机械设计说明书-无心磨床步进式送料机械手总体设计

无心磨床步进式送料机械手设计--2无心磨床步进式送料机械手总体设计2.1无心磨床步进式送料机械手设计目的由于我国的制造业正处于转型阶段，而随着劳动力成本的逐渐提高，传统的劳动密集型的产业急需生产自动化改造。本论文设计的自动上下料机械手能够与无心外圆磨床配合使用，满足无心磨床自动上下料要求，不仅降低了工人的劳动强度、节约生产成本，也提高设备的利用率和企业的生产效率，为企业自动化改造奠定了一个良好的基础。2.2确定无心磨床步进式送料机械手设计主要内容无心磨床步进式送料机械手设计中送料机构分为上料和下料机构，都是主要由钢结构、机构与气动系统三大部分组成。刚结构主要指基座、活动板之类结构，机构值得是那些传动原件，例如连杆、齿条等；气动系统即气缸。2.2.1上料机构的组成及工作原理上料机构主要用于实现工件的提升。它是无心磨床送料机构中最重要、最基本的机构，其工作的好坏直接影响整台无心磨床的工作性能。上料机构通常有以下几个方面的任务：提升工件位置到指定位置。机构能够以各种不同的速度起升。能够随时制动，使工件停留在空中任意位置。在电动机突然断电的情况下，工件能够悬在空中。当电机通电后，整个机构恢复正常工作状态。上料机构由驱动装置、工件带动装置、取物装置和安全保护装置等组成。驱动装置包括气缸、电动机、联轴器等部件。工件带动装置包括基板、斜板。取物装置有支撑座。安全保护装置有超重负荷限制器、上升高度限位器、下降深度限位器等。各大部件根据实际需要配用。如下图2所示：5432154321图2上料机构1：工件带动装置2：取料仓3：气缸4：限位器上料机构工作原理：利用气缸作为1的上下运动动力，载着工件到达指定高度，在沿着设计的斜坡依靠重力滑落到机械手工作的指定位置，2是放置待加工工件的仓库，1为重点工作部件，主要带动工件运动，与气缸连接。5为机械手工作位置，作用是固定待加工工件，不可移动。气缸两侧支撑螺栓刚做限位器，限制工件的最低位置；工件通过的那个长间隙可以通过黄色位部分移动而控制。图3斜板如图3，这个斜坡是上料机构的亮点，也是上料机构的重点，工件到达与间隙同意高度时会因为重力滑落到机械手工作位置，即支撑座；图4支撑座如图4所示为支撑座，是固定件，不能移动。图5取料仓如图5位取料仓。图6气缸如图6为本次设计用的气缸。气动送料机基本功能可以完成准确的送料时间，达到精确的送料位置。2.2.2下料机构的组成及工作原理下料机构主要用于对已加工过的工件的放置，保证工件的加工精度，起到保护的作用，下料机构通常有以下几个方面的任务：1）平稳移动工件到指定位置。2）机构能够以各种不同的速度起升。3）能够随时制动，使工件停留在空中任意位置。4）在电动机突然断电的情况下，工件能够悬在空中。5）当电机通电后，整个机构恢复正常工作状态。下料机构主要由动力原件、传动系统、活动板组成，动力原件是气缸，传动系统由皮带、皮带轮、连杆、齿条、齿轮组成。放料台用来放置加工好的工件并随着传动系统带动工件运动。如下图7所示：1110798611107986图7下料机构6：气缸；7：放料台；8：皮带轮、齿轮、连杆；9：皮带；10：机构框架；11：基座。下料机构工作原理：气缸前后运动带动齿条移动，然后齿条带动中间齿轮转动，依靠同轴带动两侧齿轮做相同运动，由皮带连接导致皮带轮转动，再因为同轴连杆摆动，进而放料台做曲线运动，达到移动工件的目的。如下图8、9所示为下料机构的运动示意图：图8：下料机构图9：下料机构运动示意图如图所示，工件的运动轨迹是曲线。加工过程若干个相同的被输送的工件的间隔相等的距离，在导轨上依次间歇移动，即每个零件耗时t移动距离a后间歇时间T,考虑到动停时间之比的值较特殊，以及耐用性、成本、维修方便等因素，不宜采用槽轮和凸轮等高副机构，而应设计平面连杆机构。图10：传动系统图10：传动系统图11：皮带轮图11：皮带轮图11位用的皮带轮，采用双向皮带轮，作为连杆和齿轮的纽带。