U8機電系統(tǒng)實踐報告1

1、機電系統(tǒng)實踐課 程 報 告班 級： 學 號： 姓 名： 翁子成指導(dǎo)教師：吳勇華五邑大學機電工程學院目 錄目錄序言1第1章、自動化生產(chǎn)線介紹21.1光機電氣一體化柔性生產(chǎn)系統(tǒng)組成21.2光機電氣一體化柔性生產(chǎn)系統(tǒng)功能21.3六自由度裝配機器人模塊單元傳動系統(tǒng)分析41.3.1傳送帶的驅(qū)動電機類型和傳動類型41.3.2傳送帶傳動系圖和轉(zhuǎn)速圖51.3.3機械臂六自由度的簡圖和三維圖及執(zhí)行元件51.3.4料庫簡圖71.3.5系統(tǒng)組成81.4六自由度裝配機器人模塊單元控制系統(tǒng)分析8第2章、自動化生產(chǎn)線六自由度裝配機器人模塊單元改進設(shè)計102.1改進方案102.2改進機械系統(tǒng)設(shè)計102.2.1旋轉(zhuǎn)料庫改進前

2、與改進后對比122.2.2機械臂夾具的改進前與改進后的對比122.3改進控制系統(tǒng)設(shè)計142.3.1.PLC的運用142.3.2.PLC的梯形圖編程規(guī)則142.3.3.PLC指令的介紹142.3.4 CPU的構(gòu)成152.3.5.PLC流程圖162.3.6.PLC接線圖172.3.7.I/O端口配制19第3章六自由度裝配機器人模塊機電系統(tǒng)仿真203.1背景203.2基本元件，功能203.3設(shè)計流程圖213.4軟件操作213.5問題分析223.6軟件仿真示意圖23第4章總結(jié)24附錄一：零維圖26附錄二：PLC程序26附錄三：參考資料26序言機電系統(tǒng)實踐課程以光機電氣一體化柔性生產(chǎn)綜合實訓系統(tǒng)作為實踐

3、的對象，其中包括立體倉庫出庫模塊單元；材料檢測與機器視覺模塊單元；數(shù)控加工模塊單元；尺寸檢測模塊單元；廢品分揀模塊單元；模擬量噴涂模塊單元；六自由度裝配串聯(lián)機器人模塊單元；成品庫與堆垛機模塊單元；系統(tǒng)總控模塊單元。 這九個模塊涵蓋了理論課程的所有科目，所以選用光機電氣一體化綜合系統(tǒng)，理論聯(lián)系實際，同時，加深了學生對理論知識的直觀理解，聯(lián)系了不同優(yōu)勢的學生對各自擅長的內(nèi)容進行分工創(chuàng)新，加強了動手能力和思考分析、數(shù)據(jù)處理的能力，為企業(yè)培養(yǎng)了一批機電氣產(chǎn)品開發(fā)的研究人才。本團隊選擇了六自由度裝配串聯(lián)機器人模塊單元改進創(chuàng)新，令該系統(tǒng)更加優(yōu)化、更節(jié)省成本、效率越高。工業(yè)機械手即工業(yè)機器人是集機械、電子、

4、控制、計算機、傳感器、人工智能等多學科先進技術(shù)于一體的現(xiàn)代化制造業(yè)重要的自動化裝備。自從1962年美國研制出世界上第一臺工業(yè)機器人以來，工業(yè)機器人技術(shù)及其產(chǎn)品發(fā)展很快，已成為柔性制造系統(tǒng)（FMS）、計算機集成制造系統(tǒng)（CIMS）、自動化工廠（FA）的自動化工具。廣泛采用工業(yè)機器人，不僅可提高產(chǎn)品的質(zhì)量與產(chǎn)量，而且對保障人身安全，改善勞動環(huán)境，減輕勞動強度，提高勞動生產(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。同計算機、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)一樣，工業(yè)機器人的廣泛應(yīng)用正在日益改善著人類的生產(chǎn)和生活方式第1章、自動化生產(chǎn)線介紹1.1光機電氣一體化柔性生產(chǎn)系統(tǒng)組成序號單元代號單元名稱1U01立體倉庫

5、出庫模塊單元2U02材料加測與機器視覺模塊單元3U03數(shù)控加工模塊單元4U04尺寸檢測模塊單元5U05工業(yè)總線系統(tǒng)總控單元6U06廢品分揀模塊單元7U07模擬量噴涂模塊單元8U08六自由度裝配串聯(lián)機器人模塊單元9U09成品庫與堆垛機模塊單元光機電氣一體化柔性生產(chǎn)系統(tǒng)包括：立體倉庫出（入）庫模塊單元；材料檢測與機器視覺模塊單元；數(shù)控加工模塊單元；尺寸檢測模塊單元；工業(yè)總線系統(tǒng)總控單元；廢品分揀模塊單元；模擬量噴涂模塊單元；六自由度裝配串聯(lián)機器人模塊單元；成品庫與堆垛機模塊單元等九個模塊單元組成，具備信息流和物流兩大功能。1.2光機電氣一體化柔性生產(chǎn)系統(tǒng)功能1.立體倉庫出庫（入庫）模塊單元功能：本

