板材自动装卸机设计-总体及骨架上料部件设计

板材自动装卸本科生毕业设计论文 年 10 月 13 日 至 年 6 月 18 日题 目： 板材自动装卸机设计 总体及骨架上料部件设计姓 名：学 号：学 院：专 业：年 级：指导教师：系 主 任：III板材自动装卸机设计总体及骨架上料部件设计摘 要当前国内的板材制作过程基本为人工操作，人工制造过程为事先用木板钉成方框再倒入材料，再通过手工从两边向中间压平然后等待板材自然硬化。其主要缺点是硬化时间长，无法做到批量大规模生产，耗费人力多，良品率不高，不利于企业营利以及持续发展。基于以上因素，通过查阅相关资料，提出使用机械手代替人工制作的方案，并以此进行板材自动装卸机的设计。提出板材自动装卸机的设计是从实际生产需求出发以达到解决实际问题减轻劳动力提高生产效率和产品成品率，改善人工制作耗时长的缺陷，具有很重要的现实意义。板材自动装卸机主要通过机械手来操作上料与卸料，其机械部分主要有机身、伺服传动系统、板材卸料部件、骨架上料部件等部分组成。其操作过程为通过上方运输平台运送材料至机器倒料口进行下料，上料机械手通过感应抓取钢筋后放入凹模后推出，材料进行二次下料滚压机将凹模平铺满材料，卸料机械手伸入通过真空抓取板材，放到成品区。通过板材自动装卸机生产的板材主要用于建筑方面，在建筑中通过中间填充泡沫可以达到替代梁的作用，使房顶更加美观。本次设计是在了解伺服系统的设计基础上，结合实际生产中的问题利用自身专业知识设计出当前生产常用的机械手操作板材生产工艺过程，通过机械手对钢筋的上料和板材的卸料代替人工操作，以一种新的板材成形方式完全代替老旧的人工铺料时效处理的生产工艺过程，解决了板材成品率以及耗时久的主要问题。关键词： 板材，自动装卸，伺服系统Design of automatic machine for plateDesign of material components in general and frameAbstractCurrent domestic plate production process for manual operation, artificial manufacturing process is with wooden nail into the box and then poured into the material, again by hand from both sides to the middle flat and then wait for the plate natural hardening. Its main drawback is that the hardening time is long, can not do mass production, consumption of human, good rate is not high, is not conducive to corporate profits and sustainable development. Based on the above factors, the use of mechanical hand instead of manual production scheme is put forward, and the design of automatic loading machine is put forward.The design of automatic loading and unloading machine plate is from the actual production needs starting to solve practical problems to reduce labor and improve the production efficiency and the rate of finished products, improved artificial fabrication time-consuming defect length, has important practical significance. The automatic loading and unloading machine of the plate mainly through the manipulator to operate the material and unload material, its mechanical part mainly has the fuselage, the servo drive system, the material unloading part, the skeleton material and so on parts. The operation process is