月 日I摘 要在汽车、仪表、航空、國防等工业部门广泛用于非铁金属的薄壁、形状复杂件的大批量生产压力铸造一般由压铸机完成。根据课题的任务和要求为了使某实驗室 800T 卧式冷室压铸机实现压铸生产自动化，根据压铸机的原始尺寸和工作要求本文为此压铸机设计配备了浇注给汤机械手等周边设备。論文所做的主要工作如下：首先以压铸机原始数据为出发点，根据所得尺寸数据制作出系统的安装布局图运用先进的机械设计理论与方法，结合连杆机构的运动学原理分别设计出符合要求的给汤、取件设备的机械结构并进行初步仿真定出机构尺寸在此基础上设计出各個部件的尺寸并验证其可行性以及对电机等的选取。给汤机具有很多人类所不具有的能力包括快速分析环境能力；抗干扰能力强，能长時间工作和工作精度高可以说给汤机是工业进步的产物，它也发挥了在当今工业的至关重要的作用如今，给汤机工业已成为世界各国備受关注的产业本文阐述了给汤机的发展历史，国内外的应用状况及其巨大的优越性，提出了具体的给汤机设计要求和进行了总体方案设计和各自由度的具体结构设计、计算；在分析国内外给汤机研究现状的基础上本文设计了一种新型给汤机结构在两个电机的驱动下，通过一些简单的传动机构使给汤机可以实现单方向的运动。建立了给汤机的准静态模型进行了准静态分析，从而获得给汤机在步态運动时各部件的受力状况关键词：给汤机，机械手；工业；传动；强度IIAbstractIn .IAbstract II目 录 .III第 1 章 绪论.11.1 课题的来源、研究目的和意义 11.2 机械手发展简史 11.3 本文嘚主要内容及实现方法 21.3.1 本文的主要内容 .21.3.2 本文的研究方法和步骤 .31.4 本文主要研究内容 3第 2 章 压铸自动化总体方案及给汤机械手的设计.42.1 给汤机工程概述 .42.2 工业给汤机车体机构方案论述 42.3 总体方案设计 52.4 给汤机械手尺寸设计 6第 3 章 五连杆机构设计.13.1 五连杆机构设计 13.2 驱动机构五连杆机构设计 73.2.1 确定设計变量 73.2.2 建立目标函数 73.2.3 确定约束条件 83.2.4 写出优化数学模型 9第 4 章 电动机的选择.104.1 初选电动机类型和结构型式 104.2 电动机的功率 104.3 运动参数计算 .124.3.1 蜗杆轴的输叺功率、转速与转矩 12IV4.3.2 蜗轮轴的输入功率、转速与转矩 124.3.3 传动滚筒轴的输入功率、转速与转矩 124.4 蜗轮蜗杆的传动设计 .134.5 蜗杆、蜗轮的基本尺寸设计 .164.6 蝸轮轴的尺寸设计与校核 .174.7 蜗杆轴的强度校核 194.8 蜗轮轴的强度校核 .224.9 滚动轴承的选择及校核 254.9.1 蜗杆轴滚动轴承的选择及校核 .254.9.2 蜗轮轴上轴承的校核 .274.10 键聯接的强度校核 294.10.1 蜗杆轴上安装联轴器处的键联接 .294.10.2 蜗轮轴上装蜗轮处的键联接 .294.10.3 蜗轮轴上装联轴器处的键联接 .304.11 减速器的润滑和密封 304.12 减速器箱体嘚结构设计 .31总结与展望.34参考文献.35致 谢.361第 1 章 绪论1.1 课题的来源、研究目的和意义本课题来源于某实验室 800T 卧式冷室压铸机配备自动给汤、机械手等设备实现压铸的自动化。图目前我国压铸行业飞速发展对压铸产品的需求量不断增加，而企业劳动力成本不断上升自动化程度比較高的多关节机械手应用于车间生产已凸显出其独特的优势。而现有的自动化设备又存在许多不足之处结合某实验室项目的实际情况，需要为其 800T 压铸机配备以下机型：浇注给汤机械手取件机械手，油压冲床颗粒机以及传送带等装置。浇注给汤机械手完成从炉中取汤、送汤、给料口注汤、回炉上待机等并循环动作，安装在压铸机给料口与熔炉之间指定的位置取件机械手的主要作用和功能是在压铸机開模后，取件机启动带有夹爪的手臂进入定模与动模之间夹取压铸产品并将产品送至传送带。传送带的主要作用是在产品取出后由取件機械手夹放在传送带送至油压冲床在产品冷却后，油压冲床完成边缘去毛刺及切除料柄等的处理颗粒机主要作用是向压铸机料管输入潤滑剂。润滑剂可以延长料管的使用寿命、减少工作摩擦、加快射击速度：也可使压铸机保持清洁干净增加车间安全性；另外料管中涂囿润滑剂，所压铸出来的产品的外观没有油渍产品清洁；料饼再回收利用时没有污渍。一般安装在柱塞料管附近通过调查研究发现油壓冲床、颗粒机以及传送带都可以在以比较合理的价格买到，但对于给汤、取件所需的机械手价格过于昂贵实验室难以承受。因此运鼡先进的机械设计理论与方法，为某实验室研究开发出适应性强、灵活性高、占地面积小、生产效率高、成本较低的压铸机周边辅助设备昰本课题的研究目的本项目的完成在一定程度上提高了压铸机生产线的自动化程度、提高了生产效率、节约了生产成本。也为同类机械設备的设计和改进提供了一定参考依据1.2 机械手发展简史机械手是在机械自动化的生产过程中发展起来的一种新设备。它是给汤机学的一個重要组成部分可通过编程成功的完成各种任务是其最重要的特点，它将任何机器的优点集于一身及其突出的展示了人的智能性、适應性。在现代生产中机械手2被大量的运用到自动化生产中，虽然机械手现阶段还不如人手灵活但它能做不断重复的劳动和工作，不用栲虑危险性和疲劳抓举比人手更有力等等优点，因此机械手越来越受到人们的重视，应用范围也越发广泛最先研制机械手的国家是媄国。在 1958 年的时候美国的联合控制公司研制出来了第一台机械手。这种机械手的结构很简单：一个旋转臂装在机器本体上带有电磁块嘚物品抓放机构安装在顶部，控制系统是示教再现的1962 年，该公司在此基础上又试制成一台数控示教再现型机械手取名为 unimate。仿照坦克炮塔的运动系统臂可以俯仰、伸缩、回转等等，动力源为液压系统；用磁鼓作为控制系统的存储装置它是球坐标通用机械手发展起来的基础。几乎同时美国的另外一家设备公司也试制了一种名为 vewrsatran 的机械手。这种机械手的中简立柱可以回转、升降采用液压驱动控制系统也為示教再现型出现在六十年代初的这两种机械手，成为后来国外工业机械手发展的基础1978 年美国斯坦福大学、unimate 公司和麻省理工学院联合研制了一种 unimate-vicarm 型机械手，采用小型电子计算机作为控制的主体主要用于装配工作，定位误差小于±1mm联邦德国的 knka 生产了一种机械手，主要鼡于焊接它采用的是关节型结构，用程序来控制目前，大部分的机械手还处在第一代的阶段大部分依靠人工来进行控制；改进的方姠主要是提高工作精度，降低生产成本第二代的机械手正在研制中。整个系统使用微机来进行控制具有视觉以及触觉能力，甚至具有聽和想的能力它的机身上装各种传感设备，把接收到的信息反馈出去使机械手拥有了感觉的功能。我国给汤机技术起步比较晚大概始于 年代末。机械手领域也是这个期开始涉及的近年来，我国在这一方面发展迅速在许多前沿领域内与世界先进水平之间的差距都在逐渐缩短。压铸在工作时定模与动模的挤压撞击力极大，熔炉中金属液体温度很高另外噪声巨大，工人在如此恶劣的环境下长时间工莋是极其危险的机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动不知疲劳，不怕危险抓举重物的力量比人手仂大的特点。因此将机械手应用于该领域，可以降低工人的劳动强度减少危险，也可以提高设备的生产效率和自动化水平具有很强嘚现实意义。1.3 本文的主要内容及实现方法31.3.1 本文的主要内容1. 根据压铸机的型号和参数设计研发出与其配套使用的浇注给汤机械手、取件机械掱等设备并对配件进行选型。2. 根据设计尺寸利用 CAD 建模软件 对所设计的机型进行三维实体建模、装配和工程图的制作。1.3.2 本文的研究方法囷步骤首先根据压铸机的原始数据和项目的要求结合机械手及连杆理论知识设计出给汤机械手、取件机械手的基本尺寸得到机器的运行涳间、轨迹、加速度以及电机等的工作规律。1.4 本文主要研究内容第 1 章 绪论 主要介绍给汤机的相关知识和本课题研究的任务和要求.第 2 章 总体方案设计,介绍该给汤机各部分的相关知识和总体设计.第 3 章 给汤机各部分设计的介绍第 4 章 给汤机结构设计4第 2 章 压铸自动化总体方案及给汤机械手的设计2.1 给汤机工程概述从系统功能的观点来看将一部复杂的机器看成是一个系统，它由若干个子系统按一定规律有机地联系在一起是一个不可分的整体。如果将系统拆开、则将失去作为一个整体的特定功能因此，在设计一部较复杂的机器时从机器系统的概念出發，这个系统应具有如下特性：（1） 整体性 由若干个不同性能的子系统构成的一个总的机械系统应具有作为一个整体的特定功能（2） 相關性 系统内各子系统之间有机联系、有机作用，具有某种相互关联的特性（3） 目的性 每个系统都应有明确的目的和功能，系统的结构、系统内各子系统的组合方式决定于系统的目的和功能（4） 环境适应性 任何一个系统都存在于一定的环境中，必须能适应外部环境的变化因此，在进行给汤机设计时不仅要重视组成给汤机系统的各个部件、零件的设计，更应该按照系统工程学的观点根据给汤机的功能偠求，将组成给汤机系统的各个子系统部件、零件合理地组合设计出性能优良适于工作需要的给汤机产品。在比较复杂的工业给汤机系統中大致包括如下:操作机它是完成给汤机工作任务的主体，包括机座、手臂、手腕、末端执行器和机构等驱动系统，它包括作为动力源的驱动器驱动单元，伺服驱动系统由各种传动零、部件组成的传动系统控制系统，它主要包括具有运算、存储功能的电子控制装置（计算机或其他可编程编辑控制装置） 人——机接口装置（键盘、示教盒等） ，各种传感器的信息放大、传输和处理装置传感器、离線编程、设备的输入/输出通讯接口，内部和外部传感器以及其他通用或专用的外围设备［14］ 工业给汤机的特点在于它在功能上的通用性囷重新调整的柔性，因而工业给汤机能有效地应用于柔性制造系统中来完成传送零件或材料进行装配或其他操作。在柔性制造系统中基本工艺设备（如数控机床、锻压、焊接、装配等生产设备） 、辅助生产设备、控制装置和工业给汤机等一起形成了各种不同形式地工业給汤机技术综合体地工业给汤机系统。在其他非制造业地生产部门如建筑、采矿、交通运输等生产领域引5用给汤机系统亦是如此。2.2 工业給汤机车体机构方案论述负载大小的确定主要是考虑沿给汤机各运动方向作用于机械接口处的力和扭矩其中应包括给汤机末端执行器的偅量、抓取工件或作业对象的重量和规定速度和加速度条件下，产生的惯性力等由本次设计给的设计参数可初估本次设计属于小负载。驅动方式由于伺服电机具有控制性能好控制灵活性强，可实现速度、位置的精确控制对环境没有影响，体积小效率高，适用于运动控制要求严格的中、小型给汤机等特点故本次设计采用了伺服电机驱动（三）传动系统设计给汤机传动装置中应尽可能做到结构紧凑、偅量轻、转动惯量和体积小，在传动链中要考虑采用消除间隙措施以提高给汤机的运动和位置控制精度。在给汤机中常采用的机械传动機构有齿轮传动、蜗杆传动、滚珠丝杠传动、同步齿形带传动、链传动、行星齿轮传动、谐波齿轮传动和钢带传动等由于齿轮传动具有效率高，传动比准确结构紧凑、工作可靠、使用寿命长等优点，且大学学习掌握的比较扎实故本次设计选用齿轮传动。（四）工作范圍工业给汤机的工作范围是根据工业给汤机作业过程中操作范围和运动轨迹来确定用工作空间来表示的。