1、本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）煤車錨定機(jī)械手電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)劉號(hào)燕 山 大 學(xué)2011年 6月 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）煤車錨定機(jī)械手電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)學(xué) 院： 里仁學(xué)院 專 業(yè)： 07工業(yè)自動(dòng)化2班 學(xué)生 姓名： 劉號(hào) 學(xué) 號(hào)： 071203011105 指導(dǎo) 教師： 姚成玉 答辯 日期： 2011/6/19 燕山大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書(shū)學(xué)院：電氣工程學(xué)院 系級(jí)教學(xué)單位：自動(dòng)化系學(xué)號(hào)071203011105學(xué)生姓名劉號(hào)專 業(yè)班 級(jí)工自07-2題目題目名稱煤車錨定機(jī)械手電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)題目性質(zhì)1.理工類：工程設(shè)計(jì) （ ）；工程技術(shù)實(shí)驗(yàn)研究型（ ）；理論研究型（ ）；計(jì)算機(jī)軟件型（ ）；綜合型（ ）。2.管理類（ ）；3

2、.外語(yǔ)類（ ）；4.藝術(shù)類（ ）。題目類型1.畢業(yè)設(shè)計(jì)（ ） 2.論文（ ）題目來(lái)源科研課題（ ） 生產(chǎn)實(shí)際（ ） 自選題目（ ）主要內(nèi)容設(shè)計(jì)完成煤車到位后的自動(dòng)上升掛合操作：機(jī)架升起拔銷鎖銷落下（提鏈松弛）錨臂伸出與車輛掛鉤撞合（鎖銷插入）卸煤機(jī)卸煤。卸煤完了后的自動(dòng)脫鉤下降操作順序?yàn)椋喊武N（錨鉤自動(dòng)張開(kāi)）錨臂縮回鎖銷落下（提鏈松弛）機(jī)架下降拖走車輛。通過(guò)本課題的設(shè)計(jì)，訓(xùn)練學(xué)生在掌握一定的工業(yè)實(shí)際的情況下，完成電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)?；疽?、熟悉掌握工藝原理、明確系統(tǒng)控制要求2、系統(tǒng)設(shè)計(jì)。最后提交畢業(yè)設(shè)計(jì)論文、外文資料原文及中文翻譯各1份；A1圖紙1張或以上參考資料1、設(shè)計(jì)要求和相關(guān)資料2、中國(guó)期

3、刊全文數(shù)據(jù)庫(kù)3、本科畢業(yè)論文撰寫規(guī)范周 次14周58周912周1316周17周應(yīng)完成的內(nèi)容查資料，掌握工藝原理；設(shè)計(jì)總體控制思路，做好工作記錄系統(tǒng)設(shè)計(jì)，繪制草圖；翻譯外文資料完善系統(tǒng)設(shè)計(jì)；完善外文資料的翻譯工作繪制規(guī)定要求的圖紙；撰寫論文審圖、審論文、答辯指導(dǎo)教師：姚成玉職稱：副教授 2010年11月29日系級(jí)教學(xué)單位審批： 2010年12月6日5摘要隨著工業(yè)自動(dòng)化的普及和發(fā)展，可編程控制器的需求量逐年增大，工業(yè)機(jī)械手的應(yīng)用也隨之逐漸普及，主要應(yīng)用在汽車，電子，機(jī)械加工、食品、醫(yī)藥、鐵路、港口等領(lǐng)域的生產(chǎn)流水線或貨物裝卸調(diào)運(yùn)。利用工業(yè)機(jī)械手進(jìn)行工業(yè)生產(chǎn)，可以更好地節(jié)約能源和提高運(yùn)輸設(shè)備或產(chǎn)品的

4、效率，以降低其他操作方式的限制和安全隱患，符合現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的要求。車輛自動(dòng)錨定機(jī)械手是一種鐵路車輛定位、鎖定的安全作業(yè)裝置，是一種機(jī)電一體化的裝置，有四連桿機(jī)構(gòu)、液壓缸、傳感器和PLC（或單片機(jī)等）控制系統(tǒng)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的空間位置尋找、機(jī)械手與車輛掛鉤自動(dòng)連接、定位和位置鎖定。保證在采用自動(dòng)采煤機(jī)卸煤過(guò)程中，車輛在軌道上不發(fā)生位置移動(dòng)和振動(dòng)，從而消除了人身安全事故并提高了生產(chǎn)效率；在卸煤作業(yè)完成后，機(jī)械手自動(dòng)脫離與車輛的連接并退回原始位置，縮入軌道基面一下，使得軌道上車輛正常行駛無(wú)障礙，符合鐵路安全標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。適用于粉塵污染嚴(yán)重的場(chǎng)合，可推廣應(yīng)用于所有在軌道上行駛、停泊的車輛。本機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)

5、主要有七個(gè)電磁閥控制的四連桿液壓缸，用來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的上升、下降運(yùn)動(dòng)，錨臂的伸出、縮回動(dòng)作及夾緊車廂的動(dòng)作。一個(gè)三相異步電動(dòng)機(jī)，額定功率為18.5KW，來(lái)驅(qū)動(dòng)液壓油泵工作。電動(dòng)機(jī)采用定子串電阻降壓?jiǎn)?dòng)。可編程控制器PLC選用西門子S7-200 CPU226另加擴(kuò)展模塊EM223，EM231外接DTR型溫度傳感器可實(shí)現(xiàn)油箱加熱的自動(dòng)控制。機(jī)械手的各動(dòng)作轉(zhuǎn)換主要用控制臺(tái)按鈕和設(shè)置在各個(gè)不同部位的限位開(kāi)關(guān)來(lái)產(chǎn)生通斷信號(hào)，并傳輸?shù)絇LC控制器，通過(guò)PLC內(nèi)部程序輸出不同的信號(hào)，從而驅(qū)動(dòng)外部線圈來(lái)控制電動(dòng)機(jī)或電磁閥產(chǎn)生不同的動(dòng)作，可實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的精確定位來(lái)滿足生產(chǎn)中的各種操作和維護(hù)要求。本機(jī)械手要實(shí)現(xiàn)的動(dòng)作

6、過(guò)程為：機(jī)架升起、拔銷、鎖銷落下（提鏈松弛）、錨臂伸出、與車輛掛鉤撞合（鎖銷插入）、卸煤機(jī)卸煤。卸煤完了后的自動(dòng)脫鉤下降操作順序?yàn)椋喊武N（錨鉤自動(dòng)張開(kāi)）、錨臂縮回、鎖銷落下（提鏈松弛）、機(jī)架下降、拖走車輛。關(guān)鍵詞錨定，機(jī)械手，可編程控制器（PLC），液壓，電磁閥，傳感器AbstractAbstractWith the popularity of industrial automation and development, the demand for year-on-year increase of controller, handling the application of robot g

7、radually popularity, mainly in the automotive, electronic, mechanical processing, food, medicine and other areas of the production line or cargo transport, Using industrial robots for industrial production, we can be more good to save energy and improve the transport efficiency of equipment or produ

8、cts, to reduce restrictions on other modes of transportation and inadequate to meet the requirements of modern industrial development.Vehicle automated anchor manipulator is a kind of railway vehicle positioning, lock security operation device, is a kind of integration of machinery plant, have four

9、bar linkage, hydraulic cylinder, sensors and PLC (or single chip) control system to realize the automatic robot space manipulator and the vehicle for, automatic connection link, positioning and position lock. Guarantee in adopts automatic coal winning machine coal unloading process, the vehicle does

