机械手(码垛机)液压与PLC系统的设计与仿真

毕业设计报告

设计题目：机械手（码垛机）液压与PLC系统的设计

与仿真

院 系： 机电工程与自动化学院 专业班级：

设计者： 学号：

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指导教师：

设计时间： 2012年12月

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目录

第1章 绪论 ................................................................................................. 3 第2章 毕业设计任务与要求 ..................................................................... 4

2.1设计任务 .............................................................................................................. 4 2.2设计要求 .............................................................................................................. 5

第3章 液压系统设计 ................................................................................. 5

3.1负载分析 .............................................................................................................. 5 3.2液压缸的设计与计算 .......................................................................................... 6

3.2.1夹紧液压缸的设计与计算 .......................................................................................... 6 3.2.2升降液压缸的设计与计算 .......................................................................................... 7 3.2.3平移液压缸的设计与计算 .......................................................................................... 8 3.2.4液压缸结构尺寸计算 .................................................................................................. 9

3.3确定液压系统方案，拟定液压系统原理图.................................................... 10

3.3.1确定执行元件的类型 ................................................................................................ 10 3.3.2换向方式确定 ............................................................................................................ 10 3.3.3各回路的确定 ............................................................................................................ 10

3.4 液压元件及辅助装置的选型与确定................................................................ 11

3.4.1 选择液压泵 ............................................................................................................... 11 3.4.2确定油管的尺寸 ........................................................................................................ 11 3.4.3液压阀的选型 ............................................................................................................ 12

第4章 电气控制系统设计 ..................................................................... 13

4.1控制要求分析 .................................................................................................... 13 4.2硬件设计 ............................................................................................................ 13

4.2.1 PLC的选型 ................................................................................................................ 13 4.2.2 I/O分配表 ................................................................................................................ 14 4.2.3 PLC电路设计 ............................................................................................................ 14

4.3电气元件选型 .................................................................................................... 17

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4.4软件设计 ............................................................................................................ 19

4.4.1画出动作流程图 ........................................................................................................ 19 4.4.2人机界面组态控制 .................................................................................................... 20

第5章 安装调试仿真 ............................................................................... 24

5.1 液压仿真 ........................................................................................................... 24 5.2 PLC调试 ............................................................................................................ 24

第6章 设计结论 ....................................................................................... 24 第7章 仪器设备清单 ............................................................................. 25 第8章 收获、体会和建议 ....................................................................... 25 参考文献 ..................................................................................................... 25 附录 ............................................................................................................. 26

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第1章 绪论

机械手是模仿着人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。

机械手的发展是由于它的积极作用正日益为人们所认识：其一、它能部分的代替人工操作；其二、它能按照生产工艺的要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送和装卸；其三、它能操作必要的机具进行焊接和装配，从而大大的改善了工人的劳动条件，显著的提高了劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。

机械手是一种能自动控制并可从新编程以变动的多功能机器，他有多个自由度，可以搬运物体以完成在不同环境中的工作。机械手的结构形式开始比较简单，专用性较强。 随着工业技术的发展，制成了能够独立的按程序控制实现重复操作，适用范围比较广的“程序控制通用机械手”，简称通用机械手。由于通用机械手能很快的改变工作程序，适应性较强，所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的引用。

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第2章 毕业设计任务与要求

2.1设计任务

图2-1 码垛机工作简图

图2-2 码垛机工作平面示意图

如图2-1所示利用机械手将工作台上的板砖从右边（A）搬运到左边(B)，并且在左边（B）放5板砖后，板砖被送入下一自动环节。整个过程的控制可以在触摸屏上实现.机械手处在原位（右上位），当械手检测到信号，开始下降，下降到位时夹紧板砖，检测到板砖夹紧信号开始上行，上行到上限位时机械手开始左行，左行到左限位时，机械手开始下降，下降到位机械手松开，检测到松开信号开始上升，上升到上限位，开始右

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行，碰到右限位回到原始位置，重复开始步骤，板砖到达左边时堆放在前一层上，堆5层后板砖被送入下一环节，机械手又从第一层开始堆放，如此循环动作。 相关参数：1块标准板砖（240x120x60）重2.8kg，每层夹36块板砖；

