物料搬运气动机械手的设计【四自由度+圆柱坐标】【3张CAD图纸+答辩毕业论文】

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物料搬运气动机械手的设计

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零件图图幅A1气动阀.dwg---(点击预览)

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设计说明书

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关键词：: 物料搬运气动机械手的设计四自由度圆柱坐标 CAD图纸答辩毕业论文物料搬运气动机械手

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物料搬运气动机械手的设计【四自由度+圆柱坐标】
30页 13500字数+论文说明书+外文翻译+3张CAD图纸【详情如下】
外文翻译--非圆齿轮与机械压力机运动学优化.doc
机械手旋转缸A1.dwg
气动阀A1.dwg
物料搬运气动机械手的设计说明书.doc
物料搬运气动机械手装配图A0.dwg

QQ截图20150623183654.gif

参数.jpg

参数2.jpg

机械手旋转缸A1.gif

气动阀A1.gif

全部文件.gif

物料搬运气动机械手装配图A0.gif

目录
摘要(中文) …………………………………………………………………………………………1
(英文) …………………………………………………………………………………………2
第一章绪论
1.1工业机械手概述 …………………………………………………………………………………3
1.2机械手的组成和分类 ……………………………………………………………………………4
1.2.1机械手的组成 ………………………………………………………………………………4
1.2.2机械手的分类 ………………………………………………………………………………4
1.3 PLC与触摸屏概述 ………………………………………………………………………………6
1.4国内外发展状况 …………………………………………………………………………………7
1.5课题的提出及主要任务 …………………………………………………………………………8
1.5.1课题的提出 …………………………………………………………………………………8
1.5.2课题的主要任务 ……………………………………………………………………………9
第二章机械手的设计方案
2.1机械手的类型和自由度的选择 ………………………………………………………………10
2.2机械手的驱动方案设计 …………………………………………………………………………10
2.3机械手的控制方案设计 …………………………………………………………………………11
2.4机械手的手部结构方案确定 …………………………………………………………………11
2.5 机械手的手臂结构方案设计 ………………………………………………………………11
2.6机械手的主要参数 ………………………………………………………………………………11
2.7机械手的技术参数列表 …………………………………………………………………………12
第三章手部结构的选择
3.1 夹持式手部结构 …………………………………………………………………………………13
3.1.1 手指的形状和分类 ………………………………………………………………………13
3.1.2 设计时注意的问题 ………………………………………………………………………13
第四章气缸的选择，尺寸设计与校核
4.1升降缸的尺寸设计与校核和伸缩缸的选择 ………………………………………………14
4.1.1 气缸的分类 …………………………………………………………………………………14
4.1.2 升降缸的尺寸设计与校核 ………………………………………………………………15
4.1.3 伸缩缸的选择 ……………………………………………………………………………21
4.2 回转气缸的尺寸设计与校核…………………………………………………………………21
第五章?结论 ……………………………………………………………………………………25
结束语 ………………………………………………………………………………………………26
参考文献 ……………………………………………………………………………………………27
物料搬运气动机械手设计
摘要