through the above transport platform transporting materials to the machine pouring mouth for feeding, feeding manipulator through induction grab bars is put into the concave die after the launch, the material was under the second feeding roller die tile full material unloading manipulator extends into the through vacuum gripping plate materials into finished goods. Through the automatic loading and unloading machine production of the plate is mainly used for construction, in the building through the middle fill foam can reach the role of alternative beam, make the roof more beautiful.In the understanding of the servo system is designed based on, combined with problems in the actual production to use their professional knowledge to design the production of common mechanical manipulator plate production process, by manipulator of reinforced material and the plate unloading instead of manual operation, with a new sheet metal forming way to completely replace the old manual paving material aging treatment of the production process, to solve the problems of plate yield and takes a long time.Key words：Plate, automatic loading and unloading, servo system目 录摘要 Abstract 第一章 绪论11.1 研究背景11.2 研究的主要内容11.3 研究的主要目的与意义1第二章 整体方案的设计22.1 方案的初步构想22.2 整体方案的确定6第三章 各部分的计算与设计73.1 水平方向传动部件的选择73.1.1 导轨副的选用73.1.2 丝杠螺母副的选用73.1.3 伺服电机的选用73.1.4 减速装置的选用73.1.5 检测装置的选用73.2 水平方向机械传动部件的计算与选型83.2.1 导轨上移动部件的重量估算83.2.2 直线滚动导轨副的计算与选型83.2.3 滚珠丝杠螺母副的计算与选型83.2.4 轴承座和螺母座的选用123.2.5 伺服电机的计算与选型123.2.6 同步带减速箱的计算与选型133.3 垂直方向传动部件的选择153.3.1 导轨副的选用153.3.2 丝杆螺母副的选用163.3.3 伺服电机的选用163.3.4 连接方式的选择163.3.5 检测装置的选用163.4 垂直方向机械传动部件的计算与选型163.4.1 导轨上移动部件的重量估算163.4.2 直线滚动导轨副的计算与选型163.4.3 滚珠丝杠螺母副的计算与选型173.4.4 伺服电机的计算与选型203.4.5 联轴器的选用213.5 底座的计算与选型213.5.1 底座部件的选择213.5.2 伺服电机的计算与选型213.5.3 蜗轮蜗杆减速箱的计算与选型223.5.4 底座轴承布置及轴的校核253.5.5 蜗轮蜗杆减速箱结构参数27结论29参考文献30谢辞31附录1滚珠丝杠导程精度允许值32附录2 总体结构图33板材自动装卸机总体及骨架上料部分第一章 绪论1.1 研究背景当前国内的板材制作过程基本为人工操作，人工制造过程为事先用木板钉成方框再倒入材料，再通过手工从两边向中间压平然后等待板材自然硬化。其主要缺点是硬化时间长，无法做到批量大规模生产，耗费人力多，良品率不高，不利于企业营利以及持续发展，因此有必要将这个过程进行自动化的改进。1.2 研究的主要内容查阅文献资料，熟悉相关知识，了解相关背景。提出板材自动装卸机总体方案设计，并进行可行性分析。