U8机电系统实践报告1

PAGE《机电系统实践》课程报告班级：学号：姓名：翁子成指导教师：吴勇华五邑大学机电工程学院目录目录序言 1第1章、自动化生产线介绍 21.1光机电气一体化柔性生产系统组成 21.2光机电气一体化柔性生产系统功能 21.3六自由度装配机器人模块单元传动系统分析 41.3.1传送带的驱动电机类型和传动类型 41.3.2传送带传动系图和转速图 51.3.3机械臂六自由度的简图和三维图及执行元件 51.3.4料库简图 71.3.5系统组成 81.4六自由度装配机器人模块单元控制系统分析 8第2章、自动化生产线六自由度装配机器人模块单元改进设计 102.1改进方案 102.2改进机械系统设计 102.2.1旋转料库改进前与改进后对比 122.2.2机械臂夹具的改进前与改进后的对比 122.3改进控制系统设计 142.3.1.PLC的运用 142.3.2.PLC的梯形图编程规则 142.3.3.PLC指令的介绍 142.3.4CPU的构成 152.3.5.PLC流程图 162.3.6.PLC接线图 172.3.7.I/O端口配制 19第3章．六自由度装配机器人模块机电系统仿真 203.1背景 203.2基本元件，功能 203.3设计流程图 213.4软件操作 213.5问题分析 223.6软件仿真示意图 23第4章．总结 24附录一：零维图 26附录二：PLC程序 26附录三：参考资料 26PAGE36序言机电系统实践课程以光机电气一体化柔性生产综合实训系统作为实践的对象，其中包括立体仓库出库模块单元；材料检测与机器视觉模块单元；数控加工模块单元；尺寸检测模块单元；废品分拣模块单元；模拟量喷涂模块单元；六自由度装配串联机器人模块单元；成品库与堆垛机模块单元；系统总控模块单元。这九个模块涵盖了理论课程的所有科目，所以选用光机电气一体化综合系统，理论联系实际，同时，加深了学生对理论知识的直观理解，联系了不同优势的学生对各自擅长的内容进行分工创新，加强了动手能力和思考分析、数据处理的能力，为企业培养了一批机电气产品开发的研究人才。本团队选择了六自由度装配串联机器人模块单元改进创新，令该系统更加优化、更节省成本、效率越高。工业机械手即工业机器人是集机械、电子、控制、计算机、传感器、人工智能等多学科先进技术于一体的现代化制造业重要的自动化装备。自从1962年美国研制出世界上第一台工业机器人以来，工业机器人技术及其产品发展很快，已成为柔性制造系统（FMS）、计算机集成制造系统（CIMS）、自动化工厂（FA）的自动化工具。广泛采用工业机器人，不仅可提高产品的质量与产量，而且对保障人身安全，改善劳动环境，减轻劳动强度，提高劳动生产率，节约原材料消耗以及降低生产成本，有着十分重要的意义。同计算机、网络技术一样，工业机器人的广泛应用正在日益改善着人类的生产和生活方式第1章、自动化生产线介绍1.1光机电气一体化柔性生产系统组成序号单元代号单元名称1U01立体仓库出库模块单元2U02材料加测与机器视觉模块单元3U03数控加工模块单元4U04尺寸检测模块单元5U05工业总线系统总控单元6U06废品分拣模块单元7U07模拟量喷涂模块单元8U08六自由度装配串联机器人模块单元9U09成品库与堆垛机模块单元光机电气一体化柔性生产系统包括：立体仓库出（入）库模块单元；材料检测与机器视觉模块单元；数控加工模块单元；尺寸检测模块单元；工业总线系统总控单元；废品分拣模块单元；模拟量喷涂模块单元；六自由度装配串联机器人模块单元；成品库与堆垛机模块单元等九个模块单元组成，具备信息流和物流两大功能。1.2光机电气一体化柔性生产系统功能1.立体仓库出库（入库）模块单元功能：本单元可以熟悉气动原理与输送机变向技术，了解四自由度码垛机如何通过四个轴和手爪的组合来实现实验样件的夹取和搬运等动作。本单元中，手爪采用气动结构，用电磁阀的得电和失电来控制气缸的动作，从而来控制手爪的张开和夹紧。四自由度码垛机通过四个轴和手爪的组合来实现实验样件的夹取和搬运等动作。