【带式传送机构及机械手PLC控制设计8000字（论文）】

带式传送机构及机械手PLC控制设计目录TOC\o"1-3"\h\u17792目录 412352第一章、引言 117662第二章、基本方案设计 120022（一）设计主要任务 118660（二）设计基本方案 24040第三章、机械结构设计 326753（一）机械手的总体设计 38090（二）机械手腰座结构的设计 36703（三）机械手手臂的结构设计 424511（四）机械手腕部的结构设计 428757（五）机械手末端执行器（手爪）的结构设计 522326第四章、液压系统设计 625435（一）液压传动系统设计计算 673011、确定液压系统基本方案 6144382、制作液压系统图 6117933、确定液压系统的主要参数 7212114、计算和选择液压元件 1128174（二）电机选型有关参数计算 12283981、有关参数的计算 12264482、电机型号的选择 1530163第五章、控制系统的设计 1626945（一）机械手控制系统硬件设计 16246471、机械手工艺过程与控制要求 16155442、机械手的作业流程 166483、机械手操作控制面板布局 171574、控制器的选型 17135665、控制系统原理分析 18298076、PLC外部接线设计 18100067、I/O地址分配 1926658（二）机械手控制系统软件设计 20220561、机械手控制主程序流程图 2010262、机械手控制程序设计 2012385第六章、结论 2128783参考文献 2227641附录1 24第一章、引言机械手可以在上下料过程中抓取工件，移动工件到工作地点。这是一个科学研究非常活跃且应用越来越普遍的行业。机械手的使用是反映国家工业控制自动化水平的关键指标值。智能机器人不仅仅是实际意义上的人工劳动，而是具有专业技能和专业技能的综合机械设备。作为一种对环境做出快速响应的机械设备，设备可以不断地分析和区分环境。该设备可以长时间连续使用。工作中的高精度，能够承受极端环境。在某种程度上，这种演变是机械加工的结果，对于关键加工制造和服务行业来说，机械加工是必不可少的，其非机械设备，自动化机械和智能制造技术都是必不可少的。特别适用于智能生产多种类型和多种自变量。它可用于零件的安装，运输以及生产和加工工件的装卸，特别是用于全自动CNC车床和专用机床。在我国，它代替了每个人的正常工作，其现实意义更高。因此，它在机械制造，冲压模等行业被广泛使用。由于通用机械手可以快速改变加工工艺并且具有很强的适应性，因此可以广泛用于小批量生产和生产线的连续更换。因此，对机械手的设计是势在必行的。工业生产现场有许多易燃，易燃，易爆和有害的物质，使工人的工作环境极端极端。此时，如果可以根据机械手执行此危险操作，则无疑是非常高效和快速的。因此，装卸，操纵机械手是每个人的研究课题。本设计方案适用于生产车间的车间，在生产加工产品的装卸全过程中满足数控车床和数控加工中心的要求，减轻了工人的劳动强度，节省了生产加工时间，并提高生产效率和生产效率。第二章、基本方案设计（一）设计主要任务设计参数：（1）传送带输送能力：600kg/h（2）最大输送长度：8m（3）最大输送速度：1.5m/s（4）机械手要求：它所夹持得直径能允许的范围最大为250mm，夹持的重量允许最大为10Kg，并且手臂还能够伸缩自如。机械手要求有3种控制方式：①手动控制方式；②单周期控制方式；③连续控制方式。（二）设计基本方案为了更好地方便应用和调整，将实际操作指定为手动和全自动实际操作，其中全自动实际操作包括：单步，单周期时间，持续时间；手动实际操作包括返回原点的手动和手动操作。机械结构设计：机械手采用圆柱坐标形式。腰座使用大传动比的齿轮传动系统。手臂采用液压缸直接驱动。末端执行器采用连杆杠杆式。传动机构设计：液压缸直接驱动不需要中间机构。