设计板材自动装卸机主传动系统设计以及机械手Z向伺服系统设计和X向伺服系统设计，设计骨架夹持机构，对伺服（或步进）电机进行计算、选型（包括惯量、转矩、转速匹配等），丝杠螺母副设计计算，主要零部件结构设计，绘制出CAD图，并对相关尺寸公差进行标注，编写并打印符合撰写规范的毕业设计论文。1.3 研究的主要目的与意义本次设计的主要目的是将自身所学知识与实际生产中的问题进行紧密结合，达到学以致用，解决实际生产的现实问题，利用自身专业知识设计出当前生产常用的机械手操作板材生产工艺过程。其现实意义是通过机械手对钢筋的上料和板材的卸料代替人工操作，以一种新的板材成形方式完全代替老旧的人工铺料时效处理的生产工艺过程，解决了板材成品率以及耗时久的主要问题。该课题与本专业高度相关，是对专业知识学习的一次综合应用，涉及到多门学科，如机械设计、机械制造、材料力学、理论力学、互换性与技术测量、机电一体化等多门学科，通过课题能够加强各个学科有横向与纵向的联系。同时对机械设计工作有一份认识，对从事机械设计工作累计了经验，是对未来从事机械工作是一次很好的锻炼。第二章 整体方案的设计2.1 方案的初步构想通过自身所学的机械原理，现将板材自动装卸机分成三个部件分别进行初步的方案构想。各部件机构的选择：底座旋转机构，现提出三种方案：M(1) 电机通过减速器与齿轮相连，齿轮啮合实现90旋转。该方案优点是：结构简单，操作便捷，便于装配，瞬时传动比恒定，传动效率高，结构紧凑；缺点是：定位差，需要辅助装置，没有过载保护。结构简图参见图2-1。M图2-1齿轮传动机构简图图2-2蜗轮蜗杆传动简图(2) 电机通过减速器与蜗杆相连，利用蜗轮蜗杆实现90旋转。该方案优点是：能够以较大传动比运行，承载能力强，具有自锁性能够实现较为精准的转向控制、定位准确；蜗轮蜗杆传动缺点是：传动效率不高，磨损较严重，蜗杆轴向力较大。常用场合为：传动比较大、传动功率小、间歇工作的场合，在该设计中十分符合需求。结构简图参见图2-2(3) 电机通过减速器与缺口圆盘连接，通过槽轮机构实现90旋转。该方案优点是：能够实现精准的转向控制，便于加工制造，工作时稳定可靠；缺点是：结构设计复杂，在槽轮启动和停止的时候加速度大，有较大冲击，并随着转速的增加而加速，该机构不适用于高速。常用于不需经常调节转位角度的旋转运动。结构简图参见图2-3。图2-3槽轮机构传动简图图2-4垂直部分丝杠传动简图垂直方向的移动，提出三种常见机构：(1) 利用螺旋机构，如常见的滚珠丝杠实现上下运动。其优点是：摩擦损失小、传动效率高，精度高，传动具有可逆性；缺点是：不能自锁，垂直方向安装承载大载荷需要安装超越离合器。结构简图参见图2-4。(2) 利用齿轮齿条传动。其优点为结构简单，承载力大，精度较高；但该机构在机械设计中常用于远距离传动。且缺点明显:传动噪音大，磨损较大，安装精度差。结构简图参见图2-5。图2-5齿轮齿条传动简图(3) 利用同步带传动，其优点是：混合了多种传动类型的优点,同摩擦型带传动相比较，同步带传动的传动带和带轮没有相对滑动，可以保证严格的传动比，传动效率高，传动时噪声低；其缺点是：同步带传动对中心矩及其尺寸稳定性要求较高。适用于轻载、小功率场合。结构简图参见图2-6。图2-6同步带传动简图水平方向的移动：采用常见的滚珠丝杠实现水平方向的来回移动。结构简图参见图2-7。图2-7水平部分丝杠传动简图钢筋抓取机械手的设计：由于机械手抓取钢筋重量较轻，故不用进行力的分析，在这里只需要进行动作的分析即可。(1) 采用气动机械手抓取方式，参见图2-8。图2-8气动机械手(2) 参考衣架夹子进行创新性设计。参见图2-9。图2-9夹子机械手2.2 整体方案的确定考虑经济以及实用性，底座采用蜗轮蜗杆减速器，由于蜗轮蜗杆减速可以有很大的传动比，电机可以通过联轴器与蜗杆直连，同时可以保证90的转向，由于轴向力较大，采用推力球轴承；由于钢筋自身重量较轻，为了经济性考虑，竖直方向与水平方向可以均采用滚珠丝杠结构；机械手可以采用气动机械手或者创新的衣架式机械手均可，由于钢筋重量较轻，在本次设计中就忽略抓取机械手力的分析，重点为动作分析，通过上方简图进行表示即可。具体可以参见图2-10图2-10整体结构简图第三章 各部分的计算与设计3.1 水平方向传动部件的选择3.1.1 导轨副的选用常用导轨有滚动导轨和滑动导轨两种，其中滑动导轨结构简单，使用维修方便，但是有低速易爬行和磨损大寿命低的特点。本课题要设计的自动板材装卸机的横向装置所需要承受的载荷不大，定位精度要求不是特别高，移动速度较快，要求运动平稳性好，寿命长，所以可以考虑采用直线滚动导轨，它具有灵敏度高，高速度，高精度，摩擦系数小，移动轻巧便捷从而会让运动平稳且在低速时不易出现爬行现象，结构紧凑，传动效率高，安装方便、预紧便捷等优点。3.1.2 丝杠螺母副的选用丝杆螺母副可以将伺服电机的旋转运动转换为直线运动，由于滚珠丝杠螺母副具有高精度保证特点、动态响应快、运转平稳、寿命长、效率高，在预紧后可以消除反向间隙。