砂箱转运机设计.docx

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砂箱转运机设计

1前言

在现代工业生产过程中，物料转运这一过程对大部分企业来说，是不可缺少的一步，在原材料的生产过程中也是这样。

对转运系统的运行要求是：

在限定的节拍时间内,完成横向搬运,并平稳、准确地停止在起始或终止位置。

据国外统计：

在中等批量的生产车间里，零件在生产线上的时间仅占生产时间的10%，而90%的时间消耗在原材料、工具、零件的转运、等待上，物料转运的费用占全部生产费用的30%—40%。

从而可见转运机器的技术水平和设备状态对工业自动生产线的运行影响很大,既影响自动生产线的开动率,又影响自动生产线的运行速度。

因此，设计合理、高效、安全的物料转运机器对压缩库存资金占用、缩短物流转运所占时间，是十分必要的。

在我国的铸造工业生产领域内，物料转运的应用比较常见，应用也比较广泛，按照转运作业的要求可以分为：

1）水平或斜面运动—搬运作业；2）垂直运动—装卸作业；3）提升或下降运动—码垛或取货作业；4）绕垂直轴线转动—转向作业；5）绕水平轴线转动—翻转作业。

而本设计题目是砂箱转运机，是属于水平搬运作业范畴。

在工业生产中，小批量生产一般采用人工搬运；中大批量生产一般采用自动化搬运线。

本设计是解决铸造行业中砂箱转运的问题，是属于中大批量生产范畴，因此采用自动化搬运线。

自动化搬运线是利用PLC控制电机的运动，电机带动皮带、链条、齿轮等机构，从而实现物体的搬运。

从古至今，人们经历了从人工搬运、纯机械搬运、电机带动机械进行搬运、自动化搬运线。

我国从自动化搬运线的空白到现在的初具规模，并且已经基本广泛应用于生产实践中。

现在，我国的自动化搬运机已经有少量的出口，国外厂家生产的产品也已逐步退出了中国的市场。

目前，我国关于铸造产业中的专利主要涉及到铸造设备、模具制造等，而有关铸造中的物料转运的问题涉及的较少。

2选题的目的及意义

在现在的铸造行业中，绝大多数都是中大批量生产，而铸造中砂箱转运的问题是不可忽视的一步。

如图（2.1）所示，表明了砂箱转运在铸造自动生产线上的重要工艺位置[1]。

能使砂箱平稳、准确从一个生产线转运到下一生产线中，从而使整个铸造生产线顺利的进行下去。

这显得尤为重要。

本设计拟选择砂箱转运作为课题方向，采用电机带动链条（链条固定在支撑砂箱的装置上）从而对砂箱进行转运。

之所以采用链条传动，是因为链条传动比皮带传动效率高、结构紧凑，比齿轮方便、简单，而且成本较低，可以远距离传动。

通过本次设计可以将自己所学的理论知识与实际相结合，提高自己的设计水平，动手能力，巩固基础知识，并将知识有机的整合到一起。

图2.1铸造自动生产线的工艺流程

3方案设计及要求

我设计的是砂箱转运机。

砂箱转运机工作时，驱动电机带动传动链进行运动，而链条固定在支撑砂箱的装置上，从而带动砂箱运动。

最后由顶出装置将砂箱顶起，从而进入下一生产线。

设计方案要求：

1.采用液压传动，工作压力为16MPa；

2.设计的机械可完成给定砂箱的搬运，砂箱尺寸：

1200x920x320mm；

3.完成液压缸的选型；

4.结构模块化，便于装配；

5.由于时间的关系，本次设计仅对机械系统进行了设计，而对液压系统、电气控制系统不做设计。

4砂箱转运机总体方案设计

根据生产工艺，砂箱转运机工作时，传动系统（3）带动支撑砂箱装置（6）进行运动,从而带动砂箱（5）运动。

最后由顶出系统（4）将砂箱顶起，由机械手搬运到下一生产线。

其总体结构示意图如图4.1所示：

图4.1总体结构示意图

1工作台2导轨3传动系统4顶出系统

5砂箱6砂箱支撑装置

5主要结构的选择

5.1砂箱的选用

砂箱是铸造车间使用的主要工艺装备之一，合理的砂箱结构和尺寸对获得优质铸件、提高劳动生产率有很大作用。

砂箱按制造方法分：

整铸式的砂箱、焊接式的砂箱和装配式的砂箱三种砂箱[2]。

而本次设计用到的砂箱，如图5.1所示：

图5.1砂箱

其中砂箱尺寸：

1200x920x320mm。

5.2砂箱支撑装置的选用

砂箱放置装置一般是把砂箱直接放置到平面上，这样放置不但摩擦大而且受力不均匀，出于此考虑，本次设计对传统的放置装置进行了改进，即在装置中添加八个辊轮，其简图如图5.2所示：

