钢板锻压机械手控制系统设计毕业设计论文.docx
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钢板锻压机械手控制系统设计毕业设计论文
钢板锻压机械手控制系统设计
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摘要
机械手从1958年出现到现在，发展迅速并广泛应用与各个行业中，已经成为许多行业生产中不可或缺的设备。
本文设计的机械手应用于钢铁制造业，对钢板夹送运动进行自动控制。
选用三菱PLC作为控制系统核心，运动系统使用液压系统和电机系统结合模式。
关键词：
机械手，液压，PLC，设计
Abstract
Mechanicalhandappearedin1958tonow,rapidsdevelopmentandwidelyusedinvariousindustries,ithasbecomeindispensableequipmentintheproduction.Themechanicalhand,inthispaper,designsforSteelmanufacturing.WechoosethePLCofMitsubishiasthecontrolsystemcore,sportssystemsusehydraulicsystemandmotorsystemcombinedwithpattern.
Keyword:
mechanicalhand,hydraulicsystem,PLC,design
第一章绪论
1.1机械手简介
机械手（mechanicalhand）也被称为自动手（autohand），能模仿人手或手臂的某些动作功能，用来按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。
机械手是最早出现的工业机器人，也是最早出现的现代机器人，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。
图1-1机械手实物图
它是在早期出现的古代机器人基础上发展起来的，机械手研究始于20世纪中期，随着计算机和自动化技术的发展，特别是1946年第一台数字电子计算机问世以来，计算机取得了惊人的进步，向高速度、大容量、低价格的方向发展。
同时，大批量生产的迫切需求推动了自动化技术的进展，又为机器人的开发奠定了基础。
另一方面，核能技术的研究要求某些操作机械代替人处理放射性物质。
在这一需求背景下，美国于1947年开发了遥控机械手，1948年又开发了机械式的主从机械手。
机械手首先是从美国开始研制的。
1954年美国戴沃尔最早提出了工业机器人的概念，并申请了专利。
该专利的要点是借助伺服技术控制机器人的关节，利用人手对机器人进行动作示教，机器人能实现动作的记录和再现。
这就是所谓的示教再现机器人。
现有的机器人差不多都采用这种控制方式。
1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手铆接机器人。
作为机器人产品最早的实用机型（示教再现）是1962年美国AMF公司推出的“VERSTRAN”和UNIMATION公司推出的“UNIMATE”。
这些工业机器人主要由类似人的手和臂组成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。
机械手的构成：
机械手主要由手部、运动机构和控制系统三大部分组成。
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2～3个自由度。
控制系统是通过对机械手每个自由度的电机的控制，来完成特定动作。
同时接收传感器反馈的信息，形成稳定的闭环控制。
控制系统的核心通常是由单片机或DSP等微控制芯片构成，通过对其编程实现所要功能。
1.2机械手分类
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。
多关节机械手
多关节机械手的优点是:
动作灵活、运动惯性小、通用性强、能抓取靠近机座的工件，并能绕过机体和工作机械之间的障碍物进行工作.随着生产的需要，对多关节手臂的灵活性，定位精度及作业空间等提出越来越高的要求。
