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1、 皖 西 學(xué) 院 本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 論 文 題 目 自動換刀機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計及PLC控制研究 姓名（學(xué)號） 武金鵬（2009011644） 系 別 機(jī)械與電子工程學(xué)院 專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計制造及其自動化 導(dǎo) 師 姓 名 翁志剛 二 〇 一 三 年 六 月 皖西學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 目 錄 1、畢業(yè)論文正文 2、皖西學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計）任務(wù)書 3、皖西學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計）開題報告 4、皖西學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計）中期檢查表 5、皖

2、西學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計）指導(dǎo)教師意見表 6、皖西學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計）評閱教師意見表 7、皖西學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計）答辯記錄表 自動換刀機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計及PLC控制研究 作 者 武金鵬 指導(dǎo)教師 翁志剛 摘要：隨著數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展，零件加工的輔助時間大大降低了，極大的提高了生產(chǎn)效率。伴隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和生產(chǎn)力的提高，使數(shù)控機(jī)床發(fā)展成為機(jī)械加工中普遍應(yīng)用的一種更先進(jìn)的制造方法叫做加工中心。大多數(shù)加工中心都帶有能夠自動換刀裝置的換刀系統(tǒng)，并按照程序?qū)崿F(xiàn)自動加工。氣動機(jī)械手具有簡單的機(jī)構(gòu)、動作靈敏、節(jié)能、環(huán)保、可靠性高、可實現(xiàn)無級調(diào)速等優(yōu)點。 為了提高

3、機(jī)械手的應(yīng)用范圍，讓每一個機(jī)械手擁有不同的使用特性，所以對機(jī)械手的結(jié)構(gòu)進(jìn)行模塊化設(shè)計。特將其分為若干個模塊，其包括：立柱、基座、手臂、手部、手腕等模塊。為了滿足不同的使用特性和功能，我們可以通過選擇不同的模塊進(jìn)行組合。當(dāng)產(chǎn)品的使用性能發(fā)生變化時，我們可以根據(jù)需要對部分模塊進(jìn)行修改或從新改造，這樣即節(jié)省了設(shè)計成本，又提供了設(shè)計效率。 經(jīng)過對機(jī)械手在結(jié)構(gòu)和運動方面上的分析后，采用電氣一氣壓伺服控制技術(shù)對機(jī)械手進(jìn)行控制和驅(qū)動，氣動執(zhí)行元件根據(jù)電氣控制信號的要求，驅(qū)動負(fù)載元件執(zhí)行相應(yīng)的動作。根據(jù)實際需要，本系統(tǒng)采用三菱 FX2N一PLC作為核心進(jìn)行控制。根據(jù)機(jī)械手的工作原理制定相應(yīng)的控制方案，實現(xiàn)機(jī)

4、械手的精確定位和無級變速。 關(guān)鍵詞：自動換刀機(jī)械手、PLC、電氣-氣壓伺服控制系統(tǒng)。 Research on Structure Design and PLC Control Of Automatic tool change Manipulator Abstract:.With CNC technology application and development of auxiliary parts processing time is greatly reduced, greatly improving production efficiency. With the develo

5、pment of science and technology to improve productivity and make CNC machining develop into a more universal application of advanced manufacturing method called machining centers. Most machining centers with automatic tool changer can ATC system, and follow the procedures for automatic processing. P

6、neumatic Manipulator has a simple mechanism, sensitive, energy-saving, environmental protection, high reliability, can realize stepless speed regulation and other advantages. 　　In order to improve the application range of the robot, so that each robot has different usage characteristics, so the str

7、ucture of the robot modular design. Special will be divided into several modules, including: columns, base, arms, hands, wrists and other modules. In order to meet different features and capabilities, we can choose a different module combinations. When product performance changes, we may need to mak

8、e changes on the part of the module or re-transformation, so that the design cost savings, but also provides a design efficiency. 　　After the manipulator on the structure and motion analysis, the use of electric servo control technology of the pneumatic manipulator control and drive, pneumatic actu

9、ators according to the requirements of the electrical control signal to drive the load element the appropriate action. According to actual needs, the system uses a Mitsubishi FX2N PLC as the core control. According to the working principle of the robot to develop appropriate control programs to achi

10、eve precise positioning of the manipulator and CVT. Key Words:Automatic tool change manipulator、Programmable Logic Controller、Electro-pneumatic servo orientation system. 目錄 第1章 緒論 1 1.1、換刀械手概述 1 1.2、選題背景 1 1.3、設(shè)計目的 1 第2章 機(jī)械手總體設(shè)計方案 3 2.1、機(jī)械手類型 3 2.1.1、根據(jù)機(jī)械手的應(yīng)用范圍分類 3 2.1.2、按機(jī)械手手臂的運動坐標(biāo)型式分類 3

11、 2.1.3、按機(jī)械手的驅(qū)動方式分類 4 2.2、機(jī)械手的坐標(biāo)形式與自由度 5 2.3、機(jī)械手工作過程及工步時間分配 7 2.3.1、確定完成動作及順序 7 2.3.2、工步時間分配 8 2.4、機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案 8 2.5、機(jī)械手的驅(qū)動方案 9 第3章 機(jī)械手的機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計 12 3.1、機(jī)械手伺服系統(tǒng)設(shè)計 12 3.1.1、氣動伺服系統(tǒng)設(shè)計 12 3.1.2、電氣伺服閥 14 3.2、機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計 16 3.2.1、機(jī)械手手部設(shè)計 16 3.2.2、手臂結(jié)構(gòu)設(shè)計 17 3.2.3、基座結(jié)構(gòu)設(shè)計 20 第4章 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計 22 4.1、機(jī)械

12、手控制系統(tǒng)PLC的選擇 22 4.2、機(jī)械手的PLC控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)圖 23 4.3、機(jī)械手自動換刀系統(tǒng)的工作流程 23 4.4、機(jī)械手自動換刀系統(tǒng)的原理 24 4.5、PLC的硬件I/O接口原理圖 25 4.6、自動換刀系統(tǒng)PLC程序的設(shè)計 26 4.6.1、編程軟件 26 4.6.2、PLC的控制流程圖 26 4.6.3、梯形圖 28 4.6.4、指令表 29 致謝 30 參 考 文 獻(xiàn) 31 III 皖西學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 第1章 緒論 1.1、換刀械手概述 換刀機(jī)械手是由集控制器、傳感器和伺服驅(qū)動系統(tǒng)為一體的機(jī)電一體化產(chǎn)品，它模仿人的

13、操作，可實現(xiàn)自動控制、重復(fù)編程、能夠完成各種復(fù)雜的動作。它能在提高生產(chǎn)效率的同時，提高產(chǎn)品質(zhì)量，對改善勞動條件，促進(jìn)產(chǎn)品的更新?lián)Q代起著促進(jìn)作用。機(jī)械手的使用情況，標(biāo)志著一個國家工業(yè)自動化水平的高低。機(jī)械手并不是簡單的代替人的體力的勞動，而是將人的智慧體現(xiàn)在機(jī)器上。是機(jī)械人具有人的快速反應(yīng)和分析判斷能力，又有具有高精度、高強(qiáng)度持續(xù)工作的能力，并且能夠適應(yīng)比較差的環(huán)境，我們可以說機(jī)械手是工具進(jìn)化的產(chǎn)物。隨著自動化技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械手已經(jīng)廣泛的應(yīng)用在機(jī)械加工、自動換刀、流水線上生產(chǎn)及裝配、上下料等。但是大多數(shù)機(jī)械手的專用型比較強(qiáng)，莫臺機(jī)器上的機(jī)械手在不改造的情況下，很難在其他機(jī)器上使用。由于機(jī)械手能很

