自动上袋机械手.doc

学号10113212121毕 业 设 计（论 文）自动上袋机械手设计 教 学 系： 机电工程系 指导教师： 黄 媛 专业班级： 机电1121班 学生姓名： 方 继 松 二O一六年五月毕业设计(论文)任务书学生姓名方继松专业班级机电1121班指导教师黄媛工作单位机电系设计(论文)题目自动上袋机械手设计设计（论文）主要内容： 自动上袋机械手是自动包装生产线中的重要设备，可以实现粉状物料包装袋的自动抓取、自动上袋、自动缝合与自动输送。本课题设计自动上袋机械手的抓取及输送机构，采用负压抓取包装袋，并输送到下料口。机械手工作负荷为2050kg，采用PLC控制动作。要求完成的主要任务及其时间安排:1 查阅相关资料并到相关企业实地了解相关产品及设备的国内外应用及生产现状，提出设计方案 并写出开题报告； 第1-4周2.完成抓取及输送机构总体方案设计及论证； 第5-6周3.完成总装图设计； 第7-9周4.完成关键零部件设计； 第10-11周5.完成气动原理图设计； 第12周6.完成PLC电气控制设计 ； 第12周7.完成一份设计计算说明书（论文） 第13周必读参考资料：1徐元昌工业机器人中国轻工业出版社，2.姜培刚，盖玉先机电一体化系统设计机械工业出版社，3.杨公源机电控制技术及应用电子工业出版社，2005：1911924.蔡鹤皋机电一体化技术手册(2)机械工业出版社，1998：345.吴卫荣气动技术中国轻工业出版社，2005：246.龟冈纥一，施昌彦现代称重技术最新质量计测技术中国计量出版社，2000： 指导教师签名：黄媛 教研室主任签名：黄安贻 毕业设计(论文)开题报告题目自动上袋机械手设计1、 课题目的及意义1.1 课题目的自动上袋机械手是从包装生产线上分离出来而发展起来的，它是针对饲料、肥料、粮食、种子、面粉、添加剂等行业的1050kg大颗粒或者粉料包装而研制的机械系统。近年来，传统的机械系统和计算机控制技术相结合开发出的机械产品，能极大的提高工业生产效率和企业的经济效益，因此结合机电一体化技术，实现自动生产是必然的发展趋势。自动上袋机械手属于工业机器人的范畴。工业机器人是在第二次世界大战期间发展起来的，始于40年代的美国橡树岭国家实验室搬运核原料的遥控机械操作手。在我国，包装机械始于1958年，主要是自用设备，属于革新产品，未进入市场。正式包装生产线起始于七十年代初，“八五”期间呈全方位发展态势，“九五”期间进入转型期，逐步成为高科技、高效益、现代化、国防化的产业。在我国包装设备制造业近三十年的努力下，自动上袋机在数量、质量、水平方面均有较大的进步，为我国建立一个门类齐全、技术先进、水平相当、独立完善的包装设备生产系统奠定了坚实的基础。1.2 课题的国内外发展及研究现状目前国内外自动上袋机械手主要有两种形式，一种上袋机的工作原理是：首先气动滑台伸出，安装在气动滑台上的真空吸盘摆动机构动作，将真空吸盘送至自动供袋机构第一单元（有三个单元）空袋上方，并由压紧弹簧将真空吸盘与复合塑料编织袋或纸袋压合严密，便于真空吸附，通过真空系统，利用真空吸盘将空袋吸住，摆动机构复位；同时气动滑台缩回复位，当中转台输送带上无包装袋即空位时，真空吸盘释放空袋至中转台输送带上。自动取袋机构重复上述动作，吸取下一个新的包装袋备用。随着复合塑料编织袋或纸袋的减少（即高度的降低），通过真空吸盘上压紧弹簧的作用，始终能够保证真空吸盘与复合塑料编织袋或纸袋正确压合紧密。另外一种自动上袋机是由供袋器、吸袋器、传送带、接袋器、取袋器等部分组成。生产线上的上袋工作全部由自动上袋机械手完成，工人只需要将包装袋放到指定的储备仓中，当袋仓中没有包装袋时，送袋机会自动向袋仓中整摞地输送包装袋。供袋器是一个两工位的板式结构，每一个工位可以储存300个包装袋，当生产开始时，带有真空吸盘的吸盘器在供袋器中将包装袋吸住，然后向上提升到位，之后传送给传送器，传送器将袋子输送到供袋机的斜板上。在导向板、接袋器、吸盘和光电开关的的作用下，确保包装袋在斜板上保持正确的位置和形状，取袋器捡起斜板上的包装袋，在取袋器的作用下包装袋定位于包装机的中心线上等待着装袋机将包装袋取走。2、 基本内容和技术方案： 2.1 基本内容 该自动上袋机械手，是一种适合于成批或中、小批生产的、可以改变动作程序的自动搬运设备，它可用于环境恶劣，劳动强度大和操作单调频繁工作的生产场合。