換刀機械手設(shè)計帶CAD圖
換刀機械手設(shè)計帶CAD圖,機械手,設(shè)計,CAD
遼 東 學 院 本 科 畢 業(yè) 論 文（設(shè) 計）
數(shù)控臥式鏜銑床自動換刀機械手
CNC horizontal boring and milling machine automatically change sword robots
學 生 姓 名： 王春磊
學 院： 機電學院
專 業(yè)：機械設(shè)計制造及其自動化
班 級： B0602
學 號： 0612060233
指 導(dǎo) 教 師： 楊佳
審 閱 教 師：
完 成 日 期： 2010年5月20日
遼 東 學 院
Eastern Liaoning University
獨創(chuàng)性說明
作者鄭重聲明：本畢業(yè)論文（設(shè)計）是我個人在指導(dǎo)教師指導(dǎo)下進行的研究工作及取得研究成果。盡我所知，除了文中特別加以標注和致謝的地方外，畢業(yè)論文（設(shè)計）中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫的研究成果，也不包含為獲得遼東學院或其他單位的學位或證書所使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的貢獻均已在論文中做了明確的說明并表示了謝意。
作者簽名：___________ 日期：__ __
數(shù)控臥式鏜銑床自動換刀機械手
摘 要
工業(yè)機械手又稱通用自動機械手，是一種“獨立”的可變程序的自動機械手。它是在五十年代末期出現(xiàn)，近年來才迅速發(fā)展起來的重要自動化裝置，現(xiàn)已成為實現(xiàn)工業(yè)自動化的一種重要手段。工業(yè)機械手已應(yīng)用在機械制造的多種工藝中以代替人工，并成為機械加工人員所需掌握的生產(chǎn)工具。
近年來隨著工業(yè)自動化的發(fā)展機械手逐漸成為一門新興的學科，并得到了較快的發(fā)展。機械手廣泛地應(yīng)用于鍛壓、沖壓、鑄造、焊接、裝配、機加、噴漆、熱處理等各個行業(yè)。特別是在笨重、高溫、有毒、危險、放射性、多粉塵等惡劣的勞動環(huán)境中，機械手由于其顯著的優(yōu)點而受到特別重視?？傊?，機械手是提高勞動生產(chǎn)率，改善勞動條件，減輕工人勞動強度和實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)自動化的一個重要手段，國內(nèi)外都很重視它的應(yīng)用和發(fā)展。
傳動主要分為機械傳動,流體傳動和電傳動三類。作為機械手的輔助運行機構(gòu)，它決定了機械手的使用范圍和實用性，有著十分重要的作用。
關(guān)鍵詞：工業(yè)機械手；機械制造；自動化
- I -
數(shù)控臥式鏜銑床自動換刀機械手
Abstract
Industrial robots and general automatic robot, it is a kind of "independent" variable automatic robot. It is late in the 1950s, in recent years to rapidly develop automation equipment, has become an important industrial automation is a kind of important means. Industrial robots have been used in various mechanical manufacturing process to replace artificial and become mechanical processing personnel of master production tools.
In recent years, with the development of industrial automation gradually become a new robot of disciplines, and the rapid development. Manipulator is widely used in forging, stamping, molding, welding, assembling, machining, paint, heat treatment, etc. Especially in heavy, high temperature, toxic or hazardous, radioactive, such as dust, the working environment due to its advantages of significant manipulator by special attention. Anyhow, manipulator is to improve labor productivity, improve working conditions, reduce labor intensity and realize the automation of industrial production, and is an important means to have paid great attention to the development and application of it.
Driving mainly divided into the mechanical transmission, fluid transmission and power transmission. As the auxiliary operation organization, robot manipulator which determines the scope of use and practicability, plays a very important role.
