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長沙學院畢業(yè)設(shè)計
刀削面機器人的設(shè)計
摘 要
本章介紹了刀削面機器人工作原理，以及刀削面機器人的部件結(jié)構(gòu)和各部件零件的主結(jié)構(gòu)。這次設(shè)計主要是在刀削面機器人的擺動機構(gòu)設(shè)計中采用新的理念，巧妙地沿用了連桿機構(gòu)，實現(xiàn)了確定的位移范圍，并且在往復(fù)面板機構(gòu)設(shè)計與機架升降機構(gòu)設(shè)計中 都采用了絲杠螺旋傳動的導(dǎo)向功能。主要是對部件中的凸輪與連桿機構(gòu)的進行了設(shè)計與計算以及機構(gòu)自由度的計算，擺動削刀的速度計算，刀具的切削寬度與深度的計算，部件往復(fù)面板機構(gòu)設(shè)計與機架升降機構(gòu)用的絲杠的選用與校核計算，以及其結(jié)構(gòu)設(shè)計。
關(guān)鍵詞：刀削面機器人；擺動機構(gòu)；結(jié)構(gòu)設(shè)計
Noodle-robot design
Abstract
This chapter describes the noodle robot works, as well as the main structural components and structural components noodle robot parts. The design is mainly the introduction of new ideas in the swing mechanism design noodle robot, the cleverly follows the linkage to achieve the determined displacement range, and the reciprocating mechanism design panel and frame lifting mechanism design have adopted the wire bar screw drive guiding function. Mainly on the part of the cam and link mechanism was designed with the computing and calculating means freedom, swinging the knife cutting speed, calculated as the width and depth of the cutting tool, parts reciprocating mechanism design panel and rack lift mechanism Check Calculation screw selection and use, as well as its structure.
Keywords: noodle robot; swing mechanism; structural design
第一章 緒論 5
1.1 引言 5
1.2 課題研究的目的和意義 5
1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展狀況 5
1.4 課題研究的目的和意義 6
1.4.1本課題主要研究解決的難點問題和擬采用的辦法 6
1.4.2本次畢業(yè)設(shè)計主要工作 6
第二章 刀削面機器人總體方案設(shè)計 8
2.1 刀削面機器人的設(shè)計任務(wù) 8
2.2 刀削面機器人的基本機構(gòu) 8
2.3 刀削面機器人的工作特點及傳動原理 9
2.4本章小結(jié) 11
第三章 刀削面機器人的擺動機構(gòu)設(shè)計 12
3.1擺動機構(gòu)主要結(jié)構(gòu)及工作原理 12
3.1.1擺動機構(gòu)主要結(jié)構(gòu) 12
3.1.2擺動機構(gòu)工作原理 12
3.2 偏心輪與連桿機構(gòu)設(shè)計與計算 13
3.3 機構(gòu)自由度的計算 16
3.4削面擺動削刀的相關(guān)計算 17
3.5 本章小結(jié) 19
第四章 刀削面機器人的往復(fù)面板機構(gòu)設(shè)計 20
4.1往復(fù)面板機構(gòu)的主要結(jié)構(gòu)與工作原理 20
4.1.1往復(fù)面板機構(gòu)主要的結(jié)構(gòu) 20
4.1.2往復(fù)面板機構(gòu)的工作原理 20
4.2絲杠的選用與計算 21
4.2.1絲杠的類型選擇 21
4.2.2絲杠的設(shè)計計算 21
4.3本章小結(jié) 24
第5章 刀削面機器人機架升降機構(gòu)設(shè)計 25
5.1機架升降機構(gòu)的主要結(jié)構(gòu)與工作原理 25
5.1.1升降機構(gòu)的主要結(jié)構(gòu) 25
5.1.2升降機構(gòu)的工作原理 25
5.2升降旋轉(zhuǎn)機構(gòu)長絲杠的選用與計算校核 26
5.3本章小結(jié) 28
第6章 刀削面機器人的PLC控制設(shè)計 29
第7章 結(jié)論 36
長沙學院畢業(yè)設(shè)計
