【正文】 沖，驅(qū)動(dòng)機(jī)械手逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)轉(zhuǎn)過(guò)90度到位后，PLC停止輸出脈沖，機(jī)械手停止轉(zhuǎn)動(dòng)；——→ 接著下降電磁閥通電，機(jī)械手下降，下降到位后，碰到下限行程開關(guān)，下降電磁閥斷電，下降停止，機(jī)械手到達(dá)卡盤中心高度；——→ 機(jī)械手開始水平定位后縮，將工件裝入機(jī)床卡盤；——→ 當(dāng)工件裝入到位后，卡盤收緊；——→ 機(jī)械手松開手爪，準(zhǔn)備離開；——→ 接著上升電磁閥通電，機(jī)械手開始上升，上升到位后，碰到上限位開關(guān)，上升電磁閥斷電，上升停止；——→ PLC啟動(dòng)高速脈沖驅(qū)動(dòng)機(jī)械手作順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)轉(zhuǎn)過(guò)90度到位后，PLC停止輸出脈沖，機(jī)械手停止轉(zhuǎn)動(dòng)，機(jī)械手回到原點(diǎn)待命；——→ 機(jī)床進(jìn)行加工。當(dāng)數(shù)控機(jī)床加工完一個(gè)工件時(shí)，發(fā)送下料命令給機(jī)械手，機(jī)械手接到命令后，PLC馬上輸出脈沖驅(qū)動(dòng)機(jī)械手逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)轉(zhuǎn)過(guò)90度到位后，PLC停止輸出脈沖，機(jī)械手停止轉(zhuǎn)動(dòng)；——→ 下降電磁閥通電，同時(shí)手爪柱塞缸電磁閥也通電，機(jī)械手下降且張開手爪，下降到位后碰到下限行程開關(guān)，下降電磁閥斷電，下降停止且手爪夾緊，夾緊已加工好的工件；——→機(jī)床卡盤松開；——→ 機(jī)械手開始前伸，將工件從機(jī)床上取出，準(zhǔn)備運(yùn)走；——→ 上升電磁閥通電，機(jī)械手開始上升，上升到位后，碰到上限位開關(guān)，上升電磁閥斷電，上升停止；——→ PLC輸出高速脈沖，驅(qū)動(dòng)機(jī)械手順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)轉(zhuǎn)過(guò)90度到位后，PLC停止輸出脈沖，機(jī)械手停止轉(zhuǎn)動(dòng)；——→ 下降電磁閥通電，機(jī)械手下降，下降到位后碰到下限行程開關(guān)，下降電磁閥斷電，下降停止；——→ 接著手爪柱塞缸電磁閥通電，手爪張開，放下工件準(zhǔn)備離開；——→ 接著上升電磁閥通電，機(jī)械手開始上升，上升到位后，碰到上限位開關(guān)，上升電磁閥斷電，上升停止同時(shí)手爪也閉合復(fù)原；——→ 接著機(jī)械手水平手臂開始后縮，準(zhǔn)備回原點(diǎn)，當(dāng)后縮到位時(shí)，后縮停止，機(jī)械手回到原點(diǎn)，一個(gè)上下料過(guò)程結(jié)束；——→ 機(jī)械手在原點(diǎn)等待命令，準(zhǔn)備下一個(gè)工作循環(huán)。機(jī)械手的每次循環(huán)都從原點(diǎn)位置開始動(dòng)作。 操作面板布置如圖42所示。 機(jī)械手的操作方式分為手動(dòng)操作和自動(dòng)操作兩種工作方式可以選擇。：就是用按鈕作機(jī)械手的每一步運(yùn)動(dòng)進(jìn)行單獨(dú)的控制。例如，當(dāng)選擇上/下按鈕時(shí)，按下啟動(dòng)按鈕，機(jī)械手上升；按下停止按鈕時(shí)，機(jī)械手上升。當(dāng)選擇逆轉(zhuǎn)/順轉(zhuǎn)按鈕時(shí)，按下啟動(dòng)按鈕，機(jī)械手順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，而按下停止按鈕時(shí)，機(jī)械手逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。同理，當(dāng)選擇夾緊/放松按鈕時(shí)，按下啟動(dòng)按鈕，機(jī)械手爪夾緊，而按下停止按鈕時(shí)，手爪松開。圖42：機(jī)械手從原點(diǎn)開始，按下啟動(dòng)按鈕，機(jī)械手的動(dòng)作將自動(dòng)的、連續(xù)的周期性循環(huán)。在工作中若按下停止按鈕，機(jī)械手將繼續(xù)完成一個(gè)周期動(dòng)作后，回到原點(diǎn)位置。