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压力机生产线梁式传送机构的设计

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压力机 生产线 传送 机构 设计
资源描述:
压力机生产线梁式传送机构的设计,压力机,生产线,传送,机构,设计
内容简介:
本科毕业设计(论文)题目:压力机生产线梁式传动机构的设计压力机生产线梁式传送机构设计摘 要针对目前国内旧冲压生产线多为手工完成上、下料操作,介绍了一种新型的压力机省察县梁式传送机构,并阐述了该机构的工作原理及结构特点。用此梁式传送机构组成的多机连线自动搬运生产线,抓取和放置工件的工作节拍高达15次/min,送料精度可达1.5mm,可实现大型压力机间的上、下料自动化生产,为减轻工人的劳动强度,满足产品的生产,提高生产效率,提供了设备保障。关键字:冲压线;移动小车;轨道;梁式传送机构Design of connection beam between press linesAbstractAs the loading and unloading processes in the current domestic press lines are mainly operated by manual control, a new automatic conveyer delivery mechanism with connection beam for the press machine was introduced, and its operating principle and structural features were analyzed. The automatic portage production line which comprised by this mechanism has a high-frequency in grabbing and laying which could reach 15 time per minute and a high-accuracy in feeding which could reach 1.5mm. This mechanism can automate the loading and unloading processes in the heavy press machine. This innovation could reduce the labor intensity of workers and meet the requirement of production.Keywords: press line; shuttle car; track; conveyer delivery mechanism with connection beam常用符号表Km 载荷系数D 分度圆直径M 齿轮模数KHbe 轴承系数 弯曲疲劳寿命系数T 转矩Z 齿数 目 录1 绪论11.1概述11.2冲压成型技术的现状11.3国内外研究现状11.4本文主要研究内容22 设计方案32.1加工工件的各参数32.2压力机JE31-630A的各技术参数42.3方案对比、并确定方案42.3.1该传送机构系统总体结构的设计42.3.2小车设计62.3.3吸附式机械手的设计62.3.4工件参数62.3.5气流负压吸盘吸附式手部72.3.6机械手与小臂的连接72.3.7小车机架的设计73 小车旋转部分的设计83.1水平旋转小臂的设计83.1.1水平旋转小臂结构设计83.1.2水平旋转小臂校核83.1.3与旋转吊臂连接的轴套设计83.2小车旋转部分交流伺服电机和减速机的选型93.2.1小车旋转部分交流伺服电机选型93.2.2减速机选型103.3 小锥齿轮的安装103.4旋转吊臂的设计113.5 轴上锥齿轮设计114 