三维轨道定位装置结构及控制系统设计

1、XX学院 XX UNIVERSITY本科生毕业设计设 计 题 目： 三维轨道定位装置结构及控 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： XX 班 级： 三班 学号 2011011308 指导教师姓名： 职称 教授 职称 工程师 XX学院教务处 二一三年六月制（20 15 届）本科生毕业设计说明书三维轨道定位装置结构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： 班 级： 三班 学号 2011011308 指导教师姓名： 职称 教授 职称 工程师 最终评定成绩 2015年6月 北京科技大学毕业设计 摘

2、 要三维轨道定位装置结构及控制系统设计是一种空间三维移动高精度定位的装置，他在仓储、工地、工厂等作业地都有广泛的应用。本课题主要针对仓储作业地进行设计，我国传统的仓储形式是运用天车来实现的，进行空间三维的移动，但天车实现了空间三维的移动，并不进行精度的要求，位移的检测，而三维轨道定位装置不仅完成了空间三维的移动，而且具有高精度的位置检测，可以实现空间三维高精度任一点的移动，配合上控制系统，实现智能化管理、自动化运输，减少了劳力，提高了操作性。本课题主要从三维轨道定位装置结构的三个方向移动来进行设计，针对三个方向的定位装置进行结构分析、结构布局、电机选择、传动方式、控制系统等进行设计，通过仿真软

3、件仿真校核。关键词：三维轨道，定位装置，电控系统，检测装置ABSTRACTThe structure and control system design of 3D orbit positioning device is a device of spatial 3D moving high precision positioning. He has extensive application in storage, construction, factory and so on.This topic mainly for warehousing homework design, Chinese

4、 traditional form of storage is by using the crane to achieve and space 3D mobile, but crane realized three-dimensional mobile, not accuracy requirements, displacement detection, and 3D orbit positioning device not only completed the three-dimensional space of the mobile, but also has high precision

5、 position detection, mobile 3D high accuracy at any point can be achieved, with control system, to realize the intelligent management and transportation automation, reduce labor, improve the interoperability.This paper mainly from the 3D orbit positioning device structure of three direction to carry

6、 on the design, for three direction positioning device for structure analysis, structure layout, motor selection, transmission, control system design, through the simulation software simulation and verification.Keywords:3 d orbital, positioning device, electric control system，Detection device目 录摘 要I

7、ABSTRACTII第1章 绪论11.1 三维轨道定位装置的简介11.2三维轨道定位装置的发展趋势11.3三维轨道定位装置的研究状况11.3.1三维精密位移系统的结构及工作原理11.4三维轨道定位装置的研究意义21.5课题研究的内容及意义21.6课题设计的主要参数21.7本章小结3第2章 三维轨道定位装置的结构设计及校核42.1 Z方向移动的结构设计42.1.1 方案一42.1.2方案二42.1.3方案对比52.1.4 Z方向行程4m的滚珠丝杠的选型52.1.5伺服电机的选型112.1.6联轴器的设计122.1.7主从动齿轮的设计122.1.8齿轮轴的设计152.1.9 Z方向行程5m的滚珠丝

8、杠的选型152.1.10 Z方向5m伺服电机的选型182.1.11联轴器的选择182.1.12 Z方向5m主从动齿轮的设计182.1.13 Z方向5m齿轮轴的设计202.2 X方向的移动结构设计212.2.1方案一212.2.2方案二212.2.3方案对比222.2.4三相异步电机选择222.2.5主动齿轮的设计222.2.6齿轮轴的设计242.2.7联轴器的选择242.2.8齿条的设计242.3 Y方向的移动结构设计252.3.1方案一252.3.2方案二252.3.3方案对比262.3.4三相异步电机的选择262.3.5主动齿轮的设计262.3.6齿轮轴的设计282.3.7联轴器的选择28

