机电一体化毕业论文-自动化设备摆盘机的设计.doc

昆山登云科技职业学院毕业论文 I 编号： 昆山登云科技职业学院 毕业设计(论文) 论文题目 自动化设备摆盘机的设计 教 学 系： 机电工程系 专业班级： 学生姓名： 指导教师： 2015 年 3 月 20 日 昆山登云科技职业学院毕业论文 II 摘要 随着控制技术、计算机、通信、网络等技术的发展，信息交互沟通的领域正迅速覆 盖从工厂的现场设备层到控制、管理各个层次。工业控制的技术发展越来越快，工业控 制技术是的工厂的生产效率大幅提高，而工业控制器 PLC、工业 PC 等的应用也大幅度提 高了系统的自动化程度，节约成本。 本设计主要是针对注塑机产品包装的自动化设备的探索和设计。实现产品的人力最 小化的包装，设备的主要技术要求是：1.保证产品质量 2.减少人力 3.方便品质检验 4.方便 下道工序再生产。从设备的机构部分、电气控制、PLC 应用等方面进行设计，达到本论 文的设计目的和要求。 关键词关键词 自动化；电气控制；PLC；机械设计 昆山登云科技职业学院毕业论文 目录 摘要摘要.II 目录目录.I 1 1 绪论绪论 .1 1.11.1 工业自动化概述工业自动化概述.1 1.21.2 设计背景设计背景.1 1.31.3 设计的主要内容设计的主要内容.3 2 2 机构系统机构系统.4 2.12.1 机构概况机构概况.4 2.22.2 机构设计机构设计.4 3 3 电控系统电控系统.7 3.13.1 电气控制线路设计原则电气控制线路设计原则.7 3.23.2 电气控制线路的设计步骤电气控制线路的设计步骤.7 3.33.3 传感器的应用传感器的应用.8 3.43.4 电动机的选型电动机的选型.9 3.53.5 设备配置设备配置.10 4 4 气动系统气动系统.11 4.14.1 气动技术概述气动技术概述.11 4.24.2 气动元件的选用气动元件的选用.11 4.34.3 气动程序控制回路气动程序控制回路.14 5PLC5PLC 系统系统.16 5.1PLC5.1PLC 系统设计概述系统设计概述.16 5.2PLC5.2PLC 控制电路图控制电路图.17 5.35.3 伺服电动机接线图伺服电动机接线图.17 5.45.4 电气控制电路电气控制电路.17 5.5PLC5.5PLC 编程编程.17 总结总结.19 参考文献参考文献.20 昆山登云科技职业学院毕业论文 1 1 绪论 1.1 工业自动化概述 工业自动化就是工业生产中的各种参数为控制目的，实现各种过程控制，在整个工 业生产中，尽量减少人力的操作，而能充分利用动物以外的能源与各种资讯来进行生产 工作，即称为工业自动化生产，而使工业能进行自动生产之过程称为工业自动化。 电气自动化以传动和定位为主要目标，电动机是其主要执行器件，电气自动化系统 的主要构成有：以速度、直线位移、接近开关等传感器组成的检测部分，以伺服电动机、 步进电机、异步电机、气缸、液压缸为输出动力的执行部分，以电控柜、可编程控制器、 触摸屏等装置和器件组成的控制部分。与此还有丝杠、直线导轨、同步带等辅助部件 自动化设备的运用对企业生产过程起着明显的提升作用： （1）提高生产过程的安全性； （2）提高生产效率； （3）提高产品质量； （4）减少生产过程的原材料、能源损耗。 1.2 设计背景 1.2.1 实习车间资料 昆山登云科技职业学院毕业论文 2 2014 年，根据学校安排，于 8 月 1 日赴昆山市出口加工区的共聚生化有限公司实 习。工作分配在机台课，主要职责是产品生产的工艺卡制作以及机电设备的保养、数控 雕刻机的调试等。