电动自行车智能充电器设计本科毕业论文

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1、数控卧式镗铣床自动换刀机械手的设计电动自行车智能充电器设计目 录 摘要1关键词1Abstract1Key words1引言21 材料与方法21.1 机械手的发展现状21.2 课题的构想与思路31.3 设计的主要内容31.4 要解决的计算部分42 总体方案设计42.1 位置检测与定位方式42.2 缓冲方式42.3 换刀机械手与驱动装置的研究42.4 刀库结构42.5 智能型控制系统的研究43 机械结构设计53.1 自动换刀机械手的组成和配置53.2 自动换刀机械手升降（即手架升降）机构53.3 自动换刀机械手的滑座伸缩和手架回转运动机构63.4 装、卸刀手手臂和手部结构74 液压系统设计85 P

2、LC控制系统设计105.1 PLC的介绍105.2 PLC的结构及基本配置115.2.1 CPU的构成115.2.2 I/O模块125.2.3 电源模块125.2.4 板底或机架125.2.5 PLC的外部设备125.3 自动换刀过程12总结16参考文献18致谢1919数控卧式镗铣床自动换刀机械手的设计机械电子工程专业学生 韦忠爽指导教师 杨桂林摘要：工业机械手又称通用自动机械手，是一种“独立”的可变程序的自动机械手。它是在五十年代末期出现，近年来才迅速发展起来的重要自动化装置，现已成为实现工业自动化的一种重要手段。工业机械手已应用在机械制造的多种工艺中以代替人工，并成为机械加工人员所需掌握的

3、生产工具。近年来随着工业自动化的发展机械手逐渐成为一门新兴的学科，并得到了较快的发展。机械手广泛地应用于锻压、冲压、铸造、焊接、装配、机加、喷漆、热处理等各个行业。特别是在笨重、高温、有毒、危险、放射性、多粉尘等恶劣的劳动环境中，机械手由于其显著的优点而受到特别重视。总之，机械手是提高劳动生产率，改善劳动条件，减轻工人劳动强度和实现工业生产自动化的一个重要手段，国内外都很重视它的应用和发展。传动主要分为机械传动,流体传动和电传动三类。作为机械手的辅助运行机构，它决定了机械手的使用范围和实用性，有着十分重要的作用。关键词：卧式镗床；自动换刀；机械手The Design of CNC Horizo

4、ntal Boring and Milling Machine Automatic Tool Changing ManipulatorStudent majoring in Mechanical and Electronic Engineering Li ZengleiTutor Yang GuilinAbstract： Industrial robots and general automatic robot, it is a kind of independent variable automatic robot. It is late in the 1950s, in recent ye

5、ars to rapidly develop automation equipment, has become an important industrial automation is a kind of important means. Industrial robots have been used in various mechanical manufacturing process to replace artificial and become mechanical processing personnel of master production tools.In recent

6、years, with the development of industrial automation gradually become a new robot of disciplines, and the rapid development. Manipulator is widely used in forging, stamping, molding, welding, assembling, machining, paint, heat treatment, etc. Especially in heavy, high temperature, toxic or hazardous

7、, radioactive, such as dust, the working environment due to its advantages of significant manipulator by special attention. Anyhow, manipulator is to improve labor productivity, improve working conditions, reduce labor intensity and realize the automation of industrial production, and is an importan

8、t means to have paid great attention to the development and application of it.Driving mainly divided into the mechanical transmission, fluid transmission and power transmission. As the auxiliary operation organization, robot manipulator which determines the scope of use and practicability, plays a v

9、ery important role.Key words：Horizontal boring machine; Automatic tool changer; Manipulator引言 机械工业是国民的装备部，是为国民经济提供装备和为人民生活提供耐用消费品的产业。不论是传统产业，还是新兴产业，都离不开各种各样的机械装备，机械工业所提供装备的性能、质量和成本，对国民经济各部门技术进步和经济效益有很大的和直接的影响。机械工业的规模和技术水平是衡量国家经济实力和科学技术水平的重要标志。因此，世界各国都把发展机械工业作为发展本国经济的战略重点之一。 工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产

10、设备。工业机械手是工业机器人的一个重要分支。它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。 机械手是在机械化，自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。在现代生产过程中，机械手被广泛的运用于自动生产线中，机械手的研制和生产已成为高技术邻域内，迅速发殿起来的一门新兴的技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动，不知疲劳，不怕危险，抓举重物的力量比人手力

11、大的特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用。1 材料与方法1.1 机械手的发展现状能模仿人手和手臂的某些动作功能，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。 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。运动机构的

