原稿-YC419-削面机器人机械手的机构设计
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原稿
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设计
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原稿-YC419-削面机器人机械手的机构设计,原稿,yc419,削面,机器人,机械手,机构,设计
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I 摘 要 生产中应用 削面机器人 机械手，有利于提高面料的传送、刀具的更换以及刀削面机器的装配等的自动化程度，从而可以提高劳动刀削 面的生产率，降低生产成本，加快实现食品生产机械化和自动化的步伐 。因此设计 刀削面机械手 将有很大的价值。 本次设计的 削面机器人 机械手 由 小臂摆动切削机构 、 面料横向进给运动机构 、 面料纵向进给运动机构 及传动机构组成。 本文首先向分析 了削面机器人的背景及功能要求 ， 在此分析基础上提出了削面机器人机械手的总体方案及格分功能的机构方案；接着对机械手的总体参数进行了设计计算与选择；然后对各主要零部件进行了 设计与校核； 最后用 件绘制 削面机器人 机械手 的 装配图和主要零件图。 通过对 通过本次设计巩固了大学所学专业知识， 如机械设计、机械原理、互换性与测量技术、机械制图等；也 掌握了 常用机械手 的设计方法并能熟练使用 关键字： 刀削面 ，机械手， 机构，设计 to of of of of of by of in on of to by is as 录 摘 要 . I . 一章 绪论 . 1 究背景及目的 . 1 削面机械手市场前景评估 . 1 第二章 总体方案设计 . 4 能描述 . 4 能分析 . 4 体方案设计及选择 . 4 2. 4 各机构方案选择 . 5 削动作方案 . 5 向进给运动方案 . 5 向进给运动方案 . 6 第三章 总体机构设计及参数选择 . 7 本运动机构设计 . 7 臂摆动切削机构 . 7 料横向进给运动机构 . 7 料纵向进给运动机构 . 8 要的参数选择 . 8 轮传动 . 8 具切宽、切深 . 9 动的选择 . 9 动及动力参数计算 . 10 动比的分配 . 10 动参数的计算 . 10 第四章 各主要零部件的设计 . 12 齿传动的设计 . 12 精度等级、材料和齿数 . 12 齿面接触强度设计 . 12 核齿根弯曲疲劳强度 . 13 算 . 15 柱齿轮传动的设计 . 17 精度等级、材料和齿数 . 17 按齿面接触疲劳强度设计 . 17 齿根弯曲强度设计 . 19 何尺寸计算 . 20 的设计（以中间轴为例） . 21 求凸轮轴上的功率 4p 、转速 4n 和转矩 4T . 21 步确定轴的最小直径 . 21 段尺寸设计 . 21 上的周向定位 . 21 的校核 . 22 连接的选择和计算 . 23 入轴与联轴器的连接 . 23 间轴轴与圆柱 齿轮的连接 . 23 轮轴轴与凸轮的连接 . 24 第五章 使用与维护 . 25 构特性 . 25 用说明 . 25 用注意事项 . 25 总 结 . 26 参考文献 . 27 致 谢 . 28 削面机器人机械手的机构设计 1 第一章 绪论 究背景及目的 我国是个人口大国，餐饮行业在中国经济的中占有十分重要的地位，经济人士称其为 “永不衰败的产业 ”，刀削面是我国传统的具有旺盛生命力的主导面食品，尤其是在我国东北，西北，山东地区各大中小城市及县乡镇的主要街道，到处 都有刀削面馆，而刀削面作为中国一个名优美食已发展到在全国各地，形成长盛不衰的趋势，刀削面机器人无疑会因此顺势得宠。民以食为天，食以洁为先。而现代社会更是以快捷方便为主导，于是出现了各种快餐和各种食品机器。刀削面机器人就是典型的一种。 