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摘 要
本次設(shè)計(jì)的任務(wù)的是設(shè)計(jì)一臺(tái)陶瓷單色自動(dòng)畫線機(jī)。其主要功能是在一個(gè)陶瓷器件上畫出一條粗細(xì)均勻的線。這個(gè)工作代替了手工畫線，降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率。
本文主要討論了設(shè)計(jì)的必要性。通過系統(tǒng)的功能分解、功能合成、方案設(shè)計(jì)等方面的分析，提出了新的設(shè)計(jì)方案，這一點(diǎn)對產(chǎn)品的成敗起決定性作用。本文還包括了進(jìn)行設(shè)計(jì)所需的一些必要計(jì)算，且安排一些與設(shè)計(jì)有關(guān)的重要數(shù)據(jù)以及設(shè)計(jì)程序等。另外，本文還包括對一些典型零部件進(jìn)行了結(jié)構(gòu)工藝性分析，闡明如何操作的說明書、設(shè)計(jì)總結(jié)等等。
在本次設(shè)計(jì)中，我認(rèn)真完成老師安排的任務(wù)，并且根據(jù)自己設(shè)計(jì)的特點(diǎn)做了些ADAMS仿真的工作。由于時(shí)間有限且經(jīng)驗(yàn)尚淺，設(shè)計(jì)中還有很多的不足，懇請老師批評指正。
Abstract
目錄
前 言
陶瓷是無機(jī)材料之母，從家庭至宇宙對陶瓷的渴求量愈來愈大，其許多優(yōu)越、潛在特性不斷被發(fā)現(xiàn)，近20年來各國非常重視陶瓷的研究、開發(fā)與應(yīng)用，各國將先后進(jìn)入陶瓷世界。
陶瓷一般指陶器和瓷器的合稱，“陶”為燒成之意，“瓷”是指硬而之謎的器物。陶瓷是我國歷史悠久的古老文化之一，也是文明的象征。我國陶瓷的出現(xiàn)可上溯到距今一萬年左右，距今3000年前的殷周時(shí)代，有了以高嶺土為原料的白陶，已懂得用釉的方法。原始瓷器是以鐵為著色劑的青釉器，是青瓷的前身。晉朝出現(xiàn)“瓷”字，說明當(dāng)時(shí)人們已認(rèn)識(shí)到陶和瓷的區(qū)別。
畫線機(jī)是用滾輪等再日用陶瓷、玻璃制品的圓形或橢圓形器皿上，畫一條或多條彩色、彩帶的機(jī)械。這種機(jī)器的出現(xiàn)，大大減輕了工人手工勞動(dòng)量，提高了生產(chǎn)率，而且在一定程度上也提高了產(chǎn)品質(zhì)量?？梢哉f，陶瓷畫線機(jī)的出現(xiàn)將陶瓷產(chǎn)業(yè)在工業(yè)化進(jìn)程上又推進(jìn)了一大步?？梢苑譃閱紊珯C(jī)畫線機(jī)和多色畫線機(jī)。本次設(shè)計(jì)主要是研究設(shè)計(jì)單色畫線機(jī)，即單線畫線機(jī)。
在本次設(shè)計(jì)中，陶瓷器件是通過吸氣式吸盤固定工位的，并于主軸同時(shí)旋轉(zhuǎn)。這種吸氣式吸盤實(shí)屬工業(yè)機(jī)械手的范疇。工業(yè)機(jī)械手是工業(yè)生產(chǎn)中一種比較新的技術(shù)裝備。它是一種模仿人體上肢的部分功能安裝預(yù)定要求輸出工件或者握持工件進(jìn)行操作的自動(dòng)化技術(shù)裝備。這種新穎工具的出現(xiàn)和應(yīng)用，對實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化起重要作用，因而有著強(qiáng)大的生命力，受到人們的廣泛重視和歡迎。工業(yè)機(jī)械手可以代替人手的繁重勞動(dòng)，顯著減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高勞動(dòng)效率和生產(chǎn)的自動(dòng)化水平。
第一章 總體方案
陶瓷是無機(jī)材料之母，從家庭至宇宙對陶瓷的渴求量愈來愈大，其許多優(yōu)越、潛在特性不斷被發(fā)現(xiàn)，近20年來各國非常重視陶瓷的研究、開發(fā)與應(yīng)用，各國將先后進(jìn)入陶瓷世界。
陶瓷一般指陶器和瓷器的合稱，“陶”為燒成之意，“瓷”是指硬而之謎的器物。陶瓷是我國歷史悠久的古老文化之一，也是文明的象征。我國陶瓷的出現(xiàn)可上溯到距今一萬年左右，距今3000年前的殷周時(shí)代，有了以高嶺土為原料的白陶，已懂得用釉的方法。原始瓷器是以鐵為著色劑的青釉器，是青瓷的前身。晉朝出現(xiàn)“瓷”字，說明當(dāng)時(shí)人們已認(rèn)識(shí)到陶和瓷的區(qū)別。
