毕业设计（论文）-堆垛机流水线中物品的推送结构设计

第一章前言近年来，随着企业生产与管理的不断提高，越来越多的企业认识到物流系统的改善与合理性对企业提高生产率、降低成本非常重要。自动化立体仓库是被普遍采取的一类设备，堆垛机是自动化立体仓库里最主要的起重堆垛设备。本文着重就堆垛流水线推送部分的结构设计。1.1国内外研究现状在上个世纪60年代，美国首先创造了机械式立体仓库，在该仓库系统中，工作人员使用一些简易的开关来控制产品出库出入库，从而实现了搬运的机械化；到上个世纪70年代末的时候，随着可编程控制器PLC、自动存取AS/RS、自动导引小车、条形码阅读器等设备在立体仓库中的应用，出现了自动化立体仓库系统，实现了控制自动化；到上个世纪80年代末，计算机的出现，计数机技术被应用到立体仓库中，导致了第三代集成化立体仓库系统的诞生，实现管理微机化；进入90年代，出现了智能型立体仓库系统,该仓库系统不仅实现了对入/出库作业和仓库信息的全自动处理，而且还可根据生产划、报表分析制定出所需材料与劳动力，并依据物资的现有库存量提出外购建议。在我国，立体仓库的研究是从上个世纪70年代初期开始的。80年代由北京机械工业自动化研究所带头成功研制了我国第一个自动化立体仓库。并且从那以后立体仓库在国内得到了飞速的发展和应用。2000年北京起重运输机械研究所完成了我国迄今国产规模最大、技术水平最高的大型全自动化立体库仑库─联想电脑公司集成化物流系统的研究，其中也采用了激光测距定位技术。[]浙江工业大学[]浙江工业大学，葛高丰，自动化立体仓库实训系统的研究与设计[D],2009年[3]机械工业出版社，吕仲文，机械创新设计[M]，2012年第6次印刷[4]机械工业出版社，吴宗泽，机械结构设计[M],1998年[5]机械工业出版社，杨文彬，机械结构设计准则及实例[M]，1997年[6]科学出版社，宋锦春、张志伟，液压与气压传动（第二版）[M]，2011年[7]高等教育出版社，吴宗泽、高志、罗圣国、李威，机械设计课程设计手册（第四版）[M]，2012年[8]哈尔滨工业大学出版社，王黎钦、陈铁鸣，机械设计（第5班）[M]，2010年1月[9]高等教育出版社，郑文玮、吴克坚，机械原理（第七版）[M]，1997年7月[10]青海科技，常克学，浅谈滚动轴承及其选型与代用[J]，2011年2期[11]黑龙江科技，陈晓罗，材料力学中构件弯曲变形的研究[D]，2013年16期[12]组合机床与自动化加工技术，魏康民，高精度V形导轨加工工艺的改进[J]，2007年2期[13]陕西科技大学，苏鹏刚，基于虚拟样机技术同步带传动的设计与动态性能研究[D]，2010年[14]机械制造，庄工，同步带传动的设计计算和使用[D],1989年12期[15]同步带额定功率与传动中心距的计算，ISO5295[M]1.2本文的研究内容对设计初期提出的三个方案进行利弊比较，选择一种适合的设计方案，最后决定使用同步带轮带动推送装置，该方案的最大优点是：成本低，效率高，噪音小，能耗低，方便控制。论文主要包括以下几个方面的内容：设计方案的提出；设计方案的对比选择；推送机构的设计计算；包括同步带轮、同步带、传动轴、联轴器的设计选用和调平机构的设计；推送机构的示意图，主要零件的展示和运动说明；对本次设计的心得和体会。