6、單元可以熟悉氣動原理與輸送機變向技術(shù)，了解四自由度碼垛機如何通過四個軸和手爪的組合來實現(xiàn)實驗樣件的夾取和搬運等動作。本單元中，手爪采用氣動結(jié)構(gòu)，用電磁閥的得電和失電來控制氣缸的動作，從而來控制手爪的 張開和夾緊。四自由度碼垛機通過四個軸和手爪的組合來實現(xiàn)實驗樣件的夾取和搬運等動作。2.材料檢測與機器視覺模塊單元功能：材料檢測傳感器的主要作用是檢測材料性質(zhì)是否金屬與非金屬并對工件選擇合適的加工參數(shù)進行加工。通過本單云也可掌握機器視覺的基本概念和系統(tǒng)設(shè)備組成，熟悉接口設(shè)置，并進而掌握熟悉機器視覺檢測軟件算法，了解國內(nèi)外發(fā)展和應(yīng)用。3.數(shù)控加工模塊單元；尺寸檢測模塊單元；廢品分揀模塊單元；模擬量噴涂

7、模塊單元；六自由度裝配串聯(lián)機器人模塊單元；成品庫與堆垛機模塊單元；系統(tǒng)總控模塊單元。存在問題：六自由度并聯(lián)機器人模擬刀具裝置換刀麻煩、不方便，建議設(shè)計成多個刀具一體裝置。4.尺寸檢測模塊單元：進行尺寸檢測單元由孔深檢測傳感器進行檢測，檢測結(jié)束后不合格工件被運送到廢品區(qū)，進入廢品單元，由氣推裝置推送到廢品槽內(nèi)。合格的產(chǎn)品由90度搬運機器人放到輸送線上繼續(xù)運行。存在問題：尺寸檢測單元只檢測孔的深度，沒有檢測圓的直徑，可能出現(xiàn)工件和蓋子不合；建議增設(shè)檢測圓直徑裝置。5.廢品分揀模塊單元功能：本單元可以熟悉氣動原理與輸送機變向技術(shù)，了解工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境下廢品是如何處理與分揀的，本系統(tǒng)單元中，根據(jù)廢品的形狀

8、顏色材料等技術(shù)參數(shù)，分為三種不同廢品區(qū)域進行分揀。6.模擬量噴涂模塊單元功能：本系統(tǒng)單元工作主要是把上單元運輸過來的工件經(jīng)過本單元噴涂運輸機上并根據(jù)上單元CCD系統(tǒng)檢測的顏色結(jié)果使相對應(yīng)的噴槍工作，對工件進行噴涂。通過操作和應(yīng)用，了解PLC對模擬量控制的編程過程。存在問題：缺少噴漆前的磷化處理，沒有增強涂裝膜層與工件間的結(jié)合力、沒有提高涂裝后工件表面涂層的耐蝕性。在噴漆前增加磷化處理，來提高漆在工件的粘附力，增加噴漆效果。7.六自由度裝配機器人模塊單元：機械臂對上一工序輸出的配件進行抓取并傳送至載物臺，進而使用母件與配件進行裝配，最后夾取成品輸出到傳送帶，由下一工序進行堆垛處理。圖1-1光機電

9、氣一體化柔性生產(chǎn)系統(tǒng)實物圖圖1-2光機電氣一體化柔性生產(chǎn)系統(tǒng)三維圖1.3六自由度裝配機器人模塊單元傳動系統(tǒng)分析1.3.1傳送帶的驅(qū)動電機類型和傳動類型1.直流電機驅(qū)動：當電機轉(zhuǎn)動起來，控制部會再根據(jù)驅(qū)動器設(shè)定的速度及加/減速率所組成的命令(Command)與hall-sensor信號變化的速度加以比對(或由軟件運算)再來決定由下一組(AH、BL或AH、CL或BH、CL或)開關(guān)導(dǎo)通，以及導(dǎo)通時間長短。速度不夠則開長，速度過頭則減短，此部份工作就由PWM來完成。高轉(zhuǎn)速的速度控制必須考慮到系統(tǒng)的CLOCK 分辨率是否足以掌握處理軟件指令的時間，另外對于hall-sensor信號變化的資料存取方式也影

10、響到處理器效能與判定正確性、 實時性。為滿足堆垛機夾取工件速度與傳送帶同步，需對電機進行減速處理。一般情況采取二級減速。此外機械手運用到了步進電機和伺服電機控制傳動。2.齒輪傳動：如夾取物料中換位轉(zhuǎn)臺到裝配的轉(zhuǎn)動過程中、機械臂的旋轉(zhuǎn)。帶傳動：如機械手的左右移動、在空間實現(xiàn)不同位置的觸動，通過步進電機和伺服電機帶動機械臂各個自由度軸的轉(zhuǎn)動。1.3.2傳送帶傳動系圖和轉(zhuǎn)速圖圖1-3 圖1-41.3.3機械臂六自由度的簡圖和三維圖及執(zhí)行元件圖1-5 圖1-6圖1-7圖1-81.六自由度裝配機器人模塊單元基本組成機械部分：伺服電機、步進電機、直流電機、氣源、諧波減速器、皮帶運輸機、鋁合金工作臺、裝配作

11、業(yè)臺、六自由度串聯(lián)機器人、機械爪、旋轉(zhuǎn)料庫、擋板；傳感部分：光電傳感器、工件顏色檢測傳感器控制部分：采用Windows系列操作系統(tǒng)、通用機器人語言編程系統(tǒng)、plc功能：本單元中，機械臂對上一模擬量噴涂模塊單元輸出的成品進行夾取傳送，并作用到指定位置，用于母件與配件的裝配，并傳輸?shù)絺魉蛶?，為下一成品庫與堆垛模塊單元的顏色堆垛歸類做提前準備。2.六自由度裝配機器人模塊單元功能分析系統(tǒng)共有6個自由度，分別是夾緊、旋轉(zhuǎn)、俯仰（1）、 左右搖擺、俯仰（2）及基座的回轉(zhuǎn)?；幕剞D(zhuǎn)自由度可以進行360度的回轉(zhuǎn)；與基座相連的俯仰機構(gòu)（包含液壓缸）可進行俯仰動作，幅度較大，可以滿足60-120度的俯仰要求，與

