壓蓋自動送料機設計【輸送機輸送壓蓋】
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壓蓋自動送料機設計
學 生：
指導老師：
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摘 要：自動輸送是自動化的核心組成，應用廣泛，對于其運動需進行嚴格分析、設計及優(yōu)化，自動輸送機可以不需復雜的控制系統(tǒng),而只需設計相應的機構(gòu)便可滿足使用要求。本文設計的自動輸送機主要針對特一壓蓋，對軌跡及相關零件進行了設計計算。該輸送裝置是由凸輪、曲柄和若干個連桿構(gòu)成的。輸送桿垂直方向的運動是由凸輪驅(qū)動的，而水平往復運動則由曲柄驅(qū)動，合成運動能快速送進、快速返回。結(jié)構(gòu)上底盤與機架采用焊接結(jié)構(gòu),銷軸采用兩端緊定螺母鎖緊式.
關鍵詞：自動送料機；連桿設計；凸輪設計優(yōu)化及加工；運動分析；有限元分析
The Design of Gland Auto-feeder
g
()
Abstract:Automatic transmission,the core component of automation, is widely applied and rigorous analysis, design and optimization are necessarily conducted on its motion. To meet its operating requirement, a complicated control system is not necessary but the design of appropriate institutions. The design of auto-feeder in this paper is mainly focus on the type of gland, in which the track and related parts of this machine will be designed and calculated. This conveying device is composed of several parts including a cam, a crank, and a number of connecting rod. The cam makes the feed rod move in a vertical direction while a horizontal reciprocating motion is driven by the crank ,and its resultant motion can realize both swift feed and fast return. Structurally, welded structure will be adopted in chassis and rack while nut locking will be introduced to fix both ends of the pin..
Keywords: Auto-feeder; Connecting rod design; Optimization and processing of the cam design ; Kinematic analysis; Finite element analysis.
1 前言
1.1 課題的背景與意義
送料機是輸送材料或工件的機器，是無論是輕工行業(yè)還是重工業(yè)都不可缺少的設備。傳統(tǒng)觀念，送料機是借助于機器運動的作用力加力于材料，對材料進行運輸?shù)臋C器。近代的送料機發(fā)生了一些變化，開始將高壓空氣、超聲波等先進技術(shù)用于送料技術(shù)中，但人們?nèi)匀粚⑦@些設備歸納在送料機類的設備中。自動化程度高的送料設備有：由電腦控制的動頭式送料機、激光送料機、高壓氣壓和電腦送料機等。另外，國外的公司生產(chǎn)一種投影送料機,這種設備的送臺上設有感應器及目察裝置，用于對材料輪廓掃描，或在材料行投影以引導送料安排。
自動輸送機對企業(yè)來說不僅僅只是創(chuàng)造經(jīng)濟價值，而且具有很多優(yōu)點，首先，對環(huán)境的適應性強，能代替人從事危險有害的工作或者在長時間工作對人體有害的場所，自動輸送機只要根據(jù)工作環(huán)境進行合理設計，選擇適當?shù)牟牧虾徒Y(jié)構(gòu)就可以在高溫或低溫、壓力異常、粉塵、放射性條件下工作。其次，自動送料機能持久，耐勞，減少了工人的勞動強度。再次，自動送料機還可以結(jié)合程序控制，因此工作穩(wěn)定，精度較高，能很好的避免人為操作的錯誤。最后，自動送料機具有工業(yè)的通用性和靈活性，能很好的適應產(chǎn)品的變化，滿足柔性生產(chǎn)的需要。
自動化的程度直接影響著整個生產(chǎn)線的自動化程度及生產(chǎn)效率，幾乎滲透到農(nóng)用機械、動力機械、食品機械、建筑機械、化工機械、精密機械、儀器儀表等各種工業(yè)加工生產(chǎn)，送料為自動化生產(chǎn)的關鍵組成，由于手工送料存在著效率、速度、精度、安全等方面的一系列問題，手工送料已逐步由自動送料機構(gòu)所取代，從而進一步滿足了自動化加工生產(chǎn)，大幅度提高了生產(chǎn)節(jié)拍、生產(chǎn)質(zhì)量的要求。
