機(jī)電一體化課程設(shè)計說明書

1、機(jī)電工程學(xué)院課程設(shè)計（專業(yè)方向設(shè)計）說明書（2014 /2015學(xué)年第一學(xué)期）課程名稱： 機(jī)電一體化課程設(shè)計題 目:工業(yè)機(jī)械手設(shè)計專業(yè)班級：學(xué)生姓名：學(xué) 號：指導(dǎo)教師 ：設(shè)計周數(shù)： 三周設(shè)計成績 ：2015年12月31日目錄第一章 工業(yè)機(jī)械手綜述 11.1工業(yè)機(jī)械手的發(fā)展概況 11.2工業(yè)機(jī)械手的應(yīng)用 11.3工業(yè)機(jī)械手的組成及原理 1第二章伸縮臂的設(shè)計方案42.1 設(shè)計方案論證以及確定 42.1.1 設(shè)計參數(shù)及要求 42.1.2 設(shè)計方案的比較論證 42.2機(jī)械手伸縮臂總體結(jié)構(gòu)設(shè)計方案 42.3執(zhí)行裝置的設(shè)計方案 5滾珠絲杠的選擇 5減速齒輪的有關(guān)計算 10電動機(jī)的選擇 15第三章PLC控制

2、系統(tǒng)設(shè)計 183.1 PLC的構(gòu)成及工作原理 183.2 選擇 PLC 183.3 PLC外部I/O 分配圖 193.4軟件設(shè)計 203.5硬件設(shè)計 25總結(jié) 25參考文獻(xiàn) 30第一章工業(yè)機(jī)械手綜述1.1工業(yè)機(jī)械手的發(fā)展概況工業(yè)機(jī)械手在先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域中扮演著極其重要的角色，是近幾十年發(fā)展起來的一 種高科技自動化生產(chǎn)設(shè)備，是一種能自動化定位控制并可重新編程序以變動的多功能機(jī) 器，它有多個自由度，可用來搬運(yùn)物體以完成在各個不同環(huán)境中工作。工業(yè)機(jī)械手即工業(yè)機(jī)器人是集機(jī)械、電子、控制、計算機(jī)、傳感器、人工智能等多學(xué) 科先進(jìn)技術(shù)于一體的現(xiàn)代化制造業(yè)重要的自動化裝備。機(jī)械手技術(shù)涉及到力學(xué)、機(jī)械學(xué)、 電氣

3、液壓技術(shù)、自動控制技術(shù)、傳感器技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)等科學(xué)領(lǐng)域，是一門跨學(xué)科綜合 技術(shù)。1.2工業(yè)機(jī)械手的應(yīng)用機(jī)械手是工業(yè)自動控制領(lǐng)域中經(jīng)常遇到的一種控制對象。機(jī)械手可以完成許多工作， 如搬物、裝配、切割、噴染等等，應(yīng)用非常廣泛廣泛。在現(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過程中的自動化已成為突出的主題。各行各業(yè)的自動化水平越來 越高，現(xiàn)代化加工車間，常配有機(jī)械手，以提高生產(chǎn)效率，完成工人難以完成的或者危險 的工作。目前在我國機(jī)械手常用于完成的工作有：注塑工業(yè)中從模具中快速抓取制品并將 制品傳送到下一個生產(chǎn)工序；機(jī)械手加工行業(yè)中用于取料、送料；澆鑄行業(yè)中用于提取高 溫熔液等等。廣泛采用工業(yè)機(jī)械手，不僅可提高產(chǎn)品的質(zhì)量與產(chǎn)

4、量，而且對保障人身安全，改善勞 動環(huán)境，減輕勞動強(qiáng)度，提高勞動生產(chǎn)率，節(jié)約原材料消耗以及降低生產(chǎn)成本，有著十分 重要的意義。同計算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)一樣，工業(yè)機(jī)械手的廣泛應(yīng)用正在日益改善著人類的生 產(chǎn)和生活方式。1.3工業(yè)機(jī)械手的組成及原理工業(yè)機(jī)械手一般應(yīng)由機(jī)械系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)和人工智能系統(tǒng)等組 成。機(jī)械系統(tǒng)是完成抓取工件實(shí)現(xiàn)所需運(yùn)動的執(zhí)行機(jī)構(gòu)；驅(qū)動系統(tǒng)的作用是向執(zhí)行機(jī)構(gòu)提 供動力，執(zhí)行元件驅(qū)動源的不同，驅(qū)動系統(tǒng)的傳動方式有液動式、氣動式、電動式和機(jī)械 式四種，采用液壓機(jī)構(gòu)驅(qū)動機(jī)械手，結(jié)構(gòu)簡單、尺寸緊湊、重量輕、控制方便；控制系統(tǒng) 是工業(yè)機(jī)械手的指揮系統(tǒng)，它控制工業(yè)機(jī)器人按規(guī)定的程

