握持部件。它的作用是支撐腕部和手部〔包括工作或夾具,并帶動他們做空間運動。臂部運動的目的：把手部送到空間運動圍任意一點。如果改變手部的姿態(tài)〔方位,則用腕部的自由度加以實現(xiàn)。因此,一般來說臂部具有三個自由度才能滿足基本要求,即手臂的伸縮、左右旋轉(zhuǎn)、升降〔或俯仰運動。手臂的各種運動通常用驅(qū)動機構(gòu)〔如液壓缸或者氣缸和各種傳動機構(gòu)來實現(xiàn),從臂部的受力情況分析,它在工作中既受腕部、手部和工件的靜、動載荷,而且自身運動較為多,受力復(fù)雜。因此,它的結(jié)構(gòu)、工作圍、靈活性以及抓重大小和定位精度直接影響機械手的工作性能。1.3.2驅(qū)動機構(gòu)驅(qū)動機構(gòu)是工業(yè)機械手的重要組成部分。根據(jù)動力源的不同,工業(yè)機械手的驅(qū)動機構(gòu)大致可分為液壓、氣動、電動和機械驅(qū)動等四類。采用液壓機構(gòu)驅(qū)動機械手,結(jié)構(gòu)簡單、尺寸緊湊、重量輕、控制方便。1.3.3控制系統(tǒng)分類在機械手的控制上,有點動控制和連續(xù)控制兩種方式。大多數(shù)用插銷板進行點位控制,也有采用可編程序控制器控制、微型計算機控制,采用凸輪、磁盤磁帶、穿孔卡等記錄程序。主要控制的是坐標位置,并注意其加速度特性。2總體布局設(shè)計方案2.1機械手座標形式的確定常用工業(yè)機械手按驅(qū)動方式分:直角座標式、圓柱座標式、球座標式、多關(guān)節(jié)式幾種類型,如圖2.1所示。其中直角座標式手臂可沿X、Y、Z座標軸作直線移動,即伸縮、升降和橫移。其特點是直觀性好,所占空間位置大。根據(jù)設(shè)計任務(wù)所需,特選定為直角座標式。圖2機械手座標型式Figure2:ThepictureofManipulator'sCoordinatestype該機械手具有3個自由度,即：手指合；手腕回轉(zhuǎn)；手臂升降3個主要運動。該機械手各運動可由3個液壓缸實現(xiàn)?！?>手部采用一個直線液壓缸,預(yù)計通過齒輪齒條機構(gòu)實現(xiàn)手指的合?！?腕部采用一個擺動液壓缸來實現(xiàn)手部及工件的回轉(zhuǎn)?！?>臂部采用直線液壓缸來實現(xiàn)手臂的升降。根據(jù)以上參數(shù),圖2.2是機械手整體結(jié)構(gòu)示意圖。圖3機械手整體結(jié)構(gòu)示意圖Figure3:ThepictureoftheManipulator'swholedesign2.2驅(qū)動機構(gòu)的選擇驅(qū)動機構(gòu)是工業(yè)機械手的重要組成部分,工業(yè)機械手的性能價格比在很大程度上取決于驅(qū)動方案及其裝置。根據(jù)驅(qū)動方式的不同,工業(yè)機械手大致可分為液壓式、氣動式、電動式和機械式驅(qū)動。采用液壓機構(gòu)驅(qū)動機械手,操作力大,體積小,動作平穩(wěn)等優(yōu)點。因此,此機械手的驅(qū)動方式選擇液壓驅(qū)動。2.3機械手的技術(shù)參數(shù)列表表一機械手主要技術(shù)參數(shù)Table1ThemaintechnicalparametersofManipulator項目主要數(shù)據(jù)參數(shù)手臂運動型式直角座標式抓取重量自由度數(shù)3個手臂升降行程手臂升降時間5秒手腕回轉(zhuǎn)行程180度手腕回轉(zhuǎn)時間3秒手指合角度30度手指合時間2秒定位方式和定位精度機械擋塊,控制方式PLC控制驅(qū)動方式液壓驅(qū)動3機械手手部的設(shè)計計算3.1手部設(shè)計時應(yīng)注意的問題1應(yīng)具有適當?shù)膴A緊力和驅(qū)動力。應(yīng)當考慮到在一定的夾緊力下,不同的傳動機構(gòu)所需的驅(qū)動力大小是不同的。2手指應(yīng)具有一定的開圍,手指應(yīng)該具有足夠的開閉角度〔手指從開到閉合繞支點所轉(zhuǎn)過的角度,以便于抓取工件。3要求結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、效率高,在保證本身剛度、強度的前提下,盡可能使結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕,以利于減輕手臂的負載。4應(yīng)保證手抓的夾持精度。3.2典型的手部結(jié)構(gòu)手部主要有以下幾類：手指式、吸盤式、磁吸式及其他形式。本設(shè)計抓取的零件為盤類零件,故選擇二指式來實現(xiàn)對工件的抓放。手指式又可分為：1平移式手指當手指夾持的工件直徑變化時并不影響工件中心位置的改變,即定位誤差為零。但平移式手指結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,體積大,要求加工精度高。顯然本設(shè)計機械手不適合使用此方案。2回轉(zhuǎn)式手指當手指夾持不同直徑的工件時則產(chǎn)生定位偏差。但回轉(zhuǎn)式手指結(jié)構(gòu)簡單。綜上,本機械手選擇二指回轉(zhuǎn)式手指。3.3機械手手部結(jié)構(gòu)及驅(qū)動的設(shè)計計算3.3.1選擇手部的類型及夾緊裝置本設(shè)計選擇二指式回轉(zhuǎn)型手部,在液壓缸的液壓推力作用下通過采用齒輪齒條傳動來實現(xiàn)機械手手指合,從而實現(xiàn)機械手對工件的抓放。3.3.2手指夾緊力及液壓缸驅(qū)動力的計算液壓缸的選用手指加在工件上的夾緊力,是設(shè)計手部的主要依據(jù)。必須對大小、方向和作用點進行分析計算。一般來說,需要克服工件重力所產(chǎn)生的靜載荷以及工件運動狀態(tài)變化的慣性力產(chǎn)生的載荷,以便工件保持可靠的夾緊狀態(tài)。<1>手指對工件的夾緊力可按下式計算：式中——安全系數(shù),通常取1.2--2,這里取1.5——工作情況系數(shù),主要考慮慣性力的影響,可按估算。為機械手在搬運工件過程中的加速度。取——方位系數(shù),經(jīng)查機械手冊選取G——被抓取工件的重量,這里為50kg代入數(shù)據(jù)可解得<1>〔2液壓缸驅(qū)動力的計算手指合采用齒輪齒條傳動,結(jié)構(gòu)簡圖如圖4所示.