机械毕业设计（论文）-柔性加工系统仓储及输送单元设计【全套图纸】

毕业设计（论文）毕业设计（论文） 本科毕业设计（论文）本科毕业设计（论文） 题题 目：目： 柔性加工系统仓储及输送单元柔性加工系统仓储及输送单元 学学 院：院： 机械与自动控制学院机械与自动控制学院 专业班级：专业班级： 机械设计制造及自动化机械设计制造及自动化 09（4）班）班 姓姓 名：名： 学学 号：号： 指导教师：指导教师： 2013 年 05 月 24 日 浙江理工大学本科毕业论文 1 浙浙 江江 理理 工工 大大 学学 机械与自动控制学院机械与自动控制学院 毕业论文诚信声明 我谨在此保证：本人所写的毕业论文，凡引用他人的研究成果均已 在参考文献或注释中列出。论文主体均由本人独立完成，没有抄袭、剽 窃他人已经发表或未发表的研究成果行为。如出现以上违反知识产权的 情况，本人愿意承担相应的责任。 声明人（签名）： 年 月 日 柔性加工系统仓储及输送单元 摘摘 要要 科学技术的飞速发展，正在把人类推向信息时代。但是，面对着加工业70%80%的 中小批量生产的经济结构，如何达到自动化的目的，一直是工业界探索的课题。数 控机床问世虽为这部分工厂自动化创造了条件，但实践证明，独立、分散的单机自 动化解决不了传统批量生产所固有的生产率同生产柔性、加工批量同制造成本、生 产同市场变化之间的矛盾，必须寻找更完善的自动生产体系。FMS就是在这种追求下 诞生的。其优势在于把生产率同生产柔性、加工批量同制造成本、先进技术同科学 管理高度统一起来。从而提高产品制造柔性，提高效率缩短生产周期，降低能耗及 成本，节约设备占地面积。在柔性制造系统中采用全自动化生产，减少了认为的因 素一次也提高了产品的精度。以上可见，柔性制造系统以上优点是如今制造业中非 常需要的。 关键词:柔性制造；立体库；码垛机；流水线 全套图纸，加全套图纸，加 153893706 浙江理工大学本科毕业论文 1 柔性加工系统仓储及输送单元 Abstract The rapid development of science and technology, human to the information age. But，Processing industry 70% -80% of the face of the economic structure of the small and medium volume, how to achieve the purpose of automation has been the industry to explore the subject.Although the advent of CNC machine tools to create the conditions for this part of the factory automation，but practice has proved that independent, decentralized stand-alone automation can not solve the productivity inherent in traditional mass production with the production of flexible processing the same batch manufacturing costs, the contradiction between production and market changes, we must find better automatic production system.FMS is born in this pursuit.The advantage of the productivity with flexible production, processing and batch manufacturing costs, with advanced technology with scientific management of highly unified.Thereby increasing manufacturing flexibility, improve efficiency, shorten the production cycle, reduce energy consumption and cost saving equipment footprint.Fully automated production, reducing the human factors and therefore improve the accuracy of the product in a flexible manufacturing system.Above that, the advantages of flexible manufacturing systems is much needed in the manufacturing industry today. Key words: Flexible