城市垃圾压榨机液压系统设计【全套设计含CAD图纸、毕业论文】
摘 要本次设计是围绕节能、环保热点来展开研究,设计了由 PLC 系统控制,液压系统来完成动作的垃圾压榨机。 本次课题选用液压传动来作为其动作装置,具有传统的液压传动的优势,如稳定性好,传动效率高。同时,也在系统中加入了监测压力表等设备,更好的保证了系统能稳定的运行,同时也为维修提供了方便。在设计过程中,通过要求的压力及流量等,选择了当今标准液压器件,以保证一旦设备出现故障,以便更换器件,保证工作连续性。由于此次设计的垃圾压榨机工作环境比较差,需要的适应性强,可靠性高,抗干扰能力强的控制系统,所以本次课题的控制系统采用的是 C20P 系列 PLC。C20P 输入输出继电器点数为 20 点其中输入继电器 12 点,输出继电器为 8 点。其中 3 个输入点由行程开关控制,来保证动作位置。急停,启动,停止各一个输入点,还有一个压力继电器来控制快进转工进的动作过程。输出继电器用来控制电磁阀的电磁铁。关键字:液压系统 垃圾处理 压榨机 PLC ABSTRACTThis issue is a focus on energy saving, environmental protection and hot spots to expand the research, design by the PLC control system, hydraulic system to complete the movement of waste crushing machines. The topic chosen as the action of hydraulic transmission equipment, hydraulic transmission with traditional advantages, such as good stability, transmission and high efficiency. , It is also added to the system of monitoring pressure gauges and other equipment, and better able to guarantee a stable operation of the system, and also for the maintenance of convenience. In the design process, by the required pressure and feed speed, etc., choose the standard of todays hydraulic components to ensure that once the equipment failurer to replace the device, to ensure continuity.As the current design of garbage squeezing machine working environment is poor, the conditions of adaptability, high reliability and strong anti-interference ability of control system are needed, so this issue of the control system is the C20P series PLC. C20P input and output relay points for 20 points including 12-point type relay, the output relay for 8 points, in which three input points from the trip switch control, to ensure that action here. Emergency stop, start, stop each one input point, there is a pressure relay to control the fast-forward the process of changing jobs into the action. Output relay used to control the solenoid valve solenoid. Key word:Hydraulic systems PLC Compressors Waste目 录第一章.绪论 .11.1 垃圾处理市场分析 .11.2.国内外垃圾处理现状 11.3 垃圾压榨机简介 .2第二章.液压 系统的设计 52.1 压榨机的基本结构设计 .52.2 垃圾压榨机液压系统设计 .52.3 液压系统主要元件作用及型号选择 .62.4.液压系统原理动作 7第三章.控制系统的 设计 .113.1 PLC 结构及 简介 113.2 PLC 的型号选择与接口连接极其动作 123.3 下面是具体的指令语句表及解释 15第四章.液压系统型号选择与安全性校验 .174.1 液压缸的 参数计算 174.2 泵的参数计算 18谢 辞 19参考文 献 211第一章.绪论垃圾是人类日常生活和生产中产生的固体废弃物,由于排出量大,成分复杂多样,给处理和利用带来困难,如不能及时处理或处理不当,就会污染环境,影响环境卫生。垃圾处理就是要把垃圾迅速清除,并进行无害化处理,最后加以合理的利用。