10、 not occur in orbit the position and vibration, eliminated personal safety accidents and improve the production efficiency; In the coal unloading operation after the completion of the manipulator, automatic from with the connection and return to its original position, shrink into orbit and a face, m

11、ake orbit vehicles moving barrier-free, accord with railway safety standards. Apply to dust pollution situation, can be applied in all in orbit, parked vehicles driving.The mechanical structure of the manipulator mainly includes the seven electromagnetic valve control of hydraulic cylinder to realiz

12、e the rise and fall of the manipulator, anchor arm stretched out of movement, retract movement and clamping car movement. A three-phase asynchronous motor, which power rating of 18.5 KW, can drive the hydraulic pumps work. The motor stator resistances step-down start string. Siemens s7-200 PLC choos

13、e CPU226 add EM223 expansion module, EM231 external DTR type temperature sensor can realize the automatic control heating fuel tank. The action of the manipulator conversion mainly with the console button and set up in different parts of the limit switch to produce to break a signal, and transfer to

14、 PLC controller, through the PLC program output signal of different internal and external coil, driven to control motor or electromagnetic valve produce different actions can realize accurate location of the manipulator to meet the production of various kinds of operation and maintenance requirement

15、s. Its action process including: the rise and fall and pull out pin locking pin (2)-anchor chain slack arm stretched out-and the vehicle hit close link (locking pin into the coal unloading coal unloading. Coal unloading over the automatic decoupling down after the operation sequence for: remove the

16、pin (anchor hook automatic open)-the anchor arm goes back to locking pin down (2)-frame down the chain slack and towed vehicles.Keywords anchor ,mechanical hands, Programmable Logic Controller (PLC), hydraulic, solenoid valve, sensor7 目 錄摘要IAbstractIII第1章 緒論11.1 研究背景和課題來(lái)源11.2 本課題的研究意義11.3 工業(yè)機(jī)械手的發(fā)展現(xiàn)狀

17、21.3.1 工業(yè)機(jī)械手發(fā)展歷程概述21.3.2 國(guó)外機(jī)械手發(fā)展現(xiàn)狀31.3.3 國(guó)內(nèi)機(jī)械手發(fā)展現(xiàn)狀41.4 工業(yè)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)組成及分類51.4.1 工業(yè)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)51.4.2工業(yè)機(jī)械手的分類6第2章 基于液壓驅(qū)動(dòng)的錨定機(jī)械手結(jié)構(gòu)及工作原理102.1 引言102.2 錨定機(jī)械手性能特性102.2.1 錨定機(jī)械手用途102.2.2 錨定機(jī)械手技術(shù)特點(diǎn)112.2.3 錨定機(jī)械手性能指標(biāo)112.3 錨定機(jī)械手機(jī)械構(gòu)成112.3.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)112.3.2 錨定機(jī)械手工作原理142.4 錨定機(jī)械手的液壓系統(tǒng)142.4.1 液壓系統(tǒng)142.4.2 詹天佑掛鉤原理152.4.3 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)162.

18、4 本章小結(jié)18第3章 基于PLC控制的錨定機(jī)械手電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)193.1 引言193.2 PLC的應(yīng)用和發(fā)展概況193.2.1 PLC發(fā)展史及定義193.2.2 PLC特點(diǎn)及應(yīng)用203.3.1 PLC的硬件組成及工作原理223.3.1 PLC的硬件組成223.3.2 PLC的分類243.3.3 PLC的工作原理263.4 錨定機(jī)械手電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)273.4.1 電控系統(tǒng)的主要設(shè)備及功能273.4.2 PLC的選型、可靠性設(shè)計(jì)及I/O接口分配273.5 PLC程序控制設(shè)計(jì)303.5.1 錨定裝置操作初始化狀態(tài)303.5.2 錨定裝置操作程序說(shuō)明313.5.3 錨定機(jī)械手運(yùn)行控制383.5 PLC本

19、章小結(jié)49結(jié)論50參考文獻(xiàn)51致謝53附錄1開(kāi)題報(bào)告及文獻(xiàn)綜述54附錄2外文文獻(xiàn)及翻譯719第1章 緒論 第1章 緒論1.1 研究背景和課題來(lái)源工業(yè)機(jī)械手技術(shù)是工業(yè)自動(dòng)控制領(lǐng)域中經(jīng)常遇到的一種控制對(duì)象，也是現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)發(fā)展的重要環(huán)節(jié)，是以微電子技術(shù)為主導(dǎo)的多種新興技術(shù)與機(jī)械技術(shù)交叉、融合而成的一種綜合性的高新技術(shù)。這一技術(shù)在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國(guó)防、醫(yī)療衛(wèi)生、辦公自動(dòng)化及生活服務(wù)等眾多領(lǐng)域有著越來(lái)越多的應(yīng)用。工業(yè)機(jī)械手在提高產(chǎn)品質(zhì)量、加快產(chǎn)品更新、提高生產(chǎn)效率、促進(jìn)制造業(yè)的柔性化、增強(qiáng)企業(yè)和國(guó)家的競(jìng)爭(zhēng)力等諸方面具有舉足輕重的地位。本課題中設(shè)計(jì)研究的煤車錨定機(jī)械手來(lái)源于秦港三公司原卸煤生產(chǎn)線。秦港三公司

20、原卸煤生產(chǎn)線的工作狀態(tài)是，10節(jié)裝滿煤炭的車輛互相連接，自由停放在鐵軌上，由5臺(tái)卸煤機(jī)同時(shí)進(jìn)行卸煤操作，將車輛中的煤炭橫向推出車輛，落入傳送帶上。同時(shí)卸煤機(jī)又作縱向運(yùn)動(dòng)以完成整節(jié)車輛內(nèi)的卸煤工作。這樣，多臺(tái)卸煤機(jī)的隨機(jī)縱向運(yùn)動(dòng)，使車輛產(chǎn)生了沿鐵軌方向的無(wú)規(guī)律自由運(yùn)動(dòng)，從而存在了兩大害處：一是經(jīng)常發(fā)生人身傷亡事故，嚴(yán)重影響了安全生產(chǎn)；二是車輛移動(dòng)后，需要推回原來(lái)預(yù)定的卸煤位置，增加了輔助時(shí)間，影響生產(chǎn)效率。綜合上述兩大問(wèn)題本課題要完成的任務(wù)是：為該生產(chǎn)線研制出了一套機(jī)電液一體化的煤車自動(dòng)錨定機(jī)械手，消除事故隱患，提高生產(chǎn)效率。1.2 本課題的研究意義工業(yè)機(jī)械手已成為現(xiàn)代機(jī)械制造生產(chǎn)系統(tǒng)中的一個(gè)重

21、要組成部分。這種新技術(shù)發(fā)展很快，逐漸形成了一門新興的學(xué)科機(jī)械手工程。機(jī)械手由于它的積極作用正日益為人們所認(rèn)同而得以迅速發(fā)展的：其一，它能部分地代替人工操作；其二，它能按照生產(chǎn)工藝的要求，遵循一定的程序、時(shí)間和位置來(lái)完成各種動(dòng)作；其三，它能操作必要的機(jī)具代替人類進(jìn)行如焊接和裝配等。它的發(fā)展大大改善了工人的勞動(dòng)條件，顯著提高了勞動(dòng)生產(chǎn)效率，降低了安全事故的發(fā)生同時(shí)加快了實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化的步伐。因此廣泛受到各先進(jìn)工業(yè)國(guó)家的高度重視，并投入大量的人力物力加以研究和應(yīng)用。尤其在高溫、高壓、粉塵、噪音以及帶有放射性和污染的作業(yè)場(chǎng)合，應(yīng)用更為廣泛。在我國(guó)，近幾年來(lái)也有較快的發(fā)展，并取得一定的效果，尤其受到

