（机械制造及其自动化专业论文）金箔装叠精细操作机器人自动化系统设计.pdf

碳j 学位论文台箔装叠精细操作机器人白动化系统垃计 摘要 介绍了金箔装叠精细操作机器人自动化系统总体工作原理及p l c 控制系统原理。 整个系统采用模块化的设计方法，具有调试方便，互换性好的优点。建立了系统的整 体布局，设定各模块的功能，进行了运动分析，并给出了各模块机构的设计方案。 提出p l c 控制系统的主要结构和系统所完成的功能，并确定了系统的硬件和软 件设计方案。系统具有很强的适应性，可方便完成自动、手动控制及两者之阳j 的切换， 整个系统程序采用结构化的设计方法，具有调试方便，维护简单，移植性好的优点。 应用p l c 实现金箔加工的自动化，可以提高生产效率和控制精度，增加系统可靠 性和柔性，降低成本，减轻劳动强度，具有很强的实用性和推广性。 关键词：金箔装叠精细操作机构p l c 控制系统 颤 。学位论殳 金耩裟叠精细操作机糍人自动化表镜垃计 a b s t r a c t t h e p a p e r i n t r o d u c e st h e w o r k i n gp r i n c i p l e o ft h ew h o l e s y s t e m o f g o l d f o i l m a n i p u l a t i n ga u t o m a t o na n dp l c c o n t r o ls y s t e m ，t h ew h o l es y s t e ma d o p t sm o d u l a r i z i n g d e s i g nm e t h o d i ti se a s yt od e b u ga n di n t e r c h a n g e l a y o u to fs y s t e ms t r u c t u r ei s s e tu p ， t h ef u n c t i o no fe a c hm o d u l ei s d e s i g n e d ，a n dt h em o v e m e n ti sa n a l y z e d t h i sp a p e r p r e s e n t sm e c h a n i c a ld e s i g np r o j e c t so f e a c hm o d u l e t h es t r u c t u r eo fs y s t e ma n dt h ef u n c t i o no fs y s t e ma r eg i v e no u t t h es c h e m eo ft h e h a r d w a r ea n ds o f t w a r e d e s i g n s o fp l cc o n t r o l s y s t e m i sd i s c u s s e d t h e s y s t e mc a n a c h i e v ea u t o - c o n t r o la n dm a n u a l - c o n t r o l ，a n db es w i t c h e d f l e x i b l y b e t w e e nt h et w o m e t h o d s m o d u l a r i z a t i o ni st h ef u n d a m e n t a la s p e c to f p r o g r a m m i n gd e s i g n s a d v a n t a g e s o ft h i sm e t h o di n c l u d ec o n v e n i e n c ef o r d e b u g g i n g ，s i m p l i c i t y f o rm a i n t e n a n c ea n d t r a n s p l a n t a t i o n a u t o m a t i o no fp r o c e s so f g o l df o i lw i t hp l c ，i m p r o v e sp r o d u c t i o ne f f i c i e n c y , a c c u r a c y c o n t r o l ，s y s t e m a t i cd e p e n d a b i l i t ya n d f l e x i b i l i t y , a l s o r e d u c e st h ec o s ta n dl a b o u r i n t e n s i t y nh a sp r a c t i c a la n ds p r e a dv a l u e k e yw o r d s ：g o l df o i lp i l eu pm a n i p u l a t i o nm e c h a n i c a lp l c c o n t r o ls y s t e m i t y57 1897 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名：盔垒 年d 7 月f 日 | 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名： 圭羔。