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15 屆畢業(yè)設計 論文 開題報告 題 目 自動擺盤機設計 學 院 機械工程學院 專 業(yè) 機械設計及其自動化 姓 名 馮云 班 級 11 機制 2w 指導教師 劉瀏 起止日期 2014 11 2015 6 年 月 日 畢業(yè)設計 論文 開題報告 1 課題的目的 意義 伴隨社會經(jīng)濟的快速發(fā)展和人們生活水平的提高 越來越多的人選擇在酒 店 餐館或者是會所等場合就餐 而餐飲服務質(zhì)量在很大程度上決定了其行業(yè) 中的競爭力 目前 大多數(shù)餐飲服務場所的食物搭配 烹飪加工 呈菜上桌等 基本是老公操作來完成 這就需要餐飲企業(yè)雇傭大量人力 不僅成本太高 往 往還伴隨意外事故 因而 實現(xiàn)餐飲服務行業(yè)廚具設備的自動化 是解決上述 問題 提高企業(yè)競爭力的良好途徑 其中機械手是物流自動化的重要裝備 其 不僅提高勞動生產(chǎn)效率 還能夠代替人類完成高強度 高危險 重復枯燥的工 作 減輕人的勞動強度 同時 由于餐用盤子具有表面光滑 外形規(guī)則 薄而 輕等特點 易于實現(xiàn)自動的抓取 因此 自動擺盤設備能夠實現(xiàn)盤子的自動擺 放 達到提高安全性 節(jié)省勞動力 降低生產(chǎn)成本的現(xiàn)實目標 所以 對自動擺盤機的設計和研究 顯得尤為重要也非常的有意義 二 主要設計內(nèi)容 設計自動擺盤的設計 具體進行總體設計及傳動系統(tǒng)設計 主要內(nèi)容有 1 自動擺盤機方案的設計 1 確定基本的工作要求 2 完成整體機構的設計與計算 2 自動擺盤機主要機構的設計 1 托盤座的設計與計算 2 機械手爪的設計與計算 3 繪制總裝配圖 4 繪制相關零部件圖 3 設計方案 總體設計簡圖及說明 自動擺盤機是由傳送帶 底座 線性模組 機械手等機械裝置組成 線性模組固 定在底座上 步進電機 1 帶動手臂做往復擺動 步進電機連接滾珠絲杠做升降運 動 傳送帶按固定節(jié)拍把盤子送到指定位置 在進行自動擺盤機的設計之前 我實現(xiàn)對其發(fā)展的現(xiàn)狀 構造及應用有了 足夠的了解 在此基礎上我依據(jù)老師給定的設計任務書完成了開題報告的撰寫 以相應的市場調(diào)研等工作 接下來對總體方案進行設計 分析和確定 對總體 方案中的主要零部件進行詳細的設計 分析及校核 利用 AUTOCAD二維軟件繪 制總裝配圖 編制設計說明書一份 四 預期成果 設計的預期效果是 本次所設計的自動擺盤機 結構簡單 操作簡便 清 潔衛(wèi)生 對餐盤使用量比較大的餐飲企業(yè)而言 能夠很好的實現(xiàn)廚房餐盤的自 動擺放 具有良好的經(jīng)濟效益等等 五 進度安排 2014 11 2014 12 了解畢業(yè)設計課題 提出初步設計方案 完成開題報告 2015 01 2015 05 按照畢業(yè)設計任務書要求 完成畢業(yè)設計圖紙及說明書 2015 06 按照學院安排 畢業(yè)答辯 六 主要參考文獻 1 趙春海 朱華炳等 基于單片機控制的自動擺盤機設計 機械工程師 2013 12 113 114 2 成大先 機械設計手冊第 1卷 第 5版 M 北京 化學工業(yè)出版社 2008 3 成大先 機械設計手冊第 2卷 第 5版 M 北京 化學工業(yè)出版社 2008 4 成大先 機械設計手冊第 3卷 第 5版 M 北京 化學工業(yè)出版社 2008 5 成大先 機械設計手冊第 4卷 第 5版 M 北京 化學工業(yè)出版社 2008 6 成大先 機械設計手冊第 5卷 第 5版 M 北京 化學工業(yè)出版社 2008 7 譚建榮 張樹有 陸國棟 施岳定主編 圖學基礎教程 M 高等教育出版 社 2012 8 鄧星鐘主編 機電傳動控制 M 第三版 華中科技大學出版社 2012 9 嚴霖元主編 機械制造基礎 M 中國農(nóng)業(yè)大學 2013 10 鄭文緯 吳克堅主編 機械原理 M 高等教育出版社 2013 11 劉一星 王逢瑚主編 木質(zhì)建材手冊 M 化學工業(yè)出版社 2013 12 孫桓 陳作模 葛文杰 機械原理 北京 高等教育出版社 2006 58 105 13 濮良貴 機械設計 北京 高等教育出版社 2010 112 158 14 范思沖 畫法幾何及機械制圖 北京 機械工業(yè)出版社 1995 3 12 15 李益民 機械制造工藝設計簡明手冊 北京 機械工業(yè)出版社 2004 86 124 16 陳鐵鳴 機械設計課程設計圖冊 北京 高等教育出版社 2009 114 143 17 吳宗澤 機械設計課程設計手冊 北京 清華大學出版社 2010 167 275 18 工業(yè)機械手編寫組 工業(yè)機械手 上海 上海科學技術出版社 1985 19 王承義 機械手及其應用 M 北京 機械工業(yè)出版社 1981 105 125 15 屆畢業(yè)設計 論文 題 目 自動擺盤機設計 學 院 機械工程學院 專 業(yè) 機械設計及其自動化 姓 名 馮云 班 級 11 機制 2w 指導教師 劉瀏 起止日期 2014 11 2015 6 2015年 5 月 15 日 I 目 錄 摘 要 II Abstract III 第一章 緒論 1 1 1 研究背景及意義 1 1 2 擺盤機簡介 1 第二章 總體方案設計 2 2 1 設計要求及分析 2 2 2 方案選擇 2 2 2 1 傳送機構方案 2 2 2 2 臂部升降機構方案 2 2 2 3 臂部擺動機構方案 