FMS供料和檢測(cè)單元機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及三維仿真

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摘 要 FMS50 柔性生產(chǎn)線代表了當(dāng)今現(xiàn)代化企業(yè)產(chǎn)品開發(fā)可繼承的先進(jìn)設(shè)計(jì)理念。每個(gè)工作單元均可根據(jù)設(shè)定的任務(wù)，選擇相應(yīng)功能和技術(shù)參數(shù)的氣動(dòng)元件、傳感器、電氣元件及標(biāo)準(zhǔn)型材料集成而成，工作單元之間具有柔性結(jié)合方式，可以任意組合，系統(tǒng)的開放性很強(qiáng)，可不斷地將新技術(shù)融入系統(tǒng)中。 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)是根據(jù)總體設(shè)計(jì)方案，對(duì) FMS50 柔性生產(chǎn)線供料單元各部件進(jìn)行設(shè)計(jì)。結(jié)合機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計(jì)的知識(shí)、力學(xué)的知識(shí)，以實(shí)現(xiàn)供料單元能完成我們所期望的動(dòng)作：機(jī)械手的抓取和移動(dòng)。設(shè)計(jì)過程中要結(jié)合機(jī)械制圖和 CAD 的知識(shí)畫出機(jī)械結(jié)構(gòu)圖和設(shè)計(jì)圖。 三維建模是根據(jù)結(jié)構(gòu)圖和設(shè)計(jì)圖，利用 3D 軟件 Solid Edge 或其他軟件進(jìn)行系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和仿真，做出 FMS50 柔性生產(chǎn)線供料單元的三維模型，模擬出 FMS50 柔性生產(chǎn)線供料單元的工作原理：從物料倉抓取原材料，放在供料站，檢測(cè)到原材料后，機(jī)械手抓取移動(dòng)，把原材料放在傳動(dòng)帶上。 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)是在完成 FMS50 柔性生產(chǎn)線供料單元的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之后，對(duì)供料單元進(jìn)行控制包括供料單元的各部分電路，氣路控制的設(shè)計(jì)和供料單元運(yùn)動(dòng)和進(jìn)行各種要求動(dòng)作的程序設(shè)計(jì)。另外，在本設(shè)計(jì)中還對(duì)供料系統(tǒng)進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)效益分析，該系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益良好，有很大的市場(chǎng)潛力，適合大規(guī)模推廣。 關(guān)鍵詞：FMS50，柔性制造，供料系統(tǒng)，氣壓傳動(dòng) II Abstract The FMS50 flexible production line stands for advanced and designed principle which is the modernize enterprise product to develop and inherit. According to thearranged mission, each work unit can be integrated by choosing pneumatic element and transducer and electric element standard material of corresponding function and the technical parameter .Among work unit have flexible and combined method, and can be combined arbitrarily. The capability opening of system is so strong that can integrate the new technique into the system constantly. The machine system design according to total design project, for FMS50 the gentle production line provide to anticipate each parts of unit to carry on a design. Combine the knowledge of knowledge, mechanics of the machine principle, the machine design,providing to anticipate unit by realization can complete the action that we expect: The machine hand grab at with move. The knowledge that designs to want to combine the machine graphics and CAD in the process draws a machine structure diagram and the design diagram. 3D set up a mold according to the structure diagram and the design diagram, make use of the 3 D software Solid Edge or other softwares to carry on a whole structure design of system with imitate really, do a production line with gentle FMS50 to provide 3D model of anticipate the unit, imitate a work principle that production line with gentle FMS50 provides to anticipate unit: The appurtenance anticipates a camalig to grab at original material, put Be providing to anticipate a station, examine to the backoriginal material, the machine hand grabs at ambulation, putting original material on spreading to move to take.Control the system design is at complete a gentle production line of FMS50 to provide to anticipate unit of structure design after, anticipate unit to carry on each parts of electric circuits that control includes to provide to anticipate unit towards provide, annoy the design of the road control with provide to anticipate the unit sport and carry on various program design that the request act. Besides, the economic benefit of distribution system is analysed in this thesis. It has big economic benefit and market potential, this systems should be widely used. Keywords:FMS50, flexible manufacturing, distribution system, pneumatic FMS 供料和檢測(cè)單元機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及三維仿真 目 錄 36 第一章 緒 論 3 1.1 柔性制造的由來 3 1.1.1 柔性系統(tǒng)的組成部分 4 1.1.2 柔性制造系統(tǒng)的分類 5 1.2 柔性制造系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì) 6 1.3 供料單元 6 1.4 檢測(cè)單元. 7 1.5 本課題所研究的內(nèi)容 7 第二章 總體方案設(shè)計(jì) 9 2.1 供料系統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì) 9 2.2 供料系統(tǒng)的建模 10 第三章 供料和檢測(cè)單元的實(shí)體建模及三維仿真 11 3.1 供料站的機(jī)械元件的三維建模 12 3.2 檢測(cè)站的機(jī)械元件的三維建模 15 第四章 供料和檢測(cè)單元控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 17 4.1 傳動(dòng)方式的選擇 17 4.1.1 汽缸的選擇 18 4.2 氣動(dòng)執(zhí)行和控制元件的選擇 20 4.2.1 氣路圖設(shè)計(jì) 21 4.3 供料系統(tǒng)控制程序設(shè)計(jì) 22 4.3.1 供料系統(tǒng)硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 22 4.4 供料系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì). 