课程设计说明书

立式精锻机上料机械手设计

学 生：张维 张鸿 马超 胡军 姜子翔 何德浩 班 级：机械1003

指导教师：杨化动 花广如 杨晓红

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I

目 录

目 录

1 绪 论 .................................................................................................................. 1

执行机构 .................................................................................................. 2

2 系统设计方案 .................................................................................................. 3

2.1 机械手的设计参数 .................................................................................. 3 2.2机械手的工艺流程 ................................................................................... 3 2.3机械手的总体结构 ................................................................................... 4 2.4机械手的工作过程 ................................................................................... 8 2.5机械手的座标型式与自由度选择 ........................................................... 9 2.6机械手的手部结构方案设计 ................................................................... 9 2.7机械手的手腕结构方案设计 ................................................................... 9 2.8机械手的手臂结构方案设计 ................................................................... 9 2.9机械手的驱动方案设计 ........................................................................... 9 2.10机械手的控制方案设计 ....................................................................... 10 3 机械手结构设计 ............................................................................................ 10

3.1 机械手材料 ............................................................................................ 10

3.1.1 机械材料选用原则 ...................................................................... 10 3.1.2零件材料 ....................................................................................... 12

3.2机械手手部设计 .................................................................................... 13

3.2.1手部结构 ....................................................................................... 13 3.2.2夹紧力计算 ................................................................................... 13 3.2.3夹持误差 ....................................................................................... 15 3.3机械手腕部设计 ............................................................................. 15 3.3.1手臂的设计计算 ........................................................................... 15 3.3液压缸系统设计 ............................................................................. 17

II

目 录

3.3.1液压系统的工作原理 ................................................................... 17 3.3.2液压传动的工作特性 ................................................................... 17 3.3.3液压缸计算 ................................................................................... 20 3.3.4液压缸壁厚计算 ........................................................................... 21 3.4机械手转轴强度校核 ............................................................................. 23 3.5机械手联结键校核 ................................................................................. 26 3.6传动轴校核 ............................................................................................. 26 3.7轴承校核 ................................................................................................. 29 4 主要零部件三维制作过程 ............................................................................ 32

4.1 回转缸绘制过程 .................................................................................... 32 4.2手部结构及加紧缸的绘制过程 ............................................................. 34 4.4总装图的绘制 ......................................................................................... 36 5 机械手的PLC控制设计 ................................................................................ 36

5.1 PLC的简介 ............................................................................................ 36

5.1.1PLC的基本组成 ........................................................................... 37 5.1.2 PLC的工作过程 .......................................................................... 42 5.2 可编程序控制器的选择及工作过程 .................................................... 44

5.2.1 可编程序控制器的选择 .............................................................. 44 5.2.2 可编程序控制器的工作过程 ...................................................... 44 5.3机械手控制系统设计 ............................................................................. 46

5.3.1 PLC控制系统设计 ...................................................................... 46 5.3.2 PLC程序设计 .............................................................................. 48

参考文献 .............................................................................................................. 60

III

1 绪 论错误！未找到引用源。

1 绪 论

工业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。工业机械手的是工业机器人的一个重要分支。它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济领域有着广阔的发展前景。

机械手是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。机械手是一种能模拟人的手臂的部分动作，按预定的程序、轨迹及其它要求，实现抓取、搬运工件或操纵工具的自动化装置。我国国家标准(GB/T 12643-90)对机械手的定义:“具有和人手臂相似的动作功能，可在空间抓放物体，或进行其它操作的机械装置。

现代工业中，生产过程的机械化，自动化已成为突出的主题。化工等连续性生产过程的自动化已基本得到解决。但在机械工业中，加工、装配等生产是不连续的。因此，装卸、搬运等工序机械化的迫切性，工业机械手就是为实现这些工序的自动化而产生的。

机械手在锻造工业中的应用能进一步发展锻造设备的生产能力，改善热、累等劳动条件。

机械手主要由执行机构、驱动机构和控制系统三大部分组成。其组成及相互关系如下图：

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1 绪 论

执行机构错误！未找到引用源。

图1 执行机构

在机械工业中，应用机械手的意义可以概括如下： 1.以提高生产过程中的自动化程度 2.以改善劳动条件，避免人身事故 3.可以减轻人力，并便于有节奏的生产

综上所述，有效的应用机械手，是发展机械工业的必然趋势。

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3 机械手手部设计

2 系统设计方案错误！未找到引用源。

2.1 机械手的设计参数

抓重：60kg； 自由度数：4个； 坐标形式：圆柱坐标； 手臂运动参数：

手臂水平伸缩范围：500毫米 手臂升降范围：0~600毫米； 手腕运动参数：

手腕回转范围： 0~180度

缓冲方式及定位方式：

手臂伸缩：伸出时由行程开关适时切断油路，手臂缓冲，缩回时由行程开关控制返回终了位置。

手臂升降：上升时是靠行程开关发信，下降时靠油缸端部节流缓冲，由行程开关控制终了位置。

手臂回转：采用节流阀减速缓冲，用齿轮齿条驱动旋转并靠行程开关定位。

手腕回转：采用行程开关发信和定位或点控。 驱动方式：液压 控制方式：点位程序控制

2.2机械手的工艺流程

机械手原位→机械手前伸及上升→机械手抓取并夹紧→手腕回转并水平缩回→向右回转→机械手前伸→机械手松开→机械手下降→向左回转→退至原位

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3 机械手手部设计

2.3机械手的总体结构

本机械手系统由执行系统、驱动系统和控制系统组成。执行系统包括手部、手臂、手腕。驱动系统包括动力源、控制调节装置和辅助装置组成。控制系统由程序控制系统和电气系统组成。

1）上料机械手的组成

它是由手臂升降机构（油缸），手臂回转机构（由油缸、齿轮齿条、回转盘组成），手臂伸缩机构 ，手腕 和V形手指等部分组成。

2）上料机械手手臂升降机构

该机构采用双作用式油缸实现垂直升降运动，其行程最大为600mm。升降机构的结构如图所示，

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3 机械手手部设计

升降缸体与回转盘用螺钉联接；活塞杆的上端与工字钢形双导向杆焊接在一起，组成升降机构的运动部分。当压力油分别进入升降缸上下两腔后，推动活塞杆做升降运动。在缸体和活塞之间安装有导向杆，防止导向套升降时可能出现的转动，也有利于与会转盘一起回转。其导向性能好，刚度大，工作平稳。手臂下降运动的缓冲由油缸底部的缓冲调节阀来实现。手臂升降行程是通过行程开关来控制。

3）上料机械手左右回转部分

左右回转部分固定在底座上，并与齿轮相啮合，齿轮与回转盘通过键进行运动传递，回转盘下方用推力球轴承实现回转。齿条与活塞焊接在一起，当油缸推动活塞使齿条运动从而带动齿轮自转时，带动会转盘一起转到，与回转盘相连的升降缸也跟着转动，从而带动工字钢，致使手臂伸缩机构为一整体而回转，即是手臂的回转运动。

