小型模具柔性制造系统设计.docx

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小型模具柔性制造系统设计

摘要

柔性制造系统（FMS）是一种形式的柔性自动化，把若干个机床联系在一起的一个材料处理系统，该系统的所有方面的控制都有一个中央电脑完成。

这一系统减少了安装或转换时间和便利的生产小数目的产品。

转移的重点是从大规模生产的少数产品转化为车间作业的环境中定制订单产品。

Theshiftinemphasisisfrommassproductionofafewproductstoajob-shopenvironmentinwhichcustomizedordersaremanufactured.Automationallowsforbetterqualityandscheduling,rapidchangesinproductlines,andlowerinventoriesandcosts.自动化设计具备更好的质量和调度能力，使生产线可以快速变化，降低了库存和成本。

柔性制造系统具有灵活性的特点，他们的装置控制器和中央控制计算机可以复制出新的零件或改造旧零件。

Theycanalsooftenmakeanumberofdifferenttypesofpartsatthesametime.他们也可以在同一时间内作出多项不同类型的零件。

然而，这种灵活性是有局限性的，以车轴为例，However,thisflexibilityislimitedtoacertainfamilyofparts,forexample,axles.Ageneralgoalfordesignersistoincreaseflexibility,andadvancedflexiblemanufacturingsystemsaremoreflexiblethantheearlierones.总体目标是增加灵活性，因此柔性制造系统相较于从前的制造系统更具有灵活性。

总体来说，柔性制造系统具备以下优势：

更大的劳动生产率：

只需要具有专门的教育和技能的较少的工人。

更大的机械效率：

产品的生产需要较少的及其楼面面积和空间。

质量的提高：

由于上线测试，使之能即时反馈信息和调整制造过程。

增加了系统的可靠性：

智能化，自诊断控制，为确定硬件问题减少了时间。

减少了部分库存：

柔性制造系统的一个主要特点就是柔性制造能力，在经济上容纳不同的一批大小、甚至下降至运行一个单一的部分。

改进调度能力：

容许这些快速反应的变化，在产品设计和生产调度，有能力，以符合刚刚在时间调度，并减少前置作业时间。

适应性的CAD\CAM行动：

数码规格开发的电脑辅助设计/电脑辅助制造系统可以作为投入的过程。

作为一个柔性制造系统，必须具备的关键要素有：

计算机控制，自动化材料处理能力，工具处理能力。

柔性制造整合了自动化制造的概念：

计算机数值控制个别机床，分布式数字控制的制造系统，自动化物料处理系统，成组技术。

当这些自动化流程，机器和观念聚集在一个集成的系统，就是所谓的柔性制造系统。

在柔性制造系统中，人类和计算机发挥主要作用。

关键字：

柔性制造系统；灵活性；柔性制造能力；计算机控制

1.

Abstract

Aflexiblemanufacturingsystem（FMS）isaformofflexibleautomationinwhichseveralmachinetoolsarelinkedtogetherbyamaterial-handlingsystem,andallaspectsofthesystemarecontrolledbyacentralcomputer.

Flexiblemanufacturingsystemsareflexibleinthesensethattheirdevicecontrollersandcentralcontrolcomputercanbereprogrammedtomakenewpartsoroldpartsinnewways.Theycanalsooftenmakeanumberofdifferenttypesofpartsatthesametime.However,thisflexibilityislimitedtoacertainfamilyofparts,forexample,axles.Ageneralgoalfordesignersistoincreaseflexibility,andadvancedflexiblemanufacturingsystemsaremoreflexiblethantheearlierones.Thissystemreducessetuporchangeovertimesandfacilitatestheproductionofdifferentiatedproductsinsmallnumbers.Theshiftinemphasisisfrommassproductionofafewproductstoajob-shopenvironmentinwhichcustomizedordersaremanufactured.Automationallowsforbetterqualityandscheduling,rapidchangesinproductlines,andlowerinventoriesandcosts.

Greaterlaborproductivity.Fewerworkersrequiringspecializededucationandskills.Greatermachineefficiency.Fewermachines,lessfloorspaceandlessspaceforoperatormovement.Improvedquality.Lesswastebecauseon-linegaugingallowsimmediatefeedbackandadjustmentofthemanufacturingprocess.Increasedsystemreliability.Intelligent,self-diagnosingcontrolsdecreasethetimerequiredtoidentifyandcorrecthardwareproblems.Reducedpartsinventories.Akeyfeatureofflexiblemanufacturingisitsabilitytoeconomicallyaccommodatedifferentbatchsizes-evendowntoarunofasinglepart.Improvedschedulingcapabilities.Theseallowrapidresponsetochangesinproductdesignandproductionscheduling,theabilitytoconformtojust-in-timescheduling,andreducedleadtimes.AdaptabilitytoCAD/CAMoperations.ThedigitalspecificationsdevelopedbyComputerAidedDesign/ComputerAidedManufacturingsystemscanserveasinputstotheprocess.

