机械毕业设计（论文）-双臂式自动送料机器人结构设计【全套图纸PROE三维】

目录 第 1 页 目目 录录 第一章 绪论1 1.1 选题的目的意义1 1.2 本课题在国内外的研究状况及发展趋势1 1.3 常用自动送料方式2 1.3.1 采用双作用缸实现物料的分离功能和定位夹紧功能的自动送料.2 1.3.2 利用机械手进行送料.2 1.3.3 采用伺服电机控制工作台进行送料.2 1.4 本课题主要研究内容及设计任务2 第二章 对课题的分析4 2.1 现在企业的要求4 2.2 两种典型的送料机构4 2.2.1 气动送料机4 2.2.2 利用机械手自动送料5 2.3 本课题采用送料方式及其创新7 第三章 双臂式自动送料机器人原理分析及计算8 3.1 液压缸的原理和计算8 3.1.1 主要尺寸的计算8 3.1.2 强度校核9 3.1.3 活塞杆稳定性校核9 3.2 电磁吸附手原理及计算10 3.2.1 基本公式和一般概念10 3.2.2 参数计算过程14 3.3 立柱的尺寸计算16 3.4 驱动电机的选择.18 3.4.1 直流电机与步进电机比较18 3.4.2 步进电机的选择18 3.5 螺钉的选择19 第四章 实体设计22 4.1 设计软件介绍22 4.2 液压缸结构的设计23 4.3 取料手结构的设计23 4.4 立柱的设计24 4.5 M6 螺母接收装置设计.25 4.6 螺母摆正槽设计.26 4.7 送料机构设计27 4.8 整体装配图.28 第五章 设计总结29 致谢31 参考文献32 附录33 本科毕业设计（论文） 第 1 页 第一章第一章绪论绪论 制造业是社会可持续发展的基石，是创造社会财富的直接源泉，作为制造 业的一部分，钣金件在制造业中非常重要起着的作用。当今市场，钣金零件占 全部金属制品 90%以上1，钣金加工业在国民经济和军事诸方面占有的位置极 其重要，钣金类零件的应用涉及到汽车、机械、家用电器、电机、仪表、航空 航天、兵器等生活中的各行各业。钣金类零件已成为金属制品的灵魂，没有钣 金类零件，制造业就无法正常的运行。 全套图纸，加全套图纸，加 153893706153893706 钣金类零件的种类繁多2，按厚度分类，可分为薄板、中板、厚板和特厚 板；按生产方法分类，可分为热轧钢板和冷轧钢板；按表面特征分类，可分为 （热镀锌板、电镀锌板） 、镀锡板、复合钢板和彩色涂层钢板；按用途分类，可 分为桥梁钢板、锅炉钢板、造船钢板、装甲钢板、汽车刚板、屋面钢板、结构 钢板、电工钢板（硅钢片） 、弹簧钢板和其他使用的一些钢板。真可谓种类齐全， 涉及到机械领域的各个行业。 机械领域总是在不断的发展着的，随着现代工业化和大众化生产的不断需 求，新型的、特种的、专用的板金类零件正在不断地开发生产出来，从而使钣 金件的应用更加的广泛，也使制造业的机械化生产更加满足人们的要求。 1.11.1 选题的目的意义选题的目的意义 铆接技术作为金属结构零件相互连接的方法，适用于铆钉连接、零件翻边、 永久连接等，在五金工具、飞机制造维修、精密机械、汽车制造等行中应用广 泛。优点是：连接强度高，密封性好，节约能源无污染。随着铆接技术的不断 发展，在现代化应用中大大提高了劳动效率。但送铆方式上目前主要是人工送 铆为主，而手工送铆常常导致工业事故发生，造成悲剧。为了避免事故发生同 时提高劳动效率，自动送铆装置应时代发展而产生。现在自动送料机构中多为 简单的送料机构，生产效率虽然可以满足部分需要。但是随着现在工业生产的 日益集中化、高效化、国际竞争日益激烈，这些简单的自动送料机构逐渐显示 了它的弊端。所以设计一种灵活性高、使用安全的送铆设备是非常有现实意义 的。本课题研究双臂送料机构，将克服普通送料机构的弊端，大大提高自动送 料机构的生产效率，减少劳动成本，提高人身安全，保障生产质量。 本科毕业设计（论文） 第 2 页 1.21.2 本课题在国内外的研究状况及发展趋势本课题在国内外的研究状况及发展趋势 铆接是一种古老的连接方法，早在千年前就有应用，主要是手工操作，工 艺粗糙，效率低。但是在当时已经是一种较先进的连接方法。在铆接技术的发 展中，除了手工铆接，近代发展到了冲压铆接。其工艺方法为：铆头在垂直方 向作上下运动，利用其产生的巨大压力将被铆件铆合在一起。在汽车车身的制 造中需要轻金属与非金属联结处应用较多。20 世纪 7O 年代出现了摆碾铆接技 术3。与此同时自动化送料由简单的人工配合机械操作开始转向复杂的电气自 动化系统控制及高级全自动智能控制发展，并广泛的应用到各个领域，带来了 全自动送铆机的大规模革新自动化。20 世纪 90 年代出现了 TOX 圆点连接铆接 技术4，自动铆接设备得到了更多的认同及迅速发展,在自动铆接技术的基础上， 对应在我国和国外的生产和研究中，自动送料方式有很多种。其中有一：采用 双作用缸实现物料的分离功能和定位夹紧功能的自动送料；二：利用机械手进 行送料；三：采用伺服电机控制工作台进行送料。但是在这些产品中，存在着 一些问题。如日本的 RF20SD-OR11 机械手送料装置与冲床做成一体，从横向(侧 面)送料，结构复杂，装配、制造、维修困难，价格昂贵，又不适合于我国冲床 的纵向送料的要求5。 