機械畢業(yè)設計（論文）-自動排向機改造研究--石墨舟倉結(jié)構(gòu)設計【全套圖紙三維】

編編 號號 無錫太湖學院 畢畢業(yè)業(yè)設設計計（論論文文） 題目：題目： 自動排向機改造研究自動排向機改造研究 石石 墨舟倉結(jié)構(gòu)設計墨舟倉結(jié)構(gòu)設計 信機 系系 機械工程及其自動化 專專業(yè)業(yè) 學 號： 學生姓名： 指導教師： 職稱：副教授） 2013 年 5 月 2 無錫太湖學院本科畢業(yè)設計（論文）無錫太湖學院本科畢業(yè)設計（論文） 誠誠 信信 承承 諾諾 書書 全套圖，加全套圖，加 153893706 本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)設計（論文） 自動排向機改造研 究石墨舟倉結(jié)構(gòu)設計是本人在導師的指導下獨立進行研究所取得 的成果，除了在畢業(yè)設計（論文）中特別加以標注引用、表示致謝的內(nèi) 容外，本畢業(yè)設計（論文）不包含任何其他個人、集體已發(fā)表或撰寫的 成果作品。 班 級： 機械 96 學 號： 0923272 作者姓名： 2013 年 5 月 25 日 I 無無錫錫太太湖湖學學院院 信信機機 系系 機機械械工工程程及及其其自自動動化化 專專業(yè)業(yè) 畢畢 業(yè)業(yè) 設設 計計論論 文文 任任 務務 書書 一、題目及專題：一、題目及專題： 、題目 自動排向機改造研究 、專題 石墨舟倉結(jié)構(gòu)設計 二、課題來源及選題依據(jù)二、課題來源及選題依據(jù) 排向機是二極管生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵設備，可以將二極管針腳有序地排列 到石墨舟中，進行后續(xù)工序的加工，勞動強度大，用工人數(shù)多。本課題來源 于企業(yè)橫向研究項目，針對現(xiàn)有二極管針腳排向機的不足和缺陷，提出改進 措施，加強在線檢測，減少人工，包括機械系統(tǒng)和電控系統(tǒng)等。 三、本設計（論文或其他）應達到的要求：三、本設計（論文或其他）應達到的要求： 1.彌補現(xiàn)有排向機的不足和缺陷：在在線監(jiān)測方面加強，原本產(chǎn)線上掉落的 針腳需要工人放回料斗，經(jīng)過改善，可自行回收進入料斗。改善后由 PLC 控 制自動補給石墨舟，從而減少人工，提高二極管生產(chǎn)效率，增加經(jīng)濟收益。 2.綜合運用大學四年所學知識：機械制圖、機械制造技術(shù)基礎(chǔ)、機電一體化 系統(tǒng)設計、液壓與氣壓傳動、機器人技術(shù)及其應用等。 II 3.再次復習了專業(yè)知識，認識理論知識與實際生產(chǎn)的關(guān)系，為今后工作提供 經(jīng)驗。 4.綜合應用機電一體化知識，加強機械結(jié)構(gòu)設計能力，為企業(yè)提供排向機自 動化改造方案。 四、接受任務學生：四、接受任務學生： 機械 96 班班 姓名姓名 五、開始及完成日期：五、開始及完成日期： 自自 2012 年年 11 月月 12 日日 至至 2013 年年 5 月月 25 日日 六、設計（論文）指導（或顧問）：六、設計（論文）指導（或顧問）： 指導教師指導教師 簽名簽名 簽名簽名 簽名簽名 教教研研室室主主任任 學科組組長研究所所學科組組長研究所所 長長 簽名簽名 系主任系主任 簽名簽名 2012 年年 11 月月 12 日日 III 摘摘 要要 中國的二極管生產(chǎn)企業(yè)起步很早，以至于很多企業(yè)里面的二極管生產(chǎn)設備比較陳舊。 由于舊的設備生產(chǎn)效率低，廢品率高，需要大量人工的原因，我們決定將對舊的二極管 生產(chǎn)設備上進行一些自動化改造。主要的改造內(nèi)容是將石墨舟的堆放和上料過程進行自 動化改造，其中改造內(nèi)容有：在空石墨舟的堆放處用機械手代替，通過氣缸與機械手相 結(jié)合的方式放置石墨舟；對石墨舟的堆放和上料下料的過程由石墨舟升降機構(gòu)來進行完 成，通過電動機帶傳動，皮帶上的氣手指撥動石墨舟堆，在上料和下料處各放置十個為 一堆的石墨舟堆，由氣爪抓取進行上料和下料；整個過程通過 PLC 進行電氣控制，大大 改進了生產(chǎn)效率以及減少了人工，使得企業(yè)在生產(chǎn)中獲得更多的盈利。 關(guān)鍵詞：排向機，二極管生產(chǎn)，自動化改造，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 錄錄 摘 要III ABSTRACT IV 1 緒 論1 1.1 研究內(nèi)容1 1.2 研究目標.3 1.3 關(guān)鍵問題.3 1.4 研究方法和技術(shù)路線.3 1.4.1 研究方法3 1.4.2 技術(shù)路線4 2. 石墨舟倉結(jié)構(gòu)設計.5 2.1 舊排向機構(gòu)造.5 2.2 石墨舟倉部分改造的初步想法5 2.3 石墨舟倉改造方案確定.7 2.4 排向機改造的控制系統(tǒng)初步設計.8 3. 石墨舟倉結(jié)構(gòu)各零件選用及設計.11 3.1 升降機構(gòu)傳動方式.11 3.2 帶傳動系統(tǒng)帶和帶輪的選擇.13 3.2.1 電機額定輸出功率估算14 3.2.2 確定計算功率14 3.2.3 小帶輪轉(zhuǎn)速計算15 3.2.4 選定同步帶帶型和節(jié)距15 3.2.5 選取主動輪齒數(shù)16 3.2.6 小帶輪節(jié)圓直徑確定16 3.2.7 大帶輪相關(guān)數(shù)據(jù)確定16 3.2.8 帶速 v 的確定16 3.2.9 初定軸間間距16 3.2.10 同步帶帶長及其齒數(shù)確定16 3.2.11 帶輪嚙合齒數(shù)計算16 3.2.12 基本額定功率的計算17 3.2.13 計算作用在軸上力17 3.3 主動帶輪軸的設計和校核17 3.4 從動帶輪軸的設計和校核.18 3.5 石墨舟倉機構(gòu)其他零件結(jié)構(gòu)設計.18 VI 3.5.1 滾動軸承的選擇18 3.5.2 石墨舟倉機架的設計19 3.5.3 氣手指夾具的設計20 4. 