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高速 牙刷 植毛机 机械 结构设计 全套 cad 图纸

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下载后包含有CAD图纸和说明书,咨询Q197216396或11970985本科生毕业设计毕业设计题目学生姓名专业班级指导教师完成日期下载后包含有CAD图纸和说明书,咨询Q197216396或11970985I中文摘要高速双色牙刷植毛机是提高效率，进行生产牙刷加工的先进设备。大大提高了生产效率，生产质量，生产品种。工效比原来的人工操作提高了67倍,日完成量达1500020000支牙刷,极大地满足了市场的需求,取得了较好的经济效益。本课题的目的就是为了使每个流程之间联系起来，提高机械化程度，减少人工的参与，既能够减少成本又能够提高生产效率。综合了以上考虑之后，我将本次设计的题目定为高速双色牙刷植毛机机械结构设计，设计中主要使用了CAD、SOLIDWORKS等工程制图软件进行绘图和结构分析。并对一些重要的部件进行必要的计算和校核。关键词植毛机，设计，结构分析下载后包含有CAD图纸和说明书,咨询Q197216396或11970985IIABSTRACTHIGHSPEEDCOLORTOOTHBRUSHTUFTINGMACHINEISIMPROVEEFFICIENCYANDADVANCEDPROCESSINGEQUIPMENTOFTOOTHBRUSHESGREATLYIMPROVEDPRODUCTIONEFFICIENCY,PRODUCTIONQUALITY,PRODUCTIONVARIETIESEFFICIENCYTHANTHEORIGINALMANUALOPERATIONSINCREASEDBY6TO7TIMES，COMPLETION15000AMOUNTEDTO20000TOOTHBRUSHINEVERYDAY，GREATTOMEETTHENEEDSOFTHEMARKETANDACHIEVEDGOODECONOMICTHEPURPOSEOFTHISPROJECTISTOMAKETHELINKBETWEENEACHPROCESS,ANDENHANCETHEDEGREEOFMECHANIZATIONTOREDUCELABORPARTICIPATION,BOTHTOREDUCECOSTSANDTOIMPROVETHEEFFICIENCYOFAPRODUCTIONAFTERCONSIDERINGACOMBINATIONOFTHEABOVE,IWILLBETHETOPICOFTHISDESIGNISTHEHIGHSPEEDCOLORTOOTHBRUSHTUFTINGMACHINEMECHANICALSTRUCTUREDESIGNDESIGNOFTHEMAINUSESCAD,SOLIDWORKSANDOTHERENGINEERINGDRAWINGSOFTWAREFORDRAWINGANDSTRUCTURALANALYSISANDSOMEIMPORTANTCOMPONENTSNECESSARYCALCULATIONSANDVERIFICATIONKEYWORDSTOOTHBRUSHHAIRPLANTINGDESIGNSTRUCTURALANALYSIS下载后包含有CAD图纸和说明书,咨询Q197216396或11970985III目录中文摘要ABSTRACT第一章绪论111课题背景和研究意义112近代牙刷的发展历程213国内外植毛机的发展现状214本课题的立题依据315本课题研究的内容4第二章植毛机的工作原理5第三章植毛机总体方案选择731植毛机的技术进展732植毛机的结构9第四章植毛机的总体结构及组成部分结构1141植毛机的布局1142刷柄自动装夹设计1243刷柄自动运行机构设计1344自动分丝机构设计1445自动送铝片、及自动切断机构设计1646自动钩丝机构的设计1747本章小结17第五章植毛机零件的设计计算1851系统的运动分析1852主轴箱电机的选择1953皮带的选择2154主轴的设计计算23下载后包含有CAD图纸和说明书,咨询Q197216396或11970985IV55送丝嘴运动分析计算2856送铝片运动分析计算3057铝片切断运动分析计算3258送丝凸轮的设计计算35581送丝凸轮的基本尺寸35582送丝凸轮的理论轮廓35583送丝凸轮的工作轮廓3659本章小结38第六章植毛机控制系统3961牙刷植毛机数控系统工作原理及其总结构设计3962PLC控制电路图4163I/O扩展电路42参考文献43致谢44下载后包含有CAD图纸和说明书,咨询Q197216396或11970985V高速双色牙刷植毛机机械结构设计1第一章绪论11课题背景和研究意义2000多年前，古人就懂得如何保护牙齿，史记仓公传中指出虫牙的原因是“食而不漱”，礼记中“鸡初鸣，咸盥嗽”说明了那个年代的人就有了漱口的习惯。民间有“挑马勘牙，选郎见齿”之说，大意是挑马要看牙口，挑女婿也要看牙口，齿强则体健已经是很普遍的社会生活常识。公元前3500年，巴比伦人挑选富有香气的细根树枝末端嚼松软，形如刷毛，用于刷牙，另一端则削成尖头，方便剔牙。公元前3000年苏美人乌尔城邦的国王墓穴中就曾发现过清理口腔用的最早工具牙棒。中国大约在公元前1600年就有牙刷和刷牙了，公元15世纪已经有了如今牙刷方式的雏形。唐代开始，人们用柳枝做成刷，蘸药水揩齿，这就是早期牙刷、牙膏的雏形。宋代，人们主张每日早晚用柳枝揩牙两次。到了元代，一般人用柳枝当做牙刷，参合中草药制成的揩齿粉末刷牙。公元16世纪，中国人利用西伯利亚山猪毛和竹子或骨骼做柄发明了史上第一支真正的牙刷，人们用竹子做柄，附着野猪毛，这样的牙刷就是今天牙刷的祖先。世界上第一支牙刷，长165CM宽11CM厚02CM共三排31孔，中间为11孔，两边为10孔，孔直径为022CM整体为骨质结构，头部和尾部为眼观见骨。20世纪30年代，WALLACEHCAROTHERS在杜邦实验室发明了尼龙，尼龙成为现代化的标志，这个发明永远改变了牙刷的历史。普通牙刷组成牙刷把刷头手柄牙刷毛。普通牙刷的原材料牙刷把聚苯乙烯，牙刷把上软软的部分弹性橡胶粒子，牙刷毛目前的刷毛多用尼龙丝制成。可分为两种普通丝和杜邦丝。压线铝或铜。生产牙刷需要的设备为注塑机，植毛机，磨毛机。牙刷生产工艺流程注塑、注胶、植毛、平毛、磨毛、清洗、检测、包装。其中，注塑将颗粒状或粉状塑料置于注射机料筒内加热，使其软化后用推杆或旋转螺杆连续从模口挤出（模口的形状即为所需制品的断面形状，长度视需要而定），冷却后即为所需的制品植毛就是将牙刷的毛送到牙刷柄中去，植毛后要把毛切成各种需要的形状。磨毛刷毛在切割后，如果没有经过圆滑处理，容易因太过尖锐而造成伤害。把刷毛尖磨圆，可防止这种伤害。以及拉应力检测和对牙刷进行包装。高速双色牙刷植毛机机械结构设计212近代牙刷的发展历程1、通用型和特异型保健牙刷。既符合卫生标准又不损伤牙齿和牙龈。2、指套式牙刷适用于婴幼儿。3、电动牙刷有洁齿及按摩牙龈的作用，效果均比普通的牙刷好。4、声波牙刷一分钟3万次的冲击力。清洗牙齿上的污垢和食物残渣。5、电离子牙刷刷牙时可发出一系列微量元素和阴离子，有消炎杀菌作用。6、磁性保健牙刷利用磁场（磁场强度高达1500高斯）起保健按摩、清洁口腔同时可达到消炎止痛、活血固齿的功效。13国内外植毛机的发展现状我国是全球最大的牙刷产销国。自改革开放以来，国内牙刷整体发展较快，特别是近5年，牙刷总产量和牙刷出口量年平均增长超过22，出口金额年平均增长达到36以上。2008年，中国大陆牙刷产量将近100亿支，其中出口312亿支，实现销售68亿元，实现税金612亿。经过多年发展，牙刷重点企业快速做大做强，已形成一批具有一定规模的企业，据统计，前10名重点企业产品市场占有率占全国总量的60，牙刷出口量占世界牙刷消费量的40以上，其中，前10名重点企业有7名在江苏省扬州市邗江区杭集镇，其牙刷产量占全国总产量的70。目前，邗江区杭集镇已成为我国牙刷的主产区，素有“中国牙刷之都”的美称，其“产业洼地”的效应逐步显现，产业链条逐步拉长，形成了以高露洁公司、两面针集团、山鹰纸业为龙头的旅游牙刷制造业、原材料供应业和纸箱包装配套业。在中国牙刷行业属于劳动密集型产业，在国民经济行业分类中，属C2673口腔清洁用品。其特点是1、资金投入大。由于牙刷是塑料产品，需要空间容积较大的原材料、半成品、产成品等车间或仓库，故需征用一定规模的土地，新建成片的厂房。同时，还需购进多种配套的生产设备，据了解，一条生产流水线最低投入需100多万。2、科技含量低。由于牙刷是劳动密集型产品，科技含量低，仅生产牙刷，就有配料、注塑、注胶、植毛、入盒、包装等十多道工序，且从业要求不高，其劳动密集度高于服装、玩具等产业。3、回报周期长。由于牙刷是民用生活必需品，价廉物美，其正常零售价每支不足1元，且毛利率仅为15左右。同时，高速双色牙刷植毛机机械结构设计3牙刷耐磨耐用，使用周期长，故虽有需求市场，但需求量不大。4、资源浪费高。