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自动
晾衣架
设计
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目 录
摘要1
1 绪论5
1.1 自动晾衣架在生产和生活中的作用和意义5
1.2 自动晾衣架国内研究发展情况5
1.3 自动晾衣架国外发展现状和发展趋向5
1.4 课题条件9
2 自动晾衣架设计方案及方案的对比和确定10
2.1 方案一10
2.2 方案二13
2.3 方案的对比和确定17
第3章 自动晾衣架设计主要结构的计算18
3.1自动晾衣架的设计参数要求18
3.2步进电机的选型18
3.3蜗轮蜗杆减速器的计算18
3.4 剪叉式自动晾衣架结构分析21
3.5 剪叉式自动晾衣架的运动分析21
3.6 剪叉式自动晾衣架的动力分析24
3.7 剪叉式自动晾衣架参数的确定25
3.7.1 基本几何尺寸的确定25
3.8 剪叉式自动晾衣架的校核26
3.8.1 各铰接点的受力分析26
3.8.2 各铰接点销的选择与校核28
3.8.3 剪叉臂的强度校核29
4自动晾衣架设计三维建模及仿真动画33
4.1 三维建模33
4.2 运动学分析的简介33
4.3 仿真动画34
总结37
致 谢38
参考文献39
摘要：晾晒衣服是生活中经常会遇到的活动，针对这一频繁而单调的工作，如果晾衣架是固定的，无疑增加了辛苦程度，而且还伴有危险。以前，晾衣架最简单的一种是一根竹竿固定或悬挂在屋顶板下、窗外等地方；现在的居民很多是在天花板下焊接一根铁管作为晾衣架的挂具，晾衣服时，必须将衣服一件一件地穿上衣架，再用杈子将衣服挂在铁管上，工作效率低，又不方便，时常将衣服掉地弄脏，而且还不能充分利用阳光。而目前市场上所卖的自动晾衣架只能满足单一的升降或单一的收缩功能，但升降功能只能解决挂衣服费力的问题却不能很好的利用阳光资源，而收缩功能刚好相反，只能解决充分利用阳光资源但不能解决费力这个问题。
2 自动晾衣架设计方案及方案的对比和确定
2.1 方案一
从既可以升降又可以收缩这一方向，我们首先想到的是四杆机构，如图1通过双摇杆机构（1）与（3）带动（2）由竖直位置转动到水平位置，以实现升降的过程，（2）上带有导轨，可以实现收缩的功能，在水平位置时，通过（4）挡板，使其固定。
图1
讲到固定的问题，我们又想到了四杆机构中的死点，如图2用摇杆作为原动件可以使其固定在阳台外侧。
图2
传动问题，我们想到可以用直齿轮传动、蜗轮蜗杆、斜齿轮传动等。原动力的提供，可以通过电机，或者人工手柄的形式。图3蜗轮蜗杆传动：
图3
综合以上的想法，我们有了初步的目标，即通过电动机的带动，使蜗轮蜗杆传动，带动四杆转动，从而带动衣架上升，再利用死点使其固定在最高点。再通过拉动绳索通过滑轮使装在带有导轨的连杆上的晾衣杆运动。
图4是在最低点时挂衣服状态。
图4
挂好衣服后，通电后，电动机工作，带动晾衣架转动到最高点。图5是在最高点并且在阳台外侧晾晒的状态。若为阴天，则可以通过手动的方式，转动手柄，利用摩擦力的作用，使得绳子带动晾衣杆（2）运动到阳台内侧，避免淋雨。
- 内容简介：
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湘潭大学毕业设计说明书 湘潭大学 毕业设计说明书 题 目： 万能材料试验机 学 院： 机械工程学院 专 业： 机械设计制造及其自动化 学 号： 2009500734 姓 名： 赵磊 指导教师： 周后明 完成日期： 2013 年 5 月 nts湘潭大学毕业设计说明书 目录 目录 . 2 摘 要 . 3 Keywords: Test Machine, Worm Gear & Worm， Toothed Belts， Ball Screws， . 4 第 1 章 概述 . 4 1.1 课题的提出 . 5 1.1.1 课题产生的背景 . 5 1.1.2 课题的意义 . 5 1.2 国内外实验机研究的回顾、 现状及发展趋势 . 