计算机控制系统课程设计

1、序号（学号）：课程设计说明书课程名称机电系统设计教学院机电工程学院专 业机械电子工程班 级姓 名指导教师鄢圣华 李涛 2015年12月21日 摘 要 机械化、自动化已成在现代工业中突出的主题。化工等连续性生产过程的自动化已基本得到解决。但在机械工业中，加工、装配等生产是不连续的，机器人的出现并得到应用，为这些作业的机械化奠定了良好的基础。机械手，多数是指程序可变（编）的独立的自动抓取、搬运工件、操作工具的装置（国内称作工业机械手或通用机械手）。 机械手是一种具有人体上肢的部分功能，工作程序固定的自动化装置。机械手具有结构简单、成本低廉、维修容易的优势，但功能较少，适应性较差。目前我国常把具有上

2、述特点的机械手称为专用机械手，而把工业机械手称为通用机械手。机械手是在机械化，自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。机械手技术涉及到电子、机械学、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。随着工业自动化发展的需要，机械手在工业应用中越来越重要。文章主要叙述了机械手PLC控制的二工序蛋托生产线的设计过程。由于在实际生产中由人工在冲床操作过程十分危险，且效率低下。本文将解决此问题，借用机械手来代替人工实现自动化生产，并对机械手的设计理论与方法进行了详细的阐述。本设计以三菱FX2N-64MR-001PLC为控制核心，以86BYGH450A-06直流电机为驱动，使用M54

3、25.0驱动器驱动步进电机，从而达到机械手实现作业，完成设计需求。关键字：机械手 PLC 步进电机 程序控制 目 录第一章 概述11.1 设计目的11.2 设计内容21.3 任务安排2第二章 课程设计的总体方案32.1 总体方案32.2 工作顺序42.3 硬件接线图4第三章 机械设计53.1 机械手外形设计53.2 气缸的选择63.3 气吸盘73.4 电机的选择8第四章 电气控制104.1 PLC系统104.1.1 PLC控制的优势104.1.2 PLC的选型114.2 中间控制单元124.2.1 继电器124.2.2电磁阀124.2.3 限位开关124.2.4 驱动器124.3 电气接线13

4、4.3.1 I/O点分配134.3.2 接线图14第五章 程序设计155.1 机械手控制原理155.2 运行流程图165.3 运行梯形图18小 结20参考文献21 第一章 概述 机械化、自动化已成在现代工业中突出的主题。化工等连续性生产过程的自动化已基本得到解决。但在机械工业中，加工、装配等生产是不连续的，机器人的出现并得到应用，为这些作业的机械化奠定了良好的基础。  机械手，多数是指程序可变（编）的独立的自动抓取、搬运工件、操作工具的装置（国内称作工业机械手或通用机械手）。 机械手是一种具有人体上肢的部分功能，工作程序固定的自动化装置。机械手具有结构简单、成本低廉、维修容

5、易的优势，但功能较少，适应性较差。目前我国常把具有上述特点的机械手称为专用机械手，而把工业机械手称为通用机械手。1.1 设计目的机电系统设计是机械电子工程专业的学生在完成机电系统设计等专业课程的学习之后，进行综合性设计训练的实践性教学环节。目的是在老师的指导下，使学生通过课程设计，对所学课程理论知识进行一次系统的回顾检查、复习和提高，并运用所学理论，通过调研，设计一个机电控制方面的系统，受到从理论到实践应用的综合训练，培养学生独立运用所学理论解决具体问题的能力。具体为以下几个方面：1. 能够正确运用机电系统设计等课程的基本理论和相关知识，掌握机电系统（产品）的功能构成、特点和设计思想、设计方法

