自动排向机改造研究石墨舟仓结构设计Word格式.docx

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一般来讲，晶体二极管是一个由p型半导体和n型半导体烧结形成的p-n结界面。

在其界面的两侧形成空间电荷层，构成自建电场。

当外加电压等于零时，由于p-n结两边载流子的浓度差引起扩散电流和由自建电场引起的漂移电流相等而处于电平衡状态，这也是常态下的二极管特性。

二极管的构造和符号：

二极管的生产工艺：

焊接→酸洗→模压→印字→机包→外拣→包装

其中焊接又可分为排向、装填、进炉、出炉转换，利用焊片通过一定温度，使芯片与金属引线连接，形成欧姆触角。

酸洗是利用化学品将晶体表面加以侵蚀，使P-N接面呈现正角比例以获得最佳的电性品质。

于晶片表面形成SiO2，以达到绝缘目的。

模压是使管芯与外界环境隔离，避免有害气体侵蚀，并使表面光洁和具有特定的几何形状，起到保护管芯、稳定表面、固定管芯内引线，提高二极管机械强度的作用。

排向机是二极管生产过程中的关键设备，可以将二极管针脚有序地排列到石墨舟中，进行后续工序的加工。

现有排向机劳动强度大，用工人数多。

改善后的排向机加强了在线监测，加入了PLC控制系统，完成了生产的自动化，大大提高了二极管的生产效率，减少了人工。

本课题设计内容以机电气一体化技术为核心，整机采用PLC控制，要求和原设备无缝衔接，学生需掌握机械工程及自动化专业相关基础理论。

现有排向机的构造：

图1.1现有排向机图片

如图，针脚通过人工方式在料参中进行震动，并有序向上移动，然后来到针脚分流装置中，进行向下移动，针脚分流装置可以将成批的运输过来的二极管针脚进行分流成为十股针脚，一列一列进行向前移动，移动至挡板处。

其中弯的或者残缺的针脚将被挡板挡住，并流入下料盘中，质量良好的针脚将有序的一个个竖立地流入挡板下面的槽中，在整个机器的震动中来到气缸，气缸通过左右移动将一排排针脚准确的安放到上模中，上模与石墨舟通过定位销进行了定位，每一个孔都准确对齐，针脚在气缸的左右移动中对齐地放入上模，再由经上模准确的放入石墨舟中，整个机器由旁边的控制台进行控制。

然而，旧版的排向机有一定的不足如下：

（1）在针脚分流装置中，虽然整个装置进行过周密的计算，但是针脚分流仍旧是按照一定的概率进行等量分流的，可能会产生某一列或者几列在分流过程中针脚出现空缺的状况，这一问题在流水线上继续作业会使石墨舟上出现一列或者几列的空缺，影响生产效率；

