毕业设计精装版

前言

机械手是能够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。它可以代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害的环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用机械制造、冶金、电子、轻工业和原子能等方向。

机械手主要由手部和运动机构组成，手部是用来抓持工件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。运动机构，使手部完成各种转动（摆动）、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。

机械手的种类，按驱动方式分为：液压式、气动式、电动式、机械式机械手；按适用范围可分为：专用机械手和通用机械手两种；按运动轨迹控制方式可分为：点位控制和连续轨迹控制机械手等。机械手通常用作机床或其他机器的附加装置，如在自动机床或自动生产线上装卸和传递工件，在加工中心更换刀具等。

在设计工程中，将有一定的困难，但有指导老师的悉心指导和自己的努力，相信会完满的完成毕业设计任务。设计中不妥之处在所难免，肯请各位老师指正。

目录

摘要 (1)

关键词 (1)

一、数控机床的概述 (1)

(一)数控机床的发展 (2)

二、自动换刀系统 (2)

(一)刀架换刀装置 (2)

(二)刀库自动换刀系统 (3)

（三）机械手结构原理 (5)

三、可编程序控制器概述 (5)

（一）PLC的发展 (6)

（二）PLC的应用领域 (6)

（三）PLC的特点 (7)

（四）PLC的系统组成 (7)

四、数控机床换刀机械手模拟PLC控制设计 (9)

五、结束语 (13)

感谢词 (14)

参考文献 (15)

加工中心换刀机械手模拟PLC控制设计

班级：大08机电3班学生：董家佳

指导老师：唐志英

摘要：自从有机械手以来，相应的各种难题迎刃而解。机械手可在空间抓、放、搬运物件，动作灵活多样，适用于可变换生产品种的中、小批量的自动生产，广泛适用于柔性自动线。机械手一般由耐高温、抗腐蚀的材料制成，以适应现场恶劣的环境，大大降低了工人的劳动强度，提高了工作效率。机械手是工业机器人的重要组成部分，在很多情况下它就可以成为工业机器人。工业机器人是集机械、电子、控制、计算机、传感器、人工智能等多学科先进技术于一体的现代制造业重要的自动化装备。广泛采用工业机器人，不仅可以提高产品的质量与产量，而且对保障人身安全，改善劳动环境，减轻劳动强度，提高劳动生产率，节约原材料消耗以及降低生产成本，有着十分重要的意义。

可编程控制器是继电器控制和计算机控制之上开发的产品，逐渐发展成以微处理器处理为核心把自动化技术、计算机技术、通信技术融为一体的新型工业自动控制装置。

关键词：数控机床可编程控制器PLC机械手

一、数控机床的概述

（1）数控机床的发展

从数控机床产生至今已过去了半个世纪。在这50年中，从数控机床的产量不断增长，品种不断完善，数控系统的功能不断增加，可靠性不断地提高，数控驱动系统的性能不断改进与提高，可以说数控机床已远非当初诞生时的情况了。

目前，许多企业已大大地提高了数控机床在品种与数量两个方面对全部拥有的主要生产设备的比例。同时，许多数控机床均处于关键生产部门与工序上。通常都认为一个企业其产品质量保证体系的硬指标中，数控机床的拥有量是十分关键的。

1.1国外数控机床的发展与现状：

采用数字控制技术进行机械加工的思想，最早是在20世纪40年代初提出的。当时，美国北密执安的一个小型飞机工业承包商帕尔森斯公司（Parsons Co.）在制造飞机框架及直升机叶片轮廓用样板时，利用全数字电子计算机对轮廓路径进行数据处理，并考虑了刀具直径对加工路径的影响，提高加工精度。

1967年，英国首先把几台数控机床连接成具有柔性的加工系统，这就是最初的FMS(Flexble Manufacturing System,柔性制造系统)。之后，美、欧、日也相继进行开发与应用。随着计算机技术的发展，小型计算机的价格急剧下降。小型计算机开始取代专用数控计算机，数控的许多功能由软件程序实现。这样组成的数控系统称为计算机数控系统（CNC）。

