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炒菜機關(guān)鍵機構(gòu)研究方案和設(shè)計(已改無錯字)

2023-05-24 04:39:27 本頁面
  

【正文】 最小值,即w<。綜上所述,取w=2π,即鍋具的晃動頻率為1Hz,動力曲柄的長度為30mm,鍋柄長450mm,中間支點到曲柄轉(zhuǎn)動軸長為170mm。顛鍋運動同樣需要一定的加速度,只有機構(gòu)所提供的最大加速度大于g才能使物料在鍋內(nèi)運動。由于在平晃優(yōu)化過程中,機構(gòu)各桿尺寸參數(shù)已經(jīng)確定,所以只能通過改變曲柄轉(zhuǎn)動頻率來改變加速度的大小。在軌跡橢圓短軸處:222212211 ()wr LgLr awrwr ?== = KKK短 ;代入1r=30mm,1 L=170mm,2 L=450mm,得: 22 / wrads ;在軌跡橢圓長軸處:2222122wr Lgrawrwr == ≈ KKK長 ;代入1r=30mm,2 L=450mm, 1 r= 得: / wrads ;取w=4π,即鍋具顛動頻率為2Hz。把上述優(yōu)化后的結(jié)果,在Solidworks里建模,利用其插件COSMOSmotion作運動分析,得到鍋具的運動學(xué)特性。圖316是鍋具運動的軌跡圖,它近似一個橢圓,晃鍋運動和顛鍋運動的軌跡是一樣的,只是所在平面不同而已。圖317是平晃在X方向上位移,最大值與最小值的差恰好等于曲柄長的兩倍長,反映了鍋具在X方向上的移動范圍;圖318是平晃在Y方向上位移,最大值與最小值的差是橢圓長軸的大小,反映了鍋具在Y方向上的移動范圍。圖319和圖320分別反映了鍋具平晃過程中在X方向和Y方向上的加速度,為了能讓物料在鍋內(nèi)動起來,要求有 2 ma umg a ug ?=,從圖中看出加速度大于22/ ms的位置點很多。此外,物料不能飛出鍋外,則 / ams ,所以鍋具晃動頻率選定1Hz能夠滿足要求。圖321和圖322分別反映了顛鍋過程中在Z方向的加速度和總的加速度,為了能讓物料在鍋內(nèi)顛動起來,則要ag 。所以選擇顛鍋頻率為2Hz能夠滿足要求。 鍋具結(jié)構(gòu)設(shè)計 鍋具動力傳動分析整個鍋具運動的動力來源于同一個電機,通過齒輪箱傳遞給每一種執(zhí)行機構(gòu),靠三個電磁離合器的離、合來達到功能的分解,如圖323所示。聯(lián)結(jié)在軸三上的電磁離合器一工作時,電機帶動曲柄盤轉(zhuǎn)動,完成晃鍋和顛鍋動作;聯(lián)結(jié)在軸五上的電磁離合器二工作時,電機帶動軸七轉(zhuǎn)動,完成鍋具平晃和顛動動作切換;聯(lián)結(jié)在軸六上的電磁離合器三工作時,固定在軸六上的齒輪和齒條嚙合,達到整個機構(gòu)移動。a) 晃鍋和顛鍋圖324是晃鍋和顛鍋動作的傳動簡圖,把空間三維機構(gòu)在一個平面上展開,更直觀地表達出傳動關(guān)系。當(dāng)電磁離合器一上電工作時,軸三帶動軸四轉(zhuǎn)動,通過兩對皮帶輪將動力傳送到軸九上,換向齒輪箱僅改變動力轉(zhuǎn)動方向,最后由軸十將動力輸出,帶動曲柄盤轉(zhuǎn)動。圖中沿虛線以下的部分,均固定在軸七上,同時軸七又作為切換機構(gòu)的一個實現(xiàn)機構(gòu)??偟膫鬟f比為:b) 切換動作圖325是切換機構(gòu)傳遞簡圖。此時電磁離合器一不工作,軸三上的齒輪與軸三靠軸承連接,所以軸三不再轉(zhuǎn)動,鍋具也就不再晃動或顛動,安裝在軸三上的齒輪帶動軸五上的齒輪轉(zhuǎn)動,當(dāng)電磁離合器二上電時,使軸五和安裝在其上的大齒輪一起轉(zhuǎn)動,進而通過軸五上的小齒輪帶動軸七轉(zhuǎn)動90176。,使將軸七做為支撐板的部分(圖324中虛線以下的部分)均轉(zhuǎn)動90176。,達到切換晃鍋和顛鍋的目的。其傳遞比:253713232 46 42 26 46 38 5zzz zizz zz== = 大大小小c) 整體移動圖326是整體移動傳遞簡圖。