4） 手臂回转油缸的结构

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3 机械手手部设计

回转缸壳体和上端盖，下端盖，定片间均用螺钉联接，并将它们作为一体通过上端盖与手臂伸缩机构联接形成一个运动部件。转轴支撑在上，下端盖上，与动片固定联接，其伸出端通过花键轴部分与中间座的齿轮联接，向手臂传递运动。

5） 手臂伸缩机构

该机构主要由活塞杆，油缸体，中间架体，双导向杆，滑块等组成。双导向杆与升降缸活塞连接；滑块与伸缩缸活塞和摆动缸体连接，并能随活塞一起沿导向杆滑动；油缸体固定在导向杆上。当压力油分别进到油缸两腔时，油活塞带动滑块在工字钢双导向杆上实现手臂的往复运动，其行程大小靠活塞行程和行程开关来调整。手臂伸缩的导向装置采用工字钢双导向杆，导向性能好，手臂刚度大，工作时运动平稳。油缸的输油管路采用伸缩油管型式，保护了油管，但工艺性能差，如图：

6）手腕和夹紧油缸

手腕由夹紧油缸，摆动缸，活塞杆等组成。夹紧油缸装在支撑座上，支撑座与手臂伸缩机构的中间夹体用螺钉联接，当压力油进入夹紧油缸两腔时，就推动活塞杆往复移动输出动力，作为夹持手部的动力源。手腕回转油缸的两油孔分别进压力油时，推动活塞转动，活塞的端部通过螺栓把旋转运动传递到转手腕上。转轴端部的法兰盘与手部用螺钉联接，故手部和转套的转动即实现手腕的回转运动。如图：

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3 机械手手部设计

8）手部结构 手部结构如图所示，

它主要由夹紧缸，连杆和手指等组成。按照V形手指设计。手指的开闭角度是靠活塞带动连杆作往复运动实现的。夹紧油缸活塞与铰链联接，由活塞驱动力，通过手部去夹持锻坯。

9）上料机械手液压系统

液压系统采用双联叶片泵驱动,其系统压力为 30 公斤,油箱容积为 250 升,机械手臂伸缩,升降时为得到较高速度,两泵同时供油,其余动作仅小泵供油,大泵自动卸荷.手臂伸缩,升降,回转及手腕回转,采用单向调速阀,回程节流调速.

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3 机械手手部设计

手臂升降液压支路设置有单向顺序阀,用来防止手臂升起后工作时因自重而下滑

故起支承作用。

手指夹紧油路装置有液控单向阀,用来防止因油路压力波动引起夹持

力的降低,确保夹持工件牢靠,减压阀在系统中既可供给定位油缸所要求的低

压油,又可作为电液换向阀的控制支路.油路中两个二位二通换向阀的作用为使油泵自动卸荷,以防止油温过高。

2.4机械手的工作过程

立式精锻机和自动上料机械手等的配置如图2-4-1所示。被加热的坯料由运输车2送到上料位置后，自动上料机械手3将热坯料搬运到立式精锻机1上锻打。自动上料机械手3在此精锻生产线上可以完成取料、喂料和变换工位等动作。

图4自动上料机械手配置示意图

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3 机械手手部设计

2.5机械手的座标型式与自由度选择

按机械手手臂的不同运动形式及其组合情况，其座标型式可分为直角座标式、圆柱座标式、球座标式和关节式。由于本机械手在上下料时手臂具有升降、收缩及回转运动，因此，采用圆柱座标型式。相应的机械手具有三个自由度，为了弥补升降运动行程较小的缺点，增加手臂摆动机构，从而增加一个手臂上下摆动的自由度。

2.6机械手的手部结构方案设计

为了使机械手的通用性更强，把机械手的手部结构设计成可更换结构，当工件是棒料时，使用夹持式手部。

2.7机械手的手腕结构方案设计

考虑到机械手的通用性，同时由于被抓取工件是水平放置，因此手腕必须设有回转运动才可满足工作的要求。因此，手腕设计成回转结构，实现手腕回转运动的机构为回转液压缸。

2.8机械手的手臂结构方案设计

按照抓取工件的要求，本机械手的手臂有三个自由度，即手臂的伸缩、左右回转和降(或俯仰)运动。手臂的回转和升降运动是通过立柱来实现的，立柱的横向移动即为手臂的横移。手臂的各种运动由液压缸来实现。

2.9机械手的驱动方案设计

由于液压压传动系统的动作迅速，反应灵敏，阻力损失和泄漏较小，成本低廉因此本机械手采用液压压传动方式。

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3 机械手手部设计

2.10机械手的控制方案设计

考虑到机械手的通用性，同时使用点位控制，因此我们采用可编程序控制器(PLC)对机械手进行控制。当机械手的动作流程改变时，只需改变PLC程序即可实现，非常方便快捷。

3 机械手结构设计错误！未找到引用源。

3.1 机械手材料错误！未找到引用源。

3.1.1 机械材料选用原则

机械零件材料的选择是机械设计的一个重要问题，不同材料制造的零件不但机械性能不同，而且加工工艺和结构形状也有很大差别。机械零件常用材料有黑色金属、有色金属、非金属材料和各种复合材料等。 选择材料主要应考虑三个方面的问题。

1)使用要求

使用要求一般包括:零件的受载情况和工作状况;对零件尺寸和质量的限制;零件的重要程度等。

若零件尺寸取决于强度，且尺寸和重量又受到某些限制时，应选用强度较高的材料。静应力下工作的零件，应力分布均匀的(拉伸、压缩、剪切)，应选

用组织均匀，屈服极限较高的材料;应力分布不均匀的(弯曲、扭转)宜采用热处

理后在应力较大部位具有较高强度的材料。在变应力下工作的零件，应选用疲劳强度较高的材料。零件尺寸取决于接触强度的，应选用可以进行表面强化处理的材料，如调质钢,碳钢、氮化钢。

若零件尺寸取决于刚度，则应选用弹性模量较大的材料。碳素钢与合金钢的弹性模量相差很小，故选用优质合金钢对提高零件的刚度没有意义。截面积

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3 机械手手部设计

相同、改变零件的形状与结构可使刚度有较大的提高。

滑动摩擦下工作的零件应选用摩擦性能好的材料;在高温下工作的零件应

选用耐热材料;在腐蚀介质中工作的零件应选用耐腐蚀材料等。

2)工艺要求

材料的工艺要求有三个方面内容

(1)毛坯制造 大型零件且大批量生产时应用铸造毛坯。形状复杂的零件只有用铸造毛坯才易制造，但铸造应选用铸造性能好的材料，如铸钢、灰铸铁或球铸铁等等。大型零件只少量生产，可用焊接件毛坯，但焊接件要考虑材料的可焊性和生产裂纹的倾向等，选用焊接性能好的材料。只有中小零件采用锻造毛坯，大规模生产的锻件可用模锻，少量生产时可用自由锻。锻造毛坯主要应考虑材料的延展性、热膨胀性和变形能力等，应选用锻造性能好的材料。

