机械毕业设计（论文）-主动柱齿轮自动上下料专用机构设计【全套图纸】

1 摘摘 要要 本次所设计的课题是:主动柱齿轮自动上下料专用机构.零件是长春一汽底盘分厂制造的 汽车底盘中减速器里的主动柱齿轮，它主要用于载重汽车的底盘中，起着传递转矩、降低转 速的作用。 本次毕业设计主要研究上下料机构的设计，所要完成的任务包括：绘制零件图（A3） 、 设计输送工件毛坯用的送料机构（A0） ，设计铣端面和打中心孔的起夹紧作用的液压夹紧滑 台机构（A0） 、设计此套机构的控制部分（主要使用欧姆龙 C 系列 P 型机进行控制。 设计送料机构时，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；设计液压夹紧机构时，采用液压缸压力驱动，齿轮齿条传动，实现滑台两侧同时对工 件夹紧；设计控制部分大采用 C60P 型 PLC，对机构所要求的功能进行控制，并注意急停、 保护部分。 最后，将送料机构液压滑台、控制部分及同组同学所设计的机械手机构、机床总体布 局、液压部分总体规划，从而形成一个完整的机电一体化的上下料机构，以完成自动加工主 动柱齿轮的第一道工序。 关键词：液压机构；送料机构；链轮链条；PLC 控制。 全套图纸，加全套图纸，加 153893706 2 Abstract The object of this design just before our graduation is a initiative pillar gear for the car bed- rock lying in the decelerating device of the automobile bed-rocks, which are manufactured by the First Car-Manufacturer of Changchun. It is primarily used to transmit the torsion and torques of the bed-rock inside heavy automobile and also can decelerate. The main researching work of this designing is to study the particular fixture among it which including : drawing the part diagram (A3),designing a stock for transmitting the materials of work piece (A0),design a stock to tight the total diagram (A0),designing controlling part of this machine (mainly using OMRON serious C size PLC to control). When designing the stock for transmitting, adopting liquid, press to realize gear and rack, wheel track and racks removing, then work piece can remove one to another. When designing the pressure stock, adopting liquid press to realize gear and racks removing, then the stock can tight the work piece by the two sides at the same time. When designing the controlling part, using C60P size PLC, to achieve the commanding function, and noticing urgent stopping, protect part, Finally, designing sending machine, pressure machine, controlling part, and the orientation diagram of machine tool. The diagram of whole part putting, the pressure part which is designed by my classmate in the same hard, forming a whole machine for up and down the materials, then the first process of initiative pillar gear can be auto processed. 