PLC课程设计二维平动机械手.docx

PLC课程设计二维平动机械手.docx

《PLC课程设计二维平动机械手.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《PLC课程设计二维平动机械手.docx（12页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

PLC课程设计二维平动机械手

一、序言1

二、设计任务及分析1

（一）、设计任务1

（二）、运动参数的确定2

三、机械系统设计4

（一）、气缸的选择4

（二）、导轨设计5

（三）、选择导杆5

（四）、气缸基架的选择6

（五）、其他机械部分的选择设计6

四、驱动系统设计6

（一）、电动机的选择6

（二）、气动系统的选择7

（三）、驱动原理及气路图设计10

五、控制系统设计10

（一）、PLC程序编制的基本步骤10

（二）、程序编制所要达到的功能11

（三）、程序编制12

（六）、接线并联机调试13

（七）、结论14

一、序言

随着现代工业的发展，机电一体化技术在现代制造业中扮演着越来越重要的角色。

机电一体化是将机械、电子、信息处理以及软件等现有技术，进行综合集成的一种技术群体概念，体现了学科融合的思想.机电一体化研究的目的是怎样将机械装置、电子设备和软件等组成一个功能完善、柔性自动化的工程系统。

机电一体化模型的建设具有重大意义和广阔前景.本设计正是通过设计机械机构，再加以PLC的控制机构按照预期的目的运行，来更为深刻直观的认识了解机电一体化技术，解决实际工程问题。

机械手采用PLC控制，具有可靠性高，改变程序灵活等优点。

无论进行时间控制还是控制或混合控制，都可以通过设置plc的程序实现。

可以根据机械手的动作顺序改变程序，是机械手通用性更好。

二、设计任务及分析

（一）、设计任务

设计用于生产线搬运码垛的二维平动机械手，其中X轴由伺服电机驱动的丝杠驱动，Z轴由气缸驱动，气缸的末端装有抓取单元（抓取单元无需设计），用于抓取工件。

生产线的规格为：

传送带高度为1.0m，宽度0.2m，工件进给周期：

14.0秒，工件质量：

14.0千克。

设计内容包括：

1）机械系统的设计：

设计该二维平动机械手，完成装配图的三维设计，绘制二维装配图和零件图；

2）气动系统的设计：

设计机械手的气动系统原理图；

3）控制系统的设计：

完成伺服电机的选型计算，设计机械手气动系统的控制原理图，编制相应的PLC程序并完成调试。

（二）、运动参数的确定

1.驱动质量：

①模具质量：

模拟模具重量为14kg。

②导轨质量1kg（根据后面的设计计算）

③驱动质量:

考虑到模拟模具上可能要附加别的连接板（如导杆连接扳，气

缸活塞杆连接板）等扩展物件，所以设定一个扩展系数2

这样，就设定了气缸垂直负载为：

（15）*12=30kg,

2.运动行程：

X轴上用伺服电机驱动，一维运动系统的行程约为：

500mm;

3.运动规律：

本设计实例中，取气缸单一行程时间为2s.运动规律如下图所示：

4.运动方式

气缸的运动分为8个循环：

1、气缸向下运行伸出2s；

2、气缸停留1s，机械手抓取工件；

3、气缸向上运行收缩2.5s；

4、气缸停止运动，伺服电机驱动X方向运动到指定地点时间为4s；

5、气缸向下运行伸出2s；

6、气缸停止0.5s，机械手松开工件；

7、气缸向上运行收缩2s;

