铣汽缸体开档、油封组合机床上料装置设计
摘要：本⽂根据根据⼯⼚组合机床的的上料要求，结合具体的⼯况，提出了铣⽓缸体开档、油封组合机床上料装置设计，提出了设计⽅案，并对⽅案进⾏了可⾏性分析。本⽂对该装置的主要的零部件进⾏了设计、选型、参数设定、性能检验。
关键词：组合机床⽓缸体⾃动上料装置
Abstract: According to the requirment of automatic loading of factory,and conllected with the situation of the workplace，this acticle propose the desinge named automatic feeding device. The article has proposed a plan and analyzed the plan’s feasibility.The acticle did the most important parts of this desing,such as improtant parts’desinge、option、parameter ’setting up and its performance test.
Key words:Constituted Machine Tool Cylinder block Automatic feeding device
1 前⾔
在⾃动化加⼯、装配⽣产线中，能⾃动完成将⼯件向加⼯或装配机械供给并上料的装置，称为⾃动上料
装置。上料装置⼴泛应⽤于⽣产实践，其所涉及的范围有：⽯化、化⼯、电⼒、冶⾦、建材、制药、轻⼯业、铁路、机械制造业、⾷品加⼯业等等诸多⾏业。⾃动上料装置应⽤于⽣产实践，不仅能⼤⼤的提⾼⽣产⼒，减轻⼯⼈劳动强度，保障⽣产安全，⽽且对提⾼产品质量，降低成本，促进产业结构的合理化起到积极的作⽤。本课题来源于东风汽车有限公司设备制造⼚，其设计对象是组合机床⾃动上料装置。本⽂根据被加⼯零件（⽓缸体⽑坯件）的尺⼨，以及机床、翻转装置以及⼯作节拍的要求，查阅相关的⼯程技术⼿册并进⾏相关的数据计算，设计了⾃动上料装置。该装置投⼊⽣产有很⼤的现实意义。
2⾃动上料装置设计的参数指标以及所要完成的任务
2.1 上料装置设计的参数指标
汽缸缸体的材料为HT250，硬度为HB190—240，重量约为40kg，机床上料⾼度要求为1300mm，⾃动上料，⽣产率要求为60件/h
净浆搅拌机
2.2 上料装置设计所要完成的任务
本课题研究的内容包括以下⼏个⽅⾯：实现⽑坯件由翻转装置转移到滚道、滚道辊⼦的传动、⽑坯件在滚道上的停⽌运动与通⾏、如何卡住与松开⽑坯件、如何将⽑坯件由滚道转移到加⼯中⼼并将以加⼯好的零件顶出加⼯中⼼、如何实现各个动作的有序进⾏、以及实现这些运动的相关装置的设计。 3 ⾃动上料装置的⽅案设计及可⾏性分析
3. 1⾃动上料装置配置形式概述
⾃动上料装置根据⾏业的不同以及输送的物料的状态的不同，其形式也是多种多样。在煤矿、⾷品加⼯业、制药、建筑⾏业，则主要利⽤电⼒拖动、⽪带传送、⽤振动装置、抖料装置、机械⼿装置等控制实现运动机构按预期得要求运动，实现⾃动上料。机械制造⾏业中的零件加⼯多采⽤⽀架滑道搭起平台，利⽤PLC 控制，通过启动液压缸、⽓压缸、电机、伺服电机、控制各种机构（如：连连杆机构、凸轮机构、滚滚珠丝杠、齿轮机构、间歇机构等等）按运动的要求运动，实现上料装置的⾃动化或半⾃动化。根据要求提出了以下两种⽅案并对各⾃进⾏了分析： ⽅案⼀：