由于牙刷是一次性消费品，特别是其原材料为聚本乙烯、聚丙烯等化工原料，对资源的依赖和消费程度较大。同时，其废品回收价值低，且回收成本高。牙刷至17世纪方出现，至19世纪才广泛流行。1938年杜邦化工推出以合成纤维（多数是尼龙）代替动物鬃毛的牙刷，第一支以尼龙纱线作刷毛的牙刷于该年2月24日上市。2003年1月，根据勒梅尔森麻省理工发明指数，牙刷获选为“美国人生活不可或缺的发明”第一位，击败了汽车、个人电脑、手提电话和微波炉。在欧洲，牙刷是由英国皮匠爱迪斯于1780年在伦敦首先发明的。在此之前，欧洲人用布擦洗牙齿，爱迪斯认为用布擦牙效率太低，而且擦不干净，他把鬃毛缚在骨头上，刷牙效果很好，从此改进了欧洲人的刷牙工具，爱迪斯创立的公司至今仍在生产牙刷。欧洲的植毛牙刷于1646年首先出现于法国。从1840年开始德国才正式制造牙刷，后来传到美洲。美国于1900年由拉拜塞夫公司用橡胶加硫法制造牙刷柄知道1920年才被淘汰，后来又用赛璐珞制造牙刷柄，又经过一段时间，则多用注入法制造牙刷柄了。1930年出现了尼龙丝，1938年就用以代替天然鬓来制造牙刷，因为尼龙丝具有粗细均匀，光滑牢固和容易保持清洁的优点，所以现在国内外大多用尼龙丝来制造牙刷了。在国外，牙刷机器比较先进，生产工序中的植毛、磨毛、平毛可以通过连续完成，人工只需要参与一次就行了，可以大大减少人工的参与，而且可以减少工序之间半成品的流动运输与周转，这样可以提高生产效率。因为半成品不需要流动运输，所以占据的厂房空间也就相对变小，质量也较高，工作环境噪声也很小。14本课题的立题依据牙刷是我们日常生活中离不开的口腔卫生工具，在调查问卷中，有444的人坚持早晚刷牙。每天早上起床后第一件事就是刷牙，睡觉前的最后一件事也是刷牙。在如今的生活中，刷牙不再仅仅为了口腔卫生，还能提高一个人的个人形象。以前的牙刷机是利用人工进行生产，如今面对庞大的人群和用量，这种效率很低，我国牙刷生产现状（劳动密集型，工艺流程中每道工序之间是相互独立的，每道工序之间都存在半成品要人工上料和下料的问题，且每道工序之间半成品流动运输、周转都导致生产效率低、同时半成品占据厂房空间大，质量不稳定、工人劳高速双色牙刷植毛机机械结构设计4动强大、工作环境噪声、橡塑气味都影响工人身体健康。），所以要通过设计制造先进的牙刷制造装备来改善上述的落后状况和追赶超越先进国家。本课题在消化吸收原来工艺及设备的基础上，针对企业需求，对原来工艺及设备进行总体优化改进。以提高产品质量，减轻劳动强度，提高生产效率。设计的植毛机则大大的减轻了员工的负担，工效比原来的人工操作提高了67倍,日完成量达1500020000支牙刷,极大地满足了市场的需求。综上所述，选择“高速双色牙刷植毛机机械结构设计”这个题目。15本课题研究的内容牙刷生产工艺流程刷柄注塑、注胶、切毛、植毛、平毛、磨毛、包装。其中植毛是关键，从手串，到简单机械植毛，至今天的高速多色植毛，本植毛机要求植两种颜色，生产率750900孔/分钟（2530支/分钟），设计刷柄自动装夹、X/Y方向自动运行机构、自动分毛机构、送毛机构。高速双色牙刷植毛机机械结构设计5第二章植毛机的工作原理全自动牙刷植毛机是具备检测、控制、报警、人机对话等一系列功能,它的工作效率比半自动植毛机提高了23倍,日完成量达2万支牙刷,很好地满足了市场的需求,取得了非常好的经济效益。设计的全自动牙刷植毛机主要由3部组成植毛机构,高精度X、Y方向运动平台和单片微机控制系统。图1高速双色牙刷植毛机机械结构设计6植毛机构它主要完成刷丝传送、铝片传送、铝片剪切、刷丝与铝片合成、植入刷板等等动作。它的工作原理是启动主轴电机,带动了主轴旋转,安装在主轴上的3只互成一定角度的凸轮进行启动。第一凸轮驱动一为换向装置,它带动拉毛梭芯在梭壳中来回进行拉丝,从而可以不断的将牙刷丝送入植毛嘴中与此同时，另一凸轮来带动送铝片机构,可以将铝片送入切片刀盒此时连杆机构带动刀片切出116MM1MM014MM的薄片,并与梭芯拉入的刷丝一起送入植毛嘴中,由步进电机来进行驱动的装有刷板的工作台移到植毛嘴下,将一束刷丝连同铝片植入当前刷板孔中,完成了一次循环。运动平台这是一套很高精度的两轴定位系统,它主要是完成牙刷取板,刷板定位,X、Y方向移位,牙刷进行出板等一系列动作。因此,这部分精度如何影响到整机性能及牙刷植毛质量,要求运动平稳、移位速度快、到位精度高。通常刷板孔径在116MM左右,要能准确地将毛丝及铝片植入刷板每孔中心,给运动平台提出了较高要求。其设计原理是由微电脑控制步进电机,来驱动X轴与Y轴,而X轴和Y轴采用定制精密滚珠丝杠。工作台的平移运动,由X、Y轴运动基座加装导杆,并在导杆上安装立线轴承,以消除晃动及步距误差,夹板装置安装固定在运动平台上,由电磁气动阀完成刷板的夹紧及弹出。单片微机控制系统该部分是全自动植毛机的心脏,它所完成的工作主要包括4个方面1协调整机工作状态,检测各个控制环节,包括X轴零位、Y轴零位、板仓空、毛色、重毛、移位等的检测。2控制各支路动作,包括X、Y轴步进电机正、反向运动控制,移位步距控制,主轴驱动电机启、停控制,刹车、换毛、出板气泵的工作时序。3故障报警指示,包括重毛故障,电源故障,X、Y轴不能回零,毛色不能变换,移位计数等指示。4人机对话功能,包括是否紧急停机,故障清除恢复,主轴电磁刹车是否释放,是否启动工作,新牙刷品种的程序编制,日产量计数,总产量计数,工作台移位速度的设定,毛色设定,出板位置的设定,X、Y轴偏移量的修正。高速双色牙刷植毛机机械结构设计7第三章植毛机总体方案选择31植毛机的技术进展手动植毛机通过人来摇手柄来驱动，主轴上有两个凸轮，第一个是用来控制牙刷孔的位置，第二个凸轮控制铝片的长度，在后面通过连杆机构将钩丝、切铝片和将铝片、刷丝植入刷柄一同完成，整个过程完全手动，工人一边扶着刷柄一边摇手柄。所以，手动植毛机的效率很低，一天最多能植20003000支牙刷。只能植一种颜色的刷丝。图2图3半自动植毛机半自动植毛机是在手动植毛机上进行了一些改造，动力源由电机提供，牙刷孔的定位也由步进电机控制，而且可以植两种颜色的刷丝，效率大大提高，一天可以植60007000支牙刷。高速双色牙刷植毛机机械结构设计8图4全自动植毛机全自动牙刷植毛机是具备检测、控制、报警、人机对话、自动装夹等一系列功能,它的工作效率比半自动提高了23倍,日完成量达2万支牙刷,很好地满足了市场的需求,取得了非常好的经济效益。高速双色牙刷植毛机机械结构设计9图5图632植毛机的结构方案一如图所示图7高速双色牙刷植毛机机械结构设计10方案二如图所示图8如上图，是植毛机的总体结构的两种不同的方案，两种方案的不同之处是第一种方案是用两个电机分别控制刷柄的转动和两个方向的位移，而第二种方案是通过齿轮和轴的传动来实现刷柄的转动和两个方向的位移的确定。第一种方案是用额外的一个电机来实现两种植毛机两种不同颜色丝的传送，而第二种是在第一个轴上面利用齿轮来和毛色的传送进行结合从而来控制两种毛色的传送。很显然，第一种设计的方案比第二种更好，第一种是单独进行控制能够很精确的进行传送和定位，而第二种是经过了很多传送机构后再来进行控制和定位，经过了多次传送机构后，很显然会影响设计时候所想要达到希望的精度和需要，第一种不需要多次的传送，直接作用于零件上，很好的保护了效率和精度，所以在设计的时候，选用了第一种的方案。高速双色牙刷植毛机机械结构设计11第四章植毛机的总体结构及组成部分结构41植毛机的布局图9根据以前植毛机的结构设计，参考其他自动化设备的结构，将制造的植毛机分为电气控制柜，仪表界面，刷柄自动运行系统，送铝片，切断，送丝机构，分丝机高速双色牙刷植毛机机械结构设计12构和机架，电气控制柜是对设备的运行提供动力和控制，仪表界面是对植毛机进行一个总体的汇总，可以对植毛机进行指令的输入输出，刷柄自动运行系统是对刷柄的二维运动进行设计，控制夹紧牙刷和与送丝嘴送丝进行配合。送铝片，切断，送丝机构是设计在植毛机进行工作的过程中，将铝片送入到送丝嘴并且进行切断的一个机构。分丝机构是将两种不同颜色的毛进行送到送丝嘴，这个过程是通过分丝机构来完成。而机架是植毛机的一个总体框架，是对这些设备进行支撑，将这些机构进行一些合理的分配以汇成一个完整的整体，以便更好的为植毛来服务。具体的总体布局如上图显示。42刷柄自动装夹机构设计工件在开始加工前，首先必须使工件在机床上或夹具中占有某一正确的位置，这个过程称为定位。为了使定位好的工件不致于在切削力的作用下发生位移，使其在加工过程始终保持正确的位置，还需将工件压紧夹牢，这个过程称为夹紧。定位和夹紧的整个过程合起来称为装夹。刷柄的装夹采用自动装夹，由电磁气动阀完成刷板的夹紧及弹出。具体的设计如下图。图10高速双色牙刷植毛机机械结构设计13图1143刷柄自动运行机构设计刷柄的运行机构是负责对装夹机构进行两个方向的运行，是由微电脑来控制步进电机,两个电机分别来驱动X轴方向和Y轴方向,而X轴和Y轴采用定制精密滚珠丝杠。工作台的平移运动,由X、Y轴运动基座和加装导杆,并且在导杆上安装立线轴承,从而可以消除晃动及步距误差。