图12：皮带图13：连杆3各工作机构校核图12：皮带图13：连杆3.1气缸的选定与计算由设计任务可以知道，要驱动的负载大小位140N，考虑到气缸未加载时实际所能输出的力，受气缸活塞和缸筒之间的摩擦、活塞杆与前气缸之间的摩擦力的影响，并考虑到机械爪的质量。在研究气缸性能和确定气缸缸径时，常用到负载率 β： （1（1）表1由《液压与气压传动技术》表1：表1运动速度v=30mm/s，取β=0.7，所以实际液压缸的负载大小为：F=F0/β=200N3.1.1气缸内径的确定：表2D=1.27FP=1.271633.3F—气缸的输出拉力N；P—气缸的工作压力Pa按照GB/T2348-1993标准进行圆整，取D=20mm表3气缸缸径尺寸系列（110）8（110）（140）12510（140）12512（180）16016（180）16020（220）25（220）3225040250400320504003206380630（90）6301002002005005003.1.2活塞杆直径的确定由d=0.3D估取活塞杆直径d=8mm表4活塞杆直径系列表4活塞杆直径系列3.1.3缸筒长度的确定缸筒长度S=L+B+30L为活塞行程；B为活塞厚度活塞厚度B=(0.6~1.0)D=0.7×20=14mm由于气缸的行程L=50mm,所以S=L+B+30=886mm导向套滑动面长度A:一般导向套滑动面长度A，在D<80mm时，可取A=(0.6~1.0)D；在D>80mm时,可取A=(0.6~1.0)d。所以A=25mm最小导向长度H：根据经验，当气缸的最大行程为L，缸筒直径为D，最小导向长度为：H带入数据,最小导向长度H=80mm。3.1.4气缸筒的壁厚的确定由《液压气动技术手册》可查气缸筒的壁厚δ可根据薄避筒计算公式进行计算：（2）（2）δ—缸筒壁厚（m）；D—缸筒内径（m）；P—缸筒承受的最大工作压力（MPa）；σ—缸筒材料的许用应力（MPa）；实际缸筒壁厚的取值：对于一般用途气缸约取计算值的7倍；重型气缸约取计算值的20倍，再圆整到标准管材尺码。参考《液压与气压传动》缸筒壁厚强度计算及校核σ=σbn,我们的缸体的材料选择45钢，σb=600MPan为安全系数一般取n=5；σb缸筒材料的抗拉强度P—缸筒承受的最大工作压力（MPa）。当工作压力p≤16MPa时，P=1.5p；当工作压力p＞16MPa时，P=1.25p由此可知工作压力0.6MPa小于16MPa，P=1.5p=1.5×0.6=0.9MPa参照下表气缸筒的壁厚圆整取δ=7mm表5气缸筒的壁厚表5气缸筒的壁厚3.1.5气缸耗气量的计算Q=πD24ts=3.1.6气缸进排气口直径d0v—空气流经进排气口的速度，可取v=10~15选取v=12m/s由公式d0=2Qπv代入数据得d0=2×1.85×表6气缸进排气口直径表6气缸进排气口直径所以取气缸排气口直径为15mm—工作压力下输入气缸的空气流量（m3sV空气流经进排气口的速度，可取v=10~25。3.1.7活塞杆的校核由于所选活塞杆的长度L>10d，所以不但要校核强度校核，还要进行稳定性校核。综合考虑活塞杆的材料选择45钢。参考《机械设计手册单行本》由《液压气动技术手册》稳定性校核：由公式FP0≤FK式中FP0—活塞杆承受的最大轴向压力（N）；FP0=1633NFK—纵向弯曲极限力（N）；nK—稳定性安全系数，一般取1.5~4。综合考虑选取2K—活塞杆横截面回转半径，对于实心杆K=d/4代入数据K=25/4=6.25mm由于细长杆比LK≥85m即FK=实心圆杆：J=πd式中L—气缸的安装长度；m—末端系数；选择固定—自由m=1/4E—材料弹性模量，钢材E=2.1×1011Pa；J—活塞杆横截面惯性矩（m4）；d—活塞杆的直径（m）；表7L—气缸的安装长度为活塞杆的长度为86mm代入数据得FK=2.685×10因为FKnK=1.34×104强度校核：由公式d≥4Fσ=σbn，n为安全系数一般取n=5；45钢的抗拉强度，σb=600MPa，σ=σb则4Fp0πσ综上所述：活塞杆的稳定性和强度满足要求。