毕业设计（论文）-FMS柔性系统加盖单元设计

摘要柔性制造技术利用成组技术的特点，把多品种、小批量的分散产品生产通过一定的技术手段转换成大批量的集中生产，可大幅提高产品的生产效率。本文对me093399机电一体化教学系统的加盖单元进行了系统设计。文中设计部分采用蜗轮蜗杆减速机构加摆臂方案，利用摆臂和底部支架上的助夹板的独特机械配合，实现了加盖单元对工件的的取、运、放功能；控制部分采用了西门子S7-200PLC与Profibus-DP总线通信技术对加盖单元的装配过程进行通信、组态及远程控制。关键词：加盖单元；柔性制造技术；摆臂；PLCAbstractFlexiblemanufacturingtechnologytakesadvantageofthecharacteristicsofgrouptechnology.Itcanproducelargequantitiesofconcentratedproductionbymeansofcertaintechnicalmeans,andcangreatlyincreasetheproductionefficiencyoftheproducts.Thispapersystematicallydesignsthestampedunitofme093399Mechatronicsteachingsystem.Thedesignusesthewormgearmechanismandtheswingarmmechanisminthispaper,theuseoftheuniquemechanicalarmandabottombracketonthesplintwithhelpachievewiththeunittotake,transportandworkonfunction;thecontrolpartadoptsSIEMENSS7-200PLCandProfibus-DPbuscommunicationtechnology,communicationconfigurationandremotecontroltheassemblyprocesswithunit.Keywords:Stampedunit;flexiblemanufacturingsystem;swingarm;PLC第1章概述1.1可编程逻辑控制器PLC可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计[1]。它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算，顺序控制、定时、计算和算术运算等操作的指令，并通过数字式和模拟式的输入输出，控制各种类型的机械或生产过程[1]。PLC是微机技术与传统的继电接触控制技术相结合的产物，它克服了继电接触控制系统中机械触点的接线复杂、可靠性低、功耗高、通用性和灵活性差的缺点，充分利用微处理器的优点[1]。1.1.1可编程序控制器的基本结构图1-1PLC组成结构图存储器RAMROMI/O扩展口外设接口中央处理图1-1PLC组成结构图存储器RAMROMI/O扩展口外设接口中央处理器CPU电源输出接口输入接口I/O扩展单元驱动被控设备编程器计算机打印机接受现场信号1.1.2PLC的工作原理PLC采用循环扫描工作方式，在PLC中，用户程序按照先后顺序存放，CPU从第一条指令开始执行程序，直至遇到结束符号后又返回第一条，如此周而复始不间断循环。PLC的扫描过程如图。这个工作过程可分为内部处理、通讯操作、输入处理、程序执行和输出处理几个阶段。全过程扫描一次所需的时间成为扫描周期[2]。PLC处理数据的过程如图1-2所示。内部处理内部处理通讯操作输入处理程序执行输出处理停止图1-2PLC处理数据的过程图1.1.3S7-200系列PLC及基本指令1设备选用考虑到整个系统需要输入点和输出点数量，以及系统对变化的响应速度和系统可扩展性采用S7-200系列CPU226型。该型号特点可根据表1-1查的。表1-1CPU226型PLC性能特点表外形尺寸190*80*62程序存储区4096字掉电保持时间190个小时本机I/O24入/16出数据存储区2560字扩展模块数量7脉冲输出2路20hz模拟电位器2浮点数运算有实时时钟内置I/O映像区2562.S7-200内部寄存器和I/O配置S7-200PLC提供了大量的输入输出接口，以及丰富的内部存储区间，可供用于选择使用。