全自動V帶分揀機的設計【6張CAD圖紙】

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長春理工大學光電信息學院畢業(yè)設計 編號 本科生畢業(yè)設計 分揀機的設計 Design of sorting machine 學 生 姓 名 孫佳琳 專 業(yè) 機械電子工程 學 號 0952303 指 導 教 師 張廣杰 分 院 機電工程分院 2013年 6 月 長春理工大學光電信息學院畢業(yè)論文 摘要 全自動V帶分揀機是一種昂貴的高效能設備，所以在廣大廠家中需要一種價格低廉又能夠進行分揀工作的設備。本文介紹既能達到維修，調試，使用方便，又能達到高效能的一種半自動只能V帶長度分揀機。主要研究內容有，設計了用于V帶分揀，融PLC現代傳感器技術機械氣動于一體的機電一體化設備，利用現代傳感技術，實現位移量于檢測脈沖數之間的轉換，通過對檢測脈沖數分組，簡介實現北側帶長的分組：組別標記號對應的打印脈沖次數，實現自動打印組別號標記。以PLC為控制核心部分實現智能化控制。根據V帶日生產量大的特點，通過自動檢測于打印一體化，實現了高效率檢測。半自動智能的設計思想，使高科技于豐富人力資源實現了有機結合，適合國情。 關鍵詞：分揀，PLC, 打印脈沖 Abstract The sort of V-belt is a wide-used product. It is difficult to accomplish it by hand and the Auto-Sorter is effective but too expensive. So most of the sorts are done by selective exams.in this case，an efficient convenient and cheap V-belt sorter is in bad need。In this dissertation， the semi-auto V-belt sorter is developed to meet this need. It is typical mechatronic equipment。Auto-mask is realized by using sensor, PLC is used as a main controlling section. The technique of auto-sort and auto-mark can meet the need of the rapid massive production .the semi-auto design can take advantage of the rich human resources, which is more adoptable in China. Key words: sort PLC exam pulse 目錄 Abstract 2 第1章 緒 論 4 1.1引言 4 1.2分組分揀技術與分組銷售 5 1.2.1分組分揀技術與分組銷售的問題描述及解決方案特點 5 2、分揀技術 5 1.2.2半自動智能v帶長度分揀機技術分析 7 1.3現代控制技術、檢測技術現狀分析 8 1.3.1可編程控制器(PLC)國內應用現狀 9 2.1 引言 10 2.2總體設計的主要內容 10 2.2.1 V帶分組性能指標 11 2.2.2總體方案 12 (Ld=1400 mm) 單位:mm 13 3.1引言 14 3.2位移檢測 15 3.2.2.根據本機精度確定被測V帶組段范圍 16 3.2.3 分辨率提高器結構尺寸的設計 17 3.3自動打印標記 21 3.3.1 字頭轉動電機的選擇 24 3.3.2 字頭轉動軸的設計 25 3.3.3 聯軸器的選擇 25 3.4設備各工作過程的控制 26 3.4.1 PLC控制特點及所選型號 27 4.1引言 28 4.2氣動技術的主要特點 28 4.3氣動裝置設計 29 5.1引言 31 5.2檢測帶輪直徑及結構設計 31 5.2.1固定式檢測帶輪 32 5.2.2夾緊式檢測帶輪 34 5.3初始中心距及基準中心距的確定、總自支架上的刻度 36 5.4檢測帶輪軸系以及機架設計 37 5.4.1 檢測帶輪軸的設計 37 （1）.對導軌進行彎曲應力校核 41 5.6本章小節(jié) 43 參考文獻 45 致 謝 46 39 第一章 緒 論 1.1引言 帶傳動是一種應用很廣的機械傳動，其中V帶產生的摩擦力要比普通平帶大得多，因此v帶的傳動能力比普通平帶高，目前V帶在機械中獲得廣泛的應用。V帶已標準化，根據國家標準的規(guī)定，普通V帶按剖面尺寸不同，分為Y, Z, A, B, C,D, E七種型號，V帶是無接頭的環(huán)形帶，每種型號都有幾種不同的周長。標準中將內周長度定為公稱長度，長度從400-1600mm不等[1]。由于受單根V帶所能傳遞功率之限制，在傳遞較大功率時，往往設置多根V帶成組使用。但一般要求，為避免載荷在各根帶上分布不均勻，帶的根數不宜過多，一般不應超過9根。 V帶的伸張層與壓縮層由橡膠制成，強力層可由幾層簾布或線繩制成。其公稱尺寸受生產工藝、原材料等因素影響較大。事實上，目前各類規(guī)模生產廠家生產的同一型號、同一公稱尺寸V帶的長度誤差值均較大(可達幾十毫米，這在金屬制品中是不可想象的)。由此造成在成組使用多根V帶的傳動中，盡管選用了某生產廠家的同一型號、同一公稱尺寸的V帶，但由于存在較大的長度誤差，每根V帶的張緊力相差很大。相對而言，張緊力較大的V帶會過早的發(fā)生疲勞失效，如脫層，撕裂或拉斷等;與此相反，張緊力較小的V帶，承載能力沒有完全發(fā)揮，甚至會出現打滑現象，整體傳動效率降低，極大降低了帶的預期壽命，難以達到設計的傳動效果。