manufacturing; stereo storage; palletizer; pipeline 浙江理工大学本科毕业论文 目 录 摘 要 AbstractAbstract 第一章 绪 论1 1.1 柔性制造背景1 1.2 柔性制造的工作流程.1 第二章 立体库的设计3 2.1 立体库优点及功能.3 2.2 国内立体库发展趋势.3 2.3 立体库的外形3 2.4 立体库各部分材料选择.4 2.4.1 底座材料选择与外形设计4 2.4.2 立体库主体设计.6 2.4.3 托盘设计.8 2.5 立体库储存能力及主要设备.9 2.5.1 立体库储存能力计算9 2.5.2 主要设备.9 第三章 流水线的设计10 3.1 流水线的工作原理.10 3.1.1 流水线的工作原理及流程图10 3.2 电路中主要元器件的介绍.11 3.2.1 对射开关的原理及应用11 3.2.2 CCD 颜色尺寸检测单元工作原理及应用11 3.2.3 PLC 及其扩展单元12 3.3 流水线系统控制13 3.3.1 流水线电机正反转控制13 3.3.2 流水线电机启动/停止控制13 3.4 流水线设计13 3.4.1 流水线技术参数.13 3.4.2 CCD 检测单元支架设计.14 3.4.3 对射开关.16 第四章 四自由度码垛机.21 4.1 码垛机简介21 4.1.1 码垛机性能参数.21 4.1.2 四自由度的实现.21 4.1.3 线性滑台简介.22 柔性加工系统仓储及输送单元 4.2 码垛机各部分设计安装.23 4.2.1 底座设计.23 4.2.2 底座高度尺寸计算.24 4.2.3 底座设计方案与材料选择25 4.3 码垛机控制箱的设计.28 4.3.1 码垛机控制箱位置摆放28 4.3.2 控制箱内电器元件.28 4.3.3 控制箱外形设计及材料选择29 4.4 机械爪的设计29 4.4 主要电器元件介绍.35 第五章 外部控制系统36 第六章 结束语38 参考文献.39 致 谢40 浙江理工大学本科毕业论文 1 第一章 绪 论 1.1 柔性制造系统的背景 随着科学技术的迅速发展，新产品不断涌现，产品的复杂程度也随之增加，而 产品的市场寿命日益缩短，更新换代加速，中、小批量生产占有越来越重要的地位。 面临这新的局面，必须大幅度提高制造柔性和生产效率，缩短生产周期，保证产 品质量，降低能耗，从而降低生产成本，以获得更好的经济效益。柔性制造系统正 是在这种形势下应运而生的。从机械制造行业来看现在 FMS 不仅能完成机械加工 而且还能完成钣金加工、锻造、焊接、装配、铸造和激光、电火花等特种加工以 及喷漆、热处理、注塑和橡胶模制等工作。FMS 相对于传统加工有以下优点： 1）缩短生产线且变得简洁。 2）减少设备投资、减少库存。 3）提高利用率，降低成本。 所以，研究 FMS 是一个很有意义的项目。 1.2 柔性制造系统的工作流程 如今较普遍的柔性制造系统流程是工件或毛坯由四自由度码垛机器人从自动化 立体仓库单元的毛坯库中取出，送到自动化输送系统单元输送线上。皮带运输机将 工件或毛坯送至 CCD 形状识别单元处停止，由高速 CCD 工业相机对工件进行形状识 别。形状识别结束，工件向下运送至横向输送机气推处，气推装置将工件送至暂存 区，再由上下料搬运机器人抓取工件，送入相应的柔性加工单元（并联加工中心或 数控车床）进行加工。加工完成后，由上下料搬运机器人取出工件，将工件放回到 输送线上。工件被运送到 CCD 尺寸检测单元，对已加工的工件进行尺寸及位置偏差 检测。检测结束，工件被运送到分拣单元，不合格的产品由气推装置送到废品存放 处。合格的产品将继续传送至条码打印及粘贴处，由人工贴上条码再放回到输送线 上。工件经条码扫描后，码垛机根据条码及工件的形状、尺寸将工件从输送机上取 下并送至自动化立体仓库单元的成品库，完成一个工作流程。流程图如图 1-1 所示： 柔性加工系统仓储及输送单元 2 图图 1-1 柔性加工系统流程图柔性加工系统流程图 本设计中的柔性制造系统中，主要包括三大块：立体库、码垛机、流水线。立 体库主要是用来存放毛胚和加工后的产品。码垛机有 4 个自由度分别是 X、Y、Z 及 机械爪的转动。流水线主要是运送毛胚到数控加工中心加工以及加工完成后在运送 回去，其间完成 CCD 尺寸检测系统完成对加工好的零件进行检测。大致的工作流程 如下：4 自由度码垛机将毛胚从立体库上取下运送到流水线上，流水线上的第 1 对 对射开关检测到信号通过 PLC 控制电机转动，将毛胚运送到第一个 CCD 检测单元， 此处的第 2 对射开关将电机停下。CCD 检测单元检测完成之后，发出信号电机继续 转动将毛胚运送到流水线第 4 对射开关处，对射开关再次发出信号，电机停止转动， 机械手抓取毛胚运送到加工中心。加工完成后机械手将零件放在流水线上，此时第 4 对对射开关检测到信号，通过 PLC 控制电机反转将零件运送到第 3 个对射开关处， 电机停下。CCD 检测单元完成对零件的检测后发出信号，电机继续转动将零件运送 到第一对对射开关处，电机停下。码垛机将零件从流水线上取下,尺寸比合格品小的 报废处理，合格品运送到立体库中去。如此重复工作。 