5、序運(yùn)動；檢測傳感系統(tǒng)主要檢測 工業(yè)機(jī)械手執(zhí)行系統(tǒng)的運(yùn)動位置、狀態(tài)，并反饋給控制系統(tǒng)進(jìn)而及時比較調(diào)整。本次設(shè)計的工業(yè)機(jī)械手屬于圓柱坐標(biāo)式的液壓驅(qū)動機(jī)械手，具有手臂升降、伸縮、回 轉(zhuǎn)等三個自由度。因此相應(yīng)地有手臂伸縮機(jī)構(gòu)、手臂升降機(jī)構(gòu)、手臂回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)等組成。每 一部分均用液壓缸驅(qū)動與控制。下圖為本次設(shè)計的機(jī)械手總平面圖：圖1-1機(jī)械手總平面圖1底座、2立柱、3液壓缸、4伸縮臂、5升降臂、6機(jī)械手機(jī)械手的工作原理：機(jī)械手主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測裝置 等所組成。在PLC程序控制的條件下，采用液壓傳動方式，來實(shí)現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的相應(yīng)部位發(fā) 生規(guī)定要求的，有順序，有運(yùn)動軌跡，有一定速度和時間

6、的動作。同時按其控制系統(tǒng)的信 息對執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令，必要時可對機(jī)械手的動作進(jìn)行監(jiān)視，當(dāng)動作有錯誤或發(fā)生故障時 即發(fā)出報警信號。位置檢測裝置隨時將執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際位置反饋給控制系統(tǒng)，并與設(shè)定的 位置進(jìn)行比較，然后通過控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，從而使執(zhí)行機(jī)構(gòu)以一定的精度達(dá)到設(shè)定位置 下圖為機(jī)械手的系統(tǒng)工作原理框圖：圖1-2機(jī)械手的系統(tǒng)工作原理框圖第二章 伸縮臂的設(shè)計方案2.1設(shè)計方案論證以及確定設(shè)計參數(shù)及要求1、伸縮長度：300mm2、單方向伸縮時間：1.52.5s ;3、 定位誤差：要有定位措施，定位誤差小于2mm4、前端安裝機(jī)械手，伸縮終點(diǎn)無剛性沖擊。設(shè)計方案的比較論證根據(jù)設(shè)計參數(shù)及要求，選擇齒輪、滾珠

7、絲杠來實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)械手伸縮臂的伸縮運(yùn)動，結(jié) 構(gòu)簡單，易于控制，更經(jīng)濟(jì)實(shí)用。2.2機(jī)械手伸縮臂總體結(jié)構(gòu)設(shè)計方案經(jīng)過本人的反復(fù)思考及論證，先做出運(yùn)動簡圖?，F(xiàn)如下圖2-1所示，該機(jī)構(gòu)中支座安裝在機(jī)器人床身上，用于安裝滾珠絲杠和伸縮桿等零件。由步進(jìn)電動機(jī)（1）驅(qū)動，帶動一級齒輪減速器（2） o通過減速器輸出軸與絲杠（3）相連，以電機(jī)為動力驅(qū)動滾珠絲杠 轉(zhuǎn)動，通過絲母的直線運(yùn)動，推動導(dǎo)向桿運(yùn)動，利用電機(jī)正反轉(zhuǎn)動實(shí)現(xiàn)伸縮換向。法蘭用 于安裝機(jī)械手，構(gòu)成如圖所示的結(jié)構(gòu)：5_電機(jī)2齒輪朗 1絲權(quán)4達(dá)接板3早桿圖2-1步進(jìn)電機(jī)伸縮機(jī)構(gòu)示意圖2.3執(zhí)行裝置的設(shè)計方案2.3.1滾珠絲杠的選擇2.3.1.1滾珠絲杠副的