只有減小一組帶傳動中帶長的誤差，方可提高傳動能力。可采用如下兩種途徑加以解決: 1.從V帶生產的制造工藝、原材料、生產過程控制等方面考慮提高單根帶的公稱尺寸精度。 ②在現有生產條件下，V帶制造商將產品按實際長度經檢測分成若干組，每一組V帶的實際尺寸控制在較小的公差范圍之內，并做上組別標記，在銷售時按組售出，以方便用戶成組使用。第一種途徑需要進行大量研發(fā)，投入巨額資金，提高整個設備的精度，短期內不可能解決，是不可取的。而第二種方案屬于分組裝配法，即所謂“分組銷售”可以在不改變現有生產工藝及設備的前提下完成，從技術、生產效率、資金投入等方面均可行，是一種行之有效的方法。 1.2分組分揀技術與分組銷售 要進行分組銷售，生產廠家必定有一個分組分揀過程。按國家標準規(guī)定，同一公稱長度的V帶的同組配合公差為2-48mm，常用長度的配合公差則為4-32mm。但由于V帶為環(huán)狀等因素，V帶分組分揀過程對大多數生產廠家來說是一個較為復雜且不易控制的一個問題。 1.2.1分組分揀技術與分組銷售的問題描述及解決方案特點 1．V帶的公稱尺寸分組 考慮V帶經常成組使用，為了解決帶與帶之間張緊力不一致問題，國家標準(GB/T1357.1-92)制定了V帶的最佳尺寸分級規(guī)定。例如規(guī)定公稱長度為1600mm的v帶，極限偏差為:+23mm，-11 mm，配組公差4 mm. 尺寸范圍1589mm - 1623mm公差值34mm 第一組1589.Omm - 1593.Omm第二組1593.0mm - 1597.0mm 第三組1597.Omm - 1601.Omm第四組1601.0mm - 1605 .0mm 第五組1605.Omm - 1609.0mm第六組1609.0mm - 1613.0mm 第七組1613.Omm - 1617.Omm第八組1617.0mm - 1621.0mm 第九組1621.Omm - 1625 .0mm 帶成組使用時，配組公差值越小，V帶間張緊力的差值也小，帶的壽命愈趨于一致，且?guī)У膲勖L、傳動效率高。雖然過多地尺寸分組會造成產品管理方面的不便，但這畢竟影響不大，所以，在條件允許的條件下，應盡可能減小配組公差值。 2.分揀技術 所謂“分揀技術”，就是采用一定的方法，將生產的V帶按標準的分級規(guī)定，分成不同的組別，并打上相應的標記，以供使用時識別。目前主要有人工分揀、全自動分揀二種方式。 人工分揀是操作者僅利用卷尺等測量工具對帶長進行測量。由于V帶為環(huán)形，帶內周長度測量不易進行，另外還要考慮不同操作者視覺差別等原因造成的測量誤差，因此，人工分揀精度誤差較大。粗略估計，公稱長度1600毫米時，測量誤差值一般應在5mm以上。除此之外，按一班生產1000根V帶計算，用人工測量每一根帶，實際上工作量太大，一般廠家只是采用對一爐生產的V帶進行抽檢，以抽檢數據作為組別依據。 全自動分揀是利用現代檢測技術、計算機技術、自動化等技術進行的高效率、高精度檢測與分揀。設備自動化程度高、價格昂貴，受企業(yè)規(guī)模與資金限制，目前一般中小廠家購置不起。因此，根據我國當前的科技水平及企業(yè)資金狀況分析，全自動分揀機并不具備廣闊的發(fā)展市場。國內外V帶生產廠家眾多，除極少數發(fā)達國家的V帶生產廠家使用全自動分揀機外，大部分國家的V帶生產廠家都處于人工分揀到半自動分揀階段。青島第六橡膠廠，是較大規(guī)模的V帶專業(yè)生產企業(yè)，目前仍利用人工分揀。 本課題就是基于解決上述問題而立項，目的是開發(fā)一種性能價格比較高的半自動V帶分揀機，售價預定在10萬元以內。該機能夠在士1mm的范圍內，按設定的標準，將V帶分成不同的組別，經檢測后自動打上組別標記，分揀速度約10-15根/分鐘。該機不但提高了分揀精度，而且克服了人工分揀的繁難，極大提高了勞動效率，提高了廠家產品的市場競爭力，有極大的經濟效益和社會效益。如果該機投放市場，一定會贏得V帶生產廠家的青睞，所以本機極具開發(fā)價值并具有極大的市場潛力。 本課題擬開發(fā)一種集可編程控制器，機械，光電，氣動為一體的機電一體化半自動產品。本產品主要面向廣大的發(fā)展中國家的V帶生產廠家，將現代技術與豐富的人力資源有機結合，在不降低檢測精度的前提下，盡量采用成熟技術、標準控制設備等，以實現“組裝化”設計，達到高可靠性，易于安裝、調試、操作、維修等目的。另外，本產品設計以可編程控制器作為核心控制部件，只要在機器本身作一些改進并更換更高級別的可編程控制器，本產品就會由半自動變?yōu)槿詣印Ｒ虼吮井a品尚具有良好的發(fā)展態(tài)勢。 目前，發(fā)達國家的膠帶生產工藝裝備和試驗測試設備己達到相當先進和完善的地步，整個生產工藝連續(xù)化普遍采用計算機控制膠成型、硫化、磨削、切割等工藝，設備和功率試驗機等測試設備實現了高度機電一體化操作人員少、生產效率高、產品質量好。如德國的Scholz公司、Berstorff公司、日本的神戶公司等專業(yè)生產此類專用設備;某些大的橡膠公司如Pirelli公司和Gates公司等也可自行設計制造此類設備。但引進這些廠家的設備價格相當昂貴，一般為國產設備價格的3-10倍，同時不適合于我國的國情，從而使其在國內的推廣應用受到限制。國內擁有先進設備的只是少數廠家，而其他大多數廠家的生產設備仍十分落后。 1.2.2半自動智能v帶長度分揀機技術分析 半自動智能V帶分揀機工作原理如圖1-1所示。要分揀的V帶套在帶輪1、帶輪2上。固定于機架之上，它在機架上的位置根據被測帶的公稱尺寸調整，由定位銷定位，螺栓和壓板固定，氣缸2和移動支架2裝在可調支架上，帶輪2裝在移動支架2上。