[工学]凸轮推送料自动打印机完整版.doc

毕业设计毕业设计凸轮推送料型自动打印机设计学 号：09130193姓 名：尹天诚专 业：机械工程及自动化系 别：机械与电气工程系指导教师：教授二一三年六月III摘 要毕业设计是对大学专业知识的巩固、提高和综合运用，是对学生的理论与实际相结合能力的考验。通过毕业设计这一过程，完成简单机械系统装置的设计，树立正确的设计思想和工程意识，培养独立分析、解决实际设计问题的能力，为今后的学习和工作打下良好的基础。本文完成了对一个伺服转台的传动系统设计。与已有的伺服系统相比，此系统它具有结构紧凑、外廓尺寸小和重量轻等优点。论文首先简要介绍了课题的背景，以及伺服系统的应用，然后根据方案确定传动结构种类，从而确定了传动的基本类型。论文主体部分包括驱动装置（包含电动机）、锥齿轮传动、少齿差行星减速器。通过对驱动装置包含电动机选取，然后分配锥齿轮传动、行星减速器、的传动比，确定锥齿轮和行星减速器的大致结构之后，对其进行了整体结构的设计计算和校核。论文最后对设计过程进行了总结因本人的知识水平有限，实际工作经验不足，之中的错误与不妥之处在所难免，恳请读者批评指正。关键词：伺服传动系统；少齿差行星减速器；锥齿轮传动作者： 2013.05.01ABSTRACTThe graduation design is an approach for students to consolidate, improve and apply the professional knowledge they have learned in university and it is also a test of the students ability of combining theories with practices. Through the process of designing a simple mechanics working procedure, I have gained the idea of designing, the ability of analyzing and solving problems. Therefore it helps me lay a solid foundation for the further study and work.This work is mainly focus on the design of “auto-printer with products provided by the cam”. The designing is expected to assure that the machine can print 6 times per minute in circle on the given product. It takes about 3 months to make the design accomplished and during the period I spare no effort searching materials, exploring the program, collecting data, improving the project, calculating the data of the parts, illustrating and designing the instructions.There is a limit to a persons knowledge and working experience. So I sincerely hope that the readers can give me more advice if there is any mistake leaded by my carelessness. Key words:cam;material-feeding;auto-printerAuthor:XuShilin2013.05.01目 