6 1.2.1 国内外试验机 发展及其趋势 . 6 1.2.1 国内外 各种实验机的介绍 . 9 1.3 课题的重点和难点： . 11 第 2 章 万能材料试验机方案选择 .13 2.1 加载方式的选择 .13 2.1.1 液压式 .13 2.1.2 机械式 .13 2.2 传动方式 .13 图 2-3 双电机传动设计方案 .15 图 2-5 工作示意图 (1) .17 图 2-6 工作示意图 (2) .17 第 3 章 动力设计与验算 .18 3.1 滚珠丝杠副的运动动力设计计算 .18 3.1.1 静态负载条件 .18 3.1.2 丝杠寿命计算 .19 3.1.3 丝杠强度计算 .19 3.1.4 丝杠的稳定性 .20 3.1.5 丝杠的刚度 .21 3.1.6 丝杠的传动效率功率 .23 3.1.7 滚珠丝杠几何参数 .23 3.2 电机的选择 .24 3.2.1 步进电机的选择 .24 3.2.2 导步电动机选择 .25 3.2.3 电动机的参数 .25 3.3 各轴功率，转速，转矩的计算 .26 3.4 各级传动的设计计算 .26 3.4.1 第一级带传动设计计算 .26 3.4.2 第三级带传动 .28 3.4.3 蜗轮蜗杆减速器的计算 .31 3.5 支撑滚珠丝杠的轴承的选择及验算 .34 nts湘潭大学毕业设计说明书 3.6 动静横梁变形的验算 .36 3.6.1 动横梁变形的验算 .36 3.6.2 静横梁变形的验算 .37 3.7 离合器的选择计算 .38 第 5 章 轴类零件工艺分析 .40 第 4 章 总结 .42 参考文献： .43 摘 要 试验机是在各种条件、环境下测定金属材料、非金属材料、机械零件、工程结构等的机械性能、工艺性能、内部缺陷和校验旋转零部件动态不平衡量的精密测试仪器，可以对材料进行拉伸、压缩、弯曲、剪切、扭转、冲击、疲劳、蠕变、持久、松弛、磨损、硬度等试验。近年来，试验机行业技术突飞猛进。试验机向着两个方向即超微外力检测与超大外力检测发展。高检测精 度、高灵敏度、运动平稳、易于操纵 是目前 试验机 的主要发展方向 。 本文首先概述了试验机的基本定义、分类与国内外一些重要生产商的成果。第二部分论述了 两种加载方式的优缺点和传动方式的比较和选择 。 第三部分则是说明了试验机的主要机械传动部分的设计以及对它们的校核过程。 试验机的传动部分主要由蜗轮蜗杆、皮带、滚珠丝杠三部分组成。经过校核后所有设计均符合要求。 在文章的最后简明的介绍了做本次毕业设计的一些心得体会。 关键词 试验机；蜗轮蜗杆；齿形带；滚珠丝杆； nts湘潭大学毕业设计说明书 ABSTRACT Test machine in various conditions and environment in metal materials, non-metallic materials, machinery accessory, engineering structures such as mechanical properties, technics performance, Internal defects and checking dynamic imbalance rotating parts of sophisticated testing equipment, such as materials tension, compression, bending, shear, reversing, impact, fatigue, creep, lasting and relaxation, wear, hardness tests. In recent years,the technic of the test machine industry advances rapidly. Test machine is the direction toward the development of the super-tiny force detection