垃圾清运车机械手结构设计与仿真 机械工程及其自动化专业

摘 要

垃圾清运车的爪式机械手系统是本文研究的对象。垃圾桶的抓取、回收、拖动、翻转、倾倒、空桶返回复位等行为都是由机械手完成的，机械手是垃圾车的一个组成部分。根据任务书的技术规范和实际目标，规划了机械手的总体结构方案，以及机械手的运动学和结构优化设计。本文涉及的要点如下：机械手结构方案和控制系统的选择，基于电机型号选择的适用参数。建立了机械手的几何模型，研究了机械手系统的工作理论。包括主要零部件的设计。控制器选用PLC，是一种高稳定性的工业控制器，是为恶劣的工业环境专门设计制造的。该控制器使用西门子S7-200 PLC，这在中国很普遍。该驱动装置结构满足了设计的所有预期规格和目标。

关键词：控制器；PLC；机械手；垃圾清运

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ABSTRACT

The claw robot system of the refuse removal vehicle is the subject of this paper. The actions of grabbing, retrieving, dragging, turning, tipping and returning empty bins to reset are all performed by the manipulator, which is an integral part of the waste vehicle. According to the technical specifications and practical objectives of the assignment, the overall structural solution of the manipulator is planned, as well as the kinematic and structural optimisation design of the manipulator. The main points covered in this paper are as follows: the selection of the structural solution and control system for the manipulator, the applicable parameters based on the motor model selection. The geometric model of the manipulator is established and the working theory of the manipulator system is studied. The design of the main components is included. The controller was selected as a PLC, which is a highly stable industrial controller designed and manufactured specifically for harsh industrial environments. The controller was selected from a Siemens S7-200 PLC, which is commonly used in China.The drive was constructed to meet all the expected specifications and objectives of the design.

Keywords: Controllers; PLCs; robots; waste removal

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目 录

1 绪论 ......................................................... 1

1.1 研究背景 .......................................................... 1 1.2 国内外研究现状和趋势 .............................................. 2

1.2.1国外研究现状及趋势 .......................................... 2 1.2.1国外研究现状及趋势 .......................................... 2 1.3 本课题的研究内容 .................................................. 2

2 设计方案的论证 ............................................... 5

2.1 机械手的总体设计 .................................................. 5

2.1.1 机械手总体结构的类型 ........................................ 5 2.1.2 设计具体采用方案 ............................................ 6 2.2 机械手工作原理 .................................................... 6 2.3 机械手腰座结构的设计 .............................................. 7

2.3.1 机械手腰座结构的设计要求 .................................... 7 2.4 机械手手臂的结构设计 .............................................. 8 2.5 机械手腕部的结构设计 .............................................. 8 2.6 机械手末端执行器（手爪）的结构设计 ................................ 9 2.7 机械手的机械传动机构的设计 ........................................ 9

2.7.1 设计具体采用方案 ............................ 错误!未定义书签。 2.8 机械手驱动系统的设计 .............................. 错误!未定义书签。 2.9 机械人手臂的平衡机构设计 ......................................... 10

3 理论分析和设计计算 .......................................... 11

3.1 液压传动系统设计计算 ............................................. 11

3.1.1 确定液压系统基本方案 ....................................... 11 3.1.2 拟定液压执行元件运动控制回路 ............................... 11

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3.1.3 液压源系统的设计 ........................................... 11 3.1.4 绘制液压系统图 ............................................. 11 3.1.5 确定液压系统的主要参数 ..................................... 12 3.1.6 计算和选择液压元件 ......................................... 17 3.1.7 液压系统性能的验算 .......................... 错误!未定义书签。 3.2 电机选型有关参数计算 ............................................. 18

3.2.1 有关参数的计算 ............................................. 18 3.2.2 电机型号的选择 ............................................. 19

4 机械手控制系统的设计 ........................................ 21

4.1 机械手控制系统硬件设计 ........................................... 21

4.1.1 机械手工艺过程与控制要求 ................................... 21 4.1.2 机械手的作业流程 ............................ 错误!未定义书签。 4.1.3 机械手操作面板布置 ......................................... 21 4.1.4 控制器的选型 ............................................... 21 4.1.5 PLC外部接线设计 ........................................... 22 4.1.6 I/O地址分配 ............................................... 23 4.2机械手控制系统软件设计 ........................................... 24

4.2.1 机械手控制主程序流程图 ..................................... 24 4.2.2 机械手控制程序设计 ......................................... 24

5 结 论 ....................................................... 25 参考文献: ..................................................... 26 致 谢 ......................................................... 28 附件 .......................................................... 29

