二維搬運平臺及其控制系統(tǒng)設計參考模板

1、 哈爾濱工業(yè)大學（威海）機電綜合課程設計二維搬運平臺及其控制系統(tǒng)設計姓名：XX x班級： 學號： 專業(yè)：機械設計制造及其自動化指導老師：XXX 同組人： 時間：2010.11.29-2010.12.161 / 23目錄設計任務書41總體方案設計51.1 機構示意圖51.2 運動方式詳細分析61.3 設計方案說明61.3.1 驅動系統(tǒng)71.3.2 傳動元件71.3.3 氣動系統(tǒng)71.3.4支撐系統(tǒng)71.3.5控制系統(tǒng)82機械系統(tǒng)設計82.1 滾珠絲杠的選擇82.1.1 運動參數(shù)確定82.1.2 運動規(guī)律簡圖及其計算82.1.3 滾珠絲杠的選擇92.1.4 滾珠絲杠的選型102.2 支撐導軌光杠的

2、參數(shù)計算102.2.1 光杠材料選擇102.2.2 光杠最小直徑的確定102.3氣缸參數(shù)的計算和確定112.4電機選型123氣動系統(tǒng)設計134控制系統(tǒng)設計144.1 I/O口的分配154.2 程序設計154.3 電路接線原理圖165總結與心得17參考文獻18設計任務書1課程設計目的：通過本次課程設計，綜合運用所學的機械和控制相關知識，分析和解決實際工程問題，培養(yǎng)和鍛煉學生的動手能力。2設計內(nèi)容：設計用于生產(chǎn)線搬運碼垛的二維平動機械手，其中X軸由伺服電機驅動的絲杠驅動，Z軸由氣缸驅動，氣缸的末端裝有抓取單元（抓取單元無需設計），用于抓取工件。生產(chǎn)線的規(guī)格為：傳送帶高度為1.2m1000mm，寬度

3、0.5m，工件平面尺寸D=100mm，傳輸速度： 0.01m/s ，工件質量： 17kg3kg 。設計內(nèi)容包括：1）機械系統(tǒng)的設計：設計該二維平動機械手，完成裝配圖的三維設計，繪制二維裝配圖和零件圖；2）氣動系統(tǒng)的設計：設計機械手的氣動系統(tǒng)原理圖；3）控制系統(tǒng)的設計：完成伺服電機的選型計算，設計機械手氣動系統(tǒng)的控制原理圖，編制相應的PLC程序并完成調(diào)試。3設計要求：1）機械三維示意圖A4圖紙1張，二維總裝圖1張、零件圖1張；氣動系統(tǒng)原理圖A4圖紙1張；控制系統(tǒng)原理圖A4圖紙1張；梯形圖程序圖1張；2）控制系統(tǒng)設計兩種運行模式：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

4、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2S（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2S（等待X軸回到初始位置），至此完成一個工作循環(huán)，如此反復。3）設計說明書5000字，包括：各類設計計算，標準件的選型，控制及氣動系統(tǒng)的設計過程等。4時間安排（共三周，15個工作日）：1）清點備品，準備工作：1天；2）查閱資料：2天；3）機械系統(tǒng)設計：5天；4）電氣、控制系統(tǒng)設計：5天；5）說明書撰寫：1天；. 6）答辯：1天；1總體方案設計1.1 機構示

5、意圖 根據(jù)課程設計任務書的二維搬運平臺及其控制系統(tǒng)設計要求，現(xiàn)給出其機構三維示意圖如下所示：圖中顯示出了機械手的二維運動，包括氣缸吊在傳動絲杠上實現(xiàn)X軸的運動和氣缸的收縮實現(xiàn)對工件的夾取和移動，掛接在氣缸下部的抓取裝置未為畫出。 圖中的絲杠現(xiàn)準備采用滾珠絲杠由伺服電機驅動帶動氣動系統(tǒng)傳動工件，而系統(tǒng)的導軌用兩根平行的光杠支撐，以避免滾珠絲杠承受徑向力而發(fā)生彎曲。1.2 運動方式詳細分析因為控制系統(tǒng)要控制氣缸的運動，所以要弄清氣缸的整個運動循環(huán)過程，一個工作循環(huán)可以拆分為四個行程。電磁閥不通電時，活塞桿處于上位，因為此時氣泵已經(jīng)開啟，電磁閥為二位五通閥，因此活塞桿必定處于一個位置，假定它處于上位