自动上袋机主要由供袋小车、取袋装置、运送装置、开袋装置、上袋装置等部分组成。生产线上的上袋工作全部由自动上袋机械手完成，工人只需要将包装袋放到指定的供袋装置中，当袋仓中没有包装袋时，机械手停止工作，等待人工将包装袋放到供袋装置上。供袋装置可以储存300个包装袋，当生产开始时，上吸袋气缸下降，之后开始抽真空，使吸盘将包装袋吸住，然后上吸袋气缸上升到位，之后，由螺旋传动机构将上吸袋气缸和料袋一起运送到开袋处，到位后，下吸袋气缸上升当碰到上吸袋气缸后，下吸盘开始抽真空，抽完真空后，下吸袋气缸向下运动将袋口拉开，最后由上袋机构的气动手指将袋口边缘夹住，旋转气缸逆时针旋转90即运送到下料口处。上袋工艺流程如图2.1所示： 图2.1 上袋工艺流程图2.2 技术方案 自动上袋机械手是一个典型的机电一体化设备，故它大致可以分为机械系统，驱动系统，传感检测系统，控制系统这四个部分。2.2.1 机械系统机械系统主要是由机架、气缸、滚动螺旋传动部件以及上袋机构等组成，机座是由钢板、槽钢和角钢通过螺栓连接而成，调节高低螺母底座可以保证各机架水平，是上袋机械手的载体。机械手执行机构的各部件和驱动系统均安装于机座上，故机架起支撑和连接作用。气缸是机械手的主要组成部分，负责吸袋、开袋以及上袋。滚动螺旋传动的主要功能是将料袋从上袋处运送到取袋开袋处。上袋机构主要是将吸开的包装袋运送到下料口处。2.2.2 驱动系统自动上袋机械手采用气压驱动，该自动上袋机械手主要用于两位式控制，工作负荷小，对控制精度以及控制速度要求不高，并且气压驱动成本相比较其他两种驱动成本低，而且还具有速度快、系统结构简单，维修方便等特点。气压系统由气缸、电磁阀、气源处理装置、真空系统等组成。其中真空系统由真空泵、真空压力继电器、真空管路等组成。它是上袋机的主要部分之一，主要功能是吸袋。滚动螺旋传动由三相异步电动机通过联轴器直接驱动。2.2.3 传感检测系统传感检测系统是自动上袋机械手的“大脑”，主要是控制机械手执行机构的动作，使机械手按照预定的顺序动作。该自动上袋机械手用到的主要传感检测装置有行程开关，光电传感器以及真空压力继电器。行程开关主要作用是气缸左右以及上下运动的限位。光电传感器主要是检测气动手指是否夹住了料袋的边缘。真空压力继电器是检测抽真空时是否到达了真空度的要求。2.2.4 控制系统上袋过程中动作多，运动复杂，而所处的外界环境含有粉尘，工作环境恶劣，对控制系统的可靠性要求较高。由于生产线的各种控制为开关量，而且PLC可靠性高，抗干扰能力强；应用灵活，编程方便；易于调试和维修；功能完善，适用性强体积小能耗低等特点，故选择PLC作为控制系统的核心部件。上袋机的各种动作关系复杂，I/O点数较多，以开关量控制为主，因此选择三菱公司生产的FX2N系列PLC作为控制的核心部件。FX2N系列是FX家族中最先进的子系列，其标准特点在最大范围涵盖了FX其他系列，同时具有执行速度更快、通信功能齐全等特点，为工厂自动化应用提供了最大的灵活性和控制能力。各系统之间的关系如图2.2所示:图2.2 各系统之间的关系3进度安排： 完成总体方案设计与论证； 第56周 总装图设计； 第79周 完成关键零部件图设计； 第1011周 完成气动原理图设计； 第12周 完成PLC电气控制设计； 第12周 编写设计说明书； 第13周 答辩。 第14周4 指导老师意见： 指导教师签名： 年 月 日郑 重 声 明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包括任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 本人签名： 日期： 目 录摘 要 1Abstract 21 绪论 31.1 包装机械概述 31.2 包装机械的国内外现状 31.3 课题研究的意义及主要内容 42 总体方案设计 62.1 初步方案设计 6 2.2 机械手上袋工序 82.3 机构本体设计 82.3.1 供袋机构 92.3.2 吸袋机构 92.3.3 运送机构 102.3.4 开袋机构 112.3.5 上袋机构 113 机械零部件设计 123.1 螺旋传动设计 123.1.1 螺旋传动类型选择 123.1.2 螺纹副的主要几何尺寸 123.1.3 螺旋副的承载能力计算 133.1.4 螺旋副的校核 163.2 轴承的选型以及寿命计算 183.2.1 轴承的选型 183.2.2 