加工检测模块单元改造.docx
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加工检测模块单元改造
目录1
摘要2
一、机械系统课程实践的目的3
二、课程设计任务及要求3
三、机电一体化系统4
四、M03加工检测单元分析和改进方案5
五、M03单元改进设计说明书6
1.机械系统6
1.1凸轮分割器6
1.2齿轮机构7
1.3有限元分析9
2.控制系统9
2.1控制系统流程9
2.2控制系统的选择9
2.3控制系统的设定10
2.4PLC梯形图11
3.执行系统12
3.1气动系统12
3.2电气系统14
4、传感系统17
5、动力系统19
六、小结19
参考资料20
摘要
机械系统实验的目的是通过实验令学生能够正确掌握机电一体化系统典型机械零部件和执行元件的计算、选型和结构设计方法和步骤和掌握机电一体化系统控制系统的硬件组成、工作原理，和软件编程思想。
本次实验的主要任务是改进M03加工检测模块单元，以适应新的工件的加工。
相比原方案，我们小组增加了传感器的数量和新的定位机构以实现方案的改进计划。
、机械系统课程实践的目的
机械系统实验的目的是令学生能够正确运用《机电系统设计》课程的基本理论和相关知识，掌握机电一体化系统（产品）的功能构成、特点和设计思想、设计方法，了解设计方案的拟定、比较、分析和计算，培养学生分析问题和解决问题的能力，使学生具有机电一体化系统设计的初步能力。
通过机械部分设计，掌握机电一体化系统典型机械零部件和执行元件的计算、选型和结构设计方法和步骤；通过测试及控制系统方案设计，掌握机电一体化系统控制系统的硬件组成、工作原理，和软件编程思想；通过课程设计提高学生应用手册、标准及编写技术说明书的能力，促进学生在科学态度、创新精神、专业技能等方面综合素质的提高。
二、课程设计任务及要求
本次课程设计的任务是经过过学习和了解自动化生产线实验设备后，改变加工工件的大小尺寸，然后分小组改进生产线的各个模块单元，以适应新的工件加工。
自动化生产线实验设备一共分为十个模块单元，分别是M01供料及检测单元，M02次品处理单元，M03加工检验单元，M04表面处理单元，M05分拣单元，M06装配单元，M07机械臂运动单元，M08冲压单元，M09产品标记单元，M10立体仓库单元。
本小组的改进部分是改进M03加工检验单元，并且尽量与其他相关联的单元的改进方案建立联系，相互配合。
（自动化生产线设备）
三、机电一体化系统
机电一体化的目的是使系统（产品）高附加价值化，即多功能化、高效率化、高可靠化、省材料省能源化，并使产品结构向轻、薄、短、小巧化方向发展，不断满足人们生活的多样化需求和生产的省力化、自动化需求。
机电一体化系统构成要素及功能构成主要为机械系统、控制系统、执行系统、传感系统、动力系统。
本小组主要通过以上机电一体化系统的构成要素分析M03加工检测单元并且对该单元加以改进。
（M03加工检测模块单元）
四、M03加工检测单元分析和改进方案
原工作方案：
M02次品处理单元将合格的工件原料通过机械手夹具放置到M03加工检测模块单元的转盘上，光电漫反射传感器发出信号，步进电机工作，通过齿轮机构带动转盘转动，同时，M04表面处理单元
的机械手转至M03单元方向。
转盘转动到一定角度后，电机停止，夹具加紧工件。
刀具选择盘转动选择刀具，并且钻孔。
在钻孔的同时，带有电阻尺的探头检测工件钻孔加工情况并将检测情况变为电信号传送给M05
分拣单元，同一时刻M04表面处理单元的机械手抓取工件到M04单元进行表面处理。
因需要加工的工件尺寸发生变化，所以，对M03加工检测单元进行了部分改进，以适应工件尺寸的变化。
改进方案：
