锌锭码垛机工作原理及机械手的设计说明书

扬州市职业大学机械工程学院 1 目录 第一章 绪论 .1 1.1 本次设计对此机器的要求 1 1.2 课题设计背景与目的 4 第二章 锌锭码垛机工作原理总体设计 .5 2.1 码垛机工作示意图 5 2.2 自动化生产线主要技术参数 6 2.3 锌锭自动化码垛生产线的组成及工作原理 6 第三章 接锭装置设计 .9 3.1 接锭装置工作原理 9 3.2 接锭装置机构选择 9 3.3 接锭驱动气缸选择 9 第四章 载锭装置设计 .11 4.1 传送带的选择11 4.2 传送机构选择12 4.3 减速机的选择13 第五章 翻锭装置设计 .14 5.1 翻锭装置工作原理14 5.2 翻锭装置机构选择15 5.3 翻锭驱动气缸选择15 扬州市职业大学机械工程学院 2 第六章 运锭装置设计 .16 6.1 传送带的选择16 6.2 传送机构选择16 6.3 减速机的选择17 第七章 机械手设计 .18 7.1 总体设计18 7.2 部件设计18 7.3 机械手部件的选取19 第八章 拢锭装置设计 .21 8.1 码垛形式与推锭顺序21 8.2 推板设计22 8.3 拢锭气缸的选择23 第九章 升降平台及输出小车设计 .24 第十章 码跺机总装配图说明 .25 第十一章 PLC 编程 .25 11.1 可编程序控制器（PROGRAMMABLE LOGICAL CONTROLLER） 25 11.2 OMRON C200H 可编程序控制器 26 11.3 PLC 控制过程 26 总结 .47 致 谢 .48 扬州市职业大学机械工程学院 3 参考文献 .49 第一章 绪论 1.1 本次设计对此机器的要求 设计的机器首先要能胜任对它提出的全部功能要求，即在预定的使用 期间，机器能可靠的完成它的使命，此外，还要求成本低，重量和尺寸小， 效率高，制造容易，操作灵活方便，安全可靠，便于维护维修，造型美观， 不污染环境等。 （1）实现机器的工艺动作要求 根据机器的功能要求和使用条件，从运动上确定工作原理，选择机构 类型及传动方式，以合理的机构组合来协调运动，实现机器的工艺动作要 求。码垛机的功能要求：把从连铸机取下的热锌锭平稳的放到锭块传送带 上，通过传送带锭块被传送到翻锭机构上，依靠两个气缸行程和位置的不 同来控制锌锭的翻转，并触动自动开关为下一步操作提供信号。运锭装置 再把锭块运到指定位置上，触碰行程开关，使机械手运动到指定位置上， 然后机械手将锭块抓走，并把锭块运到码垛升降台上进行码垛，再通过小 车把码好的锌垛运走，并且另一个升降台移动到指定位置上准备码下一垛。 以上是基本的功能要求。使用条件：机械运行在温度高，湿度大等条件下， 零件要求高耐腐蚀性，要求零部件能适应这种要求，需要合理选用材料。 （2）零件应具有足够的强度和刚度 扬州市职业大学机械工程学院 4 零件强度要求在预定寿命期间内，不至反复工作而疲劳破坏，不至因 突然过载而断裂，也不会因受载荷以致产生过量的弹性变形，还有锌锭刚 铸好，锭块很热，所以部分零件还得有很好的耐热性。零件设计要严格， 理论公式推导，类比方法设计出个零部件的尺寸来。 （3）摩擦，磨损及润滑 许多机械零件在工作是相互接触的表面因具有相对运动而产生的摩擦。 摩擦一方面消耗能量，降低机械效率，一方面使零件表面产生磨损，导致 机器工作能力下降。为此应对相互摩擦的零件选用适当的配合材料、润滑 剂和润滑装置，以降低磨损及减少能耗。在这次设计中，采用了合理的措 施和机构来减少摩擦，提高机械效率。 （4）振动 由振动而产生的附加应力可能使零件提前失效，振动会使机器不能正 常工作或影响工作位置而达不到工作要求，使机器效率降低，性能不稳定。 所以本次设计采用了相应的措施防止机械及其零部件因振动而失效。 （5）生产能力要求 设计的机械产品，应满足单位时间内完成工作量的要求，应有一定的 可变性，以适应不同的生产要求，理论上码垛机的效率应大于或等于连铸 机的效率。连铸机的效率为 6.5 吨/小时，设计的码垛机的工作效率为 6.5 吨/小时。 1.2 课题设计背景与目的 锌锭出厂要经过码垛，称重，捆扎，包装等工序。近年来，对锌锭的 包装要求越来越高，特别是堆垛、码垛、捆扎的质量直接影响到锌垛的保 扬州市职业大学机械工程学院 5 管和运输。码垛不齐，捆扎不牢，会在运输中出现散包的现象，造成经济 损失。 目前，锌锭码垛工序主要是人工完成。由于锭块质量不轻（12.5 公斤 /块） ，工作现场锌块表面温度也很高，工人劳动强度极大，且人工码垛不 齐，稳定性差，质量低，直接影响捆扎质量以及后面的运输等工作。从 70 年代起，国内不少厂家都曾经试图实现锌锭码垛过程的自动化，但都由于 锌锭码垛形式的复杂，工作的繁琐，电器自动化控制系统环境适应能力差 和控制不方便等原因，均未能很好的解决这个问题，到目前为止，国内不 少厂矿企业还用人工码垛。 