22、了機(jī)械工業(yè)和鐵路部門的青睞。本課題主要研究如何利用機(jī)械手的操作來(lái)完成機(jī)械加的升降、機(jī)械臂的伸縮、錨鉤的掛合、車廂定位等動(dòng)作和控制。該項(xiàng)目具有實(shí)用性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性、推廣性、智能性等特點(diǎn)。一是實(shí)用性。能夠完成企業(yè)兩條自動(dòng)化生產(chǎn)線上的工件的動(dòng)作。二是可靠性。比起原狀態(tài)完成卸煤，安全可靠，機(jī)械手能按照事先設(shè)定的程序進(jìn)行動(dòng)作，不會(huì)受工人的身體狀況、精神狀態(tài)、情緒等的影響。三是經(jīng)濟(jì)性。整個(gè)項(xiàng)目的完成可以使企業(yè)降低成本、提高生產(chǎn)率。三是推廣性。這類機(jī)械手應(yīng)用非常廣泛，經(jīng)過(guò)一定的調(diào)整和改進(jìn)可以完成工廠、企業(yè)里大部分工件、裝備等的移動(dòng)。四是智能性。該機(jī)械手采用西門子S7-200PLC作為核心控制元件，并配有人

23、機(jī)交互裝置，可以對(duì)系統(tǒng)本身的故障進(jìn)行自診斷，并顯示出錯(cuò)誤位置和原因，為工作人員進(jìn)行故障排除提供幫助，還可以對(duì)工作過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，遇到故障時(shí)自動(dòng)報(bào)警。1.3 工業(yè)機(jī)械手的發(fā)展現(xiàn)狀1.3.1 工業(yè)機(jī)械手發(fā)展歷程概述早在40年代，隨著原子能工業(yè)的發(fā)展，已出現(xiàn)了模擬關(guān)節(jié)式的第一代機(jī)械手。5060年代即制成了傳送和裝卸工件的通用機(jī)械手和數(shù)控示教再現(xiàn)型機(jī)械手。這種機(jī)械手也稱第二代機(jī)械手。如尤尼曼特機(jī)械手即屬于這種類型。6070年代，又相繼把通用機(jī)械手用于汽車車身的點(diǎn)焊和沖壓生產(chǎn)自動(dòng)線上，亦即是第二代機(jī)械手這一新技術(shù)進(jìn)入了應(yīng)用階段。80-90年代，裝配機(jī)械手處于鼎盛時(shí)期，尤其是日本。90年代機(jī)械手在特殊用

24、途上有較大的發(fā)展，除了在工業(yè)上廣泛應(yīng)用外，農(nóng)、林、礦業(yè)、航天、海洋、文娛、體育、醫(yī)療、服務(wù)業(yè)、軍事領(lǐng)域上有較大的應(yīng)用。90年代以后，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等的快速發(fā)展，機(jī)械手技術(shù)也得到飛速的多元化發(fā)展?？傊壳皺C(jī)械手的主要經(jīng)歷分為三代：第一代機(jī)械手主要是靠人工進(jìn)行控制，控制方式為開(kāi)環(huán)式，沒(méi)有識(shí)別能力；改進(jìn)的方向主要是將低成本和提高精度；第二代機(jī)械手設(shè)有電子計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，具有視覺(jué)、觸覺(jué)能力，甚至聽(tīng)、想的能力。研究安裝各種傳感器，把接收到的信息反饋，使機(jī)械手具有感覺(jué)機(jī)能；第三代機(jī)械手能獨(dú)立完成工作過(guò)程中的任務(wù)。它與電子計(jì)算機(jī)和電視設(shè)備保持聯(lián)系，并逐步發(fā)展成為柔性系統(tǒng)FMS(Fle

25、xible Manufacturing System)和柔性制造單元FMC(Flexible Manufacturing Cell)中重要一環(huán)。1.3.2 國(guó)外機(jī)械手發(fā)展現(xiàn)狀目前，工業(yè)機(jī)械手廣泛應(yīng)用于各種制造行業(yè)中，如電器制造行業(yè)、汽車制造行業(yè)、塑料加工行業(yè)、通用機(jī)械制造行業(yè)、以及金屬加工行業(yè)等都使用了工業(yè)機(jī)械手。隨著社會(huì)生產(chǎn)的進(jìn)一步發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，工業(yè)機(jī)械手的功能和性能將進(jìn)一步得到改善和提高，因此，工業(yè)機(jī)械手的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒃絹?lái)越廣。(1) 工業(yè)機(jī)械手驅(qū)動(dòng)方式發(fā)展現(xiàn)狀 現(xiàn)在的工業(yè)機(jī)械手驅(qū)動(dòng)方式大多采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)的工業(yè)機(jī)械手具有精度高、驅(qū)動(dòng)力大、響應(yīng)時(shí)間快等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)必須

26、使用減速機(jī)構(gòu)，因此采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式的機(jī)械手會(huì)大大高于其他方式驅(qū)動(dòng)機(jī)械手的成本，因而大大的限制了電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)械手的應(yīng)用。隨著氣動(dòng)技術(shù)的高速發(fā)展，又由于氣壓驅(qū)動(dòng)具有其他驅(qū)動(dòng)方式?jīng)]有的一些優(yōu)點(diǎn)，如成本低、高性價(jià)比、無(wú)污染、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、抗干擾能力強(qiáng)等，因而越來(lái)越多的工業(yè)機(jī)械手采用氣動(dòng)控制，因而氣動(dòng)技術(shù)也得到了迅速得發(fā)展。(2) 工業(yè)機(jī)械手定位精度發(fā)展現(xiàn)狀在氣動(dòng)技術(shù)發(fā)展初期，由于技術(shù)的不成熟，利用氣壓驅(qū)動(dòng)的工業(yè)機(jī)械手的定位精度很低，更無(wú)法實(shí)現(xiàn)在任意位置的起停，只能靠氣缸兩個(gè)終點(diǎn)位置來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的定位，或者采用多位汽缸，而多位氣缸的定位長(zhǎng)度也已經(jīng)由氣缸的行程確定，同樣無(wú)法實(shí)現(xiàn)機(jī)械手在任意位置得起停。如果要多加

27、一個(gè)定位位置，或者是要改變預(yù)先確定的兩個(gè)定位位置之間的距離，則需要另外再設(shè)計(jì)一個(gè)多位汽缸，這樣就會(huì)導(dǎo)致氣缸的滑塊導(dǎo)向機(jī)構(gòu)更加復(fù)雜，所以早期的氣動(dòng)工業(yè)機(jī)械手不能實(shí)現(xiàn)任意位置的定位，因此大大限制氣動(dòng)工業(yè)機(jī)械手的發(fā)展。隨著氣動(dòng)技術(shù)的發(fā)展，氣動(dòng)伺服技術(shù)的出現(xiàn)實(shí)現(xiàn)了氣缸在任意位置定位，世界上各國(guó)都相繼開(kāi)發(fā)出了可在任意位置實(shí)現(xiàn)起、停的氣動(dòng)工業(yè)機(jī)械手，且定位精度可以達(dá)到0.5mm，如日本SMC 公司、德國(guó)FESTO 公司等。氣動(dòng)伺服技術(shù)的出現(xiàn)，大大提高了氣動(dòng)機(jī)械手的定位精度，實(shí)現(xiàn)了氣動(dòng)機(jī)械手在任意位置的定位，擴(kuò)大了氣動(dòng)機(jī)械手在自動(dòng)化領(lǐng)域的應(yīng)用范圍?，F(xiàn)代氣動(dòng)工業(yè)機(jī)械手的發(fā)展方向?yàn)榧苫?、模塊化。因此現(xiàn)代氣動(dòng)工