第1章 緒論
1.1 引言
機器人技術(shù)是新興的跨學科綜合性高新技術(shù)，是力學、機構(gòu)學、機械設(shè)計學、自動控制、傳感技術(shù)、電液氣驅(qū)動技術(shù)、計算機、人工智能、仿生學等多個學科知識的綜合與交叉。機器人作為高自動化、智能化的典型機電一體化設(shè)備，通過計算機編程能夠自動完成目標操作或移動作業(yè)，具有較高的可靠性、靈活性、巨大的信息儲存、處理能力和快速反應(yīng)能力。機器人自 60 年代初問世以來，經(jīng)過多年的發(fā)展，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各個工業(yè)領(lǐng)域，成為制造業(yè)生產(chǎn)
自動化中主要的機電一體化設(shè)備。同時隨著社會的發(fā)展和人們生活水平的提高，各種各樣的機器人也被開發(fā)出來去適應(yīng)制造領(lǐng)域以外的各個行業(yè)。本文以刀削面機器人為研究對象。
1.2 課題研究的目的和意義
刀削面一直是大眾所喜愛的面食之一，其口感爽滑，柔韌勁道，在中國擁有廣泛的 群眾基礎(chǔ)，隨著中華飲食文化的發(fā)揚光大各民族各地域之間飲食習慣差距日漸縮小，刀削面越發(fā)普及。無論南北，男女老少都愛吃甚至在國外的華人區(qū)刀削面也經(jīng)?？梢姟５断髅鏅C器人一種新型仿人工刀是削面機,具有操作簡便,自動智能化操作 , 高效率,低能耗 ,維護方便 ,外形美觀 , 工作效率高，相對于人工技師而言不存在疲勞和情緒波動而影響工作效率的情況，易招攬顧客等優(yōu)點。刀削面機器人機是替代人工技師執(zhí)行削面工作的一種機器裝置；它不僅可以按預(yù)先編排的程序去完成標準化的削面工作，還可以臨時接受人工指令改變工作狀態(tài)；是人工智能技術(shù)應(yīng)用于餐飲領(lǐng)域的重大突破。
1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展狀況
機器人是近30年發(fā)展起來的一種典型的、機電一體化、獨立的自動化生產(chǎn)工具。在制造業(yè)中，應(yīng)用工業(yè)機器人技術(shù)是提高生產(chǎn)過程自動化、改善勞動條件，提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率的有效手段之一，也是新技術(shù)革命的一個重要內(nèi)容。
我國是個人口大國,餐飲行業(yè)在中國經(jīng)濟中占有十分重要的地位,經(jīng)濟人士稱其為"永不衰敗的產(chǎn)業(yè)",刀削面是我國傳統(tǒng)的具有旺盛生命力的主導(dǎo)面食品種,尤其是在我國東北, 西北,山東地區(qū)各大中小城市及縣鄉(xiāng)鎮(zhèn)的主要街道,到處都有刀削面館,而刀削面作為中國一個名優(yōu)美食已發(fā)展到在全國各地,形成長盛不衰的趨勢,那么刀削面機器人無疑會因此順勢得寵。刀削面機器人，系列智能刀削面機器人機是替代人工技師執(zhí)行削面工作的一種機器裝置；它不僅可以按預(yù)先編排的程序去完成標準化的削面工作，還可以臨時接受人工指令改變工作狀態(tài)；是人工智能技術(shù)應(yīng)用于餐飲領(lǐng)域的重大突破。
1.4 課題研究的目的和意義
1.4.1本課題主要研究解決的難點問題和擬采用的辦法
本設(shè)計主要研究解決的難點問題：
1.左手的左右搖擺運動可以通過設(shè)定使其按一定規(guī)律運動，但是上下調(diào)整面和刀之間的距離如何運動？需要什么裝置感應(yīng)反饋？
2.電機帶動右手工作時，哪種傳動方式更好些？
1.4.2本次畢業(yè)設(shè)計主要工作
設(shè)計出刀削面機器人設(shè)計刀削面機器人的執(zhí)行機構(gòu)，驅(qū)動系統(tǒng)，控制系統(tǒng)，提供設(shè)計說明書與相關(guān)附件。并且削出的面狀如柳葉，長短寬窄薄厚均勻。削面速度至少是人工速度的1.5倍。
第2章 刀削面機器人總體方案設(shè)計
2.1 刀削面機器人的設(shè)計任務(wù)
本設(shè)計題目要求設(shè)計一種刀削面機器人，根據(jù)任務(wù)書的整體要求，以及任務(wù)書的數(shù)據(jù)，本次設(shè)計重點是負責刀削面機器人的具體機械手進行設(shè)計，重新設(shè)計出削面擺動機構(gòu)、機架升降機構(gòu)、往復(fù)面板機構(gòu)等。
使得板材加工后更為美觀，整密。功率強勁，操作方便，噪聲低，更為人性化等。其主要參數(shù)如下所示：
型號
重量
電壓
功率
產(chǎn)量
外形尺寸
100
80kg
220V
2.2kw
60條/分
1050X850X1300
2.2 刀削面機器人的基本機構(gòu)
刀削面機器人就是替代人工技師執(zhí)行削面工作的一種機器裝置，其主要由機架、削面擺動機構(gòu)、機架升降機構(gòu)、往復(fù)面板機構(gòu)以及底座組成。刀削面機器人的機架在底座上端，機架外包裝的塑料殼為人體上半身。底座上有四根是矩形分布的升降導(dǎo)柱并且與機架底部連接。削面擺動機構(gòu)在機架右上部，由削面電機、偏心輪、傳動桿、削面刀、杠桿、支點軸、支桿、軸碗組成。往復(fù)面板機構(gòu)位于底座內(nèi)前部,機架升降機構(gòu)位于底座內(nèi)后部。如圖所示：
