平尺刻线机设计

1 绪 论 题的意义和目的 人们在认识我们所生活的大自然到改造我们生活的大自然，由表及里，逐一深入，从外 及内，颜色、形状、大小、尺寸以及内部结构。长度测量就显现出它的重要性，长 度的测 量 是最基本 的测量 ，最常用 的工具是 刻度尺 。可是在最 开始是 不存在 刻度尺 的，最早 有记载的人为标准来自古埃及。埃及人曾用质地坚硬的花岗岩制作了一根长度标尺，它的长 度是法老的小臂（肘到中指）的距离，因此又叫 “腕尺 ”。虽然这个标准确定得 相当随意， 却解决了重要问题，比如：金字塔的准确施 工得到了保证。 随意定义长度标准的并不仅限于国外，中国的情况也基本类似。史书记载，在远古时 期，中国人便 “ 布手知尺 ”、 “身高为丈 ”、 “ 迈步定亩 ”。古人中指中节之长被定义为 “一寸 ”，直 到现在，中医的针灸还沿用这个标准。中国最早的长度标尺是安阳殷墟出土的商尺。这把骨 尺由兽骨磨成，长 17 厘米，上面标刻着等长的 10 个单位。到了春秋战国时期，各国诸侯 各自定义自己领土内的长度标准。这个王的手掌，那个王的小腿，都纷纷派上用场，使得长 度标准极为混乱，给国与国之间的交流造成了极大不便。到秦始皇 统一度量衡时，王侯的身 体部位才退出历史舞台。从而我们是很迫切的需要一种有准确刻度线的丈量仪器，而刻线又 成了一个问题。人工的误差是很大的，在工业和科技日新月异的最近一个世纪，人们就设计 出了刻线机，并且不断改进。 本课题通过机械化刻线，可以达到准确度高、精确度高。减少了劳动力，提高了生产 效率，降低成本，本课题在研究时遇到的一些技术问题，通过认真分析以解决，在今后的设 计类的工作中也有一定的经验可循。 课题的研究现状 平尺刻线机国内研究现状： 随著科学技术的发展，有的刻线机上采 用了激光刻线机由光刻代替机械刻划，可在工作 台移动的情况下完成动态刻线，刻线精度大为提高，国内比较成熟的激光刻线机厂家例如北 京博奥嘉华激光科技有限公司生产的 列激光刻线机。 平尺刻线机国外研究现状： 国外现在有的刻线机大部分是电脑中控下的激光刻线机。例如 激光刻线机 采 用光刻代 替机械 刻划， 在工作 台移动的 情况 下完成动 态刻线 ， 线 精度大为 提高。 克 服了传统 “照相 腐 蚀 ”工艺 费时， 费力的缺 点，高 速、高效 ，一次 完成刻 线、 字符 、 商 标等内容 。全 程电 脑控制，精度 高、速度快 ，最 大限度 的降低 了产品 不合格率 。使 用 灵活方便 ，即 可成批 量生产 ，又 可满足少 量加工等 多种需 求。绝对环 保，无任何污 染 ，是现代化 生产工 艺的主流 。支持单 公制、单英 制、双公 制、双英制 、公英制 、英 公 制等标新 型。支持丁 字型、拐角 型、圆型等各 种特殊 量具类 型。支 持用户 自定义 的 其 它非标类 的平面 或圆柱 面的量具 。速度快 ,刻线清晰 、精度高 、永 不磨损 。制图方便 快 捷， 可根据需 要随 意制作各 种尺寸 、形 状、图标的 量具。三维 数控，除主 运动外其 它 两维运动 也是自 动调整 ，可以 快速 准备的对 焦，定位。对已生 产过的 型号，电脑自 动 记忆位置 及其刻 线参数 ，以后生 产可直 接调用 ，不必再 调焦 ，定位。 课题需重点研究的关键问题 本课题需要重点研究的关键的问题是刻线部分的抬刀机构和刻线机构， 有平尺的进给 机构。