(2)机械加工 大批量生产的零件可用自动机床加工，以提高产量和产

品质量，应考虑零件材料的易切削性能、切削后能达到的表面粗糙度和表面性

质的变化等，应选用切削性能好的(如：易断削、加工表面光洁、刀具磨损小等)材料。

(3)热处理 热处理是提高材料性能的有效措施，主要应考虑材料的可淬性、淬透性及热处理后的变形开裂倾向和脆性等，应选用与热处理工艺相适应的材料。

3)经济性要求

(1)经济性首先表现为材料的相对价格。当用价格低廉的材料能满足使用要求时，就不应选择价格高的材料。这对于大批制造的零件尤为重要。

(2)当零件的质量不大而加工量很大，加工费用在零件总成本中要占很大的比例，这时，选择材料时所考虑的因素将不是相对价格而是其加工性能和加工费用。

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3 机械手手部设计

(3)要充分考虑材料的利用率。例如采用无切削或少切削毛坯，可以提高材料的利用率。此外，在结构设计时也应设法提高材料利用率。

(4)采用局部品质原则。在不同的部位上采用不同的材料或采用不同的热处理工艺，使各局部的要求分别得到满足。

(5)尽量用性能相近的廉价材料代替价格相对昂贵的稀有材料。另外选择材料时应尽量考虑当时当地的材料供应情况，应尽可能的减少同一部机器上使用的材料品种和规格。 3.1.2零件材料

从材料选用原则的使用要求、加工要求和经济要求出发，选择机械手的零件材料。

在机械手中各传动件是关键性零件，有各关节传动轴和齿轮系，它们的强度、刚度等机械性能直接影响机械手的工作质量。

1)传动轴

传动轴的常用材料有碳素钢和合金钢。碳素钢对应力集中的敏感性较低，还可通过热处理改善其综合性能，价格也比合金钢低廉，因此应用较为广泛，常用 45 号钢。合金钢则具有更高的机械性能和更好的淬火性能。因此，在传递大动力，并要求减小尺寸与质量，提高轴颈的耐磨性，以及处于高温或低温条件下工作的轴，常采用合金钢。在一般工作温度 下碳素钢与合 金钢的弹性模量基 本相同。因此， 用章金 钢代 替碳素钢并不能 提高轴的刚度。鉴于此，机械手各传动关节的传动轴选用 45 号钢，应能满足设计的需要。

2)齿轮系

齿轮的主要失效形式有轮齿折断、齿面疲劳点蚀、齿面磨损、齿面胶合和塑性变形}。因此设计齿轮传动，要使齿面具有较高的抗点蚀、抗磨损、抗胶合和抗塑性变形的能力，齿根则要有较高的抗折断能力。为此，对齿轮材料性能

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3 机械手手部设计

的基本要求为齿面要硬，齿芯要韧。钢材韧性好，耐冲击，容易通过热处理和化学处理来改善其机械性能和提高硬度，是制造

齿轮最常用的材料。锻钢可制成软齿面和硬齿面两种齿轮。

(1)软齿面齿轮对于强度、速度和精度要求不高的齿轮传动，可采用软齿面齿轮。软齿面齿轮的齿面硬度低于 350HBS，热处理方法为调制或正火，常用材料为 45 和 40Cr 等。加工方法一般为热处理后切齿，切制后即为成品，精度等级一般为 8 级。

(2)硬齿面齿轮硬齿面齿轮硬度大于 350HBS。高速、重载及精密机械(如精密 机床、航空发动机等)采用硬齿面齿轮传动 。材料通常选用20Cr, 20CrMnTi, 40Cr,38CrMoAlA 等，经过表面硬化处理，齿面可得到很高的硬度。加工方法一般为先切齿，然后表面硬化处理，最后进行磨齿等精加工，齿轮精度可达5级或6 级，常用的表面硬化处理方法有表面淬火、渗碳淬火、氮化和氰化等。

机械手的齿轮传动对速度、精度、强度要求都不高，可以使用软齿面齿轮，材料则选择 40Cr。

3机械手手部设计

3.1手部结构

机械手的手部结构采用夹钳式手部，其手部是由手指，传动结构和驱动结构三部分组成的。采用两个手指，驱动装置为传动机构提供动力，驱动源为液压驱动装置。 3.2夹紧力计算

手指加在工件上的加紧力，是设计手部的重要依据。在设计时，必须考虑到夹紧力克服重力所产生的静荷载（惯性力或惯性力矩），以使工件保持可靠的夹紧状态。

手指对工件的夹紧力可按下式计算：

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3 机械手手部设计

Fn?K1*K2*K3*G (3.1)

式中 K1—安全系数，通常取 1.2—2.0；取 K1=1.5；

K2—工作情况系数，主要考虑惯性力的影响。

K2可近似按下式估算：

K2=1+a/g (3.2)

其中 a—运载工件时重力方向上的最大上升加速度；

g—重力加速度 g=9.8m/s2

a=Vmax/t 响

Vmax—运载工件时重力方向上的最大上升速度；

t响—系统达到最高速度的时间，根据设计参数，一般取 0.03—0.5s；

取t 响=0.5s

K3— 方位系数，根据手指与工件形状以及手指与工件位置不

同进行选

定，按工业机械手设计表 2-2 读取；K3=0.5

G— 被抓取工件所受重力（N），G=10kg/N

Vmax=πr/t=3.14*0.155/1.25=0.39/ s2

K2=1+a/g=1+0.39/0.5/9.8=1.08 m/s2

∴Fn=1.5*1.08*0.5*10*9.8=79.38N

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3 机械手手部设计

3.3夹持误差

机械手能否准确夹持工件，把工件送到指定位置，不仅取决于机械手定位精度（由臂部和腕部等运动部件确定），而且也与手指的夹持误差大小有关。若工件的半径 Rmax 变化到 Rmin 时，X 值的变化量即为夹持误差。用“?”。由于刀具刀柄直径相同，并且机械手只夹持刀具，半径不发生变化，因此夹持误差为 0，满足 1mm 定位精度要求。 3.4机械手腕部设计

已知刀具直径 56.25mm，长度 200mm,重 10kg，当手爪夹持在重心位置回转 180°时：

(1)把手爪驱动机构看成一个等效长方体，宽为 108mm,长为 310mm，高为 180mm,

其所受重力为 G=200N； (2)摩檫力矩 M 摩=0.1m;