轴承寿命计算 183.3 导轨的选型 203.4 联轴器的选型 203.5 电动机的选型 213.6 上袋机构的设计 213.7 机架的设计 224 气动系统设计 234.1 气动系统设计 234.1.1 气缸选型和耗气量计算 234.1.2 气动回路设计 244.1.3 气源气路设计 244.2 真空系统 285 电气控制系统设计 315.1 传感器的选型 315.1.1 真空压力开关 315.1.2 光电传感器 315.1.3 行程开关 315.1.4 其他元器件选型 315.2 PLC控制系统设计 335.2.1 PLC的选择以及i/o分配表 335.2.2 PLC程序设计 336 总结与展望 376.1 全文总结 376.2 研究展望 37参 考 文 献 38附 录39致 谢41摘 要本文对自动上袋机械手进行了方案论证、机构设计、气动系统设计以及PLC控制系统设计。其中，在方案论证上参考了我国现有的自动包装机械的上袋部分，在现有的基础上进行了改进。机构设计方面主要考虑各机构之间运动的可行性，用solidworks三维软件建立系统模型，并进行运动干涉分析。气动系统的设计主要包括元器件的选型、各气路支路的设计等。PLC程序设计，首先对工序流程进行分析，然后编写相应的指令程序，这四大部分的集合涵盖了整个上袋机械手的硬件和软件系统，实现了硬件系统与软件系统的完美结合。关键字：上袋机械手；气动系统；PLCABSTRACT In this paper, the automatic bag manipulator for scheme comparison, mechanism design, pneumatic system design and PLC control system design. Among them, on the mechanical scheme comparison reference the bag on the part of existing automatic packing machinery in China, on the basis of the existing was improved. Design aspects mainly consider the feasibility of movement between the agencies, with solidworks 3d software build system model, and the movement interference analysis. The design of the pneumatic system mainly including components selection, such as design of the gas circuit branch. PLC program design, first of all, analyze the process flow, and then write the corresponding instruction program, a collection of the four most covers the whole bag of hardware and software of the manipulator system, realized the hardware system. Key word: on a bag of manipulator；pneumatic systems； PLC 1 绪论1.1 包装机械概述自动上袋机械手是从包装机械中分离出来的一个独立模块。我国包装机械起步较晚，直到上世纪80年代，随着经济的发展、市场需求和政府的重视，我国包装机械得到迅猛发展，逐渐由一度依靠国外进口成套设备走向自主研发的道路【1】。近5年来，我国包装工业的年生产总值每年平均以20%的速度递增，2015年全国生产总值已上升为世界第二。包装是产品进入市场的必要步骤，包装机械是使产品包装实现自动化的主要手段。经过半个多世纪的发展，我国包装机械已经成为机械工业的重要分支。在劳动成本日益上升，自动化设备的售价却在下降的今天，包装机械显然已代替人工劳动，成为包装的主角。包装机械的优点如下：（1） 提高生产率。