机电一体化课程设计说明书

机电工程学院

课程设计（专业方向设计）说明书

（2014 /2015 学年第一学期）

课程名称 ： 机电一体化课程设计 题 目 ： 工业机械手设计 专业班级 ： 学生姓名 : 学 号: 指导教师 ：

设计周数 ： 三 周

设计成绩 ：

2015年12月31日

河北工程大学课程设计

目录

第一章 工业机械手综述 .......................................................... 0

1。1工业机械手的发展概况 ................................................. 0 1。2工业机械手的应用 ..................................................... 0 1.3工业机械手的组成及原理 ................................................ 0

第二章 伸缩臂的设计方案 ....................................................... 4

2。1 设计方案论证以及确定 ................................................. 4 2.1.1 设计参数及要求 .................................................... 4 2。1。2 设计方案的比较论证 .............................................. 3 2。2 机械手伸缩臂总体结构设计方案 ......................................... 4 2。3 执行装置的设计方案 ................................................... 5 2。3。1 滚珠丝杠的选择 .................................................. 5 2.3。2减速齿轮的有关计算 ............................................... 9 2。3.3电动机的选择 .................................................... 14

第三章 PLC控制系统设计 ....................................................... 17

3。1 PLC的构成及工作原理 ................................................ 17 3。2 选择PLC ............................................................ 17 3.3 PLC外部I/O分配图 ................................................... 18 3。4 软件设计 ............................................................ 20 3。5 硬件设计 ............................................................ 27

总 结 ............................................................................. 28 参 考 文 献 ...................................................................... 30

河北工程大学课程设计

第一章 工业机械手综述

1。1工业机械手的发展概况

工业机械手在先进制造技术领域中扮演着极其重要的角色，是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备，是一种能自动化定位控制并可重新编程序以变动的多功能机器，它有多个自由度，可用来搬运物体以完成在各个不同环境中工作。

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.机械手技术涉及到力学、机械学、电气液压技术、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.

1。2工业机械手的应用

机械手是工业自动控制领域中经常遇到的一种控制对象。机械手可以完成许多工作，如搬物、装配、切割、喷染等等，应用非常广泛广泛。

在现代工业中，生产过程中的自动化已成为突出的主题.各行各业的自动化水平越来越高，现代化加工车间，常配有机械手，以提高生产效率，完成工人难以完成的或者危险的工作。目前在我国机械手常用于完成的工作有：注塑工业中从模具中快速抓取制品并将制品传送到下一个生产工序；机械手加工行业中用于取料、送料；浇铸行业中用于提取高温熔液等等.

广泛采用工业机械手，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，工业机械手的广泛应用正在日益改善着人类的生产和生活方式。

1.3工业机械手的组成及原理

工业机械手一般应由机械系统、驱动系统、控制系统、检测系统和人工智能系统等组成。机械系统是完成抓取工件实现所需运动的执行机构;驱动系统的作用是向执行机构提供动力，执行元件驱动源的不同，驱动系统的传动方式有液动式、气动式、电动式和机械式四种，采用液压机构驱动机械手,结构简单、尺寸紧凑、重量轻、控制方便；控制系统是工业机械手的指挥系统,它控制工业机器人按规定的程序运动；检测传感系统主要检测工业机械手执行系统的运动位置、状态,并反馈给控制系统进而及时比较调整。

0

河北工程大学课程设计

本次设计的工业机械手属于圆柱坐标式的液压驱动机械手，具有手臂升降、伸缩、回转等三个自由度。因此相应地有手臂伸缩机构、手臂升降机构、手臂回转机构等组成。每一部分均用液压缸驱动与控制。下图为本次设计的机械手总平面图：

图1—1机械手总平面图

1底座、2立柱、3液压缸、4伸缩臂、5升降臂、6机械手

1

河北工程大学课程设计

机械手的工作原理：机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等所组成。在PLC程序控制的条件下,采用液压传动方式，来实现执行机构的相应部位发生规定要求的，有顺序，有运动轨迹，有一定速度和时间的动作。同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令，必要时可对机械手的动作进行监视，当动作有错误或发生故障时即发出报警信号。位置检测装置随时将执行机构的实际位置反馈给控制系统，并与设定的位置进行比较，然后通过控制系统进行调整，从而使执行机构以一定的精度达到设定位置。下图为机械手的系统工作原理框图：

