自动装配单元结构及控制系统设计说明书.doc

长沙学院 CHANGSHA UNIVERSITY本科生毕业设计设 计 题 目： 自动装配单元及控制系统设计 系部： 机电工程系 专 业： 机械设计制造及其自动化 学 生 姓 名： 李 峰 班 级： 机械6班 学号 2011011617 指导教师姓名： 易继军 职称 讲师 长沙学院教务处 二一三年六月制（2015届）本科生毕业设计说明书 自动装配单元及控制系统设计系部： 机电工程系 专 业： 机械设计制造及其自动化 学 生 姓 名： 李 峰 班 级： 机械6班 学号 2011011617 指导教师姓名： 易继军 职称 讲师 最终评定成绩 2015年 5 月摘 要自动装配技术在现代制造业中起着难以替代的作用,通过利用PLC强大的控制功能，实现利用可编程控制器控制装配工序的功能，可以提高自动化行业的发展，提高劳动效率。本文针对PLC控制的自动装配系统，对系统的控制要求、设计步骤、控制方案、主要控制元件、编程思路进行分析。自动装配系统由送料站、检测装配站、等三个工作站组成。第一站实现自动送料；第二站实现产品材质判断和自动装配。系统采用三菱FX2N软件进行组态和编程，用Go Works2进行程序仿真。本文主要完成了自动装配系统总体设计、控制系统硬件组态、控制系统程序的编写。关键词：自动装配，三菱，GO Works2ABSTRACTAutomatic assemblying technology plays an irreplaceable role in the modern manufacturing industry, through the use of powerful control function of PLC, implemented using programmable controller to control the function of the assembly process, can improve the development of industry automation, improve labor efficiency.Based on PLC control of automatic assembly system, the system control requirements, design steps, control scheme, main control components, programming ideas were analyzed. Automatic assembly system by the feeding station, detection assembly station, such as three workstations. The first station to realize automatic feeding; The second leg of realization of product materials and automatic assembly. System USES mitsubishi FX2N configuration and programming software, use the Go Works2 program simulation. This paper mainly completed the overall design of automatic assembly system, control system hardware configuration, control system program writing.Keywords:Automatic assembly, mitsubishi, GO Works2目 录摘 要IABSTRACTII第一章 绪论11.1选题背景及意义11.2自动装配单元及控制系统研究内容21.2.1自动装配单元设计参数21.2.2自动装配单元主要研究内容2第二章 自动装配单元总体方案设计42.1自动装配单元总体方案设计及功能4 2.1.1自动装配单元总体方案设计4 2.1.2自动装配单元的功能4第三章 机械结构设计73.1物料结构设计73.2机械手结构设计10 3.2.1 气爪的设计11 3.2.2手臂结构设计123.3装配部分结构设计21第四章 电控部分设计244.1 送料站的电控设计244.1.1送料站的控制部件244.1.2送料站功能及运作流程图254.1.3 送料站的气动回路图254.2 检测装配站的控制元件274.2.1检测装配站的控制部件如下274.2.2 