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热镦机自动送料机构设计

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热镦机 自动 机构 设计
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目录1 绪论31.1 选题背景及其意义31.2 国内外研究现状与发展趋势31.2.1国内的研究现状31.2.2国外研究现状41.2.3发展趋势52 总方案的设计62.1设计要求62.2 设计任务62.2.1主要研究内容62.22 研究方案和技术路线62.3 机构功能分解82.31机械手的工艺动作流程及时间分配82.4 机构方案设计与选择92.4.1手臂上下摆动机构的设计与选择92.4.2执行机构二:手臂回转机构的设计与选择112.4.3传动部分的设计132.4.4机构整体方案的设计133 机构方案计算和校核153.1机械手设计153.1.1夹持式手部结构153.1.2手指的形状和分类153.1.3设计时考虑的几个问题153.1.4手部夹紧液压缸的设计163.2 电动机功率计算193.3手臂上下摆动机构的计算203.4手臂回转机构的计算223.5 齿轮齿条设计233.5.1 齿轮齿条啮合传动的特点233.5.2 齿轮参数的选择243.5.3 计算接触疲劳许用应力243.5.4 齿轮的齿根弯曲强度设计253.5.5 确定齿轮主要参数和几何尺寸263.5.6 确定齿条主要参数和几何尺寸273.5.7 齿面接触疲劳强度校核283.6 设计计算齿轮1和齿轮2293.6.1按照齿面接触强度初步设计齿轮主要尺寸293.6.2按照齿根弯曲强度设计齿轮主要尺寸313.6.3几何尺寸计算333.6.4齿轮传动的润滑方式334 轴的设计计算344.1输入轴的设计344.1.1选取轴的材料和热处理方法344.1.2初步估算轴的直径344.1.3输入轴的结构设计344.1.4输入轴的受力分析364.1.5判断危险截面和校核374.2输出轴的设计384.2.1选取轴的材料和热处理方法384.1.2计初步估算轴的直径384.1.3输出轴的结构设计384.1.4输出轴的受力分析394.1.5判断危险截面和校核415 其他零件的选择与润滑方式确定425.1轴承的选择12425.2 箱内传动机构润滑方式446 总结47参考文献49致 谢50毕业设计(论文)知识产权声明51毕业设计(论文)独创性声明521 绪论1.1 选题背景及其意义随着工业自动化程度的提高,工业现场的很多易燃、易爆等高危及重体力劳动场合必将由机器人所代替。这一方面可以减轻工人的劳动强度,另一方面可以大大提高劳动生产率。通过本课题,让学生在毕业设计过程中综合大学所学基础课程及专业课程,培养学生综合应用所学知识和技能去分析和解决一般工程技术问题的能力;进一步培养学生分析问题、创造性地解决实际问题的能力。1.2 国内外研究现状与发展趋势1.2.1国内的研究现状工业机械手最早应用在汽车制造工业,常用于焊接、喷漆、上下料和搬运。工业机械手延伸和扩大了人的 手足和大脑功能,它可替代人从事危险、有害、有毒、低温和高温等恶劣环境中工作,代替人完成繁重、单调重复劳动,提高劳动生产率,保证产品质量。目前主要应用与制造业中,特别是电器制造、汽车制造、塑料加工、通用机械制造及金属加工等工业。工业机械手与数控加工中心,自动搬运小车与自动检测系统可组成柔性制造系统和计算机集成制造系统,实现生产自动化。随着生产的发展,功能和性能的不断改善和提高,机械手的应用领域日益扩大。我国工业机械手的研究与开发始于20世纪70年代。1972年我国第一台机械手开发于上海,随之全国各省都开始研制和应用机械手。从第七个五年计划(1986-1990)开始,我国政府将工业机器人的发展列入其中,并且为此项目投入大量的资金,研究开发并且制造了一系列的工业机器人,有由北京机械自动化研究所设计制造的喷涂机器人,广州机床研究所和北京机床研究所合作设计制造的点焊机器人,大连机床研究所设计制造的氩弧焊机器人,沈阳工业大学设计制造的装卸载机器人等。这些机器人的控制器,都是由中国科学院沈阳自动化研究所和北京科技大学机器人研究所开发的,同时一系列的机器人关键部件也被开发出来,如机器人专用轴承,减震齿轮,直流伺服电机,编码器等。我国的工业机械手发展主要是逐步扩大其应用范围。在应用专业机械手的同时,相应的发展通用机械手,研制出示教式机械手、计算机控制机械手和组合式机械手等。所以,在国内主要是逐步扩大应用范围,重点发展铸造、热处理方面的机械手,以减轻劳动强度,改善作业条件,在应用专业机械手的同时,相应的发展通用机械手,有条件的要研制示教式机械手、计算机控制机械手和组合机械手等。同时要提高速度,减少冲击,正确定位,以便更好的发挥机械手的作用。可以将机械手各运动构件,如伸缩、摆动、升降、横移、俯仰等机构,设计成典型的通用机构,以便根据不同的作业要求,选用不用的典型机构,组装成各种用途的机械手,即便于设计制造,又便于跟换工件,扩大了应用范围。目前国内机械手主要用于机床加工、锻造。热处理等方面,数量、品种、性能方面都不能满足工业生产发展的需要。