6、，了解设计方案的拟定、比较、分析和计算，培养学生分析问题和解决问题的能力，使学生具有机电系统设计的初步能力。2. 通过机械部分设计，掌握机电系统典型机械零部件和执行元件的设计计算、选型和结构设计方法和步骤。3. 通过控制系统方案设计，掌握机电系统控制系统的硬件组成、工作原理，和软件编程思想。4. 通过检索查阅运用有关手册、标准及参考资料，培养起学生检索查阅资料、使用资料的方法和能力。5. 通过回顾查阅课程理论知识、运用所学的基础课,专业技术课和专业课知识，培养学生根据实际问题正确设计总体方案, 分析具体问题、进行工程设计的能力。21.2 设计内容 该生产线实现蛋托的冲压成型工艺。蛋托坯料由人工

7、置入第一道工序冲床后，由生产线自动完成后面的冲压、抓取、向第二道工序冲床送料、第二道工序冲压、取料的各动作。设计需完成抓取、送料机构的相关机械结构设计、控制系统硬件电路设计、控制系统控制程序设计。学习基本控制电路和电气控制线路原理图的设计和绘制，正确选择常用低压电器并完成电器元件明细表，通过独立的完成综合实验说明书提高分析问题和解决问题的能力。1.3 任务安排姓名 工作任务范宁杰程序的设计顾景阳画图及总体方案的设计夏安思机械结构的设计程石查阅资料，整理文档1. 熟悉任务，查阅资料； 1天2. 确定方案； 2天3. 详细设计（机械部分选型及计算、控制部分硬件原理图及软件流程；5天4. 整理设计说

8、明书，答辩。 2天 第二章 课程设计的总体方案2.1 总体方案 圆柱坐标式机械手能满足手臂伸缩、手臂上下、手臂回转动等动作。可以将手臂回转动作改换成机械手的整体转动就可以满足本设计中机械手的动作要求。这样的修改并没有改变机械手的总体结构，只是进行了局部变动，使得整个系统经济、实惠，同时使生产线更加紧凑，节约了生产空间与生产成本。 我们设计的大体思路是采用电力驱动和气压驱动相结合的方法，通过气吸盘实现机械手吸取、放下蛋托，并且采用了两个呈90度角的机械手臂相联动，从而提高生产效率。其中步进电动机驱动底座旋转，采用两个电磁换向阀过得电失电来实现换向分贝控制气缸的伸缩，两个电磁换向阀来控制气吸盘的吸

9、放，光电开关来感知冲床位姿，核心控制采用PLC控制。结构如图所示： 图 1.1 机械手立体图2.2 工作顺序机械手起始位置应置于两冲床间45度位置，冲床开启，成型冲床冲下得到整块蛋托，同时另一冲床将大块蛋托裁剪，当冲床回升到一位置时，挡住光电开关，此时继电器控制冲床断电，同时机械手逆时针转动45度至冲床，气缸下降，直至下限位开关，然后气息盘吸附蛋托，气缸回缩，直至上限位开关，在底座旋转90度，在然后气缸下降至下限位开关，吸盘放下托盘，气缸回缩至上限位开关，底座逆时针旋转至初始位置，随后重复前面操作，实现蛋托生产的自动化。在PLC的控制下，执行机构可实现手动、自动等多种工作方式。手动：利用按钮对

10、机械手每一动作手动进行控制，可实现上升、下降、前伸、缩回、正转、反转、吸物、放物等操作；自动：按下循环按钮后机械手从原点位置开始连续不断的执行分拣物料的各步。 2.3 硬件接线图 本设计控制选用plc控制，因为在工业中plc控制PLC是经过几十年实际应用中检验过的控制器，其抗干扰能力强，故障率低，易于设备的扩展，便于维护，开发周期短。电磁阀分别控制气缸与气吸盘，步进电机采用驱动器控制，各类传感器来分别感知气缸伸缩、气吸盘的吸放。其接线图如下： 图 2.2 硬件接线图 第三章 机械设计3.1 机械手外形设计1.水平手臂的设计 本次旋转机械手安装在立柱顶部，长度约为400mm，采用铝合金