12、此相連部分為左右搖擺機構(gòu)，能夠完成-6060度的左右來回擺動，接著下去的是俯仰機構(gòu)，與搖擺機構(gòu)內(nèi)部類似，亦可完成-6060度的上下俯仰動作，最后的是旋轉(zhuǎn)部分與手指部分，旋轉(zhuǎn)部分可以正反旋轉(zhuǎn)，手指部分通過在手腕上滑槽來控制收放動作。機構(gòu)采用液壓控制各自由度的動作，簡單方便且功率大，各自由度之間相互聯(lián)系且獨立，動作時互不干涉。3.六自由度裝配機器人模塊單元過程分析機械臂的運動通過電機轉(zhuǎn)速和步距角控制旋轉(zhuǎn)角度，再通過齒輪和同步帶把動力傳輸至輸出軸控制機構(gòu)旋轉(zhuǎn)角度，從而到達空間的指定位置，末端抓手抓取時，通過氣缸推動活塞桿沿末端軸線方向前后移動，從而推動兩抓手沿垂直于軸線的導(dǎo)軌上運動，導(dǎo)軌和抓手接觸部

13、分用滾珠，減少摩擦，使運動順暢，從而帶動抓取部分平行于軸線張合。工位機會對機器人至少11個位置進行儲存，包括移動到工件在傳輸帶位置上方，下降至工件中心，移至裝配臺上方，上升，移至漫反射傳感上方工位的上方，下降至工件中心，移至裝配臺工件上方，下降，下降，移至傳送帶。鏈條傳動：傳動比準確，能在低速、重載下工作，環(huán)境適應(yīng)型強，制造和安裝精度要求低。同步帶：運動時無相對滑動，使速度同步，運動平穩(wěn)；無需大的張緊力，傳動比范圍大，維護方便，費用低，耐腐蝕。皮帶運輸機通過直流電機驅(qū)動，輸入軸依靠齒輪和鏈條傳動，與張緊機構(gòu)相連從而拖動傳輸帶運動，由上一模塊來的產(chǎn)品被傳輸帶過來，通過光電傳感器，傳輸信號給plc

14、,plc控制旋轉(zhuǎn)氣缸，帶動擋板擺動打到傳輸帶的工作面，從而攔截工件，此時信號傳入工控機內(nèi)以對六自由度機器人進行精密控制，機器人通過之前的位置控制過程實現(xiàn)抓??；機器人旋轉(zhuǎn)至裝配工作臺，放下工件；此時料庫通過步進電機再通過諧波減速器減速旋轉(zhuǎn)，在十二位庫料結(jié)構(gòu)中，有兩個傳感器，一個是色傳感器檢測母工件顏色，傳感器發(fā)射光線(紅,綠,藍)在需要檢查的物體,根據(jù)反射光進行計算顏色的成分,然后和存儲的參照顏色值比較，當前一模塊所檢測得顏色RGB值和該傳感的RGB一樣時，信號給plc一個電位，控制料庫的電機旋轉(zhuǎn)，使該工位工件直接旋轉(zhuǎn)至有漫發(fā)射傳感器的工位，再通過該工位的漫反射傳感器，依據(jù)光線被不規(guī)則物體遮擋后

15、會朝各個方向折射發(fā)散，檢測傳感器上方料庫的工位該母工件是否到達該工位，當?shù)竭_后，漫反射傳感給一個電位變化給工控機，工控機控制機器人運動，旋轉(zhuǎn)至漫反射傳感上方的工位，抓取母工件，放至裝配臺上的工件上，然后夾取裝配件移至傳輸帶，當通過傳輸帶兩側(cè)的光電傳感器時，給信號給plc,控制旋轉(zhuǎn)氣缸，從而打下?lián)醢?，攔下裝配體，進入下一模塊。4.機械臂使用伺服電機的好處分析：1、精度：實現(xiàn)了位置，速度和力矩的閉環(huán)控制；克服了步進電機失步的問題；2、轉(zhuǎn)速：高速性能好，一般額定轉(zhuǎn)速能達到20003000轉(zhuǎn)；3、適應(yīng)性：抗過載能力強，能承受三倍于額定轉(zhuǎn)矩的負載，對有瞬間負載波動和要求快速起動的場合特別適用；4、穩(wěn)定：

16、低速運行平穩(wěn)，低速運行時不會產(chǎn)生類似于步進電機的步進運行現(xiàn)象。適用于有高速響應(yīng)要求的場合；5、及時性：電機加減速的動態(tài)相應(yīng)時間短，一般在幾十毫秒之內(nèi)；6、舒適性：發(fā)熱和噪音明顯降低。1.3.4料庫簡圖圖1-9傳動原理：料庫存放不同顏色的母件在轉(zhuǎn)盤上，當機械臂夾取裝配件放置在裝配臺時，色傳感器檢測母工件顏色，然后和存儲的參照顏色值比較，當前一模塊所檢測得顏色RGB值和該傳感的RGB一樣時，PLC給出電位，控制料庫的電機旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)到一定位置，由機械臂夾取母件和裝配件配合，最后機械臂將配合好的成品夾放置到傳送帶上，由下一道工序執(zhí)行。1.3.5系統(tǒng)組成夾取配件夾具轉(zhuǎn)盤動作信號傳入輸出信號動作夾取母件動作

