刀削面机械手机构设计

本科生毕业论文（设计） 题 目：刀削面机械手机构设计 专业代码 作者姓名 学 号 单 位 指导教师 原创性声明本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师指导下，独立进行研究取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，论文中不含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得聊城大学东昌学院或其他教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的相应责任。学位论文作者签名：日期指 导 教 师 签 名： 日期 摘要如今刀削面加工，使用机器来取代手工，不但能够改善面食外观使其整齐，而且还能缓解手工工作疲劳，降低人工成本同时提高了面食的制作效率，因此刀削面机械手前景广泛。刀削面机器人机械手组成机构有小臂摆动切削机构、进给运动机构、及传动机构。本论文介绍了刀削面机器人的功能要求，然后提出刀削面机器人机械手的总体方案及各个分功能的机构方案；随后对机械手的主要参数进行了设计与选择；再对各主要零部件进行了设计与校核；最后用二维绘图软件详细设计。通过本次设计，既实现了所学专业理论知识与实践的结合，又提高了对AutoCAD制图软件的操作熟练度。关键字：刀削面；机械手；机构；1AbstractApplication of cutting robot manipulator in production, is conducive to improve the fabric transfer, tool replacement and Sliced noodles machine assemblyautomation, which can improve the labor productivity Sliced noodles, reduce production costs, accelerate food production mechanization and automation pace. Therefore the design of Sliced noodles manipulator will have great value.The design of the cutting robot manipulator by small arm swinging cutting mechanism, fabric movement mechanism, composition of fabric longitudinal feed movement mechanism and a transmission mechanism.This paper first analyzes the background and function of the face to the requirements of robot on the basis of this analysis, the paper puts forward the overall plan of cutting robot manipulator pass mechanism scheme function; then the overall parameters of the manipulator are designed and calculated and selection; then the design and check of the main components; finally assembly drawing surface the robot manipulator and the main parts of the map by AutoCAD software.Through the professional knowledge of the design of consolidation of the University, such as mechanical design, mechanical principle, interchangeability and measurement technology, mechanical drawing; master the design method of commonly used manipulator and can skillfully use AutoCAD drawing software.Key words: Doodle；Robots；Agencies；Design2目 录前言11.