机械手爪重500kg，其余上部部件重300kg；

夹爪松开与夹紧行程是100mm，时间t=1s； 升降液压缸的有效行程是1200mm，t=3s； 平移液压缸的有效行程是1200mm，t=3s；

传送带宽800mm，两传送带之间距离1200mm，间隔400mm；

2.2设计要求

1、画出液压系统原理图、电气控制原理图。

2、设计液压系统，对所有液压元件、电器元件选型。

3、编写PLC程序、设计人机界面并连接PLC在液压实验台上进行模拟。

第3章 液压系统设计

3.1负载分析

（1）夹紧液压缸夹紧力要大于36块砖块的重力与夹爪上的橡胶之间的摩擦力，才能夹紧砖块。

（2）升降液压缸受到的负载为36块砖块产生的重力与机械手装置本身的重力总和。 （3）平移液压缸受到的负载为36块砖块产生的重力、机械手装置产生的重力和移动装置产生的重力总和。

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3.2液压缸的设计与计算

3.2.1夹紧液压缸的设计与计算

图3-1 夹紧液压缸安装图

（1）计算夹紧工作压力

砖重 N砖=36×2.8kg=100.8kg

查资料得知橡胶与混凝土之间的摩擦系数为0.3. 若要夹紧砖块 则fNm砖g

Nm砖g100.8103360NFj0.3

根据《液压与气动技术》第3版 张宏友主编P61 页表4-1，取工作压力Pj=1MPa。 （2）夹紧缸有效面积，缸径，杆径 夹紧缸有效面积Aj

AjFjPj3360N3360106m23360mm21106Dj4Aj

夹紧缸直径Dj为

4336065.4mm3.14

取标准值Dj=70mm （根据《液压传动与控制》第2版 沈兴全编P91页表5-3）

Aj4Dj23.147023846.5mm24

活塞杆直径dj为 （根据《液压与气动技术》第3版 张宏友主编P62 页表4-3）

活塞杆受压力0.55 即dj=0.55Dj=38.5mm

取标准值dj=40mm（根据《液压与气动技术》第3版 张宏友主编P63 页表4-5） （3）计算夹紧缸的流量qj（夹紧时间t=1s，行程100mm）

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-21010-2-61010qjAjUjAj3846.510s0.3810-3m3/s22.8L/min1s1

3.2.2升降液压缸的设计与计算

图3-2 升降液压缸安装图

（1）计算工作压力及缸径，杆径。

升降缸受到负载F=（m砖+m）g=（100.8+500）×6008N

根据《液压与气动技术》第3版 张宏友主编P61 页表4-1 取工作压力P=2MPa

D4F460082d2dP3.142 

且根据《液压传动与控制》第2版 沈兴全编P91页，受拉力λ取0.5

即d=0.5D 

联合解得 D≈71.4mm d≈35.7mm

根据《液压与气缸技术》第3版 张宏友主编P63页表4-4表4-5，取标准值 D=80mm d=40mm （2）计算升降缸流量 有效行程为1200mm 时间3s

Vs1200mm400mm/s460240dm/min3s

所以

有效面积

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无杆腔有效工作面积为

A3A14D25024mm2

4活塞杆面积为

d21256mm2

2AAA3768mm213有杆腔有效工作面积

确定所需流量

q1A2VS376824010490.4L/min q2A1VS5024240104120.62L/min

3.2.3平移液压缸的设计与计算

图3-3 平移液压缸安装图

（1）平移液压缸受到负载为

m总m砖m机械手m部件100.8500300900.8kg查滚动摩擦系数ų=0.02

所以推力Fmg0.02900.810180.16N

（2）根据《液压与气动技术》第3版 张宏友主编P61 页表4-1 取工作压力P=1mpa

平移杆直径

Pp4F4180.1615.1mmp106

根据《液压与气动技术》第3版 张宏友主编P63 页 一般长度L不大于内径D的20~30倍 所以 L=1200≤20D D≥60mm

根据《液压与气缸技术》第3版 张宏友主编P62页表4-4 取标准值D=63mm

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根据《液压与气缸技术》 第3版 张宏友主编P61页表4-3 d=0.55D=34.65mm 根据《液压与气缸技术》 第3版 张宏友主编P62页表4-5 取标准值36mm 平移缸有效工作面积

AP4D23115.67mm2

平移位移为1200mm，时间为3s

Vp1200mm400mm/s3s

所以

即所需流量为

qpVpAp4003115.671246266mm3/s74.76L/min

3.2.4液压缸结构尺寸计算

根据《液压传动与控制》第2版 沈兴全编P93得知

图3-4 液压缸结构尺寸图

A:导向套滑动面长度；B:活塞支承面宽度；C:隔套长度；D:缸筒直径； H:最小导向长度； L:最大行程；

（1）夹紧液压缸：L=100mm；D=40mm；H=L/20+D/2=60mm；A=(0.6~1.6)D=40mm; B=(0.6~1)D=40mm；C=H-0.5*(A+B)=20mm;