图1-2机械手的系统工作原理框图

2

河北工程大学课程设计

第二章 伸缩臂的设计方案

2.1 设计方案论证以及确定

2.1。1 设计参数及要求

1、伸缩长度：300mm；

2、单方向伸缩时间：1.5～2.5s；

3、定位误差：要有定位措施,定位误差小于2mm; 4、前端安装机械手，伸缩终点无刚性冲击。 2.1.2 设计方案的比较论证

根据设计参数及要求，选择齿轮、滚珠丝杠来实现工业机械手伸缩臂的伸缩运动，结构简单，易于控制，更经济实用。

2.2 机械手伸缩臂总体结构设计方案

经过本人的反复思考及论证，先做出运动简图。现如下图2-1所示，该机构中支座安装在机器人床身上,用于安装滚珠丝杠和伸缩杆等零件。由步进电动机(1）驱动,带动一级齿轮减速器（2).通过减速器输出轴与丝杠(3）相连，以电机为动力驱动滚珠丝杠转动，通过丝母的直线运动，推动导向杆运动,利用电机正反转动实现伸缩换向。法兰用于安装机械手，构成如图所示的结构：

图2—1 步进电机伸缩机构示意图

3

河北工程大学课程设计

2.3 执行装置的设计方案

2。3.1 滚珠丝杠的选择 2.3。1.1滚珠丝杠副的选择：

(1）由题可知:伸缩长度S为300毫米，伸缩时间t为2秒 ,所以速度

Vs300mm150mm0.15mssst2，初选螺距P=10mm ( 2。1 ) 则： V15060r900rminminP10 （ 2。2 ）

nm（2)计算载荷:FC

FCKFKHKAFm ( KF为载荷系数，KH为硬度系数，KA为精度系数）

5678由题中条件，取KF1.2 ,取KH1.0 取D级精度,取KA1.1

丝杠的最大工作载荷

Fm ：

导向杆所受摩擦力即丝杠最大工作载荷：

Ｆmax=F=0.15400=120N （ 2。3 ） 则: FC1.21.01.11202112N

'Ca（3）计算额定动载荷的值：

CFC3'anmL'h1.67104 （ 2.4 )

min,LH15000h

nm960r

所以

'3Ca21129601500020064N41.6710

(4）根据选择滚珠丝杠副：

按滚珠丝杠副的额定动载荷Ca等于或稍大于Ca的原则，选用汉江机床厂FC1型滚珠 丝杠 ：

表2—1汉江机床厂FC1型滚珠丝杠

4

''9河北工程大学课程设计

丝 杠 代 号 丝杠尺寸/mm 中径 大径 导螺 旋 滚珠直径 米制/mm 螺母安装尺寸/mm 额定载荷 动载 静载 程 角 d2 d p  D D1 D2 B E M L Q 12 h Ca/NCoa/N 4006-3 40 39.5 8 211'3。969 50 11 8 75 15 6 4 48 M6 9 15 9 21379 69825

N FC1—52008-2.5 Ca22556N FC1—5006—3，Ca21379考虑各种因素选用FC1-5006-3。由表2-9得丝杠副数据：

'D50mm2110公称直径 导程p=8mm 螺旋角

滚珠直径 d03.969mm 按表2-1中尺寸计算:

滚道半径 R0.52d00.523.969mm2.064mm （ 2。5 )

d3.9692e0.07R00.072.064mm5.610mm22偏心距 （2.6)

2dD2e2R(5025.61022.064)mm45.76mm ( 2.7 ） 10丝杠内径

（5）稳定性验算

由于一端轴向固定的长丝杠在工作时可能发生失稳，所以在设计时应验算其安全系数 S,其值应大于丝杠副传动结构允许安全系数［S］（见表2—10）。丝杠不会发生失稳的 最大载荷,称为临界载荷

Fcr（N）按下式计算:

2EIaFcr(l)2 10 （ 2。8 ）

式中E为丝杠材料的弹性模量，对于钢，E=206Mpa; l 为丝杠工作长度（m）L=450mm；

为丝杠危险截面的惯性矩m;u为长度系数，见表2—10.

