机械手液压系统的电气控制.docx
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机械手液压系统的电气控制
电控课程设计
湖南工业大学
资料袋
机械工程学院（系、部）2013~2014学年第1学期
课程名称机床与电气控制技术指导教师吴吉平职称教授
学生姓名袁聪专业班级机工1105班学号***********
题目机械手液压系统控制系统设计
成绩起止日期2014年6月6日～2014年6月17日
目录清单
序号
材料名称
资料数量
备注
1
课程设计任务书
1
2
课程设计说明书
1
3
课程设计图纸
2
2
张
湖南工业大学
课程设计任务书
2013—2014学年第一学期
机械工程学院（系、部）机械工程及其自动化专业机工1105班
课程名称：
机床与电气控制技术
设计题目：
机械手液压系统控制系统设计
完成期限：
自2014年6月6日至2014年6月17日共11天
内
容
及
任
务
一、设计的主要技术参数
机械手一般由执行机构、驱动系统、控制系统及检测装置三大部分组成，智能机械手还具有感觉系统和智能系统。
驱动系统多数采用电液（气）机联合传动。
JS01工业机械手属于圆柱坐标式、全液压驱动机械手，具有手臂升降、伸缩、回转和手腕回转四个自由度。
执行机构相应由手部、手腕、手臂伸缩机构、手臂升降机构、手臂回转机构和回转定位装置等组成，每一部分均由液压缸驱动与控制。
它完成的动作循环为：
插定位销→手臂前伸→手指张开→手指夹紧抓料→手臂上升→手臂缩回→手腕回转180o→拔定位销→手臂回转95o→插定位销→手臂前伸→手臂中停（此时主机的夹头下降夹料）→手指松开（此时主机夹头夹着料上升）→手指闭合→手臂缩回→手臂下降→手腕回转复位→拔定位销→手臂回转复位→待料，泵卸载。
二、设计任务
完成系统的继电器控制原理图、PLC原理图及设计说明书一份,2张图纸.
三、设计工作量
电气图2~3张，说明书不少于8000字
进
度
安
排
起止日期
工作内容
6.6
讲解设计目的、要求、方法，任务分工
6.7
根据指导书和任务书要求确定控制系统的输入输出点数、类型，确定输入、输出设备及元器件种类、数量，初步选定PLC型号
6.10
根据指导书和任务书绘制控制系统工作流程图，确定每个动作实现和解除必须的条件
6.12
绘制继电器控制原理图、电路计算、元器件选择列表
编制控制系统的PLC控制程序
6.16
编写设计说明书
主
要
参
考
资
料
[1]银金光刘扬.<<机械设计>>.清华大学出版社北京交通大学出版社2012
[2]郁建平.<<机电控制技术>>.北京：
可学出版社，2006
[3]赵大兴编<<工程制图>>高等教育出版社，2004年
指导教师（签字）：
年月日
系（教研室）主任（签字）：
年月日
机电控制技术
课程设计
机械手液压系统的电气控制设计
起止日期：
2014年6月6日至2014年6月17日
学生姓名
袁聪
班级
机工1105
学号
141405700620
成绩
指导教师（签字）
机械工程学院
2014年6月17日
序言
机械手的概念和分类
机械手，英文名mechanicalhand，是指能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。
它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。
机械手主要由手部和运动机构组成。
手部是用来抓持工件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。
运动机构，使手部完成各种转动（摆动）、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。
运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度。
为了抓取空间中任意位置和方位的物体，需有6个自由度。
自由度是机械手设计的关键参数。
自由度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。
一般专用机械手有2～6个自由度。
机械手的种类，按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手；按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种；按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。
机械手通常用作机床或其他机器的附加装置，如在自动机床或自动生产线上装卸和传递工件，在加工中心中更换刀具等，一般没有独立的控制装置。
有些操作装置需要由人直接操纵，如用于原子能部门操持危险物品的主从式操作手也常称为机械手。
第一章绪论
1.1机械手的概述
