某某生产流水线项目设计方案.docx
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某某生产流水线项目设计方案
某某生产流水线项目设计方案
1引言
1.1流水线的概念及分类
生产流水线是在一定的线路上连续输送货物搬运机械，又称输送线或者输送机。
按照输送系列产品大体可以分为：
皮带流水线、板链线、倍数链线、插件线、网带线、悬挂线及滚筒流水线这七类流水线。
一般包括牵引件、承载构件、驱动装置、紧装置、改向装置和支承件等。
流水线输送能力大，运距长，还可在输送过程中同时完成若干工艺操作，所以应用十分广泛。
1.2目前流水线发展的现状
我国流水线设备技术起步晚，市场上低端产品很多而且存在不良竞争，但经过不断的发展已经达到了很高的水平。
未来三年，全球流水线设备市场的发展潜力依然很大。
据中国电子元件行业协会信息中心预测，到2010年，流水线设备产量将达到468亿只，市场规模将达到515亿元，年均增长率将分别为17%和15%。
可见，即使在金融危机的阴影笼罩下，流水线设备市场依然有着强大的发展潜力。
中国在全球流水线设备市场中的份额将加继续大。
市调机构BishopandAssociates的报告称，2007年中国流水线设备市场就以16.8%的增长率位列全球第一，远超过全球流水线设备市场的平均增长率7.2%。
而近两年国外市场的持续低迷，也使国外流水线设备厂商加紧在中国的布局，从而加速中国流水线设备市场的发展。
随着我国的各个行业的不断发展，我国对流水线设备的技术要求也是非常高的，面对流水线设备的市场和技术变化，中国流水线设备厂商应逐步摆脱在中低端产品类型的同质化竞争，积极跟踪流水线设备的前沿技术，学习流水线设备的新技术新工艺，不断研发出新产品，拓展高端产品线。
随着我国的各个行业的不断发展，我国对流水线设备的技术要求也是非常高的，面对流水线设备的市场和技术变化，中国流水线设备厂商应逐步摆脱在中低端产品类型的同质化竞争，积极跟踪流水线设备的前沿技术，学习流水线设备的新技术新工艺，不断研发出新产品，拓展高端产品线。
1.3本设计的目的和意义
目前中小企业生产成本上升幅度较大。
从2007年初开始，国家确定了以“两防”（‘防过热、防通胀’）为主导的宏观调控政策走向，使产品市场逐步萎缩，价格逐步下降。
而包括能源在的原材料，则呈上升趋势。
加之人民币汇率上升，以及《劳动合同法》的颁发布实施，更增加了成本上升的幅度。
其中后两项属于硬成本，企业是不能消化的。
这就大大增加了企业控制成本的难度。
更严重的是，中小企业生产成本上升，完全达到了侵蚀利润的程度，由此造成大批中小企业亏损，导致部分外资企业外移的同时，丢掉了一些产品的国际市场。
同时由于自身资金和技术水平所限，基础薄弱的中小企业只能有选择地进入门槛较低的行业，其产品还主要集中在中低端，而且越是低端产品，厂商越多。
由于进入行业过于集中，行业之间产品同质性明显，且都属于竞争性行业，故相互之间竞争异常激烈。
在这样的大环境下，中小企业想在市场上占领一席之地必须使自己的产品具有竞争力。
本次设计是为一家中小企业设计刹车片缺陷检验流水线，之前的检验都是由人工完成的，不仅速度慢容易存在检验的疏漏，同时花费大量的财力导致生产成本提高，使产品本身的竞争力下降。
1.4本设计主要解决的问题
（1）流水线如何准确实现刹车片在流水线上的等距传送；
（2）流水线如何准确实现刹车片的分拣。
2系统设计
2.1设计任务
完成汽车刹车片缺陷检验流水线结构设计，要求能完成大小不同的刹车片是否存在缺陷的检验。
设计参数：
流水线长3m；检测零件直径210~470mm；检测速度：
3s/个。
2.2总体方案确定
2.2.1系统的驱动
流水线是长时间持续工作的系统但其功率不是很大，故运动通过一个两项交流电机驱动，电机的调速通过一变频器控制输入交流电频率实现。
2.2.2分拣机构
由于刹车片太薄，而且要求检测速度为3s/个，用气缸分拣整个过程耗时过长，同时气缸与皮带表面距离很小容易刮伤皮带表面。
故设计了机械分拣装置，该装置采用机构按凸轮曲线做周期运动的原理实现，经分析，理论上能很好的满足需求。