圖4機械手手部結(jié)構(gòu)Figure4:ThestructureoftheManipulator`shand取R=140mm,b=200mm,由手部的傳動結(jié)構(gòu)形式,查機械設(shè)計手冊知其驅(qū)動力計算公式為<2>取機械效率<3>〔3確定手指合驅(qū)動液壓缸直徑D及活塞桿直徑d,液壓缸受力分析如圖3.2所示.圖5液壓缸示意圖Figure5Schematicdiagramofhydrauliccylinder由以上計算知夾緊液壓缸最大工作負載約為1885.33N,由參考文獻[1]中表9－1選取液壓缸工作壓力p＝1Mpa。液壓缸選用單桿式,并在機械手手指開過程中采用差動連接,此時無桿腔工作面積為有桿腔工作面積的兩倍,即活塞桿直徑d與缸筒直徑的關(guān)系為d＝0.707D。液壓缸工作過程中必須具有一定背壓,參考參考文獻中表9－3取p2＝0.2Mpa。由夾緊時所需推力計算液壓缸直徑<4>即解得D＝94.314mm,則d＝0.70794.314＝66.680mm根據(jù)液壓缸的徑系列查參考文獻［3］中表3.50選取液壓缸徑為：D＝100mm;查參考文獻［3］中表3.51選活塞桿直徑為:d＝70mm?！?確定液壓缸行程L由預(yù)計設(shè)計參數(shù)手指合30度及齒輪齒條傳動中確定的齒輪分度圓直徑d＝140mm可計算<5>查參考文獻［3］中表3.52選取液壓缸行程L＝40mm。因采用差動連接,手指合速度相等,預(yù)設(shè)手指合所需時間為2s且為勻速,則<6>手指開所需流量手指閉合所需流量〔5活塞桿的強度計算校核活塞桿的尺寸要滿足活塞〔或液壓缸運動的要求和強度要求,按拉、壓強度計算：設(shè)計中活塞桿取材料為碳剛,故,活塞直徑d=70mm,代入數(shù)據(jù)進行校核：由此可見活塞桿的強度足夠?！?液壓缸的選用由以上計算結(jié)果查參考文獻［3］選用HSGK－100dE型液壓缸。3.4機械手手指部的設(shè)計計算3.4.1齒輪齒條傳動機構(gòu)的設(shè)計計算此齒輪齒條傳動按工作壽命為10年〔設(shè)每年工作300天,兩班制,工況平穩(wěn)來設(shè)計計算?！?選擇齒輪類型、精度等級、材料及齒數(shù)根據(jù)設(shè)計任務(wù)要求選用圓柱齒輪齒條傳動。運輸機工作載荷平穩(wěn),速度不高,選用7級精度。選擇小齒輪材料為45鋼,調(diào)質(zhì)處理,硬度為240HBS。選齒輪齒數(shù)Z＝100。ο〔2按齒面接觸強度設(shè)計由設(shè)計計算公式進行試算,即<7>確定公式的各計算數(shù)值1、試選載荷系數(shù)Kt=1.3。2、計算齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩。3、查參考文獻［2］中表10－7選取齒寬系數(shù)φd=0.5.4>、查參考文獻［2］中表10－6得知材料的彈性影響系數(shù)ZE=189.8MPa?.5>、查手冊知齒輪的接觸疲勞強度極限σHlim2＝550MPa.6>、計算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)。7、查參考文獻［2］中圖10－19取接觸疲勞壽命系數(shù)KHN1＝1.23。8、計算接觸許用應(yīng)力。取失效概率為1％,安全系數(shù)S＝1.4,由參考文獻［2］中得<8>9代入數(shù)據(jù)計算齒輪分度圓直徑,代入［σH］中的較小值。<9>10、計算圓周速度。<10>11計算齒寬b及模數(shù)mnt.b=φdd1t=69.14mm12計算齒寬與齒高之比齒高h=2.25m=3.1113mm齒寬與齒高之比b/h=69.14/3.113=22.210113計算載荷系數(shù)K。查參考文獻［2］得使用系數(shù)KA＝1,動載荷系數(shù)Kv＝1,KHβ=1.313,KFβ=1.35,KHα=KFα=1。K=KAKvKHαKHβ＝1111.313＝1.31314按實際的載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑,即<11>15計算模數(shù)mn.<3>按齒根彎曲強度設(shè)計<12>確定計算參數(shù)1、由設(shè)計手冊查得齒輪的彎曲疲勞強度極限σFE=380MPa。2、由設(shè)計手冊查得齒輪的彎曲疲勞壽命系數(shù)KFN＝1。3、計算彎曲疲勞許用應(yīng)力。取彎曲疲勞安全系數(shù)S＝1.4,則4、計算載荷系數(shù)。5查取齒形系數(shù),應(yīng)力校正系數(shù)。查參考文獻［2］中表10－5得YFa=2.18;YSa6>計算大、小齒輪的并加以比較。7>設(shè)計計算對比計算結(jié)果,由齒面接觸強度計算的模數(shù)小于由齒根彎曲疲勞強度計算的模數(shù),取m=2,已同時滿足接觸疲勞強度及齒根彎曲疲勞強度。按接觸疲勞強度算得的分度圓直徑d＝138.7394mm來計算應(yīng)有的齒數(shù)。于是有取z＝70?！?齒輪齒條其它尺寸參數(shù)的計算1>齒輪寬度2取齒條寬度b＝60mm。3齒距4齒頂高系數(shù)5頂隙系數(shù)6齒輪基圓直徑7變位系數(shù)8齒厚9齒頂高10齒根高11齒頂圓直徑12齒根圓直徑<5>、齒輪結(jié)構(gòu)設(shè)計由以上計算知大齒輪的齒頂圓直徑小于160mm,故做成實心結(jié)構(gòu)的齒輪。3.4.2手指指部的設(shè)計計算手指選用45﹟鋼,查機械設(shè)計手冊知其彎曲許用應(yīng)力,手指指腹采用長方形橫截面,寬度為齒輪寬度b＝70mm,取安全系數(shù)為1.5,則手指的彎曲強度條件為式中——最大彎曲力矩,其值為——抗彎截面系數(shù)代入數(shù)據(jù)解得為保證一定的工作強度和使用壽命,取h＝15mm。為保證對工作的定位夾緊,手指采用120度的V形指尖。具體尺寸數(shù)值詳見圖紙。3.4.3手指指部齒輪安裝銷的設(shè)計計算傳動齒輪采用銷軸安裝定位,選用45﹟鋼,查機械設(shè)計手冊知其彎曲許用應(yīng)力,選取銷軸直徑d＝30mm,取安全系數(shù)1.5,其銷軸強度計算校核如下：故銷軸強度足夠。