具体的机构设计如图所示高速双色牙刷植毛机机械结构设计14图12图13图1444自动分丝机构设计分丝机构的作用是将两种不同颜色的丝分别通过分丝机构进行输送，再通过送丝嘴将不同颜色的丝和铝片送往刷柄的孔中，从而完成牙刷分毛的工序，它是利用凸轮驱动成为换向装置,它带动拉毛梭芯在梭壳中来回进行拉丝,从而可以不断的将牙刷丝送入植毛嘴中，具体的设计机构如下图。高速双色牙刷植毛机机械结构设计15图15图16高速双色牙刷植毛机机械结构设计1645自动送铝片、及自动切断机构设计自动送铝片、及自动切断机构是和分丝机构及送毛嘴一起作用，是对牙刷毛固定在牙刷孔中，它是通过凸轮来带动送铝片机构,通过一些连杆机构可以将铝片送入切片刀盒此时连杆机构带动刀片切出的薄片,这样就与梭芯拉入的刷丝一起送入植毛嘴中，从而完成植毛的工序过程。自动送铝片、及自动切断的机构设计如下图所示。图17高速双色牙刷植毛机机械结构设计1746自动钩丝机构的设计自动钩丝通过一些摆杆和连杆，连接到主轴，最后将动力传递到钩丝的刀片上，钩丝的刀片做周期性的摆动，在刀片的圆周上有个直径为4MM的小孔，当刀片回转到分丝机构时，刷丝在弹簧压力和自身重力的作用下，进入到刀片的小孔中完成刷丝的钩取，并将刷丝送到送丝嘴的前面，等待送丝机构将其植入牙刷柄对应的孔内。图18图1947本章小结本章是说明了方案的选择，并且设计了植毛机一些必要结构，包括刷柄自动装夹设计，刷柄自动运行机构设计，自动分丝机构设计，以及自动送铝片、及自动高速双色牙刷植毛机机械结构设计18切断机构设计和自动钩丝机构的设计。第五章植毛机零件的设计计算51系统的运动分析图20启动主轴箱电机,通过皮带的传动，带动了主轴的转动，安装在主轴上的3只互成一定角度的凸轮进行启动。第一凸轮驱动一为换向装置,它带动拉毛梭芯在梭壳中来回进行拉丝,从而可以不断的将牙刷丝送入植毛嘴中第二凸轮是带动摆杆机构对植毛嘴进行前后进行运动。与此同时，另一凸轮来带动送铁片机构,可以将铁片送入切片刀盒此时连杆机构带动刀片切出116MM1MM014MM的薄片,并与梭芯拉入的刷丝一起送入植毛嘴中,由步进电机来进行驱动的装有刷板的工作高速双色牙刷植毛机机械结构设计19台移到植毛嘴下,将一束刷丝连同铁片植入当前刷板孔中,完成了一次循环。下面进行主轴箱电机、皮带、主轴进行选择设计，并对送丝嘴、切铝片速度进行计算和送丝凸轮进行分析计算。52主轴箱电机的选择电机类型的选择（1）根据电机的工作环境选择电动机的类型安装方式选用卧式电动机防护型式选用封闭自扇冷式，可在潮湿、多尘埃、高温、有腐蚀性气体或易受风雨的环境中工作起动、制动较频繁，选用线性转子异步电动机电动机额定电压的选择电动机额定电压的选择一般选择与供电电压一致，普通工厂的供电电压为380V或220V，因此中小型交流电机的额定电压大都是380V或220V，选用220V的电压。电动机额定转速的选择电动机的额定转速要根据生产机械的具体情况来选择。要求调速的中高转速生产机构上使用的电动机额定转速的选择应结合生产机械转速的要求，选取合适传动比的减速装置，我们选用带传动减速装置。植毛机的送丝机构817次每分钟，因此主轴转速为817R/MIN，传动比为17，因此电动机的转速为1390R/MIN。电动机容量的选择根据植毛机的运动状态及给定条件计算负载功率MAXVFP送丝4602W1MAXVFP送铝片高速双色牙刷植毛机机械结构设计20801281024WMAXVFP切断110075825WAX分丝10224224W33W摩擦P3507W总参照电动机的技术参数，根据表预选电动机的型号，使其额定功率，并且总PN是尽量接近NP总总6115350752605W电动机的发热校核计算出电动机的额大功率后，通常要对选择的电动机进行发热校核，即限制电动机的温升（电动机温度与环境温度差）以保证电动机的寿命与安全OOMMAX式中电动机的温升电动机的温度M标准环境温度OCO40电动机绝缘的最高允许温升MAX电动机的最高允许温度等效功率法负载变化周期0075SZT高速双色牙刷植毛机机械结构设计21NIIZEQPT12T总3507WN其中等效功率EQ电动机额定功率NP所以550W的电动机合格选用Y8014的电动机电机功率P055KW，转速1390R/MIN选择传动比I171N53皮带的选择按照工作原理的不同，带传动可以分为摩擦型带传动和啮合型带传动。本设计选用了摩擦型带传动，根据传动带横截面积形状的不同，又可以分为平带传动，圆带传动，V带传动和多楔带传动。在本次设计中，我采用了V带传动，因为V带传动横截面积呈等腰梯形，带轮也做了相应的轮槽，可以提供更大的摩擦力，另外V带轮允许的传动比大，结构紧凑，大多数V带已经标准化。因此选用了这种V带轮。1确定计算功率CAP由机械设计表87查得工作情况系数11，故AK11055KW0605KWCAPAK2选择V带的带型根据和转速,选用A型。CA1N3确定带轮的基准直径并验算带速VD1初选小带轮的基准直径。由机械设计表86和表88，取小带轮的基准直径175MM。1D2）验算转速V，按照公式813验算带的速度高速双色牙刷植毛机机械结构设计22SMNDV/465106397106因为5M/SS1622267SC（因计算精度较低，材料不够均匀，故选取S16）故该轴在截面V左侧的强度也是足够的。因无大的瞬时过载及严重的应力循环不对称性，故可略去静强度校核。55送丝嘴运动分析计算如图，这是送丝嘴的两种不同的状态，各种数据如上图，大致原理如下由电机的转速通过皮带来带动第一根轴的转动，通过轴上面的凸轮带动滚子转动，然后由于滚子滚动的轨迹来带动连杆机构的摆动，从而使送丝嘴能够周期性的经行送丝，从而达到设计的要求。传动路程电动机小带轮大带轮轴凸轮滚子连杆机构送丝嘴高速双色牙刷植毛机机械结构设计29图22由小带轮的直径D175MM，大带轮的直径D2125MM由公式，N1D1N2D2，则有N206N1所以轴上面转速和大带轮一样，为N2；N2834R/MIN则N11390R/MIN凸轮的半径R036MM，故凸轮的线速度SNV/M143R20凸初滚子的线速度，凸初滚V高速双色牙刷植毛机机械结构设计30则滚子的角速度SRV/RAD25196043滚滚滚在初始阶段时，滚子速度和第二轴轴心连线的夹角31则有130SIN89690SIN1送丝初滚V则有M/2送丝初在末端时，滚子速度和第二轴连线的夹角62则有1309SIN2送丝末滚V/46送丝末56送铝片运动分析计算在植毛机的运动中，通过凸轮及连杆机构来实现送铝片，大致过程如下首先通过电机的转动来带动第一根轴的转动，由轴上的凸轮的转动来带动滚子的转动，而滚子是连杆机构的一部分，通过固定轴的转动和连杆的形状来表现出送铝片的运动，从而达到设计的要求。传动路程电动机小带轮大带轮轴凸轮滚子连杆机构送铝片由上面可知，小带轮的直径D175MM，大带轮的直径D2125MM由公式，N1D1N2D2，则有N206N1所以轴上面转速和大带轮一样，为N2；N2834R/MIN则N11390R/MIN凸轮的半径R0445MM，故凸轮的线速度SNV/M893R20凸初滚子的线速度，凸初滚V则滚子的角速度SR/RAD13240689滚滚滚经设计，滚子圆心和轴的圆心距离L1895MM。由SOLIDWORKS可知3螺纹杆与两中心的夹角为142轴中心与螺纹杆的距离MM52L高速双色牙刷植毛机机械结构设计31图23在初始状态时，则有214COS130SINLV杆初滚则有V/M19杆初高速双色牙刷植毛机机械结构设计32图24在末端时，如图所示，推杆与两中心直线之间的夹角为306螺纹杆与中心直线的夹角为124241COS1630SINLV杆末滚则有/M7杆末在通过机构传到送铝片的时候结构如图。L3953MM，L4131MM则有43LV铝片初杆初算出S/61铝片初同理铝片末杆末算出SMV/75铝片末57铝片切断运动分析计算如图，这是在铝片切断时候的初始状态。高速双色牙刷植毛机机械结构设计33图25此时，滚子的速度与两中心直线的夹角为3338两中心的距离L59451MM，切断杆的速度与两中心的夹角为188，之间的距离L6425MM。则有681COS538SINLVLV切断杆初滚高速双色牙刷植毛机机械结构设计34得出SV/M70切断杆初在末端时，如图所示，滚子的速度与两中心直线的夹角为2840两中心的距离L59451MM，切断杆的速度与两中心的夹角为021，之间的距离L6425MM。图26高速双色牙刷植毛机机械结构设计35则有6210COS5428SINLVLV切断杆末滚得出/M60切断杆末58送丝凸轮的设计计算581送丝凸轮的基本尺寸根据设计的植毛机机构，确定凸轮的基圆半径R036MM，推杆滚子半径为R116MM，其次是要选择推杆的运动规律，植毛机凸轮的工作条件是高速轻载，应选用和较小的运动规律，以保证推杆运动的平稳性和工作精度。推程转角MAXAJ和回程角分别为100和140远休止段半径为5060MM,转角20近休止段半径为36MM,转角100，根据机械原理书表可得，对送丝凸轮的运动规律可选用正弦加速度运动规律，回程运动规律可选用五次多项式运动规律。