換刀機(jī)械手設(shè)計(jì)帶CAD圖

換刀機(jī)械手設(shè)計(jì)帶CAD圖,機(jī)械手,設(shè)計(jì),CAD 蘇州大學(xué)碩士學(xué)位論文自動換刀機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及PLC控制研究姓名：戴勤申請學(xué)位級別：碩士專業(yè)：機(jī)械工程指導(dǎo)教師：王金娥2010-11自動換刀機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及 PLC 控制研究 摘要 I 自動換刀機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及PLC控制研究 摘 要 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展與應(yīng)用， 大大降低了零件加工的輔助時(shí)間， 極大的提高了生產(chǎn)率。數(shù)控機(jī)床發(fā)展成了當(dāng)今普遍應(yīng)用的一種更新、更先進(jìn)的制造設(shè)備即加工中心。加工中心帶有刀庫和自動換刀裝置， 能對工件按預(yù)定程序進(jìn)行多工序加工的高度自動化的多功能的數(shù)字控制機(jī)床。氣動機(jī)械手具有結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、動作迅速、可靠、節(jié)能、不污染環(huán)境、可實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速、易實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于數(shù)控機(jī)床自動換刀上。 為了增強(qiáng)機(jī)械手的通用性和互換性， 使同一機(jī)械手由于應(yīng)用不同的模塊而具有不同的功能，本文采用模塊化氣動機(jī)械手，對基座、立柱、手臂、手部等模塊進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過模塊選擇與組合，以構(gòu)成一定范圍內(nèi)的不同功能或同功能不同性能、不同規(guī)格的系列產(chǎn)品，并且在產(chǎn)品變化或臨時(shí)對機(jī)械手進(jìn)行新任務(wù)分配時(shí)，可以允許方便地改動或重新設(shè)計(jì)其新部件，能很快地投產(chǎn)，降低安裝和轉(zhuǎn)換工作的費(fèi)用，便于機(jī)械手的標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)和使用。在機(jī)械手的運(yùn)動和動力學(xué)分析中，根據(jù)D-H法建立了機(jī)械手的運(yùn)動學(xué)模型，確定各連接桿件與末端執(zhí)行器的空間位置和姿態(tài)關(guān)系；根據(jù)拉格朗日方程建立機(jī)械手動力學(xué)模型，確定各關(guān)節(jié)運(yùn)動與作用力(或力矩)之間的關(guān)系。對機(jī)械手的定位控制分析，采用電氣-氣壓伺服定位技術(shù)設(shè)計(jì)機(jī)械手的驅(qū)動系統(tǒng)，氣動執(zhí)行元件根據(jù)輸入系統(tǒng)的電氣信號而動作，從而驅(qū)動負(fù)載輸出相應(yīng)的物理量。系統(tǒng)采用simatic S7-200 PLC作為控制核心，根據(jù)機(jī)械手的工作流程制定控制方案，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械手的任意點(diǎn)定位和無級調(diào)速。 關(guān)鍵詞：自動換刀機(jī)械手；模塊化設(shè)計(jì)；運(yùn)動學(xué)；動力學(xué)；電氣-氣壓伺服定位系統(tǒng) Abstract Research on Structure Design and PLC Control of Automatic tool change Manipulato II Research on Structure Design and PLC Control of Automatic tool change Manipulator Abstract The development and application of CNC has reduced lots of operation time when machining parts and increased productivity, CNC has developed to be a class of more advanced equipments, namely, machining center. Machining center that is equipped with tool magazine and automatic tool changer is a multi-functional digital control machine which can make parts, according to pre-set programs for different stages. In addition, pneumatic manipulator has many merits such as simple structure, light weight, fast movement, reliability, low cost, pollution free, steeples speed regulation, and overload protection which is suitable for automatic tool changer on CNC. For strengthening the general availability of manipulator and making the same manipulator has the different function with the different modules, this paper adopted to modularize pneumatic manipulator. It carries out physical design on modules such as pedestal, column, arm, hand part. Selection and combination of modules form a series of products with a range of different functions or different performances and different specifications. In addition, the approach facilitates the modification and redesign of the module parts for fast production, which reduces the cost of installation and works transition and facilitates the standardalization of production and utilization of the manipulator. In the structure analyses of the manipulator, this paper establish the kinematics model of manipulator according to D-H, which ascertain space location and attitude connection between every member and end implement; this paper establish the dynamics model of manipulator according to Lagrange, which ascertain relation between every arthrosis motion and the acting force(or force moment). To analyze the manipulators position control, the actuation system is designed based on the Abstract Research on Structure Design and PLC Control of Automatic tool change Manipulator III electro-pneumatic servo orientation technology where the pneumatic actuator takes effect according to the input systems electrical signals to drive those physical variables of load output. This paper adopt Simatic S7-200 PLC to accomplish controlling core, technological process has worked out the job according to manipulator controlling scheme. The arbitrary orientation and stepless speed regulating of the manipulator has realized. Key Words：Key Words：Automatic tool change manipulator； Modularization design； Kinematics；Dynamics； Electro-pneumatic servo orientation system. 