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編號
無錫太湖學院
畢業(yè)設計（論文）
題目： 自動排向機改造研究 ——石
墨舟倉結構設計
信機 系 機械工程及其自動化 專業(yè)
學 號： 0923272
學生姓名： 支俊
指導教師： 宋廣雷 （職稱：副教授）
2013年5月25日
無錫太湖學院本科畢業(yè)設計（論文）
誠 信 承 諾 書
本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)設計（論文） 《自動排向機改造研究——石墨舟倉結構設計》是本人在導師的指導下獨立進行研究所取得的成果，除了在畢業(yè)設計（論文）中特別加以標注引用、表示致謝的內容外，本畢業(yè)設計（論文）不包含任何其他個人、集體已發(fā)表或撰寫的成果作品。
班 級： 機械96
學 號： 0923272
作者姓名：
2013 年 5 月25 日
無錫太湖學院
信機 系 機械工程及其自動化 專業(yè)
畢 業(yè) 設 計論 文 任 務 書
一、題目及專題：
１、 題目 自動排向機改造研究
２、專題 石墨舟倉結構設計
二、課題來源及選題依據
排向機是二極管生產過程中的關鍵設備，可以將二極管針腳有序地排列到石墨舟中，進行后續(xù)工序的加工，勞動強度大，用工人數多。本課題來源于企業(yè)橫向研究項目，針對現有二極管針腳排向機的不足和缺陷，提出改進措施，加強在線檢測，減少人工，包括機械系統(tǒng)和電控系統(tǒng)等。
三、本設計（論文或其他）應達到的要求：
1.彌補現有排向機的不足和缺陷：在在線監(jiān)測方面加強，原本產線上掉落的針腳需要工人放回料斗，經過改善，可自行回收進入料斗。改善后由PLC控制自動補給石墨舟，從而減少人工，提高二極管生產效率，增加經濟收益。
2.綜合運用大學四年所學知識：機械制圖、機械制造技術基礎、機電一體化系統(tǒng)設計、液壓與氣壓傳動、機器人技術及其應用等。
3.再次復習了專業(yè)知識，認識理論知識與實際生產的關系，為今后工作提供經驗。
4.綜合應用機電一體化知識，加強機械結構設計能力，為企業(yè)提供排向機自動化改造方案。
四、接受任務學生：
機械96 班 姓名 支俊
五、開始及完成日期：
自 2012 年 11 月12 日 至 2013年 5 月 25 日
六、設計（論文）指導（或顧問）：
指導教師 簽名
簽名
簽名
教研室主任
〔學科組組長研究所所長〕 簽名
系主任 簽名
2012年11月12日
I
摘 要
中國的二極管生產企業(yè)起步很早，以至于很多企業(yè)里面的二極管生產設備比較陳舊。由于舊的設備生產效率低，廢品率高，需要大量人工的原因，我們決定將對舊的二極管生產設備上進行一些自動化改造。主要的改造內容是將石墨舟的堆放和上料過程進行自動化改造，其中改造內容有：在空石墨舟的堆放處用機械手代替，通過氣缸與機械手相結合的方式放置石墨舟；對石墨舟的堆放和上料下料的過程由石墨舟升降機構來進行完成，通過電動機帶傳動，皮帶上的氣手指撥動石墨舟堆，在上料和下料處各放置十個為一堆的石墨舟堆，由氣爪抓取進行上料和下料；整個過程通過PLC進行電氣控制，大大改進了生產效率以及減少了人工，使得企業(yè)在生產中獲得更多的盈利。
關鍵詞：排向機，二極管生產，自動化改造，PLC，石墨舟
ABSTRACT
China’s diode production enterprise started early, that many enterprise inside of the diode production equipment is old. Because the old equipment production efficiency is slow, scrap rate is high, need a lot of artificial. We dicided to do some automation reconstruction to old diode production equipment. The main content of the reform is to pile up on the boat graphite and material process automation reconstruction, the transformation contents include: In the empty graphite boat with the dump instead of manipulator, throuth the cylinder and machinery of the combination of the palm placed graphite way up; The graphite stacked on the boat and the process of feeding material by graphite boat lifting mechanism to completed, throuth the motor belt, the gas fingers of the belt moving graphite boats, In feeding and discharging points under the place for a pile of ten of the graphite boats, they are grabed by gas claw; The whole process was controlled by the PLC , greatly improved the production efficiency and reduced labour, maked the enterprise gaining more profit in the production.
