大学毕业设计---显示器生产线用胶粘带粘带机-定位及固定机构设计说明书.doc

河北工业大学2015届本科毕业设计说明书

河 北 工 业 大 学
毕业设计说明书

作 者： 李振中 学 号： 112489
学 院： 机械工程学院
系(专业)： 机械设计制造及其自动化专业
题 目： 显示器生产线用胶粘带粘带机——
定位及固定机构设计

指导者： 戴士杰 教授

评阅者：

2015 年 5 月 15 日

毕业设计（论文）中文摘要

显示器生产线用胶粘带粘带机——
定位及固定机构设计

摘要：
显示器生产线上，对于阴极摄像管，安装时需要先进行粘带，故用粘带机进行四周粘带处理。即显示器生产线用粘带机是显示器自动生产线所必须的设备，它主要用来完成显示器屏幕侧边四周的胶带的自主粘贴工作，也为后续防爆带安装做准备的工作。
粘带机的定位及固定机构主要实现显示器粘带前的回转中心定位以及固定显示器并为其转动提供动力。定位机构使用气缸驱动的多连杆机构，分别从四个方向夹紧显示器，使显示器的中心与回转中心重合。固定机构主要由真空吸盘，提供吸紧力，使显示器随显示器支架同时运动。显示器在定位机构与回转机构的垂直运动由气缸完成。粘带时需要的回转运动由减速电机完成。

关键词：粘带机 固定机构 定位机构 气动驱动 多连杆机构 减速电机

毕业设计（论文）外文摘要

Title Tape sticking machine of display production line—
The design of positioning and fixing mechanism

Abstract
When the display is manufactured on the production line, the adhesive tape is first glued around the monitor. So the adhesive tape machine is the necessary equipment in the production line. It automatically completes sticking adhesive tape, and prepares for the installation of the explosion proof device.
The positioning and fixing mechanism of the adhesive tape machine are designed for locating the center of the monitor and fixing the monitor. And the machine also provides the power for monitor rotation. The positioning mechanism is a multi link mechanism which is driven by a cylinder, and it clamps the monitor from four directions. So it makes the center of the monitor coincide with the center of rotation. Fixed mechanism provides suction which makes the monitor rotate by vacuum suction. The vertical motion of the display is driven by the cylinder. And rotary motion is driven by the motor.

Keywords： Tape sticking machine, fixed mechanism, positioning mechanism, pneumatic drive, multi link mechanism and deceleration motor

目 录

1 绪论 1
1.1 功能分析 1
1.2 定位及固定工作流程设计 1
2 定位机构设计 2
2.1 机构设计 2
2.2气缸选型 5
3 支架与吸盘机构设计 6
3.1支架与吸盘结构 6
3.2吸盘选型 7
4 主气缸与回转驱动设计 8
4.1 主气缸选择 8
4.2 回转驱动机构 9
4.3 主气缸与回转驱动的连接 10
4.3.1 连接用铝型材选型 10
4.3.2 连接方案 10
5 总装图 12
5.1 装配零件的具体参数 12
5.1.1 传感器的选择及参数 12
5.1.2 回归反射型光电传感器 13
5.1.3 滚珠摆杆型限位开关 14
5.1.4 动力滚筒生产线 14
5.1.5 托盘及支架的参数 15
5.2 标准件在装配中的使用 17
6 气压控制原理 18
7 PLC控制原理 19
8 用时计算 20
结 论 22
参 考 文 献 23
致 谢 25