小车的设计154.1 小车行走部分的设计154.2小车行走部分的交流伺服电机和减速机的选型154.2.1小车行走部分的交流伺服电机选型154.2.2小车行走部分的减速机的选型154.3小车轨道的设计164.4 小车转动轴的设计175 结论19参考文献20致谢22毕业设计(论文)知识产权声明23毕业设计(论文)独创性声明24IV1 绪论1.1概述冲压成型作为一门古老而又年轻的制造技术,几乎渗透到国民经济的每一个部门,在许多发达国家从作为支柱产业之一的汽车制造业到农业机械、动力机械、建筑机械、化工机械、精密机械、仪器仪表、医疗器械、日用五金等等,知道航空航天、军事兵器各个门类,冲压制作都占据着相当重要的地位1。1.2冲压成型技术的现状随着我国工业的发展,冲压制件类型、工艺的复杂化以及人性化生产要求,手工送料的冲压加工生产由于存在着效率、速度、精度、安全等方面的一系列问题,冲压生产的手工送料已逐步由自动送料机构所取代,从而进一步满足了冲压生产自动化,大幅度提高生产节拍、生产质量等的要求。1.3国内外研究现状目前,世界上冲压成形的大型压机主要向两个方向发展:一是大型多工位压力机,如美国、日本、德国的汽车公司多采用这类;二是侧重于柔性生产的大型压力机生产线(配以自动化上下料机械手),其关键冲压设备的特点是大吨位、大行程、大台面、高效率、高精度。由于国内自身技术不够成熟,又无法全面进口大型多工位压力机,同时国内的旧冲压生产线又无法完全舍弃,所以多以单机连线的压力机生产线为主。这种生产线上多以地面穿梭小车配备常规机械手或机器人作为送料装置。这种装置的生产线,上下工位压力机的机械手取料和上料各需要一次抓取工件和释放工件,大大降低了压力机的生产节拍,最高生产节拍只有69次分-1,而且机械手安装在压力机的前、后壁上,使得压力机的装模和换模都很麻烦。01.4本文主要研究内容针对目前国内旧冲压生产线多为手工完成上、下料操作,本课题旨在研究并设计一压力机生产线梁式传送机构,以便于组成多机连线自动搬运生产线,抓取和放置工件,实现大型压力机间的上、下料自动化生产,减轻工人的劳动强度,满足产品的生产,提高生产效率,提供设备保障。02 设计方案2.1加工工件的各参数 所选加工工件汽车顶盖的主要参数,如表2.1所示:表2.1 汽车顶盖的主要参数参数值材料结构钢ST16材料厚度0.7mm外观形状薄板梯形化学性能具有良好的耐蚀性、耐热性、低温强度和机械特性以及良好的加工性能和可焊性材料的尺寸范围1500mm1200mm最大重力10kg从钢板材料到汽车顶盖的冲压成形工艺过程通常为:拉延,修边冲孔,整形。如图2.1所示。 图2.1 汽车顶盖冲压工艺图32.2压力机JE31-630A的各技术参数济南第二机床厂生产的闭式单点单动压力机JE31-630A型机械压力机的技术参数,如表2.2所示:表2.2 JE31-630A压力机的技术参数公称力行程公称力滑块行程长度滑块行程次数最大装模高度导轨间距离(左右)13mm6300kN400mm15次min-1700mm1500mm滑块形式打料杆行程滑块底面尺寸(前后左右)mm压力机地面以上高度压力机外形尺寸(前后左右)mm压力机整机重量刚性90mm140016807480mm3930301596700kg汽车顶盖冲压成形自动上下料系统的基本要求,概括来讲就是要以一定的节拍将原料准确输送到模具冲压拉伸工位,冲压拉伸成形完成后快速将制成品输送到下一个机床加工工位,具体要求包括如下几个方面:(1) 要能够准确无误实现对汽车顶盖冲压成形的自动上下料;(2) 该上下料系统要实现节拍为15次/分钟;(3) 各运动部件应传动平稳,无冲击,无噪音,传动可靠性好,各部分结构要合理;(4) 根据具体情况,尽量在不改变工厂原来机床以及输送设备摆放的情况下,能够顺利安装该自动上下料,降低成本;(5) 为保证生产效率,该上下料系统中的机械手吸起工件的时间T不高于1s;(6) 控制时,应设有自动和手动两种工作方式,在自动方式下还应尽量设置有点动,手动方式下各个部件要能够单独运行,便于提高效率和故障的排除与修理;(7) 各部件工作时应该设置指示灯,便于监视各部件的运动状态;(8) 在满足以上条件的情况下,应该尽量使操作简单、外型美观以及成本安全、环保等众多方面的考虑。