工作時氣缸2推動移動支架2，隨著移動支架2和帶輪2右移，被檢測v帶的張力逐漸變大，達到預定值時，氣缸2運動停止，安裝在可調支架上的位置傳感器向PLC發(fā)出信號。移動托板下裝有齒條，齒條與分辨率提高器的輸入圓柱嚙合，在該分辨率提高器的輸出軸上有一個齒盤，該齒盤與光電傳感器，PLC的高速計數器配合完成位移量與脈沖數的轉換，完成位移的測量工作。將此脈沖數存入PLC存儲器貯存后，由PLC處理判明所屬組別，判別完畢，PLC接通標記輪控制電機使之轉動。標記輪上有12個打印字頭(每一個打印字頭對應一個打印符號)，每個打印字頭(打印符號)對應一個帶長度分組公差組別，標記輪控制電動機運轉時帶動標記輪轉動，通過一個對普通金屬材料敏感的渦流式接近開關的高、低電平的輸出，由PLC來計算轉過的打印字頭數量，并與位移量脈沖數進行比較，再配合氣缸1動作，實現正確組別打印。氣缸1, 2復位，標記輪的轉動復位，完成一個測試循環(huán)。 本課題解決的關鍵技術問題: ①如何將生產的同一規(guī)格、同一型號v帶產品按設置的標準級進行檢測、分組。 ②如何快速、精確地檢測右滑板位移量，并判明公差分組的組別。 ③按判明的公差分組的組別，使打印頭轉至相應的組別字號，完成正確的字號打印。 ④該設備如何在通一臺設備上，以較小的資金投入實現不同規(guī)格、型號v帶的檢測分組。 圖1-1半自動智能V帶分揀機工作原理 1.3現代控制技術、檢測技術現狀分析 控制裝置是控制系統(tǒng)中實現控制功能的物理單元。廣義地講，計算機控制裝置都是以計算機為核心構成的。計算機連續(xù)控制系統(tǒng)中采用的是由硬件模擬電路構成的模擬式計算機控制，而離散控制系統(tǒng)中采用的是以微型機為主的數字計算機，由硬件和軟件兩部分組成。采用數字計算機控制，運算精度高，抗干擾能力強，可靠性好，開發(fā)容易且周期短，而且在硬件電路基本不變的情況下，通過改變控制軟件就可適應對不同被控對象進行控制的需要，即具有良好的柔性。因此，采用微型機的控制裝置在機電一體化產品中得到了非常廣泛的應用?？刂蒲b置中采用的微型機屬工業(yè)控制計算機，常用的主要有可編程控制器、單片微控制器(即單片機)、通用的總線式工業(yè)控制系統(tǒng)(簡稱工控機)等三類。 本機的控制系統(tǒng)主要完成以下功能: 順序控制:完成從測長、打印頭自動打印、復位到重新啟動測量等順序控制。 數據傳遞與比較:完成對測量裝置讀數的保存，完成打印頭轉動數據輸入，并對二者數據進行比較，最終完成按測量要求控制打印頭轉動角度，為進行標記打印作好準備。 不同規(guī)格型號V帶的檢測:要檢測的V帶型號較多，測量參數改變時，應能夠方便、靈活地進行系統(tǒng)調整。 根據控制要求，綜合考慮，控制系統(tǒng)主要選用可編程控制器可獲得較好的性能價格比。 在機電一體化產品中，傳感器及測量系統(tǒng)是一個十分重要的環(huán)節(jié)。傳感器用于檢測有關外界環(huán)境及自身狀態(tài)的各種物理量(如力、溫度、距離、變形、位置、功率等)極其變化，并將這些信號轉換成電信號，然后再通過相應的變換、放大、調制與解調、濾波、運算等電路將有用的信號檢測出來，反饋給控制裝置或送去顯示。實現上述功能的傳感器及相應的信號檢測與處理電路，就構成了機電一體化產品中的檢測系統(tǒng)。 1.3.1可編程控制器(PLC)國內應用現狀 傳統(tǒng)的繼電器接觸器控制具有結構簡單、易于掌握、價格便宜等優(yōu)點，在工業(yè)生產中應用甚廣。但是，這些控制裝置體積大、動作速度較慢、耗電較多、功能少，特別是由于它靠硬件連線構成系統(tǒng)，接線繁雜，當生產工藝或控制對象改變時，原有的接線和控制盤(柜)就必須隨之改變換更換，通用性和靈活性較差，不能實現復雜的智能控制。 可編程控制器一般可認為是一種數字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境中應用而設計，它采用可編程的存儲器，用于其內部存貯程序，執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數和算術操作等面向用戶的指令，并通過數字式或模擬式輸入輸出控制各種 類型的機械或生產過程。主要特點有四點: 1、高可靠性。 到目前為止，沒有任何一種工業(yè)控制設備可以達到可編程控制器的可靠性。隨著 器件水平的提高，可編程控制器的可靠性還在繼續(xù)提高。例如，三菱F1, F2系列平均無故障時間可達30萬小時。事實上，如果某種控制裝置可以連續(xù)運行20年以上不出問題，在當前技術更新瞬息萬變的世界上，則可以認為是永遠不壞的裝置了。 2、編程方便、易于使用。 可編程控制器采用與實際電路接線非常接近的梯形圖。這種圖形編程方式易懂易編，一般技術人員，也能夠在很短的時間內學會使用。當今的可編程控制器還針對具體問題設計了諸如步進順序控指令、流程圖指令等指令系統(tǒng)，對于加快系統(tǒng)開發(fā)速度習卜常重要。 從硬件方面說，使用可編程控制器，無論是接線、配置都極其方便，只用螺絲刀即可進行全部接線工作，而不要自制很多接口電路，通常經實驗室編程、模擬調試后，在現場很快就能安裝調試成功。 3、環(huán)境要求低。 可編程控制器具有適應工業(yè)現場的高溫、沖擊和振動等惡劣環(huán)境的特點。 4、與其它裝置配置聯接方便。 例如可編程控制器的接口原則就是使外部接線、電平轉換盡量少。對于開關量，輸入可以是無源觸點開關或集電極開路晶體管輸出;輸出有繼電器、可控硅、晶體管等各種不同的形式?？芍苯舆B接各種不同類型的接觸器、電磁閥等。 