驅動直線步進機械設備的槽輪機構設計(6)

1、目 錄1 驅動直線步進機械設備的槽輪機構設計（6）11.1 設計題目11.2 設計任務11.2.1 設計參數11.2.2 設計內容11.2.3 設計要求11.2.4 設計任務21.2.5 設計資料22 槽輪機構運動分析22.1 槽輪機構運動特性分析22.2 動靜比的計算53 槽輪機構的動力學計算73.1 驅動直線步進機械設備扭矩的計算73.2 驅動功率的計算83.3 軸的強度校核94 槽輪機構結構尺寸設計114.1 槽輪主要結構尺寸計算114.2 槽輪機構結構型式124.3 軸的結構尺寸設計134.3.1 槽輪軸的尺寸設計134.3.2 曲柄軸的尺寸設計144.4 軸承及鍵的選擇144.4.1

2、 軸承的選擇144.4.2 鍵的選取145 設計體會及以后的改進意見15參 考 文 獻161 驅動直線步進機械設備的槽輪機構設計（6）1.1 設計題目：驅動直線步進機械設備的槽輪機構設計（6）一個外嚙合6槽槽輪機構，帶動一水平循環(huán)的傳送帶設備做步進運動。 1.2 設計任務1.2.1 設計參數（1）傳送帶上有40輛小車，每輛小車重20kg，小車與導軌間的摩擦系數為f=0.2；（2）間歇移動的距離為H=200mm；（3）運動-停歇的周期時間為10s；（3）槽輪機構的傳動效率為0.9；（4）槽輪軸立式安裝，工作臺通過一組軸承與機架相連。1.2.2 設計內容（1）根據要求，確定工作臺的靜止和轉位時間；

3、（2）計算主動撥銷的轉速；（3）計算槽輪軸上的最大扭矩和平均扭矩；（4）對槽輪進行運動學分析。列出槽輪的角位移、角速度和角加速度的方程，并做出相應的曲線圖。（5）對槽輪進行受力分析。計算轉臂軸上需要的最大驅動力矩和平均功率，確定驅動電機的功率；求出撥銷和轉臂之間的最大反力，校核轉臂軸直徑和槽輪軸直徑是否滿足強度和剛度要求。1.2.3 設計要求課程設計是一必修的實踐性教學環(huán)節(jié)，所有學生必須重視、認真對待，必須獨立按時完成課程設計任務，遵守設計紀律，嚴禁雷同、抄襲。圖紙要求：使用計算機軟件繪圖，注意裝配圖、零件圖的標注內容及格式，要求標注完整、規(guī)范，結構合理。說明書要求：按照陜西科技大學課程設計的

4、格式規(guī)范，內容詳實，分析合理，計算又據，數據可靠。1.2.4 設計任務（1）槽輪機構及其轉臂組件的裝配圖（含箱體，工作臺）。（2）槽輪機構的詳細圖紙（包含組件圖和零件圖）。（3）圖紙量最少為1張裝配圖和3張零件圖。1.2.5 設計資料（1）課程設計說明書（統(tǒng)一左側裝訂）（2）相關設計圖紙（總計不少于4張）（3）陜西科技大學課程設計評分表（網上下載，不同說明書裝訂在一起，填寫完整的設計題目，姓名等相關資料，并注意評分表下面的日期為2012年）2 槽輪機構運動分析2.1 槽輪機構運動特性分析從結構原理上分析，槽輪機構實際上是曲柄導桿機構的一種變型。在槽輪機構運動過程的任一瞬時，如圖2-1所示，槽輪

5、的轉角和曲柄的轉角之間的幾何關系為圖2-1 槽輪機構運動特性計算圖令，把它代入上式，得（2-1）將上式對時間逐次求導，即得槽輪運動的角速度和角加速度為。（2-2） (2-3)式中為曲柄轉角若滿足槽輪機構運動平穩(wěn)無沖擊的要求，則撥銷在進入退出槽輪的速度和加速度為最小值。于是，由式（2-2），得 式中為撥銷進入槽輪時的角速度，為相應于時的曲柄轉角。即（2-4） 所以當曲柄撥銷在垂直角進入時可以避免第一沖擊，此時槽輪的角加速度由式（2-3）可得，式中為撥銷進入槽輪時的角加速度， 將代入上式可得可見，曲柄銷進入槽輪時存在角速度產生的第二沖擊。由圖2-1知，槽輪機構角速度變化曲線是對稱于位置的，在時達最

6、大值。這對其他槽數的槽輪機構也都成立。只要用帶入式（2-2），即可求得槽輪的最大角速度為（2-5）槽輪角速度最大值并不發(fā)生在位置。對它求一次倒數并令它等于零得（2-6）角速度分析，=0.5 = 0° 10° 20° 30° 40° 50°60°70°80°90° 10.9150.710.4770.2750.1180-0.087-0.015-0.2角加速度分析= 010°20°30°40°50°60°70°80°90&