11、材质，每米质量为1.15Kg ,加上手臂上气缸和吸附手抓的质量约为4.5Kg。如下图：2立柱结构的设计 立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回转运动和升降(或俯仰)运动均与立柱有密切的联系。机械手的立往通常为固定 不动的，但机械手的立柱因工作需要，有时也可作横向移动，即称为可移式立柱。 根据步进电机的直径选择立柱的直径，所以立柱采用截面积mm,高500mm，壁厚为10mm，材料为Q235A的圆管重量约为2.3Kg。经粗略计算，手臂、手爪、气缸及其他连接件的重量为5.5kg。由于本机械手的工作载荷较小，所以所有的连接方式都采用螺栓连接，根据气缸和回转机构的结构，采用在

12、立柱上部焊接接口板的形式，然后在接口板上根据设计尺寸钻孔，最后用螺栓固定。由于此次机械手承受载荷较小，经粗略估算所选材料能满足强度要求。 图3.1 立柱和手臂连接图3.底座的设计 底座是机械手的基础部分，起到支撑和连接的作用，底座是直径为40CM的圆柱，高17CM，步进电机控制立柱的回转。如图所示： 图3.2 底座3.2 气缸的选择伸缩手臂为机械手执行水平伸缩运动的机构，它是连接机械手末端执行器和竖直升降手臂的部件，它的基本作用是完成末端执行器的伸出和缩回运动。由于伸缩手臂主要承受末端执行器和夹持物件的重力，在完全伸出时将承受较大弯矩，对伸缩手臂的设计应该保证手臂的正确方向及承受由于工件的重量

13、所产生的弯曲和扭转力矩。 伸缩手臂在进行运动时，为防止手臂沿伸缩方向轴线转动、加大承载能力，以及提高运动精度，必须设有导向装置。伸缩手臂的导向装置需根据伸缩手臂的安装形式、结构及负荷等条件来确定。常用的有单导向杆和双导向杆。 为使设计的标准化和简便化，该气缸体积小、轻巧，耐横向负载能力强，耐扭矩能力强，不回转精度高，导向杆的轴承可选择滑动轴承或球轴承，安装方便，二面接管位置可供选择。 根据本机械手的设计技术参数，伸缩手臂的行程为100mm，气爪抓重约为0.3Kg，加上末端执行器（气爪）和连接板的重量，总质量约为1Kg，由此，伸缩手臂的最大横向负载F=mg=1³9.8=9.8N，缸径为

14、50mm。选用SC50100 图 3.3 气缸外形图 图 3.4 气缸尺寸图3.3 气吸盘 气吸式手部又称为真空吸盘式手部，它是通过吸盘内产生真空或负压，利用压差而将工件吸附，是工业机械手常用的一种吸持工件的装置。它由吸盘、吸盘架及进排气系统组成，具有结构简单、质量轻、不易损伤工件、使用方便可靠等优点；但要求工件上与吸盘接触的部位光滑平整、清洁、被吸附工件材质致密，没有透气空隙。主要适应于板材、薄壁零件、陶瓷搪瓷制品、玻璃制品、纸张及塑料等表面光滑工件的抓取。 图3.5 气吸盘喷气式真空吸盘是机械手的一个重要部件，其总体布局直接影响着被吸工件的稳定性和操作过程中的安全性。如果吸盘的布局不合理，

15、被吸工件将会产生一个较大的弯矩，减小吸盘与工件之间的接触面积，减小吸盘对工件的作用力，减小了吸盘的利用率，必需增加吸盘的个数。同时在加速旋转过程中，减应力突然增大，由于较大的弯矩，接触面积减小，从而使工件滑落，这使得在生产过程中产生较大的不稳定因素。因此在设计中对其进行了详细的设计计算，力争使结构更加合理，起到优化设计的目的。从液压气动技术手册查得，真空发生器的吸力可按式(1)计算： F=S（Kl×K2×K3）(POP) (1)式中：PO大气压力，Ncmz(P0=10132 5 Ncm )；S 吸盘负压腔载工作表面上的吸附面积； ；Kl 安全系数，一般取K =122；K2