自動換刀機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及 PLC 控制研究 第 1 章 緒論 1 第1章 緒論 11 課題研究背景目的及意義 工業(yè)機(jī)械手技術(shù)是近年來新技術(shù)發(fā)展的重要領(lǐng)域之一， 是以微電子技術(shù)為主導(dǎo)的多種新興技術(shù)與機(jī)械技術(shù)交叉、 融合而成的一種綜合性的高新技術(shù)。 這一技術(shù)在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防、醫(yī)療衛(wèi)生、辦公自動化及生活服務(wù)等眾多領(lǐng)域有著越來越多的應(yīng)用。工業(yè)機(jī)械手在提高產(chǎn)品質(zhì)量、加快產(chǎn)品更新、提高生產(chǎn)效率、促進(jìn)制造業(yè)的柔性化、增強(qiáng)企業(yè)和國家的競爭力等諸方面具有舉足輕重的地位。 在現(xiàn)實(shí)生活中，機(jī)械手并不是在簡單意義上代替人的勞動，而是綜合了人的特長和機(jī)器特長的一種擬人的電子機(jī)械裝置。 這種裝置既有人對環(huán)境狀態(tài)的快速反應(yīng)和分析判斷能力，又有機(jī)器可長時(shí)間持續(xù)工作、精確度高、抗惡劣環(huán)境的能力。從某種意義上說， 機(jī)械手是機(jī)器進(jìn)化過程的產(chǎn)物， 是工業(yè)以及非產(chǎn)業(yè)界的重要生產(chǎn)服務(wù)性設(shè)備，也是先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的自動化設(shè)備1。 本課題的目的是研究關(guān)于自動換刀氣動伺服機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制的一些普遍性問題。加工中心在工作過程中，需要使用不同的刀具對零件進(jìn)行加工，要求自動換刀氣動伺服機(jī)械手能夠?qū)崿F(xiàn)對刀庫中的刀具抓取、換位和傳送等功能，并且在傳送過程中能實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速和任意點(diǎn)定位。 具體參數(shù)是根據(jù)實(shí)驗(yàn)平臺的總體布局和加工中心刀具為對象選取的， 即設(shè)計(jì)用于模擬加工中心刀庫與主軸之間選擇性換刀過程的實(shí)驗(yàn)平臺機(jī)械手。 當(dāng)然， 根據(jù)模塊化和參數(shù)化的原理， 機(jī)械手的設(shè)計(jì)具有普遍性的意義。對于不同的工作情況， 只需選取必要的模塊， 對氣動元件和機(jī)械零件進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，即可滿足不同工作條件的設(shè)計(jì)要求。 12 工業(yè)機(jī)械手的研究現(xiàn)狀及國內(nèi)外發(fā)展 工業(yè)機(jī)械手最早應(yīng)用在汽車制造業(yè)，常用于焊接、噴漆、上下料和搬運(yùn)。工業(yè)機(jī)械手延伸和擴(kuò)大了人的手足和大腦功能，它可代替人類從事危險(xiǎn)、有害、低溫和高熱等惡劣環(huán)境中的工作；代替人類完成繁重、單調(diào)重復(fù)勞動，提高勞動生產(chǎn)率，保證產(chǎn)品質(zhì)量。隨著機(jī)械手功能和性能的不斷改善和提高，機(jī)械手的應(yīng)用領(lǐng)域日益在擴(kuò)大，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于制造業(yè)、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、交通運(yùn)輸業(yè)、原子能工業(yè)、醫(yī)療、福利事業(yè)、海洋和太空的開發(fā)事業(yè)中。 第 1 章 緒論 自動換刀機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及 PLC 控制研究 2 可實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)械手自動化工作要求的自動控制方式目前有許多種， 其中包括氣動和電子一體化的氣電裝置、液壓和電氣、電子組合的液電裝置和電氣、電子的機(jī)電裝置等，側(cè)重利用它們各自的優(yōu)點(diǎn)，組合最合適的控制方式。由于氣動技術(shù)是以空氣為介質(zhì)，它具有防火、防爆、防電磁干擾、不受放射線及噪聲的影響，且對振動及沖擊也不敏感，和結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、成本低、壽命長等優(yōu)點(diǎn)，近幾年來氣動技術(shù)得到迅速的發(fā)展及普遍應(yīng)用2。 氣動機(jī)械手由感知部分、控制部分、主機(jī)部分和執(zhí)行部分四個(gè)方面組成。氣動伺服定位系統(tǒng)代替了伺服電機(jī)或液壓伺服系統(tǒng)；氣缸、擺動馬達(dá)完成原來由液壓缸或機(jī)械所作的執(zhí)行動作；主機(jī)部分采用標(biāo)準(zhǔn)型材輔以模塊化的裝配形式，使得氣動機(jī)械手能夠拓展成系列化、標(biāo)準(zhǔn)化的產(chǎn)品。隨著生產(chǎn)自動化程度的不斷提高，氣動技術(shù)會逐漸展現(xiàn)小型化、集成化；組合化、智能化；精密化；高速化；無油、無味、無菌化；高壽命、高可靠性和自診斷功能；節(jié)能、低功耗；機(jī)電一體化；滿足某些行業(yè)的特殊要求；應(yīng)用新技術(shù)、新工藝、新材料；標(biāo)準(zhǔn)化；安全性等的特點(diǎn)。 機(jī)械手技術(shù)的研究與應(yīng)用水平，反映著一個(gè)國家的經(jīng)濟(jì)實(shí)力和科技發(fā)展水平，國內(nèi)外對發(fā)展這一技術(shù)都很重視，紛紛投入大量力量對機(jī)械手進(jìn)行研究。近十幾年來，歐洲的德國、意大利、法國及英國的機(jī)械手產(chǎn)業(yè)發(fā)展比較快。目前，世界上機(jī)械手無論是從技術(shù)水平上，還是從已裝備的數(shù)量上，優(yōu)勢集中在以日美為代表的少數(shù)幾個(gè)發(fā)達(dá)的工業(yè)化國家。 我國于 1972 年開始研制工業(yè)機(jī)械手，數(shù)十家研究單位和院校分別開發(fā)了固定程序、 組合式、 液壓伺服通用機(jī)械手， 并開始了機(jī)構(gòu)學(xué)、 計(jì)算機(jī)控制和應(yīng)用技術(shù)的研究。20 世紀(jì) 80 年代，我國機(jī)械手技術(shù)的發(fā)展得到政府的重視和支持，機(jī)械手步入了跨越式發(fā)展時(shí)期。從“七五”科技攻關(guān)及實(shí)施 863 計(jì)劃開始，經(jīng)過 20 多年的研制和應(yīng)用，目前在工業(yè)機(jī)械手的一些機(jī)種方面，如噴漆機(jī)械手、焊接機(jī)械手、搬運(yùn)機(jī)械手、裝配機(jī)械手和特種機(jī)械手都有了長足的進(jìn)步， 基本掌握了工業(yè)機(jī)械手的設(shè)計(jì)制造技術(shù)和機(jī)械手應(yīng)用中單元和生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)、 制造技術(shù)， 有了一支具有一定技術(shù)水平的科技團(tuán)隊(duì)。