全自动服装模板机毕业论文.doc

摘要本课题根据服装市场实际的需求，设计了一款全自动服装模板机。首先对服装模板进行了了解分析，明白了服装模板的用途和制作方法。结合市场实际和性能指标要求，然后开始整体方案的设计。总体方案的设计主要从切割方式、电机类型、pvc板固定、传动方式几个方面的选择。在该方案里，x、y、z三个自由度上的运动都是在对应的直线导轨上完成；动力由三个步进电机完成；动力从步进电机发出以后通过同步带传授到运动机构，整个过程快速、准确，而且噪音较小。在整体方案和细节都确定以后开始进行三维建模，对每一个模块进行具体的设计，包括尺寸、零件材料、安装方案等。之后是在三维模型的基础上进行干涉检查，布局改进等。在结构设计完成之后，本文对各重要部分进行了力学的计算校核，以确保产品设计的可靠性。需要校核的部分主要包括工作部位的切削力、导轨、滚至丝杆、电机、同步带等，这些部分的合理设计直接关系到最后产品的使用效果和使用寿命。关键词：服装模板机；总体方案；结构设计；力学分析 abstractaccording to the actual need of the clothing market, we designed a automatic garment pattern machine. first, we should analyse the clothes template, understand the purpose and method of making clothing template. according to the requirement of the actual market and performance indicators, and then start to design the overall scheme. the overall program design is mainly from the way of cutting, motor type, pvc plate fixation, several aspects of the selection of transmission mode. in this scheme, x, y, z, these three degrees of movement are performed in the linear guide rail on the corresponding power which rely on three stepper motors to complete; power is issued from the stepper motor through a synchronous belt imparted to the movement mechanism, the whole process is fast, accurate, and lower noise. the overall plan and the details are determined after the beginning of 3d modeling, detailed design of each module, including the size, material, installation scheme etc. after the interference checks on the basis of 3d model, lay out improvement etc.after the structure is designed, this paper carry out calculation mechanics on the important part, in order to ensure the reliability of product design. the cutting force, needs to checked. the parts mainly include the working parts of the guide rail, rolling to the screw rod, motor, synchronous belt. the rational design of these parts is directly related to the effect and the service life of the final product.keywords : garment pattern machine; the overall scheme; structure design; mechanical analysis目录第一章 绪论11.1课题研究背景及意义11.2国内外研究情况21.3课题主要研究内容3第二章 