28、業(yè)機(jī)械手普遍集成了電氣接口和氣管的導(dǎo)向系統(tǒng)裝置，這樣就使得機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)更加協(xié)調(diào)，更具穩(wěn)定性，同時(shí)現(xiàn)代氣動(dòng)工業(yè)機(jī)械手的傳動(dòng)部件大多采用量身設(shè)計(jì)的滾珠軸承，這使得工業(yè)氣動(dòng)機(jī)械手具有更高的剛性、更高的強(qiáng)度、更好的精度和更好的導(dǎo)向精度。因此現(xiàn)代氣動(dòng)工業(yè)機(jī)械手更重要的一個(gè)特點(diǎn)就是具有優(yōu)良的定位精度。德國(guó)FESTO 公司研制了一整套模塊化氣動(dòng)工業(yè)機(jī)械手，由于采用了模塊化的組裝結(jié)構(gòu)，因此可以組成很多種類型的氣動(dòng)工業(yè)機(jī)械手，如滑塊型氣動(dòng)機(jī)械手、立柱型氣動(dòng)機(jī)械手、門架型氣動(dòng)機(jī)械手及其他類型的工業(yè)機(jī)械手，因此模塊化的工業(yè)機(jī)械手使得工業(yè)氣動(dòng)機(jī)械手組裝更加方便、動(dòng)作更加靈活、定位精度更高，主要用于一般的工業(yè)送取料自動(dòng)

29、線上。另外，歐洲的德國(guó)和英國(guó)開(kāi)發(fā)的應(yīng)用于各種工業(yè)傳送系統(tǒng)上的氣動(dòng)機(jī)械手，如Berger Lahr 公司研制的坐標(biāo)式氣動(dòng)機(jī)械手、德國(guó)Bosch 公司研制的Sacra 型氣動(dòng)機(jī)械手等。1.3.3 國(guó)內(nèi)機(jī)械手發(fā)展現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)的一些機(jī)構(gòu)和高校從 20 世紀(jì)90 年代開(kāi)始對(duì)工業(yè)機(jī)械手氣動(dòng)技術(shù)開(kāi)始進(jìn)行研究，比較具有代表性的是北京理工大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、南京理工大學(xué)SMC 氣動(dòng)技術(shù)中心和浙江大學(xué)的流體傳動(dòng)和控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。南京理工大學(xué)研制的氣動(dòng)自動(dòng)化制造系統(tǒng)，這套系統(tǒng)由包裝、裝配、標(biāo)貼、加工、成品存取等子系統(tǒng)構(gòu)成。在每個(gè)子系統(tǒng)自主工作的前提下實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)集成控制，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了配置自動(dòng)化物流，這套系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了從成品加

30、工到成品存取的全部過(guò)程自動(dòng)傳輸與自動(dòng)裝卸，這套系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了一個(gè)關(guān)節(jié)型氣動(dòng)機(jī)械手，這個(gè)關(guān)節(jié)型氣動(dòng)機(jī)械手主要實(shí)現(xiàn)的功能是貨物的搬運(yùn)和貨物的翻轉(zhuǎn)，其中集成手部動(dòng)作、腕部動(dòng)作、臂部動(dòng)作和腰部動(dòng)作的四個(gè)自由度聯(lián)合運(yùn)動(dòng)，可以模擬人的關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)貨物的移動(dòng)、翻轉(zhuǎn)和抓取等動(dòng)作。北京理工大學(xué)自主研發(fā)的具有四個(gè)自由度的回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)型氣動(dòng)機(jī)械手，該氣動(dòng)機(jī)械手由底板、腰、大臂、小臂、手腕組成。哈爾濱工業(yè)大學(xué)研發(fā)了具有六個(gè)自由度的關(guān)節(jié)型氣動(dòng)機(jī)械手，這類機(jī)械手具有結(jié)構(gòu)小巧、自由度多、柔順性好等優(yōu)點(diǎn)，但是該類機(jī)械手的抓取力相對(duì)來(lái)說(shuō)比較小，因此該類型機(jī)械手可以用于抓取一些小型物品，可以用做教學(xué)使用，同時(shí)也可以用作實(shí)驗(yàn)使用。浙江

31、大學(xué)的國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室-流體傳動(dòng)及控制實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā)的擁有三個(gè)自由度的氣動(dòng)比例/伺服機(jī)械手，該機(jī)械手具有控制精度高、軌跡跟蹤性能好等優(yōu)點(diǎn)，該機(jī)械手成功的運(yùn)用到氣動(dòng)書(shū)法機(jī)器人上。但是該機(jī)械手也存在工作空間小，抓取力較小的缺點(diǎn)，因此限制了它的應(yīng)用范圍，只可用于如娛樂(lè)行業(yè)等行業(yè)，不可用于裝卸貨物使用等工業(yè)行業(yè)。隨著電子技術(shù)和電路集成技術(shù)的迅速發(fā)展，現(xiàn)代工業(yè)機(jī)械手將氣動(dòng)技術(shù)與電子技術(shù)緊密結(jié)合，氣動(dòng)機(jī)械手的實(shí)用性在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域里越來(lái)越充分的體現(xiàn)了出來(lái)，特別是目前國(guó)內(nèi)外一些專家學(xué)者正在努力嘗試將現(xiàn)代控制理論與智能控制算法與氣動(dòng)工業(yè)機(jī)械手結(jié)合起來(lái)，并取得了一定的研究成果，這樣無(wú)疑將使以后的氣動(dòng)工業(yè)機(jī)械手具

32、有更高的精度、更加集成化、更加智能化，這就為氣動(dòng)工業(yè)機(jī)械手全面入住工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域鋪平了道路。1.4 工業(yè)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)組成及分類1.4.1 工業(yè)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)現(xiàn)代工業(yè)機(jī)械手一般由控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、位置檢測(cè)系統(tǒng)及執(zhí)行機(jī)構(gòu)等組成?？刂葡到y(tǒng)是機(jī)械手系統(tǒng)的核心部分，它的主要作用是使得工業(yè)機(jī)械手能夠按照預(yù)定的動(dòng)作正確的完成每一個(gè)動(dòng)作。目前工業(yè)機(jī)械手的控制系統(tǒng)一般都包括主控系統(tǒng)與定位系統(tǒng)。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是工業(yè)機(jī)械手的動(dòng)力裝置，它的主要作用是作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)源，它由動(dòng)力源和輔助裝置組成。當(dāng)前市場(chǎng)上的絕大部分工業(yè)機(jī)械手采用的驅(qū)動(dòng)方式為液壓驅(qū)動(dòng)、電力驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)和機(jī)械方式驅(qū)動(dòng)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)是工業(yè)機(jī)械手的最終執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它