ThekeyelementsnecessaryforamanufacturingsystemtoqualifyasanFMSareasfollows:

ComputercontrolautomatedmaterialshandlingcapabilityToolhandlingcapabilityFlexiblemanufacturingintegratesseveralautomatedmanufacturingconcepts:

Computernumericalcontrol（CNC）ofindividualmachinetoolsDistributednumericalcontrol（DNC）ofmanufacturingsystemsautomatedmaterialshandlingsystemsGrouptechnology（familiesofparts）.Whentheseautomatedprocesses,machines,andconceptsarebroughttogetherinoneintegratedsystem,anFMSistheresult.HumansandcomputersplaymajorrolesinanFMS.

Keywords:

flexiblemanufacturingsystem,flexible,flexiblemanufacturingability,Computercontrolautomatedmaterials

摘要（中文）……………………………………………………………………………………………Ⅰ

（英文）……………………………………………………………………………………………..Ⅱ

第一章概述.........................................................................................................1

1.1柔性制造系统以及起重机…………………………………………………………………....1

1.2研究内容…………………………………………………………………………………………5

第二章巷式起重机的结构设计.........................................................................8

2.1步进电机的选择............................................................................................8

2.2气动机构的选择...........................................................................................14

2.3主轴轴承的配置...........................................................................................20

第三章导轨的结构设计.....................................................................................24

3.1导轨的作用和设计要求.................................................................................24

3.2导轨设计的主要内容.....................................................................................24

3.3导轨的结构设计............................................................................................24

第四章PLC编程以及电路图............................................................................36

结束语....................................................................................................................39

参考文献................................................................................................................39

第一章概述

本次毕业设计的题目为小型模具柔性制造系统——立体仓库及巷式起重机的设计。

立体仓库及巷式起重机是这个小型模具柔性制造系统的一部分，首先要了解柔性制造系统，理解它的工作原理，进而详细研究巷式起重机的结构，组成，工作原理。

1.1柔性制造系统以及起重机

1.1.1柔性制造系统简介

随着社会进步和和生活水平的提高，市场更加需要具有特色、符合客户要求样式和功能千差万别的个性化产品。

激烈的市场竞争迫使传统的大规模的生产方式发生改变，要求对传统的零部件生产工艺加以改进。

传统的制造系统不能满足市场对多品种小批量产品的需求，因此生产制造系统的柔性对系统的生存越来越重要。

随着批量生产时代正逐渐被适应市场动态变化的生产所替换，一个制造自动化系统的生存能力和竞争能力在很大成都上取决于它是否能在很短的开发周期内，生产出较低成本、较高质量的不同品种产品的能力。

柔性已占有相当重要的位置。

“柔性”是相对于“刚性”而言的，传统的“刚性”自动化生产线旨在实现单一品种的大批量生产，其优点是神产率高，由于设备是固定的，所以设备利用率也很高，单件产品的成本低，但价格相当昂贵，且只能加工一个或几个相类似的零件。

如果想要获得其他品种的产品，则必须对其结构进行大调整，重新配置系统内各要素，其工作量和经费投入与构造一个新的生产线往往不相上下，刚性的大批量制造自动化生产线只适合生产少数几个品种的产品，难以应付多品种中小批量的生产。

柔性制造系统是由统一的信息控制系统、物料储运系统和一组数字控制加工设备组成，能适应加工对象变换的自动化机械制造系统FMS。

FMS目前尚无统一的定义，一般认为柔性制造技术是一种能迅速相应调整生产品种的制造技术；柔性制造系统是由若干台数控设备、物料运储装置和计算机控制系统组成的，并能根据制造任务和生产品种变化而迅速进行调整的自动化制造系统。

一般定义可以用以下三个方面来概括:

（1）FMS是一个计算机控制的生产系统;

（2）系统采用半独立的NC机床;（3）这些机床通过物料输送系统连成一体。

FMS的结构如图1所示。

FMS从20世纪60年代诞生至今已有40多年的历史，它从探索阶段走向实用化和商品化阶段，并在80年代辉煌一时，成为机械制造业技术进步的重要标志，美、英、德、日等许多先进国家的企业争相创造出自己的FMS，其中不乏成功的例子。

1994年初，世界各国已投人运行的FMS约有3000多个，其中日本拥有2100多个，占世界首位。

在现已运行的FMS中,50%FMS由美国制造商提供，另外50%由日本和德国厂商提供。

著名的FMS生产厂家有:

法那克、日立精机、丰田公机、新泻铁工、山崎（日本），公机、新泻铁工、山崎（日本）,Ingersollmilling,Sundstung,Bendaw,Kearaey&Trecker,cincinnatiMilacron（美国），Werner&Kolb,Burkhandt&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