2.3方案对比、并确定方案 2.3.1该传送机构系统总体结构的设计为了便于实现上下料系统的自动化,该机构系统能够配合压力机的工作节拍,将工件逐片准确地放入和取出冲压模具的中心。根据工业机器人的设计方法,汽车顶盖冲压成形自动上下料系统的整体结构由机身,臂部,腕部,手部组成。各组成部分都安装在由方管焊接而成的连接梁轨道架上2。该机构采用圆柱坐标型机器人,其拥有两个自由度。如图2.2所示。(a) 小车在上工位压力机上抓取工件(b) 小车向下工位压力机放置工件图2.2 压力机间上、下料装置的方案图各部分结构和任务简述如下:(1) 机身作为行走机构,完成在上料架连接轨道上的X方向移动。为实现在导轨上的移动,可以直接采用齿轮齿条传动或链条传动。考虑控制方便,可采用在上料架上安装导轨,采用小车来实现,其驱动方式选用电机,经过减速机构来实现。这种装置不但能精确的完成送料任务,速度可调,通用性高。(2) 臂部采用回转运动机构,完成绕Z方向的转动。采用“L”型结构,来满足尺寸结构上的需要,而且应具有足够的承载能力和刚度,以及良好的导向性。其驱动方式选用电机驱动3。设计中的伺服电机控制系统采用接近开关和编码器来实现移动。(3) 腕部由于要始终保持X方向上的水平,所以腕部和臂部结合为一体。(4) 根据与物件接触的形式不同,手部可分为机械钳爪式手部结构和吸附式手部结构。考虑到工件为冲压钢板,体积大不易抓取,所以采取吸附式中的真空式吸手部,即吸盘式。吸盘式上下板料机械手是一个简单的封闭式结构, 共由两个自由度组成, 通过机械手的上下运动和旋转运动实现上下料过程, 具有结构简单、体积较小、性能可靠和价格低廉等特点4。真空吸盘是机械手的一个重要部件,其总体布局直接影响着被吸工件的稳定性和操作过程中的安全性。吸盘内腔负压产生的方法有三种:挤压排气式, 真空泵排气式和气流负压式。本设计中机械手的手部结构采用真空吸盘组来实现,靠真空发生器形成真空,设计时需考虑工件的体积与重量,应该避免真空量不足,避免效果不佳而产生危险,虽然工件较轻,但也应该制定防止脱落的措施,及安全管理工作。2.3.2小车设计压力机生产线梁式传送机构的总体方案已经确定,针对之前方案选择中存在的问题进行了优化。其中包括,传送机构机器人行走的方式,即小车在架空轨道上的运动方式,考虑到运动的可靠性、可控制性,最终小车的行走部分动力由电机提供,依次经过减速机、主动前轮轴最后传到小车主动轮。小车旋转臂部分旋转动力也由电机提供,依次经过减速机、锥齿轮、旋转吊臂最后传到水平旋转小臂上,小车的传动方案如图2.3所示。1.车轮 2.带减速机的电机 3.锥齿轮 4.电机5.双轴输出减速机 6.驱动轮轴 7.从动轮轴图2.3 小车传动方案2.3.3吸附式机械手的设计根据查阅相关资料,首先根据所夹持的工件参数,确定所要达到的夹紧力,为满足其要求,确定了吸附式机械的类型以及各个参数,选取第一汽车制造厂车身分厂的气流负压吸盘吸附式机械手,而且其一个完全能够到达所要求的夹紧力。由此开始具体确定了机械手各零件尺寸,以及它与水平旋转小臂的连接方式。2.3.4工件参数汽车顶盖的主要参数:材料厚度,0.7mm;外观形状,薄板梯形;材料的尺寸范围,1500mm1200mm;最大重力,10kg。针对所加工的零件类型属于轻小片状零件、光滑薄板材料,所以采用负压吸盘吸材。2.3.5气流负压吸盘吸附式手部设计制造及使用单位:第一汽车制造厂车身分厂。其基本参数为:吸力,30公斤力。2.3.6机械手与小臂的连接采用气流负压吸盘吸附式机械手与工字钢末端的连接方式选择,依据生产需要,满足不同工件的生产最终选择,选取螺母组连接方式,以达到机械手位置可调节。