26 4.4.1 供料站程序設(shè)計(jì)： 26 4.4.2 檢測(cè)站程序設(shè)計(jì)： 32 第五章 供料系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益分析 34 5.1 技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析報(bào)告 34 第六章 設(shè)計(jì)體會(huì)及展望 35 6.1 畢業(yè)設(shè)計(jì)體會(huì) 35 6.2 設(shè)計(jì)展望 36 參 考 文 獻(xiàn) 37 致 謝 38 聲 明 39 FMS 供料和檢測(cè)單元機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及三維仿真 第一章 緒 論 1.1 柔性制造的由來 柔性制造系統(tǒng)（Flexible Manufacturing System—FMS）的雛形源于美國馬爾羅西（MALROSE）公司，該公司在 1963 年制造了世界上第一條加工多種柴油機(jī)零件的數(shù)控生產(chǎn)線。FMS 的概念由英國莫林（MOLIM）公司最早正式提出，并在 1965 年取得了發(fā)明專利，1967 年推出了名為“Molins System—24”（意為可 24 小時(shí)無人值守自動(dòng)運(yùn)行）的柔性制造系統(tǒng)，但最終由于經(jīng)濟(jì)和技術(shù)上的困難而未全部建成[1,2]。 同年，美國的懷特森斯特蘭公司建成 online I 系統(tǒng)，它由八臺(tái)加工中心和兩臺(tái)多軸鉆床組成，工件被裝在托盤上的夾具中，按固定順序以一定節(jié)拍在各機(jī)床間傳送和進(jìn)行加工。這種柔性自動(dòng)化設(shè)備適于少品種、大批量生產(chǎn)中使用， 在形式上與傳統(tǒng)的自動(dòng)生產(chǎn)線相似，所以也叫柔性自動(dòng)線 [3]。 所謂柔性制造系統(tǒng)，其實(shí)是指由計(jì)算機(jī)控制的，由若干獨(dú)立或半獨(dú)立的工作站和一個(gè)物料傳送系統(tǒng)所組成的，能高效率地制造多品種、中批量零件的系統(tǒng)， 顯然柔性制造系統(tǒng)至少應(yīng)有三個(gè)重要組成分:一是能夠進(jìn)行獨(dú)立工作的數(shù)控設(shè)備; 二是連接各設(shè)備和裝卸站的物料運(yùn)輸系統(tǒng);三是使各部分協(xié)調(diào)工作的計(jì)算機(jī)控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng).FMS 作為一個(gè)復(fù)雜的制造系統(tǒng).一個(gè)非常重要的特點(diǎn)就是系統(tǒng)應(yīng)具有良好的柔性，以適應(yīng)不同的加工要求。直觀地看，可以說 FMS 的基本組成與特征（見圖 1.1）： 圖 1.1 FMS 的基本組成與特征 柔性制造系統(tǒng)(FMS)是具有自動(dòng)化程度高的制造系統(tǒng)。目前所談及的 FMS 通常是指在批量切削加工中以先進(jìn)的自動(dòng)化和高水平的柔性為目標(biāo)的制造系統(tǒng)。隨著社會(huì)對(duì)產(chǎn)品多樣化、低制造成本及短制造周期等需求日趨迫切，F(xiàn)MS 發(fā)展頗為迅速，并且由于微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、機(jī)械與控制設(shè)備的發(fā)展， 也促使柔性制造技術(shù)日臻成熟，80 年代后，制造業(yè)自動(dòng)化進(jìn)入一個(gè)嶄新時(shí)代， 即基于計(jì)算機(jī)的集成制造(CIMS)時(shí)代，F(xiàn)MS 已成為各工業(yè)化國家機(jī)械制造自動(dòng)化的研制發(fā)展重點(diǎn)。柔性系統(tǒng)生產(chǎn)線是當(dāng)今制造業(yè)中比較先進(jìn)的生產(chǎn)設(shè)備，它采用先進(jìn)的氣壓技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)與精密加工技術(shù)，整條生產(chǎn)線有較高的精度與重復(fù)精度。 而且是較短的生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間。由于采用的是計(jì)算機(jī)控制其生產(chǎn)，因此，在大多數(shù)情況下只需改變程序即可更換加工零件。所以，它可以按市場(chǎng)需要進(jìn)行生產(chǎn)， 減少了庫存量，甚至可實(shí)行零庫存。 FMS50 可以實(shí)現(xiàn)無人化操作。從進(jìn)料、輸送、制造到檢測(cè)、暫存等工序全部可以自動(dòng)化，只需定時(shí)上料和取走工件。還可以實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)管理，以便及時(shí)掌握加工系統(tǒng)的運(yùn)行與生產(chǎn)情況。柔性加工系統(tǒng)具有很強(qiáng)的自我診斷功能，具有先進(jìn)的遠(yuǎn)程服務(wù)功能。通過及時(shí)地對(duì)設(shè)備的故障與解決辦法進(jìn)行指導(dǎo)，以保證設(shè)備長(zhǎng)期無故障運(yùn)行[4,5]。 1.1.1 柔性系統(tǒng)的組成部分 FMS 的組成隨待加工工件是隨著其它條件的變化而變化的。但系統(tǒng)的擴(kuò)展必須以模塊結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)。 用于切削加工的 FMS 主要由如下幾部分組成： 1.若干臺(tái)數(shù)控機(jī)床用以自動(dòng)地完成多種工序的加工，根據(jù)不同加工對(duì)象可設(shè) 有加工中心、車削中心或計(jì)算機(jī)數(shù)控(CNC)車、銑、磨及齒輪加工機(jī)床等。 2.物料搬運(yùn)系統(tǒng)用以實(shí)現(xiàn)工件及工夾具的自動(dòng)供給和裝卸，以及完成工序間 的自動(dòng)傳送、調(diào)運(yùn)和存貯工作。該系統(tǒng)包括各種傳送帶、自動(dòng)導(dǎo)引小車、工業(yè)機(jī)器人及專用起吊運(yùn)送機(jī)等。 3. 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)用以處理 FMS 的各種信息，輸出控制 CNC 機(jī)床、物料搬運(yùn)系統(tǒng)等自動(dòng)操作所需的信息，通常采用多級(jí)分布式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。 4. 系統(tǒng)軟件用以確保 FMS 有效地適應(yīng)中、小批量多品種生產(chǎn)過程的管理、控制及優(yōu)化工作。一般包括設(shè)計(jì)規(guī)劃軟件、生產(chǎn)過程分析軟件、生產(chǎn)計(jì)劃調(diào)度軟件與系統(tǒng)管理及監(jiān)控軟件[6]。 系統(tǒng)組成圖如下所示： 圖 1.2 柔性制造系統(tǒng)構(gòu)成框圖 1.1.2 柔性制造系統(tǒng)的分類 按 FMS 的規(guī)模大小可分為如下 4 類: 1.柔性制造單元(FMC) FMC 的問世并在生產(chǎn)中使用約比 FMS 晚 6--8 年，它是由 1-2 臺(tái)加工中心、工業(yè)機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床及物料運(yùn)送存貯設(shè)備構(gòu)成，具有適應(yīng)加工多品種產(chǎn)品的靈活性。