一种新型机械手控制系统的设计与实现.doc

1、一种新型机械手控制系统的设计与实现摘要：机械手是能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。本课题主要致力于数控机床上的换刀机械手的控制系统的设计与实现。目前，国内已有的机械手结构复杂，成本较高，大都在大型企业中应用。本课题针对数控机床，设计与其配套的换刀机械手，使其既能满足功能要求又具有良好的经济性。在本方案中，我们通过比较各种控制系统的优缺点，最终选用基于PLC的液压控制系统。机械手的全程动作选用液压传动来进行控制

2、；通过选用普通直动液压缸和旋转液压缸作为动力源，降低选材上的成本；通过调研获取设计的参考数据；通过对机械手进行结构分析，功能分析，经济性分析来综合考虑各种设计因素。关键词：液压式； 换刀机械手；控制系统；设计The control system design and implementation for a new manipulatorAbstract: The manipulator can imitate the function of motion of mans hand and arm, it is the automatic operation installment that

3、can capture and carry object or handing tools. It may replace persons heavy labor to achieve the production of mechanization and the automation, it also can operate under the adverse environment protecting the personal safety, thus, it is widely used in machinery manufacturing, metallurgy, electroni

4、cs, light industry and atomic energy. The main issue we focus on is the control system design and implementation of the tool change manipulator for CNC machine. In the current market, manipulators are more complex, have high costs, and mostly used in some large enterprises. The ATC we design for the

5、 NC machine can not only meet the functional requirements but also has a good economy. In this program, we have compared the advantages and disadvantages of various control systems, and the final selection is the hydraulic control system based on PLC. The manipulator is used by hydraulic control to

6、achieve all actions, and by the ordinary straight cylinder and the rotating hydraulic cylinder as a power source for reducing the cost of material. Form investigation and research, we get reference data, analysis the design features of the machine identify workflow, integrated with economic precisio

7、n, to consider comprehensive design factors.Keywords: Hydraulic; ATC Manipulator; Control system; Design目录第一章 概述51.1 引言51.1.1数控机床的特点和发展51.1.2 换刀装置的特点与发展51.2 本课题所涉及的软件61.2.1 CAD技术的应用61.2.2 Pro/E的应用61.3 研究的内容与意义71.3.1课题的来源71.3.2 研究的内容71.3.3 研究的意义7第二章 换刀机械手总体方案设计92.1 原理设计92.1.1 设计思想92.1.2 工作流程92.2 方案设计

8、102.2.1 传动方案设计102.2.2 控制设计选择10第三章 换刀机械手控制系统的设计123.1 换刀机械手的工作原理123.2 可编程控制器的介绍123.2.1 可编程控制器的定义与特点123.2.2组成133.2.3工作原理133.2.4编程143.3 换刀机械手控制方案设计143.3.1 机械手的控制形式143.3.2 机械手控制系统的比较153.3.3 机械手控制系统的设计15第四章 结论与展望174.1 结论174.2 展望17致 谢18参考文献19第一章 概述1.1 引言1.1.1数控机床的特点和发展数控机床是由机械设备和数控系统组成的适用于复杂零件加工的高效自动化机床。这种

9、机床能装若干把刀具，在一次装夹中完成铣、镗、钻、扩、铰等。1952年，美国麻省理工学院首先实现了三坐标铣床数控化，数控装置采用真空管电路。1955年，第一次进行了数控机床的批量制造。数控铣床是电子技术、自动控制技术、机械技术的综合运用，使机械加工领域划时代的重大技术突破。数控机床利用编程软件，可方便的将简单工序集中起来，从而大大的提高了零件的加工效率和加工质量。在加工复杂零件时，往往由于其工序高度集中，必须频繁的更换刀具。这样就大大的延长了加工时间。为了实现自动换刀，最早出现了转塔头立式钻镗铣床。但是直到1958年，美国的一家公司首次把铣钻镗等多种工序集中一台数控铣床中，通过自动换刀装置实现连

10、续加工，成为世界上第一台加工中心。数控机床在提高加工质量、提高经济效率、减少成本等方面是很显著的。与传统的机床相比，它可以大大的缩短加工所需的时间。世界各发达国家一些大规模的机械制造企业，早已采用高效的自动化生产设备。由于市场竞争激烈，各场家不断的改造自己的产品，以适应市场的需求。目前主要朝着高速化、高精度、智能化、复合化的方向发展。1.1.2 换刀装置的特点与发展在机械加工中，大部分零件都要进行多种工序加工。在一般的数控机床的整个加工过程中，真正用于切削的时间只占整个工作时间的30%左右，其余大部分时间都花在安装、调整刀具、装卸、搬运零件和检查加工精度等辅助工作上。为充分发挥数控机床的作用，

