機(jī)電一體化課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū).doc

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1、河北工程大學(xué)課程設(shè)計(jì) 機(jī)電工程學(xué)院 課程設(shè)計(jì)（專業(yè)方向設(shè)計(jì)）說(shuō)明書(shū) （2014 /2015 學(xué)年第一學(xué)期） 課程名稱 ： 機(jī)電一體化課程設(shè)計(jì) 題 目 ： 工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì) 專業(yè)班級(jí) ： 學(xué)生姓名 ： 學(xué) 號(hào)： 指導(dǎo)教師 ： 設(shè)計(jì)周數(shù) ： 三 周 設(shè)計(jì)成績(jī) ： 2015年12月31日

2、 目錄 第一章 工業(yè)機(jī)械手綜述 1 1.1工業(yè)機(jī)械手的發(fā)展概況 1 1.2工業(yè)機(jī)械手的應(yīng)用 1 1.3工業(yè)機(jī)械手的組成及原理 1 第二章 伸縮臂的設(shè)計(jì)方案 4 2.1 設(shè)計(jì)方案論證以及確定 4 2.1.1 設(shè)計(jì)參數(shù)及要求 4 2.1.2 設(shè)計(jì)方案的比較論證 4 2.2 機(jī)械手伸縮臂總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案 4 2.3 執(zhí)行裝置的設(shè)計(jì)方案 5 2.3.1 滾珠絲杠的選擇 5 2.3.2減速齒輪的有關(guān)計(jì)算 10 2.3.3電動(dòng)機(jī)的選擇 15 第三章 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 18 3.1 PLC的構(gòu)成及工作原理 18 3.2 選擇PLC 18 3.3 PLC外部

3、I/O分配圖 19 3.4 軟件設(shè)計(jì) 20 3.5 硬件設(shè)計(jì) 28 總 結(jié) 29 參 考 文 獻(xiàn) 30 第一章 工業(yè)機(jī)械手綜述 1.1工業(yè)機(jī)械手的發(fā)展概況 工業(yè)機(jī)械手在先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域中扮演著極其重要的角色，是近幾十年發(fā)展起來(lái)的一種高科技自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備，是一種能自動(dòng)化定位控制并可重新編程序以變動(dòng)的多功能機(jī)器，它有多個(gè)自由度，可用來(lái)搬運(yùn)物體以完成在各個(gè)不同環(huán)境中工作。 工業(yè)機(jī)械手即工業(yè)機(jī)器人是集機(jī)械、電子、控制、計(jì)算機(jī)、傳感器、人工智能等多學(xué)科先進(jìn)技術(shù)于一體的現(xiàn)代化制造業(yè)重要的自動(dòng)化裝備。機(jī)械手技術(shù)涉及到力學(xué)、機(jī)械學(xué)、電氣液壓技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、傳感器技術(shù)和計(jì)算機(jī)技

4、術(shù)等科學(xué)領(lǐng)域，是一門(mén)跨學(xué)科綜合技術(shù)。 1.2工業(yè)機(jī)械手的應(yīng)用 機(jī)械手是工業(yè)自動(dòng)控制領(lǐng)域中經(jīng)常遇到的一種控制對(duì)象。機(jī)械手可以完成許多工作，如搬物、裝配、切割、噴染等等，應(yīng)用非常廣泛廣泛。 在現(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過(guò)程中的自動(dòng)化已成為突出的主題。各行各業(yè)的自動(dòng)化水平越來(lái)越高，現(xiàn)代化加工車間，常配有機(jī)械手，以提高生產(chǎn)效率，完成工人難以完成的或者危險(xiǎn)的工作。目前在我國(guó)機(jī)械手常用于完成的工作有：注塑工業(yè)中從模具中快速抓取制品并將制品傳送到下一個(gè)生產(chǎn)工序；機(jī)械手加工行業(yè)中用于取料、送料；澆鑄行業(yè)中用于提取高溫熔液等等。 廣泛采用工業(yè)機(jī)械手，不僅可提高產(chǎn)品的質(zhì)量與產(chǎn)量，而且對(duì)保障人身安全，改善勞動(dòng)環(huán)境，減

5、輕勞動(dòng)強(qiáng)度，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，節(jié)約原材料消耗以及降低生產(chǎn)成本，有著十分重要的意義。同計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)一樣，工業(yè)機(jī)械手的廣泛應(yīng)用正在日益改善著人類的生產(chǎn)和生活方式。 1.3工業(yè)機(jī)械手的組成及原理 工業(yè)機(jī)械手一般應(yīng)由機(jī)械系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、檢測(cè)系統(tǒng)和人工智能系統(tǒng)等組成。機(jī)械系統(tǒng)是完成抓取工件實(shí)現(xiàn)所需運(yùn)動(dòng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)；驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的作用是向執(zhí)行機(jī)構(gòu)提供動(dòng)力，執(zhí)行元件驅(qū)動(dòng)源的不同，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)方式有液動(dòng)式、氣動(dòng)式、電動(dòng)式和機(jī)械式四種，采用液壓機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)機(jī)械手,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸緊湊、重量輕、控制方便；控制系統(tǒng)是工業(yè)機(jī)械手的指揮系統(tǒng)，它控制工業(yè)機(jī)器人按規(guī)定的程序運(yùn)動(dòng)；檢測(cè)傳感系統(tǒng)主要檢測(cè)工業(yè)機(jī)械手執(zhí)行系統(tǒng)

