主动柱齿轮自动上下料专用机构.docx
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主动柱齿轮自动上下料专用机构
摘要
本次所设计的课题是:
主动柱齿轮自动上下料专用机构.零件是长春一汽底盘分厂制造的汽车底盘中减速器里的主动柱齿轮，它主要用于载重汽车的底盘中，起着传递转矩、降低转速的作用。
本次毕业设计主要研究上下料机构的设计，所要完成的任务包括：
绘制零件图（A3）、设计输送工件毛坯用的送料机构（A0），设计铣端面和打中心孔的起夹紧作用的液压夹紧滑台机构（A0）、设计此套机构的控制部分（主要使用欧姆龙C系列P型机进行控制。
设计送料机构时，采用液压缸压力驱动，链条链轮、齿轮齿条传动，实现传送工件的目的；设计液压夹紧机构时，采用液压缸压力驱动，齿轮齿条传动，实现滑台两侧同时对工件夹紧；设计控制部分大采用C60P型PLC，对机构所要求的功能进行控制，并注意急停、保护部分。
最后，将送料机构]液压滑台、控制部分及同组同学所设计的机械手机构、机床总体布局、液压部分总体规划，从而形成一个完整的机电一体化的上下料机构，以完成自动加工主动柱齿轮的第一道工序。
关键词：
液压机构；送料机构；链轮链条；PLC控制。
Abstract
Theobjectofthisdesignjustbeforeourgraduationisainitiativepillargearforthecarbed---rocklyinginthedeceleratingdeviceoftheautomobilebed---rocks,whicharemanufacturedbytheFirstCar---ManufacturerofChangchun.Itisprimarilyusedtotransmitthetorsionandtorquesofthebed---rockinsideheavyautomobileandalsocandecelerate.
Themainresearchingworkofthisdesigningistostudytheparticularfixtureamongitwhichincluding:
drawingthepartdiagram（A3）,designingastockfortransmittingthematerialsofworkpiece（A0）,designastocktotightthetotaldiagram（A0）,designingcontrollingpartofthismachine（mainlyusingOMRONseriousCsizePLCtocontrol）.
Whendesigningthestockfortransmitting,adoptingliquid,presstorealizegearandrack,wheeltrackandrack’sremoving,thenworkpiececanremoveonetoanother.
Whendesigningthepressurestock,adoptingliquidpresstorealizegearandrack’sremoving,thenthestockcantighttheworkpiecebythetwosidesatthesametime.
Whendesigningthecontrollingpart,usingC60PsizePLC,toachievethecommandingfunction,andnoticingurgentstopping,protectpart,
Finally,designingsendingmachine,pressuremachine,controllingpart,andtheorientationdiagramofmachinetool.Thediagramofwholepartputting,thepressurepartwhichisdesignedbymyclassmateinthesamehard,formingawholemachineforupanddownthematerials,thenthefirstprocessofinitiativepillargearcanbeautoprocessed.
KEYWORD:
pressuremachine,amaterialfortransmitting,gearandrack’
Wheelrackandrack,PLCcontrolling.
