摘 要
生產(chǎn)中應(yīng)用削面機(jī)器人機(jī)械手，有利于提高面料的傳送、刀具的更換以及刀削面機(jī)器的裝配等的自動(dòng)化程度，從而可以提高勞動(dòng)刀削面的生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本，加快實(shí)現(xiàn)食品生產(chǎn)機(jī)械化和自動(dòng)化的步伐。因此設(shè)計(jì)刀削面機(jī)械手將有很大的價(jià)值。
本次設(shè)計(jì)的削面機(jī)器人機(jī)械手由小臂擺動(dòng)切削機(jī)構(gòu)、面料橫向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、面料縱向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)組成。
本文首先向分析了削面機(jī)器人的背景及功能要求，在此分析基礎(chǔ)上提出了削面機(jī)器人機(jī)械手的總體方案及格分功能的機(jī)構(gòu)方案；接著對機(jī)械手的總體參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算與選擇；然后對各主要零部件進(jìn)行了設(shè)計(jì)與校核；最后用AutoCAD軟件繪制削面機(jī)器人機(jī)械手的裝配圖和主要零件圖。
通過對通過本次設(shè)計(jì)鞏固了大學(xué)所學(xué)專業(yè)知識，如機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械原理、互換性與測量技術(shù)、機(jī)械制圖等；也掌握了常用機(jī)械手的設(shè)計(jì)方法并能熟練使用AutoCAD制圖軟件。
關(guān)鍵字：刀削面，機(jī)械手，機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)
Abstract
Aroduction surfacing robot manipulator, help to improve the transfer of fabric, degree of automation and assembly tool change noodle machine, etc., which can improve the productivity of labor noodle, reduce production costs and accelerate food production mechanization and automation of pace. Therefore, the design noodle robot will have great value.
The design of the surfacing robot manipulator arm swing by cutting mechanism, fabric infeed movement mechanism, fabric vertical feed motion mechanism and the transmission mechanism.
Firstly, the analysis of the background and functional requirements surfacing robot in this analysis proposed overall scheme surfacing robot manipulator grades agency programs function on the basis of; then the overall parameters of the robot was designed to calculate and choice; then the main components were designed and checked; finally drawn with AutoCAD software robot manipulator assembly drawing surfacing and major parts diagram.
Through this design by consolidating the university is expertise, such as mechanical design, mechanical principles, interchangeability and measurement technology, mechanical drawing, etc; also mastered the design methods used robot and can skillfully use AutoCAD drawing software.
Keywords: Doodle, Robots, Agencies, Design
目 錄
摘 要 I
Abstract II
第一章 緒論 1
1.1 研究背景及目的 1
1.2刀削面機(jī)械手市場前景評估 1
第二章 總體方案設(shè)計(jì) 4
2.1功能描述 4
2.2功能分析 4
2.3總體方案設(shè)計(jì)及選擇 4
2. 4各機(jī)構(gòu)方案選擇 5
2.4.1切削動(dòng)作方案 5
2.4.2橫向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方案 5
2.4.3縱向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方案 6
第三章 總體機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及參數(shù)選擇 7
3.1基本運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 7
3.1.1小臂擺動(dòng)切削機(jī)構(gòu) 7
3.1.2面料橫向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu) 7
3.1.3面料縱向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu) 8
