移动式计算机控制X-Y工作台分装机说明书

1、机电一体化课程设计说明书目录一. 课程设计的目的 1二. 课程设计的技术要求与参数 2三. 课程设计容及设计要点 3四. 计算机控制系统的设计（PLC） 7五机械结构部分的设计 14六设计小结 20七.参考文献 21题目：移动式计算机控制 X-Y工作台分装机学生：学号：班级：071021A1任务起止日期：2010年27日至2011年1月4日一、课程设计的目的“机电一体化技术”课程设计是机电一体化专业方向的重要的实践性教学环节之一。是综合运用所学的机、电、液（气）、测、控和计算机方面的知识，结合具体的机电一体 化典型设备的设计而进行的一项机电结合的综合性实践训练。其目的是：1. 能正确地综合运用

2、所学知识，学会对机电一体化设备总体设计方案的拟定、比较、分析及进行必要的计算。2. 通过设备的机械部分设计掌握机电一体化设备中典型零、部件的选择和设计计算方 法，掌握正确的结构设计方法。3. 根据设备控制要求，能正确设计液压（气压）控制系统，包括传感器、行程开关的 选择，并确定出对计算机控制系统的具体控制要求。4. 根据对计算机控制系统的具体要求，能够正确设计计算机控制系统的电气控制原理 图。5. 根据系统对计算机控制系统的具体要求及计算机电气控制原理图，正确设计计算机控制系统的应用程序。二、课程设计的技术要求与参数设计一个由计算机控制的可移动的 X-Y分装工作台。在工作台上安装有六个集装箱。

3、它们的长宽高为aXaXh,要求由下料口，顺序在1、2、3、4、5五个箱子里装n件包装 物，每个箱子装n件包装物。第6个箱子中装废品，只要上一道工序由废品信号来，工 作台一方面记下该箱的原包装数，另一方面立即将第6个废品箱移到下料口，接完废品包装袋后计算机将在废品存储单元累加 1,以便最后存货时，能统计出该一小车的总废 品数。若在废品箱接完这个废品后，前一道工序又有废品信号，则工作台将保持接废品的箱子位置，继续接收废品；若前一道工序无废品信号，则工作台将回到接废品前原箱子位置，继续接装正品包装袋，直至这一箱装完n包为止，再换下一个箱子接装。若 5箱全部装完，则支腿缩回，小车轮子落地，以便推走小车

4、到仓库存货。要求工作台运动 平稳，运动速度为6m/min，位置精度为土 0.5mm.课程设计的技术要求与参数（或主要研究容、目标）：移动式计算机控制X-Y工作台分装机，在其工作台上有6个集装箱，要求由下料口,按顺序在5个箱子里装包装物，每个箱子装 n件。第6个箱子装废品。具体设计要求：1. 集装箱尺寸 A X A X H : 350 * 350 *700mm;2. 包装袋数n : 100 包/箱；3. 每包质量：6kg ;4. 工作台运动速度：6m/min ； 工作台位置精度：土 0.5mm ;5. 装料顺序和初始位置：1-3-4，1 ;6. 分装机总装配图1，液压/气压及其控制装置部件图1，

5、零件图1 ;液压/气压传动与控制原理图1，计算机控制系统电气原理图1;7. 液压系统计算机控制程序在实验台上调试通过；8. 课程设计说明书一份。（不少于8000字）课程设计容及设计要点课程设计的课题是一个典型的机电一体化设备的机械与电气系统设计。具体容有：1 总体方案设计这里包括的具体容有：1.1机电一体化设备设计任务及参数的确定；1.2总体方案的分析、比较。确定系统的控制方式首先要分析被控参数是定值还是连续变化的参数。对于定值控制系统一般要求以一 定精度达到设定值，而对于连续变化的参数则必须采用比例控制或伺服控制系统。对于 精度要求不太高的系统，一般可以采用开环控制系统，而对于精度要求高的系