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1 前言

1.1 选题背景

近年来，我国社会经济发展加快，人民生活水平提高，公民的生活质量也提高了，但这也导致了日常垃圾的大量增加。因此，出现了越来越多的严峻的生态环境问题。环境卫生单位和垃圾处理厂的许多垃圾处理和运输车辆需要更新、改造和升级，以及解决垃圾问题的技术研究。

这种系统不仅劳动效率高，工作环境恶劣，而且收集运输效率也不高。在当今的城市化进程中，中国的环保设备与国际优秀的垃圾车存在一些差异。自动化技术和自主系统还处于不高的阶段。在垃圾处理和运输过程中，普遍采用人力动态和垃圾转运站。这种垃圾管理方式很可能在转运期间造成二次排放，危及中转站附近居民的生活。大城市高度严格的自然环境规则和立法，与散装垃圾收集和运输的不经济做法形成竞争。换乘站的土地与城镇的土壤资本相对较小，各不相同。因此，垃圾收集系统稳步发展。

垃圾收集运输通常分为收集、运输、处理三个步骤。本课题规划了一种侧装式垃圾收集运输车，对垃圾收集运输车的机械臂进行研究，以解决传统垃圾收集运输模式留下的问题。本研究的目的是对现有的垃圾收集处理系统进行改进，该系统仍然依靠人工，需要经过中转站，以改善工作环境，提高垃圾收集效率，消除垃圾再污染，降低人工劳动率。垃圾捡拾车的架构结合了以往垃圾车车型的优点，包括能够快速、有效地收集垃圾，还能通过控制软件完成机械手的自动抓取、持桶、回缩、提升、翻转等动作，以及自动倾倒垃圾和垃圾桶复位。垃圾收集车操纵器作为垃圾收集车的一个组成部分，合适替代人工，轻松处理环卫工人在垃圾收集和运输中的过错和缺点。图1.1描述了一个垃圾收集车的三维模型。

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图1.1 垃圾清运车机械手模型

1.2 国内外研究现状

1.2.1 国外研究现状及趋势

机械手是垃圾清运车系统中非常重要的工具，它的主要功能是在垃圾桶两侧清理出等待处理的路径，以及对垃圾桶进行抓取、搬运、回缩、提升、翻转、倾倒垃圾和复位。目前，国内外垃圾收集车的建设程度不同，存在较大差异。在垃圾收集车市场上，存在着明显的差异，德国的法恩公司、哈勒公司和美国的HEIL公司、斯肯登制造公司的制造技术和自动化水平变得比较先进。

盈峰环境、厦工楚胜、湖北程力专用车、福建龙马环卫等企业目前在垃圾清运车行业中知名度较高，但与国际垃圾车生产相比，还有很长的路要走。帮轨形式、接头式连杆式、梯式履带剪刀辅助、组合式操纵器等是国外最成熟的垃圾收集车操纵器形式。如图1.2所示，已投放市场的部分垃圾清运车车型。

导轨式机械手

关节连杆式

梯式剪刀

组合式

图1.2 市场中常见的垃圾清运车机械手

1.2.1 国内研究现状及趋势

近年来，国内很多学者开始研究这一特点，不仅将其作为垃圾收集车的操纵器，还

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将其作为一个完整的收集和运输系统。对比欧洲的垃圾车生产情况，朱曼曼谈了垃圾车发展的经验。描述了中国垃圾车的发展模式，以及发展中出现的问题。王敏对各类压缩式垃圾车进行了详细的阐述和定义，包括对中国这类垃圾车的历史现状和发展模式的总结，并指出了当前存在的问题，提出了替代方案和思路。

所有的企业都必须掌握核心技术，而操纵器专业技术在行业内是紧缺的。机械手集成也是一个竞争激烈的领域。在工业自动化系统行业中，很多专业技术都需要用到计算机、传动功能和机械手。在某些情况下，要求工业机械手机器人取代人类的工作岗位是各行各业的重要，国内需求的增长将是越来越多的机器人，提高劳动生产率、产品质量和经济效益，改善工人工作条件的作用是恶劣的工作条件和生产。世界工业机械手的生产精度高、速度快、光轴大、增长模式多，主要靠手的同类和人的手臂，将代替辛苦的工作。