4機械手腕部的設(shè)計計算4.1機械手腕部結(jié)構(gòu)及運動分析腕部是連接手部和臂部的部件,腕部運動主要用于改變被夾工件的方位,它動作靈活,轉(zhuǎn)動慣量小。本課題要求具有腕部回轉(zhuǎn)這一自由度,可用具有一個回轉(zhuǎn)自由度的擺動回轉(zhuǎn)液壓缸來實現(xiàn)所要求動作。動作參數(shù)要求如下：手腕回轉(zhuǎn)：±180度回轉(zhuǎn)時間：3秒4.2機械手腕部驅(qū)動裝置的設(shè)計計算及選用〔1驅(qū)動腕部回轉(zhuǎn)的驅(qū)動力矩的計算查機械設(shè)計手冊知驅(qū)動腕部回轉(zhuǎn)的驅(qū)動力矩可由下式計算出<13>式中1.1～1.2——液壓缸密封摩擦損失系數(shù)Mm——腕部轉(zhuǎn)動支承處摩擦阻力矩<14>f——軸承摩擦系數(shù),滾動軸承取f＝0.02,滑動軸承取f＝0.1、軸承直徑、軸承處支反力代入數(shù)據(jù)解得<15>式中Mp——克服工件重心偏置的力矩G——手部重量e——偏心矩代入數(shù)據(jù)解得<16>式中Mg——腕部起動的慣性力矩J——手部轉(zhuǎn)動慣量,將機械手手部及工件近似看作圓柱體,其半徑R＝120mm,保守估取手部及工件總質(zhì)量m＝80kg,則該部分轉(zhuǎn)動慣量ω——腕部回轉(zhuǎn)角速度,ω＝2.22rad/st——啟動所需時間,t＝0.2s代入數(shù)據(jù)解得代入數(shù)據(jù)解得驅(qū)動腕部回轉(zhuǎn)的驅(qū)動力矩〔2擺動液壓缸的選擇查參考文獻［2］中表3－87選用UBFZD40－P03型擺動液壓缸,其每度轉(zhuǎn)角用油0.00097L,擺動速度為48度每秒,由此可估算出所需流量以上數(shù)據(jù)留備后用。5機械手臂部的設(shè)計及有關(guān)計算臂部是支承手部和腕部的結(jié)構(gòu),主要用來改變工件位置的部件。手部在空間的活動圍主要取決于臂部的運動形式。5.1臂部設(shè)計時應(yīng)注意的問題臂部的運動和結(jié)構(gòu)形式對機械手的工作性能有著較大的影響。設(shè)計時應(yīng)注意下列幾點：<1>剛度要好手臂的截面形狀選擇要合理,常用鋼管作手臂和導(dǎo)向桿,用工字鋼和槽鋼作支承板,以保證有足夠的剛度。<2>偏重力矩要小所謂偏重力矩是指臂部的重量對其支承回轉(zhuǎn)軸所產(chǎn)生的力矩。<3>重量要輕,慣量要小由于機械手在高速情況下經(jīng)常起停和換向,為了減少沖擊,必須有緩沖裝置。<4>導(dǎo)向性要好為了防止手臂在直線移運動中沿運動軸線不發(fā)生相對轉(zhuǎn)動,以保證手部的正確方向,必須有導(dǎo)向裝置。其結(jié)構(gòu)應(yīng)根據(jù)手臂的安裝形式、抓取重量和運動行程等因素來確定。5.2手臂的典型結(jié)構(gòu)以及結(jié)構(gòu)的選擇〔1手臂的典型運動機構(gòu)常見的手臂伸縮機構(gòu)有以下幾種：1>雙導(dǎo)桿手臂伸縮機構(gòu)。2>手臂的典型運動形式有：直線運動,如手臂的伸縮,升降和橫向移動；回轉(zhuǎn)運動,如手臂的左右擺動,上下擺動；符合運動,如直線運動和回轉(zhuǎn)運動組合,兩直線運動的雙層液壓缸空心結(jié)構(gòu)。3>雙活塞桿液壓崗結(jié)構(gòu)。4>活塞桿和齒輪齒條機構(gòu)。<2>手臂運動機構(gòu)的選擇綜合考慮,本設(shè)計選擇雙導(dǎo)桿伸縮機構(gòu),使用液壓驅(qū)動,液壓缸選取單作用液壓缸。5.3手臂Z方向升降運動的受力分析及其計算〔1手臂Z方向升降運動受力分析先進行粗略的估算,或類比同類結(jié)構(gòu),根據(jù)運動參數(shù)初步確定有關(guān)機構(gòu)的主要尺寸,再進行校核計算,修正設(shè)計。如此反復(fù),繪出最終的結(jié)構(gòu)。手臂垂直伸縮直線運動時需要克服摩擦力和慣性力及機械手手部總重力,其驅(qū)動力可按下式計算：<17>式中——機械手手部總重量——摩擦阻力包括導(dǎo)軌間的摩擦阻力；活塞與缸壁及密封處的摩擦阻力——起動過程的慣性力；其大小按下式估算<18>式中——機械手升降運動部分總重量——重力加速度——手臂運動速度——起動時所需的時間,一般可取〔2手臂Z方向升降運動摩擦力的分析計算1手臂摩擦力受力分析摩擦力的計算不同的配置和不同的導(dǎo)向截面形狀,其摩擦阻力是不同的,要根據(jù)具體情況進行估算。圖5.1是機械手的手臂受力示意圖,本設(shè)計是雙導(dǎo)向桿,導(dǎo)向桿對稱配置在伸縮桿兩側(cè)。圖6手臂受力示意圖Figure6Schematicdiagramofthearmforces2手臂所受摩擦力的計算由于導(dǎo)向桿對稱配置,兩導(dǎo)向桿受力均衡,可按一個導(dǎo)向桿計算。得得式中——參與運動的零部件所受的總重力〔含工件〔Kg；L——手臂與運動的零部件的總重量的重心到導(dǎo)向支撐的前端的距離〔ma——導(dǎo)向支撐的長度〔m;——當量摩擦系數(shù),其值與導(dǎo)向支撐的截面有關(guān)。對于活塞與缸壁及密封處的摩擦阻力：不同的密封圈其摩擦阻力不同,在手臂設(shè)計中,采用O型密封,當液壓缸工作壓力小于10Mpa。液壓缸處密封的總摩擦阻力可以近似為：〔3手臂Z方向升降運動慣性力的計算本設(shè)計要求手臂平動時,在計算慣性力的時候,設(shè)置啟動時間,啟動速度,則<20>〔4手臂Z方向升降運動所受合力計算此處省略

NNNNNNNNNNNN字。如需要完整說明書和設(shè)計圖紙等.請聯(lián)系