2.3.7小车机架的设计小车车架采用8号槽钢和钢板焊接,选用型材焊接车架比铸造等其它方法制造车架的优点有以下3个方面5:(1) 强度高、重量轻。型材比铸造车体的强度要高出很多倍,当承受的载荷和条件相同时,用钢型材支撑的机构自重较轻,所需截面较小,运输和架设比较方便。(2) 钢型材具有良好的塑性。在一般情况下,不会因偶然超载或局部超载,造成突然断裂破坏,而是事先出现较大的变形预兆,以利人们采取补救措施。钢型材还具有良好的韧性,使得结构对经常作用在机械上的动载荷的适应性强,为金属结构的安全使用提供了可靠保证。(3) 制造方便。小车架采用型材焊接,可以将型材运至现场拼接,故制造简便,施工周期短,效率高。3 小车旋转部分的设计3.1水平旋转小臂的设计接下来根据压力机上下模的大小和车间压力机生产线中各压力机之间的间距尺寸(如图3.1所示),确定水平旋转小臂的整体尺寸,根据所受弯矩选择其结构形式为工字钢。在水平旋转小臂与旋转吊臂连接方式中,选择螺母固定。图3.1 压力机生产线的现场布置3.1.1水平旋转小臂结构设计由于机械手完成水平工作,所以采取的机械手与手臂连接方式。考虑到压力机外形尺寸为3930mm3015mm,及加工工件外形1500mm1200mm。选取小臂的长度为1000mm。根据加工工件的最大重力10kg,选取工字梁的规格为25mm25mm5mm。3.1.2水平旋转小臂校核旋转吊臂的结构形式为轴,根据轴的基本结构的设计计算,最终完成了,轴上各轴肩、轴径,以及上面轴承、锥齿的设计计算。根据所要的功率和转速,查取相关手册,得到了驱动电机的型号及它的安装方式。3.1.3与旋转吊臂连接的轴套设计由于旋转吊臂的结构形式为轴结构,而且传功由旋转吊臂直接传给水平旋转小臂,所以之间直接采用轴套连接,由键进行之间的周向约束。根据工字梁的结构和其所受载荷的情况,取轴套厚度为15mm,长为85mm。83.2小车旋转部分交流伺服电机和减速机的选型3.2.1小车旋转部分交流伺服电机选型在各电机的选型时,要考虑所要达到的功率和转速,必须选取合适的电机。并且针对各个传动方式的不同,及电机到输出轴的转速比,选取相应的减速机,选取过程要考虑到传动链和传动的效率以及输出输入的方式等各因素6。由于小车旋转部分连着机械手要求能够精确定位,速度可调,所以小车旋转部分电机选取杭州德伺麦斯科技有限公司所生产的130系列交流伺服电机,如图3.2所示。通过计算小车旋转所需功率和旋转臂旋转所需功率,选取旋转部分电机型号为130L0.6M6N,其结构尺寸如图3.3所示。130L0.6M6N交流伺服电机的各参数如下:电机功率 1000W;额定转速 2000r/min;额定力矩 6Nm。图3.2 130系列交流伺服电机的外形结构图3.3 130系列交流伺服电机的结构尺寸3.2.2减速机选型 为了缩短传动链,提高传动效率,小车旋转部分的减速机选用选取上海玺创精密机械有限公司所生产的TF系列伺服减速机,减速机型号为TF-90-20-P2-K1,如图3.4所示7。TF-90-20-P2-K1圆柱齿轮行星减速机的各参数为:减速比 20;背隙P2为标准背隙;输出轴形式K1为光孔;额定输入转速3500r/min。 图3.4 TF-90-20-P2-K1圆柱齿轮行星减速机3.3 小锥齿轮的安装根据减速机的输出轴径,由相关普通平键的型式和尺寸表14-26查得平键截面,键槽用键槽铣刀加工,长为,同时为了保证齿轮与轴配合有良好的对中性,故选择齿轮轮毂与轴的配合为。根据减速机的输出轴径,参考文献机械设计8小锥齿轮在轴向的固定选取轴端挡圈,其螺钉紧固轴端挡圈为B28。并且上面的螺钉选取M512(GB/T 819.1-2000)。3.4旋转吊臂的设计旋转吊臂主要完成回转运动,通过电机带动,经过锥齿轮传动来实现9。3.5 轴上锥齿轮设计由于该旋转吊臂的运动方式是绕着竖直方向的转动,故采用标准直齿锥齿轮, 已知130L0.6M6N交流伺服电机的各参数如下:电机功率1000W;额定转速2000r/min;额定力矩6Nm。