6、统，则应 采用闭环控制系统。开环控制系统一般控制较简单，成本较低，而闭环控制系统由于需 要测量反馈，控制较复杂，设备成本较高。确定驱动执行机构形式确定驱动执行机构形式，即是确定采用液压缸（或液压马达）、气缸（或气马达）或 伺服电机作为系统的驱动执行机构。采用液压驱动执行装置，其输出功率大、响应快、运动平稳、易于实现过载保护； 液压元件已经实现标准化、系列化和通用化，设计、制造和使用均很方便；特别是实现 直线运动远比机械传动及电气传动简单，并且可以实现无级调速，调速围宽（可达2000）； 液压元件中已有多种电-液转换、控制元件，便于与电气、电子控制相结合实现机电一体 化控制和远距离控制。但是液压

7、驱动不宜于长距离传动，否则管道损失大，一般必须单 独设置能源装置；为减少泄露，液压元件的制造精度较高，价格也较贵；对工作介质的 污染也较敏感。采用气压驱动执行装置，由于传动介质是空气，可以低廉地从大气中获得，用过的 空气可以直接排放到大气，处理方便，万一有一些泄漏，也不会污染环境，维护简单、 方便，气压元件采用相应的材料后，能在恶劣的环境，包括强震动、强冲击、强腐蚀和 强辐射等条件下进行正常工作；空气的粘度小，在管道中的压力损失小，便于压缩空气 的集中供气和远距离传送，因此只要有空压站的单位，就可方便地获得气压能源，设备 不用单独设置能源装置；一般压缩空气的压力较低，（一般执行机构的压力为 0

8、.30.6MPa），因此气动元件的材料和制造精度要求均较低，设备的成本较低；与液压 驱动相似，气压元件已经实现标准化、系列化和通用化，设计、制造和使用均很方便； 实现直线运动简单、方便、可靠，并且可以实现无级调速；气压元件中也已有多种电-气转换、控制元件、便于与电气、电子控制相结合实现机电一体化控制和远距离控制。 但是气压传动由于空气的压缩性较大，响应速度和运动平稳性不如液压传动；工作压力 较低，适用于输出功率较低处。伺服电机驱动装置的作用是将电信号转换为机械运动，常用的有直流伺服电机、交 流伺服电机和步进电机，各种伺服电机各有其特点，电气伺服系统的调速性能、动态特 性、运动精度等均与该系统的

9、伺服电机性能有直接关系，因此根据不同的要求，系统应 可以选用不同的伺服电机表1伺服电机特点及其应用种类主要特点应用实例1.高响应特性NC机械、机器人、计算机外围设DC伺服电机2.高功率密度（体积小、质备、办公机械、音响、音像设备、计测量轻）机械等3.4.可实现高精度数字控制接触换向器件（电刷与整流子）需要维护1.无刷DC伺服电机（晶体管式）2.无接触换向部件需要磁极位置检测器（如同轴编码器等）具有DC伺服电机的全部优点音响、音像设备、计算机外围设备等AC伺服电机永磁同步型（无刷3.DC伺服电机）NC机械（进给运动）、机器人等1.感应型（矢量控制）2.对定子电流的激励分量和转矩分量分别控制具有D

10、C伺服电机的全部优点NC机械（主轴运动）1.步进电机2.3.转角与控制脉冲数成正比例，均可成直接数字控制可定位转矩可构成廉价的开环控制系 统计算机外围设备、办公机械、数控装置计算机系统的确定在机电一体化系统中，计算机担负着信息处理，指挥整个系统运行的任务。计算机 控制系统包括硬件和软件两部分组成。工业控制计算机硬件一般由两大部份组成，即由 计算机基本系统和过程输入输出子系统两部分组成。计算机基本系统包括主机和外围设 备。主机由中央处理器（CPU）和存储器组成，它是控制系统的核心。常用的外围设备 按功能分可分为输入设备、输出设备、外存储器和通信设备等。输入设备有键盘、终端 专用操作台等，用来输入