12、升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度 。为了抓取空间中任意位置和方位的物体，需有6个自由度。自由度是机械手设计的关键参数。自由度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。一般专用机械手有23个自由度。 机械手的种类，按驱动方式可分为液压式、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，在加工中心中更换刀具等，一般没有独立的控制装置。有些操作装置需要由人直接操纵，如用于原子能部门操持危险物品的主从式操作手

13、也常称为机械手。机械手是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。近年来，随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用，机器人的研制和生产已成为高技术领域内迅速发展起来的一门新兴技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动、不知疲劳、不怕危险、抓举重物的力量比人手大等特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用，例如：(1)机床加工工件的装卸，特别是在自动化车床、组合机床上使用较为普遍。(2)在装配作业中应用广泛，在电子行业中它可以用来装配印制电路板，在机械行业中它可以用来

14、组装零部件。(3)可在劳动条件差，单调重复易子疲劳的工作环境工作，以代替人的劳动。(4)可在危险场合下工作，如军工品的装卸、危险品及有害物的搬运等。(5)宇宙及海洋的开发。(6)军事工程及生物医学方面的研究和试验。随着机械加工业的发展，制造行业对于带有自动换刀系统的高效高性能加工中心的需求量越来越大。在现有的各种类型的加工中心中，传统结构的自动换刀系统的造价在机床整机造价中总是占着很大比重，这是加工中心价格居高不下、应用不普遍的重要原因。如果把自动换刀系统的设计制造从现有加工中心的制造模式中分离出来，把它作为加工中心的标准件或附件组织专门化的生产，同时由于该项技术的应用简化了机床主轴结构、采用

15、弹簧夹头和外驱动机械手等关键技术、采用圆柱柄刀具和辅具，这不仅使数控机床工作性能有所提高，而且使得由它配套构成的加工中心的总体造价大幅度下降。低造价高性能的加工中心将会被中小厂广泛接收，这样必将给自动换刀系统生产厂商和加工中心制造厂商带来巨大的经济效益。1.2 课题的构想与思路根据自动换刀装置（ATC）的创新设计思想，设计出能同时抓取刀库和主轴上刀具的回转式双臂双手换刀机械手结构。这种结构的换刀机械手主要应用在卧式加工中心的场合中。其换刀动作简单可靠，主要依靠液压系统驱动，采用可编程控制系统（PLC）进行控制，具有换刀时间短、运动惯性小等优点。实现了可以在一次装夹中完成多道工序的加工，从而缩短

16、了辅助加工时间，提高了机床的效率，减少了零件安装和定位次数，提高了加工精度。1.3 设计的主要内容（1)通过计算选择合适的通用部件。（2)根据工件设计换刀机构。（3)控制部分PLC的设计。（4)电子版图纸绘制。1.4 要解决的计算部分（1)手架运动参数。（2)手指夹持刀柄的直径。（3)缓冲方式。2 总体方案设计为了更好地简化数控机床主轴结构，尽可能地减小换刀机构对机床主轴结构优化设计带来的影响，采用弹簧夹头这一理想的刀具夹持元件，在机床主轴的设计上除了轴端制作出与弹簧夹头联结的专用结构外，机床主轴结构完全可以根据其优化要求来确定，从而可最大限度地提高机床主轴的工作性能。本研究以它巧妙的构思，对

17、换刀机械手、刀具交换装置、刀库结构形式以及驱动机构进行了新的设计，改变了传统的结构模式。在本项研究中要解决的主要问题有以下五项2.1 位置检测与定位方式滑块伸缩、手架回转和装、卸刀手臂伸缩运动采用行程开关进行位置检测，由挡块（或活塞与端盖）定位。手架升降运动采用无触点行程开关进行位置检测，并控制三位四通阀适时“关闭”来定位。2.2 缓冲方式滑块伸缩、装卸刀手手臂伸缩运动采用油缸端部节流缓冲；手架回转运动采用换接不同尺寸的出油口增加背压减速缓冲；手架升降运动采用无触点行程开关发信，切断油路减速缓冲。2.3 换刀机械手与驱动装置的研究换刀机械手的主要任务是完全模拟手的换刀动作，给机床主轴与弹簧夹头

18、提供相对转动实现夹紧、放松刀具的动作。机械手应具备足够的转矩，该转矩还必须恒定(可调)。同时还应使机械手具备结构紧凑、占据空间小的特点，以适应不同类型机床的换刀空间。换刀机械手完全采用PLC控制液压传动，以求最大限度地降低自动换刀系统的成本造价。 2.4 刀库结构要在总结现有数控机床刀库类型、刀架结构、刀库驱动方式的基础上，研制出夹持圆柱形定尺寸柄刀具或辅具的刀库形式、刀架结构和刀具交换装置。同时包括刀库的驱动、定位机构、刀具编码方式的研究。2.5 智能型控制系统的研究自动换刀系统采用PLC控制，它通过几条与主控机的联络信号线以及系统内设置的自诊断、自适应功能实现对换刀系统的全自动控制管理。该

