plc課程設(shè)計--二維平動機械手

1、<p><b>　　一、序言1</b></p><p>　　二、設(shè)計任務(wù)及分析1</p><p>　　（一）、設(shè)計任務(wù)1</p><p>　?。ǘ?、運動參數(shù)的確定2</p><p>　　三、機械系統(tǒng)設(shè)計4</p><p>　?。ㄒ唬?、 氣缸的選擇4</p>&

2、lt;p>　?。ǘ?、 導(dǎo)軌設(shè)計5</p><p>　?。ㄈ?、 選擇導(dǎo)桿5</p><p>　?。ㄋ模飧谆艿倪x擇6</p><p>　?。ㄎ澹?、其他機械部分的選擇設(shè)計6</p><p>　　四、驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計6</p><p>　?。ㄒ唬?、電動機的選擇6</p><p>

3、　?。ǘ?、氣動系統(tǒng)的選擇7</p><p>　　（三）、驅(qū)動原理及氣路圖設(shè)計10</p><p>　　五、 控制系統(tǒng)設(shè)計10</p><p>　?。ㄒ唬LC 程序編制的基本步驟10</p><p>　?。ǘ?、 程序編制所要達到的功能11</p><p>　?。ㄈ?、 程序編制12</p>

4、<p>　?。?、接線并聯(lián)機調(diào)試13</p><p><b>　　（七）、結(jié)論14</b></p><p><b>　　一、序言</b></p><p>　　隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，機電一體化技術(shù)在現(xiàn)代制造業(yè)中扮演著越來越重要的角色。機電一體化是將機械、電子、信息處理以及軟件等現(xiàn)有技術(shù)，進行綜合集成的一種技

5、術(shù)群體概念，體現(xiàn)了學(xué)科融合的思想.機電一體化研究的目的是怎樣將機械裝置、電子設(shè)備和軟件等組成一個功能完善、柔性自動化的工程系統(tǒng)。機電一體化模型的建設(shè)具有重大意義和廣闊前景.本設(shè)計正是通過設(shè)計機械機構(gòu)，再加以PLC的控制機構(gòu)按照預(yù)期的目的運行，來更為深刻直觀的認識了解機電一體化技術(shù)，解決實際工程問題。機械手采用PLC控制，具有可靠性高，改變程序靈活等優(yōu)點。無論進行時間控制還是控制或混合控制，都可以通過設(shè)置plc的程序?qū)崿F(xiàn)?？梢愿鶕?jù)機械手的

6、動作順序改變程序，是機械手通用性更好 。</p><p><b>　　二、設(shè)計任務(wù)及分析</b></p><p><b>　?。ㄒ唬?、設(shè)計任務(wù)</b></p><p>　　設(shè)計用于生產(chǎn)線搬運碼垛的二維平動機械手，其中X軸由伺服電機驅(qū)動的絲杠驅(qū)動，Z軸由氣缸驅(qū)動，氣缸的末端裝有抓取單元（抓取單元無需設(shè)計），用于抓取工件。生產(chǎn)

7、線的規(guī)格為：傳送帶高度為1.0m，寬度0.2m，工件進給周期：14.0秒，工件質(zhì)量：14.0千克。</p><p><b>　　設(shè)計內(nèi)容包括：</b></p><p>　　1）機械系統(tǒng)的設(shè)計：設(shè)計該二維平動機械手，完成裝配圖的三維設(shè)計，繪制二維裝配圖和零件圖；</p><p>　　2）氣動系統(tǒng)的設(shè)計：設(shè)計機械手的氣動系統(tǒng)原理圖；</p&g

8、t;<p>　　3）控制系統(tǒng)的設(shè)計：完成伺服電機的選型計算，設(shè)計機械手氣動系統(tǒng)的控制原理圖，編制相應(yīng)的PLC程序并完成調(diào)試。</p><p>　?。ǘ?、運動參數(shù)的確定</p><p><b>　　1. 驅(qū)動質(zhì)量：</b></p><p>　?、倌＞哔|(zhì)量：模擬模具重量為14kg。</p><p>　?、趯?dǎo)軌