1.2 國內(nèi)外輸送機發(fā)展趨勢與水平
輸送主要包括原材料的供給圖（1）、自動加工圖（2）、裝配線上圖（3）的自動輸送等，使用自動化機械能真正做到環(huán)保省時，大大減少了工人的勞動強度，如圖（4）面包自動輸送包裝機真正做到了低成本、高回報，在現(xiàn)在高速發(fā)展的社會，這種自動化機械越來越受重視。
工廠里的裝配、檢查、計數(shù)和包裝工序的自動化和無人化成為人們所關注的重要課題,因此使零部件能夠沿著一定方向并能穩(wěn)定供給的送料機成為工廠自動化研究的重要組成部分。目前的輸送機種類主要有埋刮板輸送機、帶式輸送機、斗式輸送機、振動輸送機、螺旋輸送機等。
圖1重型精密NC滾輪送料機 圖2送料加工接料自動機床
Figure 1 Heavy precise NC roller feeder Figure 2 Automatic machine tool for
feeding and processing
圖3自行葫蘆輸送機 圖4 面包自動輸送包裝機
Figure 3 Automatic hoist conveyor Figure 4 Automatic packaging machine for 1bread
1.3 我國輸送機的未來之路與展望
國內(nèi)外自動輸送料機總體水平都在提高，自動化程度也愈來愈高。拿NC自動輸送機來說其編程存在一個誤區(qū).那就是企圖實現(xiàn)的功能太多.造成操作和軟件方面的許多問題。國外一些公司正在試圖簡化控制軟件,國內(nèi)廠家也應注意這方面的問題。中國被稱為“世界工廠”，就我個人感覺而言，覺得中國的生產(chǎn)能力是取得了長足的進步，但作為名副其實的世界工廠，還有很長的路要走。未來將是機器人全自動化的時代，輸送機作為自動化的工具，這不僅僅是一個加工制造業(yè)的問題，該項研究進展也能反映提升我國在設計領域中的控制權(quán)，關系到我們的設計水平、工藝水平等各個領域的發(fā)展，而自動輸送機也應往高控制控制、高柔性、高精度的方向發(fā)展。
2 機械系統(tǒng)設計
2.1 動作分析及軌跡初定
設計輸送機輸送壓蓋如圖5所示,工件外形尺寸為180mm×140mm×80mm。根據(jù)要求工件需慢速送進、快速返回，輸送爪近似軌跡應接近圖6（虛線疏密代表運動快慢）。 UG（Unigraphics NX）是Siemens PLM Software公司出品的一個產(chǎn)品工程解決方案，它為用戶的產(chǎn)品設計及加工過程提供了數(shù)字化造型和驗證手段。Unigraphics NX針對用戶的虛擬產(chǎn)品設計和工藝設計的需求，提供了經(jīng)過實踐驗證的解決方案,集建模、分析、仿真、加工等于一身，通過NX建模分析得出工件質(zhì)心坐標為：
Xcbar = -36.681663731
Ycbar = -5.768296200
Zcbar = 0.018506569
圖5 輸送工件模型圖
Figure 5 Diagrammatic figure of delivery workpiece
圖6 輸送爪初定近似軌跡
Figure 6 The temporary trajectory of delivery claw
那么，為了使工件在輸送過程AB段受力較好，輸送爪合力的推力應通過質(zhì)心，且輸送爪工作面運動高度：
H≥25-|Ycbar|=19.23mm。
2.2 執(zhí)行機構(gòu)設計
要實現(xiàn)預定動作，典型的曲柄搖桿機構(gòu)顯然不能完成動作要求，因為搖桿的軌跡為圓弧形，機構(gòu)上任意點也沒有要求輸送爪近似軌跡，故而要想實現(xiàn)這種動作，那么必須是五桿機構(gòu)或者六桿機構(gòu)甚至更多，基本的機構(gòu)可選用平行四邊形機構(gòu)，然后進行衍化，如圖7，輸送爪應與連桿AB為一體，那么要使AB上有近似圖6的軌跡，C、D兩點應隨AC、BD桿的旋轉(zhuǎn)同步的曲線移動，即控制輸送爪的縱向位移。
圖7 運動模型
Figure 7 Motion model
另外的，輸送爪要求需快速返回，近似勻速送進，可運用曲柄搖桿機構(gòu)的急回特性，由于C、D兩點也在運動，故將搖桿的鉸接連接衍化成滑塊。凸輪的輪廓外形可使從動件得到任意的預期運動，為了方便設計計算，先用偏心輪代替復雜輪廓曲線，送料整體變成為圖8所示。
圖8 機構(gòu)運動簡圖
Figure 8 Kinematic diagram of mechanism
由于機構(gòu)左右重復，計算機構(gòu)自由度只計算一半即可，則機構(gòu)的自由度
F=3n-（2+P-）-， (1)
其中：
F——機構(gòu)的自由度；
n——活動構(gòu)件數(shù)；
——低副個數(shù)；
——高副個數(shù)；
——虛約束數(shù)；
——局部自由度數(shù)；
則F=3×5-（2×6+2-0）-0=1，為了減少高副元素的磨損，在與凸輪之間裝入滾子，而滾子繞自身軸線的轉(zhuǎn)動并不影響其他構(gòu)件的運動，自由度保持不變。
2.3 連桿桿長的設計與計算
桿長的設計計算只需考慮半部分，由于左側(cè)部分包括機架具有六個構(gòu)件，設計計算極其復雜，依舊用偏心輪先代替凸輪來設計計算，如圖9機構(gòu)運動180°前后位置圖。設初始位置桿RC與水平方向夾角為α，PR與RC夾角為β，旋轉(zhuǎn)半周期RC轉(zhuǎn)過角度為γ，C點上升距離為20mm左右，為使桿GE的拉力完全用于AC桿對工件的送料，將桿GE設計垂直于桿AC，則有如下關系式：
