机电一体化课程设计.doc

目录第1章 机电一体化简介11.1机电一体化技术11.2机电一体化系统构成11.3机电一体化现状及发展趋势21.3.1机电一体化的现状21.3.2机电一体化的发展趋势4第2章 安装搬运站装置电、气动控制系统设计62.1mps的系统的总体介绍62.1.1概述62.1.2系统结构62.2安装搬运站装置的组成与控制82.2.1安装搬运站装置的组成82.2.2安装搬运站装置的动作及控制要求92.3安装搬运站装置的气动回路设计92.4安装搬运站装置电气控制系统的设计10第3章 安装搬运站装置电、气控制系统的实际回路安装与调试173.1安装搬运站气动回路的组建173.2调试过程17第4章 实训小结19参考文献21第1章机电一体化简介1.1机电一体化技术机电一体化是指在机构的主功能、动力功能、信息处理功能和控制功能上引进电子技术，将机械装置与电子化设计及软件结合起来所构成的系统的总称。机电一体化技术是结合了机械技术和电子技术于一体的系统技术。随着计算机技术的迅猛发展和广泛应用，机电一体化技术获得前所未有的发展，成为一门综合计算机与信息技术、自动控制技术、传感检测技术、伺服传动技术和机械技术等交叉的系统技术，目前正向光机电一体化技术方向发展，应用范围愈来愈广。 机电一体化技术具体包括以下内容：1）机械技术 机械技术是机电一体化的基础，机械技术的着眼点在于如何与机电一体化技术相适应，利用其它高、新技术来更新概念，实现结构上、材料上、性能上的变更，满足减小重量、缩小体积、提高精度、提高刚度及改善性能的要求。在机电一体化系统制造过程中，经典的机械理论与工艺应借助于计算机辅助技术，同时采用人工智能与专家系统等，形成新一代的机械制造技术。2）计算机与信息技术 其中信息交换、存取、运算、判断与决策、人工智能技术、专家系统技术、神经网络技术均属于计算机信息处理技术。3）系统技术 系统技术即以整体的概念组织应用各种相关技术，从全局角度和系统目标出发，将总体分解成相互关联的若干功能单元，接口技术是系统技术中一个重要方面，它是实现系统各部分有机连接的保证。4）自动控制技术 其范围很广，在控制理论指导下，进行系统设计，设计后的系统仿真，现场调试，控制技术包括如高精度定位控制、速度控制、自适应控制、自诊断校正、补偿、再现、检索等。5）传感检测技术 传感检测技术是系统的感受器官，是实现自动控制、自动调节的关键环节。其功能越强，系统的自动化程序就越高。现代工程要求传感器能快速、精确地获取信息并能经受严酷环境的考验，它是机电一体化系统达到高水平的保证。6）伺服传动技术 包括电动、气动、液压等各种类型的传动装置，伺服系统是实现电信号到机械动作的转换装置与部件、对系统的动态性能、控制质量和功能有决定性的影响。1.2机电一体化系统构成机电一体化系统由若干具有特定功能的机械和电子要素组成的有机整体，具有满足人的使用要求的最佳功能，机电一体化系统。主要是指机械系统与微电子系统相互置换和有机结合，从而赋予新的功能和性能的新一代产品，有良好的人机协作关系。一个机电一体化的系统主要是由机械装置、执行装置、动力源、传感器、计算机这5个要素构成。1）机械装置 机械装置包括机架、机械连接、机械传动等，它是机电一体化的基础，起着支撑系统中其他功能单元、传递运动和动力的作用。与纯粹的机械产品相比，机电一体化系统的技术性能得到提高、功能得到增强，这就要求机械本体在机械结构、材料、加工工艺性以及几何尺寸等方面能够与之相适应，具有高效、多功能、可靠和节能、小型、轻量、美观的特点。2）执行装置 执行装置的作用是根据电子控制单元的指令驱动机械部件的运动。执行器是运动部件，通常采用电力驱动、气压驱动和液压驱动等几种方式。