此外PLC可以连接I/O扩展模块，最多可以添加到128个。PLC内部存储器和I/O配置如表1-2。表1-2S7-200PLC内部寄存器配置表符号编号功能II0.0—I15.7输入映像寄存器QQ0.0—Q15.7输出映像寄存器AIWAIW0—AIW62模拟量输入AQWAQW0—AQW62模拟量输出VBVB0—VB5119变量存储器MM0.0—M31.7位存储器SMSM0.0—SM549.7，SM0.0—SM29.7特殊存储器，只读TT1—T4，T65—T68有记忆接通延期10msTT3—T31，T69—T95有记忆接通延迟100msTT33—T36，T97—T100接通/关断延迟10msTT37—T63，T101—T255接通/关断延迟100msCC0—C255计数器SS0.0—S31.7顺序控制继电器ACAC0—AC3累加寄存器3.基本指令如果数据类型是I或者O，这些指令从存储器或者映像寄存器存取数值，对于AND和OR指令盒最多可以使用七个输入。当常开（NO）触点对应的存储器地址位（bit）为1时，表示该触点闭合。当常闭（NC）触点对应的存储器地址位（bit）为0时，表示该触点闭合。在梯形图（LAD）中，常开和常闭指令用触点表示。具体指令如表1-3所示。表1-3标准逻辑点位指令表输入/输出操作数数据类型位LADSTLI、Q、M、SM、T、C、V、S、LBOOL输入LAD能量流BOOL输入FBDI、Q、M、SM、T、C、V、S、L能量流BOOL输出LADFBDI、Q、M、SM、T、C、V、S、L能量流BOOL1.1.4S7-200系列PLC外端子图外端子图1-3为PLC输入、输出、外电源的连接点。图给出了CPU226AC/DC/DC的各类接线点的位置分布图，也称外端子图[3]。型号规格中CPU226后用斜线分割的三部分分别表示CPU电源的类型、输入口的电源类型及输出口器件的类型。由下图中可以看出，PLC各个接线口都编有号码，并且输入、输出口都是分组安排的[3]。图1-3图1-3PLC外部端子图1.2FMS简介柔性制造技术是指对各种不同形状工件的加工及制造过程实现程序控制的一门先进技术。柔性制造技术是技术密集型的技术群，它涵盖加工技术，过程控制技术，传感器技术，现在信息管理系统（数据库），可编程控制技术，计算机控制技术。柔性制造系统简图如图1-4所示。图1-4柔性制造系统组成简图FMS柔性制造系统适应于多品种、中小批量（包括单件生产）的加工。柔性可以表述为两个方面：第一方面是系统适应加工对象的变化的能力，可用系统是否满足新产品要求的程度来衡量；第二方面是系统适应内部变化的能力，可用在有干扰（如机器出现故障）的情况下，系统存在干扰情况下的生产率与无干扰情况下的生产率期望值之比可以用来衡量柔性，“柔性”是相对于“刚性”而言的。传统的“刚性”是指自动化生产线主要实现相对固定单一品种的大批量生产[4]。机器柔性：当要求生产一系列不同类型的产品时，机器随产品变化而加工不同零件的难易程度[5]。工艺柔性：一是工艺流程不变时自身适应产品或原材料变化的能力；二是制造系统内为适应产品或原材料变化而改变相应工艺的难易程度。产品柔性：一是产品更新或完全转向后，系统能够非常经济和迅速地生产出新产品的能力；二是产品更新后，对老产品有用特性的继承能力和兼容能力。1.3国外柔性制造系统的发展现状和趋势1.3.1国外柔性制造系统的发展历史及现状世界各先进工业国家尽管由于社会制度、经济状况和科学技术水平不同或存在某些差异而在开发柔性制造系统方面各有其特点。但是对于发展柔性制造系统都给予了极大的重视并且获得了积极的成果。同时，在系统的基本结构，生产的产品的种类和批量，控制系统的软件等方面均有其共同或相似之处。英国是世界上开发柔性制造系统最早的国家。英国国家工程实验室(NEL)建造的moilng-24系统是世界上第一个柔性制造系统。虽然这一系统由于不大成熟和资金不足而未能正式投入使用，但它所提出的设想无疑对世界上柔性制造系统后来的发展产生了重大的影响。从七十年代初期以来，美国、日本、西欧以及苏联和东欧注国大力开发和建造柔性制造系统，到1982年底，根据不完全统计，世界上已建成234个柔性加工系统。在柔性制造系统的拥有量方面，日本处于领先的地位，口前有63个系统投入生产。美国是世界上柔性制造系统拥有量最多的第二个国家，到1982年，它已建造了57个系统并投入生产。