电动式钢管接箍打标设备毕业论文.doc

徐州工程学院毕业设计(论文)电动式钢管接箍打标设备毕业论文目 录1 绪论11.1 序言11.2打标机的背景及发展意义11.2.1电动打标机相关技术的发展31.2.2钢管打标系统的开发现状42 打标机系统的总体设计62.1 打标机系统组成及工作原理62.2打标机的基本功能及主要技术指标73 各机构的选择及设计93.1机架设计93.2导轨的设计153.2.1导轨的设计要求：153.2.2导轨的设计程序及内容：153.2.3.直线滑动导轨：153.3滚动轴承的选择163.4键的选择和强度校核173.5工件的定位（V型块）：183.5.1V型块的相关尺寸计算:193.5.2对定位元件的基本要求203.5.3曲面和平面组合基准的定位设计：213.5.4定位误差的分析与计算：213.6直齿锥齿轮的传动244 步进电动机的选择计算264.1步进电动机的概述264.1.1步进电动机的驱动294.2步进电动机的选择305 PLC程序的控制325.1 PLC 的特点与优势325.2 PLC 打标流程设计335.3 PLC程序的设计34总结37参考文献：38致 谢39附录40附录一40附录二52601 绪论1.1 序言毕业设计是培养我们理工科学生的一个实践性教学环节，也是最后一个教学环节，它是在我们学完了全部基础课、技术基础课及专业课后，并在一些课程设计基础上，到工厂进行参观实习，搜集原始资料之后，进行的一次大规模基本知识和基本技能的全面的、系统的设计。设计的主要目的：培养我们综合应用所学基本知识和基本技能去分析和解决专业范围内的一般工程技术问题的能力，培养我们建立正确的设计思想、掌握工程设计的一般程序、规范和方法，培养我们收集和查阅资料和运用资料的能力。通过毕业设计，进一步巩固、扩大和深化我们所学的基本理论、基本知识和基本技能，提高我们设计、计算、制图、编写技术文件，正确使用技术资料、标准手册等工具书的独立工作能力。通过毕业设计，培养我们严肃认真、一丝不苟和实事求是的工作作风，树立正确的生产观、经济观和全局观，从而实现我们向工程技术人员的过渡，同时学会掌握调查、研究、收集技术资料的方法。在制造业信息化环境中，工艺设计是生产技术准备工作的第一步，工艺规程是进行工装设计制造和决定零件加工方法与加工路线的主要依据，它对组织生产、保证产品质量、提高劳动生产率、降低成本、缩短生产周期及改善劳动条件等都有直接的影响，是生产中的关键。工艺知识是制造业中重要的知识资源之一，是理论中的”产品”变为实际”产品”的基础资源，它对保证产品质量以及提高企业经济技术效益具有十分重要的作用。随着国民经济的发展，工程机械的应用越来越多，因为工程机械能够代替工人从事重体力劳动。使用工程机械的优点有很多，如工程机械的适应能力很强，一般不受气候影响，工程机械可以不需要休息，工作效率高，工程机械动力强劲等。但是工程机械一只注重实用性，而舒适性大都会被忽略。而由于社会的进步，国家对工人的工作条件日益关注（工人在工作条件恶劣的情况下，一般工作效率都比的低，）。所以开发一些能改善工人工作条件的产品是很有必要的。而本课题也正是从这一方面考虑的。当前，社会经济正从工业经济向知识经济转变，知识正在成为生产力要素中最活跃、最重要的部分。相信通过这次设计，能够使自己的知识积累达到了一个新的层次！1.2打标机的背景及发展意义本文旨在研究一种电动打标机系统及其字库的关健技术。本章首先从打标技术在现代工业中的应用来阐述本课题研究的背景和意义;然后介绍了电动打标机的研究现状和发展方向;最后阐述了本论文的主要内容和完成的工作。随着我国国民经济的飞速发展，近年来各种工业产品的制造量明显上升，为了让用户能够方便直观地了解这些产品的基本信息，需要在这些产品的表面进行信息标示，因此，自动化的工业标记技术逐渐成为热门的研究课题。打标工艺的基本要求是标记字符清晰、时间持久。打标的作用是能提高产品档次，树立品牌形象，有一定防伪作用，同时为企业提供产品的可追溯性 ( Traceability)，从而更好地贯彻IS09000标准。打标主要应用于机械、汽车及其零部件、摩托车、电动车及其零部件，电子、轻工、石化管件领域。可对钢、铁、铜铝、塑料等材质的产品零部件及各种铭牌进行标记。较早的工业打标方法有字模冲压、印刷、电腐蚀等，这几种标记方法，不仅效率低、不美观，而且防伪性差，很难达到同一规格，尤其难以适应现代化大生产的需要。这些方法各自的缺点有:(1)字模冲压由于是接触式加工，加工后的零件容易产生内应力，字模的制作和改变比较困难，且一般只能用于金属材料的标记;(2)印刷的标记其附着强度往往有限，因此其标记的寿命往往不长(特别是在金属材料上)，且其加工过程容易产生环境污染;(3)电腐蚀加工方法只能对金属材料进行加工，加工过程容易造成环境污染，且加工速度较慢，不适于大批量和流水线加工方式。