机械综合实验与创新设计-基于BS-I步进输送机的优化设计-开题报告

1 机械综合实验与创新设计 基于 BS-I 步进输送机的优化设计基于 BS-I 步进输送机的优化设计 开 题 报 告 开 题 报 告 团队名称： 团队成员： 27 日 机械综合实验与创新设计BS-I 步进输送机 2 2 目录 目录 一、 理论依据 . 3 1.1 背景意义 . 3 1.2 现状分析 . 3 1.3 参考文献 . 4 二、 研究内容 . 4 2.1 概述 . 4 2.2 主要内容 . 5 2.3 BS-I 步进输送机 . 5 2.3.1 工作原理 . 5 2.3.2 主要技术参数 . 5 2.3.3 机构主要传动方式 . 6 三、 研究方案 . 7 四、 技术路线 . 7 五、 研究特色或创新点 . 7 六、 可行性分析 . 8 6.1 客观性 . 8 6.2 主观性 . 9 七、预期成果 . 9 八、研究计划（时间安排） . 10 机械综合实验与创新设计BS-I 步进输送机 3 3 一、理论依据 一、理论依据 1.1 背景意义1.1 背景意义 随着科学技术的进步，我国传送装置制造行业有了长足的进步。传送装置的 成套性， 自动化程度， 定位精度和整体质量都明显提高， 其应用范围正逐步扩大。 输送机是在一定线路上连续输送物料的物料搬运机械，又称连续输送机。它可进 行水平、倾斜和垂直输送，也可组成空间输送线路，输送线路一般是固定的。而 步进输送机是一种能间歇地输送工件，使工件达到预定位置的同时，并使其间距 始终保持稳定步长的传送机械，主要由电机、曲柄滑块、滑架、推爪和减速箱等 组成。它的输送能力大，运距长，还可在输送过程中同时完成若干工艺操作，所 以应用十分广泛。 步进式工件输送机常应用于装运的第一环节， 其输送能力在很大程度上决定 了工作面的生产效率和能力。在工程上，步进输送机广泛应用于现代化的各种工 业企业中。一些特殊的工作条件下，比如在生产运输中需要一个稍大的体积和重 量的工件如箱体类零件，由于皮带输送机、滚筒输送机依靠磨擦力传动，容易发 生打滑、工件碰撞等现象，这时步进输送机就可以来满足这一要求。步进输送机 可以实现在车体轨道工件的脉冲之间的间歇运动，不会出现相邻两个工件的碰 撞，使该生产线有序输送。除进行纯粹的物料输送外，步进输送机还可以与各工 业企业生产流程中的工艺过程的要求相配合，形成有节奏的流水作业运输线。此 外，步进输送机还具有十分重要的经济意义，在生产和生活中应用广泛，不仅节 省了大量的人力和物力，也大大提高了生产效率。 通过对步进输送机设计计算和相应改进，可以扩大步进输送机的工作范围， 解决工程中现有步进输送机中的不足，提升其工程应用价值。 1.2 现状分析 1.2 现状分析 国外步进输送机技术的现状：国外步进输送机技术的发展很快，其主要表现 在 2 个方面：一方面是输送机的功能多元化、应用范围扩大化；另一方面是输送 机械综合实验与创新设计BS-I 步进输送机 4 4 机本身的技术与装备有了巨大的发展，尤其是长距离、大运量、高速等大型输送 机已成为发展的主要方向。 其核心技术是开发了应用于步进输送机动态分析与监 控技术，提高了步进输送机的运行性能和可靠性，同时国外传动方式多样，如 BOSS 系统 、CST 可控传动系统等，控制精度较高。 国内步进输送机技术的现状：我国生产技术落后，目前设计生产的步进输送 机装机功率小，输送能力低，运输距离短，耐久性差，可靠性低，寿命短。其次 国内主要研究集中于利用现代三维软件如 SolidWorks、 Admas 分析曲柄滑块机构 并改进以及利用 PWM 驱动电路和 PLC 改进步进输送机的电控系统， 并未涉及整体 机构的规划和其他部件的改进。而且步进输送机轻量化设计、可调速设计依然属 于空白。 综合分析我国步进输送机的使用现状以及国内外步进输送机的技术差距， 研 究并设计制造高性能的步进输送机迫在眉睫。 1.3 参考文献 1.3 参考文献 1 张占国,孙丽霞. 步进式工件输送机的优化设计J. 北华大学学报:自 然科学版,2015,16(2):272-275 2 郁邦永.茅献彪.YU Bang-yong.MAO Xian-biao 步进式输送机电控系统 设计期刊论文-煤矿机械 2012(7) 3 李超.