第二章总体方案的设计本设计主要解决的是机构的推送方式，使机构能高效、平稳、安全的运行，同时兼顾结构简单、能耗低、便于后期保养。作为一整套产品中的一个部分，同时要考虑前后部分的连接，控制系统的设计，尽量使用标准件，使整套产品达到设计预期目标。2.1设计方案提出2.1.1凸轮传动如图1所示的凸轮机构，由凸轮、从动件、和机架三个基本的零件组成，能使从动件获得周期性的规律运动。从动件的运动规律取决于凸轮表面的曲线，因此在设计机构时要根据所需要的运动规律来设计零件表面曲线就可以了。图2-1凸轮机构示意图其传送机构简图如下图2-1凸轮传动方案示意图如图中所示，使用电动机作为整个机构的动力输入，使用带轮传递动力带动凸轮循环运动，自动从动件件再在凸轮运动的带动下来回伸缩运动，从而使机构达到推送重物的目的。2.1.2气压传动直接使用气缸作为动力源，利用气压缸伸缩的来回运动，是机构可以规律性的推送物体，原理类似于凸轮传动，示意图如下图2图2-3气缸传动方案示意图在气压缸内或者伸缩杆上安装电磁阀或者行程开关，由PLC控制杆的伸出距离和来回运动。2.1.3同步带轮传动图2-4同步带轮传动方案示意图基本机构如图3所示，使用两组同步带轮，在同步带下安装一个推送架，伺服电机作为电机的动力输入，通过PLC控制伺服电机的正反转来控制推送架的来回运动，并且在推送架的导轨上安装一个或者多个行程开关，作为信号的采集点，方便PLC来控制推送架的行程和运动的开始结束。2.2方案对比与选择2.2.1推送机构选择背景在现实生产中，产品并非是一箱一箱的进行堆垛，而是几个成某种规律的摆放后再进行堆垛，在研究导师所给的视频资料后，发现一般堆垛流水线中箱体摆放规律如下：第一层第一排重物三个一排竖着摆放，三个重物都到达指定位置以后，推送机构将重物推出约一个重物长度的距离；第一层第二排重物两个一排横着摆放，两个重物都到达指定位置以后，推送机构将重物推出约两个重物长度的距离；第二层第一排重物两个一排横着摆放，两个重物都到达指定位置以后，推送机构将重物推出约两个重物长度的距离；第二层第二排重物三个一排竖着摆放，三个重物都到达指定位置以后，推送机构将重物推出约一个重物长度的距离；这样摆放的好处是，重物在堆垛运送的过程中不会倾倒，具有较好的稳定性。这样也就要求推送结构每次伸缩的距离必须可以控制，速度可以控制。2.2.2方案的对比在考虑到上述运动规律和生产的实际情况后，在选取方案时，为了清楚明了的了解各个方案的各方面的能力，主要考虑了一下几个方面作为评价目标：伸缩距离可控制性；速度的可控制性；机构简易性；传动效率；后期维护费用查阅《机械原理》、《机械设计》、《液压与气压传动》等资料以后，上述三个方案的在这几个方面的表现如下；伸缩距离可控制性：凸轮传动距离比较小，如果要符合传动距离，需要的凸轮会非常大，机构会非常的笨重，影响传动效率；气缸和同步带轮传动距离都可以做到很大，两者传动距离从20厘米到3米都是很方便达到的；速度的可控制性：凸轮机构在运动过程中速度变化较大，存在加速度，不易控制；气缸和同步带轮在传动时，运动速度变化不大，响应速度快；机构简易性：三个方案的机构简易性大相径庭，其中气缸方案的结构最为简单，凸轮和同步带轮方案相比之下略显复杂；传动效率：三个传动机构的效率上有所差别，其中同带轮的传递效率可达到98%-99%，其他两个方案机构的传递效率主要根据设计时的结构具体情况，预计也可以到到95%到99%之间；后期维护费用：凸轮容易磨损，所以后期维护需要的费用肯能比较高；气压缸使用寿命很长，工作稳定不易出现较大问题；同步带在使用不当容易出现断裂等问题，但同步带价格便宜，费用较低2.2.3方案的选定为了对各个评价目标的重要程度有一个较为清晰的认识，对选取方案时采用了方案评价法，对每一个评价目标进行评分，采用十分制评价标准，如方案最为理想定为十分、优秀为九分、好为八分、较好为七分、良为六分，以此类推，在某一方面不能用的为零分。故根据2.2.1中上述各方案的表现进行评分并制作处评分表，如下图所示表一各个方案的每项评分有了评分以后，要考虑每一项评价目标的重要性，将五个评价目标列纵横两列，然后根据其重要性一一比较。