腰部回转运动采用步进电机驱动，圆柱齿轮传动。驱动系统：大小臂采用液压驱动，使用的是电液伺服液压缸。液压控制回路方向控制采用的是电磁换向阀。速度控制采用节流调速。电机选择步进电机。控制系统设计：主要靠的是电磁阀来调节上升和下降。靠电液伺服阀伺服驱动器，感应式位移传感器控制伸长和缩短。通过柱塞缸和齿轮来夹紧和放松手爪。第三章、机械结构设计（一）机械手的总体设计图3-2机械手工作布局图本次设计的具体应用，被上下料的工件为10kg，工件长度为250mm，综合考虑，机械手的自由度为3，坐标形式为圆柱坐标形式，其特别好的是：运动范围广。布局如图3-2所示。（二）机械手腰座结构的设计由于是智能机器人的第一个旋转关节。其精度很高，因此如果不能准确的完成将会对机械臂的最终精度非常有害。因此，马达驱动器用于完成腰部旋转健身运动。由于无法立即驱动电动机，因此使用传动比大的齿轮传动系统软件来降低速比。由于齿轮传动装置存在齿隙，从而损害了传动系统的精度，因此用传动比大的一级齿轮。传动齿轮以高韧性和高韧性原材料高精度加工生产。腰座的具体结构如图3-3图3-3腰座结构图（三）机械手手臂的结构设计由于加工工件的质量为10KG，因此对刚度和强度有要求。因为对于刚度和强度的要求，所以臂的驱动是液压驱动。液压驱动力会很大，所以强度和刚度完全可以满足。之后，检查液压缸的强度。机械手臂过于大就会降低刚度。设计中增加了导杆机构，增加了四根导杆，用正四边形排列，导杆全都是中空的，这样的话大臂还可以减轻重量。增加两根导杆，和活塞杆组成等边三角形，这是为了增加小臂的刚度。（四）机械手腕部的结构设计通过对上下料的深入了解，可以在达到工艺性能的前提下，尽可能提高安全系数和稳定性。机械臂的结构必须简单，这样可以减少操纵的难度。实践经验证明，3个自由度就行。结构如下图3-4所示。图3-4手爪联结结构（五）机械手末端执行器（手爪）的结构设计结合实际工况，这次用连杆杠杆式对手爪进行设计。首先活塞端的齿条进行运动，然后活塞就会被施加力，作来回往复运动并带动扇形齿条，机械手就会打开，关闭。因为工件的直径为250mm，所以设计也是按照工件直径制造的。如图3-5所示：图3-5机械手末端执行手爪结构图第四章、液压系统设计（一）液压传动系统设计计算1、确定液压系统基本方案液压执行元件分为液压缸（它主要是直线运动）和液压马达（它主要是回转运动），二者的特点及适用场合见表4-1：表4-1液压缸和马达特点名称特点适用场合双活塞杆液压缸双向对称双向工作的往复场合单活塞杆液压缸有效工作面积大、双向不对称往返不对称的直线运动，差动连接可实现快进柱塞缸结构简单单向工作，靠重力或其它外力返回摆动缸单叶片式小于360双叶片式小于180小于360的摆动；小于180的摆动齿轮马达结构简单、价格便宜高转速、低转矩的回转运动叶片马达体积小、转动惯量小高速低转矩、动作灵敏的回转运动摆线齿轮马达体积小、输出转局大低速、小功率大转矩的回转运动轴向柱塞马达运动平稳、转矩大、转速范围宽大转矩的回转运动径向柱塞马达转速低，结构复杂，输出转矩大低速大转矩回转运动由于用圆柱坐标法来进行设计，1个旋转和2个直线运动共三个自由度。因此，机械手的水平臂和垂直臂都使用单活塞杆液压缸液压系统来完成平行线往复运动。2、制作液压系统图它具有三个执行器，用于升高和降低垂直臂，水平伸缩筒的水平延伸和收缩以及夹紧和延伸的爪子。泵由三相交流交流异步电动机M拖曳；通过调速阀V1调节系统软件的工作压力。在充分考虑到手的工作标准的情况下，用两个单向节流阀，它们对节流阀的实际作用各不相同。当5DT通电时，工作液通过单向节流阀V5进入柱塞泵缸，爪迅速夹紧。当6DT停止时，工作液进入柱塞泵缸以完成指针的作用。爪迅速松开。另外，由于机械臂的垂直升降缸在工作时与负载重力功能的方向相同，因此减小趋向于加快自身运动的速度。