毕业论文-细纱机锭子杆盘压配自动化生产线研制——总体及传输装置仿真设计

中原工学院 毕业设计（论文）说明书 定制全套设计，选择圆梦设计 1 摘 要 该课题来源于 关键词 ： 随行托盘 多工位 链式 输送机 锭子 杆盘 压 配 自动 生产线 中原工学院 毕业设计（论文）说明书 定制全套设计，选择圆梦设计 2 is of it is to So in by so to we a of to of it of to is is by to as as is it on to its to is s in it a is is we to on its it s be in it 中原工学院 毕业设计（论文）说明书 定制全套设计，选择圆梦设计 3 目 录 引 言 5 1 课题概述 6 压 配工序简介 6 生产线总体布局及其输送机设计的目标和要求 7 采用的设计方法 8 2 设计部分 9 体布局方案的设计 9 位数目的确定 9 位间距的确定 9 步时间及生产纲领确定 9 体布局方案的确定 9 压力机设计 10 配力计算 10 缸的选择 11 力机结构设计 14 输送机设计 15 期规划 15 总体设计及其结构技术设计 16 （ 1） 随行托盘组件的结构设计 16 （ 2） 输送链设计 21 （ 3） 自动定位与夹紧装置的设计 24 （ 4） 电动机的选择 26 （ 5） 链轮轴的设计 27 控制气路设计 30 3 经济性分析 31 4 三维造型及其样机制作 32 件简介 32 产线的造型方法 32 三维设计在样机制作中的特点 34 中原工学院 毕业设计（论文）说明书 定制全套设计，选择圆梦设计 4 终虚拟样机模型 34 5 结语 35 参考文献 36 致 谢 37 中原工学院 毕业设计（论文）说明书 定制全套设计，选择圆梦设计 5 引 言 随着自动化技术 和检测技术 的不断成熟和发展，装配生产不断向自动化，规模化方向 迈进 。 自动化装配与检测技术是用高新技术改造传统产业，提高产品质量、保证产品质量稳定性、减轻 工人劳动强度、提高生产效率、提升企业的市场竞争能力，塑造企业良好形象的重要手段 。 本 课题是“ 细纱机锭子杆盘压配自动化生产线研制 总体及传输装置仿真设计” ， 其是实现锭子杆盘压配自动化生产线主体及关键部分 ， 主要完成自动生产线总体方案设计及其传输装置的设计。 该课题来源于中原工学院和河南二纺机股份有限公司合作的科技攻关项目。 由于 当前的锭子生产厂家对锭子零部件的装配工序仍然主要依靠人工手动装配方式来完成，这不仅浪费了大量的人力，而且由于人为因素的存在很难保证产品的装配质量，针对锭子生产厂家锭杆和锭盘的压配自动化程度 低的现状，在对锭子生产厂家和锭子的使用客户进行市场调研的基础上，经过严格的分析和对比，提出了锭杆和锭盘压配自动生产线的设计课题，旨在最大程度提高生产效率，降低生产成本，提高产品档次，增强企业市场竞争力，为企业技术改造提供科学的理论依据和技术储备，这不仅适应了现代化生产技术发展的需要，也能为企业合理化的投资提供决策依据。 此外， 本 设计中我们用到了目前较为先进的设计方法 可视化三维 造型虚拟 样机 设计。该方法 就是在建造第一台物理样机之前， 先 利用软件技术建立产品系统计算机模型，通过基于实体 的 可视化的仿真分析，模拟该 系统在真实工作环境条件下的运动和动力特性，从而反复修改设计方案，最终得到最优设计方案。在概念设计和方案论证中，设计师 可以 将自己的经验与想象融于计算机的虚拟样机设计中，充分发挥想象力和创造力 ， 并替代物理样机进行性能模拟试验。这样可大大缩短设备研发周期，降低研制成本，提高设计质量和效率， 从而为企业在国际上 赢得竞争优势。 下面将详细阐述本课题 在总体方案设计及其输送机设计的整个过程及其对关键技术的讨论论证。 