9、2.4本章小结28第3章 PLC电气控制系统设计293.1 电控系统概述293.2 PLC的选型293.3 PLC的I/O端子分配293.4 PLC外部接线303.5 PLC软件设计323.5.1 功能流程323.5.2顺序功能图323.5.3梯形图的设计343.5.4控制面板的设计343.6本章小结35第4章 电控系统的调试及仿真364.1仿真方案364.2仿真调试364.3本章小结39结 论41参考文献42附 录43致 谢52III 长沙学院毕业设计 第1章 绪论1.1 三维轨道定位装置的简介三维轨道定位装置是运用于传统仓库上的自动抓取物料的设备，它将先进控制技术与传统的行车合理的结合起来

10、，运用自动化控制技术控制对应的执行机构运作，让立体化仓存自动化、操作更加简便、高层更为合理，大大降低的存放难度和工人的劳动强度且使用简便，拥有光明的应用前景。1.2三维轨道定位装置的发展趋势目前我国的传统仓储业核心竞争力以实现仓储业功能升级与业务模式转换。这实质上是一项需要长时间转变的革命，在此过程中，国内传统仓储业面临的难题主要是怎样从一个粗放型、扩张型的初级仓储系统过渡到一个实施精细化操作，满足客户需求以及达到反应灵敏，高效，与客户价值进行高度耦合的高级仓储系统。1.3三维轨道定位装置的研究状况传统的仓储是以提高存储效率为核心存储型仓储管理模式，且操作难度高，提高了成本。国内现在用的三维轨

11、道定位机械类似的的结构是桥式起重机，是一种架设在高架轨道上可以移动的桥式起重机中的一类，利用架桥下面的有效空间来运送物料，不受地面障碍物的影响。1.3.1三维精密位移系统的结构及工作原理 图1.1 三维精密装置原理图工作原理：如图1.1，交流伺服电机通过联轴节驱动滚珠丝杠带动执行部件运作，把伺服电机的旋转换成执行部件的直线运动，当某一方向的直线运动到达某一点时，当伺服电机旋转一个角度跟着发出对应数量脉冲，和PLC发出的脉冲相对应，形成闭环，以此来保证他所运动的精度，同时位移的检测也可通过压电陶瓷位位移器先将微位移信号转变成电信号，电信号频率的一个周期等于一个莫尔条纹，及对应光栅移动的一个栅距，

12、这样计算电信号的周期数就可用得到微位移的数据，达到更高精度的定位。1.4三维轨道定位装置的研究意义三维轨道定位装置使仓储自动化，物料搬运更合理，为企业后续发展节约资金，腾出了额外的资本，高精度、快捷的反应速度特点也为企业在生产中缩短了时间，降低了成本、废品率。高效的配运、仓储，加快了企业的运营速度，税收的提高也为社会福利做出了一份贡献。1.5三维轨道定位装置研究的内容及意义研究内容主要集中在这几个方面：三维轨道定位装置的X-Y-Z移动机构设计、定位装置设计、电气控制系统设计，电气系统的仿真。X-Y-Z移动机构的设计：实现X-Y-Z三个方向的移动，同时三个方向的移动互不干涉。定位装置的设计：选用

13、合理的驱动元件，运用合理的定位方式，使X-Y-Z方向的移动精度不大于±1cm，驱动元件的最小承受能力不小于20kg。电控系统设计：运用工业生产中广泛用到的PLC，进行编程控制，抗干扰能力强、通用性和适用性强、系统的设计、安装、调试工作量少的特点，实现对X-Y-Z方向移动的控制。电气系统的仿真：通过GX软件和PLC进行仿真看是否能达到设计要求，直到达到效果，否则继续进行修改。1.6课题设计的主要参数Y方向长度27m，行程19m，匀速行驶16m。X方向长度17m，行程12.5m，匀速行驶9m。Z方向长度13m，行程9m，匀速行驶6m。三方向允许误差1cm。最高速度0.1m/s，最低速度0