8、選擇:(1)由題可知：伸縮長度S為300毫米，伸縮時間t為2秒，所以速度V S 300 mm 150mm 0.15mt 2/s/s/s,初選螺距 P=10mm(2.1)貝nm V 150 60 ；/900 ；/m p 10 minmin10(2.2 )(2)計算載荷：FcFc 心Kh Ka Fm ( Kf為載荷系數(shù)，心為硬度系數(shù)，Ka為精度系數(shù))由題中條件，取Kf 2 5，取Kh0 6取D級精度7，取Ka行8絲杠的最大工作載荷Fm :導(dǎo)向桿所受摩擦力即絲杠最大工作載荷：F max= F=0.15 400=120N(2.3)則:FC1.2 1.0 1.1 120 2112NI(3)計算額定動載荷

9、Ca的值:CaFc3nmLh1.67 104(2.4)nm960 r/i n,LH 15000h所以Ca 2112V1.67 104960 1500020064N(4)根據(jù)選擇滾珠絲杠副：按滾珠絲杠副的額定動載荷c'a等于或稍大于c'a的原則，選用漢江機(jī)床廠FC1型滾珠絲杠9表2-1漢江機(jī)床廠FC1型滾珠絲杠絲杠 代 號絲杠尺寸/ mm螺旋角滾珠直徑 米制/ mm螺母安裝尺寸/ mm額定載荷中徑大徑導(dǎo)程動載靜載d2dPDD1D2BEMLQ12hCa/NCoa/N400634039.582 11'3.9695011875156448M691592137969825Ca 2

10、2556NFC1-5006-3, Ca 21379NFC1-52008-2.5考慮各種因素選用FC1-5006-3。由表2-9得絲杠副數(shù)據(jù):公稱直徑D0 50mm導(dǎo)程p=8mm螺旋角2 11'滾珠直徑d03.969mm按表2-1中尺寸計算：滾道半徑R 0.52d00.52 3.969mm2.064mm（2.5 ）rd03.9692e 0.07 R 0.072.064mm 5.610 mm偏心距22（2.6）絲杠內(nèi)徑d1 D0 2e 2R(502 5.610 2 22.064) mm 45.76mm（2.7 ）（5）穩(wěn)定性驗(yàn)算由于一端軸向固定的長絲杠在工作時可能發(fā)生失穩(wěn)，所以在設(shè)計時應(yīng)驗(yàn)

11、算其安全系數(shù)S,其值應(yīng)大于絲杠副傳動結(jié)構(gòu)允許安全系數(shù)S（見表2-10 ）。絲杠不會發(fā)生失穩(wěn)的 最大載荷,稱為臨界載荷Fcr （ N）按下式計算：Fcr(l)210(2.8 )式中E為絲杠材料的彈性模量，對于鋼，E=206Mpa;l為絲杠工作長度（m L=450mm4為絲杠危險截面的慣性矩 m ； u為長度系數(shù)，見表2-10。依題意:F crd1464233.14S安全系數(shù)不會失穩(wěn)。43.140.04576m“2.15 1064206 1092.15 10 724.85-0.4537m4電 485 1063031.3。查表Fm1600(6)剛度驗(yàn)算：滾珠絲杠在工作負(fù)載 的變形量：F (N)Lop

12、FEAp2T2 GJc11其中絲杠截面積d24(2.9 )J C絲杠極慣性矩絲杠的切變模量,轉(zhuǎn)矩610 N(2.10 )2-10 , S=34, S>S，絲杠是安全的,和轉(zhuǎn)矩t(n- m共同作用下引起每個導(dǎo)程(2.11 )m2對于鋼T FmD°tg2d44m32G 83.3MPa式中：P為摩擦角，其正切函數(shù)值為摩擦系數(shù)，F(xiàn)m為工作載荷，取摩擦系數(shù)tg0.°025，則卩=8, 40則430T=50 10 3 tg 20112 a840"0.43N m(2.12 )按最不利情況取(其中F=Fm)L034 8 1043016 83 2100.43922943.14