1.3 本课题的研究内容

本研究的目的是对现有的垃圾收集处理系统进行改进，该系统仍然依靠人工，需要经过中转站，以改善工作环境，提高垃圾收集效率，消除垃圾再污染，降低人工劳动率。开发的侧装式垃圾收集器融合了以往垃圾车的优点。它具有有效、安全地收集垃圾的能力。通过控制软件可以很好地完成自动抓取、抓取、收回、提升、抛出等操作行为，以及垃圾倾倒和垃圾桶复位。垃圾收集车操纵器作为垃圾收集车的一个组成部分，合适替代人工，轻松处理环卫工人在垃圾收集和运输中的过错和缺点。我利用本科期间积累的机械设计能力，以及整理和阅读相关文献资料，自行进行了搬运机器人的结构设计和运动仿真。以下是主要的设计任务。 1.确定机械手的基本形式。

按照机构自由度的类型大致分为以下几种类型。在考虑到不同的考虑因素和被处理对象的形状特性后，最终选择圆柱坐标型机械手来进行搬运。确定选择圆柱坐标机械手后，搬运机械手的四个自由度的配置：手的开合、臂的旋转、提升和拉伸。 2.选择机械手各部分的驱动方式。

驱动系统是为搬运机器人提供驱动力的重要装置，根据驱动方式的不同，可以分为液压驱动、气动驱动、电机驱动、机械传动。

1.液压驱动：输出力矩大，冲击小，易实现连续轨迹控制，应用范围广。 2.气动驱动：输出力矩小，冲击严重，定位不精确，易控制，成本低。

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综合上述分析，结合工作任务的要求，本次搬运机器人设计采用电液混合驱动。

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2 设计方案的论证

2.1 机械手的总体设计

2.1.1 机械手总体结构的类型

1.直角坐标机器人结构

笛卡尔坐标显示的是直角坐标系转轴。由于直线运动完成完整的闭环位置控制很简单，所以笛卡尔坐标机器人可以实现较高的位置精度。但是，相对于机器人本体的大小，笛卡尔坐标机器人的运动空间非常有限。因此，为了达到特定的运动空间，笛卡尔坐标机器人的结构尺寸要比其他类型的机器人大得多。 2.圆柱坐标机器人结构

图2.1（b）圆柱坐标原理图，包含旋转和直线运动。这种机器人的基本配置，常用于执行任务。其工作区域的形状像一个立方体。 3.球坐标机器人结构

图2.1（c）是球坐标机的原理图，它由两个旋转运动和一个线性运动组成。这种机器人结构基本，价格低，精度低。它多用于涉及搬运的程序中。它的工作空间是准球形的。 4.关节型机器人结构

图2.1是关节机器人原理图，主要包括三个旋转运动构成。灵活的运动方式、轻巧的框架、最小的占地面积都是关节机器人的优点。机器人的工作空间相对于其身体的大小来说是非常大的。这种机器人被广泛应用于焊接、喷涂、搬运、装配等多种行业。

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a.直角坐标 b.圆柱坐标

c.球坐标 d.关节型

图2.1 四种机器人坐标形式

2.1.2 设计具体采用方案

由于规范要求垃圾桶最多可以承载30公斤的重量，考虑到机械手形状和规格复杂，以及满足系统工艺要求的前提下，决定尽量简化配置，以节约成本，提高效率。秤柱抬起的手臂为两条直线，另一条为旋转运动的手臂，考虑周全，关为三个自由度的操纵器，坐标形式为圆柱坐标形式优选，即一个旋转自由度的两个行走自由度，其特点是。该结构比较平稳，手臂活动范围较广，摆放比较精确。

2.2 机械手工作原理

垃圾收集车机械手自动收集垃圾的整个工作流程可以粗略地分为以下几个步骤：夹持容器、提升、回缩、翻转、倾倒、放桶、复位，每个操作都由液压缸和电机控制。

1）垃圾桶和端握得相对位置是任意的。在Y、Z两个方向上，升降液压缸的活塞和支柱的伸长量可以忽略不计，保证了整个机械臂、垃圾车和垃圾桶的运动都在一定范围内。

2）抓桶时，滑枕沿+Z方向拉伸一定的距离，然后在提升液压缸活塞的运动下，提升臂沿-Y方向移动一定的距离，使机械手的末端抓斗接近垃圾桶。在此阶段，翻转臂不做任何动作。最后，机械手末端的抓手通过爪式液压缸带动小齿轮和齿条机构，使左、右抓手合拢，夹住垃圾桶，抓手

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的位置是整个垃圾桶高度的三分之二。

3）升降和滑枕回缩，整个机械手带着垃圾桶沿+Y路径行走，提升液压缸的初始位置，滑枕沿Z轴回缩至固定座400mm上，将垃圾从地面上呈现出来，并保证了垃圾桶、机械臂与垃圾车车身的碰撞、碰触等，对垃圾桶有有利条件。