包括自动生产线总体方案的设计、输送装置的总体及其结构设计，压力机的设计三大部分，其中多工位装配输送机的设计包括 随行托盘及夹具部件，自动定位夹紧装置，输送链选择，伺服电动机的选择等。 中原工学院 毕业设计（论文）说明书 定制全套设计，选择圆梦设计 6 1 课题概述 压配工序简介 细纱机锭子杆盘压配自动化生产线研制 总体及传输装置仿真设计这一课题来源于 河南二纺机的实际生产中 ， 图 1别是锭子的锭杆、锭盘零件 。 a b 图 1 锭子锭杆零件图 (a 锭杆， b 锭盘 ) 锭杆、锭盘的压配即在压力机作用下将两零件以一定 的过盈量压配在一起成为结合件，如图 1示 。 图 1配后和压配前的零件 压配 分为 锭盘的分选，锭杆的分选，压前预装配，压前 高度 检测，压配，压后高度 检测等 工艺 过程 。 工艺流程 如图 1示。 中原工学院 毕业设计（论文）说明书 定制全套设计，选择圆梦设计 7 图 1杆盘压配工艺流程图 通过对河南二纺机锭杆锭盘压配工序的调研和实地考察发现，整个压配过程劳动强度大、生产效率低、自动化程度不高，针对于这一现状急需采用机电一体化和计算机技术相结合的技术，开发研制一套数字化自动生产线样机。这将 使得压配生产过程 在自动化方面有一突破性的进展，同时也 开辟 了 一个机械设计 的 新模式 。 这一课题已经经过几届 同学的共同努力，但还有一些不合理的地方，如：压配零件的合理输送、工位布局如何适合现有场地条件、如何提高步进送料的精度等 。 生产线 总体布局及其 输送机 设计 的目标 和要求 该 装配 自动 生产线总体布局 及其 输送装置 的设计 以满足使用要求和保证高 生产率为前提，做到技术先进，经济合理，制造方便，安全可靠， 具有以下性能： （ 1）使用性能 输送装置的 精度 。 输送机应 具有足够的强度和刚度，能 保证足够的定位精度中原工学院 毕业设计（论文）说明书 定制全套设计，选择圆梦设计 8 和运动精度 ； 可靠性。 输送 装 置 具备在 规定的时间内 完成规定 工作 量的能力，而故障率不超过规定值； 对环境的适应性； 使用维修方便，操作简单安全； （ 2） 总体方案的 技术 性能 具有一定的灵活性，能适应产品规格、品种在一定范围变化的要求； 具有合理的自动化程度，要根据需要和可能性来综合考虑，不 脱离现实条件而盲目的追求先进性； 贯彻标准化、通用化和系列化； （ 3）经济 性 结构简单，制造容易，成本低； 生产效率高、能耗少； 节约材料； 除此之外还应考虑减轻劳动强度，改善劳动条件，不污染环境，讲究人机工程学，为今后使用新技术进行进一 步的改进做好技术储备。 采用的设计方法 本课题要求在设计过程中运用一种全新的设计方法 计算机 辅助 虚拟样机 设计， 抛弃传统的设计方法，不进行实际样机的制造，通过在计算机中建立虚拟样机分析所设计产品的性能和成本，以减少设计成本。 中原工学院 毕业设计（论文）说明书 定制全套设计，选择圆梦设计 9 2 设计 部分 体布局方案的设计 位数目的确定 根据压配工艺流程图分析，锭杆锭盘压配自动线设计应包括：锭杆自动送料机构、锭盘自动送料机构、杆盘结合件压配前高度检测、压力机压配、杆盘结合件压配前高度检测、杆盘结合件打印记机构设 计和杆盘结合件自动卸料等，其中，由于杆盘结合件自动卸料在企业现有技术条件的情况下，难以实现自动化。如果强制实现，必然导致生产线成本大大提高， 因此卸料工位可由一位工人操作，需要 1 个工位。其他工位均可以实现自动化，因此，精密定位的工位数目共 6 个，为满足装配生产线的改进，输送装置可以多出一个工位作为储备，再计入卸料工位，最后总的工位数目可确定为 8 个。 位间距的确定 整条生产线要求结构紧凑，占地少，便于维修。工位间的距离太大会使生产线较长结构不紧凑；工位间距太小又不便与工人对生产线的维护和维修 ，因此确定合适的工位间距尤其重要。