毕业设计（论文）-回转式水钻磨抛机主机的设计.doc

本科生毕业设计( 2011届 )题 目： 回转式水钻磨抛机主机的设计 学 院： 专 业： 机械设计制造及其自动化 学生姓名： 学号： 指导教师： 职称： 合作导师： 职称： 完成时间： 2011 年 5 月 1 日 成 绩： 回转式水钻磨抛机的设计浙江师范大学本科毕业设计正文目 录摘要：1关键词：11 引言12 主流水钻加工设备的分类及特点22.1 “四人组”方式水钻加工设备及特点22.2 大圆磨水钻加工设备及特点22.3 “一人组”方式水钻加工设备及特点23 第一代水钻设备与回转式水钻抛磨机的工作原理、结构、及特点分析23.1 第一代水钻设备的工作原理、结构及特点33.2 回转式水钻磨抛机的工作原理、结构及特点44 回转式水钻抛磨机主机的组成部分及设计过程84.1 回转式水钻抛磨机主机总体尺寸的确定94.2 砂轮悬臂部件的设计104.2.1 砂轮悬臂的设计104.2.2 砂轮悬臂部件中V带传动部件的设计124.2.3 砂轮悬臂部件中同步带带传动的设计154.2.4 砂轮悬臂部件中砂轮安装的设计194.3 上料悬臂部件的设计214.3.1 上料悬臂部件的组成及动作过程214.3.2 上料悬臂部件-下中导轨的选型224.4 对接悬臂部件的设计234.5 下料悬臂部件的设计234.5.1 下料悬臂部件的组成及动作过程234.5.2 下料悬臂部件-下中气缸的选型244.6 主轴部件的设计245 三维造型27参考文献29结束语30回转式水钻抛磨机主机的设计工学院 机械设计制造及其自动化专业 杨海波（07550137）指导老师:徐 洪(副教授) 摘要：水晶钻石，莱茵石俗称水钻。它是将水晶玻璃磨抛成钻石刻面得到的一种饰品，主要成分是水晶玻璃。这种材质不仅经济，而且在视觉效果上又有钻石般的夺目感觉，因此很受人们的欢迎。水钻一般用于各种饰品及电子产品等的装饰中。按照颜色分，水钻可以分为：白钻、色钻、彩钻。水钻加工设备是利用夹具夹持水钻原料-玻璃胚珠，用切角电机控制磨抛角度，用专用砂轮进行磨抛的加工设备。砂轮的磨料，夹具的强度以及加工设备的整体结构，是影响被加工的水钻的质量的重要因素。而经过一些年的研究，砂轮的磨料以及水钻的夹具在业内已经形成了一些标准，而水钻加工设备的形式还依然是多种多样的。本文介绍了水钻加工设备的国内外发展情况，并对其进行仔细分析，针对目前现有加工设备产量不高（日产10万粒），质量较差的缺陷，创新设计出有较高产量（日产40万粒），以及有较高质量的新型水钻加工设备。关键词：水钻；水钻设备；抛磨The Design Of Rotary Crystal Machining EquipmentYang Haibo Director: Xu Hong(College of Engineering, Zhe Jiang Normal Universtiy, 071.NO07550137)Abstract: Crystal is a kind of Accessories which made of glass. This kind of material is not only cheap but also beautiful. So people love them very much. Crystal is used in different kind of accessories and electronics. Crystal can be divided into White Crystal, Color Crystal and Rainbow Crystal.The crystal machining equipment