此時電磁離合器一和電磁離合器二均不工作,軸三和軸五均不轉(zhuǎn)動,鍋具和切換機構(gòu)均不動作。當(dāng)電磁離合器三上電時,電機工作,軸六右邊的齒輪和離合器連在一起帶動軸六轉(zhuǎn)動,安裝在軸六左邊的齒輪和固定在基架上的齒條嚙合,整個齒輪箱就可以在軌道上前后滑動,方便出菜和上料等工序。其傳動比為: 2 3613232 46 26 46z zz izz z === 大小 鍋具設(shè)計結(jié)構(gòu)布局簡圖結(jié)構(gòu)設(shè)計除了要保證產(chǎn)品的功能之外,還要考慮到節(jié)約材料、減少成本、整體美觀、結(jié)構(gòu)可靠[40]。在鍋具結(jié)構(gòu)設(shè)計中,從節(jié)省動力源件和安裝位置方面考慮,采用齒輪箱傳送動力比較合適。由于其傳動比較復(fù)雜,用二維簡圖很難表達清楚,因此我們采用Solidworks三維建模,如圖327和圖328所示。圖327是隱藏了齒輪箱體看到的其內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡圖,在軸三、軸五和軸六上分別裝有電磁離合器,各軸轉(zhuǎn)動動力靠齒輪或皮帶輪傳遞。整個工作過程中,電機功能的分解是由離合器的離、合來決定的,不同的離合器工作,實現(xiàn)不同的功能。圖328是從側(cè)面看到的齒輪箱結(jié)構(gòu)簡圖。齒輪箱體隱藏了電機動力傳送路徑,工作時鍋具和鍋具把柄連接在一塊,一起繞前面的支點(圖中沒有畫)轉(zhuǎn)動。軸十是換向齒輪箱的輸出軸,它帶動曲柄盤轉(zhuǎn)動,是鍋具晃動和顛動的動力源。軸七是改變鍋具運動狀態(tài)的重要部件,通過套筒的巧妙結(jié)構(gòu)切換平面晃動和顛鍋運動。軸六的轉(zhuǎn)動會讓其上的齒輪和安裝在齒輪箱下面的齒條嚙合,達到整個機構(gòu)運動的目的,方便出菜和上料等工序。 主要零部件設(shè)計1) 電機的選擇電機的選擇要充分滿足鍋具運動所需要的最大扭矩,在步進電機的選擇中,還要考慮步距角、步距精度和相數(shù)等參數(shù)。鍋具在運動過程中所需要的力矩估算如下:M Fr = 。設(shè)鍋具及其內(nèi)的物料總重5kg,當(dāng)曲柄勻速運動時,它所受到鍋具最大的反作用力是在曲柄轉(zhuǎn)動到最右端位置處,max21LFmgL= ,所以21max max =? == ,如果再考慮鍋具把柄的重量和曲柄滑塊運動過程中的摩擦力,取 5 M Nm =?。齒輪箱的傳動過程中存在著力矩放大和克服摩擦分耗力矩兩種情況。從前面的分析中可以看出,此時共有六對齒輪或帶輪嚙合,九付軸承參與運動,為了克服這些運動部件之間摩擦力,必須要選擇足夠大力矩的電機。由于從理論分析上無得到電機所用力矩的精確值,所以我們只能估計所需電機力矩的范圍,這里取能提供大于10Nm? 的電機。表32是選用的步進電機參數(shù),型號為110HS20,其保持轉(zhuǎn)矩為20 . Nm。2) 箱體圖329是齒輪箱的結(jié)構(gòu)簡圖,反映了七根軸在齒輪箱上的擺放位置及相互尺寸關(guān)系。該箱體寬200mm,壁 厚20mm,采用鑄造的方式加工,經(jīng)回火處理后再鉆螺釘孔來安裝軸承蓋。3) 齒輪該齒輪箱共有齒輪11個,分別安裝在軸一(電機軸)到軸七上,其主要特征參數(shù)如下(未標(biāo)注均指對所有的齒輪):模數(shù): m= ;齒數(shù):118 z = ;232 z大= ;226 z =小 ;346 z =大 ;336 z小= ;436 z = ;542 z =大 ;538 z小=;656 z = (兩付);782 z = ;壓力角:a=20176。;精度等級8級4) 其它零件上面介紹了幾個主要零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計,對于整個鍋具的運動還需要其他輔助零件的支持。