4依题意:

5

河北工程大学课程设计

3.140.04576m2.15107m46464 （ 2。9 ）

d144取

u23， 则

Fcr23.142061092.1510720.45324.85106N （ 2。10 )

Fcr4.85106S3031.3Fm1600安全系数.查表2—10,［S］=3~4，S>[S］,丝杠是安全的， 不会失稳.

（6）刚度验算 ：滚珠丝杠在工作负载F（N）和转矩T(N·m）共同作用下引起每个导程

的变形量:

pFp2TL0EA2GJc 11 ( 2.11 ）

Ad24其中 A——丝杠截面积

JCm2

4 —-丝杠极惯性矩

JCd4m32

G——丝杠的切变模量，对于钢 G83.3MPa

TFmD0tg2

T——转矩

式中:ρ为摩擦角，其正切函数值为摩擦系数,

tg0.0025，则ρ=8′40″ 则

Fm为工作载荷，取摩擦系数

T=

43050103tg2011'8'40\"0.43Nm2 ( 2。12 ）

按最不利情况取（其中F=

Fm）

4PF16P2T481034301681030.43L022229Ed1Gd13.14206100.045763.14283.31090.0457642

2.23102N•m （ 2.13 ）

6

河北工程大学课程设计

则 ： 丝杠在工作长度上的弹性变形引起的导程误差为：

L02.23102LL0.451.25umP8103 （ 2。14 ）

通常要求丝杠的导程误差L应小于其传动精度（0.03mm)的1/2,即

11L0.03mm0.015mm15um22 ( 2.15 ）

该丝杠的L满足上式，所以其刚度可满足要求. (7)效率验算：

滚珠丝杠副的传动效率

12为

tgtg(2011')0.930''\"tgtg211840 （ 2.16 ）

要求在90%~95%之间,所以该丝杠副合格。

经上述计算：FC1-5006—3 各项性能均符合题目要求,可选用。 2。3.1.2 滚珠丝杠螺距的选择：

P=8mm

2.3.1。3 滚珠丝杠的有效长度：

根据结构的设计确定,要保证有300mm的伸缩长度,先对丝杠螺母进行选择。丝杠螺母选用外循环螺旋槽式：滚珠螺母可得到其结构尺寸总长为L=61mm。根据其传动的特点，要保证螺母不脱离滚珠丝杠，又要有300mm移动距离，则丝杠的有效传动长度为L=430mm。 2.3.1.4 滚珠丝杠的安装结构：

采用双推简支式安装，一端安装支推轴承与深沟球轴承的组合，另一端安装深沟球轴承，其轴向刚度较低，双推端可预拉伸安装，预紧力小，轴承寿命较高，适用于中速传动精度较高的长丝杠传动系统。 由此可知：丝杠转速： Pn=L/2 所以

nL300r18.75r1125rssmin2P16 ( 2。17 )

2。3.1.5 丝杠安装轴承的选择

7

河北工程大学课程设计

由于滚珠丝杠副的支承形式采用的是一端固定一端游动（F-S），而又避免丝杠受压，所以丝杠的固定端（承重端)为左端，右端为游动端。

因此为了满足使用要求，左端的轴承选取双向推力球轴承与深沟球轴承的组合形式.推力轴承的特点是只能承受单向轴向载荷。为了限制左端的径向位移，同时又要限制向右的轴向位移，故选用角接触球轴承.此类轴承的特点是能同时承受径向轴向联合载荷。 1)双向推力球轴承的选择

2）初步选定为 51000型 代号为51306 d =30mm D =60mm T =21mm Ca36.2KN 3)校核基本额定载荷

通过所要求轴承寿命（等于丝杠的寿命)算基本额定载荷 在实际工程计算中，轴承寿命常用小时表示

108CLh1360nP （ 2。18 ）

360nLP601420150001000hC3810108 =2338N （ 2.19 ）

其中， C-—基本额定动载荷(N ） P——当量动载荷（N ） ——寿命指数 球轴承3 n-—轴承的转速（r/min）

在使用寿命为15000小时的要求下，双向推力球轴承应承受的基本额定动载荷为 2338N .