2.材料检测与机器视觉模块单元功能：材料检测传感器的主要作用是检测材料性质是否金属与非金属并对工件选择合适的加工参数进行加工。通过本单云也可掌握机器视觉的基本概念和系统设备组成，熟悉接口设置，并进而掌握熟悉机器视觉检测软件算法，了解国内外发展和应用。3.数控加工模块单元；尺寸检测模块单元；废品分拣模块单元；模拟量喷涂模块单元；六自由度装配串联机器人模块单元；成品库与堆垛机模块单元；系统总控模块单元。存在问题：六自由度并联机器人模拟刀具装置换刀麻烦、不方便，建议设计成多个刀具一体装置。4.尺寸检测模块单元：进行尺寸检测单元由孔深检测传感器进行检测，检测结束后不合格工件被运送到废品区，进入废品单元，由气推装置推送到废品槽内。合格的产品由90度搬运机器人放到输送线上继续运行。存在问题：尺寸检测单元只检测孔的深度，没有检测圆的直径，可能出现工件和盖子不合；建议增设检测圆直径装置。5.废品分拣模块单元功能：本单元可以熟悉气动原理与输送机变向技术，了解工业生产环境下废品是如何处理与分拣的，本系统单元中，根据废品的形状颜色材料等技术参数，分为三种不同废品区域进行分拣。6.模拟量喷涂模块单元功能：本系统单元工作主要是把上单元运输过来的工件经过本单元喷涂运输机上并根据上单元CCD系统检测的颜色结果使相对应的喷枪工作，对工件进行喷涂。通过操作和应用，了解PLC对模拟量控制的编程过程。存在问题：缺少喷漆前的磷化处理，没有增强涂装膜层与工件间的结合力、没有提高涂装后工件表面涂层的耐蚀性。在喷漆前增加磷化处理，来提高漆在工件的粘附力，增加喷漆效果。7.六自由度装配机器人模块单元：机械臂对上一工序输出的配件进行抓取并传送至载物台，进而使用母件与配件进行装配，最后夹取成品输出到传送带，由下一工序进行堆垛处理。图1-1光机电气一体化柔性生产系统实物图图1-2光机电气一体化柔性生产系统三维图1.3六自由度装配机器人模块单元传动系统分析1.3.1传送带的驱动电机类型和传动类型1.直流电机驱动：当电机转动起来，控制部会再根据驱动器设定的速度及加/减速率所组成的命令(Command)与hall-sensor信号变化的速度加以比对(或由软件运算)再来决定由下一组(AH、BL或AH、CL或BH、CL或……)开关导通，以及导通时间长短。速度不够则开长，速度过头则减短，此部份工作就由PWM来完成。高转速的速度控制必须考虑到系统的CLOCK分辨率是否足以掌握处理软件指令的时间，另外对于hall-sensor信号变化的资料存取方式也影响到处理器效能与判定正确性、实时性。为满足堆垛机夹取工件速度与传送带同步，需对电机进行减速处理。一般情况采取二级减速。此外机械手运用到了步进电机和伺服电机控制传动。2.齿轮传动：如夹取物料中换位转台到装配的转动过程中、机械臂的旋转。带传动：如机械手的左右移动、在空间实现不同位置的触动，通过步进电机和伺服电机带动机械臂各个自由度轴的转动。1.3.2传送带传动系图和转速图图1-3图1-41.3.3机械臂六自由度的简图和三维图及执行元件图1-5图1-6图1-7图1-81.六自由度装配机器人模块单元基本组成机械部分：伺服电机、步进电机、直流电机、气源、谐波减速器、皮带运输机、铝合金工作台、装配作业台、六自由度串联机器人、机械爪、旋转料库、挡板；传感部分：光电传感器、工件颜色检测传感器控制部分：采用Windows系列操作系统、通用机器人语言编程系统、plc功能：本单元中，机械臂对上一模拟量喷涂模块单元输出的成品进行夹取传送，并作用到指定位置，用于母件与配件的装配，并传输到传送带，为下一成品库与堆垛模块单元的颜色堆垛归类做提前准备。2.六自由度装配机器人模块单元功能分析系统共有6个自由度，分别是夹紧、旋转、俯仰（1）、左右摇摆、俯仰（2）及基座的回转。基座的回转自由度可以进行360度的回转；与基座相连的俯仰机构（包含液压缸）可进行俯仰动作，幅度较大，可以满足60-120度的俯仰要求，与此相连部分为左右摇摆机构，能够完成-60~60度的左右来回摆动，接着下去的是俯仰机构，与摇摆机构内部类似，亦可完成-60~60度的上下俯仰动作，最后的是旋转部分与手指部分，旋转部分可以正反旋转，手指部分通过在手腕上滑槽来控制收放动作。