主動柱齒輪自動上下料專用機構,主動,齒輪,自動,上下,專用,機構
摘 要
本次所設計的課題是:主動柱齒輪自動上下料專用機構.零件是長春一汽底盤分廠制造的汽車底盤中減速器里的主動柱齒輪，它主要用于載重汽車的底盤中，起著傳遞轉矩、降低轉速的作用。
本次畢業(yè)設計主要研究上下料機構的設計，所要完成的任務包括：繪制零件圖（A3）、設計輸送工件毛坯用的送料機構（A0），設計銑端面和打中心孔的起夾緊作用的液壓夾緊滑臺機構（A0）、設計此套機構的控制部分（主要使用歐姆龍C系列P型機進行控制。
設計送料機構時，采用液壓缸壓力驅動，鏈條鏈輪、齒輪齒條傳動，實現傳送工件的目的；設計液壓夾緊機構時，采用液壓缸壓力驅動，齒輪齒條傳動，實現滑臺兩側同時對工件夾緊；設計控制部分大采用C60P型PLC，對機構所要求的功能進行控制，并注意急停、保護部分。
最后，將送料機構]液壓滑臺、控制部分及同組同學所設計的機械手機構、機床總體布局、液壓部分總體規(guī)劃，從而形成一個完整的機電一體化的上下料機構，以完成自動加工主動柱齒輪的第一道工序。
關鍵詞：液壓機構；送料機構；鏈輪鏈條；PLC控制。
Abstract
The object of this design just before our graduation is a initiative pillar gear for the car bed---rock lying in the decelerating device of the automobile bed---rocks, which are manufactured by the First Car---Manufacturer of Changchun. It is primarily used to transmit the torsion and torques of the bed---rock inside heavy automobile and also can decelerate.
The main researching work of this designing is to study the particular fixture among it which including : drawing the part diagram (A3),designing a stock for transmitting the materials of work piece (A0),design a stock to tight the total diagram (A0),designing controlling part of this machine (mainly using OMRON serious C size PLC to control).
When designing the stock for transmitting, adopting liquid, press to realize gear and rack, wheel track and rack’s removing, then work piece can remove one to another.
When designing the pressure stock, adopting liquid press to realize gear and rack’s removing, then the stock can tight the work piece by the two sides at the same time.
When designing the controlling part, using C60P size PLC, to achieve the commanding function, and noticing urgent stopping, protect part,
Finally, designing sending machine, pressure machine, controlling part, and the orientation diagram of machine tool. The diagram of whole part putting, the pressure part which is designed by my classmate in the same hard, forming a whole machine for up and down the materials, then the first process of initiative pillar gear can be auto processed.