全自动服装模板机总体方案设计42.1总体方案设计关键点42.1.1 pvc板切割方式42.1.2 pvc固定方式42.1.3电机类型62.1.4传动方式72.2总体方案确定7第三章 全自动服装模板机结构设计83.1工作原理83.2具体结构设计83.2.1平行运动机构结构设计93.2.2同步带传动机构设计113.2.3同步带张紧机构结构设计113.2.4机头部分结构设计123.2.5横梁支撑架结构设计133.2.6 pvc板固定方式设计13第四章 全自动服装模板机主要零件选型设计154.1铣削力计算154.2导轨副选型计算164.3滚珠丝杆副选型计算184.4电机选型计算214.5同步带及带轮选型设计234.6主要零件设计24第五章 总结与展望265.1总结265.2展望27致谢28参考文献29第一章 绪论1.1课题研究背景及意义中国是一个出口大国，服装的出口占很大的比重。随着人们经济收入的提高和消费观念的改变，人们对服装质量的要求逐渐提高。因此，这就间接地对服装生产的精度提出了要求在我国现有的服装加工领域，主要存在以下几个问题。1.自动化程度低，主要依靠人工完成服装生产；2.生产设备落后，大部分高端的设备都是依赖进口；3.生产效率低，由于设备的缺陷，使得国内的生产效率远不及国外同行。服装面料缝合是服装加工技术中比较关键一道工序，对服装加工制造品质有重要影响。传统服装企业中，缝合主要依靠工人手工，这样就带来了劳动强度大、生产成本高、产品精度低等问题，不符合市场方向，市场竞争力低，已经不能满足企业需求。主要原因是：人员和材料的成本增加、利润降低；服装款式多样化，交货期缩短；服装质量要求提高，熟练的工人越来越难找；新老员工交换，新手技能低；服装设备升级，逐渐向自动化发展。 自从改革开放后，服装模板技术已经不是国外独有。随着国内企业与国外企业合作的增多，模板技术被越来越多中国服装企业采纳。但是受限于模板制作成本的问题，一开始只有少部分企业可以承受。正当世界即将进入二十一世纪，我国改革开放也更加彻底，很多新型的材料、新的加工方法、新的设备被国人掌握。同时，进入新世纪以后，国内各行业的劳动力成本、原材料成本等急剧增加，这也迫使服装企业需要想办法降低成本。服装模板技术简单地说是一种缝纫工艺。人们先在pvc板上按服装尺寸的需要开出各种槽，然后在缝设备上设计压脚、针板、牙齿等设备。在缝制是，前面所开的槽就是线的轨迹，使得缝制更加精确快速。服装模板技术是现在比较主流的方法，这一技术使得原本复杂工序变得简单、精确。不仅提升了效率，还降低了次品率。这就保证了品质和生产时间的稳定，减少了对专业人员的依赖程度。服装模板技术的使用有以下几大优点：1提高缝制效率流水线使用模板和不使用模板缝制效率明显不同，比如在没有使用模板前，服装贴袋前需要一个人整烫，一个人定位、缝制，而使用模板后，一个人就可以制作了，而且速度快、质量高，提高了效率，节约了人工。2降低缝制难度 服装模板工艺出现后，服装企业对专业工人的要求变低。即便是之前没有经验的人员，经过简单地培训也可以做出让人满意的产品。比如，缝制过程中上拉链、开口袋、上领子等属于比较有难度的，原本只有经验丰富的老员工才会。但是使用服装模板后，只要会缝纫，培训一星期后即可上岗。3提高缝纫质量 使用模板，面板和底板吧裁片夹住以后，裁片很难错位，有弹性的面料或者对条对格的面料，很轻松地就缝制完成，并且质量很高。一毫米或者六毫米的明线，只要员工沿着线槽加工就可以，并且结果让人满意。使用服装模板以后每个地方都很平整，不起拱，质量很高。4易于平衡工序，使流水线更流畅由于工艺的加工难度降低，这样的缝制节拍更容易控制。如果某个工位需要加人，组长可找的工人就比较多，不会因为工人水平有限，而不能上岗。5节约人工，节约成本使用模板之后，很多工序就简化了，人工也减少了。比如肩袢、裤袢，普通缝制要一个人用净样板熨烫缝份，另一个人缝制，再有一个人清剪缝份，翻转、熨烫，总共至少两人完成此工序。如果运用工艺模板，只要一个人即可，而且很快，简单化了工艺，节约了人工成本。6减少特种机的购买 一些平时难于控制的部位和效率低下的工艺，通常会购买特种机。但是特种机一般价格较高。运用服装模板技术以后，只要每个部位制作对应的服装模板，问题基本都可以解决。比如衣领、口袋、袖口等。不用花重金在专用设备，如开袋机、上袖机、打褶机等上面。目前，服装企业一般采用pvc板作为模板的开模材料。pvc板相对来说成本较低，整体性也很好。其具有优良的化学稳定性、耐腐蚀性。而且制作完成以后尺寸稳定，耐磨、强度高。同时不容易老化，绝缘性好。最重要的是表面光洁平整，不吸水不变形，比较容易加工。1.2国内外研究情况20世纪60年代，德国已经开始在衬衫的制作上运用模版技术，当时衬衫的袖口、领子等部位最早使用模板，模板制作用的材料是钢板。