除了由一台机床组成的柔性制造一单元（FMC）外，世界目前前运行的柔性制造系统最少由两台机床组成，在大多数情况下，系统所采用的机床为加工中心和各种数控机床。零件在各机床间的输送和上下料，据有关资料报导，形式颇多，但其基本形式不外以下两种：1.工业机器人，一般使用在加工回转体类零件的柔性制造系统中输送零件和在机床上上下料，也用来在加工非回转体类零件的系统中搬运零件或随行夹具。而搬运的零件和物料的重量通常为几十公斤。2.随行夹具输送系统。见之于资料的有以下几种类型：(1)液压驱动的随行夹具输送系统；(2)链条驱动的随行夹具输送系统；(3)由直流感应驱动器驱动的在气垫上运行的随行夹具输送系统；(4)感应线导式随行夹具输送小车；(5)光电导向的随行夹具输送小车.随行夹具输送系统通常用以输送非回转体类零件和重量大的零件。1.3.2国外在柔性制造系统开发和研究方面的特点国外各先进工业国家在柔制造系统的开发和研究方面尽管走着不同的道路。但总的来说可以归纳为如下儿点：1.柔性制造系统中必需应用成组技术的甚本原理在柔性制造系统的设计中和建造过程中都很重要的一点是运用成组技术的零件分类原则，即将那些形状相似，加工工艺相似和尺寸相差不大的零件组织在同一系统里进行加工，这就使系统内机床、夹具、刀具的种类和数量大大减少，并且简化了零件的输送和上、下料装置的结构，同时使控制系统的软件设计较为简单、也成为分阶段建造柔性系统的必要步骤。美国的Mialcon公司的一家生产机床零件的工厂在建造一个柔性制造系统的过程中为了可靠起见，将整个过程分为三个阶段，在第一阶段，应用成组技术将零件分类归组，以便适应数控车床和加工中心的加工能力，在第二个阶段再将机床组成不同的加工单元，试验的结果表明要加工5000种不同的铸铁件和钢焊接件需要将机床组成五个加工单元，然后在第三个阶段将各单元统一连接起来组成一个完整的系统。在建造整个系统的过程中，成组技术发挥了重要的作用。由于现有的柔性制造系统一般分为加工回转体类零件和非回转体类零件两大类系统，是用相似性原理来使零件成族(组)，投产与作业计划均以成组来排序，所以柔性制造系统就是以成组技术为基础发展起来的。就整个机械制造工业来说，柔性制造系统是方向，但是要全面地改造成为柔性制造系统，必须逐步地应用成组技术来改造，可以这样说、成组技术是通往柔性制造系统的必由之路。2.重视实现柔性制造系统所瀚硬件和软件的模块化（或称组合化)模块化有利于缩短系统的设计，建造周期，降低系统的费用，便于集中生产和推广应用。我国在开发柔性制造系统时，应重视国外这一经验。3.开展柔性制造系统运行过程的计算机模拟成为建造系统的重要环节柔性制造系统的设计扣建造中，管理和控制系统仍然是一个值得给予极大关注的问题，为了在任何情况下使所有的设备协调一致地运行并保持最高的生产率，这些系统在反应的精确度和速度两方面应相互协调；同时，经验证，一个系统只有经过一段时间的运行和使用，完善了它的软件系统并获得了管理系统的知识，才能更好地发挥它的性能。为此目的，英国国家工程实验室开发了一套包括系统的作业计划编制、管理和硬件系统运行系统运行过程模拟的计算机软件系统。该系统还可以用以管理和控制一个自动化车间。此模拟系统通过对生产作业计划编制系统和机床、输送系统以及被加工零件的运行和定位等动态过程的模拟以发现系统运行瞬间出现的问题，并检验管理系统的可靠性。同时，还可以将机床和输送系统可能出现的故障人为地加上，以检验系统反应情况。作业计划编制系统、管理系统和硬件系统的运行情况分别在三个图形终端上显示出来。以便直接观察。这一工作在柔性制造系统安装前进行，可以及时地对控制系统加以修改和完善。既避免了返工浪费现象的发生，缩短了系统的建造周期，又可取得管理系统的经验，因此开展柔性制造系统运行过程的计算机模拟成为建造系统的好方法，位得我们借鉴。1.3.3国外柔性制造系统的发展趋势柔性制造系统从七十年代初期出现以来己得到了迅速的发展。在实现多品种、中、小批量生产的合理化和自动化方面取得了显著的经济效果，然而人们仍在探索如何进一步提高其柔性和扩大它的工艺范围以及更好地发挥它的作用等问题。大体上来说柔性制造系统的发展趋势就是集中在这几个问题上.继续提高柔性制造系统的柔性现有的柔性制造系统的输送系统大多数都是采用在固定式的滚道上用随行夹具物送零件或者是使用固定式的机器人来传送零件，这样的输送系统不但结构复杂、占地面积大，而且所具有的柔性不够理想。随着无人操纵的输送小车和可移动的机器人的出现，用后两者取代前两者不仅简化了偷送系统的结构而且使整个系统的柔性得以提高。