光机电气综合实验平台-实施方案-第7版

1、1 绪 论1.1研究现状机电一体化综合实验装置是指在实验机构的主功能、动力功能、信息处理功能和控制功能上引进电子技术，将机械装置与电子化设计及软件结合起来。随着科学技术的不但发展，目前机电一体化综合实验装置运用了机械技术、微电子技术、自动控制技术、计算机技术、信息技术、传感测控技术、电力电子技术、接口技术、信息变换技术以及软件编程技术等群体技术，使整个实验系统最优化的统一工作，成为一个机电一体化综合装置。国内高校大多数都采用了德国费斯托或者上海英集斯机电一体化综合实验装置，以具体仿生产加工或装配生产线为主，侧重于学生综合实训或毕业设计验证使用。光机电气一体化综合实训平台是集机械、电子、光学、控

2、制、计算机、信息等多学科的交叉综合体，它的发展和进步依赖并促进相关技术的发展和进步。目前，机电一体化综合实验装置的主要朝着智能化、模块化、微型化的方向发展。项目组成员多年从事机电一体化方面的理论及实践教学工作，并且有多项横纵向相关方面科研课题经验，对机电一体化综合运用情况非常熟悉，具备扎实的专业技术基础，完全可以完成该项目的研制工作。项目组成员充分调研了哈尔滨工业大学、华北电力大学、北京理工大学等兄弟院校的应用情况，参观了2010及2011高校教学仪器设备展。目前，结合本院的实际需要，项目组成员已经完成了整个项目零件分拣、装配及加工等工作站的硬件设计工作，生成三维工作图，为项目的具体实施作了充

3、分的准备。1.2研究的目的和意义针对目前学院的机电方面课程教学对学生综合知识应用能力的锻炼很少，大多数课程只是孤立地开设一些实验，而且多以验证性为主。随着时代的发展和企业对机电人才综合应用能力的要求，提高学生机电综合动手能力就显得尤为重要。本光机电气一体化综合实训平台结合了光测量技术、机械结构运动技术、PLC可编程控制器技术、气动技术等多学科技术，根据目前企业真正加工装配生产线设计而成。全部设计制造都准备由机械工程系教师完成，这样锻炼了机械系教师科研动手能力，并且避免了每门课程教师在讲课时空洞的照本宣科式教学。本系统采用开放式体系结构，光、机、电、气各种可以单独控制和组合，学生在做实验时，既可

4、以按照企业生产线生产方式综合调试各个设备，提高机电综合运用能力，也可以在学习各科相应课程后做各项光、机、电、气方面的单独实验。并且在整个生产线上，做各项单独实验，对学生的综合运用能力也起到了很好的锻炼，培养学生举一反三的能力。2 需求分析2.1教学需求结合机械工程系目前本科及专科的机电综合实践教学需求，光机电气一体化综合实训平台主要用于学生机电综合实践教学及对学生毕业设计进行服务；本系统还适用于机械系各专业相关课程光机电气方面的单项实验。具体教学应用详见表2-1。2.2科研需求因本系统采用开放式体系结构，对光、机、电、气方面设备可单独进行验证性试验，可为我学院教师科研提供多方位服务平台。3 实

5、施方案光机电气一体化综合实训平台由机械执行平台和PLC控制硬件（含控制程序）两大部分组成。机械执行平台由六个机电工作站链接统一调试完成，它们分别为零件底座上料工作站、零件端盖上料工作站、预装配工作站、整体零件装配及加工工作站、零件检测传输单元工作站、立体仓库工作站。每一工作站都有单独的PLC控制硬件，其包括可编程控制器、控制电路、驱动单元等。整个实验平台运动驱动元件主要由各种气缸及步进电机和伺服电机完成，整个平台配置有统一的气源。整体布局如图3-1所示图3-1 整体布局图零件底座如图3-2，零件端盖如图3-3所示。图3-2 零件底座 图3-3 零件端盖整个机电一体化平台所加工装配的零件由底座及

6、端盖两部分组成，完成零件的上料、分拣、定位、装配、加工、检测、运送、入库等连续动作。整个实训平台工作流程图如图3-4所示。3.1零件底座上料工作站零件底座上料工作站平面图如图3-5所示。图3-5 零件底座上料工作站零件底座上料工作站主要由上料机构、机械手机构、废料检测机构、传输机构、PLC控制系统五部分组成。三维结构图如图3-6所示。图3-6 零件底座上料工作站三维图整体动作如下：零件底座由上料口放入，推杆气缸推动零件底座到达气抓待料位置；气抓抓住零件底座，跟随旋转气缸把零件放到废料槽待料扣；如颜色不合格，由推杆气缸推入废料槽；如颜色合格，零件随上升工作台上升至传送带待料位置，由推杆气缸推入到