16、工作情况系数，一般取K2=13；K3 姿态系数(当吸附表面处于水平位置时，K3= 1；当吸附表面处于垂直位置时，K3 =lf；f为吸盘与被吸物体的摩擦系数。)根据式(1)得：S=F ×Kl×K2×K3 (POP)因为：mg=Fn(设计选定n为吸盘个数，n=3) 得 F=mgn所以： S=mg×Kl×K2×K3n×(POP) S=0.013cm 由上面数据可得 波纹吸盘的内腔直径应大于3.4mm，取整选R=4mm.根据已知数据，我选用上海杜朗双层波纹真空吸盘，产品型号为AB20080043.4 电机的选择 本次设计的主要传动方

17、式是有步进电机来实现的。但电机在转动过程中会有转矩，这就要求我们能选择合适的电机来驱动机械手，根据负载来确定电机，这就需要我们估算出大致需要的电机功率。 电动机的容量主要有运行的发热条件限定，在不变或变化很小的载荷下长期连续运行的机械，只要其电动机的负荷不超过额定值，电动机便不会发热。所以电动机功率为:（其中为实际需要的电动机输出功率，为工作的输入功率，为电动机至工作机之间传动装着的总效率）电动机传动的大致过程为电动机转动带动底座物体运动。则所需功率:F为工作阻力 则 电动机是主要的驱动动力，选择合适的电动机就具有重要意义。如果电机容量过大，则电机效率低，容易浪费，那么电机容量就不能充分利用；

18、如果电机容量过小，则电机过热，电机寿命会降低。每台电机的绝缘材料限制了它的最高允许温度，则每升高8摄氏度，绝缘寿命缩短一半。所以必须选择合适的容量，选择电机时除了选择电机的型式，电流种类，转速等。1.根据实验要求，电机直接输出，则电流为直流输入。电机类型为步进电机。再上述校核中，输出功率为9.9w,则电机额定功率由于电机驱动轴则可求出轴的扭矩T1:驱动扭矩Fa:轴向负载N(Fa=F+Umg)F:轴轴向切削力N,; U：导向件的综合摩擦因数，m:移动物件质量； I:轴的长度mm;垂直均匀负载为3.3Kg,由于安装进度及综合摩擦系数可得U=0.1，若不考虑轴向的切削力。得F 则),轴l=5，得出T

19、1=2.74kgf.mm=0.0274N.m根据实际情况及大小匹配情况我们选择了86*86大小的电机。又由于额定功率的限制我们选用了：86BYGH450A-06直流电机。具体参数为：额定功率Pn=10w,额定电压U=36V，额定电流I=4.0A 第四章 电气控制4.1 PLC系统4.1.1 PLC控制的优势 可编程逻辑控制器具有以下鲜明的特点。1.使用方便，编程简单 采用简明的梯形图、逻辑图或语句表等编程语言，而无需计算机知识，因此系统开发周期短，现场调试容易。另外，可在线修改程序，改变控制方案而不拆动硬件。2.功能强，性能价格比高 一台小型PLC内有成百上千个可供用户使用的编程元件，有很强的

20、功能，可以实现非常复杂的控制功能。它与相同功能的继电器系统相比，具有很高的性能价格比。PLC可以通过通信联网，实现分散控制，集中管理。3.硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强 PLC产品已经标准化、系列化、模块化，配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用，用户能灵活方便地进行系统配置，组成不同功能、不同规模的系统。PLC的安装接线也很方便，一般用接线端子连接外部接线。PLC有较强的带负载能力，可以直接驱动一般的电磁阀和小型交流接触器。硬件配置确定后，可以通过修改用户程序，方便快速地适应工艺条件的变化。4.可靠性高，抗干扰能力强 传统的继电器控制系统使用了大量的中间继电器、时间继电器，由于触点接触

