【導(dǎo)讀】機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)。專業(yè)年級(jí)：10機(jī)械

　　

【正文】 這里要充分考慮這個(gè)問(wèn)題。對(duì)于本設(shè)計(jì)，采用一支點(diǎn)，雙固定，另一支點(diǎn)游動(dòng)的支撐結(jié)構(gòu)。作為固定支撐的軸承，應(yīng)能承受雙向軸向載荷，故內(nèi)外圈在軸向全要固定。其結(jié)構(gòu)參看本章開(kāi)始的 —— 機(jī)身結(jié)構(gòu)示意圖。本設(shè)計(jì)采用兩個(gè)角接觸球軸承，面對(duì)面或者背對(duì)背的組合結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)可以承受雙向軸向載荷。 三 、 控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 考慮到機(jī)械手的通用性，同時(shí)使用點(diǎn)位控制，因此我們采 用可編程序控制器(PLC)對(duì)機(jī)械手進(jìn)行控制 .當(dāng)機(jī)械手的動(dòng)作流程改變時(shí)，只需改變 PLC程序即可實(shí)現(xiàn)，非常方便快捷。 1969 年，美國(guó)數(shù)字設(shè)備公司 (DEC) 研制出第一臺(tái) PLC，在美國(guó)通用汽車自動(dòng)裝配線上試用，獲得了成功。這種新型的工業(yè)控制裝置以其簡(jiǎn)單易懂，操作方便，可靠性高，通用靈活，體積小，使用壽命長(zhǎng)等一系列優(yōu)點(diǎn)，很快地在美國(guó)其他工業(yè)領(lǐng)域推廣應(yīng)用。到 1971 年，已經(jīng)成功地應(yīng)用于食品，飲料，冶金，造紙等工業(yè)。這一新型工業(yè)控制裝置的出現(xiàn)，也受到了世界其他國(guó)家的高度重視。 1971 年，日本 從美國(guó)引進(jìn)了這項(xiàng)新技術(shù)，很快研制出了日本第一臺(tái)PLC。 1973 年，西歐國(guó)家也研制出它們的第一臺(tái) PLC。我國(guó)從 1974 年開(kāi)始研制 ,于 1977 年開(kāi)始工業(yè)應(yīng)用。 PLC 的結(jié)構(gòu)，種類和分類 PLC 實(shí)質(zhì)是一種專用于工業(yè)控制的計(jì)算機(jī)，其硬件結(jié)構(gòu)基本上與微型計(jì)算機(jī)相同，如圖所示： 圖 51 （一）中央處理單元 (CPU) 中央處理單元 (CPU)是 PLC 的控制中樞。它按照 PLC 系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存儲(chǔ)從編程器鍵入的用戶程序和數(shù)據(jù)；檢查電源、存儲(chǔ)器、 I/O 以及警戒定時(shí)器的狀態(tài)，并能診斷用戶程序中的語(yǔ)法錯(cuò)誤。 （二） 存儲(chǔ)器 存放系統(tǒng)軟件的存儲(chǔ)器稱為系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器。 存放應(yīng)用軟件的存儲(chǔ)器稱為用戶程序存儲(chǔ)器。 （三） 電源 PLC 的電源在整個(gè)系統(tǒng)中起著十分重要得作用。如果沒(méi)有一個(gè)良好的、可靠得電源系統(tǒng)是無(wú)法正常工作的，因此 PLC 的制造商對(duì)電源的設(shè)計(jì)和制造也十分重視。 一般交流電壓波動(dòng)在 +10%(+15%)范圍內(nèi) ，可以不采取其它措施而將 PLC直接連接到交流電網(wǎng)上去。 常見(jiàn)的 PLC的類型挺多的，有三菱的 FX系列、西門子的 S7系列、臺(tái)灣的豐煒 等等。 plc 的分類有： (一 ) 小型 PLC 小型 PLC 的 I/O 點(diǎn)數(shù)一般在 128 點(diǎn)以下，其特點(diǎn)是體積小、結(jié)構(gòu)緊湊，整個(gè)硬件融為一體，除了開(kāi)關(guān)量 I/O 以外，還可以連接模擬量 I/O 以及其他各種特殊功能模塊。它能執(zhí)行包括邏輯運(yùn)算、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)、算術(shù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)處理和傳送、通訊聯(lián)網(wǎng)以及各種應(yīng)用指令。 (二 ) 中型 PLC 中型 PLC 采用模塊化結(jié)構(gòu)，其 I/O 點(diǎn)數(shù)一般在 256~1024 點(diǎn)之間 。 