9、質(zhì)量1kg（根據(jù)后面的設(shè)計計算）</p><p>　　③驅(qū)動質(zhì)量:考慮到模擬模具上可能要附加別的連接板（如導(dǎo)桿連接扳，氣</p><p>　　缸活塞桿連接板）等擴展物件，所以設(shè)定一個擴展系數(shù)2</p><p>　　這樣，就設(shè)定了氣缸垂直負載為：（15）*12=30kg,</p><p><b>　　2. 運動行程：</b>

10、;</p><p>　　X軸上用伺服電機驅(qū)動，一維運動系統(tǒng)的行程約為：500mm;</p><p><b>　　3. 運動規(guī)律：</b></p><p>　　本設(shè)計實例中，取氣缸單一行程時間為2s.運動規(guī)律如下圖所示：</p><p><b>　　4. 運動方式</b></p><

11、;p>　　氣缸的運動分為8個循環(huán)：</p><p>　　1、氣缸向下運行伸出2s；</p><p>　　2、氣缸停留1s，機械手抓取工件；</p><p>　　3、氣缸向上運行收縮2.5s；</p><p>　　4、氣缸停止運動，伺服電機驅(qū)動X方向運動到指定地點時間為4s；</p><p>　　5、氣缸向下運行伸

12、出2s；</p><p>　　6、氣缸停止0.5s，機械手松開工件；</p><p>　　7、氣缸向上運行收縮2s;</p><p>　　8、氣缸停止運動，伺服電機驅(qū)動返回進行下一循環(huán)。如下圖所示：</p><p><b>　　三、機械系統(tǒng)設(shè)計</b></p><p>　　機械設(shè)計應(yīng)滿足的要求是：

13、</p><p>　　在滿足預(yù)期功能的前提下,性能好、效率高、成本低、在預(yù)定使用期限內(nèi)安全可靠，維修簡單，整體尺寸搭配合理和造型美觀。</p><p>　?。ㄒ唬?、 氣缸的選擇</p><p>　　氣缸選型主要是根據(jù)所加負載和運動行程以及工作條件來確定，以下選型過程主要是根據(jù)《SMC 氣缸選型方法》進行的。依次確定氣缸內(nèi)徑和最大行程</p><p

14、><b>　　量。</b></p><p><b>　　1. 確定氣缸內(nèi)徑</b></p><p>　?、俑鶕?jù)附錄圖解法求氣缸內(nèi)徑從而確定負載率為：0.7</p><p>　?、诠ぷ鲏毫?.5Mpa</p><p>　　③氣缸垂直負載為：30,介于24到39之間</p><

15、p>　?、芨鶕?jù)以上數(shù)據(jù)和工作狀態(tài)：查表可知氣缸內(nèi)徑為32mm</p><p>　　2. 確定氣缸最大行程量。</p><p>　　傳送帶高為1.0m，寬度0.2m,擬選最大行程量為100mm</p><p><b>　　3. 確定氣缸</b></p><p>　　根據(jù)以上分析，氣缸選擇為：內(nèi)徑為32mm 行程為10

16、0mm，選SMC 系列的C95S B32-100 W-XB6。</p><p><b>　?。ǘ?導(dǎo)軌設(shè)計</b></p><p>　　氣缸選SMC 系列的MDBL32—120，活塞桿直徑為12 mm，為給氣缸活塞桿伸出縮回一個導(dǎo)向作用，以及為保持氣缸活塞桿伸出縮回時的穩(wěn)定，為其設(shè)計一個平行導(dǎo)軌：套筒+導(dǎo)桿。其具體裝配情況見裝配圖。</p><

17、p><b>　?。ㄈ?選擇導(dǎo)桿</b></p><p>　　選擇導(dǎo)桿直徑：為了活塞桿的定位于導(dǎo)向選取導(dǎo)桿直徑選10 mm。</p><p>　　選擇導(dǎo)桿長度：實測加圓整確定為260 mm</p><p>　?。ㄋ模飧谆艿倪x擇</p><p>　　綜合考慮氣缸的固定與絲杠對基架的驅(qū)動，氣缸由法蘭固定，直線導(dǎo)

18、槽燕尾槽直接在基架毛坯上加工可得，絲杠由絲杠套筒固定。</p><p>　?。ㄎ澹?、其他機械部分的選擇設(shè)計</p><p>　　其他機械結(jié)構(gòu)如基座、聯(lián)軸器、絲杠根據(jù)要求來確定，見附裝配圖。</p><p><b>　　四、驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計</b></p><p>　　完成機械設(shè)計后，第二部分即是驅(qū)動的設(shè)計，在本次設(shè)計中，在X

