【導(dǎo)讀】機電一體化系統(tǒng)設(shè)計課程設(shè)計說明書。專業(yè)年級：10機械

　　

【正文】 這里要充分考慮這個問題。對于本設(shè)計，采用一支點，雙固定，另一支點游動的支撐結(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)參看本章開始的 —— 機身結(jié)構(gòu)示意圖。本設(shè)計采用兩個角接觸球軸承，面對面或者背對背的組合結(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 考慮到機械手的通用性，同時使用點位控制，因此我們采 用可編程序控制器(PLC)對機械手進行控制 .當(dāng)機械手的動作流程改變時，只需改變 PLC程序即可實現(xiàn)，非常方便快捷。 1969 年，美國數(shù)字設(shè)備公司 (DEC) 研制出第一臺 PLC，在美國通用汽車自動裝配線上試用，獲得了成功。這種新型的工業(yè)控制裝置以其簡單易懂，操作方便，可靠性高，通用靈活，體積小，使用壽命長等一系列優(yōu)點，很快地在美國其他工業(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家的高度重視。 1971 年，日本 從美國引進了這項新技術(shù)，很快研制出了日本第一臺PLC。 1973 年，西歐國家也研制出它們的第一臺 PLC。我國從 1974 年開始研制 ,于 1977 年開始工業(yè)應(yīng)用。 PLC 的結(jié)構(gòu)，種類和分類 PLC 實質(zhì)是一種專用于工業(yè)控制的計算機，其硬件結(jié)構(gòu)基本上與微型計算機相同，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從編程器鍵入的用戶程序和數(shù)據(jù)；檢查電源、存儲器、 I/O 以及警戒定時器的狀態(tài)，并能診斷用戶程序中的語法錯誤。 （二） 存儲器 存放系統(tǒng)軟件的存儲器稱為系統(tǒng)程序存儲器。 存放應(yīng)用軟件的存儲器稱為用戶程序存儲器。 （三） 電源 PLC 的電源在整個系統(tǒng)中起著十分重要得作用。如果沒有一個良好的、可靠得電源系統(tǒng)是無法正常工作的，因此 PLC 的制造商對電源的設(shè)計和制造也十分重視。 一般交流電壓波動在 +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。 常見的 PLC的類型挺多的，有三菱的 FX系列、西門子的 S7系列、臺灣的豐煒 等等。 plc 的分類有： (一 ) 小型 PLC 小型 PLC 的 I/O 點數(shù)一般在 128 點以下，其特點是體積小、結(jié)構(gòu)緊湊，整個硬件融為一體，除了開關(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)行包括邏輯運算、計時、計數(shù)、算術(shù)運算、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 點數(shù)一般在 256~1024 點之間 。 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，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 點數(shù)在 1024 點以上的稱為大型 PLC。大型 PLC 的軟、硬件功能極強。具有極強的自診斷功能。通訊聯(lián)網(wǎng)功能強，有各種通訊聯(lián)網(wǎng)的模塊，可以構(gòu)成三級通訊網(wǎng)，實現(xiàn)工廠生產(chǎn)管理自動化。大型 PLC 還可以采用三 CPU構(gòu)成表決式系統(tǒng)，使機器的可靠性更高。 FX2n系列三菱 PLC特點 ： 集成型高性能。 CPU、電源、輸入輸出三為一體。 對 6種基本單元，可以以最小 8點為單元連接輸入輸出擴展設(shè)備，最大可以擴展輸入輸出 256點。 高速運算 基本指令： s/指令 應(yīng)用指令 :～數(shù) 100μ s/指令 安心、寬裕的存儲器規(guī)格 內(nèi)置 8000步 RAM存貯器 安裝存儲盒后，最大可以擴展到 16000步。 