3.2主要的參數(shù)選擇 8
3.2.1齒輪傳動(dòng) 8
3.2.2刀具切寬、切深 9
3.2.3驅(qū)動(dòng)的選擇 9
3.3運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力參數(shù)計(jì)算 10
3.3.1傳動(dòng)比的分配 10
3.3.2傳動(dòng)參數(shù)的計(jì)算 10
第四章 各主要零部件的設(shè)計(jì) 12
4.1錐齒傳動(dòng)的設(shè)計(jì) 12
4.1.1選精度等級、材料和齒數(shù) 12
4.1.2按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì) 12
4.1.3校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度 13
4.1.4驗(yàn)算 15
4.2圓柱齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì) 17
4.2.1選精度等級、材料和齒數(shù) 17
4.2.2按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì) 17
4.2.3按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì) 19
4.2.4幾何尺寸計(jì)算 20
4.3軸的設(shè)計(jì)（以中間軸為例） 21
4.3.1 求凸輪軸上的功率、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩 21
4.3.2初步確定軸的最小直徑 21
4.3.3各段尺寸設(shè)計(jì) 21
7.3.4軸上的周向定位 21
4.3.5軸的校核 22
4.4鍵連接的選擇和計(jì)算 23
4.4.1輸入軸與聯(lián)軸器的連接 23
4.4.2中間軸軸與圓柱齒輪的連接 23
4.4.3凸輪軸軸與凸輪的連接 24
第五章 使用與維護(hù) 25
5.1機(jī)構(gòu)特性 25
5.2使用說明 25
5.3使用注意事項(xiàng) 25
總 結(jié) 26
參考文獻(xiàn) 27
致 謝 28
29
削面機(jī)器人機(jī)械手的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
第一章 緒論
1.1 研究背景及目的
我國是個(gè)人口大國，餐飲行業(yè)在中國經(jīng)濟(jì)的中占有十分重要的地位，經(jīng)濟(jì)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，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(gè)名優(yōu)美食已發(fā)展到在全國各地，形成長盛不衰的趨勢，刀削面機(jī)器人無疑會因此順勢得寵。民以食為天，食以潔為先。而現(xiàn)代社會更是以快捷方便為主導(dǎo)，于是出現(xiàn)了各種快餐和各種食品機(jī)器。刀削面機(jī)器人就是典型的一種。
本作品具有結(jié)構(gòu)簡單，效率高，切削出來的面條薄厚均勻，智能化程度高，造價(jià)低廉等特點(diǎn)，適用于各類小餐館，特別是普通百姓想吃刀削面而又苦于沒有削面技術(shù)的家庭使用。
傳統(tǒng)的刀削面大多由人工制作，削面速度慢，效率低，且若削面技術(shù)不佳，則切削出來的面條形狀各異，影響面條的口感，目前市場上已有的刀削面機(jī)主要有：喜洋洋刀削面機(jī)，飛刀削面機(jī)，懶神盤刀削面機(jī)等，它們大多采用騎車雨刷器原理，主要裝置有電視，螺旋推進(jìn)器，分面凸輪，削面手，扶面手等。通過對上述幾種刀削面機(jī)的分析后發(fā)現(xiàn)均存在結(jié)構(gòu)不夠緊湊，加工復(fù)雜，造價(jià)昂貴等不足。為此我們制作了一種智能型刀削面機(jī)來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工削面，彌補(bǔ)目前市場產(chǎn)品的不足。節(jié)省聘請刀削面師傅的費(fèi)用，避免刀削面師傅在高溫環(huán)境下帶來的危險(xiǎn)。
1.2刀削面機(jī)械手市場前景評估
（1）刀削面的歷史背景
傳說，蒙古韃靼侵占中原后，建立元朝。為防止“漢人”造反起義，將家家戶戶的金屬全部沒收，并規(guī)定十戶用廚刀一把，切菜做飯輪流使用，用后再交回韃靼保管。一天中午，一位老婆婆將棒子、高粱面和成面團(tuán)，讓老漢取刀。結(jié)果刀被別人取走，老漢只好返回，在出韃靼的大門時(shí)，腳被一塊薄鐵皮碰了一下，他順手揀起來揣在懷里。回家后，鍋開得直響，全家人等刀切面條吃。可是刀沒取回來，老漢急得團(tuán)團(tuán)轉(zhuǎn)，忽然想起懷里的鐵皮，就取出來說：就用這個(gè)鐵皮切面吧！老婆一看，鐵皮薄而軟，嘟喃著說：這樣軟的東西怎能切面條。老漢氣憤地說：“切”不動(dòng)就“砍”。“砍”字提醒了老婆，她把面團(tuán)放在一塊木板上，左手端起，右手持鐵片，站在開水鍋邊“砍”面，一片片面片落入鍋內(nèi)，煮熟后撈到碗里，澆上鹵汁讓老漢先吃，老漢邊吃邊說：“好得很，好得很，以后不用再去取廚刀切面了。”這樣一傳十，十傳百，傳遍了晉中大地。
（2）刀削面的制作方法與困境
傳統(tǒng)的制作方法是一手托面，一手拿刀，直接削到開水鍋里，其要訣是：“刀不離面，面不離刀，胳膊直硬手平，手端一條線，一棱趕一棱，平刀是扁條，彎刀是三棱。
山西刀削面固然好吃，但由于它的制作工藝復(fù)雜、費(fèi)力，并且能夠在自家中自制刀削面的更是少之又少。因而刀削面卻得不到很大推廣，?，F(xiàn)在刀削面機(jī)器的出現(xiàn)很可能改變上述這一困境。運(yùn)用刀削面機(jī)械手能夠連續(xù)提供高效安全的勞動(dòng)力來替代刀削面技師進(jìn)行大批量生產(chǎn)，這使得它的市場應(yīng)用前景十分廣闊。
（3）刀削面機(jī)械手的應(yīng)用優(yōu)勢