FMC 可視為一個(gè)規(guī)模最小的 FMS，是 FMS 向廉價(jià)化及小型化方向發(fā)展的一種產(chǎn)物，其特點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)單機(jī)柔性化及自動(dòng)化，迄今已進(jìn)入普及應(yīng)用階段。 2. FMS 通常包括 4 臺(tái)或更多臺(tái)全自動(dòng)數(shù)控機(jī)床(加工中心與車削中心等)，由集中的控制系統(tǒng)及物料搬運(yùn)系統(tǒng)連接起來，可在不停機(jī)的狀況下實(shí)現(xiàn)多品種、中小批量的加工及管理。 3. 柔性制造線（FML）:它是處于單一或少品種大批量非柔性自動(dòng)生產(chǎn)線與中、小批量多品種 FMS 之間的生產(chǎn)線。其加工設(shè)備可以是通用的加工中心、CNC 機(jī)床; 亦可采用專用機(jī)床或 NC 專用機(jī)床，對(duì)物料搬運(yùn)系統(tǒng)柔性的要求低于 FMS,但效率更高。它是以離散型生產(chǎn)系統(tǒng)中的柔性制造系統(tǒng)和連續(xù)性生產(chǎn)過程中的分散型控制系統(tǒng)（DCS）為代表，其特性是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線柔性化及自動(dòng)化。其技術(shù)已日臻成熟，迄今已進(jìn)入實(shí)用化價(jià)段。 4.柔性制造工廠（FMF） FMF 是將多條 FMS 連接起來，配以自動(dòng)化立體倉庫，用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)系， 采用從訂貨、設(shè)計(jì)、加工、裝配、檢驗(yàn)、運(yùn)送至發(fā)貨的完整 FMS。它也包括 CAD\CAM, 并使計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIMS )投入實(shí)際使用，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)系統(tǒng)柔性化及自動(dòng)化， 進(jìn)而實(shí)現(xiàn)全廠范圍的生產(chǎn)管理、產(chǎn)品加工及物料貯運(yùn)過程的全盤自動(dòng)化。FMF 是自動(dòng)化生產(chǎn)的最高水平，反映出世界上最先進(jìn)的自動(dòng)化應(yīng)用技術(shù)，它是將制造、產(chǎn)品開發(fā)及經(jīng)營管理的自動(dòng)化連成一整體，以信息流控制物質(zhì)流的智能制造系統(tǒng)(CIMS)為代表，其特點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)柔性化及工廠自動(dòng)化[7][8]。 1.2 柔性制造系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì) 1967 年，英國莫林斯公司首次根據(jù)威廉森提出的 FMS 基本概念，研制了“系統(tǒng) 24”。其主要設(shè)備是六臺(tái)模塊化結(jié)構(gòu)的多工序數(shù)控機(jī)床，目標(biāo)是在無人看管條件下，實(shí)現(xiàn)晝夜 24 小時(shí)連續(xù)加工，但最終由于經(jīng)濟(jì)和技術(shù)上的困難而未全部建成。 70 年代末期，F(xiàn)MS 在技術(shù)上和數(shù)量上都有較大發(fā)展，80 年代初期已進(jìn)入實(shí)用階段，其中以由 3～5 臺(tái)設(shè)備組成的 FMS 為最多，但也有規(guī)模更龐大的系統(tǒng)投入使用。 1982 年，日本發(fā)那科公司建成自動(dòng)化電機(jī)加工車間，由 60 個(gè)柔性制造單元 （包括 50 個(gè)工業(yè)機(jī)器人）和一個(gè)立體倉庫組成，另有兩臺(tái)自動(dòng)引導(dǎo)臺(tái)車傳送毛 坯和工件，此外還有一個(gè)無人化電機(jī)裝配車間，它們都能連續(xù) 24 小時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)。這種自動(dòng)化和無人化車間，是向?qū)崿F(xiàn)計(jì)算機(jī)集成的自動(dòng)化工廠邁出的重要一 步。與此同時(shí)，還出現(xiàn)了若干僅具有 FMS 基本特征，但自動(dòng)化程度不很完善的經(jīng)濟(jì)型 FMS，使 FMS 的設(shè)計(jì)思想和技術(shù)成就得到普及應(yīng)用[9]。 1982 年，日本發(fā)那科公司建成自動(dòng)化電機(jī)加工車間，由 60 個(gè)柔性制造單元 （包括 50 個(gè)工業(yè)機(jī)器人）和一個(gè)立體倉庫組成，另有兩臺(tái)自動(dòng)引導(dǎo)臺(tái)車傳送毛 坯和工件，此外還有一個(gè)無人化電機(jī)裝配車間，它們都能連續(xù) 24 小時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)。這種自動(dòng)化和無人化車間，是向?qū)崿F(xiàn)計(jì)算機(jī)集成的自動(dòng)化工廠邁出的重要一步。與此同時(shí)，還出現(xiàn)了若干僅具有 FMS 基本特征，但自動(dòng)化程度不很完善的經(jīng)濟(jì)型FMS，使 FMS 的設(shè)計(jì)思想和技術(shù)成就得到普及應(yīng)用[10]。 1.3 供料單元 供料系統(tǒng)是柔性加工的重要組成部分，它主要包括兩個(gè)部分供料站和檢測(cè)站兩個(gè)單元。供料站主要是提供原料來進(jìn)行加工，而監(jiān)測(cè)站則是監(jiān)測(cè)所需原料是否 到位，即原料就是所需的原料。物料系統(tǒng)作為柔性制造的關(guān)鍵技術(shù)之一越來越多的受到重視。 從供料系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、制造、結(jié)構(gòu)改進(jìn)到應(yīng)用機(jī)理的實(shí)驗(yàn)研究一直都在進(jìn)行。特別是隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的逐漸加大，各國都紛紛尋找先進(jìn)高效的生產(chǎn)設(shè)備，以謀取更大的利益。供料系統(tǒng)的不斷改進(jìn)，從槽下供料到鏈板分選供料、機(jī)器人沖壓供料，無一不顯示出其改進(jìn)的步伐。機(jī)器人沖壓供料是比較先進(jìn)的工料方法，它是通過傳感器發(fā)出信號(hào)，再用 PC 機(jī)進(jìn)行接收，并且用 PLC 進(jìn)行控制，檢測(cè)信號(hào)來完成的。 它與傳統(tǒng)物流系統(tǒng)最大的差異在于:FMS50 的組成單元都獨(dú)立地具有運(yùn)行、預(yù)備和停止三種狀態(tài)，所有功能單元不是簡(jiǎn)單地依次逐個(gè)進(jìn)行動(dòng)作，若某個(gè)單元處于停止?fàn)顟B(tài)或運(yùn)行狀態(tài)，其它單元仍能夠毫無影響地獨(dú)自完成動(dòng)作?；诖耍?FMS50 可以歸納為四種系統(tǒng)運(yùn)行模式:原料輸入到成品輸出、原料輸入到成品暫存、成品暫存到成品輸出以及原料輸入和成品暫存到成品輸出?；ギ愡\(yùn)行模式涉及不同數(shù)量的功能模塊[11]。 1.4 檢測(cè)單元 檢測(cè)單元是供料系統(tǒng)中很重要的一部分，它通過對(duì)原料的檢測(cè)，來實(shí)現(xiàn)有限工序的連續(xù)生產(chǎn)，這樣也使得供料系統(tǒng)能夠很穩(wěn)定的運(yùn)行下去，它適于多品種中、小批量生產(chǎn)應(yīng)用。 1.5 本課題所研究的內(nèi)容 研究的課題為 FMS50 柔性生產(chǎn)線供料單元設(shè)計(jì)，其主要包括供料單元和檢測(cè)單元的總體設(shè)計(jì)和系統(tǒng)建模。 總體設(shè)計(jì)包括：機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)兩部分。機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)是根據(jù)總體設(shè)計(jì)方案，對(duì) FMS50 柔性生產(chǎn)線供料單元各部件進(jìn)行設(shè)計(jì) [12]。 本設(shè)計(jì)是結(jié)合機(jī)械制圖、機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計(jì)、PLC 的知識(shí)還有力學(xué)與電學(xué)方面的知識(shí)，以實(shí)現(xiàn) FMS50 柔性生產(chǎn)線供料單元來完成我們所期望的動(dòng)作：機(jī)械手對(duì)原料的抓取和移動(dòng)。