当今广泛应用的垃圾处理方法是卫生填埋、高温堆肥和焚烧。垃圾处理的目的是无害化、资源化和减量化。1.1 垃圾处理市场分析在城市化进程中,垃圾作为城市代谢的产物曾经是城市发展的负担,世界上许多城市均有过垃圾围城的局面。而如今,垃圾被认为是最具开发潜力的、永不枯竭的“城市矿藏” ,是“放错地方的资源” 。这既是对垃圾认识的深入和深化,也是城市发展的必然要求。中国垃圾处理行业起步晚,但通过近年来的发展,我国垃圾处理产业初具规模,垃圾处理市场容量有了显著增加,市场渗透率迅速提高,进入环卫行业的企业数量也在迅猛增加。现在我国的垃圾处理市场已经从导入期进入到成长期,并正向成熟期迈进。2007 年 1-11 月,我国废弃资源和废旧材料回收加工行业累计实现工业总产值61,149,109 千元,比上年同期增长了 58.75%;累计实现产品销售收入 59,540,739 千元,比上年同期增长了 53.58%;累计实现利润总额 1,614,130 千元,比上年同期增长了 51.17%。2008 年 1-8 月,我国废弃资源和废旧材料回收加工行业实现累计工业总产值64,530,292 千元,比上年同期增长了 57.42%;实现累计产品销售收入 62,446,110 千元,比上年同期增长了 54.54%;实现累计利润总额 2,100,576 千元,比上年同期增长了 81.14%。随着环境问题逐渐被重视,节能、环保成为各国的发展主题,已经开始为垃圾处理提供产业发展的机会。全世界垃圾年均增长速度为 8.42%,而中国垃圾增长率达到10%以上。全世界每年产生 4.9 亿吨垃圾,仅中国每年就产生近 1.5 亿吨城市垃圾。中国城市生活垃圾累积堆存量已达 70 亿吨。在如此巨大的垃圾压力下,有理由相信,垃圾处理产业会成为未来国内的明星产业。1.2.国内外垃圾处理现状国内外城市垃圾处理概况目前国内外广泛采用的城市生活垃圾处理方式主要有卫2生填埋、高温堆肥和焚烧等,这三种主要垃圾处理方式的比例,因地理环境;垃圾成份、经济发展水平等因素不同而有所区别。由于城市垃圾成份复杂,并受经济发展水平、能够结构、自然条件及传统习惯等因素的影响,所以国外对城市垃圾的处理一般是随国情而不同,往往一个国家中各地区也采用不同的处理方式,很难有统一的模。但最终都是以无害化、资源化、减量化为处理目标。从应用技术看,国外主要在填埋、焚烧、堆肥、综合利用等方式,机械化程度较高,且形成系统及成套设备。从国外多种处理方式的情况看,有以下趋势:(1)工业发达国家由于能源、土地资源日益紧张,焚烧处理比例逐渐增多;(2)填埋法作为垃圾的最终处置手段一直占有较大比例;(3)农业型的发展中国家大多数以堆肥为主;(4)其它一些新技术,如热解法、填海、堆山造景等技术,正不断取得进展。随着城市建设的发展和人民生活水平的提高,垃圾楼的缺陷日渐显露,其主要原因为:1、存入垃圾箱的垃圾基本上处于敞开状,臭味四散,造成环境污染。2、垃圾体积较小,且无压缩功能,储存量受限。3、清运次数多,增加垃圾清运成本。4、垃圾楼占地面积大5、基建成本高。 政环卫部门改变目前的垃圾收集方式,特引进国外成熟技术在国内生产制造一系列密闭式垃圾压缩储存设备,该设备集“密闭、除臭、压缩、储存”于一体,实现了整洁、美观、安全、高效、环保,体现了当今环保新时尚、新理念,提高了社区的整体形象及品味,进而提高了社会成员的环保意识。1.3 垃圾压榨机简介一、结构特点:1、双层密闭结构:内层为不锈钢储存桶体,完全抗腐蚀;外层采用喷塑壳体,坚固耐用。2、容积变化呈轴向线性变化,容积选择自如。二、功能与优点:1、具有破碎、压缩增容功能、减少垃圾清运次数,可直接降低清运费用。2、自动消毒除臭、无蚊蝇、虫害及病菌传染。3、操作简单,垃圾压缩-储存-排出的过程,完全自动化,清运人员不接触垃圾,安全又卫生。4、一般生活垃圾混合处理压缩能力大约为 3:1-4:1。35、采用密闭储存方式,无发生火灾之虞。6、设备可设置于任何地点,能有效利用空间。三、使用场所:社区、大厦、医院、学校、机关、商场、宾馆、车站、机场等产生大量垃圾的相关场所。所以,其适用范围非常广泛;以其容量大的特点,它可以是一个垃圾箱兼垃圾中转站央一事实上的辐射半径区域内,它就是一个标准的垃圾中转站。四、主机的主要规格:生活小区可按每 100 户 1 立方米的标准选择储存机型号。五、经济性分析:1、减少大量人工及费用。2、减少清运费用(可设计 2-3 天清运一次)3、减少渣土(垃圾)处理费。4、减少占地面积,使得有限空间充分利用。 (占地面积是垃圾楼的 1/4-1/5)容量:相当于一座 20 立方米的垃圾中转站。可配合后装压缩式垃圾运输车使用,运送一次的量相当于现有垃圾中转站 3-4 次的运量,大大降低的垃圾清运成本。以上数据为正常使用状态下的平均数据,实际情况与各个垃圾站的使用频率有关六、设计原因(1)目前,城镇垃圾*的处理,多数采用手推车(三轮车)集中到中转站,散装入铁制集装箱,然后再汽车运至垃圾填埋场倾倒的办法。这使中转站及运输途中有垃圾飞扬、滴溅的二次污染;环卫工人劳动强度很大,且因垃圾散装,增加了运输量及填埋场空间。(2)随着人们生活水平的提高,城镇建设事业的发展,城镇垃圾的量日益增多,垃圾成份复杂化(有机无机物及各类含建筑垃圾在内的硬质废弃物)。(3)我国在目前还未具备投入巨资普遍对垃圾进行分拣分包,生化处理,合理利用的条件。5第二章. 液压系统的设计2.1 压榨机的基本结构设计垃圾压榨机是锻压、冲压、冷挤、校直、弯曲、粉末冶金、成形、打包等加工工艺中广泛应用的压力加工机械设备。