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1、2 0 0 9 年8 月第3 7 卷第8 期机床与液压M A C H I N ET O O L&H Y D R A U L I C SA u g 2 0 0 9V 0 1 3 7N o 8D O I：1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 0 9 0 8 0 3 3基于P L C 的液压搬运机械手设计李明，栗全庆(郑州航空工业管理学院，河南郑州4 5 0 0 1 5)摘要：介绍了一种应用于加工生产线的搬运机械手。根据用途分析了机械手的动作循环及工作原理，设计了机械手的结构、液压系统及P L C 控制电路。该机械手结构简单，运行平稳，精度满足工作要求，
2、其液压系统和P L C 控制系统简单可靠。关键词：机械手；液压系统；P L C中图分类号：T P 2 4 1文献标识码：B文章编号：1 0 0 1 3 8 8 1(2 0 0 9)8 0 9 9 3D e s i g no ft h eH y d r a u l i cC o n v e y i n gM a n i p u l a t o rB a s e do nP L CL IM i n g，L IQ u a n q i n g(Z h e n g z h o uI n s t i t u t eo fA e r o n a u t i c a lI n d u s t r yM a n
3、 a g e m e n t，Z h e n g z h o uH e n a n4 5 0 0 1 5，C h i n a)A b s t r a c t：Ac o n v e y i n gm a n i p u l a t o ru s e di nt h em a c h i n i n gp r o d u c t i o nl i n eW t t Si n t r o d u c e d A c c o r d i n gt oi t su s e，t h eo p e r a t i n gc y c l ea n dt h ew o r k i n gp r i n c i
4、p l ew e r ea n a l y z e d T h es t r u c t u r e，h y d r a u l i cs y s t e ma n dP L Cc o n t r o lc i r c u i to ft h em a n i p u l a t o rw e r ed e s i g n e d T h em a n i p u l a t o rs t r u c t u r ei ss i m p l e，t h eo p e r a t i o ni ss t a b l e，t h ep r e c i s i o ns a t i s f i e
5、st h ew o r kr e q u i r e m e n t s T h eh y d r a u l i cs y s t e ma n dt h eP L Cc o n t r o ls y s t e ma r es i m p l ea n dr e l i a b l e K e y w o r d s：M a n i p u l a t o r；H y d r a u l i cs y s t e m；P L C0 概述作者所设计的工业机械手，用于实现某加工生产线上零件的上料与卸料。该生产线如图1 所示，工件及随行夹具采用步伐式输送带实现各机床间的自动输送。搬运机械手1、2
6、 分别位于生产线两端的上料和卸料工位，用以实现工件的自动装卸。图1 生产线布局图1 机械手的结构及工作原理搬运机械手1(上料)的部件结构和动作原理与搬运机械手2(卸料)相同，下面以卸料机械手2 为例介绍其结构及工作原理。该机械手是圆柱坐标型，具有2 个自由度，其控制定位方式为多点位控制，驱动方式采用液压传动，手指具有夹紧、放松的功能，手臂具有伸缩、回转的功能。1 1 机械手的结构图2 是卸料机械手的整机结构示意图。该机械手由大臂1、立柱2、底座3、手爪伸缩油缸4、小臂升降油缸5、大臂支撑装置6、大臂回转油缸7 和手爪8等部件所组成。机械手的手部采用的是三爪内撑式结构，手爪的伸缩是依靠与手爪伸缩
