（机械设计及理论专业论文）膜片自动分选系统的开发与研制.pdf

! 窒垒堡型三叁兰三兰丝! ：兰竺篁兰 膜片自动分选系统的开发与研制 摘要 由于汽车电子喇叭生产过程中的膜片重量不一，需按照不同重量的膜片 进行分选，目翦对膜片进行分选多采用人工完成，存在许多弊端，主要是由 于人工完成，人的主观情绪占很大比重，频繁重复的工作必将引起疲劳，产 生称重误差等，易分错类；另一方面浪费大量的人力，延误生产的自动化。 因此为了解决这些弊端，本文从总体上设计了一种新型的分选系统：膜片自 动分选系统。 本文主要研究如何利用机械手对膜片进行自动分选的方法，提出了设 计膜片自动分选系统的熬体方案和目标及功能要求；给出了膜片自动分选系 统中机械手的本体设计；驱动执行装置的设计；系统控制部分的设计；可编 程控制器( p l c ) 与电子称之间进行通讯的设计：自动上料斗的设计等。该 系统的核心部分是自动分选系统的控制系统，其控制系统主要是以数据u 录 控制计算机( d r c ) 和三菱f x 2 n 系列可编程控制器( p l c ) 为基础进行集 成控制的，以及p l c 与电子称的通讯部分设计。该自动分选系统将机、电 结合成一体，其自动化操作过程是按预先编排好的逻辑程序顺序完成的，其 分选可靠，失误率小于0 1 ，且分选速度是原来手工分选速度的四倍。该 系统的成功开发对提高工作效率、改善产品质量、减轻工程技术人员的工作 强度都具有很大的意义，并且该系统在控制现场方面，尤其在p l c 控制现 场方面，具有卓越的控制功能和良好的性能价格比。 关键词自动分选；数据记录控制计算机；可编程控制器；集成控制 坠堡堡些：! ：；! ：兰三兰丝生耋丝篓兰： d e v e l o p m e n t o fa u t o m a t i cd i s t i n g u i s h i n gs h e e t m e t a ls y s t e ma n dm a n u f a c t u r e a b s t r a c t a u t o m o b i l ee l e c t r o n i cl o u d s p e a k e rd i a p h r a g mw e i g h to fp r o d u c t i o np r o c e s s d i f f e r s ，s oi tn e e d st ob ec a r r i e do ns o r t i n ga c c o r d i n gt od i f f e r e n td i a p h r a g m so f w e i g h t ，a d o p t i n ga n df i n i s h i n gt ot h ed i a p h r a g ms o r t i n ga r t i f i c i a l l ya tp r e s e n t ， t h e r ea r eal o to fd r a w b a c k s ，b e c a u s es u b j e c t i v em o o do fp e o p l et a k eg r e a t p r o p o r t i o na m o n gi t ，r e p e a t e dw o r kf r e q u e n t l yw i l lc a u s ep e o p l et i r e da n dl e a dt o w e i g he r r o r ，e a s yt od i v i d e db ym i s t a k e ；w h i c ha l s ow a s t eal a r g ea m o u n to f m a n p o w e ro nt h eo t h e rh a n d 、d e l a yt h ep r o d u c e da u t o m a t i o n s oi no r d e rt os o l v e t h e s ed r a w b a c k s ，t h i sp a p e rh a sd e s i g n e dak i n do fn e w t y p es o r t i n gs y s t e mo n t h ew h o l e ：d i a p h r a g ma u t o m a t i cs o r t i n gs y s t e m t os o l v et h ep r o b l e mo fa u t o m a t i cd i s t i n g u i s h i n gt oe l e c t r o n i ch o r n ss h e e t m e t a lm a n u f a c t u r e ，am a n i p u l a t o rc o n t r o ls y s t e mw a sm a d ei nt h i sa r t i c l eo n e i m p o r t a n tp a r ti sh o wt od e s i g nt h ea u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e