4）翻转过程中，爪式液压缸和升降液压缸不旋转，只有转动臂绕X轴旋转。旋转的液压缸控制旋转角度和角速度，最大旋转角度为135度。

5）当翻转臂旋转到最大角度135度时，倾倒过程开始。特别设置了2秒的保温时间，确保桶内垃圾满载到达垃圾车而不溢出。

6）垃圾桶复位后，垃圾已被扔掉，可先将机械臂沿X轴旋转到水平位置，然后沿+Z轴方向伸出整个机械臂一定距离，沿Y轴方向，再提高液压缸活塞长度，用于垃圾桶与大地的接触。夹持器的传动齿轮和齿条放松，垃圾桶的夹持动作放松，垃圾桶复位。升降液压缸的活塞在+Y轴上全部缩回，垃圾桶复位后回到零膨胀位置。沿Z轴，滑块全部缩回，并与机架对齐；夹持物体的爪状结构完全打开，底部隐藏。

2.3 机械手腰座结构的设计

2.3.1 机械手腰座结构的设计要求

电机与减速器依靠皮带传动，传动效率最好，能量损失也最低。目前的电机制动精度高，且控制方便，不需要增加额外的辅助系统，直接用电机与眼部底座齿轮连接，不仅减小了能量损失，而且增加了传动效率。图2.3描述了腰座的基本结构。

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图2.3 腰座结构图

2.4 机械手手臂的结构设计

由于手臂的动作都是直线运动，所以一般借助滚珠丝岗或者凸轮将曲线运动转换为直线运动。当考虑到运动部件的重量、制造工件的效率达到30KG时，可视为中等重量，当考虑到操纵器的动态效率和动作的耐久性、防护性、手臂的刚度时，则有较高的规格。从整体来看，这两种武器都是靠液压摩擦力推动的。

2.5 机械手腕部的结构设计

在满足系统技术提高保护和效率的标准的基础上，结合垃圾清运车的特殊类型和机械作业的具体要求，对垃圾清运车作业进行了具体研究。这种设计手腕并没有提高自由度，但实践证明，它完全可以满足三个自由度的标准，纳入操纵器抓取。图2.4描述了手腕的基本配置（手臂和爪子结合梁）。

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水平液压缸支承板手臂手爪联结梁执行手爪

图2.4手爪联结结构

2.6机械手末端执行器（手爪）的结构设计

手抓的工作原理依靠腕部的活塞，依靠活塞连杆推动齿条，手抓部位也连接齿轮，通过齿轮带动手抓的张合，按照张合的直径为50mm计算出齿轮传动比，下图显示了手抓的机械结构原理图。

图2.5机械手末端执行手爪结构图

2.7机械手的机械传动机构的设计

采用液压作为动力源，带动机械手和腕部，由于是直接传动减少了很多能量损失，所以传动精度高，能耗低，非常适合作为本次设计方案。这里只采用一档传动，传动比宽（100以上），齿轮强度高，材料硬度高，制作精度高。

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2.8机械人手臂的平衡机构设计

由于机械手采用圆柱坐标系设计，机械臂的结构设计以及整个机械手的设计和功能都是以机械臂的平衡为基础的，所以将机构优化成合理的布局，使机械臂尽可能地保持平衡。

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3 理论分析和设计计算

3.1液压传动系统设计计算

3.1.1确定液压系统基本方案

液压执行器由两部分来组成：一个是液压马达一个是液压缸前者用于实现旋转运动，后者用于实现直线运动。由于机械手的圆柱坐标形状为三个自由度，一个旋转，两个移动自由度，所以这种配置是可以接受的。腰部旋转是通过电机驱动来理解的，而另外两个运动则是直线运动，考虑到机械手的工作负荷和工作现场区域的精确条件对机械手的配置和定位精度，以及计算机功率的考虑。综上，往复运动采用活塞液压杆实现直线运动。

3.1.2拟定液压执行元件运动控制回路

液压执行器输入或输出的流量变化，以及密封室的体积变化，用来调节速度。节流阀调速、容积调速以及两容积节流阀调速的变化，都可以采用相应的调速模式。本设计的轨迹由电磁换向阀调节，速度主要由油门调速控制，主要通过使用比较简单的油门阀来完成。

