松下ETC注胶与紫外线照射工装夹具一体化 毕业论文

松下ETC注胶与紫外线照射工装夹具一体化 毕业论文 摘 要 随着竞争日益激烈，劳动密集型的电子企业对效率的最求也越来越烈。生产过程中机械化辅助生产逐渐成为趋势，本文所 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 的松下ETC注胶与紫外线照射工装夹具一体化工程就是为了满足生产的效率要求而设计的。它属于自动化系列工装夹具。 本设计主要是研究松下ETC扬声器外壳与喇叭之间注胶的自动化生产，主要完成主传动方式、定位检测、注胶、紫外线照射等模块设计。 在本设计过程中，首先由工程的 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 确定开始，列举分析不同方案，并选定最终方案——气压传动方案。方案选定后，分别设计气压控制系统;设计计算主传动轴;设计各模块机械机构结构(绘制零件图，选择汽缸等元件型号);设计PLC逻辑控制(编写PLC程序，绘制PLC接线图)。 关键词:夹具，注胶，紫外线照射，传感器，可编程控制器 I Abstract With an increasingly competitive, labor-intensive electronic business-to the most efficient for more and more fierce. Mechanized production process in supporting the production has gradually become the trend, the paper designed by Panasonic ETC plastic injection and ultraviolet irradiation fixture integration project is to meet the requirements of the efficiency of production and design. It is a series of automated fixture. This design mainly research the automated production of plastic injection between the loudspeakers shell and the speaker of Panasonic ETC, mainly to complete the main transmission method, location detection, plastic injection, ultraviolet radiation, such as modular design. During the design process, first of all, the scheme for the project from the beginning, citing analysis of different options and selected the final package - pressure transmission programmer. Selected programmer, then designed pneumatic control system; Design of the main drive shaft; mechanical design of the module body structure (Figure Drawing parts, components such as cylinder model choice); design PLC logic control (PLC preparation process, drawing PLC wiring diagram). Key words: fixture, plastic injection, ultraviolet radiation, sensors, PLC II 目 录 1 绪论…………………………………………………………………………1 1.1设计引言………………………………………………………………1 1.2夹具工程工作原理……………………………………………………2 2夹具工程机械结构设计………………………………………………...3 2.1原始资料………………………………………………………………3 2.2方案选定………………………………………………………………3 2.2.1生产加工分析……………………………….……………………3 2.2.2夹具工程设计方案选定……………………….…………………4 2.3选定方案结构设计…………………………………………………...11 2.3.1主传动系统结构设计…………………………………………....11 2.3.2模块结构设计及元件选型 ……………………………………..17 3系统传感器设计 ………………………………………………………..24 3.1传感器的定义与分类 ………………………………………………...24 3.2传感器具体选择介绍 ………………………………………………...27 3.2.1 光电传感器……………………………………………………...27 3.2.2 接近传感器……………………………………………………...31 4可编程控制器…………………………………………………………….35 4.1 可编程控制器的功能和应用………………………………………..35 4.2 可编程控制器的基本组成部分……………………………………..36 4.3可编程控制器的工作方式 ………………………………………….44 4.3.1 PLC的循环扫描工作方式 ……………………………………..45 4.3.2 PLC的I/O滞后现象…………………………………………….47 III 参考文献 ……………………………………………………………………48 致谢……………………………………………………………………............49 附录…………………………………………………………………....………50 IV 1 绪论 1.1设计引言 (a)设计目的 近些年来，随着机械的不断发展，数控机床、加工中心、柔性制造单元、柔性制造系统、计算机集成制造系统等现代化加工设备在生产中已得到了广泛应用;另外随着全球的经济发展，企业与企业之间的竞争日益激烈，企业要在竞争中立于不败之地，就必须变革自身生产中的传统机械加工制造方法。对于一些劳动密集型生产企业，产品科技含量低，要在竞争中取胜就必须靠提高自身产品的质量和产量，传统的单人单线纯手工操作，产品的质量主要取决于生产工人的作业技术和生产经验，但是工人长时间作业，必然会产生身体疲劳和精神疲劳，这样会大大的降低生产效率，并且也很难保证产品的质量，这些根不能适应社会对企业的高效率、高质量要求，企业在竞争中必然处于不利的地位。为解决这些问题，治具作为一种生产辅助工具也就应运而生。“治具”源于日语“ジグ(jig)”，大部分情况下所说的治具等同与夹具，有时候也存在着区别。 松下ETC(自动收费系统)中扬声器的外壳与喇叭之间需要用胶水粘结稳固。纯人工加工需要分成两步骤，首先是手工注胶，其次是人工紫外线照射，两个过程要么由一个人完成，要么由两个人分别完成。无论是哪一种形式，都浪费了一些不必要的时间，另外工人长时间操作必然会产生疲劳，很难保证产品的质量，更无法保证生产效率。 生产要求必须设计一套治具来保证产品产量和质量，解放工人劳动力。松下ETC注胶与紫外线照射一体化工程就是为解决这一问题而设计的，它能辅助工人保质保量的完成工作。 (b)设计意义 本课题设计的意义在于，成功的解决企业以往单纯靠劳动密集参与竞 1 争所处的不利形式。课题的成功解决必然缩短单个松下ETC的组装时间，进而提高整个企业生产该产品的效率，增加产品的生产数量。课题的研究结果也将改善生产环境，使工人处在一个舒适的生产环境中从事生产作业，作业强度大大的降低，这样就必然提高整个产品的质量。效率和质量的提高，必定提高企业的整体竞争力。 1.2夹具工程工作原理 松下ETC注胶与紫外线照射工装夹具一体化工程类属于自动化夹具[1]。按其工作过程，整个治具是由定位检测模块、注胶模块、紫外线照射模块三大模块，还有送料的主传动系统组成。它的核心控制单元是可编程控制器，通过PLC编程设计合理的生产逻辑关系，控制系统送料，定位检测，注胶动作，紫外线照射动作。 可编程控制器输出点具体与系统中的各个电磁阀相连，控制气缸进气方向，进而控制活塞运动，实现定位检测，注胶点位置定位，注胶针头的上下移动注胶，以及紫外线照射头的上下前后移动照射。 整个工程安装有光电传感器、接近传感器、磁感应传感器，他们起到一种信息反馈作用，与PLC的输入点相接，为PLC逻辑关系提供判断依据。 整个系统的控制关系简图如图1-1所示。 图1-1 系统控制关系简图 2 2夹具工程机械结构设计 2.1原始资料 松下电器产业推出的新款ETC(自动收费系统)如图2-1，配有内置扬声器的天线，它以结构紧凑，安放随意而深受广大客户喜欢。它配有的小巧扬声器内部喇叭与外壳之间需要进行准确的三点定位注胶粘接。具体三点粘接位置如图2-2所示，要求胶水注入量适当，粘接牢固，粘 图2-1 松下ETC 接后喇叭与外壳位置准确。 2.2方案选定 2.2.1生产加工过程分析 从原始资料着手，扬声器喇叭与外壳之间的粘接，要保证产品的质量关键在于扬声器外壳与喇叭之间定位的稳定性，注胶三点位置的准确性，紫外线照射强度和时间的控制以及整个生产过程的逻辑控制。按照产品的加工要求，可以把要设计的治具大致分为以下动作过程:送料?定位?检测?注胶?紫外线照射?产品包装等六个动作。首先送进扬声器内部的喇叭和扬声器外壳，之后并不能马上注胶，因为喇叭与外壳之间 图2-2 注胶点位置 3 的安放有可能是不稳定的，这样势必会影响产品的加工质量，必须后面跟上两部件放置稳定性的检测模块，之后就是要完成注胶过程，注胶关键又在三点移位的准确。注完胶水的部件应该被送去进行紫外线照射，以便加快胶水的粘结速度，缩短加工周期。 2.2.2夹具工程方案选定 2.2.2.1夹具工程送进方案选定 按照上面进行的生产加工过程分析，从机械自动化的角度考虑，要完成整个加工过程，可以把整个加工过程设计成完全自动化生产过程，也就是上面提到的六个动作过程从送料到包装全都是由机械完成，或是把整个加工过程设计成半自动化生产过程，即除去送料和产品包装由人工完成以外，其他过程由机械完成。夹具的设计不光要考虑到生产效率，另外也要考虑到其他情况，例如机械结构的人性化，更重要的是要考虑到整个夹具设计制造的成本问题。作为一个劳动密集型企业，其主要的竞争力就是在于成本低。所以按照这个原则，在选择夹具整体自动化程度时重要的是要把效益放在第一位。另外电子产品的生命周期短也是设计中要着重考虑的因素，在汽车电子行业中一种产品的生产需求量不会太大，短暂的生命周期使其产品具有多变性，治具随着产品生产周期的结束也就必然被更换。因此考虑到以上因素，要设计的治具不能设计成全自动化，因为完全自动化的设计制造成本高，另外完全自动化夹具的设计制造周期长影响，影响产品的加工周期。 本产品所要设计的治具应该采用半自动化。设计的治具就是要完成定位、检测、注胶、紫外线照射。而上述四个过程在设计过程中空间安排上也有所不同，分为两种情况:一是直线循环送进，具体循环过程如图2-3所示;另外一种是圆周循环送进，具体循环过程如图2-4所示。 4 图2-3 直线送进系统示意图 从图2-3我们可以看出在直线送进结构中检测模块、注胶模块、紫外线照射模块被排在同一条直线上，整套作业动作在一条直线上完成，整个机械结构细长。这种送进系统要进行循环作业，整个治具结构要由封闭带状结构和转动轮组成。转动轮带动封闭带状结构转动。封闭带状结构上固定放置扬声器部件的凹槽模型块，这样加工就形成了循环过程。带状结构可以选择柔性物体——宽皮带，或是选择刚性物体——互相连接的钢板块。但皮带上固定放置扬声器部件的凹槽模型块困难。无论是哪一种封闭带状结构，传动轮和从动轮都要设计比设计成多边形。这种直线送进循环生产系统，由于结构细长，给工人的作业带来了不变。过长的话就需要两个工人，一个人送料，一个人取成品并初步检查加工质量;即使短点，一个人能完成送料和取成品过程，由于进口和出口分开在两侧，工人作业时候需要左右摆动身体，长时间作业会产生疲劳。并且整个送进需要超过10个扬声器放置模型块。总之这种循环系统结构，结构复杂且不紧凑，不是最合理的系统。 从图2-4中我们可以看出在圆周循环送进系统中，检测模块、注胶模块、紫外线照射模块分布在一个圆周上，并且放料(送料)模型块和取成品模块共用一个工位。这样极大地方便了工人的操作，一个产品加工完成之后， 5 先取出成品，再放进部 件，节省了工人的劳动 量。另外圆周循环送进结 构主要是由圆形底板和 传动轴组成，圆周底板选 择铁就可以，方便用于扬 声器放置的模型块的固 定。整个送进过程只需要 4个扬声器放置模型块。 且整个系统四个工位完 全集中于一个圆周之上， 结构紧凑，并且方便工人 作业，是理想的送进系统。 图2-4 圆周循环送进系统 综合以上分析，圆周循环加工结构无论是在设计制造方面，成本的降低方面，方便工人作业方面都优于直线送进结构。因此确定整个工装夹具一体化工程送进形式为圆周送进。 2.2.2.2主传动系统方案设计 选定了圆周循环送进系统之后，接下来就要确定整个工程的传动系统并选定动力源。从送进方式看，最终的动力形式为转动扭矩。从整个机电系统中，我们可以选择若干形式传动形式。以下着重选择几种传动形式说明。 (a)电动机传动 电动机传动系统由电动机和减速器组成。 6 电动机轴直接输出的就是转矩，省去了传动形式转换的麻烦。鉴于在上述选择的圆周循环送进系统中，整个加工过程存在着4个工位(3个加工工位，一个送料和取产品工位)，因此360?圆周被平均分成4份，每两个工位之间的夹角为90?。因为在整个加工过程中无论是检测、注胶还是紫外线照射都需要一段时间，所以整个送进过程并不是连续的，而是间歇进行的。这就需要电动机传动过程要是间歇的。从这个角度考虑，电动机不能简单的选择普通的三相异步电动机，能提供间歇型转动的电机可以选择 [2]步进电机和伺服电机。 每天要求生产量为2000个左右，8个小时平均下来每14.4s生产一个(其中包括了生产前部件准备)，也就是每14.4s为一个生产周期，转盘每14.4 s转动一周。这就要求转盘转动平稳，速度低。如果传动过快，放置扬声器的模型块上必须加上夹紧机构，加大了设计制造的复杂性。虽然效率是设计治具的前提，但是“把复杂的问题简单化才是最好设计”说的才是设计的真理。电动机一般的转速范围都在几百转以上，因此要达到转动平稳的要求，必须与减速器配合。 对比步进电机和伺服电机，在这种小负载的情况下，较易采用伺服电 [2]机，且伺服电机控制为闭环控制，控制精度高。但是伺服电机系统又要安装有反馈器，并且伺服电机价格比步进电机高。步进电机系统是开环控制，只要在周期的脉冲输入就可以控制转盘转过90?角度，控制简单，价格低，比伺服电机理想。 (b)气压液压传动 气压液压传动系统由气压液压元件以及运动形式转换结构组成。 在液压气压元件当中，有输出转动形式运动的，也有输出直线运动的。 [3](1)输出转矩的元件例如液压马达和气压马达，马达是将液压、气压能转换成机械能的装置，是将液体和气体的动能转化为转矩输出，用作 7 机械动力。采用马达作为传动动力源的情况，因为马达输出的是转矩，并且马达输出的转矩大且动作平稳，整个系统可以由马达直接与转动轴连接。 (2)输出直线运动的元件例如液压缸、气缸，他们是一种把液体和气体的压力能转换成机械能以实现直线往复运动的能量转换装置。活塞在液压和气压的压力作用下做往复运动。传动系统采用液压缸和气压缸时需要一个运动形式转换结构，即需要将活塞杆的直线运动转换成旋转运动。具 [4]体可以采用齿条和单向齿轮配合将直线运动转换成间歇性圆周运动，其结构如图2-5所示。 图2-5 液压缸、气缸直线传动 单向齿轮的传动原理类同与自行车后飞轮，即齿轮只能向一个方向运动。其主要结构为齿轮与自行车飞轮。单向齿轮的结构及传动原理如下:单级飞轮又称为单链轮片飞轮，主要由外套、平挡和芯子、千斤、千斤簧、垫圈、丝挡几钢球等零件组成。