液压压力机(简称液压机)是压力机的一种类型,它通过液压系统产生很大的静压力实现对工件进行挤压、校直、冷弯等加工。液压机的结构类型有单柱式、三柱时、四柱式等形式,其中以四柱式液压机最为典型,它主要由横梁、导柱、工作台、上滑块和下滑块顶出机构等部件组成,结构原理图如 1 所示。图 2-1 四柱液压机结构原理图2.2 垃圾压榨机液压系统设计液压传动有许多突出的优点,因此它的应用非常广泛,如一般工业用的塑料加工机械、压力机械、机床等;行走机械中的工程机械、建筑机械、农业机械、汽车等;钢铁工业用的冶金机械、提升装置、轧辊调整装置等;土木水利工程用的防洪闸门及堤坝装置、河床升降装置、桥梁操纵机构等;发电厂涡轮机调速装置、核发电厂等等;船舶用的甲板起重机械(绞车) 、船头门、舱壁阀、船尾推进器等;特殊技术用的巨型天线控制装置、测量浮标、升降旋转舞台等;军事工业用的火炮操纵装置、船舶减摇6装置、飞行器仿真、飞机起落架的收放装置和方向舵控制装置等。垃圾压榨机的主要运动是导轨滑块的运动,上滑块机构由主液压缸(上缸)驱动做功,垃圾推出机构由推出液压缸驱动。压榨机的上滑块机构通过四个导柱导向、主液压缸驱动,实现导轨滑块机构:快速进给慢速压榨保压延时快速回程停止推出缸布置在工作台中间孔内,驱动滑快顶出机构实现:向左顶出向右退回停止本设备需要的快速运动回路,快速运动回路常用的有以下几种:1 液压缸差动连接回路。2 采用储能器的快速运动回路。3 双液压泵供油回路 。4 用增速缸的快速运动回路。由于本设备设计以节能为主题,所以选择双液压泵供油回路。这种回路的优点是功率损耗小,系统效率高。垃圾压榨机液压系统以压力控制为主,系统具有高压、大流量、大功率的特点。如何提高系统效率,防止系统产生液压冲击是该系统设计中需要注意的问题。2.3 液压系统主要元件作用及型号选择换向阀:具有两种以上流动形式和两个以上油口的方向控制阀,实现液压油流的沟通,切断,换向以及压力卸载和顺序动作控制的阀门。根据本设计系统流量与最大液压压力选择型号 34D-WE20B-7*.节流阀:通过改变节流截面或截流长度以控制流体流量的阀门。根据本设计系统流量与最大液压压力及通径选择型号 LF-L20H。溢流阀:定压溢流作用:在定量泵节流调节系统中,定量泵提供的是恒定流量。当系统压力增大时,会使流量需求减小。此时溢流阀开启,使多余流量溢回油箱,保证溢流阀进口压力,即泵出口压力恒定(阀口常随压力波动开启) 。安全保护作用:系统正常工作时,阀门关闭。只有负载超过规定的极限(系统压力超过调定压力)时开启溢流,进行过载保护,使系统压力不再增加(通常使溢流阀的调定压力比系统最高工作压力高 1020) 。过滤器:过滤器是输送介质管道上不可缺少的一种装置,通常安装在减压阀、泄压阀、定水位阀或其它设备的进口端,用来消除介质中的杂质,以保护阀门及设备的正常使用。根据本设计系统流量与最大液压压力选择型号 ZU-H100X20S。单向阀:流体只能沿一个方向流通,另一个方向不能通过的阀。根7据本设计系统流量与最大液压压力选择型号 AJ-H20L。远程控制压力阀:当管路压力在先导式溢流阀内部弹簧所能承受压力之内时,阀处于闭合状态,当压力大于弹簧所能承受压力时,阀导通。先导式溢流阀基于此工作原理,通过主管路内压力,控制支路的开闭。压力继电器:根据设定压力对比管路中的压力,发出电信号,连接 PLC控制系统。2.4.液压系统原理动作图 2-2 液压系统原理图注明:1.过滤器 2.齿轮泵(泵 1) 3.叶片泵(泵 2) 4.远程压力控制阀 5 压力继电器 6. 2 位2 通电磁换向阀(阀 3) 7.行程开关 8.液压缸 9.压力表 10.3 位 4 通电磁换向阀(阀 1) 11.液控单向阀 12.单向阀 13.节流阀一 液压系统的动作过程1)启动 按下启动按钮,泵 1 和泵 2 同时工作,单向阀导通,实现双泵供油,此时线圈85(5YA)处于失电状态,电磁阀 3 左位工作,压力油回流至油箱,液压系统处于卸荷状态。2)快进状态 压榨工程开始, 1YA 带电,电磁阀 1 左位工作,向液压缸 1 无杆腔快速供油,随着进给运动,系统压力增加,增至远程压力控制阀设定的压力,溢流阀卸荷,低压泵空载。系统转入工进状态。3)工进过程 此时单向阀关闭,高压泵 1 单独供油,系统进入工进工程,压榨机开始压缩垃圾,当达到预先要求的压力后,压力继电器 6 动作,接着 1YA 断电,电磁阀 1 中位作用,系统保压。 4)挤压缸保压 当上缸上腔压力达到预定值时,压力继电器发出信号,使电磁铁 1YA 失电,阀 1回中位,压榨缸封闭,使上缸上腔实现保压,其保压时间由压力继电器 7 控制的时间继电器调整实现。延时继电器开始计时,经过设定的时间 10s 后, 2YA 通电,保压过程结束。 5)挤压缸快速回程 当保压过程结束,延时继电器发出信号,2YA 得电,电磁阀右位作用液压缸 1 活塞杆左移,系统压力降低,远程压力控制恢复原位,单向阀导通液压泵 1 和 2 同时供油,液压缸实现快退,直到退至回程终点行程开关 1(SQ1)动作,快速回程结束。进油路 泵 1 和泵 2阀 1 左位液压缸无杆腔;回油路 液压缸有杆腔阀 1 右位油箱。6)推出缸工作工程 行程开关动作后,系统开始执行下一项动作,将垃圾从压榨机中退出运离现场。3 YA 通电,电磁阀左位作用,液压缸 2(退出缸)快进,至行程开关 3(SQ3)快速推进结束。7)推出缸回程 SQ3 动作后,3YA 失电,4YA 得电,电磁阀 2 右位作用,液压缸 2 快速回程,至回程终点。当上缸滑块组件上升至行程挡块压下行程开关 1S,使电磁铁 2YA、6YA 失电,阀3 中位接入系统,单向阀 9 将主缸下腔封闭,上缸在起点原位停止不动。