2.3 刀削面機器人的工作特點及傳動原理
由于市面上的刀削面機器基本上全部普及了數(shù)控操作，這導(dǎo)致了它的高成本高價位使得一般的餐飲業(yè)的老板放棄了對它的需求。因此，刀削面機器人的推廣需要重新設(shè)計運動機構(gòu)和控制模式來降低人員維護與保養(yǎng)成本、保養(yǎng)費用及造價。運用常見機構(gòu)配合的運動軌跡實現(xiàn)刀削面的走刀運動以及進給量控制來降低成本，提高刀削面的生產(chǎn)率，加快實現(xiàn)食品生產(chǎn)機械化和自動化的步伐。其主要優(yōu)點在于以下幾點：
1、本機主要傳動部伯，均選用優(yōu)質(zhì)鋼材并經(jīng)熱處理和精密的加工完成，使用壽命長，噪音小。
2、和面接觸的機頭部件均為不銹鋼材料，并經(jīng)光整修理，具有不銹蝕和基本不粘面的效果，清理非常方便。
3、本機削出的面中厚邊薄，長度適中，外形佳，口感好，遠勝于人工削面。厚度，寬度和面飛出的距離可根據(jù)需要調(diào)整。
4、削面效率高，更適合客流大，削面量大的場合。
5、外罩采用優(yōu)質(zhì)不銹鋼制成。外面亮麗，防腐防銹性能好。
刀削面機器人工作原理：如圖所示：本實用新型的目的是設(shè)計一種智能機器人刀削面機，使其具有仿人制刀削面過程，且還具有結(jié)構(gòu)簡單，實用，操作簡便和使用效果好的優(yōu)點。為此，本實用新型主要主要由底座、削刀和機架所組成，其特征在于:包括機架、削刀擺動機構(gòu)、置面板移動機構(gòu)和機架升降機構(gòu);機架，機架位于底座上端，機架外包設(shè)的塑殼呈人體上半身形，機架底部滑配在底部固定在底座上的四根呈矩形分布的四根升降導(dǎo)柱上;削刀擺動機構(gòu)，位于機架上的右側(cè)端，由刀削電機、偏心輪、傳動桿、軸碗、支桿、支點軸、杠桿和削刀所組成，削刀與位于人體右手外的杠桿端連接，杠桿另一端位于人體中空的右臂內(nèi)并通過軸碗軸接傳動桿的一端，靠近傳動桿的杠桿中部通過支點軸與固定在機架上的支桿軸接，傳動桿的另一端與偏心輪軸接，刀削電機帶動偏心輪轉(zhuǎn)動;置面板移動機構(gòu)，位于底座內(nèi)前部，兩板架上端與位于底座上端與削刀下端的置面板下端面固接，兩板架下端位于底座內(nèi)的滑軌上，兩板架之間設(shè)絲母桿，板架移動電機通過絲杠帶動絲母桿轉(zhuǎn)動;機架升降機構(gòu);位于底座內(nèi)后部，機架底部滑配在底部固定在底座上的四根呈矩形分布的四根升降導(dǎo)柱上，機架底部設(shè)有絲母托板，絲母托板中部與升降絲杠螺接，升降電機帶動升降絲杠轉(zhuǎn)動。所述的底座側(cè)端設(shè)有控制面板。所述的右臂的右胳脖肘處為布層。所述的機架下端周邊與對應(yīng)的底座之間設(shè)有波紋形布層或波紋伸縮管。所述的置面板呈前低后高的斜置。刀削面機器人右臂由電機帶動通過曲軸連桿機構(gòu)實現(xiàn)不停的往復(fù)運動，左右托著面并且配合右手而上下左右擺動。其結(jié)構(gòu)示意圖如下：
2.4本章小結(jié)
本章主要介紹了這次設(shè)計的任務(wù)以及刀削面機器人的部件組成和工作原理和特點
32
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第3章 刀削面機器人的擺動機構(gòu)設(shè)計
3.1擺動機構(gòu)主要結(jié)構(gòu)及工作原理
3.1.1擺動機構(gòu)主要結(jié)構(gòu)
刀削面機器人的擺動機構(gòu)位于機架右部，由削面電機、偏心輪、、傳動桿、削面刀、杠桿、支點軸、支桿、軸碗組成。其示意簡圖如下：
其選用的電機參數(shù)：額定電壓380V、額定頻率50Hz、額定功率2.2Kw、額定轉(zhuǎn)速1410r/min。
3.1.2擺動機構(gòu)工作原理
削面電機帶動偏心輪轉(zhuǎn)動，傳動桿的一端與偏心輪軸連接，靠近傳動桿的杠桿中部通過支點軸與固定在機架上的支桿軸接，杠桿一端位于人體中空的右臂內(nèi)并通過軸碗軸接傳動桿的一端，位于人體右手外的杠桿另一端則與削刀連接。當控制電路使削面電機轉(zhuǎn)動時，電機帶動偏心輪轉(zhuǎn)動，而偏心輪轉(zhuǎn)動則使傳動桿拉動杠桿以支點軸為支點上下擺動帶動削面刀在面板上端擺動，從而形成仿人削面動作。
3.2 偏心輪與連桿機構(gòu)設(shè)計與計算
偏心輪是指這個輪的中心不在旋轉(zhuǎn)點上，一般指代的就是圓形輪，當圓形沒有繞著自己的中心旋轉(zhuǎn)時，就成了偏心輪。偏心輪為原動件做定軸轉(zhuǎn)動，其幾何中心也即偏心輪與連桿組成轉(zhuǎn)動福的中心。偏心輪幾何中心至轉(zhuǎn)軸的距離為定值，因此偏心輪在機構(gòu)運動中的作用相當于一個曲柄的作用，所以該機構(gòu)也相當于曲柄滑塊機構(gòu)。
當曲柄長度很小時，通常把曲柄做成偏心輪，這樣不僅增大了軸頸的尺寸，提高偏心軸的強度和剛度，而且軸頸位于中部時，還可以安裝整體式連桿，得結(jié)構(gòu)簡化。對心曲柄滑塊機構(gòu)運動分析，由圖可得任意時刻滑塊運行距離：