21、不良，容易出现故障。PLC用软件代替大量的中间继电器和时间继电器，仅剩下与输入和输出有关的少量硬件元件，接线可减少到继电器控制系统的1/10-1/100，因触点接触不良造成的故障大为减少。 PLC采取了一系列硬件和软件抗干扰措施，具有很强的抗干扰能力，平均无故障时间达到数万小时以上，可以直接用于有强烈干扰的工业生产现场，PLC已被广大用户公认为最可靠的工业控制设备之一。5.系统的设计、安装、调试工作量少 PLC用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，使控制柜的设计、安装、接线工作量大大减少。 PLC的梯形图程序一般采用顺序控制设计法来设计。这种编程方法很有规

22、律，很容易掌握。对于复杂的控制系统，设计梯形图的时间比设计相同功能的继电器系统电路图的时间要少得多。 PLC的用户程序可以在实验室模拟调试，输入信号用小开关来模拟，通过PLC上的发光二极管可观察输出信号的状态。完成了系统的安装和接线后，在现场的统调过程中发现的问题一般通过修改程序就可以解决，系统的调试时间比继电器系统少得多。6.维修工作量小，维修方便 PLC的故障率很低，且有完善的自诊断和显示功能。PLC或外部的输入装置和执行机构发生故障时，可以根据PLC上的发光二极管或编程器提供的信息迅速地查明故障的原因，用更换模块的方法可以迅速地排除故障。4.1.2 PLC的选型FX2N-64MR-001

23、是FX2N系列中三菱PLCFX家族中最先进的系列。有高速处理及可扩展大量满足单个需要的特殊功能模块，灵活性和控制能力强，可扩展到256点。FX 表示三菱产品是FX系列2n 子系列名称 64 输入输出的总点数 M 单元类型是： 基本单元 R 输出方式是：继电器输出 001 表示交流电源输入，电源范围为AC（100-240V）4.2 中间控制单元 PLC的控制有的不可直接输入相关电气设备，为此必须添加许多中间控制单元才能完成控制。4.2.1 继电器 因为需单片机程序控制气缸升降和机械手开合，则需用继电器实现控制电压5V直流，被控电压24V，因此我们选择的型号为：SRD-05VDC-5L-C4.2.

24、2电磁阀电磁阀，本次实验考虑到实验需求以及经费问题，选择二位三通电磁阀。两位三通电磁阀通常与单作用气动执行机构配套使用，两位是两个位置可控：开-关，三通是有三个通道通气，一般情况下1个通道与气源连接，另外两个通道1个与执行机构的进气口连接，1个与执行机构排气口连接。根据实验要求需要电磁阀控制气缸升降，机械手开合因为每个电磁阀有两种控制状态，选用2位3通且基于24V直流控制，因此我们选择的型号：3V 210-08-NC。而对于气吸盘的控制，选用2位2通，我们选择的型号为：2V210-08-NC 图4.1 电磁阀4.2.3 限位开关 物理型，碰到限位强行停止单片机电源，因提供5V直流电压选择，所以

25、我们选择的型号为：CMRON HL-50004.2.4 驱动器 因为本次设计机械手采用步进电机驱动，所以必须外接驱动器控制才能使PLC控制电机的运行，其结构如图4.2 PLS:脉冲输入信号 DIR:方向输入信号 FREE:脱机信号输入（当无信号输入， 则驱动器处于自由状态；反之 则处于于脱机状态 图 4.2 YK2404驱动器4.3 电气接线4.3.1 I/O点分配根据机械手动作要求，需要的检测元件，可以确定PLC的端口分配。如表输入点输入设备输出点输出设备X000启动Y000输出脉冲X001停止Y001输出方向X002左旋限位Y002上升X003旋转原点Y003下降X004右旋限位Y004气

