FMS供料和检测单元机械结构设计及三维仿真

摘要FMS50 柔性生产线代表了当今现代化企业产品开发可继承的先进设计理念。每个工作单元均可根据设定的任务，选择相应功能和技术参数的气动元件、传感器、电气元件及标准型材料集成而成，工作单元之间具有柔性结合方式，可以任意组合，系统的开放性很强，可不断地将新技术融入系统中。机械系统设计是根据总体设计方案，对 FMS50 柔性生产线供料单元各部件进行设计。结合机械原理、机械设计的知识、力学的知识，以实现供料单元能完成我们所期望的动作：机械手的抓取和移动。设计过程中要结合机械制图和 CAD 的知识画出机械结构图和设计图。三维建模是根据结构图和设计图，利用 3D 软件 Solid Edge 或其他软件进行系统整体结构设计和仿真，做出 FMS50 柔性生产线供料单元的三维模型，模拟出 FMS50 柔性生产线供料单元的工作原理：从物料仓抓取原材料，放在供料站，检测到原材料后，机械手抓取移动，把原材料放在传动带上。控制系统设计是在完成 FMS50 柔性生产线供料单元的结构设计之后，对供料单元进行控制包括供料单元的各部分电路，气路控制的设计和供料单元运动和进行各种要求动作的程序设计。另外，在本设计中还对供料系统进行了经济效益分析，该系统经济效益良好，有很大的市场潜力，适合大规模推广。关键词：FMS50，柔性制造，供料系统，气压传动IIAbstractThe FMS50 flexible production line stands for advanced and designed principle which is the modernize enterprise product to develop and inherit. According to thearranged mission, each work unit can be integrated by choosing pneumatic element and transducer and electric element standard material of corresponding function and the technical parameter .Among work unit have flexible and combined method, and can be combined arbitrarily. The capability opening of system is so strong that can integrate the new technique into the system constantly.The machine system design according to total design project, for FMS50 the gentle production line provide to anticipate each parts of unit to carry on a design. Combine the knowledge of knowledge, mechanics of the machine principle, the machine design,providing to anticipate unit by realization can complete the action that we expect: The machine hand grab at with move. The knowledge that designs to want to combine the machine graphics and CAD in the process draws a machine structure diagram and the design diagram.3D set up a mold according to the structure diagram and the design diagram, make use of the 3 D software Solid Edge or other softwares to carry on a whole structure design of system with imitate really, do a production line with gentle FMS50 to provide 3D model of anticipate the unit, imitate a work principle that production line with gentle FMS50 provides to anticipate unit: The appurtenance anticipates a camalig to grab at