(3)启动过程所转过的角度 Ф 启=18o=0.314rad,w=2.51s M 惯=（J+J 工件）w2/2Ф 启

J=mR2/2=1/2*200/9.8*（0.0182+0.312）=0.984Nms2 (3.3) J 工件=m(I2+3R2)/12=10*（0.22+3*0.0282）/12=0.0353Nm 带入 M 惯=（0.984+0.353）*2.512/2*3.14=10.2Nm M 摩=0.1Nm M 偏=0 ∴M=M 摩+M 惯=0.1+10.2=10.3Nm 3.5手臂的设计计算

(1)左到右的液压缸的设计计算：

液压缸活塞的驱动力计算：

F=F 摩+F 密+F 惯+F 回 (3.4) F 摩— 摩擦阻力

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3 机械手手部设计

F 密— 密封装置处的摩擦阻力；

F 惯— 启动或制动时，活塞杆所受平均惯性力 F 回—液压缸回油腔低压处造成阻力

机械手总重 800N，手臂不参与运动的零部件的总重量的重心到导向支撑前端的距离

为 75mm，导向支撑为 15mm。

∵F 摩 uG 总 u—当量摩擦系数

U=(4/π?π/2)u=(1.27?1.57)u (3.5) 钢对铸铁取 u=0.18?0.3, 取 u=0.2 ∴F 摩=0.26*800=208N

F 密计算：液压缸工作压力小于10Mpa，活塞杆直径为液压缸直径的一半，活塞与活塞杆外 都用‘O’型密封圈。

∴F封 1=pπdI (3.6)

p— 工作压力, p=4Mpa

d— 活塞直径为32mm, I— 密封有效长度.

∴F封 2=0.03F

∴I=d0*2k-k2 ∵ k=0.08 ? 0.14 取 k=0.08，d0=0.018

I=0.18*2*0.08-0.08*0.08=0.007m ∴F 封1=4*106π*0.032*0.007=2813.44N

F 封 2=0.03F=0.03*P*π*R2=0.03*4*106*π*0.0162 =96.46N ∴F 回= F 封 1+ F 封 2=2813.44+99.46=2909.9N F 回计算， ∵背压为 0，∴F 回=0

F 惯的计算 F 惯=G 总?V/8?t (3.7)

G 总:参与运动的零件的总动力，?V由静止加速到常速的变化量?V=0.094m/s

△t 起动过程中时间取 0.01～0.5s 取 t=0.5s ∴F 惯=ma=80×0.094/0.5=15.04N

∴F 总=F 惯+F 摩+F 回=15.04+208+2909.9=3132.94N

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3 机械手手部设计

3.6液压缸系统设计

液压系统相对于机械传动来说，是一门新兴的技术。人类使用水力机械及液压技术虽然已有很长的历史，但是液压技术在机械领域中得以应用并取得迅速发展则是本世纪，特别是第二次世界大战以来的事。由于液压传动具有许多突出的优点，因而目前已广泛的应用在工、农业机械、机床、交通运输、路地行走设备、船舶控制、火炮控制、飞机、导弹等各方面。 3.6.1液压系统的工作原理

液压泵把电动机传来的回转式机械能转变成油液的压力能：油液被输送到液压缸（或液压马达）后，又由液压缸（或液压马达）把油液的压力能变为直线式（或回转式）的机械能输出。液压系统中的油液在受调节、控制的状态下进行工作的因此液压传动和液压控制在这个意义上来说难以截然分开。液压系统必须满足其执行元件在力和速度方面的要求。 3.6.2液压传动的工作特性

液压系统工作是外界负载越大（在有效承压面积一定的前提下）所需要的压力也越大，反之亦然。因此液压系统的由压力（简称系统的压力，下同）大小取决于外界负载。负载大，系统压力大；负载小，系统压力小；负载为零，系统压力为零。另外，活塞或工作台的运动速度（简称系统的速度，下同）取决于单位时间通过节流阀进入液压缸中油液的体积即流量。流量越大（在有效承压面积一定的前提下）系统的速度越快，反之亦然。流量为零，系统的速度亦为零。液压系统的压力和外在负载，，速度和流量的这两个关系称作液压传动的两个工作特性。

3.6.3自动上料机械手液压系统

如图5.2-1所示，该系统采用双联叶片泵（YB-35/18）驱动，其系统压力为30 公斤力/厘米2，邮箱容积为250升。机械手手臂伸缩、升降时为得到较高速度，两泵同时供油，其余动作仅小泵供油，大泵自动卸荷。

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3 机械手手部设计

手臂伸缩、升降、回转及手腕回转，采用单向调速阀（QI-63B、QI-25B、QI-10B）回程节流调速。

手臂升降液压支路设置有单向顺序阀（XI-63B），用来防止手臂升起后工作时因自重而下滑，故起支撑作用。

手指夹紧油路装置有液控单向阀（IY-25B），用来防止因油路压力波动（特别是油压下降时）引起夹持力的降低，确保加持共建牢固。

减压阀（J-10B）在系统中既可供给定位油缸所要求的低压油（15~18公斤力/厘米2），又可作为电液换向阀（34DY-63B）的控制支路。

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3 机械手手部设计

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3 机械手手部设计

图5液压系统及电路

3.4.7液压缸计算 液压缸内径计算：

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3 机械手手部设计

油进入无杆腔 F=F1η=P*Пd2 /4η (3.8)

油进入有杆腔 F=F2η=P*π（D2 –d2）/4η (3.9)

P—工作压力 P=4Mpa

η—液压缸机械效率，一般取η=0.95 D—液压缸内径 F—理论推力 D—活塞杆直径

） =0.032m ∴D=（4F/πP/2η

按<机械设计手册>表 19-6-3 液压缸内径系列取

D=32mm

由于公称压力为 P=4MPa<10MPa, ∴取ψ=1.33 (3.10)

ψ=v2/v1=A1/A2=π/4D2/[π/4(D2 –d2)]= D2/ D2-d2

ψ—液压缸活塞往复运动时的速比 则 d=(D2 –D2 /1.33)1/2 =0.0159m

按表 19-6-3 活塞肛直径系列，取 d=16mm

由于液压缸的工作时间 t=πD2 s/4q

S—行程 Q=流量 m3/s Q=πD2 s/4=π*0.0322*0.13/4=76*10-6m3/s

3.4.8液压缸壁厚计算

1.一般按壁厚缸筒公式计算 t≥PD/2p[σ] (3.11)

t=(45-32)/2=6.5mm P—液压缸内工作压力 Pa

D—液压缸内径 m

δP—刚体材料许用拉应力

δP=[δs]/s s 为安全系数，推荐在 3.5～5 范围内

d 选用，一般取 S=5

由于缸体材料为锻钢 δP=（110～120）MPa 取δP=110MPa

∴t≥4*106*0.032/2*110*106=0.00058m<6.5mm

∴满足要求

∵t/D=6.5/32=0.203>1/10 ∴按壁厚公式校核

21

3 机械手手部设计

2.按壁厚公式计算：

t≥d/2[(δP+0.4P/δP -1.3p)1/2-1]=0.0005m=0.5mm<6.5mm ∴满足要求 (3.12) 3.按强度条件验算活塞杆直径 d(L≤10d)时

d≥(4F1/πδp)l/2 (3.13)