泵 1 输出油液经阀 3、12 中位回油箱,泵 1 卸荷。8).工作结束 行程开关 2 动作后线圈 4 断电,电磁阀 2 中位作用。同时,线圈 5 断电,电磁阀3 左位导通系统卸荷,压榨机一个工作周期结束。9表 2-1 液压机液压系统动作循环表动作程序 1YA 2YA 3YA 4YA 5YA 6YA 7YA快速进给 慢速加压 保压 - 快速回程 压榨缸停止 - - - - 推出 返回 推出 缸停止 11第三章.控制系统的设计3.1 PLC 结构及简介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 英文全称 Programmable Logic Controller ,中文全称为可编程逻辑控制器,定义是:一种数字运算操作的电子系统,专为在工业环境应用而设计的。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设计。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。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,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。在使用者看来,不必要详细分析 CPU 的内部电路,但对各部分的工作机制还是应有足够的理解。CPU 的控制器控制 CPU 工作,由它读取指令、解释指令及执行指令。但工作节奏由震荡信号控制。运算器用于进行数字或逻辑运算,在控制器指挥下工作。寄存器参与运算,并存储运算的中间结果,它也是在控制器指挥下工作。CPU 速度和内存容量是 PLC 的重要参数,它们决定着 PLC 的工作速度,IO 数量及软件容量等,因此限制着控制规模。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12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。3.2 PLC 的型号选择与接口连接极其动作根据液压图的构成,需要的接口数量不多,所以确定 PLC 所选型号为 C 系列 P 型C20P。C20P 芯片所用电源电压为 100-240V 50/60Hz 交流电源。其控制方式为存储程序方式,主控制元件选用 MPUC-MOS LS-TTL。程序方式为梯形图方式,输入输出继电器点数为 20 点。其中输入继电器 12 点,输出继电器为 8 点。图中 SB2 按钮 0000 为油泵启动按钮; SB1 按钮 0001 为系统工序开始执行按钮;SB3 按钮 0006 为紧急制动按钮;SQ1 接 0003,SQ2 接 0004,SQ3 接 0005,它们是行程开关;SP1(0002)为压力继电器。通过对线圈 1YA 与 2YA 得失电控制,分别是操作电磁阀 1 左右位;3YA 与 4YA 是控制推出缸推出和拉回的电磁阀的右位和左位;5YA 是控制系统做功或卸载的两位两通电磁换向阀。具体工作过程为:垃圾放入压榨室后,先按下按钮 SB2 启动油泵,此时压力机油泵空载运行。当按下 SB1 后压力机开始工作,即实现滑块快速下行-挤压做功-保压-预卸-滑块快速回程-推拉缸推出-拉回-循环结束。按钮 SB3 为紧急制动按钮,即在任何时候按下它之后,压力机都会立刻停止工作。13图 3-1 PLC 接口图14图 3-2 梯形图153.3 下面是具体的指令语句表及解释地址 指令 数据0001 LD 00000002 OR 05000003 AND NOT 00060004 OUT 05020005 LD 00010006 OR 05000007 AND NOT 10000008 OUT 05000009 LD 00010010 OR 05010011 AND NOT 10020012 OUT 05010013 LD 00020014 OR 05040015 AND NOT TIM000016 OUT 05070017 OUT 05040018 LD 00020019 OUT 10000020 TIM 00#01000021 LD TIM000022 OR 05030023 AND NOT 00030020 OUT 05050021 LD 00030022 OUT 10010023 OUT 05050024 LD 0004160025 OR 05060026 AND NOT 10020027 OUT 05060028 LD 00050029 OR 00060030 OUT 10020031 END按下开机按钮,0000 得电,而后输出继电器 0502 接通,0502 自锁,油泵通电开始泵油。当垃圾添装完毕后,按下启动按钮 SB1,0001 得电,输出继电器 0500 和 0501接通,线圈 1YA 和 5YA 得电,系统快进。当压力增大到预设值后,压力继电器动作,使 0507 通电,7YA 得电,电磁阀右位,节流阀工作,控制流量,重而控制速度,同时,中间继电器 1000 接通,使 0500 断电电磁阀 1 处于中位,系统保压,延时继电器定时10s,开始计时,10s 后,延时继电器动作,输出继电器 0503 得电,并且自锁,线圈 2得电,阀 1 右位作用,液压缸 1 开始回程,至回程终点,行程开关 SQ1 动作,继电器0003 得电,中间继电器 1001 和输出继电器 0505 接通,0503 失电后阀 1 返回中位,线圈 3 得电后阀 2 左位作用,推出缸开始推出动作,至推出行程终点后,行程开关 SQ3动作,继电器 0004 得电,接通输出继电器 0506,使得线圈 4 得电,阀 2 右位作用,推出缸开始回程运动,至回程终点,行程开关 2 动作,0005 得电,继电器 1002 接通使得0501 断开,阀 3 左位作用,系统卸荷,一个工作周期结束。