压盖自动送料机设计.pdf
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1、 1 压盖自动送料机设计 摘 要:自动输送是自动化的核心组成,应用广泛,对于其运动需进行严格分析、设计及优化,自动输送机可以不需复杂的控制系统,而只需设计相应的机构便可满足使用要求。本文设计的自动输送机主要针对特一压盖,对轨迹及相关零件进行了设计计算。该输送装置是由凸轮、曲柄和若干个连杆构成的。输送杆垂直方向的运动是由凸轮驱动的,而水平往复运动则由曲柄驱动,合成运动能快速送进、快速返回。结构上底盘与机架采用焊接结构,销轴采用两端紧定螺母锁紧式.关键词:自动送料机;连杆设计;凸轮设计优化及加工;运动分析;有限元分析 The Design of Gland Auto-feeder Abstract
2、: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 au
3、to-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 di
4、rection 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;Connecti
5、ng rod design;Optimization and processing of the cam design;Kinematic analysis;Finite element analysis.2 1 前言 1.1 课题的背景与意义 送料机是输送材料或工件的机器,是无论是轻工行业还是重工业都不可缺少的设备。传统观念,送料机是借助于机器运动的作用力加力于材料,对材料进行运输的机器。近代的送料机发生了一些变化,开始将高压空气、超声波等先进技术用于送料技术中,但人们仍然将这些设备归纳在送料机类的设备中。自动化程度高的送料设备有:由电脑控制的动头式送料机、激光送料机、高压气压和电脑送料机等
6、。另外,国外的公司生产一种投影送料机,这种设备的送台上设有感应器及目察装置,用于对材料轮廓扫描,或在材料行投影以引导送料安排。自动输送机对企业来说不仅仅只是创造经济价值,而且具有很多优点,首先,对环境的适应性强,能代替人从事危险有害的工作或者在长时间工作对人体有害的场所,自动输送机只要根据工作环境进行合理设计,选择适当的材料和结构就可以在高温或低温、压力异常、粉尘、放射性条件下工作。其次,自动送料机能持久,耐劳,减少了工人的劳动强度。再次,自动送料机还可以结合程序控制,因此工作稳定,精度较高,能很好的避免人为操作的错误。最后,自动送料机具有工业的通用性和灵活性,能很好的适应产品的变化,满足柔性
7、生产的需要。自动化的程度直接影响着整个生产线的自动化程度及生产效率,几乎渗透到农用机械、动力机械、食品机械、建筑机械、化工机械、精密机械、仪器仪表等各种工业加工生产,送料为自动化生产的关键组成,由于手工送料存在着效率、速度、精度、安全等方面的一系列问题,手工送料已逐步由自动送料机构所取代,从而进一步满足了自动化加工生产,大幅度提高了生产节拍、生产质量的要求。1.2 国内外输送机发展趋势与水平 输送主要包括原材料的供给图(1)、自动加工图(2)、装配线上图(3)的自动输送等,使用自动化机械能真正做到环保省时,大大减少了工人的劳动强度,如图(4)面包自动输送包装机真正做到了低成本、高回报,在现在高
8、速发展的社会,这种自动化机械越来越受重视。工厂里的装配、检查、计数和包装工序的自动化和无人化成为人们所关注的重要课题,因此使零部件能够沿着一定方向并能稳定供给的送料机成为工厂自动化研究的重要组成部分。目前的输送机种类主要有埋刮板输送机、带式输送机、斗式输送机、振动输送机、螺旋输送机等。3 图 1 重型精密 NC 滚轮送料机 图 2 送料加工接料自动机床 Figure 1 Heavy precise NC roller feeder Figure 2 Automatic machine tool for feeding and processing 图 3 自行葫芦输送机 图 4 面包自动输送包