机构采用液压控制各自由度的动作，简单方便且功率大，各自由度之间相互联系且独立，动作时互不干涉。3.六自由度装配机器人模块单元过程分析机械臂的运动通过电机转速和步距角控制旋转角度，再通过齿轮和同步带把动力传输至输出轴控制机构旋转角度，从而到达空间的指定位置，末端抓手抓取时，通过气缸推动活塞杆沿末端轴线方向前后移动，从而推动两抓手沿垂直于轴线的导轨上运动，导轨和抓手接触部分用滚珠，减少摩擦，使运动顺畅，从而带动抓取部分平行于轴线张合。工位机会对机器人至少11个位置进行储存，包括移动到工件在传输带位置上方，下降至工件中心，移至装配台上方，上升，移至漫反射传感上方工位的上方，下降至工件中心，移至装配台工件上方，下降，下降，移至传送带。链条传动：传动比准确，能在低速、重载下工作，环境适应型强，制造和安装精度要求低。同步带：运动时无相对滑动，使速度同步，运动平稳；无需大的张紧力，传动比范围大，维护方便，费用低，耐腐蚀。皮带运输机通过直流电机驱动，输入轴依靠齿轮和链条传动，与张紧机构相连从而拖动传输带运动，由上一模块来的产品被传输带过来，通过光电传感器，传输信号给plc,plc控制旋转气缸，带动挡板摆动打到传输带的工作面，从而拦截工件，此时信号传入工控机内以对六自由度机器人进行精密控制，机器人通过之前的位置控制过程实现抓取；机器人旋转至装配工作台，放下工件；此时料库通过步进电机再通过谐波减速器减速旋转，在十二位库料结构中，有两个传感器，一个是色传感器检测母工件颜色，传感器发射光线(红,绿,蓝)在需要检查的物体,根据反射光进行计算颜色的成分,然后和存储的参照颜色值比较，当前一模块所检测得颜色RGB值和该传感的RGB一样时，信号给plc一个电位，控制料库的电机旋转，使该工位工件直接旋转至有漫发射传感器的工位，再通过该工位的漫反射传感器，依据光线被不规则物体遮挡后会朝各个方向折射发散，检测传感器上方料库的工位该母工件是否到达该工位，当到达后，漫反射传感给一个电位变化给工控机，工控机控制机器人运动，旋转至漫反射传感上方的工位，抓取母工件，放至装配台上的工件上，然后夹取装配件移至传输带，当通过传输带两侧的光电传感器时，给信号给plc,控制旋转气缸，从而打下挡板，拦下装配体，进入下一模块。4.机械臂使用伺服电机的好处分析：1、精度：实现了位置，速度和力矩的闭环控制；克服了步进电机失步的问题；2、转速：高速性能好，一般额定转速能达到2000～3000转；3、适应性：抗过载能力强，能承受三倍于额定转矩的负载，对有瞬间负载波动和要求快速起动的场合特别适用；4、稳定：低速运行平稳，低速运行时不会产生类似于步进电机的步进运行现象。适用于有高速响应要求的场合；5、及时性：电机加减速的动态相应时间短，一般在几十毫秒之内；6、舒适性：发热和噪音明显降低。1.3.4料库简图图1-9传动原理：料库存放不同颜色的母件在转盘上，当机械臂夹取装配件放置在装配台时，色传感器检测母工件颜色，然后和存储的参照颜色值比较，当前一模块所检测得颜色RGB值和该传感的RGB一样时，PLC给出电位，控制料库的电机旋转，转到一定位置，由机械臂夹取母件和装配件配合，最后机械臂将配合好的成品夹放置到传送带上，由下一道工序执行。1.3.5系统组成夹取配件夹具转盘动作信号传入夹取配件夹具转盘动作信号传入输出信号输出信号动作夹取母件动作停止装配夹取母件动作停止装配图1-101.4六自由度装配机器人模块单元控制系统分析1）气动控制系统静音气泵为压缩空气发生装置，其中包括空气压缩机、压力开关、过载安全保护器、储气罐、压力表、过滤减压阀及气源开关等部件。气泵是用来产生具有足够压力和流量的压缩空气并将其净化、处理及储存的一套装置，气泵的输出压力可通过其上的过滤减压阀进行调节；图1-112）步进电机控制步进电动机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。