考虑到安全因素,为使操作方便,设有一个紧急停止按钮 SB3,当其按下后 1002 继电器得电,其动断触头断开,00513 阀左位作用,系统卸荷,工作紧急停止。17第四章.液压系统参数计算与安全性校验4.1 液压缸的参数计算(1)根据液压缸的理论输出力 F 和系统选定供油压力 P 来计算缸筒内径 DmpFD26105403查表取标准尺寸 D=250mm(2)根据根据快进和退回速度,以及缸筒内径 D,计算出活塞杆直径 dmDdsm1605.205.211./3470查表取标准尺寸 d=180mm(3)缸筒厚度计算 210l时当 08.D 不 符 合08.26. 280max0 mDP时当 3.3629.3.max0MAXP取 D1=0.35071.l21取.48D1(4)缸底厚度计算mPDh 0471.253.03.max(5)缸筒厚度的验算h 04871.12543.043.0max18(6)缸筒厚度验算 合 格 MPaDPsN 2.683.0).(1435.0)(35.0 26214.2 泵的参数计算根据之前计算可知缸桶内径 D=0.25 半径 R=0.125 无杆腔面积 222049.15.mRA有杆腔面积22035.)( md流量计算 in/960610.q73/49.21 Lss取根据缸内压力,最大液压压力,流量,工作过程知,泵 1 需要提供系大部分的压力,泵 2 需要提供系统大部分的流量,所以选取大流量泵,所以,泵 1 选取选取齿轮泵CBY2016 泵 2 选取叶片泵 YB-D80泵的参数对比表 4-1 泵的参数型号 排量 压力 转速 重量CBY2016 16,40 25 3000r/min 10.8KgYB-D80 80 10 1500 r/min 20Kg19谢 辞经过半个学期的学习和工作,本次毕业设计已经接近尾声,作为一个本科生的毕业设计,由于经验的不足,有许多考虑不周全不完善的地方,多亏了没有导师细心的指导,以及一起工作的同学们的帮助,才完成这个设计。在这里首先要感谢我的导师老师。老师平日里工作繁忙,但在我做毕业设计的每个阶段,从外出实习到查阅资料,设计草案的确定和修改,中期检查等整个过程中都给予了我悉心的指导。除了敬佩 老师的专业水平外,她的治学严谨和科学研究的精神也是我永远学习的榜样,并将积极影响我今后的学习和工作。其次要感谢帮助我作毕业设计的同学,他们在我设计中过程中,帮助我克服了许多困难来完成此次毕业设计。如果没有他们的耐心帮助,此次设计的完成将变得非常困难。 然后还要感谢大学五年来所有的老师,为我打下扎实的专业知识基础;同时还要感谢所有的同学们,正是因为有了他们的支持和鼓励,此次毕业设计才会顺利完成。21参考文献1 赵永成、汤武初.机电传动控制.(第二版).中国计量出版社,2007.6:p139-270;2 王积伟、章宏甲.液压与气压传动.(第二版).机械工业出版社,2006.4:1-375;3 周士昌.液压系统设计.机械工业出版社,2003.7:8-18;4 雷天觉.液压工程手册.机械工业出版社,1990.4:全书;5液压传动设计手册.上海煤矿机械研究所,1976.8:部分6 黎启柏. 液压元件手册.机械工业出版社7 明仁雄.液压与气压传动.北京:国防工业出版社,2003.9 巩云朋.机械设计课程设计.沈阳:东北大学出版社,2000.10 张万中.可编程控制器入门与应用实例.北京:中国电力出版社,2005.11 左健民.液压与气压传动.北京:机械工业出版社,2006.12 Z. J. Lansky etc Industrial Pneumatic Control. New York.1986.21附录:并联位移机器人的设计Jacques M.HERVEECELE CENTRALE PARIS92295 CHATENAY MALABRY CEDEXFRANCE摘要:本文目的是对偶具有人性化机器人的应用做一个完全的介绍,并将着重讨论并行机器人特别是那些能够进行空间平移的机器人。在许多工业的应用过程中这种机器人被证明其末端执行器在空间上的定位是没必要的。这个方法的优点是我们能系统地导出能预期得到位移子群的所有运动学链。因此,我们调查了机器人的整个家族。T-STAR 机器人现在就是一台工作装置。而 H-ROBOT,PRISM-ROBOT 是新的可能的机器人。这些机器人能满足现代生产快节奏工作中价格低以及符合挑选的工作环境,如选料、安排、包装、装配等发日益增长的需求。关键词:运动学,并行机器人引言群论可以运用于一系列位移当中。根据这个理论,如果我们能够证明群D包含所有的可能的位移,那么D就具有群结构。刚体的最显著运动是由群D表现出来的。这方法导致机械装置的分类 1。建立这样的一个分类的主要的步骤是将位移群的所有子群导出。这能通过检验所有具有旋转和平移特性的2产品直接推理出。然而,一个更有效的方法存在于假设群论3,4中。假设群论是在取决于许多有限实参数的全纯映射的基础上定义的。位移群D是六维假设群的一个特例。假设理论在假设群论的框架内,我们将用于补偿李代数的微元变换与通过其前面幂运算得到的有限运算结合起来。连续群通过与群微元变换有关的微分幂运算描述出来。