換刀機械手設(shè)計帶CAD圖
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換刀機械手控制系統(tǒng)的設(shè)計與研究*許可誠顧寄南王富良（江蘇大學 制造業(yè)信息化研究中心， 鎮(zhèn)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 ）文章編號： -3997 （11 ） 08-0158-02【摘要】PLC 控制系統(tǒng)在企業(yè)自動化生產(chǎn)中的應用越來越廣泛， 這對于企業(yè)提高自身的自動化水平， 提高生產(chǎn)率， 降低成本有著顯著的作用。 而換刀機械手作為加工中心中一個很重要的輔助設(shè)備， 其運行的可靠性、 穩(wěn)定性是企業(yè)密切關(guān)注的。 因此， 介紹了一種基于 PLC 的控制系統(tǒng)， 該系統(tǒng)平臺的搭建簡單， 控制靈活， 可擴展性強。 通過在加工中心數(shù)控機床上的模擬運行， 該控制系統(tǒng)能夠較平穩(wěn)、 實時的完成預先設(shè)定的動作， 操作簡單， 易于掌握。 實踐證明該系統(tǒng)具有良好的性能， 可以推廣并應用。關(guān)鍵詞： PLC； 自動控制； 換刀機械手【】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?中圖分類號： TH16， TP241文獻標識碼： A來稿日期： 2010-10-12基金項目： 鎮(zhèn)江市工業(yè)科技支撐項目 （SGY20090016 ）1 引言換刀機械手作為數(shù)控加工中必不可少的一部分， 其在數(shù)控加工中的應用能夠減少加工過程中的非切削時間， 提高生產(chǎn)效率1； 節(jié)約人力， 降低成本； 提高企業(yè)競爭力， 提高產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量， 保障工人安全。介紹的換刀機械手控制系統(tǒng)通過氣壓來傳遞動力， 通過可編程邏輯控制器 （PLC ） 控制換刀機械手實現(xiàn)加工過程中對于換刀的需求。2 換刀機械手的工作過程換刀機械手及刀庫的三維模型， 如圖 1 所示。當 PLC 上電后機械手和刀盤自動回零點， 同時等待數(shù)控機床的裝刀或者換刀指令。當數(shù)控機床發(fā)出裝刀或者換刀指令時， 刀盤轉(zhuǎn)動使得所需的刀具位于換刀位置， 機械手轉(zhuǎn)至換刀位置通過伸縮臂氣缸的伸出將刀具取出， 然后機械手再轉(zhuǎn)至裝刀位置通過伸縮臂氣缸的縮回將刀具裝在數(shù)控機床上。 待刀具裝上機床后， 機械手轉(zhuǎn)至防干涉位置， 擺動臂氣缸縮回后機械手轉(zhuǎn)到零點位置， 等待機床加工完成后的卸刀信號。當機床發(fā)出卸刀信號， 機械手轉(zhuǎn)至防干涉位置， 擺動臂氣缸伸出， 機械手轉(zhuǎn)到裝刀位置將刀卡住， 通過伸縮臂氣缸的伸出將刀具卸下來， 接著機械手轉(zhuǎn)至換刀位置通過伸縮臂的縮回將刀具放回刀庫， 最后機械手回到零點位置完成一次動作過程 （取刀裝刀卸刀 ） ， 如此循環(huán)。換刀機械手動作流程圖， 如圖2所示。12345678圖 1 機械手及刀庫三維模型圖1.刀庫 2.刀庫步進電機 3.換刀機械手 4.擺動臂氣缸 5.伸縮臂氣缸6.傳感器安裝位置 7.機械手步進電機 8.線性導軌3 換刀機械手控制系統(tǒng)的設(shè)計3.1 硬件設(shè)計系統(tǒng)選用的是西門子公司的 S7-200 系列的 PLC， CPU 型號為 226DC/DC/DC，具有 24 個數(shù)字量輸入點和 16 個數(shù)字量輸出點， 能夠很好的滿足數(shù)控機床對于換刀的要求， 控制靈活， 擴展性好2， 也能較好的和數(shù)控機床進行實時通信。PLC 是整個控制系統(tǒng)的核心部分。控制系統(tǒng)的主要任務是：接收上位機 （數(shù)控機床 ） 給出的換刀信號， 采集和處理機械手運動過程的傳感器信號， 控制步進電機和氣缸來實現(xiàn)換刀機械手的各個動作。控制系統(tǒng)主要由主電源回路， PLC， 步進電機模塊， 傳感器等構(gòu)成?？刂葡到y(tǒng)的主電源回路硬件接線圖， 如圖 3 所示。