前言
在现代工业生产自动化领域里,材料的搬运,机床上下料,整体的装配等实现自动化是十分必要的。
在机械工业部门,这些程序的费用占全部加工费用的三分之一以上，所费时间占加工时间的三分之二以上，且绝大多数的事故发生在这些工序.自动上下料装置和工业机械手就是为实现这些工序的自动化而设计的。
工业机械手在二十世纪五十年代就已用于生产。
它是在自动上下料的基础上发展起来的一种机械装置。
开始主要用于实现自动上下料和搬运工作,完成单机自动化和生产线自动化.随着应用范围不断扩大,现已用来操作工具和完成一定作业。
而本次所设计的自动上下料专用机构,是利用液压系统驱动和电器系统控制实现自动线的自动工作循环。
在成批大量生产中,尤其在要求生产率很高,机动工时很短的情况下,上下料是一项重复而繁重的工作,为提高生产率,减轻体力劳动,保证安全生产,采用自动上下料装置是行之有效的方法.而且,实践也证明,工业机械手在加工主动柱齿轮的时候可以代替人手减轻工人的劳动强度,改善劳动条件,提高生产率。
因为液压系统操作方便,电器系统控制灵活,成本低,工作可靠,完全能满足我们的工作性能要求。
因此本次主动柱齿轮自动上下料装置采用液压驱动及电器控制的工业机械手。
伴随着我国工业生产的飞跃发展,自动化程度的迅速提高,实现工件的装卸、转向、输送或操持焊枪、喷枪、扳手等工具进行加工、装配等作业的自动化，已愈来愈引起人们的重视。
自动上下料装置和工业机械手就是为实现这些工序的自动化而设计的。
一个好的自动上下料装置应该满足以下条件：
（1）提高工人劳动生产率,显著减轻工人的劳动强度；
（2）工作稳定可靠，运转噪声小，不会损伤工人，使用寿命长；（3）结构简单紧凑，最大限度采用标准化零部件，通用性好，易于制造，成本低。
经实践验证,本次设计的自动上下料专用机构基本达到预期要求。
同时，通过本次设计也对自己大学几年来的专业课知识作了系统的复习，加深了理解。
鉴于本人的学识能力有限和设计时间短暂，因此难免有一些差错和不足，敬请各位老师批评指正。
摘要………………………………………………………………1
Abstract………………………………………………………………2
前言………………………………………………………………3
第1章传动方案拟定………………………………………………….6
1.1概述………………………………………………………………6
1.2传动方案的拟定…………………………………………………6
第2章自动送料机构的设计...............................................8
2.1传动方案的论证………………………………………………8
2.2液压缸的设计计算………………………………………………………10
2.2.1液压缸类型的确定………………………………………………………10
2.2.2基本参数的确定…………………………………………………………10
2.2.3结构强度计算及稳定性校核…………………………………………12
2.2.4计算流量……………………………………………………………13
2.3链传动的设计计算………………………………………………………13
2.4传动轴的设计计算………………………………………………………..16
2.5平键的选择与校核……………………………………………………….18
2.6花键的选择与校核………………………………………………………..19
2.7齿轮参数的确定………………………………………………………..19
第3章液压夹紧滑台机构的设计…………………………………………………21
3.1液压夹紧滑台的整体设计………………………………………………………………21
3.2液压滑台相关数据计算………………………………………21
第4章机构的电气控制部分设计………………………………………………..24
4.1可编程控制器概述……………………………………………………………24
4.2机构控制部分设计……………………………………………………26
4.2.1OMRONC系列P型机简介……………………………………………………………....26
4.2.2设计所选机型……………………………………………………….27
4.2.3机构的I/O分配………………………………………………………….27
4.2.4机构控制流程…………………………………………………………28