1980年以后，在我国台湾等地开始出现有机玻璃制作的服装模板，当时模板最大的问题是不方便保存。随着科技的进步，pvc板、亚克力板等材料逐渐在服装模板中使用。20世纪90年后，我国广东、福建等地逐渐开始使用服装模板，但是只是局部使用，主要使用部位有领子、口袋和袖子等。 进入新世纪以后，国内各行业的劳动力成本、原材料成本等急剧增加，这也迫使服装加工企业要想办法降低生产成本。最直接有效的方法就是提高自动化水平，减少劳动力成本。不仅人工减少了，效率还提高了。于是就有了服装cad、cam的诞生。随着长臂缝纫机的兴起，服装模板技术已经不再局限于某个部位，而是整件衣服都可以做服装模板。随着服装模板的运用越来越多，其制作过程就成了该技术后续发展的重要环节。所以本课题是要设计一款可以切割pvc板的设备，可以方便、精确、快速地制作服装模板，同时考虑去除有害气体的功能。 服装面料缝合是服装加工技术中比较关键一道工序，对服装加工制造品质有重要影响。传统服装企业中，缝合主要依靠工人手工，这样就带来了劳动强度大、生产成本高、产品精度低等问题。不仅不符合市场方向，市场竞争力低，也已经不能满足企业的标准。主要原因是：人员和材料的成本增加、利润降低；服装款式多样化，交货期缩短；服装质量要求提高，熟练的工人越来越难找；新老员工交换，新手技能低；服装设备升级，逐渐向自动化发展。1.3课题主要研究内容 本课题研究的设备是全自动服装模板机，主要用于服装模板的制作。目前服装行业的服装模板大多是由pvc板加工而成，厚度为0.5-1.5mm，如图1-1所示。 图1-1 服装模板实物图本课题的研究内容是全自动服装模板机的结构设计，主要是根据pvc板的特性，设计出一款能够自动切割pvc板的设备。要求其结构稳定、紧凑，加工精确，操作简单。主要性能指标： （1）裁剪厚度：至少5mm且可调；（2）样片固定方式：负压吸附；（3）切割速度：50-100mm/s；（4）有效作业范围：1500mmx900mm。第二章 全自动服装模板机总体方案设计2.1总体方案设计关键点本课题全自动服装模板机的设计根据上一章的设计要求为基础展开。将着重从以下几个方向进行考虑。2.1.1 pvc板切割方式pvc板相对来说成本较低，整体性也很好，具有优良的化学稳定性、耐腐蚀性。而且制作完成以后尺寸稳定，耐磨、强度高，同时不容易老化，绝缘性好。对pvc板的加工一般分为机械式的铣刀切割和激光切割。(1)铣刀切割：pvc板的铣刀加工，一般使用立式铣刀。加工速度较快，而且加工时无烟无味。加工时可以达到效率高、不粘屑的效果。因为pvc板特殊的制造工艺，所以加工时基本不会出现爆口。刀纹也十分细致，甚至没有刀纹。最后的产品表面光洁平整，需要的话也可以达到磨砂效果。（2）激光切割二十世纪六十年代，世界上第一次出现了激光，它的到来引引领了新的时代。在之后的几十年里，激光让我们的生产生活有了很大不同。激光切割有以下几个优点： 1.激光亮度极高，通过聚焦以后，可以在被加工材料表面产生超高温； 2.激光的光束可以做到非常细，可以达到微米级甚至纳米级； 3.激光加工时属于非接触式加工。因此不需要考虑工具的补偿，也不用考虑工具的磨损； 4. 激光加工时属于非接触式加工。所以所需要的牵引力较小，选取小功率电机即可满足要求。 但是激光切割也有缺点：1.激光产生设备相对价格较高，会增加成本；2.因为激光切割是靠高温，类似于燃烧，所以切割时产生有害气体，对人体有害。2.1.2 pvc固定方式（1）夹具固定1.保证加工精度当工件固定在设备上加工时会受到很多方向力的作用，加工的刀具的运动路径是相对工作台而言的，所以要想保住加工精度就必须保证工件和工作台的相对静止。当工件和工作台相对静止得到了保证，刀具就会准确地在工件上进行加工，使得最后加工出的产品与设定的数据一致。 2.提高生产率因为原材料与产品并不是一对一的，一件原材料有时可以做出多个成品。使用夹具固定以后就可以一次性加工出较多的产品，省去中间多次定位、对刀的过程，提高了效率。要是采用气动、液压等夹紧方式，可以进一步缩短时间。3.扩大机床的使用范围许多夹具的设计时针对特定的操作的，这就使得原本功能单一的设备有了多重功能。这样，一台设备有了多台设备的功能，可以让企业减少很多成本投入。4.保证生产安全使用夹具固定，保证了加工过程中的安全性，不会存在物件飞出等事故。同时减少了操作工的工作量，能更加集中精力，确保安全。图2-1a所示是夹具的固定方式，2-1b所示是固定用的夹具。 图2-1a 夹具固定方式 图2-1b 固定夹具（2）负压吸附厚度较小的板材类工件，在高速铣削加工是可以采用负压真空吸附的固定方式。它的工作原理如图2-2所示。通过工件1、定位部件3、密封材料4形成密闭空间，同时将一个抽气泵与密封腔连接。开始工作时，抽气泵将气体从密封腔内吸出，使密闭空间内产生真空。外部的大气压力就会将材料压紧在工作台上。这样的情况下各处受力均匀，工件的变形达到最小。