图1 总体装配图
1.汽缸棘⽖装置
2.输送装置
3.摆⾓装置
4.滚道装置
图2摆⾓装置原理图
1.滑动轴
2.滑动轴
3.导轨
4.摆⽖
如图1、图2现对其⼯作原理描述如下：
⽓缸将带有棘⽖的缸芯伸出，从与滚⼦相⽔平的翻转装置上将⽓缸拉⼊滚道。滚道上的光电开关检测到有⽑坯件通过，发出信号使档料⽓缸活塞杆伸出。滚道经过⼀个由电机带动经减速器减速的链传动来带动，使各辊⼦以相同的速度转动，拖动⽓缸体⽑坯件向前运动到⽓缸挡料器并被挡住，摆⾓装置
的⽓缸动作启动输送装置上的推杆卡住⽓缸，摆⾓装置发出信号控制⽓缸挡料器下⾏，放开⽓缸体⽑坯件。伺服电机启动经同步带传动带动滚珠丝杠运动，使滚珠螺母在导向杆的导向下推动推杆向前运动并带动⽓缸体⽑坯件向前运动。推杆运动到⼀定的位置将已经加⼯好的缸体推出，使被卡住的⽓缸体⽑坯件运动到加⼯位置。运动到加⼯位⼦以后，摆⾓装置动作松开⽑坯件，伺服电机反转将输送装置退回初始位置。此时⽓缸棘⽖装置接收来⾃输送装置的控制信号运动进⾏上料，如此反复，完成⾃动上料。整个过程全由PLC控制，以⾏程开关为触发元件，实现⾃动化。
⽅案⼆：
图3总体装配图
1.液压缸棘⽖装置
2.挡料装置
3.轨道
4.摆⾓器
5.曲柄连杆机构
6.电机
图4 摆⾓装置原理图
1.摆⽖
2.⽀架
3.液压缸馈线卡
如图3图4所⽰，该装置的动动作路线为⽓缸将带有棘⽖的缸芯伸出，从与辊⼦相⽔平的翻转装置上将⽓缸拉⼊滑道。滑道经过⼀个由电机带动经减速器由链传动来带动，使各辊⼦以相同的速度转动，拖动⽓缸向前运动到⼀定的位置，由⽓缸挡料器挡住，此时⽓缸件在曲柄连杆滑块机构的左极限位置。摆⾓装置上的液压驱动经齿轮机构带动摆⾓旋转升起，伺服电机驱动经过同步带带动曲柄连杆滑块机构运动到左极限位置，摆⾓装置上的液压驱动经齿轮机构带动摆⾓旋转落下，卡住⽓缸件，伺服电机再次驱动将⽓缸件推⼊加⼯位置，并顶出已经加⼯好的⽓缸件。加⼯位置在曲柄连杆滑块机构的右极
限位置。此时摆⾓装置上的液压驱动经齿轮机构带动摆⾓旋转升起，伺服电机驱动将曲柄连杆滑块机构退回到中间某⼀固定的位置。当机床加⼯完⼀个⽓缸件以后发出信号，运动重复，完成上料。整个过程全由PLC控制，以⾏程开关为触发元件，实现⾃动化。
⽅案对⽐及可⾏性分析：
气象风向标两个⽅案的不同之处在于在推动⽓缸件从挡料装置运动到加⼯位置的时候⽅案⼀采⽤的是伺服电机驱动的滚珠丝杠在导柱的导向下向前运动；⽅案⼆设置双导轨在⽀架上，以伺服电机启动经过同步带传动带动曲柄连杆滑块机构运动到准确的位置；⽅案⼀的摆⾓装置固定不动由液压驱动，经导向键滑动，其导轨安装在机床本体上，导向键较长，，⽅案⼆中将摆⾓装置安装在滑块上，以液压驱动摆⾓装置，在伸出活塞上加⼯出齿，与摆⾓的末端齿轮咧合，从⽽驱动摆⾓装置。⽅案⼆的不⾜之处在于曲柄连杆滑块机构在整个运动的过程当中，速度变化较⼤，由于⽓缸件的本⾝质量较⼤，容易造成惯性冲击，减少了伺服电机的寿命，⼜⾏程⽐较⼤，实际的曲柄连杆滑块机构的尺⼨⽐较⼤，为满⾜传动精度要加粗连杆，使机构笨重，其连杆中的连接部位要精加⼯，设置耐磨材料，使成本增加，摆⾓装置要⽤⼀根长液压管及PLC控制线连着，时间长以后，稳定性差。综上，选择⽅案⼀。
4 相关装置重要部件的设计选型及参数设定
4.1. ⽓缸棘⽖装置的⽓缸的选型及参数设定
玻璃纤维膨体纱