如果两个评价目标同等的重要，那么这两个评价目标各得两分；如果A评价目标比B评价目标重要很多，A获得4分，B获得0分；如果只是一般重要A获得3分，B获得1分，以此类推，然后把每一个评价目标得分求和得到每一项的得分；这样就能获得每一项的加权系数（引自《机械创新设计》P66）。运用《机械创新设计》中的方案评价法有下表二表二方案评价目标加权系数计算表现在根据加权系数对每个方案进行求总分方案一：6*0.35+9*0.275+8*0.15+7*0.175+7*0.05=7.35方案二：9*0.35+9*0.275+9*0.15+9*0.175+9*0.05=9方案三：10*0.35+10*0.275+8*0.15+10*0.175+8*0.05=9.6经过加权评分方案三总分最高；方案二次之；方案一的表现最差；所以综合以上标准来考虑选择方案三最好。

第三章推送机构设计由第二章有方案最后定为用同步带轮进行传动。根据方案三的思路，同步带轮带动推送架来回运动是整个机构中的重要部分。故先对同步带轮和同步带进行设计计算。3.1同步带的设计计算由本小组做出的总体设计已知以下条件：伺服电机额定的输出功率=1Kw；同步带轮的主动轮转速n=300r/min；同步带轮的传动比是1:1；传动距离大约在600mm到700mm，即中心距a约为600mm到700mm；工作情况：每天约需要16h连续工作现在需要根据以上条件，按照同步带轮的设计要求根据上述条件确定带的型号、节距、带长、带宽和带轮齿数。3.1.1确定设计功率由已知条件有功率为1Kw,每天连续工作16h查附表表3-1有工作系数=1.7*=1.7Kw3.1.2确定带的型号和节距由设计功率=1.7Kw和转速n=300r/min查附表表3-2有带型为H型同时H型的节距=12.70mm3.1.3选择带轮齿数由转速n=300r/min和型号为H型查附表表3-3有带轮最小许用齿数为14故选主动轮齿数由于传动比为1:1，所以从动轮==143.1.4确定带轮节圆直径===56.62mm（机械设计8.2）3.1.5确定同步带的节线长度由于传动比为1:1，所以节线长度为一个带轮周长加上两倍的带轮中心距a，a在600mm至700mm之间，选取600mm来计算=2a+π=1377.79mm查附表表3-4选取=1397mm则齿数=1103.1.6传动中心距a的计算a≈==698.5mm计算结果在600至700内，符合要求要求，可以采用3.1.7确定同步带轮设计功率为时所需要带宽计算所选型号的基准额定功率（机械制造ISO52953-2）其中为许用工作拉力；m为单位长度质量；v为线速度查附表表4-5基准宽度同步带的许用工作压力和单位长度的质量有2100.85N;m=0.448kg/m；带入数据得=1.87Kw计算主动轮啮合齿数由于传动比为1:1，所以啮合齿数=7＞6所以齿轮啮合系数=1确定实际带宽P≈**(机械制造ISO52955-1)上式中P为带所能传递的效率为齿轮啮合系数=查机械设计手册H型基准宽度=76.20mm根据设计要强求P≥则有≥=70.19取标准宽度=76.20mm3.1.8校核P=（）v/1000(机械制造ISO52956-3)代入数据有额定功率大于设计功率P=1.87Kw>故同步带的传动能力合格所选参数符合要求3.1.9综述整理同步带：选用H型同步带=12.70mm；=110；=1397mm；mm同步带轮：=14；=56.62mm;规格14H传动中心距：a=698.5mm3.2轴的计算由3.1中的总体设计已知以下条件：伺服电机的电机额定输出功率约为=1Kw；同步带轮主动轮转速n=300r/min；3.2.1轴结构的初步构造1.轴的结构构造的示意图如下图所示3-5轴的初步构造图此轴为主动轴，轴I连接伺服电机和将动力传递到另一组同步带轮轴I处安装联轴器与伺服电机的减速机装配；轴II和轴Ⅳ处为轴肩安装轴承；轴III处安装同步带轮；轴V连接联轴器3.2.2轴的初步估算由已知的条件可以按照扭转强度计算：由材料力学可知，当轴受到转矩作用时，满足以下公式才能正常工作：d=C(机械设计10.2)其中d为轴的直径（mm）；为轴剖面中最大扭转切应力（MPa）；P为轴传递的功率；n为轴的转速（r/min）；C为由许用扭转切应力确定的系数。