3 2 2 4 總體方案確定 4 2 3 結構原理分析 4 2 4 總體參數(shù)選定 5 第三章 傳送機構設計 6 3 1 電動機的選擇 6 3 1 1 扭矩的計算 6 3 1 2 啟動矩頻特性校核 7 3 2 傳送帶的設計 8 3 3 滾筒的設計 9 第四章 臂部升降機構的設計 10 4 1 電動機的選擇 10 4 1 1 根據(jù)脈沖當量和最大靜轉矩初選電機型號 10 4 1 2 啟動矩頻特性校核 11 4 2 滾珠絲桿副的選型與校核 11 4 2 1 型號選擇 12 4 2 2 校核計算 13 4 3 導軌的選型與校核 13 II 4 3 1 導軌的選型 13 4 3 2 滑動導軌副的計算 選擇 14 4 4 軸承及鍵的校核與壽命計算 16 第五章 臂部擺動機構的設計 18 5 1 電動機的選擇 18 5 1 1 電機軸的轉動慣量 18 5 1 2 電機扭矩計算 19 5 2 齒輪傳動的設計 20 5 2 1 選精度等級 材料和齒數(shù) 20 5 2 2 按齒面接觸疲勞強度設計 20 5 2 3 按齒根彎曲強度設計 22 5 2 4 幾何尺寸計算 23 5 3 旋轉軸及軸上零件的設計與校核 24 5 3 1 尺寸與結構設計計算 24 5 3 2 強度校核計算 25 5 3 3 鍵的校核與壽命計算 27 5 4 擺臂設計 27 5 5 吸盤的選擇 27 總 結 29 參考文獻 30 致 謝 31 III 摘 要 為了改善酒店 餐館等餐飲服務行業(yè)的飲食服務質(zhì)量 對廚具設備自動化的實現(xiàn) 進行了研究 基于提高餐飲服務工作效率及環(huán)境衛(wèi)生的前提下 設計了一種自動擺盤 機 利用步進電動機帶動手臂進行上下移動和水平垂直旋轉 通過氣壓驅動機械手抓 取和松放 能夠實現(xiàn)全自動擺放各種型式和材料的盤子 本次設計的自動擺盤機由底 座 傳送機構 臂部升降機構 臂部擺動機構 吸盤等構成 本次設計首先 通過對自動擺盤機結構及原理進行分析 在此分析基礎上提出了 總體結構方案 接著 對主要技術參數(shù)進行了計算選擇 然后 對各主要零部件進行 了設計與校核 最后 通過 AutoCAD 制圖軟件繪制了自動擺盤機裝配圖及主要零部件 圖 通過本次設計 鞏固了大學所學專業(yè)知識 如 機械原理 機械設計 材料力學 公差與互換性理論 機械制圖等 掌握了普通機械產(chǎn)品的設計方法并能夠熟練使用 AutoCAD 制圖軟件 對今后的工作于生活具有極大意義 關鍵詞 自動擺盤機 滾珠絲杠 齒輪 軸 IV Abstract In order to improve the diet quality of service for hotels restaurants and other food service industries for kitchen equipment for automating studied Based at improving the efficiency of food service and sanitation of the premise we designed an automatic pendulum disk drive stepping motor driven arm up and down movement and horizontal and vertical rotation by pressure driven robot crawling and unclamp can achieve automatic put dishes of various types and materials The design of the automatic pendulum disk drive consists of a base transfer mechanism the arm lifting mechanism the arm swing mechanism sucker The design is first through the automatic Wobble machine structure and principles for analysis presented in this analysis based on the overall structure of the program then the main technical parameters were calculated selection then for each of the main components were designed and check and finally through AutoCAD drawing software to draw an automatic pendulum disk drive assembly and main parts diagram in Fig Through this design the consolidation of the university is the professional knowledge such as mechanical principles mechanical design mechanics of materials tolerances and interchangeability theory mechanical drawing and the like mastered the design of general machinery products and be