平尺刻線機-課程設(shè)計說明書-終極版

1、 課 程 設(shè) 計（ 課 程 實 習(xí) ）機械設(shè)計與制造主體實踐(一) 院（系、部）：機 械 工 程 學(xué) 院 姓 名：周 天 宇 同組成員：沈戊坤 梁磊 李東 金明旭 班 級：機電132 指導(dǎo)教師簽名： 徐 林 林 2015年 7 月 10 日·北京目錄1.1 機器的功能和設(shè)計要求 31.2 工作原理和工藝動作 41.3 擬定運動循環(huán)圖 51.4 執(zhí)行機構(gòu)選型和評定 61.5 機械運動方案示意圖101.6 執(zhí)行機構(gòu)的運動尺度設(shè)計111.7 機械傳動系統(tǒng)設(shè)計251.8 運動仿真271.9 飛輪設(shè)計282.0 設(shè)計結(jié)果得分析302.1 參考文獻302.2 設(shè)計體會301.1 機器的功能和設(shè)計

2、要求在很多具有定量要求的相對移動和相對轉(zhuǎn)動的零件上，于是需要有指示相對移動或轉(zhuǎn)動量的刻度線。平尺刻線機主要用于有相對移動零件的刻線工作。本課題設(shè)計通過機械化刻線，可以達到準(zhǔn)確度高、精確度高。減少了勞動力，提高了生產(chǎn)效率，降低成本，并且在研究時遇到的一些技術(shù)問題，通過認(rèn)真分析以解決，在今后的設(shè)計類的工作中也有一定的經(jīng)驗可循。1 機器的功能：平尺刻線機刻出的刻度線長度按十進制規(guī)律分為三種，分別指示一、五和十，并依次重復(fù)出現(xiàn)（如圖1.1所示）。顯然在加工時，平尺每送進1 mm，刻刀刻線一次，且能自動改變刻線長度。為了實現(xiàn)以上功能，平尺刻線機整體工作應(yīng)分為三種：(1) 刀具刻線工作（主工作）(2) 刀

3、架升降工作（輔助工作）(3) 平尺送進工作（輔助工作） 2 原始數(shù)據(jù)及設(shè)計要求：(1) 平尺毛坯的輪廓尺寸為：1040×30mm(長×寬)。 (2) 要求在平尺毛坯上按一定規(guī)律刻出不同長度的線條：短線10mm；中線13mm；長線18mm。相鄰兩條刻線之間的距離為1mm。從零起隔四條短線刻一條中線，隔九條刻線刻一條長線，然后依次重復(fù)。 (3) 刻線深度為0.5mm，深度要均勻，為防止刀具磨損，要求反行程有抬刀運動。 (4) 刻線速度：每秒鐘刻一條線。(5) 行程速度變化系數(shù)K1.2。(6) 為擴大刻線機的應(yīng)用范圍，要求線條長度可調(diào)(短、中、長三種長度的比例可不變)。(7) 刻

4、線機在工作過程中主動軸的角速度不均勻系數(shù)?？叹€時的切削力為1.2 工作原理和工藝動作1 工作原理：平尺刻線機主要用于有相對移動零件的刻線工作?？潭染€長度按十進制規(guī)律分為三種，分別指示一、五和十，并依次重復(fù)出現(xiàn)。圖1所示的鋼板尺就是用平尺刻線機加工的。顯然在加工時，平尺每送進1 mm，刻刀刻線一次，且能自動改變刻線長度。因此，平尺刻線機主體工作機構(gòu)是刻線機構(gòu)（主運動）和平尺送進機構(gòu)（輔助運動）。2 工藝動作：為了完成在上述三種整體工作，平尺刻線機應(yīng)該完成以下五個工藝動作：(1) 落刀（準(zhǔn)備進入工作水平面）(2) 進刀（第一次刻線）(3) 抬刀（退回準(zhǔn)備水平面）(4) 退刀（第二次刻線保證刻線均勻

5、，并回到第二步開始位置）(5) 進刻度尺上述五個動作中：進刀、退刀為刀具刻線工作；落刀、抬刀為刀架升降工作；進刻度尺為平尺送進工作。因此，平尺刻線機重點考慮三個機構(gòu)的設(shè)計：刀具刻線機構(gòu)，刀架升降機構(gòu)和刻度尺進給的間歇運動機構(gòu)。平尺刻線機的運動傳遞路線（如圖1.2所示）：1.3 擬定運動循環(huán)圖運動循環(huán)圖主要是確定刀具、刀架、刻度尺三個執(zhí)行構(gòu)件的運動的先后順序、相位，以便進行設(shè)計、裝配和調(diào)試。將刀具、刻度尺、刀架三個執(zhí)行構(gòu)件按照空間運動可分為X、Y、Z三個方向（如圖1.3所示）：刀架升降運動在Z軸方向（正向抬刀，負向落刀）；刀具刻線運動在X軸方向（正向進刀，負向退刀）；平尺送進運動在Y軸方向（正向