预估工位工序机构最大的为上料机尺寸大约为 700为使工人可以宽松的在各工位间自由走动进行必要的操作，必须留出 500距离，因此初定工位间距为 1200 步时间 及生产纲领 确定 据锭子生产企业对锭子生产率的要求， 杆盘结合件的生产率为每小时 450 个就达到供应饱和状态，计算出输送机步进间隔时间为 10 秒。为了使得生产线适应工艺的变动和锭子生产率的 调整，输送机的步进时间 在不超过设备的负荷情况下可 在6的时间内调整 （其中 最大需时 工 位 为 上料工位 ，最小需时为 6 秒） ，其步进时间的调整由 部程序 控制 ， 生产效率可达每小时 450 600 个。如按一天生产 12 小时，一年生产 300 天进行计算，年生产纲领预计为 2000000 件以上 。 体 布局方案的确定 由以上分析，结合生产实际及场地布局要求，经过多个方案的对比论证，确定了该自动线总体布局方案示意图如图 2示。 中原工学院 毕业设计（论文）说明书 定制全套设计，选择圆梦设计 10 图 2自动线总体布局方案示意图 该自动线采用 链式 多工位循环布置方案 。六 个主要工位分别分布在工作台的两侧，两头分别为储备工位和杆 盘结合件人工卸料工位。 八 个工位设置 八 个托盘，托盘随工作台回转，每个托盘上均有夹具，锭盘自动送料机构、锭杆自动送料机构、杆盘结合件压配前高度检测装置、压力机、杆盘结合件压配后高度检测装置、打印记机构依次沿传输链依次排开， 实现加工循环 。 整个生产线采用 机电 气 一体化技术通过 制实现自动上料 、 自动压配自动打印记 、 次品自动报警 、 无工作人员时的自动保护 、故障监控 等自动控制。 压力机设计 配力计算 本课题中杆盘压配属于中压配量装配，使用的是机械压配法，通过气动式压力机使被包容件压入包容件 中。 已知：（ 1） 材料：包容件（锭盘） 被包容件（锭杆） 2）包容件配合尺寸： 包容件配合尺寸： （ 3） 结合面长度为： 30f 结合面锥度： 100:1c （ 4）包容件的弹性模量为： 0000被包容件的弹性模量为 ： 30000中原工学院 毕业设计（论文）说明书 定制全套设计，选择圆梦设计 11 （ 5） 包容件锭盘 221C a = + V a = 2 . 4 8 9 81 ( 2 被包容件锭杆 221C i = - V i = 0 . 6 91 （ 2 以下 计算压配力 )2( （ 2 a p （ 2 )(1122m a xm a （ 2 式中 所需压配力 所需气压 压配圆锥平均直径 联结件之间摩擦副的摩擦系数 查 表得 = 最大结合压强 最大过盈量 代入数据得 m i nm a xm a x M P 0 0 0 0 0 04 8 9 a x M P x m a x NF x 由此得理论压配力为 缸的选择 压配过程要求压配平稳，回程无冲击，回程速度快，选用双作用气缸 （如图 2毕业设计（论文）说明书 定制全套设计，选择圆梦设计 12 所示 ） 。双作用气缸由于气缸的两腔都有气体进入，使得运行过程中平稳行进，冲击少 。 而且气缸回程 可由通气量的大小来控制，可以按照所需要求调整压配循环所需时间。考虑到气缸的工作环境十分恶劣，冲击大，频率高，要求缸体材料具有高韧性，高刚度的特性，选材料为 冷拔钢管。 （ 1） 确定气缸内径 无杆腔受力 621 104 （ 2 有杆腔受力 6222 10)(4 （ 2 式中 1F 实际输出力 F 理论输出力 负载率，取 入数据得 6 3 4 3/1 26612 D 选择气缸内径 标准值 为 100 2） 确定壁厚 缸筒直接受压力，需有一定厚度。