上料機械手結(jié)構(gòu)設計.23 4.1 機械手的意義.23 4.2 機械手方案對比.23 4.3 機械手方案的確定.24 5. 自動化控制設計.27 5.1 氣源裝置的選擇27 5.2 傳感器的選擇28 5.3 PLC 介紹30 5.4 輸入輸出的確定.30 結(jié)論與展望34 致 謝35 參考文獻36 附錄37 零件三維圖37 自動排向機改造研究石墨舟倉結(jié)構(gòu)設計 1 1. 緒緒 論論 1.1 研究內(nèi)容研究內(nèi)容 二極管又稱晶體二極管，簡稱二極管。它是一種具有單向傳導電流的電子器件。在 半導體二極管內(nèi)部有一個 PN 結(jié)兩個引線端子，這種電子器件按照外加電壓的方向，具備 單向電流的轉(zhuǎn)導性。一般來講，晶體二極管是一個由 p 型半導體和 n 型半導體燒結(jié)形成 的 p-n 結(jié)界面。在其界面的兩側(cè)形成空間電荷層，構(gòu)成自建電場。當外加電壓等于零時， 由于 p-n 結(jié)兩邊載流子的濃度差引起擴散電流和由自建電場引起的漂移電流相等而處于電 平衡狀態(tài)，這也是常態(tài)下的二極管特性。 二極管的構(gòu)造和符號： 二極管的生產(chǎn)工藝： 焊接酸洗模壓印字機包外揀包裝 其中焊接又可分為排向、裝填、進爐、出爐轉(zhuǎn)換，利用焊片通過一定溫度，使芯片與 金屬引線連接，形成歐姆觸角。 酸洗是利用化學品將晶體表面加以侵蝕，使 P-N 接面呈現(xiàn)正角比例以獲得最佳的電 性品質(zhì)。于晶片表面形成 SiO2，以達到絕緣目的。 模壓是使管芯與外界環(huán)境隔離，避免有害氣體侵蝕，并使表面光潔和具有特定的幾何 形狀，起到保護管芯、穩(wěn)定表面、固定管芯內(nèi)引線，提高二極管機械強度的作用。 排向機是二極管生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵設備，可以將二極管針腳有序地排列到石墨舟中， 進行后續(xù)工序的加工。現(xiàn)有排向機勞動強度大，用工人數(shù)多。改善后的排向機加強了在 線監(jiān)測，加入了 PLC 控制系統(tǒng)，完成了生產(chǎn)的自動化，大大提高了二極管的生產(chǎn)效率， 減少了人工。 本課題設計內(nèi)容以機電氣一體化技術(shù)為核心，整機采用 PLC 控制，要求和原設備無 縫銜接，學生需掌握機械工程及自動化專業(yè)相關(guān)基礎(chǔ)理論。 無錫太湖學院學士學位論文 2 現(xiàn)有排向機的構(gòu)造： 圖 1.1 現(xiàn)有排向機圖片 如圖，針腳通過人工方式在料參中進行震動，并有序向上移動，然后來到針腳分流 裝置中，進行向下移動，針腳分流裝置可以將成批的運輸過來的二極管針腳進行分流成 為十股針腳，一列一列進行向前移動，移動至擋板處。其中彎的或者殘缺的針腳將被擋 板擋住，并流入下料盤中，質(zhì)量良好的針腳將有序的一個個豎立地流入擋板下面的槽中， 在整個機器的震動中來到氣缸，氣缸通過左右移動將一排排針腳準確的安放到上模中， 上模與石墨舟通過定位銷進行了定位，每一個孔都準確對齊，針腳在氣缸的左右移動中 對齊地放入上模，再由經(jīng)上模準確的放入石墨舟中，整個機器由旁邊的控制臺進行控制。 然而，舊版的排向機有一定的不足如下： （1） 在針腳分流裝置中，雖然整個裝置進行過周密的計算，但是針腳分流仍舊是按照 一定的概率進行等量分流的，可能會產(chǎn)生某一列或者幾列在分流過程中針腳出現(xiàn) 空缺的狀況，這一問題在流水線上繼續(xù)作業(yè)會使石墨舟上出現(xiàn)一列或者幾列的空 缺，影響生產(chǎn)效率； （2） 在料參和下料盤中的針腳都需要通過人為的進行補充以及放回，增加了工人的負 自動排向機改造研究石墨舟倉結(jié)構(gòu)設計 3 擔，并且在一定程度上降低了生產(chǎn)效率，也無法自動排出質(zhì)量有問題的針腳； （3） 在氣缸處沒有檢測針腳是否空缺的裝置，如果在氣缸前有針腳卡主或者堵塞，有 可能出現(xiàn)一列或者幾列的針腳空缺情況，使進行排列后的石墨舟可能出現(xiàn)不足或 者空缺的情況； （4） 上模處沒有檢測石墨舟是否每一個孔里面都裝入了針腳的傳感器及控制裝置，無 法檢測是否每個石墨舟工序后針腳都填滿； 石墨舟在填滿后需要通過人工進行移動，并補充新的空的石墨舟，在日生產(chǎn)量巨大 的工廠中，大大影響了生產(chǎn)的效率，為企業(yè)帶來不必要的損耗。 1.2 研究目標研究目標 排向機是二極管生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵設備，可以將二極管針腳有序地排列到石墨舟中， 進行后續(xù)工序的加工，勞動強度大，用工人數(shù)多。本課題來源于企業(yè)橫向研究項目，針 對現(xiàn)有二極管針腳排向機的不足和缺陷，提出改進措施，加強在線檢測，減少人工。包 括機械系統(tǒng)和電控系統(tǒng)等。 改善后的排向機彌補了現(xiàn)有排向機的不足和缺陷。在在線監(jiān)測方面得到了加強，原 本在生產(chǎn)線上掉落的針腳需要工人放回料斗，經(jīng)過改善，可自行回收進入料斗。改善前 石墨舟針腳排滿后需人工取走，再放上空的石墨舟，改善后由 PLC 控制自動補給石墨舟， 從而減少了人工，提高了二極管生產(chǎn)效率，增加了經(jīng)濟收益。 另一方面，本次的課題研究是大學四年所學知識的一次綜合運用，涉及的學科有機 械制圖、機械制造技術(shù)基礎(chǔ)、機械設計、液壓與氣壓傳動、電器與 PLC 控制技術(shù)等。研 究這個課題，不僅讓我們再次復習專業(yè)知識，也讓我們認識到了理論知識與實際生產(chǎn)的 關(guān)系。實際生產(chǎn)離不開理論知識的支持，理論知識可以為實際生產(chǎn)提供技術(shù)保障，對技 術(shù)的改革發(fā)展更是起到?jīng)Q定性作用。而且，這次實際生產(chǎn)的案例用理論知識來改進的例 子讓我們?yōu)榻窈蟮墓ぷ魈峁┝藢氋F的經(jīng)驗。 綜合應用機電一體化知識，培養(yǎng)學生的機械結(jié)構(gòu)設計能力，為企業(yè)提供排向機自動 化改造方案。 