〔大学论文〕MPS加工站机械设计（含word文档） .pdf

第 1 章 mps 总体方案设计概述 模块化生产系统由上料检测站、搬运站、加工站、安装站、安装搬运站, 分类站六部分组成。在上料检测站中有一个回转仓，仓内存储着黑、白两种 颜色的大工件，在安装站有一个料仓，仓内存储着黑、白两种颜色的大小工 件。每一站都有一套独立的 plc 控制系统，都能单独完成一个动作过程，而 将各站按一定顺序联接在一起后，就组成了一个模块化生产系统，如图 1 所 示。 上 料 检 测工位 搬 运 工搬 运 工 位位 加工加工加工加工 工位工位工位工位 安 装 搬安 装 搬安 装 搬安 装 搬 运工位运工位运工位运工位 分类分类分类分类 工位工位工位工位 安装安装安装安装 工位工位工位工位 图 1模拟自动生产线 安 装 站 上料 检测 站 搬 运 站 加 工 站 安装 搬运 站 分 类 站 图 1-1系统方框图 模块化生产系统工作过程简述如下：通过程序的控制，上料检测站将大 工件从回转料仓内送出，搬运站把大工件从上料检测站搬至加工站，加工站 将大工件加工、检测后送出，安装搬运站把大工件搬至安装工位放下，安装 站把对应的小工件装入大工件中，而后，安装搬运站将安装好的工件送至分 类站，分类站再将工件按要求送入相应的仓库。 直流电动机具有调速性能好，起动力矩大的特性，能较好地适合本系统 要求，故考虑某些原动机械选用直流电动机。 由于气压传动的工作介质是空气，排放方便，不污染环境，空气粘度小， 便于远距离传输，能源损失小；另外，气压传动反应快，维护简单，工作环 境适应性好，允许工作温度范围广，有过载保护作用。因此，也采用气缸来 提供部分动力和传递运动，而不用液压传动。又因该系统为教学实验设备， 动力较小，主要是满足运动要求，所以气缸主要根据运动要求进行选择。 mps 是模拟生产系统的英文缩写，用于模拟一个典型的顺序控制系统。 在该系统中必须完成对工件颜色的判别、加工、搬运、分类等。这些功能实 现的一个很重要的环节，是必须对工件、系统机械部件的位置及工件的颜色 进行感知，即检测，而这一工作的完成很大程度上依赖于传感器的使用。 传感器按其机理及转换形式分类有结构型、物性型、数字（频率）型、 量子型、信息型和智能型。按敏感材料分类有半导体型、功能陶瓷型、功能 高聚物型等。按测量对象参数分类有光传感器、湿度传感器、温度传感器、 磁传感器、压力（压迫）传感器、振动传感器、超声波传感器等。按应用领 域分类有机器人传感器、医用（生物）传感器、环保传感器等。 在这套 mps 设备中用到了无接近式传感器（电容传感器、电感传感器）、 光电传感器、磁传感器（磁性开关） 。分别判别黑白工件；检测工件、系统机 械传动装置及气缸运动是否到位等功能。 第 2 章 加工站设计说明 2.1 功能介绍 它是模块化生产系统的第三站，其主要功能是把第二站搬运来的大工件进 行加工，并在加工过程中将大工件的颜色信号也同步进行传递。 2.2 方案设计 由一圆形旋转加工台和钻削、检测两加工点组成。电机 m1 带动圆形旋转 加工台转动，光电式传感器 b1 专门检测搬运站有无工件送来，圆形旋转加工 台的定位问题依靠光电式传感器 b2 来解决。圆形旋转加工台上有四个工位， 均匀分布在加工台的边上，其中两个工位正好位于鉆削和检测两加工点，剩 余的工位一个靠近第二站，等待搬运站把要加工的工件运来;另一个靠近第五 站，等待把已加工的工件运走。我们把靠近第二站的工位称一号工位，在鉆 削加工点的工位称二号工位，在检测加工点的工位称三号工位，靠近第五站 的工位称四号工位。 钻削加工点由电机 m2、1 号气缸组成。3 号气缸是双作用气缸，由单控电 磁阀 3y1 控制，模拟对被加工工件的加紧和放松。电机 m2 带动钻头转动。1 号气缸是双作用气缸，由单控电磁阀 1y1 控制，主要带动电机 m2 和钻头一起 上下动作，对工件进行钻削加工。 检测加工点由 2 号气缸组成。2 号气缸是双作用气缸，由单控电磁阀 2y1 控制，主要是对钻削好的工件检测，检查加工质量。 气动回路如图 2 所示。 2y1 v=0 2b1 2b2 3b2 v=0 3y1 3b1 1b1 1b2 v=0 1y1 图 2气动回路图 2.3 气路的一般分析 首先，考虑动力的合理分配和利用。