5、運行迅速。 工作節(jié)奏快、高速度，為繼電器邏輯控制所望塵莫及。 基于QM的上述優(yōu)點，本機將其作為控制系統(tǒng)。 1.3.2位移檢測技術分析 檢測位移量的方法有許多。利用光電傳感器與一轉動齒盤配合產生脈沖，即可實現位移量與電信號的轉變，通過檢測系統(tǒng)可以實現對位移量的檢測。 第二章 系統(tǒng)總體設計 2.1 引言 本機是一典型的機電一體化產品。機電一體化總體設計是應用系統(tǒng)總體技術，從整體目標出發(fā)，綜合分析產品的性能要求及各機、電組成單元的特性，選擇最合理的單元組合方案，實現機電一體化產品優(yōu)化設計的過程。 隨著大規(guī)模集成電路的出現，機電一體化產品得到了迅速普及和發(fā)展，機、電緊密結合的程度在迅速增加。種類繁多、性能各異的集成電路、傳感器和新材料等，給機電一體化設計人員提供了眾多的可選方案，使設計工作具有更大的靈活性。 本章針對如何利用這些條件，應用機電一體化技術，開發(fā)出操作簡便、測量精確、可靠性與性能價格比高的半自動V帶分組機。 2.2總體設計的主要內容 一般來講，機電一體化總體設計包含技術資料準備、性能指標確定、總體方案確定三部分內容。也就是說，根據所設計產品的技術要求來確定其性能指標，通過對多個可行方案進行比較和評價，設計出綜合性能最優(yōu)換較優(yōu)的總體方案。 2.2.1 V帶分組性能指標 表2-1 V帶尺寸分級規(guī)定(國家標準GB/T13575.1-92，單位mm) 公稱尺寸 極限偏差 配組公差 公稱尺寸 極限偏差 配組公差 1400 +23，-11 4 2500 +31,-16 8 1600 +23，-11 4 2800 +37,-18 8 1800 +27,-13 4 3150 +37,-18 8 2000 +27,-13 4 3550 +44,-22 12 22400 +31,-16 8 4000 +44,-22 12 4500 +52,-26 12 7100 +77,-38 20 5000 +52,-26 12 8000 +77,-38 20 5600 +63,-32 20 9000 +93,-46 32 6300 +63,-32 20 10000 +93,-46 32 根據表3. 2按配組公差可以計算出帶組段范圍。表3. 3是常用V帶組段范圍。 每一個組段應對應一個組段的標識號。 表3. 3為V帶組段范圍 　 直徑為200mm的帶輪 直徑為300mm的帶輪 　 1600 1800 2000 2240 2500 2800 3150 1 1589~1593 1787~1791 1987~1991 2224~2232 2484~2492 2782~2790 3132~3140 2 1593~1597 1791~1795 1991~1995 2232~2240 2492~2500 2790~2798 3140~3148 3 1597~1601 1795~1799 1995~1999 2240~2248 2500~2508 2798~2806 3148~3156 4 1601~1605 1799~1803 1999~2003 2248~2256 2508~2516 2806~2814 3156~3164 5 1605~1609 1803~1807 2003~2007 2256`2264 2516~2524 2814~2822 3164~3172 6 1609~1613 1807~1811 2007~2011 2264~2272 　 2822~2830 3172~3180 7 1613~1617 1811~1815 2011~2015 　 　 2830~2838 3180~3188 8 1617~1621 1815~1819 2015~2019　 　 　 　 　 9 1621~1625 1819~1823 2019~2023 　 　 　 　 10 　 1823~1827 2023~2027 　 　 　 　 該機器對基準長度為2511mm、2711mm、 2911mm、 3111mm 3351mm、 3611mm、 3911mm、4261mm的八種規(guī)格滯進行檢測分組。其中基準長度為2511mm 2711mm兩種規(guī)格的V帶按配組公差要求分為8組;基準長度為2911na 3111mm的兩種規(guī)格V帶按配組公差要求分為2組;基準長度為3351mm、 3611mm兩種規(guī)格V帶按配組公差要求分為3組;3911mm 4261mm兩種規(guī)格錯按配組公差要求分為8組。產品的使用要求包括功能性要求、經濟性要求和安全性要求等，產品的性能指標是根據這些要求以及設計和制造能力、市場需求等來確定。根據以上分析，提出本機主要性能指標如下: 1.本機用于Z, A, B, C四種常用V帶長度檢測(公稱長度范圍1600mm -3150mm)。 2.位移檢測范圍:50 mm. 3.本機檢測項目:尺寸誤差。 4.檢測精度:1mm 。 5.分揀速度為10—15條/分鐘。 6.程序編輯功能，以適應多種型號V帶測量。 對本機主要性能指標的說明: 任何產品所能實現的功能都有一定的范圍。合理地確定產品的功能范圍，既要考慮用戶的使用要求，還要考慮產品經濟上的合理性。本機僅用于Z, A, B, C四種常用V帶長度檢測，公稱長度范圍1600mm-3150mm，主要基于以下考慮。在實際生產中，公稱長度較短的Y型帶，由于長度較短，帶寬最小，重量體積都不大，且長度公差小((2mm)，因此，在生產中較易控制，人工檢測也很方便，勿需使用分揀機進行分揀。而長度相對較長的D, E型V帶，經調查發(fā)現，在實際生產中用量極少，產量很低。