25

1 绪论
自显示器诞生以来，显示器（display）通常被称为监视器。显示器是属于电脑I/O设备，即输入输出的设备[1]。它是一种将电子文件通过特定的传输设备显示在屏幕上再经过反射到人眼的显示工具。根据制造材料的不同，显示器可分为：阴极射线管显示器（CRT），等离子显示器PDP，液晶显示器LCD等等。
而显示器生产线上，对于阴极摄像管，安装时需要先进行粘带，故用粘带机进行四周粘带处理。即显示器生产线用粘带机是显示器自动生产线所必须的设备，它主要用来完成显示器屏幕侧边四周的胶带的自主粘贴工作，也为后续防爆带安装做准备的工作。“显示器生产线用粘带机粘带封切机构设计”包括粘带固定直角坐标机器人、切带直角坐标机器人、上带机构以及支撑架体等部分。我们的设计要求实现显示器胶带首端及末端的固定，以及胶带末端的切断，胶带的上带等。其工作过程如下：当显示器固定后，首先，粘带固定直角坐标机器人将胶带首端固定在显示器上，旋转一圈后，再由切带直角坐标机器人将胶带切断，最后粘带固定直角坐标机器人将胶带末端固定在显示器上。直角坐标机器人都由气动驱动。
1.1 功能分析
通过对课题所需解决问题的了解和查阅相关文献，对于粘带机的定位和固定机构设计有了新的认识。定位和固定机构主要分成两大部分：带吸紧功能的可上下移动的回转工作台和多连杆机构的定位机构。工作台主要由支架和吸盘构成，用来支撑显示器和提供显示器回转所需的动力。工作台的上下移动、回转分别由活塞杆不回转[2]的气缸和减速电机实现。定位机构用于定位显示器的回转中心，用多连杆机构既可以完成准确的定位，又可以节省空间和驱动元件，复合现代设计的要求。
1.2 定位及固定工作流程设计
显示器在生产线上的传送依靠托盘和动力滚筒流水线实现。当粘带工序的上一个流程完成后，经由动力滚筒线传送至粘带工位，滚筒停止，支架气缸的作用下，将显示器托起至定位机构工作位置；定位机构工作，使显示器的中心与支架的回转中心重合，吸盘与显示器依靠真空吸紧，定位完成；气缸下降至粘带位置，粘带贴合后，吸盘带动显示器做回转运动，粘带切断；气缸下降至托盘位置，显示器复位回托盘上；流水线开始工作，显示器被传送到下一个工位。流程如下图：

图1 定位及固定工作流程
2 定位机构设计
2.1 机构设计
当显示器固定后，由粘带固定直角坐标机器人将胶带首端固定在显示器上，旋转一圈后，先由切带直角坐标机器人将胶带切断，再由粘带固定直角坐标机器人将胶带末端固定在显示器上。直角坐标机器人都由气动驱动[3]。显示器定位过程在整个自动粘带过程中只占有很短的时间，但是定位工作本身对整个流程至关重要。定位机构如下：

注：
1. 显示器相对位置
2. 铸直角连接件
3. 多连杆定位机构—摆杆
4. 铝型材机架
5. 驱动气缸
6. 气缸连接底座
图2 显示器定位机构——俯视图

注：
1. 多连杆机构定位机构
2. 连杆与机架螺栓连接
3. 定位用橡胶压杆
图3 显示器定位机构——主视图
选择多连杆机构作为定位机构，可以大幅减少定位机构的零件数量和驱动元件的数量。在完成同样的定位要求的情况下，多连杆机构能够节约更多空间，并且更加快捷。使用气缸作为驱动元件，气缸响应速度快，在保证足够的驱动力的同时，体积小巧，容易控制。机构原理如下图：

图4 机构原理图
驱动机构视为曲柄滑块机构，执行定位机构可以视为四连杆机构[4]，复合机构实现横纵两个方向上同时进行夹紧定位，使定位过程效率更高。考虑到显示器的形状，如机构简图所示，连杆机构一部分用圆环代替，使定位机构能在更合理的位置工作。
使用Adams软件设置各项参数进行运动仿真分析得到如下数据：

图5 机构简图

图6 速度加速度分析
2.2气缸选型
定位机构中对气缸的要求比较低，有良好的反应速度，工作稳定即可。根据机构要求，选用SMC气缸CDM2系列
表1 CDM2气缸参数表