KEY WORD: pressure machine, a material for transmitting, gear and rack’
Wheel rack and rack, PLC controlling.
前 言
在現代工業(yè)生產自動化領域里,材料的搬運,機床上下料,整體的裝配等實現自動化是十分必要的。在機械工業(yè)部門,這些程序的費用占全部加工費用的三分之一以上，所費時間占加工時間的三分之二以上，且絕大多數的事故發(fā)生在這些工序.自動上下料裝置和工業(yè)機械手就是為實現這些工序的自動化而設計的。工業(yè)機械手在二十世紀五十年代就已用于生產。它是在自動上下料的基礎上發(fā)展起來的一種機械裝置。開始主要用于實現自動上下料和搬運工作,完成單機自動化和生產線自動化.隨著應用范圍不斷擴大,現已用來操作工具和完成一定作業(yè)。而本次所設計的自動上下料專用機構,是利用液壓系統驅動和電器系統控制實現自動線的自動工作循環(huán)。在成批大量生產中,尤其在要求生產率很高,機動工時很短的情況下,上下料是一項重復而繁重的工作,為提高生產率,減輕體力勞動,保證安全生產,采用自動上下料裝置是行之有效的方法.而且,實踐也證明,工業(yè)機械手在加工主動柱齒輪的時候可以代替人手減輕工人的勞動強度,改善勞動條件,提高生產率。
因為液壓系統操作方便,電器系統控制靈活,成本低,工作可靠,完全能滿足我們的工作性能要求。因此本次主動柱齒輪自動上下料裝置采用液壓驅動及電器控制的工業(yè)機械手。伴隨著我國工業(yè)生產的飛躍發(fā)展,自動化程度的迅速提高,實現工件的裝卸、轉向、輸送或操持焊槍、噴槍、扳手等工具進行加工、裝配等作業(yè)的自動化，已愈來愈引起人們的重視。自動上下料裝置和工業(yè)機械手就是為實現這些工序的自動化而設計的。
一個好的自動上下料裝置應該滿足以下條件：(1)提高工人勞動生產率,顯著減輕工人的勞動強度；(2)工作穩(wěn)定可靠，運轉噪聲小，不會損傷工人，使用壽命長；(3)結構簡單緊湊，最大限度采用標準化零部件，通用性好，易于制造，成本低。經實踐驗證,本次設計的自動上下料專用機構基本達到預期要求。同時，通過本次設計也對自己大學幾年來的專業(yè)課知識作了系統的復習，加深了理解。鑒于本人的學識能力有限和設計時間短暫，因此難免有一些差錯和不足，敬請各位老師批評指正。
目 錄
摘要………………………………………………………………1
Abstract………………………………………………………………2
前言………………………………………………………………3
第1章 傳動方案擬定………………………………………………….6
1.1 概述………………………………………………………………6
1.2 傳動方案的擬定…………………………………………………6
第2章 自動送料機構的設計...............................................8
2.1 傳動方案的論證………………………………………………8
2.2 液壓缸的設計計算………………………………………………………10
2.2.1液壓缸類型的確定………………………………………………………10
2.2.2 基本參數的確定…………………………………………………………10
2.2.3 結構強度計算及穩(wěn)定性校核 …………………………………………12
2.2.4 計算流量 ……………………………………………………………13
2.3 鏈傳動的設計計算………………………………………………………13
2.4 傳動軸的設計計算………………………………………………………..16
2.5平鍵的選擇與校核……………………………………………………….18
2.6花鍵的選擇與校核………………………………………………………..19
2.7齒輪參數的確定………………………………………………………..19
第3章 液壓夾緊滑臺機構的設計…………………………………………………21
3.1 液壓夾緊滑臺的整體設計………………………………………………………………21
3.2 液壓滑臺相關數據計算………………………………………21
第4章 機構的電氣控制部分設計………………………………………………..24
4.1可編程控制器概述……………………………………………………………24
4.2機構控制部分設計……………………………………………………26
4.2.1 OMRON C系列 P型機簡介……………………………………………………………....26