等到加工结束以后，让密闭腔与外界相通，同时抽气泵停止工作，工件就会与工作台分离。图2-2 负压吸附的结构2.1.3电机类型（1）直流电机直流电机是直接将直流电转换成机械能的电机。实现是直流电能和机械能互相，当它作动力源时，将电能转换为机械能。直流电机主要优点如下：1.调速范围广，易于平滑调节；2.过载、启动、制动转矩大；3.易于控制，可靠性高；4.调速时的能量损耗较小。 缺点是:1.换向困难；2.容量受到限制；3.精度有限。（2）步进电机步进电机的工作是由驱动器发出的脉冲信号来控制的。每当驱动器向步进电机发送一个脉冲信号，电机就转过一个特定的角度，这个角度就叫做步进角。优点 ：1.步进电机旋转过的角度和脉冲数成正比，方便控制；2.当步进电机停止转动时，拥有最大转矩；3.步进电机每一步的精度在百分之四左右。它不会将上一步的误差积累到下一步。所以位置精度、运动重复性很好；4.优秀的起停和反转响应；5.步进电机没有电刷。所以电机的寿命较长，可靠性也好；6.因为步进电机的响应仅和输入脉冲数有关。所以可以采用开环控制，控制方便；7.因为速度和脉冲频率成正比，所以转速的范围比较宽。 缺点： 1.控制要恰当，否则容易产生共振；2.难以运转到较高的转速。（3）伺服电机伺服电机的主要优点：1.因为伺服电机可以反馈数据。所以可以实现闭环控制，不存在步进电机失步这种问题；2.伺服电机可以达到较高的转速，一般转速在20003000转左右；3.伺服电机适应性强，抗过载能力也很突出；4.伺服电机在低速运行是十分平稳。不存在类似于步进电机的共振现象，在高速响应要求的场合下效果好；5.伺服电机反应很快，电机加减速的时间极短，基本上在几十毫秒之内。但是缺点是价格较贵，而且控制闭环回路难度增加。2.1.4传动方式（1）齿轮齿条齿轮齿条传动的优点是可以承受非常大的载荷，同时精度也有保证。传动过程中，精度可以达到0.1毫米。并且在长度上不受限制，可以对接延长。传动速度也可以较快，可以大于2 m/s。但是缺点也同样存在，要是加工精度或者安装精度不好，使用时会有很大的噪音。（2）同步带同步带传动的优点是承载力相对较大。当负载变大时可以加宽皮带解决。传动时精度较高，在距离不是非常大的情况下十分可靠。而且同步带与同步带轮的啮合比较可靠，不会发生打滑等问题。最主要的是传动过程中运行平稳，基本上没有噪音。（3）滚珠丝杆滚珠丝杠主要作用是将旋转运动运动变为直线运动。滚珠丝杆主要分为螺杆、螺母两部分。使用时螺杆与旋转部件相连，螺母与直线运动部件相连。具有很高的精度，而且寿命较长，被广泛应用于各种工业设备和精密仪器中。优点是精度高，寿命长，缺点是价格比较贵。2.2总体方案确定 通过比较，我们最终确定了具体方案。切割方式选择安全无污染的铣刀切割，精度也符合要求。pvc板的固定方式采用的是以真空吸附为主，用夹具进行单边辅助。选择步进电机为各种运动提供动力，同时控制方式选择的是开环控制，在正常情况下不会发生丢步现象，精度符合需求。动力提供到运动部件的运动采用的是同步带传动，整个过程快速、准确、噪音小。第三章 全自动服装模板机结构设计3.1工作原理本课题设计的产品是服装模板机，用于服装模板的制作，加工的材料是厚度较小的pvc板。服装模板机有一个平台用于固定pvc板，机头部分有x、y两个自由度。机头本身也有一个自由度x、y两个方向有86步进电机提供动力，经过同步带轮两级传动减速。x向同步带直接与横梁支撑架相连接，带动横梁支撑架以及横梁一起运动。y向同步带也是直接与机头固定板相连接，带动机头固定板以及整个机头一起运动。机头部分包括一根滚珠丝杠以及一个控制滚珠丝杠转动的57步进电机。丝杆的转动带动主轴电机的上下。在主轴电机的夹紧装置上装有一个压盘，当主轴电机下落时压盘压住周围的pvc板避免拱起，以达到保证精度的作用。3.2具体结构设计全自动服装模板机分3个平行运动机构、2个同步带传动机构、1个机头机构和1个横梁支撑机构。其中平行机构包括x向平行运动机构、y向平行运动机构、z向平行运动机构，同步带传动机构包括x向同步带传动和y向同步带传动。详图见图3-1所示。3.2.1平行运动机构结构设计 （1）x向平行运动机构：x向平行运动机构是主要由同步带、同步带轮、导轨、滑块、导轨固定角铝、同步带张紧机构等部件组成。因为导轨的安装面必须有一定的平整度，而机架是由方管焊接而成，平整度并不满足要求，所以没有将导轨直接设计在机架侧面。而是在机架侧面先安装平面度较好的角铝，然后在角铝的上表面安装导轨。安装角铝时，需要保证角铝的上表面到机架上表面距离相等，以确保最后加工表面与横梁的平行度。安装导轨到角铝的上表面时，需要保证导轨到机架侧面的距离相等，以确保左右两根导轨的平行度。详见图3-2所示。 （2）y向平行运动机构：y向平行运动机构包括横梁、导轨（滑块）、机头固定板、同步带轮等，横梁与下横梁支撑架相连接。