自动排向机改造研究-石墨舟仓结构设计

III 摘 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 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 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 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 论 1.1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； 自动排向机改造研究 石墨舟仓结构设计 3 （ 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 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 （ 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 1.4.1 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 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 2.1 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 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 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 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，分无锡太湖学院学士学位论文 8 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 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 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 o360 （ 2.1） 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 3.1 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