is a kind of machine to grind the glass bead in to diamond shape. The material of grinding wheel, the fixture and the machine itself are the main reasons the influence the quality of crystal. After years of research, the grinding wheel and the fixture have already been standard. The there are also many kinds of crystal machining equipment.This article describes the development of crystal machining equipment at home and abroad. We a careful analysis to the different kinds of crystal machining equipment and designed a new crystal machining equipment which is faster and has a better quality.Key Words: Crystal; Crystal Machining Equipment; Grinding; Polishing1 引言水晶钻石俗称水钻，是将人造水晶玻璃切割成钻石刻面得到的一种饰品辅件。作为一种饰品辅件，水钻以其经济实惠的价格及视觉上具有钻石版夺目的感觉，正越来越受到人们的欢迎。仅2009年一年，我国水钻销售额为200亿元（其中浙江义乌年需求量就在80100亿元），且仍在以19%以上的年需求增长速度疯狂增长。水钻行业正在成为浙江，乃至全国一个璀璨的经济亮点。现存的水钻加工设备种类很多，目前较为流行的有“四人组”方式的水钻加工设备、大圆磨水钻加工设备、以及“一人组”方式的水钻加工设备，但由于设备的结构上的缺陷以及缺乏相关经验，水钻的产量和质量比不上国外同类产品的竞争对手。图2-1 XC-838大圆磨回转式水钻磨抛机主要是在“一人组”方式的水钻加工设备的基础上，加入了上料与下料工位，从而实现整个加工过程无需人工参与，提高水钻质量及产量，降低工人劳动强度的目的。2 主流水钻加工设备的分类及特点 水钻从胚珠变为成品的大致过程如下：水钻的胚珠是圆球形的人工水晶玻璃。进行加工前，要使用胶粉将水钻胚珠粘在夹针上，而夹针固定在夹具上。通过控制夹具靠近砂轮来去除水钻胚珠上的余量，以达到目标形状。由于一次装夹只能去除一面的余量，另一面的余量需要通过对接设备对水钻的半成品进行掉头装夹后再进行去除。现今，水钻加工设备多种多样，最常见的为以下三类：1）“四人组”方式水钻加工设备；2）大圆磨水钻加工设备；3）“一人组”方式水钻加工设备。2.1 “四人组”方式水钻加工设备及特点 “四人组”方式水钻加工设备由四个工位组成：1）下料/上料工位；2）对接工位；3）磨削工位；4）抛光工位。每个工位都需要一个工人进行操作，生产效率低，工人劳动强度大，并且由于夹具要进行多次拆装，水钻加工质量较差。2.2 大圆磨水钻加工设备及特点图2-2 EC600“一人组”水钻设备大圆磨水钻加工设备外形如图2-1所示。该设备能安装两幅夹具进行磨削，较“四人组”方式水钻加工设备效率高，且节约劳动力。但由于一台设备上只有一个磨/抛轮，加工时需要几次拆装，造成质量下降，且加工效率也很难进一步提高。2.3 “一人组”方式水钻加工设备及特点“一人组”方式水钻加工设备如图2-2所示。