笔者在总结以往经验的基础上，设计研制了锌锭自动码垛生产线。大 大的提高了生产效率和码垛质量和锌垛稳定性。 第二章 锌锭码垛机工作原理总体设计 2.1 码垛机工作示意图 扬州市职业大学机械工程学院 6 图 21 码垛机总装配简图 主要组成： 1.载锭装置 2.移动气缸 3.升降气缸 4.机械手 5.Y 方向拢锭气缸 6.X 方向拢锭气缸 7.升降平台 8.升降油缸 9.搬运气缸 10.输出小车 11.运锭装置 12.翻锭气缸-1 13.翻锭气缸-2 14.接锭 装置 示意图如上图 2.2 自动化生产线主要技术参数 生产能力：6.5 吨/小时 块节拍即连铸机的生产率为：7 秒/块， 5 分钟/垛。 锌锭质量：12.5 公斤/块 锌垛质量：500 公斤/垛 生产线工作时间：24 小时 2.3 锌锭自动化码垛生产线的组成及工作原理 结构组成： 1）锌锭输入系统：把从连铸机取下的热锌锭平稳的放到锭块传送带 上，通过传送带锭块被传送到翻锭机构上，依靠两个气缸行程和位置的不 同来控制锌锭的翻转，并触动自动开关为下一步操作提供信号。运锭装置 再把锭块运到指定位置上。 2）锌锭码垛系统：锌锭触碰行程开关，使机械手运动到指定位置上， 然后机械手将锭块抓走，通过具体的码垛方式对机械手进行旋转并把锭块 运到码垛升降台上进行码垛，通过 X、Y 方向的拢锭装置进行拢锭，每垛 扬州市职业大学机械工程学院 7 为 10 层，共 40 块锌锭。 3）锌锭输出装置：采用两个升降台交替工作，这样可以节省时间， 提高效率，便于控制。通过小车把码好的锌垛运走，并且另一个升降台移 动到指定位置上准备码下一垛。 4）气压和液压系统：接锭驱动气缸 1 个、翻锭驱动气缸 2 个、机械 手升降气缸 1 个、机械手臂闭合气缸 1 个、械手旋转气缸 1 个、机械手移 动气缸 1 个、拢锭气缸 2 个、升降台升降油缸 4 个、升降台小车移动气缸 1 个。 5）PLC 控制系统：此码垛机选用 OMRON 的 C200H 可编程控制器，本次 设计有输入点 12 个，16 个输出点，更适合本次设计任务。 工作原理： 整条自动码垛生产线如工作示意图所示。锌锭经连铸机浇注成形后， 又经过接锭装置放到传送带上，传送带靠电机转动，电机直联到行星摆线 减速机上，减速后使转数适合锭的输出频率。运到翻锭装置上，通过翻锭 装置的两个气缸控制来实现锌锭的翻转。锌锭落到运锭装置上，再通过传 送带的运输到指定位置，触碰行程开关，控制机械手移动到锌锭的位置上， 机械手爪张开，既有使锭对中、拢锭的作用还有提锭的作用。然后通过机 械手平移、旋转、放锭动作后，把锭放到升降平台上，在升降平台上，通 过 X、Y 两个方向的拢锭气缸把锌锭推到预设位置，升降台由油缸来控制 其的升降，每码好一层，平台就下降一定的距离，当锌垛码好后，平台降 到指定位置，然后通过输出小车把码好的锌垛运到指定位置，进行捆扎和 打包，并在此时另一个升降平台移动到前一个升降平台位置上，接锭、码 锭，使生产连续不中断。 扬州市职业大学机械工程学院 8 自动生产线的特点： (a)(b)(c) 图 22 码垛方式 码垛方式由图 22（b）的码垛方式改为图 22（a）的码垛方式， 原图（b）的码垛方式在拢锭时易出现如图 22（c）的尖角对顶情况而顶 死，造成码垛机不能完成工作，此码垛方式为了不必要的美观和微小的锌 垛的稳定性而大大增加了码垛机的故障率，笔者通过计算判断认为最上层 都翻锭没有必要，故将其去掉，改为图（a）的码垛方式。而且笔者也到 码锭现场考察实际情况，通过各方面的衡量决定用此码垛方式的。 自动翻锭装置 图 23 翻锭装置 由于采用图 22（a）的码锭方式，故每垛仅需要一个锌锭不翻锭， 本装置采用了图 23 所示的翻锭装置，结构简单，安全可靠。当锌锭滑 扬州市职业大学机械工程学院 9 到翻板上时，翻板将其暂时卡住，然后根据块数决定是否翻锭。如果不翻 转，下面的短行程的气缸伸出，将其沿着前面的滑板靠重力滑下；如果需 要翻转，则上面的长行程的气缸伸出，将其翻转过来，然后锌锭落到前面 的滑板上靠重力滑到下个装置上。一个锌锭过后，气缸从伸出状态马上收 回，来迎接下个锌锭的到来，准备伸出。 C200H 可编程控制器 此码垛机选用 OMRON 的 C200H 可编程控制器，本次设计有输入点 12 个，16 个输出点，更适合本次设计任务。 第三章 接锭装置设计 3.1 接锭装置工作原理 当锌锭从连铸机上翻下来，铸造槽磕锭将锭磕下，触发接锭信号，控 制气缸将锌锭平稳的放到传送带 1 上，并保持一定时间，待锌锭向前运行 一定距离后，气缸复位，准备下一次接锭。 