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畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 題 目： 柔性加工系統(tǒng)倉(cāng)儲(chǔ)及輸送單元 學(xué) 院： 機(jī)械與自動(dòng)控制學(xué)院 專業(yè)班級(jí)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動(dòng)化 09（4）班 姓 名： 王建 學(xué) 號(hào)： B09300422 指導(dǎo)教師： 唐浙東 2013 年 05 月 24 日 柔性加工系統(tǒng)倉(cāng)儲(chǔ)及輸送單元 0 浙 江 理 工 大 學(xué) 機(jī)械與自動(dòng)控制學(xué)院 畢業(yè)論文誠(chéng)信聲明 我謹(jǐn)在此保證：本人所寫的畢業(yè)論文，凡引用他人的研究成果均已 在參考文獻(xiàn)或注釋中列出。論文主體均由本人獨(dú)立完成，沒(méi)有抄襲、剽 竊他人已經(jīng)發(fā)表或未發(fā)表的研究成果行為。如出現(xiàn)以上違反知識(shí)產(chǎn)權(quán)的 情況，本人愿意承擔(dān)相應(yīng)的責(zé)任。 聲明人（簽名）： 年 月 日 柔性加工系統(tǒng)倉(cāng)儲(chǔ)及輸送單元 摘 要 科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，正在把人類推向信息時(shí)代。但是，面對(duì)著加工業(yè)70%80%的 中小批量生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)，如何達(dá)到自動(dòng)化的目的，一直是工業(yè)界探索的課題。數(shù) 控機(jī)床問(wèn)世雖為這部分工廠自動(dòng)化創(chuàng)造了條件，但實(shí)踐證明，獨(dú)立、分散的單機(jī)自 動(dòng)化解決不了傳統(tǒng)批量生產(chǎn)所固有的生產(chǎn)率同生產(chǎn)柔性、加工批量同制造成本、生 產(chǎn)同市場(chǎng)變化之間的矛盾，必須尋找更完善的自動(dòng)生產(chǎn)體系。FMS就是在這種追求下 誕生的。其優(yōu)勢(shì)在于把生產(chǎn)率同生產(chǎn)柔性、加工批量同制造成本、先進(jìn)技術(shù)同科學(xué) 管理高度統(tǒng)一起來(lái)。從而提高產(chǎn)品制造柔性，提高效率縮短生產(chǎn)周期，降低能耗及 成本，節(jié)約設(shè)備占地面積。在柔性制造系統(tǒng)中采用全自動(dòng)化生產(chǎn)，減少了認(rèn)為的因 素一次也提高了產(chǎn)品的精度。以上可見(jiàn)，柔性制造系統(tǒng)以上優(yōu)點(diǎn)是如今制造業(yè)中非 常需要的。 關(guān)鍵詞:柔性制造；立體庫(kù)；碼垛機(jī)；流水線 浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)論文 1 柔性加工系統(tǒng)倉(cāng)儲(chǔ)及輸送單元 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 浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)論文 目 錄 摘 要 Abstract 第一章 緒 論 ..............................................................................................................................................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 立體庫(kù)的設(shè)計(jì) ................................................................................................................................3 2.1 立體庫(kù)優(yōu)點(diǎn)及功能 ...............................................................................................................................3 2.2 國(guó)內(nèi)立體庫(kù)發(fā)展趨勢(shì) ...........................................................................................................................3 2.3 立體庫(kù)的外形 ........................................................................................................................................3 2.4 立體庫(kù)各部分材料選擇 .......................................................................................................................4 2.4.1 底座材料選擇與外形設(shè)計(jì) ..........................................................................................................4 2.4.2 立體庫(kù)主體設(shè)計(jì) ...........................................................................................................................6 2.4.3 