此外还应大力研究伺服型、记忆再现型,以及具有触觉、视觉等性能的机械手,并考虑与计算机连用,逐步成为整个机械制造系统中的一个基本单元。1.2.2国外研究现状国外机械手在机械制造行业中应用较多,发展也很快。目前主要用于机床、横锻压力机的上下料,以及点焊、喷漆等作业,它可按照事先指定的作业程序来完成规定的操作。国外机械手的今后趋势是大力研制具有某种智能的机械手。使它具有一定的传感能力,能反馈外界条件的变化,作相应的变更。如发生少许偏差时候,即能更正并自行检测,重点是研究视觉功能和触觉功能。目前已经取得一定的成绩。1962年,美国又试制成一台数控示教再现型机械手。运动系统仿造坦克炮塔,臂可以回转、俯仰、伸缩,用液压驱动;控制系统用磁鼓做储存装置。不少球面坐标式机械手就是在这个基础上发展起来的;同年该公司和普曼公司合并成为万能制动公司,专门生产工业机械手。1962年美国机械铸造公司也实验成功一种叫Versatran机械手,原意是灵活搬运,可做点位和轨迹控制:该机械手的中央立柱可以回转、升降、伸缩,采用液压驱动,控制系统也是示教再现型。虽然这2种机械手出现在六十年代初,但都是国外机械手发展的基础。从60年代后期起,喷漆、弧焊工业机器人相继在生产中开始应用。1978年美国Unimate公司和斯坦福大学、麻省理工学院联合研制出一种UnimationVic.arm型工业机械手,装有小型电子计算机进行控制,用于装配作业。联邦德国机器制造业是从1970年开始应用机械手,主要用于起重运输、焊接和设备的上下料等作业:联邦德国Kuka公司还生产一种点焊机械手,采用关节式结构和程序控制;日本是工业机器人发展最快,应用国家最多的国家,自1969年从美国引进两种典型机械手后,开始大力从事机械手的研究,目前以成为世界上工业机械手应用最多的国家之一。前苏联自六十年代开始发展应用机械手,主要用于机械化、自动化程序较低、繁重单调、有害于健康的辅助性工作。1.2.3发展趋势现代汽车制造工厂的生产线,尤其是主要工艺的焊接生产线,大多采用了气动机械手。车身在每个工序的移动;车身外壳被真空吸盘吸起和放下,在指定工位的夹紧和定位;点焊机焊头的快速接近、减速软着陆后的变压控制点焊,都采用了各种特殊功能的气动机械手。目前世界高端工业机械手均具有高精化,高速化,多轴化,轻量化等的发展趋势。定位精度可以满足微米及亚微米级要求,运行速度可以达到3M/S,良新产品可以达到6轴,负载2KG的产品系统总重已突破100KG。更重要的是将机械手、柔性制造系统和柔性制造单元相互结合,从而根本改变目前机械制造系统的人工操作状态。同时,随着机械手的小型化和微型化,其应用领域将会突破传统的机械领域,从而向着电子信息、生物技术、生命科学及航空航天等高端行业发展。2总方案的设计2.1设计要求设计二自由度关节式热镦机自动送料机构,由电动机驱动,夹送圆柱形镦料,往镦头机送料。以方案A为例,它的动作顺序是手指夹料,手臂上摆15,手臂水平回转120,手臂下摆15,手指张开放料。手臂再上摆,水平反转,下摆,同时手指张开,准备夹料。主要要求完成手臂上下摆动以及水平回转的机械运动设计。图1为机械手的外观图。技术参数见表1。表2-1 热镦挤送料机械手技术参数最大抓重kg手指夹持工件最大直径mm手臂回转角度()手臂回转半径mm手臂上下摆动角度()送料频率 次/min22512070015152.2 设计任务2.2.1主要研究内容1)运动功能设计:即自由度设计,应尽可能的灵活运动和大的工作空间,分析各关节运动的性质以及排列顺序等。 2)传动功能设计:本结构是由若干个构件和关节组成的多自由度空间机构,传动功能中驱动器安排和机构要合理。 3)机械结构设计:满足强度和刚度情况下,要充分考虑结构紧凑、重量轻、体积小等特点。同时满足装卸方便,便于维修、调整。 基本参数: 抓重:2公斤 ;工件最大直径: 25mm;工作半径:700mm;送料频率:15次/分 。2.22 研究方案和技术路线(1) 路径的设计: 运动轨迹的选择: 第一种方案: 沿Y轴方向的伸缩(其运动轨迹为直线运动),沿Z轴方向的升降(其运动轨迹为直线运动),沿XY平面的运动(其运动方向为圆弧),运动轨迹为 第二种方案: 沿Z轴方向的升降(其运动轨迹为直线运动),沿XY平面的运动(其运动方向为圆弧),运动轨迹为 因为我设计的是二自由度的机械手,第一种方案,因为是三自由度的,所以第一种太复杂,有可能及其在工作的时候因为程序多可能停止工作,造成工作效率较低,第二种方案比较简单,相对第一种方案来说出现失误比较少,所以选第二种方案。 (2)机械手的运动路径和抓取路径有很多种,有以下四种方式: 直角坐标系:这种坐标形式的机械手为直角坐标系机械手。它的特点是结构简单,定位精度高,适用于主机位置成行排列的场合。但是由于占地面积大工作范围小以及灵活性差,限制了它的适用范围。 圆柱坐标系:这种坐标形式的机械手称为圆柱坐标形式机械手。它与直角坐标式相比较占地面积小而活动范围大,结构较简单并能达到较高的定位精度,因此应用范围较广泛。但由于机械手结构的关系,沿Z轴方向移动的最低位置受到限制,故不能抓取地面上的物件。 球坐标式:这种坐标形式的机械手称为球坐标式机械手。