582送丝凸轮的理论轮廓对于对心直动滚子推杆盘形凸轮机构，凸轮的理论轮廓坐标中的E0，S0R0，求得，SINR0XSCOR0Y公式中，位移S应分段计算（1）推程阶段95010/8SIN/2/21HS9/5,01（2）远休止阶段0高速双色牙刷植毛机机械结构设计366142S18,02（3）回程阶段187050340333/6/5/1HS55344316807/17027582HH,（4）近休止阶段185034S185,04583送丝凸轮的工作轮廓由机械原理公式917得COSRXSINRY其中22/INDYDXDXCSY（1）推程段9/5,011SCOR0SIN/DDX111SRI8CO5H11SINR0S/DSDY111SINR0CO8CO59H（2）远休止阶段18,0高速双色牙刷植毛机机械结构设计372SCOR0/DXINR/2Y（3）回程阶段187,0SCOR0SIN/33DDXSCRSI16807/568704241/2956193332HHSINR0COS/84/335434323DY（4）近休止段185,0183SCOR0/4DXINY最后利用SOLIDWORKS来进行绘画，凸轮的轮廓曲线如图高速双色牙刷植毛机机械结构设计38图2759本章小结本章对植毛机进行了总体方案的设计和选择，确定了植毛机的结构形式，并对植毛机的原理进行了详细的介绍。对一些重要的零件的选择和轴的校核进行了必要的计算，对一些机构的传动和速度进行了计算，并对送丝凸轮进行了设计，根据植毛机送丝的要求进行了凸轮机构分析，用解析法进行了必要的计算，得出工作轮廓和理论轮廓的方程。高速双色牙刷植毛机机械结构设计39第六章植毛机控制系统61牙刷植毛机数控系统工作原理及其总结构设计牙刷植毛机是以单片机及PLC为整个系统的控制核心,驱动X、Y两轴做插补运动的数控机床系统。整套系统中包含电源变压器、单片机系统、三菱PLC、键盘及液晶显示屏、步进电机及其驱动器、高精度X、Y方向运动平台、控制软件等。在牙刷植毛机数控系统设计中,我们采用的是模块化设计方法,把整个系统分解为若干个具有相对独立功能的子系统,形成不同的功能模块,以提高产品的开发速度,快速响应市场需求同时希望提高产品的质量、性能并降低成本。牙刷植毛机数控系统总模块设计如图所示高速双色牙刷植毛机机械结构设计40牙刷植毛机数控系统硬件系统单片机控制模块输入输出模块PLC控制模块伺服控制模块单片机控制程序模块PLC控制程序模块软件系统键盘输入模块液晶显示模块各功能模块子程序主程序控制模块加工程序编辑子程序液晶显示子程序通信子程序插补运算子程序伺服控制子程序图28系统控制原理流程图如下高速双色牙刷植毛机机械结构设计41主机启动工作台回零取牙刷板取到吗夹紧刷板，工作台定第一孔坐标主轴电机启动，刹车松，开始植毛重毛吗继续植毛更换毛色吗更换毛色恢复原色吗毛色控制，电磁阀释放剩余孔倒计数为零吗本支牙刷植毛完，主轴停转停机，等待处理处理完吗牙刷弹出板仓，工作台回零日产量，总产量1NYYYYNYYNNNYNNY图29高速双色牙刷植毛机机械结构设计4262PLC控制电路图PLC控制电路图图30高速双色牙刷植毛机机械结构设计4363I/O扩展电路图31高速双色牙刷植毛机机械结构设计44参考文献1梁德本，叶玉驹机械制图手册北京机械工业出版社,19972郭爱莲新编机械工程技术手册北京经济日报出版社,19913刘品，刘丽华互换性与测量技术基础哈尔滨哈尔滨工业大学出版社,20014蔡兰机械零件工艺性手册北京机械工业出版社，19955吴宗泽，罗圣国机械设计课程设计手册北京高等教育出版社，19916哈尔滨工业大学理论力学教研组编理论力学北京高等教育出版社,19957王三民,诸文俊机械原理与机械设计北京机械工业出版社，20018龚湘义等机械设计课程设计图册北京高等教育出版社,19879徐灏新编机械设计师手册北京机械工业出版社,199610邱宣怀机械设计（第四版）北京高等教育出版社,199711杨可帧，程光蕴机械设计基础M，高等教育出版社，1999年12孙恒，陈作模机械原理M，高等教育出版社，1999年13徐灏机械设计手册北京机械工业出版社,199814约瑟夫迪林格，杨祖群机械制造工程基础湖南科技出版社2010115哈尔滨工业大学理论力学教研组理论力学M，高等教育出版社，2002年16刘品，徐晓希机械精度设计与检测基础M，哈尔滨工业大学出版社，200417王昆，何小柏，汪信远机械设计课程设计M，高等教育出版社，199518濮良贵，纪名刚机械设计M，高等教育出版社，2000年19朱冬梅，胥北澜画法几何及机械制图M，高等教育出版社，2000年20吴京泽，机械零件设计手册，机械工业出版社，2003高速双色牙刷植毛机机械结构设计45致谢经过这几个月的时间，从一开始的选题，从前期材料的收集，资料的选择，外文的翻译，实习报告等等，再到装配图，工程图的绘制，再到从论文的撰写，从写稿到反复修改，在写作论文的过程中心情是如此的复杂，在这期间经历了喜悦、聒噪、痛苦和彷徨。如今，经过三个月的忙碌和工作，终于迎来了收获。我所选择的论文题目接近了尾声，在扬州大学广陵学院学习了四年，学到了不少的知识和经验，可是作为一名本科生，经验和实力难免有很多的不足，有很多不会和考虑不周的时候，如果没有竺老师的辅导，没有他的监督和耐心的讲解，没有同学们一起讨论，学习和交流，想要完成此次的毕业设计师很难想象的。首先，我想我最应该感谢的是我的指导老师，竺志大老师，他作为一名优秀的高级工程师，有着丰富的经验和高深的专业的知识，在我从初期的资料收集，外文翻译，开题报告的撰写和毕业设计的完成，从一开始到最后，始终有他的帮助，他始终用一种深入浅出的方式在教导着我，每次我去找老师问问题的时候，他总是不耐其烦的一步步的教导我，在不懂得时候都再一次的和我解释。在这段时间内，我学到了不少关于植毛机的知识。再次，真挚的感谢竺老师对我的帮助和鼓励。除了竺老师外，还得感谢艾萨克公司的王总和姚工程师，在我们去工厂参观和学习的时候，是他们给予了我很多关于植毛机设计方面的知识，正是有了他们给的初期的资料和对我的指导，我才能够继续的完成我的毕业设计，才能够如此顺利的完成我自己设计的内容，感谢他们，感谢老师和前辈对我的指导。还要感谢和我一起的刘同学，我们一起讨论毕业设计的各个流程如何才可以更加有效率的完成，在交流的过程中，有了许多对知识的了解和熟悉，同时也对我的论文给了很多建议和参考，对此表示感谢。最后，我得感谢对我在毕业设计过程中所有帮助过同学，老师以及师傅们。有了你们的帮助，我最后的论文才可以完成。我一定带着你们的期望和鼓励在今后的学习和工作中，不断的努力，不断的学习，让自己在机械行业成为一位出色的工程高速双色牙刷植毛机机械结构设计46师。机械工程学院毕业设计（论文）外文资料翻译教科部机械电子工程系专业机械设计制造及其自动化姓名学号外文出处ANINTRODUCTIONTOMECHANICALENGINEERING（用外文写）附件指导老师评语签名年月日第四章、结构和流体中的力概述当机械工程师在设计产品，系统和硬件时，他们必须应用数学和物理原理进行建模，分析和预测系统特性。通过有效的工程分析成功的设计是支持的；有效的工程分析依赖于在结构和机构上对力的了解。本章和下一个单元讲述机械工程的这一重点。本章向您介绍力学的主题，这个主题包含了结构和机构在力的作用下要么保持静止，要么保持移动。形成这种现象的基本原理是以牛顿的三大运动定律为基础的1、每一个物体都保持静止状态或匀速运动状态，除非在它的外部受到不平衡力的作用。2、物体的质量为M，受的力为F，物体的加速度与物体受到运动方向相同的力的大小成正比，与物体的质量成反比。这种关系可表示为FMA。3、两个物体之间的作用力与反作用力，大小相等，方向相反，并且共线。43力矩当你想用长柄扳手拧松冻结的螺栓，螺栓更容易转向时。力的趋势（在这种情况下，应用于手柄的一端）使物体旋转称为矩。矩的大小同时取决于所施加的力和力到枢轴点的垂直距离。垂直的力臂矩的大小是由它的定义中找到48FDMO其中O是关于点O的力矩，F是力的大小，D是力到O点的垂直距离。转矩一词也可用于描述作用在杠杆臂上的力的影响，但在电机、发动机或变速箱中机械工程师通常用转矩来代替力矩。我们将在第7章讨论这些应用。基于方程48，MO单位是力和距离组成的。在美国，矩的单位是磅英寸或磅英尺。在国际单位制中，单位是牛顿米，应用不同的前缀时数值可以是非常大或非常小。例如；5000NM5KNM和0002NM2MNM两个单位之间的转换系数见表42，在那里你可以看到1英尺磅1356NM。功和能，这是在机械工程中出现的参数，也有是力和距离的乘积单位。例如，在国际单位制中，焦耳（J）被定义为一个牛顿米。它是由一个1牛顿的力通过距离1米的工作量。然而，功和能的物理量跟力矩和转矩有很大的不同，为了要清楚区分它们时，牛顿米的单位（而不是焦耳）应使用在国际单位制中表示力矩和转矩。表达式OMFD可以应用于具体结构的理解。图49（A），力F大致向下作用在支架的右侧。有可能力的作用点在支撑杆的底部，标示在图中为点O。该结构可以在该位置分解，且工程师将研究后，以确保它能够支持F。力矩的计算是基于力F的大小和偏离O点的垂直距离。事实上，力F可沿着它的作用线的任何一点施加到支架上，对O点产生的力矩将保持不变，因为D不会改变。