original material, put Be providing to anticipate a station, examine to the backoriginal material, the machine hand grabs at ambulation, putting original material on spreading to move to take.Control the system design is at complete a gentle production line of FMS50 to provide to anticipate unit of structure design after, anticipate unit to carry on each parts of electric circuits that control includes to provide to anticipate unit towards provide, annoy the design of the road control with provide to anticipate the unit sport and carry on various program design that the request act.Besides, the economic benefit of distribution system is analysed in this thesis. It has big economic benefit and market potential, this systems should be widely used.Keywords:FMS50, flexible manufacturing, distribution system, pneumaticFMS 供料和检测单元机械结构设计及三维仿真目录36第一章 绪论31.1 柔性制造的由来31.1.1 柔性系统的组成部分41.1.2 柔性制造系统的分类51.2 柔性制造系统的发展趋势61.3 供料单元61.4 检测单元.71.5 本课题所研究的内容7第二章 总体方案设计92.1 供料系统的机械设计92.2 供料系统的建模10第三章 供料和检测单元的实体建模及三维仿真113.1 供料站的机械元件的三维建模123.2 检测站的机械元件的三维建模15第四章 供料和检测单元控制系统的设计174.1 传动方式的选择174.1.1 汽缸的选择184.2 气动执行和控制元件的选择204.2.1 气路图设计214.3 供料系统控制程序设计224.3.1 供料系统硬件系统的设计224.4 供料系统的软件设计.264.4.1 供料站程序设计：264.4.2 检测站程序设计：32第五章 供料系统的经济效益分析345.1 技术经济分析报告34第六章 设计体会及展望356.1 毕业设计体会356.2 设计展望36参 考 文 献37致谢38声明39FMS 供料和检测单元机械结构设计及三维仿真第一章 绪论1.1 柔性制造的由来柔性制造系统（Flexible Manufacturing SystemFMS）的雏形源于美国马尔罗西（MALROSE）公司，该公司在 1963 年制造了世界上第一条加工多种柴油机零件的数控生产线。FMS 的概念由英国莫林（MOLIM）公司最早正式提出，并在 1965 年取得了发明专利，1967 年推出了名为“Molins System24”（意为可 24 小时无人值守自动运行）的柔性制造系统，但最终由于经济和技术上的困难而未全部建成1,2。同年，美国的怀特森斯特兰公司建成 online I 系统，它由八台加工中心和两台多轴钻床组成，工件被装在托盘上的夹具中，按固定顺序以一定节拍在各机床间传送和进行加工。这种柔性自动化设备适于少品种、大批量生产中使用， 在形式上与传统的自动生产线相似，所以也叫柔性自动线 3。所谓柔性制造系统，其实是指由计算机控制的，由若干独立或半独立的工作站和一个物料传送系统所组成的，能高效率地制造多品种、中批量零件的系统， 显然柔性制造系统至少应有三个重要组成分:一是能够进行独立工作的数控设备; 二是连接各设备和装卸站的物料运输系统;三是使各部分协调工作的计算机控制网络系统.FMS 作为一个复杂的制造系统.一个非常重要的特点就是系统应具有良好的柔性，以适应不同的加工要求。直观地看，可以说 FMS 的基本组成与特征（见图 1.1）：图 1.1FMS 的基本组成与特征柔性制造系统(FMS)是具有自动化程度高的制造系统。目前所谈及的 FMS 通常是指在批量切削加工中以先进的自动化和高水平的柔性为目标的制造系统。随着社会对产品多样化、低制造成本及短制造周期等需求日趋迫切，FMS 发展颇为迅速，并且由于微电子技术、计算机技术、通信技术、机械与控制设备的发展， 也促使柔性制造技术日臻成熟，80 年代后，制造业自动化进入一个崭新时代， 即基于计算机的集成制造(CIMS)时代，FMS 已成为各工业化国家机械制造自动化的研制发展重点。