3 KEY WORD: pressure machine, a material for transmitting, gear and rack Wheel rack and rack, PLC controlling. 前前 言言 在现代工业生产自动化领域里,材料的搬运,机床上下料,整体的装配等实现自动化是十分 必要的。在机械工业部门,这些程序的费用占全部加工费用的三分之一以上，所费时间占加 工时间的三分之二以上，且绝大多数的事故发生在这些工序.自动上下料装置和工业机械手 就是为实现这些工序的自动化而设计的。工业机械手在二十世纪五十年代就已用于生产。它 是在自动上下料的基础上发展起来的一种机械装置。开始主要用于实现自动上下料和搬运工 作,完成单机自动化和生产线自动化.随着应用范围不断扩大,现已用来操作工具和完成一定作 业。而本次所设计的自动上下料专用机构,是利用液压系统驱动和电器系统控制实现自动线 的自动工作循环。在成批大量生产中,尤其在要求生产率很高,机动工时很短的情况下,上下料 是一项重复而繁重的工作,为提高生产率,减轻体力劳动,保证安全生产,采用自动上下料装置是 行之有效的方法.而且,实践也证明,工业机械手在加工主动柱齿轮的时候可以代替人手减轻工 人的劳动强度,改善劳动条件,提高生产率。 因为液压系统操作方便,电器系统控制灵活,成本低,工作可靠,完全能满足我们的工作性 能要求。因此本次主动柱齿轮自动上下料装置采用液压驱动及电器控制的工业机械手。伴随 着我国工业生产的飞跃发展,自动化程度的迅速提高,实现工件的装卸、转向、输送或操持焊 枪、喷枪、扳手等工具进行加工、装配等作业的自动化，已愈来愈引起人们的重视。自动上 下料装置和工业机械手就是为实现这些工序的自动化而设计的。 一个好的自动上下料装置应该满足以下条件：(1)提高工人劳动生产率,显著减轻工人的 劳动强度；(2)工作稳定可靠，运转噪声小，不会损伤工人，使用寿命长；(3)结构简单紧凑， 最大限度采用标准化零部件，通用性好，易于制造，成本低。经实践验证,本次设计的自动 4 上下料专用机构基本达到预期要求。同时，通过本次设计也对自己大学几年来的专业课知识 作了系统的复习，加深了理解。鉴于本人的学识能力有限和设计时间短暂，因此难免有一些 差错和不足，敬请各位老师批评指正。 目目 录录 摘要摘要1 Abstract2 前言前言3 第第 1 章章传动方案拟定传动方案拟定.6 1.1 概述概述6 1.2 传动方案的拟定传动方案的拟定6 第第 2 章章 自动送料机构的设计自动送料机构的设计.8 2.1 传动方案的论证传动方案的论证8 2.2 液压缸的设计计算液压缸的设计计算10 2.2.1 液压缸类型的确定液压缸类型的确定10 2.2.2 基本参数的确定基本参数的确定10 2.2.3 结构强度计算及稳定性校核结构强度计算及稳定性校核 12 2.2.4 计算流量计算流量 13 2.3 链传动的设计计算链传动的设计计算13 2.4 传动轴的设计计算传动轴的设计计算16 5 2.5 平键的选择与校核平键的选择与校核.18 2.6 花键的选择与校核花键的选择与校核19 2.7 齿轮参数的确定齿轮参数的确定19 第第 3 章章 液压夹紧滑台机构的设计液压夹紧滑台机构的设计21 3.1 液压夹紧滑台的整体设计液压夹紧滑台的整体设计21 3.2 液压滑台相关数据计算液压滑台相关数据计算21 第第 4 章章 机构的电气控制部分设计机构的电气控制部分设计24 4.1 可编程控制器概述可编程控制器概述24 4.2 机构控制部分设计机构控制部分设计26 4.2.1 OMRON C 系列系列 P 型机简介型机简介26 4.2.2 设计所选机型设计所选机型.27 4.2.3 机构的机构的 I/O 分配分配.27 4.2.4 机构控制流程机构控制流程28 4.2.5 机构的梯形图程序机构的梯形图程序29 结论结论.31 谢辞谢辞.32 参考文献参考文献.33 6 第第 1 章章 传传动动方方案案拟拟订订 1.1 概概述述 本次毕业设计我的课题是主动柱齿轮自动上下料机构设计 ，需要完成的任务有： 1. 绘制零件图 2. 设计送料用的送料机构 3. 设计夹紧工件用的液压夹紧滑台机构 4. 绘制送料机构及液压夹紧滑台的典型零件图 5. 设计此套机构的 PLC 控制程序 6. 完成毕业设计说明书 其中重点和难点是送料机构，液压夹紧滑台机构，PLC 控制部分的设计。 本零件是长春一汽底盘制造厂制造的汽车减速其的主动柱齿轮，它主要用于载重汽车的底盘 中，起着传递转矩，降低转速的作用。该零件需经过毛坯锻造，铣两端面“，钻中心孔等 15 道工序，才能够生产出产品。该零件产量为 30000 件/年，零件重量约为 15KG/件，可知 其产量属于中批量生产。为了提高加工质量和劳动生产率，同时降低工人的劳动强度和减少 废品率，将进行部分工序自动化，由专用机床代替工人生产，自动进行送料，上下料等，既 减少了工人工作时间，又提高了生产效益，因此一个工人可同时对多台机床进行操作，使人 员配制更加合理。