mi nt h i sa r t i c l et h e w h o l eb l u ep r i n t ，t a r g e ta n di t sf u n c t i o nh a v eb e e nc o n f i r m e d t h i sa r t i c l ei s m a d eu po ft h r e ep a r t so ft h ed e s i g n i ti n c l u d e st h ed e s i g no fm a c h i n e r y , t h e d e s i g no fd r i v e r sa n dt h ec o n t r o ls y s t e m i t sm a i nf u n c t i o n sa n dh a r d s o f t w a r e w e r ei n t r o d u c e dt h i sa u t o m a t i cd i s t i n g u i s h i n gm a n i p u l a t o rs y s t e mi si nt h e c h a r g eo fi n t e g r a t e da p p l i c a t i o no fd r c ( d a t ar e c o r dc o n t r 0 1 ) a n dp l c 、w e u s e df x 2 ns e r i e sm a n u f a c t u r e db ys a n l i n gj a p a n e s e i np r a c t i c e s ，t h es y s t e m i so fg o o dp e c u l i a r i t i e ss u c ha sh i g he f f i c i e n c y , g o o ds t a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t y t h e a u t o m a t i cd i s t i n g u i s h i n gm a n i p u l a t o ri s h i g h p o w e r e d e s p e c i a l l yi n c o n t r o l a s p e c t ，i th a dg o o dp e r f o r m a n c ea n df i n ep r i c er a t e k e y w o r d s a u t o m a t i cd i s t i n g u i s h i n g ；d r c ；p l c ；i n t e g r a t i o nc o n t r 0 1 1 1 竺尘堡些三垒兰三兰堡! ：兰堡丝苎 1 1 课题背景 第1 章绪论 现在世界汽车年产量为4 9 0 0 万辆左右，2 0 0 5 年世界生产汽车数量将达到 5 5 4 0 力辆。按每辆汽车一个喇叭计算，世界汽车喇叭的年生产量至少是5 5 4 0 j 个，凶此汽车行业对于喇叭的需求量是很大的。对于生产喇叭的企业来说， 提高喇叭的生产效率及喇叭的质量是势在必行的。目前生产汽车喇叭的企业众 多，要成为知名汽车公司的供应商，必须提高自己产品的质量，提高生产效 搴。 喇叭的作用是发出声响以警告行人和其它车辆。虽然汽车喇叭不是一个经 常使用的装蔑，但有需要时，却不能如意地鸣响或发出奇怪的响声，轻者令人 恼怒，重者不利于安全“1 。因此喇叭的质量对于一辆汽车来说也是至关重要 的。喇叭用于发声的主要部件是膜片，必须使喇叭发声在指定的频率和声 ( 压) 级范围内。但由于制作膜片的板料，材料分布不均，因此膜片的重量不 同。在冲膜过程中，若采用同一模具冲膜，冲出的膜片将很难满足在指定的频 率和声( 压) 级范围之内。为了解决这一问题，需根据膜片重量的不同进行分 类，对不同重量的膜片，冲膜尺寸不同，但最终达到满足同一频率和声( 压) 级范围内的要求。因此对于膜片重量的分选也是至关重要的。 目前，国内外电子喇叭生产过程中的膜片重量分选工序大多数采用手工的 方式进行分选。特别是国内的电子喇叭生产厂家，不仅效率低、精度低，易造 成误判，而且由于整个分选过程都是通过工人手动操作来完成的，所以存在许 多弊端，主要表现在以下几个方面：( 1 ) 由于人工完成，人的主观情绪占很大 比重，频繁重复的工作必将引起疲劳，产生称量误差等，易分错类；( 2 ) 浪费 大量的人力，延误生产的自动化；( 3 ) 生产成本大大提高，不利于市场竞争。 因此，喇叭生产厂家迫切需要一种既能满足喇叭膜片分选要求，又让它们能够 承受得起的自动分选设备。因此为了尽快消除这些弊端，急于寻求解决的办 法，想到了用机械手来代替人手以解决问题。用机械手来代替人手能够很好地 消除这些弊端，保证其分选可靠，失误率小于0 t o ，并且分选速度是原束手 工分选速度的四倍。这样即节省人力，提高效率，又增长经济效益，实现生产 过程的自动化。 喻尔滨删1 ”人学_ f i 学删l 。