横梁与横梁支撑架之间用螺栓相连，之后开始安装两根水平的导轨。安装导轨时，出于安装方便只需要保证导轨侧面与横梁上方距离相等。因为之前在安装x向导轨时，导轨到机架上表面距离相等，所以横梁与机架上表面的平行度满足要求。导轨安装好之后，接着将机头固定板安装到滑块上，保证机头固定板上沿与横梁平行。然后开始安装同步带。机头固定板一边预留了通孔用来夹紧同步带的一端，将同步带从横梁中间穿过，绕过同步带轮与同步带张紧块先相连，同时预留一定长度。最后用调节螺栓穿过同步带张紧块，固定在机头固定板侧面，拉紧，安装完成。详图见图3-3所示。 （3）z向平行运动机构：z向平行运动机构的主要零件有步进电机、滚珠丝杠、导轨（滑块）、带座轴承以及用于主轴电机座固定的固定块等。先将两根导轨装到机头固定板上，注意保证两者的平行度以及与台面的垂直度。然后装上带座轴承、滚珠丝杆以及步进电机。步进电机的位置可以前后调节。接着将电机座固定块与滑块相连，旋转滚珠丝杆螺母调节位置，当螺母的孔位与电机座固定块对应时将两者用螺栓连接，安装完成。详图见图3-4所示。 3.2.2同步带传动机构设计 （1）x向同步带传动机构：x向同步带传动机构是由步进电机、同步带轮、光轴、x向电机安装架等部件组成，电机的旋转通过同步带进行减速，减速比为2:1。步进电机安装在电机安装架上，一级传动的小同步带轮直接安装在电机轴上，通过同步带带动光轴上的大同步带轮。安装电机时，先用螺栓穿过电机和电机位置调节板，然后穿过电机安装架上的直槽口。接着在两个同步带轮上套上环形的同步带，通过调节板上的螺栓拉紧同步带，最后用螺栓将电机锁紧在电机安装架上。详图见图3-5所示。 （2）y向同步带传动机构：y向同步带传动机构是由步进电机、同步带轮、光轴等部件组成，电机的旋转通过同步带进行减速，减速比为2:1。安装电机时，先用螺栓穿过电机和电机位置调节板，然后穿过横梁支撑架上的直槽口。接着在两个同步带轮上套上环形的同步带，通过调节板上的螺栓拉紧同步带，最后用螺栓将电机锁紧在横梁支撑架上。详图见图3-6所示。3.2.3同步带张紧机构结构设计同步带张紧机构是在安装同步带时使用的，保证同步带有一定的张紧度，不会发生跳齿、打滑等现象，提高传动的精确度。安装时先将张紧带轮安装托板安装到机架侧面，然后将同步带轮固定在横梁支撑架上，预留一定的长度，接着把同步带拉紧块安装到张紧带轮安装托板上，同时装上调节螺钉将同步带拉紧。当需要拉紧同步带时，拉紧的是整个带轮架，而不是只有带轮。其中带轮架包括带轮、光轴、轴承等。确定同步带安装到位以后，用螺栓将整个带轮架与张紧带轮安装托板固定，安装结束。详图见图3-7所示。 3.2.4机头部分结构设计机头的作用是进行对pvc板的切割，整个过程包括落笔-画切割路径-抬笔-落刀-切割-抬刀，期间还需要考虑废屑和废气的吸除。它主要由主轴电机、主轴电机座、落笔电磁铁、压盘、吸尘管等部分组成。工作时，先由落刀电磁铁使记号笔下落，笔尖接触到pvc板。通过程序控制x、y两个步进电机使机头运动，在pvc板上画出切割路径，完成之后抬刀。然后滚珠丝杆驱动整个主轴电机下落，下落过程中压盘压住pvc板并开启主轴电机。压盘里面是导通的，切削产生的废屑和废气由吸尘器通过吸尘管吸除。详图见下图3-8所示。3.2.5横梁支撑架结构设计为了降低产品的成本，横梁支撑架并非是一次性加工完成的独立的零件，而是由四块厚度为10mm的钢板分开加工以后焊接而成。上、下两块钢板上装有轴承，用来安装光轴，光轴上装有同步带轮。下板上打有通孔，用于和x向导轨上的滑块相连。在上板的相应位置也有对应的孔，用于安装时穿过工具所用。上、下板上开有槽，同样是上下对应的，然后将中间板插入槽中，保证上、下两块板平行以后焊接固定。详图见下图3-9所示。3.2.6 pvc板固定方式设计（1）负压吸附部分在切割pvc板之前，首先要对pvc板进行固定，以保证加工的精度。因为设计方案确定过程中，pvc板的固定方式选择的是负压吸附为主，单边夹具辅助。负压吸附首要条件是要形成真空腔，所以将机架设计成图3-12所示。四周用4080的方管焊接而成，同时在地面焊接一块厚度3mm的铁板。为了加强整体强度，在方管之间又焊接了许多4020的方管支撑。同时在小方管之上又焊接许多铁块，使铁块上表面与机架上表面等高。最终台面板安装在机架表面，并利用螺栓固定在铁块上，行程真空腔。在真空腔下表面的铁板上留有抽气孔，工作时连接吸风机。为了配合吸附，台面板设计成无数小的吸风孔，使pvc板可以吸附在上面。详图如图3-10所示。（1）负压吸附部分除了负压吸附部分，本文设计的pvc板固定还有单边的夹具辅助。因为材料pvc板长度较长，采用点固定需要较多的点，所以设计采用线固定。因为工作区域宽900mm，所以压条的长度设计为1098mm，略大于设备要求的最大尺寸。压条两端有通孔，便于螺栓穿过。在台面板的下表面还安装有一块铁板，上面焊有两个螺母，位置与压条上通孔的位置对应。