畫線機(jī)是用滾輪等再日用陶瓷、玻璃制品的圓形或橢圓形器皿上，畫一條或多條彩色、彩帶的機(jī)械。這種機(jī)器的出現(xiàn)，大大減輕了工人手工勞動(dòng)量，提高了生產(chǎn)率，而且在一定程度上也提高了產(chǎn)品質(zhì)量?？梢哉f，陶瓷畫線機(jī)的出現(xiàn)將陶瓷產(chǎn)業(yè)在工業(yè)化進(jìn)程上又推進(jìn)了一大步?？梢苑譃閱紊珯C(jī)畫線機(jī)和多色畫線機(jī)。本次設(shè)計(jì)主要是研究設(shè)計(jì)單色畫線機(jī)，即單線畫線機(jī)。
在本次設(shè)計(jì)中，陶瓷器件是通過吸氣式吸盤固定工位的，并于主軸同時(shí)旋轉(zhuǎn)。這種吸氣式吸盤實(shí)屬工業(yè)機(jī)械手的范疇。工業(yè)機(jī)械手是工業(yè)生產(chǎn)中一種比較新的技術(shù)裝備。它是一種模仿人體上肢的部分功能安裝預(yù)定要求輸出工件或者握持工件進(jìn)行操作的自動(dòng)化技術(shù)裝備。這種新穎工具的出現(xiàn)和應(yīng)用，對實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化起重要作用，因而有著強(qiáng)大的生命力，受到人們的廣泛重視和歡迎。工業(yè)機(jī)械手可以代替人手的繁重勞動(dòng)，顯著減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高勞動(dòng)效率和生產(chǎn)的自動(dòng)化水平。
1.1產(chǎn)品的用途及使用范圍
單線自動(dòng)畫線機(jī)的用途是在陶瓷制品上畫出裝飾線條或圖案，以達(dá)到美化陶瓷質(zhì)樸那的目的。這種機(jī)械代替了手工畫線工作，提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率以及精度，可以畫出粗細(xì)均勻的線條，克服了手工作業(yè)的缺點(diǎn)與不足，滿足了廣大消費(fèi)者的審美要求并提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率。我國地域遼闊，該機(jī)不受地形氣候等外界因素影響和限制，并且易于維修，工作可靠，適用于相關(guān)陶瓷生產(chǎn)部門。
1.2單線自動(dòng)畫線機(jī)的功能設(shè)置及系統(tǒng)組成
單線自動(dòng)畫線機(jī)主要由主機(jī)架、工作臺(tái)、施彩器組件、真空泵、氣動(dòng)系統(tǒng)、電器部分組成.其主要功能包括：驅(qū)動(dòng)功能、畫線功能、自動(dòng)裝卸功能、輔助功能、測控功能、安全保護(hù)功能。功能分解如圖1：
圖1.1 單線畫線機(jī)功能分解圖
依據(jù)這些功能，系統(tǒng)組成為：動(dòng)力系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)、測控系統(tǒng)、安全保護(hù)系統(tǒng)。各主要系統(tǒng)概述如下：
①動(dòng)力系統(tǒng)：為操作部件提供動(dòng)力，如機(jī)械手的仰俯、旋轉(zhuǎn)、單線機(jī)的移動(dòng)畫線。本設(shè)計(jì)中動(dòng)力裝置為電動(dòng)機(jī)和氣壓系統(tǒng)。
②傳動(dòng)系統(tǒng)：是將動(dòng)力機(jī)的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力傳遞給執(zhí)行機(jī)構(gòu)或執(zhí)行構(gòu)件的中間裝置。主要有帶傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)、蝸輪蝸桿傳動(dòng)等。在本設(shè)計(jì)中，由電動(dòng)機(jī)到施釉輪之間的傳動(dòng)是通過帶傳動(dòng)來完成的。
③執(zhí)行機(jī)構(gòu)：能直接完成預(yù)期工作任務(wù)的機(jī)構(gòu)和部件，為完成對陶瓷制品的畫線功能所需的執(zhí)行機(jī)構(gòu)的部件主要是機(jī)械手、施釉輪及帶釉輪。