14、.01m/s。1.7本章小结通过中国知识网找寻大量相关资料，对本课题进行初步认识，并针对相关结构拟定初步方案。第2章 三维轨道定位装置的结构设计及校核2.1 Z方向移动的结构设计2.1.1 方案一运用车床的传动方式，来设计Z方向的运动方式，伺服电机通过联轴器带动滚珠丝杠转动，经滚珠螺母固定与螺母座，在与工作台连接，将电机的旋转运动变为工作台的上下运动，创建丝杆长度10m的移动结构，如图2.1所示。图2.1 Z方向的运动方式图2.1.2方案二运用车床的传动方式，来设计Z方向的运动方式，伺服电机驱动联轴器带动滚珠丝杠转动，通过滚珠螺母与螺母座连接，在与工作台连接，将电机的旋转运动变为工作台的上下运

15、动，在设计过程中，Z方向总高度13m，移动距离得有9m，因此把Z方向移动分成2次移动，第一次最大行程4m，第二次最大行程5m。如图2.2所示。图2.2 Z方向的运动方式图2.1.3方案对比方案一中，丝杆长度太长，精度配置要求更高，且运行时误差增长变化大，成本也高，在运动时。留出的垂直空间小，导致可行性低。方案二中，将Z方向的移动分解成2段，缩短了丝杆长度，同时运行时误差增长相对小，且留出的空间大，可行性高。经过对比，方案二明显比方案一更具有可行性，选用方案二。2.1.4 Z方向行程4m的滚珠丝杠的选型（1）使用条件载荷 工作台选用材料40CR，密度0.782cm³，长度260mm,宽

16、度260mm，厚度40mm。吊钩选用材料40CR，密度0.872cm³，长度230mm，圆度24mm。工件重量m3=30Kg。工作台重量： （2.1） （2.2）铁钩重量由公式2.1、2.2： 载荷： 工作行程运行速度精度（2）精度等级的选定精度等级从地方不同等级精度划分不同，按国家标准GBT 17587.3-1998，滚珠丝杠副的精度等级分为7个等级，1、2、3、4、5、7、10等7个等级，分别与代号P1、P2、P3、P4、P5、P7、P10对应。不同国家等级精度代号不同。精度等级选定方法根据滚珠丝杠的场合所需精度要求按照长度，有日本THK公司滚珠丝杆机构精度等级-导成误差表计算导

17、成累积误差，选择轧制滚珠丝杆或磨制滚珠丝杠，选用最实用的精度。有公式得： （2.3）：滚珠丝杠误差；L：滚珠丝杠工作行程；：换算每300mm后的误差。数据带入公式得：因此选用轧制滚珠丝杠、精度等级C8，导成误差±0.1mm/300mm。因为工作行程为4000mm，误差为±10mm，换算为每300mm所需要的误差：（3）导程计算与选定导成方向采用滚珠丝杆标准导成方向，选用右旋。导程的计算与选定方法根据导成定义有公式： （2.4）Nm：电机转速r/min；Vma×：最大移动速度m/s；PB：滚珠丝杆导成mm；i：传动比。由数据：所以得：因此选用丝杆导成2.4mm的丝杆

18、。（4）滚珠丝杆支撑方式选定由Vmax=100mm/s，工作行程为4000mm，精度较高。所以选一端固定、一端支撑的方式。（5）丝杆外径选定与校核初选丝杆外径选用丝杆PB=12mm丝杆外径为40mm。计算最大轴向载荷根据力学原理，可知各种工况下的轴向载荷为：加速前进： （2.5）等速前进： （2.6）减速前进： （2.7）加速返回： （2.8）等速返回： （2.9）减速返回： （2.10）F1-F6：各运动状态下的轴向载荷，N；m：工作总质量，kg；a：滑块运动的加速度，m/s2；u：直线导轮副的摩擦系数；f：导轮无载荷时的运行阻力。最大载荷：u取0.02,加速行程0.5m，最大速度0.1m。