7、传送带，传送带带动零件进入装配工作站。3.1.1上料机构上料机构如图3-7所示。图3-7 上料机构结构图零件底座由上料口放入，上料桶底部有激光传感器，当有零件放入时，检测到零件，信号通过PLC输入端传输到PLC可编程序控制器，PLC通过输出端输出控制信号，经信号放大电路放大后控制先导式继电器电磁阀动作，输出压力空气给推杆活塞气缸顶部，推杆活塞动作，推动零件底座到达气抓待料位置。3.1.2机械手机构机械手结构如图3-8所示。图3-8 机械手结构图当零件到达气抓待料位置后，位于气抓待料的激光传感器检测有零件，信号通过PLC输入端传输到PLC可编程序控制器，PLC通过输出端输出控制信号，经信号放大电

8、路放大后控制先导式继电器电磁阀动作，位于准备区的机械手按1路输出信号控制旋转气缸旋转到达指定位置，2路输出信号控制横臂双杆气缸伸出到达预定位置，3路输出信号控制上下双杆气缸下行到达预定位置，4路输出信号控制气抓夹紧零件，继而PLC控制电磁阀换向，上下双杆气缸上行到达预定位置，横臂双杆气缸收回到达预定位置，旋转气缸旋转到达废料检测预定位置；横臂双杆气缸伸出到达预定位置，上下双杆气缸下行到达预定位置，气抓松开零件，零件到达废料检测预定区；机械手按原路线动作返回到准备区。3.1.3废料检测机构废料检测机构如图3-9所示。图3-9 废料检测机构图零件到达废料检测预定区后，位于预定区的颜色传感器识别零件

9、颜色，如颜色不对，信号反馈给PLC，PLC控制单杆气缸动作，推动零件到达废料槽中；如颜色合格，信号同样反馈给PLC，PLC控制无杆气缸上行到达传送带预定位置。3.1.4传输机构如图3-6所示，当PLC控制无杆气缸上行到达传送带预定位置后，PLC控制单杆气缸动作，推动零件到达传送带上，位于传送带前部的光线发送接受装置检测零件到达，信号反馈给PLC，PLC控制传送带步进电机启动，传送零件到达下一工作站零件预定位置，零件进入装配工作站。3.1.5 PLC控制系统PLC控制系统中包含PLC控制器（西门子PLC系列）、继电器电磁换向阀、驱动电路（含步进电机驱动部分）等组成。图3-10、图3-11为参照相

10、关厂家PLC控制结构图。图3-10 PLC控制系统接线图图3-11 电磁换向阀安装图3.2零件端盖上料工作站零件端盖上料工作站平面图如图3-12所示。图3-12 零件端盖上料工作站平面图零件端盖上料工作站主要由上料机构、机械手传输机构、PLC控制系统三部分组成。三维结构图如图3-13所示。图3-13 零件端盖上料工作站三维结构图零件端盖由上料桶放入，经两个气缸相互动作后，端盖到达传送带上，传送带传送端盖到达三爪气爪取件预定位置；气爪抓取零件随无杆气缸到达装配工作站预定位置。3.2.1上料机构上料机构如图3-14所示。图3-14 端盖上料机构端盖由上料桶放入，1号单杆双叉气缸收缩，端盖到达2号单

11、杆双叉气缸位置，1号单杆双叉气缸伸出，2号单杆双叉气缸收缩，端盖落到传送带上，2号单杆双叉气缸伸出；端盖落到传送带后，位于传送带上的传感器检测到零件，PLC控制传送带电机启动，带动端盖移动到传送带左端，位于传送带左端的传感器检测到零件，PLC控制摆动气缸拨叉拨动端盖到达气爪待料区。3.2.2机械手传输机构机械手传输机构由无杆气缸、双杆气缸、三爪气爪组成，如图14所示。图3-15 机械手传输机构图当端盖到达气爪待料区后，无杆气缸带动单杆气缸及气爪移动到右端，单杆气缸伸出到预定位置，三爪气爪收紧抓住端盖；单杆气缸收缩到预定位置，无杆气缸带动单杆气缸及气爪移动到左端预定位置，单杆气缸伸出，气爪松开，

