柔性制造系统输送及仓储单元研制[三维SW]【2013年最新整理毕业论文】

毕业设计（论文） 本科毕业设计（论文） 题 目： 柔性加工系统仓储及输送单元 学 院： 机械与自动控制学院 专业班级： 机械设计制造及自动化 09（ 4）班 姓 名： 王建 学 号： B09300422 指导教师： 唐浙东 2013 年 05 月 24 日 浙江理工大学本科毕业论文 1 浙 江 理 工 大 学 机械与自动控制学院 毕业论文诚信声明 我谨在此保证：本人所写的毕业论文，凡引用他人的研究成果均已在参考文献或注释中列出。论文主体均由本人独立完成，没有抄袭、剽窃他人已经发表或未发表的研究成果行为。如出现以上违反知识产权的情况， 本人愿意承担相应的责任。 声明人（签名）： 年 月 日 柔性加工系统仓储及输送单元 摘 要 科学技术的飞速发展，正在把人类推向信息时代。但是，面对着加工业 70% 80%的中小批量生产的经济结构，如何达到自动化的目的，一直是工业界探索的课题。数控机床问世虽为这部分工厂自动化创造了条件，但实践证明，独立、分散的单机自动化解决不了传统批量生产所固有的生产率同生产柔性、加 工批量同制造成本、生产同市场变化之间的矛盾，必须寻找更完善的自动生产体系。 FMS就是在这种追求下诞生的。其优势在于把生产率同生产柔性、加工批量同制造成本、先进技术同科学管理高度统一起来。从而提高产品制造柔性，提高效率缩短生产周期，降低能耗及成本，节约设备占地面积。在柔性制造系统中采用全自动化生产，减少了认为的因素一次也提高了产品的精度。以上可见，柔性制造系统以上优点是如今制造业中非常需要的。 关键词 :柔性制造 ； 立体库；码垛机；流水线 柔性加工系统仓储及输送单元 Abstract The rapid development of science and technology, human to the information age. But， Processing industry 70% -80% of the face of the economic structure of the small and medium volume, how to achieve the purpose of automation has been the industry to explore the subject.Although the advent of CNC machine tools to create the conditions for this part of the factory automation， but practice has proved that independent, decentralized stand-alone automation can not solve the productivity inherent in traditional mass production with the production of flexible processing the same batch manufacturing costs, the contradiction between production and market changes, we must find better automatic production system.FMS is born in this pursuit.The advantage of the productivity with flexible production, processing and batch manufacturing costs, with advanced technology with scientific management of highly unified.Thereby increasing manufacturing flexibility, improve efficiency, shorten the production cycle, reduce energy consumption and cost saving equipment footprint.Fully automated production, reducing the human factors and therefore improve the accuracy of the product in a