787自动化生产线机械手及分拣单元设计

摘 要机电一体化技术是将机械技术、电工电子技术、微电子技术、信息技术、传感器技术、接口技术信号变换技术等多种技术的有机地结合，并运用到实际当中去的技术。本次设计的是基于自动化生产线中的机械手及分拣单元模块，系统在生产线中完成的是工件的工位转移及按需分拣的过程。整个系统采用PLC进行控制，机械手模块将工件搬运到分拣单元指定位置，有升降和左右横移两个自由度。在分拣单元中，利用输送带输送工件，通过使用光电传感器和电感传感器完成对材质、颜色的检测，区分出金属工件以及黑色的非金属工件，在气缸的作用下，利用分拣器达到分拣目的。关键词：自动化，PLC，气动系统设计，传感测试技术ABSTRACTThe integration of machinery technology is the mechanical skill, the electrician electronic technology, the microelectronic technology, the information technology, the sensor technology, the conection technology signal translation technology and many kinds of technologies organically unifies, and apply to the practice of techniques. What this design is based on automatic production lines in manipulator and the sort unit module, what the system completes in the production line is the work piece location shift and on demand sort process. The overall system uses PLC to carry on the control, the manipulator module transports the work piece to the sort unit assigns the position, has the fluctuation and about moves to two degrees-of-freedom horizontally. In the sort unit, transports the work piece using the conveyor belt, completes through the use photoelectric sensor and the inductive transceiver to the material quality, the color examination, differentiates the metal work piece as well as the black nonmetallic work piece, under air cylinders function, serves the sort purpose using the time sorter.Key words: Automation, PLC, pneumatic system design, sensor testing technology目 录1 绪 论11.1 本论文的背景和意义11.2 机械手国内外研究现状和趋势11.3 分拣系统国内外发展现状和趋势21.4 设计原则42 自动化生产线机械手及分拣单元的方案设计52.1 总体规格与相关参数52.2 驱动方式的分析与选择52.3 自动化生产线机械手及分拣系统的组成62.4 总体建模效果83 机械手方案设计93.1 机械手坐标形式的选择93.2 手部的选择93.3 气缸等关键部分的设计124 分拣单元结构设计224.1 分拣单元的主要组成部分及各自功能224.2 输送部分的设计与计算224.3 传感检测部分254.4 导向部分294.5 滑槽部分345 控制系统的设计355.1 方案简述355.2 机械手气动控制系统的设计365.3 分拣系统控制系统的设计436 总结487 参考文献50致 谢511 绪 论1.1 本论文的背景和意义自动生产线的最大特点是它的综合性和系统性，综合性主要涉及机械技术、微电子技术、电工电子技术、传感测试技术、接口技术、信息变换技术、网络通信技术等多种技术有机地结合，并综合应用到生产设备中；而系统性指的是生产线的传感检测、传输与处理、控制、执行与驱动等机构在微处理单元的控制下协调有序地工作，有机地融合在一起。