設(shè)計(jì)過程中要結(jié)合機(jī)械制圖、機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計(jì)的知識(shí)畫出機(jī)械結(jié)構(gòu)圖和設(shè)計(jì)圖，并用 CAD 把三視圖畫出來。 三維建模是根據(jù)結(jié)構(gòu)圖和設(shè)計(jì)圖。利用 3D 軟件 Solid Edge 或其他軟件進(jìn) 行系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和仿真，做出 FMS50 柔性生產(chǎn)線供料單元的三維模型，模擬出 FMS50 整個(gè)加工過程中的大概狀況。 柔性生產(chǎn)線供料系統(tǒng)的工作原理：通過電腦的控制讓機(jī)械手首先從物料倉抓取原材料，放在供料站，傳感器檢測(cè)到原材料后，會(huì)反饋到電腦上，電腦會(huì)自動(dòng)執(zhí)行下一步的程序使機(jī)械手抓取移動(dòng)，把原材料放在傳動(dòng)帶上。 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)是在完成 FMS50 柔性生產(chǎn)線供料單元的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之后，對(duì)供料系統(tǒng)進(jìn)行控制其中包括供料單元的各部分電路，氣路控制的設(shè)計(jì)和供料單元整個(gè)的運(yùn)動(dòng)和進(jìn)行各種要求動(dòng)作的程序設(shè)計(jì)和對(duì)每個(gè)器件包括汽缸、換向閥、節(jié)流閥選用的原因、各自的特點(diǎn)和在整個(gè)運(yùn)作過程中的作用。其實(shí)汽缸是檢測(cè)單元的重點(diǎn)，我對(duì)汽缸進(jìn)行了設(shè)計(jì)，為了保證在機(jī)械傳動(dòng)方面我選擇用氣壓傳動(dòng)來實(shí)現(xiàn)， 因?yàn)樗哂兄踩?、方便和費(fèi)用低等特點(diǎn)[13]。 PLC 的設(shè)計(jì)如下： 整個(gè)系統(tǒng)電路原理是每一個(gè)工作站各有一個(gè)電源開關(guān)來控制。所以他們的站是獨(dú)立，從供料站的一個(gè)引出到監(jiān)測(cè)站的輸出點(diǎn)。兩個(gè)工作站各有一個(gè)控制電板來控制，所以他們各個(gè)部分的信號(hào)是獨(dú)立。從供料站的 Q6 出來到檢測(cè)站的 I4， 而他們的輸出是相連的。通過傳感器的信號(hào)輸出來控制整個(gè)系統(tǒng)的工作。 整個(gè)電路系統(tǒng)所要通過傳感器來進(jìn)行系統(tǒng)的各個(gè)動(dòng)作的設(shè)計(jì)。首先，要檢查工作站是否復(fù)位，如果沒有復(fù)位則要進(jìn)行復(fù)位動(dòng)作。電路系統(tǒng)檢測(cè)供料站原料是否供上，以及氣缸的移動(dòng)是否到位。控制的部分主要是各個(gè)工件所需要移動(dòng)的距離。檢測(cè)部分需檢測(cè)檢測(cè)站的原料臺(tái)上是否是空的，這樣才可以進(jìn)行整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)作。 系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)是供料站輸出接上檢測(cè)站的輸入。開始供料站有幾個(gè)開關(guān)來控制著，他們是電感式和接觸式，指示燈是用來指示工作站的工作狀態(tài)。從電源出來的線直接接到供料站的輸入，這時(shí)整個(gè)系統(tǒng)的電路也算是開始接線。供料站通過開關(guān)進(jìn)行控制。 供料站由傳感器 IBI 來檢測(cè)下一站是否是空的，如果下一張是空的指示燈 4 就會(huì)亮，這時(shí)就會(huì)通知工作站來進(jìn)行下一個(gè)動(dòng)作。傳感器主要的顯示工作狀態(tài)和執(zhí)行動(dòng)作所需要的條件。指示燈的功能主要是讓操作者更能直觀的看出系統(tǒng)所處的狀態(tài)，通過執(zhí)行不同的動(dòng)作，來使傳感器處于不同的狀態(tài)。 最后，對(duì)供料系統(tǒng)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)效益的分析，并對(duì)市場(chǎng)前景予以展望以及我在整個(gè)畢設(shè)過程中的不足的地方。 第二章 總體方案設(shè)計(jì) 供料系統(tǒng)是 FMS50 柔性整個(gè)生產(chǎn)線的重要組成部分。它主要有供料站和檢測(cè)站組成。供料站主要是從生產(chǎn)系統(tǒng)輸送原料，監(jiān)測(cè)站主要是負(fù)責(zé)檢查原料是否合格，并且把它們送到生產(chǎn)線上。 研究的課題為 FMS50 柔性生產(chǎn)線供料單元設(shè)計(jì)，它是整個(gè)柔性加工系統(tǒng)中的極為重要的一部分 14]。 圖 2.1 FMS50 柔性生產(chǎn)線流程圖 2.1 供料系統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì) 供料系統(tǒng)機(jī)械部分的設(shè)計(jì)主要是各個(gè)零部件的選擇。并且采用 AutoCad 2003 進(jìn)行繪圖。 供料系統(tǒng)中的供料站所選用的機(jī)械零件主要有料倉、工作臺(tái)、擺動(dòng)模塊，供料站的料倉是放原料的裝置。料倉由三部分組成，料倉桶，底座，推手。全部采用塑料制成。而底座和推手部分地方挖空，是為了減輕料倉的重量，還有節(jié)省成本。擺動(dòng)模塊采用 4mm 鋼板制成，中間傳送帶采用橡膠制成 檢測(cè)站的氣缸、滑槽、支撐滑槽的柱臺(tái)、放原料的臺(tái)子。檢測(cè)站中，各部分組成部件采用 45#鋼和 4mm 鋼板制成。零件的選擇標(biāo)準(zhǔn)是在能夠滿足工作要求的 情況下盡可能的減少工作成本，減輕工作臺(tái)的重量。傳動(dòng)方式的選擇： 傳動(dòng)是整個(gè)供料系統(tǒng)的重要部分，它是整個(gè)系統(tǒng)原料傳送的關(guān)鍵。整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)作所需的能量是機(jī)械能，由于整個(gè)系統(tǒng)不能直接提供機(jī)械能，所以只能通過其它形式的能量進(jìn)行轉(zhuǎn)換。傳動(dòng)方式可以有兩種氣壓傳動(dòng)和液壓傳動(dòng)。鑒于氣壓傳動(dòng)動(dòng)一系列優(yōu)勢(shì)，和別的傳動(dòng)方式相比有著氣壓潔凈安全、便于存儲(chǔ)、價(jià)格低廉等等。所以本系統(tǒng)的傳動(dòng)方式選用氣壓傳動(dòng)。 2.2 供料系統(tǒng)的建模 供料系統(tǒng)的建模主要是對(duì)系統(tǒng)的各個(gè)零部件進(jìn)行的三維模擬。建模所采用的軟件是 Solid Edge。 (1) 在 Solid Edge 環(huán)境下,進(jìn)行裝載機(jī)工作裝置三維實(shí)體建模、虛擬裝配, 為運(yùn)動(dòng)仿真和應(yīng)力分析打下了基礎(chǔ)。 (2) 應(yīng)用 Solid Edge 軟件進(jìn)行了動(dòng)態(tài)仿真,解決了裝載機(jī)工作裝置傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中無法直觀觀察工作裝置空間運(yùn)動(dòng)狀況的難題。 (3) 應(yīng)用 Solid Edge 軟件進(jìn)行了應(yīng)力分析,可以直觀地從應(yīng)力云圖中得到最大應(yīng)力,可判斷動(dòng)臂的強(qiáng)度是否安全可靠。 使用 Solid Edge 是為了在傳動(dòng)過程進(jìn)行仿真，而仿真中裝配是可以在 Solid Edge 的組件模塊中完成的。由于各部件之間的裝配關(guān)系不同, Solid Edge 提供了不同的裝配形式。如果裝配件與被裝配件之間沒有相對(duì)運(yùn)動(dòng),裝配時(shí)應(yīng)使用“放置”選項(xiàng)板定義彼此之間的約束關(guān)系;否則,在裝配時(shí)應(yīng)使用“連接”選項(xiàng)板來定義它們之間的連接關(guān)系和約束關(guān)系。 鑒于這一軟件所具有的優(yōu)點(diǎn)，更能深刻的表現(xiàn)出元件的結(jié)構(gòu)和它們之間的裝配關(guān)系，再加上我們上學(xué)期由曹建樹老師教授并學(xué)習(xí)了這個(gè)軟件，使用起來相對(duì)比較順手，因此選用此軟件[15]。 