柔性系统生产线是当今制造业中比较先进的生产设备，它采用先进的气压技术、计算机技术、自动化技术与精密加工技术，整条生产线有较高的精度与重复精度。而且是较短的生产准备时间。由于采用的是计算机控制其生产，因此，在大多数情况下只需改变程序即可更换加工零件。所以，它可以按市场需要进行生产， 减少了库存量，甚至可实行零库存。FMS50 可以实现无人化操作。从进料、输送、制造到检测、暂存等工序全部可以自动化，只需定时上料和取走工件。还可以实现计算机联网管理，以便及时掌握加工系统的运行与生产情况。柔性加工系统具有很强的自我诊断功能，具有先进的远程服务功能。通过及时地对设备的故障与解决办法进行指导，以保证设备长期无故障运行4,5。1.1.1 柔性系统的组成部分FMS 的组成随待加工工件是随着其它条件的变化而变化的。但系统的扩展必须以模块结构为基础。用于切削加工的 FMS 主要由如下几部分组成： 1.若干台数控机床用以自动地完成多种工序的加工，根据不同加工对象可设有加工中心、车削中心或计算机数控(CNC)车、铣、磨及齿轮加工机床等。 2.物料搬运系统用以实现工件及工夹具的自动供给和装卸，以及完成工序间的自动传送、调运和存贮工作。该系统包括各种传送带、自动导引小车、工业机器人及专用起吊运送机等。3. 计算机控制系统用以处理 FMS 的各种信息，输出控制 CNC 机床、物料搬运系统等自动操作所需的信息，通常采用多级分布式计算机系统。4. 系统软件用以确保 FMS 有效地适应中、小批量多品种生产过程的管理、控制及优化工作。一般包括设计规划软件、生产过程分析软件、生产计划调度软件与系统管理及监控软件6。系统组成图如下所示：图 1.2 柔性制造系统构成框图1.1.2 柔性制造系统的分类按 FMS 的规模大小可分为如下 4 类: 1.柔性制造单元(FMC)FMC 的问世并在生产中使用约比 FMS 晚 6-8 年，它是由 1-2 台加工中心、工业机器人、数控机床及物料运送存贮设备构成，具有适应加工多品种产品的灵活性。FMC 可视为一个规模最小的 FMS，是 FMS 向廉价化及小型化方向发展的一种产物，其特点是实现单机柔性化及自动化，迄今已进入普及应用阶段。2. FMS 通常包括 4 台或更多台全自动数控机床(加工中心与车削中心等)，由集中的控制系统及物料搬运系统连接起来，可在不停机的状况下实现多品种、中小批量的加工及管理。3. 柔性制造线（FML）:它是处于单一或少品种大批量非柔性自动生产线与中、小批量多品种 FMS 之间的生产线。其加工设备可以是通用的加工中心、CNC 机床; 亦可采用专用机床或 NC 专用机床，对物料搬运系统柔性的要求低于 FMS,但效率更高。它是以离散型生产系统中的柔性制造系统和连续性生产过程中的分散型控制系统（DCS）为代表，其特性是实现生产线柔性化及自动化。其技术已日臻成熟，迄今已进入实用化价段。4.柔性制造工厂（FMF）FMF 是将多条 FMS 连接起来，配以自动化立体仓库，用计算机系统进行联系，采用从订货、设计、加工、装配、检验、运送至发货的完整 FMS。它也包括 CADCAM, 并使计算机集成制造系统(CIMS )投入实际使用，实现生产系统柔性化及自动化， 进而实现全厂范围的生产管理、产品加工及物料贮运过程的全盘自动化。FMF 是自动化生产的最高水平，反映出世界上最先进的自动化应用技术，它是将制造、产品开发及经营管理的自动化连成一整体，以信息流控制物质流的智能制造系统(CIMS)为代表，其特点是可以实现生产柔性化及工厂自动化78。1.2 柔性制造系统的发展趋势1967 年，英国莫林斯公司首次根据威廉森提出的 FMS 基本概念，研制了“系统 24”。其主要设备是六台模块化结构的多工序数控机床，目标是在无人看管条件下，实现昼夜 24 小时连续加工，但最终由于经济和技术上的困难而未全部建成。70 年代末期，FMS 在技术上和数量上都有较大发展，80 年代初期已进入实用阶段，其中以由 35 台设备组成的 FMS 为最多，但也有规模更庞大的系统投入使用。1982 年，日本发那科公司建成自动化电机加工车间，由 60 个柔性制造单元（包括 50 个工业机器人）和一个立体仓库组成，另有两台自动引导台车传送毛坯和工件，此外还有一个无人化电机装配车间，它们都能连续 24 小时运转。这种自动化和无人化车间，是向实现计算机集成的自动化工厂迈出的重要一步。与此同时，还出现了若干仅具有 FMS 基本特征，但自动化程度不很完善的经济型 FMS，使 FMS 的设计思想和技术成就得到普及应用9。1982 年，日本发那科公司建成自动化电机加工车间，由 60 个柔性制造单元（包括 50 个工业机器人）和一个立体仓库组成，另有两台自动引导台车传送毛坯和工件，此外还有一个无人化电机装配车间，它们都能连续 24 小时运转。