3.2 接锭装置机构选择 采用气缸推动拉杆接锭装置，简单的杆机构装置，前端有接锭槽，接 锭槽之间距离要小于锌锭的宽的尺寸，并且大于下面的载锭装置中输送带 的带宽。根据锌锭的尺寸及落锭的高度，确定杆臂长 1115，高 40，宽 11（单位：毫米） 。 扬州市职业大学机械工程学院 10 3.3 接锭驱动气缸选择 锌锭产生的力矩：M=FL=mgL=12.59.81.115=136.6 N.M 杆重产生的力矩：M=VgL =11401.1157.859.80.5575 =21 N.M 总力矩 M=157.6 N.M 设计力臂长 540mm，则气缸的推力为 291.8 N. 普通气缸输出力的计算： 气缸输出力 F 的公式： F=/4 DPs 式中 F活塞杆伸出时的轴向推力（N） ； D活塞直径或气缸内径（m） ； Ps气缸工作压力（Pa） ； 气缸的负载率。 通过对大量实验数据的分析，发现气缸运动的平均速度 v 与 的关系极 大。 值大，v 低； 值小，v 高。因此， 值的大小可以根据系统对气 缸运动的平均速度 v 的要求来选取。对于国内大量使用的缓冲气缸和无缓 冲气缸来说，推荐采用如下 值： 1）当系统对气缸无速度要求时， 值取 0.80.9； 2）当气缸速度在 0.2m/s 左右， 值取 0.6； 3）当气缸速度在 0.5m/s 左右， 值取 0.4. 根据锌锭码垛机接锭装置的工作要求，若取 =0.8，气缸工作压力 Ps=0.5Mpa。 扬州市职业大学机械工程学院 11 则当选择气缸内径为 40mm， F=/4 DPs =/4 0.040.50.8 503N 推力最大可达 503 N。 根据上述气缸推力，选 QGB40275MT4，强度和力都满足设计要求。 第四章 载锭装置设计 4.1 传送带的选择 由于锌锭从连铸机脱落下来，温度可能会稍高些，所以在这次设计中 用耐热传送带，耐热传送带耐热最高温度能达到 180 度。锌锭连铸机从浇 注铸造，到锌锭从锭模中脱落有 10 多米长，这距离足以让锌锭冷却到 100 度以下，所以耐热传送带强度和负载极限都符合要求。传送带的宽度要小 于接锭槽之间的宽度，这样才能使锭从接锭装置下来平稳，不跑偏。 带式传送机是在一定的线路上连续输送物料的 物料搬运机械，又称 连续输送机。输送机可进行水平、倾斜和垂直输送，也可组成空间输送 线路，输送线路一般是固定的。输送机输送能力大，运距长，还可在输 送过程中同时完成若干工艺操作，所以应用十分广泛。 带式输送机（直线式）该输送机用于物料的输送。采用 不锈钢网 扬州市职业大学机械工程学院 12 带作为载体，适用于各种食品行业的烘干、去湿、冷冻等、热处理等； 不锈钢制成，具有耐高温、便于清洗等特点；具体尺寸可以根据客户要 求定做。 带式输送机应用行业：食品、冶金、电力、煤炭、化工、建材、 码头、粮食等。 带式输送机结构形式有： 水平直线输送、提升爬坡输送、转弯输 送等多种形式，输送带上还可增设提升挡板、侧挡板等附件，能满足各 种工艺要求。 带式输送机输送机材质：有 A3 低碳钢、201 不锈钢、304 不锈钢 等。 带式输送机驱动方式有： 减速电机驱动。 带式输送机调速方式有： 变频调速、无极变速。 4.2 传送机构选择 由于从接锭到翻锭距离很长，传送带上锌锭很多，所以在有锌锭在上 面的地方，下面放小滚筒来支撑，滚筒的长度根据机架的宽度决定，滚筒 间的间距尽量小一点，能够保证传送锌锭的平稳，不会造成错位、跑偏等 情况。 跑偏原因及处理方法 ： 传送带运行时 输送带跑偏是最常见的故障之一。跑偏的原因有多种， 其主要原因是安装精度低和日常的维护保养差。安装过程中，头尾滚筒、 中间托辊之间尽量在同一中心线上，并且相互平行，以确保输送带不偏 或少偏。 另外，带子接头要正确，两侧周长应相同。 在使用过程中， 扬州市职业大学机械工程学院 13 如果出现跑偏，则要作以下检查以确定原因，进行进行调整。输送带跑 偏时常检查的部位和处理方法有： （1）检查托辊横向中心线与带式 输送机纵向中心线的不重合度。如果不重合度值超过3mm，则应利用托 辊组两侧的长形安装孔对其进行调整。具体方法是输送带偏向哪一侧， 托辊组的哪一侧向输送带前进的方向前移，或另外一侧后移。 （2） 检查头、尾机架安装轴承座的两个平面的偏差值。若两平面的偏差大于 1mm，则应对两平面调整在同一平面内。头部滚筒的调整方法是：若输 送带向滚筒的右侧跑偏，则滚筒右侧的轴承座应当向前移动或左侧轴承 座后移；若输送带向滚筒的左侧跑偏，则滚筒左侧的轴承座应当向前移 动或右侧轴承座后移。尾部滚筒的调整方法与头部滚筒刚好相反。 （3）检查物料在输送带上的位置。物料在输送带横断面上不居中，将 导致输送带跑偏。如果物料偏到右侧，则 皮带向左侧跑偏，反之亦然。 在使用时应尽可能的让物料居中。为减少或避免此类输送带跑偏可增加 挡料板，改变物料的方向和位置。 