学位论文 1 2 国内外分选系统的发展状况 随着科学技术的发展，各行各业生产出的产品只要有需要分选的工作，大 多数都希望实现自动化，这样不但节省人力，而且不受人的主观意识所影响， 分选精确。因此针对于不同目的所开发的分选机应运而生，例如：锂离子电池 自动分选机，电子零件特性自动分选机，对水果的重量、大小、颜色等进行分 选的分选机”“3 i ，而对于膜片的重量分选的系统却很少，因此实现膜片的重量 分选的自动化也是在喇叭生产中迫切需要的。 以色列e s h e te i l o n 公司、美国a u t o l i n e 公司生产的对水果的重量进行 分选的电子称重式分选机，在分选检测技术上已经很成熟，工作效率高，并具 有较高的分选精度。但是浚类型分选机的研制在国内仍处于起步阶段。 闩本研制的对水果的大小进行分选的分选机，采用先进的辊、带进行间隙 分级，在机器工作过程中，水果因直径不同丽通过不同的间隙落到相应级别的 水果槽中。分选精度大于9 5 ，生产率大于1 5 吨每小时。 美国p e n w a i t 公司o e c c o 型分选机是一种新型大小分选机，具有速度快、 性能好、通用性强的特点。它根据体积分选的原理进行工作，综合了大小和重 量分选机最突出的优点。 i t a l y 一0 0 1 一a 型分选机是意大利近年来研制豹物品大小分选机，可将物品 按大小进行无级分选。该机利用带有网眼的分选传送带进行分选。由于网眼的 孔径是无级变化的，可以完成较精确的等级分选。 随着电子技术和计算机图像技术的发展，对物品的大小进行测量判别的分 选机采用了光电传感器或c c d 摄像机，这己成为此类分选机的发展趋势。因为 它们是对物品的大小进行不损伤的非接触性计量，因此适用于任何种类的物 品。对于物品的外观品质进行分选的分选机，最初是采用辨色传感器提取物品 的单一颜色信息，以此判别物品的某项要求。现在，由于p c 计算机和有关图 像处理硬件成本的下降，新崛起的彩色c c d 摄像机己逐渐地取代了辨色传感 器，成为综合分选的分选机。例如：在意大利的水果贮藏加工业生产中，使用 颜色分选机较早，主要是对苹果的颜色进行分选，其原理是按照绿色苹果比红 色苹果的反射光强的道理进行的。工作时，水果在松软的传送带上跳跃移动， 光线可照射到水果的大多部位，这样就避免了水果单面被照射。之后，反射光 传递给电脑，由电脑按照反射率的不同来将水果分开。日本三菱电器公司研制 的水果成熟度分选机，利用传感器综合测出梨的表面颜色、对特定光的透光 略尔滨理工人学工学硕十学位论文 率、形状和大小，并与事先贮存在计算机中的优良梨的数据进行对比，推算出 成熟度和糖份。同时对水果的着色程度和水果的大小来进行分选，是当今世界 生产上最先进的水果采后处理技术，该机型首先在意大利研制成功并应用于生 产。浚类型分选机是将自动化色泽分选和自动化大小分选相结合。美国俄勒冈 卅i 的a l l ee l e c t r o r l i c s 公司生产的分选机，能够对水果、蔬菜、果仁及各种 小食品进行分选。浚机型采用高晰像度的c c d 摄像机，能识别以每分钟5 8 0 英 尺速度，在传送带上移动的产品上仅l m m 大小的变色部分和缺陷部分。该类型 分选机能按产品的色泽或大小进行分选，并能将特定产品分选内容参数编成程 序预先储存在存储器内，是目前较为先进的新型分选机。许多物品单靠外表观 察是无法判定其内部品质的，像水果的含糖量、成熟度以及是否有空洞等。为 此开发了采用x 射线、红外线、紫外线、气敏以及敲打振动式等传感器技术的 内部品质分选机，。常见的西瓜分选机是利用x 射线透视成像原理判别其空洞 情况，也有通过对被分选西瓜敲打后产生的振动波的频谱分析后判定其空洞和 成熟度。而水果的含糖量检测是采用电磁波( 红外线或紫外线) 反射或透射的 频谱分析法，这类技术通常被应用在苹果、桃子、诬瓜的含糖量分选机上。 对于一些产品的分选技术f 在飞速发展，但在膜片重量分选上仍处于起步 阶段，需要不断的努力。 1 3 可编程控制器的功能简介 本分选系统采用p l c 作为整个系统的控制核心，因此在对整个膜片自动 分选系统进行整体介绍之前，对p l c 的历史发展及它的特殊功能通讯功 能的介绍也是极其必要的。 1 3 1p l c 的历史简介 从世界上第一台可编程控制器( p l c ) 诞生的3 0 多年时问罩，可编程控制 器的应用技术就得到了迅猛的发展，获得了极其广泛的应用，为工业生产自动 化程度的提高起到了非常巨大的作用l l 。可编程控制器的应用领域从最初荦一 的逻辑控制发展到包括模拟量控制、数字控制、机器人控制以及多级分布式控 制系统领域中占主导地位的基础自动化设备。p l c 与机器入技术、c a d c 心并 列称为工业生产自动化的三大支柱，成为工业自动化领域中的一项十分重要的 应用技术”】。在我国，近年来p l c 的研制、生产和应用也发展很快，尤其在应 用方面更为突出。应用p l c 技术是当今世界潮流，其必将对生产、科研和社会 哈尔滨理工人学t 学颅1 1 学位论文 生活等诸多领域产生巨大而深远的影响 。 1 初始阶段 1 9 6 9 年，美国数字设备公司( d e c 公司) ，首先研制成功第一台可编程控 制器p d p 一1 4 。接着，美国m o d i c o n 公司也开发出同名的控制器0 8 4 。