小型模具柔性制造系统设计起重机Word格式.docx
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Weber,HullerHille,Scharman（德国）等。
我国第一套FMS于1986年10月在北京机床研究所投入运行，用于加工伺服电机的零件。
许多科研院所和大学都开展FMS的研究和开发，成功设计制造了许多FMS案例。
通过近40年的努力和实践，FMS技术已臻完善，进人了实用化阶段，并已形成高科技产业。
随着科学技术的飞跃进步以及生产组织与管理方式的不断更换，FMS作为一种生产手段正在向小型化、单元化、模块化、集成化方向发展，单项技术性能与系统性能不断提高，重视人的因素，完善适应先进制造系统的组织管理体系，将人与FMS以及非FMS生产设备集成为企业综合生产系统，实现人一技术一组织的兼容和人机一体化。
应用范围逐步扩大，如金属切削FMS的批量适应范围和品种适应范围正逐步扩大，例如向适合于单件生产的FMS扩展和向适合于大批量生产的FMS（即FML）扩展。
另一方面，FMS由最初的金属切削加工向金属热加工、装配等整个机械制造范围发展，并迅速向电子、食品、药品、化工等各行业渗透。
1.1.2起重机简介
起重机是在一定范围内垂直提升和水平搬运重物的多动作起重机械，又称吊车。
它主要用来吊运成件物品，配备适当吊具后也可吊运散状物料和液态物料。
起重机的工作特点是作间歇性运动，即在一个工作循环中取料、运移、卸载等动作的相应机构是交替工作的。
各机构经常处于起动、制动和正反方向运转的工作状态。
中国古代灌溉农田用的桔槔是臂架型起重机的雏形；
14世纪，西欧出现人力和畜力驱动的转动臂架型起重机；
19世纪前期，出现了桥式起重机；
起重机的重要磨损件如轴、齿轮和吊具等开始采用金属材料制造，并开始采用水力驱动；
到了19世纪后期，蒸汽驱动的起重机逐渐取代了水力驱动的起重机；
20世纪20年代开始，由于电气工业和内燃机工业的迅速发展，以电动机或内燃机为动力装置的各种起重机基本形成。
起重机通常按结构分为臂架型起重机和桥架型起重机。
臂架型起重机包括塔式起重机、门座起重机、浮游起重机、自行式起重机、由桅杆和臂架组成的桅杆起重机、沿墙壁运行的壁行起重机和装在船舶甲板上的甲板起重机等；
桥架型起重机包括桥式起重机、龙门起重机、运载桥和缆索起重机等。
起重机也可按用途、驱动方式和机动性等特点分类。
臂架型起重机通过外伸的长臂架，可将重物搬运到离机座较远的地方，主要用于车、船的装卸作业。
臂架有可俯仰的倾斜式和不可俯仰的水平式两种。
倾斜臂架起重机的吊具悬挂在臂架顶端滑轮的下面，水平臂架起重机的臂架上有带吊具的起重小车。
臂架型起重机一般可以回转，通过起重机的回转和臂架的俯仰，或起重小车沿臂架的运行，使重物在特定范围内移动。
这类起重机的起重能力以臂架最小幅度时的额定起重重量和额定起重力矩来表示。
幅度是吊具离起重机回转中心线的水平距离，起重力矩是起吊物品的重力与幅度的乘积。
桥架型起重机具有水平桥架，能越过地面障碍物吊运重物，或完成一定的工艺操作，它广泛应用于机械制造和冶金等部门的车间和室内外仓库。
桥式起重机在高架轨道上运行，其他桥架型起重机则在地面轨道上运行。
起重小车沿桥架上的轨道运行，通过桥架和起重小车的运动，可以获得矩形的工作范围。
表征这类起重机的主要参数是额定起重量和跨度。
起重机的型式很多，但其主要组成部分都包括起升机构、运行机构、变幅机构和回转机构，以及金属结构等。
有的起重机还有完成一定工艺操作的专用工作装置，如夹钳起重机的夹钳。
起升机构是起重机最基本的工作机构，大多由吊挂系统和绞车组成，也有通过液压系统升降重物的。
吊挂系统一般由钢丝绳、滑轮组和吊具组成，吊钩是最常见的吊具。
绞车可安置在起重小车上，也可安置在起重机金属结构上或附近的地基上，通过收放钢丝绳而升降重物，有时可用电动葫芦或手动葫芦作为起升机构。
有些起重机还配有副起升机构，用以吊运较轻的物品或进行辅助作业。
运行机构是用以纵向水平运移重物，或调整起重机工作位置的部件，一般由电动机、减速器、制动器和车轮组成。