为使自动送料技术更有利于生产，现阶段及将来自动送料设备主要朝着以下几 个方向发展：提高劳动安全性，提高成产效率，消除积累误差，减少生产成本 等。为了解决这些问题，结合国内外送料机构的特点，开发双臂自动送料机器 人装置，设计具有推广意义的自动送料机符合生产自动化的要求。 1.31.3 常用自动送料方式常用自动送料方式 1.3.1 采用双作用缸实现物料的分离功能和定位夹紧功能的自动送料采用双作用缸实现物料的分离功能和定位夹紧功能的自动送料 气动送料机由两个基本应用模块组成：物料分离模块及传送模块。物料分 离模块由两个双作用气缸组成，分别实现物料的分离功能和定位夹紧功能6。 为保证真空系统的气流通畅，以提高真空发生器的真空度，回路中的真空控制 回路不安装节流阀。同时，回路中的所有连接气管应尽可能的短，以减小空气 流通阻力，提高真空度。 采用气缸的优点：减少了物料的运送步骤，缩短了加工时间，操作简单。 缺点：对物料的放置有很高的精度要求，造价高昂，一般的小型企业不采用。 1.3.2 利用机械手进行送料利用机械手进行送料 机械手是以小车形式通过钢绳同滑块联接起来， 由冲床滑块上升运动牵引 小车作前进的水平运动完成送料，由通过钢绳连接的重物使小车作复位运动。 由小车机械手将工件送至冲床下进行冲孔，提高了生产效率，保证了质量，改 善了劳动强度，确保了人生安全。 采用机械手送料的优点：送料与冲床节拍相同，可以连续生产。 缺点：首先由于整个过程均由机械手实现，所以对机械手的要求度很高，其次， 如果工件大小不一要经常更换。 1.3.3 采用伺服电机控制工作台进行送料采用伺服电机控制工作台进行送料 由单片机产生驱动脉冲信号，步进电机的驱动器收到驱动脉冲信号后，步 本科毕业设计（论文） 第 3 页 进电机将会按照设定的方向转动一个固定的角度，将电脉冲转化成交位移。电 机的转速由脉冲信号频率来控制决定，再由电机控制工作台进行送料冲压7。 优点： 1）可以连续生产，并且能实现一人控制几台机器 2）可靠性高，由于送料机构外部由步进电机控制，所以每次的行程都是固 定值。 3）低功耗，低电压。在许多没有电力供应的应用场合，较低的功耗和工作 电压是生产便捷化的必要条件。 4）维护方便，经济实用。 1.41.4 本课题主要研究内容及设计任务本课题主要研究内容及设计任务 本课题通过了解压铆机的工作原理及主要功能，分析目前常用送铆方式， 提出双臂自动送铆机器人的自动送铆方案。中一臂主要为物料的抓取功能；另 一臂主要完成送料功能。 根据系统功能，设计各机构的结构形式；根据设计要求，确定设计参数。 并且用三维软件进行三维实体建模，实现了运动仿真。这种双臂送料机构将克 服普通送料机构的弊端，大大提高自动送料机构的生产效率。主要研究设计内 容： 1）液压缸的主要尺寸包括缸筒内径 D、活塞杆直径 d 和缸筒长度 L； 2）电磁吸附手各个参数计算； 3）立柱尺寸设计，包括截面形状选择、长度设计、内外径设计； 4）驱动电机选择； 本科毕业设计（论文） 第 4 页 第二章第二章 对课题的分析对课题的分析 2.12.1 现在企业的要求现在企业的要求 制造业生产加工的产品总是趋向于批量化和大量化的，生产效率总是加工 能力的标志。要提高生产效率，减小加工的辅助时间是最有效的手段。在过去 的生产加工中，劳动者总是生产加工的主角，他们基本上要人工来完成生产加 工的全部任务,存在着很多的安全隐患，浙江的丛化机械厂就是一个很好的例子， 根据生产计划，该厂每年都要生产大量的板金类零件，而在加工中仍然使用人 工送料，这就使得操作员经常进行长时间工作，毕竟人的体力和耐力都有限， 再加上生理和安全的需求，这就使得企业中加工事故连连发生，这样不仅使得 操作人员受到身体伤害，而且使企业的生产能力得不到提高，也使得经济效益 降低。要改变加工中存在的问题，最直接的方法是改进送料方式。 当今世界机械领域发展的趋势是自动化、高效化和安全化，在这个时代中， 机械化生产进一步促进了世界经济的发展，针对板金螺母的加工，压铆机的出 现是提高机械化生产的一重大标志，它减轻了人的劳动程度和劳动，也大大降 低了辅助时间，从而提高生产效率，有利于机械化的生产。 随着压铆机的发展，压铆机自动送铆机构的出现更进一步的促进了生产效 率的发展，它基本上使人得到解放，大大的缩短了加工时间，使得送铆加工和 压铆加工基本全部趋于自动化，与压铆机的人工送铆压铆机相比，自动送铆压 铆机首先可以提高送铆的质量，使送入铆钉的位置更加的精确；其次可以连续 送铆多个，从而减少了送铆次数和辅助时间，提高了加工的效率；再次，它的 加工基本完全趋于自动化，从而保证了操作员的安全，减轻了劳动量，更趋向 人性化；最后，它能把加工生产与质量控制有机的结合起来，不仅安全，也提 高了经济效益。 本科毕业设计（论文） 第 5 页 2.22.2 两种典型的送料机构两种典型的送料机构 2.2.1 气动送料机气动送料机 1）冲床自动送料机的技术状态 本文介绍的冲床自动送料机是一种用于冷 挤压套圈类零件的送料机器，是冲床进行技术改造的理想附机。该送料机克服 了国内外有关冲床送料机的不足。如日本的 RF20SD0R11 机械手送料装置与冲 床做成一体，从横向(侧面)送料，结构复杂，装配、制造、维修困难，价格昂 贵，又不适合于我国冲床纵向送料要求8。