（2）在料参和下料盘中的针脚都需要通过人为的进行补充以及放回，增加了工人的负担，并且在一定程度上降低了生产效率，也无法自动排出质量有问题的针脚；

（3）在气缸处没有检测针脚是否空缺的装置，如果在气缸前有针脚卡主或者堵塞，有可能出现一列或者几列的针脚空缺情况，使进行排列后的石墨舟可能出现不足或者空缺的情况；

（4）上模处没有检测石墨舟是否每一个孔里面都装入了针脚的传感器及控制装置，无法检测是否每个石墨舟工序后针脚都填满；

石墨舟在填满后需要通过人工进行移动，并补充新的空的石墨舟，在日生产量巨大的工厂中，大大影响了生产的效率，为企业带来不必要的损耗。

1.2研究目标

排向机是二极管生产过程中的关键设备，可以将二极管针脚有序地排列到石墨舟中，进行后续工序的加工，劳动强度大，用工人数多。

本课题来源于企业横向研究项目，针对现有二极管针脚排向机的不足和缺陷，提出改进措施，加强在线检测，减少人工。

包括机械系统和电控系统等。

改善后的排向机弥补了现有排向机的不足和缺陷。

在在线监测方面得到了加强，原本在生产线上掉落的针脚需要工人放回料斗，经过改善，可自行回收进入料斗。

改善前石墨舟针脚排满后需人工取走，再放上空的石墨舟，改善后由PLC控制自动补给石墨舟，从而减少了人工，提高了二极管生产效率，增加了经济收益。

另一方面，本次的课题研究是大学四年所学知识的一次综合运用，涉及的学科有机械制图、机械制造技术基础、机械设计、液压与气压传动、电器与PLC控制技术等。

研究这个课题，不仅让我们再次复习专业知识，也让我们认识到了理论知识与实际生产的关系。

实际生产离不开理论知识的支持，理论知识可以为实际生产提供技术保障，对技术的改革发展更是起到决定性作用。

而且，这次实际生产的案例用理论知识来改进的例子让我们为今后的工作提供了宝贵的经验。

综合应用机电一体化知识，培养学生的机械结构设计能力，为企业提供排向机自动化改造方案。

1.3关键问题

（1）石墨舟仓方案确定；

（2）结构设计和图纸实现；

1.4研究方法和技术路线

1.4.1研究方法

查阅资料了解国内同类了加工设备的特点，分析设备运行原理，确定系统方案，设计提升机机械结构，完善设计方案。

1.4.2技术路线

2.石墨舟仓结构设计

2.1旧排向机构造

由于本次毕业设计的内容是在原有的排向机的结构上进行改造，原来的排向

机构造如下图所示：

图2.1现有排向机石墨舟上料部分

石墨舟通过人工放置在石墨舟架的位置，架子上方有一个石墨舟挡板，挡板用于使石墨舟与上模互相结合，上模是一个长宽尺寸和石墨舟相同的一块模子，上面有与石墨舟引脚孔位置相同的孔，用于引导针脚进入石墨舟装填。

当人工搬动上模与石墨舟结合之后，工作人员按动电动机的按钮让电动机带动整个上述装置进行向内移动，一排一排上针脚。

在机构实现针脚排向之后，电动机反转带动石墨舟机构移出，然后由人工搬动上模与石墨舟分离，分离过后通过人工观察哪个孔里面没有针脚，再由人工对石墨舟针脚进行补充装填。

整个机器运作过程对工人的负担较大，而且没有相应的自动化检测装置，因此我们决定对其进行改造。

2.2石墨舟仓部分改造的初步想法

为了解决原本排向机自动化低，需要人工，费时费事等缺点，我们决定在石墨舟仓部分进行一些自动化改造，在原有机器的基础上添加一些部件，使得机器的自动化能力大幅提升，提高产值。

一开始，我们对舟仓部分的改造有两套方案：

方案1：

图2.2方案1示意图

方案1如图所示，将石墨舟仓改造成带传动，将石墨舟放置在带上，通过带传动传递到机械手部分，由机械手抓取石墨舟至加工工位，加工完成之后再由机械手抓取满的石墨舟并转动到放置空的石墨舟的一条输送带上，并统一回收满载的石墨舟到下一工位。

此方案有加工快速，自动化程度高，便于回收等特点，但是由于传送带所占面积太大，如果进行改造需要对厂区进行比较大的改造，而且只有一个机械手加工速度也不是特别快，因此我们最后还是放弃了这一方案。

方案2：

图2.3方案二示意图

方案2如上图所示，此机构将石墨舟分为空堆石墨舟及满堆石墨舟两个部分，这两部分分别由石墨舟堆叠而成，每个石墨舟可以堆叠十个，在空堆处进行上针脚的操作，再由机械手将上满针脚的石墨舟进行移动并堆叠至满载的石墨舟堆处，满载堆下降一个工位以接收运来的石墨舟，空堆处上升一个工位以准备下一次的上针脚操作。

此套设备的优点是比较节省空间，十个石墨舟一堆，大大的节约了厂区的空间，而且在原有机器的基础上不用修改太多部件，这样设计也可以便于工人上料下料，整个过程自动化程度也很高。

但是这个系统有例如机械手负担较大，机械手部分设计较复杂的特点，我们最终决定使用这个系统，但是需要对此系统进行一些改造。

2.3石墨舟仓改造方案确定

我们决定将上述方案2进行修改作为我们此次排向机改造毕业设计的主方案，在上料机械手部分我们决定采用如下图的结构：

图2.4上料机械手部分方案图

我们决定选用两个上料机械手一起固定在板材上，在横向气缸的初始位置左边的气缸放置在石墨舟上针脚的工作位置，右边的气爪位于空堆石墨舟位置，在抓取石墨舟时，纵向方向的气缸先下降，然后气爪松开，抓取石墨舟，加紧后上升，然后横向方向气缸运动，将左边的气爪移动至满堆石墨舟处，右边的气爪移动至石墨舟工作位置处，然后将两个气爪放下并松开，这样两个气爪同时运动，大大加快了加工的效率，而且便于控制。