图5.2支撑砂箱装置的简图

其辊轮外观如图5.3所示：

图5.3辊轮外观

其固定方式采用双螺母防松固定，滚轮轴采用调质后的45号钢。

而选择辊轮中的滚动轴承主要依据几下几个原则[3]：

（1）轴承载荷

轴承所承受的载荷大小、性质和方向，是选择滚动轴承类型的重要依据。

（2）轴承的转动速度

在一般的转速下，转速的高低对轴承类型的选择不会发生什么影响，只有在转速比较高时，才会对其有较显著的影响。

（3）轴承的调心性能

当轴承的中心线和轴承座的中心线存在角度误差时，或因支撑轴受到力而发生弯曲或倾斜时，都会引起轴承内外圈的轴线发生偏斜。

此时，应该采用有一定调心功能的调心轴承或带轴承座的深沟球轴承。

（4）轴承的安装和拆卸

轴承能便于拆卸，也是在选择轴承类型的时候应该考虑的因素。

在轴承座不存在刨分面而必须沿轴向安装和拆卸轴承的组件时，应该首先选用内外圈可以分离的轴承。

查阅机械设计手册和参照以上原则以及轴的内径，我选择深沟球轴承。

轴承型号为6006GB/T276—1994,个数为2个,详细信息为：

内径30mm，外径55mm，宽度13mm。

5.3顶出系统的选用

利用液压缸，将放置砂箱的装置顶出一定高度，从而由机械手将砂箱转入到下一生产线。

其顶出系统如图5.4所示：

图5.4顶出系统简图

5.3.1液压缸的选择与计算

我所设计的顶出系统中的液压缸工作压力是16MPa，需要提供的最少推力有以下几部分组成：

1.砂箱重约150Kg

2.砂箱支撑装置的重约300Kg

3.顶出装置重约400Kg

4.其余重约60Kg

所以F=（150+300+400+60）

10=9100N。

我要根据这个要求来选择顶出系统用的液压缸。

1.液压缸类型的选择

根据我所设计的顶出系统的功能来看，我需要一个单杆双作用液压缸，它能够实现往复运动。

2.液压缸主要几何尺寸的计算[4]

（1）压力

油液作用在单位面积上的压强

Pa（5.1）

从上面的公式可以看出，压力值的存在是由载荷的存在而产生的。

在同一个活塞的有效工作面积上，受到的载荷越大，用来克服载荷所需的压力就越大。

额定压力（公称压力）PN，是指液压缸能用以长期工作的压力。

由于我所需要的液压缸的工作压力为16MPa，所以由液压缸压力的分级可以知道，此液压缸属于中高压。

最高允许压力

也是动态试验的压力，是液压缸在瞬间所能承受的最大的压力。

各国规范通用规定为

（MPa）

所以我所选用的液压缸的最高允许压力为

=24MPa

（2）单杆液压缸的推力F1

（5.2）

式中F1—液压缸推力（kN）

—工作压力（MPa）

—活塞的作用面积（

）

（5.3）

D—活塞直径（m）

（3）速比

液压缸活塞往复运动时的速度之比为

（5.4）

D—液压缸的活塞直径，（m）d—活塞杆直径，（m）

由于我选用的液压缸工作压力是16MPa，参照机械设计手册（单行本）表23.6-58，我选择速比

。

（4）液压缸的总效率

液压缸的总效率由以下效率组成：

机械效率

，由活塞及活塞杆密封处的摩擦阻力所造成的摩擦损失，在额定压力下，通常可取

=0.9—0.95。

我选0.9

容积效率

，由各密封件泄漏所造成，如前述，通常取活塞密封为弹性材料时

=1；活塞密封为金属环时

=0.98。

我要选择的活塞密封件为弹性材料的，所以

=1。

作用力效率

，由排出口背压所产生的反作用力造成。

活塞杆伸出时

（5.5）

活塞杆缩回时

（5.6）

当排油直接回油箱时

所以液压缸的总效率

（5.7）

所以我所选择的液压缸的总效率为0.9.

