自动化生产线安装站设计

尺寸： 直径：17mm， 传感器长度：45mm， 引线长度：45cm。
图 7 红外传感器
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机构硬件设计
3.1 安装站机械部分改进设计 控制传动杆转动的原机构为钢丝绳滚筒机构， 由于其转动需要气缸提升整个机械部
分来实现，功耗大，传动精度较低，容易发生绕绳、咬绳故障，安全性较差，并且占据 空间比较大，结构复杂。 经过小组讨论，决定将钢丝绳滚筒机构改进为齿轮齿条机构，齿轮齿条机构具有如 下优点：消耗功率低，承载力大，安全性好，体积小，传动精度较高，可达 0.1mm，可 无限长度对接延续，传动速度可以很高。 齿条的主要特点：由于齿条齿廓为直线，所以齿廓上各点具有相同的压力角，且等 于齿廓的倾斜角，此角称为齿形角，标准值为 20°。与齿顶线平行的任一条直线上具有 相同的齿距和模数。与齿顶线平行且齿厚等于齿槽宽的直线称为分度线（中线） ，它是 计算齿条尺寸的基准线。结合实物测绘数据，我们给定模数 m=2，齿轮齿数 z=16，齿条 齿宽b2 =13mm，齿条高度 H=10mm，计算见表 1。
ha 2 ha1*m
hf 1 (ha1* c* x2 )m hf 2 (ha1* c* )m
h ha h f
H d1 x1m 2
pn m
z2 L 0.5 pn
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生产线安装站设计
3.2 安装站机械部分三维图
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生产线安装站设计
图 8 机械部分三维图
图 3 安装站机构简图
如下流程图图示，在接收前站的信息后，根据 PLC 给出的控制信号，先让汽缸一动 作，使滚轮向上运动检测 3 秒是否到位。若没到位则报警；若是则进行下一工作。下一 工作让汽缸三动作使小工件处于合理抓取位。 接着推料汽缸二动作使工件位于正确位置。 再接着让汽缸一动作下降抓取小工件（真空发生器作用吸盘吸附小工件）并送至五站进 行装配将小工件装入大工件中。
图 1 自动化生产线
各工作站工艺流程如下：
安装站
废 料 品 存放收
上
料
搬运 站
加
工
安
装
分类 站
检测站
检测站
搬运站
图 2 工艺流程图
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安装站总体方案设计
2.1 安装站总体机构设计与论证 安装站功能：1.选择要安装工件的料仓； 2.将工件从料仓中堆出； 3.将工件安装到位。 安装站由 2 个红外传感器、6 个磁性开关、4 个气压缸和 7 个电磁阀组成。安装站
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控制系统硬件设计 4.1 PLC选型
本模块的六个工作站都是采用 PLC 进行控制， 而且 PLC 的型号均为 S7-200， S7-200
是一种小型的可编程序控制器，适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自 动化。 S7-200 系列的强大功能使其无论在独立运行中， 或相连成网络皆能实现复杂控制 功能。因此 S7-200 系列具有极高的性能/价格比。 S7-200 系列出色表现在以下几个方面：①极高的可靠性；②极丰富的指令集；③易 于掌握；④便捷的操作；⑤丰富的内置集成功能；⑥实时特性；⑦强劲的通讯能力；⑧ 丰富的扩展模块。 S7-200 系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能。 使用范围可覆 盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。应用领域极为广泛，覆盖所有与自 动检测，自动化控制有关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电力设施、民用设
图 6 安装站俯视图
红外传感器的选型：E18-D80NK-N 这是一种集发射与接收于一体的光电传感器，发射光经过调制后发出，接收头对反 射光进行解调输出。有效的避免了可见光的干扰。透镜的使用，也使得这款传感器最远 可以检测 80 厘米距离的问题（由于红外光的特性，不同颜色的物体，能探测的最大距
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生产线安装站设计
