換刀機(jī)械手設(shè)計(jì)帶CAD圖,機(jī)械手,設(shè)計(jì),CAD 換刀機(jī)械手控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究*許可誠(chéng)顧寄南王富良（江蘇大學(xué) 制造業(yè)信息化研究中心， 鎮(zhèn)江 212013 ）Design and research of control system for tool changing manipulatorXU Ke-cheng， GU Ji-nan， WANG Fu-liang（Mechanical Information Engineering Research Center of Jiangsu University， Zhenjiang 212013， China ）文章編號(hào)： -3997 （11 ） 08-0158-02【摘要】PLC 控制系統(tǒng)在企業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)中的應(yīng)用越來越廣泛， 這對(duì)于企業(yè)提高自身的自動(dòng)化水平， 提高生產(chǎn)率， 降低成本有著顯著的作用。 而換刀機(jī)械手作為加工中心中一個(gè)很重要的輔助設(shè)備， 其運(yùn)行的可靠性、 穩(wěn)定性是企業(yè)密切關(guān)注的。 因此， 介紹了一種基于 PLC 的控制系統(tǒng)， 該系統(tǒng)平臺(tái)的搭建簡(jiǎn)單， 控制靈活， 可擴(kuò)展性強(qiáng)。 通過在加工中心數(shù)控機(jī)床上的模擬運(yùn)行， 該控制系統(tǒng)能夠較平穩(wěn)、 實(shí)時(shí)的完成預(yù)先設(shè)定的動(dòng)作， 操作簡(jiǎn)單， 易于掌握。 實(shí)踐證明該系統(tǒng)具有良好的性能， 可以推廣并應(yīng)用。關(guān)鍵詞： PLC； 自動(dòng)控制； 換刀機(jī)械手【】The control system based on PLC has been used more and more widely in automated production of enterprises， which will play a notable role in improving their own level of automation， boosting productivity， and reducing costs.However， the automatic tool changing manipulator is an important auxiliary equipment for the machine center， which operating reliability and stability is what most enterprises are concerning.Therefore， a control system based on PLC is described in the paper， which is easy to build， flexible tocontrol with strong scalability.By simulation running on the CNC of the machine center， the control systemcan complete the pre-setting operation stably in real-time， which is easy to operate and to master.It is provedby practice that the system is good in performance， which can be popularized and applied in related fields.Key words： PLC； Automatic control； Tool changing manipulator?中圖分類號(hào)： TH16， TP241文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A來稿日期： 2010-10-12基金項(xiàng)目： 鎮(zhèn)江市工業(yè)科技支撐項(xiàng)目 （SGY20090016 ）1 引言換刀機(jī)械手作為數(shù)控加工中必不可少的一部分， 其在數(shù)控加工中的應(yīng)用能夠減少加工過程中的非切削時(shí)間， 提高生產(chǎn)效率1； 節(jié)約人力， 降低成本； 提高企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力， 提高產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量， 保障工人安全。