換刀機械手設(shè)計帶CAD圖
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控制與檢測組合機床與自動化加工技術(shù)文章編號：1 0 0 1 2 2 6 5 ( 2 0 1 0 ) 0 8 0 0 4 2 0 3加工中心換刀機械手控制系統(tǒng)研究張祺，侯力，劉松，唐艷，蔣維旭( 四川大學制造科學與工程學院，成都6 1 0 0 6 5 )摘要：換刀機械手是加工中心穩(wěn)定可靠運行的關(guān)鍵功能部件。以快速、準確換刀為主要目標，對立式加工中心換刀機械手控制系統(tǒng)進行了深入研究。在對機械手換刀過程詳盡分析的基礎(chǔ)之上，設(shè)計了其電氣控制系統(tǒng)，并提出了電氣系統(tǒng)輸入輸出的保護。實驗結(jié)果表明：相對于傳統(tǒng)方法，具有成本低，控制精確，結(jié)構(gòu)簡單的特點。關(guān)鍵詞：機械手；P L C ；軟件設(shè)計；I 0 保護中圖分類號：T P 2 7 3文獻標識碼：AS t u d yo fM a c h i n i n gC e n t e rA u t o m a t i cT o o lC h a n g eC o n t r o lS y s t e mZ H A N GQ i ，H O UL i ，L I US o n g ，T A N GY a n ，J I A N GW e i - X H( S i C h u a nU n i v e r s i t y ，S c h o o lo fM a n u f a c t u r i n gS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n gC h e n g d u ，6 1 0 0 6 5 ，C h i n a )A b s t r a c t ：A T Ci st h ek e yp a r t sf o rt h em a c h i n i n gc e n t e rs t a b l ea n dr e l i a b l eo p e r a t i o n ，t a k e sf a s ta n da c c u r a t et o o lc h a n g ea st h em a i ng o a l I nt h i sp a p e rt h ei n - d e p t hs t u d yf o rV e r t i c a lMa c h i n i n gC e n t e rc o n t r o ls y s t e mo fA T Ch a sb e e nd o n e e l e c t r i cc o n t r o ls y s t e ma r ep r e s e n t e da n dt h ep r o t e c t i o no fI 0i sp r o v i d e db a s e do nt h ed e t a i la n a l y s i sf o rt h ep r o c e s so ft h et o o lc h a n g i n g T h er e s u l t so fe x p e d m e n ts h o wt h a tt h es y s t e mh a dl o wc o s t ，p r e c i s ec o n t r o la n ds i m p l es t r u c t u r ec o m p a r i n gw i t ht r a d i t i o n a lm e t h o d s 。K e yw o r d s ：A T C ；e l e c t r i cc o n t r o l ；s o f t w a r ed e s i g n ；I Op r o t e c t i o nO引言隨著科技的迅猛發(fā)展，數(shù)控機床已經(jīng)成為制造業(yè)不可缺少的工具之一，作為加工中心的重要組成部分，換刀機械手是加工中心穩(wěn)定可靠運行的關(guān)鍵功能部件。