2024 4-10Kg汽配活塞自动化浇注系统取液装置设计
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XX 大学 XX 学院毕业设计说明书题 目: 4-10Kg 汽配活塞自动化浇注系统取液装置设计 专 业: 机械设计制造及其自动化 学 号: XX63237 姓 名: XX 指导教师: XX 教授 完成日期: 2012 年 5 月 XX 大学 XX 学院毕业论文(设计)鉴定意见学号: XX63237 姓名: XX 专业: 机械设计制造及其自动化 毕业论文(设计说明书) 33 页 图 表 8 张论文(设计)题目:4-10Kg 汽配活塞自动化浇注系统取液装置设计 内容提要: 机械机构完成了以下动作:首先,从熔炉顶部下降到底部的垂直方向的运动,此距离大约为 1.5 米,可采用天线式的伸缩臂完成;另外,要完成容器舀进熔液的过程,此过程为机构的旋转运动。机械手需要完成的动作:首先要与机械机构完成交换动作,用夹紧装置,然后整个机械手臂作旋转运动,旋转至浇铸口的上方(此高度为已经调节好的浇铸高度,不需要完成上下移动过程) ;接着完成浇铸液的倾倒过程,采用与舀熔液时的同样的旋转机构完成。根据任务要求,应设计出一个自动浇注系统。立柱的升降通过齿轮齿条传动实现,用电机带动齿轮的转动而通过齿条变成直线运动从而可以让机构上升下降。浇注杯一端用连接杆吊起来同时可以实现转动,另一端通过拉杆实现浇注杯的倾倒和盛液过程;拉杆是通过滚珠丝杆把转动转化为直线运动,电机通过联轴器带动滚珠丝杆转动,滚珠丝杆就将转动变成杆的上下直线运动。这样可以简化整个过程, 维修也更容易,用两个不同电机实现把铝液从熔炉里面盛出来,再通过机械手将液体倾倒到浇注模里面。指导教师评语XX 同学在本次毕业设计过程中,态度端正,并对毕业设计任务作了认真的理解与分析,查阅了自动浇注系统相关资料,提出了一个可行的方案。在此基础上,基本完成了自动浇注系统机构的设计。其主要工作有:一,查阅资料确定总体方案;二,撰写设计说明书,确定自动浇注系统的机构等各方面设计细节;三,绘制二维以及三维图纸。在设计过程中,其理论知识稍有欠缺,图纸质量一般,工作量较大,论文立论正确,论述清楚。同意参加答辩。建议评定成绩为中等。指导教师: 年 月 日答辩简要情况及评语根据答辩情况,答辩小组同意其成绩评定为答辩小组组长: 年 月 日 答辩委员会意见经答辩委员会讨论,同意该毕业论文(设计)成绩评定为答辩委员会主任: 年 月 日 XX 大学 XX 学院毕业论文(设计)任务书论文(设计)题目: 4-10Kg 汽配活塞自动化浇注系统取液装置设计 学号: XX63237 姓名: XX 专业: 机械设计制造及其自动化 指导教师: XX 教授 系主任: XX 教授 一、主要内容及基本要求主要内容: 1、熟悉自动浇注系统工作装置的结构特点和工作原理,并分析总结自动浇浇注系统工作装置的性能要求以及设计原则。 2、根据自动浇注系统性能参数设计和计算工作装置的作业范围(包括最大 降落 深度,最大上升高度,最大提升力等) 。 3、对工作装置进行运动学分析以及结构设计,画出二维图纸,并校核。 4、用 Pro/E 建立梁、立柱、浇注桶的三维模型。 基本要求: 1、设计说明书一份,要 8000 字以上。 2、提交 CAD 图纸(浇注系统装配图、工作装置主要构件的装配图) 。 3、提交 Pro/E 三维模型。 二、重点研究的问题通过查找与整理大量自动浇注系统工作装置三个主要构件(梁、立柱、浇注桶)的资料,查阅相关文献资料了解自动浇注系统过程和设计参数,在此基础上设计出一套自动浇注系统。进一步熟练使用 proe 或其他三维制图软件,设计三模型,得到自动浇注 系统结构设计部分的装配图和若干关键零件的 设计图。合理确定钢板厚度以保证工作 装置各构件能满足强度和刚度要求。 三、进度安排序号 各阶段完成的内容 完成时间1 查阅相关资料 第一周2 查阅浇注系统工作装置相关论文及书籍 第二周3 整理所查阅的工作装置资料 第三、四周 4 确定大致总体设计方案 第五周5 工作装置基本尺寸确定 第六、七周6 PRO/E 三维建模 第八周7 CAD 图纸绘制 第九到十一周8 制作设计说明书 第十二周9 答辩 第十三周四、应收集的资料及主要参考文献1保克坦、高尔宾科、卡士林等.铸造生产自动化装置与系统M.机械工业出版社 1986. 2李魁盛、马顺龙、王怀林.典型铸造工艺设计实例M.机械工业出版社,2006. 3鲍风雨.自动化设备及生产调试与维护M.机械工业出版社,2007. 4张建明.机电一体化系统设计 第 3 版M.高等教育出版社,2010. 5落迎社.材料力学M.武汉理工大学出版社,2007. 6濮梁贵、纪明刚.机械设计M.高等教育出版社,2010. 7孙桓、陈作模.机械原理M.高等教育出版社,2010. 8成大先.机械设计手册单性本减速器M.化学工业出版社,2004. 9成大先.机械设计手册单性本机械传动M.化学工业出版社,2004. 10成大先.机械设计手册单性本机架设计M.化学工业出版社,2004. 11成大先.机械设计手册单性本电机与电器M.化学工业出版社,2004. XX 大学 XX 学院毕业论文(设计)评阅表学号 XX63237 姓名 XX 专业 机械设计制造及其自动化 毕业论文(设计)题目: 4-10Kg 汽配活塞自动化浇注系统取液装置设计 评价项目 评 价 内 容选题1.是否符合培养目标,体现学科、专业特点和教学计划的基本要求,达到综合训练的目的;2.难度、份量是否适当;3.是否与生产、科研、社会等实际相结合。能力1.是否有查阅文献、综合归纳资料的能力;2.是否有综合运用知识的能力;3.是否具备研究方案的设计能力、研究方法和手段的运用能力;4.是否具备一定的外文与计算机应用能力;5.工科是否有经济分析能力。论文(设计)质量1.立论是否正确,论述是否充分,结构是否严谨合理;实验是否正确,设计、计算、分析处理是否科学;技术用语是否准确,符号是否统一,图表图纸是否完备、整洁、正确,引文是否规范;2.文字是否通顺,有无观点提炼,综合概括能力如何;3.有无理论价值或实际应用价值,有无创新之处。综合评价论文选题符合培养目标要求,能体现学科专业特点,达到了综合训练的目的。该生具文献查阅、资料综合归纳整理能力一般,在设计中能够较熟练运用所学知识,设计方案可行,工作量较大,论文质量中等。同意参加答辩。评阅人: 2012 年 5 月 日 目 录摘要 .1Abtract.2第一章 绪论 .31.1 自动浇注系统的发展现状 .31.2 自动浇注系统工作装置简介 .41.2.1 机械手设计方案 .41.2.2 取液装置方案设计 .6第二章 总体方案设计 .72.1 工作装置构成及工作原理 .72.2 工作装置各部分方案选择 .82.2.1 拉升装置种类选择 .82.2.2 滚动螺旋传动主要特点 .82.2.3 液压控制系统的优缺点 .92.2.4 气动控制系统的优缺点 .92.2.5 滑动螺旋传动主要特点 .92.2.6 上升装置布置方案选择 .112.2.7 丝杠的优缺点 .112.3 设计基本参数以及设计作业范围 .12第三章 机架设计 .143.1 机架的结构设计 .143.2 梁的形状尺寸 .153.3.1 用正应力强度条件选择工字梁的型号 .173.3.2 校核梁的剪应力强度 .173.3 浇注杯大小计算 .20第四章 齿轮齿条设计计算 .214.1 齿轮设计计算 .214.1.1 选定精度等级、材料及齿数 .214.1.2 按齿面接触疲劳强度设计 .214.1.3 按齿根弯曲强度设计 .234.2 齿轮几何尺寸的计算 .25第五章 轴的设计 .265.1 初步确定轴的最小轴径 .265.2 轴的结构设计 .265.3 轴的强度校核 .265.3.1 求轴上载荷 .285.3.2 按弯扭合成强度条件校核轴的危险面 .285.4 轴承寿命计算 .29总结 .31参考文献 .32致 谢 .33 1410Kg 汽配活塞自动化浇注系统取液装置摘要:针对目前自动浇注的现状,根据现代机械控制系统的技术,提出了自动浇注系统方案;为了使自动浇注系统和铸型机相匹配,并达到熔体低氧化的目标,对浇筑系统进行了各方面的考虑,分别是系统的功能设计,机械传动机构设计;系统操作简便,自动化程度较高。本文根据自动浇注系统装置的结构特点,工作原理以及对典型工况的分析,总结了自动浇注系统装置性能要求和设计原则 ,然后对其各主要构件进行了方案选择,并确定各铰点之间的距离,用 CAD 软件绘出其连杆模型。