14、大程度上提高生產(chǎn)效率，簡化機(jī)械加工的程序，所以它在機(jī)械加工中得到廣泛的應(yīng)用。 1.2、選題背景 機(jī)械手是在自動化生產(chǎn)過程中使用的一種具有抓取和移動工件功能的自動化裝置，它是在機(jī)械化、自動化生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的一種新型裝置。機(jī)械手之所以更好的結(jié)合機(jī)械和自動化技術(shù)，得力于電子計算機(jī)的快速發(fā)展，使得機(jī)械手的生產(chǎn)與設(shè)計已經(jīng)成為一門新興技術(shù)產(chǎn)業(yè)。我們可以把一些高危險、機(jī)械式重復(fù)而枯燥的工作交給機(jī)械手，這樣既減輕我們的體力勞動，又提高了生產(chǎn)效率。機(jī)械手在以下行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用，比如，零件的裝配、工件的搬運與拆卸、以及在數(shù)控機(jī)床上的自動換刀系統(tǒng)。 為了把機(jī)械手和機(jī)床的有機(jī)結(jié)合在一起，機(jī)械手隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)

15、展，已經(jīng)發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)和柔性制造單元中一個重要組成部分。它主要應(yīng)用在中小批量的生產(chǎn)，它可以省去工件運輸工具。而柔性生產(chǎn)系統(tǒng)比較適用于產(chǎn)品更新?lián)Q代比較快的品種，這樣既可以保證產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性，又能更好的適用于市場發(fā)展的需求。而目前我國的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國外比還有一定的距離，應(yīng)用規(guī)模和產(chǎn)業(yè)化水平低，機(jī)械手的研究和開發(fā)直接影響到我國自動化生產(chǎn)水平的提高，從經(jīng)濟(jì)上、技術(shù)上考慮都是十分必要的。因此，進(jìn)行機(jī)械手的研究設(shè)計是非常有意義的。 1.3、設(shè)計目的 本設(shè)計通過對大學(xué)四年所學(xué)的知識進(jìn)行整合，完成一個通用形式的普通圓棒料搬運的機(jī)械手的設(shè)計，能夠比較好地體現(xiàn)機(jī)械設(shè)計制造及其自動

16、化專業(yè)畢業(yè)生的理論研究水平，實踐動手能力以及專業(yè)精神和態(tài)度，具有較強(qiáng)的針對性和明確的實施目標(biāo)，能夠?qū)崿F(xiàn)理論和實踐的有機(jī)結(jié)合。 目前，在國內(nèi)很多工廠的生產(chǎn)中圓棒料的搬運擺放仍由人工完成，勞動強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低。為了提高生產(chǎn)加工的工作效率,降低成本,并使生產(chǎn)線發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng),適應(yīng)現(xiàn)代自動化大生產(chǎn),針對具體生產(chǎn)工藝,利用機(jī)器人技術(shù)。為了提高生產(chǎn)率，我們特意設(shè)計了應(yīng)用性比較廣泛的自動換刀機(jī)械手，從減輕工人的機(jī)械式體力勞動。 在現(xiàn)在的機(jī)械加工中，機(jī)械手手的普遍應(yīng)用具有十分重要的意義。具體概括如下： 一、以提高生產(chǎn)過程中的自動化程度 機(jī)械手的應(yīng)用可以實現(xiàn)材料自動運輸、工件的安裝與拆卸、自動換

17、刀以及零件的裝配，從而節(jié)省大量不必要的時間。 二、以改善工作條件，提高人身安全 比如，一些高溫、高壓、噪聲比較大、高污染的工作環(huán)境、以及對人體有大量傷害的有毒氣體和放射線，一般這樣的環(huán)境不適合工人長時間在里面工作，所以機(jī)器人的使用無疑是比較好的選擇。機(jī)器人基本上可以代替人的大量機(jī)械式重復(fù)勞動，這樣不僅可以減輕工人的勞動強(qiáng)度，還可以改善勞動條件，提高工人的安全性。 有一些簡單的工作總是機(jī)械式的重復(fù)操作，時間長了很容易造成工人的極度疲勞或疏忽，很容易造成一些不必要的人身事故。 三、可以減輕人力，讓工作更有秩序 比如，機(jī)械手可以代替我們?nèi)ネ瓿煽菰餆o味而又機(jī)械式重復(fù)的工作，這樣既可以減少人力

18、，又可以保證一定的工作精度。還有一些流水線上的工作，本來就需要大量的人力資源資源，而且又需要比較高的工作效率和工作精度，但是有些工人卻不能跟上流水線的速度，這就很容易造成流水線上工作秩序的混亂，嚴(yán)重的影響生產(chǎn)效率的提高。由于自動控制技術(shù)的快速發(fā)展，特別是機(jī)器人的發(fā)展，讓機(jī)器人反映更加靈敏，機(jī)械精度更高，完全可以跟上比較緩慢的流水線，這樣是整個流水線更加有秩序。 綜上所述，機(jī)械手使以后的工作更加有效率，是未來機(jī)械工業(yè)發(fā)展的趨勢。 第2章 機(jī)械手總體設(shè)計方案 2.1、機(jī)械手類型 2.1.1、根據(jù)機(jī)械手的應(yīng)用范圍分類 (l)專用機(jī)械手一般沒有單獨的控制系統(tǒng)，而且只有固定的控制程序。這種機(jī)

19、械手結(jié)構(gòu)比較簡單，制造成本較低，適用于動作比較簡單且工作量比較大的場合。它通常安裝到某種機(jī)器或生產(chǎn)線上，用來自動傳送物件或夾持某種工件或刀具等操作功能。 (2)通用機(jī)械手具有獨立專門的控制系統(tǒng)，并且控制程序可以根據(jù)需要進(jìn)行修改。可以安裝在各種機(jī)器上，能獨立完成工件的夾持與搬運以及刀具的安裝與拆卸。通用機(jī)械手因其工作方式的不同，可分為簡易型和伺服型兩種。簡易型只是分散的點動控制，故屬于程序控制類型，而伺服型是集點位控制和連續(xù)軌跡控制于一體的控制方式，通常認(rèn)為屬于數(shù)字控制模型。這種機(jī)械手因手指結(jié)構(gòu)可以根據(jù)需要更換，程序可以由用戶改換，可用于中、小批次的生產(chǎn)。但因其運動和結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，所以需要較高的

20、設(shè)計要求，造成成本過高。 2.1.2、按機(jī)械手手臂的運動坐標(biāo)型式分類 (1)直角坐標(biāo)式機(jī)械手手臂 具有X、Y、Z三個方向上的自由度，即分別可以沿X、Y、Z三個直角坐標(biāo)軸的方向上往返運動。我叫做機(jī)械手的前后伸縮、上下升降和左右移動。 (2)圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手手臂 可以沿X和Z兩個直角坐標(biāo)軸移動，以及繞 Z 軸的轉(zhuǎn)動，我們叫做機(jī)械手的前后伸縮、上下升降和左右擺動。 (3)球坐標(biāo)式機(jī)械手臂 沿X軸方向上的移動，以及繞 Y 軸和 Z 軸的轉(zhuǎn)動。即機(jī)械手臂可以完成前后方向的伸縮、上下方向的擺動和左右方向上的轉(zhuǎn)動。 (4)多關(guān)節(jié)式機(jī)械手臂 此機(jī)械手的臂部可化分成大臂和小臂兩個部分?？梢杂勉q鏈將大小

