自动换刀机械手结构设计及PLC控制研究毕业设计文档格式.docx
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特将其分为假设干个模块，其包括：
立柱、基座、手臂、手部、手腕等模块。
为了满足不同的使用特性和功能，我们可以通过选择不同的模块进行组合。
当产品的使用性能发生变化时，我们可以根据需要对局部模块进行修改或从新改造，这样即节省了设计本钱，又提供了设计效率。
经过对机械手在结构和运动方面上的分析后，采用电气一气压伺服控制技术对机械手进行控制和驱动，气动执行元件根据电气控制信号的要求，驱动负载元件执行相应的动作。
根据实际需要，本系统采用三菱FX2N一PLC作为核心进行控制。
根据机械手的工作原理制定相应的控制方案，实现机械手的精确定位和无级变速。
关键词：
自动换刀机械手、PLC、电气-气压伺服控制系统。
ResearchonStructureDesignandPLCControl
OfAutomatictoolchangeManipulator
Abstract:
.WithCNCtechnologyapplicationanddevelopmentofauxiliarypartsprocessingtimeisgreatlyreduced,greatlyimprovingproductionefficiency.WiththedevelopmentofscienceandtechnologytoimproveproductivityandmakeCNCmachiningdevelopintoamoreuniversalapplicationofadvancedmanufacturingmethodcalledmachiningcenters.MostmachiningcenterswithautomatictoolchangercanATCsystem,andfollowtheproceduresforautomaticprocessing.PneumaticManipulatorhasasimplemechanism,sensitive,energy-saving,environmentalprotection,highreliability,canrealizesteplessspeedregulationandotheradvantages.
Inordertoimprovetheapplicationrangeoftherobot,sothateachrobothasdifferentusagecharacteristics,sothestructureoftherobotmodulardesign.Specialwillbedividedintoseveralmodules,including:
columns,base,arms,hands,wristsandothermodules.Inordertomeetdifferentfeaturesandcapabilities,wecanchooseadifferentmodulecombinations.Whenproductperformancechanges,wemayneedtomakechangesonthepartofthemoduleorre-transformation,sothatthedesigncostsavings,butalsoprovidesadesignefficiency.
Afterthemanipulatoronthestructureandmotionanalysis,theuseofelectricservocontroltechnologyofthepneumaticmanipulatorcontrolanddrive,pneumaticactuatorsaccordingtotherequirementsoftheelectricalcontrolsignaltodrivetheloadelementtheappropriateaction.Accordingtoactualneeds,thesystemusesaMitsubishiFX2NPLCasthecorecontrol.AccordingtotheworkingprincipleoftherobottodevelopappropriatecontrolprogramstoachieveprecisepositioningofthemanipulatorandCVT.