检测装配站功能及运作流程图274.2.3检测装配站的气动回路图及模拟仿真运行284.3 控制系统硬件设计304.3.1 直流伺服电机选型304.3.1.1 直流伺服电机概述304.3.1.2 直流伺服电机选型314.3.1.3 直流电机电机伺服驱动器314.3.2 传感器选型314.3.3 电磁阀选型32第五章 控制系统软件设计335.1 程序的设计原则335.2 PLC程序设计的步骤335.3 PLC种类及型号选择345.5 PLC外部接线图355.6自动装配系统控制原理355.7 PLC程序功能模块425.8.1 送料站功能块部分程序段42结 论44参考文献45附 录47致 谢56第1章 绪论1.1选题背景及意义自动化水平的高低,已成为一个国家科技水平的重要标志之一。目前,一些发达国家及早的将注意力转向自动装配技术,并取得了卓越的成果,一些产品、部件的装配逐渐摆脱了人工操作,使装配过程通过自动监控、传感技术与机械手等实现了无人操作1。我国对自动装配技术的研究起步较晚,今年已有一定的发展，陆续自行设计、建立和引进了一些半自动、自动装配线及装配工序半自动装置。但国内设计的自动装配生产线自动化程度不高,装配效率也较低。国内业已设计和建立的半自动装配线有以下几个特点:(1)在自动装配技术的三个主要组成部分,传送、供给和装配作业中,以传送的自动化程度较高,装配作业其次,自动供给则更少,其中尤以装配零件的自动走向比较困难。(2)在装配作业中以清洗、分选、螺纹拧紧、不平衡量测量等工序的自动化程度较高,装入、压入过盈连接等工序其次,而螺纹件的对准和拧入以及装配中检测等工序进展不快。(3)从装配线的结构形式来看,以直进式同步传送为多,间歇传送型远多于连续传送型,非同步式传送尚未见成功应用。(4)自动化程度较高的半自动和自动装配线集中在轴承、电机电器、汽车和发动机以及自行车、手表行业, 装配对象多半为小型部件和产品2。在现代制造业中,装配工作时间占制造的40%60%,装配工作量约占整个产品制造工作量的20%70%3。当前装配自动化生产线上,多采用传统机械构件控制的自动机,这类机器结构复杂、制造困难、机械效率低、不适用于现代的多品种、小批量生产。为适应装配品种的多变,必须要改变以前适用于单一品种的装配形式,从而引出柔性自动装配的概念4。柔性装配系统以其良好的响应外部变化特性,已成为装配系统的发展方向。合件的装配生产过去采用人工流水作业的方式,劳动强度大,速度慢。因此为了提高生产效率,研制出适用于合件自动装配生产的装配机就很有必要。近几年来,在一些行业的装配自动化生产过程中,虽然采用继电器控制系统实现了自动化,但线路复杂、可靠性和动态精度低。采用可靠性和精度高的可编程控制器(PLC)作为装配机控制设备,可以简化线路,并能提高系统的可靠性和精度5。具体到自动装配技术的发展动向，有以下方面(1)发展具有柔性及可进行多品种装配的自动装配线由于自动装配线的供料装置、装配工作头及其控制系统结构复杂及动作频繁、互锁严格等原因而经常发生故障,降低了装配线的工作效率。故近代装配线中, 各装配工位间和分装与总装间采用柔性连接的非同步输送装置趋势已成为发展方向。现代社会由于对产品需求多样化,必需使产品不断更新。(2)自动装配工艺范围继续扩大目前,国外的自动化装配工艺内容,已从零件紧固连接、压入、扭合、铆接、粘接、焊接等基本作业方式,发展到能够完成保证安全装配的零件去毛刺、清洗、各种检测工序及产品总装后的试车、检验、注油、喷漆、包装等。(3)开展自动装配基础理论的研究目前在国外比较“热门”的,是对自动装配过程中装配元件的流动方式及姿态进行分析研究。例如,日本金泽大学横山恭男教授提出了称为“自动装配动力学”的一门新学科。(4)对自动装配线(机)进行经济分析一条(台)装配线(机)在生产中投入使用后,应在减少劳动费用、提高产品质量及生产效率三项主要指标上较手工装配及机械装配有较大的优越性。(5)建立与强化自动装配技术研究机构特别是近十年来,国外一些厂家及有关研究部门,为了促进自动装配技术的发展,纷纷建立和强化了研究机构及技术交流部门。在美国机床制造业协会中, 设有专门的自动装配学会组织。在伊利诺斯理工学院工艺研究所内,着重研究实现先进装配方法的AAM计划。在英国生产工程研究院内设有自动化装配委员会, 主管全国的自动装配技术的研究与交流工作6。