19、项研究包括：采用高性能弹簧夹头夹持刀具，使用外驱动机械手完成刀具的夹紧、放松，系统配置扩展型链式刀库和刀具交换装置，整机采用电磁机械传动、PLC控制，换刀系统具有夹紧力大、夹紧力恒定(可调)、自动复位以及各种自检保护功能，同时具有占据空间小的特点。研究的最终目标是，期望能够形成一种结构紧凑、工作稳定可靠、造价低廉、可供不同类型数控机床选型配套的智能型高性能自动换刀系统系列产品。3 机械结构设计3.1 自动换刀机械手的组成和配置自动换刀机械手由升降丝杠1、滑座2、横梁3、油马达4、装刀手5、手架6、卸刀手7组成并与刀库8（由四排带刀套的链条组成，每条链条上均有15个刀套）组成自动换刀装置。 图3

20、-1 自动换刀机械手的组成1.升降丝杠；2.滑座；3.横梁；4.油马达；5.装刀手；6.手架；7.卸刀手；8.倒库3.2 自动换刀机械手升降（即手架升降）机构手架升降由马达、滚珠丝杠、螺旋副间隙调整垫、导向柱、减速齿轮和无触点行程开关等组成。当接受使手架上升或下降（找刀排）指令后，压力油进到油马达中，油马达带动滚珠丝杠转动，使手架带着装、卸刀手升降。因刀库有四排刀排，手架可上下移动3*420毫米的距离，当手架上下运动接近所选刀排位置时，其上的悬臂感应块使安装在刀排相应位置的无触点行程开关发信，控制手架升降油路的调速阀作用使手架减速，当到达所选刀排要求准确定位时，装在减速齿轮上的感应块无触点行程

21、开关（12XK或20XK）发信，切断手架升降油路，油马达停止转动，手架即停在所规定的位置上。滚珠丝杠和螺母间隙，可用修磨调整垫来达到。导向柱除起导向作用外，并使滚珠丝杠在传动中免受弯曲力距的作用，使手架升降运动平稳可靠。3.3 自动换刀机械手的滑座伸缩和手架回转运动机构图3-2 自动换刀机械手的滑座伸缩和手架回转运动机构1.滑座；2.活塞杆；3.转柱；4.回转油缸；5.滚珠组；6.预紧螺钉；7.定位螺钉；8.定位块；9. V形导轨滑座伸缩：当有关13、14分别想滑座1上的油缸两腔同压力油时，驱动滑座（因活塞杆2固定在横梁上）使滑座在十字交叉放置的滚柱和V形滚动导轨9上往复运动，高压注意呼吁带动

22、手架来完成拨、插刀运动。亲行程位置的检测由安装在横梁上的行程开关完成。在活塞杆2上的活塞两端加工成圆锥形，配合油缸端部其节流缓冲作用。手架回转：当油管15、16分别通压力油回转到油缸4的两腔时，推动动片连同转轴一起转动，通过平键使转柱3和手架回转。其回转角度的检测由行程开关发信，并用定位螺钉7和定位块8来定位。该手架在图示位置剖面为手架转向主轴时的位置。回转油缸的端盖进出油口分别有3对（即a、b、c和a1、b1、c1）,当接到手架转向刀库指令后，三位四通电磁滑阀换向，油管16进压力油，从油孔c1进到回转油缸工作腔使动片启动一定角度后，动片将油孔c1打开进油，快速回转，回有腔油液从a、b孔排出，

23、动片将油孔出a1打开进油，快速回转，回油腔油液从a、b孔排出，待将a打开进油，快速回转，回油腔油液从a、b孔排出，动片回转速度降下来以达到减速缓冲。减速度的大小可通向回转油缸端盖上的调节螺钉进行调节。当手架升降支路系统安装缓冲阀。在手架升降运动速度变化快到慢时，由于其惯性在回油路内产生很高的冲击压力，高压油液经单向阀和溢流阀流回油箱，以缓和油液压力的波动，使手架由快速平滑地变换到慢速。缓冲阀处的溢流阀的调定压力应比系统工作压力高。图3-3 机械手结构图1.手架；2.手臂油缸；3.手指座；4.刀具定向键；5.固定手指；6.顶销；7.活塞杆；8.卡销；9.弹簧；10.活动手指；11.装刀手；12.