機(jī)械手控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)上考慮到機(jī)械手工作的穩(wěn)定性、可靠性以及各種控制元件連接的靈活性和方便性，控制器選擇有極高可靠性、專門面向惡劣的工業(yè)環(huán)境設(shè)計(jì)開發(fā)的工業(yè)控制器PLC，選擇在國(guó)內(nèi)應(yīng)用較多的西門子S7200型PLC。具體型號(hào)為SIMATIC S7200 CPU224。圖43 SIEMENS SIMATIC S700 PLC該機(jī)集成14 輸入/10 輸出共24 個(gè)數(shù)字量I/O 點(diǎn)?？蛇B接7 個(gè)擴(kuò)展模塊，最大擴(kuò)展至168 路數(shù)字量I/O 點(diǎn)或35 路模擬量I/O 點(diǎn)。16K 字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間。6 個(gè)獨(dú)立的30kHz 高速計(jì)數(shù)器，2 路獨(dú)立的20kHz 高速脈沖輸出，具有PID 控制器。1 個(gè)RS485 通訊/編程口，具有PPI 通訊協(xié)議、MPI 通訊協(xié)議和自由方式通訊能力。I/O 端子排可很容易地整體拆卸。是具有較強(qiáng)控制能力的控制器。因?yàn)闄C(jī)械手作業(yè)時(shí)，取工件、放工件，安裝工件、卸下工件都有定位精度的要求，所以在機(jī)械手控制中，除了要對(duì)垂直手臂、執(zhí)行手爪液壓缸和腰部步進(jìn)驅(qū)動(dòng)進(jìn)行開環(huán)控制外，還要水平手臂進(jìn)行閉環(huán)伺服控制。為了減少PLC的I/O點(diǎn)數(shù)，以伺服放大器作為閉環(huán)的比較點(diǎn)。伺服放大器具有傳感器反饋輸入端，給定的輸入信號(hào)和反饋信號(hào)進(jìn)行比較后形成的控制信號(hào)經(jīng)過(guò)PID調(diào)節(jié)和功率放大后，驅(qū)動(dòng)電液伺服閥對(duì)液壓缸進(jìn)行伺服定位。PLC將上位機(jī)輸入的給定信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，輸出至伺服放大器，由伺服放大器作為閉環(huán)比較點(diǎn)，組成模擬控制系統(tǒng)，如圖44所示。這種方案使得PLC控制量少（尤其是模擬量），節(jié)省了系統(tǒng)資源，而且編程簡(jiǎn)單，不必過(guò)多考慮控制算法等優(yōu)點(diǎn)，也是完全能滿足工作要求的。`圖44 水平手臂伺服定位控制原理圖 PLC外部接線設(shè)計(jì)為適應(yīng)水平手臂液壓缸的伺服定位的控制要求，利用西門子SIMATIC S7200 （CPU224）PLC，考慮到位移傳感器和伺服放大器工作采用的都為模擬量，故增加一個(gè)模擬量輸出模塊EM232，鑒于伺服放大器和位移傳感器的輸入要求，PLC的模擬量采用10V~ +10V輸入輸出，各輸入輸出點(diǎn)及其接線如圖45所示。PLC的具體硬件接線圖如下圖所示（詳細(xì)的硬件設(shè)計(jì)見(jiàn)圖紙）圖45 PLC硬件接線圖 I/O地址分配表41 PLC輸入元件地址分配明細(xì)表控 制 元 件符 號(hào)編程地址備注總停開關(guān)SB0按下停止工作啟動(dòng)開關(guān)SB1按下開始工作垂直缸上限行程開關(guān)SM1垂直缸下限行程開關(guān)SM2機(jī)床上下料命令開關(guān)SB2檢測(cè)料架有無(wú)工件光電開關(guān)SP0常閉開關(guān)，閉合表示有工件控制面板上/下選擇開關(guān)SQ1用于手動(dòng)調(diào)整時(shí)控制面板夾緊/松開選擇開關(guān)SQ2用于手動(dòng)調(diào)整時(shí)控制面板順/逆選擇開關(guān)SQ3用于手動(dòng)調(diào)整時(shí)控制面板手動(dòng)工作選擇開關(guān)SQ4用于手動(dòng)調(diào)整時(shí)控制面板自動(dòng)工作選擇開關(guān)SQ5表42 PLC輸出元件地址分配明細(xì)表控 制 元 件符 號(hào)編程地址備注步進(jìn)電機(jī)高速驅(qū)動(dòng)脈沖輸出/步進(jìn)電機(jī)方向控制/，反之為逆時(shí)針；垂直缸上升動(dòng)作電磁閥2DT垂直缸下降動(dòng)作電磁閥3DT手爪張開動(dòng)作電磁閥5DT機(jī)械手原點(diǎn)狀態(tài)指示燈L1顯示原點(diǎn)位置中斷強(qiáng)制關(guān)機(jī)開關(guān)KM用于中斷控制機(jī)械手控制主程序流程圖如圖46所示：圖46 機(jī)械手控制主程序流程圖機(jī)械手控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)采用西門子S7200 PLC的編程軟件STEP7Micro/WIN32進(jìn)行，通過(guò)編程給出具體控制程序梯形圖并進(jìn)行編譯和調(diào)試。