哆年咖日 坝 学位论殳 佥螭皴叠精 j l i 授作机器久自动化系统设计 i 绪论 1 - 1 工业生产自动化 2 0 世纪年代以来，以微型计算枫为代表的微电子技术获得了飞速的发展，数字技 术和网络技术的广泛应用，不仅深深地影响着人们的日常生活，而且对许多工业生产领域 的技术进步发挥着愈来愈大的推动作用，尤其是对工业生产自动化技术的推广和提高，产 生了巨大的影响。可以说微型计算机和网络技术的发展，正在迅速地提高工业生产的自动 化程度。 工业自动化( 又称工厂自动化，简称f a f a c t o r ya o t o m a t i o n ) ，对于许多企业来 说，已不仅仅是一个单纯提高劳动生产率的问题，发达国家的企业家把它作为决定企业未 来前途的长远战略来考虑。自动化作为一项企业生产和经营管理模式是科学技术与生产力 发展到一定阶段的产物。在竞争空前激烈的市场经济中，自动化对于一个具有一定规模的 企业来说是生死攸关的“1 。 实现工业生产自动化，不仅能提高产品的数量和质量，减少原材料和能量的消耗，降 低生产成本，而且可以改善劳动条件，保证生产安全，增强企业的竞争力和市场适应性， 取得良好的经济效益和社会效益。 自动化技术作为2 0 世纪现代工业领域中最重要的技术之一，主要解决的是生产效率 和致性的问题。无论是追求高速、连续和大批量的大型企业，还是追求灵活、柔性和定 制化的中型企业，都依赖自动化技术的应用。当今世界已经从产品经济过渡到服务经济， 过渡到一个需要客户体验的时代。大规模定制，也就是快速大批量制造符合个性需求的产 品已经成为世界级的发展趋势，这就需要生产企业具有很高的自动化水平来解决效率和柔 性的矛盾。美国著名的麦道制造和工程公司总裁克莱希说：“现代企业面临两种选择：要 么自动化，要么破产。” 工业生产自动化系统是由众多自动装置组成的各种不同系统。按照工业生产过程的行 业特点和对各种参数韵不同控制要求，工业自动化系统一般包括下列内容：程序控制系统： 自动检测系统；自动控制系统；自动信号( 报警) 和保护系统；工业低压电系统。 1 - 2 工业机器人 工业机器人是整个制造系统自动化的关键环节之一，也是当前机电结合的高技术产 物。所谓“机器人”就是一种自动装置，它能完成通常由人才能完成的工作。第一代遥控 机械手诞生于1 9 4 8 年美国的阿贡实验室，当时用来对放射性材料进行远距离操作。第 台工业机器人诞生于1 9 5 6 年，是英格尔博格将数字控制技术与机械臂相结合的产物。机 器人发展到2 1 世纪已不局限于机器人本身，而是机器人技术与相关领域的融合与快速发 展，形成了包括机构学、控制学、传感器、视觉、遥控技术及智能技术在内的机器人学“j ；。 坝j j 学位论义 金箔装叠精细操作机器人自动化系统啦计 机器人已渗透到工业、建筑、水下勘探、医院、服务行业及家庭中，在工业领域内应用的 机器人我们称工业机器人。美国机器人协会将机器人定义为“机器人是种能自动控制、 可重复编程、多功能多自由度的操作机，用于搬运材料、工件、工具的专用装置”。 工业机器人的主要任务就是精确和可重复地将末端执行器从一个方位移到另一个方 位，与传统机械系统的控制大致相同。但机器人的负载、惯量、中心都随时间发生变化， 不仅要考虑运动学关系还要考虑动力学因素，且它是一个多变耦合的控制系统，这样机器 人的控制系统有其特殊性和复杂性。 工业机器人是机电一体化的高技术产物，随着材料技术、精密机械技术、传感器技术、 微电子及计算机技术、人工智能技术的迅猛发展，机器人技术的发展趋势呈现如下特征。“： ( 1 )提高工作速度和运动精度，减少自身重量和占地面积 ( 2 )加快机器人部件的标准化和模块化，将各种功能( 回转、伸缩、俯仰、摆动 等) 机械模块、检测模块组合成机构和用途不同的机器人 ( 3 )采用新型结构，如微动结构、多关节手臂、类人手指、新型行走机构等，以适 应各种作业需要 ( 4 ) 研制各种传感检测装置，如视觉、触觉、听觉和测距传感器等，来获取有关工 作对象和外部环境的信息，使其具有模式识别的能力 ( 5 )利用人工智能的推理和决策技术，使机器人具有问题求解、动作规划等功能。 2 l 世纪随着虚拟现实技术、人工神经网络技术、遗传算法、仿生技术、多传感器集成 技术及纳米技术的崛起，现代机器人技术将发展到一个更高的水平。 1 3 p l c 系统控制 可编程控制器( p l c ) 是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通 信技术而发展起来的一种通用的工业自动化控制装置。具有体积小、功能强、程序设计简 单、易学易用、通用灵活、维护方便等一系列的优点，特别是它的高可靠性和较强的适应 恶劣工业环境的能力，使其广泛应用于许多工业领域“1 。 