12、端盖到达装配工作站零件底座上。3.2.3 PLC控制系统PLC控制系统中包含PLC控制器（西门子PLC系列）、继电器电磁换向阀、驱动电路（含步进电机驱动部分）等组成。如图3-16、图3-17所示。图3-16 PLC控制系统布局图图3-17 电磁换向阀阀体图3.3装配工作站装配工作站平面图如图3-18所示。图3-18 装配工作站平面图装配工作站主要由先导传输带、装配单元、后续传输带、PLC控制系统四部分组成。三维结构如图3-19所示。图3-19 装配工作站三维轴侧图零件底座由上料工作站传送到先导传送带端部，由传送带传送到另一端，摆动气缸推动零件到达装夹预定位置，另一个摆动气缸摆动，压紧零件到垂直

13、V型槽，零件位置固定，端盖上料工作站机械手传送端盖到达垂直V型槽上方，松开气爪，端盖落入零件底端槽中完成装配，摆动气缸摆动零件到后续传送带上，后续传送带传送零件到达加工工作站。3.3.1先导传输带先导传输带见图3-19所示。3.3.2装配单元装配单元如图3-20所示。图3-20 装配单元结构图装配单元由竖直V型块、摆动拨叉组成，竖直V型块由微动气缸驱动，可以上下运动，这样便于定位零件及拨动零件。3.3.3后续传输带后续传输带见图3-19所示3.3.4 PLC控制系统PLC控制系统中包含PLC控制器（西门子PLC系列）、继电器电磁换向阀、驱动电路（含步进电机驱动部分）等组成。3.4加工工作站加工

14、工作站平面图如图3-21所示。图3-21 加工工作站平面图加工工作站主要由先导传输带、加工单元、后续传输带、PLC控制系统四部分组成。三维结构如图3-22所示。图3-22 加工工作站三维结构图零件底座由上一工作站传送到先导传送带端部，由传送带传送到另一端，摆动气缸推动零件到达旋转工作台上，旋转工作台顺时针旋转60度到达第一个加工位置，旋转工作台下传感器感应到零件的到达，压紧气缸作用是零件位置固定，丝杠带动仿真加工电机向下移动实现仿真加工过程，松开加紧气缸，旋转工作台顺时针转动60度到达第二个加工位置，旋转工作台下传感器感应到零件的到达，压紧气缸作用是零件位置固定，丝杠带动仿真加工电机向下移动实

15、现仿真加工过程，松开夹紧气缸，旋转工作台顺时针转动60度到达后续传送皮带前端，摆动气缸推动零件落入传动皮带完成仿真加工过程，后续传送带传送零件到达检测工作站。3.4.1先导传输带先导传输带见图3-23所示。图3-23 先导传输带3.4.2加工单元加工单元如图3-24所示。图3-24 加工单元结构图加工单元由旋转工作台、仿真加工单元组成，旋转工作台由步进电机通过减速箱带动，每一工位下安装有一个传感器，可以准确的检测旋转工作台的转动角度。每一加工工位下安装一个传感器用来检测旋转工作台上是否有零件，从而控制夹紧气缸和加工单元丝杠的运动与否。3.4.3后续传输带后续传输带见图3-22所示。3.4.4

16、PLC控制系统PLC控制系统中包含PLC控制器（西门子PLC系列）、继电器电磁换向阀、驱动电路（含步进电机驱动部分）等组成。3.5检测传输工作站检测传输工作站平面图如图3-25所示。图3-25 检测单元平面图检测工作站主要由传输单元、检测单元、收纳单元、转向单元、PLC控制系统五部分组成。三维结构如图3-26所示。图3-26 检测单元三维图3.5.1传输单元传输单元如图3-26所示。3.5.2检测单元 如图3-26所示，检测单元由各种传感器以及推动气缸组成。本站设置检测高度和颜色检测。若高度大于设定值，则由气缸1推入收纳槽1、然后再检测颜色；若是红色，由气缸2推入收纳槽2；若是白色，由气缸3推

17、入收纳槽3；若是黑色，则由气缸4推入收纳槽4，符合条件的零件，则由传送带继续传送，经转向单元传送到立体仓库工作站的传送带上。3.5.3收纳单元 如图3-27所示的各个收纳槽。图3-27 收纳单元3.5.4转向单元如图3-28所示，零件输送到皮带端部，由传感器发出信号，摆动气缸带动拨爪旋转，经半圆形平台拨到另一条传送带上。图3-28 转向单元3.5.5 PLC控制系统PLC控制系统中包含PLC控制器（西门子PLC系列）、继电器电磁换向阀、驱动电路（含步进电机驱动部分）等组成。3.6立体仓库工作站立体仓库工作站平面图如图3-29所示。图3-29 立体仓库平面图立体仓库工作站由传送机构、机械手机构、

