自动换刀机械手结构设计及PLC控制研究

 I 自动换刀机械手结构设计及PLC控制研究摘要数控机床的发展与应用，大大降低了零件加工的辅助时间，极大的提高了生产率。数控机床发展成了当今普遍应用的一种更新、更先进的制造设备即加工中心。加工中心带有刀库和自动换刀装置，能对工件按预定程序进行多工序加工的高度自动化的多功能的数字控制机床。气动机械手具有结构简单、重量轻、动作迅速、可靠、节能、不污染环境、可实现无级调速、易实现过载保护等优点，特别适用于数控机床自动换刀上。为了增强机械手的通用性和互换性，使同一机械手由于应用不同的模块而具有不同的功能，本文采用模块化气动机械手，对基座、立柱、手臂、手部等模块进行结构设计，通过模块选择与组合，以构成一定范围内的不同功能或同功能不同性能、不同规格的系列产品，并且在产品变化或临时对机械手进行新任务分配时，可以允许方便地改动或重新设计其新部件，能很快地投产，降低安装和转换工作的费用，便于机械手的标准化生产和使用。在机械手的运动和动力学分析中，根据D-H法建立了机械手的运动学模型，确定各连接杆件与末端执行器的空间位置和姿态关系；根据拉格朗日方程建立机械手动力学模型，确定各关节运动与作用力(或力矩)之间的关系。对机械手的定位控制分析，采用电气-气压伺服定位技术设计机械手的驱动系统，气动执行元件根据输入系统的电气信号而动作，从而驱动负载输出相应的物理量。系统采用simaticS7-200PLC作为控制核心，根据机械手的工作流程制定控制方案，实现了机械手的任意点定位和无级调速。关键词：自动换刀机械手；模块化设计；运动学；动力学；电气-气压伺服定位系统  II Research on Structure Design and PLC Control of Automatic tool change Manipulator Abstract ThedevelopmentandapplicationofCNChasreducedlotsofoperationtimewhenmachiningpartsandincreasedproductivity,CNChasdevelopedtobeaclassofmoreadvancedequipments,namely,machiningcenter.Machiningcenterthatisequippedwithtoolmagazineandautomatictoolchangerisamulti-functionaldigitalcontrolmachinewhichcanmakeparts,accordingtopre-setprogramsfordifferentstages.Inaddition,pneumaticmanipulatorhasmanymeritssuchassimplestructure,lightweight,fastmovement,reliability,lowcost,pollutionfree,steeplesspeedregulation,andoverloadprotectionwhichissuitableforautomatictoolchangeronCNC.Forstrengtheningthegeneralavailabilityofmanipulatorandmakingthesamemanipulatorhasthedifferentfunctionwiththedifferentmodules,thispaperadoptedtomodularizepneumaticmanipulator.Itcarriesoutphysicaldesignonmodulessuchaspedestal,column,arm,handpart.Selectionandcombinationofmodulesformaseriesofproductswitharangeofdifferentfunctionsordifferentperformancesanddifferentspecifications.Inaddition,theapproachfacilitatesthemodificationandredesignofthemodulepartsforfastproduction,whichreducesthecostofinstallationandworkstransitionandfacilitatesthestandardalizationofproductionandutilizationofthemanipulator.Inthestructureanalysesofthemanipulator,thispaperestablishthekinematicsmodelofmanipulatoraccordingtoD-H,whichascertainspacelocationandattitudeconnectionbetweeneverymemberandendimplement;thispaperestablishthedynamicsmodelofmanipulatoraccordingtoLagrange,whichascertainrelationbetweeneveryarthrosismotionandtheactingforce(orforcemoment).Toanalyzethemanipulator’s III positioncontrol,theactuationsystemisdesignedbasedontheelectro-pneumaticservoorientationtechnologywherethepneumaticactuatortakeseffectaccordingtotheinputsystem’selectricalsignalstodrivethosephysicalvariablesofloadoutput.ThispaperadoptSimaticS7-200PLCtoaccomplishcontrollingcore,technologicalprocesshasworkedoutthejobaccordingtomanipulatorcontrollingscheme.Thearbitraryorientationandsteplessspeedregulatingofthemanipulatorhasrealized.KeyWords：Automatictoolchangemanipulator；Modularizationdesign；Kinematics；Dynamics；Electro-pneumaticservoorientationsystem.  目录第1章绪论…………………………………………………………………………………11．1课题研究背景目的及意义………………………………………………………11．2工业机械手的研究现状及国内外发展…………………………………………11．3本文主要研究内容及各章安排…………………………………………………3第2章机械手总体设计方案………………………………………………………………42．1机械手类型………………………………………………………………………42．2机械手系统功能设计……………………………………………………………52．3机械手的坐标形式与自由度……………………………………………………72．4机械手工作过程及工步时间分配………………………………………………92．5机械手的基本参数………………………………………………………………102．6模块化设计………………………………………………………………………112．6．1模块划分的一般原则……………………………………………………122．6．2模块设计的方法…………………………………………………………122．6．3模块式机械手及组成……………………………………………………132．7机械手的总体方案设计…………………………………………………………142．7．1机械手的结构设计方案…………………………………………………142．7．2机械手的驱动方案………………………………………………………152．7．3机械手的控制方案………………………………………………………172．7．4机械手的设计流程………………………………………………………182．8小结………………………………………………………………………………20第3章机械手运动学及动力学分析……………………………………………………213．1刚体运动学模型…………………………………………………………………213．1．1刚体的位姿………………………………………………………………213．1．2坐标变换…………………………………………………………………223．2机械手运动学方程描述…………………………………………………………253．2．1连杆参数以及连杆坐标系………………………………………………25   3．2．2连杆变换和运动学方程…………………………………………………273．3操作臂的雅可比矩阵……………………………………………………………273．4机械手的动力学模型构建………………………………………………………283．4．1拉格朗日动力学方程推导方法…………………………………………293．4．2仿真2R机械手的动力学方程实例………………………………………333．5小结………………………………………………………………………………38第4章机械手的机械系统设计…………………………………………………………394．1机械手伺服系统设计……………………………………………………………394．1．1气动伺服系统设计………………………………………………………394．1．2电气伺服阀………………………………………………………………414．2机械手执行机构设计……………………………………………………………434．2．1手部结构设计………………………………………………………………434．2．2手臂结构设计………………………………………………………………454．2．3基座结构设计………………………………………………………………534．2．4气动辅助元件选取…………………………………………………………544．3小结………………………………………………………………………………55第5章PLC控制系统设计…………………………………………………………………565．1机械手控制系统PLC的选型与I/O点确定………………………………………565．1．1PLC选型…………………………………………………………………565．1．2控制系统输入输出设备与I/O点确定…………………………………575．2步进电机…………………………………………………………………………585．3PLC编程…………………………………………………………………………605．3．1PLC编程时应注意的问题………………………………………………605．3．2PLC程序设计软件STEP7-Micro/Win32简介……………………………605．3．3PLC梯形图设计…………………………………………………………615．4小结………………………………………………………………………………64第6章总结与展望………………………………………………………………………656．1总结………………………………………………………………………………656．2展望………………………………………………………………………………65  致谢……………………………………………………………………………………67参考文献…………………………………………………………………………………68攻读学位期间所发表的学术论文………………………………………………………70 1