4.2.5机构的梯形图程序………………………………………………………29
结论………………………………………………………………………………….31
谢辞………………………………………………………………………………….32
参考文献………………………………………………………………………………...33
第1章传动方案拟订
1.1概述
本次毕业设计我的课题是《主动柱齿轮自动上下料机构设计》，需要完成的任务有：
1.绘制零件图
2.设计送料用的送料机构
3.设计夹紧工件用的液压夹紧滑台机构
4.绘制送料机构及液压夹紧滑台的典型零件图
5.设计此套机构的PLC控制程序
6.完成毕业设计说明书
其中重点和难点是送料机构，液压夹紧滑台机构，PLC控制部分的设计。
本零件是长春一汽底盘制造厂制造的汽车减速其的主动柱齿轮，它主要用于载重汽车的底盘中，起着传递转矩，降低转速的作用。
该零件需经过毛坯锻造，铣两端面“，钻中心孔等15道工序，才能够生产出产品。
该零件产量为30000件/年，零件重量约为15KG/件，可知其产量属于中批量生产。
为了提高加工质量和劳动生产率，同时降低工人的劳动强度和减少废品率，将进行部分工序自动化，由专用机床代替工人生产，自动进行送料，上下料等，既减少了工人工作时间，又提高了生产效益，因此一个工人可同时对多台机床进行操作，使人员配制更加合理。
本着这些目的，进行上下料自动机构的设计是很必要的，而机械手的设计将为以后的生产线提供广泛的用途。
1.2传动方案的拟订
在自动化生产线中，需要较多的机械手和送料机构，要求使零件的设计和制造满足产品的“三化”要求——系列化，通用化和标准化。
这样才能够使机构不但制造和装配方便，简单，而且维修时各个零部件更换容易，故各送料机构和上下料机构机械手的传动原理和结构尺寸都设计成基本相同，差别只在于安装的方向上，因此料道和机械手是整个生产线的基本组成单元。
工件的传动路线如下：
毛坯放置在送料机构的传动链上→送料机构将工件输送到机械手能够接触到的地方（行程开关控制）→上料机械手夹持工件，将工件放置在托料架上→支架动作，机械手回位→液压夹紧滑台夹紧工件→两床头横向相向运动，进行铣端面→两床头纵向相向运动，钻中心孔→两床头反向纵向相背运动，钻孔完成→两床头反向横向相背运动，退出切削，夹具松开→托料架上升，工件进位→下料机械手夹持工件，再将工件置于第二道工序的送料机构上，如此反复，就可以实现工件的流水线了。
在本次设计值得注意的是：
行程开关，作为位置检测元件，在检测元定位精度较低，因而起往往不单独使用，而是辅以定位元件或挡块等元件定位；使用位置传感器作为更精密的位置检测元件，以检测元件是否放对位置（托料架上）；使用压力传感器作为判断夹紧力的元件，以及判断工件是否夹紧。
由于此次设计所涉及的动作较多，故需要使用较多的I/O端子的PLC，因此选用OMRON的C系列P型号C60PPLC，对机构进行控制。
第2章自动送料机构的设计
2.1传动方案的论证
传动方案的确定，在传动系统的设计过程中起着相当重要的作用，传动方案是否合理，这直接影响着传动机构的工作效率，而合理的传动方案不仅能够满足机器的功能要求，而且还应该使工作可靠，结构简单，尺寸紧凑，传动效率高，使用维修方便，以及适应各种工作条件等要求，在传动系统中的方案确定过程中，要同时满足这些要求是比较困难的，因此我们要将拟订的各种传动方案进行比较，使传动能够满足重点要求的，综合性能较高的方案就是我们所要的传动方案。
自动送料机构的主要传动要求是能够实现间歇运动，使工件在一个工件完成加工后再送入到待加工位置。
为此我们拟订了三种传动方案：
1.液压传动；2.气压传动；3.电气传动。
方案一的传动特点：
（1）液压传动各执行元件机构的动作和力（力矩）是靠液体来传动的，所以液体的质量和清洁度将直接影响到液压设备的运动状况。
（2）在相等功率条件下，液压传动设备比机械传动设备体积小，重量轻，运动惯性小，动态性能好，换向频率高。
其往复回转动作可达每秒500次，往复直线运动可达1000次。
（3）液压设备中，液压系统与电气控制系统联合使用，自动化程度高。
（4）液压设备要保持良好的技术状态就必须做到控制油液污染，控制泄露和控制温升及吸空等。
（5）液压设备由标准化程度较高，通用较强的液压元件组成，故便于设计制造和推广使用。
（6）液压传动设备具有自我润滑和自动防止过载的保护能力，故使用起来安全可靠。
（7）由于液压传动的各个执行机构所传递的力，速度，位移可无级调节（调节范围可达1：