flexible manufacturing system.Above that, the advantages of flexible manufacturing systems is much needed in the manufacturing industry today. Key words: Flexible manufacturing； stereo storage； palletizer； pipeline浙江理工大学本科毕业论文 目 录 摘 要 Abstract 第一章 绪 论 .1 1.1 柔性制造背景 .1 1.2 柔性制造的工作流程 .1 第二章 立体库的设计 .3 2.1 立体库优点及功能 .3 2.2 国内立体库发展趋势 .3 2.3 立体库的外 形 .3 2.4 立体库各部分材料选择 .4 2.4.1 底座材料选择与外形设计 .4 2.4.2 立体库主体设计 .6 2.4.3 托盘设计 .8 2.5 立体库储存能力及主要设备 .9 2.5.1 立体 库储存能力计算 .9 2.5.2 主要设备 .9 第三章 流水线的设计 .10 3.1 流水线的工作原理 . 10 3.1.1 流水线的工作原理及流程图 . 10 3.2 电路中主要元器件的介绍 . 11 3.2.1 对射开关的原理及应用 . 11 3.2.2 CCD 颜色尺寸检测单元工作原理及应用 . 11 3.2.3 PLC 及其扩展单元 . 12 3.3 流水线系统控制 . 13 3.3.1 流水线电机正反转控制 .13 3.3.2 流水线电机启动 /停止控制 .13 3.4 流水线设计 . 13 3.4.1 流水线技术参数 . 13 3.4.2 CCD 检测单元支架设计 . 14 3.4.3 对射开关 . 16 第四章 四自由度码垛机 . 21 4.1 码垛机简介 . 21 4.1.1 码垛机性能参数 . 21 4.1.2 四自由度的实现 . 21 4.1.3 线性滑台简介 . 22 柔性加工系统仓储及输送单元 4.2 码垛机各部分设计安装 . 23 4.2.1 底座设计 . 23 4.2.2 底座高度尺寸计算 . 24 4.2.3 底座设计方案与材料选择 . 25 4.3 码垛机控制箱的设计 . 28 4.3.1 码垛机控制箱位置摆放 . 28 4.3.2 控制箱内电器元件 . 28 4.3.3 控制箱外形设计及材料选择 . 29 4.4 机械爪的设计 . 29 4.4 主要电器元件介绍 . 35 第五章 外部控制系统 .35 第六章 结束语 .38 参考文献 .39 致 谢 .40 浙江理工大学本科毕业论文 柔性加工系统仓储及输送单元 浙江理工大学本科毕业论文 浙江理工大学本科毕业论文 1 第一章 绪 论 1.1 柔性制造系统的背景 随着科学技术的迅速发展，新产品不断涌现，产品的复杂程度也随之增加，而产品的市场寿命日益缩短，更新换代加速，中、小批量生产占有越来越重要的地位。面临这 新的局面，必须大幅度提高制造柔性和生产效率，缩短生产周期，保证产品质量，降低能耗，从而降低生产成本，以获得更好的经济效益。柔性制造系统正是在这FMS能完成钣金加工、锻造、焊接、装配、铸造和激光、电火花等特种加工以及喷漆、热处理、注塑和橡胶模制等工作。 FMS 相对于传 统加工有以下优点： 1）缩短生产线且变得简洁。 2）减少设备投资、减少库存。 3）提高利用率，降低成本。 所以，研究 FMS 是一个很有意义的项目。 1.2 柔性制造系统的工作流程 如今较普遍的柔性制造系统流程是工件或毛坯由四自由度码垛机器人从自动化立体仓库单元的毛坯库中取出，送到自动化输送系统单元输送线上。皮带运输机将工件或毛坯送至 CCD 形状识别单元处停止，由高速 CCD 工业相机对工件进行形状识别。形状识别结束，工件向下运送至横向输送机气推处，气推装置将工件送至暂存区，再由上下料搬运机器人抓取工件，送入相应的柔 性加工单元（并联加工中心或数控车床）进行加工。加工完成后，由上下料搬运机器人取出工件，将工件放回到输送线上。工件被运送到 CCD 尺寸检测单元，对已加工的工件进行尺寸及位置偏差检测。检测结束，工件被运送到分拣单元，不合格的产品由气推装置送到废品存放处。合格的产品将继续传送至条码打印及粘贴处，由人工贴上条码再放回到输送线上。工件经条码扫描后，码垛机根据条码及工件的形状、尺寸将工件从输送机上取下并送至自动化立体仓库单元的成品库，完成一个工作流程。流程图如 图 1-1所示 ： 柔性加工系统仓储及输送单元 2 图 1-1 柔性加工系统流程图 本设计中的柔 性制造系统中，主要包括三大块：立体库、码垛机、流水线。