本文简要介绍了工业机器人的概念，机械手的组成和分类，气动技术的特点，PLC控制的特点,触摸屏的特点及国内外的发展状况。
本文对机械手进行总体方案设计，确定了机械手的技术参数。同时，设计计算了机械手的升降臂和回转臂结构，设计了机械手的手部结构。
本文系统地研究了机械手的气动系统，对气压系统工作原理图的参数进行了了解，大大提高了绘图效率和图纸质量。
利用可编程序控制器（PLC）对机械手进行控制，选取了合适的PLC型号，根据机械手的工作流程制定了可编程序控制器的控制方案，对机械手的面板操纵式（有动力）点位示教部分控制软件进行了设计。
关键词:工业机器人；机械手；气动；可编程序控制器；触摸屏；示教
Design of pneumatic manipulator for material handing
Abstract
This thesis gives a brief introduction of the conception of industrial robot and domestic and overseas development of industrial robot, including components and categories of manipulator, the characteristics of the system of air pressure drive technique and PLC, and the features of touch screen calibration.
This thesis makes a general designation and decides the technique parameter of manipulator. Meanwhile, it designs the elevator arm and Rotary arm structure of manipulator as well as the construction of the hand part.
This thesis focus on the analyzing of the air pressure drive system of manipulator and the study of the air pressure system working principle diagram datum, which helps a lot to make a improvement in charting.
With the help of PLC we attain the controlling of manipulator. In this thesis, I choose the proper type of PLC, work out the manipulation program of PLC controller according to the working progress of manipulator, and design the manipulation software of the manipulation of Control panel (Dynamic) - Point Demonstration part.
Keywords: ?industrial robot; manipulator; air pressure drive; PLC; touch screen;
Demonstration
2、气压传动机械手
气压传动机械手是以压缩空气的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是:介质李源极为方便，输出力小，气动动作迅速，结构简单，成本低。但是，由于空气具有可压缩的特性，工作速度的稳定性较差，冲击大，而且气源压力较低，抓重一般在30公斤以下，在同样抓重条件下它比液压机械手的结构大，所以适用于高速、轻载、高温和粉尘大的环境中进行工作。
3、机械传动机械手
机械传动机械手即由机械传动机构(如凸轮、连杆、齿轮和齿条、间歇机构等)驱动的机械手。它是一种附属于工作主机的专用机械手，其动力是由工作机械传递的。它的主要特点是运动准确可靠，用于工作主机的上、下料。动作频率大，但结构较大，动作程序不可变。
4、电力传动机械手
电力传动机械手即有特殊结构的感应电动机、直线电机或功率步进电机直接驱动执行机构运动的械手，因为不需要中间的转换机构，故机械结构简单。其中直线电机机械手的运动速度快和行程长，维护和使用方便。此类机械手目前还不多，但有发展前途。
(三)按控制方式分
1、点位控制