轴选用45号钢，并且轴的一个剖面存在键槽。则根据《机械设计》P193表10.2轴的常用材料的许用扭转切应力和C值取C值为106。则==15.83mm因为存在一个键槽，会导致许用扭转切应力变小，所以要适当的将直径增大5%；则=1.05=16.63mm3.2.3联轴器的选择由于此处需要连接伺服电机，需要安装联轴器，同时联轴器为标准件，为了后期联轴器的选用，轴的最小直径应参考相应的联轴器的内径大小作为最小直径。那么现需要选择联轴器型号。根据联轴器计算转矩的公式：Tc=TK其中

T=9550×Pw/n，Pw为驱动功率，n为转速，K为工作情况系数，系数参考表3-6联轴器的载荷分类及工作情况系数表3-6联轴器的载荷分类及工作情况系数动力机类别代号动力机名称动力机系数Ⅰ电动、透平1.0Ⅱ四缸及四缸以上内燃机1.2Ⅲ二缸内燃机1.4Ⅳ单缸内燃机1.6根据上表查得系数K为1.0代入数据算得Tc=3.183查阅《机械设计课程设计手册》P98页表8-2凸缘联轴器（GB/T5843-2003摘录）选取型号GYH1型，轴孔选型；选取直径d=18mm，L=30mm。所以暂时；3.2.4轴的结构初定在安装轴的时候，为了防止在安装过程中和在轴在工作时联轴器与轴承接触，在轴I与轴II之间增加一个过渡轴肩，此处长度不需要太长，长度约为5mm，直径暂时定为20mm；轴II处为安装轴承处，需要根据轴承内径的大小确定，并且在此处轴同时受到了径向力和轴向力，需要使用圆锥滚子轴承，根据轴的最小直径大小和过渡轴肩直径大小，查阅《机械设计课程设计手册》P79页，表6-7圆锥滚子轴承，暂时采用轴承30205，d=25，由于需要轴承座和考虑支座的的厚度轴的端面和支座内壁的间隙，暂时将轴II的长度定位27mm；轴III处安装同步带轮，长度与同步带带轮宽度一致78mm，直径略大于前一个直径1-2mm，便于同步带的安装，取直径为27mm。轴IV、轴V和轴II、轴I想对称，故它们的尺寸也是一样的。综上整理一下，轴从左到右，直径分别是18mm→20mm→25mm→27mm→25mm→20mm→18mm；长度分别是30mm→5mm→27mm→78mm→27mm→5mm→30mm。3.2.5轴的结构工艺在考虑轴的结构工艺性时，在轴的左右两个端都车成1×45º倒角；左右端支撑轴承的轴胫为磨削加工到位，可以溜有砂轮越程槽；为便于加工安装，同步带轮、联轴器处的键槽布置在同一条母线上并且要对材料进行调质处理。3.2.6轴的强度校核计算为了方便强度校核计算，需要将阶梯轴简化成一简支梁；视齿轮、带轮等传动件是作用于轴上的均布载荷；作用在轴上的转矩，在此次计算的时候，简化成为从传动件轮毂宽度的中间算起的转矩。轴在工作时同时受到弯矩和转矩，故在计算时可以假设作用在截面上的弯矩为M，相应的弯曲应力，转矩为T，则相应的扭转切应力。根据第三方强度理论，可以求出危险截面的当量应力，其强度条件是：回转的转轴的弯曲应力为对称循环环变应力，而扭转切应力的循环特征可能与不同，考虑到与的循环特征的不同，引入折合系数，则有（机械设计10.3）其中W为抗弯剖面模量；为抗扭剖面模量； 是根据转矩性质而确定的折合系数，转矩不变或者很小的情况下一般取,；当转矩呈脉动循环变化的时候取；如果是频繁正反转动的轴，，在本设计中来回推送循环是受电机正反转控制的，故轴是频繁正反受扭的，取1。