机械手液压系统课程设计.doc

本科生课程设计书学 院、系：机电教学部 专 业：机械设计制造及自动化 学 生 姓 名： 欧光宇 班 级：机设1402 学号1412110211 指导教师姓名：吴吉平 最终评定成绩： 2010-11-21年7月17日目录一、 引言（1）二、 设计要求（1）三、 设计的基本原理（2）四、 机械手的动作流程（4）五、 机械手液压系统电器控制的总体设计（7）六、 机械手液压系统PLC的设计（10）七、 机械手电气元件的选择（16）1、 电动机的选择2、 三相隔离开关的选择3、 熔断器的选择4、 热继电器的选择5、 接触器的选择八、 小结（18）九、 参考文献（18）十、 附图：系统电气原理图一、引言机械手是工业自动控制领域中经常遇到的一种控制对象。机械手通过模拟人的手臂的部分动作，按预定的程序、轨迹及其它要求，完成许多工作，如搬物、装配、切割、喷染等等，应用非常广泛。而可编程控制器（）由于其具有的高可靠性、编程方便、易于使用和修改，易于扩展和维护，环境要求低、体积小巧，安装调试方便，在工业控制中有着广泛的应用。所以可以应用PLC控制机械手实现各种规定的工序动作，达到简化控制线路，节省成本，提高劳动生产率。根据我们所设计的机械手的驱动部件为步进电机的特点，应用移位寄存指令可以很方便、灵活地对机械手进行控制。图1 是机械手搬运物品示意图。图1 机械手搬物示意图二、设计要求机械手一般由执行机构、驱动系统、控制系统及检测装置三大部分组成，智能机械手还具有感觉系统和智能系统。驱动系统多数采用电液（气）机联合传动。JS01工业机械手属于圆柱坐标式、全液压驱动机械手，具有手臂升降、伸缩、回转和手腕回转四个自由度。执行机构相应由手部、手腕、手臂伸缩机构、手臂升降机构、手臂回转机构和回转定位装置等组成，每一部分均由液压缸驱动与控制。它完成的动作循环为：插定位销手臂前伸手指张开手指夹紧抓料手臂上升手臂缩回手腕回转180o拔定位销手臂回转95 o 插定位销手臂前伸手臂中停（此时主机的夹头下降夹料）手指松开（此时主机夹头夹着料上升）手指闭合手臂缩回手臂下降手腕回转复位拔定位销手臂回转复位待料，泵卸载。三、JS01工业机械手液压系统工作原理及特点JS01工业机械手液压系统图如图1所示。各执行机构的动作均由电控系统发信号控制相应的电磁换各阀，按程序依次步进动作。电磁铁动作顺序见表1。图1 JS01工业机械手液压系统该液压系统的特点归纳如下：1）系统采用了双联泵供油，额定压力为6.3MPa，手臂升降及伸缩时由两个泵同时供油，流量为（35+18）L/min，手臂及手腕回转，手指松紧及定位缸工作时，只由小流量泵2供油，大流量泵1自动卸载。由于定位缸和控制油路所需压力较低，在定位缸去路上串联有减压阀8，使之获得稳定的1.51.8MPa压力。2）手臂的伸缩和升降采用单杆双作用液压缸驱动，手臂的伸出和升降速度分别由单向调整阀15、13和11实现回油节流调速；手臂及手腕的回转由摆动液压缸驱动，其正反向运动亦采用单向调速阀17和18、23和24回油节流调速。3）执行机构的定位和缓冲是机械手工作平稳可靠的关键。从提高生产率来说，希望机械手正常工作速度越快越好，但工作速度越高，启动和停止时的惯性力就越大，振动和冲击就越大，这不仅会影响到机械手的定位精度，严重时还会损伤机件。因此为达到机械手的定位精度和运动平稳性的要求，一般在定位前要采取缓冲措施。该机械手手臂伸出、手腕回转由死挡铁定位保证精度，端点到达前发信号切断油路，滑行缓冲；手臂缩回和手臂上升由行程开关适时发信号，提前切断油路滑行缓冲并定位。