光機電氣綜合實驗平臺-實施方案-第7版

1、1 緒 論1.1研究現(xiàn)狀機電一體化綜合實驗裝置是指在實驗機構(gòu)的主功能、動力功能、信息處理功能和控制功能上引進電子技術(shù)，將機械裝置與電子化設(shè)計及軟件結(jié)合起來。隨著科學(xué)技術(shù)的不但發(fā)展，目前機電一體化綜合實驗裝置運用了機械技術(shù)、微電子技術(shù)、自動控制技術(shù)、計算機技術(shù)、信息技術(shù)、傳感測控技術(shù)、電力電子技術(shù)、接口技術(shù)、信息變換技術(shù)以及軟件編程技術(shù)等群體技術(shù)，使整個實驗系統(tǒng)最優(yōu)化的統(tǒng)一工作，成為一個機電一體化綜合裝置。國內(nèi)高校大多數(shù)都采用了德國費斯托或者上海英集斯機電一體化綜合實驗裝置，以具體仿生產(chǎn)加工或裝配生產(chǎn)線為主，側(cè)重于學(xué)生綜合實訓(xùn)或畢業(yè)設(shè)計驗證使用。光機電氣一體化綜合實訓(xùn)平臺是集機械、電子、光學(xué)、控

2、制、計算機、信息等多學(xué)科的交叉綜合體，它的發(fā)展和進步依賴并促進相關(guān)技術(shù)的發(fā)展和進步。目前，機電一體化綜合實驗裝置的主要朝著智能化、模塊化、微型化的方向發(fā)展。項目組成員多年從事機電一體化方面的理論及實踐教學(xué)工作，并且有多項橫縱向相關(guān)方面科研課題經(jīng)驗，對機電一體化綜合運用情況非常熟悉，具備扎實的專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)，完全可以完成該項目的研制工作。項目組成員充分調(diào)研了哈爾濱工業(yè)大學(xué)、華北電力大學(xué)、北京理工大學(xué)等兄弟院校的應(yīng)用情況，參觀了2010及2011高校教學(xué)儀器設(shè)備展。目前，結(jié)合本院的實際需要，項目組成員已經(jīng)完成了整個項目零件分揀、裝配及加工等工作站的硬件設(shè)計工作，生成三維工作圖，為項目的具體實施作了充

3、分的準(zhǔn)備。1.2研究的目的和意義針對目前學(xué)院的機電方面課程教學(xué)對學(xué)生綜合知識應(yīng)用能力的鍛煉很少，大多數(shù)課程只是孤立地開設(shè)一些實驗，而且多以驗證性為主。隨著時代的發(fā)展和企業(yè)對機電人才綜合應(yīng)用能力的要求，提高學(xué)生機電綜合動手能力就顯得尤為重要。本光機電氣一體化綜合實訓(xùn)平臺結(jié)合了光測量技術(shù)、機械結(jié)構(gòu)運動技術(shù)、PLC可編程控制器技術(shù)、氣動技術(shù)等多學(xué)科技術(shù)，根據(jù)目前企業(yè)真正加工裝配生產(chǎn)線設(shè)計而成。全部設(shè)計制造都準(zhǔn)備由機械工程系教師完成，這樣鍛煉了機械系教師科研動手能力，并且避免了每門課程教師在講課時空洞的照本宣科式教學(xué)。本系統(tǒng)采用開放式體系結(jié)構(gòu)，光、機、電、氣各種可以單獨控制和組合，學(xué)生在做實驗時，既可