立体库主要是用来存放毛胚和加工后的产品。码垛机有 4 个自由度分别是 X、 Y、 Z 及机械爪的转动。流水线主要是运送毛胚到数控加工中心加工以及加工完成后在运送回去，其间完成 CCD 尺寸检测系统完成对加工好的零件进行检测。大致的工作流程如下： 4 自由度码垛机将毛胚从立体库上取下运送到流水线上，流水线上的第 1对对射开关检测到信号通过 PLC 控制电机转动，将毛胚运送到第一个 CCD 检测单元，此处的第 2对射开关将电机停下。 CCD 检测单元检测完成之后，发出信号电机继续转动将毛胚运送 到流水线第 4 对射开关处，对射开关再次发出信号，电机停止转动，机械手抓取毛胚运送到加工中心。加工完成后机械手将零件放在流水线上，此时第 4 对对射开关检测到信号，通过 PLC 控制电机反转将零件运送到第 3个对射开关处，电机停下。CCD 检测单元完成对零件的检测后发出信号，电机继续转动将零件运送到第一对对射开关处，电机停下。码垛机将零件从流水线上取下 ,尺寸比合格品小的报废处理，合格品 运送到立体库中去。如此重复工作。 浙江理工大学本科毕业论文 3 第二章 立体库的设计 2.1 立体库的优点及功能 立体库的 优点： 1) 多层储存，节约占地面积，提高空间利用率。 2) 自动存取，运行和处理速度快，同时能方便的纳入物料管理系统。 3) 计算机控制，便于清点和盘库，减少库存。 立体库的 功能： 1) 收货，仓库从供应商或生产车间接收各种材料半成品或成品，供生产、加工、装备配之用。 2) 存货，将写下的货物放到自动化系统规定的位置。 3) 取货，根据需求情况从库房取得所需的货物。 2.2 国内立体库发展 目前，在国内多家企业中立体仓库已经得到了广泛的运用。立体库以其节约空间，便于管理等优势得到众多企业的青睐。但是与国外相比，在国内大多企业当中所用的立体仓库还存在很大的差距。首先是硬件设备达不到要求，这 样就造成了效率慢，对于物流行业来说，仓储作为重要组成部分之一，已经越来越多的运用到物流中心。效率慢直接导致物流成本提高。 立体库在国内普及率与国外还有差距，首先是因为立体仓库一次性投入较大，其运行所需的设备有叉车、电脑集成、信息控制系统等都需要很高的成本：其次，制造企业很多都存在搬迁难的问题。 随着我国制造业和物流业的迅速发展，自动化立体仓库必将会收到厂商的更多关注，我国的自动化仓库技术必将会有很大的发展，向发达国家靠拢。 2.3 立体库的外形 立体库 技术要求 ：仓位尺寸： 220mm 280mm 220mm； 仓位数量： 5 列 3 层 15 个； 外形尺寸： 1500mm 280mm 800mm； 立体库主要是用来存放毛胚和加工好的零件的，因此立体库设计成 仓位 格的样 柔性加工系统仓储及输送单元 4 子。每个单元格中放置一个货物支撑板，板上设计一个托盘用以盛放毛胚及零件。形状如图 2-1所示 ： 图 2-1 立体库图 2.4 立体库各部分材料选择 2.4.1 底座材料的选择与外形设计 底座主要是固定立体库的整体构架和承载重量的，所以在材料方面主要选择 45号钢，以 保证强度。底座主要分为 3部分焊接而成。 图 2-2 底座焊件 1 托盘 立体库骨架 底座 固定角铁 浙江理工大学本科毕业论文 5 图 2-3 底座焊件 2 图 2-3 底座焊件 3 最后底座的如图 2-4所示 ： 通过膨胀螺丝与地连接 柔性加工系统仓储及输送单元 6 图 2-4 底座 2.4.2 立体库主体的设计 立体库在设计过程中主要考虑在易安装，重量轻，成本底。综合以上最终选择了铝型材。立体库主体骨架是由 PS-8-4040 型材组装起来的。型材如图 2-5所示 ： 图 2-5 PS-8-4040W 铝型材 立体库主体设计高度是 1400mm，需两根长为 1400mm 的 PS-8-4040W 铝型材，宽度设计是 1500mm,需四根长为 1500mm 的 PS-8-4040W 铝型材。仓位部分由设计技术要求可进行宽度及长度计算，所要求的仓位净宽度为 220 5=1100mm，净高度为 2203=660mm。仓位需要做成单元格的形式，那仓位格也需要尺寸不同的型材。仓位是 5浙江理工大学本科毕业论文 7 3，那就需要横置 10 跟长为 800mm 的 PS-8-4040W 铝型材，横置 20 跟长为 200 的PS-8-4040W 铝型材。型材连接采用脚件加螺栓螺母连接。