机电一体化汽车轿车冲压机器人生产线设计.docx
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机电一体化汽车轿车冲压机器人生产线设计
青岛理工大学琴岛学院
课程设计说明书
课程题目﹕汽车轿车车身冲压机器人生产线设计
学院﹕青岛理工大学琴岛学院
专业班级：
机电一体化技术
学号：
学生姓名：
班级：
指导教师：
青岛理工大学琴岛学院教务处
2010年12月23日
机电一体化系统设计课程设计评阅书
题目
汽车轿车车身冲压机器人生产线设计
学生姓名
学号
指导教师评语及成绩
指导教师签名：
年月日
答辩评语及成绩
答辩教师签名﹕
年月日
教研室意见
总成绩﹕
系主任签名﹕
年月日
目录
一、设计任务
1、生产线的工作要求…………………………3
2、压力机及生产零件参数……………………3
二、生产能力的分析计算
1、压力机允许机械手的操作时间……………3
2、对生产节拍的要求…………………………4
3、初始条件……………………………………4
4、节拍核算……………………………………4
三、机械系统
1、机械系统配置…………………………………5
2、上、下料机械手结构…………………………5
3、翻转装置………………………………………6
4.、气动系统及夹具……………………………6
四、控制系统…………………………………………8
五、故障报警系统
1、故障保护的原则……………………………………8
2、故障的种类………………………………………8
六﹑设计心得…………………………………………8
七、参考资料…………………………………………9
一、设计任务
设计轿车车身冲压机器人生产线。
1、生产线的功能要求
1）钢板自动分层抓取。
抓取时要求有检测装置，对同时抓取多块、抓牢等情况进行自动检测报警。
2）要求冲压工件始终沿一条直线运动。
3）工件传送过程中，对一些重要参数要进行自动监控处理或报警。
4）满足生产能力，150000辆/年，共有12种不同的冲压件。
5）工件传送过程中在某些冲床后有180度翻转或90度回转功能。
6）冲床上下模之间的最小干涉距离按400mm考虑。
7）考虑到冲床及机械手的可维修性，中将传送装置应方便从冲床间整体移出。
2、压力机及生产零件参数
（1）压力机性能参数
Erfurt公司压力机20000kN双动压力机10000kN单动压力机
台面尺寸4500mm×2200mm4500mm×2200mm
滑块行程1100/900mm900mm
行程次数8~15次/min8~15次/min
最大装模高度2100mm/1850mm1300mm
调节量200mm/200mm2500mm
（2）压力机的布置压力机的布置如图1-1所示。
（3）零件参数共有12种冲压件。
最大毛坯尺寸为：
0.9mm×1360mm×3200mm,最大质量为31kg。
最小毛坯尺寸为：
0.8mm×875mm×1385mm,最大质量为7.6kg。
二、生产能力的分析计算
1、压力机允许机械手的操作时间
从压力机凸轮曲线可知，20000kN压床最小干涉距离为400mm时，机械手被允许的操作时间如表1-2所示。
表1-220000kN压床的机械手被允许的操作时间
序号
节拍
允许操作时间/s
压床外动作时间/s
总时间/s
1
12件
2.02
2.98
5
2
11件
2.2
3.25
5.45
3
10件
2.4
3.6
6
4
9件
2.69
3.98
6.67
5
8件
2.73
4.47
7.5
6
7件
3.06
5.51
8.57
7
6件
3.54
6.46
10.0
8
5件
4.25
7.55
12.0
2、对生产节拍的要求
计算条件一年按254天工作日（扣除104天双休日，7天法定节假日），每天按三班生产，每班工作7h，这样一年共有5334h的工作时间，用于维护的时间为764h。
另外，用于更换机械手操作工具及更换模具的时间为0.5h/件，模具调整时间为0.3h/次；零件周转周期为15天，一年内用于更换机械手操作工具及更换模具的总时间为：
12（月）×12（件）×0.8h=230.4h。
每班换料时间为0.5h，一年为381h。
一年的实际工作时间为：
（5334-230.4-381）h=4722.6h。
生产线的节拍为150000×12件∕（4722.6×60min）=6.4件∕min。
生产线的设计能力为确保能达到生产能力，取富裕系数为1.25。
取生产线的设计能力为8件∕min。
3.初始条件
选用适当的真空发生器，可使吸牢时间为0.2s，释放时间为0.1s。
机械手动作初始条件﹕最大加速度6m∕s²，最大速度4.0m∕s；冲床内部行程距离为2000mm。
4.节拍核算
因2000t冲床机械手被允许的操作时间比1000t冲床的短，因此，
计算节拍以1-2为依据进行核算。
动作过程如图1-3所示。
对于一个压床循环周期、冲床压下后抬起400mm时，取工件机械手开始进入压床（图a），进入后吸牢工件立即向外移动，同时放工件机械手也处于压床边缘吸着工件开始向压床移动（图b），待放工件机械手到位，取工件机械手已完全退出压床。
放工件机械手到完全退出时，压床有处于最小干涉位置（图d）。
机械手进入压床时，以初速度4m∕s进入，加速度为-6m∕s²，得如下方程
V0²=at2
S=v0t1+0.5at2²
