【正文】 ...................... 20 第 4 章 PLC 控制系統(tǒng)設計 ................................................................................................................... 22 、機械手控制系統(tǒng) PLC 的選擇 .................................................................................................. 22 、機械手的 PLC 控制系統(tǒng)的基本結構圖 .................................................................................... 23 、機械手自動換刀系統(tǒng)的工作流程 ............................................................................................ 23 、機械手自動換刀系統(tǒng)的原理 ................................................................................................... 24 、 PLC 的硬件 I/O 接口原理圖 ................................................................................................... 25 、自動換刀系統(tǒng) PLC 程序的設計 .............................................................................................. 26 、編程軟件 ...................................................................................................................... 26 、 PLC 的控制流程圖 ....................................................................................................... 26 、梯形圖 ......................................................................................................................... 28 、指令表 ......................................................................................................................... 29 致謝 ..................................................................................................................................................... 30 參 考 文 獻 ......................................................................................................................................... 31 皖西學院本科畢業(yè)論文（設計） 第 1 頁 第 1 章 緒論 、換刀械手概述 換刀機械手是由集控制器、傳感器和伺服驅動系統(tǒng)為一體的機電一體化產品，它模仿人的操作，可實現(xiàn)自動控制、重復編程、能夠完成各種復雜的動作。它能在提高生產效率的同時，提高產品質量，對改善勞動條件，促進產品的更新?lián)Q代起著促進作用。機械手的使用情況，標志著一個國家工業(yè)自動化水平的高低。機械手并不是簡單的代替人的體力的 勞動，而是將人的智慧體現(xiàn)在機器上。是機械人具有人的快速反應和分析判斷能力，又有具有高精度、高強度持續(xù)工作的能力，并且能夠適應比較差的環(huán)境，我們可以說機械手是工具進化的產物。