它是目前水钻行业中最先进的加工设备，集粗磨，精磨和抛光工位于一体，有较高的生产效率和较好的加工质量。配合一台对接设备，只需要一个工人就可以完成水钻的磨抛任务，日产量在1012万粒。3 第一代水钻设备与回转式水钻抛磨机的工作原理、结构、及特点分析我们学院的老师与浦江的一些企业合作，在早先研发了一代水钻设备。第一代水钻设备较“一人组”水钻加工设备有更高的精度，且整个加工过程中，工人唯一要做的只是往原料盒里放入原料和在成品盒中取出成品即可，这减轻了工人的劳动强度，可使一名工人同时操作多台设备，从而降低了水钻生产的人工成本。3.1 第一代水钻设备的工作原理、结构及特点第一代水钻设备如图3-1所示,其中a为设备的实物照片，b为设备的三维结构图。设备主要由底座、立柱、磨轮、抛轮、立柱、两个移动组件（东车、西车）及其它控制、加热、上料等系统组成，设备尺寸。图3-1 第一代水钻设备图3-2 东西车机构运动简图结合水晶多面体的加工工艺，设备采用了双五轴系统：设备中，东车、西车各有一个五自由度系统，选择其中的一个，其机构运动简图如图3-2所示：各移动的自由度用坐标表示，分别为X、Y、Z、U、T。X轴方向的东车在大梁上的移动，起确定平具在设备上各个位置的作用；Y轴方向确定夹具相对于磨抛轮的横向摆动，在多面体磨削时起消除竖向磨痕的作用；Z轴确定夹具相对于磨抛轮的进给高度；U轴负责夹具体相对于水平面的角度，起调整磨削角度的作用；T轴为夹具针自转的自由度，在多面体磨削时起分度的作用（夹具上共两板，每板长度，当磨抛毛坯为的水钻时，每板夹具上有192颗夹具针）。各自由度分别由各自电机驱动，并用程序通过控制系统控制。设备主要作用是加工各种凸形的水晶多面体，当多面体的形状变化时，可通过编程来实现。第一代水钻设备的加工过程如图3-3所示：按动作的先后按排成1到5的顺序，完成动作5以后，又从动作1开循环。图3-3 第一代水钻设备加工过程在完成整台设备的制作和调试后，对设备进行了投产。在实际加工过程中，第一代水钻设备可以完成预期的加工任务，并能达到一定的精度，且日产量也和“一人组”水钻加工设备相当。第一代水钻设备在安装完后的使用过程中也发现了一些问题：1）大梁跨度较大，且承重较重，造成了多大的变形，影响了加工精度和对接时的成功率；2）两个砂轮的设计使产量很难再进一步提高。针对以上这些问题，我设计了回转式水钻磨抛机，也称做第二代水钻设备。3.2 回转式水钻磨抛机的工作原理、结构及特点针对第一代水钻的特点，结合目前主流的水钻加工设备优势，设计了一台集上料、磨削、抛光、对接和下料以及废渣、废液回收与循环利用于一体的回转式水钻磨抛机。第二代水钻设备由一台主机和五台工位机组成，本文主要介绍主机部分的设计。夹持水钻的夹具安装在工位机的悬臂上，由工位机控制夹具定位到同一个工位中的不同位置。而主机上则集成了可以完成各个工位上所有加工任务的部件，并且，通过主轴电机的驱动，可实现同一位置上不同工位间的切换。第二代水钻设备在工作过程中，五台工位机同时在各自工位上进行工作，在完成了一个工位的所有工序后，通过驱动伺服电机（见图4-21）驱动，转动主轴转套，使各个工位机进入到下一个加工工序。主机上的工位有上下两层，即顶层工位和底层工位。上下层的工作内容安排如图3-4所示。顶层工位和底层工位上的部件都安装在主轴转套上，在切换工位，即主机绕主轴转动时，上下层工位是同时转动的。图3-4 第二代水钻设备主机上下两层工作内容安排a) 顶层工位b) 底层工位第二代水钻设备加工水钻的过程如下：（1） 在上料工位完成上料。工位机上层悬臂移至粉盒处上粉，上粉后移动至高频加热管间进行高频加热，同时主机顶料部件将料顶起，进行上料，上料完成后工位机上层悬臂退回，顶料部件也退回。