21、臂以及大臂和機(jī)體進(jìn)行連接起來。即小臂可繞大臂上下擺動，同時大臂也可繞機(jī)體多角度擺動。 機(jī)械手手臂的運動坐標(biāo)型式如圖2-1所示: 圖2-1 機(jī)械手手臂的運動坐標(biāo)型式 2.1.3、按機(jī)械手的驅(qū)動方式分類 (l)以壓力油進(jìn)行驅(qū)動的液壓驅(qū)動機(jī)械手 (2)以壓縮空氣進(jìn)行驅(qū)動的氣壓驅(qū)動機(jī)械手 (3)直接用電動機(jī)進(jìn)行驅(qū)動的電力驅(qū)動機(jī)械手 (4)將發(fā)動機(jī)的動力通過動力傳動機(jī)構(gòu)傳給機(jī)械手的一種驅(qū)動方式叫做機(jī)械驅(qū)動機(jī)械手。 綜合各種技術(shù)要求，我們選用圓柱坐標(biāo)型氣壓驅(qū)動機(jī)械手。本課題要求機(jī)械手具有較高的的定位精度、較快的反應(yīng)速度，比較大的承載能力，以及工作空間比較寬廣和靈活的自由度，并具有自動定

22、位的能力。擬定機(jī)氣動機(jī)械手設(shè)計的原則是根據(jù)工作對象的工作條件、運動要求和定位精度，從分利用現(xiàn)有的機(jī)械設(shè)計條件和設(shè)計能力，在滿足機(jī)械手各方面上的使用要求的前提下，選擇最經(jīng)濟(jì)的設(shè)計方案。并盡量選擇標(biāo)準(zhǔn)件進(jìn)行設(shè)計，這樣既可以簡化設(shè)計過程，又可以在較低的制造成本上，提高產(chǎn)品的通用性。 2.2、機(jī)械手的坐標(biāo)形式與自由度 根據(jù)機(jī)械手手臂運動形式和自由度的不同，通常將其劃分為直角坐標(biāo)型、圓柱坐標(biāo)型、球坐標(biāo)型和多關(guān)節(jié)坐標(biāo)型，它們的特點如下 一、直角坐標(biāo)型 1．有三個方向上的直線自由度，簡單易懂。 2．機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單。 3．對一定的結(jié)構(gòu)長度，宜采用兩端支持，剛性比較好。 4．因其移動空間比較大，側(cè)該

23、機(jī)構(gòu)占用空間大。 5．必須在較大的空間進(jìn)行安裝。 6．很難對各滑動部件進(jìn)行密封，側(cè)容易受到污染。 二、圓柱坐標(biāo)型 1．同樣結(jié)構(gòu)簡單易于設(shè)計。 2．若要求有較大的動力輸出，直線部分可采用液壓進(jìn)行驅(qū)動。 3．可以將機(jī)械手部分伸入到機(jī)器的型腔內(nèi)部。 4．機(jī)械手的氣爪部所能到達(dá)的空間受到限制，很難接觸到立柱和地面的位置。 5．直線驅(qū)動模的密封性、防塵及防御腐蝕性較差 6．手臂收縮時，手臂后端只能在一定的工作范圍內(nèi)運動。 三、球坐標(biāo)型 1．工作范圍較大的地方在中心支架附近。 2．直線驅(qū)動部分存在密封性差的情況。 3．需要較大的工作空間。 4．也有工作死區(qū)部分。 5．轉(zhuǎn)動部分

24、密封比較容易。 6．由于坐標(biāo)系很復(fù)雜，設(shè)計較困難。 四、多關(guān)節(jié)坐標(biāo)型 1．工作空間比較寬廣，并且動作叫靈活。 2．關(guān)節(jié)的密封性比較好。 3．可以在水下等要求比較低的工作條件下工作。 4．電動機(jī)比較容易實現(xiàn)動力的提供。 5．其運動狀態(tài)比較難以控制，機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計比較困難，不適合用液壓進(jìn)行驅(qū)動。 可以將機(jī)械手的運動分為主運動和輔助運動。機(jī)械手的主運動包括立柱和手臂的運動，因主運動改變了工件空間的空間狀態(tài)。輔助運動包括手指和手腕的運動，因為他們分別改變工件的姿態(tài)，以及工件的位置和方位。 為了使機(jī)械手具有升降、伸縮和回轉(zhuǎn)運動，故選用圓柱坐標(biāo)型機(jī)械手，因此機(jī)械手得到三個自由度。為了彌補(bǔ)

25、立柱升降過程中造成的較大的震動和手臂的伸縮造成的機(jī)械剛度不足，我們增加了一個具有短行程升降的小臂結(jié)構(gòu)，從而使機(jī)械手將刀具從刀庫中拔出，即在豎直方向上增加了一個自由度。所以，機(jī)械手總共具有四個運動自由度。圖2-2為機(jī)械手的運動示意圖。 我們稱升降行程比較大部分為立柱，行程較小的升降部分為小臂。有時為了增加機(jī)械手的通用性，我們可以增加手腕部，使其具有回轉(zhuǎn)運動。此機(jī)械手省略手腕部分。 圖2-2 機(jī)械手的運動示意圖 2.3、機(jī)械手工作過程及工步時間分配 2.3.1、確定完成動作及順序 圖2-3 換刀機(jī)械手布局示意圖 換刀機(jī)械手的布局示意圖如圖2-3所示。圖中換刀機(jī)械手的初始位置在與

26、刀架垂直90且氣爪正對刀庫換刀位置。即機(jī)械手均運動到水平和豎直方向上的極限位置。為了機(jī)械手和刀具恰好對齊，本控制系統(tǒng)采用刀座編碼法對各種刀具進(jìn)行編碼，并根據(jù)需要使刀庫旋轉(zhuǎn)適適當(dāng)?shù)慕嵌?。機(jī)械手要把刀具送到刀架上，需要完成以下幾個動作： (1)、水平伸出——機(jī)械手水平機(jī)構(gòu)伸出70mm，到達(dá)刀庫正上方。 (2)、豎直下降——小臂升降機(jī)構(gòu)下行30mm，使手部夾持機(jī)構(gòu)到達(dá)與刀柄水平的位置。 (3)、夾緊——手臂機(jī)構(gòu)迅速夾緊刀柄。 (4)、豎直上升——待刀柄被夾緊后，小臂升降機(jī)構(gòu)上行30mm，將刀具提出刀庫。 (5)、水平收縮——水平機(jī)構(gòu)快速收縮70mm，整個機(jī)構(gòu)回到初始位置。 (6)、擺動—

27、—機(jī)械手逆時針擺動，使機(jī)械手正對刀架。 (7)、豎直下降、松開——小臂升降機(jī)構(gòu)下行30mm，將刀具放在刀架上，同時手部機(jī)構(gòu)松開工件。 (8)、豎直上升——小臂升降機(jī)構(gòu)上行30mm，回到原始極限位置。 (9)、擺動——機(jī)械手順時針擺動，回到初始位置。 當(dāng)機(jī)械手完成換刀動作后，刀架上的推爪把刀具從從刀架的一端推向另一端，到此，就將機(jī)械手的整個換刀動作完成。 2.3.2、工步時間分配 經(jīng)研究決定機(jī)械手完成整個換刀過程需要5.5s，根據(jù)上述換刀的各個過程，對時間進(jìn)行分配，如表2-1所示： 表2-1 機(jī)械手運動過程與時間分配 工步號 工步名稱 行程（mm） 預(yù)分配時間（s） 1

28、 水平伸出 70 0.5 2 垂直下降 30 0.3 3 夾緊 1 4 豎直上升 30 0.3 5 水平收縮 70 0.5 6 擺動（逆時針） 90 1.0 7 豎直下降 30 0.3 松開 0.3 8 豎直上升 30 0.3 9 擺動（順時針） 90 1.0 總計 5.5 2.4、機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案 本方案采用模塊化的設(shè)計方法，機(jī)械手包括以下幾個模塊：立柱、手臂、小臂、手腕和手爪幾個模塊。為了滿足4個自由度的要求，本機(jī)械手采用圓柱坐標(biāo)形式。為了滿足實際工作要求，本機(jī)械手只需要立柱、手臂、小臂和