11、程序、数据和操作命令。常用的输出设备有打印机、CRT显示器等。常用的外存储器有磁盘、光盘等。通讯设备的功能是实现不同控制系统间的信息 交换、或构成计算机通讯网络。过程输入输出子系统实现计算机与过程控制对象间的信息传递，包括过程输入、输出设备。过程输入设备由信号预处理、A/D接口、开关量输入接口（ DI）等组成，用来将反映过程状态的各种物理量转换成数字量和开关量信号。 过程输出设备包括D/A接口，开关量输出接口（ DO）以及信号转换部分，它们将主机 输出的二进制信息转换为适应各种执行机构控制的相应信号。就计算机本体而言，随着 微处理器技术的发展，针对工业应用领域，相继开发出一系列工业计算机。常用

12、的有可 编程序控制器（PLC）、总线式工业控制级的单片机。可编程序控制器（PLC）是从早期的继电器逻辑控制系统与微型计算机技术相结合 而发展起来的。它的低端即为继电器逻辑控制的代用品，而其高端实际上是一种高性能 的计算机实时控制系统。PLC是以微处理器为中心的工业控制器。处理器以扫描方式采 集来自工业现场的信号。它的主要功能有条件控制，即逻辑运算功能、定时控制、计数 控制、步进控制、A/D、D/A转换、数据处理、级间通讯等功能。它的特点是：工作可 靠；可与工业现场信号直接连接；积木式组合；编程操作容易；安装维修方便。目前可 编程序控制器已在各种工业生产过程的自动控制领域广泛应用。总线式工业控制

13、机既是依赖于某种标准总线，按工业化标准设计，包括主机在的各 种I/O接口功能模板而组成的计算机。例如 PC总线、STD总线等工业控制机。总线式 工业控制机采用开放式总线结构，各种I/O功能模板可直接插在总线槽上；选用工业化 电源；可按控制系统要求配置相应模板，便于实现最小系统。总线式工业控制计算机的 软件极为丰富，如PC总线工业控制机上可运行各种IBM-PC软件，STD总线中工业控 制机中选择8088芯片的主机板，在固化 MS-DOS及BIOS的支持下，也可用IBM-PC 的软件资源。这给程序编制、复杂控制法等的实现创造了方便的条件。这种工业控制计 算机已成功应用于过程控制、电力传动、数控机床

14、和过程监控各方面。单片机是将CPU、RAM、ROM、定时/计数、多功能I/O （并行、串行、A/D ）、 通信控制器、甚至图形控制器、高级语言、操作系统等都集成在一块大规模集成电路芯 片上，由于单片机集成度高、体积小、功能强、可靠性高、功耗小、价格低廉、易于掌 握、应用灵活，目前已越来越广泛地应用于工业测控领域。用框图表示该机电一体化设备的总体方案，并用文字简单说明。机电一体化设备的总体方案框图如图 1所示。图1为采用PLC可编程序控制器通 过控制液（气）压传动系统来控制设备的纵、横向工作台的系统，该工作台的位置通过 传感器或行程开关测量反馈回 PLC，构成闭环控制系统。这个系统充分发挥了液（

15、气） 压传动控制和计算机控制的优点，组成的系统使调节控制更简单、功率更大，并且能达 到所需的精度。采用PLC控制的液（气）压传动纵、横向工作台系统2.机械部分设计 2.1负载分析和计算（结合初步估计的总体尺寸）； 2.2确定导向导轨导向装置往往是保证机械装置可靠工作的必要装置 导轨的结构形式：采用公司的型滚动导轨验算导轨寿命：按力学模型计算实际载荷，采用双滑块的双导轨时 每个滑块上受力为P1=W /4 + W /2 XL2/L0 W/ 2 XL3 /L1P2=W /4 W /2 XL2/L0 W/ 2 XL3 /L1P3=W /4 W /2 XL2/L0 + W/ 2 XL3 /L1P4=W