本作品具有结构简单，效率高，切削出来的面条薄厚均匀，智能化程度高，造价低廉等特点，适用于各类小餐馆，特别是普通百姓想吃刀削面而又苦于没有削面技术的家庭使用。 传统的刀削面大多由人工制作，削面速度慢，效率低，且若削面技术不佳，则切削出来的面条形状各异，影响面条的口感，目前市场上已 有的刀削面机主要有：喜洋洋刀削面机，飞刀削面机，懒神盘刀削面机等，它们大多采用骑车雨刷器原理，主要装置有电视，螺旋推进器，分面凸轮，削面手，扶面手等。通过对上述几种刀削面机的分析后发现均存在结构不够紧凑，加工复杂，造价昂贵等不足。为此我们制作了一种智能型刀削面机来代替传统的人工削面，弥补目前市场产品的不足。节省聘请刀削面师傅的费用，避免刀削面师傅在高温环境下带来的危险。 削面机械手市场前景评估 （ 1） 刀削面的历史背景 传说，蒙古鞑靼侵占中原后，建立元朝。为防止 “汉人 ”造反起义，将家家户户的金属全部没 收，并规定十户用厨刀一把，切菜做饭轮流使用，用后再交回鞑靼保管。一天中午，一位老婆婆将棒子、高粱面和成面团，让老汉取刀。结果刀被别人取走，老汉只好返回，在出鞑靼的大门时，脚被一块薄铁皮碰了一下，他顺手拣起来揣在怀里。回家后，锅开得直响，全家人等刀切面条吃。可是刀没取回来，老汉急得团团转，忽然想起怀里的铁皮，就取出来说：就用这个铁皮切面吧！老婆一看，铁皮薄而软，嘟喃着说：这样软的东西怎能切面条。老汉气愤地说： “切 ”不动就 “砍 ”。 “砍 ”字提醒了老婆，她把面团放在一块木板上，左手端起，右手持铁片，站在开水锅边 “砍 ”面，一片片面片落入锅内，煮熟后捞到碗里，浇上卤汁让老汉先吃，老汉边吃边说： “好得很，好得很，以后不用再去取厨刀切面了。 ”这样一传十，十传百，传遍了晋中大地。 （ 2） 刀削面的制作方法与困境 削面机器人机械手的机构设计 2 传统的制作方法是一手托面，一手拿刀，直接削到开水锅里，其要诀是： “刀不离面，面不离刀，胳膊直硬手平，手端一条线，一棱赶一棱，平刀是扁条，弯刀是三棱。 山西刀削面固然好吃，但由于它的制作工艺复杂、费力，并且能够在自家中自制刀削面的更是少之又少。因而刀削面却得不到很大推广，。现在刀削面机器的出现很可能改变上述这一困境。运用 刀削面机械手能够连续提供高效安全的劳动力来替代刀削面技师进行大批量生产，这使得它的市场应用前景十分广阔。 （ 3） 刀削面机械手的应用优势 （ a） 生产中应用刀削面机械手，有利于提高面料的传送、刀具的更换以及刀削面机器的装配等的自动化程度，从而可以提高劳动刀削 面的生产率，降低生产成本，加快实现食品生产机械化和自动化的步伐 。 （ b） 在高温、高油烟、潮湿等恶劣的环境中，刀削面技师用手工操作是十分繁琐、辛苦。而刀削面机械手即可部分或全部代替刀削面技师高效地进行作业，大大地改善了技师的劳动限制。同时，在一些简单的机械动作 作业的操作中，用刀削面机械手代替厨师操作，可以避免由于刀削面技师操作疲劳而引发的安全事故。 （ c） 应用刀削面机械手代替人手进行工作，这是直接减少劳动力的一个方面，同时由于刀削面机械手可以连续地工作，这是减少劳动强度的另一个方面。 （ 4） 当前市面上的刀削面机器 由于市面上的刀削面机器基本上全部普及了数控操作，这导致了它的高成本高价位使得一般的餐饮业的老板放弃了对它的需求。因此，刀削面机械手的推广需要重新设计运动机构和控制模式来降低人员维护与保养成本、保养费用及造价。为了更大范围推广刀削面机械手，因而本课题设 计的主要目的就是放弃数控操作刀削面机械手，而通过借助于 件，运用常见机构配合的运动轨迹实现刀削面的走刀运动以及进给量控制来降低成本，推广刀削面机械手的市场。 削面机器人机械手的机构设计 3 （ 5） 刀削面机械手的意义 （ a） 结合机械手设计这方面的知识，在设计过程中学会怎样发现问题、研究问题、解决问题； （ b） 改善了技师的劳动限制，避免由于刀削面技师操作疲劳而引发的安全事故； （ c） 提高刀削面的生产率，降低生产成本，加快实现食品生产机械化和自动化的步伐； （ d） 推广中国山西美食刀削面走向世界，为增强中国软实力做微薄的贡献 。 