机械手的电气设计.docx
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机械手的电气设计
一、绪论……………………………………………………
（2）
二、分析JS01工业机械手液压系统工作原理及特点………………………………………………………………（3）
三、继电器-接触器控制线路的设计…………………………（5）
四、可编程控制器PLC控制系统的设计……………………（13）
五、设计总结…………………………………………………（15）
六、参考文献……………………………………………………（16）
附图一：
继电器电气原理图
附图二：
PLC电气原理图
一绪论
1.1机械手的概述
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；它是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。
近年来，随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用，机器人的研制和生产已成为高技术领域内迅速发展起来的一门新兴技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。
机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动、不知疲劳、不怕危险、抓举重物的力量比人手大等特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用，例如：
（1）、机床加工工件的装卸，特别是在自动化车床、组合机床上使用较为普遍。
（2）、在装配作业中应用广泛，在电子行业中它可以用来装配印制电路板，在机械行业中它可以用来组装零部件。
（3）、可在劳动条件差，单调重复易子疲劳的工作环境工作，以代替人的劳动。
（4）、可在危险场合下工作，如军工品的装卸、危险品及有害物的搬运等。
（5）、宇宙及海洋的开发。
（6）、军事工程及生物医学方面的研究和试验。
1.2设计要求
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。
二分析JS01工业机械手液压系统工作原理及特点
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各阀，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
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
插定销位
+
+
+
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
+
+
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。
三、继电器-接触器控制线路的设计
（一）选用控制线路的设计方法
控制线路的设计大体可分为二种，分别为经验设计法和逻辑设计法。
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。
3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。
4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。
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。
（二）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，见附图一。
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SB1，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，到达极限位置时，插上定位销。
2．手臂前伸当定位缸到达极限位置时，同时会触动行程开关ST1，中间继电器K2得电并自锁，中间继电器K2的辅助动断点断开，1Y失电，同时5Y得电，手臂伸缩缸开始前伸，实现手臂前伸功能。