单纯的手工包装所需的人工劳动比较多，属于劳动密集型行业，而包装机械代替人工劳动，提高了包装速度，减少了人的劳动强度。同时，包装机械的可靠性比较高，可以长期稳定的工作，可减少停产时间。（2） 成本降低。包装机械往往是流水线作业，一条生产线可以代替所有员工的工作，从长远来看，降低了劳动力成本。对于如今的工厂来说，技术才是企业的生命线，而只争取廉价的劳动力不是长远之计。（3） 改善劳动条件。对于重量较大的包装，包装机械可以降低人的劳动强度，有了包装机械，人工只需做些轻松的活，如照看机器的运行状态、控制机器的启动、停止等，这大大降低了工人的劳动强度。（4） 满足包装的标准化。包装机械的每一步操作都是按照预定的程序进行的，因此每一批的规格基本相同，而手工包装很难保证。1.2 包装机械的国内外现状随着工业的不断发展壮大，包装机器人早已应用于企业生产线上。投资回报是工厂考虑的主要问题，随着机器人技术的成熟，设备价格的降低，越来越多的工厂将会选用包装机械来获得更大的回报。国内外的发展现状如下：（1） 国内发展现状 我国的机器人市场已经成熟，应用也相当普遍，主要集中于焊接、装配等劳动强度大、对人的伤害大的场合。但是在成套的设备中大多还是依靠进口。特别是一些复杂的包装机器人，大都以高额的价格购买，然后模仿着设计，实现国产化。从这一面可以看出我国的自主研发实力还有待提高。目前国内自动上袋机械手主要有两种形式，一种上袋机的工作原理是：首先气动滑台伸出，安装在气动滑台上的真空吸盘摆动机构动作，将真空吸盘送至自动供袋机构第一单元（有三个单元）空袋的上方，并由压紧弹簧将真空吸盘与复合塑料编织袋或纸袋压合严密，便于真空吸附，通过真空系统，利用真空吸盘将空袋吸住，摆动机构复位；同时气动滑台缩回复位，当中转台输送带上无包装袋即空位时，真空吸盘释放空袋至中转台输送带上。自动取袋机构重复上述动作，吸取下一个新的包装袋备用。随着复合塑料编织袋或纸袋的减少（即高度的降低），通过真空吸盘上压紧弹簧的作用，始终能够保证真空吸盘与复合塑料编织袋或纸袋正确压合紧密。另外一种自动上袋机是由供袋器、吸袋器、传送带、接袋器、取袋器等部分组成。生产线上的上袋工作全部由自动上袋机械手完成，工人只需要将包装袋放到指定的储备仓中，当袋仓中没有包装袋时，送袋机会自动向袋仓中整摞地输送包装袋。供袋器是一个两工位的板式结构，每一个工位可以储存300个包装袋，当生产开始时，带有真空吸盘的吸盘器在供袋器中将包装袋吸住，然后向上提升到位，之后传送给传送器，传送器将袋子输送到供袋机的斜板上。在导向板、接袋器、吸盘和光电开关的的作用下，确保包装袋在斜板上保持正确的位置和形状，取袋器捡起斜板上的包装袋，在取袋器的作用下包装袋定位于包装机的中心线上等待着装袋机将包装袋取走。（2） 国外发展现状 国外从事包装行业比较有实力的国家有美国、德国、日本以及意大利等国家。美国的包装机械技术含量高，可靠性强，在品种和产量方面均居世界之首。其中上袋、填充、封口等包装机械的更新速度最快，开发出了各种各样具有灵活性和较多功能的成套设备。例如，一种上袋机只需要对源程序稍加修改调试，就可以实现对不同型号的料袋进行上袋。德国的包装设备在制造以及灌装方面比较有实力。啤酒饮料的灌装速度可达12万瓶/小时，集制袋、称重、填充于一体的的茶叶包装袋可达350袋/分钟【2】。日本的包装机械大部分是针对于食品行业，供应的主要市场是本国。日本依靠自身雄厚的研发实力和独特的技术，在世界的包装领域稳步上升。日本纽朗工业株式会社在包装机、缝纫机、制袋机和印刷等方面均有研究。其开发的3CM一P型全自动包装机采用尺寸为380700一450900（宽长，mm）的牛皮纸袋或编织袋，水平3单元自动给袋，有热封机和缝纫机封口多种可选封口方式，装袋重量为2050kg，其最高速度达1000袋/小时。 如今，包装机器人已不再是简单的单机运行，国际上一些著名的包装机械生产商将不同功能的机械手模块组合，以适应不同的生产需要。发达国家的包装机械的自动化技术在包装生产线上已占到50%以上。目前，国外包装机械在设备可靠性、高效性、品种多样性等方面已经日趋成熟和完善【3】。1.3 课题研究的意义及主要内容在包装行业，机器人自动化是一个必然的趋势。虽然传统的人工包装仍然占据着我国包装行业的半壁江山，但是随着包装技术的不断发展以及包装机械价格的下降，包装机械供应商必将瞄准灵活性和稳定性更高的包装机器人，这样才能更好地满足客户的要求。