畢業(yè)答辯-刀削面機(jī)器人設(shè)計

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專業(yè)：指導(dǎo)老師：設(shè)計時間：

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，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。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，。現(xiàn)在刀削面機(jī)器的出現(xiàn)很可能改變上述這一困境。運用刀削面機(jī)械手能夠連續(xù)提供高效安全的勞動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。1：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)器的裝配等的自動化程度，從而可以提高勞動刀削面的生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本，加快實現(xiàn)食品生產(chǎn)機(jī)械化和自動化的步伐。2：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限制。同時，在一些簡單的機(jī)械動作作業(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。3：應(yīng)用刀削面機(jī)械手代替人手進(jìn)行工作，這是直接減少勞動力的一個方面，同時由于刀削面機(jī)械手可以連續(xù)地工作，這是減少勞動強(qiáng)度的另一個方面。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)計運動機(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)費用及造價。為了更大范圍推廣刀削面機(jī)械手，因而本課題設(shè)計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，運用常見機(jī)構(gòu)配合的運動軌跡實現(xiàn)刀削面的走刀運動以及進(jìn)給量控制來降低成本，推廣刀削面機(jī)械手的市場。1.結(jié)合機(jī)械手設(shè)計這方面的知識，在設(shè)計過程中學(xué)會怎樣發(fā)現(xiàn)問題、研究問題、解決問題；2.改善了技師的勞動限制，避免由于刀削面技師操作疲勞而引發(fā)的安全事故；3.提高刀削面的生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本，加快實現(xiàn)食品生產(chǎn)機(jī)械化和自動化的步伐；4.推廣中國山西美食刀削面走向世界，為增強(qiáng)中國軟實力做微薄的貢獻(xiàn)；

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)械手全自動完成整個削面的所有動作，其中該機(jī)械手需要完成的三個主要作業(yè)動作如下：1.機(jī)械手小臂繞肘關(guān)節(jié)往返擺動60-90°做切削動作。2.大臂相對于面料放置板做橫向進(jìn)給運動，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)給運動，完成切削面料后停止進(jìn)給運動。該機(jī)械手臂握緊刀具用于切削面板上的面料，整個機(jī)械手安裝在一個固定的機(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三個驅(qū)動力共同完成。因此整個機(jī)械手的自由度最高為3，三個不同驅(qū)動力也可通過機(jī)構(gòu)聯(lián)動配合完成則該機(jī)械手自由度最低為1。由3個不同布局的電機(jī)控制3個不同的作業(yè)動作（該自由度為3）。由2個不同布局的電機(jī)控制2個不同的作業(yè)動作。其中選一個對控制要求高的動作為獨立動作（例如上下進(jìn)給運動），另外兩個動作通過連桿或齒輪等機(jī)構(gòu)聯(lián)動，由一個電機(jī)控制（該自由度為2）。

由1個電機(jī)通過連桿或齒輪等機(jī)構(gòu)聯(lián)動控制3個不同的作業(yè)動作（該自由度為1）針對機(jī)械手動作控制情況可以分以下三種：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不同動作的運動時間與運動速度，達(dá)到全自動化控制整個作業(yè)動作。方案二：也是通過數(shù)控控制兩個電機(jī)運轉(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。1.實現(xiàn)機(jī)械手小臂的切削動作方案（圖）刀削面機(jī)械手圖一優(yōu)點:該方案的空間利用率高，尤其在空間有限的仿真機(jī)械手比較實用。缺點：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：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：占用比較大的空間。該機(jī)械手的設(shè)計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.大臂相對于面料放置板做橫向進(jìn)給運動方案凸輪機(jī)構(gòu)優(yōu)點：結(jié)構(gòu)緊湊，可靠性高，可以實現(xiàn)自動化。缺點：不適合高速運轉(zhuǎn)。齒輪齒條優(yōu)點：承載力大，傳動精度較高，可達(dá)0.1mm，可無限長度對接延續(xù)，傳動速度可以很高。缺點：若加工安裝精度差，傳動噪音大，磨損大。運用凸輪機(jī)構(gòu)在控制刀削面面料板時運動速度十分緩慢，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)。3.大臂相對于面料放置板做縱向進(jìn)給運動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)。R45=CD—BD；R65=CD+BD由圖知，R45，R65與R18的交點分別是該四桿機(jī)構(gòu)的兩個極限位置，兩極限位置夾角為78度，符合該機(jī)械手設(shè)計方案。小臂建模如下：由機(jī)械手在切削運動時，面料在單位時間的橫向進(jìn)給量是不變的，并且面料表層切削完成后的回程運動要迅速。則該凸輪設(shè)計如下：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動。但是凸輪在起始位置的推程速度就達(dá)到V時，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)束位置作簡諧運動，中間作等速運動。凸輪機(jī)構(gòu)簡圖：基圓半徑為10mm則推程：簡諧運動s=h/2(1-cos(ψ∏/Φ))v=h∏ω/(2Φ)*sin(ψ∏/Φ)a=h∏^2*ω^2/(2Φ^2)*cos(ψ∏/Φ)