连接方式如图 2-5 所示 : 图 2-6 型材连接图 组装后的立体库的 2维与 3 维图如下所示 : 图 2-7 立体库 2 维 图 柔性加工系统仓储及输送单元 8 图 2-8 立体库 3 维 图 2.4.3 托盘的设计 托盘主要是盛放毛胚或者零件的，托盘的外形要能够满足码垛机机械爪搬运，还要能够在立体库上能够放置。托盘设计如下图： 图 2-9 托盘 浙江理工大学本科毕业论文 9 托盘承载物品重量在 1KG 左右，因此托盘的强度要求不高，可以采用 ABS。根据毛胚及零件考虑托盘尺寸并统一，设计托盘尺寸为（长、宽、高） :240 180 52。 2.5 立体库库存能力及主要设备 2.5.1 立体库库存能力计算 立体库采用单货位方式，每个仓位宽度为 220mm，每个货位 长度为 280mm，仓位高度为 220mm. 立体库为 5列 3 层，共 15 个仓位。 货架宽度为 1260mm,高度为 840mm. 2.5.2 主要设备 立体库主要配 套设 备有一台 4自由度码垛机，用于取毛胚及存放零件。 第三章 流水线的设计 3.1 流水线的工作原理 3.1.1 流水线的工作原理及流程 1) 传送带运动，第 1对对射开关检测到码垛机运送毛胚时流水线停下。 2) 毛胚件放好后，发出信号流水线前进。 3) 毛胚件到第二对对射开关，发出信号流水线停下。 4) CCD 颜色识别单元识别毛胚颜色，确定加工零件形状。 5) 检测完毕，传送带继续前进，将毛胚件运送到流水线末端第四对对射开关，发出信号，传送带停下。 6) 零件加工完成后机械手将零件放在传送带上，第四对对射开关发出信号， PLC控制电机反转。 7) 零件到达第 3对对射开关发出信号电机停下。 柔性加工系统仓储及输送单元 10 8) CCD 检测单元对加工好的零件进行检测，检测完成发出信号，传送带前进。 9) 零件到达第一对对射开关，传送带停下。 流水线工作顺序如下： 传送带先是正转，当码垛机将毛胚件运来，第一对对射开关检测到发出信号，电机停下，码垛机将毛胚件在传送带上放好之后，发出信号电机转动。将毛胚件用到第二对对射开 关处，第二对对射开关发出信号，电机再次停下， CCD 颜色识别单元对毛胚件颜色进行识别，以确定加工零件的形状，识别完成发出信号，电机转动，传送带将毛胚件运到第四对对射开关处，对射开关发出信号，电机停下。机械手将毛胚件拿到加工中心进行加工。加工完成，机械手将零件放到传送带上，第四对对射开关检测到后发出信号， PLC 控制电机反转，传送带将零件运送到第三对对射开关处，对射开关发出信号，电机停下。 CCD 尺寸对加工好的零件进行尺寸检测，检测完毕发出信号。电机继续反转，将零件运送到第一对对射开关处，再次发出信号，电机停下码垛 机从传送带上将零件从传送带上将零件取下，如此循环下去。 根据流水线工作顺序，可以画出如图 3-1所示的流程图： 图 3-1 流水线 控制系统流程图 3.2 电路中主要 的 元器件 3.2.1 对射开关原理及应用 对射式光电开关由发射器和接收器组成，其工作原理是：通过发射器发出的光线直接进入接收器，当被检测物体经过发射器和接收器之前阻断光线时，光电开关就产生开关信号。与反射式光电开关不同之处在于，前者是通过电 -光 -电的转换，而后者是通过介质完成。对射式光电开关 的特点在于：可辨别不透明的反光物体，有效距离大，不易受干扰，高灵敏度，高解析，高亮度，低功耗，响应时间快，使用寿命长，停止 前进 反转 颜色识别 停止 前进 停止 尺寸检测 零件就位 浙江理工大学本科毕业论文 11 无铅，广泛应用于：投币机，小家电，投币机，自动感应器，传真机，扫描仪等设备上面。 3.2.2 CCD 颜色尺寸检测单元工作原理及应用 CCD颜色尺寸识别单元原理是 CCD图像传感器 可直接将光学信号转换为模拟电流信号，电流信号经过放大和模数转换，实现图像的获取、存储、传输、处理和复现。其显著 特点是： 1.体积小重量轻； 2.功耗小，工作电压低，抗冲击与震动，性能稳定，寿命长； 3.灵敏度高，噪声低， 动态范围 大； 4.响应速度快，有自扫描功能，图像畸变小，无残像； 5.应用 超大规模集成电路 工艺技术生产，像素集成度高，尺寸精确。 流水线所使用的 CCD 颜色检测单元包括光源、镜头、图像采集卡、图像处理 软件和其它设备（支架、工作台等）。能够组成一个相对完整的视觉检测开发系统，硬件之间应匹配。通过图像识别功能可检测工件尺寸是否合格 ,图像处理软件能快速检测用户所规定工件的尺寸和位置偏差，精度为 0.05mm。 