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绑线机自动化机械手设计（开题报告）华东理工大学毕业论文（设计）开题报告1103级课 题 绑线机自动化机械手设计 网络教育学院学 院 教育中心 顺德教育中心 专 业 机械设计及自动化 年 级 学 号 11332428 姓 名 李 炳 元 导 师 伍 伟 杰 定稿日期： 2013 年 2 月 20 日 绑线机自动化机械手设计机械设计1103（11332428）李炳元1 研究背景1.1研究背景 1.1.1我国制造业自动化技术现状我国的产业结构层次低，目前发展很不平衡，有大量落后于现代水准的产业，大部分企业还比较落后，手工劳动占有相当的比重。我国机械制造业企业中自动化装备少，水准低，不仅在数量上同世界先进国家有较大差距，而且在品种上，质量上，使用上，同世界先进水准也存在阶段性差距。实现我国机械自动化技术是一个长期的过程，不可能一蹴而就。需要循序渐进，不断努力，创造条件，向自动化的高级思想阶段迈进。当前，我国还处在社会主义初级阶段，经济，财力，生产力水准，国民素质等，与世界主要发达国家的差距还是很大的。我国机械制造业的自动话进程已经开始，并已显示出一定效果，为了使我国机械制造业尽快实现产业与产品的调整和升级换代，提高企业竞争力，必须加快和加大企业自动化的力度，才能在激烈的市场竞争中立于不败之地。1.1.2我国制造业自动化发展趋势智能化是未来制造自动化发展的重要方向。智能制造技术的宗旨在于通过人与智能机器的合作共事，去扩大，延伸和部分地取代人类专家在制造过程中的脑力劳动，以实现制造过程的优化。数字化是先进制造技术发展的核心。数字化制造是制造技术，计算机技术，网络技术与管理科学的交叉、融合、发展和应用的结果。注重配套发展机械自动化技术。现代自动化技术在机械制造中的应用就是在控制理论指导下，对生产的物流和人的作用进行综合研究，涉及到机械技术，微电子技术，自动控制理论和计算机技术等。1.2 项目来源 目前，世界科技迅猛发展，但仍然改变不了制造业的基础地位，可以说，没有制造业就没有工业。当前，随着人力成本的不断上涨，自动化，少人化是企业追诼的目标，也是现代制造业发展的趋势。现在，我国压缩机行业制造中，核心部件定子部件均采用手工作业，而人在操作的过程中，难免存在误差，造成定子铜线碰伤，影响产品的品质。同时，人具有疲劳特性，对生产效率的提高有不良的影响，特别是绑线机工序，只有一个搬进搬出的简单动作。也正是由于绑线机的动作简单，实现自动化的可能能比较容易，制造成本也低，只需设计一个机械手，编一个程序，就能起到代替人工的作用。所以，本课题设计采用绑线机自动化机械手，实现自动化生产，符合时代需要，有利于生产成本的降低，有利的生产效率的提高，有利于产品品质的控制。2 文献综述2.1机械设计（参考文献2 10 17）2.1.1 机械零件的失效方式机械零件在工作时出现丧失工作能力或达不到设计要求性能的现象，称为失效。常见的失效形式有整体断裂，过大的弹性变形或残余变形，零件表面的破坏，不能满足工作条件所导致的失效。2.1.2提高机械零件强度的一般措施合理布置零件，减少零件所受到的最大载荷；采用等强度结构；减小载荷和应力集中；选用合理截面；对零件表面进行强化处理。2.1.3齿轮传动的主要优点工作可靠，使用寿命长；瞬时传动比为常数；传动效率高；结构紧凑；功率和速度适用范围广。2.1.4结构设计的基本要求从整个机器的工艺性出发，分析零部件的结构工艺性；在满足工作性能的前提下，零件的造型尽量简单；零件设计时应考虑加工的可能性，方便性，精确性和经济性；尽量减少零件的机械加工量；合理选择零件材料。