但是，我國工業(yè)機(jī)械手在總體技術(shù)上與世界先進(jìn)水平還有很大的差距，僅相當(dāng)于國外90 年代中期的水平。為了促進(jìn)國內(nèi)機(jī)械手工業(yè)的發(fā)展，必須在以市場需求的前提下，國家在政策上給以指導(dǎo)和鼓勵(lì)。 目前，國內(nèi)機(jī)械手的發(fā)展方向主要是逐步擴(kuò)大機(jī)械手應(yīng)用范圍，重點(diǎn)發(fā)展鑄鍛、自動換刀機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及 PLC 控制研究 第 1 章 緒論 3 熱處理方面的機(jī)械手，以減輕勞動強(qiáng)度，改善作業(yè)條件。在應(yīng)用專用機(jī)械手的同時(shí)，相應(yīng)的發(fā)展通用機(jī)械手，有條件的還可以研制示教型機(jī)械手、計(jì)算機(jī)控制機(jī)械手和組合式機(jī)械手等。將機(jī)械手各運(yùn)動構(gòu)件，如伸縮、擺動、升降、橫移、俯仰等機(jī)構(gòu)，以及適于不同類型的夾緊機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)成典型的通用機(jī)構(gòu)，以便根據(jù)不同的作業(yè)要求，選用不同的典型部件，即可組成各種不同用途的機(jī)械手，既便于設(shè)計(jì)制造、又便于改換工作，擴(kuò)大了應(yīng)用范圍3。同時(shí)要提高精度，減少沖擊，定位準(zhǔn)確，以更好地發(fā)揮機(jī)械手的作用。另外，對于高端機(jī)械手，國內(nèi)也進(jìn)行了相關(guān)的研究，如上海交通大學(xué)機(jī)械手研究所開發(fā)了 SMA 六足微小型仿嶂螂機(jī)械手，在國外機(jī)械制造業(yè)中，工業(yè)機(jī)械手應(yīng)用較多， 發(fā)展較快， 一般的工業(yè)機(jī)械手技術(shù)相當(dāng)成熟， 預(yù)計(jì)在 2005 年到 2008 年間，全球工業(yè)機(jī)械手銷量預(yù)計(jì)年均增長 6.1%，到 2008 年增至 12.1 萬臺。國外機(jī)械手的發(fā)展趨勢是大力研制具有某些智能的機(jī)械手，使其擁有一定的傳感能力，能反饋外界條件的變化，做出相應(yīng)的變更，如位置發(fā)生稍些偏差時(shí)，即能更正，并自行檢測。 13 本文主要研究內(nèi)容及各章安排 工業(yè)機(jī)械手是一種以手部動作為主的機(jī)械手系統(tǒng)。 合理的設(shè)計(jì)方案是提高機(jī)械手工作性能、 優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、 降低制造成本的基礎(chǔ)； 合理的機(jī)械結(jié)構(gòu)、 可靠的驅(qū)動系統(tǒng)、安全便利的控制方式又是機(jī)械手工作的重要保證。文章采用模塊化設(shè)計(jì)思路，將機(jī)械手分為若干個(gè)模塊，并對各個(gè)模塊分別進(jìn)行設(shè)計(jì)，然后把這些模塊拼裝起來組成機(jī)械手，可滿足不同工作條件的需要，對各執(zhí)行元件了分別進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)。 本文主要根據(jù)實(shí)驗(yàn)平臺的總體布局以及機(jī)械手的特點(diǎn)，確定實(shí)驗(yàn)平臺的總體方案，分析并解決存在的技術(shù)難題。文章第二章由機(jī)械手的功能和預(yù)期完成的的動作，確定機(jī)械手的總體結(jié)構(gòu)及機(jī)械手的設(shè)計(jì)流程，并闡述模塊化設(shè)計(jì)思路；第三章系統(tǒng)地對機(jī)械手進(jìn)行了運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)分析， 建立了機(jī)械手系統(tǒng)運(yùn)動學(xué)、 動力學(xué)模型和方程；第四章詳細(xì)地介紹了氣動伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求和工作原理，繪制出氣動伺服系統(tǒng)原理圖，選取氣動系統(tǒng)輔助元器件；論文第五章介紹采用可編制程序控制器(PLC)對機(jī)械手進(jìn)行控制，選取西門子 S7 系列 PLC，根據(jù)機(jī)械手的工作流程畫出程序流程圖。最后進(jìn)行了全文總結(jié)，提出了下一步的改進(jìn)措施，并對該設(shè)備的發(fā)展前景進(jìn)行了探討。 第 2 章 機(jī)械手總體設(shè)計(jì)方案 自動換刀機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及 PLC 控制研究 4 第2章 機(jī)械手總體設(shè)計(jì)方案 21 機(jī)械手類型 1、按機(jī)械手的使用范圍分類 (l)專用機(jī)械手一般只有固定的程序，而無單獨(dú)的控制系統(tǒng)。它從屬于某種機(jī)器或生產(chǎn)線用以自動傳送物件或操作某一工具。這種機(jī)械手結(jié)構(gòu)較簡單，成本較低，適用于動作比較簡單的大批量生產(chǎn)的場合。 (2)通用機(jī)械手具有可變程序和單獨(dú)驅(qū)動的控制系統(tǒng)，不從屬于某種機(jī)器，而且能自動完成物件或操作某些工具的機(jī)械裝置。通用機(jī)械手按其定位和控制方式的不同，可分為簡易型和伺服型兩種。簡易型只是點(diǎn)位控制，故屬于程序控制類型，伺服型可以是點(diǎn)位控制，也可以是連續(xù)軌跡控制，一般屬于數(shù)字控制類型。這種機(jī)械手由于手指可更換(或可調(diào)節(jié))，程序可變，故適用于中、小批生產(chǎn)。但因其運(yùn)動較多，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，技術(shù)條件要求高，故制造成本一般也較高。 2、按機(jī)械手臂部的運(yùn)動坐標(biāo)型式分類 (1)直角坐標(biāo)式機(jī)械手臂部可以沿直角坐標(biāo)軸 X、Y、Z 三個(gè)方向移動，亦即臂部可以前后伸縮(定為沿X方向的移動)、 左右移動(定位沿Y方向的移動)和上下升降(定為沿 Z 方向的移動)。 (2)圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手手臂可以沿直角坐標(biāo)軸的 X 和 Z 方向移動，亦可繞 Z 軸轉(zhuǎn)動(定為繞 Z 軸轉(zhuǎn)動)，亦即臂部可以前后伸縮、上下升降和左右轉(zhuǎn)動。 (3)球坐標(biāo)式機(jī)械手臂部可以沿直角坐標(biāo)軸 X 方向移動，還可以繞 Y 軸和 Z 軸轉(zhuǎn)動，亦即手臂可以前后伸縮(沿 X 方向移動)、上下擺動(定為繞 Y 軸擺動)和左右轉(zhuǎn)動(仍定為繞 Z 軸轉(zhuǎn)動)。 (4)多關(guān)節(jié)式機(jī)械手這種機(jī)械手的臂部可分為小臂和大臂。 其大小臂的連接(肘部)以及大臂和機(jī)體的連接(肩部)均為關(guān)節(jié)(鉸鏈)式連接， 亦即小臂對大臂可繞肘部上下擺動，大臂可繞肩部擺動多角，手臂還可以左右轉(zhuǎn)動。 3、按機(jī)械手的驅(qū)動方式分類 (l)液壓驅(qū)動機(jī)械手以壓力油進(jìn)行驅(qū)動 (2)氣壓驅(qū)動機(jī)械手以壓縮空氣進(jìn)行驅(qū)動 自動換刀機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及 PLC 控制研究 第 2 章 機(jī)械手總體設(shè)計(jì)方案 5 (3)電力驅(qū)動機(jī)械手直接用電動機(jī)進(jìn)行驅(qū)動 (4)機(jī)械驅(qū)動機(jī)械手是將主機(jī)的動力通過凸輪、連桿、齒輪、間歇機(jī)構(gòu)等傳給機(jī)械手的一種驅(qū)動方式。 4、按機(jī)械手的比例大小分類 (l)微型機(jī)械手臂力小于 1kg (2)小型機(jī)械手臂力為 1-10kg (3)中型機(jī)械手臂力為 10-30kg (4)大型機(jī)械手臂力大于30kg 本課題采用了圓柱坐標(biāo)型氣壓驅(qū)動機(jī)械手。 對氣動機(jī)械手的基本要求是能夠快速準(zhǔn)確地拾放和搬運(yùn)物品，這就要求氣動機(jī)械手具有高精度、快速反應(yīng)、一定的承載能力、足夠的工作空間和靈活的自由度及在任意位置都能自動定位等特性。