（5）活塞杆的理论作用力

此液压缸的理论作用力

（5.8）

F0—实际作用力,

—负载率，一般取0.5—0.7.

由F=9100N,

=0.6,

=0.9可知其理论作用力为

。

（6）液压缸内径D

由公式

（5.2）可以导出

（5.9）

D—液压缸内径（m）

F1—液压缸推力（kN）

p—选定的工作压力（MPa）

把F=16.852kN，p=16MPa带入公式（5.9）得D=36.6mm，考虑到此液压缸的工作环境，结果应加一安全系数，选安全系数n=2，所以D=36.6

2=73.2mm。

参照表23.6-59[4]，选择液压缸内径D=80mm，其外径D1=95mm。

（7）活塞杆直径d

参照机械设计手册（单行本）表23.6-57，得：

d=0.56D

=0.56

80mm=44.8mm

参照机械设计手册（单行本）『4』表23.6-65，活塞杆直径d=45mm。

（8）液压缸行程S

通过总体的方案设计可得知此液压缸的行程为S=380mm.按照GB2349—1980中的液压缸行程，最终选择液压缸的行程S=400mm。

联系上面的几个计算可从一些现有的液压缸中选择我所需要的。

那么我所选择的液压缸是轻型拉杆式液压缸，安装方式为前端方法兰式。

此液压缸的外形尺寸按照机械设计手册（单行本）表23.6-114『4』进行设计。

而结构简图如图5.5所示：

图5.5液压缸结构简图

5.3.2导向装置的设计

此次设计的这个顶出系统的导向装置和液压缸一起作用于上面的顶出装置。

此导向装置主要是两根导向杆，两个导套以及八个螺钉组成。

该其中一个导向机构的结构简图如图5.6所示：

图5.6导向机构

1导向杆2导向套3螺钉4固定套板

导向机构是在液压缸运动过程中起导向和支承作用，不仅有利于运动部件的灵活性，还增加了活塞杆的刚度，因此导向机构的选择至关重要。

（1）导向杆

导向杆的要求：

1.以分型面为基准，比型芯长；2要选耐磨性的材料，所需要的此导向杆用45号钢；3.导向杆的固定形式有多种,选用螺钉固定式。

4.导向杆的配合精度：

对导向杆固定端为过渡配合H7/k6；对导向杆导向端为间隙配合H7/f6[5]。

其外形结构如图5.7所示：

图5.7导向杆外形结构图

（2）导向套

导向套的目的是为了确保导向杆以免被卡住，从而起到导向的作用。

导向套由于要与导向杆发生相对运动所以对于硬度的要求比较高，所以要选用耐磨材料，因此我选用45号钢。

导套与导向杆的配合为间隙配合H7/h6,其外型结构如图5.8所示：

图5.8导向套外形结构图

（3）此导向杆的顶端加工出螺纹，在将此导向装置安装在顶出装置上的螺纹孔中，可以使液压缸的活塞杆严格的按直线运动。

5.3.3顶出装置的设计

导向杆通过螺纹连接，与顶出装置相固定。

当砂箱转运到下一生产线时，液压缸进行动作，将顶出装置顶起，使砂箱离开放置砂箱的装置一段距离，然后由机械手将砂箱运到下一生产线。

所以顶出装置也显得尤为重要。

其外形结构如图5.9所示：

图5.9顶出装置外形结构图

5.4传动系统的选用

首先，应该满足机器的功能要求，如所能传递的功率的大小、转动速度和运动的形式，除此之外还应该满足平稳运行、传动的效率比较高、传动的距离比较远、结构不复杂、使用维护起来方便。

常用传动方案有3种[6]：

（1）带传动：

①结构比较简单,比较适用于两轴的中心距比较大的传动场合；②传动平稳噪声小、能吸收震动；③过载的时候皮带会在带轮上打滑,能防止机器中薄弱的零部件的损坏,起到了安全保护的作用；④不能保证非常精确的传动比，而带轮的材料一般采用铸铁等。

