机械电气课程设计设计报告功能检测单元.doc

目 录
设计题目--------------------------------------------------------2

立项报告--------------------------------------------------------2

方案论证报告--------------------------------------------------2

形式实验报告--------------------------------------------------5

PLC梯形图-----------------------------------------------------7

设计说明书-----------------------------------------------------9

操作面板示意图----------------------------------------------11

使用说明书----------------------------------------------------11

研制总结报告-------------------------------------------------11

整机装配图----------------------------------------------后附1

气动原理图----------------------------------------------后附2

电气原理图----------------------------------------------后附3

设计题目

功能检测单元

立项报告

设计这个功能检测单元的目的是设计一种用于检测工件高度，并将合格与不合格工件分别输送到其他单元的检测单元。它的主要工作内容包括：机械手机械系统设计、电路设计、PLC控制程序编制。
下面我们从社会效益和经济效益两个方面来阐明为什么要进行这次设计。
首先是经济效益：
在原来的工作中，工人通过人工进行工件高度的检测，判断工件合格与否。这样的人工检测耗时长，效率偏低，并且最终的工件合格率可能受工人工作经验的影响：熟练工人合格率高，而非熟练工人的合格率低，可能对产品质量保证有不好的影响。
现在使用功能检测单元代替工人工作，一方面可以减少雇佣的工人数量，并且每年雇佣一个工人需要5万元（RMB），而一台功能检测单元的运行费用是3万元（RMB），这样我们可以每年节省2万元（RMB），在除去设计费用和制造费用1万元（RMB），当年一台机器就可以节约1万元（RMB），随后的效益更是可观的；另一方面，也可以提高工作效率，产品质量也能得到稳定的保障。
其次是社会效益：
人工检测时，工人需要在比较严酷的工作环境下进行单一重复的工作，受到噪音污染等其他各方面的影响。我们工程技术人员当然是看在眼里，泪流心里。为了让工人们脱离苦海，我们需要设计可以自动检测工件的机械手。另外，工人进行检测工作时，必须全神贯注，在危险环境下进行工作时，每天都在冒着风险。而对于一些产品质量要求较高的关系到人民正常生活的产品，单单依靠工人自己的自觉与专注是远远不够的。为此，设计一个自动化功能检测单元，是很有必要的。
现在剩下的问题就是如何能设计出这次功能检测单元。
技术可行性分析：

快速：使用PLC控制技术，机械手动作快捷、准确。
低成本：本产品采用了国际先进的FESTO气缸，制造、安装和维护的费用都明显低于市场上的同类产品。
可维护性：每一部机器都不可以脱离维修的工作，但我们相信，FESTO气缸的维修费用将会肯定低于其他产品。另外，我们提供快速维修服务以及直接替换配件，使您无后顾之忧。
技术支持：对于长时间使用的设备，技术支持是很重要的。我们可以为客户提供低费用、长期的技术支持和升级服务，您可以利用网络免费下载我们的升级软件以及低成本升级我们更改的硬件。

方案论证报告

本次的课程设计，我们小组共提出两种设计方案。一种是直线运动加回转运动方案，另一种是完全的直线运动方案。
下面，我们就这两种方案进行讨论。

方案一：

结构示意图：

这种方案是由两种气缸组成：直线运动气缸和摆动气缸。

优点：由于摆动气缸的回转速度很快，因此这种方案的最大优点就是运动速度快。其次，由于气缸数量较少，因此，安装方便、噪音小、维护简单、寿命长。

缺点：显而易见，由于注塑机的机内空间有限，不可能将机械手安装在注塑机内部。又因为是采用的摆动气缸，机械臂的回转半径很大，很容易与注塑机的模具支撑装置、注塑机的机体发生干涉，导致发生危险。

结论：回转半径过大，容易与其他部件发生干涉，稳定性、可靠性较低。因此，不能采用该种设计方案。

方案二：

结构示意图：

这种方案完全由直线运动气缸组成。

优点：可将机械手臂安装在注塑机机体以外，由于直线运动气缸的行程长而且便于控制，因此不会与注塑机的其他部件发生干涉。

缺点：安装较为复杂，机械手的轴线要与注塑机模具的轴线对齐。

结论：可靠性、稳定性强，结构简单。应采用次种方案。

形式实验报告

1． 动作顺序图：

2． 气动原理图：

3． PLC动作转换图：

4． PLC外部接线图：

5． 实验仪器、设备：
FESTO气缸综合实验台；三菱PLC可编程控制器系统；PC机一台；连接用导线若干。

6． 实验步骤：
（1）．绘制系统的装置简图；
（2）．确定动作顺序和转换条件；
（3）．绘制控制面板布置图；
（4）．绘制系统的状态转换图；
（5）．绘制PLC的外部接线图；
（6）．编制I/O位及工作位分配表；
（7）．编制系统的控制梯形图。