1.2自动装配单元及控制系统研究内容1.2.1自动装配单元设计参数 （1）控制电源：直流24V/4.5A （2）PLC控制器:三菱 （3）电磁阀：4V110-06 4V120-06 4V130C-06 （4）调速阀：出气节流式 （5）磁性传感器：D-C73L （6）单杆气缸：CDJ2B16-60 CDRQ2BS20-180C1.2.2自动装配单元主要研究内容 1、装配单元总体方案设计，总体参数计算确定（工作装置工作方式、工作装置布置形式等）； 2、工作装置及零件设计： 3、机械部分设计； 4、电控部分设计； 5、基于PLC的控制系统程序设计和仿真；第二章 自动装配单元总体方案设计 2.1自动装配单元总体方案设计及功能 2.1.1自动装配单元总体方案设计本课题所设计的自动装配单元主要组成部分为：物料仓转换机构、送料机构、装配机构。自动装配单元控制系统采用三菱FX2N系列CPU315-2DP。该单元的驱动方式确定为气动驱动，选用单杆气缸型号为CDJ2B16-60和CDRQ2BS20-180C。在三个工作站中，作为第一站的物料仓转换机构和第二站的送料机构都是从站，而第三站的检测装配机构为主站。自动装配单元的整体结构图如下图2.1所示。图2.1 自动装配总装配方案设计图2.1.2自动装配单元的功能 自动装配单元的主要功能是将零件A（模拟孔料）从的料仓a中依次送出并且通过吸盘机械手搬运到装配站的传送带上，当传送带上的电容传感器感应到零件A ，并筛选出正确的材质。之后，传送带上位于气缸附近的光电传感器检测到零件A时，气缸将零件A推到安装位上，然后单杠气缸1伸出，进行料仓换位，再把零件B（模拟轴料）送出，吸盘机械手又将零件B搬运到传送带上，传送带附近的光电传感器检测到零件B时，气缸将零件B推入零件A中，组成装配件（称为产品），完成整个装配。零件A、零件B、装配产品模型参见图2.2 、图2.3和图2.4。 图2.2 零件A 图2.3 零件B 图2.4 装配产品自动装配系统在工作时，通过物料仓转换，送料，装配三个机构相互配合完成，有同一个PLC控制系统完成，自动实现上述动作要求。三站的动作顺序如下：（1） 第一部分物料转换实现零件A、零件B取放及送料；在矩形料仓1中放入零件A，矩形料仓2中放入零件B。光电传感器检测有料并且其它部件都为初始状态（所有气缸都缩回到位），按下启动按钮，送料气缸将零件A 推送到指定位置后，换位气缸伸出，料仓换位，等机械手将零件A送出，送料气缸缩回，零件B落入送料口，待装配气缸将零件A推到安装位，送料气缸将零件B推送到指定位置，重复上次动作。（2） 第二部分实现零件的送料及搬运；当送料气缸将零件A推送到指定位置后，机械手运动，旋转气缸旋转到送料位，垂直气缸伸出，调整吸盘的高度，水平气缸伸出，吸盘机械手落在零件A上方，真空发生器运作，吸住零件A，垂直气缸、水平气缸缩回；旋转气缸旋转，垂直气缸，水平气缸伸出，将零件A搬运到传送带上。待零件B被推到指定位置时，旋转气缸旋转到送料位，垂直气缸和水平气缸伸出，使吸盘机械手到指定位置，真空发生器发生，将零件B吸取,旋转气缸旋转将零件B送到传送带上。气缸缩回，等待下一次安装。（3） 第三部分实现材质判断及推送装配；实现零件B配对零件A。传送带前端的落料光电传感器检测到零件A，其他部件都为初始状态（所有气缸都缩回到位），传送带才启动，由传送带带动零件A 前进，电容传感器感应到A并判断A零件的材质，把非金属材质剔除到踢料料仓中；若零件A为金属材质，传送带继续带动零件A前进，当安装气缸前的光电传感器感应到零件，安装气缸伸出将零件A推到安装位等待安装；所有气缸都缩回到位，当传送带前端的落料光电传感器检测到零件B，传送带启动，由传送带带动零件B前进，电容传感器感应到B并判断B零件的材质，把非金属材质剔除到踢料料仓中；若零件B为金属材质，传送继续带动零件B前进，当安装气缸前的光电传感器感应到零件，安装气缸伸出将零件B推送到位并与零件A进行装配。当装配工作完成后，气缸缩回，整个装配过程就完成了。2.5 自动装配系统功能流程图 第三章 机械结构设计3.1物料结构设计 物料部分主要的机械结构有：送料气缸，换料气缸，物料仓，料仓换位部件。 （1）送料气缸根据工作需要，选择标准单杆气缸CDJ2B16-60。（2） 换料气缸根据工作需要，选择单杆气缸CDRQ2BS20-180C。（3） 物料仓结构设计，由零件直径D=20mm，料仓孔为20mm，壁厚设计为2mm，具体结构设计如图3.1图3.1 物料仓结构图 （4）料仓换位部件，由两根材料为45号钢的杆，尺寸直径D=8mm的支撑杆，如图3.2；换料部件，长度L=100mm，结构图如图3.3。装配结构如图3.4所示 图3.2支撑杆图3.3 料仓换位结构图3.4 换料部件装配图 各部件件联接用螺栓和螺钉连接，采用标准螺栓和的螺钉连接。联接方式如图3.5、图3.6所示；图3.5 螺栓联接方式图3.6螺钉连接方式3.2机械手结构设计自动装配单元搬运机械手采用真空吸盘式气动机械手，它采用圆柱坐标型的运动形式，气压传动，PLC系统控制。