梁晓波 基于 Solidworks 的连杆步进输送机的设计与仿真期刊 论文-科协论坛：下半月 2011(8) 4 侯建华.HOU Jianhua 机械式步进输送机构的研制期刊论文-现代制 造技术与装备 2006(6) 5 单质明 带式输送机的现状与差距 6 葛培琪,毕文波 机械综合实验与创新设计 山东大学机械工程学院 7 郑文纬,吴克坚 机械原理 高等教育出版社 二、研究内容 二、研究内容 2.1 概述 2.1 概述 机械综合实验与创新设计BS-I 步进输送机 5 5 基于现有 BS-I 步进输送机，对其进行消化吸收，而后改造创新，达到优化 整体步进输送机的目标，使其具有更好的运动学和动力学特性，同时亦能扩大其 工作能力及使用范围。 2.2 主要内容 2.2 主要内容 1）分析 BS-I 步进输送机的总体设计方案，如采用的步进输送方法、各传动 环节选择、机电一体化、总布置及传动效率，并评价其合理性。 2）研究曲柄转速与滑枕（推爪）单位时间内往复次数（次/min）的关系， 设计出调速机构，实现滑枕（推爪）单位时间内往复次数（次/min）的可变。 3）研究现有设备输送极限，获取最大输送质量，为输送工件提供可选择范 围。 4）利用 SolidWorks 进行三维建模；用 Admas 对平面连杆机构以及滑枕进行 运动学、动力学分析并进行优化；通过 Ansys 有限元分析，满足应力条件下实现 部分结构的轻量化设计。 5）改进滚道输送机构，实现不同工况下零部件输送过程中的不跑偏。 6）改进推爪机构，保证推爪正常复位，解决靠重力（或弹簧）复位的不可 靠性。 2.3 BS-I 步进输送机 2.3 BS-I 步进输送机 2.3.1 工作原理 2.3.1 工作原理 该机构电动机通过涡轮和齿轮的减速，使用连杆机构实现滑架的往复运动， 靠推爪实现工件的步进运动。工作时输送滑架作往复直线运动，工作行程时，滑 架上位于最右侧的推抓推动起点位置的工件向前移动一个步长，当滑架返回时， 起点位置又接受了一个新工件。 推爪返回时倾斜从工件底面滑过， 工件保持不动。 当滑架再次向前推进时，该推爪在推爪的作用下复位并推动新工件前移一个步 长， 与此同时， 该推爪前方的推爪也推动前工位的工件一起向前再移动一个步长。 如此周而复始，实现工件的步进式传输。 2.3.2 主要技术参数 2.3.2 主要技术参数 1）电源：三相交流 380V，50HZ。 2）电动机：型号 YS6324，功率 P=180W，转速 n=1400r/min。 机械综合实验与创新设计BS-I 步进输送机 6 6 3）蜗杆减速器：型号 WPDA，传动比 i=50,，中心距 a=50。 4）开式齿轮传动：i=1.75. 5）滑架往复速度：14 次/min。 2.3.3 机构主要传动方式 2.3.3 机构主要传动方式 1）蜗杆传动： 蜗杆传动是空间交错轴间传递运动和动力的一种传动方式。 蜗杆传动主要优 点有：传动比大，结构紧凑；传动平稳，无噪音；具有自锁性。这里蜗杆传动用 在了蜗杆减速器上。 2）齿轮传动： 齿轮传动是利用两齿轮的轮齿相互啮合传递动力和运动的机械传动。 具有结 构紧凑、效率高等特点。本机构采用了开式齿轮传动。开式齿轮传动不仅外界杂 物极易侵入，而且润滑不良，因此工作性能较差不好，易发生磨损，但抗疲劳强 度较好，故宜用于低速传动，且宜在工作环境较清洁下使用。 3）平面连杆机构： 平面连杆机构是许多构建用低副（转动副和移动副）连接组成的平面机构。 低副是面接触，耐磨损；加上转动副和移动副的接触表面是圆柱面和平面，制造 简便，易于获得较高的制造精度。连杆机构的缺点是：设计比较复杂，不易精确 地实现复杂地运动规律。 本机构采用的连杆机构主要由一曲柄摇杆和一曲柄滑块 组成的复合机构，实现往复运动。如下图所示 机械综合实验与创新设计BS-I 步进输送机 7 7 三、研究方案 三、研究方案 1）通过观察初步分析 BS-I 步进输送机获取其工作条件及原始数据，了解它 的工作原理，包括总体方案，传动方案，推进机构，电路控制等。 2）通过计算机网络，书籍等资源查找有关资料，了解步进输送方案、各传 动环节选择、机电一体化、总布置、传动效率等。结合实验观察初步评价其总体 设计方案，如采用的步进输送方法、各传动环节选择、机电一体化、总布置及传 动效率的合理性。 3）重新进行设计计算，设计并校核重要零件的强度、刚度。 