总体方案设计31.1功能描述31.2功能分析31.3总体方案设计及选择31. 4各机构方案选择41.4.1切削动作方案41.4.2横向进给运动方案41.4.3纵向进给运动方案52总体机构设计及参数选择52.1基本运动机构设计52.1.1小臂摆动切削机构52.1.2面料横向进给运动机构62.1.3面料纵向进给运动机构72.2主要的参数选择72.2.1齿轮传动72.2.2刀具切宽、切深82.2.3驱动的选择82.3运动及动力参数计算92.3.1传动比的分配9 2.3.2传动参数的计算93.各主要零部件的设计103.1锥齿传动的设计1113.1.1选精度等级、材料和齿数113.1.2按齿面接触强度设计11 3.1.3校核齿根弯曲疲劳强度123.1.4验算143.2圆柱齿轮传动的设计163.2.1选精度等级、材料和齿数163.2.2按齿面接触疲劳强度设计163.2.3按齿根弯曲强度设计183.2.4几何尺寸计算193.3轴的设计（以中间轴为例）203.3.1 求凸轮轴上的功率、转速和转矩203.3.2首次确定轴的最小直径203.3.3各段尺寸设计213.3.4轴上的周向定位213.3.5轴的校核223.4键连接的选择和计算233.4.1输入轴与联轴器的连接233.4.2中间轴轴与圆柱齿轮的连接233.4.3凸轮轴轴与凸轮的连接24总 结24参考文献252刀削面机械手机构设计 前言研究背景及目的中国人口众多，餐饮在中国经济发展中占有不可或缺的地位，刀削面作为我国传统的特色面食，遍布全国南北，尤其是在北方地区，到处都有面馆，客流量巨大。人工操作既费时又费力，刀削面机器人的出现，极大地解放劳动力，提高餐桌翻台率，深受商家喜爱。该机器传动机构简洁可靠，维护方便，切削速度优于人工平均水平，切削出来的面条薄厚均匀适中，适用于各类小餐馆。目前市面上出现的机器，笔者分析后发现大都存在结构不紧凑、定价高等问题。为此，我们对该设备进行设计优化，投放市场，从而解决人们的需求。刀削面机械手市场调研（1）刀削面的制作方法与困境山西刀削面虽然好吃，但是传统的制作方法复杂、费力，想要在自家中自制刀削面的更是困难。因此刀削面机械手出现使在家自制刀削面成为可能。因为，机械手能使刀削面高效大批量生产，所以它的市场应用前景十分广阔。（2）刀削面机械手的应用优势生产中应用刀削面机械手，有利于提高面料的传送，可轻松实现美食的标准化和智能化作业，大幅降低劳动力成本，提高产出效率和质量。而刀削面机械手代替人工操作，可以避免人工长期操作疲劳而引发的安全生产事故。由于现有投放市场的刀削面设备基本上都应用了PLC、Delphi等控制系统，这导致了它的高成本、高价位、难维护，小型门店没有能力应用这种自动化设备。因此，刀削面机械手需要优化设计，调整机构组合和控制策略，降低复杂度，从而降低成本。（3）刀削面机械手的意义（a）通过学习机械手设计知识，在设计过程中发现问题、研究问题、解决问题；（b）改善了工人的劳动限制，避免操作疲劳而引发的安全事故；（c）使食品生产向机械化和自动化发展 。1.总体方案设计 1.1功能描述工人摆放好面料，预调刀具，机械手全自动完成整个削面的过程动作，其中机械手需要完成的三大任务如下： （1）机械手小臂绕肘关节往复摆动做切削动作。（2）大臂相对于面料放置板，通过横向进给运动，完成面料表层的切削，然后复位，回到进刀的初始位置。（3）大臂相对于面料放置板，通过纵向进给运动，完成切削面料后，停止进给运动。1.2功能分析该机械手臂的握紧夹具，主要用于固定面板上的面料，其安装在固定的机架上。大臂保持固定，小臂的回转角度控制在60至90范围内，切削工作可以在放置面料面板的横向进给与纵向抬升配合小臂的摆动共同完成。