1.2我国数控机床的现状：

目前我国制造业已经在3个层次上拥有相当数量的数控机床。在最高层次方面除少量的的国产高档数控系统外，主要是以从世界上17个国家、地区进口的全功能高档数控装备为主。在中低档层次上，主要是两个方面并举，既有国外引进的，也有国产的。在低层次方面，则以国内单板机、单片机或STD总线机步进电机构成的普及型数控系统为主体，再加上少量的由本单位或协作单位研制、开发的一些简易数控系统来改造普通机床或将其配置在线切割机床上。

二、自动换刀系统

（1）刀架换刀装置

一个零件往往需要进行多工序的加工，对于单功能的机床，大量的时间将用于更换刀具、装卸零件等非切削时间上，切削加工时间仅占整个工时中较小的比例。为了缩短非切削时间，往往采用有自动换刀装置的数控机床。自动换刀装置已广泛用于加工中心机床，如切削中心、镗铣加工中心、钻削中心等。

1.1自动换刀装置的形式：

自动换刀装置的功能就是储备一定数量的刀具并完成刀具的自动交换。自动换刀装置应当具备换刀时间短、刀具重复定位精度高、足够的刀具储备量、占地面积小、安全可靠等特性。各类数控机床的自动换刀装置的结构取决于机床的类型、工艺范围、使用刀具种类和数量。数控机床常用的自动换刀装置的类型、特点、适用范围如表：

形式特点适用范围

回转刀架多为顺序换刀，换刀时间短，结构简单紧

各种数控车床，车削加工中心

凑，可容纳刀具较少

转塔头顺序换刀，换刀时间短，刀具主轴都集中

在转塔头上，结构紧凑。但刚性较差，刀

具主轴数受限制

数控钻、镗、铣床

刀具与主轴之间直接换刀换刀运动集中，运动部件少。但刀库容量

受限各种类型的自动换刀数控机床。尤其是对使用回转累刀具的数控镗铣床类立式、卧室加工中心机床。要根据工艺范围和机床特点，确定刀库容量和自动换刀装置型式

用机械手配合刀库进行换刀刀库只有换刀运动，机械手进行换刀运动，刀库容量大

（2）刀库自动换刀系统

这类换刀装置由刀库、选刀机构、刀具交换机构及刀具在主轴上的自动装卸机构

等4部分组成，应用最广泛。带刀库的自动换刀系统，整个换刀过程比较复杂，首先要把加工过程中要用的全部刀具分别安装在标准的刀柄上，在机外进行尺寸预调整后，插入刀库中。换刀时，根据选刀指令先在刀库上选刀，由刀具交换装置从刀库和主轴上取出刀具，进行刀具交换，然后将新刀装入主轴，并将用过的刀具放回刀库。

（2.1）刀库的形式

刀库是用来存储加工刀具及辅助工具的地方。由于多数加工中心的取送刀位置都是在刀库中的某一固定刀位，因此刀库还需要有使刀具运动及定位的机构来保证换刀的可靠性，即使要更换的每一把刀具或刀套都能准确地停在换刀装置上。一般要求综合定位精度达到0.1mm～0.5mm即可。

（2.2）刀具交换装置

它是用来实现刀库与机床主轴（或刀架）之间的传递和装卸刀具的装置。

由于机械手换刀灵活、动作快，而且结构简单，各种类型的刀具必须装在统一的

标准刀柄上，以便能安装于主轴、刀库内或由机械手抓取。

在自动换刀数控车床数控机床中，机械手的形式也是多种多样的，常见的有如下几种形式：

（2.2.1）单臂单爪回转式机械手

如a图所以，这种机械手的手臂可以回转不同的角度进行自动换刀，手臂上只有一个夹爪，不论在刀库上或在主轴上，均靠这一个夹爪来装刀及卸刀，因此换刀时间较长。

（2.2.2）单臂双爪摆动机械手

如b图所示，这种机械手的手臂上有两个夹爪，两个夹爪有所分工，一个夹爪只执行从主轴上取下“旧刀”送回刀库的任务。另一个爪则执行由刀库取出“新刀”送到主轴的任务。其换刀时间较上述单爪回转式机械手要少。