机台课，即注塑车间，由注塑机将物料注塑成型后，机械手将产品从 模具中取出后放置在流水线上，最后由工人进行质检和包装。注塑车间基本实现了工业 生产自动化，自动加料、物料加热、除湿、机械手取出产品，自动设备剪浇口，自动压 盖、自动摆盘机等。例举如表 1-1。 图 1 压盖机图 2 剪浇口机 昆山登云科技职业学院毕业论文 3 图 3 自动摆盘机图 4 自动装盘机 表 1-1 1.2.2 产品资料 公司有单订单的年订单在 50 万左右，产品名为 102295 粉盒，粉盒由盒底、盒中 套、盒盖组成。公司对于大订单的产品会开发出相应的自动化设备，目前，该产品的生 产包装尚未开发出自动化设备，仍然占据了 0.5 个人力。所以，本文就 102295 粉盒的 盒底研发自动化包装设备。设备从机械构造，电气设计，PLC 编程多方面综合设计。产 品如表 1-2 表 1-2 1.2.3 产品生产改进前状况 昆山登云科技职业学院毕业论文 4 树脂材料经过注塑机计量、保压、冷却、顶出后成型，生产出产品，再由机械手将 产品从模具中取出放置在流水线上，最后由工人进行装盘包装，将产品逐一摆放在 4*6 的 PSP 盘中。产品作业指导书见附件 1。 1.2.4 设备的功能预想 希望省略最后一道工部，由电气控制，工人的劳动时间压缩到最少。 基本构想叙述如下： 机械手将产品取出后直接放置在 3*4 的 PSP 盘中，单层放满后，由机械臂将空盘 拉过来放上，进行下一轮工作。产品包装效果如图 1-1 图 1-1 1.2.5 产品生产改进后状况 一模四个产品，生产周期为 36s，若要摆满 30 层的 PSP 盘，所以只需每 50min 左 右关注一下，对产品进行整包的下料，以及包材的安放。 1.3 设计的主要内容 从设备的机构开始，依次设计电路、电气、PLC 编程、PLC 控制、电箱布线等部分。 实习期间所学的电路接线、布线、基本维修知识、机构构成原理、电器元件、气动元件、 PLC 选型、电机等选型知识；结合专业知识：PLC 编程、电气控制、CAD 绘图等知识， 综合展开设计。 昆山登云科技职业学院毕业论文 5 2 机构系统 2.1 机构概况 机构由底座、托台、丝杠、直线导轨、气缸、吸盘治具、电控箱组成。包材放置在 托台上，托台的制动由伺服电动机控制。 运转周期是： 当一层 PSP 盘摆满后，机械手传递信号给本设备的控制器 PLC，然后气缸 A 运动下 降，治具上的吸盘经过真空发生器动作，而吸附下方的 PSP 盘，然后气缸 A 上升，接 着无杆气缸向左运动，到达目标位置后，气缸 A 下降，放下 PSP 盘，然后气缸 A 上升， 无杆气缸返回原点。然后伺服电机 A 制动，使左侧的托盘下降一定距离，接着伺服电机 B 制动，使右侧的托盘上升同样距离。一个运转周期完成。 2.2 机构设计 2.2.1 托台设计 托台由中间物料板和两耳组成，中间物料板放置包材，两耳是左右各一个固定板。 材质均使用牌号为 6061 的铝合金，表面处理方式为阳极氧化（银白色）。包材使用装配 课出货用 PSP 盘（20 孔），385*285*2.5，如图 1-1，所以物料板的大小为 400*300*3 的铝板。 2.2.2 治具设计 一.吸盘座及真空吸盘的选型 治具、吸盘座、吸盘的装配方式如表 2-1 的图 1。 昆山登云科技职业学院毕业论文 6 吸盘座的型号为台面尺寸 53mm 的镀锌铁吸盘座，如表 2-1 的图 2，图 3 为吸盘座尺寸。 根据吸盘垂直提升力表（如图 4），已知 PSP 盘的质量约为 10g,所以选择直径为 13mm 的吸盘。 图 1 装配图图 2 吸盘座 图 3 吸盘座尺寸 昆山登云科技职业学院毕业论文 7 图 4 表 2-1 二.