步进电机定子的各相绕组按照一定的顺序通电、断电，从而带动转子按既定的方向一步一步转动固定的角度，这个角度被称为“步距角”；3）伺服电机控制伺服电机可使控制速度，位置精度非常准确，可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。伺服电机转子转速受输入信号控制，并能快速反应，在自动控制系统中，用作执行元件，且具有机电时间常数小、线性度高、始动电压等特性，可把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。分为直流和交流伺服电动机两大类，其主要特点是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降。4）三相异步交流电机控制当三相电动机的三相定子绕组通入三相对称交流电后，将产生一个旋转磁场，该旋转磁场切割转子绕组，从而在转子绕组中产生感应电流（转子绕组是闭合通路），载流的转子导体在定子旋转磁场作用下将产生电磁力，从而在电机转轴上形成电磁转矩，驱动电动机旋转，并且电机旋转方向与旋转磁场方向相同，通过减速器实现三相异步交流电机的减速，使得传送带平稳传动。第2章、自动化生产线六自由度装配机器人模块单元改进设计2.1改进方案六自由度装配机器人模块单元存在的问题：1.颜色传感器对光线的要求较高，环境天气影响均会影响。2.旋转料库容量有限，且空间占有主要集中在平面。3.机器人工作效率低，夹具夹持的工件容易脱松，摩擦系数小六自由度装配机器人模块单元改进方案：1.在颜色传感器附近安装灯光。安装灯光能够增强空间亮度，降低颜色传感器分辨颜色时的出错。为工序的正常运作奠定基础。2.利用垂直地平面的方向上的空间由于未改进前料库的容量有限，从而，延迟了工作的装配时间，使整个作业进度都放缓，降低了工作效率，导致场地分配不合理，改用垂直的架平面一方面增加库存容量，场地运用更加优化合理，一方面不同颜色的母件放置在不同不同层面上，，避免了夹取出错，减少了设备的组装，减少了安装经费，大大的提高产能和经济效益。3.减少机器人夹持工件到装配台的过程，选择用气动推杆带动的夹具使工件推至装配区后夹紧。减少机器人工作量，提高效率，再而，换用双V型夹具夹取稳定性更好。2.2改进机械系统设计设计准则：机械零件材料选用的原则要考虑三个方面的要求1、使用要求（首要考虑）：1）零件的工况（震动，冲击，高温，低温，高速，高载都应当慎重对待）：针对机械臂夹具的使用要求，除了优化工况，其他可以不做处理。2）对零件尺寸和质量的限制：夹具尺寸满足夹取零件二维尺寸即可。3）零件的重要程度。（对于整机可靠度的相对重要性）：夹具是传输物料的部件，为不损坏材料，夹具设计时考虑夹取变形情况。2、工艺要求：1）毛坯制造（铸造，锻打，切板，切棒）：采用铝琔2）机械加工：对夹具完成多次冲压成型。3）热处理：无需热处理。4）表面处理：抛光夹具体。3、经济性要求：1）材料价格（普通圆钢与冷拉型材，精密铸造，精密锻造的毛坯成本与加工成本的对比，）；2）加工批量和加工费用；3）材料的利用率；（如板材，棒料，型材的规格，合理的加以利用）4）替代（尽量用廉价材料来代替价格相对昂贵的稀有材料）：铝材相对价格低廉，使用合理。整体前后对比图：图2-1图2-2图2-32.2.1旋转料库改进前与改进后对比图2-3图2-4改进说明；物料仓储，原有设备通过传感器识别快速定位使得储物盘准确定位在所需物料位置处，高效但是由于储物盘有限，不方便大量仓储，当生产线效率很高做工时候不能满足相应的要修，目前根据不同物料颜色改进为仓储式物料储存器，主要设计为，框架材料依然使用铝材型材，垂直架分4层，每层放置不同颜色的母件，每一次都有一个固定挡板用于阻挡源源不断的物料进给，当每一层储存满时，物料储备的物料源头将停止物料的运输，具体设计为每层一个传感器用于传输信号给每个挡板和物料源，使他们得到信号后做出相应的动作指令，采用步进电机带动传输带传送，进而送到机械臂夹具指定位置，然后电机停止转动，母件停留在指定端，夹具转动位置进行夹取装配作业。