点位控制的运动为空间点到点之间的移动，只能控制运动过程中几个点的位置，不能控制其运动轨迹。若欲控制的点数多，则必然增加电气控制系统的复杂性。目前使用的专用和通用工业机械手均属于此类。
2、连续轨迹控制
连续轨迹控制的运动轨迹为空间的任意连续曲线，其特点是设定点为无限的，整个移动过程处于控制之下，可以实现平稳和准确的运动，并且使用范围广，但电气控制系统复杂。这类工业机械手一般采用小型计算机进行控制。
1.5课题研究内容
1.5.1课题的提出
现在的机械手大多采用液压传动，液压传动存在以下几个缺点:
(1)液压传动在工作过程中常有较多的能量损失(摩擦损失、泄露损失等):液压传动易泄漏，不仅污染工作场地，限制其应用范围，可能引起失火事故，而且影响执行部分的运动平稳性及正确性。
(2)工作时受温度变化影响较大。油温变化时，液体粘度变化，引起运动特性变化。
(3)因液压脉动和液体中混入空气，易产生噪声。
(4)为了减少泄漏，液压元件的制造工艺水平要求较高，故价格较高;且使用维护需要较高技术水平。鉴于以上这些缺陷，本机械手拟采用气压传动，
气动技术有以下优点:
(1)介质提取和处理方便。气压传动工作压力较低，工作介质提取容易，而后排入大气，处理方便，一般不需设置回收管道和容器:介质清洁，管道不易堵存在介质变质及补充的问题.
(2)阻力损失和泄漏较小，在压缩空气的输送过程中，阻力损失较小(一般不卜浇塞仅为油路的千分之一)，空气便于集中供应和远距离输送。外泄漏不会像液压传动那样，造成压力明显降低和严重污染。
(3)动作迅速，反应灵敏。气动系统一般只需要0.02s-0.3s即可建立起所需的压力和速度。气动系统也能实现过载保护，便于自动控制。
(4)能源可储存。压缩空气可存贮在储气罐中，因此，发生突然断电等情况时，机器及其工艺流程不致突然中断。
(5)工作环境适应性好。在易燃、易爆、多尘埃、强磁、强辐射、振动等恶劣环境中，气压传动与控制系统比机械、电器及液压系统优越，而且不会因温度变化影响传动及控制性能。
(6)成本低廉。由于气动系统工作压力较低，因此降低了气动元、辅件的材质和加工精度要求，制造容易，成本较低。传统观点认为:由于气体具有可压缩性，因此，在气动伺服系统中要实现高精度定位比较困难(尤其在高速情况下，似乎更难想象)。此外气源工作压力较低，抓举力较小。虽然气动技术作为机器人中的驱动功能已有部分被工业界所接受，而且对于不太复杂的机械手，用气动元件组成的控制系统己被接受，但由于气动机器人这一体系己经取得的一系列重要进展过去介绍得不够，因此在工业自动化领域里，对气动机械手、气动机器人的实用性和前景存在不少疑虑。
由“可编程序控制器- 传感器- 气动元件”组成的典型的控制系统仍然是自动化技术的重要方面;发展与电子技术相结合的自适应控制气动元件, 使气动技术从“开关控制”进入到高精度的“反馈控制”; 省配线的复合集成系统, 不仅减少配线、配管和元件, 而且拆装简单, 大大提高了系统的可靠性。
而今, 电磁阀的线圈功率越来越小, 而PLC的输出功率在增大, 由PLC直接控制线圈变得越来越可能。气动机械手、气动控制越来越离不开PLC, 而阀岛技术的发展, 又使PLC在气动机械手、气动控制中变得更加得心应手。
1.5.2课题的主要任务
1、进行气动机械手的总体研究，并进行整体运动方式设计；
2、对气动机械手气路了解，进行关键部件的研究，完成气动阀座零件图。
本课题采用的是南通大学电子气动控制系统实验台，
3、设计气动机械升降臂回转臂部分结构，进行关键部件的设计计算；完成气动机械手升降臂结构装配图、气动机械手回转臂结构装配图
设计的气动机械手伸缩行程100，升降行程50，旋转180度；抓握零件直径，最大重量0.5kg 。
第二章机械手的设计方案
对气动机械手的基本要求是能快速、准确地拾-放和搬运物件，这就要求它们具有高精度、快速反应、一定的承载能力、足够的工作空间和灵活的自由度及在任意位置都能自动定位等特性。设计气动机械手的原则是:充分分析作业对象(工件)的作业技术要求，拟定最合理的作业工序和工艺，并满足系统功能要求和环境条件;明确工件的结构形状和材料特性，定位精度要求，抓取、搬运时的受力特性、尺寸和质量参数等，从而进一步确定对机械手结构及运行控制的要求;尽量选用定型的标准组件，简化设计制造过程，兼顾通用性和专用性，并能实现柔性转换和编程控制.本次设计的机械手是通用气动上下料机械手，是一种模拟大中型场合工作的机械搬运设备。可以改变动作程序的自动搬运或操作设备，操作频繁的生产场合。在发出指令协调各有关驱动器之间的运动的同时，还要完成编程、示教/再现以及其他环境状况（传感器信息）、工艺要求、外部相关设备之间的信息传递和协调工作，使各关节能按预定运动规律运动。
2.1机械手主要类型和自由度的选择