4、以按照企業(yè)生產(chǎn)線生產(chǎn)方式綜合調(diào)試各個設(shè)備，提高機電綜合運用能力，也可以在學(xué)習(xí)各科相應(yīng)課程后做各項光、機、電、氣方面的單獨實驗。并且在整個生產(chǎn)線上，做各項單獨實驗，對學(xué)生的綜合運用能力也起到了很好的鍛煉，培養(yǎng)學(xué)生舉一反三的能力。2 需求分析2.1教學(xué)需求結(jié)合機械工程系目前本科及專科的機電綜合實踐教學(xué)需求，光機電氣一體化綜合實訓(xùn)平臺主要用于學(xué)生機電綜合實踐教學(xué)及對學(xué)生畢業(yè)設(shè)計進行服務(wù)；本系統(tǒng)還適用于機械系各專業(yè)相關(guān)課程光機電氣方面的單項實驗。具體教學(xué)應(yīng)用詳見表2-1。2.2科研需求因本系統(tǒng)采用開放式體系結(jié)構(gòu)，對光、機、電、氣方面設(shè)備可單獨進行驗證性試驗，可為我學(xué)院教師科研提供多方位服務(wù)平臺。3 實

5、施方案光機電氣一體化綜合實訓(xùn)平臺由機械執(zhí)行平臺和PLC控制硬件（含控制程序）兩大部分組成。機械執(zhí)行平臺由六個機電工作站鏈接統(tǒng)一調(diào)試完成，它們分別為零件底座上料工作站、零件端蓋上料工作站、預(yù)裝配工作站、整體零件裝配及加工工作站、零件檢測傳輸單元工作站、立體倉庫工作站。每一工作站都有單獨的PLC控制硬件，其包括可編程控制器、控制電路、驅(qū)動單元等。整個實驗平臺運動驅(qū)動元件主要由各種氣缸及步進電機和伺服電機完成，整個平臺配置有統(tǒng)一的氣源。整體布局如圖3-1所示圖3-1 整體布局圖零件底座如圖3-2，零件端蓋如圖3-3所示。圖3-2 零件底座 圖3-3 零件端蓋整個機電一體化平臺所加工裝配的零件由底座及

6、端蓋兩部分組成，完成零件的上料、分揀、定位、裝配、加工、檢測、運送、入庫等連續(xù)動作。整個實訓(xùn)平臺工作流程圖如圖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圖如圖3-5所示。圖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機構(gòu)、機械手機構(gòu)、廢料檢測機構(gòu)、傳輸機構(gòu)、PLC控制系統(tǒng)五部分組成。三維結(jié)構(gòu)圖如圖3-6所示。圖3-6 零件底座上料工作站三維圖整體動作如下：零件底座由上料口放入，推桿氣缸推動零件底座到達氣抓待料位置；氣抓抓住零件底座，跟隨旋轉(zhuǎn)氣缸把零件放到廢料槽待料扣；如顏色不合格，由推桿氣缸推入廢料槽；如顏色合格，零件隨上升工作臺上升至傳送帶待料位置，由推桿氣缸推入到

7、傳送帶，傳送帶帶動零件進入裝配工作站。3.1.1上料機構(gòu)上料機構(gòu)如圖3-7所示。圖3-7 上料機構(gòu)結(jié)構(gòu)圖零件底座由上料口放入，上料桶底部有激光傳感器，當(dāng)有零件放入時，檢測到零件，信號通過PLC輸入端傳輸?shù)絇LC可編程序控制器，PLC通過輸出端輸出控制信號，經(jīng)信號放大電路放大后控制先導(dǎo)式繼電器電磁閥動作，輸出壓力空氣給推桿活塞氣缸頂部，推桿活塞動作，推動零件底座到達氣抓待料位置。3.1.2機械手機構(gòu)機械手結(jié)構(gòu)如圖3-8所示。圖3-8 機械手結(jié)構(gòu)圖當(dāng)零件到達氣抓待料位置后，位于氣抓待料的激光傳感器檢測有零件，信號通過PLC輸入端傳輸?shù)絇LC可編程序控制器，PLC通過輸出端輸出控制信號，經(jīng)信號放大電