为了满足较高的脉冲当量和定位精度选择使用滚珠丝杆螺母副。3.1.3 伺服电机的选用虽说板材自动装卸机所需精度并不高，其脉冲当量尚未达到0.001mm，但是移动时最快移动速度较高。因此，在伺服电机的选用上可以采用当今流行的交流伺服电机，其优点是惯量小易于提高系统的快速性，定子绕组散热比较方便，工作可靠且对维护和保养要求低，当然也可以选择性能好一些的步进电机，如混合式步进电机，以降低成本，提高性价比。3.1.4 减速装置的选用选择了伺服电机和滚珠丝杆螺母副以后，为了圆整脉冲当量，放大电动机的输出转矩，降低运动部件折算到电动机转轴上的转动惯量，同时选用尽可能选用低惯量电机减轻重量，可能需要减速装置。常见的同步减速装置有齿轮减速和同步带减速。在这里考虑空间结构上的布置，采用同步带传动减速箱。3.1.5 检测装置的选用选用伺服电机作为使用电机，则采用闭环控制。3.2 水平方向机械传动部件的计算与选型3.2.1 导轨上移动部件的重量估算根据钢的密度=7.8gcm3，估算钢筋重量为2.5kg。估算机械手和钢筋工作台总重量约为10kg。3.2.2 直线滚动导轨副的计算与选型(1) 滑块承受工作载荷Fmax的计算及导轨型号的选取影响直线滚动导轨副使用寿命的重要因素为工作载荷。对于水平布置的导轨，通常采用双导轨、四滑块的支承形式。计算选型时考虑最不利的情况，即垂直台面的工作载荷全部由一个滑块承担，由于没有外加载荷，则该滑块所受的最大垂直方向的载荷为：Fmax=G/4(3-1)其中G=100N，代入式（1-1），得到最大工作载荷Fmax=25N=0.025KN。导轨采用济宁博特公司生产的导轨，查济宁博特公司导轨导轨样本手册，根据工作载荷Fmax=0.025KN，初选直线滚动导轨副的型号为KL系列的JSA-LG25型，其额定动载荷Ca=17.7KN，额定静载荷C0a=22.6KN。根据钢筋尺寸为1200mm1200mm25mm，初定有效行程为1200mm，考虑工作行程应留有一定余量，按导轨长度标准系列，选取导轨的长度为1480mm。(2) 距离额定寿命L的计算上面选取的KL系列的JSA-LG25型导轨副的滚道硬度为60HRC，工作温度不超过100，每根导轨上配有两只滑块，精度为4级，工作速度不高，载荷不大。查参考文献1表3-363-40,取硬度系数fH=1.0、温度系数fT=1.00、接触系数fC=0.81、精度系数fR=0.9、载荷系数fW=1.8，代入公式（3-2），得到距离寿命：L=fHfTfCfRfWCaFmax3501139276km（3-2）远大于期望值100km，所以距离额定寿命满足要求。3.2.3 滚珠丝杠螺母副的计算与选型(1) 设定的工作条件：每分钟往返次数:n=4次/min无效行程：0.15mm；定位精度:0.4mm/1260mm反复定位精度：0.05mm；最小进给量:s=0.02mm/脉冲行程长度：1260mm（根据钢筋选择）(2) 丝杠工艺性的确定为了得出定位精度0.4mm/1260mm：0.41260=0.095300导程精度必须选择0.095mm/300mm以上。因此，滚珠丝杠的精度等级的选取根据附录1中选择精度等级为C7（运行距离误差为：0.05mm/300mm）。根据精度等级C7的滚珠丝杠有精密滚珠丝杠和价格低廉的轧制滚珠丝杠，在考虑经济性的原因下，首先选择轧制的滚珠丝杠。(3) 轴向间隙的选择为了满足无效行程在0.15mm，必须选择轴向间隙在0.15mm以下的滚珠丝杠。因此，从满足轴向间隙0.15mm以下的轧制滚珠丝杠选择合适的滚珠丝杠即可。(4) 最大工作载荷Fm计算设定加减速时间为ta=0.15s，机械手匀速进给时间为tm=6.15s，最大有效行程为Smax=1260mm，最大快进速度为Vmax=200mm/s。速度时间表参见图3-1。图3-1滚珠丝杠速度与时间图移动部件重量M=10kg，按矩形导轨进行计算，查参考文献1表3-29，滚动导轨上的摩擦因数 =0.005。 加速时a=Vmaxt10-3=1.34m/s2，求得滚珠丝杠副的最大工作载荷：Fm=aM+Mg=1.3410+0.0051010=13.9N 匀速时Fm=G=0.005100=0.5N 减速时Fm=aM-Mg=1.3410-0.005100=12.9N(5) 最大动载荷FQ的计算工作台最快进给速度v=12000mm/min，初选丝杠导程Ph=8mm，则此时丝杠转速n=vPh=150008=1500rmin。选取滚珠丝杠的使用寿命T=20000h，代入L0=60nT/106，得到寿命系数L0=1800（单位为：106r）。