这种自动化和无人化车间，是向实现计算机集成的自动化工厂迈出的重要一步。与此同时，还出现了若干仅具有 FMS 基本特征，但自动化程度不很完善的经济型FMS，使 FMS 的设计思想和技术成就得到普及应用10。1.3 供料单元供料系统是柔性加工的重要组成部分，它主要包括两个部分供料站和检测站两个单元。供料站主要是提供原料来进行加工，而监测站则是监测所需原料是否到位，即原料就是所需的原料。物料系统作为柔性制造的关键技术之一越来越多的受到重视。从供料系统的设计、制造、结构改进到应用机理的实验研究一直都在进行。特别是随着市场竞争力的逐渐加大，各国都纷纷寻找先进高效的生产设备，以谋取更大的利益。供料系统的不断改进，从槽下供料到链板分选供料、机器人冲压供料，无一不显示出其改进的步伐。机器人冲压供料是比较先进的工料方法，它是通过传感器发出信号，再用 PC 机进行接收，并且用 PLC 进行控制，检测信号来完成的。它与传统物流系统最大的差异在于:FMS50 的组成单元都独立地具有运行、预备和停止三种状态，所有功能单元不是简单地依次逐个进行动作，若某个单元处于停止状态或运行状态，其它单元仍能够毫无影响地独自完成动作。基于此， FMS50 可以归纳为四种系统运行模式:原料输入到成品输出、原料输入到成品暂存、成品暂存到成品输出以及原料输入和成品暂存到成品输出。互异运行模式涉及不同数量的功能模块11。1.4 检测单元检测单元是供料系统中很重要的一部分，它通过对原料的检测，来实现有限工序的连续生产，这样也使得供料系统能够很稳定的运行下去，它适于多品种中、小批量生产应用。1.5 本课题所研究的内容研究的课题为 FMS50 柔性生产线供料单元设计，其主要包括供料单元和检测单元的总体设计和系统建模。总体设计包括：机械系统设计和控制系统设计两部分。机械系统设计是根据总体设计方案，对 FMS50 柔性生产线供料单元各部件进行设计 12。本设计是结合机械制图、机械原理、机械设计、PLC 的知识还有力学与电学方面的知识，以实现 FMS50 柔性生产线供料单元来完成我们所期望的动作：机械手对原料的抓取和移动。设计过程中要结合机械制图、机械原理、机械设计的知识画出机械结构图和设计图，并用 CAD 把三视图画出来。三维建模是根据结构图和设计图。利用 3D 软件 Solid Edge 或其他软件进行系统整体结构设计和仿真，做出 FMS50 柔性生产线供料单元的三维模型，模拟出 FMS50 整个加工过程中的大概状况。柔性生产线供料系统的工作原理：通过电脑的控制让机械手首先从物料仓抓取原材料，放在供料站，传感器检测到原材料后，会反馈到电脑上，电脑会自动执行下一步的程序使机械手抓取移动，把原材料放在传动带上。控制系统设计是在完成 FMS50 柔性生产线供料单元的结构设计之后，对供料系统进行控制其中包括供料单元的各部分电路，气路控制的设计和供料单元整个的运动和进行各种要求动作的程序设计和对每个器件包括汽缸、换向阀、节流阀选用的原因、各自的特点和在整个运作过程中的作用。其实汽缸是检测单元的重点，我对汽缸进行了设计，为了保证在机械传动方面我选择用气压传动来实现， 因为它具有着安全、方便和费用低等特点13。PLC 的设计如下：整个系统电路原理是每一个工作站各有一个电源开关来控制。所以他们的站是独立，从供料站的一个引出到监测站的输出点。两个工作站各有一个控制电板来控制，所以他们各个部分的信号是独立。从供料站的 Q6 出来到检测站的 I4， 而他们的输出是相连的。通过传感器的信号输出来控制整个系统的工作。整个电路系统所要通过传感器来进行系统的各个动作的设计。首先，要检查工作站是否复位，如果没有复位则要进行复位动作。电路系统检测供料站原料是否供上，以及气缸的移动是否到位。控制的部分主要是各个工件所需要移动的距离。检测部分需检测检测站的原料台上是否是空的，这样才可以进行整个系统的动作。系统的整体设计是供料站输出接上检测站的输入。开始供料站有几个开关来控制着，他们是电感式和接触式，指示灯是用来指示工作站的工作状态。从电源出来的线直接接到供料站的输入，这时整个系统的电路也算是开始接线。供料站通过开关进行控制。供料站由传感器 IBI 来检测下一站是否是空的，如果下一张是空的指示灯 4 就会亮，这时就会通知工作站来进行下一个动作。传感器主要的显示工作状态和执行动作所需要的条件。指示灯的功能主要是让操作者更能直观的看出系统所处的状态，通过执行不同的动作，来使传感器处于不同的状态。最后，对供料系统进行经济效益的分析，并对市场前景予以展望以及我在整个毕设过程中的不足的地方。第二章 总体方案设计供料系统是 FMS50 柔性整个生产线的重要组成部分。它主要有供料站和检测站组成。供料站主要是从生产系统输送原料，监测站主要是负责检查原料是否合格，并且把它们送到生产线上。研究的课题为 FMS50 柔性生产线供料单元设计，它是整个柔性加工系统中的极为重要的一部分 14。