（2.2.3）单臂双爪回转式机械手

如c图所示，这种机械手的手臂两端各有一个夹爪，两个夹爪可同时抓取刀库及主轴上的刀具，回转180·后，又同时将刀具放回刀库及装入主轴。换刀时间较以上两种单臂机械手均短，是最常用的一种形式。图c右边的一种机械手在抓取刀具或将刀具送入刀库及主轴时，两臂可伸缩。

(3)机械手结构原理

单臂双爪式机械手也叫扁担式机械手，它是目前加工中心上用的较多的一种。这种机械手的拔刀、插刀动作，大都由液压缸来完成。根据结构要求，可采用液压缸动，活塞固定；或活塞动，液压缸固定的结构形式。而手臂的回转动作，则通过活塞的运动带动齿条齿轮传动来实现。机械手臂的不同回转角度，由活塞的可调行程来保证。

这种机械手采用液压装置，既要保持不漏油，又要保证机械手动作动作灵活，而且每个动作结束之前均必须设置缓冲机构，控制机械手动作的电磁阀都有一定的时间常数，因换刀速度慢。今年来，国内外先后研制凸轮联动式单臂双爪机械手。

这种机械手的优点是：由电动机驱动，不需较复杂的液压系统及其密封、缓冲机构，没有漏油现象，结构简单，工作可靠。同时，机械手手臂的回转和插刀、拔刀的分解动作是联动的，部分时间可重叠，从而大大缩短了换刀时间。

机械手结构及工作原理如下：机械手有两对抓到爪，分别由液压缸驱动其动作。当液压缸推动机械手抓刀爪外伸时，抓刀爪上的销轴在支架上的导向槽内滑动，使抓刀爪绕销摆动，抓刀爪合拢抓住刀具；当液压缸回缩时，支架上的导向槽迫使抓刀爪张开，放松刀具。由于抓刀动作有机械结构实现，且能自锁，因此工作安全、可靠。

三、可编程控制器概述

(3．1)PLC的产生和定义：

3.1．1PLC的产生：

1969年美国数字设备公司（DEC）研制开发出世界上第一台可编程程序控制器，并在GM公司汽车生产线上应用成功。这是世界上的第一台可编程程序控制器，型号为PDP-14。人们把它称做可编程逻辑控制器（PLC，Programmable Logic Controller）,简称PLC。

随着微电子技术的发展，20世纪70年代中期出现了微处理器和微型计算机，人们将微机技术应用到PLC中，使得它能更多地发挥计算机的功能，不仅用逻辑编程取代

了硬连线逻辑，还增加了运算、数据传送和处理等功能，使其真正成为一种电子计算机工业控制设备。国外工业界在1980年正式将其命名为可编程控制器（PC，Programmable Controller）,简称PC。但由于它和个人计算机（Personal Computer）的简称容易混淆，所以现在仍把可编程控制器简称做PLC。

3.1．2PLC的定义：

PLC一直在飞速发展中，因此到现在为止，还未能对其下一个十分确切的定义。国际电工委员会（IEC）曾于1982年11月颁发了可编程控制器标准草案第一稿，1985

年1月发表了第二稿，1987年2月颁布了第三稿。终稿中对可编程控制的定义是：“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为工业环境而设计。它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储逻辑运算、顺序控制、定时、计算和算术运算等操作的指令，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型机械的生产过程。

(3.2)PLC的发展：

3.2.1PLC的发展历史：

PLC技术随着计算机和微电子技术的发展而迅速发展，由最初的一位机发展为8位机。随着微处理器CPU和微型计算机技术在PLC中的应用，形成了现代意义上的PLC。进入20世纪80年代以来，随着大规模和超大规模集成电路等微电子技术的迅速发展，以16位和32位微处理器构成的微机化PLC得到了惊人的发展，使PLC在概念、设计、性能价格比以及应用等发面都有了新的突破。不仅控制功能增强，功耗、体积减小，成本降低，可靠性提高，编程和故障检测更为灵活方便，而且远程I/O和通信网络、数据处理以及人机界面（HMI）也有了长足的发展。现在PLC不仅能得心应手地应用于制造业自动化，而且还可以应用于连续生产的过程控制系统，所有这些已经使之成为自动化技术领域的三大支柱之一，即使在现场总线技术成为自动化技术的应用热点的今天，PLC仍然是现场总线控制系统中不可缺少的控制器。