基于以上原因，一种较为先进的激光打标技术，在西方一些工业先进国家应运而生，随后在我国也得到了发展应用。激光打标技术，虽然较好地克服了传统工艺的许多缺点，但由于受到激光器自身缺点的制约，如:激光器本身寿命低、在环境恶劣的生产现场不能长期稳定地工作等，所以这一方法不能满足生产实际的需要;同时，由于有色金属对激光的吸收能力较差，所以打印深度浅，除在金刚石或硬质合金这类特殊材料上应用较多外，都未得到普及推广，为弥补上述方法的不足，适应现代化大批量生产发展的需要，出现了一种全新的工业电动打标技术。从1988年开始，这项工艺便被一些西方国家相继采用，特别是在汽车、摩托车行业得到了迅速推广。像美、日、意、德、法等国的通用、福特、克莱斯勒、丰田、本田、菲亚特、奔驰、标致、雪铁龙、雅马哈等汽车、摩托车制造厂，均都大量采用。随着我国经济的高速发展，国内的生产企业也逐步采用了自动控制的电动打标技术来满足大规模生产的要求，市场对打标机的需求将越来越大，而且我国是以制造业为主的发展中国家，未来几年内打标产业的市场前景将非常广阔。与其他打标方式相比，自动控制的电动打标方式由于结构简单，成本低，可控性好，速度快等特点而受到很多厂商的欢迎9，这一技术特别适合于对标记速度有较严格要求的流水线作业场合，并且能够通过控制电压的大小而方便地控制标记的深度。然而，当前世界上最先进的打标机技术往往源于发达国家。这些进口品牌的打标机虽然质量较好，但价格和售后服务却使国内的广大中小企业望而却步;反观国内的电动打标机生产商虽然制造出了价格相对较低的产品，但在功能上只是单纯地模仿，很多技术并不能达到实际的生产要求，无法保证质量。因此，在中国生产和推广拥有全套自主知识产权的电动打标机，让广大国内企业能用上价廉物美又有完善售后服务保障的电动打标机设备成为一项迫切需求。在这一背景下，本文在电动打标机的研制方面做了一些研究，研制了一种能够对打标字符进行轨迹优化的电动打标机，这对于我国在电动打标机技术上的研究具有一定的参考价值，同时对打标技术的发展具有一定的意义。现代加工技术的飞速发展对工业标记技术提出了更高的要求，设计出数字化、自动化、多功能、高效率、操作方便的电动打标机设备是现代化生产线的新需求。当前，国内外电动打标技术的发展主要有以下三个方向:数字化、自动化20世纪80年代以来，电动打标机的数字化、自动化成为这一领域的研究热点，近年来，随着传感技术、电子技术、自动控制技术、计算机技术的发展，现代的打标机已经进入了计算机榨制为丰的时代。数字化自动化的具体表现有:打标过程实时监控和打标工件运行过程的监控 (如对钢管在生产线上的监控);自动扫描、自动定位和跟踪检测技术在打标机系统中的应用;能够实时地、自动地修改和处理任意复杂的图形和字符。(2)多功能、集成化在现代生产环境下，打标机不仅要能够进行单一形式的打标，还要实现功能多样化。比如:打标机既要能够打印标准字库中的字符，还要能够打印用户自行设计的字符图样，并且还能够在一定程度上对点阵字符的打印轨迹进行优化。传统的点阵打印是按照逐行或逐列扫描的顺序进行的，这样做电机的无效行程就较多，效率很低。如果能够将点阵字符轨迹进行优化，那么将获得较高的打印效率。这是打标机发展的一个重要方向。同时由于在上世纪80年代ARM芯片的出现，嵌入式技术得到了充分的发展，越来越多的公司将嵌入式系统技术引入到打标机控制系统中来，开发出适应现代企业生产流水线上使用的系统。基于ARM芯片搭建起控制系统架构，使得打标机体积不断减小，功能越来越强大，集成化越来越高。近年来还出现了手持式电动打标机，(3)结构简单化、操作界面人性化随着打标机集成化的提高，很多功能将集中在少数几个模块中实现，电动打标机的结构也就相对变得越来越简单。简单化不仅仅体现在硬件的结构方面，同时也体现在软件方面，窗口式的操作程序、触摸屏等技术使打标机的各种操作更清楚、更容易掌握，这也是当前电动打标机技术发展的一个方向。针对当前中国庞大的市场，各大打标机生产企业也紧紧抓住操作界面中文化这一课题，致力于开发符合国人操作习惯的操作界面。1.2.1电动打标机相关技术的发展电动打标机是计算机技术、自动控制技术、机械设计技术、电动技术等多项技术综合交叉的技术密集型产品。由于近年来这些相关的技术都得到了很大的发展，因此电动打标机技术也日趋完善。但是纵观国内外电动打标机的研究可以看出，打标机产品的改进主要是在硬件方面，比如以前打标机的控制部分一般都采用单片机，近年来随着ARM技术的发展，单片机的控制方式在打标机系统中已经逐渐被取代。随着硬件技术的发展，打标机也将逐渐变得越来越集成化，体积也将越来越小。