3.1.3液压源系统的设计

液压作为动力的来源，需要保证动力充足且无杂质，通过节流阀实现速度调节，同时让多余的油返回收集起来，整个过程都是为了保证油压的稳定。容积速度控制机构采用变量泵输油，安全阀调节系统的最大压力。 所以本次设计采用溢流阀来控制油压，同时为了防止油的污染增加一个过滤器，减少杂质对泵体的伤害。

3.1.4绘制液压系统图

图3.1是机械手的液压装置示意图。垂直臂上升和下降、水平伸缩油缸/伸缩、执行爪夹紧和打开是三个执行器。动力和调节压力分别由异步电

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机和溢流阀构成。

由于手爪的工作需要柔和地抓取和快速地释放，所以该机采用了两个单向节流阀，节流影响不同。当5DT电源打开时，工作流体通过节气门V5进入柱塞缸； 当6DT电源关闭时，工作液会进入柱塞缸以引起快速释放。另外，由于机械手垂直油缸的重力下降方向与工作时的载荷方向一致，运动速度呈下降趋势，为了使运动运行平稳，同时力图将冲击、振动降到最低。V2平衡回路可以增加由油阻力T形成的下腔静脉的背压，以平衡重力载荷并确保安全。

图3.1 机械手的液压系统原理图

3.1.5确定液压系统的主要参数

液压系统的关键参数是压力和流量，它们是液压系统结构和元件选择的基础外部载荷决定应变，而液压执行器的速度和结构尺寸决定流量。

1.计算液压缸的总机械载荷

根据机构的工作情况液压缸所受的总机械载荷为

FFwFmFsfFfFb （3.1）

式中，Fw-----为外加载荷，以为水平方向无载荷，故为0。

Fm------为活塞上所受的惯性力；

Fsf------为密封阻力；

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Ff------为导向装置的摩擦阻力； Fb------为回油被压形成的阻力； （1）Fm的计算

FmGv （3.2） gt式中，G------为液压缸所要移动的总重量，取为100KG;

g------为重力加速度，9.81m/s2；

v------为速度变化量；

t------启动或制动时间，一般为0.01~0.5s，取0.2s

将各值带入上式，得：Fm=1.02N （2）Fsf的计算

FsfpfA1 （3.3）

式中，pf-----克服液压缸密封件摩擦阻力所需空载压力，如该液压缸工作压力＜16MPa，查相关手册取=0.2MPa；

A1------为进油工作腔有效面积；

启动时：Fsf565N 运动时：Fsf=283N

（3）Ff的计算

机械手水平方向上有两个导杆，内导杆和外导套之间的摩擦力为

FfGf （3.4）

式中，G------为机械手和所操作工件的总重量，取为100KG；

f------为摩擦系数，取0.1；

带入数据计算得：FfGf100*9.8*0.198N

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（4）Fb的计算

回油背压形成的阻力按下式计算

FbpbA2 （3.5）

式中，pb-----为回油背压，一般为0.3MPa~0.5MPa，取=0.3MPa

A2-----为有杆腔活塞面积，考虑两边差动比为2; 将各值带入上式有，Fb424N

分析液压缸各工作阶段受力情况，作用在活塞上的总机械载荷为

F1088N。

2.手爪执行液压缸工作压力计算 手爪要能抓起工件必须满足：

Nk1k2k3G （3.6）

式中，N-----为所需夹持力；

k1-----安全系数，通常取1.2~2，这里取1.5；

k2-----为动载系数，主要考虑惯性力的影响可按k21a估算，a为机g械手在搬运工件过程的加速度m/s2，a9.8m/s2，g为重力加速度；

k3-----方位系数，查表选取k31；

G-----被抓持工件的重量30kg；

带入数据，计算得： N120N； 理论驱动力的计算： p2b1N （3.7） R式中，p----为柱塞缸所需理论驱动力；

b----为夹紧力至回转支点的垂直距离； R-----为扇形齿轮分度圆半径；

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N-----为手指夹紧力；

---齿轮传动机构的效率，此处选为0.92； 其他同上。带入数据，计算得：P377N 计算驱动力计算公式为：

Fc式中，Fc-----为计算驱动力；

k1k4F （3.8）

k1---安全系数，此处选1.2；

k4---工作条件系数，此处选1.1；

其他同上。带入数据，计算得：

Fck1k4F1.21.11088920N

0.92 而液压缸的工作驱动力是由缸内油压提供的，故有

FcPA （3.9）

式中，P---为柱塞缸工作油压；

A----为柱塞截面积；

经计算，所需的油压约为：FcPA0.3777.953MPa 3.液压缸主要参数的确定

机械手系统的刚度和可靠性很重要。因此，液压缸的直径应首先根据刚度角来确定，以最大限度地保持结构的完整性和保护性，以及机械手的运动。厂家已经设定好液压缸的操作压力和速度。液压系统设计阶段采用所需的调速电路和模块，由外液压回路完成。在深入分析和详细考虑各变量后，得出以下参数:

表3-1 手爪执行柱塞缸参数 缸内径mm 20 壁厚mm 5 直径mm 20 行程mm 80 工作压力MPa 3~6 注：手爪柱塞缸工作压力由系统压力阀调定。

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表3-2 水平伸缩液压缸参数 缸内径mm 60 壁厚mm 10 杆直径mm 25 行程mm 400 工作压力MPa 1 由于伸缩油缸的主要目的是执行运动形式的伸缩直线运动，其轴线不在主导载荷下工作（由于夹持器夹持工件，可使力在垂直方向上被引导），其载荷主要是径向载荷，因此，其负载特性使其始终可以弯曲。考虑到稳定性问题，有必要增加工作行程，增加弯矩长度并增加强度。

因此，在卧式伸缩油缸的设计中，一个目标是优化其抗弯能力，另一个目标是通过合理的结构设计达到最大的刚度。系统中使用了两个导向杆，以克服长冲程活塞杆的稳定性和导向问题，以实现这一目标。为提高弯曲部分的模量，显著提高液压缸的工作稳定性，并增加结构的刚度和通用性，将两根导杆与另一侧的活塞轴组装成等边三角形分段形式。

表3-3 垂直液压缸参数 缸内径mm 60 壁厚mm 10 杆直径mm 25 行程mm 100 工作压力MPa 1 在油缸上施加一定的轴向载荷，有一个很大的翻转力矩。这里作为液压执行器很容易满足驱动力规格。要解决的最大问题是混凝土结构的刚度是否足以避免翻转。这里也采用了引杆机构，它是围绕着垂直升降油缸设置的。

4.液压缸强度的较核 （1）缸筒壁厚的较核

当D/10时，液压缸壁厚的较核公式如下： D[]0.4Py(1) （3.10） 2[]1.3Py式中，D----为缸筒内径，取60mm；

当缸的额定压力pn16MPa时，取为Py1.5pn； Py----为缸筒试验压力，

[]----为缸筒材料的许用应力，[]b/n，b为材料抗拉强度，经查

相关资料取为650MPa，n为安全系数，此处取n5；

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带入数据计算，上式成立。因此液压缸壁厚强度满足要求。 （2）活塞杆直径的较核 活塞杆直径的较核公式为

d4F （3.11） []式中，F-----为活塞杆上作用力，由上式知为1088N;

[]-----为活塞杆材料的许用应力,

此处[]b/1.4；

带入数据，进行计算较核得上式成立，因此活塞杆的强度能满足工作要求。

3.1.6计算和选择液压元件

1.液压泵的计算

（1）确定液压泵的实际工作压力pp

ppp1p1 （3.12）

式中，p1-------计算工作压力，前以定为4MPa；

p------对于进油路采用调速阀的系统，可估为（0.5~1.5）MPa，

1这里取为1MPa。

因此，可以确定液压泵的实际工作压力为

pp415MPa

（2）确定液压泵的流量

qpKqmax （3.13）

式中，K------为泄露因数，取1.1；

qmax-----为机械手工作时最大流量。

qmaxAv （3.14）

经计算得 qmax=3.140L/min

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带入上式得 qp1.13.1403.454L/min （3）确定液压泵电机的功率

P工2ppqmax60 （3.15）

式中，qmax------为最大运动速度下所需的流量，同前，取为3.140L/min；

pp-------液压泵实际工作压力，5MPa；

------为液压泵总效率，取为0.8；

带入数据计算得： P工22.控制元件的选择

根据系统的最佳操作压力和通过阀门的最大流量，每个控制因素是从标准组件样品中选择的。在考虑未来的工作时，本节材料将根据详细的标准并结合特定的项目进行深入解释。 3.油管及其他辅助装置的选择

（1）查阅设计手册，选择油管公称通径、外径、壁厚参数

选择液压泵出口流量以3.140L/min计，选取6；液压泵吸油管稍微粗些，53.140.654kw。

600.88；其余都选为5； （2）确定油箱的容量

一般取泵流量的3~5倍，这里取为5倍，有效容积为

V5qp53.216L

3.2电机选型有关参数计算

3.2.1有关参数的计算

因为在腰部旋转中只有摩擦力矩，所以在旋转圆的方向上没有其他扭矩，则在回转轴上有;