图 2.1 FMS50 柔性生产线流程图2.1 供料系统的机械设计供料系统机械部分的设计主要是各个零部件的选择。并且采用 AutoCad 2003 进行绘图。供料系统中的供料站所选用的机械零件主要有料仓、工作台、摆动模块，供料站的料仓是放原料的装置。料仓由三部分组成，料仓桶，底座，推手。全部采用塑料制成。而底座和推手部分地方挖空，是为了减轻料仓的重量，还有节省成本。摆动模块采用 4mm 钢板制成，中间传送带采用橡胶制成检测站的气缸、滑槽、支撑滑槽的柱台、放原料的台子。检测站中，各部分组成部件采用 45#钢和 4mm 钢板制成。零件的选择标准是在能够满足工作要求的情况下尽可能的减少工作成本，减轻工作台的重量。传动方式的选择：传动是整个供料系统的重要部分，它是整个系统原料传送的关键。整个系统的动作所需的能量是机械能，由于整个系统不能直接提供机械能，所以只能通过其它形式的能量进行转换。传动方式可以有两种气压传动和液压传动。鉴于气压传动动一系列优势，和别的传动方式相比有着气压洁净安全、便于存储、价格低廉等等。所以本系统的传动方式选用气压传动。2.2 供料系统的建模供料系统的建模主要是对系统的各个零部件进行的三维模拟。建模所采用的软件是 Solid Edge。(1) 在 Solid Edge 环境下,进行装载机工作装置三维实体建模、虚拟装配,为运动仿真和应力分析打下了基础。(2) 应用 Solid Edge 软件进行了动态仿真,解决了装载机工作装置传统设计中无法直观观察工作装置空间运动状况的难题。(3) 应用 Solid Edge 软件进行了应力分析,可以直观地从应力云图中得到最大应力,可判断动臂的强度是否安全可靠。使用 Solid Edge 是为了在传动过程进行仿真，而仿真中装配是可以在 Solid Edge 的组件模块中完成的。由于各部件之间的装配关系不同, Solid Edge 提供了不同的装配形式。如果装配件与被装配件之间没有相对运动,装配时应使用“放置”选项板定义彼此之间的约束关系;否则,在装配时应使用“连接”选项板来定义它们之间的连接关系和约束关系。鉴于这一软件所具有的优点，更能深刻的表现出元件的结构和它们之间的装配关系，再加上我们上学期由曹建树老师教授并学习了这个软件，使用起来相对比较顺手，因此选用此软件15。第三章 供料和检测单元的实体建模及三维仿真供料系统是 FMS50 柔性生产线中重要组成部分，它主要是向生产线提供生产原料，并且检测站检验供给的原料是否合格。供料系统主要包括两部分即：供料站和检测站。供料站主要是由料仓和摆动气缸两大部分组成，料仓通过传感器控制并利用推手把原料从料仓中推出，而摆动气缸则是通过真空吸附原理来吸取原料，把原料放在另一个平台上。而且在这其中还有有一些传感器，如光纤传感器， 位移传感器等等，通过信号的变化来告知人们当前正处于什么样子的状态，以及实现这种状态下所具备的条件是什么。这样就有利于实现生产状态的自动化，从而更好的提高生产效率，增加系统的经济效益。当然，供料部分还包括一个重要的 PLC 板，用它来进行人机互换， 通过使用计算机来进行控制整个生产的过程，是实现柔性化的关键，所谓柔性化的意义也在于此12。因为这次毕业设计中还有一个重点就是实体建模，所以在建模开始的时候首先分了几个单元来画，最后并把他们进行装配在一起。那几个单元分别是供料站（料仓和摆动气缸）和检测站(滑槽和检测单元)以及工作台。供料仓如下图所示：图 3.1 供料仓检测站主要是由摆动气缸和导轨组成。从供料站传送过来的原料放在原料台上，通过气缸把它们送到导轨下面，这时由传感器来检测原料长度是否合格，如果合格就把它放在导轨上，有导轨连接传送带，完成整个工件的传送。如果不合格，则会重新调整长度，直到合适位置，开始其传送过程。同供料站一样，检测站也存在着多种传感器，它们主要也是进行信号显示其工作状态。PLC 同样也是整个工作站的心脏。工作站还有一个重要组成部分就是阀岛，整个工作站的传动方式是气压传动，所以用到的气阀主要是二位五通阀。检测站如下图所示：图 3.2 检测站3.1 供料站的机械元件的三维建模本系统的三维建模主要是用 solid edge 进行的。供料系统的工作台主要是支撑各个工作件的，所以工作台的材料应该是尽量耐用，而且成本不能太高。本设计中为了达到目的选择了长形带槽形工作台，它具有以下优点：能够使工作件有足够的空间排开；沟槽形结构能够节省材料，以达到节省成本的目的。沟槽形工作台还可以减少整个系统的重量。工作台具体的形状如下图所示：图 3.3 工作台供料仓是整个供料系统的重要部分，主要是用来盛装原料的，为了节省其成本，减轻整个工作台的重量，供料仓的原材料选用的是塑料的，而且它的形状也是尽量减少空间，供料仓的推手使用塑料设计的，因为塑料的成本较低，而且可以减轻重量，所以工作站的重量小了，整个系统所需要的压力也大大减轻了，节省能源，最重要的是减少整个生产成本，增加经济效益。所以它的设计如下图所示：图 3.4 供料仓摆动模块是从供料仓中把料取出，通过真空原理来吸取原料。