机械手是模仿人的手部动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运和操作的自动装置。
它特别是在高温、高压、多粉尘、易燃、易爆、放射性等恶劣环境中，以及笨重、单调、频繁的操作中能代替人作业，因此获得日益广泛的应用。
机械手一般由执行机构、驱动系统、控制系统及检测装置三大部分组成，智能机械手还具有感觉系统和智能系统。
驱动系统多数采用电液（气）机联合传动。
1.2设计要求
Js01工业机械手属于圆柱坐标式、全液压驱动机械手，具有手臂升降、伸缩、回转和手腕回转四个自由度。
执行机构相应由手部、手腕、手臂伸缩机构、手臂升降机构、手臂回转机构和回转定位装置等组成，每-部分均由液压缸驱动与控制。
它完成的动作循环为：
插定位销→手臂前伸→手指张开→手指夹紧抓料→手臂上升→手臂缩回→手腕回转180°→拔定位销→手臂回95°→插定位销→手臂前伸→手臂中停（此时主机的夹头下降夹料）→手指松开（此时主机夹头夹着料上升）→手指闭合→手臂缩回→手臂下降→手腕回转复位→拨定位销→手臂回转夏位→待料，泵卸载。
第二章分析JS01工业机械手液压系统的特点及工作原理
JS01工业机械手液压系统图如图1所示。
各执行机构的动作均由电控系统发信号控制相应的电磁换向阀，按程序依次步进动作。
电磁铁动作顺序见表1。
图1JS01工业机械手液压系统
2.1液压系统的特点
该液压系统的特点归纳如下：
1）系统采用了双联泵供油，额定压力为6.3MPa，手臂升降及伸缩时由两个泵同时供油，流量为（35+18）L/min，手臂及手腕回转，手指松紧及定位缸工作时，只由小流量泵2供油，大流量泵1自动卸载。
由于定位缸和控制油路所需压力较低，在定位缸去路上串联有减压阀8，使之获得稳定的1.5～1.8MPa压力。
2）手臂的伸缩和升降采用单杆双作用液压缸驱动，手臂的伸出和升降速度分别由单向调整阀15、13和11实现回油节流调速；手臂及手腕的回转由摆动液压缸驱动，其正反向运动亦采用单向调速阀17和18、23和24回油节流调速。
3）执行机构的定位和缓冲是机械手工作平稳可靠的关键。
从提高生产率来说，希望机械手正常工作速度越快越好，但工作速度越高，启动和停止时的惯性力就越大，振动和冲击就越大，这不仅会影响到机械手的定位精度，严重时还会损伤机件。
因此为达到机械手的定位精度和运动平稳性的要求，一般在定位前要采取缓冲措施。
该机械手手臂伸出、手腕回转由死挡铁定位保证精度，端点到达前发信号切断油路，滑行缓冲；手臂缩回和手臂上升由行程开关适时发信号，提前切断油路滑行缓冲并定位。
此外，手臂伸缩缸和升降缸采用了电液换向阀换向，调节换向时间，亦增加缓冲效果。
由于手臂的回转部分质量圈套，转速较高，运动惯性矩圈套，系统的手臂回转缸除采用单向调速阀回油节流调速外，还在回油路上安装有行程和节流阀19进行减速缓冲，最后由定位缸插销定位，满足定位精度要求。
4）为使手指夹紧缸夹紧工件后不受系统压力波动的影响，保证牢固地夹紧工件，采用了液控单向阀21的锁紧回路。
5）手臂升降缸为立式液压缸，为支承平衡手臂运动部件的自重，采用了单向顺序阀12的平衡回路。
2.2液压系统的分析
JS01工业机械手液压系统电磁铁、压力继电器动作顺序表如表1所示。
表1JS01工业机械手液压系统电磁铁、压力继电器动作顺序表
动作顺序
1Y
2Y
3Y
4Y
5Y
6Y
7Y
8Y
9Y
10Y
11Y
12Y
K26
插销定位
+
+
-
+
手臂前伸
+
+
+
手指张开
+
+
+
+
手指抓料
+
+
+
手臂上升
+
+
+
手臂缩回
+
+
+
手腕回转
+
+
+
+
拔定位销
+
手臂回转
+
+
插定位销
+
+
-
+
手臂前伸
+
+
+
手臂中停
+
+
手指张开
+
+
+
+
手指闭合
+
+
+
手臂缩回
+
+
+
手臂下降
+
+
+
手腕反转
+
+
+
+
拔定位销
+
手臂反转
+
+
待料卸载
+
+
2.3液压系统工作原理
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，2Y不带电，使泵1继续卸荷，而泵2停止卸荷，同时12Y通电，液压油流入定位缸左腔，定位销定位。
进油路：
泵2→单向阀6→减压阀8→单向阀9→二位二通阀25（右）→定位缸左腔。
回油路：
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→三位四通电液换向阀14（左）→手臂伸缩缸右腔
泵2→单向阀6→单向阀7→三位四通电液换向阀14（左）→手臂伸缩缸右腔
回油路：
手臂伸缩缸左腔→15的调速阀→三位四通电液换向阀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，进入手指夹紧缸右腔。
当系统的液压压力到了打开液控单向阀21后，油从左腔通过液控单向阀21及电磁阀20左位进入油箱。
进油路：
泵2→单向阀6→电磁阀20（左）→手指夹紧缸右腔
回油路：
