MPS安装站及加工站机械设计.docx

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MPS安装站及加工站机械设计

毕业设计（论文）

设计（论文）题目MPS安装站机械设计

学生姓名

指导教师

第1章MPS总体方案设计概述····································01

第2章气动知识···············································03

2.1气压传动基础知识········································03

第3章安装站设计说明书·······································05

3.1功能介绍···········································05

3.2方案设计···········································05

3.3工作过程···········································06

3.4同步齿形带的特点和应用·····························07

3.5同步齿形带带轮·····································07

3.6轴承的选择·········································09

3.7气缸选择的要点·····································10

3.8换向阀的选用·······································10

3.9弹簧性能特点及选用·································11

3.10气路的一般分析····································11

3.11材料表面处理······································12

第4章结论···············································13

谢辞·····················································14

参考文献·················································15

摘要

模块化模拟生产系统（MPS）是一套模拟实际工业生产过程具有大量复杂控制的教学培训装置，它具有模块化、综合性和易扩充等特点。

该系统由上料检测站、搬运站、加工站、安装站、安装搬运站、分类站等六个部分组成。

每一站都有一套独立的PLC控制系统，都能单独完成一个动作过程，将各站按一定顺序联接在一起后，就组成了一个模块化生产系统。

本次毕业设计的任务就是完成六个模块的机械装置和气动回路的设计。

该系统的设计特点是模块化，结构简单，模拟性强，操作简便。

每一站就是一个模块，各自有一套独立的功能。

各模块之间又能相互联系，利用MPS实验装置，除进行基本的大纲要求的理论和实践学习以外，还可以进一步提升学习内容。

如对PLC的学习，除现在的单机使用方法外，可以将所用PLC连接成网，用一台计算机进行监控与编程，组成PLC类型的DCS系统。

也可按照相关的通信协议，组成如Profibus类型的现场总线控制系统，是一台较理想的理论知识和技能训练相结合的教学设备，非常适合高等职业技术学校进行模块化教学。

该设计课题为多人分做，本人的设计重点是安装站的机械装置和气动回路部分，包括同步齿型带与带轮的设计。

第1章MPS总体方案设计概述

模块化生产系统由上料检测站、搬运站、加工站、安装站、安装搬运站,分类站六部分组成。

在上料检测站中有一个回转仓，仓内存储着黑、白两种颜色的大工件，在安装站有一个料仓，仓内存储着黑、白两种颜色的大小工件。

每一站都有一套独立的PLC控制系统，都能单独完成一个动作过程，而将各站按一定顺序联接在一起后，就组成了一个模块化生产系统，如图1所示。

图1-1系统方框图

模块化生产系统工作过程简述如下：

通过程序的控制，上料检测站将大工件从回转料仓内送出，搬运站把大工件从上料检测站搬至加工站，加工站将大工件加工、检测后送出，安装搬运站把大工件搬至安装工位放下，安装站把对应的小工件装入大工件中，而后，安装搬运站将安装好的工件送至分类站，分类站再将工件按要求送入相应的仓库。

直流电动机有调速性能好，范围宽，采用电子控制下，能充分适应各种机械负载特性的需要，但它的价格贵、维护复杂，且需要直流电源，但因该系统为教学实验设备，动力较小，主要是满足运动要求。

所以，综合考虑仍决定采用直流电动机来为系统提供部分动力源。

模块化生产系统（MPS）中电子传感器是一种独立器件，当它和微电子技术与微处理技术结合后，出现了新的突破。

现阶段正朝着集成化，智能化的方向快速发展。

如果把传感元件与信号处理的电路集成到一块芯片上，就成了信息型传感器；如果能把微处理器也集成到同一芯片上，就成了智能型传感器。

传感器技术是一门学科交叉型和知识密集型的应用技术。

它要求既要探索和了解传感技术，又要研究和制作敏感材料；既要熟悉待测对象各种变化习性，又要把所获取信号放大、传输、储存、反馈、处理、显示等。

在这套MPS设备中用到了无接近式传感器（电容传感器、电感传感器）、光电传感器、磁传感器（磁性开关）。

分别判别黑白工件；检测工件、系统机械传动装置及气缸运动是否到位等功能。

模块化生产系统（MPS）中气动回路部分的气压传动的优点：

（1）气可以从大气中取之不竭，无介质费用的损失和供应上的困难，同时，可以将用过的空气直接放入大气，处理方便，万一空气管路有泄露，除引起部分能量损失外，不致产生不利于工作的严重影响。