KeyWords:
Automatictoolchangemanipulator、ProgrammableLogicController、Electro-pneumaticservoorientationsystem.
第1章绪论
1.1、换刀械手概述
换刀机械手是由集控制器、传感器和伺服驱动系统为一体的机电一体化产品，它模仿人的操作，可实现自动控制、重复编程、能够完成各种复杂的动作。
它能在提高生产效率的同时，提高产品质量，对改善劳动条件，促进产品的更新换代起着促进作用。
机械手的使用情况，标志着一个国家工业自动化水平的上下。
机械手并不是简单的代替人的体力的劳动，而是将人的智慧表达在机器上。
是机械人具有人的快速反响和分析判断能力，又有具有高精度、高强度持续工作的能力，并且能够适应比拟差的环境，我们可以说机械手是工具进化的产物。
随着自动化技术的开展，机械手已经广泛的应用在机械加工、自动换刀、流水线上生产及装配、上下料等。
但是大多数机械手的专用型比拟强，莫台机器上的机械手在不改造的情况下，很难在其他机器上使用。
由于机械手能很大程度上提高生产效率，简化机械加工的程序，所以它在机械加工中得到广泛的应用。
1.2、选题背景
机械手是在自动化生产过程中使用的一种具有抓取和移开工件功能的自动化装置，它是在机械化、自动化生产过程中产生的一种新型装置。
机械手之所以更好的结合机械和自动化技术，得力于电子计算机的快速开展，使得机械手的生产与设计已经成为一门新兴技术产业。
我们可以把一些高危险、机械式重复而枯燥的工作交给机械手，这样既减轻我们的体力劳动，又提高了生产效率。
机械手在以下行业得到广泛的应用，比方，零件的装配、工件的搬运与拆卸、以及在数控机床上的自动换刀系统。
为了把机械手和机床的有机结合在一起，机械手随着科学技术的开展，已经开展成为柔性制造系统和柔性制造单元中一个重要组成局部。
它主要应用在中小批量的生产，它可以省去工件运输工具。
而柔性生产系统比拟适用于产品更新换代比拟快的品种，这样既可以保证产品质量的稳定性，又能更好的适用于市场开展的需求。
而目前我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，应用规模和产业化水平低，机械手的研究和开发直接影响到我国自动化生产水平的提高，从经济上、技术上考虑都是十分必要的。
因此，进行机械手的研究设计是非常有意义的。
1.3、设计目的
本设计通过对大学四年所学的知识进行整合，完成一个通用形式的普通圆棒料搬运的机械手的设计，能够比拟好地表达机械设计制造及其自动化专业毕业生的理论研究水平，实践动手能力以及专业精神和态度，具有较强的针对性和明确的实施目标，能够实现理论和实践的有机结合。
目前，在国内很多工厂的生产中圆棒料的搬运摆放仍由人工完成，劳动强度大、生产效率低。
为了提高生产加工的工作效率,降低本钱,并使生产线开展成为柔性制造系统,适应现代自动化大生产,针对具体生产工艺,利用机器人技术。
为了提高生产率，我们特意设计了应用性比拟广泛的自动换刀机械手，从减轻工人的机械式体力劳动。
在现在的机械加工中，机械手手的普遍应用具有十分重要的意义。
具体概括如下：
一、以提高生产过程中的自动化程度
机械手的应用可以实现材料自动运输、工件的安装与拆卸、自动换刀以及零件的装配，从而节省大量不必要的时间。
二、以改善工作条件，提高人身平安
比方，一些高温、高压、噪声比拟大、高污染的工作环境、以及对人体有大量伤害的有毒气体和放射线，一般这样的环境不适合工人长时间在里面工作，所以机器人的使用无疑是比拟好的选择。
机器人根本上可以代替人的大量机械式重复劳动，这样不仅可以减轻工人的劳动强度，还可以改善劳动条件，提高工人的平安性。
有一些简单的工作总是机械式的重复操作，时间长了很容易造成工人的极度疲劳或疏忽，很容易造成一些不必要的人身事故。
三、可以减轻人力，让工作更有秩序