多关节手臂也突破了传统的概念，其关节数量可以从三个到十几个甚至更多，其外形也不局限于象人的手臂，而根据不同的场合有所变化，多关节手臂的优良性能是单关节机械手所不能比拟的。
硬臂式助力机械手
硬臂式助力机械手与气动平衡吊和软索式助力机械手一样都具有全行程“漂浮”功能，区别是在有扭矩产生的情况下无法使用气动平衡吊或是软索式助力机械手，而必须选用硬臂式助力机械手。
比如在工件重心远离臂悬挂点，或是工件需要翻转或倾斜情况下，必须选用硬臂式助力机械手，还有在厂房高度有限情况下，可以选用硬臂式助力机械手。
硬臂式助力机械手可以实现提升最大500Kg的工件，半径最大可以达到3000mm，提升高度最大2500mm。
根据起吊工件重量不同，应选择符合最大工件重量的最小型号的机器，如果我们用最大负载200Kg的机械手来搬运30Kg的工件，那么操作性能肯定不好，感觉很笨重。
配有储气罐，可在断气情况下继续使用一个循环，同时会报警，提醒操作者，在气压下降到一定程度，启动自锁功能，防止工件下降。
并设有安全系统，在搬运过程中或是工件没有被放置在安全表面时，操作者不能释放工件。
上海永乾制造的助力机械手（含硬臂式、软索式）还可以在用户现场气压不足的情况下，增加增压泵，可以使设备运行更加平稳。
配合各种非标夹具，硬臂式助力机械手可以实现起吊各种形状的工件。
安装形式可以是地面固定、悬挂固定或是导轨移动。
软索式机械手
软索式机械手的功能与气动平衡吊类似，具有全行程的“漂浮”功能，但是提升位移比气动平衡吊要小，最大只有3000mm，而且最大负载只有450Kg。
配有储气罐，可在断气情况下继续使用一个循环，同时会报警，提醒操作者。
配合各种非标夹具，软索式助力机械手可以实现起吊各种形状的工件。
安装形式可以固定地面或悬挂固定使用，不能使用导轨式。
T型助力机械手
区别于硬臂式助力机械手的是T型助力机械手没有双关节机械臂，它的前后左右位移靠导轨来实现。
由于T型助力机械手没有机械臂，因而它比硬臂式显得小巧，更适合于操作空间狭小的场合。
T型助力机械手的最大负载要比硬臂式小，只有200Kg，但提升高度可以根据客户要求设计，而且搬运范围要比硬臂式大的多。
配有储气罐，可在断气情况下继续使用一个循环，同时会报警，提醒操作者，在气压下降到一定程度，启动自锁功能，防止工件下降。
并设有安全系统，在搬运过程中或是工件没有被放置在安全表面时，操作者不能释放工件。
配合各种非标夹具，硬臂式助力机械手可以实现起吊各种形状的工件。
安装形式为导轨移动。
第二章设计方案介绍
2.1设计要求：
本设计主要应用于制造业钢板产品进行锻压的夹送过程，实现对钢板夹送运动进行自动控制，将目标为50kg的钢板搬运至锻压机工作台上。
2.2系统方案介绍
本机械手系统选用4个自由度，如下图所示。
由于负载为50kg的钢板，所以选用适合大负载的液压系统。
主轴旋转和部件旋转采用电机控制系统，完成动作要求。
图2-1系统工作简图
系统控制方案见图如下，主要包含:
液压系统设计、电气硬件部分设计和软件部分设计。
图2-1系统控制方案简图
第三章液压系统设计
3.1液压系统
3.1.1液压系统简介
液压系统（hydraulicsystem）是以油液作为工作介质，利用油液的压力能并通过控制阀门等附件操纵液压执行机构工作的整套装置。
图3-1典型液压系统
液压系统机构
液压系统主要由：
动力元件（油泵）、执行元件（油缸或液压马达）、控制元件（各种阀）、辅助元件和工作介质等五部分组成。
1、动力元件（油泵）它的作用是把液体利用原动机的机械能转换成液压力能；是液压传动中的动力部分。
2、执行元件（油缸、液压马达）它是将液体的液压能转换成机械能。
其中，油缸做直线运动，马达做旋转运动。
3、控制元件包括压力阀、流量阀和方向阀等。
它们的作用是根据需要无级调节液动机的速度，并对液压系统中工作液体的压力、流量和流向进行调节控制。
4、辅助元件除上述三部分以外的其它元件，包括压力表、滤油器、蓄能装置、冷却器、管件{主要包括:
各种管接头（扩口式、焊接式、卡套式,sae法兰）、高压球阀、快换接头、软管总成、测压接头、管夹等}及油箱等，它们同样十分重要。
5、工作介质是指各类液压传动中的液压油或乳化液，它经过油泵和液动机实现能量转换。
图3-2国产液压系统
液压系统的历史
