加工柱齿轮自动上下料机构设计【毕业论文+CAD图纸全套】

I 摘 要 在生产 效率高、工件装卸频繁的半自动机床， 自动上下料机构 能显著地 改善劳动条件，提高 生产率，降低生产成本 。 自动上下料机构是将待加工工件传送 到机床上的加工位置并将已加工工件从加工位置取下 并 送到下一工序位置的机构。 为了实现 加工柱齿轮需要的自动上下料 操作 ， 本次设计一自动上下料机构，其中 包括送料机构和机械手， 结合工件实际情况进行总体方案设计，然后进行送料机构和机械手的机械结构设计 、传动方案设计 和动力系统设计，本设计 的动力 全部采用液压驱动，送料机构 传动方案 采用链传动和齿轮齿条传动；机械手 传动方案 采用锥齿轮传动 ，根据需要实现的 夹紧 动作 ， 对机械手的执行机构进行了设计，最后，通过 用终得到了完整的加工柱齿轮自动上下料机构设计 方案 。 关键词 ： 自动上下料 ；送料机构；机械手；液压驱动 n of is to s to to of to an a a of of of to be of is of D is to a of is 论 . 1 1 总体方案设计 . 3 送料机构总体设计 . 3 机械手总体设计 . 3 2 送料机构设计 . 5 传动方案设计 . 5 传动路线设计 . 5 动力方案选择 . 5 工件传送方案选择 . 6 液压缸设计 . 7 液压缸类型选择 . 7 液压缸参数确定 . 7 结构稳定性计算 . 9 液压缸流量计算 . 10 链传动的设计计算 . 10 传动轴的设计计算 . 12 平键的选择与校核 . 15 花键的选择与校核 . 15 齿轮设计校核 . 16 3 机械手的设计 . 18 手爪的设计 . 18 手爪结构选择 . 18 手爪夹紧力计算 . 18 手爪驱动力计算 . 19 手爪结构强度校核 . 19 手臂的设计 . 21 夹紧缸的设计 . 21 摆转缸的设计 . 25 齿轮设计校核 . 27 机械手的液压系统设计 . 28 机械手的动作顺序设计 . 28 机械手主要参数设计 . 28 夹紧缸流量计算和工作压力校核 . 28 摆转缸流量计算和工作压力校核 . 30 液压系统工作原理图 . 32 液压系统其他设 计 . 33 动力元件选择 . 33 控制元件选择 . 34 助装置选择 . 35 结论 . 37 致谢 . 38 参考文献 . 39 附录 英文原文 . 40 附录 汉语翻译 . 51 1 绪论 1 课题研究目的 我国在过去 的机械 生产加工过程中 ， 大多数生产线 都是 使用 人工进行 生产过程的 上下料 操作， 这种方式在产品 单一 、 产能 较低 的情况下 比较实用 ， 可是 随着社会的 发展进步 ， 高新科技 的 逐渐研发 ， 工业产品的 换代 加快 ， 使用人工进行 生产过程的 上下料 的生产方式 就暴露出了 非常多 的 缺点和不足： 使用人工会造成劳动强度的增加 ， 非常 容易产生工伤事故 ，大部分的工伤事故发生在工件上下料 和夹紧定位过程中 ， 并且人工操作 效率十分 低下 ， 运送 工件，将工件放到加工位置，将加工好的工件取下这些工序所需要的时间占总 生产 加工时间的三分之二以上， 并且 ，因为人不像机器一样 精准，不知疲惫 ，使用人工上下料的产品质量 也不够稳定 ， 无法 满足大批量生产的需求。 本次设计的自动上下料机构就是为了代替人工进行上下料而设计的，自动上下料机构 主要应用在工厂产线上的输送上下料、工件翻转、工件定位等。 使用 自动上下料机构，有 这么 几个 好处 ： （ 1） 生产效率 显著提 高：自动上、下料 操作 取代了人工 进行 操作，这样就可以很好的控制 上下料的节奏 ，避免了由于人为因素而对生产 节奏 产生 不良影响 ， 显著 提高了生产效率。 （ 2） 工伤事故大大减少 ： 通过机器自动上下料完成工件加工定位输送等一系列工序，有效减少发生在这些工序中的工伤事故 。 （ 3） 加工 质量 大大加强 ： 使用 自动 上下料机构 ，从上料，装夹，下料完全由 机器进行 ， 杜绝 了 人手加工的出错可能 ， 加工 成品 质量大大提高。 2 课题研究现状 使用 机械手 辅助生产 在 上 世纪五十年代就 已经出现 。 最初使用来辅助搬运工件的，主要实现了上下料和搬运工件的自动化操作， 随着 科技不断发展 ,目前机械手已经可以进行很多更复杂的操作，对于解放人力有很大帮助 。 假如 把工厂里使用的机床 都加上自动操作的机械手对于我国工业生产有很大帮助 。 如今的社会 ， 使用 自动上下料 机构辅助生产 在 各个工厂制造过程中十分普遍 ， 上下料 过程的 去人工化 不仅 能显著提高 生产 效率 ， 将工人 从 重复枯燥 的 操作 中 解放 ，而且对2 提高产品质量，降低成本， 提高生产效率有很大 作用。随着 信息化技术的普及 ， 如今 自动化上下料装置 智能程度越来越高 ， 对人工操作的依赖越来越少，生产效率十分之高 。 伴随科技的发展 ， 自动化操作装置 出现了 越来越多的新技术，新方法 。自动化 操作技术 开始进入中小批量生产领域。在 机械手普及 之前， 可以 实现自动化的 地方很少 。为了解决这一问题 而发展起来的 机械手 有 非常不错 的 发展未来 。 随着我们伟大祖国科技发展日新月异 ,工业生产领域 自动化程度 越来越高 ,工件的 自动上下料，装夹，加工等操作过程已经越来越多的使用上了机械手等先进设备，工业生产 的自动化， 在人们心里已经越来越重要 。自动上下料装置和机械手就是为自动化 操作提供帮助 而设计的。 3 课题发展趋势 自动化 上下料 机构发展大体是 三 个方向： （ 1） 使用更加智能的 控制系统， 越来越多的使用传感器，控制器 ， 使用更新的 算法， 更 复杂的控制系统。 （ 2） 使更有性价比 的模块， 在可以满足加工要求的基础上 ， 使用更加 经济 的模块，大量使用已经完成标准化，市场化的元器件 。 （ 3） 使用更加节能的动力系统，环境保护的需求越来越大，使用更加绿色环保，更加节省能源的动力转换系统是大势所趋。 4 课题理论要求 本次设计的 上下料机构 应该满足以下条件： （ 1） 送料机构能自动将工件送到机械手需要夹取的地方 ； （ 2） 机械手可以将工件方向旋转九十度，并送到机床加工位置 ； （ 3） 结构简单 ，经济实用，易于制造 。 3 1 总体方案设计 本次所设计的课题是 :主动柱齿轮自动上下料专用机构， 需要进行上下料操作的零件是 一个 主动柱齿轮，该零件的 质量 约为 5，产量为大 批量生产。为了提高加工质量和 生产效率 、 减少工人枯燥的重复劳动 、 提高良品率 ，将 这 部分工序自动化，由自动化上下料机构 代替 工人 手工操作 进行送料、上下料 、装夹 等，既减少了工人的 劳动时间，又降低了工伤概率 ， 还能 提高生产效率，稳定 提高 产品质量 ，并且 降低成本。 送料机构 总体 设计 根据设计要求， 需要送料机构间歇运动，在机械手夹取工件时停止运动来配合机械手的操作。 比较电动、气动、液压等传动方式后，根据实际需要选用液压传动 送料机构 ， 采用液压缸压力驱动，链条链轮、齿轮齿条传动，实现传送工件的目的 。其中为了实现液压活塞杆直线往复运动，而传送带始终一个方向间歇运动的操作，可将齿轮传动需要的齿轮设计为 用锯齿形齿，即当齿条向工件移动的相反方向移动时，锯齿虽然接触但不产生反作用力，不能够推动轴旋转，从而使传送带单向间歇运动 。 