【正文】 ...................... 20 第 4 章 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) ................................................................................................................... 22 、機(jī)械手控制系統(tǒng) PLC 的選擇 .................................................................................................. 22 、機(jī)械手的 PLC 控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)圖 .................................................................................... 23 、機(jī)械手自動換刀系統(tǒng)的工作流程 ............................................................................................ 23 、機(jī)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(shè)計(jì) .............................................................................................. 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(xiàn) ......................................................................................................................................... 31 皖西學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 第 1 頁 第 1 章 緒論 、換刀械手概述 換刀機(jī)械手是由集控制器、傳感器和伺服驅(qū)動系統(tǒng)為一體的機(jī)電一體化產(chǎn)品，它模仿人的操作，可實(shí)現(xiàn)自動控制、重復(fù)編程、能夠完成各種復(fù)雜的動作。它能在提高生產(chǎn)效率的同時(shí)，提高產(chǎn)品質(zhì)量，對改善勞動條件，促進(jìn)產(chǎn)品的更新?lián)Q代起著促進(jìn)作用。機(jī)械手的使用情況，標(biāo)志著一個(gè)國家工業(yè)自動化水平的高低。機(jī)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(jī)器上。是機(jī)械人具有人的快速反應(yīng)和分析判斷能力，又有具有高精度、高強(qiáng)度持續(xù)工作的能力，并且能夠適應(yīng)比較差的環(huán)境，我們可以說機(jī)械手是工具進(jìn)化的產(chǎn)物。隨著自動化技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械手已經(jīng)廣泛的應(yīng)用在機(jī)械加工、自動換刀、流水線上生產(chǎn)及裝配、上下料等。但是大多數(shù)機(jī)械手的專用型比較強(qiáng)，莫臺機(jī)器上的機(jī)械手在不改造的情況下，很難在其他機(jī)器上使用。由于機(jī)械手能很大程度上提高生產(chǎn)效率，簡化機(jī)械加工的程序，所以它在機(jī)械加工中得到廣泛的應(yīng)用。 、選題背景 機(jī)械手是在自動化生產(chǎn)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(jī)械化、自動化生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的一種新型裝置。機(jī)械手之所以更好的結(jié)合機(jī)械和自動化技術(shù)，得力于電子計(jì)算機(jī)的快速發(fā)展，使得機(jī)械手的生產(chǎn)與設(shè)計(jì)已經(jīng)成為一門新興技術(shù)產(chǎn)業(yè)。我們可以把一些高危險(xiǎn)、機(jī)械式重復(fù)而枯燥的工作交給機(jī)械手，這樣既減輕我們的體力勞動，又提高了生產(chǎn)效率。機(jī)械手在以下行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用，比如，零件的裝配、工件的搬運(yùn)與拆卸、以及在數(shù)控機(jī)床上的自動換刀系統(tǒng)。 為了把機(jī)械手和機(jī)床的有機(jī)結(jié)合在一起，機(jī)械手隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)和柔性制造單元中一個(gè)重要組成部分 。它主要應(yīng)用在中小批量的生產(chǎn)，它可以省去工件運(yùn)輸工具。而柔性生產(chǎn)系統(tǒng)比較適用于產(chǎn)品更新?lián)Q代比較快的品種，這樣既可以保證產(chǎn)品質(zhì)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(jī)器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國外比還有一定的距離，應(yīng)用規(guī)模和產(chǎn)業(yè)化水平低，機(jī)械手的研究和開發(fā)直接影響到我國自動化生產(chǎn)水平的提高，從經(jīng)濟(jì)上、技術(shù)上考慮都是十分必要的。