本系统完成一个生产线的机械手搬运与物料分拣的过程。机械手的功能是将之前配合系统所提供的工件搬运到分拣系统中去，最后根据一系列的传感器完成对颜色、材质的检测，并将之分拣到相应的滑槽中去。本设计综合应用了多种技术知识，如气动控制技术、机械技术（机械传动、机械连接等）、传感器应用技术、PLC控制和组网、步进电机位置控制和变频器技术等。因此，进行自动化生产线机械手及分拣单元的研究设计是非常有意义的。1.2机械手国内外研究现状和趋势从自动机到工业机器人是一个飞跃，从一般工业机器人到积极探索和开发具有智能和功能强大的工业机器人将又是一个飞跃。目前，工业机器人的开发正处在一个蓬勃发展的阶段，在现今的工业发达国家里，工业机器人的开发与制造正在形成一个庞大的产业，全世界每年的工业机器人销售额可达42亿美元。尽管如此，工业机器人产业仍在不断拓展，不断向新的领域进军1。机器人首先是被工厂使用的。机器人在许多工厂出现后，许多脏活、累活都由机器人取代人工，受到了人们的广泛欢迎。工业机器人取代了工人们进行一部分重体力工作，从而使工人们能从事体力要求较低的工作，经过培训就可以向着技术含量更高的岗位发展。工业机器人的优势是显而易见的，相对于人，它能够更精确而且不知疲倦地工作，可以说，几乎可以用在一切需要大量重复劳动的场合。随着科学技术的不断发展，工业机器人已经成为柔性制造系统(FMS)、自动化工厂（FA）、计算机集成制造系统（CIMS）的自动化工具。虽然中国的工业机器人产业在不断的进步中，但和国际同行相比，差距依旧明显。从市场占有率来说，更无法相提并论。工业机器人很多核心技术，目前我们尚未掌握，这是影响我国机器人产业发展的一个重要瓶颈。而随着工业的机械化和自动化的发展和气动技术本身的一些优点的展现，气动机械手已经广泛应用在生产自动化的各个行业。机器人功能部件的标准化与模块化是提高机器人的运动精度、运动速度、降低成本和提高可靠性的重要途径。可以预见，今后整个机器人机械手行业的发展方向都必然是朝着标准化与模块化的方向发展。模块化指的是机械模块、信息监测模块、控制模块等。目前，国外已经研制生产了各种不同的标准模块和组件，国内有关模块化工业机器人的开发工作也有了初步的雏形。除了使用的各种伺服电机、传感器外，手臂、手腕和机身的结构也已经标准化了，这也是机器人发展历史上的一个飞跃。在发达国家中，工业机器人自动化生产线成套设备已成为自动化装备的主流及未来的发展方向。国外汽车行业、电子电器行业、工程机械等行业已经大量使用工业机器人自动化生产线，以保证产品质量，提高生产效率，同时避免了大量的工伤事故。全球诸多国家近半个世纪的工业机器人的使用实践表明，工业机器人的普及是实现自动化生产，提高社会生产效率，推动企业和社会生产力发展的有效手段2。1.3 分拣系统国内外发展现状和趋势自动分拣装置是按照预先设定的计算机指令对物品进行分拣，并将分检出的物品送达指定位置的机械。随着激光扫描、条码及计算机控制技术的发展，自动分拣机在物流中的使用日益普遍。在邮政部门自动信函分拣机及自动包裹分拣机已经使用多年。自动分拣系统目前在国外同行业技术比较成熟，但建设成本和维护成本较高而且维护难度大。而国内同行业对物流配送中心的建设也在摸索过程中，都不够成熟；国内的应用水平，只有在邮政物流系统中应用较好，而其他行业并不理想。因此对其他物流系统的研究及其设备开发，都是有重要意义的。这样不仅节约了企业人力资源，而且在铁路列车的行包处理、食品工业、造纸业、化工业、机械制造、超市配送中心配送、出版业等各行各业中都广泛使用。在物流行业飞速发展的今天，自动分拣设备占有非常重要的地位。