其特点 是：c p u 由中小规模集成电路组成，存储器为磁茜存储器；功能简单，主要能 完成条件、定时、计数控制；机种单一，没有形成系列；一台p l c 只能取代 2 0 03 0 0 个继电器，可靠性略高于继电接触器系统；没有成型的编程语言。 2 发展与应用期 1 9 7 1 年，日本从美国引进了这项技术，很快研制出了同本第一台可编程控 制器d s c 一8 7 l 。1 9 7 3 年，西欧国家也研制出第一台可编程控制器。我国从 1 9 7 4 年也开始研制，1 9 7 7 年丌始工业应用。其特点是：c p u 采用8 位和1 6 位 微处理器，有些还采用多微处理器结构，存储器采用e p r o m 、e a r o m 、c m o s r a 4 等，使p l c 的功能和处理速度大大增强：具有通信功能和远程i o 能力；增加 了多种特殊功能，如浮点数运算、平方、三角函数、相关数等；自诊断功能及 容错技术发展迅速；p l c 的体积进一步缩小，可靠性大大提高，成本大幅度下 降。 3 广泛应用及迅速发展期 随着计算机技术的飞速发展及超大规模集成电路、门阵列电路的使用，促 使p l c 完全计算机化。功能上具有高速计数、中断、a d 、d a 、p i d 等，已能 满足过程控制的要求，同时加强了联网的能力。软件上使用容错技术，硬件上 使用多c p u 技术：以开发出各种智能化模块；以l c d 位显示的人机智能接口普 遍使用；除手持式编程器外，大量使用了笔记本电脑和功能强大的编程软件。 1 3 2p l c 的通信功能简介 现代工业控制给p l c 提出了许多新的课题，仅仅用通用i o 模块来解决， 在硬件方面费用太高，在软件方面编程相当麻烦，某些控制任务甚至无法用通 用i o 模块来完成。为了增强p l c 的功能，扩大其应用范围，p l c 厂家开发了 品种繁多的特殊用途i o 模块，包括带微处理器的智能i o 模块，其中通信模 块就是其中之一。通信模块是通信网络的窗口。通信模块用来完成与别的 p l c 、其他智能控制设备或主计算机之阅的通信。远程i o 系统也必须配备相 应的通信接口模块。 1 p l c 与计算机的通信 至尘堡矍三垒兰三兰丝! ：兰堡丝兰 小型控制系统中的p l c 除了使用编程软件外，一般不需要与别的设备通 信；p 1 c 的编程器接口一般都是r s4 2 2 或一4 8 5 ，而计算机的串行通信接l j 足 r s2 3 2 c ，编程软件与p l c 交换信息时需要配接专用的带转接电路的编程电缆 或通信适配器，例如为了实现编程软件与三菱f x 系列的可编程控制器之间的 程序传送，需要使用s c 一0 9 编程电缆。 2 p l c 与其他智能设备的通信 大多数p l c 都有一种串行口无协议通信指令，如三菱f x 系列的r s 指令， 它们用于p l c 与上位计算机或其它r s 2 3 2 c 设备的通信。这种通信方式最为灵 活，p l c 与r s 一2 3 2 c 设备之间可以使用用户自定义的通信规约，但是p l c 的编 程工作量较大，对编程人员的要求较高。如果不同厂家的设各使用的通信规约 不同，即使物理接口都是r s 一4 8 5 ，也不能将它们接在同一网络内，在这种情况 f 。台设备要占用p l c 的一个通信接口。 3 p l c 与p l c 之i 可的通信 同一厂家的p l e 之间的通信较为简单，可以使用专用的通信协议，如三菱 的p a r a l l e ll i n k ( 并联链接) 可实现两台f x 系列p l c 之间信息自动交换，不 需要用户编写通信程序，用户只需设置与通信有关的参数，两台计算机之间就 可以自动地传送1 0 0 点辅助继电器或l o 点数据寄存器的数据，高速模式时的 通信时问间隔为2 0 m s 。 4 p l c 与可编程终端之间的通信 现在的可编程终端产品一般都能用于多个厂家的p l c 。与组念软件一样， 可编程终端与p l c 的通信程序也不需要由用户来编写，在为可编程终端的画面 组态时，只需要指定画面中豹元素对应的p l c 编程元件的编号就可以了二者 之间的数掘交换是自动完成的。 5 p l 。c 远程i o 系统 某些系统被控对象的i o 装置分布范围很广，如果采用单台集中控制方 式，将使用很多很长的i o 线，使系统成本增加，施工工作量增大，抗干扰能 力降低，这类系统可以采用远程i o 控制方式。 1 4 课题来源及主要研究内容 本课题来源于哈尔滨工业大学固泰电子有限责任公司，主要目的是为了在 电子喇叭生产过程中，实现膜片重量分选工序的自动化。为了实现这一目的， 需要完成以下几项研究内容； 哈尔滨理工大学t 学硎j ? 学位论文 1 ，在进行充分的课题可行性论证后，以数字记录控制计算机( d r c ) 和叮 编程控制器( p l c ) 为基础，通过利用并改造现有赢角坐标型的机械手作为机 械装置，提出了膜片分选控制系统的软硬件方案： 2 为了实现供料过程的自动化，设训了自动供料装置： 3 控制系统执行元件、伺服单元的选用及驱动控制方式的选择： 4 p i c 与电子称通讯部分的设计，主要是将电子称称量出的结果传输给 p l c 进行数据处理，然后p l c 根据预先编好的程序控制外围设备相应运动； 5 p l c 和d r c 集成控制系统的设计。 