介紹的換刀機(jī)械手控制系統(tǒng)通過氣壓來傳遞動(dòng)力， 通過可編程邏輯控制器 （PLC ） 控制換刀機(jī)械手實(shí)現(xiàn)加工過程中對(duì)于換刀的需求。2 換刀機(jī)械手的工作過程換刀機(jī)械手及刀庫(kù)的三維模型， 如圖 1 所示。當(dāng) PLC 上電后機(jī)械手和刀盤自動(dòng)回零點(diǎn)， 同時(shí)等待數(shù)控機(jī)床的裝刀或者換刀指令。當(dāng)數(shù)控機(jī)床發(fā)出裝刀或者換刀指令時(shí)， 刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)使得所需的刀具位于換刀位置， 機(jī)械手轉(zhuǎn)至換刀位置通過伸縮臂氣缸的伸出將刀具取出， 然后機(jī)械手再轉(zhuǎn)至裝刀位置通過伸縮臂氣缸的縮回將刀具裝在數(shù)控機(jī)床上。 待刀具裝上機(jī)床后， 機(jī)械手轉(zhuǎn)至防干涉位置， 擺動(dòng)臂氣缸縮回后機(jī)械手轉(zhuǎn)到零點(diǎn)位置， 等待機(jī)床加工完成后的卸刀信號(hào)。當(dāng)機(jī)床發(fā)出卸刀信號(hào)， 機(jī)械手轉(zhuǎn)至防干涉位置， 擺動(dòng)臂氣缸伸出， 機(jī)械手轉(zhuǎn)到裝刀位置將刀卡住， 通過伸縮臂氣缸的伸出將刀具卸下來， 接著機(jī)械手轉(zhuǎn)至換刀位置通過伸縮臂的縮回將刀具放回刀庫(kù)， 最后機(jī)械手回到零點(diǎn)位置完成一次動(dòng)作過程 （取刀裝刀卸刀 ） ， 如此循環(huán)。換刀機(jī)械手動(dòng)作流程圖， 如圖2所示。12345678圖 1 機(jī)械手及刀庫(kù)三維模型圖1.刀庫(kù) 2.刀庫(kù)步進(jìn)電機(jī) 3.換刀機(jī)械手 4.擺動(dòng)臂氣缸 5.伸縮臂氣缸6.傳感器安裝位置 7.機(jī)械手步進(jìn)電機(jī) 8.線性導(dǎo)軌3 換刀機(jī)械手控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)3.1 硬件設(shè)計(jì)系統(tǒng)選用的是西門子公司的 S7-200 系列的 PLC， CPU 型號(hào)為 226DC/DC/DC，具有 24 個(gè)數(shù)字量輸入點(diǎn)和 16 個(gè)數(shù)字量輸出點(diǎn)， 能夠很好的滿足數(shù)控機(jī)床對(duì)于換刀的要求， 控制靈活， 擴(kuò)展性好2， 也能較好的和數(shù)控機(jī)床進(jìn)行實(shí)時(shí)通信。PLC 是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心部分?？刂葡到y(tǒng)的主要任務(wù)是：接收上位機(jī) （數(shù)控機(jī)床 ） 給出的換刀信號(hào)， 采集和處理機(jī)械手運(yùn)動(dòng)過程的傳感器信號(hào)， 控制步進(jìn)電機(jī)和氣缸來實(shí)現(xiàn)換刀機(jī)械手的各個(gè)動(dòng)作。控制系統(tǒng)主要由主電源回路， PLC， 步進(jìn)電機(jī)模塊， 傳感器等構(gòu)成?？刂葡到y(tǒng)的主電源回路硬件接線圖， 如圖 3 所示。機(jī)械設(shè)計(jì)與制造第 8 期11 年 8 月158機(jī)械手轉(zhuǎn)盤刀庫(kù)位置氣缸縮回將刀放回刀庫(kù)機(jī)械手轉(zhuǎn)盤裝刀位置氣缸伸出卸刀機(jī)械手轉(zhuǎn)盤零點(diǎn)位置等待卸刀信號(hào)機(jī)械手轉(zhuǎn)盤裝刀位置氣缸縮回裝刀機(jī)械手轉(zhuǎn)盤刀庫(kù)位置氣缸伸出取刀刀盤轉(zhuǎn)到準(zhǔn)備取刀等待裝刀/換刀信號(hào)機(jī)械手轉(zhuǎn)盤零點(diǎn)位置圖 2 換刀機(jī)械手動(dòng)作流程圖總電源開關(guān)熔斷器控制電源電源關(guān)控制電源電源上電控制電源控制電源控制電源電源開電源關(guān)急停1.5-D.16-ADC24+1.5-D.16-ADC24-2-B2-B4-B4-B5-BEE圖 3 主電源回路硬件接線圖3.2 軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)有兩種工作模式： 手動(dòng)模式和自動(dòng)模式3。在手動(dòng)模式下， 用戶可以通過控制面板上的按鈕， 使換刀機(jī)械手按照自己的要求來完成各項(xiàng)動(dòng)作過程。而在自動(dòng)模式下， 由于 PLC 中已經(jīng)燒入了一系列的完整的程序， 換刀機(jī)械手將根據(jù)采集到的傳感器信號(hào)和上位機(jī)給出的信號(hào)自動(dòng)完成用戶事先要求的動(dòng)作。