Keywords: industrial robots; Machinery manufacturing; automation
- III -
目 錄
摘 要 I
Abstract II
一、緒論 1
（一）機械手的發(fā)展現(xiàn)狀 1
（二）課題的構(gòu)想與思路 2
（三）設(shè)計的主要內(nèi)容 2
（四）要解決的計算部分 2
二、總體方案設(shè)計 3
（一）位置檢測與定位方式 3
（二）緩沖方式 3
（三）換刀機械手與驅(qū)動裝置的研究 3
（四）刀庫結(jié)構(gòu) 3
（五）智能型控制系統(tǒng)的研究 4
三、機械結(jié)構(gòu)設(shè)計 5
（一）自動換刀機械手的組成和配置 5
（二）自動換刀機械手升降（即手架升降）機構(gòu) 5
（三）自動換刀機械手的滑座伸縮和手架回轉(zhuǎn)運動機構(gòu) 6
（四）裝、卸刀手手臂和手部結(jié)構(gòu) 8
四、液壓系統(tǒng)設(shè)計 10
五、PLC控系統(tǒng)設(shè)計 13
（一）PLC的介紹 13
（二）PLC的結(jié)構(gòu)及基本配置 13
1.CPU的構(gòu)成 13
2.I/O模塊 15
3.電源模塊 15
4.板底或機架 15
5.PLC的外部設(shè)備 15
（三）自動換刀過程 15
參考文獻 19
結(jié)論 20
數(shù)控臥式鏜銑床自動換刀機械手
一、緒論
（一）機械手的發(fā)展現(xiàn)狀
能模仿人手和手臂的某些動作功能，按固定程序抓取、搬運物件或操作工具的自動操作裝置。它可代替人的繁重勞動以實現(xiàn)生產(chǎn)的機械化和自動化，能在有害環(huán)境下操作以保護人身安全，因而廣泛應(yīng)用于機械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。
機械手主要由手部和運動機構(gòu)組成。手部是用來抓持工件（或工具）的部件，根據(jù)被抓持物件的形狀、尺寸、重量、材料和作業(yè)要求而有多種結(jié)構(gòu)形式，如夾持型、托持型和吸附型等。運動機構(gòu)，使手部完成各種轉(zhuǎn)動（擺動）、移動或復(fù)合運動來實現(xiàn)規(guī)定的動作，改變被抓持物件的位置和姿勢。運動機構(gòu)的升降、伸縮、旋轉(zhuǎn)等獨立運動方式，稱為機械手的自由度 。為了抓取空間中任意位置和方位的物體，需有6個自由度。自由度是機 械手設(shè)計的關(guān) 鍵參數(shù)。自由 度越多，機械手的靈活性越大，通用性越廣，其結(jié)構(gòu)也越復(fù)雜。一般專用機械手有2～3個自由度。
機械手的種類，按驅(qū)動方式可分為液壓式、氣動式、電動式、機械式機械手；按適用范圍可分為專用機械手和通用機械手兩種；按運動軌跡控制方式可分為點位控制和連續(xù)軌跡控制機械手等。
機械手通常用作機床或其他機器的附加裝置，如在自動機床或自動生產(chǎn)線上裝卸和傳遞工件，在加工中心中更換刀具等，一般沒有獨立的控制裝置。有些操作裝置需要由人直接操縱，如用于原子能部門操持危險物品的主從式操作手也常稱為機械手。
機械手是在機械化、自動化生產(chǎn)過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。近年來，隨著電子技術(shù)特別是電子計算機的廣泛應(yīng)用，機器人的研制和生產(chǎn)已成為高技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)迅速發(fā)展起來的一門新興技術(shù)，它更加促進了機械手的發(fā)展，使得機械手能更好地實現(xiàn)與機械化和自動化的有機結(jié)合。
機械手雖然目前還不如人手那樣靈活，但它具有能不斷重復(fù)工作和勞動、不知疲勞、不怕危險、抓舉重物的力量比人手大等特點，因此，機械手已受到許多部門的重視，并越來越廣泛地得到了應(yīng)用，例如：
1.機床加工工件的裝卸，特別是在自動化車床、組合機床上使用較為普遍。
2.在裝配作業(yè)中應(yīng)用廣泛，在電子行業(yè)中它可以用來裝配印制電路板，在機械行業(yè)中
它可以用來組裝零部件。
3.可在勞動條件差，單調(diào)重復(fù)易子疲勞的工作環(huán)境工作，以代替人的勞動。
4.可在危險場合下工作，如軍工品的裝卸、危險品及有害物的搬運等。
5.宇宙及海洋的開發(fā)。
6.軍事工程及生物醫(yī)學方面的研究和試驗。
隨著機械加工業(yè)的發(fā)展，制造行業(yè)對于帶有自動換刀系統(tǒng)的高效高性能加工中心的需求量越來越大。在現(xiàn)有的各種類型的加工中心中，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的自動換刀系統(tǒng)的造價在機床整機造價中總是占著很大比重，這是加工中心價格居高不下、應(yīng)用不普遍的重要原因。如果把自動換刀系統(tǒng)的設(shè)計制造從現(xiàn)有加工中心的制造模式中分離出來，把它作為加工中心的標準件或附件組織專門化的生產(chǎn)，同時由于該項技術(shù)的應(yīng)用簡化了機床主軸結(jié)構(gòu)、采用彈簧夾頭和外驅(qū)動機械手等關(guān)鍵技術(shù)、采用圓柱柄刀具和輔具，這不僅使數(shù)控機床工作性能有所提高，而且使得由它配套構(gòu)成的加工中心的總體造價大幅度下降。低造價高性能的加工中心將會被中小廠廣泛接收，這樣必將給自動換刀系統(tǒng)生產(chǎn)廠商和加工中心制造廠商帶來巨大的經(jīng)濟效益。
（二）課題的構(gòu)想與思路
根據(jù)自動換刀裝置（ATC）的創(chuàng)新設(shè)計思想，設(shè)計出能同時抓取刀庫和主軸上刀具的回轉(zhuǎn)式雙臂雙手換刀機械手結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的換刀機械手主要應(yīng)用在臥式加工中心的場合中。其換刀動作簡單可靠，主要依靠液壓系統(tǒng)驅(qū)動，采用可編程控制系統(tǒng)（PLC）進行控制，具有換刀時間短、運動慣性小等優(yōu)點。實現(xiàn)了可以在一次裝夾中完成多道工序的加工，從而縮短了輔助加工時間，提高了機床的效率，減少了零件安裝和定位次數(shù)，提高了加工精度。
（三）設(shè)計的主要內(nèi)容
1．通過計算選擇合適的通用部件。
2．根據(jù)工件設(shè)計換刀機構(gòu)。
3．控制部分PLC的設(shè)計。
4．電子版圖紙繪制。
（四）要解決的計算部分
1．手架運動參數(shù)；
2．手指夾持刀柄的直徑;
3．緩沖方式;
二、總體方案設(shè)計
為了更好地簡化數(shù)控機床主軸結(jié)構(gòu)，盡可能地減小換刀機構(gòu)對機床主軸結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計帶來的影響，采用彈簧夾頭這一理想的刀具夾持元件，在機床主軸的設(shè)計上除了軸端制作出與彈簧夾頭聯(lián)結(jié)的專用結(jié)構(gòu)外，機床主軸結(jié)構(gòu)完全可以根據(jù)其優(yōu)化要求來確定，從而可最大限度地提高機床主軸的工作性能。本研究以它巧妙的構(gòu)思，對換刀機械手、刀具交換裝置、刀庫結(jié)構(gòu)形式以及驅(qū)動機構(gòu)進行了新的設(shè)計，改變了傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模式。在本項研究中要解決的主要問題有：
（一）位置檢測與定位方式?