比方，机械手可以代替我们去完成枯燥无味而又机械式重复的工作，这样既可以减少人力，又可以保证一定的工作精度。
还有一些流水线上的工作，本来就需要大量的人力资源资源，而且又需要比拟高的工作效率和工作精度，但是有些工人却不能跟上流水线的速度，这就很容易造成流水线上工作秩序的混乱，严重的影响生产效率的提高。
由于自动控制技术的快速开展，特别是机器人的开展，让机器人反映更加灵敏，机械精度更高，完全可以跟上比拟缓慢的流水线，这样是整个流水线更加有秩序。
综上所述，机械手使以后的工作更加有效率，是未来机械工业开展的趋势。
第2章机械手总体设计方案
2.1、机械手类型
2.1.1、根据机械手的应用范围分类
（l）专用机械手一般没有单独的控制系统，而且只有固定的控制程序。
这种机械手结构比拟简单，制造本钱较低，适用于动作比拟简单且工作量比拟大的场合。
它通常安装到某种机器或生产线上，用来自动传送物件或夹持某种工件或刀具等操作功能。
（2）通用机械手具有独立专门的控制系统，并且控制程序可以根据需要进行修改。
可以安装在各种机器上，能独立完成工件的夹持与搬运以及刀具的安装与拆卸。
通用机械手因其工作方式的不同，可分为简易型和伺服型两种。
简易型只是分散的点动控制，故属于程序控制类型，而伺服型是集点位控制和连续轨迹控制于一体的控制方式，通常认为属于数字控制模型。
这种机械手因手指结构可以根据需要更换，程序可以由用户改换，可用于中、小批次的生产。
但因其运动和结构复杂性，所以需要较高的设计要求，造成本钱过高。
2.1.2、按机械手手臂的运动坐标型式分类
（1）直角坐标式机械手手臂具有X、Y、Z三个方向上的自由度，即分别可以沿X、Y、Z三个直角坐标轴的方向上往返运动。
我叫做机械手的前后伸缩、上下升降和左右移动。
（2）圆柱坐标式机械手手臂可以沿X和Z两个直角坐标轴移动，以及绕Z轴的转动，我们叫做机械手的前后伸缩、上下升降和左右摆动。
（3）球坐标式机械手臂沿X轴方向上的移动，以及绕Y轴和Z轴的转动。
即机械手臂可以完成前前方向的伸缩、上下方向的摆动和左右方向上的转动。
（4）多关节式机械手臂此机械手的臂部可化分成大臂和小臂两个局部。
可以用铰链将大小臂以及大臂和机体进行连接起来。
即小臂可绕大臂上下摆动，同时大臂也可绕机体多角度摆动。
机械手手臂的运动坐标型式如图2-1所示:
图2-1机械手手臂的运动坐标型式
2.1.3、按机械手的驱动方式分类
（l）以压力油进行驱动的液压驱动机械手
（2）以压缩空气进行驱动的气压驱动机械手
（3）直接用电动机进行驱动的电力驱动机械手
（4）将发动机的动力通过动力传动机构传给机械手的一种驱动方式叫做机械驱动机械手。
综合各种技术要求，我们选用圆柱坐标型气压驱动机械手。
本课题要求机械手具有较高的的定位精度、较快的反响速度，比拟大的承载能力，以及工作空间比拟宽广和灵活的自由度，并具有自动定位的能力。
拟定机气动机械手设计的原那么是根据工作对象的工作条件、运动要求和定位精度，从分利用现有的机械设计条件和设计能力，在满足机械手各方面上的使用要求的前提下，选择最经济的设计方案。
并尽量选择标准件进行设计，这样既可以简化设计过程，又可以在较低的制造本钱上，提高产品的通用性。
2.2、机械手的坐标形式与自由度
根据机械手手臂运动形式和自由度的不同，通常将其划分为直角坐标型、圆柱坐标型、球坐标型和多关节坐标型，它们的特点如下
一、直角坐标型
1．有三个方向上的直线自由度，简单易懂。
2．机械结构简单。
3．对一定的结构长度，宜采用两端支持，刚性比拟好。
4．因其移动空间比拟大，侧该机构占用空间大。
5．必须在较大的空间进行安装。
6．很难对各滑动部件进行密封，侧容易受到污染。
二、圆柱坐标型
1．同样结构简单易于设计。
2．假设要求有较大的动力输出，直线局部可采用液压进行驱动。
3．可以将机械手局部伸入到机器的型腔内部。
4．机械手的气爪部所能到达的空间受到限制，很难接触到立柱和地面的位置。
5．直线驱动模的密封性、防尘及防御腐蚀性较差
6．手臂收缩时，手臂后端只能在一定的工作范围内运动。
三、球坐标型
1．工作范围较大的地方在中心支架附近。
2．直线驱动局部存在密封性差的情况。
3．需要较大的工作空间。
4．也有工作死区局部。
5．转动局部密封比拟容易。
6．由于坐标系很复杂，设计较困难。