图12下料气缸如上图12即为所选气缸。3.2下料齿轮参数的选择齿轮模数值取值为m=2，主动齿轮齿数为z=20，压力角取α=20°，齿轮螺旋角为β=°，齿条齿数应根据转向轮达到的值来确定。齿轮的转速为n=10r/min，主动小齿轮选用20MnCr5材料制造并经渗碳淬火，而齿条常采用45号钢或41Cr4制造并经高频淬火，表面硬度均应在56HRC以上。为减轻质量，壳体用铝合金压铸。齿轮几何尺寸确定齿顶高ha=m齿根高hf=齿高h=ha+hf=4.25+5.5=9.75mm分度圆直径d=mz/cosβ=28mm齿顶圆直径da=d+2ha=28+2×4.25=32mm齿根圆直径df=d-2hf=28-2×11基圆直径法向齿厚为=3.15mm端面齿厚为=2.36mm分度圆直径与齿条运动速度的关系d=60000v/πn1齿距p=πm=3.14×10=31.4mm齿轮中心到齿条基准线距离H=d/2+xm=13mm齿根弯曲疲劳强度计算齿轮精度等级、材料及参数的选择由于转向器齿轮转速低，是一般的机械，故选择8级精度。齿轮模数值取值为m=2，主动齿轮齿数为z=20，压力角取α=20°.主动小齿轮选用20MnCr5或15CrNi6材料制造并经渗碳淬火，硬度在56-62HRC之间，取值60HRC.齿轮螺旋角初选为β=°，变位系数x=0.7齿轮的齿根弯曲强度设计。（8（8）（1）试取K=1.3（2）斜齿轮的转矩T=221N·m（3）取齿宽系数（4）齿轮齿数Z=20（5）复合齿形系数=3.32（6）许用弯曲应力=0.7=0.7920=644N/为齿轮材料的弯曲疲劳强度的基本值。≧9.9试取=10mm(7)圆周速度d=61.348mmb=d=0.8×61.348=49.0784取b=49mm（9）（9）(8)计算载荷系数1）查表得使用系数=12）根据v=0.032m/s,和8级精度，查表得,3）查表得齿向载荷分布系数=1.154）查表得齿间载荷分布系数5）修正值计算模数＝9.215故前取10mm不变．齿面接触疲劳强度校核校核公式为（10（10）许用接触应力查表得安全系数查表得弹性系数；查表得区域系数；重合度系数螺旋角系数由以上计算可知齿轮满足齿面接触疲劳强度，即以上设计满足设计要求。图13齿轮3.3齿条的设计根据齿轮齿条的啮合特点:齿轮的分度圆永远与其节圆相重合,而齿条的中线只有当标准齿轮正确安装时才与其节圆相重合.齿轮与齿条的啮合角永远等于压力角.因此,齿条模数m=2,压力角齿条断面形状选取圆形选取齿数z＝56，螺旋角端面模数端面压力角法面齿距π端面齿距齿顶高系数法面顶隙系数齿顶高齿根高齿高h=ha+hf=23.35法面齿厚S端面齿厚St图14齿条3.4齿轮轴的设计由于齿轮的基圆直径=10，数值较小，若齿轮与轴之间采用键连接必将对轴和齿轮的强度大大降低，因此，将其设计为齿轮轴．由于主动小齿轮选用20MnCr5材料制造并经渗碳淬火，因此轴的材料也选用20MnCr5材料制造并经渗碳淬火。查表得：20MnCr5材料的硬度为６０ＨＲＣ，抗拉强度极限，屈服极限，弯曲疲劳极限，剪切疲劳极限，转速n=10r/min根据公式（11（11）忽略磨损，根据能量守衡，作用在齿轮齿条上的阻力矩为，作用在齿轮上的轴向力为，作用在齿轮上的切向力为弯曲疲劳强度校核＝F／＝33.77/3.140.43MPa<525Map剪切疲劳强度校核=F/=，抗拉强度校核满载时的阻力矩为齿轮轴的最小直径为d=８mm，在此截面上的轴向抗拉强度为＝F／=1.55/3.1414=0.229MPa<1100Mpa本设计选择齿轮轴直径D=8。3.5皮带皮带轮计算(1)设计功率（kw）=P（12）—工况系数，载荷变动小，每天工作大于16小时，轻载启动，取=1.2;P—传递的功率，P=3.0KW=P=1.2=3.6KW(2)根据和转速选取普通V带查机械设计(孙志礼主编)图3-12,选A型V带。(3)传动比i由于采用变频器控制转速，且考虑到立轴尺寸，传动比可定为i=0.9。