本着这些目的，进行上下料自动机构的设计是很必要的，而机械手的设计 将为以后的生产线提供广泛的用途。 1. 2 传动方案的拟订传动方案的拟订 7 在自动化生产线中，需要较多的机械手和送料机构，要求使零件的设计和制造满足产品 的“三化”要求系列化，通用化和标准化。这样才能够使机构不但制造和装配方便，简 单，而且维修时各个零部件更换容易，故各送料机构和上下料机构机械手的传动原理和结构 尺寸都设计成基本相同，差别只在于安装的方向上，因此料道和机械手是整个生产线的基本 组成单元。工件的传动路线如下： 毛坯放置在送料机构的传动链上送料机构将工件输送到机械手能够接触到的地方（行 程开关控制）上料机械手夹持工件，将工件放置在托料架上支架动作，机械手回位液 压夹紧滑台夹紧工件两床头横向相向运动，进行铣端面两床头纵向相向运动，钻中心孔 两床头反向纵向相背运动，钻孔完成两床头反向横向相背运动，退出切削，夹具松开 托料架上升，工件进位下料机械手夹持工件，再将工件置于第二道工序的送料机构上，如 此反复，就可以实现工件的流水线了。 在本次设计值得注意的是：行程开关，作为位置检测元件，在检测元定位精度较低，因 而起往往不单独使用，而是辅以定位元件或挡块等元件定位；使用位置传感器作为更精密的 位置检测元件，以检测元件是否放对位置（托料架上） ；使用压力传感器作为判断夹紧力的 元件，以及判断工件是否夹紧。由于此次设计所涉及的动作较多，故需要使用较多的 I/O 端 子的 PLC，因此选用 OMRON 的 C 系列 P 型号 C60P PLC，对机构进行控制。 8 第第 2 章章 自动送料机构的设计自动送料机构的设计 2.1 传动方案的论证传动方案的论证 传动方案的确定，在传动系统的设计过程中起着相当重要的作用，传动方案是否合理， 这直接影响着传动机构的工作效率，而合理的传动方案不仅能够满足机器的功能要求，而且 还应该使工作可靠，结构简单，尺寸紧凑，传动效率高，使用维修方便，以及适应各种工作 条件等要求，在传动系统中的方案确定过程中，要同时满足这些要求是比较困难的，因此我 们要将拟订的各种传动方案进行比较，使传动能够满足重点要求的，综合性能较高的方案就 是我们所要的传动方案。 自动送料机构的主要传动要求是能够实现间歇运动，使工件在一个工件完成加工后再送 入到待加工位置。为此我们拟订了三种传动方案：1.液压传动；2.气压传动；3.电气传动。 方案一的传动特点： （1）液压传动各执行元件机构的动作和力（力矩）是靠液体来传动的，所以液体的质 量和清洁度将直接影响到液压设备的运动状况。 （2）在相等功率条件下，液压传动设备比机械传动设备体积小，重量轻，运动惯性小， 动态性能好，换向频率高。其往复回转动作可达每秒 500 次，往复直线运动可达 1000 次。 （3）液压设备中，液压系统与电气控制系统联合使用，自动化程度高。 （4）液压设备要保持良好的技术状态就必须做到控制油液污染，控制泄露和控制温升 及吸空等。 （5）液压设备由标准化程度较高，通用较强的液压元件组成，故便于设计制造和推广 使用。 9 （6）液压传动设备具有自我润滑和自动防止过载的保护能力，故使用起来安全可靠。 （7）由于液压传动的各个执行机构所传递的力，速度，位移可无级调节（调节范围可 达 1：2000） ，故能迅速适应被控制参数的变化。 （8）液压元件标准化，系列化的水平较高，故液压设备一般比机械设备技术改造投资 少，时间短，并且容易实现。 （9）液压元件属于精密零件，因此元件的维修比较困难。 （10）液压设备的故障有隐蔽性和多样性，因此故障原因的判断要比机械故障的判断难 得多。 方案二的传动特点： （1）气体流动时惯性小，所以气动元件的动作快，反映灵敏，在系统中建立起一定 压力和流速所需的时间短。 （2）空气的粘性小，因此在管道中流动的压力损失小，便于集中供气和压缩空气的 远距离传输。 （3）气动系统中的工作介质是空气，因此不存在变质，补充和更换问题，经济性好。 （4）气动系统中回气可直接排入大气，不需要设置回气管路，系统比较简单。 （5）气动系统的工作性能对温度变化不敏感，几乎在 0200范围均可工作，并且在 高温下不会发生燃烧或爆炸。 （6）由于工作压力低，可降低对气动元件的材料和制造精度要求。 （7）空气的容积摸量比压力油小得多，所以气动元件的速度刚度比液压系统低，低 速稳定性差。 （8）气压信号比电气信号传播速度慢，所以气动系统的快速性和响应频率不如电气 控制系统。与机械传动相比，也不如机械传动准确性高。 （9）气动系统对一定的外泄是允许的，因为外泄的空气不会污染工作环境，也不会 影响气压传动的质量；但由于气动系统本身工作压力不高，所以要尽可能也减 少泄露。 （10）空气没有润滑性能，其中又含水蒸气，所以气动元件的工作条件比液压元件差。 方案三的传动特点： 10 （1）结构简单，维护方便，单机容量大，能实现高速传动； （2）电力传动中的直流传动系统有良好的调速性能，其调整的范围也很宽，平滑性好， 响应速度和频率高。 （3）电动机能够输出较大的转矩和转速； （4）电动机的容量选择困难，其容量大小回造成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。 结合本送料机构传递系统功率不大以及间歇传动的特点，如果选择气压传动，不但会 造成间歇传动中的定位不准确，而且产生的噪声也大，是工人的工作环境变差，并且气压系 统中的压力也无法达到要求，故不选用气压传动。 电气传动结合本传动系统的特点，就需要选择步进电动机，这样不仅是使用设备是成本 增加，而且还需要另设置单独的控制系统，况且电动机在频繁的启动和制动的过程中容易损 坏，故不选用电动传动方案。 因此，我们选用液压传动方案，这样不仅可以达到本系统的要求，而且工作较平稳，产 生的 噪声相当小，在工件传动同时在一定程度上还避免了上述两种方案所带来的弊端。 在工件传动方案的选择中，由于工件的质量和体积较大，形状比较复杂，无法选择带式 传动。结合链传动的特点，可用于远距离传输，链条和链轮的平均传动比恒定，而且在高温， 油，酸等恶劣环境下能够可靠的工作，价格也比较便宜，传动效率高，故选用链传动作为工 件的输送形式。 选定液压驱动方式及采用链传动的输送形式后，如何使两者能够联接起来形成一个整体 统一的传动机构，也是一个重要的环节。由于本方案中采用的是齿轮齿条传动，它的基本设 计思路是：设计一齿条和齿轮啮合并有锯齿的齿轮，并将齿轮安装在固定的长轴上。当液压 驱动齿轮运动，齿条的往返移动带动齿轮的旋转，齿轮的旋转使锯齿相互配合，带动另外的 带有锯齿的齿轮旋转，然后通过该齿轮（该齿轮与轴的花键部分配合）带动轴旋转，进而使 链条转动，从而推动在链条上的工件进位。在这里值得注意的是，实际工件的进位只能够是 一个不变的方向，而不是变动的。因此，在设计的过程中我们考虑用锯齿形齿的配合来实现， 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，从而工件不动，如此就实现了工件的间歇定向传动。 2.2 液压缸的设计计算液压缸的设计计算 液压缸是液压系统中的对外作功元件，它与工作部件直接相联接，由于不同工作部件的 11 用途和工作要求并不相同，因此在设计前要做好调查研究，准备必要的原始材料和设计依据， 其中主要有： （1）主机的用途和工作条件 （2）工作机构的结构特点，负载情况，行程大小和动作要求 （3）液压系统中的工作压力和流量 （4）有关国家标准和技术规范 2.2.1 液压缸类型液压缸类型 由液压缸工作条件及设备用途方面考虑，选用双作用单活塞杆液压缸。 2.2.2 基本参数的确定基本参数的确定 1.液压缸工作负载的确定 根据料道的液压缸工作特点，其主要外负载为克服链传动中齿轮与支座之间的摩擦， Fm，以及运动部件速度变化时的惯性负载 Fg，整个传动系统中存在的摩擦阻力 Ff,故 F=Fm+Fg+Ff. 考虑到在实际情况中各处动力损失较复杂，故将工作负载扩大 50%。 Fm=N=0.2431=86.2N 故支座重力（即齿条所受压力）N=R2hg=431N =216N t v g G Fa Ff 根据工作情况，估算 Ff =1500N 故 F=1500+86.2+216（1+50%）=2703.3N 因此取 F=3000N 2. 工作速度的确定 根据实际工作情况，选用 GE 系列调节流量阀，查得最小流量为 0.05L/min，由实际 工作中可得 Vmin=80cm/min。 3. 行程确定 液压缸的工作行程长度应该根据执行机构实际工作的最大行程确定。由于工作的最大 外径为 150min，再加上工件之间应该有适当距离，故取工件之间的距离为 250mm，参照参 考资料3，取标准值为 200mm。 4. 液压缸内径 D 和活塞杆直径 d 的确定 12 21 2 2 21 4 PP Pd PP F D 根据参考资料2表 37.5-3，37.5-5 查得，P1=2MPa，P2=0.3MPa。所以 D=47mm。 根据参考资料2，表 37.5-8，取标准值 D=50mm。 根据参考资料2，37.5-6 取 d/D=0.5，因此 d=0.5D=25mm。 5. 壁厚及外径计算 液压缸的壁厚是指缸筒结构中最薄处厚度。由于本次设计中系统的工作压力较低，属 于中低压系统，液压缸的壁厚无法用公式进行计算，只能按经验选取 =10mm。缸体的 外径 D1=D=+2=50+210=70mm。 6. 缸盖厚度的确定 选取液压缸盖为平地底缸盖，缸盖上根据需要钻有进油口、出油口和缓冲器作用的沉 孔，缸盖厚度为=17mm。 y P Dt 2 433. 0 查阅相关资料得=25MPa，Py 为最大工作压力的 1.251.5 倍。圆整取 t=18mm，故缸盖厚度为 18mm。 7.活塞宽度 B 和缸体长度 一般 B=（0.51.0）D，由于系统的压力较低，取 B=0.5D=0.550=25。 液压缸内部的长度应是活塞的行程和活塞的宽度之和，故得液压缸的内部长度为 L=200+25=225mm。