机械设计说明书-旋转仓自动供弹装置-取弹机构设计

第一章绪论第一章绪论--2自动供弹机的结构方案2.1结构设计的基本要求自动供弹机应能够提高火炮系统的射速，缩短反应时间，提高效率，简化操作，提高火炮的战斗力和生存能力。其基本设计要求：(1)结构简单，性能可靠，维修方便，能够迅速、准确、及时的输弹到位。(2)具有较大的携弹量，能够达到较高的供输弹速度。(3)具有优化的弹药供输路径，炮弹由弹仓到入膛的中间环节少。(4)具有较强的抗冲击能力。(5)强调系统的整体性能和结构优化，采用模块化设计技术进行设计。对本设计来讲，要满足下面的技术指标：(1)理论射速：120发／分。(2)携弹量80～100发。(3)可以在任意高低、方位角下进行自动化供弹，不会妨碍身管的高低运动和炮塔的360。回转。(4)可处理所有当前和未来的炮弹，包括制导炮弹。(5)尽量减少重量，减小动力要求，减小体积和尺寸，适合于火炮炮塔与车体的实际状况。(6)易操作、使用、训练和维修。(7)保证乘员安全。2.2作自动供弹机工流程规划(1)火炮射击的流程本文所研究的某自行高炮是一个整体的武器系统，其发射装置完成一次射击的流程为：击发一后坐一开闩一抛壳一复进一输弹一关闩—击发。(2)供弹的工作流程作为高炮武器系统的一个分系统，自动供弹过程实质是在高炮武器系统总体的约束之下，多个构件在规定的时间和空间内按照射击循环要求完成各种规定的动作。其工作流程为：启动装填一弹仓选弹一向接弹装置托弹盘推入一摆弹装置摆弹一输弹一闭锁在左右弹仓轮流供弹的情况下，供弹过程中的某些动作可以同时进行，所需时间可以部分或全部重叠，需要设计过程中进行周密的计算。(3)设计中需要考虑的其他因素火炮系统的射击循环时间决定了自动供弹机的工作循环时间，炮闩结构、炮尾开口方向等决定了摆弹装置摆弹的位置；②战斗室空间的分配决定了自动供输弹机的总体布局，影响自动供弹机占有的空间、运动轨迹和时序等；⑨火炮总体设计分配给供输弹系统的质量和时间决定了自动供弹机的基本设计性能。2.2.1总体方案结合前面的设计要求，本设计包括自动化弹仓和自动摆弹装置两个部分。图2．1所示的是自动供弹机的总体结构组成：图2.1总体结构组成从上图可以看出，自动供弹机总体结构包括自动化弹仓和自动摆弹装置两部分，其中自动化弹仓由弹仓、夹弹盘、抓弹装置组成，自动摆弹装置由接弹装置、摆弹装置、炮弹固定装置组成。本文将分别对这两大部分进行重点研究，设计内容包括炮弹排列运动方案设计、炮弹运动导轨设计、弹仓结构设计、摆弹装置的结构设计、摆弹装置的运动方案设计。图2.2主装配图2.2.2接弹机构机械手可分为专用机械手和通用机械手两种:

1、专用机械手

它是附属于主机的、具有固定程序而无独立控制系统的机械装置。专用机械

手具有动作少、工作对象单一、结构简单、使用可靠和造价低等特点，适用于大

批量的自动化生产，如自动机床、自动线的上、下料机械手和“加口工中心”附属的自动换刀机械手。

2、通用机械手

它是一种具有独立控制系统的、程序可变的、动作灵活多样的机械手。在规格性能范围内，其动作程序是可变的，通过调整可在不同场合使用，驱动系统和

控制系统是独立的。通用机械手的工作范围大、定位精度高、通用性强，适用于

不断变换生产品种的中小批量自动化的生产。

通用机械手按其控制定位的方式不同可分为简易型和伺服型两种:简易型以

“开一关”式控制定位，只能是点位控制:

伺服型具有伺服系统定位控制系统，可以是点位的，也可以实现连续轨迹控制，一般的伺服型通用机械手属于数控类

型。

(二)按驱动方式分

1、

液压传动机械手

是以液压的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是:抓重可达几

百公斤以上、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏。但对密封装置要求严格，不然油

的泄漏对机械手的工作性能有很大的影响，且不宜在高温、低温下工作。若机械

手采用电液伺服驱动系统，可实现连续轨迹控制，使机械手的通用性扩大，但是

电液伺服阀的制造精度高，油液过滤要求严格，成本高。

2、

气压传动机械手

是以压缩空气的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是:介质李源极为方便，

输出力小，气动动作迅速，结构简单，成本低。但是，由于空气具有可压缩的特性，工作速度的稳定性较差，冲击大，而且气源压力较低，抓重一般在30公斤以下，在同样抓重条件下它比液压机械手的结构大，所以适用于高速、轻载、高温和粉尘大的环境中进行工作。

3、机械传动机械手

即由机械传动机构(如凸轮、连杆、齿轮和齿条、间歇机构等)驱动的机械手。它是一种附属于工作主机的专用机械手，其动力是由工作机械传递的。它的主要特点是运动准确可靠，动作频率大，但结构较大，动作程序不可变。它常被用于工作主机的上、下料。

4、电力传动机械手

即有特殊结构的感应电动机、直线电机或功率步进电机直接驱动执行机构运动的机械手，因为不需要中间的转换机构，故机械结构简单。其中直线电机机械手的运动速度快和行程长，维护和使用方便。此类机械手目前还不多，但有发展前途。

(三)按控制方式分

1、点位控制

它的运动为空间点到点之间的移动，只能控制运动过程中几个点的位置，不能控制其运动轨迹。若欲控制的点数多，则必然增加电气控制系统的复杂性。目前使用的专用和通用工业机械手均属于此类。

2、连续轨迹控制

它的运动轨迹为空间的任意连续曲线，其特点是设定点为无限的，整个移动过程处于控制之下，可以实现平稳和准确的运动，并且使用范围广，但电气控制系统复杂。这类工业机械手一般采用小型计算机进行控制。1、主参数机械手的最大抓重是其规格的主参数，目前机械手最大抓重以10公斤左右的为数最多。故该机械手主参数定为10公斤，高速动作时抓重减半。使用吸盘式手部时可吸附5公斤的重物。

2、基本参数运动速度是机械手主要的基本参数。操作节拍对机械手速度提出了要求，设计速度过低限制了它的使用范围。而影响机械手动作快慢的主要因素是手臂伸缩及回转的速度。

该机械手最大移动速度设计为1.2m/s，最大回转速度设计为1200°/s，平均移动速度为lm/s，平均回转速度为900°/s。

机械手动作时有启动、停止过程的加、减速度存在，用速度一行程曲线来说明速度特性较为全面，因为平均速度与行程有关，故用平均速度表示速度的快慢更为符合速度特性。

除了运动速度以外，手臂设计的基本参数还有伸缩行程和工作半径。大部分机械手设计成相当于人工坐着或站着且略有走动操作的空间。过大的伸缩行程和工作半径，必然带来偏重力矩增大而刚性降低。在这种情况下宜采用自动传送装置为好。根据统计和比较，该机械手手臂的伸缩行程定为600mm,最大工作半径约为1500mm，手臂安装前后可调200mm。手臂回转行程范围定为2400(应大于180否则需安装多只手臂)，又由于该机械手设计成手臂安装范围可调，从而扩大了它的使用范围。手臂升降行程定为150mm。

定位精度也是基本参数之一。该机械手的定位精度为土0.5～±lmm图2.3机械手2.2.3输送机构因为是精密运动，要求精确度高，所以采用滚珠丝杠及滚动导轨。因为滚动丝杠及滚动导轨摩擦阻力小，传动效率高，经过预紧之后，可以得到很好地定位精度和重复定位精度，是本次设计的最合理选择。驱动方面采用混合式步进电机驱动，运动速度曲线为矩形，最大速度为10mm/s。(1)右旋磨制丝杠根据要求设计丝杠的最长长度为：L=2200mm丝杠的最大行程l=1850mm丝杠的固定方式为丝杠支撑两端固定。丝杠设计为精度5级，可靠性90%。(2)最大载荷的计算 机械手的有效负载的最大质量为，故按最大负载计算丝杠的各项参数。（重力加速度取）所以得出丝杠轴向载荷N预设丝杠最高转速r/mim机械手移动最高速度mm/s允许的最大转速r/min