16、/4 + W /2 XL2/L0 + W/ 2 XL3 /L1Pmax= P表2接触系数在一根导轨上安装的滑块个数接触系数fc11.0020.8130.7240.6650.61导轨用4个滑块的较稳定2.3确定执行元件的参数液压或气动系统的执行元件是根据所需的推理来确定的。液压缸或气缸的推力：F= yW/f式中：卩一导轨摩擦系数，卩=0.030.04 ;W所受负载，kN ;f导轨密封阻力，kN。液压缸或气缸的有效作用面积A均可用下式确定：A=F/p式中p工作压力，对于液压缸，可根据负载推力的大小确定，而气缸的工作压力一般在0.30.6Mpa。液压缸或气缸有效作用面积确定后即可计算其缸径和活塞杆直

17、径最后按标准圆整。三. 计算机控制系统的设计（PLC）工作台共分两层，由PLC控制气缸运动带动工作台运动，第一层为 丫向平面，控 制工作台前后运动，由一个平行于 丫向的气缸的伸缩实现。第二层为 X向平面，控制工 作台左右运动，由一个平行于 X向的气缸的伸缩实现。两个气缸的运动可使进料口对准 6个箱子的任意一个位置，而每个箱子下面均有行程开关以控制其运动。（一）运动简图（二） PLC逻辑图（三）总运动过程按下启停开关（1124.7），无论出料口对准任意位置，通过 PLC的指定程序移动X、丫 平面至初始位置4，使4号箱位于出料口下方，并同时把所有计数器复位。系统正常情 况下均为正品信号。当检测为正

18、品脉冲 （I124.6断开）时，系统在正品计数器中计数；人 为给与废品脉冲（I124.0闭合）时，在废品计数器中计数。当4号箱位于出料口下方时，开始落料计数脉冲开始作用，在落 0 150包时，当 有废品检测信号（I124.0闭合）出现，X向液压缸缩回（2DT得电），至活塞杆触碰到行 程开关I124.1停止，6号废品箱移动到出料口下方，于是废品落入 6号箱；当一段时间 无废品脉冲信号，X向液压缸伸出（1DT得电），至活塞杆触碰到行程开关1124.3停止， 4号箱回到出料口下方，正品继续下落。当4号箱满150包后，即4号箱计数器计满150包，X向液压缸缩回（2DT得电）, 至活塞杆触碰到行程开关1

19、124.2停止，于是5号箱到出料口下方接收正品；有废品检测 信号（1124.0闭合）出现，X向液压缸缩回（2DT得电），至活塞杆触碰到行程开关1124.1 停止，6号箱到出料口下方接收废品；当一段时间无废品脉冲信号，X向液压缸伸出（1DT 得电），至活塞杆触碰到行程开关1124.2停止，5号箱回到出料口下方，正品继续下落。当5号箱满150包后，即5号箱计数器计满150包，X向液缸缩回（2DT得电）， 至活塞杆触碰到行程开关1124.1停止，然后丫向液压缸缩回（4DT得电），至活塞杆触 碰到行程开关1124.5停止，于是1号箱到出料口下方接收正品；有废品检测信号（I124.0 闭合）出现，丫向液

20、压缸伸出（3DT得电），至活塞杆触碰到行程开关1124.4停止，6 号箱到出料口下方接收废品；当一段时间无废品脉冲信号，丫向液压缸缩回（4DT得电）， 至活塞杆触碰到行程开关1124.5停止，1号箱回到出料口下方，正品继续下落。当 1号 箱满或6号箱中一箱满时，系统报警，停止装料，箱子回到初始位子，4号箱在料口下。（四）I/O端口对照图24 /II如血411隘I1B3II弘4说轻112+6INPUT3T3B3 TPIJT5124,0 G1241lQ12412Q124,30!2414 3124,5I臧蠅）1124血魏联蜩辅豌II弘卜亚吊斤耕刘麗班50124,0-01243 梏純I飙讪乩妁叹6冶祁

