柔性制造系统输送及仓储单元研制[三维SW](毕业论文+全套CAD图纸)(答辩通过)

下载文档就送全套 CAD 图纸，扣扣 414951605 学习好资料，毕设专用，答辩优秀 毕业设计（论文） 本科毕业设计（论文） 题 目： 柔性加工系统仓储及输送单元 学 院： 机械与自动控制学院 专业班级： 机械设计制造及自动化 09（ 4）班 姓 名： 王建 学 号： B09300422 指导教师： 唐浙东 2013 年 05 月 24 日 浙江理工大学本科毕业论文 1 浙 江 理 工 大 学 机械与自动控制学院 毕业论文诚信声明 我谨在此保证：本人所写的毕业论文，凡引用他人的研究成果均已在参考文献或注释中列出。论文主体均由本人独立完成，没有抄袭、剽窃他人已经发表或未发表的研究成果行为。如出现以上违反知识产权的情况， 本人愿意承担相应的责任。 声明人（签名）： 年 月 日 柔性加工系统仓储及输送单元 摘 要 科学技术的飞速发展，正在把人类推向信息时代。但是，面对着加工业 70% 80%的中小批量生产的经济结构，如何达到自动化的目的，一直是工业界探索的课题。数控机床问世虽为这部分工厂自动化创造了条件，但实践证明，独立、分散的单机自动化解决不了传统批量生产所固有的生产率同生产柔性、加 工批量同制造成本、生产同市场变化之间的矛盾，必须寻找更完善的自动生产体系。 FMS就是在这种追求下诞生的。其优势在于把生产率同生产柔性、加工批量同制造成本、先进技术同科学管理高度统一起来。从而提高产品制造柔性，提高效率缩短生产周期，降低能耗及成本，节约设备占地面积。在柔性制造系统中采用全自动化生产，减少了认为的因素一次也提高了产品的精度。以上可见，柔性制造系统以上优点是如今制造业中非常需要的。 关键词 :柔性制造 ； 立体库；码垛机；流水线 柔性加工系统仓储及输送单元 Abstract The rapid development of science and technology, human to the information age. But， Processing industry 70% -80% of the face of the economic structure of the small and medium volume, how to achieve the purpose of automation has been the industry to explore the subject.Although the advent of CNC machine tools to create the conditions for this part of the factory automation， but practice has proved that independent, decentralized stand-alone automation can not solve the productivity inherent in traditional mass production with the production of flexible processing the same batch manufacturing costs, the contradiction between production and market changes, we must find better automatic production system.FMS is born in this pursuit.The advantage of the productivity with flexible production, processing and batch manufacturing costs, with advanced technology with scientific management of highly