其工作原理为:当向前踏动脚踏时，链条带动飞轮向前转动，这时飞轮内齿和千斤相含，飞轮的转动力通过千斤传到芯子，芯子带动后轴和后轮转动，自行车就前进了。 当停止踏动脚踏板时，链条和外套都不旋转，但后轮在惯性作用下仍然带动芯子和千斤向前转动，这时飞轮内齿产生相对滑动，由此将芯子压缩到芯子的槽口内，千斤又压缩了千斤弹簧。当千斤齿顶滑到飞轮内齿顶端时，千斤簧被压缩得 8 最多，再稍微向前滑一点，千斤被千斤簧弹到齿根上，发出“嗒嗒”的声响。芯子转动加快，千斤也很快在各个飞轮内齿上滑动，发出“嗒嗒”的声音。直线运动转换为转动运动的齿条和单向齿轮系统如图2-5所示。 其运动过程为:液压缸或气缸活塞杆向前运动(即活塞杆作图2-5中1推动作)，推动齿条1作直线运动，此时与齿轮2连接在一起的自行车飞轮就相当于向前踏动脚踏，齿轮的转动力通过千斤传到芯子，芯子带动转轴和转盘转动。当液压缸或气缸活塞杆向后运动(即活塞杆作图2-5中2拉动作)，拉动齿条1作直线运动，此时与齿轮2连接在一起的自行车飞轮就相当于向后踏动脚踏，齿条、齿轮动，转动轴不动。 (c)方案对比与方案选定 (1)就电动传动和液压气压传动相比，液压气压传动系统比电动传动系统设计制造简单，液压气压传动比电动传动价格低且控制简单方便，是比较合适的传动系统。 (2)对比液压马达、气压马达传动系统与液压缸、气缸传动系统，缸体价格低于马达，因此选用液压缸、气缸传动系统更为合理。 (3)下面分析一下液压缸传动系统和气缸传动系统两者的优缺点。也 [3]就是比较一下液压传动和气压传动的优缺点。 ?气压传动使用空气作为介质，空气是取之不尽的，故无介质供应的困难和介质费用的支出;同时，用过的空气可直接排入大气而不会污染环境，管路系统也因此可以简化。液压传动则不同，液压传动以液压油为介质，现在油价上涨，液压传动系统成本高;液压系统液压油的外泄也会造成环境污染。 ?气压传动反应快，动作迅速。可以在0.02,0.3秒建立起需要的压力和速度;液压传动则动作比较慢。 ?空气的粘度很小，在管道中流动时的压力损失较小，故压缩空气便 9 于集中供应和长距离传送;液压油则正好相反。 ?气动元件维护使用方便，管路也不易堵塞，不存在介质变质、补 图2-6 气压系统图 充和更换等问题;液压元件维护困难，且液压油需要经常更换。 2?压缩空气的工作压力较低，一般为0.4,0.8MPa(4,8kgf/cm)。因此，降低了对气动元件的材质和加工精度的要求，使元件制作容易，成本低。液压元件为防止液压油外泄，必须保证密封，要求加工精度高。 10 总的来说，虽然气动装置由于空气的可压缩性动作稳定性差，但对于本设计产品并无影响，因为要设计的治具属于小载荷系统。从效果和成本两方面考虑，气压传动系统优于液压系统。 综合以上各方案对比结果，考虑治具生产效率兼顾制造成本，气缸传动是最优的方案。 初步拟定整体系统气缸传动图如图2-6所示。 在图2-6中，框A中的气缸是为整个提供主动力的动力源，它是和齿条连接在一起的，齿条与齿轮啮合将直线运动转化成旋转运动。框B中的四个气缸是驱动注胶机构的，用四个气缸实现了注胶枪的前后左右和上下运动，实现三点定位注胶。框C中的两个气缸是用来驱动紫外线照射机构的，控制紫外线照射灯头的左右上下运动。框D中的气缸8是用来定位检测用的。框E中的气缸9是用来实现旋转底盘90?定位的。 2.3选定方案结构设计 2.3.1主传动系统结构设计 主传动系统就是一根垂直轴带动水平 底盘的转动，简图如图2-7所示。其转动 为间歇运动。轴的垂直方向要由两个深沟 球轴承支撑，如图2-7中轴承6所示上下 位置。 (a)传动轴的设计 转动底盘作间歇式90?转动，转动轴 在不同情况下受力情况不同，在刚启动的 瞬间，轴作加速运动，转动轴即受扭矩也 1转动底盘 2齿轮 3齿条 [4]受弯矩，此时转动轴相当于转轴，当转 4传动气缸 5轴 6轴承 [4]盘匀速转动之后，转动轴相当于心轴，图2-7 主传动简图 11 它只受弯矩。由于整个系统是一个小载荷 图2-8 传动轴 系统。一般的45钢调制轴都能满足要求，所以传动轴之设计其结构形式， 不需校核强度。传动轴的基本结构如图2-8所示。 (b)气压元件计算选型 (1)气缸计算选型 整个系统的负载转矩是圆形底盘的转动惯性力所产生的转矩，圆盘具体结构如图2-9所示。 ?底盘的转动惯量的计算: 圆盘底盘质量的计算 ? 圆盘底盘体积 22222 V=S?d?[12.5?π-200??(11-4)?π/360?-4?1.5π-4?0.5 π]?1.2 =276.06?1.2 3 =331.27 cm ? 圆形底盘质量 M,,V,3312.7，7.86,2603.78g,2.6Kg 圆盘的转动惯量 12 [5]整个圆盘结构对称可视为均匀介质因此圆盘的转动惯量为: 212.6，0.12522 J,MR,,0.02Kg,m22 在系统中转动不只是圆盘，还有轴，因为轴径相对于圆盘小得多，其转动惯量予以忽略。 ? 下面计算一下圆盘转动需要的动能: 按照上面对每天产量的分析，每个产品的生产周期在14.4s，这其中除 13 图2-9 圆形底盘结构 14 去送料和注胶及紫外线照射时间，每个回转周期为5s左右。 [5]因此圆形底盘的角速度为: ω=2π/T=2?3.14/5=1.256rad/s [5]于是圆形底盘的转动动能为: 1122 E,J,,，0.02，1.256,0.0158Jk22 气缸的输出力的计算 由于运动形式的转变是通过齿条与齿轮的啮合作用，同样气缸输出的功即是齿条对齿轮的啮合力做功。 因为是90?的间歇运动，所以每次啮合的齿只有齿轮全部齿的1/4。设计齿轮的齿数为68，模数为1。齿数与模数的选择一是要能被4整除，齿条长度合适，另外齿轮的半径不能太大。因此每次齿条移动的距离是17个齿距。 [6]3.14mm齿距计算: p,,，m =3.14?1= 53.4mm,0.0534mm齿条的移动距离:S=17p=17?3.14= 转动轴的半径很小其动能忽略不计，根据能量守恒原理:气缸输出力做功等于圆形转盘动能。 W,E即: k [5]气缸输出力做功为: W,FS,E k 0.0158=0.0534F 所以 F=0.3N 这个力是圆形底盘转动之后所需的力，但是每次间歇启动，由于圆盘存在惯性力，气缸输出力要克服这个力，必须大于这个惯性力才能带动圆盘转动。 15 [5]F,-ma惯性力 这里要计算圆形底盘的角加速度: α=(ω-ω)/t 10 对于整个加速过程时间很短暂，只能粗略估计时间为0.1s 2α=1.256?0.1=12.56rad/s F,-ma,2.6，12.56,32.656N 选用的气缸的额定输出力要大于32.656N，根据额定力和行程从产品手 [6]册中选取单活塞气缸MSR20?60MT2，它的具体参数如 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 2-1所示。 表2-1 气缸MSR20?60MT2参数表 型号 MSR20?60MT2 动作形式 复动感应型 缸径 Φ20 215{1.5Mpa} kgf/cm耐压力 20.7,9.9{0.07,0.97Mpa} kgf/cm使用压力 mm/sec使用速度 50,500 使用温度 -10?,+70? ? 验算选型质量 根据所选气缸参数表知:D=20mm,于是 其理论输出力为: 2,,,D[6],,Fp,气缸前进输出力: th,,4,, F式中 --------气缸理论输出力 N; th D---------气缸缸径 m; p----------输入压缩空气压力Pa; 16 气缸是由总的空气压缩站供气，压缩空气压力约在6个大气压，即0.6MPa;本系统采用0.4MPa压力供气 22,,,,,D3.14，0.026,,,,所以 F,p,，0.4，10,125.6Nth,,,,44,,,, 因为气缸后退过程中受力小，于是不予考虑。 [6]实际生产中，由于气体泄漏或是阻力损失，气缸实际输出力为: 2D, F,，p,RnRZ4 式中 ------------气缸实际输出力 N; Fn D------------气缸缸径 m; -------------输入压缩空气压力Pa; p ----------摩擦阻力，约为的10-30,左右。 FRthRZ 在这里取，于是有气缸的实际输出力为: FR,0.3thRZ 22D3.14，0.02,6F,，p,R,，0.4，10,0.3，125.6,87.92N nRZ44 87.92N,32.656N，所以是合适的。 (2)液压电磁阀选型 根据气缸的动作要求，气缸只做往复运动，选用两位五通阀。另外按照压力要求，并考虑到产品的价格，从产品手册中选取VE1110。其参数如 [6]表2-2所示。 表2-2 电磁阀参数表 型号 VE1110 使用流体 干燥空气 21(7,8{0.17,0.8Mpa} kgf/cm操作压力范围 17 210{1.0Mpa} kgf/cm耐压力 润滑条件 润滑或不润滑 反应灵敏度 0.05 s 使用温度 5?,60? Φ12,Φ40mm 适用气缸范围 使用电压 DC24V (c)轴承的计算选型 轴承的选型主要与受力情况有关，两个轴承主要受轴向力，轴向力主要为圆盘的重力和传动轴的重力。 传动轴的质量，由于传动轴的轴径不一样，这里取最大的半径为轴径，只要这一轴径满足要求，则设计的轴必然满足要求。 传动轴的体积 223 V,SL,(,R)L,(3.14，1.75)，14.5,139.4cm 传动轴的质量 M,,V,139.4，7.86,1096g,1.1Kg1 总的重力为 G=(M+M)g=(2.6+1.1)?9.8=36.26N 1 两个轴承中上面的轴承主要承受全部的轴向力。下面的轴承主要为支撑作用。按照受力情况从产品手册中选取深沟球轴承为B6905ZZ,B6904ZZ。 2.3.2模块结构设计及元件选型 整个系统按照加工过程要求可以分成以下模块:1)定为检测模块;2)注胶模块;3)紫外线照射模块。下面就各模块的具体结构分别进行设计。 2.3.2.1定位检测模块 定位检测模块是进行注胶工序的准备工序，它的主要功能是保证部件 18 的注胶质量。检测扬声器的外壳与喇叭之间定位的准确性与稳定性。两者之间放置是否准确稳定，主要的检测量就是当两者扣放在一起时扬声器外壳的外表面与喇叭背面的距离，这个距离在一定的范围内时，说明两个部件之间的位置安放准确稳定，才能进行注胶动作。距离的检测由直线移动和位移传感器配合使用。整个模块的主要是由气缸和位移传感器组成，其结构图如图2-10所示。 工作过程分析:当原料送进到检测工位 时，气缸活塞杆1向下运动。当气缸活塞杆 伸长到行程距离后，安装在气缸下止点的磁 传感器的红灯亮，说明扬声器外壳和喇叭的 配合没有大的误差，但不能满足对产品的质 量要求。于是在底板上安装一个接近传感器 ，只有当活塞杆上的接触头接触到传感器22 时，传感器产生信号，说明两部件放置是稳 定的，并且两部件的质量是合格的，满足下 图2-10 定位检测模块简图 一步注胶的条件，系统进入下一动作。 定位模块当中的气缸，不传递力，只是提供一个位移因此只从价格和行程上考虑选取。从产品手册中选取AB10?35型气缸。 2.3.2.2注胶模块 注胶模块是整个系统的核心，主要是由移 动定位结构和点胶机组成。 (a)模块移动定位机构设计 根据上面的分析，气压传动是最符合要求 的传动形式，则移动定位机构的气压传动简图 19 图2-11 注胶点简图 如图2-4中的框B中的4个气缸组成。对应图1-2所示的注胶点，注胶点简图如图2-11所示。 设计的注胶模块气缸布置如图2-12所示。 -12中点1、2的方向，平行于大底盘，在图中气缸1的布置方向顺着图2 动作行程是点1、2之间的距离L1， 它的动作是完成点1、2的注胶;气缸2 与气缸1方向相同，同样平行大底板，固定在气缸1带动的底板5上，但是其行程位为L1/2，主要完成点3的注胶;气缸3的布置方向位垂直线12，平行于大底板，固定在气缸2的活塞杆上，它的活塞行程是L2，主要 20 图2-12 注胶模块气缸系统 配合气缸2完成点3的注胶;气缸4垂直于大底板，它的活塞杆带动注胶枪上下运动，控制注胶的进行和停止。 注胶过程:气缸的原始状态为，气缸2、3、4的活塞杆都处在最大行程状态，气缸1处在收缩状态。当注胶模块底下的光电传感器感应到送进的部品时，产生电信号，PLC接到信号输出信号控制气缸4的电磁阀换位，活塞杆向下运动，达到位置时进行2点注胶;完成后气缸4活塞伸长，之后控制气缸1的电磁阀换位，气缸1活塞杆伸长，达到行程后，气缸4活塞杆下行，注胶1点;完毕后气缸4活塞杆伸长，接着气缸2活塞收缩，完成后气缸3活塞杆收缩，到位气缸4活塞杆向下注胶3点，完成后气缸4活塞杆伸长，完成一个产品注胶。 注胶模块当中的气缸主要是用来提供移动位移的，并不传递力，所以4个汽缸分别选择:JBW20?20Y10B、DG10?10TD2、DD16?25TA2、DG10 [6]?10TD2 二、注胶机的选择 21 [7] 点胶机的选择关系着产品的质量，至关重要。 (1)点胶机的基础知识 ? 点胶量的大小 根据工作经验，胶点直径的大小应为焊盘间距的一半，贴片后胶点直径应为胶点直径的1.5倍。这样就可以保证有充足的胶水来粘结元件又避免过多胶水浸染焊盘。点胶量多少由螺旋泵的旋转时间长短来决定，实际中应根据生产情况(室温、胶水的粘性等)选择泵的旋转时间。 ? 点胶压力(背压) 目前所用点胶机采用螺旋泵供给点胶针头胶管采取一个压力来保证足够胶水供给螺旋泵(以美国CAMALOT5000为例)。背压压力太大易造成胶溢出、胶量过多;压力太小则会出现点胶断续现象，漏点，从而造成缺陷。应根据同品质的胶水、工作环境温度来选择压力。环境温度高则会使胶水粘度变小、流动性变好，这时需调低背压就可保证胶水的供给，反之亦然。 ? 针头大小 在工作实际中，针头内径大小应为点胶胶点直径的1/2，点胶过程中，应根据PCB上焊盘大小来选取点胶针头:如0805和1206的焊盘大小相差不大，可以选取同一种针头，但是对于相差悬殊的焊盘就要选取不同针头，这样既可以保证胶点质量，又可以提高生产效率。 ? 针头与PCB板间的距离 不同的点胶机采用不同的针头，有些针头有一定的止动度(如CAM/A LOT 5000)。每次工作开始应做针头与PCB距离的校准，即Z轴高度校准。 ? 胶水温度 一般环氧树脂胶水应保存在0--5?的冰箱中，使用时应提前1/2小时拿出，使胶水充分与工作温度相符合。胶水的使用温度应为23?--25?;环 22 境温度对胶水的粘度影响很大，温度过低则会胶点变小，出现拉丝现象。环境温度相差5?，会造成50,点胶量变化。因而对于环境温度应加以控制。同时环境的温度也应该给予保证，湿度小胶点易变干，影响粘结力。 ? 胶水的粘度 胶的粘度直接影响点胶的质量。粘度大，则胶点会变小，甚至拉丝;粘度小，胶点会变大，进而可能渗染焊盘。点胶过程中，应对不同粘度的胶水，选取合理的背压和点胶速度。 ? 固化温度曲线 对于胶水的固化，一般生产厂家已给出温度曲线。在实际应尽可能采用较高温度来固化，使胶水固化后有足够强度。 ? 气泡 胶水一定不能有气泡。一个小小气就会造成许多焊盘没有胶水;每次中途更换胶管时应排空连接处的空气，防止出现空打现象。 对于以上各参数的调整，应按由点及面的方式，任何一个参数的变化都会影响到其他方面，同时缺陷的产生，可能是多个方面所造成的，应对可能的因素逐项检查，进而排除。总之，在生产中应该按照实际情况来调整各参数，既要保证生产质量，又能提高生产效率。 (2)点胶机的分类 点胶机又分为好几种形式，主要有柱塞式点胶机、阿基米德式滴胶泵点胶机、无接触式滴胶泵点胶机。 ? 柱塞式点胶机 工作原理: 压缩空气送入胶瓶(注射器)，将胶压进与活塞室相连的进给管中，当活塞处于上冲程时，活塞室中填满胶，当活塞向下推进滴胶针头时，胶从针嘴压出。滴出的胶量由活塞下冲的距离决定，可以手工调节，也可以在软件中控制。 23 特点:高速度、对胶剂粘度的低灵敏度。 ? 阿基米德式滴胶泵点胶机 工作原理:压缩空气送入胶瓶(注射器)，将胶压进进给管中，胶流经以固定时间、特定速度旋转的螺杆。螺杆的旋转在胶剂上形成剪切力，使胶剂沿螺纹流下，螺杆的旋转在胶剂上不断加压，使其从滴胶针嘴流出。 特点:具有胶点点径无固定限制的灵活性。可通过软件进行调整。但是滴大胶点时，螺杆旋转时间长，会降低整台机器的产量。