第三章 供料和檢測(cè)單元的實(shí)體建模及三維仿真 供料系統(tǒng)是 FMS50 柔性生產(chǎn)線中重要組成部分，它主要是向生產(chǎn)線提供生產(chǎn)原料，并且檢測(cè)站檢驗(yàn)供給的原料是否合格。供料系統(tǒng)主要包括兩部分即：供料站和檢測(cè)站。供料站主要是由料倉和擺動(dòng)氣缸兩大部分組成，料倉通過傳感器控制并利用推手把原料從料倉中推出，而擺動(dòng)氣缸則是通過真空吸附原理來吸取原料，把原料放在另一個(gè)平臺(tái)上。而且在這其中還有有一些傳感器，如光纖傳感器， 位移傳感器等等，通過信號(hào)的變化來告知人們當(dāng)前正處于什么樣子的狀態(tài)，以及實(shí)現(xiàn)這種狀態(tài)下所具備的條件是什么。 這樣就有利于實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)狀態(tài)的自動(dòng)化，從而更好的提高生產(chǎn)效率，增加系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益。當(dāng)然，供料部分還包括一個(gè)重要的 PLC 板，用它來進(jìn)行人機(jī)互換， 通過使用計(jì)算機(jī)來進(jìn)行控制整個(gè)生產(chǎn)的過程，是實(shí)現(xiàn)柔性化的關(guān)鍵，所謂柔性化的意義也在于此[12]。 因?yàn)檫@次畢業(yè)設(shè)計(jì)中還有一個(gè)重點(diǎn)就是實(shí)體建模，所以在建模開始的時(shí)候首先分了幾個(gè)單元來畫，最后并把他們進(jìn)行裝配在一起。那幾個(gè)單元分別是供料站 （料倉和擺動(dòng)氣缸）和檢測(cè)站(滑槽和檢測(cè)單元)以及工作臺(tái)。供料倉如下圖所示： 圖 3.1 供料倉 檢測(cè)站主要是由擺動(dòng)氣缸和導(dǎo)軌組成。從供料站傳送過來的原料放在原料臺(tái)上，通過氣缸把它們送到導(dǎo)軌下面，這時(shí)由傳感器來檢測(cè)原料長(zhǎng)度是否合格，如果合格就把它放在導(dǎo)軌上，有導(dǎo)軌連接傳送帶，完成整個(gè)工件的傳送。如果不合 格，則會(huì)重新調(diào)整長(zhǎng)度，直到合適位置，開始其傳送過程。同供料站一樣，檢測(cè)站也存在著多種傳感器，它們主要也是進(jìn)行信號(hào)顯示其工作狀態(tài)。PLC 同樣也是整個(gè)工作站的心臟。工作站還有一個(gè)重要組成部分就是閥島，整個(gè)工作站的傳動(dòng)方式是氣壓傳動(dòng)，所以用到的氣閥主要是二位五通閥。 檢測(cè)站如下圖所示： 圖 3.2 檢測(cè)站 3.1 供料站的機(jī)械元件的三維建模 本系統(tǒng)的三維建模主要是用 solid edge 進(jìn)行的。 供料系統(tǒng)的工作臺(tái)主要是支撐各個(gè)工作件的，所以工作臺(tái)的材料應(yīng)該是盡量耐用，而且成本不能太高。本設(shè)計(jì)中為了達(dá)到目的選擇了長(zhǎng)形帶槽形工作臺(tái)，它具有以下優(yōu)點(diǎn)：能夠使工作件有足夠的空間排開；溝槽形結(jié)構(gòu)能夠節(jié)省材料，以達(dá)到節(jié)省成本的目的。溝槽形工作臺(tái)還可以減少整個(gè)系統(tǒng)的重量。 工作臺(tái)具體的形狀如下圖所示： 圖 3.3 工作臺(tái) 供料倉是整個(gè)供料系統(tǒng)的重要部分，主要是用來盛裝原料的，為了節(jié)省其成本，減輕整個(gè)工作臺(tái)的重量，供料倉的原材料選用的是塑料的，而且它的形狀也是盡量減少空間，供料倉的推手使用塑料設(shè)計(jì)的，因?yàn)樗芰系某杀据^低，而且可以減輕重量，所以工作站的重量小了，整個(gè)系統(tǒng)所需要的壓力也大大減輕了，節(jié)省能源，最重要的是減少整個(gè)生產(chǎn)成本，增加經(jīng)濟(jì)效益。 所以它的設(shè)計(jì)如下圖所示： 圖 3.4 供料倉 擺動(dòng)模塊是從供料倉中把料取出，通過真空原理來吸取原料。然后，擺臂擺出到工件臺(tái)上，放氣來放下原料。為了減輕擺臂的重量，以減少所需的能量，所以擺臂要設(shè)計(jì)成中空的，要用齒形帶來讓控制器轉(zhuǎn)動(dòng)。 圖 3.5 擺動(dòng)汽缸 FMS 供料和檢測(cè)單元機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及三維仿真 3.2 檢測(cè)站的機(jī)械元件的三維建模 檢測(cè)站的小柱臺(tái)是與氣缸的支撐板相連的，它通過小板來支撐整個(gè)氣缸的重量。因?yàn)闅飧资巧舷乱苿?dòng)的，如果檢測(cè)原料是不合格，要向下移動(dòng)，為了限制它所移動(dòng)的距離，所以用小板來固定。用小板來固定既減輕了整個(gè)工件的重量，節(jié)省了材料，又增加了工件的支撐面積，減少了單位面積的壓力，這樣更有利于工件的固定。氣缸的穩(wěn)定是整個(gè)工作臺(tái)穩(wěn)定的重要環(huán)節(jié)。 圖 3.6 滑槽 檢測(cè)站是采用鋁合金制成，首先會(huì)對(duì)原料進(jìn)行檢測(cè)，并且把物料輸送到傳送帶，進(jìn)行下一站工作。 FMS 供料和檢測(cè)單元機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及三維仿真 圖 3.7 檢測(cè)單元 通過與柱臺(tái)滑槽通過氣缸，將壓力調(diào)節(jié)成機(jī)械能，使氣缸上升，把工件放到滑槽中。比較儀通過電位器來檢測(cè)其高度，進(jìn)行調(diào)整。 整個(gè)的供料系統(tǒng)的流程為：擺臂擺出到原料的臺(tái)子上面，以留出空間使料倉的推手把料從料倉中推出去，當(dāng)料被推出以后，擺臂手從料臺(tái)上擺到料倉部位， 通過氣源進(jìn)行放氣來排除真空以達(dá)到吸取原料的目的。 最后，當(dāng)氣嘴已經(jīng)把原料吸住以后，擺臂擺出到工件臺(tái)上，這時(shí)氣源進(jìn)行放氣把原料放到工件臺(tái)上。從供料站運(yùn)送過來的原料放在原料臺(tái)上，通過氣缸把它們送到導(dǎo)軌下面，這時(shí)由傳感器來檢測(cè)原料高度是否合格，如果合格就把它放在導(dǎo)軌上，有導(dǎo)軌連接傳送帶， 這樣就完成整個(gè)工件的傳送。 通過與柱臺(tái)滑槽通過氣缸，將壓力調(diào)節(jié)成機(jī)械能，使氣缸上升，把工件放到滑槽中。比較儀通過電位器來檢測(cè)其長(zhǎng)度，進(jìn)行調(diào)整。 擺臂擺出去到原料的臺(tái)子上面，以留出空間使料倉的推手把料從料倉中推出去，當(dāng)料被推出以后，擺臂手從料臺(tái)上擺到料倉部位，通過氣源進(jìn)行放氣來排除真空以達(dá)到吸取原料的目的。 最后，當(dāng)氣嘴已經(jīng)把原料吸住以后，擺臂擺出到工件臺(tái)上，這時(shí)氣源進(jìn)行放氣把原料放到工件臺(tái)上。從供料站運(yùn)送過來的原料放在原料臺(tái)上，通過氣缸把它們送到導(dǎo)軌下面，這時(shí)由傳感器來檢測(cè)原料長(zhǎng)度是否合格，如果合格就把它放在導(dǎo)軌上，有導(dǎo)軌連接傳送帶，這樣就完成整個(gè)工件的傳送。 第四章 供料和檢測(cè)單元控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)是在完成 FMS50 柔性生產(chǎn)線供料單元的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之后，對(duì)供料單元進(jìn)行控制包括供料單元的各部分電路，氣路控制的設(shè)計(jì)和供料單元運(yùn)動(dòng)和進(jìn)行各種要求動(dòng)作的程序設(shè)計(jì)。 供料站和檢測(cè)站組成的供料系統(tǒng)是 FMS50 柔性加工系統(tǒng)的重要單元，系統(tǒng)本身的組成部分都是非常合理，而且資源配置也很優(yōu)化。所以本次的設(shè)計(jì)的重點(diǎn)主要是它們傳動(dòng)與控制方面的設(shè)計(jì)。 由于氣缸傳動(dòng)是檢測(cè)單元中很重要的組成部分，通過傳動(dòng)控制整個(gè)系統(tǒng)的供料，以及原料的運(yùn)輸。所以本設(shè)計(jì)重點(diǎn)是傳動(dòng)及控制的設(shè)計(jì)，經(jīng)慎重考慮選擇氣壓傳動(dòng)方式[15]。 4.1 傳動(dòng)方式的選擇 柔性加工的供料系統(tǒng)所采取的是氣動(dòng)控制，其優(yōu)點(diǎn)如下： 1．氣動(dòng)技術(shù)以空氣為工作介質(zhì)，空氣隨處可取，且粘性小，在管內(nèi)流動(dòng)阻 力小，便于集中供氣和遠(yuǎn)距離輸送。