19、由公式 （2.11）那么a=0.01m/s 所以轴向允许载荷计算及校核由公式： （2.12） P1：最大轴向载荷，N；E：杨氏弹性模量（E=2.06×105N/mm4）L：丝杆安装间距，mm；dr：丝杆沟槽最小直径，mm；J：丝杆断面与转动惯量参数，J=/64×dr4，mm；n1、n2：安装方式的有关参数，见表2.1。 表2.1 丝杆安装方式系数n1、n2丝杆安装方式n1n2丝杆安装方式n1n2固定-固定420支撑-支撑15固定-支撑210固定-自由0.251.2因安装方式一端固定、一端支撑：得：丝杆安装间距：丝杆沟槽直径：所以：FP1合格。（6）丝杆在不发生屈服现象时最大

20、允许轴向载荷计算由公式： （2.13）P2：最大轴向允许载荷，N；dr：丝杆沟槽最小直径，mm；：丝杆材料允许拉伸压缩应力（=147N/mm2）。所以：FP2合格。（7）丝杆允许转速计算机校核丝杆临界转速由公式： （2.14） n1：临界转速，r/min；E：杨氏弹性模量（E=2.06×105N/mm2）；L：丝杆安装间距，mm；J：丝杆断面和转动惯量相关参数，J=dr4/64，mm4；dr：丝杆沟槽最小直径，mm；P：丝杆材料密度（7.8×10-6Kg/mm3）；A：丝杆沟槽最小直径截面面积，A=dr4，mm；f、：见表2.2。表2.2 不同固定方式下f、的值丝杆安装方式

21、f丝杆安装方式f固定-固定21.94.73支撑-支撑9.7固定-支撑15.13.927固定-自由3.41.875 丝杆最高转速：丝杆最高转速： （2.15） NmaxN1 合格。（8）寿命计算及校核有公式： （2.16） （2.17）Lr：总转速表示的额定疲劳强度，r；Lh：运行时间表示的疲劳寿命，h；Ca：螺母额定动载荷，N；Fa ：轴向载荷，N；N：丝杆转速，r/min；Pb：丝杆导成，mm；n：工作台每分钟来回次数，次/min；ls ：工作台行程，mm；fw：负荷系数，见表2.3。表2.3 负荷系数fw振动、冲击运行速度fw振动、冲击运行速度fw微小微速（v0.25）1-1.2中等中等（

22、1v2）1.5-2低速（0.25v1）1.2-1.5大高速（v2）2-3.5因此fw取1.2。（9）刚度计算及验证由公式： (2.18)E：杨氏弹性模量（E=2.06×105N/mm2)；A：丝杆沟槽最小直径所在截面面积，A=dr2/4；L：丝杆安装间距，mm；Dr：丝杆沟槽最小直径，mm。所以：型号FFZZD33210-3丝杆刚度Kc=772N/mmKcKs 合格。2.1.5伺服电机的选型转速的计算电机转速必须大于负载最高转速，有公式： (2.19)所以电机扭矩要求伺服电机最大输出扭矩必须大于4.73N.m；电机转动惯量的要求伺服电机最大转子转动惯量大于3.39×10-4

23、Kg.m2。查看130系列伺服电机选择EDSMT-2T130-150B,额定功率3.8KW，额定转速2500r/min,额定力矩15N.m,转子惯量0.88×10-3Kg.m2,（带制动器）。2.1.6联轴器的设计由公式： （2.20）得：由机械设计表（14-1）查的KA的=1.3，故转矩为选用GB/T 5843-2003 中选择型号GY6，许用转矩900N.m的凸缘联轴器。2.1.7主从动齿轮的设计(1)主齿轮参数选择模数M=2.5，齿数Z=14,螺旋角=0°。(2)主齿轮几何尺寸的确定齿顶高（mm）由公式： （2.21）齿根高（mm）由公式： （2.22）齿顶圆直径（m