RF20SD0R11 结构由冲床上曲轴输 出轴，通过花键轴伸缩，球头节部件联接机械手齿轮，由伞齿轮、圆柱齿轮、 齿条、凸轮、拨叉、丝杆等一系列传动件使机械手的夹爪作伸缩、升降、夹紧、 松开等与冲床节拍相同的动作来完成送料，另设一套独立驱动可移式输送机， 通过隔料机构将工件输送至预定位置，这样一套机构的配置仅局限于日本设备， 不能应用于国产冲床9。国内有的送料机构由冲床工作台通过连杆弹簧驱动滑 块在滑道上水平滑动，将斜道上下来的料，通过隔料机构推到模具中心，并联 动打板将冲好的料拨掉，往复运动的一整套机构比较简单，无输送机构，联动 可靠，制造容易。但机械手不能将料提升、夹紧，料道倾斜放置靠料自重滑下， 如规格重量变动，则料道上工件下滑速度不一致，易产生叠料，推料机构没有 将料夹紧，定位不正，废品率较高，使用也不安全。 结合国产冲床工作特点，采用机械手与输送机构配合为主要装置，再配合 采用自动卸料安全保护，设计了具有较大应用价值和推广意义的自动送料机。 2）气动送料机的原理 自动送料机主要适用于物料的自动分配和传送，其 基本功能可以完成准确的送料时间，达到精确的送料位置。研制的自动送料机 由两个基本应用模块组成：物料分离模块及传送模块。物料分离模块由两个双 作用气缸组成，分别实现物料的分离功能和定位夹紧功能。物料分离模块将物 料从料仓中分离出来，通过分离气缸将位于料仓底部的物料从料仓中推出，料 仓中的物料由于白重下落至料仓底部。定位夹紧气缸在物料推出后伸出将物料 定位并夹紧。两气缸的行程位置通过磁电式接近开关检测。传送模块由一个旋 转气缸和真空吸盘组成。它实现了气动搬运装置功能，实质上是一个个小型的 机械手。真空吸盘将物料吸取，旋转气缸实现0180。的旋转，将物料传送至 下一个工位。真空吸盘通过真空压力开关检测物料是否吸住，旋转气缸通过两 个微动开关实现位置检测。 2.2.2 利用机械手自动送料利用机械手自动送料 1）该送料机的工作原理和结构特点 机械手是以小车形式通过钢绳同滑块联 接起来，由冲床滑块上升运动牵引小车作前进的水平运动完成送料，由通过钢 绳连接的重物使小车作复位运动。机械手的提升、下降是靠安装在小车顶架板 上的提升缸推动滑板作往复上下运动来完成；机械手的夹紧、放松是靠安装在 滑板上的夹紧缸带动连杆铰链机构来完成机械手的运动程序如下： 夹紧一提升一前进至中心一下降一放松一返回 节拍是恒定的，且每一循环均需在3秒钟内完成。 供油装置主要给夹紧缸、提升缸提供高压油，由齿轮泵产生高压油 或者用 气压驱动卸料机构是通过安装在模具边的鸭嘴管口瞬间高压气吹卸，使冲好的 本科毕业设计（论文） 第 6 页 工件离开模具，通过料道进人料斗。安全保护机构由两部分组成： 1 滑块上安装一玻璃罩，防止工件飞出，伤害工人。 2安装两只行程开关，一只在小车前，一只装在滑块边，当小车没有及时 退回时，两只开关断开，使滑块不再下滑，小车免受损坏。 支承脚主要用来调整整机高度，使输送带的水平高度与模具高度相适应； 同时也加宽了支承面，提高了稳定性。 罩壳主要是防止灰尘侵人，保护安全，防止重物与电机、减速器相碰及美 化外观而设计。 液压原理如图2.1所示。 图图2.12.1 液压原理图液压原理图 电气原理如图2.2所示。图中XK ，XK2为非自动复位式行程开关，安装在工 字钢旁边，由小车运动来拨动。XK3 XK4为按钮式行程开关，分别安装在夹紧缸 夹紧点和松开点E。XK5、XK6为按钮式行程开关，分别安装在提升缸的上顶点和 下底点上。1DT,2D3DT4DT为电磁阀。Dl为输送电机，D2为液压泵电机。 本科毕业设计（论文） 第 7 页 图图2.22.2 电气原理图电气原理图 动作程序如下： 闸刀 HK 闭合，三相动力线接通。按 QA 按钮，接触器 C 通电闭合，辅助触 点自锁，、电机起动运转。用、防止过载，熔断丝 1 D 2 D 1 RJ 2 RJ 1RD，2RD、3RD 防止大电流通过。 机械手动作控制过程： 当小车后退时，接触、1DT 得电，机械手夹紧，触到；得电， 1 XK 3 XK 1 J 1DT 失电，夹紧停止；同时 3DT 得电，机械手提升到位触及，3DT 失电，提 5 XK 升停止，液压自动锁紧。此时小车已前进到处， 触，复位。小车 1 XK 1 XK 1 XK 继续前进，触，4DT 得电，机械手下降到位触及，4DT 失电，下降停 2 XK 6 XK 止，同时 2DT 得电，机械手放松（把工件放在模具中心)触，2DT 失电，放 4 XK 松停止，小车后退触 XK2，复位，小车继续后退，再次触 XK1 如此循环来 完成送料。 2.32.3 本课题采用送料方式及其创新本课题采用送料方式及其创新 此次设计在送料方式上不同于上述送料机构，本机构是用步进电机带动间 歇式花盘机构，再通过四杆机构来实现自动送料加工的目的。设计中采用一种 本科毕业设计（论文） 第 8 页 间歇式自动送料机构，以步进电机带动间歇式花盘，花盘做匀速旋转构，铆钉 在花盘槽中做间歇运动，再通过曲柄滑块机构把铆钉送到准确的加工位置。 此次设计创新出在于采用双臂式自动送料机构。其中一臂主要为物料的抓 取功能；另一臂主要完成送料功能。