现代起重机中，两侧车轮通常由各自独立的驱动机构带动，也有采用由电动机、减速器和制动器组合成一体的“三合一”方式。
起重小车运行机构的组成与起重机运行机构相似，用以横向水平运移重物或调整小车位置。
大多数小车是自行式的，即本身带驱动装置；
有时为了减轻小车自重，也可采用钢丝绳牵引式的，即把驱动机构装在水平臂架或桥架的一端。
变幅机构只有在臂架型起重机上才配备。
臂架仰起时幅度减小，俯下时幅度增大。
按性能要求可分为平衡变幅和非平衡变幅两种；
按作业要求又可分为工作性变幅和非工作性变幅两种。
回转机构是用以使臂架回转的部件，由驱动装置和回转支承装置组成。
驱动装置带动起重机的转动部分回转，回转支承装置使起重机的转动部分支持在非转动部分上。
金属结构是指起重机的骨架。
各种起重机有不同的结构型式，主要承载件如桥架、臂架和门架可以是箱形结构或桁架结构，也可以是腹板结构。
金属结构的尺寸和重量占起重机外形尺寸和总重量的很大部分，要在保证强度、稳定性和刚度，即保证金属结构不发生破坏、不产生过度变形和振动的条件下，尽量减轻结构重量。
多数起重机是用电动机驱动的，人力驱动仅适用于起重量很小且搬运距离不大的起重机。
与普通电动机比较，起重机专用电动机的起动转矩大、转子的转动惯量小、机械强度高。
交流绕线型电动机用得最多。
需要在很大范围内平稳调速时，也可采用直流电动机。
自行式起重机和浮游起重机大多采用内燃机或内燃机-电机驱动。
起重机的操作方式很多，通常是在司机室内操纵；
也可在地面上用按钮操纵；
还可以采用有线或无线远距离控制。
当要完成固定程序的作业时，可以采用程序控制的方法自动完成多种动作。
起重机的故障会引起重大的人身事故和经济损失，因此，在起重机上装有各种起重机安全装置，如防止超载的负荷限制器，限制起重机、起重小车或吊具位置的行程开关，防止起重机被大风吹走的起重机夹轨器，以及信号装置等。
对臂架型起重机尤其要注意整体稳定性，即保证它在外载荷作用下不发生倾翻。
起重机的主要发展趋势是：
研制更合理的金属结构、机构和零部件，以减少金属消耗量；
发展大起重量的起重机；
提高工作速度、扩大调速范围；
研究结构振动问题；
提高金属结构、机构和电气设备的可靠性和使用寿命；
改善司机操作的条件，保证作业安全提高自动化控制程度和扩大远距离控制系统的使用范围尤其是把它们应用到作业频繁的仓库堆垛起重机和环境恶劣的冶金起重机上。
1.2研究内容
这次所要设计的小型模具柔性制造系统包括立体仓库、机械手搬运、多工位加工、多通道环行线、视觉检测五个系统单元。
在本次设计任务中，我主要负责TVT－4000E立体仓库系统单元中巷式起重机结构的硬件设计，如何运用PLC软件程序使巷式起重机实现货物在仓库中的自动存取和使自动取料机构实现对货物的自动存取。
了解立体仓库及自动取料机构的工作原理，以及如何使用组态王软件编写程序来实现人机界面的控制。
TVT－4000E立体仓库系统单元结构图如图2所示。
4000E立体仓库系统单元结构图
（5-1）－巷式起重机（5-2）－立体仓库（5-3）－自动取料机构
巷式起重机由丝杠驱动步进电机（5-1-1）、光杠（5-1-2）、气动储取货物机构（5-1-3）、X轴步进电机（5-1-4）、Ｘ轴光杠（5-1-5）、Ｚ轴气缸（5-1-6）、滚珠丝杠（5-1-7）组成。
巷式起重机（5-1）主要是实现货物在仓库内的自动存取。
见图3。
由货物储备台（5-2-1）、检测传感器（5-2-2）、立体仓库型材基体（5-2-3）组成。
立体仓库（5-5-1）主要是实现货物的存储，见图4。
自动取料机构
5000E5立体仓库系统单元工作原理 通过并联真空吸盘（5-3-2）把环行线的立体仓库存取料工位上的货物通过直线气缸（5-3-1）使货物被放入巷式起重机（5-1），并有巷式起重机（5-1）把货物放入立体仓库（4-2）中，立体仓库主要是实现成品、半成品的自动存取。
自动流程图：
巷式起重机
立体仓库
第二章巷式起重机的结构设计
巷式起重机主要由步进电机、光杆、滚珠丝杠、气动储取货物机构组成。
