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編號(hào)
無(wú)錫太湖學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
題目： 自動(dòng)排向機(jī)改造研究 ——石
墨舟倉(cāng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
信機(jī) 系 機(jī)械工程及其自動(dòng)化 專業(yè)
學(xué) 號(hào)： 0923272
學(xué)生姓名： 支俊
指導(dǎo)教師： 宋廣雷 （職稱：副教授）
2013年5月25日
無(wú)錫太湖學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
誠(chéng) 信 承 諾 書(shū)
本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 《自動(dòng)排向機(jī)改造研究——石墨舟倉(cāng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)》是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的成果，除了在畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中特別加以標(biāo)注引用、表示致謝的內(nèi)容外，本畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）不包含任何其他個(gè)人、集體已發(fā)表或撰寫(xiě)的成果作品。
班 級(jí)： 機(jī)械96
學(xué) 號(hào)： 0923272
作者姓名：
2013 年 5 月25 日
無(wú)錫太湖學(xué)院
信機(jī) 系 機(jī)械工程及其自動(dòng)化 專業(yè)
畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)論 文 任 務(wù) 書(shū)
一、題目及專題：
１、 題目 自動(dòng)排向機(jī)改造研究
２、專題 石墨舟倉(cāng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
二、課題來(lái)源及選題依據(jù)
排向機(jī)是二極管生產(chǎn)過(guò)程中的關(guān)鍵設(shè)備，可以將二極管針腳有序地排列到石墨舟中，進(jìn)行后續(xù)工序的加工，勞動(dòng)強(qiáng)度大，用工人數(shù)多。本課題來(lái)源于企業(yè)橫向研究項(xiàng)目，針對(duì)現(xiàn)有二極管針腳排向機(jī)的不足和缺陷，提出改進(jìn)措施，加強(qiáng)在線檢測(cè)，減少人工，包括機(jī)械系統(tǒng)和電控系統(tǒng)等。
三、本設(shè)計(jì)（論文或其他）應(yīng)達(dá)到的要求：
1.彌補(bǔ)現(xiàn)有排向機(jī)的不足和缺陷：在在線監(jiān)測(cè)方面加強(qiáng)，原本產(chǎn)線上掉落的針腳需要工人放回料斗，經(jīng)過(guò)改善，可自行回收進(jìn)入料斗。改善后由PLC控制自動(dòng)補(bǔ)給石墨舟，從而減少人工，提高二極管生產(chǎn)效率，增加經(jīng)濟(jì)收益。
2.綜合運(yùn)用大學(xué)四年所學(xué)知識(shí)：機(jī)械制圖、機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)、機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)、液壓與氣壓傳動(dòng)、機(jī)器人技術(shù)及其應(yīng)用等。
3.再次復(fù)習(xí)了專業(yè)知識(shí)，認(rèn)識(shí)理論知識(shí)與實(shí)際生產(chǎn)的關(guān)系，為今后工作提供經(jīng)驗(yàn)。
4.綜合應(yīng)用機(jī)電一體化知識(shí)，加強(qiáng)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能力，為企業(yè)提供排向機(jī)自動(dòng)化改造方案。
四、接受任務(wù)學(xué)生：
機(jī)械96 班 姓名 支俊
五、開(kāi)始及完成日期：
自 2012 年 11 月12 日 至 2013年 5 月 25 日
六、設(shè)計(jì)（論文）指導(dǎo)（或顧問(wèn)）：
指導(dǎo)教師 簽名
簽名
簽名
教研室主任
〔學(xué)科組組長(zhǎng)研究所所長(zhǎng)〕 簽名
系主任 簽名
2012年11月12日
I
摘 要
中國(guó)的二極管生產(chǎn)企業(yè)起步很早，以至于很多企業(yè)里面的二極管生產(chǎn)設(shè)備比較陳舊。由于舊的設(shè)備生產(chǎn)效率低，廢品率高，需要大量人工的原因，我們決定將對(duì)舊的二極管生產(chǎn)設(shè)備上進(jìn)行一些自動(dòng)化改造。主要的改造內(nèi)容是將石墨舟的堆放和上料過(guò)程進(jìn)行自動(dòng)化改造，其中改造內(nèi)容有：在空石墨舟的堆放處用機(jī)械手代替，通過(guò)氣缸與機(jī)械手相結(jié)合的方式放置石墨舟；對(duì)石墨舟的堆放和上料下料的過(guò)程由石墨舟升降機(jī)構(gòu)來(lái)進(jìn)行完成，通過(guò)電動(dòng)機(jī)帶傳動(dòng)，皮帶上的氣手指撥動(dòng)石墨舟堆，在上料和下料處各放置十個(gè)為一堆的石墨舟堆，由氣爪抓取進(jìn)行上料和下料；整個(gè)過(guò)程通過(guò)PLC進(jìn)行電氣控制，大大改進(jìn)了生產(chǎn)效率以及減少了人工，使得企業(yè)在生產(chǎn)中獲得更多的盈利。
關(guān)鍵詞：排向機(jī)，二極管生產(chǎn)，自動(dòng)化改造，PLC，石墨舟
ABSTRACT
China’s diode production enterprise started early, that many enterprise inside of the diode production equipment is old. Because the old equipment production efficiency is slow, scrap rate is high, need a lot of artificial. We dicided to do some automation reconstruction to old diode production equipment. The main content of the reform is to pile up on the boat graphite and material process automation reconstruction, the transformation contents include: In the empty graphite boat with the dump instead of manipulator, throuth the cylinder and machinery of the combination of the palm placed graphite way up; The graphite stacked on the boat and the process of feeding material by graphite boat lifting mechanism to completed, throuth the motor belt, the gas fingers of the belt moving graphite boats, In feeding and discharging points under the place for a pile of ten of the graphite boats, they are grabed by gas claw; The whole process was controlled by the PLC , greatly improved the production efficiency and reduced labour, maked the enterprise gaining more profit in the production.