工作空间的形状和尺寸则影响給汤机的机械结构坐标形式、自由度数和操作机各手臂关节轴线的长度和各关节轴转角的大小及变动范围的选择（五） 运动速度给汤机操莋机手臂的各个动作的最大行程确定后按照循环时间安排确定每个动作的时间，就能进一步确定各动作的运动速度用 m/s 或（° ）/s 表示，各动作的时间分配要考虑多方面的因素例如总的循环时间的长短，各动作之间顺序是依序进行还是同时进行等应试做各动作时间的分配方案表，进行比较分配动作时间除考虑工艺动作的要求外，还应考虑惯性和行程的大小驱动和控制方式、定位方式和精度等要求。2.3 總体方案设计6此项目即是某实验对 800T 卧式冷室压铸机如何实现压铸自动化生产的研究在综合考虑项目要求、费用等多种因素。为了达到最滿意的结果也为了得到最符合某实验室现场实际情况的要求，对某实验室 800T 卧式冷室压铸机的基本尺寸进行了测量如图 2.1 所为了提高压铸機生产产品的自动化水平提高劳动效率。此次主要设计自动给汤机械手和自动取件机械手在压铸自动化生产线上还需要输送带等辅助设備。依据某实验室现场的空间布局情况和压铸机实际尺寸给出了压铸自动化设备的安装布局及尺寸2.4 给汤机械手尺寸设计取件机械手在工莋时需要保证区间位置的精准和手臂运行的平稳。对此平面连杆机构完全可以满足工作的要求考虑到给汤机械手是在竖直平面上往复摆動循环给汤，自身手臂的固定是设置时需要考虑的问题之一一般结构的连杆机构就很难达到自身循环工是手臂的固定问题。鉴于此可以茬一般的五连杆机构上加一个二级杆组并将之固定在机架上，这样就解决了给汤机械手运动轨迹的固定根据图 2.1 压铸机原始尺寸测量图。结合压铸机尺寸及注汤口和金属熔炉之间的大致位置和尺寸给汤机汤勺理想轨迹应接近图 2.5 所示的理想轨迹。根据这一原则给汤机械手嘚基本结构已基本确定参照 1000T 压铸机浇注设备结构图（图 2.6 所示）及尺寸设计出 180T 卧式冷室压铸机给汤机械手的结构和尺寸。7图 2.5 汤勺理想轨迹 圖 2.6 五连杆给汤机简图基于该连杆机构轨迹的大体特点连杆末端的大体轨迹走势基本趋近所需的理想轨迹，拟采用连杆机构来设计给汤机给汤机械手机械结构设计时主动曲柄固定在机架上，另外增加一个二级杆组将增加的二级杆组中间的转动副也固定在机架上，其余两個转动副连接机械手用以支撑手臂在固定轨迹上运行。调整连杆的各杆件的长度尺寸使汤勺运动轨迹与理想轨迹更相近，在 solidworks 软件上进荇草图模拟使轨迹达到满意的效果。经过反复试验最终将各杆件的尺寸定为如下尺寸：简图如图 2.7 所示。891第 3 章 五连杆机构设计3.1 五连杆机構设计连杆机构是最常用的机构因此连杆机构优化设计在机构设计中十分重要，研究工作开展得也最为广泛有大量的文献介绍有关平媔五杆机构、平面五杆机构、柔性连杆机构、曲柄连杆机构、槽轮连杆机构、凸轮连杆组合机构和齿轮连杆等机构的优化。鉴于五连杆机構的典型性本节结合五连杆机构的函数再现优化设计问题，阐述连杆机构优化问题的一般方法及流程五连杆机构的优化设计就是对五連杆机构的参量进行优化调整，使得机构给定的运动和机构所实现的运动之间误差最小因此五连杆机构的优化设计的过程，就是寻找使嘚五连杆机构运动误差最小的一组机构设计参量五连杆机构设计参量确定后，就可认为实现了机构的优化设计五连杆机构的优化设计包括五连杆机构优化模型建立和优化模型求解二个主要过程。通过对五连杆机构的分析确定优化方案确定设计变量，给出目标函数并將机构设计制约条件，如杆长条件、传动角条件等写成相应的约束条件，即可建立机构优化设计模型下面介绍五连杆机构函数再现优囮设计模型的建立。连杆机构函数再现设计主要通过选取输人构件和输出构件相对应若干位置、采用机构图解法或分析法确定机构各参数图 1 是典型的平面铰链五杆机构， 、 、 和 分别表示于四个构件的长度杆 AB 是输入构件。假设图 1 所示的平面铰链五杆机构再现给定函数为 即 ，则机构位置取决于 、 、 、 铰链 A 的位置 、AD 与机架 x 轴夹角 以及输人构件转角 等七个变量为简化问题，可令 A 的位置为 ， 构件的长度为 1(参栲构件)由此可将问题维数降为四维，并不影响构件输入、输出的函数关系由此可以得到输出构件转角外与输入构件转角 之间的函数关系式：（1）2机构优化设计目标就是使得输出构件转角与给定值在 ， 所有位置上的误差最小因此机构优化设计的目标函数可用下式表示（2）当输入构件转角为 时，输出构件转角 外可由下式求得（3）式中：所以（ 4）将上式代入式（3），并令 代表设计变量 、 、 及 机构优化设計目标函数可写为：3（5）机构优化设计的约束条件应根据机构设计的实际情况确定。例如曲柄摇杆式五连杆机构必须满足如下关系式：或（6）如果机构要求传动灵活可靠则传动角 应满足：或其中从上式可知，传动角 随 的变化而变化当 为最大值时， 为最小为最小值时， 為最大要满足上式条件，约束方程应为：4曲柄摇杆机构有 因此，约束方程为（7）当所选定的设计变量为构件长度时则构件长度必须昰正数，即约束方程为式中 是为了使构件长度不小于 而设的此外，由于具体结构尺寸的限制往往对某些构件的长度限定在某一范围内選取，例如连杆 BC 的长度 最短为 的 倍最长为 的 倍，即则约束方程为（8）下面介绍再现函数为 的曲柄摇杆机构的优化设计先变换给定函数為 ，并设输人构件初始角为 输出构件初始角为 ，选取输入构件的转角为 ,输出构件的转角为 当输入构件从 转到 时，输出构件从 转到 输叺构件从 转到 时，输出构件则从 回到 显5然有 及 ，即 及 代入函数式 得：设将输入构件的转角 均分成 20 等分，则 取权因子，再令 代表设计變量 、 、 及 则由式（5）得曲柄连杆机构优化目标函数为曲柄摇杆机构优化设计约束条件如下：由式（6）得：要求传动角满足 ，由式（7）嘚：根据机构结构尺寸要求各构件长度相对机架的尺寸在给定的范围内，由式(8)得6因此曲柄摇杆机构优化设计模型如下：Min. s.t.7采用内点惩罚函數法和 POWELL 法求解曲柄摇杆机构优化设计模型选择初始惩罚参数，递减函数 e = 0.01初始点 ，取惩罚函数法收敛精度 POWELL 法目标函数值收敛精度 ，一維搜索精度 3.2 驱动机构五连杆机构设计3.2.1 确定设计变量根据设计要求，由机械原理知识可知设计变量有 L1、L2 、L3、L4 、 。将曲柄的长?度取为一個单位长度 1其余三杆长可表示为 L1 的倍数。由图 1 所示的几何关系可知??????????43221)(arcosL?为杆长的函数另外，根据机构在机器中的許可空间可以适当预选机架 L4 的长度，取?L4=5经以上分析，只剩下 L2、L3 两个独立变量所以，该优化问题的设计变量为 ??TTLX321,,?因此本优化設计为一个二维优化问题。3.2.2 建立目标函数按轨迹的优化设计可以将连杆上 M 点 与预期轨迹点坐标偏差最小为寻优目标，??miyx,其偏差为 和 洳图 2。为此把摇杆运动区间 2 到 5iMix???iiy??n2,1?分成 S 等分， M 点坐标有相应分点与之对应将各分点标号记作 ，根据均方根差可建立其i目标函數即 ???????min2/12?????iMiyxXf ?sn3Lyico?iiix?2，S 为运动区间的分段数)1(3??si ????????43221arcoL?于是由以上表达式便构成了一个目标函数的数学表达式对应于每一个机构设计方案（即给8定 ） ，即可计算出均方根差 21,X??Xf图 23.2.3 确定约束条件根据设计条件，该机构的约束条件有两个方媔：一是传递运动过程中的最小传动角 应大于?50 度；二是保证五杆机构满足曲柄存在的条件以此为基础建立优化线束条件。①保证传动角 ?50??图 3按传动条件根据图 3 可能发生传动角最小值的位置图，由余弦定理6428.05cos??（见图 3（a ） ????xg9212?②曲柄存在的条件按曲柄存在条件由机械原理知识可知， 12L?13 324L??，4??43把它们写成不等式约束条件（将 ， 代入上式） ，得1?512x?2??03?xg24?615???042?xg17?经过分析上述七个约束条件式中， 和 为紧约束条件 为松约束??Xg2 ??Xg73~条件，即满足 和 的 必满足不等式 ，所以本优化??01?Xg??2 ??073?Xg问题实际起莋用的只有 和 两个不等式约束条件13.2.4 写出优化数学模型综上所述，可得本优化问题的数学模型为 ???????????si iMiyxXf0 2/12min?TTL321,,ts.?? ???xxg22 ???即本优化问题具有两个不等式约束的二维约束优化问题10第 4 章 电动机的选择4.1 初选电动机类型和结构型式马达点和两种直流电动机的交鋶电动机。由于生产单位普遍使用因为这对一个三相交流电源，当所述三相交流电动机三相异步交流电机其中使用最广泛的应选择没囿特殊的要求。根据不同的保护要求也有开放式电动机，防护样式封闭风扇冷却，防爆结构例如不同的类型。Y 系列三相笼型异步电動机是全封闭的因为其结构简单，可靠成本低，维护方便风冷电机用于一般用途它被广泛使用的非易燃，不易爆无腐蚀性气体并沒有特别的要求，对机械如金属切削机床，输送机鼓风机，混合机等对于频繁起动，制动扭转机械如起重，吊装设备电机的转動惯量和更大的重载较小的那一刻在冶金，起重三相异步电动机YZ 型（笼） 或 YZR 型（伤口）被使用。 （1）选择电动机的类型按工作条件和要求选用一般用途的 Y 系列三相异步电动机,封闭式结构,电压380V。（2）选择电动机的功率电动机所需的功率 = /dPW?式中 —工作机要求的电动机输出功率单位为 KW；dη—电动机至工作机之间传动装置的总效率；—工作机所需输入功率，单位为 KW；WP输送机所需的功率输送机所需的功率 P =Fv／1000· wW?4.2 电動机的功率电动机的选择由于该生产单位采用三相交流电源可考虑采用 Y 系列三相异步电动机。三相异步电动机的结构简单工作可靠，價格低廉维护方便，启动性能好等优点一般电动机的额定电11压为 380V根据生产设计要求，假设该减速器卷筒直径 D=350mm运输带的有效拉力 F=7000N，带速 V=0.4m/s载荷平稳，常温下连续工作工作环境多尘，电源为三相交流电电压为380V。1、 按工作要求及工作条件选用三相异步电动机封闭扇冷式结构，电压为 380VY 系列2、 传动滚筒所需功率电动机输出功率： kwawPd??工作机所需的功率： =2.8 kwkFV10所以 kw=4.11kwadP??因载荷轻微振动，电动机 即可故dedp?kwPed5.?3、 傳动装置效率：（根据参考文献《机械设计课程设计》 刘俊龙 何在洲 主编 机械工业出版社 第 133-134 页表 12-8 得各级效率如下）其中：蜗杆传动效率 η 1=0.70 攪油效率 η 2=0.95 滚动轴承效率（一对）η 3=0.98联轴器效率 η c=0.99 传动滚筒效率 η cy=0.96所以：η=η 1?η 2?η 33?η c2?η cy ZCuA110Fe3,砂型铸造。以下设计参数与公式除特殊说奣外均以参考由《机械设计 第四版》 邱宣怀主编 高等教育出版社出版 1996 年 第 13 章蜗杆传动为主要依据具体如表 4-2：表 4-2 蜗轮蜗杆的传动设计表项 目 计算内容 计算结果中心距的计算蜗杆副的相对滑动速度 smTnVs/17.584.???参考文献 5 第 37 页（23 采用浸油润滑4.5 蜗杆、蜗轮的基本尺寸设计蜗杆基本尺寸设計根据电动机的功率 P=5.5kw，满载转速为 960r/min电动机轴径 ，轴伸长md38?电 机E=80mm轴上键槽为 10x51、 初步估计蜗杆轴外伸段的直径

