《带式传送机构及机械手PLC控制设计（附程序梯形图）》18000字

··PAGE94·带式传送机构及机械手PLC控制设计目录TOC\o"1-3"\h\u25557摘要 222558目录 42459第1章绪论 7185641.1选题背景 7192251.2设计意义 764231.3国内外发展状况 713016第2章基本方案设计 929652.1设计主要任务 9153112.1设计基本方案 913955第3章机械结构设计 11133593.1机械手的总体设计 115193.1.1机械手总体结构的类型 11213363.1.2设计具体采用方案 12165213.2机械手腰座结构的设计 12246933.2.1机械手腰座结构的设计要求 12269843.2.2设计具体采用方案 13304293.3机械手手臂的结构设计 13282263.3.1机械手手臂的设计要求 1378613.3.2设计具体的采纳方案 14101503.4机械手腕部的结构设计 14254453.4.1机器人手腕结构的设计要求 14317823.4.2设计具体采用方案 1478943.5机械手末端执行器（手爪）的结构设计 15156503.5.1机械手末端执行器的设计要求 15101393.5.2机器人夹持器的运动和驱动方式 16201643.5.3机器人夹持器的典型结构 16167593.5.4设计具体采用方案 1674303.6机械手的机械传动机构的设计 17273463.6.1设计工业机器人传动机构应注意的问题 17117033.6.2工业机器人常用的传动机构形式 17141103.6.3设计具体采用方案 18245373.7机械手驱动系统软件设计方案 1895423.7.1机器人各类驱动系统的特点 18109653.7.2工业机器人驱动系统的选择原则 1968023.7.3机器人液压驱动系统 1911043.7.4机器人气动驱动系统 19116853.7.5智能机器人电驱动系统软件 2024733.7.6设计方案实际上采用了计划方案 2226933.8机器人手臂的平衡机构设计 22129033.8.1智能机器人平衡机制的方式 23163343.8.2设计具体采用的方案 2315140第4章液压系统设计 2416544.1液压传动系统设计计算 24134894.1.1确定液压系统基本方案 24247924.1.2拟定液压执行元件运动控制回路 24167834.1.3液压源系统设计方案 2548224.1.4制作液压系统图 2571484.1.5确定液压系统的主要参数 26174944.1.6计算和选择液压元件 2942924.1.7液压系统性能的验算 30267304.2电机选型有关参数计算 31166014.2.1有关参数的计算 3158494.2.2电机型号的选择 3316030第5章控制系统的设计 35130405.1机械手控制系统硬件设计 3562195.1.1机械手工艺过程与控制要求 35209195.1.2机械手的作业流程 3560625.1.3机械手操作控制面板布局 3689655.1.4控制器的选型 3734535.1.5控制系统原理分析 38317555.1.6PLC外部接线设计 38276955.1.7I/O地址分配 39223425.2机械手控制系统软件设计 40221845.2.1机械手控制主程序流程图 40319975.2.2机械手控制程序设计 4110556技术经济性分析 4324758结论 4425412参考文献 464673附录1 48第1章绪论1.1选题背景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。1.2设计意义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。1.3国内外发展状况机器人的发展趋势如下：（1）机器人的能力正在加强，在精度高，可靠性高等方面，并且价钱在不断降低，从30年前103,000美元下降到16年前的65万美元。（2）机械系统向模块化和可重构的方向发展。例如，交流伺服电机，减速器和三个骨关节模块被集成并连接到监视系统的骨关节模块中：一种重组机器人资产的独特方式；机器人产品的模块化安装已在国外广泛使用。（3）现代遥控机器人系统软件开发的特点是对独立控制系统人机交互技术的追求。它仅关注于操作员和机器人，即实时监控，计算机操作系统和部分自治系统的远程控制。最著名的例子是英国的“Sojourner”火花机器人是成功的发射器。（4）智能机器人正在逐渐兴起。从1994年在美国开发设计的“虚拟轴CNC车床”开始，这种新的机床设备已逐渐成为世界范围内科学研究的热点之一，并对其主要用途进行了讨论。