I/O 的處理方式除了采用一般 PLC 通用的掃描處理方式外，還能采用直接處理方式，即在掃描用戶程序的過(guò)程中，直接讀輸入，刷新輸出。它能聯(lián)接各種特殊功能模塊， 通訊聯(lián)網(wǎng)功能更強(qiáng)，指令系統(tǒng)更豐富，內(nèi)存容量更大，掃描速度更快。 (三 ) 大型 PLC 一般 I/O 點(diǎn)數(shù)在 1024 點(diǎn)以上的稱為大型 PLC。大型 PLC 的軟、硬件功能極強(qiáng)。具有極強(qiáng)的自診斷功能。通訊聯(lián)網(wǎng)功能強(qiáng)，有各種通訊聯(lián)網(wǎng)的模塊，可以構(gòu)成三級(jí)通訊網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)工廠生產(chǎn)管理自動(dòng)化。大型 PLC 還可以采用三 CPU構(gòu)成表決式系統(tǒng)，使機(jī)器的可靠性更高。 FX2n系列三菱 PLC特點(diǎn) ： 集成型高性能。 CPU、電源、輸入輸出三為一體。 對(duì) 6種基本單元，可以以最小 8點(diǎn)為單元連接輸入輸出擴(kuò)展設(shè)備，最大可以擴(kuò)展輸入輸出 256點(diǎn)。 高速運(yùn)算 基本指令： s/指令 應(yīng)用指令 :～數(shù) 100μ s/指令 安心、寬裕的存儲(chǔ)器規(guī)格 內(nèi)置 8000步 RAM存貯器 安裝存儲(chǔ)盒后，最大可以擴(kuò)展到 16000步。 豐富的軟元件范圍 輔助繼電器： 3072點(diǎn)，定時(shí)器： 256點(diǎn)，計(jì)數(shù)： 235點(diǎn) 數(shù)據(jù)寄存器； 8000點(diǎn) 除了具有輸入輸 出 16～ 256點(diǎn)的一般速途，還有模擬量控制、定位控制等特殊控制。 面向海外的產(chǎn)品適合各種安全規(guī)格 為大量實(shí)際應(yīng)用而開(kāi)發(fā)的特殊功能： 開(kāi)發(fā)了各個(gè)范圍的特殊功能模塊以滿足不同的需要 模擬 I/O，高速計(jì)數(shù)器。 定位控制達(dá)到 16軸，脈沖串輸出或?yàn)?J和 K型熱電偶或 Pt傳感器開(kāi)發(fā)了溫度模塊。 對(duì)每一個(gè) FX2n主單元可配置總計(jì)達(dá) 8個(gè)特殊功能模塊。 接近開(kāi)關(guān)傳感器 1 接近開(kāi)關(guān)傳感器的概念 在各類開(kāi)關(guān)中，有一種對(duì)接近它物件有“感知”能力的元件 —— 位移傳感器。利用位移傳感器對(duì)接近物體 的敏感特性達(dá)到控制開(kāi)關(guān)通或斷的目的，這就是接近開(kāi)關(guān)。 當(dāng)有物體移向接近開(kāi)關(guān)，并接近到一定距離時(shí)，位移傳感器才有“感知”，開(kāi)關(guān)才會(huì)動(dòng)作。通常把這個(gè)距離叫“檢出距離”。不同的接近開(kāi)關(guān)檢出距離也不同。 2 接近傳感器的選型和檢測(cè)對(duì)于不同的材質(zhì)的檢測(cè)體和不同的檢測(cè)距離，應(yīng)選用不同類型的接近傳感器，以使其在系統(tǒng)中具有高的性能價(jià)格比，為此在選型中應(yīng)遵循以下原則： （ 1）當(dāng)檢測(cè)體為金屬材料時(shí)，應(yīng)選用高頻振蕩型接近傳感器，該類型接近傳感器對(duì)鐵鎳、 A3鋼類檢測(cè)體檢測(cè)最靈敏。對(duì)鋁、黃銅和不銹鋼類檢測(cè)體，其檢測(cè)靈敏度就低。 （ 2）當(dāng)檢測(cè)體為非金屬材料時(shí)，如；木材、紙張、塑料、玻璃和水等，應(yīng)選用電容型接近傳感器。 （ 3）金屬體和非金屬要進(jìn)行遠(yuǎn)距離檢測(cè)和控制時(shí)，應(yīng)選用光電型接近傳感器或超聲波型接近傳感器。 （ 4）對(duì)于檢測(cè)體為金屬時(shí)，若檢測(cè)靈敏度要求不高時(shí)，可選用價(jià)格低廉的磁性接近 式 傳感器或霍爾式接近傳感器。 3 接近開(kāi)關(guān)傳感器的原理圖 : I/O 接口簡(jiǎn)介 （ 1） I/O接口的概念 CPU與外部設(shè)備、存儲(chǔ)器的連接和數(shù)據(jù)交換都需要通過(guò)接口設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)，前者被稱為 I/O接口，而后者則被稱為存儲(chǔ)器接口。