1.3 關(guān)鍵問題關(guān)鍵問題 （1）石墨舟倉方案確定； （2）結(jié)構(gòu)設計和圖紙實現(xiàn)； 1.4 研究方法和技術(shù)路線研究方法和技術(shù)路線 1.4.1 研究方法研究方法 查閱資料了解國內(nèi)同類了加工設備的特點，分析設備運行原理，確定系統(tǒng)方案，設 計提升機機械結(jié)構(gòu)，完善設計方案。 無錫太湖學院學士學位論文 4 1.4.2 技術(shù)路線技術(shù)路線 自動排向機改造研究石墨舟倉結(jié)構(gòu)設計 5 2. 石墨舟倉結(jié)構(gòu)設計石墨舟倉結(jié)構(gòu)設計 2.1 舊排向機構(gòu)造舊排向機構(gòu)造 由于本次畢業(yè)設計的內(nèi)容是在原有的排向機的結(jié)構(gòu)上進行改造，原來的排向 機構(gòu)造如下圖所示： 圖 2.1 現(xiàn)有排向機石墨舟上料部分 石墨舟通過人工放置在石墨舟架的位置，架子上方有一個石墨舟擋板，擋板用于使 石墨舟與上模互相結(jié)合，上模是一個長寬尺寸和石墨舟相同的一塊模子，上面有與石墨 舟引腳孔位置相同的孔，用于引導針腳進入石墨舟裝填。當人工搬動上模與石墨舟結(jié)合 之后，工作人員按動電動機的按鈕讓電動機帶動整個上述裝置進行向內(nèi)移動，一排一排 上針腳。在機構(gòu)實現(xiàn)針腳排向之后，電動機反轉(zhuǎn)帶動石墨舟機構(gòu)移出，然后由人工搬動 上模與石墨舟分離，分離過后通過人工觀察哪個孔里面沒有針腳，再由人工對石墨舟針 腳進行補充裝填。整個機器運作過程對工人的負擔較大，而且沒有相應的自動化檢測裝 置，因此我們決定對其進行改造。 2.2 石墨舟倉部分改造的初步想法石墨舟倉部分改造的初步想法 為了解決原本排向機自動化低，需要人工，費時費事等缺點，我們決定在石墨舟倉 部分進行一些自動化改造，在原有機器的基礎(chǔ)上添加一些部件，使得機器的自動化能力 大幅提升，提高產(chǎn)值。一開始，我們對舟倉部分的改造有兩套方案： 無錫太湖學院學士學位論文 6 方案 1： 圖 2.2 方案 1 示意圖 方案 1 如圖所示，將石墨舟倉改造成帶傳動，將石墨舟放置在帶上，通過帶傳動傳 遞到機械手部分，由機械手抓取石墨舟至加工工位，加工完成之后再由機械手抓取滿的 石墨舟并轉(zhuǎn)動到放置空的石墨舟的一條輸送帶上，并統(tǒng)一回收滿載的石墨舟到下一工位。 此方案有加工快速，自動化程度高，便于回收等特點，但是由于傳送帶所占面積太大， 如果進行改造需要對廠區(qū)進行比較大的改造，而且只有一個機械手加工速度也不是特別 快，因此我們最后還是放棄了這一方案。 方案 2： 圖 2.3 方案二示意圖 方案 2 如上圖所示，此機構(gòu)將石墨舟分為空堆石墨舟及滿堆石墨舟兩個部分，這兩 部分分別由石墨舟堆疊而成，每個石墨舟可以堆疊十個，在空堆處進行上針腳的操作， 再由機械手將上滿針腳的石墨舟進行移動并堆疊至滿載的石墨舟堆處，滿載堆下降一個 工位以接收運來的石墨舟，空堆處上升一個工位以準備下一次的上針腳操作。此套設備 的優(yōu)點是比較節(jié)省空間，十個石墨舟一堆，大大的節(jié)約了廠區(qū)的空間，而且在原有機器 的基礎(chǔ)上不用修改太多部件，這樣設計也可以便于工人上料下料，整個過程自動化程度 也很高。但是這個系統(tǒng)有例如機械手負擔較大，機械手部分設計較復雜的特點，我們最 終決定使用這個系統(tǒng)，但是需要對此系統(tǒng)進 行一些改造。 自動排向機改造研究石墨舟倉結(jié)構(gòu)設計 7 2.3 石墨舟倉改造方案確定石墨舟倉改造方案確定 我們決定將上述方案 2 進行修改作為我們此次排向機改造畢業(yè)設計的主方案，在上 料機械手部分我們決定采用如下圖的結(jié)構(gòu)： 圖 2.4 上料機械手部分方案圖 我們決定選用兩個上料機械手一起固定在板材上，在橫向氣缸的初始位置左邊的氣 缸放置在石墨舟上針腳的工作位置，右邊的氣爪位于空堆石墨舟位置，在抓取石墨舟時， 縱向方向的氣缸先下降，然后氣爪松開，抓取石墨舟，加緊后上升，然后橫向方向氣缸 運動，將左邊的氣爪移動至滿堆石墨舟處，右邊的氣爪移動至石墨舟工作位置處，然后 將兩個氣爪放下并松開，這樣兩個氣爪同時運動，大大加快了加工的效率，而且便于控 制。 我們考慮了石墨舟單個的重量，石墨舟堆疊后的高度及整個系統(tǒng)對升降機構(gòu)的要求， 所以決定大體的石墨舟升降機構(gòu)如下圖： 圖 2.5 石墨舟升降機構(gòu)初步結(jié)構(gòu)設計圖 無錫太湖學院學士學位論文 8 上圖為石墨舟升降機構(gòu)（石墨舟倉）的初步結(jié)構(gòu)設計，石墨舟由十個為一堆堆成， 分別有兩落石墨舟堆結(jié)構(gòu)，在初始狀態(tài)時，空堆石墨舟處沒有有十個堆疊而成的石墨舟， 而滿堆部分沒有石墨舟，每次工作一個工位，空堆石墨舟處的氣手指伸出，由電動機帶 動氣手指以拉動空堆石墨舟堆上升一個工位。氣爪抓動后，等石墨舟到達滿堆處，滿堆 處的氣手指伸出，由電動機帶動氣手指緩緩拉動石墨舟堆下降一個工位，等待一個新的 滿堆石墨舟堆上來。如此往復，等空堆的石墨舟逐漸用完后，機器暫停，由之前的氣爪 拉動新的一堆空石墨舟進入空堆，而滿堆石墨舟堆滿之后，機器也暫停，等待工人將滿 的石墨舟堆撤離，繼續(xù)進行工作。 2.4 排向機改造的控制系統(tǒng)初步設計排向機改造的控制系統(tǒng)初步設計 我們通過對此套排向機改造系統(tǒng)的研究與討論后決定設置如下傳感器：檢測有無針 腳，檢測工作位置有無石墨舟，檢測送料立柱升降機是否處在初始位置最低位置，檢測 工作工位是否有空余，檢測空堆工位是否有石墨舟，檢測針腳是否裝滿，檢測工作工位 處是否空閑，檢測下降機構(gòu)最高位置是否有空位，若無空位則用氣手指將最高位降下， 然后氣手指歸于最高位，檢測下降位置是否有空余，檢測二工位處是否有石墨舟等傳感 器。2 我們設定的整個工序分為三個過程：進行檢測、進行上料、進行下料。 進行檢測部分，我們設定的工序為工作位傳感器檢測上下方向氣缸下降 45mmm；氣 爪傳感器，氣爪閉合，檢測上下方向氣缸上升 45mm；檢測縱向傳感器，送料左右方向氣 缸向左 600m；檢測位傳感器 1，檢測上下方向氣缸下降 45mm；檢測位氣爪傳感器 1, 氣 爪松開，石墨舟至檢測位，檢測上下方向氣缸向上 45mm。 