29、手爪幾個模塊。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2-4所示： 圖2-4 氣動機(jī)械手的結(jié)構(gòu)簡圖 2.5、機(jī)械手的驅(qū)動方案 機(jī)器人關(guān)節(jié)的驅(qū)動方式有液壓式、氣動式、和電動式。下面將三種驅(qū)動方式進(jìn)行分析比較。 1、液壓驅(qū)動 機(jī)器人的驅(qū)動系統(tǒng)采用液壓驅(qū)動，有以下幾個優(yōu)點： (1) 能夠輸出較大的力和力矩，同時能夠快速響應(yīng)，定位精度比較高。 (2) 可以把機(jī)械手的一部分用作液壓缸，這樣既可以實現(xiàn)直線運動，又可以使其結(jié)構(gòu)簡單。 (3) 可以方便的實現(xiàn)變速和方向控制，自動化程度比較高。 (4)液壓系統(tǒng)可實現(xiàn)自我潤滑，過載保護(hù)方便，使用壽命長。 但液壓系統(tǒng)由于產(chǎn)生泄露而造成運動精度不高。同時系統(tǒng)發(fā)熱量比較

30、大，很難找出小的故障。 2、 氣壓驅(qū)動 (1)機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單，氣體選取方便，并且干凈環(huán)保。 (2)在管路中壓縮空氣流動速度比較快，所以該系統(tǒng)動作響應(yīng)比較快。 (3)與液壓控制系統(tǒng)相比，其工作壓力比較低。與液體相比，氣體體積比較大，且氣動宜被壓縮，所以其定位精度不高，噪聲比較大。 3、電動機(jī)驅(qū)動 電動機(jī)驅(qū)動可分為普通交、直流電動機(jī)驅(qū)動，交、直流伺服電動機(jī)驅(qū)動和步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動。 普通交、直流電動機(jī)驅(qū)動需要用減速機(jī)構(gòu)來獲得較大的輸出力矩,但是因為其慣性力矩比較大，所以要實現(xiàn)精確控制比較困難，適用于重型機(jī)械的控制。伺服電動機(jī)和步進(jìn)電機(jī)因其輸出力矩較小，側(cè)控制性能相對較好，可以對速度和位置的

31、精確控制，適用于中、小規(guī)模的機(jī)器中。步進(jìn)電動機(jī)一般用于開環(huán)控制系統(tǒng)，而交、直伺服電動機(jī)主要用于閉環(huán)控制系統(tǒng)，因為他們的控制精度不是很高。 各種驅(qū)動方式及特點如表2-2所示： 表2-2 各種驅(qū)動方式及特點的比較 驅(qū)動方式 特點 輸出力 控制性能 維修使用 結(jié)構(gòu)體積 使用范圍 制造成本 氣壓驅(qū)動 氣壓壓力低，輸出力較小，如需輸出力大時，其結(jié)構(gòu)尺寸過大 可高速，沖擊較嚴(yán)重，精確定位困難。氣體壓縮性大，阻尼效果差，低速不易控制，不易與CPU連接 維修簡單，能在高溫、粉塵等惡劣環(huán)境中使用，泄漏無影響 體積較大 中、小型專用機(jī)械手或機(jī)械手都有應(yīng)用 結(jié)構(gòu)簡單，能源方便，成本

32、低 液壓驅(qū)動 壓力高，可獲得大的輸出力 油液不可壓縮,壓力、流量均容易控制，可無級調(diào)速，反應(yīng)靈敏，可實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制 維修方便，液體對溫度變化敏感，油液泄漏易著火 在輸出力相同的情況下，體積比氣壓驅(qū)動方式小 中小型專用機(jī)械手或機(jī)械手都有應(yīng)用，中型機(jī)械手多為液壓驅(qū)動 液壓元件成本較高，油路也較復(fù)雜 電力驅(qū)動 異步電動機(jī)、直流電動機(jī) 輸出力較大 控制性能較差，慣性大，不易精確定位 維修使用方便 要減速裝置，體積較大 適用于速度低、抓重大物體的專用機(jī)械手 成本低 步進(jìn)或伺服電機(jī) 輸出力較小 容易與CPU連接，控制性能好，響應(yīng)快，可精確定位，但控制系統(tǒng)復(fù)雜 維修使

33、用較復(fù)雜 體積較小 可用于程序復(fù)雜、運動軌跡要求嚴(yán)格的工業(yè)機(jī)械手 成本較高 機(jī)械聯(lián)動 輸出力較大 速度較高，速度與加速度均由機(jī)構(gòu)控制。定位精度高，可與主機(jī)嚴(yán)格同步。不易與CPU連接 維修使用方便 自由度多時，機(jī)構(gòu)復(fù)雜，體積也較大 適用于自由度少，速度較高的專用機(jī)械手 結(jié)構(gòu)簡單，成本低 綜合進(jìn)行各方面的比較，我們選擇氣壓驅(qū)動系統(tǒng)，應(yīng)為其結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜、工作穩(wěn)定、污染幾乎為零、可以在高溫環(huán)境下工作、同時還可以抵抗各種電磁干擾等優(yōu)點，在當(dāng)今機(jī)械加工中應(yīng)用比較廣泛。 第3章 機(jī)械手的機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計 3.1、機(jī)械手伺服系統(tǒng)設(shè)計 3.1.1、氣動伺服系統(tǒng)設(shè)計 本課題機(jī)

34、械手要求能實現(xiàn)伸縮、回轉(zhuǎn)、升降等的動作，每一個動作都是由電氣-氣壓伺服系統(tǒng)驅(qū)動的，其原理相同。下面以機(jī)械手伸縮運動為例闡述伺服系統(tǒng)的工作原理。 機(jī)械手伸縮運動的電氣與氣壓伺服控制系統(tǒng)原理圖如圖3-1所示，1一放大器、2一電氣伺服閥、3一氣缸、4一機(jī)械手手臂、5一齒輪齒條機(jī)構(gòu)、6一電位器和7一步進(jìn)電機(jī)等元件組成，它組成了一個電氣與氣壓伺服控制系統(tǒng)。當(dāng)電位器的觸頭處于中位時，觸頭上沒有電壓輸出。當(dāng)它偏離這個位置時，由于產(chǎn)生了偏差就會輸出相應(yīng)的電壓。電位器觸頭產(chǎn)生的微弱電壓，經(jīng)放大器放大后對電氣伺服閥進(jìn)行控制。電位器觸頭由步進(jìn)電動機(jī)帶動旋轉(zhuǎn)，步進(jìn)電動機(jī)的偏轉(zhuǎn)方向以及角位移和角速度由數(shù)字控制裝置發(fā)出

35、的脈沖數(shù)和脈沖頻率控制。齒條固定在機(jī)械手臂上，電位器殼體固定在齒輪上，所以當(dāng)手臂帶動齒輪轉(zhuǎn)動時，電位器殼體同齒輪一起轉(zhuǎn)動，形成負(fù)反饋。 圖3-1 機(jī)械手伸縮運動電氣一氣壓伺服系統(tǒng)原理圖 機(jī)械手伸縮運動伺服系統(tǒng)的工作原理是：由數(shù)字控制裝置發(fā)出一定數(shù)量的脈沖，使步進(jìn)電機(jī)帶動電位器的動觸頭轉(zhuǎn)過一定的角度(假定為順時針方向轉(zhuǎn)動)，動觸頭偏離電位器中位，產(chǎn)生微弱電壓，經(jīng)放大器放大后，輸入給電氣伺服閥的控制線圈，使伺服閥產(chǎn)生一定的開口量。這時，壓縮空氣經(jīng)閥的開口進(jìn)入氣缸的左腔，推動活塞桿連同機(jī)械手手臂一起向右運動。由于齒輪和機(jī)械手手臂上齒條相嚙合，因而手臂向右移動時，電位器隨之作順時針方向轉(zhuǎn)動。當(dāng)