录摘要iABSTRACT.ii目录.iii1绪论12装置总体设计22.1系统结构设计22.2运动循环图与时间同步化设计32.2.1打印机构运动循环图设计32.2.2推送料机构运动循环图设计52.2.3时间同步化设计：63零部件的设计与计算73.1电动机选择73.2联动链轮的设计83.3打印凸轮设计93.4推送凸轮设计113.5弹簧的设计123.6轴（输入轴）的设计计算143.7轴的设计计算173.8键的校核193.9轴承座的设计203.10推送机构设计213.11打印机构导轨设计224典型零部件加工工艺设计234.1等宽凸轮加工工艺规划234.1.1零件图分析234.1.2确定加工方法及加工顺序244.1.3主轴转速及切削用量的选择254.1.4确定进给速度与背吃刀量264.1.5确定装夹方案26结束语27参考文献28291 绪论“凸轮推送料型自动打印机”这一设计题目，是为了适应高等院校机械设计与制造等相关专业的教学需要，为了解决教学实验设备设计，使教学效果更加具有直观性，该机构能完成自动打印，通过显示器显示运动循环过程，又可满足工业生产中对于产品打印、压痕的实际需要，课题研究对于改善课程教学条件，提高教学效果，具有较高的实用价值，社会效益明显。装置的主要功能分为三部分，送料到达打印工位，然后打印标记，最后输出产品，当送料、夹紧机构的执行构件将产品推至指定位置，执行构件停止不动待打印构件打印完成后推出物料。要求机构简单紧凑，运动灵活可靠易于制造加工。实现打印功能的机构可采用平面连杆机构或凸轮机构，本课题均采用凸轮机构实现推送料与打印动作，只需设计适当的凸轮轮廓便可使从动件得到任意的预期运动且结构简单、紧凑、设计方便。2 装置总体设计2.1 系统结构设计根据课题要求，提出了两个可行的结构设计方案。方案一：方案结构如图1所示图1方案1此方案采用偏心凸轮和若干连杆构成，输送杆垂直方向运动由偏心轮驱动，水平方向运动由曲柄驱动，当传送带翻转时，已经加工好的产品自动输出。产品的夹紧主要是采用固定口的方法夹紧。优点：连杆机构一般均为低副，运动副元素为面接触，压力较小，承载能力较大，润滑好，磨损小，加工制造容易，连杆机构中的低副一般是几何封闭，对保证工作的可靠性有利。缺点：由于连杆机构的运动必须经过中间构件进行传递，因此传动路线较长易产生较大的误差积累，同时使效率降低。在连杆机构运动中，连杆须较高的运动精度，连杆所产生的惯性力难以用一般的方法消除，因此机构不宜用于高速运动。送料机构所需的空间较大，造成浪费。方案二（所选方案）：图2方案2此方案中推送料与打印动作均采用了凸轮直杆机构，当送料等宽凸轮将物料推至指定位置后，对心直动打印凸轮推动打印装置向下打印记号。步进电机控制机构运转，推送料与打印装置之间用链传动联接使送料与打印同步化。装置的给料采用一般传送带供给如图3所示，不设置专门的产品输出机构，产品打印后由推送料凸轮堆积输出以简化机械。图3该结构简单紧凑，造价低廉，机构惯性较小运作平稳，易于实现装置的稳定循环工作。2.2 运动循环图与时间同步化设计运动循环图是自动机械设计的重要组成部分，该设计的主要任务就是确定打印机构与推送料机构之间的运动循环关系，使执行机构的运动同步化。2.2.1 打印机构运动循环图设计依题给定打印机的打印循环周期为，若打印凸轮轴每转一圈完成一次工件的打印，则打印机构的工作循环时间打印机构的运动循环由下列四部分组成：其中：打印头向下接近产品；：打印头打印产品的工作停留；：打印头向上返回初始位置；：打印头在初始位置停留。首先根据工艺要求，打印头在物料上的打印停留时间为，和初步确定为，则。对应的分配轴转角分别为：绘制打印机构的运动循环图如图4所示：图42.2.2 推送料机构运动循环图设计根据以上打印机构的设计和时间同步化的要求，设计推送料机构的运动循环图。若给定凸轮每转一周完成一个物料的推送，则推送料凸轮的工作循环时间。推送料机构的运动循环由下列四部分组成：其中：推送机构推送产品；：推送机构推送产品的工作停止；：推送机构返回初始位置；：推送机构在初始位置停留。