另外,群体特性通过微分运算及其逆运算所得到的李代数的代数结构而得到了解释。让我们回忆一下李代数主要的定义公理:一个李代数是一个具有封闭乘积的反对偶称双线性的矢量空间。众所周知 5,螺旋速度场是在给定点 N 的条件下通过运算得到的一个六维的矢量空间。由下面3中步骤表明,我们能得完整的欧几里得位移D子群列表(见大纲表 1)。该列表是通过首先定义一个与速度场有关的微分运算符得到的。然后,通过幂运算,得到了李代数有限位移的表达式。此表达式相当于仿射的直接归一正交变换。螺旋速度场的子李代数是对偶位移子群组的直接描述。X (w)子群为了利用平行机理得到空间平移,我们需要找到所有位移子群的交集空间平移子群T。我们考虑的子群交集将严格的包含于两个“平行”子群内。此类别的最重要的情况是 2 个X (w) 子群和 2 个不同矢量方向 w 和 w的平行关系。这很容易证明:X(w) X(w)=T,ww子群X (w)在机制设计起一个很重要的作用。该子群由带有旋转运动的空间平移组成,其旋转主轴方向与所给定的矢量 w 的方向始终平行。X(w)机械联系的实际实施是通过子群X(w)代表的21系列运动学对偶中的命令实现的。实际上棱柱对偶和旋转对偶 P,R,H 都用于构造机器人(圆柱体对偶 C 以紧凑的方式结合棱柱对偶和旋转对偶)。产生的这些运动学对偶的所有可能组合由子群组X (w)在6中给出。同时它们必须连续的满足两种几何情况:旋转轴与螺旋轴要与给定的矢量 w 平行;不是被动运动。Xw子群的位移运算符,在 M 点的作用是:M N + u + bv + cw +exp(hw) N M 是矢量乘积标志。点 N 和矢量 u,v,w 组成了空间的正交标架的基准。a, b, c, h 为具有四维空间的子群的四个参数。空间平移的并联机器人当两子群组X(w) 和X(w),ww,满足 ww,但矢量平行时,在移动平台和固定马达之间,其机械生成元就足以能产生空间平移。三个子群组X (w),X(w),X(w),ww时其生成元同样也能产生空间平移。P,R 或 H 的任何系列组成群组X (w)生成元的对偶的空间平移都能被实现。此外,这 3 种机械生成元可以是不同或一样但都取决于所需的运动学结果。这种组合范围很广,使得整个能进行空间平移的机器人家族成员得到了增加。最有趣的是建筑的模拟能容易地是完成,机器手的选择也能适应委员的需要。Clavel 的 Delta 机器人属于这个家族,因为它基于相同的运动学原理7。并行操作机器人 Y-STARSTAR 16 由 3 个能产生X (u), X (u), X(u) (fig 1)子群组的协作操作臂组成。3 只机械臂是相同且每只都能通过一系列的 RHPaR 生成一个子群X (u),其中 Pa 代表循环平移协作,此平移协作由一块绞接的平行四边形的两对偶立的杆控制决定。两旋转对偶轴与螺旋对偶轴必须平行以保证能生成X (u)子群组。每条机械臂,第一个 2 对偶,即同轴旋转对偶和螺旋对偶组成固定机器人的固定部分,同时形成处于相同平面的轴的机械结构,将其分为三个相同部分,从而形成了 Y 行状。因此任意两轴之间的角度都占整个空间角度的 2 /3。机器人的移动部分由 PaR 系列组成,都能集中于移动平台做指定的某点位置。平台与参考平面保持平行,不能绕垂直于参考平面的轴旋转。任何的一种专有的末端执行器都能是放置在这流动的平台上。 所得到的反应移动平台的T子群仅能在空间进行平移,在8中给出。H 型机器人 大部分并型机器人包括 Delta 机器人和 Y Star 机器人,其末端执行器的工作空间与整个装置相比较小。这是此类机器人的一个缺陷。为了避免这种工作空间的限制,对偶此装置安装具有平行轴的电动千斤顶。与 Y Star 相似的机器人臂不能使用:三个相同集X (v)的交集等于X (v)而不是T。因此,在计新的 H 机器人16时,我们选择与 Y-Sta 相同的两条手臂,第三条手臂可与Delta 手臂相比。这第三条机械臂开始形成带有与第一个两电动千斤顶平行的机动化柱状对偶的固定框架。继以之绞接的二维平行四边形,此四边形由于其中一根杆的缘故能绕垂直于 P 对偶的轴转动。与此杆相对偶的杆经由平行轴的旋转对偶 R 被连结到移动平台上。当平行四边形形状变化时,这个性质被保持(自由度为一)。此机器人的第一个样机有一个团队的学生在 Pastor 教授的指导下于法国“IUT de Ville DAvray”完成的。此 H 型机器人安装了具有 3 种系统的螺杆(1)大间距21的螺母(2),能允许快速移动。它由轴承(6)通过执行机构 M 控制。三个绞接的平行四边形位于(4)的两端,在(5)的中间将螺母与水平平台(3)连接。机架(7)支撑着整个结构(图 2)。边螺旋杆允许沿着其轴转动和移动。中心螺母则不允许平行四边形构架的转动。移动平台与半气缸相似,其自由度为 3。这装置的主要优点是那工作空间是直接与平行轴长度成比例,能得到一个较大工作空间。柱状-机器人滑动对偶偶 P 较好的性有能在在工业机械元件上得到应用的可能。一个平行四边形能够利用四转动对偶偶 R 得到一个移动自由度。因此,利用柱状对偶偶代替平行四边形(Star 机器人)进行机器人设计是一个经济可行的方法。人们想象出了由 CPR 三重次序组成的很多几何排列(圆柱形对偶偶 C 可能能被 RP 代替以得到一电动千斤顶)。轴 C 必须在每次排列中与 R 轴平行。P 对偶偶的方向可以是任意的。柱状机器人的草图见图 3。两固定电动千斤顶是同轴的。第三个电动千斤顶为垂直安装。实际上,这些轴都是水平的。两柱状对偶偶相对偶于前两轴呈 45 度角。