(2)
(3)
(4)
mm,取α為15°，β為142°，γ為1°，L為90.5mm，為135.4mm,為530mm,運用作圖法粗略得到為57mm，為125mm，初始位置為168mm，偏心輪外槽直徑為225mm。
2.4 凸輪設計
2.4.1 軌跡優(yōu)化及凸輪廓線
在各式各樣的機器中,常常采用凸輪從動件系統(tǒng).如用凸輪開啟汽車發(fā)動機的汽門。在許多生產(chǎn)消費品的機器上，也采用各種凸輪機構(gòu)。與連桿機構(gòu)相比，凸輪機構(gòu)較易實現(xiàn)所規(guī)定的的運動規(guī)律，但制造卻要相對昂貴一些，但是隨著數(shù)控技術(shù)的到來，凸輪的制造已不再是技術(shù)難題。
將前文得到的整數(shù)尺寸建模，運用UG運動仿真得到送料軌跡如圖10送料軌跡（a），然后通過考慮實際運動，預防干涉而將軌跡優(yōu)化成圖10（b）。
圖9機構(gòu)運動180°前后位置圖
Figure 9 Location plan of back and forth after the mechanism move 180 °
（a） （b）
圖10 送料軌跡
Figure 10 Feeding trajectory
設槽輪滾柱初始位置為縱向位移原點，則滾柱縱向位移隨凸輪轉(zhuǎn)動角度運動規(guī)律如圖11所示，根據(jù)凸輪位移規(guī)律及相應各桿件的位置用圖解法作得凸輪廓線如圖12所示。
圖11 凸輪位移規(guī)律
Figure 11 Cam displacement law
已知工作時凸輪順時針轉(zhuǎn)動,從動件左偏距e設計為20mm,選定基圓半徑r0為110mm,滾子直徑為12mm,設計可按一般凸輪機構(gòu)，作圖步驟如下:
1) 作凸輪軸心、基圓及從動件導向方位線，從動件導路方位線即從動件滾子中心點相對機架所走的軌跡線，因為這一點的運動能代表從動件的運動，稱為尖端從動件的尖點。
2) 將位移規(guī)律曲線按角度細數(shù)等分，以偏距為半徑作偏距圓，它與導路線切于K0點，從此點開始，將偏距圓沿逆時針方向依據(jù)位移曲線細數(shù)等分情況作相應的細數(shù)等分，并從偏距圓的各分點作該圓的切線，原理是利用轉(zhuǎn)換機架法，即凸輪不動時，機架導路相對于凸輪的運動情況。
3) 從偏距圓切線與基圓的交點開始，沿此切線向基圓外量取線段與位移曲線上相應的從動件位移相等，得點……，將這些點用光滑的曲線相連，得凸輪的理論廓線。
4) 以理論廓線上各點為圓心，滾子半徑為半徑作圓，取其包絡線，即得槽輪的工作廓線。
5) 推桿所受正壓力方向與速度方向之間的夾角的銳角為壓力角，壓力角一般不超過30°或曲率半徑不小于1～3 mm，機構(gòu)便不會自鎖，那么可以從曲率上對廓線進行曲率優(yōu)化。
圖12 凸輪廓線
Figure 12 Cam profile line
如圖13，設有向弧段,設x ， x+ △x 為(a，b)內(nèi)兩個鄰近的點，它們在曲線y=f(x)上的對應點為M，M￠，并設對應于x的增量△x ，弧 s 的增量為△s，于是：
（5）
因為 （6）
又，因此弧微分為。
當凸輪廓線用B樣條曲線繪制成封閉圖形時，此曲線是光滑的，曲線上從點到 的弧長為，切線轉(zhuǎn)過角度，那么：
為曲線在點處的曲率，在點與曲線內(nèi)切的最大圓為此點的曲率圓。
為曲線在點處的曲率半徑，即曲率圓半徑。
圖13 有向弧微分
Figure 13 Differential of directed arc
將曲線上采集點的曲率半徑用線段長度連續(xù)顯示而形同與梳子的形狀叫做曲線的曲率梳。顯示出曲率梳，透過峰值，你可以知道哪里的曲率半徑最小。透過拐點，你可以知道曲線的凹凸狀態(tài)發(fā)現(xiàn)改變，也就是說，曲率梳變化越平緩（尖點不明顯強烈）曲線的光順程度越好，曲線質(zhì)量也就越高。運用UG NX 7.0分析凸輪廓線曲率，顯示曲率梳如圖14（a），很明顯的看到曲率梳存在尖點并且還存在拐點，其不僅影響凸輪控制特性還影響表面加工質(zhì)量，因而需要進一步優(yōu)化。
(a) 21.3198（min） （b）44.8837（min）
圖14 曲率優(yōu)化對比
Figure 14 The optimized contrast of curvature
樣條曲線是由一組逼近控制多邊形的光滑參數(shù)曲線段構(gòu)成，樣條曲線的次數(shù)，是由樣條曲線數(shù)學定義中所取的基函數(shù)所決定的。直觀的說，所構(gòu)成樣條曲線的一段光滑參數(shù)曲線段，由控制多邊形的相鄰連續(xù)的幾段折線段決定，就是幾次樣條，最常用的就是二次和三次樣條。二次樣條的某一曲線段只與相應的兩段折線段，三個控制多邊形頂點有關，改變其中一個頂點，將影響三段樣條曲線段。同樣的，對三次樣條，某一曲線段由相應的三段折線段，四個控制點決定。曲線借此越高，控制點也就越多，
更改其中一個極點對曲線的變化也就越小，對曲線的調(diào)節(jié)程度也就越高，這里樣條曲線的優(yōu)化采用四次樣條，優(yōu)化后的控制極點和曲率梳如圖14（b）。
2.4.2 凸輪孔
根據(jù)軌跡的捕捉點數(shù)目,凸輪旋轉(zhuǎn)0.46圈工件從起點輸送到下一個步距的起點,輸送距離為240mm,則工件速度
=0.261 m/s （7）則輸送功率=1000×0.261=261 w （8）滑塊傳遞效率為0.88～0.92,鉸鏈傳動效率取0.95