8、气缸停止运动，伺服电机驱动返回进行下一循环。

如下图所示：

三、机械系统设计

机械设计应满足的要求是：

在满足预期功能的前提下,性能好、效率高、成本低、在预定使用期限内安全可靠，维修简单，整体尺寸搭配合理和造型美观。

（一）、气缸的选择

气缸选型主要是根据所加负载和运动行程以及工作条件来确定，以下选型过程主要是根据《SMC气缸选型方法》进行的。

依次确定气缸内径和最大行程

量。

1.确定气缸内径

①根据附录图解法求气缸内径从而确定负载率为：

0.7

②工作压力0.5Mpa

③气缸垂直负载为：

30,介于24到39之间

④根据以上数据和工作状态：

查表可知气缸内径为32mm

2.确定气缸最大行程量。

传送带高为1.0m，宽度0.2m,拟选最大行程量为100mm

3.确定气缸

根据以上分析，气缸选择为：

内径为32mm行程为100mm，选SMC系列的C95SB32-100W-XB6。

（二）、导轨设计

气缸选SMC系列的MDBL32—120，活塞杆直径为12mm，为给气缸活塞杆伸出缩回一个导向作用，以及为保持气缸活塞杆伸出缩回时的稳定，为其设计一个平行导轨：

套筒+导杆。

其具体装配情况见装配图。

（三）、选择导杆

选择导杆直径：

为了活塞杆的定位于导向选取导杆直径选10mm。

选择导杆长度：

实测加圆整确定为260mm

（四）、气缸基架的选择

综合考虑气缸的固定与丝杠对基架的驱动，气缸由法兰固定，直线导槽燕尾槽直接在基架毛坯上加工可得，丝杠由丝杠套筒固定。

（五）、其他机械部分的选择设计

其他机械结构如基座、联轴器、丝杠根据要求来确定，见附装配图。

四、驱动系统设计

完成机械设计后，第二部分即是驱动的设计，在本次设计中，在X方向上我们采用伺服电机驱动。

Y方向上我们采用气动驱动。

（一）、电动机的选择

1.电动机类型：

此设备连续运行，负载平稳，对于启动、制动没有特殊要求，优先采用普通鼠笼异步电动机。

2.电动机型式：

在工厂环境中，为了避免灰尘、油垢、水滴等进入机内，优先采用防护式。

安装形式，选用卧式安装。

3.电动机的额定电压：

为增强设备的适应性，电机选用额定电压为3相220V。

4.电动机转速：

电动机与丝杠直接相连，其额定转速选择为3000rpm.

5.电动机额定功率：

电动机在匀速驱动时的转矩时的转矩M=Mf+Me，Mf为摩擦转矩，Me为预紧转矩。

Mf=F*P/（2000*π*η）=μmg*P/（2000*π*η）有proe零件质量分析可知丝杠带动的总质量m为48.05kg,其中F为轴向力，P为螺距，μ为滚珠丝杠摩擦系数，其理论值为0.003-0.005，但考虑到防尘件与预紧力的作用，安装误差等因素，修正为0.1.则可得Mf=0.0833N·m。

Me=Fa*P*k/（2000*π）=0.1*22.7*1000*10*0.3/（2000*3.14）=1.0844N·m,其中Fa为外螺母预紧力，其大小取额定静载的10%，k为外螺母摩擦系数。

则M=Mf+Me=0.0833+1.0844=1.1677N·m

则电动机功率P=M*n/9550=1.1677*3000/9550=0.3668KW。

综合以上，此设备选用无锡通惠电机有限公司的60ST-M01330系列交流伺服电机其主要参数为：

P=400W，T=1.3N·m，n=3000rpm。

（二）、气动系统的选择

一个完整的气动系统包括气源设备（如空气压缩机等）、气源处理元件（过滤器、干燥器等）、气动执行元件（气缸、真空发生器等）、气动控制元件（减压阀、电磁阀等）和气动辅助元件（管、管接头、油雾器等）。

组成的气动回路是为了驱动用于各种不同目的的机械装置，其最重要的三个控制内容是：

力的大小、运动方向和运动速度。

与生产装置相连接的各种类型的气缸，靠压力控制阀、方向控制阀和流量控制阀分别实现对三个内容的控制，即

压力控制阀——控制气缸输出力的大小

速度控制阀——控制气缸的运动速度

方向控制阀——控制气缸的运动方向

空气压缩机（气源）将大气压力状态下的空气压缩成较高的压力，输送给气动系统；过滤减压阀的作用包括过滤和减压两方面，过滤器的作用是清除压缩空气中水分、油污和灰尘等，以获得洁净干燥的压缩空气，提高气动元件的使用寿命和气动系统的可靠性，减压阀是将较高的入口压力调节并降低到符合使用要求的出口压力，并保证调节后出口压力的稳定；油雾分离器用于分离掉空气过滤器难以分离掉的（0.3~5）μm气状溶胶油粒子及大于0.3μm

的锈末、碳类微粒。

如上所述，大气压力下的空气在经过空气压缩机、过滤减压阀和油雾分离器后成为了气动系统能够使用的合格的压缩空气。

在本次课程设计中，气源、过滤减压阀、油雾分离器均已给定，一维系统所需的气缸也已经在机械设计中选型完毕，所以气动部分的任务是节流阀、电磁换向阀、快换接头、气管等的选择校核（均采用SMC公司的产品）。