削面机器人机械手的机构设计 4 第二章 总体 方案 设计 能描述 机械手在人为放置好面料后，选择并调整好刀具使得机械手全自动完成整个削面的所有动作，其中该机械手需要完成的三个主要作业动作如下： （ 1） 机械手小臂绕肘关节往返摆动做切削动作。 （ 2） 大臂相对于面料放置板做横向进给运动，完成面料表层的切削后回复进刀的初始位置。 （ 3） 大臂相对于面料放置板做纵向进给运动，完成切削面料后停止进给运动。 能分析 该机械手臂握紧刀具用于切削面板上的面料，整个机械手安装在一个固定的机架上。大臂保 持固定姿态下，小臂的回转角度控制在 60则切削作业可以依靠放置面料面板的横向进给和纵向抬升配合小臂的摆动三个驱动力共同完成。因此整个机械手的自由度最高为 3，三个不同驱动力也可通过机构联动配合完成则该机械手自由度最低为 1。 针对机械手动作控制情况可以分以下三种： （ 1）由 3 个不同布局的电机控制 3 个不同的作业动作（该自由度为 3）。 （ 2）由 2 个不同布局的电机控制 2 个不同的作业动作。其中选一个对控制要求高的动作为独立动作（例如上下进给运动），另外两个动作通过连杆或齿轮等机构联动，由一个电机控制（该自由度 为 2）。 （ 3）由 1 个电机通过连杆或齿轮等机构联动控制 3 个不同的作业动作 （该自由度为 1 体方案设计及选择 方案一：为市面上典型的刀削面机械手，它借助于数控程序来精确控制三个不同动作的运动时间与运动速度，达到全自动化控制整个作业动作。 方案二：也是通过数控控制两个电机运转配合完成切削作业。 方案三：则对数控技术依赖程度大大降低，甚至可以完全摆脱数控控制进行整个作业操作。 综上所述，从刀削面机械手的成本控制上，数控技术的运用以及电机的使用数量不仅占了刀削面机械手的大部分制造成本，而且增加了 机械手的不稳定性和维护成本以及可操作的简易性，也提高对机械手对作业环境的要求。对比下，单自由度的方案一比较单一，制造成本低因而更加适应当前的市场需求。 削面机器人机械手的机构设计 5 2. 4 各 机构 方案 选择 削动作方案 刀削面机械手图一优点 :该方案的空间利用率高，尤其在空间有限的仿真机械手比较实用。缺点：双曲柄滑块机构的成本比较高，机构复杂度高，机械效率比较低。刀削面机械手图二：优点：机械效率高，制造成本低，空间复杂度低，便于安装维护。缺点：占用比较大的空间。该机械手的设计目的在于降低其制造成本，由于图二在机械效率和制造成本 上都高于方案一，故选方案一作为刀削面机械手小臂切削机构 向进给运动方案 凸轮机构优点：结构紧凑，可靠性高，可以实现自动化。缺点：不适合高速运转。齿轮齿条优点：承载力大，传动精度较高，可达 无限长度对接延续，传动速度可以很高。缺点：若加工安装精度差，传动噪音大，磨损大。运用凸轮机构在控制刀削面面料板时运动速度十分缓慢，且安装便捷。故选择凸轮机构作为面料进给机构。 削面机器人机械手的机构设计 6 向进给运动方案 面料板的纵向进给速度相比于横向进给速度更加缓慢，因此选择凸轮机构作为面料纵向进 给机构。但是，由于齿轮齿条机构与凸轮机构可以合并成一个新的机构 (详见 )，不仅减少机械手的复杂度也减少了一个凸轮机构占用的空间。故最终选择齿轮齿条机构作为面料纵向进给机构。 削面机器人机械手的机构设计 7 第三章 总体机构设计及参数选择 本运动机构 设计 臂摆动切削机构 图 3臂摆动切削机构 D D + 由图知， 交点分别是该四杆机构的两个极限位置，两极限位置夹角为 78 度，符合该机械手设计方案。 料横向进给运动机构 由机械手在切削运动时，面料在单位时间的横向进给量是不变的，并且面料表层切削完成后的回程运动要迅速。则该凸轮设计如下： 由于横向进给的速度 V 是均匀的，则凸轮的推程是等速运动。但是凸轮在起始位置的推程速度就达到 V 时，加速度 a=（ ；则加速度 a 无穷大。因此凸轮推程起始与结束位置作简谐运动，中间作等速运动。 