able to skillfully use AutoCAD mapping software on the future work of great significance in life Keywords Automatic pendulum disk drive Ball screws Gears Shafts 1 第一章 緒論 1 1 研究背景及意義 隨著社會經(jīng)濟的高速發(fā)展和人們生活水平的提高 越來越多的人選擇在酒店 餐 館和會所等場合就餐 而餐飲服務質(zhì)量在很大程度上決定了其在行業(yè)中的競爭力 目前 大多數(shù)餐飲服務場所的食物搭配 烹飪加工 呈菜上桌等基本是人工操作 來完成 這就需要餐飲企業(yè)雇傭大量人力 不僅成本過高 往往還伴隨意外事故 因 而 實現(xiàn)餐飲服務行業(yè)廚具設備的自動化 是解決上述問題 提高企業(yè)競爭力的良好 途徑 其中機械手是物流自動化的重要裝備 它不僅提高勞動生產(chǎn)效率 還能代替人 類完成高強度 高危險 重復枯燥的工作 減輕人的勞動強度 1 同時 由于餐用盤子具有表面光滑 外形規(guī)則 薄而輕等特點 易于實現(xiàn)自動抓 取和碼垛 本文旨在設計一套簡易的自動擺盤設備 實現(xiàn)盤子的自動擺放 達到提高 工作安全性 節(jié)省勞動力 降低生產(chǎn)成本的現(xiàn)實目標 所以 對自動擺盤機的設計和研究 顯得尤為重要也非常的有意義 1 2 擺盤機簡介 自動擺盤機是用于餐用盤子清洗后的整理并疊成堆 便于下到工序是用那個 擺 盤機利用步進電動機帶動手臂進行上下移動和水平垂直旋轉 通過氣壓驅動機械手抓 取和松放 能夠實現(xiàn)全自動擺放各種型式和材料的盤子自動擺盤機由底座 傳送機構 臂部升降機構 臂部擺動機構 吸盤等構成 2 第二章 總體方案設計 2 1 設計要求及分析 該自動擺盤機的主要功能是以一定的節(jié)拍連續(xù)將盤子放置在傳送帶上 經(jīng)傳送帶 送到一定的位置 以供使用 使用后在傳送帶的末端被取出 系統(tǒng)要求如下 1 系統(tǒng)運行安全可靠 便于系統(tǒng)檢測和故障維修 2 能夠實現(xiàn)連續(xù)的自運行 噪聲小 運行穩(wěn)定 減少人工的干預 3 具有較好的定位精度 重復定位誤差控制在較小范圍 4 具有故障預防機制 避免發(fā)生碰撞等不良事故 5 設備操作簡單 結構合理 外形美觀 綠色環(huán)保 2 2 方案選擇 2 2 1 傳送機構方案 由于盤子重量不大 并且對傳送的精度要求不高 所以采用平帶傳送帶進行傳送 即可滿足要求 結構如下圖示 圖 2 1 傳送機構方案 2 2 2 臂部升降機構方案 升降機構通常有采用液壓缸的液壓式 采用氣缸的氣動式 也有采用絲杠 螺紋傳 動的機械式 但是通常液壓式 和氣動式需要比較龐大的液壓 氣動系統(tǒng)來提供動力源 并且液壓式對工作環(huán)境污染較嚴重 而氣動式則沖擊較大 均不適合用于本次擺盤機 的臂部升降機構 因此本次采用絲杠 螺紋傳動的機械式降機構 為了提高工作效率本次采用滾珠絲 杠副作為升降機構 其結構如下圖示 3 圖 2 2 臂部升降機構方案 2 2 3 臂部擺動機構方案 擺動機構 通?？梢酝ㄟ^齒輪傳動 四桿機構 曲柄搖桿機構 等實現(xiàn) 但是為 了保證擺動機構的穩(wěn)定性以及減小機構尺寸確保機構的緊湊性 本次采用齒輪傳動 結構如下圖示 圖 2 3 臂部擺動機構方案 4 2 2 4 總體方案確定 總體設計簡圖及說明 圖 2 4 自動擺盤機總體方案 自動擺盤機是由傳送帶 底座 線性模組 機械手等機械裝置組成 線性模組固 定在底座上 步進電機 1 帶動手臂做往復擺動 步進電機連接滾珠絲杠做升降運動 傳送帶按固定節(jié)拍把盤子送到指定位置 2 3 結構原理分析 該自動擺盤機主要由機械手 線型模組 底座 輸送帶等各種機械設備組成 線 型模組固定在底座上 步進電動機帶動滾珠絲杠實現(xiàn)手臂的上下移動 步進電動機 1 帶動手臂實現(xiàn)往復擺動 工作流程如圖 2 所示 4 傳送帶將吸盤擺放的盤子以預定 節(jié)拍送進 當?shù)谝粋€盤碼堆的盤子取完時 由步進電動機 12 帶動齒輪副將第二個盤碼 堆移至第一個盤碼堆的位置 繼續(xù)擺盤 5 圖 2 5 自動擺盤機循環(huán)工作流程 2 4 總體參數(shù)選定 以普通陶瓷盤子為例 選取參數(shù)如下 盤子口徑大約為 190mm 高約為 20mm 厚度約為 5mm 質(zhì)量約為 M 0 5kg 6 第三章 傳送機構設計 3 1 電動機的選擇 伺服電動機又稱為脈沖電動機 是一種把電脈沖信號轉換成與脈沖數(shù)成正比的角 位移或直線位移的執(zhí)行元件 具有以下四個特點 轉速 或線速度 與脈沖頻率成 正比 在負載能力允許的范圍內(nèi) 不因電源電壓 負載 環(huán)境條件的波動而變化 速度可調(diào) 能夠快速啟動 制動和反轉 定位精度高 同步運行特性好 自動擺盤機的動力系統(tǒng)要求電動機定位精度高 速度調(diào)節(jié)方便快速 受環(huán)境影響 小 且頜定功率小 并且可用于開環(huán)系統(tǒng) 而 BF 系列伺服電動機為反應式伺服電動機 具備以上的所有條件 我們選用的型號 90BF004 的電動機作為主運動的動力源 選用時主要有以下幾個步驟 3 1 1 扭矩的計算 伺服電機最大靜轉矩 是指電機的定位轉矩 伺服電機的名義啟動轉矩maxjM 與最大靜轉矩 的關系是 mpMaj maxjp 伺服電機空載啟動是指電機在沒有外加工作負載下的啟動 