此外，手臂伸缩缸和升降缸采用了电液换向阀换向，调节换向时间，亦增加缓冲效果。由于手臂的回转部分质量圈套，转速较高，运动惯性矩圈套，系统的手臂回转缸除采用单向调速阀回油节流调速外，还在回油路上安装有行程和节流阀19进行减速缓冲，最后由定位缸插销定位，满足定位精度要求。4）为使手指夹紧缸夹紧工件后不受系统压力波动的影响，保证牢固地夹紧工件，采用了液控单向阀21的锁紧回路。5）手臂升降缸为立式液压缸，为支承平衡手臂运动部件的自重，采用了单向顺序阀12的平衡回路。表1 JS01工业机械手液压系统电磁铁、压力继电器动作顺序表动作顺序1Y2Y3Y4Y5Y6Y7Y8Y9Y10Y11Y12YK26插销定位+-+手臂前伸+手指张开+手指抓料+手臂上升+手臂缩回+手腕回转+拔定位销+手臂回转+插定位销+-+手臂前伸+手臂中停+手指张开+手指闭合+手臂缩回+手臂下降+手腕反转+拔定位销+手臂反转+待料卸载+四、机械手的动作流程机械手的任务是将传送带A上的物品搬运到传送带B。为使机械手动作准确，在机械手的极限位置安装了限位开关,对机械手分别进行抓紧、左转、右转、上升、下降动作的限位，机械手的上、下、左、右、抓紧、放松等动作由液压驱动，并分别由六个电磁阀来控制,机械手顺序动作的要求是：1、插定位销（1、12）按下油泵起动按钮后，双联叶片泵1、2同时供油，电磁铁1Y、2Y带电，油液经溢流阀3和4至油箱，机械手处于待料卸荷状态。当棒料到达待上料位置，启动程序动作。电磁铁1Y带电，2Y不带电，使泵1继续卸荷，而泵2停止卸荷，同时12Y通电。进油路：泵2阀6减压阀8阀9阀25（右）定位缸左腔。此时，插定位销以保证初始位置准确。定位缸没有回油路，它是依靠弹簧复位的。2、手臂前伸（5、12）插定位销后，此支路系统油压升高，使继电器K26发讯，接通电磁铁5Y，泵1和泵2经相应的单向阀汇流到电液换向阀14左位，进入手臂伸缩缸油腔。进油路：泵1单向阀5阀14（左）手臂伸缩缸右腔泵2阀6阀7回油路：手臂伸缩缸左腔单向调速阀15阀14（左）油箱3、手指张开（1、9、12）手臂前伸至适当位置，行程开关发讯，电磁铁1Y、9Y带电，泵1卸载，泵2供油，经单向阀6电磁阀20左位，进入手指夹紧缸右腔。回油路从左腔通过液控单向阀21及阀20左位进入油箱。进油路：泵2阀6电磁阀20（左）手指夹紧缸右腔回油路：手指夹紧缸左腔阀21电磁阀20（左）油箱4、手指抓料（1、12）手指张开后，时间继电器延时。待棒料由送料机构送到手指区域时，继电起器发讯使9Y断电，泵2的压力油通过阀20的右位进入缸的左腔，使手指夹紧棒料。进油路：泵2阀6阀20（右）阀21手指夹紧缸左腔回油路：手指夹紧缸右腔阀20（右）油箱5、手臂上升（3、12）当手指抓料后，手臂上升。此时，泵1和泵2同时供油到升降缸。主油路为：进油路：泵1单向阀5阀10（左）阀11阀12手臂升降缸下腔 泵2阀6阀7回油路：手臂升降缸上腔阀13阀10（左）油箱6、手臂缩回（6、12）手臂上升至预定位置，碰行程开关，3Y断电，电液换向阀10复位，6Y带电。泵1和泵2一起供油至电液换向阀14右端，压力油通过单向调速阀15进入伸缩缸左腔，而右腔油液经阀14右端回油箱。进油路：泵1阀5阀14（右）阀15手臂伸缩缸左腔 泵2阀6阀7回油路：手臂伸缩缸右腔阀14（右）油箱7、手腕回转（1、10、12）当手臂上的碰块碰到行程开关时，6Y断电，阀14复位，1Y、10Y通电。此时，泵2单独供油至阀22左端，通过阀24进入手腕回转油缸，使手腕回转。进油路：泵2阀6阀22（左）阀24手腕回转缸回油路：手腕回转缸阀23阀22（左）油箱8、拔定位销（1）当手腕上的碰块碰到行程开关时，10Y、12Y断电，阀22、25复位，定位缸油液经阀25左端回油箱，弹簧作用拔定位销。