解决刻线不准确、不方便，保证刻线刀的工作效果，结合目前的研究条件，此平尺刻 线机采用类似立式铣床的结构来实现刻线与抬刀 动作，这种结构简单，易于设计，传动效率 高。同时容易理解，本课题的主要动力来源刻刀，由主电动机通过减速器带动整体，完成刻 线。然后由抬刀电动机通过减速器连接到齿轮齿条副，在通过立柱上的丝杠螺纹副完成抬刀 下刀动作。最后由进料电动机通过减速器连接到不完全齿轮连到摩擦轮轴，由摩擦轮带动平 尺前进完成进料动作。 进行下一周期的刻线工序。 案的确定 在翻阅和查找国内外的相关资料和信息， 过调查分析， 们发现刻线方式有以下几种： 1、 工作间歇进给机构 首先，间歇性进给机构大致有： a）、槽轮机构 b）、不完全齿轮机构 c）、棘轮机构 d）、组合机构 首先，槽轮机构外形尺寸小，机械效率高，能平稳地间歇地进行转位，但是相对于不完 全齿 实现进给时结构稍显复杂；而且制造及装配的精度要求高，其传动时尚存在柔性冲击，只能 用于速度不太高的场合，且转角大小不能调节。 不完全齿轮机构可设计的参数较多，易满足 不同停歇要求。 是， 完全齿轮机构和普通齿轮机构的区别， 仅在从齿轮的分布上， 而且在啮合传动中，当首齿进入啮合及末齿退出过程中，齿轮并非在实际啮合线上啮合，因 此在 此过程中不能确保定传动比传动。由于从动轮每次转动开始和终止时，角速度有突变， 故存在刚性冲击。若将不完全齿轮直接和调节进给的下层工作台相连，则会造成较大的进给 误差。 棘轮机构结构简单、 造方便和运动可靠， 且棘轮转角可以根据需要进行调节等优点。 但其缺点是传动动力小、工作时有冲击和噪声。不仅如此，传动力不足则会对工作台的进给 产生影响，从而影响整个工序。 基于以上机构的优点，故考虑组合机构 不完全齿轮与螺旋机构。此机构简单、进给 精度高传动力较大，易于制造加工。 不完全齿轮机构 槽轮机构 图 1 1 棘轮机构 2、 刻线机构 常见的王府机构有： a）、凸轮推杆机构 b）、四杆机构 c）、不完全齿轮与环形齿条 凸轮推杆机构中，能通过凸轮的轮廓曲线实现推程、休止、回程。推程与回程使刀具沿 直线运动，休止能起到间接性的作用，从而机构亦能达到刀具的间歇性往复运动。但凸轮与 推杆的接触为先接触，而刻线是刀具收的力比较大，凸轮压力大，易磨损。 由于不完全齿轮能实现所需的间歇性运动，而环形齿条能实现往复运动，不完全齿轮与 环形齿条配合也为实现刀具的间歇性往复运动提供另 一条途径。 载计算过程中因为齿数等 参数比较难于计算，无法做到恰到好处的啮合，且也无法实现抬刀运动，只能保证刀在一个 方向上运动。 刻线的直线行程，四杆机构选择性相对较大，是的四杆机构不能被忽略考虑。在对一些 常用的四杆机构的分析过程中，我们发现四杆机构普遍类似，且功能单一。 基于以上考虑，采用凸轮推杆机构组合螺旋上升机构完成刻线和抬刀动作。此机构结构 简单，易于实现。 2 总体设计 型 该机器属于专用型小型机器，借鉴立式铣床的原理进行设计。 虽然定位为小型机器，但其结构 尺寸还要根据具体的配套电动机来定。 工作原理 工作过程：刻线机主要由压刀机构、刻线机构以及进给机构三部分组成。压刀机构用于 刻线时将刀具压下，刻线完成之后，通过齿条齿轮副和丝杠螺纹副使刀具自动起落，避免平 尺磨损；刻线机构用于控制刻线及刻线长度；进给机构用于控制刻线间隔。 总体配置 经过多次的讨论和研究，确定平尺刻线机的总体结构，包括台刀机构、刻线机构和平尺 进给机构等组成。 