進行上料部分，我們設定的工序為空堆傳感器 1，檢測氣手指不動，送料上下方向氣 缸下降 45mm；氣爪傳感器，檢測氣爪不動，送料上下方向氣缸上升 45mm；送料上下方 向氣缸，送料左右方向氣缸向左 600mm，工作位傳感器，檢測送料上下方向氣缸向下 45mm 至工作位置；工作位氣爪傳感器，檢測氣爪松開，送料上下方向氣缸上升 45mm； 空堆傳感器 2，檢測氣手指動作，換另一堆空石墨舟。 進行下料部分，我們設定的工序為檢測位傳感器 2，檢測下料上下方向氣缸下降 45mm；檢測位氣爪傳感器，檢測氣爪閉合，抓取石墨舟，下料上下方向氣缸上升 45mm，下料上下方向氣缸傳感器，檢測下料左右方向氣缸向左 600mm；下料氣爪傳感器， 檢測氣爪松開，下料上下方向氣缸上升 45mm；石墨舟堆傳感器，檢測下料上下方向氣缸 下降 45mm。 我們將控制系統(tǒng)分為這三個部分進行設計，每個部分有設定相應的傳感器，并對傳 感器的輸入輸出端進行預估，這樣我們在接下來的 PLC 控制設計，選擇 相應的型號的 PLC 以及輸入輸出分配表的制作有了一定的基礎(chǔ)。 自動排向機改造研究石墨舟倉結(jié)構(gòu)設計 9 圖 2.6 步進電機控制原理圖 圖 2.6 中，控制器為 PLC，PLC 產(chǎn)生脈沖信號，進入步進電機驅(qū)動器，一般控制脈 沖信號都很弱，步進電機驅(qū)動器可將脈沖信號進行功率放大，將從控制器發(fā)來的脈沖信 號轉(zhuǎn)化為步進電機的角位移，實現(xiàn)后續(xù)的動力提供。電機的轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比，所 以控制脈沖頻率可以精確調(diào)速，控制脈沖數(shù)就可以精確調(diào)位。 圖 2.7 所選步進電機的矩頻特性曲線 無錫太湖學院學士學位論文 10 在上料機構(gòu)中，當空石墨舟由氣爪抓取送到工作位置后，氣手指提升石墨舟上升一 個工位，提升高度為 45mm。選擇的步進電機型號為 110BYG350CH-0501，相數(shù)為 3，步 距角為 1.2，相電流為 5.0A，保持轉(zhuǎn)矩為 12N，轉(zhuǎn)動慣量為 1.356g。11圖 2.7 為所選 步進電機的矩頻特性曲線。其中，控制系統(tǒng)每發(fā)出一個步進脈沖，步進電機轉(zhuǎn)過 1.2，當 步進電機驅(qū)動器設置在 10 細分狀態(tài)下，由公式 （2.1） 步距角的距離步進電機旋轉(zhuǎn)一周移動 物體移動距離 必要脈沖數(shù) o 360 可知: 步進電機發(fā)出 3000 個脈沖時，氣手指抬升空石墨舟 45mm。 自動排向機改造研究石墨舟倉結(jié)構(gòu)設計 11 3. 石墨舟倉結(jié)構(gòu)各零件選用及設計石墨舟倉結(jié)構(gòu)各零件選用及設計 3.1 升降機構(gòu)傳動方式升降機構(gòu)傳動方式 剛開始時，我們設計了兩種升降機構(gòu)的方案 方案 1：絲桿傳動升降機構(gòu) 圖 3.1 絲桿傳動升降機構(gòu)示意圖 滾珠絲杠：傳動效率高，達 0.9-0.98，有利于主機的小型化和減輕勞動強度；摩擦力 矩小，接觸鋼度高，使溫升及熱變形減小，有利于改善主機的動態(tài)特性和提高工作精度； 工作壽命長，傳動無間隙，無爬行傳動精度高，具有很好的高速性能；抗沖擊振動性能 差，承受徑向載荷能力差。 如圖所示，石墨舟堆疊為十個，導軌上裝有滑塊，滑塊由電動機驅(qū)動，電機連接著 一根絲桿，電動機帶動絲桿轉(zhuǎn)動，絲桿上的螺母隨著電機轉(zhuǎn)動帶動石墨舟機構(gòu)整體上升 下降，電動機正轉(zhuǎn)時，石墨舟上升，用于空堆石墨舟機構(gòu)，電動機反轉(zhuǎn)時，石墨舟下降， 用于滿堆石墨舟手機機構(gòu)，滑塊由導軌保證運動方向是豎直的。而石墨舟堆的上升距離 由電機保證，電機選用步進電機，由 PLC 控制。此套方案的優(yōu)點是整個機構(gòu)比較簡單， 可以由安裝在電動機上的螺母來將電動機的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)換為石墨舟的升降移動，機構(gòu)簡單， 成本較低，設計安裝比較簡單。但是此套方案也有缺點，就是絲桿傳動的距離不能過長， 也不能承受太大的徑向力，否則絲桿彎曲損壞整套裝置就會壞掉，豎直方向的移動量也 會產(chǎn)生誤差，使加工產(chǎn)生錯誤，增加生產(chǎn)率，而且絲桿受力較大，要經(jīng)常更換，成本也 會變得很高，而且后續(xù)維護比較麻煩。 無錫太湖學院學士學位論文 12 方案 2：帶傳動升降裝置 圖 3.2 帶傳動升降機構(gòu)示意圖 帶傳動：靠齒嚙合傳動，傳動比準確，傳動效率高，初張緊力最小，瞬間速度均勻， 單位質(zhì)量傳遞的功率最大；與鏈和齒輪傳動相比，噪聲小，不需潤滑，傳動比、線速度 范圍大，傳遞功率大；耐沖擊振動較好，維修簡便、經(jīng)濟。廣泛應用于各種機械傳動。 如圖所示為我們設計的帶傳動升降機構(gòu)，石墨舟由氣手指帶動上升或者下降，氣手 指安裝在帶輪上面，由專門的夾具固定。底板上裝有帶傳動的輪和軸，軸端上用聯(lián)軸器 連接電動機，電動機正轉(zhuǎn)時，石墨舟上升，用于空堆石墨舟機構(gòu)，電動機反轉(zhuǎn)時，石墨 舟下降，用于滿堆石墨舟手機機構(gòu)。在這里要說明的是氣手指實質(zhì)上是一個小型的氣缸， 伸出后拖住石墨舟堆底部，隨著帶傳動的上升和下降將拖動石墨舟堆的上升下降，已完 成石墨舟的移動。此套方案的優(yōu)點是帶傳動的受力能夠帶動比較大的質(zhì)量，像石墨舟堆 這樣十個一堆的物體也能夠帶動，而且?guī)鲃颖容^穩(wěn)定，隨著步進電機的驅(qū)動能夠完成 定方向定距離的上下移動，比較適合我們這個系統(tǒng)。此套方案的缺點是如果設計帶傳動 系統(tǒng)的話比絲桿系統(tǒng)更復雜些，要設計帶輪、帶輪軸、夾具等零件。 最后我們綜合了以上兩個方案的優(yōu)缺點，從系統(tǒng)的整體穩(wěn)定和效率出發(fā)，我們選擇 了帶傳動升降系統(tǒng)，關(guān)鍵是絲桿系統(tǒng)的絲桿不能承受每個 400g 的十個石墨舟堆的長時間 的上升與下降，在一定時間之后絲桿會產(chǎn)生各種各樣的問題，因此我們選擇帶傳動升降 系統(tǒng)，而且雖然帶傳動升降系統(tǒng)的零件有些復雜，但是一旦設計出來在實際安裝過程中 自動排向機改造研究石墨舟倉結(jié)構(gòu)設計 13 其實并不復雜，很多像螺母螺釘?shù)牧慵伎梢赃x擇標準件，安裝起來穩(wěn)定可靠。 