初步选用的轴承的额定载荷

CaCa=27KN ,即

14＞C 所以满足使用要求。

此类单向推力球轴承的数据如下表:

表2-2球轴承

mm min max max 基本尺寸 安装尺寸 基本额定载荷 极限转速 脂油 重量 轴承代号 d D T daDa raxCa Coa W ≈ 51000型 mm KN r/min kg —- 51306 30 60 20 57 53 0。6 36.2 66。8 3200 4500 0。14 8

河北工程大学课程设计

4）深沟球轴承的选择

15选用的轴承型号为6007c（15）, 具体数据见下表:

表2—3深沟球轴承 基本尺寸 安装尺寸 基本额定载荷 极限转速 重量 轴承代号 d D B A dsDa ras Mm Cr Cor KN 25.8 20。5 脂油 W ≈ 70000C型 mm 45 75 16 r/min 7500 10000 kg 0.28 -— 7009C 16 51 69 1 5)深沟球轴承的选择：

下端的轴承只起游动和限制径向位移的作用，所以采用深沟球轴承.选择60000型, 具体数据见下表

16:

表2—4球轴承数据

基本尺寸 安装尺寸 基本额定载荷 极限转速 脂油 重量 轴承代号 60000型 d D B da Da ras Cr Cor W ≈ min max max mm mm KN 4.00 3.15 r/min 12000 16000 kg 0.026 —— 61806 30 42 7 32。4 39。6 0。3 2.3。2减速齿轮的有关计算

2。3。2。1 选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数：

4000r/min（1）确定传动比 i=1125r/min=1。25 故此次设计采用一级减速

（2）按照工作要求，此次设计齿轮传动采用直齿圆柱齿轮开式传动。轮齿的主要失效形

式为齿面磨损,故此次设计采用硬齿面。 （3）选择齿轮材料及确定许用应力：

由表10-1选小齿轮材料为40MnB(调质）、硬度260HBS;大齿轮材料35SiMn（调质）、 硬度230HB，制造精度系数为8级。

9

河北工程大学课程设计

(4）估计丝杆功率：

摩擦功率 P摩=QV/60000f 式中： Q-摩擦力（N)，Q=Fmax=120N；

150mm/s*601000V—直线传动中的速度（m/min）;V==9m/min; （ 2.20 ）

f—直线传动机械效率f=螺母＊导向杆=92％＊75%=69%;

120N*9m/min故P摩=60000*69%=0。028KW 参考卧式车床Pf=（0。03～0.04）Pi，

故取P摩=0。04P快 故P快=0.028KW/0。04=0。7KW 故P丝杆=P快＊

齿轮=0。7KW*0。95=0。67KW

（5） 选小齿轮齿数z120,大齿轮齿数z2iz11.252025。 2。3。2.2按齿面接触强度设计

由设计计算公式（10—9a）进行计算，即

2dktT1•i11t2.323

diZEH18 确定公式内的各计算值 （1）试选载荷系数Kt1.3 （2)计算小齿轮传递的转矩

P丝杆 T5195.510n丝杆=95.51050。67/1125=5.687103N·mm ( 2.23 （3）由表10-7选取齿宽系数d0.5

1（4）由表10—6查得材料的弹性模量ZE189.8MPa2

（5）由图10-21d按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳HLim1625MPa大齿轮的接触疲劳强度极限HLim2580MPa； （6）由式10—13计算应力循环次数：

10

（ 2。21 )

2.22 )

）

（

河北工程大学课程设计

N160n1jLh604000128300158.641098.64109N24.81093.619 ( 2。24 )

（7）由图10-19查得接触疲劳寿命系数KHN10.88;KHN20.90 (8）计算接触疲劳许用应力

取失效概率为1%，安全系数S=1,由式(10—12)得

H1KHN1HLim10.88625MPa550MPa20SH2KHN2HLimS0.901580MPa522MPa （ 2。25 ）

1）计算:

计算小齿轮分度圆直径

d1t，代入H中较小的值

2d1t2.32

3ktT1i1ZE•diH2.3231.35.6871032.25189.811.25522249.13mm ( 2.26 ）

2）计算圆周速度v

vd1tn160100049.1321125m601000s2.89ms （ 2.27 )

3）计算齿宽b：

bd•d1t0.549.13224.57mm （ 2.28 ） 4）计算齿宽与齿高之比b/h

模数 mtd1t/z149.132/202.46mm （ 2.29 ） 齿高 h=2。25×2.46mm=5.53mm

b/h=49.132/5.53=8.89 （ 2。30 ） 5）计算载荷系数

v2.89ms，8级精度，由图10-8查得动载系数KV1.11 根据

直齿轮，假设KAFt/b100N/mm.由表10—3查得KHKF1.2； 由表10—3查得使用系数 KA1；

11

河北工程大学课程设计

由表10—4查得:

KH0.860.18(10.6d)d20.23103b212 ( 2。31 ）

将数据代入

KH0.860.18(10.612)120.2310334.871.416 （ 2.32 ） 由b/h=34.87/3.92=8.89 查图10—13得

KH1.416

KF1.35；

故载荷系数：

KKAKVKHKH11.111.21.41241.931 ( 2。33 ） 6）按实际载荷系数校正所算得的分度圆直径，由(10—10a）得

d1d1t3KKt49.13231.9311.3mm56.06mm227)计算模数m

（ 2.34 ）

md1z156.06202.82mm 取标准模数m=4 （ 2.35 ） 2.3。2。3校核齿根弯曲疲劳强度：

由式10—4得校核式为：

FKFtYFaYSa23Fbm

2T125.687103Ft186.5Nz23..6201） 计算圆周力： （ 2。36 ） 2） 齿形系数及应力校正系数：由表10-5得： 3） 齿形系数 YFa12.55,YFa22.32 4） 应力校正系数 YSa11.61,YSa21.70

5） 计算弯曲疲劳许用应力 (1)弯曲疲劳安全系数S=1。4

FKFNFES （ 2.37 ）

（2)由图10—20c按齿面硬度查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限FE1480MPa； 大齿轮的弯曲疲劳强度极限FE2360MPa；

(3）由图10—18查得弯曲疲劳寿命系数KFN10.78;KFN20.84;则:

12

河北工程大学课程设计

F1KFN1FE1SF2KFN2FE2S0.78480267.43MPa1.40.84360216MPa1.4 ( 2.38 ）

6） 校核计算：

K1.35（1）由前知载荷系数 KA1 KV1.11 KF1.2 F 则：

KKAKVKFKF10.861.21.351.393 （ 2.39 ）

（2） 校核：

F1F2KFtYF1YS11.393186.52.551.6169.37MPaF1bm34.872KYY1.393186.52.321.70FtF2S266.63MPaF2bm34.872

满足要求。 则：

z1d156.0614.02m4 取z117 ( 2。40 ）

所以 z2iz11.251721.25 取z225 （ 2。41 ） 2.3。2。4 几何尺寸计算

1）分度圆直径:

d1mz141768mm,d2mz2425100mm （ 2.42 ） 2）中心距:

ad1d26810084mm22 （ 2。43 ）

3）齿轮宽度:

bd•d10.56832mm （ 2.44 ） 取B230mm B135mm 4）齿顶圆直径：

*da1z12ha172476mm （ 2.45 ） 1m*dz2hmm ( 2。46 ） a22a2m2524108

13

河北工程大学课程设计

5)齿根圆直径:

*df1z12ha2c*m17220.25458mm ( 2。47 ) **df2z22ha22cm25220.25490mm ( 2.48 ）

2.3。2.5 验算：

KAFtb1186.54.66N/mm100N/mm40 （ 2。49 ）

对照表11—2可知选用8级精度是合宜的。 2。3。3电动机的选择

根据设计任务书要求选用3相6拍步进电机。

2.3。3。1确定各旋转件的角速度

2n丝杆丝杆=60=1125r/min*2/60=117.75rad/s （ 2。50 ）

2。3。3。2确定各旋转件的转动惯量：

其中丝杆系效直径取为0。038m。

d4L J丝杆=

32=＊78*10*0.04＊0。43/32=0。8＊10Kg•m （ 2。51 ）

34322.3。3.3确定直线传动件质量

mi=m螺母+m连杆+m导向杆+m挡块+m夹持器 （ 2。52 )

mi其中：m夹持器=20Kg,m导向杆=11Kg 取i=50Kg

i2.3.3。4转化到电机轴上当量转动惯量

J=

Jk(KWk2V)()2ww （Kg•m2） （ 2.53 ） i 式中： Wk—各旋转件的角速度；（rad/s ）,

Jk—各旋转件的转动惯量； (Kg•m）,

14

2河北工程大学课程设计

mi—各直线运动件的质量;（Kg）， V——直线运动件的速度；（m/s）， W-—-电机角速度；（rad/s)