Key words: rowing machine, diode, Automation reconstruction, PLC, graphite boat
目 錄
摘 要 III
ABSTRACT IV
1 緒 論 1
1.1研究?jī)?nèi)容 1
1.2 研究目標(biāo) 3
1.3 關(guān)鍵問(wèn)題 3
1.4 研究方法和技術(shù)路線 3
1.4.1 研究方法 3
1.4.2 技術(shù)路線 4
2. 石墨舟倉(cāng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 5
2.1 舊排向機(jī)構(gòu)造 5
2.2 石墨舟倉(cāng)部分改造的初步想法 5
2.3 石墨舟倉(cāng)改造方案確定 7
2.4 排向機(jī)改造的控制系統(tǒng)初步設(shè)計(jì) 8
3. 石墨舟倉(cāng)結(jié)構(gòu)各零件選用及設(shè)計(jì) 11
3.1 升降機(jī)構(gòu)傳動(dòng)方式 11
3.2 帶傳動(dòng)系統(tǒng)帶和帶輪的選擇 13
3.2.1 電機(jī)額定輸出功率估算 14
3.2.2 確定計(jì)算功率 14
3.2.3 小帶輪轉(zhuǎn)速計(jì)算 15
3.2.4 選定同步帶帶型和節(jié)距 15
3.2.5 選取主動(dòng)輪齒數(shù) 16
3.2.6 小帶輪節(jié)圓直徑確定 16
3.2.7 大帶輪相關(guān)數(shù)據(jù)確定 16
3.2.8 帶速v的確定 16
3.2.9 初定軸間間距 16
3.2.10 同步帶帶長(zhǎng)及其齒數(shù)確定 16
3.2.11 帶輪嚙合齒數(shù)計(jì)算 16
3.2.12 基本額定功率的計(jì)算 17
3.2.13 計(jì)算作用在軸上力 17
3.3 主動(dòng)帶輪軸的設(shè)計(jì)和校核 17
3.4 從動(dòng)帶輪軸的設(shè)計(jì)和校核 18
3.5 石墨舟倉(cāng)機(jī)構(gòu)其他零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 18
3.5.1 滾動(dòng)軸承的選擇 18
3.5.2 石墨舟倉(cāng)機(jī)架的設(shè)計(jì) 19
3.5.3 氣手指夾具的設(shè)計(jì) 20
4. 上料機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 23
4.1 機(jī)械手的意義 23
4.2 機(jī)械手方案對(duì)比 23
4.3 機(jī)械手方案的確定 24
5. 自動(dòng)化控制設(shè)計(jì) 27
5.1氣源裝置的選擇 27
5.2傳感器的選擇 28
5.3 PLC介紹 30
5.4 輸入輸出的確定 30
結(jié)論與展望 34
致 謝 35
參考文獻(xiàn) 36
附錄 37
零件三維圖 37
V
自動(dòng)排向機(jī)改造研究——石墨舟倉(cāng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
1. 緒 論
1.1研究?jī)?nèi)容
二極管又稱晶體二極管，簡(jiǎn)稱二極管。它是一種具有單向傳導(dǎo)電流的電子器件。在半導(dǎo)體二極管內(nèi)部有一個(gè)PN結(jié)兩個(gè)引線端子，這種電子器件按照外加電壓的方向，具備單向電流的轉(zhuǎn)導(dǎo)性。一般來(lái)講，晶體二極管是一個(gè)由p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體燒結(jié)形成的p-n結(jié)界面。在其界面的兩側(cè)形成空間電荷層，構(gòu)成自建電場(chǎng)。當(dāng)外加電壓等于零時(shí)，由于p-n結(jié)兩邊載流子的濃度差引起擴(kuò)散電流和由自建電場(chǎng)引起的漂移電流相等而處于電平衡狀態(tài)，這也是常態(tài)下的二極管特性。
二極管的構(gòu)造和符號(hào)：
二極管的生產(chǎn)工藝：
焊接→酸洗→模壓→印字→機(jī)包→外揀→包裝
其中焊接又可分為排向、裝填、進(jìn)爐、出爐轉(zhuǎn)換，利用焊片通過(guò)一定溫度，使芯片與金屬引線連接，形成歐姆觸角。
酸洗是利用化學(xué)品將晶體表面加以侵蝕，使P-N接面呈現(xiàn)正角比例以獲得最佳的電性品質(zhì)。于晶片表面形成SiO2，以達(dá)到絕緣目的。
模壓是使管芯與外界環(huán)境隔離，避免有害氣體侵蝕，并使表面光潔和具有特定的幾何形狀，起到保護(hù)管芯、穩(wěn)定表面、固定管芯內(nèi)引線，提高二極管機(jī)械強(qiáng)度的作用。
排向機(jī)是二極管生產(chǎn)過(guò)程中的關(guān)鍵設(shè)備，可以將二極管針腳有序地排列到石墨舟中，進(jìn)行后續(xù)工序的加工?，F(xiàn)有排向機(jī)勞動(dòng)強(qiáng)度大，用工人數(shù)多。改善后的排向機(jī)加強(qiáng)了在線監(jiān)測(cè)，加入了PLC控制系統(tǒng)，完成了生產(chǎn)的自動(dòng)化，大大提高了二極管的生產(chǎn)效率，減少了人工。
本課題設(shè)計(jì)內(nèi)容以機(jī)電氣一體化技術(shù)為核心，整機(jī)采用PLC控制，要求和原設(shè)備無(wú)縫銜接，學(xué)生需掌握機(jī)械工程及自動(dòng)化專業(yè)相關(guān)基礎(chǔ)理論。
現(xiàn)有排向機(jī)的構(gòu)造：
圖1.1 現(xiàn)有排向機(jī)圖片
如圖，針腳通過(guò)人工方式在料參中進(jìn)行震動(dòng)，并有序向上移動(dòng)，然后來(lái)到針腳分流裝置中，進(jìn)行向下移動(dòng)，針腳分流裝置可以將成批的運(yùn)輸過(guò)來(lái)的二極管針腳進(jìn)行分流成為十股針腳，一列一列進(jìn)行向前移動(dòng)，移動(dòng)至擋板處。其中彎的或者殘缺的針腳將被擋板擋住，并流入下料盤(pán)中，質(zhì)量良好的針腳將有序的一個(gè)個(gè)豎立地流入擋板下面的槽中，在整個(gè)機(jī)器的震動(dòng)中來(lái)到氣缸，氣缸通過(guò)左右移動(dòng)將一排排針腳準(zhǔn)確的安放到上模中，上模與石墨舟通過(guò)定位銷進(jìn)行了定位，每一個(gè)孔都準(zhǔn)確對(duì)齊，針腳在氣缸的左右移動(dòng)中對(duì)齊地放入上模，再由經(jīng)上模準(zhǔn)確的放入石墨舟中，整個(gè)機(jī)器由旁邊的控制臺(tái)進(jìn)行控制。
然而，舊版的排向機(jī)有一定的不足如下：
（1） 在針腳分流裝置中，雖然整個(gè)裝置進(jìn)行過(guò)周密的計(jì)算，但是針腳分流仍舊是按照一定的概率進(jìn)行等量分流的，可能會(huì)產(chǎn)生某一列或者幾列在分流過(guò)程中針腳出現(xiàn)空缺的狀況，這一問(wèn)題在流水線上繼續(xù)作業(yè)會(huì)使石墨舟上出現(xiàn)一列或者幾列的空缺，影響生產(chǎn)效率；
（2） 在料參和下料盤(pán)中的針腳都需要通過(guò)人為的進(jìn)行補(bǔ)充以及放回，增加了工人的負(fù)擔(dān)，并且在一定程度上降低了生產(chǎn)效率，也無(wú)法自動(dòng)排出質(zhì)量有問(wèn)題的針腳；
（3） 在氣缸處沒(méi)有檢測(cè)針腳是否空缺的裝置，如果在氣缸前有針腳卡主或者堵塞，有可能出現(xiàn)一列或者幾列的針腳空缺情況，使進(jìn)行排列后的石墨舟可能出現(xiàn)不足或者空缺的情況；
（4） 上模處沒(méi)有檢測(cè)石墨舟是否每一個(gè)孔里面都裝入了針腳的傳感器及控制裝置，無(wú)法檢測(cè)是否每個(gè)石墨舟工序后針腳都填滿；
石墨舟在填滿后需要通過(guò)人工進(jìn)行移動(dòng)，并補(bǔ)充新的空的石墨舟，在日生產(chǎn)量巨大的工廠中，大大影響了生產(chǎn)的效率，為企業(yè)帶來(lái)不必要的損耗。
1.2 研究目標(biāo)
排向機(jī)是二極管生產(chǎn)過(guò)程中的關(guān)鍵設(shè)備，可以將二極管針腳有序地排列到石墨舟中，進(jìn)行后續(xù)工序的加工，勞動(dòng)強(qiáng)度大，用工人數(shù)多。本課題來(lái)源于企業(yè)橫向研究項(xiàng)目，針對(duì)現(xiàn)有二極管針腳排向機(jī)的不足和缺陷，提出改進(jìn)措施，加強(qiáng)在線檢測(cè)，減少人工。包括機(jī)械系統(tǒng)和電控系統(tǒng)等。