该⽓缸选QM 系列⼩型⽓缸。其缸径为D=40mm ，活塞杆直径d=20mm ，⾏程S=500mm ，使⽤压⼒为P=0.2～0.8MPa 。⽓
缸的固定⽅式为前法兰MFI 式。
取深沟球轴承的摩擦因数 µ=0.0022。轴承所承受的压⼒为⽑坯件的重量、托盘的重量、辊⼦的重量之和。⽑坯件重40Kg ，托盘重10Kg ，辊⼦总重量为9Kg ，根据f F =mg µ，得轴承所受的摩擦⼒为f F =1.3N 。根据⼒矩M=f F r （r 为轴承内外圈半径的平均值），得摩擦⼒对轴承的回转中⼼的转矩为M=21.775N ·mm 。根据⽓F =M/d 得⽓缸所需提供的⼒为F ⽓=0.055N （棘⽖与⽑坯件的接触处到轴承的回转中⼼的距离为d=396mm ）。⽓缸两腔的⾯积分别为S 1=9422mm 、S 2=12562mm 。根据⼒平衡公式、压⼒公式P=F/S 、速度计算公式V=Q/S ，根据⼯况控制活塞杆退回的速度V=65.65mm/s 、伸出的速度为
V=130mm/s ，考虑活塞杆运动受阻，取活塞杆提供的拉⼒为F=10N ，在⽓源压⼒为P=0.2MPa 下，可以将⽓缸的参数设置如下：退回⾏程：进⽓量Q1= 61842.3mm 3 排⽓量Q2= 82456.4mm 3
背压P1=0.142MPa ；
伸出⾏程；进⽓量Q3= 163280mm 3 排⽓量Q4= 122460mm 3 背压P2=0.2667MPa 。 4.2滚道装置相关元件的选型及参数的计算
4.2.1 初始值计算
根据⽑坯件的运⾏速度为V=65.65mm/s ，得辊⼦的转速为w=V/r=2.052rad/s （滚⼦半径r=32mm ）。由托盘与辊⼦的摩擦⼒f F =mgf=75N （⽑坯件与托盘的总重为m=50kg ，托盘的摩擦因数 µ=0.15），得⽑坯件对滚⼦的摩擦⼒矩M1=F ×r=2.4N ·m 。链轮输出的功率W1=M1×w=2.4×2.052=4.93w ，考虑机械效率、功率损耗，电机的功率取要⽐10w ⼤。
4.2.2电机的选⽤
根据⼯况，所选⽤的电机为YA801-4，其额定功率为P=0.55kw ，额定转速为n=1400r/min
4.2.3 输送链及链轮的设计
如图5，所⽰，即为辊⼦的链传动。
图5 辊⼦的链传动
1.⼤链轮
2.⼩链轮
3.链条
4.⼤链轮
5.⼩链轮
根据设计图定两个⼤链轮的中⼼距离L=145mm ，⼩链轮之间的距离L=290mm ，⼤链轮与⼩链轮的回转中⼼⽔平距离
L=72.5mm 、垂直距离L=30mm 及L=12mm ，⼤链轮4与⼩链轮5之间的垂直距离L=160mm 。根据⼯况及双节距链的基本参数和尺⼨，此处选择双节距链的型号为208A 。该型号链的相关参数为：节距p=25.4mm 滚⼦直径（⼩）m a x 1d =7.95mm 最⼩抗拉强度 13.8kN 链板⾼度m a x 2h =12.07mm 测量⼒F=120N
链轮的设计如下：
取⼤齿轮的齿数Z1=8、⼩齿轮的齿数为Z2=5，
按如下公式计算：分度圆直径)/180sin(z p
d = 齿顶圆直径min da =d+（0.5-z 4
.0）p-1d 齿顶圆直径max da =d+0.625p-1d
分度圆弦齿⾼hamax=（0.3125+z 8
.0）p-0.5d1 分度圆弦齿⾼hamin=（0.3125+z 6
.0）p-0.51d 齿根圆直径
df=d-1d 最⼤齿侧凸缘直径dg=a r h z p 2105.1)180