手臂的俯仰运动能抓取地面上的物件,为了使手部能适应被抓去物件方位的要求,常常设有手腕上下摆动,使其首度保持水平位置或其他状态。这种形式的机械手具有动作灵活占地面积小而工作范围大等特点,它适用于延伸缩方向想外的传动方式。但结构较复杂,此外,手臂摆角的误差通过手臂会引起手部中心处的误差关节式机械手:其手臂的运动方式类似于人的手臂可做几个方向的转动。它由大小两臂和立柱所组成,大小两臂之间的连接为肘关节,大臂与立柱之间的连接为肩关节,各关节均有铰链构成以实现转动,手臂的运动系由三个回转构件所构成即大臂的俯仰,小臂的俯仰和大臂的回转。这种坐标形式的机械手成为关节机械手。它的特点是工作范围大,动作灵活,通用性强,能抓取靠近基座的物件,并能绕过机体和工作主机之间的障碍物去抓取物件此为其他形式的机械手不可比拟的优点。但是关节式机械手的手指定位是由各个关节相互转角来决定,所以定位精度较差,另外控制装置和机械结构比其他形式的机械手均复杂。得出结论:综合以上的讨论根据不同坐标各自不同的特点,最终选关节式的坐标系2.3 机构功能分解2.31机械手的工艺动作流程及时间分配送料频率为15次min,即每次4s;这4s可进行如下分配:手指夹料(0.2s)手臂上摆15(0.2s)手臂回转120(1.4s)手臂下摆15(0.2s)手指松开(0.2s)手臂上摆15(0.2s)手臂反转120(1.4s)手臂下摆15(0.2s)执行机构在一个周期的运动如表2所示:表2-2 机构运动循环图动作序号动作名称转角(时间s)1手指夹料0(0.2)2手臂上摆15(0.2)3手臂回转120120(1.5)4手臂下摆15(0.2)5手指放料0(0.2)6手臂上摆15(0.2)7手臂反向回转120120(1.4)8手臂下摆15(0.2)2.4 机构方案设计与选择2.4.1手臂上下摆动机构的设计与选择( 1 ) 执行机构一: 机械手手臂上下摆动机构 方案一: 盘形凸轮 + 摇杆机构+不完全齿轮图2-1 上下摆动机构1 方案二: 圆筒凸轮 + 连杆机构 图2-2 上下摆动机构2 方案三: 盘形凸轮+摇杆机构图2-3 上下摆动机构3方案选择:方案一中圆筒凸轮结构简单、紧凑,所能承受的力大,但考虑到本机抓重要求不高,且此结构与后续设计衔接困难,所以不用;方案二机构较多,较繁琐,所以也被淘汰掉;这里抓重要求不高且机构零件简单易选,同时与后续设计衔接较好;所以这里我们采用方案三,使用盘形凸轮机构直接驱动从动件的上下运动,进而通过低复使手臂摇动。这个方案在计算过程中比较容易,即s=ltan,式中s为从动件。2.4.2执行机构二:手臂回转机构的设计与选择方案一:盘形凸轮 + 摇杆机构图2-4 手臂回转机构1方案二:不完全齿轮 + 曲柄摇杆机构图2-5 手臂回转机构2方案三:液压缸+齿轮齿条机构图2-6 手臂回转机构3方案选择: 方案一与方案二与执行机构一中的前两种方案大致相同,因为机械手水平回转角度120,所以选用齿轮齿条机构来完成比较容易做到,因此选择方案三。 综上所述,经过比较最终坐标系选择关节式坐标系,驱动装置转动和平动选择电动机,执行机构:机械手臂上下摆动结构选择盘形凸轮+摇杆机构,机械手水平回转机构液压缸+齿轮齿条机构。采用液压缸+齿轮齿条,传动准确,便于分析计算。2.4.3传动部分的设计传动部分将电动机的高速转动转化为执行机构所需的转速。一般的机械,都是在第一级变速中采用带传动,其他的传动部分使用齿轮传动。有的机构根据需要,还会采用链传动、涡轮蜗杆等传动机构。本方案设计采用调速电动机,减速器,调速器及齿轮传动,这样可以通过调速器及其电路控制减速电机的输出转速且效率更高。2.4.4机构整体方案的设计根据上述各部分选出来的方案可以将机械手整体方案确定下来。其整体的原图2-7 执行机构内部结构三维模型图图2-8 执行机构整体图确定了整体的机构方案,现将其工作的过程分析如电动机本身的转速为1440r/min,装上减速机,连接上调速器将大齿轮的转速调节为为15r/min,所以总传动比i=1440/15=963 机构方案计算和校核3.1机械手设计本次设计的机械手是车床上下料的机械手。因为夹紧的工件是棒料,所以采用夹持式手部结构,常用的外卡式两指钳爪,其夹紧方式用弹簧夹紧,松开时,采用单作用式液压缸。此种结构较为简单,制造方便。3.1.1夹持式手部结构夹持式手部结构由手指(或手爪)和传力机构所组成。其传力结构形式比较多,如滑槽杠杆式、斜楔杠杆式、齿轮齿条式、弹簧杠杆式等。3.1.2手指的形状和分类夹持式是最常见的一种,其中常用的有两指式、多指式和双手双指式:按手指夹持工件的部位又可分为内卡式(或内涨式)和外夹式两种:按模仿人手手指的动作,手指可分为一支点回转型,二支点回转型和移动型(或称直进型),其中以二支点回转型为基本型式。当二支点回转型手指的两个回转支点的距离缩小到无穷小时,就变成了一支点回转型手指;同理,当二支点回转型手指的手指长度变成无穷长时,就成为移动型。回转型手指开闭角较小,结构简单,制造容易,应用广泛。移动型应用较少,其结构比较复杂庞大,当移动型手指夹持直径变化的零件时不影响其轴心的位置,能适应不同直径的工件12。3.1.3设计时考虑的几个问题(一) 具有足够的握力(即夹紧力)在确定手指的握力时,除考虑工件重量外,还应考虑在传送或操作过程中所产生的惯性力和振动,以保证工件不致产生松动或脱落。