2.2 机电传动控制（参考文献2 7 89） 2.2.1旋转运动转矩，角速度转动惯量，飞轮矩和运动方程旋转运动的功，功率，和动能。2.2.2可编程控制器（PLC）基本结构和原理PLC基本结构：PLC主要包括中央处理器（CPU）；存储器；输入/输出单元（I/O单元）；接口单元；电源单元；编程器。PLC的基本原理：PLC有两种基本工作状态，即运行（RUN）状态与停止（STOP）状态，（在部分PLC中还存在TEAM）状态，PLC通过反映控制要求的用户程序来实现控制功能。为了使PLC输出能及时地响应随时可能改变的输入信号，用户程序不是只执行一次，而是不断地重复执行，直至PLC停机或切换到STOP工作状态。2.2.3触摸屏及组态软件触摸屏，是个可接收触头等讯号的感应式液晶显示装置，当接触了屏幕上的图形按扭时，屏幕上的触觉反馈系统可根据预先编程的程序驱动各种连接装置，可用于取代机械式的按扭面板，并借由液晶显示画面制造出生动的影音效果。触摸屏的主要功能就是取代传统的控制面板和显示仪表，通过控制单元（如PLC）通信，实现人与系统的信息交换，更方便地实现对整个系统的操作和监视。2.3工程测试与信息处理（参考文献3 4 810）2.3.1信号的分类确定性信号与非确定性信号能量信号与功率信号时限与频限信号连续时间信号与离散时间信号物理可实现信号2.3.2人类感官的延伸传感系统传感器是人的感官的延伸，它的作用是扩展人的信息功能，因此，从广义上讲，传感器是一个感知系统，是为了从外界感知信息而工作的系统。传感技术是信息科学的一个重要组成部分，在现代被称之为信息探测工程学，是研究物质的物理效应，化学效应及生物效应，作为信息探测的实际应用的一门科学。它对科学技术发展的作用和意义，已日益显得重要而突出。3 研究路径/论文（设计）框架3.1 研究路径本文通过“C线绑线机自动化机械手”的实例，在绑线机搬运定子的过程中采用自动化设计，完成新工艺的编制，机械手的机械结构设计，运转程序编辑等任务过程。本课题在研究的过程中参考查阅了大量的资料及文献，结合一线生产的实际情况，创新设计了自动化机械手，满足了生产需要，减轻了劳动强度，降低了生产成本。3.2 课题研究的主要内容1. 分析绑线机自动化机械手设计目的和意义2. 分析绑线机自动化机械手的主要技术参数3. 绑线机自动化机械手的结构设计4. 绑线机自动化机械手的电气设计5. 制订绑线机自动化机械手的装配工艺6. 绑线机自动化机械手的调试3 进度安排序号时 间进 度12012-12-26 2013-1-15资料搜集、阅读文献、确定选题、确认任务书；22013-1-25 2013-2-25分析课题及开题报告；32013-3-7 2013-3-18实施绑线机自动化机械手的研究工作，并完成论文初稿；42013-3-26 2013-4-8初稿修改、并提交定稿；52013-4-20 2013-4-28终稿提交，装订论文，并准备答辩。5 参考文献1朱金生，凌云.机械设计实用机构运动仿真图解.电子工业出版社，20122龚利红，刘晓军.机械设计公式及应用实例.化学工业出版社，20113扬永军等.中国机械行业标准汇编-液压与气动装置卷.机械工业出版社，20124冯立艳，张雪雁.机械原理. 机械工业出版社，20125张义民.机械可靠性漫谈.科学出版社，20126卢文祥，杜润生.工程测试与信息处理.华中科技大学出版社，20007安琦.机械设计.华东理工大学出版社，20098扬叔子，杨克冲.机械工程控制基础.华中科技大学出版社，20059吴清，刘小成.机电传动控制.华东理工大学出版社，201110梁景凯.机电一体化技术与系统.机械工业出版社，201211吴兆祥.模具材料及表面处理.机械工业出版社，200712朱张校.工程材料.清华大学出版社，201113左健民.液压与气压传动.机械工业出版社，201214陈子银.