托盤設(shè)計(jì) .......................................................................................................................................8 2.5 立體庫(kù)儲(chǔ)存能力及主要設(shè)備 ...............................................................................................................9 2.5.1 立體庫(kù)儲(chǔ)存能力計(jì)算 ..................................................................................................................9 2.5.2 主要設(shè)備 .......................................................................................................................................9 第三章 流水線的設(shè)計(jì) ..............................................................................................................................10 3.1 流水線的工作原理 .............................................................................................................................10 3.1.1 流水線的工作原理及流程圖 ....................................................................................................10 3.2 電路中主要元器件的介紹 .................................................................................................................11 3.2.1 對(duì)射開關(guān)的原理及應(yīng)用 ............................................................................................................11 3.2.2 CCD 顏色尺寸檢測(cè)單元工作原理及應(yīng)用 ................................................................................11 3.2.3 PLC 及其擴(kuò)展單元 ......................................................................................................................12 3.3 流水線系統(tǒng)控制 ..................................................................................................................................13 3.3.1 流水線電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制 ............................................................................................................13 3.3.2 流水線電機(jī)啟動(dòng)/停止控制 ......................................................................................................13 3.4 流水線設(shè)計(jì) ..........................................................................................................................................13 3.4.1 流水線技術(shù)參數(shù) .........................................................................................................................13 3.4.2 CCD 檢測(cè)單元支架設(shè)計(jì) .............................................................................................................14 3.4.3 對(duì)射開關(guān) .....................................................................................................................................16 第四章 四自由度碼垛機(jī) .........................................................................................................................21 4.1 碼垛機(jī)簡(jiǎn)介 ..........................................................................................................................................21 