Key words: rowing machine, diode, Automation reconstruction, PLC, graphite boat
目 錄
摘 要 III
ABSTRACT IV
1 緒 論 1
1.1研究內容 1
1.2 研究目標 3
1.3 關鍵問題 3
1.4 研究方法和技術路線 3
1.4.1 研究方法 3
1.4.2 技術路線 4
2. 石墨舟倉結構設計 5
2.1 舊排向機構造 5
2.2 石墨舟倉部分改造的初步想法 5
2.3 石墨舟倉改造方案確定 7
2.4 排向機改造的控制系統(tǒng)初步設計 8
3. 石墨舟倉結構各零件選用及設計 11
3.1 升降機構傳動方式 11
3.2 帶傳動系統(tǒng)帶和帶輪的選擇 13
3.2.1 電機額定輸出功率估算 14
3.2.2 確定計算功率 14
3.2.3 小帶輪轉速計算 15
3.2.4 選定同步帶帶型和節(jié)距 15
3.2.5 選取主動輪齒數 16
3.2.6 小帶輪節(jié)圓直徑確定 16
3.2.7 大帶輪相關數據確定 16
3.2.8 帶速v的確定 16
3.2.9 初定軸間間距 16
3.2.10 同步帶帶長及其齒數確定 16
3.2.11 帶輪嚙合齒數計算 16
3.2.12 基本額定功率的計算 17
3.2.13 計算作用在軸上力 17
3.3 主動帶輪軸的設計和校核 17
3.4 從動帶輪軸的設計和校核 18
3.5 石墨舟倉機構其他零件結構設計 18
3.5.1 滾動軸承的選擇 18
3.5.2 石墨舟倉機架的設計 19
3.5.3 氣手指夾具的設計 20
4. 上料機械手結構設計 23
4.1 機械手的意義 23
4.2 機械手方案對比 23
4.3 機械手方案的確定 24
5. 自動化控制設計 27
5.1氣源裝置的選擇 27
5.2傳感器的選擇 28
5.3 PLC介紹 30
5.4 輸入輸出的確定 30
結論與展望 34
致 謝 35
參考文獻 36
附錄 37
零件三維圖 37
V
自動排向機改造研究——石墨舟倉結構設計
1. 緒 論
1.1研究內容
二極管又稱晶體二極管，簡稱二極管。它是一種具有單向傳導電流的電子器件。在半導體二極管內部有一個PN結兩個引線端子，這種電子器件按照外加電壓的方向，具備單向電流的轉導性。一般來講，晶體二極管是一個由p型半導體和n型半導體燒結形成的p-n結界面。在其界面的兩側形成空間電荷層，構成自建電場。當外加電壓等于零時，由于p-n結兩邊載流子的濃度差引起擴散電流和由自建電場引起的漂移電流相等而處于電平衡狀態(tài)，這也是常態(tài)下的二極管特性。
二極管的構造和符號：
二極管的生產工藝：
焊接→酸洗→模壓→印字→機包→外揀→包裝
其中焊接又可分為排向、裝填、進爐、出爐轉換，利用焊片通過一定溫度，使芯片與金屬引線連接，形成歐姆觸角。
酸洗是利用化學品將晶體表面加以侵蝕，使P-N接面呈現正角比例以獲得最佳的電性品質。于晶片表面形成SiO2，以達到絕緣目的。
模壓是使管芯與外界環(huán)境隔離，避免有害氣體侵蝕，并使表面光潔和具有特定的幾何形狀，起到保護管芯、穩(wěn)定表面、固定管芯內引線，提高二極管機械強度的作用。
排向機是二極管生產過程中的關鍵設備，可以將二極管針腳有序地排列到石墨舟中，進行后續(xù)工序的加工。現有排向機勞動強度大，用工人數多。改善后的排向機加強了在線監(jiān)測，加入了PLC控制系統(tǒng)，完成了生產的自動化，大大提高了二極管的生產效率，減少了人工。
本課題設計內容以機電氣一體化技術為核心，整機采用PLC控制，要求和原設備無縫銜接，學生需掌握機械工程及自動化專業(yè)相關基礎理論。
現有排向機的構造：
圖1.1 現有排向機圖片
如圖，針腳通過人工方式在料參中進行震動，并有序向上移動，然后來到針腳分流裝置中，進行向下移動，針腳分流裝置可以將成批的運輸過來的二極管針腳進行分流成為十股針腳，一列一列進行向前移動，移動至擋板處。其中彎的或者殘缺的針腳將被擋板擋住，并流入下料盤中，質量良好的針腳將有序的一個個豎立地流入擋板下面的槽中，在整個機器的震動中來到氣缸，氣缸通過左右移動將一排排針腳準確的安放到上模中，上模與石墨舟通過定位銷進行了定位，每一個孔都準確對齊，針腳在氣缸的左右移動中對齊地放入上模，再由經上模準確的放入石墨舟中，整個機器由旁邊的控制臺進行控制。
然而，舊版的排向機有一定的不足如下：
（1） 在針腳分流裝置中，雖然整個裝置進行過周密的計算，但是針腳分流仍舊是按照一定的概率進行等量分流的，可能會產生某一列或者幾列在分流過程中針腳出現空缺的狀況，這一問題在流水線上繼續(xù)作業(yè)會使石墨舟上出現一列或者幾列的空缺，影響生產效率；
（2） 在料參和下料盤中的針腳都需要通過人為的進行補充以及放回，增加了工人的負擔，并且在一定程度上降低了生產效率，也無法自動排出質量有問題的針腳；
（3） 在氣缸處沒有檢測針腳是否空缺的裝置，如果在氣缸前有針腳卡主或者堵塞，有可能出現一列或者幾列的針腳空缺情況，使進行排列后的石墨舟可能出現不足或者空缺的情況；
（4） 上模處沒有檢測石墨舟是否每一個孔里面都裝入了針腳的傳感器及控制裝置，無法檢測是否每個石墨舟工序后針腳都填滿；
石墨舟在填滿后需要通過人工進行移動，并補充新的空的石墨舟，在日生產量巨大的工廠中，大大影響了生產的效率，為企業(yè)帶來不必要的損耗。