技术参数如下： CCD 尺寸 1/3 有效像素 (K)子 P440K 同步系统 内同步 扫描系统 2:1 视频输出 1Vpp-75 解晰度（水平） 480Lines(Y/C480Lines) 最低照度 (Lux) 0.1Lux F1.2（ AGC High） 自动动增益控制 (dB) ON=836 (Hl) 824 (LO) OFF=8 信噪比 (dB) 50 灰度特性 0.45/1.0 背光补偿 ON/OFF 自动电子快门 EI:OFF 1/501/1. 检测幅面 200*200mm，精度 1mm。 3.2.3 PLC 及其扩展单元 柔性加工系统仓储及输送单元 12 图 3-2 欧姆龙 PLC 选用欧姆龙 PLC，其技术参数如下 : 型号： CP1H-X40DT 输入： 24 点 输出： 16 点（晶体管） 高速计数器： 4点 脉冲输出： 100KHz 2 点 30KHz 2 点 定时器： 4096 位 计数器： 4096 位 内部辅助继电器： 8192 点 保持继电器： 8192 点 输入中断： 8 点 脉冲捕捉输： 8点 8.1.3.2 PLC 扩展单元 型号： CPM1A-40EDR 输入： 24 点 输出： 16 点（继电器） 3.3 流水线系统控制 3.3.1 流水线电机正反转控制 流水线的电机是通过变频器控制的，以实现节能调速，过流 /过压 /过载保护。在此情况下实现电机正反转接线方式为： PLC 的 两个 Y 点接到电机正反转的端子上，再将 PLC 的 COM 与变频器的 COM 相接即可实现。 3.3.2 流水线电机停止 /启动控制 毛胚或者零件经过光电对射开关时，对射开关将光信号转换成电信号传送给PLC，通过 PLC 控制其扩展单元继电器，切断电机电源，这样电机就停止转动，传送带停下。 3.4 流水线设计 3.4.1 流水线的 设计要求 浙江理工大学本科毕业论文 13 有效工作宽度： 300mm； 有效工作高度： 750mm； 有效工作长度： 3000mm； 运行速度： 5m/min 10m/min； 承载能力： 5kg； 框架材质：铝合金型材框架。 由以上参数可以看出，流水线的承重为 5KG，承载的重量较轻所以选择皮带式流水线。流水线 设计图 如下图所示： 图 3-3 流水线 设计 图 3.4.2 CCD 颜色尺寸检测单元支架设计 在本流水线中需要两个支架，分别是 CCD 颜色识别单元支架与尺寸检测单元支架。虽两个检测单元功能不同但是支架是相同的。首先是材料的选择， CCD 检测单元本身重量较轻，对材料强度要求不高。从安装方便方面考虑，从之前立体库的经验中我选择了铝型材，不仅能够满足要求而且重量轻方便与流水线安装。铝型材截 面如下3-4图所示： 柔性加工系统仓储及输送单元 14 图 3-4 PS-8-4040W 铝型材 流水线有效工作高度为 750mm，支架的高度要能够满足 CCD 检测单元可以获得足够好的视野，以减少检测误差。 CCD 检测单元设计参数如下： 总高度 1400mm； 宽度 250mm CCD 检测单元与流水线传送带垂直距离 150mm。 浙江理工大学本科毕业论文 15 图 3-5 CCD 检测单元支架 设计图 检测单元需固定在上图的支架上，因此我还设计了摄像头固定件，如下图所示： 图 3-6 CCD 摄像头固定件 3.4.3 对射开关 在流水线中设计有 4 对对射开关，它们发 出信号用以控制电机停止和启动。第一对对射开关是在码垛机将毛胚件搬运过来时将传送带电机停下，码垛机将毛胚件在传送带上放稳。第二对对射开关放置在 CCD 颜色识别单元处，当毛胚件到达第二对对 柔性加工系统仓储及输送单元 16 射开关处，电机停下 CCD 颜色识别单元对毛胚件进行颜色识别。第三对对射开关安装在 CCD 检测单元处，加工好的零件到达此处，电机停， CCD 尺寸检测单元对零件尺寸进行检测。第四对对射开关也是用来停下电机的，当毛胚件到达此处电机停止转动，机械手将毛胚件从传送带上取下送到加功中心进行加工。 流水线的运输速度为 5m/min，即 83.3mm/s.因此在 CCD 尺寸颜色检测单元处的对射开关位置设计需要计算。从流水线电机运行了解到电机带有抱闸从断电到停止大概所需的时间很短，而 CCD 尺寸检测单元的照射范围为 200 200。则电机断电后零件和毛胚在流水线上移动的距离很短，因此对射开关放置在 CCD 尺寸颜色检测单元下方即可。 第一对对射开关： 浙江理工大学本科毕业论文 17 第二对对射开关： 柔性加工系统仓储及输送单元 18 第三对对射开关： 浙江理工大学本科毕业论文 19 第四对对射开关： 柔性加工系统仓储及输送单元 20 第四章 四自由度码垛机 4.1 码垛机 的设计 码垛机在整个柔性加工系统中扮演着“搬运工”的角色，主要是用来取毛胚件 和存放零件的。