机械毕业设计（论文）-自动排向机改造研究--石墨舟仓结构设计【全套图纸三维】

编编 号号 无锡太湖学院 毕毕业业设设计计（论论文文） 题目：题目： 自动排向机改造研究自动排向机改造研究 石石 墨舟仓结构设计墨舟仓结构设计 信机 系系 机械工程及其自动化 专专业业 学 号： 学生姓名： 指导教师： 职称：副教授） 2013 年 5 月 2 无锡太湖学院本科毕业设计（论文）无锡太湖学院本科毕业设计（论文） 诚诚 信信 承承 诺诺 书书 全套图，加全套图，加 153893706 本人郑重声明：所呈交的毕业设计（论文） 自动排向机改造研 究石墨舟仓结构设计是本人在导师的指导下独立进行研究所取得 的成果，除了在毕业设计（论文）中特别加以标注引用、表示致谢的内 容外，本毕业设计（论文）不包含任何其他个人、集体已发表或撰写的 成果作品。 班 级： 机械 96 学 号： 0923272 作者姓名： 2013 年 5 月 25 日 I 无无锡锡太太湖湖学学院院 信信机机 系系 机机械械工工程程及及其其自自动动化化 专专业业 毕毕 业业 设设 计计论论 文文 任任 务务 书书 一、题目及专题：一、题目及专题： 、题目 自动排向机改造研究 、专题 石墨舟仓结构设计 二、课题来源及选题依据二、课题来源及选题依据 排向机是二极管生产过程中的关键设备，可以将二极管针脚有序地排列 到石墨舟中，进行后续工序的加工，劳动强度大，用工人数多。本课题来源 于企业横向研究项目，针对现有二极管针脚排向机的不足和缺陷，提出改进 措施，加强在线检测，减少人工，包括机械系统和电控系统等。 三、本设计（论文或其他）应达到的要求：三、本设计（论文或其他）应达到的要求： 1.弥补现有排向机的不足和缺陷：在在线监测方面加强，原本产线上掉落的 针脚需要工人放回料斗，经过改善，可自行回收进入料斗。改善后由 PLC 控 制自动补给石墨舟，从而减少人工，提高二极管生产效率，增加经济收益。 2.综合运用大学四年所学知识：机械制图、机械制造技术基础、机电一体化 系统设计、液压与气压传动、机器人技术及其应用等。 II 3.再次复习了专业知识，认识理论知识与实际生产的关系，为今后工作提供 经验。 4.综合应用机电一体化知识，加强机械结构设计能力，为企业提供排向机自 动化改造方案。 四、接受任务学生：四、接受任务学生： 机械 96 班班 姓名姓名 五、开始及完成日期：五、开始及完成日期： 自自 2012 年年 11 月月 12 日日 至至 2013 年年 5 月月 25 日日 六、设计（论文）指导（或顾问）：六、设计（论文）指导（或顾问）： 指导教师指导教师 签名签名 签名签名 签名签名 教教研研室室主主任任 学科组组长研究所所学科组组长研究所所 长长 签名签名 系主任系主任 签名签名 2012 年年 11 月月 12 日日 III 摘摘 要要 中国的二极管生产企业起步很早，以至于很多企业里面的二极管生产设备比较陈旧。 由于旧的设备生产效率低，废品率高，需要大量人工的原因，我们决定将对旧的二极管 生产设备上进行一些自动化改造。主要的改造内容是将石墨舟的堆放和上料过程进行自 动化改造，其中改造内容有：在空石墨舟的堆放处用机械手代替，通过气缸与机械手相 结合的方式放置石墨舟；对石墨舟的堆放和上料下料的过程由石墨舟升降机构来进行完 成，通过电动机带传动，皮带上的气手指拨动石墨舟堆，在上料和下料处各放置十个为 一堆的石墨舟堆，由气爪抓取进行上料和下料；整个过程通过 PLC 进行电气控制，大大 改进了生产效率以及减少了人工，使得企业在生产中获得更多的盈利。 关键词：排向机，二极管生产，自动化改造，PLC，石墨舟 IV ABSTRACT Chinas diode production enterprise started early, that many enterprise inside of the diode production equipment is old. Because the old equipment production efficiency is slow, scrap rate is high, need a lot of artificial. We dicided to do some automation reconstruction to old diode production equipment. The main content of the reform is to pile up on the boat graphite and material process automation reconstruction, the transformation contents include: In the empty graphite boat with the dump instead of manipulator, throuth the cylinder and machinery of the combination of the palm placed graphite way up; The graphite stacked on the boat and the process of feeding material by graphite boat lifting mechanism to completed, throuth the motor belt, the gas fingers of the belt moving graphite boats, In feeding and discharging points under the place for a pile of ten of the graphite