6、，以后編制的PLC程序也是據(jù)此設定初始位置。（1）行程1 通電之后，活塞桿下行，到達底部時，霍爾傳感器發(fā)出信號，在下位停留1s，等待抓取零件。（2）行程2 活塞桿上行，到達上位，等待2s。（3）行程3 活塞桿下行，到達下位，等待0.5s，松開零件。（4）行程4 活塞桿上行，到達上位，停留2s，回到初始位置。這就構成一個完整的工作循環(huán)，不斷重復。如圖所示：1.3 設計方案說明1.3.1 驅動系統(tǒng)伺服電機,可使控制速度,位置精度非常準確。整個系統(tǒng)采用伺服驅動系統(tǒng)。伺服電動機又稱執(zhí)行電動機，在自動控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，把所收到的電信號轉換成電動機軸上的角位移或角速度輸出。1.3.2 傳動元件傳動

7、元件采用滾珠絲杠。傳動的原理就是通過伺服馬達的帶動，絲桿做高速轉動，通過螺母來帶動固定在螺母上面的機械，特點是滾珠絲桿的精度比較高，誤差小。滾珠絲杠螺母副傳動摩擦系數(shù)小，無滑移，一般不能自鎖，傳輸效率高。與普通螺紋副傳動相比傳動精度更高，并且可以有效消除回程誤差，實現(xiàn)準確定位與傳動。1.3.3 氣動系統(tǒng)工件的上升與下降通過氣缸的伸縮與收回來實現(xiàn)。氣壓傳動具有以下優(yōu)點：1）以空氣為工作介質，工作介質獲得比較容易，用后的空氣排到大氣中，處理方便，與液壓傳動相比不必設置回收的油箱和管道；  2）因空氣的粘度很?。s為液壓油動力粘度的萬分之一），其損失也很小，所以便于集中供氣、遠距

8、離輸送。外泄漏不會像液壓傳動那樣嚴重污染環(huán)境；  3）與液壓傳動相比，氣壓傳動動作迅速、反應快、維護簡單、工作介質清潔，不存在介質變質等問題；  4）工作環(huán)境適應性好，特別在易燃、易爆、多塵埃、強磁、輻射、振動等惡劣工作環(huán)境中，比液壓、電子、電氣控制優(yōu)越；  5）成本低，過載能自動保護。1.3.4支撐系統(tǒng)氣動系統(tǒng)及夾取裝置掛接在傳動系統(tǒng)上，由于絲杠不能承受力，故采用兩根光杠支撐充當導軌，類似于臥式車床的溜板箱的導軌系統(tǒng)。1.3.5控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)采用PLC控制。PLC的特點：可靠性高，抗干擾能力強；配套齊全，功能完善，適用性強；易學易

9、用，深受工程技術人員歡迎；系統(tǒng)的設計、建造工作量小，維護方便，容易改造；體積小，重量輕，能耗低。2機械系統(tǒng)設計機械系統(tǒng)設計要在滿足預期功能的前提下,做到性能好、效率高、成本低、在預定使用期限內(nèi)安全可靠，維修簡單，整體尺寸搭配合理和造型美觀。2.1 滾珠絲杠的選擇2.1.1 運動參數(shù)確定 工件質量m=17kg3kg，考慮夾取裝置、氣缸、導桿兒和連接塊的總質量為m2=7kg，取定安全系數(shù)s=2-4，初步確定伺服電機驅動的質量為60kg40kg； 運動行程，根據(jù)實際情況選取運動行程約為400-500mm；500mm 單行程運動時間為t=2s，忽略其抓取停留時間（抓緊時間1s，松開時間為0.5s）；2

