毕业设计（论文）-雕刻机的设计（全套图纸）.pdf

青岛大学毕业设计 I 本科毕业论文(设计) 题 目： 雕刻机的设计 学 院： 机电工程学院 专 业： 机械工程及自动化 姓 名： 指导教师： 2016 年 5 月 14 日 青岛大学毕业设计 II 摘要 本次设计的题目是雕刻机的设计，本文运用大学所学的知识，提出了雕刻机 的结构组成、工作原理以及主要零部件的设计中所必须的理论计算和相关强度校 验，构建了雕刻机总的指导思想，从而得出了该雕刻机的优点是高效，经济，并 且安全系数高，对提高产品的雕刻效率，减少人工投入等等起到了很大的作用的 结论。 本次雕刻机的研制，是为解决我国家用机械的加工行业全部由人工手工作业 劳动强度大、雕刻效率低而国内又没有适用专用雕刻机的难题。本文从加工机械 设计的角度，阐述了该雕刻机研究开发的目的、雕刻机设计的依据、雕刻机作业 的工作原理、雕刻机的总体结构设计和切片机构等关键零部件的设计和计算，并 对该雕刻机的进一步完善设计提出了改进方案。 关键词：雕刻机 强度 开发 方案 全套图纸，加全套图纸，加 153893706 青岛大学毕业设计 II Abstract This design topic is the ice cutting machine design. In this paper, the use of university knowledge, sorbet profile cutting machine structure composition, working principle and main parts design must have the theoretic calculation and strength check is proposed, constructed sorbet profile cutting machine total guiding ideology, and concluded that the ice cream cutting machine has the advantages of high efficiency, economy, and high safety factor, to improve the ice cream on the cutting efficiency and reduce labor input and so on plays a great role in the conclusion. The ice cream cutting machine is to traditional ice cream profile cutting machine working principle understanding, this sorbet section cutting machine composed of a machine frame, a feeding cake conveyor line, and pulling mechanism, cutting mechanism, gripper and a driving mechanism and so on. By manually placed in the water ice in the conveying line above the inside and by pulling and manipulator will sorbet and from sorbet pulls out, then quickly pulled out the ice cream stick into the ice cream stick recycling box. And the sorbet clamping to cutting conveying line above, when the cutting ice transmission line installed above the photoelectric sensor sorbet position and will pass in the control system to control the cutting mechanism decreased, thus for ice- cream for cutting. Then the ice cream with good cutting and cutting conveying line automatically into the collection box at the end of the conveyor line inside. Keywords: Cutting machine; Calibration; Driving mechanism; Recycling box III 目录目录 摘要摘要 . I Abstract . II 第一章引言第一章引言 . 