W丝杆2V2故J= J丝杆w+miiw 22117.750.16=0.8＊103*157+30＊

157 =17.7＊103 ( 2.54 ) 2.3。3.5确定克服惯性量所需的电机上的扭矩：

WM1=Jt（N•M） 式中: J—电机轴上的当量转动惯量(Kg•m2）; W—电机的角速度（rad/s）；

t—-时间，取t=0。27；

157故M惯=1*103*0.2=0。785N•M 2.3。3。6确定负载扭矩：

TLFL1200.050.6N•m 所以 TstTL0.40.60.41.5N•m

最大静转矩

TSmaxM1Tst0.9510.7851.50.9512.36N•m 2。3。3。7选择电机

由最大静转矩，查机械设计手册 选90BF004 所选电机技术数据如下

17：

15

（ 2。55 ) 2。56 )

2。57 ）

（（河北工程大学课程设计

表2—5电机技术数据 规格 步距角(） 0相数 最大静转矩(N·m) 最高空载 启动频率 步/s 运行频率步/s 电压 V 电流 A 6 90BF004 0。75 3 2 1500 8000 12 表2-6电机外形尺寸 外径 110 长度 181 轴径 9 重量 3

16

河北工程大学课程设计

第三章 PLC控制系统设计

3.1 PLC的构成及工作原理

可编程控制器（简称PLC）虽然外观各异，但是硬件结构大体相同。主要由中央处理器(CPU）、储存器（RAM、ROM)、输入输出器件（I/O接口）电源及编程设备几大部分构成。PLC是在工业环境中使用的数字操作电子系统.它使用可编程存储器储存用户设计的程序指令，这些指令用来实现逻辑运算、顺序操作、定时、计数及算术运算和通过数字或模拟出入/输出来控制各种机电一体化系统。由于它具有程序可变、抗干扰能力强、可靠性高、功能强、体积小、耗电低，特别是易于编程、使用操作方便、便于维修、价格便宜等特点，具有广泛的应用前景。

PLC实质上是一台面向用户的专业数字控制计算机。图3—1为PLC的硬件结构框图,PLC通过输入/输出接口与被控对象的工作机相连接。控制系统的具体要求，通过编程器预先把程序写入到储存器中，然后执行程序，完成控制任务。当系统或被控对象改变时,只需相应变化输入/输出接口与被控对象的连线，重新编程，即可形成一个新的控制系统。

图3-1 PLC硬件结构框图

3。2 选择PLC

此次设计选择的PLC定为F1-40系列。 （1)I/O点数的估算

根据分析的结果，进行统计估算,F1—40系列选择主机I/O点数为24/16. （2）容量计算

内存容量指的是用户程序的容量。最大I/O点数为120，一般指令的条数为I/O点数 的10-12倍左右，PLC的容量不得小于此要求。 (3)其它

PLC除了主控模块外,还可以配接各种功能模块。本次设计选择增加位置控制模块、

17

河北工程大学课程设计

速度控制模块。这些模块可实现特殊功能。

3.3 PLC外部I/O分配图

根据所选的PLCF1—40系列的内部元件及输入输出的相关元件、设备,编制出I/O分配3—2所示如下： :

图3-2 PLC接线图

18

河北工程大学课程设计

3.4 软件设计

根据任务书的要求，可以采用移位寄存指令或步进指令进行系统软件的设计，整个控制系统的设计应采用模块化设计。 （1） 模块化设计

公共程序模块，手动程序模块，自动程序模块,远位模块。公共程序模块包括主电路、油泵等的控制，状态初始化,状态转换启动，状态转换停止，事故报警保护等程序。程序总框图如图3—3所示:

图3—3程序总框图

公共程序部分是对整个程序进行控制的部分，对机器的运行控制起着主要作用。公共程序的梯形图如图3—4所示：

19

河北工程大学课程设计

图3-4 公共程序

表3—1公共程序指令表

步序 指令 步序 指令 步序 指令

0 LD X400 8 S S600 16 OUT Y535 1 OR M100 9 LD X402 17 OUT M101 动2 ANI X402 10 OR M101 18 LD M101 程3 OUT Y533 11 ANI M100 19 ANI M100 序4 OUT Y534 12 ANI X403 20 S S601 采5 OUT M100 13 ANI M103 21 ANI X502 用6 LD X404 14 ANI M104 22 OUT M76 电动7 AND M100 15 ANI M71 方