第三柱状对偶偶与第三轴垂直。移动平台在不需要人为调节的条件下在较大工作空间内自行移动。结论很多资料10, 11, 12, 13, 14, 15表明了假设群论的,特别是其动力学的重要性。通过对偶新的并行机器人的查证能够对偶我们进行机器人原型的构造有很大帮助。其机械性能的日益增加和制造费用的降低用使得机器人在当今工业制造中越来越具有吸引力。这种新机器人具有通用并行机器人在定位、灵敏性和马达定位安装方面的优点,可代替 DELTA 机器人。简写列表 1置换组的子群E 恒等。t(D) 对直线 D 的平移。R(N,u) 绕轴旋转装置.( 或同等物对 N,和 NN 的 uu=O)H(N,u,p) 转轴 (N ,u,p)= 2 k 的螺旋运动。t(P) 对平面 P 的平移。C(N,u) 沿轴平移的组合旋转装置.(N,u)t 空间的平移。G(P) 对平面P的平行平面运动。Y(w,p) 平面垂直平移到 w 所允许的平移旋转和沿任何轴平行到 w 的旋转动作。S(N) 在点N周围的额球状的旋转装置。X(w) 允许空间和沿任一轴旋转到 w 的平移旋转装置运动。 D 综合刚体运动。Design 21of parallel manipulators via the displacement groupJacques M.HERVEECELE CENTRALE PARIS92295 CHATENAY MALABRY CEDEXFRANCEAbstract: Our aim is to give a complete presentation of the application of Life Group Theory to the structural design of manipulator robots. We focused our attention on parallel manipulator robots and in particular those capable of spatial translation. This is justified by many industrial applications which do not need the orientation of the end-effectors in the space. The advantage of this method is that we can derive systematically all kinematics chains which produce the desired displacement subgroup. Hence, an entire family of robots results from our investigation. The T-STAR manipulator is now a working device. H-ROBOT, PRISM-ROBOT are new possible robots. These manipulators respond to the increasing demand of fast working rhythms in modern production at a low cost and are suited for any kind of pick and place jobs like sorting, arranging on palettes, packing and assembly.Keywords: Kinematics, Parallel Robot.IntroductionThe mathematical theory of groups can be applied to the set of displacements. If we can call D the set of all possible displacements, it is proved, according to this theory, that D have a group structure. The most remarkable movements of a rigid body are then represented by subgroups of D. This method leads to a classification of mechanism 1. The main step for establishing such a classification is the derivation of an exhaustive inventory of the subgroups of the displacement group. This can be done by a direct reasoning by examining all the kinds of products of rotations and translations 2. However, a much more effective method consists in using Lie Group Theory 3 , 4.Lie Groups are defined by analytical transformations depending on a finite number of real parameters. The displacement group D is a special