unified.Thereby increasing manufacturing flexibility, improve efficiency, shorten the production cycle, reduce energy consumption and cost saving equipment footprint.Fully automated production, reducing the human factors and therefore improve the accuracy of the product in a flexible manufacturing system.Above that, the advantages of flexible manufacturing systems is much needed in the manufacturing industry today. Key words: Flexible manufacturing； stereo storage； palletizer； pipeline浙江理工大学本科毕业论文 目 录 摘 要 Abstract 第一章 绪 论 .1 1.1 柔性制造背景 .1 1.2 柔性制造的工作流程 .1 第二章 立体库的设计 .3 2.1 立体库优点及功能 .3 2.2 国内立体库发展趋势 .3 2.3 立体库的外 形 .3 2.4 立体库各部分材料选择 .4 2.4.1 底座材料选择与外形设计 .4 2.4.2 立体库主体设计 .6 2.4.3 托盘设计 .8 2.5 立体库储存能力及主要设备 .9 2.5.1 立体 库储存能力计算 .9 2.5.2 主要设备 .9 第三章 流水线的设计 .10 3.1 流水线的工作原理 . 10 3.1.1 流水线的工作原理及流程图 . 10 3.2 电路中主要元器件的介绍 . 11 3.2.1 对射开关的原理及应用 . 11 3.2.2 CCD 颜色尺寸检测单元工作原理及应用 . 11 3.2.3 PLC 及其扩展单元 . 12 3.3 流水线系统控制 . 13 3.3.1 流水线电机正反转控制 .13 3.3.2 流水线电机启动 /停止控制 .13 3.4 流水线设计 . 13 3.4.1 流水线技术参数 . 13 3.4.2 CCD 检测单元支架设计 . 14 3.4.3 对射开关 . 16 第四章 四自由度码垛机 . 21 4.1 码垛机简介 . 21 4.1.1 码垛机性能参数 . 21 4.1.2 四自由度的实现 . 21 4.1.3 线性滑台简介 . 22 柔性加工系统仓储及输送单元 4.2 码垛机各部分设计安装 . 23 4.2.1 底座设计 . 23 4.2.2 底座高度尺寸计算 . 24 4.2.3 底座设计方案与材料选择 . 25 4.3 码垛机控制箱的设计 . 28 4.3.1 码垛机控制箱位置摆放 . 28 4.3.2 控制箱内电器元件 . 28 4.3.3 控制箱外形设计及材料选择 . 29 4.4 机械爪的设计 . 29 4.4 主要电器元件介绍 . 35 第五章 外部控制系统 .35 第六章 结束语 .38 参考文献 .39 致 谢 .40 浙江理工大学本科毕业论文 柔性加工系统仓储及输送单元 浙江理工大学本科毕业论文 浙江理工大学本科毕业论文 1 第一章 绪 论 1.1 柔性制造系统的背景 随着科学技术的迅速发展，新产品不断涌现，产品的复杂程度也随之增加，而产品的市场寿命日益缩短，更新换代加速，中、小批量生产占有越来越重要的地位。面临这 新的局面，必须大幅度提高制造柔性和生产效率，缩短生产周期，保证产品质量，降低能耗，从而降低生产成本，以获得更好的经济效益。柔性制造系统正是在这FMS能完成钣金加工、锻造、焊接、装配、铸造和激光、电火花等特种加工以及喷漆、热处理、注塑和橡胶模制等工作。 FMS 相对于传 统加工有以下优点： 1）缩短生产线且变得简洁。 