6、的運(yùn)動(dòng)位置、狀態(tài)，并反饋給控制系統(tǒng)進(jìn)而及時(shí)比較調(diào)整。 本次設(shè)計(jì)的工業(yè)機(jī)械手屬于圓柱坐標(biāo)式的液壓驅(qū)動(dòng)機(jī)械手，具有手臂升降、伸縮、回轉(zhuǎn)等三個(gè)自由度。因此相應(yīng)地有手臂伸縮機(jī)構(gòu)、手臂升降機(jī)構(gòu)、手臂回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)等組成。每一部分均用液壓缸驅(qū)動(dòng)與控制。下圖為本次設(shè)計(jì)的機(jī)械手總平面圖： 圖1-1機(jī)械手總平面圖 1底座、2立柱、3液壓缸、4伸縮臂、5升降臂、6機(jī)械手 機(jī)械手的工作原理：機(jī)械手主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測(cè)裝置等所組成。在PLC程序控制的條件下，采用液壓傳動(dòng)方式，來(lái)實(shí)現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的相應(yīng)部位發(fā)生規(guī)定要求的，有順序，有運(yùn)動(dòng)軌跡，有一定速度和時(shí)間的動(dòng)作。同時(shí)按其控制系統(tǒng)的信息對(duì)執(zhí)行

7、機(jī)構(gòu)發(fā)出指令，必要時(shí)可對(duì)機(jī)械手的動(dòng)作進(jìn)行監(jiān)視，當(dāng)動(dòng)作有錯(cuò)誤或發(fā)生故障時(shí)即發(fā)出報(bào)警信號(hào)。位置檢測(cè)裝置隨時(shí)將執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際位置反饋給控制系統(tǒng)，并與設(shè)定的位置進(jìn)行比較，然后通過(guò)控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，從而使執(zhí)行機(jī)構(gòu)以一定的精度達(dá)到設(shè)定位置。下圖為機(jī)械手的系統(tǒng)工作原理框圖： 圖1-2機(jī)械手的系統(tǒng)工作原理框圖 第二章 伸縮臂的設(shè)計(jì)方案 2.1 設(shè)計(jì)方案論證以及確定 2.1.1 設(shè)計(jì)參數(shù)及要求 1、伸縮長(zhǎng)度：300mm； 2、單方向伸縮時(shí)間：1.5～2.5s； 3、定位誤差：要有定位措施，定位誤差小于2mm； 4、前端安裝機(jī)械手，伸縮終點(diǎn)無(wú)剛性沖擊。 2.1

8、.2 設(shè)計(jì)方案的比較論證 根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)及要求，選擇齒輪、滾珠絲杠來(lái)實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)械手伸縮臂的伸縮運(yùn)動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于控制，更經(jīng)濟(jì)實(shí)用。 2.2 機(jī)械手伸縮臂總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案 經(jīng)過(guò)本人的反復(fù)思考及論證，先做出運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖?，F(xiàn)如下圖2-1所示，該機(jī)構(gòu)中支座安裝在機(jī)器人床身上，用于安裝滾珠絲杠和伸縮桿等零件。由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)（1）驅(qū)動(dòng)，帶動(dòng)一級(jí)齒輪減速器（2）。通過(guò)減速器輸出軸與絲杠（3）相連，以電機(jī)為動(dòng)力驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)絲母的直線運(yùn)動(dòng)，推動(dòng)導(dǎo)向桿運(yùn)動(dòng)，利用電機(jī)正反轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)伸縮換向。法蘭用于安裝機(jī)械手，構(gòu)成如圖所示的結(jié)構(gòu)： 圖2-1 步進(jìn)電機(jī)伸縮機(jī)構(gòu)示意圖 2.3 執(zhí)行裝置的設(shè)計(jì)方案

9、2.3.1 滾珠絲杠的選擇 2.3.1.1滾珠絲杠副的選擇： （1）由題可知：伸縮長(zhǎng)度S為300毫米，伸縮時(shí)間t為2秒 ，所以速度 ,初選螺距P=10mm （ 2.1 ） 則： （ 2.2 ） （2）計(jì)算載荷： （ 為載荷系數(shù)，為硬度系數(shù)，為精度系數(shù)） 由題中條件，取 ，取 取D級(jí)精度，取 絲杠的最大工作載荷 : 導(dǎo)向桿所受摩擦力即絲杠最大工作載荷: Ｆmax=F==120N （ 2.3 ） 則：