and the development of super-large external force testing. Detection of high-precision, high sensitivity, smooth motion, easily operated test machine is the main development direction presently. This paper first summarizes the test machines basic definition, classification, and some important domestic and foreign manufacturers results. The second part, discussing about the experiences of the four projects as well as advantages and disadvantages of these projects are analyzed and compared . In comparison with each other decide the first option. The third part is the experiment, the major part of the mechanical drive design and the process of checking them. The main drive system of the test machine includes the worm, toothed belts, ball screw three components. After checking all the design had complied with the request. In the end concisely introduce the meeting and what had learned in the graduate design experiences. Keywords: Test Machine, Worm Gear & Worm， Toothed Belts， Ball Screws， 第 1 章 概述 nts湘潭大学毕业设计说明书 1.1 课题的提出 1.1.1 课题产生的背景 作为机械设计制造及其自动化专业本科毕业生，为了能在走上工作岗位之后更快地进入职业角色、我们需要在通过毕业设计这一环节初步地将自己在大学四年中所学习到的知识应用到实践中去。所以在指导老师的引导之下，我选择了万能材料试验机设计这个题目。 1.1.2 课题的意义 通常 ,把测定材料机械性能的仪器和设备称为材料试验机。但是，有些国家有时把测定材料物理性能（甚至化学性能）的仪器和设 备也称为材料试验机。 国外，在工业比较发达的国家中，对于试验机的研制和生产，都是比较重视的。这是因为，材料试验机作为一个基础工业部门，对于工业生产和科研工作有直接的不容忽视的影响。 实际上，对于工业生产和各种工程设计来说，材料试验机是确保各种机器，车辆，船舶和结构物的合理设计与安全运行的重要测试设备。因为，为了既经济又安全可靠地从事各种工程设计，必须根据材料的机械性能选取合适的材料。否则，可能造成浪费，或者导致发生严重的事故。而要获得准确的材料机械性能数据，只有使用材料试验机。 在工业生产特别是军事工业生产 中，为了保证产品质量，常常需要对各种材料和零部件或整机进行检定和测试。许多重要性的热处理零部件，如轧钢机的钢辊，机器的主轴和汽车的连杆等，都要百分之百的进行硬度检定。 在冶金工业生产中，随着科学技术的飞速发展，也提出了许多新问题。例如现代技术的发展，需要一些具有特殊性能的，能在高温，低温，高压，高速以及各种复杂条件下工作的材料，因此必须研制新型材料与合金。钢铁厂生的钢材，也需要随时检验。显而易见，所有这些研究和检验工作，离开材料试验机是无法进行的。 