因此机械手的自由度最高为3，三个不同驱动力也可以通过机构联动配合完成则该机械手自由度最低为1。该机械手运动控制可以分以下三种情况：（1）通过3个不同分布的电机控制3个不同的机构工作（该自由度为3）。 （2）通过2个不同分布的电机控制2个不同的机构工作。筛选出一个对控制要求精确的机构为独立工作（比如上下进给运动），其他两个动作则通过连杆或齿轮等机构联合工作，由一个电机控制（该自由度为2）。 （3）由1个电机通过连杆或齿轮等机构联动控制3个不同的机构工作（该自由度为10）。 1.3总体方案设计及选择方案一：传统的刀削面机械手，是通过CNC编程来精确控制三个不同动作的运动时间与运动速度，来完成全自动化控制整个机构动作。 方案二：通过控制实现两个电机的配合运转，从而完成切削作业。 方案三：对CNC技术的控制程度降低，甚至摆脱CNC控制来实现整个机构运动。 通过对机械手的综合数据进行分析，可知，CNC技术的运用以及电机的使用数量不仅占了刀削面机械手的制造成本比重，而且增加了机械手的系统不稳定性和维护成本，不符合机械手的操作简易性。对比下，单自由度的方案结构设计简单，制造成本低，因此更能适应当前的市场需求。1.4各机构方案选择1.4.1切削动作方案 刀削面机械手图1优点：空间利用率高，对操作空间要求少。缺点：双曲柄滑块机构的成本高，机构复杂，效率低。刀削面机械手图2优点：效率高，成本低，机构简单，方便安装维护。缺点：对操作空间要求高。机械手的设计目的是使产品物美价廉，因为图2各种条件都高于方案一，因此选方案一作为刀削面机械手小臂切削机构。图1 滑块机构 图2 四杆机构1.4.2横向进给运动方案 如图3所示，轮机构优点：结构紧凑，容错率低，能够实现自动化。缺点：不适于高速运转。齿轮齿条优点：承载力大，传动精确，传动效率高。缺点：精度差，噪音大，易磨损。用凸轮机构在控制刀削面面料板时运动速度低，且安装方便。所以选择凸轮机构作为面料进给机构。图3 凸轮机构1.4.3纵向进给运动方案 因为面料板的纵向进给速度相对于横向进给速度相当缓慢，所以选择凸轮机构作为面料纵向进给机构。因为齿轮齿条机构与凸轮机构可以构造一个新的机构，所以简化了机械手的复杂度也减少了凸轮机构空间占有率。因此选择齿轮齿条机构作为面料纵向进给机构。2. 总体机构设计及参数选择2.1基本运动机构设计2.1.1小臂摆动切削机构图4臂摆动切削机构R45=CDBD ； R65=CD + BD 由图4，R45、R65与R18的交点分别是该四杆机构的两个极限位置，两极限位置夹角为78度，符合该机械手设计方案。 2.1.2面料横向进给运动机构机械手在切削运动时，面料在单位时间内横向进给量是恒定，而且面料表层切削完成后的回程动作要快，由以上条件来进行该凸轮的设计。因为横向进给的速度V是匀速的，所以凸轮的推程是等速运动。但是凸轮在起始位置的推程速度就达到V时，加速度a=（v-0）/ t ；则加速度a无穷大。因此凸轮推程起始与结束位置作简谐运动，中间作等速运动。 凸轮机构简图：基圆半径为10mm则推程：简谐运动 s=h(1-cos0)/2v=h(sin0)/(20)a=2h2（cos0）/(22) 等速运动 s=h/0v=h/0a=0 回程：简谐运动 s=h(1+cos0)/2v=-hsin0/(20)a=-2h2cos0/(202) 等速运动 s=h(1-/0)v=-h/0a=0其中最大推程=12cm，1 ：2 =1 ：5 ；即推程角 =60；回程角 =300 2.1.3面料纵向进给运动机构因为面料横向进给运动机构为凸轮机构，可以通过降低机械手内部机构的复杂度，将凸轮机构与齿轮齿条机构结合，形成一个新机构，如图5所示。图5料纵向进给运动机构该机构的矩形螺纹在作旋转运动相当于齿轮，齿距为2mm。该刀削面机械手完成一次面料表层的切削，即凸轮旋转一圈，放置面料板随即抬升2mm，继续切削新一层的裸露面料。2.2主要的参数选择2.2.1齿轮传动如图6，选定的齿轮布置如下：图6轮传动布置图为了方便设计，所有的齿轮统一相同的模数。按图6方案，由电机驱动的锥齿轮a通过整个轮系带动凸轮h旋转。