V0=4m∕s，s=2.0m，a=6㎡
解得t1=1∕6s
t2=2∕3s
进入最快时间t1+t2=0.83s
机械手取出时，先加速到最大速度，然后以最大速度退出。
同理可得，退出的最快时间t1+t2=0.83s
按前述动作过程，机械手在压床内的最快时间为（3×0.83+0.2+0.1）s=2.7s,查表1-2，这时的最大节拍为8件／min。
满足设计能力要求。
三、机械系统
1.机械系统配置
毛坯的拆垛、进料由一只装在701机上的上料机械手完成。
它负责把毛坯放入701机上。
加工后的工件由装在701冲床上的下料手取出。
701与702间有一个传输翻转装置，702-703、703-704、704-705、705-706间是四台穿梭传输车，其车梁有侧移及滚转功能。
装在706机上的下料机械手负责取出压完的工件，并把它放在传送带上运走。
其主要部分见图1-4所示。
2.上、下料机械手
（1）上、下料机械手参数指标
负载能力50kg重复定位精度0.5mm；
水平运动范围0--3000mm；水平运动速度4.0m/s；
垂直运动范围0--1000mm；垂直运动速度1.0m/s；。
加速度：
水平6m/s^2垂直6m/s^2
（2）上、下料机械手结构上、下料机械手水平运动軸采用椭圆形机构，垂直运动轴为直线提升机构，为保持末端的姿态，采用平行四边形机构，这样既可保持末端姿态，又可增大刚度。
3.翻转装置
翻转装置配置在第一台和第二台的压床之间，实现对工件的180度翻转，其主要参数如下：
翻转角度180;
翻转速度90/s=15r/min;
翻转半径1500mm；
翻转动作是可控的。
翻转装置固定于直角坐标组合传送单元之内，传动方案采用伺服电动机与谐波齿轮传动。
4.气动系统及夹具
（1）气动系统气动系统采用工厂原有的气源，通过过虑，去油处理直接送往各执行器件。
真空系统采用国外标准的组合一体化装置，其特点是该组合控制装置包括了真空发生器、真空给定电磁阀、真空
破坏电磁阀、真空开关、过滤器、消音器等6件一体化装置，是操作过程稳定可靠、体积小、重量轻。
真空吸盘根据工件的不同形状，每个零件每个机械手选用15套吸盘，吸盘直径选用如下：
（2）夹具为适应不同零件在不同工位时的形状，采用万能组合式
工件重31kg，每个吸盘承载2.0kg，设安全系数为3.0，则每个吸盘设计承载为6.0kg，取真空度为kPa，吸盘直径为35mm。
夹具安装真空吸盘，其结构形式有伸缩式和转动式。
四、控制系统
控制系统硬件配置如图1-5所示。
汽车车身冲压自动生产线由6台压床、12个机械手、1台翻转传输车、四台穿梭传输车、一台总控制柜、一台磁力分层控制柜、6台本地控制柜及气路、传感器系统等构成。
本地控制柜的PLC所要完成的工作有：
接受来自操作员终端的信息，完成上下料机械手及冲床之间的协调控制、翻转传输车和穿梭传输车的控制、抓取装置真空发生器的控制。
此外，本地控制还有与总控制柜通信的功能、自诊断的功能等。
701——706六台压床控制器与相应的PLC连锁，完成压床动作控制。
总控制柜具有如下的功能：
冲压自动生产线全线启动、停止、暂停、急停；磁力分层、冲床、上下料机械手、传输车、翻转台故障报警及显示；送出工件号、工件计数、设备运行动画显示。
传感器的功能：
上料堆检测；抓料检测；冲床滑块位置检测；机械手安全检测；机械手的零点位置检测；气路系统气压监测。
五、故障报警系统本系统对部件与器件进行合理选择，使硬件系统具有很高的可靠性，软件系统具有多种保护功能，使其运行更为可靠，该系统达到的平均无故障工作时间2000h，相当100天连续生产。
系统的使用寿命为40000h。
按前面的生产
节拍，可使用8年以上.
1．故障保护的原则
1）重大故障急停。
2）出现故障直接相关的设备全部急停。
其它设备若处于故障设备之后，则执行完所有的操作；若处于故障设备之前，则仅执行完成当前动作。
3）设置操作权限所有设备的动作必须在所有的工作条件都得到满足的条件下才允许其动作。
2．故障的种类
1）冲床故障冲程未到位；行程变化与压力变化不一致；冲床润滑系统异常；冲床电源系统故障；冲床控制系统故障等。
2）机械手系统故障机械手未运动到位；机械手伺服系统故障；机械手电源系统故障；机械手未吸牢工件；气源系统故障；机械手控制系统异常等。
3）控制协调系统温度过高；电源不稳定；通信系统故障；显示系统故障等。
4）其它故障翻转装置工作异常；上料系统工作异常；下料传动系统异常；环境温度超过范围等。
六、设计心得：
通过《机电一体化系统设计》，使我明白了做事情要仔细、认真、负责人，有些事情不是一个人可以完成的，需要团队合作。
有些东西需要查阅资料，设计手册，以及工作经验，课程设计不是我想象的那样简单。
机电一体化技术不仅仅是机械和电的简单关系，他们之间有着奇特的联系，一些看是简单的事情，实际上并不简单，做事情不能只看表面现象，我们要弄明白为什么这样，举一反三，使自己真正掌握知识或者是技术，多动动脑，多思考思考，要严谨的对待，不要瞎编乱造，更不可以抄袭。
七、参考资料：
《机电一体化系统设计》姜培刚等，机械工业出版社，2003年9月第一版
《机电一体化系统设计》DevdasSheffyRichardA．Kolk等，机械工业出版社，2006年1月第一版
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