上有两个料筒，里面装有黑、白两种小工件，当加工后的工件被检测合格后，第五站将 其搬运到安装台上，此时第四站通过同步带带动吸嘴，将小工件安装到加工后工件钻好 的孔内，安装好后，恢复到原位，同时给第五站一个信号，让机械手将安装好的组合件 搬走。 安装站机构简图如右：
图中所示： ○ 1 装配气缸 ○ 2 同步带 ○ 3 吸盘 ○ 4 物料 ○ 5 推料气缸 ○ 6 送料气缸 2.2 安装站工作流程图
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研究的目的及意义
1.1 研究的目的及意义 机电一体化是将机械、电子与信息技术进行有机的结合，以实现工业产品和生产过
程整体最优化的一种新技术。 机电一体化是当今世界机械工业技术和产品发展的主要趋 势，也是我国机械工业发展的必由之路。模块生产系统(Modular Production System) 设计训练，为我们学习掌握机电一体化技术提供了极好的训练平台。 我们的主要任务是剖析模块生产系统中各机械部分的工作原理及功能、 机械结构和 传动方式，绘制工作原理图、主要部件图及其装配图，并在此基础上加以改进。剖析模 块生产系统的气压传动过程，熟悉气压传动的基本元件和回路，绘制各工作站气压传动 回路工作原理图，在理论分析的基础上能正确的选择各组成元件。运用可编程序控制器 编程软件，核对各站控制程序及控制端口，剖析原设计编程原理，论述控制过程。剖析 模块生产系统的结构和控制程序，论述该设计的优缺点，提出新的设计方案。 我们通过对模块生产系统的实际参观、操作、测绘、制图、编程设计和运行工作， 同时对该生产线进行适当改进，掌握模块生产系统各部分的功能、结构、工作原理和设 计方法。模块生产系统的设计训练是综合性的系统工程设计，是机械、气压和电子技术 各专业协同合作的结晶，也是培养我们团队精神的训练。 1.2 自动化生产线系统概况 该自动化生产线是由独立的六个工作站相互连接而成。它们分别是上料检测站、搬 运站、加工检测站、安装站、安装搬运站和分类站。这六个站连接成生产线后可完成工 件类别的检测、加工、搬运、安装和分类。 上料检测站： 回转上料台将工件依次送到检测工位——提升装置将工件提升并检测 工件颜色； 搬运站：将工件从上站搬运至下一站； 加工站： 用回转台将工件在四个工位间转换——钻孔单元打孔——检测单元检测正、 次品； 安装站：选择要安装工件的料仓——将工件从料仓中推出——将工件安装到位； 安装搬运站： 正品：将上站正品工件拿起放入安装工位——将安装好工件拿起放下站；
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表 1 齿轮齿条传动的几何尺寸计算： 项目名称 齿轮齿数 模数 螺旋角 压力角 基本齿廓 齿顶高系 数 顶隙系数 齿轮变位系数 齿轮 齿宽 齿条 齿条长度 项目名称 齿轮分度圆直径 齿轮 齿顶高 齿条 齿轮 齿根高 齿条 齿轮 齿高 齿条 齿轮中心到齿条中心距 齿距 齿条齿数 计算公式及代号 转 180 齿轮齿条数值 16 2 mm
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开始
NO 三站有无工 件退出 YES 送信号至5站 YES 是否为废品 NO 传递工件颜色 信号
装配气缸上升
NO 3秒是否到位 YES 送料气缸向后 或向前 报警
推料气缸工作
停止工作
装配气缸下降 抓工件
装配气缸送工 件到5站
装配气缸下降 返回
图 4 安装站工作流程图
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z1
m

0
20
1 0.25 0.418 10 mm 13 mm 80 mm 转齿轮齿条数值 32 mm 2.836 mm 2 mm 1.664 mm 2.5 mm 4.5 mm 16.8 mm 6.283 mm 14

ha*
C*
x1
b1
b2
L
计算公式及代号
d1 mz1 cos
ha1 ha1* x1 m
1
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次品：将上站次品工件拿起放人堆放次品处； 分类站：按工件类型分类——将工件推入库房。 工件在生产线上的物流加工的传递过程： 上料检测站将大工件按顺序排好后提升传送， 搬运站将大工件从上料检测站搬至加 工站，加工站将大工件加工并检测被加工的工件，产生成品或废品信息，通知下站，安 装搬运站将成品送至安装工位，安装站再将小工件装入大工件中，最后，由安装搬运站 再将安装好的工件送至分类站， 分类站将工件按类送入相应的料仓并统计工件的数量和 总量，如加工站有废品产生，则安装搬运站将废品直接送入废品收料站。