豐富的軟元件范圍 輔助繼電器： 3072點，定時器： 256點，計數(shù)： 235點 數(shù)據(jù)寄存器； 8000點 除了具有輸入輸 出 16～ 256點的一般速途，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 為大量實際應(yīng)用而開發(fā)的特殊功能： 開發(fā)了各個范圍的特殊功能模塊以滿足不同的需要 模擬 I/O，高速計數(shù)器。 定位控制達(dá)到 16軸，脈沖串輸出或為 J和 K型熱電偶或 Pt傳感器開發(fā)了溫度模塊。 對每一個 FX2n主單元可配置總計達(dá) 8個特殊功能模塊。 接近開關(guān)傳感器 1 接近開關(guān)傳感器的概念 在各類開關(guān)中，有一種對接近它物件有“感知”能力的元件 —— 位移傳感器。利用位移傳感器對接近物體 的敏感特性達(dá)到控制開關(guān)通或斷的目的，這就是接近開關(guān)。 當(dāng)有物體移向接近開關(guān)，并接近到一定距離時，位移傳感器才有“感知”，開關(guān)才會動作。通常把這個距離叫“檢出距離”。不同的接近開關(guān)檢出距離也不同。 2 接近傳感器的選型和檢測對于不同的材質(zhì)的檢測體和不同的檢測距離，應(yīng)選用不同類型的接近傳感器，以使其在系統(tǒng)中具有高的性能價格比，為此在選型中應(yīng)遵循以下原則： （ 1）當(dāng)檢測體為金屬材料時，應(yīng)選用高頻振蕩型接近傳感器，該類型接近傳感器對鐵鎳、 A3鋼類檢測體檢測最靈敏。對鋁、黃銅和不銹鋼類檢測體，其檢測靈敏度就低。 （ 2）當(dāng)檢測體為非金屬材料時，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行遠(yuǎn)距離檢測和控制時，應(yīng)選用光電型接近傳感器或超聲波型接近傳感器。 （ 4）對于檢測體為金屬時，若檢測靈敏度要求不高時，可選用價格低廉的磁性接近 式 傳感器或霍爾式接近傳感器。 3 接近開關(guān)傳感器的原理圖 : I/O 接口簡介 （ 1） I/O接口的概念 CPU與外部設(shè)備、存儲器的連接和數(shù)據(jù)交換都需要通過接口設(shè)備來實現(xiàn)，前者被稱為 I/O接口，而后者則被稱為存儲器接口。存儲器通常在 CPU的同步控制下工作，接口電路比較簡單；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)實現(xiàn) CPU通過系統(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 CPU輸入不同的命令和參數(shù)，并控制相關(guān)的 I/O電路和簡單的外設(shè)作相應(yīng)的操作，常見的接口芯片如定時／計數(shù)器、中斷控制器、DMA控制器、并行接口等。 2） I/O接口控制卡 有若干個集成電路按一定的邏輯組成為一個部件，或者直接與 CPU同在主板上，或是一個插件插在系統(tǒng)總線插槽上。 按照接口的連接對象來分，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。 行程開關(guān)的介紹 行程開關(guān)的概念 行程開關(guān) 就是一種由 物體的位移來決定電路通斷的開關(guān) 。 行程開 關(guān)又稱 限位開關(guān) ,可以安裝在相對靜止的物體 (如固定架、門框等，簡稱靜物 )上或者運動的物體（如行車、門等，簡稱動物）上。當(dāng) 物體 接近靜物時，開關(guān)的連桿驅(qū)動開關(guān)的接點引起閉合的接點分?jǐn)嗷蛘邤嚅_的接點閉合。由開關(guān)接點開、合狀態(tài)的改變?nèi)タ刂?電路 和機構(gòu)的動作。 行程開關(guān)的作用及原理 行程開關(guān)用于控制機械設(shè)備的行程及限位保護。在實際生產(chǎn)中，將行程開關(guān)安裝在預(yù)先安排的位置，當(dāng)裝于生產(chǎn)機械運動部件上的模塊撞擊行程開關(guān)時，行程開關(guān)的觸點動作，實現(xiàn)電路的切換。