式，应能完成全部自动程序所完成的动作。手动程序部分如图3—5所示:

20

手河北工程大学课程设计

图3—5 手动程序

表3—2 手动程序指令表 步序 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 指令 步序 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 21

指令 步序 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 指令 LD X416 ANI X415 ANI X405 ANI X506 LD X407 OR X411 ANB OUT Y430 LD X415 ANI X416 ANI X404 ANI X506 LD X407 OR X411 ANB OUT Y432 LD X421 ANI X422 ANI X414 LD X407 OR X411 ANB OUT Y431 LD X422 ANI X421 ANI T540 LD X407 OR X411 ANB OUT Y435 LD X417 ANI X420 ANI X407 AND X506 OUT Y433 LD X4420 ANI X417 ANI X411 AND X506 OUT Y436 河北工程大学课程设计

自动程序应包括连续过程，单周过程,画出状态转移图.自动程序部分如图3—6所示：

22

河北工程大学课程设计

23

河北工程大学课程设计

24

河北工程大学课程设计

图3—6 自动程序

25

河北工程大学课程设计

表3-3 自动程序指令表 步序 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 指令 步序 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 指令 步序 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 指令 步序 指令 步序 指令 STL S601 OUT Y430 AND X405 S S602 STL S602 OUT Y431 AND X414 S S603 STL S603 OUT Y432 AND X404 S S604 STL S604 OUT Y433 AND X406 S S605 STL S605 OUT Y433 OUT Y434 AND X407 S S606 STL S606 OUT Y536 AND Y536 S S607 STL S607 AND X412 OUT Y530 AND Y530 S S610 AND Y532 S S613 STL S613 OUT Y532 AND Y532 S S614 STL S614 OUT Y532 OUT Y530 MPS AND Y530 AND Y412 S S607 MPP OUT Y531 132 STL S633 176 STL S644 OUT Y530 133 OUT Y532 177 OUT Y530 AND Y531 134 AND Y532 178 AND Y530 AND Y530 135 S S623 136 S S634 179 S S645 S S634 STL S634 135 STL S623 137 OUT Y532 136 STL S634 OUT Y530 138 OUT Y530 137 OUT Y532 AND Y530 139 S S624 140 MPS 138 OUT Y530 MPS AND Y530 139 STL S624 141 AND X412 140 AND Y530 OUT Y530 142 OUT Y532 143 S S630 MPP 141 142 AND X412 S S630 MPP ANI X412 100 OUT Y440 144 101 ANI X412 143 S S635 144 MPS 145 ANI X412 102 AND Y532 146 STL S636 145 S S635 S S615 103 AND Y413 147 OUT Y431 146 STL S636 STL S615 104 AND X503 105 S S617 MPP 148 149 R Y534 147 OUT Y431 R Y534 AND X414 148 OUT Y435 106 ANI X413 150 S S637 149 AND X414 OUT T450 107 S S625 151 STL S637 150 S S637 SP K3 108 STL S625 152 OUT Y441 151 STL S637 AND T450 109 AND X504 153 AND Y441 152 OUT Y441 S S616 110 S S626 154 S S640 153 AND Y441 S S640 STL S616 111 STL S626 155 STL S640 154 OUT Y441 112 OUT Y536 156 AND X413 155 STL S640 S Y437 113 AND Y536 157 OUT Y532 156 AND X413 S S627 158 AND Y441 114 S S617 115 AND Y532 157 OUT Y532 S S641 158 STL S630 159 AND Y532 S S641 STL S617 116 AND X412 160 STL S641 159 AND X413 117 OUT Y530 161 OUT Y532 160 STL S641 26