設(shè)計(jì)氣動機(jī)械手的原則是充分分析作業(yè)對象(工件)的作業(yè)技術(shù)要求， 擬定最合理的作業(yè)工序和工藝，并滿足系統(tǒng)功能要求和環(huán)境條件，明確工件的結(jié)構(gòu)形狀和材料特性，滿足定位精度要求及抓取、搬運(yùn)時(shí)的受力特性、尺寸和質(zhì)量參數(shù)等，從而進(jìn)一步確定對機(jī)械手結(jié)構(gòu)及運(yùn)行控制的要求；盡量選用的標(biāo)準(zhǔn)組件，簡化設(shè)計(jì)制造過程，兼顧通用性和專用性，并能實(shí)現(xiàn)柔性轉(zhuǎn)換和編程控制4。 22 機(jī)械手系統(tǒng)功能設(shè)計(jì) 加工中心的自動換刀裝置常采用公用換刀機(jī)械手。公用換刀機(jī)械手有單臂式、雙臂式、回轉(zhuǎn)式和軌道式等。除上述的公用機(jī)械手換刀方式外，還有很多機(jī)械手換刀方式，如：不用機(jī)械手的直接換刀方式和刀庫中每把刀配有一個(gè)機(jī)械手的換刀方式。 刀庫的基本類型有轉(zhuǎn)塔式、鏈?zhǔn)胶捅P式等，如圖2-1所示。鏈?zhǔn)降稁斓奶攸c(diǎn)是存刀較多、擴(kuò)展性好、在加工中心上配置位置靈活，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜。盤式和轉(zhuǎn)塔式刀庫的特點(diǎn)是構(gòu)造簡單、 適當(dāng)選擇刀庫位置還可省略換刀機(jī)械手， 但刀庫容量有限。 根據(jù)用途，加工中心刀庫的存刀量可為幾把到數(shù)百把，最常見的是2080把。 轉(zhuǎn)塔式 第 2 章 機(jī)械手總體設(shè)計(jì)方案 自動換刀機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及 PLC 控制研究 6 鏈?zhǔn)?盤式 圖2-1 加工中心刀庫的基本類型 加工中心換刀時(shí)需從刀庫中選擇指定的刀具，主軸頭也必須回到換刀位置。從刀庫中挑選所需刀具的方法有順序選擇法、刀座編碼法、刀具編碼法和刀具刀座跟蹤記憶法。 其中， 刀具刀座跟蹤記憶法在加工設(shè)備內(nèi)使用最為方便， 刀具編碼法適合于FMS刀具的集中管理，所以在FMS中常將這兩種方式混合使用。 加工中心的換刀時(shí)間有兩種定量方法：刀對刀換刀時(shí)間(主軸和刀庫刀座都回到換刀點(diǎn)后交換刀具所需的時(shí)間)和加工對加工換刀時(shí)間(從上一把刀加工結(jié)束到刀具交換點(diǎn)后下一把刀進(jìn)入加工所需的時(shí)間)。通常加工中心的技術(shù)參數(shù)中給出的換刀時(shí)間是刀對刀換刀時(shí)間(或稱凈換刀時(shí)間)，目前最快為0.45s，一般為5s左右。換刀時(shí)間取決于換刀機(jī)構(gòu)(如機(jī)械式快于機(jī)-液(氣)式)、刀柄規(guī)格(如小規(guī)格刀柄換刀速度快)、刀具重量(如刀具輕換刀速度快)、機(jī)床規(guī)格、機(jī)械手尺寸和慣量等。因此，通常刀柄號越大，換刀速度越低56。 加工中心對自動換刀裝置有如下具體要求 1、刀庫容量適當(dāng) 2、換刀時(shí)間短 3、換刀空間小 4、動作可靠、使用穩(wěn)定 5、刀具重復(fù)定位精度高 6、刀具識別準(zhǔn)確 依據(jù)上述內(nèi)容，可確定實(shí)驗(yàn)平臺基本方案。刀庫選用結(jié)構(gòu)較簡單的盤式刀庫，容量為12把刀。以公用換刀機(jī)械手的方式，每次換刀機(jī)械手需旋轉(zhuǎn)90。，一個(gè)完整的刀自動換刀機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及 PLC 控制研究 第 2 章 機(jī)械手總體設(shè)計(jì)方案 7 對刀換刀時(shí)間為5秒左右。機(jī)械手挑選指定刀具采用較為簡單的刀座編碼法。 23 機(jī)械手的坐標(biāo)形式與自由度 按機(jī)械手手臂的不同運(yùn)動形式及其組合情況，其坐標(biāo)形式可分為直角坐標(biāo)式、圓柱坐標(biāo)式、球坐標(biāo)式和多關(guān)節(jié)坐標(biāo)式，不同坐標(biāo)結(jié)構(gòu)機(jī)械手(機(jī)械手)的特點(diǎn)如下 一、直角坐標(biāo)系 1在三個(gè)直線方向上移動，運(yùn)動容易想象 2計(jì)算比較方便 3由于可以兩端支撐，對于給定的結(jié)構(gòu)長度，其剛性最大 4要求保留較大的移動空間，占用空間較大 5要求有較大的平面安裝區(qū)域 6滑動部件表面的密封較困難，容易被污染 二、圓柱坐標(biāo)系 1容易想象和計(jì)算 2直線驅(qū)動部分若采用液壓驅(qū)動，則可輸出較大的動力 3能夠伸入型腔式機(jī)器內(nèi)部 4手臂端部可以達(dá)到的空間受限制，不能到達(dá)靠近立柱或地面的空間 5直線驅(qū)動部分難以密封、防塵及防御腐蝕性物質(zhì) 6后縮手臂工作時(shí)，手臂后端會碰到工作范圍內(nèi)的其他物體 三、 極坐標(biāo)系 1在中心支架附近的工作范圍較大 2兩個(gè)轉(zhuǎn)動驅(qū)動裝置容易密封 3覆蓋工作空間較大 4坐標(biāo)系較復(fù)雜，較難想象和控制 5直線驅(qū)動裝置仍存在密封問題 6存在工作死區(qū) 四、多關(guān)節(jié)坐標(biāo)系 1動作較靈活，工作空間大 2關(guān)節(jié)驅(qū)動處容易密封防塵 第 2 章 機(jī)械手總體設(shè)計(jì)方案 自動換刀機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及 PLC 控制研究 8 3工作條件要求低，可在水下等環(huán)境中工作 4適合于電動機(jī)驅(qū)動 5運(yùn)動難以想象和控制，計(jì)算量較大 6不適于液壓驅(qū)動 機(jī)械手的運(yùn)動可以分為主運(yùn)動和輔助運(yùn)動。手臂和立柱的運(yùn)動稱為主運(yùn)動，因?yàn)樗麄兡芨淖儽蛔ト」ぜ诳臻g的位置；手腕和手指的運(yùn)動稱為輔助運(yùn)動，因?yàn)槭滞蟮倪\(yùn)動能改變被抓取工件的方位(即姿態(tài))。而手指的夾放不能改變工件的位置和方位，故它不計(jì)為自由度數(shù)，其它運(yùn)動均記為自由度數(shù)78。 由于本機(jī)械手在換刀時(shí)手臂具有升降、 伸縮及回轉(zhuǎn)運(yùn)動， 因此采用圓柱坐標(biāo)形式，相應(yīng)的，機(jī)械手具有三個(gè)自由度。另外，機(jī)械手將刀具從刀庫中提出后需要提升一小段距離，為了彌補(bǔ)立柱升降運(yùn)動行程較大并帶動手臂伸縮機(jī)構(gòu)一起運(yùn)動，造成較大振動的缺陷，增加手臂短行程升降機(jī)構(gòu)，即增加了一個(gè)手臂升降的自由度。由于被抓取工件(刀具)是豎直抓取，然后豎直放置，搬運(yùn)過程中無需改變工件的姿態(tài)，因此可以省略手腕模塊。因此，機(jī)械手總共具有四個(gè)自由。圖2-2所示為機(jī)械手的運(yùn)動示意圖。 圖2-2 機(jī)械手的運(yùn)動示意圖 如遇到需抓取水平放置的工件時(shí)，要在手腕處設(shè)有回轉(zhuǎn)運(yùn)動才可滿足工作的需自動換刀機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及 PLC 控制研究 第 2 章 機(jī)械手總體設(shè)計(jì)方案 9 要?？紤]到機(jī)械手的通用性，可以增加手腕模塊，將手腕設(shè)計(jì)成回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)的機(jī)構(gòu)選用回轉(zhuǎn)氣缸。 為了區(qū)分兩個(gè)升降部分，本文將左邊行程較大的升降部分稱作立柱，右邊行程較小的升降部分稱作小臂。 24 機(jī)械手工作過程及工步時(shí)間分配 1、確定完成動作及順序 圖2-3 換刀機(jī)械手布局示意圖 要確定換刀機(jī)械手的工作過程首先要了解各裝備的布局及機(jī)械手需要完成的動作。換刀機(jī)械手的布局示意圖如圖2-3所示。圖中換刀機(jī)械手的初始位置是手部正對盤式刀庫，與刀架成90。夾角，水平機(jī)構(gòu)和垂直機(jī)構(gòu)均設(shè)在極限位置。采用刀座編碼法選擇好要使用的刀具時(shí)，盤式刀庫轉(zhuǎn)動相應(yīng)的角度，使被選擇的刀具轉(zhuǎn)到正對換刀機(jī)械手下方的位置。