机械设计制造及其自动化毕业设计-PLC控制机电气一体化自动上料实验平台设计制造方案

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1、目 录 1 绪 论1 1.1研究现状1 1.2研究的目的和意义1 2 需求分析3 2.1教学需求3 2.2科研需求3 3 实施方案5 3.1零件底座上料工作站7 3.1.1上料机构8 3.1.2机械手机构9 3.1.3废料检测机构10 3.1.4传输机构10 3.1.5 PLC控制系统10 3.2零件端盖上料工作站11 3.2.1上料机构13 3.2.2机械手传输机构13 3.2.3 PLC控制系统14 3.3装配工作站15 3.3.1先导传输带16 3.3.2装配单元16 3.3.3后续传输带16 3.3.4 PLC控制系统17 3.4加工工作站17 3.4.1先导传输带18 3.4.2加工

2、单元19 3.4.3后续传输带20 3.4.4 PLC控制系统20 3.5检测传输工作站20 3.5.1传输单元21 3.5.2检测单元21 3.5.3收纳单元22 3.5.4转向单元22 3.5.5 PLC控制系统23 3.6立体仓库工作站23 3.6.1传送机构24 3.6.2机械手结构25 3.6.3仓库单元25 4成果形式26 4.1实训零件26 4.2硬平台26 4.3软平台27 5 研制工作进度28 6 经费预算情况29 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

3、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。

4、 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。

5、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

6、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。 29 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

7、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

8、所示。 图3-4 工作流程图 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

9、。 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

10、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颜色，如颜色不对，信号反馈给PLC，PLC控制单杆气缸动作

11、，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为参照相关厂家PLC控制结构图。 图3-10 PLC控制系

12、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号单杆双叉气缸位置，1号单杆

13、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15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，端盖到达装配工作

14、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

15、件到垂直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）

16、等组成。 3.4加工工作站 加工工作站平面图如图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