2.3设计方案的比较
方案
优点
缺点
气缸分拣
结构简单、好控制
可靠性低、易划伤皮带
机械分拣机构
可靠性高
机构复杂
通过两种方案的比较，选择了可靠性高的机械分拣机构。
3主体机械结构设计
3.1流水线整体尺寸估算
长：
根据要求，流水线总长3000mm。
宽：
由于刹车片最大直径为470mm，故，流水线宽度选择550mm。
高：
按照现有流水线高度，流水线台面高度设计为750mm。
3.2主要构件的设计选择
3.2.1滚筒选择
一般情况下滚筒长度采用“输送物+50mm”即，
470+50=520，圆整为550mm
驱动辊：
根据经验选择Φ140mm
从动滚筒：
选择Φ60mm
3.2.2电机选择
目前流水线使用的都是单相220V减速电机，功率选择方面：
由于整个机构运动比较平稳，故按电机的静功率计算，故有：
P＝=0.2479kw（3.1）
M为滚筒的计算转矩：
M=F*R=70N/m（3.2）
F为皮带传输时主动滚筒受到的切向力根据经验估值为1000N。
（其中包括约重8kg的产品），R——0.07m。
n为滚筒的转速：
n=30v带/（πr）=22.74r/min
η为效率：
η=η齿轮*η链轮*η轴承*η滚筒=0.6724
η齿轮：
八级精度的一般传动0.97（减速电机的两级齿轮）
η链轮：
0.96（一对）
η轴承：
0.99（共5对）
η滚筒：
0.96（共5个）
综上，选择了NHY-28减速电机。
有关参数如下：
电机型号
额定电压（V）
额定电流（A）
额定功率（KW）
满载转速（R/Min）
传动比
NCH28
220
2.13
0.4
1720
1:
50
3.2.3链轮设计
1.链条类型的确定
传动链可分为短节距精密滚子链、齿形链等类型。
其中滚子链常用于传动系统的低速级，一般传递的功率在100kW以下，链速不超过15m/s，推荐使用传动比imax=8。
齿形链应用较少。
故本设计使用滚子链，又因传动功率较小用单排链即可。
2.链轮材料的选择
链轮轮齿要具有足够的耐磨性和强度。
由于大小链轮的齿数一样，故选择的材料也一样，选择了采用的材料40#，经淬火和回火热处理，热处理后硬度40~50HRC。
3.链轮的结构
小直径的链轮可制成整体式如下图所示：
图3.1
4.设计计算
由于电机的输出轴径为28mm，所以设计链轮轴径也为28mm。
电机额定功率为0.4kw。
（1）.选择链轮齿数Z1=Z2=17,故：
i=z1/z2=1
（2）.计算当量单排链的计算功率Pca
Pca==0.372KW（3.3）
KA——为工况系数，查表9-6为1.0；
KZ——主动链轮齿数系数，见图9-13为1.52；
KP——多排链系数，本设计为单排链故为1.0;
P——传递的功率0.2479KW。
（3）.确定链条型号和节距p
链条根据当量的单排链的计算功率Pca和主动链轮的转速n1由图9-11为6B。
然后由表9-1确定链条节距p=9.525mm。
（4）.计算链节数和中心距
出选中心距a0=30p=285.75mm，按下式计算出链节数：
Lp0=2++2=73（3.4）
将其圆整为74。
（5）.计算链速v，确定润滑方式
平均链速按9-1计算
V==0.09386m/s（3.5）
根据链速v，由图9-14选择合适的润滑方式为定期润滑。
（6）.计算链传动作用在轴上的压轴力Fp
压轴力可近似的取为
FP≈KFpFe=1150N（3.6）
式中：
Fe——有效圆周力1000N（经验估算）
KFe——压轴力系数，水平传动取1.15
5.参数确定
名称
符号
计算公式及结果（mm）
分度圆直径
d
d==51.8
齿顶圆直径
da
da=d+1.25p-d1=57.3
齿根圆直径
df
df=d-d1=45.45
齿高
ha
ha=0.625p-0.5d1+=3.226
确定的最大凸缘直径
dg
dg=p-1.04h2-0.76=41.6
其中：
d1为滚子直径，查表为6.35mm；
h2为链板高度，查表为8.26。
3.2.5链条选择
根据所设计的链轮，对应选择相应的链条。
选择类型为滚子链，具体参数如下：
ISO链号
节距p
滚子直径
d1max