24、活动手指；13.活塞杆；14.挡块；15.销轴；16.连接器3.4 装、卸刀手手臂和手部结构装刀手和卸刀手对称配置在手架上，其结构和尺寸完全相同，只是几个主要零件形状相反，故此处只介绍卸刀手结构和动作原理，卸刀手手臂伸缩运动机构由手架1、手臂油缸2、手指座3和活塞杆17等组成，如图3-3所示。活塞杆17一端固定在手架上，当压力油从油孔9和10分别进到油缸2的两腔时，推动油缸2的缸体在燕尾形导轨上往复运动，其行程位置由装在手架上的行程开关进行检测，采用油缸端部锥面节流缓冲，端盖和活塞端面相碰定位。装刀手和卸刀手手臂移动导轨的方向相交成45度角，其交点即是装刀手、卸刀手前伸移到终点时手指的夹紧中心

25、。卸刀手手部由手指座3、刀具定向键4、固定手指5、顶销6、卡销8、弹簧9、10、活动手指12、挡块14、和销轴15等组成。它属于弹簧夹持式手部，手指分为固定指和活动指，并属于一支点回转型手指。在手部伸出抓刀时，活动指应能自由张开，抓住刀后，特别是在运刀过程中活动指应夹紧并锁住，因此手指内有自锁机构。在镗铣床主轴套筒的端面和滑座悬伸支架上均设有使手指松开的导板，刀具在手指中不允许有转动，以免刀柄的键槽错位，故在固定手指上装有定位键4。卸刀时，卸刀手手臂前伸，当卡销8碰到挡块14的a面时，使卡销缩回；碰b面顶销6可自由运动，手指碰上刀柄便能自动张开插入梯形槽中；当碰到c面时，卡销被弹簧9弹出，锁紧

26、活动指12，将刀柄抓牢，以后进行拔刀等动作。如装刀完毕，使卡销8被挡块13的b1面压入，顶销6能自由活动，手臂油缸2缩回时，手指就从刀柄的梯形槽中自由滑脱，当卡销8移到挡块13的a1面时，弹簧9将卡销弹出将活动指锁住。4 液压系统设计自动换刀机械手液压如图所示，采用双联叶片泵供油，它具有功率损失小，油箱的温升小，泵的寿命高，成本低等优点。双联叶片泵的工作是用溢流阀、卸荷阀、单向阀三个阀联合控制。泵起动后两个泵的输出油分别进入它们的管道，小泵的输出油经过过滤器后进入溢流阀，大泵的输出油进入卸荷阀，但此时电磁铁15DT不通电，管道通过电液滑阀24DT-B20H、单向阀和油箱相通，管路中压力很低，溢

27、流阀和卸荷阀都关闭。在装、卸刀手手臂伸缩或滑座伸缩或手架回转等单独运动时，各油缸所需油液流量小，由高压小流量油泵供油，管路内油压上升到溢流阀所确定的压力，由于卸荷阀的压力调得比溢流阀的压力低5公斤力/厘米3，卸荷阀被打开，单向阀被溢流阀的油压锁住，大泵的输出油通过卸荷阀流经冷却器回到油箱。当手架快速升降时，由于小泵的流量不够，使系统压力下降，卸荷阀关闭，大泵的输出油推开单向阀和泵的输出油一起进入系统，保证了手架的快速升降运动。二位四通电液滑阀（24DY-B20H）起开关作用，当电磁铁15DT通电时，系统处于等待工作的状态。在手架升降支路系统装有缓冲阀。当手架升降运动由快速转换成慢速时，由于其惯

28、性在回油路内引起很高的冲击压力，高压油液经单向阀和溢流阀流回油箱，以缓和油液压力的波动，使手架由快速平滑地变换到慢速。缓冲阀处的溢流阀的调定压力应比系统工作压力高30%左右。对接机械手液压系统的原理图如图4-1所示，机械手的液压系统支路原理基本相同，在这里以一条支路的液压系统为例进行分析。 在图4-1中，机械手摆动油缸和伸缩油缸的换向阀分别为电磁阀9和10，具有 “Y型”中位机能。由于四条油路相同，以机械手单手为例。以伸缩臂为例时换向阀的电磁铁13DT通电时，油缸的油路与比例阀接通，控制比例阀的比例电磁铁13DT可以实现油缸活塞的位置控制，系统工作在位置伺服状态，主动完成机械手的伸长和缩短。以

29、摆动油缸为例时，当11DT通电时，电磁阀11为通路，油缸控制阀具有“H型”中位机能；当11DT断电时，将电磁阀11的供油回路封住，油缸将被锁住不动，换刀机械手手臂动作与电磁铁通断电情况如表4-2所示。缓冲阀装、卸刀手手臂伸缩滑座伸缩和手架回转卸刀手装刀手过滤器冷却器15DT10DT6DT7DT9DT8DT11DT12DT14DT13DT图4-1自动换刀机械手液压系统这个世界上没有单纯的液压系统，液压是一种传动方式，是整个产品的有机组成部分，液压系统是为了完成这种传动，由动力源、控制阀、执行元件构成的一个相对独立的组合，在这一点上来说，液压是为了机械服务的。所以系统是倒着设计的，首先要确定机械要