凸轮机构简图：基圆半径为 10推程：简谐运动 s=h/2(1/) v=h/(2)*/) a=h2*2/(22)*/) 等速运动 s=h/ v=v0= a=0 回程 ： 简谐运动 s=h/21+( ) 削面机器人机械手的机构设计 8 v=( )h/(2) a=h22/(22)( 等速运动 s=( v= a=0 其中最大推程 =121 ： 2 =1 ： 5 即推程角 =60；回程角 =300 料纵向进给运动机构 由于面料横向进给运动机构为凸轮机构，为了降低机械手内部机构的复杂度，我们可以将凸轮机构与齿轮齿条机构向融合，形成一个具有自主创新的新机构如下图所示 图 3料纵向进给运动机构 该机构的矩形螺纹在作旋转运动相当于齿轮，齿距为 2刀削面机械手完成一次面料表层的切削，即凸轮旋转一圈，则放置面料板抬升 2续切削下一层面料。 要 的参数 选择 轮传动 如下图示选定的齿轮布置如下： 图 3轮传动 布置图 削面机器人机械手的机构设计 9 为了简化设计，所有的齿轮采用相同的模数。如上图，该机构由电机驱动的锥齿轮 a 通过整个轮系带动凸轮 h 旋转。则： 注释： d:齿轮直径 m:齿轮模数 z:齿轮齿数 n:齿轮传动比 由于： d = m*z 则 2= (d2/ (d1/又因为： m1=m2=m3=传动比为： 2 : 1 ; 2 : 1 ; 6 : 1 ; 14:3 即： 28 : 1（ d 齿轮即是四杆机构的曲柄） 具切宽、切深 由推程角与回程角比是 1:2 =1:5 即 1 =60； 2 =300 该刀削面机械手在面料表层将切削的最大面条数为： 28*5/6=24（取整）。 由最大推程为 12刀削面 面宽最大为 12/24=此刀具的削面最小宽慰 5具的切深为 2 动 的 选择 （ 1）驱动形式的选择 机械手的驱动装置通常是电力传动、气压传动、液压传动和机械传动等四个基本形式 。 由于本设计研究的机械手的额定负载一般，综合分析后，决定采用电力传动。这种驱动方式具有结构简单、易于控制、使用维修方便、不污染环境等优点。而电机又分以下 4 种： （ a）步进电机 （ b）直流伺服电机 （ c）交流伺服电机 （ d）三相异步电机 使用直流伺服电机能构成闭环控制，精度高，额定转速高，但价格较高，步进电机驱动具有成本低，但若高于一定速度就无法启动 ,并伴有啸叫声。上述电机的功能要求基本上是针对数控加工的，而刀削面驱动装置无需通过脉冲控制，因而使用通用的三相异步电动机。 由于 2 : 1 ; 2 : 1 ; 则： 4 : 1 ; 刀削面机械手的小臂摇杆机构摇摆速度即是切削速度。考虑到摇杆机械疲劳强度限制，摇杆最高速度 v 为 4 次每秒。不同电机极数的三相异 步电动机同步转速如下：2 极电机同步转速为 3000 转 /分。 4 极电机同步转速为 1500 转 /分。 6 极电机同步转速削面机器人机械手的机构设计 10 为 1000 转 /分。 8 极电机同步转速为 750 转 /分。 三相异步电机速度 V v*a = 16/s= 960 转 /分； 故选择 8 极三相异步电机。 则刀削面机械手的切削速度 v = 750/（ 4*60） = /秒； （ 2） 功率的确定 参照 现有削面机，选用功率为 500W 的电机。 参数如下表： 电动机型号 额定功率（ W） 电动机转速（ r/ 堵转转矩 最大转矩 同步 满载 00 750 720 动及动力参数计算 动比的分配 机械手 曲柄 总传动比：1总i=4 凸轮 总传动比1总i=112 选择各级传动比如下： 圆锥齿轮传动比范围 42开 i ，取 2锥i 一级圆柱 传动比 21 柱动比 62 柱动比 6/283 动参数的计算 （ 1）各轴的转速 n 电机轴 0 的转速：0n= 750r/ 轴 的转速： 1n = 750r/ 轴 的转速： 2n = 1n /锥i=750/2=375r/ 轴 的转速：3n= 2n /1柱i=375/2= 轴的转速： 4n =3n/2柱i= 轴的转速：5n= 4n /3柱i= 2）各轴的输入功率 P 电机轴 0 的输入功率： 001 轴 的输入功率： 2 轴 的输入功率： 52 削面机器人机械手的机构设计 11 3 轴 的输入功率： 03 4 轴 轴 的输入功率： 54 5 轴 的输入功率： 25 （ 3）各轴的输入转矩 T 电机轴 0 的输入转矩： 000 /9550 m 1 轴 的输入转矩： 111 /9550 m 2 轴 的输入转矩： 222 /9550 m 3 轴 的输入转矩： 333 /9550 m 4 轴 的输入转矩： 444 /9550 m 5 轴 的输入转矩： 555 /9550 m （ 4）各轴参数表如下： 轴名 功率 P/W 转矩T/( 转速 n/（ r/ 传动比 i 电机轴 500 750 1 1 轴 495 750 2 轴 375 2 3 轴 4 轴 5 轴 8/6 削面机器人机械手的机构设计 12 第四章 各 主要零部件的设计 齿传动的设计 精度等级、材料和齿数 选用直齿锥齿轮传动，速度不高，故选用 7 级精度 材料选择。由机械设计 表 取小齿轮材料为 45（调质），硬度为 280齿轮材料为 45 钢（调质），硬度为 240者材料硬度差为 40 选小齿轮齿数 15，大齿轮齿数 1 215=30 齿面接触强度设计 由设计计算公式进行试算，即 1231 ）确定公式内的各计算数值 （ 1）试选载荷系数 1.1（ 2）计算小齿轮传递的转矩 31 T （ 3）选取齿宽系数 3/1R （ 4）知齿轮，查得节点区域系数 Z （ 4）由表 得材料的弹性影响系数 2/ （ 5）由图 齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限 001 ，大齿轮的接触疲劳强度极限 502 （ 6）由式 算应力循环次数 9 812 （ 7）由图 得接触疲劳强度寿命系数 削面机器人机械手的机构设计 13 （ 8）计算接触疲劳强度许用应力 取失效概率为 1，安全系数为 S=1 M P i M P i M P 4 02/)5 2 85 5 2(2/)( 21 ）计算 （ 1）试算小齿轮分度圆直径 由计算公式得 t （ 2）计算圆周速度 t /11 （ 3）模数及主要尺寸的确定 模数： 2m 分度圆直径： 015211 030222 节锥角： a g 2 锥距 221 平均分度圆直径： 1(30)1 齿宽 ，取 核齿根弯曲疲劳强度 （ 1） 弯曲强度校核公式： 削面机器人机械手的机构设计 14 )c o s（ 2）确定各参数 平均分度圆处螺旋角 0m，则 1m查得动载系数 齿向载荷分布系数 故 A（ 3）分度圆圆周 33111 2 （ 4）齿轮系数 应力修正系数 1co s 221 u u 3 1 11c o s 222 u zZ 7co zZ （ 5）许用弯曲应力可由下式算得S m 由机械设计图 查出弯曲疲劳极限应力 小锥齿轮的弯曲疲劳强度极限 001 大锥齿轮的弯曲疲劳强度极限 802 查得寿命系数 15 查得 S 故许用弯曲应力 M P 15001m i i M P 13802m i i )c o a 21212 P 因此满足齿根弯曲疲劳强度 算 1）齿面接触强度验算 1)1 接触强度寿命系数 1 4 16 0 0m i nl i 26321 因此齿面强度足够 削面机器人机械手的机构设计 16 圆锥齿轮参数数据整理如下： 名称 符号 公式 直齿圆锥小 齿轮 直齿圆 锥大齿轮 齿数 z z 15 30 模数 m m 2 传动比 i i 2 分度圆锥度 1 ， 12 。 分度圆直径 d 30 60 齿顶高 2 2 齿根高 ( * 全高 h fa 顶圆直径 1*11 co ，2*22 co 大端 ) 大端） 齿根圆直径 1*11 c 2*22 c 距 p 隙 c 距 R 222121 顶角 a 21 ， 12 齿根角 f g
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