33、的作用是完成工件的取送工作，當(dāng)前市場(chǎng)上大多數(shù)工業(yè)機(jī)械手的執(zhí)行機(jī)構(gòu)為手抓、夾鉗和吸盤。位置檢測(cè)系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)械手精確定位的裝置，它的主要作用是實(shí)時(shí)檢測(cè)機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)的具體位置并將機(jī)械手的位置信息實(shí)時(shí)反饋給控制系統(tǒng)，而控制系統(tǒng)根據(jù)反饋回來(lái)的機(jī)械手位置與給定機(jī)械手位置進(jìn)行比較，及時(shí)的修正機(jī)械手的位置，實(shí)現(xiàn)精確定位。1.4.2工業(yè)機(jī)械手的分類關(guān)于工業(yè)機(jī)械手的分類，在國(guó)際上尚無(wú)統(tǒng)一的分類，本文在此暫時(shí)按驅(qū)動(dòng)方式、手臂坐標(biāo)、使用范圍對(duì)工業(yè)機(jī)械手進(jìn)行分類。按驅(qū)動(dòng)方式分類：（1) 液壓傳動(dòng)機(jī)械手液壓傳動(dòng)機(jī)械手是以液壓的壓力作為動(dòng)力源來(lái)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的一類機(jī)械手。這類機(jī)械手的特點(diǎn)是：運(yùn)行平穩(wěn)、抓取力大、結(jié)構(gòu)

34、緊湊、動(dòng)作靈敏。但是這類機(jī)械手也存在一定的缺點(diǎn)，它對(duì)密封裝置要求非常高，要求密封裝置不能有一點(diǎn)的泄露，否則機(jī)械手的工作性能將大大的降低，同時(shí)該類型的機(jī)械手不宜在溫度過(guò)高和溫度過(guò)低的環(huán)境下作業(yè)。如果該類型機(jī)械手采用電氣和液壓伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)相結(jié)合的控制策略，則可以大大的提高機(jī)械手的整體性能，還可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌跡控制，從而加大該類型機(jī)械手的通用性，但是電液伺服閥制造精度相對(duì)較高，而且油液過(guò)濾要求極其嚴(yán)格，成本也非常高，這就大大的限制了液壓傳動(dòng)型機(jī)械手的應(yīng)用。（2) 氣壓傳動(dòng)機(jī)械手氣壓傳動(dòng)機(jī)械手是以空氣的壓力作為動(dòng)力源來(lái)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的一種機(jī)械手。這類機(jī)械手的主要特點(diǎn)是:動(dòng)作迅速、成本較低、抓取力較小、

35、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、介質(zhì)來(lái)源非常方便且無(wú)污染。但是，由于空氣具有可壓縮性，導(dǎo)致該類型機(jī)械手的工作速度穩(wěn)定性比較差，沖擊較大，如果氣源壓力比較低，抓取力一般小于300N，相比之下，該類型的機(jī)械手比液壓傳動(dòng)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)大，因此該類型機(jī)械手適用于高速度、小負(fù)載、高溫度和高粉塵的工作環(huán)境中進(jìn)行作業(yè)。（3) 電力傳動(dòng)機(jī)械手電力傳動(dòng)機(jī)械手是以電力作為驅(qū)動(dòng)源來(lái)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的一類機(jī)械手，一般來(lái)說(shuō)以直流電機(jī)、交流電機(jī)等各種電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)源，該類型的機(jī)械手的特點(diǎn)是：運(yùn)行速度快、易于控制、控制精度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)與使用方便。當(dāng)前這類機(jī)械手使用還不是很廣泛，但非常有發(fā)展前途。（4) 機(jī)械傳動(dòng)機(jī)械手機(jī)械傳動(dòng)機(jī)械手即由機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

36、（如凸輪、齒輪和齒條、連桿、間歇機(jī)構(gòu)等）驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的一類機(jī)械手。它是一種專用機(jī)械手，它的主要特點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)精確可靠，主要用于工作主機(jī)的上下料。按手臂坐標(biāo)分類：機(jī)械手的手臂一般來(lái)說(shuō)具有3個(gè)自由度，可采用直角坐標(biāo)式（前后運(yùn)動(dòng)、上下運(yùn)動(dòng)、左右運(yùn)動(dòng)都是直線）、圓柱坐標(biāo)式（前后運(yùn)動(dòng)、上下運(yùn)動(dòng)都是直線運(yùn)動(dòng)，左右運(yùn)動(dòng)為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)）、球坐標(biāo)式（前后運(yùn)動(dòng)為伸縮運(yùn)動(dòng)、上下運(yùn)動(dòng)為擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)和左右運(yùn)動(dòng)為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)）和關(guān)節(jié)式（手臂能作任意的屈伸運(yùn)動(dòng)）四種方式。按用途分類：（1) 專用機(jī)械手專用機(jī)械手是附屬于主機(jī)的且具有一定的程序同時(shí)沒(méi)有獨(dú)立的控制系統(tǒng)的一類機(jī)械手。專用機(jī)械手的特點(diǎn)是：動(dòng)作較少、工作對(duì)象比較單一、結(jié)構(gòu)相對(duì)比較簡(jiǎn)單

37、、造價(jià)低、使用可靠。專用機(jī)械手適用于大批量的自動(dòng)化生產(chǎn)線，如自動(dòng)線上的上下料機(jī)械手、各種自動(dòng)機(jī)床、自動(dòng)換刀機(jī)械手等。如圖1-1為車床沖壓專用機(jī)械手。圖1-1沖壓專用機(jī)械手（2) 通用機(jī)械手通用機(jī)械手是一種具有可變程序的、具有獨(dú)立的控制系統(tǒng)且動(dòng)作靈活多樣的一類機(jī)械手。這類機(jī)械手的動(dòng)作程序在給定的性能范圍內(nèi)是可變的，通過(guò)調(diào)整可使得該類型的機(jī)械手在不同的場(chǎng)合使用，同時(shí)它的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)是相互獨(dú)立的。通用機(jī)械手具有定位精度高、工作范圍大、通用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，因而該類型的機(jī)械手可以適用于要求不斷變換生產(chǎn)品種且要求高精度和高效率的中小型批量生產(chǎn)線。如圖1-2為川崎通用機(jī)械手。圖1-2通用機(jī)械手53第2章

38、基于液壓驅(qū)動(dòng)的錨定機(jī)械手結(jié)構(gòu)及工作原理 第2章 基于液壓驅(qū)動(dòng)的錨定機(jī)械手結(jié)構(gòu)及工作原理2.1 引言 鐵道車輛在港口、廠礦等進(jìn)行裝卸車時(shí)，有很多場(chǎng)合需要將其予以固定，尤其是煤炭專用車輛。在翻車機(jī)卸煤作業(yè)線上，采用的固定方式較多，有夾輪器、壓車梁、靠車板、阻車器等。但是，對(duì)于在煤碼頭、電廠、各礦山上應(yīng)用較多的螺旋卸車機(jī)，尚無(wú)成熟的車輛固定設(shè)備，在卸車機(jī)，尤其是多個(gè)卸車機(jī)同時(shí)作業(yè)時(shí)，螺旋葉片側(cè)壁刮碰車廂使車輛產(chǎn)生移動(dòng)，車輛移動(dòng)后，需退回原來(lái)預(yù)定卸車位置，增加了輔助時(shí)間，影響作業(yè)安全和生產(chǎn)效率。為此，研制出鐵道車輛液壓錨定機(jī)械手，它是一種將力作用到車廂鉤頭的將鐵道車輛定位和位置鎖定的安全作業(yè)裝置，可自

