冲压机械手液压控制系统设计.

1、目录22.设计任务33.液压原理图的设计44.液压元件的选择814171828343536 绪论机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。通过编程来完成各种动作，它的准确性和多自由度，保证了机械手能在各种不同的环境中工作。机械手在工业生产中应用较多，机械手的使用能够显著提高生产效率，减少人为因素造成的废次品率。机械手可以完成很多工作，它在自动化车间中用来运送物料，从事多种工艺操作。它的特点是通过编程来完成各种预期的作业，在构造和性能上兼有人和机器人的部分优点，尤其体现了人的灵活协调和机器人的精确到位。机械手是在机械自动化生产中逐步发展出的一种新型装置。现代生产过程中机械手被广泛的应用

2、到自动生产线中。机械手目前虽然不如人手的灵活多变，但它具有重复性，无疲劳，不惧危险，有大的抓举力量，因此越来越多的被广泛运用。机械手技术涉及机械学、力学、自动控制技术、传感技术、电气液压技术，计算机可编程技术等，是一门跨学科综合技术。本课题在执行机构由电动和液压组成的结构基础上将PLC应用于其自动控制系统，完成机械手系统的硬件及软件设计。2.设计任务2.1动作分析根据生产条件要求，机械手须把加工原料从输送带上取下，旋转一定角度后将加工原料放入冲压机填料口，然后返回，重复这一动作。构的工步插销定位手臂前伸手指抓料手臂上升手臂缩回拔定位销手腕回转、手臂回转插定位销手臂前伸手臂下降手指松开、手臂缩回

3、拔定位销手腕回转、手臂回转插定位销。 图2-1冲压机械手结构示意图3.原理图的设计3.1根据设计要求，画出下图机械手液压系统原理图，如下图3-1图3-11液压系统原理图3.2压系统电磁铁动作顺序表按照电磁铁动作顺序要求绘制出如下表3-1动作顺序1Y2Y3Y4Y5Y6Y7Y手臂前伸+手指张开手指抓料+手臂上升+手臂缩回+手臂回转+手臂前伸+手指张开手指闭合+手臂缩回+手臂下降+手臂反转+表3-1系统工作原理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

4、，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

5、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

6、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

7、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

8、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1

9、3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

10、，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。4.液压元件的选择与计算4.1执行元件液压缸、液压马达Y=02G=0又=NN=5000NM(o)=0N×aF×a=0F=2 N=2×5000=10000N又=F=13300ND=根据液压行业技术标准，圆整为40mm.,查机械设计手册P选HSG型液压缸。手腕回转缸当手指夹着工件，手腕旋转时，液

11、压缸需克服的摩檫力矩最大。 M=f×r=×1500×0.1=15NM查机械设计手册选CM-C10C型液压马达。手臂伸缩缸F=f=×2000=200ND= = =根据液压行业技术标准，圆整为10mm.,查机械设计手册P选HSG型液压缸。手臂升降缸D=根据液压行业技术标准，圆整为40mm.,查机械设计手册P选HSG型液压缸。手臂回转缸当手指夹着工件，手臂旋转时，液压缸需克服的摩檫力矩最大。M=f×r=×4500×查机械设计手册选CM-C18C型液压马达。定位缸f=0.1×5000=500ND= = =根据液压行业技术标

12、准，圆整为20mm.,查机械设计手册P选HSG型液压缸。液压缸计算结果：型号速度比活塞缸内径(mm)活塞杆直径(mm)活塞杆工进速度(m/min)实际压力(MPa)流量(L/min)手指夹紧缸HSG4020310手臂伸缩缸HSG105124手臂升降缸HSG4020364定位缸HSG201034液压马达计算结果：型号额定转速(r/min)额定转矩(NM)额定压力(MPa)排量(mL/r)流量(L/min)手腕回转缸CM-C10C180010手臂回转缸CM-C18C1800291032.8液压泵液压泵是标准件，其选择依据是额定压力和流量。小泵当手臂回转、手腕回转、手指松紧及定位缸工作时，只有小流量

13、泵供油。手臂回转时，液压马达的额定压力为10MPa，流量为=nV=1800×手腕回转时，液压马达的额定压力为10 MPa,流量为=nV=1800×手指松紧时，液压缸的工作压力为10 MPa，流量为= A=×=××3×=/min定位缸工作时, 液压缸的工作压力为4 MPa，流量为= A=×=××3×实际流量：=××实际压力：=××10=11 MPa查机械设计手册选CB-30型液压泵。工作时液压泵所需的最大功率为：=查机械零件手册选Y160M型电机。大泵当手臂