11、数控机床配有自动换刀装置。自动换刀装置的形式是多种多样的，其主要组成部分是刀库、机械手和驱动装置等。虽然换刀过程、选刀方式、刀库结构、机械手类型等各不相同，但都是在数控装置及可编程控制器控制下，由电机、液压或气动机构来驱动刀库和机械手实现刀具的选择与交换。自动换刀装置应满足换刀时间短，刀具重复定位精度高，识刀、选刀可靠，换刀动作简单可靠，体积小，便于安装与维修等要求。我国制造加工技术起步较晚，对ATC的研究也较少。进入90年代以来，北京机床研究所、大连组合机床研究所、济南第一有限公司、北京密云所、大河机床厂、青海机床厂等都对自动换刀装置进行了研究，目前已经取得了很大的成就 。例如济南第一机床有

12、限公司对立卧两用换刀机械手进行了全液压式的开发与研究。1.2 本课题所涉及的软件1.2.1 CAD技术的应用在现代的设计过程中，CAD(计算机辅助设计)技术已经完全渗透进来了，它给人们的设计工作带来了极大的方便，人们不在想过去一样，用图板和铅笔进行效率很低的设计工作。有了CAD技术，不论是对设计工作还是对以后的制造技术，都是一个非常大的优化。因而其也被视为20世纪最杰出的成就之一，它的应用和发展引起了社会和生产的巨人变革。在本课题中，对CAD的应用也很突出。计算机对设计起着非常重要的辅助作用，具体主要体现在以下儿个方面：计算机作图速度快；修改方便(这是传统手工设计所无法比拟的)；在很多时候能得

13、到比纯手工设计更好的效果，更高的精度。以设计制作一个标志为例，在以前，就算脑子里己经有了很成熟的构思，要把它表达出来我们先得一笔一笔地画形，然后老老实实地填色，填色还得讲究技巧，通常情况会花去数小时时间，但如果在计算机上用平面设计软件如CoreDRAW或者AUTO CAD完成这项工作，一般熟练程度，几分钟便可，而且效果更好。此外，如果需要哪怕一点儿修改，手工就可能要全部重来，而用计算机则不过是几分钟甚至几秒钟的工夫。这只是一个极小的例子。这种优越性在我们需要完成大工作量时会体现得尤为突出。而且，在做机械手设计的过程中，有些尺寸在理论上是需要非常精准的，某个稍有误差，则会影响到整个机械手的设计，

14、但在我们设计中用到CAD，就避免了上述问题。在现代工业设计中，因为有了二维设计软件，我们不仅可以快速地“画”出效果图，还能逼真地模拟出产品的实际效果(包括表面质感和光影等)和准确的透视，从不同的角度展示产品的各个方向和结构部件的效果，因而有时可以省掉做手工模型这一低效率的环节，大大缩短了产品开发的周期。本课题也是对CAD的一次很好的应用，正是CAD的使用，让我们在整个设计过程中受益匪浅。设计中出现的错误，我们可以通过CAD技术进行快速的修正，其二维的图形给人的视觉效果也很好，很直观形象，同时缩短了设计的周期。1.2.2 Pro/E的应用ProENGINEER自1988年问世以来，目前已成为世界

15、范围内广泛应用的3D CADCAM 系统之一。现已广泛应用于电子、通讯、 机械、模具、工业设计、汽车、自行车、航天、家电、玩具等各行业。ProE可谓是个全方位的3D产品开发软件，整合了零件设计、产品组、模具开发、NC加工、钣金设计、 铸造件设计、造型设计、逆向工程、自动测量、机械设计、动态仿真、应力分析、产品 数据库管理、协同设计开发等功能于一体，其模块众多，功能强大。本课题中虽然没有对其机械手成品进行专门的三维建模，但是在实际的设计中，为解决一些空间结构问题而对部分零件进行了建模，以辅助我们的设计工作，让设计出来的零部件结构更为合理。所以虽然我们并没有最终进行成品建模，但它是我们设计过程中一个不可或缺的工具。为我们能够及时的发现问题提供了很好的保障。1.3 研究的内容与意义1.3.1课题的来源本课题来源于如皋市江海科技开发公司研发项目。该公司是一所集产品开发、生产、技术服务、知识产权保护、人才培训于一体的科技型企业。 主要从事数控、 机电一体化、新产品、新材料开发、研制、生产、计算机网络、技术服务、技术咨询、人才培训，是中国企业远程培训示范基地、 全国现代制造技术应用软件课程远程培训单位、全国汽车维修专项技能认证考试站、江苏大学制造业信息化研究中心研发基地、国家CIMS江苏