得出了具體的程序梯形圖，詳細(xì)梯形圖（LAD）程序見(jiàn)附錄3。圖47 STEP 7MICRO/WIN 32編程窗口技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析1．一般企業(yè)引進(jìn)上下料機(jī)械手的做法是直接購(gòu)買通用型機(jī)械手（關(guān)節(jié)式），因?yàn)橥ㄓ脵C(jī)械手能適用的范圍比較廣，柔性和靈活性都較大，功能較強(qiáng)，因此成本很高。而作為上下料機(jī)械手在很多場(chǎng)合下，通用機(jī)械手是“大材小用”，很多功能和高精度都浪費(fèi)了，形成經(jīng)濟(jì)損失。這種現(xiàn)狀急需改變。2．本設(shè)計(jì)摒棄了照搬照抄國(guó)外設(shè)計(jì)，不具體問(wèn)題具體分析，不顧具體工作要求，一味仿照國(guó)外原型，盲目選擇高精度、高性能、高價(jià)格的先進(jìn)元件和設(shè)備，從而導(dǎo)致很多功能根本用不著，“大材小用”，無(wú)謂的提高了成本，造成資源浪費(fèi)的老設(shè)計(jì)“套路”和老方法。在滿足系統(tǒng)工藝要求的前提下，將機(jī)械手系統(tǒng)中相對(duì)獨(dú)立的環(huán)節(jié)采用高性價(jià)比且相對(duì)簡(jiǎn)潔的結(jié)構(gòu)形式和控制系統(tǒng)，采用模塊化設(shè)計(jì)，大量采用標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的通用元配件，從而使成本大為降低，具有顯著的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。本設(shè)計(jì)符合國(guó)內(nèi)一般工廠加工車間的設(shè)備和生產(chǎn)條件的具體實(shí)情，符合我國(guó)現(xiàn)階段的機(jī)械行業(yè)的實(shí)際國(guó)情，具有應(yīng)用可推廣性。3．本設(shè)計(jì)的機(jī)械手能夠?qū)崿F(xiàn)與數(shù)控機(jī)床相配合，實(shí)現(xiàn)加工過(guò)程中上下料的自動(dòng)化、無(wú)人化。而且，只要把手爪的結(jié)構(gòu)稍作改變,就可實(shí)現(xiàn)多種工件的自動(dòng)上料。它在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用推廣必將提高產(chǎn)品的質(zhì)量，并且節(jié)約能源，減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，促進(jìn)生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)步。具有很好的經(jīng)濟(jì)效益。4．本機(jī)械手采用可編程序控制器控制,可以實(shí)行手動(dòng)調(diào)整、手動(dòng)及自動(dòng)控制。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、工作可靠，設(shè)計(jì)周期短且造價(jià)較低。PLC有較高的靈活性，當(dāng)機(jī)械手工藝流程改變時(shí)，只要對(duì)I/O點(diǎn)的接線稍作修改，或I/O繼電器重新分配，程序中作簡(jiǎn)單修改，補(bǔ)充擴(kuò)展即可。機(jī)械手的速度、步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行所需的脈沖數(shù)都可以根據(jù)具體的工況進(jìn)行設(shè)置，能夠滿足在一定范圍內(nèi)數(shù)控上下料的多種作業(yè)要求，符合目前國(guó)內(nèi)具體的生產(chǎn)加工水平，能滿足一般企業(yè)生產(chǎn)要求。