18、仓库单元、PLC控制系统四部分组成，其三维结构图3-30如下。图3-30 立体仓库三维图零件由传送机构传送到入库等待区，机械手抓取零件送入立体仓库。3.6.1传送机构传送机构如图3-31所示。图3-31 传送机构图零件由检测传输工作站传到本传送带后，传送带运动，带动零件到达尾部，位于尾部传感器感应到零件，摆动气缸拨叉摆动，推动零件到达机械手零件准备区。3.6.2机械手结构机械手结构如图3-32所示。图3-32机械手机构图机械手由横向丝杠平台、纵向丝杠平台、摆动气缸、双杆气缸、气爪等组成，零件到达机械手零件准备区后，横向丝杠平台运动到预定位置，纵向平台移动到预定位置，使气爪到达零件准备区，气爪夹

19、紧零件，纵向平台上移到仓库纵向仓位，横向平台右移到仓库横向仓位，摆动右摆90度，双杆气缸伸出，气爪松开，零件放入仓库中；然后双杆气缸收缩，摆动器右摆90度。3.6.3仓库单元如图3-32所示，仓库单元为4行5列20个仓位的立式存储零件立体仓库单元。4成果形式4.1实训零件钢件、铝件、红色尼龙、白色尼龙、黑色尼龙各20套。如图4-1所示。图4-1 装配加工零件4.2 硬平台光机电气一体化综合实训平台 1套。设置布局如图4-2所示。图4-2 光机电气一体化综合实训平台4.3软平台1. 设备使用说明书 1份。2. 光机电气一体化综合实训指导书 1份。3. 机电一体化单项实验指导书 1份。（参照表2-

20、1）4. 相关控制程序软件 1套。5 研制工作进度第一阶段：完善整个项目零件分拣、装配等工作站的硬件设计工作，完成零件底座上料工作站的硬件制造及安装调试工作，进行零件底座上料工作站硬件电路及PLC软件调试工作。时间为3个月。第二阶段：完成零件端盖上料工作站、预装配工作站、整体零件装配及加工工作站、检测传输工作站的硬件制造及安装调试工作，完成零件底座上料工作站硬件电路及PLC软件调试工作，进行零件端盖上料工作站、预装配工作站、整体零件装配及加工工作站、检测传输工作站硬件电路及PLC软件调试工作。时间为4个月。第三阶段：完成立体仓库工作站的硬件制造及安装调试工作，完成零件端盖上料工作站、预装配工作

21、站、整体零件装配及加工工作站、检测传输工作站硬件电路及PLC软件调试工作，进行立体仓库工作站硬件电路及PLC软件调试工作。时间为2个月。第四阶段：完成整个光机电气一体化综合实验平台的硬件电路及PLC软件调试工作，整理技术文件，包括研制技术报告、结构设计图纸、硬件电路图、PLC控制程序、使用说明书（含综合实践及专项实验指导书）等，准备验收。时间为3个月。整个项目计划于 2012年8月结题6 经费预算情况经费预算情况见表6-1及表6-2。表6-1 总体经费预算情况预算支出项目申 请 金 额（万元）备注工作站平台加工购置费用3万详见表6-2设备原材料及零件购置费用 32万详见表6-2硬件电路及PLC

22、控制器费用 6万详见表6-2生产制造费用 5万以实际发生费用为准课题组成员劳务费用6万500元/人/月×10人×12月相关调研费用3万合计55万表6-2 实训平台材料零件设备明细表 序号名称厂家型号数量单价合计1工作台及台上附件65000300002工作站加工零件（成套）1006060003自由安装型气缸SMCCUK6-15片式摆动气缸SMCCRB2BWU10-180S122500300005磁偶式无杆气缸SMCCDY1S10L30043000120006机械接合式无杆气缸SMCMY1B10G100LS4180072007圆柱型气爪SMCMHS3-25D4150060008薄型气缸SMCCQSF12-30D4100040009肘节型气爪SMCMHT2-32D21500300010薄型摆动气缸SMCCRQ2BS10-901218002160011小型精密气动滑台SMCMXPJ-1026000