36、電位器的中位和觸頭重合時，偏差為零，則動觸頭輸出電壓為零，電氣伺服閥失去信號，閥口關(guān)閉，手臂停止移動。手臂移動的行程決定于脈沖數(shù)量，速度決定于脈沖頻率。當(dāng)數(shù)字控制裝置發(fā)出反向脈沖時，步進(jìn)電動機(jī)逆時針方向轉(zhuǎn)動，手臂縮回。 根據(jù)模擬換刀機(jī)械手的動作要求，在驅(qū)動系統(tǒng)中氣缸的運動方式主要有兩種：(1)直線運動(缸體固定，活塞桿作直線運動)；(2)擺動(缸體固定，活塞桿擺動)?？偟碾姎?氣動系統(tǒng)原理圖如圖3-2所示： 圖3-2 機(jī)械手氣動伺服系統(tǒng)圖 3.1.2、電氣伺服閥 電氣伺服控制屬于連續(xù)控制，其特點是輸出量隨輸入量的變化而變化，輸出量與輸入量之間存在一定的關(guān)系。 由于電氣元件具有多方

37、面的適應(yīng)性，信號的檢測、傳輸、綜合、放大等都很方便，而且?guī)缀醺鞣N物理量都能轉(zhuǎn)換成電量，故氣動伺服系統(tǒng)中的輸入量以電信號居多，轉(zhuǎn)換元件便以電磁式居多，其典型代表便是比例電磁鐵。它是利用電磁力作用在轉(zhuǎn)換元件的可動部件上，通過其中的彈性元件轉(zhuǎn)變?yōu)槲灰?，通過此位移來調(diào)節(jié)氣動放大器(放大元件)的節(jié)流面積，從而控制通過氣動放大器的氣體壓力或流量。 電氣伺服閥是由電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器(轉(zhuǎn)換元件)和氣動放大器(放大元件)所組成。驅(qū)動電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器的功率一般只需幾瓦，而氣動放大器的輸出氣流的功率可達(dá)幾千瓦。 氣動放大器的結(jié)構(gòu)形式有滑閥、噴嘴擋板閥等。本機(jī)械手采用噴嘴擋板式的電氣伺服閥，來確保連接機(jī)械手手臂的氣壓缸

38、按所要求的控制規(guī)律和定位精度工作，工作過程大致如下： 如圖3-3所示，若伺服放大器輸出的偏差信號(即設(shè)定的指令信號與反饋信號之差)經(jīng)放大后，加到氣壓伺服閥的電磁線圈上，則永久磁鐵和電磁線圈間產(chǎn)生相吸或相斥的電磁力，使端部裝有擋板的桿件偏離中間平衡位置繞支點左右擺動，擋板使對稱布置的兩個轉(zhuǎn)換器(結(jié)構(gòu)原理如圖3-4)噴嘴處的氣體流量發(fā)生不均等的變化，因而造成一側(cè)噴嘴背壓腔壓力升高，另一側(cè)轉(zhuǎn)換器噴嘴背壓腔壓力降低，則負(fù)載氣缸左右腔壓力不等，活塞桿(連接機(jī)械手手臂)移動，實現(xiàn)工作要求的運動規(guī)律?，F(xiàn)假定以右側(cè)轉(zhuǎn)換器為例考察其動作原理，當(dāng)桿件在偏差信號作用上偏離中向平衡位置移向右側(cè)轉(zhuǎn)換器，由于擋板與噴嘴

39、間隙減小，則隨著噴嘴背壓腔內(nèi)壓力升高，A腔壓力升高，使帶有噴嘴的閥座右移，把菌狀提動閥推向右方，使D腔菌狀閥閥口開大，而C腔的小菌狀提動閥閥口關(guān)閉，這樣，由進(jìn)氣口流入的控制氣流經(jīng)過節(jié)流閥調(diào)節(jié)針閥流向氣壓缸，驅(qū)動活塞桿工作；與此同時，相反一側(cè)的左轉(zhuǎn)換器(各腔符合同右側(cè)，只是符號右上腳打“ˊ”來表示左側(cè)，以下同)，由于桿件端部的擋板與噴嘴間的間隙增加，造成左噴嘴背壓腔壓力降低，而使左側(cè)帶噴嘴的閥座在Cˊ腔(與右側(cè)C腔相對應(yīng))壓力作用下向右移動，菌狀提動閥在左側(cè)彈簧力作用下使左轉(zhuǎn)換器Dˊ腔的閥關(guān)小，而Cˊ腔的閥開大，則氣缸左端與排氣孔相通，壓力下降，實現(xiàn)活塞桿向消除偏差信號方向移動(即活塞左向移動)

40、：偏差信號為零時，左右側(cè)兩個轉(zhuǎn)換器的輸出相等，這樣氣缸活塞停止在新的相對平衡位置上。 圖3-3電氣一氣壓伺服閥工作原理圖 上圖中，零位(點)調(diào)整彈簧左右端均與帶擋板的桿件相聯(lián)，起著機(jī)械零位調(diào)整和對中彈簧補(bǔ)償作用；增益調(diào)整彈簧在偏差信號為零時(即輸出壓力處于平衡狀態(tài)時)，不與桿件接觸，當(dāng)偏差信號超過某一數(shù)值后才接觸。它的作用是根據(jù)偏差信號大小改變補(bǔ)償流量增益的變化，確保氣缸定位精度的穩(wěn)定。另外，采用噴嘴擋板控制的菌狀提動閥，抗污染性能強(qiáng)，不容易堵塞。 圖3-4轉(zhuǎn)換器原理圖 3.2、機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計 執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的還增設(shè)行走機(jī)構(gòu)。其中，每個執(zhí)行機(jī)

41、構(gòu)都要進(jìn)行相應(yīng)的氣動元件設(shè)計，必要的還要加裝導(dǎo)向裝置。氣動元件的計算與選擇，對整個氣動系統(tǒng)有著至關(guān)重要的作用。所選擇的元件既要滿足系統(tǒng)的性能要求，又不能浪費。下面分別對各驅(qū)動元件進(jìn)行計算與選擇，并設(shè)計機(jī)械連接件與導(dǎo)向裝置。 3.2.1、機(jī)械手手部設(shè)計 進(jìn)行機(jī)械手設(shè)計時應(yīng)考慮以下問題： (1) 應(yīng)具有適當(dāng)?shù)膴A緊力和驅(qū)動力，應(yīng)考慮到在一定的夾緊力下，不同的傳動機(jī)構(gòu)所需要的驅(qū)動力大小是不同的。 (2) 手指應(yīng)具有一定的張開范圍，以便于抓取工件。 (3) 在保證本身剛度，強(qiáng)度的前提下，盡可能使結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，以利于減輕手臂負(fù)載。 (4) 應(yīng)保證手抓的夾持精度。 通過綜合考慮，本設(shè)計選擇

42、二指雙支點回轉(zhuǎn)型手抓，采用滑槽杠桿式，夾緊裝置采用常開式夾緊裝置，他在氣壓的控制下實現(xiàn)手抓的閉合。 圖3-5為常見的滑槽杠桿式手部結(jié)構(gòu)。 圖3-5 滑槽杠桿式手部結(jié)構(gòu) 3.2.2、手臂結(jié)構(gòu)設(shè)計 手臂是機(jī)械手的主要部分，它是支撐被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是帶動手指去抓取物件，并按預(yù)定要求將其搬運到指定的位置。前面已經(jīng)敘述了，按照抓取工件的要求，本機(jī)械手有四個自由度，即手臂的伸縮、小臂的升降、立柱的回轉(zhuǎn)和升降運動。對手臂結(jié)構(gòu)的要求：一是重量盡量輕，以達(dá)到動作靈活、運動速度高、節(jié)約材料和動力，同時減少運動的沖擊；二是要有足夠的剛度，以保證運動精度和定位精度。手臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計

