1、 哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）機(jī)電綜合課程設(shè)計(jì)二維搬運(yùn)平臺(tái)及其控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)姓名：XX x班級(jí)： 學(xué)號(hào)： 專業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化指導(dǎo)老師：XXX 同組人： 時(shí)間：2010.11.29-2010.12.161 / 23目錄設(shè)計(jì)任務(wù)書41總體方案設(shè)計(jì)51.1 機(jī)構(gòu)示意圖51.2 運(yùn)動(dòng)方式詳細(xì)分析61.3 設(shè)計(jì)方案說明61.3.1 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)71.3.2 傳動(dòng)元件71.3.3 氣動(dòng)系統(tǒng)71.3.4支撐系統(tǒng)71.3.5控制系統(tǒng)82機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)82.1 滾珠絲杠的選擇82.1.1 運(yùn)動(dòng)參數(shù)確定82.1.2 運(yùn)動(dòng)規(guī)律簡圖及其計(jì)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(dǎo)軌光杠的

2、參數(shù)計(jì)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(jì)算和確定112.4電機(jī)選型123氣動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)134控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)144.1 I/O口的分配154.2 程序設(shè)計(jì)154.3 電路接線原理圖165總結(jié)與心得17參考文獻(xiàn)18設(shè)計(jì)任務(wù)書1課程設(shè)計(jì)目的：通過本次課程設(shè)計(jì)，綜合運(yùn)用所學(xué)的機(jī)械和控制相關(guān)知識(shí)，分析和解決實(shí)際工程問題，培養(yǎng)和鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力。2設(shè)計(jì)內(nèi)容：設(shè)計(jì)用于生產(chǎn)線搬運(yùn)碼垛的二維平動(dòng)機(jī)械手，其中X軸由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的絲杠驅(qū)動(dòng)，Z軸由氣缸驅(qū)動(dòng)，氣缸的末端裝有抓取單元（抓取單元無需設(shè)計(jì)），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(zhì)量： 17kg3kg 。設(shè)計(jì)內(nèi)容包括：1）機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)：設(shè)計(jì)該二維平動(dòng)機(jī)械手，完成裝配圖的三維設(shè)計(jì)，繪制二維裝配圖和零件圖；2）氣動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)：設(shè)計(jì)機(jī)械手的氣動(dòng)系統(tǒng)原理圖；3）控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)：完成伺服電機(jī)的選型計(jì)算，設(shè)計(jì)機(jī)械手氣動(dòng)系統(tǒng)的控制原理圖，編制相應(yīng)的PLC程序并完成調(diào)試。3設(shè)計(jì)要求：1）機(jī)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(dòng)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(shè)計(jì)兩種運(yùn)行模式：手動(dòng)模式和自動(dòng)模式，在手動(dòng)模式下可以用按鈕控制氣缸的伸縮，在自動(dòng)模式

4、下，按下啟動(dòng)按鈕后，氣缸的動(dòng)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(yùn)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(gè)工作循環(huán)，如此反復(fù)。3）設(shè)計(jì)說明書5000字，包括：各類設(shè)計(jì)計(jì)算，標(biāo)準(zhǔn)件的選型，控制及氣動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程等。4時(shí)間安排（共三周，15個(gè)工作日）：1）清點(diǎn)備品，準(zhǔn)備工作：1天；2）查閱資料：2天；3）機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)：5天；4）電氣、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)：5天；5）說明書撰寫：1天；. 6）答辯：1天；1總體方案設(shè)計(jì)1.1 機(jī)構(gòu)示

5、意圖 根據(jù)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書的二維搬運(yùn)平臺(tái)及其控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，現(xiàn)給出其機(jī)構(gòu)三維示意圖如下所示：圖中顯示出了機(jī)械手的二維運(yùn)動(dòng)，包括氣缸吊在傳動(dòng)絲杠上實(shí)現(xiàn)X軸的運(yùn)動(dòng)和氣缸的收縮實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的夾取和移動(dòng)，掛接在氣缸下部的抓取裝置未為畫出。 圖中的絲杠現(xiàn)準(zhǔn)備采用滾珠絲杠由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)帶動(dòng)氣動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)工件，而系統(tǒng)的導(dǎo)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(yùn)動(dòng)方式詳細(xì)分析因?yàn)榭刂葡到y(tǒng)要控制氣缸的運(yùn)動(dòng)，所以要弄清氣缸的整個(gè)運(yùn)動(dòng)循環(huán)過程，一個(gè)工作循環(huán)可以拆分為四個(gè)行程。電磁閥不通電時(shí)，活塞桿處于上位，因?yàn)榇藭r(shí)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(gè)位置，假定它處于上位