2）减少设备投资、减少库存。 3）提高利用率，降低成本。 所以，研究 FMS 是一个很有意义的项目。 1.2 柔性制造系统的工作流程 如今较普遍的柔性制造系统流程是工件或毛坯由四自由度码垛机器人从自动化立体仓库单元的毛坯库中取出，送到自动化输送系统单元输送线上。皮带运输机将工件或毛坯送至 CCD 形状识别单元处停止，由高速 CCD 工业相机对工件进行形状识别。形状识别结束，工件向下运送至横向输送机气推处，气推装置将工件送至暂存区，再由上下料搬运机器人抓取工件，送入相应的柔 性加工单元（并联加工中心或数控车床）进行加工。加工完成后，由上下料搬运机器人取出工件，将工件放回到输送线上。工件被运送到 CCD 尺寸检测单元，对已加工的工件进行尺寸及位置偏差检测。检测结束，工件被运送到分拣单元，不合格的产品由气推装置送到废品存放处。合格的产品将继续传送至条码打印及粘贴处，由人工贴上条码再放回到输送线上。工件经条码扫描后，码垛机根据条码及工件的形状、尺寸将工件从输送机上取下并送至自动化立体仓库单元的成品库，完成一个工作流程。流程图如 图 1-1 所示 ： 柔性加工系统仓储及输送单元 2 图 1-1 柔性加工系统流程图 本设计中的柔 性制造系统中，主要包括三大块：立体库、码垛机、流水线。立体库主要是用来存放毛胚和加工后的产品。码垛机有 4 个自由度分别是 X、 Y、 Z 及机械爪的转动。流水线主要是运送毛胚到数控加工中心加工以及加工完成后在运送回去，其间完成 CCD 尺寸检测系统完成对加工好的零件进行检测。大致的工作流程如下： 4自由度码垛机将毛胚从立体库上取下运送到流水线上，流水线上的第 1 对对射开关检测到信号通过 PLC 控制电机转动，将毛胚运送到第一个 CCD 检测单元，此处的第 2 对射开关将电机停下。 CCD 检测单元检测完成之后，发出信号电机继续转动将毛胚运送 到流水线第 4 对射开关处，对射开关再次发出信号，电机停止转动，机械手抓取毛胚运送到加工中心。加工完成后机械手将零件放在流水线上，此时第 4对对射开关检测到信号，通过 PLC 控制电机反转将零件运送到第 3 个对射开关处，电机停下。CCD 检测单元完成对零件的检测后发出信号，电机继续转动将零件运送到第一对对射开关处，电机停下。码垛机将零件从流水线上取下 ,尺寸比合格品小的报废处理，合格品 运送到立体库中去。如此重复工作。 浙江理工大学本科毕业论文 3 第二章 立体库的设计 2.1 立体库的优点及功能 立体库的 优点： 1) 多层储存，节约占地面积，提高空间利用率。 2) 自动存取，运行和处理速度快，同时能方便的纳入物料管理系统。 3) 计算机控制，便于清点和盘库，减少库存。 立体库的 功能： 1) 收货，仓库从供应商或生产车间接收各种材料半成品或成品，供生产、加工、装备配之用。 2) 存货，将写下的货物放到自动化系统规定的位置。 3) 取货，根据需求情况从库房取得所需的货物。 2.2 国内立体库发展 目前，在国内多家企业中立体仓库已经得到了广泛的运用。立体库以其节约空间，便于管理等优势得到众多企业的青睐。但是与国外相比，在国内大多企业当中所用的立体仓库还存在很大的差距。首先是硬件设备达不到要求，这 样就造成了效率慢，对于物流行业来说，仓储作为重要组成部分之一，已经越来越多的运用到物流中心。效率慢直接导致物流成本提高。 立体库在国内普及率与国外还有差距，首先是因为立体仓库一次性投入较大，其运行所需的设备有叉车、电脑集成、信息控制系统等都需要很高的成本：其次，制造企业很多都存在搬迁难的问题。 随着我国制造业和物流业的迅速发展，自动化立体仓库必将会收到厂商的更多关注，我国的自动化仓库技术必将会有很大的发展，向发达国家靠拢。 2.3 立体库的外形 立体库 技术要求 ：仓位尺寸： 220mm 280mm 220mm； 仓位数量： 5 列 3层 15 个； 外形尺寸： 1500mm 280mm 800mm； 立体库主要是用来存放毛胚和加工好的零件的，因此立体库设计成 仓位 格的样 柔性加工系统仓储及输送单元 4 子。