机械手总体设计 根据设计要求， 机械手需要两个自由度才能完成上下料的工作：手腕绕手臂作 180的旋转运动；手臂和手腕整体作一个绕支柱 90的完整旋转运动。 因为机械手要实现夹取功能 ， 所以 我们采用滑槽式 结构的手爪 。 通过综合考虑 选用液压传动机械手 ，因为 易于实现往复运动，实现较大范围的无级变速，可实现快速而且无冲击的变速和换向，易于获得较大的力和力矩、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏 ，最重要的是经济性好，结实耐用，能适应各种恶劣的加工条件 。安排夹紧液压缸，回转液压缸来分别实现夹紧松开 工件 、转动 手臂 等 各项功能。 4 图 械手 总体装配 示意图 最后，将送料机构及机械手机构 合在一起， 形成一个完整的 加工柱齿轮用的自动上下料机构，以完成 加工主动柱齿轮的 上下料操作。 5 2 送料机构设计 传动方案设计 传动 路线设计 工件的传动路线如下： 工件放 在送料机构的传动链上送料机构将工件输送到机械手 夹持位置后停止机械手夹持工件，将工件放 到加工位置 机械手回位 送料机构将下一个工件输送到机械手夹持位置，如此反复，可以实现工件的自动上下料 。 动力 方案 选择 动力 方案 要求不仅能达成设计功能，还应达到 可靠 性好 ，结构 紧凑，传动效率高，维修方便， 适应性好，经济性好 等要求，将拟订的 三 种传动方案 ： 行比较， 根据课题需要 综合比较出 合理 的 动力 方案。 1、 液压传动的 特点： （ 1）结构上 ： 单位 质量上 的输出功率和单位 空间内的 输出功率在三种传动方式中 是最高的 ， 而且具有 体积小、重量轻、 结构简便的优点 。 （ 2） 性能上 ： 液压传动的 速度、扭矩、功率 都 可 以进行 无级调节，调速范围宽，换向容易，可以较方便地实现工作机构旋转和直线往复运动的转换； 电脑控制也 方便 ，便于实现自动化。 （ 3）使用 上 ： 操作方便 ，自动化程度高；元件的自润滑性好，易实现过载保护与保压，安全可靠 。 （ 4） 经济性上：由于采用油液为工作 介质，元件相对运动表面间能自行润滑，磨损小，使用寿命长 。 （ 5）油液温度有一定要求，不 宜过高过低，维护清理较 繁琐 ，传动比 不是十分 精确。 2、 气压传动的 特点： （ 1）以空气作为工作介质， 不担心来源 ，不污染环境，与液压 需要回油相比，不必设置回气管道。 （ 2）因空气的黏度很小，流动阻力小，所以便于集中供给 输送。 （ 3） 气压传动操作响应快， 控制方便 。 6 （ 4）工作环境适应性好 ，在恶劣环境下 ，气压传动系统工作安全可靠。 （ 5） 稳定性 不好 ， 对速度和位置的 控制精度 不是很高 。 （ 6）噪声大， 特别是需要 排气时， 必须 加消音器。 3、 电气传动的 特点： （ 1）精确度高：有良好的调速性能，调整范围广，响应速度快。 （ 2）控制精密：在高精度传感器、计量装置、计算机技术支持下 控制非常精密 （ 3）利于环保：使用能源品种少，污染源少，噪音小， 利于环境保护 （ 4）机械特性硬度小稳定性差，传递功率小 （ 5）电动机的工作环境要求较高，需要空气中不含易燃易爆和防腐蚀的气体。 分析如下： （ 1）如选气压传动，会造成间歇传动中的定位不准 ， 稳定性差， 而且产生的噪声也大，工作环境 很 差 ， 故不选用气压传动。 （ 2）如选 电气传动 ，不仅设备成本增加，而且 需要另设置单独的控制系统， 并且电机在频繁制动 过程中容易损坏，故不选用 电气 传动 。 （ 3）如选液压传动， 不仅可以达到 设计要求，而且相比气压传动，工作平稳，稳定性好，噪声很 小 ；相比电气传动，成本较低，结实耐用，经济性好。 工件传送 方案 选择 1、带传动 优点： （ 1） 适用于两轴中心距较大的传动 （ 2） 带具有良好的挠性，可缓和冲击，吸收振动 （ 3） 过载 保护好 ；结构简单、成本低廉。 缺点： （ 1） 由于打滑，不能保证固定不变的传动比 （ 2） 传送 带的寿命 不是很长 ；传动效率 不是很高 。 2、链传动 优点： （ 1） 承载能力高 （ 2） 适用于恶劣的工作环境 7 （ 3） 传动 效率高 （ 4） 经济性好 。 缺点： （ 1） 工作时有噪声 （ 2） 存在冲击、振动 综合比较后，选择链传动方案输送工件。 最后， 通过联轴器将活塞杆和齿条连接在一起， 齿轮齿条传动将液压传动和链传动连接在一起， 齿条和齿轮啮合 ，齿条上 并有锯齿， 将齿轮安 装在 传动 轴上。液压驱动 齿条往复 运动，齿条的 往复运动 带动齿轮旋转，齿轮旋转使锯齿相互啮合，带动另外 带有锯齿的齿轮旋转，然后 该齿轮 通过键配合带动轴旋转， 轴带动链轮旋转， 使链条转动，输送在链条上的工件 。 需要注意 工件 移动只能 是一个方向， 不能往返移动 。 所以需要用锯齿形齿的配合来实现， 当齿条 向工件移动的相反方向移动时，锯齿虽然接触但不产生反作用力，不能让轴旋转，工件不动，实现工件单向间歇移 动。 液压缸 设计 液压缸类型 选择 从 液压缸 实际作用看 ，选用双作用单活塞杆液压缸。 液压缸参数确定 1、 液压缸工作负载的确定 工作负载计算如下式： F=g+ (式中： 齿轮与支座之间的摩擦 ，估算为 100N 运动部件速度变化时的惯性负载 ，估算为 200N 整个传动系统中存在的摩擦阻力 ，取 1500N F=100+200+1500=1800N 考虑到在实际情况 有动力损失， 将工作负载 取为 2000N 2、 液压缸内径 8 D=P (式中 D 液压缸内径， m F 液压缸推力， 系统工作压力，根据经验取 1=1=50d=5、壁厚和外径计算 液压缸的壁厚 一般来说是指 缸筒 外壁 最薄处的厚度。 由于本次设计的液压缸压力很小，通过公式计算的壁厚很不准确，所以根据经验 取壁厚 =10缸筒外径 +2=50+102=70、 行程确定 液压缸的工作行程长度 根据 齿轮齿条需要 的最大行程确定。根据需要运送的工件的尺寸 ，再加上工件之间 需要保持 适当距离，取 工作行程 为 208 4、 缸盖厚度的确定 液压缸为平底缸盖 ,缸盖 厚度 算： t(式中 t 缸盖有效厚度 ( 缸盖止口内径 ( 0mm 缸盖孔的直径 ( 缸盖材料的许用应力 ,其材料为 =25 t0 025(50了预留螺纹孔长度和密封圈位置，取 t=14、最小导向长度的确定 当活塞杆全部外伸时 ,从活塞支承面中点到缸盖滑动支承面中点的距离 向长度过小会影响液压缸的稳定性 ,设计时需保证有最小导向长度。 9 一般的液压缸 ,最小导向长度 H 按下式计算 : H 2 (式中 L 液压缸的行程； D 液压缸的内径。 H20820 +502 =了稳定性考虑 ， 活塞和缸盖之间加一隔套 ， 活塞采用螺纹螺母固定 6、 活塞宽度 活塞的宽度 =(, 则夹紧缸的活塞宽度 B=30 50 B=34压缸内部的长度应是活塞的行程和活塞的宽度 和螺栓还有隔套宽度之和 。缸体的外部长度 为内部长度加上 两端盖的 总 厚度，所以液压缸的外部长度 可以估算 为+t=290+230=350 结构 稳定性 计算 1、活塞杆 的稳定性验算 活塞杆受 其轴向负载 F 超过稳定临界力 ，即失去原有直线状态下的平衡的状态 称 之 为失稳。但 因为活塞杆的长度 20/25=小于 10， ,所以不必进行稳定性校核。 