治具的设计 气缸安装孔：治具由于安装在双杆气缸上，所以安装孔决定于气缸型号。 吸盘座安装孔：根据 PSP 盘的格盘中心距 85mm，吸盘座的中心轴为 M8。 治具设计图纸见附件 2。 2.2.3 整体设计 一.设备部件的材料选择 1.铝型材的选用铝型材的选用：40 系列的 T 型槽：CT-XT8-4040W 优点：应力大、强度高、支 撑能力强。 配套螺栓螺母：它通常采用 40 系列 M8 专用 T 型螺栓与 M8 法兰螺母内部连接，或 用 40 系列 T 型螺母与内六角螺栓配套使用，如受力强度大可采用 40 系列滑块螺母与内 六角螺栓配套使用，坚固可靠结实。如图 2-1。 、 2.两侧挡板材料选用：两侧挡板材料选用：不锈钢 *SUS304:52/KG,做钝化处理、表面拉丝；钝化处理：对不 锈钢全面酸洗钝化处理，清除污垢，处理后表面变成均匀银白色，大大提高不锈钢抗腐 昆山登云科技职业学院毕业论文 8 蚀性能。 3.前后两侧门材料选用前后两侧门材料选用：亚克力板，用于防止堆叠的包材倒塌。 二.设备整体设计 图纸见附件 3. 三.机械元件配置 序号名称数量 1 中间法兰直线轴承 2 2 滚珠丝杠 2 3 同步带轮 2 4 同步带 2 5 脚轮 4 6 铝型材若干 7 亚克力板若干 3 电控系统 3.1 电气控制线路设计原则 (1)应最大限度地满足机械设备对电气控制线路的控制要求和保护要求。 (2)在满足生产工艺要求的前提 F,应力求使控制线路简单、经济、合理。 (3)保证控制的安全性和可靠性。 (4)操作和维修方便。 3.2 电气控制线路的设计步骤 (1).根据选定的拖动方案及控制方式设计系统的原理框图，拟订出各部分的主要技术 要求和主要技术参数。 (2).根据各部分的要求，设计出原理框图中各个部分的具体电路。对于每一部分的设 昆山登云科技职业学院毕业论文 9 计总是按主电路控制电路辅助电路联锁与保护总体检查反复修改与完善的 步骤进行。 (3).绘制总原理图。按系统框图结构将各部分联成一个整体。 (4).正确选用原理线路中每一个电器元件，并制订元器件目录清单。 图 3-1 为本设计的电路实际效果图 图 3-1 3.3 传感器的应用 3.3.1 传感器的概述 传感器是一种接受或激励被测信号，并以电信号作为输出的器件。它能将各种非电量 （如压力、温度、流量、位置、速度等非电信号）转化成电量，从而实现非电量的电 测技术。在自动控制系统中，检测是实现自动控制的首要环节，没有对被控对象的精 确检测，就不可能实现精确检测。传感器的大量使用，实现了生产的自动化或半自动 化，大大减轻了工人的劳动强度，提高了生产效率。 常用的传感器有：行程开关、接近开关、光电开关、角度传感器、力传感器、磁性传 感器等。 3.3.2 传感器的选型 （1）.磁性传感器 在气缸的活塞环上安装磁环，在气缸筒外面的两端各安装一个磁 性开关，就可以用这两个传感器识别气缸运动的两个极限位置，并将位置信号送到 PLC 处理。 （2）电感式接近开关 当金属物体接近高频震荡感应器时，便产生涡流，涡流形成 的磁场反作用于高频震荡感应器，使接近开关震荡能力衰减，内部电路的参数发生变 化，由此识别处有无金属物体接近，进而控制开关的通或断。该传感器用于检测托台 的位置。选型：如表 3-1 型号 NI4-M12-AD4X 额定工作电流 100mA 输出动合，两线制开关频率 1khz 额定工作距离 4mm 短路保护有 安装方式非齐平连接方式M12X1 接插件 昆山登云科技职业学院毕业论文 10 重复精度 2% 长度 54mm 温度漂移 10% 防护等级 IP67 额定工作电压 1065VDC 开关状态指示 LED 表 3-1 （3）光电感应器 该传感器用于检测 5CM 左右的包材是否足够。