19、方向上我們采用伺服電機驅(qū)動。Y方向上我們采用氣動驅(qū)動。</p><p>　?。ㄒ唬?、電動機的選擇</p><p>　　1. 電動機類型：此設(shè)備連續(xù)運行，負載平穩(wěn)，對于啟動、制動沒有特殊要求，優(yōu)先采用普通鼠籠異步電動機。</p><p>　　2. 電動機型式：在工廠環(huán)境中，為了避免灰塵、油垢、水滴等進入機內(nèi)，優(yōu)先采用防護式。安裝形式，選用臥式安裝。</p>

20、<p>　　3. 電動機的額定電壓：為增強設(shè)備的適應(yīng)性，電機選用額定電壓為3相220V。</p><p>　　4. 電動機轉(zhuǎn)速：電動機與絲杠直接相連，其額定轉(zhuǎn)速選擇為3000rpm.</p><p>　　5. 電動機額定功率：電動機在勻速驅(qū)動時的轉(zhuǎn)矩時的轉(zhuǎn)矩M=Mf+Me，Mf為摩擦轉(zhuǎn)矩，Me為預(yù)緊轉(zhuǎn)矩。Mf=F*P/(2000*π*η)=μmg*P/(2000*π*η)有p

21、roe零件質(zhì)量分析可知絲杠帶動的總質(zhì)量m為48.05kg,其中F為軸向力，P為螺距，μ為滾珠絲杠摩擦系數(shù)，其理論值為0.003-0.005，但考慮到防塵件與預(yù)緊力的作用，安裝誤差等因素，修正為0.1.則可得Mf=0.0833N·m。Me=Fa*P*k/(2000*π)=0.1*22.7*1000*10*0.3/(2000*3.14)=1.0844 N·m ,其中Fa為外螺母預(yù)緊力，其大小取額定靜載的10%，k為外螺母

22、摩擦系數(shù)。則M=Mf+Me=0.0833+1.0844=1.1677 N·m</p><p>　　則電動機功率P=M*n/9550=1.1677*3000/9550=0.3668KW 。</p><p>　　綜合以上，此設(shè)備選用無錫通惠電機有限公司的60ST-M 01330系列交流伺服電機其主要參數(shù)為：P=400W，T=1.3 N·m，n=3000rpm。</p&

23、gt;<p>　　（二）、氣動系統(tǒng)的選擇</p><p>　　一個完整的氣動系統(tǒng)包括氣源設(shè)備（如空氣壓縮機等）、氣源處理元件（過濾器、干燥器等）、氣動執(zhí)行元件（氣缸、真空發(fā)生器等）、氣動控制元件（減壓閥、電磁閥等）和氣動輔助元件（管、管接頭、油霧器等）。組成的氣動回路是為了驅(qū)動用于各種不同目的的機械裝置，其最重要的三個控制內(nèi)容是：力的大小、運動方向和運動速度。與生產(chǎn)裝置相連接的各種類型的氣缸，靠壓力

24、控制閥、方向控制閥和流量控制閥分別實現(xiàn)對三個內(nèi)容的控制，即</p><p>　　壓力控制閥——控制氣缸輸出力的大小</p><p>　　速度控制閥——控制氣缸的運動速度</p><p>　　方向控制閥——控制氣缸的運動方向</p><p>　　空氣壓縮機（氣源）將大氣壓力狀態(tài)下的空氣壓縮成較高的壓力，輸送給氣動系統(tǒng)；過濾減壓閥的作用包括過濾和

25、減壓兩方面，過濾器的作用是清除壓縮空氣中水分、油污和灰塵等，以獲得潔凈干燥的壓縮空氣，提高氣動元件的使用壽命和氣動系統(tǒng)的可靠性，減壓閥是將較高的入口壓力調(diào)節(jié)并降低到符合使用要求的出口壓力，并保證調(diào)節(jié)后出口壓力的穩(wěn)定；油霧分離器用于分離掉空氣過濾器難以分離掉的（0.3~5）μm 氣狀溶膠油粒子及大于0.3μm</p><p>　　的銹末、碳類微粒。如上所述，大氣壓力下的空氣在經(jīng)過空氣壓縮機、過濾減壓閥和油霧分離器后