boats, they are grabed by gas claw; The whole process was controlled by the PLC , greatly improved the production efficiency and reduced labour, maked the enterprise gaining more profit in the production. Key words: rowing machine, diode, Automation reconstruction, PLC, graphite boat V 目目 录录 摘 要III ABSTRACT IV 1 绪 论1 1.1 研究内容1 1.2 研究目标.3 1.3 关键问题.3 1.4 研究方法和技术路线.3 1.4.1 研究方法3 1.4.2 技术路线4 2. 石墨舟仓结构设计.5 2.1 旧排向机构造.5 2.2 石墨舟仓部分改造的初步想法5 2.3 石墨舟仓改造方案确定.7 2.4 排向机改造的控制系统初步设计.8 3. 石墨舟仓结构各零件选用及设计.11 3.1 升降机构传动方式.11 3.2 带传动系统带和带轮的选择.13 3.2.1 电机额定输出功率估算14 3.2.2 确定计算功率14 3.2.3 小带轮转速计算15 3.2.4 选定同步带带型和节距15 3.2.5 选取主动轮齿数16 3.2.6 小带轮节圆直径确定16 3.2.7 大带轮相关数据确定16 3.2.8 带速 v 的确定16 3.2.9 初定轴间间距16 3.2.10 同步带带长及其齿数确定16 3.2.11 带轮啮合齿数计算16 3.2.12 基本额定功率的计算17 3.2.13 计算作用在轴上力17 3.3 主动带轮轴的设计和校核17 3.4 从动带轮轴的设计和校核.18 3.5 石墨舟仓机构其他零件结构设计.18 VI 3.5.1 滚动轴承的选择18 3.5.2 石墨舟仓机架的设计19 3.5.3 气手指夹具的设计20 4. 上料机械手结构设计.23 4.1 机械手的意义.23 4.2 机械手方案对比.23 4.3 机械手方案的确定.24 5. 自动化控制设计.27 5.1 气源装置的选择27 5.2 传感器的选择28 5.3 PLC 介绍30 5.4 输入输出的确定.30 结论与展望34 致 谢35 参考文献36 附录37 零件三维图37 自动排向机改造研究石墨舟仓结构设计 1 1. 绪绪 论论 1.1 研究内容研究内容 二极管又称晶体二极管，简称二极管。它是一种具有单向传导电流的电子器件。在 半导体二极管内部有一个 PN 结两个引线端子，这种电子器件按照外加电压的方向，具备 单向电流的转导性。一般来讲，晶体二极管是一个由 p 型半导体和 n 型半导体烧结形成 的 p-n 结界面。在其界面的两侧形成空间电荷层，构成自建电场。当外加电压等于零时， 由于 p-n 结两边载流子的浓度差引起扩散电流和由自建电场引起的漂移电流相等而处于电 平衡状态，这也是常态下的二极管特性。 二极管的构造和符号： 二极管的生产工艺： 焊接酸洗模压印字机包外拣包装 其中焊接又可分为排向、装填、进炉、出炉转换，利用焊片通过一定温度，使芯片与 金属引线连接，形成欧姆触角。 酸洗是利用化学品将晶体表面加以侵蚀，使 P-N 接面呈现正角比例以获得最佳的电 性品质。于晶片表面形成 SiO2，以达到绝缘目的。 模压是使管芯与外界环境隔离，避免有害气体侵蚀，并使表面光洁和具有特定的几何 形状，起到保护管芯、稳定表面、固定管芯内引线，提高二极管机械强度的作用。 排向机是二极管生产过程中的关键设备，可以将二极管针脚有序地排列到石墨舟中， 进行后续工序的加工。现有排向机劳动强度大，用工人数多。改善后的排向机加强了在 线监测，加入了 PLC 控制系统，完成了生产的自动化，大大提高了二极管的生产效率， 减少了人工。 本课题设计内容以机电气一体化技术为核心，整机采用 PLC 控制，要求和原设备无 缝衔接，学生需掌握机械工程及自动化专业相关基础理论。 无锡太湖学院学士学位论文 2 现有排向机的构造： 图 1.1 现有排向机图片 如图，针脚通过人工方式在料参中进行震动，并有序向上移动，然后来到针脚分流 装置中，进行向下移动，针脚分流装置可以将成批的运输过来的二极管针脚进行分流成 为十股针脚，一列一列进行向前移动，移动至挡板处。其中弯的或者残缺的针脚将被挡 板挡住，并流入下料盘中，质量良好的针脚将有序的一个个竖立地流入挡板下面的槽中， 在整个机器的震动中来到气缸，气缸通过左右移动将一排排针脚准确的安放到上模中， 上模与石墨舟通过定位销进行了定位，每一个孔都准确对齐，针脚在气缸的左右移动中 对齐地放入上模，再由经上模准确的放入石墨舟中，整个机器由旁边的控制台进行控制。 然而，旧版的排向机有一定的不足如下： （1） 在针脚分流装置中，虽然整个装置进行过周密的计算，但是针脚分流仍旧是按照 一定的概率进行等量分流的，可能会产生某一列或者几列在分流过程中针脚出现 空缺的状况，这一问题在流水线上继续作业会使石墨舟上出现一列或者几列的空 缺，影响生产效率； （2） 在料参和下料盘中的针脚都需要通过人为的进行补充以及放回，增加了工人的负 自动排向机改造研究石墨舟仓结构设计 3 担，并且在一定程度上降低了生产效率，也无法自动排出质量有问题的针脚； （3） 在气缸处没有检测针脚是否空缺的装置，如果在气缸前有针脚卡主或者堵塞，有 可能出现一列或者几列的针脚空缺情况，使进行排列后的石墨舟可能出现不足或 者空缺的情况； （4） 上模处没有检测石墨舟是否每一个孔里面都装入了针脚的传感器及控制装置，无 法检测是否每个石墨舟工序后针脚都填满； 石墨舟在填满后需要通过人工进行移动，并补充新的空的石墨舟，在日生产量巨大 的工厂中，大大影响了生产的效率，为企业带来不必要的损耗。 