PLC 程序設(shè)計(jì)采用模塊化程序設(shè)計(jì)思想， 由主程序、 手動(dòng)子程序、 自動(dòng)子程序、 初始化子程序和中斷子程序構(gòu)成4。程序的難點(diǎn)在于初始化子程序中采用 PTO 驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的程序、 各端口的初始化， 以及主程序中對(duì)于各中間繼電器相關(guān)觸點(diǎn)的定義。通過對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的分析， 對(duì) PLC 的輸入、 輸出端口進(jìn)行分配， 制定了相關(guān)的 I/O 分配表， 如表 1 所示。程序設(shè)計(jì)說明：系統(tǒng)采用的是 SIMATIC SETP7 編程軟件進(jìn)行編程， 通過PC-PPI 專用通訊電纜與 PC 機(jī)連接進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和調(diào)試。 這里針對(duì)本系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)的難點(diǎn)將主程序進(jìn)行說明。如圖 4 所示， 系統(tǒng)一上電， 在第一個(gè)掃描周期內(nèi)， PLC 將先調(diào)用初始化子程序執(zhí)行相關(guān)的初始化工作， 然后根據(jù)用戶的選擇調(diào)用自動(dòng)或者手動(dòng)的子程序進(jìn)行接下來的換刀動(dòng)作。由于輸出點(diǎn)數(shù)是有限的， 所以在選用中間繼電器的時(shí)候需要將中間繼電器相關(guān)的觸點(diǎn)在主程序中進(jìn)行分別定義， 這樣可以保障程序執(zhí)行時(shí)的可靠性， 有效地避免了許多誤操作。表 1 I/O 端口分配表輸入端口說明輸出端口說明I0.0按鈕-自動(dòng)運(yùn)行Q0.0步進(jìn)電機(jī)-刀盤-脈沖I0.1按鈕-自動(dòng)停止Q0.1步進(jìn)電機(jī)-機(jī)械手-脈沖I0.2按鈕-刀盤啟動(dòng)Q0.2步進(jìn)電機(jī)-刀盤-方向I0.3按鈕-機(jī)械手-左轉(zhuǎn)Q0.3步進(jìn)電機(jī)-機(jī)械手-方向I0.4按鈕-機(jī)械手-右轉(zhuǎn)Q0.4換刀完成I0.5按鈕-氣缸-擺動(dòng)臂-伸縮Q0.5擺動(dòng)臂向后I0.6按鈕-氣缸-伸縮臂-伸縮Q0.6擺動(dòng)臂向前I0.7旋鈕-手動(dòng)/自動(dòng)Q0.7指示燈-自動(dòng)運(yùn)行/停止I1.0傳感器-機(jī)械手-左限位Q1.0伸縮臂向前I1.1傳感器-機(jī)械手-右限位Q1.1指示燈-自動(dòng)I1.2傳感器-機(jī)械手-零點(diǎn)Q1.2指示燈-機(jī)械手左旋I1.3傳感器-刀盤-零點(diǎn)Q1.3指示燈-機(jī)械手右旋I1.4傳感器-氣缸-擺動(dòng)臂-上限Q1.4指示燈-刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)I1.5傳感器-氣缸-擺動(dòng)臂-下限Q1.5伸縮臂向后I1.6傳感器-氣缸-伸縮臂-前限Q1.6指示燈-氣缸-擺動(dòng)臂I1.7傳感器-氣缸-伸縮臂-后限Q1.7指示燈-氣缸-伸縮臂I2.0上位機(jī)聯(lián)系信號(hào) 1I2.1上位機(jī)聯(lián)系信號(hào) 2I2.3換刀限位信號(hào)0 LDSM0.117 LDM0.033LDM0.51 CALL初始化18 EU34 =Q1.52 LDI0.719SQ0.3， 13CALL自動(dòng)20 LDM0.14 LDNI0.721 EU5 CALL手動(dòng)22 RQ0.3， 16 LDM1.023 LDM2.27 0M1.124 0M2.38 0M2.0250M3.29 0M2.126 =M0.410 =M0.027 LDM2.611 LDM1.228.0M2.712 0M1.329 0M3.413 0M2.430 =M0.514 0M2.531 LDM015 =M0.132 =Q1.0圖 4 換刀機(jī)械手控制系統(tǒng)主程序4 控制系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性分析與研究按照上述的敘述搭建整個(gè)控制系統(tǒng)，通過物理樣機(jī)進(jìn)行運(yùn)行測(cè)試。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)， 整個(gè)系統(tǒng)的反應(yīng)靈敏， 控制精度較高， 平穩(wěn)性好， 運(yùn)行時(shí)間快速， 抗沖擊、 震動(dòng)能力強(qiáng)， 能夠很好的滿足數(shù)控機(jī)床對(duì)于自動(dòng)換刀的要求。