但是，在这种情况下打标机软件方面的作用似乎没有被充分发挥出来，各大生产厂商也更多的是把精力集中在硬件技术的开发上，而忽略了软件技术的开发。目前很多打标机系统提供给用户的软件界面并不友好，操作也不是很方便，更糟糕的是很多软件只是简单的实现了基本的打标功能，而并没有对打标机其他功能进行充分的挖掘，所以，软件发展的滞后成为了制约电动打标机水平提高的一个瓶颈。而这一点也不符合打标机未来的多功能化的发展要求，因此打标机在软件方面的发展空间还是比较大的。比如为了提高打标机的效率，可以对打标机打印的路径进行一些优化，使打标机能够在更短的时间内完成所有点的打印，这就需要从软件技术方面做一些优化的工作。所以本文也抓住这一点，从软件的角度对打标机进行了相关的研究，重点放在字库优化方面。字库是由字模组成的，字库的优化包括字模的定义和设计优化、字模打印轨迹的优化两部分。1.2.2钢管打标系统的开发现状 钢管广泛地应用于机械、建筑和石化等行业，又是国防工业的重要材料，用于制造枪管、炮筒以及其他武器。钢管的生产工艺种类繁多，生产过程非常复杂。 按照工艺流程，管坯进入车间后按照工艺要求锯成定尺长度，然后依次经过环形炉加热、三辊穿孔机穿孔、连轧机轧钢、定径机定径。加工成的钢管需要减径的再加热后送至减径机上减径。从定径或减径机轧出的成品管，送至链式冷床上冷却，冷却后锯成定尺长度的钢管（有的需要热处理) 输送到斜辊式矫直机上矫直，矫直后依次经过超声波探伤，水压机试验，随后进行其他各项精整工序。精整后的成品管经过感应加热炉后进行涂油打捆入库。根据 GB2102-88 规定，外径不小于 36mm 的钢管应在每根钢管一端的端部有喷印、滚印、钢印或粘贴印记。印记应清晰明显，不易脱落。印记内容应包括钢的牌号、产品规格、产品标号和供方印记或注册商标。具体不同类型的管子有不同的印记内容。 随着我国加入 WTO，国内市场和国际市场的接轨，钢管市场同样面临一系列的问题。国内钢管进入国际市场，必须遵守国际的相关标准。比如无缝钢管要遵守国际标准API SPEC 5CT（见表一所示）。 过去，有的钢管厂由工人随意手写，字迹不统一，有的用刷模的方式，字迹相对工整。这种做法沿用了很长一段时间，部分厂家目前仍在使用。很明显，这些方法存在测量精度低、劳动强度大、生产效率低、字迹不清楚等缺点。表11 API SPEC 5CT 标准摘录 外径项目管体接箍允许偏差D101.60mm0.79mmD114.30mm0.5mm1mm 壁厚-12.50mm重量单根车载量6.50mm-3.50mm项目范围1范围2范围3油管6.10-7.32m8.53-9.75m-套管4.88-7.62m7.62-10.36m10.36-14.63m打标能大大提高产品档次，树立品牌形象及防伪，为企业提供产品的可追索性（TRACEABLE ） ，从而更好地贯彻ISO9000 标准。 近年来，各种工作原理的打标机层出不穷。其中，电动打标机采用了一种新型打标工艺，它是由计算机控制打印针运动的高速打印设备，其工作原理是打标针在步进电机作用下作每秒300 次高频冲击运动，同时计算机控制打标针在X - Y平面内按一定轨迹运动， 从而在工件表面上打印出密集点阵构成的字符的复合图形。该方法具有标记图案变化灵活等优点。激光打标机也得到了广泛的应用，但是激光打标机的寿命受到激光器本身寿命低和缺乏长期稳定性的缺点的制约，而且成本较高，因此多用于特殊场合。液压和气压打标机具有打印深度深、标记清晰、不易磨损的特点，但需要配备专门的液压和气压装置，目前钢管打标研究较多的是电动打标机。目前国外已开发出比较成熟的打标设备，功能强大，能打出各种设定的字符甚至是中文。设备采用了许多先进的技术，特别是打标头部分的设计。表1-2 打标头技术参数工作范围精度要求生产效率直径32-直径246mm打标深度0.010.2mm每秒5个2号英文字符2 打标机系统的总体设计2.1 打标机系统组成及工作原理打标系统的示意图如图所示，由图可以看出其组成如下：电动打标机的组成部分主要包括控制器、上位机、打标头、打标针、各部分主要功能如下:控制器:对系统参数和打标参数进行设置，控制打标针的运动和动作;上位机:浏览字库文件、设计特殊字符、优化字符打印轨迹、向控制器发送字符文件信息;打标头:安装打标针运动和动作的机械部件;打标针:通过对工件表面的冲击打出点痕; 打标机的组成：（1） V 型支架。V 型支架用来放置待打标的钢管，由七个支柱组成，V 型面上固定有尼龙垫，可以减少冲击，保护钢管不被划伤。（2） 电动打标机。打标机包括支架、步进电动机、打标头、打标控制器、丝杠等。电动打标机在钢管外表面沿轴向打出所设定的字符。打标机采用TELESIS 公司的新产TMP3200 浮针电动打标机，具有打标速度快、字迹清楚、可靠性高的特点。（3） 横梁。用来安装打标机。