因此，行程開關(guān)是一種根據(jù)運動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。行程開關(guān)廣泛用于各類機床和起重機械，用以控制其行程、進行終端限位保護。在電梯的控制電路中，還利用行程開關(guān)來控制開關(guān)轎門的速度、自動開關(guān)門的限位，轎廂的上、下限位保護。 路的總體設(shè)計 整個系統(tǒng)的回路設(shè)計如下 : 機械手右旋轉(zhuǎn) 機械手上升 機械手手臂伸長 機械手下降 機械手手腕右旋 機械手加緊 機械手上升 機械手手腕左旋 機械手手臂收縮 機械手左旋 機械手下降 機械手手臂伸長 機械手手腕右旋 機械手下降 機械手松開 機械手手臂收縮 系統(tǒng)輸入 /輸出分布表 輸入 輸出 X0 SQ1 右旋限位開關(guān) Y0 YA1 右旋電磁閥 X1 SQ2 上升限位開關(guān) Y1 YA2 左旋電磁閥 X2 SQ3 手臂伸長限位開關(guān) Y2 YA3 手臂伸長電磁閥 X3 SQ4 手腕右轉(zhuǎn)限位開關(guān) Y3 YA4 手臂收縮電磁閥 X4 SQ5 下降限位開關(guān) Y4 YA5 上升電磁閥 X5 SQ6 工件光電檢測開 關(guān) Y5 YA6 下降電磁閥 X6 SQ7 手腕左轉(zhuǎn)限位開關(guān) Y6 YA7 手腕右轉(zhuǎn)電磁閥 X7 SQ8 手臂收縮限位開關(guān) Y7 KA1 手腕左轉(zhuǎn)電磁閥 X10 SQ9 左轉(zhuǎn)限位開關(guān) Y10 YA8 加緊電磁閥 X11 SQ10 機械手光電限位開關(guān) Y112 YA9 松開電磁閥 X12 SB5 停止按鈕 Y12 YA10 急停電磁閥 X13 SB6 復(fù)位按鈕 Y30 YA11 步進電機 X14 SB7 步進電機手動啟動 Y31 YA15 空氣壓縮機繼電器 X15 YJ2 步進電機停止按鈕 X16 SB8 暫停按鈕 X17 SB8 急停按鈕 X26 YJ4 接近傳感器 X27 K1 空氣壓縮機啟動 X30 K2 系統(tǒng)啟動 機械手的程序設(shè)計 自動線的輸送動作由步進電動機帶動實現(xiàn)間隔輸送，實現(xiàn)設(shè)計要求的輸送狀況。其工作的過程是 ： 機械手首先處于初始位置 ， 然后經(jīng)過一系列的動作將斷續(xù)傳送帶上的工件拿走，此時傳送帶上的光電檢測檢測開關(guān)檢測到工件被取走。然后 傳送帶開始轉(zhuǎn)動 ， 當(dāng)檢測到下一個工件時傳送帶停止轉(zhuǎn)動等待機械手來取工件，當(dāng)然只要機械手取 走工件傳送帶就開始轉(zhuǎn)動 ， 這樣設(shè)計是為了節(jié)省工作時間從而不會出現(xiàn)機械手等待傳送帶的時間。 對程序的要求如下： (1)首先啟動機械手時 機械手自動復(fù)位處于初始位置； (2)在機械手工作前還要對其進行設(shè)備的檢測即機械手空運行一次而且機械手的每一個動作都有相應(yīng)的定時器進行監(jiān)控若超出規(guī) 定的運行時間則認(rèn)為是設(shè)備出現(xiàn)故障。 (3)機械手設(shè)有急停按鈕（一般情況下是不被允許使用的）只有出現(xiàn)緊急情況時才允許按此按鈕，按下此按鈕將切斷儲氣罐與各汽缸的聯(lián)系將被切斷各 汽缸處于無動力狀態(tài)。 步進電機的運行控制 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)計選擇三相步進電機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)動步進電機。 環(huán)形脈沖分配器選擇 YB013 芯片此芯片為專用三相步進電機環(huán)形脈沖分配器此芯片工作穩(wěn)定性能優(yōu)良在實際生產(chǎn)中被廣泛應(yīng)用。 四 、 參 考 文 獻(xiàn) [1] 濮良貴 .記名剛 .機械設(shè)計 [M].北京 :高等教育出版社 ,2020 [2] 張立勛 .孟慶鑫 ,張今瑜 .機電一體化系統(tǒng)設(shè)計 [M].哈爾濱 :哈爾濱工程大學(xué)出版社 ,2020 [3] 房小翠 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