6、送進）。分析五個工藝動作，刀具刻線（往復(fù)）運動是最主要的運動。因此，平尺刻線機的刀具刻線機構(gòu)為主機構(gòu)，并設(shè)定刀具在最高位置時為運動的起點位置，也是一個運動循環(huán)的終點位置。此時刻度尺、刀架的位移為零，并以此作為運動循環(huán)圖橫坐標(biāo)的起點，循環(huán)周期為360°。（如圖1.4所示）1.4 執(zhí)行機構(gòu)選型和評定1 整體選型形態(tài)學(xué)矩陣根據(jù)刀具、刀架、刻度尺這三個執(zhí)行構(gòu)件的動作要求和結(jié)構(gòu)特點可以選擇（如表1.1所示）的常用機構(gòu)，構(gòu)成機構(gòu)選型的形態(tài)學(xué)矩陣?？梢郧蟪銎匠呖叹€機的機械運動方案數(shù)目為： 刀具刻線機構(gòu)曲柄滑塊機構(gòu)凸輪推桿機構(gòu)不完全齒輪和齒條機構(gòu)組合機構(gòu)刀架升降機構(gòu)平底凸輪機構(gòu)刻度尺進給的間歇運動機

7、構(gòu)槽輪機構(gòu)不完全齒輪機構(gòu)棘輪機構(gòu)組合機構(gòu) 表1.1 構(gòu)成機構(gòu)選型的形態(tài)學(xué)矩陣2 刀具刻線機構(gòu)評定I方案說明：通過三種形狀、大小不同的凸輪來控制刀具的左右移動，再通過一個凸輪來控制刀具的抬刀，下刀運動，推過控制凸輪的推程與回程，來控制刀具的急回速比K1.2。（圖1.5）方案評價：通過三個凸輪來控制刀具左右移動，難以控制它們之間的轉(zhuǎn)速比，容易發(fā)生碰撞的現(xiàn)象，而且容易發(fā)生失真的現(xiàn)象，所以我們不采用這套方案。 II方案說明：這套方案是通過一套組合機構(gòu)實現(xiàn)刻刀的進刀、退刀動作，同時通過凸輪槽的形狀實現(xiàn)滑塊的勻速運動，進而實現(xiàn)刀具的勻速運動。同時也可以滿足急回速比K1.2。（圖1.6）方案評價：該方案主要

8、通過一個凸輪來控制進刀運動，此凸輪的形狀會過于復(fù)雜，所以我們不采用這套方案。III方案說明：這種方案通過一個凸輪來控制刀具的進刀、退刀運動，另一個凸輪來控制刀具的抬刀、下刀運動，并通過凸輪的推程與回程來控制刀具的急回速比K1.2。（圖1.7）方案評價：該方案可滿足全部刻線的功能要求，同時可以使進刀動作平穩(wěn)，采用兩個凸輪控制進刀、退刀，凸輪的設(shè)計也不會過于復(fù)雜。所以我們決定采用這套方案。 3 刻度尺進給的間歇運動機構(gòu)評定槽輪機構(gòu)外形尺寸小，機械效率高，能平穩(wěn)地間歇地進行轉(zhuǎn)位，但是相對于不完全齒來說實現(xiàn)進給時結(jié)構(gòu)稍顯復(fù)雜；而且制造及裝配的精度要求高，其傳動時尚存在柔性沖擊，只能用于速度不太高的場合

9、，且轉(zhuǎn)角大小不能調(diào)節(jié)。不完全齒輪機構(gòu)可設(shè)計的參數(shù)較多，易滿足不同停歇要求。但是，不完全齒輪機構(gòu)和普通齒輪機構(gòu)的區(qū)別，不僅在從齒輪的分布上，而且在嚙合傳動中，當(dāng)首齒進入嚙合及末齒退出過程中，齒輪并非在實際嚙合線上嚙合，因此在此過程中不能確保定傳動比傳動。由于從動輪每次轉(zhuǎn)動開始和終止時，角速度有突變，故存在剛性沖擊。若將不完全齒輪直接和調(diào)節(jié)進給的下層工作臺相連，則會造成較大的進給誤差。棘輪機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單、制造方便和運動可靠，并且棘輪轉(zhuǎn)角可以根據(jù)需要進行調(diào)節(jié)等優(yōu)點。但其缺點是傳動動力小、工作時有沖擊和噪聲。不僅如此，傳動力不足則會對工作臺的進給產(chǎn)生影響，從而影響整個工序。（圖1.8）基于以上機構(gòu)的優(yōu)缺