为了稳定自身运动的整个过程，它还尽可能减少了冲击。为了确保安全性，应选择由V2组成的平衡控制回路进行振动，以向电梯液压缸的下腔提供一定的排水反压，以平衡重力载荷。液压系统图如图4-1所示。图4-1机械手的液压系统原理图3、确定液压系统的主要参数1.计算液压缸的总机械载荷总机械载荷力为（4-1）式中，为外加载荷，水平方无外载荷，故为0；为活塞上所受的惯性力；为密封阻力；为导向装置的摩擦阻力；为回油被压形成的阻力；（1）的计算（4-2）式中，为液压缸所要移动的总重量，取为10KG；为重力加速度，；为速度变化量；启动或制动时间，一般为0.01~0.5，取0.2s将各值带入上式，得：=0.102（2）的计算（4-3）式中，克服液压缸密封件摩擦阻力所需空载压力，如该液压缸工作压力<16，查相关手册取=0.2；为进油工作腔有效面积；启动时：56.5N运动时：=28.3N（3）的计算内导杆和外导套之间的摩擦力为（4-4）式中，为机械手和所操作工件的总重量，取为10KG；为摩擦系数，取f=0.1；带入数据计算得：=9.8（4）的计算回油背压形成的阻力按下式计算（4-5）式中，为回油背压，一般为0.3~0.5，取=0.3为有杆腔活塞面积，考虑两边差动比为2；将各值带入上式有，分析液压缸各工作阶段受力情况，作用在活塞上的总机械载荷为。2.手爪执行液压缸工作压力计算手爪要能抓起工件必须满足：（4-6）式中，为所需夹持力；安全系数，通常取1.2~2；为动载系数，主要考虑惯性力的影响可按估算，为机械手在搬运工件过程的加速度，，为重力加速度；方位系数，查表选取；被抓持工件的重量10；带入数据，计算得：；理论驱动力的计算：（4-7）式中，为柱塞缸所需理论驱动力；为夹紧力至回转支点的垂直距离；为扇形齿轮分度圆半径；为手指夹紧力；齿轮传动机构的效率，选为0.92；其他同上。带入数据，得计算驱动力为：（4-8）式中，为计算驱动力；安全系数，此处选1.2；工作条件系数，此处选1.1；其他同上。带入数据，计算得：工作驱动力由缸内油压提供，故（4-9）式中，为柱塞缸工作油压；为柱塞截面积；经计算，所需的油压约为：4-液压缸主要参数的确定综合考虑各个方面的要素后，液压缸主要参数如下：表4-2手爪执行柱塞缸参数缸内径壁厚直径行程工作压力20520803~6注：手爪柱塞缸工作压力由系统压力阀调定。表4-3水平伸缩液压缸参数缸内径壁厚杆直径行程工作压力6010254001因此，在水平伸缩筒的设计方案中，一方面是扩大其抗弯强度的工作能力，另一方面是根据有效的结构合理地布置设计方案，以使其具有最大的抗弯刚度。表4-4垂直液压缸参数缸内径壁厚杆直径行程工作压力6010251001由于垂直液压系统采用的载荷方法，不仅存在一定的径向载荷，而且还存在较大的倾覆力矩。要处理的最重要问题是其总体设计是否可以具有足够的抗弯刚度以抵抗塌陷。在这里，也选择了导向杆组织，并在垂直升降机油缸周围紧紧地设置了四个摆杆，很好地解决了这个问题。4.液压缸强度的较核（1）缸筒壁厚的较核当D/时，液压缸壁厚的校核公式为：（4-10）式中，为缸筒内径；为缸筒试验压力，当缸的额定压力时，取为；为缸筒材料的许用应力，，为材料抗拉强度，经查相关资料取为650，为安全系数，此处取；带入数据计算，上式成立，满足要求。（2）活塞杆直径的较核活塞杆直径的较核公式为（4-11）式中，为活塞杆上作用力；为活塞杆材料的许用应力，此处；校核成立，强度能满足工作要求。4、计算和选择液压元件1.液压泵的计算（1）确定液压泵的实际工作压力（4-12）式中，计算工作压力，前以定为；对于进油路采用调速阀的系统，可估为（0.5~1.5），这里取为1。因此，可以确定液压泵的实际工作压力为（4-13）（2）确定液压泵的流量（4-14）式中，为泄露因数，取1.1；为机械手工作时最大流量。