13、 206100.045763.1483.3100.045764PF 16P2TEd；2Gd1222.23 10 N ?m(2.13 )則：絲杠在工作長度上的彈性變形引起的導(dǎo)程誤差為:LoP0.4522.23 108 10 31.25um(2.14 )通常要求絲杠的導(dǎo)程誤差L應(yīng)小于其傳動精度0.03mm)的 1/2，即11(2.15 )(2.16 )L0.03mm0.015mm 15um22該絲杠的L滿足上式，所以其剛度可滿足要求(7)效率驗(yàn)算：12 滾珠絲杠副的傳動效率為tgtg (2011 )tgtg 20118 40要求在90%-95沱間，所以該絲杠副合格經(jīng)上述計算：FC1-5006-3各

14、項(xiàng)性能均符合題目要求，可選用2.3.1.2 滾珠絲杠螺距的選擇：P=8mm2.3.1.3 滾珠絲杠的有效長度：根據(jù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計確定，要保證有 300mm的伸縮長度，先對絲杠螺母進(jìn)行選擇。絲杠螺 母選用外循環(huán)螺旋槽式：滾珠螺母可得到其結(jié)構(gòu)尺寸總長為L=61mm根據(jù)其傳動的特點(diǎn)，要保證螺母不脫離滾珠絲杠，又要有300mn移動距離，則絲杠的有效傳動長度為L=430mm2.3.1.4 滾珠絲杠的安裝結(jié)構(gòu):采用雙推簡支式安裝，一端安裝支推軸承與深溝球軸承的組合，另一端安裝深溝球 軸承，其軸向剛度較低，雙推端可預(yù)拉伸安裝，預(yù)緊力小，軸承壽命較高，適用于中速傳 動精度較高的長絲杠傳動系統(tǒng)。由此可知：絲杠轉(zhuǎn)速：

15、n _L 300 y7 18.75 / 1125Pn=L/2所以 2P16 ssmin( 2.17 )2.3.1.5 絲杠安裝軸承的選擇由于滾珠絲杠副的支承形式采用的是一端固定一端游動（F-S）,而又避免絲杠受壓,所以絲杠的固定端（承重端）為左端，右端為游動端。因此為了滿足使用要求，左端的軸承選取雙向推力球軸承與深溝球軸承的組合形式。 推力軸承的特點(diǎn)是只能承受單向軸向載荷。為了限制左端的徑向位移，同時又要限制向右 的軸向位移，故選用角接觸球軸承。此類軸承的特點(diǎn)是能同時承受徑向軸向聯(lián)合載荷。1）雙向推力球軸承的選擇2）初步選定為 51000 型 代號為 51306 d =30 mm D =60

16、mm T =21 mm Ca 36.2KN3）校核基本額定載荷通過所要求軸承壽命（等于絲杠的壽命）算基本額定載荷在實(shí)際工程計算中，軸承壽命常用小時表示.108 CLh60n P 13（ 2.18）C 60nLhP3 60 1420 15000 10003T 108t108=2338N（ 2.19 ）其中，C基本額定動載荷（N ）P當(dāng)量動載荷（N ）壽命指數(shù)球軸承 3n軸承的轉(zhuǎn)速（r/min ）在使用壽命為15000小時的要求下，雙向推力球軸承應(yīng)承受的基本額定動載荷為2338N 。初步選用的軸承的額定載荷Ca=27KN，即Ca >C所以滿足使用要求。此類單向推力球軸承的數(shù)據(jù)如下表14 :表

17、2-2球軸承基本尺寸安裝尺寸基本額疋載何極限轉(zhuǎn)速重量軸承代號d D TdaDaraxCaCoa脂油W51000 型min max maxmmmmKNr/minkg30 60 205753 0.636.266.83200 45000.14513064）深溝球軸承的選擇選用的軸承型號為6007c （15 ）,具體數(shù)據(jù)見下表表2-3深溝球軸承基本尺寸安裝尺寸基本額定載荷極限轉(zhuǎn)速重量軸承代號d D BA ds DarasCrCor脂油W70000C型mmMmKNr/minkg45 75 1616 51 69 125.8 20.57500 100000.287009C5）深溝球軸承的選擇：下端的軸承只起