4.2.2 設計所選機型……………………………………………………….27
4.2.3 機構的I/O分配………………………………………………………….27
4.2.4機構控制流程…………………………………………………………28
4.2.5 機構的梯形圖程序………………………………………………………29
結論………………………………………………………………………………….31
謝辭………………………………………………………………………………….32
參考文獻………………………………………………………………………………...33
第1章 傳動方案擬訂
1.1概述
本次畢業(yè)設計我的課題是《主動柱齒輪自動上下料機構設計》，需要完成的任務有：
1. 繪制零件圖
2. 設計送料用的送料機構
3. 設計夾緊工件用的液壓夾緊滑臺機構
4. 繪制送料機構及液壓夾緊滑臺的典型零件圖
5. 設計此套機構的PLC控制程序
6. 完成畢業(yè)設計說明書
其中重點和難點是送料機構，液壓夾緊滑臺機構，PLC控制部分的設計。
本零件是長春一汽底盤制造廠制造的汽車減速其的主動柱齒輪，它主要用于載重汽車的底盤中，起著傳遞轉矩，降低轉速的作用。該零件需經過毛坯鍛造，銑兩端面“，鉆中心孔等15道工序，才能夠生產出產品。該零件產量為30000件/年，零件重量約為15KG/件，可知其產量屬于中批量生產。為了提高加工質量和勞動生產率，同時降低工人的勞動強度和減少廢品率，將進行部分工序自動化，由專用機床代替工人生產，自動進行送料，上下料等，既減少了工人工作時間，又提高了生產效益，因此一個工人可同時對多臺機床進行操作，使人員配制更加合理。本著這些目的，進行上下料自動機構的設計是很必要的，而機械手的設計將為以后的生產線提供廣泛的用途。
1. 2傳動方案的擬訂
在自動化生產線中，需要較多的機械手和送料機構，要求使零件的設計和制造滿足產品的“三化”要求——系列化，通用化和標準化。這樣才能夠使機構不但制造和裝配方便，簡單，而且維修時各個零部件更換容易，故各送料機構和上下料機構機械手的傳動原理和結構尺寸都設計成基本相同，差別只在于安裝的方向上，因此料道和機械手是整個生產線的基本組成單元。工件的傳動路線如下：
毛坯放置在送料機構的傳動鏈上→送料機構將工件輸送到機械手能夠接觸到的地方（行程開關控制）→上料機械手夾持工件，將工件放置在托料架上→支架動作，機械手回位→液壓夾緊滑臺夾緊工件→兩床頭橫向相向運動，進行銑端面→兩床頭縱向相向運動，鉆中心孔→兩床頭反向縱向相背運動，鉆孔完成→兩床頭反向橫向相背運動，退出切削，夾具松開→托料架上升，工件進位→下料機械手夾持工件，再將工件置于第二道工序的送料機構上，如此反復，就可以實現工件的流水線了。
在本次設計值得注意的是：行程開關，作為位置檢測元件，在檢測元定位精度較低，因而起往往不單獨使用，而是輔以定位元件或擋塊等元件定位；使用位置傳感器作為更精密的位置檢測元件，以檢測元件是否放對位置（托料架上）；使用壓力傳感器作為判斷夾緊力的元件，以及判斷工件是否夾緊。由于此次設計所涉及的動作較多，故需要使用較多的I/O端子的PLC，因此選用OMRON的C系列P型號C60P PLC，對機構進行控制。
第2章 自動送料機構的設計
2.1傳動方案的論證
傳動方案的確定，在傳動系統的設計過程中起著相當重要的作用，傳動方案是否合理，這直接影響著傳動機構的工作效率，而合理的傳動方案不僅能夠滿足機器的功能要求，而且還應該使工作可靠，結構簡單，尺寸緊湊，傳動效率高，使用維修方便，以及適應各種工作條件等要求，在傳動系統中的方案確定過程中，要同時滿足這些要求是比較困難的，因此我們要將擬訂的各種傳動方案進行比較，使傳動能夠滿足重點要求的，綜合性能較高的方案就是我們所要的傳動方案。
自動送料機構的主要傳動要求是能夠實現間歇運動，使工件在一個工件完成加工后再送入到待加工位置。為此我們擬訂了三種傳動方案：1.液壓傳動；2.氣壓傳動；3.電氣傳動。
方案一的傳動特點：
（1） 液壓傳動各執(zhí)行元件機構的動作和力（力矩）是靠液體來傳動的，所以液體的質量和清潔度將直接影響到液壓設備的運動狀況。
（2） 在相等功率條件下，液壓傳動設備比機械傳動設備體積小，重量輕，運動慣性小，動態(tài)性能好，換向頻率高。其往復回轉動作可達每秒500次，往復直線運動可達1000次。
（3） 液壓設備中，液壓系統與電氣控制系統聯合使用，自動化程度高。
（4） 液壓設備要保持良好的技術狀態(tài)就必須做到控制油液污染，控制泄露和控制溫升及吸空等。
（5） 液壓設備由標準化程度較高，通用較強的液壓元件組成，故便于設計制造和推廣使用。
（6） 液壓傳動設備具有自我潤滑和自動防止過載的保護能力，故使用起來安全可靠。