軸承、鍵和螺釘?shù)葮?biāo)準(zhǔn)件可以根據(jù)各自所要承受的最大載荷及設(shè)計要求查機械設(shè)計手冊得到,其它非標(biāo)準(zhǔn)件的結(jié)構(gòu)設(shè)計可以根據(jù)其各自的安裝尺寸和配合關(guān)系來確定,此外,還要考慮到本產(chǎn)品還只是處于實驗設(shè)計階段,一些零部件的尺寸最好具有互換性和可調(diào)性。 本章小結(jié)本章詳細(xì)分析了三種鍋具實現(xiàn)方案的優(yōu)缺點,選定最佳方案對其進行結(jié)構(gòu)設(shè)計。主要做了以下幾個方面的工作:1)對構(gòu)思的三種實現(xiàn)方案進行分析、比較,確定可行性方案;2)建立數(shù)學(xué)模型,計算機構(gòu)所能提供的加速度,篩選合適的結(jié)果,接著在Solidworks下建模、仿真并輸出其位移、速度等參數(shù),進一步判斷是否滿足設(shè)計要求;3)對優(yōu)化后的機構(gòu)進行結(jié)構(gòu)設(shè)計,得到各零件的結(jié)構(gòu)圖,然后在Solidworks下建模,分析,檢查是否有干涉、碰撞等問題。4 控制系統(tǒng)設(shè)計 控制系統(tǒng)的設(shè)計要求自動炒菜是工具模塊、鍋具模塊、火控單元、加料單元等所有運動部件相互協(xié)調(diào)、相互配合的結(jié)果。控制系統(tǒng)相當(dāng)于自動炒菜機的神經(jīng)中樞,它指使每一個部件在特定時間內(nèi)完成特定的動作,而且彼此間不能發(fā)生干涉。系統(tǒng)設(shè)計的好壞是炒菜機自動化程度水平的直接體現(xiàn)。下面是本課題的控制系統(tǒng)應(yīng)實現(xiàn)的具體要求:具有先進的控制功能和良好的可操作性能,提供手動和全自動兩種工作模式;手動模式炒菜時,系統(tǒng)具有記錄每一步動作參數(shù)(頻率、幅度、時間等)并保存為制菜文件(菜單)的功能,方便炒菜過程再現(xiàn);自動模式下,具有用戶點菜的功能,系統(tǒng)根據(jù)用戶選定的菜單自動復(fù)現(xiàn)該種菜的制作過程;提供計算機監(jiān)控能力,即時將標(biāo)準(zhǔn)的菜肴文件格式進行圖像化的顯示,方便使用人員對整個炒菜過程系統(tǒng)地操作;具有遠(yuǎn)程操作功能,可實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化控制;良好的安全性,可靠性,可維護性,可擴展性; 炒菜機控制系統(tǒng)設(shè)計 炒菜機控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖自動炒菜機采用PC機和PLC聯(lián)合控制,整個控制關(guān)系如圖41所示。PC機應(yīng)用于用戶層,將示教系統(tǒng)返回的炒菜參數(shù)以一定的格式保存為菜單文件并進行處理,同時將該炒菜參數(shù)傳送給PLC,使之驅(qū)動炒菜機構(gòu),完成炒菜動作。采用這種設(shè)計方法的好處有:示教系統(tǒng)和炒菜系統(tǒng)分開,只要定義好兩者的接口,就可以分開設(shè)計,具有優(yōu)良的軟件設(shè)計風(fēng)格;不需要在每一臺炒菜機上都裝上示教系統(tǒng),大多數(shù)用戶只用在PC機上選擇不同的菜單就可以達到炒不同菜肴的目的;PC機可以遠(yuǎn)離控制現(xiàn)場,起到保護用戶和相關(guān)設(shè)備的作用PC機提供了一整套菜肴管理與定制的控制模塊。首先,它與視教儀接口函數(shù)進行實時的數(shù)據(jù)傳輸,將視教儀傳輸過來的數(shù)據(jù)按照一定標(biāo)準(zhǔn)格式進行編碼(制定一套標(biāo)注菜肴文件格式,并且編寫菜肴文件格式的編制和讀取的標(biāo)準(zhǔn)接口函數(shù),打包成標(biāo)準(zhǔn)的Windows動態(tài)連接庫DLL函數(shù)方便各種高級語言的調(diào)用);將編碼通過文件系統(tǒng)以文件的格式存入計算機的硬盤,作為標(biāo)準(zhǔn)的菜肴文件,每種菜肴針對不同的菜肴文件。