2、 活塞杆强度校核 = 4 (式中 空心活塞杆内径 ,对 于 实心活塞杆 ； 活塞杆材料的许用应力，其材料为 45钢，安全系数为 =355/53= 41800（ 252=253以活塞杆强度满足要求。 10 液压缸 流量 计算 (1)当压力油输入有杆腔 , 使活塞以速度 所需输入液压缸的油量为 : 由公式 40(1 (式中 D 液压缸的内径 ( D=500 d 活塞杆的直径 ( d=25 输入无杆腔的流量 (L/ 活塞的移动速度 (m/ 活塞的工作行程 L=208退共需时间约 t=3s， 则 (4=2)当压力油输入无杆腔 ,使活塞以速度 进 所需输入液压缸的油量为 : 由公式 40 ( 式中 D 液压缸的内径 ( D=502 输入无杆腔的流量 (L/ 活塞的移动速度 (m/ 活塞的工作行 程 L=208进 共需时间约 t=1s， 则 52链传动的设计计算 链传动在送料机构中 负责将 工件送到 指定 的位置。本次设计中为了使链条采购方便，采用套筒滚子链，初步选取 电机 功率 P=1轮的转速 5r/且 因为 工件 需要 在水平线上移动，因此选取两链轮的直径大小相同 ，从而使工件水平移动 。 初步选取传动比为 i=1。 轮 齿数 11 根据经验， 链轮齿数 奇数，链节数 偶数时，可使链条和链轮齿磨损均匀，选取 主动链轮 5。 因为 i=2，即 1=5。所以 5，所以 从动链轮的齿数为 25。 (式中 工况系数， 取 z 主动链轮齿数系数，取 传递功率 =根据 5r/资料可选 16号，链条节距为 p= 初选中心距 （ 30 50） p=（ 30 50） 621000应的链长节数为： z1+225+252 =避免过度链节，元整为偶数， 取链长节数 04，因为两链轮齿数相等，所以最大中心距为： p041004v，确定润滑方式 v= 000=2525000 =s 经过换算线速度角速度， 和齿条工进速度吻合。 由 v=s，和链号 16资料可知应采用定期人工润滑 ，用油壶或油刷定期在链条松边内，外链板间隙中注油，每班注油一次 。 p 有效圆周力为： 000P/v=10001/787N 链轮水平布置时的压轴力系数 压轴力为 e=787=4356N 链条型号 16轮齿数 z1=5；链节数 04，中心距 a=1004 12 查资料得 16A 滚子链规格如下节距 p=子直径 链节内宽轴直径 链板高度 链传动分度圆直径 d=p/(z)=202顶圆直径： d+202+d +（ 1） 202+ 齿顶圆直径 取 210根圆直径： df=86轮厚度取 16度校核 对于 v其主要的失效形式是链条静力拉断 ,故低速链应该按静强度条件进行计算 可依据已知条件 和 初选链条的型号 ,然后进行校核计算 。 静强度应满足下式 : S= 8 (式中 S 静强度安全系数 Q 极限拉伸载荷 载荷 ,查得 16A 型号为 有效圆周力 ,3787N 载荷系数 ,取为 S= 5560013787=8 所以，选用 16号滚子链满足强度要求，可以选用。 传动轴的设计 计算 根据本次设计中机构的 要求 ,选择传动轴为直轴 ， 轴上的传递功率近似估计为 1的转速和链轮的转速是相同的 ,由前计算可知 n=25r/因此轴的转矩为 T=9550 (p/n)=382N m 1、 选择轴的材料并确定许用应力 选择轴的材料为 45 钢 ,调制后 使用 。 查得 循环变应力时 许用 弯曲 应力为 603 2、 确定轴的 最小 直径 按照扭转强度估计轴输出端直径 查 资料找到 03 126,取 120 由 d=得 d=1201000253 =42 考虑到有键槽 ,将直径增大 5%,则 43、 轴的结构设计 轴上零件的定位、固定、装配 在本次设计中 ,轴做成阶梯型，前段和齿轮配合，后段和两个对称的链轮配合，中间装有轴套，轴承等零件。 （ 1） 确定轴各个阶段直径和长度 段 和链轮配合 ,这部分 是送料机构的主要零件 ,考虑到所传递的功率 ,直径 稍微 取 大一 些 ，取 直径 5度 45合的轴承 选 用 6011型号的深沟球轴承 (d=55、D=90、 B=18)。 段主要是和 齿轮 配合，装有 花键、弹簧及起固定作用 ,再 根据前文 中所确定的 最小轴径 ,选其直径为 0度为 48 具体设计见零件图。 （ 2） 强度校核 按 弯扭组合 强度条件校核。 根据传动情况 ,可估计圆周力 000N,轴向力很小忽略不计 ,径向力 000N，根据装配情况，根据经验得出 两个对称 链轮 的中心 位置截面为危险截面 C，到 右边 支撑点距离为 L=50左边支撑点距离为 l=150 14 图 的弯矩图扭矩图 1、计算支反力 由平衡方程 M=0， F=0 得出 2=000N| 2、 计算弯矩 : 垂直 弯矩 ： L=50N m 水平弯 矩： D/2=300 N m 合成弯矩： 04N m 3、 扭矩 T=9550 P/n=382 N m 4、 计算当量弯矩 转矩产生的扭剪应力按脉动循环变化 ,取 =面 T)2=3042+(82)2=380N m 5、 校核危险截面 C 的强度 15 = 8053 = (式中 N 夹紧力 （ N）； f= 工件 重量 （ N）； 19 f 摩擦系数，钢对钢 f= N245N 手爪驱动力 计算 用液压夹紧缸驱动手爪夹紧松开，采用 连杆传动 的手爪结构 。 (1)理论驱动力 计算： P=2b(N/a (式中 a 支点到对称中心线距离 a=15 b 支点 到 支撑点 距离 b=56 工件夹紧时滑槽与两支点连线夹角 =45； P=256(2245/15=896N (2)实际驱动力 计算 : 计算手爪 实际驱动力 ， 考虑 工件运动 产生的惯性力 、振动 及传 动效率等因素 的作用，由公式 ： P (式中 安全系数 ,一般取 2,取 工作情况系数，主要考虑惯性力的影响，取 手部的机械效率，取 = 896642N 手爪结构 强度 校核 (1)螺钉销 剪切强度和挤压强度 校核 螺钉销 的材料为 45钢 ,属 塑性材料。则许用应力 = (式中 s 屈服极限， 45钢的屈服 极限 s=355 n 安全系数，对于塑性材料 n n= 则 45钢的许用应力为 =355/970 许用剪切应力为 =(=148 158 =150 许用挤压应力为 (=334 394 350 螺钉销 的剪切应力条件为 = (式中 Q 剪切面上的 力， Q=P 实 /2=821N； A 剪切面面积 ， A=98 = =150 螺钉销 的抗剪强度满足要求。 螺钉销 的挤压应力条件为 (式中 P 挤压面上的挤压力； 挤压面的 面积。 350 螺钉销 的挤压强度满足要求。 (2)连杆 的剪切强度 和挤压强度校核 连杆的材料为 45 钢 ,由上文 许用剪切应力为 =(=148 158 =150 许用挤压应力为 (=334 394 350 螺钉销的剪切应力条件为 = =150螺钉销的抗剪强度满足要求。 螺钉销的挤压应力条件为 350螺钉销的挤压强度满足要求。 根据机械手 爪的设计要求以及为了 结构简单 ,手爪 与 夹紧缸 直接通过 活塞杆 连接 ，无需设计腕部 。 21 手臂 的设计 手爪 拉杆 通过 螺钉 和夹紧缸的活塞杆相联接 ,拉杆连在空心轴里套在导向缸中， 各部分具体结构设计分析如下 ： 夹紧缸的设计 图 紧缸装配示意图 1. 液压缸 尺寸设计 (1) 液压缸工作压力的确定 不同负载条件下，液压缸的工作压力不同，通过查表可知由