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TlFfRGfR （3.16）

式中，f-----为滚动轴承摩擦系数，取0.005；

G-----为机械手本身与负载的重量之和，取100KG；

R-----为回转轴上传动大齿轮分度圆半径，R=240mm； 带入数据，计算得

TlFfRGfR0.005*100*2400.12Nm

同时，腰部回转速度定为Nl=5r/min；传动比定为1/120；且，GDlmgD2 带入数据得： GDl=10.45667Nm2。

将其带入上（3.30）式，得：

Pa0.0068 P01.3227W；W；启动时间 ta0.002962s3ms； 制动时间 td3ms； 折算到电机轴上的负载转矩为：

TlFfRGfR0.005*100*2101.05Nm

3.2.2电机型号的选择

按照设计要求选择的步进电机，经过在市场考察和参数对比后选择的电机参数如下。基本型号为Sakrma-0301。在驱动方式上采用频率和电压提升。移动角：0.36°；同时，由于腰齿比为0，步进电机减速后转轴、转轴所在的实际步进角为步进电机实际伸长量的1/120（理论上）。虽然齿轮传动存在距离和非线性误差，但由于旋转轴的实际最小间隔角仍然很小，所以其精度很高，完全可以满足机械手上下料定位精度的规格。

型号 相数 步距角 静态相电流 相电阻 相电感 保持转矩 定位转矩 空载转动频率 重量 转动惯量 1 9

SAKRMA-0301 5 1.36/0.72 3 0.7 10.0 8 0.5 3.5 6.4 9700 图3.2所选电机相关参数

2 0

4 机械手控制系统的设计

4.1 机械手控制系统硬件设计

4.1.1 机械手工艺过程与控制要求

机械手的动作包括伸缩水平臂、垂直举臂、夹爪松开、腰部旋转。利用液压摩擦力来驱动垂直升降和水平伸展。相关电磁阀控制液压缸。按照电信号脉冲，实现液压阀的开合，当电机驱动时，液压阀打开，此时长臂开始直线运动，当达到指定位置时，手抓张开，抓取目标物，电磁阀控制腕部活塞进行直线运动，活塞向后移动那么手抓承收紧状态，当电磁阀断电时，活塞不运动，此时腰部电机开始运动。为了确保保护，当机械手旋转到机床顶部，准备放下装卸作业时，必须停止机床，并发出装卸指令，让机械手放下活动。同时，从工件材料箱中取出工件后，要评估工件是否还处于良好状态。

4.1.2机械手操作面板布置

图4.2描述了操作面板的配置。机械手的动作模式是用按钮来独立控制机械手的各个阶段的运动。主要包括升降，启停以及手动或者自动功能。

图4.2操作板示意图

4.1.4控制器的选型

控制器选择PLC，它是一种高稳定性的工业控制器，是专门为恶劣的工业气候而设计制造的。控制器选用国内常用的西门子S7-200PLC。

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SimaticS7-200CPU224为型号。

图4.3 SIEMENS SIMATIC S-700 PLC

总共24个光学I/o点，有14个输入和10个输出。通过7个扩展模块可连接多达168个数字量I/O点或35个模拟量I/O点。共有16K字节的程序和数据存储空间。PID控制器具有6个独立的30kHz高速计数器和2个独立的20kHz高速脉冲柳工。1个RS485联网/编程端口，支持PPI、MPI和自由模式通信协议。整个I/O端子条可以轻松拆卸。是一款具有强大潜力的控制器。`

4.1.5 PLC外部接线设计

为了满足液压缸伺服定位阶段的武器控制要求，采用西门子

PLC(CPU224)SIMATICS7-200，考虑到位移传感器和伺服放大器的工作应用

于模拟，再结合模拟输出模块EM232，鉴于伺服放大器和位移传感器的输入规格。图4.5显示了PLC模拟量-10 v+10 v输入输出的输入输出点和触点。

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图4.5 PLC硬件接线图

4.1.6 I/O地址分配

表4-1 PLC输入元件地址分配明细表 控 制 元 件 总停开关 启动开关 垂直缸上限行程开关 垂直缸下限行程开关 机床上下料命令开关 检测料架有无工件光电开关 控制面板上/下选择开关 控制面板夹紧/松开选择开关 控制面板顺/逆选择开关 控制面板手动工作选择开关 控制面板自动工作选择开关 符 号 SB0 SB1 SM1 SM2 SB2 SP0 SQ1 SQ2 SQ3 SQ4 SQ5 编程 地址 I0.0 I0.1 I0.2 I0.3 I0.4 I0.5 I0.6 I0.7 I1.0 I1.1 I1.2 备注 按下停止工作 按下开始工作 常闭开关，闭合表示有工件 用于手动调整时 用于手动调整时 用于手动调整时 用于手动调整时