機械設(shè)計與制造第 8 期11 年 8 月158機械手轉(zhuǎn)盤刀庫位置氣缸縮回將刀放回刀庫機械手轉(zhuǎn)盤裝刀位置氣缸伸出卸刀機械手轉(zhuǎn)盤零點位置等待卸刀信號機械手轉(zhuǎn)盤裝刀位置氣缸縮回裝刀機械手轉(zhuǎn)盤刀庫位置氣缸伸出取刀刀盤轉(zhuǎn)到準備取刀等待裝刀/換刀信號機械手轉(zhuǎn)盤零點位置圖 2 換刀機械手動作流程圖總電源開關(guān)熔斷器控制電源電源關(guān)控制電源電源上電控制電源控制電源控制電源電源開電源關(guān)急停1.5-D.16-ADC24+1.5-D.16-ADC24-2-B2-B4-B4-B5-BEE圖 3 主電源回路硬件接線圖3.2 軟件設(shè)計系統(tǒng)有兩種工作模式： 手動模式和自動模式3。在手動模式下， 用戶可以通過控制面板上的按鈕， 使換刀機械手按照自己的要求來完成各項動作過程。而在自動模式下， 由于 PLC 中已經(jīng)燒入了一系列的完整的程序， 換刀機械手將根據(jù)采集到的傳感器信號和上位機給出的信號自動完成用戶事先要求的動作。PLC 程序設(shè)計采用模塊化程序設(shè)計思想， 由主程序、 手動子程序、 自動子程序、 初始化子程序和中斷子程序構(gòu)成4。程序的難點在于初始化子程序中采用 PTO 驅(qū)動步進電機的程序、 各端口的初始化， 以及主程序中對于各中間繼電器相關(guān)觸點的定義。通過對整個系統(tǒng)的分析， 對 PLC 的輸入、 輸出端口進行分配， 制定了相關(guān)的 I/O 分配表， 如表 1 所示。程序設(shè)計說明：系統(tǒng)采用的是 SIMATIC SETP7 編程軟件進行編程， 通過PC-PPI 專用通訊電纜與 PC 機連接進行數(shù)據(jù)傳輸和調(diào)試。 這里針對本系統(tǒng)程序設(shè)計的難點將主程序進行說明。如圖 4 所示， 系統(tǒng)一上電， 在第一個掃描周期內(nèi)， PLC 將先調(diào)用初始化子程序執(zhí)行相關(guān)的初始化工作， 然后根據(jù)用戶的選擇調(diào)用自動或者手動的子程序進行接下來的換刀動作。由于輸出點數(shù)是有限的， 所以在選用中間繼電器的時候需要將中間繼電器相關(guān)的觸點在主程序中進行分別定義， 這樣可以保障程序執(zhí)行時的可靠性， 有效地避免了許多誤操作。表 1 I/O 端口分配表輸入端口說明輸出端口說明I0.0按鈕-自動運行Q0.0步進電機-刀盤-脈沖I0.1按鈕-自動停止Q0.1步進電機-機械手-脈沖I0.2按鈕-刀盤啟動Q0.2步進電機-刀盤-方向I0.3按鈕-機械手-左轉(zhuǎn)Q0.3步進電機-機械手-方向I0.4按鈕-機械手-右轉(zhuǎn)Q0.4換刀完成I0.5按鈕-氣缸-擺動臂-伸縮Q0.5擺動臂向后I0.6按鈕-氣缸-伸縮臂-伸縮Q0.6擺動臂向前I0.7旋鈕-手動/自動Q0.7指示燈-自動運行/停止I1.0傳感器-機械手-左限位Q1.0伸縮臂向前I1.1傳感器-機械手-右限位Q1.1指示燈-自動I1.2傳感器-機械手-零點Q1.2指示燈-機械手左旋I1.3傳感器-刀盤-零點Q1.3指示燈-機械手右旋I1.4傳感器-氣缸-擺動臂-上限Q1.4指示燈-刀盤轉(zhuǎn)動I1.5傳感器-氣缸-擺動臂-下限Q1.5伸縮臂向后I1.6傳感器-氣缸-伸縮臂-前限Q1.6指示燈-氣缸-擺動臂I1.7傳感器-氣缸-伸縮臂-后限Q1.7指示燈-氣缸-伸縮臂I2.0上位機聯(lián)系信號 1I2.1上位機聯(lián)系信號 2I2.3換刀限位信號0 LDSM0.117 LDM0.033LDM0.51 CALL初始化18 EU34 =Q1.52 LDI0.719SQ0.3， 13CALL自動20 LDM0.14 LDNI0.721 EU5 CALL手動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圖 4 換刀機械手控制系統(tǒng)主程序4 控制系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性分析與研究按照上述的敘述搭建整個控制系統(tǒng)，通過物理樣機進行運行測試。通過實驗發(fā)現(xiàn)， 整個系統(tǒng)的反應靈敏， 控制精度較高， 平穩(wěn)性好， 運行時間快速， 抗沖擊、 震動能力強， 能夠很好的滿足數(shù)控機床對于自動換刀的要求。與此同時，運用 MSC ADAMS 軟件進行換刀機械手的運動學與動力學分析來進一步證明系統(tǒng)的可靠性， 可以看出該系統(tǒng)能夠較好的運行， 如圖 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 ）圖 5 機械手的位移、 速度、 加速度曲線5 結(jié)束語PLC 控制系統(tǒng)正逐漸取代傳統(tǒng)的繼電器控制， 越來越廣泛的應用于各種工業(yè)生產(chǎn)場合， 使得企業(yè)的自動化程度、 生產(chǎn)效率越來越高， 同時可以降低企業(yè)的生產(chǎn)成本， 保證工人的人身安全。