10、 （3）計(jì)算額定動(dòng)載荷的值： （ 2.4 ） 所以 （4）根據(jù)選擇滾珠絲杠副： 按滾珠絲杠副的額定動(dòng)載荷等于或稍大于的原則，選用漢江機(jī)床廠FC1型滾珠 絲杠 ： 表2-1漢江機(jī)床廠FC1型滾珠絲杠 絲 杠 代 號(hào) 絲杠尺寸/mm 螺 旋 角 滾珠直徑 米制/mm 螺母安裝尺寸/mm 額定載荷 中徑 大徑 導(dǎo)程 動(dòng)載 靜載 d p D E M L Q h 4006-3 40 39

11、.5 8 3.969 50 118 75 15 6 4 48 M6 9 15 9 21379 69825 FC1-5006-3， FC1-52008-2.5 考慮各種因素選用FC1-5006-3。由表2-9得絲杠副數(shù)據(jù)： 公稱直徑 導(dǎo)程p=8mm 螺旋角 滾珠直徑 按表2-1中尺寸計(jì)算： 滾道半徑 （ 2.5 ） 偏心距 （2.6） 絲杠內(nèi)徑 （ 2.7 ） （5）穩(wěn)定性驗(yàn)算 由于一端軸向固定的長(zhǎng)絲杠在工作時(shí)可能發(fā)生失穩(wěn)，所以在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)驗(yàn)算其

12、安全系數(shù) S，其值應(yīng)大于絲杠副傳動(dòng)結(jié)構(gòu)允許安全系數(shù)[S]（見(jiàn)表2-10）。絲杠不會(huì)發(fā)生失穩(wěn)的 最大載荷,稱為臨界載荷（N）按下式計(jì)算： （ 2.8 ） 式中E為絲杠材料的彈性模量，對(duì)于鋼，E=206Mpa; l 為絲杠工作長(zhǎng)度（m）L=450mm； 為絲杠危險(xiǎn)截面的慣性矩；u為長(zhǎng)度系數(shù)，見(jiàn)表2-10。 依題意： （ 2.9 ） 取， 則 （ 2.10 ） 安全系數(shù)。查表2-10，

13、[S]=3～4，S>[S]，絲杠是安全的， 不會(huì)失穩(wěn)。 （6）剛度驗(yàn)算 :滾珠絲杠在工作負(fù)載F（N）和轉(zhuǎn)矩T（Nm）共同作用下引起每個(gè)導(dǎo)程 的變形量: （ 2.11 ） 其中 A——絲杠截面積 ——絲杠極慣性矩 G——絲杠的切變模量，對(duì)于鋼 T——轉(zhuǎn)矩 式中：ρ為摩擦角，其正切函數(shù)值為摩擦系數(shù)，為工作載荷，取摩擦系數(shù) ，則ρ=8′40″ 則 T= （ 2.12 ）

14、 按最不利情況取（其中F=） （ 2.13 ） 則 : 絲杠在工作長(zhǎng)度上的彈性變形引起的導(dǎo)程誤差為： （ 2.14 ） 通常要求絲杠的導(dǎo)程誤差應(yīng)小于其傳動(dòng)精度（）的1/2，即 （ 2.15 ） 該絲杠的滿足上式，所以其剛度可滿足要求。 （7）效率驗(yàn)算： 滾珠絲杠副的傳動(dòng)效率 為 （ 2.16 ） 要求在90%～95%之間，所以該絲杠副合格。 經(jīng)上述計(jì)

15、算：FC1-5006-3 各項(xiàng)性能均符合題目要求，可選用。 2.3.1.2 滾珠絲杠螺距的選擇： P=8mm 2.3.1.3 滾珠絲杠的有效長(zhǎng)度： 根據(jù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)確定，要保證有300mm的伸縮長(zhǎng)度，先對(duì)絲杠螺母進(jìn)行選擇。絲杠螺母選用外循環(huán)螺旋槽式：滾珠螺母可得到其結(jié)構(gòu)尺寸總長(zhǎng)為L(zhǎng)=61mm。根據(jù)其傳動(dòng)的特點(diǎn)，要保證螺母不脫離滾珠絲杠，又要有300mm移動(dòng)距離，則絲杠的有效傳動(dòng)長(zhǎng)度為L(zhǎng)=430mm。 2.3.1.4 滾珠絲杠的安裝結(jié)構(gòu)： 采用雙推簡(jiǎn)支式安裝，一端安裝支推軸承與深溝球軸承的組合，另一端安裝深溝球軸承，其軸向剛度較低，雙推端可預(yù)拉伸安裝，預(yù)緊力小，軸承壽命較高，適