2.2.2机械臂夹具的改进前与改进后的对比图2-5图2-6图2-7改进说明：夹具材料不变，气缸推动，改变造型，由直线型夹取改为双V型夹取，双V型块夹具用于以外圆表面为定位基准的工件，这种夹具能夹取形状不规则的零件，主要用于夹取圆柱形型材，通用性很强，而且这种夹具制造周期短，成本低，原有的夹具不能很好地对物料进行加紧，因为单单限制了两个自由度，而该设计能够限制工件的四个自由度，包括（X/Z轴的平动和X/Z的转动），是的物料能够更加的稳定作业。另外，在夹料面贴上粗糙塑胶，以增大与工件摩擦。机械臂夹具有限元分析：ansys操作步骤：、1、建立几何模型，尽量简化、对称。2、设置材料参数、选择合理的单元并设置参数：指定受力部件夹具的设计材料并预定受力值。3、几何模型划分网格。对夹具进行网格划分细化。4、施加载荷：力加载可以通过对应的方法（比如说特征值屈曲）估计结构的极限荷载的大致范围，然后给结构施加一个稍大的荷载，打开自动荷载步二分法进行非线性静力分析，最后计算会因不收敛终止，则倒数第二个子步对应的就是结构的极限荷载；另外，也可以选择弧长法，采用足够的子步（弧长法可以一直分析到极限承载力之后的过程）同样可以从绘制的荷载位移曲线或计算结果中找出结构的极限荷载。

5、设置求解控制参数、步长等

6、求解采用Newton-Raphson迭代法求解，求解时采用多荷载步，每荷载步又设若干子步。

7、查看结果：云图、列表。根据分析出的数据查看设计零件的受力情况，由分析结果看出，设计的夹具符合使用要求。2.3改进控制系统设计2.3.1.PLC的运用PLC控制主要采用软接线方式，其控制逻辑以程序的方式存放在存储器中，系统功能可通过改变程序来实现，其“软继电器”的触点数量无限，PLC系统的灵活性和可扩展性好。PLC采用扫描（串行）工作方式，控制速度快，不会出现触点抖动的问题，从定时和计数控制上看，PLC控制精度高，定时范围宽，修改方便，且不受环境影响。PLC控制寿命长，可靠性高，且具有自诊断功能，现场调试和维护方便。2.3.2.PLC的梯形图编程规则每个继电器的线圈和它的触点均用同一编号，每个组件的触点使用时没有数量限制。2、梯形图每一行都是从左边开始，线圈接在最右边（线圈右边不允许再有接触点）线圈不能直接接在左边母线上。4、在一个程序中，同一编号的线圈如果使用两次，称为双线圈输出，它很容易引起误操作，应尽量避免。5、在梯形图中没有真实的电流流动，为了便于分析PLC的周期扫描原理和逻辑上的因果关系，假定在梯形图中有“电流”流动，这个“电流”只能在梯形图中单方向流动——即从左向右流动，层次的改变只能从上向下。2.3.3.PLC指令的介绍串联电路块的并联连接指令OLD两个或两个以上的接点串联连接的电路叫串联电路块。串联电路块并联连接时，分支开始用LD、LDN指令，分支结束用OLD指令。OLD指令与后述的ALD指令均为无目标元件指令，而两条无目标元件指令的步长都为一个程序步。OLD有时也简称或块指令。2、并联电路的串联连接指令ALD两个或两个以上接点并联电路称为并联电路块，分支电路并联电路块与前面电路串联连接时，使用ALD指令。分支的起点用LD、LDN指令，并联电路结束后，使用ALD指令与前面电路串联。ALD指令也简称与块指令，ALD也是无操作目标元件，是一个程序步指令。3、输出指令==输出指令是将继电器、定时器、计数器等的线圈与梯形图右边的母线直接连接，线圈的右边不允许有触点，在编程中，触点以重复使用，且类型和数量不受限制。北京天拓四方科技有限公司4、置位与复位指令S、RS为置位指令，使动作保持;R为复位指令，使操作保持复位。从指定的位置开始的N个点的寄存器都被置位或复位,N=1～255如果被指定复位的是定时器位或计数器位,将清除定时器或计数器的当前值。