螺栓上套有弹簧，位置在压条与台面板之间。工作时将pvc板夹在台面板与压条中间，向下旋转螺母压紧pvc板。加工结束以后松开螺母，受弹簧作用压条自动上弹。详图如图3-11所示。 第四章 全自动服装模板机主要零件选型设计4.1铣削力计算切削力是服装模板机工作时产生的主要阻力，是由铣刀和被加工材料接触产生的。所以影响它的主要因素是材料特性、铣刀形状、铣刀转速、切削厚度、进给量等。因为现实使用中服装模板机加工的主要材料是pvc板，因此计算时选取pvc板的参数来进行计算。主轴电机上选用的铣刀是钨钢铣刀，型号为nj3.3020，主要参数如表4-1所示。表4-1 铣刀主要参数最大直径d铣刀齿数z最大切削宽度a最大背吃刀量ap3.175mm20.5mm2mm查相关资料得，立铣时的铣削力计算公式为： （4.1）vc切削速度 ，ap铣削深度，fz每齿进给量，f进给量，vf进给速度， pc切削功率 ，b切削宽度，cp工件材料对切削力影响系数，k刀具前角对切削力影响系数，k1切削速度对切削力的影响系数。根据所选的铣刀的参数（直径为d=3.175mm，齿数z=2）。为了得出受力最大的情况，所以选取不对称铣削的情况。选取最大的铣削宽度为ae=1mm，切削宽度b=2mm，每齿进给量fz=310-2mm，铣刀转速n = 20000r/min。将各数值代入式（4.1）中求得最大的铣削力：当选取端面立铣刀进行不对称的圆柱铣削时。查文献可以得到各铣削力之间的比值关系，各铣削力的大小比值范围如下。估算三个方向的力分别为： (4.2)所以都取最大值：进给力： 背向力： 垂直进给力： 4.2导轨副选型计算选择导轨副的要求：（1）承载能力足；（2）寿命长；（3）导向性能好,定位精度高。 选择导轨副需遵循的原则：（1）尺寸方面满足设计指标；（2）满足刚度、强度要求；（3）要便于拆装，便于测试、调试、维修等操作；（4）给传感器、功能元件等预留安装位置。（1）x向导轨首先，需要对作用在x向导轨上需要运动的部分进行重量估算。其中包括镀锌方管、横梁支撑架、机头固定板以及机头部分等,总重量估计约为300n。导轨的使用寿命很大程度上受到工作载荷的影响，是一个重要因素。在该产品的设计中，工作台水平放置。两侧采用并排的两根导轨，每个导轨上两个滑块承重。计算受力最不利的情况，即上述的工作载荷全部由一个滑块承重，则该滑块所承受的最大的垂直方向载荷是： (4.3)包括所有移动部件的质量=300n，外加切削形成的载荷f=fz=232n，代入式（4.3），计算得最大工作载荷fmax=532n=0.53kn。根据得到的最大工作载荷fmax=0.13kn，查阅abba公司的产品手册。初选自润式直线滚动导轨副作为x向导轨，型号为brs系列的brs20b型。主要参数如下：额定动载荷c=13720n，额定静载荷co=23520n，沿导轨方向最大容许静力矩my=143 n*m，垂直导轨方向最大容许静力矩mx=235.2n*m。考虑该方向有效工作范围是1500mm，预留有一定余量，所以最终选取x向导轨长度为1670mm。上述所取的brs系列光轴导轨副的光轴硬度为58-62hrc，取值60hrc。因为工作时导轨温度不会超过100摄氏度，每根导轨上都安装有双滑块。导轨精度精度为5级，滑块工作时速度较不高，载荷相对较小。所以查该公司产品参数表，最终选取以下哥参数代入计算。其中，硬度系数fh=1.0，温度系数ft=1.0，接触系数fc=0.81，精度系数fr=0.9，载荷系数fw=1.5，滚动体为滚珠，=3、k=50,代入公式（4.4），计算得可达到的距离为： (4.4)距离远大于期望值500km，所以距离额定寿命可以满足使用。 （2）y向导轨首先，需要对作用在y向导轨上需要运动的部分进行重量估算。主要是机头固定板和机头部分。机头部分包括z向电机、滚珠丝杠副、主轴电机座固定块和主轴电机等，总重量约为200n。根据需要承重的大小，查阅abba公司的产品手册。初选自润式直线滚动导轨副作为y向导轨。导轨的型号为brs系列的brs15b型，主要参数如下。额定动载荷c=8330n，额定静载荷co=13230n，沿导轨方向最大容许静力矩my=66.64n*m，垂直导轨方向最大容许静力矩mx=98.98n*m。考虑该方向有效工作范围是900mm，预留有一定余量，所以最终选取y向导轨长度为1320mm。将y向导轨部分进行合理的简化，得到简化图4-1所示。 图4-1 y向导轨力学简化图如图中所示，机头部分通过两根导轨与横梁固定，机头部分重力g=200n，与横梁部分连接处分别受到4个力的作用,f1与f3之间的距离为55mm，g与f2、f4之间的距离为57mm。查文献可知：g=f2=f4 (4.5)f1=f3 (4.6)(f1+f3) 55mm=(f2+f4) 57mm (4.7) 代入数据可以算出，f2=f4=100n，f1=f3=104n，垂直方向扭矩f1=f2=100n0.015m=1.5n*m。