则：注释： d-齿轮直径 m-齿轮模数 z-齿轮齿数 n-齿轮传动比由于： d = m*z则N1:N2= z2: z1 = (d2/m2): (d1/m1)又因为： m1=m2=m3=m4=mn 传动比为： Na : Nb = db: da = 2 : 1 ; Nb : Nd = dd: db = 2 : 1 ; Nd : Nf = Nd : Ne = 6 : 1 ; Nf : Ng = 14:3即： Nd: Ng = 28 : 1（d齿轮即是四杆机构的曲柄）2.2.2刀具切宽、切深由推程角与回程角比是1:2 =1:5得出，1 =60；2 =300该刀削面机械手在面料表层将切削的最大面条数为：28*5/6=24（取整）。由最大推程为12cm，者刀削面面宽最大为12/24=0.5cm；因此刀具的削面宽度最小为5mm，刀具的切深为2mm。2.2.3驱动的选择（1）驱动形式的选择机械手的驱动装置常见的是电力传动、气压传动、液压传动和机械传动等四类基本形式。由于本设计研究的机械手额定负载不大，综合分析后，决定采用电力传动。电力驱动方式具有结构简单、易于控制、使用维修方便、不污染环境等优点。当采用电力驱动方式时，需要根据实际情况对电机进行选择。电机分为四种，步进电机、直流伺服电机、交流伺服电机和三相异步电机。使用直流伺服电机能构成闭环控制，精度高，额定转速高，但价格较高，步进电机驱动成本低，但若高于一定速度就无法启动，并伴有啸叫声。上述电机的功能要求基本上是针对数控加工的，而刀削面驱动装置无需通过脉冲控制，因而使用通用的三相异步电动机。 由于 Na : Nb = da : db = 2 : 1 ; Nb : Nd = db: dd = 2 : 1 ; 则：Na : Nd = 4 : 1 ; 刀削面机械手的小臂摇杆机构摇摆速度即是切削速度。考虑到摇杆机械疲劳强度，摇杆最高速度v为4次/s。不同电机极数的三相异步电动机同步转速如下：2极电机同步转速为3000转/分。4极电机同步转速为1500转/分。6极电机同步转速为1000转/分。8极电机同步转速为750转/分。三相异步电机速度V v*Nd/Na = 16/s= 960转/分；故选择8极三相异步电机。则刀削面机械手的切削速度v = 750/（4*60）=3.125条/秒；（2）功率的确定根据参数，选用额定功率为500W的电机。电机参数如表1：表1电动机参数电动机型号额定功率（W）电动机转速（r/min）堵转转矩最大转矩同步满载Y50L-85007507202.02.22.3运动及动力参数计算2.3.1传动比的分配机械手曲柄总传动比：=4凸轮总传动比=112选择各级传动比如下：圆锥齿轮传动比范围，取一级圆柱传动比二级圆柱传动比三级圆柱传动比2.3.2传动参数的计算（1）各轴的转速n电机轴0的转速：=750r/min1轴的转速：=750r/min2轴的转速：=/=750/2=375r/min3轴的转速：=/=375/2=187.5r/min4轴的转速：=/=31.25r/min5轴的转速：=/=6.7r/min（2）各轴的输入功率P电机轴0的输入功率：1轴的输入功率：2轴的输入功率：3轴的输入功率：4轴输入功率：5轴的输入功率：（3）各轴的输入转矩T电机轴0的输入转矩：6.37Nm1轴的输入转矩：6.3Nm2轴的输入转矩：12.23Nm3轴的输入转矩：23.73Nm4轴的输入转矩：138.15Nm5轴的输入转矩：625.14Nm（4）各轴参数表2所示：表2 轴参数轴名功率P/W转矩T/(N.m）转速n/（r/min）传动比i电机轴5006.37 75011轴4956.30 7502轴480.2512.23 37523轴465.9423.73 187.524轴452.05138.15 31.2565轴438.58625.14 6.728/63.各主要零部件的设计 3.1锥齿传动的设计3.1.1选精度等级、材料和齿数选用直齿锥齿轮传动，速度不高，故选用7级精度材料选择：选取小齿轮材料为45（调质），硬度为280HBS，大齿轮材料为45钢（调质），硬度为240HBS，二者材料硬度差为40HBS。