5、跳变触点EU,ED正跳变触点检测到一次正跳变(触点的入信号由0到1)时,或负跳变触点检测到一次负跳变(触点的入信号由1到0)时,触点接通到一个扫描周期.正/负跳变的符号为EU和ED,他们没有操作数,触点符号中间的”P”和”N”分别表示正跳变和负跳变6、空操作指令NOPNOP指令是一条无动作、无目标元件的一个序步指令。空操作指令使该步序为空操作。用NOP指令可替代已写入指令，可以改变电路。在程序中加入NOP指令，在改动或追加程序时可以减少步序号的改变。7、程序结束指令ENDEND是一条无目标元件的一序步指令。PLC反复进行输入处理、程序运算、输出处理，在程序的最后写入END指令，表示程序结束，直接进行输出处理。在程序调试过程中，可以按段插入END指令，可以按顺序扩大对各程序段动作的检查。采用END指令将程序划分为若干段，在确认处于前面电路块的动作正确无误之后，依次删去END指令。要注意的是在执行END指令时，也刷新监视时钟。2.3.4CPU的构成PLC中的CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，每台PLC至少有一个CPU，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。进入运行后，从用户程序存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路，与通用计算机一样，主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，还有外围芯片、总线接口及有关电路。它确定了进行控制的规模、工作速度、内存容量等。内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。CPU的控制器控制CPU工作，由它读取指令、解释指令及执行指令。但工作节奏由震荡信号控制。CPU的运算器用于进行数字或逻辑运算，在控制器指挥下工作。CPU的寄存器参与运算，并存储运算的中间结果，它也是在控制器指挥下工作。CPU虽然划分为以上几个部分，但PLC中的CPU芯片实际上就是微处理器，由于电路的高度集成，对CPU内部的详细分析已无必要，我们只要弄清它在PLC中的功能与性能，能正确地使用它就够了。CPU模块的外部表现就是它的工作状态的种种显示、种种接口及设定或控制开关。一般讲，CPU模块总要有相应的状态指示灯，如电源显示、运行显示、故障显示等。箱体式PLC的主箱体也有这些显示。它的总线接口，用于接I/O范本或底板，有内存接口，用于安装内存，有外设口，用于接外部设备，有的还有通讯口，用于进行通讯。CPU模块上还有许多设定开关，用以对PLC作设定，如设定起始工作方式、内存区等。2.3.5.PLC流程图图2-8此模块的六自由度机械手负责运送和装配零件，有两种工作方式，手动控制用于调整机械手工作方位，自动控制方式用于生产线自动运行，模块中使用红外对射传感器检测物料通过，漫反射传感器检测物料接近，传感器信号控制气缸使挡板动作截住物料以及使机械手动作，机械手总共有5个工位，过程为：从原位到工位1，机械手夹取物料；从工位1经过原位到工位2，机械手夹取物料送到装配平台上；从工位2到工位3，机械手夹取物料盖；从工位3到工位2，机械手夹取物料盖与物料装配；从工位2到工位4，机械手夹取完整物料送到传输面上；从工位4到原位，机械手回到原位，重复进行操作。2.3.6.PLC接线图图2-9S7-200是西门子公司专为中小型用户设计的小型PLC系统，由于其具有可靠性高、功能强、编程简单、人机交互界面友好等特性而广泛用于工业控制系统。本模块选用西门子s7-200CPUST60DC/DC/DC(6ES7288-1ST60-0AA0),具有24点输入，16点输出，配备6ES7351-1AH01-0AE0，FM351定位功能模块，具有一通道步进电机闭环控制（4路脉冲输出）。步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的执行机构。