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1、自动穿串机摘要本次设计是研发一种新型的餐厅实用型自动穿串机，其主要功能是：能自动的穿多种菜品；减少额外保鲜的能源消耗；消除原始人工劳力负担。设计中包括机械模型的构建，功能实现的原理和主要机构结构的说明。控制采用单片机控制，单片机通过安装在各个运动末端的中断按钮接受中断响应的方式，以此作为控制运动部件的信号来依次控制其动作方式，运动部件包括基本机械运动和气压系统；部分传动部件的校核。再进行虚拟运动仿真后，加上额外人工填充时间，在理想的工作情况下，基本效率是720串/min，能达到餐厅在不使用保鲜柜的条件下满足即时需求。关键词： 自动控制 液压系统 虚拟技术 Automatic wear stri
2、ng of machineAbstract：This design is to develop a new type of restaurant practical automatic wear string machine, Its main function is to automatic wear many dishes，Reduce the energy consumption of the extra fresh and Eliminate artificially labor burden. Design includes the construction of mechanica
3、l models, the realization principle and the main function of institutional structure of the instructions. Control adopts MCU control and MCU accept interrupt response way by the end of the installation of the interruption button . This as control moving parts in the signal to control its movements w
4、ay.Moving parts including basic mechanical motion and hydraulic system. Another is part of driving part calculation. Basic efficiency is 720 string/min in the ideal work situation of virtual simulation Add the extra artificially filling time. It can achieve immediately demand Even if restaurant with
5、out Crisper compartments.Keywords: Automatic control Hydraulic system Virtual technology目录第1章 概述1第2章 背景设计原理及创新点说明22.1 所述技术领域及背景技术22.2 设计原理22.3关键机构设计说明14第3章 控制系统183.1 液气控制原理设计183.2 单片机控制设计19第4章 理论校核234.1 末端执行件受力分析234.2 电机选择及整体传动图的设计264.3 V型带设计274.4 平带设计294.5 二级传动设计314.5.1 齿轮传动设计314.5.2 方案一：采用链传动344.5
6、.3 方案二：带轮传动364.6 液气系统的设计与选择384.6.1 液压缸的计算与选取384.6.2 液压泵的选择454.6.3 液气系统的选择464.7 传动轴的校核484.7.1 轴1校核484.7.2 轴2的校核534.8 轴承的校核59第5章 选材及成本分析60第6章 结论60第7章 致谢62参考文献62第1章 概述现如今，市面上已研发出此领域的产品，并且多数是针对同一类产品成批生产的机器，还有少数是能针对多种产品生产的机器，但是，其效率相对前者较低。并且，餐厅领域内的需求一直是一个空白，因此，效率兼适用范围成为市场需求的必要。其主要研究内容包括：1.自动控制系统，2.液压气压控制及