转盘原大小尺寸不变，厚度增加至40cm;因工件尺寸增
大，装夹的弧形定位槽尺寸增大；将检测工件是否接近M03单元的传感器改为槽式光电传感器；为保证转盘旋转时工件可以精确定位，在钻孔工位增加一个光电漫反射传感器；为了提高旋转精度和降低转速，在齿轮机构与转盘之间增加一个间歇机构------凸轮分割器；
需加工工件：
直径50mm,高60mm,材料为钢材，密度为7.85g/cm3
五、M03单元改进设计说明书
1.机械系统
1.1凸轮分割器
凸轮分割器是一种标准化的自动机械转位分度部件，可以根据节拍时间及负载大小等参数要求向专业制造商订购。
凸轮分割器工作原理：
通过输入轴上的共轭凸轮与输出轴上带有均匀分布滚针轴承的分度盘无间隙垂直啮合，凸轮轮廓面的曲线段驱使分度盘上的滚针轴承带动分度盘转位，直线段使分度盘静止，并定位自锁，就是做〔停止一分割一停止一分割-）的间歇分割回转运动。
通常情况下，输入轴旋转一圈（360°°，输出轴便完成一动一停的一个分度过程，在一个分度过程中，输出轴有一个转位时间和停止时间之比叫动静比，动静比的大小与凸轮曲线段在整个凸轮圆周上所占的角度大小有关系（通常把这段曲线所占的角度叫动程角），动程角越大，比值越大，分割器运转越平稳；凸轮圆周上直线段所占的角度叫静止角，动程角与静止角之和为360°°
凸轮分割器特点：
1•结构简单：
主要由立体凸轮和分割盘两部分组成
2.动作准确：
无论在分割区，还是静止区，都有准确的定位。
完全不需要其它锁紧元件。
可实现任意确定的动静比和分割数。
3.传动平稳：
立体凸轮曲线的运动特性好，传动是
光滑连续的，振动小，噪声低。
4.输出分割精度高：
分割器的输出精度一般w±
50〃。
咼者可达w±30〃。
5.高速性能好：
分割器立体凸轮和分割轮属无间隙啮合传动，冲击振动小，可实现高速，达900rPm.
6.寿命长：
分割器标准使用寿命为12000小时。
凸轮分割器参数：
1..驱动时间2秒，定位时间8秒
2.输入凸轮轴转速50rpm
3.凸轮曲线:
变形正弦曲线
4.回转盘重量20kg
5.工件重量0.97kg
6..工件距离转盘支撑点200mm
因为凸输曲线是变形正弦曲线,因此查表可得:
Vm:
最大非向性速度Vm=1.76
Am:
最大非向性之加速度Am=5.33
Qm:
凸轮轴最大扭力系数Om=0.99
回转盘惯性矩：
T仁10X0.232/（2G）=0.054
工件惯性矩：
T2;=0.97X0.22/（2G）=0.0198总惯性距：
T=T1+T2=0.0738
输出轴最大角速度：
a=AmX2MsX（360/衍xN/60）2=6.75rad/Q惯性扭矩：
Ti=TXa=0.498
摩擦系数查表取0.15，贝UTf=必（20+0.97）x0.2=0.6291kg.m总负载扭矩：
Te=Ti+Tf=1.127
因安全负载因数为fe=1.8,所以实际总负载扭矩Te=1.127X1.8=2.0286根据以上所计算的资料以及输入轴的转数50rpm来选择,参考说明书上所记载,凡是输出轴扭矩高于以上所计算的Te值者均可选用。
所以,选择分割工位为6，动程角为270°，变形正弦曲线的凸轮分割器。
1.2齿轮机构
机械结构分析
齿轮机构是应用最广的传动机构之一。
其主要优点是：
1）使用的圆周速度和功率范围广；
2）效率较高；
3）传动比稳定；
4）寿命长；
5）工作可靠性高；故请选择齿轮机构作为传动机构。
图一
图
如上图一，图二所示，齿数z1=20,z2=100,中心距a'=,150;粘合角
:
'=20。
，节圆直径d1'=50,d2'=250,齿顶圆直径da1=55,da2=255,
齿根圆直径df1=43.75，df2=243.75;模数m=2.5