且
所以
所以
且
所以
所以有滑塊運行距離：
滑塊速度V為：
滑塊加速度為：
3.3 機構(gòu)自由度的計算
平面機構(gòu)的自由度如圖所示的曲柄滑塊機構(gòu)，如給定任一活動件一個確定的運動，例如給定滑塊一個獨立運動規(guī)律s?=?f（t），則其余構(gòu)件的運動規(guī)律即可完全確定。
這說明曲柄滑塊機構(gòu)只有一個獨立運動，或者說只有一個自由度。要使該機構(gòu)具有確定的運動，必須給定該機構(gòu)中一個構(gòu)件的運動規(guī)律。
又如鉸鏈四桿機構(gòu)，如機構(gòu)有兩個獨立運動，或者說有兩個自由度，要使該機構(gòu)具有確定的運動，必須同時給定兩個獨立運動規(guī)律。
本機構(gòu)的傳動方案選擇：
方案一 方案二
選擇機械手小臂的切削動作方案：刀削面機械手方案一優(yōu)點:該方案的空間利用率高，尤其在空間有限的仿真機械手比較實用。缺點：雙曲柄滑塊機構(gòu)的成本比較高，機構(gòu)復(fù)雜度高，機械效率比較低。刀削面機械手方案二：優(yōu)點：機械效率高，制造成本低，空間復(fù)雜度低，便于安裝維護。缺點：占用比較大的空間。該機械手的設(shè)計目的在于降低其制造成本，由于方案二在機械效率和制造成本上都高于方案一，故選方案一作為刀削面機械手小臂切削機構(gòu)
機構(gòu)的自由度：機構(gòu)中各構(gòu)件相對于機架所具有的獨立運動的數(shù)目。機構(gòu)的自由度可能是一個、兩個，甚至兩個以上。若某機構(gòu)由N個構(gòu)件組成，除去機架，機構(gòu)中共有n=N－1個活動件。構(gòu)件在連接之前，全部活動件共有3n個自由度。而在聯(lián)接后，構(gòu)件的自由度由于運動副的約束而減少。設(shè)在機構(gòu)中有PL個低副，PH個高副，則該機構(gòu)全部運動副的約束數(shù)目共有2PL+PH個。則機構(gòu)自由度F＝3n－2PL－PH=1
由于機構(gòu)具有確定相對運動的條件機構(gòu)具有確定運動的條件：原動件數(shù)目W應(yīng)等于機構(gòu)的自由度F。即W＝F＝3n－2PL－PH原動件數(shù)＜自由度數(shù)，機構(gòu)無確定運動原動件數(shù)＞自由度數(shù)，機構(gòu)在薄弱處損壞。得出機構(gòu)具有確定的運動條件。
3.4削面擺動削刀的相關(guān)計算
由于切削機構(gòu)的連桿機構(gòu)如圖所示：
由于R45=CD—BD；R65=CD + BD由圖知，R45，R65與R18的交點分別是該曲柄連桿機構(gòu)的兩個極限位置，兩極限位置夾角為78度，符合該機械手設(shè)計方案。
一，急回運動和行程速比系數(shù)求解：
極位是曲柄與連桿兩次共線時，搖桿位于兩個極限位置。
當曲柄以ω逆時針轉(zhuǎn)過180°+θ時，搖桿從C1D位置擺到C2D。所花時間為t1 , 平均速度為V1, 由公式
當曲柄以ω繼續(xù)轉(zhuǎn)過180°-θ時，搖桿從C2D,置擺到C1D，所花時間為t2 ,平均速度為V2 , 有：
因曲柄轉(zhuǎn)角不同，故搖桿來回擺動的時間不一樣，平均速度也不等。并且：t1 >t2，V2 > V1。搖桿的這種特性稱為急回運動。用以下比值表示急回程度：
由公式有：
只要 θ ≠ 0 ， 就有 K>1。且θ越大，K值越大，急回性質(zhì)越明顯。由數(shù)據(jù)代入得到，K=2.5。所以可通過分析機構(gòu)中有急回運動的程度不較高。
二，削刀的速度計算：
（1） 由于Na : Nb = da : db = 2 : 1 ;Nb : Nd = db: dd = 2 : 1 ;則：Na : Nd = 4 : 1 ;
（2） 刀削面機械手的小臂搖桿機構(gòu)搖擺速度即是切削速度?？紤]到搖桿機械疲勞強度限制，搖桿最高速度v為4次每秒。不同電機極數(shù)的三相異步電動機同步轉(zhuǎn)速如下：2極電機同步轉(zhuǎn)速為3000轉(zhuǎn)/分。4極電機同步轉(zhuǎn)速為1500轉(zhuǎn)/分。6極電機同步轉(zhuǎn)速為1000轉(zhuǎn)/分。8極電機同步轉(zhuǎn)速為750轉(zhuǎn)/分。
（3） 三相異步電機速度V≦ v*Nd/Na = 16/s= 960轉(zhuǎn)/分；
故選擇8極三相異步電機。
（4） 已知凸輪轉(zhuǎn)速ω1，求推桿的速度V2，根據(jù)三心定理和公法線n－n求瞬
心的位置P12 。
由公式
V2＝μl(P13P12)·ω1
得出刀削面機械手的切削速度v = 750/（4*60）=3.125條/秒；
三，刀具切寬，切深：
由推程角與回程角比是Φ1 ：Φ2 =1 ：5 即Φ1 =60°；Φ2 =300°
該刀削面機械手在面料表層將切削的最大面條數(shù)為：28*5/6=24（取整）。
由最大推程為12cm，者刀削面面寬最大為12/24=0.5cm；因此刀具的削面最小寬慰5mm。刀具的切深為2mm。如圖所示：
3.5 本章小結(jié)
本章節(jié)重點介紹了刀削面機器人擺動機構(gòu)主要結(jié)構(gòu)及工作原理，擺動機構(gòu)主要結(jié)構(gòu)擺動機構(gòu)的主要工作原理，對并凸輪與連桿機構(gòu)的進行了設(shè)計與計算以及機構(gòu)自由度的計算，擺動削刀的速度計算，刀具的切削寬度與深度的計算。