链节宽b1min
销轴直径
d2max
链板高度h2max
排距
p1
单排抗拉载荷min
mm
kN
06B
9.525
6.35
5.72
3.28
8.26
5.64
4.4
3.2.4键的选择
1.键的选择
根据电机输出轴的直径φ28由表6-1选择普通平键8*7*20。
图3.2
2.键强度的校核
假定载荷在键的工作表面均匀分布，普通平键连接的条件为
σp==71.43MP<[σp]（3.7）
式中：
T——传递的扭矩，70N/m；
k——轮毂与键的连接高度，3.5mm；
l——键的工作长度，20mm；
d——轴的直径，28mm；
σp——键、轴、轮毂中三者最弱材料的许用挤压应力，100Mp。
故，所选键满足要求。
3.2.5轴承的选用
由于滚动轴承多为已标准化的外购件，因而，在设计时，只需：
1、正确选择出能满足约束条件的滚动轴承。
2、进行滚动轴承部件的组合设计
1类型选择
（1）轴承所受载荷的大小
通常，中小载荷及载荷波动较小的场合工作用球轴承；承受较大的载荷宜用滚子轴承。
（2）载荷方向
若轴承承受纯轴向载荷，一般选用推力轴承；若所承受的纯轴向载荷较小，可选用推力球轴承；若所承受的纯轴向载荷较大，可选用推力滚子轴承；若轴承承受纯径向载荷，一般选用深沟球轴承、圆柱滚子轴承或滚针轴承；当轴承在承受径向载荷的同时，还承受不大的轴向载荷时，可选用深沟球轴承或接触角不大的角接触球轴承或圆锥滚子轴承，当轴向载荷较大时，可选用接触角较大的角接触球轴承或圆锥滚子轴承，或者选用向心轴承和推力轴承组合在一起的结构，分别承担径向载荷和轴向载荷。
（3）各构件轴承的选择
驱动滚筒选择深沟球轴承，型号6210
从动滚筒选择深沟球轴承，型号6204
分拣机构推力球轴承，型号51102
2轴承的校核
（1）滚动轴承疲劳寿命的校核计算
不考虑到温度的影响，轴承的载荷-寿命计算公式表示为：
Lh=3（3.8）
式中：
P为当量动载荷（N）；
C基本额定动载荷，查表8-155为12.8kN；
ε为寿命指数，对于球轴承ε＝3；
n为代表轴承的转速（r/min）。
疲劳寿命校核计算应满足的约束条件为
式中：
Lh’为轴承预期计算寿命，可查[8]表13-3。
经计算nq=22.74r/min，nc=53r/min（nq为驱动滚筒轴承转速，nc为从动滚筒轴承转速）由于从动轴承转速比驱动轴承大，且从动轴承直径比驱动轴承直径小，故在此只对从动轴承轴承进行寿命验算。
对于分拣机构上的推力球轴承，由于轴承很少运动，且受力很小故在此不做验算。
图3.3
对从动轴承进行受力分析如下图：
故，P=Fp（XFr+YFa）=Fp*Fr=1100N（3.10）
Lh=49547.8h>Lh’
即，所选轴承符合设计要求。
3.2.6皮带的选用
流水线的皮带选择是本设计的关键，因为此流水线要求对每个刹车片进行拍照检测，拍照时要求流水线的反光程度较小，反光太大会影响照片的处理，从而影响检测的结果。
故，选择流水线皮带式选择了反光程度小的绿色PVC带。
它具有不易燃性、高强度、耐气侯变化性以及优良的几何稳定性。
PVC对氧化剂、还原剂和强酸都有很强的抵抗力。
设计流水线宽度为550mm，所以所选的皮带宽度也是550mm；皮带厚度为两毫米。
长度估算：
L=2×3000+2×Π×r2+2×50+Π×r1+ΔL=7510mm（3.11）
式中：
L为流水线皮带总长；
r1为驱动滚筒半径，为70mm；
r2为从动滚筒半径，为30mm；
ΔL为曾加长度，为100mm。
同时，其中一从动滚筒水平位置可以调节能始终保持流水线处于适当紧状态。
3.2.7型材的选用
图3.4
目前，国已经形成了工业铝型材产业链，现在流水线的铝型材都已标准化，它是铝棒通过热熔、挤压、从而得到不同截面形状的铝材料。
铝型材的生产流程主要包括熔铸、挤压和上色三个过程。
其中，上色主要包括：
氧化、电泳涂装、氟炭喷涂、粉末喷涂、木纹转印等过程。
只需选择合适的率形成即可。
为了安装的方便选择了如下图所示的工业铝型材。
其牌号为6005型（6005 挤压型材与管材，用于要求强高大于6063合金的结构件，如梯子、电视天线等）。
