机电一体化课程设计说明书.doc

机电一体化课程设计说明书第一章 课题背景一、机电一体化在工程机械中应用 机电一体化是当今自动化技术发展的最高阶段。早期的自动化技术主要是借助凸轮、机械机构等实现的，这一时期的自动化实际上是机械自动化；随着电子技术的发展，凸轮、机械机构逐渐被继电器、接触器、电磁开关等机构所取代，实现了电气自动化，机械机构大大简化，自动化水平大为提高；机电一体化则是生产实践对自动化技术进一步发展的需要，也是微电子技术、计算机技术、信息技术、控制技术和精密机械技术等发展的必然产物，是以计算机为主要特征的自动化技术。如果说机械系统处理的对象是运动、力、物质和能量，电子系统处理的对象是信息和知识，则机电一体化系统不仅有处理能量和物质的功能，而且还有处理信息和知识的能力。机电一体化技术发展至今已成为一门有着自身体系的新型学科，其发展历程可分为4个阶段：数控机床的问世是机电一体化发展的开始；微电子技术为机电一体化带来勃勃生机；可编程序控制器的发展为机电一体化提供了坚强基础；激光技术、模糊技术、信息技术使机电一体化跃上新台阶【1】。机电一体化技术的发展初期，人们的目的是利用电子技术的初步成果来完善机械产品的性能，那时研制和开发还处于萌芽状态，而且由于当时电子技术水平不高，机械技术与电子技术的结合还不广泛和深入。其后计算机技术、控制技术、通信技术、大规模集成电路的发展，为机电一体化的发展奠定了技术和物质基础。二、PLC的应用与发展而随着电子科技的发展及产业应用的需要，PLC的功能也日益强大，例如位置控制及网络功能等，输出输入信号也包含了DI (Digital Input)、AI (Analog Input)、PI (Pulse Input)及NI (Numerical Input)，DO (Digital Output)、AO (Analog Output)、PO (Pulse Output)及NO (Numerical Output)，因此PLC在未来的工业控制中，仍将扮演举足轻重的角色。PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。在1969年第一台可编程控制器在美国面世以来，由于其具有高可靠性、编程方便、易于使用、对环境要求低、易于扩展等特点，同时其又是计算机产品，其程序易修改性、可靠性、通用性、易扩展性、易维护性都大大提高；加上它体积小巧，安装调试方便等优点，经过近四十年的发展，PLC已成为机电控制领域不可缺少的核心控制部件。第二章 总体方案设计1、 总体方案设计框图 总体设计框图2、机械手机械部分设计根据生产线的要求该装箱机械手需要有一个旋转，一个横轴方向的移动，一个竖轴方向的移动，一个手抓的张合。工作范围：旋转动作：旋转角度范围为360度竖直移动：竖直移动范围0到1500mm横直移动：横直移动范围0到1500mm末端执行结构：气动的手爪，能实现对工件的夹紧和放松，能抓起重2公斤的重物辅助机构底座、旋转平台、支持光杆、电机平台等辅助结构的支持3、控制部分设计1）具体的技术要求如下：通过机械手实现物品的到位自动检测、搬运、传输等功能。功能上分手动和自动两个设计。手动时，由启动、停止、急停按钮来控制。要求分清停止和急停的功能，停止时机械手执行完此次任务后回到复位状态而停止；急停时机械手无条件的立即停止，但是注意如果机械手爪上如有物体应注意抓紧防止手爪松动而使物体落下。要求有指示灯进行功能指示，如：手动/自动指示灯、启动指示灯、停止指示灯等。设计计数功能，每抓取一个物件计数器值加一。计数器显示抓取的总个数。2）选取驱动和控制系统该自动装箱机械手的控制装置采用PLC，通过PLC来控制机电或电磁阀，使机械手能够自动实现上升、下降、旋转、抓紧、松开等动作。电机控制旋转动作，气动控制竖轴移动、横轴移动和手抓的抓放。 选用传感器为压力传感器，位移传感器和光电传感器来实现位置检测及抓取检测。 4总体设计方案简图：1：手爪 2：前后安装有法兰的双作用气缸 3：前后安装有法兰的双作用气缸 4：前后安装有法兰的双作用气缸 5：用来旋转的锥齿轮 6：步进电动机第三章 机构设计1、手爪的设计 机构简图设计需满足的要求：手爪所抓起物块尺寸为10cmX10cmX5cm,重量为2kg其行程为010cm。能实现对工件的加紧和放松，主要设计在于其是否有足够的力来抓起物块。手爪的传感器为压电传感器用来检测是否抓起物块。