滑塊伸縮、手架回轉(zhuǎn)和裝、卸手手臂伸縮運動采用行程開關(guān)進行位置檢測，由擋塊（或活塞與端蓋）定位。手架升降運動采用無觸點行程開關(guān)進行位置檢測，并控制三位四通閥適時“關(guān)閉”來定位。
（二）緩沖方式
滑塊伸縮、裝卸刀手手臂伸縮運動采用油缸端部節(jié)流緩沖；手架回轉(zhuǎn)運動采用換接不同尺寸的出油口增加背壓減速緩沖；手架升降運動采用無觸點行程開關(guān)發(fā)信，切斷油路減速緩沖。
（三）換刀機械手與驅(qū)動裝置的研究
換刀機械手的主要任務(wù)是完全模擬手的換刀動作，給機床主軸與彈簧夾頭提供相對轉(zhuǎn)動實現(xiàn)夾緊、放松刀具的動作。機械手應(yīng)具備足夠的轉(zhuǎn)矩，該轉(zhuǎn)矩還必須恒定(可調(diào))。同時還應(yīng)使機械手具備結(jié)構(gòu)緊湊、占據(jù)空間小的特點，以適應(yīng)不同類型機床的換刀空間。換刀機械手完全采用PLC控制液壓傳動，以求最大限度地降低自動換刀系統(tǒng)的成本造價。
（四）刀庫結(jié)構(gòu)
要在總結(jié)現(xiàn)有數(shù)控機床刀庫類型、刀架結(jié)構(gòu)、刀庫驅(qū)動方式的基礎(chǔ)上，研制出夾持圓柱形定尺寸柄刀具或輔具的刀庫形式、刀架結(jié)構(gòu)和刀具交換裝置。同時包括刀庫的驅(qū)動、定位機構(gòu)、刀具編碼方式的研究。
（五）智能型控制系統(tǒng)的研究
自動換刀系統(tǒng)采用PLC控制，它通過幾條與主控機的聯(lián)絡(luò)信號線以及系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置的自診斷、自適應(yīng)功能實現(xiàn)對換刀系統(tǒng)的全自動控制管理。該項研究包括：采用高性能彈簧夾頭夾持刀具，使用外驅(qū)動機械手完成刀具的夾緊、放松，系統(tǒng)配置擴展型鏈式刀庫和刀具交換裝置，整機采用電磁機械傳動、PLC控制，換刀系統(tǒng)具有夾緊力大、夾緊力恒定(可調(diào))、自動復(fù)位以及各種自檢保護功能，同時具有占據(jù)空間小的特點。研究的最終目標是，期望能夠形成一種結(jié)構(gòu)緊湊、工作穩(wěn)定可靠、造價低廉、可供不同類型數(shù)控機床選型配套的智能型高性能自動換刀系統(tǒng)系列產(chǎn)品。
三、機械結(jié)構(gòu)設(shè)計
（一）自動換刀機械手的組成和配置
自動換刀機械手由升降絲杠1、滑座2、橫梁3、油馬達4、裝刀手5、手架6、卸刀手7組成并與刀庫8（由四排帶刀套的鏈條組成，每條鏈條上均有15個刀套）組成自動換刀裝置。
圖3.1
（二）自動換刀機械手升降（即手架升降）機構(gòu)
手架升降由馬達、滾珠絲杠、螺旋副間隙調(diào)整墊、導(dǎo)向柱、減速齒輪和無觸點行程開關(guān)等組成。
當接受使手架上升或下降（找刀排）指令后，壓力油進到油馬達中，油馬達帶動滾珠絲杠轉(zhuǎn)動，使手架帶著裝、卸刀手升降。因刀庫有四排刀排，手架可上下移動3*420毫米的距離，當手架上下運動接近所選刀排位置時，其上的懸臂感應(yīng)塊使安裝在刀排相應(yīng)位置的無觸點行程開關(guān)發(fā)信，控制手架升降油路的調(diào)速閥作用使手架減速，當?shù)竭_所選刀排要求準確定位時，裝在減速齒輪上的感應(yīng)塊無觸點行程開關(guān)（12XK或20XK）發(fā)信，切斷手架升降油路，油馬達停止轉(zhuǎn)動，手架即停在所規(guī)定的位置上。
滾珠絲杠和螺母間隙，可用修磨調(diào)整墊來達到。導(dǎo)向柱除起導(dǎo)向作用外，并使?jié)L珠絲杠在傳動中免受彎曲力距的作用，使手架升降運動平穩(wěn)可靠。
（三）自動換刀機械手的滑座伸縮和手架回轉(zhuǎn)運動機構(gòu)
圖3.2
機械手由滑座1（起上加工有油缸）、活塞桿2、轉(zhuǎn)柱3、回轉(zhuǎn)油缸4、滾珠組5（滾柱按十字交叉位置放置）、預(yù)緊螺釘6、定位螺釘6、定位塊8和V形導(dǎo)軌組成。
滑座伸縮：當有關(guān)13、14分別想滑座1上的油缸兩腔同壓力油時，驅(qū)動滑座（因活塞桿2固定在橫梁上）使滑座在十字交叉放置的滾柱和V形滾動導(dǎo)軌9上往復(fù)運動，高壓注意呼吁帶動手架來完成撥、插刀運動。親行程位置的檢測由安裝在橫梁上的行程開關(guān)完成。在活塞桿2上的活塞兩端加工成圓錐形，配合油缸端部其節(jié)流緩沖作用。
圖3.3