換刀機(jī)械手為把刀庫上的被選擇刀具送到刀架上，需要以下幾個(gè)動作 (1)水平伸出機(jī)械手水平機(jī)構(gòu)伸出70mm，到達(dá)刀庫正上方。 (2)豎直下降小臂升降機(jī)構(gòu)下行30mm，使手部夾持機(jī)構(gòu)到達(dá)與刀柄水平的位置。 (3)夾緊手臂機(jī)構(gòu)迅速夾緊刀柄。 (4)豎直上升待刀柄被夾緊后，小臂升降機(jī)構(gòu)上行30mm，將刀具提出刀庫。 (5)水平收縮水平機(jī)構(gòu)快速收縮70mm，整個(gè)機(jī)構(gòu)回到初始位置。 (6)擺動機(jī)械手逆時(shí)針擺動90。，使機(jī)械手正對刀架。 第 2 章 機(jī)械手總體設(shè)計(jì)方案 自動換刀機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及 PLC 控制研究 10 (7)豎直下降、松開小臂升降機(jī)構(gòu)下行30mm，將刀具放在刀架上，同時(shí)手部機(jī)構(gòu)松開工件。 (8)豎直上升小臂升降機(jī)構(gòu)上行30mm，回到原始極限位置。 (9)擺動機(jī)械手順時(shí)針擺動90。，回到初始位置。 以上是機(jī)械手換刀動作。當(dāng)換刀動作完成后，刀架的推爪將放在刀架上的刀具推到刀架的另一端。至此，整個(gè)機(jī)構(gòu)的一個(gè)完整動作就完成了。 2、工步時(shí)間分配 前面已經(jīng)確定了機(jī)械手的完整刀對刀換刀時(shí)間為5s， 根據(jù)上述換刀機(jī)械手的動作以及各自的行程，對時(shí)間進(jìn)行分配，如表2-1所示： 表2-1機(jī)械手運(yùn)動過程與時(shí)間分配 工序號 工步名稱 行程(mm) 預(yù)分配時(shí)間(s) (1) 水平伸出 70 0.5 (2) 豎直下降 30 0.3 (3) 夾緊 O3 (4) 豎直上升 30 0.3 (5) 水平收縮 70 0.5 (6) 擺動(逆時(shí)針) 90。 l 豎直下降 30 0.3 (7) 松開 0.3 (8) 豎直上升 30 0.3 (9) 擺動(順時(shí)針) 90。 l 總計(jì) 4.5 25 機(jī)械手的基本參數(shù) l、主參數(shù) 最大抓重是機(jī)械手的主參數(shù)。由于該機(jī)械手的設(shè)計(jì)用途為學(xué)校的實(shí)驗(yàn)平臺，所以抓重?zé)o需太大，可設(shè)定為100克。 2、其他參數(shù) 運(yùn)動速度是機(jī)械手主要的基本參數(shù)。操作節(jié)拍對機(jī)械手速度提出了要求，設(shè)計(jì)速度過低限制了它的使用范圍，而影響機(jī)械手動作快慢的主要因素是手自動換刀機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及 PLC 控制研究 第 2 章 機(jī)械手總體設(shè)計(jì)方案 11 臂伸縮及回轉(zhuǎn)的速度。該機(jī)械手最大移動速度設(shè)計(jì)為1.2m/s，最大回轉(zhuǎn)速度設(shè)計(jì)為120。/s。 機(jī)械手動作時(shí)有啟動、停止，故有加速度、減速度的存在，用速度一行程曲線來說明速度特性較為全面。因?yàn)槠骄俣扰c行程有關(guān)，故用平均速度表示速度的快慢更為符合速度特性。 除了運(yùn)動速度以外，手臂設(shè)計(jì)的基本參數(shù)還有伸縮行程和工作半徑。大部分機(jī)械手設(shè)計(jì)成相當(dāng)于人工坐著或站著且略有走動操作的空間。過大的伸縮行程和工作半徑，必然帶來偏重力矩增大而剛性降低。在這種情況下宜采用自動傳送裝置為好。根據(jù)統(tǒng)計(jì)和比較，該機(jī)械手手臂的伸縮行程定為70mm，最大工作半徑約為180mm。手臂回轉(zhuǎn)行程范圍定為90。手臂升降行程定為100mm。 定位精度也是基本參數(shù)之一。該機(jī)械手的定位精度為0.5lmm。 根據(jù)上述的表2-1機(jī)械手各關(guān)節(jié)的行程和時(shí)間分配，確定換刀機(jī)械手各部分的基本參數(shù)如表2-2所示 表2-2 機(jī)械手各關(guān)節(jié)基本參數(shù) 伸縮范圍 070mm 升降范圍 O30mm 伸出* 500mm/s 上升* 150mm/s 速 度 收縮* 500mm/s 速 度 下降* 150mm/s 水平 機(jī)構(gòu) 定位精度 lmm 垂直 機(jī)構(gòu) 定位精度 lmm 擺動角度 O90。 擺動速度 100。/s 擺動 機(jī)構(gòu) 定位精度 5 手部 抓取范圍 M，兩側(cè)開閉角度30。-10。，手指動作時(shí)間為0.02s；重復(fù)定位精度：0.0lmm。 自動換刀機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及 PLC 控制研究 第 4 章 機(jī)械手的機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì) 45 圖4-5 模擬刀具 圖4-6 MHC2-16D雙作用擺動氣爪 422 手臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 手臂是機(jī)械手的主要部分，它是支撐被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是帶動手指去抓取物件， 并按預(yù)定要求將其搬運(yùn)到指定的位置。 前面已經(jīng)敘述了，按照抓取工件的要求，本機(jī)械手有四個(gè)自由度，即手臂的伸縮、小臂的升降、立柱的回轉(zhuǎn)和升降運(yùn)動。對手臂結(jié)構(gòu)的要求：一是重量盡量輕，以達(dá)到動作靈活、運(yùn)動速度高、節(jié)約材料和動力，同時(shí)減少運(yùn)動的沖擊；二是要有足夠的剛度，以保證運(yùn)動精度和定位精度。手臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)重點(diǎn)是驅(qū)動力的計(jì)算和偏重力矩的計(jì)算。23 1、小臂升降模塊 小臂升降模塊安裝在手臂伸縮模塊上， 其作用是將模擬刀具從刀庫插孔(刀架槽)中提出或插入，采用單桿雙作用氣缸。 對于直線運(yùn)動氣缸的缸徑，可按載荷/安全系數(shù)選取。氣缸活塞桿的穩(wěn)定性與工作壓力、安裝形式、最大行程有關(guān)，即使氣缸不受橫向載荷也需要加上導(dǎo)向裝置，保證氣缸按正確方向運(yùn)行。 (1)氣缸內(nèi)徑的確定 由作用在活塞桿上的工作載荷和初選的工作壓力， 利用下述公式可計(jì)算出缸徑D。當(dāng)活塞桿輸出推力克服載荷做功時(shí) )/(4D1PF= (4-2) 式中：D氣缸內(nèi)徑(m) F1活塞上的推力(或稱工作載荷)(N) 第 4 章 機(jī)械手的機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì) 自動換刀機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及 PLC 控制研究 46 p初選的工作壓力(Pa)，一般為P=(0.51)Mpa 總機(jī)械效率，當(dāng)氣缸動態(tài)性能要求工作顴率高時(shí)，取=0.30.5。速度低時(shí)取大值，速度高時(shí)取小值。氣缸動態(tài)性能要求一般，工作頻率較低時(shí)，可取0.70.85 當(dāng)活塞桿輸出拉力克服載荷做功時(shí) 224F =DdP+ (4-3) 式中：F2活塞桿的拉力(N)； d根據(jù)拉力預(yù)先估定的活塞桿直徑。估定活塞桿直徑d/D=0.160.5。 把d/D=0.160.5代入式(4-3)，則可得 P24F 1.15)?(1.01=D (4-4) 將式(4-2)與式(4-4)相比，D取大值，即P24F 1.15)?(1.01=D (2)氣缸耗氣量 氣缸耗氣量與氣缸直徑D、 行程S、 缸的動作時(shí)間和換向閥到氣缸管道的容積有關(guān)。忽略氣缸管道容積時(shí)，則氣缸的單位時(shí)間壓縮空氣消耗量按下式計(jì)算 1QQ=或22221212(),44D SDdSQQ QQtt= （4-5） 式中：Q每秒鐘壓縮空氣消耗量(m3/s) Ql、Q2氣缸無、有活塞桿端進(jìn)氣時(shí)壓縮空氣消耗量m3/s) D、d缸的內(nèi)徑和活塞桿直徑(m) tl、t2氣缸活塞桿伸出與縮回時(shí)所需時(shí)間(s) S氣缸的行程(m)。24 (3)小臂升降氣缸計(jì)算 根據(jù)換刀機(jī)械手立柱升降氣缸運(yùn)動過程的要求，氣缸收縮時(shí)承受的外力F15N，行程為30mm，伸出或縮回的時(shí)間為0.3s。