我们考虑了石墨舟单个的重量，石墨舟堆叠后的高度及整个系统对升降机构的要求，所以决定大体的石墨舟升降机构如下图：

图2.5石墨舟升降机构初步结构设计图

上图为石墨舟升降机构（石墨舟仓）的初步结构设计，石墨舟由十个为一堆堆成，分别有两落石墨舟堆结构，在初始状态时，空堆石墨舟处没有有十个堆叠而成的石墨舟，而满堆部分没有石墨舟，每次工作一个工位，空堆石墨舟处的气手指伸出，由电动机带动气手指以拉动空堆石墨舟堆上升一个工位。

气爪抓动后，等石墨舟到达满堆处，满堆处的气手指伸出，由电动机带动气手指缓缓拉动石墨舟堆下降一个工位，等待一个新的满堆石墨舟堆上来。

如此往复，等空堆的石墨舟逐渐用完后，机器暂停，由之前的气爪拉动新的一堆空石墨舟进入空堆，而满堆石墨舟堆满之后，机器也暂停，等待工人将满的石墨舟堆撤离，继续进行工作。

2.4排向机改造的控制系统初步设计

我们通过对此套排向机改造系统的研究与讨论后决定设置如下传感器：

检测有无针脚，检测工作位置有无石墨舟，检测送料立柱升降机是否处在初始位置最低位置，检测工作工位是否有空余，检测空堆工位是否有石墨舟，检测针脚是否装满，检测工作工位处是否空闲，检测下降机构最高位置是否有空位，若无空位则用气手指将最高位降下，然后气手指归于最高位，检测下降位置是否有空余，检测二工位处是否有石墨舟等传感器。

[2]

我们设定的整个工序分为三个过程：

进行检测、进行上料、进行下料。

进行检测部分，我们设定的工序为工作位传感器检测上下方向气缸下降45mmm；

气爪传感器，气爪闭合，检测上下方向气缸上升45mm；

检测纵向传感器，送料左右方向气缸向左600m；

检测位传感器1，检测上下方向气缸下降45mm；

检测位气爪传感器1,气爪松开，石墨舟至检测位，检测上下方向气缸向上45mm。

进行上料部分，我们设定的工序为空堆传感器1，检测气手指不动，送料上下方向气缸下降45mm；

气爪传感器，检测气爪不动，送料上下方向气缸上升45mm；

送料上下方向气缸，送料左右方向气缸向左600mm，工作位传感器，检测送料上下方向气缸向下45mm至工作位置；

工作位气爪传感器，检测气爪松开，送料上下方向气缸上升45mm；

空堆传感器2，检测气手指动作，换另一堆空石墨舟。

进行下料部分，我们设定的工序为检测位传感器2，检测下料上下方向气缸下降45mm；

检测位气爪传感器，检测气爪闭合，抓取石墨舟，下料上下方向气缸上升45mm，下料上下方向气缸传感器，检测下料左右方向气缸向左600mm；

下料气爪传感器，检测气爪松开，下料上下方向气缸上升45mm；

石墨舟堆传感器，检测下料上下方向气缸下降45mm。

我们将控制系统分为这三个部分进行设计，每个部分有设定相应的传感器，并对传感器的输入输出端进行预估，这样我们在接下来的PLC控制设计，选择

相应的型号的PLC以及输入输出分配表的制作有了一定的基础。

图2.6步进电机控制原理图

图2.6中，控制器为PLC，PLC产生脉冲信号，进入步进电机驱动器，一般控制脉冲信号都很弱，步进电机驱动器可将脉冲信号进行功率放大，将从控制器发来的脉冲信号转化为步进电机的角位移，实现后续的动力提供。

电机的转速与脉冲频率成正比，所以控制脉冲频率可以精确调速，控制脉冲数就可以精确调位。

图2.7所选步进电机的矩频特性曲线

在上料机构中，当空石墨舟由气爪抓取送到工作位置后，气手指提升石墨舟上升一个工位，提升高度为45mm。

选择的步进电机型号为110BYG350CH-0501，相数为3，步距角为1.2°

，相电流为5.0A，保持转矩为12N，转动惯量为1.356g·

㎡。

[11]图2.7为所选步进电机的矩频特性曲线。

其中，控制系统每发出一个步进脉冲，步进电机转过1.2°

，当步进电机驱动器设置在10细分状态下，由公式

（2.1）

可知:

步进电机发出3000个脉冲时，气手指抬升空石墨舟45mm。

3.石墨舟仓结构各零件选用及设计

3.1升降机构传动方式

刚开始时，我们设计了两种升降机构的方案

丝杆传动升降机构

图3.1丝杆传动升降机构示意图

滚珠丝杠：

传动效率高，达0.9-0.98，有利于主机的小型化和减轻劳动强度；

摩擦力矩小，接触钢度高，使温升及热变形减小，有利于改善主机的动态特性和提高工作精度；

工作寿命长，传动无间隙，无爬行传动精度高，具有很好的高速性能；

抗冲击振动性能差，承受径向载荷能力差。

如图所示，石墨舟堆叠为十个，导轨上装有滑块，滑块由电动机驱动，电机连接着一根丝杆，电动机带动丝杆转动，丝杆上的螺母随着电机转动带动石墨舟机构整体上升下降，电动机正转时，石墨舟上升，用于空堆石墨舟机构，电动机反转时，石墨舟下降，用于满堆石墨舟手机机构，滑块由导轨保证运动方向是竖直的。

而石墨舟堆的上升距离由电机保证，电机选用步进电机，由PLC控制。

此套方案的优点是整个机构比较简单，可以由安装在电动机上的螺母来将电动机的转动转换为石墨舟的升降移动，机构简单，成本较低，设计安装比较简单。

但是此套方案也有缺点，就是丝杆传动的距离不能过长，也不能承受太大的径向力，否则丝杆弯曲损坏整套装置就会坏掉，竖直方向的移动量也会产生误差，使加工产生错误，增加生产率，而且丝杆受力较大，要经常更换，成本也会变得很高，而且后续维护比较麻烦。

带传动升降装置

图3.2带传动升降机构示意图

带传动：

靠齿啮合传动，传动比准确，传动效率高，初张紧力最小，瞬间速度均匀，单位质量传递的功率最大；

与链和齿轮传动相比，噪声小，不需润滑，传动比、线速度范围大，传递功率大；

耐冲击振动较好，维修简便、经济。

广泛应用于各种机械传动。

如图所示为我们设计的带传动升降机构，石墨舟由气手指带动上升或者下降，气手指安装在带轮上面，由专门的夹具固定。

底板上装有带传动的轮和轴，轴端上用联轴器连接电动机，电动机正转时，石墨舟上升，用于空堆石墨舟机构，电动机反转时，石墨舟下降，用于满堆石墨舟手机机构。

在这里要说明的是气手指实质上是一个小型的气缸，伸出后拖住石墨舟堆底部，随着带传动的上升和下降将拖动石墨舟堆的上升下降，已完成石墨舟的移动。

此套方案的优点是带传动的受力能够带动比较大的质量，像石墨舟堆这样十个一堆的物体也能够带动，而且带传动比较稳定，随着步进电机的驱动能够完成定方向定距离的上下移动，比较适合我们这个系统。

此套方案的缺点是如果设计带传动系统的话比丝杆系统更复杂些，要设计带轮、带轮轴、夹具等零件。

最后我们综合了以上两个方案的优缺点，从系统的整体稳定和效率出发，我们选择了带传动升降系统，关键是丝杆系统的丝杆不能承受每个400g的十个石墨舟堆的长时间的上升与下降，在一定时间之后丝杆会产生各种各样的问题，因此我们选择带传动升降系统，而且虽然带传动升降系统的零件有些复杂，但是一旦设计出来在实际安装过程中其实并不复杂，很多像螺母螺钉的零件都可以选择标准件，安装起来稳定可靠。

3.2带传动系统带和带轮的选择

首先我们选择带传动的方式，我们最开始在普通V带、普通平带、同步带三者之间选择。

普通V带的带两侧与论草附着较好，当量摩擦因数较大，允许包角小，带传动比大，中心距较小，预紧力较小，传动功率可达700KW。

普通平带的抗拉强度大，耐湿性好，中心距大，价格比较便宜，但是传动比较小，效率较低，可呈交叉，半交叉及有导轮的角度传动，传动功率可达500KW。

同步带是综合了带传动、链条传动和齿轮传动的优点而发展起来的新塑传动带。

它由带齿形的一工作面与齿形带轮的齿槽啮合进行传动，其强力层是由拉伸强度高、伸长小的纤维材料或金属材料组成，以使同步带在传动过程中节线长度基本保持不变，带与带轮之间在传动过程中没有滑动，从而保证主、从动轮间呈无滑差的间步传动。