气路工作运行的特点是：1.在各工作 地点全部气动装置同时都在工作的情况是很少的； 2.每个气动装置的压缩空气 消耗量也不是固定的，有时要求量很大,而有时却又可能很小或完全不需要；3. 由于工作要求的不同，各个气动装置所需要的工作压力也不相同。因此，在 设计时，对空气压缩机的效率、排气量和工作压力的选择，应有适当的分析 和计算。 其次，是网络的合理布置。对于网络的设计要求是：1.线路最短，并尽量 做到拐弯少；2.尽量少采用供应较少而且较贵的橡胶软管；3.控制阀以及其它 辅助装置少。 第三， 是保证各部分工作运行在时间上的协调。 由于空气介质的可压缩性， 气压的能量转换过程较为复杂，而且不稳定，因此，在运用“一阀控制多缸” 原则时，还必须同时考虑多缸运动协调问题。在设计气路、选用控制阀和辅 助装置时必须考虑这个因素。 电控换向阀是利用电磁使阀心换向，它是由电磁控制部分和换向阀部分 组成的，换向阀部分称为主阀。电磁控制部分按其对主阀的控制型式分为直 动式和先导式两种，主阀阀心的换向由电磁铁芯直接推（或拖）动的控制形 式，称为直动式。如果主阀阀芯的换向是由电磁控制压缩空气来实现的，则 这种控制形式称为电磁先导式，而电磁控制部分称为电磁先导阀，它与主阀 组合成先导式电磁阀。 本站选择单向电控阀。 2.4 工作桌面介绍 加工工位工作桌面如图 3 所示。它由一圆形旋转加工台和钻削加工位、检 测位等组成。电机 3m1 通过减速器带动圆形旋转加工台转动，光电式传感器 3sq1 透过加工台上的圆孔检测搬运工位有无工件送来。圆形旋转加工台的定 位是依靠电感式传感器 3sq2 来解决。圆形旋转加工台上有四个工件位置，均 匀分布在加工台的圆盘上，如图 134 所示。我们把靠近搬运工位接收工 件的 1 号位置称为接收点，搬运工位搬运来的工件被放在这里；钻削加工工 件的 2 号位置称为加工点；检测工件的 3 号位置称为检测点；靠近第五工位 的 4 号位置称为输出点，加工好的工件在这里被第五工位的机械手取走。 加工点由电机 3m2、1 号气缸和 3 号气缸组成。3 号气缸是可调双向缓冲气 缸，其动作受 3 号换向阀（单控二位五通电磁换向阀）的控制，模拟对被加 工工件的夹紧和放松。 电机 3m2 带动钻头转动。 1 号气缸是可调双向缓冲气缸， 其动作受 1 号换向阀（单控二位五通电磁换向阀）的控制，它带动电机 3m2 和钻头一起做上下运动，对工件进行模拟钻削加工。检测点由 2 号气缸组成。 2 号气缸是可调双向缓冲气缸，其动作受 2 号换向阀（单控二位五通电磁换向 阀）的控制，其上下运动模拟对工件的检测，检查加工质量。 2.5 工作过程 （1）系统复位、开始 当按下“上电按钮” 、 “复位按钮”后，plc 的外围设备都回到其始位置。 这时“开始按钮”中的指示灯开始闪烁，按下“开始按钮”后系统开始动作。 （2）圆形加工台转动并定位 当一号工位上检测到工件时，电机 m1 得电并带动圆形加工台转动，把一 号工位上的工件送到二号工位进行钻削加工（一号工位上暂无工件，等待搬 继电器 3sq1 旋转工件 3 号气缸 电机 3m2 1 号气缸 2 号气缸 3sq2 气阀 1 23 4 图 3加工工位工作桌面 运站把下一个工件运来） ，当到达位置时电感式接近开关 b2 动作并送出信号， plc 得到信号后使电机 m1 失电，圆形加工台停止转动。 （3）夹紧并加工工件 加工工件时先接通单控电磁阀 3y1，3 号气缸带动夹具将工件夹紧。当工 件被夹紧后，装在 3 号气缸缸体上的磁性接近开关 3b2 动作，3b2 送出信号， plc 得到信号后接通单控电磁阀 1y1 和电机 m2，电机 m2 带动钻头转动，1 号 气缸带动电机 m2 和钻头一起下降，对工件进行钻削加工。 （4）钻头复位放松工件 加工完成后 plc 使单控电磁阀 1y1 和电机 m2 失电，1 号气缸带动电机 m2 和钻头一起上升。当上升至限位时，装在 1 号气缸缸体上的磁性接近开关 1b1 动作，1b1 送出信号，plc 得到信号后使单控电磁阀 3y1 失电，3 号气缸带动 夹具将工件放松。当工件放松后，装在 3 号气缸缸体上的磁性接近开关 3b1 动作，3b1 向 plc 送出信号，表示当前工件的钻削加工已完成，等待搬运站把 下一个工件送至一号工位。 （5）检测到下一个工件转过一个工位 当搬运站把下一个工件放置在一号工位后， 光点式传感器b1动作并向plc 送出信号，plc 使电机 m1 得电并带动圆形加工台转动，把一号工位上的工件 送到二号工位进行钻削加工， 把二号工位上的工件送往三号工位进行检测 （一 号工位上暂无工件，等待搬运站把下一个工件运来） 。当到达位置时电感式接 近开关 b2 动作并送出信号，plc 得到信号后使电机 m1 失电，圆形加工台停止 转动。 （6）夹紧、加工和检测工件 在二号工位上，加工过程同上。在三号工位上，单控电磁阀 2y1 得电后， 2 号气缸带动检测探头下降，对工件进行检测。当下降至限位时，装在 2 号气 缸缸体上的磁性接近开关 2b2 动作，2b2 送出信号，plc 得到信号后使单控电 磁阀 2y1 失电，2 号气缸带动检测探头上升。当上升至限位时，装在 2 号气缸 缸体上的磁性接近开关 2b1 动作，2b1 向 plc 送出信号，表示当前工件的检测 工作已完成。 当搬运站再把下一个工件放置在一号工位后， 光电传感器b1动作并向plc 送出信号，plc 使电机 m1 得电并带动圆形加工台转动，把一号工位上的工件 送到二号工位进行鉆削加工，把二号工位上的工件送往三号工位进行检测， 把三号工位上的工件送到四号工位准备运走，一号工位上暂时无工件，等待 搬运站把下一个工件运来。 当工件到达工位时， 电感式传感器 b2 动作并向 plc 送出信号，plc 得到信号后使电机 m1 失电并同时接通单控电磁阀 2y1 和 3y1。 在二号工位上，加工过程同上。在三号工位上，检测工作过程同上。当鉆削、 检测两加工点工作完成并且四号工位上工件已被运走时，搬运站再把工件放 置在一号工位，光电式传感器 b1 动作并向 plc 送出信号，plc 使电机 m1 再次 得电并带动圆形加工台转动，加工站进入下一轮工作循环。 2.6 选择电动机 m1 旋转加工台受到的钢珠滚阻力矩 m f =f n，其中 fn=g=g钢+g盘+g 工件 由参考文献1表 18 查得：钢板密度1=7.8g/cm 3 工件（尼龙 6）密度3= 1.14 g/cm 3 ：滚动摩擦因数f n：底板所受法向反力合力 g：底板总重 n4 . 41014137kg/mm108 . 74 m4 1 n4 .12103260 4 kg/mm108 . 7 36 22 322 2 236 11 = = = = gvng v gvg 盘 钢 四只盛料盘总重 ）（每只盛料盘体积 mn1078. 1108 .1701. 0 mm01. 01411 n8 .17 17.8nn77.1797. 04 . 44 .12 n97. 0103030 4 1014. 14 43 26 33 = = = =+= = f n m f g gvng 查得：表由参考文献 则 则 只工件，加工台上最多同时有四 工 距离：钢珠中心至转轴中心 摩擦力矩 力：加工台受到的总摩擦 ：钢珠直径 ：钢珠受到的总摩擦力 又 a affm f ff d m f d f dfm f f f ff f f f ff mn107 . 1mmn691. 1 381045. 4)(: n1045. 4 n1045. 4 4 101078. 1 3 2 0 2 2 34 = = = = = = 20 0 rad/s 623 - s20 rad/s 330 10 30 n r/min10 = = = = = t t n 则角加速度 ，起动时间加工台初始角速度 262 2 22 mkg1015mmkg15041 102 1308 .17 2 1 2 1 = = = r g g mrj加工台转动惯量 mn1055. 91085 . 7 107 . 1)( mn1085 . 7 6 1015 333 0 33 =+=+= = cf c mfmm jm 起动力矩 加工台惯性力矩 w101 . 1 96 . 0 95 . 0 99. 0 101 96 . 0 95. 099 . 0 1511 w101kw101 9550 101055 . 