1.2 研究目标研究目标 排向机是二极管生产过程中的关键设备，可以将二极管针脚有序地排列到石墨舟中， 进行后续工序的加工，劳动强度大，用工人数多。本课题来源于企业横向研究项目，针 对现有二极管针脚排向机的不足和缺陷，提出改进措施，加强在线检测，减少人工。包 括机械系统和电控系统等。 改善后的排向机弥补了现有排向机的不足和缺陷。在在线监测方面得到了加强，原 本在生产线上掉落的针脚需要工人放回料斗，经过改善，可自行回收进入料斗。改善前 石墨舟针脚排满后需人工取走，再放上空的石墨舟，改善后由 PLC 控制自动补给石墨舟， 从而减少了人工，提高了二极管生产效率，增加了经济收益。 另一方面，本次的课题研究是大学四年所学知识的一次综合运用，涉及的学科有机 械制图、机械制造技术基础、机械设计、液压与气压传动、电器与 PLC 控制技术等。研 究这个课题，不仅让我们再次复习专业知识，也让我们认识到了理论知识与实际生产的 关系。实际生产离不开理论知识的支持，理论知识可以为实际生产提供技术保障，对技 术的改革发展更是起到决定性作用。而且，这次实际生产的案例用理论知识来改进的例 子让我们为今后的工作提供了宝贵的经验。 综合应用机电一体化知识，培养学生的机械结构设计能力，为企业提供排向机自动 化改造方案。 1.3 关键问题关键问题 （1）石墨舟仓方案确定； （2）结构设计和图纸实现； 1.4 研究方法和技术路线研究方法和技术路线 1.4.1 研究方法研究方法 查阅资料了解国内同类了加工设备的特点，分析设备运行原理，确定系统方案，设 计提升机机械结构，完善设计方案。 无锡太湖学院学士学位论文 4 1.4.2 技术路线技术路线 自动排向机改造研究石墨舟仓结构设计 5 2. 石墨舟仓结构设计石墨舟仓结构设计 2.1 旧排向机构造旧排向机构造 由于本次毕业设计的内容是在原有的排向机的结构上进行改造，原来的排向 机构造如下图所示： 图 2.1 现有排向机石墨舟上料部分 石墨舟通过人工放置在石墨舟架的位置，架子上方有一个石墨舟挡板，挡板用于使 石墨舟与上模互相结合，上模是一个长宽尺寸和石墨舟相同的一块模子，上面有与石墨 舟引脚孔位置相同的孔，用于引导针脚进入石墨舟装填。当人工搬动上模与石墨舟结合 之后，工作人员按动电动机的按钮让电动机带动整个上述装置进行向内移动，一排一排 上针脚。在机构实现针脚排向之后，电动机反转带动石墨舟机构移出，然后由人工搬动 上模与石墨舟分离，分离过后通过人工观察哪个孔里面没有针脚，再由人工对石墨舟针 脚进行补充装填。整个机器运作过程对工人的负担较大，而且没有相应的自动化检测装 置，因此我们决定对其进行改造。 2.2 石墨舟仓部分改造的初步想法石墨舟仓部分改造的初步想法 为了解决原本排向机自动化低，需要人工，费时费事等缺点，我们决定在石墨舟仓 部分进行一些自动化改造，在原有机器的基础上添加一些部件，使得机器的自动化能力 大幅提升，提高产值。一开始，我们对舟仓部分的改造有两套方案： 无锡太湖学院学士学位论文 6 方案 1： 图 2.2 方案 1 示意图 方案 1 如图所示，将石墨舟仓改造成带传动，将石墨舟放置在带上，通过带传动传 递到机械手部分，由机械手抓取石墨舟至加工工位，加工完成之后再由机械手抓取满的 石墨舟并转动到放置空的石墨舟的一条输送带上，并统一回收满载的石墨舟到下一工位。 此方案有加工快速，自动化程度高，便于回收等特点，但是由于传送带所占面积太大， 如果进行改造需要对厂区进行比较大的改造，而且只有一个机械手加工速度也不是特别 快，因此我们最后还是放弃了这一方案。 方案 2： 图 2.3 方案二示意图 方案 2 如上图所示，此机构将石墨舟分为空堆石墨舟及满堆石墨舟两个部分，这两 部分分别由石墨舟堆叠而成，每个石墨舟可以堆叠十个，在空堆处进行上针脚的操作， 再由机械手将上满针脚的石墨舟进行移动并堆叠至满载的石墨舟堆处，满载堆下降一个 工位以接收运来的石墨舟，空堆处上升一个工位以准备下一次的上针脚操作。此套设备 的优点是比较节省空间，十个石墨舟一堆，大大的节约了厂区的空间，而且在原有机器 的基础上不用修改太多部件，这样设计也可以便于工人上料下料，整个过程自动化程度 也很高。但是这个系统有例如机械手负担较大，机械手部分设计较复杂的特点，我们最 终决定使用这个系统，但是需要对此系统进 行一些改造。 自动排向机改造研究石墨舟仓结构设计 7 2.3 石墨舟仓改造方案确定石墨舟仓改造方案确定 我们决定将上述方案 2 进行修改作为我们此次排向机改造毕业设计的主方案，在上 料机械手部分我们决定采用如下图的结构： 图 2.4 上料机械手部分方案图 我们决定选用两个上料机械手一起固定在板材上，在横向气缸的初始位置左边的气 缸放置在石墨舟上针脚的工作位置，右边的气爪位于空堆石墨舟位置，在抓取石墨舟时， 纵向方向的气缸先下降，然后气爪松开，抓取石墨舟，加紧后上升，然后横向方向气缸 运动，将左边的气爪移动至满堆石墨舟处，右边的气爪移动至石墨舟工作位置处，然后 将两个气爪放下并松开，这样两个气爪同时运动，大大加快了加工的效率，而且便于控 制。 我们考虑了石墨舟单个的重量，石墨舟堆叠后的高度及整个系统对升降机构的要求， 所以决定大体的石墨舟升降机构如下图： 图 2.5 石墨舟升降机构初步结构设计图 无锡太湖学院学士学位论文 8 上图为石墨舟升降机构（石墨舟仓）的初步结构设计，石墨舟由十个为一堆堆成， 分别有两落石墨舟堆结构，在初始状态时，空堆石墨舟处没有有十个堆叠而成的石墨舟， 而满堆部分没有石墨舟，每次工作一个工位，空堆石墨舟处的气手指伸出，由电动机带 动气手指以拉动空堆石墨舟堆上升一个工位。