39、動(dòng)實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的空間位置尋找、機(jī)械手與車輛掛鉤自動(dòng)連接、定位和位置鎖定。2.2 錨定機(jī)械手性能特性2.2.1 錨定機(jī)械手用途錨定機(jī)械手是為保證碼頭卸煤生產(chǎn)線的安全生產(chǎn)而設(shè)計(jì)的一臺(tái)機(jī)電液一體化機(jī)構(gòu)。秦港三公司原卸煤生產(chǎn)線的工作狀態(tài)是，10節(jié)裝滿煤炭的車輛互相連接，自由停放在鐵軌上，由5臺(tái)卸煤機(jī)同時(shí)進(jìn)行卸煤操作，將車輛中的煤炭橫向推出車輛，落入傳送帶上。同時(shí)卸煤機(jī)又作縱向運(yùn)動(dòng)以完成整節(jié)車輛內(nèi)的卸煤工作。這樣，多臺(tái)卸煤機(jī)的隨機(jī)縱向運(yùn)動(dòng)，使車輛產(chǎn)生了沿鐵軌方向的無(wú)規(guī)律自由運(yùn)動(dòng)，從而存在了兩大害處：一是經(jīng)常發(fā)生人身傷亡事故，嚴(yán)重影響了安全生產(chǎn)；二是車輛移動(dòng)后，需要推回原來(lái)預(yù)定的卸煤位置，增加了輔助時(shí)間，影

40、響生產(chǎn)效率。綜合上述兩大問(wèn)題本課題要完成的任務(wù)是：為該生產(chǎn)線研制出了一套機(jī)電液一體化的煤車自動(dòng)錨定機(jī)械手，消除事故隱患，提高生產(chǎn)效率。錨定機(jī)械手可廣泛應(yīng)用于一切在鐵路上停放的車輛裝卸過(guò)程中需要位置固定的場(chǎng)合，以及礦山、化工、電廠等物料裝卸車輛需要位置固定的作業(yè)環(huán)境。2.2.2 錨定機(jī)械手技術(shù)特點(diǎn)機(jī)械手錨定能力：可承受水平交變載荷400KN；錨定后在水平方向在交變載荷不大于400kN時(shí)，車輛不發(fā)生移動(dòng)。即錨定10節(jié)滿載煤炭的車輛（總重量800-1000T），可承受5臺(tái)自動(dòng)卸煤機(jī)同事卸煤作業(yè)時(shí)的推、拉力和沖擊力時(shí)，車輛不發(fā)生移動(dòng)。錨定范圍：1.5m，即可拖動(dòng)10節(jié)滿載煤炭的車輛，在軌道上1.5m范

41、圍內(nèi)找準(zhǔn)位置并定位、鎖緊。自動(dòng)錨定機(jī)械手安裝在兩導(dǎo)軌中間，非工作狀態(tài)可縮入軌道基面以下，保證鐵路車輛正常行駛無(wú)障礙，完全符合鐵路安全標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定；采用液壓缸驅(qū)動(dòng)大剛度四連桿機(jī)構(gòu)的機(jī)械結(jié)構(gòu)方案，解決了機(jī)械手在狹小的空間內(nèi)、起落高度大、又必須具有足夠的承載剛度、在粉塵條件在工作可靠的難點(diǎn)。機(jī)械手與車輛自動(dòng)連接和脫離技術(shù)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠，避免了傳統(tǒng)的鐵路工人現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)掛鉤和摘鉤的危險(xiǎn)性同時(shí)提高了卸煤的效率節(jié)省了人力。（1）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、剛度大、工作平穩(wěn)、無(wú)振動(dòng)、可靠性高。（2）體積小、可在鐵軌中間地基的坑內(nèi)安裝，不工作時(shí)，完全可以縮入坑內(nèi)，水平標(biāo)高設(shè)計(jì)在軌道面以下，完全符合鐵路有關(guān)安全方面的規(guī)定。（3）操作簡(jiǎn)

42、單、靈活。設(shè)有半自動(dòng)和手動(dòng)兩種操作，也可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)和遠(yuǎn)程控制，操作者可根據(jù)實(shí)際工作情況隨意選擇。2.2.3 錨定機(jī)械手性能指標(biāo)機(jī)械手升降距離：0.8M 機(jī)械手臂伸縮范圍：0-15M機(jī)械手作用力：450KN 液壓系統(tǒng)工作壓力：6MPa選取Y系列三相異步電動(dòng)機(jī)Y132M-4 額定功率為18.5KW轉(zhuǎn)速為1440r/min/MIN2.3 錨定機(jī)械手機(jī)械構(gòu)成2.3.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)液壓錨定機(jī)械手安裝于兩條鐵軌中間的地坑里，不工作時(shí)設(shè)備最高點(diǎn)低于軌面。圖2-1和圖2-2分別為錨定機(jī)械手機(jī)械結(jié)構(gòu)圖和現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)照片。液壓錨定機(jī)械手主要由升降臂、伸縮臂及末端手爪組成。上平臺(tái)由液壓升降缸驅(qū)動(dòng)做平行升降運(yùn)動(dòng)，伸縮臂(

43、錨臂)由液壓伸縮缸驅(qū)動(dòng)做水平直線運(yùn)動(dòng)，末端手爪的掛鉤裝置(詹天佑掛鉤)由液壓提鏈缸實(shí)現(xiàn)錨鉤與車輛的掛鉤與脫鉤操作。1、液壓伸縮缸 2、提鏈缸 3、掛鉤裝置 4、上固定座 5、下固定座 7、底座 8、中間連桿 9、導(dǎo)軌 圖2-1錨定機(jī)械手機(jī)械結(jié)構(gòu)（1)升降臂升降臂是利用升降缸驅(qū)動(dòng)的雙桿結(jié)構(gòu)的四連桿(平行四邊形)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)上平臺(tái)的水平升降。即采用2個(gè)側(cè)支撐桿和1個(gè)中間支撐桿，雙桿結(jié)構(gòu)能提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和桿件的強(qiáng)度。鐵道車輛錨定機(jī)械手在工作時(shí)升到軌面上840 mm，不工作時(shí)由此高度降到軌面以下，使得軌道上車輛正常行駛無(wú)障礙，符合鐵路安全標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。（2)伸縮臂由伸縮缸、導(dǎo)軌及輔助機(jī)構(gòu)等組成。在車輛完成定

44、位、升降臂起升到位后，由伸縮臂將末端手爪掛鉤裝置伸出對(duì)準(zhǔn)車輛鉤頭，完成掛鉤作業(yè)。圖2-2錨定機(jī)械手現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)照片（3)末端手爪為便于摘鉤，手爪內(nèi)設(shè)有由提鏈缸組成的自動(dòng)摘鉤器和鉤舌自動(dòng)回位彈簧。可以避免危險(xiǎn)的正鉤動(dòng)作。另外為了減緩卸車機(jī)的沖擊載荷，在車鉤的缸放至末端手爪下面，這樣可降低設(shè)備最高點(diǎn)的高度，有利于設(shè)備安全。另外，設(shè)備在不工作時(shí)，加上一防護(hù)裝置(本項(xiàng)目是通過(guò)在設(shè)備平臺(tái)上搭接一平板實(shí)現(xiàn)的)，以保證行人安全。機(jī)械手錨定后，在水平方向交變載荷不大于450 kN時(shí)，車輛不會(huì)發(fā)生移動(dòng)。即在錨定10節(jié)滿載(比如煤炭)車輛(總重量8001 000 t)，承受5臺(tái)自動(dòng)卸煤機(jī)同時(shí)卸煤作業(yè)時(shí)的推、拉力和沖擊