其次,它具有一套完整的處理模塊,可以將標(biāo)準(zhǔn)的菜肴文件格式進行圖像化的顯示,大大方便使用人員對整個控制系統(tǒng)地操作,并且可以調(diào)用不同的效果模板進行創(chuàng)造性的操作。此外,它還與PLC通信,傳遞炒菜參數(shù),實現(xiàn)炒菜功能。在PLC中編寫許多動作的標(biāo)準(zhǔn)子程序,PC機通過串口將這些子程序的參數(shù)入口傳遞給PLC,PLC根據(jù)傳遞的參數(shù)進行相應(yīng)的動作控制。由于需要實時性要求,PC機傳遞的參數(shù)要求盡可能的少,因此將每個控制模塊定義為一個控制對象,針對每個控制對象定義不同的控制寄存器,只需要將這些不同的控制寄存器的值傳遞給PLC就可以高效的進行實時控制。PLC的控制部件還實時的將當(dāng)前的運行狀態(tài)反饋給PC機,并且由PC機的三維顯示模塊和各種監(jiān)控界面進行顯示。 PLC選擇PLC是可編程邏輯控制器(Programmable Logical Controller)的簡稱。它是在繼電器控制和計算機控制的基礎(chǔ)上開發(fā)出來的。在可編程邏輯控制器誕生之前,工業(yè)電氣自動化控制主要采用傳統(tǒng)的繼電器控制方式,這種方式往往需要在多種低壓電器之間進行復(fù)雜的硬件接線,才能實現(xiàn)某一固定的邏輯功能。PLC是一種新型通用的自動控制裝置,它將傳統(tǒng)的繼電器控制技術(shù)、計算機技術(shù)和通訊技術(shù)融為一體,專門為工業(yè)控制而設(shè)計,具有功能強、可靠性高、通用性好、編程方便、體積小、重量輕、設(shè)計、施工和調(diào)試周期短等優(yōu)點,因此在工業(yè)控制方面的應(yīng)用極為廣泛。目前PLC技術(shù)、CAD/CAM技術(shù)和機器人技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成為現(xiàn)代工業(yè)自動化的三大支柱。PLC的出現(xiàn)開創(chuàng)了以微電子技術(shù)為核心的數(shù)字化電氣控制技術(shù)的新局面[4148]。PLC作為工業(yè)自動化的核心設(shè)備其應(yīng)用極為廣泛,可以說只要有工廠,有控制要求,就會有PLC的應(yīng)用。由于PLC的品種、型號、規(guī)格、功能各不相同,綜合多種因素考慮,本設(shè)計選擇了日本OMRON公司生產(chǎn)的CMP2A型機。因為CMP2A型機具有以下幾方面的優(yōu)點[49]CMP2A型機專用于開關(guān)量控制,其體積小,安裝起來節(jié)省空間;功能強:它不僅具有邏輯控制功能,而且還增加了數(shù)據(jù)運算、傳送與處理功能,成為具備計算機功能的一種通用工業(yè)控制裝置;性價比高:CMP2A型機采用的是箱體結(jié)構(gòu),其價格便宜,可靠性高;易于擴展:該機型的任一種CPU箱和任一種擴展箱均可配置在一起,因此,壓戶可根據(jù)所需的I/O點數(shù)進選件配置,使用靈活、方便。 硬件資源整個控制系統(tǒng)除需要PC機和PLC控制器之外,還需要電機驅(qū)動器、各類傳感器等其它的輔助控制元件。單就炒菜動作而言,主要的硬件資源如下:1) 工具擺動:步進電機I/O接口(脈沖輸出)1個步進電機驅(qū)動器(脈沖輸入)1個接近開關(guān)1個2) 工具轉(zhuǎn)動:步進電機I/O接口(脈沖輸出)1個步進電機驅(qū)動器(脈沖輸入)1個接近開關(guān)1個3) 鍋具運動:步進電機I/O接(脈沖輸出)1個步進電機驅(qū)動器(脈沖輸入)1個接近開關(guān)7個電磁離合器3個 運動控制模塊設(shè)計1) 工具運動工具運動主要包括兩個部分:擺動和轉(zhuǎn)動。它們分別由一
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