另外，胶剂的粘度和流动特性会影响其稳定性。 ? 无接触式滴胶泵点胶机 工作原理:压缩空气送入胶瓶(注射器)，将胶压进与活塞室相连的进给管中，在此加热，温度受控制，以达到最佳的始终如一的粘性。使用一个球座结构，胶剂填充由于球从座中缩回留下的空缺。当球回来时，由于加速产生的力量断开胶剂流，使其从滴胶针嘴喷射出，滴到板上形成胶点。 )、消除了传统方法产生的胶点拉尾。2)、没有滴胶针的磨 特点:1 损和与其它零件干涉的问题。3)、无针嘴损坏。4)、无由于基板弯曲和被针嘴损害的报废。 综合考虑，柱塞式点胶机结构简 单，使用方便，最重要的价格低，所 以选用柱塞式点胶机:GS-2000单液 点胶机，如图2-11所示。 技术参数为: ?(定电压:单项220V/50Hz; 图2-13 GS-2000点胶机 ?(额定功率:10W; ?(空气压力:0.2-0.8MPa; ?(时间选择:0.01-1s; 24 ?(循环方式:单触发式或定量连续式控制。 2.3.2.3紫外线照射模块 紫外线照射模块是用来加快注射胶水的干燥固定，模块主要是由移动汽缸和UV照射灯组成。其结构如 图2-12所示。气缸1控制UV照射 头的上下运动，主要是控制UV照 射头与部件之间的照射距离。气缸 2是在检修UV和紫外线照射量时 收缩活塞杆，方便调整。 根据需要选择二极管发光式紫 [8]外线点光源照射机。其特点是:采 图2-12 UV照射机 用LED发光方式，发出高纯度的紫外线能量，使电-光能量的转换达 到最佳效果， )最小热辐射的紫外线点光源照射机 (1 本机光源采用高能量的365nm的UV-LED，与以往的超高压汞灯发光照射方式不同，其光源是不会产生红外线的纯粹紫外光，可以在不损伤部品的情况下，完成紫外线接着剂的固化，实现高精度的部件接合。(采用传统超高压紫外线汞灯发光方式来照射，被照射的物体表面温度上升35-40度，而采用LED 紫外线照射方式，温度只上升3度左右。) (2)降低生产成本 A:由于采用LED的发光方式，寿命长达25000小时(连续点燃寿命)采用节能设计，只有在需要照射时才点亮，实际使用寿命将长达30000小时以上。 B:和高压汞灯对比，减少了更换灯泡的时间，更节约了频繁更换灯泡的费用，有效降低耗材成本。 25 C:由于采用LED发光方式，只有照射时候才消耗电能，这样有效地节约了电能消耗， D:LED直接照射，不需要输出光缆，减少了光缆损耗。 E:本机器大约可以在使用的5-8年内不需要更换任何零件，可以比传统的UV照射机每年节省一万多元的费用。 (3)点光源行业最小机身 本机采用超小机身，只有原先高压汞灯照射机的1/8的体积，这样使得本机不仅可以用于单元生产线，也可以安装在小型设备中，为了更方便操作，照射头采用从机身背面引出的方式。 (4)照射头可以输出四种光点直径 只需要更换照射头的透镜，即可以改变输出光点的直径，从四种透镜中选择最适合工件的光点尺寸，就可以实现可靠的接合，(配备Φ3、Φ4 、Φ6 、Φ8照射透镜) (5)具备四个独立控制的照射头 四个独立控制的照射头可以同时应用于四个需要单头输出的独立工位，有效减少设备配置，同时，四个照射头还可以通过电脑编程模式，来控制次序照射，进一步支持高精度的接合需求，减少人为操作的时间误差。 3 系统传感器设计 26 传感器相当于整个系统的感觉器官，它为PLC的逻辑决策提供依据。是PLC的输入量。传感器的正确选择决定了整个工程的自动化程度，以及产品加工质量。 3.1传感器的定义与分类 (a)传感器的定义及含义 [9](1)传感器的定义: 最广义地来说，传感器是一种能把物理量或化学量转变成便于利用的电信号的器件。具体来说:传感器是以一定的精度和规律把被测量转换为与之有确定关系的、便于应用的某种物理量的测量装置。 国际电工委员会(IEC:International Electrotechnical Committee)的定义为:“传感器是测量系统中的一种前置部件，它将输入变量转换成可供测量的信号”。按照 Gopel 等的说法是:“传感器是包括承载体和电路连接的敏感元件”，而“传感器系统则是组合有某种信息处理(模拟或数字)能力的传感器”。传感器是传感器系统的一个组成部分，它是被测量信号输入的第一道关口。 进入传感器的信号幅度是很小的，而且混杂有干扰信号和噪声。为了方便随后的处理过程，首先要将信号整形成具有最佳特性的波形，有时还需要将信号线性化，该工作是由放大器、滤波器以及其他一些模拟电路完成的。在某些情况下，这些电路的一部分是和传感器部件直接相邻的。成形后的信号随后转换成数字信号，并输入到微处理器。 (2)传感器定义的含义: ? 传感器是测量装置,能完成检测任务; ? 它的输入量是某一被测量,可能是物理量(如长、热、力、电、时间、频率等),也可能是化学量、生物量等; ? 它的输出量是某种物理量,这种量要便于传输、转换、处理、显示等, 27 可以是气、光、电量,但主要是电量; ? 输出与输入有一定的对应关系,且应有一定的精确度。 (b)传感器的组成与分类 )传感器通常由三部分组成: (1 敏感元件: 直接感受被测量,输出与被测量成确定关系。 转换元件: 敏感元件的输出就是转换元件的输入,它把输入转换成电量参量 。 转换电路:把转换元件输出的电量信号转换为便于处理、显示、记录或控制的有用的电信号的电路。 其组成如图3-1所示。 -1 传感器组成图 图3 实际上,有些传感器很简单, 最简单的传感器由一个敏感元件(兼转换元件)组成,它感受被测量时直接输出电量,如热电偶。 有些传感器很复杂;大多数传感器是开环系统,也有些是带反馈的闭环系统。有些传感器由敏感元件和转换元件组成,没有转换电路,如压电式加速度传感器,其中质量块是敏感元件,压电片(块)是转换元件。有些传感器转换元件不只一个,要经过若干次转换。 (2)传感器的分类 传感器是知识密集、技术密集的行业，它与许多学科有关，它的种类十分繁多。主要有以下分类方法: 按传感器的工作机理分为:物理型、化学型和生物型。 按传感器的构成原理分为:结构型和物性型两大类。 28 按传感器的能量转换情况分为:能量控制型和能量转换型。 按传感器的物理原理分为:电参量式传感器、压电式传感器、磁电式传感器、光电式传感器、气电式传感器、热电式传感器、射线式传感器、波式传感器、半导体式传感器、其他原理传感器。 按照其制造工艺，可以将传感器分为:集成传感器、薄膜传感器、厚膜传感器、陶瓷传感器。 按传感器的输出量，可分为模拟式传感器和数字式传感器。 按转换过程是否可逆，分为双向传感器、单向传感器。 有时也把传感器分为机械式传感器等。 3.2传感器具体选择介绍 传感器的种类繁多，但具体应用到本设计中，也只是其中的两种:光电传感器和接近传感器。以下进行具体的介绍。 3.2.1光电传感器 (a)光电传感器的工作原理及结构 (1)光电传感器工作原理 光电开关是通过把光强度的变化转换成电信号的变化来实现控制的。光电传感器就是基于光电开关这一原理工作的。光电传感器就是利用光的各种性质，检测物体的有无和表面状态的变化等的传感器。 (2)光电传感器结构 光电传感器在一般情况下，有三部分构成，它们分别为:发送器，接收器和检测电路。其结构图如图3-2所示。 发送器对准目标发射光束，发射的光束一般来源于半导体光源，发光二极管(LED)和激光二极管。光束不间断地发射，或者改变脉冲宽度。接收器有光电二极管或光电三极管组成。在接收器的前面，装有光学元件如透镜和光圈等。在其后面是检测电路，它能滤出有效信号和应用该信号。 29 图3-2 光电传感器结构图 此外，光电传感器的结构元件中还有发射板和光导纤维。 三角反射板是结构牢固的反射装置。它由很小的三角锥体反射材料组成，能够使光束准确地从反射板中返回，具有实用意义。它可以在与光轴0到25的范围改变发射角，使光束几乎是从一根发射线，经过反射后，还是从这根反射线返回。 光纤(又称光导纤维LWL)，它扩大了光电传感器的使用范围，形成了特殊的嵌装式收发装置。它可以在特殊的环境中使用，检测微小的物体。它在非常高的外界温度中，在结构受限制的环境里，都可以获得满意的答案。 [10](b)光电传感器的分类及工作方式。 (1)槽开光电传感器 把一个光发射器和一个接收器面对面地装在一个槽的两侧的是槽形光电传感器。发光器能发出红外光或可见光，在无阻情况下光接收器能收到光。但当被检测物体从槽中通过时，光被遮挡，进入受光器的光量将减少，光电传感器产生信号动作。输出一个开关控制信号，切断或接通负载电流，从而完成一次控制动作。槽形传感器的检测距离因为受整体结构的限制一般只有几厘米。 (2)对射式光电传感器 若把发光器和收光器分离开，就可使检测距离加大。由一个发光器和 30 一个收光器组成的光电传感器就称为对射分离式光电传感器，简称对射式光电传感器。它的检测距离可达几米乃至几十米。使用时把发光器和收光器分别装在检测物通过路径的两侧，检测物通过时阻挡光路，收光器就动作输出一个开关控制信号。 (3)反光板反射式光电传感器 把发光器和收光器装入同一个装置内，在它的前方装一块反光板，利用反射原理完成光电控制作用的称为反光板反射式(或反射镜反射式)光电传感器。正常情况下，发光器发出的光被反光板反射回来被收光器收到;一旦光路被检测物挡住，收光器收不到光时，光电传感器就输出一个开关控制信号。 (4)扩散反射式光电传感器 它的检测头里也装有一个发光器和一个收光器，但前方没有反光板。正常情况下发光器发出的光收光器是收不到的;当检测物通过时挡住了光，并把光部分反射回来，收光器就收到光信号，传感器就输出一个开关控制信号。 (5)光纤式光电传感器 把发光器发出的光用光纤引导到检测点，再把检测到的光信号用光纤引导到光接收器就组成光纤式光电传感器。按动作方式的不同，光纤式光电传感器也可分成对射式、反光板反射式、扩散反射式等多种类型。 (c)光电传感器的特点 ?检测距离长 如果在对射型中保留10m以上的检测距离等，便能实现其他检测手段(磁性、超声波等)无法离检测达到的长距。 ?对检测物体的限制少 由于以检测物体引起的遮光和反射为检测原理，所以不象接近传感器 31 等将检测物体限定 在金属，它可对玻璃、塑料、木材、液体等几乎所有物体进行检测。 ?响应时间短 光本身为高速，并且传感器的电路都由电子零件构成，所以不包含机械性工作时间，响 应时间非常短。 ?分辨率高 能通过高级设计技术使投光光束集中在小光点，或通过构成特殊的受光光学系统，来实 现高分辨率。也可进行微小物体的检测和高精度的位置检测。 ?可实现非接触的检测 可以无须机械性地接触检测物体实现检测，因此不会对检测物体和传感器造成损伤。因此，传感器能长期使用。 ?可实现颜色判别 通过检测物体形成的光的反射率和吸收率根据被投光的光线波长和检测物体的颜色组合 而有所差异。利用这种性质，可对检测物体的颜色进行检测。 ?便于调整。 在投射可视光的类型中，投光光束是眼睛可见的，便于对检测物体的位置进行调整。 (d)光电传感器选择 在本设计中光电传感器主要是安装在4个工位安放模型块下面，检测4个工位上是否存在部件，并产生电信号，为PLC的控制逻辑提供判断依据。 根据设计要求，兼顾成本考虑从OMRON产品手册中选取光反射型电 [10]传感器型号为:E3C-L11M。其参数如表3-1所示。 表3-1 E3C-L11M参数表 32 检测方式 反射型 项目 型号 E3C-L11M 检测距离 20?10mm 光源(发光波长) 红外光二极管(点光源LED)(670mm) 检测物体的间隔 10mm以下(检测距离为20mm) 照明 受光面照度 白炽灯 绝缘电阻 20MΩ以上(DC500V) 耐电压 AC1000V 50/60Hz 1min [10]3.2.2接近传感器 (a)接近传感器的概述 接近传感器，是代替限位开关等接触式检测方式，以无需接触检测对象进行检测为目的的传感器的总称。能检测对象的移动信息和存在信息转换为电气信号。接近传感器又称无触点接近传感器，是理想的电子开关量传感器。当金属检测体接近传感器的感应区域，开关就能无接触，无压力、无火花、迅速发出电气指令，准确反应出运动机构的位置和行程，即使用于一般的行程控制，其定位精度、操作频率、使用寿命、安装调整的方便性和对恶劣环境的适用能力，是一般机械式行程开关所不能相比的。它广泛地应用于机床、冶金、化工、轻纺和印刷等行业。在自动控制系统中可作为限位、计数、定位控制和自动保护环节。接近传感器具有使用寿命长、工作可靠、重复定位精度高、无机械磨损、无火花、无噪音、抗振能力强等特点。 (b)接近传感器分类及其工作原理 接近传感器可以分为:感应型接近传感器、静电容量型接近传感器、磁力式接近传感器。 (1)感应型接近传感器的检测原理 33 通过外部磁场影响，检测在导体表面产生的涡电流引起的磁性损耗。在检测线圈内使其产生交流 磁场，并检测体的金属体产 生的涡电流引起的阻抗变化 进行检测的方式。一般检测 金属等导体。 定性的说明:在检测体一 图3-3 感应型接近传感器原理图 侧和传感器一侧的表面上，发生变压器的状态。接近传感器原理图如图3-3所示。 (2)静电容量型接近传感器的动作原理 对检测体与传感器间产 生的静电容量变化进行检 测。容量大小根据检测体的 大小和距离而变化。一般的 静电容量型接近传感器，对 像电容器一样平行配置的两 块平行板的容量进行检测的 图像传感器。平行板单侧分 图3-4 静电容量型接近传感器原理图 别作为被测定物(处于想象接地状态)，而另一侧作为传感器检测面。对这两极间形成的静电容量变化进行检测。可检测物体根据检测对象的感应率不同而有所变化，不仅金属，也能对树脂、水等进行检测。其动作原理图如图3-4所示。 (3)磁力式接近传感器的动作原理 用磁石使开关的导片动作。通过将引导开关置于ON，使开关打开。其结构原理图如图3-5所示。 34 (c)接近传感器特点 (1)由于能以非接触方式进行检测， 所以不会磨损和损伤检测对象物。 (2)由于采用无接点输出方式，因 此寿命延长(磁力式除外)采用半导体输 出，对接点的寿命无影响。 (3)与光检测方式不同，适合在水和图3-5磁力式接近传感器 动作原理图 油等环境下使用检测时几乎不受检测对象 的污渍和油、水等的影响。此外，还包括 特氟龙外壳型及耐药品良好的产品。 (4)与接触式开关相比，可实现高速响应。 (5)能对应广泛的温度范围。 (6)不受检测物体颜色的影响对检测对象的物理性质变化进行检测，所以几乎不受表面颜色等的影响。 (7)与接触式不同，会受周围温度的影响、周围物体、同类传感器的影响包括感应型、静电容量型在内，传感器之间相互影响。 四、接近传感器的选择 在设计中，接近传感器主要是用在气缸上磁力式接近传感器和定位检测模块当中感应型接近传感器。因为气缸的活塞带有磁铁，所以气缸上的传感器主要是与气缸配合选型。主要是由台湾长拓流体科技股份有限公司生产的磁力传感器。根据所选气缸的从产品手册中选取TD-11、TA-22和MT-22型磁力传感器。他们的结构原理如图3-6所示。 磁力传感器主要作用是当气缸活塞运动行程终点时，感应器产生电信号，为PLC提供输入信号。 35 定位模块中传 感器的作用就是测 定松下ETC扬声器 外科与喇叭后平面 之间的距离，判断 两个部件之间的定 位是否准确。从 图3-6 磁力传感器结构原理图 OMRON产品手册 中选取E2E2圆柱形接近传感器。 36 4 可编程控制器 可编程控制器是自自动控制技术、微计算机技术和通信技术为基础发展起来的新一代工业控制装置，目前它已被广泛应用于各个领域。因此， [12]它被称为可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller),简称PLC。 4.1 可编程控制器的功能和应用 在PLC的发展初期，由于其价格高于继电器控制装置，使得其应用受到限制。但最近几年来，PLC的应用面越来越广。目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、采矿、水泥、石油、化工、电力、机械制造、汽车、装卸、 [11]造纸、纺织、环保和娱乐等行业。PLC的应用领域主要包括以下几个方面: 1)开关逻辑和顺序控制 这是PLC应用最广泛、最基本的场合。它的主要功能是完成开关逻辑运算和进行顺序逻辑控制，从而可以实现各种简单或复杂的控制要求。 )模拟控制 2 在工业生产过程中，许多连续变化的需要进行控制的物理量、如温度、压力、流量、液位等，这些都属于模拟量。