缸体的外部长度除了要考虑内部长度外，还应考虑到两端盖的厚度，所以 液压缸的外部长度为 L1=L=2t=225+218=261mm。 2.2.3 结构强度计算与稳定性校核结构强度计算与稳定性校核 1.液压缸的稳定性验算 根据材料力学的理论，一根受压的直杆，在其轴向负载 F 超过稳定临界力 Fk 时，即失 去原有直线状态下的平衡，或称为失稳。对于液压缸其稳定条件为： k K n F F Nk 为稳定性安全系数，一般 Nk 取 24。 2 2 l EI FK 其中， 为长度折算系数；E 为活塞杆材料的纵向弹性模，E 取 205.9GPa；I 为活塞杆 13 断面的最小惯性矩；r 为活塞杆横断面的回转半径，。 A I r 经计算得：Fk=71040N ，式中 Nk=2。N n F k K 35520 ，故液压归纳感稳定。 k K n F F 2.活塞杆强度校核 用的 A 系 2 1 2 4 dd F 为活塞杆材料的许用应力，查参考资料4，表 2-7 查得 s=355MPa，= s/n=236.667MPa， 式中 s 为材料的屈服极限，n 为安全系数，n=1.42。 实心活塞杆 d1=0。 因此 =6.115MPa 2 4 d F 故活塞杆强度足够。 2.2.42.2.4 计算在各工作阶段液压缸所需流量计算在各工作阶段液压缸所需流量 直线型运动液压缸只有两种工作状态，即工进与有退回。 速度公式为： s m V 流量公式为：Q=VA 工进时行程为 180mm，所需时间为 2.5s，故工作速度为 V退回=（18010-360）/2.5=4.32m/min， Q工进=D2V工进/2.5=8.48L/min。 退回时行程为 180mm，所需时间为 1.5s，所以 V退回=（18010360）/2.5=7.2m/min Q退回=（D2-d2）V退回/4=10.6L/min 2.32.3 链传动的设计计算链传动的设计计算 链传动是应用比较广泛的一种机械传动，特点如下： （1）链传动为带有中间挠性件的啮合传动，与带传动相比，无滑性滑动和打滑 14 现象，故能保持准确的平均传动比，传动效率高，结构紧凑，传递圆周力 大，张紧力比带传动小； （2）与齿轮传动相比，链传动能吸振和缓和冲击，结构简单，加工成本低廉， 安装精度要求低，适用于较大中心距的传动，能在恶劣环境中工作。 （3）运转时不能保持恒定的瞬时传动比不宜在载荷变化大和急速反向传动装置 中应用； （4）工作有噪声，链条铰链易磨损，只能传递平行轴间的同向转运动。 链传动在送料机构中是最重要的传动形式，它直接决定着工件能否准确地被送到 需要的位置。本次设计中为了使链条采购方便，采用普遍应列套筒滚子链，初步选取传 递功率 P0为 1.2Kw，链轮的转速 n0为 20r/min，并且为了使工件能够较好的在水平线上 移动，因此选取两链轮的直径大小相同，从而使链条在水平线上传动，达到了使工件平 移的目的。 初步选取传动比为 i=1。 1.确定链轮齿数 Z1，Z2取奇数，链节数 Lp 为偶数时，可使链条和链轮齿磨损均匀， 根据优先选用齿数， （参考资料5中表 7-4）选取 Z1=25。 因为 i=Z1/Z2，即 1=Z2/25。所以 Z2=25。 即从动链轮的齿数为 25。 2.设计功率 Pd Pd=KAPK2 （1） 式中 KA-工况系数，选取 KA=1.0，查阅参考资料6表（3-5） 。P-传递功率，KW；K2- 小齿轮数系数，K2=1.35。则 Pd=1.01.20.611=0.73 KW。 3.特定条件下单排链条传递的功率 P0 PZ a KK P P 0 式中：Kz-从动链轮齿数系数，由参考资料5选取 Kz=1.34， Kp-排数系数，选取系数 Kp=1。 于是 P0=0.90 KW。 4.链条节数 P 为使传动平稳，结构紧凑，宜采用小节矩单排链。根据 P0和 n，选取 ISO 链号为 20A， 15 节矩 P=31.75（A 级链用于重载，高速和重要场合） 5.初定中心距 a0 一般取 a0 =（3050）P，无张紧装置时，ap，当 i时，amin0.2z(i+1) p，得 amin10P .以节距计算初定中心距 ap (3) p a a p 0 0 所以 ap40 节 .链条节数 LP Pa K a ZZ LP 0 0 21 2 2 式中，知 2 21 2 ZZ K 则 LP 105 为避免使用过度链节,将 LP值圆整为偶数,则 LP=106. 8.链条长度L 1000 PL L P 代入数据 L=3.37m. 9.计算中心距 ac 当 z1=z2时, ZL p a Pc 2 代入数据 ac=1285.9mm 10.实际中心距 a 为了使链条松边有合适的垂度,需将计算中心距减小(a).对于中心距不可调或无张 紧装置的传动,a 取小值,中心距可调的取大值,a=ac*a.一般a=(0.0020.004),选 a=0.003 ac. 11.链条速度 v 100060 11 PnZ V 代入数据 v=0.264m/s 12.