在这一基础上，虽然整个系统的柔性进一步有了提高，但在各个工位之间零件的输送还是必不可少的，为了解决这个问题，一种所谓的变形系统引起了人们的极大兴趣，这种系统实质上是一种部件可更换式机床。这种系统可以自动更换自己的部件以完成不同的加工任务。它还仅仅是一种设想。有许多研究课题诸如部件的自动结合、接触刚度和最佳结合的方法论等需要逐一解决。使得这一设想变为现实。而其中最重大的课题就是这种系统的刚度，为了解决这个问题日本的东京大学和周大学己经建立了应用有限元法的刚度评价系统。为了提高计算效率，用GabrieiKron所提出的diakoptics法来评价变形系统的动态特性。其研究获得了成功。该方法不仅可以在实际中用在系统设计方面，也可以用在系统的运行过程中。看来，这种系统是一种很有希望的新一代的柔性制造系统。扩大柔性制造系统的应用范围世界上现在运行的柔性制造系统均是用于零件的加工的系统。所以将装配工作纳入柔性制造系统已成为人们正在认真考虑的一个问题。在柔性制造系统中要完成产品的装配，零件的识别和分类成为一个重要的问题。近年来西德和英国分别研制出了各自的光学识别装置。柔性制造系统的规模向两个极端方向发展世界上各先进工业国家以及各企业由于它们的社会经济制度不同，技术经济实力各异，因而在柔性制造系统的规摸的发展趋势方面各具特色。对于像美国、日本这样科学技术发达、资金比较充足而机械制造业的劳动生产率的增长速度低于劳动力费用增长速度的国家或者大型企业，一方面它们积累了使用大型系统的经验，另一方面，由于微型计算机的飞跃发展和广泛应用，它们在技术上和经济上都具有建造大型系统的能力。所以，它们的重点将放在开发集成制造系统(CIMS)式全盘无人化工厂(TUF)方面，以买现信息流、物料流和加工制造过程的完全自动化，以期收到提高劳动生产率，大幅度增加利润的效果。对于西欧各国，苏联和东欧国家和中小型企业则将其发展重点放在综合制造系统上(CAD/cAM)和一两台机床组成的柔性加工单元上，以便通过实践掌握建造和使用大型的系统的经验。1.4me093399柔性制造系统简介Me093399型机电一体化柔性系统是一套完整、灵活、模块化、易扩展的教学系统。根据学生的实际水平研发并制造，从简单到复杂，从零部件到整机。采用铝合金结构件作为系统的基本操作平台，利用多种机械传动方式模拟完成现代化装配过程的柔性加工系统，把实际工业生产中的电气控制部分、各种传感器和现代化生产中的工业总线、组态控制，充分展示在该系统中。经过对其二次开发研究后，使该系统具有了远程控制和本地控制、物料自动加工、分拣、储存等功能，较好的解决了学生在实验中操作学时少动手能力得不到较大提高的问题。学生对各个单元进行独立进行程序设计及单元控制。例如，通过控制器对工件进行检测、分拣、储存，实现了对工件的正确分类、分拣和储存等功能。Me093399FMS柔性制造系统如图1-5所示。本自动化生产线采用了SINMENS公司的PROFIBUS-DP现场总线控制系统，选用了SINMENS的S7-300做主站、S7-200做从站，配备了STEP7编程软件，该控制系统共包括8个从站点：数控铣加工单元、机械手上料单元、槽轮下料单元、加盖单元、穿销单元、检测单元、气动机械手分拣单元和立体仓库单元。图1图1-5Me093399柔性制造系统整体图第2章方案确定通过查阅相关文献，得到了三种方案：方案一：它的工作过程是：从机械手送到的工件到达传送带，传感器检测工件是否在正确位置，当工位一处的传感器检测到有工件时，将球状物件从料仓中放入该工件中，球状物件要保证单个逐一放入。放料完毕后将工件传送到工位2。工位2处的传感器将信号从气缸将盖子推出。吸盘吸取盖子置于工位二后，盖好盖子工件至结束工位，如此循环，进行动作。该设计把PLC及机械，气动，电气，电子联系起来，通过手动控制按钮控制，使其单独的零部件组合成完整的机电工位2工位1图2-1第一种方案图化一体的产品。适应了数字控制的发展趋势，从另一方面也推动了数字控制系统的发展和完善。工位2工位1图2-1第一种方案图方案二：该装置是亚龙YL-221型机电一体化柔性生产实训系统的第三个工作单元，它的作用是给已经喷色并烘干的工件进行加盖。系统结构主要包括：主要包含：盖子支架、电磁吸盘、取放控制装置、蜗轮蜗杆机构、摇臂杆、刚性联轴器、传送带等部件。