16、用于中速傳動(dòng)精度較高的長(zhǎng)絲杠傳動(dòng)系統(tǒng)。 由此可知：絲杠轉(zhuǎn)速： Pn=L/2 所以 （ 2.17 ） 2.3.1.5 絲杠安裝軸承的選擇 由于滾珠絲杠副的支承形式采用的是一端固定一端游動(dòng)（F-S），而又避免絲杠受壓，所以絲杠的固定端（承重端）為左端，右端為游動(dòng)端。 因此為了滿足使用要求，左端的軸承選取雙向推力球軸承與深溝球軸承的組合形式。推力軸承的特點(diǎn)是只能承受單向軸向載荷。為了限制左端的徑向位移，同時(shí)又要限制向右的軸向位移，故選用角接觸球軸承。此類軸承的特點(diǎn)是能同時(shí)承受徑向軸向聯(lián)合載荷。 1)雙向推力球軸承的選擇 2)初步選定為 51000型 代號(hào)為

17、51306 d =30mm D =60mm T =21mm 3)校核基本額定載荷 通過(guò)所要求軸承壽命（等于絲杠的壽命）算基本額定載荷 在實(shí)際工程計(jì)算中，軸承壽命常用小時(shí)表示 （ 2.18 ） =2338N （ 2.19 ） 其中， C——基本額定動(dòng)載荷（N ） P——當(dāng)量動(dòng)載荷（N ） ——壽命指數(shù) 球軸承 n——軸承的轉(zhuǎn)速（r/min） 在使用壽命為15000小時(shí)的要求下，雙向推力球軸承應(yīng)承受的基本額定動(dòng)載

18、荷為 2338N 。 初步選用的軸承的額定載荷=27KN ，即＞C 所以滿足使用要求。 此類單向推力球軸承的數(shù)據(jù)如下表: 表2-2球軸承 基本尺寸 安裝尺寸 基本額定載荷 極限轉(zhuǎn)速 重量 軸承代號(hào) d D T min max max 脂油 W ≈ 51000型 mm mm KN r/min kg —— 30 60 20 57 53 0.6 36.2 66.8 3200 4500 0.14 51306 4)深溝球軸承的選擇 選用的軸承型號(hào)為6007c（）, 具

19、體數(shù)據(jù)見(jiàn)下表: 表2-3深溝球軸承 基本尺寸 安裝尺寸 基本額定載荷 極限轉(zhuǎn)速 重量 軸承代號(hào) d D B A 脂油 W ≈ 70000C型 mm Mm KN r/min kg —— 45 75 16 16 51 69 1 25.8 20.5 7500 10000 0.28 7009C 5)深溝球軸承的選擇： 下端的軸承只起游動(dòng)和限制徑向位移的作用，所以采用深溝球軸承。選擇60000型， 具體數(shù)據(jù)見(jiàn)下表: 表2-4球軸承數(shù)據(jù) 基本尺寸 安裝尺寸 基本額

20、定載荷 極限轉(zhuǎn)速 重量 軸承代號(hào) d D B min max max 脂油 W ≈ 60000型 mm mm KN r/min kg —— 30 42 7 32.4 39.6 0.3 4.00 3.15 12000 16000 0.026 61806 2.3.2減速齒輪的有關(guān)計(jì)算 2.3.2.1 選定齒輪類型、精度等級(jí)、材料及齒數(shù)： （1）確定傳動(dòng)比 i==1.25 故此次設(shè)計(jì)采用一級(jí)減速 （2）按照工作要求，此次設(shè)計(jì)齒輪傳動(dòng)采用直齒圓柱齒輪開(kāi)式傳動(dòng)。輪齒的主要失效形 式為齒面磨損，故此次

21、設(shè)計(jì)采用硬齒面。 （3）選擇齒輪材料及確定許用應(yīng)力： 由表10-1選小齒輪材料為40MnB（調(diào)質(zhì)）、硬度260HBS；大齒輪材料35SiMn（調(diào)質(zhì)）、 硬度230HB，制造精度系數(shù)為8級(jí)。 （4）估計(jì)絲桿功率: 摩擦功率 P摩=QV/60000f 式中： Q—摩擦力（N），Q=Fmax=120N； V—直線傳動(dòng)中的速度（m/min）；V==9m/min； （ 2.20 ） f—直線傳動(dòng)機(jī)械效率f=螺母*導(dǎo)向桿=92%*75%=69%; 故P摩==0.028KW （ 2.21 ）

22、參考臥式車床Pf=（0.03~0.04）Pi， 故取P摩=0.04P快 故P快=0.028KW/0.04=0.7KW 故P絲桿=P快*齒輪=0.7KW*0.95=0.67KW (5) 選小齒輪齒數(shù)大齒輪齒數(shù)。 2.3.2.2按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì) 由設(shè)計(jì)計(jì)算公式（10-9a）進(jìn)行計(jì)算，即 （ 2.22 ） 確定公式內(nèi)的各計(jì)算值 （1）試選載荷系數(shù) （2）計(jì)算小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩 =0.67/1125=Nmm （ 2.23 ） （3）由表10-7選取齒寬系數(shù) （4）由表10-6查得材料的彈性模量 （5）

23、由圖10-21d按齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞 大齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限； （6）由式10-13計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)： （ 2.24 ） （7）由圖10-19查得接觸疲勞壽命系數(shù) （8）計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力 取失效概率為1%，安全系數(shù)S=1，由式（10-12）得 （ 2.25 ） 1）計(jì)算： 計(jì)算小齒輪分度圓直徑，代入中較小的值 （ 2.26 ） 2）計(jì)算圓周速度v （ 2.27 ） 3）計(jì)算齒寬b