(4)带轮基准直径查机械设计（孙志礼主编）表3-6,取=26mm，=26mm。 (5)带速（m/s）（13）代入数据，得=13.74m/s<（普通V带=25~30m/s）(6)初定轴间距,取=600mm。(7)所需带的基准长度(mm)=2+(14)此时，最后代入数据,计算得=85mm查机械设计（孙志礼主编）表3-3,取标准值=80mm。(8)实际轴间距aa≈+,代入数据,得a=60.2mm,取整得a=60mm。(9)带轮包角=180°(10)单根V带的基本额定功率(kw)由传动设计手册查得：带轮基准直径=22mm,带轮转速=3000r/min=366.52rad/s时,A型V带单根基本额定功率为:=1.07kw(11)单根V带的基本额定功率增量单根V带的基本额定功率增量=kW(15)Kw—弯曲影响系数，A型V带：Kw=1.03×10-3Ki—传动比系数，i=1.00~1.04时，Ki=1.00带入如上数据，计算得：=0kw(12)V带的根数(16)—小带轮包角修正系数，查表得=1；—带长修正系数，查表得=0.96；代入数据，得=3.50，考虑到污泥的性质变化会影响载荷的波动及离心机转子较大的转动惯量，为安全起见，并取整，令=4。V带最多使用根数见表8。表8V带最多使用根数V带型号YZABCDE1256889A型V带=5，取=4合理。(13)单根V带的预紧力(N)=(17)q—V带每米长的质量（kg/m）,查表机械设计手册得，对于A型V带q=0.10kg/m，代入数据，得=68.01N。(14)作用在轴上的力(18）代入数据得,=544.08N。(15)带轮的结构和尺寸(查机械设计手册)A型槽型；基准宽度=11.0mm；槽深h=11.5mm基准线上槽深=2.8mm；基准线下槽深=8.7mm；槽间距=15mm；槽边距=0.6mm,取=0.5mm；最小轮缘厚=1mm,取=1.5mm；带轮宽，代入数据，得=2mm。带轮外径，代入数据，得=26mm≤118mm,所以取轮槽角=34±0.5°图15皮带皮带轮如上图15位皮带皮带轮。参考文献4总结与展望4.1工作总结无心磨床步进式送料机械手作为运输机械中比较重要的一种，在机械行业中得到了广泛的运用。主要针对无心磨床设计的一种送料机构，提供规范行的加工精度和效率，达到一步一位的精确控制，在送料机构中有着突出的优点。本文主要针对了无心磨床上下料机构总体设计。总体设计总体设计以以往的设计资料为参考。总体设计主要的工作在于初定整机的机构形式和结构主要尺寸，计算分析整机的主要载荷情况并确定载荷大小，对载荷进行分类和组合，在此基础上校核整机的抗倾覆稳定性。在总体设计中，由于时间仓促，而且是第一次设计无心磨床送料机构，对送料机构的各种情况不太了解，所以设计时很多的参数是估算的。4.2工作展望本次毕业设计时间有限，在这之前也没有涉及过任何的关于无心磨床送料机构的设计，对送料机构的知识不太了解。之前有做过机械设计方面的课程设计，但要求相对来说容易很多。本次毕业设计要求我们在相对短的时间内，自己完全独立的设计一套送料机构，知识储备要求很高，需要我们以前学过的全部的专业知识，对于初次进行如此大工程量设计的我来说，难免会存在一些不足之处，希望从以下几个方面作进一步的完善：对于送料机构的重量、机构上关键的机构的宏观尺寸的确定，本文采用的方法比较粗略，数值不是十分精确，等待以后更精确的计算方法和数值确定。本文的设计方法主要参考的是十几年前的设计手册，由于我国经济社会发展太快，而书籍的更新远远落后于技术的更新，所以本文的设计还存在很多的落后之处。尽管为了较好的完成毕业设计的任务，我已经搜罗了大量的文献资料，也在图书馆借阅了很多的书籍，但对于设计一台起重机这样的工程如此浩大的事情，仍然会时常感到力不从心，感叹很多的知识点没有掌握。本文对于行走机构的计算以及部分零部件的选型，不得不受自己知识面的影响，因为没有真正的从事过这个行业，对行业里很多的设计规则，选型原则，零部件库等不甚了解，不可能做出十分好的选择，希望更为专业的人士能够提出意见，谢谢。