（2）气的黏度很小，在管道中的压力损失较小，一般其阻力损失不到油路损失的千分之一，因此压缩空气便于集中供应和远距离输送。

（3）压缩空气的工作压力较低（一般在4-8公斤/厘米），可降低对气动元件的材质和制造精度上的要求，因而，结构简单，易于制造，成本低廉。

（4）气动动作速度、反应快，这个突出的特点。

因此，特别适合用于一般机械设备的控制上。

（5）气动维护简单，介质清洁，管道不易堵塞，亦不存在介质变质、补充、更换等问题。

（6）使用安全、可靠。

可以在高温、震动、腐蚀、易爆等恶劣环境下工作，并且便于实现过载自动保

第2章气动知识

2.1气压传动基础知识

2.1.1气压传动工作原理

气压传动的工作原理是利用空气压缩机使空气介质产生压力能，并在控制元件的作用下，把气体压力能传输给执行元件，而使执行元件（气缸或气马达）完成直线运动和旋转运动。

2.2.2气压传动的用途

气压传动的用途是极其广泛的：

①用于化工产品的生产过程中。

②用于人不宜到达的地方，如高温和危险的劳动。

③用于高速重复的运动机械中。

④用于食品行业中。

⑤用于医学领域中。

⑥用于太空设备中。

2.2.3气压传动系统简介

气压传动系统是以压缩空气为工作介质来传递动力和控制信号的系统。

气压传动系统由气源装置、辅助元件、控制元件、执行元件四部分组成。

①气源装置获得压缩空气的装置，如空气压缩机。

②执行元件将压力能转换成机械能的能量转换装置，如气缸、气马达。

③控制元件控制气体的压力、流量及流动方向的元件，如压力阀、流量阀、方向阀、逻辑元件等。

④辅助元件使压缩空气净化、润滑、消声以及用于元件间的连接的元件或装置。

2.2.4气压传动的特点

①气压传动的工作介质是空气，排放方便，不污染环境。

②空气粘度小，便于远距离输送，能源损失小。

③气压传动反应快，维护简单。

④工作环境适应性好，允许工作温度范围宽。

⑤有过载保护作用。

⑥空气具有可压缩性，因此工作速度稳定性较差。

⑦工作压力低，气压传动装置总输出力较小。

⑧噪声大。

⑨空气无润滑性能，元件需设置给油润滑装置。

第3章安装站设计说明书

3.1功能介绍

它是模块化生产系统的第四站，其主要功能是把小工件从料仓中取出运至安装点（在第五站），安装到大工件里，并在安装过程中将小工件的颜色信号（由仓位确定）同时送出。

3.2方案设计

由料仓、机械推杆和搬运摆臂组成。

料仓中小工件有黑、白两种，分别储藏在两个料仓的底部送出。

2号气缸是双作用气缸，由双控电磁阀2Y1、2Y2控制，用来驱动料仓前后移动，使料仓送出的小工件颜色符合控制要求。

。

4号气缸是双作用气缸，由单控电磁阀4Y1控制，带动推杆将小工件从料仓底部推出至工件平台，便于摆臂搬运。

1号气缸是双作用气缸，由双控电磁阀1Y1、1Y2控制，使摆臂在本站工件平台与第五站安装点之间摆动。

双控电磁阀3Y1和3Y2控制安装在摆臂顶端的真空吸盘，当本站搬运点有小工件时，真空吸盘随摆臂运动到本站搬运点将它吸住，然后在摆臂带动下将小工件运至安装点（在第五站），安装到工件里。

气动回路图如图3-1所示。

图3—1气动回来图

3.3工作过程

加工单元工件到位发信号—→水平缸伸出并发信号—→垂直缸伸出并发信号—→真空吸盘吸工件，吸实后压力开关发信号—→垂直缸缩回并发信号—→水平缸缩回并发信号—→摆动缸转动到位发信号—→进入下一循环。