(二) 手指间应具有一定的开闭角两手指张开与闭合的两个极限位置所夹的角度称为手指的开闭角。手指的开闭角应保证工件能顺利进入或脱开,若夹持不同直径的工件,应按最大直径的工件考虑。对于移动型手指只有开闭幅度的要求。(三) 保证工件准确定位为使手指和被夹持工件保持准确的相对位置,必须根据被抓取工件的形状,选择相应的手指形状。例如圆柱形工件采用带“V”形面的手指,以便自动定心。(四) 具有足够的强度和刚度手指除受到被夹持工件的反作用力外,还受到机械手在运动过程中所产生的惯性力和振动的影响,要求有足够的强度和刚度以防折断或弯曲变形,当应尽量使结构简单紧凑,自重轻,并使手部的中心在手腕的回转轴线上,以使手腕的扭转力矩最小为佳。(五) 考虑被抓取对象的要求根据机械手的工作需要,通过比较,我们采用的机械手的手部结构是双支点两指回转型,由于工件多为圆柱形,故手指形状设计成V型。3.1.4手部夹紧液压缸的设计(一) 运动实现形式的分析手臂通过液压缸的升降运动带动活塞的上下运动从而实现手指的夹紧与松开,从而实现对被抓取工件的抓取和放下。(二) 手部驱动力计算手指加在工件上的内撑力,是设计手部的主要依据,必须对其大小,方向和作用点进行分析,计算,一般来说,夹紧力必须克服工件重力所产生的静栽荷以及工件运动状态变化所产生的载荷,以使工件保持可靠的状态13。(3.1)式中-安全系数。通常取1.2-2.0-工作情况系数,主要考虑惯性力的影响,可近似按下式进行计算(3.2)其中 a-运载工件时重力方向的最大上升加速度 g-重力加速度,(3.3)-运载工件时重力方向的最大上升速度-系统达到最高速度的时间,根据设计参数选择。取0.1s-方位系数,根据手指与工件形状以及工件位置不同进行选择G-被抓取。工件受重力(N)(三)计算步骤(1)本次设计机械手要求抓取工件的重量为2千克,所设计的机械手手指采用了内撑式机械手。所以本次设计的热墩机机械手按设计要求可抓重2千克。根据公式 (3.4)(2)首先根据对机械手的工艺设计要求确定安全系数;然后计算出最大加速度,确定工作情况系数,最后根据手抓夹持方位从表中查出方位系数求出夹紧力(3)根据手抓的结构方案,由表中查出驱动力的计算公式,求出液压缸应具有的驱动力。(4)实际所采取的液压缸驱动要大于。考虑手抓的机械效率,一般取。设取安全系数取工作情况系数式中:为最大缓冲加速度,,为重力加速度取方位系数所以所以驱动力N考虑到手在工作过程中有惯性力、震动以及传动效率的影响,其实驱动力按下式计算:式中:为手部机械效率,一般取,在这里取所以所以夹持工件时所需夹紧液压缸的驱动力为。(5)确定液压缸的直径 (3.5)选取活塞杆直径,压力油工作压力Pa根据液压缸内径系列(JB826-66)选取液压缸内径为:则活塞杆直径为:(四)壁厚的设计缸筒直接承受液压油压力,必须有一定厚度。一般液压缸缸筒壁厚与内径比小或等于1/10,其壁厚可按薄壁筒公式计算: (3.6)式中:缸筒壁厚液压缸内径实验压力,取材料为:ZL3, 代入己知数据,则壁厚为:取,则液压缸外径为: (3.7)所以选择气缸型号为:HSG-01-40/dE,速比为1.33,推力为20100N,拉力为15070N。(五) 活塞杆材料活塞杆的加工要求:活塞杆表面需渡硬铬,防腐要求特别高的则要求先渡一层软铬,渡后在渡硬铬抛光。在恶劣的,腐蚀性较强的工作环境中,活塞杆应喷涂一种陶瓷涂层。活塞杆外径公差直线度、表面粗糙度为活塞杆外径的圆柱度公差值,应该按8级精度选取。(六)安装导向环的作用安装在活塞外圆的导向环,具有精确的导向作用,并可以吸收活塞杆运动时随时产生的侧向力。带导向环的活塞,在缸筒内运动时非金属接触,因此,摩擦系数小,启动时无爬行。安装导向环后可以改善活塞与缸筒的同轴度,使间隙均匀,减少泄露。导向环采用耐磨材料,适用寿命长,磨损后便于更换。本次设计中依靠螺钉导向。(七) 缓冲装置液压缸的行程终端缓冲装置可以使带着负载的活塞在到达行程终端时减速到零。目的使消除因活塞的惯性力和液压力所造成的活塞与端盖机械撞击,同时也是为了将低在改变运动方向时液体发出的噪声。缓冲装置的工作原理是当活塞杆到达行程终端之前的一段距离内,设法把排油腔内的一部分或全部封闭起来,使其通过节流小孔排出,从而使封闭的油液产生适当的缓冲压力作用,与活塞的惯性力相对抗。以达到减速制动的目的。缓冲装置的结构形式,可以根据节流小孔的流通面积,在缓冲过程中能否自动改变来分类,通常可以分为恒节流型和变节流型。由于本次设计的电动机座卸料机械手采用的是液压系统,还可以依靠单向阀来实现缓冲的目的。安装了缓冲装置可以预防产生严重的冲击,这样可以起到保护工件的目的。(八) 手部设计应注意的问题手部设计过程中应注意到更换压盘的问题,为了扩大电动机座加工自动线卸料手的通用性,来满足电动机座生产线更换加工对象的要求,当更换了加工对象时可以更换压盘来实现。手指部的弹簧应处于自然状态,这样才能保证在手指松开工件时手指能够完全缩回。这样可以保证下次抓取工件时,手部结构深入工件时手指不碰撞工件,起到保护工件的作用。手部结构采用的是液压驱动,依靠液压驱动和弹簧来实现手部的夹紧与放松。