回油路：定位缸左腔阀25（左）油箱定位缸没有进油路，它是在弹簧作用下前进的。9、手臂回转（1、7）定位缸支路无油压后，压力继电器K26发讯，接通7Y。泵2的压力油进入阀6经换向阀16左端通过单向调速阀18最后进入手臂回转缸，使手臂回转。进油路：泵2阀6换向阀16（左）单向调速阀18手臂回转缸回油路：手臂回转缸单向调速阀17换向阀16（左）行程节流阀19油箱10、插定位销（1、12）当手臂回转碰到行程开关时，7Y断电，12Y重又通电，插定位销同1。11、手臂前伸（5、12）此时的动作顺序同7。12、手臂中停（12）当手臂前伸碰到行程开关后，5Y断电，伸缩缸停止动作，确保手臂将棒料送到准确位置处，“手臂中停”等主机夹头夹紧棒料，夹头夹紧棒料后，时间继电器发讯。13、手指张开（1、9、12）接到继电器信号后，1Y、9Y通电，手指张开同3。并启动时间继电器延时，主机夹头移走棒料后，继电器发讯。14、手指闭合（1、12）接继电器信号，9Y断电，手指闭合同4。15、手臂缩回（6、12）当手指闭喝后，1Y断电，使泵1和泵2一起供油，同时6Y通电，其动作顺序同6。16、手臂下降（4、12）手臂缩回碰到行程开关，6Y断电，4Y通电。此时，电液换向阀10右端动作，压力油经阀10和单向调速阀13进入升降缸上腔。进油路：泵1单向阀5阀10（右）阀13手臂升降缸上腔 泵2阀6阀7回油路：手臂升降缸下腔阀12阀11阀10（右）油箱17、手腕反转（1、11、12）当升降导套上的碰铁碰到行程开关时，4Y断电，1Y、11Y通电。泵2供油至阀22右端，压力油通过单向调速阀23进入手腕回转缸的另一腔，并使手腕反转。进油路：泵2阀6阀22（右）单向调速阀23手腕回转缸回油路：手腕回转缸单向调速阀24阀22（右）油箱18、拔定位销（1）手腕反转碰到行程开关后，11Y、12Y断电。动作顺序同8。19、手臂反转（1、8）拔定位销，压力继电器发信号，8Y接通。换向阀16右端动作，压力油进入手臂回转缸的另一腔，手臂反转，机械手复位。进油路：泵2阀6换向阀16（右）单向调速阀17手臂回转缸回油路：手臂回转缸单向调速阀18换向阀16（右）行程节流阀19油箱20、待料卸载（1、2）手臂反转到位后，启动行程开关，8Y断电，2Y接通。此时，两油泵同时卸荷。机械手动作循环结束，等待下一个循环。机械手的动作也可由微机程序控制，与相关主机联为一体，其动作顺序相同。根据对机械手的顺序动作要求，可以画出机械手工艺流程图图2 机械手工艺流程图五、机械手液压系统电气控制的总体设计1、电气控制线路设计1)主电路的设计主电路主要是把行程开关信号变成标准信号，电路中的应设有过载和短路等保护功能，如采用热继电器和熔断器，用于工作过程中电动机发生过载或电路短路时，及时断开主电路，保护电动机和各电气元件。电路中还应设有电流表、电压表及指示灯，电压表和电流表用于观察主电路电流电压是否处于正常值，指示灯用来指示电动机处于何种工作状态：停止或是工作，还可起到报警作用。