自动换刀机械手结构设计及PLC控制研究毕业论文.doc

皖西学院本科毕业论文（设计）自动换刀机械手结构设计及PLC控制研究毕业论文目录第1章 绪论11.1、换刀械手概述11.2、选题背景11.3、设计目的1第2章 机械手总体设计方案32.1、机械手类型32.1.1、根据机械手的应用范围分类32.1.2、按机械手手臂的运动坐标型式分类32.1.3、按机械手的驱动方式分类42.2、机械手的坐标形式与自由度52.3、机械手工作过程及工步时间分配72.3.1、确定完成动作及顺序72.3.2、工步时间分配82.4、机械手的结构设计方案82.5、机械手的驱动方案9第3章 机械手的机械系统设计123.1、机械手伺服系统设计123.1.1、气动伺服系统设计123.1.2、电气伺服阀143.2、机械手执行机构设计163.2.1、机械手手部设计163.2.2、手臂结构设计173.2.3、基座结构设计20第4章 PLC控制系统设计224.1、机械手控制系统PLC的选择224.2、机械手的PLC控制系统的基本结构图234.3、机械手自动换刀系统的工作流程234.4、机械手自动换刀系统的原理244.5、PLC的硬件I/O接口原理图254.6、自动换刀系统PLC程序的设计264.6.1、编程软件264.6.2、PLC的控制流程图264.6.3、梯形图284.6.4、指令表29致谢30参 考 文 献31II皖西学院本科毕业论文（设计）第1章 绪论1.1、换刀械手概述换刀机械手是由集控制器、传感器和伺服驱动系统为一体的机电一体化产品，它模仿人的操作，可实现自动控制、重复编程、能够完成各种复杂的动作。它能在提高生产效率的同时，提高产品质量，对改善劳动条件，促进产品的更新换代起着促进作用。机械手的使用情况，标志着一个国家工业自动化水平的高低。机械手并不是简单的代替人的体力的劳动，而是将人的智慧体现在机器上。是机械人具有人的快速反应和分析判断能力，又有具有高精度、高强度持续工作的能力，并且能够适应比较差的环境，我们可以说机械手是工具进化的产物。随着自动化技术的发展，机械手已经广泛的应用在机械加工、自动换刀、流水线上生产及装配、上下料等。但是大多数机械手的专用型比较强，莫台机器上的机械手在不改造的情况下，很难在其他机器上使用。由于机械手能很大程度上提高生产效率，简化机械加工的程序，所以它在机械加工中得到广泛的应用。1.2、选题背景机械手是在自动化生产过程中使用的一种具有抓取和移动工件功能的自动化装置，它是在机械化、自动化生产过程中产生的一种新型装置。机械手之所以更好的结合机械和自动化技术，得力于电子计算机的快速发展，使得机械手的生产与设计已经成为一门新兴技术产业。我们可以把一些高危险、机械式重复而枯燥的工作交给机械手，这样既减轻我们的体力劳动，又提高了生产效率。机械手在以下行业得到广泛的应用，比如，零件的装配、工件的搬运与拆卸、以及在数控机床上的自动换刀系统。为了把机械手和机床的有机结合在一起，机械手随着科学技术的发展，已经发展成为柔性制造系统和柔性制造单元中一个重要组成部分。它主要应用在中小批量的生产，它可以省去工件运输工具。而柔性生产系统比较适用于产品更新换代比较快的品种，这样既可以保证产品质量的稳定性，又能更好的适用于市场发展的需求。而目前我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，应用规模和产业化水平低，机械手的研究和开发直接影响到我国自动化生产水平的提高，从经济上、技术上考虑都是十分必要的。因此，进行机械手的研究设计是非常有意义的。1.3、设计目的本设计通过对大学四年所学的知识进行整合，完成一个通用形式的普通圆棒料搬运的机械手的设计，能够比较好地体现机械设计制造及其自动化专业毕业生的理论研究水平，实践动手能力以及专业精神和态度，具有较强的针对性和明确的实施目标，能够实现理论和实践的有机结合。目前，在国内很多工厂的生产中圆棒料的搬运摆放仍由人工完成，劳动强度大、生产效率低。为了提高生产加工的工作效率,降低成本,并使生产线发展成为柔性制造系统,适应现代自动化大生产,针对具体生产工艺,利用机器人技术。为了提高生产率，我们特意设计了应用性比较广泛的自动换刀机械手，从减轻工人的机械式体力劳动。在现在的机械加工中，机械手手的普遍应用具有十分重要的意义。具体概括如下：一、以提高生产过程中的自动化程度机械手的应用可以实现材料自动运输、工件的安装与拆卸、自动换刀以及零件的装配，从而节省大量不必要的时间。二、以改善工作条件，提高人身安全比如，一些高温、高压、噪声比较大、高污染的工作环境、以及对人体有大量伤害的有毒气体和放射线，一般这样的环境不适合工人长时间在里面工作，所以机器人的使用无疑是比较好的选择。机器人基本上可以代替人的大量机械式重复劳动，这样不仅可以减轻工人的劳动强度，还可以改善劳动条件，提高工人的安全性。有一些简单的工作总是机械式的重复操作，时间长了很容易造成工人的极度疲劳或疏忽，很容易造成一些不必要的人身事故。