6、，以后編制的PLC程序也是據(jù)此設(shè)定初始位置。（1）行程1 通電之后，活塞桿下行，到達(dá)底部時(shí)，霍爾傳感器發(fā)出信號(hào)，在下位停留1s，等待抓取零件。（2）行程2 活塞桿上行，到達(dá)上位，等待2s。（3）行程3 活塞桿下行，到達(dá)下位，等待0.5s，松開零件。（4）行程4 活塞桿上行，到達(dá)上位，停留2s，回到初始位置。這就構(gòu)成一個(gè)完整的工作循環(huán)，不斷重復(fù)。如圖所示：1.3 設(shè)計(jì)方案說明1.3.1 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)伺服電機(jī),可使控制速度,位置精度非常準(zhǔn)確。整個(gè)系統(tǒng)采用伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。伺服電動(dòng)機(jī)又稱執(zhí)行電動(dòng)機(jī)，在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，把所收到的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電動(dòng)機(jī)軸上的角位移或角速度輸出。1.3.2 傳動(dòng)元件傳動(dòng)

7、元件采用滾珠絲杠。傳動(dòng)的原理就是通過伺服馬達(dá)的帶動(dòng)，絲桿做高速轉(zhuǎn)動(dòng)，通過螺母來帶動(dòng)固定在螺母上面的機(jī)械，特點(diǎn)是滾珠絲桿的精度比較高，誤差小。滾珠絲杠螺母副傳動(dòng)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(dòng)相比傳動(dòng)精度更高，并且可以有效消除回程誤差，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位與傳動(dòng)。1.3.3 氣動(dòng)系統(tǒng)工件的上升與下降通過氣缸的伸縮與收回來實(shí)現(xiàn)。氣壓傳動(dòng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：1）以空氣為工作介質(zhì)，工作介質(zhì)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(dòng)相比不必設(shè)置回收的油箱和管道；  2）因空氣的粘度很小（約為液壓油動(dòng)力粘度的萬分之一），其損失也很小，所以便于集中供氣、遠(yuǎn)距

8、離輸送。外泄漏不會(huì)像液壓傳動(dòng)那樣嚴(yán)重污染環(huán)境；  3）與液壓傳動(dòng)相比，氣壓傳動(dòng)動(dòng)作迅速、反應(yīng)快、維護(hù)簡單、工作介質(zhì)清潔，不存在介質(zhì)變質(zhì)等問題；  4）工作環(huán)境適應(yīng)性好，特別在易燃、易爆、多塵埃、強(qiáng)磁、輻射、振動(dòng)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(dòng)保護(hù)。1.3.4支撐系統(tǒng)氣動(dòng)系統(tǒng)及夾取裝置掛接在傳動(dòng)系統(tǒng)上，由于絲杠不能承受力，故采用兩根光杠支撐充當(dāng)導(dǎo)軌，類似于臥式車床的溜板箱的導(dǎo)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(diǎn)：可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)；配套齊全，功能完善，適用性強(qiáng)；易學(xué)易

9、用，深受工程技術(shù)人員歡迎；系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、建造工作量小，維護(hù)方便，容易改造；體積小，重量輕，能耗低。2機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)要在滿足預(yù)期功能的前提下,做到性能好、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。2.1 滾珠絲杠的選擇2.1.1 運(yùn)動(dòng)參數(shù)確定 工件質(zhì)量m=17kg3kg，考慮夾取裝置、氣缸、導(dǎo)桿兒和連接塊的總質(zhì)量為m2=7kg，取定安全系數(shù)s=2-4，初步確定伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的質(zhì)量為60kg40kg； 運(yùn)動(dòng)行程，根據(jù)實(shí)際情況選取運(yùn)動(dòng)行程約為400-500mm；500mm 單行程運(yùn)動(dòng)時(shí)間為t=2s，忽略其抓取停留時(shí)間（抓緊時(shí)間1s，松開時(shí)間為0.5s）；2

10、.1.2 運(yùn)動(dòng)規(guī)律簡圖及其計(jì)算 由單行程時(shí)間為2s確定運(yùn)動(dòng)的加速時(shí)間為0.2s，勻速時(shí)間為1.6s，減速時(shí)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(qū)動(dòng)力F=ma=83.4N。40*1.39=55.6N 2.1.3 滾珠絲杠的選擇 計(jì)算進(jìn)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(dǎo)軌摩擦系數(shù)，由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)查得為0.150.18； m-系統(tǒng)

11、驅(qū)動(dòng)質(zhì)量。最大動(dòng)負(fù)載：C= L= n= 其中，-滾珠絲杠導(dǎo)程，初選為10mm； Vs -滾珠絲杠最大進(jìn)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(jì)算； -運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù)，按一般運(yùn)轉(zhuǎn)取=1.21.5 ； L-壽命，以轉(zhuǎn)為單位。計(jì)算可得： n=834r/min L=750.6 C=1197N798.07N即 滾珠絲杠最大動(dòng)載荷為： C=1197N798.07N，導(dǎo)程 =10mm2.1.4 滾珠絲杠的選型 根據(jù)以上計(jì)算的參數(shù)，查閱相關(guān)信息，取米思米公司型號(hào)為BSS2010-800的滾珠絲杠，其外徑為20m

12、m，導(dǎo)程為10mm,總長度800mm。2.2 支撐導(dǎo)軌光杠的參數(shù)計(jì)算2.2.1 光杠材料選擇 根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)查得常用光杠材料為45#鋼，45鋼具有廣泛應(yīng)用，并且經(jīng)過一定的熱處理便可得到很好的剛度與強(qiáng)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(xué)及相關(guān)知識(shí)，按照光杠的最大撓度確定取危險(xiǎn)直徑。已知絲杠長度L=600mm，其中F為運(yùn)行載荷，包括掛接的質(zhì)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(xué)可知，兩端固定僅中間受力時(shí)的最大撓度為 = -FL3/48EI安全系數(shù)取2，考慮其動(dòng)載沖擊系數(shù)為1.

