U8机电系统实践报告.doc
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《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
2017.07.01
目录
目录
序言 1
第1章、自动化生产线介绍 2
1.1光机电气一体化柔性生产系统组成 2
1.2光机电气一体化柔性生产系统功能 2
1.3六自由度装配机器人模块单元传动系统分析 4
1.3.1传送带的驱动电机类型和传动类型 4
1.3.2传送带传动系图和转速图 5
1.3.3机械臂六自由度的简图和三维图及执行元件 5
1.3.4料库简图 7
1.3.5系统组成 8
1.4六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 10
2.1改进方案 10
2.2改进机械系统设计 10
2.2.1旋转料库改进前与改进后对比 12
2.2.2机械臂夹具的改进前与改进后的对比 12
2.3改进控制系统设计 14
2.3.1.PLC的运用 14
2.3.2.PLC的梯形图编程规则 14
2.3.3.PLC指令的介绍 14
2.3.4CPU的构成 15
2.3.5.PLC流程图 16
2.3.6.PLC接线图 17
2.3.7.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 20
3.1背景 20
3.2基本元件，功能 20
3.3设计流程图 21
3.4软件操作 21
3.5问题分析 22
3.6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 26
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
1
U01
立体仓库出库模块单元
2
U02
材料加测与机器视觉模块单元
3
U03
数控加工模块单元
4
U04
尺寸检测模块单元
5
U05
工业总线系统总控单元
6
U06
废品分拣模块单元
7
U07
模拟量喷涂模块单元
8
U08
六自由度装配串联机器人模块单元
9
U09
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1-4
1.3.3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1-8
1.六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；
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