9、装机 Figure 3 Automatic hoist conveyor Figure 4 Automatic packaging machine for 1bread 1.3 我国输送机的未来之路与展望 国内外自动输送料机总体水平都在提高,自动化程度也愈来愈高。拿NC自动输送机来说其编程存在一个误区.那就是企图实现的功能太多.造成操作和软件方面的许多问题。国外一些公司正在试图简化控制软件,国内厂家也应注意这方面的问题。中国被称为“世界工厂”,就我个人感觉而言,觉得中国的生产能力是取得了长足的进步,但作为名副其实的世界工厂,还有很长的路要走。未来将是机器人全自动化的时代,输 4 送机作为自动化
10、的工具,这不仅仅是一个加工制造业的问题,该项研究进展也能反映提升我国在设计领域中的控制权,关系到我们的设计水平、工艺水平等各个领域的发展,而自动输送机也应往高控制控制、高柔性、高精度的方向发展。2 机械系统设计 2.1 动作分析及轨迹初定 设计输送机输送压盖如图5 所示,工件外形尺寸为180mm 140mm 80mm。根据要求工件需慢速送进、快速返回,输送爪近似轨迹应接近图6(虚线疏密代表运动快慢)。UG(Unigraphics NX)是 Siemens PLM Software 公司出品的一个产品工程解决方案,它为用户的产品设计及加工过程提供了数字化造型和验证手段。Unigraphics N
11、X 针对用户的虚拟产品设计和工艺设计的需求,提供了经过实践验证的解决方案,集建模、分析、仿真、加工等于一身,通过NX 建模分析得出工件质心坐标为:Xcbar =-36.681663731 Ycbar =-5.768296200 Zcbar =0.018506569 图5 输送工件模型图 Figure 5 Diagrammatic figure of delivery workpiece 图6 输送爪初定近似轨迹 Figure 6 The temporary trajectory of delivery claw 5 那么,为了使工件在输送过程AB 段受力较好,输送爪合力的推力应通过质心,且输送
12、爪工作面运动高度:H 25-|Ycbar|=19.23mm。2.2 执行机构设计 要实现预定动作,典型的曲柄摇杆机构显然不能完成动作要求,因为摇杆的轨迹为圆弧形,机构上任意点也没有要求输送爪近似轨迹,故而要想实现这种动作,那么必须是五杆机构或者六杆机构甚至更多,基本的机构可选用平行四边形机构,然后进行衍化,如图7,输送爪应与连杆AB 为一体,那么要使AB 上有近似图6 的轨迹,C、D两点应随AC、BD 杆的旋转同步的曲线移动,即控制输送爪的纵向位移。图 7 运动模型 Figure 7 Motion model 另外的,输送爪要求需快速返回,近似匀速送进,可运用曲柄摇杆机构的急回特性,由于C、D
13、 两点也在运动,故将摇杆的铰接连接衍化成滑块。凸轮的轮廓外形可使从动件得到任意的预期运动,为了方便设计计算,先用偏心轮代替复杂轮廓曲线,送料整体变成为图8 所示。图 8 机构运动简图 Figure 8 Kinematic diagram of mechanism 6 由于机构左右重复,计算机构自由度只计算一半即可,则机构的自由度 F=3n-(21P+Ph-P)-F,(1)其中:F机构的自由度;n活动构件数;1P低副个数;hP高副个数;P虚约束数;F局部自由度数;则 F=3 5-(2 6+2-0)-0=1,为了减少高副元素的磨损,在1OP与凸轮之间装入滚子,而滚子绕自身轴线的转动并不影响其他构件
14、的运动,自由度保持不变。2.3 连杆杆长的设计与计算 杆长的设计计算只需考虑半部分,由于左侧部分包括机架具有六个构件,设计计算极其复杂,依旧用偏心轮先代替凸轮来设计计算,如图9 机构运动180前后位置图。设初始位置杆RC 与水平方向夹角为,PR 与 RC 夹角为,旋转半周期RC 转过角度为,C 点上升距离为20mm 左右,为使杆GE 的拉力完全用于AC 杆对工件的送料,将杆GE 设计垂直于杆AC,则有如下关系式:302/60 (2)sin20sinRCRCLL (3)esin()sin(180PRL)(4)240AALmm,取 为 15,为 142,为 1,LRC为 90.5mm,PRL为 1
