湖南工业大学课程设计机械手液压系统电气控制说明书.docx
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湖南工业大学课程设计机械手液压系统电气控制说明书
湖南工业大学
课程设计
资料袋
机械工程学院2014~2015学年第二学期
课程名称机电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的电气控制
成绩起止日期2015年6月12日~2015年7月2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
2010—2011学年第一学期
机械工程学院(系、部)专业班
课程名称:
机电控制技术
设计题目:
机械手液压系统的电气控制
完成期限:
自2015年6月12日至2015年7月2日
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、设计要求
合理设计继电器控制原理图、PLC电气原理图
三、设计工作量
一份设计说明书(8000字),两张图纸。
进
度
安
排
起止日期
工作内容
6.12
讲解设计目的、要求、方法,任务分工
6.13
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
6.14
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
6.15-6.29
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
7.1
编写设计说明书
主
要
参
考
资
料
[1]廖常初.PLC应用技术问答.第1版.北京:
机械工业出版社,2006
[2]濮良贵,级明刚.机械设计[M].高等教育出版社,1995年
[3]张万奎.机床电气控制技术.北京:
北京大学出版社,2006.8
[4]王炳实.机床电气自动控制.第三版.北京:
机械工业出版社,2004.5
[5]王永华.现代电气控制及PLC应用技术.第1版.北京:
北京航空航天大学出版社,2003
[6]成大先编.机械设计手册[M].北京:
化学工业出版社,2004年
[7]廖兆荣编.机床电气自动控制.北京:
化学工业出版社,2003.6
[8]赵大兴编.工程制图[M].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
机械手液压系统控制系统设计
起止日期:
2015年6月12日至2015年7月2日
学生姓名
班级
学号
成绩
指导教师(签字)
机械工程学院
2015年7月2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
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