力矩的方向是顺时针，因为力F引起后倾旋转的趋势（在这种情况下虽然刚性安装可以防止后倾的趋势）图49（B）F的方向已更改。力的作用线将直接通过点O，偏移距离D0。不产生力矩，力趋向于直接从后拉其离开地基。总之，在计算力矩的时候必须考虑力的方向以及它的大小。实例43如图410所示的开口扳手紧固六角头螺栓和螺母。计算当35磅力被施加到如图所示扳手的两个方向上螺母的中心的力矩。手柄的整个长度，手柄是倾斜的稍微向上。开口端和封闭端中心之间的长度为英寸。16解决方案（一）在图410（A），35磅的力垂直向下作用。从螺母的中心到力的作用线的垂直距离为D6英寸。该扳手的手柄的倾斜和长度都无关紧要与计算有关的是D；手柄的长度不一定和力臂的垂直距离相同。力矩有大小351B6IN210INLB175FTLB力矩方向是顺时针（CW）。（B）在图410（B）；力已经转向倾斜一个角度，它的作用线已经变了，测得D为英寸。力矩减少到83535LB5375IN188INLB157FTLB我们得到的答案为MO157英尺磅（CW）。力矩分量就像我们可以把力分解为两个互相垂直的力；它有时是有用的来计算出力矩的分量之和。力矩被确定为与该力相关联的两个组成部分的总和，而不是力的全部合成值。据计算，力矩被分解，它往往比合力更容易找到各个组成部分的力臂。应用这种技术时，有必要规定符号，了解各分力产生的力矩是顺时针还是逆时针为了说明这种方法，我们计算如图411所示的矩点的力矩。首先我们选择以下符号规定那就是力矩顺时针为正，逆时针为负。符号规定只是一种簿记工具结合了各种顺时针和逆时针力矩分量。对O点的力矩顺时针方向都带有一个正号；而另一个方向的力矩为负。这种正方向和负方向的选择是任意的；我们可以简单地选定逆时针的方向为正。然而，一旦符号规定好后，我们坚持始终如一地遵循它。图411（A）。力被分解为分量FX和FY。而不是确定从O点到力F垂线的距离，理应涉及到几何关系，这是我们希望避免的，我们不需要单个计算FX和FY杠杆臂的距离，这是更直接的。保持符号约定，对O点的力矩变为。每个对MO产生的力矩都是正的，因为FX，FY每个都引起XFYMXO顺时针旋转的趋势。它们的作用是要合并起来的。F的方向已经在图411（B）中变化了。当分力FX还是形成正的力矩，分力FY现在对O点产生逆时针的力矩。因此有一个负的力矩，总的力矩变成了。此处是用两个分量的解合并的方法。在特殊情况下XYXO，这两个力矩恰好抵消。在这种情况下的力矩为零因为F作用线直接穿过O点，如图49（B）。一般情况下力矩的表达式，我们写为49XFYMXO正负号是由分量是顺时针或逆时针所决定的不管你使用什么方法计算力矩，当报答案时你应该说明（1）力矩的数值的大小，（2）单位，（3）方向。您可以通过使用符号指明方向，前提是您也表明了符号规定在你的图上。符号的顺时针或逆时针表示力矩的顺时针或逆时针也是非常有用。实例44在可调扳手施加250N的力确定螺母中心的力矩，图412中的处理。使用（A）垂直杠杆臂的方法，（B）一组分力的方法。解决方案（A）如图413（A）所示，我们表示螺母的中心点为A，施加力的点为B，使用给定的尺寸，距离AB的计算值虽然这是从点A214M0752到在其中施加力的位置的距离，它不是垂直的杠杆臂的距离D。为此，我们需要计算的实际长度是作用力倾斜35的垂直距离，垂直力的作用线是与水平面成35的角。如图413（A）；AB线位于水平线以下TAN1（75/200）206，从AC偏移。因此，正确的杠杆臂的距离成为4162035。扳手的力矩为。方向7MCOS142D518NM0275AM为顺时针（CW）。（B）在图413（B）中，该250N的力被分解为两个分力。水平分量（250N）SIN35143N，垂直分量（250N）COS35205N。这些分量的方向分别向左、向下，他们对点A都产生顺时针力矩的作用。在图413（B）中，我们已经规定顺时针的力矩为正号。通过累加每个分量的力矩，我们得到M518N20N75M143AM因为最终的结果是正的，力矩的方向为顺时针。44力和力矩的平衡现已确定力和力矩的基本属性，我们接下来的任务是计算作用于其他结构和机器的（未知）力通过目前（已知）的力。这个过程涉及到应用静力平衡的原则，即要么是静止的或移动的等速系统。在任何情况下，没有加速度的存在，并根据运动规律，作用在系统上的合力为零。质点和刚体一个机械系统可以包括单一的对象（例如，发动机活塞）或多个对象连接在一起（整个发动机）。当物体的物理尺寸在计算力的时候是不重要的，该对象被称为一个质点。这一概念将一个对象集中为一个点，而不是分布在一个扩展的面积或体积上。为了达到解决问题的目的，因此，一个粒子可以被视为具有可忽略不计的尺寸。另一方面，如果一个对象的长度，宽度，和面积是重要的问题，它被称为一个刚体。当看到航天飞机的运动，它绕地球运行，例如，飞船被视为质点由于其尺寸相对于轨道的大小是小的。然而，当航天飞机在着陆和工程感兴趣的的空气动力学性能和飞行特性，将不被视为一个刚体。如图414说明应用到质点和刚体力之间的区别；你可以看到一个力不平衡可能导致刚体转动。如果一个平衡力作用在质点上面，产生平衡。因为力作为矢量，最终必须为零在两个垂直方向上，我们标为X和Y0IXF0IYF410对于刚体处于平衡状态，它是必要的，（1）所有的合力为零，（2）净力矩为零。当这些条件得到满足，对象没有移动（反应部队）或转动（反应时间）的趋势。刚体的平衡要求，涉及方程410和0IOIM411MOI的书写方式被用来表示对O点施加的第I个力矩。总之，公式410两个关系注明，无论是在X或Y方向都没有净力作用，方程411注明没有净力矩往往造成旋转。符号规定是一个簿记方法来区分力作用在相反的方向，力矩的方向是顺时针或逆时针。在平衡方程求和时包括了所有的力和力矩，他们的方向和大小是预先已知的。在问题开始的时候代数变量求和总是包含未知的力在他们当中，然后列平衡方程时应用确定的数值。从数学上讲，一个刚体的平衡方程是一个包括三个未知的力和力矩的线性方程组。这个特性的一个含义是，以定它确是可能的最多三个未知量时，方程410411应用到一个单一的刚体。通过对比；要求一个质点平衡时，力矩方程是没有用的。因此，产生两个独立的方程，可以确定只有两个未知数。这是不可能获得更多独立的方程分解通过点的力矩，或在不同的方向求合力。附加方程仍然有效，但它们将仅仅是其他（已经派生）那些组合。因此，它们将不提供新的信息。当你解决平衡问题，你应该检查一下，你的独立方程比未知量多。自由体图自由体图（简称FBD）是草图用来分析作用在结构和机器上的力和力矩，它们的建立是一项重要的技能。FBD是用来识别的机械系统，经过检查，表示所有存在的已知和未知的力。当绘制FBD要经过三个主要步骤1。选择一个对象，将采用平衡方程分析。试想一下，一个细虚线围绕着对象绘制，请注意线将如何切入和表示各种力。虚线内的一切都与周围分开并应该出现在图中。2。坐标系统绘制在旁边来指示力和力矩的正号。这将是毫无意义的汇报答案，说，“25米”或“250磅”没有定义与所述正号和负号相关联的方向。3。在最后一步中，所有的力和力矩的绘制与标注。这些力可能代表重力或自由体和其他对象接触之间的力，物体被分离时这些力也被移除，。当力是已知的，其方向和大小应写在图中。力是即使它们的大小和方向不知道在这一步骤中，分析已知如果力的方向是未知的（例如，向上/向下或向左/向右），你应该绘制它用一种方式或其他方式在FBD中，或者用你的直觉为导向。应用平衡方程和一贯使用符号规定后，正确的方向可以通过计算确定。如果你找到的数量是正的，那么你知道，选择了正确的方向。另一方面，如果值是负的，结果只是意味着力与假定的方向相反。实例45一种汽车碰撞测试中，膝部和肩部安全带各张紧到300磅，如图415所示（A）。处理扣B作为一个质点，（A）画的自由体图，（B）确定锚带AB张力T，（C）确定T作用的角度。解决方案（A）扣的自由体图如图415（B）。XY坐标系统也画出来表示我们对正的水平和垂直方向的符号规定。三力作用于扣两个给定的300磅力和锚带未知力。由于扣处于平衡状态，这三种力必须平衡。虽然两者的幅度T和在带AB力的方向是未知的，两个量都在自由体图上完整地表示出来了。（B）我们通过使用矢量多边形的方法连接三个力，如图415（C）。多边形的起点和终点都是一样的，因为三个力一起作用的合力为零；即多边形的开始和结束点之间的距离是零。张力利用余弦定理确定（斜三角形方程在附录B进行了综述）的边角边三角形如图415（C）我们计算LBCOS120L320LB3L022T6519（C）锚带的角度由正弦定理LB6519SINL03I实例46一对钢丝钳如图416所示。机械师在手柄施加70N的抓握力。在电线上的切削力的幅度是多少解决方案规定力和力矩的坐标系统和正方向，如图417所示。接下来我们绘制自由体图的一个夹爪/手柄组件，这被视为一个刚体，因为它可以旋转并且和力之间的距离是显著的问题当一个刀片压紧导线，电线反过来作用在刀刃的（未知）力A。力B是通过铰链销施加，连接两个夹爪/手柄件。