則軸的傳遞功率=305 w (9)施加在銷軸上的力=851.6 N (10)軸孔的直徑 (11)對于40Cr和工作情況可取為100則得到
d≥21.6mm,軸孔取為25mm,而對于銷軸主要承受剪力，承受的力較小且為短軸,可直接取為12mm。
2.4.3 凸輪的加工制造
當完成凸輪設計后，還必須考慮凸輪制造中的一些事項。畢竟，如果不能把所設計的凸輪真實的按選擇的理論函數(shù)用材料加工出來，那么設計的再好也體現(xiàn)不出來，凸輪從制造性質(zhì)上說是個較為復雜的問題。
凸輪通常是用經(jīng)表面淬火或整體淬火的中碳鋼或高碳鋼這類高強度和硬度的材料，或用可鍛鑄鐵或灰鑄鐵（表面硬化）制造。凸輪加工最典型是用旋轉(zhuǎn)刀具銑削，實際上，銑削后從微觀上看剩下的金屬還不是完全光滑的表面。當要求凸輪有較低的表面粗糙度時,一般將銑出來的凸輪再用磨削把不需要的材料去掉。為了防止凸輪迅速磨損，通常還需要進行熱處理，以使表面得到足夠的硬度，對鋼制凸輪最典型的是將其淬火至洛氏硬度50～55HRC。熱處理都將產(chǎn)生一些幾何變形。在熱處理后，通常采用研磨來修整凸輪的工作表面并降低其表面粗糙度。一個已經(jīng)比較昂貴的零件經(jīng)過磨削工序?qū)⑹蛊涑杀編缀醭杀对黾?，為了省錢有時省掉這道工序。一個淬火但未研磨的凸輪，盡管在淬火錢是精確銑削的，但總會產(chǎn)生一些熱變形誤差。表2-1為常見的凸輪制造方法。
表1 常用凸輪制造方法
Label 1 Commonly used cam Manufacturing method
制造方法
說明
靠模加工
利用靠模車床，一般制造偏心凸輪。
手動或數(shù)控按凸輪坐標加工
一種離散數(shù)控過程，按照不連續(xù)的位置作橫向進給。
線性插值連續(xù)數(shù)控
在連續(xù)數(shù)控機床上，刀具與工件不斷接觸，機床控制計算機對每對數(shù)據(jù)點之間按直線計算。
圓弧插值連續(xù)數(shù)控
除數(shù)據(jù)點之間采用圓弧算法外與線性插值的連續(xù)數(shù)控類似，允許加工中心的數(shù)據(jù)庫中有更少的點數(shù)。
手工修整靠模凸輪的靠模仿形
用于仿形機床的大批量精加工凸輪。
由于任務要求轉(zhuǎn)速為30轉(zhuǎn)/min,即0.5r/s,轉(zhuǎn)速較低,且只為了實現(xiàn)縱向位移,受負荷較小,因而可選用60鋼. 60號鋼為亞共析鋼，耐磨，有一定的強度和一定彈性,冷變形時塑性較低，切削性較差，焊接和淬透性差，水淬有產(chǎn)生裂紋傾向，大型制件多采用正火。60號鋼用于制造軸、彈簧圈、輪軸、各種墊圈、凸輪、鋼繩等受力較大、在摩擦條件下工作，要求較高強度、耐磨性和一定彈性的零件。
由于凸輪為小批量生產(chǎn)，可由圓形棒料直接下料，然后對兩端面用端銑進行粗加工，正火后再進行半精加工，最后在數(shù)控銑床上一次完成其余孔和槽的粗加工、半精加工、精加工，加工路線如表2所示。
針對工序60而言,先繪制凸輪模型,為了不另設曲柄,曲柄可有凸輪代替,只需在相應安裝位置加工一孔,對于數(shù)控編程,主要步驟為建立機床坐標系-定義工件毛坯(workpiece)-建立刀具-創(chuàng)建操作-加工仿真-后處理-編輯程序文件等。整體加工刀路如圖15所示，銑削的刀路組成如圖16所示。
表2 凸輪加工路線
Label 2 Cam processing line
工序號
內(nèi)容
設備
10
粗車φ252圓
CA6140
20
下料厚度23mm
G4028
30
粗銑兩端面
X53
40
正火（風冷）
\
50
半精銑兩端面
X53
60
中心鉆、鉆、擴、鉸
X53K（SIEMENS）
粗銑
半精銑
精銑
圖15 凸輪加工刀路
Figure 15 Cam machining tool path
圖16銑削刀路的組成
Figure 16 The composition of the milling tool path
對于深孔的加工或碎裂性鐵屑，可采用啄鉆式的鉆孔加工，啄鉆即每次以相同或不同的步距深度，每加工一個步距（1～5mm）后退回到安全平面，然后繼續(xù)增加一個步距的加工方式。另外一種類似的加工方法是斷屑加工，斷屑加工與啄鉆不同的是加工一個步距之后只退一小步距離（1～3mm）而不退到安全平面，起帶屑斷屑的作用。以鉆擴鉸為例，本凸輪孔的數(shù)控加工程序如下：
程序
說明
%
N0010 G40 G17 G90 G70
N0020 G91 G28 Z0.0
N0030 T01 M06
N0040 G0 G90 X-2.9566 Y1.1287 S500 M03
N0050 G43 Z.1969 H01
N0060 G82 Z0.0 R.1969 F9.8
N0070 X-.848 Y1.8965
N0080 G80
N0090 G91 G28 Z0.0
N0100 T02 M06
N0110 G0 G90 X-2.9566 Y1.1287 S500 M03
N0120 G43 Z.1181 H02 M08
N0130 G1 Z-.1969 F9.8
N0140 G0 Z.1181
N0150 Z-.0787
N0160 G1 Z-.3937
N0170 G0 Z.1181
N0180 Z-.2756
N0190 G1 Z-.5906
N0200 G0 Z.1181
N0210 Z-.4724
N0220 G1 Z-.7874
N0230 G0 Z.1181