（a）生產(chǎn)中應(yīng)用刀削面機(jī)械手，有利于提高面料的傳送、刀具的更換以及刀削面機(jī)器的裝配等的自動(dòng)化程度，從而可以提高勞動(dòng)刀削面的生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本，加快實(shí)現(xiàn)食品生產(chǎn)機(jī)械化和自動(dòng)化的步伐。
（b）在高溫、高油煙、潮濕等惡劣的環(huán)境中，刀削面技師用手工操作是十分繁瑣、辛苦。而刀削面機(jī)械手即可部分或全部代替刀削面技師高效地進(jìn)行作業(yè)，大大地改善了技師的勞動(dòng)限制。同時(shí)，在一些簡單的機(jī)械動(dòng)作作業(yè)的操作中，用刀削面機(jī)械手代替廚師操作，可以避免由于刀削面技師操作疲勞而引發(fā)的安全事故。
（c）應(yīng)用刀削面機(jī)械手代替人手進(jìn)行工作，這是直接減少勞動(dòng)力的一個(gè)方面，同時(shí)由于刀削面機(jī)械手可以連續(xù)地工作，這是減少勞動(dòng)強(qiáng)度的另一個(gè)方面。
（4）當(dāng)前市面上的刀削面機(jī)器
由于市面上的刀削面機(jī)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(jià)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(jī)械手的推廣需要重新設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制模式來降低人員維護(hù)與保養(yǎng)成本、保養(yǎng)費(fèi)用及造價(jià)。為了更大范圍推廣刀削面機(jī)械手，因而本課題設(shè)計(jì)的主要目的就是放棄數(shù)控操作刀削面機(jī)械手，而通過借助于SW軟件，運(yùn)用常見機(jī)構(gòu)配合的運(yùn)動(dòng)軌跡實(shí)現(xiàn)刀削面的走刀運(yùn)動(dòng)以及進(jìn)給量控制來降低成本，推廣刀削面機(jī)械手的市場。
（5）刀削面機(jī)械手的意義
（a）結(jié)合機(jī)械手設(shè)計(jì)這方面的知識，在設(shè)計(jì)過程中學(xué)會怎樣發(fā)現(xiàn)問題、研究問題、解決問題；
（b）改善了技師的勞動(dòng)限制，避免由于刀削面技師操作疲勞而引發(fā)的安全事故；
（c）提高刀削面的生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本，加快實(shí)現(xiàn)食品生產(chǎn)機(jī)械化和自動(dòng)化的步伐；
（d）推廣中國山西美食刀削面走向世界，為增強(qiáng)中國軟實(shí)力做微薄的貢獻(xiàn)。
第二章 總體方案設(shè)計(jì)
2.1功能描述
機(jī)械手在人為放置好面料后，選擇并調(diào)整好刀具使得機(jī)械手全自動(dòng)完成整個(gè)削面的所有動(dòng)作，其中該機(jī)械手需要完成的三個(gè)主要作業(yè)動(dòng)作如下：
（1）機(jī)械手小臂繞肘關(guān)節(jié)往返擺動(dòng)做切削動(dòng)作。
（2）大臂相對于面料放置板做橫向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，完成面料表層的切削后回復(fù)進(jìn)刀的初始位置。
（3）大臂相對于面料放置板做縱向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，完成切削面料后停止進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。
2.2功能分析
該機(jī)械手臂握緊刀具用于切削面板上的面料，整個(gè)機(jī)械手安裝在一個(gè)固定的機(jī)架上。大臂保持固定姿態(tài)下，小臂的回轉(zhuǎn)角度控制在60-90°，則切削作業(yè)可以依靠放置面料面板的橫向進(jìn)給和縱向抬升配合小臂的擺動(dòng)三個(gè)驅(qū)動(dòng)力共同完成。因此整個(gè)機(jī)械手的自由度最高為3，三個(gè)不同驅(qū)動(dòng)力也可通過機(jī)構(gòu)聯(lián)動(dòng)配合完成則該機(jī)械手自由度最低為1。
針對機(jī)械手動(dòng)作控制情況可以分以下三種：
（1）由3個(gè)不同布局的電機(jī)控制3個(gè)不同的作業(yè)動(dòng)作（該自由度為3）。
（2）由2個(gè)不同布局的電機(jī)控制2個(gè)不同的作業(yè)動(dòng)作。其中選一個(gè)對控制要求高的動(dòng)作為獨(dú)立動(dòng)作（例如上下進(jìn)給運(yùn)動(dòng)），另外兩個(gè)動(dòng)作通過連桿或齒輪等機(jī)構(gòu)聯(lián)動(dòng)，由一個(gè)電機(jī)控制（該自由度為2）。
（3）由1個(gè)電機(jī)通過連桿或齒輪等機(jī)構(gòu)聯(lián)動(dòng)控制3個(gè)不同的作業(yè)動(dòng)作 （該自由度為1
2.3總體方案設(shè)計(jì)及選擇
方案一：為市面上典型的刀削面機(jī)械手，它借助于數(shù)控程序來精確控制三個(gè)不同動(dòng)作的運(yùn)動(dòng)時(shí)間與運(yùn)動(dòng)速度，達(dá)到全自動(dòng)化控制整個(gè)作業(yè)動(dòng)作。
方案二：也是通過數(shù)控控制兩個(gè)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)配合完成切削作業(yè)。
方案三：則對數(shù)控技術(shù)依賴程度大大降低，甚至可以完全擺脫數(shù)控控制進(jìn)行整個(gè)作業(yè)操作。
綜上所述，從刀削面機(jī)械手的成本控制上，數(shù)控技術(shù)的運(yùn)用以及電機(jī)的使用數(shù)量不僅占了刀削面機(jī)械手的大部分制造成本，而且增加了機(jī)械手的不穩(wěn)定性和維護(hù)成本以及可操作的簡易性，也提高對機(jī)械手對作業(yè)環(huán)境的要求。對比下，單自由度的方案一比較單一，制造成本低因而更加適應(yīng)當(dāng)前的市場需求。