要使包装机械的灵活性更高，这就需要对包装机械进行模块化设计。本论文研究的就是包装机械的上袋部分，所以对包装机械模块化有重要意义。我国包装行业发展前景广阔，落后的技术现状以及客户多样化的需求，促使我国自主知识产权的自动化设备的研发，对打破先进国家的垄断地位具有重要意义。本文研制的自动上袋机械手是从自动包装机器人中分离出来的一个模块，主要是针对2050kg包装袋的上袋工作，实现料袋的吸取、运送以及上袋过程的自动化。首先在明确本文研究的内容上，论证自己的设计方案，对部分机构的三维模型进行分析，同时设计与硬件配套的气动系统以及软件系统。本设计要达到的技术性能如表1.1所示。表 1.1 技术性能指标项目参数备注料袋尺寸长宽：900mm460mm 口袋内膜贴合完好，袋口整齐，表面平整，袋与袋之间无粘合，非导电，无腐蚀性。料袋材料腹膜编织袋、牛皮纸袋填充物料粉料、颗粒、块状物料主要内容将在以下章节展开：第一章：介绍上袋机器人的国内外现状以及本课题研究的意义第二章：在对国内现有的包装机械进行分析研究的基础上，对包装机器人系统进行硬件设计。机构本体方面，以不同的工序划分子系统，对各个子系统的结构进行设计和分析，确定上袋工序流程。第三章：主要是硬件系统的一些零部件的设计，主要包括滚动螺旋传动的选型以及上袋机构和机架的设计。用solidworks软件建立上袋机构的三维立体模型检测是否存在干涉现象。第四章：通过对工序的分析，设计符合要求的气动系统和真空系统的气动原理图，对系统气源主回路，以及气缸吸盘等支路进行分析。并对系统的一些元器件进行选型。第五章：根据上袋工艺流程，配合硬件设计软件系统，主要包括传感器的选型，PLC的选用以及程序的编制。第六章：总结与展望，对论文中的内容进行总结，并针对设计中存在的问题与不足提出修改意见。2 总体方案设计 总体方案设计主要是通过分析、综合与创新获得满足自动上袋机械手控制功能的机械系统。主要包括机械结构方案的拟定、执行系统的方案设计、原动机的选择以及传动系统的设计等。2.1 初步方案设计方案1如图2.1所示，该自动上袋机械手由供袋装置、吸袋盘、袋子传送器、抓袋器等组成的。 供袋装置用于为上袋机提供包装袋，工人只需将包装袋堆放在供袋装置上，其余动作均由设备自动完成。包装袋由供袋装置供给，在工作开始前，由人工将料袋堆放到供袋装置上，并摆放整齐，料袋开口朝向后方。由光电传感器检测料袋的有无，当检测到没有料袋时，向plc发出信号，停止上袋工作，供袋装置上料袋的最大储存量为400条，正常工作时，一般摆放200300条。吸盘1从供袋装置上吸取料袋并将包装袋送至袋子传送器的滚轮处。吸盘向下运动碰到包装袋后，真空装置对吸盘抽真空，待抽完真空后气缸1向上提升，到位后给袋气缸2动作，使吸盘支架旋转一定的角度，将包装袋送到袋子传送器的滚筒上，此时吸盘1松开，并回到原位，准备吸取下一个包装袋。袋子传送器的作用是把吸盘送来的包装袋传送到分拣器的斜板上，然后慢慢退回，确保包装袋在斜板上保持正确的位置和形状，便于抓袋器抓取包装袋。抓袋器的主要作用是抓取包装袋，通过曲柄滑块机构将包装袋上举，定位在装袋机的取袋位置上，等待装袋机上的开袋取袋装置将包装袋取走。图2.1 方案1结构原理图方案2如图2.2所示。该自动上袋机由供袋装置、吸盘、运送装置、开袋装置、上袋臂、撑袋装置组成。如方案1一样人工将包装袋放到供袋装置上，气缸1向下运动，到位后抽真空使吸盘吸住料袋，然后气缸1上升。接着由螺旋传动机构将吸盘1吸取的包装袋送到吸盘2、3之间，然后吸盘1释放真空，返回准备下一次循环。气缸2向下运动使吸盘2、3对吸将包装袋打开，接着上袋臂由下料装置处逆时针旋转90到达吸盘2、3之间，由安装在上袋臂上的气动手指将包装袋的袋口夹住，上袋臂顺时针旋转90即完成了整个上袋过程。对比方案1、2可以看出方案2 优于方案1。原因有以下几点：1、 方案1通过滚轮将包装袋传送到分拣器的斜板上，并保证包装袋在斜板上保持正确的位置和形状很难实现，在实际过程中很难达到预期的效果。2、 方案1中通过吸盘2使袋口在重力作用下自然张开，不能保证每次袋口都张开，比如发生袋口粘结问题，也不能保证每次袋口的开度都一样，故对后续的开袋取袋装置的设计造成一定的困难。3、 方案2中包含有上袋装置，因此不用像方案1那样需要另外设计开袋取袋装置。图2.2 方案2结构原理图由以上分析可知，基本上选定方案2，但是方案2 中把包装袋传送到吸盘2、3之间会有困难，并且运动部件太复杂。