上述几点，已足以说明材料试验机的发展对航空，冶金，机械，建 筑和造船等工业部门，在合理设计工程结构，节约材料，提高产品质量，改进工艺和降低成本方面具有重要的意义。 另外，由于材料试验机所涉及到的科学技术领域比较广泛，如高温技术，低温技术，真空技术，液压技术，光学技术，电子技术和激光技术等，并且还应用各种测试，记录和显示仪器，所以材料试验机的技术发展，往往取决于很多科学技术领域的水平。 nts湘潭大学毕业设计说明书 1.2 国内外实验机研究的回顾、 现状及发展趋势 1.2.1 国内外试验机 发展及其趋势 伴随着工业化的进程不断深入，新材料的不断涌现，这就迫切需要研制和生产相应的材料试验设备，以及研究材料的 试验方法。于是材料试验机应运而生，第一台材料试验机于 1729 年在法国问世，它是基于杠杆原理制成的。到十八世纪中叶，材料试验机逐渐地有了较大的改进，例如在加载机构中采用了刀口结构等。十九世纪初，液压技术的进步促进了液压材料试验机的研究与应用。第一台液压材料试验机于 1827 年制成，采用杠杆原理测量载荷。在上个世纪五十年代，出现了电子式材料试验机，它是试验机历史上的一次革命，得益于方兴未艾的电子技术大量应用于材料试验机的控制、测量和记录系统中，使材料试验机的整体性能得到很大提高。随着机械设计的进步和微电子伺服控制 技术的应用，现代静态试验机已经把拉、压、弯、剪等集合于一身，称之为电子万能试验机，它通过变换夹具、附件和改变试验机运行参数就能自动完成材料试验，并将试验结果以数据打印和曲线描绘的方式输出，电子万能试验机已经成为世界上目前应用最广、最普遍的机种之一，基本取代了传统的老式机械拉力试验机、压力试验机和专用的弯曲试验机。 目前国际上公认的电子万能材料试验机有美国的 INSTRON、美国的 MTS 和日本的岛津。这些国际知名厂家都开发了诸多系列的材料试验机，电子万能材料试验机是应用最广的一种，这些试验机基本上可划分为立柱式 （单立柱、双立柱）、台式、卧式等，并依据加载负荷的大小来分档使之成为一个能满足不同需求的系列产品，这些产品基本上代表这材料试验机领域的先进水平 ,其中较具代表性的产品如图 1-1 和图 1-2 所示 ,在这些系列的试验机的技术指标中，负荷精度能达到指示值的 0.5(或每级量程的士0.25%)，横梁速度控精度达 0.1%i。 nts湘潭大学毕业设计说明书 与国外相比，国内的电子式万能试验机的发展虽然起步较晚，但发展也较为迅速。国内最早的一款电子式万能试验机是由长春试验机研究所开发的定型产品 WD 系列。近几年以来，国内在试验机方面 研究的厂家也很多，涌现了诸如深圳新三思公司和济南试金集团等生产多种类型的成套试验设备的生产商，国产电子万能试验机的典型代表如图 1-3 所示。 nts湘潭大学毕业设计说明书 与国际产品相比，国产品牌凭借其相对低廉的价格和售后服务的优势，产品的认可度在不断的提高但是，国产试验机与国外试验机在精度和可靠性方面还存在一定差距，尤其是与国外高端试验机产品方面仍有较大的差距。客观来说，国内试验机行业还处在一个仿制为主和创新研发为辅的阶段，鉴于试验机行业不可限量的市场前景和在整个国家工业体系中的特殊地位，国产试验机还是大有可为的。 现代电子万 能材料试验机的发展趋势体现在以下几个方面： ( 1 ) 高精度 试验机对载荷、加载速率、状态控制精度要求越来越高；对如载荷传感器等各种传感器的精度、灵敏度、稳定性等要求也越来越高。 ( 2 ) 智能化 实时的数据测量与记录，便捷的试验结果显示和打印输出，借助如工业 CT 技术、 PDA 等更前沿的检测手段和仪器，使试验机的操作和应用更简便自如。 ( 3 ) 模块化、组合式 万能试验机上带有各种自动控制和自动测量装置 ,大都采用组件形式，可以随意增加以扩大试验机的使用范围和功用。 ( 4 ) 通用性、专门化 通用 性质的试验机功能会更强大，各种原理相通功能近似的试验机会相会整合和趋同，同时满足最大多数的需求是其发展方向；与此相对，试验机的专门化也是一个很重要的趋势，有些应用场合在精度、试验条件、功能、专业化方面都有别于一般的试验机，这就对试验机的专门化提出了要求；更专业、更高端的试验机在一些诸如国防、新材料研究等领域的需求也是很急迫的。 ( 5 ) 现场化 传统试验机的常规应用方式是在实验室条件来测试试样的性能。但这种检测方式并不能完全反映常常作为一个构件使用的材料的某些性能。为了弥补这种先天的缺憾，很多试验机会采用 诸多手段来模拟现场以实现在线测试和试验，目前很多这方面的技术还处于探索和研究阶段，离真正实现现场测试还有很大的距离。 nts湘潭大学毕业设计说明书 1.2.1 国内外 各种实验机的介绍 试验机是用来进行材料力学性能指标测定的设备，在各类材料的产品质量检验、生产过程质量控制、材料科学研究和教学试验中都需要应用试验机来进行力学性能测试。而其中在静态万能材料试验机上的拉伸、压缩、弯曲、剪切等试验尤为广泛。我国静态万能试验机为数众多，遍布于全国各地，大部分不具备电测能力，以手动调整进、回油阀的方式运行，试验手段落后，有劳动量大和测试结果不准确等缺 点。若对其指示、记录系统及控制系统进行适当的技术改造，则可以充分地发挥设备的潜能，大大提高其技术性能及使用价值，更好地为材料研究、质量控制和实验教学服务。 本系统将先进的虚拟仪器技术、传感技术、测试技术和控制技术相结合并应用于静态试验机，来实现力学性能参数的自动检测，其中试验数据的实时采集、自动处理分析和试验中的加载速率控制是本系统研究的重点。 本系统在充分掌握大量试验机的动态信息的基础上，采用虚拟仪器技术，进行了静态万能材料试验机数控化系统的硬件搭建及软件设计。 下面对各种试验机作简单介绍： 1 液压万能材 料试验机 传统的材料试验机是液压式的 , 这种材料试验机存在一些不足之处。它通过油泵向油缸输油加压 , 由流量调节阀控制流量。油泵和测力油缸的液压系统容易发生故障 , 不但影响试验机的运行和试验质量 , 而且增加了维修工作量 ; 它的液压夹具的钳口座比较笨重 , 容易损坏 ; 采用摆锤测力计测量试验力 ,摆锤的惯性大 , 对载荷的测量精度低 , 且量程范围小。 2 电子万能试验机 电子材料试验机的特点是能够实现应力、应变、位移的闭环控制 ; 试验中无须选择量程 , 可实行全过程自动控制 ; 装卸夹具和附件方便 ; 软件包功能强大 , 用 户通过 PC 可直接存储数据、计算并输入测试结果和打印试验报告。计算机控制整个试验过程 , 保证了试验的质量。 电子万能试验机是先进的机械技术与现代的电子技术相结合的产物，是充分发挥了机、电技术各自特长而设计成的大型精密测试仪器，它具有高科技特点，其设计方法是模块化的。采用集散技术，有效地利用了微机功能对各种附件和功能单元进行组合管理、控制、实现多种功能试验。 材料试验机测试装置包括机身、横梁及其支撑部件、钳口和引伸计等。其中机身、横梁及支撑装置只需满足强度、刚度和稳定性要求即可 , 而引伸计和试验钳口则是试验机 的关键测量装置和部件。 nts湘潭大学毕业设计说明书 电子材料试验机由计算机控制系统进行自动控制。首先 , 通过计算机可完成试验阶段的设置。对于金属材料的常规拉伸试验 , 通常划分为三个阶段 , 即弹性阶段、屈服阶段和强化阶段。在三个试验阶段设置中 , 均要选择速率控制类型和最大存储频率等主要参数值。同时 , 计算机可实现测量数据的存储 , 并由计算软件对试验数据进行处理 , 给出检测结果 ,最后 , 完成试验报告的打印。 3 扩大试验机试验吨位的机械增力装置 该装置属于材料试验设备，能在一定的试验条件下解决小吨位高频拉压试验机不能进行大吨位试验的问题。 它利用弹性内封闭力系的原理，通过改变装置系统内部的约束尺寸来实现增力，运用实验应力分析技术通过电阻、电桥、应变仪、指示器、光标及“动态静标法”来实现检测。该装置能确保原试验机的各项性能指标及使用寿命，能达到“以小改大、一机多用”的目的，具有结构紧凑、工艺简单、测试精确、使用方便等优点。 4 机械式带传动万能材料试验机 基于主机架采用门式结构，使得造型匀称美观大方结构简单、成本低。