4.3 减速机的选择 传送锌锭的速度不能太高，所以不能直接把电机直联到传送滚筒上， 需要安放减速装置，这次设计，选择了行星摆线针轮减速机。 行星摆线减速机是一种应用行星传动原理，采用摆线针轮啮合，设计 先进、结构新颖的减速机构。这种减速机在绝大多数情况下已替代两级、 三级普 通圆柱齿轮减速机及圆柱蜗杆减速机，在军工、航天、冶金、矿 山、石油、化 工、船舶、轻工、食品、纺织、印染、制药、橡胶、塑料、 及起重运输等方面得到日益广泛的应用。 扬州市职业大学机械工程学院 14 行星摆线针轮减速机主要特点：1、传动比大。一级减速时传动比为 1/6-1/87。两级减速时传动比为 1/99-1/7569；三级传动时传动比为 1/5841-1/。另外根据需要还可以采用多级组合，速比达到指定大。 2、 传动效率高。由于啮合部位采用了滚动啮合，一般一级传动效率为 90%- 95%。 3、结构紧凑，体积小，重量轻。 体积和普通圆柱齿轮减速机相比 可减小 2/1-2/3。 4、故障少，寿命长。主要传动啮合件使用轴承钢磨削 制造，因此机械性能与耐磨性能均佳，又因其为滚动摩擦，因而故障少， 寿命长。 5、运转平稳可靠。因传动过程中为多齿啮合，所以使之运转平 稳可靠，噪声低。 6、拆装方便，容易维修。 7、过载能力强，耐冲击， 惯性力矩小，适用于起动频繁和正反转运转的特点。 选用的减速机是把电机直联到减速机上，安装方便，使用便利，重要 的是传动比大，能够大比率减速，因为一级传动效率为 90%-95%，所以 选择一级减速传动比为 1/6-1/87，能够实现符合设计要求的转数。 第五章 翻锭装置设计 这是本次设计的一个创新，也是设计的重点环节，本次设计采用了利 用气缸实现翻锭的装置（简图见图 23） ，这种结构简单明了，制作方便， 功能也容易实现。 5.1 翻锭装置工作原理 由计数器记下锌锭的数目，到指定的数目的锌锭进行翻锭，其余的不 扬州市职业大学机械工程学院 15 翻。当不翻时，下面的气缸活塞杆伸出，把锌锭顶起来，滑落到下一个板 上，由于板的倾斜角度大于锌锭的自锁角度，所以锭块能够自由滑落下来， 不转变锭的形式。当需要翻锭时，后面的气缸活塞杆伸出，由于行程大， 把锌锭顶翻，锌锭落到前面板上，也由于角度大，锌锭自由的下滑下来， 锌锭的形式改变。锌锭从板上滑落下来后，触碰开关，是气缸复位，等待 下个锌锭。 5.2 翻锭装置机构选择 采用两个气缸推锌锭的两个不同位置在重力作用下实现翻锭效果。翻 锭槽的一端跟传送带 1 相连，为了使锌锭准确滑入翻锭槽，所以此端两侧 板应该适当往外张能够起到引导锌锭滑入的作用。滑入翻锭槽后，翻板将 其暂时卡住，根据翻锭需要，分别伸出上面的长程气缸和下面的短程气缸， 两气缸的拉杆都连接着推板（推板嵌在翻锭槽底板上） ，实现翻锭。根据 锌锭的尺寸，确定翻锭槽的长 610，高 95，宽 310，翻板的长 193，高 30，宽 310，推板的长 230，宽 30（单位：毫米） 。 5.3 翻锭驱动气缸选择 翻锭槽与水平面的夹角为 40 翻锭产生的力矩， 长程气缸的力矩：M=FL=mgL=12.5cos409.80.095=8.9 N.M 短程气缸的力矩：M=FL=mgL=12.5cos409.80.030=2.8 N.M 根据接锭装置中接锭气缸输出力的计算公式： F=/4 DPs 因为锌锭码垛机翻锭装置的工作要求，若取 =0.8，气缸工作压力 扬州市职业大学机械工程学院 16 Ps=0.5Mpa。 则当选择气缸内径为 32mm， F=/4 DPs =/4 0.0320.50.8 322N 推力最大可达 322 N。 根据上述气缸推力，长程气缸选 QGB32120MT4，短程气缸选 QGB3250MT4，强度和力度都满足设计要求。 第六章 运锭装置设计 6.1 传送带的选择 与载锭装置一样负载极限都需要符合要求。传送带的宽度要小于接锭 槽之间的宽度，这样才能使锭从翻锭装置下来平稳，不跑偏。 6.2 传送机构选择 由于从翻锭到被机械手抓锭还有一段距离，传送带上锌锭很多，所以 在有锌锭在上面的地方，下面放小滚筒来支撑，滚筒的长度根据机架的宽 度决定，滚筒间的间距尽量小一点，能够保证传送锌锭的平稳，不会造成 错位、跑偏等情况。 其基本结构与前面的载锭装置相似，构件基本相同。区别之处在于这 扬州市职业大学机械工程学院 17 里放一块挡板，作用有两个，一是取信号，当锌锭碰到挡板，瞬间产生个 信号，此信号被 PLC 微分采集，用来控制下步操作。二是拦锭，使锭到指 定位置，好被机械手抓起运走。 6.3 减速机的选择 传送锌锭的速度不能太高，所以不能直接把电机直联到传送滚筒上， 需要安放减速装置，这里还是选择行星摆线针轮减速机。 行星摆线减速机是一种应用行星传动原理，采用摆线针轮啮合，设计 先进、结构新颖的减速机构。 