三、可以减轻人力，让工作更有秩序比如，机械手可以代替我们去完成枯燥无味而又机械式重复的工作，这样既可以减少人力，又可以保证一定的工作精度。还有一些流水线上的工作，本来就需要大量的人力资源资源，而且又需要比较高的工作效率和工作精度，但是有些工人却不能跟上流水线的速度，这就很容易造成流水线上工作秩序的混乱，严重的影响生产效率的提高。由于自动控制技术的快速发展，特别是机器人的发展，让机器人反映更加灵敏，机械精度更高，完全可以跟上比较缓慢的流水线，这样是整个流水线更加有秩序。综上所述，机械手使以后的工作更加有效率，是未来机械工业发展的趋势。第2章 机械手总体设计方案2.1、机械手类型2.1.1、根据机械手的应用范围分类(l)专用机械手一般没有单独的控制系统，而且只有固定的控制程序。这种机械手结构比较简单，制造成本较低，适用于动作比较简单且工作量比较大的场合。它通常安装到某种机器或生产线上，用来自动传送物件或夹持某种工件或刀具等操作功能。(2)通用机械手具有独立专门的控制系统，并且控制程序可以根据需要进行修改。可以安装在各种机器上，能独立完成工件的夹持与搬运以及刀具的安装与拆卸。通用机械手因其工作方式的不同，可分为简易型和伺服型两种。简易型只是分散的点动控制，故属于程序控制类型，而伺服型是集点位控制和连续轨迹控制于一体的控制方式，通常认为属于数字控制模型。这种机械手因手指结构可以根据需要更换，程序可以由用户改换，可用于中、小批次的生产。但因其运动和结构复杂性，所以需要较高的设计要求，造成成本过高。2.1.2、按机械手手臂的运动坐标型式分类(1)直角坐标式机械手手臂 具有X、Y、Z三个方向上的自由度，即分别可以沿X、Y、Z三个直角坐标轴的方向上往返运动。我叫做机械手的前后伸缩、上下升降和左右移动。(2)圆柱坐标式机械手手臂 可以沿X和Z两个直角坐标轴移动，以及绕 Z 轴的转动，我们叫做机械手的前后伸缩、上下升降和左右摆动。(3)球坐标式机械手臂 沿X轴方向上的移动，以及绕 Y 轴和 Z 轴的转动。即机械手臂可以完成前后方向的伸缩、上下方向的摆动和左右方向上的转动。(4)多关节式机械手臂 此机械手的臂部可化分成大臂和小臂两个部分。可以用铰链将大小臂以及大臂和机体进行连接起来。即小臂可绕大臂上下摆动，同时大臂也可绕机体多角度摆动。机械手手臂的运动坐标型式如图2-1所示:图2-1 机械手手臂的运动坐标型式2.1.3、按机械手的驱动方式分类(l)以压力油进行驱动的液压驱动机械手(2)以压缩空气进行驱动的气压驱动机械手(3)直接用电动机进行驱动的电力驱动机械手(4)将发动机的动力通过动力传动机构传给机械手的一种驱动方式叫做机械驱动机械手。综合各种技术要求，我们选用圆柱坐标型气压驱动机械手。本课题要求机械手具有较高的的定位精度、较快的反应速度，比较大的承载能力，以及工作空间比较宽广和灵活的自由度，并具有自动定位的能力。拟定机气动机械手设计的原则是根据工作对象的工作条件、运动要求和定位精度，从分利用现有的机械设计条件和设计能力，在满足机械手各方面上的使用要求的前提下，选择最经济的设计方案。并尽量选择标准件进行设计，这样既可以简化设计过程，又可以在较低的制造成本上，提高产品的通用性。2.2、机械手的坐标形式与自由度根据机械手手臂运动形式和自由度的不同，通常将其划分为直角坐标型、圆柱坐标型、球坐标型和多关节坐标型，它们的特点如下一、直角坐标型1有三个方向上的直线自由度，简单易懂。2机械结构简单。3对一定的结构长度，宜采用两端支持，刚性比较好。4因其移动空间比较大，侧该机构占用空间大。5必须在较大的空间进行安装。6很难对各滑动部件进行密封，侧容易受到污染。二、圆柱坐标型1同样结构简单易于设计。2若要求有较大的动力输出，直线部分可采用液压进行驱动。3可以将机械手部分伸入到机器的型腔内部。4机械手的气爪部所能到达的空间受到限制，很难接触到立柱和地面的位置。5直线驱动模的密封性、防尘及防御腐蚀性较差6手臂收缩时，手臂后端只能在一定的工作范围内运动。三、球坐标型1工作范围较大的地方在中心支架附近。2直线驱动部分存在密封性差的情况。3需要较大的工作空间。4也有工作死区部分。5转动部分密封比较容易。6由于坐标系很复杂，设计较困难。四、多关节坐标型1工作空间比较宽广，并且动作叫灵活。2关节的密封性比较好。3可以在水下等要求比较低的工作条件下工作。4电动机比较容易实现动力的提供。5其运动状态比较难以控制，机械结构的设计比较困难，不适合用液压进行驱动。可以将机械手的运动分为主运动和辅助运动。机械手的主运动包括立柱和手臂的运动，因主运动改变了工件空间的空间状态。辅助运动包括手指和手腕的运动，因为他们分别改变工件的姿态，以及工件的位置和方位。为了使机械手具有升降、伸缩和回转运动，故选用圆柱坐标型机械手，因此机械手得到三个自由度。为了弥补立柱升降过程中造成的较大的震动和手臂的伸缩造成的机械刚度不足，我们增加了一个具有短行程升降的小臂结构，从而使机械手将刀具从刀库中拔出，即在竖直方向上增加了一个自由度。