巧克力包装机机械手

沈阳理工大学机械设计论文摘 要机械手的设计，是为了完成巧克力包装机夹持糖果运转进而进行包装的执行机构，是包装机完成相应工序的核心。机械手设计中，机械手的开合装置，传动装置以及其设计方案对机械手的性能起到决定性的作用，机械手开合运动，是由凸轮机构来实现的。在设计过程中，弹簧机械手的选择，是根据所夹持的物件以及整体机构设计需要所确定的。根据巧克力包装机的生产效率，确定机械手传动轴的转速，及其各级传动轴的传动比。机械手的设计制造是机械科技领域发展的必然，在工业生产中，提高生产效率，运用灵活，节省劳动力，避免不必要的人身伤害。机械手的发展空间和领域将会形成空前的规模。摘要：机械手；开合装置；生产率 目 录摘 要11、绪 论31.1 巧克力包装机概述31.2 巧克力包装机执行机构的组成31.3 巧克力包装机工业发展趋势31.4 机械手概述31.5 机械手的作用42、机械手的工艺确定52.1根据产品形状特征进行分析52.2根据包装材料分析52.3 机械手包装工艺的实验53、巧克力包装机的总体布局73.1.机型选择73.2.机械手及其他执行机构73.3.机械手在包装集中的布置94、机械手参数的计算及工作循环图104.1.机械手参数的计算104.2.机械手与各执行机构运动循环的时间同步化设计134.3.绘制机械手及执行各机构的工作循环图145、机械手设计175.1 机械手设计方案的思路及定确175.2 机械手开合装置的设计分析185.3机械手传动装置分析195.4 机械手的设计计算表196、结论217、致谢22参考文献231、绪 论1.1 巧克力包装机概述 包装机是完成全部或部分包装过程的机器，包装过程包括成型、充填、裹包等主要包装工序，以及与其相关的前后工序，以及清洗、干燥、杀菌、贴标、捆扎、集装和拆卸等前后包装工序，转送、选别等其他辅助工序。巧克力包装机在近年自动生产技术上得到广泛应用，其作用有如下方面：a.包装机械实现了包装生产的专业化，大幅度地提高生产效率。b.包装机械化降低了劳动强度，改善劳动条件，保护环境，节约原材料，降低产品成本。c.保证了包装产品的卫生和安全，提高了产品包装质量，增强市场销售的竞争力。d. 延长产品的保质期，方便产品的流通。e.产品采用包装机，可减少包装场地面积，节约基建投资 。1.2 巧克力包装机执行机构的组成根据巧克力糖包装工艺，确定自动机由下列执行机构组成：送糖机构；供纸机构；接糖和顶糖机构；抄纸机构；拨糖机构；钳糖机械手的开合机,转盘步进机构等七种。1.3 巧克力包装机工业发展趋势 巧克力包装机重点应用在食品包装领域，在包装机上广泛应用计算机，满足现代商品包装多样化的需求，包装生产线向柔性自动化和“无人化”过渡。包装机产量急剧增加，产品门类齐全，种类繁多，生产自行体系，并向专业化大型化方向发展。1.4 机械手概述弹簧机械手是巧克力包装机的重要执行机构，是一种仿人操作，自动控制，可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。特别适合于多品种，变批量的柔性生产。它对稳定提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着非常重要的作用。机械手是模仿着人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。机械手的结构形式开始比较简单，专用性较强，仅为某台机床的上下料装置，是附属于该机床的专用机械手。机械手可以确保运转周期的一贯性，提高品质。另外，让机械手取代普通工人从模具中取出零件不仅稳定，而且也更加安全。同时，不断发展的模具技术也为机械手提供了更多的市场机会。可见随着科技的进步，市场的发展，机械手的广泛应用已渐趋可能，在未来的制造业中，越来越多的机械手将被应用，越来越好的机械手将被创造，毫不夸张地说，机械手是人类是走向先进制造的一个标志，是人类走向现代化、高科技进步的一个象征。 因此如何设计出一个功能强大，结构稳定的机械手变成了迫在眉睫的问题。1.5 机械手的作用机械手能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。它可以代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保证人身安全，因而得到广泛应用。