④測控系統(tǒng)：是控制畫線機(jī)各執(zhí)行機(jī)構(gòu)按規(guī)定程序和要求，以一定順序和規(guī)律運(yùn)動(dòng)完成畫線機(jī)，具體測控有機(jī)械手旋轉(zhuǎn)角度、升降角度、單線機(jī)的位移量、放氣時(shí)間等。
⑤輔助系統(tǒng)：為完成畫線功能，以上各功能還需要一些輔助系統(tǒng)支持，如支承、下料、送料等輔助系統(tǒng)。
1.3主要工作原理
通過帶傳動(dòng)的裝置，電動(dòng)機(jī)將動(dòng)力傳遞給了施釉輪與帶釉輪，兩輪開始旋轉(zhuǎn)，此時(shí)主從摩擦輪接觸，帶動(dòng)陶瓷旋轉(zhuǎn)，設(shè)計(jì)合理的技術(shù)參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)上述的畫線速度要求，施釉輪開始在瓷器上畫線。在每個(gè)陶瓷畫線的開始與結(jié)束，為了便于裝卸陶瓷，支承施釉頭組件的桿件必須能夠?qū)崿F(xiàn)擺動(dòng)，以使施釉頭組件準(zhǔn)確靠近、離開瓷器。經(jīng)多方面的比較，我們最終選擇氣動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)這一環(huán)節(jié)。另外，在被加工定位的這一環(huán)節(jié)也有講究。由于陶瓷制品易碎這一特點(diǎn)，使得我們必須摒棄普通機(jī)床夾具而選擇其它的定位夾緊方法。基于盤狀陶瓷表面光潔的特點(diǎn)，我們想到了可以利用真空吸附夾緊方式定位，及手部為真空吸盤
經(jīng)各種常用系統(tǒng)的計(jì)算比較得出，當(dāng)施釉輪與被加工陶瓷盤間實(shí)現(xiàn)純滾動(dòng)，且滾動(dòng)畫線速度在0.4m/s時(shí),畫線效果最佳，故單線畫線機(jī)的一切設(shè)計(jì)要以此為宗旨。
1.4總體布局
為了保證準(zhǔn)確可靠地實(shí)現(xiàn)單線畫線機(jī)的畫線功能，在總體布局方面我們要注意以下幾點(diǎn)：
①. 機(jī)構(gòu)的布局應(yīng)合理，相互之間保證不干涉、不阻擋。
②. 總體布局應(yīng)使工人操作方便、節(jié)省空間。
③. 吸盤吸、放氣時(shí)要考慮工人操作時(shí)間地合理性。
④. 機(jī)器的電動(dòng)，氣動(dòng)部分都需外殼罩住，已加工與未加工的工件放置要整齊，物料配送線路要清晰、合理。
⑤. 本機(jī)分四部分安裝，各部分安裝好后再連接在一起構(gòu)成一個(gè)整體，這樣能夠提高效率，保證質(zhì)量且運(yùn)輸時(shí)也方便。
1.5關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)
對于單線自動(dòng)畫線機(jī)，最重要的是能夠畫出均勻清晰的線條，以滿足廣大消費(fèi)者的審美要求，因此對各機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)精度和定位精度要求較高。畫線機(jī)的運(yùn)動(dòng) 精度和定位精度主要包括以下幾個(gè)方面：
①. 施彩頭組件擺動(dòng)的運(yùn)動(dòng)與機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)需協(xié)調(diào)一致，即與裝、卸料工作要配合。
②. 為了保證施釉輪與制品之間的接觸精度，單線機(jī)的前進(jìn)與后退要有較高的定位精度
③. 機(jī)械手的旋轉(zhuǎn)角度是否精確，關(guān)系到安放工件時(shí)的中心線能否與吸盤中心重合。
由于這些精度將直接關(guān)系到產(chǎn)品質(zhì)量，建議采取開環(huán)伺服系統(tǒng)進(jìn)行控制。
1.6設(shè)計(jì)計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)化要求
考慮到標(biāo)準(zhǔn)化和互換性，建議滿足以下要求：
①. 電動(dòng)機(jī)、聯(lián)軸器、各連接件、緊固件等使用標(biāo)準(zhǔn)件和通用件