为了实现工业领域对模拟量控制的广泛要求，目前大部分PLC产品都具备处理这类模拟量的功能。特别是当系统中模拟量控制点数不多，同时混有较多的开关量时，PLC具有其他控制装置所无法比拟的优势。 3)定时控制 PLC具有很强的定时、计数功能，它可以为用户提供数十甚至上百个定时器与计数器。对于定时器，其定时间隔可以由用户加以设定。对于计数器，如果需要对频率较高的信号进行计数，则可以选择高速计数器。 4)数据处理 新型PLC都具有数据处理的能力，它不仅能进行算术运算、数据传送，而且还能进行数据比较、数据转换、数据显示打印等功能，有些PLC还可 37 以进行浮点运算和函数运算。 5)信号连锁系统 信号连锁是安全生产所必需的。在信号连锁系统中，采用高可靠性的PLC是安全生产的要求。对安全要求高的系统还可采用多重的检出元件和连锁系统，而对其中的逻辑运算等，可采用冗余的PLC实现。 6)通信联网 把PLC作为下位机，与上位机或同级的可编程控制器进行通信，可完成数据的处理和信息的交换，实现对整个生产过程的信息控制和管理，因此PLC是实现工厂自动化的理想工业控制器。 4.2 PLC的基本组成 根据结构形式的不同，PLC可分为整体式(也称箱体式)和组合式(也称模块式)两类。 整体式结构的PLC是将中央处理单元(CPU)、存储器、输入单元、输出单元、电源、通信端口、I/O扩展端口等组装在一个箱体内构成主机。另外还有独立的I/O扩展单元等与主机配合使用。整体式PLC的结构紧凑、体 -1所示: 积小，小型机采用这种结构。整体式PLC的基本组成如图4 主机电源 输输用户用户中央处理单元入出输入 ,CPU)输出单单设备设备元元 编程器I/OI/O扩展单元外盒式磁带机存储器扩设打印机系统程序用户程序特殊功能单元展EPROM写入器接 存储器 存储器上位计算机口口PLC可编程终端PT 图4-1 整体式PLC的组成示意图 38 组合式PLC的组成是将CPU单元、输入单元、输出单元、智能I/O单元、通信单元等分别做成相应的电路板或模块，各模块可以插在底板上，模块之间通过底板上的总线相互联系。装有CPU的单元称为CPU单元模块，其他成为扩展模块。CPU与各扩展模块之间若通过电缆连接，距离一般不超过10m。中、大型机场用组合式。由于组合式的PLC系统配置灵活，有的小型机也用这种构成。下面介绍PLC各组成部分及其作用，如图4-2: 系 统 总 线 通信单元编程器输入单元CPU单元智能I/O单元输出单元 PLC或控 制 系 统 现 场 过 程上位计算机 图4-2 组合式PLC的组成示意图 (1) 中央处理器(CPU) CPU是PLC的核心部件，它类似人的大脑，能指挥PLC按照预先编好的 [11]系统程序完成各种任务。其作用有以下几点: ?接受、存储由编程工具输入的用户程序和数据，并可显示出程序的内容和存储地址。 ?检查、校验用户程序。对正在输入的用户程序进行检查，发现语法错误立即报警，并停止输入;在程序运行过程中若发现错误，则立即报警或停止程序的执行。 ?接受、调用现场信息。将接收到现场输入的数据保存起来，在需要该数据的时候将其调出、并送到需要该数据的地方。 ?执行用户程序。当PLC进入运行状态后，CPU根据用户程序存放的先后顺序，逐条读取、解释和执行程序，完成用户程序中规定的各种操作， 39 并将程序执行的结果送至输出端，以驱动PLC外部的负载。 ?故障诊断。诊断电源、PLC内部电路的故障，根据故障或错误的类型，通过显示器显示出相应的信息，以提示用户及时排除故障或纠正错误。 (2) 存储器 存储器可以分为以下3种。 ?系统程序存储器。系统程序是厂家根据其选用的CPU的指令系统编写的，它决定了PLC的功能。系统程序寄存器是只读存储器，用户不能更改其内容。 ?用户程序存储器。根据控制要求而编制的应用程序称为用户程序。不同机型的PLC，其用户程序存储器的容量可能差异较大。根据生产过程或工艺的要求，用户程序经常需要改动，所以用户程序存储器必须可读写。一般要用后备电池(锂电池)进行掉电保护，以防掉电时丢失程序。目前较先进的PLC采用可随时读写得快闪存储器作为用户程序存储器。快闪存储器不需后备电池，掉电时数据也不会丢失。 ?工作数据存储器。用来存储工作数据的区域叫工作数据区。工作数据是经常变化、经常存取的，所以这种存储器必须可读写。 在工作数据区中开辟有元件映像寄存器和数据表。其中元件映像寄存器用来存储开关量输入/输出状态以及定时器、计数器、辅助继电器等内部器件的ON/OFF状态。数据表用来存放各种数据，它存储用户程序执行时的某些可变参数值及A/D转换得到的数字量和数学运算的结果等。在PLC断电时能保持数据的存储器称为数据保持区。 (3) 输入/输出单元。 输入/输出单元是PLC与外部设备互相联系的窗口。输入单元接收现场设备向PLC提供的信号，例如由按钮、操作开关、限位开关、继电器触点、接近开关、拨码器等提供的开关量信号。这些信号经过输入电路的滤波、 40 光电隔离、电平转换等处理，变成CPU能够接收和处理的信号。输出单元将经过CPU处理的微弱电信号通过光电隔离、功率放大等处理，转换成外部设备所需要的强电信号，以驱动各种执行元件，如接触器、电磁阀、电磁铁、调节阀、调速装置等。 ?开关量输入单元。 按照输入端电源类型的不同，开关量输入单元可分为直流输入单元和交流输入单元。 ? 直流输入单元 直流输入单元的电路，外接的直流电源极性可任意。虚线框内是PLC内部的输入电路，框外左侧为外部用户接线。图中只画出对应于一个输入点的输入电路，各个输入点所对应的输入电路均相同。 R1+5Vs T内CR2 部 电A滤波路 COMR3 LED 图4-3 直流输入电路 图中，T为一光电耦合器，发光二极管与光电三极管封装在一个管壳中。当二极管中有电流时其发光，此时光电三级管才导通。R1为限流电阻，R2和C构成滤波电路，可滤除输入信号中的高频干扰。LED显示该输入点的状态。 其工作原理是:当S闭合时光电耦合导通，LED点亮，表示输入开关S处于接通状态。此时A点高电平，该电平经滤波器送到内部电路中。当CPU 41 访问该路信号时，将该输入点对应的输入映像寄存器置1;当S断开时光电耦合器不导通，LED不亮，表示输入开关S处于断开状态。此时A点为低电平，该电平经滤波器送到内部电路中。当CPU访问该路信号时，将该输入点对应的输入映像寄存器状态置0。 有的PLC内部提供24V直流电源，这时直流输入单元无需外界电源，用户只需将开关接在输入端子和公共端子之间既可，这就是所谓无源式直流单元。无源式直流输入单元简化了输入端的接线，方便了用户。 ? 交流输入单元。 交流输入单元的电路如图4-4所示:虚线框内是PLC内部的输入电路，框外左框为外部用户接线。图中只画出对应于一个输入点的输入电路，各个输入点所对应的输入电路均相同。 R1S+5V TR2内M 部C电滤波COMA路 R3 图4-4 交流输入电路 图中，电容C为隔直电容，对交流相当于短路。R1和R2构成分压电路。这里光电耦合器是两个反向并联的发光二极管，任意一个二极管发光都可以使光电三级管导通。显示用的两个发光二极管LED也是反向并联的。所以这个电路可以接收外部的交流输入电压，其工作原理与直流输入电路基本相同。 42 PLC的输入电路有共点式、分组式、隔离式之别。输入单元只有一个公共端子(COM)的称为共点式，外部各输入元件都有一个端子与COM相连;分组式是将输入端子分为若干组，每组各共用一个公共端子;隔离式输入单元，是具有公共端子的各组输入点之间互相隔离，可各自使用独立的电源。 ?开关量输出单元 按输出电路所用开关器件的不同，PLC的开关量输出单元可分为晶体管输出单元和继电器输出单元。 a.晶体管输出单元 晶体管输出单元的电路如图4-5所示:虚线框内是PLC内部的输出电路，框外右侧为外部用户接线。图中只画出对应于一个输出点的输出电路，各个输出点所对应的输出电路均相同。 +5V内 T1部负载电 路T2R2 D R3LEDFU COMR1 图4-5 晶体管输出电路 图中，T1时光电耦合器，LED指示输出点的状态，T2为输出晶体管，D为保护二极管，FU为熔断器，防止负载短路时损坏PLC。 工作原理为:当对应于晶体管T2的内部继电器的状态为1时，通过内部电路使光电耦合器T1导通，从而使晶体管T2饱和导通，因此负载得电。 43 CPU是与该点对应的输出锁存器为高电平，使LED点亮，表示该输出点状态为1;当对应于T2的内部继电器的状态为0时，光电耦合器T1不导通，晶体管T2截止，负载失电。如果负载是感性的，则必须负载并接续流二极管，负载通过续流二极管释放能量。此时LED不亮，表示该输出点的状态为0。 晶体管为无触点开关，所以晶体管输出单元使用寿命长，响应速度快。 b.双向晶闸管输出单元 在双向晶闸管输出单元中，输出电路采用的开关器件是光控双向晶闸管，电路如图11所示。虚线框内是PLC内部的输出电路，框外右侧为外部用户接线。图中只画出对应于一个输出点的输出电路，各个输出点所对应的输出电路均相同。 [11]图中，T为光控双向晶闸管(两个晶闸管反向并联)，LED为输出点状态指示，R2、C构成阻容吸收保护电路，FU为熔断器。 工作原理为:当对应于T的内部继电器的状态为1时，发光二极管导通，不论外接电源极性如何都能使双向晶闸管T导通，负载得电。同时输出指示灯LED点亮。表示该输出点接通;当对应于T的内部继电器的状态为0时T关断，负载失电，指示灯LED灭。 双向晶闸管输出型PLC的负载电源，可以根据负载的需要选用直流或交流。 c.继电器输出单元 继电器输出单元的电路如图4-6所示:图中虚线框内是PLC内部的输出电路，框内右侧为外部用户接线。图中只画出对应于一个输出点的输出电路，各输出点对应的输出电路均相同。 图中，LED是输出点状态显示器，J为一小型直流继电器。 其工作原理为:当对应于J的内部继电器状态为1时，J得电吸合，其常开触点闭合，负载得电。LED点亮，表示该输出点接通。当对应于J得内 44 部继电器状态为0时，J失电，其常开触点断开，负载失电。指示灯LED灭，表示该输出点断开。 继电器输出型PLC的负载电源可以根据需要选用直流或交流。继电器触点电气寿命一般为10—30万次，因此在需要输出点频繁同短的场合(如高频脉冲输出)，应选用晶体管或晶闸管输出型的PLC。另外，继电器从线圈得电到触点动作存在延迟时间，使造成输出滞后于输出的原因之一。 负载内 部J电LED路 R COM 图4-6 继电器输出电路 [11]PLC输出电路也有共点式、分组式、隔离式之别。输出只有一个公共端子的称为共点式;分组式是将输出端子分为若干组，每组共用一个公共端子;隔离式是具有公共端子的各组输出点之间互相隔离，可各自使用独立的电源。 (4) 电源部分 PLC中一般配有开关式稳压电源为内部电路供电。开关电源的输入电压范围宽、体积小、重量轻、效率高、抗干扰性能好。有的PLC能向外部提供24V的直流电源，可给输入单元所连接的外部开关或传感器供电。 (5) I/O扩展端口 当主机上的I/O点数或类型不能满足用户需要时，主机可以通过I/O 45 扩展端口连接I/O扩展单元来增加I/O点。没有I/O扩展端口的PLC是不能进行I/O点扩展的。另外，通过I/O扩展口还可以连接各种智能单元，扩展PLC的功能。 (6) 外设端口 每台PLC都有外设端口。通过外设端口，PLC可与外部设备相连接。例如，连接编程器以输入、修改用户程序或监控程序的运行;有的PLC可以通过外设端口与其他PLC、计算机或终端设备PT等连接进行通信，或连成各种网络等;连接打印机以打印用户程序，打印PLC运行过程中的状态，打印故障报警的种类和时间等;连接EPROM写入器，将调试好的拥护程序写入EPROM，以免被误改动等;连接外存储器存储用户程序等。 (7) 编程工具 编程工具是开发应用和检查维护PLC以及监控系统运行不可缺少的外部设备。编程工具主要作用是用来编辑程序、调试程序和监控程序的执行，还可以在线测试PLC的内部状态和参数，与PLC进行人机对话等。编程工具可以是专用编程器，也可以是配有专用编程软件包的通用计算机。 (8) 智能单元。 PLC还有多种智能单元。智能单元本身是一个独立的计算机系统，它有自己的CPU、系统程序、存储器以及与外界相连的接口。对组合式PLC，智能单元是PLC系统的一个模块，它与CPU单元通过系统总线相连接，并在CPU单元的协调管理下独立的进行工作(不参与循环扫描)。对整体式PLC，主机通过I/O扩展接口与智能单元连接。 目前已开发的常用智能单元有A/D单元、D/A单元、高速计数单元、位置控制单元、PID控制单元、温度控制单元和各种通信单元等。 4.3 PLC的工作方式 在继电器控制电路中，当某些梯级同时满足导通条件时，这些梯级中 46 的继电器线圈会同时通电，也就是说，继电器控制电路是一种并行工作方式。PLC是采用循环扫描的工作方式，在PLC执行用户程序时，CPU对梯形图自上而下、自左向右的逐次进行扫描，程序的执行是按语句排列的先后顺序进行的。这样，PLC梯形图中各线圈状态的变化在时间上是串行的，不会出现多个线圈同时改变状态的情况，这是PLC控制与继电器控制最主要的区别。 4.3.1 PLC的循环扫描工作方式 PLC采用循环扫描的工作方式，它可以看成是一种由系统软件支持的扫描设备，不论用户程序运行与否，都周而复始的进行循环扫描，并执行系统程序规定的任务。每一个循环所经历的时间称为一个扫描周期。每个扫描周期又分为几个工作阶段，每个工作阶段完成不同的任务。一个循环扫 [12]描过程可归纳为五个工作阶段，各阶段完成的任务如下: a) 公共处理阶段。 在每一次扫描开始之前，CPU都要进行复位监视定时器、硬件检查、用户内存检查等操作。如果有异常情况，除了故障显示灯亮以外，还判断并显示故障的性质。如果属于一般性故障，则只报警不停机，等待处理。公共处理阶段所用的时间一般是固定的，不同机型的PLC有所差异。 b) 程序执行阶段。 在程序执行阶段，CPU对用户程序按先左后右、先上后下的顺序逐条地进行解释和执行。CPU从输入映像寄存器和元件映像寄存器中读取各继电器当前的状态，根据用户程序给出的逻辑关系进行逻辑运算，运算结果在写入元件映像寄存器中。 3)扫描周期计算处理阶段 若预先设定扫描周期为固定值，则进入等待状态，直至达到该设定值时扫描再往下进行。若设定扫描周期为不定的，则要进行扫描周期的计算。 47 扫描周期计算处理所用的时间很短，可将其视为零。 4)I/O刷新阶段 在I/O刷新阶段，CPU要做两件事情。其一，从输入电路中读取各输入点的状态，并将此状态写入输入映像寄存器中，也就是刷新输入映像寄存器的内容。自从输入映像寄存器就与外界隔离，无论输入点的状态怎么变化，输入映像寄存器的内容都保持不变，一直到下一个扫描周期的I/O刷新阶段，才会写进新内容，这就是说，各输入映像寄存器的状态要保持一个扫描周期不变。其二，将所有输出继电器的元件映像寄存器的状态传送到相应的输出锁存电路中，再经输出电路的隔离和功率放大部分传送到PLC的输出端，驱动外部执行元件动作。 I/O刷新阶段的时间长短取决于I/O点数的多少。 5)外设端口服务阶段 这个阶段里，CPU完成与外设端口连接的外围的通信处理。完成上述各阶段的处理后，又返回公共处理阶段，周而复始的进行扫描。 执行用户程序的扫描阶段其特点是:其一，在执行用户程序的过程中，输入映像寄存器的状态不变。其二，元件映像寄存器的内容虽程序的执行在改变，前一步的结算结果随即作为下一步的结算条件，这一点与输入映像寄存器完全不同。其三，程序的执行是由上而下进行的，所以各梯级中的继电器线圈不可能同时改变状态。其四，执行用户程序的结果要保持到下一个扫描周期的用户程序执行阶段。 PLC的循环扫描工作方式也为PLC提供了一条死循环自诊断功能。在PLC内部设置了一个监视定时器WDT，其定时时间可设置为大于用户程序的扫描时间，在每个扫描周期的公共处理阶段将监视定时器复位。在正常情况下，监视定时器不会动作。如果由于CPU内部故障使程序进入死循环，那么扫描周期将超过监视定时器的定时时间。这时监视定时器WDT动作使 48 PLC运行停止，以提示用户排查故障。 4.3.2 PLC的I/O滞后现象 由于PLC采用循环扫描的工作方式，而且对输入和输出信号只在每个扫描周期的I/O刷新阶段集中输入并集中输出，所以必然会产生输出信号相对输入信号的滞后现象。扫描周期越长，滞后现象越严重。