7、传动,3.传动机构(1.运动关系分配；2.机构模型的构建,在设计中采用对现有产品的改进，功能的扩展，理论设计和建模同步进行的方法。最终能达到的效果：这种实用型自动穿串机在实际应用中极大的方便了需求方和满足其要求，并且价格低廉，占地空间小(结构紧凑),在实用中具体能实现穿多种菜种的功能多样性第2章 背景设计原理及创新点说明2.1 所述技术领域及背景技术本实用新型穿串机属于餐饮技术领域，具体是自动穿串机。串串餐厅已越来越多，且具有代替火锅的趋势。而如今的串串餐厅都是用手来穿，这样不仅不卫生，而且在顾客来之前要有大量的串串提前穿好。这样就需要大量的人力劳动，并且还要提供保鲜柜来保鲜。而此类产品在此领
8、域内是一个空白，因此设计一种不仅能保证餐饮卫生和即时需要问题，且节约人力和电力消耗及高速率的满足即时需求的自动穿串机就成为一种必要。 2.2 设计原理 设计所采用的方案是：用单片机做控制原件，控制各部件依次按预定工作顺序动作，具体方案是这样的：在按下启动工作按钮时(此时所有液压阀的初始状态为图2-1所示)1.油缸 2.油缸 3.单向阀 4.2位3通电磁阀 5.2位3通电6.2位4通电磁 7.2位3通电磁阀 8.3位4通电磁阀 填充为当前工作状态图2-1单片机控制电机正转，经过各传动机构，将动力传送到下模盒体，下模盒体向上模盒体正下方运动；与此同时动作的还有排签盒，电机将动力通过各个传动机构，传
9、送到曲柄滑块机构上，滑块部分就是排签盒，它做一个回程运动，具体过程由图2-2到图2-4图2-2初始状态图2-3运动过程瞬间图2-4到达预定位置下模盒体运动到上模盒体正下方时，触发安装在主机架上的中断按钮，单片机接受中断1，控制电磁离合器联结气压泵(图2-5)和控制上模盒体动作的3位4通电磁阀动作(图2-6)图2-51.油缸 2.油缸 3.单向阀 4.2位3通电磁阀 5.2位3通电磁阀6.2位4通电磁阀 7.2位3通电磁阀 8.3位4通电磁阀 填充为当前工作状态图2-6上模盒体向下运动，从图2-7图2-7上模盒体初始状态到图2-8图2-8上模盒体运动终态上模盒体运动到与下模盒体达到预定间隙合型，
10、触发安装上模盒体中断按钮，单片机接受此中断，控制上模盒体动作的3位4通电磁阀实现了第一次换向（中位机能O型，油缸实现自锁2），同时动作的还有2位3通电磁阀(7)，2位3通电磁阀动作，封锁 3位4通电磁阀进油油路，接通2位4通电磁阀进油油路，2位4通电磁阀控制串联同步油缸动作，此时的2位4通阀状态为接通压签动作油路，如图2-9所示1.油缸 2.油缸 3.单向阀 4.2位3通电磁阀 5.2位3通电磁阀6.2位4通电磁阀 7.2位3通电磁阀 8.3位4通电磁阀 填充为当前工作状态图2-9压签板在同步油缸带动下，将事先排在排签板上的签子压入盒中；压签板运动到预定位置如图2-10到图2-12 图2-10
11、压签板初始位置图2-11压签板运动瞬间2-12压签板运动终态触发安装在机架上的中断按钮，单片机接受中断，控制2位4通电磁阀再次换向,具体状态如图2-13：1.油缸 2.油缸 3.单向阀 4.2位3通电磁阀 5.2位3通电磁阀6.2位4通电磁阀 7.2位3通电磁阀 8.3位4通电磁阀 填充为当前工作状态图2-13压签板反向运动；运动状态由图2-12到图2-10；运动到预定位置时，触发安装在机架上的中断按钮。单片机接受此中断，控制2位3通电磁阀(7)换向,同时动作的还有3位4通电磁阀和2位4通电磁阀动作换向，具体状态如图2-14：1.油缸 2.油缸 3.单向阀 4.2位3通电磁阀 5.2位3通电磁
12、阀6.2位4通电磁阀 7.2位3通电磁阀 8.3位4通电磁阀 填充为当前工作状态图2-14上模盒体向上运动；运动到预定位置时，触发安装在机架上的中断按钮，单片机接受此中断，单片机控制3位4通电磁阀换向(中位机能，油缸自锁)状态如图2-15所示；即回到初始状态1.油缸 2.油缸 3.单向阀 4.2位3通电磁阀 5.2位3通电磁阀6.2位4通电磁阀 7.2位3通电磁阀 8.3位4通电磁阀 填充为当前工作状态图2-15同时控制电磁离合器到状态1和电机反转，下模盒体向初始位置方向运动，此时的排签盒不运动，原因是其中一个带轮与轴连接是通过一种棘轮特征的连接方式运动下模盒体运动到预定位置时，触发安装在机架