43、重點是驅(qū)動力的計算。 1、小臂升降模塊 小臂升降模塊安裝在手臂伸縮模塊上，其作用是將模擬刀具從刀庫插孔(刀架槽)中提出或插入，采用單桿雙作用氣缸。 對于直線運動氣缸的缸徑，可按載荷/安全系數(shù)選取。氣缸活塞桿的穩(wěn)定性與工作壓力、安裝形式、最大行程有關(guān)，即使氣缸不受橫向載荷也需要加上導(dǎo)向裝置，保證氣缸按正確方向運行。 (1)氣缸內(nèi)徑的確定 由作用在活塞桿上的工作載荷和初選的工作壓力，利用下述公式可計算出缸徑D。當(dāng)活塞桿輸出推力克服載荷做功時 （3-1） 式中：D—氣缸內(nèi)徑(m) —活塞上的推力(或稱工作載

44、荷)(N) p—初選的工作壓力(Pa)，一般為P=0.51Mpa ?—總機(jī)械效率，當(dāng)氣缸動態(tài)性能要求工作顴率高時，取?=0.3～0.5。速度低時取大值，速度高時取小值。氣缸動態(tài)性能要求一般，工作頻率較低時，可取0.7～0.85。 當(dāng)活塞桿輸出拉力克服載荷做功時 （3-2） 式中：F2—活塞桿的拉力(N)； d—根據(jù)拉力預(yù)先估定的活塞桿直徑。估定活塞桿直徑d/D=0.16～0.5。 把d/D=0.16～0.5代入上式得

45、 （3-3） 將式(3-1)與式(3-3)相比，D取大值， (2)氣缸耗氣量 氣缸耗氣量與氣缸直徑D、行程S、缸的動作時間和換向閥到氣缸管道的容積有關(guān)。忽略氣缸管道容積時，則氣缸的單位時間壓縮空氣消耗量按下式計算 （3-4） 式中：Q—每秒鐘壓縮空氣消耗量(） 、—氣缸無、有活塞桿端進(jìn)氣時壓縮空氣消耗量（） D、d—缸的內(nèi)徑和活塞桿直徑(m) —氣缸活塞桿伸出與縮回時所需時間(s) S—氣缸的行程(m)。 (3)小臂升降氣缸計算 根據(jù)換刀機(jī)械手立柱升降氣缸運動過程的要求，氣缸收縮時承受的外力F≤15N，行程為30m

46、m，伸出或縮回的時間為0.3s。其主要尺寸的確定如下： A、缸徑D的計算： 取d/D=0.5，依據(jù)公式(3-3)取P=0.5Mpa，?=0.3計算，即 B、耗氣量計算 缸徑D=20mm，行程s=30mm，時間t=0.3s，依據(jù)公式(3-4)，得： C、驗算輸出力 設(shè)，當(dāng)P=0.5 Mpa時，該氣缸的推力為102N，而拉力為80N，均遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實際需要的15N緩沖 該氣缸終端位置的沖擊能量為： 設(shè)，當(dāng)P=0.5Mpa時，終端位置的最大沖擊能量為0.1Nm>0.0075Nm，所以安全。 2、根據(jù)氣缸的運動要求，設(shè)：氣缸收縮時承受的外力F≤15N(慣性負(fù)載較大)，行程

47、為70mm，伸出或縮回的時間為0.3s。其主要尺寸的確定如下： （1)缸徑D的計算 取d/D=0.5，依據(jù)公式(3-3)，取P=0.5Mpa，?=0.3計算，即 (2)耗氣量計算 水平缸缸徑D=32mm，行程S=70mm。時間t=0.3s，依據(jù)公式(3-4)，得： 3、立柱升降模塊 立柱是安裝在與基座連接的轉(zhuǎn)臺之上，用以支撐手臂并帶動它升降和移動的機(jī)構(gòu)。對立柱的設(shè)計要求是堅固，剛性好。 根據(jù)換刀機(jī)械手立柱升降氣缸的運動要求，氣缸收縮時承受的外力F≤60N，行程為100mm，伸出或縮回的時間為0.4s。其主要尺寸的確定如下： (1)缸徑D的計算 取d/D=0.5，依據(jù)公

48、式(3-3)取P=0.5Mpa, ?=0.3計算，即 2)耗氣量計算 缸徑D=16mm，行程S=100mm，t=0.4s，依據(jù)公式(3-4)，得： 4、手臂的回轉(zhuǎn)模塊 擺動氣缸是利用壓縮空氣驅(qū)動輸出軸在一定角度范圍內(nèi)作往復(fù)回轉(zhuǎn)運動的氣動執(zhí)行元件，用于物體的轉(zhuǎn)位、夾緊、閥門的開閉以及機(jī)械手的手臂動作等。擺動氣缸有齒輪齒條式和葉片式兩大類。本機(jī)械手臂采用齒輪齒條式擺動氣缸。 表3-1 擺動氣缸的比較 品種 體積 質(zhì)量 改變擺動角的方法 設(shè)置緩沖裝置 輸出力矩 泄露 擺動角度范圍 最低使用壓力 擺動速度 用于中途停止?fàn)顟B(tài) 齒輪齒條式 較大 較大 改變內(nèi)

49、部或外部擋塊位置 容易 較大 很小 可較寬 較小 可以低速 可適當(dāng)時間使用 葉片式 較小 較小 調(diào)節(jié)止動塊的位置 內(nèi)部設(shè)置困難 較小 微漏 較窄 較大 不宜低速 不宜長時間使用 3.2.3、基座結(jié)構(gòu)設(shè)計 基座是機(jī)械手的基礎(chǔ)部分，機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)的各部件和驅(qū)動系統(tǒng)均安裝于基座上，是支撐機(jī)械手全部重量的構(gòu)件。對其結(jié)構(gòu)的要求是剛性好、占地面積小、操作維修方便和造型美觀?；Y(jié)構(gòu)從形式上可分為落地式和懸掛式，或分為固定式、可移動式和行走式。無論哪一種形式，機(jī)械手工作時基座應(yīng)給予以固定。根據(jù)總體設(shè)計中換刀機(jī)械手的設(shè)計要求，本機(jī)械手的基座采用落地固定式。 換刀機(jī)械手

50、立柱模塊需要一個旋轉(zhuǎn)模塊，擺動氣缸則應(yīng)固定在基座上。如果水平缸、垂直缸和手部機(jī)構(gòu)直接安裝到擺動氣缸輸出軸上，機(jī)構(gòu)雖然簡單，但擺動氣缸的軸向受力增大，對氣缸的自身要求較高，容易造成擺動氣缸的損壞。同時，機(jī)械手本身重心偏離立柱軸線對擺動氣缸轉(zhuǎn)動軸產(chǎn)生傾覆力矩。所以采用一個連接組件，將機(jī)械手立柱以上的重量和傾覆力矩由機(jī)架來承擔(dān)。該連接組件主要由四個部分組成：雙向推力球軸承、底座、轉(zhuǎn)臺和扣罩，如圖3-6所示，采用雙向推力球軸承可以方便地將軸承內(nèi)環(huán)與轉(zhuǎn)臺連接，外環(huán)用扣罩固定在底座上。另外，推力軸承要選擇公稱尺寸相對較大一些的，這樣可以更好地承受傾覆力矩。 圖3-6 基座結(jié)構(gòu)圖 第4章 PLC控