在额定负荷下，电机的转速、停止位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数目。另外，步进电机只有周期性误差而无累计误差的特点，使其在速度、定位等控制领域应用得非常广泛。控制步进电机最重要的就是要产生出符合要求的控制脉冲。西门子PLC本身带有高速脉冲计数器和高速脉冲发生器，其发出的频率最大为10KHz，能够满足步进电动机的要求。对PLC提出两个特性要求。一是在此应用的PLC最好是具有实时刷新技术的PLC，使输出信号的频率可以达到数千赫芝或更高。其目的是使脉冲能有较高的分配速度，充分利用步进电机的速度响应能力，提高整个系统的快速性。二是PLC本身的输出端口应该采用大功率晶体管，以满足步进电机各相绕组数十伏脉冲电压、数安培脉冲电流的驱动要求。对输入电机的相关脉冲控制，从而达到对步进电机三相绕组的48V直流电源的依次通、断，形成旋转磁场，使步进电机转动。步进电机选用两相四线，驱动器为THB6064H是一款专业的PWM斩波两相步进电机驱动芯片。它内部集成了细分、衰减模式设置、电路调节、CMOS功率放大等电路，配合简单的外围电路即可实现高性能、多细分、大电流的驱动电路。适合驱动57、86型步进电机。据介绍在低成本、低振动、小噪声、高速度的设计中应用效果较佳。适合驱动57、86型步进电机。2.3.7.I/O端口配制图2-10第3章．六自由度装配机器人模块机电系统仿真3.1背景一种由西门子公司研制开发的全新的面向功能开发的全新机器设计方法，以及基于该设计方法的解决方案，基于功能开发的机电一体化概念设计解决方案，适用于机器的概念设计主要解决详细设计阶段过程中机械、电气、液压等多学科的协同设计——机电一体化概念设计解决方案(MCD)。借助MCD，设计人员创建机电一体化模型，对包含多体物理场以及通常存在于机电一体化产品中的自动化相关行为的概念进行3D建模和仿真，实现创新性的设计技术，加快了涉及机械、电气、传感器和制动器以及运动等多学科协同。通过重用现有知识，并通过概念评估帮助用户做出更明智的决策，不断提高机械设计的效率、缩短设计周期、降低成本、提升设计品质。3.2基本元件，功能机电基础：刚体：刚体组件可使几何对象在物理系统的控制下运动，添加刚体是基本操作；碰撞体：两个物体相互接触，两个对象都定义有碰撞体时物理碰撞的前提；对象源：用于源源不断地提供物料。运动副：铰链副：组成运动副的两个构件之间只能按照某一方向作相对转动，用于机器人轴的转动；滑动副：组成运动副的两个构件之间只能按照某一方向作相对滑动；固定副：将一个构件固定到另一个构件上，限制自由度。传感器：碰撞传感器：利用距离传感器来收集触发事件。为下一个工序提供信号输入；执行机构：速度控制：速度控制驱动运动副的轴以一预设的恒定速度运动到一预设的，本次设计为传送带速度提前预设；位置控制：位置控制驱动运动副的轴以一预设的恒定速度运动到一预设的，为机器人转动提供角度预设。信号：信号适配器：用于信号的中转，接受仿真序列里面的信号传递给执行机构。过程：仿真序列：‘仿真序列’是MCD中的控制元素，可以通过‘仿真序列’控制，MCD中的任何对象。经过信号适配器传输给执行机构。3.3设计流程图图3-13.4软件操作按照工序流程进行设计：1.物料底的传输：首先进行对物料定义，定义物料为碰撞体和刚体，其次对传送带进行定义，传送带定义为碰撞体和传输面，传输面设置速度初值，然后设置挡板为碰撞体，阻止物料前进，最后定义传感器，这里采用了碰撞传感器，用于传输信号给机器人。2.机械手的运动：首先对机械手进行基本的刚体，碰撞体定义，然后用到固定副，对机械手底座，和螺栓进行固定；然后添加铰链副（选择相应的基本件与连接件），6个自由度的机械手需要6个铰链副，定义完铰链副之后，进行位置控制，每个自由度设置一个位置控制，然后添加配置数字模型与PLC连接信号（信号适配器），信号适配器选择每个位置控制为对象进行添加位置控制，然后在信号中角度位移变化，添加公式，最后进行仿真序列，选择信号适配器中的信号为相应的对象，然后进行角度参数的设置，每个自由度转动不动的角度，到达物料的位置，调整运动的时间，最后选取碰撞传感器的输入信号，在运行参数中将其赋值为ture时进行运动。