26、吸盘吸放X005上升限位Y005原点指示灯X006下降限位Y006报警指示灯X007超左旋限位Y007左限位指示灯X010超右旋限位Y010右限位指示灯X011超上升限位Y011冲床开关X012超下降限位X013冲床上限位 表4.1 I/O分配表 4.3.2 接线图 根据PLC的控制，与机械手各部分连接，从而是机械手运动起来，其具体接线图如下图 图4.3 整体接线图 图中，FX2N-64MR-001PLC为主要控制核心，步进电机与plc的通信中间需依赖细分驱动器的连接，启动停止按钮作为PLC的输入，各限位开关同样也作为输入信号；被控制单元主要包括电磁阀和冲床的开关；四个信号指示灯用于对机械手运

27、行的指示与检测。 第五章 程序设计5.1 机械手控制原理 在PLC的控制下，执行机构可实现自动工作方式。可实现上升、下降、正转、反转、吸物、放物等操作，按下循环按钮后机械手从原点位置开始连续不断的执行分拣物料的各步。1.系统程序的初始化 按下启动按钮SB1，对控制系统进行功能检测，检测正确后，进入控制系统的软件，开始运行程序。2.检测物料 初始化程序正常运行后，PLC的输入端X000接通输入，物件检测按钮SQ10，使得物料检测传感器得电，判断物料台有无物料。3.电机转动 物料检测传感器检测完后，PLC输入，输出端Y000，Y001输出，使得步进电机获得脉冲，步进电机转动。4.手臂降 前伸达到限

28、位传感器时，PLC接通输入，输出端Y003输出，气缸下降。5.吸取蛋托 小臂下降到指定位置，PLC输入端X006接通输入，输出端Y004输出，二位二通电磁阀13的7YA得电，真空发生器22开始动作，真空吸盘将物料吸起。6.垂直手臂上升 经滑觉传感器检测到物料已经被吸起时，输出端Y002输出，小臂上升接通，气缸上升。7.底坐旋转小臂上升到指定位置，PLC输入端X005接通输入，输出端Y000输出，电机旋转带动底座。8.手臂下降 底座旋转安置指定位置后，输出端Y004输出，气缸下降。9.放下蛋托 小臂下降到指定位置，PLC输入端X006接通输入，输出端Y004输出，吸盘放气，真空发生器停止工作，真

29、空消失，压缩空气进入真空吸盘，将物料与吸盘吹开。10.垂直手臂的上升 经滑觉传感器检测到物料已经被吸起时，输出端Y002输出，小臂上升。11.底座回转小臂上升到指定位置，PLC输入端X005接通输入，输出端Y000输出，使得步进电机获得脉冲，步进电机转动，底座回转，回到初始位置。小臂上升到指定位置，PLC输入端X003接通输入，自动重复以上动作。5.2 运行流程图 其动作顺序为： 1.电机从原点逆转45度至左旋限位位 2.气缸下降至下限位 3.在取料处吸取蛋托 4.气缸上升至上限位 5.底座顺时针转90度至指定位置 6.气缸下降到下限位

30、0;7.在放料处放下蛋托 8.气缸上升到上限位 9.底座逆时针转45度至原点，如此循环来进行流水线工作，这些动作的部分都要用步进电机驱动与气压驱动相结合来完成。其具体流程图如下图所示：开 始 底座逆转45度 左限位 手臂下升 Y下限位 Y吸取蛋托手臂上升上限位 Y底坐旋转90度手臂下降放下蛋托冲床限位手臂上升底座逆转45度冲床开结 束 (图5.1 运行流程图) 19 小 结 经过两周的努力工作，终于完成了自己的单片机课程设计。虽说忙碌了点，但我觉得这样的生活充实且有成就感，当然，也获益匪浅。通过本次课程设计，我对以前所学的理论知识有了更进一步的了解，同时能更加合理的查阅及利用资料，为达到课题要求而对在大学期间所学习的课程进行 了全面、综合的巩固和加深。此次课程设计与以往不同，我们的设计与实际工业中的运用相结合，通过机械手在工业