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第4章 刀削面機器人的往復(fù)面板機構(gòu)設(shè)計
4.1往復(fù)面板機構(gòu)的主要結(jié)構(gòu)與工作原理
4.1.1往復(fù)面板機構(gòu)主要的結(jié)構(gòu)
置面板移動機構(gòu)，主要是由托面架，連接支架，滑道，滑塊，減速電機，絲杠，連軸器等組成。它位于底座內(nèi)前部，兩板架上端與位于底座上端與削刀下端的置面板下端面固接，兩板架下端位于底座內(nèi)的滑軌上，兩板架之間設(shè)絲母桿，板架移動電機通過絲杠帶動絲母桿轉(zhuǎn)動：如圖4-1所示：
4.1.2往復(fù)面板機構(gòu)的工作原理
其主要工作原理：置面板移動機構(gòu)，位于底座內(nèi)前部，兩板架19上端與位于底座上端與削刀下端的置面板7下端面固接，兩板架下端位于底座內(nèi)的滑軌20上。兩板架移動范圍的底座上端面留有滑槽9，兩板架之間設(shè)絲母桿23，板架移動電機21通過絲杠22帶動絲母桿轉(zhuǎn)動。置面板位于仿人體形左胳脖5及左手處。當控制電路控制刀削電機轉(zhuǎn)動時，控制電路同時控制板架移動電機轉(zhuǎn)動，帶動絲杠傳動置面板沿滑軌緩慢左、右移動，移動的置面板將其上的面團送至擺動的切刀處，切成削面。
4.2絲杠的選用與計算
4.2.1絲杠的類型選擇
首先根據(jù)螺紋副摩擦性質(zhì)，特點與用途不同，如表4-2所示：
表4-2 各類螺旋傳動的特點和應(yīng)用
種類
滑動螺旋
滾動螺旋
靜壓螺旋
特
點
1 摩擦阻力大，傳動效率低（通
常為30~40%）
2 結(jié)構(gòu)簡單，加工方便
3 易于自鎖
4 運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，但低速或微調(diào)時可能出現(xiàn)爬行
4 螺紋有側(cè)身間隙，反射時有空
行程，空位精度和軸向剛度較差（采用消隙機構(gòu)可提高定位精度）
5 磨損快
1 摩擦阻力小，傳動效率高（一般在90%以上）
2 結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造較難
3 具有傳動可逆性（可以把旋轉(zhuǎn)運動變成直線運動，又可以把直線運動變成旋轉(zhuǎn)運動），為了避免螺旋副受載后逆轉(zhuǎn)，應(yīng)設(shè)置防逆轉(zhuǎn)機構(gòu)
4運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，啟動時無顫
動，
低速時不爬行
5抗沖擊性能較差
1摩擦阻力極小，傳動效率高（可達99%）
2螺母結(jié)構(gòu)復(fù)雜
3具有傳動可逆性，必要時應(yīng)設(shè)置防逆轉(zhuǎn)機構(gòu)
4工作平穩(wěn)，無爬行現(xiàn)象
5需要一套壓力穩(wěn)定，溫度恒定，過濾要求較高的供油系統(tǒng)
應(yīng)用舉例
金屬切削機床，木工機床的、
分度機構(gòu)的傳動螺旋、
摩擦壓力機的傳動螺旋
數(shù)控機床、精密機床、起重
機構(gòu)和汽車等轉(zhuǎn)向機構(gòu)的傳力螺旋，飛行器、船舶等
自控系統(tǒng)的傳動螺旋和傳
力螺旋
精密機床的進給，
分度機構(gòu)的傳動的螺旋
選擇滑動螺旋類型，用于傳力螺旋和傳動螺旋，采用梯形螺紋。
4.2.2絲杠的設(shè)計計算
關(guān)于耐磨性的基本參數(shù)確定：
小氣缸推動旋轉(zhuǎn)的絲杠材料選為40Cr，絲母材料選為Q235-A。旋轉(zhuǎn)速度也屬于低速。
由螺桿中徑公式
?。?-3）
已知軸向載荷，查機械手冊得，，
則
螺桿中徑mm。
由機械手冊查得
公稱直徑mm，螺距mm。
則螺母高度mm；
旋合圈數(shù)10~12。
螺紋的工作高度mm。
由工作壓強公式
?。?-4）
得
則工作壓強校核合理。
關(guān)于自鎖的驗算：
螺紋升角
已知mm，
則
由當量摩擦角公式
?。?-5）
查表機械手冊知，，
則
則
。
所以符合自鎖條件。
關(guān)于螺桿強度的驗算：
許用應(yīng)力
當量應(yīng)力公式
（4-6）
已知取2000則
螺桿強度符合要求。
關(guān)于螺紋牙強度的驗算：
由機械設(shè)計手冊查得
螺紋牙底寬度mm，絲桿螺紋許用切應(yīng)力，許用彎曲應(yīng)力，查表知，。
絲桿剪切強度
絲桿彎曲強度
。
關(guān)于螺桿的穩(wěn)定性驗算：
絲桿柔度，此絲為一端固定，一端自由，查機械設(shè)計手冊得
最大工作長度140mm，危險截面的慣性半徑mm，
則絲桿柔度取133.3mm，
由，
則臨界載荷
查機械手冊有軸慣性矩mm，彈性模量，
則
則
所以絲桿穩(wěn)定性符合條件。
關(guān)于效率計算：
。
4.3本章小結(jié)
本章主要介紹了刀削機器人中的往復(fù)面板機構(gòu)以及部分零件裝配結(jié)構(gòu)，機構(gòu)工作原理分析，重點介始了執(zhí)行機構(gòu)的選用，絲杠的選用以及各參數(shù)的確定與強度校核計算。