改善后的排向機(jī)彌補(bǔ)了現(xiàn)有排向機(jī)的不足和缺陷。在在線監(jiān)測(cè)方面得到了加強(qiáng)，原本在生產(chǎn)線上掉落的針腳需要工人放回料斗，經(jīng)過(guò)改善，可自行回收進(jìn)入料斗。改善前石墨舟針腳排滿后需人工取走，再放上空的石墨舟，改善后由PLC控制自動(dòng)補(bǔ)給石墨舟，從而減少了人工，提高了二極管生產(chǎn)效率，增加了經(jīng)濟(jì)收益。
另一方面，本次的課題研究是大學(xué)四年所學(xué)知識(shí)的一次綜合運(yùn)用，涉及的學(xué)科有機(jī)械制圖、機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)、機(jī)械設(shè)計(jì)、液壓與氣壓傳動(dòng)、電器與PLC控制技術(shù)等。研究這個(gè)課題，不僅讓我們?cè)俅螐?fù)習(xí)專業(yè)知識(shí)，也讓我們認(rèn)識(shí)到了理論知識(shí)與實(shí)際生產(chǎn)的關(guān)系。實(shí)際生產(chǎn)離不開(kāi)理論知識(shí)的支持，理論知識(shí)可以為實(shí)際生產(chǎn)提供技術(shù)保障，對(duì)技術(shù)的改革發(fā)展更是起到?jīng)Q定性作用。而且，這次實(shí)際生產(chǎn)的案例用理論知識(shí)來(lái)改進(jìn)的例子讓我們?yōu)榻窈蟮墓ぷ魈峁┝藢氋F的經(jīng)驗(yàn)。
綜合應(yīng)用機(jī)電一體化知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能力，為企業(yè)提供排向機(jī)自動(dòng)化改造方案。
1.3 關(guān)鍵問(wèn)題
（1）石墨舟倉(cāng)方案確定；
（2）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和圖紙實(shí)現(xiàn)；
1.4 研究方法和技術(shù)路線
1.4.1 研究方法
查閱資料了解國(guó)內(nèi)同類了加工設(shè)備的特點(diǎn)，分析設(shè)備運(yùn)行原理，確定系統(tǒng)方案，設(shè)計(jì)提升機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)，完善設(shè)計(jì)方案。
1.4.2 技術(shù)路線
3
2. 石墨舟倉(cāng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
2.1 舊排向機(jī)構(gòu)造
由于本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的內(nèi)容是在原有的排向機(jī)的結(jié)構(gòu)上進(jìn)行改造，原來(lái)的排向
機(jī)構(gòu)造如下圖所示：
圖2.1 現(xiàn)有排向機(jī)石墨舟上料部分
石墨舟通過(guò)人工放置在石墨舟架的位置，架子上方有一個(gè)石墨舟擋板，擋板用于使石墨舟與上?；ハ嘟Y(jié)合，上模是一個(gè)長(zhǎng)寬尺寸和石墨舟相同的一塊模子，上面有與石墨舟引腳孔位置相同的孔，用于引導(dǎo)針腳進(jìn)入石墨舟裝填。當(dāng)人工搬動(dòng)上模與石墨舟結(jié)合之后，工作人員按動(dòng)電動(dòng)機(jī)的按鈕讓電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)整個(gè)上述裝置進(jìn)行向內(nèi)移動(dòng)，一排一排上針腳。在機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)針腳排向之后，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)帶動(dòng)石墨舟機(jī)構(gòu)移出，然后由人工搬動(dòng)上模與石墨舟分離，分離過(guò)后通過(guò)人工觀察哪個(gè)孔里面沒(méi)有針腳，再由人工對(duì)石墨舟針腳進(jìn)行補(bǔ)充裝填。整個(gè)機(jī)器運(yùn)作過(guò)程對(duì)工人的負(fù)擔(dān)較大，而且沒(méi)有相應(yīng)的自動(dòng)化檢測(cè)裝置，因此我們決定對(duì)其進(jìn)行改造。
2.2 石墨舟倉(cāng)部分改造的初步想法
為了解決原本排向機(jī)自動(dòng)化低，需要人工，費(fèi)時(shí)費(fèi)事等缺點(diǎn)，我們決定在石墨舟倉(cāng)部分進(jìn)行一些自動(dòng)化改造，在原有機(jī)器的基礎(chǔ)上添加一些部件，使得機(jī)器的自動(dòng)化能力大幅提升，提高產(chǎn)值。一開(kāi)始，我們對(duì)舟倉(cāng)部分的改造有兩套方案：
方案1：
圖2.2 方案1示意圖
方案1如圖所示，將石墨舟倉(cāng)改造成帶傳動(dòng)，將石墨舟放置在帶上，通過(guò)帶傳動(dòng)傳遞到機(jī)械手部分，由機(jī)械手抓取石墨舟至加工工位，加工完成之后再由機(jī)械手抓取滿的石墨舟并轉(zhuǎn)動(dòng)到放置空的石墨舟的一條輸送帶上，并統(tǒng)一回收滿載的石墨舟到下一工位。此方案有加工快速，自動(dòng)化程度高，便于回收等特點(diǎn)，但是由于傳送帶所占面積太大，如果進(jìn)行改造需要對(duì)廠區(qū)進(jìn)行比較大的改造，而且只有一個(gè)機(jī)械手加工速度也不是特別快，因此我們最后還是放棄了這一方案。
方案2：
圖2.3 方案二示意圖
方案2如上圖所示，此機(jī)構(gòu)將石墨舟分為空堆石墨舟及滿堆石墨舟兩個(gè)部分，這兩部分分別由石墨舟堆疊而成，每個(gè)石墨舟可以堆疊十個(gè)，在空堆處進(jìn)行上針腳的操作，再由機(jī)械手將上滿針腳的石墨舟進(jìn)行移動(dòng)并堆疊至滿載的石墨舟堆處，滿載堆下降一個(gè)工位以接收運(yùn)來(lái)的石墨舟，空堆處上升一個(gè)工位以準(zhǔn)備下一次的上針腳操作。此套設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)是比較節(jié)省空間，十個(gè)石墨舟一堆，大大的節(jié)約了廠區(qū)的空間，而且在原有機(jī)器的基礎(chǔ)上不用修改太多部件，這樣設(shè)計(jì)也可以便于工人上料下料，整個(gè)過(guò)程自動(dòng)化程度也很高。但是這個(gè)系統(tǒng)有例如機(jī)械手負(fù)擔(dān)較大，機(jī)械手部分設(shè)計(jì)較復(fù)雜的特點(diǎn)，我們最終決定使用這個(gè)系統(tǒng)，但是需要對(duì)此系統(tǒng)進(jìn)行一些改造。
2.3 石墨舟倉(cāng)改造方案確定
我們決定將上述方案2進(jìn)行修改作為我們此次排向機(jī)改造畢業(yè)設(shè)計(jì)的主方案，在上料機(jī)械手部分我們決定采用如下圖的結(jié)構(gòu)：
圖2.4 上料機(jī)械手部分方案圖
我們決定選用兩個(gè)上料機(jī)械手一起固定在板材上，在橫向氣缸的初始位置左邊的氣缸放置在石墨舟上針腳的工作位置，右邊的氣爪位于空堆石墨舟位置，在抓取石墨舟時(shí)，縱向方向的氣缸先下降，然后氣爪松開(kāi)，抓取石墨舟，加緊后上升，然后橫向方向氣缸運(yùn)動(dòng)，將左邊的氣爪移動(dòng)至滿堆石墨舟處，右邊的氣爪移動(dòng)至石墨舟工作位置處，然后將兩個(gè)氣爪放下并松開(kāi)，這樣兩個(gè)氣爪同時(shí)運(yùn)動(dòng)，大大加快了加工的效率，而且便于控制。
我們考慮了石墨舟單個(gè)的重量，石墨舟堆疊后的高度及整個(gè)系統(tǒng)對(duì)升降機(jī)構(gòu)的要求，所以決定大體的石墨舟升降機(jī)構(gòu)如下圖：
圖2.5 石墨舟升降機(jī)構(gòu)初步結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖
上圖為石墨舟升降機(jī)構(gòu)（石墨舟倉(cāng)）的初步結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，石墨舟由十個(gè)為一堆堆成，分別有兩落石墨舟堆結(jié)構(gòu)，在初始狀態(tài)時(shí)，空堆石墨舟處沒(méi)有有十個(gè)堆疊而成的石墨舟，而滿堆部分沒(méi)有石墨舟，每次工作一個(gè)工位，空堆石墨舟處的氣手指伸出，由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)氣手指以拉動(dòng)空堆石墨舟堆上升一個(gè)工位。氣爪抓動(dòng)后，等石墨舟到達(dá)滿堆處，滿堆處的氣手指伸出，由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)氣手指緩緩拉動(dòng)石墨舟堆下降一個(gè)工位，等待一個(gè)新的滿堆石墨舟堆上來(lái)。如此往復(fù)，等空堆的石墨舟逐漸用完后，機(jī)器暫停，由之前的氣爪拉動(dòng)新的一堆空石墨舟進(jìn)入空堆，而滿堆石墨舟堆滿之后，機(jī)器也暫停，等待工人將滿的石墨舟堆撤離，繼續(xù)進(jìn)行工作。
2.4 排向機(jī)改造的控制系統(tǒng)初步設(shè)計(jì)
我們通過(guò)對(duì)此套排向機(jī)改造系統(tǒng)的研究與討論后決定設(shè)置如下傳感器：檢測(cè)有無(wú)針腳，檢測(cè)工作位置有無(wú)石墨舟，檢測(cè)送料立柱升降機(jī)是否處在初始位置最低位置，檢測(cè)工作工位是否有空余，檢測(cè)空堆工位是否有石墨舟，檢測(cè)針腳是否裝滿，檢測(cè)工作工位處是否空閑，檢測(cè)下降機(jī)構(gòu)最高位置是否有空位，若無(wú)空位則用氣手指將最高位降下，然后氣手指歸于最高位，檢測(cè)下降位置是否有空余，檢測(cè)二工位處是否有石墨舟等傳感器。[2]
我們?cè)O(shè)定的整個(gè)工序分為三個(gè)過(guò)程：進(jìn)行檢測(cè)、進(jìn)行上料、進(jìn)行下料。
進(jìn)行檢測(cè)部分，我們?cè)O(shè)定的工序?yàn)楣ぷ魑粋鞲衅鳈z測(cè)上下方向氣缸下降45mmm；氣爪傳感器，氣爪閉合，檢測(cè)上下方向氣缸上升45mm；檢測(cè)縱向傳感器，送料左右方向氣缸向左600m；檢測(cè)位傳感器1，檢測(cè)上下方向氣缸下降45mm；檢測(cè)位氣爪傳感器1, 氣爪松開(kāi)，石墨舟至檢測(cè)位，檢測(cè)上下方向氣缸向上45mm。
進(jìn)行上料部分，我們?cè)O(shè)定的工序?yàn)榭斩褌鞲衅?，檢測(cè)氣手指不動(dòng)，送料上下方向氣缸下降45mm；氣爪傳感器，檢測(cè)氣爪不動(dòng)，送料上下方向氣缸上升45mm；送料上下方向氣缸，送料左右方向氣缸向左600mm，工作位傳感器，檢測(cè)送料上下方向氣缸向下45mm至工作位置；工作位氣爪傳感器，檢測(cè)氣爪松開(kāi)，送料上下方向氣缸上升45mm；空堆傳感器2，檢測(cè)氣手指動(dòng)作，換另一堆空石墨舟。
進(jìn)行下料部分，我們?cè)O(shè)定的工序?yàn)闄z測(cè)位傳感器2，檢測(cè)下料上下方向氣缸下降45mm；檢測(cè)位氣爪傳感器，檢測(cè)氣爪閉合，抓取石墨舟，下料上下方向氣缸上升45mm，下料上下方向氣缸傳感器，檢測(cè)下料左右方向氣缸向左600mm；下料氣爪傳感器，檢測(cè)氣爪松開(kāi)，下料上下方向氣缸上升45mm；石墨舟堆傳感器，檢測(cè)下料上下方向氣缸下降45mm。
我們將控制系統(tǒng)分為這三個(gè)部分進(jìn)行設(shè)計(jì)，每個(gè)部分有設(shè)定相應(yīng)的傳感器，并對(duì)傳感器的輸入輸出端進(jìn)行預(yù)估，這樣我們?cè)诮酉聛?lái)的PLC控制設(shè)計(jì)，選擇
相應(yīng)的型號(hào)的PLC以及輸入輸出分配表的制作有了一定的基礎(chǔ)。
圖2.6 步進(jìn)電機(jī)控制原理圖
圖2.6中，控制器為PLC，PLC產(chǎn)生脈沖信號(hào)，進(jìn)入步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，一般控制脈沖信號(hào)都很弱，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器可將脈沖信號(hào)進(jìn)行功率放大，將從控制器發(fā)來(lái)的脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為步進(jìn)電機(jī)的角位移，實(shí)現(xiàn)后續(xù)的動(dòng)力提供。電機(jī)的轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比，所以控制脈沖頻率可以精確調(diào)速，控制脈沖數(shù)就可以精確調(diào)位。
圖2.7所選步進(jìn)電機(jī)的矩頻特性曲線
在上料機(jī)構(gòu)中，當(dāng)空石墨舟由氣爪抓取送到工作位置后，氣手指提升石墨舟上升一個(gè)工位，提升高度為45mm。選擇的步進(jìn)電機(jī)型號(hào)為110BYG350CH-0501，相數(shù)為3，步距角為1.2°，相電流為5.0A，保持轉(zhuǎn)矩為12N，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為1.356g·㎡。[11]圖2.7為所選步進(jìn)電機(jī)的矩頻特性曲線。其中，控制系統(tǒng)每發(fā)出一個(gè)步進(jìn)脈沖，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)1.2°，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器設(shè)置在10細(xì)分狀態(tài)下，由公式
（2.1）
可知:
步進(jìn)電機(jī)發(fā)出3000個(gè)脈沖時(shí)，氣手指抬升空石墨舟45mm。
3. 石墨舟倉(cāng)結(jié)構(gòu)各零件選用及設(shè)計(jì)
3.1 升降機(jī)構(gòu)傳動(dòng)方式
剛開(kāi)始時(shí)，我們?cè)O(shè)計(jì)了兩種升降機(jī)構(gòu)的方案
方案1：絲桿傳動(dòng)升降機(jī)構(gòu)
圖3.1 絲桿傳動(dòng)升降機(jī)構(gòu)示意圖
滾珠絲杠：傳動(dòng)效率高，達(dá)0.9-0.98，有利于主機(jī)的小型化和減輕勞動(dòng)強(qiáng)度；摩擦力矩小，接觸鋼度高，使溫升及熱變形減小，有利于改善主機(jī)的動(dòng)態(tài)特性和提高工作精度；工作壽命長(zhǎng)，傳動(dòng)無(wú)間隙，無(wú)爬行傳動(dòng)精度高，具有很好的高速性能；抗沖擊振動(dòng)性能差，承受徑向載荷能力差。
如圖所示，石墨舟堆疊為十個(gè)，導(dǎo)軌上裝有滑塊，滑塊由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，電機(jī)連接著一根絲桿，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)，絲桿上的螺母隨著電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)石墨舟機(jī)構(gòu)整體上升下降，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)，石墨舟上升，用于空堆石墨舟機(jī)構(gòu)，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)，石墨舟下降，用于滿堆石墨舟手機(jī)機(jī)構(gòu)，滑塊由導(dǎo)軌保證運(yùn)動(dòng)方向是豎直的。而石墨舟堆的上升距離由電機(jī)保證，電機(jī)選用步進(jìn)電機(jī)，由PLC控制。此套方案的優(yōu)點(diǎn)是整個(gè)機(jī)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，可以由安裝在電動(dòng)機(jī)上的螺母來(lái)將電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為石墨舟的升降移動(dòng)，機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低，設(shè)計(jì)安裝比較簡(jiǎn)單。但是此套方案也有缺點(diǎn)，就是絲桿傳動(dòng)的距離不能過(guò)長(zhǎng)，也不能承受太大的徑向力，否則絲桿彎曲損壞整套裝置就會(huì)壞掉，豎直方向的移動(dòng)量也會(huì)產(chǎn)生誤差，使加工產(chǎn)生錯(cuò)誤，增加生產(chǎn)率，而且絲桿受力較大，要經(jīng)常更換，成本也會(huì)變得很高，而且后續(xù)維護(hù)比較麻煩。