伺服電機所需空載啟 動力矩按下式計算 0Mkfakq 式中 空載啟動力矩 kqM 空載啟動時運動部件由靜止升速到最大快進速度折算到電機軸上的a 加速力矩 空載時折算到電機軸上的摩擦力矩 kf 由于絲桿預緊折算到電機軸上的附加摩擦力矩 0M 而且初選電機型號時 應滿足伺服電動機所需空載啟動力矩小于伺服電動機名義 啟動轉矩 即 maxjpkqM 7 計算 的各項力矩如下 kqM 加速力矩 J2521 08 iMR 1 8 10 51 26 0mKg rvnpb40365 483maxax 2112ax 10642 8 160 tnJMkq 0 519N m 空載摩擦力矩 0 648 02 796 130 iLGfkf mN 附加摩擦力矩 1 2200 iFMYJ 9 48 2 mN 1 0kfakq 0 519 0 6 1 222 2 341 0 951 25 23 775maxjqM mN 3 1 2 啟動矩頻特性校核 伺服電機有三種工況 啟動 快速進給運動 工進運行 前面提出的 僅僅是指初選電機后檢查電機最大靜轉矩是否maxjqk 滿足要求 但是不能保證電機啟動時不丟步 因此 還要對啟動矩頻特性進行校核 伺服電機啟動有突跳啟動和升速啟動 突跳啟動時加速力矩很大 啟動時丟步是不可避免的 因此很少見 而升速啟動 8 過程中只要升速時間足夠長 啟動過程緩慢 空載力矩 中的加速力矩 不會很kqMka 大 一般不會發(fā)生丟步現(xiàn)象 3 2 傳送帶的設計 本設計為了實現(xiàn)自動化 節(jié)省人力 物力和提高效率 在盤子輸送方面擬采用帶 傳動 在實際工作環(huán)境下有平帶傳動 齒形帶和同步帶等形式 齒形帶在傳送有幾何 規(guī)則輪廓的零件時有很大的優(yōu)勢 而且當帶高速運動時 采用齒形帶能夠較好的定位 所傳送的零件保證零件不會在帶上移動 齒形帶不是標準件 一般需要在平帶上自己 安裝齒形 制造不方便 同步帶傳動 屬于嚙合傳動 高速 高精度 適合在高精度 儀器裝置中使用 帶比較薄 比較輕 同步帶一般采用伺服電機驅動 平帶傳動具有如下的特點 1 結構簡單 傳動平穩(wěn) 具有過載保護的作用 2 有緩沖吸震的作用 3 運動平穩(wěn)無噪聲 4 適用于遠距離傳輸 Smax 15m 5 制造 安裝精度要求不高 雖然平帶傳動由于帶的彈性形變會傳動比不穩(wěn)定 張緊力和軸向力較大 軸向尺 寸較大比 不易安裝等缺點 但是考慮到在本方案的設計中帶傳動的作用是實現(xiàn) PCB 板的傳送 不需要在帶上實現(xiàn)板的定位 因此 在此方案中可以采用平帶裝置 在裝 置中采用伺服電機控制可以實現(xiàn)帶的及時啟停 傳送皮帶 尺寸 600 200mm 的示 意圖如圖 3 3 所示 根據(jù)設計要求 盤子需從較遠距離傳送過來 傳送盤子用傳送帶 使盤子能自動 往前運輸 因此本次采用平帶傳動傳送盤子結構方案如下圖 雖然平帶傳動由于帶的彈性形變會傳動比不穩(wěn)定 張緊力和軸向力較大 軸向尺 寸較大比 不易安裝等缺點 但是考慮到在本方案的設計中帶傳動的作用是實現(xiàn)盤子 的傳送 不需要在帶上實現(xiàn)盤子的定位 因此 在此方案中可以采用平帶裝置 在裝 置中采用伺服電機控制可以實現(xiàn)帶的及時啟停 9 圖 3 3 平帶傳動示意圖 3 3 滾筒的設計 滾筒采用灰鐵鑄造后機加工成型 滾筒結構尺寸如圖 3 4 所示 圖 3 4 滾筒 10 第四章 臂部升降機構的設計 4 1 電動機的選擇 步進電動機又稱為脈沖電動機 是一種把電脈沖信號轉換成與脈沖數(shù)成正比的角 位移或直線位移的執(zhí)行元件 具有以下四個特點 轉速 或線速度 與脈沖頻率成 正比 在負載能力允許的范圍內(nèi) 不因電源電壓 負載 環(huán)境條件的波動而變化 速度可調(diào) 能夠快速起動 制動和反轉 定位精度高 同步運行特性好 擺盤機臂部升降機構要求電動機電位精度高 速度調(diào)節(jié)方便快速 受環(huán)境影響小 且額定功率小 并且可用于開環(huán)系統(tǒng) 而 BF 系列步進電動機為反應式步進電動機 具 備以上的所有條件 我們選用了型號 90BF004 的反應式步進電動機作為主運動的動力 源 該機功率為 0 42KW 選用時主要有以下幾個步驟 4 1 1 根據(jù)脈沖當量和最大靜轉矩初選電機型號 1 步距角 初選步進電機型號 并從手冊中查到步距角 由于b pbiL 360 綜合考慮 我初選了 可滿足以上公式 4 5 1 0 b 2 距頻特性 步進電機最大靜轉矩 Mjmax 是指電機的定位轉矩 步進電機的名義啟動轉矩 Mmq 與最大靜轉矩 Mjmax 的關系是 Mmq maxMj 步進電機空載啟動是指電機在沒有外加工作負載下的啟動 步進電機所需空載啟 動力矩按下式計算 0kfakq 式中 Mkq 為空載啟動力矩 Mka 為空載啟動時運動部件由靜止升速到最大快進 速度折算到電機軸上的加速力矩 Mkf 為空載時折算到電機軸上的摩擦力矩 為由0M 于絲桿預緊折算到電機軸上的附加摩擦力矩 而且初選電機型號時應滿足步進電動機所需空載啟動力矩小于步進電機名義啟動 11 轉矩 即 Mkq Mmq Mjmax 計算 Mkq 的各項力矩如下 加速力矩 25552521 106 8 10 08 mKgiMRJ mrvnpb 436 1436maxax NtJMk 519 016042 18 0 02 212ax 空載摩擦力矩 mNiLGfkf 6 048 2796 130 附加摩擦力矩 mNiFMYJ 2 1 9 0 48 2 1 200mqkjkfakq mN 75 395 34 61x 4 1 2 