图 2 1 刻线机主要部件示意图 8 键 杆、齿轮轴） 机器主要由工作台、电动机、凸轮、水平轴、定尺条、立柱、螺纹筒、刀体、以及不挖 版权齿轮、压紧装置和摩擦轮构成。 基本设计参数 刻线深度 （ 刻线时间 (s) 1 刻单线力 （ N） 1000 料槽 平尺为 1040*30（ 平尺刻线机主要用来实现自动刻线，刻线要求为每隔 1 毫米刻一条线，刻线长度有 10 毫米、 13 毫米、 18 毫米三种类型。前四次刻线每次刻线长度为 10 毫米，第五次刻线长度 为 13 毫米， 六至第九次刻线长度为 10 毫米， 十次刻线长度为 18 毫米， 后依此类推。 刻线机主要由压刀机构、刻线机构以及进给机构三部分组成。压刀机构用于刻线时将刀 具压下，刻线完成之后，通过齿条齿轮机构和丝杠螺纹副使刀具自动抬起，避免平尺磨损； 刻线机构用于控制刻线及刻线长度；进给机构用于控制刻线间隔。 刀机构 抬刀机构是由如图 2 1 所示，定尺条 4 与齿轮轴 9 上的齿轮啮合使传动方向改变，然后 通过丝杠 9 到螺纹筒 5 到刀架轴 6 完成抬刀下刀动作， 线完成后水平轴在回位弹簧的作用 下回位，从而齿轮齿条副以及上面的丝杠螺纹副反向运动完成回程运动。 3 动力性能计算 工作动力的选择 基于设计是从最末端的工作部位开始的，所以从工作部位的零件开始校核计算。 动力的配套适应性应符合拖拉机的额定功率大于机具在作业中所消耗的功率这一原则。 图 3 1 减速 机的型号与标记 图 3 2 减速机的安装形式 图 3 3 减速机的电机接线盒位置 机具在作业中要消耗的功率 作业中机具消耗的功率主要刻线刀在受牵引破开平尺消耗的功率 P 组成。 刻 刻 刻 刻 刻 行 机具行进速度 (mm/s)可按 18mm/s 就是按照每秒完成刻线动作一次。 刻线刀所受工作阻力为 F 刻 =F 单线 n=1000 10 N 10000 N 式中： n 每次刻线的条数 单线 相应于作业功率，拖 拉机发动机应具有的功率 P 开 ： （ （ 拖拉机发动机的额定功率应较作业消耗功率大一些，有所贮备，另外再考虑到动力传输 的机械效率，因此减速机应具有的功率为： 刻实 刻 刻 式中： 减速机滚动阻力系数，这里取 机组总的机械效率，现在按 将各有关值代入公式 考虑到回位弹簧所消耗的功率，参考图 3 1、 3 2、 3 3 可选择 F 32 Y 4P 50 M 1 4 主要工作部 件的设计计算 计要求 刻线力： 1000N/每条线 s F 刻每条线所需要的力 刻线消耗的功率 P ： 刻线刀克服平尺阻力所消耗的功率 P 按下式计算： p F v =1000 10 180 =180 P =F v =10000 18 10 62 W （ 平尺长度： L=1040每行走 11是要刻线 10需时间约为 4 秒钟 所以每 分约刻线 150 架轴的尺寸设计以及校核 水平面支撑反力： 图 4 1 刀架轴 10000=10000 N 5000 N （ （ 水平面的弯矩： M 转矩： 1 H 1 L 2 5000 m （ T d 2 2 10000 2 1350 N m （ M e M 2 (T ) 2 2 （ ( 350) 最小直径： 190 N m d 3 M e 1 3 d 3 19010 60 （ 考虑到键槽对轴的削弱，将 d 值增大 5%，故 d 32 m （ 刀架轴的受力分析： F F 2 轴的设计 图 4 2 立轴的受力计算： 转矩 (1) 按强度要求，应使 T 图 4 3 l 立轴（齿轮轴、丝杠轴） 3 ( ( 故轴的直径 500 1666 N m F 2 (2) d 按扭转刚度要求，应使 3 T 3 1666 0 60 27 ( 32 l Gd o ( 按题意 l 30 m 4 18032 32166610 30 。