第2章基本方案设计2.1设计主要任务机械臂的基本要求是快速，准确地拾取，放置和运输物体。它具有精度高，响应时间快，具有一定的承载能力，在工作中有足够的室内空间以及任意部件灵活性，并且可以实现全自动，精确的定位。液压设备之手的设计原则是：充分分析实际操作目标（产品工件）明确提出的技术标准，操作规程和最有效的加工技术，满足系统功能要求和自然环境标准，符合加工技术要求，并使结构尽可能简单，尽可能使用标准化。该设计方案整合了这段时期内尽可能多的高等学校专业知识的综合应用，并促进和加强了高等学校所学习和训练的专业知识。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。2.1设计基本方案通过对机械臂加工技术的全过程和操作规定的分析，将机械臂全自动连续姿势的全过程分为八个过程。机械臂的压力姿势的升高，降低，左转，右转，夹紧和释放均由机器，电，气和控制的综合系统软件执行。根据相关的电子设备，完成了机械臂的姿势和对象位置的检查。传送带全部由相应的电动机驱动，并且电动机具有相应的维护。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3章机械结构设计3.1机械手的总体设计3.1.1机械手总体结构的类型机器人的结构分为以下四种结构：直角坐标系结构，圆柱坐标结构，球面坐标结构和关节结构。下面详细描述每种结构模式和相应的特性。1.直角坐标机器人的结构直角坐标机器人使用三个相互垂直的线性运动在空间中运动，如图2.1所示。由于线性运动的位置控制是闭环控制，因此直角坐标系机器人的位置精度非常高。由于机器人的适应空间低于组织的规格，因此为了更好地使机器人具有合适的适应空间，他的结构规格也将设计得非常大。2.圆柱坐标机器人的结构圆柱坐标机器人在空间中进行一次旋转运动和两次线性运动，工作空间为圆柱形状。它在搬运工件的过程中经常被使用。3.球形坐标机器人的结构球形坐标机器人使用两种旋转运动和一种线性运动在空间中移动，它的工作空间是一个球形空间。4.关节机器人结构关节机器人使用三种旋转运动在空间中移动。图2.1四种机器人坐标形式3.1.2设计具体采用方案图2.2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2.2所示。3.2机械手腰座结构的设计腰座对于机械手来讲是很重要的一部分，所以需要考虑其他的部位来进行设计。3.2.1机械手腰座结构的设计要求机器人腰部的底部需要具备旋转的功能。其余的部件都在腰部机座上进行运动。所以它需要支撑其他部件的重量。设计时有以下几点应谨慎对待：1.腰部座椅的底部边缘应足够大，否则机器人在工作时会变得越来越不稳定。2.腰部基座一定要能承担的其他部件的重量，因此机器人基座和腰部滚柱轴承的抗拉强度和弯曲应变应较高。3.腰座是经常活动的部分，如果不润滑就会在机器和设备的末端严重损害健身锻炼的准确性，因此必须在许多方面加以保证。4.腰部结构应易于安装，调整且可靠。5.一般来说，腰部旋转运动的一部分的外壳采用相对较轻的铝合金型材，底座由生铁或铸钢制成，可以提高控制精度。3.2.2设计具体采用方案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2-3图2-3腰座结构图3.3机械手手臂的结构设计3.3.1机械手手臂的设计要求机械臂能够有足够的速度还有足够的力量进行运动。依据速度和力量设计时，遵循以下原则：1.两臂的关节轴尽可能平行2.每一个姿势都可以在运动空间内部。3.强度和刚度高的材料都可以，像碳纤维复合材料，但是价格太贵，技术上有一定缺陷，不能广泛使用。现在一般采用有限元方法进行设计，可以缓解经济，减轻重量。4.臂设计中应考虑每个关节的限位块和限位开关。3.3.2设计具体的采纳方案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。3.4机械手腕部的结构设计机手腕是用来完成作业的，它与腰部相连能够确定的规定手腕的运动。3.4.1机器人手腕结构的设计要求1自由度数量多，效果会很好，但很难操作。因此，它可以满足要求并且价格更高昂。那么数量应尽可能减少。腕部的自由度数量为2到3个就足够了。深入分析实际问题，就可以得到了最优解。2.最好减少手腕的净重和体积，并且结构更紧凑。控制面板选择并分离传输系统，以更好地减轻机器人手腕的净重。手腕控制板不使用及时的控制器，而是仅安装在手臂上，并使用高耐磨铝型材。3.必须建立一个可靠的传输系统间隙调整机构，以减少气体和回流之间的间隙，并提高传输系统的精度。4.