case of a Lie Group of dimension six. Lies TheoryWithin the framework of Lie Theory, we associate infinitesimal transformations makingup a Lie algebra with finite operations which are obtained from the previous ones by exponentiation. Continuous analytical groups are described by the exponential ofdifferential operators which correspond to the infinitesimal transformations of the group.Furthermore, group properties are interpreted by the algebraic structure of Lie algebra of the differential operators and conversely. We recall the main definition axiom of a Lie algebra: a Lie algebra is a vector space endowed with a bilinear skew symmetric closed 21product. It is well know 5 , that the set of screw velocity fields is a vector space of dimension six for the natural operations at a given point N.By following the steps indicated in 3 we can produce the exhaustive list of the Lie subgroup of Euclidean displacements D (see synoptical list 1). This is done by first defining a differential operator associated with the velocity field. Then, by exponentiation, we derive the formal Lie expression of finite displacements which are shown to be equivalent to affine direct orthonormal transformations. Lie sub-algebras of screw velocity fields lead to the description of the displacement subgroups.The X (w) subgroupIn order to generate spatial translation with parallel mechanisms, we are led to look for displacements subgroups the intersection of which is the spatial translation subgroup T.We will consider only the cases for which the intersection subgroup is strictly included in the two “parallel” subgroups. The most important case of this sort is the parallel association of two X (w) subgroups with two distinct vector directions w and w. It is easy to prove:X(w) X(w)=T,wwThe subgroup X (w) plays a prominent role in mechanism design. This subgroup combines spatial translation with rotation about a movable axis which remains parallel to given direction w , well defined by the unit vector w. Physical implementations of X(w) mechanical liaisons can be obtained by ordering in series kinematics pairs represented by subgroups of X(w). Practically only prismatic pair and a revolute pair P, R, H are use to build robots (the cylindric pair C combines in a compact way a prismatic pair and a revolute pair). A complete list of all possibl
收藏