但是一般扫描周期只有十几毫秒，最多几十毫秒，因此在慢速控制系统中，可以认为输入信号一旦变化就立即能进入输入映像寄存器中，其对应的输出信号也可以认为是及时地，而在要求快速响应的控制中就成了需要解决的问题。 PLC产生的I/O滞后现象，除了上述原因以外，还与下面的因素有关: ?输入滤波器对信号的延迟作用 由于PLC的输入电路中设置了滤波器，滤波器的时间常数越大，对输入信号的延迟作用越强。从输入端ON到输入滤波器输出ON所经历的时间为输入ON延时。有的PLC其输入电路滤波器的时间常数可以调整。 ?输出继电器的动作延迟 对继电器输出型的PLC，把从输出锁存器ON到输出触电ON所经历的时间称为输出ON延时，一般需十几个毫秒。所以，在需要输入/输出有较快响应的场合，最好不要使用继电器输出型的PLC。 ?用户程序的语句编排。 49 4.4 夹具工程各模块PLC控制程序分析 整个夹具工程是由欧姆龙PLC进行控制，就整体程序而言整个动作过程分为自动化和半自动化以及单动。所谓自动化就是当机械启动后，整个过程在PLC程序的控制之下是持续的，连续送料连续注胶;半自动就是每次只是完成一个加工周期，即在PLC程序的控制下，夹具工程只完成一个产品的加工;单动就是指每按下一次按钮，夹具工程只完成一个工位的动作(即圆形底盘转动90?)。但是对于每个模块来说，其PLC控制是全自动的。 4.4.1定位检测模块PLC程序分析 部件送进,PLC得到前面定时程序输入信号，PLC输出控制信号。在图-10中气缸动作，当气缸活塞运动到下止点，下止点磁力传感器动作产生2 电信号输入PLC，并且只有当活塞杆带动的接近式传感器同样产生信号时，PLC程序判断注胶条件满足(否则报警并且停止动作)，PLC输出信号，控制气缸活塞回缩，当达到上止点，上止点磁力传感器产生输入信号，PLC输出信号控制主传动气缸动作，活塞伸长，圆形底盘转动90?，进入下一工位。 50 参考文献 [1] 徐志刚. 基于广义映射原理的组合夹具结构设计自动化.工程设计，2000 [2]邓星钟. 机电传动控制. 武汉:华中科技大学出版社，2001 [3]合肥工业大学. 液压传动与气压传动.合肥:合肥工业大学出版社，1990 [4]濮良贵 ，纪名刚. 机械设计. 北京:高等教育出版社，2006 [5]哈尔滨工业大学理论力学教研室. 理论力学.北京: 高等教育出版社，2002 [6]台湾长拓流体科技有限公司.长拓产品手册，2005 [7]东莞辉科自动化科技有限公司. 点胶机产品手册，2006 [8]聚宝机械制造实业公司. 紫外线照射产品手册，2006 [9]栾桂东 张金铎. 传感器及其应用.西安: 西安电子科技大学出版社，2002 [10]欧姆龙自动化工业大连有限公司. 欧姆龙自动化产品手册，2007 [11]吴中俊.黄永红主编. 可编程序控制器原理及应用.北京:机械工业出版社，2003 [12]汪志锋主编.可编程序控制器原理与应用.北京:机械工业出版社，2002 [13] 朱耀祥. 组合夹具——组装?应用?理论. 北京:机械工业出版社，1990 [14]机械设计手册.北京:机械工业出版社，2004 [15] 秦曾煌主编.电工学(上、下册).高等教育出版社，2005 [16]武良臣，郭培红. 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Fixture Design using Prolog: an Expert System. Int J Robotics CIMS，1984 [19] Rong Y,Bai Y. Modular fixture element modeling and assembly relationship analysis for automated fixture configuration design. Special Issue on Rapid Prototyping &Reverse En2gr. ,J . of Engr. Design and Automation，1997 [20]Jen Y.Liu,Dwight D.Flach.An improved shear test fixture using the iosipescu specimen.Mechanics of Celluosic Materials,1999 51 致 谢 本论文的顺利完成离不开于XX教授的大力支持和帮助。正是有了于教授的悉心指导，本论文才保质保量的完成了。在此对于岩教授表示衷心的感谢。于教授严谨的治学态度和对学生认真负责的态度，使我不但在设计中受益匪浅，也使我学到做人做事的道理，在今后的生活和工作中也将深受其益。 同样也要感谢同组的李XX、徐XX的全力帮助，正是有了他们的热情帮助，论文完成的路上才少了几分阻力。 另外还要感谢的就是大连XX工业公司为我提供的实习平台，使我的设计真正的走进了生产。工机系的各位前辈给予我的无私帮助，弥补了我的经验不足。尤其是王XX老师给我的技术支持，为我的论文打下了坚实的基础。在此对他们也表示深深的谢意～ 52 附 录 Automated modular fixture planning based on linkage mechanism theory 1. Introduction Modular fixture is a kind of very promising flexible fixture devices in manufacturing. It is also used in assembly and verification processes. The use of modular fixture seems to be a trend in the manufacturing field as it can meet the desire for greater flexibility (i.e. it is able to deal with the workpieces with irregular shapes by combining modular fixture elements). By using modular fixtures, the flexibility and rapid response capability of manufacturing systems can be improved. However, modular fixture planning is a very difficult problem, especially for the modular fixture with the dowel-pin system as the locators of such modular fixtures can only be inserted into the fixed doweled holes. That is why modular fixture planning is still performed by fixture designers in industries up to now, relying on designer?s experiences and trial and error method. The main problem with manual planning of modular fixtures lies in that it is almost impossible for a designer to enumerate all the alternative fixture plans, which makes it extremely hard to find out the optimal fixture plan. Obviously it hinders the use of modular fixtures with dowel-pin system in industries. One way to solve the above problems is to use computer to assist designers in performing modular fixture planning. In recent years, the research on automated modular fixture planning has been paid more and more attention, and several approaches have been proposed in this area. Asada and By [1] described 53 the basic concept of an adaptable fixturing system and its hardware implementation. The analytic tool of the fixture was developed, including that of accessibility and detachability. The key components of this system are fixture base table with magnetic chucking capability. Such a system is adaptable for flexible assembly and the product with small batch size. Brost and Goldberg [2] and Brost and Peters [3] presented a “complete” algorithm for synthesizing modular fixtures for a polygonal workpiece. The basic assumptions of their method are that a workpiece can be represented with simple polygons; locators can be represented by a circle whose radius is less than half of the grid spacing; the fixturing configurations are infinite and all contacts are frictionless. The output of the algorithm includes the positions of three locators and the clamp point, as well as the linear displacement and rotational angle of the workpiece relative to the base plate. Their method for finding out the three locators of a given workpiece is based on the enumerative algorithm. Zhuang et al. [4] explored the existence of modular fixture solutions for a given fixture configuration model and a workpiece, and presented a class of polygons which cannot be fixed by modular fixtures with dowel-pin system. Wallack and Canny [5] developed an automated design algorithm for a fixturing toolkit called the fixture vise, which involves two fixture plates mounted on jaws of a vise and modular fixture elements. They also proposed an output-sensitive algorithm. The algorithm first enumerates all the quartets of the jaw-specified edge segments capable of providing force closure, then for each edge quartet enumerates all the quartets of fixture positions, verifies force closure, and generates all the configurations of a modular fixturing toolkit capable of immobilizing a given prismatic object. Penev and Requicha [6] studied the 54 fixture fool proofing for polygonal workpieces and presented an algorithm for calculating the positions of fool proofing pins that make the incorrect loading pose impossible. Overmars et al. [7] introduced a point/edge fixture paradigm wherein objects are immobilizing by a combination of one edge and twopoint contacts. Wagner et al. [8] studied the method of fixturing 3D faceted parts with seven modular struts. Wu et al. [9,10] presented a systematic method for analyzing the geometry, accuracy, clamping and accessibility of a modular fixture. In their method, three locator-workpiece contact situations are determined according to the types of locating faces and the types of contacting faces of locators, and the assembly relationships between locators and the workpiece are described by three triangle function equations. By solving the three equations, the position of the workpiece related to the fixture and the positions of three locators are obtained. Based on the degree-of-freedom analysis of 2-D objects, a step-by-step algorithm is developed to find out the possible clamp positions by enumerating all the possible clamping edges. Their method is feasible and systematic, but it is complicated and its computation efficiency needs to be further improved. The