15、35.4mm,CAL为530mm,运用作图法粗略得到OGL为57mm,GEL为125mm,初始位置OPL为168mm,偏心轮外槽直径为225mm。2.4 凸轮设计 2.4.1 轨迹优化及凸轮廓线 在各式各样的机器中,常常采用凸轮从动件系统.如用凸轮开启汽车发动机的汽门。在许多生产消费品的机器上,也采用各种凸轮机构。与连杆机构相比,凸轮机构较易实现所规定的的运动规律,但制造却要相对昂贵一些,但是随着数控技术的到来,凸轮的制造已不再是技术难题。将前文得到的整数尺寸建模,运用UG 运动仿真得到送料轨迹如图10 送料轨迹(a),然后通过考虑实际运动,预防干涉而将轨迹优化成图10(b)。7 图 9 机构
16、运动 180前后位置图 Figure 9 Location plan of back and forth after the mechanism move 180 (a)(b)图 10 送料轨迹 Figure 10 Feeding trajectory 设槽轮滚柱初始位置为纵向位移原点,则滚柱纵向位移随凸轮转动角度运动规律如图11 所示,根据凸轮位移规律及相应各杆件的位置用图解法作得凸轮廓线如图12所示。8 图 11 凸轮位移规律 Figure 11 Cam displacement law 已知工作时凸轮顺时针转动,从动件左偏距e 设计为20mm,选定基圆半径r0为110mm,滚子直径为12
17、mm,设计可按一般凸轮机构,作图步骤如下:1)作凸轮轴心、基圆及从动件导向方位线,从动件导路方位线即从动件滚子中心点相对机架所走的轨迹线,因为这一点的运动能代表从动件的运动,称为尖端从动件的尖点。2)将位移规律曲线按角度细数等分,以偏距为半径作偏距圆,它与导路线切于K0点,从此点开始,将偏距圆沿逆时针方向依据位移曲线细数等分情况作相应的细数等分,并从偏距圆的各分点作该圆的切线,原理是利用转换机架法,即凸轮不动时,机架导路相对于凸轮的运动情况。3)从偏距圆切线与基圆的交点开始,沿此切线向基圆外量取线段与位移曲线上相应的从动件位移相等,得点012BB、B、,将这些点用光滑的曲线相连,得凸轮的理论廓
18、线。4)以理论廓线上各点为圆心,滚子半径为半径作圆,取其包络线,即得槽轮的工作廓线。5)推杆所受正压力方向与速度方向之间的夹角的锐角为压力角,压力角一般不超过 30或曲率半径不小于1 3 mm,机构便不会自锁,那么可以从曲率上对廓线进行曲率优化。9 图 12 凸轮廓线 Figure 12 Cam profile line 如图13,设有向弧段0M M,设 x,x+x 为(a,b)内两个邻近的点,它们在曲线 yf(x)上的对应点为M,M,并设对应于x 的增量x,弧 s 的增量为s,于是:222222222MMxysMMMMMMxxMMMMxx (5)221MMyMMx 221sMMyxMMx 因
19、为0limlim1xMMMMMMMMMM (6)又0lim=yxyx,因此弧微分为21dsydx。当凸轮廓线用B 样条曲线绘制成封闭图形时,此曲线是光滑的,曲线上从点M到 M 的弧长为s,切线转过角度,那么:0lim=sxdKds 为曲线在点M处的曲率,在M点与曲线内切的最大圆为此点的曲率圆。10 1=(0)KK为曲线在点M处的曲率半径,即曲率圆半径。图 13 有向弧微分 Figure 13 Differential of directed arc 将曲线上采集点的曲率半径用线段长度连续显示而形同与梳子的形状叫做曲线的曲率梳。显示出曲率梳,透过峰值,你可以知道哪里的曲率半径最小。透过拐点,你可