接着根据连杆模型并结合其他机械设计知识画出工作装置的二维图纸,最后根据图纸上的具体结构尺寸对工作装置的主要部件进行校核。关键词:自动浇注系统;工作装置;运动学分析;结构设计 2The structural design of the Automatic pouring systemAbtract:For the current status of Automatic pouring system, According to the modern mechanical control system technology, Proposed Automatic pouring system solutions; In order to let Automatic pouring system macth Casting machine, And achieve the goal of the low oxidation of the melt, Consideration of all aspects of the pouring system,such as The functional design of the system, Mechanical transmission design;System easy to operate , Has a high degree of automation .Based on the structural characteristics of the gating system devices, operating principles and typical operating conditions of the analysis, summary of the automatic pouring device performance requirements and design principles, and its major component of the program to select and determine between the hinge pointsdistance from the connecting rod model drawn with CAD software. Then, according to the linkage model in combination with other mechanical design knowledge to draw two-dimensional drawings of the working device, check the last of the main components of the working device according to the specific structure of size on the drawings.Key words:Automatic pouring system; working device; kinematic analysis; structural design 3第一章 绪论1.1 自动浇注系统的发展现状最近十几年,国内外铸造生产自动化有了较快的发展。各种自动检测装置、调节装置、自动记录装置、打印显示等已经在铸造生产中广泛应用,尤其是自动线也不断涌现。机械人与浇注系统尽管实行了平台战略、系列制造、组件家族以及标准化,但是在汽车制造业中,许多构件仍有很多不同的种类,这些组件需要经济合算地进行制造,并应几十供货到位。位于慕尼黑附近属于 GE 汽车公司的加兴市 Georg Fischer GmbH 公司也面临这样的问题,该公司是砂箱铸铝的专业厂家。迄今位置,液态金属都是从贮料炉中经浇注斜槽进入砂箱。当需要转换到别的砂箱时改装的时间相对较长。只有经验丰富的铸造工人才能对浇注斜槽和所需要的溶液进行正确的调整。而且,浇注时助手们必须监视浇注过程,并反复清理浇注斜槽。但是浇注斜槽上的功能故障和维护工作又影响制造的经济效益、生产率和灵活性。另一方面,浇注斜槽的功能取决于人的因素,这也很容易影响到铸件的质量。国外有 Flex-Cast 浇注系统,加兴人在 FAI 型模型和铸造设备上的工作就灵活多了,经济效益也有很大的提升。这种浇注系统是 Bad Saeckingen 市 Robotec Engineering GmbH 公司的专家们研制的。该系统是由一个曲臂结构的机器人将所需要的溶液浇注到型箱里。根据尺寸的大小不同,为此设置的浇注勺可盛液态金属,并且可以借助快速夹紧系统进行快速更换。Flex-Cast 浇注系统浇注轴保护温度敏感的部件,如用于驱动回转运动的伺服电机,可以保护它不被炽热的溶液所损坏。此外,它还负责将浇注勺精确回转到从保温炉中提取液态金属以及将液态金属浇注到型箱中的位置上。借助于两根连杆和偏心轴,运动过程几乎与温度无关,而且毫无间隙。运动的精确到位以及定位和计量德高精度都与此紧密相联。可以测到的误差小雨 1%。其次,连杆传动装置的刚性很强,可以长时间无需维护并且没有磨损。传动装置持续润滑,并且用钢制外壳加以保护,使之不受外界环境温度的影响。因此即使在恶劣的环境影响下,也可以可靠的进行工作。利用工业机器人进行浇注有许多优点。首先它保证了高度的灵活性。 4机器人的运动借助一套为此而研发的软件进行编程和控制。这些软件是由Robotec Engineering GmbH 公司的专家们编制的。该公司有员工 30 人,主要从事铸造车间手工操作和自动化技术方案的研究。这些软件可以不需要具备编程知识就能使铸造过程参数化。在一个键盘敏感的图形屏幕上,只需要输入用于工业机器人运动的参数就可以了。除了起动位置之外,其中还包括浇注勺进入到溶液的深度,回转的速度以及浇注勺在浇注型箱是的角度位置。控制装置将一次性调好的参数作为数据组保存在数据库里。这样,数据在重复使用时就可以通过按键自动调出和接收。这样就将机器人的安装费用减少到最小程度,并确保了浇注时的高度灵活性。此外,浇注机器人好可以同另一台机器人连接,这太机器人可以在型砂中钻出浇口和进斜口。了解这一过程就可以减少模型和浇注设备的安装的时间,一旦更换到别的铸件上时,浇注机器人会自动接收浇口的位置,这样就避免了转移错误。结果是达到了高度的过程安全性,而且即使浇口和进斜口发生变化时过程也非常安全。数据精活网络保存在中央数据库和浇注机器人的控制装置里面,然后由机器人自动纠正浇注溶液的位置。这样就保证了参与浇注的所有设备部件都能按当前的数据进行工作。这就避免了浇注错误和设备停工停产。加兴市的型砂铸铝工以这样的方式获得了灵活性,同时也大大提高了过程的安全性以及铸造的质量。国内大多数金属浇注件仍然采用人工的方式,其劳动强度大,生产效率低,成本高,产品质量参次不齐,已经严重的影响我国浇注件的发展。我国部分企业也尝试采用浇注自动化系统进行生产加工,其中也包括铸造生产广泛采用了电子计算机、机械手、机器人,显著的扩大了人们对自动化对象的认识,以及对这些对象直接控制的可能性,但是尚未有一套成熟的浇注工艺可循,因此有必要对浇注方式进行改进,关键是通过自动化完成劳动强度高、精度控制要求高的环节。降低生产成本,提高产品的精度。因此有必要设计一套具有布局合理、自动化程度高、合金元素烧损少、成品质量高、性价比等特点的浇注系统。 51.2 自动浇注系统工作装置简介1.2.1 机械手设计方案本设计采用独立的两个机械部分,分两道工序完成整个的浇铸过程(如下图):首先采用机械装置,将浇铸液从熔炉中舀出来,提升到与熔炉顶部相同的高度,然后与机械手进行换手操作,机械手(自设计)装置则来完成剩余的浇铸任务,所有动作根据 PLC 编程来完成,可控制运动轨迹与运动的精度。其中浇铸的机械手可有以下两个方案设计:图 1-1:机械手一 6图 1-2 机械手二1.2.2 取液装置方案设计图 1-3 取液装置 7各机械装置的功能实现:取液装置一需要完成的动作:首先机械机构要完成升降杆的动作,要保证上升时的位置精度,可靠性;其次,从熔炉顶部下降到底部的垂直方向的运动,此距离大约为 1.5 米,可采用伸缩臂完成;另外,要完成容器舀进熔液的过程,此过程为勺的旋转运动。机械手需要完成的动作:首先要与机械手一完成换手动作,采用同样的夹紧装置,然后整个机械手臂作旋转运动,旋转至浇铸口的上方(此高度为已经调节好的浇铸高度,不需要完成上下移动过程) ;接着完成浇铸液的倾倒过程。 