13、上的中断按钮，单片机接受此中断，控制电机停转,这一过程为由图2-16到图2-18图2-16运动初始状态图2-17运动过程瞬间图2-18运动过程终态此为完成一个工作流程。2.3关键机构设计说明（1）下模盒体： 1）下模盒体：通过转动调节器即可调节间距（如图2-18和2-19，通过转动调节器带动齿轮轴间接带动齿条运动，即可调节间距），实现一种模仁功能多样性。1.联动体 2.模仁 3 .上齿条 4. 下齿条 5 .下模盒体图2-196. 调节器挡板 7. 调节器 8. 止动弹簧 9.齿轮轴 10. 齿轮轴固定壳体图2-20(2)排签盒：如图2-3的结构设计，当曲柄滑块机构运动时，排签盒体也一起运动，
14、运动一段很小的距离排签盒体底部就和排签板接触，此时的下签控制器抵抗弹簧力顺时针转动，下签控制轴同向转动，下签控制触头也同向转动，具体运动过程为图2-21-1到图2-21-2，此时下签间隙打开。当下签盒体底部脱离与排签板接触时，此时动作过程由图2-21-2到图2-21-1 图2-21-1 图2-21-2图2-20 (3)压签机构：由图2-22可知，一次可以排多个签子，这样不仅效率高，而且还节约了能源，具体实现是这样的：如图2-22为初始状态，1.签子 2.压签触头 3.上压板 4.压签板 5 .排签板图2-22图中可以看到，签子即不在压签板和排签板形成的形腔内，也不在上压签板与排签板形成的形腔内
15、；当液压缸动作时此时，此时签子一端与压签触头接触，一端在上压签板与排签板形成的形腔内，这样在穿菜和其它食品过程中，签子受力情况下只能出现微小弯曲，如图2-23所示图2-23压签结束为图2-24图所示图2-24此时完全将签子从排签板的槽中推出，此后液压缸在电磁阀换向的动作后，反向运动，当压签板反向运动到预定位置时，上模盒体向上运动带动上压签板向上运动，脱离排签板，此时的签子跟随下模盒体运动就不发生干涉。 第3章 控制系统3.1 液气控制原理设计1.油缸 2.油缸 3.单向阀 4.2位3通电磁阀 5.2位3通电磁阀6.2位4通电磁阀 7.2位3通电磁阀 8.3位4通电磁阀图3-1液压控制原理图如图
16、3-1所示：以虚线左边为上压板控制原理；右边为压签板控制原理(1) 上压板工作系统控制说明如图3-1虚线左边所示，图中8为3位4通阀，中位机能选择O型是因为驱动上压板的液压缸在不工作时要自锁，保持其工作位置；其它两换向位为分别控制上行和下行的功能；7为2位3通阀，它的功能是通过换向接通不同的工作系统(2) 压签板工作系统控制说明如图3-1虚线右边所示，其为带补偿措施的串联液压缸同步回路，其补偿原理为：当2为4通电磁阀 右位接入时，两液压缸活塞同时下行，若缸1的活塞先运动到底，它就触动行程开关a使阀5通电，压力油经阀5和液控单向阀3向缸2的B腔补油，推动活塞继续运动到底，误差即被消除。若缸2先到
17、底，则触动行程开关b使阀4通电，控制压力油使液控单向阀回油，其活塞即可继续运动到底2。3.2 单片机控制设计 (1) 具体实现方法具体控制各个机构的实现方法：采用接受和忽略中断来控制，P0口作为数据输出口，工作时，单片机在接受响应的时，将P0置数，P0口再输出相应控制数据，通过一个逻辑电路做相应的逻辑运算，来控制各个对应驱动终端的运动状态，P0口输出结构功能设计如表3-1所示：表3-1 P0口输出结构功能D7D6D5D4D3D2D1D0无效位电机电磁离合器2位3通电磁阀2位4通电磁阀3位4通电磁阀D1 D0: 00 中位接通(中位机能) 01 下行接通 10 上行接通D2 ： 0 左位接通1