必须有一个用于旋转腕部每个骨关节轴的行程开关，并且还必须有一个固定的硬限位开关，以免因超出极限而对机械设备造成损坏。3.4.2设计具体采用方案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2.4所示。图2.4手爪联结结构3.5机械手末端执行器（手爪）的结构设计3.5.1机械手末端执行器的设计要求末端执行器可以分为搬运，加工和测量。用于搬运的末端执行器是指各种夹紧装置。其中包含用于执行相应处理操作的特殊处理工具，例如喷枪，焊机，车削工具等。设计末端执行器时，应对以下进行谨慎分析；1.智能机器人末端的电动执行器是根据智能机器人的实际运行要求设计制造的。新型搬运电动执行器的出现可以改善智能机器人的新能力。新型智能机器人的顶级电动执行器，将再次扩大智能机器人的应用范围。2.智能机器人末端电动执行器的净重，搬运物体的净重和操作过程中的作用力。智能机器人的允许负载能力。因此，要求智能机器人的致动器尺寸小，重量轻且结构紧凑。3.智能机器人末端的电动执行器的实用性和独特性不同。通用尾部电动致动器的结构更加复杂和困难。例如，迄今为止，还没有将类似于人们的通用智能机器人的智能手商业化。在此链接中，它可以用于制造或制造这种简单而通用的智能机器人顶部电动执行器。充分考虑工业化生产的特殊应用，每个人都应开发设计并设计各种专用，高效的智能机器人尾部电动执行器，因为这种通用执行器的结构复杂且工程成本昂贵。4.生态和万能是两个定义。生态意味着该设备具有许多功能，生态意味着相对性相对有限的终端设备的电动执行器可以应用于不同的智能机器人。。执行器必须具有标准化的工业设备。3.5.2机器人夹持器的运动和驱动方式对于一般的工业机械手爪，手势操作爪更为常见。根据手指的移动方式，可以分为旋转展开和移动类型。根据夹紧方法，有外部夹紧型和内部支撑型两种。智能机器人夹具（爪）的驱动方法有三个关键1.气动驱动器方法这种类型的驱动程序系统软件使用继电器来操纵爪子的方向以进行运动，并使用气流调节阀来调节阀门以调整运动速率。2.电驱动方法电驱动爪的使用也很普遍。对于这种类型的爪，通常使用DC或AC伺服电动机或伺服电动机，并且必须使用减速器以获得足够的驱动力和转矩。电驱动方法可以完成爪的力和位置操纵。但是，在防爆标准下不能使用这种驱动方法，因为电动机可能会引起火灾。3.液压驱动方式液压驱动系统软件传输系统具有较大的弯曲刚度，可以完成连续的位置操纵。3.5.3机器人夹持器的典型结构1.斜楔式抓手使用斜楔和杠杆完成爪的松动和打开，以完成工件的搬运。2.滑轨式抓爪当活塞向后移动时，爪松开。这种抓手具有较大的打开和关闭行程，可以集成到不同大小的物体中。3.曲轴杆式抓爪在活塞扭转的情况下，曲轴和杠杆使抓具（压力释放）运动。由于控制杆的力变大，这种夹持器可能会导致很大的夹紧力。一般与弹簧配合在一起使用。4.变速箱齿条式抓爪这种类型的爪根据活塞推动齿条，而齿条推动传动齿轮旋转，从而导致爪的夹紧和松动。3.5.4设计具体采用方案结合实际工况，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2.5所示：图2.5机械手末端执行手爪结构图3.6机械手的机械传动机构的设计3.6.1设计工业机器人传动机构应注意的问题设计传动机构时，以下问题需要谨慎考虑：1.机器人重量和惯性力应较小。2.使用间隙调节机构。3.使用最佳传动比来提高系统软件的屏幕分辨率，减少等效电路，以在组件的输出轴上实现等效电路惯性矩，并最大程度地提高工作速度。4.减少反向电流过流保护的误差，例如采取对策，例如清除传输间隙并减少支座的变形。5.适当的阻尼比。3.6.2工业机器人常用的传动机构形式1.齿轮传动机构智能机器人系统齿轮传动设计中的一些问题一般选用齿侧间隙小，精度高的齿轮。每种传动比的最佳分配机制。输出轴转角误差最小原则。设齿轮传动中各级齿轮的转角误差换算到末级输出轴上的总转角误差为，则（2-1）式中：第个齿轮所具有的转角误差；第个齿轮的转轴至n级输出轴的传动比。末级输出轴上的总转角误差为（2-2）因此，在设计方案中，最后两个阶段的传动比应更大，并且应尽可能提高加工精度。b。最小等效电路转动惯量是标准值。实际上，有几个方面：（1）对于可变负载的变速齿轮系统软件，最好选择一个无法近似的比率，以防止电流啮合，以减少噪音和振动。（2）对于传动齿轮系统软件，按照总转角误差的最低标准，这是提高传动精度和减少往返误差的主要因素；3.6.3设计具体采用方案实际上，在该设计方案中，由于液压系统被用作机械手的水平臂和垂直臂，所以要选择了液压系统驱动，选择了圆柱齿轮传动系统。因此它是关节组织和驱动力的组成部分。