4.1.1 碼垛機(jī)性能參數(shù) .........................................................................................................................21 4.1.2 四自由度的實(shí)現(xiàn) .........................................................................................................................21 4.1.3 線性滑臺(tái)簡(jiǎn)介 .............................................................................................................................22 柔性加工系統(tǒng)倉(cāng)儲(chǔ)及輸送單元 4.2 碼垛機(jī)各部分設(shè)計(jì)安裝 .....................................................................................................................23 4.2.1 底座設(shè)計(jì) .....................................................................................................................................23 4.2.2 底座高度尺寸計(jì)算 .....................................................................................................................24 4.2.3 底座設(shè)計(jì)方案與材料選擇 ........................................................................................................25 4.3 碼垛機(jī)控制箱的設(shè)計(jì) .........................................................................................................................28 4.3.1 碼垛機(jī)控制箱位置擺放 ............................................................................................................28 4.3.2 控制箱內(nèi)電器元件 .....................................................................................................................28 4.3.3 控制箱外形設(shè)計(jì)及材料選擇 ....................................................................................................29 4.4 機(jī)械爪的設(shè)計(jì) ......................................................................................................................................29 4.4 主要電器元件介紹 .............................................................................................................................35 第五章 外部控制系統(tǒng) ..............................................................................................................................36 第六章 結(jié)束語(yǔ) ............................................................................................................................................38 參考文獻(xiàn) .....................................................................................................................................................39 致 謝 ..........................................................................................................................................................40 柔性加工系統(tǒng)倉(cāng)儲(chǔ)及輸送單元 0 第一章 緒 論 1.1 柔性制造系統(tǒng)的背景 隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，新產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)，產(chǎn)品的復(fù)雜程度也隨之增加，而 產(chǎn)品的市場(chǎng)壽命日益縮短，更新?lián)Q代加速，中、小批量生產(chǎn)占有越來(lái)越重要的地位。 