（7） 由于液壓傳動的各個執(zhí)行機構所傳遞的力，速度，位移可無級調節(jié)（調節(jié)范圍可達1：2000），故能迅速適應被控制參數的變化。
（8） 液壓元件標準化，系列化的水平較高，故液壓設備一般比機械設備技術改造投資少，時間短，并且容易實現。
（9） 液壓元件屬于精密零件，因此元件的維修比較困難。
（10） 液壓設備的故障有隱蔽性和多樣性，因此故障原因的判斷要比機械故障的判斷難得多。
方案二的傳動特點：
（1） 氣體流動時慣性小，所以氣動元件的動作快，反映靈敏，在系統中建立起一定壓力和流速所需的時間短。
（2） 空氣的粘性小，因此在管道中流動的壓力損失小，便于集中供氣和壓縮空氣的遠距離傳輸。
（3） 氣動系統中的工作介質是空氣，因此不存在變質，補充和更換問題，經濟性好。
（4） 氣動系統中回氣可直接排入大氣，不需要設置回氣管路，系統比較簡單。
（5） 氣動系統的工作性能對溫度變化不敏感，幾乎在0~200℃范圍均可工作，并且在高溫下不會發(fā)生燃燒或爆炸。
（6） 由于工作壓力低，可降低對氣動元件的材料和制造精度要求。
（7） 空氣的容積摸量比壓力油小得多，所以氣動元件的速度剛度比液壓系統低，低速穩(wěn)定性差。
（8） 氣壓信號比電氣信號傳播速度慢，所以氣動系統的快速性和響應頻率不如電氣控制系統。與機械傳動相比，也不如機械傳動準確性高。
（9） 氣動系統對一定的外泄是允許的，因為外泄的空氣不會污染工作環(huán)境，也不會影響氣壓傳動的質量；但由于氣動系統本身工作壓力不高，所以要盡可能也減少泄露。
（10） 空氣沒有潤滑性能，其中又含水蒸氣，所以氣動元件的工作條件比液壓元件差。
方案三的傳動特點：
（1） 結構簡單，維護方便，單機容量大，能實現高速傳動；
（2） 電力傳動中的直流傳動系統有良好的調速性能，其調整的范圍也很寬，平滑性好，響應速度和頻率高。
（3） 電動機能夠輸出較大的轉矩和轉速；
（4） 電動機的容量選擇困難，其容量大小回造成電動機的工作環(huán)境要求較高，需要空氣中不含易燃易爆和防腐蝕的氣體。
結合本送料機構傳遞系統功率不大以及間歇傳動的特點，如果選擇氣壓傳動，不但會造成間歇傳動中的定位不準確，而且產生的噪聲也大，是工人的工作環(huán)境變差，并且氣壓系統中的壓力也無法達到要求，故不選用氣壓傳動。
電氣傳動結合本傳動系統的特點，就需要選擇步進電動機，這樣不僅是使用設備是成本增加，而且還需要另設置單獨的控制系統，況且電動機在頻繁的啟動和制動的過程中容易損壞，故不選用電動傳動方案。
因此，我們選用液壓傳動方案，這樣不僅可以達到本系統的要求，而且工作較平穩(wěn)，產生的 噪聲相當小，在工件傳動同時在一定程度上還避免了上述兩種方案所帶來的弊端。
在工件傳動方案的選擇中，由于工件的質量和體積較大，形狀比較復雜，無法選擇帶式傳動。結合鏈傳動的特點，可用于遠距離傳輸，鏈條和鏈輪的平均傳動比恒定，而且在高溫，油，酸等惡劣環(huán)境下能夠可靠的工作，價格也比較便宜，傳動效率高，故選用鏈傳動作為工件的輸送形式。
選定液壓驅動方式及采用鏈傳動的輸送形式后，如何使兩者能夠聯接起來形成一個整體統一的傳動機構，也是一個重要的環(huán)節(jié)。由于本方案中采用的是齒輪齒條傳動，它的基本設計思路是：設計一齒條和齒輪嚙合并有鋸齒的齒輪，并將齒輪安裝在固定的長軸上。當液壓驅動齒輪運動，齒條的往返移動帶動齒輪的旋轉，齒輪的旋轉使鋸齒相互配合，帶動另外的帶有鋸齒的齒輪旋轉，然后通過該齒輪（該齒輪與軸的花鍵部分配合）帶動軸旋轉，進而使鏈條轉動，從而推動在鏈條上的工件進位。在這里值得注意的是，實際工件的進位只能夠是一個不變的方向，而不是變動的。因此，在設計的過程中我們考慮用鋸齒形齒的配合來實現，即當齒條向工件移動的相反方向移動時，鋸齒雖然接觸但不產生反作用力，不能夠推動軸旋轉，從而工件不動，如此就實現了工件的間歇定向傳動。
2.2 液壓缸的設計計算
液壓缸是液壓系統中的對外作功元件，它與工作部件直接相聯接，由于不同工作部件的用途和工作要求并不相同，因此在設計前要做好調查研究，準備必要的原始材料和設計依據，其中主要有：
（1） 主機的用途和工作條件
（2） 工作機構的結構特點，負載情況，行程大小和動作要求
（3） 液壓系統中的工作壓力和流量
（4） 有關國家標準和技術規(guī)范
2.2.1液壓缸類型
由液壓缸工作條件及設備用途方面考慮，選用雙作用單活塞桿液壓缸。
2.2.2 基本參數的確定
1.液壓缸工作負載的確定
根據料道的液壓缸工作特點，其主要外負載為克服鏈傳動中齒輪與支座之間的摩擦，Fm，以及運動部件速度變化時的慣性負載Fg，整個傳動系統中存在的摩擦阻力Ff,故F=Fm+Fg+Ff.