p l c 是采用微电子技术来完成顺序控制功能的自动化设备，可以在现场的输入信号作 用下，按照预先输入的程序，控制现场的执行机构按照一定规律进行动作，达到自动化控 制的目的。它是一种运算操作的电子系统，采用一类可编程序的存贮器，用于其内部存贮 程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术操作等面向用户的指令，并通过数字 式或模拟式输入输出控制各种类型的机械或生产过程。 它既可以离线编辑，也可以在线编辑，程序既可以从电脑下传到p l c ，也可以由p l c 上传到电脑，并且通过p l c 还可以方便清楚的观测输入输出信号所以它不仅可以取代传统 的继电器控制系统，还可以构成复杂的工业过程控制网络，是一种适应现代工业发展的新 型控制器瞄。 目前，可编程序控制器、计算机辅助设计，计算机辅助制造( c a d c a m ) 、机器人( r o b o t ) 颂j 一学位论义 盒 i 与装叠精细探忭帆器人自动化系统毗h 。 和数控( n c ) 技术已发展成为工业自动化的四大支柱技术。 可编程控制器之所以得到迅速的发展和越来越广泛的应用，是因为它主要具有如下一 些独特的良好特点： ( 1 )功能完善p l c 的输入输出系统功能完善，性能可靠，能够适应于各种形式 和性质的开关量和模拟量信号的输入和输出。 ( 2 ) 模块化结构，硬件、软件开发方便p l c 的硬件结构全部采用模块化结构，可 以适应大小规模不同、功能复杂程度及现场环境各异的各种控制要求。软件编 程支持梯形图逻辑语言直观、方便，只要有了通常的继电器梯形图、逻辑图或 逻辑方程，就等于有了p l c 系统用户程序，大大减轻了系统软件开发的工作量。 ( 3 )操作方便，维护、改造容易p l c 的输入输出系统能够直观地反映现场信号 的变化状态，p l c 还能够通过各种方式直观地反映控制系统的运行状态，非常 有利于运行、维护人员监视系统的工作状态，p l c 采用梯形图逻辑编程，有利于 电气操作人员对p l c 的编程，使得操作人员可以方便地调整系统的编程和组态。 ( 4 ) 性能稳定，可靠性高p l c 产品都有其严格的技术标准，这些标准保证了p l c 在恶劣的工业环境下的正常运行。一般平均无故障时间可达几万小时以上。 1 4 金箔及其成型模具鸟金纸n ” 说起金箔，就不得不提南京，因为全世界的金箔产品几乎都出于南京。南京市的龙潭 县，正是遐迩闻名的“龙风金箔”的家乡，也即是南京金线金箔总厂的所在地。距龙潭不 远，有一华神庙，该处还保留着一个金箔祠堂的遗址，供奉的是被金箔艺人尊为祖师爷的 葛仙翁。据考证葛仙翁，即葛洪，西晋句容县人，是一个很出名的炼丹家，说明金箔工艺 使于炼丹术。 金箔从其诞生之日起就带有浓厚的宗教色彩，直到今天，人们对它仍有一种莫名的神 秘感。金箔的神秘感可以说来自三个方面。一是其原料是纯金，昂贵的价格和黄金的保值 功能使得金箔的产量极少；二是金箔大量的被庄严肃穆的建筑使用，如中国的天安门、故 宫、泰国的皇宫等地都大量使用了南京金线金箔总厂生产的“龙风金箔”：三是金箔的生 产工艺1 7 0 0 年来都极少外传。其中有些甚至是秘不示人的绝技。绝大多数人都无法想象 黄金是如何变成薄如蝉翼的金箔的。这些神秘之处都使得金箔制品广受欢迎，成为中国民 族文化中不可或缺的重要角色。 从黄金转变成金箔的复杂过程中，起关键作用的加工材料是一种纸乌金纸，又名 并生纸。这种纸不是普通的纸，可以说这种纸比黄金还要神秘，它是加工制作金箔的重要 材料。乌金纸被誉为中华一宝金箔的专用手工工艺纸，是浙江的传统产品。绍兴记： 晋魏良宰在本省石门地方首创，明宋庆星天工开物：“凡色至于金，为人间华美贵重故 人工成箔而后旋之。凡造金箔，既成薄片后，包入乌金纸内”、“凡乌金纸由苏杭造成， 盖人巧造成异物也。” 硕i j 。学位论支 金辩装叠精细撩作桃器人自动化系统设计 在黄金被反复锤打制成金箔的过程中，必须用乌金纸隔在每一块金子中删，既有隔离 锤打时产生的热度的作用，也相当于金箔的模具，而金箔的质量也当然在很大程度上取决 j 二这种纸的质量。乌金纸的制作过程也极其复杂和讲究，1 7 0 0 年来一直保持不变首先取浙 江山区的一种稀有竹叶，将其埋于泥中长达两年使其沤滥，然后用石锤捣烂成为纸浆，制 成纸张，再用豆油灯熏烤唐代瓦片，待唐瓦上形成黑炭霜刮下，再与一种树制成的植物胶 混合后涂在竹叶纸上。如此繁琐复杂的工序而制成的乌金纸表面光滑无比，炭微粒排列细 密，用其所制成的金箔薄如蝉翼，厚薄均匀，能最大限度的发挥黄金的延展性。 现在，中国的金箔除了在传统装饰领域大量采用外，也在向更加广阔的市场拓展。在 著名的生产“龙风金箔”的南京金线金箔总厂，有大量来自世界各地的有关金箔产品的资 料显示：誊满世界的法国d o m 酒中就含有金箔；日本更是开发出大量将金箔作为添加剂的 洒、糕点、饮料、化妆品等，无不精致典雅；更有一种被打碎成极小片的食用金箔，点缀 于佳肴美酒，一派尊贵华丽，令人恍如置身仙境。1 9 9 3 年1 0 月，国际卫生组织己正式将 黄金列入食品添加剂范畴，随后短短几年间，金箔产品就层出不穷，渐有风靡世界之势。 