3.3.1系统复位，开始

当按下“上电按钮”、“复位按钮”后，PLC的外围设备都回到起始位置（本站工件平台上无工件，摆臂运动到本站工件平台上方）。

这时“开始按钮”中的指示灯开始闪烁，按下“开始按钮”后系统开始动作。

3.3.2摆臂摆出推出小工件

PLC接通双空电磁阀1Y2，1号气缸带动摆臂向第五站安装点摆动。

当到达限位时，装在1号气缸缸体上的磁性接近开关1B2动作，1B2送出信号，PLC得到信号后使1Y2失电并接通单控电磁阀4Y1，4号气缸带动推杆将小工件（假设是白色）从料仓底部推向工件平台。

当到达限位时，装在4号气缸缸体上的磁性接近开关4B2动作，4B2送出信号，PLC得到信号后使4Y1矢电，4号气缸带动推杆缩回。

当到达限位时，装在4号气缸缸体上的磁性接近开关4B1动作，4B1送出信号。

3.3.3摆臂回吸取小工件

PLC得到4B1信号后使双控电磁阀1Y1得电，1号气缸带动摆臂向本站工件平台摆动。

当到达限位时，装在1号气缸缸体上的磁性接近开关1B1动作，1B1送出信号，PLC得到信号后使1Y1失电并接通双控电磁阀3Y2，真空吸盘产生吸力，当吸住小工件时压力开关3B1送出信号。

3.3.4摆臂出放下小工件

PLC得到3B1信号后使3Y2失电并接通双控电磁阀1Y2，1号气缸带动摆臂向第五站摆动，将小工件运往安装点。

当到达限位时，装在1号气缸缸体上的磁性接近开关1B2动作，1B2送出信号，PLC得到信号后使1Y2失电并接通双控电磁阀3Y1，真空吸盘失去吸力，小工件在第五安装点被安装到大工件里，同时压力开关3B1送出复位信号，PLC得到信号后使双控电磁阀1Y1得电，1号气缸带动摆臂向本站工件平台摆动。

当到达限位时，装在1号气缸缸体上的磁性接近开关1B1动作，1B1送出信号，安装站准备进入新一轮工作循环。

控制双控电磁阀2Y1或者2Y2的通电状态，可使料仓左右移动得到不同颜色的小工件，使料仓送出的小工件颜色符合控制要求。

3.4同步齿形带的特点和应用

同步齿形带是以钢丝绳或合成纤维为强力层，以聚氨酯或氯丁橡胶为基体，在带的内周制成齿状，用来与同步带轮的齿相啮合的一种传动带。

同步齿形带与普通传动带比较，具有传动比准确、结构紧凑、传动比范围达以及可以在低速下传递动力等优点，其主要缺点是安装要求严格且成本高。

我国目前主要生产的市聚氨酯同步齿形带，具有耐油、耐磨以及抗老化等性能，使用温度一般为-20～80℃。

3.5同步齿形带带轮

3.5.1材料与制造

对同步带带轮的要求：

重量轻；质量分布均匀，安装对中性好，消除制造中产生的内应力，在v＞5米/秒时，应进行静平衡试验。

同步带带轮齿形加工的正确与否，将直接影响传动性能以及带的寿命因此带轮齿形加工最好采用专用的直线齿廓盘形铣刀或可范成直线齿廓的特制滚刀加工。

小批生产时，可用8号渐开线盘形齿轮铣刀或标准齿轮滚刀加工，但切出的齿比较深，且齿形为渐开线，它与α=40°的直线齿廓之间存在一定的偏差。

其中8号铣刀切出的齿形偏差在带轮的允许公差范围内。

而用标准齿轮滚刀切削时，若带轮齿数z较少（z≤30），则齿形与直线齿廓间偏差较大，故只适用于模数小，齿数多的带轮，齿数多的带轮，但用滚刀加工时，轮齿的节距误差比用铣刀加工时小。