长期以来国内分拣技术较为落后，一定程度上影响了我国物流业的发展，急需大量引进一种高速而有效的分拣设备，推块式分拣机正好符合此要求。在高度发达的国家，物流量非常大，其中大量的物品需要经过分拣才能分配到各个用户，因此欧美各国和日本采用了大量的各种类型的分拣系统来完成分拣这一繁琐而又枯燥的工作。特别是第二次世界大战以后分家技术发展很快，分拣系统规模越来越大，分拣能力越来越高，应用范围越来越广，已经成为物流系统中的重要组成部分。分拣是指为进行运输、配送，把很多货物按品种、不同的地点和单位分配到所设置的场地的作业。按分拣的手段不同，可分为人工分拣、机械分拣和自动分拣三大类。人工分拣基本上是靠人力搬运，把所需要的货物分门别类地送到指定的地点，或利用最简单的器具和手推车等，这种分拣方式劳动强度大，分拣效率最低。机械分拣是指以机械为主要运输手段，还要靠人力进行拣选，这种分拣方式用得最多的是运输机，有板条式输送机、传输带、辊道运输机等，也有的叫“输送机分拣”。这种方式是用设置在地面上的输送机传输货物，在各分拣位置配置作业人员，当看到标签、色标、编号等分拣标志时，边进行拣选，在放到手边的简易传送带或场地上。也有用“箱式托盘分拣”，即在箱式分拣中装入待分拣的货物，用叉车的机械移动箱式托盘，用人力把货物分到分拣的位置，或再利用箱式托盘进行分配。使用较多的是在箱式托盘的下面装车轮的滚轮箱式托盘。这种分拣方式投资不多，可以减轻劳动强度，提高分拣效率。自动分拣是指货物从进入分拣系统到指定的分拣位置为至，都是按照人们的预先设置的指令来完成的。这种装置是由接收分拣指令信息的控制部分、计算机网络部分、搬运部分、分拣部分、缓冲站等构成。所以，除了用终端的键盘、鼠标或其他方式向控制部分输入作业需要信息的作业外，由于全部采用的是自动控制方式进行作业，因此分拣处理能力较大，分拣分类数量也较大。从分拣技术水平上说，欧美各国发展最早，技术比较成熟，目前处于世界领先地位。日本则在第二次世界大战后发展很快，到1985年自动分拣机总量达366套，号称世界上拥有自动分拣机最多的国家，从1970-1985年有338台自动分拣机投入运行，其中58.32%用于储运业，17.15%用于销售业。日本一位物流专家认为，在用户需求表现为多品种小批量的时代，物流技术的三大措施是自动分拣机。自动化仓库和无人自动牵引车。自动化仓库是基本成熟的产品，无人自动牵引车是发展中产品，自动分拣机是接近成熟的产品。我国自动分拣技术起步较晚，目前已能与世界先进水平保证同步，但缺少技术创新能力，使用自动分拣技术的物流系统也较少，大部分小型超市配送中心仍然依靠人工分拣。在20世纪80年代，我国最初是一些邮政局采用小型的半自动翻盘分拣机，由于邮政分拣。但目前我国自动分拣系统的规模和能力已有很大的发展，目前大型分拣系统大多能分拣几十个到几百个种类物品，分拣能力达到每小时万件以上。国外分拣系统规模都很大，主要包括进给台、信号盘、分拣机、分拣信息识别系统、设备控制系统等几大部分，还要配备外围大的各种运输和装卸机械，组成一个庞大而复杂的系统。自动分拣系统大部分与自动化立体仓库连接起来，配合自动导引车、拖链小车等其他工具组成复杂的系统，分拣系统在总体布置上，可以说千变万化。1.4设计原则根据任务书及学院要求，这次毕业设计的设计原则是：以任务书所要求的具体设计要求为根本设计目标，充分考虑自动化生产线工艺流程的具体要求。在满足工艺要求的基础上，尽可能的使结构简练，尽可能采用标准化、模块化的通用元配件，以降低成本，同时提高可靠性。本着科学经济和满足生产要求的设计原则，同时也考虑本次设计是毕业设计的特点，将大学期间所学的知识，如机械设计、机械原理、液压、气动、电气传动及控制、传感器、可编程控制器（PLC）、电子技术、自动控制、机械系统仿真等知识尽可能多的综合运用到设计中，使得经过本次设计对大学阶段的知识得到巩固和强化，同时也考虑个人能力水平和时间的客观实际，充分发挥个人能动性，脚踏实地，实事求是的做好本次设计。2 自动化生产线机械手及分拣单元的方案设计2.1 总体规格与相关参数对自动化生产线机械手及分拣单元的基本要求是将两个单元有效的连接起来,通过一系列的传感器件和气缸等,能够快速、准确的完成搬运及分拣的任务。