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图 5 安装站气动图
各动作过程所用传感器原理及工作过程介绍： 传感器：安装站主要是对气缸的运动位置的控制，所用传感器均为电感磁吸位移传 感器，型号均为 D-C73。当接通电源后，在磁性开关的感应面将产生一个交变磁场，当 金属物体接近此感应面时，金属中则产生涡流而吸取了振荡器的能量，使振荡器输出幅 度线性衰减，然后根据衰减量的变化来完成无接触检测物体的目的。 工作过程：它产生的主要是电信号，电信号通过通信端子排或控制面板端子排，经 过数据总线将信号传递给 PLC 可编程序控制器， 可编程控制器进一步将信号传递给执行 连接端子排，通过它来激活驱动部分来完成操作。传感器产生的电信号也可以直接传递 给执行连接端子排，然后激活驱动部分来完成操作。 动作过程所用个别元件介绍： 真空发生器：ZH05B(喷嘴直径为 5mm) 汽缸：CDJ2B10-60-B(缸径为 10mm，行程为 60mm，开关环带安装) CDJ2B16-60-B(缸径为 16mm，行程为 60mm，开关环带安装)
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CDJ2B20-45 (缸径为 20mm，行程为 45mm，开关环带安装) 电磁阀：SY3120-5LZD-M5(二位五通电磁阀) 电磁换向阀的基本工作原理：通过电磁铁控制滑阀阀芯的不同位置，以改变形油液 的流动方向。 当电磁铁断电时， 滑阀由弹簧保持在中间位置或初始位置 （脉冲式阀除外） 。 2.5 传感检测部分改进 通过观察生产线系统的运行工作情况，发现安装站在工作中存在以下问题：当转动 杆上的吸嘴未成功将料移走时，在下一工作循环开始后，推料气缸未能判断料的有无， 继续动作， 推动推料块向前运动， 由于挡料块中有料， 发生卡死， 使气缸动作无法到位， 4B2 传感器接收不到信号，系统出现故障。 解决方案： 在下图 6 所示部位增加一个红外传感器， 可以检测挡料块中物料的有无， 并通过修改 PLC 程序，当料块中有料时，推料气缸不动作；当挡料块中无料时，推料气 缸发生动作，从而保障系统正常运行。
离也有不同；白色物体最远，黑色物体最近） 。检测物料的距离可以根据要求通过尾部 的电位器旋钮进行调节。 该传感器具有探测距离远、受可见光干扰小、价格便宜、易于装配、使用方便等特 点，可以适用于自动化生产线。 检测到目标是低电平输出，正常状态是高电平输出，输出外加一个 1K 欧姆左右上 拉电阻即可连接到 IO 口上。其特点是：数字量输出，不需要进行 AD 转换，可直接接单 片机的 IO 口，通过后面的可调电位器调整距离(3-80cm 有效)。
2.3 传动方案论证与改进 方案一：自动化生产线安装站的主要机械传动部分是齿轮齿条—同步带。 方案二：自动化生产线安装站的主要机械传动部分是钢丝绳滚筒机构—同步带。 方案三：自动化生产线安装站的主要机械传动部分是钢丝绳滚筒机构—四杆机构。 方案论证： 在总体方案设计中， 首先需要一个机构将装配气缸推杆输出的直线运动转化为转动， 钢丝绳滚筒机构和齿轮齿条都可以实现此目的。各自特点如下： 齿轮齿条，优点：承载力大，传动精度较高，可达 0.1mm，可无限长度对接延续， 传动速度可以很高；缺点：若加工安装精度差，传动噪音大，磨损大。 钢丝绳滚筒机构，传动精度较低，容易发生绕绳、咬绳故障，安全性较差，并且占 据空间比较大，结构复杂。 同步带，同步带传动综合了带传动、链传动和齿轮传动各自的优点。转动时，通过 带齿与轮的齿槽相啮合来传递动力，传动准确，工作时无滑动，传动平稳，具有缓冲、 减振能力，噪声低，维护保养方便，不需润滑，维护费用低，相对于 V 型带传送，预紧 力较小，轴和轴承上所受载荷小。 考虑到自动化生产线安装站的实际情况，我们对传动机构进行改进，把原来的钢丝 绳滚筒—同步带传动改为齿轮齿条—同步带机构传动方案， 即选用方案一的传动方式既 可以实现传动要求，也可以使结构变得简单。 2.4 气压驱动方案设计 第四站主要是控制各气缸的位置来完成工件的安装，通电后，打开空气压缩机，将 产生的压缩空气经过空气过滤器（主要清除其中的固态杂质，水滴，油圬等） ，再经过 电磁阀（双向电磁阀、单向电磁阀）控制各气缸的运动。气缸的极限位控制主要是同过 传感器产生的电信号控制，经过 PLC 处理后输出，完成一个机械动作，气缸的排气是通 过电磁阀处的排气设备排出，在此处安排了消声器，可以减少排气时的噪音。这样就完 成了一个电气回路过程。 气压动作传动回路原理示意图（图 5）