根据工艺要求，推送机构推送产品的停留时间为，和初步确定为，则。对应的分配轴转角分别为：绘制推送料机构的运动循环图如图5所示：图 52.2.3 时间同步化设计：根据机械的工作过程，要求在推送机构将物料推送至指定位置后，打印头开始打印记号，且不发生干涉或遗漏。所以，我设计的运动循环图如图6所示，在转角处，此时推送机构推送停留，下一时刻开始返回初始位置，打印机构向下接近物料，下一时刻开始打印停留。图 6 机械运动循环图3 零部件的设计与计算3.1 电动机选择设定打印时所受的最大压力F=300N，打印行程为S=17mm，由前所述，打印机构向下接近物料的时间，则装置所需功率。传动装置的总效率为：其中，：联轴器效率，取0.99；：滚动轴承（每对）效率，取0.99；：滚子链传动效率，取0.96；：凸轮机构效率，取0.95；：导柱平摩擦效率，取0.88则总的机械效率计算电机输出功率为：该装置的工作载荷低，在工作中所受的冲击、转矩较小。该装置选择BYF系列步进电机进行驱动，其转速具有三个特点：转速与脉冲频率成正比；在负载能力允许的范围内，不因电源电压、负载、环境条件的波动而变化；速度可调，能够快速起动、制动和反转。同时，步进电机还具有定位精度高、同步运行特性好的特点。我所选电机型号为57BYG01,电机技术参数如表1所示：电压相数静态电流步距角保持转矩空载起动频率(脉冲）总长外径轴径12V40.4A0.9245Nmm1200s60.5mm57mm7mm表 13.2 联动链轮的设计因该设计中，链轮仅起到打印机构与推送料机构之间联动的作用，转速低，打印载荷、冲击小，主动轴与从动轴转速相同，故无需进行繁杂的选择计算。取两链轮齿数。链条结构设计：由参考文献8表9-1，选择标准型号滚子链08A，单排，主要参数如表2所示：节距p滚子直径max内链节内宽min销轴直径max内链板高度max抗拉载荷（单排）mmkN12.77.927.853.9812.0713.8表 2初选中心距=(3050）p=(3050)12.7mm=381635mm。取中心距=500mm。相应的链长节数取链长节数节。链轮的基本参数和主要尺寸（表3）：名称符号计算公式结果分度圆直径69.02mm齿顶圆直径73mm齿根圆直径61.1mm齿高2.58mm确定的最大轴凸缘直径54mm齿侧半径12.7mm齿宽7.30mm表 3计算链速及压轴力：由链速和链号，查参考文献8图9-14可知应采用定期人工润滑,润滑油采用全损耗系统用油L-AN46。有效圆周力为，取压轴力系数，则压轴力为3.3 打印凸轮设计确定凸轮机构基本尺寸运动规律最大速度最大加速度最大跃度适用场合等速运动1.00低速轻载等加速等减速2.004.00中速轻载余弦加速度1.574.93中低速重载正弦加速度2.006.2839.5中高速轻载五次多项式1.885.7760.0高速中载表 4该机构转速低载荷小，由表4选用等速运动规律设计打印凸轮机构。根据上文所述可知，该对心直动盘形凸轮机构的压力角（为推杆的行程，为凸轮的工作基圆直径，为推程运动角）。根据实践经验，推程时取许用压力角=30，则打印凸轮的最小工作基圆半径=15.6mm，取=20mm。推杆滚子半径为=6mm，理论基圆半径=26mm。推杆行程h=17mm，凸轮轮盘宽度=15mm，凸轮整体宽度B=30mm，凸轮安装孔直径D=17mm，凸轮基准孔精度H7。凸轮副材料为45Cr，表面粗糙度等级1.6，轮廓向径偏差0.2mm。求理论廓线对于该对心直动滚子推杆盘形凸轮机构，仅初定推杆行程对推程、回程的工作过程中推杆位置要求精度不高，故采用作图法设计，如图7所示。