8、路放大后控制先導(dǎo)式繼電器電磁閥動作，位于準(zhǔn)備區(qū)的機械手按1路輸出信號控制旋轉(zhuǎn)氣缸旋轉(zhuǎn)到達指定位置，2路輸出信號控制橫臂雙桿氣缸伸出到達預(yù)定位置，3路輸出信號控制上下雙桿氣缸下行到達預(yù)定位置，4路輸出信號控制氣抓夾緊零件，繼而PLC控制電磁閥換向，上下雙桿氣缸上行到達預(yù)定位置，橫臂雙桿氣缸收回到達預(yù)定位置，旋轉(zhuǎn)氣缸旋轉(zhuǎn)到達廢料檢測預(yù)定位置；橫臂雙桿氣缸伸出到達預(yù)定位置，上下雙桿氣缸下行到達預(yù)定位置，氣抓松開零件，零件到達廢料檢測預(yù)定區(qū)；機械手按原路線動作返回到準(zhǔn)備區(qū)。3.1.3廢料檢測機構(gòu)廢料檢測機構(gòu)如圖3-9所示。圖3-9 廢料檢測機構(gòu)圖零件到達廢料檢測預(yù)定區(qū)后，位于預(yù)定區(qū)的顏色傳感器識別零件

9、顏色，如顏色不對，信號反饋給PLC，PLC控制單桿氣缸動作，推動零件到達廢料槽中；如顏色合格，信號同樣反饋給PLC，PLC控制無桿氣缸上行到達傳送帶預(yù)定位置。3.1.4傳輸機構(gòu)如圖3-6所示，當(dāng)PLC控制無桿氣缸上行到達傳送帶預(yù)定位置后，PLC控制單桿氣缸動作，推動零件到達傳送帶上，位于傳送帶前部的光線發(fā)送接受裝置檢測零件到達，信號反饋給PLC，PLC控制傳送帶步進電機啟動，傳送零件到達下一工作站零件預(yù)定位置，零件進入裝配工作站。3.1.5 PLC控制系統(tǒng)PLC控制系統(tǒng)中包含PLC控制器（西門子PLC系列）、繼電器電磁換向閥、驅(qū)動電路（含步進電機驅(qū)動部分）等組成。圖3-10、圖3-11為參照相

10、關(guān)廠家PLC控制結(jié)構(gòu)圖。圖3-10 PLC控制系統(tǒng)接線圖圖3-11 電磁換向閥安裝圖3.2零件端蓋上料工作站零件端蓋上料工作站平面圖如圖3-12所示。圖3-12 零件端蓋上料工作站平面圖零件端蓋上料工作站主要由上料機構(gòu)、機械手傳輸機構(gòu)、PLC控制系統(tǒng)三部分組成。三維結(jié)構(gòu)圖如圖3-13所示。圖3-13 零件端蓋上料工作站三維結(jié)構(gòu)圖零件端蓋由上料桶放入，經(jīng)兩個氣缸相互動作后，端蓋到達傳送帶上，傳送帶傳送端蓋到達三爪氣爪取件預(yù)定位置；氣爪抓取零件隨無桿氣缸到達裝配工作站預(yù)定位置。3.2.1上料機構(gòu)上料機構(gòu)如圖3-14所示。圖3-14 端蓋上料機構(gòu)端蓋由上料桶放入，1號單桿雙叉氣缸收縮，端蓋到達2號單

11、桿雙叉氣缸位置，1號單桿雙叉氣缸伸出，2號單桿雙叉氣缸收縮，端蓋落到傳送帶上，2號單桿雙叉氣缸伸出；端蓋落到傳送帶后，位于傳送帶上的傳感器檢測到零件，PLC控制傳送帶電機啟動，帶動端蓋移動到傳送帶左端，位于傳送帶左端的傳感器檢測到零件，PLC控制擺動氣缸撥叉撥動端蓋到達氣爪待料區(qū)。3.2.2機械手傳輸機構(gòu)機械手傳輸機構(gòu)由無桿氣缸、雙桿氣缸、三爪氣爪組成，如圖14所示。圖3-15 機械手傳輸機構(gòu)圖當(dāng)端蓋到達氣爪待料區(qū)后，無桿氣缸帶動單桿氣缸及氣爪移動到右端，單桿氣缸伸出到預(yù)定位置，三爪氣爪收緊抓住端蓋；單桿氣缸收縮到預(yù)定位置，無桿氣缸帶動單桿氣缸及氣爪移動到左端預(yù)定位置，單桿氣缸伸出，氣爪松開，