该机构比较简单，运行可调好控制，实用 性强，同时提高了工作效率，减少了危险，是一种具有实用价值的自动送料机 构。 第三章第三章 双臂式自动送料机器人原理分析及计算双臂式自动送料机器人原理分析及计算 3.13.1 液压缸的原理和计算液压缸的原理和计算 液压缸的工作原理几乎都是相似的，拿一个手动千斤顶图 3.1 来说，千斤 顶其实也就是个最简单的油缸了。通过手动增压秆(液压手动泵)使液压油经过 一个单项阀进入油缸，这时进入油缸的液压油因为单项阀的原因不能再倒退回 来，逼迫缸杆向上，然后在做工继续使液压油不断进入液压缸，就这样不断上 上升，要降的时候就打开液压阀，使液压油回到油箱，这个是最简单的工作原 理10。 图图 3.13.1 手动千斤顶手动千斤顶 1杠杆 2泵体 3小活塞 4、7单向阀 5吸油管 6、10管道8大活塞 9缸体 11放油阀 12油箱 由于液压执行元件与主机结构有着直接关系，因此所需要的液压缸和气缸 本科毕业设计（论文） 第 9 页 在结构上千变万化。尽管有一些标准件可供选用，但有时还必须根据实际需要 自行设计。选取缸筒材料为铸钢，活塞材料为耐磨铸铁，缸盖采用 45 号钢，活 塞杆材料 45 号钢。下面介绍液压缸和气缸的设计计算。 3.1.1 主要尺寸的计算主要尺寸的计算 液压缸的主要尺寸包括缸筒内径 D、活塞杆直径 d 和缸筒长度 L11。 根据负载大小和液压缸的工作压力确定活塞的有效工作面积，再根据液压缸 的不同结构形式计算出缸筒的内径。活塞杆直径是按受力情况决定的，可按表 3.1 初步选取。缸筒长度的确定要考虑活塞最大行程、活塞厚度、导向和密封 所需长度等因素。通常情况 L(2030)d。计算结果要圆整成国家标准中的推 荐值。主要尺寸初步确定后，还要按速度要求进行验证。同时满足力和速度的 要求后才可以确定下来。 表表 3.13.1 液压缸工作压力与活塞杆直径液压缸工作压力与活塞杆直径 液压缸工作压力 p/MPa 7 推荐活塞杆直径 d(0.50.55)D(0.60.7)D0.7D 3.1.2 强度校核强度校核 强度校核的项目包括缸筒壁厚 、活塞杆直径 d 和缸盖固定螺栓的直径 ds。 在中、低压系统中，缸筒壁厚由结构工艺决定，一般不做校核。在高压系统 中需按下列情况进行校核12。 （1）当 D/10 时为薄壁， 按下式校核 （式 3.1） 式中，D-缸筒内径； 缸筒材料的许用应力，=b/n，b是材料的抗拉强度，一般取 安全系数 n=5； py试验压力，当缸的额定压力 pn16MPa 时，py=1.5pn；pn16MPa 时， py=1.25pn。 （2）当 D/10 时为厚壁， 按下式校核 （）（）（）（） （式 3.2） 本科毕业设计（论文） 第 10 页 式中，F活塞杆上的作用力； （式 3.3） 活塞杆材料的许用应力，= b/1.4。 3. 缸盖固定螺栓直径 ds （式 3.4） 式中，F活塞杆上的作用力； k螺纹拧紧系数，k=1.121.5； z固定螺栓个数； 螺栓材料的许用应力，= s/（1.222.5），s为材料的屈服 点。 3.1.3 活塞杆稳定性校核活塞杆稳定性校核 当活塞杆受轴向压缩负载时有压杆稳定性问题，即压缩力 F 超过某一临界 Fk值时活塞杆就会失去稳定性。活塞杆稳定性按下式进行校核 （式 3.5） 式中，nk安全系数，一般取 nk=24。 （式 3.6） 当活塞杆的细长比时， 当活塞杆的细长比，且时， （式 3.7） 式中， l安装长度， rk活塞杆截面最小回转半径，； 本科毕业设计（论文） 第 11 页 1柔性系数， 2由液压缸支承方式决定的末端系数，； E活塞杆材料的弹性模量，钢材：； J活塞杆横截面惯性矩； A活塞杆横截面积； f由材料强度决定的试验值， 系数， 3.23.2 电磁吸附手原理及计算电磁吸附手原理及计算 取料手设计成电磁吸附手，解决了 M6 螺母体积小难用机械装置夹持问题。 下面介绍电磁铁原理及设计计算。电磁铁是一种执行元件，它输入的是电能， 输出的是机械能。电能和机械能的变换是通过具体的电磁铁结构来实现的。合 理的电磁铁结构是能量变换效率提高的保证。电磁铁设计的任务是合理的确定 电磁铁的各种结构参数。确定电磁铁的各种结构参数是一个相当复杂的任务， 下面我们探讨确定电磁铁结构参数的一般方法。电磁铁吸合过程是一个动态过 程,设计是以静态进行计算13. 3.2.1 基本公式和一般概念基本公式和一般概念 （1）均匀磁场 B=（T） S （2）磁势 F=NI,电流和匝数的乘积（A） （3）磁场强度 H=（A/m） ，建立了电流和磁场的关系。 L NI 该公式适用于粗细均匀的磁路 （4）磁导率=建立了磁场强度和磁感应强度（磁通密度）的关系。 H B 0=410-7 享/米 相对磁导率 r= 0 （5）磁通 = M R NI 磁阻 RM= s l 这称为磁路的欧姆定律，由于铁磁材料的磁导率 不是常数，使用磁阻 计算磁路并不方便，磁阻计算一般只用于定性。 （6）磁感应强度的定义式 B=，磁感应强度与力的关系。 qv F （7）真空中无限长螺线管 B=0nI。对于长螺线管，端面处的 B=0nI。 