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机械手 设计 CAD

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控制与检测组合机床与自动化加工技术文章编号：1 0 0 1 2 2 6 5 ( 2 0 1 0 ) 0 8 0 0 4 2 0 3加工中心换刀机械手控制系统研究张祺，侯力，刘松，唐艳，蒋维旭( 四川大学制造科学与工程学院，成都6 1 0 0 6 5 )摘要：换刀机械手是加工中心稳定可靠运行的关键功能部件。以快速、准确换刀为主要目标，对立式加工中心换刀机械手控制系统进行了深入研究。在对机械手换刀过程详尽分析的基础之上，设计了其电气控制系统，并提出了电气系统输入输出的保护。实验结果表明：相对于传统方法，具有成本低，控制精确，结构简单的特点。关键词：机械手；P L C ；软件设计；I 0 保护中图分类号：T P 2 7 3文献标识码：AS t u d yo fM a c h i n i n gC e n t e rA u t o m a t i cT o o lC h a n g eC o n t r o lS y s t e mZ H A N GQ i ，H O UL i ，L I US o n g ，T A N GY a n ，J I A N GW e i - X H( S i C h u a nU n i v e r s i t y ，S c h o o lo fM a n u f a c t u r i n gS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n gC h e n g d u ，6 1 0 0 6 5 ，C h i n a )A b s t r a c t ：A T Ci st h ek e yp a r t sf o rt h em a c h i n i n gc e n t e rs t a b l ea n dr e l i a b l eo p e r a t i o n ，t a k e sf a s ta n da c c u r a t et o o lc h a n g ea st h em a i ng o a l I nt h i sp a p e rt h ei n - d e p t hs t u d yf o rV e r t i c a lMa c h i n i n gC e n t e rc o n t r o ls y s t e mo fA T Ch a sb e e nd o n e e l e c t r i cc o n t r o ls y s t e ma r ep r e s e n t e da n dt h ep r o t e c t i o no fI 0i sp r o v i d e db a s e do nt h ed e t a i la n a l y s i sf o rt h ep r o c e s so ft h et o o lc h a n g i n g T h er e s u l t so fe x p e d m e n ts h o wt h a tt h es y s t e mh a dl o wc o s t ，p r e c i s ec o n t r o la n ds i m p l es t r u c t u r ec o m p a r i n gw i t ht r a d i t i o n a lm e t h o d s 。K e yw o r d s ：A T C ；e l e c t r i cc o n t r o l ；s o f t w a r ed e s i g n ；I Op r o t e c t i o nO引言随着科技的迅猛发展，数控机床已经成为制造业不可缺少的工具之一，作为加工中心的重要组成部分，换刀机械手是加工中心稳定可靠运行的关键功能部件。它的快速、准确的换刀是影响加工中心发挥高效、可靠的加工等性能的重要因素。本文将要讨论的是如何利用P L C 对刀具交换机构进行自动控制。