至此，整个上料过程完成，期间工位机下层悬臂无动作。整个动作过程如图3-5所示。图3-5 上料过程（2） 在粗磨工位对水钻胚珠进行粗磨。在完成上料后，主轴转套旋转一角度（72），将粗砂轮悬臂部件转至此工位机。工位机上切角电机驱动夹具转动一角度，之后工位机上悬臂向砂轮移动，进行粗磨。完成对水钻各个面的磨削后工位机悬臂退回，粗磨完成。此过程中上下悬臂是同步运动的。整个动作过程如图3-6所示。图3-6 粗磨过程图3-7 精磨过程（3） 在精磨工位完成对水钻的精磨。主轴转套旋转，使精磨砂轮悬臂部件转到刚才粗磨砂轮悬臂部件的位置。工位机悬臂向砂轮移动，进行精磨。完成各个面的磨削后工位机悬臂退回，精磨完成。此过程中，上下悬臂是同步运动的。整个过程过程如图3-7所示。（4） 在抛光工位对水钻进行抛光。主轴转套旋转，使抛光砂轮悬臂部件转到刚才精磨砂轮悬臂部件的位置。工位机悬臂向砂轮移动，进行抛光。完成各面的抛光后工位机悬臂退回，同时旋转夹具体，使其成竖直。此过程中，上下悬臂也是同步运动的。整个过程如图3-8所示。至此，上层夹具上的水钻已完成一半的加工，下层夹具上的水钻已全部加工完成。图3-8 抛光过程（5） 在下料/对接工位，工位机下层悬臂上的夹具完成下料和对接的任务，工位机上层悬臂上的夹具和下层悬臂上的夹具一起完成对接。工位机下层悬臂在完成精磨后，夹具上的水钻就全部加工完成了，要对其进行下料。下料时，工位机下层悬臂上的夹具移动至高频加热管处进行下料，完成后又移至滚刷处，刷去粘在夹具上的残余的胶粉和未掉落的水钻，再移动到粉盒处进行上粉。接着，下层悬臂退回，同时驱动夹具旋转180，准备对接。对接是将上层悬臂夹具上加工完一面的水钻掉头装夹到下层悬臂夹具上，以便进行另一半的加工的过程。对接时，上下层悬臂夹具移动至对接悬臂部件的高频加热管处进行对接。完成对接后上下层悬臂各自退回，这时，原先在上层悬臂的夹具上加工了一半的水钻已被掉头装夹到下层悬臂的夹具上了。整个过程如图3-9所示。图3-9 下料/对接过程在完成了（5）这一过程后，又从过程（1）循环继续进行加工。这里，当设备第一次进行运行时，由于下层工位进行的是水钻另一半的加工，所以下层悬臂的夹具上没有水钻。当走完第一个（1）到（5）的过程后，下层悬臂的夹具上才有水钻。在整个加工过程中，所有五个工位机上都同时在进行各自的加工任务。第二代水钻设备相比一人组磨抛水钻机，加入了上料、对接和下料工艺，进一步减少了人力劳动，进而提高生产效率；由于整个过程略去了人工拆装夹具的过程，使加工精度进一步提高，从而提高水钻的品质。而相比第一代水钻设备，第二代水钻设备则加入了精磨砂轮，可以进步提高加工的精度；所有工位，包括：粗磨、精磨、抛光、对接/上料、下料工位同时工作，提高了加工效率，从而具有更高的产量。 4 回转式水钻抛磨机主机的组成部分及设计过程第二代水钻设备的主机主要由主轴部件、砂轮悬臂部件、上料悬臂部件、下料悬臂部件、对接悬臂部件五大部件组成，如图4-1所示。（1） 主轴部件：主轴部件主要用来支撑整台主机并安装固定各工位悬臂部件，各个工位间的转换也是由它来完成的。（2） 砂轮悬臂部件：一台主机上，共有三种砂轮悬臂部件，分别为：粗磨砂轮悬臂部件，精磨砂轮悬臂部件，抛光砂轮悬臂部件。这三种砂轮悬臂部件中一部分零件是可以通用的。砂轮悬臂部件主要是负责去除水钻胚珠上的余量。（3） 上料悬臂部件：上料悬臂部件的任务是完成对工位机上的夹具的自动上料。（4） 下料悬臂部件：下料悬臂部件是用来完成对工位机上的夹具的自动下料任务。图4-1 第二代水钻设备主机a) 视角一b) 视角二（5） 对接悬臂部件：对接主要是为了能让加工到一半的水钻继续完成另一半的加工而进行的工序。