2000），故能迅速适应被控制参数的变化。
（8）液压元件标准化，系列化的水平较高，故液压设备一般比机械设备技术改造投资少，时间短，并且容易实现。
（9）液压元件属于精密零件，因此元件的维修比较困难。
（10）液压设备的故障有隐蔽性和多样性，因此故障原因的判断要比机械故障的判断难得多。
方案二的传动特点：
（1）气体流动时惯性小，所以气动元件的动作快，反映灵敏，在系统中建立起一定压力和流速所需的时间短。
（2）空气的粘性小，因此在管道中流动的压力损失小，便于集中供气和压缩空气的远距离传输。
（3）气动系统中的工作介质是空气，因此不存在变质，补充和更换问题，经济性好。
（4）气动系统中回气可直接排入大气，不需要设置回气管路，系统比较简单。
（5）气动系统的工作性能对温度变化不敏感，几乎在0~200℃范围均可工作，并且在高温下不会发生燃烧或爆炸。
（6）由于工作压力低，可降低对气动元件的材料和制造精度要求。
（7）空气的容积摸量比压力油小得多，所以气动元件的速度刚度比液压系统低，低速稳定性差。
（8）气压信号比电气信号传播速度慢，所以气动系统的快速性和响应频率不如电气控制系统。
与机械传动相比，也不如机械传动准确性高。
（9）气动系统对一定的外泄是允许的，因为外泄的空气不会污染工作环境，也不会影响气压传动的质量；但由于气动系统本身工作压力不高，所以要尽可能也减少泄露。
（10）空气没有润滑性能，其中又含水蒸气，所以气动元件的工作条件比液压元件差。
方案三的传动特点：
（1）结构简单，维护方便，单机容量大，能实现高速传动；
（2）电力传动中的直流传动系统有良好的调速性能，其调整的范围也很宽，平滑性好，响应速度和频率高。
（3）电动机能够输出较大的转矩和转速；
（4）电动机的容量选择困难，其容量大小回造成电动机的工作环境要求较高，需要空气中不含易燃易爆和防腐蚀的气体。
结合本送料机构传递系统功率不大以及间歇传动的特点，如果选择气压传动，不但会造成间歇传动中的定位不准确，而且产生的噪声也大，是工人的工作环境变差，并且气压系统中的压力也无法达到要求，故不选用气压传动。
电气传动结合本传动系统的特点，就需要选择步进电动机，这样不仅是使用设备是成本增加，而且还需要另设置单独的控制系统，况且电动机在频繁的启动和制动的过程中容易损坏，故不选用电动传动方案。
因此，我们选用液压传动方案，这样不仅可以达到本系统的要求，而且工作较平稳，产生的噪声相当小，在工件传动同时在一定程度上还避免了上述两种方案所带来的弊端。
在工件传动方案的选择中，由于工件的质量和体积较大，形状比较复杂，无法选择带式传动。
结合链传动的特点，可用于远距离传输，链条和链轮的平均传动比恒定，而且在高温，油，酸等恶劣环境下能够可靠的工作，价格也比较便宜，传动效率高，故选用链传动作为工件的输送形式。
选定液压驱动方式及采用链传动的输送形式后，如何使两者能够联接起来形成一个整体统一的传动机构，也是一个重要的环节。
由于本方案中采用的是齿轮齿条传动，它的基本设计思路是：
设计一齿条和齿轮啮合并有锯齿的齿轮，并将齿轮安装在固定的长轴上。
当液压驱动齿轮运动，齿条的往返移动带动齿轮的旋转，齿轮的旋转使锯齿相互配合，带动另外的带有锯齿的齿轮旋转，然后通过该齿轮（该齿轮与轴的花键部分配合）带动轴旋转，进而使链条转动，从而推动在链条上的工件进位。
在这里值得注意的是，实际工件的进位只能够是一个不变的方向，而不是变动的。
因此，在设计的过程中我们考虑用锯齿形齿的配合来实现，即当齿条向工件移动的相反方向移动时，锯齿虽然接触但不产生反作用力，不能够推动轴旋转，从而工件不动，如此就实现了工件的间歇定向传动。
2.2液压缸的设计计算
液压缸是液压系统中的对外作功元件，它与工作部件直接相联接，由于不同工作部件的用途和工作要求并不相同，因此在设计前要做好调查研究，准备必要的原始材料和设计依据，其中主要有：
（1）主机的用途和工作条件
（2）工作机构的结构特点，负载情况，行程大小和动作要求
（3）液压系统中的工作压力和流量
（4）有关国家标准和技术规范
2.2.1液压缸类型
由液压缸工作条件及设备用途方面考虑，选用双作用单活塞杆液压缸。
2.2.2基本参数的确定
1.液压缸工作负载的确定
根据料道的液压缸工作特点，其主要外负载为克服链传动中齿轮与支座之间的摩擦，Fm，以及运动部件速度变化时的惯性负载Fg，整个传动系统中存在的摩擦阻力Ff,故F=Fm+Fg+Ff.