12、端蓋到達裝配工作站零件底座上。3.2.3 PLC控制系統(tǒng)PLC控制系統(tǒng)中包含PLC控制器（西門子PLC系列）、繼電器電磁換向閥、驅(qū)動電路（含步進電機驅(qū)動部分）等組成。如圖3-16、圖3-17所示。圖3-16 PLC控制系統(tǒng)布局圖圖3-17 電磁換向閥閥體圖3.3裝配工作站裝配工作站平面圖如圖3-18所示。圖3-18 裝配工作站平面圖裝配工作站主要由先導(dǎo)傳輸帶、裝配單元、后續(xù)傳輸帶、PLC控制系統(tǒng)四部分組成。三維結(jié)構(gòu)如圖3-19所示。圖3-19 裝配工作站三維軸側(cè)圖零件底座由上料工作站傳送到先導(dǎo)傳送帶端部，由傳送帶傳送到另一端，擺動氣缸推動零件到達裝夾預(yù)定位置，另一個擺動氣缸擺動，壓緊零件到垂直

13、V型槽，零件位置固定，端蓋上料工作站機械手傳送端蓋到達垂直V型槽上方，松開氣爪，端蓋落入零件底端槽中完成裝配，擺動氣缸擺動零件到后續(xù)傳送帶上，后續(xù)傳送帶傳送零件到達加工工作站。3.3.1先導(dǎo)傳輸帶先導(dǎo)傳輸帶見圖3-19所示。3.3.2裝配單元裝配單元如圖3-20所示。圖3-20 裝配單元結(jié)構(gòu)圖裝配單元由豎直V型塊、擺動撥叉組成，豎直V型塊由微動氣缸驅(qū)動，可以上下運動，這樣便于定位零件及撥動零件。3.3.3后續(xù)傳輸帶后續(xù)傳輸帶見圖3-19所示3.3.4 PLC控制系統(tǒng)PLC控制系統(tǒng)中包含PLC控制器（西門子PLC系列）、繼電器電磁換向閥、驅(qū)動電路（含步進電機驅(qū)動部分）等組成。3.4加工工作站加工

14、工作站平面圖如圖3-21所示。圖3-21 加工工作站平面圖加工工作站主要由先導(dǎo)傳輸帶、加工單元、后續(xù)傳輸帶、PLC控制系統(tǒng)四部分組成。三維結(jié)構(gòu)如圖3-22所示。圖3-22 加工工作站三維結(jié)構(gòu)圖零件底座由上一工作站傳送到先導(dǎo)傳送帶端部，由傳送帶傳送到另一端，擺動氣缸推動零件到達旋轉(zhuǎn)工作臺上，旋轉(zhuǎn)工作臺順時針旋轉(zhuǎn)60度到達第一個加工位置，旋轉(zhuǎn)工作臺下傳感器感應(yīng)到零件的到達，壓緊氣缸作用是零件位置固定，絲杠帶動仿真加工電機向下移動實現(xiàn)仿真加工過程，松開加緊氣缸，旋轉(zhuǎn)工作臺順時針轉(zhuǎn)動60度到達第二個加工位置，旋轉(zhuǎn)工作臺下傳感器感應(yīng)到零件的到達，壓緊氣缸作用是零件位置固定，絲杠帶動仿真加工電機向下移動實