传动齿轮由具有高韧性和高韧性的原材料制成，并通过高精度的加工生产出来。3.7机械手驱动系统软件设计方案3.7.1机器人各类驱动系统的特点2.7机械手驱动系统软件设计方案2.7.驱动系统软件的特点根据动力单元，工业机械手的驱动系统软件分为三类：液压，气动和电动。1.液压机驱动系统软件液压驱动具有驱动力大，力（或转矩）和惯性力比大，响应速度快，易于完成立即驱动的特点。适用于承载能力大，惯性力大，防火防爆工作环境的设备。2.气动驱动系统适用于中小型负载的机器人。但是，由于很难完成伺服控制，因此它主要用于系统控制的机器人，例如进给，切割和冲压模具机器人。3.电动系统惯性力低且转矩大的交流和直流伺服电机被广泛采用，并且伺服电机驱动器被用作辅助设备。3.7.2工业机器人驱动系统的选择原则在设计机器人时，工作规定，机器人的特性，操纵功能，维护的复杂性，功能丧失，高性价比和当前标准都需要进行分析。考虑许多方面。在关注了各种驱动系统的基本和综合特性之后，对上述要素进行了全面讨论。在正常情况下1.对于上下物料，系统通过相对有限的定位点控制来控制机器人。比较重的就用液压驱动系统。2.用于焊接，氩弧焊和喷涂工作的机器人必须具有定位点和运动轨迹控制功能，并且需要使用伺服电机驱动系统。仅液压或电动伺服电机系统可以满足要求。由任意定位点操作的重型焊接和运输机器人均采用液压驱动系统。3.7.3机器人液压驱动系统机器人中的液压系统软件的功能是根据电动液压转换组件向功率放大器电路执行操作数据信号，在工业生产机器人中，大多数中小型输出功率的液压驱动系统软件都使用节流阀来调节速度，而大功率的功率则使用容量调速系统软件。节气门调速系统软件具有良好的动态特性，但效率高，效率低。容量速度控制系统软件不像以前那样动态，但是它非常高效。机器人液压驱动系统软件包括两大类：系统控制和伺服控制。1.液压系统软件这种类型的机器人是非伺服控制的机器人。在仅具有简单传送功能的机器人中，通常使用简单的逻辑控制设备或可编程控制器来控制具有相对有限的定位点的机器人。选定点的缓冲和制动系统：由于机械臂的惯性力较大，因此有必要在选定点之前添加缓冲和制动系统以组织或锁定设备。2.伺服控制机器人的液压系统具有定位点操纵和连续运动轨迹操纵的工业机械手必须使用电动液压伺服驱动系统软件。3.7.4机器人气动驱动系统气动智能机器人以空气压缩作为动力装置，通常将其从加工厂的空气压缩站拉到智能机器人的工作部分，并且还可以独立创建中小型气动阀系统软件。由于该气动智能机器人具有气动阀使用方便，无环境污染，姿势灵活，姿势快速，工作可靠，实际操作维护简单，适用于极端自然环境下工作的特点，因此被用于冲压件加工中，注塑成型等特点。在有害或高温标准下工作，例如铝压铸，CNC车床，切割，运输和自动组装仪表板和冶金行业的中小型零件等。已经使用了许多方面，例如子弹制造自动化技术。在大多数情况下，气动驱动系统软件用于完成中间玩具和机器人玩具中的两个位置或相对有限的定位点操作。3-5自由度；负载低于200N;速度300-100mm/s;重复精度水平/-0.1-0.5毫米。并且使用可编程逻辑控制器（PLC）。易燃和易爆场所，可以使用气动逻辑组件来构成控制设备。1.气动阀由主空气压缩站提供。如果没有空气压缩站的标准，则其他可用于智能化的气动机械和设备机器人和辅助设施必须配备与气源量相对应的气动阀门机械和设备。2.在大多数情况下，需要气动三重组装结构。无论是由空气压缩站的空气回路使用还是由独立的气动阀使用。3.制动器对于总流量小的电磁阀，关闭时间更短，停止点的步幅应相应减小。因此，就智能机器人的单一可玩性而言，停止次数最多为6-9次。为了提高精确的定位水平，除了选择多部分缸外，制动系统还可以选择如下：防抱死系统，制动系统设备制动系统。4.限位开关气动智能机器人的制动系统和每个运动轴的选择点均及时。根据法规和标准，如果使用非接触式感应缸，则其行程开关为非接触式限位开关。这种电源开关的显示时间小于50ms，非常适合用于智能机器人。当气缸往复运动到选定点时，为了确保精度水平，必须将旋转的运动轴夹紧。常见的限位开关机构是由继电器操作的液压缸推动夹紧机构（插销锁，滑轨等）来锁定智能机器人健身运动机构。重新启动时，请事先打开夹紧机构。3.7.5智能机器人电驱动系统软件多年来，为智能机器人，CNC车床和其他自动机械开发和设计的多种类型的伺服电机和伺服控制器为智能机器人驱动器系统软件的升级创造了标准。驱动器的基本原理框图如下所示：近年来，国外已经开发并设计了立即驱动电动机，并将多级旋转变压器组合在一起。这种类型的旋转变压器每转可达到400,000-600,000个单脉冲。1.