24、m）由公式： （2.23）齿根圆直径（mm）由公式： （2.24）分度圆直径（mm）由公式： （2.25）(3)主从齿轮齿面接触疲劳强度计算接触疲劳强度应力计算由机械原理图（10.25d）得：由公式： （2.26）得： 由机械原理（图10-23）查的KHN1=0.9、KHN2=0.95。由公式： (2.27)得：取=520MPa。实际载荷系数确定由公式： (2.28)：载荷系数；：使用系数；：动载系数；：齿间载荷分配系数；：齿向载荷分布系数；由机械原理上表10-2、10-3、10-4，图10-8得。(4)主从动轮齿面接触疲劳强度校核由公式： （2.29）由公式： （2.30）所以有：那么：Pa

25、合格。（5）从动轮的几何尺寸传动比为4，因此从动轮模数m=2.5，齿数z=56，压力角=20°。螺旋角=0°。齿顶圆直径（mm）:齿根圆直径（mm）:分度圆直径（mm）:2.1.8齿轮轴的设计因基园直径db很小，齿轮采用20MnCr5材料并渗碳淬火。得：=1100MPa=850Mpa=525MPa=300MPa由公式： (2.31)弯曲疲劳强度校核由公式： (2.32)那么：由公式： (2.33)那么：因此选择齿轮轴直径D=50mm。2.1.9 Z方向行程5m的滚珠丝杠的选型（1）使用条件载荷 工作台选用材料40CR，密度0.782cm³，长度260mm,宽度26

26、0mm，厚度40mm。吊钩选用材料40CR，密度0.872cm³，长度230mm，圆度24mm。工件重量M3=30Kg。机座选用材料40CR密度0.782cm³，长度5000mm,宽度250mm，厚度60mm。工作台重量由公式2.1、2.2得：铁钩重量由公式2.2、2.2得： 机座重量：载荷： 工作行程运行速度精度（2）精度等级的选定由表2.1、公式2.3得：因为。因此选用轧制滚珠丝杠、精度等级C8，导成误差±0.1mm/300mm。（3）导程计算与选定导成方向选用右旋，由公式（2.4）得：因此选用丝杆导成2mm的丝杆。（4）滚珠丝杆支撑方式选定由Vmax=100

27、mm/s，工作行程为5000mm，精度较高。所以选一端固定、一端支撑。（5）丝杆外径选定与校核初选丝杆外径由日本TNT轧制滚珠丝杆外径与导成标准组合表中。选用丝杆PB=12mm丝杆外径为40mm。计算最大轴向载荷由公式（2.5）已知由公式（2.11）得所以（6）轴向允许载荷计算及校核由公式（2.12）、表2.2得：FP1合格。丝杆在不发生屈服现象时最大允许轴向载荷计算由公式（2.13）得：FP2合格。（7）丝杆允许转速计算机校核丝杆临界转速由公式（2.14）、表2.3得：丝杆临界转速：丝杆最高转速由公式（2.15）得： NmaxN1 合格。（8）寿命计算及校核由公式（2.16）、（2.17）、

28、表2.4得：（9）刚度计算及验证由公式（2.18）得：型号FFZZD33210-3丝杆刚度Kc=772N/mmKcKs 合格。2.1.10 Z方向5m伺服电机的选型转速的计算由公式（2.19）得：电机扭矩要求伺服电机最大输出扭矩一定大于5N.m。电机转动惯量的要求伺服电机最大转子转动惯量大于1×10-3Kg.m2。查看130系列伺服电机选择EDSMT-2T130-150B,额定功率3.8KW，额定转速2500r/min,额定力矩15N.m,转子惯量0.88×10-3Kg.m2,（带制动器）。2.1.11联轴器选择由公式（2.20）得所以选择凸轮联轴器（GB/T 5843-2