方案2：帶傳動(dòng)升降裝置
圖3.2 帶傳動(dòng)升降機(jī)構(gòu)示意圖
帶傳動(dòng)：靠齒嚙合傳動(dòng)，傳動(dòng)比準(zhǔn)確，傳動(dòng)效率高，初張緊力最小，瞬間速度均勻，單位質(zhì)量傳遞的功率最大；與鏈和齒輪傳動(dòng)相比，噪聲小，不需潤(rùn)滑，傳動(dòng)比、線速度范圍大，傳遞功率大；耐沖擊振動(dòng)較好，維修簡(jiǎn)便、經(jīng)濟(jì)。廣泛應(yīng)用于各種機(jī)械傳動(dòng)。
如圖所示為我們?cè)O(shè)計(jì)的帶傳動(dòng)升降機(jī)構(gòu)，石墨舟由氣手指帶動(dòng)上升或者下降，氣手指安裝在帶輪上面，由專門(mén)的夾具固定。底板上裝有帶傳動(dòng)的輪和軸，軸端上用聯(lián)軸器連接電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)，石墨舟上升，用于空堆石墨舟機(jī)構(gòu)，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)，石墨舟下降，用于滿堆石墨舟手機(jī)機(jī)構(gòu)。在這里要說(shuō)明的是氣手指實(shí)質(zhì)上是一個(gè)小型的氣缸，伸出后拖住石墨舟堆底部，隨著帶傳動(dòng)的上升和下降將拖動(dòng)石墨舟堆的上升下降，已完成石墨舟的移動(dòng)。此套方案的優(yōu)點(diǎn)是帶傳動(dòng)的受力能夠帶動(dòng)比較大的質(zhì)量，像石墨舟堆這樣十個(gè)一堆的物體也能夠帶動(dòng)，而且?guī)鲃?dòng)比較穩(wěn)定，隨著步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)能夠完成定方向定距離的上下移動(dòng)，比較適合我們這個(gè)系統(tǒng)。此套方案的缺點(diǎn)是如果設(shè)計(jì)帶傳動(dòng)系統(tǒng)的話比絲桿系統(tǒng)更復(fù)雜些，要設(shè)計(jì)帶輪、帶輪軸、夾具等零件。
最后我們綜合了以上兩個(gè)方案的優(yōu)缺點(diǎn)，從系統(tǒng)的整體穩(wěn)定和效率出發(fā)，我們選擇了帶傳動(dòng)升降系統(tǒng)，關(guān)鍵是絲桿系統(tǒng)的絲桿不能承受每個(gè)400g的十個(gè)石墨舟堆的長(zhǎng)時(shí)間的上升與下降，在一定時(shí)間之后絲桿會(huì)產(chǎn)生各種各樣的問(wèn)題，因此我們選擇帶傳動(dòng)升降系統(tǒng)，而且雖然帶傳動(dòng)升降系統(tǒng)的零件有些復(fù)雜，但是一旦設(shè)計(jì)出來(lái)在實(shí)際安裝過(guò)程中其實(shí)并不復(fù)雜，很多像螺母螺釘?shù)牧慵伎梢赃x擇標(biāo)準(zhǔn)件，安裝起來(lái)穩(wěn)定可靠。
3.2 帶傳動(dòng)系統(tǒng)帶和帶輪的選擇
首先我們選擇帶傳動(dòng)的方式，我們最開(kāi)始在普通V帶、普通平帶、同步帶三者之間選擇。普通V帶的帶兩側(cè)與論草附著較好，當(dāng)量摩擦因數(shù)較大，允許包角小，帶傳動(dòng)比大，中心距較小，預(yù)緊力較小，傳動(dòng)功率可達(dá)700KW。
普通平帶的抗拉強(qiáng)度大，耐濕性好，中心距大，價(jià)格比較便宜，但是傳動(dòng)比較小，效率較低，可呈交叉，半交叉及有導(dǎo)輪的角度傳動(dòng)，傳動(dòng)功率可達(dá)500KW。
同步帶是綜合了帶傳動(dòng)、鏈條傳動(dòng)和齒輪傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)而發(fā)展起來(lái)的新塑傳動(dòng)帶。它由帶齒形的一工作面與齒形帶輪的齒槽嚙合進(jìn)行傳動(dòng)，其強(qiáng)力層是由拉伸強(qiáng)度高、伸長(zhǎng)小的纖維材料或金屬材料組成，以使同步帶在傳動(dòng)過(guò)程中節(jié)線長(zhǎng)度基本保持不變，帶與帶輪之間在傳動(dòng)過(guò)程中沒(méi)有滑動(dòng)，從而保證主、從動(dòng)輪間呈無(wú)滑差的間步傳動(dòng)。
同步帶傳動(dòng)（見(jiàn)圖3.3）時(shí)，傳動(dòng)比準(zhǔn)確，對(duì)軸作用力小，結(jié)構(gòu)緊湊，耐油，耐磨性好，抗老化性能好，一般使用溫度-20℃―80℃，v<50m/s，P<300kw,i<10,對(duì)于要求同步的傳動(dòng)也可用于低速傳動(dòng)。
圖3.3 同步帶傳統(tǒng)
同步帶傳動(dòng)是由一根內(nèi)周表面設(shè)有等間距齒形的環(huán)行帶及具有相應(yīng)吻合的輪所組成。它綜合了帶傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)和齒輪傳動(dòng)各自的優(yōu)點(diǎn)。轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，通過(guò)帶齒與輪的齒槽相嚙合來(lái)傳遞動(dòng)力。 同步帶傳動(dòng)具有準(zhǔn)確的傳動(dòng)比，無(wú)滑差，可獲得恒定的速比，傳動(dòng)平穩(wěn)，能吸振，噪音小，傳動(dòng)比范圍大，一般可達(dá)1:10。允許線速度可達(dá)50M/S，傳遞功率從幾瓦到百千瓦。傳動(dòng)效率高，一般可達(dá)98%，結(jié)構(gòu)緊湊，適宜于多軸傳動(dòng)，不需潤(rùn)滑，無(wú)污染，因此可在不允許有污染和工作環(huán)境較為惡劣的場(chǎng)所下正常工作。 本產(chǎn)品廣泛用于紡織、機(jī)床、煙草、通訊電纜、輕工、化工、冶金、儀表儀器、食品、礦山、石油、汽車(chē)等各行業(yè)各種類型的機(jī)械傳動(dòng)中。同步帶的使用，改變了帶傳動(dòng)單純?yōu)槟Σ羵鲃?dòng)的概念，擴(kuò)展了帶傳動(dòng)的范圍，從而成為帶傳動(dòng)中具有相對(duì)獨(dú)立性的研究對(duì)象，給帶傳動(dòng)的發(fā)展開(kāi)辟了新的途徑。
同步帶的特點(diǎn)
(1)、傳動(dòng)準(zhǔn)確，工作時(shí)無(wú)滑動(dòng)，具有恒定的傳動(dòng)比；
(2)、傳動(dòng)平穩(wěn)，具有緩沖、減振能力，噪聲低；
(3)、傳動(dòng)效率高，可達(dá)0.98，節(jié)能效果明顯；
(4)、維護(hù)保養(yǎng)方便，不需潤(rùn)滑，維護(hù)費(fèi)用低；
(5)、速比范圍大，一般可達(dá)10，線速度可達(dá)50m/s，具有較大的功率傳遞范圍，可達(dá)幾瓦到幾百千瓦；
(6)、可用于長(zhǎng)距離傳動(dòng)，中心距可達(dá)10m以上。
接著，我們選擇帶輪，同步帶傳動(dòng)的帶輪有實(shí)心輪、輻板輪、孔板輪、橢圓輻輪等結(jié)構(gòu)，由于我們的石墨舟的大小也僅有91×234×42的外輪庫(kù)大小，所以我們的設(shè)計(jì)的帶輪不會(huì)太大，帶輪的內(nèi)孔直徑也最多在15~25之間，所以我們選擇內(nèi)徑孔大小為20的實(shí)心輪，設(shè)計(jì)、加工很方便，傳動(dòng)效率高，也比較容易安裝和定位。帶輪與軸之間的連接采用鍵槽連接，具體的設(shè)計(jì)在接下來(lái)的軸設(shè)計(jì)里面會(huì)具體講到。
考慮到主動(dòng)輪和從動(dòng)輪的問(wèn)題，由于我們的系統(tǒng)時(shí)直線升降移動(dòng)，對(duì)傳動(dòng)比沒(méi)有要求，而且考慮到對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制問(wèn)題，我們最后決定主動(dòng)帶輪和從動(dòng)帶輪使用相同的型號(hào)和尺寸，這樣零件互換性有了進(jìn)一步提高，對(duì)維修和安裝都有一定的方便。