手架回轉(zhuǎn)：當油管15、16分別通壓力油回轉(zhuǎn)到油缸4的兩腔時，推動動片連同轉(zhuǎn)軸一起轉(zhuǎn)動，通過平鍵使轉(zhuǎn)柱3和手架回轉(zhuǎn)。其回轉(zhuǎn)角度的檢測由行程開關(guān)發(fā)信，并用定位螺釘7和定位塊8來定位。
該手架在圖示位置剖面為手架轉(zhuǎn)向主軸時的位置?；剞D(zhuǎn)油缸的端蓋進出油口分別有3對（即a、b、c和a’b’c’）,當接到手架轉(zhuǎn)向刀庫指令后，三位四通電磁滑閥換向，油管16進壓力油，從油孔c’進到回轉(zhuǎn)油缸工作腔使動片啟動一定角度后，動片將油孔c’打開進油，快速回轉(zhuǎn)，回有腔油液從a、b孔排出，動片將油孔出a’打開進油，快速回轉(zhuǎn)，回油腔油液從a、b孔排出，待將a打開進油，快速回轉(zhuǎn)，回油腔油液從a、b孔排出，動片回轉(zhuǎn)速度降下來以達到減速緩沖。減速度的大小可通向回轉(zhuǎn)油缸端蓋上的調(diào)節(jié)螺釘進行調(diào)節(jié)。
圖3.4
（四）裝、卸刀手手臂和手部結(jié)構(gòu)
裝刀手和卸刀手對稱配置在手架上，其結(jié)構(gòu)和尺寸完全相同，只是幾個主要零件形狀相反，故此處只介紹卸刀手結(jié)構(gòu)和動作原理，卸刀手手臂伸縮運動機構(gòu)由手架1、手臂油缸2、手指座3和活塞桿17等組成，如圖3.3所示?；钊麠U17一端固定在手架上，當壓力油從油孔9和10分別進到油缸2的兩腔時，推動油缸2的缸體在燕尾形導(dǎo)軌上往復(fù)運動，其行程位置由裝在手架上的行程開關(guān)進行檢測，采用油缸端部錐面節(jié)流緩沖，端蓋和活塞端面相碰定位。
裝刀手和卸刀手手臂移動導(dǎo)軌的方向相交成45度角，其交點即是裝刀手、卸刀手前伸移到終點時手指的夾緊中心。
卸刀手手部由手指座3、刀具定向鍵4、固定手指5、頂銷6、卡銷8、彈簧9、10、活動手指12、擋塊14、和銷軸15等組成。它屬于彈簧夾持式手部，手指分為固定指和活動指，并屬于一支點回轉(zhuǎn)型手指。在手部伸出抓刀時，活動指應(yīng)能自由張開，抓住刀后，特別是在運刀過程中活動指應(yīng)夾緊并鎖住，因此手指內(nèi)有自鎖機構(gòu)。在鏜銑床主軸套筒的端面和滑座懸伸支架上均設(shè)有使手指松開的導(dǎo)板，刀具在手指中不允許有轉(zhuǎn)動，以免刀柄的鍵槽錯位，故在固定手指上裝有定位鍵4。
卸刀時，卸刀手手臂前伸，當卡銷8碰到擋塊14的a面時，使卡銷縮回；碰b面頂銷6可自由運動，手指碰上刀柄便能自動張開插入梯形槽中；當碰到c面時，卡銷被彈簧9彈出，鎖緊活動指12，將刀柄抓牢，以后進行拔刀等動作。
如裝刀完畢，使卡銷8被擋塊13的b’面壓入，頂銷6能自由活動，手臂油缸2縮回時，手指就從刀柄的梯形槽中自由滑脫，當卡銷8移到擋塊13的a’面時，彈簧9將卡銷彈出將活動指鎖住。
四、液壓系統(tǒng)設(shè)計
圖4.1自動換刀機械手液壓系統(tǒng)
自動換刀機械手液壓如圖所示，采用雙聯(lián)葉片泵供油，它具有功率損失小，油箱的溫升小，泵的壽命高，成本低等優(yōu)點。雙聯(lián)葉片泵的工作是用溢流閥、卸荷閥、單向閥三個閥聯(lián)合控制。泵起動后兩個泵的輸出油分別進入它們的管道，小泵的輸出油經(jīng)過過濾器后進入溢流閥，大泵的輸出油進入卸荷閥，但此時電磁鐵15DT不通電，管道通過電液滑閥{24DT-B20H}、單向閥和油箱相通，管路中壓力很低，溢流閥和卸荷閥都關(guān)閉。在裝、卸刀手手臂伸縮或滑座伸縮或手架回轉(zhuǎn)等單獨運動時，各油缸所需油液流量小，由高壓小流量油泵供油，管路內(nèi)油壓上升到溢流閥所確定的壓力，由于卸荷閥的壓力調(diào)得比溢流閥的壓力低5公斤力/厘米3，卸荷閥被打開，單向閥被溢流閥的油壓鎖住，大泵的輸出油通過卸荷閥流經(jīng)冷卻器回到油箱。當手架快速升降時，由于小泵的流量不夠，使系統(tǒng)壓力下降，卸荷閥關(guān)閉，大泵的輸出油推開單向閥和泵的輸出油一起進入系統(tǒng)，保證了手架的快速升降運動。
二位四通電液滑閥（24DY-B20H）起開關(guān)作用，當電磁鐵15DT通電時，系統(tǒng)處于等待工作的狀態(tài)。
在手架升降支路系統(tǒng)裝有緩沖閥。當手架升降運動由快速轉(zhuǎn)換成慢速時，由于其慣性在回油路內(nèi)引起很高的沖擊壓力，高壓油液經(jīng)單向閥和溢流閥流回油箱，以緩和油液壓力的波動，使手架由快速平滑地變換到慢速。緩沖閥處的溢流閥的調(diào)定壓力應(yīng)比系統(tǒng)工作壓力高30%左右。