然后，摆臂摆出到工件台上，放气来放下原料。为了减轻摆臂的重量，以减少所需的能量，所以摆臂要设计成中空的，要用齿形带来让控制器转动。图 3.5 摆动汽缸FMS 供料和检测单元机械结构设计及三维仿真3.2 检测站的机械元件的三维建模检测站的小柱台是与气缸的支撑板相连的，它通过小板来支撑整个气缸的重量。因为气缸是上下移动的，如果检测原料是不合格，要向下移动，为了限制它所移动的距离，所以用小板来固定。用小板来固定既减轻了整个工件的重量，节省了材料，又增加了工件的支撑面积，减少了单位面积的压力，这样更有利于工件的固定。气缸的稳定是整个工作台稳定的重要环节。图 3.6 滑槽检测站是采用铝合金制成，首先会对原料进行检测，并且把物料输送到传送带，进行下一站工作。FMS 供料和检测单元机械结构设计及三维仿真图 3.7 检测单元通过与柱台滑槽通过气缸，将压力调节成机械能，使气缸上升，把工件放到滑槽中。比较仪通过电位器来检测其高度，进行调整。整个的供料系统的流程为：摆臂摆出到原料的台子上面，以留出空间使料仓的推手把料从料仓中推出去，当料被推出以后，摆臂手从料台上摆到料仓部位， 通过气源进行放气来排除真空以达到吸取原料的目的。 最后，当气嘴已经把原料吸住以后，摆臂摆出到工件台上，这时气源进行放气把原料放到工件台上。从供料站运送过来的原料放在原料台上，通过气缸把它们送到导轨下面，这时由传感器来检测原料高度是否合格，如果合格就把它放在导轨上，有导轨连接传送带， 这样就完成整个工件的传送。通过与柱台滑槽通过气缸，将压力调节成机械能，使气缸上升，把工件放到滑槽中。比较仪通过电位器来检测其长度，进行调整。摆臂摆出去到原料的台子上面，以留出空间使料仓的推手把料从料仓中推出去，当料被推出以后，摆臂手从料台上摆到料仓部位，通过气源进行放气来排除真空以达到吸取原料的目的。 最后，当气嘴已经把原料吸住以后，摆臂摆出到工件台上，这时气源进行放气把原料放到工件台上。从供料站运送过来的原料放在原料台上，通过气缸把它们送到导轨下面，这时由传感器来检测原料长度是否合格，如果合格就把它放在导轨上，有导轨连接传送带，这样就完成整个工件的传送。第四章 供料和检测单元控制系统的设计控制系统设计是在完成 FMS50 柔性生产线供料单元的结构设计之后，对供料单元进行控制包括供料单元的各部分电路，气路控制的设计和供料单元运动和进行各种要求动作的程序设计。供料站和检测站组成的供料系统是 FMS50 柔性加工系统的重要单元，系统本身的组成部分都是非常合理，而且资源配置也很优化。所以本次的设计的重点主要是它们传动与控制方面的设计。由于气缸传动是检测单元中很重要的组成部分，通过传动控制整个系统的供料，以及原料的运输。所以本设计重点是传动及控制的设计，经慎重考虑选择气压传动方式15。4.1 传动方式的选择柔性加工的供料系统所采取的是气动控制，其优点如下： 1气动技术以空气为工作介质，空气随处可取，且粘性小，在管内流动阻力小，便于集中供气和远距离输送。同时气动技术在广泛的各种应用中具有安全、方便和费用低的优点。2气动元件结构简单，价格低廉，用过的空气可向大气排放，处理方便， 不必使用回收管道。3气动系统维护不复杂，也不需要特殊的培训和试验设备。4适应性强，现有的机器可方便的改为气动传动，气缸可以直接安装在要求出力的地方。5便于进行能量储存，可以进行应急或系统需要用。6气压传动本身有过载保护性能。气动执行元件能长期在满负荷下工作， 在过载时会自动停止。因为具有这些优点，以气动技术能在各个工业部门中得到日益广泛的应用。而气动元件更是一种经济实用的机械化、自动化的理想元件。现在，气动技术和电子电器、液压技术一样，都成为自动化生产过程的有效技术之一，在国民经济建设中起着越来越大的作用。4.1.1 汽缸的选择本设计中所选用的是 ADVU-16-1-P-A 型的双作用紧凑型气缸。如下图所示说明：图 4.1 紧凑性双作用汽缸气口接活塞杆接头：按 ISO6431 缓冲装置：向缓冲行程长缓冲可调安装位置：任意工作介质：压缩空气工作压力：0.151.0Mpa 特点： 采用铝合金前后端盖及缸筒外形美观，重量轻。 四拉杆式结构。 起动压力0.02MPa，寿命1000km 以上，蠕动性小。 环境温度-2580（在不冻结条件下）。 可以按 ISO 标准式 Ceto P 标准生产的气缸互换。缸径 D253240506380100125160200工作压力为0.4MPa时推力(N)1963325027851247201031414908804212566拉力(N)1642764226601121181429454626754012064工作压力为推力49080412561963311750267853122712010631416 行程长度按用户要求，在规定范围内任选。