2. 4各機(jī)構(gòu)方案選擇
2.4.1切削動(dòng)作方案
刀削面機(jī)械手圖一優(yōu)點(diǎn):該方案的空間利用率高，尤其在空間有限的仿真機(jī)械手比較實(shí)用。缺點(diǎn)：雙曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的成本比較高，機(jī)構(gòu)復(fù)雜度高，機(jī)械效率比較低。刀削面機(jī)械手圖二：優(yōu)點(diǎn)：機(jī)械效率高，制造成本低，空間復(fù)雜度低，便于安裝維護(hù)。缺點(diǎn)：占用比較大的空間。該機(jī)械手的設(shè)計(jì)目的在于降低其制造成本，由于圖二在機(jī)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(jī)械手小臂切削機(jī)構(gòu)
2.4.2橫向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方案
凸輪機(jī)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)緊湊，可靠性高，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。缺點(diǎn)：不適合高速運(yùn)轉(zhuǎn)。齒輪齒條優(yōu)點(diǎn)：承載力大，傳動(dòng)精度較高，可達(dá)0.1mm，可無限長度對接延續(xù)，傳動(dòng)速度可以很高。缺點(diǎn)：若加工安裝精度差，傳動(dòng)噪音大，磨損大。運(yùn)用凸輪機(jī)構(gòu)在控制刀削面面料板時(shí)運(yùn)動(dòng)速度十分緩慢，且安裝便捷。故選擇凸輪機(jī)構(gòu)作為面料進(jìn)給機(jī)構(gòu)。
2.4.3縱向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方案
面料板的縱向進(jìn)給速度相比于橫向進(jìn)給速度更加緩慢，因此選擇凸輪機(jī)構(gòu)作為面料縱向進(jìn)給機(jī)構(gòu)。但是，由于齒輪齒條機(jī)構(gòu)與凸輪機(jī)構(gòu)可以合并成一個(gè)新的機(jī)構(gòu)(詳見)，不僅減少機(jī)械手的復(fù)雜度也減少了一個(gè)凸輪機(jī)構(gòu)占用的空間。故最終選擇齒輪齒條機(jī)構(gòu)作為面料縱向進(jìn)給機(jī)構(gòu)。
第三章 總體機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及參數(shù)選擇
3.1基本運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
3.1.1小臂擺動(dòng)切削機(jī)構(gòu)
圖3-1小臂擺動(dòng)切削機(jī)構(gòu)
R45=CD—BD ； R65=CD + BD
由圖知，R45，R65與R18的交點(diǎn)分別是該四桿機(jī)構(gòu)的兩個(gè)極限位置，兩極限位置夾角為78度，符合該機(jī)械手設(shè)計(jì)方案。
3.1.2面料橫向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)
由機(jī)械手在切削運(yùn)動(dòng)時(shí)，面料在單位時(shí)間的橫向進(jìn)給量是不變的，并且面料表層切削完成后的回程運(yùn)動(dòng)要迅速。則該凸輪設(shè)計(jì)如下：
由于橫向進(jìn)給的速度V是均勻的，則凸輪的推程是等速運(yùn)動(dòng)。但是凸輪在起始位置的推程速度就達(dá)到V時(shí)，加速度a=（v-0）/ t ；則加速度a無窮大。因此凸輪推程起始與結(jié)束位置作簡諧運(yùn)動(dòng)，中間作等速運(yùn)動(dòng)。
凸輪機(jī)構(gòu)簡圖：基圓半徑為10mm
則推程：簡諧運(yùn)動(dòng) s=h/2(1-cos(ψ∏/Φ))
v=h∏ω/(2Φ)*sin(ψ∏/Φ)
a=h∏^2*ω^2/(2Φ^2)*cos(ψ∏/Φ)
等速運(yùn)動(dòng) s=ψh/Φ
v=v0=hω/Φ
a=0
回程：簡諧運(yùn)動(dòng)s=h/2[1+cos(∏(ψ-Φ-Φs)/ Φ’)]
v=-sin(∏(ψ-Φ-Φs)/ Φ’)h∏ω/(2Φ’)
a=h∏^2ω^2/(2Φ^2)cos[∏(ψ-Φ-Φs)/ Φ’]
等速運(yùn)動(dòng) s=h-h/Φ’(ψ-Φ-Φs)
v=v0=-hω/Φ’
a=0
其中最大推程=12cm，Φ1 ：Φ2 =1 ：5
即推程角Φ =60°；回程角Φ’ =300°
3.1.3面料縱向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)
由于面料橫向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)為凸輪機(jī)構(gòu)，為了降低機(jī)械手內(nèi)部機(jī)構(gòu)的復(fù)雜度，我們可以將凸輪機(jī)構(gòu)與齒輪齒條機(jī)構(gòu)向融合，形成一個(gè)具有自主創(chuàng)新的新機(jī)構(gòu)如下圖所示
圖3-2面料縱向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)
該機(jī)構(gòu)的矩形螺紋在作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)相當(dāng)于齒輪，齒距為2mm。該刀削面機(jī)械手完成一次面料表層的切削，即凸輪旋轉(zhuǎn)一圈，則放置面料板抬升2mm繼續(xù)切削下一層面料。
3.2主要的參數(shù)選擇
3.2.1齒輪傳動(dòng)
如下圖示選定的齒輪布置如下：
圖3-3齒輪傳動(dòng)布置圖
為了簡化設(shè)計(jì)，所有的齒輪采用相同的模數(shù)。如上圖，該機(jī)構(gòu)由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的錐齒輪a通過整個(gè)輪系帶動(dòng)凸輪h旋轉(zhuǎn)。則：