1.2 研究目標
排向機是二極管生產過程中的關鍵設備，可以將二極管針腳有序地排列到石墨舟中，進行后續(xù)工序的加工，勞動強度大，用工人數多。本課題來源于企業(yè)橫向研究項目，針對現有二極管針腳排向機的不足和缺陷，提出改進措施，加強在線檢測，減少人工。包括機械系統(tǒng)和電控系統(tǒng)等。
改善后的排向機彌補了現有排向機的不足和缺陷。在在線監(jiān)測方面得到了加強，原本在生產線上掉落的針腳需要工人放回料斗，經過改善，可自行回收進入料斗。改善前石墨舟針腳排滿后需人工取走，再放上空的石墨舟，改善后由PLC控制自動補給石墨舟，從而減少了人工，提高了二極管生產效率，增加了經濟收益。
另一方面，本次的課題研究是大學四年所學知識的一次綜合運用，涉及的學科有機械制圖、機械制造技術基礎、機械設計、液壓與氣壓傳動、電器與PLC控制技術等。研究這個課題，不僅讓我們再次復習專業(yè)知識，也讓我們認識到了理論知識與實際生產的關系。實際生產離不開理論知識的支持，理論知識可以為實際生產提供技術保障，對技術的改革發(fā)展更是起到決定性作用。而且，這次實際生產的案例用理論知識來改進的例子讓我們?yōu)榻窈蟮墓ぷ魈峁┝藢氋F的經驗。
綜合應用機電一體化知識，培養(yǎng)學生的機械結構設計能力，為企業(yè)提供排向機自動化改造方案。
1.3 關鍵問題
（1）石墨舟倉方案確定；
（2）結構設計和圖紙實現；
1.4 研究方法和技術路線
1.4.1 研究方法
查閱資料了解國內同類了加工設備的特點，分析設備運行原理，確定系統(tǒng)方案，設計提升機機械結構，完善設計方案。
1.4.2 技術路線
3
2. 石墨舟倉結構設計
2.1 舊排向機構造
由于本次畢業(yè)設計的內容是在原有的排向機的結構上進行改造，原來的排向
機構造如下圖所示：
圖2.1 現有排向機石墨舟上料部分
石墨舟通過人工放置在石墨舟架的位置，架子上方有一個石墨舟擋板，擋板用于使石墨舟與上模互相結合，上模是一個長寬尺寸和石墨舟相同的一塊模子，上面有與石墨舟引腳孔位置相同的孔，用于引導針腳進入石墨舟裝填。當人工搬動上模與石墨舟結合之后，工作人員按動電動機的按鈕讓電動機帶動整個上述裝置進行向內移動，一排一排上針腳。在機構實現針腳排向之后，電動機反轉帶動石墨舟機構移出，然后由人工搬動上模與石墨舟分離，分離過后通過人工觀察哪個孔里面沒有針腳，再由人工對石墨舟針腳進行補充裝填。整個機器運作過程對工人的負擔較大，而且沒有相應的自動化檢測裝置，因此我們決定對其進行改造。
2.2 石墨舟倉部分改造的初步想法
為了解決原本排向機自動化低，需要人工，費時費事等缺點，我們決定在石墨舟倉部分進行一些自動化改造，在原有機器的基礎上添加一些部件，使得機器的自動化能力大幅提升，提高產值。一開始，我們對舟倉部分的改造有兩套方案：
方案1：
圖2.2 方案1示意圖
方案1如圖所示，將石墨舟倉改造成帶傳動，將石墨舟放置在帶上，通過帶傳動傳遞到機械手部分，由機械手抓取石墨舟至加工工位，加工完成之后再由機械手抓取滿的石墨舟并轉動到放置空的石墨舟的一條輸送帶上，并統(tǒng)一回收滿載的石墨舟到下一工位。此方案有加工快速，自動化程度高，便于回收等特點，但是由于傳送帶所占面積太大，如果進行改造需要對廠區(qū)進行比較大的改造，而且只有一個機械手加工速度也不是特別快，因此我們最后還是放棄了這一方案。
方案2：
圖2.3 方案二示意圖
方案2如上圖所示，此機構將石墨舟分為空堆石墨舟及滿堆石墨舟兩個部分，這兩部分分別由石墨舟堆疊而成，每個石墨舟可以堆疊十個，在空堆處進行上針腳的操作，再由機械手將上滿針腳的石墨舟進行移動并堆疊至滿載的石墨舟堆處，滿載堆下降一個工位以接收運來的石墨舟，空堆處上升一個工位以準備下一次的上針腳操作。此套設備的優(yōu)點是比較節(jié)省空間，十個石墨舟一堆，大大的節(jié)約了廠區(qū)的空間，而且在原有機器的基礎上不用修改太多部件，這樣設計也可以便于工人上料下料，整個過程自動化程度也很高。但是這個系統(tǒng)有例如機械手負擔較大，機械手部分設計較復雜的特點，我們最終決定使用這個系統(tǒng)，但是需要對此系統(tǒng)進行一些改造。
2.3 石墨舟倉改造方案確定
我們決定將上述方案2進行修改作為我們此次排向機改造畢業(yè)設計的主方案，在上料機械手部分我們決定采用如下圖的結構：
圖2.4 上料機械手部分方案圖
我們決定選用兩個上料機械手一起固定在板材上，在橫向氣缸的初始位置左邊的氣缸放置在石墨舟上針腳的工作位置，右邊的氣爪位于空堆石墨舟位置，在抓取石墨舟時，縱向方向的氣缸先下降，然后氣爪松開，抓取石墨舟，加緊后上升，然后橫向方向氣缸運動，將左邊的氣爪移動至滿堆石墨舟處，右邊的氣爪移動至石墨舟工作位置處，然后將兩個氣爪放下并松開，這樣兩個氣爪同時運動，大大加快了加工的效率，而且便于控制。
我們考慮了石墨舟單個的重量，石墨舟堆疊后的高度及整個系統(tǒng)對升降機構的要求，所以決定大體的石墨舟升降機構如下圖：
圖2.5 石墨舟升降機構初步結構設計圖