14、伸缩、手臂升降时，大、小泵同时供油。手臂升降时，液压缸工作压力为4 MPa，流量为= A=×=××36×=45.2L/min。手臂伸缩时，液压缸工作压力为4 MPa，流量为= A=×=××12×实际流量：=××实际压力：=×× MPa查机械设计手册选CB-50型液压泵。工作时液压泵所需的最大功率为：=查机械零件手册选Y160L型电机。泵的计算结果：型号排量(mL/r)额定压力(MPa)转速(r/min)流量(L/min)小泵CB-32101450大泵CB-50101450电机

15、的计算结果：型号功率(KW)转速(r/min)小电机Y160M111500大电机Y160L151500方向阀、压力阀、流量阀控制元件是标准件，其选择依据是系统的最高工作压力和通过该阀的最大流量方向控制阀电液换向阀：按P=11选DSHG-03-3c型电液换向阀2个（3位4通O型机能）电磁换向阀：按P=11选DSG-01-3c型电磁换向阀4个（其中3位4通O型机能2个，2位3通2个）单向阀：按P=11选S型单向阀4个液控单向阀：按P=11选SV10型液控单向阀1个压力控制阀压力继电器：按P=11选HED1K型压力继电器1个；减压阀：按P=11选DR10DP型直动式减压阀1个； 卸荷溢流阀：按P=1

16、1，P=11选DA型先导式卸荷溢流阀各1个；单向顺序阀：按P=11选HGM-03-20型单向顺序阀1个。流量控制阀单向调速阀：按P=11选QA-H20型单向调速阀4个，按P=11选QA-H20型单向调速阀3个；行程节流阀：按P=11选ZGM-10型行程节流阀1个。控制元件计算结果：名称工作压力()流量(L/min)型号数量方向控制阀电液换向阀11DSHG-03-3c2电磁换向阀11DSG-01-3c4液控单向阀11SV101单向阀11S4压力控制阀压力继电器11HED1K1减压阀11DR10DP1卸荷溢流阀11DA2单向顺序阀11HGM-03-201流量控制阀单向调速阀11QA-H207行程节

17、流阀11 ZGM-101PLC发展这么多年，技术成熟，各种型号的也很多，各个厂家生产的也有一定区别，各个重点发展方向也不同，所以我们必须根据自己设计需要，考虑如何选择。西门子的中国业务是其亚太地区业务的主要支柱，活跃在中国的信息与通讯、自动化与控制、电力、交通、医疗、照明以及家用电器等各个行业中，其核心业务领域是基础设施建设和工业解决方案。欧姆龙S7-200系列PLC 突出的特点：可靠性高、操作简便；丰富的内置集成功能；强劲通讯能力；丰富的扩展模块；简单、易用的Micro/WIN编程软件。OMRON的可编程序控制器更加小型化。SYSMAC CPM1A的大小仅相当于一个PC卡(对于10点的机型来

18、说)，从而使安装体积大幅度减小，同时也进一步节省了控制柜的空间。它不仅具备了以往小型PLC所具备的功能，而且还可连接可编程序终端，为生产现场创造了新的环境。编程环境与CQM1及SYSMAC A等机种相同。由于原有SYSMAC支持软件及编程器都可继续使用，故而系统的扩展及维护都可简单进行。三菱FX系列可编程控制器是当今国内外最新，最具特色、最具代表性的微型PLC。在FX中，除基本的指令表编程方式外，还可以采用梯形土编程及对应机械动作流程进行顺序设计的SFC顺序功能图编程，而且这些程序可互相转换。在FX系列PLC中设置了高数计数器，对来自特定的输入继电器的高频脉冲进行中断处理，扩大了PLC的应用领

19、域。其FX2N PLC还可以采用作为扩展设备的硬件计数器，可获取最高50kHz的高速脉冲。综上，对于被控对象，采用PLC系统与采用其它形式的控制系统相比较，力求具有较好的性价比，使用和维修方便；选用的PLC主机和配置、控制功能等必须能满足被控对象的各种控制要求；选用的PLC主机及配置必须是功能较强的新一代PLC机型，一般最好不要选用旧机型（若采用三菱公司的PLC，则选FX系列，不选F1系列）。同时还应当考虑将来工艺的变化和扩展，在满足确定的要求外，留有一定的余量；确保整个控制系统可靠。还要考虑大家对产品的熟悉程度，以及编程指令的易懂性。根据I/O点的分配要求及考虑10%到15%的I/O裕量，本