啟動矩頻特性校核 步進電機有三種工況 啟動 快速進給運行 工進運行 前面提出的 僅僅是指初選電機后檢查電機最大靜轉矩是否滿 kqMmaxj 足要求 但是不能保證電機啟動時不丟步 因此 還要對啟動矩頻特性進行校核 步進電機啟動有突跳啟動和升速啟動 突跳啟動時加速力矩很大 啟動時丟步是不可避免的 因此很少用 而升速啟動 過程中只要升速時間足夠長 啟動過程緩慢 空載啟動力矩 中的加速力矩 不kqMka 會很大 一般不會發(fā)生丟步現(xiàn)象 4 2 滾珠絲桿副的選型與校核 滾珠絲桿已由專門工廠制造 因此 不用我們自己設計制造 只要根據(jù)使用工況 12 選擇某種類型的結構 再根據(jù)載荷 轉速等條件選定合適的尺寸型號并向有關廠家訂 購 此次設計中滾珠絲桿被三次選用 故本人只選取其中最重要的主軸傳動中的滾珠 絲桿加于設計和校核 其步驟如下 首先對于一些參數(shù)說明如下 軸向變載荷 其中 i 表示第 i 個工作載荷 i 1 2 3 n NFi 第 i 個載荷對應的轉速 r min in 第 i 個載荷對應的工作時間 h it 絲桿副最大移動速度 mm min maxv 絲桿預期壽命 hLb 4 2 1 型號選擇 1 根據(jù)使用和結構要求 選擇滾道截面形狀 滾珠螺母的循環(huán)方式和預緊方式 2 計算滾珠絲桿副的主要參數(shù) 根據(jù)使用工作條件 查得載荷系數(shù) 1 0 系數(shù) 1 5 dfjs 計算當量轉速 dn min 20 miaxrnd 計算當量載荷 dF NFmavd 3 2 in 初步確定導程 hP mVPh 5 240 1 max 取 4mm 計算絲桿預期工作轉速 nL1206 dnL 計算絲桿所需的額定載荷 aC 13 NLFfCnda 152012331 3 選擇絲桿型號 根據(jù)初定的 和計算的 選取導程為 4mm 額定載荷大于 的絲桿 所選絲hPaC aC 桿型號為 CDM2004 2 5 其為外循環(huán)雙管式 雙螺母墊片預緊 導珠管埋入式系列滾 珠絲桿 4 2 2 校核計算 1 臨界轉速校核 4768 04min 590321 202max6316 ccc nnrldn而 最 大 工 作 轉 速 校核合格 2 由于此絲桿是豎直放置 且其受力較小 溫度變化較小 所以其穩(wěn)定性 溫 度變形等在此也沒必要校核 3 滾珠絲桿的預緊 預緊力 一般取當量載荷的三分之一或額定動載荷的十分之一 即 pFNdp7831 其相應的預緊轉矩 mNPFThp 16 0 85 01 247810 2 3232 4 3 導軌的選型與校核 4 3 1 導軌的選型 導軌主要分為滾動導軌和滑動導軌兩種 直線滾動導軌在數(shù)控機床中有廣泛的應 用 相對普通機床所用的滑動導軌而言 它有以下幾方面的優(yōu)點 定位精度高 直線滾動導軌可使摩擦系數(shù)減小到滑動導軌的 1 50 由于動摩擦與靜摩擦系數(shù)相 差很小 運動靈活 可使驅動扭矩減少 90 因此 可將機床定位精度設定到超微米 級 14 降低機床造價并大幅度節(jié)約電力 采用直線滾動導軌的機床由于摩擦阻力小 特別適用于反復進行起動 停止的往 復運動 可使所需的動力源及動力傳遞機構小型化 減輕了重量 使機床所需電力降 低 90 具有大幅度節(jié)能的效果 可提高機床的運動速度 直線滾動導軌由于摩擦阻力小 因此發(fā)熱少 可實現(xiàn)機床的高速運動 提高機床 的工作效率 20 30 可長期維持機床的高精度 對于滑動導軌面的流體潤滑 由于油膜的浮動 產(chǎn)生的運動精度的誤差是無法避 免的 在絕大多數(shù)情況下 流體潤滑只限于邊界區(qū)域 由金屬接觸而產(chǎn)生的直接摩擦 是無法避免的 在這種摩擦中 大量的能量以摩擦損耗被浪費掉了 與之相反 滾動 接觸由于摩擦耗能小 滾動面的摩擦損耗也相應減少 故能使直線滾動導軌系統(tǒng)長期 處于高精度狀態(tài) 同時 由于使用潤滑油也很少 大多數(shù)情況下只需脂潤滑就足夠了 這使得在機床的潤滑系統(tǒng)設計及使用維護方面都變的非常容易了 所以在結構上選用 開式直線滾動導軌 參照南京工藝裝備廠的產(chǎn)品系列 4 3 2 滑動導軌副的計算 選擇 根據(jù)給定的工作載荷 Fz 和估算的 Wx 和 Wy 計算導軌的靜安全系數(shù) fSL C0 P 式 中 C0 為導軌的基本靜額定載荷 kN 工作載荷 P 0 5 Fz W fSL 1 0 3 0 一般運 行狀況 3 0 5 0 運動時受沖擊 振動 根據(jù)計算結果查有關資料初選導軌 因系統(tǒng)受中等沖擊 因此取 4 0sLf 0 5 OSLXYZCfPFW xYYOXSL 20 671 58 3 79N 26fP413 94 C 根據(jù)計算額定靜載荷初選導軌 選擇漢江機床廠 BGX 系列滾動直線導軌 其型號為 BGXH25BE 基本結構及參數(shù)如下 15 導軌的額定動載荷 N1750aC 依據(jù)使用速度 v m min 和初選導軌的基本動額定載荷 kN 驗算導軌的工作壽aC 命 Ln 額定行程長度壽命 HTCaWfSFK 2045MF1 81 oTCHRdffff 3310 8752 14209 58HTCaWfSFKkm 導軌的額定工作時間壽命 16 3102SoTHln 導軌的工作壽命足夠 3 310249 584971506SoTln hTh 導軌的靜安全系數(shù) 04 136SLCfP 靜安全系數(shù) 基本靜額定負載 工作載荷Sf 0CP 導軌壽命計算 3 5748htwcfLKmP 4 4 軸承及鍵的校核與壽命計算 1 