2 1 本科毕业设计（论文） 第 12 页 （8）磁效率 电磁铁工作循环图 0 0 4 4 I 2 3 1 图图 3.23.2 电磁铁工作循环图电磁铁工作循环图 当电磁铁接上电源，磁力还不足克服反力，按 02 的直线进行磁化，达到 期初始工作点 2。当磁力克服反力使气隙减小直至为零时，工作点由 23。断 电后工作点由 30。 面积为断电后剩留的能量，面积为作功前电磁铁储存的能量，面积 为电磁铁作的功。 我们的目的是使 和的面积最小，的面积最大。 面积表示电磁铁作完功后的剩磁， （1）减小面积可用矫顽力小的电铁。 （2）提高制造精度，使吸合后气隙最小，但要防止衔铁粘住。 面积表示作功前所储存的能量，在衔铁位置一定时，取决于漏磁通，漏 磁通大，面积就大。 （9）机械效率 K1= 0A A A：输出的有效功 A0：电磁铁可能完成的最大功。 （10）重量经济性系数 K2= 0A G G=电磁铁重量。 A0：电磁铁可能完成的最大功。 本科毕业设计（论文） 第 13 页 K2 不仅取决于磁效率和机械效率，而且还取决于磁性材料的正确利用， 电磁铁的类型和主要外形尺寸之间保持合理的比例关系。 （11）结构系数 K 每一类型的电磁铁，都有一定的吸力和行程。按最优设计方法设计的电磁 铁重量最轻。一般来说，长行程的电磁铁比短行积的电磁铁长，吸力大的电 磁铁比吸力小的电磁铁外径大。 为了按最小材料消耗率比较电磁铁，引入结构系数 KJ这个判据。 K= Q Q-初始吸力（kg） -气隙长度（cm） Q 正比于电磁铁的横截面； 正比于电磁铁的轴向长度。 结构系数可以从设计的原始数据求得。 （12）电磁铁工作的过渡过程 B A i C D t 吸合时间 电磁铁吸合动态曲线 开始吸合 完成吸合 图图 3.33.3 电磁铁吸合动态曲线电磁铁吸合动态曲线 接通电源后，电磁铁从网络吸收能量，这个能量部分变成线圈的发热消耗， 另一部分用来建立磁场，当电流达到稳定值后，磁场的能量不再增加，电磁铁 从电源吸收的能量全部消耗于线圈子的发热上，磁场的能量用来产生吸力和作 功。 （13）工作制 1）热平衡公式 本科毕业设计（论文） 第 14 页 均匀体的发热曲线 t 图图 3.43.4 均匀体发热曲线均匀体发热曲线 热平衡公式：Pdt=CGd+sdt 式中：Pdt 供给以热体的功率和时间 CGd-提高电磁铁本身温度的热量。C-发热体比热 G-发热体质量 d-在 dt 时间内电磁铁较以前升高的温度。 sdt-发散到周围介质中的热量。-散热系数。S-散热面积。 -电磁 铁超过周围介质的温度。 当输入功率=发散的功率时 Pdt=0+sdt=sdt，即本身温度为再升高， 电磁铁本身温度不再升高。这时就可计算产品的温升值 w。当 w小于容许温 升，产品运行是可靠的。当 w大于容许温升，产品是不可靠的。 2）发热时间常数 发热时间常 y=发热体从 =0 发热到温升 0.632y时所需时间。4 达 到稳定温升。 冷却时间常数和发热时间常数基本相同。 3）工作制分为：长期工作制、短期工作制和重复短期工作制。 长期工作制:电器工作时间很长,一般不小于发热时间常数,工作期间，产品 的温度达到或接近温升 y（产品温度不再升高） 。工作停止后,产品的温度又降 到周围介质温度。长期工作制散热是主要的。 长期工作制电流密度可按 24A/mm2。 短期工作制：电器工作时间很短,一般小于发热时间常数,工作期间，产品 的温度达不到温升 y。工作停止后,产品的温度又降到周围介质温度。短期工 作制 CGd（产品本身热容）是主要的方面。 短期工作制电流密度按 1330A/mm2。 重复短期工作制：产品工作和停止交替进行，工作时产品温度达不到温升 y，停止时产品降不到周围介质温度。 重复短量工作制电流密度按 512A/mm2 （14）漆包线等的耐温等级 本科毕业设计（论文） 第 15 页 Y：90 A；105 Q E：120 QQ QA QH B：130 QZ 云母 石棉 F：155 QZY H：180 C：180 QY QXY 辅助材料的耐热等级 B 级 聚酯薄膜 C 级 聚四氟乙烯薄膜 3.2.2 参数计算过程参数计算过程 （1）原始数据 QH=0.003 公斤 H=0.5 厘米 Y=70 =0.1 UH=24V Y=20 （2）初算 有效功： A= QHH=0.0030.5=0.0015kgcm （式 3.8）结构系数值： K=0.11kg/cm H H Q 5 . 0 003 . 0 （式 3.9） 按所求的值,确定电磁铁的类型为 45 度锥台座吸入式。 按所求的值,得：B=10600 高，=5 12RR l 把吸力和衔铁行程折合为等效值： Q=0.006kg （式 2 cos h Q 45 003 . 0 2 COS 3.10） =Hcos2=0.5cos245=0.25cm （式 3.11） 确定铁心半径： R1=1.82cm （式 2 2 5000 B QH 10600 5000 14 . 3 006 . 0 3.12） 确定总动势： F=kct=1.28=2700 安匝 （式 4 . 0 B 14 . 3 4 . 0 25. 010600 本科毕业设计（论文） 第 16 页 3.13） 取磁导体中的磁势降为气隙磁势的 18%,非工作气隙中的磁势降为气隙中磁势的 10%,则式中 KCT=1.28 78 . 