这里我们进行优化。方案3如图2.3所示，吸盘1既充当取袋、给袋的功能，也充当方案2中的吸盘2 实现吸袋功能。这不仅大大简化了给袋机构，而且上袋也比较容易实现，提高了效率，降低了成本。综合以上所述，选定方案如下：图2.3 方案结构原理图2.2 机械手上袋工序 根据上述原理图，说明该自动上袋机械手的工作过程如下：第一步：取袋 上吸袋气缸向下运动，当行程开关被压下后，气缸停止向下运动，之后由真空发生器抽真空，抽完真空后气缸上升，完成吸袋工序。第二步：运送 由滚动螺旋传动机构将上吸袋气缸取到的料袋从工作的左位运送到右位，此过程的位置由行程开关控制。第三步：开袋 当滚动螺旋传动机构将料袋运送到左位后，下吸袋气缸向上运动，运动到位后，由真空发生器抽真空，抽完真空下吸袋气缸下降，即完成了开袋工序。第四步：上袋 当料袋被打开后，上袋机构由下料口位置逆时针旋转90，旋转至开袋处，气动手指处于袋口边缘，旋转到位后气动手指夹紧，上、下吸盘释放真空，然后上袋臂逆时针旋转90，使料袋处于下料口处等待下料。当上、下吸盘释放完真空后，上吸袋气缸开始回原位。准备下一个周期的上袋工作。 下面结合设计的技术性能指标以及技术结构原理图,对上袋机进行机构本体设计。2.3 机构本体设计 机构本体设计是指各零部件尺寸和零部件之间配合问题的设计，以及各元器件（包括电动机、传感器、气缸、吸盘等等）的选用和设计。原则上，各机械手的轨迹范围不应该相互重叠，如因机构设计需求实在无法避免时，则应该保证任意两机械手不会在同一时间内到达同一区域【4】。由于该上袋机械手零部件较多，系统比较庞大，为了便于表达和理解，本文将以机构为单位进行设计和叙述。根据所选方案以及课题所要求达到的功能，将整个系统分为供袋机构、上吸袋机构、运送机构、开袋机构及上袋机构这五大机构。2.3.1 供袋机构供袋机构主要功能是提供包装袋。具体包括：给吸袋机构提供包装袋，能够自动检测料位是否有料袋，若无料袋，则停止工作，等待工人填放料袋。因此，主要是对以下三个方面的结构进行详细的设计：（1） 料框的设计 根据供袋机构的功能要求，设计用人工将料袋码放到料框中。根据技术性能指标，料框的尺寸为：900mm460mm，料框安放在小车上构成供袋小车。 （2）料袋信息有无检测由于该系统能够自动检测有无袋料的功能，故需要安装光电传感器来检测料袋的有无情况。光电传感器对所有类型的物体都能够响应，不管该物体是大还是小，透明还是不透明，发亮还是暗淡，静止还是运动。它可以检测几毫米到100米的距离远的物体。光电传感器一直处于工作状态，直到其接收器检测到它产生的光束。当光束被隔断时，就检测到了物体的存在。在供袋料位底板中部开一个孔，将光电传感器安装在孔的下面，光电传感器的发射窗对准孔口，并安装在料位框上，这样既能时刻检测料袋的有无，又不影响料袋的安放与取用。（3） 料位的定位为了保证料位处于正确的位置，需要对料位的位置进行限定，在导轨的两侧各设置一个限位开关，当料位到达准确的位置后，行程开关即可检测到料位是否到位。2.3.2 吸袋机构 吸袋机构的主要作用是取袋，即从供袋机构的料袋跺上吸取料袋，提起后通过运送机构运送到撑袋机构处，与下吸袋吸盘对吸完成撑袋过程，待上袋子系统将料袋取走后返回至初始位置开始下一个周期的取袋工作，因此主要设计以下三个方面的内容： （1）吸盘的设计真空吸盘分为无动力和有动力两类：无动力真空吸盘又称自吸式真空吸盘，它由吊钩带动活塞杆抽真空，结构简单且无噪声，但是一般只能吸附很轻的物体；有动力真空吸盘通过真空泵或者真空发生器获得真空，结构发杂且有噪声，但由于其吸附力大可靠性高而被普遍使用【5】。有动力真空吸盘有扁平型、波纹型、和椭圆型三种。扁平型吸盘形状各异、材料种类众多，是最为普通的真空吸盘；波纹型真空吸盘在接触工件时具有良好的缓冲性、吸附刚性好、吸力强，能吸附纸张、食品包装袋等柔软的制品；椭圆型吸盘最适合吸附塑料或脆弱的制品。本设计采用的覆膜编织袋具有一定的柔软度，且考虑到缓冲性、吸附力强、可靠性高等优点，采用波纹型真空吸盘【6】。考虑到吸盘吸住料袋后，需要保证料袋不掉落，并且吸力主要集中于料袋的开口处，故需要较大的吸力。并且在撑袋过程中与另外一个吸盘对吸时也需较好的配合，故设计由六个吸盘组成的吸盘组，这六个吸盘形成一个长方形，如2.4图所示；图2.4 吸盘组示意图 （2）吸盘位置的确定当四个吸盘都接触到料袋后，应使气缸停止向下运动，等待吸盘抽真空。