转角102030405060708090100110120行程27.629.230.732.333.935.437.038.640.241.74343转角130140150160170180190200210220230240行程43434343434341.439.938.336.735.133.6转角250260270280290300310320330340350360行程32.030.428.827.32626262626262626表 5 绘制凸轮廓线图 73.4 推送凸轮设计等宽凸轮机构即凸轮廓线上任意两条平行切线间的距离都等于框架内测的宽度，缺点是从动件的运动规律受到一定的限制，当180范围内的凸轮廓线根据从动件运动规律确定后，其余180内的凸轮廓线必须符合等宽原则。根据表4，设定凸轮推杆为等速运动。等宽凸轮基本尺寸设计由文献8可得等宽凸轮基圆半径最小值的计算公式：其中，s为推程及远休止间的推杆位移，则等速运动的推杆位移为（），故。为从动件平底与从动件导路间的夹角，此处取=90，初定推杆行程h=30mm，则凸轮基圆最小半径取=15.85mm16mm，则平底间距即凸轮向径为=62mm。凸轮轮盘宽度取14mm，凸轮轴向总宽度30mm，安装孔直径取17mm，配合公差H7。直动推杆平底宽度取100mm。绘制等宽凸轮廓线设取坐标系的y轴与推杆轴线重合，当凸轮转角为时，推杆的位移为s，则凸轮工作廓线的方程式为：则可计算出各点坐标绘制凸轮廓线。图8是通过Solid Edge建立的三维实体模型。图 83.5 弹簧的设计由打印时打印头的受力情况知弹簧最大工作载荷=300N，此时的变形量，最小载荷即预紧压力为，此时的变形量=4.25mm，该部分所查表格均来自参考文献8。根据工作条件选择材料并确定其许用应力圆柱螺旋压缩弹簧是滚子直动从动件平面凸轮机构的重要组成部分，驱使凸轮推杆回到近休止状态。因弹簧在一般载荷条件下工作，可以按照第类弹簧来考虑。现选用碳素弹簧钢丝C级，估取弹簧钢丝直径为d=3mm，由表16-3暂选，则根据表16-2可知。根据强度条件计算弹簧钢丝直径由表16-6现选取旋绕比C=6，则由式（16-4）得根据式（16-10）得故取弹簧钢丝直径不变d=3mm。取弹簧中径D=18mm，则弹簧外径根据刚度条件计算弹簧圈数n由式（16-9）得弹簧刚度为14.1N/mm由表16-2取G=82000MPa，则弹簧圈数n为=10.08取n=10圈。此时弹簧各基本尺寸如表6所示：参数名称计算公式结果弹簧钢丝直径d3mm中径D18mm内径15mm外径21mm节距pP=（0.280.5）D5.04mm螺旋角5.09有效圈数n10圈自由高度55mm轴向间距2.04mm压缩弹簧长细比b3.05在合理范围内展开长度L652.88mm表 6图 93.6 轴（输入轴）的设计计算选择材料：选取45钢为轴的材料，调制处理，根据参考文献8表15-3，取A=112.求轴上的功率、转速和转矩取联轴器的效率为0.99，滚动轴承效率为0.99，则又知转速，于是求作用在轴上的力可知轴上的运动机构有滚子链传动机构和等宽凸轮机构，等宽凸轮机构仅受到摩擦力及自身重力的作用，故其对轴的作用力忽略不计，链轮圆周力，压轴力即径向力=116.03N。初步确定轴的最小直径按参考文献8式15-2初步估算轴的最小直径输入轴的最小直径显然是安装联轴器处轴的直径，为了使所选的轴直径与联轴器的孔径相适应，需同时选取联轴器型号。联轴器的计算转矩，查参考文献8表14-1，考虑到转矩变化很小，故取，则按照计算转矩应小于联轴器公称转矩的条件，因其工作时转速低、无冲击、轴的刚性大、对中性较好，查标准JIS B 1451，选用GYS1型凸缘联轴器，其公称转矩为25000N.mm。半联轴器的孔径=12mm，故取=12mm，半联轴器长度L=32mm。轴的结构设计确定轴的各段直径和长度为了满足半联轴器的轴向定位要求，-轴段右端需制出一轴肩，故取-段的轴直径=17mm。因轴承仅承受径向力的作用，故选用单列深沟球轴承。参照工作要求及=17mm，由轴承产品目录中初步选取0基本游隙组、标准精度级的单列深沟滚珠轴承6303，其尺寸为，。根据所选轴承，查标准JIS B 1551，与轴承座配合的-段轴直径，轴承座轴向宽度l=66，取链轮左端面至左轴承座右端面间的距离为25mm，则与链轮配合段长度。链轮的右端面以轴肩固定，轴肩段轴径，轴肩宽度。