3.2 电动机功率计算图3-1 执行电机选择功率不变的电机,即P=MxN/9550计算公式是P=M*n / 9550。P是电机的额定(输出)功率单位是千瓦(KW)n 单位是转每分 (r/min)M是电机输出扭矩(Mn)如要使负载运动,需要克服的力为F,电机输出轴的半径为R,那么需要的力矩M=FxR(单位Nm);最后速出转速为15r/min;按功率、转速、功率关系式P=MxN/9550(M单位Nm,N单位rpm,P单位Kw)计算即可得到。在回转方向,机构不受负载力作用,只需克服内部摩擦力,其产生的转矩相对较小,可以忽略.在上下摆动方向,设物料和手抓总重为10KG,克服最大抓举力F=10kg*9.8n/kg=98N,通过杠杆定力,M=F*R,已知R=0.7m,所以M=0.7*98=68.6Nm,其转化在圆盘凸轮上的力矩约为68.6N*M,因功率一定,所以扭矩和转速成反比,且此两者的乘积为定值,而凸轮转速为15*2=30r/min,所以两者乘积为30*68.6=420。取总传动效率为0.8,则电动机最低输出功率为P=68.6*30/(9550*0.8)=0.269kw.此处选择调速电机和减速器组装的电机,电机型号为51k300GU-CF,为三相异步减速电机,功率为300w;减速器型号为5GU-7.5K,为齿轮减速器;调速器选择调速范围为78-8转。3.3手臂上下摆动机构的计算如图4.1手臂上下摆动机构示意图图3-2 手臂上下摆动机构示意图机械手臂两支点距s1=LAB=93.3mm,在运动过程中机械手臂上下摆动15度(假设从B摆动到B处,如图4.2所示),过程中可近似看作:AB垂直于BB,则LBB=93.3*tan15=25mm,即圆盘凸轮的导程需为S=25mm.图 3-3圆盘凸轮的基圆半径设计尺寸为R1=25mm,则外圆半径为R2=S+R1=50mm.根据动作的时间分布,回转机构运动一个回合,手臂上下摆动运动两个回合,所以手臂夹料时间占比为0.2/2,对应的占角度为360*0.2/2=36度,手臂上摆和下摆均占时间比为0.2/2,则对应的角度为360*0.2/2=36度,手臂回转时间所占对应的圆盘凸轮轮廓线角度为360-36-36-36=252度,即如图4.3所示,外圆对应的角度为192度,基圆所对应的角度为36度,基圆过度到外圆或外圆过度到基圆(即上摆或下摆过程)所对应的角度为36度。图3-4 圆盘凸轮3.4手臂回转机构的计算(1)液压缸的选择根据齿轮分度圆可以得出齿条的最大位移为50mm,所以液压缸的行程为50mm,缸径为50mm,活塞杆直径为32mm。最大压力为14Mp图3-5如图4.4,其运动时间布局为第一步齿条不移动一段时间(此时间段为夹持物料和手臂上摆的时间0.4s),第二步是齿条移动的一段时间(此时间段为手臂旋转120度的时间1.4s)第三步是齿条再静止不动的时间(此时间段为手臂下摆盒松开物料及再上升的时间0.6s )第四步为齿条回移的时间(此时间为手臂回转120度的时间1.4s)第五步为齿条静止时间(此时间段为手臂下摆时间0.2)导程在下面齿轮齿条中计算出s=50.24mm。(2)齿轮齿条的设计计算图3-6设齿条的运动速度为v,齿轮的分度圆半径为r,齿轮转速为,则v=r;s=r手臂旋转的角度为120,即=120/180=2.093。选择齿轮的齿数为24,模数为2.5,则圆柱凸轮的导程s= s=r=2412/18=50.24mm。(3.8)分度圆直径为d=mz=242.5=60mm(3.9)3.5 齿轮齿条设计3.5.1 齿轮齿条啮合传动的特点齿条实际上是齿数为无穷的齿轮的一部分。当齿数为无穷时,齿轮的基圆直径也为无穷大,根据渐开线的形成过程可知,此时渐开线就变成了直线。所以齿条的齿廓为直齿廓(如图3.2所示),齿廓上各点的法线是平行的,而且在传动时齿条是平动的,齿廓上各点速度的大小和方向也相同,所以齿条齿廓上个点的压力角相同,大小等于齿廓的倾斜角。齿条上各齿同侧的齿廓是平行的,所以在任何与分度线平行的直线上,周节都相等。图3-7 齿条的齿廓齿轮齿条啮合传动时,根据小齿轮螺旋角与齿条齿倾角的大小和方向不同,可以构成不同的传动方案。当左旋小齿轮与右倾齿条相啮合而且齿轮螺旋角1与齿条倾斜角2角相等时,则轴交角=0;若12,则=12;若12,则=12为负值,表示在齿条轴线的另一侧。当右旋小齿轮与右倾齿条或左旋小齿轮与左倾齿条相啮合时,其轴交角均为=1+2。齿轮与齿条啮合传动时,齿轮的节圆始终与其分度圆重合。当小齿轮轴线与齿条轴线不垂直时,小齿轮齿廓与齿条齿廓间的接触为点接触,轮齿所受的压强较大,产生的接触应力也比较大,轮齿磨损很快,所以齿轮齿条转向器的传动比不能太大15。齿轮齿条传动的传动比只与齿条的齿倾角、小齿轮的法向模数和小齿轮的齿数有关。在设计时,只要合理的选取这几个参数就可以获得需要的传动比。但是小齿轮的模数不能太小,否则会使齿条齿廓在啮合时啮合点离齿顶太近,齿根的弯曲应力增大,易产生崩齿。同时小齿轮的变位系数不能太大,否则会造成齿条齿顶平面与小齿轮齿根圆柱面的间隙过小,对润滑不利,而且容易造成转向器卡死的现象。3.5.2 齿轮参数的选择初选齿轮参数:齿轮齿条转向器的齿轮多采用直齿轮,齿轮模数在之间,主动小齿轮齿数24,压力角取。