17、停止裝配圖1-101.4六自由度裝配機器人模塊單元控制系統(tǒng)分析1）氣動控制系統(tǒng)靜音氣泵為壓縮空氣發(fā)生裝置，其中包括空氣壓縮機、壓力開關(guān)、過載安全保護器、儲氣罐、壓力表、過濾減壓閥及氣源開關(guān)等部件。氣泵是用來產(chǎn)生具有足夠壓力和流量的壓縮空氣并將其凈化、處理及儲存的一套裝置，氣泵的輸出壓力可通過其上的過濾減壓閥進行調(diào)節(jié)；圖1-112）步進電機控制步進電動機是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機構(gòu)。步進電機定子的各相繞組按照一定的順序通電、斷電，從而帶動轉(zhuǎn)子按既定的方向一步一步轉(zhuǎn)動固定的角度，這個角度被稱為“步距角”；3）伺服電機控制伺服電機可使控制速度，位置精度非常準確，可以將電壓信號轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速

18、以驅(qū)動控制對象。伺服電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速受輸入信號控制，并能快速反應(yīng)，在自動控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，且具有機電時間常數(shù)小、線性度高、始動電壓等特性，可把所收到的電信號轉(zhuǎn)換成電動機軸上的角位移或角速度輸出。分為直流和交流伺服電動機兩大類，其主要特點是，當信號電壓為零時無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)矩的增加而勻速下降。4）三相異步交流電機控制當三相電動機的三相定子繞組 通入三相對稱交流電后，將產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)磁場，該旋轉(zhuǎn)磁場切割轉(zhuǎn)子繞組，從而在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電流（轉(zhuǎn)子繞組是閉合通路），載流的轉(zhuǎn)子導(dǎo)體在定子旋轉(zhuǎn)磁場作用下將產(chǎn)生電磁力，從而在電機轉(zhuǎn)軸上形成電磁轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動電動機旋轉(zhuǎn)，并且電機旋轉(zhuǎn)方向與旋轉(zhuǎn)磁場方向相同

19、，通過減速器實現(xiàn)三相異步交流電機的減速，使得傳送帶平穩(wěn)傳動。第2章、自動化生產(chǎn)線六自由度裝配機器人模塊單元改進設(shè)計2.1改進方案六自由度裝配機器人模塊單元存在的問題：1.顏色傳感器對光線的要求較高，環(huán)境天氣影響均會影響。2.旋轉(zhuǎn)料庫容量有限，且空間占有主要集中在平面。3.機器人工作效率低，夾具夾持的工件容易脫松，摩擦系數(shù)小六自由度裝配機器人模塊單元改進方案：1.在顏色傳感器附近安裝燈光。安裝燈光能夠增強空間亮度，降低顏色傳感器分辨顏色時的出錯。為工序的正常運作奠定基礎(chǔ)。2.利用垂直地平面的方向上的空間由于未改進前料庫的容量有限，從而，延遲了工作的裝配時間，使整個作業(yè)進度都放緩，降低了工作效率，

20、導(dǎo)致場地分配不合理，改用垂直的架平面一方面增加庫存容量，場地運用更加優(yōu)化合理，一方面不同顏色的母件放置在不同不同層面上，避免了夾取出錯，減少了設(shè)備的組裝，減少了安裝經(jīng)費，大大的提高產(chǎn)能和經(jīng)濟效益。3.減少機器人夾持工件到裝配臺的過程，選擇用氣動推桿帶動的夾具使工件推至裝配區(qū)后夾緊。減少機器人工作量，提高效率，再而，換用雙V型夾具夾取穩(wěn)定性更好。2.2改進機械系統(tǒng)設(shè)計設(shè)計準則：機械零件材料選用的原則要考慮三個方面的要求 1、使用要求（首要考慮）：1）零件的工況（震動，沖擊，高溫，低溫，高速，高載都應(yīng)當慎重對待）：針對機械臂夾具的使用要求，除了優(yōu)化工況，其他可以不做處理。 2）對零件尺寸和質(zhì)量的限

21、制：夾具尺寸滿足夾取零件二維尺寸即可。 3）零件的重要程度。（對于整機可靠度的相對重要性）：夾具是傳輸物料的部件，為不損壞材料，夾具設(shè)計時考慮夾取變形情況。 2、 工藝要求： 1）毛坯制造（鑄造，鍛打，切板，切棒）：采用鋁琔 2）機械加工：對夾具完成多次沖壓成型。 3）熱處理 ：無需熱處理。 4）表面處理 ：拋光夾具體。3、經(jīng)濟性要求： 1）材料價格（普通圓鋼與冷拉型材，精密鑄造，精密鍛造的毛坯成本與加工成本的對比，）； 2）加工批量和加工費用；3）材料的利用率；（如板材，棒料，型材的規(guī)格，合理的加以利用） 4）替代（盡量用廉價材料來代替價格相對昂貴的稀有材料）：鋁材相對價格低廉，使用合理。整

22、體前后對比圖：圖2-1 圖2-2 圖2-32.2.1旋轉(zhuǎn)料庫改進前與改進后對比圖2-3 圖2-4改進說明；物料倉儲，原有設(shè)備通過傳感器識別快速定位使得儲物盤準確定位在所需物料位置處，高效但是由于儲物盤有限，不方便大量倉儲，當生產(chǎn)線效率很高做工時候不能滿足相應(yīng)的要修，目前根據(jù)不同物料顏色改進為倉儲式物料儲存器，主要設(shè)計為，框架材料依然使用鋁材型材，垂直架分4層，每層放置不同顏色的母件，每一次都有一個固定擋板用于阻擋源源不斷的物料進給，當每一層儲存滿時，物料儲備的物料源頭將停止物料的運輸，具體設(shè)計為每層一個傳感器用于傳輸信號給每個擋板和物料源，使他們得到信號后做出相應(yīng)的動作指令，采用步進電機帶動傳