钢管到达打标工位时，步进电动机下降，可调撑脚压在钢管上，可以调节打标针钢管的距离 ，以改变打标字符的深度。打标开始后，打印针按字符或图形笔划轨迹运动的同时，打印针高频冲击钢管表面，从而形成由密集点组成的字符或图形。打印针能自动跟随钢管表面形状而动作，对钢管表面平整度无要求。打标字符和图形可以通过计算机键盘输入。图2-1 打标示意图打标机的工作原理对打标机工作过程进行分析，其工作原理分如下三个步骤:针头的运动当工件被输送到打标工位后，控制器发出打标指令，打标针在步进电机驱动下沿着所需的打标轨迹运动;打点打标针移动到需要打点的坐标处时，控制打标针动作的电磁阀打开，打标针在驱动气压的作用下冲击工件表面打下点。然后电磁阀关闭，打标针从工件表面抬起，缩回针套内。重复步骤、，则在工件表面连续打点，组成所需的字符图样;复位一个工件打标完成后，打标针复位到初始位置，等待下一个打标指令的到来。打标要求字迹清晰，速度快。打标系统的设计需要注意如下问题：横梁所受力矩的大小合适，力矩太大会产生振动，影响打标效果；导轨的精度高；保证打标设备安装的精度，打标头要在钢管的中心线上，否则打标字深不一致；保证打标针跟钢管的间距合适，间距大，打标深度不够，间距小，打标过于深，而且会缩短打标针的使用寿命；点阵式打标机要求具有稳定的控制系统，控制打标针高频冲击钢管表面，打印出清晰的字体，因此关键部件打标头要选取成熟的配件。2 .2打标机的基本功能及主要技术指标工业现场使用的电动打标机具体功能有以下几点:(1)打标针能够在一定尺寸的平面内运动并实现定位打标针在平面内能够按打印轨迹运动;能在需要打点的坐标处定位;打标完成后，打标针能自动复位。(2)快速打点打标针移动到需要打点的坐标处定位后，能够快速地在工件表面上打点，防止点的漏打，并且保证一定的打印深度。(3)用户操作界面友好，打标字符多样用户通过操作界面可以方便地进行系统参数的设定、打标参数的设定、打标字符的编辑等;软件具备丰富的字库文件供用户调用，并提供字符生成器供用户设计自定义字符图样使用。(4)便于与上位机系统联接。打标机能方便地与上位机通讯，使用通用的串行接口，并且确定上下位机之间的通讯协议。这一功能主要接收上位机设计的字符文件信息。(5)体积小，结构紧凑，便于安装维护为工业现场使用和安装的方便，在满足打标功能需要的基础上，打标机应尽量少占用工作空间，做到体积小，结构紧凑，并便于安装维护。实际系统的主要技术指标如下:(1)运动范围;沿X轴或Y轴的单轴运动速度4mm/s(2)打印深度0.07mm-0.2mm，针头角度参数、工件材料硬度和电动驱动值共同决定打标字符深度;字符内部点轴向间距1 mm。(3)打标针针头材料选择高硬度碳化钨，硬度为90HRC;打标针到工件表面之间最大行程12.7mm;为满足打印深度的需要，打标针针尖处圆锥体面与工件表面夹角取60度。打标头选用TELESIS公司生产的TMP3200型号。 3 各机构的选择及设计3.1机架设计机架的设计主要保证刚度，强度和稳定性。（1） 刚度 评定大多数机架工作能力的主要原则是刚度。（2） 强度 强度是评定重载机架工作性能地基本准则。机架的强度应根据机器在 运转过程中可能发生最大载荷或安全装置所能传递的最大载荷来校核其强度，此外还要校核其疲劳强度。机架的强度和刚度都需要从静态和动态两方面来考虑。动刚度是衡量机架抗振性能的指标。而提高机架抗振性能应从提高机架构件的静刚度控制固有频率，加大阻尼等方面著手。提高静刚度和控制固有频率的途径是：合理设计机架构件的截面形状和尺寸，合理选择壁厚及肋板，注意机架的整体刚度与局部刚度以及结合面的匹配等。（3） 稳定性 机架受压结构及受弯结构都存在失稳问题，有些构件制成薄壁腹业存在局部失稳。稳定性是保证机架正常工作的基本条件，必须加以校核。此外，对于机床，仪器等精密机械还应考虑热变形。热变形将直接影响机架原有精度，从而使产品精度下降，有导轨的机架，由于导轨面与底面存在温差，在垂直平面内导轨将产生凸或凹热变形。因此，机架结构设计时应使热变形尽量减小。机架设计的一般要求：（1）在满足强度和刚度的前提下，机架的重量应要求轻，成本低。（2）抗振性好，把受迫振动振幅限制在允许范围内。（3）噪声小（4）温度场分布合理，热变形对精度的影响小。（5）结构设计合理，工艺性良好，便于铸造，焊接和机械加工。（6）结构力求便于安装与调整，方便修理和更换零部件。（7）有导轨的机架要求导轨面受力合理，耐磨性良好。（8）造型好。使之既适用经济又美观大方。机架常用的材料：材料的选用主要使根据机架的使用要求。多数机架形状复杂，故一般采用铸造，由于铸造的铸造性能好，价廉和吸振性能强，所以应用广。重型机架常用铸钢，当要求重量轻时，可以用铸造或铸铝合金等轻金属制造。