扣扣：九七一九二零八零零另提供全套機械畢業(yè)設(shè)計下載！該論文已經(jīng)通過答辯5.4手臂Z方向升降運動液壓缸結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計計算及選用〔1液壓缸結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計計算及選擇經(jīng)過上面的計算,確定了液壓缸的最大驅(qū)動力為F=2987.63N,根據(jù)參考文獻[1]中表9－1選擇液壓缸的工作壓力,液壓缸徑及活塞桿的設(shè)計計算,如圖5.2所示圖5.2液壓缸示意圖Picture5.2Schematicdiagramofhydrauliccylinder液壓缸選用單桿式,并在機械手手指開過程中采用差動連接,此時無桿腔工作面積為有桿腔工作面積的兩倍,即活塞桿直徑d與缸筒直徑的關(guān)系為d＝0.707D。液壓缸工作過程中必須具有一定背壓,參考參考文獻中表9－3取p2＝0.2Mpa。由夾緊時所需推力計算液壓缸直徑<21>即解得D＝68.547mm,則d＝0.70768.547＝48.462mm。根據(jù)以上所計算的液壓缸的徑參數(shù)查參考文獻［3］中表3.50選取液壓缸徑為：D＝90mm；查參考文獻［3］中表3.51選活塞桿直徑為:d＝50mm。因采用差動連接,手指合速度相等,預(yù)設(shè)手指合所需時間為5s且為勻速,則：手臂下降所需流量手臂上升所需流量〔2活塞桿的計算校核活塞桿的尺寸要滿足活塞〔或液壓缸運動的要求和強度要求。按拉、壓強度計算如下：<22>設(shè)計中活塞桿取材料為碳剛,故,活塞直徑d=50mm,L=500mm,代入數(shù)據(jù)進行校核：<23>由此可見活塞桿的強度足夠。由可知,該升降液壓缸為機械手受彎矩力最大部件,對其進行校核。機械手整體受力載荷圖如下：〔3手臂Z方向升降運動液壓缸的選用由以上計算結(jié)果查參考文獻［3］選用HSGK－90dE型液壓缸。6機身的設(shè)計6.1機身的概述機身是機械手的主體,它是支承手部、腕部〔本設(shè)計中沒有腕部和臂部的部分,并實現(xiàn)升降和回轉(zhuǎn)或俯仰和回轉(zhuǎn)的部件〔本設(shè)計即為機架。6.2機身設(shè)計時應(yīng)注意的問題〔1要有足夠的剛度和穩(wěn)定度?！?有運動部件的情況下,需保證動作靈活,升降立柱的導(dǎo)套長度不宜過短,否則可能產(chǎn)生卡死現(xiàn)象；一般要有導(dǎo)向裝置?！?結(jié)構(gòu)布置要合理,便于裝配修理。本設(shè)計因無對所夾持工作的水平位移要求,故不作設(shè)計,只簡略選用一個支座底架并用螺栓連接固定即可。7液壓元件及動力機的設(shè)計選擇7.1液壓泵的選擇〔1系統(tǒng)壓力計算式中——液壓缸或液壓馬達的最大工作壓力——液壓泵出口到液壓缸或液壓馬達入口之間總的管路損失——壓力繼電器調(diào)整壓力高出系統(tǒng)最大壓力之值,取的標準計算要待元件選定,并繪出管路時才能進行,初算時可以按經(jīng)驗數(shù)據(jù)選取,管路簡單的可選,管路復(fù)雜的,進油口有調(diào)速閥的,取?！?系統(tǒng)流量計算<24>式中——系統(tǒng)泄露系數(shù),取K＝1.1——同時動作的液壓缸或液壓馬達的最大流量。對于在工作過程中用節(jié)流調(diào)速閥的系統(tǒng)還必須加上溢流閥的最小流量,一般取。機械手在工作過程中,各液壓缸動作均為分步進行,由之前計算知手臂下降時所需流時最大,此即為系所需最大流量查《機械設(shè)計手冊》,選取HY01－3525型齒輪泵,其基本參如下：壓力：P＝2.5Mpa；流量：；轉(zhuǎn)速：；驅(qū)動功率：W＝1.65kw。7.2動力機選擇因該機械手在室使用,固選用電動機較為方便且電機結(jié)構(gòu)簡單,價格便宜。結(jié)合上述計算結(jié)果,查參考文獻［4］中表12－1選取Y100L1－4型三相異步電機,其參數(shù)為：額定功率：2.2kw轉(zhuǎn)速：1430r/min質(zhì)量：34kg7.3油管的設(shè)計各元件間管道的規(guī)格由元件接口處尺寸決定,液壓缸進出油管則按輸入、排出的最大流量計算。油管的徑按公式計算。根據(jù)表3數(shù)值當油液在油管中流速取,算得液壓缸無桿腔和有桿腔相連的油管徑分別為：夾緊缸：查《機械設(shè)計手冊》表20－8－2選用油管公稱通徑為,外徑為的無縫鋼管?；剞D(zhuǎn)缸：查《機械設(shè)計手冊》表20－8－2選用油管公稱通徑為,外徑為的無縫鋼管。升降缸：查《機械設(shè)計手冊》表20－8－2選用油管公稱通徑為,外徑為的無縫鋼管。7.4油箱的設(shè)計油箱的功用主要是儲存油液,此外還起著散發(fā)油液中熱量〔在周圍環(huán)境溫度較低的情況下則是保持油液中熱量、釋放處混在油液中的氣體、沉淀在油液中污染物等作用。油箱的有效面積〔油面高度80%時的容積應(yīng)根據(jù)液壓系統(tǒng)發(fā)熱、散熱平衡的原則來計算,這項計算在系統(tǒng)負載較大、長期連續(xù)工作時時必不可少的。但對于一般情況而言,油箱的有效容積可按液壓泵的額定流量估計出來?？砂聪率接嬎悖?lt;25>式中——油箱的有效容積——與系統(tǒng)有關(guān)的經(jīng)驗數(shù)字；低壓系統(tǒng),中壓系統(tǒng),高壓系統(tǒng)。此液壓系統(tǒng)為低壓系統(tǒng),取,又已知,則：根據(jù)國際標準JB-T7938-1995選用200L的油箱。7.5液壓元件的選擇閥的規(guī)格,根據(jù)系統(tǒng)的工作壓力和實際通過閥的流量,選擇有定型產(chǎn)品的閥件。溢流閥按液壓泵最大流量選取,選擇調(diào)速閥時,必須保證最小穩(wěn)定流量能滿足執(zhí)行機構(gòu)最低穩(wěn)定速度的要求?？刂崎y的流量一般要選得比實際通過的流量大一些,必要時也允許有以的短時間過流量。選擇液壓閥主要根據(jù)閥的工作壓力和通過閥的流量來確定,本系統(tǒng)工作壓力較小,流量也較小,所以選擇低壓低流量的閥。本液壓系統(tǒng)中,三個液壓缸選取三個三位四通電磁換向閥,使得機械手能順利完成所規(guī)定的動作,換向閥的開啟與關(guān)閉通過電氣開關(guān)或壓力繼電器來控制,運動速度由調(diào)速閥通過調(diào)節(jié)進油路的流量來控制。部分油路采用單向閥來保持壓力,用溢流閥來保護液壓缸。通過上面的計算和校核,初步?jīng)Q定使用以下液壓元件,在經(jīng)濟性和安全性方面都能滿足要求。