軸承 1 按承載較大的滾動軸承選擇其型號 因支承跨距不大 故采用兩端固定式軸承 組合方式 軸承類型選為深溝球軸承 軸承的預期壽命取為 L h 29200h 由上面的計算結果有軸承受的徑向力為 Fr1 340 43N 軸向力為 Fa1 159 90N 2 初步選擇深溝球軸承 6202 其基本額定動載荷為 Cr 51 8KN 基本額定靜載 荷為 C0r 63 8KN 3 徑向當量動載荷 NFNVHr 43 06 187 5432221211 r 859222 17 動載荷為 查得 則有arrYFP 4 06 1 Nr 0239 156 3 由 式 13 5 得 a hrh LPCnL 104 53012 3985760601 6 滿足要求 2 鍵 1 選擇鍵聯(lián)接的類型和尺寸 小帶輪處選用單圓頭平鍵 尺寸為 mlhb186 2 校核鍵聯(lián)接的強度 鍵 軸材料都是鋼 由機械設計查得鍵聯(lián)接的許用擠壓力為 MPaP20 鍵的工作長度 mbl3261 合適 PP MadlkT 5 8165 072131 18 第五章 臂部擺動機構的設計 5 1 電動機的選擇 步進電機是一種能將數(shù)字輸入脈沖轉換成旋轉或直線增量運動的電磁執(zhí)行元件 每輸入一個脈沖電機轉軸步進一個距角增量 電機總的回轉角與輸入脈沖數(shù)成正比例 相應的轉速取決于輸入脈沖的頻率 步進電機具有慣量低 定位精度高 無累計誤差 控制簡單等優(yōu)點 所以廣泛用于機電一體化產(chǎn)品中 選擇步進電動機時首先要保證步 進電機的輸出功率大于負載所需的功率 再者還要考慮轉動慣量 負載轉矩和工作環(huán) 境等因素 5 1 1 電機軸的轉動慣量 a 旋轉軸的轉動慣量 328md4LJR 上式中 d 直徑 旋轉外徑 d 8mm L 長度 30mm P 鋼的密度 7800 2kg m 經(jīng)計算得 0 RJ b 齒輪的轉動的慣量 328d4LJL 上式中 d 直徑 齒輪外徑 d 30mm L 長度 14mm P 鋼的密度 7800 2kg m 經(jīng)計算得 0 RJ2 81 4 9kL c 聯(lián)軸器的轉動慣量 19 查表得 204kg mJW 因此 28 m0 8kg4 10 9 LR 5 1 2 電機扭矩計算 a 折算至電機軸上的最大加速力矩 atJnT602mxax 上式中 min 150maxrn J 0 0028kg m2 ta 加速時間 KS 系統(tǒng)增量 取 15s 1 則 ta 0 2sSK 3ta 經(jīng)計算得 mNT 2 max b 折算至電機軸上的摩擦力矩 IPFT 20f 上式中 F0 導軌摩擦力 F0 Mf 而 f 摩擦系數(shù)為 0 02 F0 Mgf 32N P 絲桿螺距 m P 0 001m 傳動效率 0 90 I 傳動比 I 1 經(jīng)計算得 NTf 75 0 c 折算至電機軸上的由絲桿預緊引起的附加摩擦力矩 i2 1 00 PT 上式中 P0 滾珠絲桿預加載荷 1500N 0 滾珠絲桿未預緊時的傳動效率為 0 9 經(jīng)計算的 T0 0 05N M 則快速空載啟動時所需的最大扭矩 mNTTf 82 0max 根據(jù)以上計算的扭矩及轉動慣量 選擇電機型號為 SIEMENS 的 IFT5066 其額定 20 轉矩為 6 7N m 5 2 齒輪傳動的設計 前述算得 步進電機工作轉速能在較大范圍變化本次計算取mNT 7 62 傳動比in 7102rn 2i 5 2 1 選精度等級 材料和齒數(shù) 采用 7 級精度由表 6 1 選擇小齒輪材料為 40Cr 調(diào)質(zhì) 硬度為 280HBS 大齒輪 材料為 45 鋼 調(diào)質(zhì) 硬度為 240HBS 選小齒輪齒數(shù) 18 Z 大齒輪齒數(shù) 取4022 i 2 Z 5 2 2 按齒面接觸疲勞強度設計 由設計計算公式進行試算 即 3211 2 HEdtt ZuTkd 1 確定公式各計算數(shù)值 1 試選載荷系數(shù) tK 2 計算小齒輪傳遞的轉矩 mNT 7 62 3 小齒輪相對兩支承非對稱分布 選取齒寬系數(shù) 6 0 d 4 由表 6 3 查得材料的彈性影響系數(shù) 2 18 9MPaZE 5 由圖 6 14 按齒面硬度查得 小齒輪的接觸疲勞強度極限 H601lim 大齒輪的接觸疲勞強度極限 Pa52li 6 由式 6 11 計算應力循環(huán)次數(shù) 81 10 830 1760 hjLnN 21 782109 41 N 7 由圖 6 16 查得接觸疲勞強度壽命系數(shù) 8 1 NZ12 NZ 8 計算接觸疲勞強度許用應力 取失效概率為 1 安全系數(shù)為 S 1 由式 10 12 得 MPaSZHN6480lim1 H 15 12li2 9 計算 試算小齒輪分度圓直徑 代入 中的較小值td1 H mdt 5 29 68 236 07312 1 計算圓周速度 v snvt 83 060715 94 3160 計算齒寬 b mdt 7 15 291 計算齒寬與齒高之比 b h 模數(shù) Zmtnt 48 20 1 齒高 3 5 7 2 75 hbmnt 計算載荷系數(shù) K 根據(jù) 7 級精度 查得動載荷系數(shù)smv 2 0 02 1 VK 假設 由表查得NbFtA1 HK 22 由于載荷中等振動 由表 5 2 查得使用系數(shù) 1 AK 由表查得 283 1 HK 查得 F 故載荷系數(shù) 439 128 0 1 HVAK 10 