正确啮合条件：
两轮模数和压力角分别相等，可得i=z2/z仁5，因此可
正确啮合
1.3有限元分析
2.控制系统
2.1控制系统流程
控制流程图
控制流程：
工件放置于转盘，槽式光电传感器发出信号给PLC
PLC产生信号控制步进电机工作，通过凸轮分割器带动转盘。
转盘转动60°后，触发光电漫反射传感器，传感器发信号给PLCPLC使步进电机停止工作并控制气缸加紧工件，同时PLC发出指令，在同一时刻完成选择刀具并转孔，检测已经加工工件，发信号给M04单元抓取工件等三项任务；
2.2控制系统的选择
控制系统一般有三种，一个是单片机，一个是PLC以及工控机。
单片机的特点是体积小，占用空间小，易于嵌入，控制功能能强大,
实时性好，运行速度快，但是故障查找较难，可维护性差。
PLC可
以完成基本的继电器逻辑电路控制系统，故障率低，容易维护，容易修改电路，操作简单。
工控机操作界面丰富，可以联网，组态及
远程控制，但开发维护成本高。
综合三种控制的特点，选择PLC作
为系统的控制系统
根据自动化实验生产线的总体控制系统和其他各相关单元的控制系统及相关设备，选择以西门子上S7-200CPU224PLC作为核心的控制系统。
2.3控制系统的设定
改进方案的控制系统分为两个模式：
手动控制模式，自动循环控制模式。
采用的PLC为西门子S7-200CPU224其I/O口分配如下表：
输入口
对应设备
功能说明
输出口
对应设备
功能说明
I0.0
槽式光电传感器
启动步进电机
Q0.0
步进电机
电机工作
I0.1
光电漫反射传感器
使转盘停止转动
Q0.1
夹紧气缸电磁阀
气缸夹紧工件
I0.2
霍尔式接近传感器
起到限位的作用
Q0.2
刀具选择盘电机
选择刀具
I1.0
启动按钮
启动
Q0.3
刀具转盘气缸电磁阀
刀具下降
11.1
停止按钮
停止
Q0.4
钻孔
加工工件
Q0.5
电阻尺
检测工件
QOQQD.100左D0.300.4Q0.5
1—
IN
TON
PT
100ms
M01Q0.2
lI（）
MOIT38
10.2
T33
102
Q0.4
（）
MOJ
1—
IN
TON
+100-
PT
100ms
Q0.5
（）
M0.1T3?
3•执行系统
3.1气动系统
M03加工检测单元气动系统主要由气动二联件、消声器，排
气节流阀和三口二位机械阀，五口三位汇流板、滑台气缸、五口二位双作用电磁阀，双轴气缸等元件构成。
主要执行机构是滑台气缸和双轴气缸。
气动系统在M03单元中，主要用于工件的夹紧和加工工作台的移动。
详细原件如下表：
单元
描述1
制造商
数量
M03
二联件
Airtac
AFC2000
1
M03
消声■
SMC
AN103-01
1
M03
消声器
SMC
AN203-02
2
M03
排气节流
SMC
AS1201MVIM4K
6
M03
碓性开关
Airtac
CS1-H
2
M03
晞性开关
Airtac
CS1-J-020
2
M03
接头
SMC
KJS04-01S
6
M03
接头
SMC
KJS06-01S
2
M03
接头
SMC
KQ2S06-02S
3
M03
T型接头
SMC
KQ2TO8-O6
1
M03
三口二位机械阀
Airtac
M3PL110-06-R
1
M03
国产
PT1/4
3
M03
薄型气缸
Airtac
SDAS-20x30-G
1
M03
五口3位汇流板
SMC
SS5YS-20-03
1
M03
滑台气缸
Airtac
1
M03
五口二位双作用电磁阀
SMC
SY512O*5LZD*m
3
M03
双轴气缸
Airtac
TN4Qx30
1
主要气动元器件介绍：