同时，随着科学技术的发展，金箔优良的导电、传热性能和耐高温、抗腐蚀等特性， 在通讯卫星的抛物面线网上，有助于使天线保持恒温，纯金包的尼龙则用于宇宙飞船的推 进器、高能宇宙辐射的保护屏等高新领域越来越多。 1 5 课题背景和论文主要研究内容 传统的金箔加工工艺劳动密集度高，效率低下。其裁剪、切箔、取放及装叠等工位完 全依靠人工来实现，且无法实现连续性生产，工作效率极低。 同时，由于科学技术的不断进步，自动化制造的水平也愈来愈高。随着大规模集成电 路的发展，使得以微处理器为核心组成的可编程控制器得到迅速发展，并广泛应用于各种 领域中，以满足现代化大生产中的自动化要求，在生产过程的主要环节包括加工、物料传 输、监测与控制、刀具、装配等采用的自动化技术，可以有效改善劳动条件，显著提高劳 动生产率，大幅度提高产品的质量，并能缩短生产周期，显著降低肯q 造成本，从而提高企 业的市场竞争能力。 正是基于这种手工作坊式的金箔生产工艺、工业自动化技术迅猛发展以及客户化时代 到来的背景下，南京金线金箔总厂的高层领导决定委托本研究室开发自动化生产线，以高 效、稳定的自动化生产线取代传统的手工作坊式的金箔装叠加工工艺，这样就最终形成基 于p l c 控制的金箔装叠精细操作机器人研究开发项目。 基于南京金线金箔总厂现有设备、金箔的特殊生产工艺及可编程控制器的良好优点和 广泛应用的前提下，本论文的主要研究内容可概括分为： ( 1 ) 自动化生产线工位顺序及设备位置的系统优化设计 ( 2 ) 关键工位生产工艺及机构组合方案的设计及论证测试 ( 3 ) p l c 控制方案的设计及测试 坝 学位论义金嫡数叠精细操作机器人自动化系统设汁 ( 4 )气动系统设计及元器件的选型 5 做i + 学位论文 会蒲装叠精缃撵作材l 器人自动化系统l 韭计 2 项目概述及工艺要求 2 1 项目概述 “龙风会箔”驰名中外，而南京金线金箔总厂制造该世界知名品牌的生产模式及装备 却与其产品的知名度极其不相称，至今依然保持着手工作坊，金箔民间艺人的生产模式。 随着经济全球化的到来，企业必须与世界接轨，同时要保持企业产品的竞争力，必须进行 改革。应用现代化的自动生产线及现代化的管理思想取代效率低、成本高、质量差的传统 生产模式，以增强企业的实力及国际竞争力。 南京金线金箔总厂整条成品加工线的人员配嚣为：裁剪工位：2 人：切箔工位： 6 人；装箔工位：1 0 人；产品包装工位：2 人。整个公司的生产效率为每天( 8 小时) 可 装叠4 0 包金箔，即人均效率为2 包天。从其人员配置上分析，该产品线的主要瓶颈是切 箔和装箔工位。 鉴于南京金线金箔总厂以上实际情况，本项目的目的是设计一套高效、稳定的自动化 生产线，以彻底改变现有的效率低、手工作坊式的生产现状，实现金箔切割与装叠工位的 自动化，建立现代化的金箔自动生产线，从而提高生产效率和经济效益，增强企业的市场 竞争力。 2 2 项目条件及要求 2 2 1 项目条件 ( 1 ) 系统输入为成卷筒状金箔，厚约1 0 微米，宽7 8 厘米，长2 0 米，并已去过油 烘干 ( 2 ) 装叠的金箔尺寸为l l c m 2 ，重约0 0 2 克 ( 3 ) 乌金纸尺寸通常为1 1 l l c m 2 ，但亦有1 3 1 3 c 莳、1 5 x1 5 c m ! 等 ( 4 ) 金箔可受的拉力为4 。5n 2 2 2 项目要求 ( 1 ) ( 2 ) ( 3 ) ( 4 ) 裁减后的金箔宽度尺寸为l c m 切箔工位后的金箔尺寸为l c m xl c m 切箔是工作台上必须铺有猫皮，以防损坏金箔 金箔、乌金纸依次装叠1 9 2 0 张成一包。装叠位置误差在乌金纸中心l 2 毫米 内 6 一 坝十学位论史台箔装叠精细操作机器人自动化系统设计 3 项目工艺流程总体设计 3 1 系统流程框图 金箔装叠精细操作机器人分为裁剪、切箔、装箔三个工位，其总框图如图3 1 所示。 图3 1 系统流程框幽 系统的输入是宽6 厘米的卷筒状金箔，厚约1 0 微米，长g o 米，并已去过油烘干；首 先由裁剪机进行裁剪，共裁成6 条宽为l 厘米的金箔长条。同时用卷取机构分别卷在6 个 卷筒上，裁剪工位独立于其他工位。然后在切箔工位由切箔刀具把宽为1 厘米的金箔长条 切成l 厘米见方的金箔片。最后由气动单元分别依次取放金箔片与乌金纸，装叠成包。整 个系统的动作均由控制单元来控制，此系统的控制单元用p l c 通过编程来实现m 3 。 塑! 兰竺堡兰 垒翌鲨壁塑竺堡堡坐苎垒望兰些墨竺堡生 3 z 系统总图 工艺系统总图如图3 2 所示。 p l cj l 过滤减压阀2 电磁阀组3 真空发生器4 吸盘缸5 回转缸6 滑台缸7 气动附件 8 可编程控制器( p l c )9 步进电机及其驱动模块1 0 工作平台：分有切箔平台，鸟金纸【作台和装 箔工作台1 1 传感器1 2 切箔刀具1 3 直流电机1 4 滚轮1 5 卷筒 图3 2 系统总图 具体工位操作说明如下。州： ( 1 ) 裁剪工位；系统输入宽6 厘米的卷筒状金箔( 图2 卷筒1 ) ，首先由裁剪机 进行裁剪，共裁成6 条宽为1 厘米的金箔长条。同时用卷取机构分别卷在6 个 卷筒( 圈2 卷筒2 ) 上。裁剪工位独立于其他工位。 ( 2 )切箔工位： 输入为卷筒2 ，由切箔刀具把宽为l 厘米的金箔长条切成1 厘米 见方的金箔片。切箔工作平台上铺有猫皮，以便于切箔刀具切下金箔片，而不 致损伤金箔。 ( 3 ) 装箔工位：由气动单元分别取放金箔片与乌金纸，装叠成包。为了提高整个 系统的工作效率，在切箔工作台的两侧各有一个气动装箔工位，使装叠速度提 高一倍，解决了装叠速度慢的瓶颈，且结构简单，稳定性高。 ( 4 ) p l c 控制单元：分别对裁剪工位、切箔工位和气动装箔工位进行行程控制， 以保证系统有序、稳定运行。 i | ；! = 卜学位论支 金捎装叠精细操作机器人自动化系统设“ 4 项目工艺流程各工位的具体设计及元器件的确定 4 1 裁剪工位设计 4 1 1 初始设计方案 裁剪机的刀具及结构如图4 1 所示” 五组咄明 宽 图4 1 裁剪工位设计图 工作原理：5 组圆盘刀分别固定在上、下两根轴上，由电机驱动进行相互剪切运动。 每组刀具端面配合紧密，以此保证裁出符合要求的金箔长条。裁剪机将系统输入的宽6 厘 米的卷筒状金箔裁成6 条宽为1 厘米的金箔长条。同时利用卷取机构，再分别将其卷在6 个卷筒上。为避免干涉发生，6 个卷筒应分成上下两排交错放置，每排各3 个，由电机驱 动进行卷取动作n ，。 4 1 2 改进设计方案 虽然5 组圆盘刀就可以把整条金箔裁成6 条，但是这对初始时金箔在裁剪机上的定位 要求很高。如果金箔条位置有点偏的话，那么所裁出的6 条金箔中只有中间的4 条宽度为 l c m ，两侧的金箔会因为位置不对而各自宽度长短不一。经过与技术人员的讨论与研究， 这个问题不仅被妥善解决，且在很大程度上提高了生产效率。因为，系统输入6 c m 宽 的金箔条原本是经过工厂多次压箔并修边而生产出来的。现在改进设计方案可以把修边工 序省去，而只需在裁剪机上多安装两套刀具，如图4 2 所示。这样，系统输入的卷筒状金 箔宽度在7 - 8 c m ，经过裁剪后，7 组圆盘刀之间的6 条金箔的宽度严格为l c m ，圆盘刀组两 侧的多余金箔回收再利用。也就是说，金箔的修边与裁剪同时完成了，这样既提高了效率， 又降低了工作难度。 9 且限皿0 一 门# 牡一 驻 一 一 一 一 一 骓叫j斗叫上 硕士学位论殳 盒精袈叠精细操作机器人自动化系统硅计 七组圜盘刀 图4 2 改进的圆盘刀组 无论在手工剪裁或机器剪裁中，一般上刀均为主动件，下刀为固定件。 根据相对运动的概念，在圆盘裁剪机中，动力仅传至上刀，下刀的相对回转运动凭借 剪切时摩擦力的作用产生。该传动结构使结构大为简化。 因考虑到设计经费及周期等因素，经和南京金线金箔总厂的技术人员研究、分析决定： 不另行详细设计精密裁剪机，只需在工厂现有设备( 卷纸机或修边机均可) 的基础上进行 技术方面的改进。 4 1 3 控制系统设计方案 裁箔工位工作过程：大卷筒上7 - 8 a m 宽的金箔，通过滚轮，经七组圆盘刀作用下，裁 剪成六条l c m 宽金箔条，卷取装置由六个小卷简组成。由两台直流电机完成控制任务。如 图4 3 ，图4 4 所示“： l234 1 大卷筒2 光电传感器3 滚轮4 五组圆盘刀5 两组小卷筒 图4 3 裁箔工位图 、*叫j 坝学位论史 金箔装叠精细操作帆器人自动化系统设计 光电开关1滚轮圆盘刀绢小卷筒 图4 4 裁箔，1 ：位图 1 、3 和4 通过直流电机l 来控制，5 由直流电机2 来控制。 直流电机具有良好的控制性能，较大的启动转矩，还具有相对功率大和响应速度快的 优点。尽管相对交流电机而言，直流电机结构复杂，价格较高，但仍然是目前机电控制系 统中应用最广泛的一类电动机。裁箔工位控制原理图如图4 5 所示。 图4 5 裁箔工位控制原理图 五组圆盘刀分别固定在上、下两根轴上，每组刀端面配合紧密，以保证裁出符合 要求的金箔长条，如图2 5 所示。卷取机构为避免干涉发生，六个卷筒应分成上下两 排交错放置，每排各三个，由一个直流电机驱动完成卷取动作m “。 4 2 切箔工位设计 4 2 1 设计方案 椰 i + 学位论殳金箔裟叠耩蜘 操忭机器人白动化系统设计 切箔工位设计图如图46 所示。由卷筒和滚轮同时按各自速率间歇转动，将宽 厘米 的金箔条按1 厘米长一段一段地送至切箔工作平台。再由控制单元控制切箔刀具切下盒箔 片，随即由装有吸头的气动单元迅速取走，送至装箔工位进行装叠“。 刊 1)i 4 2 2 设计要点 ( 1 ) 切箔工作平台上铺有猫皮，以便于切箔刀具切下金箔片，而不致损伤会箔。 ( 2 ) 由于金箔条输送速度恒定，所以卷筒外径设计的比较大，以防卷筒前后转动速率 变化大 ( 3 ) 为防止金箔条拉断，拉箔滚轮并不拉动金箔条带动卷筒转动，而是与卷筒同时按 各自速率间歇转动( 转动速率由控割单元控制) ，使金箔条受拉伸力尽可能小。因 此如图，拉箔滚轮与卷简间的金箔条并未绷直 ( 4 ) 切箔刀具分为冲刀和刀口两部分。为使得切箔刀具具有一定强度，并防止切箔刀 具与金箔粘连，切箔刀具形状如图4 7 所示，同时一定程度上还可以避免切箔刀 具与吸头的干涉 图4 7 切箔刀具幽 ( 5 ) 若切箔刀具与吸头有干涉，控制切箔刀具与吸头间歇交替运动来解决 ( 6 ) 由于装叠位置误差范围约为1 2 毫米，切下的金箔片位置误差应在允许范围内。 