考慮到主動(dòng)輪和從動(dòng)輪的問(wèn)題，由于我們的系統(tǒng)時(shí)直線升降移動(dòng)，對(duì)傳動(dòng)比沒(méi)有要求，而且考慮到對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制問(wèn)題，我們最后決定主動(dòng)帶輪和從動(dòng)帶輪使用相同的型號(hào)和尺寸，這樣零件互換性有了進(jìn)一步提高，對(duì)維修和安裝都有一定的方便。
由上可知，同步帶輸出轉(zhuǎn)矩為：0.21N.m，輸出轉(zhuǎn)速為：，單級(jí)傳動(dòng)效率為：η=85%，傳動(dòng)比i=1，取安全系數(shù)k=3，則同步帶傳遞功率為：
(3.1)
因此我們?cè)趲鲃?dòng)方面選擇同步齒形帶傳動(dòng)
3.2.1 電機(jī)額定輸出功率估算
=7.16W (3.2)
3.2.2 確定計(jì)算功率
電動(dòng)機(jī)每天使用16小時(shí)左右，查表3-1得到工作情況系數(shù)=1.7。則計(jì)算功率為:
(3.3)
表3-1 工作情況系數(shù)看
3.2.3 小帶輪轉(zhuǎn)速計(jì)算
(3.4)
3.2.4 選定同步帶帶型和節(jié)距
由同步帶選型圖3.4可以看出，由于在這次設(shè)計(jì)中功率轉(zhuǎn)速都比較小，所以帶的型號(hào)可 以任意選取，現(xiàn)在選取H型帶，節(jié)距
圖3.4 同步帶選型圖
3.2.5 選取主動(dòng)輪齒數(shù)
查表3-2知道小帶輪最小齒數(shù)為14，現(xiàn)在選取小帶輪齒數(shù)為14。
3.2.6 小帶輪節(jié)圓直徑確定
(3.5)
表3-2 小帶輪最小齒數(shù)表
3.2.7 大帶輪相關(guān)數(shù)據(jù)確定
由于系統(tǒng)傳動(dòng)比為，所以大帶輪相關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù)與小帶輪完全相同。齒數(shù)，節(jié)距
3.2.8 帶速v的確定
(3.6)
3.2.9 初定軸間間距
根據(jù)公式
(3.7)
得
現(xiàn)在選取軸間間距為570mm。
3.2.10 同步帶帶長(zhǎng)及其齒數(shù)確定
(3.8)
=1390.024mm
3.2.11 帶輪嚙合齒數(shù)計(jì)算
有在本次設(shè)計(jì)中傳動(dòng)比為一，所以嚙合齒數(shù)為帶輪齒數(shù)的一半，即=20。
3.2.12 基本額定功率的計(jì)算
(3.9)
查基準(zhǔn)同步帶的許用工作壓力和單位長(zhǎng)度的質(zhì)量表3-3可以知道=2100.85N，m=0.448kg/m。
所以同步帶的基準(zhǔn)額定功率為
= (3.10)
表3-3 基準(zhǔn)寬度同步帶的許用工作壓力和單位長(zhǎng)度的質(zhì)量
3.2.13 計(jì)算作用在軸上力
= (3.11)
=71.6N
3.3 主動(dòng)帶輪軸的設(shè)計(jì)和校核
主動(dòng)帶輪軸的軸承我們選用直徑為12的滾動(dòng)軸承，并且在軸上裝有內(nèi)徑為20的帶輪，下面主要對(duì)軸的強(qiáng)度進(jìn)行校核計(jì)算。
各軸的材料均選用45號(hào)鋼，已知軸的許用扭剪應(yīng)力[τ]=30MPa，由許用應(yīng)力確定的系數(shù)為C=120。
主動(dòng)帶輪軸的強(qiáng)度計(jì)算：
(3.12)
(3.13)
代入之前的功率P和轉(zhuǎn)速n進(jìn)行計(jì)算
因?yàn)閇τ]=30MPa，小于實(shí)際的許用應(yīng)力，因此主動(dòng)帶輪軸的強(qiáng)度符合條件。
3.4 從動(dòng)帶輪軸的設(shè)計(jì)和校核
從動(dòng)帶輪軸的軸承我們選用直徑為12的滾動(dòng)軸承，并且在軸上裝有內(nèi)徑為20的帶輪，下面主要對(duì)軸的強(qiáng)度進(jìn)行校核計(jì)算。
從動(dòng)帶輪軸的強(qiáng)度計(jì)算：
(3.14)
(3.15)
代入之前的功率P和轉(zhuǎn)速n進(jìn)行計(jì)算
因?yàn)閇τ]=30MPa，小于實(shí)際的許用應(yīng)力，因此從動(dòng)帶輪軸的強(qiáng)度符合條件。
3.5 石墨舟倉(cāng)機(jī)構(gòu)其他零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
3.5.1 滾動(dòng)軸承的選擇
我們參考了機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)上的滾動(dòng)軸承特性比較，深溝球軸承，主要承受徑向載荷，也可同時(shí)承受少量的雙向軸向載荷。在轉(zhuǎn)速較高，不宜用推力軸承時(shí)，可承受較輕純軸向載荷。交界處軸承主要承受鏡像為主和雙向徑向載荷的連接載荷，不宜承受純軸向載荷。調(diào)心球軸承主要承受徑向載荷，也可同時(shí)承受少量的雙向軸向載荷。圓柱滾子軸承僅能承受徑向載荷，內(nèi)、外圈的帶當(dāng)便的單列軸承可承受較小的軸向載荷。調(diào)心滾子軸承主要承受徑向載荷，也可同時(shí)承受少量雙向軸向載荷。
由于我們的帶輪比較小，因此在設(shè)計(jì)軸肩與滾動(dòng)軸承配合時(shí)，軸肩的直徑也不是很大，我們采用內(nèi)徑為12的滾動(dòng)軸承，而根據(jù)軸承的受力原理，我們最后選擇了調(diào)心球軸承，調(diào)心球軸承圖示如下：
圖3.5 選用的調(diào)心球軸承
3.5.2 石墨舟倉(cāng)機(jī)架的設(shè)計(jì)
由于石墨舟堆疊裝置很高，高度約為500mm，所以我們的機(jī)架相應(yīng)來(lái)說(shuō)也
比較大，因此我們選擇材料選用鑄鐵HT200進(jìn)行鑄造，在機(jī)架的不配合部分進(jìn)行開(kāi)窗口，以便在需要時(shí)打開(kāi)觀察帶傳動(dòng)情況，并且能夠便于機(jī)器的維修和維護(hù)。
圖3.6 石墨舟倉(cāng)機(jī)架
3.5.3 氣手指夾具的設(shè)計(jì)
氣動(dòng)手指又名氣動(dòng)夾爪或氣動(dòng)夾指，是利用壓縮空氣作為動(dòng)力，用來(lái)夾取或抓取工件的執(zhí)行裝置。最初起源于日本，后被國(guó)內(nèi)自動(dòng)化企業(yè)廣泛使用。
其特點(diǎn)有：
1、所有的結(jié)構(gòu)都是雙作用的能實(shí)現(xiàn)雙向抓取可自動(dòng)對(duì)中重復(fù)精度高。
2、抓取力矩恒定
由于氣手指是安裝在帶上進(jìn)行傳動(dòng)石墨舟升降機(jī)構(gòu)上升或者下降的裝置，而氣手指本身安裝在帶上時(shí)不可行的，所以我們特地設(shè)計(jì)了氣手指在帶上配合的夾具，以保證氣手指在帶上的穩(wěn)定，保證石墨舟升降的可靠性。
圖3.7 氣手指夾具
3.5.4 步進(jìn)電機(jī)底座的設(shè)計(jì)
步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開(kāi)環(huán)控制元步進(jìn)電機(jī)件。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度，稱為“步距角”，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的?？梢酝ㄟ^(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)可以通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。
由于步進(jìn)電機(jī)需要驅(qū)動(dòng)石墨舟升降機(jī)構(gòu)，因此不能直接安裝在底板上，而且高度也不適合。因此我們?cè)O(shè)計(jì)了專用的步進(jìn)電機(jī)底座。
圖3.8 電機(jī)底座
在簡(jiǎn)述了石墨舟升降機(jī)構(gòu)的幾個(gè)重要零件之后，我們對(duì)石墨舟升降機(jī)構(gòu)的組成部分有了一定的了解。詳細(xì)的機(jī)構(gòu)我們可以參考圖紙上的標(biāo)注。
4. 上料機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
4.1 機(jī)械手的意義