气动二联件----气动二联件是多数气动系统中不可缺少的气源装置，安装在用气设备近处，是压缩空气质量的最后保证。
三大件的安装顺序依进气方向分别为空气过滤器、减压阀和油雾器。
空气过滤器和减压阀组合在一起可以称为气动二联件。
压阀可对气源进行稳压，使气源处于恒定状态，可减小因气源气压突变时对阀门或执行器等硬件的损伤。
过滤器用于对气源的清洁，可过滤压缩空气中的水份，避免水份随气体进入装置。
排气节流阀---它不仅可以调节执行元件的运动速度，还可以起到降低排气噪声的作用。
滑台气缸----与转盘上的弧形槽配合，夹紧工件，起到定位作用。
双轴气缸----用于刀具的上下移动。
气路图如下:
3.2电气系统
电气执行系统的主要部分是步进电机和电阻尺，步进电机在M03单元中主要的作用是执行PLC的指令，驱动转盘转动。
电阻尺的任务是执行工件的测量，并将数据发给M05分拣单元。
电阻尺的选型及其作用
根据检测方便的工作需求，我们决定选用电阻尺，型号为KTR-C-25普通精度0.1MM当钻头对工件钻孔加工完成后，用电阻尺来测量加工完成的工件孔的深度是否合格。
如下图所示
电阻尺的工作原理
电阻尺的功能是把一个机械位移转换成电气信号，并且该信号能够与机械运动成正比。
电刷装配连接到机械激励器，继而使塑料阻轨产生一个电压分配器。
电位计的阻轨连接到稳定的输入直流电压。
当在电刷和修正阻轨之间测量时，信号电压是电压分配器的主要部分，并且与阻轨上的电刷位置成正比。
电阻尺的优点
电阻尺能够较精确的测量孔的深度，输出平滑度和分辨率都比较高，并且在重复运动时，它的重复精度也比较高，使用寿命已经可以达到
上亿次。
M03加工检测单元步进电机驱动器的选型
根据步进电机工作的需求，我们最终选定步进电机驱动器的型号是
DM542A如下图所示
步进电机的选型
W—可动部分总质量20kg
i—减速比5
J--摩擦因数0.2
F—轴向荷重5N
--进给传动系统的总效率0.95
g—重力加速度9.8m/s
R—齿轮Z的分度圆半径0.125m
折算到电动机轴上的总负载转矩的计算公式
Teq二TaTL
式中Teq---折算到电动机轴上的总负载转矩;
Tl---电动机轴上的负载转矩
Ta---电动机轴上的加速转矩。
折算到电动机轴上的负载转矩tl
0.95
xR©=02汇20汉9.8+5><0.125><5=29.08NLmn
电动机轴上的加速度转矩Ta
Ta=Jeq=850.1=8.5Nl_m
---电动机转轴的角加速度0.1rad/S2
折算到电动机轴上的总负载转矩是
Teq二TaTl=29.088.5=37.58N”：
：
68N_m
因此，我们所选的步进电机是42步进电机，型号是42BYGH042。
根据所选步进电机，查的其主要参数如下表所示
42BYGH042S1.94fi122.31.2S1.84.fi470290034
该步进电机的接线说明如下图所示
4、传感系统
M03加工检测单元的传感器通主要由三种传感器组成，分别是光电漫
反射传感器，槽式槽式光电传感器，霍尔传感器
光电开关的选型和工作原理
根据工作需求和所查型号的参数，我们最终选定的漫反射光电
开关的型号是E3Z-D82
当开关发射光束时，目标产生漫反射，发射器和接收器构成单个的标准部件，当有足够的组合光返回接收器时，开关状态发生变化，作用距离的典型值一直到3米。
特征：
有效作用距离是由目标的反射能力决定，由目标表面性质和和颜色决定；较小的装配开支，当开关由单个元件组成时，通常是可以达到粗定位；采用背景抑制功能调节测量距离；对目标上的灰尘敏感和对目标变化了的反射性能敏感。
漫反射光电开关的作用及其特点