选型：E3Z-LS63 的 反射式光电传感器。 3.4 电动机的选型 电动机有直流与交流之分，本设计的设备是长期重复短时工作机械，故采用交流伺服 电动机。 （如表 3-2 图 1）伺服电机是通过电动机内部旋转编码器实现反馈的闭环控制 电动机。 （控制系统如表 3-2 图 2）编码器与伺服电动机同轴旋转，并将反馈信号 Uf 送到伺服驱动器，伺服驱动器通过反馈信号中 A、B 两相信号的频率和信号差可将伺 服电动机实际运行的角速度和旋转方向检测出来，与输入控制指令作比较，获取误差 信号，从而调节输出电流，控制伺服电动机修正转速，使设备运行的实际包络与指令 包络重合。所以伺服电机的精度高于步进电机。 交流伺服电动机驱动器上有一个电动机编码器的反馈输入口，有一对用于伺服驱动器 之间互相连接的编码器脉冲输入口和编码器脉冲输出口，这可以方便地实现伺服驱动 器之间速度的精确比例同步。表 3-2 图 3 为伺服驱动器的主要接线。 图 1图 2 昆山登云科技职业学院毕业论文 11 图 3 图 4 表 3-2 伺服电动机选型： 品牌：Mitsubishi 三菱型号：HC-KFS43B功率：0.5（kw） 额定电压：220（V）速度响应频率：900（kHz） 转速 3000r/min 伺服驱动器选型：表 3-2 图 4 为伺服驱动器接线. 品牌：Mitsubishi 三菱型号：MR-J2S-20A功率：3（kw） 额定电压：220（V）速度响应频率：50- 60（kHz） 适用电机：三菱伺服 3.5 设备配置 序号模块名称规格数量/单位 1/个 1电源模块 断路器 熔断器1/个 1/个 1/个 1/个 1/个 1/个 2按钮/指示灯模块 启动按钮 停止按钮 复位按钮 急停按钮 蜂鸣器 多层报警灯 1/个 1/个 1/个 2/个 3伺服电机驱动模块 交流伺服电动机 伺服电机驱动器 交流接触器 中间继电器若干/个 1/个 4/个4传感器模块 光电传感器 电感式传感器 磁性开关4/个 5辅助模块三相电源线若干/个 昆山登云科技职业学院毕业论文 12 若干/个 若干/个 若干/个 若干/个 端子排 开口式配线槽 电气导轨 尼龙扎带 电控箱 1/个 4 气动系统 4.1 气动技术概述 气动（气压传动）系统是一种能量转换系统，其工作原理是将原动机输出的机械 能转换为空气的压力能，利用管路、各种控制阀及辅助元件将压力能传送到执行元件， 再转化成机械能，从而完成直线运动或回转运动，并对外做功。 气动自动化控制技术是利用压缩空气作为传递动力或信号的工作介质，配合气动 控制系统的主要气动元件，与机械、液压、电气、电子（包括 PLC）等部分或全部综 合构成的控制回路，使气动执行元件按工艺要求的工作状况，自动按设定的顺序或条 件动作的一种自动化技术。用气动自动化控制技术实现生产过程自动化，是工业自动 化的一种重要技术手段，也是一种低成本自动化技术。 4.2 气动元件的选用 4.2.1 气缸 气缸的合理选用，是保证气动系统正常稳定工作的前提。 选型： 此次设计的参数： （1）垂直安装气缸在狭窄空间内短行程升降负载。 负载为 铝合金治具质量 m=500g，气缸行程 L=300mm,气缸动作时间 t=1s,工 作压力 p=0.5Mpa. 