8第二章 总体方案设计2.1 工作装置构成及工作原理图 2-1 工作装置组成图其中 1-立杆;2-卡槽铁条;3-齿轮;4-齿条;5-升降杆;6-肋板;7-螺帽;8-工字梁;9-拉升装置;10-拉板;11-活动架;12-浇注杯图 1 为自动浇注系统工作装置基本组成及传动示意图,如图所示拉升工作装置由小型电动机、联轴器、滚珠丝杆、套筒、直线轴承等组成。立杆固定在地面上,齿轮通过轴、轴承固定在平台上,整个机构的上升下降通过齿轮齿条的运动来实现,为了在齿条下面装一个感应器当要超出的时候控制电机停止上升,拉升装置通过电机连接联轴器再通过滚珠丝杆将旋转运动变为直线运动,最后实现对浇注杯倾倒和盛液过程。 92.2 工作装置各部分方案选择2.2.1 拉升装置种类选择拉升装置是自动浇注系统工作装置的主要部件,一般可以采用滚动螺旋、液压装置、气动装置和滑动螺旋传动。各种方式的优缺点如下:2.2.2 滚动螺旋传动主要特点1)传动效率高达 0.90.8,平均为滑动螺旋的 23 倍,可节省动力 1/23/4,有利于主机的小型化及减轻劳动强度;2)摩擦力矩小,接触刚度高,使温升及热变形减少,有利于改善主机的动态特性和提高工作精度;3)工作寿命长,平均可达滑动螺旋的 10 倍左右;4)传动无间隙,无爬行,运动平稳,传动精度高;5)具有良好的高速性能,其临界转速之 dn 值(d 为轴径,mm;n 为转速,r/min)可达 400000 以上,可实现线速度 120m/min 的高速驱动;6)具有传动的可逆性,既可以把选装运动变成直线运动,也可以把直线运动变成旋转运动,且逆传动效率与正传动效率相近;7)已经实现系列尺寸标准化,并出现了冷轧滚珠丝杠,提供了多用途的廉价产品,应用与精度要求不很高的场合,节能并延长寿命;8)不能自锁;9)抗冲击振动性能较差;10)承受径向载荷的能力差;11)结构复杂,成本较高(但结构比静压螺旋简单且维修简单) 。 102.2.3 液压控制系统的优缺点1)液压控制用油液作为工作介质,故能把由于功率的损耗而产生的热量,从发生的地方带到别处,这样在一定的功率情况下,可以大大减小部件的尺寸;2)从负载的影响看,液压系统具有机械上的刚性,用在闭环系统中,定位刚度较大,位置误差较小;3)与机械机构相比,液压执行器的响应速度较高,能高速启动、制动与反向,同时其力矩惯量比也较大,因而其加速能力较强;4)液压传动易实现无级调速,具有自身润滑等优点。5)容易漏油,因而会影响运动的平稳性,并使效率降低;6)油液被尘埃或流体截止中其他杂质污损后,会造成液控系统发生故障;7)油液具有易燃性,有引起爆炸的危险;8)液体粘度受温度影响,使供油量和执行机构的运动速度不稳定;9)油液中有空气会引起工作机构的不均匀跳动;10)就处理小功率信号的数学运算、误差检测、放大、测试与补偿等功能而言,液压装置不如电子或机电装置那样灵活、线性、准确和方便,因而在控制系统的小功率部分,一般不宜采用,主要应用于系统的动力部分。2.2.4 气动控制系统的优缺点1)气动控制与液压控制相比,动作迅速、方便;2)使用的元件和工作介质成本低,便于现有机器设备的自动化改装,近年在国际上得到很大发展,成为热点之一。3)运动不平稳;4)有噪音;2.2.5 滑动螺旋传动主要特点1)结构简单,加工方便,成本低廉;2)当螺纹升角小于摩擦角时,能自锁; 113)传动平稳;4)摩擦阻力大,效率较低,仅在 0.30.5 之间,自锁时低于 0.5,常在0.30.4) ;5)螺纹间有侧向间隙,反向时有空行程,定位精度及轴向刚度较差;6)磨损快;7)低速微调时可能出现爬行。滑动螺旋传动计算:选螺杆转动,螺母作直线运动,使用梯形螺纹d20.8(F/P p) 取 =2.5, Pp=8, F=160Nd 2=3螺母高度:H 1=0.5P根据梯形螺纹(GB5796-1986)取 P=2;H 1=1螺母高度 H=4d2=2.53=7.5旋合圈数 n=H/P=7.5/2=3.75综合上述各种方案的比较,选取滚动螺旋传动符合设计要求。 12图 2-2 滚动螺旋传动2.2.6 上升装置布置方案选择上升装置是自动浇注系统工作装置的主要部件,一般可以采用齿轮齿条传动、丝杆传动和液压系统传动。1、齿轮齿条优缺点:1)齿轮齿条,承载力大,传动精度较高,可达 0.1mm;2)可无限长度对接延续,传动速度可以很高,2m/s;3)若加工安装精度差,传动噪音大,磨损大。4)典型用途:大版面钢板、玻璃数控切割机,建筑施工升降机可达 30 层楼高。2.2.7 丝杠的优缺点1)普通梯形丝杠可以自锁,这是最大优点; 132)传动效率低下,所以不适合高速往返传动;3)时间久了传动间隙大,回程精度差,用在垂直传动较合适;4)滚珠丝杠不能自锁,传动效率高,精度高,噪音低,适合高速往返传动;5)水平传动时跨距大了要考虑极限转速和自重下垂变形,所以传动长度不可太大,要么改用丝母旋转丝杠不动,但还是不能太长,要么就用齿轮齿条;6)典型用途:数控机床,小版面数控切割机。综上所述选取齿轮齿条传动符合自动浇注系统的要求。图 2-3 齿轮齿条传动2.3 设计基本参数以及设计作业范围基本参数为:(1)浇铸平台概况:总工作台长度约 13 米,宽度约 6 米,高度 1.5 米,浇铸熔炉与浇铸模具分别位于浇铸平台两侧,分别有四个,前端有一个两浇铸口的模具。机械手工作半径大概 3 米,预设计机械手管两个浇铸熔炉与模具之间的浇铸,一个浇铸平台上预计安装两套工作装置。(2)机器手的性能参数,机械大臂长度尺寸 0.9 米,小臂与 0.6 米,设计转动半径1.5 米,机械手下降高度稍小于熔炉深度,约为 1.2 米;大臂与中臂总垂直上升高度为 1.5 米,机械手换手以后能够完成熔液倾倒的功能,旋转角 14度设计为 60 度。(3)浇铸容器参数,容器预设计为杯状,容器大小可完成 8 公斤的熔液体积,可设计通用容器,按照铝的密度 2.7g/cm3 计算,8 公斤铝的体积约为 3 升,故设计容器体积为 6 升。(4)机械手夹紧力与电机功率参数,此参数根据容器的大小,以及所要铸造的活塞的质量来决定,现在以最大的情况来分析。从舀出熔液到完成浇铸的过程,时间应控制在 15 秒以内,而垂直高度最大约为三米,两个机器手臂旋转角度分别设计为 180,上下运动速度,旋转速度将在方案落实以后进行设计计算。 15第三章 机架设计3.1 机架的结构设计设计的一般要求:(1) 机架的重量轻,材料选择合适,成本低。(2)结构合理,便于制造。(3)结构应使机架上的零部件安装、调整、修理和更换都方便。(4)结构设计合理,工艺性好,还应该使机架的本身的内应力小,由温度变化引起的变形应力小。(5)抗振性能好。(6)耐腐蚀,使机架结构在服务期内尽量少修。根据设计要求和准则初步确定机架结构的形状和尺寸图 3-1 机架结构 163.2 梁的形状尺寸图 3-2 工字梁结构尺寸3.3 梁的设计和计算 铝液的质量 m 铝=8kg电动机的质量 m 电=8kg拉升装置质量 m 拉 =8kg其他杆件质量 m 杆 =6kg机构的受力情况:根据外力平衡公式和力矩平衡公式有:Fa+Fb=G=( m 杯+m 铝)gFaLaFbLb =0而 La=10(mm),Lb=8(mm)Fa=1600/3(N ) Fb=2000/3(N)Fc=Fb+G 电=2000/3+80101500(N)均布载荷 q=(Fa+Fc)/L=(1500+600)/1.5=1400(N/mm) 17扭矩 M=1/2qa+1/2qb=1/21400(1.5+1.35)=2850(N.mm)图 3-4 钢架的弯矩图图 3-5 钢架的弯矩图 183.3.1 用正应力强度条件选择工字梁的型号选择热轧槽工字钢许用应力=160MPa=100MPa梁的最大弯矩如图:图 3-6 梁的弯矩图Mmax=285N.m由梁的正应力强度条件max=Mmax/Wz可求得槽钢量的抗弯截面模量为Wz Mmax/=285/160010 6=178cm3查材料力学P 309 的型钢表知,选 20a 工字梁,其 Wz=237cm33.3.2 校核梁的剪应力强度当截面上剪应力最大时,最大剪应力为Qmax=RA=P查材料力学P 309 的型钢表可知 20a 工字钢的腹板 d=7mm,I z/Sz*=17.2cmmax=Q/(dI z/Sz*)=103/(4.510-317.210-2)=12.9(MPa)因此,选择 20a 工字钢是合适的 。 193.3.3 计算螺栓直径在横向载荷 P 的作用下,梁的横截面上的剪力 Q=P,截面中性轴上的最大剪应力可由公式求得:MPa425.015.32max AQ根据剪应力互等定理,中性层上亦必有与 数值相等的剪应力 。因此,max中性层上的剪力为N1450.351042.6 AQ梁柱结合面的剪力将由两个螺栓承担,使螺栓发生剪切变形。