上圖為石墨舟升降機構（石墨舟倉）的初步結構設計，石墨舟由十個為一堆堆成，分別有兩落石墨舟堆結構，在初始狀態(tài)時，空堆石墨舟處沒有有十個堆疊而成的石墨舟，而滿堆部分沒有石墨舟，每次工作一個工位，空堆石墨舟處的氣手指伸出，由電動機帶動氣手指以拉動空堆石墨舟堆上升一個工位。氣爪抓動后，等石墨舟到達滿堆處，滿堆處的氣手指伸出，由電動機帶動氣手指緩緩拉動石墨舟堆下降一個工位，等待一個新的滿堆石墨舟堆上來。如此往復，等空堆的石墨舟逐漸用完后，機器暫停，由之前的氣爪拉動新的一堆空石墨舟進入空堆，而滿堆石墨舟堆滿之后，機器也暫停，等待工人將滿的石墨舟堆撤離，繼續(xù)進行工作。
2.4 排向機改造的控制系統(tǒng)初步設計
我們通過對此套排向機改造系統(tǒng)的研究與討論后決定設置如下傳感器：檢測有無針腳，檢測工作位置有無石墨舟，檢測送料立柱升降機是否處在初始位置最低位置，檢測工作工位是否有空余，檢測空堆工位是否有石墨舟，檢測針腳是否裝滿，檢測工作工位處是否空閑，檢測下降機構最高位置是否有空位，若無空位則用氣手指將最高位降下，然后氣手指歸于最高位，檢測下降位置是否有空余，檢測二工位處是否有石墨舟等傳感器。[2]
我們設定的整個工序分為三個過程：進行檢測、進行上料、進行下料。
進行檢測部分，我們設定的工序為工作位傳感器檢測上下方向氣缸下降45mmm；氣爪傳感器，氣爪閉合，檢測上下方向氣缸上升45mm；檢測縱向傳感器，送料左右方向氣缸向左600m；檢測位傳感器1，檢測上下方向氣缸下降45mm；檢測位氣爪傳感器1, 氣爪松開，石墨舟至檢測位，檢測上下方向氣缸向上45mm。
進行上料部分，我們設定的工序為空堆傳感器1，檢測氣手指不動，送料上下方向氣缸下降45mm；氣爪傳感器，檢測氣爪不動，送料上下方向氣缸上升45mm；送料上下方向氣缸，送料左右方向氣缸向左600mm，工作位傳感器，檢測送料上下方向氣缸向下45mm至工作位置；工作位氣爪傳感器，檢測氣爪松開，送料上下方向氣缸上升45mm；空堆傳感器2，檢測氣手指動作，換另一堆空石墨舟。
進行下料部分，我們設定的工序為檢測位傳感器2，檢測下料上下方向氣缸下降45mm；檢測位氣爪傳感器，檢測氣爪閉合，抓取石墨舟，下料上下方向氣缸上升45mm，下料上下方向氣缸傳感器，檢測下料左右方向氣缸向左600mm；下料氣爪傳感器，檢測氣爪松開，下料上下方向氣缸上升45mm；石墨舟堆傳感器，檢測下料上下方向氣缸下降45mm。
我們將控制系統(tǒng)分為這三個部分進行設計，每個部分有設定相應的傳感器，并對傳感器的輸入輸出端進行預估，這樣我們在接下來的PLC控制設計，選擇
相應的型號的PLC以及輸入輸出分配表的制作有了一定的基礎。
圖2.6 步進電機控制原理圖
圖2.6中，控制器為PLC，PLC產生脈沖信號，進入步進電機驅動器，一般控制脈沖信號都很弱，步進電機驅動器可將脈沖信號進行功率放大，將從控制器發(fā)來的脈沖信號轉化為步進電機的角位移，實現后續(xù)的動力提供。電機的轉速與脈沖頻率成正比，所以控制脈沖頻率可以精確調速，控制脈沖數就可以精確調位。
圖2.7所選步進電機的矩頻特性曲線
在上料機構中，當空石墨舟由氣爪抓取送到工作位置后，氣手指提升石墨舟上升一個工位，提升高度為45mm。選擇的步進電機型號為110BYG350CH-0501，相數為3，步距角為1.2°，相電流為5.0A，保持轉矩為12N，轉動慣量為1.356g·㎡。[11]圖2.7為所選步進電機的矩頻特性曲線。其中，控制系統(tǒng)每發(fā)出一個步進脈沖，步進電機轉過1.2°，當步進電機驅動器設置在10細分狀態(tài)下，由公式
（2.1）
可知:
步進電機發(fā)出3000個脈沖時，氣手指抬升空石墨舟45mm。
3. 石墨舟倉結構各零件選用及設計
3.1 升降機構傳動方式
剛開始時，我們設計了兩種升降機構的方案
方案1：絲桿傳動升降機構
圖3.1 絲桿傳動升降機構示意圖
滾珠絲杠：傳動效率高，達0.9-0.98，有利于主機的小型化和減輕勞動強度；摩擦力矩小，接觸鋼度高，使溫升及熱變形減小，有利于改善主機的動態(tài)特性和提高工作精度；工作壽命長，傳動無間隙，無爬行傳動精度高，具有很好的高速性能；抗沖擊振動性能差，承受徑向載荷能力差。
如圖所示，石墨舟堆疊為十個，導軌上裝有滑塊，滑塊由電動機驅動，電機連接著一根絲桿，電動機帶動絲桿轉動，絲桿上的螺母隨著電機轉動帶動石墨舟機構整體上升下降，電動機正轉時，石墨舟上升，用于空堆石墨舟機構，電動機反轉時，石墨舟下降，用于滿堆石墨舟手機機構，滑塊由導軌保證運動方向是豎直的。而石墨舟堆的上升距離由電機保證，電機選用步進電機，由PLC控制。此套方案的優(yōu)點是整個機構比較簡單，可以由安裝在電動機上的螺母來將電動機的轉動轉換為石墨舟的升降移動，機構簡單，成本較低，設計安裝比較簡單。但是此套方案也有缺點，就是絲桿傳動的距離不能過長，也不能承受太大的徑向力，否則絲桿彎曲損壞整套裝置就會壞掉，豎直方向的移動量也會產生誤差，使加工產生錯誤，增加生產率，而且絲桿受力較大，要經常更換，成本也會變得很高，而且后續(xù)維護比較麻煩。
方案2：帶傳動升降裝置
圖3.2 帶傳動升降機構示意圖
帶傳動：靠齒嚙合傳動，傳動比準確，傳動效率高，初張緊力最小，瞬間速度均勻，單位質量傳遞的功率最大；與鏈和齒輪傳動相比，噪聲小，不需潤滑，傳動比、線速度范圍大，傳遞功率大；耐沖擊振動較好，維修簡便、經濟。廣泛應用于各種機械傳動。