表4-2 PLC输出元件地址分配明细表 控 制 元 件 步进电机高速驱动脉冲输出 步进电机方向控制 垂直缸上升动作电磁阀 垂直缸下降动作电磁阀 手爪张开动作电磁阀 机械手原点状态指示灯 中断强制关机开关 符 号 / 编程地址 Q0.0 备注 Q0.2为1顺时针，反之为逆时针； 显示原点位置 用于中断控制 / 2DT 3DT 5DT L1 KM 2 3

Q0.2 Q0.1 Q0.3 Q0.4 Q0.5 Q0.6

4.2机械手控制系统软件设计

4.2.1机械手控制主程序流程图

机械手控制主程序流程图如图4.6所示：

图4.6 机械手控制主程序流程图

4.2.2机械手控制程序设计

采用西门子S7-200PLC编程软件STEP7-Micro/WIN32进行机械手控制系统软件的开发，通过编程提供基本的控制程序梯形图，然后进行编译和调试。

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5 结论

本设计的是液压传动系统机械手，创新点在于选择了关节型的结构设计，相对于其他形式的结构，自由度更多，能完更复杂的动作。同时，与传统机械手相比，控制程序可调，因此适用范围更广。主要使用PLC控制液压缸带动机械手完成垃圾桶的装卸工作及其PLC控制系统的设计与实现方法，该方法提高了液压机械手的开发效率及其控制，增强了机械手的可扩展性和便携性，为复杂液压机械手的设计和开发提供了参考。该机械手采用PLC控制，具有可靠性高，程序变更灵活的优点。 无论是时间控制，行程控制还是混合控制，都可以通过设置PLC程序来实现。 可以根据机械手的动作顺序修改程序，使机械手更通用，实现机电一体化控制。

本设计垃圾车机械手结构架构显著提高了垃圾处理工作性能，无论是手动操作还是自动操作，都能提高机器的容错率，防止手动模式下自动系统故障。设备布置基本，管理方便，非常适合大范围推广使用。

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致 谢

时光飞逝，我的学生生活即将结束。这篇毕业论文，我倾注了很多心血，查阅了很多资料。虽然在很长一段时间里一直承受着毕业论文的压力，但这是我快速成长的一段时间。我所学到的不仅是知识的增长和能力的培养，更是一种严肃严谨的科学态度，一种勇于处理难题的积极精神。我相信这将成为我今后学习和工作的宝贵财富。

值此结业之际，我要感谢我的指导老师的大力帮助。没有老师的关心和指导，我不可能顺利完成这篇论文。老师的耐心、分析问题的能力和对科研的细致处理令人印象深刻。他们是让我写作过程中不迷失方向的光，我想借此机会表达我深深的谢意。

同时，我要从心底感谢爸爸妈妈。不仅在毕业论文期间，而且在整个大学期间，他们始终关心我的学习和生活，并为此付出了全部的努力，给了我无限的爱和极大的支持。他们永远是我最亲密的朋友，最坚强的后盾！

其次，感谢同学们在毕业论文期间给予我的关心和帮助，让我体会到集体的力量，祝愿友谊长存。

最后，我也要感谢母校这些年为我们莘莘学子提供温暖而又舒适的学习生活环境，在这里祝愿母校建设百尺竿头更进一步，再创辉煌！！！

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附件

1.CAD图纸A0总装图1张，A1部装图1张，A2部装图3张，A3两件图3张，A4零件图6张，控制程序梯形图1张

2.腰部爆炸图动画，带有旋转自由度臂的爆照图动画，两种手爪的模拟动画 3.全部SolidWorks三维模型（包含零件和装配图）

注释

1.本设计三维模型使用软件SolidWorks版本建模，相关模型需用SolidWorks2010以上版本打开。

2.CAD图纸使用CAD2007版本绘制，请用CAD2007及以上版本打开。 3.附有CAD图纸截图和模型截图

A0总装配图

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A1带旋转自由的臂

A2高速级大齿轮

3 0

A2手爪

3 1

A2腰部部装图

3 2

A3大齿轮

3 3

A3底座主轴

A4臂底座

A4大臂

3 4

A4底座零件1

3 5

A4底座零件2

3 6

A4小臂3 7

A4小臂2

3 8

控制程序图

3 9

模型半解剖图

4 0