设计自动化生产线机械手及分拣单元的原则是充分分析作业对象(工件)的作业技术要求，拟定最合理的作业工序和工艺，并满足系统功能要求和环境条件;明确工艺过程中的模块分布，使得在满足要求的基础上，让各个元器件在每个模块，各个模块在每个单元中有最合理的布置，从而进一步确定对自动化生产线结构及运行控制的要求；在设计过程中，尽量选用定型的标准组件，简化设计制造过程，兼顾通用性和专用性，并能实现柔性转换和编程控制。本次设计的自动化生产线机械手及分拣单元是为了实现通过模块的组合形成流水线的功能。参数说明：抓重：0.2千克；工件尺寸：30mm，厚30mm;定位精度：1mm；控制方式：点位程序控制（PLC）;机械手横移最大距离距离800mm。2.2 驱动方式的分析与选择液压驱动，功率重量比大，可实现频繁平稳的变速和换向，容易实现过载保护，可自行润滑，使用寿命长。但也存在其油液容易泄露污染环境，需要配备油源，成本较高，工作噪声较大。电气驱动，控制精度高，驱动力较大，响应快，信号检测、传递、处理方便。但是由于这种驱动方式价格昂贵，限制了在一些场合的应用。因此，人们寻求其他一些经济适用的驱动方式3。气压驱动具有价格低廉、结构简单、功率体积比高、无污染及抗干扰性强、在工业机械手中应用较多。而从另一方面来说，气动技术作为各种控制方式中性价比最高的一种控制方式，由于其元器件性能发展迅速，从而使得生产成本可以一直被控制降低，因而被广泛应用于现代化工业生产领域。尤其在现代化的生产设备中，几乎都配有气动系统。表2-1 各种控制方式的比较项目气压传动液压传动电气传动机械传动系统结构简单复杂复杂较复杂安装自由度大大中小输出力稍大大小不太大定位精度一般一般很高高动作速度大稍大大小响应速度慢快快中清洁度清洁可能有污染清洁较清洁维护简单比气动复杂需专门技术简单加个一般稍高高一般技术要求较低较高最高较低控制自由度大大中小危险性几乎无问题注意着火一般无问题无特殊问题表2-1为在本设计中,根据负载以及环境考虑，气动驱动方式不仅能满足使用需要，而且简单且安全性高，技术要求较低，故采用气动驱动方式。2.3 自动化生产线机械手及分拣系统的组成2.3.1 机械手的设计方案机械手所实现的的主要功能就是实现工件工位的转移，即将前一部分所提供的工件，通过升降抓取及横移等动作，将工件搬运到之后的分拣系统中去。机械手的运动机械手的运动有三个工位，下工位，上工位及分拣工位。主要需要完成如下几个动作。（1）水平方向手臂的左右移动（2）垂直方向高度的上升、下降移动（3）吸盘的吸取动作建模图如图2-1图2-1 机械手部分建模图2.3.2 分拣系统设计方案分拣单元主要由驱动及输送部分，传感检测部分，导向分拣部分，滑槽部分组成。在本设计中主要实现的是金属工件的分拣、黑色非金属工件的分拣以及其他颜色非金属工件的分拣。建模图如下图2-2，主要实现的运动是工件的输送及分拣。图2-2 分拣模块建模图2.4 总体建模效果图2-3 总体建模图3 机械手方案设计3.1机械手坐标形式的选择机械手的基本型式较多，按手臂的坐标型式而言，主要有四种基本型式：直角坐标式、圆柱坐标式、球坐标式和关节式。下面就各型式机械手作简单的分析对比：1、直角坐标式机械手直角坐标机械手通常由三个线性关节组成，这三个关节用来确定末端操作器的位置，有时还带有附加的旋转关节，用以确定末端操作器的姿态。这种模式的机械手在x、y、z轴上的运动都是相对独立的，对他们的运动可以独立处理，因此容易通过计算机实现控制。同时可以两端支撑，对给定结构的刚性能达到最大。直角坐标式机械手的优点：（1） 产量大，节拍短，能满足高速的要求； （2） 容易与生产线上的传送带和加工装配机械相配合；（3） 适于装箱类、多工序复杂的工作，定位容易变更；（4） 定位精度高，载重发生变化是不回影响精度；（5） 易于实行数控，可与开环或闭环数控机械配合使用。缺点：机械手的作业范围较小。机械手型式的选择首先是从满足它的运动要求方面进行考虑， 然后从机械手的复杂程度以及经济情况等方面来考虑。在本设计中，机械手主要是用作搬运工件用，故仅要求有机械手的左右与上下移动。故采用直角坐标式机械手。3.2手部的选择由于本设计背景所要求的物料为直径为30mm的圆柱形工件，故考虑采用吸附类手部。