N0240 Z-.6693
N0250 G1 Z-.9174
N0260 G0 Z.1181
N0270 M09
N0280 G91 G28 Z0.0
N0290 T03 M06
N0300 G0 G90 X-2.9566 Y1.1287 S500 M03
N0310 G43 Z.1181 H03 M08
N0320 G1 Z-.1969 F3.9
N0330 G0 Z.1181
N0340 Z-.0787
N0350 G1 Z-.3937
N0360 G0 Z.1181
N0370 Z-.2756
N0380 G1 Z-.5906
N0390 G0 Z.1181
N0400 Z-.4724
N0410 G1 Z-.7874
N0420 G0 Z.1181
N0430 Z-.6693
N0440 G1 Z-.9647
N0450 G0 Z.1181
N0460 X-.848 Y1.8965
N0470 G1 Z-.1969
N0480 G0 Z.1181
N0490 Z-.0787
N0500 G1 Z-.3937
N0510 G0 Z.1181
N0520 Z-.2756
N0530 G1 Z-.5906
N0540 G0 Z.1181
N0550 Z-.4724
N0560 G1 Z-.7874
N0570 G0 Z.1181
N0580 Z-.6693
N0590 G1 Z-.9647
N0600 G0 Z.1181
N0610 M09
N0620 G91 G28 Z0.0
N0630 T04 M06
N0640 G0 G90 X-.848 Y1.8965 S750 M03
N0650 G43 Z.1181 H04 M08
N0660 G1 Z-.1969 F7.9
N0670 G0 Z.1181
N0680 Z-.0787
N0690 G1 Z-.3937
N0700 G0 Z.1181
N0710 Z-.2756
N0720 G1 Z-.5906
N0730 G0 Z.1181
N0740 Z-.4724
N0750 G1 Z-.7874
N0760 G0 Z.1181
N0770 Z-.6693
N0780 G1 Z-.9843
N0790 G0 Z.1181
N0800 Z-.8661
N0810 G1 Z-1.0594
N0820 G0 Z.1181
N0830 M09
N0840 G91 G28 Z0.0
N0850 T05 M06
N0860 G0 G90 X-2.9566 Y1.1287 S1500 M03
N0870 G43 Z.1181 H05 M08
N0880 G1 Z-.3937 F7.9
N0890 G0 Z.1181
N0900 Z-.3445
N0910 G1 Z-.7874
N0920 G0 Z.1181
N0930 Z-.7382
N0940 G1 Z-.8465
N0950 G0 Z.1181
N0960 M09
N0970 G91 G28 Z0.0
N0980 T06 M06
N0990 G0 G90 X-.848 Y1.8965 S1500 M03
N1000 G43 Z.1181 H06 M08
N1010 G1 Z-.3937 F7.9
N1020 G0 Z.1181
N1030 Z-.3445
N1040 G1 Z-.7874
N1050 G0 Z.1181
N1060 Z-.7382
N1070 G1 Z-.8465
N1080 G0 Z.1181
N1090 M09
N1100 M02
%
程序起止符
取消刀補 XY平面 絕對值增量 無孔
用1號刀中心鉆
G00現(xiàn)可略寫成G0 正轉(zhuǎn)500
1號刀補
圓弧轉(zhuǎn)角 進給
取消固定循環(huán)
增量方式插補 復歸參考原點
換2號刀 鉆頭
M06西門子換刀指令
啄
鉆
換3號刀鉆頭
換4號刀 鉆頭 擴孔
換5號鉸刀
換6號鉸刀
切削液關
程序終止
終止符
2.5 電動機選擇
因輸入凸輪軸的的功率為305w，故電動機應選擇小功率異步電動機，小功率交流異步電動機為三相異步電動機和單相異步電動機。其中YU系列為單相電阻起動一步電動機，具有中等啟動和過載的能力，結(jié)構(gòu)簡單，使用、維修方便，適合于使用單相電源的小型機械。
因YU系列電動機只有兩種轉(zhuǎn)速,綜合考慮各方面情況選擇轉(zhuǎn)速較低的1400r/min的電動機,則總傳動比=46.67
雙級齒輪減速器的減速比為8～40,故若采用雙級齒輪減速還需一級帶傳動,增加了成本.因此采用蝸桿傳動反而更緊湊劃算且傳動平穩(wěn),傳動方案簡圖如圖17。
圖17 傳動方案
Figure 17 Transmission scheme
聯(lián)軸器的傳遞效率為0.99，一對軸承的傳遞效率為0.97，單頭蝸桿的傳遞效率為0.72則電動機的輸入功率
==441w (12)因此選擇功率為550瓦型號為YU90S4的單相異步電動機。
3 傳動零件的設計計算
3.1 輸送桿的設計
機構(gòu)工作時,桿CA為危險桿，不考慮本身重力及摩擦主要受到輸送反作用力以及桿GE對桿CA的推力,的大小和方向均保持水平,但是桿CA卻在不停旋轉(zhuǎn),以桿CA為參考,則是一個大小不變方向變化的力;對于,其方向總是垂直于桿CA,而相對于回轉(zhuǎn)點C的位置卻在不停變化,根據(jù)平衡原理其大小也是在不斷變化的,故是一個大小位置變化方向不變的力。
在輸送工件階段，由于角度近似均勻變化，故只需考慮起止點的受力情況即可，起止點位置桿CA受力如圖18所示.