图上图所示，其规格为130*22*2，两侧槽宽均为12槽深10，可以容纳M6螺栓的头部，由此可以将其他部件连接在一起。
4分拣机构设计
本设计中有缺陷产品的分拣是通过机械机构实现的，基本原理是通过变化的凸轮曲线实现分拣架在整个圆周上完成重复的分拣运动。
4.1凸轮的设计
4.1.1周期中运动的分配
图4.1
按要求，毎3s钟检测一个产品，设计的分拣机构做圆周运动，在半个圆周里面完成一次分拣，即将分拣时间缩短了一半提高了分拣效率。
运动的具体分配如下图：
上图中，起始位置从流水线的带边开始进入凸轮的上升曲线，经过15°上升到凸轮的远休止弧段。
远休止弧段为102.5°此段分拣架抬起为了防止碰到流水线上的产品。
过后，进入下降段，下降段也为15°，分拣架快速下降到离流水线台面高度为2mm的地方，进入近休止弧段，从而将有缺陷产品播到分拣料斗中，实现分拣。
下图为凸轮的曲线图：
图4.2
4.1.2曲线方程的设计
为了消除凸轮的刚性冲击，凸轮的上升和下降曲线均采用的是二次曲线，曲线方程为：
S=5-10（15-δ）2/152（4.1）
下图是其速度和加速度曲线：
下图为三维造型的凸轮：
4.2电机的选择
步进电机是一种能将数字输入脉冲转换成旋转或直线增量运动的电磁执行元件。
每输入一个脉冲电机转轴步进一个步距角增量。
电机总的回转角与输入脉冲数成正比例，相应的转速取决于输入脉冲频率。
选择步进电机时，首先要保证步进电机的输出功率大于负载所需的功率。
而在选用功率步进电机时，首先要计算机械系统的负载转矩，电机的矩频特性能满足机械负载并有一定的余量保证其运行可靠。
在实际工作过程中，各种频率下的负载力矩必须在矩频特性曲线的围。
一般地说最大静力矩Mjmax大的电机，负载力矩大。
由于分拣机构要实现固定位置的准停，所以电机应选择步进电机。
但由于只需180°的位置准停，所以对步进电机的步距角无较高要求。
4.2.1步进电机扭矩估算
摩擦片最大质量为1kg，摩擦片与流水线皮带的摩擦系数用橡胶和木头的摩擦系数近似替代。
查得橡胶与木头的摩擦系数约为0.3，故分拣时产品与流水线产生的阻力大约为：
Fr=mgμ=3（N）（4.2）
阻力力矩M等于：
M=Fr×L=0.93（N/m）（4.3）
式中：
L为分拣架的臂长为0.31m。
则电机的输出扭矩为：
T=M/η=0.95（N/m）（4.4）
式中：
η为从电机到分拣机构总的效率，η=η联×η轴承=0.99×0.99=0.98
若不考虑启动时运动部件惯性的影响取安全系数为0.3，则启动力矩
Tq==3.16（N/m）（4.5）
4.2.2型号选择
查资料选取86BYG250-80，具体参数如下表：
相数
工作电压（V）
工作电流（A）
静转矩（N.m）
轴径（mm）
步距角（°）
2
24~80
1.5
4.0
14
1.8
4.3联轴器选择
对于已标准化和系列化的联轴器，选定合适类型后，可按转矩、轴直径和转速等确定联轴器的型号和结构尺寸。
联轴器的计算转矩：
Tca=KKzKtKwT=3.95（N.m）（4.6）
式中：
K为工作系数，查表近似看做自动自动升降机为1.25；
Kz为启动系数，查表为1.0；（Z＜120）
Kt为温度系数，查表为1.0；（-20~30°）
Kw为动力机系数，查表为1.0。
（Ⅰ：
电动机类）
故选择了HL弹性套柱销联轴器。
许用扭矩16N/m>Tca。
4.4步进电机的控制
一般说来步进电机的控制可以用单片机控制也可以用PLC控制。
不同厂家的PLC有相同的工作原理，类似的功能和指标，有一定的互换性，质量有保证，编程软件正朝标准化方向迈进。
这正是PLC获得广泛应用的基础。
而单片机应用系统则是八仙过海，各显神通，功能千差万别，质量参差不齐，学习、使用和维护都很困难。
所以采用PLC控制选择型号为三菱FX2N。
4.4.1分析系统，确定I/O点数
为了控制步进电机运动需要一个输入启动信号，即检测到缺陷产品的信号；一个停止信号；一个电机运动的输出信号。
4.4.2分配I/O地址
表4-1外部信号与PLC的I/O接点地址编号对照表
输入信号
名称
功能
I/O编号
SB0
启动
X000
SB1
停滞
X001
输出信号
名称
功能