（4-15）经计算得=4-140带入上式得（3）确定液压泵电机的功率（4-16）式中，为最大运动速度下所需的流量，取为4-140；液压泵实际工作压力，5；为液压泵总效率，取为0.8；带入数据计算得：=。2.控制元件的选择在考虑实际工作时，会根据详细的法规和详细的条件对本部分进行详细介绍，在此不再赘述。4-油管及其他辅助装置的选择（1）查阅设计手册，选择油管公称通径、外径、壁厚参数液压泵出口选取；液压泵吸油管选择；其余都选为；（2）确定油箱的容量一般取泵流量的3~5倍，这里取为5倍，有效容积为（4-17）（二）电机选型有关参数计算1、有关参数的计算1.若传动负载作直线运动（通过滚珠丝杠）则有负载额定功率：（4-18）负载加速功率：（4-19）负载力矩（折算到电机轴）：（4-20）负载（折算到电机轴）：（4-21）起动时间：（4-22）制动时间：（4-23）2.若传动负载作回转运动负载额定功率：（4-24）负载加速功率：（4-25）负载力矩（折算到电机轴）：（4-26）负载GD（折算到电机轴）：（4-27）起动时间：（4-28）制动时间：（4-29）式中，为额定功率，KW；为加速功率，KW；为负载轴回转速度，r/min；为电机轴回转速度，r/min；为负载的速度，m/min；为减速机效率；为摩擦系数；为负载转矩（负载轴），；为电机启动最大转矩，；为负载转矩（折算到电机轴上），；为负载的，；为负载（折算到电机轴上），；为电机的，；实际上，在该设计方案中，由于伺服电动机驱动腰部的旋转，因此自身运动的传递属于第二种类型。实际计算如下。由于腰部旋转健身运动仅具有摩擦扭矩，因此在旋转圆的上方没有其他扭矩，因此在旋转轴上没有。；（4-30）式中，为滚动轴承摩擦系数，取0.005；为机械手与负载重量之和，取10；为回转轴上传动大齿轮分度圆半径，R=240；带入数据，计算得=0.12；同时，腰部回转速度定为=5r/min；传动比定为1/120；且，带入数据得：=10.45667。将其带入上（4-24）~（4-30）式，得：启动时间；制动时间；折算到电机轴上的负载转矩为：。2、电机型号的选择其中，步距角为0.36。另外，由于腹部传动比为1：120，因此，减速后步进电机被传递至旋转轴。尽管传动齿轮存在间隙和离散的系统误差，但旋转轴的特定步距角将是电动机特定步距角的1/120，因此，特定旋转轴的最小步距角为轴仍然不大，因此精度非常高，完全可以满足机械臂左右物料的精度水平。图4-2电机相关参数图4-3110BYG550B-SAKRMA-0301步进电机的矩频特性曲线第五章、控制系统的设计（一）机械手控制系统硬件设计1、机械手工艺过程与控制要求抓取器的抓取和释放压力是根据柱塞缸和传动齿轮实现的。当机械手转向CNC车床的边缘并准备预先下降以进行左右物料工作时，为了更好地确保安全，必须允许它下降，以便在CNC车床停止时开始工作。工作并发送上下物料说明。另外，当从产品工件架上上下料产品工件时，必须首先区分在产品架上是否有任何产品工件。2、机械手的作业流程机械手的作业动作流程如图5-1所示：图5-1上下料机械手工作流程图3、机械手操作控制面板布局操作控制面板的布局如图5-2所示。机械手的操作方法可以选择两种工作方法，一种是手动操作另一种是全自动操作。1.手动实际操作：使用按钮作为操纵器对运动的每个步骤进行独立操作。例如，选择上/下按钮时，按下渐变按钮，机械手升高;当按下结束按钮时，操纵器上升。选择反向/顺时针按钮时，按下运行按钮，操纵器将顺时针旋转。当按下结束按钮时，机械手将反向旋转。图5-2机械手操作面板示意图2.全自动实际操作：机械手从起点开始缓慢运行，按下运行按钮，机械手的姿势将是自动连续的标准循环。如果在作业中途按下停止按钮，则机械手将再次执行循环系统的时间姿势，然后返回到起点。4、控制器的选型型号规格为SIMATICS7-200CPU224。