机械手液压系统的电气控制说明书

序 言 ........................................................................................... 1 第一章 绪 论 ........................................................................ 2

1.1 机械手的概述 ................................................................. 2 1.2 设计要求 ......................................................................... 2 第二章 分析JS01工业机械手液压系统的特点及工作原理 3

2.1液压系统的特点 .............................................................. 3 2.2液压系统的分析 .............................................................. 4 2.3液压系统工作原理 .......................................................... 4 第三章 PLC控制系统 ........................................................... 10

3.1可编程控制器简介及应用 ............................................ 10 3.2可编程控制器的特点 .................................................... 10 3.3继电器-接触器控制线路的设计 ................................... 11 3.4继电器——接触器控制线路 ........................................ 12 3.5一些低压电器的选择 .................................................... 16 第四章 可编程控制器PLC控制系统的设计 ........................ 19

4.1 可编程控制器控制系统设计的基本原则 ................... 19 4.2 可编程控制器系统设计的步骤 ................................... 19 总 结 ....................................................................................... 22 参考文献 ..................................................................................... 23

I

序 言

机械手的概念和分类

机械手，英文名mechanical hand，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。

1

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

本节介绍的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。

2

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。

手臂伸缩缸手臂回转缸手指夹紧缸手腕回转缸定位缸手臂升降缸图1 JS01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

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1 JS01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 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 + + + + + + + + + 10Y + 11Y 12Y + + + + + + + K26 - + + + + + + + 4

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。

5

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

6

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

） 、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

7

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

）

8

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

）

，机械手复位。

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

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。

9

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（PROGRAMMABLE CONTROLLER，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

10

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。

11

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，继电器工作顺序如下 ： 1．插定位销

按下SB3，中间继电器K1线圈得电并自锁；1Y，12Y，K26得电，机械手的定位缸右移，到达极限位置时，插上定位销。 2．手臂前伸

当定位缸到达极限位置时，同时会触动行程开关ST1，中间继电器K2得电并

12

图2 继电器电气原理图

13

自锁，中间继电器K2的辅助动断点断开，1Y失电，同时5Y得电，手臂伸缩缸开始前伸，实现手臂前能。 3．手指张开

当手臂伸缩缸伸到一定位置时触动行程开关ST2，中间继电器K3得电并自锁，中间继电器K3的辅助动断点断开，5Y失电；同时9Y得电，手指夹紧缸向右滑动，实现手指张开功能。 4．手指抓料

当手指夹紧缸向右滑动到一定位置时触动行程开关ST3，中间继电器K4得电并自锁，中间继电器K4的辅助动断点断开，9Y失电；手指夹紧缸向左滑动，从而实现手指抓料功能。 5．手臂上升

当手指夹紧缸向左滑动到一定位置时触动行程开关ST4，中间继电器K5得电并自锁，中间继电器K5的辅助动断点断开，1Y失电；同时3Y得电，手臂升降缸开始上升，从而实现手臂上升功能。 6. 手臂缩回

当手臂升降缸上升到一定位置时触动行程开关ST5，中间继电器K6得电并自锁，中间继电器K6的辅助动断点断开，3Y失电；同时6Y得电，手臂伸缩缸开始向右滑动，从而实现手臂缩回功能 7．手腕回转

当手臂伸缩缸向右缩到一定位置时触动行程开关ST6，中间继电器K7得电并自锁，中间继电器K7的辅助动断点断开，6Y失电；同时10Y得电，手腕回转缸开始转动，从而实现手腕回转功能 8．拔定位销

当手腕回转缸转动到一定位置时触动行程开关ST7，中间继电器K8得电并自锁，中间继电器K8的辅助动断点断开，12Y失电，K26失电，10Y失电；拔出定位销。 9．手臂回转

当定位缸向左滑动到一定位置时会触动行程开关ST8，电磁阀7Y得电并自锁，手臂回转缸开始转动，实现手臂回转功能。 10．插定位销

当手臂回转缸转动到一定位置时会触动行程开关ST9，中间继电器K10得电并自锁，其辅助动断点断开，7Y失电；中间继电器K9得电，其辅助动合点关闭，12Y得电，K26得电，机械手的定位缸右移，触动行程开关ST11时，插上定位销。 11．手臂前伸