3.2 帶傳動系統(tǒng)帶和帶輪的選擇帶傳動系統(tǒng)帶和帶輪的選擇 首先我們選擇帶傳動的方式，我們最開始在普通 V 帶、普通平帶、同步帶三者之間 選擇。普通 V 帶的帶兩側(cè)與論草附著較好，當量摩擦因數(shù)較大，允許包角小，帶傳動比 大，中心距較小，預緊力較小，傳動功率可達 700KW。 普通平帶的抗拉強度大，耐濕性好，中心距大，價格比較便宜，但是傳動比較小， 效率較低，可呈交叉，半交叉及有導輪的角度傳動，傳動功率可達 500KW。 同步帶是綜合了帶傳動、鏈條傳動和齒輪傳動的優(yōu)點而發(fā)展起來的新塑傳動帶。它 由帶齒形的一工作面與齒形帶輪的齒槽嚙合進行傳動，其強力層是由拉伸強度高、伸長 小的纖維材料或金屬材料組成，以使同步帶在傳動過程中節(jié)線長度基本保持不變，帶與 帶輪之間在傳動過程中沒有滑動，從而保證主、從動輪間呈無滑差的間步傳動。 同步帶傳動（見圖 3.3）時，傳動比準確，對軸作用力小，結(jié)構(gòu)緊湊，耐油，耐磨性 好，抗老化性能好，一般使用溫度-2080，v50m/s，P300kw,i10,對于要求同步的 傳動也可用于低速傳動。 圖 3.3 同步帶傳統(tǒng) 同步帶傳動是由一根內(nèi)周表面設有等間距齒形的環(huán)行帶及具有相應吻合的輪所組成。 它綜合了帶傳動、鏈傳動和齒輪傳動各自的優(yōu)點。轉(zhuǎn)動時，通過帶齒與輪的齒槽相嚙合 來傳遞動力。 同步帶傳動具有準確的傳動比，無滑差，可獲得恒定的速比，傳動平穩(wěn)， 能吸振，噪音小，傳動比范圍大，一般可達 1:10。允許線速度可達 50M/S，傳遞功率從 幾瓦到百千瓦。傳動效率高，一般可達 98%，結(jié)構(gòu)緊湊，適宜于多軸傳動，不需潤滑， 無污染，因此可在不允許有污染和工作環(huán)境較為惡劣的場所下正常工作。 本產(chǎn)品廣泛用 于紡織、機床、煙草、通訊電纜、輕工、化工、冶金、儀表儀器、食品、礦山、石油、 汽車等各行業(yè)各種類型的機械傳動中。同步帶的使用，改變了帶傳動單純?yōu)槟Σ羵鲃拥?概念，擴展了帶傳動的范圍，從而成為帶傳動中具有相對獨立性的研究對象，給帶傳動 的發(fā)展開辟了新的途徑。 同步帶的特點 (1)、傳動準確，工作時無滑動，具有恒定的傳動比； 無錫太湖學院學士學位論文 14 (2)、傳動平穩(wěn)，具有緩沖、減振能力，噪聲低； (3)、傳動效率高，可達 0.98，節(jié)能效果明顯； (4)、維護保養(yǎng)方便，不需潤滑，維護費用低； (5)、速比范圍大，一般可達 10，線速度可達 50m/s，具有較大的功率傳遞范圍，可 達幾瓦到幾百千瓦； (6)、可用于長距離傳動，中心距可達 10m 以上。 接著，我們選擇帶輪，同步帶傳動的帶輪有實心輪、輻板輪、孔板輪、橢圓輻輪等 結(jié)構(gòu)，由于我們的石墨舟的大小也僅有 9123442 的外輪庫大小，所以我們的設計的帶 輪不會太大，帶輪的內(nèi)孔直徑也最多在 1525 之間，所以我們選擇內(nèi)徑孔大小為 20 的實 心輪，設計、加工很方便，傳動效率高，也比較容易安裝和定位。帶輪與軸之間的連接 采用鍵槽連接，具體的設計在接下來的軸設計里面會具體講到。 考慮到主動輪和從動輪的問題，由于我們的系統(tǒng)時直線升降移動，對傳動比沒有要 求，而且考慮到對步進電機的控制問題，我們最后決定主動帶輪和從動帶輪使用相同的 型號和尺寸，這樣零件互換性有了進一步提高，對維修和安裝都有一定的方便。 考慮到主動輪和從動輪的問題，由于我們的系統(tǒng)時直線升降移動，對傳動比沒有要 求，而且考慮到對步進電機的控制問題，我們最后決定主動帶輪和從動帶輪使用相同的 型號和尺寸，這樣零件互換性有了進一步提高，對維修和安裝都有一定的方便。 由上可知，同步帶輸出轉(zhuǎn)矩為：0.21N.m，輸出轉(zhuǎn)速為：，單級傳動效率為： s/15 =85%，傳動比 i=1，取安全系數(shù) k=3，則同步帶傳遞功率為： (3.1) WTkP23 . 0 85 . 0 / 12 21 . 0 3/ 22 因此我們在帶傳動方面選擇同步齒形帶傳動 3.2.1 電機額定輸出功率估算電機額定輸出功率估算 =7.16W (3.2) TwP067 . 0 1 . 08 . 4 3.2.2 確定計算功率確定計算功率 電動機每天使用 16 小時左右，查表 3-1 得到工作情況系數(shù)=1.7。則計算功率 A K 為: (3.3) WPKP Aca 17.127 . 116 . 7 自動排向機改造研究石墨舟倉結(jié)構(gòu)設計 15 表 3-1 工作情況系數(shù)看 A K 3.2.3 小帶輪轉(zhuǎn)速計算小帶輪轉(zhuǎn)速計算 (3.4) min/96 . 8 60067 . 0 1 . 0/rrvn 3.2.4 選定同步帶帶型和節(jié)距選定同步帶帶型和節(jié)距 由同步帶選型圖 3.4 可以看出，由于在這次設計中功率轉(zhuǎn)速都比較小，所以帶的型號 可 以任意選取，現(xiàn)在選取 H 型帶，節(jié)距 mmPb7 .12 圖 3.4 同步帶選型圖 無錫太湖學院學士學位論文 16 3.2.5 選取主動輪齒數(shù)選取主動輪齒數(shù) 1 z 查表 3-2 知道小帶輪最小齒數(shù)為 14，現(xiàn)在選取小帶輪齒數(shù)為 14。 3.2.6 小帶輪節(jié)圓直徑確定小帶輪節(jié)圓直徑確定 (3.5) mm Pz d b 82.79 14 . 3 7 . 1214 1 1 表 3-2 小帶輪最小齒數(shù)表 3.2.7 大帶輪相關(guān)數(shù)據(jù)確定大帶輪相關(guān)數(shù)據(jù)確定 由于系統(tǒng)傳動比為，所以大帶輪相關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù)與小帶輪完全相同。齒數(shù)， 1:1 14 2 z 節(jié)距 mmPb 7 . 12 3.2.8 帶速帶速 v 的確定的確定 (3.6) max /1 . 0 100060 96 . 8 29.11714 . 