（3）圆柱齿轮传动：

①此传动能够保证瞬时传动比恒定,平稳性很高,传递准确可靠；②能传递的功率和运动的速度范围比较大；③结构小巧、此传动工作起来可靠,能够实现较大的传动比；④传动的效率高,使用的寿命比较长。

（2）链传动:

①和齿轮传动相比较,它可以在两轴中心距比较远的状况下传递运动和动力；②制造的精度、安装的精度低—成本低；③和带传动相比较,它能够保证准确的平均传动比,传递功率较大,并且作用在轴和轴承上的力较小；④传递的效率比较高,一般的情况下可以达到0.95～0.97；⑤能在低速、重载和高温的条件下以及灰土飞扬的恶劣的环境中工作；⑥链条的铰链磨损之后,会使得节距变大造成脱落等现象。

根据砂箱转运机实际工作情况，结合机械造价以及工厂的经济效益，选择电机--链传动，如图5.10所示:

图5.10传动系统示意图

5.4.1电动机的选择与计算

（1）由于我设计的砂箱转运机是在铸造自动化生产线上运行的，并且要求能使砂箱平稳、准确从一个生产线转运到下一生产线中。

经过考虑我选择交流伺服电机，该类型电机的优点有[7]：

1、精度：

能够完成速度、位置和所承受力矩的闭环控制；弥补了步进电动机的失步问题；

2、转速：

在速度较高时，性能比较好，额定转速一般能够达到2000～3000转；

3、适应性：

抵抗过载的能力强，能够承受很大的负载，对存在负载波动以及要求电机快速起动的场合比较适用；

4、稳定：

在速度低时运行较平稳，在速度低时不会产生和步进电动机存在步进运行的现象。

能在高速响应要求的场合使用；

5、及时性：

电动机调速时间短，一般的情况下在一秒之内；

6、舒适性：

发热、噪音比较低。

（2）确定电动机的功率

标准电动机的容量以额定功率表示，所选用电动机的额定功率P应不小于所需工作机要求的功率Pd。

工作机要求的电动机功率Pd为

Pd=Pw/η（5.10）

式中Pd—工作机要求的电动机输出功率，单位为kW

Pw—工作机所需输入功率，单位为kW；

η—电动机至工作机之间传动装置的总效率。

工作机所需功率Pw应由机器工作阻力和运动参数计算所得，Pw为

（5.11）

式中F—工作机所要克服的阻力

V—工作机的线速度

—工作机的效率

根据经验得砂箱转运得平均速度

其中F=mg，m由以下几部分组成：

5.砂箱重约150Kg

6.砂箱支撑的装置重约300Kg

7.顶出装置重约400Kg

8.其余重约60Kg

考虑到该砂箱转运机的工作场合、环境等，通过查阅资料和根据生产经验得工作机的阻力系数

=0.5，所以工作机所要克服的阻力

（5.12）

式中n—安全系数，查阅资料铸造中的安全系数n=2—3，根据经验n选3。

代入数据得F=9.1KN

把F=9.1KN，

代入（5.10）和（5.11）得Pd=7.1（KW）

所以P>7.1KW

经过上网查阅资料我选择上海登奇机电技术有限公司制造的&GM7系列交流伺服变频（主轴）电机。

GM7系列交流伺服变频（主轴）电机能够和国内外各种不同档次的变频器或者主轴得变频器相配套，从而对其进行开环控制，或者是闭环控制运行，此电机广泛应用于自动生产线、建材、塑料机器、纺织业、轻工机械、数控机床、自动输送线等等需要调节速度的场合。

GM7系列交流伺服变频（主轴）电机由定子、转子、低噪音风机、高精度的编码器等一些部件组成，在对其进行结构的优化设计和磁路优化设计的基础上，采用了F级特殊绝缘的结构以及高精度加工和特殊工艺，使得此电动机具备了以下优点：