14

当定位缸触动行程开关ST10，中间继电器K13得电并自锁，中间继电器K11得电，其动合触点关闭，5Y得电；中间继电器K12得电，其动断触点断开，1Y失电；手臂伸缩缸开始前伸，实现手臂前伸功能。 12．手臂中停

当手臂伸缩缸触动行程开关ST11，中间继电器K14得电并自锁，同时其动断中间继电器K11得电，其动合触点关闭，5Y失电；同时6Y时间继电器KT0得电，开始延时。 13. 手指张开

延时1S，延时开关KT0闭合，中间继电器K15得电，其动短触点断开，此时，中间继电器K12失电，其动断触点闭合，1Y得电；中间继电器K16得电，其动合触点闭合，9Y得电；手指夹紧缸向右滑动，实现手指张开功能。 14． 手指闭合

当手指夹紧缸向右滑动到一定位置时，触动行程开关ST12中间继电器K17得电并自锁，其动断触点断开，9Y失电；手指夹紧缸向左滑动，实现手指闭合。 15．手臂缩回

当手指夹紧缸向左滑动到一定位置时，触动行程开关ST13中间继电器K20得电并自锁，中间继电器K18得电，其动断触点断开，1Y失电；中间继电器K19得电，其动合触点闭合，6Y得电，手臂伸缩缸向右滑动实现缩回功能。 16. 手臂下降

当手臂伸缩缸向右滑动到一定位置时，触动行程开关ST14中间继电器K21得电并自锁，其动断触点断开，6Y失电；同时4Y得电，手臂升降缸开始下降实现手臂下降功能。 17. 手腕反转

当手臂升降缸下降到一定位置时，触动行程开关ST15，中间继电器K22得电并自锁，其动断触点断开，4Y失电；同时11Y得电。手腕回转缸开始转动，实现反转功能。 18. 拔定位销

当手腕回转缸转到一定位置时，触动行程开关ST16，中间继电器K23得电并自锁，其动断触点断开，11Y失电，12Y失电，压力继电器K26失电。定位缸开始向左滑动，拔下定位销。 19. 手臂反转：

当定位缸向左滑动到一定位置时，触动行程开关ST17，中间继电器K24得电并自锁；同时8Y得电。手臂回转缸开始转动，实现手臂反转动。 20. 待料卸载

15

当手臂回转缸转到一定位置时，触动行程开关ST18，2Y得电，实现待料卸载。KT1得电开始计时，延时3S后，中间继电器K25得电,所有动作结束。

3.5一些低压电器的选择

在设备电气控制线路中，为了满足生产工艺及电力拖动的需要，电动机要经常地起动、制动、改变运动方向、调节转速；当电路发生过载、短路、欠压或失压等情况时，控制电路的保护环节还应当自动切断电路，保护线路和设备。所有这些要求都需要借助于电器来完成。

由于各类电器在设备电气控制系统中所处的位置和所起的作用不同，其因此选用的方法也不尽相同。生产机械常用低压电器的选择，主要依据是电器产品目录上的各项指标或数据。正确合理地选择低压电器是电气系统安全运行、可靠工作的保证。

对于电气元件的选择，在选择时我们应注意以下几点：

⑴：根据对控制元件功能的要求，确定电气元件功能的要求，确定电气元件类型。如继电器与接触器，当元件用于通，断功率较大的主电路时，应选择交流接触器；若元件用于切换功率较小的电路（如控制电路）时，则应选择中间继电器；若伴有延时要求时，则应选用时间继电器。