第5章 刀削面機器人機架升降機構(gòu)設(shè)計
5.1機架升降機構(gòu)的主要結(jié)構(gòu)與工作原理
5.1.1升降機構(gòu)的主要結(jié)構(gòu)
刀削面機器要的機架升降機構(gòu)，主要是是電機，升降導(dǎo)柱，絲母托板，滑軌，升降絲杠，支架等組成，如圖5-1所示：
5.1.2升降機構(gòu)的工作原理
其工作原理（如上圖所示）：機架升降機構(gòu);位于底座內(nèi)后部，機架底部滑配在底部固定在底座上的四根呈矩形分布的四根升降導(dǎo)柱24上，機架底部設(shè)有絲母托板27，絲母托板中部與升降絲杠螺接，升降電機26帶動升降絲杠25轉(zhuǎn)動。當控制電路控制刀削電機轉(zhuǎn)動使削刀擺動且同時控制板架移動電機轉(zhuǎn)動使置面板的緩慢移動時，控制電路也同時控制升降電機轉(zhuǎn)動，升降電機帶動升降絲杠轉(zhuǎn)動使絲母托板帶動機架做緩慢的上、下移動，帶動削刀擺動機構(gòu)亦下移，使完成切削一層面團的削刀再下移，重復(fù)對下一層面團的切削。
5.2升降旋轉(zhuǎn)機構(gòu)長絲杠的選用與計算校核
此絲杠與4.4.2章節(jié)中絲杠的設(shè)計計算原理相同。
關(guān)于耐磨性的基本參數(shù)確定：
小氣缸推動旋轉(zhuǎn)的絲杠材料選為40Cr，絲母材料選為Q235-A。旋轉(zhuǎn)速度也屬于低速。
已知軸向載荷，查機械手冊得，，
則
螺桿中徑mm。
由機械手冊查得
公稱直徑mm，螺距mm。
則螺母高度mm；
旋合圈數(shù)10~12。
螺紋的工作高度mm。
工作壓強公式
則工作壓強校核合理。
關(guān)于自鎖的驗算：
已知mm，
則
螺紋升角
查表機械手冊知，，
則
當量摩擦角
則
。
所以符合自鎖條件。
關(guān)于螺桿強度的驗算：
許用應(yīng)力
已知取6000則
當量應(yīng)力
螺桿強度符合要求。
關(guān)于螺紋牙強度的驗算：
由機械設(shè)計手冊查得
螺紋牙底寬度mm，絲桿螺紋許用切應(yīng)力，許用彎曲應(yīng)力，查表知，。
絲桿剪切強度
絲桿彎曲強度
關(guān)于螺桿的穩(wěn)定性驗算：
此絲杠為兩端固定，查機械設(shè)計手冊得
最大工作長度862mm，危險截面的慣性半徑mm，
則絲桿柔度取95.7mm，
由，
則臨界載荷
查機械手冊有軸慣性矩，彈性模量，
則
則
所以絲桿穩(wěn)定性符合條件。
關(guān)于效率計算：
。
5.3本章小結(jié)
本章主要介紹了刀削面機器人的升降機構(gòu)以及部分零件裝配結(jié)構(gòu)，重點介始了升降機構(gòu)的長絲杠的選用以及各參數(shù)的確定與強度校核計算。
第6章 刀削面機器人的PLC控制設(shè)計
考慮到機械手的通用性，同時使用點位控制，因此我們采用可編程序控制器
(PLC)對機械手進行控制.當機械手的動作流程改變時，只需改變PLC程序即
可實現(xiàn)，非常方便快捷。
6.1 可編程序控制器的選擇及工作過程
6.1.1 可編程序控制器的選擇
目前 ，國際上生產(chǎn)可編程序控制器的廠家很多，如日本三菱公司的F系列PC,德國西門子公司的SIMATIC N5系列PC、日本OMRON(立石)公司的C型、P型
PC等?？紤]到本機械手的輸入輸出點不多，工作流程較簡單，同時考慮到制造
成本，因此在本次設(shè)計中選擇了OMRON公司的C28P型可編程序控制器。
6.1.2 可編程序控制器的工作過程
可編程序控制器是通過執(zhí)行用戶程序來完成各種不同控制任務(wù)的。為此采用
了循環(huán)掃描的工作方式。具體的工作過程可分為4個階段。
第一階段是初始化處理。
可編程序控制器的輸入端子不是直接與主機相連，CPU對輸入輸出狀態(tài)的詢
問是針對輸入輸出狀態(tài)暫存器而言的。輸入輸出狀態(tài)暫存器也稱為I/0狀態(tài)表.
該表是一個專門存放輸入輸出狀態(tài)信息的存儲區(qū)。其中存放輸入狀態(tài)信息的存儲
器叫輸入狀態(tài)暫存器;存放輸出狀態(tài)信息的存儲器叫輸出狀態(tài)暫存器。開機時， CPU首先使I/0狀態(tài)表清零，然后進行自診斷。當確認其硬件工作正常后，進入
下一階段。
第二階段是處理輸入信號階段。
在處理輸入信號階段，CPU對輸入狀態(tài)進行掃描，將獲得的各個輸入端子的
狀態(tài)信息送到I/0狀態(tài)表中存放。在同一掃描周期內(nèi)，各個輸入點的狀態(tài)在I/0
狀態(tài)表中一直保持不變，不會受到各個輸入端子信號變化的影響，因此不能造成
運算結(jié)果混亂，保證了本周期內(nèi)用戶程序的正確執(zhí)行。
第三階段是程序處理階段。
當輸入狀態(tài)信息全部進入I/0狀態(tài)表后，CPU工作進入到第三個階段。在這
個階段中，可編程序控制器對用戶程序進行依次掃描，并根據(jù)各I/0狀態(tài)和有關(guān)
指令進行運算和處理，最后將結(jié)果寫入I/0狀態(tài)表的輸出狀態(tài)暫存器中。
第四階段是輸出處理階段。