7．I/O位及工作位的确定：
I/O表：
I/O位
现场装置
注释
X011
左限位
常开
X012
右限位
常开
X013
伸出限位
常开
X014
缩回限位
常开
X015
卡抓夹紧确认
常开
X016
卡抓松开确认
常开
X000
启动按钮
常开
X001
停止按钮
常开
X002
复位按钮
常开
X003
急停按钮
常开
Y011
电磁阀
左移
Y012
电磁阀
右移
Y013
电磁阀
伸出
Y014
电磁阀
缩回
Y015
电磁阀
卡抓夹紧
Y016
电磁阀
卡抓放松
工作表：
工作位
作用
注释
M8002
PLC初始化
PLC内部使用
M007
中间继电器
启动按钮继电器
M008
中间继电器
复位按钮继电器
M009
中间继电器
停止按钮继电器
M010
中间继电器
急停按钮继电器

8． 实验结论：
本次实验非常成功，各个气缸的运行动作均顺利实现，启动、停止、复位、急停等功能也完全按照设计计划实现，整个系统运行平稳、流畅。达到初步的设计要求，可以进行进一步的设计工作。

PLC梯形图

设计说明书

1． 原始数据：

注塑机模具深度：120mm
注塑机模具中心到注塑机侧面距离：580mm
注塑机侧面上框架宽度：100mm
注塑机模具轴线到注塑机侧面上框架距离：540mm
注塑机模具轴线到工件送出口距离：380mm

2．气动卡抓的选择：

由于此次的工件的材料为塑料，因此工件的质量不大，其最大质量不超过0.2kg。
设m=0.2kg
垂直运动速度：V垂直=0.5m/s
缓冲长度：L垂直=0.6mm=0.0006m
垂直加速度：

水平运动速度：V水平=1m/s
缓冲长度：L水平=8mm=0.008m
水平加速度：

参照元器件手册，选用HGP-16-A型平行气动卡抓。

3， 双作用气缸的选择：

卡抓自重0.185kg，工件最大质量0.2kg，总质量0.385kg
设最大负载：m=0.4kg
气缸的轴向负载力：
F=umg=0.25x0.4x9.8=0.98N
气缸平均速度：
V=s/t=300/1=300mm/s
负载率：B=0.5
理论输出力：
F0=F/B=0.98/0.5=1.96N
双作用气缸缸径：

由于该气缸行程为380mm，所以参照元器件手册，选用DSNU-25-400PPV-A型双作用气缸，缸径25mm，行程400mm。

4．无杆气缸的选择：

双作用气缸自重1.5kg，卡抓自重0.185kg，工件最大质量0.2kg
总负载1.885kg
设最大负载：m=2kg
气缸的轴向负载力：
F=umg=0.25x2x9.8=4.9N
气缸平均速度：
V=s/t=300/1=300mm/s
负载率：B=0.5
理论输出力：
F0=F/B=4.9/0.5=9.8N
无杆气缸缸径：

由于该气缸行程为120mm，所以参照元器件手册，选用DGPL-18-PPVA-GFB型无杆气缸，缸径18mm，行程200mm。

5．气缸间连接的设计：

气缸间的连接使用5mm厚的A3钢板，由于使用量较少，其钢板总重量远小于气缸总重量，因此可以忽略不计，只需校核整个机械臂系统与注塑机间的连接强度。

双作用气缸自重1.5kg，卡抓自重0.185kg，工件最大质量0.2kg，无杆气缸自重1.5kg
系统总重3.385kg
设选用M10螺栓

由于整个机械臂系统与注塑机间的连接使用4颗螺栓，因此每颗螺栓的最大拉应力和最大剪切应力分别为：

F剪=9.8x3.385=33.173N
F剪/4=8.3N
M=33.173x0.54=10.35Nm
F拉=M/0.025=414N
F拉/2=207N
P拉=207/(10x10x3.14/4)=2.64Mpa
P剪=8.3/(3.14x10x6.4)=0.04Mpa

查表验证，使用M10螺栓完全可以满足强度要求。

注：连接件的具体尺寸和安装位置要求详见装配图及其对应的零件图。

操作面板示意图

使用说明书

1． 使用前请先查看接线、插头是否松动，确保安全。
2． 打开PLC的电源开关，将PLC面板上的开关拨至“RUN”处。
3． 按动机械手臂操作面板上的“启动”按钮，机械手臂开始动作，并始终处于自动循环工作状态，此时可无需有人在旁看守，机械手臂会自动循环运行。
4． 按下“停止”按钮，机械手臂会在本次循环动作结束后自动停止工作。
5． 当遇停电或按下“急停”按钮后，可按下“复位”按钮，则机械手臂会自动运行到初始位置后停止工作，待再次按下“启动”按钮后，可继续工作。
6． 在机械手臂工作过程中，如遇突发情况需立即停机的，可按下“急停”按钮，机械手臂可在瞬间停止工作并保持不动。此时按动其他按钮，均不会有任何反应。
7． 解除“急停”方法：本“急停”按钮采用自保持式按钮，解除“急停”时，应将“急停”按钮逆时针旋转90度，“急停”按钮会自动弹起，并解除“急停”状态。
8． 解除“急停”状态后，须按“复位”按钮，待机械手臂复位后，再按下“启动”按钮，机械手臂方可继续工作。
9． 机械手臂使用完毕后应及时关闭机械手臂的电源和PLC的电源，并将PLC面板上的开关拨至“STOP”处。