10、.1.2 運動規(guī)律簡圖及其計算 由單行程時間為2s確定運動的加速時間為0.2s，勻速時間為1.6s，減速時間是0.2s， 由公式 S=0.2s×2×Vm/2 +Vm×1.6s=500mm可得出最大速度Vm=0.278m/s,平均速度 V=0.25m/s,加速度a=1.39m/s²，所需驅動力F=ma=83.4N。40*1.39=55.6N 2.1.3 滾珠絲杠的選擇 計算進給力 F=f*w=f*m*g=0.16*60*9.8=94.08N ，0.16*40*9.8=62.72Nd 其中： f-導軌摩擦系數(shù)，由機械設計手冊查得為0.150.18； m-系統(tǒng)

11、驅動質量。最大動負載：C= L= n= 其中，-滾珠絲杠導程，初選為10mm； Vs -滾珠絲杠最大進給速度的1/21/3,單位為m/min，取Vs=0.278×60×0.5=8.34m/min; T-使用壽命，按15000h計算； -運轉系數(shù)，按一般運轉取=1.21.5 ； L-壽命，以轉為單位。計算可得： n=834r/min L=750.6 C=1197N798.07N即 滾珠絲杠最大動載荷為： C=1197N798.07N，導程 =10mm2.1.4 滾珠絲杠的選型 根據(jù)以上計算的參數(shù)，查閱相關信息，取米思米公司型號為BSS2010-800的滾珠絲杠，其外徑為20m

12、m，導程為10mm,總長度800mm。2.2 支撐導軌光杠的參數(shù)計算2.2.1 光杠材料選擇 根據(jù)機械設計手冊查得常用光杠材料為45#鋼，45鋼具有廣泛應用，并且經(jīng)過一定的熱處理便可得到很好的剛度與強度，能滿足較大范圍的使用要求。2.2.2 光杠最小直徑的確定 根據(jù)材料力學及相關知識，按照光杠的最大撓度確定取危險直徑。已知絲杠長度L=600mm，其中F為運行載荷，包括掛接的質量，m=60kg40kg，F(xiàn)=mg=600N400N，由于為兩根光杠故取F=300N200N；受力如下圖所示：F查材料力學可知，兩端固定僅中間受力時的最大撓度為 = -FL3/48EI安全系數(shù)取2，考慮其動載沖擊系數(shù)為1.

13、5查機械設計手冊可得，對光杠的剛度要求是撓度范圍是0.0003l0.0005之間 ，其中l(wèi)為 光杠有效行程；E為彈性模量，碳鋼取 E=196-216GPa；I極慣性矩，I=/32；由公式= F/48EI0.0004Ld 計算可得 d27.513mm24.861mm 取整為d=28mm25mm。2.3氣缸參數(shù)的計算和確定根據(jù)設計要求可知如下條件：工件質量m=17kg3kg，由此可以算出氣缸活塞桿的最小直徑：F=Mg=30NP=F/A=30N*4/d2活塞桿材料用45鋼，其值為355Mp，取安全系數(shù)S=3，代入可解得 d 1.45678 mm 5.6*10_4m再由氣缸的拉力來計算氣缸的內(nèi)徑，取氣

14、源壓力為1Mp， 當時，可以求得，即30解得： 6.3mm考慮抓取裝置和活塞桿的質量所得結果，由于不清楚抓取裝置結構和所用材料，考慮安全性及負載率，故將D=24×Dmin=35.72mm25.2mm ，查閱SMC氣缸系列取取活塞桿直徑14mm，缸徑為D=40mm。各參數(shù)如下圖：2.4電機選型根據(jù)前面所得的數(shù)據(jù)算電機轉速及電動機的功率： 滾珠絲杠的傳動效率取1=0.96，聯(lián)軸器的效率為2=0.98，得P=176.47W；考慮光杠的摩擦力，取定安全系數(shù)為2，得電機的實際功率為P=352.94W。其所需的轉矩：根據(jù)所算的的數(shù)據(jù)，采用日本森創(chuàng)公司CB系列交流伺服電機，規(guī)格型號為80CB075