2.1步进电机的选择
2.1.1步进电机的运动控制
步进电机是生产机械上常用的另一种运动部件，它具有结构简单，控制方便，定位准确，成本低廉等优点，因而应用十分广泛。
目前世界上主要的PLC厂家生产的PLC均有专门的步进电机控制指令，可以很方便地和步进电机构成运动控制系统。
步进电机和生产机械的连接有很多种，常见的一种是步进电机和丝杠连接，将步进电机的旋转运动转变成工作台面的直线运动。
在这种应用中，关系运动直接后果的参数有以下几个：
N：
PLC发出的控制脉冲的个数
n：
步进电机驱动器的脉冲细分数（如果步进电机驱动器有脉冲细分驱动）
θ：
步进电机的布距角，即步进电机每收到一个脉冲变化，轴所转过的角度
d：
丝杠的螺纹距，它决定了丝杠每转过一圈，工作台面前进的距离
根据以上几个参数，我们可以得到以下结果：
PLC发出的脉冲个数到达步进电机上，脉冲实际有效数应为N/n
步进电机每转过一圈，需要的脉冲个数为360/θ
则PLC发出N个脉冲，工作台面移动的距离为：
PLC要和步进电机配合实现运动控制，还需要在PLC内部进行一系列设定，或者是编制一定的程序。
不同的PLC类型所要编制的程序不同，控制字也有不同，参考其说明书就可以知道这种差异。
另外，步进电机控制是要用高速脉冲控制的，所以PLC必须是可以输出高速脉冲的晶体管输出形式，不可以使用继电器输出形式的PLC来控制步进电机。
2.1.2步进电机的原理与选择
1.步进电机的工作原理
步进电机是数字控制系统中的执行电动机，当系统将一个电脉冲信号加到步进电机定子绕组时，转子就转一步，当电脉冲按某一相序加到电动机时，转子沿某一方向转动的步数等于电脉冲个数。
因此，改变输入脉冲的数目就能控制步进电动机转子机械位移的大小；
改变输入脉冲的通电相序，就能控制步进电动机转子机械位移的方向，实现位置的控制。
当电脉冲按某一相序连续加到步进电动机时，转子以正比于电脉冲频率的转速沿某一方向旋转。
因此，改变电脉冲的频率大小和通电相序，就能控制步进电动机的转速和转向，实现宽广范围内速度的无级平滑控制。
步进电动机的这种控制功能，是其它电动机无法替代的。
步进电动机可分为磁阻式、永磁式和混合式，步进电动机的相数可分为：
单相、二相、三相、四相、五相、六相和八相等多种。
增加相数能提高步进电动机的性能，但电动机的结构和驱动电源就会复杂，成本就会增加，应按需要合理选用。
2.步进电动机的特点
◆步进电动机是一种作为控制用的特种电机，它的旋转是以固定的角度（称为“步距角”）一步一步运行的，其特点是没有积累误差（精度为100％），所以广泛应用于各种开环控制。
◆步进电机的转速与脉冲信号的频率成正比
◆步距值不容易因为电气、负载、环境条件的变化而改变,使用开环控制（或半闭环控制）就能进行良好的定位控制。
◆起制动、正反转、变速等控制方便。
◆价格便宜,可靠性高。
◆步进电动机的主要缺点是效率较低,并且需要配上适当的驱动电源。
◆步进电动机带负载惯性的能力不强,在使用时既要注意负载转矩的大小,又要注意负载转动惯量的大小,只有当两者选取在合适的范围时,电机才能获的满意的运行性能。
◆由于存在失步和共振，因此步进电机的加减速的方法根据利用状态的不同而复杂多变。
3.步进电机驱动系统的基本组成
与交直流电动机不同，仅仅接上供电电源，步进电机不会运行的。
为了驱动步进电动机，必须由一个决定电动机速度和旋转角度的脉冲发生器（在该立体仓库控制系统中采用PLC作脉冲发生器进行位置控制）、一个使电动机绕组电流按规定次序通断的脉冲分配器、一个保证电动机正常运行的功率放大器，以及一个直流功率电源等组成一个驱动系统，如下图所示。
4.步进电动机的选择
在选择步进电动机时首先考虑的是步进电动机的类型选择，其次才是具体的品种选择，根据系统要求，确定步进电动机的电压值、电流值以及有无定位转矩和使用螺栓机构的定位装置，从而就可以确定步进电动机的相数和拍数。
在进行步进电机的品种选择时，要综合考虑速比、轴向力F、负载转矩T、额定转矩T和运行频率，以确定步进电机的具体规格和控制装置。
5.步进电机驱动器的原理与选择