15、現(xiàn)仿真加工過程，松開夾緊氣缸，旋轉(zhuǎn)工作臺順時針轉(zhuǎn)動60度到達后續(xù)傳送皮帶前端，擺動氣缸推動零件落入傳動皮帶完成仿真加工過程，后續(xù)傳送帶傳送零件到達檢測工作站。3.4.1先導(dǎo)傳輸帶先導(dǎo)傳輸帶見圖3-23所示。圖3-23 先導(dǎo)傳輸帶3.4.2加工單元加工單元如圖3-24所示。圖3-24 加工單元結(jié)構(gòu)圖加工單元由旋轉(zhuǎn)工作臺、仿真加工單元組成，旋轉(zhuǎn)工作臺由步進電機通過減速箱帶動，每一工位下安裝有一個傳感器，可以準(zhǔn)確的檢測旋轉(zhuǎn)工作臺的轉(zhuǎn)動角度。每一加工工位下安裝一個傳感器用來檢測旋轉(zhuǎn)工作臺上是否有零件，從而控制夾緊氣缸和加工單元絲杠的運動與否。3.4.3后續(xù)傳輸帶后續(xù)傳輸帶見圖3-22所示。3.4.4

16、PLC控制系統(tǒng)PLC控制系統(tǒng)中包含PLC控制器（西門子PLC系列）、繼電器電磁換向閥、驅(qū)動電路（含步進電機驅(qū)動部分）等組成。3.5檢測傳輸工作站檢測傳輸工作站平面圖如圖3-25所示。圖3-25 檢測單元平面圖檢測工作站主要由傳輸單元、檢測單元、收納單元、轉(zhuǎn)向單元、PLC控制系統(tǒng)五部分組成。三維結(jié)構(gòu)如圖3-26所示。圖3-26 檢測單元三維圖3.5.1傳輸單元傳輸單元如圖3-26所示。3.5.2檢測單元 如圖3-26所示，檢測單元由各種傳感器以及推動氣缸組成。本站設(shè)置檢測高度和顏色檢測。若高度大于設(shè)定值，則由氣缸1推入收納槽1、然后再檢測顏色；若是紅色，由氣缸2推入收納槽2；若是白色，由氣缸3推

17、入收納槽3；若是黑色，則由氣缸4推入收納槽4，符合條件的零件，則由傳送帶繼續(xù)傳送，經(jīng)轉(zhuǎn)向單元傳送到立體倉庫工作站的傳送帶上。3.5.3收納單元 如圖3-27所示的各個收納槽。圖3-27 收納單元3.5.4轉(zhuǎn)向單元如圖3-28所示，零件輸送到皮帶端部，由傳感器發(fā)出信號，擺動氣缸帶動撥爪旋轉(zhuǎn)，經(jīng)半圓形平臺撥到另一條傳送帶上。圖3-28 轉(zhuǎn)向單元3.5.5 PLC控制系統(tǒng)PLC控制系統(tǒng)中包含PLC控制器（西門子PLC系列）、繼電器電磁換向閥、驅(qū)動電路（含步進電機驅(qū)動部分）等組成。3.6立體倉庫工作站立體倉庫工作站平面圖如圖3-29所示。圖3-29 立體倉庫平面圖立體倉庫工作站由傳送機構(gòu)、機械手機構(gòu)、

18、倉庫單元、PLC控制系統(tǒng)四部分組成，其三維結(jié)構(gòu)圖3-30如下。圖3-30 立體倉庫三維圖零件由傳送機構(gòu)傳送到入庫等待區(qū)，機械手抓取零件送入立體倉庫。3.6.1傳送機構(gòu)傳送機構(gòu)如圖3-31所示。圖3-31 傳送機構(gòu)圖零件由檢測傳輸工作站傳到本傳送帶后，傳送帶運動，帶動零件到達尾部，位于尾部傳感器感應(yīng)到零件，擺動氣缸撥叉擺動，推動零件到達機械手零件準(zhǔn)備區(qū)。3.6.2機械手結(jié)構(gòu)機械手結(jié)構(gòu)如圖3-32所示。圖3-32機械手機構(gòu)圖機械手由橫向絲杠平臺、縱向絲杠平臺、擺動氣缸、雙桿氣缸、氣爪等組成，零件到達機械手零件準(zhǔn)備區(qū)后，橫向絲杠平臺運動到預(yù)定位置，縱向平臺移動到預(yù)定位置，使氣爪到達零件準(zhǔn)備區(qū)，氣爪夾