F—活塞杆推力，

1

L—活塞杆长度

δp—活塞杆材料的许用应力

δp=δs/s δs— 材料屈服极限 s 为安全系数，取 s=2

δs=300N/mm ∴δp=150 N/mm

d≥(4*3132.94/150π) =5.16<6.5mm ∴满足要求

∵l=150mm<10d=160mm

∴受压柱塞式活塞杆无须做压杆稳定性计算 4.液压缸零件的连接计算：

缸体与缸盖用法兰连接的螺栓计算

合成应力：δn=δ=KF1/ASZ1PA (3.14)

Z:螺栓数量，X=4

AS—螺栓螺纹部分危险剖面积计算

螺纹预紧系数，K1.35～1.6s，取 k=1.5s

∴δn=1.5*3132.94/8*4=146.86N/mm2 由于内六角圆柱头螺纹精度为 8.8 级

∴δn=146.86N/ mm2<800N/mm2

∴强度足够

5.活塞与活塞杆螺纹连接的计算：

活塞杆的拉力 ∴F2=π（D2–d2）p/4=π(0.0322-0.0162 )/4=2411.52N

活塞杆危险断面处的合成应力 (3.15)

δn=δ=Kf2/πd2 2/4≤δp

d2 —活塞杆危险断面处的直径为d2 =d-3=16-3=13mm

K—螺纹预紧系数：取 K=1

22

3 机械手手部设计

δp=δs

s—安全系数， 取 s=1.75

对于调质硬度 HB=240?270HBS 的 40Cr 钢

δs =700MP δp=40MP

∴δn=1.4*2412.7/π*132/4=25<400MP ∴ 满足要求

δp=δs

s—安全系数， 取 s=1.75

对于调质硬度 HB=240?270HBS 的 40Cr 钢

δs =700MP δp=40MP

∴δn=1.4*2412.7/π*132/4=25<400MP ∴ 满足要求

3.5机械手转轴强度校核

设计开式一级齿条传动，齿条主动传递扭矩为T=16399MM，转速为24r/min， 载荷均匀，齿轮旋臂布置。

1. 选齿轮材料精度等级及参数

（1）考虑机械手为较精密机，但转速不高，所以齿轮选 8 级精度 （2）该齿轮传动无特殊要求，为制造方便，采用软齿面齿

轮 ，选 40 Cr,齿条选 45 钢，取齿轮 260HBS，齿条取 200HBS。

（3）齿数 20，开式传动。

2.按齿面接触疲劳强度设计

d1 t≥[2KT1 *(U+1)*(ZE *ZH/[δH ]) /U*ψd]

21/3

∵齿轮齿条传动比为 u=Z2/Z1=∞/20=∞ (3.16)

∴u+1/u=1

(1)试选荷载系数 Kt=1.4

(2) 齿轮传递扭矩为 T1=mgr+mar

23

3 机械手手部设计

=10*9.8*0.155+10*0.78*0.155=16.399Nm=16.399Nmm

（3）据表 8-7 悬臂布置，取齿宽系数ψd =0.45 （4）由表 8-6 查得弹性系数 ZE=189.8（N/mm2)1/2 （5）节点区域系数 ZH =2.5 （6）接触疲劳应力

1）由机械设计图 8-15C 查得δHlim1

=710N/mm

2)计算应力循环系数

N91 =60njl=60*24*1*2*8*300*10=0.6912*10N2 = N1 =0.6912*109

3)由图

8-17 曲线得 Zn1 =1.16 Zn2 =1.16

4)取

SH

=1

许用接触应力δ

[δH1]= δHlim1

*ZN1 /SH=710*1.16/1=823.6 N/mm2 [δH2] =δHlim2

* ZN2 / SH=553*1.16/1=641.48 N/mm2

（7）计算

d1t≥[2KT

*(U+1)*(ZE

*ZH

/[δ

h

] ) /U*ψ1/3

d ]=[2*1.4*16399/0.45*(189.8*2.5/641.48)2

1/3

]

=38.22 mm

(8)圆周速度

V=πd1n1/60000=3.14*38.22*24/60000 =0.048m/s

V<6m/s 取 8 级精度合适 （9）计算荷载系数 K

1）VZ/100=0.048*20/100=0.096 m/s

由图 8-9，取 Kv =1.01 2)据表 8-4

KA =1

3）据表 8-11 曲线得 Kβ=1.3

∴K= KA *Kv*Kβ=1*1.01*1.3=1.313 ∵与 KT =1.4 不符 ∴需要修正

24

3 机械手手部设计

（10）修正

d 1≥[K/KT2 KT1 *(U+1)*( ZE*ZH/[δH] )2U*ψd ]1/3 =d1t*(K/KT)1/3

= 38.22*(1.313/4)1/3=37.41mm

(11)主要尺寸计算

1)模数 m=d1/Z1=37.41/2/=1.87mm 由于结构要求取 m=3mm

2)分度圆直径 d1 =mZ=3*20=60mm

3)中心距 a=d1=60mm

4)齿宽 b=Фd * d1 =0.45*60=20.96mm

取 b=21mm

3. 校核齿根弯曲疲劳强度

σF =2KT1/bd1m*Yfa*Ysa ≤[σF] (3.17)

（1）齿型系数查表 8-5，YFa1 =2.80，YFa2 =2.06 （2）应力修正系数查表 8-5，YSa1 =1.55，YSa2 =1.97

（3）许用弯曲应力[σF] =σ

Flm

YN/SF

1）查图 8-14 σ

flm1

= 450N/mm2 σ

flm2

= 420N/mm2

2) 查图 8-16 YN1=1 YN2=1 3)取 SF=1.4 [σF1] =σ

flm1

*YN1/SF

=450*1/1.4=321.4 N/mm2

flm2

[σF2] =σ

*YN2/SF

=420*1/1.4=300 N/mm2

4）校核计算：

σF1=2KT1/bmd1* YSa1 * YFa1 (3.18)

=2*1.313*16399/(27*3*60*2.8*1.55)

<[σF1]

=38.4 N/mm

σF2 = YFa2 * YSa2 / YFa1 * YSa1

=38.4*2.06*1.97/(2.08*1.55)

25

3 机械手手部设计

=35.9 N/mm2 <[σF2] ∴弯曲疲劳强度足够

圆柱齿轮的结构尺寸：

K=2m=2*3=6mm

D1=1.6d=1.6*36=67.6 D0=d-10m=66-10*3=36

L=1.2d=1.2*36=43.6 S0=2.5m=2.5*3=7.5

H=0.5*3=1.5mm

3.6机械手联结键校核

齿轮上键校核

σP =2T/dkl≤[σP] N/mm (3.19)