工作过程：传送带将托盘及工件送到加盖单元的托盘及工件检测位置，摆动臂上的电磁铁从盖子支架上吸住盖子，然后摆动到工件一侧，将盖子放置在工件上，传感器检测到工件加上盖子后，传送带将托盘及加盖工件送往下一个工作单元，一个周期完毕。图2-2第二种方案图方案三：主体结构组成包括蜗轮蜗杆减速机构、传送电机、料槽、摆臂、直线单元、工作指示灯等。此加盖单元的主要功能是通过直流电机带动蜗轮蜗杆，经减速电机驱动摆臂将上盖装配至工件主体，完成装配后工件随托盘向下站传送。图2-3第三种方案图考虑到体积、质量、制造成本、技术难度等因素，采用方案3比较适合，它机构简单，动作基本由机械机构完成，没有需要一定线路和空间要求的电磁式或真空吸盘式执行机构，即减少了空间占据，又降低了经济成本，大大降低技术难度要求。第3章FMS加盖单元设计与计算3.2摆臂的设计与计算3.1加盖单元的总体结构加盖单元总体由3部分组成：摆臂、底架、减速器。电机通过联轴器驱动减速器的蜗杆，从而摆臂得到蜗轮蜗杆输出的扭矩，摆臂利用这个力矩通过与助夹板和释放挡板的协同操作下完成对上盖的夹持和释放动作。摆臂摆臂底架底架减速器减速器图3-1加盖单元总体图3.2.1摆臂的方案设计摆臂主要由肩盘、肩盘卡套、肩盘卡片、腕部、指部、弹簧等零件组成。它的主要功能是，将减速器输出的扭矩转化为输出力矩，利用与助夹板的配合，可以完成对盖体的夹持，具体过程是：当摆臂旋转到助夹板上方时，由于助夹板是一个宽度逐渐增加然后立即减小为最初宽度，当腕部从助夹板上方开始下落，腕部被助夹板撑开，弹簧被拉伸，在腕部下落到助夹板宽度缩小处时，腕部受弹簧拉力作用向内夹紧，这时指部刚好扣入盖体的装配孔中，随后电机开始反转，腕部反向旋转，由于助夹板活动杠杆转动中心与腕部转动中心不同且二者转动半径也不一致，在腕部向上旋转过程中助夹板向内滑动，最后从腕部缺口处掉落到腕部下面去，而整个摆臂继续夹持着盖体向装配区移动，最后在释放挡板的作用下将盖体装配到工件中去。肩盘卡片肩盘卡套腕部肩盘臂部弹簧指部肩盘卡片肩盘卡套腕部肩盘臂部弹簧指部图3-2摆臂结构图3.2.2摆臂方案的尺寸设计摆臂是加盖单元的执行机构，它是机器的最重要的一部分之一，它的构建有：肩盘、肩盘卡套、肩盘卡片、臂部、腕部、连接片1、连接片2、摆臂固定杆、穿销、弹簧挂销、弹簧、指部、指部垫片、内六角圆柱螺钉若干。摆臂的工作原理：肩盘通过肩盘卡套、肩盘卡片以及三个螺钉与减速器输出轴可靠的连接在一起，这样就可以通过减速器驱动摆臂，使其得到力矩，臂部通过两个螺钉与肩盘连接，那么腕部通过两个连接片来的得到臂部的力矩，同时通过两个连接片的特殊结构腕部可以在获得足够的固定和力矩的同时，又可以以连接片1上的穿销孔为轴心进行一定角度范围内的摆动，腕部上有一个通孔用来安弹簧挂销以安装弹簧，在腕部末端指部与腕部以过盈配合的方式装配，指部可以在动作时扣入盖体的装配孔。图3-3摆臂平面图1.图3-3摆臂平面图图3-4肩盘平面图肩盘是摆臂最接近输入的构件，可以说肩盘是摆臂的输入构件，肩盘从减速器得到转矩，肩盘有把这个力矩传送给臂部，所以需要说明尺寸的有：肩盘与减速器输出轴的装配位置、肩盘与臂部的装盘位置，肩盘通过18mm的圆周阵列的三个M6螺纹孔与肩盘卡套固定，肩盘臂上有两个通孔用以连接臂部距离为80mm，其他具体尺寸见cad图纸。2.臂部的尺寸确定图3-5臂部平面图臂部是摆臂部件的中间部分，它左边连接肩盘，右边连接腕部，起到一个过渡作用，左边是两个M6螺纹孔，位置对应肩盘右边螺纹孔，两个螺纹孔间距80mm，在臂部中间有一个矩形槽，完全贯穿，它主要用来装配连接片，以过渡连接到腕部，具体尺寸见CAD图纸，在矩形槽的垂直方向有两个销钉孔，直径4mm，间距10mm。在臂部右端有一个和中间一样的矩形槽，用于固定连接片2。臂部整体采用18*18的正方形设计。其他具体尺寸见图纸。3.腕部的尺寸确定图3-6腕部平面图腕部是整个摆臂的末端元件，它和指部是摆臂部件的直接执行构件，腕部右边槽口通过连接片1和穿销连接在一起上下两片以过盈配合的方式连接固定，穿销中间与连接片以间隙配合，所以腕部可以在一定角度范围内围绕穿销转动。腕部最左端的孔是指部安装孔，它和指部的配合方式是过盈配合。腕部具体尺寸见图纸。4.指部的尺寸确定指部是整个机构的末端元件，它直接参与到装配操作中，具体尺寸如下：图3-7指部平面图3.2.3摆臂负载的计算与校核当摆臂在水平位置时，摆臂所能承受的外负载最小，这时我们能计算出摆臂的最大负载，只要加盖单元工作时，我们加的外负载比加盖单元所能允许的最大负载小时，加盖单元便满足强度要求。