30、你提供多大的推力(或者转矩)，是否需要长时间保持推力，需要多大的速度是匀速还是变速，启动和停止时的惯性力大不大，时候需要减小冲击。确定执行元件的速度和推力之后就可以选择动力源，包括原动机和油泵两方面。在车间使用，电力足够，优先选择电动机，生产线上的小流量系统可以用气动，野外流动使用要用柴油机等等。按照机械的工作环境，使用频率，压力等级，流量范围，成本限制等元素，考虑使用哪种液压泵。按照机械的动作要求，确定液压阀的选择。需要保压的用电磁球阀和蓄能器，推力随时变化的用比例阀，高速往复的用伺服阀等等，复杂的系统常常需要随时调节压力和流量，并且几个压力不同的油缸同时动作，都是依靠液压阀完成的，现在液压

31、阀的发展比液压泵复杂的多。系统中剩下的附件、过滤器、冷却器、油箱、管路和管接头等等，这些元件也不能轻视。机械手的换刀过程主要依靠于液压系统的驱动，简单可靠，并且能够在一次装夹中完成多到工序，从而实现了机械手的快速运作。表4-2自动换刀机械手动作与电磁铁通断电情况表动作名称6DT7DT8DT9DT10DT11DT12DT13DT14DT15DT手架上升（找刀排）+-+手架上升减速+-+-+手架上升缓冲定位-+手架下降（找刀排）-+-+手架下降减速-+-+手架下降缓冲定位-+滑座伸出（拔刀）-+-+滑座缩回（插刀）-+-+手架转向刀库-+-+手架转向主轴-+-+装刀手手臂伸出-+装刀手手臂缩回-+

32、卸刀手手臂伸出-+-+卸刀手手臂缩回-+卸荷，系统停止工作-注：+.通电；-.断电5 PLC控制系统设计5.1 PLC的介绍可编程控制器（PROGRAMMABLE CONTROLLER，简称PC）。与个人计算机的PC相区别，用PLC表示。PLC是在传统的顺序控制器的基础上引入了微电子技术、计算机技术、自动控制技术和通讯技术而形成的一代新型工业控制装置，目的是用来取代继电器、执行逻辑、记时、计数等顺序控制功能，建立柔性的程控系统。国际电工委员会（IEC）颁布了对PLC的规定：可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算

33、、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。可以预料：在工业控制领域中，PLC控制技术的应用必将形成世界潮流。PLC程序既有生产厂家的系统程序，又有用户自己开发的应用程序，系统程序提供运行平台，同时，还为PLC程序可靠运行及信息与信息转换进行必要的公共处理。用户程序由用户按控制要求设计。5.2 PLC的结构及基本配置一般讲，PLC分为箱体式和模块式两种。但它们的

34、组成是相同的，对箱体式PLC，有一块CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，当然按CPU性能分成若干型号，并按I/O点数又有若干规格。对模块式PLC，有CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架。无任哪种结构类型的PLC，都属于总线式开放型结构，其I/O能力可按用户需要进行扩展与组合。PLC的基本结构框图如下5.2.1 CPU的构成 PLC中的CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，每台PLC至少有一个CPU，中央处理单元CPU板电源部件输出接口部件接口部件输出接受驱动现场信号受控元件图5-1 CPU基本结构框图它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式

35、采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。进入运行后，从用户程序存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路，与通用计算机一样，主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，还有外围芯片、总线接口及有关电路。它确定了进行控制的规模、工作速度、内存容量等。内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。CPU的控制器控制CPU工作，由它读取指令、解释指令及执行指令。但工作节奏由震荡信号控制。CPU的运算器用于进行数字或逻辑运算，在控制器

36、指挥下工作。CPU的寄存器参与运算，并存储运算的中间结果，它也是在控制器指挥下工作。CPU虽然划分为以上几个部分，但PLC中的CPU芯片实际上就是微处理器，由于电路的高度集成，对CPU内部的详细分析已无必要，我们只要弄清它在PLC中的功能与性能，能正确地使用它就够了。CPU模块的外部表现就是它的工作状态的种种显示、种种接口及设定或控制开关。它的总线接口，用于接I/O模板或底板，有内存接口，用于安装内存，有外设口，用于接外部设备，有的还有通讯口，用于进行通讯。CPU模块上还有许多设定开关，用以对PLC作设定，如设定起始工作方式、内存区等。5.2.2 I/O模块 PLC的对外功能，主要是通过各种I