18、游動和限制徑向位移的作用，所以采用深溝球軸承。選擇60000型,具體數(shù)據(jù)見下表16 :表2-4球軸承數(shù)據(jù)基本尺寸安裝尺寸基本額疋載何極限轉(zhuǎn)速重量軸承代號d D BdaDarasCrCor脂油W60000 型min max maxmmmmKNr/minkg30 42 732.4 39.6 0.34.00 3.1512000 160000.02661806減速齒輪的有關(guān)計算2.321 選定齒輪類型、精度等級、材料及齒數(shù)：4000r / min（1） 確定傳動比i= 1125r/min =1.25故此次設(shè)計采用一級減速（2）按照工作要求，此次設(shè)計齒輪傳動采用直齒圓柱齒輪開式傳動。輪齒的主要失效形 式

19、為齒面磨損，故此次設(shè)計采用硬齒面。（3）選擇齒輪材料及確定許用應(yīng)力：由表10-1選小齒輪材料為40MnB（調(diào)質(zhì)）、硬度260HBS大齒輪材料35SiMn （調(diào)質(zhì)）、 硬度230HB制造精度系數(shù)為8級。(4) 估計絲桿功率：摩擦功率 P 摩=QV/60000 f式中：Q摩擦力(N , Q=Fmax=12(0N150mm/ s* 60(2.20 )(2.21 )V直線傳動中的速度(m/min) ； V= 1000 =9m/min；f 直線傳動機(jī)械效率 f= 螺母*導(dǎo)向桿=92%*75%=69%;120N * 9m/min故 P 摩=60000 * 69%=0.028KW參考臥式車床 Pf=( 0.

20、030.04)Pi，故取 P 摩=0.04P 快故 P快=0.028KW/0.04=0.7KW故P絲桿=卩快* 齒輪選小齒輪齒數(shù)Z1 20,大齒輪齒數(shù)Z2 iZ1 1.25 20 25。2.322按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計由設(shè)計計算公式(10-9a )進(jìn)行計算，即d1t2-32嚴(yán)寧空I(2.22 )(2.23 )(3)由表10-7選取齒寬系數(shù)0.5確定公式內(nèi)的各計算值(1) 試選載荷系數(shù)Kt 1.3(2) 計算小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩P絲桿T1 95.5 105 n絲桿=95.5 105 0.67/1125= 5.687 103N mmHLim 1 625MPa(4)由表10-6查得材料的彈性模量Ze 189

21、.8MPa 2(5) 由圖10-21d按齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞大齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限HLim 2 580MPa ,7NiN260n1jLh 60 4000 12 8 300 159 198.64 1098.64 109364.8 109(2.24 )(7)由圖10-19查得接觸疲勞壽命系數(shù)Khn1 °.88;Khn20.90(8)計算接觸疲勞許用應(yīng)力取失效概率為1%安全系數(shù)S=1，由式(10-12 )得K HN1 HLim10.88625MPa20550MPaH 1SK HN2 HLim0.901580MPa522MPaH 2S(2.25 )1)計算:計算小齒輪分度圓直徑d1

22、t，代入H中較小的值dit2.322Ze2.32 33 5.687103225I11.252189. 852249.13mm(2.26 )2)計算圓周速度vd1tEv60 100049.132 112560 10002.89 S(2.27 )3)計算齒寬b：b d ?d1t 0.5 49.13224.57mm(2.28 )4)計算齒寬與齒高之比b/h模數(shù)mtd1t / z149.132/202.46mm(2.29齒高h(yuǎn)=2.25x 2.46mm=5.53mm5)b/h=49.132/5.53=8.89計算載荷系數(shù)(2.30v 2 89 m/根據(jù)s , 8級精度，由圖10-8查得動載系數(shù)Kv1.

23、11直齒輪，假設(shè)KAFt/b 100N/mm。由表10-3查得KhKf1.2 ；7由表10-4查得:Kh0.86 0.18(1 0.6d2) d 0.23 10 3b21(2.31將數(shù)據(jù)代入Kh 0.860.18(10.60.23 10 3 34.87 1.416(2.32由 b/h=34.87/3.92=8.89Kh1.416查圖 10-13 得 Kf1.35 ；故載荷系數(shù):K KAKvKh Kh 1 1.11 1.21.41241.931(2.336)按實(shí)際載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑,由(10-10a)d1K； 49.132 3 1.931 1.3mm 56.06mm22(2.347)

