模块化生产系统之次品处理改进方案设计

五邑大学机电工程学院五邑大学机电工程学院 1 五 邑 大 学 机电系统实践 设计题目 设计题目 M02 次品处理改进方案设计次品处理改进方案设计 院系 机电工程学院 专业 机械工程及自动化 学号 学生姓名 李展雄 指导老师 吴勇华教授 完成日期 2014 年 6 月 26 日 目 录 五邑大学机电工程学院五邑大学机电工程学院 2 UP MPS10UP MPS10 概述 1 1 1 UP MPS10 综述 1 1 2 各单元的作用 1 M02M02 次品处理站点介绍 2 2 1 单元构成 3 2 2 单元功能 3 2 3 单元工作原理 3 设计任务的提出 3 3 1 真空吸盘的特点及优点 3 设计方案的提出 3 方案的确定与设计 4 5 1 方案的确定 4 5 2 方案的总体设计 4 5 2 1 执行系统设计 5 5 2 2 传动系统设计 6 5 3 设计技术参数 6 6 传动系统分析 7 7 控制系统分析 10 7 1 控制系统的选择 10 7 2 分析工艺过程 明确控制要求 10 7 2 1 分析气动机械手工作的工艺过程 10 7 2 2 控制要求 10 7 3 确定 的 点数并选择 PLC 10 7 3 1 输入信号 10 7 3 2 输出信号 11 7 3 3 的选择 11 7 4 分配 PLC 的 I 端子 11 7 5 电气元件的选择 12 7 6 气动元件的选择 12 7 7 电气图 13 7 7 1 接口板接线图 13 7 7 2 气动回路图 14 7 8 控制系统程序设计 15 7 9 自动操作流程图 16 7 10 自动控制程序的状态转移图 16 8 结论 5 17 参考文献 17 致谢 17 五邑大学机电工程学院五邑大学机电工程学院 3 附录 17 UP MPS10 概述 UP MPS10 综述 五邑大学机电工程学院五邑大学机电工程学院 4 UP MPS10 含有 10 个单元 按一定工艺顺序排列的若干台自动机床 用工件传送 装置和控制系统联结起来 按照规定的生产节拍 工件自动地依次经过各个加工工位进 行自动加工的连续作业线 不同的单元处理不同的工艺过程 形成一个完整的产品生产线 该系统完成对一个 对指定技术要求加工件的供料 检测 加工 检验 表面处理 装配 产品标记 入库 的全部自动生产过程 其中 各工艺站点之间通过环形输送带进行物流传递 AGV 可在 系统的调度控制下完成部分零部件的转移传输 各单元分别为 各单元的作用 M01 供料检测 该站点能根据调度程序 自动供应不同材质 颜色 尺寸的原料 并检测记录材质 颜色信息 M02 次品处理 该站点根据工艺要求 拾取合格的原料传递到工位输出点 将不合格的次品原料分 类从不同的滑梯处排放掉 避免进入下一道工序 M03 加工检验 该站点按要求 选择合适的刀具对原料坯料进行装卡加工 加工后对工件进行检验 记录尺寸是否合格的信息 M04 表面处理 该站点从上一站点拾取工件 将工件送入表面处理装置进行处理一段时间 然后将 处理好的工件拾取到工位输出点 M05 分拣 该站点将传递过来的次品工件按次品的分类进行分类剔除 M06 装配 该站点完成外壳的自动供料 外壳工件的传递和装卡 对工件的装配和输出做好准 序号单元代 号 单元名称 1M01 供料检测 2 M02 次品处理 3 M03加工检验 4 M04 表面处理 5 M05 分拣 6 M06 装配 7 M07 机械臂 8M08 冲压 9M09 产品标记 10 M10立体仓储 五邑大学机电工程学院五邑大学机电工程学院 5 备 M07 机械臂 该站点完成三个工位点的工件之间的传递 M08 冲压单元 该站点将传递过来的半成品进行冲压加盖的二次装配 M09 产品标记 该站点从上一站点获取工件 并对该工件进行标记 M10 立体仓库 该单元是原材料及成品的存放场所 当用作成品库时 将传递过来的成品按需要存 放在相应的仓位 当用作原料库时 将相关仓位的原料取出 并放置到工位出口处 M02 次品处理站点介绍 单元构成 真空搬运机构 同步带传动机构 蜗轮蜗杆减速电机 直流电机控制器 绝对角度传感器 漫反射光电开关 真空压力开关 无杆气缸 油压缓冲器 真 五邑大学机电工程学院五邑大学机电工程学院 6 空发生器 真空吸盘等 单元功能 该单元功能是根据原料信息 工艺要求 拾取合格的原料到下一单元 将不合格的 次品原料分类排放掉 避免进入下一道工序 