行星摆线针轮减速机主要特点：1、传动比大。一级减速时传动比为 1/6-1/87。两级减速时传动比为 1/99-1/7569；三级传动时传动比为 1/5841-1/。另外根据需要还可以采用多级组合，速比达到指定大。 2、 传动效率高。由于啮合部位采用了滚动啮合，一般一级传动效率为 90%- 95%。 3、结构紧凑，体积小，重量轻。 体积和普通圆柱齿轮减速机相比 可减小 2/1-2/3。 4、故障少，寿命长。主要传动啮合件使用轴承钢磨削 制造，因此机械性能与耐磨性能均佳，又因其为滚动摩擦，因而故障少， 寿命长。 5、运转平稳可靠。因传动过程中为多齿啮合，所以使之运转平 稳可靠，噪声低。 6、拆装方便，容易维修。 7、过载能力强，耐冲击， 惯性力矩小，适用于起动频繁和正反转运转的特点。 选用的减速机是把电机直联到减速机上，安装方便，使用便利，重要 的是传动比大，能够大比率减速，因为一级传动效率为 90%-95%，所以 选择一级减速传动比为 1/6-1/87，能够实现符合设计要求的转数。 扬州市职业大学机械工程学院 18 第七章 机械手设计 这是本次设计的又一个重点环节，笔者在以前设计者的基础上，做了 很大的改进。 7.1 总体设计 机械手的作用是把排好的锌锭抓起来，按照规定的码垛方式，在空中 运输并旋转 90 度。全部过程大概可以描诉为抓锭、运锭、旋转、放锭几 个过程。这里机械手完成这些功能一定在生产节拍范围内完成，否则会在 挡板处出现堆积的现象。设计的思想是要求机构简单，动作可靠，准确， 快速，而且便于安装维护。 7.2 部件设计 机械手的张紧是借助气缸，这样增加动作的可靠性，又简化结果。旋 转是靠一个气缸给转盘一个旋转力矩来实现的，旋转气缸固定小车上。转 盘与小车之间是靠一个推力球轴承连接，这样既减少了摩擦力，又实现了 旋转功能。机械手的上升和下降也借助于气缸，同时为了防止在运动过程 中机械手的摆动而引起的气缸杆的偏置，导致气缸漏气，设计了两个导向 柱，这样既防止漏气，有增加运动的可靠性。小车在导轨上移动，导轨采 用标准槽钢，车轮的设计有防止轴向窜动的结构，轮子与导轨始终接触， 保证小车沿直线运动，保证了运动的平稳性。 机械手的机构原理简图如图 71 扬州市职业大学机械工程学院 19 图 71 机械手简图 7.3 机械手部件的选取 （1）移动气缸的选取：此气缸是使小车水平移动，根据整个部件的重量 大概为 1000Kg 以及车轮与导轨之间的摩擦系数 0.3，可以估算出其的摩擦 力 f=N=10009.80.3=2940N，若取 =0.8，气缸工作压力 Ps=0.5Mpa。 则当选择气缸内径为 100mm， F=/4 DPs =/4 0.10.50.8 3142N 推力最大可达 3142 N。 根据上述气缸推力，选定气缸为：QGB 1001000MT4，强度和力 都满足设计要求。 （2）升降气缸的选取：一次机械手爪取一块为 12.59.8=122.5 N。另外 加上机械手自重大概为 60Kg，总重大概为 F=122.5+609.8=710.5N，估 算出气缸的大小，在根据机械手到锌锭的高度，来确定行程。若取 =0.8，气缸工作压力 Ps=0.5Mpa。 扬州市职业大学机械工程学院 20 则当选择气缸内径为 50mm， F=/4 DPs =/4 0.050.50.8 785N 推力最大可达 785 N。 根据上述气缸推力，选取气缸为：QGB 50600MF1，强度和力都 满足设计要求。 （3）旋转气缸的选取：由于转盘下面是推力球轴承，摩擦力不大约为 0.00100.0015，另外根据旋转点的位置，若取 =0.8，气缸工作压力 Ps=0.5Mpa。 则当选择气缸内径为 32mm， F=/4 DPs =/4 0.0320.50.8 322N 推力最大可达 322 N。 根据上述气缸推力，选取气缸为：QGB 32250MT4，强度和力都 满足设计要求。 （4）开合气缸的选取：这个气缸选择双活塞杆的气缸，这样利于控制， 而且保证两个手爪同时抓住锌锭，抓锭平稳。若取 =0.8，气缸工作压力 Ps=0.5Mpa。 则当选择气缸内径为 32mm， F=/4 DPs =/4 0.0320.50.8 扬州市职业大学机械工程学院 21 322N 推力最大可达 322 N。 则选定气缸为：QGB H325252MS1。 （5）手爪的设计：这次设计中的手爪很有新意，又能起到抓锭的功效， 还能起到把锭在运锭装置上对中、拢锭的功能，一举两得，而且制作容易， 结构简单。 第八章 拢锭装置设计 拢锭装置包括 X 方向的拢锭气缸及推板，Y 方向的拢锭气缸及推板。 机械手放锭位置如图 7，机械手放锭位置都可以固定在一点上，放在此位 置才能在两种码垛方式情况下都不发生干涉。