考慮產品經濟上的合理性，本機設計可忽略上述幾種帶型，只考慮使用范圍最廣，在生產中長度尺寸不易控制與檢測的Z, A, B, C四種型號V帶。 產品的精度指標是產品設計的一個重要指標，也是用戶選購產品的一個主要參考依據。一般情況下，精度越高，成本也越高，反之，成本降低。 2.2.2總體方案 1.設計思想 本機是根據國家標準GB/T13575.1-92.對V帶尺寸的分級規(guī)定，用于V帶長度檢測、判斷尺寸的組段范圍，并自動完成打印組段標識號。因V帶是無接頭環(huán)形帶，對其長度進行測量，不宜采取直接測量方法，如此將使得測量裝置復雜化，勢必增大設備成本。但如果考慮V帶是套在兩帶輪上，在一定的張緊力作用下作回轉運動，那么，在一定張緊力作用下，可以通過測量兩帶輪中心距尺寸，來間接得到帶長。如果取兩帶輪直徑為D，帶長為L，中心距為，則有下列關系: a =1/2 (L一)表2-2列出了V帶長度組段范圍，由上式可以推得相應的中心距組段范圍。例如，配組公差為4mm的V帶，對每一個配組公差其相應中心跟變動量為2mm。反之，通過測量中心距變動量可以推知V帶長度組段范圍。因此，通過測量中心距位移量來間接計算V帶長度組段范圍，然后，通過打印頭打上相應組段標識號，即可完成V帶分揀工作。 以基準長度1600 mm的V帶為例，由表2-2，取測量帶輪直徑D=200mm。取Ld=1589mm對應的中心距為測量點初始值(a=559mm),固定帶輪與移動帶輪的初始中心距即按此值調整。 表2-3 V帶組段范圍、中心距位移量、打印標識號關系 (Ld=1400 mm) 單位:mm 組段范圍 1589~ 1593 1593~ 1597 1597~ 1601 1601~ 1605 1605~ 1609 1609~ 1613 1613~ 1617 1617~ 1621 1621~ 1625 中心距位移量 0~2 2~4 4~6 6~8 8~10 10~12 12~14 14~16 16~18 打印標識號 1 2 3 4 5 6 7 8 9 因此，本機應由以下功能模塊組成: 驅動模塊:使移動帶輪運動，被測帶產生設定的張緊力。 位移測量功能模塊:檢測出相對初始值的位移量值。 自動打印功能模塊:根據組段范圍自動打印標識號。 控制模塊:實現順序控制、組別范圍判斷、正確打印標識號等。 2.主要模塊設計 驅動模塊 機械、液壓、氣動均可產生直線運動。本機采用氣壓驅動移動帶輪運動，打印頭打印的動作也由氣壓驅動完成。氣壓以空氣為工作介質，介質清潔且容易獲得、成本低、結構緊湊;對本課題而言，利用壓力繼電器，氣動傳動很容易對被檢測V帶既進行定張緊力控制，又能夠適時發(fā)出電信號。這一點，單純機械傳動難以實現。液壓傳動可用于壓力較大場合。 檢測時的帶張緊力設定為:400N-750N之間。 工作壓力:0.6MPa 驅動移動帶氣缸型號:QGBII50-MSI氣缸內徑D=50 mm. 驅動標記輪氣缸型號:QGCX12-H.氣缸內徑D=12 mm. 位移測量功能模塊 位移檢測可選擇方案很多。如感應同步器、光柵傳感器(直線位移測量精度可達0.5mm)、激光位移傳感器、光電傳感器等。 按國家標準GB/T13575.1-92的要求，V帶配組公差值在4-32 mm之間，相對于一般機械零件公差，數值相當大，對檢測精度要求相對較低。在能夠滿足使用要求的條件下，主要考慮結構簡單、使用維修方便、降低成本，選擇光電傳感器與碼盤配合組成位移檢測系統(tǒng)，初步提出位移檢測精度0.5 mm，以得到較高的性能價格比。 自動打印功能模塊 打印頭要根據位移測量結果，通過控制系統(tǒng)作用，完成正確轉位以及打印組別標識號。打印頭對應位移測量結果實現正確轉位，可采用控制步進電機、伺服電機、光電碼盤和交流異步微型電動機聯合控制等實現。 本機從實用、系統(tǒng)簡便等方面考慮，選用后者實現打印頭轉位。電機型號為60YY25CDT. 控制模塊 本機以PLC作為設備的控制系統(tǒng)主體，利用其柔性控制特點，實現位移檢測、打印頭轉動、氣缸電磁閥動作及其余部分的動作，通過改變應用程序的某些模塊和對設備進行簡單的調整后可完成不同型號V帶的分揀。 本機選用三菱F1系列的F1-40MR，即選擇I/O總數為40點，24個輸入點，16個輸出點，功耗25VA, DC24V輸出電源為0.lA。 第三章 檢測、自動打印標記、電氣控制原理及設計 3.1引言 隨著現代測量、控制及自動化技術的發(fā)展，傳感器技術越來越受到人們的重視，應用越來越普遍。凡是應用到傳感器的地方，必然伴隨著相應的檢測系統(tǒng)。尤其是在機電一體化產品中，傳感器極其檢測系統(tǒng)不僅是一個必不可少的組成部分，而且已成為機與電有機結合的一個重要紐帶。由于近年來計算機的普及應用，在機電一體化產品中許多復雜的信號處理都采用計算機來完成，本機的信號處理由PLC完成。數字式傳感器可直接將被測量轉換成數字信號輸出，既可提高檢測精度、分辨率及抗干擾能力，又易于信號的運算處理、存儲和遠距離傳輸。最常見的數字式傳感器有光柵、磁柵、感應同步器、光電編碼器及激光干涉儀等。 3.2位移檢測 3.2.1.位移檢測系統(tǒng)結構及工作原理 目前可用于位移檢測的傳感器種類很多。本機采用光電傳感器，光電傳感器是將光信號轉換為電信號的一種傳感器，若用這種傳感器測量其它非電量時，只要將這些非電量的變化(例如位移的變化)轉換成光信號的變化即可。這種測量方法具有結構簡單、非接觸、高可靠性、高精度和反應快等特點。圖3-1是本機器位移檢測原理圖。 圖3-1位移監(jiān)測系統(tǒng)結構 光斷續(xù)器是一種光電子器件，它是專門用來檢測物體的光傳感器，它有一個發(fā)光元件和受光器件，將電信號轉變?yōu)楣庑盘?，然后再將光信號變?yōu)殡娦盘栞敵觥Ｔ诖宋覀冞x擇了透過型光斷續(xù)器。