理论作用力(N):FMS 供料和检测单元机械结构设计及三维仿真1.0MPa时(N)拉力(N)41269110551649290345357363115641885030160行程范围(mm)60400706007070080100080140010014001003000120300014030001403000壁厚的计算：因为在汽缸中不允许壁过薄，否则会导致安全性无法保障。（1）单位为 pa 因为选用的是缸径为 25mm 的双作用汽缸，经查表拉力为 412。s-安全系数一般取 68，本次设计取 8 为安全序数经过计算（2）-汽缸筒的壁厚D汽缸筒的内径 mm 考虑到整个的汽缸不能太大所以选用缸径为选用 25mm 的缸径进行计算P汽缸工作压力 pa 通过查找机械设计手册为 1.5X pa经过计算 为 34mm。通过计算得出 25mm 的缸径双作用汽缸满足设计的要求。气缸是气压传动中所使用的执行元件。它主要是把压缩空气的压力转化为机械能的装置，主要是进行直线往复运动和摆动。在供料系统中，气缸主要是用来使原料进行移动的。当供料站的摆动模块把原料放在工作台上时，为使原料能够进入整个系统，也就是说能够顺利进入加工站进行加工。而滑槽离工作台有190mm 的高度，需要一个动力使它能够上升到这个高度，而 ADVU-16-1-P-A 型的双作用紧凑型气缸在 25mm 的缸径下仍然可以达到 412N 的拉力，这样保证了它的正常运行。4.2 气动执行和控制元件的选择汽缸是整个工作站的必要部分，通过汽缸和摆动模块来使原料进行转移。还有，吸气和排气则是吸料和放料所必需的。所以整个系统的气动元件的选择是很关键的。吸气和排气主要选用的是二位五通阀，中间气体方向的改变而使换向阀的功劳，压力大小的改变主要靠的是节流阀。具体参数：（1）双作用汽缸：压缩空气驱动活塞向两个方向运动。（2） 换向阀：型号为 CPV10_M1H_5LS_M7_gb，2 位 5 通换向阀，单电控。（3）节流阀：调节流量和改变压力。同时供料站也用到了真空吸附原理。真空产生原理是利用射流的卷吸作用，卷吸周围的静止气体和它一起向前流动在射流周围产生低压区。典型真空发生器简介如下：1 口进气，2 口排气，在 3 口产生真空。真空吸附回路主要的气动执行元件在有：（1） 真空发生器（型号：CPV10_M1H_VI70_2GLS_M7_gb），阀内包括两个电控阀和一个真空发生器。（2） 真空开关（型号：VAF-PK-4）。（3） 吸盘（VAS-8-M5-PUR）。（4）真空过滤器。4.2.1 气路图设计气动的系统设计是整个系统的重要组成部分。系统主要包括两个工作站供料站和检测站。这两个系统是共用一个气源。有两个真空消声器，整个系统的各个部分的气流方向是同通过换气阀来改变的。整个系统主要用的是二位五通阀。从供料站的气路是有一个气源出来，是节流阀和换向阀来改变的，从气源出来的气通过一个二位五通阀来到达气缸，气缸改变气体的换气大小达到整个系统的要求。从系统出来的气路通过一个气路来到FMS 供料和检测单元机械结构设计及三维仿真达检测站。本系统的气路主要是向系统提供气源。通过压缩空气把压力转化为机械能来完成动作。整个系统所用的是一个气源，来提供整个系统的能量。整个气路图的设计过程如下：从气源出来的气体，经过二位五通阀来改变气体的压力大小，然后通过单向阀来来到达气缸，有汽缸的作用来改变压力的大小。经过汽缸的气体，这时会改变压力大小，而产生机械能，机械能来推动整个系统的运动。供料站和检测站是共用一个气源的，从供料站出来的气体经过一个气路到达检测站，然后从气阀流出经过换向阀来改变方向，到达气缸。从气缸出来的气体已经改变了大小，压力转化为机械能，使气缸上升，把工件放到滑槽中18。4.3 供料系统控制程序设计控制器的选择是可编程控制器 PLC。可编程控制器是以微处理器为输出，综合了计算机技术，自动控制技术和通信技术发展起来的一种通用的工业自动控制装置。PLC 是在计算机技术的促进下得以发展的新一代顺序逻辑控制装置，是专为在工业环境下应用而设计的一种数字运算操作的电子装置，是带有存储器、可以编成控制程序的控制器。4.3.1 供料系统硬件系统的设计供料系统的硬件部分的设置主要是 PLC 的选型和各个电动元件的选择。PLC 的主要特点：(1) 可靠性高，抗干扰能力强。由于采用大规模集成电路和微处理器，使系统器件数大大减少，并且在硬件的设计和制造的过程中采取了一系列隔离和抗干扰措施，使它能适应恶劣的工作环境，具有很高的可靠性。(2) 编程简单，使用方便。(3) 通用性好，具有在线修改能力。PLC 硬件采用模块化结构，可以灵活地组态以适应不同的控制对象，控制规模和控制功能的要求。且可通过修改软件， 来实现在线修改的能力，因此其功能易于扩展，具有广泛的工业通用性。(4) 缩短设计、施工、投产的周期，维护容量。目前 PLC 产品朝着系列化、标准化方向发展，只需根据控制系统的要求，选用相应的模块进行组合设计，同时用软件编程代替了继电控制的硬连线，大大减轻了接线工作，同时 PLC 还具有故障检测和显示功能，使故障处理时间缩短。(5) 体积小，易于实现机电一体化11。