對接機械手液壓系統(tǒng)的原理圖如圖4.1所示，機械手的液壓系統(tǒng)支路原理基本相同，在這里以一條支路的液壓系統(tǒng)為例進行分析。
在圖4.1中，機械手擺動油缸和伸縮油缸的換向閥分別為電磁閥9和10，具有 “Y型”中位機能。由于四條油路相同，以機械手單手為例。以伸縮臂為例時換向閥的電磁鐵13DT通電時，油缸的油路與比例閥接通，控制比例閥的比例電磁鐵13DT可以實現(xiàn)油缸活塞的位置控制，系統(tǒng)工作在位置伺服狀態(tài)，主動完成機械手的伸長和縮短。
以擺動油缸為例時，當11DT通電時，電磁閥11為通路，油缸控制閥具有“H型”中位機能；當11DT斷電時，將電磁閥11的供油回路封住，油缸將被鎖住不動，換刀機械手手臂動作與電磁鐵通斷電情況如表4.2所示。
圖4.2自動換刀機械手動作與電磁鐵通斷電情況表
動作名稱
6DT
7DT
8DT
9DT
10DT
11DT
12DT
13DT
14DT
15DT
手架上升（找刀排）
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手架上升減速
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手架上升緩沖定位
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手架下降（找刀排）
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手架下降減速
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手架下降緩沖定位
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滑座伸出（拔刀）
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滑座縮回（插刀）
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手架轉(zhuǎn)向刀庫
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手架轉(zhuǎn)向主軸
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裝刀手手臂伸出
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裝刀手手臂縮回
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卸刀手手臂伸出
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卸刀手手臂縮回
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卸荷，系統(tǒng)停止工作
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五、PLC控系統(tǒng)設(shè)計
（一）PLC的介紹
可編程控制器（PROGRAMMABLE CONTROLLER，簡稱PC）。與個人計算機的PC相區(qū)別，用PLC表示。
PLC是在傳統(tǒng)的順序控制器的基礎(chǔ)上引入了微電子技術(shù)、計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)和通訊技術(shù)而形成的一代新型工業(yè)控制裝置，目的是用來取代繼電器、執(zhí)行邏輯、記時、計數(shù)等順序控制功能，建立柔性的程控系統(tǒng)。國際電工委員會（IEC）頒布了對PLC的規(guī)定：可編程控制器是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計。它采用可編程序的存貯器，用來在其內(nèi)部存貯執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作的指令，并通過數(shù)字的、模擬的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程?？删幊绦蚩刂破骷捌溆嘘P(guān)設(shè)備，都應(yīng)按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴充其功能的原則設(shè)計。