所以，机械手总共具有四个运动自由度。图2-2为机械手的运动示意图。我们称升降行程比较大部分为立柱，行程较小的升降部分为小臂。有时为了增加机械手的通用性，我们可以增加手腕部，使其具有回转运动。此机械手省略手腕部分。图2-2 机械手的运动示意图2.3、机械手工作过程及工步时间分配2.3.1、确定完成动作及顺序图2-3 换刀机械手布局示意图换刀机械手的布局示意图如图2-3所示。图中换刀机械手的初始位置在与刀架垂直90且气爪正对刀库换刀位置。即机械手均运动到水平和竖直方向上的极限位置。为了机械手和刀具恰好对齐，本控制系统采用刀座编码法对各种刀具进行编码，并根据需要使刀库旋转适适当的角度。机械手要把刀具送到刀架上，需要完成以下几个动作：(1)、水平伸出机械手水平机构伸出70mm，到达刀库正上方。(2)、竖直下降小臂升降机构下行30mm，使手部夹持机构到达与刀柄水平的位置。(3)、夹紧手臂机构迅速夹紧刀柄。(4)、竖直上升待刀柄被夹紧后，小臂升降机构上行30mm，将刀具提出刀库。(5)、水平收缩水平机构快速收缩70mm，整个机构回到初始位置。(6)、摆动机械手逆时针摆动，使机械手正对刀架。(7)、竖直下降、松开小臂升降机构下行30mm，将刀具放在刀架上，同时手部机构松开工件。(8)、竖直上升小臂升降机构上行30mm，回到原始极限位置。(9)、摆动机械手顺时针摆动，回到初始位置。当机械手完成换刀动作后，刀架上的推爪把刀具从从刀架的一端推向另一端，到此，就将机械手的整个换刀动作完成。2.3.2、工步时间分配经研究决定机械手完成整个换刀过程需要5.5s，根据上述换刀的各个过程，对时间进行分配，如表2-1所示：表2-1 机械手运动过程与时间分配工步号工步名称行程（mm）预分配时间（s）1水平伸出700.52垂直下降300.33夹紧14竖直上升300.35水平收缩700.56摆动（逆时针）901.07竖直下降300.3松开0.38竖直上升300.39摆动（顺时针）901.0总计5.52.4、机械手的结构设计方案本方案采用模块化的设计方法，机械手包括以下几个模块：立柱、手臂、小臂、手腕和手爪几个模块。为了满足4个自由度的要求，本机械手采用圆柱坐标形式。为了满足实际工作要求，本机械手只需要立柱、手臂、小臂和手爪几个模块。其结构示意图如图2-4所示：图2-4 气动机械手的结构简图2.5、机械手的驱动方案机器人关节的驱动方式有液压式、气动式、和电动式。下面将三种驱动方式进行分析比较。1、液压驱动机器人的驱动系统采用液压驱动，有以下几个优点：(1) 能够输出较大的力和力矩，同时能够快速响应，定位精度比较高。(2) 可以把机械手的一部分用作液压缸，这样既可以实现直线运动，又可以使其结构简单。(3) 可以方便的实现变速和方向控制，自动化程度比较高。(4)液压系统可实现自我润滑，过载保护方便，使用寿命长。但液压系统由于产生泄露而造成运动精度不高。同时系统发热量比较大，很难找出小的故障。2、 气压驱动(1)机械结构简单，气体选取方便，并且干净环保。(2)在管路中压缩空气流动速度比较快，所以该系统动作响应比较快。(3)与液压控制系统相比，其工作压力比较低。与液体相比，气体体积比较大，且气动宜被压缩，所以其定位精度不高，噪声比较大。3、电动机驱动电动机驱动可分为普通交、直流电动机驱动，交、直流伺服电动机驱动和步进电动机驱动。普通交、直流电动机驱动需要用减速机构来获得较大的输出力矩,但是因为其惯性力矩比较大，所以要实现精确控制比较困难，适用于重型机械的控制。伺服电动机和步进电机因其输出力矩较小，侧控制性能相对较好，可以对速度和位置的精确控制，适用于中、小规模的机器中。步进电动机一般用于开环控制系统，而交、直伺服电动机主要用于闭环控制系统，因为他们的控制精度不是很高。各种驱动方式及特点如表2-2所示：表2-2 各种驱动方式及特点的比较驱动方式特点输出力控制性能维修使用结构体积使用范围制造成本气压驱动气压压力低，输出力较小，如需输出力大时，其结构尺寸过大可高速，冲击较严重，精确定位困难。气体压缩性大，阻尼效果差，低速不易控制，不易与CPU连接维修简单，能在高温、粉尘等恶劣环境中使用，泄漏无影响体积较大中、小型专用机械手或机械手都有应用结构简单，能源方便，成本低液压驱动压力高，可获得大的输出力油液不可压缩,压力、流量均容易控制，可无级调速，反应灵敏，可实现连续轨迹控制维修方便，液体对温度变化敏感，油液泄漏易着火在输出力相同的情况下，体积比气压驱动方式小中小型专用机械手或机械手都有应用，中型机械手多为液压驱动液压元件成本较高，油路也较复杂电力驱动异步电动机、直流电动机输出力较大控制性能较差，惯性大，不易精确定位维修使用方便要减速装置，体积较大适用于速度低、抓重大物体的专用机械手成本低步进或伺服电机输出力较小容易与CPU连接，控制性能好，响应快，可精确定位，但控制系统复杂维修使用较复杂体积较小可用于程序复杂、运动轨迹要求严格的工业机械手成本较高机械联动输出力较大速度较高，速度与加速度均由机构控制。