3．手指张开当手臂伸缩缸伸到一定位置时触动行程开关ST2，中间继电器K3得电并自锁，中间继电器K3的辅助动断点断开，5Y失电；同时9Y得电，手指夹紧缸向右滑动，实现手指张开功能。
4．手指抓料当手指夹紧缸向右滑动到一定位置时触动行程开关ST3，中间继电器K4得电并自锁，中间继电器K4的辅助动断点断开，9Y失电；手指夹紧缸向左滑动，从而实现手指抓料功能。
5．手臂上升当手指夹紧缸向左滑动到一定位置时触动行程开关ST4，中间继电器K5得电并自锁，中间继电器K5的辅助动断点断开，1Y失电；
同时3Y得电，手臂升降缸开始上升，从而实现手臂上升功能。
6.手臂缩回当手臂升降缸上升到一定位置时触动行程开关ST5，中间继
电器K6得电并自锁，中间继电器K6的辅助动断点断开，3Y失电；同时6Y
得电，手臂伸缩缸开始向右滑动，从而实现手臂缩回功能
7．手腕回转当手臂伸缩缸向右缩到一定位置时触动行程开关ST6，中间
继电器K7得电并自锁，中间继电器K7的辅助动断点断开，6Y失电；同时
10Y得电，手腕回转缸开始转动，从而实现手腕回转功能
8．拔定位销当手腕回转缸转动到一定位置时触动行程开关ST7，中间
继电器K8得电并自锁，中间继电器K8的辅助动断点断开，12Y失电，K26
失电，10Y失电；拔出定位销。
9．手臂回转当定位缸向左滑动到一定位置时会触动行程开关ST8，电磁
阀7Y得电并自锁，手臂回转缸开始转动，实现手臂回转功能。
10．插定位销当手臂回转缸转动到一定位置时会触动行程开关ST9，中间
继电器K10得电并自锁，其辅助动断点断开，7Y失电；中间继电器K9得电，
其辅助动合点关闭，12Y得电，K26得电，机械手的定位缸右移，触动行程
开关ST11时，插上定位销。
11．手臂前伸当定位缸触动行程开关ST10，中间继电器K13得电并自
锁，中间继电器K11得电，其动合触点关闭，5Y得电；中间继电器K12得
电，其动断触点断开，1Y失电；手臂伸缩缸开始前伸，实现手臂前伸功能。
12．手臂中停当手臂伸缩缸触动行程开关ST11，中间继电器K14得电
并自锁，同时其动断中间继电器K11得电，其动合触点关闭，5Y失电；同
时6Y时间继电器KT0得电，开始延时。
13.手指张开延时1S，延时开关KT0闭合，中间继电器K15得电，其动
短触点断开，此时，中间继电器K12失电，其动断触点闭合，1Y得电；中
间继电器K16得电，其动合触点闭合，9Y得电；手指夹紧缸向右滑动，实
现手指张开功能。
14．手指闭合当手指夹紧缸向右滑动到一定位置时，触动行程开关ST12
中间继电器K17得电并自锁，其动断触点断开，9Y失电；手指夹紧缸向左
滑动，实现手指闭合。
15．手臂缩回当手指夹紧缸向左滑动到一定位置时，触动行程开关ST13
中间继电器K20得电并自锁，中间继电器K18得电，其动断触点断开，1Y
失电；中间继电器K19得电，其动合触点闭合，6Y得电，手臂伸缩缸向右
滑动实现缩回功能。
16.手臂下降当手臂伸缩缸向右滑动到一定位置时，触动行程开关ST14
中间继电器K21得电并自锁，其动断触点断开，6Y失电；同时4Y得电，
手臂升降缸开始下降实现手臂下降功能。
17.手腕反转当手臂升降缸下降到一定位置时，触动行程开关ST15，中
间继电器K22得电并自锁，其动断触点断开，4Y失电；同时11Y得电。
手
腕回转缸开始转动，实现反转功能。
18.拔定位销当手腕回转缸转到一定位置时，触动行程开关ST16，中
间继电器K23得电并自锁，其动断触点断开，11Y失电，12Y失电，压力继
电器K26失电。
定位缸开始向左滑动，拔下定位销。
19.手臂反转当定位缸向左滑动到一定位置时，触动行程开关ST17，中
间继电器K24得电并自锁；同时8Y得电。
手臂回转缸开始转动，实现手臂
反转动。
20.待料卸载当手臂回转缸转到一定位置时，触动行程开关ST18，2Y
得电，实现待料卸载。
KT1得电开始计时，延时3S后，中间继电器K25得
电,所有动作结束。
（三）一些低压电器的选择
在设备电气控制线路中，为了满足生产工艺及电力拖动的需要，电动机要经常地起动、制动、改变运动方向、调节转速；当电路发生过载、短路、欠压或失压等情况时，控制电路的保护环节还应当自动切断电路，保护线路和设备。
所有这些要求都需要借助于电器来完成。