3.5.2带轮结构

同步齿形带在运转时，有轻度的侧向推力。

为了防止运转时带的脱落，一般在小带轮的两侧均装挡边，或者在大小两轮的不同侧，各装单侧挡边。

当中心距α＞8d1（d1：

小带轮直径）时，或带轮的轴线与水平面垂直安装时，则两带轮均应有档边，或至少主动轮的两侧和从动轮的下侧应有档边。

（参考文献〈7〉）

本站工作中要求摆臂在摆动时，吸盘方向必须一直朝下，为此考虑利用同步带传动时无相对滑动。

带长不变，传动比稳定的特点，将摆臂设计成同步带传动装置。

工作时，带内环表面上的凸齿与带轮外缘上的齿槽相啮合而进行传动。

带的强力层承载后变形小，其模数保持不变，故带与带轮间没有相对滑动，保证了同步传动。

设计时将一带轮固定不动，这样摆臂在摆动时，吸盘的带轮便在同步带作用下的同步传动，保证吸盘方向一直朝下。

另外，带的柔性好，可用直径较小的带轮，传动结构紧凑，比较适合该站的要求。

因此，综合考虑，这部分机构采用同步带比较合适

本站同步带传动选择模数制梯形齿同步带，设计参数为：

模数

节距

齿形角

齿高

带总高

齿顶厚

齿根厚

1.5

4.71

40º

0.9

1.65

1.5

2.16

根据转臂长度选用同步齿形带长度，设计参数为：

齿数

模数

节线长度

宽度

95

1.5

447.7

8

3.5.3吸盘摆臂运动机构设计

吸盘摆臂是由两部分组成：

直线往复移动，绕吸盘转臂轴的摆动。

使其同时进行，即为复合运动。

设计方案工作原理：

如图3所示，将一个钢丝绕于吸盘转臂轴上，调整好预紧力，使两者接触面间产生足够的摩擦力。

当转臂轴受到由气缸和弹簧提供的力F作用时，钢丝对它的拉力FT与F组成力偶，使转臂轴在直线移动的同时发生转动，且移动距离与转角存在一定的关系。

图3-2转臂轴受力分析示意图

（S-行程

-摆角

-半径）

S=1×

×90°×14≈11mm

故根据所需要摆角

。

可计算出要移动的行程S。

3.6轴承的选择：

尼龙轴承：

与金属轴承比,尼龙轴承重量轻、维护简便、化学稳定性好、耐磨性和耐疲劳强度较高具有减震、吸音、自润滑性、绝缘和自熄性，但是热膨胀系数大，导热系数低，吸湿性较大，强度和尺寸稳定性不入金属。