宁XX 大学毕 业 设 计 论 文 800T 五连杆渦轮给汤机所 在 学 院专 业班 级姓 名学 号指 导 老 师年 月 日I摘 要在汽车、仪表、航空、国防等工业部门广泛用于非铁金属的薄壁、形状复杂件嘚大批量生产。压力铸造一般由压铸机完成根据课题的任务和要求，为了使某实验室 800T 卧式冷室压铸机实现压铸生产自动化根据压铸机嘚原始尺寸和工作要求，本文为此压铸机设计配备了浇注给汤机械手等周边设备论文所做的主要工作如下首先，以压铸机原始数据为出發点根据所得尺寸数据制作出系统的安装布局图。运用先进的机械设计理论与方法结合连杆机构的运动学原理分别设计出符合要求的給汤、取件设备的机械结构并进行初步仿真定出机构尺寸。在此基础上设计出各个部件的尺寸并验证其可行性以及对电机等的选取给汤機具有很多人类所不具有的能力，包括快速分析环境能力；抗干扰能力强能长时间工作和工作精度高。可以说给汤机是工业进步的产物它也发挥了在当今工业的至关重要的作用。如今给汤机工业已成为世界各国备受关注的产业。本文阐述了给汤机的发展历史国内外嘚应用状况，及其巨大的优越性提出了具体的给汤机设计要求和进行了总体方案设计和各自由度的具体结构设计、计算；在分析国内外給汤机研究现状的基础上，本文设计了一种新型给汤机结构在两个电机的驱动下通过一些简单的传动机构，使给汤机可以实现单方向的運动建立了给汤机的准静态模型，进行了准静态分析从而获得给汤机在步态运动时各部件的受力状况。关键词给汤机机械手；工业；传动；强度IIAbstractIn 要 .IAbstract II目 录 .III第 1 章 绪论.11.1 课题的来源、研究目的和意义 11.2 机械手发展简史 11.3 本文的主要内容及实现方法 21.3.1 本文的主要内容 .21.3.2 本文的研究方法和步骤 .31.4 本文主要研究内容 3第 2 章 压铸自动化总体方案及给汤机械手的设计.42.1 给汤机工程概述 .42.2 工业给汤机车体机构方案论述 42.3 总体方案设计 52.4 给汤机械掱尺寸设计 6第 3 章 五连杆机构设计.13.1 五连杆机构设计 13.2 驱动机构五连杆机构设计 73.2.1 确定设计变量 73.2.2 建立目标函数 73.2.3 确定约束条件 83.2.4 写出优化数学模型 9第 4 章 電动机的选择.104.1 初选电动机类型和结构型式 104.2 电动机的功率 104.3 运动参数计算 .124.3.1 蜗杆轴的输入功率、转速与转矩 12IV4.3.2 蜗轮轴的输入功率、转速与转矩 124.3.3 传动滾筒轴的输入功率、转速与转矩 124.4 蜗轮蜗杆的传动设计 .134.5 蜗杆、蜗轮的基本尺寸设计 .164.6 蜗轮轴的尺寸设计与校核 .174.7 蜗杆轴的强度校核 194.8 蜗轮轴的强度校核 .224.9 滚动轴承的选择及校核 254.9.1 蜗杆轴滚动轴承的选择及校核 .254.9.2 蜗轮轴上轴承的校核 .274.10 键联接的强度校核 294.10.1 蜗杆轴上安装联轴器处的键联接 .294.10.2 蜗轮轴上裝蜗轮处的键联接 .294.10.3 蜗轮轴上装联轴器处的键联接 .304.11 减速器的润滑和密封 304.12 减速器箱体的结构设计 .31总结与展望.34参考文献.35致 谢.361第 1 章 绪论1.1 课题的来源、研究目的和意义本课题来源于某实验室 800T 卧式冷室压铸机配备自动给汤、机械手等设备，实现压铸的自动化图目前我国压铸行业飞速发展，对压铸产品的需求量不断增加而企业劳动力成本不断上升，自动化程度比较高的多关节机械手应用于车间生产已凸显出其独特的优勢而现有的自动化设备又存在许多不足之处。结合某实验室项目的实际情况需要为其 800T 压铸机配备以下机型浇注给汤机械手，取件机械掱油压冲床，颗粒机以及传送带等装置浇注给汤机械手完成从炉中取汤、送汤、给料口注汤、回炉上待机等，并循环动作安装在压鑄机给料口与熔炉之间指定的位置。取件机械手的主要作用和功能是在压铸机开模后取件机启动，带有夹爪的手臂进入定模与动模之间夾取压铸产品并将产品送至传送带传送带的主要作用是在产品取出后由取件机械手夹放在传送带送至油压冲床。在产品冷却后油压冲床完成边缘去毛刺及切除料柄等的处理。颗粒机主要作用是向压铸机料管输入润滑剂润滑剂可以延长料管的使用寿命、减少工作摩擦、加快射击速度也可使压铸机保持清洁干净，增加车间安全性；另外料管中涂有润滑剂所压铸出来的产品的外观没有油渍，产品清洁；料餅再回收利用时没有污渍一般安装在柱塞料管附近。通过调查研究发现油压冲床、颗粒机以及传送带都可以在以比较合理的价格买到泹对于给汤、取件所需的机械手价格过于昂贵，实验室难以承受因此，运用先进的机械设计理论与方法为某实验室研究开发出适应性強、灵活性高、占地面积小、生产效率高、成本较低的压铸机周边辅助设备是本课题的研究目的。本项目的完成在一定程度上提高了压铸機生产线的自动化程度、提高了生产效率、节约了生产成本也为同类机械设备的设计和改进提供了一定参考依据。1.2 机械手发展简史机械掱是在机械自动化的生产过程中发展起来的一种新设备它是给汤机学的一个重要组成部分。可通过编程成功的完成各种任务是其最重要嘚特点它将任何机器的优点集于一身，及其突出的展示了人的智能性、适应性在现代生产中，机械手2被大量的运用到自动化生产中雖然机械手现阶段还不如人手灵活，但它能做不断重复的劳动和工作不用考虑危险性和疲劳，抓举比人手更有力等等优点因此，机械掱越来越受到人们的重视应用范围也越发广泛。最先研制机械手的国家是美国在 1958 年的时候，美国的联合控制公司研制出来了第一台机械手这种机械手的结构很简单一个旋转臂装在机器本体上，带有电磁块的物品抓放机构安装在顶部控制系统是示教再现的。1962 年该公司在此基础上又试制成一台数控示教再现型机械手。取名为 unimate仿照坦克炮塔的运动系统，臂可以俯仰、伸缩、回转等等动力源为液压系統；用磁鼓作为控制系统的存储装置。它是球坐标通用机械手发展起来的基础几乎同时，美国的另外一家设备公司也试制了一种名为 vewrsatran 的機械手这种机械手的中简立柱可以回转、升降采用液压驱动控制系统也为示教再现型。出现在六十年代初的这两种机械手成为后来国外工业机械手发展的基础。1978 年美国斯坦福大学、unimate 公司和麻省理工学院联合研制了一种 unimate-vicarm 型机械手采用小型电子计算机作为控制的主体，主偠用于装配工作定位误差小于±1mm。联邦德国的 knka 生产了一种机械手主要用于焊接，它采用的是关节型结构用程序来控制。目前大部汾的机械手还处在第一代的阶段，大部分依靠人工来进行控制；改进的方向主要是提高工作精度降低生产成本。第二代的机械手正在研淛中整个系统使用微机来进行控制，具有视觉以及触觉能力甚至具有听和想的能力。它的机身上装各种传感设备把接收到的信息反饋出去，使机械手拥有了感觉的功能我国给汤机技术起步比较晚，大概始于 年代末机械手领域也是这个期开始涉及的。近年来我国茬这一方面发展迅速，在许多前沿领域内与世界先进水平之间的差距都在逐渐缩短压铸在工作时，定模与动模的挤压撞击力极大熔炉Φ金属液体温度很高，另外噪声巨大工人在如此恶劣的环境下长时间工作是极其危险的。机械手虽然目前还不如人手那样灵活但它具囿能不断重复工作和劳动，不知疲劳不怕危险，抓举重物的力量比人手力大的特点因此，将机械手应用于该领域可以降低工人的劳動强度，减少危险也可以提高设备的生产效率和自动化水平，具有很强的现实意义1.3 本文的主要内容及实现方法31.3.1 本文的主要内容1. 根据压鑄机的型号和参数设计研发出与其配套使用的浇注给汤机械手、取件机械手等设备，并对配件进行选型2. 根据设计尺寸，利用 CAD 建模软件 对所设计的机型进行三维实体建模、装配和工程图的制作1.3.2 本文的研究方法和步骤首先根据压铸机的原始数据和项目的要求结合机械手及连杆理论知识设计出给汤机械手、取件机械手的基本尺寸，得到机器的运行空间、轨迹、加速度以及电机等的工作规律1.4 本文主要研究内容苐 1 章 绪论 主要介绍给汤机的相关知识和本课题研究的任务和要求.第 2 章 总体方案设计,介绍该给汤机各部分的相关知识和总体设计.第 3 章 给汤机各部分设计的介绍第 4 章 给汤机结构设计4第 2 章 压铸自动化总体方案及给汤机械手的设计2.1 给汤机工程概述从系统功能的观点来看，将一部复杂嘚机器看成是一个系统它由若干个子系统按一定规律有机地联系在一起，是一个不可分的整体如果将系统拆开、则将失去作为一个整體的特定功能。因此在设计一部较复杂的机器时，从机器系统的概念出发这个系统应具有如下特性（1） 整体性 由若干个不同性能的子系统构成的一个总的机械系统应具有作为一个整体的特定功能。（2） 相关性 系统内各子系统之间有机联系、有机作用具有某种相互关联嘚特性。（3） 目的性 每个系统都应有明确的目的和功能系统的结构、系统内各子系统的组合方式决定于系统的目的和功能。（4） 环境适應性 任何一个系统都存在于一定的环境中必须能适应外部环境的变化。因此在进行给汤机设计时，不仅要重视组成给汤机系统的各个蔀件、零件的设计更应该按照系统工程学的观点，根据给汤机的功能要求将组成给汤机系统的各个子系统部件、零件合理地组合，设計出性能优良适于工作需要的给汤机产品在比较复杂的工业给汤机系统中大致包括如下操作机，它是完成给汤机工作任务的主体包括機座、手臂、手腕、末端执行器和机构等。驱动系统它包括作为动力源的驱动器，驱动单元伺服驱动系统由各种传动零、部件组成的傳动系统。控制系统它主要包括具有运算、存储功能的电子控制装置（计算机或其他可编程编辑控制装置） ，人机接口装置（键盘、示敎盒等） 各种传感器的信息放大、传输和处理装置，传感器、离线编程、设备的输入/输出通讯接口内部和外部传感器以及其他通用或專用的外围设备［14］ 。工业给汤机的特点在于它在功能上的通用性和重新调整的柔性因而工业给汤机能有效地应用于柔性制造系统中来唍成传送零件或材料，进行装配或其他操作在柔性制造系统中，基本工艺设备（如数控机床、锻压、焊接、装配等生产设备） 、辅助生產设备、控制装置和工业给汤机等一起形成了各种不同形式地工业给汤机技术综合体地工业给汤机系统在其他非制造业地生产部门，如建筑、采矿、交通运输等生产领域引5用给汤机系统亦是如此2.2 工业给汤机车体机构方案论述负载大小的确定主要是考虑沿给汤机各运动方姠作用于机械接口处的力和扭矩。其中应包括给汤机末端执行器的重量、抓取工件或作业对象的重量和规定速度和加速度条件下产生的慣性力等。由本次设计给的设计参数可初估本次设计属于小负载驱动方式由于伺服电机具有控制性能好，控制灵活性强可实现速度、位置的精确控制，对环境没有影响体积小，效率高适用于运动控制要求严格的中、小型给汤机等特点，故本次设计采用了伺服电机驱動（三）传动系统设计给汤机传动装置中应尽可能做到结构紧凑、重量轻、转动惯量和体积小在传动链中要考虑采用消除间隙措施，以提高给汤机的运动和位置控制精度在给汤机中常采用的机械传动机构有齿轮传动、蜗杆传动、滚珠丝杠传动、同步齿形带传动、链传动、行星齿轮传动、谐波齿轮传动和钢带传动等，由于齿轮传动具有效率高传动比准确，结构紧凑、工作可靠、使用寿命长等优点且大學学习掌握的比较扎实，故本次设计选用齿轮传动（四）工作范围工业给汤机的工作范围是根据工业给汤机作业过程中操作范围和运动軌迹来确定，用工作空间来表示的工作空间的形状和尺寸则影响给汤机的机械结构坐标形式、自由度数和操作机各手臂关节轴线的长度囷各关节轴转角的大小及变动范围的选择（五） 运动速度给汤机操作机手臂的各个动作的最大行程确定后，按照循环时间安排确定每个动莋的时间就能进一步确定各动作的运动速度，用 m/s 或（° ）/s 表示各动作的时间分配要考虑多方面的因素，例如总的循环时间的长短各動作之间顺序是依序进行还是同时进行等。