面臨這新的局面，必須大幅度提高制造柔性和生產(chǎn)效率，縮短生產(chǎn)周期，保證產(chǎn) 品質(zhì)量，降低能耗，從而降低生產(chǎn)成本，以獲得更好的經(jīng)濟(jì)效益。柔性制造系統(tǒng)正 是在這種形勢(shì)下應(yīng)運(yùn)而生的。從機(jī)械制造行業(yè)來(lái)看 現(xiàn)在 FMS 不僅能完成機(jī)械加工 而且還能完成鈑金加工、鍛造、焊接、裝配、鑄造和激光、電火花等特種加工以 及噴漆、熱處理、注塑和橡膠模制等工作。FMS 相對(duì)于傳統(tǒng)加工有以下優(yōu)點(diǎn)： 1）縮短生產(chǎn)線且變得簡(jiǎn)潔。 2）減少設(shè)備投資、減少庫(kù)存。 3）提高利用率，降低成本。 所以，研究 FMS 是一個(gè)很有意義的項(xiàng)目。 1.2 柔性制造系統(tǒng)的工作流程 如今較普遍的柔性制造系統(tǒng)流程是工件或毛坯由四自由度碼垛機(jī)器人從自動(dòng)化 立體倉(cāng)庫(kù)單元的毛坯庫(kù)中取出，送到自動(dòng)化輸送系統(tǒng)單元輸送線上。皮帶運(yùn)輸機(jī)將 工件或毛坯送至 CCD 形狀識(shí)別單元處停止，由高速 CCD 工業(yè)相機(jī)對(duì)工件進(jìn)行形狀識(shí) 別。形狀識(shí)別結(jié)束，工件向下運(yùn)送至橫向輸送機(jī)氣推處，氣推裝置將工件送至?xí)捍?區(qū)，再由上下料搬運(yùn)機(jī)器人抓取工件，送入相應(yīng)的柔性加工單元（并聯(lián)加工中心或 數(shù)控車床）進(jìn)行加工。加工完成后，由上下料搬運(yùn)機(jī)器人取出工件，將工件放回到 輸送線上。工件被運(yùn)送到 CCD 尺寸檢測(cè)單元，對(duì)已加工的工件進(jìn)行尺寸及位置偏差 檢測(cè)。檢測(cè)結(jié)束，工件被運(yùn)送到分揀單元，不合格的產(chǎn)品由氣推裝置送到廢品存放 處。合格的產(chǎn)品將繼續(xù)傳送至條碼打印及粘貼處，由人工貼上條碼再放回到輸送線 上。工件經(jīng)條碼掃描后，碼垛機(jī)根據(jù)條碼及工件的形狀、尺寸將工件從輸送機(jī)上取 下并送至自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)單元的成品庫(kù)，完成一個(gè)工作流程。流程圖如圖 1-1 所示： 浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)論文 1 圖 1-1 柔性加工系統(tǒng)流程圖 本設(shè)計(jì)中的柔性制造系統(tǒng)中，主要包括三大塊：立體庫(kù)、碼垛機(jī)、流水線。立 體庫(kù)主要是用來(lái)存放毛胚和加工后的產(chǎn)品。碼垛機(jī)有 4 個(gè)自由度分別是 X、Y 、Z 及 機(jī)械爪的轉(zhuǎn)動(dòng)。流水線主要是運(yùn)送毛胚到數(shù)控加工中心加工以及加工完成后在運(yùn)送 回去，其間完成 CCD 尺寸檢測(cè)系統(tǒng)完成對(duì)加工好的零件進(jìn)行檢測(cè)。大致的工作流程 如下：4 自由度碼垛機(jī)將毛胚從立體庫(kù)上取下運(yùn)送到流水線上，流水線上的第 1 對(duì) 對(duì)射開關(guān)檢測(cè)到信號(hào)通過(guò) PLC 控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，將毛胚運(yùn)送到第一個(gè) CCD 檢測(cè)單元， 此處的第 2 對(duì)射開關(guān)將電機(jī)停下。CCD 檢測(cè)單元檢測(cè)完成之后，發(fā)出信號(hào)電機(jī)繼續(xù) 轉(zhuǎn)動(dòng)將毛胚運(yùn)送到流水線第 4 對(duì)射開關(guān)處，對(duì)射開關(guān)再次發(fā)出信號(hào)，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)， 機(jī)械手抓取毛胚運(yùn)送到加工中心。加工完成后機(jī)械手將零件放在流水線上，此時(shí)第 4 對(duì)對(duì)射開關(guān)檢測(cè)到信號(hào)，通過(guò) PLC 控制電機(jī)反轉(zhuǎn)將零件運(yùn)送到第 3 個(gè)對(duì)射開關(guān)處， 電機(jī)停下。CCD 檢測(cè)單元完成對(duì)零件的檢測(cè)后發(fā)出信號(hào)，電機(jī)繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)將零件運(yùn)送 到第一對(duì)對(duì)射開關(guān)處，電機(jī)停下。碼垛機(jī)將零件從流水線上取下,尺寸比合格品小的 報(bào)廢處理，合格品運(yùn)送到立體庫(kù)中去。如此重復(fù)工作。 柔性加工系統(tǒng)倉(cāng)儲(chǔ)及輸送單元 2 第二章 立體庫(kù)的設(shè)計(jì) 2.1 立體庫(kù)的優(yōu)點(diǎn)及功能 立體庫(kù)的優(yōu)點(diǎn)： 1) 多層儲(chǔ)存，節(jié)約占地面積，提高空間利用率。 2) 自動(dòng)存取，運(yùn)行和處理速度快，同時(shí)能方便的納入物料管理系統(tǒng)。 3) 計(jì)算機(jī)控制，便于清點(diǎn)和盤庫(kù)，減少庫(kù)存。 立體庫(kù)的功能： 1) 收貨，倉(cāng)庫(kù)從供應(yīng)商或生產(chǎn)車間接收各種材料半成品或成品，供生產(chǎn)、加工、 裝備配之用。 2) 存貨，將寫下的貨物放到自動(dòng)化系統(tǒng)規(guī)定的位置。 3) 取貨，根據(jù)需求情況從庫(kù)房取得所需的貨物。 2.2 國(guó)內(nèi)立體庫(kù)發(fā)展 目前，在國(guó)內(nèi)多家企業(yè)中立體倉(cāng)庫(kù)已經(jīng)得到了廣泛的運(yùn)用。立體庫(kù)以其節(jié)約空 間，便于管理等優(yōu)勢(shì)得到眾多企業(yè)的青睞。但是與國(guó)外相比，在國(guó)內(nèi)大多企業(yè)當(dāng)中 所用的立體倉(cāng)庫(kù)還存在很大的差距。