23、輸帶傳送，進而送到機械臂夾具指定位置，然后電機停止轉(zhuǎn)動，母件停留在指定端，夾具轉(zhuǎn)動位置進行夾取裝配作業(yè)。2.2.2機械臂夾具的改進前與改進后的對比圖2-5 圖2-6圖2-7改進說明：夾具材料不變，氣缸推動，改變造型，由直線型夾取改為雙V型夾取，雙V型塊夾具用于以外圓表面為定位基準的工件，這種夾具能夾取形狀不規(guī)則的零件，主要用于夾取圓柱形型材，通用性很強，而且這種夾具制造周期短，成本低，原有的夾具不能很好地對物料進行加緊，因為單單限制了兩個自由度，而該設(shè)計能夠限制工件的四個自由度，包括（X/Z軸的平動和X/Z的轉(zhuǎn)動），是的物料能夠更加的穩(wěn)定作業(yè)。另外，在夾料面貼上粗糙塑膠，以增大與工件摩擦。機械

24、臂夾具有限元分析：ansys操作步驟：、1、建立幾何模型，盡量簡化、對稱。2、設(shè)置材料參數(shù)、選擇合理的單元并設(shè)置參數(shù)：指定受力部件夾具的設(shè)計材料并預(yù)定受力值。3、幾何模型劃分網(wǎng)格。對夾具進行網(wǎng)格劃分細化。4、施加載荷：力加載 可以通過對應(yīng)的方法（比如說特征值屈曲）估計結(jié)構(gòu)的極限荷載的大致范圍，然后給結(jié)構(gòu)施加一個稍大的荷載，打開自動荷載步二分法進行非線性靜力分析，最后計算會因不收斂終止，則倒數(shù)第二個子步對應(yīng)的就是結(jié)構(gòu)的極限荷載；另外，也可以選擇弧長法，采用足夠的子步（弧長法可以一直分析到極限承載力之后的過程）同樣可以從繪制的荷載位移曲線或計算結(jié)果中找出結(jié)構(gòu)的極限荷載。5、設(shè)置求解控制參數(shù)、步長等

25、6、求解采用Newton-Raphson迭代法求解，求解時采用多荷載步，每荷載步又設(shè)若干子步。7、查看結(jié)果：云圖、列表。根據(jù)分析出的數(shù)據(jù)查看設(shè)計零件的受力情況，由分析結(jié)果看出，設(shè)計的夾具符合使用要求。2.3改進控制系統(tǒng)設(shè)計2.3.1.PLC的運用PLC控制主要采用軟接線方式，其控制邏輯以程序的方式存放在存儲器中，系統(tǒng)功能可通過改變程序來實現(xiàn)，其“軟繼電器”的觸點數(shù)量無限，PLC系統(tǒng)的靈活性和可擴展性好。PLC采用掃描（串行）工作方式，控制速度快，不會出現(xiàn)觸點抖動的問題，從定時和計數(shù)控制上看，PLC控制精度高，定時范圍寬，修改方便，且不受環(huán)境影響。PLC控制壽命長，可靠性高，且具有自診斷功能，現(xiàn)

26、場調(diào)試和維護方便。2.3.2.PLC的梯形圖編程規(guī)則1、 每個繼電器的線圈和它的觸點均用同一編號，每個組件的觸點使用時沒有數(shù)量限制。 2、梯形圖每一行都是從左邊開始，線圈接在最右邊（線圈右邊不允許再有接觸點）3、 線圈不能直接接在左邊母線上。 4、在一個程序中，同一編號的線圈如果使用兩次，稱為雙線圈輸出，它很容易引起誤操作，應(yīng)盡量避免。 5、在梯形圖中沒有真實的電流流動，為了便于分析PLC的周期掃描原理和邏輯上的因果關(guān)系，假定在梯形圖中有“電流”流動，這個“電流”只能在梯形圖中單方向流動即從左向右流動，層次的改變只能從上向下。2.3.3.PLC指令的介紹1、 串聯(lián)電路塊的并聯(lián)連接指令OLD 兩

27、個或兩個以上的接點串聯(lián)連接的電路叫串聯(lián)電路塊。串聯(lián)電路塊并聯(lián)連接時，分支開始用LD、LDN指令，分支結(jié)束用OLD指令。OLD指令與后述的ALD指令均為無目標元件指令，而兩條無目標元件指令的步長都為一個程序步。OLD有時也簡稱或塊指令。 2、并聯(lián)電路的串聯(lián)連接指令A(yù)LD 兩個或兩個以上接點并聯(lián)電路稱為并聯(lián)電路塊，分支電路并聯(lián)電路塊與前面電路串聯(lián)連接時，使用ALD指令。分支的起點用LD、LDN指令，并聯(lián)電路結(jié)束后，使用ALD指令與前面電路串聯(lián)。ALD指令也簡稱與塊指令，ALD也是無操作目標元件，是一個程序步指令。 3、輸出指令 = = 輸出指令是將繼電器、定時器、計數(shù)器等的線圈與梯形圖右邊的母線直

28、接連接，線圈的右邊不允許有觸點，在編程中，觸點以重復(fù)使用，且類型和數(shù)量不受限制。 北京天拓四方科技有限公司4、置位與復(fù)位指令S、R S為置位指令，使動作保持;R為復(fù)位指令，使操作保持復(fù)位。從指定的位置開始的N個點的寄存器都被置位或復(fù)位,N=1255如果被指定復(fù)位的是定時器位或計數(shù)器位,將清除定時器或計數(shù)器的當前值。 5、跳變觸點EU,ED 正跳變觸點檢測到一次正跳變(觸點的入信號由0到1)時,或負跳變觸點檢測到一次負跳變(觸點的入信號由1到0)時,觸點接通到一個掃描周期.正/負跳變的符號為EU和ED,他們沒有操作數(shù),觸點符號中間的”P”和”N”分別表示正跳變和負跳變 6、空操作指令NOP NO