同時(shí)氣動(dòng)技術(shù)在廣泛的各種應(yīng)用中具有安全、方便和費(fèi)用低的優(yōu)點(diǎn)。 2．氣動(dòng)元件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，用過的空氣可向大氣排放，處理方便， 不必使用回收管道。 3．氣動(dòng)系統(tǒng)維護(hù)不復(fù)雜，也不需要特殊的培訓(xùn)和試驗(yàn)設(shè)備。 4．適應(yīng)性強(qiáng)，現(xiàn)有的機(jī)器可方便的改為氣動(dòng)傳動(dòng)，氣缸可以直接安裝在要求出力的地方。 5．便于進(jìn)行能量?jī)?chǔ)存，可以進(jìn)行應(yīng)急或系統(tǒng)需要用。 6．氣壓傳動(dòng)本身有過載保護(hù)性能。氣動(dòng)執(zhí)行元件能長(zhǎng)期在滿負(fù)荷下工作， 在過載時(shí)會(huì)自動(dòng)停止。因?yàn)榫哂羞@些優(yōu)點(diǎn)，以氣動(dòng)技術(shù)能在各個(gè)工業(yè)部門中得到日益廣泛的應(yīng)用。而氣動(dòng)元件更是一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用的機(jī)械化、自動(dòng)化的理想元件?，F(xiàn)在，氣動(dòng)技術(shù)和電子電器、液壓技術(shù)一樣，都成為自動(dòng)化生產(chǎn)過程的有效技術(shù)之一，在國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中起著越來越大的作用。 4.1.1 汽缸的選擇 本設(shè)計(jì)中所選用的是 ADVU-16-1-P-A 型的雙作用緊湊型氣缸。如下圖所示 說明： 圖 4.1 緊湊性雙作用汽缸 氣口接活塞桿接頭：按 ISO6431 緩沖裝置：向緩沖行程長(zhǎng)緩沖可調(diào)安裝位置：任意 工作介質(zhì)：壓縮空氣 工作壓力：0.15～1.0Mpa 特點(diǎn)： 采用鋁合金前后端蓋及缸筒外形美觀，重量輕。 四拉桿式結(jié)構(gòu)。 起動(dòng)壓力≤0.02MPa，壽命≥1000km 以上，蠕動(dòng)性小。 環(huán)境溫度-25～＋80℃（在不凍結(jié)條件下）。 可以按 ISO 標(biāo)準(zhǔn)式 Ceto P 標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)的氣缸互換。 缸徑 ΦD 25 32 40 50 63 80 100 125 160 200 工作壓力為0.4MPa 時(shí) 推力(N) 196 332 502 785 1247 2010 3141 4908 8042 12566 拉力(N) 164 276 422 660 1121 1814 2945 4626 7540 12064 工作壓力為 推力 490 804 1256 1963 3117 5026 7853 12271 20106 31416 行程長(zhǎng)度按用戶要求，在規(guī)定范圍內(nèi)任選。理論作用力(N): FMS 供料和檢測(cè)單元機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及三維仿真 1.0MPa 時(shí) (N) 拉力(N) 412 691 1055 1649 2903 4535 7363 11564 18850 30160 行程范圍(mm) 60～ 400 70～ 600 70～ 700 80～ 1000 80～ 1400 100～ 1400 100～ 3000 120～ 3000 140～ 3000 140～ 3000 壁厚的計(jì)算： 因?yàn)樵谄字胁辉试S壁過薄，否則會(huì)導(dǎo)致安全性無法保障。 （1） 單位為 pa 因?yàn)檫x用的是缸徑為 25mm 的雙作用汽缸，經(jīng)查表拉力為 412。 － s-安全系數(shù)一般取 6～8，本次設(shè)計(jì)取 8 為安全序數(shù)經(jīng)過計(jì)算 （2） -汽缸筒的壁厚 D－汽缸筒的內(nèi)徑 mm 考慮到整個(gè)的汽缸不能太大所以選用缸徑為選用 25mm 的缸徑進(jìn)行計(jì)算 P－汽缸工作壓力 pa 通過查找機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)為 1.5X pa 經(jīng)過計(jì)算 為 34mm。 通過計(jì)算得出 25mm 的缸徑雙作用汽缸滿足設(shè)計(jì)的要求。 氣缸是氣壓傳動(dòng)中所使用的執(zhí)行元件。它主要是把壓縮空氣的壓力轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的裝置，主要是進(jìn)行直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)和擺動(dòng)。在供料系統(tǒng)中，氣缸主要是用來使原料進(jìn)行移動(dòng)的。當(dāng)供料站的擺動(dòng)模塊把原料放在工作臺(tái)上時(shí)，為使原料能夠進(jìn)入整個(gè)系統(tǒng)，也就是說能夠順利進(jìn)入加工站進(jìn)行加工。而滑槽離工作臺(tái)有190mm 的高度，需要一個(gè)動(dòng)力使它能夠上升到這個(gè)高度，而 ADVU-16-1-P-A 型的雙作用緊湊型氣缸在 25mm 的缸徑下仍然可以達(dá)到 412N 的拉力，這樣保證了它的 正常運(yùn)行。 4.2 氣動(dòng)執(zhí)行和控制元件的選擇 汽缸是整個(gè)工作站的必要部分，通過汽缸和擺動(dòng)模塊來使原料進(jìn)行轉(zhuǎn)移。還有，吸氣和排氣則是吸料和放料所必需的。所以整個(gè)系統(tǒng)的氣動(dòng)元件的選擇是很關(guān)鍵的。吸氣和排氣主要選用的是二位五通閥，中間氣體方向的改變而使換向閥的功勞，壓力大小的改變主要靠的是節(jié)流閥。 具體參數(shù)： （1）雙作用汽缸：壓縮空氣驅(qū)動(dòng)活塞向兩個(gè)方向運(yùn)動(dòng)。 （2） 換向閥：型號(hào)為 CPV10_M1H_5LS_M7_gb，2 位 5 通換向閥，單電控。 （3）節(jié)流閥：調(diào)節(jié)流量和改變壓力。同時(shí)供料站也用到了真空吸附原理。真空產(chǎn)生原理是利用射流的卷吸作用，卷吸周圍的靜止氣體和它一起向前流動(dòng)在射流周圍產(chǎn)生低壓區(qū)。 典型真空發(fā)生器簡(jiǎn)介如下： 1 口進(jìn)氣，2 口排氣，在 3 口產(chǎn)生真空。真空吸附回路主要的氣動(dòng)執(zhí)行元件在有： （1） 真空發(fā)生器（型號(hào)：CPV10_M1H_VI70_2GLS_M7_gb），閥內(nèi)包括兩個(gè)電控閥和一個(gè)真空發(fā)生器。 （2） 真空開關(guān)（型號(hào)：VAF-PK-4）。 （3） 吸盤（VAS-8-M5-PUR）。 （4）真空過濾器。 4.2.1 氣路圖設(shè)計(jì) 氣動(dòng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)是整個(gè)系統(tǒng)的重要組成部分。系統(tǒng)主要包括兩個(gè)工作站供料站和檢測(cè)站。這兩個(gè)系統(tǒng)是共用一個(gè)氣源。有兩個(gè)真空消聲器，整個(gè)系統(tǒng)的各個(gè)部分的氣流方向是同通過換氣閥來改變的。 整個(gè)系統(tǒng)主要用的是二位五通閥。從供料站的氣路是有一個(gè)氣源出來，是節(jié)流閥和換向閥來改變的，從氣源出來的氣通過一個(gè)二位五通閥來到達(dá)氣缸，氣缸改變氣體的換氣大小達(dá)到整個(gè)系統(tǒng)的要求。從系統(tǒng)出來的氣路通過一個(gè)氣路來到 FMS 供料和檢測(cè)單元機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及三維仿真 達(dá)檢測(cè)站。 本系統(tǒng)的氣路主要是向系統(tǒng)提供氣源。通過壓縮空氣把壓力轉(zhuǎn)化為機(jī)械能來完成動(dòng)作。整個(gè)系統(tǒng)所用的是一個(gè)氣源，來提供整個(gè)系統(tǒng)的能量。整個(gè)氣路圖的設(shè)計(jì)過程如下： 從氣源出來的氣體，經(jīng)過二位五通閥來改變氣體的壓力大小，然后通過單向閥來來到達(dá)氣缸，有汽缸的作用來改變壓力的大小。 經(jīng)過汽缸的氣體，這時(shí)會(huì)改變壓力大小，而產(chǎn)生機(jī)械能，機(jī)械能來推動(dòng)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)。供料站和檢測(cè)站是共用一個(gè)氣源的，從供料站出來的氣體經(jīng)過一個(gè)氣路到達(dá)檢測(cè)站，然后從氣閥流出經(jīng)過換向閥來改變方向，到達(dá)氣缸。