龙门式给汤机机械手系统设计.doc

龙门式给汤机机械手系统设计吴明（无名）（*理工大学机械机电工程学院，江西赣州 341000）摘 要：自动给汤机械手是给压铸取汤注汤的一种自动化设备，它代替了人在恶劣环境下的工作，给汤机械手的性能直接影响着压铸的效率和产品的质量。本次研究主要是对龙门式给汤机进行理论性的结构设计，并通过3D绘图软件设计零部件和进行组装，从而对整体机构设计进行完善和优化。关键词：给汤机械手；效率；质量；结构设计Gantry manipulator system desgined for transporting the liquidWu Ming(Faculty of Mechanical and Electrical Engineering, * University of Technology, Ganzhou 341000)ABSTRACT ：Automatical Give-Soup manipulator is an automated device which takes the soup pouring and casting. It replaces the people working in the harsh environments, the performance of Give-Soup manipulator directly affects the efficiency of casting and the quality of the product. This study mainly forcus on the theoretical structure design of gantry type Give-Soup manipulator, And through 3D graphics software design and assemble the components, so that we can improve and optimizate the overall institutional design.Key words: Automatical Give-Soup manipulator; efficiency; quality; structure design1引言近年来，伴随着我国汽车市场不断的扩大，汽车工业采用压铸件的用量占全国压铸件总产量比例近年也来一直在提升(含汽车、摩托车等交通工具)。随着压铸设备和工艺技术水平不断提高，压铸产品的应用范围在现有基础上仍将不断扩大。在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其它毒性污染以及工作空间狭窄等场合中，用人手工直接操作是十分危险或根本不可能的，且费时费力。而应用自动给汤机可部分或全部代替人安全地完成作业，大大地改善了工人的劳动条件，而且可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。就现在国内外市场看来，尽管给汤机形状，外形，结构及价格多种多样，然而其都有许多缺点，如：连杆式与单臂式的行程较短，且不能自由的调节行程，这对于有改动的厂房及压铸设备是一个十分致命的缺陷；还有就是以上二者没有能够保持稳定的前进速度，即运动中有比较大的波动，这对取汤注汤来说也是一个比较大的缺陷。我们研究目标是对整体机型的功能进行了全方位的功能分工及解析，最终发现龙门式（即横梁式）自动给汤机克服了上述机型的各种不足，且结构简单，加工方便，大大地降低了整体成本，已经渐渐成为市场上取汤设备的主流产品。再配上自动可编程控制器，此机型便有了：人机介面，操作简易；定位精确，重现性高；速度平稳，调整容易；这些是其他机型无法比拟的优点。2 设计方法和步骤设计过程及方法主要如图1所示：机械的总体功能要求（包括行走、上升、取汤、注汤等）功能分解（各部分分别完成不同功能）改变机构型数完成各功能部分的型综合机械运动示意图（包括运动循环图）各机构的运动配合、执行构件运动规律和传递动力条件改变机构尺寸各机构的尺度综合从运动规律、动力、条件、工作性能平价选择是否满足条件 否 否 机械运动简图 图1 设计方法与步骤图3 设计的主要功能和性能指标3.1 主要功能：(1)自动对金属液体进行舀汤、注汤等功能；(2)对行程可作相应的调整；(3)用PLC可编程控制器控制，保证自动化的时间间隔准确；(4)提高了压铸注汤的效率，减少了人工不必要的危险及劳动负担。3.2 性能指标：(1)最高行程可达45米的距离；(2)上升、下降的最大行程也比较大，可达23米；(3)人工按钮控制，按下便自动开始运行；(4)总体干净、卫生、干燥，改善环境卫生。