（2）升降液压缸：L=1200mm；D=80mm；H=L/20+D/2=100mm；A=(0.6~1.6)D=40mm; B=(0.6~1)D=80mm；C=H-0.5*(A+B)=40mm;

（3）平移液压缸：L=1200mm；D=63mm；H=L/20+D/2=100mm；A=(0.6~1.6)D=60mm; B=(0.6~1)D=60mm；C=H-0.5*(A+B)=40mm;

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3.3确定液压系统方案，拟定液压系统原理图

3.3.1确定执行元件的类型

根据本设计的特点要求及结构的考虑，执行元件采用单杠式活塞液压缸。 3.3.2换向方式确定

为了便于在任意位置停止，使调整方便，同时为了防止突然断电时夹紧砖块的机械爪突然松开，采用三位换向阀。

3.3.3各回路的确定

（1）升降回路中为了防止工件受本身的重力的影响自动下降，在下降回路中加上液控单向阀，防止自重下降。

（1）夹紧回路所需的压力低于进给系统压力，所以在供油回路中串接一个减压阀。同时为了防止主系统压力下降时影响夹紧系统的压力，所以在减压阀后串接一个单向阀。同时在夹紧回路进油回路加一个液控单向阀。

（3）在升降系统回路与平移系统回路中进油回路、出油回路都串接上单向节流阀，控制回路流量。

（4）为了减少换向阀的使用，每两个夹紧回路由一个换向阀控制，回路就要使用分流阀，主系统回路与四个系统回路之间也是使用分流阀。

根据设计要求及以上分析，绘出液压系统原理图如下。

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图3-5 液压系统原理图

3.4 液压元件及辅助装置的选型与确定

3.4.1 选择液压泵

泵的的工作压力由缸的工作压力与管件及阀压力损失来确定，假设压力损失为Σ△P=1MP,所以泵工作压力为Pb=P+Σ△P=3MP。

K为系统的泄漏系数，一般取K=1.1-1.3，则泵的流量为q=Kq2=1.3X120.62L/min=156.78L/min

根据《液压元件及选用》 王守城主编 P7 表2.1选择CB3063型齿轮泵。 3.4.2确定油管的尺寸

根据《液压传动与控制》第2版 沈兴全编P124 表6-9，结合各个管道的特点和适用场合，选用尼龙管，承压为2.8MP-8MP。

内径计算

吸油管[V]为（0.5-1.5）m/s，d=2

q/[v]≈41mm

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回油管[V]为（1.5-2）m/s，d=2压力油管[V]为（2.5-5）m/s，d=2控制油管[V]为（2-3）m/s，d=2管件接头采用快速管接头。 3.4.3液压阀的选型

q/[v]≈36mm q/[v]≈23mm q/[v]≈29mm

根据《液压元件及选用》 王守城主编 P203以及《液压阀原理、使用与维护》第二版 张利平主编 P156，选择的溢流阀的型号为力士乐系列的DBD型直动溢流阀；

根据《液压元件及选用》 王守城主编 P231表4.54，选择的减压阀型号为DRC20-30/Y型减压阀；

根据《液压元件及选用》 王守城主编 P280表4.164以及《液压阀原理、使用与维护》第二版 张利平主编 P139表4-59，选择升降三位四通双电控换向阀为力士乐系列WE10-G型换向阀；选择平移三位四通双电控换向阀为力士乐系列WE6-G型换向阀；选择夹紧二位四通双电控换向阀为力士乐系列WE6-C型换向阀；

根据《液压阀原理、使用与维护》第二版 张利平主编 P149表4-68，选择升降液控单向阀为PCV/PCDV-10单向阀；选择夹紧液控单向阀PCV/PCDV-06单向阀；

根据《大金液压产品介绍》，单向节流阀选用大金液压产品JF（C）-03； 表3-1 液压元件表

名称 型号 数目 1 参数 公称排量63mL/r，额定压力25Mpa，额定转速2000r/min 齿轮泵 CB3063 力士乐系列的DBD-25 DRC30G-30/Y 直动溢流阀 1 压力350L/min 31.5Mpa，流量减压阀 2 额定流量300L/min，进口压力0.3~31.5Mpa 额定压力31.5Mpa，最大流量100L/min 12