每个单元格中放置一个货物支撑板，板上设计一个托盘用以盛放毛胚及零件。形状如图 2-1所示 ： 图 2-1 立体库图 2.4 立体库各部分材料选择 2.4.1 底座材料的选择与外形设计 底座主要是固定立体库的整体构架和承载重量的，所以在材料方面主要选择 45号钢，以 保证强度。底座主要分为 3部分焊接而成。 图 2-2 底座焊件 1 托盘 立体库骨架 底座 固定角铁 浙江理工大学本科毕业论文 5 图 2-3 底座焊件 2 图 2-3 底座焊件 3 最后底座的如图 2-4所示 ： 通过膨胀螺丝与地连接 柔性加工系统仓储及输送单元 6 图 2-4 底座 2.4.2 立体库主体的设计 立体库在设计过程中主要考虑在易安装，重量轻，成本底。综合以上最终选择了铝型材。立体库主体骨架是由 PS-8-4040 型材组装起来的。型材如图 2-5 所示 ： 图 2-5 PS-8-4040W 铝型材 立体库主体设计高度是 1400mm，需两根长为 1400mm 的 PS-8-4040W 铝型材，宽度设计是 1500mm,需四根长为 1500mm 的 PS-8-4040W 铝型材。仓位部分由设计技术要求可进行宽度及长度计算，所要求的仓位净宽度为 220 5=1100mm，净高度为 2203=660mm。仓位需要做成单元格的形式，那仓位格也需要尺寸不同的型材。仓位是 5浙江理工大学本科毕业论文 7 3，那就需要横置 10 跟长为 800mm 的 PS-8-4040W 铝型材，横置 20 跟长为 200 的PS-8-4040W 铝型材。型材连接采用脚件加螺栓螺母连接。连接方式如图 2-5 所示 : 图 2-6 型材连接图 组装后的立体库的 2维与 3维图如下所示 : 图 2-7 立体库 2 维 图 柔性加工系统仓储及输送单元 8 图 2-8 立体库 3 维 图 2.4.3 托盘的设计 托盘主要是盛放毛胚或者零件的，托盘的外形要能够满足码垛机机械爪搬运，还要能够在立体库上能够放置。托盘设计如下图： 图 2-9 托盘 浙江理工大学本科毕业论文 9 托盘承载物品重量在 1KG 左右，因此托盘的强度要求不高，可以采用 ABS。根据毛胚及零件考虑托盘尺寸并统一，设计托盘尺寸为（长、宽、高） :240 180 52。 2.5 立体库库存能力及主要设备 2.5.1 立体库库存能力计算 立体库采用单货位方式，每个仓位宽度为 220mm，每个货位 长度为 280mm，仓位高度为 220mm. 立体库为 5 列 3 层，共 15 个仓位。 货架宽度为 1260mm,高度为 840mm. 2.5.2 主要设备 立体库主要配 套设 备有一台 4 自由度码垛机，用于取毛胚及存放零件。 第三章 流水线的设计 3.1 流水线的工作原理 3.1.1 流水线的工作原理及流程 1) 传送带运动，第 1 对对射开关检测到码垛机运送毛胚时流水线停下。 2) 毛胚件放好后，发出信号流水线前进。 3) 毛胚件到第二对对射开关，发出信号流水线停下。 4) CCD 颜色识别单元识别毛胚颜色，确定加工零件形状。 5) 检测完毕，传送带继续前进，将毛胚件运送到流水线末端第四对对射开关，发出信号，传送带停下。 6) 零件加工完成后机械手将零件放在传送带上，第四对对射开关发出信号， PLC控制电机反转。 7) 零件到达第 3对对射开关发出信号电机停下。 柔性加工系统仓储及输送单元 10 8) CCD 检测单元对加工好的零件进行检测，检测完成发出信号，传送带前进。 9) 零件到达第一对对射开关，传送带停下。 流水线工作顺序如下： 传送带先是正转，当码垛机将毛胚件运来，第一对对射开关检测到发出信号，电机停下，码垛机将毛胚件在传送带上放好之后，发出信号电机转动。将毛胚件用到第二对对射开 关处，第二对对射开关发出信号，电机再次停下， CCD 颜色识别单元对毛胚件颜色进行识别，以确定加工零件的形状，识别完成发出信号，电机转动，传送带将毛胚件运到第四对对射开关处，对射开关发出信号，电机停下。