選擇的液壓元件型號及規(guī)格如下表7.1：表二液壓元件型號及規(guī)格Table2ThetypeandspecificationsofHydrayticcomponents元件名稱估計流量型號規(guī)格調(diào)定壓力齒輪泵HY01－35252.5Mpa；35L/min手臂液壓缸26.4L/minHSGK－90dE擺動液壓缸2.8L/minUBFZD40－P03夾緊液壓缸2.7L/minHSGK－100dE溢流閥35L/minDBD－H6P5Mpa；50L/min2.5Mpa三位四通電磁換向閥26.4L/min22D－63B6.3Mpa；63L/min三位四通電磁換向閥2.8L/min25D－10B6.3Mpa；10L/min三位四通電磁換向閥2.7L/min25－10B6.3Mpa；10L/min單向調(diào)速閥26.4L/minQC11－63B6.3Mpa；0.1～63L/min單向調(diào)速閥12L/minQC11－63B6.3Mpa；0.1～63L/min單向調(diào)速閥2.8L/minLCA6－106.3Mpa；0～6L/min單向調(diào)速閥2.8L/minLCA6－106.3Mpa；0～6L/min單向調(diào)速閥2.8L/minLCA6－106.3Mpa；0～6L/min單向調(diào)速閥4.8L/minLCA6－106.3Mpa；0～6L/min單向調(diào)速閥4.6L/minLCA6－106.3Mpa；0～6L/min壓力繼電器DP－63B0.6～6.3Mpa1.5Mpa壓力繼電器DP－63B0.6～6.3Mpa1.5Mpa液控單向閥26.4L/minIY636.3Mpa；63L/min液控單向閥4.8L/minIY256.3Mpa；25L/min單向閥35L/minI636.3Mpa；63L/min油箱200L過濾器WU63－18063L/min壓力表L7106120～6MPa7.6液壓油的選用正確而合理的選擇液壓油,對液壓系統(tǒng)適應(yīng)各種工作環(huán)境,延長液壓元件使用壽命,提高系統(tǒng)工作的可靠性有著重要的意義。選擇液壓油需考慮以下幾方面的因素：〔1系統(tǒng)工作環(huán)境方面1>是否抗燃〔閃點、燃點。2抑制噪音的能力〔空氣溶解度、消泡性。3毒性和氣味?！?系統(tǒng)工作條件方面1>壓力圍〔潤滑性、承載能力。2溫度圍。3轉(zhuǎn)速〔氣蝕、對支承而浸潤能力?！?油液質(zhì)量方面1物理化學(xué)指標。2>對金屬和密封件的相容性。3過濾性能、吸斥水性能、吸氣情況、抗水解能力、防銹防腐蝕能力。4化穩(wěn)定性f,剪切穩(wěn)定性。5電學(xué)特性〔耐電壓沖擊強度、介電強度導(dǎo)電率、磁場中極化程度?！?經(jīng)濟性方面的考慮1價格及使用壽命。2維護、更換的難易程度。在眾多的考慮因素中,最重要的因素是液壓的粘度。粘度太大,液流的壓力損失和發(fā)熱大,使系統(tǒng)效率下降；粘度太小,泄漏增大也影響系統(tǒng)效率。因此應(yīng)選擇使系統(tǒng)能正高效和可靠工作的油液粘度。在液壓系統(tǒng)中,液壓泵的工作條件最為嚴峻,不但壓力大、轉(zhuǎn)速高和溫度高,而且油液在被泵吸入和由泵壓出時要受到剪切作用,所以一般根據(jù)泵的要求來確定液壓油液的粘度。上面說過,油溫對粘度影響極大,因此,為了發(fā)揮江東液壓系統(tǒng)的最佳運轉(zhuǎn)效率,應(yīng)依具體情況控制油溫,使泵和系統(tǒng)在油液的最佳粘度圍工作。事實上,過高的油溫不僅大大改變了油液的粘度,而且會使常溫下平和、穩(wěn)定的油液變得帶腐蝕性,分解出不利于使用的成分,彧因過量汽化而使液壓泵吸空,無常工作。我國在液壓系統(tǒng)量采用汽輪機油,其氧化要定性好,使用壽命長,與水混合后能迅速分離,純凈度高。根據(jù)液壓油的選擇要求及原則,選用機械油即適合本設(shè)計計算要求,所以選擇此液壓油。8液壓系統(tǒng)的驗算8.1壓力損失的驗算實際油液是有粘性的,所以流動時要損耗一部分熱量,這種熱量損失表現(xiàn)為壓力損失。能量的損耗轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃?使液壓系統(tǒng)的溫度升高。液體在流動時產(chǎn)生的壓力損失包括兩部分,一部分是沿程壓力損失,另一部分是局部壓力損失。8.1.1回路壓力損失的驗算因為手臂升降液壓缸的動作回路系統(tǒng)油路較多,管路損失較大,在此主要驗算手臂升降液壓缸這一系統(tǒng)的管路壓力損失,管徑為,流量為,即,設(shè)管長為,選用機械油,正常運行向右的運動粘度,油的密度。油在管中實際的流速為：<26>查參考文獻［1］中表2—3判斷出油管中液流為層流狀態(tài),其行程阻力系數(shù)為：回路壓力損失為：<27>8.1.2局部壓力損失驗算局部壓力損失包括通過管路和管接頭處的管路局部壓力損失,以及通過控制閥的局部壓力損失,但由于管路局部壓力損失相對控制閥的局部壓力損失小得多,所以主要計算控制閥的局部壓力損失。從原理圖可以看出,從齒輪泵出口到升降缸進油口要經(jīng)過電磁換向閥,調(diào)速閥。手臂升降電磁換向閥的額定流量為,調(diào)速閥的額定流量為,實際流量為,額定壓力損失；手腕回轉(zhuǎn)電磁換向閥的額定流量為,調(diào)速閥的額定流量為,實際流量為,額定壓力損失為；手指夾緊電磁換向閥的額定流量為,調(diào)速閥的額定流量為,實際流量為,額定壓力損失為。代入下式,則局部壓力損失為：系統(tǒng)總壓力損失計算由以上計算結(jié)果知：系統(tǒng)總壓力損失小于計算時的估取損失值,故之前設(shè)計計算合理。8.2計算液壓系統(tǒng)的發(fā)熱溫升這項驗算時用熱平衡原理來對油液的溫升值進行估計。單位時間進入液壓系統(tǒng)的熱量是液壓泵輸入功率和液壓執(zhí)行元件有效功率之差,假如這些熱量全部由油箱散發(fā)出去,不考慮系統(tǒng)其他部分的散熱效能,則油液溫升的估算公式可以根據(jù)不同的條件分別從有關(guān)的手冊中找出來。油液溫升的計算式可以用單位時間輸入熱量和油箱有效容積近似地表示成：<28>液壓系統(tǒng)工作時,除開執(zhí)行元件驅(qū)動外載荷輸出有效功率外,其余功率損失全部轉(zhuǎn)化為熱量,使油溫升高?！?