四、多关节坐标型
1．工作空间比拟宽广，并且动作叫灵活。
2．关节的密封性比拟好。
3．可以在水下等要求比拟低的工作条件下工作。
4．电动机比拟容易实现动力的提供。
5．其运动状态比拟难以控制，机械结构的设计比拟困难，不适合用液压进行驱动。
可以将机械手的运动分为主运动和辅助运动。
机械手的主运动包括立柱和手臂的运动，因主运动改变了工件空间的空间状态。
辅助运动包括手指和手腕的运动，因为他们分别改变工件的姿态，以及工件的位置和方位。
为了使机械手具有升降、伸缩和回转运动，应选用圆柱坐标型机械手，因此机械手得到三个自由度。
为了弥补立柱升降过程中造成的较大的震动和手臂的伸缩造成的机械刚度缺乏，我们增加了一个具有短行程升降的小臂结构，从而使机械手将刀具从刀库中拔出，即在竖直方向上增加了一个自由度。
所以，机械手总共具有四个运动自由度。
图2-2为机械手的运动示意图。
我们称升降行程比拟大局部为立柱，行程较小的升降局部为小臂。
有时为了增加机械手的通用性，我们可以增加手腕部，使其具有回转运动。
此机械手省略手腕局部。
图2-2机械手的运动示意图
2.3、机械手工作过程及工步时间分配
2.3.1、确定完成动作及顺序
图2-3换刀机械手布局示意图
换刀机械手的布局示意图如图2-3所示。
图中换刀机械手的初始位置在与刀架垂直90°
且气爪正对刀库换刀位置。
即机械手均运动到水平和竖直方向上的极限位置。
为了机械手和刀具恰好对齐，本控制系统采用刀座编码法对各种刀具进行编码，并根据需要使刀库旋转适适当的角度。
机械手要把刀具送到刀架上，需要完成以下几个动作：
（1）、水平伸出——机械手水平机构伸出70mm，到达刀库正上方。
（2）、竖直下降——小臂升降机构下行30mm，使手部夹持机构到达与刀柄水平的位置。
（3）、夹紧——手臂机构迅速夹紧刀柄。
（4）、竖直上升——待刀柄被夹紧后，小臂升降机构上行30mm，将刀具提出刀库。
（5）、水平收缩——水平机构快速收缩70mm，整个机构回到初始位置。
（6）、摆动——机械手逆时针摆动
，使机械手正对刀架。
（7）、竖直下降、松开——小臂升降机构下行30mm，将刀具放在刀架上，同时手部机构松开工件。
（8）、竖直上升——小臂升降机构上行30mm，回到原始极限位置。
（9）、摆动——机械手顺时针摆动
，回到初始位置。
当机械手完成换刀动作后，刀架上的推爪把刀具从从刀架的一端推向另一端，到此，就将机械手的整个换刀动作完成。
2.3.2、工步时间分配
经研究决定机械手完成整个换刀过程需要5.5s，根据上述换刀的各个过程，对时间进行分配，如表2-1所示：
表2-1机械手运动过程与时间分配
工步号
工步名称
行程〔mm〕
预分配时间〔s〕
1
水平伸出
70
2
垂直下降
30
3
夹紧
4
竖直上升
5
水平收缩
6
摆动〔逆时针〕
90°
7
竖直下降
松开
8
9
摆动〔顺时针〕
总计
2.4、机械手的结构设计方案
本方案采用模块化的设计方法，机械手包括以下几个模块：
立柱、手臂、小臂、手腕和手爪几个模块。
为了满足4个自由度的要求，本机械手采用圆柱坐标形式。
为了满足实际工作要求，本机械手只需要立柱、手臂、小臂和手爪几个模块。
其结构示意图如图2-4所示：
图2-4气动机械手的结构简图
2.5、机械手的驱动方案
机器人关节的驱动方式有液压式、气动式、和电动式。
下面将三种驱动方式进行分析比拟。
1、液压驱动
机器人的驱动系统采用液压驱动，有以下几个优点：
（1）能够输出较大的力和力矩，同时能够快速响应，定位精度比拟高。
（2）可以把机械手的一局部用作液压缸，这样既可以实现直线运动，又可以使其结构简单。
（3）可以方便的实现变速和方向控制，自动化程度比拟高。
（4）液压系统可实现自我润滑，过载保护方便，使用寿命长。
但液压系统由于产生泄露而造成运动精度不高。
同时系统发热量比拟大，很难找出小的故障。
2、气压驱动
（1）机械结构简单，气体选取方便，并且干净环保。
（2）在管路中压缩空气流动速度比拟快，所以该系统动作响应比拟快。
（3）与液压控制系统相比，其工作压力比拟低。
与液体相比，气体体积比拟大，且气动宜被压缩，所以其定位精度不高，噪声比拟大。
3、电动机驱动
电动机驱动可分为普通交、直流电动机驱动，交、直流伺服电动机驱动和步进电动机驱动。