智能机器人驱动器系统的软件电机的选择根据电机速度比，负载额定转矩，加速和减速特性，最大功率和加速输出功率（由智能机器人的每个适应运动轴测量）的主要参数选择电动机模型。表2-1列出了各种驱动电机的主要特性和特征，结构特性，主要用途和应用类别以及可用的控制器：表2.1驱动电机特性名称主要特点及性能结构特点用途及使用范围驱动器小惯量直流永磁伺服电动机电机的惯量小，理论加速度大，快速反应性好，低速性好，调速比可达1：10e4范围，但低速输出力矩不大，转子直径小，惯量小适用于对快速性要求严格而负载力矩不大的场合直流PWM伺服驱动器SCR变压驱动器有刷绕组永磁直流伺服电动机转动惯量小，快速响应性能好；转子无铁损，效率高；换向性能好，寿命长；负载波动对转速影响小，输出力矩平稳。无铁心，具有轴向平面间隙可频繁起制动、正反转工作，响应迅速，适用于机器人，数控等直流PWM伺服驱动器，SCR变压驱动器大惯量永磁直流伺服电动机输出力矩大，转矩波动小，机械特性硬度大，可以长时间工作在堵转条件下又称力矩电机，其转子较粗适用于驱动力矩较大的场合，因可不用齿轮传动，消除了齿轮间隙直流PWM伺服驱动器，SCR变压驱动器表2.1续表反应步进电机将电脉冲信号直接转换成转角，转角与脉冲数成正比，输出力矩也较大电机转子无转租，由永磁体构成转子磁极用于数字系统中作为执行元件，如数控机床、机器人；开环控制直流PWM伺服驱动器SCR变压驱动器同步交流伺服电动机转速与定子绕组所建立的旋转磁场严格同步；从低度到高速，定子绕组可通过大电流，故起、制动转矩不降低，可频繁起、制动转子由永久磁铁做成，定子有三相，转子比较细主要用于中小容量的伺服驱动系统中，如数控、机器人等系统中交流PWM变频调速器异步交流伺服电动机转速永远低于定子绕组所建立的旋转磁场，机构简单，容量大，价格低定子由对称三相绕组组成，用于数控机床主轴等容量大的场合交流PWM变频调速器2.智能机器人电动驱动系统伺服驱动器（1）直流电动机伺服驱动器交流电动机速度控制电动机控制器主要使用脉冲宽度调制（PWM）伺服驱动器。其脉冲宽度可以随着功率电路的操作而改变。PWM伺服驱动器具有速度范围宽，低速档，响应速度快，效率高。（2）步进电机控制器步进电机操作设备的关键由几个部分组成，例如脉冲发生器，环形调节器和功率放大器电路。脉冲发生器可以根据启动，制动系统和速度调节来改变频率，以控制步进电机。环形调节器是其中步进电动机的绕组以特定顺序被操纵的阶段。功率放大器电路的功能是将环形调节器输出的mAh级电流增加到安培级电流，以驱动步进电机。3.7.6设计方案实际上采用了计划方案对本设计方案的实际，在分析了实际的工作标准后，综合考虑每个要素。机械臂的腰部旋转回转运动必须具有一定程度的精确定位线性度，因此要使用步进电机驱动器来完成它。由于将液压缸用作调平臂和垂直臂，因此定径臂由液压机驱动。另外，伴随的是根据机床所加工的产品和工件，水平臂的伸长率也不同。因此，规定调平臂具有准确定位伺服电动机的能力，因此使用液压伺服液压缸来进行驱动。根据液压机柱塞泵缸的活塞杆，中间齿轮和扇形齿轮之间的配合完成爪的伸出和夹紧，即，爪基于齿条，小齿轮和中间齿轮。在柱塞泵缸的扭力作用下，液压缸顶部的齿轮。扇形齿轮使手指张开和闭合。3.8机器人手臂的平衡机构设计可以根据布局调整直角坐标系，直角坐标和球形坐标智能机器人，可靠的设计和结构可以促进手臂本身的平衡。骨骼关节机器人手臂通常必须平衡设备以减轻控制器的负担并减少启动时间。3.8.1智能机器人平衡机制的方式通常，智能机器人使用的关键平衡机制如下：1.平衡块平衡机制通常，当机械臂的不平衡扭矩相对较小时，选择这种类型的平衡机构。2.弹性平衡机制机构简单，工程造价低，平衡效果好，因此被广泛使用。3.活塞杆摆杆平衡机构液压平衡系统软件平衡感大，体积小，具有一定的阻尼作用。它用于平衡重和弹性平衡不能达到工作标准的地方。3.8.2设计具体采用的方案由于本设计方案的机械手采用圆柱坐标结构，机械臂的总体设计以及所有机械手的设计方案和合理布局被严格考虑为机械臂的平衡问题，。如果特定工作中的平衡结果不符合要求，则需要建立一个弹性的平衡组织来进行平衡。第4章液压系统设计4.1液压传动系统设计计算4.1.1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3-1：表3.1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。4.1.2拟定液压执行元件运动控制回路中型液压传动系统它的流量很小，所需的姿势是根据换向阀的有机化学成分完成的。对于高压和大流量系统软件，通常使用液压阀和主导控制阀的逻辑组成来完成。