10、點，故考慮組合機構(gòu)槽輪與螺旋機構(gòu)。此機構(gòu)簡單、進給精度高傳動力較大，易于制造加工。(如圖1.9所示)這套方案采用槽輪機構(gòu)實現(xiàn)工作臺的間歇進給，當(dāng)撥盤做連續(xù)回轉(zhuǎn)時，槽輪做間歇式轉(zhuǎn)動，槽輪機構(gòu)可以帶動螺旋絲杠間歇轉(zhuǎn)動，來實現(xiàn)工作臺的間歇進給，控制撥盤的轉(zhuǎn)速與螺旋絲杠的導(dǎo)程可實現(xiàn)每秒進給量為1mm。方案評價：槽輪機構(gòu)尺寸小，外形簡單，機械效率高，傳動較為平穩(wěn)。至于其缺點通過螺旋機構(gòu)配合改善，得到的組合機構(gòu)更加穩(wěn)定，所以我們決定采用這套方案。1.5 機械運動方案示意圖按已選定的三個執(zhí)行機構(gòu)和機械傳動系統(tǒng)，畫出平尺刻線機的機械運動方案示意圖（如圖2.0所示）。1.6 執(zhí)行機構(gòu)的運動尺度設(shè)計 在凸輪的設(shè)計

11、中，欲滿足行程速度變化系數(shù)K1.2，即一個運動周期內(nèi)工作時轉(zhuǎn)過的角度大于等于非工作時的1.2倍，以下的凸輪設(shè)計采取K=1.5滿足設(shè)計要求。1 刀具刻線機構(gòu)的尺寸綜合及運動分析三個凸輪的設(shè)計中均采用余弦運動規(guī)律在推程中：在遠休中：在回程中：在近休中：I刻短線凸輪：采用直動平底從動件盤形凸輪（平底），因為轉(zhuǎn)速較低于是采用余弦運動規(guī)律參數(shù)大小分析：運動規(guī)律分析：形狀尺寸分析：II刻中、長線凸輪：采用直動從動件盤形凸輪（尖端），壓力角小于40°，因為轉(zhuǎn)速較低于是采用余弦運動規(guī)律參數(shù)大小分析：運動規(guī)律分析： 形狀尺寸分析：通過滿足壓力角40°，確定 此處凸輪基圓半徑取50mm2 刀架

12、升降機構(gòu)的尺寸綜合及運動分析刀架凸輪：采用直動平底從動件盤形凸輪（平底），因為轉(zhuǎn)速較低于是采用余弦運動規(guī)律參數(shù)大小分析：運動規(guī)律分析：形狀尺寸分析：3 刻度尺進給的間歇運動機構(gòu)的尺寸綜合及運動分析I刻度尺進給的間歇運動機構(gòu)采用單圓銷槽輪機構(gòu)實現(xiàn)周期性間歇轉(zhuǎn)動，如圖3.1所示。已知主動撥盤的轉(zhuǎn)速為60/min，中心距144mm，按工位要求槽數(shù)6。槽輪機構(gòu)的幾何尺寸計算：(1) 槽間角22，。(2) 槽輪運動角21，。(3) 圓銷回轉(zhuǎn)半徑1，R1=asin2=144×sin30°72mm。(4) 槽輪半徑2，R2=acos2=144×cos30°125mm。

13、(5) 鎖止弧張角，。(6) 圓銷半徑，取。(7) 槽輪齒頂厚，取5。(8) 鎖止弧半徑，。(9) 槽輪槽深，。取70mm。(10) 運動系數(shù)，。(11) 1與的比值，。(12) 槽輪機構(gòu)的運動分析槽輪角位移：槽輪角速度：槽輪角加速度：其中，。計算結(jié)果列于表3.1。表3.1槽輪機構(gòu)的運動分析1222-60-304.65049E-1622.79288-50-29.44150.73875387430.7584-40-27.51571.7270248440.63007-30-23.7942.99473645150.20605-20-17.8784.45150582952.58459-10-9.706

14、485.743261736.55439006.2831853070109.7064815.7432617-36.55442017.877994.451505829-52.58463023.793982.994736451-50.2064027.515741.72702484-40.63015029.441460.738753874-30.758460304.65049E-16-22.7929槽輪的角速度2，角加速度2隨主動件轉(zhuǎn)角1的變化曲線，如圖3.2所示。II刻度尺進給的間歇運動機構(gòu)采用螺旋機構(gòu)實現(xiàn)轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)化平動螺旋機構(gòu)螺桿與螺母采取鋼對鋼梯形螺紋，摩擦系數(shù)f值為0.110.17，牙型角。取絲