從氣缸出來的氣體已經(jīng)改變了大小，壓力轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，使氣缸上升，把工件放到滑槽中 [18]。 4.3 供料系統(tǒng)控制程序設(shè)計(jì) 控制器的選擇是可編程控制器 PLC。可編程控制器是以微處理器為輸出，綜合了計(jì)算機(jī)技術(shù)，自動(dòng)控制技術(shù)和通信技術(shù)發(fā)展起來的一種通用的工業(yè)自動(dòng)控制裝置。PLC 是在計(jì)算機(jī)技術(shù)的促進(jìn)下得以發(fā)展的新一代順序邏輯控制裝置，是專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子裝置，是帶有存儲(chǔ)器、可以編成控制程序的控制器。 4.3.1 供料系統(tǒng)硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 供料系統(tǒng)的硬件部分的設(shè)置主要是 PLC 的選型和各個(gè)電動(dòng)元件的選擇。PLC 的主要特點(diǎn)： (1) 可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)。由于采用大規(guī)模集成電路和微處理器，使系統(tǒng)器件數(shù)大大減少，并且在硬件的設(shè)計(jì)和制造的過程中采取了一系列隔離和抗干擾措施，使它能適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境，具有很高的可靠性。 (2) 編程簡(jiǎn)單，使用方便。 (3) 通用性好，具有在線修改能力。PLC 硬件采用模塊化結(jié)構(gòu)，可以靈活地組態(tài)以適應(yīng)不同的控制對(duì)象，控制規(guī)模和控制功能的要求。且可通過修改軟件， 來實(shí)現(xiàn)在線修改的能力，因此其功能易于擴(kuò)展，具有廣泛的工業(yè)通用性。 (4) 縮短設(shè)計(jì)、施工、投產(chǎn)的周期，維護(hù)容量。目前 PLC 產(chǎn)品朝著系列化、標(biāo)準(zhǔn)化方向發(fā)展，只需根據(jù)控制系統(tǒng)的要求，選用相應(yīng)的模塊進(jìn)行組合設(shè)計(jì)，同 時(shí)用軟件編程代替了繼電控制的硬連線，大大減輕了接線工作，同時(shí) PLC 還具有故障檢測(cè)和顯示功能，使故障處理時(shí)間縮短。 (5) 體積小，易于實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化[11]。SIEMENS-300 系列 PLC 軟件部分：采用 Step-7 軟件，大概流程：1.新建項(xiàng)目→硬件設(shè)置 2.建立變量表→確定元件地址→填寫符號(hào)表 3.任務(wù)分析→畫流程圖編程中的一些定義： OB：組織塊，操作系統(tǒng)循環(huán)調(diào)用的程序塊，并用這個(gè)調(diào)用啟動(dòng)用戶程序的循環(huán)執(zhí)行。 FC：功能，功能是屬于你的編程塊。一個(gè) FC 被不同的邏輯塊調(diào)用時(shí)這些程序總會(huì)被執(zhí)行。 FB：功能塊，在程序的分級(jí)結(jié)構(gòu)中位于組織塊之下，包含程序的一部分，可以在 OB1 中被多次調(diào)用。 PLC 功能原理： 第一部分是上電處理。PLC 通電后，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行一次初始化工作，包括硬件初始化，F(xiàn)O 模塊配置檢查，停電保持范圍設(shè)定及其初始化處理等。 第二部分是掃描過程。PLC 上電處理完成以后進(jìn)入掃描工作過程。先完成輸入處理，其次完成與其他外設(shè)的通信處理，再次進(jìn)行時(shí)鐘、特殊寄存器更新。當(dāng)CPU 處于 STOP 工作方式時(shí)，還要完成用戶程序的執(zhí)行和輸出處理，再轉(zhuǎn)入執(zhí)行自診斷檢查。包括 3 個(gè)階段:輸入采樣，程序執(zhí)行，輸出刷新。 第三部分是出錯(cuò)處理。PLC 每掃描一次，執(zhí)行一次自診斷檢查，確定 PLC 自身的動(dòng)作是否正常，例如 CPU、程序存儲(chǔ)器等是否異?；虺鲥e(cuò)。如果檢查出異常時(shí)，CPU 面板上的 LED 及異常繼電器都會(huì)接通，在特殊寄存器中會(huì)存入特殊代碼。當(dāng)出現(xiàn)致命錯(cuò)誤時(shí)，CPU 被強(qiáng)制為 STOP 方式，所有的掃描停止。 系統(tǒng)電路圖的設(shè)計(jì)思路： 整個(gè)系統(tǒng)電路原理是每一個(gè)工作站各有一個(gè)電源開關(guān)來控制。所以他們的站是獨(dú)立，從供料站的一個(gè)引出到監(jiān)測(cè)站的輸出點(diǎn)。兩個(gè)工作站各有一個(gè)控制電板來控制，所以他們各個(gè)部分的信號(hào)是獨(dú)立。從供料站的 Q6 出來到檢測(cè)站的 I4， 而他們的輸出是相連的。通過傳感器的信號(hào)輸出來控制整個(gè)系統(tǒng)的工作。 整個(gè)電路系統(tǒng)所要通過傳感器來進(jìn)行系統(tǒng)的各個(gè)動(dòng)作的設(shè)計(jì)。首先，要檢查工作站是否復(fù)位，如果沒有復(fù)位則要進(jìn)行復(fù)位動(dòng)作。電路系統(tǒng)檢測(cè)供料站原料是否供上，以及氣缸的移動(dòng)是否到位。控制的部分主要是各個(gè)工件所需要移動(dòng)的距離，比如供料站的擺臂所要擺動(dòng)的距離，料倉的氣缸推手所要退出料的距離等等。檢測(cè)部分需檢測(cè)檢測(cè)站的原料臺(tái)上是否是空的，這樣才可以進(jìn)行整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng) 作。 系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)是供料站輸出接上檢測(cè)站的輸入。開始供料站有幾個(gè)開關(guān)來控制著，他們是電感式和接觸式，指示燈是用來指示工作站的工作狀態(tài)。從電源出來的線直接接到供料站的輸入，這時(shí)整個(gè)系統(tǒng)的電路也算是開始接線。供料站通過開關(guān)進(jìn)行控制。 供料站由傳感器 IBI 來檢測(cè)下一站是否是空的，如果下一張是空的指示燈 4 就會(huì)亮，這時(shí)就會(huì)通知工作站來進(jìn)行下一個(gè)動(dòng)作。傳感器主要的顯示工作狀態(tài)和執(zhí)行動(dòng)作所需要的條件。指示燈的功能主要是讓操作者更能直觀的看出系統(tǒng)所處的狀態(tài)，通過執(zhí)行不同的動(dòng)作，來使傳感器處于不同的狀態(tài)。 從供料站出來的線經(jīng)過電感式開關(guān)來控制指示燈的亮滅，這時(shí)就相當(dāng)于給操作者一個(gè)信號(hào)，通過一系列的傳感器來改變工作狀態(tài)。經(jīng)過開關(guān)的線主要是控制面板上的，來控制指示燈的。通過傳感器“reset”, “ reset-light”來檢測(cè)工作是否復(fù)位，如果復(fù)位燈亮，這時(shí)整個(gè)工作臺(tái)要進(jìn)行復(fù)位，所以從控制面板出來的線要接在復(fù)位傳感器上；復(fù)位完成之后要進(jìn)行下一步動(dòng)作，所以先從復(fù)位那兒出來接到傳感器 IP-FL 上面，這是為了檢查下一個(gè)工作站是否是空的；后又傳感器“1B2”和“B4”來使擺動(dòng)臂手?jǐn)[到下一站，最后按整個(gè)工作站要進(jìn)行的動(dòng)作使傳感器接上，所有的傳感器都是要接到控制面板上面的，由控制面板來統(tǒng)一管理整個(gè)系統(tǒng)的工作信號(hào)。 從供料站的Q6 出來的 Q6 要接到檢測(cè)站的I4 上面這樣兩個(gè)信號(hào)要傳到檢測(cè)站去，所以工作站的動(dòng)作才能有序的進(jìn)行下去，兩個(gè)站才真正的成為一個(gè)主體， 當(dāng)信號(hào)傳到檢測(cè)站以后，也會(huì)進(jìn)行檢測(cè)工作站是否復(fù)位進(jìn)行檢測(cè)，通過控制面板的指示燈來反映工作狀況。 整個(gè)工作系統(tǒng)的接線是通過工作站所要進(jìn)行的動(dòng)作而進(jìn)行的，是一個(gè)有序的過程。檢測(cè)站的比較儀是檢測(cè)工件的高度的，通過電位器進(jìn)行控制的，所以從傳感器“B2”，“B4”出來的信號(hào)要接到比較儀“B5”上面，工件的檢測(cè)并不是一蹴而就的，所以需要用延時(shí)“DELAY”來進(jìn)行延時(shí)，這時(shí)如果高度不合適就要調(diào)整， 這時(shí)接線就需要接到“2Y2”，“2Y1”上面，高度調(diào)整結(jié)束以后，就通過滑槽來把原料滑出到傳送帶上，這時(shí)整個(gè)工作過程就算結(jié)束了，傳感器“CYCLEEND”所對(duì)應(yīng)的指示燈就亮了，系統(tǒng)可以進(jìn)入循環(huán)狀態(tài)。 