注釋： d:齒輪直徑 m:齒輪模數(shù) z:齒輪齒數(shù) n:齒輪傳動(dòng)比
由于： d = m*z則N1:N2= z2: z1 = (d2/m2): (d1/m1)
又因?yàn)椋? m1=m2=m3=m4=……=mn
傳動(dòng)比為： Na : Nb = db: da = 2 : 1 ;
Nb : Nd = dd: db = 2 : 1 ;
Nd : Nf = Nd : Ne = 6 : 1 ; Nf : Ng = 14:3
即： Nd: Ng = 28 : 1（d齒輪即是四桿機(jī)構(gòu)的曲柄）
3.2.2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(jī)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。
3.2.3驅(qū)動(dòng)的選擇
（1）驅(qū)動(dòng)形式的選擇
機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)裝置通常是電力傳動(dòng)、氣壓傳動(dòng)、液壓傳動(dòng)和機(jī)械傳動(dòng)等四個(gè)基本形式。由于本設(shè)計(jì)研究的機(jī)械手的額定負(fù)載一般，綜合分析后，決定采用電力傳動(dòng)。這種驅(qū)動(dòng)方式具有結(jié)構(gòu)簡單、易于控制、使用維修方便、不污染環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)。而電機(jī)又分以下4種：
（a）步進(jìn)電機(jī)
（b）直流伺服電機(jī)
（c）交流伺服電機(jī)
（d）三相異步電機(jī)
使用直流伺服電機(jī)能構(gòu)成閉環(huán)控制，精度高，額定轉(zhuǎn)速高，但價(jià)格較高，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)具有成本低，但若高于一定速度就無法啟動(dòng),并伴有嘯叫聲。上述電機(jī)的功能要求基本上是針對數(shù)控加工的，而刀削面驅(qū)動(dòng)裝置無需通過脈沖控制，因而使用通用的三相異步電動(dòng)機(jī)。
由于 Na : Nb = da : db = 2 : 1 ;
Nb : Nd = db: dd = 2 : 1 ;
則：Na : Nd = 4 : 1 ;
刀削面機(jī)械手的小臂搖桿機(jī)構(gòu)搖擺速度即是切削速度?？紤]到搖桿機(jī)械疲勞強(qiáng)度限制，搖桿最高速度v為4次每秒。不同電機(jī)極數(shù)的三相異步電動(dòng)機(jī)同步轉(zhuǎn)速如下：2極電機(jī)同步轉(zhuǎn)速為3000轉(zhuǎn)/分。4極電機(jī)同步轉(zhuǎn)速為1500轉(zhuǎn)/分。6極電機(jī)同步轉(zhuǎn)速為1000轉(zhuǎn)/分。8極電機(jī)同步轉(zhuǎn)速為750轉(zhuǎn)/分。
三相異步電機(jī)速度V≦ v*Nd/Na = 16/s= 960轉(zhuǎn)/分；
故選擇8極三相異步電機(jī)。
則刀削面機(jī)械手的切削速度v = 750/（4*60）=3.125條/秒；
（2）功率的確定
參照現(xiàn)有削面機(jī)，選用功率為500W的電機(jī)。
參數(shù)如下表：
電動(dòng)機(jī)型號
額定功率（W）
電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速（r/min）
堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩
最大轉(zhuǎn)矩
同步
滿載
Y50L-8
500
750
720
2.0
2.2
3.3運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力參數(shù)計(jì)算
3.3.1傳動(dòng)比的分配
機(jī)械手曲柄總傳動(dòng)比：=4
凸輪總傳動(dòng)比=112
選擇各級傳動(dòng)比如下：
圓錐齒輪傳動(dòng)比范圍，取
一級圓柱傳動(dòng)比
二級圓柱傳動(dòng)比
三級圓柱傳動(dòng)比
3.3.2傳動(dòng)參數(shù)的計(jì)算
（1）各軸的轉(zhuǎn)速n
電機(jī)軸0的轉(zhuǎn)速：==750r/min
1軸的轉(zhuǎn)速：==750r/min
2軸的轉(zhuǎn)速：=/=750/2=375r/min
3軸的轉(zhuǎn)速：=/=375/2=187.5r/min
4軸的轉(zhuǎn)速：=/=31.25r/min
5軸的轉(zhuǎn)速：=/=6.7r/min
（2）各軸的輸入功率P
電機(jī)軸0的輸入功率：
1軸的輸入功率：
2軸的輸入功率：
3軸的輸入功率：
4軸軸Ⅳ的輸入功率：
5軸的輸入功率：
（3）各軸的輸入轉(zhuǎn)矩T
電機(jī)軸0的輸入轉(zhuǎn)矩：6.37N·m
1軸的輸入轉(zhuǎn)矩：6.3N·m
2軸的輸入轉(zhuǎn)矩：12.23N·m
3軸的輸入轉(zhuǎn)矩：23.73N·m
4軸的輸入轉(zhuǎn)矩：138.15N·m
5軸的輸入轉(zhuǎn)矩：625.14N·m
（4）各軸參數(shù)表如下：
軸名
功率
P/W
轉(zhuǎn)矩T/(N.m）
轉(zhuǎn)速
n/（r/min）
傳動(dòng)比
i
電機(jī)軸
500
6.37
750
1
1軸
495
6.30
750
2軸
480.25
12.23
375
2
3軸
465.94
23.73
187.5
2
4軸
452.05
138.15
31.25
6
5軸
438.58
625.14
6.7
28/6
第四章 各主要零部件的設(shè)計(jì)
4.1錐齒傳動(dòng)的設(shè)計(jì)
4.1.1選精度等級、材料和齒數(shù)
選用直齒錐齒輪傳動(dòng)，速度不高，故選用7級精度
材料選擇。由機(jī)械設(shè)計(jì)表6.1選取小齒輪材料為45（調(diào)質(zhì)），硬度為280HBS，大齒輪材料為45鋼（調(diào)質(zhì)），硬度為240HBS，二者材料硬度差為40HBS。