1 1.1 课题的来源与研究的目的和意义 . 1 1.2 本课题研究的内容 . 3 1.3 国内外发展现状 . 4 第二章第二章 雕刻机总体结构的设计雕刻机总体结构的设计 . 7 2.1 雕刻机的总体方案图 . 8 2.2 机械传动部分的设计计算 . 11 2.2.1 电机计算 . 13 2.2.2 平键的选型 . 14 2.2.3 轴承的选型计算. 15 2.2.4 直线导轨的设计. 15 2.2.5 滚珠丝杆设计计算. 26 第三章各主要零部件强度的校核第三章各主要零部件强度的校核 . 18 3.1 滚珠丝杆强度的校核 . 19 3.2 轴承强度的校核计算 . 20 第四章第四章 设计总结设计总结 . 18 结论结论 . 29 致谢致谢 . 30 参考文献参考文献 . 31 1 第一章 绪论 1.1 课题的来源与研究的目的和意义 当今社会，我国生产的雕刻机结构简陋，雕刻效率始终不高，虽然经过几十 年的发展，近期产品的质量较早期有所提高。但受国产配套件质量及设计水平等 的影响， 我国目前生产的雕刻机的总体水平与进口产品及港口用户的要求仍有较 大差距，雕刻机的生产也是如此，为满足市场需求，对传统的雕刻机进行设计和 优化乃当务之急。相信此种雕刻机的出现将会大大提高产品的雕刻能力和质量。 综上所述，结合自身所学和本次所选课题的难易度，觉得无论是在知识层面 还是在软件的运用技能上面，该课题很适合我，加之本课题来源于当今社会机械 工业产品雕刻设备的创新和更新换代基础之上，通过设计出雕刻机，从而来满足 当今社会产品雕刻设备不足的缺陷， 并且能够在一定程度上为后续的雕刻机的发 展起到一定的参考价值和借鉴作用。 1.2 本课题研究的内容 本次设计主要针对雕刻机进行设计，从雕刻机的整体方案出发，然后具体细 化出具体内部结构，其具体内部结构主要包括以下几个方面： （1）到图书馆里查阅大量相关知识的资料，搜集出各类雕刻机的原理及结构， 挑选相关内容记录并学习。 （2）分析雕刻机的结构与参数； （3）确定设计总体方案； （4）确定具体设计方案； （5）雕刻机的 CAD 装配图、零件图的绘制； （6）设计说明书的编写和整理； 2 1.3 国内外发展现状 由于机械工程的知识总量已经远远超越个人掌握所有， 一些专业知识是必不 可少的。但是过度的专业知识分割，使视野狭隘，可以多多参加技术交流，和参 加科研项目，缩小范围，提升新技术的进步和整个块的技术，提高外部条件变化 的适应能力。 封闭的专业知识的太狭隘， 考虑的问题太特殊， 在工作中协调困难， 不利于自我提高。因此，自上世纪第二十年代末，出现了一体化的趋势。人们越 来越重视基础理论，拓宽领域，对专业合并的分化。机械工程可以增加产量，提 高劳动生产率，提高生产的经济效益为目标，并研制和发展新的机械产品。在未 来，新产品的开发，降低资源消耗，清洁的可再生能源，成本的控制，减少或消 除环境污染作为一个超级经济目标和任务。机器能完成人的手和脚，耳朵和眼睛 等等器官完全不能直接完成的任务。现代机械工程机械和机械设备创造出更多、 更精美的越来越复杂，很多幻想成为过去的现实。人类现在能成为天空的上游和 宇宙， 潜入海洋， 数十亿光年的密切观察， 细胞和分子。 电子计算机硬件和软件， 人类的新兴科学已经开始加强，并部分代替人脑科学，这是人工智能。这一新的 发展已经显示出巨大的作用，但在未来几年还将继续创造出不可思议的奇迹。人 类智慧的增长并没有减少手的效果，而是要求越来越精致，手工制作，更复杂的 工作，从而促进手功能。又一方面实践促进人脑智力。在人类的进化过程中，以 及在每个人的成长过程中，大脑和手是互相促进和平行进化。 大脑和手之间的人工智能和机械工程的近似关系，唯一不同的是，智能硬件 还需要使用机械制造。在过去，各种机械离不开人类的操作和控制，反应速度和 运算精度的进化是非常缓慢的大脑和神经系统，人工智能将消除这种限制。相互 促进， 计算机科学和机械工程进展之间的平行，将在更高层次的新一轮发展的开 3 始使机械工程。 