如圖所示為我們設計的帶傳動升降機構，石墨舟由氣手指帶動上升或者下降，氣手指安裝在帶輪上面，由專門的夾具固定。底板上裝有帶傳動的輪和軸，軸端上用聯軸器連接電動機，電動機正轉時，石墨舟上升，用于空堆石墨舟機構，電動機反轉時，石墨舟下降，用于滿堆石墨舟手機機構。在這里要說明的是氣手指實質上是一個小型的氣缸，伸出后拖住石墨舟堆底部，隨著帶傳動的上升和下降將拖動石墨舟堆的上升下降，已完成石墨舟的移動。此套方案的優(yōu)點是帶傳動的受力能夠帶動比較大的質量，像石墨舟堆這樣十個一堆的物體也能夠帶動，而且?guī)鲃颖容^穩(wěn)定，隨著步進電機的驅動能夠完成定方向定距離的上下移動，比較適合我們這個系統(tǒng)。此套方案的缺點是如果設計帶傳動系統(tǒng)的話比絲桿系統(tǒng)更復雜些，要設計帶輪、帶輪軸、夾具等零件。
最后我們綜合了以上兩個方案的優(yōu)缺點，從系統(tǒng)的整體穩(wěn)定和效率出發(fā)，我們選擇了帶傳動升降系統(tǒng)，關鍵是絲桿系統(tǒng)的絲桿不能承受每個400g的十個石墨舟堆的長時間的上升與下降，在一定時間之后絲桿會產生各種各樣的問題，因此我們選擇帶傳動升降系統(tǒng)，而且雖然帶傳動升降系統(tǒng)的零件有些復雜，但是一旦設計出來在實際安裝過程中其實并不復雜，很多像螺母螺釘的零件都可以選擇標準件，安裝起來穩(wěn)定可靠。
3.2 帶傳動系統(tǒng)帶和帶輪的選擇
首先我們選擇帶傳動的方式，我們最開始在普通V帶、普通平帶、同步帶三者之間選擇。普通V帶的帶兩側與論草附著較好，當量摩擦因數較大，允許包角小，帶傳動比大，中心距較小，預緊力較小，傳動功率可達700KW。
普通平帶的抗拉強度大，耐濕性好，中心距大，價格比較便宜，但是傳動比較小，效率較低，可呈交叉，半交叉及有導輪的角度傳動，傳動功率可達500KW。
同步帶是綜合了帶傳動、鏈條傳動和齒輪傳動的優(yōu)點而發(fā)展起來的新塑傳動帶。它由帶齒形的一工作面與齒形帶輪的齒槽嚙合進行傳動，其強力層是由拉伸強度高、伸長小的纖維材料或金屬材料組成，以使同步帶在傳動過程中節(jié)線長度基本保持不變，帶與帶輪之間在傳動過程中沒有滑動，從而保證主、從動輪間呈無滑差的間步傳動。
同步帶傳動（見圖3.3）時，傳動比準確，對軸作用力小，結構緊湊，耐油，耐磨性好，抗老化性能好，一般使用溫度-20℃―80℃，v<50m/s，P<300kw,i<10,對于要求同步的傳動也可用于低速傳動。
圖3.3 同步帶傳統(tǒng)
同步帶傳動是由一根內周表面設有等間距齒形的環(huán)行帶及具有相應吻合的輪所組成。它綜合了帶傳動、鏈傳動和齒輪傳動各自的優(yōu)點。轉動時，通過帶齒與輪的齒槽相嚙合來傳遞動力。 同步帶傳動具有準確的傳動比，無滑差，可獲得恒定的速比，傳動平穩(wěn)，能吸振，噪音小，傳動比范圍大，一般可達1:10。允許線速度可達50M/S，傳遞功率從幾瓦到百千瓦。傳動效率高，一般可達98%，結構緊湊，適宜于多軸傳動，不需潤滑，無污染，因此可在不允許有污染和工作環(huán)境較為惡劣的場所下正常工作。 本產品廣泛用于紡織、機床、煙草、通訊電纜、輕工、化工、冶金、儀表儀器、食品、礦山、石油、汽車等各行業(yè)各種類型的機械傳動中。同步帶的使用，改變了帶傳動單純?yōu)槟Σ羵鲃拥母拍?，擴展了帶傳動的范圍，從而成為帶傳動中具有相對獨立性的研究對象，給帶傳動的發(fā)展開辟了新的途徑。
同步帶的特點
(1)、傳動準確，工作時無滑動，具有恒定的傳動比；
(2)、傳動平穩(wěn)，具有緩沖、減振能力，噪聲低；
(3)、傳動效率高，可達0.98，節(jié)能效果明顯；
(4)、維護保養(yǎng)方便，不需潤滑，維護費用低；
(5)、速比范圍大，一般可達10，線速度可達50m/s，具有較大的功率傳遞范圍，可達幾瓦到幾百千瓦；
(6)、可用于長距離傳動，中心距可達10m以上。
接著，我們選擇帶輪，同步帶傳動的帶輪有實心輪、輻板輪、孔板輪、橢圓輻輪等結構，由于我們的石墨舟的大小也僅有91×234×42的外輪庫大小，所以我們的設計的帶輪不會太大，帶輪的內孔直徑也最多在15~25之間，所以我們選擇內徑孔大小為20的實心輪，設計、加工很方便，傳動效率高，也比較容易安裝和定位。帶輪與軸之間的連接采用鍵槽連接，具體的設計在接下來的軸設計里面會具體講到。
考慮到主動輪和從動輪的問題，由于我們的系統(tǒng)時直線升降移動，對傳動比沒有要求，而且考慮到對步進電機的控制問題，我們最后決定主動帶輪和從動帶輪使用相同的型號和尺寸，這樣零件互換性有了進一步提高，對維修和安裝都有一定的方便。
考慮到主動輪和從動輪的問題，由于我們的系統(tǒng)時直線升降移動，對傳動比沒有要求，而且考慮到對步進電機的控制問題，我們最后決定主動帶輪和從動帶輪使用相同的型號和尺寸，這樣零件互換性有了進一步提高，對維修和安裝都有一定的方便。
由上可知，同步帶輸出轉矩為：0.21N.m，輸出轉速為：，單級傳動效率為：η=85%，傳動比i=1，取安全系數k=3，則同步帶傳遞功率為：
(3.1)
因此我們在帶傳動方面選擇同步齒形帶傳動
3.2.1 電機額定輸出功率估算
=7.16W (3.2)
3.2.2 確定計算功率
電動機每天使用16小時左右，查表3-1得到工作情況系數=1.7。則計算功率為:
(3.3)
表3-1 工作情況系數看
3.2.3 小帶輪轉速計算
