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刀削面
机器人
机构
设计
全套
cad
图纸
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姓 名:专 业：指导老师：设计时间：,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。,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。,1：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。2：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。3：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。,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SW软件，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。,1. 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；2. 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；3. 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；4. 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；,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60-90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。,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60-90， 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。,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）。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）。 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）,针对机械手动作控制情况可以分以下三种：,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。,1.实现机械手小臂的切削动作方案（图）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,2.大臂相对于面料放置板做横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0.1mm，可无限长度对接延续，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。,3.大臂相对于面料放置板做纵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。,R45=CDBD ； R65=CD + BD由图知，R45，R65与R18的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。,小臂建模如下：,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=（v-0）/ t ；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10mm则推程：简谐运动 s=h/2(1-cos(/) v=h/(2)*sin(/) a=h2*2/(22)*cos(/) 等速运动 s=h/ v=v0=h/ a=0 回程：简谐运动s=h/21+cos(-s)/ ) v=-sin(-s)/ )h/(2) a=h22/(22)cos(-s)/ 等速运动 s=h-h/(-s) v=v0=-h/ a=0 其中最大推程=12cm，1 ：2 =1 ：5 即推程角 =60；回程角 =300,最远端 最近端,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,该机构的矩形螺纹在作旋转运动相当于齿轮，齿距为2mm。该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2mm继续切削下一层面料。面料纵向与横向进给合并机构建模如下,面料纵向进给机构的止停方案如下：,在面料板上升至最高处时，刀具已经接近面料放置板。如果未能停止，则会对刀具及面料板造成一定的损害。如上图，面料板上的方块是一个电机的电源开关控制器。当面料板机构上升顶住开关则断开电机电源，完成刀削面全自动切削生产。,换挡功能机构：换挡功能无非就是控制该刀削面机械手的三大运动机构（切削，横向进给，纵向进给）的相对运动速度。它涉及到更换的机构有如下：刀具，凸轮，过度齿轮（图1），螺纹板（图2）。简要的文字说明： 通过更换过度齿轮（如图1）的上齿轮及凸轮来控制机械手的横向进给速度，更换嵌套在面料板机构下的螺纹板（如图2）来控制机械手的纵向进给速度。由于横向和纵向进给速度改变导致切削面料的宽度和深度也跟着改变。因而，选择对应型号的刀具（切宽，切深相符）。从而自定切削出来的刀削面的宽厚来满足不同顾客不同口味的需求。,图一 图二,换挡功能,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N1:N2= z2: z1 = (d2/m2): (d1/m1) 又因为： m1=m2=m3=m4=mn传动比为： Na : Nb = db: da = 2 : 1 ; Nb : Nd = dd: db = 2 : 1 ; Nd : Nf = Nd : Ne = 6 : 1 ; Nf : Ng = 14:3 即： Nd: Ng = 28 : 1（d齿轮即是四杆机构的曲柄）,刀具的切宽和切深：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12cm，者刀削面面宽最大为12/24=0.5cm；因此刀具的削面最小宽慰5mm。刀具的切深为2mm,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：（1）步进电机（2）直流伺服电机（3）交流伺服电机（4）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 Na : Nb = da : db = 2 : 1 ; Nb : Nd = db: dd = 2 : 1 ; 则：Na : Nd = 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
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