液压传动和气压传动称为流体传动，是根据17世纪帕斯卡提出的液体静压力传动原理而发展起来的一门新兴技术，1795年英国约瑟夫o布拉曼（JosephBraman,1749-1814），在伦敦用水作为工作介质，以水压机的形式将其应用于工业上，诞生了世界上第一台水压机。
1905年将工作介质水改为油，又进一步得到改善。
第一次世界大战（1914-1918）后液压传动广泛应用，特别是1920年以后，发展更为迅速。
液压元件大约在19世纪末20世纪初的20年间，才开始进入正规的工业生产阶段。
1925年维克斯发明了压力平衡式叶片泵，为近代液压元件工业或液压传动的逐步建立奠定了基础。
20世纪初康斯坦丁o尼斯克对能量波动传递所进行的理论及实际研究；1910年对液力传动（液力联轴节、液力变矩器等）方面的贡献，使这两方面领域得到了发展。
第二次世界大战（1941-1945）期间,在美国机床中有30%应用了液压传动。
应该指出，日本液压传动的发展较欧美等国家晚了近20多年。
在1955年前后，日本迅速发展液压传动，1956年成立了“液压工业会”。
近20~30年间，日本液压传动发展之快，居世界领先地位。
液压传动有许多突出的优点，因此它的应用非常广泛，如一般工业用的塑料加工机械、压力机械、机床等；行走机械中的工程机械、建筑机械、农业机械、汽车等；钢铁工业用的冶金机械、提升装置、轧辊调整装置等；土木水利工程用的防洪闸门及堤坝装置、河床升降装置、桥梁操纵机构等；发电厂涡轮机调速装置、核发电厂等等；船舶用的甲板起重机械（绞车）、船头门、舱壁阀、船尾推进器等；特殊技术用的巨型天线控制装置、测量浮标、升降旋转舞台等；军事工业用的火炮操纵装置、船舶减摇装置、飞行器仿真、飞机起落架的收放装置和方向舵控制装置等。
液压的优点
与机械传动、电气传动相比，液压传动具有以下优点：
1、液压传动的各种元件，可以根据需要方便、灵活地来布置。
2、重量轻、体积小、运动惯性小、反应速度快。
3、操纵控制方便，可实现大范围的无级调速（调速范围达2000：
1）。
4、可自动实现过载保护。
5、一般采用矿物油作为工作介质，相对运动面可自行润滑，使用寿命长。
6、很容易实现直线运动。
7、很容易实现机器的自动化，当采用电液联合控制后，不仅可实现更高程度的自动控制过程，而且可以实现遥控。
液压的缺点
1、由于流体流动的阻力和泄露较大，所以效率较低。
如果处理不当，泄露不仅污染场地，而且还可能引起火灾和爆炸事故。
2、由于工作性能易受到温度变化的影响，因此不宜在很高或很低的温度条件下工作。
3、液压元件的制造精度要求较高，因而价格较贵。
4、由于液体介质的泄露及可压缩性影响，不能得到严格的传动比。
5、液压传动出故障时不易找出原因；使用和维修要求有较高的技术水平。
3.1.2液压系统主要器件介绍
液压泵
液压泵是为液压传动提供加压液体的一种液压元件，是泵的一种。
它的功能是把动力机（如电动机和内燃机等）的机械能转换成液体的压力能。
图中为单柱塞泵的工作原理。
凸轮由电动机带动旋转。
当凸轮推动柱塞向上运动时，柱塞和缸体形成的密封体积减小，油液从密封体积中挤出，经单向阀排到需要的地方去。
当凸轮旋转至曲线的下降部位时，弹簧迫使柱塞向下，形成一定真空度，油箱中的油液在大气压力的作用下进入密封容积。
凸轮使柱塞不断地升降，密封容积周期性地减小和增大，泵就不断吸油和排油。
图3-3液压泵
液压泵的工作原理是运动带来泵腔容积的变化，从而压缩流体使流体具有压力能。
必须具备的条件就是泵腔有密封容积变化。
常用液压泵的种类：
1、按流量是否可调节可分为：
变量泵和定量泵。
2、输出流量可以根据需要来调节的称为变量泵，流量不能调节的称为定量泵。
3、按液压系统中常用的泵结构分为：
齿轮泵、叶片泵和柱塞泵3种。
齿轮泵：
体积较小，结构较简单，对油的清洁度要求不严，价格较便宜；但泵轴受不平衡力，磨损严重，泄漏较大。
叶片泵：
分为双作用叶片泵和单作用叶片泵。
这种泵流量均匀、运转平稳、噪音小、作压力和容积效率比齿轮泵高、结构比齿轮泵复杂。
柱塞泵：
容积效率高、泄漏小、可在高压下工作、大多用於大功率液压系统；但结构复杂，材料和加工精度要求高、价格贵、对油的清洁度要求高。
一般在齿轮泵和叶片泵不能满足要求时才用柱塞泵。
还有一些其他形式的液压泵，如螺杆泵等，但应用不如上述3种普遍。
液压缸
液压缸是将液压能转变为机械能的、做直线往复运动（或摆动运动）的液压执行元件。