其主要尺寸的確定如下： a、缸徑D的計(jì)算： 自動換刀機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及 PLC 控制研究 第 4 章 機(jī)械手的機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì) 47 取d/D=0.5，依據(jù)公式(4-4)取P=0.5Mpa，=0.3計(jì)算，即 41.150.016616.6AFDmmmP = 根據(jù)資20mm，其活塞桿直徑：d=8mm。行程S=30mm。選用SMC標(biāo)準(zhǔn)氣缸，型號為CM2820-30，如圖4-7所示。該氣缸為雙活塞結(jié)構(gòu)，夾持力大，有可變節(jié)流。位置感側(cè)方式為磁感式，緩沖方式采用內(nèi)緩沖環(huán)(不可調(diào))。定位精度為0.5mm(大于設(shè)計(jì)的1mm的要求)。 圖4-7 CM2820-30 b、耗氣量計(jì)算 缸徑D=20mm，行程s=30mm，時(shí)間t=0.3s，依據(jù)公式(4-5)，得： smt/1014. 34SDQ352= C、驗(yàn)算 輸出力 根據(jù)資料26，得：當(dāng)P=0.5 Mpa時(shí)，該氣缸的推力為102N，而拉力為80N， 均遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實(shí)際需要的15N 緩沖 該氣缸終端位置的沖擊能量為 mNmvE=0075. 0)3 . 003. 0(5 . 15 . 02122 根據(jù)資料26得：當(dāng)P=0.5Mpa時(shí)，終端位置的最大沖擊能量為0.1Nm0.0075Nm，所以安全。 (4)導(dǎo)向裝置 氣壓驅(qū)動的機(jī)械手手臂在進(jìn)行伸縮(或升降)運(yùn)動時(shí)， 為了防止手臂繞軸線發(fā)生轉(zhuǎn)動，以保證手指的正確方向，并使活塞桿不受較大的彎曲力矩作用，以增加手臂的剛第 4 章 機(jī)械手的機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì) 自動換刀機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及 PLC 控制研究 48 性，在設(shè)計(jì)手臂結(jié)構(gòu)時(shí)，必須采用適當(dāng)?shù)膶?dǎo)向裝置。它應(yīng)根據(jù)手臂的安裝形式、具體結(jié)構(gòu)和抓取重量等因素加以確定，同時(shí)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和布局上，應(yīng)盡量減少運(yùn)動部件的重量和盡量減少手臂對回轉(zhuǎn)中心的轉(zhuǎn)動慣量。 目前常采用的導(dǎo)向裝置有單導(dǎo)向桿、雙導(dǎo)向桿、四導(dǎo)向桿等，在小臂升降模塊中常采用單導(dǎo)向桿來增加手臂的剛性和導(dǎo)向性，如圖4-8所示。 圖4-8 小臂導(dǎo)向裝置 2、手臂伸縮模塊 手臂的伸縮是直線運(yùn)動，該模塊水平安裝在立柱上，要求使用的氣缸體積小、重量輕，減小對回轉(zhuǎn)中心的轉(zhuǎn)動慣量，因而選擇SMC的CQ2系列薄型氣缸，其缸筒與無桿側(cè)端蓋壓鑄成一體，缸體為方形，重量輕、薄、安裝空間小，安裝方便。 根據(jù)氣缸的運(yùn)動要求，氣缸收縮時(shí)承受的外力F15N(慣性負(fù)載較大)，行程為70mm，伸出或縮回的時(shí)間為0.3s。其主要尺寸的確定如下： (1)缸徑D的計(jì)算 取d/D=0.5，依據(jù)公式(4-4)，取P=0.5Mpa，=0.3計(jì)算，即 41.150.013613.6AFDmmmP = 自動換刀機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及 PLC 控制研究 第 4 章 機(jī)械手的機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì) 49 根據(jù)資料26，取標(biāo)準(zhǔn)缸徑D=32mm，(CQ2系列長行程缸徑只有32 mm以上的)，其活塞桿直徑d=14mm，行程S=70mm。選用SMC標(biāo)準(zhǔn)氣缸，型號為CQ2A32-75，如圖4-9所示。 圖4-9 CQ2A32-75標(biāo)準(zhǔn)氣缸 在P=0.5MPa時(shí)，CDQ2A32氣缸水平安裝定位，最小負(fù)載(3k)/最大負(fù)載(45kg) 時(shí)氣缸行程為400mm的典型定位時(shí)間為0.45/0.75s，定位精度0.2mm。 (2)耗氣量計(jì)算 水平缸缸徑D=32mm，行程S=70mm。時(shí)間t=0.3s，依據(jù)公式(4-5)，得： smt/1024SDQ342= (3)導(dǎo)向裝置 導(dǎo)向裝置需要承受小臂升降機(jī)構(gòu)、 手部模塊和模擬刀具的全部重力， 軸向力較大，采用雙導(dǎo)向桿，如圖4-10所示。 圖4-10 手臂伸縮模塊導(dǎo)向裝置 3、立柱升降模塊 第 4 章 機(jī)械手的機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì) 自動換刀機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及 PLC 控制研究 50 立柱是安裝在與基座連接的轉(zhuǎn)臺之上，用以支撐手臂并帶動它升降和移動的機(jī)構(gòu)。對立柱的設(shè)計(jì)要求是堅(jiān)固，剛性好。 根據(jù)換刀機(jī)械手立柱升降氣缸的運(yùn)動要求，氣缸收縮時(shí)承受的外力F60N，行程為100mm，伸出或縮回的時(shí)間為0.4s。其主要尺寸的確定如下： (1)缸徑D的計(jì)算 取d/D=0.5，依據(jù)公式(4-4)取P=0.5Mpa, =0.3計(jì)算，即 mmmPFDA26026. 0415. 1= 根據(jù)資料26，選用SMC的CAl系列標(biāo)準(zhǔn)氣缸，它的拉桿結(jié)構(gòu)很堅(jiān)固，能夠提供足夠的剛性，適合作為手臂的立柱，取標(biāo)準(zhǔn)缸徑D=40 mm，(CA1系列只有40 mm以上缸徑的氣缸)，其活塞桿直徑d=14mm，行程S=100mm。型號為CA1BN40-100，如圖4-11所示。該氣缸的位置感側(cè)方式為磁感式，緩沖方式為氣緩沖?；钊俣葹?0500mm/s，定位精度為0.5mm。 圖4-11 CA1BN40-100 (2)耗氣量計(jì)算 缸徑D=16mm，行程S=100mm，t=0.4s，依據(jù)公式(4-5)，得： smt/1014. 34SDQ342= 自動換刀機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及 PLC 控制研究 第 4 章 機(jī)械手的機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì) 51 (3)偏重力矩的計(jì)算 偏重力矩就是手臂懸伸部分的全部零件的重量(作用在各自的重心上)對手臂回轉(zhuǎn)中心的靜力矩心。最大偏重力矩產(chǎn)生于手臂伸縮缸全部伸出，并夾持額定重量的零件時(shí)，如圖4-12所示。各零件的重量可按其結(jié)構(gòu)形式、材料比重進(jìn)行粗略計(jì)算。由于零件多數(shù)選用對稱結(jié)構(gòu)，故重心應(yīng)位于幾何截面的形心上。計(jì)算時(shí)可把手臂偏重部分分解為幾個(gè)單元，分別計(jì)算，然后匯總。Me可依據(jù)下式計(jì)算： iniieXGM=G總 其中，總G立柱支撐的全部零件的重量； G總的重心位置距立柱軸線的距離； i工件、手指、手腕、手臂等零部件的順序號； iX各零件重心到立柱軸線的距離。 如果求出偏重力矩過大，可重新布置各部件在手臂上的位置，也可加平衡塊來改善受力情況。但這樣又會增大手臂重量和轉(zhuǎn)動慣量。因此要多方考慮。 圖4-12 升降立柱平衡圖 圖4-13 立柱導(dǎo)向裝置 經(jīng)計(jì)算，得G總60N，在手臂伸出時(shí)90mm，其偏重力矩為 mmGMe=N4 . 5N09. 060總 (4)導(dǎo)向裝置 如圖4-12(a)所示，手臂在G總的作用下有順時(shí)針方向傾斜趨向，而立柱導(dǎo)向裝 置可阻止手臂傾斜。