45、力時(shí)，車輛不會(huì)發(fā)生移動(dòng)?？赏蟿?dòng)10節(jié)滿載煤炭的車輛，在軌道上15 m范圍內(nèi)找準(zhǔn)位置并定位、鎖緊。所有運(yùn)動(dòng)副均采用自潤(rùn)滑軸承，并采用工程塑料圓筒防護(hù)套筒密封錨臂伸縮圓柱導(dǎo)軌方案，解決了運(yùn)動(dòng)副防粉塵污染問(wèn)題。2.3.2 錨定機(jī)械手工作原理錨定機(jī)械手的主要功能是使車輛定位。工作時(shí)，首先由升降缸驅(qū)動(dòng)升降臂5使平臺(tái)平移上升，上升到預(yù)定位置后，升降停止。而液壓伸縮缸1自動(dòng)伸出，由液壓伸縮缸驅(qū)動(dòng)鉤頭3與煤車鉤頭自動(dòng)掛接，掛接后液壓伸縮缸1通過(guò)PLC控制液壓?jiǎn)蜗蜷y實(shí)現(xiàn)自動(dòng)鎖緊，保證煤車在工作時(shí)不發(fā)生移動(dòng)，待煤車卸車完畢后，提鏈缸拔出鉤頭插銷，伸縮缸自動(dòng)縮回與煤車脫開(kāi)，伸縮缸縮回原位后，控制升降臂的升降缸自動(dòng)下

46、降，使上平臺(tái)下降至路面以下（從而保證不影響鐵路車輛的正常行駛），車輛繼續(xù)向前被拽走，此時(shí)完成一個(gè)工作循環(huán)。整個(gè)系統(tǒng)的一個(gè)工作周期只需要操作人員按兩次操作按鈕，其余動(dòng)作由PLC通過(guò)液壓電磁閥和行程開(kāi)關(guān)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)自動(dòng)化程度較高錨定機(jī)械手安裝于兩條鐵軌中間的地坑里，不工作時(shí)上端低于軌道面，不影響鐵路行車安全。上平臺(tái)由液壓升降缸驅(qū)動(dòng)作平行升降運(yùn)動(dòng)，掛鉤裝置（詹天佑掛鉤）由液壓伸縮缸驅(qū)動(dòng)作直線運(yùn)動(dòng)，提鏈缸實(shí)現(xiàn)錨鉤與車輛的掛鉤與脫鉤操作。車輛到位后的自動(dòng)上升掛合操作順序?yàn)椋簷C(jī)架升起、拔銷、鎖銷落下（提鏈松弛、）錨臂伸出、與車輛掛鉤撞合（鎖銷插入）、卸煤機(jī)卸煤。卸煤完了后的自動(dòng)脫鉤下降操作順序?yàn)椋喊武N（

47、錨鉤自動(dòng)張開(kāi)）、錨臂縮回、鎖銷落下（提鏈松弛）、機(jī)架下降、拖走車輛。2.4 錨定機(jī)械手的液壓系統(tǒng)2.4.1 液壓系統(tǒng)液壓傳動(dòng)相對(duì)機(jī)械傳動(dòng)來(lái)說(shuō)是一門新技術(shù)，但從17世紀(jì)中葉帕斯卡提出靜壓傳動(dòng)原理、18世紀(jì)末英國(guó)制成世界上第一臺(tái)水壓機(jī)算起也已有二三百年的歷史了。近代液壓傳動(dòng)在工業(yè)上的真正推廣使用使用是在本世紀(jì)中葉以后的事，至于它和微電子技術(shù)密切結(jié)合，得以在盡可能小的空間內(nèi)傳遞出盡可能大的功率精確控制，更是近代十幾年內(nèi)出現(xiàn)的新鮮事物。液壓傳動(dòng)裝置主要由以下四部分組成：（1）能源裝置把機(jī)械能轉(zhuǎn)化成油液液壓能的裝置。最常見(jiàn)的形式就是液壓泵，它給液壓系統(tǒng)提供壓力油。（2）執(zhí)行裝置把油液的液壓能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能

48、的裝置。它可以是做直線運(yùn)動(dòng)的液壓缸，也可以是做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的液壓馬達(dá)。（3）控制調(diào)節(jié)裝置對(duì)系統(tǒng)中的油液壓力、流量或者流動(dòng)方向控制或調(diào)節(jié)的裝置。（4）輔助裝置上述三部分以外的裝置。2.4.2 詹天佑掛鉤原理本課程采用詹天佑掛鉤實(shí)現(xiàn)車輛的錨定與鎖定。詹天佑掛鉤是我國(guó)自主研發(fā)的專門應(yīng)用于鐵道工業(yè)的技術(shù)。詹天佑掛鉤由液壓伸縮缸驅(qū)動(dòng)做直線運(yùn)動(dòng)，提鏈缸實(shí)現(xiàn)錨鉤與車輛的掛鉤與脫鉤操作。詹天佑掛鉤的工作原理如圖2-3所示。詹天佑掛鉤掛合后，需要插入銷才能固定。掛合時(shí)擋板讓開(kāi)，銷靠自重落入銷孔，將掛鉤固定，此時(shí)即可進(jìn)行卸煤。卸煤結(jié)束后，銷需要用提鏈缸拔出來(lái)（此時(shí)缸為伸出運(yùn)動(dòng)），拔出后缸縮回，銷落下，擋板將其定位（而

49、不是落入銷孔，這樣詹天佑掛鉤可以脫鉤），同時(shí)提鏈松弛。圖2-3 詹天佑掛鉤工作原理2.4.3 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)機(jī)械手采用節(jié)能設(shè)計(jì)方法，由液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，取代采用關(guān)節(jié)處的電機(jī)驅(qū)動(dòng)。這一特點(diǎn)主要考慮了工作時(shí)所需動(dòng)力大、停止時(shí)需要保持一個(gè)不變的位姿。液壓系統(tǒng)主要由能源部分、控制閥臺(tái)及三個(gè)控制油缸組成。錨定機(jī)械手液壓系統(tǒng)原理圖如圖2-3所示，系統(tǒng)的工作壓力為6MPA，流量為100 L/MIN。系統(tǒng)工作時(shí)，利用系統(tǒng)壓力驅(qū)動(dòng)由液壓換向閥控制三個(gè)液壓缸實(shí)現(xiàn)升降臂、伸縮臂、末端手爪等的動(dòng)作，當(dāng)手爪與車輛掛合后，液壓換向閥均處于中位，利用液壓鎖實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的鎖定，此時(shí)7DT失電，系統(tǒng)卸荷，以節(jié)省能源并避免系統(tǒng)發(fā)熱。液壓缸