24、： （ 2.28 ） 4）計(jì)算齒寬與齒高之比b/h 模數(shù) （ 2.29 ） 齒高 h=2.252.46mm=5.53mm b/h=49.132/5.53=8.89 （ 2.30 ） 5）計(jì)算載荷系數(shù) 根據(jù)，8級(jí)精度，由圖10-8查得動(dòng)載系數(shù) 直齒輪，假設(shè)。由表10-3查得； 由表10-3查得使用系數(shù) ； 由表10-4查得: （ 2.31 ）

25、 將數(shù)據(jù)代入 （ 2.32 ） 由b/h=34.87/3.92=8.89 查圖10-13得； 故載荷系數(shù): （ 2.33 ） 6）按實(shí)際載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑，由（10-10a）得 （ 2.34 ） 7)計(jì)算模數(shù)m 取標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)m=4 （ 2.35 ） 2.3.2.3校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度: 由式10-4得校核式為： 1） 計(jì)算圓周力： （ 2.36 ） 2） 齒形系數(shù)及應(yīng)力校正系數(shù)：由表10-5得： 3） 齒形系數(shù) 4） 應(yīng)力校正系數(shù)

26、5） 計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力 （ 2.37 ） （1）彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.4 （2）由圖10-20c按齒面硬度查得小齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限； 大齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限； （3）由圖10-18查得彎曲疲勞壽命系數(shù)；則： （ 2.38 ） 6） 校核計(jì)算: （1）由前知載荷系數(shù) 則： （ 2.39 ） （2） 校核： 滿足要求。 則： 取 （ 2.40 ） 所以 取

27、 （ 2.41 ） 2.3.2.4 幾何尺寸計(jì)算 1）分度圓直徑： （ 2.42 ） 2）中心距： （ 2.43 ） 3）齒輪寬度： （ 2.44 ） 取 4）齒頂圓直徑： （ 2.45 ） （ 2.46 ） 5）齒根圓直徑： （ 2.47 ） （ 2.48 ） 2.3.2.5 驗(yàn)算：

28、 （ 2.49 ） 對(duì)照表11-2可知選用8級(jí)精度是合宜的。 2.3.3電動(dòng)機(jī)的選擇 根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)要求選用3相6拍步進(jìn)電機(jī)。 2.3.3.1確定各旋轉(zhuǎn)件的角速度 絲桿==1125r/min*2/60=117.75rad/s （ 2.50 ） 2.3.3.2確定各旋轉(zhuǎn)件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量： 其中絲桿系效直徑取為0.038m。 J絲桿==*78*10*0.04*0.43/32=0.8*10Kg?m （ 2.51 ） 2.3.3.3確定直線傳動(dòng)件質(zhì)量 =m+m+m+m+m （ 2.52 ）

29、 其中：m夾持器=20Kg，m導(dǎo)向桿=11Kg 取=50Kg 2.3.3.4轉(zhuǎn)化到電機(jī)軸上當(dāng)量轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 J= （Kg?m） （ 2.53 ） 式中： Wk—各旋轉(zhuǎn)件的角速度；（rad/s ）, Jk—各旋轉(zhuǎn)件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量； （Kg?m）, mi—各直線運(yùn)動(dòng)件的質(zhì)量；（Kg）, V—-直線運(yùn)動(dòng)件的速度；（m/s）, W---電機(jī)角速度；（rad/s） 故J= J絲桿+ =0.8*10*+30* =17.7*10 （ 2.54

30、 ） 2.3.3.5確定克服慣性量所需的電機(jī)上的扭矩: =J（N?M） （ 2.55 ） 式中： J—電機(jī)軸上的當(dāng)量轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（Kg?m）； W—電機(jī)的角速度（rad/s）； t--時(shí)間，取t=0.27； 故M慣=1*10*=0.785N?M 2.3.3.6確定負(fù)載扭矩: （ 2.56 ） 所以 最大靜轉(zhuǎn)矩 （ 2

31、.57 ） 2.3.3.7選擇電機(jī) 由最大靜轉(zhuǎn)矩，查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè) 選90BF004 所選電機(jī)技術(shù)數(shù)據(jù)如下： 表2-5電機(jī)技術(shù)數(shù)據(jù) 規(guī)格 步距角（） 相數(shù) 最大靜轉(zhuǎn)矩（Nm） 最高空載 啟動(dòng)頻率 步/s 運(yùn)行頻率步/s 電壓 V 電流 A 90BF004 0.75 3 2 1500 8000 12 6 表2-6電機(jī)外形尺寸 外徑 長(zhǎng)度 軸徑 重量 110 181 9 3 第三章 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 3.1 PLC的