浙江理工大学本科毕业论文 3 第二章 立体库的设计 2.1 立体库的优点及功能 立体库的优点： 1) 多层储存，节约占地面积，提高空间利用率。 2) 自动存取，运行和处理速度快，同时能方便的纳入物料管理系统。 3) 计算机控制，便于清点和盘库，减少库存。 立体库的功能： 1) 收货，仓库从供应商或生产车间接收各种材料半成品或成品，供生产、加工、 装备配之用。 2) 存货，将写下的货物放到自动化系统规定的位置。 3) 取货，根据需求情况从库房取得所需的货物。 2.2 国内立体库发展 目前，在国内多家企业中立体仓库已经得到了广泛的运用。立体库以其节约空 间，便于管理等优势得到众多企业的青睐。但是与国外相比，在国内大多企业当中 所用的立体仓库还存在很大的差距。首先是硬件设备达不到要求，这样就造成了效 率慢，对于物流行业来说，仓储作为重要组成部分之一，已经越来越多的运用到物 流中心。效率慢直接导致物流成本提高。 立体库在国内普及率与国外还有差距，首先是因为立体仓库一次性投入较大， 其运行所需的设备有叉车、电脑集成、信息控制系统等都需要很高的成本：其次， 制造企业很多都存在搬迁难的问题。 随着我国制造业和物流业的迅速发展，自动化立体仓库必将会收到厂商的更多 关注，我国的自动化仓库技术必将会有很大的发展，向发达国家靠拢。 2.3 立体库的外形 立体库技术要求：仓位尺寸：220mm280mm220mm； 仓位数量：5 列 3 层 15 个； 外形尺寸：1500mm280mm800mm； 立体库主要是用来存放毛胚和加工好的零件的，因此立体库设计成仓位格的样 柔性加工系统仓储及输送单元 4 子。每个单元格中放置一个货物支撑板，板上设计一个托盘用以盛放毛胚及零件。 形状如图 2-1 所示： 图图 2-12-1 立体库图立体库图 2.4 立体库各部分材料选择 2.4.1 底座材料的选择与外形设计 底座主要是固定立体库的整体构架和承载重量的，所以在材料方面主要选择45 号钢，以保证强度。底座主要分为3部分焊接而成。 图图2-22-2 底座焊件底座焊件1 1 托盘 立体库骨架 底座 固定角铁 浙江理工大学本科毕业论文 5 图图2-32-3 底座焊件底座焊件2 2 图图2-3 底座焊件底座焊件3 最后底座的如图2-4所示： 通过膨胀螺丝与地连 接 柔性加工系统仓储及输送单元 6 图图2-4 底座底座 2.4.2 立体库主体的设计 立体库在设计过程中主要考虑在易安装，重量轻，成本底。综合以上最终选择 了铝型材。立体库主体骨架是由 PS-8-4040 型材组装起来的。型材如图 2-5 所示： 图图 2-5 PS-8-4040W 铝型材铝型材 立体库主体设计高度是 1400mm，需两根长为 1400mm 的 PS-8-4040W 铝型材，宽 度设计是 1500mm,需四根长为 1500mm 的 PS-8-4040W 铝型材。仓位部分由设计技术 要求可进行宽度及长度计算，所要求的仓位净宽度为 2205=1100mm，净高度为 浙江理工大学本科毕业论文 7 2203=660mm。仓位需要做成单元格的形式，那仓位格也需要尺寸不同的型材。仓 位是 53，那就需要横置 10 跟长为 800mm 的 PS-8-4040W 铝型材，横置 20 跟长为 200 的 PS-8-4040W 铝型材。型材连接采用脚件加螺栓螺母连接。连接方式如图 2-5 所示: 图图 2-6 型材连接图型材连接图 组装后的立体库的 2 维与 3 维图如下所示: 图图 2-7 立体库立体库 2 维图维图 柔性加工系统仓储及输送单元 8 图图 2-8 立体库立体库 3 维图维图 2.4.3 托盘的设计 托盘主要是盛放毛胚或者零件的，托盘的外形要能够满足码垛机机械爪搬运， 还要能够在立体库上能够放置。托盘设计如下图： 浙江理工大学本科毕业论文 9 图图 2-9 托盘托盘 托盘承载物品重量在 1KG 左右，因此托盘的强度要求不高，可以采用 ABS。根 据毛胚及零件考虑托盘尺寸并统一，设计托盘尺寸为（长、宽、高）: 24018052。 2.5 立体库库存能力及主要设备 2.5.1 立体库库存能力计算 立体库采用单货位方式，每个仓位宽度为 220mm，每个货位长度为 280mm，仓位 高度为 220mm. 立体库为 5 列 3 层，共 15 个仓位。 货架宽度为 1260mm,高度为 840mm. 2.5.2 主要设备 立体库主要配套设备有一台 4 自由度码垛机，用于取毛胚及存放零件。 柔性加工系统仓储及输送单元 10 第三章 流水线的设计 3.1 流水线的工作原理 3.1.1 流水线的工作原理及流程 1) 传送带运动，第 1 对对射开关检测到码垛机运送毛胚时流水线停下。 2) 毛胚件放好后，发出信号流水线前进。 3) 毛胚件到第二对对射开关，发出信号流水线停下。 4) CCD 颜色识别单元识别毛胚颜色，确定加工零件形状。 5) 检测完毕，传送带继续前进，将毛胚件运送到流水线末端第四对对射开关，发 出信号，传送带停下。 6) 零件加工完成后机械手将零件放在传送带上，第四对对射开关发出信号，PLC 控制电机反转。 7) 零件到达第 3 对对射开关发出信号电机停下。 8) CCD 检测单元对加工好的零件进行检测，检测完成发出信号，传送带前进。 