T—传递的转矩 N/mm d—轴的直径 mm

k—键与轮毂的接触高度，即 k=h/2mm l—键的工作长度（A）型

σP≤2*6399/（36*4*12）=18.98≤1.5[σP]1.5*100

=150 N/mm

∴键的强度满足要求

3.7传动轴校核

由于轴的校核方式完全相同，在校核验算中确定满足轴的强度要求限于课程设计的复

杂度，下面只对Ⅲ轴校核过程进行详细叙述：

1.输出轴上的转矩 T T=16398N.mm

2.作用在齿轮上的力，因已知低速级齿轮分度圆上的力矩为 T，低速级齿轮分度圆的

直径为 d=mz=3*20=60mm

Ft=2T/d=2*16938/60=546.6N Fr = Ft *tga=546.6*tga20°=198.95N

3.轴的结构设计

1）拟订轴上零件的装配方案

26

3 机械手手部设计

轴上的齿轮，轴套，轴端挡圈，左轴承，从左端装入；

右轴承，机械手体，轴承端盖从右端装入。

2）根据轴向定位及固定要求，确定轴的各段直径和长度。

表1 轴的直径和长度 轴段位置 度 装齿轮段 轴段直径和长说明 齿轮与轴承配合长度为 16，为保证压紧轴承 套与轴肩距离为 2mm 轴段档圈与轴联结，装轴套段 DⅠ-Ⅱ =36mm LⅠ-Ⅱ =48 因 此，挡圈与轴之间有 1mm 间隙，这两段轴径 装轴承段 dⅡ-Ⅲ =dⅣ-Ⅴ =40 刀有 由滚动轴 承内圈决 定，根据 机械手插 拔轴向力， 即 DⅠ- Ⅱ =36mm ，初选角 接触球轴 承 36108，d*D*7=40*68*15，由于左端轴承由轴 套固定，所以 LⅡ-Ⅲ略小于 7，取 LⅡ- Ⅲ =13， lⅣ- Ⅴ 轴承关 度决定。 考虑左右 轴承承用轴 肩 定位，按设计手册查得 dⅢ-Ⅳ =46，则 lⅢ-Ⅳ 取 决于齿轮 宽度，轴 套，端盖 ，螺母及 机械手 体宽度等 尺寸，考 虑轴的轴 向游动， 则端盖 和右端盖距离为 1mm 机械手体右端用锁紧螺 Ⅱ-Ⅲ Ⅳ-Ⅴ LⅡ-Ⅲ =13 LⅣ-Ⅴ =15 自由段 dⅢ-Ⅳ =46 lⅢ-Ⅵ =50.5 装右轴承盖 端及机械手 体端 dⅣ-Ⅴ=38 lⅣ-Ⅴ =41 锁紧挡圈段

3）轴上零件的轴向固定

齿轮，机械手体与轴向固定均采用平键接，按 轴径尺寸由手册得 dⅠ-Ⅱ 处平键尺寸为

27

3 机械手手部设计

10*8*22（GB1095-99）同时为了保证齿轮与轴有良好的对中性，采用 H7/P6 配合，机械手体与轴配合 H7/m6,滚动轴承与轴的周向固定采用 H7/k5。

