【正文】 動作。為了滿足不同的使用特性和功能，我們可以通過選擇不同的模塊進行組合。 為了提高機械手的應(yīng)用范圍，讓每一個機械手擁有不同的使用特性，所以對機械手的結(jié)構(gòu)進行模塊化設(shè)計。大多數(shù)加工中心都帶有能夠自動換刀裝置的換刀系統(tǒng)，并按照程序?qū)崿F(xiàn)自動加工。 皖 西 學(xué) 院 本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 論 文 題 目 自動換刀機械手結(jié)構(gòu)設(shè)計及 PLC 控制研究 姓名（ 學(xué)號 ） 武金鵬（ 2021011644） 系 別 機械與電子工程學(xué)院 專 業(yè) 機械設(shè)計制造及其自動化 導(dǎo) 師 姓 名 翁志剛 二 〇 一 三 年 六 月 皖西學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計） I 目 錄 畢業(yè)論文正文 皖西學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計）任務(wù)書 皖西學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計）開題報告 皖西學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計）中期檢查表 皖西學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計）指導(dǎo)教師意見表 皖西學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計）評閱教師意見表 皖西學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計）答辯記錄表 皖西學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計） II 自動換刀機械手結(jié)構(gòu)設(shè)計及 PLC 控制研究 作 者 武金鵬 指導(dǎo)教師 翁志剛 摘要： 隨著數(shù)控技術(shù) 的應(yīng)用與發(fā)展，零件加工的輔助時間大大降低了，極大的提高了生產(chǎn)效率。伴隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和生產(chǎn)力的提高，使數(shù)控機床發(fā)展成為機械加工中普遍應(yīng)用的一種更先進的制造方法叫做加工中心。氣動機械手 具有簡單的機構(gòu)、動作靈敏、節(jié)能、環(huán)保、可靠性高、可實現(xiàn)無級調(diào)速等優(yōu)點。特將其分為若干個模塊，其包括：立柱、基座、手臂、手部、手腕等模塊。當(dāng)產(chǎn)品的使用性能發(fā)生變化時，我們可以根據(jù)需要對部分模塊進行修改或從新改造，這樣即節(jié)省了設(shè)計成本，又提供了設(shè)計效率。根據(jù)實際需要，本系統(tǒng)采用三菱 FX2N 一 PLC 作為核心進行控制。 關(guān)鍵詞： 自動換刀機械手、 PLC、電氣 氣壓伺服控制系統(tǒng)。它能在提高生產(chǎn)效率的同時，提高產(chǎn)品質(zhì)量，對改善勞動條件，促進產(chǎn)品的更新?lián)Q代起著促進作用。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。隨著自動化技術(shù)的發(fā)展，機械手已經(jīng)廣泛的應(yīng)用在機械加工、自動換刀、流水線上生產(chǎn)及裝配、上下料等。由于機械手能很大程度上提高生產(chǎn)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(yīng)用。機械手之所以更好的結(jié)合機械和自動化技術(shù)，得力于電子計算機的快速發(fā)展，使得機械手的生產(chǎn)與設(shè)計已經(jīng)成為一門新興技術(shù)產(chǎn)業(yè)。機械手在以下行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用，比如，零件的裝配、工件的搬運與拆卸、以及在數(shù)控機床上的自動換刀系統(tǒng)。它主要應(yīng)用在中小批量的生產(chǎn)，它可以省去工件運輸工具。而目前我國的工業(yè)機器人技術(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)濟上、技術(shù)上考慮都是十分必要的。 、設(shè)計目的 本設(shè)計通過對大學(xué)四年所學(xué)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(shè)計，能夠比較好地 體現(xiàn)機械設(shè)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(biāo)，能夠?qū)崿F(xiàn)理論和實踐的有機結(jié)合。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 ,利用機器人技術(shù)。 在現(xiàn)在的機械加工中，機械手手的普遍應(yīng)用具有十分重要的意義。 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。 有一些簡單的工作總是機械式的重復(fù)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。