焊接机架具有制造周期短，重量轻和成本低等优点，故在机器制造业中，焊接机架日益增多。焊接机架主要又钢板，型钢或铸钢等焊接而成。鉴于本课题设计，机架支柱横梁选用热轧等边角钢，尺寸规格见表：图3-1 热轧钢截面尺寸图b- 边宽 d-边厚 i- 惯性半径 zo-重心距离 w- 截面系数 I-惯性矩表3-1热轧等边钢尺寸角钢号数尺寸/mm截面面积/理论重量kg/m外表面积()Z0bdr990121020.30615.9400.3522.6788010915.12611.8740.3132.35经计算机架横梁重量 机架立柱的重量有TELIESE公司选用打标头重量： 步进电动机重量滑台框架 滑台总重量 机架受力简图1.当滑台处于B点位置时，对横梁进行受力分析 所以B点时的轴力图和弯矩图如下：横梁强度的校核的校核：已知横梁截面积 许用抗弯应力经校核横梁强度合格。立柱的受力分析计算：则,立柱所受的力矩所以在B点时立柱轴力和弯矩图如下：立柱的强度校核：已知立柱截面积，材料抗压许用应力所以经校核立柱的强度合理。2.当滑台在A点位置时，对横梁受力分析：机架受力图有，可得 以E点为原点取矩则所以滑台处在A点时轴力图和弯矩图如下：经校验横梁强度合理。立柱的受力分析：有可知 所以立柱的轴力图和弯矩图如下：所以立柱的轴力图和弯矩图如下：校核：所以立柱强度合理。3.2导轨的设计3.2.1导轨的设计要求：（1） 几何精度就是通常所说的导向精度，即运动精度或回转精度。（2） 运动精度包括两方面的内容：一是运动的平稳性；二是定位精度。（3） 具有足够的承载能力和刚度，使用寿命长。（4） 结构简单，工艺向好，便于调整和维修。（5） 具有良好的润滑和防护装置。3.2.2导轨的设计程序及内容：（1）根据工作条件，载荷特点确定导轨的类型，截面形状和结构尺寸。（2）选择导轨材料，表面精加工和热处理方法与摩擦硬度匹配。（3）设计导轨的配合间隙和预加载荷调整机构。（4）设计导轨的润滑系统及防护装置。（5）制定导轨的精度和技术条件。3.2.3.直线滑动导轨：单根直线滑动导轨截面形状特点及应用见下表：表3-2 导轨的类型类型截面形状特点及应用凸形对称形导向精度高，磨损后能自动补偿，有利于排屑，不易保存润滑油，用于低速。3.3滚动轴承的选择选用滚动轴承类型时,必须了解轴承的工作载荷(大小,性质,方向)转速及其他使用要求。1) 选择原则转速较高,载荷较小,要求旋转精度高时宜使用球轴承;转速较低,载荷较大或有冲击载荷时则选用滚子轴承。2) 选用方法轴承上同时受径向和轴向联合载荷,一般选用角接触球轴承或圆锥滚子轴承;若径向载荷较大,轴向载荷较小,可选用深沟球轴承,而当轴向载荷较大,径向载荷较小时,可采用推力角接触球轴承,四点接触球轴承或选用推力求轴承和深沟球轴承的组合结构。各类轴承使用时内外圈间的倾斜角应控制在允许角偏斜值之内,否则会增大轴承的附加载荷而降低寿命。当两轴承座孔轴线不对中或由于加工,安装误差和轴挠曲变形大等原因使轴承内,外圈倾斜较大时,选用调心轴承对轴和轴承的工作情况会有一定的改善。带座外球面轴承则特别适用于补偿安装不良引起的对中性误差。为便于安装拆卸和调整间隙常选用内,外圈可分离的分离型轴承,具有内锥孔的轴承或带紧定套的轴承。3) 滚动轴承的失效滚动轴承工作时内,外套圈间有相对运动,滚动体既自转有围绕轴承中心公转,滚动体和套圈分别受到不同的脉动接触应力。根据工作情况,滚动轴承的失效形式主要有以下几种:i点蚀 滚动轴承受载后各滚动体的受力大小不同,对于回转的轴承,滚动体与套圈间产生变化的接触应力,工作若干时间后,各元件接触表面上都可能发生接触疲劳磨损,出现点蚀现象,有时由于安装不当,轴承局部受载荷较大,更促使点蚀早期发生。ii塑性变形 在一定的静载荷或冲击载荷作用下,滚动体或套圈滚道上将出现不均匀的塑性变形凹坑。轴承是摩擦力矩,振动,噪声都将增加,运转精度也降低。iii磨粒磨损、粘着磨损 在多尘条件下工作的滚动轴承,虽然采用密封装置,滚动体与套圈仍可能产生磨粒磨损。4) 滚动轴承的选择此设计中，选用角接触球轴承，主要尺寸如下表:表3-3轴承主要尺寸（mm）轴径轴承代号d D B r 6908 40 62 12 0.6 6908 40 62 12 0.6 6905 25 42 9 0.3 6911 55 80 13 1 6214 70 125 24 1.5 6218 90 160 30 23.4键的选择和强度校核设计键联接时，通常被联接的材料，构造和尺寸已初步决定，联接的载荷也已求得。因此可以根据联接的结构特点，使用要求和工作条件来选择键的类型，再根据轴的直径从标准中选出键的截面尺寸，并参考毂长选出键的长度，然后用校合公式进行校合。