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特種加工液壓驅動搬運機械手控制系統設計

作者: yhsstools 時間:2019-08-24 來源:未知
摘要:該系統采用液壓傳動系統作為機械手的驅動系統,易于實現直線運動,功率和質量比大,速度調節和控制方便。同時,采用S7-200PLC實現機械手液壓系統的手動和自動控制。該程序是在硬...

大型機械手的快速發展在很大程度上源于對其積極意義的認識和認識。它可以部分甚至完全取代人工操作,減少人工勞動強度,解放勞動力,促進工業生產和節奏感的產生。此外,根據生產工藝的要求,工件的轉移和卸載可以按照一定的程序、時間和地點完成,這有助于大大提高工作效率,保證加工精度,因此在機械加工、沖壓、鑄造、焊接、熱處理、電鍍、油漆、裝配、輕工、運輸等領域得到了越來越廣泛的應用。目前機械手的驅動形式主要有三種:電機驅動、氣壓驅動和液壓驅動。在特殊的加工環境中運行,液壓傳動結構緊湊,密封性好,控制和調整簡單,動態性能優良,具有無級調速、快速啟動、制動和頻繁倒轉等特點,容易獲得較大的力和扭矩。同時,目前市場上的液壓元件已經實現了通用、標準化的制造標準,使得目前液壓系統的設計、制造和使用在很大程度上比較方便??删幊炭刂破鱌LC與傳感器相結合,能夠更準確地控制液壓驅動機械手的位移和運動方向。PLC與液壓傳動的聯合控制有助于解決傳統操作效率低、易受環境條件限制的缺點。在分析操作機械手工作流程的基礎上,提出了一種基于PLC的液壓驅動系統,以滿足高效率、高方便、高安全、高精度的性能要求。

1 機械手結構分析

圖1 機械手結構示意圖

本文設計了一種由爪、腕、臂(大臂和小臂)、柱形、底座、驅動系統和控制系統組成的四自由度搬運機械手。機械手的結構如圖1所示,工作流程如下:機械手的初始位置是臂的上升和爪的松動,當進入工作狀態時,機械手向物料傳送帶的頂部反向旋轉并掉落,工件被機械手的爪抓住。抓取工件后,機械手起回前旋,落在加工傳送帶中,爪放工件,使機械手通過上升臂返回原點,下一個工作周期開始。

2 驅動系統設計

針對機械手工作環境的特殊性,采用結構簡單、重量輕、驅動力大、密封性能好的液壓傳動裝置作為機械手的驅動方式,以實現機械手手腕的轉動、臂的伸縮、旋轉和舉升。根據機械手的功能要求,采用兩個液壓缸和兩個液壓馬達作為執行部件。手腕旋轉和臂旋轉的執行器采用液壓馬達,臂舉、伸縮、爪夾緊和松馳的執行器采用液壓缸。另外,在換流方面,系統的穩定性不高,因此液壓換向回路采用三位四通閥控制,價格較低,用于控制機械手的升降。驅動系統的設計如圖2所示。

2.1 液壓缸的計算

液壓缸是液壓執行機構,將液壓能轉變為機械能并執行直線往復運動(或擺動運動)。缸筒和活塞桿是液壓缸的重要結構組成,缸筒和活塞桿的選擇直接影響著液壓傳動的效率。液壓缸缸筒內徑:

式中,P為活塞承受的最大推力,N;η為油缸的機械效率;為液壓缸的進、出油腔的壓力差,MPa。

活塞桿直徑:

查相關手冊可得速比一般取0.5~0.7。

液壓缸缸筒長度:

根據相關參數的選取結合上述式子,可計算得到:手臂的伸縮缸內徑D1,缸筒長L1,活塞桿直徑d1;手臂的升降缸內徑D2,缸筒長L2,活塞桿直徑d2。

2.2 液壓馬達的選擇

文中機械手要求旋轉速度不高于500r/min,所以機械手的液壓系統的執行機構選擇低速液壓馬達。表1所示為外五星YLM系列徑向柱塞液壓馬達型號及性能。結合實際要求,手臂選用液壓馬達型號YLM16-1800,手腕選用液壓馬達型號YLM16-1600。