由螺栓的剪应力强度条件242dQA可求得螺栓的直径为mm04.31526Qd即螺栓的直径不应小余 3.04mm3.3.4 上升杆设计计算 20图 3-7 上升杆的结构尺寸图材料的许用拉应力 =30MPa,许用压应力 =60MPa,载荷 P=1KN,立柱的tc截面尺寸如上图所示。(1)截面的几何性质计算根据截面尺寸计算出上升杆的横截面积 A,截面行心位置 及截面对行心主惯0z性轴 y 轴的主惯性矩 Iy 分别为A=15 10-3m2, z0=75cm, Iy=5312.5cm4(2)外力分析 21图 3-8 上升杆弯矩图P=1kNMe=1 103 (30+75) 10-2=1.05KN m(3)内力分析沿上升杆的任意截面假象切开,考虑其上段部分的平衡,知截面上有轴力 N 和弯矩 My 且N=P=1KNMy=Me=1.05KN m可见偏心拉缩时,横截面上的弯矩沿轴线值不变。因此空心那一段为危险截面。(4)强度计算在横截面上的。轴力 N 产生均匀分布的正应力为PaA431067.150与弯矩 My 对应的正应力沿 z 轴线性分布,并由公式yYI0计算。最大弯曲拉应力和压应力是MPaIzyt 8.1405.3127.820max 叠加以上两种应力后,在截面的内侧边缘上发生最大拉应力,且att 47.18.67.maxax 故上升杆满足强度条件 223.3 浇注杯大小计算由于容积为 6L根据经验取 h=240mm,r=90mm杯子质量 m 杯 =4kg 23第四章 齿轮齿条设计计算4.1 齿轮设计计算4.1.1 选定精度等级、材料及齿数 确定齿轮类型因为该对齿轮无须承受轴向力,故选齿轮均为标准直齿圆柱齿轮齿条。 材料选择齿轮材料为 40Cr 调质,硬度为 255265HBS;齿条材料为 45 钢调质,硬度为215225HBS 二者硬度差为 3050HBS,这样有利于提高两个齿轮的寿命 自动升降为一般工作机器,速度不高,选用 7 级制造精度 齿轮齿数为 35,齿条齿数为 604.1.2 按齿面接触疲劳强度设计由设计计算公式 10-9a 进行试算即:d 2.32t132Hdu1EZKT)( 确定公式中的各计算数值:a、 由设计对象知外啮合时公式中的正负号取正号b、 对于直齿圆柱齿轮,试选 K =1.3tc、 计算齿轮的转矩:T= 其中 P=6.17Kw;n= =29r/minnP6105.91n代入数据得:T = =203184Nmm12917.605.d、 根据齿轮的装置状况,查机械设计表 10-7 中选取齿宽系数 =0.7de、 根据配对齿轮的材料类型为锻钢-锻钢,由机械设计表 10-6 查得的弹 24性影响系数 Z =189.8 。EMPaf、 由机械设计图 10-21d 中并按齿面硬度查得齿轮的接触疲劳强度极限=700MPa;齿条的接触疲劳强度极限 =550MPalim1H 2limHg、 由机械设计式 10-13 计算应力循环次数得:(假设采用两班制,工作寿命为 15 年)N =60 n jL =602912830015=1.251081hN = =1.25108205.8h、根据齿轮的材料、热处理方法及应力循环次数查机械设计中图 10-19 取齿轮的接触疲劳系数 K =0.88;齿条的接触疲劳系数为 K =0.891HN 2HNi、计算接触疲劳许用应力:取失效概率为 1%,对接触疲劳强度计算,由于点蚀破坏发生后只引起噪声、振动增大,并不立即导致不能继续工作的后果,故安全系数 S=1。由机械设计中式 10-12 得:= = =616MPa1HSKHN1lim70.8= = =490MPa22li59. 计算:a、试算齿轮分度圆直径 ,代入 与 中较小的值:t1d2H12.32 = 2.32 = t1d32HduEZKT)( 3 22107.8.9284.)(64.32.32=149.3mm取 =350mmt1db、计算圆周速度为 V:V= = =0.23m/s106nt106293.4 25c、计算齿宽:b= d =0.4149.3=59.72mmt1d、计算齿宽与齿高的比: f(3)模数 = = =10tm1tZ350齿高 h=2.25 =2.2510mm=22.5 mmte、计算载荷系数:根据齿轮 V=0.22m/s,且齿轮精度等级为 7 级,由机械设计图 10-8 查得动载系数 K =1.02;V对直齿轮有 = =1;HF由机械设计表 10-2 查得使用系数 K =1.25;A由机械设计表 10-4 并且运用插值法查得对于 7 级精度,且齿轮做对称布置时,取 =1.25;HK由 =15.6, =1.25 查机械设计图 10-13 得 =1.26;hb F故载荷系数 K= K K =11.0211.25=1.275AVHf、按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径:由机械设计式 10-10a 得:d = d =350 =344.7mm1t3tK31.2751.3g、 计算模数 m:= = =10mmZ3504.1.3 按齿根弯曲强度设计由机械设计式 10-5 得弯曲强度的设计公式为: 26m 321daFSZYKT 确定公式中的各个计算数值:a、由机械设计 图 10-20c 查得齿轮的弯曲疲劳强度极限 =500MPa1FE齿条的弯曲疲劳强度极限 =400MPa2FEb、根据齿轮材料类型、热处理方法及应力循环次数由机械设计图 10-18 中取弯曲疲劳强度寿命系数 =0.87, =0.91FNK2FNc、计算弯曲疲劳许用应力对于弯曲疲劳强度来说,一旦发生断齿就会引起严重的事故,故取弯曲疲劳安全系数 S=1.4由机械设计式 10-12 得:= = =310MPa1FSKFEN14.8705= = =257MPa2FFE2.9d、计算载荷系数 K由前面查得的数据并代入表达式得:K= K K =11.0211.25=1.275AVFe、查取齿形系数 和应力校正系数 :aYaSY查机械设计表 10-5 取 =2.45, =1.65a1F2F查机械设计表 10-5 取 =2.06, =1.97SaSf、计算齿轮齿条的 ,并加以比较:aFY= =0.0131aFSY2.451.65310= =0.01582aFS2.061.97257 27由上述计算值知齿条的数值更大 设计计算:m = mm=2.23mm32daFSZYKT321.2750.015820318441352对比以上两种设计方案的计算结果,由齿面接触疲劳强度计算的模数大于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数,由于齿轮模数的大小主要取决于弯曲疲劳强度所决定的承载能力,可取由弯曲疲劳强度所算得的模数 2.23 mm 并就圆整为标准值为 3mm,但是由此模数算得的 d=mZ=335=105 mm 小于接触疲劳强度所算得的 d=350mm,将 m 取为 10 能满足接触疲劳强度。所以应该由此得到齿轮模数为 104.2 齿轮几何尺寸的计算 计算分度圆直径:d= mZ =1035=350 mm1 计算齿轮宽度:b= =160=60 mm1d为了防止齿轮因装配误差产生轴向错位导致啮合齿宽减小而增轮条单位齿宽的工作载荷,所以将齿轮齿宽在圆整的基础上人为地加宽 5mm,取 B =60mm,B2=65mm1根据以上计算结果,保证齿轮与轴不发生干涉,并在满足强度要求的前提下尽量使结构紧凑,将各齿轮模数及齿宽进行调整,调整后齿轮尺寸如下:齿轮:齿数 z=35 齿宽 b=60mm 分度圆直径 D=350mm齿条:齿宽 b=65mm 长度 l=940mm 28第五章 轴的设计5.1 初步确定轴的最小轴径轴的材料为 45 钢,调质处理,根据机械设计表 15-3,取 =97。于是得:0Ad min=A0 =97 =57.9mm3P5n5 36.17295.2 轴的结构设计1、轴从左到右依次安装有联轴器、端盖、滚动轴承、直齿轮、滚动轴承、端盖。各部分尺寸如图 4-1。图 5-1 轴的结构示意图5.3 轴的强度校核1、轴的载荷分析图如图 4-7。