对应的，链轮右端的-段用以与轴承座配合，取右轴承座左端面与轴肩右端面的间距为20mm，则轴长，轴径。-段用于安装轴承，其轴径，轴长。-段用于安装等宽凸轮，根据凸轮宽度取轴长35mm，轴径。确定轴上圆角和倒角尺寸根据参考文献8表15-2，取轴端倒角为0.845，各轴肩处的圆角半径见零件工作图。轴的结构尺寸如下图所示：图 10 输入轴结构设计求轴上的载荷首先根据轴的结构图做出轴的计算简图（图11）。作为简支梁的轴的支承跨距为144mm。根据轴的计算简图做出轴的弯矩图和扭矩图。因等宽凸轮仅受自身重力及摩擦力作用，故其受力忽略不计。DCBATTMTT图 11轴的载荷分析输入轴受链轮的压轴力=116.03N，则轴承的支反力及弯矩为：按弯扭合成应力校核轴的强度进行校核时，通常只校核轴上承受最大弯矩和扭矩的截面（危险截面C）的强度。根据参考文献8式15-5，取=0.6，轴的计算应力已选定材料为45钢，调制处理，由参考文献8表15-1查得。因此，轴是安全的。3.7 轴的设计计算选择材料：选取45钢为轴的材料，调制处理，根据参考文献8表15-3，取A=112。求轴上的功率、转速和转矩取联轴器效率为0.99，滚动轴承效率为0.99，滚子链传动效率为0.96，则轴上的功率：又知转速，于是求作用在轴上的力轴上受到链轮的压轴力=116.03N及圆柱压缩弹簧的压力=300N。轴的结构设计根据参考文献8式15-2初步估计轴的最小直径7.8mm在满足结构安全的前提下，选择与轴类似的结构及同规格的轴上零件。选择滚动轴承型号为6303，其结构尺寸为，即与轴承配合的轴段直径，相应的与轴承座配合的轴段直径，链轮右端面以轴肩定位，该段直径为。安装打印凸轮的轴段直径为。根据轴的轴长确定轴各段的长度。首先，安装链轮的轴段轴长为，轴肩段长度，为使打印凸轮端面与推送凸轮机构在同一平面上，安装右轴承的轴长为，安装打印凸轮的轴段长度为。根据参考文献8表15-2，取轴端倒角大小为0.845，各轴段间的圆角半径见零件工作图。轴的结构尺寸如下图所示：图 12 输出轴结构求轴上的载荷首先根据轴的结构图做出轴的计算简图（图13）。作为简支梁的轴的支承跨距为=234.5mm。根据轴的计算简图做出轴的弯矩图及扭矩图。AT图 13 轴2载荷分析轴承的支反力及弯矩为：按弯扭合成应力校核轴的强度进行校核时，仅校核轴上承受最大弯矩和扭矩的截面（危险截面A）的强度。根据参考文献8式15-5，取=0.6，轴的计算应力已选定材料为45钢，调制处理，由参考文献8表15-1查得，轴是安全的。3.8 键的校核链轮上的键连接强度校核根据d=27mm从参考文献8表6-1中查得键的截面尺寸为：。根据轮毂宽度并参考键的长度系列取键长L=28mm。键、轴和轮毂的材料都是钢，由参考文献8表6-2查得许用挤压应力，取其平均值，。键的工作长度为,键与轮毂键槽接触高度k=0.5h=0.57mm=3.5mm，由此可得MPa=110MPa该键连接是可靠的。联轴器键连接强度校核根据d=12mm从参考文献8表6-1中查得键的截面尺寸为：=5mm5mm。根据轴段长度并参考键的长度系列取键长L=22mm。键、轴和联轴器的材料都是钢，由参考文献8表6-2查得许用挤压应力，键的工作长度，键与联轴器键槽接触高度k=0.5h=0.55mm=2.5mm，由此得：该键连接是可靠的。3.9 轴承座的设计轴承座是轴系装配的主要零部件之一，用以支承轴承及保证轴在运转时符合机械运作的要求。轴承座主要分为剖分式轴承座和整体式轴承座，属于标准件。本装置所用为四个SN506滚动轴承用轴承座，轴承座的结构与基本尺寸如下图所示：图 14图 15 轴承座三维实体3.10 推送机构设计推送机构用于将等宽凸轮的转动转化为推杆的往复移动，设计用材料为45钢。结构的图示如下：图 163.11 打印机构导轨设计打印机构导轨是为了起凸轮推杆的导向作用，凸轮机构中，压力角是一个重要参数，应使其最大压力角小于临界压力角，其值为：由上式可以看出，增大导轨长度l或减小悬臂尺寸b可以使临界压力角的数值得以提高。