由于各类电器在设备电气控制系统中所处的位置和所起的作用不同，其因此选用的方法也不尽相同。
生产机械常用低压电器的选择，主要依据是电器产品目录上的各项指标或数据。
正确合理地选择低压电器是电气系统安全运行、可靠工作的保证。
对于电气元件的选择，在选择时我们应注意以下几点：
（1）根据对控制元件功能的要求，确定电气元件功能的要求，确定电气
元件类型。
如继电器与接触器，当元件用于通，断功率较大的主电路时，应选择交流接触器；若元件用于切换功率较小的电路（如控制电路）时，则应选择中间继电器；若伴有延时要求时，则应选用时间继电器。
（2）根据电气控制的电压，电流及功率的大小来确定元件的规格，满足元器件的负载能力及使用寿命。
（3）掌握元器件预期的工作环境及供应情况，如防油，防尘，货源等。
（4）为了保证一定的可靠性，采用相应的降额系数，并进行一些必要的技术和校核。
1按钮
按钮通常是用来短时间接通或断开小电流控制电路的开关。
目前按钮在结构上有多种形式：
旋钮式——手动旋转进行操作；指示灯——按钮内装入了信号指示灯；紧急式——装有蘑菇形式旋帽，用于紧急操作；等等。
一般来说，停止按钮采用红色。
按钮主要根据所需要的触点数，使用场合及颜色来选择。
2低压开关
低压开关主要包括如下几种。
1）刀开关
刀开关主要用于接通或切断长期改组设备的电源。
一般刀开关的额定电压不超过500V额定电流为10A到上千安多种等级。
有些刀开关附有熔断器。
不带熔断器式刀开关主要有HD型及HS型，带熔断器式开关有HK，HR3系列等。
刀开关主要根据电源种类，电压等级，电动机容量，所需极数及使用场来选择。
2）组合开关
组合开关主要是作为电源引入开关，所以也称电源隔离开关。
它可以启停5KW以下的异步电动机，但每小时的接通次数不宜超过10次，开关的额定电流一般取电动机额定电流的1.5~2.5倍。
组合开关主要根据电源种类，电压等级，所需触点数及电动机容量进行选用。
常用的组合开关为HZ-10系列，额定电流10A，25A，60A和100A四种，适用于交流电压380V以下，支流电压220V以下的电气设备中。
3）限位开关（行程开关）
限位开关是依据生产机械运动的行程位置而动作的小电流开关。
它的选用主要根据机械位置对开关形式的要求，对触点数目，电压种类，电压与电流等级的要求来确定。
机床常用的有LX2型，LX19型，JLXK1型，LXW11型和JLXK-111型微动开关等。
对于要求动作快，灵敏度高的行程控制，可采用接近开关。
接近开关也称为无触点限位开关，它是通过运动部件引起的电磁场变化而动作的。
接近开关寿命长，可靠性好，但精度和价格不如限位开关。
4）自动开关
自动开关又称自动空气断路器，自动开关在压力机上应用的很广泛。
这是因为自动开关既接通或分断正常工作电流，也能自动分断过载或短路电流，分断能力强，有欠压和过载短路保护作用。
选择自动开关应考虑其主要技术参数：
额定电压，额定电流和允许切断的极限电流等。
自动开关拖扣器的额定电流应等于或大于负载允许的长期平均电流；自动开关的极限分断能力要大于，至少要等于电路最大短路电流；自动开关拖扣器电流整定应按下面的原则：
欠电压拖扣器额定电压等于主电路等于主电路额定电压；热拖扣器的整定电流与被控对象（负载）额定电流相等；电磁拖扣器的瞬时拖扣器整定电流应大于负载正常工作时的尖峰电流；保护电动机时，电磁拖扣器的瞬时拖扣电流为电动机启动电流的1.7倍。
3接触器的选用
选择接触器主要依据以下数据：
电源种类（直流或交流）；主触点额定电流；辅助触点的种类、数量和触点的额定电流；电磁线圈的电源种类、频率和额定电压；额定操作频率等。
机床用的最多的是交流接触器。
交流接触器的选择主要考虑主触点的额定电流、额定电压、线圈电压等。
交流接触器主触点的额定电压一般按高于线路额定电压来确定。
根据控制回路的电压决定接触器的线圈电压。
为保证安全，一般接触器吸引线圈选择较低的电压。
但如果在控制线路比较简单的情况下，为了省去变压器，可选用380V电压。
值得注意的是，接触器产品系列是按使用类别设计的，所以要根据接触器负担的工作任务来选用相应的产品系列。
接触器辅助触点的数量、种类满足线路的需要。
4继电器的选用
1）一般继电器的选用
一般继电器是指具有相同电磁系统的继电器，又称电磁继电器。
选用时，除满足继电器线圈电压或线圈电流的要求外，还应按照控制需要分别选用过电流继电器、欠电流继电器、过电压继电器、欠电压继电器中间继电器等。