计算作用在轴上的压力 Q F=10000Pd/v=2765N Q=1.3F3595N 16 13.计算链传动分度圆直径 =280.97281mm z p d 180 sin =7.2 25 180 25 180 齿顶圆直径:da=P(0.54+ctg180/2)=295.65mm 齿根圆直径:df=d-dr=261.92mm dr 为滚子外径,本次设计中滚子外径 dr=19.05mm 14.链轮材料及热处理 材料:40Cr;齿圈淬火,硬度 HRC 4050;b=980MPa,s=785MPa. 15.选择润滑方式 设计中采用开式链传动,只能够定期拆下用煤油浇洗,即等链条干燥后将链条浸入 7080的润滑油中,待链条间隙充满油液后使用. 对于 v0.6m/s 的低速链传动,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.设计时,可依据已知条件初选链条的型号,然后进行校核计算,满足静强 度条件即可选用. 静强度应满足下式: 48 FK Q S F 式中,s静强度安全系数; Q链条的最低破坏载荷,N;(查得 Qmin=8670N); F有效圆周力,N; KF 载荷系数,取为 1.0. 由上面计算可知,F=F=2765N, Q=7977N.小、查阅参考资料6表 5-11, Q=173500N. 所以=173500/276548 FK Q S F 根据校核计算可知,选用型号为 20A 的套筒滚子链是合适的.满足使用要求.由参考资 料6表 5-11 可知,链号为 20A 的滚子尺寸为: 节距 P=31.75mm;排距 Pt=35.76mm; 滚子外径 dr=19.05mm;内链节内宽 b1=18.90mm;内链节外宽 b2=27mm;外链节内宽 b3=27.6mm;滚子外径 d1=19mm;套筒内径 d3=10mm. 2.4 传动轴的设计传动轴的设计 17 转矩和弯矩是轴的主要承受载荷,轴的常见形式有直轴和弯轴,而根据本次设计中机 构的特点,选择传动轴为直轴.轴上的传递功能,由于要经过链轮和链条的啮合,等传送到轴上时,已 经损失了一部分的功率,故轴上的传递功率近似估计为 1.5KW,轴的转速和链轮的转速是相同 的,由前计算可知 n=20r/min. 因此轴的转矩为 T=9.55106(p/n)=716250Nm 1. 选择轴的材料并确定许用应力 选择轴的材料为 45 钢,经调质后,再使用. 由参考资料5表 10-1 查得:硬度:HBS217255;屈服强度极限: s=360MPa;抗拉强度 极限 b=650 MPa,弯曲疲劳强度极限 1=300 MPa. 由表 10-3 查得-1b=55 MPa. 2. 初步确定轴的直径 按照扭转强度估计轴输出端直径 由表 10-2 查得 C=107108 由式,得 d=(107108) =44.9449.56 3 N P Cd 3 20 5 . 1 圆整后,得 d=4550,考虑到有键槽,将直径增大 5%,则 d=(4550)(1+5%) =47.2552.5mm. 3. 轴的结构设计 1. 轴上零件的定位、固定、装配 在本次设计中,链轮安排在粗轴上,并且两两对称,右端配有矩形齿轮啮合的花键及螺 纹,轴做成阶梯形,在轴上装入链轮(2 个)、轴承、端盖、齿轮、弹簧等件. 2. 确定轴各个阶段直径和长度 段既装有链轮段,此段因为是送料机构的主要零件,考虑到所传递的功率,轴取稍微 大些.取为 d1=60mm,L1=360mm.初选 6012 型号的深沟球轴承(d=60、D=95、B=18),基本额定 载荷 Cr=31.5KN,基本额定静载荷 Cor=24.2KN,深沟球轴承主要承受径向载荷,也能承受一定 的双向载荷. 段主要是装齿轮、花键、弹簧及起固定作用,再根据步骤 2 中所确定的轴的轴径, 选其直径为 d2=50mm,L2=148mm. 4. 按照弯扭合成强度校核轴的强度 18 根据传动情况,可估计圆周力 Ft=3000N,轴向力 Fa=600N,径向力 Fr=1000N. 1. 绘制轴受力简图 2. 轴承支反力 =19.23N L LFdF F ra RAV 2/2/ 2 FRBV=FR+FRAV=1000+19.23=1019.23N. 计算弯矩: 截面 C 右侧弯矩 MCV= FRBV(L/2)=66.25Nm 截面 C 左侧弯矩 MCV= FRAV(L/2)=1.25Nm 3. 绘制水平弯矩图 轴承支反力: FRAH=Ft/2=1500N C 处弯矩: MCH= FRAH(L/2)=97.5Nm 4. 绘制合成弯矩图 Nm88.117 5 . 66 5 . 97 2222 CVCH C MMM Nm51.9725 . 1 5 . 97 2 222 CVCH C MMM 5. 绘制转矩图 T=716250Nm 6. 绘制当量转矩图 转矩产生的扭剪应力按脉动循环变化,取 =0.6,截面 C 处的当量弯矩 Nm4467162506 . 088.117 2 2 2 2 TMMC ec 7. 校核危险截面 C 的强度 MPa55 MPa21 601 . 