由Solidworks做有限元分析可得如下图的结果。摆臂在水平位置时，摆臂整体的质量为3.4kg，小臂的重心在距离小臂转轴145.7mm的位置。图3-8Solidworks有限图3-8Solidworks有限元分析结果图3-10摆臂负载受力、图3-10摆臂负载受力、力矩分析图3-9摆臂自重受力、力矩分析由Solidworks分析得机械手小臂自重为3.4kg，机械手小臂的重心在距离小臂转轴145.7mm的位置。计算出的切应力远远小于45钢的许用应力，故转轴满足强度要求。3.3减速器的设计与计算3.3.1减速器的方案设计减速器是参考Wpa40系列蜗轮蜗杆减速器设计的，蜗轮蜗杆减速器的主要优势有：1.机械结构紧凑、体积轻巧、小型高效；2.热交换性能好，散热快；3.安装简易、灵活轻捷、性能优越、易于维护检修；4.传动速比大、扭矩大、承受过载能力高；5.运行平稳，噪音小，经久耐用；6.适用性强、安全可靠性大；7.使用寿命长，允许输入的转速范围很低，减速的范围很大；8.具有自锁功能适合用于提升作业。减速器蜗轮蜗杆轴通过联轴器与直流减速电机相连，从而可以获得扭矩输入，经蜗轮蜗杆机构传动后由蜗轮轴输出力矩给摆臂。图图3-11减速器总体结构图3.3.2减速器方案的尺寸设计初步定大臂转速为4R/min，参考Wpa40系列减速器，减速比为10：1，所以蜗杆蜗轮的输入转速为40r/min。参考龙洲公司FMS加盖单元，选取电机型号为：55ZYN001J1000直流减速电机。主要参数为：减速比：1/40转矩：19kg/cm转速：40r/min额定电压：24V空载电流：≤150Ma负载电流：≤0.7AL：106mm由以上信息可以确定蜗轮蜗杆的相关参数：图3-12减速器平面图输入功率8w，蜗杆转速40r/min，传动比i12=1：10，传动由正反方向，工作载荷较稳定，但有不大的冲击，要求寿命图3-12减速器平面图蜗轮蜗杆机构的计算与设计查GB/T10085—1998，选择渐开线蜗杆(ZI)。1材料选择考虑到蜗杆传动功率的不仅是速度低，所以采用45钢蜗杆，效率高，耐磨性好，所以蜗杆齿面淬火的要求，45~55hrc硬度。蠕虫铸锡磷青铜ZCuSn10P1，金属铸造。为了节省宝贵的有色金属，只有环是用青铜制成的，而轮芯采用灰铸铁HT1002按计齿面接触疲劳强度计算进行设计（1）根据闭式蜗杆传动的设计，首先计算接触疲劳强度计进行设计，再校对齿根弯曲疲劳强度。传动中心距：转矩T2作用在蜗轮上，按Z=4，估取=0.8，则：（2）确定载荷系数K因为工作相对稳定，以不均匀的载荷分配系数=1；查机械设计手册选取使用系数；考虑转速不大，由于工作冲击不大，可取动载系数；则（3）确定弹性影响系数因为选用45钢的蜗杆和用ZCuSn10P1材料的蜗轮匹配的缘故，有（4）确定接触系数首先假设蜗杆分度圆直径和中心距的比值，在机械设计手册中可以查到（5）确定许用接触应力根据选用的蜗轮材料为ZCuSn10P1，金属模制造，蜗杆的螺旋齿面硬度＞45HRC，可从文献[1]P254表11-7中查蜗轮的基本许用应力应力循环次数：寿命系数：则（6）计算m2m因为Z13蜗杆与蜗轮的主要参数与几何尺寸中心距：a=（d1+d2）/2=（22.4+2x40）/2=51.2mm。（1）蜗杆轴向尺距=6.283mm直径系数q==7.13齿顶圆直径齿根圆直径分度圆导程角蜗杆轴向齿厚（2）蜗轮蜗轮齿数，变位系数验算传动比，蜗轮分度圆直径喉圆直径齿根圆直径咽喉母圆半径4校核齿根弯曲疲劳强度当量齿数根据从图11-9中可查得齿形系数Y=2.38螺旋角系数：许用弯曲应力：从机械设计手册中查得ZCuSn10P1制造的蜗轮的基本许用弯曲应力[]=56MPa寿命系数可以得到：<因此满足弯曲强度要求。5验算效率已知；；与相对滑动速度有关。从机械设计手册中查得：代入式中，得大于原估计值，因此不用重算。6精度等级公差和表面粗糙度的确定考虑到所设计的蜗杆传动是动力传动，属于通用机械减速器，从GB/T10089-1988圆柱蜗杆，蜗轮精度选择5级精度，侧隙种类为e，标注为5eGB/T10089-1988。然后由有关手册查得要求的公差项目及表面粗糙度，此处从略。详细情况见零件图。主要设计结论：模数m=2mm，蜗杆分度圆直径d1=22.4，蜗杆头数Z1=4，蜗轮齿数Z2=40，蜗杆材料用45钢，齿面淬火，蜗轮材料用ZcuSn10P1，金属模铸造。轴的设计与计算1．