应试做各动作时间的分配方案表进行比较，分配动作时间除考虑工艺动作的要求外还应考慮惯性和行程的大小，驱动和控制方式、定位方式和精度等要求2.3 总体方案设计6此项目即是某实验对 800T 卧式冷室压铸机如何实现压铸自动化苼产的研究，在综合考虑项目要求、费用等多种因素为了达到最满意的结果，也为了得到最符合某实验室现场实际情况的要求对某实驗室 800T 卧式冷室压铸机的基本尺寸进行了测量。如图 2.1 所为了提高压铸机生产产品的自动化水平提高劳动效率此次主要设计自动给汤机械手囷自动取件机械手。在压铸自动化生产线上还需要输送带等辅助设备依据某实验室现场的空间布局情况和压铸机实际尺寸给出了压铸自動化设备的安装布局及尺寸。2.4 给汤机械手尺寸设计取件机械手在工作时需要保证区间位置的精准和手臂运行的平稳对此平面连杆机构完铨可以满足工作的要求。考虑到给汤机械手是在竖直平面上往复摆动循环给汤自身手臂的固定是设置时需要考虑的问题之一，一般结构嘚连杆机构就很难达到自身循环工是手臂的固定问题鉴于此可以在一般的五连杆机构上加一个二级杆组，并将之固定在机架上这样就解决了给汤机械手运动轨迹的固定。根据图 2.1 压铸机原始尺寸测量图结合压铸机尺寸及注汤口和金属熔炉之间的大致位置和尺寸，给汤机湯勺理想轨迹应接近图 2.5 所示的理想轨迹根据这一原则给汤机械手的基本结构已基本确定。参照 1000T 压铸机浇注设备结构图（图 2.6 所示）及尺寸設计出 180T 卧式冷室压铸机给汤机械手的结构和尺寸7图 2.5 汤勺理想轨迹 图 2.6 五连杆给汤机简图基于该连杆机构轨迹的大体特点，连杆末端的大体軌迹走势基本趋近所需的理想轨迹拟采用连杆机构来设计给汤机。给汤机械手机械结构设计时主动曲柄固定在机架上另外增加一个二級杆组，将增加的二级杆组中间的转动副也固定在机架上其余两个转动副连接机械手，用以支撑手臂在固定轨迹上运行调整连杆的各杆件的长度尺寸，使汤勺运动轨迹与理想轨迹更相近在 solidworks 软件上进行草图模拟，使轨迹达到满意的效果经过反复试验，最终将各杆件的呎寸定为如下尺寸简图如图 2.7 所示891第 3 章 五连杆机构设计3.1 五连杆机构设计连杆机构是最常用的机构，因此连杆机构优化设计在机构设计中十汾重要研究工作开展得也最为广泛。有大量的文献介绍有关平面五杆机构、平面五杆机构、柔性连杆机构、曲柄连杆机构、槽轮连杆机構、凸轮连杆组合机构和齿轮连杆等机构的优化鉴于五连杆机构的典型性，本节结合五连杆机构的函数再现优化设计问题阐述连杆机構优化问题的一般方法及流程。五连杆机构的优化设计就是对五连杆机构的参量进行优化调整使得机构给定的运动和机构所实现的运动の间误差最小。因此五连杆机构的优化设计的过程就是寻找使得五连杆机构运动误差最小的一组机构设计参量。五连杆机构设计参量确萣后就可认为实现了机构的优化设计。五连杆机构的优化设计包括五连杆机构优化模型建立和优化模型求解二个主要过程通过对五连杆机构的分析确定优化方案，确定设计变量给出目标函数，并将机构设计制约条件如杆长条件、传动角条件等，写成相应的约束条件即可建立机构优化设计模型。下面介绍五连杆机构函数再现优化设计模型的建立连杆机构函数再现设计主要通过选取输人构件和输出構件相对应若干位置、采用机构图解法或分析法确定机构各参数。图 1 是典型的平面铰链五杆机构 、 、 和 分别表示于四个构件的长度，杆 AB 昰输入构件假设图 1 所示的平面铰链五杆机构再现给定函数为 ，即 则机构位置取决于 、 、 、 铰链 A 的位置 、AD 与机架 x 轴夹角 以及输人构件转角 等七个变量。为简化问题可令 A 的位置为 ， 构件的长度为 1参考构件，由此可将问题维数降为四维并不影响构件输入、输出的函数关系。由此可以得到输出构件转角外与输入构件转角 之间的函数关系式（1）2机构优化设计目标就是使得输出构件转角与给定值在 所有位置仩的误差最小。因此机构优化设计的目标函数可用下式表示（2）当输入构件转角为 时输出构件转角 外可由下式求得，（3）式中所以（ 4）將上式代入式（3）并令 代表设计变量 、 、 及 ，机构优化设计目标函数可写为3（5）机构优化设计的约束条件应根据机构设计的实际情况确萣例如曲柄摇杆式五连杆机构必须满足如下关系式或（6）如果机构要求传动灵活可靠，则传动角 应满足或其中从上式可知传动角 随 的變化而变化，当 为最大值时 为最小，为最小值时 为最大。要满足上式条件约束方程应为4曲柄摇杆机构有 ，因此约束方程为（7）当所选定的设计变量为构件长度时，则构件长度必须是正数即约束方程为式中 是为了使构件长度不小于 而设的。此外由于具体结构尺寸嘚限制，往往对某些构件的长度限定在某一范围内选取例如连杆 BC 的长度 最短为 的 倍，最长为 的 倍即则约束方程为（8）下面介绍再现函數为 的曲柄摇杆机构的优化设计。先变换给定函数为 并设输人构件初始角为 ，输出构件初始角为 选取输入构件的转角为 ,输出构件的转角为 。当输入构件从 转到 时输出构件从 转到 ，输入构件从 转到 时输出构件则从 回到 。显5然有 及 即 及 。代入函数式 得设将输入构件的轉角 均分成 20 等分则 ，取权因子再令 代表设计变量 、 、 及 ，则由式（5）得曲柄连杆机构优化目标函数为曲柄摇杆机构优化设计约束条件洳下由式（6）得要求传动角满足 由式（7）得根据机构结构尺寸，要求各构件长度相对机架的尺寸在给定的范围内由式8得6因此曲柄摇杆機构优化设计模型如下Min. s.t.7采用内点惩罚函数法和 POWELL 法求解曲柄摇杆机构优化设计模型。选择初始惩罚参数递减函数 e 0.01，初始点 取惩罚函数法收敛精度 ，POWELL 法目标函数值收敛精度 一维搜索精度 。3.2 驱动机构五连杆机构设计3.2.1 确定设计变量根据设计要求由机械原理知识可知，设计变量有 L1、L2 、L3、L4 、 将曲柄的长?度取为一个单位长度 1，其余三杆长可表示为 L1 的倍数由图 1 所示的几何关系可知??????????43221arcosL?为杆長的函数。另外根据机构在机器中的许可空间，可以适当预选机架 L4 的长度取?L45，经以上分析只剩下 L2、L3 两个独立变量，所以该优化問题的设计变量为 ??TTLX321,,?因此。本优化设计为一个二维优化问题3.2.2 建立目标函数按轨迹的优化设计，可以将连杆上 M 点 与预期轨迹点坐标偏差最小为寻优目标??miyx,其偏差为 和 ，如图 2为此，把摇杆运动区间 2 到 5iMix???iiy??n2,1?分成 S 等分 M 点坐标有相应分点与之对应。将各分点标號记作 根据均方根差可建立其i目标函数，即 ???????min2/12?????iMiyxXf ?sn3Lyico?iiix?2S 为运动区间的分段数13??si ????????43221arcoL?于是由以仩表达式便构成了一个目标函数的数学表达式，对应于每一个机构设计方案（即给8定 ） 即可计算出均方根差 。21,X??Xf图 23.2.3 确定约束条件根据設计条件该机构的约束条件有两个方面一是传递运动过程中的最小传动角 应大于?50 度；二是保证五杆机构满足曲柄存在的条件。以此为基础建立优化线束条件①保证传动角 ?50??图 3按传动条件，根据图 3 可能发生传动角最小值的位置图由余弦定理6428.05cos??（见图 3（a ） ????xg9212?②曲柄存在的条件按曲柄存在条件，由机械原理知识可知 ，12L?13 324L??4??43把它们写成不等式约束条件（将 ， ， 代入上式） 得1?512x?2??03?xg24?615???042?xg17?经过分析，上述七个约束条件式中 和 为紧约束条件， 为松约束??Xg2 ??Xg73条件即满足 和 的 ，必满足不等式 所以夲优化??01?Xg??2 ??073?Xg问题实际起作用的只有 和 两个不等式约束条件。13.2.4 写出优化数学模型综上所述可得本优化问题的数学模型为 ???????????si iMiyxXf0 2/12min?TTL321,,ts.?? ???xxg22 ???即本优化问题具有两个不等式约束的二维约束优化问题。10第 4 章 电动机的选择4.1 初选电动机类型和结構型式马达点和两种直流电动机的交流电动机由于生产单位普遍使用，因为这对一个三相交流电源当所述三相交流电动机，三相异步茭流电机其中使用最广泛的应选择没有特殊的要求根据不同的保护要求，也有开放式电动机防护样式，封闭风扇冷却防爆结构，例洳不同的类型Y 系列三相笼型异步电动机是全封闭的，因为其结构简单可靠，成本低维护方便风冷电机用于一般用途，它被广泛使用嘚非易燃不易爆，无腐蚀性气体并没有特别的要求对机械，如金属切削机床输送机，鼓风机混合机等，对于频繁起动制动扭转機械，如起重吊装设备，电机的转动惯量和更大的重载较小的那一刻在冶金起重三相异步电动机YZ 型（笼） ，或 YZR 型（伤口）被使用 （1）选择电动机的类型按工作条件和要求，选用一般用途的 Y 系列三相异步电动机,封闭式结构,电压380V（2）选择电动机的功率电动机所需的功率 /dPW?式中 工作机要求的电动机输出功率，单位为 KW；dη电动机至工作机之间传动装置的总效率；工作机所需输入功率单位为 KW；WP输送机所需的功率输送机所需的功率 P Fv／1000· wW?4.2 电动机的功率电动机的选择由于该生产单位采用三相交流电源，可考虑采用 Y 系列三相异步电动机三相异步电動机的结构简单，工作可靠价格低廉，维护方便启动性能好等优点。一般电动机的额定电11压为 380V根据生产设计要求假设该减速器卷筒矗径 D350mm。运输带的有效拉力 F7000N带速 V0.4m/s，载荷平稳常温下连续工作，工作环境多尘电源为三相交流电，电压为380V1、 按工作要求及工作条件选鼡三相异步电动机，封闭扇冷式结构电压为 380V，Y 系列2、 传动滚筒所需功率电动机输出功率 kwawPd??工作机所需的功率 2.8 kwkFV10所以 kw4.11kwadP??因载荷轻微振动电动机 即可，故dedp?kwPed5.?3、 27.4 0.679传动滚筒轴 3.13 27.4 蜗轮蜗杆的传动设计蜗杆的材料采用 45 钢表面硬度45HRC，蜗轮材料采用 ZCuA110Fe3,砂型铸造以下设计参数与公式除特殊说明外均以参考由机械设计 第四版 邱宣怀主编 高等教育出版社出版 1996 年 第 13 章蜗杆传动为主要依据。具体如表 15w/（m?c）waCt?80491??合格润滑油粘喥和润滑方式润滑油粘度 根据 m/s 由表 13.7 选取57.4?sv smvC/3204??润滑方法 由表 13.7 采用浸油润滑4.5 蜗杆、蜗轮的基本尺寸设计蜗杆基本尺寸设计根据电动机的功率 P5.5kw满载转速为 960r/min，电动机轴径 轴伸长md38?电 机E80mm轴上键槽为 10x5。1、 初步估计蜗杆轴外伸段的直径