选小齿轮齿数Z115，大齿轮齿数Z2i1Z1215=303.1.2按齿面接触强度设计由设计计算公式进行试算，即）确定公式内的各计算数值（1）试选载荷系数（2）计算小齿轮传递的转矩（3）选取齿宽系数 （4）知齿轮，查得节点区域系数 材料的弹性影响系数（5）按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限，大齿轮的接触疲劳强度极限（6）计算应力循环次数（7）接触疲劳强度寿命系数 （8）计算接触疲劳强度许用应力 取失效概率为1，安全系数为S=1 ）计算（1）试算小齿轮分度圆直径，由计算公式得（2）计算圆周速度（3）模数及主要尺寸的确定 模数：，取分度圆直径： 节锥角：锥距 平均分度圆直径： 齿宽，取 3.1.3校核齿根弯曲疲劳强度（1） 弯曲强度校核公式：（2）确定各参数 平均分度圆处螺旋角，则 查得动载系数1.15 齿向载荷分布系数 使用系数 故 （3）分度圆圆周 （4）齿轮系数YF和应力修正系数YS得 （5）许用弯曲应力可由下式算得可得出弯曲疲劳极限应力小锥齿轮的弯曲疲劳强度极限大锥齿轮的弯曲疲劳强度极限查得寿命系数 查得 ，查得安全系数是 故许用弯曲应力 因此满足齿根弯曲疲劳强度。3.1.4验算1）齿面接触强度验算接触强度寿命系数; 最小安全系数因此齿面强度足够。综上所述，圆锥齿轮参数数据整理如表3所示：表3 圆锥齿轮参数名称符号公式直齿圆锥小齿轮直齿圆锥大齿轮齿数1530模数mm2传动比ii2分度圆锥度，分度圆直径3060齿顶高22齿根高2.42.4齿全高h4.44.4齿顶圆直径，33.58(大端)61.79（大端）齿根圆直径25.6257.85齿距p6.286.28顶隙c0.40.4锥距R33.5433.54齿顶角，齿根角齿顶圆锥角，齿根圆锥角，齿宽11.511.5 3.2圆柱齿轮传动的设计本次总共用到3级圆柱齿轮传动，本次设计中以第2级圆柱齿轮传动为例进行计算，其他各级计算过程类似，不一一列举。3.2.1选精度等级、材料和齿数采用7级精度选择小齿轮材料为40Cr（调质），硬度为320HBS，大齿轮材料为40Cr钢（调质），硬度为300HBS。选小齿轮齿数大齿轮齿数，取3.2.2按齿面接触疲劳强度设计由设计计算公式进行试算，即1） 确定公式各计算数值（1）试选载荷系数（2）计算小齿轮传递的转矩（3）小齿轮相对两支承非对称分布，选取齿宽系数（4）得出材料的弹性影响系数（5）按齿面硬度得出小齿轮的接触疲劳强度极限大齿轮的接触疲劳强度极限（6）计算应力循环次数（7）接触疲劳强度寿命系数 （8）计算接触疲劳强度许用应力取失效概率为1，安全系数为S=1，由式10-12得（9）计算试算小齿轮分度圆直径，代入中的较小值计算圆周速度v计算齿宽b计算齿宽与齿高之比b/h模数齿高计算载荷系数K根据，7级精度，查得动载荷系数假设，由表查得得使用系数.15得得故载荷系数（10）按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径，由式可得（11）计算模数3.2.3按齿根弯曲强度设计弯曲强度的设计公式为（1）确定公式内的计算数值小齿轮的弯曲疲劳强度极限大齿轮的弯曲疲劳强度极限得弯曲疲劳寿命系数 计算弯曲疲劳许用应力取失效概率为1，安全系数为S=1.3，由式得计算载荷系数（2）查取齿形系数得（3）查取应力校正系数 （4）计算大小齿轮的，并比较 大齿轮的数据大（5）设计计算对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的模数m大于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数，可取有弯曲强度算得的模数1.67，并就近圆整为标准值m2mm。按接触强度算得的分度圆直径算出小齿轮齿数取大齿轮齿数取3.2.4几何尺寸计算（1）计算分度圆直径（2）计算中心距 （3）计算齿宽宽度取B2=20mm, B1=20mm圆柱齿轮参数数据整理如表4所示：表4圆柱齿轮参数数据序号名称符号计算公式及参数选择1齿数Z20，1202模数m2mm3分度圆直径40mm,240mm4齿顶高2mm5齿根高2.5mm6全齿高h4.5mm7顶隙0.25mm8齿顶圆直径44mm,244mm9齿根圆直径35mm,235mm10中心距140mm 3.3轴的设计（以中间轴为例）3.3.1 求凸轮轴上的功率、转速和转矩=452.05W=31.25r/min=138.15Nm3.3.2首次确定轴的最小直径首次计算轴的最小直径。