37、/O接口模块与外界联系的，按I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少，但其最大数受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。5.2.3 电源模块 有些PLC中的电源，是与CPU模块合二为一的，有些是分开的，其主要用途是为PLC各模块的集成电路提供工作电源。同时，有的还为输入电路提供24V的工作电源。电源以其输入类型有：交流电源，加的为交流220VAC或110VAC，直流电源，加的为直流电压，常用的为24V。5.2.4 板底或机架 大多数模块式PLC使用底板或机架，其作用是：电

38、气上，实现各模块间的联系，使CPU能访问底板上的所有模块，机械上，实现各模块间的连接，使各模块构成一个整体。5.2.5 PLC的外部设备 外部设备是PLC系统不可分割的一部分，它有四大类：（1）编程设备：有简易编程器和智能图形编程器，用于编程、对系统作一些设定、监控PLC及PLC所控制的系统的工作状况。编程器是PLC开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件，但它不直接参与现场控制运行。（2）监控设备：有数据监视器和图形监视器，直接监视数据或通过画面监视数据。（3）存储设备：有存储卡、存储磁带、软磁盘或只读存储器，用于永久性地存储用户数据，使用户程序不丢失，如EPROM、EEPROM写入器等。

39、（4）输入输出设备：用于接收信号或输出信号，一般有条码读人器，输入模拟量的电位器，打印机等。5.3 自动换刀过程首先简单介绍一下刀具交换装置的基本情况，刀库是可正反向旋转的链式刀库、装在刀具交换装置上的机械手用15个步骤将刀库中的刀具交换到主轴，并将主轴刀具还回刀库对应的刀套中。为尽量缩短换刀时间，我们采用刀具预选与零件加工同时进行的方式来压缩自动换刀机械手的换刀时间。其中自动换刀机械手动作顺序如下：步骤 1：平移缩回，抓刀库中预选的刀具。步骤2：拔刀伸出，拔出刀套中的刀具。步骤3：平移伸出，离开刀库侧抓刀位置。步骤4：拔刀缩回，机械手缩回。步骤 5：摇臂伸出，摇臂转向主轴侧。步骤6：平移伸出

40、，抓主轴刀具。步骤7：拔刀伸出，拔出主轴中的刀具。步骤8：换刀正转或反转，刀具交换。步骤9：拔刀缩回，将预选刀具插入主轴。步骤10：平移缩回，机械手离开主轴。步骤11：摇臂缩回，摇臂转向刀库侧。步骤12：拔刀伸出，准备将主轴刀具送回刀库。步骤 13：平移缩回，机械手移向刀库。步骤14：拔刀缩回，将主轴刀具插入刀库。步骤15：平移伸出，离开刀库侧抓刀位置。以上15个步骤可分为如下4个阶段：（1）抓新刀：Txx代码控制刀库按就近方向转动到编程刀具所在的位置，到位且有刀库定位I信号后启动机械手，经过步骤1步骤2步骤3步骤4，将编程刀具抓在手上等待换刀。（2）换刀：M06启动换刀固定循环“TOOL”。

41、“TOOL”控制各坐标移动到换刀位置，并用M90通知PLC启动换刀，PLC用M90信号请求NC “读入禁止”并启动机械手换刀步骤5步骤6步骤7步骤8步骤9步骤10步骤11，同时用步骤5的到位信号控制刀库转到主轴刀号的位置。（3）换刀：步骤5启动的刀库旋转停止且有刀库定位I信号后，启动机械手步骤12步骤13步骤14步骤15，将主轴刀具还到刀库中并将记忆主轴刀号的存储器更新。步骤11完成后，取消“读入禁止”，激活刀具参数，加工程序和机械手还同时进行。（4）抓预选新刀：在M06的下一段紧跟下道工序要用的刀具号Txx，刀库在完成还刀动作后可在零件加工的同时启动机械手步骤1步骤2步骤3步骤 4，将下道工

42、序所用的刀具预选抓到机械手上，等待M06启动后面的换刀动作，这样大大缩短了刀具交换的时间，提高了工作效率。换刀过程主要动作有：主轴复位、刀库回转、刀杯垂直、抓刀、拔刀、换刀、插刀、松刀、刀杯水平、刀臂复位等。换刀前，首先是主轴复位，即主轴上的刀具回归到换刀位置，然后是刀库回转，使待换刀具转动到规定的换刀位置，刀库上的油缸向下运动，使得刀库上的刀柄垂直，这样，两把刀具都已处待换状态，以下的动作过程就主要由机械手来完成。换刀时，油缸杆伸出，带动回转座旋转，回转座又带动刀臂导套与油压马达旋转，这时，马达转轴是不转动的，油压马达整体带动圆柱凸轮轴旋转，从而使换刀臂一起转动。当转过60 度角位移时，机械