手指夹紧缸左腔→液控单向阀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的压力油通过电磁阀20（右位）进入缸的左腔，使手指夹紧棒料。
进油路：
泵2→单向阀6→电磁阀20（右）→液控单向阀21→手指夹紧缸左腔
回油路：
手指夹紧缸右腔→电磁阀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同时供油通过电液换向阀10（左）进入手臂升降缸。
进油路：
泵1→单向阀5→三位四通换向阀10（左）→11的单向阀→12的单向阀→手臂升降缸下腔
泵2→单向阀6→单向阀7→电液换向阀10（左）→11的单向阀→12的单向阀→手臂升降缸下腔
回油路：
手臂升降缸上腔→13的调速阀→三位四通换向阀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15的单向调速阀进入伸缩缸左腔，而右腔油液经阀14右端回油箱。
进油路：
泵1→单向阀5→电液换向阀14（右）→15的单向调速阀→手臂伸缩缸左腔
泵2→单向阀6→单向阀7→电液换向阀14（右）→15的单向调速阀→手臂伸缩缸左腔
回油路：
手臂伸缩缸右腔→电液换向阀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，电液换向阀14复位，1Y、10Y通电。
此时，泵2单独供油至电液换向阀22左端，通过24的单向阀进入手腕回转油缸，使手腕回转
。
进油路：
泵2→单向阀6→电液换向阀22（左）→24的单向阀→手腕回转缸
回油路：
手腕回转缸→23的调速阀→电液换向阀22（左）→油箱
8、拔定位销（1
）
当手腕上的碰块碰到行程开关时，10Y、12Y断电，电液换向阀22和二位二通换向25复位，定位缸油液经阀25左端回油箱，弹簧作用拔定位销。
进油路：
定位缸没有进油路，它是在弹簧作用下前进的
回油路：
定位缸左腔→阀25（左）→油箱
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→单向阀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，液压油流入定位缸左腔，定位销定位。
进油路：
泵2→单向阀6→减压阀8→单向阀9→二位二通阀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。
11、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→三位四通电液换向阀14（左）→手臂伸缩缸右腔
泵2→单向阀6→单向阀7→三位四通电液换向阀14（左）→手臂伸缩缸右腔
回油路：
手臂伸缩缸左腔→15的调速阀→三位四通电液换向阀14（左）→油箱
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，泵2的压力油通过电磁阀20（右位）进入缸的左腔，使手指夹紧棒料。
进油路：
泵2→单向阀6→电磁阀20（右）→液控单向阀21→手指夹紧缸左腔
回油路：
手指夹紧缸右腔→电磁阀20（右）→油箱
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，泵1和泵2一起供油至电液换向阀14右端，压力油通过15的单向调速阀进入伸缩缸左腔，而右腔油液经阀14右端回油箱。
进油路：
泵1→单向阀5→电液换向阀14（右）→15的单向调速阀→手臂伸缩缸左腔
泵2→单向阀6→单向阀7→电液换向阀14（右）→15的单向调速阀→手臂伸缩缸左腔
回油路：
手臂伸缩缸右腔→电液换向阀14（右）→油箱
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13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，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。
机械手的动作也可由微机程序控制，与相关主机联为一体，其动作顺序相同。
第三章PLC控制系统
3.1可编程控制器简介及应用
可编程控制器（PROGRAMMABLECONTROLLER，简称PC）。
与个人计算机的PC相区别，用PLC表示。
可编程控制器是由微机控制的电子装置，不仅能完成各种程序控制，而且还有数字运算、数据处理、模拟量调节、操作显示、联网通信等功能，在工业控制当中发挥着越来越大的作用。
暂时可把它看作是继电器、定时器和计数器的集合。
PLC是在传统的顺序控制器的基础上引入了微电子技术、计算机技术、自动控制技术和通讯技术而形成的一代新型工业控制装置，目的是用来取代继电器、执行逻辑、记时、计数等顺序控制功能，建立柔性的程控系统。
国际电工委员会（IEC）颁布了对PLC的规定：
可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。