選小齒輪齒數(shù)Z1＝15，大齒輪齒數(shù)Z2＝i1·Z1＝2×15=30
4.1.2按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì)
由設(shè)計(jì)計(jì)算公式進(jìn)行試算，即
１）確定公式內(nèi)的各計(jì)算數(shù)值
（1）試選載荷系數(shù)
（2）計(jì)算小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩
（3）選取齒寬系數(shù)
（4）知齒輪，查得節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)
（4）由表6.3查得材料的彈性影響系數(shù)
（5）由圖6.14按齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限，大齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限
（6）由式6.11計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)
（7）由圖6.16查得接觸疲勞強(qiáng)度壽命系數(shù)
（8）計(jì)算接觸疲勞強(qiáng)度許用應(yīng)力 取失效概率為1％，安全系數(shù)為S=1
２）計(jì)算
（1）試算小齒輪分度圓直徑，由計(jì)算公式得
（2）計(jì)算圓周速度
（3）模數(shù)及主要尺寸的確定
模數(shù)：，取
分度圓直徑：
節(jié)錐角：
錐距
平均分度圓直徑：
齒寬，取
4.1.3校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度
（1） 彎曲強(qiáng)度校核公式：
（2）確定各參數(shù)
平均分度圓處螺旋角，則
查得動(dòng)載系數(shù)1.15 齒向載荷分布系數(shù)
使用系數(shù) 故
（3）分度圓圓周
（4）齒輪系數(shù)YF和應(yīng)力修正系數(shù)YS
查表6.4得
（5）許用彎曲應(yīng)力可由下式算得
由機(jī)械設(shè)計(jì)圖6.15可查出彎曲疲勞極限應(yīng)力
小錐齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限
大錐齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限
查得壽命系數(shù)
查得 ，
查得安全系數(shù)是
故許用彎曲應(yīng)力
因此滿足齒根彎曲疲勞強(qiáng)度
4.1.4驗(yàn)算
1）齒面接觸強(qiáng)度驗(yàn)算
接觸強(qiáng)度壽命系數(shù)
最小安全系數(shù)
因此齒面強(qiáng)度足夠
圓錐齒輪參數(shù)數(shù)據(jù)整理如下：
名稱
符號
公式
直齒圓錐小齒輪
直齒圓錐大齒輪
齒數(shù)
15
30
模數(shù)
m
m
2
傳動(dòng)比
i
i
2
分度圓錐度
，
分度圓直徑
30
60
齒頂高
2
2
齒根高
2.4
2.4
齒全高
h
4.4
4.4
齒頂圓直徑
，
33.58
(大端)
61.79
（大端）
齒根圓直徑
25.62
57.85
齒距
p
6.28
6.28
頂隙
c
0.4
0.4
錐距
R
33.54
33.54
齒頂角
，
齒根角
齒頂圓錐角
，
齒根圓錐角
，
齒寬
11.5
11.5
4.2圓柱齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)
本次總共用到3級圓柱齒輪傳動(dòng)，本次設(shè)計(jì)中以第2級圓柱齒輪傳動(dòng)為例進(jìn)行計(jì)算，其他各級計(jì)算過程類似，不一一列舉。
4.2.1選精度等級、材料和齒數(shù)
采用7級精度由表6.1選擇小齒輪材料為40Cr（調(diào)質(zhì)），硬度為320HBS，大齒輪材料為40Cr鋼（調(diào)質(zhì)），硬度為300HBS。
選小齒輪齒數(shù)
大齒輪齒數(shù)，取
4.2.2按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)
由設(shè)計(jì)計(jì)算公式進(jìn)行試算，即
1） 確定公式各計(jì)算數(shù)值
（1）試選載荷系數(shù)
（2）計(jì)算小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩
（3）小齒輪相對兩支承非對稱分布，選取齒寬系數(shù)
（4）由表6.3查得材料的彈性影響系數(shù)
（5）由圖6.14按齒面硬度查得
小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限
大齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限
（6）由式6.11計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)
（7）由圖6.16查得接觸疲勞強(qiáng)度壽命系數(shù)
（8）計(jì)算接觸疲勞強(qiáng)度許用應(yīng)力
取失效概率為1％，安全系數(shù)為S=1，由式10-12得
（9）計(jì)算
試算小齒輪分度圓直徑，代入中的較小值
計(jì)算圓周速度v
計(jì)算齒寬b
計(jì)算齒寬與齒高之比b/h
模數(shù)
齒高
計(jì)算載荷系數(shù)K
根據(jù)，7級精度，查得動(dòng)載荷系數(shù)
假設(shè)，由表查得
由表6.2查得使用系數(shù).15
由表查得
查得
故載荷系數(shù)
（10）按實(shí)際的載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑，由式可得
（11）計(jì)算模數(shù)ｍ
4.2.3按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)
彎曲強(qiáng)度的設(shè)計(jì)公式為
（1）確定公式內(nèi)的計(jì)算數(shù)值