气爪抓动后，等石墨舟到达满堆处，满堆 处的气手指伸出，由电动机带动气手指缓缓拉动石墨舟堆下降一个工位，等待一个新的 满堆石墨舟堆上来。如此往复，等空堆的石墨舟逐渐用完后，机器暂停，由之前的气爪 拉动新的一堆空石墨舟进入空堆，而满堆石墨舟堆满之后，机器也暂停，等待工人将满 的石墨舟堆撤离，继续进行工作。 2.4 排向机改造的控制系统初步设计排向机改造的控制系统初步设计 我们通过对此套排向机改造系统的研究与讨论后决定设置如下传感器：检测有无针 脚，检测工作位置有无石墨舟，检测送料立柱升降机是否处在初始位置最低位置，检测 工作工位是否有空余，检测空堆工位是否有石墨舟，检测针脚是否装满，检测工作工位 处是否空闲，检测下降机构最高位置是否有空位，若无空位则用气手指将最高位降下， 然后气手指归于最高位，检测下降位置是否有空余，检测二工位处是否有石墨舟等传感 器。2 我们设定的整个工序分为三个过程：进行检测、进行上料、进行下料。 进行检测部分，我们设定的工序为工作位传感器检测上下方向气缸下降 45mmm；气 爪传感器，气爪闭合，检测上下方向气缸上升 45mm；检测纵向传感器，送料左右方向气 缸向左 600m；检测位传感器 1，检测上下方向气缸下降 45mm；检测位气爪传感器 1, 气 爪松开，石墨舟至检测位，检测上下方向气缸向上 45mm。 进行上料部分，我们设定的工序为空堆传感器 1，检测气手指不动，送料上下方向气 缸下降 45mm；气爪传感器，检测气爪不动，送料上下方向气缸上升 45mm；送料上下方 向气缸，送料左右方向气缸向左 600mm，工作位传感器，检测送料上下方向气缸向下 45mm 至工作位置；工作位气爪传感器，检测气爪松开，送料上下方向气缸上升 45mm； 空堆传感器 2，检测气手指动作，换另一堆空石墨舟。 进行下料部分，我们设定的工序为检测位传感器 2，检测下料上下方向气缸下降 45mm；检测位气爪传感器，检测气爪闭合，抓取石墨舟，下料上下方向气缸上升 45mm，下料上下方向气缸传感器，检测下料左右方向气缸向左 600mm；下料气爪传感器， 检测气爪松开，下料上下方向气缸上升 45mm；石墨舟堆传感器，检测下料上下方向气缸 下降 45mm。 我们将控制系统分为这三个部分进行设计，每个部分有设定相应的传感器，并对传 感器的输入输出端进行预估，这样我们在接下来的 PLC 控制设计，选择 相应的型号的 PLC 以及输入输出分配表的制作有了一定的基础。 自动排向机改造研究石墨舟仓结构设计 9 图 2.6 步进电机控制原理图 图 2.6 中，控制器为 PLC，PLC 产生脉冲信号，进入步进电机驱动器，一般控制脉 冲信号都很弱，步进电机驱动器可将脉冲信号进行功率放大，将从控制器发来的脉冲信 号转化为步进电机的角位移，实现后续的动力提供。电机的转速与脉冲频率成正比，所 以控制脉冲频率可以精确调速，控制脉冲数就可以精确调位。 图 2.7 所选步进电机的矩频特性曲线 无锡太湖学院学士学位论文 10 在上料机构中，当空石墨舟由气爪抓取送到工作位置后，气手指提升石墨舟上升一 个工位，提升高度为 45mm。选择的步进电机型号为 110BYG350CH-0501，相数为 3，步 距角为 1.2，相电流为 5.0A，保持转矩为 12N，转动惯量为 1.356g。11图 2.7 为所选 步进电机的矩频特性曲线。其中，控制系统每发出一个步进脉冲，步进电机转过 1.2，当 步进电机驱动器设置在 10 细分状态下，由公式 （2.1） 步距角的距离步进电机旋转一周移动 物体移动距离 必要脉冲数 o 360 可知: 步进电机发出 3000 个脉冲时，气手指抬升空石墨舟 45mm。 自动排向机改造研究石墨舟仓结构设计 11 3. 石墨舟仓结构各零件选用及设计石墨舟仓结构各零件选用及设计 3.1 升降机构传动方式升降机构传动方式 刚开始时，我们设计了两种升降机构的方案 方案 1：丝杆传动升降机构 图 3.1 丝杆传动升降机构示意图 滚珠丝杠：传动效率高，达 0.9-0.98，有利于主机的小型化和减轻劳动强度；摩擦力 矩小，接触钢度高，使温升及热变形减小，有利于改善主机的动态特性和提高工作精度； 工作寿命长，传动无间隙，无爬行传动精度高，具有很好的高速性能；抗冲击振动性能 差，承受径向载荷能力差。 如图所示，石墨舟堆叠为十个，导轨上装有滑块，滑块由电动机驱动，电机连接着 一根丝杆，电动机带动丝杆转动，丝杆上的螺母随着电机转动带动石墨舟机构整体上升 下降，电动机正转时，石墨舟上升，用于空堆石墨舟机构，电动机反转时，石墨舟下降， 用于满堆石墨舟手机机构，滑块由导轨保证运动方向是竖直的。而石墨舟堆的上升距离 由电机保证，电机选用步进电机，由 PLC 控制。此套方案的优点是整个机构比较简单， 可以由安装在电动机上的螺母来将电动机的转动转换为石墨舟的升降移动，机构简单， 成本较低，设计安装比较简单。但是此套方案也有缺点，就是丝杆传动的距离不能过长， 也不能承受太大的径向力，否则丝杆弯曲损坏整套装置就会坏掉，竖直方向的移动量也 会产生误差，使加工产生错误，增加生产率，而且丝杆受力较大，要经常更换，成本也 会变得很高，而且后续维护比较麻烦。 无锡太湖学院学士学位论文 12 方案 2：带传动升降装置 图 3.2 带传动升降机构示意图 带传动：靠齿啮合传动，传动比准确，传动效率高，初张紧力最小，瞬间速度均匀， 单位质量传递的功率最大；与链和齿轮传动相比，噪声小，不需润滑，传动比、线速度 范围大，传递功率大；耐冲击振动较好，维修简便、经济。广泛应用于各种机械传动。 如图所示为我们设计的带传动升降机构，石墨舟由气手指带动上升或者下降，气手 指安装在带轮上面，由专门的夹具固定。底板上装有带传动的轮和轴，轴端上用联轴器 连接电动机，电动机正转时，石墨舟上升，用于空堆石墨舟机构，电动机反转时，石墨 舟下降，用于满堆石墨舟手机机构。