29、003)中的GYS2型联轴器，额定转矩63N.m。2.1.12 Z方向5m主从动齿轮的设计(1)主齿轮参数选择模数m=2.5，齿数Z=11,螺旋角=0°。(2)主齿轮几何尺寸的确定齿顶高（mm）由公式(2.21)：齿根高（mm）由公式(2.22)：齿顶圆直径（mm）由公式(2.23)：齿根圆直径（mm）由公式(2.24)：分度圆直径（mm）由公式(2.25)：（3)主从齿轮齿面接触疲劳强度计算接触疲劳强度需用应力计算由机械原理图（10.25d）得：由公式(2.26)：得： 由机械原理（图10.23）查的KHN1=0.9、KHN2=0.95。由公式（2.27）：得：取=320MPa。实

30、际载荷系数的确定由公式公式（2.28）：由机械原理上表10.2、10.3、10.4，图10.8得。(4)主从动轮齿面接触疲劳强度的校核由公式（2.29）：由公式（2.30）：所以因此=60.64MPa合格。（5）从动轮的几何尺寸传动比为5，因此从动轮模数m=2.5，齿数z=56，压力角=20°。螺旋角=0°。齿顶圆直径(mm):齿根圆直径(mm):分度圆直径(mm):2.1.13 Z方向5m齿轮轴的设计因基园直径db很小，齿轮采用20MnCr5材料并渗碳淬火。查表得：由公式： (2.31)弯曲疲劳强度校核由公式： （2.32）那么 （2.33）那么因此选择齿轮轴直径D=50

31、mm。2.2 X方向的移动结构设计2.2.1方案一用伺服电机带动丝杆转动，通过滚珠螺母、滚珠螺母座将旋转运动改为工作台横向运动。如图2.3：图2.3 将旋转改为横向位移的结构2.2.2方案二用三相异步电机通过齿轮与齿轮、齿轮与齿条传动将旋转运动变为车轮的滚动。如图2-4： 1-螺栓 2-轴 3-螺钉 4-轴承盖 5-密封圈6-轴承 7-车轮 8-工字钢 9-齿条10-异步电机 11-齿轮 12-联轴器图2.4 车轮滚动横移方式2.2.3方案对比方案一结构简单，且能满足精度要求，方案二结构较复杂，因齿轮啮合精度会随磨损变化，精度不好控制，但方案一丝杆长度没有13米的，得弄成2断，中间用联轴器连接

32、，控制不好控制，因此结合实际，还是方案二可行。选用方案二。2.2.4三相异步电机选择选用型号YZR132M1-6的三相异步电机，YZR系列，机座中心高132mm，中机座，级数等级6，转速1000r/min。2.2.5主动齿轮的设计（1）主齿轮参数选择模数m=2.5，齿数Z=56,螺旋角=0°。（2）主齿轮几何尺寸的确定齿顶高（mm）由公式(2.19)：齿根高（mm）由公式(2.20)：齿顶圆直径（mm）由公式(2.21)：齿根圆直径（mm）由公式(2.22)：分度圆直径（mm）由公式(2.23)：（3）主齿轮齿面接触疲劳强度计算接触疲劳强度需用应力计算由机械原理图（10.25d）得：

33、由公式(2.26)：得： 由机械原理（图10.23）查的KHN1=0.9。由公式（2.27）：得：（4）实际载荷系数的确定由公式公式（2.28）：由机械原理上表10.2、10.3、10.4，图10.8得：（5）主从动轮齿面接触疲劳强度的校核由公式（2.29）：由公式（2.30）：所以：因此：=80MPa合格。2.2.6齿轮轴的设计因基园直径db很小，齿轮选用20MnCr5材料并渗碳淬火。查表得：由公式2.31得：弯曲疲劳强度校核由公式2.32得：由公式2.33得：因此选择齿轮轴直径D=50mm。2.2.7联轴器的选择由公式（2.20）得：所以选用凸轮联轴器（GB/T 5843-2003)中的G