功能原理先进，动作可靠，结构合理，安全经济，满足生产要求；1 主参数：机械手的最大抓重是其规格的主参数。由于机械手抓取的工件规格为小零件，所以抓重无需太大，可设定为100克。2 基本参数：运动速度是机械手主要的基本参数。操作节拍对机械手速度提出了要求,设计速度过低限制了它的使用范围。而影响机械手动作快慢的主要因素是手臂伸缩及回转的速度。该机械手最大移动速度设计为1.2m/s,最大回转速度设计为120/s。除了运动速度以外,手臂设计的基本参数还有伸缩行程和工作半径。大部分机械手设计成相当于人工坐着或站着且略有走动操作的空间。过大的伸缩行程和工作半径,必然带来偏重力矩增大而刚性降低。在这种情况下宜采用自动传送装置为好。根据统计和比较,该机械手手臂的伸缩行程定为75mm,最大工作半径约为180mm。手臂回转行程范围定为90“。手臂升降行程定为100mm。定位精度也是基本参数之一。该机械手的定位精度为0.5 1mm。表3.1机械手基本参数3 机械手的驱动方案：如绪论中所述,气压传动系统的动作迅速,反应灵敏,阻力损失和泄漏较小,成本低廉因此本机械手采用气压传动方式。4 机械手的控制方案：考虑到机械手的通用性,同时使用点位控制,因此我们采用可编程序控制器对机械手进行控制。当机械手的动作流程改变时,只需改变程序即可实现,非常方便快捷。5 定位方式行程开关或可调机械挡块等6 缓冲方式气缓冲机械手的动作循环（工件平放）：真空吸盘吸取工件-大臂上升-大臂回转-手臂延伸-真空吸盘放下工件-手臂收缩-大臂反转-大臂下降。3.2.1 气爪的设计选取和系列支点开闭型摆动气爪。气爪的规格主要依照所要抓取的工件重量和夹取位置的尺寸选取。如图一所示,为所要抓取的工件为正方体,质量为50克,零件外径为20mm。验算夹持力矩,夹持点距离气爪转轴的力臂约为43mm。1 夹紧力的计算手指对工件的夹紧力可按下式计算： （3.1）其中 - 安全系数，通常取1.2 2； - 工作情况系数，主要考虑惯性力的影响，可按,或估算（a为机械手在搬运工件的过程的加速度，g为重力加速度）； - 方位系数 - 被抓取工件的重量（即重力，N）在本机械手中，取,选取,则手部的夹紧力按式（3.1）计算得：所需夹持力矩为：根据以上要求选取MHC2-16D双作用摆动气爪,如图所示,缸径为16mm,它的主要性能参数为：夹持力矩0.39NM,两侧开闭角度30-10，手指动作时间为0.02s，重复定位精度士0.01mm。 图3.7 MHC2-16D双作用摆动气缸3.2.2手臂结构设计 手臂是机械手的主要部分,它是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用带动手指去抓取物件,并按预定要求将其搬运到指定的位置。前面已经叙述了,按照抓取工件的要求,本机械手的手臂有四个自由度,即手臂的伸缩、小臂的升降、立柱的左右回转和升降运动。对手臂结构的要求一是重量尽量轻,以达到动作灵活、运动速度高、节约材料和动力,同时减少运动的冲击二是要有足够的刚度以保证运动精度和定位精度。手臂的结构设计重点是驱动力的计算和偏重力矩的计算。 1.手臂伸缩结构设计手臂的伸缩是直线运动,该模块水平安装立柱上,要求使用的气缸的体积小、重量轻,减小对回转中心的转动惯量,因而选择SMC的CQ2系列薄型气缸,其缸筒与无杆侧端盖压铸成一体,缸体为方形。根据气缸运动过程中的要求,气缸收缩时承受的外力F15N（惯性负载较大）,行程为75mm,伸出或缩回的时间为0.3s。其主要尺寸的确定：（1） 缸径D的确定由作用在活塞杆上的工作载荷和初选的工作压力,利用下述公式可计算出缸径D。当活塞杆输出推力克服载荷做功时 (3.2)式中：-气缸内径（m）； -活塞上的推力（或称工作载荷）（N）； -初选的工作压力（pa），一般为； -总机械效率,当气缸动态性能要求工作频率高时，取；速度低时取大值,速度高时取小值。气缸动态性能要求一般,工作频率较低时,可取。当活塞杆输出拉力克服载荷做功时 （3.3）式中：-活塞杆拉力（N）； -根据拉力预先估定的活塞杆直径。估定活塞杆直径。把代入式（3.3）中，则可得 (3.4)将式（3.2）与（3.4）相比，取最大值，即。（2） 气缸耗气量气缸耗气量与气缸直径D、行程S、缸的动作时间和换向阀到气缸管道的容积有关。忽略气缸管道容积时,则气缸的单位时间压缩空气消耗量按下式计算： (3.5)式中：-每秒钟压缩空气消耗量（）； -气缸无、有活塞杆端进气时压缩空气消耗量(); -缸的内径和活塞杆直径（m）； -气缸活塞杆伸出与缩回时所需时间（s）； -气缸的行程（m）。