蜗杆轴蜗杆上的功率P转速N和转矩分T别如下：P=80w，N=40r/minT=38.2N∙m（1）按扭矩初算轴径选用45钢调值，硬度为根据文献式，并查教材表15-3，取考虑到有键槽，将直径增大7%，则：因此选（2）蜗杆的结构设计1）蜗杆上零件的定位，固定和装配一级蜗杆减速器可以将蜗轮安排在箱体中间，两对轴承对称分布，蜗杆由轴肩定位，蜗杆周向用平键连接和定位。端：轴的最小直径为安装联轴器处的直径，故同时选用联轴器的转矩计算，查文献[1]P351表14-1，考虑到转矩变化很小，故取按照计算转矩应小于联轴器公称转矩的条件和考虑到蜗杆与电动机连接处电动机输出轴的直径查机械设计手册选用H形弹性块联轴器_HTLA1型。主要参数为：型号：HTLA1公称转矩：20N/m许用转速：5000r/mind1、d2：10mm，10mm.因此，可以确定蜗杆相关尺寸，如图所示：图3-13蜗杆尺寸图同理可得蜗轮转轴的相关尺寸：图3-15转轴尺寸图其余构件尺寸见图纸。轴承的选型1蜗杆轴上的轴承选择使用深沟球轴承，根据直径d=12mm，选用角接触球轴承的型号为6201，其主要参数为：D=32mm，B=10mm，d=12mm基本额定载荷C0=3.05KN基本额定动载荷C=6.82KN极限转速V2蜗轮轴上的轴承选择使用深沟球轴承，根据直径d=15mm，选用角接触球轴承的型号为6002，其主要参数为：D=32mm，B=9mm，d=15mm基本额定载荷C0=2.85KN基本额定动载荷C=5.58KN极限转速V3.4底架的设计与计算3.4.1底架的方案设计底架的主要构件有：底板、支撑板、料槽、助夹板、活动杠杆、释放挡板、杠杆限位部件、杠杆固定部件、直流减速电机、电机固定部件、释放挡板等。底架的功能：作为整个加盖单元的最底层机构，底架需要承载整个机构的重量以及动载，料槽提供盖体的自动输送，助夹板的作用是协助摆臂完成夹持动作，支撑板的作用是支撑底板，承受机构所有的载荷，为助夹板、料槽提供装配位置，底板提供减速器，电机，释放挡板等重要零件的装配位置，释放挡板用来配合摆臂完成释放装配动作。电机料槽助夹板底板释放挡板支撑板电机料槽助夹板底板释放挡板支撑板图3-16底架总体结构图3.4.2底架的尺寸设计图3-17底架平面图底架的主要功能是承受整个单元载荷，且为减速器提供安装螺纹孔，底架的两个支撑板安装有助夹板，助夹板装配体包含活动杠杆，杠杆固定元件等，助夹板主要功能是利用其特殊的外廓线来使摆臂腕部实现张开动作，底架上装有电机的固定装置，安装并固定了电机，在底架左端安装有释放挡板，用来配合摆臂腕部完成释放动作。底板的尺寸确定图3-18底板平面图底板负责底板以上零件的装配固定以及承载，由于电机的安装需要，在底板左端设计一个矩形电机安装孔尺寸为80*117，紧挨着的有释放挡板和电机相关螺纹孔，因为摆臂实现的是摆动动作，所以在底板右端需要设计一个缺口尺寸138mm*150mm，中间四个螺纹孔对应减速器，紧挨减速器定位孔的是支撑板定位孔具体尺寸见图纸。整个底板尺寸给定520*280。材料采用铸铁HT100。支撑板的尺寸确定图3-19支撑板平面图支撑板主要功能是对底板起一个支撑作用，然后支撑板需设计一些相关构件的装配孔，如：导向槽、底板、杠杆、支撑板固定杆、杠杆限位板。所以首先设计了一个外形如图所示：底部长260mm，左边高135mm，第二个台阶高60mm，顶部长140mm。装配螺纹孔的详细位置见图纸。材料采用铸铁HT100。其他零件具体尺寸见图纸。3.5运动学计算运动学计算主要分析工件在装配中的运动速度，从前面的电机选型中我们给定了摆臂的转速为4r/min。图3-20摆臂运动示意图从设计中给定了工件的转动半径为348mm，所以工件的转速为V=4÷第4章用有限元分析进行强度校核4.1摆臂的有限元分析首先定义材料为铜合金T3，再定义夹具固定摆动中心处，在摆臂指部添加力为10N，生成网格：图4-1摆臂网格运行算例，生成图解，如图所示：图4-2摆臂有限元分析应力分析图由图可知最大应力远小于屈服力，故满足强度要求。4.2转轴的有限元分析首先定义材料45号钢，然后固定转轴，再在输出轴段部设定力40N扭矩15.2N*m，生成网格如下：图4-3转轴有限元网格分析图运行算例，生成图解，如图所示：图4-4应力分析图由图可知最大应力远小于屈服力，故满足强度要求。4.3底架的有限元分析首先定义材料HT200，然后固定支撑板，再在底板部分部设定力100N，生成网格如下：图4-5底架网格图运行网格，生成图解，如图所示：图4-6图4-6底架应力分析图由图可知最大应力远小于屈服力，故满足强度要求。