7、油缸活塞杆相联接的锥面推杆的上下运动而实现的。机械手的小臂升降油缸是双活塞杆油缸，并且与手爪伸缩油缸嵌套在一起。机械手大臂的回转是依靠带齿条的无杆活塞油缸，通过齿轮机构并外加一个支撑滚轮结构来实现的。收稿日期：2 0 0 8 0 8 0 8作者简介：李明(1 9 5 5 一)，女，高级工程师，教授。电话：0 3 7 1 6 8 2 5 3 4 1 6(H)，0 3 7 1 6 8 2 5 2 1 6 5(0)E m a i l：l i m i n g z z i a e d u c n o万方数据1 0 0 机床与液压第3 7 卷立柱2底座3图2 机械手总图1 2 机械手的自动工作循环卸料机械
8、手工作循环如下：当自动线零件输送带将工件及其随行夹具送到卸料工位，并且夹紧机构松开工件后，控制系统发出指令，使卸料机械手的小臂升降油缸5 将手部下降到取料位置。当手部上的定位压盘在零件上部定位后，手爪伸缩油缸4 的活塞杆连同锥面推杆下移，使内撑式手部的3 个手爪8 深入到工件内的空槽中，工件夹紧。小手臂升降油缸5 上升，将工件提起到设定高度，大手臂回转1 1 0。，小手臂升降油缸5 下移，将工件准确地放到卸料台上。手指缩回将工件松开、小手臂上升，大手臂反方向回转11 0。复位，一个工作循环结束。2 液压系统的设计图3 机械手液压原理图缸上升I 下降机械手的驱动系统采用全液压驱动，保证了整机动作
9、迅速、平稳，特别是满足了机械手小臂升降和大臂回转的动作精度要求1。在机械手的工作过程中，小臂升降频繁，为了节省能量，减少系统发热，故而在液压系统中采用双联叶片泵。如图3 所示，当系统需小流量时，由泵1 供油；当系统需要大流量时，由泵1 和泵2 同时供油。卸料机械手不工作时，打开安全阀卸荷。在该系统中，机械手的运动可通过调节调速阀来获得不同的运行速度。各油缸的换向，由3 个二位五通电磁换向阀实现。3 控制系统设计随着计算机技术的发展，可编程控制器P L C 迅速地发展了起来，改变了工厂自动控制系统的面貌。比起继电器控制，P L C 具有可靠性高、抗干扰能力强、控制程序可变、无限触点数、编程简单、
10、扩充方便、体积小等优点，所以它正在逐步取代传统的继电器接触式的控制M 1。卸料机械手的控制，是通过开关信号来实现的，即按机械手的动作要求，P L C 通过信号采集，控制液压系统的电磁换向阀的通断电，实现机械手的自动工作循环和对机械手各个动作的点动控制。在卸料机械手的电气控制系统设计中，采用的是三菱公司F 1 系列P L C 可编程控制器，该编程器可实现离线及在线编程H J，还可以结合实际的工作要求，调整控制程序，实现机械手的不同动作。当自动生产线在自动工作时，机械手控制箱上的万方数据第8 期李明等：基于P L C 的液压搬运机械手设计1 0 1 旋钮开关处于自动状态。机械手在开始工作前的原始状
11、态为大手臂处于“转回”原点位置，小手臂处在“上端”位置，手指是“缩回”状态。即机械手准备下来抓取位于自动线上的随行夹具上的零件。机械手的动作执行过程如下：系统启动，机械手处于等待状态，当获得取料信号，机械手开始动作，从原点出发按自动循环工作，直到接受停止信号，机械手在完成最后一个周期的工作后，返回原点，机械手自动停机。3 0 卸料机械手的动作流程机械手用于位置检测的是3 对行程开关，分别是L s 2 一【s 7，且分别对应6 个输入点)【2 一x 7。机械手整个运动过程有8 个动作，其中有2 个重复，所以需要6 个动作指令(”l Y 3 6)。卸料机械手的动作流程如图4 所示。原点大手臂位于卸
12、料工位上方L S 7(X 7)Y 3 6 转出可丽再灭入点大手臂件卸料台上L S 3(X 3)图4 机械手的动作流程图3 2 机械手P L C 控制电路X 7 X 4M 1 0 lt 0 3 1 0 S1 0 71 0 9_ H 卜H 卜水*怍 _ I 卜*。X 01 0 21 0 41 0 6 1 0 8M 1 0 9M a 0 f lM l n lM 1 0 2M 1 0 3M 1 0 4M 1 0 5M 卫旺M 1 0 7M 1 0 8X I_ _ X 2_ _ X 3X 6-X 4-_ X 7M l型M 1 0 0R s Tl、翮M i l 7原点指示小臂下降手指伸出(抓取工件)小臂上