手爪的总重量为；G=31N2、手爪气缸连接件的设计：材料15钢 法兰盘 3、设计与手爪气缸相连接的钢杆 材料选Q235钢 重量G=120N 直径D=30mm4、杆与手爪气缸连接件设计：材料15钢 法兰盘5、横梁与手爪部分的连接件设计：材料15钢，4孔连接件6、底座的设计 竖直运动气缸与底座相连接支杆的设计轴承的选择 由于锥齿轮轴承受的轴向力较大，综合考虑选择圆锥滚子轴承根据已知条件查手册【5】取30212，DXdXB=110X60X24支杆与竖直杆连接件的设计底座的箱体及其附属结构的设计第四章 驱动系统设计设计机械手时，要根据机械手的用途、作业要求、机械手的性能规范、控制功能、维护的复杂程度、运行的功耗，性价比以及现有条件等综合因素加以考虑。在本次设计情况下机械手的驱动系统选择如下：第一节 气缸的设计：1、与手爪相连的气缸的确定 F实际=4D2-d2P取d=0.5D,气缸压强取p=0.7MPa气缸的内径D=20mm活塞杆d=10mm材料：缸体：铝合金 =2.7g/cm3 活塞杆：合金钢 =7.9g/cm32、横向移动气缸的确定本气缸主要承受悬臂、爪部以及零件等的重量。活塞杆受压缩和弯曲由机械手册【2】知：可选QGAII系列气缸 最大行程500mm气缸的内径：D=50mm活塞杆d=20mm适用压力范围：01MPa缸体材料：铝合金 =2.7g/cm3活塞杆材料：合金钢 =7.9g/cm33、确定Z轴的气缸由机械手册得知：可选QGAII-57X800气缸气缸的内径：D=63mm活塞杆d=32mm适用压力范围：01MPa缸体材料：铝合金 =2.7g/cm3活塞杆材料：合金钢 =7.9g/cm3缸体：650mm 杠杆：600mm第二节 空压机及控制元件的选择1、耗气量的计算取活塞的伸出速度v=0.01m/s,经计算A缸的压缩空气量为Q1=3.89x10-5m3/s B缸Q2=2.45x10-5m3/s C缸Q3=2.45x10-5m3/s2、 选择控制元件由于工作压力【2】=0.6MPa 由以上计算可选：主控换向阀：JQ23-L行程阀：Q2SJC4A-1.3逻辑阀：JQ230631型两位三通阀棱阀：QS-L33、辅助元件的选择分水虑气器 394.49 油雾器 396.494、计算压力损失： 查表【2】Pc=6.1x10-3MPa5、局部压力损失忽略流经管道的压力损失 总共的损失压力为P1=0.073MPa总的供气量为P2=0.473MPa 应为P2P1所以满足要求6、空压机的选择自由通通气量：Qa=1.5x10-4m3/s Qa=1.5x10-4m3/s Qa=1.5x10-4m3/s 其中气缸一个周内单程作用次数a=1，单缸单程时间tA=4.7s tB=33s tc=75s 工作循环时间：T=225.4s，经计算总的通气量为Q总=1.06x10-3m3/s理论用气量为Q理=0.102m3/s查手册【2】Z-0.2/T的空压机，其额定排气量为Q=0.2 m3/s额定压力为P=0.6MPa第三节 电机的选择根据工作的条件选用步进电机，也叫直流电机。由【3】选电机型号：Z4 -100-1, 额定功率：2.2KW 额定转速：1490r/min。转动惯量：0.044J/kg*m3 重量：72kg 电机输出轴的直径为：27mm 第五章 控制系统设计第一节 总体设计思路1.PLC型号的选择由于欧姆龙PLC有以下特点：应用简便、应用灵活，安装简便，编程简化，操作方便，维修容易；可靠性高；.抗电磁干扰性能好，环境适应性强；功能完善；成熟的工控网路体系，通信便捷，易于远程实时监控等。且该机械手系统的输入输出接点少，要求电气控制部分体积小，成本低，并能够用计算机对PLC进行监控和管理，故选用日本OMRON（立石）公司的CPM1A。2.传感器的选择1）检测阀体、箱体是否到位采用光电传感器E3G,对射型【4】。优点：不受工件表面光泽倾斜角度或颜色的影响，检测可靠回归反射型检测距离长。2）检测手爪是否抓紧阀体选用压力传感器NPC-1210(中压)。3）控制机械手上下、左右、伸缩限位的传感器选用位移传感器Z300正射式。优点：采用二维CCD方式探头加强了对应透明体，玻璃的检测功能采用对话式菜单。3.气源装置及气动辅助元件398系列气源调节装置（三联件），最大工作压力：1.0MPa,工作温度0-50摄氏度，分水效率不低于80%【2】。第二节 硬件设计PLC子接线图第三节 软件设计1.机械手动作过程分析将机械手的原点（即原始状态）定位右位，高位，伸出，放松状态。在原始状态下，检测到下工作台有工件时，机械手下降到低位，抓取工件，上升到高位，缩回，左旋到左位，伸出。