手臂的机构基本上决定了操作机的工作空间范围，按机械手手臂运动的不同运动的坐标形式和形态来进行分类，其座标型式可分为直角座标式、圆柱座标式、球座标式和关节式。（1）直角坐标型具有三个移动关节（PPP），可使手部产生三个互相垂直的独立位移。由于其运动方程可独立处理，且为线性的，具有定位精度高，控制简单等特点，但操作灵活性较差，运动速度低的特点。（2）圆柱坐标型具有两个移动关节和一个转动关节（PPR），受部的坐标为(z，r，θ)。这种操作机的优点是所占的空间尺寸较小，相对工作范围较大，结构简单，手部可获得较高的速度。而缺点是手部外伸离中心轴愈远，其切向线位移分辨精度愈低。通常用于搬运机器人。（3）球座标型具有两个转动关节和一个移动关节（RRP），优点是结构紧凑，所占空间尺寸小，但目前应用较少。（4）关节型是模拟人的上肢而构成的。它具有三个转动关节（RRR），可绕铅垂轴转动和绕两个平行于水平面的轴转动。具有结构紧凑，所占空间体积少，相对工作空间大等特点，用于复杂设备当中。
由于本机械手在上下料时手臂具有升降、收缩及回转运动，在操作机中主动关节的数目应等于操作机的自由度，因此，采用圆柱座标型式。
2.2 机械手的驱动方案设计
由于气压传动系统的动作迅速，反应灵敏，阻力损失和泄漏较小，成本低廉因此本机械手采用气压传动方式。本系统采用南通大学的WQK-III电子气动控制系统实验台实现对机械手的控制。
2.3 机械手的控制方案设计
考虑到机械手的通用性，同时使用点位控制，因此我们采用可编程序控制器(PLC)对机械手进行控制。当机械手的动作流程改变时，只需改变PLC程序即可实现，非常方便快捷。本机械手采用了西门子S7-200的PLC（CPU 224CN）进行编程控制。
2.4 机械手的手部结构方案确定
为了使机械手的通用性更强，把机械手的手部结构设计成可更换结构，当工件是棒料时，使用夹持式手部;当工件是板料时，使用气流负压式吸盘。本文设计的是抓握直径为的零件。
2.5 机械手的手臂结构方案设计
按照抓取工件的要求，本机械手的手臂有三个自由度，即手臂的伸缩、左右回转和升降运动。手臂的回转和升降运动是通过立柱来实现的，立柱的横向移动即为手臂的横移。手臂的各种运动由气缸来实现。手臂的伸缩、升降运动由伸缩气缸来实现，回转由回转气缸实现
2.6 机械手的主要参数
1.机械手的最大抓重是其规格的主参数，由于是采用气动方式驱动，因此考虑抓取的物体不应该太重，查阅相关机械手的设计参数，结合工业生产的实际情况，本设计设计要求抓取的工件质量为0.5kg。
2.基本参数运动速度是机械手主要的基本参数。操作节拍对机械手速度提出了要求，设计速度过低限制了它的使用范围。而影响机械手动作快慢的主要因素是手臂伸缩及回转的速度。该机械手最大移动速度设计为。最大回转速度设计为。平均移动速度为。平均回转速度为。机械手动作时有启动、停止过程的加、减速度存在，用速度一行程曲线来说明速度特性较为全面，因为平均速度与行程有关，故用平均速度表示速度的快慢更为符合速度特性。除了运动速度以外，手臂设计的基本参数还有伸缩行程和工作半径。大部分机械手设计成相当于人工坐着或站着且略有走动操作的空间。过大的伸缩行程和工作半径，必然带来偏重力矩增大而刚性降低。在这种情况下宜采用自动传送装置为好。根据统计和比较，该机械手手臂的伸缩行程定为,最大工作半径约为。手臂升降行程定为。定位精度也是基本参数之一。该机械手的定位精度为。
2.7 机械手的技术参数列表
一、设计技术参数:
重量自由度数坐标型式
0.5kg 4个圆柱坐标
定位方式定位精度驱动方式
行程开关气压驱动
控制方式最大工作半径手指夹持范围
点位程序控制棒料:
手臂运动参数:
伸缩行程伸缩速度升降行程升降速度回转范围回转速度
第五章??结论
1、本次设计的是气动通用机械手，相对于专用机械手，通用机械手的自由度可变，控制程序可调，因此适用面更广。
2、采用气压传动，动作迅速，反应灵敏，能实现过载保护，便于自动控制。工作环境适应性好，不会因环境变化影响传动及控制性能。阻力损失和泄漏较小，不会污染环境。同时成本低廉。
3、机械手采用PLC控制，具有可靠性高、改变程序灵活等优点，无论是进行时间控制还是行程控制或混合控制，都可通过设定PLC程序来实现。可以根据机械手的动作顺序修改程序，使机械手的通用性更强。
参考文献
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14、王建华，毕万全．机械制图与计算机绘图．国防工业出版社，2004
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16、廖常初．ＰＬＣ应用技术问答．机械工业出版社，2006
17、温照方．Ｓ7－200可编程程序控制器教程．北京理工大学出版社，2002