3.3 功能分解对龙门式给汤机进行功能分解，绘制树状功能图如图2所示：龙门式给汤机Z轴传送板箱升降取汤摆臂定位导轮导轨配合齿轮齿条传送布置电机位置精确计算配合远程驱动摆杆滑块机构各种微动开关图2 功能分解图4龙门式给汤机的研究内容本次毕业设计大概分为下面几个方面：给汤机横行行走装置、竖直取汤装置、连杆式舀汤装置、行程控制及加速减速控制装置。Solidworks仿真如图1所示。a) 取汤机Z向行走底盘采用的是齿轮齿条行走机构，该行走系统包括机架横梁、行走导轮装置和悬架三大部分。机架是全机的骨架用来安装与外环境相对固定的部件，使主机成为一个相对不动的整体。行走导轮装置是用来支撑整个机体，把电机传到齿轮轴上的驱动扭矩和旋转运行转变为取汤机工作与行驶所需的驱动力和前后运动，通过齿轮转动，齿条固定在横梁上，齿轮与电机的转动转变成齿轮相对齿条在前进，从而便带动整个取汤机构整体的前进。悬架是机架和行走装置之间互相传力的连接装置，见图3(a)。b) 升降齿条是用来将汤勺从液体炉中取出，并保证汤勺离炉口具有一定的距离，然后通过上述Z轴行走机构运输至压铸机口再下降注汤。升降齿条的优点：把齿条做成圆柱形状有利于与轴承的配合，使之更加容易相对运动，从而减少摩擦力。此外，在圆柱形的齿条内通孔，可以远程控制汤勺的绕轴心的旋转运动，这样既节省了空间，又避开电机与高温的金属液体太近产生的热量对电机的伤害。同样是齿轮齿条机构，而此处用圆柱形，使之更加美观，同时打破了传统观念中齿条对应长条形的墨守成规的思想，为创新增添了一份色彩，见图3(b)。c) 整个舀汤装置相当于一个摆杆滑块机构，倒料拉杆与汤勺连杆相互固定成为沿固定滑轨上滑动的滑块模型，与之相连接的是一根传动作用的连接杆，而汤勺与摆杆相对不动，其张合状态完全由摆杆控制。摆杆的另一端与圆柱齿条相对转动，通过销钉的连接，便产生了一个完整地取舀倒动作，见图3(c)。 (a) (b) (c)图3 龙门式给汤机的机构模型5 机构方案的选择5.1 取汤、注汤方式的选择对比常见的注汤方式有如下几种：连杆式注汤：如四连杆式、五连杆式给汤机，缺点是复杂，费人工，行程短不能随时调节，速度不能恒定的保持稳定前进速度，效果不佳。连体式注汤：如压铸注汤一体式给汤机，利用压铸机本身为参照，进行结构设计及优化在压铸机本身基础上添加给汤部分。连体式效果不好，也不能单独取出，自由空间受限制。人工注汤：最费时费力（而且很危险）的注汤方式，直接或间接依靠工人去操作，其清洗效率低，且环境对人有损。综合以上几种方式的特点，根据本机器的功能性能指标，设计采用横梁式去给汤，机器自动取汤、注汤的方式效果相比之下较有优势。5.2 上升、下降方式的选择根据市场上与给汤机相关的机器的上下方式，和以往的设计及习惯，可用的上升、下降方式有：直接摩擦，链条上下，液压驱动，绳子吊住，弹簧等。根据本机器的方案设想及以往设计的经验终结，利用光轴结合齿轮齿条方式的机构设计简单，结构轻便，效果理想，故在此选用此种上升、下降方式来抬起取好的汤液。5.3 停顿的选择在取汤或者注汤时需要相对停顿的情况下，上升机构和Z轴前进的齿轮不能转动，使取汤部分的机构有足够的时间去完成相应的动作，实现彼此间的所谓停顿，然后在完成后取汤部分停顿，而上升机构运动，此时Z轴部分仍旧不动，此后前二者不动，前进部分运行。搜索所学零件机构，能产生间歇运动的机构常见的如表1所示：表1 常见间歇机构的比较名称优缺点及应用槽轮机构槽轮机构简单，工作可靠在进入和脱离黏合时运动比较平稳能准确控制转动的角度，但槽轮的转角大小不能调节，而且在槽轮转动的始，末位置加速度变化较大，所以有冲击，一般应用在转速不高和要求间歇转动的装置中。棘轮机构槽轮机构棘轮机构运动可靠，从棘轮转角容易实现有级调节，但在工作过程中有噪声和冲击，棘齿易磨损早高速时尤其严重，常用在低速轻载的工作场合。凸轮机构凸轮机构只需设计适当的凸轮轮廓，便可使从动件的到任意的预期运动，而且结构简单，紧凑，设计方便，在自动机床，轻工机械，印刷机械，食品机械，包装机械和机电一体化产品中应用广泛。但凸轮与从动件间为点或线接触，易磨损只宜用于传力不大的场合，且凸轮轮廓加工比较困难，设计的从动件行程不能过大，否则会使凸轮变的笨重微动开关市场上的种类繁多，规格和体形大小不一，可按需直接选取，电力驱动工作。就是工作时产生噪音，安装后通过电路把信号传给CPU，通过CPU控制停顿和行动。综合考虑在龙门给汤机中的工作任务和使用要求后，确定选用微动开关。微动虽然从机构上讲不是间歇运动机构，但齿轮的圆周运动是需要通过电机传给轴，再通过键传给齿轮的，而微动开关可以利用信号通过CPU下达给电机，从而实现控制电机的转和停。这样，不仅能够随时和准确的控制电机的转动，实现可调节间歇控制；而且不需要电机一直的转动，节约了电能也保护了电机。6 结束语在对龙门式给汤机机械手机构结构和工作原理分析的基础上，我们利用Solidworks强大的三维建模功能，进行了从建立模型、装配到仿真分