故取小齿轮,压力角,齿轮的转速为,精度等级8级,转向器每天工作8小时,使用期限不低于5年。材料选择:齿轮 16MnCr5,渗碳淬火,齿面硬度54-62HRC齿条 45#,表面淬火,齿面硬度56HRC10分度圆直径(3.10)取齿宽系数齿条宽度(3.12)圆整取;则取齿轮齿宽(3.13)所以取齿轮齿宽48mm;齿条齿宽42mm。3.5.3 计算接触疲劳许用应力确定许用应力(3.18)(3.14)查表确定和查表确定寿命系数、查表确定安全系数计算接触疲劳许用应力(3.15) (3.16)查表确定应力修正系数 (3.17) (3.18)3.5.4 齿轮的齿根弯曲强度设计参数查取:初选=24=0.7=0.7 =0.89当量齿数复合齿形系数初步计算齿轮模数最大转矩闭式硬齿面传动,按齿根弯曲疲劳强度设计。代入较小的值 (3.19)初取确定载荷系数查表确定使用系数(3.20)根据和8级精度,查表得查表确定齿向载荷分布系数查表确定齿间载荷分布系数所以(3.21)确定模数(3.22)取3.5.5 确定齿轮主要参数和几何尺寸齿轮参数:,压力角,取变位系数齿顶高(3.23)齿根高(3.24)齿高(3.25)分度圆直径(3.26)齿顶圆直径(3.27)齿根圆直径(3.28)基圆直径(3.29)齿轮中心到齿条基准线距离(3.30)齿轮齿宽(3.31)3.5.6 确定齿条主要参数和几何尺寸因为齿轮与齿条要相互啮合,所以取齿条模数又因为齿轮齿条线角传动比为(3.32)齿轮总转动圈数圈又因为(3.33)所以齿条长度(3.34)取整为L1=100mm因为齿条齿形角等于压力角所以齿条齿距(3.35)齿条齿数(3.36)所以取齿条齿数实际齿条长度(3.37)取齿条长度为100mm。齿条参数:,压力角。取变位系数齿顶高(3.38)齿根高(3.39)齿条齿宽(3.40)取。3.5.7 齿面接触疲劳强度校核校核公式为(3.41)由上面计算得查取:弹性系数区域系数重合度系数螺旋角系数(3.42)经校核:合理3.6 设计计算齿轮1和齿轮2 1)选用直齿圆柱齿轮传动。2)热墩机为一般工作机器,速度不高,故选用8级精度(GB 10095-88)3)材料选择。由机械设计P191表10-1:小齿轮为从动轮选用45钢,调质处理,硬度为236HBS大齿轮为主动轮选用45钢,正火处理,硬度为190HBS两者材料的硬度差为46HBS.4) 选小齿轮的齿数为Z1=24,已知传动比为1/2,大齿轮的齿数Z2=224=48取Z2=48 3.6.1按照齿面接触强度初步设计齿轮主要尺寸由设计计算公式进行试算,即(3.43)(1)确定公式内的各计算数值 1)试选载荷系数=1.3 2)计算大齿轮传递的转矩 3)选择齿宽系数根据齿轮为软齿轮在两轴承间为不对称布置。查 机械设计教材P205表10-7选齿宽系数0.7 4)选择弹性影响系数ZE查机械设计教材P201表10-6选ZE=189.8 5)确定小齿轮和大齿轮的接触疲劳强度极限由机械设计教材P209图10-21d按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限同理可以查机械设计教材P209图10-21c确定大齿轮的接触疲劳强度极限 6)计算应力循环次数设每年工作300天(3.44) 7)确定接触疲劳寿命系数由机械设计教材P207图10-19查得 (3.45) 8)计算接触疲劳许用应力取失效概率为%,安全系数为S=1,(2)计算 1)试算小齿轮分度圆直径d1t,带入中较小的值。(3.46) 2)计算圆周速度v(3.47)3)计算齿宽b(3.48) 4)计算齿宽与齿高之比b/h模数(3.49)齿高 h=2.25mt=2.25x2.3=5.175mm(3.50) 5)计算载荷系数。根据v=0.0437(m/s),8级精度,由机械设计教材P194图10-8查得动载系数Kv=1.06直齿轮由机械设计教材P193表10-2查得使用系数KA=1由机械设计教材P196表10-4用插值法查得7级精度,小齿轮相对支承非对称布置时,由,查机械设计教材P198图10-13得;故载荷系数 6)按实际载荷系数校正所算得的分度圆直径(3.51) 7)计算模数m(3.52)3.6.2按照齿根弯曲强度设计齿轮主要尺寸弯曲强度的设计公式(3.53)(1) 确定公式内各计算数值 1)由机械零件设计手册查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限;大齿轮的弯曲疲劳强度极限 2)由机械设计教材P206图10-18取弯曲疲劳寿命系数 3)计算弯曲疲劳许用应力取弯曲疲劳安全系数S=1.4(3.54) 4)计算载荷系数K(3.55) 5)查取齿形系数。由机械设计教材P200表10-5查得 6)查取应力校正系数。由机械设计教材P200表10-5查得 7)计算大小齿轮的并加以比较。(3.56)大齿轮的数值大。(2)设计计算(3.57)对比计算结果,由齿面接触疲劳强度计算的模数m大于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数,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承载能力,仅与齿轮直径(即模数与齿数的乘积)有关,可取由弯曲强度算得的模数2.44并就近圆整为标准值m=2.5 按接触疲劳强度算得的分度圆直径d1=58.568mm,算出小齿轮的齿数(3.58)大齿轮的齿数 Z2=2x24=48 ,取 Z2=48 。