三位四通力士乐2 黎明职业大学 机电工程与自动化学院 毕业设计

双电控换系向阀 列WE10-G型 二位四通力士乐双电控换系向阀 列2 额定压力31.5Mpa，最大流量100L/min WE10-C 1 最高压力21Mpa，流量250L/min 最高压力21Mpa，流量125L/min 最高压力21Mpa，流量120L/min 液控单向PCV/PCD阀 V-10 4 液控单向PCV/PCD阀 V-06 4 单向节流JF（C）阀 -03

第4章 电气控制系统设计

4.1控制要求分析

1、机械手的控制方式分为手动操作方式和自动操作方式。

2、当检测到有物体到达时，使机械手实现下降到位后夹紧物体，上行，左行下降并松开物体（堆放5层），上行、右行回到原位等待等一系列自动控制过程。

3、在机械手手动运行时，当一行程未到位时不可运行下一行程，并报警。 4、在机械手运行过程中，若按下急停按钮，机械手停止运行。

4.2硬件设计

4.2.1 PLC的选型

机械手电气控制的核心是可编程控制器。根据要求可知系统需要14个输入信号，6个 输出信号，输入输出信号具体作用见地址分配如表4-1 所示。所以选用输入点的个数14、输出点的个数10的PLC，本机械手控制选用的是西门子S7系列224型产品，

型号为S7-200 CPU 224 CN AC/DC/RLY，该型号共有14个输入点及10个输出点。

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4.2.2 I/O分配表

根据设计要求和动作要求，分配I/O地址如表4-1所示：。 表4-1 I/O分配表

输入 设备 左限位 右限位 上限位 下限位 松开限位 夹紧限位 有无砖层 砖层传感器 开始 停止 手动左行 手动右行 手动上升 手动下降 地址 I0.0 I0.1 I0.2 I0.3 I0.4 I0.5 I0.6 I0.7 I1.0 I1.1 I1.2 I1.3 I1.4 I1.5

输出 设备 机械手左行 机械手右行 机械手上升 机械手下降 机械手松开 机械手夹紧 地址 Q0.0 Q0.1 Q0.2 Q0.3 Q0.4 Q0.5

4.2.3 PLC电路设计

根据设计要求、I/O分配表及选用的PLC类型，同时为了保证提供电磁阀的正常供电电流，通过PLC与中间继电器线圈连接，中间继电器常开触点与电磁阀线圈形成回路，间接控制电磁阀。PLC外部接线图、中间继电器与换向阀线圈相关电气部分设计图如下图所示。

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图4-1 PLC控制电气原理图

图4-2 换向阀控制电气原理图

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根据设计要求，由电机驱动执行机构，完成机械手各个动作。电机控制电气设计如下图所示。

图4-3 电机电气原理图

根据设计要求，中间继电器供电需要DC24V供电，则中间继电器供电开关电源电气设计如下图所示。

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图4-4 开关电源电路

4.3电气元件选型

根据《ABB低压电器选型手册》电子版-低压简明选型手册P29接触器选用A75-30-11*80型交流接触器；

P30热继电器选用TA-75-DU80热继电器；

P3低压断路器选用E1B1600R800PR121/P-LSIG3PFHRNST型空气断路器；

根据《ABB低压电器选型手册》电子版-CR中间继电器P3选用CR-M 2C/O型中间继电器；

根据《ABB低压电器选型手册》电子版-按钮指示装置P9选用CP1-10-10型和 CP1-10-01型平钮（不带灯型）；

选用CP3-10-10型凸钮（不带灯型）；

根据《图尔克接近开关选型》P4选择电感式接近开关为NI4-DSU-2AD24X型号接近开关；

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表4-2 电气元件表

名称 型号 数目 1 参数 额定工作电流接触器 A75-30-11*80 TA-75-D1 75A,220V ,50HZ 额定工作电流75A,普通负载型 热继电器 U80 E1B1600R800PR1低压断路器 21/P-LSIG3PFHR NST型 1 框架电流1600A,额定电流800A,3极,标准附件配置 中间继电CR-M 器 按钮 2C/O CP3-10-10型 CP3-10-01型 NI4-DSU-2AD24X型 5 常开，两线直流，供电电压24VDC 1 7 8 24VDC 常开复位型凸钮 按钮 常闭复位型凸钮 电感式接近开关