考慮到在實際情況中各處動力損失較復雜，故將工作負載擴大50%。
Fm=μN=0.2×431=86.2N
故支座重力（即齒條所受壓力）N=πR2hρg=431N
=216N
Ff 根據工作情況，估算Ff =1500N
故 F=1500+86.2+216×（1+50%）=2703.3N
因此取F=3000N
2. 工作速度的確定
根據實際工作情況，選用GE系列調節(jié)流量閥，查得最小流量為0.05L/min，由實際工作中可得Vmin=80cm/min。
3. 行程確定
液壓缸的工作行程長度應該根據執(zhí)行機構實際工作的最大行程確定。由于工作的最大外徑為Φ150min，再加上工件之間應該有適當距離，故取工件之間的距離為250mm，參照參考資料[3]，取標準值為200mm。
4. 液壓缸內徑D和活塞桿直徑d的確定
根據參考資料[2]表37.5-3，37.5-5查得，P1=2MPa，P2=0.3MPa。所以D=47mm。
根據參考資料[2]，表37.5-8，取標準值D=50mm。
根據參考資料[2]，37.5-6取d/D=0.5，因此d=0.5×D=25mm。
5. 壁厚及外徑計算
液壓缸的壁厚是指缸筒結構中最薄處厚度。由于本次設計中系統的工作壓力較低，屬于中低壓系統，液壓缸的壁厚無法用公式進行計算，只能按經驗選取δ=10mm。缸體的外徑D1=D=+2δ=50+2×10=70mm。
6. 缸蓋厚度的確定
選取液壓缸蓋為平地底缸蓋，缸蓋上根據需要鉆有進油口、出油口和緩沖器作用的沉孔，缸蓋厚度為=17mm。
[δ]查閱相關資料得[δ]=25MPa，Py為最大工作壓力的1.25～1.5倍。圓整取t=18mm，故缸蓋厚度為18mm。
7.活塞寬度B和缸體長度
一般B=（0.5～1.0）D，由于系統的壓力較低，取B=0.5D=0.5×50=25。
液壓缸內部的長度應是活塞的行程和活塞的寬度之和，故得液壓缸的內部長度為L=200+25=225mm。缸體的外部長度除了要考慮內部長度外，還應考慮到兩端蓋的厚度，所以液壓缸的外部長度為L1=L=2t=225+2×18=261mm。
2.2.3 結構強度計算與穩(wěn)定性校核
1.液壓缸的穩(wěn)定性驗算
根據材料力學的理論，一根受壓的直桿，在其軸向負載F超過穩(wěn)定臨界力Fk時，即失去原有直線狀態(tài)下的平衡，或稱為失穩(wěn)。對于液壓缸其穩(wěn)定條件為：
Nk為穩(wěn)定性安全系數，一般Nk取2～4。
其中，μ為長度折算系數；E為活塞桿材料的縱向彈性模，E取205.9GPa；I為活塞桿斷面的最小慣性矩；r為活塞桿橫斷面的回轉半徑，。
經計算得：Fk=71040N
，式中Nk=2。
，故液壓歸納感穩(wěn)定。
2.活塞桿強度校核
用的A系≤[σ]
[σ]為活塞桿材料的許用應力，查參考資料[4]，表2-7查得σs=355MPa，[σ]= σs/n=236.667MPa，
式中σs為材料的屈服極限，n為安全系數，n=1.4～2。
實心活塞桿d1=0。
因此 =6.115MPa＜[σ]
故活塞桿強度足夠。
2.2.4 計算在各工作階段液壓缸所需流量
直線型運動液壓缸只有兩種工作狀態(tài)，即工進與有退回。