故 d G 4 810 m ( 180 故该轴的直径取决于刚度要求。 整后可取 d 31 擦轮镇压弹簧的选择 m 。 ( 由工作抬的尺寸可选弹簧 25 70 2089 1994 线径： 弹簧中经： 自由高度： 材料： 表面处理： 类型： 取弹簧的劲数： 设计弹簧压缩量是： 表 4 1 弹簧参数 257060涂漆 右旋圆柱螺旋压缩弹簧 k 7 N 10 4 4 弹簧 3 4 ，在轴的全长上， 1 3 4 擦轮力的计算 图 4 5 摩擦轮 因设计的需要，摩擦轮的直径取 d 250 m ， 轮毂款 b 20 轮毂外援为一层 橡胶，使摩擦力尽可能的大。 摩擦力的计算： 由（ 4 胡可定律可得单个弹簧的弹力： 单 则四个弹簧的总弹力为 F 弹总 =4 F =4 70 N= 280N ( 考虑到摩擦轮及摩擦轮轴和座套等的重量，约为 m=3 故总的镇压力为 F 总 =F 弹总 G=F 弹总 280 310 N 310 N ( 由于要使尺子在摩擦力的作用下向前运动，则可以想到，平尺的上表面是与摩擦轮的外 缘橡胶接触的，摩擦力打；平尺的下表面直接与工作台的进料槽接触，且与光滑的铁质平面 接触， 了是下表面懂得摩擦力尽可能的小， 适量的加入润滑油 待刻线完成后予以清理）。 则可知铁 铁之间的摩擦因数 铁 橡胶之 间的摩擦因数 =0. 6 ( 可知 F 下 =F 总 =310 0. 05= ( 胶 可得平尺前进的驱动力为 F=F 摩上 F 摩下 =186 ( 故摩擦轮的转矩为 2 250 F 10 7 N 70 N ( F =F =310 186N ( T =F R =170. 5 10 N m=m (轮的设计 凸轮廓线 图 4 6 凸轮 s s ) s ) d d (直角坐标 ) （ r x 2 y y d (极坐标 ) （ x o o 注： 1、参变量中 的增量根据精度要求而定，通常取 1 2 左右。 ma x 3、 上式中， 为推程运动角， R 为基圆半径。 凸轮材料应能满足强度和耐磨性的要求。对于在低速、轻载、平稳传动中，凸 轮可采用 中碳钢制造。中速、中载时应采用中碳钢淬火处理。而本设计中刻线传动部分属于低速、轻 载、较平稳的传动，所以应采用中碳钢。 齿轮轴上齿轮齿条副的传动比 为了保证在作业时连续工作 ,则要求传动部分要有可靠的传动比、无滑动。又由于在刻 线传动部分所传动的功率小、速率小，所以所要求的齿轮齿条副的动比非常的严格，要满足 相应要求。经计算，该部分的链传动比 i=1。根据以往经验和相关手册，该传动比完全满足 d x( R b 2 ) d 2、移动平动件平底的长度为 (5 10) m 。 d 要求。 擦轮轴的设计 材料 45钢许用应力 60T 图 4 7 摩擦轮轴 t 取 D / 1660 106 12800 0. 65 16 / d 3 0. 25 ( D 0. 28 校 核 于 00 确定轴径 100 M 12800 05 / . 40 / 32 71 7 小 D 28 m 的定位和材料的选取说明 轴的材料：轴的材料主要是碳钢和合金钢。由于碳钢比合金钢价格便宜，对应力集中的 敏感性较低，同时也可以用热处理或化学热处理的办法提高其耐磨性和抗疲劳强度，所以本 设计采用 45 号钢作为轴的材料。 