所以初步计算丝杠的导程mm所以丝杠的导程取mm螺纹公称直径——mm钢球直径——mm圈数×列数——螺杆滚道曲率——表2-1各类机械预期工作寿命机械类型备注普通机械普通机床数控机床精密机床测试机械航空机械5000～1000010000～150002000020000150001000250（天）×16（h）×10（年）×0.5（开机率）=20000因为为精密机械手，可按精密机床来选择，故选择寿命由表得表2-2载荷系数载荷性质无冲击平稳时一般运行有冲击和振动KF1-1.21.2-1.51.5-2表2-3硬度系数硬度系数大于等于585550KH1.01.111.56表2-4精度系数精度系数1、2、34、57KA1.00.90.8由上表分析，取载荷系数；选择动载荷硬度系数;选用转速系数，式中n为丝杆转速；取短行程系数。额定动载荷下限值式中为外加在丝杠副上的轴向最大载荷。查询机械手册表格得，可用精度系数查询机械手册相关表格得，可取可靠性系数查询机械手册相关表格得，可取载荷性质系数查询机械手册相关得，可取预加载荷系数所以，最后的出动载荷下线值（3）丝杠静载荷的计算由机械手册得，，其中式中根据计算结果选择滚珠丝杠副的型号：决定选用的是用外循环导珠管埋入式SFU01004-2.5型号滚珠丝杠副[3]。180mm的重量0.18kg。为其中，，，，。满足承载能力要求。计算预紧力：第三章自动供弹机的驱动方案图2.4丝杠机构3自动供弹机的驱动方案3.1伺服电机电机的选型图3.1电机类型选择表伺服电机又称执行电机，在自动控制系统中，用作执行元件，把收到的电信号转换成电机轴上的角位移或角速度输出。伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动器控制的U/V/W三相电形成电磁场，转子在此磁场的作用下转动，同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度。伺服电机的精度决定于编码器的精度(线数)也就是说伺服电机本身具备发出脉冲的功能，它每旋转一个角度，都会发出对应数量的脉冲，这样伺服驱动器和伺服电机编码器的脉冲形成了呼应，所以它是闭环控制，步进电机是开环控制。

步进电机和伺服电机的区别在于:1、控制精度不同。步进电机的相数和拍数越多，它的精确度就越高，伺服电机取块于自带的编码器，编码器的刻度越多，精度就越高。2、控制方式不同;一个是开环控制，一个是闭环控制。3、低频特性不同;步进电机在低速时易出现低频振动现象，当它工作在低速时一般采用阻尼技术或细分技术来克服低频振动现象，伺服电机运转非常平稳，即使在低速时也不会出现振动现象。交流伺服系统具有共振抑制功能，可涵盖机械的刚性不足，并且系统内部具有频率解析机能(FFT)，可检测出机械的共振点便于系统调整。4、矩频特性不同;步进电机的输出力矩会随转速升高而下降，交流伺服电机为恒力矩输出。5、过载能力不同;步进电机一般不具有过载能力，而交流电机具有较强的过载能力。6、运行性能不同;步进电机的控制为开环控制，启动频率过高或负载过大易丢步或堵转的现象，停止时转速过高易出现过冲现象，交流伺服驱动系统为闭环控制，驱动器可直接对电机编码器反馈信号进行采样，内部构成位置环和速度环，一般不会出现步进电机的丢步或过冲的现象，控制性能更为可靠。7、速度响应性能不同;步进电机从静止加速到工作转速需要上百毫秒，而交流伺服系统的加速性能较好，一般只需几毫秒，可用于要求快速启停的控制场合。分类结果的电机：初选转速