尤其配以滚珠丝杠与同步齿型带的传动系统，使得整机运行平稳，响应快、噪声低、效率高。对测量系统，微机可以对其进行自动调零，自动 标定、自动换档，从而保证了测量系统的稳定可靠性，并大大地提高了工作效率。 通过对传统材料试验机的分析 , 发现其不足主要表现在以下几个方面 : (1) 无法保证角度及位移测量的精度。现代位移测量系统普遍采用光栅、磁栅、感应同步器、球栅和容栅等栅式测量系统 , 利用增量测量方法来确定位、置和材料延伸率 , 精度达到 011 m, 速度可达 16m / s ; 传统试验机多通过游标卡尺人工测量 , 无法满足这一要求。 (2) 数据人工生成。采用人工读取的形式获得数据 , 数据无法即时汇总和分析。 (3) 速度调节为机械的有 级调速 , 速度控制为开环控制 , 不能构建转速闭环。 (4) 不能测量材料的屈服强度 s、弹性模量 E、硬化指数 n 和塑性应变比 r 等参数。事实上 , 多功能材料试验机、万能材料试验机等 , 其实验原理与当前主流的计算机控制材料试验机并没有实质性的变化 , 其被控对象都比较相似 , 对控制效果的要求也相似。计算机控制材料试验机主要是 在控制系统上引入了 CAT (Computer Aided Test, 计算机辅助测试 ) , 具有液压伺服或者交直流电机伺服驱动、高精度的位移传感器、数据采集与控制装置等。 nts湘潭大学毕业设计说明书 1.3 课题的 重点和难点 ： 方案的确定，传动系统设计、计算 ； 材料试验机 ( 泛指压力试验机、拉力试验机及万能试验机等试验机 ) 广泛地用于建筑、建材、公路桥梁、机械加工 ,检测、质检等行业或机构 ； 在这些行业或机构中 , 材料试验机一般均是用来对材料或产品的机械性能进行检测 ,通过检测所得到的数据来判定所购买的或生产的产品的质量 ,通过优化组合进而达到对生产质量的过程控制 ； 另一方面 ,许多质检机构或检测公司都是以材料试验机试验所得到的数据来进行质量判别和质量监督的。因此如何正确地使用材料试验机 , 如何正确地评定材料试验机的检定结果 ,特别是如何正 确地评定测量结果中示值误差的不确定度就显得特别重要。 材料试验机示值误差不确定度最主要的来源是标准测力仪、检测时数据的不重复性、指示装置的分辨率等三项 ,而温度波动、温度修正系数、温度计读数误差等三项相比而言属于高阶无穷小 ,可以忽略不计。另外 ,在确定不确定度来源时本文没有考虑示值进程误差和零点相对误差所带来的影响 ,一方面因为材料试验机主要是使用进程示值 ,因此考虑此误差意义不大 ,另一方面零点相对误差主要是衡量回零点的情况 ,而回零点的好坏情况间接地包含在了重复性误差中 ,因此若再考虑零点相对误差就会在不确定度来源上 导致重复。 对于材料试验机要关注以下一些性能参数： 1 承载能力与尺寸 这些指标对选择万能材料试验机至关重要。承载能力的选定，要根据所测试的材料被拉断所需的最大力来决定。 对尺寸来说，要求测试时存在可用的足够空间，包括横向与纵向的空间都应该合适。一些材料，试验时延伸得较长，所以试验机垂直的尺寸必须有足够的长度，以满足材料延伸的需要。另外还应考虑特殊的夹具，固定装置和环境箱所占据的空间。 2 横梁的刚性 这个指标往往被过高的要求了。只有在使用十字头运动作为引伸计或进行挠性测试时横梁的刚度才会显得极为重要。用于评价横梁 刚度的因素很多，可以总结为以下几条：丝杠直径，圆螺母的匹配，丝杠轴承的匹配等。一些低刚度的机械制造商提供标准设备，数据采集和程序直接测试应变和挠度的机器。实际上，如果承载横梁用作挠度测试时，这个方法可以用来校正测试结果。 3 驱动系统的指标 nts湘潭大学毕业设计说明书 这些指标是重要的，它用以保证系统是否按有关国际标准来进行试验。 4 满载的最大速度 5 电控系统 6 数据记录速度和带宽 7 测力系统 系统必须精确并要求重复性好，精确度在 0.5%-0.01%范围内。 0.25%的读数重复性要求 95%符合，在同一系统中自标定的载荷码 要比其他载荷码方便。 