(3.4)
3.2.4 選定同步帶帶型和節(jié)距
由同步帶選型圖3.4可以看出，由于在這次設計中功率轉速都比較小，所以帶的型號可 以任意選取，現在選取H型帶，節(jié)距
圖3.4 同步帶選型圖
3.2.5 選取主動輪齒數
查表3-2知道小帶輪最小齒數為14，現在選取小帶輪齒數為14。
3.2.6 小帶輪節(jié)圓直徑確定
(3.5)
表3-2 小帶輪最小齒數表
3.2.7 大帶輪相關數據確定
由于系統(tǒng)傳動比為，所以大帶輪相關參數數據與小帶輪完全相同。齒數，節(jié)距
3.2.8 帶速v的確定
(3.6)
3.2.9 初定軸間間距
根據公式
(3.7)
得
現在選取軸間間距為570mm。
3.2.10 同步帶帶長及其齒數確定
(3.8)
=1390.024mm
3.2.11 帶輪嚙合齒數計算
有在本次設計中傳動比為一，所以嚙合齒數為帶輪齒數的一半，即=20。
3.2.12 基本額定功率的計算
(3.9)
查基準同步帶的許用工作壓力和單位長度的質量表3-3可以知道=2100.85N，m=0.448kg/m。
所以同步帶的基準額定功率為
= (3.10)
表3-3 基準寬度同步帶的許用工作壓力和單位長度的質量
3.2.13 計算作用在軸上力
= (3.11)
=71.6N
3.3 主動帶輪軸的設計和校核
主動帶輪軸的軸承我們選用直徑為12的滾動軸承，并且在軸上裝有內徑為20的帶輪，下面主要對軸的強度進行校核計算。
各軸的材料均選用45號鋼，已知軸的許用扭剪應力[τ]=30MPa，由許用應力確定的系數為C=120。
主動帶輪軸的強度計算：
(3.12)
(3.13)
代入之前的功率P和轉速n進行計算
因為[τ]=30MPa，小于實際的許用應力，因此主動帶輪軸的強度符合條件。
3.4 從動帶輪軸的設計和校核
從動帶輪軸的軸承我們選用直徑為12的滾動軸承，并且在軸上裝有內徑為20的帶輪，下面主要對軸的強度進行校核計算。
從動帶輪軸的強度計算：
(3.14)
(3.15)
代入之前的功率P和轉速n進行計算
因為[τ]=30MPa，小于實際的許用應力，因此從動帶輪軸的強度符合條件。
3.5 石墨舟倉機構其他零件結構設計
3.5.1 滾動軸承的選擇
我們參考了機械設計手冊上的滾動軸承特性比較，深溝球軸承，主要承受徑向載荷，也可同時承受少量的雙向軸向載荷。在轉速較高，不宜用推力軸承時，可承受較輕純軸向載荷。交界處軸承主要承受鏡像為主和雙向徑向載荷的連接載荷，不宜承受純軸向載荷。調心球軸承主要承受徑向載荷，也可同時承受少量的雙向軸向載荷。圓柱滾子軸承僅能承受徑向載荷，內、外圈的帶當便的單列軸承可承受較小的軸向載荷。調心滾子軸承主要承受徑向載荷，也可同時承受少量雙向軸向載荷。
由于我們的帶輪比較小，因此在設計軸肩與滾動軸承配合時，軸肩的直徑也不是很大，我們采用內徑為12的滾動軸承，而根據軸承的受力原理，我們最后選擇了調心球軸承，調心球軸承圖示如下：
圖3.5 選用的調心球軸承
3.5.2 石墨舟倉機架的設計
由于石墨舟堆疊裝置很高，高度約為500mm，所以我們的機架相應來說也
比較大，因此我們選擇材料選用鑄鐵HT200進行鑄造，在機架的不配合部分進行開窗口，以便在需要時打開觀察帶傳動情況，并且能夠便于機器的維修和維護。
圖3.6 石墨舟倉機架
3.5.3 氣手指夾具的設計
氣動手指又名氣動夾爪或氣動夾指，是利用壓縮空氣作為動力，用來夾取或抓取工件的執(zhí)行裝置。最初起源于日本，后被國內自動化企業(yè)廣泛使用。
其特點有：
1、所有的結構都是雙作用的能實現雙向抓取可自動對中重復精度高。
2、抓取力矩恒定
由于氣手指是安裝在帶上進行傳動石墨舟升降機構上升或者下降的裝置，而氣手指本身安裝在帶上時不可行的，所以我們特地設計了氣手指在帶上配合的夾具，以保證氣手指在帶上的穩(wěn)定，保證石墨舟升降的可靠性。
圖3.7 氣手指夾具
3.5.4 步進電機底座的設計
步進電機是將電脈沖信號轉變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元步進電機件。在非超載的情況下，電機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數，而不受負載變化的影響，當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度，稱為“步距角”，它的旋轉是以固定的角度一步一步運行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的。
由于步進電機需要驅動石墨舟升降機構，因此不能直接安裝在底板上，而且高度也不適合。因此我們設計了專用的步進電機底座。
圖3.8 電機底座
在簡述了石墨舟升降機構的幾個重要零件之后，我們對石墨舟升降機構的組成部分有了一定的了解。詳細的機構我們可以參考圖紙上的標注。
4. 上料機械手結構設計
4.1 機械手的意義
“機械手”多數是指附屬于主機、程序固定的自動抓取、操作裝置（國內一般稱作機械手或專用機械手）,是工業(yè)生產的必然產物，它是一種模仿人體上肢的部分功能，按照預定要求輸送工件或握持工具進行操作的自動化技術設備，對實現工業(yè)生產自動化，推動工業(yè)生產的進一步發(fā)展起著重要作用。如自動線、自動的上、下料，加工中心的自動換刀的自動化裝置。