51、制系統(tǒng)設(shè)計 4.1、機(jī)械手控制系統(tǒng)PLC的選擇 在系統(tǒng)控制器的選擇上可以有多種方案，目前在機(jī)電一體化設(shè)計中主要有三種：單片機(jī)、工業(yè)控制計算機(jī)、可編程控制器（PLC）。隨著計算機(jī)系統(tǒng)的不斷發(fā)展，PLC控制系統(tǒng)得到了廣泛的應(yīng)用。PLC 控制有以下優(yōu)點： 1、可靠性高 PLC不需要大量的活動元件和連接電子元件，它的連線大大減少。與此同時，系統(tǒng)的維修簡單，維修時間短，采用了一系列可靠性設(shè)計的方法進(jìn)行設(shè)計，如：冗余的設(shè)計、斷電保護(hù)、故障診斷和信息保護(hù)及恢復(fù)等。 2、易操作性 PLC 有較高的易操作性，它具有編程簡單，操作方便，維修容易等特點，一般不容易發(fā)生操作的錯誤。PLC 是為工業(yè)生產(chǎn)過程

52、控制而專門設(shè)計的控制裝置，它具有比通用計算機(jī)控制更簡單的編程語言和更可靠的硬件。采用了精簡化的編程語言，編程出錯率大大降低。 3、靈活性 PLC采用的編程語言有梯形圖、布爾助記符、功能圖、功能模塊和語句描述編程語言。編程方法的多樣性使編程簡單、應(yīng)用而拓展。操作十分靈活方便，監(jiān)視和控制變量十分容易。 經(jīng)過各方面分析比較，本課題采用三菱FX2N系列PLC作為控制器，并配有相應(yīng)的控制模塊，來實現(xiàn)整個機(jī)械手的控制功能。 4.2、機(jī)械手的PLC控制系統(tǒng)限位開關(guān)的布局示意圖 圖4-1 限位開關(guān)的布局示意圖 4.3、機(jī)械手自動換刀系統(tǒng)的工作流程 如下圖所示單個工作流程示意圖： 圖4-

53、2 自動控制原理圖 機(jī)械手移動刀具的單個工作流程由復(fù)位到初始位置、將機(jī)械手移動到刀庫處、夾緊刀具、將刀具移動到目標(biāo)位置、放下刀具和移動到初始位置6個過程組成。機(jī)械手移動刀具通過PLC平控制，可以實現(xiàn)這6個過程全自動依次運行。 4.4、機(jī)械手自動換刀系統(tǒng)的原理 該控制系統(tǒng)的基本控制原理如下： (1)按下啟動按鈕，系統(tǒng)進(jìn)行自檢查機(jī)械是否在初始位置，不是的話先進(jìn)行復(fù)位工作，然后進(jìn)行正式工作。 (2)復(fù)位工作控制原理如下： ① 機(jī)械手首先上移，直到運動到最上端。 ② 上移后，機(jī)械手開始右移。 ③ 右移完成后，機(jī)械手開始左轉(zhuǎn)，至此，復(fù)位工作完成。 (3)正式工作控制原理如下：

54、 ① 機(jī)械手開始左移，一直運動到最左端。 ② 運行到最左端后，機(jī)械手開始向下運動。 ③ 到達(dá)最下端后，機(jī)械手開始夾緊工件，一直到把工件夾緊為止，時間由定時器控制，定時為1.0秒。 ④ 機(jī)械手開始向上運動，運動到最上端。 ⑤上移后，機(jī)械手開始右移。 ⑥ 右移完成后，機(jī)械手開始右轉(zhuǎn)，直到右轉(zhuǎn)限位開關(guān)檢測到信號。 ⑦ 右轉(zhuǎn)完成后，機(jī)械手下移。 ⑧ 運行到最低位置后，機(jī)械手把工件松開，一直到放松限位開關(guān)檢測到信號。 ⑨ 工件松開后，機(jī)械手開始向上運動。 ⑩ 到達(dá)最上端后，機(jī)械手開始左轉(zhuǎn)，真到左轉(zhuǎn)限位開關(guān)檢測到信號，此時機(jī)械手已加到初始位置。 (4) 該系統(tǒng)進(jìn)行自動

55、連續(xù)循環(huán)工作。正常停車時，要求機(jī)械手回到初始位置時才能停車。急停時，切斷所有電源，系統(tǒng)停止運行。重新啟動后，由于急停時機(jī)械手位置的不確定性，要進(jìn)行復(fù)位工作。 4.5、PLC的硬件I/O接口原理圖 圖4-3 三菱FX2N PLC接口電路圖 4.6、自動換刀系統(tǒng)PLC程序的設(shè)計 4.6.1、編程軟件 采用三菱公司編程軟件FXGP/WIN-C,其界面如下所示 圖4-4 編程軟件界面圖 4.6.2、PLC的控制流程圖 圖4-5 自動控制流程框圖 4.6.3、梯形圖 圖4-6 梯形圖 4.6.4、指令表 圖4-7 指令表 致謝 本次設(shè)計是在我尊敬的指導(dǎo)老師

56、翁志剛老師悉心指導(dǎo)下完成的。老師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度和精益求精的工作作風(fēng)使我受益匪淺。在此，我首先向指導(dǎo)老師表示誠摯的感謝，并致以崇高的敬意! 本次畢業(yè)設(shè)計是大學(xué)期間所學(xué)知識的綜合運用，通過這次設(shè)計把所學(xué)的基礎(chǔ)理論和專業(yè)課程作了一個總結(jié)和回顧，加深了對理論的理解，能夠掌握機(jī)械設(shè)計的全套思路，為即將走上工作崗位和以后的發(fā)展打下了一定的基礎(chǔ)。 在設(shè)計過程中，我查閱了大量的圖書資料以及網(wǎng)絡(luò)上的資料，包括機(jī)械零件、材料力學(xué)、液壓控制、幾何量公差與測量、機(jī)械制圖、機(jī)械手設(shè)計基礎(chǔ)等等，尤其是在從對各類設(shè)計手冊的查閱中，我的知識面得到了很大的提高；通過對該課題的獨立設(shè)計，使我對機(jī)械知識有了一個更加深入的了解，對

57、機(jī)械這門學(xué)科有了進(jìn)一步的理解。也使我獨立設(shè)計的能里有了極大的提高。 在課題的研究和開發(fā)階段，我得到了機(jī)械基礎(chǔ)學(xué)部老師的大力支持和幫助，在此一并向他們表示衷心的感謝。在本次畢業(yè)設(shè)計中，機(jī)械基礎(chǔ)學(xué)部的各位老師，翁老師，以及全體同學(xué)給與我很大支持和幫助，在此我向他們以及多年來為我的成長付出辛勤勞動的老師們和同學(xué)們表示衷心的感謝。在設(shè)計過程中，遇到不懂的地方，我也經(jīng)常與同事、同學(xué)進(jìn)行討論，解決難題。感謝父母 、家人對我的教育，感謝所有關(guān)心我的朋友和老師，同時感謝我校的良好的學(xué)習(xí)環(huán)境是我避免了很多的彎路。 當(dāng)然，由于本人設(shè)計水平有限、在課程中沒有接觸過機(jī)械手的相關(guān)課程，實際經(jīng)驗的不足，以及時間上的限

58、制，在設(shè)計中難免存在一些錯誤。懇請老師給予以批評以及指正。 再次表示感謝！ 參 考 文 獻(xiàn) [1]液壓與氣壓傳動/劉延俊 主編 ―2版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2006.12 [2]電氣控制與可編程序控制器應(yīng)用技術(shù)/郁漢琪主編 ―2版 一南京：東南大學(xué)出版社，2009.9 [3]陸祥生，楊秀蓮編.機(jī)械手理論及應(yīng)用.北京：中國鐵道出版社，1985 [4]機(jī)電傳動與控制(第三版)/程憲平 主編 一武漢：華中科技大學(xué)出版社，2010.9 [5]機(jī)械原理/孫恒，陳作模，葛文杰 主編；西北工業(yè)大學(xué) 機(jī)械原理及機(jī)械零件教研室主編.一7版.一北京：高等教育出版社，2006.5 [6]機(jī)械設(shè)計