若超出范围，可先由吸头吸住金箔，再由切箔刀具将其切下，以避免位置误差m ， 坝 ：学位论义 金箍装叠精刿授f l 机嚣人自动化系统设h 4 2 3 切箔工位的结构组成 切箔工位主要由以下机构组成：切箔刀架、切箔工作平台、切箔气缸。 切箔刀架是一个倒u 形支架，负责固定切箔气缸，将其垂直地固定在切箔工作平台 上方，实现切箔刀具的垂直切箔。切箔支架可通过螺钉与切箔工作平台联接也可 以与切箔工作平台固联“。 由于切箔所需的力很小，但刀具与刀口的配合精度要求较高，故采用精度很高的滑台 气缸，气缸本身尺寸要求不高。故选用日本c k d 产的s t s m 一8 1 0 一t o v r e 。其结构如图 4 8 所示- ： 图4 8 滑台缸外形图 s t s m 一8 1 0 一t o v r e 具体规格：气缸类型：短行程滑台缸；轴承方式：滑动轴承( 金 属轴承) ：缸径( m m ) ：由8 ；标准行程( 咖) ：l o ；开关型号：t o v ，有触点，2 线；开关数： 杆端侧带1 个。 4 2 4 切箔气缸、刀具、刀架效果图 切箔气缸、刀具、刀架结构图用p r o ew i l d f i r e 绘制而成，所有物件都按实际相对比 例绘制。其效果如图4 9 所示： 颀t 学位论史盎箔装叠精细操作机器几自动化系统i 5 汁 图4 9 切箔气缸、刀具、刀架效果图 4 2 5 拉箔滚轮组设计 拉箔滚轮组负责将卷筒送出的金箔条精确定位，并平稳地按一定的时间间隔和一定的 金箔条长度不断地将金箔送至切箔工作平台进行切箔。 4 2 5 1 设计方案 为了使拉箔滚轮能够精确地将金箔条按l c m 、1 c m 的送至切箔工作平台，既简单又具 有高可靠性的方法就是采用基于p l c 控制的步进电机来驱动拉箔滚轮。 由p l c 发出脉冲串信号，经过驱动电源分配和功率放大后，驱动步进电机运行，从而 带动拉箔滚轮精确地卷取金箔条。p l c 可以轻松的实现拉箔滚轮的间歇运动，以及列送至 切箔工作平台的金箔条长度的控制1 。 为了提高步进电机卷取金箔条的精度，可采用带有细分功能的驱动电源来驱动步 进电机。 拉箔滚轮组由上下两个拉箔滚轮和两个互相啮合的齿轮组成。两个齿轮分别与两个拉 箔滚轮同轴，由键联接。步进电机直接驱动下拉箔滚轮，而上拉箔滚轮通过齿轮啮合间接 带动3 。 拉箔滚轮组结构如图4 1 0 所示： 硕l 一学位论文 釜箔姨叠精继操作机器人自动化系统设计 4 2 5 2 步进电机的选型 41 0 拉箔滚轮组效果图 步进电动机是一种将电脉冲信号转换成直线或角位移的执行元件。对这种电动机施加 个电脉冲后，其转轴就转过一个角度，称为一步。脉冲数增加，直线或角位移随之增加； 脉冲频率高，则电动机旋转速度高，反之就慢；分配脉冲的相序改变后，电动机便逆转。 这种电动机的运行状态与通常均匀旋转的电动机有一定的差别，是步进形式的运动，故称 为步进电动机。从电动机绕组所加的电源形式来看，与一般的交直电动机也有区别，既不 是正弦波，也不是恒定电压，而是脉冲电压，所以有时也称为脉冲电动机。 步进电动机是受其输入信号，即一系列的电脉冲控制而动作的。脉冲发生器所产生的 电脉冲信号通过环型分配器按一定的顺序加到电动机的各相绕组上。为使电动机能够输 出足够的功率，经环型分配器产生的脉冲还需进行功率放大。环型分配器、功率放大器以 及其它控制线路组合称为步进电动机的驱动电源，它对步进电动机来说是不可分割的一部 分。步进电动机、驱动电源和控制器构成步进电动机传动控制系统，如图4 1 1 所示。 驱动电源 厂一一一一一、 l 一一一j 图4 1 1 步进电机传动控制系统框图 步进电动机具有独特的优点： ( 1 ) 控制特性好 ( 2 ) 误差不长期积累 硕i + 学位论义 台箔装叠精细撵作牡l 器人自动化系统设计 ( 3 )步距值不受各种干扰因素的影响 步进电动机的转子运动的速度主要取决于脉冲信号的频率，总位移量取决于总的脉冲 信号数；故它作为伺服电动机应用于控制系统时，往往可以使系统简化，工作可靠，而且 可获得较高的控制精度，在多数情况下，可以代替交直流伺服电动机。近年来，随着微电 子技术、电力电子技术和计算机技术的发展，数控系统的应用，促进了步进电动机的发展， 使步进电动机在机械、电子、纺织、轻工、石油、邮电、文教和卫生等行业，特别是在数 控机床上都获得越来越广泛的应用【l 。 步距角表示控制系统每发一个步进脉冲信号，电机所转动的角度。电机出一时给出了 个步距角的值，如普惠的b d 3 6 型电机给出的值为0 。9 。1 8 。( 表示半步工作时为 0 9 。、整步工作时为1 8 。) ，这个步距角可以称之为电机固有步距角，它不一定是电机 实际工作时的真正步距角，真正的步距角和驱动器有关，参见下表( 还以b d 3 6 型电机为 例) ： 电机固有步距角所用驱动器类型及工作状态电机运行时的真正步距角 0 9 。1 8 。驱动器工作在半步状态 o g 。 09 。1 8 。细分驱动器工作在5 细分状态 0 3 6 o 0 9 。1 8 。 细分驱动器j 二作在1 0 细分状态 o1 8 6 0 ，9 。