目录目录 (1)摘要 (2)一、机械系统课程实践的目的 (3)二、课程设计任务及要求 (3)三、机电一体化系统 (4)四、M03加工检测单元分析和改进方案 (5)五、M03单元改进设计说明书 (6)1.机械系统 (6)1.1凸轮分割器 (6)1.2齿轮机构 (7)1.3有限元分析 (9)2.控制系统 (9)2.1控制系统流程 (9)2.2控制系统的选择 (9)2.3控制系统的设定 (10)2.4 PLC梯形图 (11)3.执行系统 (12)3.1气动系统 (12)3.2电气系统 (14)4、传感系统 (17)5、动力系统 (19)六、小结 (19)参考资料 (20)摘要机械系统实验的目的是通过实验令学生能够正确掌握机电一体化系统典型机械零部件和执行元件的计算、选型和结构设计方法和步骤和掌握机电一体化系统控制系统的硬件组成、工作原理，和软件编程思想。

本次实验的主要任务是改进M03加工检测模块单元，以适应新的工件的加工。

相比原方案，我们小组增加了传感器的数量和新的定位机构以实现方案的改进计划。

一、机械系统课程实践的目的机械系统实验的目的是令学生能够正确运用《机电系统设计》课程的基本理论和相关知识，掌握机电一体化系统（产品）的功能构成、特点和设计思想、设计方法，了解设计方案的拟定、比较、分析和计算，培养学生分析问题和解决问题的能力，使学生具有机电一体化系统设计的初步能力。

通过机械部分设计，掌握机电一体化系统典型机械零部件和执行元件的计算、选型和结构设计方法和步骤；通过测试及控制系统方案设计，掌握机电一体化系统控制系统的硬件组成、工作原理，和软件编程思想；通过课程设计提高学生应用手册、标准及编写技术说明书的能力，促进学生在科学态度、创新精神、专业技能等方面综合素质的提高。

二、课程设计任务及要求本次课程设计的任务是经过过学习和了解自动化生产线实验设备后，改变加工工件的大小尺寸，然后分小组改进生产线的各个模块单元，以适应新的工件加工。

自动化生产线实验设备一共分为十个模块单元，分别是M01供料及检测单元，M02次品处理单元，M03加工检验单元，M04表面处理单元，M05分拣单元，M06装配单元，M07机械臂运动单元，M08冲压单元，M09产品标记单元，M10立体仓库单元。

本小组的改进部分是改进M03加工检验单元，并且尽量与其他相关联的单元的改进方案建立联系，相互配合。

（自动化生产线设备）三、机电一体化系统机电一体化的目的是使系统(产品)高附加价值化，即多功能化、高效率化、高可靠化、省材料省能源化，并使产品结构向轻、薄、短、小巧化方向发展，不断满足人们生活的多样化需求和生产的省力化、自动化需求。

机电一体化系统构成要素及功能构成主要为机械系统、控制系统、执行系统、传感系统、动力系统。

本小组主要通过以上机电一体化系统的构成要素分析M03加工检测单元并且对该单元加以改进。

（M03加工检测模块单元）四、M03加工检测单元分析和改进方案原工作方案：M02次品处理单元将合格的工件原料通过机械手夹具放置到M03加工检测模块单元的转盘上，光电漫反射传感器发出信号，步进电机工作，通过齿轮机构带动转盘转动，同时，M04表面处理单元的机械手转至M03单元方向。

转盘转动到一定角度后，电机停止，夹具加紧工件。

刀具选择盘转动选择刀具，并且钻孔。

在钻孔的同时，带有电阻尺的探头检测工件钻孔加工情况并将检测情况变为电信号传送给M05分拣单元，同一时刻M04表面处理单元的机械手抓取工件到M04单元进行表面处理。

因需要加工的工件尺寸发生变化，所以，对M03加工检测单元进行了部分改进，以适应工件尺寸的变化。

改进方案：转盘原大小尺寸不变，厚度增加至40cm；因工件尺寸增大，装夹的弧形定位槽尺寸增大；将检测工件是否接近M03单元的传感器改为槽式光电传感器；为保证转盘旋转时工件可以精确定位，在钻孔工位增加一个光电漫反射传感器；为了提高旋转精度和降低转速，在齿轮机构与转盘之间增加一个间歇机构------凸轮分割器；需加工工件：直径50mm，高60mm,材料为钢材，密度为7.85g/cm³五、M03单元改进设计说明书1.机械系统1.1凸轮分割器凸轮分割器是一种标准化的自动机械转位分度部件，可以根据节拍时间及负载大小等参数要求向专业制造商订购。

凸轮分割器工作原理：通过输入轴上的共轭凸轮与输出轴上带有均匀分布滚针轴承的分度盘无间隙垂直啮合，凸轮轮廓面的曲线段驱使分度盘上的滚针轴承带动分度盘转位，直线段使分度盘静止，并定位自锁，就是做〔停止→分割→停止→分割→）的间歇分割回转运动。

通常情况下，输入轴旋转一圈（360°），输出轴便完成一动一停的一个分度过程，在一个分度过程中，输出轴有一个转位时间和停止时间之比叫动静比，动静比的大小与凸轮曲线段在整个凸轮圆周上所占的角度大小有关系（通常把这段曲线所占的角度叫动程角），动程角越大，比值越大，分割器运转越平稳；凸轮圆周上直线段所占的角度叫静止角，动程角与静止角之和为360°。