内容简介：: 附录：1.文献翻译非圆齿轮与机械压力机运动学优化 1997年1月8日研制摘要：使用金属成形方法来加工生产零件的质量很大取决于压力杆。在机械压力传动时，有一种依赖于驱动旋转角度速度比的非圆齿轮，提供了一种获得这么动作时间的新途径，我们致力于为不同的优化金属成型运作的制造。本文阐述了由汉诺威的大学研究所建成的金属成形和金属成形加工机床的使用原型原则，它就是目前运动学以及在原型产生的力和力矩。此外，本文展示了如何使用拉深和锻造的一个例子，几乎所有的金属成形操作可有利用于机械传动机构的非圆齿轮。关键词：压力，齿轮，运动学。简介提高质量的要求在生产工程制造，所有的金属成形以及在锻造，有必要去携手制定生产经济。日益增长的市场定位要求技术和经济条件都得到满足。提高质量、生产力、生产手段的创新解决方案,是一种用来维持和扩大的市场地位的关键所在。所生产的金属部件,我们需要分清期间所需的形成过程和处理零件所需的时间。随着我们必须添加一些必要的额外工作，例如冷却或润滑的模具一次成型过程。根据质量和产量两个方面，产生了两个最优化方法。为了满足这两个方面，我们的任务是设计运动学形成过程中考虑到该进程的要求，也考虑到的是改变部分以及与一个优先线辅助运作所需的时间短周期的时间。压力机的要求一个生产周期,这相当于一个冲程来回压的过程,大致经历了三个阶段:加载、成型和移除零件。相反,在加载和移除零件阶段，我们经常发现送料的薄板,尤其是在纯粹的切割时候。为此，压力泵必须要一个确定时间的最小高度。成型周期中杆应该有一个特别速度曲线,它将会降到最低。这个转变期之间应尽快来确保短周期时间。短周期的要求是事件的原因,以确保通过高产量低成本的部分。基于这个原因，关于对大型汽车车身冲压片机和自动1200/min、拉深24/min的冲程数是标准的做法。增加冲程数是为了减少设计的周期变化导致增加的压实机械应变率, 然而，这对成形过程有很明显影响,使它必须考虑参数确定过程和被它所影响。在拉深成形过程中,当敲打板块时的撞击速度应尽量避免产生了深远影响。一方面,速度成形时必须充分润滑。另一方面,我们必须要考虑提高产量的相应的压力来增加造成更大的应变速率力,这可能导致冲床半径一侧的一部分过渡疲劳而导致断裂。在锻造时，停留时间短的压力是可取的。随着停留时间的压力下降了模具的表面温度将降低，其结果是热磨损。这是提高抵消了由于机械磨损形成更大的力量，但由于增加的应变率是较低的，因为较低的部分冷却屈服应力补偿。目前，最佳短住压力可以用有限元分析法莱分析。此外,避免由于成本降低磨损、短压住时间也是一个重要的技术要求的精密锻造，近净形部分有一个光明的未来。高质量的要求和高产量将只能通过一个机技术,考虑到金属成形过程的考察要求等同于减少工作的目标成本。以前按设计已经不能同时满足这些技术要求和经济的充分程度，或他们是非常昂贵的设计和制造，例如链接驱动压力机。这就需要寻找对泵创新设计的解决方案，它的设计应主要标准化，模块化，以降低成本。非圆齿轮的压力传动原则使用非圆齿轮传动机械曲柄压力机，它提供了一种新方式的技术和经济需求的压力杆运动。一对非圆齿轮有不变的中心距, 因此采用了电动马达，或由飞轮、曲柄和驱动机制本身。制服驱动器的速度传送是通过一对非圆齿轮传递给非均匀的偏心轴。如果非圆齿轮的适当设计，从动齿轮的非均匀驱动器会导致泵所需的行程时间行为。调查中心的金属成形和金属成型机床(IFUM)汉诺威的大学已经表明,在这个简单的方式所有相关的压力杆的连续运动，可以达到各种成形过程。此外从运动学和缩短生产周期，驱动概念导致新的驱动器的优点被以下的良好性能所区分。因为它是一个机械压力机，它具有高可靠性、低维护性和可预期性。对连杆压力机的数量和轴承零件显然是减少。首先，一个基本泵类型可以通过安装不同的齿轮而进一步改变设计，它根据客户的要求而设计。不同环节的驱动器，轴承的安装位置不会随着单一载荷方向的不同运动而改变。因此，上述要求的模块化和标准化是考虑到时间和成本，它降低了设计和冲压生产成本。原型在金属成型和金属成型工具机（IFUM）1架的c型泵，它已经进行了修整和安装了非圆齿轮副。为达到这种目的，先前的背轮背一个行星齿轮组做取代。这项工作表明了存在的新型传动印刷机是可能的，在最后对标准压力泵的改造在Fig. 1中进行说明。图表1 压力机设计是为了所受1000KN的柱塞力和200KN的冲压模具缓冲力。这一对非圆齿轮传动比平均为1，每个齿轮轮齿有59，直齿，模数10mm（图2）齿面宽是150mm，这些齿轮有渐开线轮齿。我假设了非圆曲线设计是以侧面几何设计为基础。因此，一个非圆齿轮的齿形沿齿轮圆周而改变。尽管如此,它可以来自知名的梯形齿条. 然而4.5,提出了一种计算方法，它精确地把齿顶高和齿根高考虑在内，进行相应的调整。压力机是为了在单一冲程模式下对零件进行深拉而设计的。最高滑块行程为180mm，行程数32/min。在140毫米的冲压速度几乎保持71mm/s不变，它是静点中心线到静点中心线之前的速度。见图3。这种速度就相当于液压机工作的速度。这个速度影响到曲柄机构，使其与击打具有相同的数目相比较，速度都是220m/。为了跟一个曲柄压力机具有相同的平均速度击打的数目不得不将减少一半。短周期内的机械改造将导致最后的向上运动。由于压力机是运行在单一的操作模式,在设计时对其做相关的处理没有提出特别的要求。驱动机制的原型与非圆齿轮有另外一个有利的影响及其驱动力矩（图4）。对于一个曲柄压力机的公称力通常可以降低静点之前把曲柄轴按正常方式旋转。这对应于公称力作用下相对于击打力的75%。若要达到1000kN标准力，该驱动器已提供45 kam 的曲柄轴扭矩。该原型只要求对非圆齿轮传动增加额外的30kNm力矩。他们被传送一个循环，非均匀的曲柄转矩，将导致一个标准力在静点范围内变化。这相当于27.5%的行程。如果非圆齿轮副是在压力机的工作范围，我们总能找到类似的条件。这几乎总是与板料成形及冲压件有关。这样可以设计一些较弱的机器零件，而且节约成本。进一步的设计实例利用二冲程时间行为的设计实例说明了以下几点。假设一系列的零件时通过压力机来加工的。为了达到这一目的，压力杆所需的速度和击打成形速度要求假设成立必须量化。再者，处理零件所需的时间必须确定，而且必须假设在处理时压力杆的最小高度。由此，我们设计动作的顺序，我们用数学含义来描述它。在IFUM中，由该研究所开发使用软件程序。从这个数学描述的冲程运动,我们可以计算出所需要的非圆齿轮速度比，从这我们可以得到齿轮的圆周曲线1.2.7。在第一个例子，在深拉伸冲压速度应该是在静止点前，金属板材成形保持在至少超过100mm，它的速度应该是约400m/s。让行程数定为30/min。第450mm以上击打的地方，让处理零件时间和曲柄压力机在25min/n的击打时间相同。图5表明了冲程运动情况，这是由一对齿轮的描绘所获得。该齿轮是通过他们的圆周率所描绘。在25/min传统的余弦曲线作为比较。除了生产周期时间减少了20，应把杆速度的影响也大大减少。下静点前110mm，当使用曲柄机构时，冲击速度为700mm/s，而当使用非圆齿轮时仅仅只有410mm/s。第二个例子显示了驱动装置是用于锻造。在图6中，常规锻造曲轴的行程时间是相对于在图片中说明非圆齿轮压力运动学。曲柄压力机的周期时间是0.7s、行程数是85/min和标准力是20mn。它的保压时间为86ms与50mm的成形部份时间。非圆齿轮压力机描绘的保压描绘时间67%减少至28ms。因此，它达到了和锤子一样的幅度。通过增加1.5倍的冲程数，周期时间缩短至46mm。尽管如此,处理时间依旧与常规非圆齿轮曲柄压力机的运动学相同。在这种情况下为了实现这些运动,传统的圆弧齿轮可以作为驱动装置，安排偏心。这为齿轮制造降低了成本。这些例子表明，不同的运动可以通过使用非圆齿轮驱动装置实现。在同一时间内，这个驱动器的实用潜力用实现理想的运动学变得清晰，而且生产周期时间减少。例如，通过不同的例子，如果运动的顺序对一系列压力机生产零件有利，可能增加拉深成形后的速度。总结高生产率，降低成本和保证产品质量的高要求，这时所有制造公司所期望的，特别适用于公司的金属加工领域。这种情况导致我们重新考虑压力传动机的使用。对曲柄与非圆齿轮传动压力机的描述，使我们能够优化简单的机械压力机运动学。这意味着周期时间缩短,以达到高生产率和运动学的成形工艺的要求。这个设计工作需要很低。相对于多连杆压力机驱动器，可以实现其他运动学在其他齿轮轴承位置不改变时的压力机构建使用。这使压力机模块化和标准化。致谢作者想表达他们的谢意，感谢德国机床制造商协会(VDW),位于德国法兰克福，其经济援助以及一些成员，感谢他们的支持。参考文献2. 