研制总结报告

实践环节从来都是高等工科教育中不可代替的重要环节。特别是随着现代科技的高度发展，工程技术知识呈现爆炸式增长。爆炸的规模如此之大，以至于任何一个工科专业的毕业生都是不可能通过4年的大学教育掌握所学专业的全部知识。除此之外，统计资料表明，随着技术不断发展，工科学生在学校所学的知识每隔五年就会有一半变为陈旧的技术而失去价值。所以现代高等教育强调的，不是增加学生掌握的知识的数量，而是培养他们通过实际工作不断地学习和掌握先进技术的能力。这种能力的培养，在学校中，主要是通过实践环节来实现。机电系统课程设计就是为机械工程学科专业学生安排得这样一个实践环节。
机电系统课程设计在时间上安排在学生已经学习了机械类和电类的基础课和专业基础课之后，正在准备开始专业课的时候。通过这个实践环节，学生一方面可以切身体会一下以往学过的知识和技能在实际工作中是怎样应用的，从而家生对这些知识和技能的掌握程度；另一方面可以通过简单的工程设计课题，加深对工程和工程问题的理解，为以后学习专业知识做好准备。
本实践环节模拟产品生产和营销工作中一种常见的工作任务----为通用机械设备（例如压力机，注塑机，车床等）装配一台用于上下料的机械手。在现代，这样的机械手通常是用通用的气动元件驱动，可用编程控制器控制。如果元件选用合理，通常只加工少量的机械零件就可以组装成一个机械手。设计这样一个装置，既要有机械设计的能力，又要有电路设计的能力，既要有硬件设计，又有软件设计，所以虽然比较简单，但具有较好的机电一体化典型意义，是一个比较合理实践环节选题。
任务肃然比较简单，但实际执行起来，也像任何一个机械工程项目一样，需要先进行调研和试验工作以便证明其可行性和确定技术方案：然后进行机械设计和电子电路设计，绘制工作图纸和编写驱动软件，分别制造它的机械部分和电控部分并最后将他们组装，调试：还要完成装置的试运行和最后的整理文件通过验收等工作。作为对这样一个任务的模拟，本实验环节要求学生完成从立项调研到会制图纸和编写软件这一阶段的工作。为了尽可能贴近工程实际，还要特别要求学生在客舍期间完成一个形式实验。即按照自己设计的机器的工作原理，用标准的元器件组成一个实验装置，并在其上证明设计方案的可行性，和检验硬件与软件方面的存在的缺陷。
通过这个实践环节，可以培养学生运用力学和机构学的基础知识解决设计工程问题的能力，可以培养学生自觉地运用机械和电子两方面的知识，创造性地解决工程实际问题的能力。由于项目涉及到新技术和新产品的应用，需要学生自己去收集有关的技术资料并理解消化，所以可以锻炼学生的检索整理科技情报的能力，并通过阅读外文资料提高运用外语的能力。对于机电一体化专业的学生，现场调试是最重要的技能之一，这可以通过形式实验来得到提高。真正的工程设计，通常都是由几个，几十个或上百个工程技术人员协作完成的，因此协作能力被列为工科毕业生必备的素质之一。为培养学生这种素质，本实验环节以工作小组为单位，学生在小组中分工合作，共同完成一个设计任务。文字表达能力也是工科毕业生应有的素质。本环节通过要求学生按照工程规范撰写设计报告来锻炼学生这种能力。
通过这次课程设计不仅使我对前面所学习的知识有了更新的认识，起到了“温故而知新”的作用，而且将我以前学习的知识和其他一些学科联系起来。更重要的是它提高了我的动手能力和其他各方面的技能。课程设计是对学生综合能力的考验。
从前我一直认为设计工作就是按照书本上的例题一步一步地做下去得出结论与书后答案一致就可交差了，而现在觉得要想完整地设计出一台机器真的是非常非常复杂和困难的工作，不但需要认真的计算和缜密的思考还要有百折不挠的精神。这一点我今天真的发自内心的领悟到了。
因此，我对从事设计工作的专业设计人员和从事有关科目的研究人员，以及从事相关学科教学的广大老师表示由衷的钦佩和深深的敬意！
最后提出一些设计当中存在的缺陷和改进的意见：
我认为最突出的问题是成本高，在设计产品的同时必须考虑产品经济性和其市场饱和度，我认为在这方面我们做的还不够，与发达国家存在着差距，但我们应当有所改善，这是现代工业设计的必然趋势。