24、計算模數(shù)mm dZ1 56.06 20 2.82mm 取標(biāo)準(zhǔn)模數(shù) m=4(2.352.3.2.3校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度：由式10-4得校核式為:KFtYFaYSabm23F1)Ft計算圓周力：2T1Z22 5.6873.6 20垃 186.5N(2.362)齒形系數(shù)及應(yīng)力校正系數(shù):由表 10-5得:3)齒形系數(shù) 丫Fa12.55，丫Fa22.324)應(yīng)力校正系數(shù)YSa11.61,Ysa21.705)計算彎曲疲勞許用應(yīng)力K fn feS(2.37(1)彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.4(2)由圖10-20C按齒面硬度查得小齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限FE1 480MPa .7大齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限FE2 36

25、0MPa ;6)(1)(2)F1F21)d12)3)K FN1 FE1K FN2 FE2校核計算:0.78 4801.40.84 3601.4由前知載荷系數(shù)KA則.K KaKvKf Kf校核:K FtYF 1YS 1bmK FtYF 2Ys 2bm滿足要求。則:所以Z1d1幾何尺寸計算分度圓直徑:mz14中心距:d1 d2齒輪寬度:bd ? d11768267.43MPa216MPaKv1.11Kf 1.20.861.2 1.35 1.3931.393 186.52.551.6134.87 269.37MPa1.393 186.5 2.32 1.7034.87266.63MPa56.061.2

26、514.021768mm,d21000.5 68取 B2 30mmB1取Z11721.25取Z225mz284mm32mm35mm4 25100mm4)齒頂圓直徑：da1w 2h；1 m 17 2 4 76mm(2.38 )Kf 1.35(2.39 )F1F2(2.40 )(2.41)(2.42 )(2.43 )(2.44 )(2.45 )5)齒根圓直徑：df1 z 2h； 2c* m 17 2 2 0.254 58mmdf2 Z2 2ha2 2c m 25 2 2 0.254 90mm2.325 驗(yàn)算:aFt.b1 186.5404.66N /mm 100N / mm(2.47 )(2.48

27、 )(2.49 )對照表11-2可知選用8級精度是合宜的電動機(jī)的選擇根據(jù)設(shè)計任務(wù)書要求選用3相6拍步進(jìn)電機(jī)。確定各旋轉(zhuǎn)件的角速度2 n絲桿(2.50 )絲桿=60=1125r/mi n*2/60=117.75rad/s確定各旋轉(zhuǎn)件的轉(zhuǎn)動慣量：其中絲桿系效直徑取為0.038m。d4LJ絲桿=32=343*78*10 *0.04 *0.43/32=0.8*102.3.3.3確定直線傳動件質(zhì)量m,i=m螺母+m連桿+m導(dǎo)向桿+m擋塊+m夾持器m,其中：m夾持器=20Kg m導(dǎo)向桿=11Kg取=50Kg(2.51)(2.52 )轉(zhuǎn)化到電機(jī)軸上當(dāng)量轉(zhuǎn)動慣量Jk（警2片 2(2.53 )J= K w ,

28、w（ Kg?m）式中： Wk 各旋轉(zhuǎn)件的角速度；（rad/s ）2Jk各旋轉(zhuǎn)件的轉(zhuǎn)動慣量；（Kg?m）,mi各直線運(yùn)動件的質(zhì)量；（Kg）V-直線運(yùn)動件的速度；（m/s）W-電機(jī)角速度；（rad/s ）2W絲桿Vmi 故J= J絲桿 w + i w0.16117.75=0.8*10 3*157+30* 157=17.7*10(2.54 )確定克服慣性量所需的電機(jī)上的扭矩(2.55 )M1=J t ( N?M)式中：J電機(jī)軸上的當(dāng)量轉(zhuǎn)動慣量（Kg?m）；W-電機(jī)的角速度（rad/s）；t-時間，取 t=0.27 ；1573故 M慣=1*10 * 0.2 =0.785N?M2.336確定負(fù)載扭矩：T