它的快速、準確的換刀是影響加工中心發(fā)揮高效、可靠的加工等性能的重要因素。本文將要討論的是如何利用P L C 對刀具交換機構(gòu)進行自動控制。文章以單臂雙爪式的自動換刀裝置作為控制系統(tǒng)的研究對象，以P L C 為控制核心，設(shè)計其控制系統(tǒng)，該機械手機械結(jié)構(gòu)如圖1 所示。1機械手工作原理及換刀過程分析如圖1 所示整個機械手主要由：行程開關(guān)，擋環(huán)，齒輪，連接盤，銷子，傳動盤，升降液壓缸，滑軸，齒條，轉(zhuǎn)位液壓缸，機械手組成。其工作原理為：上、下兩個液壓缸分別驅(qū)動兩組齒輪齒條實現(xiàn)機械手的旋轉(zhuǎn)運動；為了保證上下兩個旋轉(zhuǎn)運動互不干擾，中間采用一根滑軸上固接一個傳動盤的結(jié)構(gòu)，傳動盤與齒輪通過銷來傳遞運動，機械手換刀動作到位與否則是通過行1 ，3 ，7 ，9 ，1 3 。1 4 為行程開關(guān)2 ，6 。1 2 為擋環(huán)4 ，1 1 為齒輪5 為連接盤8 為銷子l O 為傳動盤1 5 為升降液壓缸1 6 為滑軸1 7 。1 9 為齒條1 8 2 0 為轉(zhuǎn)位液壓缸2 1 為機械手圖1 機械手結(jié)構(gòu)圖程開關(guān)來檢測，外加檔塊進行限位，從而實現(xiàn)機械手的自動換刀功能。圖2 為該換刀機械手的結(jié)構(gòu)示意圖，其換刀過程如下：( 1 ) 刀套轉(zhuǎn)9 0 0 ：換刀之前，刀庫2 轉(zhuǎn)動將待換刀具5 送到換刀位置，之后把帶有刀具5 的刀套4 向下收稿日期：2 0 1 0 0 2 一0 3作者簡介：張祺( 1 9 8 6 一) 。男。四川南充人，四川大學碩士研究生，研究方向機電一體化，( E m a i l ) p z h u z q 1 2 6 C O l l l 。萬方數(shù)據(jù)2 0 1 0 年第8 期控制與檢測翻轉(zhuǎn)9 0 0 ，使得刀具軸線與主軸軸線平行。( 2 ) 機械手轉(zhuǎn)9 0 0 ：兩手分別抓住刀庫和主軸3 上的刀柄。( 3 ) 刀具松開：刀具的自動夾緊機構(gòu)松開刀具。( 4 ) 機械手拔刀：機械手臂下降，同時拔出兩把刀具。( 5 ) 機械手轉(zhuǎn)1 8 0 。：使主軸刀具與刀庫刀具交換位置。( 6 ) 機械手插刀：機械手上升，分別把刀具插入主軸錐孔和刀套中。( 7 ) 刀具夾緊：刀具插入主軸的錐孑L 后，刀具的自動夾緊機構(gòu)夾緊刀具。( 8 ) 機械手松刀：機械順時針轉(zhuǎn)9 0 。，回到原始位置。( 9 ) 刀套向上翻轉(zhuǎn)9 0 。：刀套帶著刀具向上翻轉(zhuǎn)9 0 。，為下一次選刀做準備。妄：1 ：黧l毫粵鏟s翅丫印圖2 機械手的換刀示薏圖2電控系統(tǒng)分析與設(shè)計2 1 控制要求分析通過對加工中心機械手換刀過程的分析；可知機械手在完成一次自動換刀過程中的動作過程如圖3 所刁io圖3 機械手動作過程數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出換刀指令，當?shù)稁鞙蕚浜们抑鬏S準停就緒，控制機械手臂逆時針旋轉(zhuǎn)的液壓缸的電磁閥通電，機械手臂旋轉(zhuǎn)9 0 。抓刀，當限位塊碰到行程開關(guān)時，電磁閥停止通電且旋轉(zhuǎn)停止，由機械手臂的自身機械結(jié)構(gòu)完成抓刀鎖緊。同時控制機械手臂下降的液壓缸的電磁閥通電，機械手臂下降，撥出主軸和刀庫上的刀具，下降到極限位置時，限位塊碰到下限行程開關(guān)該電磁閥斷電，且控制兩刀具進行交換的液壓缸的三位四通電磁通電，機械手臂旋轉(zhuǎn)1 8 0 。