18、右位接通D3 ： 0 左位接通1 右位接通D4 ： 0 V带轮联结1 气压泵带轮联结D6 D5: 00 停止转动01 电机正转10 电机反转 以上电磁阀动作方向参考图3-21. 3位4通电磁阀阀 2. 2位3通电磁阀 3. 2位4通电磁阀图3-2(2) 程序编译各个阶段各原件状态图如图3-3:各个阶段各原件状态图3-3对应到单片机中P0口各个阶段置位源码:(1)00100000=32H(2)00110001=49H (3) 00111000=56H (4) 00111100=60H (5)00110010=50H (6) 01000000=256H(7)00000000=0H复位是通过中断0来
19、实现；工作过程中调用的是中断1，程序编译如下：ORG 0000HAJMP MAINORG 0003HAJMP INT0ORG 0013HAJMP INT1MAIN: SETB EA SETB EX1 SETB EX0 CLR IT1 CLR IT0 SETB PX0 CLR PX1 AJMP $INTO: MOV R0 , #00H MOV A , #00H MOV P0 , #32H INC R0 RETIINT1: INC A CJNE A , R0 ,AJMP C1 INC R0 AJMP OVER C1: INC A CJNE A , R0 , AJMP C2 MOV P0 , #49
20、H INC R0 AJMP OVER C2: INC A CJNE A , R0 ,AJMP C3 INC R0 AJMP OVER C3: INC A CJNE A , R0 ,AJMP C4MOV P0 , #56H INC R0 AJMP OVER C4: INC A CJNE A , R0 , AJMP C5 INC R0 AJMP OVER C5: INC A CJNE A , R0 , AJMP C6 MOV P0 , #60H INC R0 AJMP OVER C6: INC A CJNE A , R0 ,AJMP C7 MOV P0 , #50H INC R0 AJMP OVE
21、R C7: INC A CJNE A , R0 , AJMP C8 INC R0 AJMP OVERC9: INC A CJNE A , R0, AJMP C10MOV P0 , #256H INC R0 AJMP OVER C10: INC A CJNE A , R0 ,AJMP C11 INC R0 AJMP OVER C11: INC A CJNE A , R0 , AJMP GZDAWN MOV P0 , #00HOVER: RETI 第4章 理论校核4.1 末端执行件受力分析分析排签盒结构，受力为轨道接触摩擦力和因弹簧压缩引起的摩擦力(1) 计算查GB、T197.320054弹簧选取
22、如下表表4-1代号：Y 0.45X5X11-GB/T20895材料直径弹簧中径实验负荷最大心轴直径最小套筒直径有效圈数0.45mm5mm6.653N3.64mm6.54mm3.5mm自由高节距弹簧刚度11mm2.53mm0.914N/m 设计中采用最大压缩量（3-5）采用L=3.5 = xL=3.5x0.914=3.199N4有8处安装弹簧： F=8x=25.592N经分析，在曲柄滑块机构的两个极位时受负荷最大： =Fxf f:摩擦因子 f:摩擦因子选取：导轨选取5,材料：聚4氟乙烯6，具体信息如下表4-2表4-2聚4氟乙烯-滑动速度与摩擦因子6滑动速度0.852011036053072012
23、00摩擦因子0.030.030.030.030.040.040.040.05估计V不会超过110m/s : 因此f=0.03 =Fxf=25.592x0.03=0.78N在此是将滚动摩擦用滑动摩擦近似的计算,材料用聚4氟乙烯近似注塑材料聚苯乙烯：因此近似可用：为了不让近似远离影响实际受力：将受力放大到2N,=2N; 模型中：=247.5mm =386.5mm受力分析如图4-1：图4-1 (1)连接滑块的杆2与水平方向的夹角为 ，从变换到过程中水平方向受力为一恒力： =2N+ (2)盒体V=450x110x300=0.01485 则：=gpvf 盒体材料选取：聚苯乙烯 p=1.041.08=10