（3）手臂伸缩气缸设计手臂的伸缩是直线运动,该模块水平安装在立柱上,要求使用的气缸体积小、重量轻,减小对回转中心的转动惯量,因而选择SMC的CQ2系列薄型气缸,其缸筒与无杆侧端盖压铸成一体,缸体为方形,重量轻、薄、安装空间小,安装方便。根据气缸的运动要求,气缸收缩时承受的外力（惯性负载较大），行程为75mm，伸出或缩回时间为0.3s。其主要尺寸确定如下： a. 缸径D的计算取,依据公式（3.4），取，计算，即查资料选取标准缸径，（CQ2系列长行程缸径只有32mm以上的），其活塞缸直径d=14mm，行程。选用SMC标准气缸，型号为CQ2A32-75，如图3-2所示在时，CQ2A32-75气缸水平安装定位，最小负载（3kg）/最大负载（45kg）时气缸行程为400mm的典型定位时间为0.45/0.75s，定位精度0.2mm。 图3.8 CQ2A32-75标准气缸b.耗气量计算水平缸缸径 ，依据公式（3.5）得： C.导向装置需要承受小臂升降机构、手部模块和模拟刀具的全部重力,轴向力较大,采用双导向杆，如图3.9所示图3.9手臂伸缩模块导向装置2. 升降结构设计 立柱是安装在与基座连接的转台之上,用以支撑手臂并带动它升降和移动的机构。对立柱的设计要求是坚固,刚性好。根据换刀机械手立柱升降气缸的运动要求,气缸收缩时承受的外力,行程为100mm,伸出或缩回的时间为0.4s。其主要尺寸的确定如下：（1） 缸径D的计算取,依据公式（3.4），取，计算，即根据资料,选用SMC的CA1系列标准气缸,它的拉杆结构很坚固,能够提供足够的刚性,适合作为手臂的立柱,取标准缸径,（CA1系列只有40mm以上缸径的气缸),其活塞杆直径d=14mm,行程S=100mm。型号为CA2B40-100,如图3-4所示。该气缸的位置感侧方式为磁感式,缓冲方式为气缓冲。活塞速度为,定位精度为。图3.10 CA2B40-100标准气缸（2） 耗气量计算缸径：（3） 偏重力矩的计算偏重力矩就是手臂悬伸部分的全部零件的重量（作用在各自的重心上）对手臂回转中心的静力矩。最大偏重力矩产生于手臂伸缩缸全部伸出,并夹持额定重量的零件时。各零件的重量可按其结构形式、材料比重进行粗略计算。由于零件多数选用对称结构,故重心应位于几何截面的形心上。计算时可把手臂偏重部分分解为几个单元,分别计算,然后汇总。可依据下式计算： （3.6）其中，-立柱支撑的全部零件的重量； -的重心位置距立柱轴线的距离； -工件、手指、手腕、手臂等零部件的顺序号； -各零件重心到立柱轴线的距离。如果求出偏重力矩过大,可重新布置各部件在手臂上的位置,也可加平衡块来改善受力情况。但这样又会增大手臂重量和转动惯量。因此要多方考虑。经计算，得，在手臂伸出时，其偏重力矩为（4） 导向装置如图3-5所示，手臂在的作用下有顺时针方向倾斜趋向,而立柱导向装置可阻止手臂倾斜。导向装置对升降立柱的作用力如图示和凡,根据升降立柱的平衡条件：为摩擦系数，一般为0.1，这里取，否则,立柱导向装置不能阻止手臂倾斜。由以上计算可知机械手偏重力矩较大，采用双导向杆结构,如图3.11所示图3.11 立柱导向装置3. 手臂摆动气缸设计 摆动气缸是利用压缩空气驱动输出轴在一定角度范围内作往复回转运动的气动执行元件,用于物体的转位、夹紧、阀门的开闭以及机械手的手臂动作等。摆动气缸有齿轮齿条式和叶片式两大类。它们的特点如表3.2所示。本机械手臂采用齿轮齿条式摆动气缸。表3.2 摆动气缸的特点对摆动气缸必须进行受力分析,按所受的力矩大小选取摆动气缸。气缸的理论输出力矩为 （3.7）式中：-气缸所受实际力矩，； -负载率，为机械手基座以上其余部分对于Z轴的惯性力矩,经计算,可得：由公式（3-7），计算求得气缸的理论输出力矩为选择双作用薄型齿轮齿条式摆动气缸CRQ2BS40-180C,如图所示，当工作压力在0.5时,输出扭矩为,缓冲方式为气缓冲,允许动能0.40J,摆动角度180,可调角度范围“,摆速可调范围“,最小使用气压0.1,最大使用气压0.99。而且气缸重复定位精度,满足设计要求。图3.12 摆动气缸CRQ2BS40-180C（4） 基座结构设计 基座是机械手的基础部分,机械手执行机构的各部件和驱动系统均安装于基座上,是支撑机械手全部重量的构件。对其结构的要求是刚性好、占地面积小、操作维修方便和造型美观。基座结构从形式上可分为落地式和悬挂式,或分为固定式、可移动式和行走式。无论哪一种形式,机械手工作时基座应给予以固定。根据总体设计中物料机械手的设计要求,本机械手的基座采用落地固定式。 基座的结构与机械手的总体布置有关,对专用机械手而言,传动和控制部分通常是单独布置,故基座比较简单或不设基座。