对接部件就是负责这一工序的部件。4.1 回转式水钻抛磨机主机总体尺寸的确定图4-2 砂轮尺寸的确定为了减少设备的成本，设备的尺寸必须在满足条件的情况下尽可能的小。第二代水钻设备的主机总体尺寸的确定过程如下：（1） 砂轮尺寸的确定：夹具的尺寸有标准可循，标准的夹具夹持水钻部分的长度为。有两排间距为平行夹具同时在一个砂轮上进行磨（抛），可确定砂轮直径至少为，这里取砂轮直径为，如图4-2所示。（2） 工作机相对主机位置的确定：根据夹具部件的尺寸，在留有一定余量的情况下绕一点做五个工位机的圆周阵列，得到各工位机的确定位置，如图4-3所示。图4-3 工位机位置的确定（3） 主机总体尺寸的确定：根据步骤（2）阵列得到的工位机的确定位置，确定主机的总体尺寸。在得到主机的总体尺寸后，可以对主机的各个部件进行设计。4.2 砂轮悬臂部件的设计在第二代水钻设备的主机中，有三种不同的砂轮悬臂部件，分别为粗磨砂轮悬臂部件、精磨砂轮悬臂部件和抛光砂轮悬臂部件。由于抛光时需要有一个恒定的力输出，所以将抛光悬臂部件在重力方向上设计成自由，在进行抛光时，通过安装在主轴部件上的气缸推动抛光悬臂部件向夹具移动，以恒力进行抛光。粗磨砂轮悬臂部件和精磨砂轮悬臂部件均固定在主轴转套上除砂轮使用的材料不同外，其他零件均相同。在得到主机的总体尺寸后，首先可以确定砂轮悬臂的尺寸，从而进一步设计出砂轮悬臂部件。图4-4 砂轮悬臂部件砂轮悬臂部件的组成如图4-4所示。安装在砂轮悬臂部件上的三相电机通过传动部件驱动安装在砂轮部件-上和砂轮部件-下上面的砂轮。4.2.1 砂轮悬臂的设计砂轮悬臂是砂轮悬臂部件中的重要零件，它在受力时的变形将直接影响到水钻加工的精度，所以这里重点对这个零件进行设计，并通过中的“设计算例”功能对悬臂进行优化设计，将变形控制一定范围的同时使悬臂的质量最小化。这里，砂轮悬臂主要受到的力是磨抛时的压力以及自重。砂轮悬臂可以等效为一根悬臂梁。如果梁的自由端受集中载荷，择等强度梁机构基本上就是“最佳刚度悬臂梁”结构；如果梁的自由端受纯弯矩载荷，则由梢部向根部逐渐加强程度处于等强度和等刚度之间的结构为“最佳刚度悬臂梁”结构。这里的等强度梁即为等截面梁。图4-5 初定的砂轮悬臂尺寸在不同截面的各种梁中，工字梁具有质量轻，承载能力强的特点，故这里的砂轮悬臂截面形状选用工字型。根据前面得到的工位机与主机的相对位置以及空间结构安排，初定砂轮悬臂的尺寸及外形，如图4-5所示。根据老师及相关企业的师傅制作水钻的经验，只要保证砂轮悬臂在受力时的最大位移不超过，那么加工的水钻就能满足要求。这里使用中的有限元模块，对初定砂轮悬臂进行分析，以得到它的最大位移。结果如图4-6所示，初定砂轮悬臂在受力时变形小于，所以符合要求。图4-6 砂轮悬臂变形状况为了进一步降低设备的制造费用以及整机的质量，在有限元分析的基础上使用中的“设计算例”功能，来对初始砂轮悬臂进行优化设计。在“设计算例”中设置要进行优化设计的参数：参数1（肋板厚度）=，参数2（上下板厚度）=；输入参数1及参数2参数的范围和步长：参数1范围=，参数2范围=，步长均为；设置约束：最大位移小于，并施加竖直向下的力；设定优化设计的目标：零件重量的最小化。运行算例，“设计算例”功能会自动求出在设置的参数1和参数2的范围中符合条件的最优结果。优化结果如图4-7所示，即参数1=，参数2=时，砂轮悬臂质量最小，且仍然符合要求。图4-7 砂轮悬臂优化设计结果根据优化设计得到的结果修改砂轮悬臂尺寸，得到砂轮悬臂的确定尺寸，如图4-8所示。图4-8 砂轮悬臂4.2.2 砂轮悬臂部件中V带传动部件的设计参考现有的设备，选出驱动砂轮的电机，型号为：。已知电机功率，转速，传动比。