英语原文Optimized Kinematics of Mechanical Presses with Noncircular GearsE. Dodge ( l ) , M. HinderanceReceived on January 8, 1997Abstract：The quality of parts manufactured using metal forming operations depends to a large degree on the kinematics of the press ram. Non-circular Geary to obtain those stroke-time behaviorisms we aim at as an optimum for the various metal forming ope with a rotational-angle-dependent speed ratio in the press drive mechanism offer a new WA rations in terms of manufacturing. The paper explains the principle using a prototype press which was built by the Institute for Metal Forming and Metal Forming Machine Tools at Hanover University. It will present the kinematics as well as the forces and torques that occur in the prototype. Furthermore, the paper demonstrates using one example of deep drawing and one of forging that the press drive mechanism with non-circular gears may be used advantageously for virtually all metal forming operations.Keywords: Press, Gear, Kinematics introductiveIncreasing demands on quality in all areas of manufacturing engineering, in sheet metal forming as well as in forging, go hand in hand with the necessity to make production economical. Increasing market orientation requires that both technological and economic requirements be met. The improvement of quality, productivity and output by means of innovative solutions is one of the keys to maintaining and extending ones market position.In the production of parts by metal forming, we need to distinguish between the period required for the actual forming process and the times needed to handle the part.With some forming processes we have to add time for necessary additional work such as cooling or lubrication of the dies. This yields two methods of optimization, according to the two aspects of quality and output. In order to satisfy both aspects, the task is to design the kinematics taking into account the requirements of the process during forming; also to be considered is the time required for changing the part as well as for auxiliary operations in line with the priority of a short cycle time. Pressing Machine RequirementsOne manufacturing cycle, which corresponds to one stroke of the press goes through three stages: loading,forming and removing the part. Instead of the loading and removal stages we often find feeding the sheet, especially in sheer cutting. For this, the press ram must have a minimum height for a certain time. During the forming period the ram should have a particular velocity curve,which will be gone into below. The transitions between the periods should take place as quickly as possible to ensure short cycle time. The requirement of a short cycle time is for business reasons, to ensure low parts costs via high output. For this reason stroke numbers of about 24/min for the deep drawing of large automotive body sheets and 1200/min for automatic punching machines are standard practice.Increasing the number of strokes in order to reduce cycle times without design changes to the pressing machine results in increasing strain rates, however. This has a clear effect on the forming process, which makes it necessary to consider the parameters which determine the process and are effected by it.In deep drawing operations, the velocity of impact when striking the sheet should be as low as possible to avoid the impact. On the one hand, velocity during forming must be sufficient for lubrication. On the other hand, we have to consider the rise in the yield stress corresponding to an increase in the strain rate which creates greater forces and which may cause fractures at the transition from the punch radius to the side wall of the part.In forging, short pressure dwell time is desirable. As the pressure dwell time drops the die surface temperature goes down and as a result the thermal wear This is counteracted by the enhanced mechanical wear due to the greater forming force, but the increase due to the strain rate is compensated by lower yield stress because of the lower cooling of the part. The optimal short pressure dwell can nowadays be determined quantitatively using the finite element method 3. In addition to cost avoidance due to reduction in wear, short pressure dwell time is also an important technological requirement for the precision forging of near net shape parts, which has a promising future.The requirements of high part quality and high output will only be met by a machine technology which takes into account the demands of the metal forming process in equal measure to the goal of decreasing work production costs. Previous press designs have not simultaneously met these technological and economical requirements to a sufficient extent, or they are very costly