（3.3）PLC的应用领域：

初期的PLC主要在以开关量居多的电气顺序控制系统中使用，但20世纪90年代后，PLC也被广泛地在流程工业自动化系统中使用，一直到现在的现场总线控制系统，PLC更是其中的主角，其应用面越来越广，其主要原因是：

（1）价格越来越低由于微处理器芯片及有关元件的价格大大下降，使得PLC的成本下降；

（2）功能越来越强随着计算机、芯片、软件、控制等技术的飞速发展，也使得PLC的功能大大增强。

（3）与时俱进地发展在当前最热的现场总线控制系统中，主站和从站几乎都有PLC的身影，PLC的通信技术又往前发展了一大步。

（3.4）PLC的特点：

现代工业生产过程是复杂多样的，他们对控制的要求也各不相同。PLC专为工业控制应用而设计，一经出现就受到了广大工程技术人员的欢迎。其主要特点有：（1）抗干扰能力强，可靠性高

（2）控制系统结构简单，通用性强

（3）编程方便，易于使用

（4）功能强大，成本低

（5）设计、施工、调式的周期短

（6）维护方便

（3.5）PLC的系统组成

PLC的种类繁多，但其组成结构和工作原理基本相同。用PLC实施控制，其实质是按控制功能要求，通过程序按一定算法进行输入/输出变换，并将这个变换给以物理实现，并应用于工业现场。PLC专为工业现场应用而设计，采用了典型的计算机结构，它主要是由CPU、电源、存储器和专门设计的输入/输出接口电路等组成。PLC的结构框图如下：

PLC结构框图

（3.5.1）中央处理单元（CPU）

中央处理单元（CPU）一般由控制器、运算器和寄存器组成，这些电路都集成在一个芯片内。CPU通过数据总线、地址总线和控制总线与存储单元、输入/输出接口电路相连接。

CPU的主要任务是控制用户程序和数据的接受与储存；用扫描的方式通过I/O接口接受现场信号的状态或数据，并存入输入映像寄存器或数据存储器中；诊断PLC内部电路的工作故障和编程中的语法错误等。

（3.5.2）存储器

PLC的存储器包括系统存储器和用户存储器两部分。

系统存储器用来存放由PLC生产厂家编写的系统程序，并固化在ROM内，用户不能更改。系统程序的内容主要包括三部分：系统管理程序、用户指令解释程序和标准程序模块与系统调用管理程序。

（3.5.3）输入/输出单元

PLC的输入和输出信号类型可以是开关量、模拟量。输入/输出接口单元包括两部分：一部分是与被控设备相连接的接口电路，另一部分是输入和输出的映像寄存器。

（3.5.4）电源部分

PLC一般使用220V的交流电源或24V直流电源，内部的开关电源为PLC的中央处理器、存储器等电路提供5V、24V等直流电源，整体式的小型PLC还提供一定容量的直流24V电源，供外部有源传感器（如接近开关）使用。

（3.5.5）扩展接口

扩展接口用于将扩展单元或功能模块与基本单元相连，使PLC的配置更加灵活，以满足不同控制系统的需要。

(3.5.6)通信接口

为了实现“人－机”或“机－机”之间的对话，有些PLC配有一定的通信接口。PLC通过这些通信接口可以与显示设定单元、触摸屏、打印机相连，提供方便的人机交互途径。

（3.5.7）编程设备

使用编程软件可以在屏幕上直接生产和编辑梯形图、语句表、功能块图和顺序功能图程序，并可以实现不同编程语言的相互转换，而且还能进行智能化的故障诊断。

四：数控机床换刀机械手模拟PLC控制设计

4.1PLC在自动换刀系统的应用

加工中心作为一种高智能化高自动化制造单元，其换刀工作同样是在自动转换的基础上完成的。而起到控制机械手王成这一复杂的动作的关键因素就是PLC的一步步控制，机械手如同肢体而PLC就如同大脑，机械手就根能够据PLC程序所发出的一条条指令来一步步完成动作，从那个人达到换刀的目的。期间PLC起到了一个重要的控制作用，对完成换刀工作中一个只至关重要的作用。