與此同時(shí)，運(yùn)用 MSC ADAMS 軟件進(jìn)行換刀機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)分析來進(jìn)一步證明系統(tǒng)的可靠性， 可以看出該系統(tǒng)能夠較好的運(yùn)行， 如圖 5 所示。manipulator.PART30.CM_Position.Mag.PART30.CM_Velocity.Mag.PART30.CM_Acceleration.Mag1500.01450.01400.01350.01300.01250.0Length （mm ）2000.01500.01000.0500.00.0Acceleration （mm/sec*2 ）0.05.010.015.0Time （sec ）500.0400.0300.0200.0100.00.0Velocity （mm/sec ）圖 5 機(jī)械手的位移、 速度、 加速度曲線5 結(jié)束語PLC 控制系統(tǒng)正逐漸取代傳統(tǒng)的繼電器控制， 越來越廣泛的應(yīng)用于各種工業(yè)生產(chǎn)場(chǎng)合， 使得企業(yè)的自動(dòng)化程度、 生產(chǎn)效率越來越高， 同時(shí)可以降低企業(yè)的生產(chǎn)成本， 保證工人的人身安全。PLC 與數(shù)控機(jī)床的實(shí)時(shí)通訊， 不僅加快了數(shù)據(jù)的傳輸速度， 也提第 8 期許可誠(chéng)等： 換刀機(jī)械手控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究159?高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_率， 與此同時(shí)也縮短了調(diào)試的周期， 提高了工作效率。在今后， 將重點(diǎn)對(duì)控制過程中換刀機(jī)械手動(dòng)作的位置精度進(jìn)行研究分析， 通過采用恰當(dāng)?shù)姆答伔椒ū緦?duì)系統(tǒng)的算法進(jìn)行改進(jìn)與完善， 使本系統(tǒng)能夠得到更多的推廣與應(yīng)用。參考文獻(xiàn)1陳哲銜， 涂天祥， 王清陽(yáng)， 裴海龍.開放式數(shù)控系統(tǒng)自動(dòng)換刀的全軟件實(shí)現(xiàn) J .制造技術(shù)與機(jī)床， 2009 （6 ） ： 70-72.2許為民.基于PLC的氣動(dòng)換刀裝置設(shè)計(jì) J .液壓與氣動(dòng)， 2009 （1 ） ： 10-11.3孫自廣， 王秦.基于 PIC 單片機(jī)的清潔機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì) J .廣西工學(xué)院學(xué)報(bào)， 2009 （6 ） .4羅麥豐.基于 PLC 的轉(zhuǎn)盤式釬焊機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) J .微計(jì)算機(jī)信息，2010 （3 ） ： 55-57.5Eliezer D， Eliaz N， Senkov O N et al. Positive Effects of Hydrogen in Metals J .Mater Sci Eng， 2000： 220-224.6Rachid Manseur.Structural Kinematics of 6-Revolute-Axis robot manipulators. Elsevier Science Ltd.31 October， 1995.基于 ANSYS 的大型立磨機(jī)機(jī)身立柱改造研究楊林建1吳先文1馮錦春1李 劍2（1四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 德陽(yáng) 618000 ） （2中國(guó)二重設(shè)計(jì)院， 德陽(yáng) 618000 ）Renovation research for vertical pillar of large scale verticalmill based on ANSYSYANG Lin-jian1， WU Xian-wen1， FENG Jin-chun1， LI Jian2（1Sichuan Engineering Technical College， Deyang 618000， China ）（2Institute of China Eezhong Group， Deyang 618000， China ）文章編號(hào)： -3997 （11 ） 08-0160-03【摘要】立式粉磨機(jī)是根據(jù)料床粉磨原理， 通過相對(duì)運(yùn)動(dòng)的磨輥、 磨盤碾磨裝置來粉磨物料的機(jī)械， 它集粉磨、 烘干、 選粉為一體， 主要用于對(duì)水泥生料、 熟料、 高爐礦渣等進(jìn)行粉磨、 分選。 