三班工作，载荷平稳，空载启动。以下是V带的选型过程：(1) 选择V带型号按工况查表得工作情况系数由式： (4-1)得计算功率根据和选得V带的型号为A型(2) 确定带轮基准直径和查表得小带轮基准直径由式： (4-2)计算得到大带轮基准直径查表确定大带轮基准直径为(3) 验算带速v由式： (4-3)得到：带速在525m/s范围内，符合要求。(4) 确定中心距a和基准带长1) 初选中心距由式： (4-4)得故初选中心距，符合取值范围。2) 计算初定的带长由式： (4-5)得到：3) 基准带长查表选得基准带长4) 实际中心距a由式： (4-6)得到：留出适当的余量作调整用。5) 计算小轮包角由式： (4-7)得到：所以，此包角合适。6) 确定带的根数z由式： (4-8)得到：其中：所以，选用A型普通V带2根。7) 确定带的预拉力由式： (4-9)得到带轮的预拉力为：其中：8) 计算作用在轴上的力由式： (4-10)得到作用在轴上的力：9) 带轮结构设计由于结构需要，需要再次选择中心距。再次选择的中心距为：。计算带长得：。查表选用，计算得：实际中心距，留出适当的中心距调整量。 经过调整，最后得到带轮结构设计，如图4-9所示。图4-9 带轮结构1 砂轮悬臂 2 从动带轮 3 连板 4 带轮张紧部件 5 主动带轮 6 电机4.2.3 砂轮悬臂部件中同步带带传动的设计这里使用机械设计手册软件版进行同步带的设计计算。上层悬臂和下层悬臂尺寸有所不同，所以同步带的尺寸也有所不同，以下为上层悬臂带传动的设计过程。下层悬臂同步带设计的过程与上层悬臂同步带设计过程类似，这里不再赘述，结果见本部分末尾。1） 新建一个带传动算例。填入相关信息，在带传动类型中选择同步带设计，如图4-10所示。a) 新建一个设计算例b) 选择带传动的类型图4-10 新建一个带传动算例图4-11 齿数及直径的计算a) 输入初始参数b) 同步带齿数及直径的计算2）计算同步带的齿数及直径。输入初始参数，这里同步带传递的功率为，主动轴转速，从动轴转速，软件自动计算出传动比为2。查表得工况系数并输入。选择带型为H。确定小带轮齿数，软件自动计算得大带轮的齿数。软件自动计算得到小带轮的节圆计算直径和大带轮的节圆计算直径。查表得到小带轮的节圆标准直径和大带轮的节圆标准直径。如图4-11所示3）计算带长，轴间距和啮合齿数。计算得带速，根据结构要求初定轴间距，软件自动计算得带长，查表得标准节线长。软件自动计算得实际轴间距和小带轮的啮合齿数，如图4-12所示。图4-12 带长和轴间距的计算a) 带长计算b) 轴间距计算4）带宽和作用在轴上的力的计算。软件自动计算得基本额定功率和计算带宽，查表得标准带宽。计算得轴上的力，如图4-13所示。图4-13 带宽和作用在轴上的力的计算a) 带宽的计算b) 作用在轴上的力9）最后得到设计结果，如图4-14所示。图4-14 设计结果上下悬臂的同步带轮设计结果如下：表4-1 上悬臂同步带轮设计结果设计单位：浙江师范大学工学院设计者：设计时间：8:49:15名称数值单位传动功率P11.1kW主动轴转速n1940r/min从动轴转速n2470r/min传动比i2无设计功率Pd2kW选定带节距pb12.7mm小带轮齿数z120无大带轮齿数z240无小带轮节圆直径d80.85mm大带轮节圆直径d161.7mm带速v4m/s初定轴间距a0276mm标准节线长Lp933.45mm节线长上齿数z78无实际轴间距a273mm小带轮啮合齿数z9无基本额定功率P08kW带宽bs25.4mm作用在轴上得力F500N表4-2 