cot(2---
（其中da 可以在min da 与max da 之间任意取值；ha 可以在max ha 与min ha 之间任意取值）带⼊齿数及设a r =3mm ，得
⼩连论：分度圆直径d=66.37mm 齿顶圆直径da=74mm 齿根圆直径df=58.42mm 分度圆弦齿⾼a h =6mm 最⼤齿侧凸缘直径dg=41.65mm ；
⼤链轮：分度圆直径d=43.20mm 齿顶圆直径da=50mm 齿根圆直径df=35.25mm 分度圆弦齿⾼a h =8
mm 最⼤齿侧凸缘直径dg=15.27mm ；
根据CAD 图辅助设计，可以得到的相关设计参数如图6、图7、图8，链的设计如下：
图6 链传动参数图
图7 链传动参数图
图8 链传动参数图
根据图5、图6、图7、图8及弧长公式，整条链的长度计算如下：
萌发菌
L=5×145+2×178.98+152.4×3+375.5+529.93+570.82=3016.41mm
已知链的节距p=25.4mm ，则总的链节数Lp=L/p=3016.41/25.4=118.76，由于为了避免过渡链节，链条的节数因当选为偶数，链条的松紧可由放松装置来调节。
由4.3节电机的计算链传送到辊⼦上的转矩M=2.4N ·m ，考虑链传动中所受到的摩擦，取链所相对辊⼦回转中⼼所提供的⼒矩为M=10N ·m 来进⾏链的强度校核。
⼤链轮的分度圆半径r=d/2=33.185mm ，链板的最⼩抗拉强度强度为13.8kN ，根据公式F=r M ，得链板的拉⼒
透明填充母料
=301.4N 《13.8kN ，所以所选⽤的链可以使⽤。 4.3 摆⾓装置⽓缸的选型及相关参数的确定
此处的⽓缸选为⾮标准⽓缸，根据国家颁布的缸筒内径及活塞杆直径优先系列，取缸筒内径D=50mm 、活塞杆直径d=20mm ，活塞的最⼤⾏程为S=100mm ，实际控制⾏程为S=20mm ，要求上下⾏程各在1s 内完成。⼀根滑动轴的质量1M ≈1.23kg
，活塞杆的质量为2M ≈0.236kg 。两个⾏程的进⽓压⼒均取P=0.3MPa ，⽓缸⽆杆腔的⾯积S 1=1962.52mm 有杆腔的的⾯积S 2=1648.52mm ，取摩擦⼒f F =20N 以及考虑重⼒，根据⼒平衡、压⼒公式、以及Q=VS ，得参数如下：
活塞上⾏⾏程：排⽓背压P1=0.297MPa 、⽓体流量Q=392503mm /s ；
活塞上⾏⾏程：排⽓背压P2=0.2343MPa 、⽓体流量Q=329703mm /s 。
4.4 输送装置
4.4.1滚珠丝杠的选型及参数验证
由4.1可得，⽑坯件、托盘及辊⼦对轴承回转中⼼的⼒矩M=21.775N ·mm ，⽑坯件的运动速度V=65.65mm/s ，由输送装置设计图得推⽖到轴承回转中⼼的距离L=302mm ，⽑坯件的运动速度V=65.65mm/s ，由F1=M/L 得滚珠丝杠所提供的⼒F
1=0.072N 。由设计的图纸可以得到输送装置所要运⾏的⾏程为S=812mm 。根据⼯况要求该⾏程要在t=10s 内完成。由V=
t S 得丝杠的运⾏速度V=8.12mm/s 。
. 此处丝杠选汉江机床⼚代号为4010-5的C1型滚珠丝杠，其中径d 2=40mm 、导程p=10mm 、滚珠直径d 0=7.144mm 、动载a c =55017N 、螺旋⾓λ=3340'。丝杠的材料为CrWMn 钢，滚道硬度为58~62HRC 、寿命为Lh=15000h 。由n=h P V