因此，進(jìn)行機(jī)械手的研究設(shè)計(jì)是非常有意義的。 、設(shè)計(jì)目的 本設(shè)計(jì)通過對大學(xué)四年所學(xué)的知識進(jìn)行整合，完成一個(gè)通用形式的普通圓棒料搬運(yùn)的機(jī)械手的設(shè)計(jì)，能夠比較好地 體現(xiàn)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化專業(yè)畢業(yè)生的理論研究水平，實(shí)踐動手能力以及專業(yè)精神和態(tài)度，具有較強(qiáng)的針對性和明確的實(shí)施目標(biāo)，能夠?qū)崿F(xiàn)理論和實(shí)踐的有機(jī)結(jié)合。 皖西學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 第 2 頁 目前，在國內(nèi)很多工廠的生產(chǎn)中圓棒料的搬運(yùn)擺放仍由人工完成，勞動強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低。為了提高生產(chǎn)加工的工作效率 ,降低成本 ,并使生產(chǎn)線發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng) ,適應(yīng)現(xiàn)代自動化大生產(chǎn) ,針對具體生產(chǎn)工藝 ,利用機(jī)器人技術(shù)。為了提高生產(chǎn)率，我們特意設(shè)計(jì)了應(yīng)用性比較廣泛的自動換刀機(jī)械手，從減輕工人的機(jī)械式體力勞動。 在現(xiàn)在的機(jī)械加工中，機(jī)械手手的普遍應(yīng)用具有十分重要的意義。具體 概括如下： 一、以提高生產(chǎn)過程中的自動化程度 機(jī)械手的應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)材料自動運(yùn)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(shí)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(shí)間在里面工作，所以機(jī)器人的使用無疑是比較好的選擇。機(jī)器人基本上可以代替人的大量機(jī)械式重復(fù)勞動，這樣不僅可以減輕工人的勞動強(qiáng)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(jī)械式的重復(fù)操作，時(shí)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(jī)械手可以代替我們?nèi)ネ瓿煽菰餆o味而又機(jī)械式重復(fù)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(yán)重的影響生產(chǎn)效率的提高。由于自動控制技術(shù)的快速發(fā)展，特別是機(jī)器人的發(fā)展，讓機(jī)器人反映更加靈敏，機(jī)械精度更高，完全可以跟上比較緩慢的流水 線，這樣是整個(gè)流水線更加有秩序。 綜上所述，機(jī)械手使以后的工作更加有效率，是未來機(jī)械工業(yè)發(fā)展的趨勢。 皖西學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 第 3 頁 第 2 章 機(jī)械手總體設(shè)計(jì)方案 、機(jī)械手類型 、根據(jù)機(jī)械手的應(yīng)用范圍分類 (l)專用機(jī)械手一般沒有單獨(dú)的控制系統(tǒng)，而且只有固定的控制程序。這種機(jī)械手結(jié)構(gòu)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(jī)器或生產(chǎn)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(jī)械手具有獨(dú)立專門的控制系統(tǒng)，并且控制程序可以根據(jù)需要進(jìn)行修改。可以安裝在各種機(jī)器上，能 獨(dú)立完成工件的夾持與搬運(yùn)以及刀具的安裝與拆卸。通用機(jī)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(diǎn)動控制，故屬于程序控制類型，而伺服型是集點(diǎn)位控制和連續(xù)軌跡控制于一體的控制方式，通常認(rèn)為屬于數(shù)字控制模型。這種機(jī)械手因手指結(jié)構(gòu)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(chǎn)。但因其運(yùn)動和結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，所以需要較高的設(shè)計(jì)要求，造成成本過高。 、按機(jī)械手手臂的運(yùn)動坐標(biāo)型式分類 (1)直角坐標(biāo)式機(jī)械手手臂 具有 X、 Y、 Z 三個(gè)方向上的自由度，即分別可以沿 X、 Y、 Z三個(gè)直角坐標(biāo) 軸的方向上往返運(yùn)動。我叫做機(jī)械手的前后伸縮、上下升降和左右移動。 (2)圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手手臂 可以沿 X 和 Z 兩個(gè)直角坐標(biāo)軸移動，以及繞 Z 軸的轉(zhuǎn)動，我們叫做機(jī)械手的前后伸縮、上下升降和左右擺動。 (3)球坐標(biāo)式機(jī)械手臂 沿 X 軸方向上的移動，以及繞 Y 軸和 Z 軸的轉(zhuǎn)動。即機(jī)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(zhuǎn)動。 (4)多關(guān)節(jié)式機(jī)械手臂 此機(jī)械手的臂部可化分成大臂和小臂兩個(gè)部分。可以用鉸鏈將大小臂以及大臂和機(jī)體進(jìn)行連接起來。即小臂可繞大臂上下擺動，同時(shí)大臂也可繞機(jī)體多角度擺動。 機(jī) 械手手臂的運(yùn)動坐標(biāo)型式 如圖 21 所示 : 皖西學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 第 4 頁 圖 21 機(jī)械手手臂的運(yùn)動坐標(biāo)型式 、按機(jī)械手的驅(qū)動方式分類 (l)以壓力油進(jìn)行驅(qū)動的液壓驅(qū)動機(jī)械手 (2)以壓縮空氣進(jìn)行驅(qū)動的氣壓驅(qū)動機(jī)械手 (3)直接用電動機(jī)進(jìn)行驅(qū)動的電力驅(qū)動機(jī)械手 (4)將發(fā)動機(jī)的動力通過動力傳動機(jī)構(gòu)傳給機(jī)械手的一種驅(qū)動方式叫做機(jī)械驅(qū)動機(jī)械手。 綜合各種技術(shù)要求，我們選用圓柱坐標(biāo)型氣壓驅(qū)動機(jī)械手。本課題要求機(jī)械手具有較高的的定位精度、較快的反應(yīng)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(jī) 氣動機(jī)械手設(shè)計(jì)的原則是根據(jù)工作對象的工作條件、運(yùn)皖西學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 第 5 頁 動要求和定位精度，從分利用現(xiàn)有的機(jī)械設(shè)計(jì)條件和設(shè)計(jì)能力，在滿足機(jī)械手各方面上的使用要求的前提下，選擇最經(jīng)濟(jì)的設(shè)計(jì)方案。并盡量選擇標(biāo)準(zhǔn)件進(jìn)行設(shè)計(jì)，這樣既可以簡化設(shè)計(jì)過程，又可以在較低的制造成本上，提高產(chǎn)品的通用性。 、機(jī)械手的坐標(biāo)形式與自由度 根據(jù)機(jī)械手手臂運(yùn)動形式和自由度的不同，通常將其劃分為直角坐標(biāo)型、圓柱坐標(biāo)型、球坐標(biāo)型和多關(guān)節(jié)坐標(biāo)型，它們的特點(diǎn)如下 一、直角坐標(biāo)型 1．有三個(gè)方向上的直線自由度，簡單易懂。 2．機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單。 3．對一定的結(jié)構(gòu)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(cè)該機(jī)構(gòu)占用空間大。 5．必須在較大的空間進(jìn)行安裝。 6．很難對各滑動部件進(jìn)行密封，側(cè)容易受到污染。 二、圓柱坐標(biāo)型 1．同樣結(jié)構(gòu)簡單易于設(shè)計(jì)。 2．若要求有較大的動力輸出，直線部分可采用液壓進(jìn)行驅(qū)動。 3．可以將機(jī)械手部分伸入到機(jī)器的型腔內(nèi)部。 4．機(jī)械手的氣爪部所能到達(dá)的空間受到限制，很難接觸到立柱和地面的位置。 5．直線驅(qū)動模的密封性、防塵及防御腐蝕性較差 6．手臂收縮時(shí)，手臂后端只能在一定的工作范圍內(nèi)運(yùn)動。 三、球坐標(biāo)型 1．工作范圍較大的地方在 中心支架附近。 2．直線驅(qū)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(zhuǎn)動部分密封比較容易。 6．由于坐標(biāo)系很復(fù)雜，設(shè)計(jì)較困難。 四、多關(guān)節(jié)坐標(biāo)型 1．工作空間比較寬廣，并且動作叫靈活。 2．關(guān)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(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 第 6 頁 4．電動機(jī)比較容易實(shí)現(xiàn)動力的提供。 5．其運(yùn)動狀態(tài)比較難以控制，機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)比較困難，不適合用液壓進(jìn)行驅(qū)動。 可以將機(jī)械手的運(yùn)動分為主運(yùn)動和輔助運(yùn)動。機(jī)械手的主運(yùn)動包括立柱和手臂的運(yùn)動，因主運(yùn)動改變了工件空間的空 間狀態(tài)。輔助運(yùn)動包括手指和手腕的運(yùn)動，因?yàn)樗麄兎謩e改變工件的姿態(tài)，以及工件的位置和方位。 為了使機(jī)械手具有升降、伸縮和回轉(zhuǎn)運(yùn)動，故選用圓柱坐標(biāo)型機(jī)械手，因此機(jī)械手得到三個(gè)自由度。為了彌補(bǔ)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(jī)械剛度不足，我們增加了一個(gè)具有短行程升降的小臂結(jié)構(gòu)，從而使機(jī)械手將刀具從刀庫中拔出，即在豎直方向上增加了一個(gè)自由度。所以，機(jī)械手總共具有四個(gè)運(yùn)動自由度。圖 22 為機(jī)械手的運(yùn)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(shí)為了增加機(jī)械手的通用性，我們可 以增加