轴上零件的定位 为了防止轴上零件受力时发生沿轴向或周向的相对运动， 上零件除了有游动或空转的 要求者外，都必须进行轴向和周向定位，以保证其准确的工作位置。 轴的校核 按扭转强度计算，用于只承受转矩的传动轴的精确计算，也可用于既受弯矩又受 扭矩的 轴的计算。其强度条件为： T / 9 5 0 p / 0 3 ( 式中： 为轴的扭切应力， T 为转矩， 为抗扭截面系数， ；对 圆截面 3 / 16 0. ； p 为传递的功率， n 为轴的转速， r / ； d 为轴 的直径 ， 许用扭切应力， 所以，把相关的数据带入公式中得： 6 3 6 T / 9. 5 0 p / 0 n 9. 5 10 100 / 18 8 21 20 1M （ 由于轴的选材为 45 号钢，所以查表可知 45 号钢的许用扭切应力为 30 0 6 3 。经校核设计 的轴符合要求，可以正常工作。 下图为轴的弯矩和扭矩图： 线周期的确定 图 4 8 的弯矩图和扭矩图 构造和工作原理刻线抬刀机构由工作台、水平轴平推杆、凸轮、固定齿条、刻线刀架、 立轴、螺纹套筒等组成，如图 4 8 所示。 图 4 9 抬刀刻线机构 2水平轴平推杆 3凸轮 4固定齿条 5刻线刀架 凸轮 3 从近休止点开始转动的时候，水平轴推杆 2 在凸轮的推 动下向左运动，当运动 到控制抬刀的固定齿条处时，带动位于水平轴的立轴（齿轮轴）上的齿轮转动，立轴上段是 表面有螺纹的丝杠，然后带动螺纹套筒 7 下降，当刻刀正好下降到刻线槽 8 的指定刻线位 置时立轴下端的齿轮正好走完了齿条，停止下刀，至此凸轮的下刀行程走完；然后凸轮继续 转动，推动水平轴开始刻线行程，完成之后就开始了回复行程，以上运动反过来进行。这样 就完成了一次刻线动作，其中包括了抬刀动作简单明了。 表 4 2 抬刀机构的基本数据 凸轮推程角 180 凸轮抬刀 降刀行程角： 120 凸轮刻线行程角： 60 凸轮转速： 升降刀行程： 刻线行程： 可得： 刻线周期： = 20r / 40203s o o o 完全齿轮的设计 齿条啮合长度为： 轴齿轮的分度圆直径为： 齿轮模数为： 刻线速度： 螺纹丝杠副螺距： 40323 v 刻 =18 s 14（ a）不完全齿轮机构 完全齿轮机构的参数计算 图 4 10 (b)摩擦轮 由摩擦轮控制进料量可得，每次进料 11对于摩擦轮转动 5 的圆心角。（算略） 故，不完全齿轮机构所对应的间歇进给量为 5 可得 5 由于齿数太密集，压力角为 ，故，主动轮仅设计单齿，即 z 1 所承受转矩较小、 可以满足要求。 擦轮动力驱动机的选取 摩擦轮转矩为： T 摩 =F 摩下 R=m=m （ 图 3 1、图 3 2 和图 3 3 可选择减速机型号为： F 32 Y 4P 50 （ o o o 360 从动轮布满时的齿数为 z 72 （ o o 平轴 线刀示意图 图 5 1 水平轴 图 5 2 刻线刀 作台示意图 图 5 3 刀体刀刃的布局 图 5 4 工作台 承的选取 参见参考资料 1第 64 页。 的选取 根据设计的需要， 见参考资料 1第 53 页。 平轴复位弹簧的选取 5 2B/994B 级 6 结论 图 5 5 压缩弹簧 机器的应用可以充分利用，节省了成本，大大提高了生产效率。 平尺刻线机代替了以往的人工作业， 高了机械化程度及生产效率， 省了人力及时间， 改善了人们的作业环境。 本设计采用巧妙的应用凸轮机构控制刻线和