9) 零件到达第一对对射开关，传送带停下。 流水线工作顺序如下： 传送带先是正转，当码垛机将毛胚件运来，第一对对射开关检测到发出信号， 电机停下，码垛机将毛胚件在传送带上放好之后，发出信号电机转动。将毛胚件用 到第二对对射开关处，第二对对射开关发出信号，电机再次停下，CCD 颜色识别单 元对毛胚件颜色进行识别，以确定加工零件的形状，识别完成发出信号，电机转动， 传送带将毛胚件运到第四对对射开关处，对射开关发出信号，电机停下。机械手将 毛胚件拿到加工中心进行加工。加工完成，机械手将零件放到传送带上，第四对对 射开关检测到后发出信号，PLC 控制电机反转，传送带将零件运送到第三对对射开 关处，对射开关发出信号，电机停下。CCD 尺寸对加工好的零件进行尺寸检测，检 测完毕发出信号。电机继续反转，将零件运送到第一对对射开关处，再次发出信号， 电机停下码垛机从传送带上将零件从传送带上将零件取下，如此循环下去。 根据流水线工作顺序，可以画出如图 3-1 所示的流程图： 浙江理工大学本科毕业论文 11 停止 前进 反转 颜色识别 停止 前进 停止 图图 3-13-1 流水线控制系统流程图流水线控制系统流程图 3.2 电路中主要的元器件 3.2.1 对射开关原理及应用对射开关原理及应用 对射式光电开关由发射器和接收器组成，其工作原理是：通过发射器发出的光 线直接进入接收器，当被检测物体经过发射器和接收器之前阻断光线时，光电开关 就产生开关信号。与反射式光电开关不同之处在于，前者是通过电-光-电的转换， 而后者是通过介质完成。对射式光电开关的特点在于：可辨别不透明的反光物体， 有效距离大，不易受干扰，高灵敏度，高解析，高亮度，低功耗，响应时间快，使 用寿命长，无铅，广泛应用于：投币机，小家电，投币机，自动感应器，传真机， 扫描仪等设备上面。 3.2.2 CCD 颜色尺寸检测单元工作原理及应用颜色尺寸检测单元工作原理及应用 CCD 颜色尺寸识别单元原理是 CCD 图像传感器可直接将光学信号转换为模拟电 流信号，电流信号经过放大和模数转换，实现图像的获取、存储、传输、处理和复 现。其显著特点是：1.体积小重量轻；2.功耗小，工作电压低，抗冲击与震动，性 能稳定，寿命长；3.灵敏度高，噪声低，动态范围大；4.响应速度快，有自扫描功 能，图像畸变小，无残像；5.应用超大规模集成电路工艺技术生产，像素集成度高， 尺寸精确。 流水线所使用的 CCD 颜色检测单元包括光源、镜头、图像采集卡、图像处理软 件和其它设备（支架、工作台等） 。能够组成一个相对完整的视觉检测开发系统，硬 件之间应匹配。通过图像识别功能可检测工件尺寸是否合格,图像处理软件能快速检 测用户所规定工件的尺寸和位置偏差，精度为 0.05mm。 技术参数如下： CCD 尺寸 1/3“ 有效像素(K)子 P440K 同步系统 内同步 尺寸检测 零件就位 柔性加工系统仓储及输送单元 12 扫描系统 2:1 视频输出 1Vpp-75 解晰度（水平） 480Lines(Y/C480Lines) 最低照度(Lux) 0.1Lux F1.2（AGC High） 自动动增益控制(dB) ON=836 (Hl) 824 (LO) OFF=8 信噪比(dB) 50 灰度特性 0.45/1.0 背光补偿 ON/OFF 自动电子快门 EI:OFF 1/501/1. 检测幅面 200*200mm，精度 1mm。 3.2.3 PLC 及其扩展单元及其扩展单元 图图 3-23-2 欧姆龙欧姆龙 PLCPLC 选用欧姆龙 PLC，其技术参数如下: 型号：CP1H-X40DT 输入：24 点 输出：16 点（晶体管） 高速计数器：4 点 脉冲输出：100KHz 2 点 30KHz 2 点 定时器：4096 位 计数器：4096 位 内部辅助继电器：8192 点 保持继电器：8192 点 输入中断：8 点 脉冲捕捉输：8 点 8.1.3.2 PLC 扩展单元 浙江理工大学本科毕业论文 13 型号：CPM1A-40EDR 输入：24 点 输出：16 点（继电器） 3.3 流水线系统控制 3.3.1 流水线电机正反转控制流水线电机正反转控制 流水线的电机是通过变频器控制的，以实现节能调速，过流/过压/过载保护。 在此情况下实现电机正反转接线方式为：PLC 的两个 Y 点接到电机正反转的端子上， 再将 PLC 的 COM 与变频器的 COM 相接即可实现。 3.3.2 流水线电机停止流水线电机停止/启动控制启动控制 毛胚或者零件经过光电对射开关时，对射开关将光信号转换成电信号传送给 PLC，通过 PLC 控制其扩展单元继电器，切断电机电源，这样电机就停止转动，传送 带停下。 3.4 流水线设计 3.4.1 流水线的设计要求流水线的设计要求 有效工作宽度：300mm； 有效工作高度：750mm； 有效工作长度：3000mm； 运行速度：5m/min10m/min； 承载能力：5kg； 框架材质：铝合金型材框架。 由以上参数可以看出，流水线的承重为 5KG，承载的重量较轻所以选择皮带式 流水线。