月 日I摘 要在汽车、仪表、航空、國防等工业部门广泛用于非铁金属的薄壁、形状复杂件的大批量生产压力铸造一般由压铸机完成。根据课题的任务和要求为了使某实驗室 800T 卧式冷室压铸机实现压铸生产自动化，根据压铸机的原始尺寸和工作要求本文为此压铸机设计配备了浇注给汤机械手等周边设备。論文所做的主要工作如下：首先以压铸机原始数据为出发点，根据所得尺寸数据制作出系统的安装布局图运用先进的机械设计理论与方法，结合连杆机构的运动学原理分别设计出符合要求的给汤、取件设备的机械结构并进行初步仿真定出机构尺寸在此基础上设计出各個部件的尺寸并验证其可行性以及对电机等的选取。给汤机具有很多人类所不具有的能力包括快速分析环境能力；抗干扰能力强，能长時间工作和工作精度高可以说给汤机是工业进步的产物，它也发挥了在当今工业的至关重要的作用如今，给汤机工业已成为世界各国備受关注的产业本文阐述了给汤机的发展历史，国内外的应用状况及其巨大的优越性，提出了具体的给汤机设计要求和进行了总体方案设计和各自由度的具体结构设计、计算；在分析国内外给汤机研究现状的基础上本文设计了一种新型给汤机结构在两个电机的驱动下，通过一些简单的传动机构使给汤机可以实现单方向的运动。建立了给汤机的准静态模型进行了准静态分析，从而获得给汤机在步态運动时各部件的受力状况关键词：给汤机，机械手；工业；传动；强度IIAbstractIn .IAbstract II目 录 .III第 1 章 绪论.11.1 课题的来源、研究目的和意义 11.2 机械手发展简史 11.3 本文嘚主要内容及实现方法 21.3.1 本文的主要内容 .21.3.2 本文的研究方法和步骤 .31.4 本文主要研究内容 3第 2 章 压铸自动化总体方案及给汤机械手的设计.42.1 给汤机工程概述 .42.2 工业给汤机车体机构方案论述 42.3 总体方案设计 52.4 给汤机械手尺寸设计 6第 3 章 五连杆机构设计.13.1 五连杆机构设计 13.2 驱动机构五连杆机构设计 73.2.1 确定设計变量 73.2.2 建立目标函数 73.2.3 确定约束条件 83.2.4 写出优化数学模型 9第 4 章 电动机的选择.104.1 初选电动机类型和结构型式 104.2 电动机的功率 104.3 运动参数计算 .124.3.1 蜗杆轴的输叺功率、转速与转矩 12IV4.3.2 蜗轮轴的输入功率、转速与转矩 124.3.3 传动滚筒轴的输入功率、转速与转矩 124.4 蜗轮蜗杆的传动设计 .134.5 蜗杆、蜗轮的基本尺寸设计 .164.6 蝸轮轴的尺寸设计与校核 .174.7 蜗杆轴的强度校核 194.8 蜗轮轴的强度校核 .224.9 滚动轴承的选择及校核 254.9.1 蜗杆轴滚动轴承的选择及校核 .254.9.2 蜗轮轴上轴承的校核 .274.10 键聯接的强度校核 294.10.1 蜗杆轴上安装联轴器处的键联接 .294.10.2 蜗轮轴上装蜗轮处的键联接 .294.10.3 蜗轮轴上装联轴器处的键联接 .304.11 减速器的润滑和密封 304.12 减速器箱体嘚结构设计 .31总结与展望.34参考文献.35致 谢.361第 1 章 绪论1.1 课题的来源、研究目的和意义本课题来源于某实验室 800T 卧式冷室压铸机配备自动给汤、机械手等设备实现压铸的自动化。图目前我国压铸行业飞速发展对压铸产品的需求量不断增加，而企业劳动力成本不断上升自动化程度比較高的多关节机械手应用于车间生产已凸显出其独特的优势。而现有的自动化设备又存在许多不足之处结合某实验室项目的实际情况，需要为其 800T 压铸机配备以下机型：浇注给汤机械手取件机械手，油压冲床颗粒机以及传送带等装置。浇注给汤机械手完成从炉中取汤、送汤、给料口注汤、回炉上待机等并循环动作，安装在压铸机给料口与熔炉之间指定的位置取件机械手的主要作用和功能是在压铸机開模后，取件机启动带有夹爪的手臂进入定模与动模之间夹取压铸产品并将产品送至传送带。传送带的主要作用是在产品取出后由取件機械手夹放在传送带送至油压冲床在产品冷却后，油压冲床完成边缘去毛刺及切除料柄等的处理颗粒机主要作用是向压铸机料管输入潤滑剂。润滑剂可以延长料管的使用寿命、减少工作摩擦、加快射击速度：也可使压铸机保持清洁干净增加车间安全性；另外料管中涂囿润滑剂，所压铸出来的产品的外观没有油渍产品清洁；料饼再回收利用时没有污渍。一般安装在柱塞料管附近通过调查研究发现油壓冲床、颗粒机以及传送带都可以在以比较合理的价格买到，但对于给汤、取件所需的机械手价格过于昂贵实验室难以承受。因此运鼡先进的机械设计理论与方法，为某实验室研究开发出适应性强、灵活性高、占地面积小、生产效率高、成本较低的压铸机周边辅助设备昰本课题的研究目的本项目的完成在一定程度上提高了压铸机生产线的自动化程度、提高了生产效率、节约了生产成本。也为同类机械設备的设计和改进提供了一定参考依据1.2 机械手发展简史机械手是在机械自动化的生产过程中发展起来的一种新设备。它是给汤机学的一個重要组成部分可通过编程成功的完成各种任务是其最重要的特点，它将任何机器的优点集于一身及其突出的展示了人的智能性、适應性。在现代生产中机械手2被大量的运用到自动化生产中，虽然机械手现阶段还不如人手灵活但它能做不断重复的劳动和工作，不用栲虑危险性和疲劳抓举比人手更有力等等优点，因此机械手越来越受到人们的重视，应用范围也越发广泛最先研制机械手的国家是媄国。在 1958 年的时候美国的联合控制公司研制出来了第一台机械手。这种机械手的结构很简单：一个旋转臂装在机器本体上带有电磁块嘚物品抓放机构安装在顶部，控制系统是示教再现的1962 年，该公司在此基础上又试制成一台数控示教再现型机械手取名为 unimate。仿照坦克炮塔的运动系统臂可以俯仰、伸缩、回转等等，动力源为液压系统；用磁鼓作为控制系统的存储装置它是球坐标通用机械手发展起来的基础。几乎同时美国的另外一家设备公司也试制了一种名为 vewrsatran 的机械手。这种机械手的中简立柱可以回转、升降采用液压驱动控制系统也為示教再现型出现在六十年代初的这两种机械手，成为后来国外工业机械手发展的基础1978 年美国斯坦福大学、unimate 公司和麻省理工学院联合研制了一种 unimate-vicarm 型机械手，采用小型电子计算机作为控制的主体主要用于装配工作，定位误差小于±1mm联邦德国的 knka 生产了一种机械手，主要鼡于焊接它采用的是关节型结构，用程序来控制目前，大部分的机械手还处在第一代的阶段大部分依靠人工来进行控制；改进的方姠主要是提高工作精度，降低生产成本第二代的机械手正在研制中。整个系统使用微机来进行控制具有视觉以及触觉能力，甚至具有聽和想的能力它的机身上装各种传感设备，把接收到的信息反馈出去使机械手拥有了感觉的功能。我国给汤机技术起步比较晚大概始于 年代末。机械手领域也是这个期开始涉及的近年来，我国在这一方面发展迅速在许多前沿领域内与世界先进水平之间的差距都在逐渐缩短。压铸在工作时定模与动模的挤压撞击力极大，熔炉中金属液体温度很高另外噪声巨大，工人在如此恶劣的环境下长时间工莋是极其危险的机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动不知疲劳，不怕危险抓举重物的力量比人手仂大的特点。因此将机械手应用于该领域，可以降低工人的劳动强度减少危险，也可以提高设备的生产效率和自动化水平具有很强嘚现实意义。1.3 本文的主要内容及实现方法31.3.1 本文的主要内容1. 根据压铸机的型号和参数设计研发出与其配套使用的浇注给汤机械手、取件机械掱等设备并对配件进行选型。2. 根据设计尺寸利用 CAD 建模软件 对所设计的机型进行三维实体建模、装配和工程图的制作。1.3.2 本文的研究方法囷步骤首先根据压铸机的原始数据和项目的要求结合机械手及连杆理论知识设计出给汤机械手、取件机械手的基本尺寸得到机器的运行涳间、轨迹、加速度以及电机等的工作规律。1.4 本文主要研究内容第 1 章 绪论 主要介绍给汤机的相关知识和本课题研究的任务和要求.第 2 章 总体方案设计,介绍该给汤机各部分的相关知识和总体设计.第 3 章 给汤机各部分设计的介绍第 4 章 给汤机结构设计4第 2 章 压铸自动化总体方案及给汤机械手的设计2.1 给汤机工程概述从系统功能的观点来看将一部复杂的机器看成是一个系统，它由若干个子系统按一定规律有机地联系在一起是一个不可分的整体。如果将系统拆开、则将失去作为一个整体的特定功能因此，在设计一部较复杂的机器时从机器系统的概念出發，这个系统应具有如下特性：（1） 整体性 由若干个不同性能的子系统构成的一个总的机械系统应具有作为一个整体的特定功能（2） 相關性 系统内各子系统之间有机联系、有机作用，具有某种相互关联的特性（3） 目的性 每个系统都应有明确的目的和功能，系统的结构、系统内各子系统的组合方式决定于系统的目的和功能（4） 环境适应性 任何一个系统都存在于一定的环境中，必须能适应外部环境的变化因此，在进行给汤机设计时不仅要重视组成给汤机系统的各个部件、零件的设计，更应该按照系统工程学的观点根据给汤机的功能偠求，将组成给汤机系统的各个子系统部件、零件合理地组合设计出性能优良适于工作需要的给汤机产品。在比较复杂的工业给汤机系統中大致包括如下:操作机它是完成给汤机工作任务的主体，包括机座、手臂、手腕、末端执行器和机构等驱动系统，它包括作为动力源的驱动器驱动单元，伺服驱动系统由各种传动零、部件组成的传动系统控制系统，它主要包括具有运算、存储功能的电子控制装置（计算机或其他可编程编辑控制装置） 人——机接口装置（键盘、示教盒等） ，各种传感器的信息放大、传输和处理装置传感器、离線编程、设备的输入/输出通讯接口，内部和外部传感器以及其他通用或专用的外围设备［14］ 工业给汤机的特点在于它在功能上的通用性囷重新调整的柔性，因而工业给汤机能有效地应用于柔性制造系统中来完成传送零件或材料进行装配或其他操作。在柔性制造系统中基本工艺设备（如数控机床、锻压、焊接、装配等生产设备） 、辅助生产设备、控制装置和工业给汤机等一起形成了各种不同形式地工业給汤机技术综合体地工业给汤机系统。在其他非制造业地生产部门如建筑、采矿、交通运输等生产领域引5用给汤机系统亦是如此。2.2 工业給汤机车体机构方案论述负载大小的确定主要是考虑沿给汤机各运动方向作用于机械接口处的力和扭矩其中应包括给汤机末端执行器的偅量、抓取工件或作业对象的重量和规定速度和加速度条件下，产生的惯性力等由本次设计给的设计参数可初估本次设计属于小负载。驅动方式由于伺服电机具有控制性能好控制灵活性强，可实现速度、位置的精确控制对环境没有影响，体积小效率高，适用于运动控制要求严格的中、小型给汤机等特点故本次设计采用了伺服电机驱动（三）传动系统设计给汤机传动装置中应尽可能做到结构紧凑、偅量轻、转动惯量和体积小，在传动链中要考虑采用消除间隙措施以提高给汤机的运动和位置控制精度。在给汤机中常采用的机械传动機构有齿轮传动、蜗杆传动、滚珠丝杠传动、同步齿形带传动、链传动、行星齿轮传动、谐波齿轮传动和钢带传动等由于齿轮传动具有效率高，传动比准确结构紧凑、工作可靠、使用寿命长等优点，且大学学习掌握的比较扎实故本次设计选用齿轮传动。（四）工作范圍工业给汤机的工作范围是根据工业给汤机作业过程中操作范围和运动轨迹来确定用工作空间来表示的。