70N的抓握力作用在手柄的端部并在FBD显示。图417中完成的自由体图，作用在刚体上的切削力是通过应用平衡方程求得。在垂直方向上力的平衡条件是0N7BA有两个未知数，A和B，因此需要额外的方程。通过对B点的力矩，我们有M290负号的存在，因为70牛顿的力对B点产生一个逆时针方向的力矩。切削力求得A315N，经过回代，B385N。因为这些都是正的，假设的方向和FBD显示是正确的。这些钢丝钳根据杠杆原理操作。每个夹爪/手柄组件绕点B旋转。作用在A点的力与手柄上的力是成正比的，它也与距离AB和BC的比值有关。一个机器的机械优势定义为输出和输入力之比，或在这种情况下，（315N）/（70N）45。因此，钢丝钳放大机械师的抓握力约450。实例47在图418（A）所示的叉车重35001B，并带有一个800磅的集装箱。在叉车上有两个前轮和两个后轮。（A）画的叉车的自由体图。（B）确定车轮和地面之间的接触力。（C）你怎样确定前轮动力，而无需求后轮的力（D）叉车前轮的尖端可以承载多少的负荷解决方案（A）叉车的自由体图绘制在图418（B），力和力矩的正方向规定也显示在图中。我们选择向上的方向是力的正方向，顺时针方向为力矩的正方向。我们首先通过叉车，集装箱的质量中心绘制和标注已知的35001B和8001B的重力。前车轮与地面之间的（未知的）力被表示为F（未知的），后轮与地面之间的（未知）力为R。在旁边，在FBD中查看，车轮的前头净效应变为2F和2R。（B）有两个未知数（F和R），因此，需要两个独立的平衡方程解决问题。我们首先在垂直方向的合力02LB350L8RF但是，需要解决的问题是一个二次方程。在水平方向的合力将不提供任何有用的信息，所以我们利用力矩平衡。任何位置可以被作为力矩的作用点。我们确认，通过选择，力矩点与前轮重合，力F将被从计算中消除。因此，对点A取矩，我们有0IN72LB4I350LB24IN80R从中我们求得R888磅，800磅的力和后轮的重力对点A产生逆时针或负的力矩，叉车的3500磅的重力对点A产生正的弯矩。将R代入力的平衡方程，求得F1262磅。（C）为了求得前轮的力，而不需要求R，我们可以得到对点B的合力矩，未知力R通过该点；力矩平衡方程是0IN72LB30I5LB96IN80F我们得到F1262磅直接通过一个方程。（D）当叉车前车轮的边缘倾斜，后轮就与地面失去接触；所以R0。我们表示为W新（未知）集装箱的重力引起的倾斜。关于前轮的力矩平衡方程是0LB42IN35024IN叉车将濒临倾翻，当操作员试图举起W6125磅的集装箱。45在流体中的浮力，阻力和升力在这一点上，我们已经考虑了机械系统中力与重力或元件之间的连接有关力也是由固定的和移动的流体产生，可以是液体或气体。在本节中，我们将探讨三种类型的流体力称为浮力，阻力，和升力，接下来，我们重点介绍流体的特性和令人感兴趣的特点。液体和气体的产生的力是重要的在许多机械工程领域。一些应用包括汽车风阻和燃油经济性；火箭和飞机的飞行性能；在工程机械液压系统；相互作用的大气，海洋，和全球气候；甚至在人肺系统的空气和血液的生物力学研究。图419显示，四力作用在飞行中的飞机飞机的重力W，由发动机产生的推力T，由机翼产生的升力L,在空气中阻碍着飞机运动的阻力D。风洞，如图420所示，是重要的研究和开发工具，用于测量空气流围绕对象所产生的力。广泛应用于航空航天工业，风洞使工程师能优化飞机，导弹的性能，和火箭有不同的速度和飞行条件。在这样一个试验，一个规模模型的建立，并连接到一个特殊的夹具，用于测量通过的气流产生的力。作为一个例子，一个规模图420用于飞机和飞行动力学研究的几个风洞鸟瞰图来源转载并得到美国航天局的许可。图421航天飞机系统的上升过程中A1的比例模型。该工程模型包括轨道器，两个固体火箭发动机，外部燃料箱和排气羽。它是在一个跨音速风洞进行测试。来源转载并得到美国航天局的许可。在图421风洞测试过程中显示的航天飞机系统在其上升的配置模型。这个模型甚至包括轨道器发动机和固体火箭发动机创造的排气羽流，这影响了空气动力。风洞也被用来进行超音速飞行的实验图422描绘了冲击波传播了在一个高层大气中研究飞机的比例模型。当空气流绕飞机的速度超过音速时发生冲击波，这种噪音被称为音爆。风洞也可以用来设计汽车，减少风的阻力，因此，带来更好的燃油经济性。低速风洞甚至在奥林匹克运动领域应用，有助于滑雪跳线改善他们的形式，并帮助工程师设计自行车，自行车头盔，运动服装和改善空气动力学性能。浮力和压力阻力和升力，我们将稍后讨论，产生原因物体移动通过流体，或相反，流体流过对象。另一方面，流体和固体之间的力可能会产生即使它们都是静止的，由于重力及流体的重力。当你游到池的底部或在山上行进时，在水中或空气中，围绕着你的压力变化，当你调节上升或下降的压力时，你的耳朵“啪”的作响。我们的经验是，压力在液体或气体中随深度的增加而增加。在图423所示的是烧杯中的液体，在层次“0”和“1”之间由于液体的重量产生压力P的不同。两级通过深度H分离，液柱的质量为MAH。在这里，（小写希腊字母RHO）是液体的密度和啊是两个水平之间的音量。使用图423中，平衡受力平衡的色谱柱的自由体图读取P1AP0AAHG0，其中G981M/S2322FT/S2为重力加速度常数。在液体深度为“1”的压力变为P1P0AH412并且它与深度的增加成正比。表43提供了对几种常见的气体和液体密度的数值，并在表44中列出美式和国际标准单位制之间的密度转换系数。压力是以每单位面积上的力为单位。在SL中压力单位是帕斯卡（1帕1N/M2），是以十七世纪的科学家帕斯卡的名字命名，他对空气和其他例进行了实验。单位PSILB/IN2和PSFLB/FT2通常用于美式的压力M，因为是大气或大气压的单位。表45提供了转换系数在这些传统的单位之间。参照该表的第四列，例如，我们知道216PSF470SIPA1031ATM5当航行船舶进出港口或热气球在地面之上徘徊，他们身受流体压力产生浮力。浸在液体中物体的浮力制定，因为物体具有位移，流体的一些体积由图424所示的潜艇。浮力B等于由于物体位移的流体重量，根据OBJECTFLUIDGVB413式中，G为重力加速度常数，V为对象的体积，并且是流体的密度。从历史上看，这一结果归因于阿基米德，据说他已经查获一个骗局，国王委托制造一个金色的王冠。国王怀疑金匠用白银取代了一些王冠中的黄金。阿基米德认为原理上（413）可以用来确定王冠是否用纯金生产，还是用价值较低的金银，密度较小的合金（见问题26在本章的结尾）。阻力和粘度一个浮力作用在一个静止流体，曳力（和升力，我们将在下一部分讨论）来自一个物体通过流体的运动（例如，汽车和空气），或从流体流过去的一个对象（针对市区的摩天大楼风荷载）。运动流体的常规行为定义在机械工程学领域被称为流体动力学。因为一般的从物理和数学的观点定义是相当复杂，我们会考虑一些受限制情况下有用的固定的想法，并提出了一些问题。至于阻力，如图425，我们将研究小球周围的流体的流动。这种情况对通过喷雾剂的医学设备提供重要应用如细粉尘，烟尘，和在大气中的污染物颗粒的运动雨滴和冰雹的沉淀和微粒碎屑在液体的罐中的沉降。对于我们的目的，无论是球体以速度V移动通过一个原本静止的液体或气体还是流体围绕一个固定的球体流动。在每一种情况下，反向阻力D由下式表示RE1DD3414其中，D是球体的直径。你可以看到阻力的增大与速度加快和直径成正比。公式414参数（小写希腊字母亩）被称为流体的粘度，阻力与它同样的增加。正如在第2章中问题9的语句所述，粘度测量流体的“粘性”或阻力。像密度，粘度是气体和液体的物理性质，几个值列于表43。正如你看到的，在SI和USCS中，数值普遍较小。为了让公式414的尺寸一致，粘度必须是质量/（长度时间）的单位。当对流体系统进行分析时，由于粘度特性频繁出现，特殊的单位“泊”（P）被用以表彰法国医生和科学家吉恩泊肃叶（17971869），他研究了血液流动是通过体内的毛细血管。公斤/（MS），斯/（英尺S）和泊常用于粘度的单位，它们之间的转换系数列于表46。方程414常用于确定一个像球形的物体在流体中下降（或上升）的速度。考虑到轴承中的小球在储油或另一种液体的容器中下落。当它最初落入容器，轴承球受重力向下加速。很短的距离之后，它停止加速并达到恒定或终端速度。在这一点上，阻力和浮力，其作用向上在图426的自由体图恰好平衡轴承球的重量。通过结合方程413和414RE1182MINFLUIDSPHERALTERGDV415式中，G为重力加速度常数，在直径方面我们用表达式D3/6表示一个球体的体积。终端速度取决于固体球体和流体之间的密度差，如果两者具有相同的密度，则该球体有要么上升或下降倾向。如果，粒子向下落下，但如0MINALTERV果，浮力大于球体的重量粒子上升414和415两个方程括号内的0MINALTERV条件RE1的施加限制了流体密度，粘度值，速度和直径，这些方程是正确的。我们讨论的限制性和无量纲变量RE称为雷诺数，通过以下的示例证明。