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机械手液压操作控制原理论文
新疆交通学院毕业设计（论文）
机械手操作系统控制原理
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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
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
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，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
图2继电器电气原理图
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。
总结
本篇设计的机械手液压电气系统的控制设计综合和运用了机械零件、液压系统、机械制图、PLC电气控制等知识，它主要是应用在那些单调、频繁的操作中用以代替人的劳动进行工作，它的主要优点是：
1.工作时间持久，不会出现人的疲劳，可以重复不断的劳动，维持流水线的正常工作。
2.对环境适应性强，可以在多粉尘、易燃、易爆、放射性强等恶劣环境中工作。
3.运动精确、灵活、特别是在计算机的控制下，可以达到非常高的精度要求。
4.通用性好，除了特定用途外，适当改变手部，便可以完成喷涂、焊接等。
5.工作效率高，提高劳动生产率的同时也提高了成本。
我通过这次课程设计，使我对继电器、控制器、PLC、液压系统有了进一步的了解。
课堂上的知识为此次课程设计提供了正确的理论指导，而实践中遇到的问题又进一步加深和巩固了我们的知识，不但对机器控制系统的工作原理和特点有了深入认识，而且对各类元器件的作用及选用也进行了仔细研究。
这次课程设计让我有一次复习了以前的内容并运用它做出了自己的东西，让我对机电控制技术产生了浓厚的兴趣。
课程设计对于一名工科类学生而言，是对大学所学的专业知识一个检验和运用的过程，经过此次课程设计，让我深切体会到作为一名机械设计人员必须面对的各种困难，同时也让我看到了自身的不足，更清楚了前进的方向。
感言
经过半年的努力终于完成了课程设计设计，由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方，如果没有导师的督促指导，以及一起工作的同学们的支持，想要完成这次设计任务是难以想象的。
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