3）动力源 动力源是机电一体化产品能量供应部分，其作用是按照系统控制要求向机械系统提供能量和动力使系统正常运行。提供能量的方式包括电能、气能和液压能，以电能为主。4）传感器 传感器包括各种传感器及其信号检测电路，其作用就是检测机电一体化系统工作过程中本身和外界环境有关参量的变化，并将信息传递给电子控制单元，电子控制单元根据检查到的信息向执行器发出相应的控制。5）计算机 计算机又称电子控制单元，是机电一体化系统的核心，负责将来自各传感器的检测信号和外部输入命令进行集中、存储、计算、分析，根据信息处理结果，按照一定的程度和节奏发出相应的指令，控制整个系统有目的地进行。1.3机电一体化现状及发展趋势1.3.1机电一体化的现状现代科学技术的发展极大地推动了不同学科的交叉与渗透，引起了工程领域的技术改造与革命。在机械工程领域，由于微电子技术和计算机技术的迅速发展及其向机械工业的渗透所形成的机电一体化，使机械工业的技术结构、产品机构、功能与构成、生产方式及管理体系发生了巨大变化，使工业生产由“机械电气化”迈入了“机电一体化”为特征的发展阶段。世界范围内机电一体化的发展大体可以分为三个阶段。第一阶段为20世纪60年代以前，由于当时电子技术的发展尚未达到一定水平，机械技术与电子技术的结合还不可能广泛和深入发展，已经开发的产品也无法大量推广；第二阶段为20世纪7080年代。这一时期，计算机技术、控制技术、通信技术的发展，为机电一体化的发展奠定了技术基础。大规模、超大规模集成电路和微型计算机的迅猛发展，为机电一体化的发展提供了充分的物质基础；第三阶段为20世纪90年代后期，开始了机电一体化技术向智能化方向迈进的新阶段，机电一体化呈现深入发展时期。一方面，光学、通信技术等进入了机电一体化，微细加工技术也在机电一体化中崭露头脚,出现了光机电一体化和微机电一体化等新分支；另一方面对机电一体化系统的建模设计、分析和集成方法，机电一体化的学科体系和发展趋势都进行了深入研究。同时，由于人工智能技术、神经网络技术及光纤技术等领域取得的巨大进步，为机电一体化技术开辟了发展的广阔天地。目前机电一体化技术的主要应用领域有：1)数控机床 数控机床及相应的数控技术经过40年的发展，在结构、功能、操作和控制精度上都有迅速提高，具体表现在:1、总线式、模块化、紧凑型的结构，即采用多c pu、多主总线的体系结构。2、开放性设计,即硬件体系结构和功能模块具有层次性、兼容性、符合接口标准,能最大限度地提高用户的使用效益。3、w o p技术和智能化。系统能提供面向车间的编程技术和实现二、三维加工过程的动态仿真，并引入在线诊断、模糊控制等智能机制。4、大容量存储器的应用和软件的模块化设计，不仅丰富了数控功能，同时也加强了c n c系统的控制功能。5、能实现多过程、多通道控制，即具有一台机床同时完成多个独立加工任务或控制多台和多种机床的能力，并将刀具破损检测、物料搬运、机械手等控制都集成到系统中去。6、系统的多级网络功能，加强了系统组合及构成复杂加工系统的能力。7、以单板、单片机作为控制机，加上专用芯片及模板组成结构紧凑的数控装置。2)计算机集成制造系统(cims) c im s的实现不是现有各分散系统的简单组合，而是全局动态最优综合。它打破原有部门之间的界线,以制造为基干来控制“物流”和“信息流”，实现从经营决策、产品开发、生产准备、生产实验到生产经营管理的有机结合。企业集成度的提高可以使各种生产要素之间的配置得到更好的优化，各种生产要素的潜力可以得到更大的发挥。3)柔性制造系统(fms) 柔性制造系统是计算机化的制造系统，主要由计算机、数控机床、机器人、料盘、自动搬运小车和自动化仓库等组成。它可以随机地、实时地、按量地按照装配部门的要求,生产其能力范围内的任何工件，特别适于多品种、中小批量、设计更改频繁的离散零件的批量生产。