13、升大手臂转入(转向零件卸料台)手指缩回(放松工件)大手臂转出(转向零件卸料工位)图5 机械手P L C 控制电路梯形图根据卸料机械手的自动工作循环可知，机械手的每一个动作都应该严格按顺序执行，因此P L C 的自动控制程序采用步进指令编写，这样可保证机械手的运行按照设定的顺序有条不紊地进行。图5 为机械手P L C 控制电路梯形图。在梯形图中，移位寄存器M 1 0 0 M 1 1 7 中的每一个辅助继电器分别代表每一个工步。M 1 0 0=O N 代表的是原点工步，M 1 0 1=O N 代表的是小臂下降运动等等。M 1 0 0=O N 的条件是满足原点检测位置L S 7(x 7)和L S 4
14、(X 4)均接通，并且不进入以下其他任何工步，即M 1 0 1、M 1 0 2 直到M 1 0 9 均为O F F。而原点工步要转入小臂下降运动工步即M 1 0 1=O N 必须满足位移条件P B l(X 1)接通。其他工步类似。4 结束语工业机械手是先进制造领域不可缺少的自动化设备，应用越来越广泛。经应用实践表明：该机械手机械结构简单，工作平稳，精度可靠；该机械手的液压系统运行稳定；采用了P L C 控制，简化了电气控制系统，使机械手工作更稳定、可靠、灵活，工作效率明显提高。参考文献：【1】胡胜海机械系统设计 M 哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1 9 9 7 9【2】冯辛安机械制造装备设计
15、M 北京：机械工业出版社，2 0 0 6 3【3】蔡自兴机器人原理及其应用 M 长沙：中南工业大学出版社，1 9 9 8 9【4】王兆义可编程控制器 M 北京：机械工业出版社，2 0 0 0 1 0(上接第9 8 页)液压站工作效率。(4)密封圈受力状况改善，提高了活塞杆及密封圈使用寿命。(5)适合于大中型中高压长行程液压缸。6 结论根据实践经验，此结构设计可以最大限度地将压力引至活塞杆端部，压力缸变为一个拉压式缸，实现了设计的优化。参考文献：【1】成大先机械设计手册 M 四版北京：化学工业出版社，2 0 0 2【2】雷天觉新编液压工程手册 M 北京：北京理工大学出版社，1 9 9 9【3】左
16、健民液压与气动传动 M 北京：机械工业出版社，2 0 0 5【4】姜佩东液压与气动技术 M 北京：高等教育出版社，2 0 0 0【5】李壮云中国机械设计大典：5 卷 M 南昌：科学技术出版社，2 0 0 2【6】徐灏机械设计手册 M 2 版j 匕京：机械工业出版社，2 0 0 0 鬟一Il上降一面件LX熟嚣靛娑翌壅翌童坚懈万方数据基于PLC的液压搬运机械手设计基于PLC的液压搬运机械手设计作者：李明，栗全庆，LI Ming，LI Quanqing作者单位：郑州航空工业管理学院,河南郑州,450015刊名：机床与液压英文刊名：MACHINE TOOL&HYDRAULICS年，卷(期)：2009，
17、37(8)被引用次数：0次 参考文献(4条)参考文献(4条)1.胡胜海 机械系统设计 19972.冯辛安 机械制造装备设计 20063.蔡自兴 机器人原理及其应用 19984.王兆义 可编程控制器 2000 相似文献(10条)相似文献(10条)1.期刊论文 何晋.孟庆鑫.赵杰.HE Jin.MENG Qingxiang.ZHAO Jie 水下对接机械手液压系统的设计-液压气动与密封2007,27(1)对接机械手是水下对接装置的主要部件,它是一个典型的机、电、液一体化的设备,本文对机械手机构的液压驱动系统进行了性能分析,并介绍了液压系统的辅助装置的设计.2.学位论文 黄凯强 接箍车丝机上下料专用
18、机械手的研制 2008 随着接箍需求量的逐年增加，对接箍加工过程的自动化程度要求越来越高，本文设计了一台接箍车丝机专用上下料机械手，代替人工给车丝机上下料，提高了接箍生产效率。该设备应用了先进的机械设计技术、电液比例控制技术、伺服控制技术和计算机控制技术，自动化程度高。全文分为以下六章：第一章介绍了机械手的国内外研究现状和发展趋势，综合论述了课题相关技术的发展和趋势，说明了课题研究的背景和意义，说明了研制接箍上下料机械手的必要性。第二章完成了机械手总体机械设计，介绍了机械手的工作流程，并对机械手的夹持装置、卡爪油缸和纵向滑架等关键部件进行设计。第三章完成了机械手液压系统的总体设计，介绍了机械手