⑵根据电气控制的电压，电流及功率的大小来确定元件的规格，满足元器件的负载能力及使用寿命。

⑶掌握元器件预期的工作环境及供应情况，如防油，防尘，货源等。 ⑷为了保证一定的可靠性，采用相应的降额系数，并进行一些必要的技术和校核。

1 、按钮

按钮通常是用来短时间接通或断开小电流控制电路的开关。

目前按钮在结构上有多种形式：旋钮式——手动旋转进行操作；指示灯——按钮内装入了信号指示灯；紧急式——装有蘑菇形式旋帽，用于紧急操作；等等。一般来说，停止按钮采用红色。按钮主要根据所需要的触点数，使用场合及颜色来选择。

2 、低压开关

低压开关主要包括如下几种。 1)刀开关

刀开关主要用于接通或切断长期改组设备的电源。一般刀开关的额定电压不超过500V额定电流为10A到上千安多种等级。有些刀开关附有熔断器。不带熔断器式刀开关主要有HD型及HS型，带熔断器式开关有HK，HR3系列等。刀开关主要根据电源种类，电压等级，电动机容量，所需极数及使用场来选择。

16

2)组合开关

组合开关主要是作为电源引入开关，所以也称电源隔离开关。它可以启停5KW以下的异步电动机，但每小时的接通次数不宜超过10次，开关的额定电流一般取电动机额定电流的1.5~2.5倍。

组合开关主要根据电源种类，电压等级，所需触点数及电动机容量进行选用。常用的组合开关为HZ-10系列，额定电流10A，25A，60A和100A四种，适用于交流电压380V以下，支流电压220V以下的电气设备中。

3)限位开关（行程开关）

限位开关是依据生产机械运动的行程位置而动作的小电流开关。它的选用主要根据机械位置对开关形式的要求，对触点数目，电压种类，电压与电流等级的要求来确定。机床常用的有LX2型，LX19型，JLXK1型，LXW11型和JLXK-111型微动开关等。对于要求动作快，灵敏度高的行程控制，可采用接近开关。接近开关也称为无触点限位开关，它是通过运动部件引起的电磁场变化而动作的。接近开关寿命长，可靠性好，但精度和价格不如限位开关。

4)自动开关

自动开关又称自动空气断路器，自动开关在压力机上应用的很广泛。这是因为自动开关既接通或分断正常工作电流，也能自动分断过载或短路电流，分断能力强，有欠压和过载短路保护作用。

选择自动开关应考虑其主要技术参数：额定电压，额定电流和允许切断的极限电流等。自动开关拖扣器的额定电流应等于或大于负载允许的长期平均电流；自动开关的极限分断能力要大于，至少要等于电路最大短路电流；自动开关拖扣器电流整定应按下面的原则：欠电压拖扣器额定电压等于主电路等于主电路额定电压；热拖扣器的整定电流与被控对象（负载）额定电流相等；电磁拖扣器的瞬时拖扣器整定电流应大于负载正常工作时的尖峰电流；保护电动机时，电磁拖扣器的瞬时拖扣电流为电动机启动电流的1.7倍。

3 接触器的选用

选择接触器主要依据以下数据：电源种类（直流或交流）；主触点额定电流；辅助触点的种类、数量和触点的额定电流；电磁线圈的电源种类、频率和额定电压；额定操作频率等。机床用的最多的是交流接触器。

交流接触器的选择主要考虑主触点的额定电流、额定电压、线圈电压等。 交流接触器主触点的额定电压一般按高于线路额定电压来确定。

根据控制回路的电压决定接触器的线圈电压。为保证安全，一般接触器吸引线圈选择较低的电压。但如果在控制线路比较简单的情况下，为了省去变压器，可选用380V电压。值得注意的是，接触器产品系列是按使用类 别设计的，所以

17

要根据接触器负担的工作任务来选用相应的产品系列。接触器辅助触点的数量、种类满足线路的需要。

4 继电器的选用 ㈠一般继电器的选用

一般继电器是指具有相同电磁系统的继电器，又称电磁继电器。选用时，除满足继电器线圈电压或线圈电流的要求外，还应按照控制需要分别选用过电流继电器、欠电流继电器、过电压继电器、欠电压继电器中间继电器等。另外电压、电流继电器还有交流、直流之分，选择时也应当注意。