机械手主要由手部和运动机构组成，手部是用来抓持物件的部件，根据被抓持物的形状，尺寸，重量，材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型，托持型，吸附型等。运动机构，使手部完成各种转动，移动和符合运动来完成规定的动作。改变被抓持物件的位置和姿势。运动机构的升降，伸缩，旋转等独特运动方式，称为机械手的自由度，为了抓取空间中任意位置和方位的物体，需要6个自由度，自由度是机械手设计的关键参数，自由度越多，机械手灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂，一般专用机械手有2-3个自由度。由于通用机械手能很快的改变工作程序，适应性较强，所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的引用。机械手的发展和应用是当今科技发展的必然，在多个领域必将得到广泛发展和应用。2、机械手的工艺确定2.1根据产品形状特征进行分析粒装巧克力糖呈圆台形，轮廓清楚，但质地疏松，容易碰伤。因此，考虑机械动作时应适合它的特点，以保证产品的加工质量。产品夹紧力要适当；在进出料时避免碰撞而损伤产品；包装速度应适中，过快会引起冲击而可能损伤产品等。包装工艺首要的是解决坯件的上料问题。显然，像巧克力糖之类的产品，使用一般料斗上料方法是不适宜的。如果采用料仓式上料方法，则需要人工定时放料，每分钟放80粒糖也够紧张的。如果将自动机的进料系统直接与巧克力糖浇注成形机的出口相衔接，则比较容易解决巧克力糖的自动上料问题。2.2根据包装材料分析食品包装材料应十分注重卫生。粒状巧克力糖包装纸采用厚度为0.008mm的金色铝箔纸，它的特点是薄而脆，抗拉力较小，容易撕裂，也容易褶皱。因此，在设计供纸部件时对速度应十分注意。一般包装的速度越高，纸张的拉力就越大。根据经验，一般送纸速度应小于500mm/s。2.3 机械手包装工艺的实验根据初拟的包装工艺方案,进行工艺实验.图2.1钳糖机械手简图. 图2.1 钳糖机械手1-转轴 2-转盘 3-弹簧 4-接糖杆 5-钳糖机械手如上图所示,机械手设计上是具有弹性的锥形模腔,这样能适应巧克力糖外形尺寸的变化,I 不存在拉破铝箔纸的现象.在机械手下面有圆环形托板,以防止糖块下落。工艺实验的过程如下:当钳糖机械手转至装糖未位置时,接糖杆4向下运动,顶糖杆7向上推糖块6和包装纸8,使糖块和铝箔纸夹在顶糖杆和接糖杆之间,然后它们同步上升,进入机械手5,迫使铝箔纸成型,接着折边器10向左折边,然后转盘2带机械手5作顺时针方向转动,途径环行托板9,使铝箔纸全部覆盖在糖块的大端面上,完成全部包装工艺如图所示.由于包装纸表面还不够光滑,有时还发生褶皱现象,需要进一步改进.经过实验,发现铝箔纸只要用柔软之物轻轻一抹,就很光滑平整地紧贴在糖块表面上,达到预期的外观包装质量要求.因此增设了一个带有锥形毛刷圈（软性尼龙丝），在定糖过程中，先让糖块和铝箔纸通过毛刷圈，然后再进入机械手成形，结果使包装纸光滑、平整、美观，完全达到包装质量要求。图略是经过改进后的巧克力糖包装成型机机构简图。另外，考虑自动机工作的可靠性，在成品出料口增设拨糖杆，确保机械手中的糖块落入输送带上。这样的工艺方案就此确定。3、巧克力包装机的总体布局3.1.机型选择由于大批量生产，所以选择全自动机型。根据前述工艺过程，选择回转式工艺路线的多工位自动机型。根据工艺路线分析，实际上需要两个工位，一个是进料、成型、折边工位另一个是出料工位。自动机采用六槽槽轮机构作工件步进传送。3.2.机械手及其他执行机构根据巧克力糖包装工艺，确定自动机由下列执行机构组成：1) 送糖机构；2) 供纸机构；3) 接糖和顶糖机构；4) 抄纸机构；5) 拨糖机构；6) 钳糖机械手的开合机7) 转盘步进传动机 图3.1 钳糖机械手及进出糖块机构1-输送带 2-糖块 3-托盘4-钳糖机构 5-钳糖机械手6-弹簧 7-托板8-机械手9-机械手开合凸轮 10-输料带I-进料,成型,折边工位 II-出糖工位及进出糖块机构1-输送带 2-糖块 3-托盘 4-钳糖机构 5-钳糖机械手6-弹簧 7-托板8-机械手9-机械手开合凸轮 10-输料带I-进料,成型,折边工位 I下面是主要执行机图3.1为钳糖机械手、进出糖机构结构图。送糖盘4与机械手作同步间歇回转，逐一将糖块送至包装工位。 机械手的开合动作，由固定的凸轮8控制，凸轮8的廓线是由两个半径不同的圆弧组成，当从动滚子在大半径弧上，机械手就张开；从动滚子在小半径弧上，机械手靠弹簧闭合。3.3.