(威海)
机电综合课程设计
题目：二维搬运平台及其PLC控制系统设计
院系船舶与海洋工程学院
专业机械设计制造及其自动化
学生
学号
班号
指导教师杨绪剑
日期2017.04
哈尔滨工业大学(威海)
2017年4月
设计任务书
一、课程设计的目的：
通过本次课程设计，综合运用所学的机械和控制相关知识，分析和解决实际工程问题，培养和锻炼学生的动手能力。
二、设计内容：
设计用于生产线搬运码垛的二维平动机械手，其中X 轴由伺服电机或步进电机驱动，Z 轴由气缸（或伺服电机/步进电机）驱动，Z 轴末端装有抓取单元（抓取单元和料仓无需设计），用于抓取工件。
三、设计参数：
1）传送带高度为： 1 m ；
2）工件质量（含抓取单元）： 1.5kg ； 3）X 轴行程： 400mm ； 4）Z 轴行程： 100mm ； 5）工作循环节拍： 4 s ；
四、设计内容包括：
1）机械系统的设计：根据设计参数要求，完成机械系统的原理设计、结构设计和精度设计；
2）气动系统的设计：气缸、气阀的选型，绘制气动原理图；
3）控制系统的设计：伺服/步进电机的选型计算，绘制电气系统原理图；
Z
轴 X
轴
抓取单元
料仓
传送带
4）调试：编制相应的PLC程序并在实验台上完成调试。
五、设计要求：
1）机械三维示意图A4图纸1张，二维总装图和零件图折合A0图纸1张；气动系统原理图A4图纸1张；控制系统原理图A4图纸1张；梯形图程序图1份；
2）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（等待抓取单元稳定），然后上升，上升到位后停留（等待X轴运行到码垛位），然后下行，下行到位后停留（等待抓取单元松开），然后上升，上升到位停留（等待X轴回到初始位置），至此完成一个工作循环，如此反复。
3）设计说明书3000字，包括：各类设计计算，标准件的选型，控制及气动系统的设计过程等。
六、时间安排：
1）清点备品，准备工作：1天；
2）查阅资料：2天；
3）机械系统设计：5天；
4）电气、控制系统设计：5天；
5）说明书撰写：1天；
6）答辩：1天；
目录
1. 总体结构方案设计 (4)
1.1 机构示意图 (4)
1.2 运动方式的详细分析 (5)
1.3 设计方案的说明 (5)
2. 机械系统设计 (5)
2.1气缸的选型 (6)
2.2滚珠丝杠的选型 (6)
2.3 交流伺服电机选型 (8)
2.4其他附件设计 (9)
3. 气动系统的设计 (11)
3.1 气动系统需要的零件 (11)
3.2 气动原理图 (11)
4. 控制系统设计 (11)
4.1 控制系统的设计要求 (11)
4.2 输入和输出端口的分配 (12)
4.3 程序设计 (12)
4.4 电路原理接线图 (14)
5. 总结和心得 (14)
6. 参考文献 (15)
机电综合课程设计
1. 总体结构方案设计
1.1 机构示意图
机构的x轴采用电机驱动和滚珠丝杠传动相结合的方式，z轴采用气缸驱动的方式，加持工装采用电磁铁（加持装置在设计中简化）。整个机构的三维建模如下：
1.2 运动方式的详细分析
控制系统同时控制电机和气缸的运动，所以需要单独将电机运动和气缸运动分解出来，电机控制的行程比较简单，它的运动是来回周期性的运动，关于气缸的运动需要详细地分解出来。整个过程的工作循环为4s，其中气缸的运动分为4个行程，考虑到气缸的行程为100mm，距离较短，可假设每次气缸的行程运动时间为0.4s，电磁铁装夹和松开工件各需要0.2s，则4个工作行程可以分为一下几个阶段：
（1）行程1：通电之后，气缸活塞杆下行，用时0.4s到达指定位置，此时霍尔传感器感应并发出信号，在下位停留0.2s用于抓取零件。
（2）行程2：气缸活塞杆上行，用时0.4s到达上行位置，等待1s电机运转使得机械手沿x轴运动到指定位置。
（3）行程3：气缸活塞杆下行，用时0.4s到达指定位置，此时霍尔传感器感应并发出信号，在下位停留0.2s用于松开零件。
（4）行程4：气缸活塞杆上行，用时0.4s到达上行位置，等待1s电机运转使得机械手沿x轴回到初始位置。
1.3 设计方案的说明
（1）驱动系统：
x轴：交流伺服电机
伺服电机的精度较高，能够反馈运行的速度和角度等参数。
z轴：气缸
气缸的价格低廉，控制简单方便，且安全可靠。
（2）传动原件
x轴：滚珠丝杠
滚珠丝杠的精度较高，传动安全可靠。
（3）气动系统
电磁换向阀控制气缸做伸缩运动
电磁换向阀控制简单，使用方便。
（4）夹持系统（设计中简化）
夹持系统采用电磁铁
（5）控制系统
采用PLC控制
PLC安全可靠，在工业领域应用广泛。
2.机械系统设计
机械系统的设计本着降低成本，保证性能的原则，在尽量不浪费零件性能的条件下，
保证运行过程中不发生过载的情况。
2.1气缸的选型
本次选型参考smc 气缸系列资料，鉴于该装备抓取重物质量较小，所以为了放置方便，便采取了薄型带导杆气缸MGPL 系列。
（1） 缸径的确定
抓取重物质量为1.5Kg,再考虑到抓取单元的质量，根据产品资料可选择缸径为12mm ，使用工作压力0.3MPa 的气缸，这时该缸的承载能力OUT 方向输出为34N ，IN 方向输出为25N ，符合负载条件。 （2） 气缸行程的确定
该气缸的要求有效动作行程为100mm ，考虑到缓冲等其他条件，选择了行程要大于要求行程，这里取125mm （3） 其他附件的确定
导杆轴承选择滑动轴承，磁性开关选择M9P,可直接安置在气缸外部狭缝。 综合上述，选择气缸类型为MGPM12-125-M9P
2.2滚珠丝杠的选型
该装置Z 轴的实现靠的是电机带动滚珠丝杠副，将伺服电机的旋转运动转变为直线运动。滚珠丝杠具有以下优点： 1、传动效率高； 2、定位精度高；（发热率低，温升小，加工预拉伸，消除轴向间隙） 3、传动可逆性 4、使用寿命长； 5、同步性能好；
（1）运动参数的确定
通过三维建模，利用SolidWorks 软件的质量属性计算，可以估算到z 轴部分，装夹部分，工件部分的总质量约为10Kg ，考虑到运动过程中的冲击等原因，安全系数取略大，为1.5。
（1）运动规律简图以及计算
单行程运动时间为1s ，确定运动的加速时间为0.1s ，匀速时间为0.8s ，减速时间为0.1s 。工作行程为400mm 。
由()mm V t t m 40021=⨯+可得444.44mm/s 。 加减速时间为0.1s 。
可得加速度为a=4.44m/(s^2)。