3.机械爪的运动：首先对机械爪进行碰撞体的定义，因为机械爪时相对向里运动，所以要设置机械爪的夹取部分为两个滑动副，添加滑动副（选择相应的基本件与连接件），然后对机械爪进行信号的处理，首先添加位置控制，其次添加信号适配器（其中选择长度位移变化），最后进行仿真序列，调整运动过程的时间，其中直接运行在机械手停止之后，然后调整运动的长度位移，对物料进行夹取。4.运送物料到装配平台：在序列编辑器中复制之前的每个自由度的时序进行调整，粘贴的接下来的工序，然后经过机械手的角度的调整再次相对运动，调整后的每个铰链副的相对角度使其转动到达转动平台，最后调整滑动副的长度位移，是机械爪相对分离，离开物料，设置装配平台为碰撞传感器，使其控制，物料仓储里的传送带运动，和装配完整之后的传送带运动到下一个工序。5.物料盖仓储的运动（改进）：经过装配平台的碰撞传感器的信号输入，物料给予传送带进行运动，物料盖的是一个对象源，提供源源不断地物料，弥补之前物料盖不足的设计缺陷，在其传感器和挡板，设置此处的挡板为一个铰链副，设置铰链副为位置控制，信号源来自碰撞传感器，序列设置其转动角度为90°，用于阻止物料运动，每层设置四个挡板，每次物料盖经过传感器时，1234不同的挡板进行工作最后一个挡板控制对象源的停止，使其短期内没有对象源的。6.装配过程：控制机械手，复制之前序列编辑器中的每个轴自由度的运动序列，改动角度参数使其机械手到达物料盖仓储拦截位置，之后调节机械爪滑动副部分使其进行夹取，之后再调节每一个机械手的轴的序列角度进行行物料盖的装配过程。7.完整物料输送：再次控制机械手，复制之前序列编辑器中的每个轴自由度的运动序列，改动角度参数使其机械手到达完整物料输送传送带上，进行物料的输出。3.5问题分析

1.物料坠落：MCD软件熟悉初期，概念不熟悉，设置物料为刚体的时候，在其他工序设置完成进行运行时，物料不停地往一边快速移动直至消失，一直没发现问题，直到理解他为刚体，具有一定的质量，会随之自由落体运动，所以发现了问题在坐标系，因为初期建模我们是在SolidWorks里面建模，坐标系与UG里面的不重合，所以按照UG里面坐标系仿真时会一直出现快速坠落的错误，处理办法就是在UG里面快速建模，然后把自己的图以建模的为标准进行装配。

2.碰撞材料：碰撞材料是设计过程的关键部分，因为不同的碰撞材料会产生不同的影响，首先是碰撞材料形状，有方形，圆柱，网格等，一般选择为网格精度化为细致，碰撞材料属性动摩擦和静摩擦参数，这两个参数对整个系统的运作起到关键性作用，尤其是机械爪的夹取过程不同的属性，影响很大，经过多次实验选择合适的参数。3.6软件仿真示意图图3-2图3-3图3-4图3-5第4章．总结赖龙翠（负责总策划和书写报告书）翁子成（负责机械设计与改进）庄焕杰（负责PLC程序编程）赵国良（负责MCD动画仿真）赖龙翠：经过两周时间的不懈努力，从开始对流水线作业的认识学习，到最终六自由度装配机器人模块单元的改进仿真完成，我们小组的每一位成员都尽心尽责，各成员之间相互合作，相互探讨，相互监督。在机械设计系统改造之前，我们提出了一致的优化方案，紧接着分配各组员相应的任务。本人负责的部分主要是协助队员开展工作，撰写报告书。在完成这些工作时，我及时的跟进队员的作业进度，队员每完成把一部分工作时，本人都会记录下来；书写报告书时查阅了相关的页面排版格式，对整个报告书的页面进行了调整，包括格式、字体、标注等；再则，我对队员的改进方案书面表达时，请教了队员相关的操作内容，因此，我对整体的方案流程有了详细的认识，有需要建议修改的地方也都会和队员协商。虽然期间遇到了不少困难，包括流程图的绘制，plc编程程序的导入，机械图片的修整，花费了大量的时间和精力，但从未放弃，一直坚持和队员直面问题