这样设计出的齿轮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。3.6.3几何尺寸计算(1)计算分度圆直径,模数m=2.5(2)计算中心距(3.60)(3)计算齿轮宽度(3.61)取大齿轮的齿轮宽度B2=45mm 小齿轮的齿轮宽度B1=50mm3.6.4齿轮传动的润滑方式通用的闭式齿轮传动,其润滑方法根据齿轮的圆周速度大小而定,齿轮的的圆周速度小于12m/s时,故常采用将大齿轮的轮齿浸入油池中进行浸油润滑的方式4轴的设计计算4.1输入轴的设计4.1.1选取轴的材料和热处理方法选取轴的材料为45钢,经过调质处理,硬度。4.1.2初步估算轴的直径 (4.1)根据选用材料为45钢,的范围为,选取值为110,输入轴功率,代入数据:(4.2)考虑到轴的外伸端上开有键槽,将计算轴颈增大3%7%后,取标准直径为35mm。4.1.3输入轴的结构设计输入轴系的主要零部件包括一对深沟球轴承,考虑到轴的最小直径为35mm,而的输入齿轮分度圆为120mm,设计输入轴为带键槽的轴,且外为了便于轴上零件的装卸,采用阶梯轴结构。(1) 外伸段:输入轴的外伸段与带轮的从动联轴器键连接,开有键槽,选取直径为,长为。(2) 密封段:密封段与油封毡圈50配合,选取密封段长度为,直径为。(3) 齿轮配合段: 此段为与齿轮配合段,根据计算主动轮轮毂宽为70mm,选取此段的长度为,齿轮两端的轴颈为,轴颈直径为。(4) 左右两端轴颈段:左右两端轴颈跟深沟球轴承6207配合,采用过度配合k6,实现径向定位,根据轴承端轴颈直径为,长度左端为和右端为。(5)退刀槽:为保证加工到位,和保证装配时相邻零件的端面靠紧,在齿轮段两端轴颈处加工退刀槽,选取槽宽为,槽深为。(7) 倒角:根据推介值(mm):,。,。表4-1 输入轴的基本尺寸表:名称左端轴颈左端轴承段退刀槽左端轴颈齿轮安装段凸轮段右端轴颈段退刀槽右端轴承段长度(mm)直径(mm)图4-1 输入轴4.1.4输入轴的受力分析4.1.4.1计算支座反力(1)作用于齿轮上的圆周力:(4.3)(2)作用于齿轮上的径向力:(4.4)(3)计算在水平面上的反力:(4.5)(4.6)(4)计算在垂直面上的反力:(4.7)(4.8)4.1.4.2计算弯矩(1)计算水平面上的弯矩:(4.9)(4.10)(2)计算垂直面上的弯矩:(4.11)(4.12)(3)计算合成弯矩:(4.13)(4.14)(4)最大转矩:(5) 计算截面当量弯矩:(4.15)取应力校正系数。4.1.5判断危险截面和校核4.1.5.1判断危险截面如上计算所得:危险截面位于安装齿轮的位置。4.1.5.2按弯扭合成强度校核根据轴是单向旋转,扭转切应力为脉动循环变应力,取,轴的计算应力为:(4.16)式中 :轴所受的弯矩,;轴所受的扭矩,;抗弯截面系数,根据截面形状,近似计算可忽略键槽,取;对称循环变应力时轴的许用弯曲应力,。前已选定轴的材料为45钢,调质处理,查表得。因此,故安全。4.2输出轴的设计4.2.1选取轴的材料和热处理方法选取轴的材料为45钢,经过调质处理,硬度。4.1.2计初步估算轴的直径(4.17)根据选用材料为45钢,的范围为,选取值为110,输出轴功率,代入数据:考虑到轴的外伸端上开有键槽,将计算轴颈加大3%7%后,取标准直径为28mm。4.1.3输出轴的结构设计输出轴系的主要零部件包括一对深沟球轴承,直齿圆柱齿轮和联轴器等,为了便于轴上零件的装卸,采用阶梯轴结构。(1) 外伸段:设计外伸段连接圆盘凸轮,以键连接径向定位,用轴肩作轴向定位,选取外伸段长为,直径为。(2)轴肩段:轴肩与轴承和从动齿轮作轴向定位,选取轴肩段长为,直径为。(4) 左右两端轴颈段:左右两端轴颈与6207深沟球轴承配合,轴承内圈与轴承采用过度配合k6,实现径向定位,根据轴承端轴颈直径为,长度左端为和右段为。(5) 齿轮段:此段做成齿轮轴,根据设计的直齿齿轮的齿宽为,分度圆直径为60mm。(6)退刀槽:为保证加工到位,和保证装配时相邻零件的端面靠紧,在轴肩和右端轴颈处加工退刀槽,选取槽宽为,槽深为。(8) 倒角:根据推介值(mm):,。,。表4-2 输出轴的基本尺寸表:名称左端轴颈退刀槽轴肩段齿轮段右端轴颈退刀槽轴承支撑段轴肩伸出段长度(mm)直径(mm)图4-2 输出轴4.1.4输出轴的受力分析4.1.4.1计算支座反力:(1)作用于齿轮上的圆周力:(4.18)(2)作用于齿轮上的径向力:(4.19)(3)计算在水平面上的反力:(4.20)(4.21)(4)计算在垂直面上的反力:(4.22)(4.23)4.1.4.2计算弯矩:(1)计算水平面上的弯矩:(4.24)(4.25)(2)计算垂直面上的弯矩:(4.26)(4.27)(3)计算合成弯矩:(4.28)(4.29)(4)最大转矩:(5)计算截面当量弯矩:(4.30)取应力校正系数。