四自由度液压搬运机械手设计摘要: 通过对机床工件搬运机械手主要结构和运动形式的探究，以及对机械手的工作过程和控制要求分析，根据机械手动作循环图设计液压系统控制图;并采用欧姆龙控制器系统进行电气部分的软硬件设计，绘制了 PLC 的外部接线图和单循环自动工作状态流程图，将 PLC 技术应用于机械手具有整体技术及经济效益Abstract: The hydraulic system control was designed according to the cycle operation of manipulator，through the study of main structures and movement forms of the manipulator and the analysis on working processes and control requirements of the manipulator． The software and hardware design for the electrical part was done by using the Omron controller system． The external wiring diagram and automatic single cycle working state flow chart of the PLC were drawn． The application of PLC to manipulator would have technological and economic benefits．关键词:机械手，四自由度，搬运，液压驱动，PLC控制Key words: manipulator; Four dof handling PLC control hydraulic system 1、结构设计方案1.1机械手的机械结构常见的工业机械手根据手臂的动作形态，按坐标形式大致可分为以下4种：（1）直角坐标型机械手；（2）圆柱坐标型机械手；（3）极坐标系机械手；（4）多关节型机械手1.1.1机构原理这里的机械手可完成的动作有夹紧工件、手臂转位、松开卸料、手臂复位等基本动作，该机械手可看成是一个由4个自由度构成的机构（各组成部分的定义如图1所示）四自由度分别为基座的旋转、立柱的升降、大臂的伸缩以及小臂的旋转。
图一机械手的结构示意图2、驱动方案设计2.1 液压驱动系统2. 1.1 液压回路的设计图二液压系统控制图机械手动作顺序: 从原位开始右转升降臂下降伸缩臂伸出夹持器夹紧升降臂上升左转升降臂下降夹持器松开伸缩臂缩回升降臂上升，到原位若为单循环模式下运行，则原位等待，若为连续循环模式，则进入下一个周期上述动作均由行程开关或压力继电器发讯号控制相应的电磁换向阀，按程序依次顺序动作而实现(王增娣，2012) 。
拟定的液压系统图如图二2.2 液压系统分析1) 夹持器采用单出杆双作用缸，保证运动过程中夹紧工件，当夹持器夹紧工件后，由液控单向阀组成的锁紧回路可在意外失电的情况下，保持对工件的夹紧;2) 小臂回转采用摆动液压缸，正反方向均采用单向调速阀调速。
由于回转部分的重量大，悬臂较长，转动惯量大，手臂回转时具有很大的动能。
因此，采用调速阀回油节流调速，有缓冲作用;3) 手臂伸缩采用单出杆双作用缸，手臂伸出时，由单向调速阀进行回油节流调速，回油路调速阀的设置可以完成缓冲作用( 张文汉，2008) ;4) 手臂升降运动采用单出杆双作用缸，上升和下降均由单向调速阀回油节流调速。
因为升降缸为立式，在其液压缸下腔油路中安装单向顺序阀，避免因整个手臂的自重而下降，起平衡作用3、控制方案设计3. 1 PLC 的选型3. 1. 1 I /O 点数的估算机械手采用行程开关进行位置检测，根据下图所示， PLC 需要对电磁阀进行控制，当到达行程之后，使某一电磁铁得电或失电，使液压缸换向输入输出点如表1(付愚， 2005) 。
3. 1. 2 PLC 机型选择由上表 1 知: 输入 20 点，输出 9 点，总点数为29 留出20 %的余量: 总点数为29 + 6 = 35 点故选择40 点的 CPM2A- 40CDR- A 继电器触点输出型的 CPU 单元，有24 点输入， 16 点输出程序容量: 8× 35 = 280 字( 普通系K=8)图三 PLC接线图根据所选欧姆龙的 CPM1A- 40CDR- A 系列的内部元件及输入输出的相关元件、设备，编制出 PLC接线图，如图三所示3. 2 程序设计程序功能: 泵单按钮起动，泵起动后，机械手才能有动作; 操作分为手动模式和自动模式，自动模式又分为单周期运行和连续自动运行，手动采用点动方式，机械手在等待状态下，泵自动卸荷。
其状态流程图如图5 所示3. 3 助记符程序:LD 00108 泵起停DIFU( 13) 2000LD2000LD2000AND 01100KEEP( 11) 01100 泵单按钮起停控制LD NOT 00201AND NOT 00202AND NOT 00203AND NOT 00204AND NOT 00205AND NOT 00206AND NOT 00207AND NOT 00208AND NOT 00209AND NOT 00210AND 01100OUT 00200 手动等待/自动切换( 按下起动按钮00008 为 ON 后，自动进入自动模式)LD 00210AND 00009AND 00003LD 00200AND 00008OR LDOR 00201AND NOT 00202 AND NOT 00007 OUT 00201 工步1 LD 00201OR 00202AND 00000AND NOT 00203 AND NOT 00007OUT 00202 工步2LD 00202OR 00203AND 00004AND NOT 00204AND NOT 00007OUT 00203 工步3LD 00203AND 00104OR 00204AND NOT 00205AND NOT 00007OUT 00204 工步4( 部分)参考文献1 液压机械手技术与市场 1997-06-28 期刊 0 2762 基于PD型迭代学习的液压机械手轨迹控制张琦湖南科技大学学报(自然科学版) 2005-03-30 期刊 6 1683 基于机电液一体化的液压机械手设计及其控制赵旭东北大学 2010-06-01 硕士4 深海水下液压机械手驱动系统压力适应型控制器研制张艳浙江大学 2012-02-10 硕士5 放射源运输车及其应用液压机械手的设计研究贾起军吉林大学 