24、4108 取p=106 =gpvf=106x0.01485x9.8x0.03=0.46N 取=1N 则：=2N+=1+2=3N (4)由沿着杆2的竖直方向上的分压力F产生的摩擦力 =Fx0.03 (5)各个点力的计算： =3N =0 631-385=0 =0 631+246-MA=0 =0 =+xf =0 = = 推出： =1.64 MA=x1034.44N/mm =3+x0.03 =0.37N MA=382.7N/mm4.2 电机选择及整体传动图的设计(1)鉴于输出转矩很小：MA=382.7N/mm =T (2)末端执行件的转速n一般很小根据： n=9550x因此P很小：电机选如下表4-3
25、Y132S87型号额定功率满载转速额定转矩最大转矩质量Y132S82.2KW710r/min2.0N/mm2.0N/mm63kg (3)整体传动平面图的设计如图4-2 1.小V带轮 2.大V带轮 3.d=63平带轮 4.d=63平带轮5.小齿轮 6.大齿轮 7.d=100平带轮 8.d=100 平带轮 图4-24.3 V型带设计 (1) 计算功率： 查表3188：得 =1.0 = xP=2.2KW(2) 选V带型号：根据= xP=2.2KW，= 710r/min,又图13158查出坐标系点在A型带选域内，按A型带计算： (3) 选大小轮基本直径： 查表1398，不小于75mm 则选用=75mm
26、 =i(1-)=6x75(1-0.02)=441mm 查表1398：取=450 (正符合i=6) (4) 验算带速： V=2.782.8m/s V不在（525m/s）的范围内，V过小，传递的功率小，在此，所需要的输出功 率就是很小，因此，这样设计可看作是合理设计(5) 求V带基准长度和中心距a: 初步选取中心距0.7(+)a 合适(7) 求V带根数：z 由式13158得： z= 令=710r/min =75mm 查表1338得： =0.41kw 由式13198得传动比： i=6.12 查表1358得：=0.087kw 由=，查表1378得=0.91 查表1328得=1.06 Z=4.58 取V
27、带5根：(8)作用在带轮上的力： 查表1318得q=0.1kg/m,故由式13178得单根V带的初拉力 =()+q=138.0982138.1N 作用在轴上的压力： =2z1328N(9)带轮结构设计： 小带轮：d=75mm 实心式 查表1310: 结构参数 = =6 =9 =9 取为10 e=150.3 =2.75 B=5x15+20=95mm da=75+6=81mm 大带轮：d=450 350mm 轮辐式 结构参数： B=95mm da=456mm 4.4 平带设计 (1).计算功率： =xP =1.1表8-79选取：载荷变动小) P=Mgxfxv v=0.41m/s (冲击惯性小) f
28、:摩擦因子选取：查塑料导轨5材料：聚4氟乙烯6表4-4聚4氟乙烯-滑动速度与摩擦因子滑动速度0.85201103605307201200摩擦因子0.030.030.030.030.040.040.040.05估计V不会超过110m/s : 因此f=0.03将M放大(估算) M=10Kg P=10x9.8x0.03x0.41=1.2w(极小) 因此可将皮带传送看作是只有导向作用即可：在此：只进行张紧力的计算和带的标准化(2).中心距： 1.5() =a= 5() a=5()=5(112+112)=1120mm(3).带长： L2a+2592mm(4).小带轮包角： 开口传动：=x57.3=(5)
29、.带厚： =1.2X3=3.6 ( Z取3层)(6).带的截面积： A= 9选取 :由表8209选取 :由表8219选取 相对极小：A1 (7).带宽： B= 由于A极小：为了传动稳定及安装的考虑，取标准值B=40(查表8179) (8).带的正常张紧力： =1.6MPa(段距离普通传动)(9).有效圆周力： =2.89N 作用在轴上的力：=2XXbX=460.8N 考虑到新带的最初张紧力为正常张紧力的1.5倍对轴的影响： =1.5=691.2N4.5 二级传动设计(1) 运动分析：根据：平带V=0.41m/s ，行程长度s=580mm,则t=1.42s,根据运动关系，平带一个行程，曲柄滑块机