由于一般气缸缸筒壁厚与内径之比10/1/ D ，所以通常可按薄壁筒公式计算： 2 2 式中 钢筒壁厚（ m） 图 2缸受力图 中原工学院 毕业设计（论文）说明书 定制全套设计，选择圆梦设计 13 D 钢筒内径（ m） p 钢筒承受的最大工作压力 （ 钢筒材料的许用应力（ 代入数据得 0 2 0 06 7 02 0 实 际壁厚 为 0 0 4 0 2 0 0 6 7 实 取壁厚为 5 （ 3） 确定活塞杆径 选择活塞的行程 80 杆径 45 活塞杆是用来传 递压配力的重要零件，要求能承受压缩负荷，表面耐磨，不发生锈蚀。活塞杆选取 45 钢，表面镀硬铬。 当细长比 85/ 时，则 21 K （ 2 其中 实心圆杆 ： 24 （ 2 4 2 式中 y 材料抗压强度，钢材 A 活塞杆截面积（ 2m ） 系数 ，钢材 50001 k 活塞杆横截面回转半径（ m） 0 0/ 中原工学院 毕业设计（论文）说明书 定制全套设计，选择圆梦设计 14 K 73223611282 4 31 8 3 0 5 947 3 2 2 3 6满足强度要求 综上选择气缸 选择气缸型号为： 100 压力机结构设计 压力机安装在输送装置的壁上，受到垂直方向的作用力， 施力物体为汽缸，因此压力机结构的设计主要放在气缸支架的设计上，保证气缸在压配时稳定位置不发生变化，而且 为适应输送装置随行托盘的微小变动，使压配位置准确，必须要求气缸的安装可在一定范围内调整。设计简图如下 2示 ： 图 2 压力机 1、 2、 3 分别为固定螺栓、螺母、垫圈 4 支撑架 5 气缸 6 拆卸 圆 螺母 7 上压头 支撑架为焊接结构，在四个支撑脚上分别有 2 个通孔，通过螺栓固定在输送装中原工学院 毕业设计（论文）说明书 定制全套设计，选择圆梦设计 15 置的机架上 。气缸 5 通过螺栓螺母垫圈固定在支撑架 4 的横梁上，支撑架中部的两个突出快改善气缸受力，防止发生侧移。 压头通过锥面连接在活塞杆上，定心精度高。 整个设备结 构简单、紧凑，与输送装置连接良好。 输送机设计 标及其要求 基于 总体 布局方案，输送机的设计应该满足如下几点要求： （ 1） 各工 位都必须在同一水平面上循环运行 ； （ 2） 整条生产线需要 8 个工位，每个工位都随托盘一起运动，夹具固定在托盘上 ； （ 3） 整条生产线工位的步进由电动机提供动力 并实现控制； （ 4） 托盘到达指定位置，由定位夹紧装置对其进行精确定位。 因此 ，生产线的输送 可以考虑 用 输送带 或 输送链 做 为输送方式，但 带式输送机是 现代物料连续输送的重要设备 ， 在工农业生产中应用越来越广泛，在轻工、食品机械设计中最为常见，特别在玻璃、陶瓷工业中得到普遍应用。然而，带式输送机普遍存在输送带容易拉长、破损、断裂失效等使用寿命短、维修量大等问题，常常会因更换输送带使整条生产线处于停止状态，严重影响生产率的提高，不适合多工位精确定位输送装置的要求。 输送链是一种连续输送机械， 用于车间内部和车间之间连续输送各种成件物品，在工业企业的流水生产作业中用于工序之间传送工件。输送链已经在机械制造、食品加工、家电、喷涂、橡胶以及建材等部门得到了广泛应用。 链传动是属于具有中间挠性件的啮合传动，它兼有齿轮传动和带传动的一些特点。与齿轮传动相比，链传动的制造与安装精度要求较低，链轮齿受力情况较好，承载能力较大 ， 有一定的缓冲和减振性能，中心距可大而结构轻便。与摩擦型带传动相比，链传动的平均传动比准确，传动效率稍高， 输送定位精确， 链条对轴的拉力较小。由此，多数生产线均采用链传动输送带 ，尤其是 对链传动输送装置的定位精度要求较高的场合，如 多工位精确定位 装置。 由于 压配生产线 不仅要求有一定的定位精度，而且精度要求很高， 因此必须在链传动的基础上加一套精确的定位装置以保证加工 位置精度。 中原工学院 毕业设计（论文）说明书 定制全套设计，选择圆梦设计 16 总体设计 及其结构技术设计 图 2多工位装配输送机虚拟样机 （ 1） 随行托盘组件的设计 托盘作为随行夹具的承载装置，逐渐 被 用在各种多工位生产线上，并不断体现出它的优势。