对于通用机械手来讲,传动部分通常布置在机架内部或后下方,控制部分则布置在基座的后上方或单独布置一个控制箱。由于本机械手应用在教学实验平台上,需要具备一定通用性。采用分散布置,将传动和控制部分分开,以免受震动的影响,可延长机械手的使用寿命物料机械手立柱模块需要一个旋转模块,摆动气缸则应固定在基座上。如果水平缸、垂直缸和手部机构直接安装到摆动气缸输出轴上,机构虽然简单,但摆动气缸的轴向受力增大,对气缸的自身要求较高,容易造成摆动气缸的损坏。同时,机械手本身重心偏离立柱轴线对摆动气缸转动轴产生倾覆力矩。所以采用一个连接组件,将机械手立柱以上的重量和倾覆力矩由机架来承担。该连接组件主要由四个部分组成双向推力球轴承、底座、转台和扣罩,如图3.13所示。采用双向推力球轴承可以方便地将轴承内环与转台连接,外环用扣罩固定在底座上。另外,推力轴承要选择公称尺寸相对较大一些的,这样可以更好地承受倾覆力矩。1.底座 2.摆动气缸 3.转台 4.双向推力球轴承 5.扣罩 图3.13 机座结构图3.3装配部分结构设计装配站的结构组成部分为：1.推料气缸、2.落料光电传感器、3.踢料气缸、4.电容传感器、5.塑料料槽、6.传送带、7.三相异步电机、8.气缸支架；1. 气缸：根据工作需要，即选标准单杆气缸型号为CDJ2B16-60、CDRQ2BS20-180C2.塑料料槽：料槽结构设计为了装废料零件，零件为20mm的正方体，需留有一定的余量，料槽口宽度设计大小为24mm的正方形孔，高度设计为70mm。具体结构设计如图3.14所示图3.14塑料料槽3. 气缸支架：为了配合单杆气缸和传感器的安装定位，具体设计的结构如图3.15所示图3.15 气缸支架4. 零件装配连接才用螺栓和螺钉连接，采用标准的螺栓M3和螺钉M2连接，连接方式如图3.16、图3.17所示图3.16 螺栓连接方式图3.17螺钉连接方式第四章 电控部分设计4.1 送料站的电控设计4.1.1送料站的控制部件 1）断路器：50hz,GB10963;230/400V；实现超载保护； 2）直流电源：DR-120-24；将交流电转化为直流电；可以实现下面的一些能：INPUT:100-120VAC,3.3A;200-240VAC,2.0A;50/60HZ; OUPUT:24V,5.0A。 3）可编程控制器：采用三菱FX2N系列的PLC 4)电源模块名称：PS307-2A 负载电源电压 120/230 VAC：24 VDC / 2 A；订货号为6ES 307-1BA00-0AA0； 5)PLC 模块名称：CPU313C-2DP:订货号为6ES7 313-6CF03-0AB0/V2.6；6)数字量输入模块名称：SM321，DI16xDC24V，同时可作为SIPLUS模块，订货号 6AG1 321-1BH02-2AA0；7)数字量输出模块名称：SM322，DO16xDC24V/0.5A，同时可作为SIPLUS模块，订货号 6AG1 322-1BH01-2AA0；8)脉冲过滤器：规格为 PULSE FIL 200V，200W 。9)磁感应接近开关。其工作原理如下：当有磁性物质接近时，磁感应接近开关便动作，并输出动作信号。若将磁性物质放置在气缸的活塞上，在气缸的两极限工作位各安装一个磁感应式接近开关，就可以利用这两个磁感应接近开关感知起缸工作的两个极限位置。当气缸的活塞杆运动至某一端时，该端的磁感应接近开关动作并立即发出电信号。根据该信号判断的气缸运动状态，确定工件是否被推出去或者气缸返回否，并将检测信号传送给PLC控制器。10)光电传感器。用于检测下料仓中是否有料，其工作原理如下：当发光二极管通电发光时，光通过被照射物反射到光敏三极管上，使光敏三极管接通，从而有电流通过，由此检测物体的有无。11)位置检测装置。在本设计中，当机械手执行左旋/右旋，前伸/回缩，上升/下降等动作时，应有相应的位置检测装置检测动作是否到位，常用的位置检测装置是行程开关。行程开关又称限位开关，是一种根据运动部件的行程位置而切换电路的电器，用12)于控制机械设备的行程及限位保护。在实际生产中，将行程开关安装在预先安排的位置，当装于生产机械运动部件上的模块撞击行程开关时，行程开关的触点动作，实现电路的切换。行程开关按其结构可分为直动式、滚轮式、微动式和组合式。 本设计中采用直线接触式行程开关检测机械手动作是否到位，当运动到指定位置时 ，碰到行程开关，终结上一个动作，准备执行下一个动作。13）启动、停止、上电、复位按钮。