59、（第八版）/濮良貴、紀(jì)名剛主編；西北工業(yè)大學(xué) 機(jī)械原理及機(jī)械零件教研室編著.一8版.一北京：高等教育出版社，2006.5 [7]李文明.曲軸搬運機(jī)械手的研究與設(shè)計.武漢：華中科技大學(xué)，2007 [8]鄧康一.氣動機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計及伺服控制研究.西安：西安建筑科技大學(xué)，2008 [9]徐元昌.工業(yè)機(jī)器人.北京：中國輕工業(yè)出版社，1999 [10]《工業(yè)機(jī)械手編寫設(shè)計基礎(chǔ)》編寫組.工業(yè)機(jī)械手設(shè)計基礎(chǔ).天津：天津科學(xué)技術(shù)出版社，1979 [11]李超.氣動通用上下料機(jī)械手的研究與開發(fā)[D].西安：陜西科技大學(xué)，2003 [12]王承義.機(jī)械手及其應(yīng)用.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1981 [

60、13]加騰一郎.機(jī)械手圖冊.上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1979 [14]勞俊，伍世虔，楊叔子.模塊化與現(xiàn)代制造技術(shù).制造技術(shù)與機(jī)床，1994 [15]施進(jìn)發(fā)，游理華，梁錫昌.機(jī)械模塊學(xué).重慶：重慶出版社，1997 [16]戚昌滋，楊紅旗，雷文字.機(jī)械現(xiàn)代設(shè)計方法學(xué).北京：中國建筑工業(yè)出版社，1987 [17]肖瓏.液壓與氣動傳動技術(shù).西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2007 [18]K R Symon, Mechanics [M].3rd edition.Addison-Wesley: 1971 [19]理查德摩雷,夏恩卡薩思特里著,徐衛(wèi)良譯.機(jī)器人操作的數(shù)學(xué)導(dǎo)論.工業(yè)出版社,199

61、8 [20]熊有倫.機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)[M].武漢:華中理工大學(xué)出版社,1997 [21]李建藩.氣壓傳動系統(tǒng)動力學(xué).廣東：華南理工大學(xué)出版社，1991 [22]SMC(中國)有限公司.現(xiàn)代實用氣動技術(shù)(第2版).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003 [23]孫樹棟.工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ).西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2006 [24]熊有倫. 機(jī)器人學(xué).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1993 [25] 天津大學(xué)《工業(yè)機(jī)械手設(shè)計基礎(chǔ)》編寫組.工業(yè)機(jī)械手設(shè)計基礎(chǔ).天津：天津科學(xué)技術(shù)出版社，1980. [26] 孟繁華. 機(jī)器人應(yīng)用技術(shù).哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1989. [27] 徐灝. 機(jī)械設(shè)計

62、手冊第5卷[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1992. [28]Shuster M D.A survey of attitude representation [J].A stronauti 1993 [29]孫好章.基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的機(jī)械手控制系統(tǒng)的研究.無錫：江南大學(xué)，2008 [30]齊進(jìn)凱.氣動機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計、分析及控制的研究[D].上海：東華大學(xué)，2006 [31] 數(shù)控技術(shù) 李斌 李曦 主編.一武漢：華中科技大學(xué)出版社，2010年4月 第 30 頁 皖西學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計）任務(wù)書 學(xué)院：機(jī)械與電子工程學(xué)院 專業(yè)： 機(jī)械設(shè)計制造及其

63、自動化 學(xué)生姓名 武金鵬 學(xué)號 2009011644 畢業(yè)論文（設(shè)計）題目： 自動換刀機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計及PLC控制研究 畢業(yè)論文（設(shè)計）內(nèi)容： ⒈掌握三菱FX系列PLC的使用與編程； ⒉掌握自動換刀機(jī)械手工作原理； ⒊設(shè)計基于三菱FX系列PLC的自動換刀機(jī)械手控制系統(tǒng)（結(jié)構(gòu)設(shè)計與相應(yīng)的梯形圖程序設(shè)計）。 自動換刀機(jī)械手控制要求： 設(shè)計下圖結(jié)構(gòu)所示的換刀機(jī)械手，設(shè)計其結(jié)構(gòu)與基于PLC控制的梯形圖。 畢業(yè)論文（設(shè)計）要求及應(yīng)完成的工作： ⒈查找資料掌握三菱FX系列PLC相關(guān)知識；⒉設(shè)計繪制主電路和PLC控制電路圖；⒊繪制相應(yīng)的零件圖與裝配圖；⒋設(shè)計相應(yīng)PLC梯形圖；

64、⒌上機(jī)調(diào)試；⒍撰寫相應(yīng)畢業(yè)論文，整理相關(guān)圖紙⒎制作答辯PPT。 進(jìn)度安排 畢業(yè)論文（設(shè)計）各階段名稱 起 止 日 期 1 查找資料 第1—2周 2 硬件設(shè)計 第3—4周 3 程序設(shè)計 第5—7周 4 上機(jī)調(diào)試 第8—10周 5 撰寫論文，準(zhǔn)備答辯 第11—12周 應(yīng)收集的資料、主要參考文獻(xiàn)及實習(xí)地點： [1]液壓與氣壓傳動/劉延俊 主編 ―2版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2006.12 [2]電氣控制與可編程序控制器應(yīng)用技術(shù)/郁漢琪主編 ―2版 一南京：東南大學(xué)出版社，2009.9 [3]機(jī)電傳動與控制(第三版)/程憲平 主編

65、 一武漢：華中科技大學(xué)出版社，2010.9 [4]機(jī)械原理/孫恒，陳作模，葛文杰 主編；西北工業(yè)大學(xué) 機(jī)械原理及機(jī)械零件教研室主編.一7版.一北京：高等教育出版社，2006.5 [5]機(jī)械設(shè)計（第八版）/濮良貴、紀(jì)名剛主編；西北工業(yè)大學(xué) 機(jī)械原理及機(jī)械零件教研室編著.一8版.一北京：高等教育出版社，2006.5 [6]鄧康一.氣動機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計及伺服控制研究.西安：西安建筑科技大學(xué)，2008 [7]齊進(jìn)凱.氣動機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計、分析及控制的研究[D].上海：東華大學(xué)，2006 [8]數(shù)控技術(shù) 李斌 李曦 主編.一武漢：華中科技大學(xué)出版社，2010年4月 指導(dǎo)教師簽字:

66、 年 月 日 學(xué)院院長簽字： 年 月 日 皖西學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計）開題報告 系別：機(jī)械與電子工程學(xué)院 專業(yè)：機(jī)械設(shè)計制造及其自動化 學(xué)生姓名 武金鵬 學(xué)號 2009011644 指導(dǎo)教師 翁志剛 職稱 講師 所選題目名稱： 自動換刀機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計及PLC控制研究 課題研究現(xiàn)狀： 工業(yè)機(jī)械手最早應(yīng)用在汽車制造業(yè)，常用于焊接、噴漆、上下料和搬運。工業(yè)機(jī)械手延伸和擴(kuò)大了人的手足和大腦功能，它可代替人類從事危險、有害、低溫和高熱等惡劣環(huán)境中的工作；代替人類完成繁重、單調(diào)重復(fù)勞動，提高勞動生產(chǎn)率，保證產(chǎn)品質(zhì)量。隨著機(jī)械手功能和性能的不斷改善和提高，機(jī)械手的應(yīng)用領(lǐng)域日益在擴(kuò)大，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于制造業(yè)、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、交通運輸業(yè)、原子能工業(yè)、醫(yī)療、福利事業(yè)、海洋和太空的開發(fā)事業(yè)中。 可實現(xiàn)工業(yè)機(jī)械手自動化工作要求的自動控制方式目前有許多種，其中包括氣動和電子一體化的氣電裝置、液壓和電氣、電子組合的液電裝置和電氣、電子的機(jī)電裝置等，側(cè)重利用它們各自