首先是硬件設(shè)備達(dá)不到要求，這樣就造成了效 率慢，對(duì)于物流行業(yè)來(lái)說(shuō)，倉(cāng)儲(chǔ)作為重要組成部分之一，已經(jīng)越來(lái)越多的運(yùn)用到物 流中心。效率慢直接導(dǎo)致物流成本提高。 立體庫(kù)在國(guó)內(nèi)普及率與國(guó)外還有差距，首先是因?yàn)榱Ⅲw倉(cāng)庫(kù)一次性投入較大， 其運(yùn)行所需的設(shè)備有叉車、電腦集成、信息控制系統(tǒng)等都需要很高的成本：其次， 制造企業(yè)很多都存在搬遷難的問(wèn)題。 隨著我國(guó)制造業(yè)和物流業(yè)的迅速發(fā)展，自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)必將會(huì)收到廠商的更多 關(guān)注，我國(guó)的自動(dòng)化倉(cāng)庫(kù)技術(shù)必將會(huì)有很大的發(fā)展，向發(fā)達(dá)國(guó)家靠攏。 2.3 立體庫(kù)的外形 立體庫(kù)技術(shù)要求：倉(cāng)位尺寸：220mm280mm220mm； 倉(cāng)位數(shù)量：5 列 3 層 15 個(gè)； 外形尺寸：1500mm280mm800mm； 立體庫(kù)主要是用來(lái)存放毛胚和加工好的零件的，因此立體庫(kù)設(shè)計(jì)成倉(cāng)位格的樣 浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)論文 3 子。每個(gè)單元格中放置一個(gè)貨物支撐板，板上設(shè)計(jì)一個(gè)托盤用以盛放毛胚及零件。 形狀如圖 2-1 所示： 圖 2-1 立體庫(kù)圖 2.4 立體庫(kù)各部分材料選擇 2.4.1 底座材料的選擇與外形設(shè)計(jì) 底座主要是固定立體庫(kù)的整體構(gòu)架和承載重量的，所以在材料方面主要選擇45 號(hào)鋼，以保證強(qiáng)度。底座主要分為3部分焊接而成。 圖2-2 底座焊件1 托盤 立體庫(kù)骨架 底座 固定角鐵 柔性加工系統(tǒng)倉(cāng)儲(chǔ)及輸送單元 4 圖2-3 底座焊件2 圖2-3 底座焊件3 最后底座的如圖2-4所示： 通過(guò)膨脹螺絲與地連 接 浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)論文 5 圖2-4 底座 2.4.2 立體庫(kù)主體的設(shè)計(jì) 立體庫(kù)在設(shè)計(jì)過(guò)程中主要考慮在易安裝，重量輕，成本底。綜合以上最終選擇 了鋁型材。立體庫(kù)主體骨架是由 PS-8-4040 型材組裝起來(lái)的。型材如圖 2-5 所示： 圖 2-5 PS-8-4040W 鋁型材 立體庫(kù)主體設(shè)計(jì)高度是 1400mm，需兩根長(zhǎng)為 1400mm 的 PS-8-4040W 鋁型材，寬 度設(shè)計(jì)是 1500mm,需四根長(zhǎng)為 1500mm 的 PS-8-4040W 鋁型材。倉(cāng)位部分由設(shè)計(jì)技術(shù) 要求可進(jìn)行寬度及長(zhǎng)度計(jì)算，所要求的倉(cāng)位凈寬度為 2205=1100mm，凈高度為 柔性加工系統(tǒng)倉(cāng)儲(chǔ)及輸送單元 6 2203=660mm。倉(cāng)位需要做成單元格的形式，那倉(cāng)位格也需要尺寸不同的型材。倉(cāng) 位是 53，那就需要橫置 10 跟長(zhǎng)為 800mm 的 PS-8-4040W 鋁型材，橫置 20 跟長(zhǎng)為 200 的 PS-8-4040W 鋁型材。型材連接采用腳件加螺栓螺母連接。連接方式如圖 2-5 所示: 圖 2-6 型材連接圖 組裝后的立體庫(kù)的 2 維與 3 維圖如下所示: 圖 2-7 立體庫(kù) 2 維圖 浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)論文 7 圖 2-8 立體庫(kù) 3 維圖 2.4.3 托盤的設(shè)計(jì) 托盤主要是盛放毛胚或者零件的，托盤的外形要能夠滿足碼垛機(jī)機(jī)械爪搬運(yùn)， 還要能夠在立體庫(kù)上能夠放置。托盤設(shè)計(jì)如下圖： 柔性加工系統(tǒng)倉(cāng)儲(chǔ)及輸送單元 8 圖 2-9 托盤 托盤承載物品重量在 1KG 左右，因此托盤的強(qiáng)度要求不高，可以采用 ABS。根 據(jù)毛胚及零件考慮托盤尺寸并統(tǒng)一，設(shè)計(jì)托盤尺寸為（長(zhǎng)、寬、高）: 24018052。 2.5 立體庫(kù)庫(kù)存能力及主要設(shè)備 2.5.1 立體庫(kù)庫(kù)存能力計(jì)算 立體庫(kù)采用單貨位方式，每個(gè)倉(cāng)位寬度為 220mm，每個(gè)貨位長(zhǎng)度為 280mm，倉(cāng)位 高度為 220mm. 立體庫(kù)為 5 列 3 層，共 15 個(gè)倉(cāng)位。 貨架寬度為 1260mm,高度為 840mm. 2.5.2 主要設(shè)備 立體庫(kù)主要配套設(shè)備有一臺(tái) 4 自由度碼垛機(jī)，用于取毛胚及存放零件。 浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)論文 9 第三章 流水線的設(shè)計(jì) 3.1 流水線的工作原理 3.1.1 流水線的工作原理及流程 1) 傳送帶運(yùn)動(dòng)，第 1 對(duì)對(duì)射開關(guān)檢測(cè)到碼垛機(jī)運(yùn)送毛胚時(shí)流水線停下。 2) 毛胚件放好后，發(fā)出信號(hào)流水線前進(jìn)。 3) 毛胚件到第二對(duì)對(duì)射開關(guān)，發(fā)出信號(hào)流水線停下。 4) CCD 顏色識(shí)別單元識(shí)別毛胚顏色，確定加工零件形狀。 5) 檢測(cè)完畢，傳送帶繼續(xù)前進(jìn)，將毛胚件運(yùn)送到流水線末端第四對(duì)對(duì)射開關(guān)，發(fā) 出信號(hào)，傳送帶停下。 6) 零件加工完成后機(jī)械手將零件放在傳送帶上，第四對(duì)對(duì)射開關(guān)發(fā)出信號(hào)，PLC 控制電機(jī)反轉(zhuǎn)。 