码垛机所需要实现的具体动作是：水平移动到达指令的立体库的单元格，然后机械爪上升，到达托盘的高度机械爪伸入托盘底部将托盘托起，然后机械爪旋转，水平移动到达流水线处，机械爪向下移动将托盘和毛胚件放到流水线上。 4.1.1 码垛机 的设计要求 行程范围： X 轴 1.5*Z 轴 0.8*Y 轴 0.3m； 负载能力： 1KG； 最大速度： X 轴 60mm/s， Y轴 100mm/s， Z轴 50mm/s； 定位精度： 1mm； 4.1.2 四自由度的实现 码垛机中的四自由度为 X、 Y、 Z 轴的水平移动及机械爪的转动 。为了实现 X、 Y、Z 三轴的水平移动我们选择了三个线性滑台立式使用以达到要求。机械爪的转动是通 过电机驱动联轴器带动转动轴来实现机械爪的转动。 浙江理工大学本科毕业论文 21 图 4-1 线性滑台组合 示意 图 4.1.3 线性滑台的 选择 直线滑台主要组成由滚珠丝杆 直线导轨 铝合金型材 滚珠丝杆支撑座 联轴器 马达 光电开关等组成： 1) 滚珠丝杠是将回转运动转化为直线运动，或将直线运动转化为回转运动的理想的产品。滚珠丝杠由螺杆、螺 母和滚珠组成。它的功能是将旋转运动转化成直线运动，这是滚珠螺丝的进一步延伸和发展，这项发展的重要意义就是将轴承从滚动动作变成滑动动作。由于具有很小的摩擦阻力，滚珠丝杠被广泛应用于各种工业设备和精密仪器。可在高负载的情况下实现高精度的直线运动。 2) 直线导轨 又称滑轨、线性导轨、线性滑轨，用于直线往复运动场合，拥有比直X 向移动 Y 轴向移动 Z 轴向移动 柔性加工系统仓储及输送单元 22 线轴承更高的额定负载， 同时可以承担一定的扭矩，可在高负载的情况下实现高精度的直线运动 .结构 ,精度高 ；精密级导轨板。 3) 铝合金型材 铝合金型材滑台外形美观、设计合理、刚性好、性能可靠，是组合机床和自动 线较理想的基础 动力部件动态性能好 .滑台刚度高 ,热变形小 ,进给稳定性高 ,从而保证了 加工状态下（负荷下）的实际精度。 4) 滚珠丝杆支撑座 选用的支撑座具有高刚性、高精度的超小型角接触球轴承，能获得稳定的回转性能。使用深沟球轴承的内部轴承中装入了适量的锂皂基润滑脂，用特殊密封垫圈进行密封，能直接安装，长期使用。 5) 伺服电机 使滑台可以快速进退。利用滚珠丝杠和线轨获得较高的精度，直线滑台可以用 PLC 控制，也可以直接利用机械手控制系统进行控制。直线滑台的运动速度、运动轨迹可以编程设置，实现各种运用需求。 综合滚珠丝 杠的线性滑台具有精度高、质量轻、可控制的优点最终我选择了滚珠丝杠的线性滑台。按照设计要求绘制出图纸如下图所示： 图 4-2 线性滑台组合 设计 图 4.2 码垛机各部分设计与安装 为实现码垛机的各项功能，码垛机还需要以下配件：机械爪、底座、控制箱。 4.2.1 底座的设计 浙江理工大学本科毕业论文 23 底座的设计尤为重要，原因在于码垛机不是单独工作的，是要在整一个柔性加工系统中起着连接立体库和码垛机的重要作用，因此底座的高度需要满足立体库和码垛机的工作尺寸的。此外底座还需要满足固定线性滑台所需要的稳定性和刚度的指标。 4.2.2 底座高度尺寸计算 流水线的工作尺寸为 750mm；立体库最低单元格的高度为 778mm,最高高度为1218mm。码垛机高度尺寸如下图： 图 4-3 线性滑台高度尺寸 由以上尺寸可以得到在没有底座的情况下可进行如下计算： 最底工作高度： 156+72+51（机械爪安装高度） =279mmm 最大工作高度： 279+660=939mm 所需要底座高度的最小值为 1218-939=279mm，但是为了底座的尺寸方便制造所以初选底座高度为 350mm。对所选尺寸进行校 核： 加上底座后码垛机工作最小高度： 279+350=629mm1218mm 通过校核我们可以看出加上高度为 350mm 的底座后码垛机的最小工作高度为639mm，要比流水线的工作尺寸 750mm，立体库最低单元格的高度 778mm 都要低；码垛机最大工作高度为 1289mm，比立体库的最高单元格 1218mm 高，因此底座的高度为350mm 是合理的。此时可得立体库、码垛机、流水线的装配简图 图 4-4 高度装配简图 4.2.3 底座设计方 案及材料选择 首先底座的设计主要考虑的是尺寸和与线性滑台的装配。