考虑到在实际情况中各处动力损失较复杂，故将工作负载扩大50%。
Fm=µN=0.2×431=86.2N
故支座重力（即齿条所受压力）N=πR2hρg=431N
=216N
Ff根据工作情况，估算Ff=1500N
故F=1500+86.2+216×（1+50%）=2703.3N
因此取F=3000N
2.工作速度的确定
根据实际工作情况，选用GE系列调节流量阀，查得最小流量为0.05L/min，由实际工作中可得Vmin=80cm/min。
3.行程确定
液压缸的工作行程长度应该根据执行机构实际工作的最大行程确定。
由于工作的最大外径为Φ150min，再加上工件之间应该有适当距离，故取工件之间的距离为250mm，参照参考资料[3]，取标准值为200mm。
4.液压缸内径D和活塞杆直径d的确定
根据参考资料[2]表37.5-3，37.5-5查得，P1=2MPa，P2=0.3MPa。
所以D=47mm。
根据参考资料[2]，表37.5-8，取标准值D=50mm。
根据参考资料[2]，37.5-6取d/D=0.5，因此d=0.5×D=25mm。
5.壁厚及外径计算
液压缸的壁厚是指缸筒结构中最薄处厚度。
由于本次设计中系统的工作压力较低，属于中低压系统，液压缸的壁厚无法用公式进行计算，只能按经验选取δ=10mm。
缸体的外径D1=D=+2δ=50+2×10=70mm。
6.缸盖厚度的确定
选取液压缸盖为平地底缸盖，缸盖上根据需要钻有进油口、出油口和缓冲器作用的沉孔，缸盖厚度为
=17mm。
C处弯矩:
MCH=FRAH×（L/2）=97.5Nm
1.绘制合成弯矩图
Nm
Nm
2.绘制转矩图
T=716250Nm
3.绘制当量转矩图
转矩产生的扭剪应力按脉动循环变化,取α=0.6,截面C处的当量弯矩
Nm
4.校核危险截面C的强度
MPa<55MPa
故轴的强度足够.
轴的受力图和弯扭矩图如下
:
2.5平键的选择与校核
键是标准件,常用45钢,根据设计需要,确定为平键,查阅参考资料[4],表4-1.查得使用键18×11GB1096-79（圆头普通平键A型b=18mm,h=10mm,l=63mm）.
抗压强度条件校核
MPa
耐磨性校核
=33MPa]
由参考资料[6]表10-5查得[σ]P=120～150,[P]=50.
可见σP<[σ]P,P<[P]
故所选平键符合要求.
上式中,T—转矩,N·mm;d—轴径,mm;h—键的高度,mm;
l—键的工作长度,mm;
[σ]P—许用挤压应力,N/mm2;[P]—挤压压强,N/mm2.
2.6花键的的选择与校核
假设载荷沿各齿的接触长度均匀分布,载荷在各齿上的合力N作用在平均直径dm处,并且载荷不均匀系数φ来估算实际载荷分布不均匀的影响,φ=0.7～0.8.
本次设计中所选用的花键为8×46×50×9,即N=8mm;d=46mm,D=50mm,B=9mm.
抗压强度条件校核:
MPa
耐磨性校核:
MPa
其中,T—转矩,N/mm2;l—齿的工作长度,mm;h—花键齿侧面工作高度,h=（D-d）/2-2c;D—花键外径’D为花键内径;C—倒角尺寸,所以h=1.4;dm—花键平均直径;[σ]P—许用挤压应力,N/mm2;[P]—挤压压强,N/mm2.
查表得,[σ]P=80～120N/mm2;[P]=25～40N/mm2;
可见σP<[σ]P,P<[P]
故所选花键符合要求.
2.7齿轮参数的确定
根据结构设计查参考资料[5]选取齿轮的参数为
模数
m
4
齿数
z
40
分度圆直径
d
d=mz
160mm
齿顶圆直径
da
da=d+2ha*m
168mm
齿根圆直径
df
df=d-2（ha*+c*）
150mm
齿距
p
p=πm
12.56mm
基圆直径
db
db=d·cosα
152.17mm
齿形角
α
20°
第3章液压夹紧滑台机构的设计
3.1液压夹紧滑台机构的整体设计
液压夹紧滑台机构是用来夹紧工件的饿，它的设计基本原理是用液压缸作为动力,液压缸带动V形块来夹紧工件,由于夹紧工件是夹在工件的外圆上,因此就需要保证工件的中心和V型块的中心保持在同一水平面上.为了能够保证这一设计要求,设计一个托起液压缸,它的作用是托起工件,通过调整它来使工件和V型块在同一水平面上.因为这个液压缸只要能够托起工件就可以了,而且工件的重量也只有15Kg左右,重量相对较轻,所以这个液压缸不需要进行校核设计.
在设计夹紧用的液压缸时,采用的是活塞固定,而液压缸移动的动作方式,活塞杆固定在支架上;支架又与底座相连.由于工件在加工过程中采用的是两台机床同时动作对其进行加工,两台机床使用相同
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