15、杠直徑d=16mm，長度L=1200mm-驗算是否自鎖：，不發(fā)生自鎖1.7 機械傳動系統(tǒng)設(shè)計1 電動機的選擇確定原動機的功率其中，為工作機要求的功率；為由電動機到工作機執(zhí)行機構(gòu)的總效率。工作機要求的功率主要為執(zhí)行構(gòu)件在單位時間里克服工作阻力所作的功。在平尺刻線機中,主要為在單位時間里刻刀刻線時克服工作阻力所作的功。則其中，為刻刀刻線時的工作阻力，主要發(fā)生在刻線的整個行程中，且假定為均勻阻力，整個過程阻力為1000N。為刻刀的的運動速度，可以通過得凸輪機構(gòu)的運動分析得到。由上式可以算得刻刀在不同位置時，消耗的功率，列于表3.2。可見最大值為2瓦左右。參考抬刀機構(gòu)、進給機構(gòu)，以及機器中運動副間的摩

16、擦損失，參照電動機的技術(shù)數(shù)據(jù)選擇YSK-50-4電機。輸出功率50、轉(zhuǎn)速670 r/min。表3.2刻刀在不同位置消耗的功率（刻18mm）1FrVcPw335.710000.520350.520349336.610001.005241.005237337.510001.421621.42162338.410001.741121.741122339.310001.941971.94197340.210002.010472.010475341.110001.941971.94197342.010001.741121.741122342.910001.421621.42162343.810001.0

17、05241.005237344.710000.520350.520349345.610000.0000002 速比分配驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速為670r/min，刻線機構(gòu)刻線的最小轉(zhuǎn)速為6r/min，則機械傳動系統(tǒng)的總傳動比為：采用一級皮帶傳動、一級和二級齒輪傳動，他們的傳動比為：皮帶傳動：傳動比為3.72圓柱齒輪傳動：齒輪1與齒輪6的傳動比為3，取。 齒輪1與齒輪2的傳動比為3，取。 齒輪2與齒輪3的傳動比為1，取。 齒輪2與齒輪4的傳動比為2，取。 齒輪4與齒輪5的傳動比為5，取3 轉(zhuǎn)速 皮帶轉(zhuǎn)速：圓柱齒輪轉(zhuǎn)速：齒輪6轉(zhuǎn)速為： 齒輪2轉(zhuǎn)速為： 齒輪3轉(zhuǎn)速為： 齒輪4轉(zhuǎn)速為： 齒輪5轉(zhuǎn)速為：4 機械傳

18、動系統(tǒng)的設(shè)計從原動電機到用于刻度尺進給的間歇運動機構(gòu)，用于刀具刻線機構(gòu)以及刀架升降機構(gòu)采用分路傳動，所用的傳動機構(gòu)及傳遞路線如圖所示。電機帶傳動齒輪傳動刻度尺進給的間歇運動機構(gòu)刀具刻線機構(gòu)刀架升降機構(gòu)1.8 運動仿真 采用working model軟件進行刀具刻線工作和刀架升降工作的運動仿真由于粗略仿真多少存在系統(tǒng)誤差和客觀因素影響，不過結(jié)果大致符合要求1.9 飛輪設(shè)計刻線時刀具工作受到阻力的影響，造成機器的速度波動，必須通過加飛輪的方法進行調(diào)節(jié)。由于機器的第一級傳動選擇了皮帶傳動，所以飛輪只能安裝在帶傳動后面的齒輪傳動的高速軸上，即以齒輪傳動的高速軸為等效構(gòu)件，如圖2.0所示。軸的轉(zhuǎn)速n=6

19、70/3.72=180r/min，取平尺刻線機的許用速度波動系數(shù)=0.02，以滿足刻線機在工作過程中主動軸的角速度不均勻系數(shù)。1 計算等效力矩和最大盈虧功平尺刻線機的能量消耗，主要來自刀具刻線時消耗的能量。因此，可以忽略其它執(zhí)行機構(gòu)，以及各構(gòu)件慣性力的影響，只考慮刀具的工作阻力F。F=1000N，=0.02，運動穩(wěn)定循環(huán)周期T=6阻力力矩Mr如圖所示，阻力力矩做功A=0.50902J驅(qū)動力矩Md=A/6=0.027 N*m最大盈虧功Wmax=0.32238J2 計算飛輪的轉(zhuǎn)動慣量3 確定飛輪的尺寸對于如圖4.1所示的輪形飛輪，其轉(zhuǎn)動慣量可用下式表示其中，D為飛輪輪緣的平均直徑，m為飛輪的質(zhì)量可以算得由公式 其中，為飛輪材質(zhì)的密度。（取=7800kg/m3，D=400mm,H=35mm）可以算得2.0 設(shè)計結(jié)果的分析機器的應(yīng)用可以充