得丝杠的转速n=487.2r/min ，丝杠的最⼤转速max n =2.5n=1218r/min 。
滚珠丝杠的计算如下：
1） F c =K F K H K A F1=0.0864N (由⼯况取K F =1.2、K H =1.0、 K A =1.0)
2）计算额定动载荷a C ：
Ca=43
1067.1?h m c L n F =431064.1150002.4870864.0??≈0.66N
(3) 根据Ca 验证所选⽤的滚珠丝杠是否可⽤
该滚珠丝杠的额定动载荷Ca=55017N ，所选⽤的丝杠完全能够承受该载荷。
由滚道半径公式R=0.52 d 0、偏⼼距公式e=)2/(07.00d R -mm 、丝杠内径公式 d 1=R e D o 22-+，可分别得到R=3.715mm 、e=0.01001mm 、d 1=32.59002mm.
根据《机械传动设计⼿册》电⼦⼯业出版社朱孝录主编P1156表8.2-28 ⾏程偏差与变动量（GB/T 17578.3-1998），该丝杠的标准公差等级取为5级，最⼤允许偏差为40µm 。
4）稳定性验算
该丝杠的固定⽅式为⼀端固定⼀段游动，丝杠在⼯作时可能会发⽣失稳，所以在设计时应进⾏安全系数S 验算，其值应⼤于丝杠副传动结构允许的安全系数[S]。
根据《机电⼀体化设计基础》机械⼯业出版社郑堤唐可洪主编P25表2-10，得⼀端固定⼀端游动的滚珠丝杠的安全系数[S]=2.5~3.3、长度系数µ=2/3、零界转速系数c f =3.927。
丝杠不会发⽣失稳的最⼤载荷称为零界载荷cr F （N ），计算如下：
cr F =22)(l EI
µπ
式中，E 为丝杠的弹性模量，对于刚，E=206GPa ；l 为丝杠的⼯作长度（m ）；I a 为丝杠危险截⾯的轴惯性矩（4m ）；µ为长度系数。
根据要求， I a =
48441105.564
)03259.0(14.364m d -?=?=π取µ=2/3，则 cr F =N 51005.2?
安全系数S=6
510847.2072.01005.2?=?=m cr
F F 。[S]=2.5~3.7，S ＞[S]，丝杆安全，不会失稳。 5）滚速丝杠⼯作时可能发⽣共振，因此验证不会发⽣共振的最⾼转速—临界转速cr n 。要求max n ＜cr n 。
临界转速cr n （r/min ）计算如下：
cr n =991021
2
)(l d f c µ
式中，c f 为临界转速系数，此处取c f =3.927,、µ=2/3，则
cr n =16788r/min
cr n ＞max n =1218r/min ，所以，丝杆不会发⽣共振。
此处的滚珠丝杠还受n D 0的值的限定，通常要求n D 0＜min /1074
r mm ??。
n D 0=40×1218mm ·r/min=48720慢慢·r/min ＜min /1074r mm ??
所以丝杠副稳定。
（6）刚度验算
由于丝杠所承受的⼯作载荷较⼩，要求的传动精度较低，丝杠完全可以保证精度。
（7）丝杠的传动效率η=)tan(tan ρλλ
+=9682.0)048334tan(334tan 0='''+''
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
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