②. 真空吸盤機(jī)械手的設(shè)計(jì)在具體尺寸及運(yùn)動(dòng)形式上應(yīng)該貫徹國際標(biāo)準(zhǔn)：
GB/T 12643-90 工業(yè)機(jī)器人術(shù)語和圖形符號(hào)
GB/T 12644-90 工業(yè)機(jī)器人特性表示
GB/T 12645-90 工業(yè)機(jī)器人性能測試方法
GB/T 12649-90 工業(yè)機(jī)器人性能規(guī)范
1.7國內(nèi)外同類產(chǎn)品的對比
國外很多國家重視裝飾機(jī)械的研制與開發(fā)，特別時(shí)在畫線機(jī)、印花機(jī)方面的發(fā)展時(shí)十分迅速的，與國外產(chǎn)品比起來，該產(chǎn)品的生產(chǎn)效率低且柔性化程度不高；但在國內(nèi)，由于這一方面起步較晚，發(fā)展較慢，所以該產(chǎn)品已經(jīng)達(dá)到了一個(gè)新的水平。
1.8與外部協(xié)調(diào)所需的約束條件
①. 能源動(dòng)力條件：采用電動(dòng)與其壓傳動(dòng)。
②. 安裝：本機(jī)分三個(gè)部分安裝，分別為主機(jī)部分、電機(jī)部分、真空吸盤機(jī)械手部分，再連接到一起構(gòu)成整體，這樣可以方便運(yùn)輸及安裝，且效率高。
③. 色彩條件：由于陶瓷制品是人們使用或珍藏的，建議使用較淡的顏色。
第二章 單線畫線機(jī)機(jī)械系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)
機(jī)械系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)，是機(jī)械設(shè)計(jì)中極其重要的一環(huán)。正確、合理的機(jī)械系統(tǒng)的方案，對于提高機(jī)械的性能、質(zhì)量、市場競爭力和經(jīng)濟(jì)效益等都是至關(guān)重要的。
單線畫線機(jī)
制成品M’
陶瓷器件M
指令S
信息顯示S’
能量E
輸出E’
圖2 單線畫線機(jī)黑箱圖
2.1執(zhí)行系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)
包括執(zhí)行系統(tǒng)的功能原理設(shè)計(jì)，執(zhí)行系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律設(shè)計(jì)，執(zhí)行系統(tǒng)的形式設(shè)計(jì)，執(zhí)行系統(tǒng)的協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)以及執(zhí)行系統(tǒng)的方案評價(jià)。
2.1.1 執(zhí)行系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)
包括執(zhí)行系統(tǒng)的功能原理設(shè)計(jì)，執(zhí)行系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律設(shè)計(jì)，執(zhí)行系統(tǒng)的形式設(shè)計(jì)，執(zhí)行系統(tǒng)的協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)以及執(zhí)行系統(tǒng)的方案評價(jià)。
2.1.2 傳動(dòng)系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)
包括選擇合理的傳動(dòng)裝置的類型、確定傳動(dòng)路線的方案以及合理分配傳動(dòng)系統(tǒng)。
2.1.3 原動(dòng)機(jī)類型的選擇
包括原動(dòng)機(jī)的類型、轉(zhuǎn)速、以及原動(dòng)機(jī)容量的選擇。
2.1.4 操縱控制系統(tǒng)的選擇
包括機(jī)電控制系統(tǒng)、機(jī)液控制系統(tǒng)、電業(yè)控制系統(tǒng)、液壓控制系統(tǒng)、氣動(dòng)系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)以及微機(jī)控制系統(tǒng)。
2.2由設(shè)定功能選擇恰當(dāng)?shù)牧悴考?