19、緊零件，縱向平臺上移到倉庫縱向倉位，橫向平臺右移到倉庫橫向倉位，擺動右擺90度，雙桿氣缸伸出，氣爪松開，零件放入倉庫中；然后雙桿氣缸收縮，擺動器右擺90度。3.6.3倉庫單元如圖3-32所示，倉庫單元為4行5列20個倉位的立式存儲零件立體倉庫單元。4成果形式4.1實訓(xùn)零件鋼件、鋁件、紅色尼龍、白色尼龍、黑色尼龍各20套。如圖4-1所示。圖4-1 裝配加工零件4.2 硬平臺光機電氣一體化綜合實訓(xùn)平臺 1套。設(shè)置布局如圖4-2所示。圖4-2 光機電氣一體化綜合實訓(xùn)平臺4.3軟平臺1. 設(shè)備使用說明書 1份。2. 光機電氣一體化綜合實訓(xùn)指導(dǎo)書 1份。3. 機電一體化單項實驗指導(dǎo)書 1份。（參照表2-

20、1）4. 相關(guān)控制程序軟件 1套。5 研制工作進度第一階段：完善整個項目零件分揀、裝配等工作站的硬件設(shè)計工作，完成零件底座上料工作站的硬件制造及安裝調(diào)試工作，進行零件底座上料工作站硬件電路及PLC軟件調(diào)試工作。時間為3個月。第二階段：完成零件端蓋上料工作站、預(yù)裝配工作站、整體零件裝配及加工工作站、檢測傳輸工作站的硬件制造及安裝調(diào)試工作，完成零件底座上料工作站硬件電路及PLC軟件調(diào)試工作，進行零件端蓋上料工作站、預(yù)裝配工作站、整體零件裝配及加工工作站、檢測傳輸工作站硬件電路及PLC軟件調(diào)試工作。時間為4個月。第三階段：完成立體倉庫工作站的硬件制造及安裝調(diào)試工作，完成零件端蓋上料工作站、預(yù)裝配工作

21、站、整體零件裝配及加工工作站、檢測傳輸工作站硬件電路及PLC軟件調(diào)試工作，進行立體倉庫工作站硬件電路及PLC軟件調(diào)試工作。時間為2個月。第四階段：完成整個光機電氣一體化綜合實驗平臺的硬件電路及PLC軟件調(diào)試工作，整理技術(shù)文件，包括研制技術(shù)報告、結(jié)構(gòu)設(shè)計圖紙、硬件電路圖、PLC控制程序、使用說明書（含綜合實踐及專項實驗指導(dǎo)書）等，準(zhǔn)備驗收。時間為3個月。整個項目計劃于 2012年8月結(jié)題6 經(jīng)費預(yù)算情況經(jīng)費預(yù)算情況見表6-1及表6-2。表6-1 總體經(jīng)費預(yù)算情況預(yù)算支出項目申 請 金 額（萬元）備注工作站平臺加工購置費用3萬詳見表6-2設(shè)備原材料及零件購置費用 32萬詳見表6-2硬件電路及PLC

22、控制器費用 6萬詳見表6-2生產(chǎn)制造費用 5萬以實際發(fā)生費用為準(zhǔn)課題組成員勞務(wù)費用6萬500元/人/月×10人×12月相關(guān)調(diào)研費用3萬合計55萬表6-2 實訓(xùn)平臺材料零件設(shè)備明細表 序號名稱廠家型號數(shù)量單價合計1工作臺及臺上附件65000300002工作站加工零件（成套）1006060003自由安裝型氣缸SMCCUK6-15片式擺動氣缸SMCCRB2BWU10-180S122500300005磁偶式無桿氣缸SMCCDY1S10L30043000120006機械接合式無桿氣缸SMCMY1B10G100LS4180072007圓柱型氣爪SMCMHS3-25D4150060008薄型氣缸SMCCQSF12-30D4100040009肘節(jié)型氣爪SMCMHT2-32D21500300010薄型擺動氣缸SMCCRQ2BS10-901218002160011小型精密氣動滑臺SMCMXPJ-10260001