（分别是对称循环、脉动循环和静应力状态下的许用弯曲应力）先进行力学建模，取集中载荷集中于轴的中间位置；作用在同步带轮上力的大小转矩：=31.84Nm圆周力：=2*31.84/0.078N=816.41N径向力：=816.41*tan20/cosN=354.13N轴向力：=816.41*tanN=685.05N圆周力、径向力、轴向的的方向如图所示作用在轴上的支反力在水平面上的支反力：=816.41/2=408.21N在垂直面上的支反力：=（-/2+57.5）/115N=96.65N=（/2+57.5）/115N=257.48N作出轴的弯矩图在水平面的弯矩：在垂直面的弯矩：则合成弯矩为：画出合成弯矩图画出当量弯矩图由此小节开始可知，轴是频繁正反受扭的，故剖面处的当量弯矩为：图3-7轴的受力图危险剖面的判断和验算剖面C的当量弯矩最大，与其两边的相近的直径相差较小，故判断剖面C处为危险截面。查《机械设计》P192页表10.1轴的常用材料及其主要机械性能；45号钢进行调质处理后由轴直径的初步估算设计可知d=27mm，查阅《机械设计课程设计手册》P56页表4-1平键连接的剖面和键槽尺寸，d=27mm时，b=8mm，t=4.0mm，查阅《机械设计》P205附表10.1抗弯、抗扭剖面模量计算公式则上式

由上可以判断强度足够。轴的刚度计算当轴受到弯矩作用产生弯曲变形，受转矩作用产生扭转变形。如果轴的刚度不够，影响零件的正常工作。对于常见的轴可以简化视为简支梁，光轴可以直接利用材料力学中的公式计算它的挠度或者偏转角；如果是阶梯轴看成当量直径为的光轴，在对其按照材料力学进行计算。当量直径为：在上式中：是阶梯轴的第i段的长度（单位mm）是阶梯轴的第i段的直径（单位mm）L是阶梯轴的总长度（单位mm）Z是阶梯轴在计算长度内的轴段数当载荷作用在两支撑中间的时候，L为支撑的跨距；当载荷作用在悬臂梁段时，LL是悬臂长度加跨距。故在本次设计只需要计算中间三段,，，L=132mm，Z=3，代入上式中可求得（机械设计10.12）由材料力学可知，当轴受到转矩作用时，其扭转角的计算公式为：（机械设计10.13）在上式中为扭转角（）；T为转矩（N）；l为轴受转矩作用的长度；为轴的极惯性矩（），实心轴；G为材料的剪切弹性模量（MPa），钢材的剪切弹性模量为8.1；d为轴的直径（mm）；对于阶梯轴，（机械设计10.14）代入上述数据查阅《机械设计》P203页表10.6轴的许用挠度、许用偏转角、许用扭转角查得对于一般传动的许用扭转角取0.5至1。明显，所以刚度合格。综合以上小节，本次轴的设计合格。对于本机构设计中的轴是根据此轴修改而成，基本尺寸相同，材料相同，故不必要再继续校核其他三根轴。最终设计出的轴如下图所示。其他的三根轴由上轴修改而成，每根轴如下图所示：3.3推送架整体的结构设计推送架是由同步带轮带动，但推送架自身有重力，直接固定在同步带上会产生支撑力，根据结构设计的要求，同步带轮对推送架产生支撑力，所以推送架需要两组导轨为其提供支撑力。3.3.1导轨的选择导轨主要有以下几种：平导轨、圆柱型导轨、燕尾导轨、V型导轨。平导轨一般用在普通机床、铣床、冲压设备和磨床等设备中；燕尾导轨是机床上的一种导轨，是由丝杠带动工作台在导轨上滑动；圆柱形导轨主要是提供导向作用，在垂直面上不能受力；V型导轨是由两根具有V型滚道的导轨、滚子保持架圆柱滚子等组成，相互交叉排列的圆柱滚子在经过精密磨削的V型滚道面上往复运动，可承受各个方向的载荷。由此选用V型导轨。所需导轨长约588mm和808mm，查阅《机床设计手册》P302页表6-3本次设计中的导轨可以采用M/V9200型，，，T=8mm，。图3-1V型导轨3.3.2导轨的调平为了在推送架的在运动时能平稳运动，需要将导轨调平。故需要根据导轨的大小设计导轨的调平装置。调平装置需要能连接导轨的部分和调平部分。3-2调平装置平面示意图如上图所示，导轨直接插入中间大孔中，大孔是根据截面来制作，在大孔四周有四个小孔，这是个孔用来固定导轨的位置，为了调平装置下滑，在调平装置说附着的立柱上焊接一个固定挡板，在挡板上打一个孔，孔直径与固定螺钉的大小一致，这样就可以通过旋转固定螺钉可以调整调平装置的上下位置。3.3.3同步带轮与推送架的固定同步带轮与推送架直接用螺钉紧固，将同步带轮防止在上推送架和下推送架中间，使用M6的内六角螺母紧固。如果紧固以后存在间隙，可以在中间加垫橡胶垫片。图3-3同步带轮与推送架的的装配示意图