7) 零件到達(dá)第 3 對(duì)對(duì)射開關(guān)發(fā)出信號(hào)電機(jī)停下。 8) CCD 檢測(cè)單元對(duì)加工好的零件進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)完成發(fā)出信號(hào)，傳送帶前進(jìn)。 9) 零件到達(dá)第一對(duì)對(duì)射開關(guān)，傳送帶停下。 流水線工作順序如下： 傳送帶先是正轉(zhuǎn)，當(dāng)碼垛機(jī)將毛胚件運(yùn)來(lái)，第一對(duì)對(duì)射開關(guān)檢測(cè)到發(fā)出信號(hào)， 電機(jī)停下，碼垛機(jī)將毛胚件在傳送帶上放好之后，發(fā)出信號(hào)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。將毛胚件用 到第二對(duì)對(duì)射開關(guān)處，第二對(duì)對(duì)射開關(guān)發(fā)出信號(hào)，電機(jī)再次停下，CCD 顏色識(shí)別單 元對(duì)毛胚件顏色進(jìn)行識(shí)別，以確定加工零件的形狀，識(shí)別完成發(fā)出信號(hào)，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)， 傳送帶將毛胚件運(yùn)到第四對(duì)對(duì)射開關(guān)處，對(duì)射開關(guān)發(fā)出信號(hào)，電機(jī)停下。機(jī)械手將 毛胚件拿到加工中心進(jìn)行加工。加工完成，機(jī)械手將零件放到傳送帶上，第四對(duì)對(duì) 射開關(guān)檢測(cè)到后發(fā)出信號(hào)，PLC 控制電機(jī)反轉(zhuǎn)，傳送帶將零件運(yùn)送到第三對(duì)對(duì)射開 關(guān)處，對(duì)射開關(guān)發(fā)出信號(hào)，電機(jī)停下。CCD 尺寸對(duì)加工好的零件進(jìn)行尺寸檢測(cè)，檢 測(cè)完畢發(fā)出信號(hào)。電機(jī)繼續(xù)反轉(zhuǎn)，將零件運(yùn)送到第一對(duì)對(duì)射開關(guān)處，再次發(fā)出信號(hào)， 電機(jī)停下碼垛機(jī)從傳送帶上將零件從傳送帶上將零件取下，如此循環(huán)下去。 根據(jù)流水線工作順序，可以畫出如圖 3-1 所示的流程圖： 柔性加工系統(tǒng)倉(cāng)儲(chǔ)及輸送單元 10 停止 前進(jìn) 反轉(zhuǎn) 顏色識(shí)別 停止 前進(jìn) 停止 圖 3-1 流水線控制系統(tǒng)流程圖 3.2 電路中主要的元器件 3.2.1 對(duì)射開關(guān)原理及應(yīng)用 對(duì)射式光電開關(guān)由發(fā)射器和接收器組成，其工作原理是：通過(guò)發(fā)射器發(fā)出的光 線直接進(jìn)入接收器，當(dāng)被檢測(cè)物體經(jīng)過(guò)發(fā)射器和接收器之前阻斷光線時(shí)，光電開關(guān) 就產(chǎn)生開關(guān)信號(hào)。與反射式光電開關(guān)不同之處在于，前者是通過(guò)電-光-電的轉(zhuǎn)換， 而后者是通過(guò)介質(zhì)完成。對(duì)射式光電開關(guān)的特點(diǎn)在于：可辨別不透明的反光物體， 有效距離大，不易受干擾，高靈敏度，高解析，高亮度，低功耗，響應(yīng)時(shí)間快，使 用壽命長(zhǎng)，無(wú)鉛，廣泛應(yīng)用于：投幣機(jī)，小家電，投幣機(jī)，自動(dòng)感應(yīng)器，傳真機(jī)， 掃描儀等設(shè)備上面。 3.2.2 CCD 顏色尺寸檢測(cè)單元工作原理及應(yīng)用 CCD 顏色尺寸識(shí)別單元原理是 CCD 圖像傳感器可直接將光學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬電 流信號(hào)，電流信號(hào)經(jīng)過(guò)放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)圖像的獲取、存儲(chǔ)、傳輸、處理和復(fù) 現(xiàn)。其顯著特點(diǎn)是：1.體積小重量輕；2.功耗小，工作電壓低，抗沖擊與震動(dòng)，性 能穩(wěn)定，壽命長(zhǎng)；3.靈敏度高，噪聲低，動(dòng)態(tài)范圍大；4.響應(yīng)速度快，有自掃描功 能，圖像畸變小，無(wú)殘像；5.應(yīng)用超大規(guī)模集成電路工藝技術(shù)生產(chǎn)，像素集成度高， 尺寸精確。 流水線所使用的 CCD 顏色檢測(cè)單元包括光源、鏡頭、圖像采集卡、圖像處理軟 件和其它設(shè)備（支架、工作臺(tái)等） 。能夠組成一個(gè)相對(duì)完整的視覺(jué)檢測(cè)開發(fā)系統(tǒng)，硬 件之間應(yīng)匹配。通過(guò)圖像識(shí)別功能可檢測(cè)工件尺寸是否合格,圖像處理軟件能快速檢 測(cè)用戶所規(guī)定工件的尺寸和位置偏差，精度為 0.05mm。 技術(shù)參數(shù)如下： CCD 尺寸 1/3 有效像素(K)子 P440K 同步系統(tǒng) 內(nèi)同步 尺寸檢測(cè) 零件就位 浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)論文 11 掃描系統(tǒng) 2:1 視頻輸出 1Vpp-75 解晰度（水平） 480Lines(Y/C480Lines) 最低照度(Lux) 0.1Lux F1.2（AGC High） 自動(dòng)動(dòng)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 背光補(bǔ)償 ON/OFF 自動(dòng)電子快門 EI:OFF 1/501/1. 檢測(cè)幅面 200*200mm，精度 1mm。 