哈尔滨型t 人学1 _ 学坝i 。学位论义 2 1 概述 第2 章系统的总体设计 奉课题所设计的膜片自动分选系统是一个典型的机电一体化系统。机电一 体化系统由机械系统( 机构) 、电子信息处理系统( 计算机) 、动力系统( 动力 源) 、传感检测系统( 传感器) 、执行元件系统( 如电机) 等五大子系统组成。 其五种内部功能即主功能、动力功能、检测功能、控制功能、构造功能。该自 动分选系统的总体设计就是依据机电一体化系统的组成原则进行设计的。因 而，该系统的设计也主要由以上五大部分组成。 机电一体化系统的一大特点是由于机电一体化的微电子装置取代了人对机 械的绝大部分的控制功能，并加以延伸和扩大，克服了人体能力的不足和弱 点。另一大特点是提高生产力，其主要特征是自动化操作。本系统也是可编程 控制器( p l c ) 技术的一一个实际应用，它是通过可编程控制器和数据记录控制 计算机( d r c ) 之间的通信进行联合控制，控制自动供料机进行供料，同时可 编程控制器与电子称之间进行通讯，以及自动控制分选机械手的启动、运行和 停机，自动升降吸盘等一系列动作，必要时还可对机器人动作进行监控，当动 作有误或发生故障时即发出警报信号。本系统采用同本三菱f x 2 n 系列的p 【c 编程语言和h 本y a m a h ar o b o td r cs e r i e s 的编程语言进行系统编程。浚自动 分选系统的总体结构图，如图2 一i 所示。 l 向 汐 r|l i l 加卡 竺囱 i ” o 一 孕 供辩4 幽2 - l 总体结构豳 f i g 2 1t h eg l o b a lf r a m e w o l k 一7 一 坠! ：堡些：! 垒耋三兰竺! ；兰丝丝兰 2 2 系统总体设计 本系统的设计主要是山机械、电气、控制三大部分组成。其机械部分主要 是控制行程的x y 轴机械手装置( 严格来讲，这个分选机械手实际上是一个简 单的x y 轴直角坐标系机器人) ，主要由驱动滚珠丝杠进行x y 轴方向运动的 执行装置、气缸( 完成吸盘的升降及搬运膜片等) 等执行机构组成。电气部分 是出直流伺服电动机“8 l 、增量编码器“”、检测传感器、电磁控制阀等缀成。 控制部分主要由可编程控制器( 本装置采用同本三菱公司生产的f x 2 n 一4 8 m r ) 和d r c ( 数据汜录控制计算机) 及d r c 的手持编程器d p b 等组成。该系统主要 由d r c ( 数据记录控制计算机) 和d p b ( o r c 的手持编程器) 、p l c 、自动供料 斗、电子称、i o 接口线路板、增量编码器、各种传感器以及部分外围电路组 成，其系统组成图，如图2 2 所示。 劁2 - 2 系统组成幽 f i g 2 2c o n f i g u r a t i o no f t h es y s t e m 本课题是一个典型的“计算机控制系统”。从系统总体的角度而高，它应 包括硬件和软件两大部分。 2 2 1 系统的硬件组成 计算机控制系统的硬件一般由控制对象、检测环节、计算机、输入输出通 道、外部设备和操作台组成”。 控制对象是指所要控制的机械手。此机械手由两个垂直的手臂组成，可以 进行x - y 坐标系的平面运动；此外，在其中的一个手臂上装载一个连接板，分 选用的吸盘通过卡具与连接板上的汽缸滑轨相连，从而可以进行z 方向上的上 亨萝 一平换离路一一电转隔电一 几 接口卡一 瓜幡匕 害笪一 卜 匡 而嚣型 晴尔滨理丁火学工学硕，l ：学位论文 下运动。此机械手的手臂的机械传动部件采用大螺距滚珠丝杠，手臂在x y 平 面的运动是由伺服电机驱动的。吸盘的j _ = 下移动以及膜片的吸取和放下的驱动 是靠气压来推动的。 检测环节中的控制参数大多数为连续变化的物理参数，如机械转数、加速 度、位移、力、力矩等等；当然还包括机械极限位置一类的丌关量的控制。控 制汁算机在实时控制过程中要知道这些受控参数的变化情况，就需要在系统中 配备相应的检测元件及其变换电路，将受控参数转换成电参数，再输入给计算 机。 计算机是控制系统的核心。本课题采用p l c ，p l c 根据输入通道发送来的 分选机械手的各种运行情况，按照预先根据控制规律设计的控制程序，自动地 进行信息处理、分析和计算，做出相应的控制决策，并通过输出通道向机械手 发出控制命令，是否分选。 过程控制的操作员必须能够与控制计算机进行人机“对话”，以了解生产 过程的状态，以及在发生事故时进行人工干预。所以要设计一个操作控制台， 其主要功能如4 f ： ( 1 ) 操作平台上应有自动供料机，供装载需要分选的膜片。 ( 2 ) 应有个电子称与p l c 进行通讯，将被分选膜片的重量数据传输给 p l c 。 ( 3 ) 应有若干个料筒，装载分选后的膜片。 ( 4 ) 具有功能控制面板，拨动扳键，计算机就能执行标志所标明的动 作。 ( 5 ) 有一个简单的手持编程器，用来送入某些数据或修改控制系统的某 些参数。 ( 6 ) 有报警装置，供紧急情况时报警。 2 2 2 系统的软件组成 硬件只是计算机控制系统的躯体，而软件则是计算机控制系统的大脑和灵 魂，是人的思维与系统硬件之间的桥梁。