0 10446 1 . 0 3 3 2 1 d Mec e 故轴的强度足够. 轴的受力图和弯扭矩图如下 19 : (6) (5) (4) (3) (2) (1) T Mec Fr Fa Ft MC FRBH FRAH Ft MCV MCV FRBV FRAV Fr Fa L L/2 2.5 平键的选择与校核平键的选择与校核 键是标准件,常用 45 钢,根据设计需要,确定为平键,查阅参考资料4,表 4-1.查得使用 键 1811 GB 1096-79(圆头普通平键 A 型 b=18mm,h=10mm,l=63mm). 抗压强度条件校核MPa33 4 2/ /2 dhl T lh dT GP 耐磨性校核 =33 MPa dhl T P 4 由参考资料6表 10-5 查得P=120150,P=50. 可见 P P, PP 故所选平键符合要求. 上式中,T转矩,Nmm; d轴径,mm; h键的高度,mm; l键的工作长度,mm; P 许用挤压应力,N/mm2; P挤压压强 ,N/mm2. 2.6 花花键键的的的的选选择择与与校校核核 假设载荷沿各齿的接触长度均匀分布,载荷在各齿上的合力N 作用在 平均直径dm 处 ,并且载荷不均匀系数 来估算实际载荷分布不均匀的影响, =0.7 0.8. 20 本次设计中所选用的花键为846509,即 N=8mm;d=46mm,D=50mm,B=9mm. 抗压强度条件校核: MPa4 . 5 2 2 m p hld T 耐磨性校核: MPa4 . 5 2 2 m hld T P 其中,T转矩,N/mm2;l齿的工作长度,mm;h花键齿侧面工作高度,h=(D-d)/2-2c;D 花键外径D 为花键内径;C倒角尺寸,所以 h=1.4;dm花键平均直径; P 许用挤压 应力 ,N/mm2; P挤压压强 ,N/mm2. 查表得 , P=80120 N/mm2; P=2540 N/mm2; 可见 P P, PP 故所选花键符合要求. 2.7 齿轮参数的确定齿轮参数的确定 根据结构设计查参考资料5选取齿轮的参数为 模数m4 齿数z40 分度圆直径dd=mz160mm 齿顶圆直径dada=d+2ha*m168mm 齿根圆直径dfdf=d-2(ha*+c*)150mm 齿距p p=m 12.56mm 基圆直径db db=dcos 152.17mm 齿形角 20 21 第第 3 章章 液压夹紧滑台机构的设计液压夹紧滑台机构的设计 3.1 液压夹紧滑台机构的整体设计液压夹紧滑台机构的整体设计 液压夹紧滑台机构是用来夹紧工件的饿，它的设计基本原理是用液压缸作为动力,液压 缸带动 V 形块来夹紧工件,由于夹紧工件是夹在工件的外圆上,因此就需要保证工件的中心和 V 型块的中心保持在同一水平面上.为了能够保证这一设计要求,设计一个托起液压缸,它的作 用是托起工件,通过调整它来使工件和 V 型块在同一水平面上.因为这个液压缸只要能够托起 工件就可以了,而且工件的重量也只有 15Kg 左右,重量相对较轻,所以这个液压缸不需要进行 校核设计. 在设计夹紧用的液压缸时,采用的是活塞固定,而液压缸移动的动作方式,活塞杆固定在 支架上;支架又与底座相连.由于工件在加工过程中采用的是两台机床同时动作对其进行加工, 两台机床使用相同的切削用量,因而工件所承受的轴向力基本上相互抵消(合力为零),故不需 要有轴向的夹紧力设计计算;两台机床加工工件时转向相反,故径向力也基本上相互抵消,也不 需要对它进行校核计算. 22 此夹具装置还设计了一个齿轮齿条机构,其作用是当夹紧液压缸是一端滑台向左运动时 (假设),通过齿轮齿条相互啮合的作用,使令一端的滑台相继向右运动,这样的设计充分考虑了 夹紧用的辅助时间,使用此夹紧方案可以缩短辅助时间.同时,这样也能够很好的保证在夹紧工 件时工件的中心线与托起液压缸的 V 型块中心线在同一水平面上,从而起到更好的夹紧作用. 3.2 液压夹紧滑台机构的相关数据的计算液压夹紧滑台机构的相关数据的计算 1.校核连接齿条的螺钉 .估算齿条重量 齿条材料 45 钢,直径 40,长约 30mm,查阅参考资料4表 1-5,45 钢=7.8g/cm3 其质量为 m=v=22Kg,故其重力为 G=mg=215.6KN,圆整为 220KN. .分析受力 在运动中,齿条所受主要力为齿条与拖槽之间的摩擦力,故螺钉所承受的轴向载荷即为此力;查 阅参考资料4表 1-11,选取摩擦系数 =0.1,故 Ff=N=22KN,考虑到实际工况中还有其他轴向 载荷,故稍做放大,取 Ff=25KN. 查参考资料6,知螺栓受轴向载荷后,螺栓中总拉力 F为工作压力与剩余预紧力 F0之和.即 F=F+ F0,由表 9-3 选取 F0,因此连接属于一般连接且工作载荷稳定,故 F0=(0.20.6) F.取 F0=0.4F=10KN,故 F=35KN. .设计受轴向外载荷的螺栓联接设计公式为 F d 3 . 