34、YS2型联轴器，额定转矩63N.m。2.2.8齿条的设计因为跟齿轮啮合，所以模数m=2.5，传动比L=1。主要尺寸如下：断面压力角：法面齿距：齿顶高（mm）由公式(2.21)：齿根高（mm）由公式(2.22)：齿顶高系数：法面顶隙系数：2.3 Y方向的移动结构设计2.3.1方案一用伺服电机带动丝杆转动，将旋转运动变为横向运动，同过滚珠螺母与螺母座、工作台三者之间的连接实现,如图2.5。 图2.5 伺服电机驱动Y方向丝杆传动方案2.3.2方案二用三相异步电机驱动，通过减速箱减速,经联轴器带动车轮轴转动使车轮转动。如图2.6。1-连接板 2-联轴器 3-键 4-工字钢 5-轴承盖6-螺钉 7-轴承

35、 8-密封圈 9-轴 10-车轮11-螺栓 12-减速器 13-异步电机图2.6 ZER驱动Y方向传动方案2.3.3方案对比与X方向传动优缺点一样，选用方案二。2.3.4三相异步电机选择选型号YZR132M1-6的三相异步电机，YZR系列，机座中心高132mm，中机座，级数6。2.3.5主动齿轮的设计（1）主齿轮参数选择模数m=2.5，齿数Z=56,螺旋角=0°。（2）主齿轮几何尺寸的确定齿顶高（mm）由公式(2.19)：齿根高（mm）由公式(2.20)：齿顶圆直径（mm）由公式(2.21)：齿根圆直径（mm）由公式(2.22)：分度圆直径（mm）由公式(2.23)：(3)主齿轮齿面

36、接触疲劳强度计算接触疲劳强度需用应力计算由机械原理图（10.25d）得：由公式(2.26)：得： 由机械原理（图10.23）查的KHN1=0.9。由公式（2.27）：得：（4）实际载荷系数的确定由公式（2.28）：由机械原理上表10.2、10.3、10.4，图10.8得。（5）主动轮齿面接触疲劳强度校核由公式（2.29）：由公式（2.30）：所以因此：=80MPa合格。2.3.6齿轮轴的设计与X方向选择方式一样，选择齿轮轴直径D=36mm。2.3.7联轴器的选择由公式（2.20）得所以选择凸轮联轴器（GB/T 5843-2003)中的GY2型联轴器，额定转矩63N.m。2.4本章小结本章对三维

37、轨道定位装置进行了三个方向的分解设计，逐一对每个方向进行方案对比，选取方案，在进行结构设计，校核。设计合理三方向的结构图。第3章 PLC电气控制系统设计3.1 电控系统概述设计要求物料可以移动到X方向任意位置，精度为10mm。设定PLC输入一个指令脉冲，工作台位移1mm，因为精度10mm，要到达任意位置，因此设定4个按键，分别控制1mm、10mm、100mm、1000mm的位移量，达到精度1mm的位移即可。3.2 PLC的选型控制方式共需要24个输入端口，8个输出端口，因此选用64位PLC，如图3.1。图3.1 FX2N-64MR外形图3.3 PLC的I/O口分配点控按钮16个，位置开关8个。

38、理清所需控制功能，将每部功能对应成代号，一个代号对应一个功能，接入一个输入口，根据功能需要控制输出接口的导通，再根据这样来控制电机的正反转，通过这样的功能控制来控制物料的三维移动，用电控的方式来控制他的所需精度。I/O分配见表3.1。表3.1 I/O分配表输 入输 出代号功能输入口代号功能输出口SB1左位移1mmX01YAZ1正传Y0SB2左位移10mmX12YAZ1反转Y1SB3左位移100mmX23YAz2正传Y2SB4左位移1mX34YAz2反转Y3SB5右位移1mmX45YAx正传Y4SB6右位移10mmX56YAx反转Y5SB7右位移100mmX67YAy正转Y6SB8右位移1mX7

39、8YAy反转Y7SB9停止X10SQ1z1行程左极限X11SQ2z1行程右极限X12SQ3z1初始位置X13SQ4z2行程左极限X14SQ5z2行程右极限X15SQ6z2初始位置X16SQ7x行程左极限X17SQ8x行程右极限X20SQ9x初始位置X21SQ10y行程左极限X22SQ11y行程右极限X23SQ12y初始位置X24SB10z1行程复位X25SB11z2行程复位X26SB12x行程复位X27SB13y行程复位X30SB14z位置控制输入X31SB15x位置控制输入X32SB16y位置控制输入X33SB17z1位置控制输入X34SB18z2位置控制输入X353.4 PLC外部接线PL