CPU對用戶程序已掃描處理完畢，并將運算結(jié)果寫入到I/0狀態(tài)表狀態(tài)暫存器中。此時將輸入信號從輸出狀態(tài)暫存器中取出，送到輸出鎖存電路，驅(qū)動輸出繼電器線圈，控制被控設(shè)備進行各種相應(yīng)的動作。然后，CPU又返回執(zhí)行下一個循環(huán)的掃描周期。
6.2可編程序控制器的使用步驟
在可編程序控制器與被控對象(機器、設(shè)備或生產(chǎn)過程)構(gòu)成一個自動控制系
統(tǒng)時，通常以七個步驟進行:
(1)系統(tǒng)設(shè)計
即確定被控對象的動作及動作順序。
(2) I/0分配
即確定哪些信號是送到可編程序控制器的，并分配給相應(yīng)的輸入端號;哪些信號是由可編程序控制器送到被控對象的，并分配相應(yīng)的輸出端號.此外，對用到的可編程序控制器內(nèi)部的計數(shù)器、定時器等也要進行分配?？删幊绦蚩刂破魇峭ㄟ^編號來識別信號的。
(3)畫梯形圖
它與繼電器控制邏輯的梯形圖概念相同，表達了系統(tǒng)中全部動作的相互關(guān)系。如果使用圖形編程器(LCD或CRT)，則畫出梯形圖相當于編制出了程序，可將梯形圖直接送入可編程序控制器。對簡易編程器，則往往要經(jīng)過下一步的助記符程序轉(zhuǎn)換過程。
(4)助記符機器程序
相當于微機的助記符程序，是面向機器的(即不同廠家的可編程序控制器，助記符指令形式不同)，用簡易編程器時，應(yīng)將梯形圖轉(zhuǎn)化成助記符程序，才能將其輸入到可編程序控制器中。
(5)編制程序
即檢查程序中每條語法錯誤，若有則修改。這項工作在編程器上進行。
(6)調(diào)試程序
即檢查程序是否能正確完成邏輯要求，不合要求，可以在編程器上修改。程序設(shè)計(包括畫梯形圖、助記符程序、編輯、甚至調(diào)試)也可在別的工具上進行。如IBM-PC機，只要這個機器配有相應(yīng)的軟件。
(7)保存程序
調(diào)試通過的程序，可以固化在EPROM中或保存在磁盤上備用。
6.3機械手可編程序控制器控制方案
1、系統(tǒng)簡介
控制對象為圓柱座標氣動機械手。它的手臂具有三個自由度，即水平方向的伸、縮;豎直方向的上、下;繞豎直軸的順時針方向旋轉(zhuǎn)及逆時針方向旋轉(zhuǎn)。另外，其末端執(zhí)行裝置—機械手，還可完成抓、放功能。
以上動作均采用氣動方式驅(qū)動，即用五個二位五通電磁閥(每個閥有兩個線圈，對應(yīng)兩個相反動作)分別控制五個氣缸，使機械手完成伸、縮、上、下、旋轉(zhuǎn)及機械手抓放動作。其中旋轉(zhuǎn)運動用一組齒輪齒條，使氣缸的直線運動轉(zhuǎn)化
為旋轉(zhuǎn)運動。
這樣 ，可用PLC的8個輸出端與電磁閥的8個線圈相連，通過編程，使電磁閥各線圈按一定序列激勵，從而使機械手按預(yù)先安排的動作序列工作.如果欲改變機械手的動作，不需改變接線，只需將程序中動作代碼及順序稍加修改即可。
另外 ，除抓放外，其余六個動作末端均放置一限位開關(guān)，以檢測動作是否到位，如果某動作沒有到位，則出錯指示燈亮。
2、工業(yè)機械手的工作流程
此機械手用于沖床的上下料。
當按下機械手啟動按鈕之后，機械手有如下動作:
先右轉(zhuǎn)至右限位開關(guān)動作(1DT通電) →下降至下限位開關(guān)(5DT通電) → 手腕逆時針轉(zhuǎn)動90°(7DT通電) →手臂伸長至限位開關(guān)(3DT通電) →檢查有無物品，若有物品，手爪抓緊(9DT通電) →手臂收縮至限位開關(guān)(4DT通電) →上升至上限位開關(guān)(6DT通電) →左轉(zhuǎn)至左限位開關(guān)動作(2DT通電) →手腕順時針轉(zhuǎn)動90° (8DT通電) →手臂伸長至最長(3DT通電) →手爪松開(IODT通電) →延時T →手臂收縮最短(4DT通電)。至此，一個工作循環(huán)完畢。
3、機械手工作時序圖如附圖所示。
4, I/0分配
根據(jù)系統(tǒng)輸入輸出點的數(shù)目，選用OMRONC 28P型PC，它有16個輸入點，
標號為0000^0015; 12個輸出點，標號為0500-0511.
5、梯形圖設(shè)計(如附圖所示)
根據(jù)機械手的邏輯時序圖及1/0分配，畫出控制梯形圖，如附圖所示。由梯
形圖可以看出:
(1)手臂左轉(zhuǎn)的條件:左轉(zhuǎn)不到位(0003為OFF)，收縮到位(0006為ON),上升到位(0007為ON)，手腕逆轉(zhuǎn)到位(0009為ON)，手爪抓緊(0002為ON),無右轉(zhuǎn)命令(0501為OFF).
(2)手臂右轉(zhuǎn)的條件:右轉(zhuǎn)不到位(0004為OFF)，上升到位(0007為ON),收縮到位(0006為ON)，手腕順轉(zhuǎn)到位(0010為ON)，手爪放松(0002為OFF),無左轉(zhuǎn)命令(0500為OFF).
(3)手臂伸長的條件:伸長不到位(0005為OFF)，無收縮命令(0503為OFF)，并且滿足下列條件之一:1)右轉(zhuǎn)到位(0004為ON)，下降到位(0008為ON)，手腕逆轉(zhuǎn)到位(0009為ON)，手爪放松(0002為OFF); 2)左轉(zhuǎn)到位(0003為ON)，上升到位(0007為ON)，手腕順轉(zhuǎn)到位(0010為ON)，手爪抓緊(0002為ON).