数控机床电气控制.北京理工大学出版社，20062. 2. 2. 2. 机械手模型设计机械手模型设计机械手模型设计机械手模型设计 2.1机械手控制系统构件概述 机械手实物教学模型的机械结构采用滚珠丝杆、滑杆、气缸、气夹等机械部件组成；电气方面有步进电机、直流电机、步进电机驱动器、传感器、开关电源、电磁阀等电子器件组成。 本设计中采用的机械手，可在三维空间内运动。水平（X）轴、垂直（Y）轴采用步进电机控制，底盘的旋转采用直流电机控制，抓取物体的电磁阀采用气动形式。步进电机的控制，由对应的步进电机驱动器电路完成。完成本设计需要的实验设备有：1）机械手模型2）计算机3）导线4）气泵5）晶体管输出型可编程控制器(带编程电缆) 机械手的控制面板分以下几个模块 （1）步进电机驱动及步进电机 驱动器电流设定为0.63A，细分设定为8细分。将24V电源接入驱动器，此时驱动器的电源指示灯应点亮。将24V与OPTO端（驱动器使能端）连接起来。PUL端是脉冲输入端。DIR是方向控制输入端。 （2）直流电机本模型用的气夹电机和底座电机均是24V直流电机，PLC控制两个直流继电器的吸合来控制电机的正转和反转。 （3）旋转编码盘 在本模型底座上有一个旋转编码盘，在底座旋转时，在此产生一个VP-P为24V的方波信号，可以提供给PLC的高速计数器，用于机械手的定位控制。 （4）接近开关 在本模型中底座和气夹的限位通过4个电感式接近开关来完成。接近开关与触头接近时接近指示灯点亮、输出低电平，否则为高电平。 （5）行程开关 在本模型中两个滚珠丝杆的限位通过4个滚轴式行程开关来完成。当行程开关压下时常开触点闭合，给PLC一个控制信号。 （6）电磁阀与平行气夹 本模型使用的电磁阀动作时平行气夹夹紧，动作则张开。 2.1.1步进电机 用二相八拍混合式步进电机，主要特点：体积小，具有较高的起动和运行频率，有定位转矩等优点。本模型中采用串联型接法，其电气图如图2.1所示： 2.1步进电机电气图 步进电机驱动器 步进电机驱动器主要有电源输入部分、信号输入部分、输出部分等。驱动器参数如下列图表所示： （1）电气规格 说明 最小值 典型值 最大值 单位 供电电压 18 24 40 V 均值输出电流 0.21 1 1.50 A 逻辑输入电流 6 15 30 mA 步进脉冲响应频率 100 kHz 脉冲低电平时间 5 1 s （2）电流设定 电流值 SW1 SW2 SW3 0.21A OFF ON ON 0.42A ON OFF ON 0.63A OFF OFF ON 0.84A ON ON OFF 1.05A 0FF ON OFF 1.26A ON OFF OFF 1.50A OFF OFF OFF （3）细分设定细分倍数 步数/圈（1.8整步） SW4 SW5 SW6 1 200 ON ON ON 2 400 OFF ON ON 4 800 ON OFF ON 8 1600 OFF OFF ON 16 3200 ON ON OFF 32 6400 OFF ON OFF 64 12800 OFF ON OFF 由外部确定 动态改细分/禁止工作 OFF OFF OFF （4）接线信号描述 信 号 功 能 PUL 脉冲信号：上升沿有效，每当脉冲由低变高时电机走一步 DIR 方向信号：用于改变电机转向，TTL平驱动 OPTO 光耦驱动电源 ENA 使能信号：禁止或允许驱动器工作，低电平禁止 GND 直流电源地 +V 直流电源正极，典型值+24V A+ 电机A相 A- 电机A相 B+ 电机B相 B- 电机B相 （5）PLC控制器与步进电机驱动器连接的工作原理如图所示： 驱动器电源由面板上电源模块提供，注意正负极性，驱动器信号端采用+24V供电，需加1.5K限流电阻（见图2.2中1.5K电阻）。