20、设计PLC采用FX60MR 36/24型。 。 在选择PLC时需考虑到以下几点：1)输入、输出总点数控制在256点以内。(2)基本单元和扩展单元内部装有电源，对扩展 模块供给DC24V电源，对特殊模块供给DC5V电源， 因此扩展模块和特殊模块的耗电量应控制在基本单元 及扩展单元的电源容量范围之内。(3)对于FX2N    ,基本单元、外接特殊单元、特殊 模块的数量最多不超过8台。FX60MR36/24系列PLC共有24点输入，24点输 出。此装置采用传感器检测位置信号根据设计要求，设计机械手控制结构示意图，如下图5-1所示。 图5-1图中设置9个行程开关SQ1SQ

21、9用于检测工件、小车、机械手的位置及机械手夹钳的夹紧、放松状态，并对系统实施控制。其中SQ1为工件是否到位的检测开关；SQ2为小车原位检测开关；SQ3、SQ4分别为机械手下降上升是否到位检测开关；SQ5、SQ6分别为机械手夹紧放松检测开关；SQ7、SQ8分别为小车速度转换开关；SQ9为小车运动停止开关。分配 I/O设备即所需的I/O点数如下表所示：信号I/O设备I/O点数信号I/O设备I/O点数 输 入操作方式选择旋钮开关手动时运动选择按钮启动停止按钮行程开关5829 输 出交流接触器控制线圈电磁阀动作指示原点指示4381 表6-1控制电路设计主要是PLC输入、输出接线的设计，其I/O分配如图

22、6-1所示 图6-1 梯形图的总体设计按照机械手控制和工艺流程的要求，在选择“手动方式”时应执行手动程序；在选择“回原位”时应执行回原位程序；在选择自动程序时应执行自动程序。其中自动程序要在启动按钮按下时才执行。故梯形图的总体构成如图7-1所示图7-1搬运机械手PLC控制梯形图总体构成各部分梯形图的设计通用部分梯形图分为三部分：1）. 状态器的初始化。初始化状态器S600在手动方式下被置位、复位。当方式选择开关置于“返回原位”（X514接通）时，按下复位按钮（X507）时被置位，在“手动操作”（X510）接通时，S600复位。处于中间工步的状态器用手动做复位操作，即在方式选择开关位于“手动操作

23、”或“返回原位”时，中间状态器同步复位。故初始化梯形图如图7-3所示，（如果状态器要在供电时从断电前条件开始继续工作，则不需要M71）。图7-3 状态器初始化梯形图2）. 状态器转换启动。若机械手工作在自动工作方式下，当初始状态器S600被置位后按下启动按钮，辅助继电器M575工作，状态器的状态可以一步一步的向下传递，即可进行转换。在执行“连续程序” 时，转换启动继电器M575一直保持到停机按钮按下为止。另一面采用M100检查机器是否处于原位。当M575和M100都接通时，从初始状态器开始进行转换，故其梯形图如图7-4所示。图7-4状态器转换启动梯形图3）. 状态器转换禁止梯形图。激活特殊辅助

24、继电器M574并用步进梯形指令控制状态器转换时，状态器的转换就被自动禁止。在“单周期”工作期间，按下停止按钮时，M574应被激励并自保持，操作停止在现行工步。当按下停止按钮时，从现行工步重新开始工作，M574应复位，即重新允许新转换。在“步进”工作方式时，M574应始终工作，此时，禁止任何状态转换。但没按下一次启动按钮时，M574断开一次，允许状态器转换一次。在“手动”工作方式时禁止进行状态转换。在手动方式解除之后，按下启动按钮，则状态转换禁止解除，M574复位，。PLC在启动时，用初始化脉冲M71和M574自保持，以此禁止状态转换，直到按下启动按钮。故状态器转换禁止梯形图如图7-5所示。图7

25、-5状态器转换禁止梯形图通过对7-4和7-5的分析可得出：在执行“手动操作”和“返回原位”程序时，M575一直不能被接通，而M574长期被接通，（按下启动按钮时除外）；执行“步进”程序时没按一次启动按钮，M574断开一次，M575接通一次，状态器转换一次；在执行“单周期操作”程序时，按下启动按钮，M574断开，M575接通，状态器的转换可一步一步向下转换，直至按下停止按钮时，M574自锁，状态器的转换被禁止，操作停止在现行工序（再次按下启动按钮时从现行工序开始工作）；在执行“连续程序”时，M575一直接通到按下停止按钮，此时M574一直不能接通。2.手动操作梯形图 手动操作方式由于不需要任何复