等速運動

s=ψh/Φv=v0=hω/Φa=0

回程：簡諧運動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’]

等速運動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°最遠(yuǎn)端

最近端由于面料橫向進(jìn)給運動機(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，形成一個具有自主創(chuàng)新的新機(jī)構(gòu)如下圖所示該機(jī)構(gòu)的矩形螺紋在作旋轉(zhuǎn)運動相當(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。面料縱向與橫向進(jìn)給合并機(jī)構(gòu)建模如下面料縱向進(jìn)給機(jī)構(gòu)的止停方案如下：在面料板上升至最高處時，刀具已經(jīng)接近面料放置板。如果未能停止，則會對刀具及面料板造成一定的損害。如上圖，面料板上的方塊是一個電機(jī)的電源開關(guān)控制器。當(dāng)面料板機(jī)構(gòu)上升頂住開關(guān)則斷開電機(jī)電源，完成刀削面全自動切削生產(chǎn)。換擋功能機(jī)構(gòu)：換擋功能無非就是控制該刀削面機(jī)械手的三大運動機(jī)構(gòu)（切削，橫向進(jìn)給，縱向進(jìn)給）的相對運動速度。它涉及到更換的機(jī)構(gòu)有如下：刀具，凸輪，過度齒輪（圖1），螺紋板（圖2）。簡要的文字說明：

通過更換過度齒輪（如圖1）的上齒輪及凸輪來控制機(jī)械手的橫向進(jìn)給速度，更換嵌套在面料板機(jī)構(gòu)下的螺紋板（如圖2）來控制機(jī)械手的縱向進(jìn)給速度。由于橫向和縱向進(jìn)給速度改變導(dǎo)致切削面料的寬度和深度也跟著改變。因而，選擇對應(yīng)型號的刀具（切寬，切深相符）。從而自定切削出來的刀削面的寬厚來滿足不同顧客不同口味的需求。圖一圖二換擋功能為了簡化設(shè)計，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)動的錐齒輪a通過整個輪系帶動凸輪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:齒輪傳動比

由于：d=m*z則N1:N2=z2:z1=(d2/m2):(d1/m1)又因為：m1=m2=m3=m4=……=mn傳動比為：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）刀具的切寬和切深：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機(jī)械手的驅(qū)動裝置通常是電力傳動、氣壓傳動、液壓傳動和機(jī)械傳動等四個基本形式由于本設(shè)計研究的機(jī)械手的額定負(fù)載一般，綜合分析后，決定采用電力傳動。這種驅(qū)動方式具有結(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。而電機(jī)又分以下4種：（1）步進(jìn)電機(jī)（2）直流伺服電機(jī)（3）交流伺服電機(jī)（4）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，但價格較高，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動具有成本低，但若高于一定速度就無法啟動,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)動裝置無需通過脈沖控制，因而使用通用的三相異步電動機(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