真空吸盘是真空设备执行器之一，吸盘材料采用丁腈橡胶制造，具有较大的扯断力，因而广泛应用于各种真空吸持设备上，如在建筑、造纸工业及印刷、玻璃等行业，实现吸持与搬送玻璃、纸张等薄而轻的物品的任务。真空吸盘又称真空吊具，一般来说，利用真空吸盘抓取制品是最廉价的一种方法。真空吸盘品种多样，橡胶制成的吸盘可在高温下进行操作，由硅橡胶制成的吸盘非常适于抓住表面粗糙的制品；由聚氨酯制成的吸盘则很耐用。另外，在实际生产中，如果要求吸盘具有耐油性，则可以考虑使用聚氨酯、丁腈橡胶或含乙烯基的聚合物等材料来制造吸盘。通常，为避免制品的表面被划伤，最好选择由丁腈橡胶或硅橡胶制成的带有波纹管的吸盘。按形成负压(或真空)的方法，气流负压式手部可分为真空式、气流负压式和挤压排气式吸盘。在此次设计中，综合各方面考虑，决定采用喷射式气流负压吸盘。图3-1 喷射气流原理图气流负压吸盘手部是利用流体力学的院里，当需要取物时，压缩空气高速流经喷嘴，使得其出口处的气压要低于吸盘腔内的气压，故腔内的气体被告诉气流带走从而形成负压，完成取料工作。当需要释放工件时，切断压缩空气即可达到目的。在实际生产中，对条件的要求并不苛刻，只需要压缩空气即可，在实际环境中容易取得，故成本较低4。图3-2 可调喷射式负压吸盘结构1.橡胶吸盘 2.吸盘芯子 3.通气螺母4.吸盘体 5.喷嘴 6.喷嘴套对吸盘的吸力进行计算，其公式为: (3-1)式中:P吸盘吸力(N)，工件自重为0.2KG，故此处取吸盘吸力为10N，故P=10N;D 吸盘直径(cm).n 吸盘数量启动安全系数，在此取工作情况系数。根据工作条件以及实际情况的不同，选取工作情况系数，一般可在13的范围内选取。在此，取。方位系数.当吸盘垂直吸附时，则，f为摩擦系数，橡胶吸盘吸附金属材料时，取f=0.50.8;当吸盘水平吸附时，取。在此，取代入数据得:综合比较,选取FESTO规格为ESG-20-SF-HA-QS的吸盘，其具体参数如图3-3。图3-3 选用吸盘的技术参数 3.3 气缸等关键部分的设计因为此机械手需要达到的目的较为直接和单一，故设计机械手只有升降及左右横移两个自由度。3.3.1 机械手升降气缸的计算与选用（1）气缸工作压力的确定气源处理组件的作用是除去压缩空气中所含的杂质及凝结水，调节并保持恒定的工作压力。气源处理组件输入气源来自空气压缩机，所提供的压力为0.61.0MPa, 输出压力为00.8MPa可调，取气缸工作压力p=0.2Mpa表3-1气压负载常用的工作压力负载F/N50000工作压力p/MPa57（2）气缸的分类及典型结构气缸是将压缩空气的压缩能转换成直线运动并做功的执行元件。气缸按结构形式分为两大类：活塞式和膜片式。其中活塞式又分为单活塞式和双活塞式，单活塞式有有活塞杆和无活塞杆两种。下面简单介绍几种常用气缸的结构与特点。普通气缸普通气缸的结构中包括缸筒，前缸盖，后缸盖，活塞和活塞杆，密封件和紧固件等基本组件。缸筒位于前后缸盖之间并由拉杆和螺母将其连接锁紧。活塞同活塞杆相连，同时活塞采用密封圈密封，并装有导向环及磁性环。为了防止外部粉尘影响气缸以及保障气缸不会漏气，在前缸盖上安装有防尘组合密封圈以作用于活塞杆。磁性环用来产生磁场，使活塞接近磁性开关时发生信号，即在普通气缸上安装磁性开关就成为可以检测气缸活塞位置的开关气缸。无活塞杆气缸无杆气缸没有普通气缸的刚性活塞杆，它利用活塞直接或间接实现直线运动，无杆气缸由缸筒，防尘和抗压密封件，无杆活塞，左右端盖，传动舌片，导架等组成。拉制而成铝气缸筒沿轴向方向开槽，为防止内部压缩空气泄露和外部杂物侵入，槽被内部抗压密封件和外部防尘密封件密封。内、外密封件都是塑料挤压成形件，且互相夹持固定。无杆活塞的两端带有唇形密封圈。活塞两端分别进、排气，活塞将在缸筒内往复移动。该运动通过缸筒槽的传动舌片被传递到承受负载的导架上。此时，传动舌片将防尘密封件与抗压密封件挤开，但它们在缸筒的两端仍然是互相夹持的。因此，传动舌片与导架组件在气缸上移动时无压缩空气泄露。无杆气缸缸径范围为25-63mm，行程可达1000mm。这种气缸最大的有点是节省了安装空间，特别适用于小缸径长行程的场合。在自动化系统、气动机器人中或得大量应用。膜片式气缸 这种气缸适用于气动夹具、自动调节阀及短行程的工作场合。冲击气缸冲击气缸的用途广泛，可用于锻造、冲压、铆接、下料、压配、破碎等多种作业。