该设计方案的方位角控制是通过使用电动液压换向阀完成的，而速度控制的关键是节流和速度调节。4.1.3液压源系统设计方案该设计方案的液压系统选择可变泵提供的油，速度控制阀V1调节系统软件的工作压力。为了更好地确保液压油的清洁度并防止液压油携带空气污染物，在油泵的通道中安装了一个粗滤器，在油的入口和出口安装了一个细滤器。4.1.4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3.1所示。图3.1机械手的液压系统原理图4.1.5确定液压系统的主要参数液压系统的主要参数是压力和流量。压力在系统中的表现方式就是施加给它的外载荷，液压执行元件的运动速度还有结构尺寸都决定了流量。1.计算液压缸的总机械载荷总机械载荷力为（3-1）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（3-2）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（3-3）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（3-4）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（3-5）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：（3-6）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：（3-7）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：（3-8）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（3-9）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：3.液压缸主要参数的确定机械手系统软件的弯曲刚度也必须稳定。因此，首先要从弯曲刚度的角度来选择液压缸的缸径，并且首先要确保机械手的结构也具有健身运动的稳定性和安全性。液压缸的压力和缸的工作速度通过根据外部液压回路选择合适的传动回路和组件来完成。综合考虑各个方面的要素后，液压缸主要参数如下：表3.2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3-3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3.4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：（3-10）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（3-11）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。4.1.6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（3-12）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（3-13）（2）确定液压泵的流量（3-14）式中，为泄露因数，取1.1；为机械手工作时最大流量。（3-15）经计算得=3.140带入上式得（3）确定液压泵电机的功率（3-16）式中，为最大运动速度下所需的流量，取为3.140；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。3.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（3-17）4.1.7液压系统性能的验算制作完液压系统图后，进行工作压力损伤检查计算。因为液压系统相对简单，所以省略了该检查计算。该系统软件选择液压机回路简单，效率高，输出功率低，发热量少，并且汽车油箱容积大。因此，将不会执行温度上升检查计算。绘制完液压系统图后，进行工作压力损伤的检查和计算。由于液压系统非常简单，因此省略了此检查计算。该系统软件选择液压机控制电路简单，效率高，输出功率低，发热量少，并且汽车油箱容积大。因此，将不进行加热检查计算。4.2电机选型有关参数计算4.2.1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：（3-18）负载加速功率：（3-19）负载力矩（折算到电机轴）：（3-20）负载（折算到电机轴）：（3-21）起动时间：（3-22）制动时间：（3-23）2.