40、C的I/O口接线如图3.2所示。通过控制输入按键控制输出的五个电机正反转所转角度，来控制他的位移量，本设计主要控制1mm，10mm，100,1000mm四个位移量，按对应的键控制对应的位移量。图3.2 PLC外部接线图3.5 PLC软件设计3.5.1 功能流程三维轨道定位装置程序流程图如图3.3：图3.3 程序流程图3.5.2顺序功能图PLC通电后，用继电器M8002初始化系统。通过按不同的键进行不同的操作，如图3.4、图3.5、图3.6所示：通过按键对应进行下一状态的STL程序来完成控制，写好顺序功能图后，根据它来编写程序就更简便了，在功能图里必须实现所由控制要求，不然会让控制出错。 图3.

41、4 Z方向控制的顺序功能图图3.5 X方向控制的顺序功能图图3.6 Y方向控制的顺序功能图3.5.3梯形图的设计根据流程图与功能图写出梯形图，见附录。3.5.4控制面板的设计根据I/O端口分配，需要按键的数量，画出控制面板图，如图3.7。图3.7 控制面板图3.6本章小结本章主要完成电控系统设计，用PLC进行控制，将I/O口分配，根据流程图、功能图写出程序，接线图。第4章 电控系统的调试及仿真4.1仿真方案用GX软件编写程序，并进行仿真。4.2仿真调试动作预期如下表4.1。表4.1 输入输出效果图输入输出预期效果仿真图X31、X34、X0Y0Z1正转图4.1X31、X34、X4Y1Z1反转图4

42、.2X31、X35、X0Y2Z2正转图4.3X31、X35、X4Y3Z2反转图4.4X32、X0Y4X正转图4.5X32、X4Y5X反转图4.6X33、X0Y6Y正转图4.7X33、X4Y7Y反转图4.8X31、X25Y0Z1正转图4.9X31、X26Y1Z2正转图4.10X32、X27Y4X正转图4.11X33、X30Y6Y正转图4.12仿真结果如图：图4.1 Z1正转的时序图与按键图图4.2 Z2反转按键图与时序图图4.3 Z2正转按键图与时序图图4.4 Z2反转按键图与时序图图4.5 X正转按键图与时序图图4.6 X反转按键图与时序图图4.7 Y正转按键图与时序图图4.8 Y反转按键图与

43、时序图图4.9 Z1复位图4.10 Z2复位图4.11 X复位图4.12 Y复位仿真结果跟预计的一样，因此程序正确，可以运用。4.3本章小结通过GX软件将程序编入，通过GX里的调试仿真功能进行调试仿真并修改，直到无误为此，画出输入、输出预计结果表，与仿真进行对比，看是否一样，并修改到一样。仿真完成，与预计一样，说明本系统可用。结 论三维轨道定位装置主要从三个方向的移动与定位精度来设计，通过PLC脉冲输入来控制三个方向的位移，在仓储的应用上，提高了效率、精度的同时也降低了劳动力，增强了可操作性。Z方向的移动结构设计，分为了2段来完成，第一段位移5000mm，第二段位移4000mm，来完成X方向最大行程9000mm，在设计中经多方比较，最终采用了伺服电机驱动滚珠丝杆的方式来进行位置定位移动。X方向的移动机构设计，考虑功率、转速、经济等因素，最终选择了由三相异步电机带动齿轮啮合的方式，来驱动车轮达到位移效果，对啮合精度的高质量要求，来保证精度要求。Y方向的移动结构设计，考虑移动平稳性，因此选用2个电机同时驱动，与X方向一样，选择三相异步电机驱动。电气控制系统的设计，通过PLC的控