这里主要是设计一个安装在吸盘架上的行程开关，当四个吸盘都接触到料袋后，行程开关被压下，发送信号给PLC，控制上吸袋气缸停止向下运动，并且锁定当前的位置。 （3）气缸的选型根据吸袋机构要实现的功能，设计具有双侧缓冲功能的可调缓冲气缸，当活塞接近行程终点时，其减速值可根据需要进行调整。2.3.3 运送机构 运送机构的主要功能是：把吸袋机构吸取的料袋运送到撑袋机构处，待上袋完毕后，又将吸袋气缸运送回初始位置，进行下一个周期的吸袋。因此，此处只需要设计运送方式。这里选用螺杆螺母机构又称螺旋传动机构。它可以变换运动的传递形式，如将旋转运动变换为直线运动（螺旋压力机，千斤顶）螺杆螺母机构有滑动摩擦和滚动摩擦之分。滑动螺杆螺母机构结构简单，加工方便，制造成本低，具有自锁。但是其摩擦阻力大传动效率低（30%40%）。滚动螺杆螺母机构结构复杂，制造成本高，但是摩擦阻力小，传动效率高（90%98%）。滑动螺旋传动一般应用于螺旋压力机，主要是传递较大的动力，因此，这里选用滚动摩擦螺旋传动。根据螺杆和螺母的相对运动情况，其基本的传动形式有四种：螺母固定，螺杆转动、螺杆转动，螺母移动、螺母转动，螺杆移动、螺杆固定，螺母转动并移动，根据该自动上袋机的传动要求选用螺杆转动，螺母移动的传动形式。螺杆的支撑采用滚动轴承支撑，由于螺杆既承受轴向力又承受径向力，因此选择角接触球轴承。2.3.4 开袋机构开袋机构的作用是将运送过来的料袋打开，以便上袋系统的气动手指夹持料袋的边缘，进行上袋。因此，对开袋机构主要有以下两个方面的设计： （1）开袋方式的选择与取袋方式一样，这里选择吸盘开袋，开袋时，由下吸袋气缸驱动吸盘2与吸盘1对吸，吸盘1不动，吸盘2向下运动，即可完成开袋。吸盘上增加了加强筋，在移动过程中提高了内部稳定性；采用适应性强的密封唇，即使料袋表面有漏气或轻微变形依然在吸取时有良好的密封性，故选择真空吸盘吸取料袋。（2）开袋气缸的选择 由于料袋尺寸的限制，因此对开袋气缸的行程要进行控制。当袋口被吸开时，袋口的尺寸为460mm160mm，因此气缸的行程为160mm左右，过大会导致料袋脱落，过小不便于后面的夹袋操作。2.3.5 上袋机构上袋机构的主要功能是将已经撑开的料袋，夹取并运送到下料口的位置，该部分主要设计夹袋装置，上袋臂以及上袋驱动装置。(1) 夹袋装置夹袋装置可以设计四连杆的同步机构将袋口撑开，也可以选择气动手指将袋沿夹紧，考虑到同步机构的设计较为复杂，而且不便于后续的下料机构下料，故选用气动手爪，气动手爪是模拟人的手指抓紧工件，以实现机械手的动作的气缸。按结构特点可分为平行气爪，摆动气爪、旋转气爪和三点气爪，各气爪图外形如图2.5所示。这里选择摆动手指，这种手指可以同时移动对中，并确保抓取力矩始终恒定。由于料袋的表面比较光滑，为了防止在料袋被夹紧后滑落，故需要在手指上套一层防滑手套。图2.5 气爪外形图（2） 上袋臂 要将水平躺置的料袋运送到竖直方向，就需要使料袋顺时针旋转90，故设计上袋臂这一零部件，它的一端安装两个气动手指，用来夹住料袋口，另外一端安装驱动装置，当气动手指夹住料袋后绕另外一端旋转90即可将料袋运送至下料口的下方。（3）驱动装置驱动装置要使上袋臂能旋转90到达下料装置的下料口处，可以使上袋臂旋转的驱动装置有步进电机、摆动气缸等，这里选用摆动气缸，因为摆动气缸相比步进电机便宜，并且摆动气缸可以旋转90比步进电机容易控制。3 机械零部件设计 机械零部件的设计主要包括一些零部件的选型以及校核，对于非标零件设计出具体的零件结构图，这其中还要考虑各零部件的受力、装配等因素、相关零件之间的关联性等。本章主要内容包括滚动螺旋传动选型与校核、轴承的选型以及寿命的计算、导轨的选型、联轴器的选型、电动机的选型、上袋机构以及机架的设计等。3.1 螺旋传动设计3.1.1 螺旋传动类型选择螺杆和旋合的螺母的螺纹滚道间置有滚动体，当螺杆或螺母转动时，滚动体在螺纹滚道内滚动，使螺杆和螺母做相对运动时成为滚动摩擦，与滑动摩擦相比，提高了传动效率和传动精度。根据用途不同滚动螺旋副分为两类: （1） 定位滚动螺旋副（P类）通过转角或导程用以控制轴向位移量的滚动螺旋副。 （2） 传力滚动螺旋副（T类）用于传递动力的滚动螺旋副，与转角无关。本设计主要是为了传递动力，故选择传力滚动螺旋副（T类）。根据螺纹滚道法面截形、钢球循环方式、消除轴向间隙和调整预紧力方法的不同，滚动螺旋副的结构有多种形式。