機械手能代替人類完成危險、重復枯燥的工作，減輕人類勞 動強度， 提高勞動生產力。機械手是在自動化生產過程中使用的一種具有抓取和移動工件功能的自動化裝置， 它是在機械化、自動化生產過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。機械手越來越廣泛的得到了應用。
原排向機工作時，空石墨舟的上料和滿石墨舟的下料是通過工人手動實現的，什么時候上料、針腳是否裝滿和滿石墨舟的下料都需要有人在一邊時時觀察，這樣做降低了生產效率，也浪費了勞動力。通過對原排向機進行改造，加入機械手及其控制系統(tǒng)，用機械手代替人工實現石墨舟的自動上料和下料，從而提高生產效率，節(jié)省勞動力。
4.2 機械手方案對比
方案一：上料機械手的作用是將空石墨舟從石墨舟堆移動到工作位置進行二極管針腳排向，存在空石墨舟堆和工作位置兩個工位，所以除了需要氣爪抓取石墨舟外，還需要水平方向的氣缸實現石墨舟在空石墨舟堆和工作位置間的移動。圖4.1為方案1的構想圖。
圖4.1 方案1
方案二：上料部分的實際作用就是將空石墨舟從石墨舟堆移動到工作位置，所以也可以通過傳送系統(tǒng)實現。圖4.2為方案2的構想圖。
圖4.2 方案2
方案2是模仿電梯臺階的升降來構想的。臺階上放著石墨舟，空石墨舟由左邊進入，到最頂端工作位置處進行二極管針腳的排向部分，裝滿后在右端下降。
方案1：
優(yōu)點：機械手比較靈活便于控制；石墨舟堆可以十個或二十個石墨舟為一堆；上料裝置與工作臺在空間上沒有干涉。
缺點：需要另外一個機械手負責將石墨舟從工作位置移動到檢測位置，需要再加一套控制系統(tǒng)。
方案2：
優(yōu)點：可以實現全自動化；出料口可以直接接到檢測臺。
缺點：需要精確控制臺階面的升降；工作位置與臺階面的位置需要精確定位；體積龐大，在車間占地太大；與原排向機構造差異太大，在改造上更加困難。
4.3 機械手方案的確定
方案修改：將方案一的單機械手換成雙機械手，也就是在一個水平氣缸上連接兩個氣爪，同時進行上料和下料的操作。在上料機械手部分最終我們決定采用如圖4.3的結構：
圖4.3 上料機械手結構
我們決定選用兩個上料機械手一起固定在板材上，水平氣缸的初始位置為空堆石墨舟上方，其左邊的垂直氣缸放置在石墨舟裝填針腳的工作位置上方，右邊的氣爪1為上料氣爪，位于空堆石墨舟位置，在抓取石墨舟時，豎直方向的氣缸先下降，然后氣爪1閉合，抓取石墨舟。與此同時，氣爪2下降到裝填針腳的工作位置處，氣爪2抓取裝滿針腳的石墨舟，待氣爪1和氣爪2都抓取石墨舟后，豎直方向氣缸上升，然后水平方向氣缸向左運動，氣爪1移動至石墨舟工作位置處，氣爪2移動至滿堆石墨舟處，然后豎直方向氣缸下降將兩個氣爪放下，氣爪分別松開，這樣石墨舟分別移到了工作位置和滿石墨舟堆。這樣兩個氣爪同時運動的裝置，大大加快了工作的效率，而且便于控制。
在水平方向的裝置上，由上料機械手的功能可以知道，當氣爪抓取空石墨舟后，氣缸推動滑塊移動，從而帶動機械手移動，將空石墨舟移動到工作位置，實現上料。水平推動裝置如圖4.4，滑塊同時連接著氣缸與氣爪，但是滑塊本身太小，不適合作為連接件直接連接氣缸，氣爪，所以可以設置一個連接塊代替滑塊起連接作用。加入一個水平板，作為氣缸和導軌的固定裝置。本設計中上料與檢測同時進行，采用一套控制系統(tǒng)控制雙機械手。水平連接件可以帶動兩個機械手同時運動。[13][5]
圖4.4 水平推動裝置
此時機構已經可以完成抓取石墨舟后水平運動的動作了，由于空石墨舟堆的導向桿高于石墨舟的高度以及工作位置的槽型裝置，所以抓取石墨舟后要有個升降運動才能取出及放入。
參考水平裝置，應該加入一個垂直氣缸。與之前思路相同，垂直氣缸推動滑塊帶動抓取裝置，在加入垂直連接塊后，升降裝置如圖4.5。
圖4.5 升降裝置
5. 自動化控制設計
5.1氣源裝置的選擇
氣壓傳動技術是以空氣壓縮機為動力源，以壓縮空氣為工作介質，進行能量傳遞或信號傳遞的工程技術。氣壓傳動與其他的傳動和控制方式相比，其優(yōu)點如下。
（1）氣壓傳動裝置結構簡單、輕便、安裝維護簡單。由于壓力等級低，故使用安全。
（2）工作介質是取之不盡、用之不竭的空氣，空氣本身不花錢。排氣處理簡單，不污染環(huán)境，成本低。、
（3）輸出力及工作速度的調節(jié)非常容易。氣缸動作速度一般為50～500mm/s，比液壓和電氣方式的動作速度快。
（4）可靠性高，使用壽命長。電器元件的有效動作次數約為數百萬次，而精良的氣動元件壽命可達數千萬次，有的甚至可達數億次。
(5)利用空氣的可壓縮性，可儲存能量，實現集中供氣；可短時間釋放能量，已獲得間歇運動中的高度響應；可實現緩沖；對沖擊負載和過負載有較強的適應能力；在一定條件下，可使氣壓傳動裝置有自保能力。
（6）全氣壓傳動控制具有防火、防爆、耐潮的能力。與液壓方式相比，氣壓傳動方式可在高溫場合應用。
（7）壓縮空氣流動損失小，可集中供應，進行遠距離傳輸。
氣壓傳動系統(tǒng)由氣源裝置、氣動執(zhí)行元件、氣動控制元件、氣動輔助元件等組成。氣源裝置是保證氣壓傳動和控制系統(tǒng)正常工作所不可或缺的動力源，為氣壓傳動系統(tǒng)提供一定滿足質量要求的壓縮空氣，是氣壓傳動系統(tǒng)的重要組成部分。[14]