定位精度高，可与主机严格同步。不易与CPU连接维修使用方便自由度多时，机构复杂，体积也较大适用于自由度少，速度较高的专用机械手结构简单，成本低综合进行各方面的比较，我们选择气压驱动系统，应为其结构简单、价格便宜、工作稳定、污染几乎为零、可以在高温环境下工作、同时还可以抵抗各种电磁干扰等优点，在当今机械加工中应用比较广泛。第3章 机械手的机械系统设计3.1、机械手伺服系统设计3.1.1、气动伺服系统设计本课题机械手要求能实现伸缩、回转、升降等的动作，每一个动作都是由电气-气压伺服系统驱动的，其原理相同。下面以机械手伸缩运动为例阐述伺服系统的工作原理。机械手伸缩运动的电气与气压伺服控制系统原理图如图3-1所示，1一放大器、2一电气伺服阀、3一气缸、4一机械手手臂、5一齿轮齿条机构、6一电位器和7一步进电机等元件组成，它组成了一个电气与气压伺服控制系统。当电位器的触头处于中位时，触头上没有电压输出。当它偏离这个位置时，由于产生了偏差就会输出相应的电压。电位器触头产生的微弱电压，经放大器放大后对电气伺服阀进行控制。电位器触头由步进电动机带动旋转，步进电动机的偏转方向以及角位移和角速度由数字控制装置发出的脉冲数和脉冲频率控制。齿条固定在机械手臂上，电位器壳体固定在齿轮上，所以当手臂带动齿轮转动时，电位器壳体同齿轮一起转动，形成负反馈。图3-1 机械手伸缩运动电气一气压伺服系统原理图机械手伸缩运动伺服系统的工作原理是：由数字控制装置发出一定数量的脉冲，使步进电机带动电位器的动触头转过一定的角度(假定为顺时针方向转动)，动触头偏离电位器中位，产生微弱电压，经放大器放大后，输入给电气伺服阀的控制线圈，使伺服阀产生一定的开口量。这时，压缩空气经阀的开口进入气缸的左腔，推动活塞杆连同机械手手臂一起向右运动。由于齿轮和机械手手臂上齿条相啮合，因而手臂向右移动时，电位器随之作顺时针方向转动。当电位器的中位和触头重合时，偏差为零，则动触头输出电压为零，电气伺服阀失去信号，阀口关闭，手臂停止移动。手臂移动的行程决定于脉冲数量，速度决定于脉冲频率。当数字控制装置发出反向脉冲时，步进电动机逆时针方向转动，手臂缩回。根据模拟换刀机械手的动作要求，在驱动系统中气缸的运动方式主要有两种：(1)直线运动(缸体固定，活塞杆作直线运动)；(2)摆动(缸体固定，活塞杆摆动)。总的电气-气动系统原理图如图3-2所示：图3-2 机械手气动伺服系统图3.1.2、电气伺服阀电气伺服控制属于连续控制，其特点是输出量随输入量的变化而变化，输出量与输入量之间存在一定的关系。由于电气元件具有多方面的适应性，信号的检测、传输、综合、放大等都很方便，而且几乎各种物理量都能转换成电量，故气动伺服系统中的输入量以电信号居多，转换元件便以电磁式居多，其典型代表便是比例电磁铁。它是利用电磁力作用在转换元件的可动部件上，通过其中的弹性元件转变为位移，通过此位移来调节气动放大器(放大元件)的节流面积，从而控制通过气动放大器的气体压力或流量。电气伺服阀是由电-机械转换器(转换元件)和气动放大器(放大元件)所组成。驱动电-机械转换器的功率一般只需几瓦，而气动放大器的输出气流的功率可达几千瓦。气动放大器的结构形式有滑阀、喷嘴挡板阀等。本机械手采用喷嘴挡板式的电气伺服阀，来确保连接机械手手臂的气压缸按所要求的控制规律和定位精度工作，工作过程大致如下：如图3-3所示，若伺服放大器输出的偏差信号(即设定的指令信号与反馈信号之差)经放大后，加到气压伺服阀的电磁线圈上，则永久磁铁和电磁线圈间产生相吸或相斥的电磁力，使端部装有挡板的杆件偏离中间平衡位置绕支点左右摆动，挡板使对称布置的两个转换器(结构原理如图3-4)喷嘴处的气体流量发生不均等的变化，因而造成一侧喷嘴背压腔压力升高，另一侧转换器喷嘴背压腔压力降低，则负载气缸左右腔压力不等，活塞杆(连接机械手手臂)移动，实现工作要求的运动规律。现假定以右侧转换器为例考察其动作原理，当杆件在偏差信号作用上偏离中向平衡位置移向右侧转换器，由于挡板与喷嘴间隙减小，则随着喷嘴背压腔内压力升高，A腔压力升高，使带有喷嘴的阀座右移，把菌状提动阀推向右方，使D腔菌状阀阀口开大，而C腔的小菌状提动阀阀口关闭，这样，由进气口流入的控制气流经过节流阀调节针阀流向气压缸，驱动活塞杆工作；与此同时，相反一侧的左转换器(各腔符合同右侧，只是符号右上脚打“”来表示左侧，以下同)，由于杆件端部的挡板与喷嘴间的间隙增加，造成左喷嘴背压腔压力降低，而使左侧带喷嘴的阀座在C腔(与右侧C腔相对应)压力作用下向右移动，菌状提动阀在左侧弹簧力作用下使左转换器D腔的阀关小，而C腔的阀开大，则气缸左端与排气孔相通，压力下降，实现活塞杆向消除偏差信号方向移动(即活塞左向移动)：偏差信号为零时，左右侧两个转换器的输出相等，这样气缸活塞停止在新的相对平衡位置上。