因气缸在机构中的运动为首先带负载气缸伸出，然后气缸无负载收回。故选择弹簧压回型气缸[5]，当定位运动完成后，即可断开气压，气缸在弹簧作用下自动收回。
两个气缸共同推动显示器，完成显示器定位工作。显示器与塑料摩擦系数取=0.35，显示器质量m=25kg，所需推力为=87.5N。根据气压传动的气压，取。求出缸径最小值=14.9mm。
气缸的两个极限位置如下图：

图7 气缸的极限位置
由上图可知气缸的行程近似为30mm，故气缸具体型号为CDM2B20F-50S，即缸径为20mm行程为50mm带弹簧压回的气缸。
3 支架与吸盘机构设计
3.1支架与吸盘结构
支架与吸盘一同固定在回转伸缩气缸-电机机构上，完成对显示器的支撑与吸紧，并保持显示器的中心与机构的回转中心重合。如图所示:

注：
1. 显示器支架塑料接触脚
2. 金属显示器支架
3. 固定显示器用真空吸盘
4. 吸盘、支架与气缸之间的连接
图7 显示器支架与固定用吸盘
3.2吸盘选型
真空吸盘，又称真空吊具，是真空设备执行器之一[6]。一般来说，利用真空吸盘抓取制品是最廉价的一种方法。真空吸盘品种多样，橡胶制成的吸盘可在高温下进行操作，由硅橡胶制成的吸盘非常适于抓住表面粗糙的制品；由聚氨酯制成的吸盘则很耐用。另外，在实际生产中，如果要求吸盘具有耐油性，则可以考虑使用聚氨酯、丁腈橡胶或含乙烯基的聚合物等材料来制造吸盘。通常，为避免制品的表面被划伤，最好选择由丁腈橡胶或硅橡胶制成的带有波纹管的吸盘材料采用丁腈橡胶制造，具有较大的扯断力，因而广泛应用于各种真空吸持设备上。
在本机构上，吸盘的主要作用使显示器可靠的固定在支架上，并且为显示器回转提供动力。由于显示器的质量比较大，玻璃材质表面为不规则曲面，故选用SMC真空吸盘ZPX系列。ZPX系列真空吸盘主要参数如下图：

图9 显示器用真空吸盘主要参数

根据显示器的尺寸500mm*380mm，显示器质量约为25kg，选择真空吸盘直径为125mm。参考真空吸盘选型表，选择ZPX125HN-B01-B12，即吸盘直径为125mm重载型丁腈橡胶吸盘，安装形式为内螺纹M12。
4 主气缸与回转驱动设计
4.1 主气缸选择
主气缸作为支撑支架与吸盘并且作为整个机构回转中心需要有足够的结构强度，良好的对心性，足够的驱动能力，并且方便控制[7]。根据以上工作要求，选择SMC气缸MB系列。MB系列能提供足够的驱动能力，并且气缸的活塞杆不回转，因此可以驱动吸盘带动显示器回转运动。MB系列气缸参数如下表：
表2 MB系列气缸参数

根据活塞速度小于1m/s，设定负荷率为=50%；气缸所需推理计算为：

M：负载质量为M=25kg+5kg=30kg
：负荷率 =50%
：摩擦系数，在垂直运动情况下取1
故，根据气压传动的气压，取。求出缸径最小值=63.6mm。根据行程460mm，直径大于63.6mm，杆不回转型得到具体型号为MBKB80-500。
4.2 回转驱动机构
回转驱动机构选择减速电机驱动。减速电机是指减速机和电机（马达）的集成体。这种集成体通常也可称为齿轮马达或齿轮电机[8]。通常由专业的减速机生产厂，进行集成组装好后，与电机一体成套供货。减速电机的特点是效率及可靠性高，工作寿命长，维护简便，应用广泛等。它的级数可分为单级、两级和三级齿轮减速电机，安装布置方式主要有展开式、同轴式和分流式[9]。
显示器尺寸：