2011-10-01 硕士326 基于液压机械手的绿化带自动浇灌装置设计王增娣机械工程与自动化 2012-12-15 期刊7 基于PLC的液压机械手控制系统改造张文汉科技广场 2008-07-01 期刊 1 1778 基于PLC的液压机械手的控制系统付愚湖南工程学院学报(自然科学版) 2005-06-25 期刊 4 5929 Lopez-Guede, J.M.,Fernandez-Gauna, B.,Graa, M. et al.Improving the control of single robot hose transport[J].Cybernetics and Systems,2012,43(1/4):261-275.10 Nouyan, S.,Gross, R.,Bonani, M. et al.Teamwork in Self-Organized Robot Colonies[J].IEEE transactions on evolutionary computation,2009,13(4):695-711.考文献目录序号题名作者来源发表时间来源数据库被引频次下载频次1 液压机械手技术与市场 1997-06-28 期刊 0 2762 基于PD型迭代学习的液压机械手轨迹控制张琦湖南科技大学学报(自然科学版) 2005-03-30 期刊 6 1683 基于机电液一体化的液压机械手设计及其控制赵旭东北大学 2010-06-01 硕士4 深海水下液压机械手驱动系统压力适应型控制器研制张艳浙江大学 2012-02-10 硕士5 放射源运输车及其应用液压机械手的设计研究贾起军吉林大学 2011-10-01 硕士326 基于液压机械手的绿化带自动浇灌装置设计王增娣机械工程与自动化 2012-12-15 期刊7 液压机械手电液比例系统模糊PID控制研究杨晶机械科学与技术 2013-06-15 期刊8 一种全自动液压机械手在马钢车轮公司的应用虞长银安徽冶金科技职业学院学报2011-01-15 期刊 0 579 基于AMESim的液压机械手负载敏感系统仿真研究王光磊矿山机械 2011-12-10 期刊 1 13610 三自由度液压机械手的PLC控制研究詹贵印可编程控制器与工厂自动化2007-07-15 期刊 3 61811 四自由度液压机械手液压系统设计胡海洪南昌大学 2012-06-30 硕士12 基于PLC的液压机械手控制系统改造张文汉科技广场 2008-07-01 期刊 1 17713 液压机械手科技简报 1975-03-12 期刊 0 11214 分解组装制动缸液压机械手铁道车辆 1977-04-01 期刊 0 2315 液压机械手握力的软抓取控制林建亚液压与气动 1987-05-01 期刊 1 7716 PC在全液压机械手中的应用姜佩东冶金自动化 1990-10-28 期刊 0 3917 复杂柔性车载液压机械手振动主动控制方法研究马振书系统仿真学报 2011-09-08 期刊 0 5418 基于PLC的液压机械手的控制系统付愚湖南工程学院学报(自然科学版) 2005-06-25 期刊 4 59219 配电作业液压机械手系统沼波正卫水利电力施工机械 1994-05-15 期刊 0 3420 数控机床液压机械手的PLC控制系统王焱玉机床与液压 2005-04-30 期刊 8 49421 关节式液压机械手脉码调制控制研究王宣银机械工程学报 2002-12-30 期刊 0 9022 新型液压升船机的设计和研究李昕涛中北大学学报(自然科学版) 2007-08-15 期刊 1 7923 水下作业液压机械手夹持力模糊控制技术的研究谭定忠机床与液压 2001-02-28 期刊 2 12924 基于多传感器信息融合的液压机械手控制模型研究张琦机床与液压 2005-03-30 期刊 2 13725 人工神经网络在机械手动力学辨识和位置控制中的应用陈默子机器人 1993-10-28 期刊 9 12426 液压机械手捣固机的研制杜丽红铁道建筑 2010-08-15 期刊 1 6027 压力适应型深海水下液压机械手及主从式多关节复合控制研究章艳浙江大学2006-11-01 硕士 4 30828 复杂柔性车载液压机械手弹性动力学建模方法研究马振书中国机械工程2010-01-25 期刊 0 15929 用于方形物件装卸液压机械手的设计何芹机床与液压 2010-09-28 期刊 1 15230 基于三菱FX1N PLC的液压机械手控制系统设计裴艳芳机床电器31] Lopez-Guede, J.M.,Fernandez-Gauna, B.,Graa, M. et al.Improving the control of single robot hose transport[J].Cybernetics and Systems,2012,43(1/4):261-275. [32] Nouyan, S.,Gross, R.,Bonani, M. et al.Teamwork in Self-Organized Robot Colonies[J].IEEE transactions on evolutionary computation,2009,13(4):695-711. [33] Nouyan, S.,Gross, R.,Bonani, M. et al.Teamwork in Self-Organized Robot Colonies[J].IEEE transactions on evolutionary computation,2009,13(4):695-711. [34] Zhang, D.,Wang, L.,Yu, J. et al.Coordinated Transport by Multiple Biomimetic Robotic Fish in Underwater Environment[J].IEEE Transactions on Control Systems Technology,2007,15(4):658-671.DOI:10.1109/TCST.2007.899153.[35] Bernheisel, J.D.,Lynch, K.M..Stable transport of assemblies: pushing stacked parts[J].IEEE transactions on automation science and engineering,2004,1(2):163-168.DOI:10.1109/TASE.2004.835575.。