图3-3电气一气压伺服阀工作原理图上图中，零位(点)调整弹簧左右端均与带挡板的杆件相联，起着机械零位调整和对中弹簧补偿作用；增益调整弹簧在偏差信号为零时(即输出压力处于平衡状态时)，不与杆件接触，当偏差信号超过某一数值后才接触。它的作用是根据偏差信号大小改变补偿流量增益的变化，确保气缸定位精度的稳定。另外，采用喷嘴挡板控制的菌状提动阀，抗污染性能强，不容易堵塞。图3-4转换器原理图3.2、机械手执行机构设计执行机构包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的还增设行走机构。其中，每个执行机构都要进行相应的气动元件设计，必要的还要加装导向装置。气动元件的计算与选择，对整个气动系统有着至关重要的作用。所选择的元件既要满足系统的性能要求，又不能浪费。下面分别对各驱动元件进行计算与选择，并设计机械连接件与导向装置。3.2.1、机械手手部设计进行机械手设计时应考虑以下问题：(1) 应具有适当的夹紧力和驱动力，应考虑到在一定的夹紧力下，不同的传动机构所需要的驱动力大小是不同的。(2) 手指应具有一定的张开范围，以便于抓取工件。(3) 在保证本身刚度，强度的前提下，尽可能使结构紧凑，重量轻，以利于减轻手臂负载。(4) 应保证手抓的夹持精度。通过综合考虑，本设计选择二指双支点回转型手抓，采用滑槽杠杆式，夹紧装置采用常开式夹紧装置，他在气压的控制下实现手抓的闭合。图3-5为常见的滑槽杠杆式手部结构。图3-5 滑槽杠杆式手部结构3.2.2、手臂结构设计手臂是机械手的主要部分，它是支撑被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是带动手指去抓取物件，并按预定要求将其搬运到指定的位置。前面已经叙述了，按照抓取工件的要求，本机械手有四个自由度，即手臂的伸缩、小臂的升降、立柱的回转和升降运动。对手臂结构的要求：一是重量尽量轻，以达到动作灵活、运动速度高、节约材料和动力，同时减少运动的冲击；二是要有足够的刚度，以保证运动精度和定位精度。手臂的结构设计重点是驱动力的计算。1、小臂升降模块小臂升降模块安装在手臂伸缩模块上，其作用是将模拟刀具从刀库插孔(刀架槽)中提出或插入，采用单杆双作用气缸。对于直线运动气缸的缸径，可按载荷/安全系数选取。气缸活塞杆的稳定性与工作压力、安装形式、最大行程有关，即使气缸不受横向载荷也需要加上导向装置，保证气缸按正确方向运行。(1)气缸内径的确定由作用在活塞杆上的工作载荷和初选的工作压力，利用下述公式可计算出缸径D。当活塞杆输出推力克服载荷做功时 （3-1）式中：D气缸内径(m)活塞上的推力(或称工作载荷)(N)p初选的工作压力(Pa)，一般为P=0.51Mpa总机械效率，当气缸动态性能要求工作颧率高时，取=0.30.5。速度低时取大值，速度高时取小值。气缸动态性能要求一般，工作频率较低时，可取0.70.85。当活塞杆输出拉力克服载荷做功时 （3-2）式中：F2活塞杆的拉力(N)；d根据拉力预先估定的活塞杆直径。估定活塞杆直径d/D=0.160.5。把d/D=0.160.5代入上式得 （3-3）将式(3-1)与式(3-3)相比，D取大值，(2)气缸耗气量气缸耗气量与气缸直径D、行程S、缸的动作时间和换向阀到气缸管道的容积有关。忽略气缸管道容积时，则气缸的单位时间压缩空气消耗量按下式计算 （3-4）式中：Q每秒钟压缩空气消耗量(）、气缸无、有活塞杆端进气时压缩空气消耗量（）D、d缸的内径和活塞杆直径(m)气缸活塞杆伸出与缩回时所需时间(s)S气缸的行程(m)。(3)小臂升降气缸计算根据换刀机械手立柱升降气缸运动过程的要求，气缸收缩时承受的外力F15N，行程为30mm，伸出或缩回的时间为0.3s。其主要尺寸的确定如下：A、缸径D的计算：取d/D=0.5，依据公式(3-3)取P=0.5Mpa，=0.3计算，即B、耗气量计算缸径D=20mm，行程s=30mm，时间t=0.3s，依据公式(3-4)，得：C、验算输出力设，当P=0.5 Mpa时，该气缸的推力为102N，而拉力为80N，均远远大于实际需要的15N缓冲该气缸终端位置的冲击能量为：设，当P=0.5Mpa时，终端位置的最大冲击能量为0.1Nm0.0075Nm，所以安全。2、根据气缸的运动要求，设：气缸收缩时承受的外力F15N(惯性负载较大)，行程为70mm，伸出或缩回的时间为0.3s。其主要尺寸的确定如下：（1)缸径D的计算取d/D=0.5，依据公式(3-3)，取P=0.5Mpa，=0.3计算，即(2)耗气量计算水平缸缸径D=32mm，行程S=70mm。时间t=0.3s，依据公式(3-4)，得：3、立柱升降模块立柱是安装在与基座连接的转台之上，用以支撑手臂并带动它升降和移动的机构。对立柱的设计要求是坚固，刚性好。根据换刀机械手立柱升降气缸的运动要求，气缸收缩时承受的外力F60N，行程为100mm，伸出或缩回的时间为0.4s。