（1）.步进电机驱动器的选择
步进电机的运行要有一电子装置进行驱动，这种装置就是步进电机驱动器，它是把控制系统发出的脉冲信号转化为步进电机的角位移，或者说：
控制系统每发一个脉冲信号，通过驱动器就使步进电机旋转一步距角。
所以步进电机的转速与脉冲信号的频率成正比。
所有型号驱动器的输入信号都相同，共有三路信号，它们是：
步进脉冲信号CP、方向电平信号DIR、脱机信号FREE（此端为低电平有效，这时电机处于无力矩状态；
此端为高电平或悬空不接时，此功能无效，电机可正常运行）。
它们在驱动器内部的接口电路都相同，见下图。
OPTO端为三路信号的公共端，三路输入信号在驱动器内部接成共阳方式，所以OPTO端须接外部系统的VCC，如果VCC是+5V则可直接接入；
如果VCC不是+5V则须外部另加限流电阻R，保证给驱动器内部光耦提供8-15mA的驱动电流，参见图4和图5。
外围提供电平为24V，而输入部分的电平为5V，所以须外部另加1.8K的限流电阻R。
图4输入信号接口电路图5外接限流电阻R
步进电机驱动器的输出信号有两种:
.初相位信号：
驱动器每次上电后将使步进电机起始在一个固定的相位上，这就是初相位。
初相位信号是指步进电机每次运行到初相位期间，此信号就输出为高电平，否则为低电平。
此信号和控制系统配合使田，可产生相位记忆功能，其接口见图6。
图6初相位信号接口电路
.报警输出信号：
每台驱动器都有多种保护措施（如：
过压、过流、过温等）。
当保护发生时，驱动器进入脱机状态使电机失电，但这时控制系统可能尚未知晓。
如要通知系统，就要用到‘报警输出信号’。
此信号占两个接线端子，此两端为一继电器的常开点，报警时触点立即闭合。
驱动器正常时，触点为常开状态。
触点规格：
DC24V／1A或AC11OV／O．3A。
一般来说，对于两相四根线电机，可以直接和驱动器相连，见下图。
电机与驱动器接线图
以北京斯达特机电科技发展有限公司生产SH系列步进电动机驱动器（型号为SH-2H057）为例，主要由电源输入部分、信号输入部分、输出部分组成。
SH-2H057步进电动机驱动器采用铸铝结构，此种结构主要用于小功率驱动器,这种结构为封闭的超小型结构，本身不带风机，其外壳即为散热体，所以使用时要将其固定在较厚、较大的金属板上或较厚的机柜内，接触面之间要涂上导热硅脂，在其旁边加一个风机也是一种较好的散热办法。
此步进电机驱动器的电气技术数据为：
驱动器型号
相数
类别
细分数
通过拨位
开关设定
最大
相电流
开关设定
工作电源
SH-2H057
二相或四相
混合式
二相八拍
3.0A
一组直流
DC（24V-40V）
（2）.步进电机驱动器接线示意图见图8
图8步进电机驱动器接线示意图
（3）.步进电机驱动器细分数和电机相电流的设定
.细分数的设定
要了解“细分”，先要弄清“步距角”这个概念：
它表示控制系统每发一个步进脉冲信号，电机所转动的角度。
SH系列驱动器是靠驱动器上的拨位开关来设定细分数的，您只需根据面板上的提示设定即可。
在系统频率允许的情况下，尽量选用高细分数。
对于两相步进电机,细分后电机的步距角等于电机的整步步距角除以细分数，例如细分数设定为40、驱动步距角为0.9°
/1.8°
的电机，其细分步距角为1.8÷
40=0.045。
可以看出,步进电机通过细分驱动器的驱动，其步距角变小了，如驱动器工作在40细分状态时，其步距角只为电机固有步距角的十分之一，也就是说：
当驱动器工作在不细分的整步状态驱动上例的电机时，控制系统每发一个步进脉冲，电机转动1.8°
；
而用细分驱动器工作在40细分状态时，电机只转动了0.045°
，这就是细分的基本概念。
细分功能完全是由驱动器靠精确控制电机的相电流所产生的，与电机无关。
驱动器细分后将对电机的运行性能产生质的飞跃，但是这一切都是由驱动器本身产生的，和电机及控制系统无关。
在使用时，唯一需要注意的一点是步进电机步距角的改变,这一点将对控制系统所发出的步进信号的频率有影响;
因为细分后步进电机的步距角将变小，要求步进信号的频率要相应提高。
