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机械手 设计 CAD

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换刀机械手控制系统的设计与研究*许可诚顾寄南王富良（江苏大学 制造业信息化研究中心， 镇江 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 ）文章编号： -3997 （11 ） 08-0158-02【摘要】PLC 控制系统在企业自动化生产中的应用越来越广泛， 这对于企业提高自身的自动化水平， 提高生产率， 降低成本有着显著的作用。 而换刀机械手作为加工中心中一个很重要的辅助设备， 其运行的可靠性、 稳定性是企业密切关注的。 因此， 介绍了一种基于 PLC 的控制系统， 该系统平台的搭建简单， 控制灵活， 可扩展性强。 通过在加工中心数控机床上的模拟运行， 该控制系统能够较平稳、 实时的完成预先设定的动作， 操作简单， 易于掌握。 实践证明该系统具有良好的性能， 可以推广并应用。关键词： PLC； 自动控制； 换刀机械手【】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?中图分类号： TH16， TP241文献标识码： A来稿日期： 2010-10-12基金项目： 镇江市工业科技支撑项目 （SGY20090016 ）1 引言换刀机械手作为数控加工中必不可少的一部分， 其在数控加工中的应用能够减少加工过程中的非切削时间， 提高生产效率1； 节约人力， 降低成本； 提高企业竞争力， 提高产品质量和产量， 保障工人安全。介绍的换刀机械手控制系统通过气压来传递动力， 通过可编程逻辑控制器 （PLC ） 控制换刀机械手实现加工过程中对于换刀的需求。2 换刀机械手的工作过程换刀机械手及刀库的三维模型， 如图 1 所示。当 PLC 上电后机械手和刀盘自动回零点， 同时等待数控机床的装刀或者换刀指令。当数控机床发出装刀或者换刀指令时， 刀盘转动使得所需的刀具位于换刀位置， 机械手转至换刀位置通过伸缩臂气缸的伸出将刀具取出， 然后机械手再转至装刀位置通过伸缩臂气缸的缩回将刀具装在数控机床上。 待刀具装上机床后， 机械手转至防干涉位置， 摆动臂气缸缩回后机械手转到零点位置， 等待机床加工完成后的卸刀信号。当机床发出卸刀信号， 机械手转至防干涉位置， 摆动臂气缸伸出， 机械手转到装刀位置将刀卡住， 通过伸缩臂气缸的伸出将刀具卸下来， 接着机械手转至换刀位置通过伸缩臂的缩回将刀具放回刀库， 最后机械手回到零点位置完成一次动作过程 （取刀装刀卸刀 ） ， 如此循环。换刀机械手动作流程图， 如图2所示。12345678图 1 机械手及刀库三维模型图1.刀库 2.刀库步进电机 3.换刀机械手 4.摆动臂气缸 5.伸缩臂气缸6.传感器安装位置 7.机械手步进电机 8.线性导轨3 换刀机械手控制系统的设计3.1 硬件设计系统选用的是西门子公司的 S7-200 系列的 PLC， CPU 型号为 226DC/DC/DC，具有 24 个数字量输入点和 16 个数字量输出点， 能够很好的满足数控机床对于换刀的要求， 控制灵活， 扩展性好2， 也能较好的和数控机床进行实时通信。PLC 是整个控制系统的核心部分。控制系统的主要任务是：接收上位机 （数控机床 ） 给出的换刀信号， 采集和处理机械手运动过程的传感器信号， 控制步进电机和气缸来实现换刀机械手的各个动作。控制系统主要由主电源回路， PLC， 步进电机模块， 传感器等构成。控制系统的主电源回路硬件接线图， 如图 3 所示。机械设计与制造第 8 期11 年 8 月158机械手转盘刀库位置气缸缩回将刀放回刀库机械手转盘装刀位置气缸伸出卸刀机械手转盘零点位置等待卸刀信号机械手转盘装刀位置气缸缩回装刀机械手转盘刀库位置气缸伸出取刀刀盘转到准备取刀等待装刀/换刀信号机械手转盘零点位置图 2 换刀机械手动作流程图总电源开关熔断器控制电源电源关控制电源电源上电控制电源控制电源控制电源电源开电源关急停1.5-D.16-ADC24+1.5-D.16-ADC24-2-B2-B4-B4-B5-BEE图 3 主电源回路硬件接线图3.2 软件设计系统有两种工作模式： 手动模式和自动模式3。在手动模式下， 用户可以通过控制面板上的按钮， 使换刀机械手按照自己的要求来完成各项动作过程。而在自动模式下， 由于 PLC 中已经烧入了一系列的完整的程序， 换刀机械手将根据采集到的传感器信号和上位机给出的信号自动完成用户事先要求的动作。PLC 程序设计采用模块化程序设计思想， 由主程序、 手动子程序、 自动子程序、 初始化子程序和中断子程序构成4。程序的难点在于初始化子程序中采用 PTO 驱动步进电机的程序、 各端口的初始化， 以及主程序中对于各中间继电器相关触点的定义。通过对整个系统的分析， 对 PLC 的输入、 输出端口进行分配， 制定了相关的 I/O 分配表， 如表 1 所示。