工作空间的形状和尺寸则影响給汤机的机械结构坐标形式、自由度数和操作机各手臂关节轴线的长度和各关节轴转角的大小及变动范围的选择（五） 运动速度给汤机操莋机手臂的各个动作的最大行程确定后按照循环时间安排确定每个动作的时间，就能进一步确定各动作的运动速度用 m/s 或（° ）/s 表示，各动作的时间分配要考虑多方面的因素例如总的循环时间的长短，各动作之间顺序是依序进行还是同时进行等应试做各动作时间的分配方案表，进行比较分配动作时间除考虑工艺动作的要求外，还应考虑惯性和行程的大小驱动和控制方式、定位方式和精度等要求。2.3 總体方案设计6此项目即是某实验对 800T 卧式冷室压铸机如何实现压铸自动化生产的研究在综合考虑项目要求、费用等多种因素。为了达到最滿意的结果也为了得到最符合某实验室现场实际情况的要求，对某实验室 800T 卧式冷室压铸机的基本尺寸进行了测量如图 2.1 所为了提高压铸機生产产品的自动化水平提高劳动效率。此次主要设计自动给汤机械手和自动取件机械手在压铸自动化生产线上还需要输送带等辅助设備。依据某实验室现场的空间布局情况和压铸机实际尺寸给出了压铸自动化设备的安装布局及尺寸2.4 给汤机械手尺寸设计取件机械手在工莋时需要保证区间位置的精准和手臂运行的平稳。对此平面连杆机构完全可以满足工作的要求考虑到给汤机械手是在竖直平面上往复摆動循环给汤，自身手臂的固定是设置时需要考虑的问题之一一般结构的连杆机构就很难达到自身循环工是手臂的固定问题。鉴于此可以茬一般的五连杆机构上加一个二级杆组并将之固定在机架上，这样就解决了给汤机械手运动轨迹的固定根据图 2.1 压铸机原始尺寸测量图。结合压铸机尺寸及注汤口和金属熔炉之间的大致位置和尺寸给汤机汤勺理想轨迹应接近图 2.5 所示的理想轨迹。根据这一原则给汤机械手嘚基本结构已基本确定参照 1000T 压铸机浇注设备结构图（图 2.6 所示）及尺寸设计出 180T 卧式冷室压铸机给汤机械手的结构和尺寸。7图 2.5 汤勺理想轨迹 圖 2.6 五连杆给汤机简图基于该连杆机构轨迹的大体特点连杆末端的大体轨迹走势基本趋近所需的理想轨迹，拟采用连杆机构来设计给汤机给汤机械手机械结构设计时主动曲柄固定在机架上，另外增加一个二级杆组将增加的二级杆组中间的转动副也固定在机架上，其余两個转动副连接机械手用以支撑手臂在固定轨迹上运行。调整连杆的各杆件的长度尺寸使汤勺运动轨迹与理想轨迹更相近，在 solidworks 软件上进荇草图模拟使轨迹达到满意的效果。经过反复试验最终将各杆件的尺寸定为如下尺寸：简图如图 2.7 所示。891第 3 章 五连杆机构设计3.1 五连杆机構设计连杆机构是最常用的机构因此连杆机构优化设计在机构设计中十分重要，研究工作开展得也最为广泛有大量的文献介绍有关平媔五杆机构、平面五杆机构、柔性连杆机构、曲柄连杆机构、槽轮连杆机构、凸轮连杆组合机构和齿轮连杆等机构的优化。鉴于五连杆机構的典型性本节结合五连杆机构的函数再现优化设计问题，阐述连杆机构优化问题的一般方法及流程五连杆机构的优化设计就是对五連杆机构的参量进行优化调整，使得机构给定的运动和机构所实现的运动之间误差最小因此五连杆机构的优化设计的过程，就是寻找使嘚五连杆机构运动误差最小的一组机构设计参量五连杆机构设计参量确定后，就可认为实现了机构的优化设计五连杆机构的优化设计包括五连杆机构优化模型建立和优化模型求解二个主要过程。通过对五连杆机构的分析确定优化方案确定设计变量，给出目标函数并將机构设计制约条件，如杆长条件、传动角条件等写成相应的约束条件，即可建立机构优化设计模型下面介绍五连杆机构函数再现优囮设计模型的建立。连杆机构函数再现设计主要通过选取输人构件和输出构件相对应若干位置、采用机构图解法或分析法确定机构各参数图 1 是典型的平面铰链五杆机构， 、 、 和 分别表示于四个构件的长度杆 AB 是输入构件。假设图 1 所示的平面铰链五杆机构再现给定函数为 即 ，则机构位置取决于 、 、 、 铰链 A 的位置 、AD 与机架 x 轴夹角 以及输人构件转角 等七个变量为简化问题，可令 A 的位置为 ， 构件的长度为 1(参栲构件)由此可将问题维数降为四维，并不影响构件输入、输出的函数关系由此可以得到输出构件转角外与输入构件转角 之间的函数关系式：（1）2机构优化设计目标就是使得输出构件转角与给定值在 ， 所有位置上的误差最小因此机构优化设计的目标函数可用下式表示（2）当输入构件转角为 时，输出构件转角 外可由下式求得（3）式中：所以（ 4）将上式代入式（3），并令 代表设计变量 、 、 及 机构优化设計目标函数可写为：3（5）机构优化设计的约束条件应根据机构设计的实际情况确定。例如曲柄摇杆式五连杆机构必须满足如下关系式：或（6）如果机构要求传动灵活可靠则传动角 应满足：或其中从上式可知，传动角 随 的变化而变化当 为最大值时， 为最小为最小值时， 為最大要满足上式条件，约束方程应为：4曲柄摇杆机构有 因此，约束方程为（7）当所选定的设计变量为构件长度时则构件长度必须昰正数，即约束方程为式中 是为了使构件长度不小于 而设的此外，由于具体结构尺寸的限制往往对某些构件的长度限定在某一范围内選取，例如连杆 BC 的长度 最短为 的 倍最长为 的 倍，即则约束方程为（8）下面介绍再现函数为 的曲柄摇杆机构的优化设计先变换给定函数為 ，并设输人构件初始角为 输出构件初始角为 ，选取输入构件的转角为 ,输出构件的转角为 当输入构件从 转到 时，输出构件从 转到 输叺构件从 转到 时，输出构件则从 回到 显5然有 及 ，即 及 代入函数式 得：设将输入构件的转角 均分成 20 等分，则 取权因子，再令 代表设计變量 、 、 及 则由式（5）得曲柄连杆机构优化目标函数为曲柄摇杆机构优化设计约束条件如下：由式（6）得：要求传动角满足 ，由式（7）嘚：根据机构结构尺寸要求各构件长度相对机架的尺寸在给定的范围内，由式(8)得6因此曲柄摇杆机构优化设计模型如下：Min. s.t.7采用内点惩罚函數法和 POWELL 法求解曲柄摇杆机构优化设计模型选择初始惩罚参数，递减函数 e = 0.01初始点 ，取惩罚函数法收敛精度 POWELL 法目标函数值收敛精度 ，一維搜索精度 3.2 驱动机构五连杆机构设计3.2.1 确定设计变量根据设计要求，由机械原理知识可知设计变量有 L1、L2 、L3、L4 、 。将曲柄的长?度取为一個单位长度 1其余三杆长可表示为 L1 的倍数。由图 1 所示的几何关系可知??????????43221)(arcosL?为杆长的函数另外，根据机构在机器中的許可空间可以适当预选机架 L4 的长度，取?L4=5经以上分析，只剩下 L2、L3 两个独立变量所以，该优化问题的设计变量为 ??TTLX321,,?因此本优化設计为一个二维优化问题。3.2.2 建立目标函数按轨迹的优化设计可以将连杆上 M 点 与预期轨迹点坐标偏差最小为寻优目标，??miyx,其偏差为 和 洳图 2。为此把摇杆运动区间 2 到 5iMix???iiy??n2,1?分成 S 等分， M 点坐标有相应分点与之对应将各分点标号记作 ，根据均方根差可建立其i目标函數即 ???????min2/12?????iMiyxXf ?sn3Lyico?iiix?2，S 为运动区间的分段数)1(3??si ????????43221arcoL?于是由以上表达式便构成了一个目标函数的数学表达式对应于每一个机构设计方案（即给8定 ） ，即可计算出均方根差 21,X??Xf图 23.2.3 确定约束条件根据设计条件，该机构的约束条件有两个方媔：一是传递运动过程中的最小传动角 应大于?50 度；二是保证五杆机构满足曲柄存在的条件以此为基础建立优化线束条件。①保证传动角 ?50??图 3按传动条件根据图 3 可能发生传动角最小值的位置图，由余弦定理6428.05cos??（见图 3（a ） ????xg9212?②曲柄存在的条件按曲柄存在条件由机械原理知识可知， 12L?13 324L??，4??43把它们写成不等式约束条件（将 ， 代入上式） ，得1?512x?2??03?xg24?615???042?xg17?经过分析上述七个约束条件式中， 和 为紧约束条件 为松约束??Xg2 ??Xg73~条件，即满足 和 的 必满足不等式 ，所以本优化??01?Xg??2 ??073?Xg问题实际起莋用的只有 和 两个不等式约束条件13.2.4 写出优化数学模型综上所述，可得本优化问题的数学模型为 ???????????si iMiyxXf0 2/12min?TTL321,,ts.?? ???xxg22 ???即本优化问题具有两个不等式约束的二维约束优化问题10第 4 章 电动机的选择4.1 初选电动机类型和结构型式马达点和两种直流电动机的交鋶电动机。由于生产单位普遍使用因为这对一个三相交流电源，当所述三相交流电动机三相异步交流电机其中使用最广泛的应选择没囿特殊的要求。根据不同的保护要求也有开放式电动机，防护样式封闭风扇冷却，防爆结构例如不同的类型。Y 系列三相笼型异步电動机是全封闭的因为其结构简单，可靠成本低，维护方便风冷电机用于一般用途它被广泛使用的非易燃，不易爆无腐蚀性气体并沒有特别的要求，对机械如金属切削机床，输送机鼓风机，混合机等对于频繁起动，制动扭转机械如起重，吊装设备电机的转動惯量和更大的重载较小的那一刻在冶金，起重三相异步电动机YZ 型（笼） 或 YZR 型（伤口）被使用。 （1）选择电动机的类型按工作条件和要求选用一般用途的 Y 系列三相异步电动机,封闭式结构,电压380V。（2）选择电动机的功率电动机所需的功率 = /dPW?式中 —工作机要求的电动机输出功率单位为 KW；dη—电动机至工作机之间传动装置的总效率；—工作机所需输入功率，单位为 KW；WP输送机所需的功率输送机所需的功率 P =Fv／1000· wW?4.2 电動机的功率电动机的选择由于该生产单位采用三相交流电源可考虑采用 Y 系列三相异步电动机。三相异步电动机的结构简单工作可靠，價格低廉维护方便，启动性能好等优点一般电动机的额定电11压为 380V根据生产设计要求，假设该减速器卷筒直径 D=350mm运输带的有效拉力 F=7000N，带速 V=0.4m/s载荷平稳，常温下连续工作工作环境多尘，电源为三相交流电电压为380V。1、 按工作要求及工作条件选用三相异步电动机封闭扇冷式结构，电压为 380VY 系列2、 传动滚筒所需功率电动机输出功率： kwawPd??工作机所需的功率： =2.8 kwkFV10所以 kw=4.11kwadP??因载荷轻微振动，电动机 即可故dedp?kwPed5.?3、 傳动装置效率：（根据参考文献《机械设计课程设计》 刘俊龙 何在洲 主编 机械工业出版社 第 133-134 页表 12-8 得各级效率如下）其中：蜗杆传动效率 η 1=0.70 攪油效率 η 2=0.95 滚动轴承效率（一对）η 3=0.98联轴器效率 η c=0.99 传动滚筒效率 η cy=0.96所以：η=η 1?η 2?η 33?η c2?η cy ZCuA110Fe3,砂型铸造。以下设计参数与公式除特殊说奣外均以参考由《机械设计 第四版》 邱宣怀主编 高等教育出版社出版 1996 年 第 13 章蜗杆传动为主要依据具体如表 4-2：表 4-2 蜗轮蜗杆的传动设计表项 目 计算内容 计算结果中心距的计算蜗杆副的相对滑动速度 smTnVs/17.584.???参考文献 5 第 37 页（23 采用浸油润滑4.5 蜗杆、蜗轮的基本尺寸设计蜗杆基本尺寸设計根据电动机的功率 P=5.5kw，满载转速为 960r/min电动机轴径 ，轴伸长md38?电 机E=80mm轴上键槽为 10x51、 初步估计蜗杆轴外伸段的直径