另外电压、电流继电器还有交流、直流之分，选择时也应当注意。
2）时间继电器的选择
时间继电器是压力机控制线路中常用电器之一。
它的类型有：
电磁式，空气阻尼式，电动式及电子式等。
用的较多的是空气阻尼式时间继电器，它的特点是工作可靠，结构简单，延时整定范围较宽（可达0.4s～180s）
时间继电器型式多样，各具特点，选择时应从以下几方面考虑。
（1）根据控制线路的要求来选择延时方式，即通电延时型或断电延时型。
（2）根据延时准确度要求和延时时间的长短来选择。
（3）根据使用场合、工作环境选择合适的时间继电器。
3）热继电器的选择
热继电器的选择应按电动机的工作环境、起动情况、负载性质等因素来考虑。
一方面要充分发挥电动机的过载能力，另一方面，对电动机在短时过载与起动瞬间不受影响。
热继电器结构形式的选择。
星形连接的电动机可以选择两相或三相结构的热继电器，三角形连接的电动机应当选择带断相保护装置的三相结构热继电器。
根据以上步骤及参考资料的查找，制定了本课程设计中继电器元件表。
（见表3-1）
表3-1压力机电气元件表
符号
名称
型号
规格
数量
M
异步电动机
JO2－21－4
1.1KW380V2.67A1410R/MIN
1
FR1
热继电器
JR16B－20
额定电流3.5A整定电流2.67A
1
FU1
熔断器
RL1－15
熔体15A
1
K
中间接触器
JZ7－44
线圈电压127V5A
25
KM
交流接触器
CJ10－5
线圈电压127V40A
1
SB
控制按钮
LA10
黑色
3
KT0KT1
时间继电器
JZ7-1A
5A380V/127
2
ST
行程开关
JLXK1-311
动作力大于20N
18
四、可编程控制器PLC控制系统的设计
（一）可编程控制器控制系统设计的基本原则。
在设计可编程控制器系统时，应遵循以下基本原则。
1）最大限速地满足控制要求
充分发挥可编程控制器功能，最大限度地满足被控对象的控制要求，是设计中最重要的一条原则。
设计人员要深入现场进行调查研究，收集资料。
同时要注意和现场工程管理和技术人员及操作人员紧密配合，共同解决重点问题和疑难问题。
2）保证系统安全可靠
保证可编程控制器控制系统能够长期安全，可靠，稳定运行，是设计控制系统的重要原则。
3）力求简单，经济，使用与维修方便
在满足控制要求的前提下，一方面要注意不断扩大工程的效益，另一方面也要注意不断降低工程的成本，不宜盲目追求自动化和高指标。
4）适应发展的需要
适当考虑到今后控制系统发展和完善的需要。
（二）可编程控制器系统设计的步骤
1）分析被控对象并提出控制要求
在设计继电器-接触器的时候我们已经对压力机液压系统的动作要求和功能进行了详细的分析，确定了其控制方案并拟订了任务书。
2）确定输入/输出设备
根据压力机液压系统的控制要求，确定系统所需的全部输入设备和输出设备。
输入设备：
开关SB1，SB2，SB3，18个行程开关
输出设备：
手臂伸缩缸的伸缩、手臂回转缸的回转、手指夹紧缸的夹紧与张开、手腕回转缸的转动、定位缸的滑动、手臂升降缸升降。
3）选择可编程控制器
本系统有输入信号19个，输出信号12个，均为开关量。
根据输入/输出点数，类型及控制要求，同时考虑到维护，改造和经济性等诸多因素，由参考资料[1]表5-1选择可编程控制器型号为
-001，共有24个输入点，24个输出点，可满足控制要求。
4）软件编制
根据系统要求可知，绘制PLC电气原理图如附图二，根据PLC电气原理图写
出指令表，见表4-1.
表4-1系统指令表
步序
指令
步序
指令
步序
指令
步序
指令
0
LDM8002
28
SETS25
56
STLS30
84
LDX15
1
SETS20
29
STLS25
57
RST1Y
85
SETS36
2
STLS20
30
RST3Y
58
SET5Y
86
STLS36
3
LDX1
31
SET6Y
59
LDX11
87
SET1Y
4
SETS21
32
LDX6
60
SETS31
88
SET11Y
5
ORX0
33
SETS26
61
STLS31
89
RST4Y
6
SET1Y
34
STLS26
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