透過型光斷續(xù)器的原理圖如圖3-2所示，它們的發(fā)光元件和受光器件相距一定的距離，中間物體為穿過用的凹槽，當無物體穿過時，發(fā)光元件的輻射光照射在受光器件上，將光信號轉轉換為電信號輸出。當斷續(xù)器內有物體時，則發(fā)光元件輻射的光被遮擋，受光器件無光照射，也就無信號輸出。隨著物體規(guī)則性的有無，光斷續(xù)器輸出一個方波。 圖3-2透過型光斷續(xù)器的電器原理圖 利用本機進行位移測量時，首先根據V帶型號，按最短帶長計算出初始中心距，根據此值調整固定帶輪與移動帶輪的中心距。被測V帶套在帶輪上之后，氣缸2(見圖1-1)推動右滑板右移，右滑板下的齒條與分辨率提高器輸入齒輪嚙合，分辨率提高器是由輪系組成的增速轉動系統(tǒng)，在其輸出端有一個齒盤，齒盤的圓周均勻地分布有許多齒。該齒和槽起通斷光線的作用，它與透過型光斷續(xù)器結合(如圖3-3所示，1和2),便可產生一系列適合于PLC高速計數用的方波。即齒盤轉動一周，光斷續(xù)器產生與齒盤上齒槽數相等的電脈沖信號。 圖3-3光電監(jiān)測原理圖 為提高檢測精度，利用分辨率提高器的兩級傳動，取齒條、齒輪的模數為m=1，齒數Z1=Z2=Z3=20，Z,1 =Z,2 =Z,3 =60，則傳動比為=27，即齒數Z1轉過一個齒,齒盤Z,3轉27個齒。齒條的齒距P=πm=3.1415926mm，齒盤轉過一個齒相當于齒條移動π/27= 0.116mm因此，本機的測量分辨率為0.12mm，精度約為0.3mm。 3.2.2.根據本機精度確定被測V帶組段范圍 由此可見，本機首先將帶長檢測轉換成中心距位移檢測，通過上述檢測機構將中心距位移轉換成為一定的脈沖數量，齒盤轉過一個齒，則產生一個脈沖，相臨脈沖的下降沿對應中心距位移0.116 mm，即0.116mm/脈沖。國家標準GB/T13575.1-92.規(guī)定的基準長度為1600mm V帶的配組公差值為4mm，對應的中心距的公差值約為2mm，該值對應2/0.116=17個脈沖。 圖3-4 分辨率提高器傳動簡圖 根據本機設定的分辨率和表2-2確定的V帶分組范圍，得出表3-1所示的當帶長Ld=1600mm，配組公差4 mm時，V帶帶長范圍、中心距位移量、打印標識號關系，的表格，其余帶長的分組類似。 表3一1 V帶組段范圍、中心距位移量、打印標識號關系 (Ld= 2511mm配組公差4 mm) 單位:mm 組段范圍 1589~ 1893 1593~ 1597 1597~ 1601 1601~ 1605 1605~ 1609 1609~ 1613 1613~ 1617 1617~ 1621 1621~ 1625 中心距位移量 0~2 2~4 4~6 6~8 8~10 10~12 12~14 14~16 16~18 打印標識號 1 2 3 4 5 6 7 8 9 對應脈沖數 ≧1~17 ≧18~34 ≧35~51 ≧52~68 ≧69~85 ≧86~100 ≧101~115 ≧116~132 ≧133~149 帶長的分組可以用測量數據求帶長分組的計算框圖求出，求出的數據存放于PLC的內部寄存器中，以備將來調用。 3.2.3 分辨率提高器結構尺寸的設計 1.分辨率齒輪的設計 選取尼龍610作為分辨率齒輪的材料，其特點：耐疲勞，強度韌性好，剛性大，耐磨，自潤滑性能良好，耐熱，尺寸穩(wěn)定性好，成品收縮率好，適用于無潤滑條件下工作的耐磨件?？估瓘姸龋汉?8.8MPa、干態(tài)176.4Mpa；抗彎強度：100Mpa;抗壓強度：58.6～88.2 Mpa;硬度：HBS=12.4；彈性模量：E=2250Mpa;分度圓直徑：d=mz=20×1=20mm；取齒寬為2mm.由于齒輪在轉動過程中幾乎沒有力的傳遞，所以不需要進行較核。 2.分辨率提高器軸的設計 按每分鐘分揀15條V帶設計計算，則檢測每條v帶需要4秒，按檢測最長帶3150mm的極限偏差計算，齒條行程為L=(3188-3132)/2=28mm.則I軸轉速為n1=28/(4*20)=21r/min,III軸轉速為n3=27*21=567r/min;由于提高器運行過程中，只有齒輪嚙合摩擦和齒條帶動齒輪微弱的轉矩,取T=1N.mm 。軸的材料選取45鋼,彈性模量：E=200000Mpa;屈服強度353Mpa.則由公式（2-43）[2]設計軸的直徑. 查表2-6得C=160 從本機的設計成本考慮，越小的軸加工越困難，故此，分辨率提高器軸的直徑取5mm. 軸的結構如零件圖： 考慮軸徑過小很難在其上開鍵槽而且承載的力也很小，所以齒輪和軸之間利用過盈配合來保證軸向和周向的定位。圓柱面過盈聯接的計算（摘自GB/T5371-1985）[5]表25.5-3 取T=1N,選取=0.1 l 傳遞載荷所需的最小的結合壓強： T-轉矩（N.mm）,-結合直徑（mm）,-結合長度，一般取=0.9（mm）-摩擦系數，見表25.5-5、6 則 l 直徑比齒輪 對實心軸 l 包容件傳遞載荷所需最小直徑變化量 值查表25.5-4[5],和1.5-98[3] l 被包容件傳遞載荷所需最小直徑變化量 值查表25.5-4和25.5-7 l 聯接傳遞載荷所需最小過盈量 l 考慮壓平后的最小過盈量壓入法裝配 對縱向過盈量聯接取 l 包容件不產生塑性變形所允許的最大結合壓強 a,b值可查圖25.5-4 l 被包容件不產生塑性變形所允許的最大結合壓強 當為實心軸時c=0.5 l 聯接件不產生塑性變形所允許的最大結合壓強 取 l 聯接件不產生塑性變形的傳遞力 l 包容件不產生塑性變形所允許的最大直徑變化量 l 被包容件不產生塑性變形所允許的最大直徑變化量 l 聯接件不產生塑性變形所允許的最大有效過盈量 配合的選擇 l 選擇配合的要保證過盈聯接傳遞給定的載荷 保證聯接件不產生塑性變形 - 標準確定的最大過盈量和最小過盈量 l 確定基本過盈量 l 確配合定基本的基本偏差代號 查圖25.5-5 相應的基本偏差代號為“U”(或由GB/T1800～1803-1997《公差與配合》的規(guī)定選擇) l 選定配合，代號U的基本偏差為0.023mm采用的公差孔為IT7 軸為IT6 所以選定出最大過盈和最小過盈 IT6=0.008mm IT7=0.012mm 定出 由GB/T1801-1997確定配合 較核計算 l 聯接最小傳遞力 l 結合件的最大應力 齒輪 軸 所以滿足設計要求。