29、lFL 120 0.050.6N ?m(2.56)所以Tst 丄 061.5N ?m0.40.4最大靜轉(zhuǎn)矩TSmaxM 1Tst0.9511 50.7852.36N ?m0.951(2.57 )選擇電機(jī)由最大靜轉(zhuǎn)矩，查機(jī)械設(shè)計手冊選90BF004所選電機(jī)技術(shù)數(shù)據(jù)如下17 :表2-5電機(jī)技術(shù)數(shù)據(jù)規(guī)格步距角(0 )相數(shù)最大靜轉(zhuǎn)矩(n m最咼空載啟動頻率步/S運(yùn)行頻率步/S電壓V電流A90BF0040.753215008000126表2-6電機(jī)外形尺寸外徑長度軸徑重量11018193第三章PLC控制系統(tǒng)設(shè)計3.1 PLC的構(gòu)成及工作原理可編程控制器（簡稱PLC雖然外觀各異，但是硬件結(jié)構(gòu)大體相同。主要

30、由中央處理 器（CPU、儲存器（RAM ROM、輸入輸出器件（I/O接口）電源及編程設(shè)備幾大部分構(gòu)成。 PLC是在工業(yè)環(huán)境中使用的數(shù)字操作電子系統(tǒng)。它使用可編程存儲器儲存用戶設(shè)計的程序 指令，這些指令用來實(shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)算、順序操作、定時、計數(shù)及算術(shù)運(yùn)算和通過數(shù)字或模擬 出入/輸出來控制各種機(jī)電一體化系統(tǒng)。由于它具有程序可變、抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高、 功能強(qiáng)、體積小、耗電低，特別是易于編程、使用操作方便、便于維修、價格便宜等特點(diǎn)， 具有廣泛的應(yīng)用前景。PLC實(shí)質(zhì)上是一臺面向用戶的專業(yè)數(shù)字控制計算機(jī)。圖3-1為PLC的硬件結(jié)構(gòu)框圖，PLC通過輸入/輸出接口與被控對象的工作機(jī)相連接?？刂葡到y(tǒng)的具體要求，

31、通過編程器預(yù)先把程序?qū)懭氲絻Υ嫫髦?，然后?zhí)行程序，完成控制任務(wù)。當(dāng)系統(tǒng)或被控對象改變時，只 需相應(yīng)變化輸入/輸出接口與被控對象的連線，重新編程，即可形成一個新的控制系統(tǒng)。編程器顯示器編程接口中央處理器CPU 儲存器 （RM、ROM）開關(guān)量I/O 模扌認(rèn)量I/O 通信等 接口被控對象圖3-1 PLC硬件結(jié)構(gòu)框圖3.2選擇PLC此次設(shè)計選擇的PLC定為F1-40系列。（1）1/0點(diǎn)數(shù)的估算根據(jù)分析的結(jié)果，進(jìn)行統(tǒng)計估算，F(xiàn)1-40系列選擇主機(jī)I/O點(diǎn)數(shù)為24/16。（2）容量計算內(nèi)存容量指的是用戶程序的容量。最大I/O點(diǎn)數(shù)為120, 一般指令的條數(shù)為I/O點(diǎn)數(shù) 的10-12倍左右，PLC的容量不得小

32、于此要求。（3）其它速度控制模塊。這些模塊可實(shí)現(xiàn)特殊功能3.3 PLC外部I/O分配圖根據(jù)所選的PLCF1-40系列的內(nèi)部元件及輸入輸出的相關(guān)元件、設(shè)備，編制出I/O分配3-2所示如下：圖3-2 PLC接線圖3.4軟件設(shè)計根據(jù)任務(wù)書的要求，可以采用移位寄存指令或步進(jìn)指令進(jìn)行系統(tǒng)軟件的設(shè)計，整個控 制系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)采用模塊化設(shè)計。（1）模塊化設(shè)計公共程序模塊，手動程序模塊，自動程序模塊，遠(yuǎn)位模塊。公共程序模塊包括主電路、 油泵等的控制，狀態(tài)初始化，狀態(tài)轉(zhuǎn)換啟動，狀態(tài)轉(zhuǎn)換停止，事故報警保護(hù)等程序。程序 總框圖如圖3-3所示：圖3-3程序總框圖公共程序部分是對整個程序進(jìn)行控制的部分，對機(jī)器的運(yùn)行控制起