液壓泵的功率損失：式中——工作循環(huán)周期——液壓泵的輸入功率——各臺液壓泵的總效率——第臺泵的工作時間——投入工作的液壓泵的臺數(shù)〔2液壓執(zhí)行元件的功率損失：〔3溢流閥的功率損失：〔4液壓油液流經(jīng)閥或管路的功率損失：總的功率損失：由公式〔8.3計算,油液溫升為：式中——油箱的散熱面積——油管的散熱面積、——散熱系數(shù)經(jīng)計算,溫升沒有超過所選型號液壓油的允許使用圍,因此本設(shè)計液壓系統(tǒng)中不需要冷卻器。9可編程控制器PLC9.1PLC簡介自二十世紀六十年代美國推出可編程邏輯控制器〔ProgrammableLogicController,PLC取代傳統(tǒng)繼電器控制裝置以來,PLC得到了快速發(fā)展,在世界各地得到了廣泛應(yīng)用。同時,PLC的功能也不斷完善。隨著計算機技術(shù)、信號處理技術(shù)、控制技術(shù)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展和用戶需求的不斷提高,PLC在開關(guān)量處理的基礎(chǔ)上增加了模擬量處理和運動控制等功能。今天的PLC不再局限于邏輯控制,在運動控制、過程控制等領(lǐng)域也發(fā)揮著十分重要的作用。PLC是由摸仿原繼電器控制原理發(fā)展起來的,二十世紀七十年代的PLC只有開關(guān)量邏輯控制,首先應(yīng)用的是汽車制造行業(yè)。它以存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和運算等操作的指令；并通過數(shù)字輸入和輸出操作,來控制各類機械或生產(chǎn)過程。用戶編制的控制程序表達了生產(chǎn)過程的工藝要求,并事先存入PLC的用戶程序存儲器中。運行時按存儲程序的容逐條執(zhí)行,以完成工藝流程要求的操作。PLC的CPU有指示程序步存儲地址的程序計數(shù)器,在程序運行過程中,每執(zhí)行一步該計數(shù)器自動加1,程序從起始步〔步序號為零起依次執(zhí)行到最終步〔通常為END指令,然后再返回起始步循環(huán)運算。PLC每完成一次循環(huán)操作所需的時間稱為一個掃描周期。不同型號的PLC,循環(huán)掃描周期在1微秒到幾十微秒之間。PLC用梯形圖編程,在解算邏輯方面,表現(xiàn)出快速的優(yōu)點,在微秒量級,解算1K邏輯程序不到1毫秒。它把所有的輸入都當成開關(guān)量來處理,16位〔也有32位的為一個模擬量。大型PLC使用另外一個CPU來完成模擬量的運算。把計算結(jié)果送給PLC的控制器。相同I/O點數(shù)的系統(tǒng),用PLC比用DCS,其成本要低一些〔大約能省40%左右。PLC沒有專用操作站,它用的軟件和硬件都是通用的,所以維護成本比DCS要低很多。一個PLC的控制器,可以接收幾千個I/O點〔最多可達8000多個I/O。如果被控對象主要是設(shè)備連鎖、回路很少,采用PLC較為合適。PLC由于采用通用監(jiān)控軟件,在設(shè)計企業(yè)的管理信息系統(tǒng)方面,要容易一些。近10年來,隨著PLC價格的不斷降低和用戶需求的不斷擴大,越來越多的中小設(shè)備開始采用PLC進行控制,PLC在我國的應(yīng)用增長十分迅速。隨著中國經(jīng)濟的高速發(fā)展和基礎(chǔ)自動化水平的不斷提高,今后一段時期PLC在我國仍將保持高速增長勢頭。通用PLC應(yīng)用于專用設(shè)備時可以認為它就是一個嵌入式控制器,但PLC相對一般嵌入式控制器而方具有更高的可靠性和更好的穩(wěn)定性。實際工作中碰到的一些用戶原來采用嵌入式控制器,現(xiàn)在正逐步用通用PLC或定制PLC取代嵌入式控制器。9.2PLC部原理PLC實質(zhì)上是一種被專用于工業(yè)控制的計算機,其硬件結(jié)構(gòu)和微機是基本一的。如圖2.1所示,PLC硬件的基本結(jié)構(gòu)圖所示：編程器中央處理單元編程器中央處理單元〔CPU輸入電路輸出電路系統(tǒng)程序存儲區(qū)用戶程序存儲區(qū)電源圖9.1PLC硬件的基本結(jié)構(gòu)圖Figure9.1:PLChandwarebasicstuctionofFIG〔1中央處理單元〔CPU中央處理單元〔CPU是PLC的控制中樞。它按照PLC系統(tǒng)程序賦予的功能,接受并存儲從編程器鍵入的用戶程序和數(shù)據(jù),檢查電源、存儲器、I/O以及警戒定時器的狀態(tài),并能檢查用戶程序的語法錯誤。當PLC投入運行時,首先它以掃描的方式接受現(xiàn)場各輸入裝置的狀態(tài)和數(shù)據(jù),并分別存入I/O映象區(qū),然后從用戶程序存儲器中逐條讀取用戶程序,經(jīng)過命令解釋后按指令的規(guī)定執(zhí)行邏輯或算術(shù)運算等任務(wù)。并將邏輯或算術(shù)運算等結(jié)果送入I/O映象區(qū)或數(shù)據(jù)寄存器。等所有的用戶程序執(zhí)行完畢以后,最后將I/O映象區(qū)的各輸出狀態(tài)或輸出寄存器的數(shù)據(jù)傳送到相應(yīng)的輸出裝置,如此循環(huán)運行,直到停止運行為止?！?存儲器與微型計算機一樣,除了硬件以外,還必須有軟件。才能構(gòu)成一臺完整的PLC。PLC的軟件分為兩部分:系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。存放系統(tǒng)軟件的存儲器稱為系統(tǒng)程序存儲器。PLC存儲空間的分配：雖然大、中、小型PLC的CPU的最大可尋址存儲空間各不相同,但是根據(jù)PLC的工作原理,其存儲空間一般包括以下三個區(qū)域：系統(tǒng)程序存儲區(qū),系統(tǒng)RAM存儲區(qū)〔包括I/O映象區(qū)和系統(tǒng)軟設(shè)備等和用戶程序存儲區(qū)。A.系統(tǒng)程序存儲區(qū)在系統(tǒng)程序存儲區(qū)中存放著相當于計算機操作系統(tǒng)的系統(tǒng)程序。它包括監(jiān)控程序、管理程序、命令解釋程序、功能子程序、系統(tǒng)診斷程序等。由制造廠商將其固化在EPROM中,用戶不能夠直接存取。它和硬件一起決定了該PLC的各項功能。B.系統(tǒng)RAM存儲區(qū)系統(tǒng)RAM存儲區(qū)包括I/O映象區(qū)以及各類軟設(shè)備〔例如：邏輯線圈、數(shù)據(jù)寄存器、計時器、計數(shù)器、變址寄存器、累加器等存儲區(qū)?！