因为锌锭大小略有不同，此 固定点在实际情况还要向外移出一些，因此锌锭很大的一部分要放在上一 层锌锭的外边。为了防止锌锭意外滚落和提高拢垛气缸推锭的稳定性，设 计一个中间有个方孔的拢锭平台，方孔的大小面积等于升降平台的大小， 这样上一层锌锭面或开始码垛时的升降平台台面在此方孔内且与拢锭平台 相平。推板顺着拢锭平台与上一层锌锭面构成的平面推锭，非常可靠。 8.1 码垛形式与推锭顺序 扬州市职业大学机械工程学院 22 (a)(b) 图 81 左（a） 右（b） 图 82 推锭顺序（a） 图 83 推锭顺序（b） 对于码跺形式一（图 81（a） ）和码跺形式二（图 81（b） ） ，本次 设计都采取了相同的推锭方式，即先 X 后 Y 的方式。 码形式一的层时，第一块放下后，X 气缸动作，将它推到旁边的挡板 上，然后 Y 方向动作，将其推到指定位置，第二块也一样，先 X 后 Y，往 后依次类推。当码形式二的层时，也一样，第一块放下后，X 方向先动作， 然后重复和推形式一样的流程。 8.2 推板设计 推板设计也有新的突破，采用弹簧收缩的方式来实现把锌锭推到不同 的位置， （见图纸） ，这种结构简单，易维修和拆卸，使用很方便。在 X 方 扬州市职业大学机械工程学院 23 向仅需要 X 方向一条线上行程变化，所以用两个推杆前面接个推板，推板 使推力均匀，锌锭受力均匀，不发生偏斜，弹簧强度（k=0.9K/N）是当单 推一块时，弹簧不收缩，保持原形，靠推杆推块，当遇到前一块锌锭时弹 簧受力回缩，来抵消剩余的气缸的行程。在 Y 方向上需要在 Y 方向三条线 上行程变化，所以用六个推杆，对于形式一当第一块码好后，推第二块时， 三个回缩，三个不回缩，三个推杆给锌锭的力是一样，不会让锌锭歪斜， 往后几个情况类似。对于形式二，推第一、二块时两个伸缩，推第三块时 四个推杆收缩，推第四块时六个都回缩，虽然推锭时有时推杆收缩量大小 不一，但每块锌锭上受到的每个推杆给的力是一样的，这样就防止推歪的 现象的发生。 8.3 拢锭气缸的选择 拢锭时，每层有 4 个锌锭，则摩擦力大概为 f=N=0.312.59.84=147N，考虑力的大小，拢锭气缸的力约在 190300 N 之间，可选内径为 32#，拢锭分别 600、250mm 行程，气缸为： X 向 QGB 32600MS1；Y 向 QGB 32250MS1。 扬州市职业大学机械工程学院 24 第九章 升降平台及输出小车设计 图 91 升降平台和输出小车的简图 升降平台是用油缸来控制的，油缸上面固定在升降台上，下面固定在 小车上，随着小车运动。 因为气缸在重载下容易漏气，行程难控制，这样会使升降台不稳，码 垛质量差。用油缸利于控制行程，强度大，适合重载的情况。另外，旁边 还有两个导轨支撑，使升降平台更加平稳，增强码垛的质量，也提高了升 降台的强度。 输出小车上面有两个升降台和油缸装置，小车下面由气缸控制，推动 小车在导轨上行进，这里导轨也用标准槽钢，车轮与它相配合，设计两个 扬州市职业大学机械工程学院 25 升降台的目的是为了不是码垛中断，使整个生产线连续作业提供了可能性。 因为小车移动慢，机械手往复来回很快，这样就造成了机械手等小车的现 象，为了防止这些，用两个升降台互相轮换着搬运锌垛大大的提高了生产 效率，能够完成生产任务要求，使整条生产线达到最佳利用效率。 第十章 码跺机总装配图说明 码跺机总装配图详见图纸。该码垛机部件安放都用角钢来做架子支撑， 角钢连接处，有焊接和螺纹连接；部分部件还要涂上防锈漆；运动连接处 还要有润滑剂来润滑。输出小车安放在一个地坑里，捆扎、打包，直接在 升降台上进行，然后要运走。要求传送机支撑轴承座轴承孔同轴度误差不 大于 2mm。要求机械手的移动小车导轨和输出小车的导轨平行度误差不大 于 2mm。 第十一章 PLC 编程 11.1 可编程序控制器（programmable logical controller） 可编程序控制器 （programmable logical controller）是 20 世纪 70 年代开始迅速发展起来的新一代工业控制装置，它以原有的继电器、逻 辑运算、顺序控制为基础逐步发展成为既有逻辑控制、计时、计数、分支 扬州市职业大学机械工程学院 26 程序、子程序等顺序控制功能，也有数学运算、数据处理、模拟量调节、 操作显示、联网通讯等功能。可编程序控制器结构简单、编程方便、性能 可靠，被广泛应用于工业生产控制中。 可编程序控制器的工作原理是巡回扫描原理，这是它与一般微机运行 时最大的不同之处。它不像微机那样把用户程序从头到尾顺序执行一遍， 而是把用户程序执行完一次后再返回去执行第二次、第三次、，直至 停机。 11.2 OMRON C200H 可编程序控制器 本系统使用日本立石（OMRON）公司的 SYSMAC C200H 型 PLC，属于小 型机，因性能价格比优越，在工业生产中应用很广。 