机械手将毛胚件拿到加工中心进行加工。加工完成，机械手将零件放到传送带上，第四对对射开关检测到后发出信号， PLC 控制电机反转，传送带将零件运送到第三对对射开关处，对射开关发出信号，电机停下。 CCD 尺寸对加工好的零件进行尺寸检测，检测完毕发出信号。电机继续反转，将零件运送到第一对对射开关处，再次发出信号，电机停下码垛 机从传送带上将零件从传送带上将零件取下，如此循环下去。 根据流水线工作顺序，可以画出如图 3-1所示的流程图： 图 3-1 流水线 控制系统流程图 3.2 电路中主要 的 元器件 3.2.1 对射开关原理及应用 对射式光电开关由发射器和接收器组成，其工作原理是：通过发射器发出的光线直接进入接收器，当被检测物体经过发射器和接收器之前阻断光线时，光电开关就产生开关信号。与反射式光电开关不同之处在于，前者是通过电 -光 -电的转换，而后者是通过介质完成。对射式光电开关 的特点在于：可辨别不透明的反光物体，有效距离大，不易受干扰，高灵敏度，高解析，高亮度，低功耗，响应时间快，使用寿命长，停止 前进 反转 颜色识别 停止 前进 停止 尺寸检测 零件就位 浙江理工大学本科毕业论文 11 无铅，广泛应用于：投币机，小家电，投币机，自动感应器，传真机，扫描仪等设备上面。 3.2.2 CCD 颜色尺寸检测单元工作原理及应用 CCD颜色尺寸识别单元原理是 CCD图像传感器 可直接将光学信号转换为模拟电流信号，电流信号经过放大和模数转换，实现图像的获取、存储、传输、处理和复现。其显著 特点是： 1.体积小重量轻； 2.功耗小，工作电压低，抗冲击与震动，性能稳定，寿命长； 3.灵敏度高，噪声低， 动态范围 大； 4.响应速度快，有自扫描功能，图像畸变小，无残像； 5.应用 超大规模集成电路 工艺技术生产，像素集成度高，尺寸精确。 流水线所使用的 CCD 颜色检测单元包括光源、镜头、图像采集卡、图像处理 软件和其它设备（支架、工作台等）。能够组成一个相对完整的视觉检测开发系统，硬件之间应匹配。通过图像识别功能可检测工件尺寸是否合格 ,图像处理软件能快速检测用户所规定工件的尺寸和位置偏差，精度为 0.05mm。 技术参数如下： CCD 尺寸 1/3 有效像素 (K)子 P440K 同步系统 内同步 扫描系统 2:1 视频输出 1Vpp-75 解晰度（水平） 480Lines(Y/C480Lines) 最低照度 (Lux) 0.1Lux F1.2（ AGC High） 自动动增益控制 (dB) ON=836 (Hl) 824 (LO) OFF=8 信噪比 (dB) 50 灰度特性 0.45/1.0 背光补偿 ON/OFF 自动电子快门 EI:OFF 1/501/1. 检测幅面 200*200mm，精度 1mm。 3.2.3 PLC 及其扩展单元 柔性加工系统仓储及输送单元 12 图 3-2 欧姆龙 PLC 选用欧姆龙 PLC，其技术参数如下 : 型号： CP1H-X40DT 输入： 24 点 输出： 16 点（晶体管） 高速计数器： 4点 脉冲输出： 100KHz 2 点 30KHz 2 点 定时器： 4096 位 计数器： 4096 位 内部辅助继电器： 8192 点 保持继电器： 8192 点 输入中断： 8 点 脉冲捕捉输： 8点 8.1.3.2 PLC 扩展单元 型号： CPM1A-40EDR 输入： 24 点 输出： 16 点（继电器） 3.3 流水线系统控制 3.3.1 流水线电机正反转控制 流水线的电机是通过变频器控制的，以实现节能调速，过流 /过压 /过载保护。在此情况下实现电机正反转接线方式为： PLC 的 两个 Y点接到电机正反转的端子上，再将 PLC 的 COM 与变频器的 COM 相接即可实现。 3.3.2 流水线电机停止 /启动控制 毛胚或者零件经过光电对射开关时，对射开关将光信号转换成电信号传送给PLC，通过 PLC 控制其扩展单元继电器，切断电机电源，这样电机就停止转动，传送带停下。 