它采用可编程序的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。
可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。
在气压传动系统中的控制部分经常采用气控和电控两种控制方法。
前者由气动逻辑元件、气压控制换向阀等组成；后者由电气开关元件、各种继电器、电磁控制换向阀等组成。
3.2可编程控制器的特点
1）应用灵活
不仅可以适应大小不同、功能繁杂的控制要求，而且可以适应各种工艺流程经常变更的场合。
由于它的逻辑功能与控制要求是通过软件来完成的，从而缩短了开发周期，现场安装与接线简便，可以按积木方式扩充和删减其规模。
2）简单易学，操作方便
PLC继承了传统继电器控制理论，采用电气操作人员习惯的梯形图式编程方法，能方便的读懂和编写、修改应用程序。
另外PC带有比较完善的监视和诊断功能，对其内部工作状态、I/O点状态和异常现象均有醒目的显示，因此操作人员可以及时准确了解和排除故障。
3）功能齐全
PLC不仅有逻辑运算功能，而且还有定时计数功能、四则运算、比较、跳转和强制输入输出状态等功能。
增加智能接口后，还具有处理模拟量等功能。
4）稳定可靠
PLC可以适应恶劣的工业环境，抗干扰能力强。
耐热、防潮、抗震等性能也很好。
5）PLC控制系统的设计、安装、调试、维护方便
由于PLC已实现了产品系列化、标注化和通用化，用PLC组成控制系统在设计、安装、和维修等方面，表现了明显的优越性。
设计部门能在规格繁多、品种齐全的系列化PLC产品中，精选他们所需的类型，使选定的PLC具有较高的性能价格比。
6）体积小、重量轻、功耗低
由于PLC是将微电子技术运用于工业控制设备的新型产品，因而PLC的结构紧凑、坚固、重量轻、功耗低。
3.3继电器-接触器控制线路的设计
控制线路的设计选用控制线路的设计方法大体可分为二种，分别为经验设计法和逻辑设计法。
一、经验设计法
1、经验设计法的基本步骤
（1）收集分析国内外现有同类设备的相关资料，使所设计的控制系统合理，满足设计要求。
（2）控制线路设计，一般的压力机控制线路设计包括主电路，控制电路
辅助电路的设计。
首先进行主电路设计：
主要是考虑从电源到执行元件（例如电动机）之间的线路设计。
然后进行控制线路设计：
主要考虑如何满足电动机的各种运动功能及
生产工艺要求，包括实现加工过程自动化或半自动化的控制等，也就是完成正确地“选择”和有机地“组合”的任务；
最后考虑如何完善整个控制电路的设计，各种保护，联琐以及信号，照明等辅助电路的设计。
（3）全面检查所设计电路，有条件时，可以进行模拟试验，以进一步完善
设计。
2、经验设计法的基本特点
（1）设计过程是逐步完善的，一般不易获得最佳的设计方案。
但该方法简
单易行，应用很广。
（2）需反复修改，这样会影响设计速度。
（3）需要一定的经验，设计中往往会因考虑不周而影响电路的可靠性。
（4）一般需要进行模拟试验。
二逻辑设计法
1、逻辑设计法的基本概念
逻辑设计法，主要是根据生产工艺的要求（工作循环，液压系统图等），将控制线路中的接触器，继电器线圈的通电与断电，触点的闭合与断开，以及主令元件的接通和断开等看成逻辑变量，并将这些逻辑变量关系表示为逻辑函数的关系式，再运用逻辑函数基本公式和运算规律，对逻辑函数式进行简化，然后根据简化的逻辑函数式画出相应的线路原理图，最后再进一步检查，化简和完善，以期获得既满足工艺要求，又经济合理的最佳设计方案。
2、逻辑设计法的一般步骤
（1）按工艺要求作出工作循环图。
（2）确定执行元件与检测元件，并作出执行元件节拍表和检测元件状态表。
（3）根据检测元件状态表写出各程序的特征数，并确定分组，设置中间记
忆元件，各分组所有程序能区分开。
（4）列写中间记忆元件开关函数及其执行元件动作逻辑函数表达式，并画
出相应的电路图。
（5）对按逻辑函数表达式画出的控制逻辑电路图进行检查，化简和完善。
三、经验设计法和逻辑设计法的比较
逻辑设计法与经验设计法相比，采用逻辑设计的电路较为合理，能节省所用元件的数量，能获得某种逻辑功能的最简电路，但是逻辑设计法整个设计过程较为复杂，对于一些复杂的控制要求，还必须设计许多新的条件，同时对电路竞争问题也较难处理。
因此，在一般的电器控制线路设计中，逻辑设计法仅为经验设计法的辅助和补充。
3.4继电器——接触器控制线路
对于线路的设计我们采用的是逻辑设计法，根据JS01工业机械手液压系统图和机械手的动作要求，我作出了其继电器电气原理图，见图2。
这里我们对其继电器电气原理图进行说明。
图中SB2实现开机功能，按下SB2能KM线圈得电，启动电动机，为下面的顺序动作做准备。
当要进行顺序动作时，继电器工作顺序如下：
1．插定位销
按下SB3，中间继电器K1线圈得电并自锁；1Y，12Y，K26得电，机械手的定位缸右移，
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