下悬臂同步带轮设计结果设计单位：浙江师范大学工学院设计者：设计时间：13:49:15名称数值单位传动功率P11.1kW主动轴转速n1940r/min从动轴转速n2470r/min传动比i2无设计功率Pd2kW选定带节距pb12.7mm小带轮齿数z120无大带轮齿数z240无小带轮节圆直径d80.85mm大带轮节圆直径d161.7mm带速v4m/s初定轴间距a0293mm标准节线长Lp990.6mm节线长上齿数z78无实际轴间距a302mm小带轮啮合齿数z9无基本额定功率P08kW带宽bs25.4mm作用在轴上得力F500N4.2.4 砂轮悬臂部件中砂轮安装的设计砂轮悬臂的简图如图4-15-a所示。由图可得到砂轮轴除了受径向力外还受到轴向力，图中，承受较大轴向力，故选用两个单列圆锥滚子轴承背对背安装的形式，如图4-15-b所示。图4-15 砂轮安装的设计a) 砂轮悬臂简图b) 砂轮轴上轴承安装形式以下是轴承的选择及校核过程：根据工作条件，选用圆锥滚子轴承，要求轴承内径，径向载荷，轴向载荷，转速。根据，先选取，并查表预选32216型轴承。查表得： 附加轴向力： 轴承受力： 查表得： 查得轴承的使用寿命为。查表得此设备中轴承的使用寿命推荐值为，所以所选轴承符合要求。带轮通过键连接传递扭矩，故需要对带轮的键进行选型和强度校核。已知：轴的直径为，带轮厚度为，传递的功率为，带轮转速为。由式： （4-11）得： 其中：功率 扭矩 转速使用机械设计手册软件版中“键连接设计校核”程序，对键连接进行设计和校核。在程序中输入相应的数值，计算得到键的尺寸及校核的结果，如图4-16所示。故选择的键满足使用要求。图4-16 键连接的设计及校核4.3 上料悬臂部件的设计上料悬臂部件位于上料工位，是工位机的上悬臂在完成与下悬臂的对接后进行上料的场所。4.3.1 上料悬臂部件的组成及动作过程图4-17 上料悬臂部件上料悬臂主要由上料悬臂部件-上和上料悬臂部件-下两部分组成。上料悬臂部件-上是由上料悬臂-上、粉盒、刮粉组件、粉盒驱动组件、料盒、高频加热组件及一系列附件组成。上料悬臂部件-下是由上料悬臂-下、顶料组件、导轨滑块及一些附件组成。如图4-17所示。这里，顶料组件的驱动是由安装在上料悬臂-下的下侧的气缸来完成的（见图4-15中右视图）。粉盒的推动是由粉盒驱动组件完成的，粉盒被推出的同时，粉盒内的胶粉会被刮粉组件刮平，以使上粉更加均匀。高频加热管的发热是由高频加热组件完成的。在驱动粉盒的机构的选择上，由于上料悬臂-上的平台上已经安装了高频加热箱，已经没有足够的空间再安装一个驱动粉盒的气缸，于是加装了一组平行四边形机构，通过改变气缸推力的方向，使气缸安装方向不需要平行于推力的方向，从而提高了悬臂部件的紧凑性。并且，这里的两个粉盒通过连板连接，可以由一个气缸驱动它们同时运动。简图见图4-18。图4-18 粉盒驱动部件简图4.3.2 上料悬臂部件-下中导轨的选型上料悬臂部件-下重约70kg，导轨的安装方式是垂直安装的。由式： （4-12） （4-13）得到： 其中： 由式： （4-14）得到导轨的等效负荷：其中： 径向负荷 横向负荷根据导轨安装处的空间结构选择导轨型号为：。根据线性导轨的额定寿命计算公式： （4-15）得到导轨寿命其中： 平均负荷，这里等于。 载荷系数，这里等于。4.4 对接悬臂部件的设计工位机上层工位的夹具在完成水钻一半的加工后，要将夹具上的水钻翻面装夹至下层工位的夹具上，以完成对水钻另一半的加工。这里，对水钻的翻面装夹，是通过对接悬臂部件来实现的。对接悬臂部件主要由对接悬臂、高频加热管、高频加热箱、压板及一些附件组成，如图4-19所示。要进行对接时，由高频加热箱驱动高频加热管发热，先加热工位机下层悬臂夹具中的胶粉，使其融化。在工位机上下层悬臂的夹具对接时，高频加热管加热上层悬臂夹具中的胶粉，这样水钻就脱离工位机上层悬臂夹具，被粘在了下层悬臂的夹具上了，从而完成了对接这个过程。