32、構(gòu)成及工作原理 可編程控制器（簡(jiǎn)稱PLC）雖然外觀各異，但是硬件結(jié)構(gòu)大體相同。主要由中央處理器（CPU）、儲(chǔ)存器（RAM、ROM）、輸入輸出器件（I/O接口）電源及編程設(shè)備幾大部分構(gòu)成。PLC是在工業(yè)環(huán)境中使用的數(shù)字操作電子系統(tǒng)。它使用可編程存儲(chǔ)器儲(chǔ)存用戶設(shè)計(jì)的程序指令，這些指令用來(lái)實(shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)算、順序操作、定時(shí)、計(jì)數(shù)及算術(shù)運(yùn)算和通過(guò)數(shù)字或模擬出入/輸出來(lái)控制各種機(jī)電一體化系統(tǒng)。由于它具有程序可變、抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高、功能強(qiáng)、體積小、耗電低，特別是易于編程、使用操作方便、便于維修、價(jià)格便宜等特點(diǎn)，具有廣泛的應(yīng)用前景。 PLC實(shí)質(zhì)上是一臺(tái)面向用戶的專業(yè)數(shù)字控制計(jì)算機(jī)。圖3-1為PLC的硬件

33、結(jié)構(gòu)框圖，PLC通過(guò)輸入/輸出接口與被控對(duì)象的工作機(jī)相連接?？刂葡到y(tǒng)的具體要求，通過(guò)編程器預(yù)先把程序?qū)懭氲絻?chǔ)存器中，然后執(zhí)行程序，完成控制任務(wù)。當(dāng)系統(tǒng)或被控對(duì)象改變時(shí)，只需相應(yīng)變化輸入/輸出接口與被控對(duì)象的連線，重新編程，即可形成一個(gè)新的控制系統(tǒng)。 圖3-1 PLC硬件結(jié)構(gòu)框圖 3.2 選擇PLC 此次設(shè)計(jì)選擇的PLC定為F1-40系列。 (1)I/O點(diǎn)數(shù)的估算 根據(jù)分析的結(jié)果，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)估算，F(xiàn)1-40系列選擇主機(jī)I/O點(diǎn)數(shù)為24/16。 (2)容量計(jì)算 內(nèi)存容量指的是用戶程序的容量。最大I/O點(diǎn)數(shù)為120，一般指令的條數(shù)為I/O點(diǎn)數(shù) 的10-12倍左右，PLC的容量不得小

34、于此要求。 (3)其它 PLC除了主控模塊外，還可以配接各種功能模塊。本次設(shè)計(jì)選擇增加位置控制模塊、 速度控制模塊。這些模塊可實(shí)現(xiàn)特殊功能。 3.3 PLC外部I/O分配圖 根據(jù)所選的PLCF1-40系列的內(nèi)部元件及輸入輸出的相關(guān)元件、設(shè)備，編制出I/O分配3-2所示如下： : 圖3-2 PLC接線圖 3.4 軟件設(shè)計(jì) 根據(jù)任務(wù)書(shū)的要求，可以采用移位寄存指令或步進(jìn)指令進(jìn)行系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)，整個(gè)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)采用模塊化設(shè)計(jì)。 （1） 模塊化設(shè)計(jì) 公共程序模塊，手動(dòng)程序模塊，自動(dòng)程序模塊，遠(yuǎn)位模塊。公共程序模塊包括主電路、油泵等的控制，狀態(tài)初始化，狀態(tài)轉(zhuǎn)換啟動(dòng)，狀態(tài)轉(zhuǎn)

35、換停止，事故報(bào)警保護(hù)等程序。程序總框圖如圖3-3所示： 圖3-3程序總框圖 公共程序部分是對(duì)整個(gè)程序進(jìn)行控制的部分，對(duì)機(jī)器的運(yùn)行控制起著主要作用。公共程序的梯形圖如圖3-4所示： 圖3-4 公共程序 表3-1公共程序指令表 步序 指令 步序 指令 步序 指令 0 LD X400 8 S S600 16 OUT Y535 1 OR M100 9 LD X402 17 OUT M101 2 ANI X402 10 OR M101 18 LD M101 3 OUT Y533 11 ANI M100 19 A

36、NI M100 4 OUT Y534 12 ANI X403 20 S S601 5 OUT M100 13 ANI M103 21 ANI X502 6 LD X404 14 ANI M104 22 OUT M76 7 AND M100 15 ANI M71 手動(dòng)程序采用電動(dòng)方式，應(yīng)能完成全部自動(dòng)程序所完成的動(dòng)作。手動(dòng)程序部分如圖3-5所示： 圖3-5 手動(dòng)程序 表3-2 手動(dòng)程序指令表 步序 指令 步序 指令 步序 指令 0 LD X416 14 ANB 28 ANB 1 ANI X415

37、15 OUT Y432 29 OUT Y435 2 ANI X405 16 LD X421 30 LD X417 3 ANI X506 17 ANI X422 31 ANI X420 4 LD X407 18 ANI X414 32 ANI X407 5 OR X411 19 LD X407 33 AND X506 6 ANB 20 OR X411 34 OUT Y433 7 OUT Y430 21 ANB 35 LD X4420 8 LD X415 22 OUT Y431 36 ANI X417 9