尺寸有了，接下来就要考虑安装了，在安装之前我们首先来看看 X方向线性滑台底部的设计： 浙江理工大学本科毕业论文 25 图 4-5 X 方向滑台底部设计图 F 处在底部有两排，每排内置有 8 个丁字型螺母，螺母需通过螺栓与底座连接固定。由于线性滑台需固定的在底部，且内置螺母较多假如安装是滑台与整个底座安装的话这样难度是相当大的，安装不上也是可能的。为此在设计时我就想先用一块钢板通过螺栓螺母与线性滑台连接起来，然后再将钢板用螺栓螺母与底座主体部分固定起来这样的话安装难度大幅度降低 ， 盖板 1 采用 45 号钢板。 底座顶部盖板如下图所示： 图 4-6 底座与线性滑台固定盖板 既然底座的顶部是一块钢板的话，那其实底座可以设计成一个角铁焊接成的骨架，四周用钢板与底座的骨架连接。底座骨架如下图所示： 柔性加工系统仓储及输送单元 26 图 4-7 底座骨架 底座骨架四周用钢板封起来就是一个完整的底座了。 4.3 码垛机控制箱的设计 码垛机控制箱好比码垛机的心脏，这是这部分实现了码垛机四个自由度的运动。完成码垛机的搬运工作的。 4.3.1 码垛机控制箱位置摆放 在开始设计码垛机之前首先要考虑这个控制箱到底要放在什 么位置。假设将控制箱放在整个柔性制造系统外的一个地方，这样的话做起来其实是很方便的，直接几根线牵出来接上就可以了，但是这样的话接线要牵出去整个系统看起来会比较乱，而且不够节约场地。让我们再回过头来看看底座是怎么设计的，我们会注意到底座骨架部分是角铁焊接成的，在脚的部分有格子，我们可以把控制箱固定在这个位置。在箱体的外面设计控制插口和网口，就像台式电脑主机一样。如果控制箱出现故障的话，只要拔掉接线和网线控制箱就可以搬走进行维修很是方便。 4.3.2 控制箱内所需的电器元件 浙江理工大学本科毕业论文 27 1) 航空插座：码垛机有四个自由度，所以需 要四个步进电机分别是三个线性滑台的步进电机和机械爪转动所需的步进电机，因此设计需四个航空插座。每个步进电机与驱动器需要需要接四根信号线，三个线性滑台上安装有位置传感器，每个线性滑台需要两个即 6 根线，机械爪需要一个位置传感器控制机械爪的零点位置。所以选用 4个 12 芯的航空插座。 2) PLC： 选用欧姆龙 PLC，其技术参数如下 : 型号： CP1H-X40DT 输入： 24 点 输出： 16 点（晶体管） 高速计数器： 4点 脉冲输出： 100KHz 2 点 30KHz 2 点 定时器： 4096 位 计数器： 4096 位 内部辅助继电器： 8192 点 保持继电器： 8192 点 输入中断： 8 点 脉冲捕捉输： 8点 3) 继电器：当线性滑台移动位置到达位置传感器的位置即设定的最大位移处，此时继电器需要切断步进电机电源，所需 4个继电器。 4) 开关电源：为步进电机驱动器， PLC 提供直流 24V 稳压电源。 4.3.3 控制箱外形设计及材料选择 清楚了控制箱放置的位置和控制箱内所需要放置的电器元件后，就可以开始电器元件的设计。首先是控制箱的材料的选择，控制箱内放置的都是电器元件切重量不大，为 满足绝缘性能，可以选用塑料这样的材料而且也可以满足强度的要求。控制箱如下图所示：图纸中由于继电器较小在控制箱中不好固定所以选择用 PCB 板固定继电器，再将继电器固定在控制箱上，整个控制箱通过螺栓与底座固定。 柔性加工系统仓储及输送单元 28 图 4-8 码垛机控制箱图 4.4 机械抓的设计 机械爪主要的动作是转动，取到毛胚后机械抓旋转 90；取到零件后机械抓反转 90。以上就是机械抓要实现的运动。 爪的转动的动力是通过步进电机来实现的，电机带动旋转轴，轴再带动爪来转动的。机械爪的下半部分设计如图所示： 浙江理工大学本科毕业论文 29 图 4-9 旋转轴焊接件 图中 2是旋转轴底座， 3 是整个机械爪与线性滑台固定板， 4 是旋转电机固定板，5 是旋转轴电机底座。各部分焊接而成，构成固定的基本骨架。 装上电机后，电机带动联轴器再通过联轴器带动转动轴，轴再带动爪转动。联轴器需要外购，转动轴的设计如下图： 柔性加工系统仓储及输送单元 30 图 4-10 旋转轴图 旋转轴采用 45 号钢，在这个转动过程中转矩不大能够满足强度要求。 为了满足机械爪转动位置的精确轴的加工相对要求较高。 电机通过连轴器传递转矩带动转动轴转动，连轴器选择的规格是 MCGL-5-5，如下图所示： 浙江理工大学本科毕业论文 31 图 4-11 联轴器图 对于机 械爪需要能够稳稳地托住托盘。而且所托的毛胚件重量不会超过 1KG，因此材料选择 45 号钢能够满足强度的需要。爪如下图所示： 柔性加工系统仓储及输送单元 32 图 4-12 爪外形图 爪宽度为 86mm能够稳稳地托住托盘，厚度为 9mm也能方便的伸入托盘底部。