1.节流阀的选择

在气动系统中，对气缸运动速度、信号延迟时间、气缓冲气缸的缓冲能力等的控制，都是依靠控制流量来实现的。

在课程设计中，采用节流阀的目的就是对气缸的运动速度和缓冲能力进行控制，故选用单向节流阀，即速度控制阀。

单向节流阀由单向阀和节流阀并联而成。

在实际应用中又有两种连接方式，即进气节流和排气节流。

排气节流方式，换向阀通电后，气缸进气侧的单向阀开启，向气缸无杆腔快速充气，有杆腔的气体只能经排气侧的节流阀排气。

调节节流阀的开度，便可改变气缸的运动速度。

这种控制方式，活塞运行稳定，是最常用的回路。

进气节流方式，进气侧单向阀关闭，排气侧单向阀开启。

进气流量小，进气腔压力上升缓慢，排气迅速，排气腔压力很小。

主要靠压缩空气的膨胀使活塞前进，故这种节流方式很难控制气缸的速度达到稳定。

一般只用于单作用气缸、夹紧缸和低摩擦力气缸等的速度控制。

根据速度控制阀控制的气缸缸径和对气缸速度变化范围的要求，计算控制流量的范围，然后查节流特性曲线，选择速度控制阀的规格。

即控制流量范围应处于速度控制阀的节流特性曲线的流量范围内，最大控制流量应小于节流阀全开时的流量。

对于MDBL32-120气缸，其螺纹口径为1/8”，所以选用的节流阀其连接口径也为1/8，因此选用型号为AS2301F-01-08S的节流阀。

2.电磁换向阀的选择

电磁线圈通电时，静铁芯对动铁芯产生电磁吸力，利用电磁力使阀芯切换，以改变气流方向的阀，称为电磁换向阀。

这种阀易于实现电-气联合控制和复杂控制，能实现远距离操作，故得到广泛应用。

电磁换向阀是气动控制元件中最主要的元件。

电磁阀的种类很多，不同类别的电磁阀其功能、实现的机理也各不相同。

电磁阀的选型过程：

（1）根据使用条件和使用要求，选择结构形式。

（2）根据控制要求，选择控制方式。

（3）根据工作要求，选择阀的机能。

（4）根据流通能力的要求或阀的有效截面积大小，预选阀的系列型号。

（5）连接方式的选择。

（6）按工作条件和性能要求，最终确定阀的型号。

（7）电器规格的选择。

综合上述要求，因此选用选用SY5120-C8电磁阀。

（三）、驱动原理及气路图设计

驱动原理及气路图设计请参考附图气动系统原理图。

五、控制系统设计

课程设计的第三部分即为运动程序的编制，如果说机械设计、驱动设计为整个运动模型设计的基础阶段的话，那么控制的设计则为模型的最终运动提供了最重要的控制指令，整个课程设计的质量很大程度上是由程序编制的好坏决定的。

本次设计采用OMRON公司产的PLC进行运动控制，由其相关软件CX-Programmer进行程序编制。

（一）、PLC程序编制的基本步骤

PC程序的编制有一些基本步骤，以下所列的可以为编程提供帮助。

1．首先要获得一张列出所有I/O设备和所分配I/O点的目录，并准备一张表，它能表明分配给每台I/O设备的I/O位（即PLC输入输出地址）。

2．依据所要实现的动作画梯形图。

3．检查程序有无语法错误并改正。

4．将程序输入CPU。

5．运行该程序以检查是否存在执行错误，并改正。

6．备份程序。

（二）、程序编制所要达到的功能

1.按钮

实验台水平面上五个开关（由里向外）

（1）．切换开关，实现手动与自动的切换；

（2）．绿色启动按钮，当切换至自动时，此按钮按下气缸开始动

作，到达顶端时延时返回，如此循环；

（3）．红色停止按钮，任何时刻，此按钮按下气缸停止（气缸伸出或缩回）；

（4）．黄色缩回按钮，当切换至手动时，此按钮按下气缸缩回；

（5）．黑色伸出按钮，当切换至手动时，此按钮按下气缸伸出；

（6）．实验台垂直面上的切换开关是24V电源开关。

2.指示灯

实验台垂直面上七个指示灯（从左至右）

（1）．电源灯，当24V电源开时亮；

（2）．自动灯，当切换至自动时亮；

（3）．手动灯，当切换至手动时亮；

（4）．伸出灯，当气缸伸出过程中亮，到达端点时灭；

（5）．缩回灯，当气缸缩回过程中亮，到达端点时灭；

（6）．运行灯，当伺服电机驱动X方向上运动过程中亮；

（三）、程序编制

现假设要实现如下动作：

控制系统设计两种运行模式：

手动模式和自动模式，在手动模式下可以用按钮控制气缸的伸缩，在自动模式下，按下启动按钮后，气缸的动作过程为：

在抓取工作位（初始位置）下行，下行到位后停留1S（等待抓取单元稳定），然后上升，上升到位后停留4S（等待X轴运行到码垛位），然后下行，下行到位后停留0.5S（等待抓取单元松开），然后上升，上升到位后停留4S（等待X轴回到初始位置），至此完成一个工作循环，如此反复。

1．地址清单：

2.PLC接线图见附控制系统原理接线图

3.PLC程序见附梯形图

（六）、接线并联机调试

根据控制系统图连接线路，再将T形图程序导入PLC中调试运行，以达到预期结果。

（七）、结论

至此，已经完成了所有的设计和实验工作。

通过对气压系统一维运动系统的设计任务分析，明确了设计实验过程中所要完成的一系列工作；通过机械设计、驱动设计和控制设计对一维系统有了更深入的了解；而最后通过实验部分的系统搭建和联机调试对“机电一体化”的概念有了深刻的理解。

在经历了这样一次可用于工业生产的机电一体化设备从设计到联调的完整训练后，设计能力、创新能力、动手能力均会上升至一个新水平。