软件的优劣关系到计算机控制系统正 常运行、硬件功能的发挥以及控制性能的优劣等。软件系统通常分为两大类： 类是系统软件，另一类是应用软件。 系统软件指的是操作系统、程序设计系统等与计算机密切相关的程序。系 统软件一般出计算机生产厂商或各种软件公司提供，带有一定的通用性，用不 喻尔滨理r 人学r 学坝i j 学位| 立 着自己编写。本课题采用同本三菱公司生产的p l c ，因此系统软件是由三菱公 司提供的m e l s e ca p p l a t i o n 系统软件，此软件可以对系统进行实列监控。 应用软件是用户根据要解决的实际问题而编写的各种程序。在计算机控制 系统中，每个控制对象或控制任务都要有相应的控制程序，用这些控制程序来 完成对象的不同要求，这种程序通常称为应用程序。本课题主要根据膜片分选 机械手的各种输入输出状态编写p l c 的梯形图程序，在本论文的第六章中进行 了具体介绍。 2 3 系统功雒 1 检测与控制功能 系统通过各种传感器自动检测吸盘是否吸取了膜片、吸盘的位置、自动供 料机的供料情况以及机械手是否回归起始原点的状况，由p l c 根据所测的各种 位罱信号来控制分选机械手的启动、运行和停桃。系统实时检测供电电源情 况，由p l c 控制在电源严重过压或欠压时停机。 2 显示报警功能 当系统出现下列情况之一时，均同时进行声、光报警；d c 2 4 v 掉电( 各种 传感器的供电电源) ；机械手未回归原点位置时进行启动：吸盘束回归上限位 置时进行启动：自动供料机未提供膜片：系统供电电源严重过压或欠压等。 3 灵活的机械手操作过程 分选机械手的操作过程有两种：自动操作手动操作。将自动手动的切换 玎关打到“手动”状态时，可以按下操作面板上相应的点动丌关实现点动操 作；打到“自动”状态时，则根据相应的控制程序进行自动且连续的分选。自 动供料机可以自动供料、吸盘自动升降、自动按预先编好的控制程序及轨迹行 程程序进行分选，分选完毕后供料机自动供料。 2 4 本章小结 本章介绍了膜片自动分选系统的整体设计方案以及该系统的硬件及软件的 组成，最后介绍了该系统的主要功能。接下来的章节将进一步介绍各主要部件 的设计。 喻尔滨埋7 - 人学1 一学砸卜学位论义 第3 章分选机械手及自动供料斗设计 3 1 分选机械手设计 3 1 1 概述 工业机械手是模仿人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓 取、搬运工件或操作工具的自动机械装置。在工业生产中应用的机械手被称为 “工业机械手”。生产中应用机械手可以保证产品质量、提高生产的自动化水 平和劳动生产率；可以减轻劳动强度，实现安全生产，尤其是在高温、高压、 低温、低压、潮湿、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣环境中，它代替人 进化i f 常的工作，意义更为重大。因此在机械加工、冲压、铸、锻、焊接、热 处理、电镀、喷漆、装配以及轻：业、交通运输业等方面越来越得到广泛的应 _ 目= 。此分选机械手也是工业机械手的一种，主要是为了减轻劳动强度，保证分 选精确。 3 1 2 工业机械手的组成及分类 3 1 2 1 工业机械手的组成 工业机械手的结构，主要由执行机构、驱动机构、控制系统和机座等四部 分组成。 1 执行机构包括以下几部分： ( 1 ) 手爪它是直接抓取( 央紧或放松) 工件( 或工具) 的构件。常用 的有钳爪式、吸盘式和万能式三类。 ( 2 ) 手腕它是连接手爪和手臂的构件，其支持手爪和扩大手臂动作范 围的作用。它可以有上下摆动、左右摇摆和回转三个动作，在特殊情况下，可 以增加一个横向移动动作。也可采用无手腕动作的机械手。 ( 3 ) 手臂 它是支撑手腕、手爪的构件。一般具有前后伸缩、上下升 降、左右摇摆和上下俯仰四个动作。根据需要可选其中一个、二个或三个动 作，以满足在某空间范围抓取零件的需要。 ( 4 ) 立柱它是支撑手臂等构件的装鬣，一般是固定不动的，因工作需 喻尔滨理工大学t 学硕i ：学位论文 要也有作横向移动的，常称可移动立柱。 ( 5 ) 行走机构它是机械手能完成远离操作的装置，出滚轮和导轨或多 r 机构组成。 2 驱动机构 驱动机构是驱动手臂、手腕、手爪等构件的动力装置，通常有气动、液 动、电动等三种形式。 3 控制系统 控制系统是支配机械手按规定程序运动的装置。它必须具备保存或记忆指 令信息( 如动作顺序，达到位置和时间信息) 的功能。能及时测量及处理信 息；对机械手的执行机构发生控制指令，必要时还可发出故障警报等。 4 机座 机座是安装机械手执行机构、驱动机构等的基础部件。 机械手各组成部分相互关系如图3 1 ： 图3 1 机械手各织成部分的相互关系 f i g 3 1i n t e r r d a t i o no f t h em a n i p u l a t o r sc o n f i g u r a t i o n s 3 1 2 2 工业机械手的分类 出于机械手还没有统一的分类标准，通常按使用范围、驱动方式和控制系 统等进行分类。 1 按使用范围分机械手可分为两类： ( 1 ) 专用机械手 它是附属于主机，具有固定( 有时可调) 程序而无独 立控制系统的机械装置。