(a) 29(b)(c)(d)(e)图 5-7 轴的载荷分析图 305.3.1 求轴上载荷轴的受力分析如图 4-7(a)所示:T=2031840N.mmFt= = =5410NdT27503184Ntran水平面受力与弯矩如图 4-7(b)所示:21NHrFNCDBrNH310457NHr12mFMH 852026.45垂直面受力与弯矩如图 4-7(c)所示:21NVtNCDBFtNV 2 XX 大学 XX 学院毕业设计说明书题 目: 4-10Kg 汽配活塞自动化浇注系统取液装置设计 专 业: 机械设计制造及其自动化 学 号: XX63237 姓 名: XX 指导教师: XX 教授 完成日期: 2012 年 5 月 XX 大学 XX 学院毕业论文(设计)鉴定意见学号: XX63237 姓名: XX 专业: 机械设计制造及其自动化 毕业论文(设计说明书) 33 页 图 表 8 张论文(设计)题目:4-10Kg 汽配活塞自动化浇注系统取液装置设计 内容提要: 机械机构完成了以下动作:首先,从熔炉顶部下降到底部的垂直方向的运动,此距离大约为 1.5 米,可采用天线式的伸缩臂完成;另外,要完成容器舀进熔液的过程,此过程为机构的旋转运动。机械手需要完成的动作:首先要与机械机构完成交换动作,用夹紧装置,然后整个机械手臂作旋转运动,旋转至浇铸口的上方(此高度为已经调节好的浇铸高度,不需要完成上下移动过程) ;接着完成浇铸液的倾倒过程,采用与舀熔液时的同样的旋转机构完成。根据任务要求,应设计出一个自动浇注系统。立柱的升降通过齿轮齿条传动实现,用电机带动齿轮的转动而通过齿条变成直线运动从而可以让机构上升下降。浇注杯一端用连接杆吊起来同时可以实现转动,另一端通过拉杆实现浇注杯的倾倒和盛液过程;拉杆是通过滚珠丝杆把转动转化为直线运动,电机通过联轴器带动滚珠丝杆转动,滚珠丝杆就将转动变成杆的上下直线运动。这样可以简化整个过程, 维修也更容易,用两个不同电机实现把铝液从熔炉里面盛出来,再通过机械手将液体倾倒到浇注模里面。指导教师评语XX 同学在本次毕业设计过程中,态度端正,并对毕业设计任务作了认真的理解与分析,查阅了自动浇注系统相关资料,提出了一个可行的方案。在此基础上,基本完成了自动浇注系统机构的设计。其主要工作有:一,查阅资料确定总体方案;二,撰写设计说明书,确定自动浇注系统的机构等各方面设计细节;三,绘制二维以及三维图纸。在设计过程中,其理论知识稍有欠缺,图纸质量一般,工作量较大,论文立论正确,论述清楚。同意参加答辩。建议评定成绩为中等。指导教师: 年 月 日答辩简要情况及评语根据答辩情况,答辩小组同意其成绩评定为答辩小组组长: 年 月 日 答辩委员会意见经答辩委员会讨论,同意该毕业论文(设计)成绩评定为答辩委员会主任: 年 月 日 XX 大学 XX 学院毕业论文(设计)任务书论文(设计)题目: 4-10Kg 汽配活塞自动化浇注系统取液装置设计 学号: XX63237 姓名: XX 专业: 机械设计制造及其自动化 指导教师: XX 教授 系主任: XX 教授 一、主要内容及基本要求主要内容: 1、熟悉自动浇注系统工作装置的结构特点和工作原理,并分析总结自动浇浇注系统工作装置的性能要求以及设计原则。 2、根据自动浇注系统性能参数设计和计算工作装置的作业范围(包括最大 降落 深度,最大上升高度,最大提升力等) 。 3、对工作装置进行运动学分析以及结构设计,画出二维图纸,并校核。 4、用 Pro/E 建立梁、立柱、浇注桶的三维模型。 基本要求: 1、设计说明书一份,要 8000 字以上。 2、提交 CAD 图纸(浇注系统装配图、工作装置主要构件的装配图) 。 3、提交 Pro/E 三维模型。 二、重点研究的问题通过查找与整理大量自动浇注系统工作装置三个主要构件(梁、立柱、浇注桶)的资料,查阅相关文献资料了解自动浇注系统过程和设计参数,在此基础上设计出一套自动浇注系统。进一步熟练使用 proe 或其他三维制图软件,设计三模型,得到自动浇注 系统结构设计部分的装配图和若干关键零件的 设计图。合理确定钢板厚度以保证工作 装置各构件能满足强度和刚度要求。 三、进度安排序号 各阶段完成的内容 完成时间1 查阅相关资料 第一周2 查阅浇注系统工作装置相关论文及书籍 第二周3 整理所查阅的工作装置资料 第三、四周 4 确定大致总体设计方案 第五周5 工作装置基本尺寸确定 第六、七周6 PRO/E 三维建模 第八周7 CAD 图纸绘制 第九到十一周8 制作设计说明书 第十二周9 答辩 第十三周四、应收集的资料及主要参考文献1保克坦、高尔宾科、卡士林等.铸造生产自动化装置与系统M.机械工业出版社 1986. 2李魁盛、马顺龙、王怀林.典型铸造工艺设计实例M.机械工业出版社,2006. 3鲍风雨.自动化设备及生产调试与维护M.机械工业出版社,2007. 4张建明.机电一体化系统设计 第 3 版M.高等教育出版社,2010. 5落迎社.材料力学M.武汉理工大学出版社,2007. 6濮梁贵、纪明刚.机械设计M.高等教育出版社,2010. 7孙桓、陈作模.机械原理M.高等教育出版社,2010. 8成大先.机械设计手册单性本减速器M.化学工业出版社,2004. 9成大先.机械设计手册单性本机械传动M.化学工业出版社,2004. 10成大先.机械设计手册单性本机架设计M.化学工业出版社,2004. 11成大先.机械设计手册单性本电机与电器M.化学工业出版社,2004. XX 大学 XX 学院毕业论文(设计)评阅表学号 XX63237 姓名 XX 专业 机械设计制造及其自动化 毕业论文(设计)题目: 4-10Kg 汽配活塞自动化浇注系统取液装置设计 评价项目 评 价 内 容选题1.是否符合培养目标,体现学科、专业特点和教学计划的基本要求,达到综合训练的目的;2.难度、份量是否适当;3.是否与生产、科研、社会等实际相结合。能力1.是否有查阅文献、综合归纳资料的能力;2.是否有综合运用知识的能力;3.是否具备研究方案的设计能力、研究方法和手段的运用能力;4.是否具备一定的外文与计算机应用能力;5.工科是否有经济分析能力。论文(设计)质量1.立论是否正确,论述是否充分,结构是否严谨合理;实验是否正确,设计、计算、分析处理是否科学;技术用语是否准确,符号是否统一,图表图纸是否完备、整洁、正确,引文是否规范;2.文字是否通顺,有无观点提炼,综合概括能力如何;3.有无理论价值或实际应用价值,有无创新之处。综合评价论文选题符合培养目标要求,能体现学科专业特点,达到了综合训练的目的。该生具文献查阅、资料综合归纳整理能力一般,在设计中能够较熟练运用所学知识,设计方案可行,工作量较大,论文质量中等。同意参加答辩。评阅人: 2012 年 5 月 日 目 录摘要 .1Abtract.2第一章 绪论 .31.1 自动浇注系统的发展现状 .31.2 自动浇注系统工作装置简介 .41.2.1 机械手设计方案 .41.2.2 取液装置方案设计 .6第二章 总体方案设计 .72.1 工作装置构成及工作原理 .72.2 工作装置各部分方案选择 .82.2.1 拉升装置种类选择 .82.2.2 滚动螺旋传动主要特点 .82.2.3 液压控制系统的优缺点 .92.2.4 气动控制系统的优缺点 .92.2.5 滑动螺旋传动主要特点 .92.2.6 上升装置布置方案选择 .112.2.7 丝杠的优缺点 .112.3 设计基本参数以及设计作业范围 .12第三章 机架设计 .143.1 机架的结构设计 .143.2 梁的形状尺寸 .153.3.1 用正应力强度条件选择工字梁的型号 .173.3.2 校核梁的剪应力强度 .173.3 浇注杯大小计算 .20第四章 齿轮齿条设计计算 .214.1 齿轮设计计算 .214.1.1 选定精度等级、材料及齿数 .214.1.2 按齿面接触疲劳强度设计 .214.1.3 按齿根弯曲强度设计 .234.2 齿轮几何尺寸的计算 .25第五章 轴的设计 .265.1 初步确定轴的最小轴径 .265.2 轴的结构设计 .265.3 轴的强度校核 .265.3.1 求轴上载荷 .285.3.2 按弯扭合成强度条件校核轴的危险面 .285.4 轴承寿命计算 .29总结 .31参考文献 .32致 谢 .33 1410Kg 汽配活塞自动化浇注系统取液装置摘要:针对目前自动浇注的现状,根据现代机械控制系统的技术,提出了自动浇注系统方案;为了使自动浇注系统和铸型机相匹配,并达到熔体低氧化的目标,对浇筑系统进行了各方面的考虑,分别是系统的功能设计,机械传动机构设计;系统操作简便,自动化程度较高。本文根据自动浇注系统装置的结构特点,工作原理以及对典型工况的分析,总结了自动浇注系统装置性能要求和设计原则 ,然后对其各主要构件进行了方案选择,并确定各铰点之间的距离,用 CAD 软件绘出其连杆模型。接着根据连杆模型并结合其他机械设计知识画出工作装置的二维图纸,最后根据图纸上的具体结构尺寸对工作装置的主要部件进行校核。