investigation on optimization algorithms of fixture design is also related to this work. In this aspect, King and Hutter [11] presented a method for optimal fixture layout design, which uses the rigid body model of a fixture– workpiece system but accounts for the contact stiffness. DeMeter [12,13] used a rigid body fixture–workpiece model and the min–max load criterion to achieve the synthesis of the optimal fixture layout and minimum clamp actuation intensity, and presented a finite element-based method of supporting layout optimization. However, these nonlinear programming methods can 55 neither achieve “global” or “near-global” optimum solutions nor determine the locators and clamp positions explicitly. In addition, the models used are very sensitive to the initial feasible fixture layout. During the last decade, a few researchers utilized genetic algorithm to solve this problem. Wu and Chan [14] used the genetic algorithm to determine the most statically stable fixture layout. Ishikawa and Aoyama [15] adopted the genetic algorithm to determine the optimal clamping condition for an elastic workpiece. Krishnakumar and Melkote [16] presented a method of achieving fixture layout optimization using genetic algorithm, in which a finite-element approach is employed to evaluate the generated fixture layouts. Wang and Pelinescu [17] developed an algorithm of fixture layout optimization based on accurate localization, minimal locator contact force and balanced locator contact force. Mervyn et al. [18] presented an approach to automated synthesis of modular fixture designs using an evolutionary search algorithm. In general, the current achievements on computer-aided modular fixture design still have a certain distance from what industries expect. The main limitations of the current works include: (1) because the assembly relationships between locators and the workpiece are not described in an analytic way, the current methods of determining location plans are enumerative in nature and thus very time consuming; (2) the current approaches to determination of the side clamping positions are relatively complex; (3) the existing quality metrics about fixture design do not consider the geometry structure of the workpiece and the assembly relationship between the workpiece and locators which also affect the quality of location plans. In this paper, we present a new approach to automated planning of 56 modular fixtures with dowel-pin. The approach identifies all the alternative location plans of a workpiece comprising both planar and cylindrical faces in a general and efficient way by using four-bar mechanism theory, and performs accessibility and fixturability analysis and generates feasible clamp positions of a fixture plan in an effective manner based on several new concepts. In the approach, the assembly relationship between locators, side clamping points and workpiece are described in an analytic way. The approach is intended to be more general and more robust. 2. Identification of locating plan candidates 2.1. Problem statement and method description In this paper, we assume that the primary locating face set of the workpiece has been determined, which could be a single planar face or consists of two or three parallel planar faces with different heights, and assume that the secondary and tertiary locating faces are perpendicular to the primary locating face(s), but unlike those in 3–2–1 locating scheme, they need not be perpendicular each other. Considering that in most fixture designs, only planar and cylindrical faces are selected as locating faces, especially for modular fixture applications [10], the workpiece in this work is limited to the part whose side clamping faces consist of planar and cylindrical faces. Without loss of generality, we further assume that the top face of the modular fixture’s base plate is the support face of the workpiece and it is coplanar with the primary locating face of the workpiece. Then it indicates that after a workpiece is put on the base plate of a modular fixture, its three DOFs are constrained. In order to make the workpiece completely fixed, the remainder three DOFs of the workpiece need to be constrained as well. For a modular fixture with dowel-pin, three round locators 57 with each one inserted into a doweled hole and contacted with a side face of the workpiece are used to completely locate the workpiece. The three locators that can completely locate the workpiece are called a location plan of the workpiece. Obviously, not every three locators inserted into the arbitrary three doweled holes can form a location plan of the workpiece. Therefore, how one can identify all the alternative location plans becomes the issue that needs to be solved first. Based on the assumption that the secondary and tertiary locating faces of the workpiece are perpendicular to its primary locating face(s), the problem of identifying location plans of a workpiece can be converted to a 2D problem. Fig. 1 is used to illustrate this, which shows the base plate’s top face of a modular fixture with dowel-pin, the projection of the workpiece on the base plate’s top face, and a location plan candidate. In the figure, “o” stands for the locating hole used to fix the round locators, “x” refers to the tapped hole used to connect fixture elements, and the dashed lines refer to the offset of the workpiece’s profile on the base plate. Here, the offset distance is equal to the radius of the locator. With the help of Fig. 1, we can clearly describe the problem of identifying a location plan candidate as follows: to identify a location plan candidate is to find out three doweled holes on the base plate that satisfy following two conditions: first, the workpiece can be put on the base plate with the offset of the workpiece’s profile projected on the base plate being through all the three doweled holes’ centers (note that the workpiece’s profile here just consists of the projections of the planar and cylindrical faces of the workpiece that are perpendicular to the primary locating face); second, when three round locators are inserted into the three doweled holes and a clamp force is imposed 58 on the workpiece from a proper position, the workpiece will be completely fixed. As an example, in Fig. 1 three round locators a, b and c, which are inserted into three doweled holes, form a location plan candidate of the workpiece. According to the degree-of-freedom analysis, a 2D object can be located in two ways: (a) two boundary edges of the 2D object are restricted by three fixed points, with one edge restricted by two fixed points, and the other restricted by the third fixed point; (b) three boundary edges of the 2D object are restricted by three fixed points, with each edge restricted by one fixed point. In view that the way (a) is an extension of the traditional 3–2–1 location rule [20] and the