当转盘装好工件开始转动后，转盘装带工件转到加工位置时，漫反射光电开关检测到工件并发出信号使得转盘在此位停止，直至工件加工完毕后，信号消失，使转盘继续转动到下一个工位，主要是起到一个定位的作用。
•检测距离长
与接近开关等比较，光电开关的检测距离非常长，且是无接触式的，所以不会损伤检测物体，也不受检测物体的影响。
•几乎不受检测物体的制约
由于是采用对检测对象的表面进行反射及光透过方式，不像接近
开关只能对金属，还能对玻璃、塑料、木制物体、液体等各种物质进行检测。
-响应速度快
与接近开关同样，由于无机械运动，所以能对高速运动的物体进行检测。
-镜头容易受有机尘土等的影响
镜头免受污染后，光会散射或被遮光，所以在有活水蒸汽、尘土等较多的环境下使用的场合，需施加适当的保护装置。
-受环境强光的影响
几乎不受一般照明光的影响，但像太阳光那样的强光直接照射受光体时，会造成误动作或损坏。
根据安装紧凑和定位精确的工作需求，我们决定在转盘下安装槽式光点传感器，型号为EE-SX671,以方便对工件的监测和转盘的定位。
如下图所示
槽式光电传感器的工作原理
把一个光发射器和一个接受器面对面地装在一个槽的两侧的是槽型光电，发光器能发出红外光或可见光，在无阻情况下光接收器能收到光，但当被检测物体从槽中通过时，光被遮挡，光电开关便动作，输出一个开关控制信号，切断或接通负载电流，从而完成一次控制动作，槽型开关的检测距离因为受整体结构的限制一般只有几厘米。
槽式光电传感器的优点
1•它采用光学原理制造，属于非接触式测量仪表，它的测量距离一般可达200mn左右。
光电传感器的测量无需与被测量对象接触，不会对被测量轴形成额外的负载，因此光电传感器的测量误差更小，精度更高。
2•它的结构紧凑，主要由投射光线部件、接收光线部件也就是光敏元件和放大元件等组成，因此光电传感器的体积设计小巧、内部结构精致，一般重量不会超过200g,非常便于使用者的携带、安装和使用。
3•它多采用LED乍为光线投射部件，极少会出现光线停顿的情况，也不会存在灯泡烧毁等故障危险。
另外，光电传感器的光源都是经过特殊方式调制的，有极强的抗干扰能力，不会受普通光线的干扰。
4.它可采用光纤封装，可用于测量微小的物体，特别是微小旋转体的测量，特别适用于高精密、小元件的机械设备测量。
光电传感器的运行稳定，有良好的可靠性，测量的精度较高，能满足使用者的测量要求。
5.它可设计到任何流水线上生产过程。
无需校准问题，无易脆的玻璃光纤那样复杂性。
其坚固耐用的特点和内置的可靠性使其满足苛刻要求的应用。
如部分位置控制，边缘检测，夹具位置控制，托盘搬移，自动拾取放置，及出错保护等场合。
霍尔传感器的选型
根据钻孔深度的工作需求，我们最终决定选用霍尔传感器，信号是
NJK-5002A距离10mm（PNP常开）。
如下图所示
霍尔传感器的作用及其工作原理
霍尔传感器是一种当交变磁场经过时产生输出电压脉冲的传感器。
它主要是为了使钻头在钻工件孔时，通过霍尔传感器发出信号控制其钻孔深度一定。
霍尔传感器的优点
霍尔传感器的测量范围广，响应速度快、测量精度高、线性度好、动态性能好、工作频带宽、可靠性高、过载能力强、测量范围大、体积小、重量轻，易于安装。
5、动力系统
M03单元的执行系统分为电气部分和气动部分，提供动力的装置分
别为220V交流电源和气源发生装置。
六、小结
参考资料
高志，李威，《机械设计课程手册》，高等教育出版社，2012.2李绍炎，《自动机与自动线》，清华大学出版社，2006.9秦大同，谢里阳，《现代机械设计手册》，化学工业出版社，2011.9候珍秀，《机械系统设计》，哈尔滨工业大学出版社，2000.10
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