，當齒條碰到行程開關(guān)時，電磁閥立即斷電旋轉(zhuǎn)停止。然后控制機械手上升的液壓缸的電磁閥通電，機械手臂上升完成上刀，達到行程開關(guān)位置，電磁閥斷電上升停止，此時控制機械手松刀的電磁得電液壓缸驅(qū)動手臂順時針旋轉(zhuǎn)9 0 。到達原位；并就完成換刀信號反饋給數(shù)控系統(tǒng)，以便數(shù)控系統(tǒng)進行相應的加工；最后控制兩刀具進行交換的液壓缸的三位四通電磁閥通電液壓缸復位為下一次換刀做準備。2 2 控制系統(tǒng)設(shè)計2 2 1硬件設(shè)計舊4 1考慮到機械手安裝調(diào)試、維護方便本文中加入了自動和手動操作模式；根據(jù)本機械手控制系統(tǒng)控制需要及對輸入輸出端口個數(shù)的要求，選用西門子公司C P U 2 2 6 型P L C ，其控制系統(tǒng)組成邏輯圖如圖4 所示。_ _ 輸入oP L C保1 護( 機械手插拔刀)( 機械手抓刀)( 機械手換刀)圖4 控制系統(tǒng)組成邏輯圖2 2 2P L C 軟件設(shè)計根據(jù)機械手換刀過程的要求，為了避免插刀與撥刀時與其它動作發(fā)生干涉，在程序中采用了通電延時計時器來控制。圖5 為機械手自動換刀程序流程圖，掃描輸入口相應程序啟動位是否就位，若有效，則執(zhí)行機械手的抓刀、拔刀、刀具交換、插刀等動作，并通過相應的行程開關(guān)來控制各動作之間的轉(zhuǎn)換；最終實現(xiàn)機械手自動換刀，并通過P L C 輸出口發(fā)送換刀結(jié)束指令給數(shù)控系統(tǒng)，以便數(shù)控系統(tǒng)執(zhí)行換刀后的相應加工過程。I 莖塑，_ - 葉壘芝歪qYl 機械手抓刀l。刃羿N 、罔丌N機械手拔刀YYl 刀具交換T 一蘿二 二l 機械手插刀I 延時N 艘1 叫數(shù)控系統(tǒng)I 機械手復型呤n 葡圖5 機械手自動換刀程序流程圖3P L C 輸入輸出保護可編程序控制器作為新一代的工業(yè)控制裝置，通常其本身具有較完善的保護功能，但如果現(xiàn)場環(huán)境過于惡劣，如供電不穩(wěn)、灰塵大等，很容易造成輸入輸出萬方數(shù)據(jù)控制與檢測組合機床與自動化加工技術(shù)點的損壞，或者因輸出端驅(qū)動的負載而產(chǎn)生干擾；影響P L C 控制系統(tǒng)的正常工作。為了防止機械手控制系統(tǒng)因工作環(huán)境等影響其工作性能。提出了P L C 輸入輸出口的保護措施。( 1 ) 輸入口保護P L C 輸入端最有效的保護方法是在輸入量與I O間外加一級光電耦合器，一旦有高壓電壓等侵入回路時，高壓電壓擊穿保護級光耦，然后像更換熔斷器一樣方便地更換損壞了的光耦，及時排除故障H ，其工作原理如圖6 所示。圖6 光電耦合保護電路( 2 ) 輸出口保護繼電器控制接觸器等感性負載的開合瞬間，由于電感具有電流具有的不可突變的特點，將產(chǎn)生一個瞬間的尖峰電壓在繼電器的兩個觸點之間，該電壓幅值超過繼電器的觸點耐壓的降額；感性負載采用的電磁式繼電器觸點間的耐受電壓是1 0 0 0 V m i n ，若觸點間的電壓長期的工作在1 0 0 0 V 左右的話，容易造成觸點金屬遷移和氧化，出現(xiàn)接觸電阻變大、接觸不良和觸點粘接的現(xiàn)象。同樣，晶體管輸出為感性負載時也同樣存在這個問題，該瞬時高壓可能導致晶體管的損壞”1 。因此當驅(qū)動感性負載時應在負載兩端接入吸收保護電路。當驅(qū)動直流回路的感性負載時，用戶電路需并聯(lián)續(xù)流二極管；若驅(qū)動交流回路的感性負載時，用戶電路需并聯(lián)R C 浪涌吸收電路，以保護P L C 的輸出觸點，P L C 輸出觸點的保護電路如圖7 所示。該機械手中P L C 驅(qū)動交流電磁閥，故采用R C 浪涌吸收電路來保護P L C 的輸出觸點。