机械手液压系统的电气控制说明书.docx

1、机械手液压系统的电气控制说明书 湖南工业大学课 程 设 计资 料 袋 机械工程 学院（系、部） 2011 2012 学年第 1 学期 课程名称 机床与电气控制技术 指导教师 职称 学生姓名 专业班级 学号 题 目 机械手液压系统控制系统设计 成 绩 起止日期 2011 年 12 月 5 日 2011 年 12 月 9 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12课程设计说明书13课程设计图纸22张湖南工业大学课程设计任务书20112012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 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

2、设计 完成期限：自 2011 年 12 月 5 日至 2011 年 12 月 9日共 1 周内容及任务一、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95 o 插定

3、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23张，说明书不少于8000字进度安排起止日期工作内容12.5讲解设计目的、要求、方法，任务分工12.6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12.7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12.8绘制继电器控制原理图、电路计算、元器件选择

4、列表编制控制系统的PLC控制程序12.9编写设计说明书主要参考资料1 濮良贵，级明刚. . 高等教育出版社， 1995年2 张万奎.北京：北京大学出版社，2006.83 赵大兴编高等教育出版社， 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： 2011 年 12 月 12 日 至 2011 年 12 月 17 日学生姓名班级学号成绩指导教师(签字)机械工程学院2011年12月17日目 录序 言 11.1 机械手的概述 21.2 设计要求 2第二章 分析JS01工业机械手液压系统的特点及工作原理 32.1液

5、压系统的特点 32.2液压系统的分析 42.3液压系统工作原理 5第三章 PLC控制系统 103.1可编程控制器简介及应用 103.2可编程控制器的特点 103.3继电器-接触器控制线路的设计 113.4继电器接触器控制线路 123.5一些低压电器的选择 16第四章 可编程控制器PLC控制系统的设计 194.1 可编程控制器控制系统设计的基本原则 194.2 可编程控制器系统设计的步骤 19总 结 22感 言 23参考文献 24序 言机械手的概念和分类 机械手，英文名mechanical hand，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

6、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

7、专用机械手有26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

8、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

9、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1 JS01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

10、缸去路上串联有减压阀8，使之获得稳定的1.51.8MPa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

11、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J

12、S01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1 JS01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1Y2Y3Y4Y5Y6Y7Y8Y9Y10Y11Y12YK26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。

13、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1

14、4（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

15、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

16、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

17、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

18、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

19、、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

20、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

21、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

22、。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（PROGRAMMABLE CONTROLLER，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

23、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

24、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

25、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

26、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，

27、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

28、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