表1 外五星YLM系列徑向柱塞液壓馬達型號及性能

3 控制系統設計

可編程序控制器由于其順序控制的獨特性,在工業控制中仍占據主導地位。在所有工業控制系統中,順序控制是工業控制中不可缺少和最重要的環節。幾乎任何過程控制和生產管理的實現都需要一步地進行規劃,從而使執行路線按照規定的路線逐步進行。這種控制任務不僅可以被大多數人接受,而且可以提高設計效率。

3.1 硬件設計

圖2 驅動系統液壓回路設計

本文將機械手應用于可由程序控制的自動生產線,但考慮到執行過程中可能出現不可預測的問題,建立了手動操作模式,可根據要求改變機械手在執行過程中的位移誤差,使其具有較好的靈活性。此外,機械手PLC控制系統還需要檢測大臂舉升和小臂擴張的直線位移和速度,夾緊工件時的壓力檢測,手臂和手腕旋轉的角位移和轉速,需要更精確的控制,因此建立了相應的光柵傳感器、壓力變送器和旋轉編碼器。

文中設計共有24路輸入、11路輸出,共計35點,為了使其具有更強的模擬和高速計數處理能力,且不添加新的擴展模塊,因此選用S7-200系列CPU226。表2和圖3分別為可編程控制器的輸入輸出信號地址分配表和外部接線圖。

表2 可編程控制器的輸入/輸出信號地址分配表

圖3 可編程控制器外部接線圖

3.2 主程序設計

文中機械手的PLC程序包括主程序和子程序,其中子程序包括復位程序、手動程序以及自動程序。主程序梯形圖如圖4所示。SM0.1指令指的是當PLC接通電源,首次掃面為1,復位程序接通,完成程序初始化,但是僅此接通一次;與SM0.1不同的SM0.0指令指的是PLC運行時就伴隨著SM0.0一直接通,如果此時按下選擇開關,常閉開關選擇開關則會斷開,從而接通手動子程序,反之,一直接通自動子程序。

圖4 主程序設計

4 仿真分析

為了驗證文中機械手控制系統的可行性,利用PLC(S7-200)平臺對一個周期內的自動程序進行了仿真分析,通過仿真運行文中設計的控制系統,可以直觀反映出該系統性能的好壞。此次仿真測試主要針對運行過程的某一個周期內機械手完成的所有動作,從而判斷程序的編寫是否合理,如果執行某一動作的程序編寫有誤,系統會自動報警,停止下一程序的運行,如果程序編寫正確,則自動進入下一執行程序運行。該自動程序中涉及到數次上升和正轉。

圖5 自動控制周期仿真圖

a) 大臂第一次上升、正轉;b) 小臂伸長;c) 大臂下降;d) 手爪夾緊物料;e) 該自動程序執行過程中大臂第二次上升;f) 大臂反轉;g) 小臂縮短;h) 該自動程序執行過程中大臂第二次下降;i) 手爪放松

從上述仿真結果來看,文中機械手在自動控制時可完成大臂上升,大臂正轉,小臂伸長,手爪夾緊,大臂反轉,手爪放松,小臂縮短,大臂反轉等動作,符合所選周期內機械手完成的預期動作,充分論證了文中機械手的控制設計的可行性。

5 結束語

操作機械手的設計可以有效地克服特殊而困難的工作環境,間接地保護操作人員的人身安全。本文采用液壓傳動作為機械手關鍵部件的動力源,極大地提高了機械手的承載能力和操作效率。同時,以可編程控制器為核心,以S7≤200為控制核心。同時,不僅獲得了高精度的控制效果,而且大大簡化了編寫功能和操作步驟,實現了穩定、快速、簡單的執行方式。本文同時建立了機械手的手動和自動控制模式,實現了在特殊要求下機械手起始位置和末端位置的變化,突出了設計的靈活性。從驅動系統的設計到基本硬件的選擇,再到程序設計和程序仿真,通過對操作機械手各部分運動過程的分析,表明該控制系統具有操作簡單、靈活性高、操作過程準確可靠等優點,對特種加工綜合智能化和自動化的發展有著深遠的意義。同樣,所涉及的控制方法也適用于化工、環境、消防、醫療等行業,具有廣闊的應用前景。

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