机械手在包装集中的布置 图3.2 机械手在包装机中的布置图 4、机械手参数的计算及工作循环图4.1.机械手参数的计算1) 确定各机构的运动循环。已知120件/mn，则分配轴的转速为 n=120r/min机械手分配轴每转的时间就是该机的工作循环，即等于各个执行机构的运动循环，所以60/n=60/120=0.52) 确定各机构运动循环的组成区段。拨糖机、送料辊轮和机械手转位都是间歇运动机构，它们的运动循环由两个区段组成：拨糖机、送料辊轮和机械手转位等三个机构的转位运动时间；拨糖机、送料辊轮和机械手转位等三个机构的的停歇时间。因此，应有 (5.1)相应的分配轴转角为 (5.2)剪刀机构的运动循环可分为三个区段：剪刀机构的剪切工作行程时间；剪刀机构的返回行程时间；剪刀机构在初始位置的停留时间。因此，应有 (5.3)相应的分配轴转角为 (5.4)顶糖杆机构的运动循环的组成区段为：顶糖杆机构的顶糖工作行程时间；顶糖杆机构在工作位置的停留时间 顶糖杆机构的返回行程时间；顶糖杆机构在初始位置的停留时间。因此，应有 (5.5)相应的分配轴转角为 (5.6)活动折纸板机构的运动循环也可以分为四个区段：活动折纸板机构的折纸工作行程时间；活动折纸板机构在工作位置的停留实际；活动折纸板机构的返回行程时间；活动折纸板机构在初始位置的停留时间；因此，应有 (5.7)相应的分配轴转角为 (5.8)3) 确定各机构运动循环内各区段的时间及分配轴转角由于粒状巧克力自动包装机的工作循环是从送料开始的，因此以送料辊轮机构的工作起点为基准进行同步化设计，拨糖盘和机械手转位两个机构与之相同。a.送料辊轮机构运动循环各区段的时间及分配轴转角：根据工艺要求，试取送料时间s，则停歇时间为s，相应的分配轴转角为 =360=3601/5/0.5104 =360=3602/5/0.5208b剪刀机构运动循环各区段的时间及分配轴转角：根据工艺要求，试取剪切工作行程时间s，则相应的分配轴转角分别为： 3603602/45/0.532初定s，则s，则相应的分配轴转角分别为： 3603604/45/0.564 36036013/27/0.5346.7c.顶糖杆机构运动循环各区段的时间及分配轴转角：根据工艺要求，试取工作位置停留时间s，则相应的分配轴转角为： 360 3602/135/0.510.67初定s，s，则s，相应的分配轴转角分别为： 3603604/135/0.521.33 36036014/135/0.574.67 36036053/135/0.5282.67d活动折纸板机构运动循环各区段的时间及分配轴转角：根据工艺要求，试取折纸工作行程时间s，则相应的分配轴转角为： 3603604/65/0.544.3初定s，s，则s，相应的分配轴转角分别为： 3603602/65/0.522.15 36036031/195/0.5114.46 36036068/195/0.5251.084.2.机械手与各执行机构运动循环的时间同步化设计确定粒状巧克力自动包装机最短的工作循环。 (5.9) （s）确定粒状巧克力自动包装机的工作循环。令上述三对同步点的错移量分别为t1、t2和t3，若取 t1=t2=t3=（s）则其在分配轴上相应的转角为 粒状巧克力自动包装机的工作循环应为4.3.绘制机械手及执行各机构的工作循环图 图4.1 机械手工作循环图4.4.修正自动包装机的工作循环图实际上,粒状巧克力自动包装机要求每转生产一个产品,即要求,因此应对图进行修正,即按比例或用其他分析方法,求出循环图截短后各动区段的分配轴转角若将修正前各机构运动循环各区段对应的分配轴转角按比例放大,则有式中, -修正后各机构运动循环各区段对应的分配轴转角.根据修正后的分配轴转角绘制的粒状巧克力自动包装机的工作循环图,如图11所示.5、机械手设计5.1 机械手设计方案的思路及确定一个产品的问世主要包括提出想法，初步确定方案，探讨方案进行可行性分析，最终确定方案，研制，以及最终成型。在设计的初级阶段主要是考虑方案的可行性，确定方案后，参数化设计各个结构零件，可以获得最满意的结果。结合本次课程设计，机械手的设计方案有初步两种，一是机械设计学课本上的教学实例，平行式机械手，另一种为由凸轮控制的弹簧式机械手。考虑到本次机械手的设计方案为巧克力包装机所用，所夹持的物件为巧克力，为已损坏物件，所以用弹簧式机械手，运用灵活，夹紧力可由机械手中的弹簧系数来确定。巧克力包装机的机械手是转位式的，六个机械手固定在工序盘上，进而工序盘的转动带动机械手的转动。