W=30°/sn=1/6转/秒=10转/分由于齿轮i=3减速器i=30所以n=10×3×30=900转/分选择Y90L-6型笼型异步电动机电动机采用B级绝缘。外壳防护等级为IP44，冷却方式为I（014）即全封闭自扇冷却，额定电压为380V，额定功率为50HZ。180ST-M24020电动机技术数据所示：图3.2伺服电机二维图3.2三相异步电机自动化弹仓传动方案由于产宋代整体自重较小而且负载也都是重量较小的纽扣电池，而且在设计过程中电机和传送带的速度传动比为1:1，考虑到整体机构的稳定性所以在选择电机方面只需选择低速的直流电电机即可。经过查询资料，采用混合式步进电机。因为Z轴运动模块的运动速度曲线为矩形，最大速度为20mm/s，所以按最大运动速度计算。所以丝杠的工作功率：3.2.1电机所需基本参数驱动最大负载质量m=6kg丝杆最大平移速度v=0.1m/s加速度a=0.2m/s2μ=0.15，外负载力计算：Fw=mgu=9N惯性负载力：Fj=ma=1.2N折算到电动机轴上的负载力矩为：Tm=(1/i)·(l0/2π)·(Fw+Fj)=0.5N·mi=1.折算到电动机轴上的转动惯量：Jm，=(1/i2)·(l0/2π)2·m=0.00243kg·m23.2.2运动所需功率3.3.3计算丝杠转矩N·mm上网查询有关混合式步进电机的相关资料，经过分析，只要功率大于1.8w，输出转矩大于0.006N*m即可。确定，选择型号其基本参数如下表:这里选择的是冠顺电机，型号为5IK90A-CF图3.3三相异步电机示意图第五章总结与展望4整体机构稳定性校核4.1基本原则4.1.3丝杠静载荷的计算由机械手册得，，其中式中根据计算结果选择滚珠丝杠副的型号：决定选用的是用外循环导珠管埋入式SFU01004-2.5型号滚珠丝杠副[3]。180mm的重量0.18kg。为其中，，，，。满足承载能力要求。计算预紧力：（2-5）4.1.4丝杠副dn值的校验查询机械手册得故结果符合要求，所设计的滚珠丝杠副工作系统稳定。4.1.5丝杠临界转速进行校核丝杠在高速转动的时候，可能会引起机械共振，所以需要进行丝杠临界转速的校核[4]。r/min计算它的许用转速，下表是Lc表4-1Lc的选择符号意义及用处b1丝杠螺纹左端到左轴承的距离b1b2丝杠螺纹右端到右端轴承的距离b2Le余程LeLa安全行程La=(1-2)PhLxLx机械最大行程Ln螺母长度LnL1丝杠螺纹长度L1=2Le+2La+Lx+LnLu有效行程Lu=L1-LeLz左右端轴承之间的距离lz+b1+b2L2L2=b1+Le+La+Ln/2L3L3=L2+LxL4L4=Lz-L2L5L5=b+Le+La+Lx+Ln/2因为设计为两端固定，故选Lc=L5式中，通过查询机械手册得，计算得mm故转速已经满足要求4.1.6螺杆强度校核螺杆材料为45号钢，经过调质处理，且查表得其许用应力MPa当前设计的螺杆的当量应力（2-8）故所设计的丝杠强度符合设计要求。4.1.7刚度的校核因为存在工作负载F，也存在转矩T，所以丝杆的导程会产生变形量。上式中，A为丝杠的截面面积，。丝杠的极惯性矩为，。G为丝杠的弹性模量，T为丝杠的转矩。所以丝杠在工作行程长度上所会引起的导程误差为um本次设计的丝杠的传动精度为2mm。丝杠所允许的导程误差要求小于传动精度的1/2，即um由上面计算可以得出故设计符合的丝杠刚度符合要求，可以安装使用。4.1.8丝杠的效率校核效率要求在90%-95%之间，经计算得出的结果符合要求。对于丝杠运动副，为了保持精度和延长使用寿命，应该定期对其进行润滑等保养。4.2滚动轴承的选择与校核本次设计的为精密丝杠传动的精密机械手，要求传动精度高，摩擦力小，故选择滚动轴承。因为机械手既有有轴向载荷又有径向载荷，所以在设计时一般选用角接触球轴承[11]。不过还有另一种选择，那就是选用圆锥滚子轴承，这种轴承也符合要求。本次设计，从二中选一，我选用的是角接触球轴承。参考机械设计教科书，表13-1，初选轴承为a=25o的角接触球轴承[11]。滚动轴承与丝杠的配合，配合采用基孔制配合，配合公差选用。