单元工作原理 该站点是一个一自由度的机械手臂 由电机和真空发生器混合驱动 电机控制旋转 角度 可以实现连续位置精确定位 真空吸盘则对其工件进行搬运 真空搬运机构用无杆气缸和同步带拨正摆臂实现 通过光电漫反射传感器确定工位 设计任务的提出 3 1 真空吸盘的特点及优点 易损耗 由于它一般用橡胶制造 直接接触物体 磨损严重 所以损耗很快 它是气动易损 件 真空吸盘正因如此 它才如此显著地从众多气动元件中重点突出出来 易使用 不管被吸物体是什么材料做的 只要能密封 不漏气 均能使用 电磁吸盘就不可 以 它只能用在钢材上 其他材料的板材或者物体是不能吸的 无污染 真空吸盘是环保的 不会污染环境 没有光 热 电磁等产生 不伤工件 真空吸盘由于是橡胶材料所造 吸取或者放下工件不会对工件造成任何损伤 而挂 钩式吊具和钢缆式吊具就有可能产生 在一些行业 对工件表面的要求特别严格 他们 只能用真空吸盘 真空吸盘的机械手拾取成功率低 结构复杂 成本高 检修不便 真空吸盘只能吸 取直径小 重量比较轻 体积不大的工件 不适宜多品种 变批量的生产线 为此对次 品处理系统的机械手较难推广 必须提出可行的整改方案 设计方案的提出 气压传动机械手 以压缩空气的压力来驱动执行机构运动的机械手 其特点为 输出力大 易于保养 动作迅速 结构简单成本低 但是由于空气具有可压缩性 工作 速度的稳定性一般 定位精度一般 液压传动机械手 以油液压缩的压力来驱动执行机构运动的机械手 其特点 输 出力大 传动平稳 机构紧凑 动作灵敏 抓取力大 但是这种机械手对密封性要求很 高 不易于保养与维护 受到液体本身的属性影响 不宜在高温或低温的环境下工作 五邑大学机电工程学院五邑大学机电工程学院 7 油的泄露会导致对其工作性能产生很大的影响 油液过滤要求非常严格 成本高 机械式的机械手 由机械传动机构驱动的机械手 是一种附属于工作主机的专用 机械手 动力是有工作机械提供的 其主要特点为 运动精确 动作频率大 定位精度 高 但是结构较大 保养需求高 电气驱动机械手 由电机直接驱动执行机构运动的机械手 其特点为 运动速度 快 行程长 定位精度高 易于维护 使用方便 节能环保 但是其技术还不够成熟 结构较复杂 成本较高 方案的确定与设计 方案的确定 为了满足系统功能要求和环境条件 明确工件的结构形状和材料特性 定位精度要求 抓取 搬运时的受力特性 尺寸和质量参数等 从而进一步确定对机械手结构及运行控 制的要求 尽量选用定型的标准组件 简化设计制造过程 兼顾通用性和专用性 并能实 现柔性转换和编程控制 本次设计的机械手是气动传动机械手 方案的总体设计 总体方案设计图 此机构包含夹持和翻转两动作 代替原系统真空吸盘的吸取工件和电机的旋转 将 整个机构安装在原系统的无杆气缸的支座上 实现了原系统二工位的机构改装 5 2 1 执行系统设计 五邑大学机电工程学院五邑大学机电工程学院 8 执行系统图 以压缩空气推动气缸 气缸驱动齿条前后来回移动 使夹具夹紧和松开的运动 夹具采用塑钢材料 可拆卸以便更换不同的夹头 来适应不同规格的工件 采用气缸代替真空吸盘 夹持稳定 限制小 采用齿条传动可以增加气缸的夹持范围 传动平稳 不易磨损 维修方便 寿命长 气缸与齿条之间采用浮动接头的联接 使气缸在驱动齿条的 时不会出现卡死现象 可使气缸的推力均匀 夹持工件稳定 执行系统设计参数如下 5 2 2 传动系统设计 五邑大学机电工程学院五邑大学机电工程学院 9 传动系统图 传动系统中翻转机构的光轴与两双滚动轴承的联接 翻转机构的光轴与摆动气缸的 驱动轴采用联轴器联接 摆动气缸的行程是 0 180 度 采用摆动气缸代替电机 可使机 构简单 设计方便 成本低 设计技术参数 所选标准气缸型号和规格 名称型号缸径行程 最高 使用 压力 最低 使用 压力 扭矩磁性开关 摆动气缸 RAF10 180 10mm1800 0 7 MPa 0 2MPa 0 96N m 2 个 自由气缸 CU16 6mm15mm0 70 2MPa 2 个 五邑大学机电工程学院五邑大学机电工程学院 10 15DMPa 所选标准零件型号和规格 名称型号内径外径厚度 额定动 荷载 额定静 荷载 滚动轴承 6001ZZ 10mm28mm8mm5100N2370N 滚动轴承 686ZZ6mm13mm3 5mm1080N1080N 所选其他标准件 铸铝角码铸铝角码 型号 20X20 紧定螺钉紧定螺钉 型号 