睞I/O映象區(qū)由于PLC投入運行后,只是在輸入采樣階段才依次讀入各輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù),在輸出刷新階段才將輸出的狀態(tài)和數(shù)據(jù)送至相應(yīng)的外設(shè)。因此,它需要有一定數(shù)量的存儲單元〔RAM以供存放I/O的狀態(tài)和數(shù)據(jù),這些存儲單元稱作I/O映象區(qū)。一個開關(guān)量I/O占用存儲單元中的一個位〔bit,一個模擬量I/O占用存儲單元中的一個字〔16個bit>。因此,整個I/O映象區(qū)可看作由開關(guān)量的I/O映象區(qū)和模擬量的I/O映象區(qū)兩部分組成?！睟系統(tǒng)軟設(shè)備存儲區(qū)除了I/O映象區(qū)以外,系統(tǒng)RAM存儲區(qū)還包括PLC部各類軟設(shè)備〔邏輯線圈、數(shù)據(jù)寄存器、計時器、計數(shù)器、變址寄存器、累加器等的存儲區(qū)。該存儲區(qū)又分為具有失電保持的存儲區(qū)域和無失電保持的存儲區(qū)域,前者在PLC斷電時,由部的鋰電子供電。使這部分存儲單元的數(shù)據(jù)得以保留；后者當PLC停止運行時,將這部分存儲單元的數(shù)據(jù)全部置"零"。C．用戶程序存儲區(qū)用戶程序存儲區(qū)存放用戶編制的用戶程序。不同類型的PLC其存儲容量各不相同,一般來說,隨著PLC機型增大其存儲容量也相應(yīng)增大。不過對于新型的PLC,其存儲容量可根據(jù)用戶的需要而改變。D．常用的I/O分類常用的I/O分類如下：開關(guān)量：按電壓水平分,有220VAC、110VAC、24VDC,按隔離方式分,有繼電器隔離和晶體管隔離。模擬量：按信號類型分,有電流型〔4-20mA,0-20mA、電壓型〔0-10V,0-5V,-10-10V等,按精度分,有12bit,14bit,16bit等。除了上述通用I/O外,還有特殊I/O模塊,如熱電阻、熱電偶、脈沖等模塊。按I/O點數(shù)確定模塊規(guī)格及數(shù)量,I/O模塊可多可少,但其最大數(shù)受CPU所能管理的基本配置的能力,即受最大的底板或機架槽數(shù)限制?！?PLC電源PLC電源在整個系統(tǒng)中起著十分重要的作用。無論是小型的PLC,還是中、大型的PLC,其電源的性能都是一樣的,均能對PLC部的所有器件提供一個穩(wěn)定可靠的直流電源。一般交流電壓波動在正負10%〔15%之間,因此可以直接將PLC接入到交流電網(wǎng)上去?？删幊绦蚩刂破饕话闶褂?20V交流電源?？删幊绦蚩刂破鞑康闹绷鞣€(wěn)壓電源為各模塊的元件提供直流電壓。某些可編程序控制器可以為輸入電路和少量的外部電子檢測裝置〔如接近開關(guān)提供24V直流電源。驅(qū)動現(xiàn)場執(zhí)行機構(gòu)的電源一般由用戶提供。可編程序控制器是從繼電器控制系統(tǒng)發(fā)展而來的,它的梯形圖程序與繼電器系統(tǒng)電路圖相似,梯形圖中的某些編程元件也沿用了繼電器這一名稱,如輸入、輸出繼電器等。這種計算機程序?qū)崿F(xiàn)的"軟繼電器",與繼電器系統(tǒng)中的物理結(jié)構(gòu)在功能上某些相似之處。9.3PLC的工作原理可編程序控制器有兩種基本的工作狀態(tài),即運行〔RUN狀態(tài)與停止〔STOP狀態(tài)。在運行狀態(tài),可編程控制器通過執(zhí)行反映控制要求的用戶程序來實現(xiàn)控制功能。為了使可編程序控制器的輸出及時地響應(yīng)隨時可能變化的輸入信號,用戶程序不是只執(zhí)行一次,而是反復(fù)不斷地重復(fù)執(zhí)行,直至可編程序控制器停機或切換到STOP工作狀態(tài)。除了執(zhí)行用戶程序之外,在每次循環(huán)過程中,可如上圖編程序控制器還要完成,部處理、通信處理等工作,一次循環(huán)可分為5個階段?？删幊绦蚩刂破鞯倪@種周而復(fù)始的循環(huán)工作方式稱為掃描工作方式。由于計算機執(zhí)行指令的速度極高,從外部輸入-輸出關(guān)系來看,處理過程似乎是同時完成的。在部處理聯(lián)合階段?？删幊绦蚩刂破鳈z查CPU模塊部的硬件是否正常,將監(jiān)控定時器復(fù)位,以及完成一些別的部工作。在通信服務(wù)階段,可編程序控制器與別的帶微處理器的智能裝置通信,響應(yīng)編程器鍵入的命令,更新編程器的顯示容。當可編程序控制器處于停止〔STOP狀態(tài)時,只執(zhí)行以上的操作?？删幊绦蚩刂破鹛幱凇睷UN狀態(tài)時,還要完成另外3個階段的操作。在可編程序控制器的存儲器中,設(shè)置了一片區(qū)域用來存放輸入信號和輸出信號的狀態(tài),它們分別稱為輸入映像寄存器和輸出映像寄存器?？删幊绦蚩刂破魈菪螆D中別的編程元件也有對應(yīng)的映像存儲區(qū),它們統(tǒng)稱為元件映像寄存器。在輸入處理階段,可編程序控制器把所有外部輸入電路的接通/斷開〔ON/OFF狀態(tài)讀入輸入寄存器。外接的輸入觸點電路接通時,對應(yīng)的輸入映像寄存器為"1"狀態(tài),梯形圖中對應(yīng)的輸入繼電器的常開觸點接通,常閉觸點斷開。外接的輸入觸點電路斷開,對應(yīng)的輸入映像寄存器為"0"狀態(tài),梯形圖中對應(yīng)的輸入繼電器的常開觸點斷開,常閉觸點接通。在程序執(zhí)行階段,即使外部輸入信號的狀態(tài)發(fā)生了變化,輸入映像寄存器的狀態(tài)也不會隨之而變,輸入信號變化了的狀態(tài)只能在下一個掃描周期的輸入處理階段被讀入?？删幊绦蚩刂破鞯挠脩舫绦蛴扇舾蓷l指令組成,指令在存儲器中按步序號順序排列。在沒有跳轉(zhuǎn)指令時,CPU從第一條指令開始,逐條順序的執(zhí)行用戶程序,直到用戶程序結(jié)束之處。在執(zhí)行指令時,從輸入映像寄存器或別的元件映像寄存器中將有關(guān)編程元件的0/1狀態(tài)讀出來,并根據(jù)指令的要求執(zhí)行相應(yīng)的邏輯運算,運算結(jié)果寫入到對應(yīng)的元件映像寄存器中,因此,各編程元件的映像寄存器〔輸入映像寄存器除外的容隨著程序的執(zhí)行而變化。