该设备集成了14个输入/10个输出以及总共24个数据I/O点。这是一款具有很强的可操纵性的控制器如图5-3.图5-3SIEMENSSIMATICS-700PLC5、控制系统原理分析为了更好地降低PLC的I/O电平，伺服放大器被用作闭环的比较点。以形成仿真模拟自动控制系统，如图5-4所示。这种规划方案减少了PLC控制（尤其是模拟输入）的使用，节省了服务器资源，并且程序易于编写，无需过多考虑控制系统的优势，并且可以完全满足工作标准。图5-4水平手臂伺服定位控制原理图6、PLC外部接线设计让液压系统伺服电机的定位操作更加精确，使用西门子PLCSIMATICS7-200（CPU224）PLC，充分考虑到位移传感器和伺服放大器都是模拟的，因此模拟PLCEM232模块已升级，由于伺服放大器和位移传感器的输入规定，PLC的模拟量采用-10V〜10V输入和输出。输入和输出点以及接线如图5-5所示。下图显示了PLC的实际硬件配置和接线方法（有关详细的硬件开发，请参见工程图）。图5-5PLC硬件接线图7、I/O地址分配表5-1PLC输入元件地址分配明细表控制元件符号编程地址备注总停开关SB0I0.0按下停止工作启动开关SB1I0.1按下开始工作垂直缸上限行程开关SM1I0.2垂直缸下限行程开关SM2I0.3机床上下料命令开关SB2I0.4检测料架有无工件光电开关SP0I0.5常闭开关，闭合表示有工件控制面板上/下选择开关SQ1I0.6用于手动调整时控制面板夹紧/松开选择开关SQ2I0.7用于手动调整时控制面板顺/逆选择开关SQ3I1.0用于手动调整时控制面板手动工作选择开关SQ4I1.1用于手动调整时控制面板自动工作选择开关SQ5I1.2表5-2PLC输出元件地址分配明细表控制元件符号编程地址备注步进电机高速驱动脉冲输出/Q0.0步进电机方向控制/Q0.2Q0.2为1顺时针，反之为逆时针；垂直缸上升动作电磁阀2DTQ0.1垂直缸下降动作电磁阀3DTQ0.3手爪张开动作电磁阀5DTQ0.4机械手原点状态指示灯L1Q0.5显示原点位置中断强制关机开关KMQ0.6用于中断控制（二）机械手控制系统软件设计1、机械手控制主程序流程图机械手控制主程序流程图如图5-6所示：图5-6机械手控制主程序流程图2、机械手控制程序设计机械手臂自动控制系统的软件开发是使用CNC编程软件STEP7-Micro/WIN32进行的。西门子PLCS7-200PLC，并根据程序绘制。实际管理程序梯形图并进行编译和调整。获得了实际的程序流程图梯形图，如图5-7所示，详细的梯形图（LAD）程序流程如附录3所示。图5-7STEP7-MICRO/WIN32编程窗口第六章、结论该设计基于对港口机械与自动控制专业三年制专科专业知识的整合，并执行了具有特殊作用且满足特殊要求的CNC机床左右物料操纵器的设计。专业大学毕业生具有理论基础的研究水平，实践活动的自学能力，职业精神和心态，有很强的目标性和确立的实施总体目标。机械手由可编程控制面板操作，该面板可实现手动调节，手动和自动控制系统。PLC具有很高的协调能力。当更改机械手的生产过程时，只需对I/O点的布线或I/O分配进行少量修改，即可在控制程序中进行简单的更改，然后进行填充和扩展。重新定义相应的控制程序后，可以轻松地将其提升到其他类似的生产和加工条件。总而言之，根据过去三个月的毕业设计，我经历了材料的收集，规划方案的选择和讨论，分析和计算，施工图的制作以及毕业设计的准备。和毕业论文。对大学的本科生所应该掌握的专业知识有一个全面的，多方面的理解，并且对工程项目有更深入，更精确的理解。结果，根据毕业项目实现了预期目标。参考文献[1]苏晓丹.基于PLC控制的智能机械手的设计[J].内燃机与配件，2020(19):221-222.[2] 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