3.2.3 PLC 及其擴(kuò)展單元 圖 3-2 歐姆龍 PLC 選用歐姆龍 PLC，其技術(shù)參數(shù)如下: 型號(hào)：CP1H-X40DT 輸入：24 點(diǎn) 輸出：16 點(diǎn)（晶體管） 高速計(jì)數(shù)器：4 點(diǎn) 脈沖輸出：100KHz 2 點(diǎn) 30KHz 2 點(diǎn) 定時(shí)器：4096 位 計(jì)數(shù)器：4096 位 內(nèi)部輔助繼電器：8192 點(diǎn) 保持繼電器：8192 點(diǎn) 輸入中斷：8 點(diǎn) 脈沖捕捉輸：8 點(diǎn) 8.1.3.2 PLC 擴(kuò)展單元 柔性加工系統(tǒng)倉(cāng)儲(chǔ)及輸送單元 12 型號(hào)：CPM1A-40EDR 輸入：24 點(diǎn) 輸出：16 點(diǎn)（繼電器） 3.3 流水線系統(tǒng)控制 3.3.1 流水線電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制 流水線的電機(jī)是通過(guò)變頻器控制的，以實(shí)現(xiàn)節(jié)能調(diào)速，過(guò)流/過(guò)壓/過(guò)載保護(hù)。 在此情況下實(shí)現(xiàn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)接線方式為：PLC 的兩個(gè) Y 點(diǎn)接到電機(jī)正反轉(zhuǎn)的端子上， 再將 PLC 的 COM 與變頻器的 COM 相接即可實(shí)現(xiàn)。 3.3.2 流水線電機(jī)停止/啟動(dòng)控制 毛胚或者零件經(jīng)過(guò)光電對(duì)射開關(guān)時(shí)，對(duì)射開關(guān)將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)傳送給 PLC，通過(guò) PLC 控制其擴(kuò)展單元繼電器，切斷電機(jī)電源，這樣電機(jī)就停止轉(zhuǎn)動(dòng)，傳送 帶停下。 3.4 流水線設(shè)計(jì) 3.4.1 流水線的設(shè)計(jì)要求 有效工作寬度：300mm； 有效工作高度：750mm； 有效工作長(zhǎng)度：3000mm； 運(yùn)行速度：5m/min10m/min； 承載能力：5kg； 框架材質(zhì)：鋁合金型材框架。 由以上參數(shù)可以看出，流水線的承重為 5KG，承載的重量較輕所以選擇皮帶式 流水線。流水線設(shè)計(jì)圖如下圖所示： 浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)論文 13 圖 3-3 流水線設(shè)計(jì)圖 3.4.2 CCD 顏色尺寸檢測(cè)單元支架設(shè)計(jì) 在本流水線中需要兩個(gè)支架，分別是 CCD 顏色識(shí)別單元支架與尺寸檢測(cè)單元支 架。雖兩個(gè)檢測(cè)單元功能不同但是支架是相同的。首先是材料的選擇，CCD 檢測(cè)單 元本身重量較輕，對(duì)材料強(qiáng)度要求不高。從安裝方便方面考慮，從之前立體庫(kù)的經(jīng) 驗(yàn)中我選擇了鋁型材，不僅能夠滿足要求而且重量輕方便與流水線安裝。鋁型材截 面如下 3-4 圖所示： 圖 3-4 PS-8-4040W 鋁型材 柔性加工系統(tǒng)倉(cāng)儲(chǔ)及輸送單元 14 流水線有效工作高度為 750mm，支架的高度要能夠滿足 CCD 檢測(cè)單元可以獲得 足夠好的視野，以減少檢測(cè)誤差。CCD 檢測(cè)單元設(shè)計(jì)參數(shù)如下： 總高度 1400mm; 寬度 250mm CCD 檢測(cè)單元與流水線傳送帶垂直距離 150mm。 圖 3-5 CCD 檢測(cè)單元支架設(shè)計(jì)圖 檢測(cè)單元需固定在上圖的支架上，因此我還設(shè)計(jì)了攝像頭固定件，如下圖所示： 浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)論文 15 圖 3-6 CCD 攝像頭固定件 3.4.3 對(duì)射開關(guān) 在流水線中設(shè)計(jì)有 4 對(duì)對(duì)射開關(guān)，它們發(fā)出信號(hào)用以控制電機(jī)停止和啟動(dòng)。第 一對(duì)對(duì)射開關(guān)是在碼垛機(jī)將毛胚件搬運(yùn)過(guò)來(lái)時(shí)將傳送帶電機(jī)停下，碼垛機(jī)將毛胚件 在傳送帶上放穩(wěn)。第二對(duì)對(duì)射開關(guān)放置在 CCD 顏色識(shí)別單元處，當(dāng)毛胚件到達(dá)第二 對(duì)對(duì)射開關(guān)處，電機(jī)停下 CCD 顏色識(shí)別單元對(duì)毛胚件進(jìn)行顏色識(shí)別。第三對(duì)對(duì)射開 關(guān)安裝在 CCD 檢測(cè)單元處，加工好的零件到達(dá)此處，電機(jī)停，CCD 尺寸檢測(cè)單元對(duì) 零件尺寸進(jìn)行檢測(cè)。第四對(duì)對(duì)射開關(guān)也是用來(lái)停下電機(jī)的，當(dāng)毛胚件到達(dá)此處電機(jī) 停止轉(zhuǎn)動(dòng)，機(jī)械手將毛胚件從傳送帶上取下送到加功中心進(jìn)行加工。 流水線的運(yùn)輸速度為 5m/min，即 83.3mm/s.因此在 CCD 尺寸顏色檢測(cè)單元處的 對(duì)射開關(guān)位置設(shè)計(jì)需要計(jì)算。從流水線電機(jī)運(yùn)行了解到電機(jī)帶有抱閘從斷電到停止 大概所需的時(shí)間很短，而 CCD 尺寸檢測(cè)單元的照射范圍為 200200。則電機(jī)斷電后 零件和毛胚在流水線上移動(dòng)的距離很短，因此對(duì)射開關(guān)放置在 CCD 尺寸顏色檢測(cè)單 元下方即可。 柔性加工系統(tǒng)倉(cāng)儲(chǔ)及輸送單元 17 第一對(duì)對(duì)射開關(guān)： 浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)論文 18 第二對(duì)對(duì)射開關(guān)： 柔性加工系統(tǒng)倉(cāng)儲(chǔ)及輸送單元 19 第三對(duì)對(duì)射開關(guān)： 浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)論文 20 第四對(duì)對(duì)射開關(guān)： 柔性加工系統(tǒng)倉(cāng)儲(chǔ)及輸送單元 21 第四章 四自由度碼垛機(jī) 4.1 碼垛機(jī)的設(shè)計(jì) 碼垛機(jī)在整個(gè)柔性加工系統(tǒng)中扮演著“搬運(yùn)工”的角色，主要是用來(lái)取毛胚件 和存放零件的。