50、至控制閥之間的壓力由負(fù)荷決定，設(shè)計(jì)最大壓力為25 MPA。壓力調(diào)節(jié) 壓力回路是控制液壓系統(tǒng)整體或某部分的壓力，以使執(zhí)行元件獲得所需的力或轉(zhuǎn)矩、或保持受力狀態(tài)的回路。這類回路包括調(diào)壓、減壓、保持、釋壓、平衡、卸荷等多種。調(diào)壓回路的功用是使液壓系統(tǒng)整體或某部分的壓力保持恒定或不超過(guò)某個(gè)數(shù)值。有些調(diào)壓回路還可以實(shí)現(xiàn)多級(jí)壓力的變換。有上述系統(tǒng)工作原理，系統(tǒng)工作壓力由溢流閥5調(diào)定，調(diào)壓力為6MPA，溢流閥13.1、13.2、13.3、13.4的壓力應(yīng)調(diào)整為25MPA，可實(shí)現(xiàn)雙向最小45T的定位能力，因提鏈缸的負(fù)載較小，因此溢流閥7的壓力調(diào)節(jié)為4MPA。方向控制回路 錨定機(jī)械手的動(dòng)作順序可用電磁鐵的通斷點(diǎn)

51、順序來(lái)控制。錨定機(jī)械手在港口作業(yè)時(shí)液壓系統(tǒng)流程（電磁閥動(dòng)作）：電磁閥4DT得電機(jī)架上升、電磁閥5DT得電時(shí)機(jī)架下降、電磁閥2DT得電時(shí)錨臂伸出、電磁閥3DT得電時(shí)錨臂縮回、電磁閥6DT得電時(shí)提鏈缸放、電磁閥7DT得電時(shí)提鏈缸提、電磁閥1DT得電時(shí)油液流回油箱（電磁閥DT，控制電壓均為DC24V）。表1為實(shí)現(xiàn)上述動(dòng)作要求的液壓電磁閥的動(dòng)作表。1、油箱 2、泵 3、空氣濾清器 4、電動(dòng)機(jī) 5、電磁溢流閥 6、電接溫度計(jì) 7、加熱器8、回油濾油箱 9、液位器 10、電液換向閥 11、電磁換向閥 12、壓力繼電器 13、溢流閥圖2-4液壓系統(tǒng)原理圖表1 電磁閥動(dòng)作表動(dòng)作順序升降缸伸4DT升降缸縮5DT

52、錨臂伸縮缸伸2DT錨臂伸縮缸縮3DT提鏈缸伸6DT提鏈缸縮7DT機(jī)架上升+拔銷+鎖銷落下+錨臂伸出+掛合車輛拔銷+錨臂縮回+鎖銷落下+機(jī)架下降+液壓傳動(dòng)機(jī)械手的緩沖和定位 機(jī)械手的手臂運(yùn)動(dòng)到設(shè)定位置時(shí)，電控系統(tǒng)按時(shí)間或位置檢測(cè)信號(hào)關(guān)閉電磁閥，切斷油路而使機(jī)械手定位。在手臂的行程設(shè)定位置，設(shè)置有觸點(diǎn)的行程開(kāi)關(guān)，當(dāng)手臂運(yùn)動(dòng)到設(shè)定位置時(shí)，安在運(yùn)動(dòng)部件上的碰塊與行程開(kāi)關(guān)相接觸而發(fā)出電信號(hào)，經(jīng)電控系統(tǒng)關(guān)閉電池閥，切斷油路實(shí)現(xiàn)定位。這種用行程開(kāi)關(guān)檢測(cè)信號(hào)的方法，僅適用于在一個(gè)行程上只要求兩個(gè)定位位置的場(chǎng)合。2.4 本章小結(jié)本節(jié)主要對(duì)機(jī)械手機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究與探索，介紹了錨定機(jī)械手的技術(shù)特性、機(jī)械結(jié)構(gòu)及的關(guān)

53、鍵部件、詹天佑掛鉤工作原理、液壓系統(tǒng)工作原理、工藝流程和有關(guān)設(shè)計(jì)要求，同時(shí)完成了機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。第3章 基于PLC控制的錨定機(jī)械手電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1 引言 自從電氣化革命以來(lái)，自動(dòng)控制技術(shù)得到了廣泛的發(fā)展，應(yīng)用于各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域。其中可編程控制器PLC是其代表。它是以微處理器為基礎(chǔ)，綜合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、半導(dǎo)體集成技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、數(shù)字技術(shù)、通 信網(wǎng)絡(luò)技發(fā)展起來(lái)的一種通用的工業(yè)自動(dòng)控制裝置。PLC以其可靠性高、抗干擾能力強(qiáng);控制系統(tǒng)構(gòu)成簡(jiǎn)單、通用性強(qiáng);編程簡(jiǎn)單、使用、維護(hù)方便;組合方便、功能強(qiáng)、應(yīng)用范圍廣、 體積小、重量輕、功耗低等顯著的優(yōu)點(diǎn)在冶金、化工、交通、電力等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用，成

54、為了現(xiàn)代工業(yè)控制三大支柱之一。根據(jù)本課題的研究設(shè)計(jì)背景以及操作要求，采用可編程控制器PLC控制代替人的反復(fù)的操作，可實(shí)現(xiàn)錨定機(jī)械手在卸煤作業(yè)時(shí)的可靠性、高效性、安全性，能達(dá)到較高的自動(dòng)化程度。便于自動(dòng)化技術(shù)的推廣和深入的研究發(fā)展。利用可編程控制器PLC控制能實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性，避免了人力資源的浪費(fèi)節(jié)省成本，同時(shí)大大降低了人員操作的安全隱患。可編程控制器PLC控制操作簡(jiǎn)單，便于操作人員根據(jù)作業(yè)實(shí)際情況做出相應(yīng)的調(diào)整，所以可編程控制器PLC的適應(yīng)性也很強(qiáng)，同時(shí)也符合現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化發(fā)展的要求。3.2 PLC的應(yīng)用和發(fā)展概況3.2.1 PLC發(fā)展史及定義在可編程序控制器問(wèn)世以前，工業(yè)控制領(lǐng)域中是繼電器控制占主

55、導(dǎo)地位。傳統(tǒng)的繼電器控制具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于掌握、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用甚廣。但是控制裝置體積大、動(dòng)作速度較慢、耗電較多、功能少，特別是由于它靠硬件連線構(gòu)成系統(tǒng)，接線繁雜，當(dāng)生產(chǎn)工藝或控制對(duì)象改變時(shí)，原有的接線刻控制盤（柜）就必須隨之改變或更換，通用性和靈活性較差。第一代：（1969年-1972年），代表產(chǎn)品有 美國(guó)DEC公司的PDP-14/L 日本立石電機(jī)公司的SCY-022 日本北辰電機(jī)公司的HOSC-20 第二代：（1973年-1975年），代表產(chǎn)品有 美國(guó)GE公司的LOGISTROT 德國(guó)SIEMENS公司的SIMATIC S3、S4系列 日本富士電機(jī)公司的SC系列 第三代：（1976-1983年），代表產(chǎn)品有 美國(guó)GOULD公司的M84、484、584、684、884 德國(guó)SIEMENS公司的SIMATIC S5系列 日本三菱公司的MELPLAC-50、550 第四代：（1983年現(xiàn)在），代表產(chǎn)品有 美國(guó)GOULD公司的A5900 德國(guó)西門子公司的S7系列 發(fā)展趨勢(shì)：產(chǎn)品規(guī)模向兩極分化 處理模擬量 追求高可靠性 通訊接口和智能模塊 系統(tǒng)操作站配高分辨率的監(jiān)視器 追求軟、硬件標(biāo)準(zhǔn)化。 PLC即可編程控制器（Programmable l