主电路的电气原理图如下： 图3 主电路的电气原理图2)控制电路的设计控制电路的电气原理图如下：六、机械手液压系统PLC的设计PLC状态转移图步进梯形图：PLC接线图： 图4 PLC外部端子接线图PLC程序代码:LD M8002SET S0STL S0SET S20STL S20LDI Y3LDI Y4LDI Y5LDI Y6LDI Y111LDI Y1000OUT Y1STL S21LDI Y121LDI Y122OUT Y12LD X1SET S22STL S22LDI Y6OUT Y5RST Y1LD X2SET S23STL S23OUT Y9SET Y1RST Y5LD X3SET S24STL S24RST Y9LD X4SET S25STL S25OUT Y3RST Y1LD X5SET S26STL S26OUT Y6RST Y3LD X6SET S27STL S27LDI Y11OUT Y10SET Y1RST Y6LD X7SET S28STL S28RST Y10RST Y12LD X10SET S29STL S29LDI Y8OUT Y7LD X11SET S30STL S30SET Y12RST Y7LD X1SET S31STL S31RST Y1SET Y5LD X2SET S32STL S32LDI KTOUT T0RST Y5LD T0SET S33STL S33SET Y9SET Y1LD X3SET S34STL S34RST Y9LD X4SET S35STL S35SET Y6RST Y1LD X6SET S36STL S36LDI Y3OUT Y4RST Y6LD X8SET S37STL S37LDI Y10OUT Y11SET Y1LD X9SET S38STL S38RST Y11RST Y12LD X10SET S39STL S39LDI Y7OUT Y8LD X12SET S40STL S40OUT Y2RST Y8END七、机械手液压系统电气元件选择主电路元器件：根据系统工作要求可知，系统采用了双联泵供油，额定压力为6.3MPa，流量为（35+18）L/min，因两泵的流量相差较大，故应采用两个电机分别带动两个泵。两泵的输出功率分别为：一号泵（大泵）： 二号泵（小泵）：考虑到一号泵（大泵）工作时载荷较重，故应低速运行，对应的电机也应该选转速较低的；同理，二号泵（小泵）电机则可选转速较高一点的。因为各执行件的速度、压力和正反转情况都全部通过各个液压阀来调节，所以泵可以持续以恒定的流量将油输出，所以带动泵的电机也可以以恒转速、转矩输出，无需进行调速和正反转控制；当系统停止工作时，各执行件上没有使其反向运动的阻力，液压油的残余压力也不会对系统产生不良影响，故电机也无需进行特别的制动控制。综合以上分析和计算，可选择电动机型号如下：一号泵（大泵）电机M1：Y132M1-6 4KW 380V 10.53A 960r/min二号泵（小泵）电机M2：Y100L1-4 2.2KW 380V 5.79A 1430r/min1、电源引入开关Q。主要作为电源隔离开关用，并不用它来直接启停电动机，可按电动机额定电流来选，电动机电流为10.53A，所以开关选用HZ10-25/3型，额定电流为25A，为三极组合开关。2、热继电器FR1、FR2。主电动机M1、M2额定电流为10.53A，两个继电器应选用JR0-40型热继电器。热元件电流为25A。3、熔断器FU1、FU2、FU3熔断器选用：熔断器的额定电压不得小于线路的工作电压；熔断器的额定电流不得小于所装熔体的额定电流。1FU是对M1，M2两台电动机进行保护的熔断器对于多台电动机长期共用一个熔断器保护的情况，用机床电气控制技术式4-4来选择：表示容量最大的电动机的额定电流 ：除容量最大的电动机外，其余电动机额定电流之和以1FU熔体电流为：IR（1.52.5）23+2.89=（37.3960.39）A查机床电气控制技术表（4-8）可选用RL1-100型熔断器，配60A的熔体。2FU的熔体电流为：IR（1.52.5）2.89=（4.3357.225）A 查机床电气控制技术表（4-8）可选用RL1-15型熔断器，配10A的熔体。