速度公式為：
流量公式為：Q=VA
工進時行程為180mm，所需時間為2.5s，故工作速度為
V退回=（180×10-3×60）/2.5=4.32m/min，
Q工進=πD2V工進/2.5=8.48L/min。
退回時行程為180mm，所需時間為1.5s，所以V退回=（180×103×60）/2.5=7.2m/min
Q退回=π（D2-d2）V退回/4=10.6L/min
2.3鏈傳動的設計計算
鏈傳動是應用比較廣泛的一種機械傳動，特點如下：
（1） 鏈傳動為帶有中間撓性件的嚙合傳動，與帶傳動相比，無滑性滑動和打滑現象，故能保持準確的平均傳動比，傳動效率高，結構緊湊，傳遞圓周力大，張緊力比帶傳動小；
（2） 與齒輪傳動相比，鏈傳動能吸振和緩和沖擊，結構簡單，加工成本低廉，安裝精度要求低，適用于較大中心距的傳動，能在惡劣環(huán)境中工作。
（3） 運轉時不能保持恒定的瞬時傳動比不宜在載荷變化大和急速反向傳動裝置中應用；
（4） 工作有噪聲，鏈條鉸鏈易磨損，只能傳遞平行軸間的同向轉運動。
鏈傳動在送料機構中是最重要的傳動形式，它直接決定著工件能否準確地被送到需要的位置。本次設計中為了使鏈條采購方便，采用普遍應列套筒滾子鏈，初步選取傳遞功率P0為1.2Kw，鏈輪的轉速n0為20r/min，并且為了使工件能夠較好的在水平線上移動，因此選取兩鏈輪的直徑大小相同，從而使鏈條在水平線上傳動，達到了使工件平移的目的。
初步選取傳動比為i=1。
1.確定鏈輪齒數Z1，Z2取奇數，鏈節(jié)數Lp為偶數時，可使鏈條和鏈輪齒磨損均勻，根據優(yōu)先選用齒數，（參考資料[5]中表7-4）選取Z1=25。
因為i=Z1/Z2，即1=Z2/25。所以Z2=25。
即從動鏈輪的齒數為25。
2.設計功率Pd
Pd=KAPK2 （1）
式中KA-工況系數，選取KA=1.0，查閱參考資料[6]表（3-5）。P-傳遞功率，KW；K2-小齒輪數系數，K2=1.35。則Pd=1.0×1.2×0.611=0.73 KW。
3.特定條件下單排鏈條傳遞的功率P0
式中：Kz-從動鏈輪齒數系數，由參考資料[5]選取Kz=1.34，
Kp-排數系數，選取系數Kp=1。
于是P0=0.90 KW。
4.鏈條節(jié)數P
為使傳動平穩(wěn)，結構緊湊，宜采用小節(jié)矩單排鏈。根據P0和n，選取ISO鏈號為20A，節(jié)矩P=31.75（A級鏈用于重載，高速和重要場合）
5.初定中心距a0
一般取a0 =（30～50）P，無張緊裝置時，a０＜２５p，當i＝４時，a０min＝0.2z１(i+1)p，得a０min＝10P．
６.以節(jié)距計算初定中心距a０p
(3)
所以a０p＝40節(jié)
７.鏈條節(jié)數LP
式中，．知Ｋ＝０．
則LP＝105
為避免使用過度鏈節(jié),將LP值圓整為偶數,則LP=106.
8.鏈條長度L
代入數據L=3.37m.
9.計算中心距ac
當z1=z2時,
代入數據ac=1285.9mm
10.實際中心距a
為了使鏈條松邊有合適的垂度,需將計算中心距減小(
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