均远小于所选导轨的额定载荷，所以在安全范围之内。 （3）z向导轨参考y向导轨的选型，z向导轨同样选取abba公司的自润式直线滚动导轨。型号为brs系列的brs15b型，长度为200mm。该导轨额定动载荷c=8330n,额定静载荷co=13230n，沿导轨方向最大容许静力矩my=66.64n*m，垂直导轨方向最大容许静力矩mx=98.98n*m。因其与y向导轨型号相同，且其上所承载的重量小于y向导轨上的重量，所以承重也在安全范围之内，不需重复校核。4.3滚珠丝杆副选型计算（1）滚珠丝杆最大工作载荷计算在加工过程中，机头部分受到来自进给方向的载荷fx=379n,受到横向载荷fy=295n，受到垂直方向的载荷fz=232n。估算得运动部件总重量。查找资料可知，应选取颠覆力矩影响系数k=1.1，导轨的摩擦系数=0.005。可以求得滚珠丝杆的工作载荷为： （4.8）最小载荷fmin是机头部分不进行切削时，作用于滚珠丝杆上的轴向载荷。此时fx=fy=fz=0。 （4.9）最大载荷fmax是机头部分承受最大切削力时，作用于滚珠丝杠的轴向载荷。 （4.10）当量载荷： （4.11）当工作载荷与转速接近正比变化，且各种装束受用机会均等时，平均工作载荷： （4.12）带入数据到公式4.12计算得：（2）滚珠丝杠导程计算选择滚珠丝杆导程时，必须考虑传动要求。其中负载、传动效率等是需要考虑的主要点。首先，需要符合机床传动要求，其公式为： （4.13）其中： vmax机头部分的最快进给速度； nmax驱动电机最高转速。 将vmax=1200mm/min， nmax=600r/min代入，得到：能达到控制精度的前提下， ph取稍大的数值，ph=4mm（3）滚珠丝杠额定动载荷cam计算 （4.14）式中：fm滚珠丝杆平均工作载荷， nm平均转速，tt寿命时间，fw载荷系数，fh硬度系数。其中平均转速nm=72r/min，初设寿命tt=10000h。查参考资料得，在轻微冲击时，取载荷系数fw=1.2,滚道硬度为60hrc时，取硬度系数fh=1.0。将数值代入式中，求得预期额定动载荷： cam=475.21n。（4）滚珠丝杠型号初选根据最大动载荷和初选的丝杠导程，查abba公司产品手册。选取sfu01604-4型滚珠丝杆。该螺母为内循环固定、反向器单螺母。其公称直径d0=16mm，导程为4mm。螺母内循环滚珠为3圈1列。精度等级取5级，额定动载荷ca为6.17kn， cacam，满足要求。（5）滚珠丝杠校核计算a.压杆稳定性验算丝杆压弯时，临界载荷p课由欧拉公式计算： （4.15）式中：e弹性模量，e=2.1105n/mm2；i丝杠端面最小惯性矩； d2丝杠底径；l螺母固定端处最大距离；k压杆稳定安全系数；长度支撑系数（如图4-2所示）。图4-2 长度系数的选择丝杆有效直径d2=13.1mm，计算得到截面惯性矩i=(d2)4/64=1445.62mm4。压杆的稳定安全系数k=3，取支承系数=2。丝杆螺母到固定处的最大距离值l=140mm。计算求得临界载荷p=114.65knfmax，故丝杆不会失稳。b.容许拉伸(压缩)载荷校核丝杆拉压容许载荷p1可由表4-2选取：表4-2 滚珠丝杠容许载荷表丝杆直径（mm）161820252832364045505563p1（kn）212832546682110137184221285338p1=21knfmax，满足要求。c.螺母静额定载荷校核 （4.16）式中：coa基本静额定载荷，coa =12.5kn；kj静态安全系数，大小可从表4-3选择。 表4-3 滚珠丝杠静态安全系数表使用条件静态安全系数值kj普通载荷12冲击或振动载荷23kjfmax=3280.6n=841.8ncoa满足要求。d. 刚度验算机头升降部分滚珠丝杠副采用一头固定一头自由的安装的方式。螺母到固定端的最大距离l=140mm；钢的弹性模量e=2.1105mpa；查该公司产品手册,滚珠直径dw=3.175mm，丝杠底径d2=13.1mm,丝杠截面积 （4.17）代入数值，丝杆在工作载荷fm下产生的形变量 （4.18）根据滚珠计算公式，计算可得单圈滚珠数z=13。该型号滚珠丝杆为单螺母形式，滚珠的（圈数列数）为31。代入公式计算得滚珠总数量z=69。当滚珠丝杆预紧时，轴向的预紧力fpj=fm/3=93.5n。所以可以算出滚珠和滚道之间的形变量2=0.0003mm。因为滚珠丝杆存在预紧力的关系，大小为轴向载荷的1/3。所以实际产生的形变量应该减少一半，所以2=0.00017mm。将上述的1和2代入=1+2，得到滚珠丝杆的总形变量（对应跨度140mm）=0.00076mm。在本文的设计中，滚珠丝杆的有效行程为140mm。由相关资料可知，5级精度滚珠丝杆在有效行程不超过315mm时，允许偏差可达到25m。