4)工业机器人 第1代机器人亦称示教再现机器人,它们只能根据示教进行重复运动，对工作环境和作业对象的变化缺乏适应性和灵活性；第2代机器人带有各种先进的传感元件，能获取作业环境和操作对象的简单信息，通过计算机处理、分析，做出一定的判断，对动作进行反馈控制，表现出低级智能，已开始走向实用化；第3代机器人即智能机器人，具有多种感知功能，可进行复杂的逻辑思维、判断和决策，在作业环境中独立行动，与第5代计算机关系密切。从20世纪80年代初我国才开始在这方面研究和应用。国务院成立了机电一体化领导小组并将该技术列入“863计划”。在制定“九五”规划和2010年发展纲要时充分考虑了国际上关于机电一体化技术的发展动向和由此可能带来的影响。许多大专院校、研究机构及一些大中型企业对这一技术的发展及应用做了大量的工作，取得了一定成果,但与日本等先进国家相比仍有相当差距。1.3.2机电一体化的发展趋势机电一体化是集机械、电子、光学、控制、计算机、信息等多学科的交叉综合,它的发展和进步依赖并促进相关技术的发展和进步。因此，机电一体化的主要发展方向如下。1)全系统化智能化。今后的机电一体化产品“全息”特征越来越明显,智能化水平越来越高。模拟人类智能,使它具有判断推理、逻辑思维、自主决策等能力,以求得到更高的控制目标。这主要受益于模糊技术、信息技术(尤其是软件及芯片技术)的发展。机器人与数控机床的智能化就是其重要应用。2)光机电一体化。一般的机电一体化系统是由传感系统、能源系统、信息处理系统、机械结构等部件组成的,因此,引进光学技术,能有效地改进机电一体化系统的传感系统性能、能源(动力)系统和信息处理系统性能,光机电一体化是机电产品发展的重要趋势。 3)微型机电化微型化。泛指几何尺寸不超过一立方厘米的机电一体化产品，正向微米、纳米级发展。目前，利用半导体器件制造过程中的蚀刻技术，在实验室中已制造出亚微米级的机械元件，当将这一成果用于实际产品时，就没有必要区分机械部分和控制器了。届时机械和电子完全可以“融合”，机体、执行机构、传感器、cpu等可集成在一起，体积很小，并组成一种自律元件。这种微型机械学是机电一体化的重要发展方向。4)技术产品网络化。20世纪90年代,计算机技术等的突出成就是网络技术。网络技术的兴起和飞速发展给科学技术、工业生产、政治、军事、教育等都带来了巨大的变革。各种网络将全球经济、生产连成一片。企业间的竞争也将全球化。机电一体化新产品一旦研制出来,只要其功能独到,质量可靠。很快就会畅销全球。由于网络的普及,基于网络的各种远程控制和监视技术方兴未艾。而远程控制的终端设备本身就是机电一体化产品。因此,机电一体化产品无疑朝着网络化方向发展。5)自律分配系统化柔性化。未来的机电一体化产品，控制和执行系统有足够的“冗余度”，有较强的“柔性”，能较好地应付突发事件，被设计成“自律分配系统”。在自律分配系统中，各个子系统是相互独立工作的，子系统为总系统服务，同时具有本身的“自律性”，可根据不同的环境条件做出不同反应。其特点是子系统可产生本身的信息并附加所给信息，在总的前提下，具体“行动”是可以改变的。这样,既明显地增加了系统的适应能力(柔性)，又不因某一子系统的故障而影响整个系统。6)设计产品绿色化。工业的发展给人们生活带来了巨大变化。一方面，物质丰富，生活舒适；另一方面，资源减少，生态环境受到严重污染。于是，人们呼吁保护环境资源，回归自然。绿色产品概念在这种呼声下应运而生，绿色化是时代的趋势。绿色产品在其设计、制造、使用和销毁的生命过程中，符合特定的环境保护和人类健康的要求，对生态环境无害或危害极少，资源利用率极高。设计绿色的机电一体化产品，具有远大的发展前途。