若传动负载作回转运动负载额定功率：（3-24）负载加速功率：（3-25）负载力矩（折算到电机轴）：（3-26）负载GD（折算到电机轴）：（3-27）起动时间：（3-28）制动时间：（3-29）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。；（3-30）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（3-24）~（3-30）式，得：启动时间；制动时间；折算到电机轴上的负载转矩为：。4.2.2电机型号的选择基于以上结果并综合考虑多种因素如图3.2，我们选择了国内北京和利时汽车技术有限公司的步进电机，型号规格为：110BYG550B-SAKRMA-0301或110BYG550B-SAKRMT-0301或110BYG550B-BAKRMT-0301，图3.3显示了110BYG550B-SAKRMA-0301步进电机的转矩-频率特性曲线及相关性能参数。驱动方式：高频变换；步距角：0.36°;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3.2电机相关参数图3.3110BYG550B-SAKRMA-0301步进电机的矩频特性曲线第5章控制系统的设计5.1机械手控制系统硬件设计5.1.1机械手工艺过程与控制要求机械手的姿势包括水平臂的伸缩型和垂直臂的提升与下降，这实现了抓握和松开爪以及腰部的旋转。液压系统由相应的电磁阀控制。其中，电梯分别由带有双线圈的二位电磁阀操作。提升电磁阀关闭电源后，机械臂上升结束。水平伸缩式的关键是控制回路，该回路由电动液压伺服阀，伺服控制器和用于调节和操纵的感应角位移传感器组成。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。5.1.2机械手的作业流程机械手的作业动作流程如图4.1所示：图4.1上下料机械手工作流程图从起点逐渐按住运行按钮，并出现上下物料指令，校核完毕后的液压系统将逐渐向前延伸并精确定位伺服电机。到达前移位置后，停止向前；-→放下电磁阀并插入电源，然后将爪插入柱塞泵缸的电磁阀中，将机械手放下，然后将爪伸出。遇到下限开关时，将电磁阀放下以关闭电源，并停止下降，并用爪夹住产品工件。-→增加电磁阀插件，机械手逐渐上升。到达位置后，遇到上限开关时，抬起电磁阀关闭电源，停止向上的趋势；—→PLC逐渐输出一个快速的单脉冲，并且驱动器机械手以相同方向反向旋转。当位置旋转90度时，PLC停止输出单个脉冲，并且机械手停止旋转。-→然后，将下电磁阀插入电源，然后机械手下降。下降到该位置后，遇到下限开关，并且下电磁阀关闭。通电，下降，停止，机械手达到液压卡盘管理中心的长宽比；—→机械手逐渐向水平方向移动，准确地定位和缩回，并将产品装载到CNC车床的液压卡盘中；—→将产品放置到位后，用液压将其拧紧；—→机械手释放其抓具并准备提前离开；—→然后抬起电磁阀并插上电源，操纵器逐渐上升。当到达该位置时，它会遇到上限开关并升高电磁阀。关闭电源，增加并停止；——→PLC运行快速脉冲驱动机械手以顺时针旋转。当旋转90度时，PLC停止输出脉冲，机械手停止旋转，并且机械手随时返回到起始点以待命；-→CNC车床进行生产和加工。CNC车床完成产品工件的加工后，它将把打开指令推到机械手。机械手收到指令后，PLC将立即输出脉冲以驱动机械手向相反方向旋转。当旋转到位90度时，PLC将停止输出脉冲，并且机械手将停止旋转。；-→→插入下降电磁阀，并插入爪形柱塞泵缸的电磁阀。机械手下降并伸出爪子。下降到该位置后，遇到下限开关，下降的电磁阀关闭电源，下降停止，并用爪钳夹紧并夹紧成品工件；—→松开了数控车床的液压卡盘；—→机械手逐渐向前伸展，以将产品工件从CNC车床上取下并准备好进行装运；—→插入电磁阀后，机械手会逐渐上升。当到达该位置时，遇到上行程开关时，电磁阀上升以关闭电源，上升停止。-→PLC输出快速脉冲，驱动器机械手顺时针旋转，当旋转90度后，PLC停止输出脉冲，机械手停止旋转。——→插入下降电磁阀后，机械手下降。经过一定时间的下降后，遇到下限开关，下降的电磁阀关闭电源，下降结束。-→然后插入爪式柱塞泵缸的电磁阀，爪伸出，学习放下产品并准备提前离开；-→然后抬起电磁阀并插上电源，操纵器逐渐上升。在及时升高后，它会遇到上限开关，升高电磁阀以关闭电源，并且终止升高并且爪也关闭。关闭并还原；-→然后，机械臂的调平臂逐渐缩回，并准备提前返回原点。适时撤回时，撤回，机械手返回原点，完成左右一件物料的全过程。-→机械手提前在原点等待指令。为下一项工作准备循环系统。