文章以单臂双爪式的自动换刀装置作为控制系统的研究对象，以P L C 为控制核心，设计其控制系统，该机械手机械结构如图1 所示。1机械手工作原理及换刀过程分析如图1 所示整个机械手主要由：行程开关，挡环，齿轮，连接盘，销子，传动盘，升降液压缸，滑轴，齿条，转位液压缸，机械手组成。其工作原理为：上、下两个液压缸分别驱动两组齿轮齿条实现机械手的旋转运动；为了保证上下两个旋转运动互不干扰，中间采用一根滑轴上固接一个传动盘的结构，传动盘与齿轮通过销来传递运动，机械手换刀动作到位与否则是通过行1 ，3 ，7 ，9 ，1 3 。1 4 为行程开关2 ，6 。1 2 为挡环4 ，1 1 为齿轮5 为连接盘8 为销子l O 为传动盘1 5 为升降液压缸1 6 为滑轴1 7 。1 9 为齿条1 8 2 0 为转位液压缸2 1 为机械手图1 机械手结构图程开关来检测，外加档块进行限位，从而实现机械手的自动换刀功能。图2 为该换刀机械手的结构示意图，其换刀过程如下：( 1 ) 刀套转9 0 0 ：换刀之前，刀库2 转动将待换刀具5 送到换刀位置，之后把带有刀具5 的刀套4 向下收稿日期：2 0 1 0 0 2 一0 3作者简介：张祺( 1 9 8 6 一) 。男。四川南充人，四川大学硕士研究生，研究方向机电一体化，( E m a i l ) p z h u z q 1 2 6 C O l l l 。万方数据2 0 1 0 年第8 期控制与检测翻转9 0 0 ，使得刀具轴线与主轴轴线平行。( 2 ) 机械手转9 0 0 ：两手分别抓住刀库和主轴3 上的刀柄。( 3 ) 刀具松开：刀具的自动夹紧机构松开刀具。( 4 ) 机械手拔刀：机械手臂下降，同时拔出两把刀具。( 5 ) 机械手转1 8 0 。：使主轴刀具与刀库刀具交换位置。( 6 ) 机械手插刀：机械手上升，分别把刀具插入主轴锥孔和刀套中。( 7 ) 刀具夹紧：刀具插入主轴的锥孑L 后，刀具的自动夹紧机构夹紧刀具。( 8 ) 机械手松刀：机械顺时针转9 0 。，回到原始位置。( 9 ) 刀套向上翻转9 0 。：刀套带着刀具向上翻转9 0 。，为下一次选刀做准备。妄：1 ：黧l毫粤铲s翅丫印图2 机械手的换刀示薏图2电控系统分析与设计2 1 控制要求分析通过对加工中心机械手换刀过程的分析；可知机械手在完成一次自动换刀过程中的动作过程如图3 所刁io图3 机械手动作过程数控系统发出换刀指令，当刀库准备好且主轴准停就绪，控制机械手臂逆时针旋转的液压缸的电磁阀通电，机械手臂旋转9 0 。抓刀，当限位块碰到行程开关时，电磁阀停止通电且旋转停止，由机械手臂的自身机械结构完成抓刀锁紧。同时控制机械手臂下降的液压缸的电磁阀通电，机械手臂下降，拨出主轴和刀库上的刀具，下降到极限位置时，限位块碰到下限行程开关该电磁阀断电，且控制两刀具进行交换的液压缸的三位四通电磁通电，机械手臂旋转1 8 0 。，当齿条碰到行程开关时，电磁阀立即断电旋转停止。然后控制机械手上升的液压缸的电磁阀通电，机械手臂上升完成上刀，达到行程开关位置，电磁阀断电上升停止，此时控制机械手松刀的电磁得电液压缸驱动手臂顺时针旋转9 0 。到达原位；并就完成换刀信号反馈给数控系统，以便数控系统进行相应的加工；最后控制两刀具进行交换的液压缸的三位四通电磁阀通电液压缸复位为下一次换刀做准备。2 2 控制系统设计2 2 1硬件设计旧4 1考虑到机械手安装调试、维护方便本文中加入了自动和手动操作模式；根据本机械手控制系统控制需要及对输入输出端口个数的要求，选用西门子公司C P U 2 2 6 型P L C ，其控制系统组成逻辑图如图4 所示。_ _ 输入oP L C保1 护( 机械手插拔刀)( 机械手抓刀)( 机械手换刀)图4 控制系统组成逻辑图2 2 2P L C 软件设计根据机械手换刀过程的要求，为了避免插刀与拨刀时与其它动作发生干涉，在程序中采用了通电延时计时器来控制。图5 为机械手自动换刀程序流程图，扫描输入口相应程序启动位是否就位，若有效，则执行机械手的抓刀、拔刀、刀具交换、插刀等动作，并通过相应的行程开关来控制各动作之间的转换；最终实现机械手自动换刀，并通过P L C 输出口发送换刀结束指令给数控系统，以便数控系统执行换刀后的相应加工过程。I 茎塑，_ - 叶垒芝歪qYl 机械手抓刀l。