29、P指令是一條無動作、無目標元件的一個序步指令?？詹僮髦噶钍乖摬叫驗榭詹僮?。用NOP指令可替代已寫入指令，可以改變電路。在程序中加入NOP指令，在改動或追加程序時可以減少步序號的改變。 7、程序結(jié)束指令END END是一條無目標元件的一序步指令。PLC反復(fù)進行輸入處理、程序運算、輸出處理，在程序的最后寫入END指令，表示程序結(jié)束，直接進行輸出處理。在程序調(diào)試過程中，可以按段插入END指令，可以按順序擴大對各程序段動作的檢查。采用END指令將程序劃分為若干段，在確認處于前面電路塊的動作正確無誤之后，依次刪去END指令。要注意的是在執(zhí)行END指令時，也刷新監(jiān)視時鐘。2.3.4 CPU的構(gòu)成PLC中的

30、CPU是PLC的核心，起神經(jīng)中樞的作用，每臺PLC至少有一個CPU，它按PLC的系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存貯用戶程序和數(shù)據(jù)，用掃描的方式采集由現(xiàn)場輸入裝置送來的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，并存入規(guī)定的寄存器中，同時，診斷電源和PLC內(nèi)部電路的工作狀態(tài)和編程過程中的語法錯誤等。進入運行后，從用戶程序存貯器中逐條讀取指令，經(jīng)分析后再按指令規(guī)定的任務(wù)產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號，去指揮有關(guān)的控制電路， 與通用計算機一樣，主要由運算器、控制器、寄存器及實現(xiàn)它們之間聯(lián)系的數(shù)據(jù)、控制及狀態(tài)總線構(gòu)成，還有外圍芯片、總線接口及有關(guān)電路。它確定了進行控制的規(guī)模、工作速度、內(nèi)存容量等。內(nèi)存主要用于存儲程序及數(shù)據(jù)，是PLC不可缺少的組成單元

31、。 CPU的控制器控制CPU工作，由它讀取指令、解釋指令及執(zhí)行指令。但工作節(jié)奏由震蕩信號控制。 CPU的運算器用于進行數(shù)字或邏輯運算，在控制器指揮下工作。 CPU的寄存器參與運算，并存儲運算的中間結(jié)果，它也是在控制器指揮下工作。 CPU雖然劃分為以上幾個部分，但PLC中的CPU芯片實際上就是微處理器，由于電路的高度集成，對CPU內(nèi)部的詳細分析已無必要，我們只要弄清它在PLC中的功能與性能，能正確地使用它就夠了。 CPU模塊的外部表現(xiàn)就是它的工作狀態(tài)的種種顯示、種種接口及設(shè)定或控制開關(guān)。一般講，CPU模塊總要有相應(yīng)的狀態(tài)指示燈，如電源顯示、運行顯示、故障顯示等。箱體式PLC的主箱體也有這些顯示。

32、它的總線接口，用于接I/O范本或底板，有內(nèi)存接口，用于安裝內(nèi)存，有外設(shè)口，用于接外部設(shè)備，有的還有通訊口，用于進行通訊。CPU模塊上還有許多設(shè)定開關(guān)，用以對PLC作設(shè)定，如設(shè)定起始工作方式、內(nèi)存區(qū)等。2.3.5.PLC流程圖圖2-8 此模塊的六自由度機械手負責運送和裝配零件，有兩種工作方式，手動控制用于調(diào)整機械手工作方位，自動控制方式用于生產(chǎn)線自動運行，模塊中使用紅外對射傳感器檢測物料通過，漫反射傳感器檢測物料接近，傳感器信號控制氣缸使擋板動作截住物料以及使機械手動作，機械手總共有5個工位，過程為：從原位到工位1，機械手夾取物料；從工位1經(jīng)過原位到工位2，機械手夾取物料送到裝配平臺上；從工位2

33、到工位3，機械手夾取物料蓋；從工位3到工位2，機械手夾取物料蓋與物料裝配；從工位2到工位4，機械手夾取完整物料送到傳輸面上；從工位4到原位，機械手回到原位，重復(fù)進行操作。2.3.6.PLC接線圖圖2-9S7-200是西門子公司專為中小型用戶設(shè)計的小型PLC系統(tǒng)，由于其具有可靠性高、功能強、編程簡單、人機交互界面友好等特性而廣泛用于工業(yè)控制系統(tǒng)。本模塊選用西門子s7-200 CPU ST60 DC/DC/DC (6ES7 288-1ST60-0AA0),具有24點輸入，16點輸出，配備6ES7 351-1AH01-0AE0，F(xiàn)M351定位功能模塊，具有一通道步進電機閉環(huán)控制（4路脈沖輸出）。步進

34、電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的執(zhí)行機構(gòu)。在額定負荷下，電機的轉(zhuǎn)速、停止位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)目。另外，步進電機只有周期性誤差而無累計誤差的特點，使其在速度、定位等控制領(lǐng)域應(yīng)用得非常廣泛?？刂撇竭M電機最重要的就是要產(chǎn)生出符合要求的控制脈沖。西門子PLC本身帶有高速脈沖計數(shù)器和高速脈沖發(fā)生器，其發(fā)出的頻率最大為10KHz，能夠滿足步進電動機的要求。對PLC提出兩個特性要求。一是在此應(yīng)用的PLC最好是具有實時刷新技術(shù)的PLC，使輸出信號的頻率可以達到數(shù)千赫芝或更高。其目的是使脈沖能有較高的分配速度，充分利用步進電機的速度響應(yīng)能力，提高整個系統(tǒng)的快速性。二是PLC本身的輸出端口應(yīng)