PLC具有通用性強、使用方便、適應(yīng)面廣、可靠性高、抗干擾能力強、編程簡單等特點?？梢灶A(yù)料：在工業(yè)控制領(lǐng)域中，PLC控制技術(shù)的應(yīng)用必將形成世界潮流。
PLC程序既有生產(chǎn)廠家的系統(tǒng)程序，又有用戶自己開發(fā)的應(yīng)用程序，系統(tǒng)程序提供運行平臺，同時，還為PLC程序可靠運行及信息與信息轉(zhuǎn)換進行必要的公共處理。用戶程序由用戶按控制要求設(shè)計。
（二）PLC的結(jié)構(gòu)及基本配置
一般講，PLC分為箱體式和模塊式兩種。但它們的組成是相同的，對箱體式PLC，有一塊CPU板、I/O板、顯示面板、內(nèi)存塊、電源等，當然按CPU性能分成若干型號，并按I/O點數(shù)又有若干規(guī)格。對模塊式PLC，有CPU模塊、I/O模塊、內(nèi)存、電源模塊、底板或機架。無任哪種結(jié)構(gòu)類型的PLC，都屬于總線式開放型結(jié)構(gòu)，其I/O能力可按用戶需要進行擴展與組合。PLC的基本結(jié)構(gòu)框圖如下：
1.CPU的構(gòu)成
1. PLC中的CPU是PLC的核心，起神經(jīng)中樞的作用，每臺PLC至少有一個CPU，
圖5.1 CPU基本結(jié)構(gòu)框圖
它按PLC的系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存貯用戶程序和數(shù)據(jù)，用掃描的方式采集由現(xiàn)場輸入裝置送來的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，并存入規(guī)定的寄存器中，同時，診斷電源和PLC內(nèi)部電路的工作狀態(tài)和編程過程中的語法錯誤等。進入運行后，從用戶程序存貯器中逐條讀取指令，經(jīng)分析后再按指令規(guī)定的任務(wù)產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號，去指揮有關(guān)的控制電路，與通用計算機一樣，主要由運算器、控制器、寄存器及實現(xiàn)它們之間聯(lián)系的數(shù)據(jù)、控制及狀態(tài)總線構(gòu)成，還有外圍芯片、總線接口及有關(guān)電路。它確定了進行控制的規(guī)模、工作速度、內(nèi)存容量等。內(nèi)存主要用于存儲程序及數(shù)據(jù)，是PLC不可缺少的組成單元。
CPU的控制器控制CPU工作，由它讀取指令、解釋指令及執(zhí)行指令。但工作節(jié)奏由震蕩信號控制。
CPU的運算器用于進行數(shù)字或邏輯運算，在控制器指揮下工作。
CPU的寄存器參與運算，并存儲運算的中間結(jié)果，它也是在控制器指揮下工作。
CPU雖然劃分為以上幾個部分，但PLC中的CPU芯片實際上就是微處理器，由于電路的高度集成，對CPU內(nèi)部的詳細分析已無必要，我們只要弄清它在PLC中的功能與性能，能正確地使用它就夠了。
CPU模塊的外部表現(xiàn)就是它的工作狀態(tài)的種種顯示、種種接口及設(shè)定或控制開關(guān)。一般講，CPU模塊總要有相應(yīng)的狀態(tài)指示燈，如電源顯示、運行顯示、故障顯示等。箱體式PLC的主箱體也有這些顯示。它的總線接口，用于接I/O模板或底板，有內(nèi)存接口，用于安裝內(nèi)存，有外設(shè)口，用于接外部設(shè)備，有的還有通訊口，用于進行通訊。CPU模塊上還有許多設(shè)定開關(guān)，用以對PLC作設(shè)定，如設(shè)定起始工作方式、內(nèi)存區(qū)等。
2．I/O模塊
PLC的對外功能，主要是通過各種I/O接口模塊與外界聯(lián)系的，按I/O點數(shù)確定模塊規(guī)格及數(shù)量，I/O模塊可多可少，但其最大數(shù)受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或機架槽數(shù)限制。I/O模塊集成了PLC的I/O電路，其輸入暫存器反映輸入信號狀態(tài)，輸出點反映輸出鎖存器狀態(tài)。
3.電源模塊
有些PLC中的電源，是與CPU模塊合二為一的，有些是分開的，其主要用途是為PLC各模塊的集成電路提供工作電源。同時，有的還為輸入電路提供24V的工作電源。電源以其輸入類型有：交流電源，加的為交流220VAC或110VAC，直流電源，加的為直流電壓，常用的為24V。
4.板底或機架
大多數(shù)模塊式PLC使用底板或機架，其作用是：電氣上，實現(xiàn)各模塊間的聯(lián)系，使CPU能訪問底板上的所有模塊，機械上，實現(xiàn)各模塊間的連接，使各模塊構(gòu)成一個整體。