0 1 0.78=1-(10%+18%) 确定线圈的长度和高度： LK=5.04cm （式 3 42 2 105 YK Kf F 3 3 26 7043 . 0 1016 . 1 2 27001 . 0104 . 25 3.14） =2.410-2cm2/m 漆包线 90时电阻率 K=1.1610-3W/cm2 散热系数 Fk=0.43 填充系数 R2=+R1=+1.82=2.83 cm 5 K L 5 04 . 5 H=R2-R1=2.83-1.82=1.01cm 确定外部半径： R3=3.35(cm) （式 2 2 2 1 RR 22 83. 282. 1 3.15） 确定漆包线的直径： d=0.696(mm) （式 U FhR)12( 24 270065 . 4 104 . 2 2 3.16） 3.33.3 立柱的尺寸计算立柱的尺寸计算 立柱可以简化成悬臂梁近似计算尺寸。因为电机旋转过程产生的扭矩小， 可以不用考虑扭转时截面上的剪应力。立柱材料为灰铸铁 HT250，可以承受较 大压应力，立柱上装的零部件不是很重，因此压应力也不用考虑。经计算画出 立柱剪力图弯矩图。分别见图 3.5，3.6 所示： 图图 3.53.5 剪力图剪力图 本科毕业设计（论文） 第 17 页 图图 3.63.6 弯矩图弯矩图 从弯曲时应力的计算公式中可以分析出最大应力的位置，当同一截面上 、都相同时，最大应力发生在 y 最大的地方14。故最大应力的计算公 式为： （式 3.17） 上式中，如果令,Wz称为抗弯截面系数，则： （式 3.18） 抗弯截面系数是衡量截面抗弯能力的一个几何量，越大，越小，梁 的承载能力越强，与力的大小无关，其单位为 m 或 mm 。一些常用截面的抗弯 截面系数需要记住，下面给出矩形、圆形和圆环截面的计算方法和结果15。而 对工字钢角钢槽钢等的抗弯截面系数，可以查有关的手册。 矩形截面：(宽度 b 平行于中性轴 z 轴,高度 h) （式 3.19） 圆形截面： （式 3.20） 圆环截面： （式 3. 21） 所选材料为灰铸铁 HT250，其力学性能表16见表 3.2，3.3 所示： 表表 3.23.2 灰铸铁铸件预计力学性能灰铸铁铸件预计力学性能 本科毕业设计（论文） 第 18 页 表表 3.33.3 灰铸铁铸件附铸试块力学性能灰铸铁铸件附铸试块力学性能 本科毕业设计（论文） 第 19 页 由以上计算公式及力学性能表，经计算最好将立柱设计为高 1500mm，外径 200mm，内径 160mm,等截面圆环形结构。 3.4 驱动电机的选择驱动电机的选择 3.4.1 直流电机与步进电机比较直流电机与步进电机比较 输出或输入为直流电能的旋转电机，称为直流电机，它是能实现直流电能 和机械能互相转换的电机。当它作电动机运行时是直流电动机，将电能转换为 机械能；作发电机运行时是直流发电机，将机械能转换为电能17。 步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超 载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而 不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这 一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使 得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。因此在本次设 计中采用步进电机控制支撑臂的旋转。 3.4.2 步进电机的选择步进电机的选择 步进电机有步距角（涉及到相数） 、静转矩、及电流三大要素组成。一旦三 大要素确定，步进电机的型号便确定下来了18。 （1）步距角的选择 电机的步距角取决于负载精度的要求，将负载的最小分辨率（当量）换算到 电机轴上，每个当量电机应走多少角度（包括减速） 。电机的步距角应等于或小 于此角度。 目前市场上步进电机的步距角一般有 0.36 度/0.72 度（五相电机） 、 0.9 度/1.8 度（二、四相电机） 、1.5 度/3 度（三相电机）等。 （2）静力矩的选择 本科毕业设计（论文） 第 20 页 步进电机的动态力矩一下子很难确定，我们往往先确定电机的静力矩。静力 矩选择的依据是电机工作的负载，而负载可分为惯性负载和摩擦负载二种。单 一的惯性负载 和单一的摩擦负载是不存在的。直接起动时（一般由低速）时二 种负载均要考虑，加速起动时主要考虑惯性负载，恒速运行进只要考虑摩擦负 载。一般情况下，静力 矩应为摩擦负载的 2-3 倍内好，静力矩一旦选定，电机 的机座及长度便能确定下来（几何尺寸）. （3）电流的选择 静力矩一样的电机，由于电流参数不同，其运行特性差别很大，可依据矩频 特性曲线图，判断电机的电流（参考驱动电源、及驱动电压） 综上所述选择电机一般应遵循以下步骤： 图图 3.73.7 电机选择步骤电机选择步骤 （4）力矩与功率换算19 步进电机一般在较大范围内调速使用、其功率是变化的，一般只用力矩来衡 量，力矩与功率换算如下： P= M （式 3. 22） =2n/60 （式 3. 23） P=2nM/60 （式 3. 