4）定出轴肩处的圆角半径 R 的值 5）选择轴的材料

该轴无特殊要求，因而选用 45 钢，调质处理，由于轴的尺寸较大，性能数据按毛坯直径≤200mm 的选用，由表 10-1 查得，

σ-1 =300 N/mm2 τ-1 =155 N/mm2 6）画轴的结构简图，计算支反力

由轴的结构确定出轴承支点，跨距 l2=64.5mm,l3=39mm，悬臂 l1=32mm,由此画出轴的受力 简图。

水平面支反力 RBH=Ft(l1 + l2)/ l2

=-(32+64.5)/64.5*546.6 =-817.78N

∵Ft +RCH +RBH=0

∴RCH=- Ft-RBH=-546.6 +817.78=271.18N 垂直支反力 RBV = Fr (l1 + l2)/ l2

=198.96*（64.5+32）/64.5 =297.67N

Fr+RCV+RBV=0

∴RCV= -Fr -RBV=198.96-297.67

=-98.71N

7）画弯矩扭图

（1）水平面弯矩图 MH

截面 B处左边 MBV=- Ft *∣AB∣=546.6*32=17491.2N.mm

（2）垂直面弯矩图 MV

28

3 机械手手部设计

截面B 处左边 MBH=- Fr*∣AB∣=-198.96*32=-6366.72N.mm

(3)合成弯矩图

截面 B 处左边 MB=（MBV 2+MBH2）1/2

={（17491.2）2 +（-6366.72）2 }1/2

=18613.89N.mm

(4)扭矩图

T= Ft *d=546.6*60/2=16398N.mm

8）弯矩合成应力校核轴的强度

截面 B 处弯矩最大 a=[σ

-1 b

]/[σ0 ]b=60/275=0.28

Mt=[Mb+(aT)2]1/2=[18613.892 +(0.28*10398)2]1/2=19171.8N.mm

σB=Mt/0.1d3=19171.8/0.1*403=2.99N/mm2<[σ-1]b=60N/mm

∴满足要求。

3.8轴承校核

机械手拔刀时为 200N，机械手总长为 310mm，旋转时转速为 24r/min,两轴承中点距

离诶 64.5mm,从机械手中间到右轴承中点距离为 39mm，齿轮中点到左轴承中点为 34mm，要

求轴承预期寿命=100000h，假设载荷中等冲击，要求轴颈在 40mm 左右 1.在转动时，轴承寿命计算公式为 ln=16700/h(Cr/Pr)ε

1)由结构查机械设计手册，36108 轴承所具备的径向基本额定载荷 Cr=15.5KN

2）对于球轴承 q=3

由于轴承上不受轴向力，故 Prl=297.67N

3)计算轴承的工作寿命

Lnl=16700/24*(15500 /297.67)3

计算轴承 2 的工作寿命

拔刀时：1.由于轴承受轴向力，故习惯上选用向心力角接球轴承 2.径向支反力计算

跨距：L=64.5+2*(T/2)-2a=64.5-2*15/2-2*14.7

29

3 机械手手部设计

=50.1mm

l=39+(a-T)=39+(14.7-15/2)=46.2mm

轴承径向载荷：

∵R1+R2=0 ∴R1=-R2

R2=A*155/L=200*155/50.1 =618.76N ∴R1=-618.76N

2.静强度校核

（1）计算当量静负载 P0r：由表 12-11，X 0=0.5

Y0 =0.46

（2）内部轴向力计算

按表 12-1 计算内部轴向力 S2

=S1=0.4Fr

1=0.4*618.76=247.5

A+S2

=200-247.5=-47.5N< S1

故轴承 2 放松，轴承 1 压紧。

∴Fa2=A=200N Fa1=S1=247.5N

3.动强度校核

轴承 2 X0Fa2+Y0Fa2=0.5*618.76+0.46*200

=401.38N

Fa2=618.76N

取最大值 F0a2=618.76N

轴承 1 X0Fa1+Y0Fa1=0.5*618.76+0.46*247.5=423N Fa1=618.76N

取最大值 F0a1=618.76

（1）按表 12-12 取安全系数 S0=1.2 （2）计算工作额定静荷载：

30

3 机械手手部设计

S0*P0=1.2*618.76=742.5N

（3）结论 S0*P0<108=22000N

∴强度满足

31

4 主要零部件三维制作过程错误！未找到引用源。

4.1 回转缸绘制过程

缸体

齿条

齿轮

32

5机械手的PLC控制设计

回转盘

推力球轴承

升降缸

33

通过以上步骤完成对回转缸的绘制。

4.2手部结构及加紧缸的绘制过程

手指

铰链

34

5机械手的PLC控制设计

夹紧缸

手腕外壳通过以上步骤完成手部结构以及夹紧缸的绘制。

35

4.4总装图的绘制

5 机械手的PLC控制设计

考虑到机械手的通用性，同时使用点位控制，因此我们采用可编程序控制器(PLC)对机械手进行控制.当机械手的动作流程改变时，只需改变PLC程序即可实现，非常方便快捷。

5.1 PLC的简介

早期的可编程控制器是为取代继电控制系统而设计的，用于开关量控制，运行逻辑运算，故称之为可编程逻辑控制器。20世纪70年代后期，可编程逻辑控制器从开关量控制发展到计算机控制领域，更多的具有了计算机的功能。

36

5机械手的PLC控制设计

因此。国际电工委员会将可编程逻辑控制器称为可编程控制器，后来与个人计算机相区别，人们有用PLC作为可编程控制器缩写。

5.1.1PLC的基本组成

包括中央处理器(CPU)、存储器、输入/输出接口(缩写为I/O，包括输入接口、输出接口、外部设备接口、扩展接口等)、外部设备编程器及电源模块组成，见图1。PLC内部各组成单元之间通过电源总线、控制总线、地址总线和数据总线连接，外部则根据实际控制对象配置相应设备与控制装置构成PLC控制系统。

1. 中央处理器

中央处理器(CPU)由控制器、运算器和寄存器组成并集成在一个芯片内。CPU通过数据总线总线、地址总线、控制总线和电源总线与存储器、输入输出接口、编程器和电源相连接。小型PLC的CPU采用8位或16位微处理器或单片机，如8031、M68000等，这类芯片价格很低；中型PLC的CPU采用16位或32位微处理器或单片机，如8086、96系列单片机等，这类芯片主要特点是集成度高、运算速度快且可靠性高；而大型PLC则需采用高速位片式微处理器。 CPU按照PLC内系统程序赋予的功能指挥PLC控制系统完成各项工作任务

2. 存储器

PLC内的存储器主要用于存放系统程序、用户程序和数据等。

37

1)系统程序存储器 PLC系统程序决定了PLC的基本功能，该部分程序由PLC制造厂家编写并固化在系统程序存储器中，主要有系统管理程序、用户指令解释程序和功能程序与系统程序调用等部分。系统管理程序主要控制PLC的运行，使PLC按正确的次序工作；用户指令解释程序将PLC的用户指令转换为机器语言指令，传输到CPU内执行；功能程序与系统程序调用则负责调用不同的功能子程序及其管理程序。系统程序属于需长期保存的重要数据，所以其存储器采用ROM或EPROM。ROM是只读存储器，该存储器只能读出内容，不能写入内容，ROM具有非易失性，即电源断开后仍能保存已存储的内容。EPEROM为可电擦除只读存储器，须用紫外线照射芯片上的透镜窗口才能擦除已写入内容，可电擦除可编程只读存储器还有E2PROM、FLASH等。

2)用户程序存储器

用户程序存储器用于存放用户载入的PLC应用程序，载入初期的用户程序因需修改与调试，所以称为用户调试程序，存放在可以随机读写操作的随机存取存储器RAM内以方便用户修改与调试。通过修改与调试后的程序称为用户执行程序，由于不需要再作修改与调试，所以用户执行程序就被固化到EPROM内长期使用。

3)数据存储器

PLC运行过程中需生成或调用中间结果数据(如输入/输出元件的状态数据、定时器、计数器的预置值和当前值等)和组态数据(如输入输出组态、设置

38

5机械手的PLC控制设计

输入滤波、脉冲捕捉、输出表配置、定义存储区保持范围、模拟电位器设置、高速计数器配置、高速脉冲输出配置、通信组态等)，这类数据存放在工作数据存储器中，由于工作数据与组态数据不断变化，且不需要长期保存，所以采用随机存取存储器RAM。RAM是一种高密度、低功耗的半导体存储器，可用锂电池作为备用电源，一旦断电就可通过锂电池供电，保持RAM中的内容。

3. 接口

输入输出接口是PLC与工业现场控制或检测元件和执行元件连接的接口电路。PLC的输入接口有直流输入、交流输入、交直流输入等类型；输出接口有晶体管输出、晶闸管输出和继电器输出等类型。晶体管和晶闸管输出为无触点输出型电路，晶体管输出型用于高频小功率负载、晶闸管输出型用于高频大功率负载；继电器输出为有触点输出型电路，用于低频负载。现场控制或检测元件输入给PLC各种控制信号，如限位开关、操作按钮、选择开关以及其他一些传感器输出的开关量或模拟量等，通过输入接口电路将这些信号转换成CPU能够接收和处理的信号。输出接口电路将CPU送出的弱电控制信号转换成现场需要的强电信号输出，以驱动电磁阀、接触器等被控设备的执行元件。

1)输入接口

输入接口用于接收和采集两种类型的输入信号，一类是由按钮、转换开关、行程开关、继电器触头等开关量输入信号；另一类是由电位器、测速发电机和各种变换器提供的连续变化的模拟量输入信号。 以图2所示的直流输入

39

接口电路为例，R1是限流与分压电阻，R2与C构成滤波电路，滤波后的输入信号经光耦合器T与内部电路耦合。当输入端的按钮SB接通时，光耦合器T导通，直流输入信号被转换成PLC能处理的5V标准信号电平(简称TTL)，同时LED输入指示灯亮，表示信号接通。微电脑输入接口电路一般由寄存器、选通电路和中断请求逻辑电路组成，这些电路集成在一个芯片上。交流输入与交直流输入接口电路与直流输入接口电路类似。

滤波电路用以消除输入触头的抖动，光电耦合电路可防止现场的强电干扰进入PLC。由于输入电信号与PLC内部电路之间采用光信号耦合，所以两者在电气上完全隔离，使输入接口具有抗干扰能力。现场的输入信号通过光电耦合后转换为5V的TTL送入输入数据寄存器，再经数据总线传送给CPU。如图5.1所示。