存儲(chǔ)器通常在 CPU的同步控制下工作，接口電路比較簡(jiǎn)單；而 I/O設(shè)備品種繁多，其相應(yīng)的接口電路也各不相同，因此，習(xí)慣上說(shuō)到接口只是指 I/O接口。 (2）接口的分類 I/O接口的功能是負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn) CPU通過(guò)系統(tǒng)總線把 I/O電路和 外圍設(shè)備聯(lián)系在一起，按照電路和設(shè)備的復(fù)雜程度， I/O接口的 硬件主要分為兩大類： 1） I/O接口芯片 這些芯片大都是集成電路，通過(guò) CPU輸入不同的命令和參數(shù)，并控制相關(guān)的 I/O電路和簡(jiǎn)單的外設(shè)作相應(yīng)的操作，常見(jiàn)的接口芯片如定時(shí)／計(jì)數(shù)器、中斷控制器、DMA控制器、并行接口等。 2） I/O接口控制卡 有若干個(gè)集成電路按一定的邏輯組成為一個(gè)部件，或者直接與 CPU同在主板上，或是一個(gè)插件插在系統(tǒng)總線插槽上。 按照接口的連接對(duì)象來(lái)分，又可以將他們分為串行接口、并行接口、鍵盤接口和磁盤接口等。 行程開(kāi)關(guān)的介紹 行程開(kāi)關(guān)的概念 行程開(kāi)關(guān) 就是一種由 物體的位移來(lái)決定電路通斷的開(kāi)關(guān) 。 行程開(kāi) 關(guān)又稱 限位開(kāi)關(guān) ,可以安裝在相對(duì)靜止的物體 (如固定架、門框等，簡(jiǎn)稱靜物 )上或者運(yùn)動(dòng)的物體（如行車、門等，簡(jiǎn)稱動(dòng)物）上。當(dāng) 物體 接近靜物時(shí)，開(kāi)關(guān)的連桿驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)的接點(diǎn)引起閉合的接點(diǎn)分?jǐn)嗷蛘邤嚅_(kāi)的接點(diǎn)閉合。由開(kāi)關(guān)接點(diǎn)開(kāi)、合狀態(tài)的改變?nèi)タ刂?電路 和機(jī)構(gòu)的動(dòng)作。 行程開(kāi)關(guān)的作用及原理 行程開(kāi)關(guān)用于控制機(jī)械設(shè)備的行程及限位保護(hù)。在實(shí)際生產(chǎn)中，將行程開(kāi)關(guān)安裝在預(yù)先安排的位置，當(dāng)裝于生產(chǎn)機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件上的模塊撞擊行程開(kāi)關(guān)時(shí)，行程開(kāi)關(guān)的觸點(diǎn)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)電路的切換。因此，行程開(kāi)關(guān)是一種根據(jù)運(yùn)動(dòng)部件的行程位置而切換電路的電器，它的作用原理與按鈕類似。行程開(kāi)關(guān)廣泛用于各類機(jī)床和起重機(jī)械，用以控制其行程、進(jìn)行終端限位保護(hù)。在電梯的控制電路中，還利用行程開(kāi)關(guān)來(lái)控制開(kāi)關(guān)轎門的速度、自動(dòng)開(kāi)關(guān)門的限位，轎廂的上、下限位保護(hù)。 路的總體設(shè)計(jì) 整個(gè)系統(tǒng)的回路設(shè)計(jì)如下 : 機(jī)械手右旋轉(zhuǎn) 機(jī)械手上升 機(jī)械手手臂伸長(zhǎng) 機(jī)械手下降 機(jī)械手手腕右旋 機(jī)械手加緊 機(jī)械手上升 機(jī)械手手腕左旋 機(jī)械手手臂收縮 機(jī)械手左旋 機(jī)械手下降 機(jī)械手手臂伸長(zhǎng) 機(jī)械手手腕右旋 機(jī)械手下降 機(jī)械手松開(kāi) 機(jī)械手手臂收縮 系統(tǒng)輸入 /輸出分布表 輸入 輸出 X0 SQ1 右旋限位開(kāi)關(guān) Y0 YA1 右旋電磁閥 X1 SQ2 上升限位開(kāi)關(guān) Y1 YA2 左旋電磁閥 X2 SQ3 手臂伸長(zhǎng)限位開(kāi)關(guān) Y2 YA3 手臂伸長(zhǎng)電磁閥 X3 SQ4 手腕右轉(zhuǎn)限位開(kāi)關(guān) Y3 YA4 手臂收縮電磁閥 X4 SQ5 下降限位開(kāi)關(guān) Y4 YA5 上升電磁閥 X5 SQ6 工件光電檢測(cè)開(kāi) 關(guān) Y5 YA6 下降電磁閥 X6 SQ7 手腕左轉(zhuǎn)限位開(kāi)關(guān) Y6 YA7 手腕右轉(zhuǎn)電磁閥 X7 SQ8 手臂收縮限位開(kāi)關(guān) Y7 KA1 手腕左轉(zhuǎn)電磁閥 X10 