14 由参考资料6表 9-6 查得,= s/s 式中, s屈服极限;S安全系数,S =1.21.5,取为 1.5; s查表 9-5 为 355MPa. =355/1.3=273MPa,MPa15 27314 . 3 350003 . 14 d 根据实际工况,以及传动中的平稳性与联接的稳定性,将螺钉直径适当扩大,故 M16 符合要 求,满足实际情况. 2.托料架设计及 V 形挡块设计 不论定位基面是否经过加工,不论是完整的柱面还是局部圆弧,都可以用 V 型块进行定位, 优点是对中性好,既能使工件的定位基面轴线对中在 V 型块两斜面的对称平面上,而不受定位 基面直径误差的影响,并且安装方便. 23 在本次设计中,由于零件是一个多阶梯轴,故使用用于较长的阶梯轴定位的 V 型块. V 型块又有固定式和活动式两种,根据工件与 V 型块的接触母线长度,固定 V 型筷可以限 制两个或四个自由度. V 型块上两斜面的夹角 ,一般选用 60、90、120,以 90应用最为广泛, V 型块的 典型结构和尺寸均已标准化,设计非标准 V 型块时,主要尺寸: DV 型块检验心轴直径,即工件定位基面直径,mm;HV 型块的高度,mm; V 型块两 限位基面间夹角;TV 型块的标准定位高度,即检验心轴中心高. 设计步骤如下: 1. 确定 D:本设计中,D 已确定,并且 V 型块主要用于工件 114 部分的定位. 2. N 与 H 的确定:本例中选取 =90;故 N=1.41-2=112 一般取 =0.21D=23.94249 查阅资料用于小径定位时,取 H1.2D=137 考虑到经济性及工艺性,选取 H 为 68mm. 3. T 的计算,由下图可知 T=H+OE=H+(OB-BE) OB=D/(2sin/2)=80.6mm, BE=N/(2tg/2)=56 T=H+0.707D-0.5N=136.6138 厚度选为 12mm,B=12. 依上述步骤可以计算出 V 型挡块各部分尺寸: 74 D=74mm; =75; N=66; H=80mm, B=20mm, T=98mm,厚度为 20mm. 160 D=160mm; =110; H=40mm, B=12mm, T=98mm,厚度为 20mm. 4. 液压夹紧滑台机构的双联齿轮设计计算 参数符号大齿轮小齿轮 模数M1.251.25 齿数Z7230 传动比i11 分度圆直径d9040 齿顶圆直径Da9444 24 齿根圆直径df8536 齿形角 2020 第第 4 章章 机械手的机械手的 PLC 控制系统设计控制系统设计 4.1 可编程控制器概述可编程控制器概述 可编程序控制器（Programmable Logic Controller）是以微处理器为核心，综合了微电子 技术、自动化技术、网络通讯技术于一体的通用工业控制装置。英文缩写为 PC 或 PLC。它 具有体积小、功能强、程序设计简单、灵活通用、维护方便等一系列的优点，特别是它的高 可靠性和较强的适应恶劣工业环境的能力，更始得到拥护的好评。因而在各种领域中得到了 广泛的应用，成为现在工业控制的三大支柱之一。 PLC 梯形图的设计一般分为以下几个步骤： 1、对实际问题进行分析，确定哪些是输入量，哪些是输出量； 2、根据所需的 I/O 点数和控制的复杂程序进行 PLC 造型； 3、将输入量依次分配给输入继电器，输出量依次分配给输出继电器，画出 I/O 端子分 配图； 25 4、明确控制对象的控制要求，根据控制的特点和复杂程度进行 PLC 梯形图的设计； 5、根据梯形图写出指令； 6、上机调试，模拟运行。 由于控制对象的复杂性，使用环境的特殊性和运行工作的连续长期性，使得 PLC 在设 计结构上具有其他控制器所无法相比的特点 （1） 可靠性高，抗干扰能力强 为了满足 PLC“专为在工业环境下应用设计”采用了如下硬件和软件的 措施 光电耦合隔离和 R-C 滤波器，有效地防止了干扰信号的进入； 内部采用电磁屏蔽，防止辐射干扰； 采用优良的开关电源，防止电源线引入的干扰； 具有良好的自诊断能力，可以对 CPU 等内部电路进行检测，一旦出错， 立即报警； 对程序及有关数据用电池供电进行后备，一旦断电或运行停止，有关状 态及信息不会丢失； 对采用的器件都进行了严格的筛选和老化，排除了因器件问题而造成的 故障； 采用冗余技术进一步增强了可靠性。 （2） 通用性强，使用方便 现在的 TLC 产品都系列化和模块化了，PLC 配备有各种各样品种齐全的 I/O 模块和配套部件供用户使用，可以很方便的组成能满足不同控制要求 的控制系统。 （3） 程序设计简单、易学、易懂 PLC 是一种新型的工业自动化控制装置，其主要的使用对象是广大的电 气技术人员。PLC 一般采用与继电器控制原理图非常相似的梯形图语言，学习 使用这种编程语言十分方便。 （4） 采用先进的模块化结构系统组合灵活方便 PLC 的各个部件，包括 CPU 电源 I/O 等均采用模块化设计，由机架和电缆 将各模块连接起来。系统的功能和规模可根据用户的实际需要自行组合，这样 26 便可实现用户要求合理的性能价格比。 （5