刃羿N 、罔丌N机械手拔刀YYl 刀具交换T 一萝二 二l 机械手插刀I 延时N 艘1 叫数控系统I 机械手复型呤n 葡图5 机械手自动换刀程序流程图3P L C 输入输出保护可编程序控制器作为新一代的工业控制装置，通常其本身具有较完善的保护功能，但如果现场环境过于恶劣，如供电不稳、灰尘大等，很容易造成输入输出万方数据控制与检测组合机床与自动化加工技术点的损坏，或者因输出端驱动的负载而产生干扰；影响P L C 控制系统的正常工作。为了防止机械手控制系统因工作环境等影响其工作性能。提出了P L C 输入输出口的保护措施。( 1 ) 输入口保护P L C 输入端最有效的保护方法是在输入量与I O间外加一级光电耦合器，一旦有高压电压等侵入回路时，高压电压击穿保护级光耦，然后像更换熔断器一样方便地更换损坏了的光耦，及时排除故障H ，其工作原理如图6 所示。图6 光电耦合保护电路( 2 ) 输出口保护继电器控制接触器等感性负载的开合瞬间，由于电感具有电流具有的不可突变的特点，将产生一个瞬间的尖峰电压在继电器的两个触点之间，该电压幅值超过继电器的触点耐压的降额；感性负载采用的电磁式继电器触点间的耐受电压是1 0 0 0 V m i n ，若触点间的电压长期的工作在1 0 0 0 V 左右的话，容易造成触点金属迁移和氧化，出现接触电阻变大、接触不良和触点粘接的现象。同样，晶体管输出为感性负载时也同样存在这个问题，该瞬时高压可能导致晶体管的损坏”1 。因此当驱动感性负载时应在负载两端接入吸收保护电路。当驱动直流回路的感性负载时，用户电路需并联续流二极管；若驱动交流回路的感性负载时，用户电路需并联R C 浪涌吸收电路，以保护P L C 的输出触点，P L C 输出触点的保护电路如图7 所示。该机械手中P L C 驱动交流电磁阀，故采用R C 浪涌吸收电路来保护P L C 的输出触点。图7P L C 输出触点保护电路4结束语加工中心的自动换刀系统控制方式因刀库结构、换刀方式等的不同而不同，本文通过对机械手换刀过程的分析，设计出了满足其换刀工艺要求、简单可靠的控制系统，使得机械手在性能上得到进一步的提高，能够较好的满足数控加工中心在加工对过程中自动换刀装置的要求。 参考文献 1 韩鸿鸾数控机床的机械结构与维修 M 山东：山东科学技术出版社，2 0 0 5 2 】龚仲华s 7 2 0 0 3 0 0 4 0 0 P L C 应用技术 M 北京：人民邮电出版社。2 0 0 7 3 祝红芳P L C 及其在数控机床上的应用 M 北京：人民邮电出版社。2 0 0 7 4 唐爱民关于P L C 输出类型的选择及使用中的注意事项 J 纺织机械，2 0 0 8 ( 6 ) ：2 5 2 7 5 李子午，刘美俊，牛志刚P L C 输入输出端的硬件保护 J 自动化与仪器仪表，2 0 0 3 ( 4 ) ：6 0 ( 编辑赵蓉)( 上接第4 l 页) 小时能完成5 0 0 0 个保持架插钉工作，大大提高了生产效率。同时还可根据需要对其进行进一步的功能开发，与其他轴承加工机械设备相配合，组成自动化生产线。 参考文献 1 秦琴，王忠庆基于P L C 控制的玻璃清洗机的设计 J 机械工程与自动化，2 0 0 9 ( 8 ) ：1 6 9 1 7 0 B 2 陈聚伟浪形保持架铆合的改进 J 轴承，2 0 0 5 ( 9 ) ：4 3 3 鞠滨香浪形保持架装钉工艺改进 J 哈尔滨轴承，2 0 0 8( 1 2 ) ：3 0 3 1 4 成威日本紧钉浪形保持架的制造工艺 J 轴承，1 9 9 5( 9 ) ：1 7 一1 9 5 廖兆荣机床电气自动控制 M 北京：化学工业出版社，2 0 0 3 6 苟群德，杨超君，等基于P L C 的六工位组合机床的控制系统设计 J 组合机床与自动化加工技术，2 0 0 9 ( 7 ) ：5 3 5 6 7 廖常初F X 系列P L C 编程及应用 M 北京：机械工业出版社，2 0 0 5 ( 编辑赵蓉)万方数据加工中心换刀机械手控制系统研究加工中心换刀机械手控制系统研究作者：张祺， 侯力， 刘松， 唐艳， 蒋维旭， ZHANG Qi， HOU Li， LIU Song， TANG Yan，JIANG Wei-xu作者单位：四川大学,制造科学与工程学院,成都,610065刊名：组合机床与自动化加工技术英文刊名：MODULAR MACHINE TO