选择一般的普通平键(GB1096-79)，主要尺寸如下表：表3-4键的主要尺寸计算与选择（mm）轴径d键高计算h=0.125d+1.5键厚计算b=2h键长 尺寸确定 6 1246.8 取66 6.875 13.7555.9 取66 4.875 9.7535.1 取64 根据挤压强度或耐磨性条件计算,求得联结所能传递的转矩为:由于是静联结选取公式 式（3-1）式中： h 键的高度 键的接触长度轴的直径许用挤压应力见下表(单位MPa)表3-5 料的许用挤压应力联结的方式材料静载荷轻微冲击载荷冲击载荷静联结锻钢,铸钢125-150100-12060-903.5工件的定位（V型块）：图3-2V型块定位示意图工件以外圆柱面定位时，不管是粗基准面还是精基准面均采用这种定位元件，它和定位销有类似的情况，也分短V型块和长V型块两种。一般V型块和工件定位面的接触长度小于工件定位直径时，属短V型块，大于1.52倍工件定位直径时，属于长V型块。图3-2所示为短V型块，用于较短的精基准定位；图3-3所示为两个中心平面重合的短V型块组成的长V型块，用于较长的粗基准（或阶梯轴）定位。V型块又有固定式和活动式之分。根据工件与V型块的接触母线长度，固定式可以限制2个或4个自由度。活动V型块限制一个转动自由度，用以补偿因毛胚尺寸变化而对定位的影响，同时还兼有夹紧的作用。固定式V型块在夹具体上的装配，一般用螺钉和两个定位销连接，定位销孔在装配调整后配钻铰，然后打入定位销。分析长V型块所能限制的自由度时，可把短V型块看作无限的短，如图3-4所示属理想的两点接触形成两个点定位副，只能限制y、z两个自由度。同理长V型块四点接触形成四个点定位副，限制四个自由度，即y、z、y、z。V型块的V形角有60、90、120三种，90的应用最广。V型块的结构尺寸已标准化。 图3-3V型块示意图图3-4限制自由度示意图3.5.1V型块的相关尺寸计算:V型块的主要尺寸有：图3-5V型块尺寸图D-V型块检验心轴直径，即工件定位基准直径。Mm；H-V型块的高度；T-V型块的标准定位高度，即检验心轴中心高。在V型块工作图上必须标注此尺寸，用以综合检验V型块的制造精度。选取标准结构时，也应该将计算结果标注在图纸上；-V型块两工作平面之夹角。设计V型块时，D已确定，N和H可参照标准选取，也可按结构有下式计算确定： 当=90时， N=1.41D2a(mm): 式（3-2）当=120时，N=2D3.46a(mm); 式（3-3）一般取a=（0.140.16）D(mm)用于大直径定位时，取H0.5D;用于小直径定位时，取H1.2D。图3-6V型块尺寸图T=H+OE=H+(OB-BE) 式（3-4）而OB=D/(2sin/2) BE=N/2tg/2 式（3-5）所以T=H+0.5D/sin/2N/tg/2 (mm) 式（3-6）当=90时，T=H+0.707D0.5N(mm) 式（3-7）在设计非标准V型块时，也可参照GB220B80标准中有关机构参数，制造材料一般用钢20，渗碳深0.81.2mm ，淬火硬度HRC6064.3.5.2对定位元件的基本要求(1).合适的精度 例如，实际的定位销和工件的基准孔接触形成定位副。为了安装工件不能没有间隙，但间隙的大小将直接影响工件的定位精度。间隙过大就保证不了工件的加工要求。过小的安装间隙，装卸工件困难，故定位元件的尺寸精度要和工件的加工要求相适应。应该明白，有间隙的定位不是理想的定位。所谓安装间隙应在工件基准孔和定位销制造的公差级数之内。较大的间隙就应该视为不存在的定位关系了。决不能把较大的间隙仍看作定位间隙而混淆对工件定位的正确分析。(2).耐磨性好 因为定位元件工作表面和工作频繁接触而易磨损。为此，要求定位元件工作面要耐磨，以便长期保持定位精度。一般较小的定位元件常采用T7A、T8A或T10A制造，并淬火至60HRC左右。较大的定位元件常采用20钢渗碳并淬火360HRC左右。此外，应尽量使定位元件工作表面全部和工件接触，否则，定位元件局部快速磨损将导致定位元件失效。(3).足够的强度和刚度 定位元件应有足够的强度和刚度，以免定位元件在切削力、夹紧力及其重力等的作用下变形或损伤。对于承受较大外力或冲击力的定位元件一般应内韧外坚。(4).工艺性好 便于制造、装配和维修。(5).便于清除切屑 定位元件工作表面的形状应有利于清除切屑，否则会因微小的切屑而影响定位精度，而且切屑还会损伤工件的定位基准表面。3.5.3曲面和平面组合基准的定位设计：如下图：如果在圆柱面工件上打标，或钻孔时，圆柱面为第一定位基准，端面为第二定位基准。夹具定位设计时，采用了一个长V型块和一个端面支撑钉和工件接触，长V型块限制了4个自由度，端面支撑钉限制了一个自由度，共限制了5个自由度。