26、成為了氣動系統(tǒng)能夠使用的合格的壓縮空氣。在本次課程設(shè)計中，氣源、過濾減壓閥、油霧分離器均已給定，一維系統(tǒng)所需的氣缸也已經(jīng)在機械設(shè)計中選型完畢，所以氣動部分的任務(wù)是節(jié)流閥、電磁換向閥、快換接頭、氣管等的選擇校核（均采用SMC 公司的產(chǎn)品）。</p><p><b>　　1.節(jié)流閥的選擇</b></p><p>　　在氣動系統(tǒng)中，對氣缸運動速度、信號延遲時間、氣緩沖氣缸的

27、緩沖能力等的控制，都是依靠控制流量來實現(xiàn)的。在課程設(shè)計中，采用節(jié)流閥的目的就是對氣缸的運動速度和緩沖能力進行控制，故選用單向節(jié)流閥，即速度控制閥。單向節(jié)流閥由單向閥和節(jié)流閥并聯(lián)而成。在實際應(yīng)用中又有兩種連接方式，即進氣節(jié)流和排氣節(jié)流。排氣節(jié)流方式，換向閥通電后，氣缸進氣側(cè)的單向閥開啟，向氣缸無桿腔快速充氣，有桿腔的氣體只能經(jīng)排氣側(cè)的節(jié)流閥排氣。調(diào)節(jié)節(jié)流閥的開度，便可改變氣缸的運動速度。這種控制方式，活塞運行穩(wěn)定，是最常用的回路。進氣節(jié)流

28、方式，進氣側(cè)單向閥關(guān)閉，排氣側(cè)單向閥開啟。進氣流量小，進氣腔壓力上升緩慢，排氣迅速，排氣腔壓力很小。主要靠壓縮空氣的膨脹使活塞前進，故這種節(jié)流方式很難控制氣缸的速度達到穩(wěn)定。一般只用于單作用氣缸、夾緊缸和低摩擦力氣缸等的速度控制。根據(jù)速度控制閥控制的氣缸缸徑和對氣缸速度變化范圍的要求，計算控制流量的范圍，然后查節(jié)流特性曲線，選擇速度控制閥的規(guī)格。即控制流量范圍應(yīng)處于速度控制閥的節(jié)流特性曲線的流量范圍內(nèi)，最大控制流量應(yīng)小于節(jié)流閥全開時的流

29、量。對于MDBL32-120 氣缸，其螺紋口徑為1/8”，所以選</p><p>　　2.電磁換向閥的選擇</p><p>　　電磁線圈通電時，靜鐵芯對動鐵芯產(chǎn)生電磁吸力，利用電磁力使閥芯切換，以改變氣流方向的閥，稱為電磁換向閥。這種閥易于實現(xiàn)電-氣聯(lián)合控制和復(fù)雜控制，能實現(xiàn)遠距離操作，故得到廣泛應(yīng)用。電磁換向閥是氣動控制元件中最主要的元件。電磁閥的種類很多，不同類別的電磁閥其功能、實現(xiàn)的

30、機理也各不相同。</p><p><b>　　電磁閥的選型過程：</b></p><p>　?。?）根據(jù)使用條件和使用要求，選擇結(jié)構(gòu)形式。</p><p>　　（2）根據(jù)控制要求，選擇控制方式。</p><p>　?。?）根據(jù)工作要求，選擇閥的機能。</p><p>　?。?）根據(jù)流通能力的要求或

31、閥的有效截面積大小，預(yù)選閥的系列型號。</p><p>　　（5）連接方式的選擇。</p><p>　?。?）按工作條件和性能要求，最終確定閥的型號。</p><p>　?。?）電器規(guī)格的選擇。</p><p>　　綜合上述要求，因此選用選用SY5120-C8 電磁閥。</p><p>　　（三）、驅(qū)動原理及氣路圖設(shè)計

32、</p><p>　　驅(qū)動原理及氣路圖設(shè)計請參考附圖氣動系統(tǒng)原理圖。</p><p><b>　　五、 控制系統(tǒng)設(shè)計</b></p><p>　　課程設(shè)計的第三部分即為運動程序的編制，如果說機械設(shè)計、驅(qū)動設(shè)計為整個運動模型設(shè)計的基礎(chǔ)階段的話，那么控制的設(shè)計則為模型的最終運動提供了最重要的控制指令，整個課程設(shè)計的質(zhì)量很大程度上是由程序編制的好壞決