3.4 流水线设计 3.4.1 流水线的 设计要求 浙江理工大学本科毕业论文 13 有效工作宽度： 300mm； 有效工作高度： 750mm； 有效工作长度： 3000mm； 运行速度： 5m/min 10m/min； 承载能力： 5kg； 框架材质：铝合金型材框架。 由以上参数可以看出，流水线的承重为 5KG，承载的重量较轻所以选择皮带式流水线。流水线 设计图 如下图所示： 图 3-3 流水线 设计 图 3.4.2 CCD 颜色尺寸检测单元支架设计 在本流水线中需要两个支架，分别是 CCD 颜色识别单元支架与尺寸检测单元支架。虽两个检测单元功能不同但是支架是相同的。首先是材料的选择， CCD 检测单元本身重量较轻，对材料强度要求不高。从安装方便方面考虑，从之前立体库的经验中我选择了铝型材，不仅能够满足要求而且重量轻方便与流水线安装。铝型材截 面如下3-4图所示： 柔性加工系统仓储及输送单元 14 图 3-4 PS-8-4040W 铝型材 流水线有效工作高度为 750mm，支架的高度要能够满足 CCD 检测单元可以获得足够好的视野，以减少检测误差。 CCD 检测单元设计参数如下： 总高度 1400mm； 宽度 250mm CCD 检测单元与流水线传送带垂直距离 150mm。 浙江理工大学本科毕业论文 15 图 3-5 CCD 检测单元支架 设计图 检测单元需固定在上图的支架上，因此我还设计了摄像头固定件，如下图所示： 图 3-6 CCD 摄像头固定件 3.4.3 对射开关 在流水线中设计有 4对对射开关，它们发 出信号用以控制电机停止和启动。第一对对射开关是在码垛机将毛胚件搬运过来时将传送带电机停下，码垛机将毛胚件在传送带上放稳。第二对对射开关放置在 CCD 颜色识别单元处，当毛胚件到达第二对对 柔性加工系统仓储及输送单元 16 射开关处，电机停下 CCD 颜色识别单元对毛胚件进行颜色识别。第三对对射开关安装在 CCD 检测单元处，加工好的零件到达此处，电机停， CCD 尺寸检测单元对零件尺寸进行检测。第四对对射开关也是用来停下电机的，当毛胚件到达此处电机停止转动，机械手将毛胚件从传送带上取下送到加功中心进行加工。 流水线的运输速度为 5m/min，即 83.3mm/s.因此在 CCD 尺寸颜色检测单元处的对射开关位置设计需要计算。从流水线电机运行了解到电机带有抱闸从断电到停止大概所需的时间很短，而 CCD 尺寸检测单元的照射范围为 200 200。则电机断电后零件和毛胚在流水线上移动的距离很短，因此对射开关放置在 CCD 尺寸颜色检测单元下方即可。 第一对对射开关： 浙江理工大学本科毕业论文 17 第二对对射开关： 柔性加工系统仓储及输送单元 18 第三对对射开关：浙江理工大学本科毕业论文 19 第四对对射开关： 柔性加工系统仓储及输送单元 20 第四章 四自由度码垛机 4.1 码垛机 的设计 码垛机在整个柔性加工系统中扮演着“搬运工”的角色，主要是用来取毛胚件 和存放零件的。码垛机所需要实现的具体动作是：水平移动到达指令的立体库的单元格，然后机械爪上升，到达托盘的高度机械爪伸入托盘底部将托盘托起，然后机械爪旋转，水平移动到达流水线处，机械爪向下移动将托盘和毛胚件放到流水线上。 4.1.1 码垛机 的设计要求 行程范围： X轴 1.5*Z 轴 0.8*Y 轴 0.3m； 负载能力： 1KG； 最大速度： X轴 60mm/s， Y 轴 100mm/s， Z 轴 50mm/s； 定位精度： 1mm； 4.1.2 四自由度的实现 码垛机中的四自由度为 X、 Y、 Z轴的水平移动及机械爪的转动 。为了实现 X、 Y、Z 三轴的水平移动我们选择了三个线性滑台立式使用以达到要求。机械爪的转动是通 过电机驱动联轴器带动转动轴来实现机械爪的转动。 浙江理工大学本科毕业论文 21 图 4-1 线性滑台组合 示意 图 4.1.3 线性滑台的 选择 直线滑台主要组成由滚珠丝杆 直线导轨 铝合金型材 滚珠丝杆支撑座 联轴器 马达 光电