通過對(duì)立磨機(jī)立柱進(jìn)行建模， 并對(duì)機(jī)身立柱施加約束和載荷， 運(yùn)用 ANSYS 軟件對(duì)機(jī)身立柱進(jìn)行有限元分析， 得到等效應(yīng)力圖。 根據(jù)分析結(jié)果對(duì)該立柱結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)， 減小了局部應(yīng)力， 從而為立柱設(shè)計(jì)和改造提供重要的理論依據(jù)。 改進(jìn)后可顯著提高立柱的使用壽命和可靠性， 具有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。關(guān)鍵詞： 立磨機(jī)； 機(jī)身立柱； 有限元； 技術(shù)改造【】Vertical mill is a machine based on material-grinding principle for grinding materialsthrough relative movement of grinding roller and millstone milling device， which is mainly used to grind andsort the cement raw material， cement clinker and blast furnace slag combining powder grinding， drying andsortting into one.Through modeling pillar of the vertical mill with restraint and load being applied to verticalpillar， finite element analysis for the vertical pillar is carried out by applying ANSYS to get equivalent stressdiagram.According to the results of analyzing， the pillar s structure is improved in order to reduce local stress，thus an important theoretical basis is provided for the pillar design and improvement.After renovation the lifeand reliability of the pillar is enhanced remarkably with certain application in popularizing.Key words： Vertical mill； Vertical pillar； Finite element analysis； Technological renovation?中圖分類號(hào)： TH16， TG232.2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A來稿日期： 2010-10-261 引言立式粉磨機(jī)在建材、 水泥、 發(fā)電、 化工等機(jī)電行業(yè)有著廣泛應(yīng)用前景， 且磨機(jī)屬于重型設(shè)備1。 立式粉磨機(jī)是根據(jù)料床粉磨原理， 通過相對(duì)運(yùn)動(dòng)的磨輥、 磨盤碾磨裝置來粉磨物料的機(jī)械設(shè)備，它集粉磨、 烘干、 選粉為一體， 主要用于對(duì)水泥生料、 熟料、 高爐礦渣等進(jìn)行粉磨、 分選。立式粉磨機(jī)與管磨機(jī)比較具有節(jié)能、 工藝流程簡(jiǎn)單、 占地面積小、 磨料適應(yīng)性強(qiáng)等很多突出的優(yōu)點(diǎn)， 越來越廣泛地被機(jī)械工業(yè)和水泥工業(yè)廣泛采用2。 而目前國(guó)內(nèi)的水泥、 礦渣立磨及大型水泥生料立磨都只能依賴進(jìn)口， 因此， 盡早研發(fā)和研究立磨市場(chǎng)具有巨大的企業(yè)效益和社會(huì)效益。運(yùn)用 ANSYSWorkBench 軟件以某廠 5.6m 立式粉磨機(jī)立柱為研究對(duì)象， 對(duì)機(jī)身立柱進(jìn)行有限元分析， 并根據(jù)分析結(jié)果對(duì)該構(gòu)件進(jìn)行了局部改進(jìn)， 減小了局部應(yīng)力， 可提高使用的可靠性和壽命。ANSYS Workbench 對(duì) UG、 Pro/E 等大型三維建模軟件能進(jìn)行真正的無縫聯(lián)接， 能直接讀入各種 CAD 軟件的零件模型， 并在統(tǒng)一環(huán)境中實(shí)現(xiàn)模型裝配和 CAE 分析， 讀入 CAD 軟件模型后， 能保留 CAD 中的各項(xiàng)設(shè)計(jì)參數(shù)3-4。機(jī)械設(shè)計(jì)與制造第 8 期11 年 8 月160