有以上主要零件之后机械爪就呼之欲出了。其装配图如下图所示： 浙江理工大学本科毕业论文 33 图 4-13 机械爪装配图 码垛机各部分抖设计完成后就可以对整个码垛机进行装配装配图如下图所示： 柔性加工系统仓储及输送单元 34 图 4-14 码垛机装配图 4.5 主要元器件介绍 1) 步进电机：步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动 器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度 (称为“步距角” )，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差 (精度为 100%)的特点，广泛应用于各种开环控制。 2) 步进电机驱动器：步进电机的运行要有一电子装置进行驱动 , 这种装置就是步进电机驱动器 , 它是把控制系统发出的脉冲信号转化为步进电机的角位移 , 或者说 : 控制系统每发一个脉冲信号 , 通过驱动器就使步进电机旋转一步距角。所以步进电机的转速与脉冲信号的频率成正比。所以，控制步进脉冲信号的频率，可以对电机精确调速；控制步进脉冲的个数，可以对电机精确定位目的。 浙江理工大学本科毕业论文 35 第五章 外部控制系统 外部控制系统是控制整个系统和协调立体库、码垛机、流水线工作的。我在这里简单介绍下。在流水线上， CCD 颜色识别单元通过识别毛胚颜色发出信号给外部系统，系统发出指令给加工中心，由加工中心设置的尺寸对零件进行加工。此外， CCD尺寸检测单元在对零件尺寸检测后发出指令给外部控制系统 ，外部控制系统控制码垛机，由码垛机将零件放入指定位置。 总线控制系统组网图 控制系统由 1 台主控计算机、 2 台计算机、 2 台嵌入式运动控制器、 2 台 PLC 组成。通过 ProfiBus-DP 总线同主控计算机控制中心做数据交换。 图 5-1 系统控制组网图 主机工作站 ProfiBus-DP 总线 PLC 自动化输送系统单元 PLC PC 机 嵌入式控制系统单元 嵌入式控制系统单元 PC 机 自动化码垛机与立体库单元 CCD 颜色形状识别单元 上下料搬运机械手单元 柔性加工单元 CCD 尺寸检测单元 柔性加工系统仓储及输送单元 36 实验安全保护系统（五级保护）由于该系统中的转动、移动、自动化的设备多，这对于建设一个国内先进的实 验室来说，实验的安全保护系统是非常重要的，系统中设计了多层次多重保护措施。 1) 机械保护：对存在危险性机械，码垛机、六自由的机器人等设置有机械碰撞强行停止运行的措施。 2) 电气停止保护：对存在危险性机械，设置有危险设置紧急电气停止保护措施，如码垛机上下限位、轨道起点、终点限位紧急电气停止运行。 3) 电气减速运行保护：对运动机械在上述危险位置前设置有紧急减速运行开关，以便使码垛机、四自由度串联机器人在危险位置就提前减速运行。 4) 区域性安全保护：码垛机、四自由度机器人运行等区域，为避免产生危险后果，设置区域性报警、停止传感 器装置，以便紧急停止运行中的设备。 5) 人工紧急停止：在现场管理人员附近设置人工紧急停止按钮，一旦出现不安全预兆，可按下“紧停”按钮，紧急停止运行设备。 浙江理工大学本科毕业论文 37 第六章 结束语 毕业设计是考验我们大学这几年来的所学，它要求我们将大学这几年来所学到的知识能够融会贯通、熟练应用，并要求我能够理论联系实际，培养我们的综合运用能力以及解决实际问题的能力。刚接到课题的时候，我们是一头雾水，不知道该如何下手。后来通过唐老师给我们的资料和一些仔细的讲解，是我们对这个课题有了一个大体的理 解。我们自己也在网上和图书馆学习了一些相关的知识， 为下面的设计提供铺垫，选择控制系统是很重要的，在本次毕业设计中，涉及到了许多电与控制的内容，我本来是偏机械的，对电方面了解的不是很多，在起初阶段我遇到了很大的困难，因为里面涉及到步进电机的控制，所以对于这一部分的控制搞不懂，后来在老师的帮助下，才知道在控制的很多知识。在搞清楚了对码垛机运动控制后，我才可以开始对码垛机底座的设计和机械爪的设计。在设计过程中需要对于配合电器元件的摆放，刚开始我的方案是控制箱放在外部，经唐老师的指导我才知道将控制箱放在底座中这样不仅节约占地而且维修也比较方便，使得整个仓储和运输单元结构也显得很紧凑，最终完成了设计。 一个人要不断否定自己，不断战胜自己、不断超越自己、不断完善自己， 这样才能不