5.1.3机械手操作控制面板布局操作控制面板的布局如图4.2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4.2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。5.1.4控制器的选型机械手自动控制系统的硬件开发充分考虑了机械手的可靠性和稳定性以及各种液压控制系统连接的协调性和便利性。控制器以极高的可靠性和极高的专业水平选择行业。在自然环境中开发和设计的工业生产控制器-PLC，选择西门子PLCS7-200PLC，该控制器在中国使用较多。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4.3.图4.3SIEMENSSIMATICS-700PLC5.1.5控制系统原理分析当机械臂工作时，有用于拾取，放置，安装和卸下工件的精密等级。因此，在机械臂的操纵中，除垂直臂外，还实施了爪液压系统和腹部步进电机驱动器。除了开环控制外，还必须将调平臂用于闭环伺服控制。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4.4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4.4水平手臂伺服定位控制原理图5.1.6PLC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4.5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4.5PLC硬件接线图5.1.7I/O地址分配表4.1PLC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4.2PLC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5.2机械手控制系统软件设计5.2.1机械手控制主程序流程图机械手控制主程序流程图如图4.6所示：图4.6机械手控制主程序流程图5.2.2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4.7所示，详细的梯形图（LAD）程序流程如附录3所示。图4.7STEP7-MICRO/WIN32编程窗口技术经济性分析1.引入左右物料操纵器的一般方法是立即购买通用操纵器（骨关节型）。由于通用机械手可以广泛使用，因此它们具有很大的灵活性和协调能力，并且功能强大，因此成本很高。对于左，右物料操纵器，在许多地方，通用操纵器“尺寸过大且使用量较小”，消耗了许多功能和高精度，从而导致财产损失。这种现状迫切需要改变。2.除了复制国外设计外，该设计计划还没有对实际问题进行深入分析。无论实际工作标准如何，盲目模仿国外原型，盲目跟风，选择高精度，高性能，高价位的优秀零部件和机械设备，产生了许多影响。完全没有必要。旧的设计方案和旧的方法“加大材料用量并使用较小的材料”会不必要地增加成本并造成资源消耗。在系统软件处理技术法规的前提下，机械手系统软件相对分离的阶段采用具有成本效益，该设计方案符合中国通用加工厂生产加工车间的机械设备和制造标准的实际情况，符合我国当前机械制造业的特定基本国情，并且可持续使用。3.该设计方案的机械手可以与CNC车床配合使用，在生产过程中完成自动化技术和左右物料的智能化。而且，仅需稍微修改门把手爪的结构就可以完成各种产品的自动送入。具有很好的经济效益。4.PLC具有很高的协调能力。机械手的速度和伺服电机运行所需的脉冲数可以根据实际工况设置，可以在一定范围内满足数控机床的各种工作要求，符合公司一般生产规定。结论除了复制海外设计外，这场设计革命还没有对实际问题进行深入的分析。无论实际工作标准如何，盲目模仿国外原型，盲目跟风，选择高精度，高性能，高价位的优秀零部件和机械设备，产生了许多影响。不需要，“成功”，不必要的成本增加，旧的设计“技巧”和导致资源消耗的旧方法。从而大大降低了成本，并具有明显的技术合理性。该机械手可与CNC机床配合使用，以在生产过程中完成自动化技术和左右物料的智能化。而且，仅需稍微修改门把手爪的结构就可以完成各种产品的自动送入。具有很好的经济效益。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。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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