第5章PLC控制设计5.1控制方式说明当机构独立运行时，有自动和手动两种控制方式。当单元处于连续工作状态时，选择自动模式。当手动模式时，相当于步进工作状态，按步进设计步骤按启动按钮系统。在系统操作中，如果按“停止”按钮，执行将立即停止，然后按“开始”按钮，并继续从最后暂停位置运行。系统故障时，可以采取紧急停止按钮。PLC负载电源将被切断系统，将立即停止运行（任何其他按钮将无法在这个时候生效）。故障排除后，可以拧起制动按钮，然后按下复位按钮，机构恢复初始状态按下启动按钮后，机组启动运行。5.2I/O编号分配I/O编号分配表表6-1为加盖单元控制板上PLC的I/O编号设置：表6-1加盖单元I/O分配表形式序号名称PLC地址编号地址设置输入1上盖检测I0.0S2EM277总线模块设置的站号为：12与总站通讯的地址为：4～52托盘检测I0.1S13取件限位(复位)I0.2SQ14放件限位(至位)I0.3SQ25手动/自动按钮I2.0SA6启动按钮I2.1SB17停止按钮I2.2SB28急停按钮I2.3SB39复位按钮I2.4SB4输出1电机取件Q0.0KM12电机放件Q0.1KM23绿色指示灯Q0.2HL24直流电磁吸铁Q0.3YM5传送电机Q0.4M26红色指示灯Q0.5HL17蜂鸣器报警Q1.6HA18蜂鸣器报警Q1.7HA2发送地址V2.0V3.7(200PLC—→300PLC)接收地址V0.0V1.7(200PLC←—300PLC)5.3相关元件说明表6-2加盖单元检测元件、执行机构、控制元件一览表类别序号编号名称功能安装位置检测元件1S1电感式接近开关检测托盘的位置直线单元上2S2电容式接近开关检测工件上是否有上盖直线单元上3SQ1微动开关确定摆臂取件位置摆臂左面里侧4SQ2微动开关确定摆臂放件位置摆臂左面外侧执行机构等1M1直流电机驱动直线单元传送带直线单元上2M2直流电机驱动蜗轮蜗杆减速电机加盖底板上3M3蜗轮蜗杆减速电机降低直流电机转速加盖底板上4YM直流电磁吸铁控制托盘位置直线单元上5HLHL1红色指示灯显示工作状态直线单元侧HL2绿色指示灯显示工作状态6HA1蜂鸣器事故报警控制板7HA2蜂鸣器事故报警控制板控制元件1KM1继电器摆臂取件控制加盖底板上2KM2继电器摆臂放件控制加盖底板上5.4自动控制过程说明及工作状态表初始状态：直线传动电机，摆臂电机处于停止状态；摆臂原位，内部限位开关收到压力；直流电磁铁升起挡铁；工作指示灯熄灭。系统中的红色指示灯启动；直线带式驱动电机开始运行并保持运行状态（单元运行用与PLC运行/停止特殊的辅助继电器状态和保持运行直线电机）。系统运行周期：1.在含有工作主体的托盘达到定位孔，由电感式传感器检测托板，检测信号给出；绿灯亮，红灯熄灭；通过电容传感器检测覆盖，在最高的覆盖信号的确认，延迟3秒开始启动执行主臂。2．PLC通过两继电器控制电机的正反转，通过减速器驱动臂动作驱动，手腕从上盖的槽中取出上盖，翻转180度，当释放挡板弹簧释放，摆臂外端接触限位开关，上盖由重力落入工件在体，延迟3秒后摆臂返回动作开始执行。3.返回限位开关信号在摆臂到达限位后发出；上盖安装到位，传感器发出信号，，直流电磁铁3秒的延迟后释放（如果托盘盖没有安装，涵盖传感器没有信号，摆动臂上又开始加盖动作，直到上盖安装到位）。4．释放3秒后，释放电磁铁恢复限位状态，熄灭绿色指示灯，亮红灯指示灯，并将站恢复准备工作。注：如果摆臂往复动作3次后，顶盖传感器仍没有检测信号，此时报警报警，提示操作人员应将上盖放在盖槽内。与上述描述对应的工作状态表如表所示：表6-3工作状态表输入信号输出信号动作顺序上盖检测托盘检测取件限位(复位)放件限位(至位)电机取件电机放件绿色指示灯直流电磁吸铁传送电机红色指示灯蜂鸣器报警0－－＋－－－－－＋＋－1－＋＋－－－(3s)/＋＋－＋－－2－＋－＋－(3s)/＋－＋－＋－－3＋＋＋－－－＋－(3s)/＋＋－－4－－－＋－－－＋(3s)/－＋＋－注：此工作状态表表示加盖动作一次安装到位的工作过程。5.5自动控制程序流程图图6-1加盖单元程序流程图图6-1加盖单元程序流程图第6章PLC程序设计S7-200的程序如下：S7-300程序如下：结论ME093399柔性制造系统采用了PROFIBUS-DP现场总线技术与PLC控制技术，结构简单，容易实现，系统维护时间短