氣源裝置一般由以下三部分組成：
（1） 產生壓縮空氣的氣壓發(fā)生裝置，如空氣壓縮機；
（2） 凈化壓縮空氣的輔助裝置和設備，如過濾器、油水分離器、干燥器等；
（3） 輸送壓縮空氣的供氣管道系統(tǒng)。
在氣壓傳動中，將分水過濾器、減壓閥和油霧器統(tǒng)稱為氣動“三大件”，它們雖然都是獨立的氣源處理元件，可以單獨使用，但在實際應用時卻又常常組合在一起作為一個組件使用，因此又稱為“氣動三聯件”。圖5.1所示為氣動三聯件示意圖。
圖5.1 氣動三聯件
其工作原理是：壓縮空氣首先進入空氣過濾器，經除水濾灰凈化后進入減壓閥，經減壓后控制氣體的壓力以滿足氣壓傳動系統(tǒng)的要求，輸出的穩(wěn)壓氣體最后進入油霧器，將潤滑油霧化后混入壓縮空氣一起輸往氣壓傳動裝置。
5.2傳感器的選擇
為實現排向機整體功能，初步決定設置如下傳感器：檢測有無針腳，檢測工作位置有無石墨舟，檢測送料立柱升降機是否處在初始位置最低位置，檢測工作工位是否有空余，檢測空堆工位是否有石墨舟，檢測針腳是否裝滿，檢測工作工位處是否空閑，檢測下降機構最高位置是否有空位，若無空位則用氣手指將最高位降下，然后氣手指歸于最高位，檢測下降位置是否有空余，檢測二工位處是否有石墨舟等傳感器。
在整個控制系統(tǒng)中，傳感器需檢測的都是位移量，由此可知，傳感器類型為位移傳感器。位移傳感器不需要接觸到被檢測物體，當有物體移向位移傳感器，并接近到一定距離時，位移傳感器就有“感知”，通常把這個距離叫做“檢出距離”。利用位移傳感器對接近物體的敏感特性制作的開關，就是接近開關。
因為位移傳感器可以根據不同的原理和不同的方法做成，而不同的位移傳感器對物體的“感知”方法也不同，所以常見的傳感器有以下幾種：電感式傳感器、電容式傳感器、霍爾式傳感器、光電式傳感器、熱釋電式傳感器、線性接近傳感器。
（1）電感式傳感器
電感式傳感器也叫渦流式傳感器，由三大部分組成：振蕩器、開關電路及放大輸出電路。振蕩器產生一個交變磁場，當金屬目標接近這一磁場，并達到感應距離時，在金屬目標內產生渦流，從而導致振蕩衰減，以至停振。振蕩器振蕩及停振的變化被后級放大電路處理并轉換成開關信號，觸發(fā)驅動控制器件，從而達到非接觸式的檢測目的。由此可見，這種接近開關所能檢測的物體必須是導電體。
（2）電容式傳感器
這種傳感器的測量通常是傳感器固定處構成電容器的一個極板，而另一個極板是在測量過程中通常是接地或與設備的機殼相連接。當有物體移向傳感器時，不論它是否為導體，由于它的接近，總會使電容器兩極板間的介電常數發(fā)生變化，從而使電容器的電容量發(fā)生變化，使得和測量頭相連的電路狀態(tài)也隨之發(fā)生變化，由此便可達到非接觸式的檢測目的。這種接近開關檢測的對象，不限于導體，可以絕緣的液體或粉狀物等。
（3）霍爾式傳感器
當一塊通有電流的金屬或半導體薄片垂直地放在磁場中時，薄片的兩端就會產生電位差，這種現象就稱為霍爾效應。兩端具有的電位差值稱為霍爾電勢U，其表達式為U=K·I·B/d，其中K為霍爾系數，I為薄片中通過的電流，B為外加磁場(洛倫慈力Lorrentz)的磁感應強度，d是薄片的厚度。
由此可見，霍爾效應的靈敏度高低與外加磁場的磁感應強度成正比的關系?；魻栐蛯儆谶@種有源磁電轉換器件，是一種磁敏元件。它是在霍爾效應原理的基礎上，
利用集成封裝和組裝工藝制作而成，它可方便的把磁輸入信號轉換成實際應用中的電信號，同時又具備工業(yè)場合實際應用易操作和可靠性的要求?；魻栭_關就是利用霍爾元件的這一特性制作的，它的輸入端是以磁感應強度B來表征的，當B值達到一定的程度(如B1)時，霍爾開關內部的觸發(fā)器翻轉，霍爾開關的輸出電平狀態(tài)也隨之翻轉。輸出端一般采用晶體管輸出，和其他傳感器類似有NPN、PNP、常開型、常閉型、鎖存型(雙極性)、雙信號輸出之分?；魻栭_關具有無觸電、低功耗、長使用壽命、響應頻率高等特點，內部采用環(huán)氧樹脂封灌成一體化，所以能在各類惡劣環(huán)境下可靠的工作。
當磁性物件移近霍爾開關時，開關檢測面上的霍爾元件因產生霍爾效應而使開關內部電路狀態(tài)發(fā)生變化，由此識別附近有磁性物體存在，進而控制開關的通或斷。這種接近開關的檢測對象必須是磁性物體。
（4）光電式傳感器
光電式傳感器利用的是光電效應。將發(fā)光器件與光電器件按一定方向裝在同一個檢測頭內。當有反光面（被檢測物體）接近時，光電器件接收到反射光后便在信號輸出，由此便可“感知”有物體接近。
利用光電式傳感器制作的光電式接近開關可以檢測各種物質，但是對于流體的檢測誤差較大。
（5）熱電釋式傳感器
熱釋電式傳感器能感知溫度變化，將熱釋電器件安裝在開關的檢測面上，當有與環(huán)境溫度不同的物體接近時，熱釋電傳感器的輸出信號發(fā)生變化，通過對傳感器輸出信號的轉化便可檢測出物體的接近。
（6）線性接近傳感器
線性接近傳感器是一種屬于金屬感應的線性器件，接通電源后，在傳感器的感應面將產生一個交變磁場，當金屬物體接近此感應面時，金屬中則產生渦流而吸取了振蕩器的能量，使振蕩器輸出幅度線性衰減，然后根據衰減量的變化來完成無接觸檢測物體的目的。
該接近傳感器具有無滑動觸點，工作時不受灰塵等非金屬因素的影響，并且低功耗，長壽命，可使用在各種惡劣條件下。線性傳感器主要應用在自動化裝備生產線對模擬量的智能控制。