流水线设计图如下图所示： 柔性加工系统仓储及输送单元 14 图图 3-33-3 流水线设计图流水线设计图 3.4.2 CCD 颜色尺寸检测单元支架设计颜色尺寸检测单元支架设计 在本流水线中需要两个支架，分别是 CCD 颜色识别单元支架与尺寸检测单元支 架。虽两个检测单元功能不同但是支架是相同的。首先是材料的选择，CCD 检测单 元本身重量较轻，对材料强度要求不高。从安装方便方面考虑，从之前立体库的经 验中我选择了铝型材，不仅能够满足要求而且重量轻方便与流水线安装。铝型材截 面如下 3-4 图所示： 图图 3-4 PS-8-4040W 铝型材铝型材 浙江理工大学本科毕业论文 15 流水线有效工作高度为 750mm，支架的高度要能够满足 CCD 检测单元可以获得 足够好的视野，以减少检测误差。CCD 检测单元设计参数如下： 总高度 1400mm; 宽度 250mm CCD 检测单元与流水线传送带垂直距离 150mm。 图图 3-5 CCD 检测单元支架设计图检测单元支架设计图 检测单元需固定在上图的支架上，因此我还设计了摄像头固定件，如下图所示： 柔性加工系统仓储及输送单元 16 图图 3-6 CCD 摄像头固定件摄像头固定件 3.4.3 对射开关对射开关 在流水线中设计有 4 对对射开关，它们发出信号用以控制电机停止和启动。第 一对对射开关是在码垛机将毛胚件搬运过来时将传送带电机停下，码垛机将毛胚件 在传送带上放稳。第二对对射开关放置在 CCD 颜色识别单元处，当毛胚件到达第二 对对射开关处，电机停下 CCD 颜色识别单元对毛胚件进行颜色识别。第三对对射开 关安装在 CCD 检测单元处，加工好的零件到达此处，电机停，CCD 尺寸检测单元对 零件尺寸进行检测。第四对对射开关也是用来停下电机的，当毛胚件到达此处电机 停止转动，机械手将毛胚件从传送带上取下送到加功中心进行加工。 流水线的运输速度为 5m/min，即 83.3mm/s.因此在 CCD 尺寸颜色检测单元处的 对射开关位置设计需要计算。从流水线电机运行了解到电机带有抱闸从断电到停止 大概所需的时间很短，而 CCD 尺寸检测单元的照射范围为 200200。则电机断电后 零件和毛胚在流水线上移动的距离很短，因此对射开关放置在 CCD 尺寸颜色检测单 元下方即可。 浙江理工大学本科毕业论文 18 第一对对射开关： 柔性加工系统仓储及输送单元 19 第二对对射开关： 浙江理工大学本科毕业论文 20 第三对对射开关： 柔性加工系统仓储及输送单元 21 第四对对射开关： 浙江理工大学本科毕业论文 22 第四章 四自由度码垛机 4.1 码垛机的设计 码垛机在整个柔性加工系统中扮演着“搬运工”的角色，主要是用来取毛胚件 和存放零件的。码垛机所需要实现的具体动作是：水平移动到达指令的立体库的单 元格，然后机械爪上升，到达托盘的高度机械爪伸入托盘底部将托盘托起，然后机 械爪旋转，水平移动到达流水线处，机械爪向下移动将托盘和毛胚件放到流水线上。 4.1.1 码垛机的设计要求 行程范围：X 轴 1.5*Z 轴 0.8*Y 轴 0.3m； 负载能力：1KG； 最大速度：X 轴 60mm/s，Y 轴 100mm/s，Z 轴 50mm/s； 定位精度：1mm； 4.1.2 四自由度的实现 码垛机中的四自由度为 X、Y、Z 轴的水平移动及机械爪的转动。为了实现 X、Y、Z 三轴的水平移动我们选择了三个线性滑台立式使用以达到要求。机械爪的 转动是通 过电机驱动联轴器带动转动轴来实现机械爪的转动。 柔性加工系统仓储及输送单元 23 图图 4-14-1 线性滑台组合示意图线性滑台组合示意图 4.1.3 线性滑台的选择 直线滑台主要组成由滚珠丝杆 直线导轨 铝合金型材 滚珠丝杆支撑座 联轴器 马达 光电开关等组成： 1) 滚珠丝杠是将回转运动转化为直线运动，或将直线运动转化为回转运动的理想 的产品。滚珠丝杠由螺杆、螺母和滚珠组成。它的功能是将旋转运动转化成直 线运动，这是滚珠螺丝的进一步延伸和发展，这项发展的重要意义就是将轴承 从滚动动作变成滑动动作。由于具有很小的摩擦阻力，滚珠丝杠被广泛应用于 各种工业设备和精密仪器。可在高负载的情况下实现高精度的直线运动。 2)直线导轨 又称滑轨、线性导轨、线性滑轨，用于直线往复运动场合，拥有比直 X 向移动 Y 轴向移动 Z 轴向移动 浙江理工大学本科毕业论文 24 线轴承更高的额定负载， 同时可以承担一定的扭矩，可在高负载的情况下实现 高精度的直线运动.结构,精度高;精密级导轨板。 3)铝合金型材 铝合金型材滑台外形美观、设计合理、刚性好、性能可靠，是组合 机床和自动线较理想的基础 动力部件动态性能好.滑台刚度高,热变形小,进给稳 定性高,从而保证了 加工状态下（负荷下）的实际精度。 4)滚珠丝杆支撑座 选用的支撑座具有高刚性、高精度的超小型角接触球轴承，能 获得稳定的回转性能。使用深沟球轴承的内部轴承中装入了适量的锂皂基润滑 脂，用特殊密封垫圈进行密封，能直接安装，长期使用。 5) 伺服电机 使滑台可以快速进退。利用滚珠丝杠和线轨获得较高的精度，直线滑 台可以用 PLC 控制，也可以直接利用机械手控制系统进行控制。直线滑台的运 动速度、运动轨迹可以编程设置，实现各种运用需求。 综合滚珠丝杠的线性滑台具有精度高、质量轻、可控制的优点最终我选择了滚珠丝 杠的线性滑台。