由于在實際應用過程中該分辨率提高器屬于增速機構，只靠過盈配合很難保證徑向的定位問題，故在過盈配合的基礎上將與齒輪配合部分做成滾花軸。 3.3自動打印標記 自動打印標記裝置要完成的工作:根據被測帶的分組，將打印頭的標記輪 處;打印頭在氣缸的推動下，前移，打印標記;③打印完畢，打印頭在氣缸的作用下復位，標記輪回轉，自動復位。 圖3-6標記輪結構（1） 標記輪結構如圖3-6, 3-7所示，在字頭盤4上安裝有等間隔的12個字 頭，自霍爾式接近開關5開始，沿逆時針方向，字頭上的字符依次為: 圖3-7標記輪結構（2） “1”，“2”，“3”，，“4”，，“5”，“6”，“7”，“8”，“9”，“10”，“11”，“12”。由于霍爾式接近開關5僅對磁性材料敏感，在圖3-6中的與霍爾式接近開關5相對的位置上，安裝有一個稀土磁性材料欽鐵硼的圓柱體，因此將其用于整個圓盤的圓周方向的初始位置的判別。由測量系統(tǒng)得出的帶的分組數，記錄于PLC的計數器C667中，將此數值賦予中間存儲器后，作為減計數器的初值賦于另一計數器C662。在字頭盤4的水平位置A處安裝有渦流式接近開關，其特點是對普通的金屬材料敏感，由于字頭2和字頭盤4所處的前后位置不同，自前至后，依次為:渦流式接近開關3、字頭2、字頭盤4、圓柱式欽鐵硼和霍爾式按近開關5。字頭盤4在具有電子調速功能的減速電機的驅動下轉動，其轉動速度可以根據現場的工作條件無級調速。在轉動過程中，字頭與字頭盤下部油漆盒6上的海綿接觸，自動在字頭上均勻地涂上油漆，每當一個字頭轉至A處，渦流式接近開關的電平就會發(fā)生變化，由原來的低電平變?yōu)楦唠娖?，一旦字頭離開A處，接近開關的電平就會由原來的高電平變?yōu)榈碗娖?，PLC的計數器將此值與帶長測量所的得分組值比較，若相等，則電動機停止轉動，并向PLC的中間繼電器發(fā)出信號。進一步使得掃一印頭驅動氣缸的電磁閥接通，整個打印頭在氣缸的作用下右移，字頭的字符便轉印到V帶上。 氣缸右移到極限位置后，由接近開關向PLC發(fā)出信號，氣缸的電磁閥失電，氣缸在其內部彈簧的作用下，退回最左端。并觸發(fā)氣缸左端極限位置開關，使得字頭盤4的減速電機轉動，直至霍爾式接近開關5被觸發(fā)，電動機停止轉動。完成一個打印標記的循環(huán)。 圓周方向的定位問題：為了降低設備的成本，字盤的驅動電機，沒有選擇步進電機或交直流伺服電機，因而機械系統(tǒng)存在圓周方向的定位問題。為此將接近開關的位置設計成可調的，如圖3一8 所示。 圖3-8周向位置調整孔 為了防止打印標記時，帶的厚度差別造成的打印力量不足造成的氣缸與推動打印頭的支持之間設計了彈簧傳力裝置，如此一來，過大的位移將有彈簧來抵消，使機器的性能得以改善。 打印頭字頭盤的轉動驅動電機為電子調速的減速電機，且?guī)в凶詣又苿庸δ?，其動力通過由橡膠制成的聯軸器傳遞給軸，然后再傳遞給字頭盤。采用帶橡膠連軸器的優(yōu)點是可以很好地補 償電動機和傳動軸之間，因機架的制造和安裝誤差造成的徑向、軸向和軸線的綜合位移。采用該電子調速的減速電動機的優(yōu)點是，電動機為異步電動機，不需要任何特殊電源，可直接使用交流電，結構簡單，價格低廉，由于該電機配有無級電子調速裝置，因而，可以滿足不同工_況的要求。 型號 功率W 電壓V 頻率Hz 電流A 起動轉矩mN.m(g.cm) 額定轉矩mN.m(g.cm) 額定轉速r/min 電容uF/VAC 工作狀態(tài) 80YY25-2 25 220 50 0.30 120(1200) 205(2050) 1200 1.5/450 連續(xù)Cont 80YN25-2 0.35 130(1300) 220(2200) 1200 2.0/450 30min 80YN25-2 0.30 120(1200) 205(2050) 1200 1.5/450 連續(xù)Cont 80YN25-1 25 110 60 0.60 120(1200) 170(1700) 1450 6/250 連續(xù)Cont 80YN25-1 0.70 130(1300) 180(1800) 1450 8/250 30min 80YN25-1 0.60 120(1200) 170(1700) 1450 6/250 連續(xù)Cont 該電機的型號為：80YYJT25，其性能參數如下：該機為具有電子調速的、電容運轉的、具有電子調速的單項交流異步電動機。額定電流：0.35A，調速范圍90—1400r/min, 1200轉/分轉矩：0.198,90轉/分（N.m）：0.070，起動電流(A)： 0.50，超動轉矩(N.m):0.100。 3.3.1 字頭轉動電機的選擇 1. 選擇電機的類型：為了降低設備的成本，字盤的驅動電機，沒有選擇步進電機或交直流伺服電機，打印頭字頭盤的轉動驅動電機選擇減速式單相交流電容運轉異步電動機，且?guī)в凶詣又苿庸δ堋蜗嘟涣麟娙葸\轉異步電動機，按輸出功率可分為6W～140W八個品種，每個品種又可按其功能分為YY型異步電動機和YN型可逆電動機；每種還可附設帶電子調速，帶電磁制動，帶機械阻尼等功能。 　　