7、#176;0-0.929-1.335-1.272-1.029-0.8-0.577-0.428-0.319-0.246 圖2-2 角速度變化曲線圖2-3 角加速度變化曲線2.2 動靜比的計算 設槽輪有個均勻分布的徑向槽，槽輪每一次轉動過程的轉角為主動件相應的轉角為。由此得槽輪的轉角（2-7）槽數為6，代入公式得，曲柄的轉角（即轉臂或撥銷盤的轉角）（2-8）槽數為6，代入公式，得將值代入下式 設槽輪在一個循環(huán)周期中的運動時間為靜止時間為，曲柄銷轉一周的時間為T。（2-9）將式代入以上兩式，得3 槽輪機構的動力學計算3.1 驅動直線步進機械設備扭矩的計算 在傳送帶上，這種機械設備一般都在低速情況下工

8、作，計算扭矩時，通?？珊雎詰T性力矩而僅考慮摩擦阻力矩。由功率相等原理有：(3-1)式中 F-機械設備的生產阻力，如傳送帶與支撐導軌間的摩擦力（N） dh-機械設備的微小位移量（m） M2-槽輪軸上的平均扭動轉矩（NM） d-槽輪的微小轉角（rad） (3-2)式中 H機械設備的最大步進位移量（m） 槽輪的槽間角（rad）將 f=0.2 N=40 m=20kg代入上式F= Nmgf=40209.80.2=1568 N為槽輪軸上平均驅動轉矩，主動撥銷盤支承軸上的扭矩Mc為： (3-3)式中 Mc撥銷盤支撐軸上的扭矩 槽輪轉動的角速度 0撥銷盤轉動的角速度 槽輪機構的傳動效率 將式（3-2）代入上式

9、并按最大扭矩計算得3.2 驅動功率的計算槽輪軸上所需的最大功率為（3-4）主動轉臂軸上所需的驅動最大功率為（3-5）轉臂軸上需要的平均功率為（3-6）查自動機械設計表7-2知：Z=6時，如果由電動機來驅動單個槽輪機構，則電機的額定功率乘以過載系數一定要大于槽輪機構的最大功率。上式求出的P2需除以過載系數后后選擇驅動電機的額定功率，此時選電機的過載系數為1.8，則我國普通電機的過載系數為1.82，由表可以看出，z6的槽輪機構其比例系數大于電機的過載系數，所以在設計槽數較少的槽輪機構時，選擇電機的額定功率應適當的大于他的平均功率。即選用電機的功率為選取小功率電動機，選擇YC系列功率為0.25kW

10、轉速1400r/min此時通過用無級降速器降到6r/min。3.3 軸的強度校核軸受彎矩不大，所以按扭轉強度條件計算，軸的扭轉強度為(3-7)式中 扭轉切應力，； T軸所受的扭矩，Nm；軸的抗扭截面系數，；n軸的轉速，r/min；P軸的傳遞的功率，kW；d計算截面處軸的直徑，mm；許用扭轉切應力，單位,由上式可得軸的直徑(3-8)按最大功率校核，軸選用45號鋼，則將P1max=0.19kw，P2=0.21kw,n=6rmin代入上式計算得出槽輪軸的直徑：主動曲柄的直徑：當軸截面上開有鍵槽時，應增大軸徑以考慮鍵槽對軸的強度的消弱。對于直徑mm的軸，有一個鍵槽時，軸徑應增大5%7%。故槽輪軸的直徑

11、：主動曲柄的直徑：4 槽輪機構結構尺寸設計 4.1 槽輪主要結構尺寸計算槽輪機構的主要結構尺寸取決于機構所能傳遞的扭矩，即應具備的強度條件。這和機構的使用情況，材料、熱處理、加工裝配技術，結構形式等許多影響因素有關。設計時，通常根據工藝要求、布局條件選定適當的中心距和槽數。圖4-1 槽輪機構簡圖(a)、中心距暫時選取中心距=180mm(b)、主動曲柄半徑r (c)、主動圓銷半徑ra(d)、槽輪名義半徑R 槽輪的名義外圓半徑是指當圓銷開始進入槽輪（即當圓銷中心A處在位置,如圖3-1）所示時槽輪軸心到滾子中心A之間的距離為.如果槽輪為外圓半徑則當圓銷進入槽輪時，將與輪槽兩側頂端有一間隙，使沖擊加劇

12、，這時槽輪實際外圓半徑應是槽輪軸心到輪槽邊延長線與圓銷切點D之間的距離，即(e)、槽深h(f)、槽頂厚，取b=5mm(g)、槽輪輪轂半徑(h)、曲柄軸半徑，(i)、鎖止狐半徑(j)、鎖止狐張角對定位精度要求較高時，剛可主動轉臂上鎖止弧所對中心角，應與槽輪在靜止時的轉臂轉角相等，故4.2 槽輪機構結構型式槽輪機構主動件的結構型式，可做成撥銷盤或曲柄，也可做成其他形式，如帶有撥銷的齒輪或蝸桿等。撥銷可做成懸臂式單支承或雙支承。單支承的剛度一般能滿足要求，且適應性強，故本次設計采用單支承。撥銷采用套在螺栓上的滾子（套筒）型式。槽輪尺寸較大時可做成鑲嵌式結構，在尺寸不大時可做成整體式結構，本次設計采用