按照设计要求绘制出图纸如下图所示： 图图 4-24-2 线性滑台组合设计图线性滑台组合设计图 4.24.2 码垛机各部分设计与安装码垛机各部分设计与安装 为实现码垛机的各项功能，码垛机还需要以下配件：机械爪、底座、控制箱。 4.2.1 底座的设计 柔性加工系统仓储及输送单元 25 底座的设计尤为重要，原因在于码垛机不是单独工作的，是要在整一个柔性加 工系统中起着连接立体库和码垛机的重要作用，因此底座的高度需要满足立体库和 码垛机的工作尺寸的。此外底座还需要满足固定线性滑台所需要的稳定性和刚度的 指标。 4.2.2 底座高度尺寸计算 流水线的工作尺寸为 750mm；立体库最低单元格的高度为 778mm,最高高度为 1218mm。码垛机高度尺寸如下图： 图图 4-3 线性滑台高度尺寸线性滑台高度尺寸 由以上尺寸可以得到在没有底座的情况下可进行如下计算： 最底工作高度：156+72+51（机械爪安装高度）=279mmm 最大工作高度：279+660=939mm 所需要底座高度的最小值为 1218-939=279mm，但是为了底座的尺寸方便制造所 以初选底座高度为 350mm。对所选尺寸进行校核： 浙江理工大学本科毕业论文 26 加上底座后码垛机工作最小高度：279+350=629mm1218mm 通过校核我们可以看出加上高度为 350mm 的底座后码垛机的最小工作高度为 639mm，要比流水线的工作尺寸 750mm，立体库最低单元格的高度 778mm 都要低；码 垛机最大工作高度为 1289mm，比立体库的最高单元格 1218mm 高，因此底座的高度 为 350mm 是合理的。此时可得立体库、码垛机、流水线的装配简图 图图 4-4 高度装配简图高度装配简图 4.2.3 底座设计方案及材料选择 首先底座的设计主要考虑的是尺寸和与线性滑台的装配。尺寸有了，接下来就 要考虑安装了，在安装之前我们首先来看看 X 方向线性滑台底部的设计： 柔性加工系统仓储及输送单元 27 图图 4-5 X 方向滑台底部设计图方向滑台底部设计图 F 处在底部有两排，每排内置有 8 个丁字型螺母，螺母需通过螺栓与底座连接固定。 由于线性滑台需固定的在底部，且内置螺母较多假如安装是滑台与整个底座安装的 话这样难度是相当大的，安装不上也是可能的。为此在设计时我就想先用一块钢板 通过螺栓螺母与线性滑台连接起来，然后再将钢板用螺栓螺母与底座主体部分固定 起来这样的话安装难度大幅度降低，盖板 1 采用 45 号钢板。底座顶部盖板如下图所 示： 图图 4-6 底座与线性滑台固定盖板底座与线性滑台固定盖板 既然底座的顶部是一块钢板的话，那其实底座可以设计成一个角铁焊接成的骨 架，四周用钢板与底座的骨架连接。底座骨架如下图所示： 浙江理工大学本科毕业论文 28 图图 4-7 底座骨架底座骨架 底座骨架四周用钢板封起来就是一个完整的底座了。 4.3 码垛机控制箱的设计 码垛机控制箱好比码垛机的心脏，这是这部分实现了码垛机四个自由度的运动。 完成码垛机的搬运工作的。 4.3.1 码垛机控制箱位置摆放 在开始设计码垛机之前首先要考虑这个控制箱到底要放在什么位置。假设将控 制箱放在整个柔性制造系统外的一个地方，这样的话做起来其实是很方便的，直接 几根线牵出来接上就可以了，但是这样的话接线要牵出去整个系统看起来会比较乱， 而且不够节约场地。让我们再回过头来看看底座是怎么设计的，我们会注意到底座 骨架部分是角铁焊接成的，在脚的部分有格子，我们可以把控制箱固定在这个位置。 在箱体的外面设计控制插口和网口，就像台式电脑主机一样。如果控制箱出现故障 的话，只要拔掉接线和网线控制箱就可以搬走进行维修很是方便。 4.3.2 控制箱内所需的电器元件 柔性加工系统仓储及输送单元 29 1) 航空插座：码垛机有四个自由度，所以需要四个步进电机分别是三个线性滑台 的步进电机和机械爪转动所需的步进电机，因此设计需四个航空插座。每个步 进电机与驱动器需要需要接四根信号线，三个线性滑台上安装有位置传感器， 每个线性滑台需要两个即 6 根线，机械爪需要一个位置传感器控制机械爪的零 点位置。所以选用 4 个 12 芯的航空插座。 2) PLC：选用欧姆龙 PLC，其技术参数如下: 型号：CP1H-X40DT 输入：24 点 输出：16 点（晶体管） 高速计数器：4 点 脉冲输出：100KHz 2 点 30KHz 2 点 定时器：4096 位 计数器：4096 位 内部辅助继电器：8192 点 保持继电器：8192 点 输入中断：8 点 脉冲捕捉输：8 点 3) 继电器：当线性滑台移动位置到达位置传感器的位置即设定的最大位移处，此 时继电器需要切断步进电机电源，所需 4 个继电器。 4) 开关电源：为步进电机驱动器，PLC 提供直流 24V 稳压电源。 4.3.3 控制箱外形设计及材料选择 清楚了控制箱放置的位置和控制箱内所需要放置的电器元件后，就可以开始电 器元件的设计。首先是控制箱的材料的选择，控制箱内放置的都是电器元件切重量 不大，为满足绝缘性能，可以选用塑料这样的材料而且也可以满足强度的要求。