同步带传动（见图3.3）时，传动比准确，对轴作用力小，结构紧凑，耐油，耐磨性好，抗老化性能好，一般使用温度-20℃―80℃，v<

50m/s，P<

300kw,i<

10,对于要求同步的传动也可用于低速传动。

图3.3同步带传统

同步带传动是由一根内周表面设有等间距齿形的环行带及具有相应吻合的轮所组成。

它综合了带传动、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。

同步带传动具有准确的传动比，无滑差，可获得恒定的速比，传动平稳，能吸振，噪音小，传动比范围大，一般可达1:

10。

允许线速度可达50M/S，传递功率从几瓦到百千瓦。

传动效率高，一般可达98%，结构紧凑，适宜于多轴传动，不需润滑，无污染，因此可在不允许有污染和工作环境较为恶劣的场所下正常工作。

本产品广泛用于纺织、机床、烟草、通讯电缆、轻工、化工、冶金、仪表仪器、食品、矿山、石油、汽车等各行业各种类型的机械传动中。

同步带的使用，改变了带传动单纯为摩擦传动的概念，扩展了带传动的范围，从而成为带传动中具有相对独立性的研究对象，给带传动的发展开辟了新的途径。

同步带的特点

（1）、传动准确，工作时无滑动，具有恒定的传动比；

（2）、传动平稳，具有缓冲、减振能力，噪声低；

（3）、传动效率高，可达0.98，节能效果明显；

（4）、维护保养方便，不需润滑，维护费用低；

（5）、速比范围大，一般可达10，线速度可达50m/s，具有较大的功率传递范围，可达几瓦到几百千瓦；

（6）、可用于长距离传动，中心距可达10m以上。

接着，我们选择带轮，同步带传动的带轮有实心轮、辐板轮、孔板轮、椭圆辐轮等结构，由于我们的石墨舟的大小也仅有91×

234×

42的外轮库大小，所以我们的设计的带轮不会太大，带轮的内孔直径也最多在15~25之间，所以我们选择内径孔大小为20的实心轮，设计、加工很方便，传动效率高，也比较容易安装和定位。

带轮与轴之间的连接采用键槽连接，具体的设计在接下来的轴设计里面会具体讲到。

考虑到主动轮和从动轮的问题，由于我们的系统时直线升降移动，对传动比没有要求，而且考虑到对步进电机的控制问题，我们最后决定主动带轮和从动带轮使用相同的型号和尺寸，这样零件互换性有了进一步提高，对维修和安装都有一定的方便。

由上可知，同步带输出转矩为：

0.21N.m，输出转速为：

，单级传动效率为：

η=85%，传动比i=1，取安全系数k=3，则同步带传递功率为：

（3.1）

因此我们在带传动方面选择同步齿形带传动

3.2.1电机额定输出功率估算

=7.16W（3.2）

3.2.2确定计算功率

电动机每天使用16小时左右，查表3-1得到工作情况系数

=1.7。

则计算功率为:

（3.3）

表3-1工作情况系数看

3.2.3小带轮转速计算

（3.4）

3.2.4选定同步带带型和节距

由同步带选型图3.4可以看出，由于在这次设计中功率转速都比较小，所以带的型号可以任意选取，现在选取H型带，节距

图3.4同步带选型图

3.2.5选取主动轮齿数

查表3-2知道小带轮最小齿数为14，现在选取小带轮齿数为14。

3.2.6小带轮节圆直径确定

（3.5）

表3-2小带轮最小齿数表

3.2.7大带轮相关数据确定

由于系统传动比为

，所以大带轮相关参数数据与小带轮完全相同。

齿数

，节距

3.2.8带速v的确定

（3.6）

3.2.9初定轴间间距

根据公式

（3.7）

得

现在选取轴间间距为570mm。

3.2.10同步带带长及其齿数确定

（3.8）

=1390.024mm

3.2.11带轮啮合齿数计算

有在本次设计中传动比为一，所以啮合齿数为带轮齿数的一半，即

=20。

3.2.12基本额定功率

的计算

（3.9）

查基准同步带的许用工作压力和单位长度的质量表3-3可以知道

=