C200H PLC 为模块式结构，其结构框图见图 11-1。CPU 单元为系统的 核心，包括电源、微处理器、系统存储器、控制逻辑和接口电路等。CPU 单元上还有用户存储器、录音机以及编程器等外设接口。基本 I/O 单元和 智能 I/O 单元通过统一的标准总线 SYSBUS 与 CPU 单元相连。 扬州市职业大学机械工程学院 27 特殊 I/O 单元 基本 I/O 单元 单元 （内装电源） 用户存储 器单元 录音机 接口 编程器 基本 I/O 单元 图 111 C200H PLC 结构简图 11.3 PLC 控制过程 接锭气缸处于未伸出位置，即接锭机构处在接锭位置。机械手初始位 置为所控制气缸未伸出时的位置，即左上位，且手臂处于张开状态。升降 台小车同样处在气缸未伸出位置。工作的升降台被油缸升到顶部工作位置。 锌锭从连铸机上脱落后由于重力作用落在接锭机构上，接锭机构将锌 锭平稳的放到传送带上 1，传送带 1 将锌锭送到翻锭机构内，此处可以通 过两个气缸决定锌锭是否翻转。之后锌锭滑到传送带 2 上，传送带 2 将锌 锭送到机械手抓锭的位置。通过机械手的一系列动作将锌锭运到升降台上。 然后用拢锭气缸将锌锭按要求码成垛。 要求：1、 行程开关的信号准确。 2、 气缸动作要准时。 3、 传送带平稳传送。 统计输入、输出点个数选择 PLC 型号 扬州市职业大学机械工程学院 28 输入信号： 接锭信号采集用行程开关 1 个（瞬间信号） 翻锭信号采集用行程开关 1 个 机械手下降信号采集用行程开关 2 个 机械手臂闭合信号采集用行程开关 1 个 机械手运锭、旋转信号采集用行程开关 1 个 层计数信号采集用行程开关 1 个 拢锭信号采集用行程开关 2 个（保持信号） 升降台小车移动信号采集用行程开关 1 个 以上共需要 12 个输入点。 输出信号： 接锭驱动气缸 1 个 翻锭驱动气缸 2 个 机械手升降气缸 1 个 机械手臂闭合气缸 1 个 机械手旋转气缸 1 个 机械手移动气缸 1 个 拢锭气缸 2 个 升降台升降油缸 4 个 升降台小车移动气缸 1 个 码垛完成指示灯 2 个 以上共需要 16 个输出点。根据上述统计，可选用 OMRON 公司的 C200H 型 PLC，选用 1 个 16 点 DC 输入摸块 C200H-ID212，满足输入点的要求。选用 扬州市职业大学机械工程学院 29 2 个 12 点继电器类输出，模块 C200H-OC222，工有 24 个输出点，可满足 输出点数要求。 （3） 分配 PLC 的输入/输出端子 使用 5 槽母板 C200H-BC051，将输入模块放在 CPC 机架锝槽，则输入 模块的通道号为 000CH；将输出模块分别插在 CPU 机架的 4 槽，则输出模 块的通道号分别为 003CH 和 004CH，输入模块端子分配接线如图所示： 表 111 输入输出 接锭 0000000400 接锭 翻锭 0000100401 翻锭 机械手下降 0000200402 不翻锭 爪开合 0000300403 机械手下降（上升） 上限位 0000400404 爪合（开） 机械手下降 0000500405 机械手运锭 层计数 0000600406 机械手旋转 小车移动 0000700407 油缸（1）上升 油缸上升 0000800408 油缸（2）上升 油缸上升 0000900409 小车左移（右移） X 向拢锭 0001000410 X 向拢锭 Y 向拢锭 0001100411 Y 向拢锭 00412 垛完成指示灯 00413 垛完成指示灯 扬州市职业大学机械工程学院 30 00414 油缸下降 00415 油缸下降 （4）接锭控制 锌锭从连铸机上翻下来，铸造槽磕锭将锌锭磕下，同时触发行程开关 1XK（接 00000） ，为接锭气缸提供信号，即两个微分信号 00100、00101， 再用 KEEP 命令保持 00101。00101 在 ON 的状态下即控制气缸将锌锭平稳 的放到传送带 1 上，并保持一定时间，待锌锭向前运行一定距离后，KEEP 命令复位，00101 变成 OFF 状态，气缸复位，准备下一次接锭。复位信号 为定时器 TIM000。梯形图如下： 00000 DIFU00100 00100 TIM000 TIM000 00400 DIFU00101 #030 00101 00101 KEEP 00101 图 112 （5） 翻锭控制 通过传送带 1 将锌锭运到翻锭槽内，此时会触动行程开关 2XK（接 00001） ，为翻锭提供信号。当 00001 从 OFF 变为 ON 时发出两个微分信号 00102、00103。每次 00102 信号都将计时器 CNT000 减一（初值为 0040） 。 