to design andmanufacture, such as presses with link drives 6. This makes it necessary to look for innovative solutions for the design of the press. Its design should be largely standardized and modularized in order to reduce costs 6.Fig 1. Prototype press Press Drive with Noncircular GearsPrincipleThe use of non-circular gears in the drive of mechanical crank presses offers a new way of meeting the technological and economic demands on the kinematics of the press ram. A pair of non-circular gears with a constant center distance is thus powered by the electric motor, or by the fly wheel, and drives the crank mechanism itself.The uniform drive speed is transmitted cyclically andnon-uniformly to the eccentric shaft by the pair of noncircular gears. If the non-circular gear wheels are suitably designed, the non-uniform drive of the driven gear leads to the desired stroke-time behaviour of the ram. Investigations at the Institute for Metal Forming and Metal Forming Machine Tools (IFUM) of Hanover University have shown that in this simple manner all the relevant uninterrupted motions of the ram can be achieved for various forming processes 2. Apart from, the advantages of the new drive, which result from the kinematics and the shortened cycle time, the drive concept is distinguished by the following favorable Propertius. Because it is a mechanical press, high reliability and low maintenance may be expected. In companion to linkage presses the number of parts and bearings is clearly reduced. Above all, a basic press type can be varied without further design changes by installing different pairs of gears, designed according to the demandsof the customer. Unlike link drives, bearing locations and installations do not change within one loadclass as a result of different kinematics. Thus the above mentioned requirement of popularization and standardization is taken into account Reductions in time and costs are possible for the design and press manufacture.PrototypeAt the Institute for Metal Forming and Metal Forming Machine Tools (IFUM) a C-frame press has been remodeled and a pair of non-circular gears was installed. The previous back gears were replaced by a planetary gear set for this purpose. The work carried out shows that remodeling of existing presses for the new drive is possible. The state of the press at the end of the modelli is shown in figure 1. The press is designed for a nominal ram force of 1,000 N and 200 N of the die cushion. The center distance of the non-circular gears is 600 mm. The pair of non-circular gears has an average transmission ratio of 1.Each gear wheel has 59 gear teeth, straight-toothed,module 10 mm (fiacre 2). The face width is 150 mm. The gears have involute gear teeth. We assume a non-circular base curve for the design of the flank geometry. As a result the tooth geometry of a non-circular gear varies along the circumference. In spite of this, it can be derived from the well-known trapezium rack, however 4, 51. An algorithm for the computation, which takes the addendum and addendum into account exactly, has been developed.Fig. 2 View of the gears from the rearThe press is designed for deep drawing of flat parts in single stroke operation mode. The maximum ram stroke is 180 mm, the number of strokes 32/min. At a stroke of 140 mm the ram velocity almost remains constant 71 mammals from 60 mm before lower dead center until lower dead center, see figure 3. Thus the velocity corresponds to the working velocity of hydraulic presses. The velocity of incidence of a crank mechanism with the same number of strokes would be 220 mammals, in comparison. In order to keep the same average velocity with a crank press, the number of strokes would have to be halved. The shortcycle time of the jodelled machine results from the fast upward motion. Because the press is run in single stroke operation mode, no particular requirements were made concerning handling time during design.The drive mechanism of the prototype with non-circular gears has in addition a favorable effect on the ram forces and the driving torques (failure 4). For a crank press the nominal force is normally available at 30 rotation of the crank shaft