33、著主要作用。公共 程序的梯形圖如圖3-4所示：圖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0LD X4008S S60016OUT Y5351OR M1009LD X40217OUT M1012ANI X40210OR M10118LD M1013OUT Y53311ANI M10019ANI M1004OUT Y53412ANI X40320S S6015OUT M10013ANI M10321ANI X5026LD X40414ANI M10422OUT M767AND M10015ANI M71動 程 序 采 用 電 動方式，應(yīng)能完成全部自動程序所完成的動作。手動程序部

34、分如圖3-5所示:圖3-5手動程序表3-2手動程序指令表步序指令步序指令步序指令0LD X41614ANB28ANB1ANI X41515OUT Y43229OUT Y4352ANI X40516LD X42130LD X4173ANI X50617ANI X42231ANI X4204LD X40718ANI X41432ANI X4075OR X41119LD X40733AND X5066ANB20OR X41134OUT Y4337OUT Y43021ANB35LD X44208LD X41522OUT Y43136ANI X4179ANI X41623LD X42237ANI X41

35、110ANI X40424ANI X42138AND X50611ANI X50625ANI T54039OUT Y43612LD X40726LD X40713OR X41127OR X411自動程序應(yīng)包括連續(xù)過程，單周過程，畫出狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖。自動程序部分如圖3-6所示:圖3-6自動程序表3-3自動程序指令表步序指令步序指令步序指令步序指令步序指令0STL S60144AND Y53288OUT Y531132STL S633176STL S6441OUT Y43045S S61389OUT Y530133OUT Y532177OUT Y5302AND X40546STL S61390AND

36、Y531134AND Y532178AND Y5303S S60247OUT Y53291AND Y530135S S634179S S6454STL S60248AND Y53292S S623136STL S634135S S6345OUT Y43149S S61493STL S623137OUT Y532136STL S6346AND X41450STL S61494OUT Y530138OUT Y530137OUT Y5327S S60351OUT Y53295AND Y530139MPS138OUT Y5308STL S60352OUT Y53096S S624140AND Y530

37、139MPS9OUT Y43253MPS97STL S624141AND X412140AND Y53010AND X40454AND Y53098OUT Y530142S S630141AND X41211S S60455AND Y41299OUT Y532143MPP142S S63012STL S60456S S607100OUT Y440144ANI X412143MPP13OUT Y43357MPP101MPS145S S635144ANI X41214AND X40658ANI X412102AND Y532146STL S636145S S63515S S60559S S6151

38、03AND Y413147OUT Y431146STL S63616STL S60560STL S615104S S617148R Y534147OUT Y43117OUT Y43361AND X503105MPP149AND X414148R Y53418OUT Y43462OUT Y435106ANI X413150S S637149AND X41419AND X40763OUT T450107S S625151STL S637150S S63720S S60664SP K3108STL S625152OUT Y441151STL S63721STL S60665AND T450109AN

39、D X504153AND Y441152OUT Y44122OUT Y53666S S616110S S626154S S640153AND Y44123AND Y53667STL S616111STL S626155STL S640154S S64024S S60768OUT Y441112OUT Y536156AND X413155STL S64025STL S60769S Y437113AND Y536157OUT Y532156AND X41326AND X41270AND Y441114S S627158AND Y532157OUT Y53227OUT Y53071S S617115

40、STL S630159S S641158AND Y53228AND Y53072STL S617116AND X412160STL S641159S S64129S S61073AND X413117OUT Y530161OUT Y532160STL S64130STL S61074OUT Y532118OUT Y531162OUT Y531161OUT Y53231OUT Y53075AND Y532119AND Y530163AND Y532162OUT Y53132OUT Y53176S S620120AND Y531164AND Y531163AND Y53233AND Y53077S

41、TL S620121S S631165S S642164AND Y53134AND Y53178OUT Y532122STL S631166STL S642165S S64235S S61179OUT Y531123OUT Y531167OUT Y531166STL S64236STL S61180AND Y532124AND Y531168AND Y531167OUT Y53137OUT Y53181AND Y531125S S632169S S643168AND Y53138AND Y53182S S621126STL S632170STL S643169S S64339S S61283STL S621127OUT Y531171OUT Y531170STL S64340STL S61284OUT Y531128OUT Y532172OUT Y530171OUT Y53141OUT Y53185AND Y531129AND Y531173AND Y5301