在第十九世纪， 机械工程的知识总量仍然是有限的， 大学在欧洲， 它与一般的土木工程是一门综合性的学科，称为土木工程，下半场的第十九个世 纪成为一门独立的学科。在第二十世纪，随着机械工程和知识增长的发展开始分 解，机械工程专业，有分支机构。在第二十世纪中期趋势分解，在时间之前和之 后的第二次世界大战结束时达到的峰值。 由于机械工程的知识总量已经远远从个 人掌握所有，一些专业是必不可少的。但是过度的专业知识使分割，视野狭隘， 可以查看和统筹大局和全球工程和技术交流，缩小范围，新技术的进步和整个块 的技术，外部条件变化的适应能力差。封闭的专业知识的专家太狭，考虑的问题 太特殊，在工作协调困难，不利于自我提高。因此，自上世纪第二十年代末，出 现了一体化的趋势。人们越来越重视基础理论，拓宽领域，对专业合并的分化。 综合职业分化和发展知识循环过程的合成，是合理和必要的。从不同的专业和专 业知识的专家，也有综合的知识了解不够，看看其他学科和项目作为一个整体， 从而形成一种相互强烈的集体工作。综合和专业水平。有机械工程全面而专业的 冲突；在综合性工程技术也有综合和专业问题。在人类所有的知识，包括社会科 学， 自然科学和工程技术， 有一个更高的水平， 更广泛的综合性和专业性的问题。 随着国际标准化（SIO）的实施，世界雕刻机以采用新材料、新技术、新工艺、 新结构为基础，着眼于产品零部件的标准化、系列化、规格化、通用化和专业化 以及大批量生产。根据互换性、模数制、公差与配合的原理，使得组合、多变、 拆装的雕刻机已经进入全面系统设计的阶段，其功能与形式的结合更为完美。上 世纪八十年代，德国的西蒙德公司将新开发的雕刻机成功投入市场，经过几年的 运行，为该公司创造了不菲的利润。随着技术的发展，能源危机引发全球性的节 约能源和环境保护意识的提高，在总结第一代雕刻机的经验基础上，开发出了性 4 能更佳，雕刻能力更大的雕刻机。当前，全世界各大雕刻机生产厂商为了提高产 品的竞争力，都大力进行雕刻机的研发工作。现在国外等著名雕刻机的品牌中， 都有雕刻机的销售，全世界雕刻机的应用越来越广泛。有一点值得注意的是，雕 刻机的市场，由最初的日本，欧洲，已经渗透到北美市场，因此雕刻机是当今棒 料生产加工企业比配的设备已经成为主要趋势。 2011 年以来，国外特别是日本正在考虑发展雕刻机的功率最大化，产能最 优化的问题，随后的两年期间，雕刻机的开发和研制已经被列入日本的重大科技 攻关计划，以跟踪世界技术的发展和开发适合美国机械工业发展的雕刻机。 为了满足产品生产工业发展需要，我国于 2003 年研制了大型雕刻机。也曾 设计制造出多功能型雕刻机，经运转实践证明效果很好。 第二章 雕刻机总体结构的设计 2.1 雕刻机的总体方案图 雕刻机属于机械加工设备的一种，本次设计的雕刻机由机械结构部分、电路 电气部分、机床这些结构来组成的。这些都是雕刻机的硬件部分，雕刻机的机械 几何部分由工作台部分、底座部分，机头部分跟横梁部分组成。其总体方案图如 下图 1- 1 所示： 5 2.2 机械传动部分的设计计算 2.2.1 电机计算 6 已知整个雕刻机上面滚筒，传动轴，轴承以及产品等其他零部件的总 重量 10KG,其他重量 10KG， 我们取总重量为 20Kg， 输送线的移动速度为 0.15M/S。 即：NXmgG2001020=； 具体的电机设计计算如下: 1、确定运行时间 本次设计加速时间 01 (t - t ) 60 = Vl l Vl负载速度（m/min）有速度可知每秒上升 50mm， 0.033 1.2=1.2 360 = ls 电机转速 电机 = Vl n PB 2 400 /min 0.005 电机 = Vl nr PB 3.负载转矩 0.3 10 200 0.005 1.73 . 220.9 = B gMP TLN m 式中： 4.电机转矩 启动转矩 1 2()2636.9(0.00032) 1.25 . 6060 1.2 + = S NM JMJLJM TN m t 必须转矩 ()2.36 .=+=TMTLTS SN m 7 S 为安全系数，这里取 1.0。 根据以上得出数据，我们选用电机型号为 92BL-4020L1，此电机厂家为机电 产品。根据电机的特性曲线以及参数表如下： 根据计算和特性曲线以及电机基本参数表，我们选用电机型号为 92BL-2015H1，电机额定功率为 200w，额定转矩为 1.3N.m，最大转矩为 2.6N.m， 额定转速为 3000r/min。 