它结构简单、工作可靠。
用它来实现往复运动时，可免去减速装置，并且没有传动间隙，运动平稳，因此在各种机械的液压系统中得到广泛应用。
液压缸输出力和活塞有效面积及其两边的压差成正比；液压缸基本上由缸筒和缸盖、活塞和活塞杆、密封装置、缓冲装置与排气装置组成。
缓冲装置与排气装置视具体应用场合而定，其他装置则必不可少。
图3-4液压缸
1.活塞式
单活塞杆液压缸只有一端有活塞杆。
如图所示是一种单活塞液压缸。
其两端进出口油口A和B都可通压力油或回油，以实现双向运动，故称为双作用缸。
2.柱塞式
（1）柱塞式液压缸是一种单作用式液压缸，靠液压力只能实现一个方向的运动，柱塞回程要靠其它外力或柱塞的自重；
（2）柱塞只靠缸套支承而不与缸套接触，这样缸套极易加工，故适于做长行程液压缸；
（3）工作时柱塞总受压，因而它必须有足够的刚度；
（4）柱塞重量往往较大，水平放置时容易因自重而下垂，造成密封件和导向单边磨损，故其垂直使用更有利。
3.伸缩式
伸缩式液压缸具有二级或多级活塞，伸缩式液压缸中活塞伸出的顺序式从大到小，而空载缩回的顺序则一般是从小到大。
伸缩缸可实现较长的行程，而缩回时长度较短，结构较为紧凑。
此种液压缸常用于工程机械和农业机械上。
4.摆动式
摆动式液压缸是输出扭矩并实现往复运动的执行元件，也称摆动式液压马达。
有单叶片和双叶片两种形式。
定子块固定在缸体上，而叶片和转子连接在一起。
根据进油方向，叶片将带动转子作往复摆动。
液压阀
液压阀是一种用压力油操作的自动化元件，它受配压阀压力油的控制，通常与电磁配压阀组合使用，可用于远距离控制水电站油、气、水管路系统的通断。
常用于夹紧、控制、润滑等油路。
有直动型与先导型之分，多用先导型。
图3-5液压阀
液压传动中用来控制液体压力﹑流量和方向的元件。
其中控制压力的称为压力控制阀，控制流量的称为流量控制阀，控制通﹑断和流向的称为方向控制阀。
按用途分为溢流阀﹑减压阀和顺序阀。
（1）溢流阀：
能控制液压系统在达到调定压力时保持恒定状态。
用于过载保护的溢流阀称为安全阀。
当系统发生故障，压力升高到可能造成破坏的限定值时，阀口会打开而溢流，以保证系统的安全。
（2）减压阀：
能控制分支回路得到比主回路油压低的稳定压力。
减压阀按它所控制的压力功能不同，又可分为定值减压阀（输出压力为恒定值）﹑定差减压阀（输入与输出压力差为定值）和定比减压阀（输入与输出压力间保持一定的比例）。
（3）顺序阀：
能使一个执行元件（如液压缸﹑液压马达等）动作以后，再按顺序使其他执行元件动作。
油泵产生的压力先推动液压缸1运动，同时通过顺序阀的进油口作用在面积A上，当液压缸1运动完全成后，压力升高，作用在面积A的向上推力大于弹簧的调定值后，阀芯上升使进油口与出油口相通，使液压缸2运动。
利用调节阀芯和阀体间的节流口面积和它所产生的局部阻力对流量进行调节，从而控制执行元件的运动速度。
流量控制阀按用途分为5种。
（1）节流阀：
在调定节流口面积后，能使载荷压力变化不大和运动均匀性要求不高的执行元件的运动速度基本上保持稳定。
（2）调速阀：
在载荷压力变化时能保持节流阀的进出口压差为定值。
这样，在节流口面积调定以后，不论载荷压力如何变化，调速阀都能保持通过节流阀的流量不变，从而使执行元件的运动速度稳定。
（3）分流阀：
不论载荷大小，能使同一油源的两个执行元件得到相等流量的为等量分流阀或同步阀；得到按比例分配流量的为比例分流阀。
（4）集流阀：
作用与分流阀相反，使流入集流阀的流量按比例分配。
（5）分流集流阀：
兼具分流阀和集流阀两种功能。
按用途分为单向阀和换向阀。
单向阀：
只允许流体在管道中单向接通，反向即切断。
换向阀：
改变不同管路间的通﹑断关系﹑根据阀芯在阀体中的工作位置数分两位﹑三位等；根据所控制的通道数分两通﹑三通﹑四通﹑五通等；根据阀芯驱动方式分手动﹑机动﹑电动﹑液动等。
图2为三位四通换向阀的工作原理。
P为供油口，O为回油口，A﹑B是通向执行元件的输出口。
当阀芯处于中位时，全部油口切断，执行元件不动；当阀芯移到右位时，P与A通，B与O通；当阀芯移到左位时，P与B通，A与O通。
这样，执行元件就能作正﹑反向运动。
其他辅助元件
滤油器：
液压油中往往含有颗粒状杂质，会造成液压元件相对运动表面的磨损、滑阀卡滞、节流孔口堵塞，使系统工作可靠性大为降低。
在系统中安装一定精度的滤油器，是保证液压系统正常工作的必要手段。