其主要尺寸的确定如下：(1)缸径D的计算取d/D=0.5，依据公式(3-3)取P=0.5Mpa, =0.3计算，即2)耗气量计算缸径D=16mm，行程S=100mm，t=0.4s，依据公式(3-4)，得：4、手臂的回转模块摆动气缸是利用压缩空气驱动输出轴在一定角度范围内作往复回转运动的气动执行元件，用于物体的转位、夹紧、阀门的开闭以及机械手的手臂动作等。摆动气缸有齿轮齿条式和叶片式两大类。本机械手臂采用齿轮齿条式摆动气缸。表3-1 摆动气缸的比较品种体积质量改变摆动角的方法设置缓冲装置输出力矩泄露摆动角度范围最低使用压力摆动速度用于中途停止状态齿轮齿条式较大较大改变内部或外部挡块位置容易较大很小可较宽较小可以低速可适当时间使用叶片式较小较小调节止动块的位置内部设置困难较小微漏较窄较大不宜低速不宜长时间使用3.2.3、基座结构设计基座是机械手的基础部分，机械手执行机构的各部件和驱动系统均安装于基座上，是支撑机械手全部重量的构件。对其结构的要求是刚性好、占地面积小、操作维修方便和造型美观。基座结构从形式上可分为落地式和悬挂式，或分为固定式、可移动式和行走式。无论哪一种形式，机械手工作时基座应给予以固定。根据总体设计中换刀机械手的设计要求，本机械手的基座采用落地固定式。换刀机械手立柱模块需要一个旋转模块，摆动气缸则应固定在基座上。如果水平缸、垂直缸和手部机构直接安装到摆动气缸输出轴上，机构虽然简单，但摆动气缸的轴向受力增大，对气缸的自身要求较高，容易造成摆动气缸的损坏。同时，机械手本身重心偏离立柱轴线对摆动气缸转动轴产生倾覆力矩。所以采用一个连接组件，将机械手立柱以上的重量和倾覆力矩由机架来承担。该连接组件主要由四个部分组成：双向推力球轴承、底座、转台和扣罩，如图3-6所示，采用双向推力球轴承可以方便地将轴承内环与转台连接，外环用扣罩固定在底座上。另外，推力轴承要选择公称尺寸相对较大一些的，这样可以更好地承受倾覆力矩。图3-6 基座结构图第4章 PLC控制系统设计4.1、机械手控制系统PLC的选择在系统控制器的选择上可以有多种方案，目前在机电一体化设计中主要有三种：单片机、工业控制计算机、可编程控制器（PLC）。随着计算机系统的不断发展，PLC控制系统得到了广泛的应用。PLC 控制有以下优点：1、可靠性高PLC不需要大量的活动元件和连接电子元件，它的连线大大减少。与此同时，系统的维修简单，维修时间短，采用了一系列可靠性设计的方法进行设计，如：冗余的设计、断电保护、故障诊断和信息保护及恢复等。2、易操作性PLC 有较高的易操作性，它具有编程简单，操作方便，维修容易等特点，一般不容易发生操作的错误。PLC 是为工业生产过程控制而专门设计的控制装置，它具有比通用计算机控制更简单的编程语言和更可靠的硬件。采用了精简化的编程语言，编程出错率大大降低。3、灵活性PLC采用的编程语言有梯形图、布尔助记符、功能图、功能模块和语句描述编程语言。编程方法的多样性使编程简单、应用而拓展。操作十分灵活方便，监视和控制变量十分容易。经过各方面分析比较，本课题采用三菱FX2N系列PLC作为控制器，并配有相应的控制模块，来实现整个机械手的控制功能。4.2、机械手的PLC控制系统限位开关的布局示意图图4-1 限位开关的布局示意图4.3、机械手自动换刀系统的工作流程如下图所示单个工作流程示意图：图4-2 自动控制原理图机械手移动刀具的单个工作流程由复位到初始位置、将机械手移动到刀库处、夹紧刀具、将刀具移动到目标位置、放下刀具和移动到初始位置6个过程组成。机械手移动刀具通过PLC平控制，可以实现这6个过程全自动依次运行。4.4、机械手自动换刀系统的原理该控制系统的基本控制原理如下：(1)按下启动按钮，系统进行自检查机械是否在初始位置，不是的话先进行复位工作，然后进行正式工作。(2)复位工作控制原理如下： 机械手首先上移，直到运动到最上端。 上移后，机械手开始右移。 右移完成后，机械手开始左转，至此，复位工作完成。(3)正式工作控制原理如下： 机械手开始左移，一直运动到最左端。 运行到最左端后，机械手开始向下运动。 到达最下端后，机械手开始夹紧工件，一直到把工件夹紧为止，时间由定时器控制，定时为1.0秒。 机械手开始向上运动，运动到最上端。 上移后，机械手开始右移。 右移完成后，机械手开始右转，直到右转限位开关检测到信号。 右转完成后，机械手下移。 运行到最低位置后，机械手把工件松开，一直到放松限位开关检测到信号。 工件松开后，机械手开始向上运动。 到达最上端后，机械手开始左转，真到左转限位开关检测到信号，此时机械手已加到初始位置。(4) 该系统进行自动连续循环工作。正常停车时，要求机械手回到初始位置时才能停车。急停时，切断所有电源，系统停止运行。重新启动后，由于急停时机械手位置的不确定性，要进行复位工作。