刀库双臂机械手换刀控制设计动作思路：

原位提取刀具主轴上升夹紧旋转

主轴下降刀具回库放松旋转安装首先换刀机械手是一个双臂联动的机械手，一端夹需装夹的刀具，一端夹换下刀具，步骤就是先从刀库选刀，同时主轴上升与机械手齐平的高度，一端夹住所选刀具一端夹住主轴上刀具，将主轴上刀具取下，机械手夹住刀具旋转180度，将所选刀具装上主轴，同时将取下刀具放回刀库相应的位置，主轴下降回原位，机械手回原位，换刀完成。

机械手动作的模拟实验面板图：

机械手动作的模拟

上图下框中的YV1、YV2、YV3、YV4、YV5、HL分别接主机的输出点；Y0、Y1、Y2、Y3、Y4、SB1、SB2分别接主机的输入点，X1、X2、X3、X4上框中的启动、停止用断按钮来实现，限位开关用钮子开关来模拟，电磁阀和原位指示灯用发光二极管来模拟。

梯形图程序：

五、结束语

本论文利用PLC来设计机械手控制系统，可编程控制器（PLC）在机械手控制中的应用非常广泛，而且具备相当多的优点。在课程设计的过程中，包括机械手的PLC 控制系统总体设计方案、设计过程，列出了具体机械手的控制梯形图。提出了PLC 的编程方法，设计了一套机械手控制系统方案。。

虽然毕业设计内容繁多，过程繁琐但我的收获却更加丰富。各种系统的适用条件，各种设备的选用标准，各种元件的安装方式，我都是随着设计的不段深入而不段熟悉并学会应用的。和老师的沟通交流更使我从经济的角度对设计有了新的认识也对自己有了新的要求，提高是有限的但提高也是全面的，正是这一次设计让我积累了无数实际经验，使我的头脑更好的被知识武装起来，也必然会让我在未来的工作学习中表现出更高的应变能力，更强的沟通力和理解力。

感谢词

感谢唐老师，毕业设计在你的帮助下才得以顺利完成。从选了这个毕业设计的课题到课题的确定都得到你的关注。在你的指导下我的毕业设计才能很好的开始，从毕业设计的思路和选材得到了你的认同，有了你的认同我的思路变得清晰了，设计的方法也有了很好的方向。机械手的PLC控制系统设计的每个章节、每个数据、程序和梯形图，都离不开你的细心指导。而你开朗的个性和宽容的态度，帮助我能够很快的融入我们这个毕业设计，并且也让我喜欢上了这个课题设计的内容。你严谨细致、一丝不苟的作风一直是我工作、学习中的榜样，这样使得我在设计机械手时全心全意的投入其中。你循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪。

感谢学院对我们的关怀和支持，在我们写作论文时给我们提供学院图书馆的电子阅览室,让我们有了更多的资料来源和提高我们毕业设计的正确性，有了这么好的环境和条件,我们的毕业设计才得以进行得这么快。也感谢我们的班主任，有了你的督促，我们学会了很多，也成长了很多。

在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意！

参考文献

[1]赵先仲主编机电一体化.北京：高等教育出版社,2004

[2]王永华编著现在电气化控制及PLC应用技术.北京：高等教育出版社,2008

[3]熊军主编数控机床原理与结构.人民邮电出版社,2007

[4]刘力健主编数控加工编程及操作.清华大学出版社,2007

[5]吴宗泽主编机械设计手册.机械工业出版社,2002

[6]王太辰主编中国机械设计大典.江西科技出版社,2002