关键词:自动浇注系统;工作装置;运动学分析;结构设计 2The structural design of the Automatic pouring systemAbtract:For the current status of Automatic pouring system, According to the modern mechanical control system technology, Proposed Automatic pouring system solutions; In order to let Automatic pouring system macth Casting machine, And achieve the goal of the low oxidation of the melt, Consideration of all aspects of the pouring system,such as The functional design of the system, Mechanical transmission design;System easy to operate , Has a high degree of automation .Based on the structural characteristics of the gating system devices, operating principles and typical operating conditions of the analysis, summary of the automatic pouring device performance requirements and design principles, and its major component of the program to select and determine between the hinge pointsdistance from the connecting rod model drawn with CAD software. Then, according to the linkage model in combination with other mechanical design knowledge to draw two-dimensional drawings of the working device, check the last of the main components of the working device according to the specific structure of size on the drawings.Key words:Automatic pouring system; working device; kinematic analysis; structural design 3第一章 绪论1.1 自动浇注系统的发展现状最近十几年,国内外铸造生产自动化有了较快的发展。各种自动检测装置、调节装置、自动记录装置、打印显示等已经在铸造生产中广泛应用,尤其是自动线也不断涌现。机械人与浇注系统尽管实行了平台战略、系列制造、组件家族以及标准化,但是在汽车制造业中,许多构件仍有很多不同的种类,这些组件需要经济合算地进行制造,并应几十供货到位。位于慕尼黑附近属于 GE 汽车公司的加兴市 Georg Fischer GmbH 公司也面临这样的问题,该公司是砂箱铸铝的专业厂家。迄今位置,液态金属都是从贮料炉中经浇注斜槽进入砂箱。当需要转换到别的砂箱时改装的时间相对较长。只有经验丰富的铸造工人才能对浇注斜槽和所需要的溶液进行正确的调整。而且,浇注时助手们必须监视浇注过程,并反复清理浇注斜槽。但是浇注斜槽上的功能故障和维护工作又影响制造的经济效益、生产率和灵活性。另一方面,浇注斜槽的功能取决于人的因素,这也很容易影响到铸件的质量。国外有 Flex-Cast 浇注系统,加兴人在 FAI 型模型和铸造设备上的工作就灵活多了,经济效益也有很大的提升。这种浇注系统是 Bad Saeckingen 市 Robotec Engineering GmbH 公司的专家们研制的。该系统是由一个曲臂结构的机器人将所需要的溶液浇注到型箱里。根据尺寸的大小不同,为此设置的浇注勺可盛液态金属,并且可以借助快速夹紧系统进行快速更换。Flex-Cast 浇注系统浇注轴保护温度敏感的部件,如用于驱动回转运动的伺服电机,可以保护它不被炽热的溶液所损坏。此外,它还负责将浇注勺精确回转到从保温炉中提取液态金属以及将液态金属浇注到型箱中的位置上。借助于两根连杆和偏心轴,运动过程几乎与温度无关,而且毫无间隙。运动的精确到位以及定位和计量德高精度都与此紧密相联。可以测到的误差小雨 1%。其次,连杆传动装置的刚性很强,可以长时间无需维护并且没有磨损。传动装置持续润滑,并且用钢制外壳加以保护,使之不受外界环境温度的影响。因此即使在恶劣的环境影响下,也可以可靠的进行工作。利用工业机器人进行浇注有许多优点。首先它保证了高度的灵活性。 4机器人的运动借助一套为此而研发的软件进行编程和控制。这些软件是由Robotec Engineering GmbH 公司的专家们编制的。该公司有员工 30 人,主要从事铸造车间手工操作和自动化技术方案的研究。这些软件可以不需要具备编程知识就能使铸造过程参数化。在一个键盘敏感的图形屏幕上,只需要输入用于工业机器人运动的参数就可以了。除了起动位置之外,其中还包括浇注勺进入到溶液的深度,回转的速度以及浇注勺在浇注型箱是的角度位置。控制装置将一次性调好的参数作为数据组保存在数据库里。这样,数据在重复使用时就可以通过按键自动调出和接收。这样就将机器人的安装费用减少到最小程度,并确保了浇注时的高度灵活性。此外,浇注机器人好可以同另一台机器人连接,这太机器人可以在型砂中钻出浇口和进斜口。了解这一过程就可以减少模型和浇注设备的安装的时间,一旦更换到别的铸件上时,浇注机器人会自动接收浇口的位置,这样就避免了转移错误。结果是达到了高度的过程安全性,而且即使浇口和进斜口发生变化时过程也非常安全。数据精活网络保存在中央数据库和浇注机器人的控制装置里面,然后由机器人自动纠正浇注溶液的位置。这样就保证了参与浇注的所有设备部件都能按当前的数据进行工作。这就避免了浇注错误和设备停工停产。加兴市的型砂铸铝工以这样的方式获得了灵活性,同时也大大提高了过程的安全性以及铸造的质量。国内大多数金属浇注件仍然采用人工的方式,其劳动强度大,生产效率低,成本高,产品质量参次不齐,已经严重的影响我国浇注件的发展。我国部分企业也尝试采用浇注自动化系统进行生产加工,其中也包括铸造生产广泛采用了电子计算机、机械手、机器人,显著的扩大了人们对自动化对象的认识,以及对这些对象直接控制的可能性,但是尚未有一套成熟的浇注工艺可循,因此有必要对浇注方式进行改进,关键是通过自动化完成劳动强度高、精度控制要求高的环节。降低生产成本,提高产品的精度。因此有必要设计一套具有布局合理、自动化程度高、合金元素烧损少、成品质量高、性价比等特点的浇注系统。 51.2 自动浇注系统工作装置简介1.2.1 机械手设计方案本设计采用独立的两个机械部分,分两道工序完成整个的浇铸过程(如下图):首先采用机械装置,将浇铸液从熔炉中舀出来,提升到与熔炉顶部相同的高度,然后与机械手进行换手操作,机械手(自设计)装置则来完成剩余的浇铸任务,所有动作根据 PLC 编程来完成,可控制运动轨迹与运动的精度。其中浇铸的机械手可有以下两个方案设计:图 1-1:机械手一 6图 1-2 机械手二1.2.2 取液装置方案设计图 1-3 取液装置 7各机械装置的功能实现:取液装置一需要完成的动作:首先机械机构要完成升降杆的动作,要保证上升时的位置精度,可靠性;其次,从熔炉顶部下降到底部的垂直方向的运动,此距离大约为 1.5 米,可采用伸缩臂完成;另外,要完成容器舀进熔液的过程,此过程为勺的旋转运动。机械手需要完成的动作:首先要与机械手一完成换手动作,采用同样的夹紧装置,然后整个机械手臂作旋转运动,旋转至浇铸口的上方(此高度为已经调节好的浇铸高度,不需要完成上下移动过程) ;接着完成浇铸液的倾倒过程。 8第二章 总体方案设计2.1 工作装置构成及工作原理图 2-1 工作装置组成图其中 1-立杆;2-卡槽铁条;3-齿轮;4-齿条;5-升降杆;6-肋板;7-螺帽;8-工字梁;9-拉升装置;10-拉板;11-活动架;12-浇注杯图 1 为自动浇注系统工作装置基本组成及传动示意图,如图所示拉升工作装置由小型电动机、联轴器、滚珠丝杆、套筒、直线轴承等组成。