before the lower dead center. This corresponds to a section under nominal force of only 7 5% relative to the stroke. To reach the nominal force of 1,000 N, the drive has to supply a torque of 45 kam at the crank shaft. The prototype only requires 30 kam on account of the additional transmission of the non-circular gears. They are transmitted to a cyclic. non-uniform crank shaft torque, resulting in a nominal force range from 60 to the lower dead center. This corresponds to 27.5% of the stroke. We always find similar conditions if the pair of non-circular gears is stepped down in the operating range of the press. This will almost always be the case with sheet metal forming and stamping. It is thus possible to design some machine parts in a weaker form and to save costs this way.Further Design ExamplesUsing the examples of two stroke-time behaviorisms the design is illustrated in the following. A range of parts is assumed which are to be manufactured by the press. For this purpose the ram velocity requirements and the forming section of the assumed stroke need to be quantified.Furthermore, the time needed for the handling of the part needs to be determined, and also the minimum height which the ram has to assume during the handling. From this, we design the sequence of movements, and we describeit mathematically. At the IFUM, a software program developed by the institute is used. From this mathematical description of the stroke-time behaviour we can calculate the speed ratio of the non-circular gears needed.From this we obtain the outcurves of the gears l, 2, 7.In a first example the ram velocity in deep drawing is supposed to be constant during the sheet metal forming at least over 100 mm before the lower dead center and it is supposed to be about 400mm/s. Let the number of strokes be fixed at 30/min. Above 450mm section of stroke, let the time for the handling of the part be the same as for a comparable crank press with 25 strokes per minute. figure 5 shows the stroke-time behaviour , which is attained by the sketched pair of gears. The gear wheels are represented by their outcurves. The conventional cosine curve at 25/min is given for comparison. In addition to the reduction of cycle time by 20%, the ram velocity of impact onto the sheet is also considerably reduced.110 mm before the lower dead center, the velocity of impact is 700 mammals when using the crank mechanism and only 410 mm/s when operated with non-circular gears. A second example shows a drive mechanism as is used for forging. In figure 6, stroke-time behaviour of a conventional forging crank press is compared with the kinematics of the press with non-circular gears illustrated in the picture.The cycle time of the crank press is 0.7 s, the number of strokes is 85/min and the nominal force is 20 MN.Its pressure dwell time is 86 ms with a forming section of 50 mm. The pressure dwell of the press depicted with non-circular gears decreases by 67% to 28 ms. It thus reaches the magnitude familiar from hammers. By increasing the number of strokes by a factor of 1.5, the cycle time decreases by 33% to 46 ms. In spite of this,the handling time remains the same compared to conventional crank press on account of the kinematics of the non-circular gears. In order to achieve these kinematics in this case, a conventional circular gear may be used as driving gear, arranged eccentrically. This reduces the costs for gear manufacture.These examples show that different kinematics can be achieved by using non-circular gears in press drives At the same time the potential of this drive with respect to the realization of the desired kinematics becomes clear as does the reduction of cycle times in production. By varying the examples it is also possible to increase the velocity after impact in deep drawing operations if :his sequence of motions is advantageous for the range of pans to be produced on the press, for reasons of lubrication, for example.ConclusionsThe requirements of high productivity, reduced costs and the guarantee of high product quality to which all manufacturing companies are exposed, applies particularly to companies

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