图5.1 直流输入接口电路

2)输出接口

输出接口电路向被控对象的各种执行元件输出控制信号。常用执行元件有接触器、电磁阀、调节阀(模拟量)、调速装置(模拟量)、指示灯、数字显示装置和报警装置等。输出接口电路一般由微电脑输出接口电路和功率放大电路组

40

5机械手的PLC控制设计

成，与输入接口电路类似，内部电路与输出接口电路之间采用光电耦合器进行抗干扰电隔离。微电脑输出接口电路一般由输出数据寄存器、选通电路和中断请求逻辑电路集成在芯片上，CPU通过数据总线将输出信号送到输出数据寄存器中，功率放大电路是为了适应工业控制要求，将微电脑的输出信号放大。

3)其它接口

若主机单元的I/O数量不够用，可通过I/O扩展接口电缆与I/O扩展单元(不带CPU)相接进行扩充。PLC还常配置连接各种外围设备的接口，可通过电缆实现串行通信、EPROM写入等功能。

4. 编程器

编程器作用是将用户编写的程序下载至PLC的用户程序存储器，并利用编程器检查、修改和调试用户程序，监视用户程序的执行过程，显示PLC状态、内部器件及系统的参数等。编程器有简易编程器和图形编程器两种。简易编程器体积小，携带方便，但只能用语句形式进行联机编程，适合小型PLC的编程及现场调试。图形编程器既可用语句形式编程，又可用梯形图编程，同时还能进行脱机编程。目前PLC制造厂家大都开发了计算机辅助PLC编程支持软件，当个人计算机安装了PLC编程支持软件后，可用作图形编程器，进行用户程序的编辑、修改，并通过个人计算机和PLC之间的通信接口实现用户程序的双向传送、监控PLC运行状态等。

5. 电源

41

PLC的电源将外部供给的交流电转换成供CPU、存储器等所需的直流电，是整个PLC的能源供给中心。PLC大都采用高质量的工作稳定性好、抗干扰能力强的开关稳压电源，许多PLC电源还可向外部提供直流24V稳压电源，用于向输入接口上的接入电气元件供电，从而简化外围配置。

5.1.2 PLC的工作过程

PLC上电后，在系统程序的监控下周而复始地按一定的顺序对系统内部的各种任务进行查询、判断和执行等，见图5.2所示。

1）上电初始化

PLC上电后，首先对系统进行初始化，包括硬件初始化，I/O模块配置检查、停电保持范围设定及清除内部继电器、复位定时器等。 2）CPU自诊断

在每个扫描周期须进行自诊断，通过自诊断对电源、PLC内部电路、用户程序的语法等进行检查，一旦发现异常，CPU使异常继电器接通，PLC面板上的异常指示灯LED亮，内部特殊寄存器中存入出错代码并给出故障显示标志。如果不是致命错误则进入PLC的停止（STOP）状态；如果是现致命错误时，则CPU被强制停止，等待错误排除后才转入STOP状态。

42

5机械手的PLC控制设计

图5.2 PLC顺序循环过程

3）与外部设备通信

与外部设备通信阶段，PLC与其他智能装置、编程器、终端设备、彩色图形显示器、其他PLC等进行信息交换，然后进行PLC工作状态的判断。 PLC有STOP和RUN两种工作状态，如果PLC处于STOP状态，则不执行用户程序，将通过与编程器等设备交换信息，完成用户程序的编辑、修改及调试任务；如果PLC处于RUN状态，则将进入扫描过程，执行用户程序。 4）扫描过程

以扫描方式把外部输入信号的状态存入输入映像区，再执行用户程序，并将执行结果输出存入输出映像区，直到传送到外部设备。 PLC上电后周而复始地执行上述工作过程，直至断电停机

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5.2 可编程序控制器的选择及工作过程

5.2.1 可编程序控制器的选择

目前 ，国际上生产可编程序控制器的厂家很多，如日本三菱公司的F系列PC,德国西门子公司的SIMATIC N5系列PC、日本OMRON(立石)公司的C型、P型

PC等。考虑到本机械手的输入输出点不多，工作流程较简单，同时考虑到制造

成本，因此在本次设计中选择了日本三菱公司的FX系列PC。

2.2 可编程序控制器的工作过程

可编程序控制器是通过执行用户程序来完成各种不同控制任务的。为此采用

了循环扫描的工作方式。具体的工作过程可分为4个阶段。 第一阶段是初始化处理。

可编程序控制器的输入端子不是直接与主机相连，CPU对输入输出状态的询

问是针对输入输出状态暂存器而言的。输入输出状态暂存器也称为I/0状态表.

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5机械手的PLC控制设计

该表是一个专门存放输入输出状态信息的存储区。其中存放输入状态信息的存储

器叫输入状态暂存器;存放输出状态信息的存储器叫输出状态暂存器。开机时， CPU首先使I/0状态表清零，然后进行自诊断。当确认其硬件工作正常后，进入

下一阶段。

第二阶段是处理输入信号阶段。

在处理输入信号阶段，CPU对输入状态进行扫描，将获得的各个输入端子的

状态信息送到I/0状态表中存放。在同一扫描周期内，各个输入点的状态在I/0

状态表中一直保持不变，不会受到各个输入端子信号变化的影响，因此不能造成

运算结果混乱，保证了本周期内用户程序的正确执行。 第三阶段是程序处理阶段。

当输入状态信息全部进入I/0状态表后，CPU工作进入到第三个阶段。在这

个阶段中，可编程序控制器对用户程序进行依次扫描，并根据各I/0状态和有关

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指令进行运算和处理，最后将结果写入I/0状态表的输出状态暂存器中。 第四阶段是输出处理阶段。

CPU对用户程序已扫描处理完毕，并将运算结果写入到I/0状态表状态暂存器中。此时将输入信号从输出状态暂存器中取出，送到输出锁存电路，驱动输出继电器线圈，控制被控设备进行各种相应的动作。然后，CPU又返回执行下一个循环的扫描周期。

5.3机械手控制系统设计

5.3.1 PLC控制系统设计

1、机械手工况分析

待料（起始位置；手爪闭合；待夹料立放）→插定位销→手臂前伸→手爪张开→手爪夹料→手臂上升→手臂缩回→手腕回转180度→拔定位销→手臂回转95度→插定位销→手臂前伸→手爪松料→手爪闭合→手臂下降→手腕反转（复位）→拔定位销→手臂复位→待料卸荷。

2、I/0地址分配

即确定哪些信号是送到可编程序控制器的，并分配给相应的输入端号;哪些信号是由可编程序控制器送到被控对象的，并分配相应的输出端号.此外，对用到的可编程序控制器内部的计数器、定时器等也要进行分配。可编程序控制器是通过编号来识别信号的

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