4.5、PLC的硬件I/O接口原理图图4-3 三菱FX2N PLC接口电路图4.6、自动换刀系统PLC程序的设计4.6.1、编程软件采用三菱公司编程软件FXGP/WIN-C,其界面如下所示图4-4 编程软件界面图4.6.2、PLC的控制流程图图4-5 自动控制流程框图4.6.3、梯形图图4-6 梯形图4.6.4、指令表图4-7 指令表致谢本次设计是在我尊敬的指导老师翁志刚老师悉心指导下完成的。老师严谨的治学态度和精益求精的工作作风使我受益匪浅。在此，我首先向指导老师表示诚挚的感谢，并致以崇高的敬意! 本次毕业设计是大学期间所学知识的综合运用，通过这次设计把所学的基础理论和专业课程作了一个总结和回顾，加深了对理论的理解，能够掌握机械设计的全套思路，为即将走上工作岗位和以后的发展打下了一定的基础。在设计过程中，我查阅了大量的图书资料以及网络上的资料，包括机械零件、材料力学、液压控制、几何量公差与测量、机械制图、机械手设计基础等等，尤其是在从对各类设计手册的查阅中，我的知识面得到了很大的提高；通过对该课题的独立设计，使我对机械知识有了一个更加深入的了解，对机械这门学科有了进一步的理解。也使我独立设计的能里有了极大的提高。在课题的研究和开发阶段，我得到了机械基础学部老师的大力支持和帮助，在此一并向他们表示衷心的感谢。在本次毕业设计中，机械基础学部的各位老师，翁老师，以及全体同学给与我很大支持和帮助，在此我向他们以及多年来为我的成长付出辛勤劳动的老师们和同学们表示衷心的感谢。在设计过程中，遇到不懂的地方，我也经常与同事、同学进行讨论，解决难题。感谢父母 、家人对我的教育，感谢所有关心我的朋友和老师，同时感谢我校的良好的学习环境是我避免了很多的弯路。当然，由于本人设计水平有限、在课程中没有接触过机械手的相关课程，实际经验的不足，以及时间上的限制，在设计中难免存在一些错误。恳请老师给予以批评以及指正。再次表示感谢！参 考 文 献1液压与气压传动/刘延俊 主编 2版.北京：机械工业出版社,2006.122电气控制与可编程序控制器应用技术/郁汉琪主编 2版 一南京：东南大学出版社，2009.93陆祥生，杨秀莲编.机械手理论及应用.北京：中国铁道出版社，19854机电传动与控制(第三版)/程宪平 主编 一武汉：华中科技大学出版社，2010.95机械原理/孙恒，陈作模，葛文杰 主编；西北工业大学 机械原理及机械零件教研室主编.一7版.一北京：高等教育出版社，2006.56机械设计（第八版）/濮良贵、纪名刚主编；西北工业大学 机械原理及机械零件教研室编著.一8版.一北京：高等教育出版社，2006.57李文明.曲轴搬运机械手的研究与设计.武汉：华中科技大学，20078邓康一.气动机械手的结构设计及伺服控制研究.西安：西安建筑科技大学，20089徐元昌.工业机器人.北京：中国轻工业出版社，199910工业机械手编写设计基础编写组.工业机械手设计基础.天津：天津科学技术出版社，197911李超.气动通用上下料机械手的研究与开发D.西安：陕西科技大学，200312王承义.机械手及其应用.北京：机械工业出版社，198113加腾一郎.机械手图册.上海：上海科学技术出版社，197914劳俊，伍世虔，杨叔子.模块化与现代制造技术.制造技术与机床，199415施进发，游理华，梁锡昌.机械模块学.重庆：重庆出版社，199716戚昌滋，杨红旗，雷文字.机械现代设计方法学.北京：中国建筑工业出版社，198717肖珑.液压与气动传动技术.西安：西安电子科技大学出版社，200718K R Symon, Mechanics M.3rd edition.Addison-Wesley: 197119理查德摩雷,夏恩卡萨思特里著,徐卫良译.机器人操作的数学导论.工业出版社,199820熊有伦.机器人技术基础M.武汉:华中理工大学出版社,199721李建藩.气压传动系统动力学.广东：华南理工大学出版社，199122SMC(中国)有限公司.现代实用气动技术(第2版).北京：机械工业出版社，200323孙树栋.工业机器人技术基础.西安：西北工业大学出版社，200624熊有伦. 机器人学.北京：机械工业出版社，199325 天津大学工业机械手设计基础编写组.工业机械手设计基础.天津：天津科学技术出版社，1980.26 孟繁华. 机器人应用技术.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1989.27 徐灏. 机械设计手册第5卷M.北京：机械工业出版社，1992.28Shuster M D.A survey of attitude representation J.A stronauti 199329孙好章.基于神经网络的机械手控制系统的研究.无锡：江南大学，200830齐进凯.气动机械手的结构设计、分析及控制的研究D.上海：东华大学，200631 数控技术 李斌 李曦 主编.