從供料站的 Q6 出來的信號(hào)要傳到檢測(cè)站去，所以 Q6 要接到檢測(cè)站的 I4 上面這樣兩個(gè)工作站的動(dòng)作才能有序的進(jìn)行下去。通過控制面板調(diào)控整個(gè)系統(tǒng)的工作。所以所有的線都接在控制面板上面，通過控制面板進(jìn)行信號(hào)的轉(zhuǎn)化，來到達(dá)下一個(gè)狀態(tài)。 4.4 供料系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 4.4.1 供料站程序設(shè)計(jì)： 供料站主要完成的任務(wù)是料倉的推手把遠(yuǎn)料從料倉中推出來，通過擺臂進(jìn)行擺動(dòng)到料倉的料臺(tái)上，這時(shí)就有擺臂把料取出放到原料臺(tái)上。 供料站的程序設(shè)計(jì)思路如下： 首先，要檢查供料站是否復(fù)位，復(fù)位后直接進(jìn)行系統(tǒng)的工作；如果沒有復(fù)位要先進(jìn)行復(fù)位。復(fù)位的具體步驟是復(fù)位燈亮，這時(shí)用改變傳感器的狀態(tài)就把工作臺(tái)變成激回初態(tài)，進(jìn)行復(fù)位。 其次，檢查下一個(gè)工作站是否是空的，如果是空的則直接進(jìn)行執(zhí)行動(dòng)作，如果不是空的則要等到下一站是空的時(shí)間才能進(jìn)行動(dòng)作。如果不是空的話，執(zhí)行動(dòng)作的方法是把擺臂擺到原料的臺(tái)子上面，以留出空間使料倉的推手把料從料倉中推出去，當(dāng)料被推出以后，擺臂手從料臺(tái)上擺到料倉部位，通過氣源進(jìn)行放氣來排除真空以達(dá)到吸取原料的目的。 最后，當(dāng)氣嘴已經(jīng)把原料吸住以后，擺臂擺出到工件臺(tái)上，這時(shí)氣源進(jìn)行放氣把原料放到工件臺(tái)上，整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)作就完成了。 供料站程序流程圖： FMS 供料和檢測(cè)單元機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及三維仿真 流程圖式的程序如下所示： FMS 供料和檢測(cè)單元機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及三維仿真 圖 4.12 程序變量地址表 4.4.2 檢測(cè)站程序設(shè)計(jì)： 檢測(cè)站的主要工作是檢測(cè)供料站所提供的物料是否是正確的，通過傳感器來檢測(cè)其高度，從而來判斷應(yīng)該放到導(dǎo)軌上。 檢測(cè)站主要是由擺動(dòng)氣缸和導(dǎo)軌組成。從供料站運(yùn)送過來的原料放在原料臺(tái) 上，通過氣缸把它們送到導(dǎo)軌下面，這時(shí)由傳感器來檢測(cè)原料高度是否合格，如果合格就把它放在導(dǎo)軌上，有導(dǎo)軌連接傳送帶，完成整個(gè)工件的傳送。如果不合格，則會(huì)重新調(diào)整高度，直到合適位置，開始其傳送過程。通供料站一樣，檢測(cè)站也存在著好多傳感器，它們主要是進(jìn)行信號(hào)顯示其工作狀態(tài)，以便人們更好的控制和駕馭它。 PLC 電板也占著舉足輕重的地位，使整個(gè)工作站的心臟。工作站還有一個(gè)重要組成部分就是閥島，由于整個(gè)工作站的傳動(dòng)方式是氣動(dòng)，所以閥島主要是一些氣閥的聚集地，整個(gè)工作站用到的氣閥主要是五位二通閥。 檢測(cè)站的程序設(shè)計(jì)思路如下： 首先，先檢查工作站是否復(fù)位，如果復(fù)位則直接進(jìn)行系統(tǒng)的動(dòng)作；如果工作臺(tái)沒有復(fù)位，這時(shí)復(fù)位燈亮，執(zhí)行復(fù)位動(dòng)作，通過改變傳感器的信號(hào)來進(jìn)行工作臺(tái)激回初態(tài)，重新復(fù)位。 其次，工作臺(tái)復(fù)位完成之后，要檢查工件臺(tái)上是否有工件，若沒有工件就不進(jìn)行動(dòng)作，如果有工件就通過監(jiān)測(cè)機(jī)器進(jìn)行檢測(cè)工件的顏色以確定氣缸要生的高度。 最后，氣缸開始上升到一定高度，這是比較易通過電位器來進(jìn)行監(jiān)測(cè)其高度， 如果高度合格，直接把工件放到滑槽中，滑向傳送帶開始下一個(gè)工作站的動(dòng)作； 如果工件的高度不合格就會(huì)使氣缸下降，調(diào)整到合適的高度，再使元件放到工作臺(tái)上，推出工件。所有的工作完成之后，工件送到下一個(gè)工作站進(jìn)行加工[18,19]。 第五章 供料系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益分析 FMS50 經(jīng)濟(jì)效益主要是根據(jù)其柔性標(biāo)準(zhǔn)，質(zhì)量衡準(zhǔn)來考慮的，由于是一個(gè)大規(guī)模的投資，而且成本回收不是很快，所以在開始是要考慮其機(jī)會(huì)成本，物質(zhì)成本，等等。 5.1 技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析報(bào)告 項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)效益分析： 目前進(jìn)口的德國 FMS50 柔性生產(chǎn)線系統(tǒng)，雖然技術(shù)比較先進(jìn)，但是價(jià)格昂貴， 而且從德國進(jìn)口路途遙遠(yuǎn)。國內(nèi)有他們的代理商，這是一切都方便不少。面對(duì)龐大而先進(jìn)的機(jī)器，我們要向節(jié)省成本，獲取更大的利益，唯有自己研制，自己生產(chǎn)。 本項(xiàng)目研究的柔性加工供料系統(tǒng)是在 FMS50 的基礎(chǔ)上進(jìn)行研究的，其生產(chǎn)價(jià)格在成批生產(chǎn)后預(yù)計(jì)為 10 萬元，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于德國的價(jià)格。由以上價(jià)格對(duì)比可見， 本項(xiàng)目研究的柔性加工生產(chǎn)系統(tǒng)的直接經(jīng)濟(jì)效益是很大的，所以很有研究?jī)r(jià)值。 市場(chǎng)前景分析： 隨著我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展，制造業(yè)的地位越來越重要，自動(dòng)化生產(chǎn)已經(jīng)是迫在眉睫的事情。傳統(tǒng)的制造業(yè)已經(jīng)不能夠滿足市場(chǎng)的需要。據(jù)目前的增長(zhǎng)率估計(jì)，柔性加工生產(chǎn)線不僅在大中型企業(yè)中越來越重要。如果要全面推廣柔性加工生產(chǎn)線， 就大中型企業(yè)的需求量以很可觀，再加上其它的一些小的企業(yè)，事業(yè)部門的需要， 柔性加工生產(chǎn)線是一個(gè)很大的潛在市場(chǎng)，本項(xiàng)目成果的產(chǎn)品市場(chǎng)將會(huì)是相當(dāng)大的。 再者，本項(xiàng)目研制的這種柔性加工供料系統(tǒng)，目前在世界上尚屬最先進(jìn)的制造業(yè)生產(chǎn)線，如果可能打入國際市場(chǎng)，這樣就能取得更大的經(jīng)濟(jì)效益與國際影響。還有，本項(xiàng)目研究的成果，不僅僅可用于制造業(yè)，而且可以用于其它方面。 社會(huì)效益分析： 目前國內(nèi)外的制造業(yè)方面雖然相比幾年前是一個(gè)很大的突破，各方面取得的成績(jī)是可喜的，而且自動(dòng)化的程度越來越高。但相比著柔性加工生產(chǎn)線來說，這些職能說是一個(gè)小的進(jìn)步，還存在著生產(chǎn)效率低下，次品率較高等一系列的問題。應(yīng)用本項(xiàng)目的柔性加工生產(chǎn)線，其操作過程遠(yuǎn)遠(yuǎn)比以前的生產(chǎn)線簡(jiǎn)單，而且自動(dòng)化的程度比較高，可以有效地解決上述問題。 總之使用柔性加工生產(chǎn)線后節(jié)省了生產(chǎn)成本，提高了企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力 [20,21]。 第六章 設(shè)計(jì)體會(huì)及展望 6.1 畢業(yè)設(shè)計(jì)體會(huì) 記得當(dāng)初選擇這個(gè)題目，是因?yàn)橛X得所研究的題目的東西就在我身邊，而且我還實(shí)驗(yàn)過，應(yīng)該相對(duì)簡(jiǎn)單