专用机械手具有动作少、工作对象单一、结构简单、 实用可靠和造价低等特点，适用于大批量自动化生产，如自动机床、自动线的 上、下料机械手、自动换刀机械手和装配、焊接机械手等。目前在轻工、电子 ：1 业部门正在得到广泛应用。 ( 2 ) 通用机械手 它是一种具有独立控制系统、程序可变、动作灵活多 样的机械手。通用机械手的工作范围大、定位精度高、通用性强，适用于不断 变换生产品种的中、小批量自动化生产，在柔性自动生产线中得到广泛应用。 喻尔滨理n r 人学r 学坝i j 学位沦义 通用机械手按其定位方式不同可分为简易型和伺服型两种，简易型以“丌一关”式 控制定位，只能是点位控制；伺服型定位控制系统可以是电位控制，也可以实 现连续轨迹控制，一般的伺服型通用机械手属于数控型。 2 按驱动方式分 ( 1 ) 机械传动机械手它是由机械传动机构( 如凸轮、连杆、齿轮、齿 条、问歇机构等) 驱动执行机构运动的机械手。它的主要特点是运动准确可 靠、动作频率高，但结构较大，工作程序不可变。若采用直流电动机作动力， 用高传动比的谐波齿轮减速器( 传动比可达2 5 0 ：1 ) ，则机械手便具有通用性强 和在高速运动时机械特性好的优点。 ( 2 ) 液压传动机械手它是以油液的压力来驱动执行机构运动的机械 手。抓重能力大，结构小巧轻便，传动平稳，动作灵便，可无级调速，进行连 续轨迹控制，定位精度高。但不宜于高温及低温下工作。 ( 3 ) 气动传动机械手它是利用压缩空气的压力来驱动执行机械的机械 手。其主要特点是介质来源方便，气动动作迅速、结构简单，成本低；能在高 温、高速和粉尘大的环境中工作，但由于空气具有可压缩的特性，：亡作速度的 稳定性较差，且困气源压力低，只宜轻载下工作。 ( 4 ) 电力传动机械手它是由特殊设计的感应电动机、直线电动或功率 步进电机直接驱动执行机构运动的机械手。因不需中间转换机构，故结构简 单，其中直线电机机械手的运动速度快、行程长，使用和维护方便。 根据综上所述各种机械手的特点，结合本课题需要实现的功能，以及公司 的实际情况，本分选机械手决定采用气动传动式，手爪采用吸盘式，可进行x 轴及y 轴的连续运动，z 轴可实现点对点运动。 3 1 3 吸盘型抓取机构 吸盘型抓取机构分真空吸盘型和电磁吸盘型两类，它们都适用于一些不宜 或不便使用机械手指抓取的物件。由于膜片是由金属板料冲压得来的，故为了 避免电磁吸盘对膜片产生影响，进而影响电子喇叭的质量，因此这里采用真空 吸盘型手爪。真空吸盘型手爪是利用橡胶或塑料碗压在工件表面，使其造成真 空而把零件吸住，它适用于薄片零件、纸张薄壁、易碎的玻璃器皿等物的抓 取，本课题中的膜片属于薄片零件。真空吸盘型手爪按吸盘内真空形成的方式 可分为挤压排气式、扩散负压式和真空泵式三种形式。 1 挤压排气式吸盘此方式适用于轻小片状工件，由吸盘与工件相接触 哈尔滨理t 人学t 学坝i 等 位论义 后将吸盘内的空气挤压造成负压而吸住工件，吸盘架运动到规定位置叫，碰到 挡块后，将压盏抬起。使吸盘内腔与大气相通，压j 差消失时即放t i j j 工件。其 结构如图3 - 2 ： 图3 2 挤压摊气式吸盘 f i g 3 2t h ec u p u l eo f e x t r u s i o ne x h a u s t 2 ：扩散负压式吸盘工作原理如图3 3 所示，根据流体力学，气体在稳 定流动状态下，单位时间内流经喷嘴的每一个截面的气体质量均相等，利用 “缩放喷嘴”造成负压。扩散负压式吸盘结构简单，效果好，常用于有压气装置 或压缩空气站的车间。 圈3 - 3 扩散负压式喷嘴结构 f i g 3 - 3c o n f i g u r a t i o no f t h ec u p u l e 哈尔滨理工大学工学碗f ：学位论文 3 真空泵式吸盘真空泵式吸盘是采用真空泵将吸盘内的空气抽掉，使 其内压力下降而获得真空。如这种吸盘一到某一位置时，控制阀将吸盘与大气 相通，它就立即把工件放下。真空泵式吸盘的吸力大，吸料可靠，可抓取较前 两种吸盘更大的工件。吸盘式抓取机构，可因 ：件结构形状大小选用单杯或多 杯手爪，如图3 4 所示。除碗形吸盘外，还可用椭圆形或其他形状的吸盛。设 计时压力差取4 8 k p a ，杯内密封面积为1 0 c m 2 , 则其理论提升力为4 8 n 。 酗3 - 4 真空泵式吸盘 f i g 3 j , t h ec u p u l eo f v a c u u mp u m p 本系统要求吸料可靠，吸盘到达某一位罱时要能够立即把工件放下，故根 据以上各种吸盘的特点，综合考虑，我们采用第三种吸盘，即真空泵式吸盘， 出于只需单片吸料并且膜片是圆形的，故采用图3 4 中左图所示的真空泵式吸 盘。 3 2 滚珠丝杠传动部件设计 3 2 1 滚珠丝杠副豹特点 为达到自动分选机械手的设计要求，采用了具有低摩擦阻力等特点的传动 部件滚珠丝杠副，它是一种新型螺旋传动机构。螺旋传动机构又称丝枉螺母机 构，它主要用来将旋转运动变为直线运动或将直线运动变为螺旋运动。它有滑 动摩擦和滚动摩擦之分。滑动丝杠螺母机构结构简单、加工方便、制造成本 低、具有自锁功能。但其摩擦阻力大、传动效率低( 3 0 4 0 ) 。