43、手的两只刀爪分别抓住主轴中的刀具与刀库中已准备好的待换刀具，从而完成抓刀动作。完成抓刀动作后，控制油缸运动的换向阀处于中位，油缸杆的位置被两个液控单向阀锁定。这时，油压马达供油，马达转轴带动凸轮轴一起转动。由于油缸杆不动，刀臂导套也不动，故刀臂导套的直槽将起导向作用。这时，假设销轴位于刀臂导套左边的直槽中，于是刀臂轴被销轴带动，随着凸轮轴的旋转而向下运动，从而完成拔刀动作。当销轴运动到刀臂导套左边直槽的底端时，通过圆滑过渡，滚入刀臂导套的水平半圆槽中，与此同时，销轴也运动到凸轮曲线槽的底端，不再向下运动，而开始水平旋转。销轴带动刀臂轴沿刀臂导套的水平半圆槽转过180 度后即到达水平半圆槽的末端

44、，再通过圆滑过渡运动到刀臂导套的右边直槽中，销轴开始沿凸轮曲线槽上升。这时，换刀动作结束，插刀动作开始。当销轴运动到凸轮曲线槽的顶端时，完成插刀动作。插刀结束时，停止对油压马达供油，而开始向油缸供油，油缸杆缩回，刀臂复位，整个换刀过程结束。注意事项：（1）Txx和M06不能编在同一程序段内： （2）在固定循环TOOL中，所有位移程序段应加G153(段有效)取消基本偏移： （3）三个换刀过程：装刀：主轴无刀，Txx/M06直接安装编程刀具：换刀：主轴有刀，交换编程刀具和主轴刀具：还刀：主轴有刀，编程T0，将主轴刀具还回刀库。（4）主轴准停角度利用PLC浮点参数MD145140：$MN_USER_

45、DATA_FLOAT0本编程方法的核心是将机械手动作按时序分成共15个步骤。“步骤”存储在一个中间的变量中，该中间变量点占一个字节，每个“步骤”完成后将中间变量的值修改为下一个“步骤”，而整个步骤全部完成后将中间变量置为零，下一个换刀指令到来后又从步骤1开始执行。这样不仅使PLC程序简单、直观，而且由于“步骤” 是唯一的，这样就能避免信号之间的互相干扰，编程人员再也不用绞尽脑汁来为每一个输出信号加各种限制条件，巧妙利用“变量”达到事半功倍的效果。加工程序和PLC程序关系见图5-2所示：加工程序PLC 程序。T03：刀库进入准备位置M06：机械手换刀 ：换刀结束，参数生效T04：准备下一把刀具。

46、控制刀库进入准备位置。换刀步骤计数器刀库控制刀库定位控制机械手换刀控制步骤1（动作到位计数器加）步骤2步骤3。步骤15机械手交换结束固定循环：TOOL。：Z轴定位。：主轴准停M90。M95。M17图5-2 加工程序和PLC程序关系图PLC的T型图见图5-3所示：2010100120012000200010022002100120011002100510042005200310041003100220022003100320031005100620062005100610072007200020002006100610071008200020071008100920092008100920092

47、0001010100920111010201010071000刀套下转90机械手下转75主轴松开刀具机械手反转180主轴夹紧机械手插刀机械手正转180机械手拔刀刀库停止运作主轴开始运作刀套上转90机械手反转75图5-3 PLC的T型图总结工业机器人由操作机(机械本体)、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种仿人操作，自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。特别适合于多品种、变批量的柔性生产。它对稳定、提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。机器人应用情况，是一个国家工业自动化水平的重要标志。生产中应用机械手可以提

48、高生产的自动化水平，可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全生产;尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境中，它代替人进行正常的工作，意义更为重大。因此，在机械加工、冲压、铸、锻、焊接、热处理、电镀、喷漆、装配以及轻工业、交通运输业等方面得到越来越广泛的引用。机械手的结构形式开始比较简单，专用性较强，仅为某台机床的上下料装置，是附属于该机床的专用机械手。随着工业技术的发展，制成了能够独立的按程序控制实现重复操作，适用范围比较广的“程序控制通用机械手”，简称通用机械手。由于通用机械手能很快的改变工作程序，适应性较强，所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的

49、引用。 气压传动机械手是以压缩空气的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是:介质气源极为方便，输出力小，气动动作迅速，结构简单，成本低。但是，由于空气具有可压缩的特性，工作速度的稳定性较差，冲击大，而且气源压力较低，抓重一般在30公斤以下，在同样抓重条件下它比液压机械手的结构大，所以适用于高速、轻载、高温和粉尘大的环境中进行工作。 气动技术有以下优点: （1）介质提取和处理方便。气压传动工作压力较低，工作介质提取容易，而后排入大气，处理方便，一般不需设置回收管道和容器:介质清洁，管道不易堵存在介质变质及补充的问题. （2)阻力损失和泄漏较小，在压缩空气的输送过程中，阻力损失较小(一般不卜