I/O编号
KM0
步进电机转动
Y000
4.4.3外部接线图
图4.5
4.4.4PLC程序设计
PLC程序主要连接检测到分拣机构的运动。
当刹车片经过检测装置下方时开始检测，当检测到是废品时，检测装置发出一个脉冲，即下图的X000，此时X000闭合，接通定时器T251、中间继电器M01同时重置计数器C0。
（由于检测机构距离分拣机构中心约为1米，检测速度1/6m/s。
故有定时器定时为6s。
又，选择的定时器为100ms积算型，故参数即为K600）中间继电器M01的常开触点闭合，使此回路自锁；等到计时器T251计时结束，其常开触点闭合接通Y000，同时Y000回路自锁，步进电机开始旋转，机构开始执行分拣动作。
其另一个常开触点接通计数器C0，当C0计数到100时将其常开触点断开，即步进电机旋转结束，结束分拣动作。
图4.6
5.料桶设计
为了方便有产品的搬运减少不必要的人力，与此同时设计了专用的料桶。
5.1材料选择
考虑到料桶属于圆柱形，所适合的生产工艺为拉升，所以选择的材料要求具有较好的延展性，其次料桶还应具有很长的寿命。
所以选择奥氏体不锈钢1Cr18Ni9，这类钢具有良好的塑性、韧性、焊接性和耐蚀性能，在氧化性和还原性介质中耐蚀性均较好，用来制作耐酸设备，如耐蚀容器及设备衬里、输送管道、耐硝酸的设备零件等。
奥氏体不锈钢一般采用固溶处理，即将钢加热至1050～1150℃，然后水冷，以获得单相奥氏体组织。
5.2结构设计
5.2.1桶径计算
如图5.1所示，假设料桶放在离料斗口下方50mm右边离其100mm处，同时假定产品从料斗滑落至料桶过程中速度很快，直到完全脱离料斗时也没发生翻转。
最大产品直径470mm，有勾股定理有：
D=50+（4702-470sin16°）+Δs≈600mm（5.1）
式中：
D表示桶径；
图5.1
Δs表示产品到桶壁的间隙。
5.2.2底部设计
由于刹车片质量叫重，为了方便搬运，所以在同的底部设计了两个槽。
此槽用两节槽钢焊接而成。
目前槽钢已经标准化，所以只需选择合适的槽钢进行切割焊接即可。
所选槽钢规格为8#-80*43*5.0。
结论
汽车刹车片缺陷检验流水线整个设计分为两大块：
一、流水线的设计
整个流水线的结构设计是基于现有流水线结构。
流水线型材的选择使得整个流水线的安装和调整大为简便，也使得其结构布局得到了很好的优化。
皮带的选择则是流水线能否成功的关节，其结果直接影响检测结果。
选择的绿色PVC皮带反光较少有利于图像采集，提高了图像分析的准确性。
二、分拣机构的设计
由于刹车片很薄，最大厚度不足4mm。
普通的分拣机构只能分拣体积较大的物品。
设计之初，尝试了用气缸进行分拣，但是由于气缸推杆前段容易划伤流水线，且存在回程滞后等问题，所以设计了专用的分拣机构。
机构利用凸轮曲线控制分拣架运动实现产品分拣，机构用步进电机驱动和准停，整个机构理论上可行。
当然本设计中还存在着诸多缺陷，如：
上料部分为实现自动化，分拣机构的可行性等问题有待解决。
致
经过了一个学期的鏖战，毕业设即终于完成了。
这次毕业设计的主要任务是解决刹车片检测流水线机械结构设计。
十一月份开始选题，后面写了文献综述和任务书，让我对从未接触过的流水线有了一定的了解。
在到整个设计的缓慢进行，整个过程我摆脱了单纯的理论知识学习状态，通过实际设计的结合锻炼了我的综合运用所学的专业基础知识，解决实际工程问题的能力，同时也提高我查阅文献资料、设计手册、设计规以及电脑制图等其他专业能力水平，而且通过对整体的掌控，对局部的取舍，以及对细节的斟酌处理，都使我的能力得到了锻炼，经验得到了丰富，并且意志品质力，抗压能力及耐力也都得到了不同程度的提升。
这是我们都希望看到的也正是我们进行毕业设计的目的所在。
虽然毕业设计容繁多，过程繁琐但我的收获却更加丰富。
各种系统的适用条件，各种标注件的选用，各个零件的安装方式，我都是随着设计的不断深入而不断熟悉并学会应用的。
整个设计离不开老师的悉心指导，在此向程晓民老师和以前所有教育过我的老师表示诚挚的感！
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