一武汉：华中科技大学出版社，2010年4月第 31 页皖西学院本科毕业论文（设计）任务书学院：机械与电子工程学院 专业： 机械设计制造及其自动化学生姓名武金鹏学号2009011644毕业论文（设计）题目：自动换刀机械手结构设计及PLC控制研究毕业论文（设计）内容：掌握三菱FX系列PLC的使用与编程；掌握自动换刀机械手工作原理； 设计基于三菱FX系列PLC的自动换刀机械手控制系统（结构设计与相应的梯形图程序设计）。自动换刀机械手控制要求：设计下图结构所示的换刀机械手，设计其结构与基于PLC控制的梯形图。毕业论文（设计）要求及应完成的工作：查找资料掌握三菱FX系列PLC相关知识；设计绘制主电路和PLC控制电路图；绘制相应的零件图与装配图；设计相应PLC梯形图；上机调试；撰写相应毕业论文，整理相关图纸制作答辩PPT。进度安排毕业论文（设计）各阶段名称起 止 日 期1查找资料第12周2硬件设计第34周3程序设计第57周4上机调试第810周5撰写论文，准备答辩第1112周应收集的资料、主要参考文献及实习地点：1液压与气压传动/刘延俊 主编 2版.北京：机械工业出版社,2006.122电气控制与可编程序控制器应用技术/郁汉琪主编 2版 一南京：东南大学出版社，2009.93机电传动与控制(第三版)/程宪平 主编 一武汉：华中科技大学出版社，2010.94机械原理/孙恒，陈作模，葛文杰 主编；西北工业大学 机械原理及机械零件教研室主编.一7版.一北京：高等教育出版社，2006.55机械设计（第八版）/濮良贵、纪名刚主编；西北工业大学 机械原理及机械零件教研室编著.一8版.一北京：高等教育出版社，2006.56邓康一.气动机械手的结构设计及伺服控制研究.西安：西安建筑科技大学，20087齐进凯.气动机械手的结构设计、分析及控制的研究D.上海：东华大学，20068数控技术 李斌 李曦 主编.一武汉：华中科技大学出版社，2010年4月指导教师签字: 年 月 日学院院长签字：年 月 日 皖西学院本科毕业论文（设计）开题报告系别：机械与电子工程学院 专业：机械设计制造及其自动化学生姓名武金鹏学号2009011644指导教师翁志刚职称讲师所选题目名称：自动换刀机械手结构设计及PLC控制研究课题研究现状：工业机械手最早应用在汽车制造业，常用于焊接、喷漆、上下料和搬运。工业机械手延伸和扩大了人的手足和大脑功能，它可代替人类从事危险、有害、低温和高热等恶劣环境中的工作；代替人类完成繁重、单调重复劳动，提高劳动生产率，保证产品质量。随着机械手功能和性能的不断改善和提高，机械手的应用领域日益在扩大，现已广泛应用于制造业、农业、林业、交通运输业、原子能工业、医疗、福利事业、海洋和太空的开发事业中。可实现工业机械手自动化工作要求的自动控制方式目前有许多种，其中包括气动和电子一体化的气电装置、液压和电气、电子组合的液电装置和电气、电子的机电装置等，侧重利用它们各自的优点，组合最合适的控制方式。由于气动技术是以空气为介质，它具有防火、防爆、防电磁干扰、不受放射线及噪声的影响，且对振动及冲击也不敏感，和结构简单、工作可靠、成本低、寿命长等优点，近几年来气动技术得到迅速的发展及普遍应用。气动机械手由感知部分、控制部分、主机部分和执行部分四个方面组成。气动伺服定位系统代替了伺服电机或液压伺服系统；气缸、摆动马达完成原来由液压缸或机械所作的执行动作；主机部分采用标准型材辅以模块化的装配形式，使得气动机械手能够拓展成系列化、标准化的产品。随着生产自动化程度的不断提高，气动技术会逐渐展现小型化、集成化；组合化、智能化；精密化；高速化；无油、无味、无菌化；高寿命、高可靠性和自诊断功能；节能、低功耗；机电一体化；满足某些行业的特殊要求；应用新技术、新工艺、新材料；标准化；安全性等的特点。机械手技术的研究与应用水平，反映着一个国家的经济实力和科技发展水平，国内外对发展这一技术都很重视，纷纷投入大量力量对机械手进行研究。近十几年来，欧洲的德国、意大利、法国及英国的机械手产业发展比较快。目前，世界上机械手无论是从技术水平上，还是从已装备的数量上，优势集中在以日美为代表的少数几个发达的工业化国家。我国于 1972 年开始研制工业机械手，数十家研究单位和院校分别开发了固定程序、组合式、液压伺服通用机械手，并开始了机构学、计算机控制和应用技术的研究。20 世纪 80 年代，我国机械手技术的发展得到政府的重视和支持，机械手步入了跨越式发展时期。从“七五”科技攻关及实施 863 计划开始，经过 20 多年的研制和应用，目前在工业机械手的一些机种方面，如喷漆机械手、焊接机械手、搬运机械手、装配机械手和特种机械手都有了长足的进步，基本掌握了工业机械手的设计制造技术和机械手应用中单元和生产线的设计、制造技术，有了一支具有一定技术水平的科技团队。但是，我国工业机械手在总体技术上与世界先进水平还有很大的差距，仅相当于国外90 年代中期的水平。为了促进国内机械手工业的发展，必须在以市场需求的前提下，国家在政策上给以指导和鼓励。目前，国内机械手的发展方向主要是逐步扩大机械手应用范围，重点发展铸锻、热处理方面的机械手，以减轻劳动强度，改善作业条件。在应用专用机械手的同时，相应的发展通用机械手