13、5查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)可得，對(duì)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(jì)算可得 d27.513mm24.861mm 取整為d=28mm25mm。2.3氣缸參數(shù)的計(jì)算和確定根據(jù)設(shè)計(jì)要求可知如下條件：工件質(zhì)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(jì)算氣缸的內(nèi)徑，取氣

14、源壓力為1Mp， 當(dāng)時(shí)，可以求得，即30解得： 6.3mm考慮抓取裝置和活塞桿的質(zhì)量所得結(jié)果，由于不清楚抓取裝置結(jié)構(gòu)和所用材料，考慮安全性及負(fù)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(jī)選型根據(jù)前面所得的數(shù)據(jù)算電機(jī)轉(zhuǎn)速及電動(dòng)機(jī)的功率： 滾珠絲杠的傳動(dòng)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(jī)的實(shí)際功率為P=352.94W。其所需的轉(zhuǎn)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(jī)，規(guī)格型號(hào)為80CB075

15、C-010000,其額定轉(zhuǎn)速為3000r/min，最高轉(zhuǎn)速3600r/min其額定輸出功率為750W，其額定轉(zhuǎn)矩為2.39N·m，瞬間最大轉(zhuǎn)矩7.16 N·m，完全滿足使用要求。3氣動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)一個(gè)完整的氣動(dòng)系統(tǒng)包括氣源設(shè)備（如空氣壓縮機(jī)等）、氣源處理元件（過濾器、干燥器等）、氣動(dòng)執(zhí)行元件（氣缸、真空發(fā)生器等）、氣動(dòng)控制元件（減壓閥、電磁閥等）和氣動(dòng)輔助元件（管、管接頭、油霧器等）。 在本設(shè)計(jì)中，使用一個(gè)二位五通電磁閥及兩個(gè)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(yùn)動(dòng)速度。 氣路圖如下所示：4控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)中，我們組使用的是OMRON 公司產(chǎn)的CPM2A型PLC進(jìn)行

16、運(yùn)動(dòng)控制，共40個(gè)I/O點(diǎn)，用軟件CX-Programmer 進(jìn)行程序編制。為使控制過程邏輯清晰，在此規(guī)定：1 通電時(shí)電磁閥動(dòng)作，氣缸伸出。2 斷電時(shí)電磁閥復(fù)位，氣缸縮回。3 所有指示燈，在通電的時(shí)刻點(diǎn)亮，斷電時(shí)熄滅。4 自動(dòng)/手動(dòng)選擇規(guī)定，高電平輸入時(shí)手動(dòng)模式；低電平輸入時(shí)，自動(dòng)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(shè)備: 輸入設(shè)備地址：手動(dòng)/自動(dòng)選擇 00002啟動(dòng)（自動(dòng)） 00003停止（自動(dòng)） 00004伸出（手動(dòng)） 00005縮回（手動(dòng)） 00006霍爾傳感器（上位） 00007霍爾傳感器（下位） 00008輸出設(shè)備： 輸出設(shè)備地址：電磁閥 01001自

17、動(dòng)狀態(tài)指示燈 01002手動(dòng)狀態(tài)指示燈 01003伸出指示燈 01004縮回指示燈 010054.2 程序設(shè)計(jì)程序如下所示：4.3 電路接線原理圖5總結(jié)與心得這次的機(jī)電綜合課程設(shè)計(jì)將我們之前學(xué)習(xí)的機(jī)械設(shè)計(jì)知識(shí)與控制系統(tǒng)課程的知識(shí)很好的結(jié)合起來，鍛煉我的動(dòng)手能力，讓我熟悉了開發(fā)一個(gè)機(jī)械產(chǎn)品的整體過程，同時(shí)對(duì)機(jī)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(fù)習(xí)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(dòng)手能力，同時(shí)讓我認(rèn)識(shí)到調(diào)試時(shí)要有耐心，要能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)并改正錯(cuò)誤?？傊?，要善于學(xué)習(xí)

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

19、學(xué).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(diǎn)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(gè)笑笑回答說：“當(dāng)被一個(gè)朋友傷害時(shí)，要寫在易忘的地方，風(fēng)會(huì)負(fù)責(zé)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(fēng)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(huì)有摩擦，也會(huì)因?yàn)檫@些摩擦產(chǎn)生誤會(huì)，以至于成為陌路。友情的深淺，不僅在于朋友對(duì)你的才能欽佩到什么程度，更在于他對(duì)你的弱點(diǎn)容忍到什么程度。學(xué)會(huì)將傷害丟在風(fēng)里，將感動(dòng)銘記心底，才可以