location plans responding to such location way are easy to be determined, only the second location way is considered in this paper. Our approach to identifying a location plan consists of two steps: first, determine the first two doweled holes whose centers are on the offset of the workpiece’s profile; second, identify the third doweled hole whose centers are on the offset of the workpiece’s located profile. To effectively identify the third doweled hole, the four-bar mechanism and linkage curve are employed in our approach, which is illustrated by Fig. 2. In Fig. 2,M stands for a fixed plane, a and b are two curves on the plane M, the triangle M1 stands for a 2D region on M, and A, B are two fixed points of M1. Suppose M1 moves in the M in the way keeping A and B to move along the , respectively, then the locus of an arbitrary fixed point C in M1 curve a and b forms a slide curve. Particularly, when a and b are either linear or circular, the motion of M1 relative to M is a linkage plane motion, and thus the corresponding locus of the point C in M1 is a linkage curve. Since a and b are the loci of two hinge points of the linkage plane according to the four-bar linkage mechanism theory [21], hereafter, a, b are called hinge point loci, and A, 59 B are called hinge point. In order to determine the third doweled hole of a location plan candidate using linkage mechanism theory, we construct a four-bar mechanism and a linkage curve as follows: taking the primary locating face of the workpiece as M, the base plate as M1, the centers of the first two doweled holes on the base plate as two hinge points A and B, and two offset edges that the first two doweled holes’centers are, respectively, on as two hinge point loci a and b. Since all the edges of the workpiece considered in this work are either linear or circular, the relative motion of the base plate to the workpiece is exactly a linkage plane motion according to the mechanism theory, and the locus of thecenter of any other doweled hole except the first two doweled holes is a linkage curve. Here the linkage curve is a single parametric curve and the curve parameter is also a position parameter of linkage mechanism. Therefore, if the linkage curve intersects with any other offset edge of the workpiece’s profile except a and b, the corresponding doweled hole of linkage curve is the third doweled hole that can form a potential location plan with the first two doweled holes [21]. The relative position of the workpiece with the base plate of fixture can be determined by calculating the parametric value of intersection point, and the relative positions of first two locators to the workpiece can also be determined. It should be pointed out that because four-bar mechanism and linkage curve can effectively represent the assembly relationship between locators and the workpiece, it is more straightforward and efficient to determine the position of the third locator using the linkage mechanism theory than using other analysis methods such as the screw theory and force closure analysis although the latter is very useful for analyzing the closure of the side locating and side clamping of the workpiece after they are determined. 60 2(2 Algorithm for determining location plan candidates The algorithm for determining location plan candidates is divided into the following two parts: (1) Determination of the first two doweled holes: in order to determine all location plan candidates, the first two doweled holes of all the location plan candidates are determined first. We divide all the first two doweled holes into two cases: one is that the two centers of the two doweled holes are on the same offset edge of the workpiece’s profile; the other is that they are on the different offset edges. In this work, we determine all the first two doweled holes using an approach similar to that of Brost and Goldberg [3], by which the two cases of the first two doweled holes are handled in different ways, as shown in Fig. 3. Due to the space limitation, the specific algorithm is not described here. (2) Determination of the third doweled hole: given the first two doweled holes whose centers P1 and P2 are supposed to be on two different offset edges E1 and E2 of the workpiece’s profile, as shown in Fig. 4, we find out the set of the third doweled hole that can form a location plan candidate with the first two doweled holes using linkage mechanism theory. The algorithm consists of the following three steps: (a) Determine the type of the simulated linkage mechanism and its motion parameter range. The simulated linkage mechanism takes P1P2 as its linkage, E1 and E2 as its two hinge point loci. According to the types of E1 and E2, the type of the linkage mechanism can be easily determined as follows: If both E1 and E2 are circular edges, the corresponding linkage mechanism is a hinged four-bar mechanism; If both E1 and E2 are linear edges, the corresponding simulated mechanism is a double-slider mechanism; if one hinge point locus is 61 linear and the other is circular, the corresponding mechanism is a crank-slider mechanism. Because every edge pair can define a simulated linkage mechanism, the maximum number of the simulated linkages for a polygon with n locating edges is .After the type of a simulated linkage mechanism is determined, the valid motion parameter range of the simulated linkage mechanism is calculated accordingly, which is affected by several factors such as the positions of the start and end points of hinge point loci, and the configuration of the simulated linkage mechanism [19]. (b) Establish the set of potential third doweled holes for each offset edge of the workpiece’s profile. We find out those from all the doweled holes on the base plate whose centers’ loci have possibility to intersect with the offset edge during the moving of the simulated linkage mechanism, and they form the set of potential third doweled holes (called DHS hereafter) of the offset edge. Here note that offset edges E1 and E2 as well as those edges parallel with E1 or E2 are excluded because when the third locator contacts with such edges it cannot form a valid location plan with the first two doweled holes. Specifically, the DHS of an offset edge of the workpiece’s profile is determined by first calculating the sweeping region formed by the relative motion of the offset edge to the base plate during the moving of the simulated linkage mechanism, then finding out all the doweled holes in the sweeping region. (c) Determine the valid third doweled holes from DHS. For each potential third doweled hole in the DHS, we check if it is a valid third doweled hole by calculating the parametric value of the intersection point between the locus of the hole’s center and the current offset edge of the workpiece’s profile. Considering that the linkage curve is a parametric curve with high order, we first 62 search the intersection in parameter space with a fixed step, and then calculate the parametric value by dichotomy method. Let the parameter range of the current offset edge E be (v1, v2) and the motion parameter range of the simulated linkage mechanism, i.e. the defined parameter range of the locus LE, be (u1, u2), if there exists an intersection point I between LE and E, and its parametric value on LE and E are, respectively, u and v satisfying u1ouou2 and v1ovov2, it indicates that LE intersects with E in their interiors, and the doweled hole whose center’s locus is LE is determined as the third doweled hole that can form a location plan candidate of the workpiece with the first two doweled holes. For instance, as shown in Fig. 4, the doweled hole whose center is P3 is determined as the third doweled hole which forms a location plan candidate with the first two doweled holes at P1 and P2 since its linkage curve LE intersects with offset edge E3 in their interiors. 