立杆固定在地面上,齿轮通过轴、轴承固定在平台上,整个机构的上升下降通过齿轮齿条的运动来实现,为了在齿条下面装一个感应器当要超出的时候控制电机停止上升,拉升装置通过电机连接联轴器再通过滚珠丝杆将旋转运动变为直线运动,最后实现对浇注杯倾倒和盛液过程。 92.2 工作装置各部分方案选择2.2.1 拉升装置种类选择拉升装置是自动浇注系统工作装置的主要部件,一般可以采用滚动螺旋、液压装置、气动装置和滑动螺旋传动。各种方式的优缺点如下:2.2.2 滚动螺旋传动主要特点1)传动效率高达 0.90.8,平均为滑动螺旋的 23 倍,可节省动力 1/23/4,有利于主机的小型化及减轻劳动强度;2)摩擦力矩小,接触刚度高,使温升及热变形减少,有利于改善主机的动态特性和提高工作精度;3)工作寿命长,平均可达滑动螺旋的 10 倍左右;4)传动无间隙,无爬行,运动平稳,传动精度高;5)具有良好的高速性能,其临界转速之 dn 值(d 为轴径,mm;n 为转速,r/min)可达 400000 以上,可实现线速度 120m/min 的高速驱动;6)具有传动的可逆性,既可以把选装运动变成直线运动,也可以把直线运动变成旋转运动,且逆传动效率与正传动效率相近;7)已经实现系列尺寸标准化,并出现了冷轧滚珠丝杠,提供了多用途的廉价产品,应用与精度要求不很高的场合,节能并延长寿命;8)不能自锁;9)抗冲击振动性能较差;10)承受径向载荷的能力差;11)结构复杂,成本较高(但结构比静压螺旋简单且维修简单) 。 102.2.3 液压控制系统的优缺点1)液压控制用油液作为工作介质,故能把由于功率的损耗而产生的热量,从发生的地方带到别处,这样在一定的功率情况下,可以大大减小部件的尺寸;2)从负载的影响看,液压系统具有机械上的刚性,用在闭环系统中,定位刚度较大,位置误差较小;3)与机械机构相比,液压执行器的响应速度较高,能高速启动、制动与反向,同时其力矩惯量比也较大,因而其加速能力较强;4)液压传动易实现无级调速,具有自身润滑等优点。5)容易漏油,因而会影响运动的平稳性,并使效率降低;6)油液被尘埃或流体截止中其他杂质污损后,会造成液控系统发生故障;7)油液具有易燃性,有引起爆炸的危险;8)液体粘度受温度影响,使供油量和执行机构的运动速度不稳定;9)油液中有空气会引起工作机构的不均匀跳动;10)就处理小功率信号的数学运算、误差检测、放大、测试与补偿等功能而言,液压装置不如电子或机电装置那样灵活、线性、准确和方便,因而在控制系统的小功率部分,一般不宜采用,主要应用于系统的动力部分。2.2.4 气动控制系统的优缺点1)气动控制与液压控制相比,动作迅速、方便;2)使用的元件和工作介质成本低,便于现有机器设备的自动化改装,近年在国际上得到很大发展,成为热点之一。3)运动不平稳;4)有噪音;2.2.5 滑动螺旋传动主要特点1)结构简单,加工方便,成本低廉;2)当螺纹升角小于摩擦角时,能自锁; 113)传动平稳;4)摩擦阻力大,效率较低,仅在 0.30.5 之间,自锁时低于 0.5,常在0.30.4) ;5)螺纹间有侧向间隙,反向时有空行程,定位精度及轴向刚度较差;6)磨损快;7)低速微调时可能出现爬行。滑动螺旋传动计算:选螺杆转动,螺母作直线运动,使用梯形螺纹d20.8(F/P p) 取 =2.5, Pp=8, F=160Nd 2=3螺母高度:H 1=0.5P根据梯形螺纹(GB5796-1986)取 P=2;H 1=1螺母高度 H=4d2=2.53=7.5旋合圈数 n=H/P=7.5/2=3.75综合上述各种方案的比较,选取滚动螺旋传动符合设计要求。 12图 2-2 滚动螺旋传动2.2.6 上升装置布置方案选择上升装置是自动浇注系统工作装置的主要部件,一般可以采用齿轮齿条传动、丝杆传动和液压系统传动。1、齿轮齿条优缺点:1)齿轮齿条,承载力大,传动精度较高,可达 0.1mm;2)可无限长度对接延续,传动速度可以很高,2m/s;3)若加工安装精度差,传动噪音大,磨损大。4)典型用途:大版面钢板、玻璃数控切割机,建筑施工升降机可达 30 层楼高。2.2.7 丝杠的优缺点1)普通梯形丝杠可以自锁,这是最大优点; 132)传动效率低下,所以不适合高速往返传动;3)时间久了传动间隙大,回程精度差,用在垂直传动较合适;4)滚珠丝杠不能自锁,传动效率高,精度高,噪音低,适合高速往返传动;5)水平传动时跨距大了要考虑极限转速和自重下垂变形,所以传动长度不可太大,要么改用丝母旋转丝杠不动,但还是不能太长,要么就用齿轮齿条;6)典型用途:数控机床,小版面数控切割机。综上所述选取齿轮齿条传动符合自动浇注系统的要求。图 2-3 齿轮齿条传动2.3 设计基本参数以及设计作业范围基本参数为:(1)浇铸平台概况:总工作台长度约 13 米,宽度约 6 米,高度 1.5 米,浇铸熔炉与浇铸模具分别位于浇铸平台两侧,分别有四个,前端有一个两浇铸口的模具。机械手工作半径大概 3 米,预设计机械手管两个浇铸熔炉与模具之间的浇铸,一个浇铸平台上预计安装两套工作装置。(2)机器手的性能参数,机械大臂长度尺寸 0.9 米,小臂与 0.6 米,设计转动半径1.5 米,机械手下降高度稍小于熔炉深度,约为 1.2 米;大臂与中臂总垂直上升高度为 1.5 米,机械手换手以后能够完成熔液倾倒的功能,旋转角 14度设计为 60 度。(3)浇铸容器参数,容器预设计为杯状,容器大小可完成 8 公斤的熔液体积,可设计通用容器,按照铝的密度 2.7g/cm3 计算,8 公斤铝的体积约为 3 升,故设计容器体积为 6 升。(4)机械手夹紧力与电机功率参数,此参数根据容器的大小,以及所要铸造的活塞的质量来决定,现在以最大的情况来分析。从舀出熔液到完成浇铸的过程,时间应控制在 15 秒以内,而垂直高度最大约为三米,两个机器手臂旋转角度分别设计为 180,上下运动速度,旋转速度将在方案落实以后进行设计计算。 15第三章 机架设计3.1 机架的结构设计设计的一般要求:(1) 机架的重量轻,材料选择合适,成本低。(2)结构合理,便于制造。(3)结构应使机架上的零部件安装、调整、修理和更换都方便。(4)结构设计合理,工艺性好,还应该使机架的本身的内应力小,由温度变化引起的变形应力小。(5)抗振性能好。(6)耐腐蚀,使机架结构在服务期内尽量少修。根据设计要求和准则初步确定机架结构的形状和尺寸图 3-1 机架结构 163.2 梁的形状尺寸图 3-2 工字梁结构尺寸3.3 梁的设计和计算 铝液的质量 m 铝=8kg电动机的质量 m 电=8kg拉升装置质量 m 拉 =8kg其他杆件质量 m 杆 =6kg机构的受力情况:根据外力平衡公式和力矩平衡公式有:Fa+Fb=G=( m 杯+m 铝)gFaLaFbLb =0而 La=10(mm),Lb=8(mm)Fa=1600/3(N ) Fb=2000/3(N)Fc=Fb+G 电=2000/3+80101500(N)均布载荷 q=(Fa+Fc)/L=(1500+600)/1.5=1400(N/mm) 17扭矩 M=1/2qa+1/2qb=1/21400(1.5+1.35)=2850(N.mm)图 3-4 钢架的弯矩图图 3-5 钢架的弯矩图 183.3.1 用正应力强度条件选择工字梁的型号选择热轧槽工字钢许用应力=160MPa=100MPa梁的最大弯矩如图:图 3-6 梁的弯矩图Mmax=285N.m由梁的正应力强度条件max=Mmax/Wz可求得槽钢量的抗弯截面模量为Wz Mmax/=285/160010 6=178cm3查材料力学P 309 的型钢表知,选 20a 工字梁,其 Wz=237cm33.3.2 校核梁的剪应力强度当截面上剪应力最大时,最大剪应力为Qmax=RA=P查材料力学P 309 的型钢表可知 20a 工字钢的腹板 d=7mm,I z/Sz*=17.2cmmax=Q/(dI z/Sz*)=103/(4.510-317.210-2)=12.9(MPa)因此,选择 20a 工字钢是合适的 。 193.3.3 计算螺栓直径在横向载荷 P 的作用下,梁的横截面上的剪力 Q=P,截面中性轴上的最大剪应力可由公式求得:MPa425.015.32max AQ根据剪应力互等定理,中性层上亦必有与 数值相等的剪应力 。因此,max中性层上的剪力为N1450.351042.6 AQ梁柱结合面的剪力将由两个螺栓承担,使螺栓发生剪切变形。