碼垛機(jī)所需要實(shí)現(xiàn)的具體動(dòng)作是：水平移動(dòng)到達(dá)指令的立體庫(kù)的單 元格，然后機(jī)械爪上升，到達(dá)托盤的高度機(jī)械爪伸入托盤底部將托盤托起，然后機(jī) 械爪旋轉(zhuǎn)，水平移動(dòng)到達(dá)流水線處，機(jī)械爪向下移動(dòng)將托盤和毛胚件放到流水線上。 4.1.1 碼垛機(jī)的設(shè)計(jì)要求 行程范圍：X 軸 1.5*Z 軸 0.8*Y 軸 0.3m； 負(fù)載能力：1KG； 最大速度：X 軸 60mm/s，Y 軸 100mm/s，Z 軸 50mm/s； 定位精度：1mm； 4.1.2 四自由度的實(shí)現(xiàn) 碼垛機(jī)中的四自由度為 X、Y、Z 軸的水平移動(dòng)及機(jī)械爪的轉(zhuǎn)動(dòng)。為了實(shí)現(xiàn) X、Y、Z 三軸的水平移動(dòng)我們選擇了三個(gè)線性滑臺(tái)立式使用以達(dá)到要求。機(jī)械爪的 轉(zhuǎn)動(dòng)是通 過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)聯(lián)軸器帶動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)軸來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)械爪的轉(zhuǎn)動(dòng)。 浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)論文 22 圖 4-1 線性滑臺(tái)組合示意圖 4.1.3 線性滑臺(tái)的選擇 直線滑臺(tái)主要組成由滾珠絲桿 直線導(dǎo)軌 鋁合金型材 滾珠絲桿支撐座 聯(lián)軸器 馬達(dá) 光電開關(guān)等組成： 1) 滾珠絲杠是將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)，或?qū)⒅本€運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的理想 的產(chǎn)品。滾珠絲杠由螺桿、螺母和滾珠組成。它的功能是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成直 線運(yùn)動(dòng)，這是滾珠螺絲的進(jìn)一步延伸和發(fā)展，這項(xiàng)發(fā)展的重要意義就是將軸承 從滾動(dòng)動(dòng)作變成滑動(dòng)動(dòng)作。由于具有很小的摩擦阻力，滾珠絲杠被廣泛應(yīng)用于 各種工業(yè)設(shè)備和精密儀器?？稍诟哓?fù)載的情況下實(shí)現(xiàn)高精度的直線運(yùn)動(dòng)。 2) 直線導(dǎo)軌 又稱滑軌、線性導(dǎo)軌、線性滑軌，用于直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)場(chǎng)合，擁有比直 X 向移動(dòng) Y 軸向移動(dòng) Z 軸向移動(dòng) 柔性加工系統(tǒng)倉(cāng)儲(chǔ)及輸送單元 23 線軸承更高的額定負(fù)載， 同時(shí)可以承擔(dān)一定的扭矩，可在高負(fù)載的情況下實(shí)現(xiàn) 高精度的直線運(yùn)動(dòng).結(jié)構(gòu),精度高;精密級(jí)導(dǎo)軌板。 3) 鋁合金型材 鋁合金型材滑臺(tái)外形美觀、設(shè)計(jì)合理、剛性好、性能可靠，是組合 機(jī)床和自動(dòng)線較理想的基礎(chǔ) 動(dòng)力部件動(dòng)態(tài)性能好.滑臺(tái)剛度高,熱變形小,進(jìn)給穩(wěn) 定性高,從而保證了 加工狀態(tài)下（負(fù)荷下）的實(shí)際精度。 4) 滾珠絲桿支撐座 選用的支撐座具有高剛性、高精度的超小型角接觸球軸承，能 獲得穩(wěn)定的回轉(zhuǎn)性能。使用深溝球軸承的內(nèi)部軸承中裝入了適量的鋰皂基潤(rùn)滑 脂，用特殊密封墊圈進(jìn)行密封，能直接安裝，長(zhǎng)期使用。 5) 伺服電機(jī) 使滑臺(tái)可以快速進(jìn)退。利用滾珠絲杠和線軌獲得較高的精度，直線滑 臺(tái)可以用 PLC 控制，也可以直接利用機(jī)械手控制系統(tǒng)進(jìn)行控制。直線滑臺(tái)的運(yùn) 動(dòng)速度、運(yùn)動(dòng)軌跡可以編程設(shè)置，實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)用需求。 綜合滾珠絲杠的線性滑臺(tái)具有精度高、質(zhì)量輕、可控制的優(yōu)點(diǎn)最終我選擇了 滾珠絲杠的線性滑臺(tái)。按照設(shè)計(jì)要求繪制出圖紙如下圖所示： 圖 4-2 線性滑臺(tái)組合設(shè)計(jì)圖 4.2 碼垛機(jī)各部分設(shè)計(jì)與安裝 為實(shí)現(xiàn)碼垛機(jī)的各項(xiàng)功能，碼垛機(jī)還需要以下配件：機(jī)械爪、底座、控制箱。 4.2.1 底座的設(shè)計(jì) 浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)論文 24 底座的設(shè)計(jì)尤為重要，原因在于碼垛機(jī)不是單獨(dú)工作的，是要在整一個(gè)柔性加 工系統(tǒng)中起著連接立體庫(kù)和碼垛機(jī)的重要作用，因此底座的高度需要滿足立體庫(kù)和 碼垛機(jī)的工作尺寸的。此外底座還需要滿足固定線性滑臺(tái)所需要的穩(wěn)定性和剛度的 指標(biāo)。 4.2.2 底座高度尺寸計(jì)算 流水線的工作尺寸為 750mm；立體庫(kù)最低單元格的高度為 778mm,最高高度為 1218mm。碼垛機(jī)高度尺寸如下圖： 圖 4-3 線性滑臺(tái)高度尺寸 由以上尺寸可以得到在沒(méi)有底座的情況下可進(jìn)行如下計(jì)算： 最底工作高度：156+72+51（機(jī)械爪安裝高度）=279mmm 最大工作高度：279+660=939