TF-90-20-P2-K1圆柱齿轮行星减速机的各参数为:减速比20;额定输入转速3500r/min。则小齿轮的转速200r/min,齿数比u=3.1,工作寿命15年(设每年工作300天),两班制。记小齿轮为齿轮1,大齿轮为齿轮2。以下根据参考文献机械设计进行齿轮设计:(1) 选定齿轮类型、精度等级材料及齿数1) 根据旋转吊臂要实现的移动,选用直齿圆锥齿轮传动。2) 该机构为一般工作机器,故选取7级精度。3) 材料选择。查表得选择小齿轮的材料为40Cr(调质),硬度为280HBS,大齿轮的材料均为45钢(调质),硬度为240HBS,两者材料硬度差为40HBS。4) 选小齿轮齿数,大齿轮齿数,取。(2) 按齿面接触强度设计由设计计算公式进行试算10,即 (3.1)1) 确定公式内的各计算数值a) 试选载荷系数 。b) 计算小齿轮传递的转矩,由式(3.2)得 Nmm (3.2)c) 选取锥齿轮传动的齿宽系数。d) 由表查得材料的弹性影响系数为MPa。e) 由图按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限;大齿轮的接触疲劳强度极限。f) 计算应力循环次数,由式(3.3)及式(3.4)得 (3.3) (3.4)g) 由图取接触疲劳寿命系数,。h) 计算接触疲劳许用应力。取失效概率1%,安全系数S=1,由式(3.5)得 (3.5) 2) 计算a) 试算小齿轮分度圆直径,代入中较小的值,由式(3.1)得 b) 计算圆周速度v,由式(3.6)得 (3.6)c) 计算锥距R和齿宽B,由式(3.7)及式(3.8)得 (3.7) (3.8)d) 由式(3.9)计算模数m和由式(3.10)齿宽与齿高之比。 (3.9) (3.10)e) 计算载荷系数K。根据,7级精度,由图查的动载系数;直齿圆锥齿轮,;由表查得使用系数KA=1;由表用插值法查得7级精度、小齿轮相对支承非对称布置时11,。由,查图得。故由式(3.11)得载荷系数。 (3.11)f) 按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径。由式(3.12)得。 (3.12)g) 计算模数m,由式(3.13)得 (3.13)(3) 按齿根弯曲强度设计。 (3.14)1) 确定计算参数a) 由图查得小齿轮的弯曲疲劳极限;大齿轮的弯曲疲劳极限;b) 由图取弯曲疲劳寿命系数,;c) 计算弯曲疲劳许用应力12。取弯曲疲劳安全系数S=1.4,由式(3.15)得 (3.15) d) 查表得轴承系数KHbe=1.25,则;。计算载荷系数,由式(3.16)得 (3.16)e) 查取齿形系数。由表查得;。f) 查取应力矫正系数。由表查得;。g) 计算大、小齿轮的并加以比较,由式(3.17)得 (3.17) 比较得,大齿轮的数值较大。2) 设计计算,由式(3.14)得 对比计算结果,由齿面接触疲劳强度计算的法面模数小于由齿根弯曲疲劳强度计算的法面模数,由于齿轮模数m的大小主要取决于弯曲强度所决定的承载能力,而齿面接触疲劳强度所决定的的承载能力,仅与齿轮直径(即模数与齿数的乘积)有关13,可取弯曲强度算得的模数3.87并就近圆整为标准值m=4.0mm,按接触强度算得的分度圆直径d1=51.565mm。算出小齿轮的齿数:则取,则大齿轮齿数,取。这样设计出的齿轮传动,既满足了齿面接触疲劳强度,又满足了齿根弯曲疲劳强度,并做到结构紧凑,避免浪费。(4) 几何尺寸计算图3.5 轴的结构与装配64 小车的设计4.1 小车行走部分的设计移动小车的各部件的选型及结构设计。小车驱动轮的轮轴根据所选减速机为孔输出,为了安装方便将其设计成两个半轴,为了简化结构,小车被动轮的轮轴设计成一根通轴14。小车驱动轮和被动轮根据架空轨道的结构形式,踏面设计成V型。