38、 ANI X416 23 LD X422 37 ANI X411 10 ANI X404 24 ANI X421 38 AND X506 11 ANI X506 25 ANI T540 39 OUT Y436 12 LD X407 26 LD X407 13 OR X411 27 OR X411 自動(dòng)程序應(yīng)包括連續(xù)過(guò)程，單周過(guò)程，畫(huà)出狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖。自動(dòng)程序部分如圖3-6所示： 圖3-6 自動(dòng)程序 表3-3 自動(dòng)程序指令表 步序 指令 步序 指令 步序 指令 步序 指令

39、步序 指令 0 STL S601 44 AND Y532 88 OUT Y531 132 STL S633 176 STL S644 1 OUT Y430 45 S S613 89 OUT Y530 133 OUT Y532 177 OUT Y530 2 AND X405 46 STL S613 90 AND Y531 134 AND Y532 178 AND Y530 3 S S602 47 OUT Y532 91 AND Y530 135 S S634 179 S S645 4 STL S602 48

40、 AND Y532 92 S S623 136 STL S634 135 S S634 5 OUT Y431 49 S S614 93 STL S623 137 OUT Y532 136 STL S634 6 AND X414 50 STL S614 94 OUT Y530 138 OUT Y530 137 OUT Y532 7 S S603 51 OUT Y532 95 AND Y530 139 MPS 138 OUT Y530 8 STL S603 52 OUT Y530 96 S S624 140

41、AND Y530 139 MPS 9 OUT Y432 53 MPS 97 STL S624 141 AND X412 140 AND Y530 10 AND X404 54 AND Y530 98 OUT Y530 142 S S630 141 AND X412 11 S S604 55 AND Y412 99 OUT Y532 143 MPP 142 S S630 12 STL S604 56 S S607 100 OUT Y440 144 ANI X412 143 MPP 13 OUT Y433

42、 57 MPP 101 MPS 145 S S635 144 ANI X412 14 AND X406 58 ANI X412 102 AND Y532 146 STL S636 145 S S635 15 S S605 59 S S615 103 AND Y413 147 OUT Y431 146 STL S636 16 STL S605 60 STL S615 104 S S617 148 R Y534 147 OUT Y431 17 OUT Y433 61 AND X503 105 MPP 149

43、 AND X414 148 R Y534 18 OUT Y434 62 OUT Y435 106 ANI X413 150 S S637 149 AND X414 19 AND X407 63 OUT T450 107 S S625 151 STL S637 150 S S637 20 S S606 64 SP K3 108 STL S625 152 OUT Y441 151 STL S637 21 STL S606 65 AND T450 109 AND X504 153 AND Y441 152 OUT Y

44、441 22 OUT Y536 66 S S616 110 S S626 154 S S640 153 AND Y441 23 AND Y536 67 STL S616 111 STL S626 155 STL S640 154 S S640 24 S S607 68 OUT Y441 112 OUT Y536 156 AND X413 155 STL S640 25 STL S607 69 S Y437 113 AND Y536 157 OUT Y532 156 AND X413 26 AND X412 7

45、0 AND Y441 114 S S627 158 AND Y532 157 OUT Y532 27 OUT Y530 71 S S617 115 STL S630 159 S S641 158 AND Y532 28 AND Y530 72 STL S617 116 AND X412 160 STL S641 159 S S641 29 S S610 73 AND X413 117 OUT Y530 161 OUT Y532 160 STL S641 30 STL S610 74 OUT Y532 118

46、OUT Y531 162 OUT Y531 161 OUT Y532 31 OUT Y530 75 AND Y532 119 AND Y530 163 AND Y532 162 OUT Y531 32 OUT Y531 76 S S620 120 AND Y531 164 AND Y531 163 AND Y532 33 AND Y530 77 STL S620 121 S S631 165 S S642 164 AND Y531 34 AND Y531 78 OUT Y532 122 STL S631 166

47、 STL S642 165 S S642 35 S S611 79 OUT Y531 123 OUT Y531 167 OUT Y531 166 STL S642 36 STL S611 80 AND Y532 124 AND Y531 168 AND Y531 167 OUT Y531 37 OUT Y531 81 AND Y531 125 S S632 169 S S643 168 AND Y531 38 AND Y531 82 S S621 126 STL S632 170 STL S643 169 S

48、S643 39 S S612 83 STL S621 127 OUT Y531 171 OUT Y531 170 STL S643 40 STL S612 84 OUT Y531 128 OUT Y532 172 OUT Y530 171 OUT Y531 41 OUT Y531 85 AND Y531 129 AND Y531 173 AND Y530 172 OUT Y530 42 OUT Y532 86 S S622 130 AND Y532 174 AND Y531 173 AND Y530 43 AN