显示器质量：m=20-25kg 取m=22.5kg
显示器转动惯量：

以回转周期为：t=2s
角速度：
角加速度：
转矩：
转速：
功率：
电机转速：
由上述参数和减速电动机参数表选择钧宝电机系列ZF18-0.1-49.3BB，即立式安装轴颈为18mm功率为100w减速比为49.3的减速电机，BB代表单项电220v有电磁刹车器[10]。
4.3 主气缸与回转驱动的连接
4.3.1 连接用铝型材选型
工业铝型材一种以铝为主要成份的合金材料，铝棒通过热熔，挤压从而得到不同截面形状的铝材料，但添加的合金的比例不同，生产出来的工业铝型材的机械性能和应用领域也不同[11]。在本生产线，通过对气缸尺寸，支架尺寸和显示器的重量的综合考量，选择3030B型铝型材，用来构成连接各部分的机架结构。其中主要直角连接均选择ZZJ-20-1型连接件。铝型材与支撑板连接选用一字螺母Y-14M6。
4.3.2 连接方案
主气缸下部分为动力输入，电机的动力通过减速机输出到动力输出轴，半联轴器直接与电动机连接。同时半联轴器与支架的轴承座通过圆锥滚子轴承连接，圆锥滚子轴承型号为30206。
主气缸不仅承担提升显示器的功能，还是回转运动中负责中间传动的动力传送轴。这要求主气缸有杆不回转的特点，并且气缸的安装也必须满足回转的条件，否则整个方案失效。将气缸整体看作一个可以伸缩的传动轴，对轴用轴承进行约束，使其满足方案设计要求。方案设计简图如下：

注：
1. 气缸上部轴承座
2. 气缸上部轴承衬套
3. 气缸主体
4. 半联轴器/回转主轴
5. 下连接板
6. 上连接板
7. 30206圆锥滚子轴承
8. 气缸导气孔
9. 气缸下部轴承座
10. 主驱动减速电机
图11 主气缸安装示意图

气缸的上半部分，设计一个类似轴套的辅助零件，用来固定轴承，配合另外的轴承和支架，使得上半部分有良好的约束。气缸下半部分的机构有两个功能：第一，约束气缸，使其在固定的回转中心平稳旋转；第二，传送又半联轴器的动力，驱动显示器回转[14]。充分考虑零件的装拆配合，得到上述示意图。
5 总装图
经过选型和计算，将各部分零件与机构结合一起，得到装配图，即：

图12 总装配图
5.1 装配零件的具体参数
在整个粘带机的设计过程中，本人都尽力选择合理的装配方案。在所用组成零件的选择上，尽力选择标准零件。标准件的好处就是能够在市面上直接买到，由于标准件是批量生产的，因此价格相对低廉，质量也比较好保障。另外，当元件有损坏的时候也可以直接购买规格相同的元件替换原有的元件[17]。在结构设计上，力求实用与美观相结合，并增加材料的使用率，使设计的产品更加节约材料，同时降低了制造成本。
5.1.1 传感器的选择及参数
本粘带机共选择了两种三套传感器，分别是回归反射型光电传感器两套和滚珠摆杆型限位开关[18]。传感器均为OMRON自动化公司生产。
5.1.2 回归反射型光电传感器
光电传感器主要作用为当气缸拖动显示器运动到定位高度或者粘带高度时，传感器将位置信号传输到控制器PLC，PLC控制电磁阀使气缸停止运动，待定位或者粘带完成后，气缸继续工作。本机选用的具体型号为E3JK-R2M2 2M遮光ON 光电传感器，与该传感器配合使用反射板型号为E39-R1[18]。其具体参数如下： 注：
1. 发射端与接收端
2. 支架
3. 散热孔
4. 通信电缆
图13 光电传感器