1 8 。 细分驱动器工作在2 0 细分状态 d 0 9 。 0 9 。1 8 。细分驱动器工作在4 0 细分状态0 0 4 5 。 细分功能完全是由驱动器靠精确控制电机的相电流所产生的，与电机无关。 驱动器细分后的主要优点为1 1 9 1 ： ( 1 ) 完全消除了电机的低频振荡。低频振荡是步进电机( 尤其是反应式电机) 的固有 特性，而细分是消除它的唯一途径 ( 2 ) 提高了电机的输出转矩。尤其是对三相反应式电机，其力矩比不细分时提高约 3 0 - 4 0 ( 3 ) 提高了电机的分辨率。由于减小了步距角，提高了步距的均匀度，必然提高电机 的分辨率 4 2 5 3 拉箔滚轮具体设计 为了使金箔的传输更平稳，滚轮的直径选取较大。滚轮的材质可两个都用金属件，也 可以个用金属件，另一个用橡胶制造。滚轮中央有通孔并开有键槽，用来与齿轮联接。 4 2 5 4 参考方案 采用基于p l c 控制的步进电机来精确驱动拉箔滚轮是有效可行的方法。 但是，其实还可以通过一种特殊的机构来轻松地实现拉箔滚轮的间歇运动，以及对送 至切箔工作平台的金箔条长度的控制，那就是采用不完全齿轮机构。 一1 6 一 坝学位论文台铺装叠精细操作机器凡白动化系统世讨 不完全齿轮机构也称欠齿轮机构。是由切去部分齿的主动齿轮与全齿或非全盘的从动 齿轮啮合而构成的。其步进运动原理是利用主动齿轮的欠齿部分与从动齿轮脱开啮合，使 从动齿轮及其所带动的从动部件停止不动并锁紧定位。 不完全齿轮机构结构简单，制造容易。比采用基于p l c 控制的步进电机来精确驱动要 简单的多，并且价格要低廉的多。 但不完全齿轮机构的动作如果不是由p l c 控制，那么与切箔工位中刀具的动作就比较 难以协调，可靠性有待提高。 另外，不完全齿轮机构在啮合传动的开始和终了时，速度有突变，加速度也不连续， 故冲击较大。一般适用于低速、轻载的场合。 为了减小冲击，可在齿轮上装置瞬心线附加杆，如图4 1 2 中的k 、l 。设计时，如果 使相对瞬心p 从0 庶 开始逐渐向p 点移动 则从动轮的角速肌将由缈。黔逐渐 增加到。筹。若p 点和。，点重合，u = 。，啮合时不发生冲击。 碗i 。学位论义会箔装叠精圳操作机器八自动化系统吐汁 图4 ，1 2具有瞬心线附加杆的不完全齿轮机构 4 2 5 5 切箔工位效果图 从切箔工位效果图4 1 3 中可清晰的看到切箔工作平台上的刀口，这是用来与切箔刀 具配合切箔的【2 ”。 图4 1 3 切箔工位效果图 塑! 兰些堡：! j ! ； 竺塑茎壁堕墅丝堡! ! 堂叁皂苎些墨堡堡型 从切箔工位效果图4 1 4 中可以直观的看到抻箔滚轮组与切箔工作平台的关系。 图4 1 4 切箔工位效果图 4 。2 6 控制系统设计方案 切箔工作平台上铺有猫皮。以便于切箔刀具切下金箔片，而不致损伤金箔。 p l c 控制步进电机驱动滚轮，滚轮带动金箔运行，驱动步进电机的脉冲数达到一定数 量时，p l c 作出反应，使得步进电机停止运行，同时控制电磁阀，使剪切刀向下动作，切 断金箔到下限位后，返回上限位。待机械手的吸盘吸走金箔后，进行下一次动作”“。因为 金箔位置控制精度要求比较高，所以可以用带有细分的步进驱动电源。 切箔工位p l c 控制原理图、切箔工位控制原理图、切箔工位流程图”，分别如图4 1 5 、 图4 1 6 、图4 1 7 所示。 i j ! j ! t 学位论文台祸装叠精舅时录作帆鞴人白动化系统敲计 图4 1 5 切箔工位p l c 控制原理图 图4 1 6 切箔工位控制原理图 硕j 。学位论叟 金 f i 装叠精! i | 操作机器人自动化系统改计 切箔工位流程图 4 3 装箔工位设计 4 3 1 初始方案 装箔工位设计图如图4 1 8 所示。 图4 ，1 7 切箔工位流程图 硼士学位论殳金箔装叠精舅玎探什# l 然人自z 力化系统设计 取放 4 3 i i 工位说明 图4 1 8 装箔工位设计图 作平台 工作平台 如上图所示，本工位由两个工作平台和两个气动单元组成。取放金箔气动单元由一个 横向滑台缸与一个纵向滑台缸连接而成，纵向滑台缸头上装有吸盘。取放乌金纸气动单元 与取放金箔气动单元相同。 为了提高整个工位的效率，整个系统采用了两组气动装箔工位，如图中所示，分别安 置在切箔工作平台的两侧。也就是说，共采用了8 个滑台缸和4 个工作平台来进行装箔。 所有气动单元均由控制单元控制，保证整个装叠过程有序，并进行计数，满1 9 2 0 张 完成一包。 4 3 1 2 工作原理 由装有吸盘的取放金箔气动单元从切箔工作台将切箔刀具切下的金箔片迅速取走，然 后通过横向滑台缸运动送至装箔工作平台，放下金箔片进行装叠。同时，乌金纸也由取放 乌金纸气动单元从乌金纸工作平台吸取后送至装箔工作平台进行装叠。 4 3 2 改进方案 由于初始方案中存在着如下几个问题“”： ( 1 ) 一共需要8 个滑台缸，且这种缸又是进口产品，所以成本较高 ( 2 ) 为了避免干涉，取放金箔气动单元与取放乌金纸气动单元在安装上有一定难度 ( 3 ) 为了避免干涉，各个滑台缸的运动是交替进行的，从一定程度上降低了工作效 塞 因此，通过研究，设计出了如图4 1 9 的改进方案1 ： 坝i 学位论文金捎毅叠精细操作书l 器人自动化系统设计 4 3 2 1 工位说明 图4 1 9 改进的装箔工位设计图 如上图所示，主要是对气动单元进行了重新设计，采用了旋转缸来代替滑台缸。