查参考文献1表3-30，取载荷系数fW=1.2，滚道硬度为60HRC，取硬度系数fH=1.0，代入公式（3-3）FQ=3L0fWfHFm203N（3-3）(6) 初选丝杠型号根据计算出的最大动载荷和初选的丝杠型号，由于承受载荷较小，故选用内循环式滚珠丝杠，查FF型内循环浮动式滚珠丝杠副，选择FF3208-3型滚珠丝杠副，为内循环浮动单螺母式，参数参见表3-1表3-1滚珠丝杠参数表丝杠轴外径d导程Ph公称型号钢球直径Dw丝杠底径d2符合圈数列圈基本额定负荷CaC0a328FF3208-3526.91317.7KN38.8KN其公称直径为32mm，导程为8mm，循环滚珠为3圈1列，精度等级C7，采用轧制，额定动载荷为17.7KN，大于FQ,满足要求。(7) 传动效率的计算由上述所选丝杠知其公称直径d0=32mm，导程Ph=8mm，代入公式（3-4）=tan-1Phd0（3-3）得丝杠螺旋升角=433。其摩擦角=10，代入公式（3-5）=tantan+（3-5）得传动效率=96.4%。(8) 临界转速的计算由于在高速工作下的长丝杠有可能发生共振，需要计算不发生共振的转速为临界转速。为防止丝杠弯曲共振，按公式（3-6）进行计算：ncr=9910f22d2Lc2（3-6）其中f2丝杠支承方式系数，采用双推-简支，则f2=3.927Ln临界转速计算长度，Ln=1.26md2丝杠螺纹底径，d2=0.0269m计算出ncr=25894rminnmax=1500rmin同时验算滚珠丝杠另一临界值d0n=321500=48000Tf且TTrms伺服电机最大扭矩TmaxTa+Tf查松下A5伺服电机选型手册知，初选型号为MDME102G1。其功率为1KW，额定转矩为4.77 Nm,瞬时最大转矩为14.3Nm，额定转速为3000r/min，转子转动惯量为5.90kgcm2，符合松下电机手册知对应转子转动惯量的负载转动惯量比在15倍以下。电机参数见表3-3。表3-3电机参数表电机型号额定转矩Nm最大转矩Nm转子转动惯量（有制动器）kgcm2电机重量kgMDME102G14.7714.35.96.73.2.6 同步带减速箱的计算与选型(1) 传动比的确定图3-3电机转矩特性图已知伺服电机的额定转速为3000r/min，丝杠转速为n=1500r/min，负载转动惯量JL=10.34kgcm2，负载最大转矩Ta=1.124Nm，电机转子转动惯量J0=5.90，同步带传动效率=0.98,根据参考文献2计算最佳传动比，由公式（3-9）：i=JL2J02+375TaJ02n=1.8 （3-9）(2) 确定带的设计功率Pd预选电机在2700r/min时，对应的电机输出转矩为4.77Nm，电机转矩特性见图3-2对应输出功率应为Pout=nT/9.55=27004.779.551349W。取P=1.35KW，由参考文献1表3-18中取工作情况系数KA=1.4，则根据参考文献1可以求得带的设计功率Pd=KAP=1.41.35=1.89KW。(3) 选择带型和节距pb根据带的设计功率Pd=1.89KW和主动轮最高转速为n1=2700r/min从参考文献1图3-14可以选择同步带带型，选择型号为L型，L型节距pb=9.525mm。(4) 确定小带轮齿数Z1和小带轮节圆直径d1取Z1=20，则小带轮节圆直径d1=60.64mm。当n1=3375r/min时，计算同步带的速度为v=d1n1601000=10.72m/s，没有超过H型带的极限速度40m/s。(5) 确定大带轮的齿数Z2和大带轮的节圆直径d2大带轮的齿数Z2=iZ1=36，节圆直径d2=109.15mm。(6) 初选中心矩a0、带的节线长度L0p、带的齿数Zb初选中心矩0.7d1+d2=118.853mma0Tf且TTrms伺服电机最大扭矩TmaxTa+Tf查松下A5伺服电机选型手册知，初选型号为MSME202G1。额定转矩为6.37 Nm,瞬时最大转矩为19.1Nm，额定转速为3000r/min，转子转动惯量为4.01kgcm2，符合松下电机手册知对应转子转动惯量的负载转动惯量比在15倍以下。参数如下表3-5。表3-5电机参数表电机型号额定转矩Nm最大转矩Nm转子转动惯量（有制动器）kgcm2电机重量kgMSME202G16.3719.14.016.33.4.5 联轴器的选用采用直连方式，由于正反转变化较多，起动频繁，所以选用波纹管联轴器。波纹管联轴器其优点为结构简单，安装制作方便，耐久性好，具有高灵敏度，轴向可以无间隙，允许被连接两轴有一定的轴向位移以及少量的径向位移和角位移，可吸收振动，抗油污，耐腐蚀性好，正反装扭矩刚性相同。波纹管联轴器的弹性元件为精密金属波纹管，其中刚性系列主要被应用于伺服电机、数控机床（加工中心）等场合。联轴器型号为：MBS51-19-16-A。3.5 底座的计算与选型3.5.1 底座部件的选择考虑到旋转的精确性和尽可能的减小转动惯量，采用蜗轮蜗杆传动，其自锁性可以精确控制转向90，同时较大的数比可以让电机选择时考虑低惯量或者中惯量电机。转速为5r/min。3.5.2 伺服电机的计算与选型垂直部分总重量估算为1000kg，水平部分重量估算为120kg。 传动比初步选择为i=80，摩擦系数=0