凸轮分割器特点：1.结构简单：主要由立体凸轮和分割盘两部分组成。

2.动作准确：无论在分割区，还是静止区，都有准确的定位。

完全不需要其它锁紧元件。

可实现任意确定的动静比和分割数。

3.传动平稳：立体凸轮曲线的运动特性好，传动是光滑连续的，振动小，噪声低。

4.输出分割精度高：分割器的输出精度一般≤±50 〃。

高者可达≤± 30 〃。

5.高速性能好：分割器立体凸轮和分割轮属无间隙啮合传动，冲击振动小，可实现高速，达 900rPm.6.寿命长：分割器标准使用寿命为 12000 小时。

凸轮分割器参数：1..驱动时间2秒，定位时间8秒2.输入凸轮轴转速50rpm3.凸轮曲线:变形正弦曲线4.回转盘重量20kg5.工件重量0.97kg6..工件距离转盘支撑点200mm因为凸输曲线是变形正弦曲线,因此查表可得:Vm: 最大非向性速度Vm =1.76Am: 最大非向性之加速度Am=5.33Qm: 凸轮轴最大扭力系数Om=0.99回转盘惯性矩：T1=10×0.23²/（2G）=0.054工件惯性矩：T2;=0.97×0.2²/（2G）=0.0198总惯性距：T=T1+T2=0.0738输出轴最大角速度：α=Am×2π/s×(360/θh×N/60)²=6.75rad/s²惯性扭矩：Ti=T×α=0.498摩擦系数查表取0.15，则Tf=μ×（20+0.97）×0.2=0.6291kg.m总负载扭矩：Te=Ti+Tf=1.127因安全负载因数为fe=1.8,所以实际总负载扭矩Te=1.127×1.8=2.0286 根据以上所计算的资料以及输入轴的转数50rpm来选择,参考说明书上所记载,凡是输出轴扭矩高于以上所计算的Te值者均可选用。

所以,选择分割工位为6，动程角为270°，变形正弦曲线的凸轮分割器。

1.2齿轮机构机械结构分析齿轮机构是应用最广的传动机构之一。

其主要优点是：1）使用的圆周速度和功率范围广；2）效率较高；3）传动比稳定；4）寿命长；5）工作可靠性高；故请选择齿轮机构作为传动机构。

图一图二如上图一，图二所示，齿数z1=20，z2=100，中心距a’=,150；粘合角 ’=。

20，节圆直径d1’=50,d2’=250,齿顶圆直径da1=55，da2=255，齿根圆直径df1=43.75，df2=243.75；模数m=2.5正确啮合条件：两轮模数和压力角分别相等，可得i=z2/z1=5，因此可正确啮合1.3有限元分析2.控制系统2.1控制系统流程控制流程图控制流程：工件放置于转盘，槽式光电传感器发出信号给PLC，PLC产生信号控制步进电机工作，通过凸轮分割器带动转盘。

转盘转动60°后，触发光电漫反射传感器，传感器发信号给PLC，PLC使步进电机停止工作并控制气缸加紧工件，同时PLC发出指令，在同一时刻完成选择刀具并转孔，检测已经加工工件，发信号给M04单元抓取工件等三项任务；2.2控制系统的选择控制系统一般有三种，一个是单片机，一个是PLC以及工控机。

单片机的特点是体积小，占用空间小，易于嵌入，控制功能能强大，实时性好，运行速度快，但是故障查找较难，可维护性差。

PLC可以完成基本的继电器逻辑电路控制系统，故障率低，容易维护，容易修改电路，操作简单。

工控机操作界面丰富，可以联网，组态及远程控制，但开发维护成本高。

综合三种控制的特点，选择PLC作为系统的控制系统根据自动化实验生产线的总体控制系统和其他各相关单元的控制系统及相关设备，选择以西门子上S7-200 CPU224 PLC作为核心的控制系统。

2.3控制系统的设定改进方案的控制系统分为两个模式：手动控制模式，自动循环控制模式。

采用的PLC为西门子S7-200 CPU224，其I/O口分配如下表：2.4 PLC梯形图3.执行系统3.1气动系统M03加工检测单元气动系统主要由气动二联件、消声器，排气节流阀和三口二位机械阀，五口三位汇流板、滑台气缸、五口二位双作用电磁阀，双轴气缸等元件构成。

主要执行机构是滑台气缸和双轴气缸。

气动系统在M03单元中，主要用于工件的夹紧和加工工作台的移动。

详细原件如下表：主要气动元器件介绍：气动二联件----气动二联件是多数气动系统中不可缺少的气源装置，安装在用气设备近处，是压缩空气质量的最后保证。

三大件的安装顺序依进气方向分别为空气过滤器、减压阀和油雾器。

空气过滤器和减压阀组合在一起可以称为气动二联件。

压阀可对气源进行稳压，使气源处于恒定状态，可减小因气源气压突变时对阀门或执行器等硬件的损伤。

过滤器用于对气源的清洁，可过滤压缩空气中的水份，避免水份随气体进入装置。

排气节流阀---它不仅可以调节执行元件的运动速度，还可以起到降低排气噪声的作用。

滑台气缸----与转盘上的弧形槽配合，夹紧工件，起到定位作用。

双轴气缸----用于刀具的上下移动。

气路图如下：3.2电气系统电气执行系统的主要部分是步进电机和电阻尺，步进电机在M03单元中主要的作用是执行PLC的指令，驱动转盘转动。

电阻尺的任务是执行工件的测量，并将数据发给M05分拣单元。

电阻尺的选型及其作用根据检测方便的工作需求，我们决定选用电阻尺，型号为KTR-C-25 普通精度0.1MM。

当钻头对工件钻孔加工完成后，用电阻尺来测量加工完成的工件孔的深度是否合格。

如下图所示电阻尺的工作原理电阻尺的功能是把一个机械位移转换成电气信号，并且该信号能够与机械运动成正比。

电刷装配连接到机械激励器，继而使塑料阻轨产生一个电压分配器。