20、以知道曲线的凹凸状态发现改变,也就是说,曲率梳变化越平缓(尖点不明显强烈)曲线的光顺程度越好,曲线质量也就越高。运用UG NX 7.0 分析凸轮廓线曲率,显示曲率梳如图14(a),很明显的看到曲率梳存在尖点并且还存在拐点,其不仅影响凸轮控制特性还影响表面加工质量,因而需要进一步优化。(a)21.3198(min)(b)44.8837(min)图 14 曲率优化对比 Figure 14 The optimized contrast of curvature 11 样条曲线是由一组逼近控制多边形的光滑参数曲线段构成,样条曲线的次数,是由样条曲线数学定义中所取的基函数所决定的。直观的说,所构成样条曲
21、线的一段光滑参数曲线段,由控制多边形的相邻连续的几段折线段决定,就是几次样条,最常用的就是二次和三次样条。二次样条的某一曲线段只与相应的两段折线段,三个控制多边形顶点有关,改变其中一个顶点,将影响三段样条曲线段。同样的,对三次样条,某一曲线段由相应的三段折线段,四个控制点决定。曲线借此越高,控制点也就越多,更改其中一个极点对曲线的变化也就越小,对曲线的调节程度也就越高,这里样条曲线的优化采用四次样条,优化后的控制极点和曲率梳如图14(b)。2.4.2 凸轮孔 2.4.3 凸轮的加工制造 当完成凸轮设计后,还必须考虑凸轮制造中的一些事项。毕竟,如果不能把所设计的凸轮真实的按选择的理论函数用材料加
22、工出来,那么设计的再好也体现不出来,凸轮从制造性质上说是个较为复杂的问题。凸轮通常是用经表面淬火或整体淬火的中碳钢或高碳钢这类高强度和硬度的材料,或用可锻铸铁或灰铸铁(表面硬化)制造。凸轮加工最典型是用旋转刀具铣削,实际上,铣削后从微观上看剩下的金属还不是完全光滑的表面。当要求凸轮有较低的表面粗糙度时,一般将铣出来的凸轮再用磨削把不需要的材料去掉。为了防止凸轮迅速磨损,通常还需要进行热处理,以使表面得到足够的硬度,对钢制凸轮最典型的是将其淬火至洛氏硬度50 55HRC。热处理都将产生一些几何变形。在热处理后,通常采用研磨来修整凸轮的工作表面并降低其表面粗糙度。一个已经比较昂贵的零件经过磨削工序
23、将使其成本几乎成倍增加,为了省钱有时省掉这道工序。一个淬火但未研磨的凸轮,尽管在淬火钱是精确铣削的,但总会产生一些热变形误差。表2-1 为常见的凸轮制造方法。表 1 常用凸轮制造方法 Label 1 Commonly used cam Manufacturing method 制造方法 说明 靠模加工 利用靠模车床,一般制造偏心凸轮。手动或数控按凸轮坐标加工 一种离散数控过程,按照不连续的位置作横向进给。线性插值连续数控 在连续数控机床上,刀具与工件不断接触,机床控制计算机对每对数据点之间按直线计算。12 圆弧插值连续数控 除数据点之间采用圆弧算法外与线性插值的连续数控类似,允许加工中心的数据
24、库中有更少的点数。手工修整靠模凸轮的靠模仿形 用于仿形机床的大批量精加工凸轮。由于任务要求转速为30 转/min,即0.5r/s,转速较低,且只为了实现纵向位移,受负荷较小,因而可选用60 钢.60 号钢为亚共析钢,耐磨,有一定的强度和一定弹性,冷变形时塑性较低,切削性较差,焊接和淬透性差,水淬有产生裂纹倾向,大型制件多采用正火。60 号钢用于制造轴、弹簧圈、轮轴、各种垫圈、凸轮、钢绳等受力较大、在摩擦条件下工作,要求较高强度、耐磨性和一定弹性的零件。由于凸轮为小批量生产,可由圆形棒料直接下料,然后对两端面用端铣进行粗加工,正火后再进行半精加工,最后在数控铣床上一次完成其余孔和槽的粗加工、半精
25、加工、精加工,加工路线如表2 所示。针对工序60而言,先绘制凸轮模型,为了不另设曲柄,曲柄可有凸轮代替,只需在相应安装位置加工一孔,对于数控编程,主要步骤为建立机床坐标系-定义工件毛坯(workpiece)-建立刀具-创建操作-加工仿真-后处理-编辑程序文件等。整体加工刀路如图15 所示,铣削的刀路组成如图16 所示。表 2 凸轮加工路线 Label 2 Cam processing line 工序号 内容 设备 10 粗车 252 圆 CA6140 20 下料厚度23mm G4028 30 粗铣两端面 X53 40 正火(风冷)50 半精铣两端面 X53 60 中心钻、钻、扩、铰 X53K(
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