参考文献[1]冯辛安等.机械制造装备设计[M].机械工业出版社，2005.[2]戴曙.金属切削机床[M].机械工业出版社,2004.[3]杜君文.机械制造技术装备及设计[M].天津大学出版社，1998.[4]赵先仲.机电系统设计[M].机械工业出版社，2004.[5]王先逵.机械制造工艺学[M].机械工业出版社,2002.[6]周伯英.工业机器人设计[M].机械工业出版社,2002.[7]成大先.机械设计手册[M].化学工业出版社，2002.[8]张云杰，白晶．Pro／ENGINEERWildfire2.0机械设计[M].希望电子出版社，2006.附录：开题报告无心磨床步进式送料机械手设计1.选题的目的和意义机械工业是国民经济的装备工业，机械制造装备是发展国民经济的重要基础，其规模和水平是衡量一个国家科学技术水平与经济实力的重要标志。根据专业培养目标，掌握机械结构的设计原理和方法，具备一定的机械结构设计能力，是“机械设计制造与自动化”专业的本科生必须具备的专业技术能力。本毕业设计的目的就是让学生熟悉和掌握机械装备设计的基本原理和方法，通过独立完成毕业设计的各项内容，使学生综合运用过去所学的基础及专业知识，对一般机械系统及各功能零部件的设计及制造进行较为全面的综合训练，培养学生基本的机械系统和结构设计能力，同时培养学生独立工作能力及分析解决实际问题的能力，为以后从事机械产品设计、制造、科技开发、应用研究、运行管理和经营销售等工作打下必要的基础。2.毕业设计（论文）的主要内容与要求本设计的主要任务是针对送料机械手设计要求，进行无心磨床步进式送料机械手设计。本毕业设计主要内容与要求如下：进行无心磨床步进式送料机械手的总体方案设计，包括待磨削工件和已磨削工件送料两部分，确定其工作原理，完成其总体方案设计图；进行无心磨床步进式送料机械手设计，应用AUTOCAD软件和PROE软件完成其机械装配总图设计，对于所涉及的主要零部件的选取和设计应有必要的计算和校核；进行重要零（部）件的设计，应用AUTOCAD软件绘制零（部）件工作图；编写“无心磨床步进式送料机械手设计”的设计说明。3.背景以前在无心磨床上加工是人工送料，现设计自动送料装置，减轻工人的劳动力，提高了生产质量，并提高了加工效率。4.无心磨床的送料机构的设计与改进如图是常用的上料机构和下料机构，采用气动装置提供动力，再利用一个斜坡使工件落到指定位置，而下料装置利用重力作用使加工好的工件滑到指定位置，此结构简单实用，效率高，然而在下料时易发生碰撞，对工件的精度造成影响，在上料时工件库也可以更简单点，此次毕业设计旨在改善结构，减少工件磨损，保护工件。可以把下料机构改成步进式结构，达到一步一工件，避免工件之间发成碰撞，如下图类似：5.工作进度计划1、2017年11月20日-2017年3月20日：毕业设计实习，查阅文献资料，撰写开题报告；2、2017年3月20日-2017年3月27日：进行无心磨床步进式送料机械手的总体方案设计，完成其总体方案设计图；3、2017年3月28日-2017年4月27日：进行无心磨床步进式送料机械手的结构设计,完成其总体方案设计图及机械装配总图；4、2017年4月28日-2017年5月9日：进行重要零件的设计，并绘制其零件工作图；5、2017年5月10日-2017年5月25日：编写设计说明书；6、2017年5月26日-2017年6月5日：外文技术文献翻译，答辩准备。6.主要参考资料文献[1]冯辛安等.机械制造装备设计[M].机械工业出版社，2005.[2]戴曙.金属切削机床[M].机械工业出版社,2004.[3]杜君文.机械制造技术装备及设计[M].天津大学出版社，1998.[4]赵先仲.机电系统设计[M].机械工业出版社，2004.[5]王先逵.机械制造工艺学[M].机械工业出版社,2002.[6]周伯英.工业机器人设计[M].机械工业出版社,2002.[7]成大先.机械设计手册[M].化学工业出版社，2002.[8]张云