摆动气缸摆动气缸是由一个双作用叶片式马达和一个普通双作用气缸组成。采用这种双活塞杆结构的摆动气缸，结构简单，能同时分别实现直线和摆动运动。摆动角度在0-270之间无级可调，气缸行程范围为1-100mm。因摆动气缸的可调挡块装置和叶片之间是分开的，所以作用在挡块上的冲击力可由固定挡块或自调式缓冲器吸收。另外，叶片在行程终端也由弹性缓冲垫缓冲。为了便于调节，角度标尺安装在背面。摆动气缸的活塞杆有中空双活塞杆型的，可用于真空、喷射等。活塞杆端部有连接其它元件的内螺纹和半圆键。摆动气缸常用作气动机械手的手臂，在其上连接气动手指。根据实际情况,此处选择用单活塞杆双作用气缸。（3）气缸的压力特性气缸的压力特性就是气缸内压力变化的情形。当两腔的压力差所形成的力刚好克服各种阻力负载时，活塞就开始运动。图3-4气缸的压力特性曲线（4）气缸主要尺寸及结构设计气缸的负载率是气缸活塞杆受到的轴向负载力F与气缸的理论输出力之比。 ( 3-2 )负载力是选择气缸时的重要因素。负载状况不同，作用在活塞杆轴向的负载力也不同。参考表3-2负载率的选取与负载的运动状态有关，此处取=40%.表3-2 负载状态与负载力负载状态提升夹紧水平滚动水平滑动负载力F=WF=K(夹紧力)F=uW，取摩擦系数u=0.10.4F=uW，取摩擦系数u=0.20.8表3-3 负载率与负载的运动状态负载的运动状态静载荷（如压紧，低速压铆）气缸速度50500mm/s气缸速度500mm/s负载率小于等于70小于等于50小于等于30根据气缸的负载状态，参考表3-2确定气缸的轴向负载F工件的质量为0.2KG， 通过对已有标准吸盘的比对,大致估算负压吸附式吸盘及其附件总重约为0.2KG,此处取0.2KG进行计算。由公式 ( 3-3 )其中 D活塞内径 p工作压力 活塞效率，此处取由公式 ( 3-4 )计算得D=8.89mm.圆整得D=18mm, 由d=0.35D，对照内径活塞杆选取表，取d=8mm.查阅机械设计手册，知所取数值可以提供相应的拉力，故所取缸径及活塞杆径合理。表3-4 气缸理论输出力 （5）预选气缸行程及活塞杆的校核活塞的行程L一般根据实际需要来确定，通常L值取（0.55）D。L=（0.55）D=（0.55）12=990mm根据设计和实际需要,预选气缸行程为L=60mm.一般取活塞杆长度l=L+30 ，故取活塞杆长度l=90mm。由于活塞杆长度l10d，所以不但要对其进行强度校核，还要进行稳定性校核。1) 活塞杆的稳定性校核查阅资料，知一般来说，活塞杆都采用合金钢制造，而缸筒则采用铝合金制造，故查得各材料的许用拉应力值如下表5。表3-5气缸材料许用拉应力值材料/Mpa铸铁HT15030MpaQ235钢60Mpa45号钢120Mpa铝合金ZL20330Mpa设活塞杆受轴向压缩负载时，其值F查过某一临界值时，就会失去稳定。则稳定条件为 ( 3-5 )其中为安全系数，一般取，此处综合考虑，取计算活塞杆的长细比,对于实心杆,取r=d/4=2mm.故l/d=42.5查阅液压与气压传动表3-4及3-5，取柔性系数及末端系数故故 ( 3-6 )其中安装长度柔性系数末端系数E活塞杆材料的弹性模量，此处对钢取J活塞杆横截面的惯性矩，此处对实心圆杆 ( 3-7 )代入数据算得远大于负载，故活塞杆的稳定性满足条件。2) 活塞杆的强度校核由公式 ( 3-8 ) ( 3-9 )其中为缸筒材料的抗拉强度，n为安全系数，一般取n=5.查表知=30MPa，因此计算得d=1.44mmd=8mm。 所以活塞杆强度满足要求故活塞杆的稳定性和强度均满足要求。（6）缸筒壁厚的计算一般气缸缸筒壁厚与内径之比，其壁厚按薄壁筒公式计算: ( 3-10 )试验耐压力，一般取=1.5缸筒材料许用应力。设计的伸缩气缸缸筒材料为:铝合金ZL203, =30MPa，故计算得=0.45mm由于公式计算出来的壁厚一般都较薄，故在设计中适当增加壁厚，所以此处取=1mm。(7)气缸耗气量及进排口的计算气缸的耗气量在实际设计中是一个重要的指标，他与气缸的缸径、行程、工作频率和从换向阀到气缸的连接管路容积（死容积）有关，气缸每分钟消耗的压缩空气流量为6： ( 3-11 )式中，D气缸缸径，md活塞杆的直径，ms活塞行程，mn气缸活塞每分钟往复次数此公式未考虑气缸内的死容积，因此计算值比实际值偏小，设计时要根据具体情况加以修正。