5.PLC的外部設(shè)備
外部設(shè)備是PLC系統(tǒng)不可分割的一部分，它有四大類：
（1）編程設(shè)備：有簡易編程器和智能圖形編程器，用于編程、對系統(tǒng)作一些設(shè)定、監(jiān)控PLC及PLC所控制的系統(tǒng)的工作狀況。編程器是PLC開發(fā)應(yīng)用、監(jiān)測運行、檢查維護不可缺少的器件，但它不直接參與現(xiàn)場控制運行。
（2）監(jiān)控設(shè)備：有數(shù)據(jù)監(jiān)視器和圖形監(jiān)視器，直接監(jiān)視數(shù)據(jù)或通過畫面監(jiān)視數(shù)據(jù)。
（3）存儲設(shè)備：有存儲卡、存儲磁帶、軟磁盤或只讀存儲器，用于永久性地存儲用戶數(shù)據(jù)，使用戶程序不丟失，如EPROM、EEPROM寫入器等。
（4）輸入輸出設(shè)備：用于接收信號或輸出信號，一般有條碼讀人器，輸入模擬量的電位器，打印機等。
（三）自動換刀過程
首先簡單介紹一下刀具交換裝置的基本情況，刀庫是可正反向旋轉(zhuǎn)的鏈式刀庫、裝在刀具交換裝置上的機械手用15個步驟將刀庫中的刀具交換到主軸，并將主軸刀具還回刀庫對應(yīng)的刀套中。為盡量縮短換刀時間，我們采用刀具預(yù)選與零件加工同時進行的方式來壓縮換刀時間。機械手動作順序如下：
步驟 1：平移縮回，抓刀庫中預(yù)選的刀具：步驟2：拔刀伸出，拔出刀套中的刀具：步驟3：平移伸出，離開刀庫側(cè)抓刀位置：步驟4：拔刀縮回，機械手縮回：步驟 5：搖臂伸出，搖臂轉(zhuǎn)向主軸側(cè)：步驟6：平移伸出，抓主軸刀具：步驟7：拔刀伸出，拔出主軸中的刀具：步驟8：換刀正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，刀具交換：步驟9：拔刀縮回，將預(yù)選刀具插入主軸：步驟10：平移縮回，機械手離開主軸：步驟11：搖臂縮回，搖臂轉(zhuǎn)向刀庫側(cè)：步驟12：拔刀伸出，準備將主軸刀具送回刀庫：步驟 13：平移縮回，機械手移向刀庫：步驟14：拔刀縮回，將主軸刀具插入刀庫：步驟15：平移伸出，離開刀庫側(cè)抓刀位置。
以上15個步驟可分為如下4個階段：
第1階段：抓新刀。Txx代碼控制刀庫按就近方向轉(zhuǎn)動到編程刀具所在的位置，到位且有刀庫定位I信號后啟動機械手，經(jīng)過步驟1→步驟2→步驟3→步驟4，將編程刀具抓在手上等待換刀。
第2 階段：換刀。M06啟動換刀固定循環(huán)“TOOL”?！癟OOL”控制各坐標移動到換刀位置，并用M90通知PLC啟動換刀，PLC用M90信號請求NC “讀入禁止”并啟動機械手換刀步驟5→步驟6→步驟7→步驟8→步驟9→步驟10→步驟11，同時用步驟5的到位信號控制刀庫轉(zhuǎn)到主軸刀號的位置。
第3階段：還刀。步驟5啟動的刀庫旋轉(zhuǎn)停止且有刀庫定位I信號后，啟動機械手步驟12→步驟13→步驟14→步驟15，將主軸刀具還到刀庫中并將記憶主軸刀號的存儲器更新。步驟11完成后，取消“讀入禁止”，激活刀具參數(shù)，加工程序和機械手還同時進行。
第4 階段：抓預(yù)選新刀。在M06的下一段緊跟下道工序要用的刀具號Txx，刀庫在完成還刀動作后可在零件加工的同時啟動機械手步驟1→步驟2→步驟3→步驟 4，將下道工序所用的刀具預(yù)選抓到機械手上，等待M06啟動后面的換刀動作，這樣大大縮短了刀具交換的時間，提高了工作效率。
注意事項：
1. Txx和M06不能編在同一程序段內(nèi)：
2. 在固定循環(huán)TOOL中，所有位移程序段應(yīng)加G153(段有效)取消基本偏移：
3. 三個換刀過程：①裝刀：主軸無刀，Txx/M06直接安裝編程刀具：②換刀：主軸有刀，交換編程刀具和主軸刀具：③還刀：主軸有刀，編程T0，將主軸刀具還回刀庫。
4. 主軸準停角度利用PLC浮點參數(shù)MD14514[0]：$MN_USER_DATA_FLOAT[0]
本編程方法的核心是將機械手動作按時序分成共15個步驟。“步驟”存儲在一個中間的變量中，該中間變量點占一個字節(jié)，每個“步驟”完成后將中間變量的值修改為下一個“步驟”，而整個步驟全部完成后將中間變量置為零，下一個換刀指令到來后又從步驟1開始執(zhí)行。這樣不僅使PLC程序簡單、直觀，而且由于“步驟” 是唯一的，這樣就能避免信號之間的互相干擾，編程人員再也不用絞盡腦汁來為每一個輸出信號加各種限制條件，巧妙利用“變量”達到事半功倍的效果。加工程序和PLC程序關(guān)系見下圖。
圖5.2