由螺栓的剪应力强度条件242dQA可求得螺栓的直径为mm04.31526Qd即螺栓的直径不应小余 3.04mm3.3.4 上升杆设计计算 20图 3-7 上升杆的结构尺寸图材料的许用拉应力 =30MPa,许用压应力 =60MPa,载荷 P=1KN,立柱的tc截面尺寸如上图所示。(1)截面的几何性质计算根据截面尺寸计算出上升杆的横截面积 A,截面行心位置 及截面对行心主惯0z性轴 y 轴的主惯性矩 Iy 分别为A=15 10-3m2, z0=75cm, Iy=5312.5cm4(2)外力分析 21图 3-8 上升杆弯矩图P=1kNMe=1 103 (30+75) 10-2=1.05KN m(3)内力分析沿上升杆的任意截面假象切开,考虑其上段部分的平衡,知截面上有轴力 N 和弯矩 My 且N=P=1KNMy=Me=1.05KN m可见偏心拉缩时,横截面上的弯矩沿轴线值不变。因此空心那一段为危险截面。(4)强度计算在横截面上的。轴力 N 产生均匀分布的正应力为PaA431067.150与弯矩 My 对应的正应力沿 z 轴线性分布,并由公式yYI0计算。最大弯曲拉应力和压应力是MPaIzyt 8.1405.3127.820max 叠加以上两种应力后,在截面的内侧边缘上发生最大拉应力,且att 47.18.67.maxax 故上升杆满足强度条件 223.3 浇注杯大小计算由于容积为 6L根据经验取 h=240mm,r=90mm杯子质量 m 杯 =4kg 23第四章 齿轮齿条设计计算4.1 齿轮设计计算4.1.1 选定精度等级、材料及齿数 确定齿轮类型因为该对齿轮无须承受轴向力,故选齿轮均为标准直齿圆柱齿轮齿条。 材料选择齿轮材料为 40Cr 调质,硬度为 255265HBS;齿条材料为 45 钢调质,硬度为215225HBS 二者硬度差为 3050HBS,这样有利于提高两个齿轮的寿命 自动升降为一般工作机器,速度不高,选用 7 级制造精度 齿轮齿数为 35,齿条齿数为 604.1.2 按齿面接触疲劳强度设计由设计计算公式 10-9a 进行试算即:d 2.32t132Hdu1EZKT)( 确定公式中的各计算数值:a、 由设计对象知外啮合时公式中的正负号取正号b、 对于直齿圆柱齿轮,试选 K =1.3tc、 计算齿轮的转矩:T= 其中 P=6.17Kw;n= =29r/minnP6105.91n代入数据得:T = =203184Nmm12917.605.d、 根据齿轮的装置状况,查机械设计表 10-7 中选取齿宽系数 =0.7de、 根据配对齿轮的材料类型为锻钢-锻钢,由机械设计表 10-6 查得的弹 24性影响系数 Z =189.8 。EMPaf、 由机械设计图 10-21d 中并按齿面硬度查得齿轮的接触疲劳强度极限=700MPa;齿条的接触疲劳强度极限 =550MPalim1H 2limHg、 由机械设计式 10-13 计算应力循环次数得:(假设采用两班制,工作寿命为 15 年)N =60 n jL =602912830015=1.251081hN = =1.25108205.8h、根据齿轮的材料、热处理方法及应力循环次数查机械设计中图 10-19 取齿轮的接触疲劳系数 K =0.88;齿条的接触疲劳系数为 K =0.891HN 2HNi、计算接触疲劳许用应力:取失效概率为 1%,对接触疲劳强度计算,由于点蚀破坏发生后只引起噪声、振动增大,并不立即导致不能继续工作的后果,故安全系数 S=1。由机械设计中式 10-12 得:= = =616MPa1HSKHN1lim70.8= = =490MPa22li59. 计算:a、试算齿轮分度圆直径 ,代入 与 中较小的值:t1d2H12.32 = 2.32 = t1d32HduEZKT)( 3 22107.8.9284.)(64.32.32=149.3mm取 =350mmt1db、计算圆周速度为 V:V= = =0.23m/s106nt106293.4 25c、计算齿宽:b= d =0.4149.3=59.72mmt1d、计算齿宽与齿高的比: f(3)模数 = = =10tm1tZ350齿高 h=2.25 =2.2510mm=22.5 mmte、计算载荷系数:根据齿轮 V=0.22m/s,且齿轮精度等级为 7 级,由机械设计图 10-8 查得动载系数 K =1.02;V对直齿轮有 = =1;HF由机械设计表 10-2 查得使用系数 K =1.25;A由机械设计表 10-4 并且运用插值法查得对于 7 级精度,且齿轮做对称布置时,取 =1.25;HK由 =15.6, =1.25 查机械设计图 10-13 得 =1.26;hb F故载荷系数 K= K K =11.0211.25=1.275AVHf、按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径:由机械设计式 10-10a 得:d = d =350 =344.7mm1t3tK31.2751.3g、 计算模数 m:= = =10mmZ3504.1.3 按齿根弯曲强度设计由机械设计式 10-5 得弯曲强度的设计公式为: 26m 321daFSZYKT 确定公式中的各个计算数值:a、由机械设计 图 10-20c 查得齿轮的弯曲疲劳强度极限 =500MPa1FE齿条的弯曲疲劳强度极限 =400MPa2FEb、根据齿轮材料类型、热处理方法及应力循环次数由机械设计图 10-18 中取弯曲疲劳强度寿命系数 =0.87, =0.91FNK2FNc、计算弯曲疲劳许用应力对于弯曲疲劳强度来说,一旦发生断齿就会引起严重的事故,故取弯曲疲劳安全系数 S=1.4由机械设计式 10-12 得:= = =310MPa1FSKFEN14.8705= = =257MPa2FFE2.9d、计算载荷系数 K由前面查得的数据并代入表达式得:K= K K =11.0211.25=1.275AVFe、查取齿形系数 和应力校正系数 :aYaSY查机械设计表 10-5 取 =2.45, =1.65a1F2F查机械设计表 10-5 取 =2.06, =1.97SaSf、计算齿轮齿条的 ,并加以比较:aFY= =0.0131aFSY2.451.65310= =0.01582aFS2.061.97257 27由上述计算值知齿条的数值更大 设计计算:m = mm=2.23mm32daFSZYKT321.2750.015820318441352对比以上两种设计方案的计算结果,由齿面接触疲劳强度计算的模数大于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数,由于齿轮模数的大小主要取决于弯曲疲劳强度所决定的承载能力,可取由弯曲疲劳强度所算得的模数 2.23 mm 并就圆整为标准值为 3mm,但是由此模数算得的 d=mZ=335=105 mm 小于接触疲劳强度所算得的 d=350mm,将 m 取为 10 能满足接触疲劳强度。所以应该由此得到齿轮模数为 104.2 齿轮几何尺寸的计算 计算分度圆直径:d= mZ =1035=350 mm1 计算齿轮宽度:b= =160=60 mm1d为了防止齿轮因装配误差产生轴向错位导致啮合齿宽减小而增轮条单位齿宽的工作载荷,所以将齿轮齿宽在圆整的基础上人为地加宽 5mm,取 B =60mm,B2=65mm1根据以上计算结果,保证齿轮与轴不发生干涉,并在满足强度要求的前提下尽量使结构紧凑,将各齿轮模数及齿宽进行调整,调整后齿轮尺寸如下:齿轮:齿数 z=35 齿宽 b=60mm 分度圆直径 D=350mm齿条:齿宽 b=65mm 长度 l=940mm 28第五章 轴的设计5.1 初步确定轴的最小轴径轴的材料为 45 钢,调质处理,根据机械设计表 15-3,取 =97。于是得:0Ad min=A0 =97 =57.9mm3P5n5 36.17295.2 轴的结构设计1、轴从左到右依次安装有联轴器、端盖、滚动轴承、直齿轮、滚动轴承、端盖。各部分尺寸如图 4-1。图 5-1 轴的结构示意图5.3 轴的强度校核1、轴的载荷分析图如图 4-7。(a) 29(b)(c)(d)(e)图 5-7 轴的载荷分析图 305.3.1 求轴上载荷轴的受力分析如图 4-7(a)所示:T=2031840N.mmFt= = =5410NdT27503184Ntran水平面受力与弯矩如图 4-7(b)所示:21NHrFNCDBrNH310457NHr12mFMH 852026.45垂直面受力与弯矩如图 4-7(c)所示:21NVtNCDBFtNV 2
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