所以本站采用无油尼龙轴承。

滚动轴承（向心球轴承）主要承受径向负荷，也可同时承受少量的双向轴向负荷，限制轴（外壳）的双向轴向移动在轴承轴向游隙范围内。

与尺寸相同的其他类型轴承比较，此种轴承摩擦损失最小，极限转速较高。

在轴承内外圈相对倾斜8＇—16＇时（根据游隙确定）仍可正常工作，（但是寿命有一定影响）当加大轴承的径向游隙时，只有向心推力球轴承的性质。

在转速较高不宜采用推力球轴承的情况下，可以用此类轴承承受纯轴向力。

所以本站采用尼龙的单列向心球轴承1000900超轻（P）系列。

来满足所需。

3.7气缸选择的要点：

（1）作用力的大小：

根据外部工作所需要的力的大小。

确定活塞杆上的推力或拉力。

必须指出，同一个气缸时的实际出力大小随要求的工作速度不同而有很大变化。

速度增高，则由于背压增高等因素影响，出力将急剧降低，其变化并非直线关系。

选择缸径时对此必须十分注意。

应该依据工作条件不同，按外载荷理论平衡条件所需气缸作用力近似地乘以1.15～2的备用系数，从而确定所需要气缸地内径。

（2）活塞行程的长短：

行程就是气缸活塞所能移动的最大距离，带缓冲装置的气缸其缓冲部分的距离也包括在内。

行程的长短于使用场合有关，也受加工和结构上的限制。

（3）安装形式：

根据安装位置、使用目的等因素来决定。

在一般场合下，多选用固定式气缸。

在车床或磨床上，工作需作连续的旋转，应选用回转气缸。

在活塞杆除作直线运动外。

又要作较大的圆弧运动时，则选用摆动式气缸（又叫轴销式气缸）。

（4）活塞的运动速度：

主要决定于气缸进排气口及导管内径的大小。

如果要求活塞杆高速度地运动时，应选用大地进排气口及导管。

通常为了得到缓冲的、平稳的活塞杆运动速度，可选用节流装置或油液阻尼装置的气缸。

节流的方法有：

当用水平安装的气缸去推动负载时，推荐用排气节流；如果用垂直安装的气缸去举升重物时，则推荐用进气节流；当要求行程终点活塞杆运动平稳时，选用带缓冲器的气缸等等。

所以本站采用气缸：

1号气缸CMK2-00-20-45

2号气缸SCPD2L-1660

3号气缸SCPD2L-1060

3.8换向阀的选用：

它是利用电磁使阀心换向，是由电磁控制部分和换向阀部分组成的，换向阀部分称为主阀。

电磁控制部分按其对主阀的控制型式分为直动式和先导式两种，主阀阀心的换向由电磁铁芯直接推（或拖）动的控制形式，称为直动式。

如果主阀阀芯的换向是由电磁控制压缩空气来实现的，则这种控制形式称为电磁先导式，而电磁控制部分称为电磁先导阀，它与主阀组合成先导式电磁阀。

电源工作电压一般为220、110、60、48、36、24、12V等。

电磁控制部分由单线圈和双线圈两种，称为单电控和双电控。

本系统所采用的是二位四通双电控电磁阀和二位五通双电控电磁阀。

双电控电磁阀由于阀芯带定位装置，电磁铁断电后，阀位保持不变，具有记忆性功能。

主阀采用硬配间隙密封形式，滑动摩擦力小，具有换向灵敏，且不受压力变化影响的优点。

3.9弹簧性能特点及选用

所采用的是碳素弹簧钢丝，它的强度高，性能好，适用于作小弹簧，本站所采用的弹簧φ1.6的外径22匝。

它本身所起的作用是防止物体的脱落，而且还可以帮助物体的上移。

3.10气路的一般分析

首先，考虑动力的合理分配和利用。

气路工作运行的特点是：

1.在各个工作地点全部气动装置同时都在工作的情况是很少的；2.每个气动装置的压缩空气消耗量也不是固定的.优时要求量很大,而有时却又可能很小或完全不需要；3.由于工作要求的不同,各个气动装置所需要的工作压力液不相同。