PLC 與數(shù)控機床的實時通訊， 不僅加快了數(shù)據(jù)的傳輸速度， 也提第 8 期許可誠等： 換刀機械手控制系統(tǒng)的設(shè)計與研究159?高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_率， 與此同時也縮短了調(diào)試的周期， 提高了工作效率。在今后， 將重點對控制過程中換刀機械手動作的位置精度進行研究分析， 通過采用恰當?shù)姆答伔椒ū緦ο到y(tǒng)的算法進行改進與完善， 使本系統(tǒng)能夠得到更多的推廣與應用。參考文獻1陳哲銜， 涂天祥， 王清陽， 裴海龍.開放式數(shù)控系統(tǒng)自動換刀的全軟件實現(xiàn) J .制造技術(shù)與機床， 2009 （6 ） ： 70-72.2許為民.基于PLC的氣動換刀裝置設(shè)計 J .液壓與氣動， 2009 （1 ） ： 10-11.3孫自廣， 王秦.基于 PIC 單片機的清潔機器人系統(tǒng)設(shè)計 J .廣西工學院學報， 2009 （6 ） .4羅麥豐.基于 PLC 的轉(zhuǎn)盤式釬焊機控制系統(tǒng)的設(shè)計 J .微計算機信息，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 的大型立磨機機身立柱改造研究楊林建1吳先文1馮錦春1李 劍2（1四川工程職業(yè)技術(shù)學院， 德陽 618000 ） （2中國二重設(shè)計院， 德陽 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 ）文章編號： -3997 （11 ） 08-0160-03【摘要】立式粉磨機是根據(jù)料床粉磨原理， 通過相對運動的磨輥、 磨盤碾磨裝置來粉磨物料的機械， 它集粉磨、 烘干、 選粉為一體， 主要用于對水泥生料、 熟料、 高爐礦渣等進行粉磨、 分選。 通過對立磨機立柱進行建模， 并對機身立柱施加約束和載荷， 運用 ANSYS 軟件對機身立柱進行有限元分析， 得到等效應力圖。 根據(jù)分析結(jié)果對該立柱結(jié)構(gòu)進行改進， 減小了局部應力， 從而為立柱設(shè)計和改造提供重要的理論依據(jù)。 改進后可顯著提高立柱的使用壽命和可靠性， 具有一定的推廣應用價值。關(guān)鍵詞： 立磨機； 機身立柱； 有限元； 技術(shù)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 of the pillar is enhanced remarkably with certain application in popularizing.Key words： Vertical mill； Vertical pillar； Finite element analysis； Technological renovation?中圖分類號： TH16， TG232.2文獻標識碼： A來稿日期： 2010-10-261 引言立式粉磨機在建材、 水泥、 發(fā)電、 化工等機電行業(yè)有著廣泛應用前景， 且磨機屬于重型設(shè)備1。 立式粉磨機是根據(jù)料床粉磨原理， 通過相對運動的磨輥、 磨盤碾磨裝置來粉磨物料的機械設(shè)備，它集粉磨、 烘干、 選粉為一體， 主要用于對水泥生料、 熟料、 高爐礦渣等進行粉磨、 分選。立式粉磨機與管磨機比較具有節(jié)能、 工藝流程簡單、 占地面積小、 磨料適應性強等很多突出的優(yōu)點， 越來越廣泛地被機械工業(yè)和水泥工業(yè)廣泛采用2。 而目前國內(nèi)的水泥、 礦渣立磨及大型水泥生料立磨都只能依賴進口， 因此， 盡早研發(fā)和研究立磨市場具有巨大的企業(yè)效益和社會效益。運用 ANSYSWorkBench 軟件以某廠 5.6m 立式粉磨機立柱為研究對象， 對機身立柱進行有限元分析， 并根據(jù)分析結(jié)果對該構(gòu)件進行了局部改進， 減小了局部應力， 可提高使用的可靠性和壽命。ANSYS Workbench 對 UG、 Pro/E 等大型三維建模軟件能進行真正的無縫聯(lián)接， 能直接讀入各種 CAD 軟件的零件模型， 并在統(tǒng)一環(huán)境中實現(xiàn)模型裝配和 CAE 分析， 讀入 CAD 軟件模型后， 能保留 CAD 中的各項設(shè)計參數(shù)3-4。機械設(shè)計與制造第 8 期11 年 8 月160
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