26、杂的顺序控制，可以用常规继电器顺序方式来设计梯形图。“手动操作时”按下放松按钮时，机械手卡抓松开，当松开放松按钮时，机械手卡爪在液压缸作用下自动加紧并保持；按下上升按钮，上升输出Y435保持接通；按下下降按钮，Y436保持接通；在上限位按下慢进按钮，慢进输出Y430接通，至行程开关SQ7闭合，小车停止；快进、快退、慢退情况同慢进。手动操作梯形图设置有互锁，只有在小车处于左限位（即X403闭合）或右限位（即X412闭合）时机械手的上升下降动作才能进行，只有当机械手处于下限位（即X404接通）机械手的加紧放松动作才可以手动控制；为了安全，同一个电动机的正反转线圈不能同时接通，设计中设计了自锁开关，

27、防止线圈同时接通造成的短路。故手动操作时梯形图如图7-6所示。图7-6 手动操作梯形图3.返回原位梯形图 在“返回原位”状态下，“夹紧”与“下降”动作应被停止，上限位未动作时，应进行“上升”；上限位动作时，“右行”动作应停止，并左行至左限位位置。故返回原位梯形图如图7-7所示。图7-7 返回原位梯形图4.“自动”状态梯形图 表示了机械手自动工作时执行各工步的情况，表示了各工步的实现和转换的条件。在第一次下降工步中，下降电磁阀Y436接通。自下限位置时，X404接通，转换为“夹持”过程；夹持电磁阀Y434复位，至加紧限位X406接通，转换为上升动作；当上限为开关SQ4闭合，X405接通，小车开始

28、慢进动作。快进、慢进、延时、下降、加紧、上升、慢退、快退、慢退动作依次类推，如上所述一步一步按顺序驱动各个负载动作，称为顺序控制或过程步进型控制。如图7-8所示图7-8搬运机械手自动工作流程图用状态器代替自动工作流程图的各工步，可得到7-9所示的功能表图： 图7-9搬运机械手自动工作功能表图根据图7-9所示的自动工作功能表图，可设计出自动操作时的梯形图如图7-10所示。图7-10搬运机械手自动工作梯形图指令语句表步序指令1LDX5142ANDX5073SS6004LDX5105RS6006LDX5107OUTF6718K6019OUTF67210K61011OUTF67012K10313LDX

29、50114ANDM57515ORX40016ANIX50117LDX50118ORX51219ORX51320ANB21OUTM57522LDX40523ANDX40324ANIY43425OUTM10026OUTY54027LDX40028PLSM10129LDX40130ANDX50231ORX51132ORX51233ORX51434ORM7135ORM57436ANIM10137OUTM57438LDIX51039CJP70040LDL50041ANIX40542LDX43043ORX41244ANB45ANIY43546OUTY43647OUTY53048LDX50049ANIX40

30、550LDX43051ORX41252ANB53ANIY43654OUTY53555OUTY53156LDX50257ANIX40758ANDX40459OUTY43460OUTY53361LDIX40262ANIX40663ANDX40464OUTY53265LDX50466ANIX41067ANIX41268ANDX40569ANIY43170OUTY43071OUTY53472LDX50673ANIX41174ANIX40375ANDX40576ANIY43077OUTY43178OUTY53579LDX53080ANIX41181ANDX40582ANIY43383OUTY43284O

31、UTY53085LDX50586ANIX41087ANDX40588ANIY43289OUTY43390OUTY53791EJP70092LDX51793CJP70194LDX50795SM20096LDM20097OUTY43498RY43699OUTY435100ANDX405101RY430102RY432103OUTY433104ANDX403105RM200106EJP701107LDX400108ORM102109OUTM102110MCM102111STLS600112LDM575113ANDM100114SS601115STLS601116OUTY436117ANDX40411

32、8SS602119STLS601120OUTY434121ANDX406122SS603123STLS603124OUTY435125ANDX405126SS604127STLS604128OUTY430129ANDX410130SS605131STLS605132OUTY432133ANDX411134SS606135STLS606136OUTY430137ANDX412138SS607139STLS607140OUTT450 141K5142ANDT450143SS610144STLS610145OUTY436146ANDX404147SS611148STLS611149OUTY437150ANDX407151SS612152STLS612153OUTY435154ANDX405155SS613156STLS613157OUTY431158ANDX411159SS614160STLS614161OUTY433162ANDX410163SS615164STLS615165OUTY431166ANDX403167SS600168RET169MCRM102170ENDBOM表序号名称型号