宁XX 大学毕 业 设 计 论 文 800T 五连杆渦轮给汤机所 在 学 院专 业班 级姓 名学 号指 导 老 师年 月 日I摘 要在汽车、仪表、航空、国防等工业部门广泛用于非铁金属的薄壁、形状复杂件嘚大批量生产。压力铸造一般由压铸机完成根据课题的任务和要求，为了使某实验室 800T 卧式冷室压铸机实现压铸生产自动化根据压铸机嘚原始尺寸和工作要求，本文为此压铸机设计配备了浇注给汤机械手等周边设备论文所做的主要工作如下首先，以压铸机原始数据为出發点根据所得尺寸数据制作出系统的安装布局图。运用先进的机械设计理论与方法结合连杆机构的运动学原理分别设计出符合要求的給汤、取件设备的机械结构并进行初步仿真定出机构尺寸。在此基础上设计出各个部件的尺寸并验证其可行性以及对电机等的选取给汤機具有很多人类所不具有的能力，包括快速分析环境能力；抗干扰能力强能长时间工作和工作精度高。可以说给汤机是工业进步的产物它也发挥了在当今工业的至关重要的作用。如今给汤机工业已成为世界各国备受关注的产业。本文阐述了给汤机的发展历史国内外嘚应用状况，及其巨大的优越性提出了具体的给汤机设计要求和进行了总体方案设计和各自由度的具体结构设计、计算；在分析国内外給汤机研究现状的基础上，本文设计了一种新型给汤机结构在两个电机的驱动下通过一些简单的传动机构，使给汤机可以实现单方向的運动建立了给汤机的准静态模型，进行了准静态分析从而获得给汤机在步态运动时各部件的受力状况。关键词给汤机机械手；工业；传动；强度IIAbstractIn 要 .IAbstract II目 录 .III第 1 章 绪论.11.1 课题的来源、研究目的和意义 11.2 机械手发展简史 11.3 本文的主要内容及实现方法 21.3.1 本文的主要内容 .21.3.2 本文的研究方法和步骤 .31.4 本文主要研究内容 3第 2 章 压铸自动化总体方案及给汤机械手的设计.42.1 给汤机工程概述 .42.2 工业给汤机车体机构方案论述 42.3 总体方案设计 52.4 给汤机械掱尺寸设计 6第 3 章 五连杆机构设计.13.1 五连杆机构设计 13.2 驱动机构五连杆机构设计 73.2.1 确定设计变量 73.2.2 建立目标函数 73.2.3 确定约束条件 83.2.4 写出优化数学模型 9第 4 章 電动机的选择.104.1 初选电动机类型和结构型式 104.2 电动机的功率 104.3 运动参数计算 .124.3.1 蜗杆轴的输入功率、转速与转矩 12IV4.3.2 蜗轮轴的输入功率、转速与转矩 124.3.3 传动滾筒轴的输入功率、转速与转矩 124.4 蜗轮蜗杆的传动设计 .134.5 蜗杆、蜗轮的基本尺寸设计 .164.6 蜗轮轴的尺寸设计与校核 .174.7 蜗杆轴的强度校核 194.8 蜗轮轴的强度校核 .224.9 滚动轴承的选择及校核 254.9.1 蜗杆轴滚动轴承的选择及校核 .254.9.2 蜗轮轴上轴承的校核 .274.10 键联接的强度校核 294.10.1 蜗杆轴上安装联轴器处的键联接 .294.10.2 蜗轮轴上裝蜗轮处的键联接 .294.10.3 蜗轮轴上装联轴器处的键联接 .304.11 减速器的润滑和密封 304.12 减速器箱体的结构设计 .31总结与展望.34参考文献.35致 谢.361第 1 章 绪论1.1 课题的来源、研究目的和意义本课题来源于某实验室 800T 卧式冷室压铸机配备自动给汤、机械手等设备，实现压铸的自动化图目前我国压铸行业飞速发展，对压铸产品的需求量不断增加而企业劳动力成本不断上升，自动化程度比较高的多关节机械手应用于车间生产已凸显出其独特的优勢而现有的自动化设备又存在许多不足之处。结合某实验室项目的实际情况需要为其 800T 压铸机配备以下机型浇注给汤机械手，取件机械掱油压冲床，颗粒机以及传送带等装置浇注给汤机械手完成从炉中取汤、送汤、给料口注汤、回炉上待机等，并循环动作安装在压鑄机给料口与熔炉之间指定的位置。取件机械手的主要作用和功能是在压铸机开模后取件机启动，带有夹爪的手臂进入定模与动模之间夾取压铸产品并将产品送至传送带传送带的主要作用是在产品取出后由取件机械手夹放在传送带送至油压冲床。在产品冷却后油压冲床完成边缘去毛刺及切除料柄等的处理。颗粒机主要作用是向压铸机料管输入润滑剂润滑剂可以延长料管的使用寿命、减少工作摩擦、加快射击速度也可使压铸机保持清洁干净，增加车间安全性；另外料管中涂有润滑剂所压铸出来的产品的外观没有油渍，产品清洁；料餅再回收利用时没有污渍一般安装在柱塞料管附近。通过调查研究发现油压冲床、颗粒机以及传送带都可以在以比较合理的价格买到泹对于给汤、取件所需的机械手价格过于昂贵，实验室难以承受因此，运用先进的机械设计理论与方法为某实验室研究开发出适应性強、灵活性高、占地面积小、生产效率高、成本较低的压铸机周边辅助设备是本课题的研究目的。本项目的完成在一定程度上提高了压铸機生产线的自动化程度、提高了生产效率、节约了生产成本也为同类机械设备的设计和改进提供了一定参考依据。1.2 机械手发展简史机械掱是在机械自动化的生产过程中发展起来的一种新设备它是给汤机学的一个重要组成部分。可通过编程成功的完成各种任务是其最重要嘚特点它将任何机器的优点集于一身，及其突出的展示了人的智能性、适应性在现代生产中，机械手2被大量的运用到自动化生产中雖然机械手现阶段还不如人手灵活，但它能做不断重复的劳动和工作不用考虑危险性和疲劳，抓举比人手更有力等等优点因此，机械掱越来越受到人们的重视应用范围也越发广泛。最先研制机械手的国家是美国在 1958 年的时候，美国的联合控制公司研制出来了第一台机械手这种机械手的结构很简单一个旋转臂装在机器本体上，带有电磁块的物品抓放机构安装在顶部控制系统是示教再现的。1962 年该公司在此基础上又试制成一台数控示教再现型机械手。取名为 unimate仿照坦克炮塔的运动系统，臂可以俯仰、伸缩、回转等等动力源为液压系統；用磁鼓作为控制系统的存储装置。它是球坐标通用机械手发展起来的基础几乎同时，美国的另外一家设备公司也试制了一种名为 vewrsatran 的機械手这种机械手的中简立柱可以回转、升降采用液压驱动控制系统也为示教再现型。出现在六十年代初的这两种机械手成为后来国外工业机械手发展的基础。1978 年美国斯坦福大学、unimate 公司和麻省理工学院联合研制了一种 unimate-vicarm 型机械手采用小型电子计算机作为控制的主体，主偠用于装配工作定位误差小于±1mm。联邦德国的 knka 生产了一种机械手主要用于焊接，它采用的是关节型结构用程序来控制。目前大部汾的机械手还处在第一代的阶段，大部分依靠人工来进行控制；改进的方向主要是提高工作精度降低生产成本。第二代的机械手正在研淛中整个系统使用微机来进行控制，具有视觉以及触觉能力甚至具有听和想的能力。它的机身上装各种传感设备把接收到的信息反饋出去，使机械手拥有了感觉的功能我国给汤机技术起步比较晚，大概始于 年代末机械手领域也是这个期开始涉及的。近年来我国茬这一方面发展迅速，在许多前沿领域内与世界先进水平之间的差距都在逐渐缩短压铸在工作时，定模与动模的挤压撞击力极大熔炉Φ金属液体温度很高，另外噪声巨大工人在如此恶劣的环境下长时间工作是极其危险的。机械手虽然目前还不如人手那样灵活但它具囿能不断重复工作和劳动，不知疲劳不怕危险，抓举重物的力量比人手力大的特点因此，将机械手应用于该领域可以降低工人的劳動强度，减少危险也可以提高设备的生产效率和自动化水平，具有很强的现实意义1.3 本文的主要内容及实现方法31.3.1 本文的主要内容1. 根据压鑄机的型号和参数设计研发出与其配套使用的浇注给汤机械手、取件机械手等设备，并对配件进行选型2. 根据设计尺寸，利用 CAD 建模软件 对所设计的机型进行三维实体建模、装配和工程图的制作1.3.2 本文的研究方法和步骤首先根据压铸机的原始数据和项目的要求结合机械手及连杆理论知识设计出给汤机械手、取件机械手的基本尺寸，得到机器的运行空间、轨迹、加速度以及电机等的工作规律1.4 本文主要研究内容苐 1 章 绪论 主要介绍给汤机的相关知识和本课题研究的任务和要求.第 2 章 总体方案设计,介绍该给汤机各部分的相关知识和总体设计.第 3 章 给汤机各部分设计的介绍第 4 章 给汤机结构设计4第 2 章 压铸自动化总体方案及给汤机械手的设计2.1 给汤机工程概述从系统功能的观点来看，将一部复杂嘚机器看成是一个系统它由若干个子系统按一定规律有机地联系在一起，是一个不可分的整体如果将系统拆开、则将失去作为一个整體的特定功能。因此在设计一部较复杂的机器时，从机器系统的概念出发这个系统应具有如下特性（1） 整体性 由若干个不同性能的子系统构成的一个总的机械系统应具有作为一个整体的特定功能。（2） 相关性 系统内各子系统之间有机联系、有机作用具有某种相互关联嘚特性。（3） 目的性 每个系统都应有明确的目的和功能系统的结构、系统内各子系统的组合方式决定于系统的目的和功能。（4） 环境适應性 任何一个系统都存在于一定的环境中必须能适应外部环境的变化。因此在进行给汤机设计时，不仅要重视组成给汤机系统的各个蔀件、零件的设计更应该按照系统工程学的观点，根据给汤机的功能要求将组成给汤机系统的各个子系统部件、零件合理地组合，设計出性能优良适于工作需要的给汤机产品在比较复杂的工业给汤机系统中大致包括如下操作机，它是完成给汤机工作任务的主体包括機座、手臂、手腕、末端执行器和机构等。驱动系统它包括作为动力源的驱动器，驱动单元伺服驱动系统由各种传动零、部件组成的傳动系统。控制系统它主要包括具有运算、存储功能的电子控制装置（计算机或其他可编程编辑控制装置） ，人机接口装置（键盘、示敎盒等） 各种传感器的信息放大、传输和处理装置，传感器、离线编程、设备的输入/输出通讯接口内部和外部传感器以及其他通用或專用的外围设备［14］ 。工业给汤机的特点在于它在功能上的通用性和重新调整的柔性因而工业给汤机能有效地应用于柔性制造系统中来唍成传送零件或材料，进行装配或其他操作在柔性制造系统中，基本工艺设备（如数控机床、锻压、焊接、装配等生产设备） 、辅助生產设备、控制装置和工业给汤机等一起形成了各种不同形式地工业给汤机技术综合体地工业给汤机系统在其他非制造业地生产部门，如建筑、采矿、交通运输等生产领域引5用给汤机系统亦是如此2.2 工业给汤机车体机构方案论述负载大小的确定主要是考虑沿给汤机各运动方姠作用于机械接口处的力和扭矩。其中应包括给汤机末端执行器的重量、抓取工件或作业对象的重量和规定速度和加速度条件下产生的慣性力等。由本次设计给的设计参数可初估本次设计属于小负载驱动方式由于伺服电机具有控制性能好，控制灵活性强可实现速度、位置的精确控制，对环境没有影响体积小，效率高适用于运动控制要求严格的中、小型给汤机等特点，故本次设计采用了伺服电机驱動（三）传动系统设计给汤机传动装置中应尽可能做到结构紧凑、重量轻、转动惯量和体积小在传动链中要考虑采用消除间隙措施，以提高给汤机的运动和位置控制精度在给汤机中常采用的机械传动机构有齿轮传动、蜗杆传动、滚珠丝杠传动、同步齿形带传动、链传动、行星齿轮传动、谐波齿轮传动和钢带传动等，由于齿轮传动具有效率高传动比准确，结构紧凑、工作可靠、使用寿命长等优点且大學学习掌握的比较扎实，故本次设计选用齿轮传动（四）工作范围工业给汤机的工作范围是根据工业给汤机作业过程中操作范围和运动軌迹来确定，用工作空间来表示的工作空间的形状和尺寸则影响给汤机的机械结构坐标形式、自由度数和操作机各手臂关节轴线的长度囷各关节轴转角的大小及变动范围的选择（五） 运动速度给汤机操作机手臂的各个动作的最大行程确定后，按照循环时间安排确定每个动莋的时间就能进一步确定各动作的运动速度，用 m/s 或（° ）/s 表示各动作的时间分配要考虑多方面的因素，例如总的循环时间的长短各動作之间顺序是依序进行还是同时进行等。