35、該采用大功率晶體管，以滿足步進電機各相繞組數(shù)十伏脈沖電壓、數(shù)安培脈沖電流的驅(qū)動要求。對輸入電機的相關(guān)脈沖控制，從而達到對步進電機三相繞組的48V直流電源的依次通、斷，形成旋轉(zhuǎn)磁場，使步進電機轉(zhuǎn)動。 步進電機選用兩相四線，驅(qū)動器為THB6064H是一款專業(yè)的PWM斬波兩相步進電機驅(qū)動芯片。它內(nèi)部集成了細分、衰減模式設(shè)置、電路調(diào)節(jié)、CMOS功率放大等電路， 配合簡單的外圍電路即可實現(xiàn)高性能、多細分、大電流的驅(qū)動電路。適合驅(qū)動57、86型步進電機。據(jù)介紹在低成本、低振動、小 噪聲、高速度的設(shè)計中應(yīng)用效果較佳。適合驅(qū)動57、86型步進電機。2.3.7.I/O端口配制圖2-10第3章六自由度裝配機器人模

36、塊機電系統(tǒng)仿真3.1背景一種由西門子公司研制開發(fā)的全新的面向功能開發(fā)的全新機器設(shè)計方法，以及基于該設(shè)計方法的解決方案，基于功能開發(fā)的機電一體化概念設(shè)計解決方案，適用于機器的概念設(shè)計主要解決詳細設(shè)計階段過程中機械、電氣、液壓等多學科的協(xié)同設(shè)計機電一體化概念設(shè)計解決方案 (MCD)。借助MCD，設(shè)計人員創(chuàng)建機電一體化模型，對包含多體物理場以及通常存在于機電一體化產(chǎn)品中的自動化相關(guān)行為的概念進行3D建模和仿真，實現(xiàn)創(chuàng)新性的設(shè)計技術(shù)，加快了涉及機械、電氣、傳感器和制動器以及運動等多學科協(xié)同。通過重用現(xiàn)有知識，并通過概念評估幫助用戶做出更明智的決策，不斷提高機械設(shè)計的效率、縮短設(shè)計周期、降低成本、提升設(shè)

37、計品質(zhì)。3.2基本元件，功能機電基礎(chǔ)：剛體：剛體組件可使幾何對象在物理系統(tǒng)的控制下運動，添加剛體是基本操作；碰撞體：兩個物體相互接觸，兩個對象都定義有碰撞體時物理碰撞的前提；對象源：用于源源不斷地提供物料。運動副：鉸鏈副：組成運動副的兩個構(gòu)件之間只能按照某一方向作相對轉(zhuǎn)動，用于機器人軸的轉(zhuǎn)動；滑動副：組成運動副的兩個構(gòu)件之間只能按照某一方向作相對滑動；固定 副：將一個構(gòu)件固定到另一個構(gòu)件上，限制自由度。傳感器：碰撞傳感器：利用距離傳感器來收集觸發(fā)事件。為下一個工序提供信號輸入；執(zhí)行機構(gòu)：速度控制：速度控制驅(qū)動運動副的軸以一預(yù)設(shè)的恒定速度運動到一預(yù)設(shè)的，本次設(shè)計為傳送帶速度提前預(yù)設(shè)；位置控制：位

38、置控制驅(qū)動運動副的軸以一預(yù)設(shè)的恒定速度運動到一預(yù)設(shè)的，為機器人轉(zhuǎn)動提供角度預(yù)設(shè)。信號：信號適配器：用于信號的中轉(zhuǎn)，接受仿真序列里面的信號傳遞給執(zhí)行機構(gòu)。過程：仿真序列：仿真序列是MCD中的控制元素，可以通過仿真序列控制，MCD中的任何對象。經(jīng)過信號適配器傳輸給執(zhí)行機構(gòu)。3.3設(shè)計流程圖圖3-13.4軟件操作按照工序流程進行設(shè)計：1.物料底的傳輸：首先進行對物料定義，定義物料為碰撞體和剛體，其次對傳送帶進行定義，傳送帶定義為碰撞體和傳輸面，傳輸面設(shè)置速度初值，然后設(shè)置擋板為碰撞體，阻止物料前進，最后定義傳感器，這里采用了碰撞傳感器，用于傳輸信號給機器人。2.機械手的運動：首先對機械手進行基本的剛

39、體，碰撞體定義，然后用到固定副，對機械手底座，和螺栓進行固定；然后添加鉸鏈副（選擇相應(yīng)的基本件與連接件），6個自由度的機械手需要6個鉸鏈副，定義完鉸鏈副之后，進行位置控制，每個自由度設(shè)置一個位置控制，然后添加配置數(shù)字模型與PLC連接信號（信號適配器），信號適配器選擇每個位置控制為對象進行添加位置控制，然后在信號中角度位移變化，添加公式，最后進行仿真序列，選擇信號適配器中的信號為相應(yīng)的對象，然后進行角度參數(shù)的設(shè)置，每個自由度轉(zhuǎn)動不動的角度，到達物料的位置，調(diào)整運動的時間，最后選取碰撞傳感器的輸入信號，在運行參數(shù)中將其賦值為ture時進行運動。3.機械爪的運動：首先對機械爪進行碰撞體的定義，因為機