2.2.2 平键的选型 键联结是通过键实现轴和轴上零件的周向固定以传递运动和转矩。 其中有类 型也可以实现轴向固定和传递轴向力，有些类型并能实现轴向动联结，于在圆锥 筛的轴上主要通过键来实现传递转矩和轴向固定所以，只需选用常见的普通平 键，键的类型可根据使用要求、工作条件和联结的结构特点表 5- 3- 15 选定，键 8 的长度根据轴毂的长度从标准中选取，键的 bh 根据径来确定。轴和带轮的联 结，d=70mm, 参考资料 2P5- 194 表 5- 3- 18 (GB/T1095- 1979)选用 B2012，B18 11 和 B128 的普通 A 型平键，键长分别为 90mm，70mm,，30mm。 2.2.3 轴承的设计计算 根据根据条件，轴承预计寿命 163658=48720 小时； (1）已知 n=458.2r/min 两轴承径向反力：FR1=FR2=500.2N； 初先两轴承为深沟球轴承 6208 型。 根据课本 P265（11- 12）得轴承内部轴向力 FS=0.63FR 则 FS1=FS2=0.63FR1=315.1N； (2)FS1+Fa=FS2Fa=0 故任意取一端为压紧端，现取 1 端为压紧端 FA1=FS1=315.1N FA2=FS2=315.1N； (3)计算当量载荷 P1、P2 根据课本 P263 表（11- 9）取 f P=1.5;根据课本 P262（11- 6）式得 P1=fP(x1FR1+y1FA1)=1.5(1500.2+0)=750.3N； P2=fp(x2FR1+y2FA2)=1.5(1500.2+0)=750.3N； (4)轴承寿命计算 P1=P2 故取 P=750.3N； 深沟球轴承 =3； 2.2.4 直线导轨的设计 直线导轨在机械传动中经常遇到，主要用在移动部分，在雕刻机中，主要是 和汽缸配合使用的，直线导轨的传动精度的好坏，与雕刻机的雕刻效果有直接的 关系。 9 1 直线轴承的选择 用于测试的 POM 工程塑料支架； 钢架适用于工作温度； 不锈钢轴承适用于水， 蒸汽，硝酸等腐蚀性介质和真空的工作场所，按下列公式确定型轴承的计算。 硬度：硬度系数 FH HRC58 的硬度，hrc52-58，FH=0.6-1.0FH =1。 FT 的温度系数：工作温度小于 100C，FT = 1，温度 100oc-125oc，FT = 1.0-0.95。 接触系数 FC： 每根轴装一套轴承，FC=1.0 每根轴装二套轴承，FC=0.81 每根轴装三套轴承，FC=0.72 每根轴装四套轴承，FC=0.66 载荷系数 FW： 小于 15 米/分钟的速度，无冲击，无振动，FW = 1.0-1.5； 小于 60 米/分钟的速度，超调量小或振荡，FW = 1.52.0； 运行速度大于 60 米/分钟，或有更大的冲击，振动，FW = 2.05.0。 时间是生命的 LH =（100001）/ 2 * L（S * N1 * 60）（单位：小时）L：长 度寿命 (万米)， LS：工作行程 (米)， N1：每分钟往复次数 根据系统工况，我们知道，雕刻部位的往返移动形成为 300MM，工作时间每 天 8 小时，负载 15KG，期望寿命 Lh=5000 小时，试选择轴承型号。 按以上工作条件： 10 1.0,1.0,0.81 =1 0.2 10=2m/min = 运行速度， 属于一般冲击，选取FW 2.0 = FHFTFC V 直线轴承润滑和灰尘：轴承厂是涂上防锈油，使用时需要添加润滑油。低噪 音润滑脂，常用的有 2 锂基润滑脂和低噪音轴承润滑脂填脂量为边间隙 1 / 3， 在轴承使轴的摩擦，造成非预期的轴承损坏。铁将大大降低轴承的使用寿命，灰 尘和污物阻塞球体保持航道，不能转动，造成损坏，橡胶球架。密封轴承可用于 一般的无尘车间，如木工机械，在尘土中铸造机械等许多场合，在两端的轴承和 密封，以防止灰尘和降低油品损耗。 轴承载荷和冲击载荷下的生活：运动和变化，或当轴承是固定的，本机和其 他因素的振动会使与形成凹坑接触。 外部硬盘进入轴承， 而且在表面压痕的形成， 超过一定限度，直线的永久变形，这将阻碍运动平稳，振动和噪声引起的振动， 将进一步削弱周围的物质，造成恶性循环，凹面积扩大，基本额定静载荷由永久 变形有限公司。静态负荷容量等于钢球直径的 1 / 10000 球环的两个时间之间的 接触点的永久变形，称为基本额定静载荷 C0。轴承的使用，影响是难以衡量的， 常用的静态负荷选择适当的安全系统，保证轴承静负荷不超过额定静负荷。