19、液压系统的组成和工作原理，介绍了液压系统中液压缸、电液比例阀、油箱及管道的计算及选型，最后对液压系统的性能进行了验算，保证系统能可靠稳定运行。第四章建立了非对称阀控非对称缸的数学模型，从理论上说明了非对称阀控非对称缸如何消除液压缸换向时的压力突变，并在非对称阀控非对称缸数学模型的基础上给出了机械手电液比例控制系统的数学模型，在Simulink中搭建系统的仿真模型，分析系统的动态特性和确定PID控制的三个参数。第五章完成了机械手电气控制系统的总体设计，详细介绍电液比例控制系统及电机伺服控制系统的电气实现方式，并对主控器SIMOTIOND425及PROFIBUS在机械手中的运用做了介绍，最后给出了
20、机械手的PLC控制程序。第六章对论文所作的工作进行了总结，并对接箍车丝机上下料机械手的进一步研究做出了展望。3.会议论文 赵喜荣.任德志 PJ66-1型混凝土喷射机械手液压系统 1996 该文从结构、性能、控制等方面对型混凝土喷射机械手液压系统的特点进行了归纳分析。同时简介了该机械手的性能特点。4.期刊论文 周宗团.杜鹏.ZHOU Zong-tuan.DU Peng 基于液压系统的电机转子压铸机卸料机械手的设计-西安工程大学学报2008,22(6)针对电机转子压铸机转子卸料工艺过程中流程慢、效率低、劳动强度大和安全性差等问题,设计了卸料机械手.给出了机械及液压系统的工作原理和结构组成,实现了电
21、机转子整个生产过程的机械自动化.5.学位论文 李世彬 自动辊锻机械手的研究与设计 2004 辊锻技术在材料成形领域具有广阔的应用空间和发展前景，因此，随着机械工业的快速发展，对辊锻成形方式提出了高效优质的新要求，所以我们将自动辊锻机械手的研究与设计 将自动控制技术应用于加工设备上提高了金属材料成形的质量和加工效率，适应了机械工业向机电一体化方向发展的要求。辊锻工艺作为金属材料成形的一种传统加工方式，有着成熟的技术基础和广阔的应用空间，因此辊锻设备的自动化由此而显得更加重要。传统的辊锻机都是人工送料，要实现其自动化首先要设计机械手，我们研究的自动辊锻机械手包括两个机械手：喂料机械手和辊锻机械手。
22、辊锻机械手发挥的作用较大，结构也因此较为复杂，它包括四个主要机构：即夹钳，横向运动和定位，机架和底座。此外设计辊锻机械手时还需要注意的关键性问题有：本身的性能参数，包括最大高度、最大宽度、最大长度等；为使夹钳运动速度与锻件辊出速度同步采用随动机构；横移运动的定位用楔形撞块和定位档块来实现；机械手运动程过程采用电气控制；采用直线轴承实现机械手的横向移动和纵向运动。自动辊锻机的机械手动作实现的动力除了辊锻机械手横移靠气缸外都来自液压系统。自动辊锻机械手的自控系统采用了现代液压技术，气动技术和电子技术相结合的方式，由此而具有低成本、高可靠的性特点。自动辊锻机械手的电控系统包括电气连接原理图设计，PL
23、C输入输出布线的连接图；设计中要考虑液压系统电机，润滑电机和锻辊电机的启动方式，电路的安全保护，如过载、过热也要考虑。电磁阀是自动辊锻机械手控制的关节性部件，因此在设计电路时电磁阀的电路连接也应给予充分考虑。自动辊锻机械手PLC控制系统的设计，不仅要知道继电器控制系统的设计方法，更要深入了解PLC控制在自动辊锻机械手控制系统中应用的优点。PLC控制系统的控制点确定，电路的连接，梯形图程序编制，完善的完成这些设计任务之后，便能充分发挥可编程控制器的优点，这也是我们课题研究的目的所在。由于热加工设备的工作环境差，人们一直认为不适合配备比较“娇贵”的人机界面触摸屏，取而代之的一直是电控柜上面的按钮。
24、这种以硬件形式存在的按钮虽然确实有其优点，但它也有着自身固有的缺点，例如按钮的硬接触形式使其在工作一段时间后容易损坏，导致控制失灵。同时随着热加工设备控制系统和触摸屏性能的改进，现代化的生产要求生产效率的不断提高，人机界面应用于热加工设备自动控制系统的应用条件已经成熟，人机界面应用在自动辊锻机械手的控制系统中，提高了其控制系统的可操作性和可靠性，从而能够极大的提高辊锻机的生产效率，适应现代化生产的要求。将PLC和监控软件controX(开物)2000相连接，是由于controX2000不仅能够方便的设计操作性很强的人机界面，而且它也能够监控系统的运行情况，模拟系统的自动化运行过程。contro