在这里要说明的是气手指实质上是一个小型的气缸， 伸出后拖住石墨舟堆底部，随着带传动的上升和下降将拖动石墨舟堆的上升下降，已完 成石墨舟的移动。此套方案的优点是带传动的受力能够带动比较大的质量，像石墨舟堆 这样十个一堆的物体也能够带动，而且带传动比较稳定，随着步进电机的驱动能够完成 定方向定距离的上下移动，比较适合我们这个系统。此套方案的缺点是如果设计带传动 系统的话比丝杆系统更复杂些，要设计带轮、带轮轴、夹具等零件。 最后我们综合了以上两个方案的优缺点，从系统的整体稳定和效率出发，我们选择 了带传动升降系统，关键是丝杆系统的丝杆不能承受每个 400g 的十个石墨舟堆的长时间 的上升与下降，在一定时间之后丝杆会产生各种各样的问题，因此我们选择带传动升降 系统，而且虽然带传动升降系统的零件有些复杂，但是一旦设计出来在实际安装过程中 自动排向机改造研究石墨舟仓结构设计 13 其实并不复杂，很多像螺母螺钉的零件都可以选择标准件，安装起来稳定可靠。 3.2 带传动系统带和带轮的选择带传动系统带和带轮的选择 首先我们选择带传动的方式，我们最开始在普通 V 带、普通平带、同步带三者之间 选择。普通 V 带的带两侧与论草附着较好，当量摩擦因数较大，允许包角小，带传动比 大，中心距较小，预紧力较小，传动功率可达 700KW。 普通平带的抗拉强度大，耐湿性好，中心距大，价格比较便宜，但是传动比较小， 效率较低，可呈交叉，半交叉及有导轮的角度传动，传动功率可达 500KW。 同步带是综合了带传动、链条传动和齿轮传动的优点而发展起来的新塑传动带。它 由带齿形的一工作面与齿形带轮的齿槽啮合进行传动，其强力层是由拉伸强度高、伸长 小的纤维材料或金属材料组成，以使同步带在传动过程中节线长度基本保持不变，带与 带轮之间在传动过程中没有滑动，从而保证主、从动轮间呈无滑差的间步传动。 同步带传动（见图 3.3）时，传动比准确，对轴作用力小，结构紧凑，耐油，耐磨性 好，抗老化性能好，一般使用温度-2080，v50m/s，P300kw,i10,对于要求同步的 传动也可用于低速传动。 图 3.3 同步带传统 同步带传动是由一根内周表面设有等间距齿形的环行带及具有相应吻合的轮所组成。 它综合了带传动、链传动和齿轮传动各自的优点。转动时，通过带齿与轮的齿槽相啮合 来传递动力。 同步带传动具有准确的传动比，无滑差，可获得恒定的速比，传动平稳， 能吸振，噪音小，传动比范围大，一般可达 1:10。允许线速度可达 50M/S，传递功率从 几瓦到百千瓦。传动效率高，一般可达 98%，结构紧凑，适宜于多轴传动，不需润滑， 无污染，因此可在不允许有污染和工作环境较为恶劣的场所下正常工作。 本产品广泛用 于纺织、机床、烟草、通讯电缆、轻工、化工、冶金、仪表仪器、食品、矿山、石油、 汽车等各行业各种类型的机械传动中。同步带的使用，改变了带传动单纯为摩擦传动的 概念，扩展了带传动的范围，从而成为带传动中具有相对独立性的研究对象，给带传动 的发展开辟了新的途径。 同步带的特点 (1)、传动准确，工作时无滑动，具有恒定的传动比； 无锡太湖学院学士学位论文 14 (2)、传动平稳，具有缓冲、减振能力，噪声低； (3)、传动效率高，可达 0.98，节能效果明显； (4)、维护保养方便，不需润滑，维护费用低； (5)、速比范围大，一般可达 10，线速度可达 50m/s，具有较大的功率传递范围，可 达几瓦到几百千瓦； (6)、可用于长距离传动，中心距可达 10m 以上。 接着，我们选择带轮，同步带传动的带轮有实心轮、辐板轮、孔板轮、椭圆辐轮等 结构，由于我们的石墨舟的大小也仅有 9123442 的外轮库大小，所以我们的设计的带 轮不会太大，带轮的内孔直径也最多在 1525 之间，所以我们选择内径孔大小为 20 的实 心轮，设计、加工很方便，传动效率高，也比较容易安装和定位。带轮与轴之间的连接 采用键槽连接，具体的设计在接下来的轴设计里面会具体讲到。 考虑到主动轮和从动轮的问题，由于我们的系统时直线升降移动，对传动比没有要 求，而且考虑到对步进电机的控制问题，我们最后决定主动带轮和从动带轮使用相同的 型号和尺寸，这样零件互换性有了进一步提高，对维修和安装都有一定的方便。 考虑到主动轮和从动轮的问题，由于我们的系统时直线升降移动，对传动比没有要 求，而且考虑到对步进电机的控制问题，我们最后决定主动带轮和从动带轮使用相同的 型号和尺寸，这样零件互换性有了进一步提高，对维修和安装都有一定的方便。 由上可知，同步带输出转矩为：0.21N.m，输出转速为：，单级传动效率为： s/15 =85%，传动比 i=1，取安全系数 k=3，则同步带传递功率为： (3.1) WTkP23 . 0 85 . 0 / 12 21 . 0 3/ 22 因此我们在带传动方面选择同步齿形带传动 3.2.1 电机额定输出功率估算电机额定输出功率估算 =7.16W (3.2) TwP067 . 0 1 . 08 . 4 3.2.2 确定计算功率确定计算功率 电动机每天使用 16 小时左右，查表 3-1 得到工作情况系数=1.7。则计算功率 A K 为: (3.3) WPKP Aca 17.127 . 116 . 7 自动排向机改造研究石墨舟仓结构设计 15 表 3-1 工作情况系数看 A K 3.2.3 小带轮转速计算小带轮转速计算 (3.4) min/96 . 8 60067 . 0 1 . 0/rrvn 3.2.4 选定同步带带型和节距选定同步带带型和节距 由同步带选型图 3.4 可以看出，由于在这次设计中功率转速都比较小，所以带的型号 可 以任意选取，现在选取 H 型带，节距 mmPb7 .12 图 3.4 同步带选型图 无锡太湖学院学士学位论文 16 3.2.5 选取主动轮齿数选取主动轮齿数 1 z 查表 3-2 知道小带轮最小齿数为 14，现在选取小带轮齿数为 14。 