由于选用的传感器为回归反射型传感器，故需要选择反射板与其配合使用。工作时，传感器发出红外光，经过反射板反射回到传感器的接受端；当显示器位置遮住传感器发出的红外光时，接收端无信号输入，传感器即反馈电信号到PLC控制器。
5.1.3 滚珠摆杆型限位开关
本机中限位开关的作用为：当流水线将托盘传送至粘带工位时，限位开关被压下；PLC得到限位开关的电信号，流水线暂停，粘带的工序开始进行；粘带完毕，PLC控制流水线启动，托盘离开粘带工位后，限位开关自动弹起，等待下一个托盘到达。
滚珠摆杆型限位开关密封性好，抗冲击性强，能在恶劣的环境下，保持稳定的性能以及非常长的使用寿命[21]。其技术参数如下：

图14 滚珠摆杆型限位开关
5.1.4 动力滚筒生产线
动力滚筒生产线承载的产品类型广泛，所受限制少；与阻挡器配合使用，可以实现产品的连续、节拍运行以及积放的功能；采用顶升平移装置，可以实现产品的离线返修或检测而不影响整个流水线的运行[24]。由于本机的功能特殊，故采用非通轴式动力滚筒，以便留出中间空出部分允许气缸及支架等上下运行。其结构如下图：

注：
1. 单侧对称动力滚筒生产线
2. 滚筒内部驱动
3. 显示器托盘
图15 动力滚筒生产线
5.1.5 托盘及支架的参数
托盘主要在生产线上装载并且托运显示器，是生产线的一部分。托盘的使用使显示得到了很好的保护，同时提高了生产线的流动速度，提高了生产率。托盘参数如下：

图16 托盘
支架作为辅助气缸支撑显示器的零件，由于还要配合吸盘使用，故其外形较为特殊。为满足使用空间的要求，同时为了方便制造并符合审美，支架最终设计如下：

图17 支架
5.2 标准件在装配中的使用
在连接机架与零件、机架之间的连接时，大多考虑使用的是标准连接件。铝型材在搭建机架与连接方面，有着良好的适用性。标准件选择包括：
一、 铸直角ZZJ-20-1
铸直角用于高强度连接，与内六角圆柱螺栓及一字螺母搭配使用，不仅不会破坏连接的两个零件的强度，还能在一定程度上增加其刚度。具体连接如图：

注：
1. 一字螺母Y-10M5
2. 内六角螺栓M5x10
3. 铸直角连接件ZZJ-20-1
图18 铸直角连接

二、 地脚系列
机架的地脚包括三部分组合，从上到下依次是地脚底盖3030DG、地脚DJG50-M6、减震垫DJ50D；组合三部分与3030铝型材刚好契合。具体连接如图：

图19 地脚连接
6 气压控制原理
气压驱动成本低，动作可靠，不发热，无污染。为完成机构的必要动作，机构位移需要由气缸驱动。综合定位及固定机构、粘带切带机构，需要有杆气缸、无杆气缸以及吸盘共计8个气压驱动执行元件。气缸及吸盘控制元件为电磁换向阀。

图20 气压控制原理图
气压控制主要分四个部分：
1、空气压缩装置
空气压缩装置包括空气压缩机、冷却器、干燥器、清洁器、存储罐。
2、辅助保护装置
辅助保护装置包括气压表和安全阀。
3、执行元件
执行元件有三个，分别是：MB80单杆双作用杆不回转型气缸、CDM2单杆单作用弹簧压回气缸、真空吸盘。其中真空吸盘的使用需要辅助元件——真空发生器。
4、控制元件
控制元件有三个两种，一种是三位四通电磁换向阀，有一个；另一种是两位三通电磁换向阀，有两个。
7 PLC控制原理
PLC控制系统，Programmable Logic Controller，可编程逻辑控制器，一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的[19]。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。
由于粘带机需要多达十几组输入输出控制信号，信号之间还包括时间控制、逻辑控制等，使用PLC控制系统完成机器的输入输出控制是十分必要的。综合粘带机需要的各种执行元件、检测元件、控制开关、声光报警装备等，选用欧姆龙PLC系列型号为CPM2A-60CDR-D，得到如下PLC控制原理图：