1）结构比较紧凑，占地面积小，重量比较轻；

2）整机采用了特殊的设计，电磁的振动比较小，噪音也比较低，旋转起来的精度比较高，恒转矩以及恒功率的调节速度的范围比较宽；

3）转子的转动惯量比较小，响应起来的速度比较快；

4）存在的气隙比较均匀，电机的平衡精度较高，转矩存在的脉动小；

5）电机采用了全密封的设计，其防护的等级达到了IP54；

6）电机采用特殊的F级绝缘结构；

7）耐冲击，寿命较普通电机长，运行起来可靠；

8）性价比较高。

其技术数据如表1所示：

表1GM7系列交流伺服变频（主轴）电机技术数据表

根据上表所示和我所算得P>7.1KW，所以我选择的交流伺服变频（主轴）电机的型号是GM7103-4SC61其主要参数如表2所示

表2GM7103-4SC61交流伺服变频（主轴）电机的主要参数

型号

额定功率（kw）

额定转矩（Nm）

额定电流（A）

额定转速（r/min）

GM7103-4SC61

7.5

35.8

18.8

2000

该电机的外形尺寸如图5.11所示：

图5.11交流伺服变频（主轴）电机GM7103-4SC61的外形尺寸

5.4.2链条与链轮的设计与计算[8]

（1）链条的分类与选择：

链条按照用途的不同可以分为传动链、输送链和起重链。

输送链和起重链主要用于运输和起重机械中。

而在一般的机器中，最常用到的是传动链。

传动链又可分为短节距精密滚子链、齿形链等一些类型。

其中传动系统的低速级常用滚子链，滚子链在一般的情况下能传递的功率在100KW以下，链速不能超过15m/s，传动比最大为8。

齿形链在现实生活中使用比较少。

由于设计的机器需要传输的功率不大，因此采用单排链就能满足要求，而且多排链承载的能力是与它的排数成正比的，但是由于精度的影响，各排链能承受的载荷不容易分布均匀，所以排数不能过多，因此选用单排链。