按實際的載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑 由式可得 mdtt 57 0 5 29 331 11 計算模數(shù) Zm 1 7 0 1 5 2 3 按齒根彎曲強度設計 彎曲強度的設計公式為 321 FSdnYZKT 1 確定公式內(nèi)的計算數(shù)值 由圖 6 15 查得 小齒輪的彎曲疲勞強度極限 MPaFE501 大齒輪的彎曲疲勞強度極限 382 由圖 6 16 查得彎曲疲勞壽命系數(shù) 9 01 NZ 2N 計算彎曲疲勞許用應力 取失效概率為 1 安全系數(shù)為 S 1 3 得 MPaSZFENF 2 346 5091 FEF 71 822 計算載荷系數(shù) 436 28 0 1 FVAK 23 2 查取齒形系數(shù) 由表 6 4 查得 8 21 FaY23 Fa 3 查取應力校正系數(shù) 由表 6 4 查得 5 1Sa76 2Sa 4 計算大小齒輪的 并比較 FSaY 01456 273 3 465821 FSaY 大齒輪的數(shù)據(jù)大 5 設計計算 mm32 10456 26 0174333 對比計算結果 由齒面接觸疲勞強度計算的模數(shù) m 大于由齒根彎曲疲勞強度計算 的模數(shù) 可取有彎曲強度算得的模數(shù) 1 32mm 并圓整取第一標準模數(shù)值 m 1 5mm 并按接觸強度算得的分度圓直徑 d57 301 算出小齒輪齒數(shù) 取38 2 1mZ 201 Z 大齒輪齒數(shù) 取422 i Z 5 2 4 幾何尺寸計算 1 計算分度圓直徑 mZd605 143221 2 計算中心距 a4 1 3 計算齒寬寬度 取bd8306 mB20 812 綜合整理兩級齒輪參數(shù)如下表 參數(shù)選擇序號 名稱 符號 小齒輪 大齒輪 24 1 齒數(shù) Z 20 40 2 模數(shù) m 1 5mm 3 分度圓直徑 21dm60 3 4 齒頂高 ah5 1 5 齒根高 f 87 6 全齒高 hm35 7 頂隙 c0 8 齒頂圓直徑 21 d6 9 齒根圓直徑 43f 25 10 齒寬 21Bm18 0 11 中心距 a4 5 3 旋轉軸及軸上零件的設計與校核 5 3 1 尺寸與結構設計計算 1 傳動軸上的功率 P1 轉速 n1 和轉矩 T1 wP243 min 51rnmNT 57 61 2 初步確定軸的最小直徑 先按式 初步估算軸的最小直徑 選取軸的材料 45 鋼 調(diào)質(zhì)處理 根據(jù) 3PdCn 機械設計表 11 3 取 于是得 12 md7 9354 012 該處開有鍵槽故軸徑加大 5 10 且傳動軸的最小直徑顯然是安裝齒輪輪處的 直徑 取 1 L21 3 根據(jù)軸向定位的要求確定軸的各段直徑和長度 a 為了滿足車輪的軸向定位的要求 2 軸段左端需制出軸肩 軸肩高度軸肩高度 取 故取 2 段的直徑 長度 dh07 mh5 md14 mL20 25 b 初步選擇滾動軸承 因軸承只受徑向力的作用 故選用深溝球軸承 根據(jù) 查機械設計手冊選取 0 基本游隙組 標準精度級的深溝球軸承 6203 故md142 軸承采用軸肩進行軸向定位 軸肩高度軸肩高度 取573 dh07 因此 取 h md184 c 齒輪處由于齒輪分度圓直徑 故采用齒輪軸形式 齒輪寬度md601 B 18mm 另考慮到齒輪端面與箱體間距 1mm 以及兩級齒輪間位置配比 取 ml15 ml6 4 軸上零件的周向定位 查機械設計表 聯(lián)接車輪的平鍵截面 mlhb124 5 3 2 強度校核計算 1 求作用在軸上的力 已知齒輪的分度圓直徑為 根據(jù) 機械設計 軸的設計計算部分未作md60 說明皆查此書 式 10 14 則 NtgFdTntrt 75 68207 184a 029 35 Np 2 求軸上的載荷 首先根據(jù)軸的結構圖作出軸的計算簡圖 在確定軸承支點位置時 從手冊中查取 a 值 對于 6203 型深溝球軸承 由手冊中查得 a 14mm 因此 軸的支撐跨距為 L1 72mm 根據(jù)軸的計算簡圖作出軸的彎矩圖和扭矩圖 從軸的結構圖以及彎矩和扭矩圖可 以看出截面 C 是軸的危險截面 先計算出截面 C 處的 MH M V 及 M 的值列于下表 載荷 水平面 H 垂直面 V 支反力 F NNH143 NF126 NFN2371 V56 26 C 截面 彎矩 M mNLFNH 85132 mN MLFaV 14532 總彎矩 MV 688222max 扭矩 T 6570 圖 5 1 彎矩圖和扭矩圖 3 按彎扭合成應力校核軸的強度 根據(jù)式 15 5 及上表中的數(shù)據(jù) 以及軸單向旋轉 扭轉切應力 取 軸的計6 0 算應力 MpaWTMca 1 28201 98684 3222 已選定軸的材料為 45Cr 調(diào)質(zhì)處理 由表 15 1 查得 因此70P 1 故安全 1 ca 27 4 鍵的選擇 采用圓頭普通平鍵 A 型 GB T 1096 1979 連接 聯(lián)接車輪的平鍵截面 齒輪與軸的配合為 滾動軸承與軸mlhb124 Mpap10 76Hr 的周向定位是過渡配合保證的 此外選軸的直徑尺寸公差為 m 5 3 3 鍵的校核與壽命計算 1 選擇鍵聯(lián)接的類型和尺寸 小帶輪處選用單圓頭平鍵 尺寸為 lhb124 2 校核鍵聯(lián)接的強度 鍵 軸材料都是鋼 由機械設計查得鍵聯(lián)接的許用擠壓力為 MPaP0 鍵的工作長度 mbl10241 合適 PP MadlkT 75 5 062131 5 4 擺臂設計 由于盤子重量較輕 