“機(jī)械手”多數(shù)是指附屬于主機(jī)、程序固定的自動(dòng)抓取、操作裝置（國(guó)內(nèi)一般稱作機(jī)械手或?qū)Ｓ脵C(jī)械手）,是工業(yè)生產(chǎn)的必然產(chǎn)物，它是一種模仿人體上肢的部分功能，按照預(yù)定要求輸送工件或握持工具進(jìn)行操作的自動(dòng)化技術(shù)設(shè)備，對(duì)實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化，推動(dòng)工業(yè)生產(chǎn)的進(jìn)一步發(fā)展起著重要作用。如自動(dòng)線、自動(dòng)的上、下料，加工中心的自動(dòng)換刀的自動(dòng)化裝置。
機(jī)械手能代替人類完成危險(xiǎn)、重復(fù)枯燥的工作，減輕人類勞 動(dòng)強(qiáng)度， 提高勞動(dòng)生產(chǎn)力。機(jī)械手是在自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中使用的一種具有抓取和移動(dòng)工件功能的自動(dòng)化裝置， 它是在機(jī)械化、自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)展起來(lái)的一種新型裝置。機(jī)械手越來(lái)越廣泛的得到了應(yīng)用。
原排向機(jī)工作時(shí)，空石墨舟的上料和滿石墨舟的下料是通過(guò)工人手動(dòng)實(shí)現(xiàn)的，什么時(shí)候上料、針腳是否裝滿和滿石墨舟的下料都需要有人在一邊時(shí)時(shí)觀察，這樣做降低了生產(chǎn)效率，也浪費(fèi)了勞動(dòng)力。通過(guò)對(duì)原排向機(jī)進(jìn)行改造，加入機(jī)械手及其控制系統(tǒng)，用機(jī)械手代替人工實(shí)現(xiàn)石墨舟的自動(dòng)上料和下料，從而提高生產(chǎn)效率，節(jié)省勞動(dòng)力。
4.2 機(jī)械手方案對(duì)比
方案一：上料機(jī)械手的作用是將空石墨舟從石墨舟堆移動(dòng)到工作位置進(jìn)行二極管針腳排向，存在空石墨舟堆和工作位置兩個(gè)工位，所以除了需要?dú)庾ψト∈弁?，還需要水平方向的氣缸實(shí)現(xiàn)石墨舟在空石墨舟堆和工作位置間的移動(dòng)。圖4.1為方案1的構(gòu)想圖。
圖4.1 方案1
方案二：上料部分的實(shí)際作用就是將空石墨舟從石墨舟堆移動(dòng)到工作位置，所以也可以通過(guò)傳送系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。圖4.2為方案2的構(gòu)想圖。
圖4.2 方案2
方案2是模仿電梯臺(tái)階的升降來(lái)構(gòu)想的。臺(tái)階上放著石墨舟，空石墨舟由左邊進(jìn)入，到最頂端工作位置處進(jìn)行二極管針腳的排向部分，裝滿后在右端下降。
方案1：
優(yōu)點(diǎn)：機(jī)械手比較靈活便于控制；石墨舟堆可以十個(gè)或二十個(gè)石墨舟為一堆；上料裝置與工作臺(tái)在空間上沒(méi)有干涉。
缺點(diǎn)：需要另外一個(gè)機(jī)械手負(fù)責(zé)將石墨舟從工作位置移動(dòng)到檢測(cè)位置，需要再加一套控制系統(tǒng)。
方案2：
優(yōu)點(diǎn)：可以實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化；出料口可以直接接到檢測(cè)臺(tái)。
缺點(diǎn)：需要精確控制臺(tái)階面的升降；工作位置與臺(tái)階面的位置需要精確定位；體積龐大，在車(chē)間占地太大；與原排向機(jī)構(gòu)造差異太大，在改造上更加困難。
4.3 機(jī)械手方案的確定
方案修改：將方案一的單機(jī)械手換成雙機(jī)械手，也就是在一個(gè)水平氣缸上連接兩個(gè)氣爪，同時(shí)進(jìn)行上料和下料的操作。在上料機(jī)械手部分最終我們決定采用如圖4.3的結(jié)構(gòu)：
圖4.3 上料機(jī)械手結(jié)構(gòu)
我們決定選用兩個(gè)上料機(jī)械手一起固定在板材上，水平氣缸的初始位置為空堆石墨舟上方，其左邊的垂直氣缸放置在石墨舟裝填針腳的工作位置上方，右邊的氣爪1為上料氣爪，位于空堆石墨舟位置，在抓取石墨舟時(shí)，豎直方向的氣缸先下降，然后氣爪1閉合，抓取石墨舟。與此同時(shí)，氣爪2下降到裝填針腳的工作位置處，氣爪2抓取裝滿針腳的石墨舟，待氣爪1和氣爪2都抓取石墨舟后，豎直方向氣缸上升，然后水平方向氣缸向左運(yùn)動(dòng)，氣爪1移動(dòng)至石墨舟工作位置處，氣爪2移動(dòng)至滿堆石墨舟處，然后豎直方向氣缸下降將兩個(gè)氣爪放下，氣爪分別松開(kāi)，這樣石墨舟分別移到了工作位置和滿石墨舟堆。這樣兩個(gè)氣爪同時(shí)運(yùn)動(dòng)的裝置，大大加快了工作的效率，而且便于控制。
在水平方向的裝置上，由上料機(jī)械手的功能可以知道，當(dāng)氣爪抓取空石墨舟后，氣缸推動(dòng)滑塊移動(dòng)，從而帶動(dòng)機(jī)械手移動(dòng)，將空石墨舟移動(dòng)到工作位置，實(shí)現(xiàn)上料。水平推動(dòng)裝置如圖4.4，滑塊同時(shí)連接著氣缸與氣爪，但是滑塊本身太小，不適合作為連接件直接連接氣缸，氣爪，所以可以設(shè)置一個(gè)連接塊代替滑塊起連接作用。加入一個(gè)水平板，作為氣缸和導(dǎo)軌的固定裝置。本設(shè)計(jì)中上料與檢測(cè)同時(shí)進(jìn)行，采用一套控制系統(tǒng)控制雙機(jī)械手。水平連接件可以帶動(dòng)兩個(gè)機(jī)械手同時(shí)運(yùn)動(dòng)。[13][5]
圖4.4 水平推動(dòng)裝置
此時(shí)機(jī)構(gòu)已經(jīng)可以完成抓取石墨舟后水平運(yùn)動(dòng)的動(dòng)作了，由于空石墨舟堆的導(dǎo)向桿高于石墨舟的高度以及工作位置的槽型裝置，所以抓取石墨舟后要有個(gè)升降運(yùn)動(dòng)才能取出及放入。
參考水平裝置，應(yīng)該加入一個(gè)垂直氣缸。與之前思路相同，垂直氣缸推動(dòng)滑塊帶動(dòng)抓取裝置，在加入垂直連接塊后，升降裝置如圖4.5。
圖4.5 升降裝置
5. 自動(dòng)化控制設(shè)計(jì)
5.1氣源裝置的選擇
氣壓傳動(dòng)技術(shù)是以空氣壓縮機(jī)為動(dòng)力源，以壓縮空氣為工作介質(zhì)，進(jìn)行能量傳遞或信號(hào)傳遞的工程技術(shù)。氣壓傳動(dòng)與其他的傳動(dòng)和控制方式相比，其優(yōu)點(diǎn)如下。
（1）氣壓傳動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輕便、安裝維護(hù)簡(jiǎn)單。由于壓力等級(jí)低，故使用安全。
（2）工作介質(zhì)是取之不盡、用之不竭的空氣，空氣本身不花錢(qián)。排氣處理簡(jiǎn)單，不污染環(huán)境，成本低。、
（3）輸出力及工作速度的調(diào)節(jié)非常容易。氣缸動(dòng)作速度一般為50～500mm/s，比液壓和電氣方式的動(dòng)作速度快。
（4）可靠性高，使用壽命長(zhǎng)。電器元件的有效動(dòng)作次數(shù)約為數(shù)百萬(wàn)次，而精良的氣動(dòng)元件壽命可達(dá)數(shù)千萬(wàn)次，有的甚至可達(dá)數(shù)億次。
(5)利用空氣的可壓縮性，可儲(chǔ)存能量，實(shí)現(xiàn)集中供氣；可短時(shí)間釋放能量，已獲得間歇運(yùn)動(dòng)中的高度響應(yīng)；可實(shí)現(xiàn)緩沖；對(duì)沖擊負(fù)載和過(guò)負(fù)載有較強(qiáng)的適應(yīng)能力；在一定條件下，可使氣壓傳動(dòng)裝置有自保能力。
（6）全氣壓傳動(dòng)控制具有防火、防爆、耐潮的能力。與液壓方式相比，氣壓傳動(dòng)方式可在高溫場(chǎng)合應(yīng)用。
（7）壓縮空氣流動(dòng)損失小，可集中供應(yīng)，進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸。
氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)由氣源裝置、氣動(dòng)執(zhí)行元件、氣動(dòng)控制元件、氣動(dòng)輔助元件等組成。氣源裝置是保證氣壓傳動(dòng)和控制系統(tǒng)正常工作所不可或缺的動(dòng)力源，為氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)提供一定滿足質(zhì)量要求的壓縮空氣，是氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)的重要組成部分。[14]
氣源裝置一般由以下三部分組成：
（1） 產(chǎn)生壓縮空氣的氣壓發(fā)生裝置，如空氣壓縮機(jī)；
（2） 凈化壓縮空氣的輔助裝置和設(shè)備，如過(guò)濾器、油水分離器、干燥器等；
（3） 輸送壓縮空氣的供氣管道系統(tǒng)。
在氣壓傳動(dòng)中，將分水過(guò)濾器、減壓閥和油霧器統(tǒng)稱為氣動(dòng)“三大件”，它們雖然都是獨(dú)立的氣源處理元件，可以單獨(dú)使用，但在實(shí)際應(yīng)用時(shí)卻又常常組合在一起作為一個(gè)組件使用，因此又稱為“氣動(dòng)三聯(lián)件”。圖5.1所示為氣動(dòng)三聯(lián)件示意圖。
圖5.1 氣動(dòng)三聯(lián)件
其工作原理是：壓縮空氣首先進(jìn)入空氣過(guò)濾器，經(jīng)除水濾灰凈化后進(jìn)入減壓閥，經(jīng)減壓后控制氣體的壓力以滿足氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)的要求，輸出的穩(wěn)壓氣體最后進(jìn)入油霧器，將潤(rùn)滑油霧化后混入壓縮空氣一起輸往氣壓傳動(dòng)裝置。
5.2傳感器的選擇
為實(shí)現(xiàn)排向機(jī)整體功能，初步?jīng)Q定設(shè)置如下傳感器：檢測(cè)有無(wú)針腳，檢測(cè)工作位置有無(wú)石墨舟，檢測(cè)送料立柱升降機(jī)是否處在初始位置最低位置，檢測(cè)工作工位是否有空余，檢測(cè)空堆工位是否有石墨舟，檢測(cè)針腳是否裝滿，檢測(cè)工作工位處是否空閑，檢測(cè)下降機(jī)構(gòu)最高位置是否有空位，若無(wú)空位則用氣手指將最高位降下，然后氣手指歸于最高位，檢測(cè)下降位置是否有空余，檢測(cè)二工位處是否有石墨舟等傳感器。
在整個(gè)控制系統(tǒng)中，傳感器需檢測(cè)的都是位移量，由此可知，傳感器類型為位移傳感器。位移傳感器不需要接觸到被檢測(cè)物體，當(dāng)有物體移向位移傳感器，并接近到一定距離時(shí)，位移傳感器就有“感知”，通常把這個(gè)距離叫做“檢出距離”。利用位移傳感器對(duì)接近物體的敏感特性制作的開(kāi)關(guān)，就是接近開(kāi)關(guān)。
因?yàn)槲灰苽鞲衅骺梢愿鶕?jù)不同的原理和不同的方法做成，而不同的位移傳感器對(duì)物體的“感知”方法也不同，所以常見(jiàn)的傳感器有以下幾種：電感式傳感器、電容式傳感器、霍爾式傳感器、光電式傳感器、熱釋電式傳感器、線性接近傳感器。
（1）電感式傳感器
電感式傳感器也叫渦流式傳感器，由三大部分組成：振蕩器、開(kāi)關(guān)電路及放大輸出電路。振蕩器產(chǎn)生一個(gè)交變磁場(chǎng)，當(dāng)金屬目標(biāo)接近這一磁場(chǎng)，并達(dá)到感應(yīng)距離時(shí)，在金屬目標(biāo)內(nèi)產(chǎn)生渦流，從而導(dǎo)致振蕩衰減，以至停振。振蕩器振蕩及停振的變化被后級(jí)放大電路處理并轉(zhuǎn)換成開(kāi)關(guān)信號(hào)，觸發(fā)驅(qū)動(dòng)控制器件，從而達(dá)到非接觸式的檢測(cè)目的。由此可見(jiàn)，這種接近開(kāi)關(guān)所能檢測(cè)的物體必須是導(dǎo)電體。
（2）電容式傳感器
這種傳感器的測(cè)量通常是傳感器固定處構(gòu)成電容器的一個(gè)極板，而另一個(gè)極板是在測(cè)量過(guò)程中通常是接地或與設(shè)備的機(jī)殼相連接。當(dāng)有物體移向傳感器時(shí)，不論它是否為導(dǎo)體，由于它的接近，總會(huì)使電容器兩極板間的介電常數(shù)發(fā)生變化，從而使電容器的電容量發(fā)生變化，使得和測(cè)量頭相連的電路狀態(tài)也隨之發(fā)生變化，由此便可達(dá)到非接觸式的檢測(cè)目的。這種接近開(kāi)關(guān)檢測(cè)的對(duì)象，不限于導(dǎo)體，可以絕緣的液體或粉狀物等。
（3）霍爾式傳感器
當(dāng)一塊通有電流的金屬或半導(dǎo)體薄片垂直地放在磁場(chǎng)中時(shí)，薄片的兩端就會(huì)產(chǎn)生電位差，這種現(xiàn)象就稱為霍爾效應(yīng)。兩端具有的電位差值稱為霍爾電勢(shì)U，其表達(dá)式為U=K·I·B/d，其中K為霍爾系數(shù)，I為薄片中通過(guò)的電流，B為外加磁場(chǎng)(洛倫慈力Lorrentz)的磁感應(yīng)強(qiáng)度，d是薄片的厚度。
由此可見(jiàn)，霍爾效應(yīng)的靈敏度高低與外加磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度成正比的關(guān)系。霍爾元件就屬于這種有源磁電轉(zhuǎn)換器件，是一種磁敏元件。它是在霍爾效應(yīng)原理的基礎(chǔ)上，
利用集成封裝和組裝工藝制作而成，它可方便的把磁輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換成實(shí)際應(yīng)用中的電信號(hào)，同時(shí)又具備工業(yè)場(chǎng)合實(shí)際應(yīng)用易操作和可靠性的要求。霍爾開(kāi)關(guān)就是利用霍爾元件的這一特性制作的，它的輸入端是以磁感應(yīng)強(qiáng)度B來(lái)表征的，當(dāng)B值達(dá)到一定的程度(如B1)時(shí)，霍爾開(kāi)關(guān)內(nèi)部的觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，霍爾開(kāi)關(guān)的輸出電平狀態(tài)也隨之翻轉(zhuǎn)。輸出端一般采用晶體管輸出，和其他傳感器類似有NPN、PNP、常開(kāi)型、常閉型、鎖存型(雙極性)、雙信號(hào)輸出之分。霍爾開(kāi)關(guān)具有無(wú)觸電、低功耗、長(zhǎng)使用壽命、響應(yīng)頻率高等特點(diǎn)，內(nèi)部采用環(huán)氧樹(shù)脂封灌成一體化，所以能在各類惡劣環(huán)境下可靠的工作。
當(dāng)磁性物件移近霍爾開(kāi)關(guān)時(shí)，開(kāi)關(guān)檢測(cè)面上的霍爾元件因產(chǎn)生霍爾效應(yīng)而使開(kāi)關(guān)內(nèi)部電路狀態(tài)發(fā)生變化，由此識(shí)別附近有磁性物體存在，進(jìn)而控制開(kāi)關(guān)的通或斷。這種接近開(kāi)關(guān)的檢測(cè)對(duì)象必須是磁性物體。
（4）光電式傳感器
光電式傳感器利用的是光電效應(yīng)。將發(fā)光器件與光電器件按一定方向裝在同一個(gè)檢測(cè)頭內(nèi)。當(dāng)有反光面（被檢測(cè)物體）接近時(shí)，光電器件接收到反射光后便在信號(hào)輸出，由此便可“感知”有物體接近。
利用光電式傳感器制作的光電式接近開(kāi)關(guān)可以檢測(cè)各種物質(zhì)，但是對(duì)于流體的檢測(cè)誤差較大。
（5）熱電釋式傳感器
熱釋電式傳感器能感知溫度變化，將熱釋電器件安裝在開(kāi)關(guān)的檢測(cè)面上，當(dāng)有與環(huán)境溫度不同的物體接近時(shí)，熱釋電傳感器的輸出信號(hào)發(fā)生變化，通過(guò)對(duì)傳感器輸出信號(hào)的轉(zhuǎn)化便可檢測(cè)出物體的接近。
（6）線性接近傳感器
線性接近傳感器是一種屬于金屬感應(yīng)的線性器件，接通電源后，在傳感器的感應(yīng)面將產(chǎn)生一個(gè)交變磁場(chǎng)，當(dāng)金屬物體接近此感應(yīng)面時(shí)，金屬中則產(chǎn)生渦流而吸取了振蕩器的能量，使振蕩器輸出幅度線性衰減，然后根據(jù)衰減量的變化來(lái)完成無(wú)接觸檢測(cè)物體的目的。
該接近傳感器具有無(wú)滑動(dòng)觸點(diǎn)，工作時(shí)不受灰塵等非金屬因素的影響，并且低功耗，長(zhǎng)壽命，可使用在各種惡劣條件下。線性傳感器主要應(yīng)用在自動(dòng)化裝備生產(chǎn)線對(duì)模擬量的智能控制。