图 174 典型零部件加工工艺设计4.1 等宽凸轮加工工艺规划凸轮机构可以实现几乎所有简单的、复杂的重复性机械动作，因此凸轮机构是机械化、自动化生产设备中的关键零部件。凸轮的精确加工是设备良好工作的重要因素。凸轮加工的关键是型面加工，加工凸轮型面的方法可分为两类，一类是用手工、机床挂轮和数控机床等直接加工，另一类是用仿形法间接加工。仿形法生产效率高，适于成批大量生产。由于按靠模仿形时，靠模的制造误差和仿形过程的误差，都会影响到工件加工精度，所以凸轮的直接加工法一般要比间接加工法容易控制加工精度，生产率一般较低，多用于单件、小批生产。凸轮的直接加工法的方法一般有：按划线加工按划线加工是指加工好凸轮基准面后，由钳工划出凸轮工作型面线，然后按线粗铣或钻孔后锯开，最后由钳工修挫成形，用金属板划线后按线检验。此法生产率低，只适宜单件生产精度较低的凸轮。在铣床上用分度头及挂轮铣凸轮工作型面为阿基米德螺旋线和渐开线时，可在铣床上利用分度头和挂轮铣削。加工时，工件装在分度头上，并与水平线倾斜角，工作台由丝杠挂轮传动。随着分度头的旋转，分度头与工作台带动凸轮坯逐渐向铣刀靠近，从而铣出各种型面曲线。分度头主轴倾斜角是为了确定挂轮齿数时便于计算和利用一套挂轮铣出多种曲线而设的。这种凸轮型面加工方法因受传动精度等影响，型面精度不很高，主要用于不淬硬凸轮的加工和型面磨削前的预加工。用数控机床加工随着数控机床的日益发展和普及，中小批量凸轮越来越多地利用数控机床进行加工。在数控机床上加工凸轮型面时，先根据凸轮型面的参数编制程序，输入到数控装置中，控制机床的纵横进给运动，完成凸轮型面的自动加工。其精度和可靠性大为提高。4.1.1 零件图分析图 18 推送料等宽凸轮该零件表面由圆柱、圆弧、倒角、圆角、槽等表面组成，既要加工外部轮廓尺寸又要完成槽和孔的加工。尺寸标注完整，零件材料为45Cr，毛坯尺寸为100mm40mm，淬火处理。4.1.2 确定加工方法及加工顺序加工方法的选择原则是保证加工表面的加工精度和表面粗糙度的要求。由于获得同一级精度及表面粗糙度的加工方法一般有许多，因而在实际选择时，要结合零件的形状、尺寸大小和形位公差要求等全面考虑。通过对零件图的分析，考虑加工的效率和加工的经济性，选用XH714立式加工中心。加工顺序的拟定按照基面先行，先粗后精的原则确定。因此应先加工用作定位基准的mm孔及右端面，再加工凸轮外轮廓和各工艺尺寸。为保证加工精度，粗、精加工分开，孔的加工采用钻孔、粗铰、精铰方案。该等宽凸轮加工顺序为：I锻钢热处理；II粗铣、精铣右端面，；III钻、粗铰、精铰12孔，倒角145；IV粗铣、半精铣左端面；V粗铣、精铣30外圆，深度16mm，倒角145；VI粗铣、半精铣、精铣凸轮廓线；VII去毛刺；VIII清洗；IX检验入库。4.1.3 主轴转速及切削用量的选择切削用量的选择应充分考虑零件的加工精度、表面粗糙度，以及刀具的强度、刚度和加工效率等因素,可在机床说明书允许的范围之内，查阅手册并结合经验确定。经参考表78，并根据经验确定切削用量。表 7 高速钢钻头加工铸铁的切削用量表 8 高速钢钻头加工钢件的切削用量主轴转速n（单位r/min）根据选定的切削速度vc（单位m/min）和工件或刀具的直径来计算。根据切削表及操作经验选择主轴转速如下：铣底面时主轴转速为2000r/min，钻12孔时主轴转速为1000r/min，用倒角刀倒145的倒角时主轴转速为2000r/min，铣削凸轮廓线时主轴转速为2000r/min。4.1.4 确定进给速度与背吃刀量进给速度是数控切削用量中的重要参数。在选择进给速度时应根据零件的表面粗糙度、加工精度要求及刀具和工件材料等因素，参考切削用量手册进行选取。铣削底面时，进给速度为300mm/min，铣削台阶面时进给速度为1000mm/min，钻12孔时进给速度为900mm/min，倒145的倒角时，进给速度为900mm/min。选择背吃刀量应根据数控机床工艺系统的刚性、刀具的材料和参数及工件加工余量等来