控 制箱如下图所示：图纸中由于继电器较小在控制箱中不好固定所以选择用 PCB 板固 定继电器，再将继电器固定在控制箱上，整个控制箱通过螺栓与底座固定。 浙江理工大学本科毕业论文 30 图图 4 4-8-8 码垛机控制箱图码垛机控制箱图 4.4 机械抓的设计 机械爪主要的动作是转动，取到毛胚后机械抓旋转 90；取到零件后机械抓反 转 90。以上就是机械抓要实现的运动。 爪的转动的动力是通过步进电机来实现的，电机带动旋转轴，轴再带动爪来转 动的。机械爪的下半部分设计如图所示： 柔性加工系统仓储及输送单元 31 图图 4 4-9-9 旋转轴焊接件旋转轴焊接件 图中 2 是旋转轴底座，3 是整个机械爪与线性滑台固定板，4 是旋转电机固定 板，5 是旋转轴电机底座。各部分焊接而成，构成固定的基本骨架。 装上电机后，电机带动联轴器再通过联轴器带动转动轴，轴再带动爪转动。联 轴器需要外购，转动轴的设计如下图： 浙江理工大学本科毕业论文 32 图图 4 4-10-10 旋转轴图旋转轴图 旋转轴采用 45 号钢，在这个转动过程中转矩不大能够满足强度要求。为了满足机械 爪转动位置的精确轴的加工相对要求较高。 电机通过连轴器传递转矩带动转动轴转动，连轴器选择的规格是 MCGL-5-5，如下 图所示： 柔性加工系统仓储及输送单元 33 图图 4 4-11-11 联轴器图联轴器图 对于机械爪需要能够稳稳地托住托盘。而且所托的毛胚件重量不会超过 1KG，因此 材料选择 45 号钢能够满足强度的需要。爪如下图所示： 浙江理工大学本科毕业论文 34 图图 4 4-12-12 爪外形图爪外形图 爪宽度为 86mm 能够稳稳地托住托盘，厚度为 9mm 也能方便的伸入托盘底部。有以 上主要零件之后机械爪就呼之欲出了。其装配图如下图所示： 柔性加工系统仓储及输送单元 35 图图 4 4-13-13 机械爪装配图机械爪装配图 码垛机各部分抖设计完成后就可以对整个码垛机进行装配装配图如下图所示： 浙江理工大学本科毕业论文 36 图图 4 4-14-14 码垛机装配图码垛机装配图 4.54.5 主要元器件介绍主要元器件介绍 1)步进电机：步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。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。步进电机可以作为一 种控制用的特种电机，利用其没有积累误差(精度为 100%)的特点，广泛应用于 各种开环控制。 2)步进电机驱动器：步进电机的运行要有一电子装置进行驱动, 这种装置就是步 进电机驱动器, 它是把控制系统发出的脉冲信号转化为步进电机的角位移, 或 者说: 控制系统每发一个脉冲信号, 通过驱动器就使步进电机旋转一步距角。 所以步进电机的转速与脉冲信号的频率成正比。所以，控制步进脉冲信号的频 率，可以对电机精确调速；控制步进脉冲的个数，可以对电机精确定位目的。 柔性加工系统仓储及输送单元 37 第五章 外部控制系统 外部控制系统是控制整个系统和协调立体库、码垛机、流水线工作的。我在这 里简单介绍下。在流水线上，CCD 颜色识别单元通过识别毛胚颜色发出信号给外部 系统，系统发出指令给加工中心，由加工中心设置的尺寸对零件进行加工。此外， CCD 尺寸检测单元在对零件尺寸检测后发出指令给外部控制系统，外部控制系统控 制码垛机，由码垛机将零件放入指定位置。 总线控制系统组网图 控制系统由 1 台主控计算机、2 台计算机、2 台嵌入式运动控制器、2 台 PLC 组 成。通过 ProfiBus-DP 总线同主控计算机控制中心做数据交换。 图图 5-15-1 系统控制组网图系统控制组网图 主机工作站 ProfiBus-DP 总线 PLC 自动化输 送系统单 元 PLC PC 机 嵌入式 控制系 统单元 嵌入式 控制系 统单元 PC 机 自动化 码垛机 与立体 库单元 CCD 颜 色形状识 别单元 上下料搬 运机械手 单元 柔性加工 单元 CCD 尺 寸检测单 元 柔性加工系统仓储及输送单元 38 实验安全保护系统（五级保护）由于该系统中的转动、移动、自动化的设备多， 这对于建设一个国内先进的实验室来说，实验的安全保护系统是非常重要的，系统 中设计了多层次多重保护措施。 1) 机械保护：对存在危险性机械，码垛机、六自由的机器人等设置有机械碰撞强 行停止运行的措施。 2) 电气停止保护：对存在危险性机械，设置有危险设置紧急电气停止保护措施， 如码垛机上下限位、轨道起点、终点限位紧急电气停止运行。 3) 电气减速运行保护：对运动机械在上述危险位置前设置有紧急减速运行开关， 以便使码垛机、四自由度串联机器人在危险位置就提前减速运行。 4) 区域性安全保护：码垛机、四自由度机器人运行等区域，为避免产生危险后果， 设置区域性报警、停止传感器装置，以便紧急停止运行中的设备。 5) 人工紧急停止：在现场管理人员附近设置人工紧急停止按钮，一旦出现不安全 预兆，可按下“紧停”按钮，紧急停止运行设备。 柔性加工系统仓储及输送单元 26 第六章 结束语 毕业设计是考验我们大学这几年来的所学，它要求我们将大学这几年来所学到 的知识能够融会贯通、熟练应用，并要求我能够理论联系实际，培养我们的综合运 用能力以及解决实际问题的能力。