結(jié) 論本設(shè)計(jì)通過(guò)對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)大學(xué)本科四年所學(xué)知識(shí)進(jìn)行整合，完成一個(gè)特定功能、滿足特殊要求的數(shù)控機(jī)床上下料機(jī)械手的設(shè)計(jì)，比較好地體現(xiàn)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)生的理論研究水平、實(shí)踐動(dòng)手能力以及專業(yè)精神和態(tài)度，具有較強(qiáng)的針對(duì)性和明確的實(shí)施目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了理論和實(shí)踐的有機(jī)結(jié)合。本設(shè)計(jì)摒棄了照搬照抄國(guó)外設(shè)計(jì)，不具體問(wèn)題具體分析，不顧具體工作要求，一味仿照國(guó)外原型，盲目選擇高精度、高性能、高價(jià)格的先進(jìn)元件和設(shè)備，從而導(dǎo)致很多功能根本用不著，“大材小用”，無(wú)謂的提高了成本，造成資源浪費(fèi)的老設(shè)計(jì)“套路”和老方法。在滿足系統(tǒng)工藝要求的前提下，將機(jī)械手系統(tǒng)中相對(duì)獨(dú)立的環(huán)節(jié)采用高性價(jià)比且相對(duì)簡(jiǎn)潔的結(jié)構(gòu)形式和控制系統(tǒng)，采用模塊化設(shè)計(jì)，大量采用標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的通用元配件，從而使成本大為降低，具有顯著的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。本機(jī)械手能夠?qū)崿F(xiàn)與數(shù)控機(jī)床相配合，實(shí)現(xiàn)加工過(guò)程中上下料的自動(dòng)化、無(wú)人化。而且，只要把手爪的結(jié)構(gòu)稍作改變,就可實(shí)現(xiàn)多種工件的自動(dòng)上料。它在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用推廣必將提高產(chǎn)品的質(zhì)量，并且節(jié)約能源，減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，促進(jìn)生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)步。具有很好的經(jīng)濟(jì)效益。機(jī)械手采用可編程序控制器控制,可以實(shí)行手動(dòng)調(diào)整、手動(dòng)及自動(dòng)控制。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、工作可靠，設(shè)計(jì)周期短且造價(jià)較低。PLC有較高的靈活性，當(dāng)機(jī)械手工藝流程改變時(shí)，只要對(duì)I/O點(diǎn)的接線稍作修改，或?qū)/O重新分配，在控制程序中作簡(jiǎn)單修改，補(bǔ)充擴(kuò)展即可。經(jīng)過(guò)重新編制相應(yīng)的控制程序，就能夠比較容易的推廣到其他類似的加工情況。綜上，通過(guò)近三個(gè)月的畢業(yè)設(shè)計(jì)，經(jīng)過(guò)資料的收集、方案的選擇比較和論證，到分析計(jì)算，再到工程圖紙的繪制以及畢業(yè)設(shè)計(jì)論文的撰寫等各個(gè)環(huán)節(jié)，我對(duì)大學(xué)四本科階段的知識(shí)有了一個(gè)整體的深層次的理解，同時(shí)對(duì)工程的理解更加深刻和準(zhǔn)確。因此，通過(guò)畢業(yè)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了預(yù)期目標(biāo)。專題部分高速切削的數(shù)控加工工藝數(shù)控銑削加工工藝的制訂一．零件圖工藝分析 針對(duì)數(shù)控銑削加工的特點(diǎn)，下面列舉出一些經(jīng)常遇到的工藝性問(wèn)題作為對(duì)零件圖進(jìn)行工藝性分析的要點(diǎn)來(lái)加以分析與考慮。 （1）圖紙尺寸的標(biāo)注方法是否方便編程？構(gòu)成工件輪廓圖形的各種幾何元素的條件是否充要？各幾何元素的相互關(guān)系（如相切、相交、垂直和平行等）是否明確？