YY型異步電機用于一個方向運轉的工作機械；YN型可逆電機用于頻繁啟動或換向運轉的場合。不同功率和不同性能的電機，都可適配一種合適的減速器，以滿足需要的轉速輸出。故本機采用YY型，采用該減速電動機的優(yōu)點是，電動機為異步電動機，不需要任何特殊電源，可直接使用交流電，結構簡單，價格低廉，由于該電機配有無級電子調速裝置，因而，可以滿足不同工_況的要求。 2. 確定電機的功率：電機的功率選擇得合適與否，對電機的工作和經濟性都有影響。當功率小于工作要求時，電機不能保證工作裝置的正常工作，或使電機因長期過載而過早損壞；功率過大則電機的價格高，能量不能充分利用，造成浪費。 電機，由于電機功率越小傳動效率越低，(見新編機械設計師手冊下)該電機的傳動效率約為 由于本機所需電機只需要帶動字頭盤的轉動，沒有其它負載。所以選擇額定功率為25W的50%,則實際輸出功率為12.5W,足以滿足設計需要。 該電機的型號為:80YY25CDT，其性能參數如下:該機為帶電磁制動動的、電容運轉的、具有電子調速的單項交流異步電動機。額定電壓:220V，額定功率25W，額定電流:O.3A，調速范圍90一1400r/min，額定轉速1200轉/分，額定轉矩:205mN.m。 3.3.2 字頭轉動軸的設計 軸的材料選擇Q235A鋼。由表可以查得，[參考資料2]由轉動時所需要的轉矩很小，只有打印時的剪切力。所以從加工的角度考慮，根據經驗直接取軸的最小直徑為8mm。 直接對軸進行剪應力較核。結構如圖： 由靜力平衡方程求得：Ra=Rb=28.8N. 滿足設計要求。 3.3.3 聯軸器的選擇 聯軸器結構示意圖如下： 規(guī)格 ?d1,?d2 軸徑 ?D L L1 扭矩 偏心角度 最高轉速 LK1-15 3　4　5 15.5 23 3 1N·m 2° 8000r/min LK1-17- 4　5　6 17.5 23 3 1.5N·m 2° 8000r/min LK1-19 3 5 8 19.5 24.5 3.55 2N·m 2° 8000r/min 電動機動力通過聯軸器傳遞給軸，然后再傳遞給字頭盤。由于機架的制造和安裝存在誤差，所以選擇彈性聯軸器。采用彈性連軸器的優(yōu)點是可以很好地補償電動機和傳動軸之間，因機架的制造和安裝誤差造成的徑向、軸向和軸線的綜合位移。由于本機所只需要帶動字頭盤的轉動，沒有其它負載。需要的轉矩很小，故選擇LK-15-0608型彈性聯軸器。該聯軸器傳遞扭距1N.m,最高轉速800r/min（外購于廣州菱科自動化設備有限公司） 3.3.4 傳力裝置彈簧的選取 根據彈簧的工作條件和工作載荷確定彈簧的材料直徑，由于本機在傳動過程中的力不大，不需要進行許用應力校核計算，直接根據參考資料[3]表3.4-11選取圓柱螺旋壓縮彈簧，材料為65Mn,材料直徑為1mm,承受載荷為54.98N，彈簧中徑為12mm的彈簧。根據工作的需要選取彈簧有效圈數為30. 3.4設備各工作過程的控制 本設各的控制面板如圖所示3一1 1，其工作過程如下： 開機→自檢(帶輪夾緊處于“放松”位置，帶輪張緊處于“張緊”位置，打印頭的字頭盤處于“初始位”位置)→在上述位置正常并顯示“正?！?，否則接通各控制電路，使機器處于上述位置，并使機器處于“手動位置”。 自動工作過程:“啟動”→高速計數器清零，進行高速計數→帶輪夾緊氣缸收縮，至“夾緊”→帶輪張緊氣缸“張緊”，至“張緊”→高速計數結束→尺寸分組→打印頭的字盤轉動至相應的位置→打印頭被氣缸推動前進，至“前位” →打印頭推動氣缸后退，至“后位”→帶輪張緊氣缸“放松”，同時打印頭的字盤轉動至“初始位”位置。 手動工作過程：按下“手動”按鈕，至手動指示燈亮，點動控制面板上的不同按鈕，即可執(zhí)行相應操作。手動功能可方便的完成機械的調試、故障檢測與排除、設備的調整等。 3.4.1 PLC控制特點及所選型號 本機所采用的PLC控制裝置，較之繼電器控制有許多優(yōu)點。PLC的編程語言使用最多的是梯形圖。PLC的梯形圖與繼電器控制線路十分相似，梯形圖中沿用了繼電器控制電路中的元件名稱和序號，僅有個別不同。從信號的輸入/輸出形式及控制功能來看，二者也是相同的。但PLC控朱日與繼電器控制有許多的不同之處： 1.器件組成不同。繼電器控制線路是由若干真正的繼電器組成，而梯形圖則是由許多的“軟繼電器”組成。那些硬繼電器的觸點易磨損，而“軟繼電器”則無此現象。本機要求每分鐘檢測10根帶，一天按工作8小時計，按檢測一根帶，觸點動作一次計算，則觸點一天動作的總次數是: 10 * 60 * 8 = 4800（次) 而一般繼電器觸點動作總數不應超過2萬次，由此可見，如果使用繼電氣控制，觸點磨損嚴重，繼電器需經常更換，嚴重影響設備使用。 2.工作方式不同，在繼電氣控制線路中的各繼電器是按“并行”方式工作的，或者說是同時執(zhí)行的，即當電源接通時，滿足條件的繼電器將同時動作。而在PLC控制系統(tǒng)中，各“軟繼電器”都處于周期性循環(huán)掃描接通之中，也就是說受同一條件制約的各“軟繼電器”的動作次序決定于程序掃描順序，所以說PLC以“串行”方式工作。PLC的這種“串行”工作方式，可避免繼電器控制的觸點競爭和時序失配問題。 3.實施控制的方法不同。在繼電器控制線路中，控制功能的實現是通過硬件連線來完成，因此功能專一，不靈活;而PLC的控制是通過軟件編程來實現，所以方便、靈活。本機要檢測9種型號V帶，更換型號時，要調整改變多種檢測參數，使用PLC控制，無須調整硬件連接，僅改變軟件即可，非常方便。 4.觸點數量不同。繼電器線路中的繼電器觸點數量是有限的，由于控制的觸點數一般只有4-8對;而梯形圖中的“軟繼電器”供編程使用的觸點