由圖6.15查得
小齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限
大齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限
由圖6.16查得彎曲疲勞壽命系數(shù)
計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力
取失效概率為1％，安全系數(shù)為S=1.3，由式得
計(jì)算載荷系數(shù)
（2）查取齒形系數(shù)
由表6.4查得
（3）查取應(yīng)力校正系數(shù) 由表6.4查得
（4）計(jì)算大小齒輪的，并比較
大齒輪的數(shù)據(jù)大
（5）設(shè)計(jì)計(jì)算
對比計(jì)算結(jié)果，由齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù)m大于由齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù)，可取有彎曲強(qiáng)度算得的模數(shù)1.67，并就近圓整為標(biāo)準(zhǔn)值m＝2mm
按接觸強(qiáng)度算得的分度圓直徑
算出小齒輪齒數(shù) 取
大齒輪齒數(shù) 取
4.2.4幾何尺寸計(jì)算
（1）計(jì)算分度圓直徑
（2）計(jì)算中心距
（3）計(jì)算齒寬寬度取B2=20mm, B1=20mm
圓柱齒輪參數(shù)數(shù)據(jù)整理如下：
序號
名稱
符號
計(jì)算公式及參數(shù)選擇
1
齒數(shù)
Z
20，120
2
模數(shù)
m
2mm
3
分度圓直徑
4
齒頂高
5
齒根高
6
全齒高
7
頂隙
8
齒頂圓直徑
9
齒根圓直徑
10
中心距
4.3軸的設(shè)計(jì)（以中間軸為例）
4.3.1 求凸輪軸上的功率、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩
=452.05W
=31.25r/min
=138.15N·m
4.3.2初步確定軸的最小直徑
先初步估算軸的最小直徑。選取軸的材料為45鋼（調(diào)質(zhì)），根據(jù)課本表15-3，取得
低速軸的最小值顯然是安裝聯(lián)軸器的直徑。
因軸上有兩個(gè)鍵槽，故直徑增大5%—10%，故
4.3.3各段尺寸設(shè)計(jì)
為整個(gè)軸直徑最小處選
=20mm
為了滿足齒輪的軸向定位，取
根據(jù)齒輪寬度及綜合考慮取
==20mm
至此，已經(jīng)初步確定了軸的各段直徑和長度。
7.3.4軸上的周向定位
小圓柱齒輪的周向定位采用平鍵連接，按由課本表6-1查得平鍵截面
鍵槽用鍵槽銑刀加工，長為18mm，同時(shí)為保證齒輪與軸配合有良好的對中性，故選擇齒輪輪轂與軸的配合為；
大齒輪的周向定位采用平鍵連接，按由課本表6-1查得平鍵截面
鍵槽用鍵槽銑刀加工，長為18mm，同時(shí)為保證齒輪與軸配合有良好的對中性，故選擇齒輪輪轂與軸的配合為；
滾動(dòng)軸承與軸的周向定位是由過渡配合來保證的，此處選軸的尺寸公差為m6。
確定軸上圓角和倒角尺寸，參考表15-2，取軸端倒角為。
4.3.5軸的校核
（1）求軸上的載荷
根據(jù)軸的結(jié)構(gòu)圖，做出軸的計(jì)算簡圖，支承從軸的結(jié)構(gòu)圖，以及彎矩和扭矩圖中可以看出圓柱齒輪位置的中點(diǎn)截面是軸的危險(xiǎn)截面。
計(jì)算出的圓柱齒輪位置的中點(diǎn)截面處的、及的值列于下表
載荷
水平面H
垂直面V
支反力F
彎矩M
總彎矩
扭矩T
=424.53N·m
（2）按彎扭合成應(yīng)力校核軸的強(qiáng)度
根據(jù)上表中的數(shù)據(jù)及軸的單向旋轉(zhuǎn)，扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為脈動(dòng)循環(huán)變應(yīng)力，取
，
軸的計(jì)算應(yīng)力
前已選定軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理，
由課本表15-1查得許用彎曲應(yīng)力
因此故安全。
4.4鍵連接的選擇和計(jì)算
4.4.1輸入軸與聯(lián)軸器的連接
軸徑，選取的平鍵界面為，長L=22mm。由指導(dǎo)書表14-26得，鍵在軸的深度t=2.5mm，輪轂深度1.8mm。圓角半徑r=0.2mm。查課本表6-2得，鍵的許用應(yīng)力。
滿足強(qiáng)度要求。
4.4.2中間軸軸與圓柱齒輪的連接
軸徑，選取的平鍵界面為，長L=18mm。由指導(dǎo)書表14-26得，鍵在軸的深度t=3.0mm，輪轂深度2.3mm。圓角半徑r=0.2mm。查課本表6-2得，鍵的許用應(yīng)力。
滿足強(qiáng)度要求。
4.4.3凸輪軸軸與凸輪的連接
軸徑，選取的平鍵界面為，長L=18mm。由指導(dǎo)書表14-26得，鍵在軸的深度t=4.0mm，輪轂深度3.3mm。圓角半徑r=0.3mm。查課本表6-2得，鍵的許用應(yīng)力。
滿足強(qiáng)度要求。
第五章 使用與維護(hù)
5.1機(jī)構(gòu)特性
（1）本機(jī)主要傳動(dòng)部件，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(jī)頭部件均為不銹鋼材料，并經(jīng)光整處理，具有不銹蝕和基本不粘面的效果，清理非常方便。
（3）本機(jī)削出的面中厚邊薄、長度適中、外形佳、口感好，遠(yuǎn)勝過人工削面。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。外觀亮麗，防腐防銹性能好。
5.2使用說明
（1）插上電源。
（2）按上升按鈕，使機(jī)器右臂上升至最高位置。
（3）把和好的面團(tuán)揉捏成月牙狀，然后擺正放在左臂的托面板上。
（4）按下降按鈕，然后將手持刀片的右臂下降，越離面團(tuán)表面0.5mm的位置停止。
（5）按啟動(dòng)按鈕使機(jī)器進(jìn)入正式削面的狀態(tài)。