改进 后的装箔工位只需要一个旋转缸，简化了系统，降低了成本，并解决了可能存在干涉的隐 患。 由于旋转缸对金箔和乌金纸的取放是同时进行的，节省了时序，从而提高了效率。整 个系统仍旧采用两组气动装箔工位，进一步提高工作效率。 4 。3 2 2 工作最理 旋转缸通过其两个成9 0 度夹角的支架上的吸盘缸，分别同时进行从切箔工作台取走 切箔刀具切下的金箔片和在装箔工作平台放下乌金纸两个动作，然后旋转缸顺时针旋转9 0 度，再同时进行在装箔工作平台放下金箔片和从乌金纸工作平台吸取乌金纸这两个动作。 接着旋转缸再逆时针转9 0 度，回到原来位置，完成一个周期。 4 3 3 工位所用气缸型号n 们 4 3 3 1 旋转缸 气缸采用型号：r r c 一6 3 9 0 一s o d a 实物如图4 2 0 所示： 硕 ：学位论史金精装叠精细操作机器人白。由化系统设汁 酗4 2 0 旋转缸外形到 r r c 一6 3 9 0 一s o d a 主要规格： 动作方式：齿轮齿条型；使用流体：压缩空气；最高使用压力m p a ：1 0 ：最高使用压 力m p a ：0 1 ；有效扭矩：5 6 n m ：允许吸收能量：0 4 1j ；缓冲：橡胶缓冲；最大摇摆角 度：9 0 。：开关数：2 个。 4 3 3 2 吸盘缸 气缸采用型号：m v c 6 1 0 f o h d p s a b 。 4 3 4 装叠升降工作平台设计 装叠升降工作平台包括装载乌金纸的乌金纸工作平台以及进行装箔工作的装箔工作 平台。这两种平台的具体结构是一样的，只是具体工作时作用不同罢了。升降平台结构如 图4 ，2 l 所示： 硕士学位论文金箔装叠精朔 | 操作机器人白动化系统设计 图4 z 1 升降平台效果图 它由底座、顶升机构、导向定位机构、传动机构、工作平台和挡板机构六大部件组成。 底座为正方形铸件。步进电机通过传动使螺杆旋转，即可使工作平台升或降。上导架与工 作平台固联，下导架与底座囿联。当工作平台升降时，下导架在上导架的导管中作垂直位 移，以增大其稳定性。上、下导架分别通过螺纹连接固定在工作平台和底座上，约束其相 对位移。 4 3 4 1 顶升及传动机构汹3 平台顶升机构采用螺旋传动机构。螺杆采用梯形螺纹。螺杆下端通过联轴器与小型步 进电机联接，由电机提供动力。套筒的上端通过螺纹与工作平台联接，下端装有螺母。当 不仅电机驱动螺杆转动时，螺杆通过与螺母梯形螺纹配合，推动套筒来使得工作平台做上 丹或下降运动。 4 3 4 。2 导向定位机构 为了保持工作平台在上升和下降运动中的定位和稳定，平台设置了导向定位装置，它 硕士学位论文 金拮裴叠精蜘操作机器人自动化系统设计 由上下导架组成，这一定程度上也增加了承受偏载的能力。下导架用四根套管通过螺纹分 别固定在正方形底座的四角部位，上导架则由螺纹联接固定在i f 方形工作平台底部的四角 部位，工作中上导架连同工作平台随顶升螺旋升降时，在下导架的套管中滑移，增加其刚 性和稳定性。 4 3 4 3 工作平台及挡板机构 工作平台用来存放鸟金纸或进行金箔的叠放。工作平台底部中央由螺纹与套简联接， 工作时随着套筒做上升或下降运动。为了方便乌金纸在工作平台上的定位，平台装有两个 左、右挡板。这两块挡板分别通过一个三角架，以螺纹方式与工作平台联接。由于乌金纸 的规格有1 l c m 2 、1 3 1 3c m 2 、1 5 1 5c m 2 等几个规格。所以为了简单地实现尺寸调节， 在与工作平台联接的三角板上共有5 个孔，间距为i c m ，均可通过螺纹与工作平台联接， 只需通过三角板与平台联接孔的选择就可以进行尺寸的调节。 4 3 5 关于气动系统 该设备的气动系统由c k d 公司来负责安装完成，所以本文在此粗略对其叙述一下。 4 4 5 1 气动系统的组成 在气动系统中，气压发生装置一般为空气压缩机，它将电动机供给的机械能转换为气 体的压力能。气动执行元件则将系统内的压力能转换为机械能，完成规定的动作。在这两 部分之间，根据主机对工作循环的要求，将各种控制元件( 压力控制润、流量控制阀、方 向控制阀、逻辑装置) 、传感元件和气动辅件( 过滤器、油雾器、消声器等) 连接起来， 就组成气动系统【”】。 4 3 5 2 气动圊路组成结构及作用 气动回路组成如图4 2 2 所示： 图4 2 2 气动回路图 帧i 一学位论史 余 i i 装叠精细操作机器凡自动化系统世汁 具体组件作用1 2 4 ： ( 1 )过滤减压阀：气动元件，使系统输入的空气达到所需的压力 ( 2 )电磁阀组：气动控制元件，控制真空发生器及气缸的动作 ( 3 )真空发生器：气动元件，产生一定的真空度，以便吸取金箔和乌金纸 ( 4 )吸盘缸：气动元件，用来吸取金箔和乌金纸 ( 5 ) 气动附件：其他诸如接头、气管、调速阀、消声器等气动元件 4 3 6 控制系统方案设计 为了提高整个工位的效率，整个系统采用了两组气动装箔工位，由乌金纸