導(dǎo)向裝置對升降立柱的作用力如圖示Rl和R2，根據(jù)升降立柱的平第 4 章 機(jī)械手的機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì) 自動換刀機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及 PLC 控制研究 52 衡條件27： =+=fhfGhfRFFFGGhRRGhRRR2222112121121總總總總 f為摩擦系數(shù)，一般為0.1，這里可取f=0.16 mmh8 .2832. 0= 否則，立柱導(dǎo)向裝置不能阻止手臂傾斜。由以上計(jì)算可知機(jī)械手偏重力矩較大，采用雙導(dǎo)向桿結(jié)構(gòu)，如圖4-13所示。 4、手臂的回轉(zhuǎn)模塊 擺動氣缸是利用壓縮空氣驅(qū)動輸出軸在一定角度范圍內(nèi)作往復(fù)回轉(zhuǎn)運(yùn)動的氣動執(zhí)行元件，用于物體的轉(zhuǎn)位、夾緊、閥門的開閉以及機(jī)械手的手臂動作等。擺動氣缸有齒輪齒條式和葉片式兩大類。它們的特點(diǎn)如表4-1所示。22本機(jī)械手臂采用齒輪齒條式擺動氣缸。 表4-1 擺動氣缸的特點(diǎn) 品種 體積 質(zhì)量 改變擺動角的方法 設(shè)置緩沖裝置輸出力矩 泄 露擺動角度范圍最低使用壓力 擺動速度 用于中途停止?fàn)顟B(tài) 齒輪齒條式 較大 較大 改變內(nèi)部或外部擋塊位置 容易較大很小 可較寬較小 可以低速 可適當(dāng)時(shí)間使用 葉片式 較小 較小 調(diào)節(jié)止動塊的位置 內(nèi)部設(shè)置困難較小微漏較窄較大 不宜低速 不宜長時(shí)間使用 對擺動氣缸必須進(jìn)行受力分析，按所受的力矩大小選取擺動氣缸。氣缸的理論輸出力矩為 /MMO= (4-7) 式中：M氣缸所受實(shí)際力矩，Nm 負(fù)載率，0.3 M為機(jī)械手基座以上其余部分對于Z軸的慣性力矩，經(jīng)計(jì)算，可得：NmM04. 1= 自動換刀機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及 PLC 控制研究 第 4 章 機(jī)械手的機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì) 53 由公式(4-7)，計(jì)算求得氣缸的理論輸出力矩為 NmMMO46. 3/= 查參考文獻(xiàn)，選擇SMC雙作用薄型齒輪齒條式擺動氣缸CRQ2BS40-90C，如圖4-15所示。 當(dāng)工作壓力在0.5Mpa時(shí)， 輸出扭矩為5.3Nm， 緩沖方式為氣緩沖， 允許動能0.4J，擺動角度90。， 可調(diào)角度范圍5。， 擺速可調(diào)范圍0.21.0s/90。， 最小使用氣壓0.1MPa，最大使用氣壓O.99 MPa。而且氣缸重復(fù)定位精度O.1。，滿足設(shè)計(jì)要求。 圖4-15 擺動氣缸CRQ2BS40-90C 423 基座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 基座是機(jī)械手的基礎(chǔ)部分，機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)的各部件和驅(qū)動系統(tǒng)均安裝于基座上，是支撐機(jī)械手全部重量的構(gòu)件。對其結(jié)構(gòu)的要求是剛性好、占地面積小、操作維修方便和造型美觀?；Y(jié)構(gòu)從形式上可分為落地式和懸掛式，或分為固定式、可移動式和行走式。無論哪一種形式，機(jī)械手工作時(shí)基座應(yīng)給予以固定。根據(jù)總體設(shè)計(jì)中換刀機(jī)械手的設(shè)計(jì)要求，本機(jī)械手的基座采用落地固定式23。 基座的結(jié)構(gòu)與機(jī)械手的總體布置有關(guān)，對專用機(jī)械手而言，傳動和控制部分通常是單獨(dú)布置，故基座比較簡單或不設(shè)基座。對于通用機(jī)械手來講，傳動部分通常布置在機(jī)架內(nèi)部或后下方，控制部分則布置在基座的后上方或單獨(dú)布置一個(gè)控制箱。由于本機(jī)械手應(yīng)用在教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺上，需要具備一定通用性。采用分散布置，將傳動和控制部分分開，以免受震動的影響，可延長機(jī)械手的使用壽命。 換刀機(jī)械手立柱模塊需要一個(gè)旋轉(zhuǎn)模塊，擺動氣缸則應(yīng)固定在基座上。如果水平缸、垂直缸和手部機(jī)構(gòu)直接安裝到擺動氣缸輸出軸上，機(jī)構(gòu)雖然簡單，但擺動氣缸的軸向受力增大，對氣缸的自身要求較高，容易造成擺動氣缸的損壞。同時(shí)，機(jī)械手本身重心偏離立柱軸線對擺動氣缸轉(zhuǎn)動軸產(chǎn)生傾覆力矩。所以采用一個(gè)連接組件，將機(jī)械手立柱以上的重量和傾覆力矩由機(jī)架來承擔(dān)。該連接組件主要由四個(gè)部分組成：雙第 4 章 機(jī)械手的機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì) 自動換刀機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及 PLC 控制研究 54 向推力球軸承、底座、轉(zhuǎn)臺和扣罩，如圖4-16所示。采用雙向推力球軸承可以方便地將軸承內(nèi)環(huán)與轉(zhuǎn)臺連接，外環(huán)用扣罩固定在底座上。另外，推力軸承要選擇公稱尺寸相對較大一些的，這樣可以更好地承受傾覆力矩。 1-底座 2-擺動氣缸 3-雙向推力球軸承 4-扣罩 5-轉(zhuǎn)臺 圖4-16 基座結(jié)構(gòu)圖 424 氣動輔助元件選取 1、消音器 消音器是一種允許氣流通過而使聲能衰減的裝置， 能夠降低氣流通道的空氣動力性噪音。好的消音性能是指在產(chǎn)生的噪聲頻率范圍內(nèi)，有足夠大的消聲量。主要有兩種消聲原理： (1)吸收型讓壓縮空氣通過多孔的吸聲材料，靠氣流流動摩擦生熱，使氣體的壓力能部分轉(zhuǎn)化為熱能，從而減少排氣噪聲。它具有良好的消除中、高頻噪聲的性能。一般可降低噪聲25dB以上。 吸聲材料大多使用聚氯乙烯纖維、 玻璃纖維、 燒結(jié)銅珠等。 (2)膨脹干涉型這種消聲器的直徑比排氣孔徑大。氣流在里面擴(kuò)散、碰撞反射，互相干涉， 減弱了噪聲強(qiáng)度， 最后從孔徑較大的多孔外殼排入大氣。 主要用于消除中、低頻噪聲。 消音器的選用及使用注意事項(xiàng) (1)對消音器的要求是，在噪聲頻率范圍內(nèi)消聲效果好，排氣阻力小，以免影響換向閥的換向性能。并要求結(jié)構(gòu)耐用，孔眼不易堵塞，便于清洗。通常根據(jù)換向閥的連接口徑來選擇消聲器的規(guī)格。 自動換刀機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及 PLC 控制研究 第 4 章 機(jī)械手的機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì) 55 (2)要注意排氣時(shí)絕熱膨脹溫度下降，導(dǎo)致壓縮空氣中含有的水分會在消聲器上凍結(jié)，造成排氣阻力增大，故排氣前的管路中要盡量分離掉水分。24 2、空壓機(jī) 空氣壓縮機(jī)的作用是將電能轉(zhuǎn)化成壓縮空氣的壓力能， 供氣動設(shè)備使用。 選型時(shí)，首先按空壓機(jī)的特性要求，選擇空壓機(jī)類型，再根據(jù)氣動系統(tǒng)所需的工作壓力和流量兩個(gè)參數(shù)，確定空壓機(jī)的輸出壓力Pc和吸入流量Qc，最終選取空壓機(jī)的型號。 3、氣罐 氣動回路中增設(shè)氣罐，可以消除空氣壓縮機(jī)排出氣流的壓力脈動；同時(shí)依靠絕熱膨脹及自然冷卻降溫，可進(jìn)一步分離壓縮空氣中所含的油分和水分；此外，還可以儲存一定量壓縮空氣。一方面可解決短時(shí)間內(nèi)用氣量大于空壓機(jī)輸出氣量的矛盾，另一方面可在空壓機(jī)出現(xiàn)故障或停電時(shí)，維持短時(shí)間的供氣，以便采取措施保證氣動設(shè)備的安全。22選定氣罐時(shí)，主要參照空壓機(jī)功率(對應(yīng)空壓機(jī)吸入流量)來選用。 4、氣源處理組件 氣源處理組件可采用模塊化結(jié)構(gòu)，是堅(jiān)固而又多功能的三連件，通常稱為氣動三大件。該組件包括分水濾氣器、減壓閥和油霧器的順序組合。 分水濾氣器的作用是濾去壓縮空氣中的油分、水分和粉塵等雜質(zhì)。 油霧器的作用是使?jié)櫥挽F化后，隨壓縮空氣一起進(jìn)入到需要潤滑的氣動部件，以達(dá)到潤滑的目的。這種注油方法潤滑均勻、穩(wěn)定，耗油量少，且不需要大的儲油設(shè)備。 