21、麻摑却茁H脇血吐削曲旳翘电潮:YK-flDf44MD/BCj麗联雅;詢星611RL朕噩：rSRISIKE 80Ycv四. 气压传动控制系统原理图MB40-01 602- Wwu-iaxiaor3- mVB-AL6B4讪RF-G/T02-L59L0-帥SVH-GO3-C2-D24-20右Ell-概胃TV-T03卜跚JY-5OZ12-OMHPLK3/835五. 机械结构部分的设计i负载分析和计算（结合初步估计的总体尺寸）空箱尺寸 aXb Xh=0.35 X0.35 X0.70mp 铁=7.8 X103 kg/m 3包装袋数n ： 100 包/箱每包质量：7kg取箱子壁厚为0.005m，箱子底厚0.

22、005mm一个空箱子的质量为 M=V Xp=0.35 X0.7 X0.005 X7.8 X103 X4 + 0.35 X0.35 X0.005X7.8 X103=42kg则六只空箱子总重42 X6=252kg六只满箱子总重G=252+100 X7 X6=4452kg托盘高取50mm 底面为1000*680 壁厚2mm则托盘质量为M=V Xp3=12kg丫向安装导轨的框架选用 100X60mm 厚d=5mm则理论质量为 M= (100+60 ) *2*5*0.00785*(1000*2+980*2) =49.7kgX向安装导轨的框架选用 100X60mm 厚d=5mm则理论质量为 M= (100

23、+60 ) *2*5*0.00785*(2200*2+1000*2) =80.4kg小车的基本尺寸的设定计算(1000 X2200 )周边选用矩形钢查手册选取结构用冷拔无缝方形空心型钢100 X60mm、厚d=5mm，理论质量=12.56kg/m全车总重=(142.1 + 4596 + 1000)*9.8 = 56.2KN2确定导向导轨12导向装置往往是保证机械装置可靠工作的必要装置。在确定导向装置时，除了要根据系统得到 受力情况具体确定导轨的结构形式和导轨的长度外,动导轨时，要验算其寿命，先要按力学模型计算其实际载荷。如采用双 滑块的双导轨时，其计算简图如图 3所示,每个滑块上受力为P4WW

24、2W1 342l02I1WWI2WI 3421 02l1WWI2WI 342l02l1P(1)P2P3(2)(3)W W 比 W S42 lo2 li(4)丫向：箱子和托盘的总质量为 M=96+12=108kg，故可以认为箱子和托箱子和托盘的总质量与一箱石头的质量比值为108/750=14.4%盘的质量对一箱石子重心的影响可忽略不计。1号箱装满时W=7*100*10=7000NP仁 W/4+W/2*L2/L0-W/2*L3/L1=8.408/4+8.408/2*330/840-10.6/2*160/550=2.102+1.65-1.541=2.211 KNP2=W/4-W/2*L2/L0-W/

25、2*L3/L1=2.102-1.65-1.541=-1. KNP3=W/4-W/2*L2/L0+W/2*L3/L1=2.102-1.65+1.541=1.993 KNP4=W/4+W/2*L2/L0+W/2*L3/L1=5.507 KN1、2 号箱满时，W=7*100*2*10=14000NP仁 W/4+W/2*L2/L0-W/2*L3/L1=15.76/4+15.76/2*170/840-15.76/2*160/550=3.94+1.59-2.29=3.24KNP2=W/4-W/2*L2/L0-W/2*L3/L1=3.94-1.59-2.29=0.06KNP3=W/4-W/2*L2/L0+W

26、/2*L3/L1=3.94-1.59+2.29=4.64KNP4=W/4+W/2*L2/L0+W/2*L3/L1=8.681KN1、2、3 号箱满时，W= (700*3+108 ) *10=21.10KNP仁 W/4+W/2*L2/L0-W/2*L3/L1=23.1/4-23.1/2*160/550=5.775-3.36=2.415KNP2=W/4-W/2*L3/L1=5.775-3.36=2.415KNP3=W/4-W/2*L2/L0+W/2*L3/L1=5.775+3.36=9. KNP4=W/4+W/2*L2/L0+W/2*L3/L1=5.775+3.361、2、3、4 号箱满时，W=