3 100060 vsm dn v 3.2.9 初定軸間間距初定軸間間距 根據(jù)公式 (3.7) )(2)(7 . 0 21021 ddadd 得 mmamm663232 0 現(xiàn)在選取軸間間距為 570mm。 3.2.10 同步帶帶長及其齒數(shù)確定同步帶帶長及其齒數(shù)確定 (3.8) )( 2 2 2100 ddaL 2/ )82.7982.79(14 . 3 5702 =1390.024mm 3.2.11 帶輪嚙合齒數(shù)計算帶輪嚙合齒數(shù)計算 有在本次設計中傳動比為一，所以嚙合齒數(shù)為帶輪齒數(shù)的一半，即=20。 m z 自動排向機改造研究石墨舟倉結(jié)構(gòu)設計 17 3.2.12 基本額定功率基本額定功率的計算的計算 0 P (3.9) 1000 )( 2 0 vmvT P a 查基準同步帶的許用工作壓力和單位長度的質(zhì)量表 3-3 可以知道 =2100.85N，m=0.448kg/m。 a T 所以同步帶的基準額定功率為 = (3.10) 0 P KW21. 0 1000 1 . 0)1 . 0448 . 0 85.2100( 2 表 3-3 基準寬度同步帶的許用工作壓力和單位長度的質(zhì)量 3.2.13 計算作用在軸上力計算作用在軸上力 r F = (3.11) r F v Pd1000 =71.6N 3.3 主動帶輪軸的設計和校核主動帶輪軸的設計和校核 主動帶輪軸的軸承我們選用直徑為 12 的滾動軸承，并且在軸上裝有內(nèi)徑為 20 的帶 輪，下面主要對軸的強度進行校核計算。 各軸的材料均選用 45 號鋼，已知軸的許用扭剪應力=30MPa，由許用應力確定的 系數(shù)為 C=120。 主動帶輪軸的強度計算： (3.12) n p 109500 6 T 無錫太湖學院學士學位論文 18 (3.13) 3 2 . 0 d TT WT T 代入之前的功率 P 和轉(zhuǎn)速 n 進行計算 9 6 1076 . 8 60/25 384 . 0 109500 T MPa T 475 . 5 10475 . 5 202 . 0 1076. 8 6 9 因為=30MPa，小于實際的許用應力，因此主動帶輪軸的強度符合條件。 3.4 從動帶輪軸的設計和校核從動帶輪軸的設計和校核 從動帶輪軸的軸承我們選用直徑為 12 的滾動軸承，并且在軸上裝有內(nèi)徑為 20 的帶 輪，下面主要對軸的強度進行校核計算。 從動帶輪軸的強度計算： (3.14) n p 109500 6 T (3.15) 3 2 . 0 d TT WT T 代入之前的功率 P 和轉(zhuǎn)速 n 進行計算 9 6 1076 . 8 60/25 384 . 0 109500 T MPa T 475 . 5 10475 . 5 202 . 0 1076. 8 6 9 因為=30MPa，小于實際的許用應力，因此從動帶輪軸的強度符合條件。 3.5 石墨舟倉機構(gòu)其他零件結(jié)構(gòu)設計石墨舟倉機構(gòu)其他零件結(jié)構(gòu)設計 3.5.1 滾動軸承的選擇滾動軸承的選擇 我們參考了機械設計手冊上的滾動軸承特性比較，深溝球軸承，主要承受徑向載荷， 也可同時承受少量的雙向軸向載荷。在轉(zhuǎn)速較高，不宜用推力軸承時，可承受較輕純軸 向載荷。交界處軸承主要承受鏡像為主和雙向徑向載荷的連接載荷，不宜承受純軸向載 荷。調(diào)心球軸承主要承受徑向載荷，也可同時承受少量的雙向軸向載荷。圓柱滾子軸承 僅能承受徑向載荷，內(nèi)、外圈的帶當便的單列軸承可承受較小的軸向載荷。調(diào)心滾子軸 承主要承受徑向載荷，也可同時承受少量雙向軸向載荷。 自動排向機改造研究石墨舟倉結(jié)構(gòu)設計 19 由于我們的帶輪比較小，因此在設計軸肩與滾動軸承配合時，軸肩的直徑也不是很 大，我們采用內(nèi)徑為 12 的滾動軸承，而根據(jù)軸承的受力原理，我們最后選擇了調(diào)心球軸 承，調(diào)心球軸承圖示如下： 圖 3.5 選用的調(diào)心球軸承 3.5.2 石墨舟倉機架的設計石墨舟倉機架的設計 由于石墨舟堆疊裝置很高，高度約為 500mm，所以我們的機架相應來說也 比較大，因此我們選擇材料選用鑄鐵 HT200 進行鑄造，在機架的不配合部分進行開窗口， 以便在需要時打開觀察帶傳動情況，并且能夠便于機器的維修和維護。 無錫太湖學院學士學位論文 20 圖 3.6 石墨舟倉機架 3.5.3 氣手指夾具的設計氣手指夾具的設計 氣動手指又名氣動夾爪或氣動夾指，是利用壓縮空氣作為動力，用來夾取或抓取工 件的執(zhí)行裝置。最初起源于日本，后被國內(nèi)自動化企業(yè)廣泛使用。 其特點有： 1、所有的結(jié)構(gòu)都是雙作用的能實現(xiàn)雙向抓取可自動對中重復精度高。 2、抓取力矩恒定 自動排向機改造研究石墨舟倉結(jié)構(gòu)設計 21 由于氣手指是安裝在帶上進行傳動石墨舟升降機構(gòu)上升或者下降的裝置，而氣手指 本身安裝在帶上時不可行的，所以我們特地設計了氣手指在帶上配合的夾具，以保證氣 手指在帶上的穩(wěn)定，保證石墨舟升降的可靠性。 圖 3.7 氣手指夾具 3.5.4 步進電機底座的設計步進電機底座的設計 步進電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元步進電機件。在非超 載的情況下，電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載 變化的影響，當步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設定的方向轉(zhuǎn)動 一個固定的角度，稱為“步距角”，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運行的?？梢酝ㄟ^控 制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來 控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的。 無錫太湖學院學士學位論文 22 由于步進電機需要驅(qū)動石墨舟升降機構(gòu)，因此不能直接安裝在底板上，而且高度也 不適合。