在右工作台上无工件时，机械手下降到低位，放松，然后上升到高位，缩回，右转，伸出到回原位。其动作逻辑关系图如下：原位 下降夹紧上升缩回左旋转180度伸出下降放松上升缩回右旋转180度伸出输入输出量：3个启动按钮，分别完成手动自动方式选择，手动方式的启动，自动方式启动；1个停止按钮，1个急停按钮，一个复位按钮；8个限位开关（高位限位开关、低位限位开关、左位限位开关、右位限位开关）；2个光电传感器（箱体、阀体到位）；8个输出信号（下降驱动信号、上升驱动信号、右旋驱动信号、左旋驱动信号、夹紧驱动信号、放松驱动信号、伸出驱动信号、缩回驱动信号）；4个指示灯。2.总流程图3.自动流程图4I/O口分配输入I口分配输出O口分配自动/手动选择开关00000右旋01001手动00009左旋01002自动启动00010上升01003急停00101下降01004停止00011伸出01005复位00102缩回01006箱到位00104松放01007物块到位00103抓取01101上限位00004自动指示灯01000下限位00003手动指示灯01102左限位00001启动指示灯01103右限位00002停止指示灯01104伸出限位00006缩回限位00005抓紧限位00007松放限位000085.程序梯形图 第四节 程序调试 一调试目的 在实验室环境下，运用类似的驱动系统，控制元件，执行机构等对机械手的动作顺序进行模拟， 检验程序是否合理、正确以及时进行改正已达到要求。二调试步骤1首先针对机械手的要求再次认真检查程序是否符合要求，如有不妥之处则进行纠正。2按照I/O分配表，对输出信号，输入信号（控制信号）正确连接到PLC的I/O口，把锥齿轮实现的旋转动作由气缸来带替，其它的动作也由气缸来实现，而气缸两端的霍尔元件当成限位开关。3仔细地把已有的程序语句按顺序输入到PLC编程器中，注意一定要特别细心。4再一次检查连线及所输入语句，保证无误。5打开电源，接通气源，运行程序。6按机械手动作要求进行手动/自动选择，点动启动，自动启动，急停，停止，复位等开关选择，看是否能达到要求。7若有没有实现的动作或顺序有误，则找到实现该动作的语句，把PLC编程器打到运行位置，根据编程器上这些语句的为ON还是OFF与这些语句应该是何状态相比较，寻找未实现该语句的原因。8改正有误程序，以达到要求。坚定信心，循环往复，在曲折中前进。三调试结果经过几次的改正，运行循环，终于实现了机械手所需的动作顺序。四、调试心得 通过程序调试这一过程，理论联系实际，锻炼了自己的动手能力，提高了自己的PLC编程能力，磨练了自己的毅力，培养了与同学共同处理问题的合作精神，总之，受益匪浅。第六章 结论机械手是一种能模拟人的手臂的部分动作，按预定的程序轨迹及其它要求，实现抓取，搬运工件或操做工具的自动化装置。在我国由于大多数工业机器人所执行的工作为模拟人的手臂而工作，因而通常把工业机器人称作操作机械手。机械手的特点：（1）对环境的适应性强 能代替人从事危险，有害的工作。在长时间工作对人体有害的场所，机械手不受影响，只要根据工作环境进行合理的设计，选择适当的材料和结构，机械手就可以在异常高温或低温，异常压力和有害气体，粉尘，放射线作用下，以及冲压，灭等危险环境中胜任工作。（2）机械手能持久，耐劳，可以把人从繁重单调的劳动中解放出来，并能扩大和延伸人的功能。（3）由于机械手的动作准确，因此可以稳定和提高产品的质量，同时又可以避免人为的操作错误。（4）机械手特点是通过用工业机械手的通用性，灵活性好，能很好的适应产品的不断变化，以满足柔性生产的需要。因此采用机械手最明显的特点是提高劳动生产率和降低成本。本次设计主要是运用PLC编程对机械手的控制部分进行设计，通过本次课程设计，我进一步了解到作为一名机电一体化专业的本科生所应该具有的素质，提高了我们各方面的能力。本次设计我们编制出一套能实现按一定顺序抓取的机械手，通过调试论证了所编程序的合理性，巩固了PLC课上所学知识，进一步锻炼了我的实际动手能力，并且由此我更加喜欢我的专业。参考文献：【1】可编程控制原理及应用 孙平主编 高等教育出版社【2】电气控制与可编程控制器 陈立定编 华南理工大学出版社【3】机械设计手册第二版 徐灏主编 机械工业出版社【4】新编传感器实用宝典 杨帮文主编 机械工业出版社【5】机械技术手册中册 日本机械学会编 机械工业出版社【6】可编程序控制器的系统设计与应用实例 皮壮行编机械工业出版社【7】PLC应用与编