（2）链条的设计与计算

已知设计功率P=0.5kW，n=38.5r/min

根据表3，工况系数

=1.0，查机械设计手册图9-13

=1.0，单排链。

选链轮齿数25齿。

表3工况系数

则计算功率为Pca=KA

P=1.0×1.0×1.5=1.5kW，根据Pca=1.5kW和链轮转速n=38.5r/min查询机械设计手册图8-7a，选10A-1。

由于所要求的链传动是经常的传动并且要求传动比较精确，所以根据表4选择传动用短节距精密滚子链。

表4常用链传动的类型、结构特点和应用

根据我所设计的砂箱转运机转运的距离，初选中心距

=5030mm，链条长度L=8676mm。

（3）链轮的设计与计算

链轮齿形

滚子链和链轮的啮合形式是属于非共轭啮合的形式，其链轮的齿形设计灵活。

在国标GB/T1243—1997中没有规定具体的链轮齿形，只规定了最小和最大的齿槽形状以及极限参数，参照表9—2计算出滚子链链轮的齿槽形状图5.12所示：

图5.12链轮齿槽形状图

链轮的基本参数以及主要的尺寸

链轮的基本参数有链条的节距p、套筒的最大外径

，排距

和齿数z。

由上面的计算可知，选用单排链，齿数z=25

查机械设计表[4]9-1得：

配用链条的节距p=15.875mm

滚子外径

=10.16mm

排距

=18.11mm

由机械设计手册[4]表9-3滚子链轮的主要尺寸计算得：

分度圆直径d

d=

（5.13）

=15.875/sin（180/25）

=127（mm）

齿顶圆直径

（5.14）

=127+1.25×15.875-10.16

=136.7（mm）

齿根圆直径

=d-

=116.84（mm）

链轮的轴向齿廓尺寸由表9-4查得，最终链轮结构如图5.13所示：

图5.13链轮结构图

链轮的材料及结构

设计的链轮轮齿要有足够的强度以及耐磨性。

我们常用的链轮材料如表5所示：

表5链轮材料

链轮材料

应用范围

15，20

Z≤25存在冲击载荷的主动、从动链轮

35

Z＞25主动链轮

45，50，ZG45

没有激烈的冲击以及振动；容易磨损的主、从动链轮

15Cr，20Cr

Z＜25的大功率的传动

40Cr，35SiMn，35CrMo

使用A级链条传动的主动、从动链轮

A3，A5

中等速度、中等功率，比较大的链轮

不低于HT15-33

Z＞50的从动链轮

夹布胶木

P＜6kw速度比较高且要求传动平稳处

由于运动中存在动载荷，且我选择的链轮没有主动链轮和从动链轮，故链轮选用40Cr经渗碳淬火处理。

链轮直径较小，制成整体式。

链传动的润滑

链传动时的润滑非常重要，对于高速重载的链传动尤为明显。

良好的润滑能减少链的磨损以及缓和冲击，提高链的承载能力，延长链的寿命，所以链传动应该合理地选择润滑的方式以及使用的润滑剂种类。

较常用的润滑方式有[11]：

a：

人工定期润滑：

用油壶或者是油刷注油，每次给油一次，比较适用于链的速度v≤4m/s的传动。

　　b：

滴油润滑：

用油杯经过油管往链的内、外链板的间隙处滴油，适用于链的速度v≤10m/s的传动。

　　c：

油浴润滑：

传动链从密闭的油池里经过，链条浸油的深度6～12mm之间，用于链的速度v=6～12m/s的传动。

　　d：

飞溅润滑：

在密闭的容器中，使用甩油盘将润滑油甩起，然后经过壳体上的储存润滑油的装置将油导流到传动链上。

其中甩油盘的速度应该大于3m/s，浸油的深度一般情况下在12～15mm。

　　e：

压力油循环润滑：

用油泵将润滑油喷到传动链上，喷口应该设在链条进入啮合之处。

适用于链速v≥8m/s的较大功率的传动，链传动中常用的润滑油有L-AN32、L-AN46、L-AN68、L-AN100等润滑油。

当环境温度较低时，粘度应低；传递功率较大时，粘度应高。

根据我选的链号10A—1和链条速度V=0.5m/s，选用定期人工润滑。

5.5工作台和支架的设计

5.5.1导轨以及工作台的设计

我所设计的砂箱转运机上的导轨就是给转运装置一个定位，使得转运装置能够顺利的将砂箱从一个生产线转运到下一生产线中。

此导轨只需满足很小的弯曲强度和一定的硬度要求即可。

为了满足对导轨的要求，对于导轨的材料我选择耐磨铸铁铸铁。

因为在有润滑的条件下，此时的铸铁具有摩擦系数小，在工作过程中磨损较少、动力的消耗小等特点，所以对要导轨进行耐磨涂层工艺处理。

由于此处的导轨只起到支撑和导向的作用，所以导轨的形状我选择长方体的形状，其外形尺寸参照零件图。

导轨通过焊接在工作台上，并且要经过焊后加工，工作台是专门订做的工字钢，然后通过焊接而成。

焊接方式选择翻边式。

5.5.2支架的设计

支架我选择用厚钢板焊接成工字型结构，其优点有：

翼缘比较宽，侧向的刚度较大，抗弯的能力强；

翼缘两个表面相互平行，使得连接、加工、安装十分的简便；

和一般的型钢相比，成本较低，精度比较高，残余的应力较小，不需要昂贵的焊接材料以及焊缝的检测，能节约制作成本大约30%；

相同的负荷下，热轧H钢结构比传统的结构钢重量减轻大约15%；

与砼结构相比较，工字钢的结构可以增大6%的使用面积，而结构自身的重量能减轻25%左右，减少了结构设计存在的内力[9]。

而机架设计要符合以下要求：

在满足了所要求的强度和刚度的前提下，机架的重量应该要求轻、成本低；

抗振性要好。

把受迫振动的振动幅度限制在允许的范围之内；

造型好，适用经济并且美观大方；

温度场的布局要合理，热变形对机架的精度影响要小；

结构设计要合理，工艺性要较好，铸造、焊接和机械加工方便[14]。

其尺寸参照零件图（底座）。

6其它零部件的设计与计算

6.1链条连接处及缓冲的设计

链条连接[8]处采用如图6.1所示：

图6.1链条连接处简图

缓冲装置采用弹簧进行，可以对装置进行前后误差的调节。

根据工作情况，选用Y

型圆柱螺旋压缩弹簧，弹簧的直径d为8mm，自由高度

为75mm，有效圈数n为11.5圈。