63 中文翻译: 基于联动机制理论自动化组合夹具规划 RobertW. Irving和 Sandy Scott 英国 1(简介 在制造业中，组合夹具是一种非常有前景的柔性夹具装置。它还可被用在装配和检验过程。在制造业领域，由于组合夹具能够满足制造业对更大的灵活性的渴望，组合夹具的使用似乎成为了一个趋势(例如它能够通过对组合夹具元素的有机结合来处理形状不规则的工件)。通过采用组合夹具装置，制造系统的柔性和快速反应能力得到了改善。 不过，组合夹具规划是一个十分棘手的问题，尤其是对这种带有定位销的组合夹具系统，因为这种夹具的定位器只能被插入到固定的销孔中。这就是为什么到现在为止，在现代工业中组合夹具的规划仍然是由夹具设计师来施行，主要依赖于设计师的经验和审视判断和纠错的方法。这种人工规划的组合夹具方案主要问题在于:一个设计师根本不可能列举所有的夹具备选 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 方案，这使得我们非常迫切需要找出一个最佳的夹具规划。很明显，它阻碍了这种带有定位销系统的组合夹具在现代工业当中的使用。 其中一个解决上述问题的方法，就是使用电脑协助设计师来实施组合夹具规划。近年来，在组合夹具规划的自动化研究方面受到了越来越多的关注，并且在这个领域内已经提出了几种解决方法。Asada和By[ 1 ]描述了一个多适应性夹具系统的基本概念，以及其硬件的实现。在夹具的开发过程中，包括可实现性和可分离性的解析工具得到了较快的发展。这个系统的关键组成部分是固化在它的磁夹持能力的基本表中。这样一个系统是为适应柔性装配和产品小批量生产。Brost和戈德堡[ 2 ]与Brost和彼得斯[ 3 ] 给一个多边形工件提交了一份“完整”算法的模块化合成装置。他们的研究 64 方法的基本假设是一个工件可以用简单多边形表示;定位可以用一个半径不到一半网格间距的圆圈来表示;装夹配置是无限的和并且所有接触都是无摩擦的。该算法的输出结果包括三个定位点的位置和夹紧点，以及工件相对底板的直线位置距离和旋转角度。他们计算出某一个给定工件的三个定位点的方法，是基于枚举算法的。庄等人[ 4 ] ，探讨了对于某一个给定夹具配置的模型和某一工件存在的组合夹具解决方案，并提出了一类不能用固定销系统的模块化夹具来定位的多边形。Wallack和Canny[ 5 ]开发出一种自动设计算法的一个工具包，所谓的装夹夹具签证，其中涉及到两个夹具板装在一个签证上的关键点和模块化了的夹具元件。他们还提出了一个敏捷输出的算法。该算法首先列举了所有四个一组的具有提供封闭力能力的指定关键点边缘部分，然后为每个边缘组列举所有的夹具位置组，验证力的封闭性，并产生所有模块装夹工具包配置，能够固定某一给定的柱状目标。Penev和Requicha [ 6 ]研究多边形工件的傻瓜校对夹具，并且为简单校核定位销的位置确定提出了一个合适的算法，使这种不正确的位置确定情况成为不可能的。奥维马斯等人[ 7 ]提出了一个点/ 边的夹具范例，其中的物体的固定的，由一个边和两个点相互结合的接触。Wagner等人[ 8 ]研究的方法，装夹零件的三维面与7个模块化的支撑 。吴等人 [ 9,10 ]介绍了一个组合夹具分析方法的几何性，准确性，夹紧和无障碍性系统的方法。在他们的方法中，三个定位点的工件接触的情况决定于定位面的类型和定位器接触面的类型，并且定位器和工件之间的装配关系是用三个三角函数方程描述的。通过求解三个方程，工件和夹具之间的位置关系以及三个定位器的位置就可以得到了。基于二维物体自由度的分析，一步一步算法逐步发展起来，该方法就是要找出夹紧位置的可能性，通过列举了所有可能的夹紧力边缘。他们的方法是可行的和系统的，但是它的复杂性和其计算效率需要进一步改善。 65 对夹具设计的优化算法的研究，同样也关系到这方面的工作。在这方面，King和Hutter[ 11 ]介绍了一种为夹具布局进行优化设计的方法，该方法是通过一个夹具-工件系统的刚体模型，但是计算接触刚度。DeMeter[ 12,13 ]用了一个刚体夹具-工件模型和Min - Max的负荷 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 ，以达到合成的优化夹具布局和最低夹紧强度，并提出了有限元为基础的方法，支持布局优化。然而，这些非线性规划的方法，既不能达到“总体性”或“近总体性”最佳解决方案，也不能确定定位器和夹紧的位置明确性。此外，该模型在初步可行的夹具布局中的使用是非常敏捷的。在过去十年中，有几个研究人员利用传统算法来解决这个问题。吴和陈[ 14 ]用遗传算法，以确定最稳定的静态夹具布局。Ishikawa和 Aoyama [ 15 ]通过遗传算法为弹性工件确定最佳的夹紧条件。 Krishnakumar和Melkote [ 16 ]提出了一种方法，利用遗传算法实现夹具布局优化，就是通过一个有限元的算法来评估所产生的夹具布局。王和佩利内斯库[ 17 ]研究出一种算法的夹具布局优化的基础上准确定位，最小的定位接触力和平衡的定位接触力。默文等人[ 18 ]介绍了一种方法自动合成的组合夹具设计，通过使用一个渐进的搜索算法实现夹具的设计。 一般的来说，电脑辅助组合夹具设计目前的所取得成就同机械行业的渴望仍然存在一定距离。目前工程的主要局限性包括:(1)因为定位器和工件之间的定位关系并没有在分析方法中被描述，目前的确定位置的方法是枚举性质的，因而非常耗费时间; (2)目前的做法，以测定一侧夹紧位置是较为复杂的; (3)现行的夹具设计品质指标并不考虑工件的几何结构和工件与定位器之间的装配关系，这也影响到质量的位置图。 在本文中，我们提出了一种新的接近自动规划的带有固定销的模块化夹具。该办法利用四杆机构的理论确定了工件所有替代的位置规划，以及组成的平面和圆柱所面对的普遍和有效的方式，并且执行可接近性和可夹 66 持性的分析，并基于几个新的概念通过有效的方法夹具规划当中产生具有可行性的夹持位置。在这种方法中，定位器、侧边的夹持点以及工件之间的装配关系是用一种分析方法来描述的。这种方法的应用正逐步变的更为宽泛和更为强大。 2(确定预选定位规划方案 2(1问题陈述和方法说明 在本文中，我们假定在一个工件上已经确定了一个主要的定位面，而这个定位面有可能是由一个单一的平面构成的或则是由两个或是三个高度不同的平行面组成的，并且假设第二个和第三定位面与之前确定的那个主要定位面之间相互垂直，但是又不同于那些3-2-1定位方案，他们之间不需要相互垂直对方。考虑到在大多数夹具设计，只有平面和圆柱面的被确定为定位平面，特别是在组合夹具的应用上[ 10 ] ，在这种方法中，只限用于那些以平面或是圆柱面作为夹紧边的工件。在不否定一般情况的情况下，我们不妨进一步假设组合夹具底板的上表面是工件的支持面并且是与工件的主要定位面共面的。这样的话，当一个工件放到组合夹具的底板上时，它的三个自由度就完全被约束了。在为了使工件完全固定，工件的其余三个自由度也需要加以约束。因为一个带有定位销和3个圆周定位器的组合夹具要完全固定一个工件，必须使每个销子都插入到销孔当中并且有一个面与工件接触。能够完全使工件定位的三个定位器就叫做工件的定位方案。很显然，并不是任意3定位器插入到任意三个销孔都可以形成一个工件定位方案。因此，一个人如何可以判别出所有的可替换的定位方案就成为了首先要解决的问题了。 基于第二个和第三定位面与之前确定的那个主要定位面之间相互垂直这样的假设，工件定位方案的判别问题就可以转换为二维问题。图1就是用来说明这一点的，图上表明组合夹具的底板上表面上固定着定位销， 67 以及工件在底板上表面上的投影图，和一个定位方案的备选方案。在这个图形中， “ O ”代表着用来固定圆形定位器的定位孔，“ X ”是指用来连接夹具元素的孔，虚线指以工件的剖面线在底板上的偏移量。在这里，偏移距离等于定位器的半径。借助图1 ，判别一个定位方案的预选方案的问题，我们可以很清楚地描述如下:找到一个定位方案的预选方案，就是要在底板上找到三个定位孔满足如下两种情况:第一，借助工件剖面的偏移量在底板上的投影全都通过三个定位销孔的中心，工件可以被放在底板上;(请注意，工件的剖面在这里就是指工件上垂直于工件主要定位面的平面和圆柱面的投影) ;第二，当三个圆形定位器都插到定位销孔中，并且在工件的合适位置上施加一个夹紧力时，工件就会完全被固定。在图1中a，b，c三个圆形定位器都插到销孔，就是定位方案中的一个备选方案的例子。 根据该自由度分析，二维物体可以通过两个方法来固定:(a)二维物体的两个边界的边缘通过三个固定点限制，其中一条边受制于两个固定点，第三条边受限制于第三固定点; (b) 二维物体的3条边界边受三个固定点限制，每一条边缘受限制于一个固定点。在这种想法中(a)是传统的3-2-1定位规则的一个扩展[ 20 ]并且通过这种定位方法确定定位规划是很容易确定的，本文中我们只考虑第二种定位方法。我们的方法确定一个定位规划包括两个步骤:首先，确定首两个销孔，他们的中心正好在工件投影面的偏移量上;第二，确定第三个销孔，其中心是在工件定位投影面的偏移量上。我们的做法中就是利用四杆机构和联系曲线，有效地找出第三销孔，在图 2 中就是以很好的说明。在图 2 中， M代表一个固定的平面， a和b是固定面M上的两条曲线，三角形M1代表M的二维面积区域，A，B是M1上的两个固定点。假设M1在M中移动，同时保持A和B沿曲线a和b上移动，那么M1上的任意固定点C的运动轨迹就形成一个滑动曲线。当a和b是直线或圆形的， M1相对于M的运动就是一个平面运动，从而M1 68 上相应的点C的轨迹是一个关联曲线。根据四连杆机构的原理，由于a和b是关联平面上的两个铰链点[ 21 ] ，以下简称，a，b是所谓的铰链点轨迹，A和B是所谓的铰链点。利用关联机械原理为了确定定位备选方案中的第三点，我们建造一个四杆机构和关联曲线如下:分别把工件的主要定位面作为M1，把地板上两个定位销孔的中心作为A和B ，两个孔中心作为两个偏移边，就相当两个铰链点轨迹a和b 。因为在这里工件所有的边缘都被看作是线性或圆形，根据机械理论底板相对于工件的移动就是一个平面运动，除了开始的两个的销孔，任何一个销孔中心的轨迹都是关联曲线。这里的关联曲线是一个单一的参数曲线和曲线参数也是一个联动机构的位置参数。因此，如果联系曲线交叉与工件除了a和b任何其他投影的边缘相交，关联轨迹上相应的销孔就是与前两个销孔所潜在的定位方案中的第三销孔[ 21 ] 。工件与夹具的底板之间的相对位置的可通过计算交会点的参数值来确定，并且工件上开始的两个定位销之间的相互位置也可以确定。应该指出，由于四杆机构和关联曲线能有效地表示定位器与工件之间的装配关系，利用关联理论来确定第三个定位器的位置，比使用其他分析方法如螺旋理论和力封闭分析更为简单高效，虽然后者在确定边定位的封闭分析和工件的一边夹紧时是非常有用的。 2(2 定位方案的确定算法 该中确定的预选定位位置方案的方法可以分为以下两个部分: (1)确定开始的两个定位销孔:为了确定所有的预选定位图，必须首先确定所有预选图纸当中开始的两个定位销孔。我们把所有的开始的两个销孔分成两种情况:其一是这两个销孔的中心在工件投影面的同一偏移边上;另一种是，他们在不同的偏移边上。在这种方法中，我们决定所有的头两个销孔通过使用与Brost和Goldberg [ 3 ]的方法类似的方法，其中两例中头两个销孔的处理方式不同，如图 3 所示。由于篇幅有限，具体的算法在 69 这里就不描述了。( 2 )测定第三个销孔:给定的前两个销孔的中心P1和P2是假定要在工件上两个不同的投影偏移边E1和E2上，如图4所示，我们找到了一组第三销洞，它们可以与通过联动机构理论确定的前两个销孔形成一个预选定位方案。该算法包括以下三个步骤: ( a )确定虚拟联动机构的类型及其运动参数范围。虚拟联动机构要以p1p2作为其联系， E1和E2作为其两个铰链点的轨迹。根据E1和E2的类型，可以很容易的确定联动机构如下:如果E1及E2是圆形的边，相应的联动机构是一个铰链四杆机构;如果E1及E2都是线性边，相应的虚拟机构是一个双滑块机构;若一铰链点的轨迹是线性的并且其他的是圆形的，相应的机构是一个曲柄滑块机构。因为每一对边可以定义一个虚拟联动机 2,,,,构，一个有n 条定位边的多边形最多可以确定对虚拟关联，虚拟联动,,n,, 机构确定后，根据这个我们就可以确定虚拟联动机构有效的运动参数范围，这是受多种因素影响的，如铰链点的轨迹上的起始和终止点位置，虚拟联动机构的结构[ 19 ] 。 b)为每一个工件投影偏移边建立一组潜在的第三个销孔。我们找出( 底板上所有销孔的形式，它们的中心的轨迹有可能与移动的虚拟联动机构的偏移边相交，并且他们形成了一组潜在的偏移边的第三个销孔(以下简称DHS)。在这里请注意，偏移边E1和E2以及那些与E1和E2平行的边都被排除在外，因为当第三定位器与这样一条边接触时，它与前面的两个定位销孔不能形成一个有效的位置图。具体来说，工件投影面的偏移边上的DHS是通过第一个计算清楚区域来确定的，这个区域是在虚拟联动机构运动时，偏移边相对于底板的运动形成的，然后在清除区域里找出所有销孔。 (c)从DHS中确定有效的第三个销孔。在DHS中每个潜在的第三个销孔，我们通过计算孔中心的轨迹和现在的工件投影面偏移边之间的交点参数值来检查它是否是有 70 效的第三个销孔。考虑到关联轨迹是高阶的参数曲线，我们通过一个固定步骤首先在参数中搜索交点，然后再通过二分法计算参数值。让现在的偏移边E的参数范围为(v1，v2)并且虚拟联动的动参数范围，例如定义轨迹LE的参数范围为(u1,u2)，如果LE和E之间存在一个交点I，那么它在LE和E上参数值就分别为U和V且满足u1ouou2和v1ovov2 ，它表明LE与E在其内部相交，并且孔中心的轨迹是LE的销孔就可以确定为第三个销孔了，与开始的两个销空可以形成一个工件备选定位图。例如在图4中，孔中心为P3的销孔作为第三个销孔洞，当其关联轨迹LE与偏移边E3在其内部有交点时，与前两个销孔P1和P2形成一个定位图。 71