为了防止机械臂旋转时所产生的力将小车倾覆,小车与轨道间必须设有约束装置,约束装置主要由约束轮轴承和带有法兰盘的约束轮轴等组成;为了减轻重量,节省材料,小车旋转机械臂设计成变截面工字梁15,工字梁的小端焊接一块开有若干个孔和槽的气缸布置板,这些孔和槽可根据生产需要来调节气缸位置,以满足不同工件的生产;气缸活塞杆的端部装有吸盘,当要吸取工件时,带吸盘的气缸伸出,吸盘便可接触到工件,将工件吸起;小车旋转部分的小锥齿轮直接安装在减速机输出轴上,这样不但结构简单,而且还使得小车的结构尺寸减小。小车车架采用槽钢和钢板焊接。4.2小车行走部分的交流伺服电机和减速机的选型4.2.1小车行走部分的交流伺服电机选型同小车旋转部分的旋转吊臂驱动处的电机选型一样,由于移动小车要求能够精确定位,速度可调,所以小车行走部分的电机也选取杭州德伺麦斯科技有限公司所生产的130系列交流伺服电机16。 通过计算小车行走所需功率,选取行走部分电机型号为130L1M9.6N。130L1M9.6N交流伺服电机的各参数如下:电机功率 1000W;额定转速 2000r/min;额定力矩 9.6Nm。4.2.2小车行走部分的减速机的选型 为了缩短传动链,提高传动效率,小车行走部分减速机选择河北乔鑫减速机厂生产的MNRV系列同轴式蜗轮蜗杆减速机,该减速机为轴输入和孔输出,减速机型号为MNRV075,其结构形式如图4.1所示。MNRV075同轴式蜗轮蜗杆减速机的各参数为:输入转速 1400r/min;输出转速范围 70r/min;额定功率 1KW;减速比 20。其与130系列交流伺服电机的连接方式如图4.2所示。0图4.1 MNRV075同轴式蜗轮蜗杆减速机图4.2 MNRV075减速机与交流伺服电机的连接方式4.3小车轨道的设计 架空轨道不但要能承受移动小车和工件的重量,还要能够使小车在两台压力机之间直线行走,所以架空轨道采用矩形钢管和等边角钢焊接。这种采用型材焊接的轨道,不仅结构简单、承载能力强,而且经济实用。为了很好的利用厂房空间,轨道的侧壁焊有吊耳,并借助吊杆固定在厂房的顶梁上17。根据小车的自重300kg和吊重400kg,选取矩形钢管的规格为110mm110mm9mm,等边角钢的规格为36mm36mm5mm。架空轨道的结构形式,如图4.3所示。1.吊杆 2.吊耳 3.螺母 4.矩形钢管 5.等边角钢图4.3 架空轨道的形式4.4 小车转动轴的设计 (1) 求轴上的功率PI、转速nI和转矩TI若取每级齿轮传动的效率=0.97,则 依据减速机的额定输出转速范围7015r/min,以及压力机工作节拍为15r/min,则小车行走部分的转动轴的转速,则计算转矩,由式(4.1)得 (4.1)(2) 初步确定轴的最小直径先按轴的扭转强度条件设计轴的最小直径18。选取轴的材料为45钢,调质处理。根据表得,于是得:。轴的最小直径是连接MNRV075同轴式蜗轮蜗杆减速机输出孔处轴的直径。所以同时可确定MNRV075同轴式蜗轮蜗杆减速机输出孔的直径值。(3) 轴的结构设计1) 拟定轴上零件的装配方案装配方案如图4.4所示。图4.4 轴的结构与装配1. 架空轨道梁 2.止推环 3.轴套 4.轴承盖 5.轴端挡圈 6.轴承 7.小车约束轮 8.小车约束轮轴 9.小车机架图4.5 约束装置的结构25 结论本课题所设计压力机间连接梁传输装置,行走和旋转部分动力都由伺服电机提供,很容易运用电子技术来实现速度可调,定位(启动和停止)准确。在结构上轨道和车架采用钢型材焊接,质量轻,承载能力强,制造简单方便,并且抓取工件的机械臂布置在小车上,使得冲压线上的压力机装模和换模方便、简单。0参考文献1 南雷英,戚春晓,孙友松冲压生产自动送料技术的现状与发展概况J锻压装备与制造技术,2006,41(2):18-21.2 樊红梅,孙宇,李林伺服电机直接驱动的压力机控制系统研究J锻压技术,2007,32(4):113-138.3 师后龙,何光军,鹿新建,王苹.曲柄压力机的传动系统及发展趋势J.南京农业大学.2010,5(7):18-214 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