30、构中的曲柄要旋转一周，则曲柄转速=x6042.25r/min传动比为=2.8为了使结构紧凑，将此传动分为2级传动，i= =2.8引进齿轮传动，并将所有传动比分配给齿轮传动，结构更紧凑 =2.8 =1 4.5.1 齿轮传动设计(1) 功率：=2.09KW(2) 传动比：i=2.8(3) 各轴转速： =118.3r/min =42.25r/min(4) 各轴功率： =2.09KW =2.0482KW(5) 各轴转矩：=9550=168.72N/mm =9550=477N/mm(6) 选材：确定许用应力小齿，大齿均选45 正火 取安全系数：SH=1.0 SF=1.25 表1158 =375MPA =
31、248MPA 由于齿面为软齿面，按A方案，后校核弯曲强度，(7) 齿面接触疲劳强度计算： b=17.5 取=18 =168.72N/mm =0.35（悬臂设计，表1118） K=1.4(表1138) =188.9 =2.5 (表1148) ）=） =13.76mm(8) 最小取13.76mm 现取，m=2.5 =20 =50 =i=91.7 取=92则=m=230(9) 中心距a: a=m()=140 (满足位数为0或5)(10) 齿根弯曲强度校核： ； 查图11-88:=2.94图11-98：=1.56 ; 查图11-88: =2.25图11-98：=1.8 = =0.963MPA (满足)
32、 = =0.85 MPA （满足）(11) 齿轮圆周速度： V=0.3m/s 4.5.2 方案一：采用链传动(1) 链轮齿数：已知 =2.0482KW =25.8r/min i=1查表13128：小链轮齿数：选=23 则大连轮齿数： =23(2) 链条节数：根据P2049：脉动载荷：无张紧装置：25p 选=17p则=+(=57则取链条节数为=57 （奇数：需要过渡链条）(3) 计算功率：由表13159查得：=1故=xP=2.048kw(4) 链条节距：由式9：估计链条传动工作于图9所示曲线的右侧（冲击疲劳）（采用单排链：故076又图9查的当=25.8r/min时，的链条能传递的功率为（由书P2
33、34，V076),故采用16A链条，节距P=25.4mm（查表13119）(5) 实际中心距：a=17P=431.8mm(待模型检验)(6) 计算链速： V=0.25m/s(7) 作用在轴上的压力： 如前所述： =(1.21.3)F F=1000=8.192N =(1.21.3)F=10.6496N(8) 链轮的主要尺寸：带轮参数： Z=23查表969： 链轮轴孔的最大直径=109mm基本尺寸： 查表989： 分度圆直径： d=186.76mm 节圆直径： d=186.76mm 齿顶圆 =p(0.54+)=199mm(为3圆弧1直线) 齿根圆 =d-=18.76-15.88=170.88mm
34、滚子圆直径：=15.88mm(查表13118)(9) 传动布置 无张紧装置1011(10) 最终输出: =9550=740.3N/mm MA=382.7N/mm (可带动，设计合理)4.5.3 方案二：带轮传动 (1) 选定胶带： 胶帆布平带 (2) 小带轮(棘轮特性)直径： =(11001350) =1100100mm (3) 带速： V=0.221m/s30m/s(4) 大带轮直径： i=1 =100mm(5) 轴间距： a=(1.52)() 且：1.5() =a= 5() 由结构定(6) 所需带长： 开口传动： L2a+ 待定(7) 小带轮包角： 开口传动：=x57.3=(8) 曲绕次数： y= m:带轮数 =(610)(9) 带厚： ：) 由表10334 取=3.6 (10) 带的截面积： A= ：，4 ，4 :传动布置系数，由表1037选取，=14 :胶带单位截面积所能传递的基本额定功率，查表10354 , A=3.2 (11).带宽：b=0.8mm 由表10334选取b=20mm (12).作用在轴上的力： =2XXbX=115.2N ：带的预紧力 (13)带轮的结构和尺寸： 采用实心轮，查表：10464: d=100mm; b=60mm 采用带传动要比链传动有优势：占空间少，结构紧凑，链传动考虑到链的标准化后所占空间过大，因此：采用带传动适宜。