隨著自動化技術的發(fā)展，機械手已經廣泛的應用在機械加工、自動換刀、流水線上生產及裝配、上下料等。但是大多數(shù)機械手的專用型比較強，莫臺機器上的機械手在不改造的情況下，很難在其他機器上使用。由于機械手能很大程度上提高生產效率，簡化機械加工的程序，所以它在機械加工中得到廣泛的應用。 、選題背景 機械手是在自動化生產過程中使用的一種具有抓取和 移動工件功能的自動化裝置，它是在機械化、自動化生產過程中產生的一種新型裝置。機械手之所以更好的結合機械和自動化技術，得力于電子計算機的快速發(fā)展，使得機械手的生產與設計已經成為一門新興技術產業(yè)。我們可以把一些高危險、機械式重復而枯燥的工作交給機械手，這樣既減輕我們的體力勞動，又提高了生產效率。機械手在以下行業(yè)得到廣泛的應用，比如，零件的裝配、工件的搬運與拆卸、以及在數(shù)控機床上的自動換刀系統(tǒng)。 為了把機械手和機床的有機結合在一起，機械手隨著科學技術的發(fā)展，已經發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)和柔性制造單元中一個重要組成部分 。它主要應用在中小批量的生產，它可以省去工件運輸工具。而柔性生產系統(tǒng)比較適用于產品更新?lián)Q代比較快的品種，這樣既可以保證產品質量的穩(wěn)定性，又能更好的適用于市場發(fā)展的需求。而目前我國的工業(yè)機器人技術及其工程應用的水平和國外比還有一定的距離，應用規(guī)模和產業(yè)化水平低，機械手的研究和開發(fā)直接影響到我國自動化生產水平的提高，從經濟上、技術上考慮都是十分必要的。因此，進行機械手的研究設計是非常有意義的。 、設計目的 本設計通過對大學四年所學的知識進行整合，完成一個通用形式的普通圓棒料搬運的機械手的設計，能夠比較好地 體現(xiàn)機械設計制造及其自動化專業(yè)畢業(yè)生的理論研究水平，實踐動手能力以及專業(yè)精神和態(tài)度，具有較強的針對性和明確的實施目標，能夠實現(xiàn)理論和實踐的有機結合。 皖西學院本科畢業(yè)論文（設計） 第 2 頁 目前，在國內很多工廠的生產中圓棒料的搬運擺放仍由人工完成，勞動強度大、生產效率低。為了提高生產加工的工作效率 ,降低成本 ,并使生產線發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng) ,適應現(xiàn)代自動化大生產 ,針對具體生產工藝 ,利用機器人技術。為了提高生產率，我們特意設計了應用性比較廣泛的自動換刀機械手，從減輕工人的機械式體力勞動。 在現(xiàn)在的機械加工中，機械手手的普遍應用具有十分重要的意義。具體 概括如下： 一、以提高生產過程中的自動化程度 機械手的應用可以實現(xiàn)材料自動運輸、工件的安裝與拆卸、自動換刀以及零件的裝配，從而節(jié)省大量不必要的時間。 二、以改善工作條件，提高人身安全 比如，一些高溫、高壓、噪聲比較大、高污染的工作環(huán)境、以及對人體有大量傷害的有毒氣體和放射線，一般這樣的環(huán)境不適合工人長時間在里面工作，所以機器人的使用無疑是比較好的選擇。機器人基本上可以代替人的大量機械式重復勞動，這樣不僅可以減輕工人的勞動強度，還可以改善勞動條件，提高工人的安全性。 有一些簡單的工作總是機械式的重復操作，時間 長了很容易造成工人的極度疲勞或疏忽，很容易造成一些不必要的人身事故。 三、可以減輕人力，讓工作更有秩序 比如，機械手可以代替我們去完成枯燥無味而又機械式重復的工作，這樣既可以減少人力，又可以保證一定的工作精度。還有一些流水線上的工作，本來就需要大量的人力資源資源，而且又需要比較高的工作效率和工作精度，但是有些工人卻不能跟上流水線的速度，這就很容易造成流水線上工作秩序的混亂，嚴重的影響生產效率的提高。由于自動控制技術的快速發(fā)展，特別是機器人的發(fā)展，讓機器人反映更加靈敏，機械精度更高，完全可以跟上比較緩慢的流水 線，這樣是整個流水線更加有秩序。 綜上所述，機械手使以后的工作更加有效率，是未來機械工業(yè)發(fā)展的趨勢。 皖西學院本科畢業(yè)論文（設計） 第 3 頁 第 2 章 機械手總體設計方案 、機械手類型 、根據(jù)機械手的應用范圍分類 (l)專用機械手一般沒有單獨的控制系統(tǒng)，而且只有固定的控制程序。這種機械手結構比較簡單，制造成本較低，適用于動作比較簡單且工作量比較大的場合。它通常安裝到某種機器或生產線上，用來自動傳送物件或夾持某種工件或刀具等操作功能。 (2)通用機械手具有獨立專門的控制系統(tǒng)，并且控制程序可以根據(jù)需要進行修改?？梢园惭b在各種機器上，能 獨立完成工件的夾持與搬運以及刀具的安裝與拆卸。通用機械手因其工作方式的不同，可分為簡易型和伺服型兩種。簡易型只是分散的點動控制，故屬于程序控制類型，而伺服型是集點位控制和連續(xù)軌跡控制于一體的控制方式，通常認為屬于數(shù)字控制模型。這種機械手因手指結構可以根據(jù)需要更換，程序可以由用戶改換，可用于中、小批次的生產。但因其運動和結構復雜性，所以需要較高的設計要求，造成成本過高。 、按機械手手臂的運動坐標型式分類 (1)直角坐標式機械手手臂 具有 X、 Y、 Z 三個方向上的自由度，即分別可以沿 X、 Y、 Z三個直角坐標 軸的方向上往返運動。我叫做機械手的前后伸縮、上下升降和左右移動。 (2)圓柱坐標式機械手手臂 可以沿 X 和 Z 兩個直角坐標軸移動，以及繞 Z 軸的轉動，我們叫做機械手的前后伸縮、上下升降和左右擺動。 (3)球坐標式機械手臂 沿 X 軸方向上的移動，以及繞 Y 軸和 Z 軸的轉動。即機械手臂可以完成前后方向的伸縮、上下方向的擺動和左右方向上的轉動。 (4)多關節(jié)式機械手臂 此機械手的臂部可化分成大臂和小臂兩個部分?？梢杂勉q鏈將大小臂以及大臂和機體進行連接起來。即小臂可繞大臂上下擺動，同時大臂也可繞機體多角度擺動。 機 械手手臂的運動坐標型式 如圖 21 所示 : 皖西學院本科畢業(yè)論文（設計） 第 4 頁 圖 21 機械手手臂的運動坐標型式 、按機械手的驅動方式分類 (l)以壓力油進行驅動的液壓驅動機械手 (2)以壓縮空氣進行驅動的氣壓驅動機械手 (3)直接用電動機進行驅動的電力驅動機械手 (4)將發(fā)動機的動力通過動力傳動機構傳給機械手的一種驅動方式叫做機械驅動機械手。 綜合各種技術要求，我們選用圓柱坐標型氣壓驅動機械手。本課題要求機械手具有較高的的定位精度、較快的反應速度，比較大的承載能力，以及工作空間比較寬廣和靈活的自由度，并具有自動定位的能力。擬定機 氣動機械手設計的原則是根據(jù)工作對象的工作條件、運皖西學院本科畢業(yè)論文（設計） 第 5 頁 動要求和定位精度，從分利用現(xiàn)有的機械設計條件和設計能力，在滿足機械手各方面上的使用要求的前提下，選擇最經濟的設計方案。并盡量選擇標準件進行設計，這樣既可以簡化設計過程，又可以在較低的制造成本上，提高產品的通用性。 、機械手的坐標形式與自由度 根據(jù)機械手手臂運動形式和自由度的不同，通常將其劃分為直角坐標型、圓柱坐標型、球坐標型和多關節(jié)坐標型，它們的特點如下 一、直角坐標型 1．有三個方向上的直線自由度，簡單易懂。 2．機械結構簡單。 3．對一定的結構長度， 宜采用兩端支持，剛性比較好。 4．因其移動空間比較大，側該機構占用空間大。 5．必須在較大的空間進行安裝。 6．很難對各滑動部件進行密封，側容易受到污染。 二、圓柱坐標型 1．同樣結構簡單易于設計。 2．若要求有較大的動力輸出，直線部分可采用液壓進行驅動。 3．可以將機械手部分伸入到機器的型腔內部。 4．機械手的氣爪部所能到達的空間受到限制，很難接觸到立柱和地面的位置。 5．直線驅動模的密封性、防塵及防御腐蝕性較差 6．手臂收縮時，手臂后端只能在一定的工作范圍內運動。 三、球坐標型 1．工作范圍較大的地方在 中心支架附近。 2．直線驅動部分存在密封性差的情況。 3．需要較大的工作空間。 4．也有工作死區(qū)部分。 5．轉動部分密封比較容易。 6．由于坐標系很復雜，設計較困難。 四、多關節(jié)坐標型 1．工作空間比較寬廣，并且動作叫靈活。 2．關節(jié)的密封性比較好。 3．可以在水下等要求比較低的工作條件下工作。 皖西學院本科畢業(yè)論文（設計） 第 6 頁 4．電動機比較容易實現(xiàn)動力的提供。 5．其運動狀態(tài)比較難以控制，機械結構的設計比較困難，不適合用液壓進行驅動。 可以將機械手的運動分為主運動和輔助運動。機械手的主運動包括立柱和手臂的運動，因主運動改變了工件空間的空 間狀態(tài)。輔助運動包括手指和手腕的運動，因為他們分別改變工件的姿態(tài)，以及工件的位置和方位。 為了使機械手具有升降、伸縮和回轉運動，故選用圓柱坐標型機械手，因此機械手得到三個自由度。為了彌補立柱升降過程中造成的較大的震動和手臂的伸縮造成的機械剛度不足，我們增加了一個具有短行程升降的小臂結構，從而使機械手將刀具從刀庫中拔出，即在豎直方向上增加了一個自由度。所以，機械手總共具有四個運動自由度。圖 22 為機械手的運動示意圖。 我們稱升降行程比較大部分為立柱，行程較小的升降部分為小臂。有時為了增加機械手的通用性，我們可 以增加