刚接到课题的时候，我们是一头雾水，不知道该 如何下手。后来通过唐老师给我们的资料和一些仔细的讲解，是我们对这个课题有 了一个大体的理解。我们自己也在网上和图书馆学习了一些相关的知识，为下面的 设计提供铺垫，选择控制系统是很重要的，在本次毕业设计中，涉及到了许多电与 控制的内容，我本来是偏机械的，对电方面了解的不是很多，在起初阶段我遇到了 很大的困难，因为里面涉及到步进电机的控制，所以对于这一部分的控制搞不懂， 后来在老师的帮助下，才知道在控制的很多知识。在搞清楚了对码垛机运动控制后， 我才可以开始对码垛机底座的设计和机械爪的设计。在设计过程中需要对于配合电 器元件的摆放，刚开始我的方案是控制箱放在外部，经唐老师的指导我才知道将控 制箱放在底座中这样不仅节约占地而且维修也比较方便，使得整个仓储和运输单元 结构也显得很紧凑，最终完成了设计。 一个人要不断否定自己，不断战胜自己、不断超越自己、不断完善自己，这样 才能不断进步，总之，通过此次毕业设计，我学到了很多东西，意外收获也很大。 不仅进一步学习了控制系统的一些重要知识，增强了自己动手的能力，而且，还让 自己学到了平时所学不到的东西，那就是只要自己有信心，肯努力就一定能够 克服困难，做好任何事情都有可能。本次毕业设计我在画图方面收获很大，也学到 了了很多。之前画图有很多的不规范，尤其实在画装配图的过程中，对于标注我学 到了很多。在毕业设计起初阶段，唐老师会对我会的图进行细心的检查，指出了我 很多的问题，在标注的规范和装配公差上存在很大的问题。通过此次的毕业设计我 得到了很大的提高，在此谢谢唐老师指导和各位同学对我的帮助！ 浙江理工大学本科毕业论文 39 参考文献 1P 柔性加工系统的发展状况 石玉良 沈阳自动车床研究所 110052 2柔性制造系统的关键技术及发展趋势 徐坤 黑龙江工程学院工程训练中心 15 0050 3柔性制造系统及其运用 高红 沈阳工程学院工程系 110136 4柔性制造技术发展现状及趋势研究 中国石油开发技术有限公司 北京 5Simultaneous scheduling of machines and automated guided vehicles in flexible manufacturing systems using genetic algorithms I.A.Chaudhry S.Mahmood M.Shami 6PLC Controlling System of Transportation Manipulator and Simulation D ebugging Weina Han, Liwei Liu，2005，20(3)：20-22 7基于 PLC 控制的柔性制造系统的研究 - 河北软件职业技术学院学报 - 2007, 9 (4) 8基于柔性制造系统的自动立体仓库建立 - 中国制造业信息化 - 2003, 32(5) 9工业以太网在工业控制中应用的探讨 - 信息技术 - 2009(6) 10Tool management systems design for flexible manufacturing systems (F MS) Ranky, Paul G. 11柔性制造技术级其发展J 林胜 航空制造技术 1999 1318 12柔性制造技术及其发展趋势研究 高青 2008 13柔性制造自动化概论/刘延林 编著 武汉：华中科技大学出版社 2001 年 10 月 14我国 FMS 发展现状 余胜海 社陀 制造技术与机床 1994 4244 15国外柔性制造系统（FMS）发展情况 解冀生 组合机床于自动化加工技术 19 84.02 8. 国内外柔性制造技术发展趋势 杨志毅 机械工业部第四设计研 究院 16Simultaneous scheduling of machines and automated guided vehicles in flexible manufacturing systems using genetic algorithms I.A.Chaudhry S.Mahmood M.Shami 柔性加工系统仓储及输送单元 40 致 谢 本次毕业设计是在我们的指导老师-唐老师的亲切关怀和悉心指导下顺利 完成的。他耐心的指导和认真的工作态度，是值得我们学习的，从接到毕业设计的 课题一直到现在的论文写作，唐老师都始终给予我们细心的指导和不懈的支持。几 周以来，唐老师不仅在学业上给我们精心指导，同时还在思想、生活上给我们关怀， 虽然我们和唐老师只有几周的相处，但我们都很开心，在此谨向唐老师致以诚挚的 谢意和崇高的敬意。在此，我还要感谢在一起愉快的度过毕业设计的同学们，正是 由于你们的帮助和支持，我才能克服一个一个的困难和疑惑，直至本文的顺利完成。 在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入设计到论文的顺利完成，有 多少可敬的老师、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意! 最后祝愿每位忙于毕业设计的老师工作顺利，每位同学能够顺利的通过。