（6）根據(jù)一次性削面的數(shù)量可以隨意調(diào)節(jié)大碗、小碗。如；需三大碗，可將大碗設(shè)置為3，然后再按F1鍵，在按運(yùn)行即可。一般大碗可運(yùn)行設(shè)定為150-200之間，根據(jù)面的長短、碗的大小自由設(shè)定。
（7）面皮的薄厚及碗的大小秒數(shù)的調(diào)整；面得厚度，碗大小秒數(shù)，可根據(jù)用戶的需求隨意調(diào)整面皮的厚度。
（8）面片的寬窄的調(diào)整：將螺絲向外旋轉(zhuǎn)面片則變寬、向里旋轉(zhuǎn)面片則變窄，可根據(jù)客戶的要求隨意調(diào)節(jié)。
5.3使用注意事項(xiàng)
（1）按啟動(dòng)鍵之前，正前方不得有人（保持安全距離）并防止小孩靠近，以免發(fā)生危險(xiǎn)。
（2）如果機(jī)器有故障，請及時(shí)通知當(dāng)?shù)卮砩蹋ú坏脦е闷嫘碾S意拆卸，否則后果自負(fù)）
（3）機(jī)器最好由專業(yè)人員操作，不須隨意操作。（4）下班后，應(yīng)及時(shí)斷開電源。
（5）保持機(jī)器外表的清潔，以防止體內(nèi)進(jìn)水，是電器斷路。
總 結(jié)
畢業(yè)設(shè)計(jì)即將結(jié)束，在這一階段的緊張學(xué)習(xí)中，使我的綜合能力得到了很大的提高。削面機(jī)械手削面機(jī)構(gòu)這一課題，涉及到了很多學(xué)課的知識，是一個(gè)典型的綜合性課題。在這一段的設(shè)計(jì)中，我?guī)缀跤蒙狭舜髮W(xué)四年所學(xué)的所有專業(yè)知識，同時(shí)，在閱讀了大量的有關(guān)小面積方面的書籍之后，對該課題有了更進(jìn)一步的認(rèn)識。回顧所做的工作，發(fā)現(xiàn)自己的付出是值得的。在該設(shè)計(jì)中，融入了我的很多新的構(gòu)想，也就是在原有的基礎(chǔ)上有了創(chuàng)新，這是值得欣慰的。當(dāng)然，由于缺乏實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，該設(shè)計(jì)還有許多的不足之處。
踏踏實(shí)實(shí)做人，認(rèn)認(rèn)真真做事，在該原則的指導(dǎo)下，使得我的設(shè)計(jì)能夠得以順利地進(jìn)行，在以后的工作與學(xué)習(xí)中，我會堅(jiān)持這項(xiàng)原則，我深信：只有腳踏實(shí)地，才能步步成功！
參考文獻(xiàn)
[1] 數(shù)字化手冊編委會. 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊（新編軟件版）2008.化學(xué)工業(yè)出版社
[2] 朱龍英. 機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ) 北京：機(jī)械工業(yè)出版社 2010
[3] 林清安. 完全精通Pro/Engineer綜合教程 北京：電子工業(yè)出版社 2009
[4] 寇尊權(quán). 機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì) 北京：機(jī)械工業(yè)出版社 2011
[5] 孫士保. AutoCAD2008中文版應(yīng)用教程 北京：機(jī)械工業(yè)出版社 2013
[6] 京玉海.機(jī)械制造基礎(chǔ) 重慶大學(xué)出版社，2007.5
[7] 邱家駿.工程力學(xué) 機(jī)械工業(yè)出版社，2007.11
[8] 張建中.機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ) 高等教育出版社，2007.8
[9] 吳宗澤. 機(jī)械設(shè)計(jì)師手冊[M]. 機(jī)械工業(yè)出版社， 2002
[10] 成大先. 機(jī)械設(shè)計(jì)圖冊[M]. 化學(xué)工業(yè)出版社， 2002
[11] 王玉新. 機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法學(xué)[M]（第一版）. 天津大學(xué)出版社， 1996
[12] 張建民. 工業(yè)機(jī)器人[B][M]. 北京理工大學(xué)出版社，1992
[13] 馬香峰. 機(jī)器人結(jié)構(gòu)學(xué)[B] [M] . 機(jī)械工業(yè)出版社，1991
[14]?曲忠萍. 國外工業(yè)機(jī)器人發(fā)展態(tài)勢分析[J]. 機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用， 2001，（02）
[15] 徐學(xué)林. 互換行與測量技術(shù)基礎(chǔ)[M]. 湖南大學(xué)出版社， 2005
致 謝
在本文即將結(jié)束之際，請?jiān)试S我對在這四年的大學(xué)生活學(xué)習(xí)中給予我支持和鼓勵(lì)的各位老師和同學(xué)致以深深的感謝。
首先，我要感謝我的指導(dǎo)老師，感謝他在我的研究和學(xué)習(xí)過程中給予我的指導(dǎo)和幫助。老師深厚的理論素養(yǎng)，淵博的學(xué)識和誨人不倦的精神使我受益非淺，更重要的是，老師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)風(fēng)范和對學(xué)術(shù)問題的概括與抽象能力在潛移默化中影響著我，教育著我。在大學(xué)生活中，老師對我的言傳身教以及給予我許多無私的關(guān)心和幫助，所有這些不僅是我得以順利地完成本文，而且更是使我終身受益。我還要感謝系里的各位老師，他們?yōu)槲业漠厴I(yè)設(shè)計(jì)提出諸多良好的建議以及努力方向，使我得以較快地完成設(shè)計(jì)。
其次，我還要特別感謝我的母校，為我提供了一個(gè)先進(jìn)的學(xué)習(xí)、工作環(huán)境，能讓我順利完成自學(xué)考試的各個(gè)課程。
最后，請讓我將這篇學(xué)士學(xué)位論文獻(xiàn)給我的父母親，感謝他們的養(yǎng)育之恩，感謝他們使我成為一個(gè)對社會有用的人，他們的關(guān)懷、支持和鼓勵(lì)是我所有信念的力量源泉。