图21 粘带机PLC控制原理图
8 用时计算
设计任务书中技术要求规定：完成一台显示器的粘带工作时间要求小于20秒。气缸各行程决定了每段用时，根据装配图得到下图：

图21 气缸行程图
现计算上述流程所需用时
（1） 主气缸用时：
主气缸运动有三个部分，三部分行程分别为上升460mm到达定位高度、下降300mm到达回转高度、下降160mm到达气缸初始高度；根据SMC气缸运动速度，以460mm/s计算：

气缸加速和减速时间误差以2s计，则主气缸用时=4s。
（2） 定位及吸紧：
定位同样由气缸驱动，考虑定位时气缸的行程只有200mm，计=1s；
（3） 显示器回转：=2s
（4） 粘带机粘带：=5s
考虑电机驱动和气压驱动的响应时间，计=3s，t=15s<20s，故满足技术要求。

结 论

通过对所需完成功能进行分析、选择最优功能方案以及方案设计及计算，最终得到了满足任务要求的定位及固定机构。通过速度控制，包括气缸的运动控制及支架和吸盘的旋转控制，整个工艺流程耗时也满足任务要求的20秒内。在所用组成零件的选择上，尽力选择标准零件。标准件的好处就是能够在市面上直接买到，由于标准件是批量生产的，因此价格相对低廉，质量也比较好保障。配合粘带机部分构成完整的生产线用显示器生产线用胶粘带粘带机，并且满足组线的条件及性能。
在显示器垂直运动的驱动选择上，使用了气缸作为动力来源。由于气压传动较难实现精准的位置控制，故在配合光电传感器定位控制时，需要做细致调整。液压驱动虽然是实现精准控制的更好选择，但由液压控制需要供油回油装置，容易产生污染，并需要单独设置油泵，故并不完全适合生产线使用。综上所述，最终选择虽然控制调节困难，但更快捷合理的气压驱动。
本设计参照各类技术资料和设计经验，解决了生产线用胶粘带粘带机的定位及固定机构设计问题，为解决此类机构的设计提供了较为可行的参考。

参 考 文 献

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致 谢

首先，我要衷心感谢我的指导教师戴士杰教授。从定位及固定机构分析到确定合理方案，再到论文格式的严谨指正，戴老师就像航海中的指明灯，照亮了我前进的方向，让我能够按时交付自己的初期、中期报告，同时又高效的提升了自身的学习能力，这段时间的学习让我很好的掌握了机构的设计方法及各种驱动的选型计算，戴老师严谨的教学态度、系统而全面的教学思路让我钦佩不已，不仅是我的良师，更是我的益友。
其次，我还要感谢在大学本科四年学习期间遇到的各科老师，在四年的学习生活中，这些老师都以无私奉献的精神教授了我丰富的专业知识，同时也犹如亲人般陪伴了我人生中最重要的四年，这四年里，我能够拥有健康的人生观、价值观、世界观都是因为有老师们的谆谆教诲和悉心教导。这无疑将成为我人生中最重要的教程之一。
当然，我还要感谢我的师兄、师姐和同学们，感谢大家的帮忙和互相学习，才让学习研究变成快乐而有意义的事，期间大家针对此毕业设计提出了中肯而有价值的建议，正是有了大家的建议才能让我的设计在最大程度上接近严谨而完整，没有同学们的帮忙，课题的完成将会遇到更大的困难，必然更加耗时耗力。
最后，还要感谢我的家人，他们的无私奉献和辛勤劳动才是我现在拥有这一切的基础，无论在什么条件下，遇到了什么样的难题，只要有了他们的支持和鼓励，我就能在求学的道路上不怕困难、勇往直前。