普通交、直流电动机驱动需要用减速机构来获得较大的输出力矩,但是因为其惯性力矩比拟大，所以要实现精确控制比拟困难，适用于重型机械的控制。
伺服电动机和步进电机因其输出力矩较小，侧控制性能相对较好，可以对速度和位置的精确控制，适用于中、小规模的机器中。
步进电动机一般用于开环控制系统，而交、直伺服电动机主要用于闭环控制系统，因为他们的控制精度不是很高。
各种驱动方式及特点如表2-2所示：
表2-2各种驱动方式及特点的比拟
驱动方式
特点
输出力
控制性能
维修使用
结构体积
使用范围
制造本钱
气压驱动
气压压力低，输出力较小，如需输出力大时，其结构尺寸过大
可高速，冲击较严重，精确定位困难。
气体压缩性大，阻尼效果差，低速不易控制，不易与CPU连接
维修简单，能在高温、粉尘等恶劣环境中使用，泄漏无影响
体积较大
中、小型专用机械手或机械手都有应用
结构简单，能源方便，本钱低
液压驱动
压力高，可获得大的输出力
油液不可压缩,压力、流量均容易控制，可无级调速，反响灵敏，可实现连续轨迹控制
维修方便，液体对温度变化敏感，油液泄漏易着火
在输出力相同的情况下，体积比气压驱动方式小
中小型专用机械手或机械手都有应用，中型机械手多为液压驱动
液压元件本钱较高，油路也较复杂
电力驱动
异步电动机、直流电动机
输出力较大
控制性能较差，惯性大，不易精确定位
维修使用方便
要减速装置，体积较大
适用于速度低、抓重大物体的专用机械手
本钱低
步进或伺服电机
输出力较小
容易与CPU连接，控制性能好，响应快，可精确定位，但控制系统复杂
维修使用较复杂
体积较小
可用于程序复杂、运动轨迹要求严格的工业机械手
本钱较高
机械联动
速度较高，速度与加速度均由机构控制。
定位精度高，可与主机严格同步。
不易与CPU连接
自由度多时，机构复杂，体积也较大
适用于自由度少，速度较高的专用机械手
结构简单，本钱低
综合进行各方面的比拟，我们选择气压驱动系统，应为其结构简单、价格廉价、工作稳定、污染几乎为零、可以在高温环境下工作、同时还可以抵抗各种电磁干扰等优点，在当今机械加工中应用比拟广泛。
第3章机械手的机械系统设计
3.1、机械手伺服系统设计
3.1.1、气动伺服系统设计
本课题机械手要求能实现伸缩、回转、升降等的动作，每一个动作都是由电气-气压伺服系统驱动的，其原理相同。
下面以机械手伸缩运动为例阐述伺服系统的工作原理。
机械手伸缩运动的电气与气压伺服控制系统原理图如图3-1所示，1一放大器、2一电气伺服阀、3一气缸、4一机械手手臂、5一齿轮齿条机构、6一电位器和7一步进电机等元件组成，它组成了一个电气与气压伺服控制系统。
当电位器的触头处于中位时，触头上没有电压输出。
当它偏离这个位置时，由于产生了偏差就会输出相应的电压。
电位器触头产生的微弱电压，经放大器放大后对电气伺服阀进行控制。
电位器触头由步进电动机带动旋转，步进电动机的偏转方向以及角位移和角速度由数字控制装置发出的脉冲数和脉冲频率控制。
齿条固定在机械手臂上，电位器壳体固定在齿轮上，所以当手臂带动齿轮转动时，电位器壳体同齿轮一起转动，形成负反响。
图3-1机械手伸缩运动电气一气压伺服系统原理图
机械手伸缩运动伺服系统的工作原理是：
由数字控制装置发出一定数量的脉冲，使步进电机带动电位器的动触头转过一定的角度（假定为顺时针方向转动），动触头偏离电位器中位，产生微弱电压，经放大器放大后，输入给电气伺服阀的控制线圈，使伺服阀产生一定的开口量。
这时，压缩空气经阀的开口进入气缸的左腔，推动活塞杆连同机械手手臂一起向右运动。
由于齿轮和机械手手臂上齿条相啮合，因而手臂向右移动时，电位器随之作顺时针方向转动。
当电位器的中位和触头重合时，偏差为零，那么动触头输出电压为零，电气伺服阀失去信号，阀口关闭，手臂停止移动。
手臂移动的行程决定于脉冲数量，速度决定于脉冲频率。
当数字控制装置发出反向脉冲时，步进电动机逆时针方向转动，手臂缩回。
根据模拟换刀机械手的动作要求，在驱动系统中气缸的运动方式主要有两种：
（1）直线运动（缸体固定，活塞杆作直线运动）；
（2）摆动（缸体固定，活塞杆摆动）。
总的电气-气动系统原理图
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