所以选取的滚珠丝杆刚度足够要求。e.效率验算。传动效率： （4.19）式中：丝杠螺纹螺旋升角： （4.20）摩擦角，=arctan。 把滚珠丝杆的公称直径d0=16mm，导程ph=4mm等数值代入公式中。计算出滚珠丝杆的螺旋升角=433。将摩擦角=10数值代入=tan/ tan（+）,计算出传动效率=96.45%90%满足要求。通过各项要求计算，所选择的的滚珠丝杆均满足此处的设计要求。4.4电机选型计算 本次设计的服装模板机一共有三个平行机构，步进电机的选择需要考虑如下因素： 电机的最高转速。电机选择首先依据机头部分的运行速度。运行时的速度在电机的最佳速度范围。 为了能够提供足够的角加速度，使传动反应灵敏并且满足系统的稳定性。 负载惯量jl与电机惯量jm的关系应满足关系公式jl2.5jm。 步进电机能提供的最大输出转矩tmax要大于负载所需的最大启动转矩； 电机的额定转矩不小于负载连续工作时电机所需最大转矩。其中，x向电机：为整个横梁部分运动的提供动力。横梁部分主要包括一根镀锌方管、y向电机、横梁支撑架、机头部分等。y向电机：为机头部分运动的提供动力，机头部分包括主轴电机、z向步进电机、滚珠丝杠等。z向电机：为主轴电机的升降提供动力。查思科赛步进电动机的参数，x方向选择85系列步进电机，型号为85bygh450c，并进行电动机转动惯量和转矩的校核。详细参数如表4-4所示。 表4-4 x向步进电机选型参数表负载转动惯量jl=6.7610-2kgcm2最大启动转矩tr=3.6nm步进电机型号85bygh450c驱动器型号ma860h电阻0.95额定电流4.0a最高转速500rpm电机转动惯量jm=2.7kgcm2电机额定转矩t额6.3 nm电机最大输出转矩tmax=19.1nm查思科赛步进电动机的参数，y方向选择85系列步进电机，型号为85bygh450b，并进行电动机转动惯量和转矩的校核。详细参数如表4-5所示。表4-5 y向步进电机选型参数表负载转动惯量jl=4.2510-2kgcm2最大启动转矩tr=2.53nm步进电机型号85bygh450b驱动器型号ma860h电阻0.62额定电流4.0a最高转速500rpm电机转动惯量jm=1.7kgcm2电机额定转矩t额4.5 nm电机最大输出转矩tmax=13.6nm查思科赛步进电动机的参数，z方向选择57系列步进电机，型号为57bygh250c，进行电动机转动惯量和转矩的校核。详细参数如表4-6所示。表4-6 z向步进电机选型参数表负载转动惯量jl=4.810-2kgcm2最大启动转矩tr=0.36nm步进电机型号57bygh250c驱动器型号m542 v2.0电阻1额定电流3a最高转速1000rpm电机转动惯量jm=0.44kgcm2电机额定转矩t额1.7 nm电机最大输出转矩tmax=4.83nm4.5同步带及带轮选型设计 从动力源步进电机到运动部分的传动，设计中采用同步带传动。同步带传动有着许多优点。传动原理是同步带与带轮的啮合，传递运动和动力。所以同步带与带轮之间，载荷范围内不会发生相对滑动。这就能提供了准确的传动比。而且传动过程非常平稳，能达到缓冲、减震的效果。最重要的是传动过程噪音非常小，也不需要润滑，所以同步带寿命比较长。（1）x向同步带及带轮选型将安装在步进电动机轴上的同步带轮编号为1，与之配合的同步带轮编号为2。根据设计要求，机头部分最后的线速度为50-100mm/s，初步设定工作时步进电机的转速n1=100r/min，传动比i=2。确定带型号和节距 可根据同步带传动的设计功率pd和电动机转速n1，查宁波伏龙同步带公司产品手册。最终选取s5m型同步带。主要参数为节距为5mm；齿高1.91mm；带厚3.4mm。同步带轮选型 可根据同步带的最小许用齿数确定，查宁波伏龙同步带公司产品手册可得，带轮1齿数：，故带轮2齿数为：。则同步带轮的型号：17-5m和34-5m。设计带轮宽度为25mm，具体参数如表4-7所示。表4-7 带轮参数表带轮编号齿数节径d外径档边直档边内径档边厚度 h带轮11727.0625.9232211带轮23454.1152.9758471.5（2）y向同步带及带轮选型这里将步进电动机上的同步带轮称为同步带轮3，与之配合的同步带轮称为同步带轮4。根据设计要求，机头部分最后的线速度为50-100mm/s，初步设定工作时步进电机的转速n1=100r/min，传动比i=2.5。确定带的型号和节距 可根据同步带传动的设计功率pd和电动机转速n1，查宁波伏龙同步带公司产品手册。最终选取s5m型同步带。主要参数为节距为5mm；齿高1.91mm；带厚3.4mm。同步带轮选型 可根据同步带的最小许用齿数确定，查宁波伏龙同步带公司产品手册可得，带轮1齿数：，故带轮2齿数为：。则同步带轮的型号：17-5m和42-5m。设计带轮宽度为25mm，具体参数如表4-8所示。表