程序设计说明：系统采用的是 SIMATIC SETP7 编程软件进行编程， 通过PC-PPI 专用通讯电缆与 PC 机连接进行数据传输和调试。 这里针对本系统程序设计的难点将主程序进行说明。如图 4 所示， 系统一上电， 在第一个扫描周期内， PLC 将先调用初始化子程序执行相关的初始化工作， 然后根据用户的选择调用自动或者手动的子程序进行接下来的换刀动作。由于输出点数是有限的， 所以在选用中间继电器的时候需要将中间继电器相关的触点在主程序中进行分别定义， 这样可以保障程序执行时的可靠性， 有效地避免了许多误操作。表 1 I/O 端口分配表输入端口说明输出端口说明I0.0按钮-自动运行Q0.0步进电机-刀盘-脉冲I0.1按钮-自动停止Q0.1步进电机-机械手-脉冲I0.2按钮-刀盘启动Q0.2步进电机-刀盘-方向I0.3按钮-机械手-左转Q0.3步进电机-机械手-方向I0.4按钮-机械手-右转Q0.4换刀完成I0.5按钮-气缸-摆动臂-伸缩Q0.5摆动臂向后I0.6按钮-气缸-伸缩臂-伸缩Q0.6摆动臂向前I0.7旋钮-手动/自动Q0.7指示灯-自动运行/停止I1.0传感器-机械手-左限位Q1.0伸缩臂向前I1.1传感器-机械手-右限位Q1.1指示灯-自动I1.2传感器-机械手-零点Q1.2指示灯-机械手左旋I1.3传感器-刀盘-零点Q1.3指示灯-机械手右旋I1.4传感器-气缸-摆动臂-上限Q1.4指示灯-刀盘转动I1.5传感器-气缸-摆动臂-下限Q1.5伸缩臂向后I1.6传感器-气缸-伸缩臂-前限Q1.6指示灯-气缸-摆动臂I1.7传感器-气缸-伸缩臂-后限Q1.7指示灯-气缸-伸缩臂I2.0上位机联系信号 1I2.1上位机联系信号 2I2.3换刀限位信号0 LDSM0.117 LDM0.033LDM0.51 CALL初始化18 EU34 =Q1.52 LDI0.719SQ0.3， 13CALL自动20 LDM0.14 LDNI0.721 EU5 CALL手动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图 4 换刀机械手控制系统主程序4 控制系统运行的稳定性分析与研究按照上述的叙述搭建整个控制系统，通过物理样机进行运行测试。通过实验发现， 整个系统的反应灵敏， 控制精度较高， 平稳性好， 运行时间快速， 抗冲击、 震动能力强， 能够很好的满足数控机床对于自动换刀的要求。与此同时，运用 MSC ADAMS 软件进行换刀机械手的运动学与动力学分析来进一步证明系统的可靠性， 可以看出该系统能够较好的运行， 如图 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 ）图 5 机械手的位移、 速度、 加速度曲线5 结束语PLC 控制系统正逐渐取代传统的继电器控制， 越来越广泛的应用于各种工业生产场合， 使得企业的自动化程度、 生产效率越来越高， 同时可以降低企业的生产成本， 保证工人的人身安全。PLC 与数控机床的实时通讯， 不仅加快了数据的传输速度， 也提第 8 期许可诚等： 换刀机械手控制系统的设计与研究159?高了数据传输的正确率， 与此同时也缩短了调试的周期， 提高了工作效率。在今后， 将重点对控制过程中换刀机械手动作的位置精度进行研究分析， 通过采用恰当的反馈方法本对系统的算法进行改进与完善， 使本系统能够得到更多的推广与应用。参考文献1陈哲衔， 涂天祥， 王清阳， 裴海龙.开放式数控系统自动换刀的全软件实现 J .制造技术与机床， 2009 （6 ） ： 70-72.2许为民.基于PLC的气动换刀装置设计 J .液压与气动， 2009 （1 ） ： 10-11.3孙自广， 王秦.基于 PIC 单片机的清洁机器人系统设计 J .广西工学院学报， 2009 （6 ） .4罗麦丰.基于 PLC 的转盘式钎焊机控制系统的设计 J .微计算机信息，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 的大型立磨机机身立柱改造研究杨林建1吴先文1冯锦春1李 剑2（1四川工程职业技术学院， 德阳 618000 ） （2中国二重设计院， 德阳 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 ）文章编号： -3997 （11 ） 08-0160-03【摘要】立式粉磨机是根据料床粉磨原理， 通过相对运动的磨辊、 磨盘碾磨装置来粉磨物料的机械， 它集粉磨、 烘干、 选粉为一体， 主要用于对水泥生料、 熟料、 高炉矿渣等进行粉磨、 分选。 通过对立磨机立柱进行建模， 并对机身立柱施加约束和载荷， 运用 ANSYS 软件对机身立柱进行有限元分析， 得到等效应力图。 根据分析结果对该立柱结构进行改进， 减小了局部应力， 从而为立柱设计和改造提供重要的理论依据。 改进后可显著提高立柱的使用寿命和可靠性， 具有一定的推广应用价值。关键词： 立磨机； 机身立柱； 有限元； 技术改造【】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