13、整體式結構，以降低制造成本。4.3 軸的結構尺寸設計有上式計算知：槽輪軸的直徑：主動曲柄的直徑：綜合強度與經驗公式選取槽輪軸最小直徑為36mm，曲柄軸最小直徑為38mm可免去軸的較核。輪轂的長度D=(1.52)d，槽輪輪轂直徑為75mm，曲柄軸輪轂直徑為65mm繪制軸的結構簡圖543231圖4-2 軸的結構簡圖4.3.1 槽輪軸的尺寸設計（1） 確定各軸段直徑1段：d1=dmin=36mm，根據公式的估算值2段：d2=40mm，根據軸承的標準選取3段：d3=45mm，大于40mm減少加工4段：d4=48mm，安裝零件處的尺寸5段：d5=40mm，根據軸承的標準選取軸肩直徑取55、52，（2）確

14、定個軸段長度1段：l=70mm，估算值2段：l=20mm，根據軸承的標準選取3段：l=75mm，根據曲柄的輪轂長度計算4段：l=70mm，此處小于零件的輪轂長度5段：l=20mm，根據軸承的標準選取肩的寬度為5mm，因此軸的總長度為265mm4.3.2 曲柄軸的尺寸設計方法同上4.4 軸承及鍵的選擇4.4.1 軸承的選擇本次設計中由于槽輪作為傳動件所受的扭矩大于彎矩，且在軸向方向受力較少，因此本次設計中選用深溝球軸承。查機械課程設計簡明手冊表8-23深溝球軸承分別選為曲柄軸：一對圓珠滾子軸承6008配合槽輪軸：一對圓珠滾子軸承6009配合4.4.2 鍵的選取建的選擇包括類型選擇和尺寸選擇，鍵的

15、類型應根據鍵連接的結構特點、使用要求和工作條件來選擇，本次設計采用平鍵連接.鍵的尺寸按符合標準規(guī)格和強度要求來取定。鍵的主要尺寸為其截面尺寸（一般以鍵寬b×鍵高h表示）與長度l。建的截面尺寸bxh按軸的直徑d由標準中選定。鍵的長度L一般可按輪轂的長度來決定，即鍵長等于或小于輪轂的長度，且符合標準的長度系列。查機械設計表6-1可知直徑48的軸上選用bh=149,深度t為公稱尺寸7mm長度L=63mm直徑36的軸上選用bh=108,深度t為公稱尺寸7.5mm長度L=40mm直徑44的軸上選用bh=128,深度t為公稱尺寸4.0mm長度L=56mm直徑38的軸上選用bh=128,深度t為公

16、稱尺寸4.0mm長度L=45mm5 設計體會及以后的改進意見本次的課程設計也是大學生涯的最后一次課程設計，通過本次的課程設計，使我對原先學習過的知識進行了一次系統(tǒng)的溫故，把原先所學的知識進行了一次綜合。以前沒接觸過的槽輪機構，在這次課程設計中，通過查閱資料，對其結構，工作原理，有了一定了解。了解到當其他條件相同時，槽數越少，加速度越大，慣性沖級越強烈，磨損越嚴重，精度保持性越差。外槽輪機構雖然結構結構簡單和制造安裝方便，但運動性能不夠理想，而且調節(jié)性能差，因此限制了他的運動速度。雖然可以通過增加槽輪槽數來改善槽輪機構的運動特性，但槽數增加動靜比變大，生產率降低。為此可以利用具有規(guī)律性變速回轉特

17、性的機構，帶動槽輪機構的主動件做變速連續(xù)回轉運動，通過合理設計，使槽輪獲得動力特性性能良好的步進輸出運動。也可以通過改變主動撥銷回轉半徑，來改變特性。這次課程設計，使我從中學到了很多很容易被忽視的問題、知識點，課堂上也有部分知識不太清楚，因此不得不邊學邊用，時刻鞏固所學知識，甚至還培養(yǎng)了自己的耐心、細心、專心的性格。尤其是這次課程設計在即將到來的畢業(yè)設計之前，這對于明年的畢業(yè)設計肯定有莫大的幫助。課程設計不僅是對前面所學知識的一種檢驗，而且也是對自己能力的一種磨練。通過這次課程設計使我明白了自己原來知識還比較欠缺，自己要學習的東西還太多。有些東西以為學會了，但真正到用的時候才發(fā)現自己真的是捉襟見肘，所以我認為只有將學到的東西應用到實踐中去才達到受教育的目的。通過這次課程設計，我也明白了學習是一個長期積累的過程，在以后的工作、生活中都應該不斷的學習，努力提高自己知識和綜合素質。在本次設計中，得到xxx老師指導幫助，在此表示感謝！本次設計還有不足，希望老師批評指正，特此致敬！ 參 考 文 獻1 尚久浩,張淳主編.自動機械設