滚珠丝杠螺 母机构虽然结构复杂、制造成本高但其具有摩擦阻力小、传动效率高( 9 2 9 8 ) 、运动平稳、轴向刚度高( 即通过适当预紧可消除丝杠螺母之问的轴向 问隙) ；不易磨损，使用寿命长等优点。因此，滚珠丝杠螺母机构在机电一体 化系统中得到了广泛的应用。 喻尔滨i ! ! l ! t 人学t 学顺i j 学位论义 3 2 2 滚珠丝杠副的选择方法 3 2 2 1 滚珠丝杠副结构的选择 滚珠丝杠副的机构类型可以从螺纹滚道的截面性状、滚珠的循环方式和轴 向间隙的调整方法进行区别。根据防尘条件以及对调隙及预紧的要求，可选择 适当的结构型式。出于该自动分选机械手的工作性能要求，其功能环境应具备 良好的防尘条件，且只需在装配时调整间隙及预紧力，因而可采用结果简单的 双螺母挚片调整预紧式结构。 3 2 。2 2 滚珠丝杠副结构尺寸的选择 选用滚珠丝札副时通常主要选择丝杠的公称直径以和基本导程矗。公称直 径d 。应根据轴向最大载荷按滚珠丝杠副尺寸系列选择。螺纹长度，。在允许的情 况下要尽量短，一般取，。玩小于3 0 为宜：基本导程，。( 或螺距，) 应按承载能 力、传动精度及传动速度选取，“大承载能力大，“小传动精度较高、要求传 动速度快时，可选用大导程滚珠丝杠副。 根据该自动分选机械手系统的性能要求，并按照国家标准化组织 ( i s o d i s 3 4 0 8 - 2 1 9 9 1 ) 中规定，可选取蟊= 4 0 r a m ，基本导程f 。= s m m ，工作 圈数( 或列数) 取3 ，滚珠总数n 一般不超过1 5 0 个，这里取1 2 0 个。 3 2 2 3 滚珠丝杠副轴向间隙调攘与预紧的选撵 滚珠丝杠副在负载时，其滚珠与滚到面接触点处将产生弹性变形。换向 时，其轴向间隙将引起空回，这种空回是非连续的，即影响传动精度，又影响 系统的动态性能。因而，在实践应用中，常采用的调整预紧方法有双螺母螺纹 预紧调整式，双螺母齿差预紧调整式，双螺母热片调整预紧式，弹簧式自动调 整预紧式。单螺母变位导程自预紧式等五种。 埘于该自动分选机械手系统，采用双螺母撼片调整预紧式的方法，其特点 是结构简单、刚度高、预紧可靠，但使用中调整不方便。 3 2 2 4 滚珠丝杠副支撑方式的选择 实践证明，丝杠的轴承组合及轴承座以及其它零件的连接刚性不足，将严 重影响滚珠丝杠副的传动精度和刚度，在设计安装时应认真考虑。为了提高轴 向高度，常用止推轴承为主的轴承组合来支撑丝杠，当轴向载荷较小时，也可 用向心推力轴承来支撑丝杠，常用轴承的组合方式主要有单推一单推式、双推一 双推式、双推简支式、双推自由式四种。 对垓自动分选机械手系统，采用双推双推式，两端装止推轴承及向心轴 承的组合，并施加预紧力，使其刚度最高。该方式适合于高刚度、高速度、高 n 尔滨理t 火学t 学硕卜学位沦义 精度的紧密丝杠传动系统。 3 2 2 5 滚珠丝杠副的选择步骤 1 承载能力选择计算作用于丝杠轴向最大载荷q ，然后根据q 值选择 丝杠副的型号。 q = v 三厶l 圪。( n ) ( 3 - 1 ) 式中上滚珠丝杠寿命系数( 普通机械为5 0 0 0 1 0 0 0 0 、数控机床及其它 机电一体化设备及仪器装置为1 5 0 0 0 、航空机械为1 0 0 0 ) ； 凡载荷系数( 平稳或轻度冲击时为1 0 1 2 ，中等冲击为1 - 2 1 5 ，较大冲击时或震动时为1 5 2 ，5 ) ； 厶硬度系数( h r c 5 8 时为1 0 ，等于5 5 时为1 1 1 ，5 2 5 时为 1 3 5 ，5 0 时为1 5 6 ，4 5 时为2 4 0 ) ： ，i 册。最大的工作载荷( 或平均工作载荷p ) 。 2 压杆稳定性核算： 圪= 协2 ： ( 3 2 ) 式中只实际承受载荷的能力： 正噩杆稳定的支持系数( 双推一双推时为4 ，单推单推时为l ， 双推简支时为2 ，双推自由式时为0 2 5 ) ； e 钢的弹性模量2 1 ： 丝杠小径的截面惯性矩； 茁压杠稳定安全系数，一般取为2 5 4 ，垂直安装时取小值； ，丝杠的工作长度( 或螺母的有效性程) 。 如果只 弓。时，会使丝杠失去稳定易发生翘曲。两端装止推轴承与向心 轴承时，丝杠般不会发生失稳现象。 3 选用的精度等级及型号 对于数控机床、精密机床和精密仪器等用于开环和半闭坏进给系统，根据 定位精度和重复定位定位精度的要求可选用c 、d 、e ( 1 、2 、3 ) 级。根据以 上滚珠丝杠副其它参数的选取，最终确立为“f f z d - 4 0 5 3 c 3 ”表示内循环浮 动反向器直筒组合双螺母挚片预紧、公称直径4 0 m m 、基本导程为5 r a m 、承载 滚珠圈数为3 圈、c 级精度检查l 一3 项、右旋。 哈尔滨理t 大学工学硕_ ：学位论文 3 3 自动供料斗设计 1 自动供料机构的作用 自动供料机的作用是把待加工的工件从料堆中分离出来，并按自动机械的 节拍和工件在加i 中的币确方位，将工件送到指定的工位上，完成待加工工件 的定时、定量、定向的供送。供料机构是自动机械的辅助操作机构之一，但自 动化程度的高低，将直接影响到产品质量的稳定、生产率的高低、劳动条件的 好坏等方面。供料自动化也是实现单机自动化、建立自动生产线和自动化工厂 的基本条件之一。 2 自动供料机构的组成部分 ( 1 ) 定时部分这一部分是解决工件