第四章机构的三维立体展示4.1.1机构示意图及说明整个推送机构现已基本完成，将所有零件逐一进行装配后截图获得下图图3-4推送机构整体示意图装配好的机构如上图所示，重物可以从机构的左端或者右端进入。以重物从左端进入为例：重物在前一个机构输送到机构左端，从机构的左端进入，重物在进入机构后会在输送辊的作用下继续往右边运动，为了防止重物由于惯性继续运动从右边掉落，故在右边安置一块挡板。若重物从右端进入可以类比重物从左端进入的过程，并且在机构安装调试的时候需要将挡板安装的左端，有动力输送辊的输送方向反向即可。图3-5推送机构正面视图如上图所示，推送机构呈左右对称结构，两边通过传动杆连接传送动力。为了增加推送过程中的稳定性，需要增加重物与推送架的接触面积，故在推送架的下端安装了一个推送板。此推送板长度约634mm，高度在约95mm。4.1.2机构的运动解释说明图3-6推送机构局部（同步带轮）示意图如上图所示,当重物进入推动机构以后，PLC发送指令，伺服电机正转带动同步带轮转动，同步带轮转动带动同步带运动，紧固在同步带上的推送机构随着同步带一起运动。当推送架运动到行程开关时（图中未安装行程开关，具体位置由实际安装时候确定，共有两个行程开关），行程开关闭合，向PLC发送信息，PLC接收到行程开关发送来的信息以后，处理判断此次推送距离是否达到本次需要到达的位置，如果是则发出指令伺服电机停止工作然后反转至原来位置；如果不是本次需要到达的位置，则此次信号忽略关闭此信号口的信号输入，运动到下一个行程开关处。当推送架运动到第二个行程开关时，行程开关向PLC发送信号，PLC进行数据处理，然后发出指令，伺服电机停止正反然后反转到初始位置，恢复第一个行程开关信号输入端的输入。此时继续PLC等待前一机构送来的信息指令来控制伺服电机的运动进行下一次的推送运动。图3-7推送机构正面视图如上图所示，推送机构呈左右对称结构，两边通过传动杆连接传送动力。为了增加推送过程中的稳定性，需要增加重物与推送架的接触面积，故在推送架的下端安装了一个推送板。此推送板长度约634mm，高度在约95mm。

第五章心得与总结本次设计大约经历了两个月的时间，期间还掺杂了校外实习。当初选择这个题目时心中已经有一个简单的构思，最初的方案就是使用凸轮作为主要的传动机构，但是拿到导师所给的资料，对其研究分析和查阅大量相关资料以后，发现利用凸轮机构实现资料中的运动方式很困难，而且凭我现在的知识水平几乎是不可能做出能完成那样的一个机构。后来校外实习开始了，去了上海的一家工厂实习做设备维护的工作。在那里接触了大量的机械实体，对各种机构有了更加的深刻印象。在实习期间，发现几乎没有一台机器是单纯的机械或者电气构成的，同时发现我以前在做设计的时候，想法局限在一个很小的空间，单纯的认为机械和电气是可以完全分开的。在工厂实习一段时间后，逐渐适应工作内容，就开始考虑毕业设计的课题。在工厂中很多机器都是使用气压传动，后来我思考是否能采用气压缸作为推送机构的动力输入，通过气压缸的是伸缩直接推送重物前进。后来查阅一些资料以后觉得这个方案可行，有了初步的想法，开始进一步的考虑一些细节问题，例如：气压缸的伸缩控制，速度控制等一些问题。在考虑这些细节问题的时候，我同时还在考虑能不能有其他的方案。后来从有动力输送辊的输送原理上改进的一个方案，使用