(4)手臂收縮的條件:收縮不到位(0006為OFF)，無伸長命令(0502為OFF)，并且滿足下列條件之一:1)右轉(zhuǎn)到位(0004為ON)，下降到位(0008為ON)，手腕逆轉(zhuǎn)到位(0009為ON)，手爪抓緊(0002為ON); 2)左轉(zhuǎn)到位(0003為ON)，上升到位(0007為ON)，手爪抓緊(0002為ON)，手腕順轉(zhuǎn)到位(0010為ON).
(5)手臂上升的條件:上升不到位(0007為OFF)，無下降命令(0505為OFF)，收縮到位(0006為ON)，手腕逆轉(zhuǎn)到位(0009為ON)，手爪抓緊(0002為ON)，右轉(zhuǎn)到位(0004為ON).
(6)手臂下降的條件:下降不到位(0008為OFF)，無上升命令(0504為OFF)，右轉(zhuǎn)到位(0004為ON)，收縮到位(0006為ON)，手腕順轉(zhuǎn)到位(0010為ON)，手爪放松(0002為OFF).
(7)手腕逆轉(zhuǎn)的條件:逆轉(zhuǎn)不到位(0009為OFF)，無順轉(zhuǎn)命令(0507為OFF)，右轉(zhuǎn)到位(0004為ON)，收縮到位(0006為ON)，下降到位(0008為ON),手爪放松(0002為OFF).
(8)手腕順轉(zhuǎn)的條件:順轉(zhuǎn)不到位(0010為OFF)，無逆轉(zhuǎn)命令(0506為OFF)，左轉(zhuǎn)到位(0003為ON)，收縮到位(0006為ON)，上升到位(0007為ON),手爪抓緊(0002為ON).
(9)手爪抓緊的條件:手爪未抓到物品(0002為OFF)，無放松命令(0509為OFF)，并且滿足下列條件之一:1)右轉(zhuǎn)到位(0004為ON)，伸長到位(0005為ON)，下降到位(0008為ON)，手腕逆轉(zhuǎn)到位(0009為ON)，檢測到有物品(0011為ON), 2)左轉(zhuǎn)到位(0003為ON)，伸長到位(0005為ON)，上升到位(0007為ON)，手腕順轉(zhuǎn)到位(0010為ON)
(9)手爪放松的條件:手爪抓緊(0002為ON)，無抓緊命令(0508為OFF),并且滿足下列條件之一:1)左轉(zhuǎn)到位(0003為ON)，伸長到位(0005為ON),上升到位(0007為ON)，手腕順轉(zhuǎn)到位(0010為ON). 2)左轉(zhuǎn)到位(0003為ON),上升到位(0007為ON)，手腕順轉(zhuǎn)到位(0010為ON)，收縮到位(0006為ON).另外，當按下停止按鈕時，手臂停止動作，即手臂停止在不定的位置。
6、機械手控制程序
機械手控制程序：
第7章 結(jié)論
本次設(shè)計的刀削面機器人是以機器人專利為基礎(chǔ)改進的，我主要設(shè)計刀削面機器人的機械結(jié)構(gòu)部分，在符合整體人機工程學的設(shè)計同時，我參考了其它類型機器以及機器本身其它機構(gòu)部分的參數(shù)對其進行重新改造設(shè)計，在整個機器的作圖過程中，上學校圖書館查關(guān)于食品機械的資料，還有一些制圖資料，大多數(shù)零件圖紙的設(shè)計是由本人經(jīng)過測繪完成，實際圖紙是由本人在老師的指導(dǎo)下修改完成的。
在本次設(shè)計及研究中，所做的工作如下：
(1)基于以前的刀削面機中的系統(tǒng)中的工作部分中存在振動大，噪音大的問題，設(shè)計中采用了曲柄滑塊導(dǎo)向裝置，增加了機構(gòu)的靈活性。
(2)在整個機構(gòu)的固定上，采用了絲杠帶動支撐塊對整個機構(gòu)進行滑動，增加了整個系統(tǒng)的緩沖度，使刀削面機器人在工作時，起到了保護了穩(wěn)定的作用，也避免了損傷工件以及工作不穩(wěn)定。
(3)整個系統(tǒng)中，在升降裝置中設(shè)計齒條，實現(xiàn)半旋轉(zhuǎn)裝置，又設(shè)計進給機構(gòu)加了氣動裝置，起到了微調(diào)作用，這樣，完全實現(xiàn)了三個自由度的控制。
(4)設(shè)計計算連桿機構(gòu)時，按照機械設(shè)計手冊，對連桿的長度與各性能尺寸進行了設(shè)計。
(5)設(shè)計計算絲杠時，嚴格按照機械設(shè)計手冊，進行了各參數(shù)的確定
與強度校核
在整個刀削面機器人的設(shè)計中，本人通過測繪得到的數(shù)據(jù)，用CAD2008將測繪的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為二維零件圖，在測繪中，有些零件測量實在有難度，比如說平磨輪的內(nèi)腔圓徑不易測量，之后將一根細管標記測量下來的。本系統(tǒng)設(shè)計是從測繪，設(shè)計，制圖整個過程，并結(jié)合運用了機械原理，機械設(shè)計，以及CAD制圖等專業(yè)知識課程。這個過程也讓我去上學校圖書館查詢更多相關(guān)的資料文獻等，這個設(shè)計也讓我溫習了設(shè)計絲杠和絲杠的校核，以及對軸承的選用與壽命計算，對機構(gòu)工作原理設(shè)計與分析，機構(gòu)簡圖設(shè)計與畫法，機械精度的選用等，這次讓我對機械專業(yè)知識相關(guān)有了更深的鞏固。