27、(700*4+108 ) *9.8=28.46 KNP仁W/4+W/2*L2/L0-W/2*L3/L1=30.46 /4+30.46 /2*80/840-30.46 /2*80/550=7.615+1.45-2.215=6.85 KNP2=W/4-W/2*L2/L0-W/2*L3/L1=7.615-1.45-2.215=3.92KNP3=W/4-W/2*L2/L0+W/2*L3/L1=7.615-1.45+2.215=8.38 KNP4=W/4+W/2*L2/L0+W/2*L3/L1=7.615+1.45+2.215=10.053KN1、2、3、4、5 号箱满时，W= (750*5+108 )

28、 *9.8=37.80 KNP仁 W/4+W/2*L2/L0-W/2*L3/L1=37.80/4+37.80/2*96/840-37.80/2*32/550=9.45+2.16-1.1=10.51 KNP2=W/4-W/2*L2/L0-W/2*L3/L1=9.45-2.16-1.1=6.19 KNP3=W/4-W/2*L2/L0+W/2*L3/L1=9.45-2.16+1.1=8.39 KNP4=W/4+W/2*L2/L0+W/2*L3/L1=9.45+2.16+1.1=12.507 KN11、2、3、4、5、6 号箱都装满时，W= (700*6+108 ) *9.8=42.16 KNP仁P2

29、=P3=P4=45.16/4 =11.229KN故 Pmax=12.507 KNX向，比丫向多承受一个安装导轨的框架和液压缸和导轨的质量，取60kg计则对重心的影响不大，故结论与 丫向相同，为1、2、3、4、5号箱装满时P4为最大载荷，W= ( 750*5+108+50)*9.8=38.29 KNPmax=P4=W/4+W/2*L2/L0+W/2*L3/L1=38.29/4+38.29/2*96/840+38.29/2*32/550=9.57+2.188+1.11=12.89 KNTHKLM导轨规定在相同条件下运行，其中90%的总运行距离能达到不发生表面剥落，这个距离称为这种导轨的额定寿命L。

30、这个额定寿命L按下 式计算：L 匕？c3?50 Km（ 5）fw P式中fT :温度系数，当导轨运动系统温度小于100 C时fT=1；fc :接触系数，见表2；fT :载荷系数，见表3 ；C :基本额定动载荷，kgf ；P :承受的载荷，kgf ； 寿命时间可用下式计算:L 1032ls m 60hr (小时)(6)式中ls :行程长度，mn1 :每分钟往复次数，opm ；表在一根导轨上安装的滑块个数接触系数fc2接触系数11.0020.8130.7240.6650.61冲击与振动速度振动的测量值（G）fw没有外部冲低速时相当G值0.511.5击及振动V W15m/mi n没有特别明中速时显的

31、冲击及15 v V 60 m/min0. 5v V 60 m/min1.0 v V 202.03.5表3载荷系数查表得：fT =1 f c =0.81 f W =1.5根据所受负载和行程长度，暂选取HSR65HTA型导轨 则C=171KNL 1*_0i66?123?50 Km1.512.51=4362KmY向Lh4326103=6058hr=2.522 6 60X向Lh3441210=6128hr=2.552 6 60选择HSR65TAX滑块和轨道 块长186mm 宽170mm轨道宽63mm选择HSR65THA滑块和轨道滑块长246mm 宽170mm 轨道宽63mm满足使用要求。按标准导轨长度系列，Y向选取L=1240mm , X向取L=14800mm3确定执行元件的参数；液压或气动系统的执行元件是根据所需的推力来确定的。液压缸的推力：F= uW/0.9式中： 卩：导轨摩擦系数，卩=0.04;W :所受负载，kgff :导轨密封阻力， kgf.Y 向：F=0.04*12710/0.9=565NX 向：F=0.04*12890/0.9=573N液压缸或气缸的有效作用面积A均可用下式确定：A=F/p式中p:工