有無(wú)引起矛盾的多余尺寸或影響工序安排的封閉尺寸？等等。 （2）零件尺寸所要求的加工精度、尺寸公差是否都可以得到保證？不要以為數(shù)控機(jī)床加工精度高而放棄這種分析。特別要注意過(guò)薄的腹板與緣板的厚度公差，“銑工怕銑薄”，數(shù)控銑削也是一樣，因?yàn)榧庸r(shí)產(chǎn)生的切削拉力及薄板的彈性退讓。極易產(chǎn)生切削面的振動(dòng)，使薄板厚度尺寸公差難以保證，其表面粗糙度也將惡化或變壞。根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)面積較大的薄板厚度小于3㎜時(shí)就應(yīng)充分重視這一問(wèn)題。 （3）內(nèi)槽及緣板之間的內(nèi)轉(zhuǎn)接圓弧是否過(guò)小? （4）零件銑削面的槽底圓角或腹板與緣板相交處的圓角半徑r是否太大？ （5）零件圖中各加工面的凹圓弧(R與r)是否過(guò)于零亂，是否可以統(tǒng)一？因?yàn)樵跀?shù)控銑床上多換一次刀要增加不少新問(wèn)題，如增加銑刀規(guī)格，計(jì)劃停車次數(shù)和對(duì)刀次數(shù)等，不但給編程帶來(lái)許多麻煩，增加生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間而降低生產(chǎn)效率，而且也會(huì)因頻繁換刀增加了工件加工面上的接刀階差而降低了表面質(zhì)量。所以，在一個(gè)零件上的這種凹圓弧半徑在數(shù)值上的一致性問(wèn)題對(duì)數(shù)控銑削的工藝性顯得相當(dāng)重要。一般來(lái)說(shuō)，即使不能尋求完全統(tǒng)一，也要力求將數(shù)值相近的圓弧半徑分組靠攏，達(dá)到局部統(tǒng)一，以盡量減少銑刀規(guī)格與換刀次數(shù)。 （6）零件上有無(wú)統(tǒng)一基準(zhǔn)以保證兩次裝夾加工后其相對(duì)位置的正確性？有些工件需要在銑完一面后再重新安裝銑削另一面]。由于數(shù)控銑削時(shí)不能使用通用銑床加工時(shí)常用的試削方法來(lái)接刀，往往會(huì)因?yàn)楣ぜ闹匦掳惭b而接不好刀(即與上道工序加工的面接不齊或造成本來(lái)要求一致的兩對(duì)應(yīng)面上的輪廓錯(cuò)位)。為了避免上述問(wèn)題的產(chǎn)生，減小兩次裝夾誤差，最好采用統(tǒng)一基準(zhǔn)定位，因此零件上最好有合適的孔作為定位基準(zhǔn)孔。如果零件上沒(méi)有基準(zhǔn)孔，也可以專門設(shè)置工藝孔作為定位基準(zhǔn)（如在毛坯上增加工藝凸耳或在后續(xù)工序要銑去的余量上設(shè)基準(zhǔn)孔）。如實(shí)在無(wú)法制出基準(zhǔn)孔，起碼也要用經(jīng)過(guò)精加工的面作為統(tǒng)一基準(zhǔn)。如果連這也辦不到，則最好只加工其中一個(gè)最復(fù)雜的面，另一面放棄數(shù)控銑削而改由通用銑床加工。 (7）分析零件的形狀及原材料的熱處理狀態(tài)，會(huì)不會(huì)在加工過(guò)程中變形？哪些部位最容易變形？因?yàn)閿?shù)控銑削最忌諱工件在加工時(shí)變形，這種變形不但無(wú)法保證加工的質(zhì)量，而且經(jīng)常造成加工不能繼續(xù)進(jìn)行下去，“中途而廢”，這時(shí)就應(yīng)當(dāng)考慮采取一些必要的工藝措施進(jìn)行預(yù)防，如對(duì)鋼件進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，對(duì)鑄鋁件進(jìn)行退火處理，對(duì)不能用熱處理方法解決的，也可考慮粗、精加工及對(duì)稱去余量等常規(guī)方法。此外，還要分析加工后的變形問(wèn)題，采取什么工藝措施來(lái)解決。二．切削用量的選擇 影響切削用量的因素有： 機(jī)床切削用量的選擇必須在機(jī)床主傳動(dòng)功率、進(jìn)給傳動(dòng)功率以及主軸轉(zhuǎn)速范圍、進(jìn)給速度范圍之內(nèi)。機(jī)床—刀具—工件系統(tǒng)的剛性是限制切削用量的重要因素。切削用量的選擇應(yīng)使機(jī)床—刀具—工件系統(tǒng)不發(fā)生較大的“振顫”。如果機(jī)床的熱穩(wěn)定性好，熱變形小，可適當(dāng)加大切削用量。 表11 常用刀具材料的性能比較刀具材料切削速度耐磨性硬度硬度隨溫度變化高速鋼最低最差最低最大硬質(zhì)合金低差低大陶瓷刀片中中中