圖18 起止桿CA受力圖
Figure 18 The free-body diagram of rod CA
1）在起點，與桿的夾角為115.9°，CE的距離為206mm，桿CA長530mm,以桿的方向為水平方向，則桿受到的拉力
==436.8 N (13)
對于Q235-A抗拉強度為400～420MPa，許用彎曲應力40MPa，CA桿橫截面上的應力為
≤420 r≤5.75mm， (14)采用方形截面桿，由于有滑塊移動為減小變形，取桿截面為30mm×15mm。
與桿CA的夾角的銳角
==72.8° (15)由正弦定理得
(16)
得=2310.6 N =-=1411.0 N
以C點為原點,桿在CE和EA兩段內(nèi)的剪力和彎矩不能用同一方程來表示,應分段考慮。在CE段內(nèi)取距原點為x的任意截面，截面以左只有外力的作用，根據(jù)剪力和彎矩的計算方法和正負號規(guī)則，求得這一截面上的和分別為
=-1.411 KN (0<<0.206) (17)
=-1.411 (0≤≤0.206) (18)
EA段截面上的剪力和彎矩分別是
=0.8996 KN (0.206≤≤0.53 ) (19)
=0.8996-0.4760 (0.206≤≤0.53 ) (20)
分段作剪力圖和彎矩圖如圖19(a)。
2）在止點，與桿的夾角為94.6°，CE的距離為185.2mm，桿CA長530mm,以桿的方向為水平方向，則桿受到的拉力
==80.2 N (21)
由于拉力較小，對于30×15mm的矩形截面，CA桿橫截面上的應力可不用計算。
與桿CA的夾角的銳角
==87.5° (22)
由正弦定理得
(23)
得=2833.6 N =-=1836.8 N
在CE段截面上的和分別為
=-1.8368 KN (0<<0.1852)
=-1.8368 (0≤≤0.1852)
EA段截面上的剪力和彎矩分別是
=0.9968 KN (0.1852≤≤0.53)
=0.9968-0.5242 (0.1852≤≤0.53)
分段作剪力圖和彎矩圖如圖19(b)。
(a) （b）
圖19 桿CA剪力圖和彎矩圖
Figure 19 Shear force diagrams and bending moment diagram of the rod CA
3.2 鍵連接強度計算
凸輪和軸的連接采用單圓頭平鍵連接，平鍵連接通常只按工作面上的擠壓應力進行強度校核計算。
≤ (24)
傳遞的扭矩最大扭矩T=2833.6×12.5×=35.42 Nm (25)
k=0.5h=3.5 mm l=20-4=16 mm
得=50.6 Mpa
對于具有輕微沖擊的靜聯(lián)接來說，鋼的為100～120 Mpa，鑄鐵的為50～60 Mpa，故鍵的材料應選擇為鋼，其連接強度能遠遠達到使用要求。
3.3 軸的結(jié)構(gòu)設計
聯(lián)軸器的計算轉(zhuǎn)矩，考慮到轉(zhuǎn)矩變化較小，=1.5
=0.308 kw
=98072 N·mm (26)
=147.1 N·m (27)
按照計算轉(zhuǎn)矩應小于聯(lián)軸器公稱轉(zhuǎn)矩的條件，查機械設計手冊，選用型號為GY4的凸緣聯(lián)軸器，軸孔直徑Φ23,從動端裝配尺寸軸孔長為44mm,主動端裝配尺寸軸孔長為62mm。
為了滿足各個連桿的定位要求及聯(lián)軸器軸承的安裝，設計相應軸肩，擬定軸上零件裝配方案如圖20所示。軸的左端用端蓋定位,端蓋用內(nèi)六角螺釘與銷軸安裝在軸上;軸承安裝在支座內(nèi),右側(cè)用端蓋卡緊在支座槽里,端蓋用螺釘安裝在支座上;軸的右端用聯(lián)軸器與減速箱輸出軸相連。
圖20 軸的結(jié)構(gòu)
Figure 20 The structure of the shaft
4 機構(gòu)的動力學分析
4.1 運動模型的建立
通過運用NX軟件對設計機構(gòu)進行三維建模，并裝配，三維模型如圖21所示。然后進入運動仿真，建立連桿和運動副,施加約束、載荷和阻尼,添加追蹤或傳感器并加以解算便可以對運動機構(gòu)進行分析。比如動畫分析、干涉檢查、圖表輸出等，從而驗證運動機構(gòu)設計的合理和可實現(xiàn)性。其主要具體步驟結(jié)構(gòu)如圖22所示。
圖21 三維模型
連桿
運動副
約束
載荷
解算
圖表輸出
電子表格
NX
常規(guī)運動
關節(jié)運動
運動目錄
主模型
傳動副
Motion_1
Motion_2
Motion_3
Motion_n
阻尼
動畫輸出
電子表格
Figure 21 Three-dimensional model
圖22 NX運動仿真步驟結(jié)構(gòu)
Figure 22 NX motion simulation steps structure
4.2 運動分析
送料爪工作一個周期為2秒,將360°等分成30步,輸出數(shù)據(jù)如表3,擬合曲線分別如圖23（a）、（b）、(c)所示，其中起點皆為坐標起始位置。