它是传 输 设备， 定位加紧 装置、加工 工作台 的统一体，在 装配生产线上 独具优势 。那么，就杆盘压配生产线我们也采用了托盘作输送和加工平台。 托盘的设计 托盘的设计既要满足其 工件及其夹具的安装，还要保证它 可以在工 台的导轨上灵活运动，并且有较高的运动精度和较长的 使用 寿命。综合考虑托盘的各种设计要求，可预测出托盘的基础模型为： 形状 ： 正方形板块 上表面平整，设有安装夹具 ，定位装置。下表面要安装 导轮 以便和 导轨定位 ，导槽内表面精度要求很高， 下表面 设有定位块。 尺寸： 200 200 材料：考虑到托盘在 定位夹紧时不停的磨损 ，可选用 00量：运用三维软件做质量分析为 计结构如下图 2原工学院 毕业设计（论文）说明书 定制全套设计，选择圆梦设计 17 a 结构图 b 制作的效果图 图 2随行托盘部件 托盘附件的设计 在杆盘生产线上，托盘是在输送链的拖动下完成一系列步进动作，因此，需要设计与输送链附件相连的托盘附件，这个附件的设计主要有以下几个要求： 使链和托盘之间的受力良好 托盘和输送链之间的连接为弹性活动连接，以便在定位时不至于出现各工位间的相互干涉或过定位。 托盘附件受力的计算 （受力图如 2示 ） 托盘在运动过程中主要受到链的 牵引力 F，轨道的摩擦力21, F，以及由于牵引力导致的导轨支撑力21, 盘 实际 受力图 由上图列出力学方程 21 牵中原工学院 毕业设计（论文）说明书 定制全套设计，选择圆梦设计 18 21 21 F 3121211 )( )( 212112 式中 摩 擦阻力， f 为静摩擦系数， 1m 为托盘质量， 2m 为夹具和工件的共同质量 这样因未知数太多而无法解出力 F 的大小，因此可以忽略21, 他们合并成一个摩擦力来近 似 考虑，如图 2示 ： 图 2托盘 理论 受力 从新建立方程得： 211 f )( 2121 21 F 式中 摩擦阻力 f 为静摩擦系数 1m 为托盘质量 2m 为夹具和工件的共同质量 代入数据解得 中原工学院 毕业设计（论文）说明书 定制全套设计，选择圆梦设计 19 Nf 1 )( 21 牵引 由此可知，托盘附件的受力为大于 盘附件和链条附件相连，力由联结螺栓提供，为组合螺栓横向载荷，以下计算联结螺栓的直径 0（ 2 式中 f 结合面的摩擦系数 i 结合面数 防滑系数 代入数据得 0 选择材料 能为 螺栓，由机械手册查得材料屈服极限安全系数为 S=螺栓材料的许用应力 M P as s 16 （ 2 由此可初选链及其附件型号： 表 1 所选链参数 中原工学院 毕业设计（论文）说明书 定制全套设计，选择圆梦设计 20 图 2 链及其附件 由表 1 可知，链相关参数 如下： 链号： 节距： 40 链板孔直径： 链板孔间距： 20 抗拉强度为： 20此数据设计托盘牵引附件如图 2示 ： 图 2托盘附件 中原工学院 毕业设计（论文）说明书 定制全套设计，选择圆梦设计 21 3 固定在托盘底部， 5 在受力的状态下可以在滑动杆上移动，但在力消失后会恢复到中心位置。 5 的两个螺栓孔与链的附件相联结，作为牵引件。调节弹簧的作用为使 5 在输送 过程中始终保持在滑杆的中心位置，在托盘到达加工位置时，由于每个工位都需要定位，可是链是不会伸缩的，因此为了不使各个工位在定位时互相干涉设置了两个弹簧来调整，使得链每个工位的定位加紧独立起来互不干涉。 5 受到底牵引力为大于 此为保证在输送过程中 5 始终在滑杆的中心，必须保证弹簧提供的弹力 初定弹簧安装时的压缩量为 10 （ 2 / 所以所选弹簧的各项参数为：刚度系数 K= 长度 l = 40 2） 输送 链 及其附件 设计 输送链是一种连续输送机械， 用于车间内部和车间之间连续输送各种成件物品，在工业企业的流水生产作业中用于工序之间传送工件。输送链已经在机械制造、食品加工、家电、喷涂、橡胶以及建材等部门得到了广泛应用。