本设计选用矩形法面截形，这种截形制造容易，接触应力高，承载能力低，只用于轴向载荷小，要求不高的传动。钢球的循环方式为内循环镶块式，这种方式的特点是螺母的径向尺寸小，和滑动螺旋副大致相同。钢球循环通道短，有利于减少钢球数量，减小摩擦损失，提高传动效率。返向器回行槽加工要求高，不适于重载传动。预紧方式选择单螺母变导程自预紧式，特点是结构简单，尺寸紧凑，价廉，但调整不便，用于中等载荷要求预紧力不大，无需经常调整间隙的传动。3.1.2 螺纹副的主要几何尺寸滚动螺旋副的主要尺寸参数是其公称直径（即钢球的中心圆直径）d0和导程Ph，根据它的标准系列选择公称直径d0=32mm，基本导程Ph=5mm的滚动螺旋副。选择螺杆采用45钢，屈服极限s=355Mpa，强度极限b=600Mpa；由于该螺旋传动的工作速度较低，故螺母采用铝青铜ZCuAl10Fe3，许用应力P=11Mpa。通过查表可知螺纹滚道的接触角。钢球直径：螺纹滚道曲率半径： 偏心距:螺纹升角：螺杆大径：螺杆小径：螺杆牙顶圆角半径：螺母螺纹大径：螺母螺纹小径： 根据上述滚动螺旋副的几何尺寸选择滚动螺旋副的型号为FBM3205一1一T3。3.1.3 螺旋副的承载能力计算滚动螺旋副的承载能力是以额定静载荷和额定动载荷来表示的。它包含着滚动螺旋副在静态或动态条件下承受一定的载荷所具备的性能，其中最重要的是基本额定载荷。（1） 基本额定静载荷 滚动螺旋副在转速n10r/min条件下，受接触应力最大的钢球和滚道接触面间产生的塑性变形量之和为钢球直径的万分之一时的轴向载荷，定义为基本额定静载荷。 其值可用下式计算： （取整数） 式中 为接触角，即钢球的合力作用线和螺旋副轴线垂直平面间的夹角； 为钢球直径； 为每圈螺纹滚道内钢球的数量； 为螺母的总工作圈数，； 为滚动螺旋副的公称直径，即钢球中心圆直径； 为螺杆滚道的曲率半径； 为基本额定静载荷值，与滚道的几何形状，材料性能等有关。 根据上式可计算得： （2）基本额定动载荷 一组相同参数的滚动螺旋副，在相同条件下，运转106转时，90%的螺旋副不发生疲劳剥伤所能承受的纯轴向载荷，定义为基本额定轴向载荷。 基本额定动载荷值可用下式计算： 式中 为接触角； 为每圈螺纹滚道内钢球的数量； 为钢球直径； 为螺母的总工作圈数，； 为滚动螺旋副的公称直径，即钢球中心圆直径； 为导程； 为有效工作行程； 为螺母滚道的曲率半径； 为螺杆滚道的曲率半径； 为工作行程系数； 为螺母的适应度； 为螺杆的适应度； 为额定动载荷特性值，与滚道的几何形状，材料性能等有关。3.1.4 螺旋副的校核 滚动螺旋副的校核主要包括，螺杆寿命的校核、螺杆的强度校核、临界转速的校核。 （1）螺杆的寿命校核 螺杆的寿命条件为： 式中 为工作寿命系数，这里取； 为转速； 为轴向载荷； 为硬度影响系数，； 为短程系数，这里取；由上式可计算得： 因此，该滚动螺旋副满足寿命要求。（2）静载荷计算静载荷条件为： 式中 为硬度影响系数,由于硬度大于,故取为。 ，故满足静载荷条件。（3）螺杆的强度校核螺杆的当量应力可用下式计算： 式中 为传递转矩 ； 为驱动电机的额定功率； 为转速； 为材料的屈服点； 螺杆的小径； 为螺杆材料的许用应力；由上式可得： 因此，滚动螺旋副的螺杆满足强度要求。（4）校核螺杆的临界转速对于钢制螺杆临界转速的公式为： 式中 为螺杆两支承周间的最大距离； 为系数，与螺杆的端部结构有关计算可得临界转速为： 应使转速，而。故，临界转速满足要求。3.2 轴承的选型以及寿命计算3.2.1 轴承的选型 轴承所承受载荷的大小、方向和性质，是选择轴承类型的主要依据。滚子轴承用于承受较重的载荷，球轴承用于承受较轻的或中等载荷，渗碳钢制造或贝氏体淬火的轴承，可承受冲击与振动载荷。在载荷的作用方向方面，承受纯径向载荷时，可选用深沟球轴承、圆柱滚子轴承或滚针轴承。承受较小的纯轴向载荷时，可选用推力球轴承；承受较大的纯轴向载荷时，可选用推力滚子轴承。当轴承承受径向和轴向联合载荷时，一般选用角接触球轴承或圆锥滚子轴承。 这里选用角接触球轴承，它既能承受径向载荷也能承受轴向载荷。选择一对正装的7205AC角接触球轴承，轴承基本额定动载荷Cr=15.8KN。3.2.2 轴承寿命计算由于所有重物估算为50kg，故Fr1=Fr2=250KN，轴承的轴向载荷为Fa=500KN。轴承受力示意图