驱动器细分后的主要优点为：
a.完全消除了电机的低频振荡。
低频振荡（约在200Hz左右）是步进电机的固有特性，而细分是消除它的唯一途径，如果您的步进电机有时要在共振区工作（如走圆弧），选择细分驱动器是唯一的选择。
b.提高了电机的输出转矩。
尤其是对三相反应式电机，其力矩比不细分时提高约30—4096。
c.提高了电机的分辨率。
由于减小了步距角、提高了步距的均匀度，‘提高电机的分辨率’是不言而喻的。
以上这些优点，尤其是在性能上的优点，并不是一个量的变化，而是质的飞跃。
所以我们最好选用细分驱动器。
在没有细分驱动器时，用户主要靠选择不同相数的步进电机来满足自己步距角的要求。
但现在的情况不同了，细分驱动器的出现改变了这种观念，用户只需在驱动器上改变细分数，就可以改变步距角。
所以如果用户采用细分驱动器，‘相数’将变得没有意义
.电机相电流的设定
SH系列驱动器是靠驱动器上的拨位开关来设定电机的相电流，您只需根据面板上的电流设定表格进行设定。
（4）.步进电机驱动器指示灯说明
驱动器的指示灯共有两种：
电源指示灯（绿色或黄色）和保护指示灯（红色）。
当任一保护发生时，保护指示灯变亮。
（5）.步进电机驱动器电源接口
对于超小型驱动器（SH—2H057、SH—3F075、SH—2H057M、SH-3F075M），采用一组直流供电DC（24-40V），注意正负极不要接错，此电源可以由一变压器变压后加整流滤波（无须稳压）组成;
或者由一开关电源提供,参考下图。
因为PLC需要采用开关式稳压电源供电,所以在设计中电源应选用开关式稳压电源，见下图。
开关式稳压电源
不同的步进电机驱动器需配合适当的PLC，原则是使PLC的输出高速脉冲可以传输到步进电器驱动器内部。
在上图中，步进电机驱动器的输入信号采取的是公共阳极，则PLC就应当采用NPN晶体管输出类型的，并且接线如图9所示。
如果步进电机驱动器的输入信号采取的是公共阴极，则PLC就应当采用PNP晶体管输出类型的。
2.2气动机构的选择
气动传动简称气动,是指以压缩空气为工作介质来传递动力和控制信号,控制和驱动各种机械和设备,以实现生产过程机械化、自动化的一门技术。
它是流体传动及控制学科的一个重要分支。
因为以压缩空气为工作介质，具有防火、防爆、防电磁干扰，抗振动、冲击、辐射，无污染，结构简单，工作可靠等特点。
气压传动的优点：
（1）空气随处可取，取之不尽，节省了购买、贮存、运输介质的费用；
（2）空气在使用完后排入大气中去，对环境无污染，处理方便，不必设置回收管路；
（3）因空气粘度小，在管内流动阻力小，压力损失小，便于集中供气和远距离输送；
（4）与液压相比，气动反应快，制造容易，适用于标准化、系列化、通用化；
（5）气动元件对工作环境适应性好；
（6）空气具有可压缩性,使气动系统能够实现过载自动保护。
2.2.1气压传动系统的组成
典型的气压传动系统是由气压发生装置、执行元件、控制元件和辅助元件四个部分组成。
气压发生装置简称气源装置，是获得压缩空气的能源装置，其主体部分是空气压缩机，另处还有气源净化设备。
空气压缩机将原动机供的机械能转化为空气的压力能；
而气源净化设备用以降低压缩空气中的水分、油分以及污染杂质等。
使用气动设备较多的厂矿将气源装置集中在压气站（俗称空压站）内，由压气站再统一向各用气点（分厂、车间和用气设备等）分配供应压缩空气。
执行元件是以压缩空气为工作介质，并将压缩空气的压力能变为机械能的能量转换装置。
包括作直线往复运动的气缸，作连续回转运动的气马达和作不连续回转运动的摆动马达。
控制元件又称操纵、运算、检测元件，是用来控制压缩空气流的压力、流量和流动方向等，以便使执行机构完成预定运动规律的元件。
包括各种压力阀、方向阀、流量阀、逻辑元件、射流元件、行程阀、转换器和传感器等。
辅助元件是使压缩空气净化、润滑、消声以及元件间连接所示需要的一些装置。
包括分小滤气器、油雾器、消声器以及各种管路附件等。
2.2.2气源装置
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