SQ9 左轉(zhuǎn)限位開(kāi)關(guān) Y10 YA8 加緊電磁閥 X11 SQ10 機(jī)械手光電限位開(kāi)關(guān) Y112 YA9 松開(kāi)電磁閥 X12 SB5 停止按鈕 Y12 YA10 急停電磁閥 X13 SB6 復(fù)位按鈕 Y30 YA11 步進(jìn)電機(jī) X14 SB7 步進(jìn)電機(jī)手動(dòng)啟動(dòng) Y31 YA15 空氣壓縮機(jī)繼電器 X15 YJ2 步進(jìn)電機(jī)停止按鈕 X16 SB8 暫停按鈕 X17 SB8 急停按鈕 X26 YJ4 接近傳感器 X27 K1 空氣壓縮機(jī)啟動(dòng) X30 K2 系統(tǒng)啟動(dòng) 機(jī)械手的程序設(shè)計(jì) 自動(dòng)線的輸送動(dòng)作由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)實(shí)現(xiàn)間隔輸送，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求的輸送狀況。其工作的過(guò)程是 ： 機(jī)械手首先處于初始位置 ， 然后經(jīng)過(guò)一系列的動(dòng)作將斷續(xù)傳送帶上的工件拿走，此時(shí)傳送帶上的光電檢測(cè)檢測(cè)開(kāi)關(guān)檢測(cè)到工件被取走。然后 傳送帶開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng) ， 當(dāng)檢測(cè)到下一個(gè)工件時(shí)傳送帶停止轉(zhuǎn)動(dòng)等待機(jī)械手來(lái)取工件，當(dāng)然只要機(jī)械手取 走工件傳送帶就開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng) ， 這樣設(shè)計(jì)是為了節(jié)省工作時(shí)間從而不會(huì)出現(xiàn)機(jī)械手等待傳送帶的時(shí)間。 對(duì)程序的要求如下： (1)首先啟動(dòng)機(jī)械手時(shí) 機(jī)械手自動(dòng)復(fù)位處于初始位置； (2)在機(jī)械手工作前還要對(duì)其進(jìn)行設(shè)備的檢測(cè)即機(jī)械手空運(yùn)行一次而且機(jī)械手的每一個(gè)動(dòng)作都有相應(yīng)的定時(shí)器進(jìn)行監(jiān)控若超出規(guī) 定的運(yùn)行時(shí)間則認(rèn)為是設(shè)備出現(xiàn)故障。 (3)機(jī)械手設(shè)有急停按鈕（一般情況下是不被允許使用的）只有出現(xiàn)緊急情況時(shí)才允許按此按鈕，按下此按鈕將切斷儲(chǔ)氣罐與各汽缸的聯(lián)系將被切斷各 汽缸處于無(wú)動(dòng)力狀態(tài)。 步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行控制 由于傳送帶的 速度要求不高且精度也不是太高所以本設(shè)計(jì)選擇三相步進(jìn)電機(jī)通電方式為三相雙三拍，利用 PLC 中的 M8014 特殊功能繼電器向環(huán)形脈沖分配器中發(fā)送脈沖然后經(jīng)光電轉(zhuǎn)換和功放電路驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。 環(huán)形脈沖分配器選擇 YB013 芯片此芯片為專用三相步進(jìn)電機(jī)環(huán)形脈沖分配器此芯片工作穩(wěn)定性能優(yōu)良在實(shí)際生產(chǎn)中被廣泛應(yīng)用。 四 、 參 考 文 獻(xiàn) [1] 濮良貴 .記名剛 .機(jī)械設(shè)計(jì) [M].北京 :高等教育出版社 ,2020 [2] 張立勛 .孟慶鑫 ,張今瑜 .機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì) [M].哈爾濱 :哈爾濱工程大學(xué)出版社 ,2020 [3] 房小翠 .單片微型計(jì)算機(jī)與機(jī)電接口技術(shù) .國(guó)防 工業(yè)出版社 ,2020 [4] 王小明 . 電動(dòng)機(jī)的單片機(jī)控制 . 北京航空航天大學(xué)出版社 ,2020 [5] 李建勇 .機(jī)電一體化技術(shù) .科學(xué)出版社 .2020 [6] 李廣弟 .朱月秀，王秀山 .單片機(jī) 基礎(chǔ) .北京航空航天大學(xué)出版社 ,2020 [7] 徐灝 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