静载 荷 P0=C0 /FS 选择轴承，振动和冲击。FS1FS2 71.5，由振动和冲击的场所。 由于重复荷载作用下轴承工作在地表以下一定深度， 对裂纹形成的较弱的部 分， 然后用金属片状剥离表面的接触， 这被称为疲劳剥落。 在安装过程中， 润滑， 密封在正常情况下，轴承失效是绝大多数人的疲劳失效，寿命一般在轴承，是指 轴承疲劳寿命。额定寿命直线轴承是 50000 米，通过定义基本额定动载荷确保。 由于轴承的寿命是分散的，使用同样的材料，同样的过程，使用相同的轴承寿命 的条件是不一样的， 所以轴承基本额定动载荷 C 被定义为一组相同的轴承在相同 11 的条件下运行 50000 米，没有任何疲劳剥落现象的动态承载能力。 由于本次汽缸通过直线导轨驱动雕刻部位往复移动， 其中雕刻部位的重量为 15KG，我们可以采用一边一组直线导轨，两边轴承座为固定式的，中间六个为可 以随着丝杆螺母上下滑动。六个导向光杆加上丝杆螺母，这样每个导向光杆的滑 动轴承处的所受负载为 166N。根据此次的雕刻部位的移动方式和距离，我们选 择 HNK 系列直线导轨系列。 2.2.5 滚珠丝杆设计计算 1）确定滚珠丝杠副的导程 因同步皮带轮直径相等，皮带轮与丝杠直联，i=1 由表 1 查得 Vmax=8m/min nmax=1000r/min 代入得， Ph1.516mm 12 由于计算出的 Ph值应取较大值圆整，因此 Ph=1.5mm 2）确定当量转速与当量载荷 （1） 各种切削方式下，丝杠转速 由表 1 查得 V1=0.6 V2=0.8 V3=1 V4=8 代入得 n1=100 n2=133 n3=167 n 4=1333 （2）各种切削方式下，丝杠轴向载荷 由表 1 查得 已知 W1=3000N W2=5000N 代入得 13 （3）当量转速 由表 1 查得 代入得 nm267r/min （3）当量载荷 代入得 Fm=1380N 3）预期额定动载荷 （1） 按预期工作时间估算 14 按表 9 查得：轻微冲击取 fw=1.3 按表 7 查得：13 取 按表 8 查得：可靠性 97%取 fc=0.44 已知：Lh=20000 小时代入得 Cm=27899N （2）拟采用预紧滚珠丝杠副，按最大负载 Fmax计算： 按表 10 查得：中预载取 Fe=4.5 代入得 取以上两种结果的最大值 Cm=27899N 4）确定允许的最小螺纹底径 （1） 估算丝杠允许的最大轴向变形量 （1/31/4）重复定位精度 15 （1/41/5）定位精度 : 最大轴向变形量 m 已知：重复定位精度 10m, 定位精度 25m =3 =6 取两种结果的小值 =3m (2）估算最小螺纹底径 丝杠要求预拉伸，取两端固定的支承形式 (1.11.2)行程+（1014） 已知：行程为 1000mm, W1=3000N ,0=0.2 代入得 F0=600N 16 D m2 =20.04mm 5） 确定滚珠丝杠副的规格代号 （1）选内循环浮动式法兰，直筒双螺母型垫片预形式 （2） 由计算出的在样本中取相应规格的滚珠丝杠副 Ph=8mm Ca=30700Cam=27899 6） 确定滚珠丝杠副预紧力 其中 7）行程补偿值与与拉伸力 （1）行程补偿值 式中： 17 =（24） (2) 预拉伸力 代入得 8）滚珠丝杠副工作图设计 (1) 丝杠螺纹长度 Ls： Ls=Lu+2Le 由表二查得余程 Le=40 绘制工作图 （2）两固定支承距离 L1 按样本查出螺母安装联接尺寸 丝杠全长 L （3）行程起点离固定支承距离 L0 由工作图得 18 Ls=890 L1=1000 L=1000 L0=30 得 KC=920 N/m 9） 刚度验算及精度选择 （1） = = N/m = N/m F0 = 已知 W1=5000 N ， =0.2 F0=1000 N F0 ： 静摩擦力 N ：静摩擦系数 W1 ：正压力 N 19 第三章 各主要零部件强度的校核 3.1 滚珠丝杆强度的校核与计算 要对滚珠丝杆副进行强度校核，需要验算传动系统刚度，由公式可得： Kmin Kmin ：传动系统刚度 N 已知反向差值或重复定位精度为 10 Kmin=222160 （3）传动系统刚度变化引起的定位误差 =1.7m （4）确定精度 V300p ：任意 300mm 内的行程变动量对半闭环系统言， V300p0.8定位精度- 定位精度为 20m/300 V300p14.3m 丝杠精度取为 3 级 20 V300p=12m14