因此我們設計了專用的步進電機底座。 圖 3.8 電機底座 在簡述了石墨舟升降機構(gòu)的幾個重要零件之后，我們對石墨舟升降機構(gòu)的組成部分 有了一定的了解。詳細的機構(gòu)我們可以參考圖紙上的標注。 自動排向機改造研究石墨舟倉結(jié)構(gòu)設計 23 4. 上料機械手結(jié)構(gòu)設計上料機械手結(jié)構(gòu)設計 4.1 機械手的意義機械手的意義 “機械手”多數(shù)是指附屬于主機、程序固定的自動抓取、操作裝置（國內(nèi)一般稱作機械 手或?qū)Ｓ脵C械手）,是工業(yè)生產(chǎn)的必然產(chǎn)物，它是一種模仿人體上肢的部分功能，按照預 定要求輸送工件或握持工具進行操作的自動化技術(shù)設備，對實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)自動化，推動 工業(yè)生產(chǎn)的進一步發(fā)展起著重要作用。如自動線、自動的上、下料，加工中心的自動換 刀的自動化裝置。 機械手能代替人類完成危險、重復枯燥的工作，減輕人類勞 動強度， 提高勞動生 產(chǎn)力。機械手是在自動化生產(chǎn)過程中使用的一種具有抓取和移動工件功能的自動化裝置， 它是在機械化、自動化生產(chǎn)過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。機械手越來越廣泛的得到 了應用。 原排向機工作時，空石墨舟的上料和滿石墨舟的下料是通過工人手動實現(xiàn)的，什么 時候上料、針腳是否裝滿和滿石墨舟的下料都需要有人在一邊時時觀察，這樣做降低了 生產(chǎn)效率，也浪費了勞動力。通過對原排向機進行改造，加入機械手及其控制系統(tǒng)，用 機械手代替人工實現(xiàn)石墨舟的自動上料和下料，從而提高生產(chǎn)效率，節(jié)省勞動力。 4.2 機械手方案對比機械手方案對比 方案一：上料機械手的作用是將空石墨舟從石墨舟堆移動到工作位置進行二極管針 腳排向，存在空石墨舟堆和工作位置兩個工位，所以除了需要氣爪抓取石墨舟外，還需 要水平方向的氣缸實現(xiàn)石墨舟在空石墨舟堆和工作位置間的移動。圖 4.1 為方案 1 的構(gòu)想 圖。 圖 4.1 方案 1 無錫太湖學院學士學位論文 24 方案二：上料部分的實際作用就是將空石墨舟從石墨舟堆移動到工作位置，所以也可以 通過傳送系統(tǒng)實現(xiàn)。圖 4.2 為方案 2 的構(gòu)想圖。 圖 4.2 方案 2 方案 2 是模仿電梯臺階的升降來構(gòu)想的。臺階上放著石墨舟，空石墨舟由左邊進入， 到最頂端工作位置處進行二極管針腳的排向部分，裝滿后在右端下降。 方案 1： 優(yōu)點：機械手比較靈活便于控制；石墨舟堆可以十個或二十個石墨舟為一堆；上料 裝置與工作臺在空間上沒有干涉。 缺點：需要另外一個機械手負責將石墨舟從工作位置移動到檢測位置，需要再加一 套控制系統(tǒng)。 方案 2： 優(yōu)點：可以實現(xiàn)全自動化；出料口可以直接接到檢測臺。 缺點：需要精確控制臺階面的升降；工作位置與臺階面的位置需要精確定位；體積 龐大，在車間占地太大；與原排向機構(gòu)造差異太大，在改造上更加困難。 4.3 機械手方案的確定機械手方案的確定 方案修改：將方案一的單機械手換成雙機械手，也就是在一個水平氣缸上連接兩個 氣爪，同時進行上料和下料的操作。在上料機械手部分最終我們決定采用如圖 4.3 的結(jié)構(gòu)： 自動排向機改造研究石墨舟倉結(jié)構(gòu)設計 25 圖 4.3 上料機械手結(jié)構(gòu) 我們決定選用兩個上料機械手一起固定在板材上，水平氣缸的初始位置為空堆石墨 舟上方，其左邊的垂直氣缸放置在石墨舟裝填針腳的工作位置上方，右邊的氣爪 1 為上 料氣爪，位于空堆石墨舟位置，在抓取石墨舟時，豎直方向的氣缸先下降，然后氣爪 1 閉合，抓取石墨舟。與此同時，氣爪 2 下降到裝填針腳的工作位置處，氣爪 2 抓取裝滿 針腳的石墨舟，待氣爪 1 和氣爪 2 都抓取石墨舟后，豎直方向氣缸上升，然后水平方向 氣缸向左運動，氣爪 1 移動至石墨舟工作位置處，氣爪 2 移動至滿堆石墨舟處，然后豎 直方向氣缸下降將兩個氣爪放下，氣爪分別松開，這樣石墨舟分別移到了工作位置和滿 石墨舟堆。這樣兩個氣爪同時運動的裝置，大大加快了工作的效率，而且便于控制。 在水平方向的裝置上，由上料機械手的功能可以知道，當氣爪抓取空石墨舟后，氣 缸推動滑塊移動，從而帶動機械手移動，將空石墨舟移動到工作位置，實現(xiàn)上料。水平 推動裝置如圖 4.4，滑塊同時連接著氣缸與氣爪，但是滑塊本身太小，不適合作為連接件 直接連接氣缸，氣爪，所以可以設置一個連接塊代替滑塊起連接作用。加入一個水平板， 作為氣缸和導軌的固定裝置。本設計中上料與檢測同時進行，采用一套控制系統(tǒng)控制雙 機械手。水平連接件可以帶動兩個機械手同時運動。135 無錫太湖學院學士學位論文 26 圖 4.4 水平推動裝置 此時機構(gòu)已經(jīng)可以完成抓取石墨舟后水平運動的動作了，由于空石墨舟堆的導向桿 高于石墨舟的高度以及工作位置的槽型裝置，所以抓取石墨舟后要有個升降運動才能取 出及放入。 參考水平裝置，應該加入一個垂直氣缸。與之前思路相同，垂直氣缸推動滑塊帶動 抓取裝置，在加入垂直連接塊后，升降裝置如圖 4.5。 圖 4.5 升降裝置 自動排向機改造研究石墨舟倉結(jié)構(gòu)設計 27 5. 自動化控制設計自動化控制設計 5.1 氣源裝置的選擇氣源裝置的選擇 氣壓傳動技術(shù)是以空氣壓縮機為動力源，以壓縮空氣為工作介質(zhì)，進行能量傳遞或 信號傳遞的工程技術(shù)。氣壓傳動與其他的傳動和控制方式相比，其優(yōu)點如下。 （1）氣壓傳動裝置結(jié)構(gòu)簡單、輕便、安裝維護簡單。由于壓力等級低，故使用安全。 （2）工作介質(zhì)是取之不盡、用之不竭的空氣，空氣本身不花錢。排氣處理簡單，不 污染環(huán)境，成本低。 、 （3）輸出力及工作速度的調(diào)節(jié)非常容易。氣缸動作速度一般為 50500mm/s，比液 壓和電氣方式的動作速度快。 （4）可靠性高，使用壽命長。電器元件的有效動作次數(shù)約為數(shù)百萬次，而精良的氣 動元件壽命可達數(shù)千萬次，有的甚至可達數(shù)億次。 (5)利用空氣的可壓縮性，可儲存能量，實現(xiàn)集中供氣；可短時間釋放能量，已獲得 間歇運動中的高度響應；可實現(xiàn)緩沖；對沖擊負載和過負載有較強的適應能力；在一定 條件下，可使氣壓傳動裝置有自保能力。 （6）全氣壓傳動控制具有防火、防爆、耐潮的能力。與液壓方式相比，氣壓傳動方 式可在高溫場合應用。 （7）壓縮空氣流動損失小，可集中供應，進行遠距離傳輸。 氣壓傳動系統(tǒng)由氣源裝置、氣動執(zhí)行元件、氣動控制元件、氣動輔助元件等組成。 氣源裝置是保證氣壓傳動和控制系統(tǒng)正常工作所不可或缺的動力源，為氣壓傳動系統(tǒng)提 供一定滿足質(zhì)量要求的壓縮空氣，是氣壓傳動系統(tǒng)的重要組成部分。14 氣源裝置一般由以下三部分組成： （1） 產(chǎn)生壓縮空氣的氣壓發(fā)生裝置，如空氣壓縮機； （2） 凈化壓縮空氣的輔助裝置和設備，如過濾器、油水分離器、干燥器等； （3） 輸送壓縮空氣的供氣管道系統(tǒng)。 在氣壓傳動中，將分水過濾器、減壓閥和油霧器統(tǒng)稱為氣動“三大件”，它們雖然都是 獨立的氣源處理元件，可以單獨使用，但在實際應用時卻又常常組合在一起作為一個組 件使用，因此又稱為“氣動三聯(lián)件”。圖 5.1 所示為氣動三聯(lián)件示意圖。 圖 5.1 氣動三聯(lián)件 無錫太湖學院學士學位論文 28 其工作原理是：壓縮空氣首先進入空氣過濾器，經(jīng)除水濾灰凈化后進入減壓閥，經(jīng)減壓 后控制氣體的壓力以滿足氣壓傳動系統(tǒng)的要求，輸出的穩(wěn)壓氣體最后進入油霧器，將潤 滑油霧化后混入壓縮空氣一起輸往氣壓傳動裝置。 5.2 傳感器的選擇傳感器的選擇 為實現(xiàn)排向機整體功能，初步?jīng)Q定設置如下傳感器：檢測有無針腳，檢測工作位置 有無石墨舟，檢測送料立柱升降機是否處在初始位置最低位置，檢測工作工位是否有空 余，檢測空堆工位是否有石墨舟，檢測針腳是否裝滿，檢測工作工位處是否空閑，檢測 下降機構(gòu)最高位置是否有空位，若無空位則用氣手指將最高位降下，然后氣手指歸于最 高位，檢測下降位置是否有空余，檢測二工位處是否有石墨舟等傳感器。 在整個控制系統(tǒng)中，傳感器需檢測的都是位移量，由此可知，傳感器類型為位移傳 感器。位移傳感器不需要接觸到被檢測物體，當有物體移向位移傳感器，并接近到一定 距離時，位移傳感器就有“感知”，通常把這個距離叫做“檢出距離”。利用位移傳感器對接 近物體的敏感特性制作的開關(guān)，就是接近開關(guān)。 因為位移傳感器可以根據(jù)不同的原理和不同的方法做成，而不同的位移傳感器對 物體的“感知”方法也不同，所以常見的傳感器有以下幾種：電感式傳感器、電容式傳 感器、霍爾式傳感器、光電式傳感器、熱釋電式傳感器、線性接近傳感器。 （1）電感式傳感器 電感式傳感器也叫渦流式傳感器，由三大部分組成：振蕩器、開關(guān)電路及放大輸 出電路。振蕩器產(chǎn)生一個交變磁場，當金屬目標接近這一磁場，并達到感應距離時， 在金屬目標內(nèi)產(chǎn)生渦流，從而導致振蕩衰減，以至停振。振蕩器振蕩及停振的變化被 后級放大電路處理并轉(zhuǎn)換成開關(guān)信號，觸發(fā)驅(qū)動控制器件，從而達到非接觸式的檢測 目的。由此可見，這種接近開關(guān)所能檢測的物體必須是導電體。 （2）電容式傳感器 這種傳感器的測量通常是傳感器固定處構(gòu)成電容器的一個極板，而另一個極板是 在測量過程中通常是接地或與設備的機殼相連接。當有物體移向傳感器時，不論它是 否為導體，由于它的接近，總會使電容器兩極板間的介電常數(shù)發(fā)生變化，從而使電容 器的電容量發(fā)生變化，使得和測量頭相連的電路狀態(tài)也隨之發(fā)生變化，由此便可達到 非接觸式的檢測目的。這種接近開關(guān)檢測的對象，不限于導體，可以絕緣的液體或粉 狀物等。 （3）霍爾式傳感器 當一塊通有電流的金屬或半導體薄片垂直地放在磁場中時，薄片的兩端就會產(chǎn)生 電位差，這種現(xiàn)象就稱為霍爾效應。兩端具有的電位差值稱為霍爾電勢U，其表達 式為 U=KIB/d，其中 K 為霍爾系數(shù)， I 為薄片中通過的電流， B 為外加磁場 (洛倫 慈力 Lorrentz)的磁感應強度， d 是薄片的厚度。 由此可見，霍爾效應的靈敏度高低與外加磁場的磁感應強度成正比的關(guān)系?；魻?元件就屬于這種有源磁電轉(zhuǎn)換器件，是一種磁敏元件。它是在霍爾效應原理的基礎(chǔ)上， 自動排向機改造研究石墨舟倉結(jié)構(gòu)設計 29 利用集成封裝和組裝工藝制作而成，它可 方便的把磁輸入信號轉(zhuǎn)換成實際應用中的 電信號，同時又具備工業(yè)場合實際應用易操 作和可靠性的要求?；魻栭_關(guān)就是利用霍 爾元件的這一特性制作的，它的輸入端是以 磁感應強度 B 來表征的，當 B 值達到一 定的程度(如 B1)時，霍爾開關(guān)內(nèi)部的觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，霍爾開關(guān)的輸出電平狀態(tài)也隨之翻 轉(zhuǎn)。輸出端一般采用晶體管輸出，和其他傳感器類似有NPN、PNP、常開型、常閉 型、鎖存型(雙極性)、雙信號輸出之分?；魻栭_關(guān)具有無觸電、低功耗、長使用壽命、 響應頻率高等特點，內(nèi)部采用環(huán)氧樹脂封灌成一體化，所以能在各類惡劣環(huán)境下可靠 的工作。 當磁性物件移近霍爾開關(guān)時，開關(guān)檢測面上的霍爾元件因產(chǎn)生霍爾效應而使開關(guān) 內(nèi)部電路狀態(tài)發(fā)生變化，由此識別附近有磁性物體存在，進而控制開關(guān)的通或斷。這 種接近開關(guān)的檢測對象必須是磁性物體。 （4）光電式傳感器 光電式傳感器利用的是光電效應。將發(fā)光器件與光電器件按一定方向裝在同一個 檢測頭內(nèi)。當有反光面（被檢測物體）接近時，光電器件接收到反射光后便在信號輸 出，由此便可 “感知”有物體接近。 利用光電式傳感器制作的光電式接近開關(guān)可以檢測各種物質(zhì)，但是對于流體的檢 測誤差較大。 （5）熱電釋式傳感器 熱釋電式傳感器能感知溫度變化，將熱釋電器件