㈡时间继电器的选择

时间继电器是压力机控制线路中常用电器之一。它的类型有：电磁式，空气阻尼式，电动式及电子式等。用的较多的是空气阻尼式时间继电器，它的特点是工作可靠，结构简单，延时整定范围较宽（可达0.4s～180s）

时间继电器型式多样，各具特点，选择时应从以下几方面考虑。 (1) 根据控制线路的要求来选择延时方式，即通电延时型或断电延时型。 (2) 根据延时准确度要求和延时时间的长短来选择。 (3) 根据使用场合、工作环境选择合适的时间继电器。 ㈢热继电器的选择

热继电器的选择应按电动机的工作环境、起动情况、负载性质等因素来考虑。一方面要充分发挥电动机的过载能力，另一方面，对电动机在短时过载与起动瞬间不受影响。

热继电器结构形式的选择。星形连接的电动机可以选择两相或三相结构的热继电器，三角形连接的电动机应当选择带断相保护装置的三相结构热继电器。

根据以上步骤及参考资料的查找，制定了本课程设计中继电器元件表。（见表2）

表2 压力机电气元件表 符号 M FR1 FU1 K KM SB KT0 KT1 ST 名称 异步电动机 热继电器 熔断器 中间接触器 交流接触器 控制按钮 时间继电器 行程开关 型号 JO2－21－4 JR16B－20 RL1－15 JZ7－44 CJ10－5 LA10 JZ7-1A JLXK1-311 规格 1.1KW 380V 2.67A 1410R/MIN 额定电流3.5A 整定电流2.67A 熔体15A 线圈电压127V 5A 线圈电压127V 40A 黑色 5A 380V/127 动作力大于20N 数量 1 1 1 25 1 3 2 18

18

第四章 可编程控制器PLC控制系统的设计

4.1 可编程控制器控制系统设计的基本原则

在设计可编程控制器系统时，应遵循以下基本原则。 1） 最大限速地满足控制要求

充分发挥可编程控制器功能，最大限度地满足被控对象的控制要求，是设计中最重要的一条原则。设计人员要深入现场进行调查研究，收集资料。同时要注意和现场工程管理和技术人员及操作人员紧密配合，共同解决重点问题和疑难问题。

2） 保证系统安全可靠

保证可编程控制器控制系统能够长期安全，可靠，稳定运行，是设计控制系统的重要原则。

3）力求简单，经济，使用与维修方便

在满足控制要求的前提下，一方面要注意不断扩大工程的效益，另一方面也要注意不断降低工程的成本，不宜盲目追求自动化和高指标。 4）适应发展的需要

适当考虑到今后控制系统发展和完善的需要。

4.2 可编程控制器系统设计的步骤

1）分析被控对象并提出控制要求

在设计继电器-接触器的时候我们已经对压力机液压系统的动作要求和功能进行了详细的分析，确定了其控制方案并拟订了任务书。 2）确定输入/输出设备

根据压力机液压系统的控制要求，确定系统所需的全部输入设备和输出设备。 输入设备：开关SB1， SB2，SB3，18个行程开关

输出设备：手臂伸缩缸的伸缩、手臂回转缸的回转、手指夹紧缸的夹紧与张开、手腕回转缸的转动、定位缸的滑动、手臂升降缸升降。 3）选择可编程控制器

本系统有输入信号19个，输出信号12个，均为开关量。根据输入/输出点数，类型及控制要求，同时考虑到维护，改造和经济性等诸多因素，由参考资料[1]表5-1选择可编程控制器型号为点，可满足控制要求。 4）软件编制