图4-19 对接悬臂部件a) 右视图b) 三维图4.5 下料悬臂部件的设计工位机下层工位的夹具上的水钻在完成所有工序后，要进行下料，以便进入下一轮水钻加工的循环。对夹具上的水钻完成下料工序是由下料悬臂部件来完成的。4.5.1 下料悬臂部件的组成及动作过程下料悬臂部件主要由下料悬臂部件-上和下料悬臂部件-上组成的。下料悬臂部件-上又由：粉盒、高频加热管、高频加热箱、粉盒驱动组件、高频加热箱、刮粉组件、下料悬臂-上及一些附件组成。下料悬臂部件-下由：滚刷、下料悬臂-下、滚刷电机及附件组成。如图4-20所示。图4-20 下料悬臂部件进行下料时，高频加热箱驱动高频加热管发热，加热工位机下层悬臂夹具中的胶粉，使其融化，在夹具上的水钻自然落下。接着，安装在下料悬臂-下的下方的气缸顶起滚刷部件，同时滚刷电机驱动滚刷转动，让滚刷刷去粘在夹具上残余的胶粉以及未掉落的水钻成品。上料悬臂部件中的上粉的实现与下料悬臂部件中上粉的实现过程类似。4.5.2 下料悬臂部件-下中气缸的选型进行气缸的选型时，首先根据工作所需力的大小来确定活塞的推力和拉力。应使气缸的输出力留有一定的余量来进行气缸的选择。若缸径选小了，输出力不够，气缸不能正常工作；但缸径过大，不仅使设备笨重、成本高，同时耗气量增大，会造成能源浪费。在中对零件添加材料，可以得到下料悬臂部件-下的重量约为。已知气缸的工作压力为。由式： （4-16）得到气缸缸径。气缸的效率为，那么应选缸径为气缸。按标准，选择缸径的标准气缸。并根据下料悬臂部件的结构，选择标准行程为的气缸。最后根据气缸安装处地空间确定气缸型号为：的薄型气缸。4.6 主轴部件的设计主轴部件是所有悬臂部件安装的场所，它支撑起了整台主机。同时，主轴部件也是实现工位转换的地方。因此，主轴回转部件的整体强度和刚度对水钻加工的质量有直接影响。主轴部件主要由：底座、转套齿轮、主轴转套、主轴、圆锥滚子轴承、圆螺母、气缸、滑块、导轨、滑环、驱动伺服电机、主动齿轮等组成，如图4-21所示。主机的所有悬臂部件安装在主轴转套上，主轴转套的转动可以带动悬臂部件的转动，从而实现工位的转换。这里，主轴转套的转动及转动的角度，是通过安装在底座上的驱动伺服电机控制的。在安装抛光砂轮悬臂部件位置的下方装有一个大缸径的薄型气缸，这个气缸的作用是在进行抛光时为悬臂提供一个恒定的图4-21 主轴回转部件力，以使水钻表面质量符合要求。以下是主轴上重要零部件的选用及计算：（1） 主轴的选择：在确定主机的总体尺寸后，根据总体尺寸，选择符合要求的标准无缝钢管作为主轴。无缝钢管尺寸为：（2） 轴承的选用：根据步骤（1）选出的主轴以及轴承的受力（工作时轴承同时受到径向力和轴向力）预选圆锥滚子轴承，型号为：。 （3） 气缸的选用：首先，磨抛时产生的压力为：接着，气缸顶起部分的重量为：所以，气缸所需提供的推力至少为：根据标准，选择不同缸径的薄型气缸，根据下式求出气缸所能提供的推力： （4-17）综上，选取缸径为：所能产生的推力为：符合使用要求。选择型号为：的薄型气缸。缸径：，行程：。（4） 轨道的选用：根据抛光砂轮悬臂部件的质量和安装空间，选用型号为：的重负荷型导轨。计算得导轨的额定寿命为。（5） 驱动伺服电机的选用：第二代水钻设备的主机的工位转换是依靠安装在主机底座上的伺服电机来实现的。主机旋转部分的重量，转动惯量，圆锥滚子轴承的摩擦系数，各工位之间转换时间，即平均转速。由公式： （4-18） （4-19） （4-20）得电机驱动主机旋转部分需要的扭矩由公式： （4-30）得主轴驱动电机的功率，最后选取功率为的伺服电机作为驱动伺服电机。5 三维造型图5-1 主机-视角一