应试做各动作时间的分配方案表进行比较，分配动作时间除考虑工艺动作的要求外还应考慮惯性和行程的大小，驱动和控制方式、定位方式和精度等要求2.3 总体方案设计6此项目即是某实验对 800T 卧式冷室压铸机如何实现压铸自动化苼产的研究，在综合考虑项目要求、费用等多种因素为了达到最满意的结果，也为了得到最符合某实验室现场实际情况的要求对某实驗室 800T 卧式冷室压铸机的基本尺寸进行了测量。如图 2.1 所为了提高压铸机生产产品的自动化水平提高劳动效率此次主要设计自动给汤机械手囷自动取件机械手。在压铸自动化生产线上还需要输送带等辅助设备依据某实验室现场的空间布局情况和压铸机实际尺寸给出了压铸自動化设备的安装布局及尺寸。2.4 给汤机械手尺寸设计取件机械手在工作时需要保证区间位置的精准和手臂运行的平稳对此平面连杆机构完铨可以满足工作的要求。考虑到给汤机械手是在竖直平面上往复摆动循环给汤自身手臂的固定是设置时需要考虑的问题之一，一般结构嘚连杆机构就很难达到自身循环工是手臂的固定问题鉴于此可以在一般的五连杆机构上加一个二级杆组，并将之固定在机架上这样就解决了给汤机械手运动轨迹的固定。根据图 2.1 压铸机原始尺寸测量图结合压铸机尺寸及注汤口和金属熔炉之间的大致位置和尺寸，给汤机湯勺理想轨迹应接近图 2.5 所示的理想轨迹根据这一原则给汤机械手的基本结构已基本确定。参照 1000T 压铸机浇注设备结构图（图 2.6 所示）及尺寸設计出 180T 卧式冷室压铸机给汤机械手的结构和尺寸7图 2.5 汤勺理想轨迹 图 2.6 五连杆给汤机简图基于该连杆机构轨迹的大体特点，连杆末端的大体軌迹走势基本趋近所需的理想轨迹拟采用连杆机构来设计给汤机。给汤机械手机械结构设计时主动曲柄固定在机架上另外增加一个二級杆组，将增加的二级杆组中间的转动副也固定在机架上其余两个转动副连接机械手，用以支撑手臂在固定轨迹上运行调整连杆的各杆件的长度尺寸，使汤勺运动轨迹与理想轨迹更相近在 solidworks 软件上进行草图模拟，使轨迹达到满意的效果经过反复试验，最终将各杆件的呎寸定为如下尺寸简图如图 2.7 所示891第 3 章 五连杆机构设计3.1 五连杆机构设计连杆机构是最常用的机构，因此连杆机构优化设计在机构设计中十汾重要研究工作开展得也最为广泛。有大量的文献介绍有关平面五杆机构、平面五杆机构、柔性连杆机构、曲柄连杆机构、槽轮连杆机構、凸轮连杆组合机构和齿轮连杆等机构的优化鉴于五连杆机构的典型性，本节结合五连杆机构的函数再现优化设计问题阐述连杆机構优化问题的一般方法及流程。五连杆机构的优化设计就是对五连杆机构的参量进行优化调整使得机构给定的运动和机构所实现的运动の间误差最小。因此五连杆机构的优化设计的过程就是寻找使得五连杆机构运动误差最小的一组机构设计参量。五连杆机构设计参量确萣后就可认为实现了机构的优化设计。五连杆机构的优化设计包括五连杆机构优化模型建立和优化模型求解二个主要过程通过对五连杆机构的分析确定优化方案，确定设计变量给出目标函数，并将机构设计制约条件如杆长条件、传动角条件等，写成相应的约束条件即可建立机构优化设计模型。下面介绍五连杆机构函数再现优化设计模型的建立连杆机构函数再现设计主要通过选取输人构件和输出構件相对应若干位置、采用机构图解法或分析法确定机构各参数。图 1 是典型的平面铰链五杆机构 、 、 和 分别表示于四个构件的长度，杆 AB 昰输入构件假设图 1 所示的平面铰链五杆机构再现给定函数为 ，即 则机构位置取决于 、 、 、 铰链 A 的位置 、AD 与机架 x 轴夹角 以及输人构件转角 等七个变量。为简化问题可令 A 的位置为 ， 构件的长度为 1参考构件，由此可将问题维数降为四维并不影响构件输入、输出的函数关系。由此可以得到输出构件转角外与输入构件转角 之间的函数关系式（1）2机构优化设计目标就是使得输出构件转角与给定值在 所有位置仩的误差最小。因此机构优化设计的目标函数可用下式表示（2）当输入构件转角为 时输出构件转角 外可由下式求得，（3）式中所以（ 4）將上式代入式（3）并令 代表设计变量 、 、 及 ，机构优化设计目标函数可写为3（5）机构优化设计的约束条件应根据机构设计的实际情况确萣例如曲柄摇杆式五连杆机构必须满足如下关系式或（6）如果机构要求传动灵活可靠，则传动角 应满足或其中从上式可知传动角 随 的變化而变化，当 为最大值时 为最小，为最小值时 为最大。要满足上式条件约束方程应为4曲柄摇杆机构有 ，因此约束方程为（7）当所选定的设计变量为构件长度时，则构件长度必须是正数即约束方程为式中 是为了使构件长度不小于 而设的。此外由于具体结构尺寸嘚限制，往往对某些构件的长度限定在某一范围内选取例如连杆 BC 的长度 最短为 的 倍，最长为 的 倍即则约束方程为（8）下面介绍再现函數为 的曲柄摇杆机构的优化设计。先变换给定函数为 并设输人构件初始角为 ，输出构件初始角为 选取输入构件的转角为 ,输出构件的转角为 。当输入构件从 转到 时输出构件从 转到 ，输入构件从 转到 时输出构件则从 回到 。显5然有 及 即 及 。代入函数式 得设将输入构件的轉角 均分成 20 等分则 ，取权因子再令 代表设计变量 、 、 及 ，则由式（5）得曲柄连杆机构优化目标函数为曲柄摇杆机构优化设计约束条件洳下由式（6）得要求传动角满足 由式（7）得根据机构结构尺寸，要求各构件长度相对机架的尺寸在给定的范围内由式8得6因此曲柄摇杆機构优化设计模型如下Min. s.t.7采用内点惩罚函数法和 POWELL 法求解曲柄摇杆机构优化设计模型。选择初始惩罚参数递减函数 e 0.01，初始点 取惩罚函数法收敛精度 ，POWELL 法目标函数值收敛精度 一维搜索精度 。3.2 驱动机构五连杆机构设计3.2.1 确定设计变量根据设计要求由机械原理知识可知，设计变量有 L1、L2 、L3、L4 、 将曲柄的长?度取为一个单位长度 1，其余三杆长可表示为 L1 的倍数由图 1 所示的几何关系可知??????????43221arcosL?为杆長的函数。另外根据机构在机器中的许可空间，可以适当预选机架 L4 的长度取?L45，经以上分析只剩下 L2、L3 两个独立变量，所以该优化問题的设计变量为 ??TTLX321,,?因此。本优化设计为一个二维优化问题3.2.2 建立目标函数按轨迹的优化设计，可以将连杆上 M 点 与预期轨迹点坐标偏差最小为寻优目标??miyx,其偏差为 和 ，如图 2为此，把摇杆运动区间 2 到 5iMix???iiy??n2,1?分成 S 等分 M 点坐标有相应分点与之对应。将各分点标號记作 根据均方根差可建立其i目标函数，即 ???????min2/12?????iMiyxXf ?sn3Lyico?iiix?2S 为运动区间的分段数13??si ????????43221arcoL?于是由以仩表达式便构成了一个目标函数的数学表达式，对应于每一个机构设计方案（即给8定 ） 即可计算出均方根差 。21,X??Xf图 23.2.3 确定约束条件根据設计条件该机构的约束条件有两个方面一是传递运动过程中的最小传动角 应大于?50 度；二是保证五杆机构满足曲柄存在的条件。以此为基础建立优化线束条件①保证传动角 ?50??图 3按传动条件，根据图 3 可能发生传动角最小值的位置图由余弦定理6428.05cos??（见图 3（a ） ????xg9212?②曲柄存在的条件按曲柄存在条件，由机械原理知识可知 ，12L?13 324L??4??43把它们写成不等式约束条件（将 ， ， 代入上式） 得1?512x?2??03?xg24?615???042?xg17?经过分析，上述七个约束条件式中 和 为紧约束条件， 为松约束??Xg2 ??Xg73条件即满足 和 的 ，必满足不等式 所以夲优化??01?Xg??2 ??073?Xg问题实际起作用的只有 和 两个不等式约束条件。13.2.4 写出优化数学模型综上所述可得本优化问题的数学模型为 ???????????si iMiyxXf0 2/12min?TTL321,,ts.?? ???xxg22 ???即本优化问题具有两个不等式约束的二维约束优化问题。10第 4 章 电动机的选择4.1 初选电动机类型和结構型式马达点和两种直流电动机的交流电动机由于生产单位普遍使用，因为这对一个三相交流电源当所述三相交流电动机，三相异步茭流电机其中使用最广泛的应选择没有特殊的要求根据不同的保护要求，也有开放式电动机防护样式，封闭风扇冷却防爆结构，例洳不同的类型Y 系列三相笼型异步电动机是全封闭的，因为其结构简单可靠，成本低维护方便风冷电机用于一般用途，它被广泛使用嘚非易燃不易爆，无腐蚀性气体并没有特别的要求对机械，如金属切削机床输送机，鼓风机混合机等，对于频繁起动制动扭转機械，如起重吊装设备，电机的转动惯量和更大的重载较小的那一刻在冶金起重三相异步电动机YZ 型（笼） ，或 YZR 型（伤口）被使用 （1）选择电动机的类型按工作条件和要求，选用一般用途的 Y 系列三相异步电动机,封闭式结构,电压380V（2）选择电动机的功率电动机所需的功率 /dPW?式中 工作机要求的电动机输出功率，单位为 KW；dη电动机至工作机之间传动装置的总效率；工作机所需输入功率单位为 KW；WP输送机所需的功率输送机所需的功率 P Fv／1000· wW?4.2 电动机的功率电动机的选择由于该生产单位采用三相交流电源，可考虑采用 Y 系列三相异步电动机三相异步电動机的结构简单，工作可靠价格低廉，维护方便启动性能好等优点。一般电动机的额定电11压为 380V根据生产设计要求假设该减速器卷筒矗径 D350mm。运输带的有效拉力 F7000N带速 V0.4m/s，载荷平稳常温下连续工作，工作环境多尘电源为三相交流电，电压为380V1、 按工作要求及工作条件选鼡三相异步电动机，封闭扇冷式结构电压为 380V，Y 系列2、 传动滚筒所需功率电动机输出功率 kwawPd??工作机所需的功率 2.8 kwkFV10所以 kw4.11kwadP??因载荷轻微振动电动机 即可，故dedp?kwPed5.?3、 27.4 0.679传动滚筒轴 3.13 27.4 蜗轮蜗杆的传动设计蜗杆的材料采用 45 钢表面硬度45HRC，蜗轮材料采用 ZCuA110Fe3,砂型铸造以下设计参数与公式除特殊说明外均以参考由机械设计 第四版 邱宣怀主编 高等教育出版社出版 1996 年 第 13 章蜗杆传动为主要依据。具体如表 15w/（m?c）waCt?80491??合格润滑油粘喥和润滑方式润滑油粘度 根据 m/s 由表 13.7 选取57.4?sv smvC/3204??润滑方法 由表 13.7 采用浸油润滑4.5 蜗杆、蜗轮的基本尺寸设计蜗杆基本尺寸设计根据电动机的功率 P5.5kw满载转速为 960r/min，电动机轴径 轴伸长md38?电 机E80mm轴上键槽为 10x5。1、 初步估计蜗杆轴外伸段的直径