M4 沉头螺栓沉头螺栓 型号 FC1010T 浮动接头浮动接头 型号 M4 还有其他所画的图纸零件构成 6 传动系统分析 本报告选用夹持翻转机构中的一个核心零件 转轴 进行分析 如下图 五邑大学机电工程学院五邑大学机电工程学院 11 转轴所用材料及其材料属性如下表所示 轴的受力状况 两轴承间主要受一个向下的压力 轴与联轴器相连端主要受 到一个转矩 应力图如下 最大应力 6 675e 01 最小应力 2 067e 04 五邑大学机电工程学院五邑大学机电工程学院 12 位移图 最大位移 3 551e 05 结论 结论 五邑大学机电工程学院五邑大学机电工程学院 13 通过有限元分析 结合应力 变形位移图综合分析得知 转轴所受应力 远小于其材料许用应力 且其变形量也很小 几乎可以忽视 所以 转轴的 的强度是符合要求的 7 控制系统设计 7 控制系统的选择 可编程控制器的工作特点 使用于工业环境 抗干扰能力强 可靠性高无故障工 作时间 平均 数十万小时并可构成多机冗余系统 控制能力极强 使用 编程方 便 组成灵活 小型 PLC 为整体结构 并可外接 I O 扩展机箱构成 PLC 控制系统 可编程控制器可以称为全功能工业控制计算机 本系统为了达到精准控制也采用可编程 控制器 7 分析工艺过程 明确控制要求 7 分析气动机械手工作的工艺过程 气动机械手的初始位置在系统设定的原点 检测工具是否到位 按下按钮之后 夹 具完成夹紧 右翻转 向右推动 放松夹具 向左翻转 向左推动 等待 下一个工件的到位 其中夹紧和放松是靠时间来控制的 7 控制要求 按不同的工作方式 1 手动工作方式 利用按钮对机械手每一动作单独进行控制 例如 按下 左翻转 夹具就会向左翻转 按下 右翻转 夹具就可以向右翻转等 2 回原点工作模式 当按下回下这个按钮 整个夹具就会回去系统所设定好的原点位置 即初始点的位置 自动控制模式就是必须夹具在原点的情况下才可以启动的 保证了 自动控制模式的可靠性 3 连续工作方式 自动控制模式 该工作模式必须工作系统设置的原点的情况下 每 一次启动该模式的时候 必须保证夹具在原点 当启动该模式之后 夹具就会连续的 完成好每一个动作 而且是连续循环的动作 只有当按下停止按钮的时候 夹具才会 停止运行 7 确定 的 点数并选择 PLC 7 输入信号 I0 0色标传感器I1 0手动工作模式 I0 1重量传感器I1 1回原点工作模式 I0 2电感式接近开关I1 2回原点启动 I0 3限位光电开关 检测左 I1 3自动启动 I0 4限位光电开关 检测右 I1 4停止 五邑大学机电工程学院五邑大学机电工程学院 14 I0 5手动夹紧I1 5 I0 6手动向右翻转I1 6 I0 7手动向左翻转I1 7 7 输出信号 Q0 0夹紧气缸电磁阀输出Q0 1向右翻转气缸 电磁输出 Q0 2向左翻转气缸 电磁输出 Q0 3原点指示灯 7 的选择 通过分析 I O 口的分布情况采用 plc 的型号为 西门子 S7 200CN CPU 224 控制各 个 I O 口之间的逻辑关系达到自动控制的效果 本样品的电气控制分为三个模式 分别是 回原点工作模式 手动控制模式 自动控制模式 7 分配 PLC 的 I 端子 7 电气元件的选择 五邑大学机电工程学院五邑大学机电工程学院 15 元件名称制造商信号数量 开关电源捷利达JSJ55 A2S24 24V 3A 1 面板模块博创MMDQ 011 接口模块博创M10P201 漫反射光电传感器OMRONE3Z D821 PLCSIEMENSS7 200CN CPU 2241 7 气动元件的选择 元件名称制造商型号数量 三位四通电磁阀Airtac 4A200 系列 1 二位二通电磁阀Airtac 4A100 系列 1 减压阀AirtacAR20000 021 旋转气缸上海铁泥CCLCCL 系列杠杆气缸系列杠杆气缸1 无杆气缸SMC CY3825 TF 300CY3825 TF 3001 接头SMC KJS06 01SKJS06 01S3 数显真空压力开光SMC ZSE300A 01 N LZSE300A 01 N L1 消声器SMC AN103 01AN103 012 二联件Airtac AFCAFC 200020001 7 电气图 7 接口板接线图 五邑大学机电工程学院五邑大学机电工程学院 16 五邑大学机电工程学院五邑大学机电工程学院 17 7 气动回路图 7 控制系统程序设计