圖7P L C 輸出觸點保護電路4結(jié)束語加工中心的自動換刀系統(tǒng)控制方式因刀庫結(jié)構(gòu)、換刀方式等的不同而不同，本文通過對機械手換刀過程的分析，設(shè)計出了滿足其換刀工藝要求、簡單可靠的控制系統(tǒng)，使得機械手在性能上得到進一步的提高，能夠較好的滿足數(shù)控加工中心在加工對過程中自動換刀裝置的要求。 參考文獻 1 韓鴻鸞數(shù)控機床的機械結(jié)構(gòu)與維修 M 山東：山東科學技術(shù)出版社，2 0 0 5 2 】龔仲華s 7 2 0 0 3 0 0 4 0 0 P L C 應用技術(shù) M 北京：人民郵電出版社。2 0 0 7 3 祝紅芳P L C 及其在數(shù)控機床上的應用 M 北京：人民郵電出版社。2 0 0 7 4 唐愛民關(guān)于P L C 輸出類型的選擇及使用中的注意事項 J 紡織機械，2 0 0 8 ( 6 ) ：2 5 2 7 5 李子午，劉美俊，牛志剛P L C 輸入輸出端的硬件保護 J 自動化與儀器儀表，2 0 0 3 ( 4 ) ：6 0 ( 編輯趙蓉)( 上接第4 l 頁) 小時能完成5 0 0 0 個保持架插釘工作，大大提高了生產(chǎn)效率。同時還可根據(jù)需要對其進行進一步的功能開發(fā)，與其他軸承加工機械設(shè)備相配合，組成自動化生產(chǎn)線。 參考文獻 1 秦琴，王忠慶基于P L C 控制的玻璃清洗機的設(shè)計 J 機械工程與自動化，2 0 0 9 ( 8 ) ：1 6 9 1 7 0 B 2 陳聚偉浪形保持架鉚合的改進 J 軸承，2 0 0 5 ( 9 ) ：4 3 3 鞠濱香浪形保持架裝釘工藝改進 J 哈爾濱軸承，2 0 0 8( 1 2 ) ：3 0 3 1 4 成威日本緊釘浪形保持架的制造工藝 J 軸承，1 9 9 5( 9 ) ：1 7 一1 9 5 廖兆榮機床電氣自動控制 M 北京：化學工業(yè)出版社，2 0 0 3 6 茍群德，楊超君，等基于P L C 的六工位組合機床的控制系統(tǒng)設(shè)計 J 組合機床與自動化加工技術(shù)，2 0 0 9 ( 7 ) ：5 3 5 6 7 廖常初F X 系列P L C 編程及應用 M 北京：機械工業(yè)出版社，2 0 0 5 ( 編輯趙蓉)萬方數(shù)據(jù)加工中心換刀機械手控制系統(tǒng)研究加工中心換刀機械手控制系統(tǒng)研究作者：張祺， 侯力， 劉松， 唐艷， 蔣維旭， ZHANG Qi， HOU Li， LIU Song， TANG Yan，JIANG Wei-xu作者單位：四川大學,制造科學與工程學院,成都,610065刊名：組合機床與自動化加工技術(shù)英文刊名：MODULAR MACHINE TOOL & AUTOMATIC MANUFACTURING TECHNIQUE年，卷(期)：2010(8) 參考文獻(5條)參考文獻(5條)1.李子午;劉美俊;牛志剛 PLC輸入輸出端的硬件保護期刊論文-自動化與儀器儀表 2003(04)2.唐愛民 關(guān)于PLC輸出類型的選擇及使用中的注意事項期刊論文-紡織機械 2008(06)3.祝紅芳 PLC及其在數(shù)控機床上的應用 20074.龔仲華 S7-200/300/400PLC應用技術(shù) 20075.韓鴻鸞 數(shù)控機床的機械結(jié)構(gòu)與維修 2005 本文鏈接：http:/
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上傳時間：2021-10-15
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機械手
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