表3 輸送爪單周期數(shù)據(jù)
Label 3 Displacement, velocity and acceleration single cycle data of the conveying claw
Time(s)
x-coordinate（mm）
Velocity(mm/s)
Acceleration(mm/s2)
說明
0.000
-1373.506
0
1536.182
快速返回,反向時先加速后減速接觸工件速度接近于零。
0.067
-1370.514
104.206
1766.813
0.133
-1359.596
223.212
1690.576
0.200
-1341.024
329.515
1377.725
0.267
-1316.306
405.779
936.300
0.333
-1287.311
459.561
538.766
0.400
-1255.991
474.350
13.350
0.467
-1224.700
458.548
-509.447
0.533
-1195.675
407.228
-933.957
0.600
-1170.493
350.362
-796.973
0.667
-1149.323
293.779
43.845
0.733
-1128.590
336.638
2194.234
0.800
-1105.837
312.921
-1792.226
0.867
-1095.761
-29.474
-3186.016
0.933
-1101.373
-117.253
-757.754
開始送料，加速到約0.3m/s的速度近似勻速送料，送料快完成時減速送進直到返回進行第二次輸送。
1.000
-1110.970
-173.792
-965.015
1.067
-1124.430
-222.481
-351.105
1.133
-1139.846
-239.789
-305.738
1.200
-1156.612
-264.237
-409.195
1.267
-1175.123
-290.948
-392.144
1.333
-1195.415
-317.720
-380.732
1.400
-1217.333
-337.994
-217.899
1.467
-1240.229
-347.185
-64.180
1.533
-1263.404
-346.162
106.203
1.600
-1286.098
-332.917
257.532
1.667
-1307.670
-312.728
393.304
1.733
-1327.506
-280.592
549.860
1.800
-1344.910
-239.629
692.440
1.867
-1359.122
-184.606
956.734
1.933
-1369.180
-113.142
1182.777
2.000
-1373.506
0
1536.182
（a）s-t曲線圖
（b）v-t曲線圖
（c）a-t曲線圖
圖23 輸送爪曲線圖
Figure 23 Displacement, velocity and acceleration curve of the Conveying claw
從s-t曲線可以看出，后送料階段曲線接近于直線，及具有類似s=vt的勻速運動函數(shù)關系式，送料速度穩(wěn)定。另一方面從速度圖象來說，返回階段速度峰值明顯大于送料階段，滿足了快速返回的需求，而送料階段曲線雖然為曲線，但是速度基本穩(wěn)定在1～3m/s，且曲線變化平緩，即工作時速度的變化對工件的沖擊較小。從加速度方面來說，返回階段，加速度在起始階段越來越大，即速度越來越快，同樣滿足快速返回的條件，工作階段加速度穩(wěn)定在0～1m/s2，進而有較小的速度變化，達到了近似勻速送進工件的效果。綜上所述，整體機構(gòu)能滿足使用要求。
5 有限元分析校核
5.1 有限元CAE設計的優(yōu)勢
有限元法是現(xiàn)代產(chǎn)品及其結(jié)構(gòu)設計的重要工具，它的基本思想是將連續(xù)的物理模型離散為有限個單元體，使其只在有限個指定的節(jié)點上相互連接，然后對每個單元選擇一個比較簡單的函數(shù)，近似模擬該單元的物理量，如單元的位移或者應力，并基于問題描述的基本方程建立單元節(jié)點的平衡方程組，再把所有單元的方程組集成為整個結(jié)構(gòu)力學特性的整體代數(shù)方程組，最后引入邊界約束條件求解代數(shù)方程組而獲得數(shù)值解，如結(jié)構(gòu)的位移分布和應力分布。圖24為現(xiàn)代設計中采用CAE技術(shù)的設計流程。
·經(jīng)驗確定構(gòu)思
·借助CAE技術(shù)評估
·快速確定產(chǎn)品概念
CAD設計
CAE分析
概念階段
·由概念確定初步設計
·借助CAD構(gòu)建虛擬產(chǎn)品
·借助CAE進行分析和優(yōu)化
·大大減少樣機試驗
·根據(jù)CAE結(jié)果制造樣機