9 9550 9550 2 2 2 32 2 1 3 21 25 3 = = = = = = = pp p mn p n p m d 则电机功率 轴承效率 ，减速器效率取联轴器效率表由参考文献 查 （西安微电机研究所）数据资料，选 40zy-dz01 永磁直流电动机，此电动机带减速器，相关参数为： 电机型号额定电压额定电流额定转速额定功率转矩 40zy-dz0124v1.1a3500r/min14.3w39.2103nm 对于模拟钻削电动机 m2，只需满足模拟钻削功能（动作演示） ，无特殊功 率、转矩等要求，选择型号：m28-832。 2.7 选择气缸型号 气缸选择的要点： 1 作用力的大小：根据外部工作所需要的力的大小。确定活塞杆上的推力或 拉力。必须指出，同一个气缸时的实际出力大小随要求的工作速度不同而有 很大 变化。速度增高，则由于背压增高等因素影响，出力将急剧降低，其变 化并非直线关系。选择缸径时对此必须十分注意。应该依据工作条件不同， 按外载荷理论平衡条件所需气缸作用力近似地乘以 1.152 的备用系数， 从而 确定所需要气缸地内径。 2 活塞行程的长短：行程就是气缸活塞所能移动的最大距离，带缓冲装置的 气缸其缓冲部分的距离也包括在内。行程的长短于使用场合有关，也受加工 和结构上的限制。 3 安装形式：根据安装位置、使用目的等因素来决定。在一般场合下，多选 用固定式气缸。在车床或磨床上，工作需作连续的旋转，应选用回转气缸。 在活塞杆除作直线运动外。又要作较大的圆弧运动时，则选用摆动式气缸（又 叫轴销式气缸） 。 4 活塞的运动速度：主要决定于气缸进排气口及导管内径的大小。如果要求 活塞杆高速度地运动时，应选用大地进排气口及导管。通常为了得到缓冲的、 平稳的活塞杆运动速度，可选用节流装置或油液阻尼装置的气缸。节流的方 法有：当用水平安装的气缸去推动负载时，推荐用排气节流；如果用垂直安 装的气缸去举升重物时，则推荐用进气节流；当要求行程终点活塞杆运动平 稳时，则选用带缓冲器的气缸等等。 根据设计所需行程查参考文献6选择如下： 1 号气缸stlm16-75 2 号气缸scpd2l-1045 3 号气缸scpd2l-1015 2.8 选用材料的特性与热处理 钢的可焊性：一般指钢在某种焊接方法下得到优质焊接接头的能力，常 把钢在焊接时形成裂纹和在焊缝区产生脆性的倾向作为衡量钢的可焊性的主 要指标。 在设计时，必须注意焊件结构形状、刚度、焊接方法、焊接材料及焊接工艺 条件，考虑钢的可焊性。 材料表面处理：利用直流电作用从电解液中析出金属，并在物件表面沉 积而获得金属覆盖层的方法。金属喷镀是用压缩空气将熔融状态的金属雾化 成微粒，喷射在预先准备好的工件表面上，形成金属覆盖层的一种机械结合 的工艺方法。它能用来喷镀绝大数金属与合金，基本上不受设备零件形状的 限制，喷镀层硬度高，有贮油能力（能贮喷镀层的体积 1015%的润滑油）， 耐磨性高， 可得到从 0.0210 毫米厚的金属覆盖层， 喷镀时零件温度低 （70 80c） ，基体金属的组织结构未变，强度不会降低，但时镀层本身的抗拉，抗 剪切和抗冲击都低（抗压强度高，约为 7585kg/mm2）.因此，只能增加零件 的几何尺寸，而不能增加或恢复强度。镀层与基体金属的结合强度不如电镀 牢固。喷镀层孔隙率大。目前主要应用于下列三方面：1、在碳钢设备上喷镀 耐蚀金属用以防止腐蚀性介质的腐蚀和高温氧化，2、修复由于腐蚀，机械加 工错误或铸造缺陷而要报废的零件，3、用喷镀金属的非金属材料来代替金属 材料制造设备。 本站大多选用 q235 材料进行加工，所采用的热处理方法是金属喷镀。 第 3 章 结论 mps 系统是一套包含了工业自动化系统中不同程度的复杂控制过程的教 学培训装置。mps 具有综合性、模块化及易扩充等特点。它针对学员不同的技 术基础进行培训，具有良好的适用性。 模块化制造系统的优点是：对于新产品而言，由于标准的模块化而带来 的生产系统的简化，并和自动化相结合，将帮助显著缩短生产周期。由于模 块化制造系统的设计是高度自动化的，硬件是模块的，因此能很快地设计和 重构低成本的生产系统。 该实验装置的一大显著特点是：具有较好的柔性，即每站各有一套 plc 控制系统独立控制。将六个模块分开培训可以容纳较多的学员同时学习。在 基本单元模块培训完成以后，又可以将相邻的两站、三站直至六站连在 一起，学习复杂系