4FORCESINSTRUCTURESANDFLUIDSOVERVIEWWHENMECHANICALENGINEERSDESIGNPRODUCTS,SYSTEMS,ANDHARDWARE,THEYMUSTAPPLYMATHEMATICSANDPHYSICALPRINCIPLESTOMODEL,ANALYZE,ANDPREDICTSYSTEMBEHAVIORSUCCESSFULDESIGNISSUPPORTEDBYEFFECTIVEENGINEERINGANALYSISEFFECTIVEENGINEERINGANALYSISRELIESONANUNDERSTANDINGOFFORCESINSTRUCTURESANDMACHINESTHISISTHEFOCUSOFTHISCHAPTERANDTHENEXTELEMENTOFMECHANICALENGINEERINGTHISCHAPTERINTRODUCESYOUTOTHESUBJECTOFMECHANICS,ATOPICTHATENCOMPASSESFORCESTHATACTONSTRUCTURESANDMACHINESANDTHEIRTENDENCYEITHERTOREMAINSTATIONARYORMOVETHEFUNDAMENTALPRINCIPLESTHATFORMTHEBASISOFMECHANICSARENEWTONSTHREELAWSOFMOTION1EVERYOBJECTREMAINSINASTATEOFRESTORUNIFORMMOTIONOFCONSTANTVELOCITYUNLESSANEXTERNALUNBALANCEDFORCEACTSUPONIT2ANOBJECTOFMASSM,SUBJECTTOAFORCEF,EXPERIENCESANACCELERATIONINTHESAMEDIRECTIONASTHEFORCEWITHAMAGNITUDEDIRECTLYPROPORTIONALTOTHEMAGNITUDEOFTHEFORCEANDINVERSELYPROPORTIONALTOTHEMASSOFTHEOBJECTTHISRELATIONSHIPCANBEEXPRESSEDASF5MA3THEFORCESOFACTIONANDREACTIONBETWEENTWOOBJECTIVESAREEQUAL,OPPOSITE,ANDCOLLINEAR43MOMENTOFAFORCEWHENYOUARETRYINGTOLOOSENAFROZENBOLT,THEBOLTISMOREEASILYTURNEDWHENAWRENCHWITHALONGHANDLEISUSEDTHETENDENCYOFAFORCEINTHISCASE,APPLIEDTOTHEHANDLESENDTOMAKEANOBJECTROTATEISCALLEDAMOMENTTHEMAGNITUDEOFAMOMENTDEPENDSBOTHONTHEFORCETHATISAPPLIEDANDONTHELEVERARMTHATSEPARATESTHEFORCEFROMAPIVOTPOINTPERPENDICULARLEVERARMTHEMAGNITUDEOFAMOMENTISFOUNDFROMITSDEFINITION48FDMOWHEREMOISTHEMOMENTOFTHEFORCEABOUTPOINTO,FISTHEMAGNITUDEOFTHEFORCE,ANDDISTHEPERPENDICULARLEVERARMDISTANCEFROMTHEFORCESLINEOFACTIONTOPOINTOTHETERMTORQUECANALSOBEUSEDTODESCRIBETHEEFFECTOFAFORCEACTINGOVERALEVERARM,BUTMECHANICALENGINEERSGENERALLYRESERVETORQUETODESCRIBEMOMENTSTHATCAUSEROTATIONOFASHAFTINAMOTOR,ENGINE,ORGEARBOXWEWILLDISCUSSTHOSEAPPLICATIONSINCHAPTER7BASEDONEQUATION48,THEUNITFORMOISTHEPRODUCTOFFORCEAND,DISTANCEINTHEUSCS，THEUNITFORAMOMENTISINLBORFTLBINTHESI,THEUNITNMISUSED,ANDVARIOUSPREFIXESAREAPPLIEDWHENTHENUMERICALVALUEISEITHERVERYLARGEORVERYSMALLFORINSTANCE5000NM5KNMAND0002NM2MNMCONVERSIONFACTORSBETWEENTHETWOSYSTEMSOFUNITSARESHOWNINTABLE42,WHEREYOUCANSEETHAT1FTLB1356NMWORKANDENERGY,WHICHAREOTHERQUANTITIESTHATARISEINMECHANICALENGINEERING,ALSOHAVEUNITSTHATARETHEPRODUCTOFFORCEANDDISTANCEFORINSTANCE,WHENWORKINGINTHESI,AJOULEJISDEFINEDASONENEWTONMETERITISTHEAMOUNTOFWORKPERFORMEDBYA1NEWTONFORCETHATMOVESTHROUGHADISTANCEOF1METERHOWEVER,THEPHYSICALQUANTITIESOFWORKANDENERGYAREQUITEDIFFERENTFROMMOMENTSANDTORQUES,ANDINORDERTOBECLEARWHENDISTINGUISHINGTHEM,THEUNITOFNMANDNOTJSHOULDBEUSEDINTHESIFORMOMENTANDTORQUETHEEXPRESSIONMOFDCANBESTBEUNDERSTOODBYAPPLYINGITTOASPECIFICSTRUCTUREINFIGURE49A,THEFORCEFISDIRECTEDGENERALLYDOWNWARDANDTOTHERIGHTONTHEBRACKETONEMIGHTBEINTERESTEDINTHEMOMENTOFFABOUTTHEBASEOFTHESUPPORTPOST,WHICHISLABELEDINTHEFIGUREASPOINTOTHESTRUCTURECOULDBREAKATTHATLOCATION,ANDANENGINEERWOULDEXAMINETHEPOSTTOMAKESURETHATITCANSUPPORTFTHEMOMENTISCALCULATEDBASEDUPONBOTHTHEMAGNITUDEOFFANDTHEPERPENDICULAROFFSETDISTANCEDBETWEENTHEFORCESLINEOFACTIONANDPOINTOINFACT,FCOULDBEAPPLIEDTOTHEBRACKETATANYPOINTALONGITSLINEOFACTION,ANDTHEMOMENTPRODUCEDABOUTOWOULDREMAINUNCHANGEDBECAUSEDWOULDLIKEWISENOTCHANGETHEDIRECTIONOFTHEMOMENTISCLOCKWISE,BECAUSEFTENDSTOCAUSETHEPOSTTOROTATETHATWAYEVENTHOUGHTHERIGIDMOUNTINGWOULDPREVENTTHEPOSTFROMACTUALLYMOVINGINTHISCASEINFIGURE49BTHEDIRECTIONOFFHASBEENCHANGEDTHEFORCESLINEOFACTIONNOWPASSESDIRECTLYTHROUGHPOINTO,ANDTHEOFFSETDISTANCEBECOMESD0NOMOMENTISPRODUCED,ANDTHEFORCETENDSTOPULLTHEPOSTDIRECTLYOUTOFITSBASEINSHORT,THEORIENTATIONOFAFORCEASWELLASITSMAGNITUDEMUSTBETAKENINTOACCOUNTWHENCALCULATINGAMOMENTEXAMPLE43THEOPENENDWRENCHSHOWNINFIGURE410TIGHTENSAHEXAGONALHEADNUTANDBOLTCALCULATETHEMOMENTSPRODUCEDBYTHE35LBFORCEABOUTTHECENTEROFTHENUTWHENTHEFORCEISAPPLIEDTOTHEWRENCHINTHETWOORIENTATIONSSHOWNTHEOVERALLLENGTHOFTHEHANDLE,WHICHISINCLINEDSLIGHTLYUPWARD,ISINLONGBETWEENCENTERSOFTHEOPENANDCLOSEDENDS16SOLUTIONAINFIGURE410A,THE35LBFORCEACTSVERTICALLYDOWNWARDTHEPERPENDICULARDISTANCEFROMTHECENTEROFTHENUTTOTHEFORCESLINEOFACTIONISD6INTHEINCLINEANDLENGTHOFTHEWRENCHSHANDLEAREIMMATERIALINSOFARASCALCULATINGDISCONCERNEDTHEHANDLESLENGTHISNOTNECESSARILYTHESAMEASTHEPERPENDICULARLEVERARMDISTANCETHEMOMENTHASMAGNITUDE351B6IN210INLB175FTLBWHICHISDIRECTEDCLOCKWISE（CW）BINFIGURE410BTHEFORCEHASSHIFTEDTOANINCLINEDANGLE,ANDITSLINEOFACTIONHASCHANGEDSOTHATDISMEASUREDTOBEIN,THEMOMENTISREDUCEDTO83535LB5375IN188INLB157FTLBWEREPORTTHEANSWERASMO157FTLBCWMOMENTCOMPONENTSJUSTASWECANBREAKAFORCEINTORECTANGULARCOMPONENTSITISSOMETIMESUSEFULTOCALCULATEAMOMENTASTHESUMOFITSCOMPONENTSTHEMOMENTISDETERMINEDASTHESUMOFPORTIONSTHATAREASSOCIATEDWITHTHETWOCOMPONENTSOFTHEFORCE,RATHERTHANTHEFULLRESULTANTVALUEOFTHEFORCEAMOTIVATIONFORCALCULATING,THEMOMENTINTHISMANNERIS,THATITISOFTENEASIERTOFINDTHELEVERARMSFORINDIVIDUALCOMPONENTSTHANFORTHERESULTANTFORCEWHENAPPLYINGTHISTECHNIQUE,ITISNECESSARYTOUSEASIGNCONVENTIONANDKEEPTRACKOFWHETHERTHECONTRIBUTIONMADEBYEACHFORCECOMPONENTISCLOCKWISEORCOUNTERCLOCKWISETOILLUSTRATETHISMETHOD,WECALCULATETHEMOMENTSABOUTPOINTOOFTHEFORCESSHOWNINFIGURE411WEFIRSTCHOOSETHEFOLLOWINGSIGNCONVENTIONAMOMENTTHATISDIRECTEDCLOCKWISEISPOSITIVE,ANDACOUNTERCLOCKWISEMOMENTISNEGATIVETHESIGNCONVENTIONISJUSTABOOKKEEPINGTOOLFORCOMBININGTHEVARIOUSCLOCKWISEANDCOUNTERCLOCKWISEMOMENTCOMPONENTSANYCONTRIBUTIONTOTHEMOMENTABOUTOTHATACTSCLOCKWISEISGIVENAPOSITIVESIGNANDANYCONTRIBUTIONINTHEOTHERDIRECTIONISNEGATIVETHISCHOICEOFPOSITIVEANDNEGATIVEDIRECTIONSISARBITRARYANDWECOULDJUSTASEASILYHAVESELECTEDTHECOUNTERCLOCKWISEDIRECTIONASBEINGPOSITIVEHOWEVER,ONCETHESIGNCONVENTIONISCHOSEN,WESTICKWITHITANDAPPLYITCONSISTENTLYINFIGURE411ATHEFORCEISBROKENDOWNINTOTHECOMPONENTSFXANDFYRATHERTHANDETERMINETHEDISTANCEFROMPOINTOTOTHELINEOFACTIONOFF,WHICHOUGHTINVOLVEAGEOMETRICALCONSTRUCTIONTHATWEWANTTOAVOID,WEINSTEADCALCULATETHEINDIVIDUALLEVERARMDISTANCESFORFXANDFY,WHICHAREMORESTRAIGHTFORWARDKEEPINGTRACKOFTHESIGNCONVENTION,THEMOMENTABOUTOBECOMESEACHCONTRIBUTIONTOMOISPOSITIVEBECAUSEFXANDFYEACHXFYMXOTENDTOCAUSECLOCKWISEROTATIONTHEIREFFECTSCOMBINECONSTRUCTIVELYTHEORIENTATIONOFFHASBEENCHANGEDINFIGURE411BWHILETHECOMPONENTFXCONTINUESTOEXERTAPOSITIVEMOMENT,FYNOWTENDSTOCAUSECOUNTERCLOCKWISEROTATIONABOUTOITTHEREFOREMAKESANEGATIVECONTRIBUTION,ANDTHENETMOMENTBECOMESHERETHETWOYXOCOMPONENTSCOMBINEINADECONSTRUCTIVEMANNERFORTHEPARTICULARORIENTATIONINWHICH,THETWOTERMSPRECISELYCANCELTHEMOMENTINTHATCASEISZEROBECAUSETHEXYFLINEOFACTIONFORFPASSESDIRECTLYTHROUGHO,ASINFIGURE49BINTHEGENERALCASEOFTHEMOMENTCOMPONENTSMETHOD,WEWRITE49XFYMXOANDTHEPOSITIVEANDNEGATIVESIGNSARESELECTEDDEPENDINGONWHETHERTHECOMPONENTTENDSTOCAUSECLOCKWISEORCOUNTERCLOCKWISEROTATIONREGARDLESSOFWHICHMETHODYOUUSETOCALCULATEAMOMENT,WHENREPORTINGANANSWERYOUSHOULDSTATE1THENUMERICALMAGNITUDEOFTHEMOMENT,2THEUNITS,AND3THEDIRECTIONYOUCANINDICATETHEDIRECTIONBYUSINGNOTATIONPROVIDEDTHATYOUHAVEALSOSHOWNTHESIGNCONVENTIONONYOURDRAWINGTHENOTATIONCWORCCWISALSOUSEFULFORDENOTINGWHETHERTHEMOMENTACTSCLOCKWISEORCOUNTERCLOCKWISEEXAMPLE44DETERMINETHEMOMENTABOUTTHECENTEROFTHENUTASTHE250NFORCEISAPPLIEDTOTHEHANDLEOFTHEADJUSTABLEWRENCHINFIGURE412USEATHEPERPENDICULARLEVERARMMETHOD,ANDBTHEMOMENTCOMPONENTSMETHODSOLUTIONAASSHOWNINFIGURE413A,WEDENOTETHECENTEROFTHENUTASPOINTA,ANDTHEPOINTOFAPPLICATIONOFTHEFORCEASPOINTBUSINGTHEDIMENSIONSGIVEN,DISTANCEABISCALCULATEDASALTHOUGHTHISISTHEDISTANCEFROMATOTHELOCATIONATWHICHTHE214M0752FORCEISAPPLIED,ITISNOTTHEPERPENDICULARLEVERARMDISTANCEDFORTHISREASON,WENEEDTOCALCULATETHELENGTHOFSEGMENTACBECAUSETHEAPPLIEDFORCEISTILTED35FROMVERTICAL,ALINEPERPENDICULARTOTHEFORCEISORIENTED35FROMHORIZONTALASDEPICTEDINFIGURE413ALINEABLIESATTHEANGLETAN175/200206BELOWHORIZONTAL,ANDSOITISOFFSETBYFROMACTHECORRECTLEVERARMDISTANCETHEREFOREBECOMES4162035THEWRENCHSMOMENTIS207MCOSD518NM0275AMDIRECTEDCLOCKWISECWBINFIGURE413B,THE250NFORCEISBROKENINTOITSCOMPONENTSTHEHORIZONTALPORTIONIS