PLC的T型圖如下：
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結(jié)論
工業(yè)機器人由操作機(機械本體)、控制器、伺服驅(qū)動系統(tǒng)和檢測傳感裝置構(gòu)成，是一種仿人操作，自動控制、可重復(fù)編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機電一體化自動化生產(chǎn)設(shè)備。特別適合于多品種、變批量的柔性生產(chǎn)。它對穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，改善勞動條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。機器人應(yīng)用情況，是一個國家工業(yè)自動化水平的重要標志。生產(chǎn)中應(yīng)用機械手可以提高生產(chǎn)的自動化水平，可以減輕勞動強度、保證產(chǎn)品質(zhì)量、實現(xiàn)安全生產(chǎn);尤其在高溫、高壓、低溫、低壓、粉塵、易爆、有毒氣體和放射性等惡劣的環(huán)境中，它代替人進行正常的工作，意義更為重大。因此，在機械加工、沖壓、鑄、鍛、焊接、熱處理、電鍍、噴漆、裝配以及輕工業(yè)、交通運輸業(yè)等方面得到越來越廣泛的引用。機械手的結(jié)構(gòu)形式開始比較簡單，專用性較強，僅為某臺機床的上下料裝置，是附屬于該機床的專用機械手。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，制成了能夠獨立的按程序控制實現(xiàn)重復(fù)操作，適用范圍比較廣的“程序控制通用機械手”，簡稱通用機械手。由于通用機械手能很快的改變工作程序，適應(yīng)性較強，所以它在不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量生產(chǎn)中獲得廣泛的引用。
氣壓傳動機械手是以壓縮空氣的壓力來驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)運動的機械手。其主要特點是:介質(zhì)李源極為方便，輸出力小，氣動動作迅速，結(jié)構(gòu)簡單，成本低。但是，由于空氣具有可壓縮的特性，工作速度的穩(wěn)定性較差，沖擊大，而且氣源壓力較低，抓重一般在30公斤以下，在同樣抓重條件下它比液壓機械手的結(jié)構(gòu)大，所以適用于高速、輕載、高溫和粉塵大的環(huán)境中進行工作。
氣動技術(shù)有以下優(yōu)點:
（一）介質(zhì)提取和處理方便。氣壓傳動工作壓力較低，工作介質(zhì)提取容易，而后排入大氣，處理方便，一般不需設(shè)置回收管道和容器:介質(zhì)清潔，管道不易堵存在介質(zhì)變質(zhì)及補充的問題.
(二)阻力損失和泄漏較小，在壓縮空氣的輸送過程中，阻力損失較小(一般不卜澆塞僅為油路的千分之一)，空氣便于集中供應(yīng)和遠距離輸送。外泄漏不會像液壓傳動那樣，造成壓力明顯降低和嚴重污染。
(三)動作迅速，反應(yīng)靈敏。氣動系統(tǒng)一般只需要0.02s-0.3s即可建立起所需的壓力和速度。氣動系統(tǒng)也能實現(xiàn)過載保護，便于自動控制。
(四)能源可儲存。壓縮空氣可存貯在儲氣罐中，因此，發(fā)生突然斷電等情況時，機器及其工藝流程不致突然中斷。
(五)工作環(huán)境適應(yīng)性好。在易燃、易爆、多塵埃、強磁、強輻射、振動等惡劣環(huán)境中，氣壓傳動與控制系統(tǒng)比機械、電器及液壓系統(tǒng)優(yōu)越，而且不會因溫度變化影響傳動及控制性能。
(六)成本低廉。由于氣動系統(tǒng)工作壓力較低，因此降低了氣動元、輔件的材質(zhì)和加工精度要求，制造容易，成本較低。傳統(tǒng)觀點認為:由于氣體具有可壓縮性，因此，在氣動伺服系統(tǒng)中要實現(xiàn)高精度定位比較困難(尤其在高速情況下，似乎更難想象)。此外氣源工作壓力較低，抓舉力較小。雖然氣動技術(shù)作為機器人中的驅(qū)動功能已有部分被工業(yè)界所接受，而且對于不太復(fù)雜的機械手，用氣動元件組成的控制系統(tǒng)己被接受，但由于氣動機器人這一體系己經(jīng)取得的一系列重要進展過去介紹得不夠，因此在工業(yè)自動化領(lǐng)域里，對氣動機械手、氣動機器人的實用性和前景存在不少疑慮。
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