3.2.6 小带轮节圆直径确定小带轮节圆直径确定 (3.5) mm Pz d b 82.79 14 . 3 7 . 1214 1 1 表 3-2 小带轮最小齿数表 3.2.7 大带轮相关数据确定大带轮相关数据确定 由于系统传动比为，所以大带轮相关参数数据与小带轮完全相同。齿数， 1:1 14 2 z 节距 mmPb 7 . 12 3.2.8 带速带速 v 的确定的确定 (3.6) max /1 . 0 100060 96 . 8 29.11714 . 3 100060 vsm dn v 3.2.9 初定轴间间距初定轴间间距 根据公式 (3.7) )(2)(7 . 0 21021 ddadd 得 mmamm663232 0 现在选取轴间间距为 570mm。 3.2.10 同步带带长及其齿数确定同步带带长及其齿数确定 (3.8) )( 2 2 2100 ddaL 2/ )82.7982.79(14 . 3 5702 =1390.024mm 3.2.11 带轮啮合齿数计算带轮啮合齿数计算 有在本次设计中传动比为一，所以啮合齿数为带轮齿数的一半，即=20。 m z 自动排向机改造研究石墨舟仓结构设计 17 3.2.12 基本额定功率基本额定功率的计算的计算 0 P (3.9) 1000 )( 2 0 vmvT P a 查基准同步带的许用工作压力和单位长度的质量表 3-3 可以知道 =2100.85N，m=0.448kg/m。 a T 所以同步带的基准额定功率为 = (3.10) 0 P KW21. 0 1000 1 . 0)1 . 0448 . 0 85.2100( 2 表 3-3 基准宽度同步带的许用工作压力和单位长度的质量 3.2.13 计算作用在轴上力计算作用在轴上力 r F = (3.11) r F v Pd1000 =71.6N 3.3 主动带轮轴的设计和校核主动带轮轴的设计和校核 主动带轮轴的轴承我们选用直径为 12 的滚动轴承，并且在轴上装有内径为 20 的带 轮，下面主要对轴的强度进行校核计算。 各轴的材料均选用 45 号钢，已知轴的许用扭剪应力=30MPa，由许用应力确定的 系数为 C=120。 主动带轮轴的强度计算： (3.12) n p 109500 6 T 无锡太湖学院学士学位论文 18 (3.13) 3 2 . 0 d TT WT T 代入之前的功率 P 和转速 n 进行计算 9 6 1076 . 8 60/25 384 . 0 109500 T MPa T 475 . 5 10475 . 5 202 . 0 1076. 8 6 9 因为=30MPa，小于实际的许用应力，因此主动带轮轴的强度符合条件。 3.4 从动带轮轴的设计和校核从动带轮轴的设计和校核 从动带轮轴的轴承我们选用直径为 12 的滚动轴承，并且在轴上装有内径为 20 的带 轮，下面主要对轴的强度进行校核计算。 从动带轮轴的强度计算： (3.14) n p 109500 6 T (3.15) 3 2 . 0 d TT WT T 代入之前的功率 P 和转速 n 进行计算 9 6 1076 . 8 60/25 384 . 0 109500 T MPa T 475 . 5 10475 . 5 202 . 0 1076. 8 6 9 因为=30MPa，小于实际的许用应力，因此从动带轮轴的强度符合条件。 3.5 石墨舟仓机构其他零件结构设计石墨舟仓机构其他零件结构设计 3.5.1 滚动轴承的选择滚动轴承的选择 我们参考了机械设计手册上的滚动轴承特性比较，深沟球轴承，主要承受径向载荷， 也可同时承受少量的双向轴向载荷。在转速较高，不宜用推力轴承时，可承受较轻纯轴 向载荷。交界处轴承主要承受镜像为主和双向径向载荷的连接载荷，不宜承受纯轴向载 荷。调心球轴承主要承受径向载荷，也可同时承受少量的双向轴向载荷。圆柱滚子轴承 仅能承受径向载荷，内、外圈的带当便的单列轴承可承受较小的轴向载荷。调心滚子轴 承主要承受径向载荷，也可同时承受少量双向轴向载荷。 自动排向机改造研究石墨舟仓结构设计 19 由于我们的带轮比较小，因此在设计轴肩与滚动轴承配合时，轴肩的直径也不是很 大，我们采用内径为 12 的滚动轴承，而根据轴承的受力原理，我们最后选择了调心球轴 承，调心球轴承图示如下： 图 3.5 选用的调心球轴承 3.5.2 石墨舟仓机架的设计石墨舟仓机架的设计 由于石墨舟堆叠装置很高，高度约为 500mm，所以我们的机架相应来说也 比较大，因此我们选择材料选用铸铁 HT200 进行铸造，在机架的不配合部分进行开窗口， 以便在需要时打开观察带传动情况，并且能够便于机器的维修和维护。 无锡太湖学院学士学位论文 20 图 3.6 石墨舟仓机架 3.5.3 气手指夹具的设计气手指夹具的设计 气动手指又名气动夹爪或气动夹指，是利用压缩空气作为动力，用来夹取或抓取工 件的执行装置。最初起源于日本，后被国内自动化企业广泛使用。 其特点有： 1、所有的结构都是双作用的能实现双向抓取可自动对中重复精度高。 2、抓取力矩恒定 自动排向机改造研究石墨舟仓结构设计 21 由于气手指是安装在带上进行传动石墨舟升降机构上升或者下降的装置，而气手指 本身安装在带上时不可行的，所以我们特地设计了气手指在带上配合的夹具，以保证气 手指在带上的稳定，保证石墨舟升降的可靠性。 图 3.7 气手指夹具 3.5.4 步进电机底座的设计步进电机底座的设计 步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。