49、D Y531 87 STL S622 131 S S633 175 S S644 174 AND Y531 3.5 硬件設(shè)計(jì) 硬件設(shè)計(jì)包括外圍電路、控制柜、布線等的設(shè)計(jì)。本次設(shè)計(jì)主要要求進(jìn)行控制柜的設(shè)計(jì)。操作面板如圖3-7所示： 圖3－7 操作面板 總結(jié) 本次設(shè)計(jì)是對(duì)機(jī)電一體化課程所學(xué)的一個(gè)綜合考察。我覺(jué)得作為一名機(jī)械設(shè)計(jì)制造專業(yè)的學(xué)生，在機(jī)械設(shè)計(jì)方面有了更大的進(jìn)步。在這一段時(shí)間里，通過(guò)網(wǎng)上查找資料，翻閱設(shè)計(jì)手冊(cè)等相關(guān)專業(yè)書(shū)籍，使我了解到很多機(jī)械手的相關(guān)知識(shí)。熟悉了機(jī)械手設(shè)計(jì)的過(guò)程步驟，通過(guò)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、注意事項(xiàng)等，鞏固了機(jī)械設(shè)計(jì)方面的知識(shí)。 通過(guò)這次畢業(yè)設(shè)

50、計(jì)，使我對(duì)繼電器、控制器、PLC、液壓系統(tǒng)有了進(jìn)一步的了解。課堂上的知識(shí)為此次課程設(shè)計(jì)提供了正確的理論指導(dǎo)，而實(shí)踐中遇到的問(wèn)題又進(jìn)一步加深和鞏固了我們的知識(shí)，不但對(duì)機(jī)器控制系統(tǒng)的工作原理和特點(diǎn)有了深入認(rèn)識(shí)，而且對(duì)各類元器件的作用及選用也進(jìn)行了仔細(xì)研究。這次畢業(yè)設(shè)計(jì)讓我有一次復(fù)習(xí)了以前的內(nèi)容并運(yùn)用它做出了自己的東西，讓我對(duì)機(jī)電控制技術(shù)產(chǎn)生了濃厚的興趣。 在本次設(shè)計(jì)中，更多的是對(duì)機(jī)械CAD軟件的使用，這使我能更加熟練的運(yùn)用CAD畫(huà)圖，而且還熟練掌握了一些常用軟件的應(yīng)用，比如PRO/E，OFFICE等。 課程設(shè)計(jì)是對(duì)所學(xué)的專業(yè)知識(shí)一個(gè)檢驗(yàn)和運(yùn)用的過(guò)程，經(jīng)過(guò)此次課程設(shè)計(jì)，讓我深切體會(huì)到作為一名機(jī)械

51、設(shè)計(jì)人員必須面對(duì)的各種困難，同時(shí)也讓我看到了自身的不足，更清楚了前進(jìn)的方向。 本設(shè)計(jì)中不足的是，只是對(duì)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，但是還不能夠投入生產(chǎn)，如果要設(shè)計(jì)一個(gè)合格的實(shí)際使用的商品的話，還要做市場(chǎng)調(diào)查，考慮成本，工作環(huán)境，優(yōu)化設(shè)計(jì)等，所以，我覺(jué)得現(xiàn)在做的還不夠，可以說(shuō)是差的很多，所以要作為一名真正的設(shè)計(jì)人員，還要更加的努力！ 參 考 文 獻(xiàn) [1] 廖常初.PLC應(yīng)用技術(shù)問(wèn)答.第1版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2006 [2] 濮良貴.級(jí)明剛. 機(jī)械設(shè)計(jì)[M]. 高等教育出版社，1995年 [3] 張萬(wàn)奎.機(jī)床電氣控制技術(shù).北京：北京大學(xué)出版社，2006.

52、8 [4] 王炳實(shí).機(jī)床電氣自動(dòng)控制. 第三版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.5 [5] 王永華.現(xiàn)代電氣控制及PLC應(yīng)用技術(shù).第1版.北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2003 [6] 成大先編.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004年 [7] 廖兆榮編.機(jī)床電氣自動(dòng)控制.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003.6 [8] 趙大興編.工程制圖[M].高等教育出版社，2004年 [9] 天津大學(xué)《工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》編寫(xiě)組.工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì)基礎(chǔ).天津：天津科學(xué)技術(shù)出版社1980. [10] 李允文. 工業(yè)機(jī)械手課程設(shè)計(jì).1987. [11] 孟繁華. 機(jī)器人應(yīng)用技術(shù).哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1989. [12] 周伯英. 工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1995. [13] 宋徳玉. 可編程序控制器原理及應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù). 冶金工業(yè)出版社，1999. [14] 成大先. 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)（第四卷）. 化學(xué)工業(yè)出版社，2002. [15] 常斗南. 可編程序控制器原理、應(yīng)用、實(shí)驗(yàn). 機(jī)械工業(yè)出版社，1999. [16] 韓夢(mèng)瑋. 順序控制技術(shù).國(guó)防工業(yè)出版社，1987. [17] 成大先. 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)單行本液壓傳動(dòng).化學(xué)工業(yè)出版社，2004. 30