根据系统要求可知，绘制PLC电气原理图如图3，根据PLC电气原理图写出指令表，见表3。

19

-001，共有24个输入点，24个输出

3 PLC原理图

20

图

表3 系统指令表

步序 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 指令 LD M8002 SET S20 STL S20 LD X1 SET S21 OR X0 SET 1Y SET 12Y SET K26 STL S21 RST 1Y SET 5Y LD X2 SET S22 STL S22 SET 1Y RST 5Y SET 9Y LD X3 SET S23 STL S23 RST 9Y LD X4 SET S24 STL S24 RST 1Y SET 3Y LD X5 步序 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 指令 SET S25 STL S25 RST 3Y SET 6Y LD X6 SET S26 STL S26 SET 1Y RST 6Y SET 10Y LD X7 SET S27 STL S27 RST 10Y RST 12Y RST K26 LD X8 SET S28 STL S28 SET 7Y LD X9 SET S29 STL S29 RST 7Y SET 12Y SET K26 LD X10 SET S30 步序 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 指令 STL S30 RST 1Y SET 5Y LD X11 SET S31 STL S31 RST 5Y OUT T0 K10 LD T0 SET S32 STL S32 SET 1Y SET 9Y LD X12 SET S33 STL S33 RST 9Y LD X13 SET S34 STL S34 RST 1Y SET 6Y LD X14 SET S35 STL S35 RST 6Y SET 4Y 步序 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 指令 LD X15 SET S36 STL S36 SET 1Y SET 11Y RST 4Y LD X16 SET S37 STL S37 RST 11Y RST 12Y RST K26 LD X17 SET S38 STL S38 SET 8Y LD X18 SET S39 STL S39 RST 8Y SET 2Y OUT T1 K30 LD T1 SET S20 RET END 21

总 结

本次设计完成了简单的机械手液压系统的PLC电气控制部分的设计。在这段时间的设计中，参考了大量的参考资料，同时我们也作了大量的社会调查，结合实际完成了这套设计。

本篇设计的机械手液压系统的控制设计综合和运用了机械零件、液压系统、机械制图、PLC电气控制等知识，它主要是应用在那些单调、频繁的操作中用以代替人的劳动进行工作，它的主要优点是：

1. 工作时间持久，不会出现人的疲劳，可以重复不断的劳动，维持流水线的正常工作。

2. 对环境适应性强，可以在多粉尘、易燃、易爆、放射性强 等恶劣环境中工作。

3. 运动精确、灵活、特别是在计算机的控制下，可以达到非常高的精度要求。 4. 通用性好，除了特定用途外，适当改变手部，便可以完成喷涂、焊接等。 5. 工作效率高，提高劳动生产率的同时也提高了成本。

我通过这次课程设计，使我对继电器、控制器、PLC、液压系统有了进一步的了解。课堂上的知识为此次课程设计提供了正确的理论指导，而实践中遇到的问题又进一步加深和巩固了我们的知识，不但对机器控制系统的工作原理和特点有了深入认识，而且对各类元器件的作用及选用也进行了仔细研究。这次课程设计让我有一次复习了以前的内容并运用它做出了自己的东西，让我对机电控制技术产生了浓厚的兴趣。

课程设计对于一名工科类学生而言，是对大学所学的专业知识一个检验和运用的过程，经过此次课程设计，让我深切体会到作为一名机械设计人员必须面对的各种困难，同时也让我看到了自身的不足，更清楚了前进的方向。

22

参考文献

[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

23

致 谢

经过两周的努力终于完成了课程设计设计，由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方，如果没有导师的督促指导，以及一起工作的同学们的支持，想要完成这次设计任务是难以想象的。

本次课程设计是在吴吉平老师的精心指导下完成的，虽然他平日里工作繁多，但在我做课程设计设计的每个阶段，设计整个过程中倪老师都给予了我悉心的指导。在设计过程中我遇到了很多问题和难关，吴老师都耐心解答，并细心地纠正了图纸中的错误。除了敬佩吴的专业水平外，他的治学严谨和科学研究的精神也是我永远学习的榜样，并将积极影响我今后的学习和工作。

同时感谢和我一起并肩奋战的同学们，在我毕业生设计过程中对我的悉心指导，他们在设计过程中给与了我很大的帮助。正是有了互相的支持和鼓励，才得以顺利完成此次毕业设计。

通过本次设计使我加深了对PLC的理解，扩大和深化了专业知识面。因此我们只有通过不断加强学习，才能提高适应现代技术发展的能力和要求。

24