滤油器的过滤精度是指滤芯能够滤除的最小杂质颗粒的大小，以直径d作为公称尺寸表示，按精度可分为粗滤油器（d＜100）普通滤油器（d＜10），精滤油器（d＜5），特精滤油器（d＜1）。
图3-6滤油器
吸油滤油器一般安装在油泵的吸油口处，用以保护油泵和其他液压元件，以避免吸入污染杂质，可以有效的控制液压系统的清洁度。
回油滤油器用于液压系统回油过滤，过滤液压系统中由于元件磨损产生的金属颗粒，心脏密封件产生的污染物，使流回油箱的油液保持清洁。
安全阀：
是根据压力系统的工作压力自动启闭，一般安装于封闭系统的设备或管路上保护系统安全。
当设备或管道内压力超过安全阀设定压力时，自动开启泄压，保证设备和管道内介质压力在设定压力之下，保护设备和管道正常工作，防止发生意外，减少损失。
图3-7安全阀
压力表：
机械压力表中的弹性敏感元件随着压力的变化而产生弹性变形。
机械压力表采用弹簧管（波登管），膜片，膜盒及波纹管等敏感元件并按此分类。
所测量的压力一般视为相对压力。
一般相对点选为大气压力。
弹性元件在介质压力作用下产生的弹性变形，通过压力表的齿轮传动机构放大，压力表就会显示出相对于大气压的相对值（或高或低）。
图3-8压力表
3.2液压系统原理图
根据系统要求进行液压系统设计：
升降功能选用单向液压缸和两个双向阀实现，上升选用油压实现，下降功能靠自身重力完成；平移和夹紧功能选用双向液压缸和四通阀实现。
具体原理图如下图（详细图纸见附件）：
图3-9液压系统原理图
第四章控制系统硬件设计
4.1电气系统主要元件介绍
4.1.1PLC简介及选型
PLC（ProgrammableLogicController，可编程逻辑控制器），它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。
PLC历史
20世纪70年代初出现了微处理器。
人们很快将其引入可编程控制器，使PLC增加了运算、数据传送及处理等功能，完成了真正具有计算机特征的工业控制装置。
此时的PLC为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。
个人计算机发展起来后，为了方便和反映可编程控制器的功能特点，可编程序控制器定名为ProgrammableLogicController（PLC）。
20世纪70年代中末期，可编程控制器进入实用化发展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。
更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。
20世纪80年代初，可编程控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。
世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。
这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。
20世纪80年代至90年代中期，是PLC发展最快的时期，年增长率一直保持为30~40%。
在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。
20世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。
这个时期发展了大型机和超小型机、诞生了各种各样的特殊功能单元、生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。
PLC工作阶段
当可编程逻辑控制器投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，
即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。
完成上述三个阶段称作一个扫描周期。
在整个运行期间，可编程逻辑控制器的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。
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