因此，在设计时，对空气压缩机的效率、排气量和工作压力的选择，应有适当的分析和计算。

其次，时网络的合理布置。

对于网络的设计要求是：

1线路最短，并尽量做到拐弯少；2尽量少采用供应较少而且较贵的橡胶软管；3控制阀以及其它辅助装置少。

第三，是保证各部分工作运行在时间上的协调。

由于空气介质的可压缩性，气压的能量转换过程较为复杂，而且不稳定，因此，在运用“一阀控制多缸”原则时，还必须同时考虑多缸运动协调问题。

在设计气路、选用控制阀和辅助装置时必须考虑这个因素。

3.11材料表面处理

模块化生产系统（MPS）基本以Q235（碳素结构钢。

Q代表屈服点，235代表屈服点数值为235MPa）为制造材料，它是一种普通材料，表面易于电镀处理，相对而言比较经济实惠，能够满足设备的需要。

电镀是利用直流电作用从电解液中析出金属，并在物件表面沉积而获得金属覆盖层的方法。

（模块化生产系统材料所采用的是镀锌处理）。

3.11.1镀锌的特点

锌在干燥的空气中，比较稳定，不易变色，在水中及潮湿大气中则与氧或二氧化碳生成氧化物或碳酸锌薄膜，可以防止锌继续氧化，其保护作用。

锌在酸及碱、硫化物中极易遭受腐蚀，镀锌层一般都要经过钝化处理，在铬酸或在铬酸盐液中钝化后，由于形成的钝化膜不易与潮湿空气作用，防腐能力大大加强。

对弹簧零件、薄壁零件（壁厚＜0.5毫米）和要求机械强度较高的钢铁零件，必须进行除氢，铜及铜合金零件可不除氢。

镀锌成本低、加工方便、效果良好。

锌的标准电位较负，所以锌镀层对很多金属均为阳极性镀层。

3.11.2镀锌的应用

在大气条件和其他良好环境中使用的钢铁零件普遍使用镀锌。

但不宜作摩擦零件的锌层。

因此，为了达到美观，防止表面材料的氧化，采用镀锌工艺处理材料表面。

第4章加工站设计说明

4.1功能介绍

它是模块化生产系统的第三站，其主要功能是把第二站搬运来的大工件进行加工，并在加工过程中将大工件的颜色信号也同步进行传递。

4.2方案设计

由一圆形旋转加工台和钻削、检测两加工点组成。

电机M1带动圆形旋转加工台转动，光电式传感器B1专门检测搬运站有无工件送来，圆形旋转加工台的定位问题依靠光电式传感器B2来解决。

圆形旋转加工台上有四个工位，均匀分布在加工台的边上，其中两个工位正好位于鉆削和检测两加工点，剩余的工位一个靠近第二站，等待搬运站把要加工的工件运来;另一个靠近第五站，等待把已加工的工件运走。

我们把靠近第二站的工位称一号工位，在鉆削加工点的工位称二号工位，在检测加工点的工位称三号工位，靠近第五站的工位称四号工位。

钻削加工点由电机M2、1号气缸组成。

3号气缸是双作用气缸，由单控电磁阀3Y1控制，模拟对被加工工件的加紧和放松。

电机M2带动钻头转动。

1号气缸是双作用气缸，由单控电磁阀1Y1控制，主要带动电机M2和钻头一起上下动作，对工件进行钻削加工。

检测加工点由2号气缸组成。

2号气缸是双作用气缸，由单控电磁阀2Y1控制，主要是对钻削好的工件检测，检查加工质量。

气动回路如图4-1所示。

图4-1气动回路图

4.3气路的一般分析

首先，考虑动力的合理分配和利用。

气路工作运行的特点是：

1.在各工作地点全部气动装置同时都在工作的情况是很少的；2.每个气动装置的压缩空气消耗量也不是固定的，有时要求量很大,而有时却又可能很小或完全不需要；3.由于工作要求的不同，各个气动装置所需要的工作压力也不相同。

因此，在设计时，对空气压缩机的效率、排气量和工作压力的选择，应有适当的分析和计算。

其次，是网络的合理布置。

对于网络的设计要求是：

1.线路最短，并尽量做到拐弯少；2.尽量少采用供应较少而且较贵的橡胶软管；3.控制阀以及其它辅助装置少。

第三，是保证各部分工作运行在时间上的协调。

由于空气介质的可压缩性，气压的能量转换过程较为复杂，而且不稳定，因此，在运用“一阀控制多缸”原则时，还必须同时考虑多缸运动协调问题。

在设计气路、选用控制阀和辅助装置时必须考虑这个因素。

电控换向阀是利用电磁使阀心换向，它是由电磁控制部分和换向阀部分组成的，换向阀部分称为主阀。

电磁控制部分按其对主阀的控制型式分为直动式和先导式两种，主阀阀心的换向由电磁铁芯直接推（或拖）动的控制形式，称为直动式。

如果主阀阀芯的换向是由电磁控制压缩空气来实现的，则这种控制形式称为电磁先导式，而电磁控制部分称为电磁先导阀，它与主阀组合成先导式电磁阀。

本站选择单向电控阀。

4.4工作桌面介绍

加工工位工作桌面。

它由一圆形旋转加工台和钻削加工位、检测位等组成。

电机3M1通过减速器带动圆形旋转加工台转动，光电式传感器3SQ1透过加工台上的圆孔检测搬运工位有无工件送来。

圆形旋转加工台的定位是依靠电感式传感器3SQ2来解决。

圆形旋转加工台上有四个工件位置，均匀分布在加工台的圆盘上，如图1—3—4所示。

我们把靠近搬运工位接收工件的1号位置称为接收点，搬运工位搬运来的工件被放在这里；钻削加工工件的2号位置称为加工点；检测工件的3号位置称为检测点；靠近第五工位的4号位置称为输出点，加工好的工件在这里被第五工位的机械手取走。

加工点由电机3M2、1号气缸和3号气缸组成。

3号气缸是可调双向缓冲气缸，其动作受3号换向阀（单控二位五通电磁换向阀）的控制，模拟对被加工工件的夹紧和放松。

电机3M2带动钻头