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(chǎn)效率的提高。 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。這種機械手結(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。 (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。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。這種機械手因手指結(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)。 、按機械手手臂的運動坐標(biāo)型式分類 (1)直角坐標(biāo)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(biāo) 軸的方向上往返運動。 (2)圓柱坐標(biāo)式機械手手臂 可以沿 X 和 Z 兩個直角坐標(biāo)軸移動，以及繞 Z 軸的轉(zhuǎn)動，我們叫做機械手的前后伸縮、上下升降和左右擺動。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(zhuǎn)動?？梢杂勉q鏈將大小臂以及大臂和機體進行連接起來。 機 械手手臂的運動坐標(biāo)型式 如圖 21 所示 : 皖西學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 第 4 頁 圖 21 機械手手臂的運動坐標(biāo)型式 、按機械手的驅(qū)動方式分類 (l)以壓力油進行驅(qū)動的液壓驅(qū)動機械手 (2)以壓縮空氣進行驅(qū)動的氣壓驅(qū)動機械手 (3)直接用電動機進行驅(qū)動的電力驅(qū)動機械手 (4)將發(fā)動機的動力通過動力傳動機構(gòu)傳給機械手的一種驅(qū)動方式叫做機械驅(qū)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(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。并盡量選擇標(biāo)準(zhǔn)件進行設(shè)計，這樣既可以簡化設(shè)計過程，又可以在較低的制造成本上，提高產(chǎn)品的通用性。 2．機械結(jié)構(gòu)簡單。 4．因其移動空間比較大，側(cè)該機構(gòu)占用空間大。 6．很難對各滑動部件進行密封，側(cè)容易受到污染。 2．若要求有較大的動力輸出，直線部分可采用液壓進行驅(qū)動。 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。 三、球坐標(biāo)型 1．工作范圍較大的地方在 中心支架附近。 3．需要較大的工作空間。 5．轉(zhuǎn)動部分密封比較容易。 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。 3．可以在水下等要求比較低的工作條件下工作。 5．其運動狀態(tài)比較難以控制，機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計比較困難，不適合用液壓進行驅(qū)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)。 為了使機械手具有升降、伸縮和回轉(zhuǎn)運動，故選用圓柱坐標(biāo)型機械手，因此機械手得到三個自由度。所以，機械手總共具有四個運動自由度。 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。此機械手省略手腕部分。圖中換刀機械手的初始位置在與刀架垂直 90176。即機械手均運動到水平和豎直方向上的極限位置。機械手要把刀具送到刀架上，需要完成以下幾個動作： (1)、水平伸 出 —— 機械手水平機構(gòu)伸出 70mm，到達刀庫正上方。 (3)、夾緊 —— 手臂機構(gòu)迅速夾緊刀柄。 (5)、水平收縮 —— 水平機構(gòu)快速收縮 70mm，整個機構(gòu)回到初始位置。 (7)、豎直下降、松開 —— 小臂升降機構(gòu)下行 30mm，將刀具放在刀架上，同時手部機構(gòu)松開工件。 皖西學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 第 8 頁 (9)、擺動 —— 機械手順時針擺動 90? ，回到初始位置。 、工步時間分配 經(jīng)研究決定機械手完成整個換刀過程需要 ，根據(jù)上述換刀的各個過程，對時間進行分配 ， 如 表 21 所示 ： 表 21 機械手運動過程與時間 分配 工步號 工步名稱 行程（ mm） 預(yù)分配時間（ s） 1 水平伸出 70 2 垂直下降 30 3 夾緊 1 4 豎直上升 30 5 水平收縮 70 6 擺動（逆時針） 90176。 總計 、機械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案 本方案采用模塊化的設(shè)計方法，機械手包括以下幾個模塊：立柱、手臂、小臂、手腕和手爪幾個模塊。為了滿足實際工作要求，本機械手只需要立柱、手臂、小臂和手爪幾個模塊。下面將三種驅(qū)動方式進行分析比較。 (2)可以把機械手的一部分用作液壓缸，這樣既可以實現(xiàn)直線運動，又可以使其結(jié)構(gòu)簡單。 (4)液壓系統(tǒng)可實現(xiàn)自我潤滑，過載保護方便，使用壽命長。 同時 系統(tǒng)發(fā)熱 量比較大 ， 很難找出小的故障 。 (2)在管路中壓縮空氣 流動速度比較快，所以該系統(tǒng)動作響應(yīng)比較快。 與液體相比，氣體體積比較大，且 氣動 宜被壓縮，所以其定位精度不高，噪聲比較大。 普通交、直 流電動機驅(qū)動 需要用減速機構(gòu)來獲得較大的輸出力矩 ,但是因為其 慣性 力矩比較 大 ，所以要實現(xiàn)精確控制比較困難 ，適用于 重型機械的控制 。步進電動機 一般 用于開環(huán)控制系統(tǒng)， 而 交、直伺服電動機 主要 用于閉環(huán)控制系統(tǒng)，因為他們的控制精度不是很高 。氣體壓縮性大，阻尼效果差，低速不易控制，不易與CPU 連接 維修簡單，能在高溫、粉塵等惡劣環(huán)境中使用，泄漏無影響 體積較大 中、小型專用機械手或機械手都有應(yīng)用 結(jié)構(gòu)簡單，能源方便，成本低 液壓驅(qū)動 壓力高，可獲得大的輸出力 油液不可壓縮 ,壓力、流量均容易控制，可無級調(diào)速，反應(yīng)靈敏，可實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制 維修方便，液體對溫度變化敏感，油液泄漏易著火 在輸出力相同的情況下，體積比氣壓驅(qū)動方式小 中小型專用機械手或機械手都有應(yīng)用，中型機械手多為液壓驅(qū)動 液壓元件成本較高，油路也較復(fù)雜 電力驅(qū)動 異步電動機、直流電動機 輸出力較大 控制性能較差，慣性大，不易精確定位 維修使用方便 要減速裝置，體積較大 適用于速度低、抓重大物體的專用機械手 成本低 皖西學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 第 11 頁 步進或伺服電機 輸出力較小 容易與 CPU連接，控制性能好，響應(yīng)快，可精確定位，但控制系統(tǒng)復(fù)雜 維修使用較復(fù)雜 體積較小 可用于程序復(fù)雜、運動軌跡要求嚴格的工業(yè)機械手 成本較高 機械聯(lián)動 輸出力較大 速度較高，速度與加速度均由機構(gòu)控制。不易與CPU 連接 維修使用方 便 自由度多時，機構(gòu)復(fù)雜，體積也較大 適用于自由度少，速度較高的專用機械手 結(jié)構(gòu)簡單，成本低 綜合進行各方面的比較，我們選擇氣壓驅(qū)動系統(tǒng)，應(yīng)為其結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜、工作穩(wěn)定、污染幾乎為零、可以在高溫環(huán)境下工作、同時還可以抵抗各種電磁干擾等優(yōu)點，在當(dāng)今機械加工中應(yīng)用比較廣泛。下面以機械手伸縮運動為例闡述伺服系統(tǒng)的工 作原理。當(dāng)電位器的觸頭處于中位時，觸頭上沒有電壓輸出。電位器觸頭產(chǎn)生的微弱電壓，經(jīng)放大器放大后對電氣伺服閥進行控制。齒條固定在機械手臂上，電 位器殼體固定在齒輪上，所以當(dāng)手臂帶動齒輪轉(zhuǎn)動時，電位器殼體同齒輪一起轉(zhuǎn)動，形成負反饋。這時，壓縮空氣經(jīng)閥的開口進入氣缸的左腔，推動活塞桿連同機械手手臂一起向右運動。當(dāng)電位器的中位和觸頭重合時，偏差為零，則動觸頭輸出電壓為零，電氣伺服閥失去信號，閥口關(guān)閉，手臂停止移動。當(dāng)數(shù)字控制裝置發(fā)出反向脈沖時，步進電動機逆時針方向轉(zhuǎn)動，手臂縮回?？偟碾姎?氣動系統(tǒng)原理圖如 圖 32 所示： 圖 32 機械手氣動伺服系統(tǒng)圖 皖西學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 第 14 頁 、電氣伺服閥 電氣 伺服控制屬于連續(xù)控制，其特點是輸出量隨輸入量的變化而變化，輸出量與輸入量之間存在一定的關(guān)系。它是利用電磁力作用在轉(zhuǎn)換元件的可動部件上，通過其中的彈性元件轉(zhuǎn)變?yōu)槲灰疲ㄟ^此位移來調(diào)節(jié)氣動放大器 (放大元件 )的節(jié)流面積，從而控制通過氣動放大器的氣體壓力或流量。驅(qū)動電 機械轉(zhuǎn)換器的功率一般只需幾瓦，而氣動放大器的輸出氣流的功率可達幾千瓦。本機械手采用噴嘴擋板式的電氣伺服閥，來確保連接機械手手臂的氣壓缸按所要求的控制規(guī)律和定位精度工作，工作過程大致如下： 如圖 33 所示，若伺服放大器輸出的偏差信號 (即設(shè)定的指令信號與反饋信號之差 )經(jīng)放大后，加到氣壓伺服閥的電磁線圈上，則永久磁鐵和電磁線圈間產(chǎn)生相吸或相斥的電磁力，使端部裝有擋板的桿件偏離中間平衡位置繞支點左右擺動，擋板使對稱布置的兩個轉(zhuǎn)換器 (結(jié)構(gòu)原理如圖 34)噴嘴處的氣體流量發(fā)生不均等的變化，因而造成一側(cè)噴嘴背壓腔壓力升高，另一側(cè)轉(zhuǎn)換器噴嘴背壓腔壓力降低，則負載氣缸左右腔壓力不等，活塞桿 (連接機械手手臂 )移動，實現(xiàn)工作要求的運動規(guī)律。 皖西學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 第 15 頁 圖 33 電氣一氣壓伺服閥工作原理圖 上圖中，零位 (點 )調(diào)整彈簧左右端均與帶擋板的桿件相聯(lián)，起著機械零位調(diào)整和對中彈簧補償作用；增益調(diào)整彈簧在偏差信號為零時 (即輸出壓力處于平衡狀態(tài)時 )，不與桿件接觸，當(dāng)偏差信號超過某一數(shù)值后才接觸。另外