河北工程大学课程设计

30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 STL S610 OUT Y530 OUT Y531 AND Y530 AND Y531 S S611 STL S611 OUT Y531 AND Y531 S S612 STL S612 OUT Y531 OUT Y532 AND Y531 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 OUT Y532 118 OUT Y531 162 OUT Y531 161 OUT Y532 AND Y532 119 AND Y530 163 AND Y532 162 OUT Y531 S S620 120 AND Y531 164 AND Y531 163 AND Y532 S S631 165 STL S620 121 S S642 164 AND Y531 S S642 OUT Y532 122 STL S631 166 STL S642 165 OUT Y531 123 OUT Y531 167 OUT Y531 166 STL S642 AND Y532 124 AND Y531 168 AND Y531 167 OUT Y531 AND Y531 125 S S621 126 S S632 169 S S643 168 AND Y531 S S643 STL S632 170 STL S643 169 STL S621 127 OUT Y531 171 OUT Y531 170 STL S643 OUT Y531 128 OUT Y532 172 OUT Y530 171 OUT Y531 AND Y531 129 AND Y531 173 AND Y530 172 OUT Y530 S S622 130 AND Y532 174 AND Y531 173 AND Y530 S S633 175 STL S622 131 S S644 174 AND Y531 3。5 硬件设计

硬件设计包括外围电路、控制柜、布线等的设计。本次设计主要要求进行控制柜的设计.操作面板如图3—7所示:

图3－7 操作面板

27

河北工程大学课程设计

总结

本次设计是对机电一体化课程所学的一个综合考察。我觉得作为一名机械设计制造专业的学生，在机械设计方面有了更大的进步。在这一段时间里，通过网上查找资料，翻阅设计手册等相关专业书籍，使我了解到很多机械手的相关知识.熟悉了机械手设计的过程步骤，通过机械手的结构设计、注意事项等，巩固了机械设计方面的知识。

通过这次毕业设计，使我对继电器、控制器、PLC、液压系统有了进一步的了解。课堂上的知识为此次课程设计提供了正确的理论指导，而实践中遇到的问题又进一步加深和巩固了我们的知识，不但对机器控制系统的工作原理和特点有了深入认识，而且对各类元器件的作用及选用也进行了仔细研究。这次毕业设计让我有一次复习了以前的内容并运用它做出了自己的东西，让我对机电控制技术产生了浓厚的兴趣.

在本次设计中，更多的是对机械CAD软件的使用,这使我能更加熟练的运用CAD画图，而且还熟练掌握了一些常用软件的应用,比如PRO/E,OFFICE等。

课程设计是对所学的专业知识一个检验和运用的过程，经过此次课程设计，让我深切体会到作为一名机械设计人员必须面对的各种困难，同时也让我看到了自身的不足，更清楚了前进的方向。

本设计中不足的是,只是对机械手的结构和控制系统进行了设计，但是还不能够投入生产，如果要设计一个合格的实际使用的商品的话,还要做市场调查，考虑成本，工作环境,优化设计等，所以，我觉得现在做的还不够，可以说是差的很多，所以要作为一名真正的设计人员，还要更加的努力!

参 考 文 献

28

河北工程大学课程设计

［1] 廖常初.PLC应用技术问答.第1版.北京:机械工业出版社，2006 [2］ 濮良贵.级明刚. 机械设计［M］. 高等教育出版社,1995年 ［3］ 张万奎.机床电气控制技术.北京：北京大学出版社，2006.8

［4］ 王炳实。机床电气自动控制。 第三版.北京：机械工业出版社，2004.5

[5］ 王永华。现代电气控制及PLC应用技术.第1版。北京：北京航空航天大学出版社,2003 [6] 成大先编.机械设计手册［M]。北京:化学工业出版社,2004年 ［7] 廖兆荣编。机床电气自动控制。北京：化学工业出版社，2003.6 ［8] 赵大兴编.工程制图[M］。高等教育出版社，2004年

[9] 天津大学《工业机械手设计基础》编写组。工业机械手设计基础。天津：天津科学技术出版社1980.

［10］ 李允文. 工业机械手课程设计.1987。

［11］ 孟繁华. 机器人应用技术.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1989。 [12］ 周伯英. 工业机器人设计.北京：机械工业出版社，1995。

[13］ 宋徳玉. 可编程序控制器原理及应用系统设计技术。 冶金工业出版社，1999。 ［14］ 成大先。 机械设计手册（第四卷）. 化学工业出版社，2002. ［15] 常斗南。 可编程序控制器原理、应用、实验. 机械工业出版社，1999. ［16] 韩梦玮. 顺序控制技术.国防工业出版社，1987.

［17] 成大先。 机械设计手册单行本液压传动.化学工业出版社，2004。

29