單線畫線機(jī)主要有施彩器傳動(dòng)系統(tǒng)、氣動(dòng)系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、電器系統(tǒng)四部分。其中零件要首先選擇標(biāo)準(zhǔn)件,若標(biāo)準(zhǔn)件中沒有合適的零件可自行進(jìn)行設(shè)計(jì)。在本機(jī)的設(shè)計(jì)中,我們需要設(shè)計(jì)選擇電機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)、減速器、阻尼裝置等。
表1 形態(tài)學(xué)矩陣
分功能
解 法
1
2
3
4
5
6
A動(dòng)力源
B位移傳動(dòng)
C位移
D取物傳動(dòng)
E取物
電動(dòng)機(jī)
齒輪傳動(dòng)
軌道及車輪
拉桿
挖斗
汽油機(jī)
蝸輪蝸桿
傳動(dòng)
輪胎
繩傳動(dòng)
抓斗
柴油機(jī)
帶傳動(dòng)
履帶
汽缸傳動(dòng)
鉗式斗
蒸氣透平
鏈傳動(dòng)
氣墊
液壓缸傳動(dòng)
機(jī)械手
液動(dòng)機(jī)
液力耦合器
氣動(dòng)馬達(dá)
2.2.1 氣動(dòng)系統(tǒng)的選擇
2.2.1.1特點(diǎn):
① 元件結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、易于制造,且不污染環(huán)境.可集中供氣和遠(yuǎn)距離輸送,便于管理.
② 易于實(shí)現(xiàn)快速的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng),擺動(dòng)的高速轉(zhuǎn)動(dòng).輸出力和運(yùn)動(dòng)速度調(diào)節(jié)很方便,且能實(shí)現(xiàn)過載自動(dòng)保護(hù).
③ 工作環(huán)境適應(yīng)性較強(qiáng).
④ 由于壓縮空氣的工作壓力不高,一般在0.4-0.6MPa,故輸出力和力矩不高,且傳動(dòng)效率也較低,一般用于輸出力不大的傳動(dòng)裝置.采用擴(kuò)力機(jī)械或氣液增壓裝置,可提高輸出力.
⑤ 由于空氣有壓縮性,故運(yùn)動(dòng)速度的穩(wěn)定性較差,較難實(shí)現(xiàn)精密控制.采用氣液聯(lián)動(dòng)方式,可提高運(yùn)動(dòng)速度的穩(wěn)定性.
⑥ 由于氣信號(hào)的傳遞速度比電信號(hào)慢得多,故不宜用于遙控及復(fù)雜得控制系統(tǒng).
2.2.1.2組成
起源部分、執(zhí)行部分、控制部分、輔助部分.
2.2.2減速器的選擇
本機(jī)可選擇常用的阿基米德圓柱蝸桿減速器,這種減速器適用于蝸桿轉(zhuǎn)速不超過1500r/min,環(huán)境溫度為-40-+40°C的場合,可以正反兩向運(yùn)轉(zhuǎn).在選用減速器時(shí),首先根據(jù)工作要求確定傳動(dòng)比i,再按蝸輪軸的計(jì)算轉(zhuǎn)矩查蝸輪軸額定轉(zhuǎn)矩表,確定減速器的中心距.然后按機(jī)器布置,潤滑等要求選擇減速器的裝配形式.必要時(shí)要進(jìn)行散熱計(jì)算.
2.2.3 電動(dòng)機(jī)的選擇
電動(dòng)機(jī)施機(jī)械系統(tǒng)中最常用的動(dòng)力機(jī),與其他動(dòng)力機(jī)相比,它具有較高的驅(qū)動(dòng)效率,且其種類和型號(hào)較多,與工作機(jī)械連接方便,具有良好的調(diào)速、啟動(dòng)、制動(dòng)和反向控制性能.易于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、自動(dòng)控制,工作時(shí)無環(huán)境污染,可滿足大多數(shù)機(jī)械的工作要求.