24） 其 P 为功率单位为瓦， 为每秒角速度，单位为弧度，n 为每分钟转速，M 为力矩单位为牛顿米 P=2fM/400(半步工作） （式 3. 25） 其中 f 为每秒脉冲数（简称 PPS) 本次设计选择电机型号为：110BYG260B-0602。 3.53.5 螺钉的选择螺钉的选择 螺栓联接通常以螺栓组形式出现。故在进行强度计算之前，先要进行螺栓 本科毕业设计（论文） 第 21 页 组的受力分析，找出其中受力最大的螺栓及其所受的力，作为进行单个螺栓强 度计算的依据。 对于承受轴向力（包括预紧力）作用的受拉螺栓和承受横向力作用的受剪 螺栓（主要是铰制孔用螺栓） ，根据其破坏形式，相应的设计准则分别是保证螺 栓的拉伸强度和保证联接的挤压强度和螺栓的剪切强度。 按上述相应的强度条件计算螺栓危险截面直径或校核其强度。螺栓其它部 分和其它螺纹联接件的结构尺寸，均按螺栓螺纹的公称直径由标准选定。下面 介绍液压缸螺钉的选择： 若近似地把螺栓小径所对应的剖面视为危险剖面，则受拉螺栓的约束强度 条件为： （式 3. 26） 或 （式 3. 27） 式中：Fv为螺栓所受的当量拉力； s为螺栓联接的许用应力。 常用材料：Q215、Q235、25 和 45 号钢，对于重要的或特殊用途的螺纹联 接件，可选用 15Cr ，20Cr，40Cr，15MnVB，30CrMrSi 等机械性能较高的合金 钢。 螺纹联接件的许用应力与载荷性质(静、变载荷) 、联接是否拧紧，预紧力 是否需要控制以及螺纹联接件的材料、结构尺寸等因素有关。精确选定许用应 力必须考虑上述各因素，设计时可参照表选择。 表表 3.43.4 螺栓、螺钉、螺柱、螺母的性能等级螺栓、螺钉、螺柱、螺母的性能等级 性 能 级 别 3.64.64.8 5.6 5.8 6.8 8.8 (M16) 8.8 (M 16) 9.810.912.9 公称 300 400 500 600800800 90010001200 抗拉强度极限 b /MPa min330400420 500 520 600800830 90010401220 公称 180240320 300 400 480640640 7209001080 屈服强度极限 s /MPa min190240340 300 420 480640660 7209401100 螺栓、 螺钉、 螺柱 布氏硬度 HB min90109113 134 140 181232248 269312365 本科毕业设计（论文） 第 22 页 推荐材料 10 Q215 15 Q235 10 Q215 25 35 15 Q235 453535 35 45 40Cr 15MnVB 30CrMnSi 15MnVB 性能级别 4 或 5 4 或 5 4 或 5 556 8 或 9 8 或 9 91012 相配 合螺 母推荐材料 10 Q215 10 Q215 10 Q215 10 Q215 10 Q215 15 Q215 353535 40Cr 15MnVB 30CrMnSi 15MnVB 注：9.8 级仅适用于螺纹公称直径16mm 的螺栓、螺钉和螺柱。 表表 3.53.5 紧螺栓联接的许用应力及安全系数紧螺栓联接的许用应力及安全系数 许用应力不控制预紧力时的安全系数控制预紧力时的安全系数 S 直径材料M6M16M16M30M3060不分直径 =s /S碳钢合金钢43543242.521.32.5 1.21.5 注：松螺栓联接时，取：=s/S，S=1.21.7。 由上表和公式，选择液压缸螺钉为材料 20Cr，型号为 M8.其他螺栓连接也 可以类似选用。 本科毕业设计（论文） 第 23 页 第四章第四章 实体设计实体设计 根据第三章的设计参数来设计各个机构的结构，参考按照尺寸绘图工具绘 制出各个零件的实体图。 4.14.1 设计软件介绍设计软件介绍 本次设计绘图所用软件是 ProE，下面介绍一下软件及其优点。ProE 是美国 PTC 公司旗下的产品 Pro/Engineer 软件的简称。ProE 是美国参数技术公司 （Parametric Technology Corporation，简称 PTC）的重要产品。是一款集 CAD/CAM/CAE 功能一体化的综合性三维软件，在目前的三维造型软件领域中 占有着重要地位，并作为当今世界机械 CAD/CAE/CAM 领域的新标准而得到业 界的认可和推广，是现今最成功的 CAD/CAM 软件之一20。 经过 20 多年不断的创新和完善，ProE 现在已经是三维建模软件领域的领 头羊之一，它具有如下特点和优势： 参数化设计和特征功能 ProE 是采用参数化设计的、基于特征的实体模型 化系统，工程设计人员采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型，如腔、 壳、倒角及圆角，您可以随意勾画草图，轻易改变模型。这一功能特性给工程 设计者提供了在设计上从未有过的简易和灵活。 单一数据库 ProE 是建立在统一基层上的数据库上，不像一些传统的 CAD/CAM 系统建立在多个数据库上。所谓单一数据库，就是工程中的资料全 部来自一个库，使得每一个独立用户在为一件产品造型而工作，不管他是哪一 个部门的。