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4.4软件设计

4.4.1画出动作流程图

根据设计要求，画出动作流程图，设计程序。

图4-5 码垛机动作流程图

程序设计分别由主程序、自动程序、手动程序、报警程序、简单动画程序组成。其中报警程序、简单动画程序都用到传送指令，而简单动画是改变坐标来实现简单动画。

其中自动程序顺序功能图如下：

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图4-6 码垛机自动程序顺序功能图

4.4.2人机界面组态控制

根据设计要求，设计人机操作界面，运用Wincc组态设计触摸屏，各触摸屏界面如下所示。

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图4-7 主界面

图4-8 操作说明界面

进入说明界面，对人机界面操作简单说明。可以进入主页面、切换界面、报警界面。

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图4-9 切换界面

在切换界面可以实现手动操作界面切换、自动操作界面切换。

图4-10 报警界面

在报警界面，实现了下降没有到位、夹紧状态不能右移、没夹砖块不能左移、夹紧砖块上升、左移时不能松开等报警信号。

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图4-11 手动控制界面

手动操作界面可以实现上升、下降、左移、右移、夹紧、松开等手动控制，同时还有简单实时动画。

图4-12 自动控制界面

自动操作界面按下开始按钮，在有工件状态下自动实现上升、下降、左移、右移、夹紧、松开动作，同时还有简单实时动画，按下停止按钮，停止工作。

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第5章 安装调试仿真

5.1 液压仿真

在液压技术实验室操作台上进行模拟，分别进行了自动操作和手动操作的实验。

图5-1 简化模拟液压系统实物图

5.2 PLC调试

根据设计的动作要求，编出程序，下载到液压试验台的PLC，调试程序。

第6章 设计结论

基于PLC的机械手（码垛机）控制系统采用可编程的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，控制机械或生产过程，简单易懂、操作方便、可靠性高、通用灵活、体积小、使用寿命长等具有较高的性价比，在自动化生产线上得到了较好的应用。

可通过触摸屏来实现液压实验台进行手动自动操作控制，简单方便易懂。实现了机械手（码垛机）在生产线的运用。

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第7章 仪器设备清单

表7-1 设备清单表

设备 电脑 液压实验台 TP 177B color PN/DP触摸屏 S7-200 PLC CPU 224 CN AC/DC/RLY 触摸屏与PLC通讯电缆线 S7-200PLC电源线 液压缸 电磁换向阀 直动式溢流阀 分流阀 导管 数量 1 1 1 1 1 1 3 3 1 1 若干 第8章 收获、体会和建议

通过这次机械手（码垛机）系统设计的实践，进一步把我们所学的液压以及PLC知识进行运用，对组态的设计也有了进一步强化，同时在寻找资料的同时也锻炼了自己收集资料的能力，充分的锻炼了自己的思维能力和动手能力。在设计的过程中，分工与合作的协调工作，使得设计的进程加快了很多，程序的完成、调试及问题的及时发现、解决等都离不开组员的合作，使得毕业设计进一步完善。

当然，仅仅之前所学的知识并不能较好的满足毕业设计，除了自己组员探讨研究，我们也得到老师和同学的帮助与意见，取其精华来运用到自己的毕业设计，使毕业设计得到完善。最大的收获还是践行了有付出就会有收获的这句话。

参考文献

1、张宏友主编 .《液压与气缸技术》第3版.大连:大连理工大学出版社,2009年2月

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2、沈兴全主编 .《液压传动与控制》第2版.北京:国防工业出版社,2009年3月 3、王守城 段俊勇 主编 .《液压元件及选用》.北京:化学工业出版社,2007年4月

4、张利平主编. 《液压阀原理、使用与维护》第二版.北京:化学工业出版社,2009年1月

5、电子版《ABB低压电器选型手册》ABB低压电器选型手册.rar

6、电子版《大金液压产品介绍》大金液压产品介绍.pdf http://wenku.baidu.com/view/0c4647d6b9f3f90f76c61b4f.html

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http://wenku.baidu.com/view/eb4151dad15abe23482f4dc6.html

附录

1、码垛机液压系统图.dwg 2、码垛机电气接线图.dwg 3、ABB低压电器选型手册.rar 4、大金液压产品介绍.pdf 5、程序

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1、主程序

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2、手动程序

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3、自动程序

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4、报警程序

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5、简易动画程序

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