33、定的。本次設(shè)計采用OMRON 公司產(chǎn)的PLC 進行運動控制，由其相關(guān)軟件CX-Programmer 進行程序編制。</p><p>　　（一）、PLC 程序編制的基本步驟</p><p>　　PC 程序的編制有一些基本步驟，以下所列的可以為編程提供幫助。</p><p>　　1．首先要獲得一張列出所有I/O 設(shè)備和所分配I/O 點的目錄，并準備一張表，它能表明分配給

34、每臺I/O 設(shè)備的I/O 位（即PLC 輸入輸出地址）。</p><p>　　2．依據(jù)所要實現(xiàn)的動作畫梯形圖。</p><p>　　3．檢查程序有無語法錯誤并改正。</p><p>　　4．將程序輸入CPU。</p><p>　　5．運行該程序以檢查是否存在執(zhí)行錯誤，并改正。</p><p><b>　　6．

35、備份程序。</b></p><p>　?。ǘ?程序編制所要達到的功能</p><p><b>　　1. 按鈕</b></p><p>　　實驗臺水平面上五個開關(guān)（由里向外）</p><p>　　(1)．切換開關(guān)，實現(xiàn)手動與自動的切換；</p><p>　　(2)．綠色啟動按鈕，當切

36、換至自動時，此按鈕按下氣缸開始動</p><p>　　作，到達頂端時延時返回，如此循環(huán)；</p><p>　　(3)．紅色停止按鈕，任何時刻，此按鈕按下氣缸停止（氣缸伸出或縮回）；</p><p>　　(4)．黃色縮回按鈕，當切換至手動時，此按鈕按下氣缸縮回；</p><p>　　(5)．黑色伸出按鈕，當切換至手動時，此按鈕按下氣缸伸出；&l

37、t;/p><p>　　(6)．實驗臺垂直面上的切換開關(guān)是24V 電源開關(guān)。</p><p><b>　　2. 指示燈</b></p><p>　　實驗臺垂直面上七個指示燈（從左至右）</p><p>　　(1)．電源燈，當24V 電源開時亮；</p><p>　　(2)．自動燈，當切換至自動時亮；&l

38、t;/p><p>　　(3)．手動燈，當切換至手動時亮；</p><p>　　(4)．伸出燈，當氣缸伸出過程中亮，到達端點時滅；</p><p>　　(5)．縮回燈，當氣缸縮回過程中亮，到達端點時滅；</p><p>　　(6)．運行燈，當伺服電機驅(qū)動X方向上運動過程中亮；</p><p><b>　?。ㄈ?

39、程序編制</b></p><p>　　現(xiàn)假設(shè)要實現(xiàn)如下動作：控制系統(tǒng)設(shè)計兩種運行模式：手動模式和自動模式，在手動模式下可以用按鈕控制氣缸的伸縮，在自動模式下，按下啟動按鈕后，氣缸的動作過程為：在抓取工作位（初始位置）下行，下行到位后停留1S（等待抓取單元穩(wěn)定），然后上升，上升到位后停留4S（等待X軸運行到碼垛位），然后下行，下行到位后停留0.5S（等待抓取單元松開），然后上升，上升到位后停留4S（等待

40、X軸回到初始位置），至此完成一個工作循環(huán)，如此反復(fù)。</p><p><b>　　1．地址清單：</b></p><p>　　2. PLC接線圖見附控制系統(tǒng)原理接線圖</p><p>　　3. PLC程序見附梯形圖</p><p>　　（六）、接線并聯(lián)機調(diào)試</p><p>　　根據(jù)控制系統(tǒng)圖連接

41、線路，再將T形圖程序?qū)隤LC中調(diào)試運行，以達到預(yù)期結(jié)果。</p><p><b>　?。ㄆ撸?、結(jié)論</b></p><p>　　至此，已經(jīng)完成了所有的設(shè)計和實驗工作。通過對氣壓系統(tǒng)一維運動系統(tǒng)的設(shè)計任務(wù)分析，明確了設(shè)計實驗過程中所要完成的一系列工作；通過機械設(shè)計、驅(qū)動設(shè)計和控制設(shè)計對一維系統(tǒng)有了更深入的了解；而最后通過實驗部分的系統(tǒng)搭建和聯(lián)機調(diào)試對“機電一體化”的概