約為 M 0 5kg 所以擺臂不需要進行強度計算 擺臂尺寸只 需根據(jù)需要采用 CAD 作圖法進行匹配 結果如下圖示 圖 5 2 擺臂 5 5 吸盤的選擇 考慮到盤子表面比較平整光滑 選用硅橡膠吸盤 其具有良好的耐熱性 耐寒性 28 和極低毒性 是食品行業(yè)通常采用的真空吸盤 以普通陶瓷盤子為例 口徑大約為 190mm 高約為 20mm 厚度約為 5mm 質(zhì)量 約為 M 0 5kg 則提起該盤子吸盤需要的提升力為 F Mg 4 9N 這里選取型號為 ZP10DS 的 SMC 深形硅橡膠材料的真空吸盤 查該型號真空吸 盤的水平提升升力表可知 在真空壓力值為 300mmHg 時 準 10 真空吸盤的水平提 升力為 3 2N T sF 式中 T 吸盤水平提升力 F 所需提升力 s 安全系數(shù) 取 4 故 T sF 4 4 9N 19 6N 則至少需要 7 個此種型號的吸盤工作 才能達到使用要求 本設計采用 12 個吸 盤兩排軸向均勻分布 如圖 4 所示 以適應提升其它類別盤子的需要 圖 5 3 吸盤 29 總 結 畢業(yè)設計是大學學習階段一次非常難得的理論與實際相結合的學習機會 通過這 次對變電站巡檢全向移動小車理論知識和實際設計的相結合 鍛煉了我的綜合運用所 學專業(yè)知識 解決實際工程問題的能力 同時也提高了我查閱文獻資料 設計手冊 設計規(guī)范能力以及其他專業(yè)知識水平 而且通過對整體的掌控 對局部的取舍 以及 對細節(jié)的斟酌處理 都使我的能力得到了鍛煉 經(jīng)驗得到了豐富 并且意志品質(zhì)力 抗壓能力以及耐力也都得到了不同程度的提升 這是我們都希望看到的也正是我們進行畢業(yè)設計的目的所在 提高是有限的但卻 是全面的 正是這一次畢業(yè)設計讓我積累了許多實際經(jīng)驗 使我的頭腦更好的被知識 武裝起來 也必然讓我在未來的工作學習中表現(xiàn)出更高的應變能力 更強的溝通力和 理解力 順利如期的完成本此畢業(yè)設計給了我很大的信心 讓我了解專業(yè)知識的同時也對 本專業(yè)的發(fā)展前景充滿信心 但同時也發(fā)現(xiàn)了自己的許多不足與欠缺 留下了些許遺 憾 不過不足與遺憾不會給我打擊只會更好的鞭策我前行 今后我更會關注新科技新 設備新工藝的出現(xiàn) 并爭取盡快的掌握這些先進知識 更好的為祖國的四化服務 30 參考文獻 1 趙春海 朱華炳等 基于單片機控制的自動擺盤機設計 機械工程師 2013 12 113 114 2 馬綱 王之櫟 韓松元 一種新型搬運碼垛機械手的設計 J 機械設計與制造 2000 4 2 6 27 3 張海英 基于 PLC 的氣動吸盤式工業(yè)機械手設計 J 液壓氣動與密封 2 013 3 7 4 75 4 劉勇軍 機電一體化技術 M 西安 西北工業(yè)大學出版社 2009 36 37 5 黃賢武 鄭筱霞 傳感器原理與應用 M 北京 高等教育出版社 2004 1 10 119 6 成大先 機械設計手冊 第 5 版 M 北京 化學工業(yè)出版社 2008 7 譚建榮 張樹有 陸國棟 施岳定主編 圖學基礎教程 M 高等教育出版社 2012 8 鄧星鐘主編 機電傳動控制 M 第三版 華中科技大學出版社 2012 9 嚴霖元主編 機械制造基礎 M 中國農(nóng)業(yè)大學 2013 10 鄭文緯 吳克堅主編 機械原理 M 高等教育出版社 2013 11 劉一星 王逢瑚主編 木質(zhì)建材手冊 M 化學工業(yè)出版社 2013 12 孫桓 陳作模 葛文杰 機械原理 北京 高等教育出版社 2006 58 105 13 濮良貴 機械設計 北京 高等教育出版社 2010 112 158 14 范思沖 畫法幾何及機械制圖 北京 機械工業(yè)出版社 1995 3 12 15 李益民 機械制造工藝設計簡明手冊 北京 機械工業(yè)出版社 2004 86 124 16 陳鐵鳴 機械設計課程設計圖冊 北京 高等教育出版社 2009 114 143 17 吳宗澤 機械設計課程設計手冊 北京 清華大學出版社 2010 167 275 18 工業(yè)機械手編寫組 工業(yè)機械手 上海 上?？茖W技術出版社 1985 19 王承義 機械手及其應用 M 北京 機械工業(yè)出版社 1981 105 125 31 致 謝 大學生活即將結束 在這短短的四年里 讓我結識了許許多多熱心的朋友 工作 嚴謹教學相幫的教師 畢業(yè)設計的順利完成也脫離不了他們的熱心幫助及指導老師的 精心指導 在此向所有給予我此次畢業(yè)設計指導和幫助的老師和同學表示最誠摯的感 謝 首先 向本設計的指導老師表示最誠摯的謝意 在自己緊張的工作中 仍然盡量 抽出時間對我們進行指導 時刻關心我們的進展狀況 督促我們抓緊學習 老師給予 的幫助貫穿于設計的全過程 從借閱參考資料到現(xiàn)場的實際操作 他都給予了指導 不僅使我學會書本中的知識 更學會了學習操作方法 也懂得了如何把握設計重點 如何合理安排時間和論文的編寫 同時在畢業(yè)設計過程中 她和我們在一起共同解決 了設計中出現(xiàn)的各種問題 其次 要向給予此次畢業(yè)設計幫助的老師們 以及同學們以誠摯的謝意 在整個 設計過程中 他們也給我很多幫助和無私的關懷 更重要的是為我們提供不少技術方 面的資料 在此感謝他們 沒有這些資料就不是一個完整的論文 另外 也向給予我?guī)椭乃型瑢W表示感謝 總之 本次的設計是老師和同學共同完成的結果 在設計的一個月里 我們合作 的非常愉快 教會了大我許多道理 是我人生的一筆財富 我再次向給予我?guī)椭睦?師和同學表示感謝