图3-7V型块定位示意图3.5.4定位误差的分析与计算：表3-6常用定位方法和定位误差定位方法定位简图定位总误差z/mm以平面为定位基准 DA=0 DB=B= DB=2（H-h）tang 当=90，hH/2时，应按DB=2 htang以圆柱面为定位基准 DH1= D/2*1/sin/2 DH2=D/2*（1/sin/2-1） DH3=D/2*（1/sin/2+1）DH1DH2DH360D0.5D1.5D900.71D0.21D1.21D1200.58D0.08D1.08D DH1=0 DH2=DH3=D/2 DH1=D/2 DH2=0 DH3=D DH4=D/2 D=W=(D+d)/2 DA=0 DB= D/2 DC=D/2表3-7170V型块（摘自JB/T 8018.1-1999） /mm图3-8V型块结构尺寸图(1)、材料：20钢按GB/T 6991999的规定。(2)热处理：渗碳深度 0.81.2mm，5864HRC。 (3)、其他技术条件按JB/T 80441999的规定。表3-8V型块的设计参数NDLBHAA1A2bldd1d2hh1基本尺寸极限偏差H79510321610205725.54+0.01204.58451410153820122669475.51057181520462516329126856.611692420255520408113225357032255012151210691581442354585403264161916128+0.01501118101855456010035762022706080125504296202530151013.52012258580100140501104030注：尺寸T按公式计算 T=H+0.707D-0.5N .3.6直齿锥齿轮的传动锥齿轮用于传递两相交轴之间的运动和动力，有直齿、斜齿和曲线齿之分，直齿最常用，斜齿已逐渐被曲线齿代替。轴交角可为任意角度，最常用的是90度。锥齿轮沿齿宽方向的齿廓大小与其距锥顶的距离成正比。轮齿刚度大端大，小端小。故沿齿宽的载荷分布不均匀。和圆柱齿轮相比，直齿锥齿轮的制造精度较低，工作时振动和噪声都较大，故圆周速度不宜过高。直齿锥齿轮传动的强度计算比较复杂。为了简化，将一对直齿锥齿轮传动转换为一对当量直齿圆柱齿轮传动进行强度计算。方法是：用锥齿轮齿宽中点处当量圆柱齿轮代替该锥齿轮，其分度圆半径即为齿宽中点处的背锥母线长，模数即为齿宽中点的平均模数，法向力即为齿宽中点的合力。这样，直齿锥齿轮传动的强度计算即可引用直齿圆柱齿轮传动的相应公式。图3-10锥齿轮结构示意图齿轮结构型式主要有毛坯材料、几何尺寸、加工工艺、生产批量、经济等因素确定，各部分齿轮有经验公式求得。对于齿数很少的小齿轮，当其分度圆直径与轴径相差很小时，可将齿轮和轴做成整体，这样轴和齿轮必须用同一种材料制造，如果齿轮直径比轴的直径大的多，则不论是从制造还是从节约贵重材料的观点，都应把齿轮和轴分开。齿轮传动的功率损失主要包括：1）啮合中的的摩擦损失；2）润滑油被搅动的油阻损失；3）轴承中的摩擦损失。齿轮传动的润滑方式主要取决于齿轮的圆周速度，润滑油的粘度一般也是根据齿轮的圆周速度选择的。下表列出了润滑油的荐用值和牌号。表3-9 齿轮润滑油的选择齿轮材料 圆周速度 25铸铁、青铜钢450MP100MP 320 220 150 100 80 60 - 4 步进电动机的选择计算4.1步进电动机的概述步进电动机是一种将数字脉冲信号转换成机械角位移或者线位移的数模转换元件。 每当输入一个脉冲, 它就相应地运行一步。 步进电动机由此而得名。步进电动机的运行是在专用的脉冲电源供电下进行的, 其转子走过的步数, 或者说转子的角位移量, 与输入脉冲数严格成正比。 尽管每走一步的步距角存在一定的误差, 然而, 连续旋转一周360后, 其累积误差为零。 另外, 步进电动机动态响应快,控制性能好,只要改变输入脉冲的顺序,就能方便地改变其旋转方向。 这些特点使得步进电动机与其它电动机有很大的差别。 因此, 在庞大的电动机家族中, 尽管它仅仅是一个很小的机种, 但是仍然占有不可替代的位置。步进电动机的上述特点,使得由它和驱动控制器组成的开环数控系统 既具有较高的控制精度, 良好的控制性能,又能稳定可靠地工作。 因此,在数字控制系统出现之初,步进电动机经历过一个大的发展阶段。在日本, 60年代初期, 开发了用于数控装置及计算机外部设备的磁阻式步进电动机。 60年代中期至今,开发了混合式步进电动机。在我国, 步进电动机的研制始于1958年。 当时只有清华大学,华中理工大学等少数高等院校在从事这项工作。 到了60年代末, 70年代初,由于电子工业和数字控制技术的发展 特别是数字控制线切割,机床发展的需要,才使步进电动机的研究工作蓬勃开展起来。 