表 4-1 负载率与负载的运动状态 昆山登云科技职业学院毕业论文 13 动载荷 负载运动状态静载荷 气缸速度在 50500mm/s 范 围内 气缸速度大于 500mm/s 负载率 0.70.50.3 轴向负载力为：F=mg=0.5*9.8=4.9N 气缸平均速度为：V=S/t=300/1=300mm/s 按表 4-1 选取负载率为 =0.5 理论输出力为 F0=F/=4.9/0.5=9.8N 气缸缸径为：D=4F0/p =50mm 感应器：附感应器 2 个 表 4-2 标准行程表 根据表 4-2，可选：双杆气缸 TN-50*100-S-G-2 （2） 横向左右运动气缸 无杆气缸是指利用活塞直接或间接方式连接外界执行机构，并使其跟随活塞实现 往复运动的气缸。这种气缸的最大优点是节省安装空间，分为磁偶无杆气缸（磁性气 缸）与机械式无杆气缸。 昆山登云科技职业学院毕业论文 14 选型：机械式气缸 OSP-P16 标准型，缸径*行程：50*400mm 含有双重作用并有可调末端缓冲装置 和用于位置传感的磁性活塞。如图 4-1. 图 4-1 4.2.2 真空发生器 真空发生器就是利用正压气源产生负压的一种新型,高效,清洁,经济,小型的真空元 器件,这使得在有压缩空气的地方,或在一个气动系统中同时需要正负压的地方获得负 压变得十分容易和方便.真空发生器广泛应用在工业自动化中机械,电子,包装,印刷,塑 料及机器人等领域.真空发生器的传统用途是吸盘配合,进行各种物料的吸附,搬运,尤其 适合于吸附易碎,柔软,薄的非铁,非金属材料或球型物体。原理如图 4-2. 图 4-2 选型选型：FSTO 真空发生器 VADM-140-P 昆山登云科技职业学院毕业论文 15 4.2.3 气动两联件 气动两联件是由过滤器、减压阀组成，过滤器主要负责过滤压缩空气中的杂质， 减压阀主要负责控制系统压力， 选型：选型：TIANSHENG 的 HFC1/4-MINI 口径为 1/8. 4.2.4 方向控制阀 气动方向控制阀是用来改变气流动方向或通断的控制阀。 本设计采用单电控先导式二位五通电磁换向阀。 选型： 型号为：4V210-10 单电控换向阀(如图 4-3) 图 4-3 4.2.5 机控阀 机控阀用于气源的通与断。 选型：VM200 系列的平头按钮VM230-02-34Y(黄) 4.3 气动程序控制回路 4.3.1 概述 各种自动化机械或自动生产线大多是依靠程序控制来工作的。所谓程序控制，是 指根据生产过程的要求使被控制的执行元件按预先规定的顺序协调动作的一种自动控 制方式。根据控制方式的不同，程序控制可分为时间程序控制、行程程序控制和混合 程序控制三种。此次设计采用了行程程序控制回路 行程程序控制一般是一个闭环程序控制系统。它是前一个执行元件动作完成并发 出信号后，才允许下一个动作进行的一种自动控制方式。行程程序控制系统包括行程 发信装置、执行元件、程序控制回路和动力源等部分。 昆山登云科技职业学院毕业论文 16 4.3.2 控制回路设计 一.设备的动作顺序 双杆气缸 A 下降，然后真空发生器 B 动作，气缸 A 再上升返回，然后导轨型无轨 气缸 C 前进，气缸 A 下降，真空发生器 B 停止动作，气缸 A 再上升返回，最后气缸 C 后退。位移步骤图如表 4-3 图 1 图一图二 二.气动回路图 见表 4-3 图 2 右图为气动元件注释。 三.设备配置 序号名称数量/单位 1无杆气缸1/个 2双杆气缸1/个 3缠绕管若干 4电磁阀3/个 5消声器6/个 昆山登云科技职业学院毕业论文 17 6气动两联件若干 7真空发生器若干 8真空吸盘6/个 9吸盘座金具6/个 10气动接头若干 11两通快插接头若干 12三通快插接头若干 13电控阀1/个 5PLC 系统 5.1PLC 系统设计概述 5.1.1PLC 控制设计的基本原则 PLC 电气控制系统是控制电气设备的核心部件，因此 PLC 的控制性能是关系到整 个控制系统是否能正常、安全、可靠、高效运行的关键所在。