50、浇塞仅为油路的千分之一)，空气便于集中供应和远距离输送。外泄漏不会像液压传动那样，造成压力明显降低和严重污染。 （3)动作迅速，反应灵敏。气动系统一般只需要0.02s-0.3s即可建立起所需的压力和速度。气动系统也能实现过载保护，便于自动控制。 （4)能源可储存。压缩空气可存贮在储气罐中，因此，发生突然断电等情况时，机器及其工艺流程不致突然中断。 （5)工作环境适应性好。在易燃、易爆、多尘埃、强磁、强辐射、振动等恶劣环境中，气压传动与控制系统比机械、电器及液压系统优越，而且不会因温度变化影响传动及控制性能。 （6)成本低廉。由于气动系统工作压力较低，因此降低了气动元、辅件的材质和加工精度要求，

51、制造容易，成本较低。传统观点认为:由于气体具有可压缩性，因此，在气动伺服系统中要实现高精度定位比较困难(尤其在高速情况下，似乎更难想象)。此外气源工作压力较低，抓举力较小。虽然气动技术作为机器人中的驱动功能已有部分被工业界所接受，而且对于不太复杂的机械手，用气动元件组成的控制系统己被接受，但由于气动机器人这一体系己经取得的一系列重要进展过去介绍得不够，因此在工业自动化领域里，对气动机械手、气动机器人的实用性和前景存在不少疑虑。参考文献：1 许晓炀.专用机床设备设计M.重庆：重庆大学出版社,2003，4（1）：16-17.2 丛凤廷,迟建山.组合机床设计M.上海：上海科学技术出版社,1994，2

52、（3）：11-13.3 金振华.组合机床及其调整与使用M.北京：机械工业出版社,1994,2（4）：13-15.4 吴晓君,杨向明.电气控制与可编程控制器应用M.北京：中国建材工业出版社,2004,10-11.5 王淑英.电器控制与PLC控制技术M.北京：机械工业出版社,2005,3（2）：6-7.6 徐炳松,张秀艳,张茵麦.画法几何及机械制图M.北京：高等教育出版社,1999,1(3):17-18.7 王仁德,张耀满,赵春雨.机床数控技术M. 沈阳：东北大学出版社,2002,2(3):5-6.8 王启义.机械制造装备设计M.北京：冶金工业出版社,2002,5(2):5-6.9 巩云鹏,田万禄

53、,张祖立,等.机械设计课程设计M. 沈阳：东北大学出版社,2000,2(3):15-16.10 孙智礼,冷兴聚,魏延刚.机械设计M. 沈阳：东北大学出版社,2000,2(2):7-8.11 张玉,刘平.几何测量公差与测量技术M. 沈阳：东北大学出版社,1999,3(2):10-11.12 李树军.机械原理M.沈阳：东北大学出版社,2000,2(4):22-23.13 刘杰,赵春雨,宋伟刚等.机电一体化技术基础与产品设计M.北京：冶金工业出版社,2003,1(2):5-6.14 范云霄.台式钻床的改造J.机械制造,1994(1):35.致谢 时光荏苒，岁月如梭，这世上唯一不变的就是变化。转眼间，

54、四年的大学生活即将结束。闭上双眼，可以回忆起来咱学校的第一天，每一个场景都是细致可触睁开双眼，离开学校的时间却近在眼前，每一刻总是心有留念 我能顺利的完成大学学业，首先，我要感谢的是生我养我的父母，感谢父母含辛茹苦的把我养大，感谢父母一如既往的支持对父母的感谢一切尽在心中。其次，我要感谢菏泽学院以及机电工程系，给了我一个实现梦想的舞台和良好的学习环境。再次，我还要感谢机电工程系的老师和同学们，谢谢你们在学习期间给我的帮助和支持。在此，我要特别感谢我的指导老师杨桂林老师，从选题到开题报告，从写作到提纲，又到一遍又一遍的指出每一稿中的具体的问题，严格把关，循循善诱，细心的指导，严谨的治学态度。每当我写不下去的时候，是他一次又一次的帮助我解决一个一又个的难题，没有杨老师，就没有我这篇论文的完成，在此，对杨老师表示最衷心的感谢。写到此，心里突然感慨万千，也意识到，我的大学生活真的要结束了。抬头望窗外，再好好的看看我生活四年的校园，再好好的看看我们的机电楼，再好好的看看我们永远的401 最后，祝愿机电工程系的明天更加美好，祝愿各位老师和同学们心想事成，万事如意。