选取轴的材料为45钢（调质），根据课本表15-3，取得低速轴的最小值显然是安装联轴器的直径。因轴上有两个键槽，故直径增大5%10%，故3.3.3各段尺寸设计为整个轴直径最小处选=20mm为了满足齿轮的轴向定位，取根据齿轮宽度及综合考虑取=20mm综上，初步确定了轴各个分段直径与长度。3.3.4轴上的周向定位小圆柱齿轮的周向定位采用平键连接，按由课本表6-1查得平键截面键槽用键槽铣刀加工，长为18mm，同时为保证齿轮与轴配合有良好的对中性，故选择齿轮轮毂与轴的配合为；大齿轮的周向定位采用平键连接，按由课本表6-1查得平键截面键槽用键槽铣刀加工，长为18mm，同时为保证齿轮与轴配合有良好的对中性，故选择齿轮轮毂与轴的配合为；滚动轴承与轴的周向定位是通过过渡配合来保证的，此处选轴的尺寸公差为m6。确定轴上圆角和倒角尺寸，参考表15-2，取轴端倒角为。3.3.5轴的校核（1）计算轴上的载荷依照图7可知，画出轴的计算简图，通过从轴的结构图，以及弯矩和扭矩图中可以得出圆柱齿轮位置的中点截面是轴的危险截面。图7 结构图计算出的圆柱齿轮位置的中点截面处的、及的值列于表5：表5 圆柱齿轮载荷水平面H垂直面V支反力F弯矩M总弯矩扭矩T=424.53Nm（2）按弯扭合成应力校核轴的强度根据上表数值和轴的单向旋转，扭转切应力为脉动循环变应力，取 ，轴的计算应力前已选定轴的材料为45钢，调质处理，由课本表15-1查得许用弯曲应力因此故安全。3.4键连接的选择和计算3.4.1输入轴与联轴器的连接轴径，选取的平键界面为，长L=22mm。由指导书表14-26得，键在轴的深度t=2.5mm，轮毂深度1.8mm。圆角半径r=0.2mm。查课本表6-2得，键的许用应力。 满足强度要求。3.4.2中间轴轴与圆柱齿轮的连接轴径，选取的平键界面为，长L=18mm。由指导书表14-26得，键在轴的深度t=3.0mm，轮毂深度2.3mm。圆角半径r=0.2mm。查课本表6-2得，键的许用应力。 满足强度要求。3.4.3凸轮轴轴与凸轮的连接轴径，选取的平键界面为，长L=18mm。由指导书表14-26得，键在轴的深度t=4.0mm，轮毂深度3.3mm。圆角半径r=0.3mm。查课本表6-2得，键的许用应力。 满足强度要求。总 结大学时光就要结束了，在最后阶段的紧张实践学习中，我的综合能力得到了很大的提高。削面机械手削面机构这一课题，涉及了多方面学科的知识，是非常重要的课题。在整体的设计中，对产品机械结构设计也有了进一步的认识。本次设计，在原有的基础上加了一点创新，融入了我很多新的构想，然而由于实践经验的缺乏，本次设计还有很多的不足之处，请指正。参考文献1 数字化手册编委会. 机械设计手册（新编软件版）2008.化学工业出版社2 朱龙英. 机械设计基础 北京：机械工业出版社 20103 林清安. 完全精通Pro/Engineer综合教程 北京：电子工业出版社 20094 寇尊权. 机械设计课程设计 北京：机械工业出版社 20115 孙士保. AutoCAD2008中文版应用教程 北京：机械工业出版社 20136 京玉海.机械制造基础 重庆大学出版社，2007.57 邱家骏.工程力学 机械工业出版社，2007.118 张建中.机械设计基础 高等教育出版社，2007.89 吴宗泽. 机械设计师手册M. 机械工业出版社， 2002 10 成大先. 机械设计图册M. 化学工业出版社， 2002 11 王玉新. 机构创新设计方法学M（第一版）. 天津大学出版社， 1996 12 张建民. 工业机器人BM. 北京理工大学出版社，1992 13 马香峰. 机器人结构学B M . 机械工业出版社，1991 14曲忠萍. 国外工业机器人发展态势分析J. 机器人技术与应用， 2001，（02）15 徐学林. 互换行与测量技术基础M. 湖南大学出版社， 2005致 谢临近毕业，我要对在生活学习中给予我支持和鼓励的各位老师和同学致以深深的感谢。我要感谢我的指导老师李玉娟，老师深厚的理论知识与诲人不倦的精神更给予我许多无私的关心和帮助，使我深受感动。我要特别感谢我的母校，为我提供了良好的学习环境，使得我顺利完成学业，感谢学校的支持和鼓励，这是我所有信念的力量源泉。27