当第 40 块锌锭触发 2XK 时，CNT000 将输出 ON。由 CNT000 的状态和被保 持信号 00103 串联决定是否翻锭。在第 40 块和下一块之间将 CNT000 复位， 扬州市职业大学机械工程学院 31 进行下一轮计数。此处用 TIM001 复位。梯形图如下： 00001 T001 CNT000 CNT000 TIM 002 00401 DIFU00102 DIFU00103 00102 00103 00402 00103CNT000 KEEP 00103 00102 T002 CNT 000 #0040 #010 TIM 001 #010 00102 图 113 （6） 机械手下降 锌锭从翻锭槽内滑落到传送带 2 上。传送带 2 将锌锭运到一定位置， 并触发行程开关 3XK， （接 00002） 。控制机械手下降。当机械手抓锭后上 升，纵向气缸将机械手推至右限位，触发右限位行程开关 6XK（接 00005） ， 同样控制机械手下降。所以将两个信号并联。如下图所示： 00002 00005 T004 T006 TIM 006 00003 TIM 004 00104 DIFU00104 DIFU00105 DIFU00106 KEEP 00105 00106 00105 DIFU00107 00403 00107 #015 #005 图 114 （7） 控制手臂闭合 当机械手在右限位下降至下限位时会触发下限位行程开关 4XK（接 扬州市职业大学机械工程学院 32 00003） ，发出信号控制手臂闭合，并保持到机械手将锭运至升降台上方。 梯形图如下： 00003 T003 DIFU00107 DIFU00108 KEEP 00108 00107 TIM 003 00404 00108 00107 #035 图 115 （8） 控制机械手旋转 码垛方式有两种，如下图： 图 116 需要旋转的锌锭有奇数层的第 2 块和第 3 块，偶数层全部旋转，一垛共 10 层。用计数器 CNT004 来控制偶数层旋转。用数据比较指令来控制奇数的 第 2 块和第 3 块旋转。梯形图如下： 扬州市职业大学机械工程学院 33 T008 T008 CNT002 LE(25507) CNT003 GR(25505) T009 T009 DIFU00109 00109 00109 00109 CMP DIFU00112 DIFU00113 00109 CMP KEEP 00113 00112 DIFU00114 DIFU00115 00114 KEEP 00115 00113 00115 00406 0020200111 CNT 002 #0004 CNT 003 #0004 #0003 #0000 TIM 009 T010 TIM 010 00006 T012 CNT004 T011 TIM 011 TIM 012 T007 T013 TIM 013 00204 00414 00203 00203 KEEP 00204 DIFU00204 DIFU00203 00113 00112 00109 KEEP 00111 00109 DIFU00200 00200 DIFU00201 DIFU00202 KEEP 00202 00201 00201 00213 #035 #035 CNT 004 #0001 #280 #400 #003 图 117 （9） 机械手运锭 扬州市职业大学机械工程学院 34 当机械手抓锭后上升至上限位触动上限位行程开关 5XK（接 00004） ， 控制气缸将机械手移至右限位。梯形图如下： T005 TIM 005 DIFU00109 DIFU00110 00109 KEEP 00110 00110 00405 00109 #035 00004 图 118 （10） 拢锭控制 当锌锭从手臂中落下时，触动行程开关 11XK（接 00010）控制 X 向气 缸拢锭。X 向拢锭气缸复位后，触发行程开关 12XK，控制 Y 向气缸拢锭。 梯形图如下： X 向 00010 DIFU00214 DIFU00215 00214 TIM 018 #007 00214 KEEP 00215 T018 00215 00410 Y 向 扬州市职业大学机械工程学院 35 00011 DIFU00300 DIFU00301 00300 TIM 019 #007 00300 KEEP 00301 T019 00301 00411 图 119 （11） 升降台控制 本系统采用两个升降台交替工作，这样可以节省时间，提高效率，便 于控制。升降台用油缸支撑，通过调节节流阀可以准确控制升降台下降高 度。层下降用计数器 CNT001 和定时器 TIM007 控制。每当升降台下降一次 都会触动行程开关 7X