在设计 PLC 控制系统时， 应遵循以下基本原则： 最大限度的满足被控对象的控制要求。 力求控制系统简单、经济、适用、维修方便。 保证控制系统的安全、可靠性。 操作简单方便，并考虑有防止误操作的安全措施。 满足 PLC 的各项技术指标和环境要求。 5.1.2PLC 控制设计的基本步骤 对控制系统的控制要进行详细了解。 、 控制系统初步方案设计 根据控制要求确定输入/输出元件，绘制输入输出接线图和主电路图。 根据控制要求确定输入/输出元件，绘制梯形图 完善上述设计内容。 模拟仿真调试 设备安装调试。 5.1.3PLC 选型 昆山登云科技职业学院毕业论文 18 西门子 PLC 具有控制能力强，质量高，程序严谨易懂，通信方便，可利用指令向 导编写复杂程序语句等优点。与三菱伺服电机混用的时候，统一用 NPN 或者统一用 PNP 款式的。选用S7-200 CPU226(AC/DC/RLY)、24DI/16DO的 PLC。 5.2PLC 控制电路图 见附件 4 5.3 伺服电动机接线图 图 5-1 5.4 电气控制电路 5.4.1 电气控制电路概述 电气控制回路主要由按钮开关、行程开关、继电器及其触点、电磁铁线圈等组成。 通过按钮或行程开关是电磁铁通电或断电来控制出点接通或断开的被控制回路，称为 继电器控制回路。控制继电器是一种当输入量达到一定值时，电磁铁线圈通电励磁， 吸合或断开触点的交直流小容量的自动化电器。 5.4.2 控制电路布线和接线 如表 5-1 表 5-1 5.5PLC 编程 昆山登云科技职业学院毕业论文 19 5.5.1 输入输出分配 表 5-2 为 I/O 地址分配表 PLC 软元件（I/O 地址）元件名称控制功能 I0.0磁性感应器 1双杆气缸下降 I0.1磁性感应器 2双杆气缸上升 I0.2磁性感应器 3无杆气缸左移 I0.3磁性感应器 4无杆气缸右移 I0.4电感式传感器 1左侧托台上限位 I0.5电感式传感器 2右侧托台下限位 I0.6电感式传感器 3左侧托台上限位 I0.7电感式传感器 4右侧托台下限位 I1.0气压检测 1物料吸中检测 I1.1气压检测 2物料放下检测 I1.2中间继电器常开触点机械手信号 I1.3启动按钮启动 I1.5复位按钮复位 I1.6停止按钮停止 I1.7气源按钮气源开关 输入 I2.0急停按钮急停 Q0.0电磁阀 1控制双杆气缸 Q0.1电磁阀 2控制无杆气缸 Q0.2电磁阀 3控制真空发生器 Q0.3伺服脉冲线圈 1控制伺服电机 1 包络 Q0.4伺服脉冲线圈 2控制伺服电机 2 包络 Q0.5伺服方向线圈 1控制伺服电机 1 方向 Q0.6伺服方向线圈 2控制伺服电机 2 方向 Q0.7多层警示灯红 Q1.0多层警示灯黄 Q1.1多层警示灯绿 运行状态警示 输出 Q1.2电铃电铃报警 表 5-2 5.5.2 伺服电机正反转控制脉冲输出 控制要求 左侧电机以每秒 50 圈的速度转 0.5 秒 后停，得到信号 X1 后正转，信号 X2 时反 转。右侧电机以每秒 50 圈的速度转 0.5 秒 后停，得到信号 X3 后正转，信号 X4 时反 转。电机步距角为 1.8 度，细分为 1 时转动一圈需要 200 个脉冲，伺服驱动器细分设 定为 10,。 （2）脉冲计算 驱动器细分为 10，则电机转一圈需要 2000 个脉冲，1 秒转 50 圈需 100000 个脉 冲，即脉冲频率为 100000，则周期为 1/100000=100 微妙。所以 脉冲数=2000*50*0.5=50000 5.5.3 程序梯形图 见附件 5 昆山登云科技职业学院毕业论文 20 总结 二月份下企实习结束后，回校就开始了毕业