4.1.2送料站功能及运作流程图 原位启动送料气缸动作摆动气缸动作垂直气缸上升水平气缸伸出气爪夹紧零件摆动气缸摆动水平气缸伸出气爪松开零件换料气缸伸出 结束此站的功能：将方形的金属零件A和零件B成批的分别放入料仓1和料仓2里面，在本站所有气缸都缩回初始原位以及气爪打开的情况下，按下开始按钮，送料气缸将金属零件A推送到设定位置，接着摆动气缸旋转到位，然后垂直气缸伸出并下降到位，水平气缸伸出到位，其下端的气爪闭合将零件抓牢并且垂直气缸上升到位，摆动气缸摆动到装配站，之后通过水平气缸移动到检测装配站。待检测到零件A到达装配位，换料气缸伸出，料仓换位，由料仓2，到送料位。送料站的运动流程图如下图4.1所示。图4.1送料站工作流程图4.1.3 送料站的气动回路图气动回路图的设计与动作分析均采用FESTO公司开发的Fluid_SIM工程设计软件进行气动回路设计与模拟仿真运行。送料站的五个执行元件采用双作用气缸，一个执行元件采用摆动气缸，控制元件均采用 2 位 5 通双电控电磁换向阀来驱动执行元件，回路中五个个双作用气缸均采用排气节流阀来改善气缸运动的平稳性，同时排气节流阀可调节气缸运行速度。气缸的输出力调节通过过滤调压组件（气动二联件）来调节。图4.2所示为送料站的气动回路图图4.2 气动回路图图4.3电气原理图图4.4 状态图 该状态图记录了六个个双作用气缸推料气缸、垂直气缸、气爪、水平气缸、摆动气缸、换料气缸及六个个控制元件2位五通双控电磁换向阀的物理量4.2 检测装配站的控制元件4.2.1检测装配站的控制部件如下 1）断路器：50hz,GB10963;230/400V；实现超载保护； 2）直流电源：DR-120-24；将交流电转化为直流电；可以实现下面的一些能：INPUT:100-120VAC,3.3A;200-240VAC,2.0A;50/60HZ; OUPUT:24V,5.0A。 3)可编程控制器：采用三菱FX2N系列的PLC，结构参见如下： 4）电源模块名称：PS307-2A 负载电源电压 120/230 VAC：24 VDC / 2 A；订货号为6ES 307-1BA00-0AA0； 5）PLC 模块名称：CPU313C-2DP:订货号为6ES7 313-6CF03-0AB0/V2.6；6）数字量输入模块名称：SM321，DI16xDC24V，同时可作为SIPLUS模块，订货号 6AG1 321-1BH02-2AA0；7）数字量输出模块名称：SM322，DO16xDC24V/0.5A，同时可作为SIPLUS模块，订货号6AG1 322-1BH01-2AA0；8）脉冲过滤器：规格为PULSE FIL 200V，200W 。9）磁感应接近开关。 10）光电传感器：分别用于检测下料仓中是否有零件B，零件A是否被搬运到传送带以及传送至定位气爪处，检测装配完成、检测装配件位于传送带末端，传送带前端上是否有零件存在。11）电容传感器：用于检测零件A是否为金属零件。12）三相异步电机：用于传送带的运转。13）启动、停止、上电、复位按钮。 4.2.2 检测装配站功能及运作流程图此站的功能：实现对零件A、B的材质判断及配对装配,使得金属材质的A零件与零件B能够正确装配。当物料检测光电传感器检测到零件A时，运料传送带运送零件A前进。当零件A到达电容传感器感应范围，电容传感器对零件A进行材质判断，若为非金属材质，三相异步电机停止运转，并且踢料气缸将零件A剔除到塑料料槽中；若为金属材质，三相异步电机继续运转。之后光电传感器感应到零件A，传送带停止，推料气爪伸出，将零件A推到安装位上。在运料传送带运动的情况下，零件B送到传送带上，当零件B到达电容传感器感应范围，电容传感器对零件B进行材质判断，若为非金属材质，三相异步电机停止运转，并且踢料气缸将零件B剔除到塑料料槽中；若为金属材质，三相异步电机继续运转。之后光电传感器感应到零件B，传送带停止,推料气缸将零件B推送出并使之与零件A匹配。当装配完工。检测装配站的运动流程图如下图4.2所示。 原位启动 踢料气缸缩回 金属零件A、B 非金属零件A、 传送带运动 传送带运动光电传感器检测 电容传感器检测推料气缸伸出 踢料气缸伸出结束推料气缸缩回 传送带停止运转结束图4.5 装配站工作流程图4.2.3检测装配站的气动回路图及模拟仿真运行检测装配站执行元件包括：2个双作用气缸，一个三相异步电机，都采用2个2位5通的双电控的电磁换向阀来驱动双作用气缸，1个西门子的变频器用来与三相异步电机连接得以调速调频驱动传送带，排气节流阀是用来改善气动回路中的双作用气缸运动的平稳性，同时气缸运行速度通过调节排气节流阀来改变。气缸的输出力调节则通过过滤调压组件（气动二联件）来调节。图4.6 所示为检测装配站的气动回路图。图4.7所示为电气控制回路图。图4.8所示为零件为非金属材质时的状态图。 