气缸的进排气口当量直径的大小与气缸的耗气量有关，除特殊情况外，一般气缸的进气口、排气口尺寸相同。气缸进排气口当量直径用下式计算： ( 3-12 )式中，-工作压力下气缸的耗气量，-空气流经进排气口的速度，一般取把计算出来的气缸进排气口当量直径进行圆整后，按照GB/T 1403893选择合适的气口螺纹。故，（8）气缸的密封与连接缸筒和缸盖的连接查阅图3-5，选择拉杆式螺栓连接。该结构简单，易于加工，易于装卸。图3-5缸筒和缸盖的连接活塞杆与活塞的连接结构活塞杆与活塞的常用连接形式分整体结构和组合结构。组合式结构又分为螺纹连接、半环连接和锥销连接。该气缸选择螺纹连接，结构简单，装卸方便，应用较多。密封气缸密封的好坏，直接影响气缸的性能和使用寿命，正确设计、选择和使用密封装置，对保证气缸的正常工作非常重要。查阅机械手册，活塞的结构与密封型式如下图采用O型密封圈工作可靠，静摩擦因素大，活塞的结构比较简单，目前使用的范围较广10。图3-6 活塞的结构与密封型式3.3.2 机械手横向无杆气缸的选择无杆气缸没有普通气缸的刚性活塞杆，它利用活塞直接或间接实现直线运动，无杆气缸由缸筒，防尘和抗压密封件，无杆活塞，左右端盖，传动舌片，导架等组成。拉制而成铝气缸筒沿轴向方向开槽，为防止内部压缩空气泄露和外部杂物侵入，槽被内部抗压密封件和外部防尘密封件密封。内、外密封件都是塑料挤压成形件，且互相夹持固定。无杆活塞的两端带有唇形密封圈。活塞两端分别进、排气，活塞将在缸筒内往复移动。该运动通过缸筒槽的传动舌片被传递到承受负载的导架上。此时，传动舌片将防尘密封件与抗压密封件挤开，但它们在缸筒的两端仍然是互相夹持的。因此，传动舌片与导架组件在气缸上移动时无压缩空气泄露。无杆气缸与普通气缸的结构与工作原理并不相同。普通气缸有圆柱形的活塞杆，并且其动力的输出也是通过活塞杆与外界相连来实现的。而无杆气缸由于其结构的不同，设计计算选型则是按照另一套流程：按力矩及负载示意图计算出相应的力矩及负载；根据计算所得出的力矩及负载查样本机械设计手册，选型无杆气缸；列出无杆气缸的基本参数，以供后面使用。(1)负载计算及气缸选型水平无杆气缸所受负载（暂不考虑连接组件的重量） ( 3-13 )现选用FESTO行程为800mm的无杆气缸DGPL-18-800-PPV-A-KF-B,下表为气缸的一些主要参数。表3-6所选无杆气缸的技术参数4 分拣单元结构设计自动分拣机是按照预先设定的计算机指令对物品进行分拣，并将分检出的物品送达指定位置的机械。随着激光扫描、条码及计算机控制技术的发展，自动分拣机在物流中的使用日益普遍。在物流行业飞速发展的今天，自动分拣设备占有非常重要的地位。长期以来国内分拣技术较为落后，一定程度上影响了我国物流业的发展，急需大量引进一种高速而有效的分拣设备，推块式分拣机正好符合此要求。 4.1 分拣单元的主要组成部分及各自功能分拣单元主要由驱动及输送部分，传感检测部分，导向分拣部分，滑槽部分组成。驱动输送部分主要功能是作为驱动装置以及将电机的转速控制在带轮可以接受的范围以及完成输送工件的任务。传感检测部分则主要负责检测工件的材质与颜色，进而控制后面的导向分拣部分进行分拣。导向部分功能则为实现导向。滑槽部分功能为根据颜色材质的导向存放不同种类的工件。4.2 输送部分的设计与计算4.2.1 驱动滚筒驱动滚筒是传递动力的主要部件。作为单点驱动方式来讲，可分成单滚筒传动及双滚筒传动。单滚筒传动多用于功率不太大的输送机上，功率较大的输送机可采用双滚筒传动，其特点是结构紧凑，还可增加围包角以增加传动滚筒所能传递的牵引力。使用双滚筒传动时可以采用多电机分别传动，可以利用齿轮传动装置使两滚筒同速运转。如双滚筒传动仍不需要牵引力需要，可采用多点驱动方式。驱动滚筒是依靠与输送带之间的摩擦力带动输送带运行的部件。驱动滚筒根据承载能力分为轻型、中型和重型三种。同一种滚筒直径又有几种不同的轴径和中心跨距供选用。（1）轻型：轴承孔径80100mm。轴与轮毂为单键联接的单幅板焊接筒体结构。单向出轴。（2）中型：轴承孔径120180mm。轴与轮毂为胀套联接。