4.2.1径向外载荷的计算FrN上式中，取负载移动阻力系数——负载移动阻力；动摩擦系数u取0.05为有效负载质量，为丝杠运动副的总体质量。mm/s2所以径向外载荷N4.2.2计算轴向外载荷FaN（2-18）4.2.3轴承支反力的计算N4.2.4计算角接触轴承的派生轴向力查机械设计课本，并计算得：N4.2.5轴承所受轴向载荷因则NN4.2.6计算轴承所受当量载荷Pr表4-2轴承70000AC的计算参数因轴承工作时有冲击，经过查机械设计手册表载荷系数为，因（2-19）所以中轴承所受到的当量载荷N（2-20）4.2.7基本额定动载荷CN（2-22）轴承预期计算寿命，h寿命指数，当h时，fh=2.0Ft：温度系数，ft=1.04.2.8选定轴承根据基本额定载荷C，查找机械手册表5-5-22，采用了GB/T70-2000型号的角接触轴承，其参数如下表：表4-3GB/T70-2000轴承的基本参数dDBaCr10mm26mm8mm8.2mm4.75KNdaDarasCor12.4mm23.6mm0.32.12KN4.2.9轴承寿命Ln的校核h（2-23）Lh>L,h=20000h且C<Cr因此，轴承70000AC的选择符合设计要求，合格。4.3联轴器的选择与校核联轴器有刚性联轴器与挠性联轴器两种。设计精密机械手，优先考虑精度，故一定要选择弹性联轴器。经过查询机械设计手册，可用的有弹性元件的挠性联轴器有很多种，本次选择用的是梅花联轴器。其实物图如下图：图4.1梅花联轴器因为是精密机械手结构设计，所以要选择精密零件。经查询资料，发现MISUMI公司生产的精密联轴器符合设计要求，故采用其联轴器，型号为GB/T5272-1985。其参数如图中的表所示：图4.2梅花联轴器参数图5总结与展望5.1工作展望由于时间有限，加之本人理论知识特别是专业理论知识和软件操作基础比较薄弱，考虑问题不够全面，在本设计中只对自动供弹机的设计方案进行了初步的研究和分析，还有许多问题研究的不够全面系统：(1)对总体结构方案进行改进：对自动化弹仓的选弹进行更深一步的研究，使其具有自动选弹功能，减少人工选弹的繁琐程序，提高自动化水平；对接弹装置的取弹、送弹过程进一步细化，结合摆弹装置摆弹进行研究，增强稳定性；摆弹到位后的输弹过程进一步延伸，对炮弹的解脱和摆弹装置复位进行分析研究；(2)建立完整的左右双路自动供弹机模型，对其在不同工作状态、不同工作条件下的结构性能、传动稳定性和可靠性进行全系统、综合性的仿真和分析，结合分析结果对自动供弹机的结构设计、构件的尺寸位置、传动机构的选择与设计进行优化，寻求最佳方案；(3)利用ADAMS／F1ex柔性体模块对自动供弹机各个部件进行柔性化处理，使得到的仿真结果更加符合实际情况，更有针对性；(4)对自动供弹机的完整控制系统设计方案进行研究，选择合适的控制方案，使其能够对系统实现自动化控制，增强迅速性和有效性，减少人工操作带来的错误。以上的研究能够使自动供弹机系统的设计更加合理、有效，自动化程度更高，更能适应现代战争环境对中口径高炮的作战需求。参考文献参考文献[1]任嘉卉主编.公差配合手册.北京：机械工业出版社，1994年[2]杜文丰编著.autoCAD2004中文版机械制图.北京：北京大学出版社，2003年[3]徐灏.机械设计师手册第三卷北京：机械工业出版社1991年[4]陈经斗等主编.画法几何及机械制图.天津：天津大学出版社，1998年[5]机械设计/邱宣怀等编著。北京：高等教育出版社，2003年[6]廖念钊.互换性与测量技术基础北京：中国计量出版社2005年[7]吴宗泽.机械设计师手册.北京：机械工业出版社，2002年[8]郑文纬，吴克坚.机械原理,北京：高等教育出版社2003年[9]江耕华主编.机械传动设计手册.北京：煤炭工业出版社，1992年[10]邹慧君主编.机械运动方案设计手册.上海：上海交通大学出版社，1994年[11]李学志主编.机械CAD技术基础.北京：清华大学出版社，2004年[12]赵志刚等.材料力学.天津：天津大学出版社，2001，58页～91页[13]邱宣怀等.机械设计.北京：高等教育出版社，2003年致谢致谢毕业论文即将完成，我在天津