经过四十几年的发展, 随着步进电动机理论的日臻完善, 特别是磁阻式步进电动机, 产品品种、 规格, 门类的系列化以及出现了象无刷直流电动机系统那种更优越的伺服系统,才使得步进电动机的发展势头有所缓和, 总体看来, 目前其发展正趋于平缓。步进电动机的种类很多,按其工作原理可分为三大类型。a) 磁阻式VR 型(V ariable Reluctance) ;b) 永磁式PM 型(PermanentM agnet) ;c) 混合式HB 型(Hybrid)。由于上述三种类型步进电动机的结构及作用原理各不相同,因此其市场的应用以及发展的情况也各不相同。 但不管如何发展, 总离不开 “轻、 薄短、 小、 高效率、 低振动、 低噪声、 低价格” 微特电机发展的永恒主题。 磁阻式步进电动机磁阻式步进电动机的工作原理与磁阻式同步电动机一样,也是利用凸极转子横轴磁阻与直轴磁阻之差所引起的磁阻转矩而转动的。这种类型的步进电动机, 在国外已几乎没有了。 仅仅在某些场合, 例如在温度很高的核反应堆中; 或者需要电动机的定位力矩为零的时候才使用。在我国, 磁阻式步进电动机还有一定的市场,年需求量为十几万台, 从目前的情况看, 今后几年还会有所增长。这是因为我国工业化的程度还不高,许多更为先进的伺服系统还未达到商品化的程度。 而由磁阻式步进电动机及其控制驱动电路(见图1)构成的开环伺服系统在技术上业已成熟, 在价格上较为便宜,在使用上也易于操作者掌握。 随着乡镇企业、 个私企业的迅猛发展, 在完成了原始资本积累后, 也要考虑如何来改进落后的生产手段,以提高产品的数量和质量。 而性能价格比非常合适的磁阻式步进电动机系统, 毫无疑问就成了他们的首选对象。 例如: 生产塑料编织袋的编织机; 塑料马夹袋的生产机械等等。 如图图4-1结构示意图由于这类步进电动机固有的弱点,因此不可能再有什么发展。 在没有被其它类型的步进电动机完全替代以前, 如何进一步提高质量以及降低成本,就是其首要任务。 永磁式步进电动机永磁式步进电动机的工作原理是,转子上的永磁体建立的磁场,与定子绕组电流建立的磁场相互作用而产生电磁转矩。 图4-1是永磁式步进电动机的结构示意图。通常这类电动机的定子极冲制成爪形,因此又称为爪极式步进电动机。 它是把绕满漆包线的注塑骨架套在定子爪极板上,再把极板和冲制而成的机壳点焊在一起, 即形成一台电动机。 这种结构充分体现微特电机加工中的少切削、 无切削化, 因而具有结构简单、 工艺性好、 生产效率高,成本低廉等优点.对市场而言,“够用为止” 是个基本准则, 在够用的前提下, 追求最低廉的价格。 而爪极式步进电动机正符合这个市场准则。 因而一经面世就得到广泛的应用, 甚至取代了一部分混合式步进电动机被用于打印机、 复印机、 传真机以及空调器等各个领域中。目前,这类电动机的年需求量为5亿台左右,最大的生产国为日本, 其市场占有率为60% , 其余依次为中国的台湾地区、 韩国、 美国等等。采用注塑的定、 转子是这类电动机的发展方向。 所谓注塑转子,就是通过注塑的方法,把转轴和磁钢结合在一起。 而注塑定子有不同的结构, 可以把爪极板注塑在一起形成一个整体,然后再把定子绕组套在上面。 也可以把绕好线包的整个定子注塑在一起。 最先进的要数日本的M I N EBEA 公司, 它把接线端子、 接线座和定子整体注塑在一起。图4-2内部结构示意图采用注塑工艺后, 电动机定、 转子间的气隙可设计得更小,从而在其它条件不变的情况下可大大增加输出力矩,同时其振动、 噪声也可大为降低。 另外, 还易于实现装配的自动化, 更适合于大批量的生产。 混合式步进电动机混合式步进电动机既有磁阻式步进电动机基于气隙磁导变化的特征,又有轴向恒定磁场的永磁式步进电动机的特征。 其综合了该两类步进电动机的特点,因而性能更好。 具有分辨率高,控制功率小等优点。随着世界经济全球化的发展,国际上发达国家的一些大公司, 将一些量大面广劳动密集型的产品, 向劳动力比较低廉的中国转移, 使得我国在该类电动机的研制及生产上, 形成了一定的规模, 在国际市场上已经具有很强的竞争能力。 目前这类电动机最大的生产国还是日本, 他们有多家公司生产, 例如: JA PAN SERVO 公司, SAN YO DEN K 公司, M I N EBEA 公司等等。 特别是OR IEN TAL公司,无论是外观质量,内部性能指标,还是生产手段上,都是最上乘的。 与之相比,我们国家还有一定的差距。目前,混合式步进电动机按以下四个方面进行发展:发展趋势之一, 是继续沿着小型化的方向发展。 随着电动机本身应用领域的拓宽以及各类整机的不断小型化,要求与之配套的电动机也必须越来越小。 在57、 42机座号的电动机应用了多年后,现在其机座号向39、 35、 30、 25方向延伸。发展趋势之二, 是改圆形电动机为方形电动机。 由于电动机采用方形结构, 使得转子有可能