（3）重型：轴承孔径200220mm。轴与轮毂为胀套联接，筒体为铸焊结构。有单向出轴和双向出轴两种12。根据设计要求及工件规格,选择轻型筒体。人字形沟槽铸（包）胶滚筒是为了增大摩擦系数，在钢制光面滚筒表面上，加一层带人字沟槽的橡胶层面，这种滚筒有方向性，不得反向运转。人字形沟槽铸（包）胶滚筒，沟槽能使水的薄膜中断，不积水，同时输送带与滚筒接触时，输送带表面能挤压到沟槽里，由于这两种原因，即使在潮湿的场合工作，摩擦系数降低也很小。考虑到本设计的实际情况和输送机的工作环境：主要用于实验和教学，所以我们选择这种滚筒。铸胶胶面厚且耐磨，质量好；而包胶胶皮易掉，螺钉头容易露出，刮伤皮带，使用寿命较短，比较二者选用铸胶滚筒。驱动滚筒是传递动力的主要部件。作为单点驱动方式来讲，可分成单滚筒传动及双滚筒传动。单滚筒传动多用于功率不太大的输送机上，功率较大的输送机可采用双滚筒传动。由于本设计的功率很小，故采用单滚筒传动。4.2.2 电动机的选定带式输送装置的负载是一种典型的恒转矩负载，而且不可避免地要带负荷起动和制动。在实际生产中，电动机启动特性与负载的启动要求往往不能达到一致，在通常情况下，电机起动时的电流要比额定运行时的电流大67倍才能保证电动机有足够的启动力矩，但是从保护电机不受过大电流冲击的角度考虑，电流又不能太大，这就对电动机的启动提出了一定要求，解决方案即加快转子的加速度，使整个启动过程控制在35s以内。电动机额定转速根据生产机械的要求而选定，一般情况下电动机的转速不低500r/min，因为功率一定时，电动机的转速低，其尺寸愈大，价格愈贵，而效率低。若电机的转速高，则极对数少，尺寸和重量小，价格也低。因为此系统主要是用于教学实验用，故输送速度会相对较慢，加上设计两个导向器气缸间的距离为200mm，设定每个工件的检测时间为4s。故初定输送机输送速度为0.05m/s。设主动滚筒直径为80mm，则计算滚筒转速为： ( 4-1 )输送带输送能力计算：对成件物料，依公式有：，即180个/h。 ( 4-2 )查阅电机选型，初步选定电机为SEW-RF47-DR63S4-0.12经减速后转速为12r/min，可以直接与滚筒连接。4.2.3 输送带的选定输送带是带式输送机部件中最昂贵和最易磨损的部件。输送带在带式输送机中既是承载构件又是牵引构件（钢丝绳牵引带式输送机除外），它不仅要有承载能力，还要有足够的抗拉强度。输送带有带芯（骨架）和覆盖层组成，其中覆盖层又分为上覆盖胶，边条胶，下覆盖胶。输送机的带芯主要是有各种织物（棉织物，各种化纤织物以及混纺织物等）或钢丝绳构成。它们是输送带的骨干层，几乎承载输送带工作时的全部负载。因此，带芯材料必须有一定的强度和刚度。覆盖胶用来保护中间带芯不受机械损伤以及周围有害介质的影响。上覆盖胶层一般较厚，这是输送带的承载面，直接与物料接触因此在接触过程中会产生较大的冲击和磨损。下覆胶层主要承受压力，为了降低阻力，下覆盖胶设计的厚度一般会比较轻薄。侧边覆盖胶主要起到的是一个保护作用，即输送带跑偏使侧面与机架碰撞时，让带芯得意不受机械损伤。常用的输送带有橡胶带和塑料带两种。橡胶带适用于工作环境温度-1540之间。物料温度不超过50。向上输送散粒料的倾角1224。对于大倾角输送可用花纹橡胶带。塑料带具有耐油、酸、碱等优点，但对于气候的适应性差，易打滑和老化。带宽是输送带的关键参数，分拣机构所分拣的工件规格为直径30mm，高30mm的圆柱形工件，由输送带宽度一般比成件物料宽度大50-100mm的规则，选定带宽为100mm。（自动线与工业机械手技术）。由于工业用输送带一般带宽都在200mm以上，所以此输送带可以由厂家代为加工。4.3 传感检测部分4.3.1 传感器工作原理传感器是将感受到的外界信息，按照一定的规律转换成所需的有用信息的装置。它获取的信息可以是各种物理量。而转换的信息也有各种形式如：电、光、温度、声、位移、压力等。物理量可以通过传感器进行转换，但通常是将非电量或电量转换成易于处理和传输的电量。传感器的核心部件是敏感元件，它是传感器中用来感知外界信息，并转换成有用信号的元件。根据功能需要，此处选定使用光电式传感器以及电感式传感器。因原文档太大，此文档%￥有部分删除，需完整的含CAD图的设计可问原著要。