40、械爪時相對向里運動，所以要設(shè)置機械爪的夾取部分為兩個滑動副，添加滑動副（選擇相應(yīng)的基本件與連接件），然后對機械爪進行信號的處理，首先添加位置控制，其次添加信號適配器（其中選擇長度位移變化），最后進行仿真序列，調(diào)整運動過程的時間，其中直接運行在機械手停止之后，然后調(diào)整運動的長度位移，對物料進行夾取。4.運送物料到裝配平臺：在序列編輯器中復(fù)制之前的每個自由度的時序進行調(diào)整，粘貼的接下來的工序，然后經(jīng)過機械手的角度的調(diào)整再次相對運動，調(diào)整后的每個鉸鏈副的相對角度使其轉(zhuǎn)動到達轉(zhuǎn)動平臺，最后調(diào)整滑動副的長度位移，是機械爪相對分離，離開物料，設(shè)置裝配平臺為碰撞傳感器，使其控制，物料倉儲里的傳送帶運動，和裝

41、配完整之后的傳送帶運動到下一個工序。5.物料蓋倉儲的運動（改進）：經(jīng)過裝配平臺的碰撞傳感器的信號輸入，物料給予傳送帶進行運動，物料蓋的是一個對象源，提供源源不斷地物料，彌補之前物料蓋不足的設(shè)計缺陷，在其傳感器和擋板，設(shè)置此處的擋板為一個鉸鏈副，設(shè)置鉸鏈副為位置控制，信號源來自碰撞傳感器，序列設(shè)置其轉(zhuǎn)動角度為90°，用于阻止物料運動，每層設(shè)置四個擋板，每次物料蓋經(jīng)過傳感器時，1234不同的擋板進行工作最后一個擋板控制對象源的停止，使其短期內(nèi)沒有對象源的。6.裝配過程：控制機械手，復(fù)制之前序列編輯器中的每個軸自由度的運動序列，改動角度參數(shù)使其機械手到達物料蓋倉儲攔截位置，之后調(diào)節(jié)機械爪滑

42、動副部分使其進行夾取，之后再調(diào)節(jié)每一個機械手的軸的序列角度進行行物料蓋的裝配過程。7.完整物料輸送：再次控制機械手，復(fù)制之前序列編輯器中的每個軸自由度的運動序列，改動角度參數(shù)使其機械手到達完整物料輸送傳送帶上，進行物料的輸出。3.5問題分析 1.物料墜落：MCD軟件熟悉初期，概念不熟悉，設(shè)置物料為剛體的時候，在其他工序設(shè)置完成進行運行時，物料不停地往一邊快速移動直至消失，一直沒發(fā)現(xiàn)問題，直到理解他為剛體，具有一定的質(zhì)量，會隨之自由落體運動，所以發(fā)現(xiàn)了問題在坐標系，因為初期建模我們是在SolidWorks里面建模，坐標系與UG里面的不重合，所以按照UG里面坐標系仿真時會一直出現(xiàn)快速墜落

43、的錯誤，處理辦法就是在UG里面快速建模，然后把自己的圖以建模的為標準進行裝配。 2.碰撞材料：碰撞材料是設(shè)計過程的關(guān)鍵部分，因為不同的碰撞材料會產(chǎn)生不同的影響，首先是碰撞材料形狀，有方形，圓柱，網(wǎng)格等，一般選擇為網(wǎng)格精度化為細致，碰撞材料屬性動摩擦和靜摩擦參數(shù)，這兩個參數(shù)對整個系統(tǒng)的運作起到關(guān)鍵性作用，尤其是機械爪的夾取過程不同的屬性，影響很大，經(jīng)過多次實驗選擇合適的參數(shù)。3.6軟件仿真示意圖圖3-2圖3-3 圖3-4 圖3-5第4章總結(jié)賴龍翠（負責總策劃和書寫報告書） 翁子成（負責機械設(shè)計與改進）莊煥杰（負責PLC程序編程） 趙國良（負責MCD動畫仿真） 賴龍翠：經(jīng)過兩周時間的不懈

44、努力，從開始對流水線作業(yè)的認識學習，到最終六自由度裝配機器人模塊單元的改進仿真完成，我們小組的每一位成員都盡心盡責，各成員之間相互合作，相互探討，相互監(jiān)督。在機械設(shè)計系統(tǒng)改造之前，我們提出了一致的優(yōu)化方案，緊接著分配各組員相應(yīng)的任務(wù)。本人負責的部分主要是協(xié)助隊員開展工作，撰寫報告書。在完成這些工作時，我及時的跟進隊員的作業(yè)進度，隊員每完成把一部分工作時，本人都會記錄下來；書寫報告書時查閱了相關(guān)的頁面排版格式，對整個報告書的頁面進行了調(diào)整，包括格式、字體、標注等；再則，我對隊員的改進方案書面表達時，請教了隊員相關(guān)的操作內(nèi)容，因此，我對整體的方案流程有了詳細的認識，有需要建議修改的地方也都會和隊員

45、協(xié)商。雖然期間遇到了不少困難，包括流程圖的繪制，plc編程程序的導(dǎo)入，機械圖片的修整，花費了大量的時間和精力，但從未放棄，一直堅持和隊員直面問題，請教同學，最終，我還是按期完成了這部分的工作，收獲了信心，加強了對專業(yè)知識的理解和接收了新的知識點。這次的課程設(shè)計讓我更加深入的認識我的專業(yè)工作是多么的適合我，收益頗多。期待以后會做的更好。翁子成：經(jīng)過兩周時間的不懈努力，從開始對流水線作業(yè)的認識學習，到最終六自由度裝配機器人模塊單元的改進仿真完成，我們小組的每一位成員都盡心盡責，各成員之間相互合作，相互探討，相互監(jiān)督。在機械設(shè)計系統(tǒng)改造過程中，我們提出了一致的優(yōu)化方案，緊接著分配各組員相應(yīng)的任務(wù)。一成員采用solidwork軟件進行繪制零件圖、裝配模塊單元圖；一成員使用西門子的PLC進行邏