由于巧克力包装机完成的工序是巧克力的包装，进而机械手完成的动作是，夹持物件，搬运物件，放开物件。 图5.1 钳糖机械手简图 转位机械手为间歇性运动，进而需要一个装置完成机械手的开和运动。那么机械手夹持与放开运动应该怎么实现，初步考虑是通过凸轮机构与机械手相接触来实现的，当凸轮的大圆弧面与机械手接触时，作用在机械手的臂上，使机械手克服弹簧弹力张开。当凸轮的小圆弧与机械手接触时，此时机械手回到原来位置，机械手在弹簧的作用力下恢复原状。在机械手的下方有机械手托盘装置。延续这样的思路，下面是机械手开合装置的具体设计分析。5.2 机械手开合装置的设计分析 在方案确定的初步构思是用凸轮机构来实现机械手的开合运动，那么如何才能合理的布置机构，使设计的机械手经济，耐用，并具有一定的市场竞争力。进而考虑到把弹簧机械手的开合装置用一圆弧凸轮机构和圆滚装置来实现，凸轮的廓线由两个半径不同的圆弧组成，与圆滚装置相接触，圆滚与机械手的右臂相连接，当从动圆滚在圆弧凸轮的大半径弧上时，圆滚带动机械手右臂，机械手克服弹簧弹力，张开；当从动圆滚在小半径弧上时，在弹簧弹力的作用下，机械手恢复原位，闭合。进而实现机械手间歇的开合运动。 如图所示为凸轮的结构件图。 图5.2 凸轮的结构件图 图5.3 凸轮与圆滚装置图5.3机械手传动装置分析 机械手的运行和运动方式，以及所完成的生产效率，是由电动机和传动装置确定的，所以传动装置的设计与分析决定机械手完成工序的成败。根据课程设计要求，机械手的生产效率为120块/分钟，所以，传动轴的转速是20r/min。各传动轴间由锥齿轮分配传动比。 电机的转速是1440r/min，通过三级传动装置传到机械手传动轴，机械手传动轴带动圆弧凸轮运动，锥齿轮分配的传动比为6：1。 根据传动轴的直径分别为36mm和16mm，经查表确定键的尺寸为10 x 8，5 x 5。5.4 机械手的设计计算表表5.1 机械手设计计算表项目计算（或选择）依据计算（或确定）结果项目计算（或选择）依据计算（或确定）结果A1A1 1=30R5R5=（ R1R2）/2 =（515）10A2取A2=A130T1取 T1=60度60r1r1=（100200）150T2T1= T2=60度60r2取 r2= r1-（3050）11011= 1=25rr=（3050）5022= 2=20R1R1=（80120）10033= 2-(510)15R2R2= R1-（1030）8044 =3=15R3R3= R4- 1100R取 2R= 112.5R4R4=（100200）130HH= h+(410)=206、结论本次巧克力包装机机械手的设计，深刻研究巧克力包装机其中重要的执行机构，通过对其方案、内部结构组成的讨论研究，以及弹簧机械手开合运动的实现，了解了机械手在工业方面的重大作用、发展史及其未来发展的空间和领域。机械手是巧克力包装机的重要组成部分，是完成工序的重要环节，可想而知，机械手的设计是巧克力包装机的核心。机械手能很快的改变工作程序，适应性较强，运行灵活，生产效率高，所以它在中小批量生产中获得广泛的引用。机械手模仿人手部完成相应的动作，节省了劳动力的同时也确保了人身安全，避免不必要的人身伤害。机械手的设计以及应用是顺应科技发展的必然产物，其发展空间和发展速度将会形成空间的规模。 通过这次课程设计，进一步熟悉了画图技巧，规范了毕业论文所需要的文档格式，从设计思路到画图，再到设计说明书的书写，可以说是毕业大设计的一次仿真演练，收益很多，为下学期的大的毕业设计奠定了一定的基础。7 致谢 将近五周的机械课程设计，我们的努力，纪老师的付出，有目共睹，一周多次的检查指导，是功夫下在平时的最好体现，稳步，用心，每天画图一点点，五周进步一大点，不能不说这是老师的智慧和经验。再此不用过多的言语，两字，敬畏。 这次课程设计收获了很多东西，从设计的角度来说，设计思路更加开阔，设计理念更加新颖。从操作的角度看，画图的技巧，对机械结构的认识，都有很大的提高。Word文档的书写，格式的规范，都是这次课程设计的收获中的收获，为今后的毕业设计做了很好的准备。 感谢指导老师，同时也感谢自己。谢谢老师的付出、自己的努力。参考文献1、机段铁群 编 械系统设计 科学出版社2、高靖远 高志 陈祝林 主编 机械设计学 机械工业出版社3、巩云鹏 田万禄 张祖立 黄秋波 主编 机械设计课程设计 东北大学出版社4、大先 主编 王德夫 韩学栓 姜勇 李长顺 姬奎生 蔡学熙 副主编 机械设计图册 成化学工业出版社5、办公应用office2003基础与提高 电子工业出版社23