4.1.5判断危险截面和校核4.1.51断危险截面:如上计算所得:危险截面位于安装齿轮的位置。4.1.5.2按弯扭合成强度校核:根据轴是单向旋转,扭转切应力为脉动循环变应力,取,轴的计算应力为:(4.31)式中 :轴所受的弯矩,;轴所受的扭矩,;抗弯截面系数,根据截面形状,近似计算可忽略键槽,取;对称循环变应力时轴的许用弯曲应力,。前已选定轴的材料为45钢,调质处理,查表得。因此,故安全。5 其他零件的选择与润滑方式确定5.1轴承的选择1、选用深沟球轴承(GB/T 2761994)如图6.1所示。轴承代号:6207 数量:1个具体尺寸见表6.1所示。图5-1 深沟球轴承表5-1 选用深沟球轴承(GB/T 2761994)2、选用圆锥滚子轴承,选自单列圆锥滚子轴承(摘自GB/T 297-1994)如图5-2所示。轴承代号:30207 数量:1个具体寸见表5-2所图5-2 圆锥滚子轴承表5-2 圆锥滚子轴承(GB/T 58011994)3、线性轴承的选用根据轴的直径及载荷大小,选定直线轴承的型号轴承代号: LMF40 数量:2个具体寸见表5-3所示图5-3 直线轴承图表5.2 箱内传动机构润滑方式1、齿轮、齿条等传动机构的润滑,主要有二个目的:(1)促进齿面间的滑动。(2)抑制齿面间由摩擦所引起的温度上升。即冷却齿面。要想满足上述两个条件,需要适当地选择润滑方法及润滑油,以避免润滑不良而引起的故障。2、齿轮齿条的润滑法齿轮齿条的润滑大致可以分为以下三类13:(1)润滑脂润滑法润滑脂润滑法主要使用在比较低速的开式及闭式齿轮箱传动中。关于润滑脂润滑法,有各种需要注意的问题。这里,主要介绍下列三点。1)选择合适稠度的润滑脂选择是密封齿轮箱中和齿条上,要保持润滑脂在润滑部位连续流动,需要选择高流动性润滑脂。2)不适合使用在高负荷,连续运转的场合因为润滑脂的冷却效果远远不如润滑油,所以,在高负荷,连续工作的条件下,会出现温度上升的问题。3)润滑脂的适量使用 润滑脂过少,达不到润滑目的,相反的,在密封齿轮箱中和齿条上,润滑脂过多会造成搅拌损失过大。(2)飞溅润滑法(油浴润滑)飞溅润滑法是以齿轮箱做为油箱,将齿轮浸入到润滑中至一定深度,依靠齿轮旋转时溅起的油润滑齿轮及轴承部位,低速传动箱中使用油浴润滑时,圆周速度应在3m/s以上。使用飞溅润滑法(油浴式)时,有许多需要注意的问题,这里就油面的规定及齿轮箱的最高油温做以说明。 1)油面的高度使用润滑油的量越多,搅拌损失也随之增大,相反,油量过小则达不到所期待的润滑及冷却效果。油面高度在齿轮开始转动后比静止时要下降,高度差过大时,需要采取对策加以改善。比如,增高静止时的油量或安装油盘等。2)齿轮箱的极限温度齿轮箱内的温度,随齿轮及轴承的摩擦损失及润滑油的搅拌损失等上升。温度上升会造成各种不良的影响。随生产技术的进步,高性能的润滑油不断增加。做为大体上的基准8090左右为极限温度。超过这个极限温度使用时,需要采取手段增强齿轮箱的放热性,以达到到冷却齿轮箱的目的。例如,在齿轮箱内安装散热片,或在轴上安装风扇送风。(3)强制润滑法(循环喷油润滑)强制润滑法是利用油泵直接对啮合部上油润滑。根据上油的方式,分为滴下式,喷射式和喷雾式三种。下面就三种方式做以简单的说明。1)滴下式利用导管将润滑油直接注入到啮合部。2)喷射式利用喷油嘴将润滑油直接喷射到啮合部。3)喷雾式利用压缩空气将润滑油转变成雾状,喷入轮齿的啮合部位。这种润滑方法特别常用在高速传动时。强制润滑法因为需要油槽、油泵、过滤器、配管等一系列的配套装置,所以主要使用在特殊的高速,大型齿轮装置中。利用强制润滑法,可以把经过过滤、冷却、粘度适宜的润滑油适量地送到啮合部,是最良的齿轮润滑方式。经过上面的对比,最终选择的润滑方式:润滑脂人工定期润滑润滑脂:石墨钙基润滑脂(ZBE36002-88)中的ZG-S润滑脂。6总结本次毕业设计,通过热墩机的设计,从开始到现在,先是对设计中相关的知识做了详细的理解,接着查阅相关设计参考书和其他的参考资料,进行方案分析,确定最终设计方案,接着进行装配图的绘制,然后是零件图的绘制,同时编写毕业论文。我的毕业设计做的是一个热墩机机械手设计,从刚接到这个任务,到现在已经好几个月了,从中学到的东西,真的太多太多了。刚接到任务时,自己是比较茫然的,所以就查了很多的资料去了解热墩机及机械手,了解它们的工作原理、作用与各种结构!在了解了解热墩机及机械手后,就深入的去了机械手,不仅了解它的工作原理、作用与结构,同时也了解在设计方面需要考虑的各种各样的问题,在做毕业设计前期准备的时候,从中学到的东西很多很多,了解到的不仅仅是一个热墩机怎么做,更多的是学习到了一种如何去准备,如何去处理遇到的种种问题的能力。在针对这个毕业设计方面,前期查找资料的时期,我了解到了自动送料的各种结构,同时了解了各种结构的优缺点,自动送料机构的分类还是比较多的,而且在各种不同结构下又有不同的形式,所以我着重了解了我所设计的各种传动机构的制造原理。从它的结构到它的设计方法都有了初步的了解。后面的时间主要是用在二维图的绘制上,这一阶段主要遇到的问题是在热墩机机械手上的一些细节问题,在二维图的绘制阶段,其实就是最简
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