43 小結(jié) 本章對模擬換刀機(jī)械手的電氣-氣壓伺服驅(qū)動系統(tǒng)進(jìn)行了詳盡的設(shè)計(jì)，對各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的氣動元器件進(jìn)行了計(jì)算和選型，并為氣缸設(shè)計(jì)了相應(yīng)的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，滿足了各執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動過程中對運(yùn)動速度和定位精度等方面的要求。第 5 章 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 自動換刀機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及 PLC 控制研究 56 第5章 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 51 機(jī)械手控制系統(tǒng) PLC 的選型與 I/O 點(diǎn)確定 511 PLC 選型 在系統(tǒng)控制器的選擇上可以有多種方案，目前在機(jī)電一體化設(shè)計(jì)中主要有三種：單片機(jī)、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、可編程控制器（PLC）。隨著計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的不斷發(fā)展，也出現(xiàn)了運(yùn)動控制卡和邏輯控制器等新型控制硬件。PLC 控制有以下優(yōu)點(diǎn) 1、可靠性高 PLC不需要大量的活動元件和連接電子元件，它的連線大大減少。與此同時(shí)，系統(tǒng)的維修簡單，維修時(shí)間短，采用了一系列可靠性設(shè)計(jì)的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，如：冗余的設(shè)計(jì)、斷電保護(hù)、故障診斷和信息保護(hù)及恢復(fù)等。 2、易操作性 PLC 有較高的易操作性，它具有編程簡單，操作方便，維修容易等特點(diǎn)，一般不容易發(fā)生操作的錯(cuò)誤。PLC 是為工業(yè)生產(chǎn)過程控制而專門設(shè)計(jì)的控制裝置，它具有比通用計(jì)算機(jī)控制更簡單的編程語言和更可靠的硬件。采用了精簡化的編程語言，編程出錯(cuò)率大大降低。 3、靈活性 PLC采用的編程語言有梯形圖、布爾助記符、功能圖、功能模塊和語句描述編程語言。編程方法的多樣性使編程簡單、應(yīng)用而拓展。操作十分靈活方便，監(jiān)視和控制變量十分容易。 以上特點(diǎn)使PLC控制系統(tǒng)具有可靠性高，程序設(shè)計(jì)方便靈活，抗干擾能力強(qiáng)，運(yùn)行穩(wěn)定等諸多優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)過各方面分析比較，本課題采用西門子PLC作為控制器，并配有相應(yīng)的控制模塊，來實(shí)現(xiàn)整個(gè)機(jī)械手的控制功能。 根據(jù)該機(jī)械手工作情況分析，要選擇輸入端點(diǎn)個(gè)數(shù)和輸出端點(diǎn)個(gè)數(shù)10。機(jī)械手控制系統(tǒng)選用的是西門子公司生產(chǎn)的S7-200系列中CPU226的型號。該型號PLC集成的數(shù)字量輸入/輸出為24入16出，基本位布爾運(yùn)算執(zhí)行時(shí)間為022峪，13K字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲空間。它還具備6路30KHZ高速脈沖輸出，可以分別用來接受旋轉(zhuǎn)編碼器信號和直接控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行。有模擬量輸入/輸出模塊、高速計(jì)數(shù)器模塊、位置控制模自動換刀機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及 PLC 控制研究 第 5 章 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 57 塊、數(shù)據(jù)輸入/輸出模塊、通信模塊等，可以實(shí)現(xiàn)模擬量控制、位置控制和聯(lián)網(wǎng)功能。 512 控制系統(tǒng)輸入輸出設(shè)備以及I/O點(diǎn)確定 輸入設(shè)備是用以產(chǎn)生輸入控制信號的設(shè)備，在本機(jī)械手的控制系統(tǒng)中主要有：刀庫同步編碼器。 輸出設(shè)備是由PLC輸出信號驅(qū)動的執(zhí)行元件，在機(jī)械手的控制系統(tǒng)中的輸出設(shè)備是脈沖分配器，工作狀態(tài)指示燈。 表5-1 PLC I/O分配 輸入點(diǎn) 按鈕符號 初始狀態(tài) 功能說明 I0.0 SBl 常開 啟動 I0.1 SB2 常開 停止 I0.2 SB3 常開 回原點(diǎn) I0.3 SB4 常開 自動 I0.4 SB5 常開 手動 I0.5 SB6 常開 半自動 I1.0 S0 常開 小臂垂直缸上行接近開關(guān) I1.1 S1 常開 小臂垂直缸下行接近開關(guān) I1.2 S2 常開 水平缸伸出接近開關(guān) I1.3 S3 常開 水平缸收縮接近開關(guān) I1.4 S4 常開 立柱垂直缸上行接近開關(guān) I1.5 S5 常開 立柱垂直缸下行接近開關(guān) I1.6 S6 常開 擺動缸反轉(zhuǎn)接近開關(guān) I1.7 S7 常開 擺動缸正轉(zhuǎn)接近開關(guān) I2.0 S8 常開 手爪抓緊 I2.1 S9 常開 手爪松開 第 5 章 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 自動換刀機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及 PLC 控制研究 58 輸出點(diǎn) 按鈕符號 初始狀態(tài) 功能說明 Q1.0 Y6 常開 小臂垂直缸上行 Q1.1 Y7 常開 小臂垂直缸下行 Q1.2 Y4 常開 水平缸伸出 Q1.3 Y5 常開 水平缸收縮 Q1.4 Y2 常開 立柱垂直缸上行 Q1.5 Y3 常開 立柱垂直缸下行 Q0.6 Y0 常開 擺動缸反轉(zhuǎn) Q0.7 Y1 常開 擺動缸正轉(zhuǎn) Q2.0 Y8 常開 手爪抓緊 Q2.1 Y9 常開 手爪松開 52 步進(jìn)電機(jī) 在目前國內(nèi)的數(shù)字控制系統(tǒng)中，步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用十分廣泛。隨著全數(shù)字式交流伺服系統(tǒng)的出現(xiàn)，交流伺服電機(jī)也越來越多地應(yīng)用于數(shù)字控制系統(tǒng)中。為了適應(yīng)數(shù)字控制的發(fā)展趨勢， 運(yùn)動控制系統(tǒng)中大多采用步進(jìn)電機(jī)或全數(shù)字式交流伺服電機(jī)作為執(zhí)行電動機(jī)。雖然兩者在控制方式上相似（脈沖串和方向信號），但在使用性能和應(yīng)用場合上存在著較大的差異。 1、控制精度不同 兩相混合式步進(jìn)電機(jī)步距角一般為 3.6。、1.8。，五相混合式步進(jìn)電機(jī)步距角一般為 0.72。、0.36。也有一些高性能的步進(jìn)電機(jī)步距角更小。如四通公司生產(chǎn)的一種用于慢走絲機(jī)床的步進(jìn)電機(jī)，其步距角為 0.09。；德國百格拉公司（BERGER LAHR）生產(chǎn)的三相混合式步進(jìn)電機(jī)其步距角可通過撥碼開關(guān)設(shè)置為 1.8。、 0.9。、 0.72。、 0.36。、0.18、0.09。、0.072。、0.036。，兼容了兩相和五相混合式步進(jìn)電機(jī)的步距角。 交流伺服電機(jī)的控制精度由電機(jī)軸后端的旋轉(zhuǎn)編碼器保證。 以松下全數(shù)字式交流伺服電機(jī)為例，對于帶標(biāo)準(zhǔn) 2500 線編碼器的電機(jī)而言，由于驅(qū)動器內(nèi)部采用了四倍頻技術(shù)，其脈沖當(dāng)量為 360。/10000=0.036。對于帶 17 位編碼器的電機(jī)而言，驅(qū)動器每接收 217=131072 個(gè)脈沖電機(jī)轉(zhuǎn)一圈， 即其脈沖當(dāng)量為 360。/131072=9.89 秒。 是