15、C-010000,其額定轉速為3000r/min，最高轉速3600r/min其額定輸出功率為750W，其額定轉矩為2.39N·m，瞬間最大轉矩7.16 N·m，完全滿足使用要求。3氣動系統(tǒng)設計一個完整的氣動系統(tǒng)包括氣源設備（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）。 在本設計中，使用一個二位五通電磁閥及兩個節(jié)流閥，二位五通閥用于換向，節(jié)流閥用于調(diào)節(jié)氣缸運動速度。 氣路圖如下所示：4控制系統(tǒng)設計本設計中，我們組使用的是OMRON 公司產(chǎn)的CPM2A型PLC進行

16、運動控制，共40個I/O點，用軟件CX-Programmer 進行程序編制。為使控制過程邏輯清晰，在此規(guī)定：1 通電時電磁閥動作，氣缸伸出。2 斷電時電磁閥復位，氣缸縮回。3 所有指示燈，在通電的時刻點亮，斷電時熄滅。4 自動/手動選擇規(guī)定，高電平輸入時手動模式；低電平輸入時，自動模式。5 所有的按鈕，按下之后均為高電平。4.1 I/O口的分配輸入設備: 輸入設備地址：手動/自動選擇 00002啟動（自動） 00003停止（自動） 00004伸出（手動） 00005縮回（手動） 00006霍爾傳感器（上位） 00007霍爾傳感器（下位） 00008輸出設備： 輸出設備地址：電磁閥 01001自

17、動狀態(tài)指示燈 01002手動狀態(tài)指示燈 01003伸出指示燈 01004縮回指示燈 010054.2 程序設計程序如下所示：4.3 電路接線原理圖5總結與心得這次的機電綜合課程設計將我們之前學習的機械設計知識與控制系統(tǒng)課程的知識很好的結合起來，鍛煉我的動手能力，讓我熟悉了開發(fā)一個機械產(chǎn)品的整體過程，同時對機電一體化的概念也有了更好的理解。通過使用Solidworks繪制三維圖，出二維裝配及零件圖，熟悉了三維軟件的使用，也復習了AutoCAD的使用。在編制梯形圖程序，給控制系統(tǒng)接線，調(diào)試程序的過程中，不僅鍛煉了我的動手能力，同時讓我認識到調(diào)試時要有耐心，要能夠及時發(fā)現(xiàn)并改正錯誤?？傊朴趯W習

18、，不懂的地方及時請教老師或同學，才能在課程設計中成長更多。參考文獻：【1】 王黎欽，陳鐵鳴.機械設計.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學出版社，2008.【2】 何世禹，金曉鷗.機械工程材料.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學出版社，2006.【3】 機械設計手冊軟件版V3.0.【4】 金鈴，劉玉光，李利群.畫法幾何級機械制圖.哈爾濱：黑龍江人民出版社，2003.【5】 姚玉峰.機電液系統(tǒng)控制課件.威海：哈爾濱工業(yè)大學（威海），2010.【6】 楊緒劍.機械系統(tǒng)計算機控制課件. 威海：哈爾濱工業(yè)大學（威海），2010.【7】 程周.歐姆龍系列PLC入門與應用實例.北京：中國電力出版社，2009.【8】 劉鴻文.材料力

19、學.北京：高等教育出版社，2004.他們繼續(xù)往前走。走到了沃野，他們決定停下。被打巴掌的那位差點淹死，幸好被朋友救過來了。被救起后，他拿了一把小劍在石頭上刻了：“今天我的好朋友救了我一命。”一旁好奇的朋友問到：“為什么我打了你以后你要寫在沙子上，而現(xiàn)在要刻在石頭上呢？”另一個笑笑回答說：“當被一個朋友傷害時，要寫在易忘的地方，風會負責抹去它；相反的如果被幫助，我們要把它刻在心靈的深處，任何風都抹不去的?！迸笥阎g相處，傷害往往是無心的，幫助卻是真心的。在日常生活中，就算最要好的朋友也會有摩擦，也會因為這些摩擦產(chǎn)生誤會，以至于成為陌路。友情的深淺，不僅在于朋友對你的才能欽佩到什么程度，更在于他對你的弱點容忍到什么程度。學會將傷害丟在風里，將感動銘記心底，才可以