·性能測試
驗證階段
否
是
定型生產(chǎn)
滿足要求
圖24 有限元仿真設計流程
Figure 24 Process of finite element simulation design
可見，從產(chǎn)品概念設計、方案對比、樣機測試到加工制造，可以把有限元仿真和優(yōu)化設計方法貫穿整個產(chǎn)品的全部過程，把傳統(tǒng)產(chǎn)品設計方法中的從概念設計到樣機測試，再返回修改的大循環(huán)過程，演化成平行于每一個設計環(huán)節(jié)的精準分析及其優(yōu)化，減少了設計過程中的缺陷和不足，大大提高了產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性，大幅縮減了設計時間，降低了產(chǎn)品研發(fā)成本。
UG NX 在有限元分析已經(jīng)作為美國通用原子航空、英國航空航天系統(tǒng)公司等系統(tǒng)分析軟件，以其在有限元方面卓越的成就，本次設計采用UG NX 軟件有限元簡單地分
析一下重要零件在受力情況下部分狀態(tài)。
5.2 輸送桿的有限元校核
輸送桿的有限元分析步驟主要如下:
1） 首先腳的建模2）根據(jù)受力位置拆分體3）進入UG高級仿真模塊4）新建FEM和仿真 5）網(wǎng)格配對條件、2D映射網(wǎng)絡6）3D掃掠網(wǎng)格7）固定約束建立8）施加力9）求解得出相應的數(shù)據(jù)10）分析結(jié)束,25圖看出單元應力
圖26看出節(jié)點位移。
圖25 應力單元節(jié)點
Figure 25 Stress unit node
圖26 節(jié)點位移變形
Figure 26 Deformation of the nodal displacements
5.3 回轉(zhuǎn)軸的有限元校核
主要是對連接在凸輪上的軸進行強度校核，軸的材料為40Cr，查常用材料的主要力學性能表，得40Cr ,。
圖27 軸節(jié)點位移變形 max=0.07mm
Figure 27 Deformation of Axis nodal displacement max=0.07mm
圖28 軸單元節(jié)點的應力 max=52.17Mpa OK
Figure 28 The stress of the shaft element nodes max=14.1Mpa OK
6 結(jié)論
通過設計計算，得出輸送機的整機結(jié)構(gòu)。結(jié)合了平行四邊形機構(gòu)和凸輪機構(gòu)實現(xiàn)軌跡運動，結(jié)合了計算機輔助設計優(yōu)化了凸輪廓線并對槽型凸輪的加工給出了工藝解釋和CNC加工。另外的，在動力上給出了相關計算和傳動選擇。其次根據(jù)設計相關原理得到輸送部件的裝配圖，還從虛擬樣機的角度實現(xiàn)了機構(gòu)動力學仿真，對工作時位移、速度、加速度規(guī)律做出了詳細分析，最后還對重要零件進行了有限元分析，進一步驗證了機構(gòu)的可實現(xiàn)性。
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致 謝
過往依舊，時光長流！轉(zhuǎn)瞬間已在湖南農(nóng)業(yè)大學度過了四個年頭。四年大學，一個人人生的重要階段，在這寶貴的幾年大學生活中，首先我要感謝我的導師——陳力航老師，他孜孜授業(yè)，給予我特殊培養(yǎng)，讓我以后的人生有了更廣闊的軌跡?；仡櫵哪陙淼膶W習經(jīng)歷，面對現(xiàn)在的收獲，我感到無限欣慰。
作為一個本科生的畢業(yè)設計，由于經(jīng)驗的匱乏，難免有許多考慮不周的地方，如果沒有導師的督促指導，以及一起工作的同學們的支持，想要完成這個設計是難以想象的。 在這里要感謝我的導師，從最初的選題到資料收集，到寫作、修改再到論文定稿到裝配等整個過程中都給予了我悉心的指導和無限的幫助。我的設計較為復雜且無更多的參考資料，但是陳老師指導下細心地修改設計中的錯誤。，不斷的拓展自己的知識面和考慮問題的全面性，增強了我對實際問題解決能力。除了敬佩陳老師的專業(yè)水平外，他的治學嚴謹和不斷學習科研精神以及生活方式也是我永遠學習的榜樣，并將積極影響我今后的學習和工作以及未來的發(fā)展方向。 其次要感謝高英武老師和我的其它專業(yè)課老師在運動機構(gòu)的選擇方面和工藝方面對我無私的幫助。在導師的引導下學會了UG軟件的應用，有了這些我才能順利的完成我的畢業(yè)設計以及動力學仿真及有限元分析工作，我還要感謝我的母校——湖南農(nóng)業(yè)大學，給予我大學四年優(yōu)美的學習成長環(huán)境；最后感謝的是實習期間山河智能給予我優(yōu)越的辦公環(huán)境讓我完成最后的畢業(yè)設計。在此，對于學院所有老師、母校再說一次謝謝??！
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