第2章 安装搬运站装置电、气动控制系统设计2.1mps的系统的总体介绍2.1.1概述自动化生产教学是为提高学生动手能力和实践技能而设计、生产的一套实用性实验设备。mps系统即模块化生产系统是企业自动化生产线的缩影。该装置由六套各自独立而又紧密相连的工作站组成。这六站分别为：上料检测站、搬运站、加工站、安装站、安装搬运站和分类站。该实验装置的一大显著特点是：具有较好的柔性，即每站各有一套plc控制系统独立控制。该系统囊括了机电一体化专业学习中所涉及的诸如电机驱动、气动技术、plc（可编程控制器）技术、传感器技术、电子技术、机械技术等多种技术。2.1.2系统结构mps系统是由独立的各站相互连接而成。各站是安装在带槽的铝平板上（700mm350mm），各站可容易的连接在一起组成一条自动加工生产线（如图2.1.1，图2.1.2）。图2.1.1. mps系统结构图2.1.2 mps系统1） mps系统中各站的功能：第一站上料检测站 回转上料台将工件依次送到检测工位，提升装置将工件提升并检测工件颜色第二站搬运站 将工件从上一站搬运到下一站第三站加工站 用回转工作台将工件在四个工位间转换，钻孔单元打孔，检测打孔深度第四站安装站 选择要安装工件的料仓将工件从料仓中推出将工件安装到位第五站安装搬运站 将上一站工件拿起放入安装工位，将安装好的工件拿起放到下一站第六站分类站 按工件的类型分类，将工件推入库房2）控制面板及功能地址如图2.1.3和表2.1所示。图2.1.3 控制面板表2.1 功能地址功能地址开始复位特殊手/自单/联停止上电急停x10x11x12x13x14x15x16y10y11y163）急停系统原理图如图2.1.4所示。图2.1.4 急停系统原理图2.2安装搬运站装置的组成与控制2.2.1安装搬运站装置的组成安装搬运站的组成安装搬运站工作台部分由四个双作用缸、传感器、电磁阀和plc组成，ya0和ya1控制左双作用缸的左右移动，ya2和ya3控制右双作用缸的左右移动，ya4和ya5控制双作用缸的夹紧和松开。ya6控制双作用缸的上下移动。双作用缸由气压阀控制的。因为左缸和右缸在流程中可以随时停止运作，即不能有任何的移动，所以在这里选择的气压阀应该是双电控三位五通气压阀。夹爪因为在过程中要持续保持某一动作，所以应该选用双电控二位五通气压阀。升降缸因为要自动复位，所以选用自动复位单电控二位五通气压阀。传感器是一种能把物理量或化学量转变成便于利用的电信号的器件。传感器是传感器系统的一个组成部分，它是被测量信号输入的第一道关口。实训中六站所用到得传感器有：光电传感器测有没有物体电容传感器测有没有物体电感传感器测物体是否是金属磁性传感器测物体行程在安装搬运站中，传感器的作用为位置输入信号，相当于行程开关，所以这里采用的是磁性传感器。 选用的plc为fx2n48mr型, fx2n-48mr-001基本单元带24点输入/24点继电器输出，传感器1b11b2、2b12b2、4b14b2为输入信号，开始、复位、停止、特殊、上电按钮也是输入信号，ya0、ya1、ya2、ya3、ya4、ya5、ya6、y10、y11和y16为输出。2.2.2安装搬运站装置的动作及控制要求按下上电按钮，plc得电，按下复位按钮爪台回到原位，按下开始开关，ya6得电爪身下降，4b1亮ya5得电夹紧，上升，上升到3b2亮，ya2得电右转，当2b2亮，ya2失电，ya6得电，下降到4b1亮，ya4得电松开，然后ya6失电爪身上升，过一段时间，ya6得电，下降到4b1亮，ya5得电夹紧，然后上升至4b2亮，ya1得电右转，当2b1亮时，ya6得电下降，当4b1亮时，ya4得电松开，然后上升，当4b2亮时回到原点。