在非超 载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载 变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动 一个固定的角度，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控 制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来 控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。 无锡太湖学院学士学位论文 22 由于步进电机需要驱动石墨舟升降机构，因此不能直接安装在底板上，而且高度也 不适合。因此我们设计了专用的步进电机底座。 图 3.8 电机底座 在简述了石墨舟升降机构的几个重要零件之后，我们对石墨舟升降机构的组成部分 有了一定的了解。详细的机构我们可以参考图纸上的标注。 自动排向机改造研究石墨舟仓结构设计 23 4. 上料机械手结构设计上料机械手结构设计 4.1 机械手的意义机械手的意义 “机械手”多数是指附属于主机、程序固定的自动抓取、操作装置（国内一般称作机械 手或专用机械手）,是工业生产的必然产物，它是一种模仿人体上肢的部分功能，按照预 定要求输送工件或握持工具进行操作的自动化技术设备，对实现工业生产自动化，推动 工业生产的进一步发展起着重要作用。如自动线、自动的上、下料，加工中心的自动换 刀的自动化装置。 机械手能代替人类完成危险、重复枯燥的工作，减轻人类劳 动强度， 提高劳动生 产力。机械手是在自动化生产过程中使用的一种具有抓取和移动工件功能的自动化装置， 它是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。机械手越来越广泛的得到 了应用。 原排向机工作时，空石墨舟的上料和满石墨舟的下料是通过工人手动实现的，什么 时候上料、针脚是否装满和满石墨舟的下料都需要有人在一边时时观察，这样做降低了 生产效率，也浪费了劳动力。通过对原排向机进行改造，加入机械手及其控制系统，用 机械手代替人工实现石墨舟的自动上料和下料，从而提高生产效率，节省劳动力。 4.2 机械手方案对比机械手方案对比 方案一：上料机械手的作用是将空石墨舟从石墨舟堆移动到工作位置进行二极管针 脚排向，存在空石墨舟堆和工作位置两个工位，所以除了需要气爪抓取石墨舟外，还需 要水平方向的气缸实现石墨舟在空石墨舟堆和工作位置间的移动。图 4.1 为方案 1 的构想 图。 图 4.1 方案 1 无锡太湖学院学士学位论文 24 方案二：上料部分的实际作用就是将空石墨舟从石墨舟堆移动到工作位置，所以也可以 通过传送系统实现。图 4.2 为方案 2 的构想图。 图 4.2 方案 2 方案 2 是模仿电梯台阶的升降来构想的。台阶上放着石墨舟，空石墨舟由左边进入， 到最顶端工作位置处进行二极管针脚的排向部分，装满后在右端下降。 方案 1： 优点：机械手比较灵活便于控制；石墨舟堆可以十个或二十个石墨舟为一堆；上料 装置与工作台在空间上没有干涉。 缺点：需要另外一个机械手负责将石墨舟从工作位置移动到检测位置，需要再加一 套控制系统。 方案 2： 优点：可以实现全自动化；出料口可以直接接到检测台。 缺点：需要精确控制台阶面的升降；工作位置与台阶面的位置需要精确定位；体积 庞大，在车间占地太大；与原排向机构造差异太大，在改造上更加困难。 4.3 机械手方案的确定机械手方案的确定 方案修改：将方案一的单机械手换成双机械手，也就是在一个水平气缸上连接两个 气爪，同时进行上料和下料的操作。在上料机械手部分最终我们决定采用如图 4.3 的结构： 自动排向机改造研究石墨舟仓结构设计 25 图 4.3 上料机械手结构 我们决定选用两个上料机械手一起固定在板材上，水平气缸的初始位置为空堆石墨 舟上方，其左边的垂直气缸放置在石墨舟装填针脚的工作位置上方，右边的气爪 1 为上 料气爪，位于空堆石墨舟位置，在抓取石墨舟时，竖直方向的气缸先下降，然后气爪 1 闭合，抓取石墨舟。与此同时，气爪 2 下降到装填针脚的工作位置处，气爪 2 抓取装满 针脚的石墨舟，待气爪 1 和气爪 2 都抓取石墨舟后，竖直方向气缸上升，然后水平方向 气缸向左运动，气爪 1 移动至石墨舟工作位置处，气爪 2 移动至满堆石墨舟处，然后竖 直方向气缸下降将两个气爪放下，气爪分别松开，这样石墨舟分别移到了工作位置和满 石墨舟堆。这样两个气爪同时运动的装置，大大加快了工作的效率，而且便于控制。 在水平方向的装置上，由上料机械手的功能可以知道，当气爪抓取空石墨舟后，气 缸推动滑块移动，从而带动机械手移动，将空石墨舟移动到工作位置，实现上料。水平 推动装置如图 4.4，滑块同时连接着气缸与气爪，但是滑块本身太小，不适合作为连接件 直接连接气缸，气爪，所以可以设置一个连接块代替滑块起连接作用。加入一个水平板， 作为气缸和导轨的固定装置。本设计中上料与检测同时进行，采用一套控制系统控制双 机械手。水平连接件可以带动两个机械手同时运动。135 无锡太湖学院学士学位论文 26 图 4.4 水平推动装置 此时机构已经可以完成抓取石墨舟后水平运动的动作了，由于空石墨舟堆的导向杆 高于石墨舟的高度以及工作位置的槽型装置，所以抓取石墨舟后要有个升降运动才能取 出及放入。 参考水平装置，应该加入一个垂直气缸。与之前思路相同，垂直气缸推动滑块带动 抓取装置，在加入垂直连接块后，升降装置如图 4.5。 图 4.5 升降装置 自动排向机改造研究石墨舟仓结构设计 27 5. 自动化控制设计自动化控制设计 5.1 气源装置的选择气源装置的选择 气压传动技术是以空气压缩机为动力源，以压缩空气为工作介质，进行能量传递或 信号传递的工程技术。气压传动与其他的传动和控制方式相比，其优点如下。 （1）气压传动装置结构简单、轻便、安装维护简单。由于压力等级低，故使用安全。 （2）工作介质是取之不尽、用之不竭的空气，空气本身不花钱。排气处理简单，不 污染环境，成本低。 、 （3）输出力及工作速度的调节非常容易。气缸动作速度一般为 50500mm/s，比液 压和电气方式的动作速度快。 （4）可靠性高，使用寿命长。电器元件的有效动作次数约为数百万次，而精良的气 动元件寿命可达数千万次，有的甚至可达数亿次。 (5)利用空气的可压缩性，可储存能量，实现集中供气；可短时间释放能量，已获得 间歇运动中的高度响应；可实现缓冲；对冲击负载和过负载有较强的适应能力；在一定 条件下，可使气压传动装置有自保能力。 （6）全气压传动控制具有防火、防爆、耐潮的能力。与液压方式相比，气压传动方 式可在高温场合应用。 （7）压缩空气流动损失小，可集中供应，进行远距离传输。 气压传动系统由气源装置、气动执行元件、气动控制元件、气动辅助元件等组成。 气源装置是保证气压传动和控制系统正常工作所不可或缺的动力源，为气压传动系统提 供一定满足质量要求的压缩空气，是气压传动系统的重要组成部分。14 气源装置一般由以下三部分组成： （1） 产生压缩空气的气压发生装置，如空气压缩机； （2） 净化压缩空气的辅助装置和设备，如过滤器、油水分离器、干燥器等； （3） 输送压缩空气的供气管道系统。 在气压传动中，将分水过滤器、减压阀和油雾器统称为气动“三大件”，它们虽然都是 独立的气源处理元件，可以单独使用，但在实际应用时却又常常组合在一起作为一个组 件使用，因此又称为“气动三联件”。图 5.1 所示为气动三联件示意图。 图 5.1 气动三联件 无锡太湖学院学士学位论文 28 其工作原理是：压缩空气首先进入空气过滤器，经除水滤灰净化后进入减压阀，经减压 后控制气体的压力以满足气压传动系统的要求，输出的稳压气体最后进入油雾器，将润 滑油雾化后混入压缩空气一起输往气压传动装置。 5.2 传感器的选择传感器的选择 为实现排向机整体功能，初步决定设置如下传感器：检测有无针脚，检测工作位置 有无石墨舟，检测送料立柱升降机是否处在初始位置最低位置，检测工作工位是否有空 余，检测空堆工位是否有石墨舟，检测针脚是否装满，检测工作工位处是否空闲，检测 下降机构最高位置是否有空位，若无空位则用气手指将最高位降下，然后气手指归于最 高位，检测下降位置是否有空余，检测二工位处是否有石墨舟等传感器。 在整个控制系统中，传感器需检测的都是位移量，由此可知，传感器类型为位移传 感器。位移传感器不需要接触到被检测物体，当有物体移向位移传感器，并接近到一定 距离时，位移传感器就有“感知”，通常把这个距离叫做“检出距离”。利用位移传感器对接 近物体的敏感特性制作的开关，就是接近开关。 因为位移传感器可以根据不同的原理和不同的方法做成，而不同的位移传感器对 物体的“感知”方法也不同，所以常见的传感器有以下几种：电感式传感器、电容式传 感器、霍尔式传感器、光电式传感器、热释电式传感器、线性接近传感器。 （1）电感式传感器 电感式传感器也叫涡流式传感器，由三大部分组成：振荡器、开关电路及放大输 出电路。振荡器产生一个交变磁场，当金属目标接近这一磁场，并达到感应距离时， 在金属目标内产生涡流，从而导致振荡衰减，以至停振。振荡器振荡及停振的变化被 后级放大电路处理并转换成开关信号，触发驱动控制器件，从而达到非接触式的检测 目的。由此可见，这种接近开关所能检测的物体必须是导电体。 （2）电容式传感器 这种传感器的测量通常是传感器固定处构成电容器的一个极板，而另一个极板是 在测量过程中通常是接地或与设备的机壳相连接。当有物体移向传感器时，不论它是 否为导体，由于它的接近，总会使电容器两极板间的介电常数发生变化，从而使电容 器的电容量发生变化，使得和测量头相连的电路状态也随之发生变化，由此便可达到 非接触式的检测目的。这种接近开关检测的对象，不限于导体，可以绝缘的液体或粉 状物等。 （3）霍尔式传感器 当一块通有电流的金属或半导体薄片垂直地放在磁场中时，薄片的两端就会产生 电位差，这种现象就称为霍尔效应。两端具有的电位差值称为霍尔电势U，其表达 式为 U=KIB/d，其中 K 为霍尔系数， I 为薄片中通过的电流， B 为外加磁场 (洛伦 慈力 Lorrentz)的磁感应强度， d 是薄片的厚度。 由此可见，霍尔效应的灵敏度高低与外加磁场的磁感应强度成正比的关系。霍尔 元件就属于这种有源磁电转换器件，是一种磁敏元件。它是在霍尔效应原理的基础上， 自动排向机改造研究石墨舟仓结构设计 29 利用集成封装和组装工艺制作而成，它可 方便的把磁输入信号转换成实际应用中的 电信号，同时又具备工业场合实际应用易操 作和可靠性的要求。霍尔开关就是利用霍 尔元件的这一特性制作的，它的输入端是以 磁感应强度 B 来表征的，当 B 值达到一 定的程度(如 B1)时，霍尔开关内部的触发器翻转，霍尔开关的输出电平状态也随之翻 转。输出端一般采用晶体管输出，和其他传感器类似有NPN、PNP、常开型、常闭 型、锁存型(双极性)、双信号输出之分。霍尔开关具有无触电、低功耗、长使用寿命、 响应频率高等特点，内部采用环氧树脂封灌成一体化，所以能在各类恶劣环境下可靠 的工作。 当磁性物件移近霍尔开关时，开关检测面上的霍尔元件因产生霍尔效应而使开关 内部电路状态发生变化，由此识别附近有磁性物体存在，进而控制开关的通或断。这 种接近开关的检测对象必须是磁性物体。 （4）光电式传感器 光电式传感器利用的是光电效应。将发光器件与光电器件按一定方向装在同一个 检测头内。当有反光面（被检测物体）接近时，光电器件接收到反射光后便在信号输 出，由此便可 “感知”有物体接近。 利用光电式传感器制作的光电式接近开关可以检测各种物质，但是对于流体的检 测误差较大。 （5）热电释式传感器 热释电式传感器能感知温度变化，将热释电器件