4）对 BS-I 步进输送机进行测绘，通过 SolidWorks 建模并作出动画，了解 机构的运动方式； 5） 利用 Admas 软件分析机构运动学和动力学特性， 初步曲柄转速与滑枕 （推 爪）单位时间往返次数（次/min）的关系，同时通过实验验证仿真的正确性，进 而设计出相应的调速机构。 6）在机构运动学和动力学特性的基础上，改进连杆传动部分。通过改变连 杆传动方式来改变机构的动力学和运动学特性，使结构更加的合理。同时利用 Ansys 软件对部分杆件进行轻量化设计。 7）通过观察和查阅资料改进推爪的机构，并用软件分析新结构的优缺点。 8）通过观察和查阅滚道设计资料，解决滚道输送中零部件偏移的问题。 四、技术路线 四、技术路线 1）观察法：初步了解 BS-I 步进输送机的工作原理。 2）计算法：通过分析计算测绘的结果，掌握各个机构特性。 3） 模型法： 通过三维建模， 分析得到各个机构的动力学性能， 判定其合理性。 4）比较法：通过比较创新前后的机构特性，判断创新的合理性。 五、研究特色或创新点 五、研究特色或创新点 机械综合实验与创新设计BS-I 步进输送机 8 8 1）利用 SolidWorks 进行三维建模；用 Admas 对平面连杆机构以及滑枕进行 运动学、动力学分析；通过 Ansys 有限元分析，满足应力条件下实现部分结构的 轻量化设计。 2）研究曲柄转速与滑枕（推爪）单位时间往复次数关系，在步进输送机中 设置调速机构，实现滑枕（推爪）单位时间往复次数的可变以适应不同工况。 3）研究现有设备输送极限，包括最大输送质量，为输送工件提供可选择范 围。 4）改进现有设备中的平面连杆机构，实现机构动力学、运动学的优化。 5）改进滚道输送机构，实现不同工况下零部件输送过程中的不跑偏。 6）改进推爪机构，保证推爪正常复位，解决靠重力（或弹簧）复位的不可 靠性。 六、可行性分析 六、可行性分析 6. 6.1 客观性1 客观性 1）在机械行业不断发展的今天，成本是一个企业最关注的主要问题之一， 因此在工业生产中，把步进输送机的往复次数设为可调式，有助于配合企业的实 际生产，以最大的效率换取最大的利益，节约了能源，节省了成本。 2）步进输送机的输送能力在很大程度上决定了工作面的生产效率和能力， 一些特殊的工作条件下，比如在生产运输中需要一个稍大的体积和重量的工件， 如此， 计算和优化步进输送机的最大载重就是十分必要的了，提高最大载重量可 以提高工业生产效率，有定量的标准也会防止设备损坏。 3）由于回程过程是靠工件与推抓挤压作用使推爪旋转，经分析，使推爪旋 转的力矩主要由工件所受静摩擦力来保证， 如果物体质量太小等原因使摩擦力过 小，则回程时物体会发生位移，机构不能正常工作。为此可以设计推爪于回复过 程整体自动翻转，而非由工作带动翻转。因此优化创新推爪可以有效地提高输送 精准度，提高设备整体效果。 4）生产中工件跑偏很容易引起系统故障停机影响生产作业效率，原因也有 机械综合实验与创新设计BS-I 步进输送机 9 9 很多种，比如滚轴安装精确度低，滚筒外表面加工误差、粘料或磨损不均造成直 径大小不一，转载点处落料位置不正等，通过改进滚道设计提高输送精度。 5）此外，设备的加工成本也是个重要的问题，在保证结构和功能完整性的 前提下进行连杆轻量化设计可以有效得节省材料，减少加工成本。 6.2 主观性 6.2 主观性 1）人力资源：团队成员对于相关理论有一定的学习和理解，同时团队成员 各有所长，吃苦耐劳，为完成课题进行进一步的研究打下良好的理论基础和人力 资源。 另外，机械原理与机械设计的理论知识的学习也让我们对于机构创新设计 有了更大的把握。 2）实验条件：首先我们现有 BS-I 步进输送机 一台可供研究；其次，我们 团队成员齐整，分工明确，并具备了一定的专业知识，具备研究的能力。 3） 辅助资源： 我们有优秀的辅导老师。 我们可以使用 Solidworks， Adams 等软件图书馆里有大量机械设计的资料书可供查阅。 4）理论基础：通过阅读大量的论文，我们对许多机械结构有了一定的认识 和理解，对借鉴并创新出新的结构来改善 BS-I 步进输送机有很大信心。 七、预期成果七、预期成果 1）通过初步观察，了解 BS-I 步进输送机的工作情况和传动原理。 2）成功测绘与建模，得出并掌握各传动构件和重要零件的力学性能和运动 学特性。 3)实现部分结构的轻量化设计 4）设计出更合理的