图4.9所示为零件为金属材质时的状态图。图4.6 气动回路图图4.7电气原理图图4.8 零件为非金属材质时的状态图图4.9 零件为金属材质时的状态图4.3 控制系统硬件设计4.3.1 直流伺服电机选型4.3.1.1 直流伺服电机概述直流伺服电动机是自动控制系统中作为执行原件用的直流电动机，其基本结构及内部电磁关系都和一般工业驱动用的直流电动机相同13。但为了满足控制系统的要求，在结构和性能上做了些改进，具体有如下特点：（1） 采用细长的电枢以便降低转动惯量，其惯量大约是普通直流电动机的1/31/2。（2） 具有优良的换向性能，在大的峰值电流冲击之下仍能确保良好的换向条件，因此，具有大的瞬时电流和瞬时转矩。（3） 机械强度高，能够承受住巨大的加速度造成的冲击力作用。（4） 电刷一般都安放在几何中性面上，以确保正、反转特性对称。直流电动机按励磁方式也可分为永磁式和电磁式两类。电磁式中又有励式和他励式。自励式根据电枢绕组和励磁绕组连接的方式不同又有并励、串励、复励式三种。励磁绕组的连接方式与直流发电机一样14。4.3.1.2 直流伺服电机选型在本设计中，选择空心杯直流伺服电动机。其运行性能的主要特点是：（1）节能特性：能量转换效率很高，其最大效率一般在70%以上，部分产品可达到90%以上（铁芯电动机一般在70%）。（2）控制特性：起动、制动迅速，响应极快，机械时间常数小于28毫秒，部分产品可以达到10毫秒以内（铁芯电动机一般在100毫秒以上）；在推荐运行区域内的高速运转状态下，可以方便地对转速进行灵敏的调节。（3）拖动特性：运行稳定性十分可靠，转速的波动很小，作为微型电动机其转速波动能够容易的控制在2%以内。另外，空心杯电动机的能量密度大幅度提高，与同等功率的铁芯电动机相比，其重量、体积减轻1/3-1/2。鉴于此，本设计选择宁波瑞星电机有限公司的型号为22SYK33的空心杯电机。4.3.1.3 直流电机电机伺服驱动器直流电机电机伺服驱动器SolidMotion SA3610是专为直流有刷伺服电机设计的伺服运动控制器。将运动控制逻辑和功率放大两部分集成一体，提供高至1000W的持续输出功率(集成速度闭环、位置闭环和功率放大)，配合直流电机和光学增量式编码器即可构成高性能的伺服运动单元。SolidMotion系列伺服驱动器具备电流监测，过流保护，过压保护，欠压报警(保护)，过热保护。值得一提的是，SolidMotion系列伺服驱动器还具有过冲保护的功能，如外力强制使得电机停转，而后又突然释放，电机不会直接产生过冲，造成“飞车”假象，而是可根据需要配置成刹车或其他安全的运动状态，这一点对于一些要避免由于过冲造成齿轮箱、机体等部件损坏的场合尤其重要。4.3.2 传感器选型在现代工业生产尤其是自动化生产过程中，要用各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数，使设备工作在正常状态或最佳状态，并使产品达到最好的质量。因此可以说，没有众多的优良的传感器，现代化生产也就失去了基础。在本设计中分别用到了光电传感器和电容传感器。光电传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器。它首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。光电传感器一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成。在送料站的料仓处、检测装配站的料仓以及传送带的前端与末端都有光电传感器，其在4处地方的作用都是检测是否有物料的存在，传感器的信号反馈给PLC，通过判断是否为高电平，是则进行下一步动作，否则等待信号变为高电平后进行下一步的动作。电容传感器是一种将被测物理量如尺寸、压力等的变化转化为电容量变化的传感器。它具有灵敏度高、动态响应快、分辨率高、结构简单、易于实现非接触测量和能在恶劣环境下工作等有点。通常它由电容式敏感元件和转换电路两部分组成。在检测装配站的传送带装有电容传感器，其目的是为了检测零件A的材质，传感器的信号反馈给PLC，通过判断是否为非金属材质来决定是否进行下一步动作。本设计所选择的光电传感器为日本的欧姆龙E3S-5E4 2M，电容传感器则选择梅特朗3351/1151。 4.3.3 电磁阀选型电磁阀是用电磁控制的工业设备，是用来控制流体的自动化基础元件，属于执行器，并不限于液压、气动。用在工业控制系统中调整介质的方向、流量、速度和其他的参数。电磁阀可以配合不同的电路来实现预期的控制，而控制的精度和灵活性都能够保证。电磁阀有很多种，不同的电磁阀在控制系统的不同位置发