换言之，在整个设计过程的任何一处发生改动，亦可以前后反应在 整个设计过程的相关环节上。例如，一旦工程详图有改变，NC（数控）工具路 径也会自动更新；组装工程图如有任何变动，也完全同样反应在整个三维模型 上。这种独特的数据结构与工程设计的完整的结合，使得一件产品的设计结合 起来。这一优点，使得设计更优化，成品质量更高，产品能更好地推向市场， 价格也更便宜。 全相关性：ProE 的所有模块都是全相关的。这就意味着在产品开发过程中 某一处进行的修改，能够扩展到整个设计中，同时自动更新所有的工程文档， 包括装配体、设计图纸，以及制造数据。全相关性鼓励在开发周期的任一点进 行修改，却没有任何损失，并使并行工程成为可能，所以能够使开发后期的一 些功能提前发挥其作用21。 基于特征的参数化造型：ProE 使用用户熟悉的特征作为产品几何模型的构 造要素。这些特征是一些普通的机械对象，并且可以按预先设置很容易的进行 修改。例如：设计特征有弧、圆角、倒角等等，它们对工程人员来说是很熟悉 的，因而易于使用。 装配、加工、制造以及其它学科都使用这些领域独特的特征。通过给这些 特征设置参数（不但包括几何尺寸，还包括非几何属性） ，然后修改参数很容易 的进行多次设计叠代，实现产品开发。 本科毕业设计（论文） 第 24 页 数据管理：加速投放市场，需要在较短的时间内开发更多的产品。为了实 现这种效率，必须允许多个学科的工程师同时对同一产品进行开发。数据管理 模块的开发研制，正是专门用于管理并行工程中同时进行的各项工作，由于使 用了 ProE 独特的全相关性功能，因而使之成为可能。 装配管理：ProE 的基本结构能够使您利用一些直观的命令，例如“啮合” 、 “插入” 、 “对齐”等很容易的把零件装配起来，同时保持设计意图。高级的功 能支持大型复杂装配体的构造和管理，这些装配体中零件的数量不受限制。 易于使用：菜单以直观的方式联级出现，提供了逻辑选项和预先选取的最 普通选项，同时还提供了简短的菜单描述和完整的在线帮助，这种形式使得容 易学习和使用22。 4.24.2 液压缸结构的设计液压缸结构的设计 为配合取料手及其手臂实现一定摆角，完成不同位置的螺母取料，同时要 有足够强度支撑取料手臂重量，此方案选择液压支撑长度 200mm，可以最大伸 长约 400mm。实现取料手与手臂间最大角度约 150 度，取料范围大概为 500mm。其实体图如图 4.1 所示： 图图 4.14.1 液压支撑液压支撑 4.34.3 取料手结构的设计取料手结构的设计 取料手臂要从高大约一米的料箱内取得 M6 螺母，完成送料。因此将其设计 成液压控制可以伸出，缩回以适应不同距离的取料。同时，当期送料时要回到 初始状态，完成转动，将拿到的 M6 螺母送到储存螺母的装置。此设计将取料手 长度设计为 500mm，初始状态成与水平大概 60 度角。其实体图如图 4.2 所示： 本科毕业设计（论文） 第 25 页 图图 4.24.2 电磁吸附取料手电磁吸附取料手 4.44.4 立柱的设计立柱的设计 立柱是整个机构的身体，取料手臂送料装置都要以安装在立柱上。因此， 立柱承受的力及力矩最多也最复杂，要有足够强度刚度才能满足要求。为了适 应取料和送料工作台，立柱的高度也要设计的尽量适合。本设计将立柱高度设 计为 1500mm,中空外径 200mm，同时为使电机散热以保障最佳工作状态。在安装 电机的周围还设计了散热栅格。其三维实体图如图 4.3 所示： 本科毕业设计（论文） 第 26 页 图图 4.3 立柱立柱 4.54.5 M6M6 螺母接收装置设计螺母接收装置设计 螺母由取料手送至滑道，因为取料手设计为电磁吸附手，其到达预定送料 位置时，放下螺母。根据螺母尺寸，设计一螺母接收装置，类似一个漏洞。斜 面角度 45 度，螺母与斜面摩擦不会影响螺母下滑。其三维实体图如图 4.4 所示： 本科毕业设计（论文） 第 27 页 图图 4.44.4 接收装置接收装置 4.6 螺母摆正槽设计螺母摆正槽设计 螺母经过接收装置后是没有规则的向下沿滑道运动的，但是在工作台上螺 母要水平放置才能是想要的位置。因此要实现螺母水平方式送到工作台，必须 在未进入工作台时就实现摆正。考虑到螺母水平放置尺寸比竖直放置尺寸大。 滑道设计一段槽，当螺母水平滑下时可以顺利通过，但是当螺母竖直时由于尺 寸比开的漏槽尺寸小，则会落下，下面有螺母回收装置。槽长度 100mm,宽度为 5mm。其三维实体图如图 4.5 所示： 本科毕业设计（论文） 第 28 页 图图 4.54.5 送料槽送料槽 4.74.7 送料机构设计送料机构设计 此部分采用 07 级同学设计的花盘送料机构，利用步进电机驱动轴转动，带 动花盘。花盘设计有六个槽，在转动过程中使螺母以一定时间间隔送出。其实 体装配图如图 4.6 所示： 图图 4.64.6 送料机构送料机构 本科毕业设计（论文） 第 29 页 4.8 整体装配图整体装配图 图图 4.74.7 整体装配图整体装配图 本科毕业设计（论文） 第 30 页 第五章第五章 设计总结设计总结 走的最快的总是时间，来不及感叹，美好的大学生活匆匆过去，经过几个 月的忙碌和工作，本次毕业设计已经接近尾声，由于经验的匮乏，难免有许多 考虑