3FU的熔体电流为：IR（1.52.5）23=（34.557.5）A 查机床电气控制技术表（4-8）可选用RL1-60型熔断器，配20A的熔体。同理：4FU和5FU查机床电气控制技术表（4-8）可选用RL1-100型熔断器，配60A的熔体4、接触器KM1、KM2选用原则：1）根据所控制的电动机及负载电流类别选用接触器的类型；2）接触器的主触点额定电压应大于等于负载回路额定电压；3）接触器的主触点额定电流应大于等于负载回路额定电流；4）根据吸引线圈的额定电压选用不同种类接触器。接触器吸引线圈分交流线圈（36V，110V，127V，220V，380V）和直流线圈（24V，48V，110V，220V，440V）两种。接触器KM1和KM2，根据慢速电动机M1的额定电流Ie=2.89A ，控制回路电路电源为127V，根据主触点，动合辅助触电，动断辅助触电等的情况，选用CJ10-20型接触器，电磁线圈电压为127V。由于M1、M2电动机的额定电流很小，1KM、2KM可选用JZ744型交流中间断电器，其线圈电压为127V，触点电流为5A，可完全满足要求，对小容量的电动机常用中间断电器充任接触器。电器元件明细表电气元件明细表注明各元件的型号，规格及数量等，见表3-1。符号名称型号规格数量M1慢速电动机Y90L-61.1KW 380V 910r/min1M2快速电动机160M-4111KW 380V 1460r/min1Q组合开关HZ10-25/3三极 380V 25A 1FR热继电器JR16B20额定电流3.5A 整定电流2.67A1FU熔断器RL1-15熔体2A1KM1-KM12,KM121,KM122,KM123,KM1000,KM111,KM1005,KM1007中间接触器JZ744线圈电压127V 5A191KM、2KM交流接触器CJ10-2020A 线圈电压127V2T控制变压器BK100100VA 380V/12736V1SB控制按钮LA10黑色1SB1控制按钮LA10红色18、 小结本次设计完成了简单的机械手液压系统的PLC电气控制部分的设计。在这段时间的设计中，参考了大量的参考资料，同时我们也作了大量的社会调查，结合实际完成了这套设计。本篇设计的机械手液压系统的控制设计综合和运用了机械零件、液压系统、机械制图、PLC电气控制等知识，它主要是应用在那些单调、频繁的操作中用以代替人的劳动进行工作，它的主要优点是：1. 工作时间持久，不会出现人的疲劳，可以重复不断的劳动，维持流水线的正常工作。2. 对环境适应性强，可以在多粉尘、易燃、易爆、放射性强 等恶劣环境中工作。3. 运动精确、灵活、特别是在计算机的控制下，可以达到非常高的精度要求。4. 通用性好，除了特定用途外，适当改变手部，便可以完成喷涂、焊接等。5. 工作效率高，提高劳动生产率的同时也提高了成本。我通过这次课程设计，使我对继电器、控制器、PLC、液压系统有了进一步的了解。课堂上的知识为此次课程设计提供了正确的理论指导，而实践中遇到的问题又进一步加深和巩固了我们的知识，不但对机器控制系统的工作原理和特点有了深入认识，而且对各类元器件的作用及选用也进行了仔细研究。这次课程设计让我有一次复习了以前的内容并运用它做出了自己的东西，让我对机电控制技术产生了浓厚的兴趣。九、参考文献1 郁建平 机电控制技术 科学出版社 2006.72 闫和平 常用低压电器应用手册 机械工业出版社 2005.2 3 吴中俊 可编程控制器原理及应用 机械工业出版社 2004.4. 4 张万奎 机床电气控制技术 北京大学出版社 2006.8