上电复位按钮指示灯闪烁复位按钮复位运作，开始按钮指示灯闪烁开始按钮开始工作从最初到实现搬运再回到最初的状态特殊按钮自动循环运作停止按钮所有运作停止2.3安装搬运站装置的气动回路设计安装搬运站站装置的气动回路主要由气源、三位五通电磁换向阀、两位五通电磁换向阀，推出气缸组成。气动回路图如图2.3.1所示：图2.3.1 安装搬运站的装置气动回路图工作原理：当电磁铁1y1得电，换向阀左位接通，气缸缩回，传感器1b1感应到位后电磁铁失电，换向阀复位。动作顺序如表2.3.2所示。表2.3.2 电磁铁动作顺序表工步元件ya0ya1ya2ya3ya4ya5ya6原位-+-+-左伸-+-右伸+左退-+右退+-夹紧-+放松降+2.4安装搬运站装置电气控制系统的设计1）安装搬运站plc控制i/o分配如表2.3.3所示表2.3.3 安装搬运站输入、输出地址表2） 安装搬运站plc控制i/o端口图如图2.3.4所示。图2.3.4 安装搬运站plc控制i/o端口图3） 急停系统原理图如图2.3.5所示。图2.3.5 安装搬运站急停系统原理图4）安装搬运站plc梯形图如图2.3.6所示。图2.3.6 安装搬运站plc梯形图5）指令表程序如表2.3.7所示。表2.3.7 安装搬运站指令表程序第3章 安装搬运站装置电、气控制系统的实际回路安装与调试3.1安装搬运站气动回路的组建安装搬运站气动回路实物照片如图3.1.1所示。图3.1.1 安装搬运站3.2调试过程1）编写程序：根据控制要求编写plc程序，检查基本无误后将plc程序输入计算机并检查是否有误。2）下载程序：将plc置于“stop”状态，将已输计算机的程序下载到plc中，下载完成后将plc置于“run”状态，检查plc是否报警。3）调试：在计算机上对程序进行监控，在安装搬运站面板上按下“上电”按钮，指示灯亮，“复位”按钮指示灯闪烁，按下“复位”按钮使爪台复位，“开始”按钮指示灯亮。复位后，按下“开始”按钮后，爪身下降，下降到位夹爪。夹爪后夹身上什，到达上限位时，右缸收缩，爪台右转，收缩到位后，爪身下降，到达下限位时爪松开，松开后自动复位。过几秒后，爪身下降到达下限位夹紧，后上升，到达上限位左缸收缩，收缩到位时爪身下降，到下限位是放松。然后复位，等待下一流程。4）遇到问题：在整个调试过程中遇到的问题有以下几个：1.当程序下载到plc中后，plc报警灯亮，发出警报。2.爪身不停的往复运作。3.这一段动作与下一段动作不能正常连接。4.时间继电器的运用不能自如，在时间控制方面不足。5.气缸活塞杆推工件的速度太大。5）解决方法：1.检查plc程序，将其中的错误改正。2.查看程序，解决自身的矛盾。3.解除自锁条件，保证下一流程的运作。4.通过调试，不断修改时间使得满足需要。5.手动调节单向节流阀，使气缸活塞杆推出的速度减小。第4章 实训小结一晃又一个学期快结束了，又到了我们每学期末实训的时间了，这次我们进行为期两周的机电一体化综合实训。机电一体化综合实训的目的在于培养我们多课程知识的综合运用使我们在课堂上学习的理论知识在现场实践的过程中得到快速转化，充分发挥我们的动手、解决问题和创新的能力。在这次实训过程中我和组内成员都学到了许多东西，收获知识、提高能力的同时，我也学到了很多人生的哲理，对我们以后的学习和工作都很有帮助。我总结了两点:一，只有耐心分析，才能解决问题 。在实训的过程中我们会遇到一些困难这是很正常的事，但是不能一遇到问题就慌了，要耐心的分析问题并解决，这次实训的时候我们就遇到了这样的情况。我们在编写命令机械手下降并抓起的时候我们用到了x4我们编写的程序经我们几个人检验完全正确，但机械手就是不运行，我们在这个点上耽搁了近一个小时大家都有点急躁，后来有人提议对机械手实行手动控制看看情况，终于我们发现原来是传感器坏了，找到了问题的所在问题就好解决了。二，要学会团队合作，不懂及时