在輸出處理階段,CPU將輸出映像寄存器的0/1狀態(tài)傳送到輸出鎖存器。體型圖某一輸出繼電器的線圈"通電"時,對應(yīng)的輸出映像寄存器為"1"狀態(tài)。信號經(jīng)輸出模塊隔離和功率放大后,繼電器型輸出模塊中對應(yīng)的硬件繼電器的線圈通電,其常開觸點閉合,使外部負載通電工作。若梯形圖中輸出繼電器線圈斷電對應(yīng)的輸出映像寄存器為"0"狀態(tài),在輸出處理階段后,繼電器型輸出模塊中對應(yīng)的硬件繼電器的線圈斷電,其常開觸點斷開,外部負載斷電,停止工作。某一編程元件對應(yīng)的映像寄存器為"1"狀態(tài)時,稱該編程元件為ON,映像寄存器為"0"狀態(tài)時,稱該編程元件為OFF。掃描周期可編程序控制器在RUN工作狀態(tài)時,執(zhí)行一次圖2.5.1a所示的掃描操作所需的時間稱為掃描周期,其典型值為1~100ms。指令執(zhí)行所需的時間與用戶程序的長短、指令的種類和CPU執(zhí)行指令的速度有很大的關(guān)系。當用戶程序較長時,指令執(zhí)行時間在掃描周期中占相當大的比例。不過嚴格地來說掃描周期還包括自診斷、通信等。如圖2.1c所示?！?輸入采樣階段在輸入采樣階段,PLC以掃描方式依次讀入所有的數(shù)據(jù)和狀態(tài)它們存入I/O映象區(qū)的相應(yīng)單元。輸入采樣結(jié)束后,轉(zhuǎn)入用戶程序行和輸出刷新階段。在這兩個階段中,即使輸入數(shù)據(jù)和狀態(tài)發(fā)生變化I/O映象區(qū)的相應(yīng)單元的數(shù)據(jù)和狀態(tài)也不會改變。所以輸入如果是脈沖信號,它的寬度必須大于一個掃描周期,才能保證在任何情況下,該輸入均能被讀入。第<N-1>個掃描周期第<N-1>個掃描周期輸出刷新第<N+1>個掃描周期輸入采樣第N個掃描周期輸入采樣輸出刷新用戶程序執(zhí)行圖9.2PLC的掃描運行方式Figure9.2:PLCscanopenrationmode〔2用戶程序執(zhí)行階段在用戶程序執(zhí)行階段,PLC的CPU總是由上而下,從左到右的順序依次的掃描梯形圖。并對控制線路進行邏輯運算,并以此刷新該邏輯線圈或輸出線圈在系統(tǒng)RAM存儲區(qū)中對應(yīng)位的狀態(tài)?；蛘叽_定是否要執(zhí)行該梯形圖所規(guī)定的特殊功能指令。例如：算術(shù)運算、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳達等。〔3輸出刷新階段在輸出刷新階段,CPU按照I/O映象區(qū)對應(yīng)的數(shù)據(jù)和狀態(tài)刷新所有的數(shù)據(jù)鎖存電路,再經(jīng)輸出電路驅(qū)動響應(yīng)的外設(shè)。這時才是PLC真正的輸出。<4>輸入/輸出滯后時間輸入/輸出滯后時間又稱系統(tǒng)響應(yīng)時間,是指可編程序控制器的外部輸入信號發(fā)生變化的時刻至它控制的有關(guān)外部輸出信號發(fā)生變化的時刻之間的時間間隔,它由輸入電路濾波時間、輸出電路的滯后時間和因掃描工作方式產(chǎn)生的滯后時間三部分組成。輸入模塊的CPU濾波電路用來濾除由輸入端引入的干擾噪聲,消除因外接輸入觸點動作是產(chǎn)生的抖動引起的不良影響,濾波電路的時間常數(shù)決定了輸入濾波時間的長短,其典型值為10ms左右。輸出模塊的滯后時間與模塊的類型有關(guān),繼電器型輸出電路的滯后時間一般在10ms左右；雙向可空硅型輸出電路在負載接通時的滯后時間約為1ms,負載由導(dǎo)通到斷開時的最大滯后時間為10ms；晶體管型輸出電路的滯后時間約為1ms。由掃描工作方式引起的滯后時間最長可達到兩個多掃描周期?？删幊绦蚩刂破骺偟捻憫?yīng)延遲時間一般只有幾十ms,對于一般的系統(tǒng)是無關(guān)緊要的。要求輸入—輸出信號之間的滯后時間盡量短的系統(tǒng),可以選用掃描速度快的可編程序控制器或采取其他措施。9.4PLC機型的選擇方法1．PLC的類型PLC按結(jié)構(gòu)分為整體型和模塊型兩類,按應(yīng)用環(huán)境分為現(xiàn)場安裝和控制室安裝兩類；按CPU字長分為1位、4位、8位、16位、32位、64位等。從應(yīng)用角度出發(fā),通?？砂纯刂乒δ芑蜉斎胼敵鳇c數(shù)選型。整體型PLC的I/O點數(shù)固定,因此用戶選擇的余地較小,用于小型控制系統(tǒng)；模塊型PLC提供多種I/O卡件或插卡,因此用戶可較合理地選擇和配置控制系統(tǒng)的I/O點數(shù),功能擴展方便靈活,一般用于大中型控制系統(tǒng)。本設(shè)計選用8位三菱FX2N-16M的PLC.輸入點X000-X007,輸出點Y000-Y007,輸入點8個,輸出點8個,共16個。2．輸入輸出模塊的選擇輸入輸出模塊的選擇應(yīng)考慮與應(yīng)用要求的統(tǒng)一。例如對輸入模塊,應(yīng)考慮信號電平、信號傳輸距離、信號隔離、信號供電方式等應(yīng)用要求。對輸出模塊,應(yīng)考慮選用的輸出模塊類型,通常繼電器輸出模塊具有價格低、使用電壓圍廣、壽命短、響應(yīng)時間較長等特點；可控硅輸出模塊適用于開關(guān)頻繁,電感性低功率因數(shù)負荷場合,但價格較貴,過載能力較差。輸出模塊還有直流輸出、交流輸出和模擬量輸出等,與應(yīng)用要求應(yīng)一致?？筛鶕?jù)應(yīng)用要求,合理選用智能型輸入輸出模塊,以便提高控制水平和降低應(yīng)用成本?？紤]是否需要擴展機架或遠程I/O機架等。3.電源的選擇PLC的供電電源,除了引進設(shè)備時同時引進PLC應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品說明書要求設(shè)計和選用外,一般PLC的供電電源應(yīng)設(shè)計選用220VAC電源,與國電網(wǎng)電壓一致。重要的應(yīng)用場合,應(yīng)采用不間斷電源或穩(wěn)壓電源供電。如果PLC本身帶有可使用電源時,應(yīng)核對提供的電流是否滿足應(yīng)用要求,否則應(yīng)設(shè)計外接供電電源。為防止外部高壓電源