因此鉴于本套设备的输送特性，也选用输送链来完成输送工作。 输送链的工作原理 本课题设计 的输送链机构如图 2动机通过联轴器和链轮的主轴相连，把动力传给链轮，在通过链输送使与链连接的托板沿着轨道滑动，由于工作状态为步进运动，并要保证每次步进达到一定的精度，所以电动机选取具有可以精确的转过特定角度的步进电动机来提供动力。托板通过连接件和输送连的附件固定，随着链一起作精确的步进运动，完成整个输送循环过程。 输送链的力学模型和设计计算 链条输送装置是一个复杂的机电系统，它是由闭环的承载输送带、托板、驱动装置、调整装置等组成。在输送机的起、制动过程中，主要的影响因素是： 输送机的运行阻力 ； 输送带的力学性质 ； 输送机的载荷状况 ； 在分析计算该输送机的受一力时，作如下假设： 物料在输送带的承载区上均匀分布 链轮与链条之间的摩擦忽略不计 根据压配零件和托板的尺寸确定链轮分度圆尺寸。锭盘的包络尺寸 33 65；锭中原工学院 毕业设计（论文）说明书 定制全套设计，选择圆梦设计 22 杆包络尺寸为 配后的包络尺寸为 33 压配件以及托盘运用 进行三维设计造型，留出各种附件安装空间，预估托盘的尺寸可以为200 200； 先初选主动轮齿数为 17 ，链速 s。 确定驱、从动轴中心距 ( m m) / 2 P Z T k ( 2 （ 2 式中 n 为有效工位总数 为工位间距 ( P 为链条节距 ( 3 Z 为主轴链轮齿数 2502/15401200)162( 链长为 10015402 估算链重为 15送机正常运行的阻力，即链条的拉力有 两 部分组成： 第一部分为由托盘牵引力、链条及其 附件本身的质量产生的摩擦力引起链条拉力 F，为 牵引F)fm(（ 2 式中： 分别为载荷和链条附件及其托板的质量； 链条及其托板在运行中的动摩擦系数；它的大小与链条及托板材料有关也与运行线速度有关 , 二部分是在运行过程中链条作变速运动引起的动载荷，如图 2 链条前进加速度 s i n 22D1)(s i n 2v c o s x 1180z ( （ 2 中原工学院 毕业设计（论文）说明书 定制全套设计，选择圆梦设计 23 式中： 为主动链轮的节圆直径 ， 42)/180s 1 为主动链轮的角速度，根据生产要求，s 为主动轮齿数 ， c s 我们可以得到由动载荷引起的链条的拉力 s )(2 2112212 c 链条的总拉力为 s i n )(21122121 v 牵引 取其最大值便是链条的理论拉力 代入数据得 1)i n (1522 0 因此 所选链 链 及其附件 结构设计 为使得整个生产线结构简单，步进动力部分要求尽可能的 此经过多次改进设计出如下结构 （图 2示 ） ，该传动机构由电动机、联轴器、轴、链轮组成，图 2结构简图， b 为利用 完成的三维结构图；图 2具体结构图。 a 传动简图 b 利用 制作的虚拟照片 图 2动部分 中原工学院 毕业设计（论文）说明书 定制全套设计，选择圆梦设计 24 图 2力传动部分结构图 其工作原理为：步进电动机 通过联轴器与链轮周相连，把动力直接传到链轮上，结构简单，传动效率高。 托盘与链连接起来才可以随着链一起做步进运动，而中间的桥梁就是链上的附件，如图 示 。 图 2 输送链附件结构 图 （ 3） 自动 定位与夹紧装置的设计 在杆盘压配 自动生产线上共有 8 个工位 ， 分别为 8 个随行托盘，每个随行托盘均通过附件与链连结。托盘行进到指定工位后， 必须对夹具或托盘进行精确定位，以保证加工精度 。 因此每 一个工位必须有一套定位夹紧装置来实现加工前的定位夹紧。设计如图 2 中原工学院 毕业设计（论文）说明书 定制全套设计，选择圆梦设计 25 工作原理 托盘在链的牵引下通过 托盘两侧的 导向轮在轨道上运动，到达特定工位时则由出指令，让制动气缸下腔通气，气缸活塞杆上移推动压紧滑块 6 上移， 压紧滑块