驱动器输入端为低电平有效，在使用不同厂家的PLC产品配套此模型使用时，要选择相应的输出方式，或者加入合适的电平转换板进行电平转换。细分倍数 步数/圈（1.8整步） SW4 SW5 SW6 1 200 ON ON ON 2 400 OFF ON ON 4 800 ON OFF ON 8 1600 OFF OFF ON 16 3200 ON ON OFF 32 6400 OFF ON OFF 64 12800 OFF ON OFF 由外部确定 动态改细分/禁止工作 OFF OFF OFF （4）接线信号描述 信 号 功 能 PUL 脉冲信号：上升沿有效，每当脉冲由低变高时电机走一步 DIR 方向信号：用于改变电机转向，TTL平驱动 OPTO 光耦驱动电源 ENA 使能信号：禁止或允许驱动器工作，低电平禁止 GND 直流电源地 +V 直流电源正极，典型值+24V A+ 电机A相 A- 电机A相 B+ 电机B相 B- 电机B相 （5）PLC控制器与步进电机驱动器连接的工作原理如图所示： 驱动器电源由面板上电源模块提供，注意正负极性，驱动器信号端采用+24V供电，需加1.5K限流电阻（见图2.2中1.5K电阻）。驱动器输入端为低电平有效，在使用不同厂家的PLC产品配套此模型使用时，要选择相应的输出方式，或者加入合适的电平转换板进行电平转换3.2 PLC的I/O分配 根据机械手动作的要求及机械手实物教学实验装置说明指导，输入、输出点分配如表3.1所示。 名称 输入 名称 输出 气夹正转限位 X0 驱动器一 PUL Y0 气夹反转限位 X1 驱动器二 PUL Y1 基座正转限位 X2 驱动器一 DIR Y2 基座反转限位 X3 驱动器二 DIR Y3 旋转脉冲 X4 气夹正转 ML Y4 X轴前限位 X5 气夹反转 MR Y5 X轴后限位 X6 基座反转 MR Y6 Y轴上限位 X7 基座正转 ML Y7 Y轴上限位 X10 气夹电磁阀 YV+ Y10 启动按钮 X11 复位按钮 X12 表3.1 PLC的I/O分配表 3.4 PLC程序的调试 由于PLC是专门为工业生产环境设计的控制装置，因此一般不需要采取什么特殊措施，就可以直接在工业环境中使用。但环境过于恶劣、电磁干扰特别强烈，或安装使用不当，都将不能保证PLC正常、安全、可靠的运行。因此，讨论PLC设计调试就具有十分重要的意义。 3.4.1 PLC控制的安装与布线 1、 输入接线 （1）输入接线一般不要超过30m。但如果环境干扰较小，电压降不大时，输入接线可适当长些。 （2）输入、输出线不能用同一根电缆，输入、输出线要分开。 （3）利用普通二极管恰当的串接在PLC输入回路中，防止信号干扰，使PLC输入信号大大增强。 2、电源接线 PLC供电电源为50Hz、220V10%的交流电。由于本设计使用的是FX1N系列可编程控制器，所以有直流24V输出接线端。该接线端可为输入及传感器（如光电开关或接近开关）提供直流24V电源。3、接地 。对PLC控制系统而言，它属高速低电平控制装置，应采用直接接地方式。良好的接地是保证PLC可靠工作的重要条件，可以避免偶然发生的电压冲击危害。所以我们给可编程控制器接上了专用接地线。 3.4.2 机械手控制系统的外部接线图 PLC外部电气接线图见附录5。 3.5 机械手的动作实现过程 机械手的全部动作由步进电机和直流电机进行驱动控制。机械手结构示意图如图3.1所示。步进电机的运动需要驱动器，有脉冲输入时步进电机才会动作，且每当脉冲由低变高时步进电机走一步；改变电机转向时，需要加方向信号。机械手的上升/下降、前伸/后缩动作就是通过控制这两个步进电机的正反转来实现的。基座正转/反转和气夹正转/反转是通过两个继电器的吸合与断开来控