SIEMENS-300 系列 PLC 软件部分：采用 Step-7 软件，大概流程：1.新建项目硬件设置 2.建立变量表确定元件地址填写符号表 3.任务分析画流程图编程中的一些定义：OB：组织块，操作系统循环调用的程序块，并用这个调用启动用户程序的循环执行。FC：功能，功能是属于你的编程块。一个 FC 被不同的逻辑块调用时这些程序总会被执行。FB：功能块，在程序的分级结构中位于组织块之下，包含程序的一部分，可以在 OB1 中被多次调用。PLC 功能原理：第一部分是上电处理。PLC 通电后，对系统进行一次初始化工作，包括硬件初始化，FO 模块配置检查，停电保持范围设定及其初始化处理等。第二部分是扫描过程。PLC 上电处理完成以后进入扫描工作过程。先完成输入处理，其次完成与其他外设的通信处理，再次进行时钟、特殊寄存器更新。当CPU 处于 STOP 工作方式时，还要完成用户程序的执行和输出处理，再转入执行自诊断检查。包括 3 个阶段:输入采样，程序执行，输出刷新。第三部分是出错处理。PLC 每扫描一次，执行一次自诊断检查，确定 PLC 自身的动作是否正常，例如 CPU、程序存储器等是否异常或出错。如果检查出异常时，CPU 面板上的 LED 及异常继电器都会接通，在特殊寄存器中会存入特殊代码。当出现致命错误时，CPU 被强制为 STOP 方式，所有的扫描停止。系统电路图的设计思路：整个系统电路原理是每一个工作站各有一个电源开关来控制。所以他们的站是独立，从供料站的一个引出到监测站的输出点。两个工作站各有一个控制电板来控制，所以他们各个部分的信号是独立。从供料站的 Q6 出来到检测站的 I4， 而他们的输出是相连的。通过传感器的信号输出来控制整个系统的工作。整个电路系统所要通过传感器来进行系统的各个动作的设计。首先，要检查工作站是否复位，如果没有复位则要进行复位动作。电路系统检测供料站原料是否供上，以及气缸的移动是否到位。控制的部分主要是各个工件所需要移动的距离，比如供料站的摆臂所要摆动的距离，料仓的气缸推手所要退出料的距离等等。检测部分需检测检测站的原料台上是否是空的，这样才可以进行整个系统的动作。系统的整体设计是供料站输出接上检测站的输入。开始供料站有几个开关来控制着，他们是电感式和接触式，指示灯是用来指示工作站的工作状态。从电源出来的线直接接到供料站的输入，这时整个系统的电路也算是开始接线。供料站通过开关进行控制。供料站由传感器 IBI 来检测下一站是否是空的，如果下一张是空的指示灯 4 就会亮，这时就会通知工作站来进行下一个动作。传感器主要的显示工作状态和执行动作所需要的条件。指示灯的功能主要是让操作者更能直观的看出系统所处的状态，通过执行不同的动作，来使传感器处于不同的状态。从供料站出来的线经过电感式开关来控制指示灯的亮灭，这时就相当于给操作者一个信号，通过一系列的传感器来改变工作状态。经过开关的线主要是控制面板上的，来控制指示灯的。通过传感器“reset”, “ reset-light”来检测工作是否复位，如果复位灯亮，这时整个工作台要进行复位，所以从控制面板出来的线要接在复位传感器上；复位完成之后要进行下一步动作，所以先从复位那儿出来接到传感器 IP-FL 上面，这是为了检查下一个工作站是否是空的；后又传感器“1B2”和“B4”来使摆动臂手摆到下一站，最后按整个工作站要进行的动作使传感器接上，所有的传感器都是要接到控制面板上面的，由控制面板来统一管理整个系统的工作信号。从供料站的Q6 出来的 Q6 要接到检测站的I4 上面这样两个信号要传到检测站去，所以工作站的动作才能有序的进行下去，两个站才真正的成为一个主体， 当信号传到检测站以后，也会进行检测工作站是否复位进行检测，通过控制面板的指示灯来反映工作状况。整个工作系统的接线是通过工作站所要进行的动作而进行的，是一个有序的过程。检测站的比较仪是检测工件的高度的，通过电位器进行控制的，所以从传感器“B2”，“B4”出来的信号要接到比较仪“B5”上面，工件的检测并不是一蹴而就的，所以需要用延时“DELAY”来进行延时，这时如果高度不合适就要调整， 这时接线就需要接到“2Y2”，“2Y1”上面，高度调整结束以后，就通过滑槽来把原料滑出到传送带上，这时整个工作过程就算结束了，传感器“CYCLEEND”所对应的指示灯就亮了，系统可以进入循环状态。从供料站的 Q6 出来的信号要传到检测站去，所以 Q6 要接到检测站的 I4 上面这样两个工作站的动作才能有序的进行下去。通过控制面板调控整个系统的工作。所以所有的线都接在控制面板上面，通过控制面板进行信号的转化，来到达下一个状态。4.4 供料系统的软件设计4.4.1 供料站程序设计：供料站主要完成的任务是料仓的推手把远料从料仓中推出来，通过摆臂进行摆动到料仓的料台上，这时就有摆臂把料取出放到原料台上。供料站的程序设计思路如下：首先，要检查供料站是否复位，复位后直接进行系统的工作；如果没有复位要先进行复位。复位的具体步骤是