25、X2000的脚本编程语言简单易学，初学者很快就能得心应手地用它设计人机界面和模拟系统。自动辊锻机有了人机界面才实现了真正的自动化，模拟系统的使用降低了系统调试成本和提高了系统可靠性，监控功能让操作者随时了解系统的工作情况，而且改善工作环境。综上所述，本论文需要研究的内容包括有如下几个方面：1.机械结构的设计在论文研究过程中需要设计辊锻机的机械手机械结构，包括辊锻机械手和喂料机械手。2.驱动系统的设计论证以液压为主要驱动力的可行性，应用已知的设计公式和经验，设计液压系统原理图和气动系统原理图。3.电控系统的设计这部分需要研究的内容有电气原理图的设计，包括几个电机的启动电路，电路的安去保护和照明连
26、接；确定PLC输入输出点，设计PLC的I/O布线图，完成控制流程图后编制PLC控制程序。4.人机交互的设计使用监控软件controX(开物)设计人机界面，包括主控人机界面，手动操作人机界面，液压系统控制人机界面，此外还使用此软件设计辊锻过程的模拟界面，模拟系统的运行过程。6.期刊论文 崔安娜 淬火炉上料机械手的液压系统及其PLC控制设计-硅谷2008,(24)论述淬火炉上料机械手动作流程及其液压系统工作原理,结合机械手动作流程,设计PLC控制系统的输入输出图和自动程序控制梯形图.7.期刊论文 张波.李卫民.尚锐 多功能上下料用机械手液压系统-液压与气动2002,(8)介绍了用于齿轮热处理生产线
27、上淬火压床上下料机械手的液压系统的组成、工作原理,以及采用PLC技术的控制系统和采用CAD技术设计的液压集成块.8.学位论文 曹德飞 翻引钢机械手的设计与研究 2006 本文在系统分析了液压翻引钢机械手的发展与现状的基础上，针对鞍山钢铁集团公司型钢厂原翻钢机存在的主要问题进行了分析和研究，研制出一种适合该生产线作业的结构简单，制造容易，投资少，生产周期短，动作灵活，适应性强，技术先进，各参数易于调节和控制，维护检修方便和操作简单等特点的液压式翻引钢机械手。本文就如何设计液压式翻引钢机械手进行了论述，其中对液压式翻引钢机械手的工作原理、主体结构、液压系统及控制系统进行了详细的论述，对主要的性能参
28、数进行了分析计算，并对液压系统的动态特性进行了分析。在机械结构方面主要是对原有夹持器进行了改进，改进后的平行平滑动式直夹持器不但开口度大，而且可以调节，在工作过程中，夹紧辊和翻转辊绕同一定点同向回转互不干扰，而且有足够的夹紧力和翻转力矩。原有机械式翻钢机的取代使得整套翻钢设备结构紧凑，重量变轻，且液压系统易于实现自动化，其与自动控制部分组成的电液压系统，使液压式翻引钢机械手的优点得到了充分的发挥。利用改进后的液压式翻引钢机械手基本上克服了旧设备的夹持翻转不可靠，适应性差、功能少、耗能大等不足之处，不但如此，还大大减少了设备维护量，降低了工人劳动强度，使得轧件一次性翻转效率提高；实现了对圆钢的翻
29、转，使轧件进入孔型的角度偏差小，可相应减少轧件的扭转、脱方、错牙等现象，从而提高产品的质量。9.期刊论文 陈群立.CHEN Qun-li 25MN单动反挤压机供锭机械手的设计-太原科技大学学报2007,28(4)介绍了一台25MN单动反挤压机供锭机械手的工作过程,总结了供锭机械手的功能特点,详细分析了供锭机械手的结构设计和液压控制系统原理.此供锭机械手是摆臂式的结构,并采用了双导杆导向和V形定位.液压系统可实现机械手跟随挤压筒移动,系统中设置了有平衡回路.机械手的结构和液压系统具有很好的实用性.10.学位论文 李广军 深潜救生艇多机械手对接装置的研究 2001 深潜救生艇(DSRV)是潜艇救援
30、的主要救生和保障手段之一，其中水下对接技术是深潜救生艇实施救援的关键技术。基于我国多数海区能见度低的情况，以及失事潜艇具有较大纵横倾、海底水流较大等不利状况，研制了深潜救生艇多机械手对接装置。本文对多机械手对接装置总体构成、对接机械手、液压系统等进行了系统设计和研究，对作业过程中对接机械手的运动等进行了分析，并对研制的对接装置进行了陆上调试实验和水下对接实验。基于对以往对接方案及援潜救生对接的基本过程分析，提出了多机械手主动对接装置的设计方案。该对接装置具有“主动捕捉，自动对接”功能，提高了对接的能力和效率。对接作业过程分为搜索捕捉目标环实现初连接、调整对接机械手对中对接裙与目标环的中心、拉降深潜救生艇完成对接裙与失事潜艇对接平台的对接密封三个阶段。设计了具有被动柔顺的对接机械手手爪，其手臂为摆动和伸缩的二自由度机构，然后对目标环的位置进行了计算分析。设计了采用电液伺服阀实现闭环位置控制，结合电磁换向阀实现手臂的柔顺控制的液压系统。详细介绍了液压位置伺服系统的构成、工作原理和具体实现。本文链接：http:/