8 应变测量系统 对于一台试验机的评价首先是仔细地评价机器在特定要求下的特性和指标。在不同应用方面要求也会有所不同。一台万能材料试验机最重要的是应该符合应用需要和标准要求，对一些特别的和华而不实的指标将不可避免地使价格升高。 下面介绍该万能材料试验机的运行原理： 万能材料试验机的工作原理：利用力源对串联同轴安装的标准传感器和被 检试件施加载荷，从而测定试件的各方面力学性能。显然作为承载和测力元件的传感器受到的负荷是弹性力，而传感器和被检试件，加载系统都可分别看作弹性元件，因此可简化为一弹性系统。力源施加装置由粗加载和精密加载有机部分组成。粗加载系统是采用普通机械或液压传动方式产生位移对测力系统施加负荷的装置，精密加载则由压电陶瓷力发生装置完成。压电陶瓷力发生装置是根据物理学中的逆压电效应原理，运用压电陶瓷材料，使用专门的工艺方法制作成的施力装置，作为力值精密调节器，压电陶瓷力发生装置与标准传感器和被测试件一起串联安装于测力系统中，当试验机工作时，在施加粗负荷后，通过特殊研制的控制装置控制施加于压电陶瓷力发生装置上的电场强度，改变它产生的微小变形量，从而达到精密调节力值的目的。控制装置运用 微型计算机和微电子控制技术，以标准测力仪的输出作为反馈信号，实现对施加负荷和力值稳定调节的闭环控制和工作过程自动化。 万能材料试验机共由五部分组成，即主机，压电陶瓷力发生装置，控制器和工作仪表以及数据处理系统。其中主机包括机架（机器的结构主体），驱动机构（用以实现粗加载的传动系统），控制器，工作仪表。 nts湘潭大学毕业设计说明书 第 2 章 万能材料试验机 方案选择 2.1 加载方式 的选择 万能材料试验机的加载方式有机械式和液压式，它们各有优缺点。 2.1.1 液压式 优点： 手动容易。 易于实现大的力值， 加载平衡，加载速度方便调节。 缺点： 难于实现自动控制，微小距离难于实现。 易造成环境污染。 2.1.2 机械式 优点： 易于实现自动控制。 无污染。 缺点： 大力值难于实现，一般仅适用于小于 1000kN 的力。 对比上面两种加载方式，由于本设计的规格为 100kN，故决定采用机械式加载方式。 2.2 传动方式 万能材料试验机的传动方式有单丝杠式，双丝杠式，多丝杠式。单丝杠式难于保证精度（加载时，易偏离中心线），而多丝杠式结构过于复杂，故采用单丝杠传动方式，结构相对简单， 可以 保证本试验机对精度的要求。 本文主要考虑了两种传动方案，即直线式传动方案（ 图 2-1）和 U 型传动方案（图2-2），对两种传动方案，对比其优缺点参见表 2-1。 nts湘潭大学毕业设计说明书 图 2-1 直线式传动方案 对于图 2-1 所示的传动方案，其最大的特点就是输入端直接与减速机的输出端连接，这样整体机构传动会比较紧凑，传动稳定精确，轴系承载的扭矩相对较小，但这样的结构压头会偏置于系统的一侧，会对加载的稳定性和精度带来影响，并且由于直线形传动方案的传动机构在运动方向跨度过长，对试样的放置和整体外观的协调带来问题，不方便立式系统的总体设计。 图 2-2 U 型传动方案 图 2-2 所示的传动方案中引入同步带传 动，通过改变传动方向来实现统的小型化，且机构本身保证了加载压头始终位于传动机构的中心优化设计和误差核算， U 型传动方案也很好的满足了测量要求。综合述两种传动方案，最后还是确定选用图 2-2 所示的 U 型传动方案。 nts湘潭大学毕业设计说明书 表 2-1 传动方案对比 方案 优点 缺点 直线式传动 结构简单 传动稳定 压头偏置受力不好 跨度太大布局空难 外观不够美观 U 型传动 结构对称受力情况好 组合方便便于扩展 整体布局美观大方 结构较复杂 对部分加工件要求高 系统的稳定性有所下降 本试验机的传动主要为螺旋传动和同步带传动 。同步齿形带的传动必须考虑带的张紧，可通过调整其中一张紧轮的位置而达到张紧的目的。至于另两级带传动，由于结构的限制，可采用电机张紧方式张紧。螺旋传动有蜗轮蜗杆传动和滚珠丝杠副县长的传动。蜗轮蜗杆具有自锁性能，在装配时必须注意其旋转方向。滚珠丝杠采用垫片式消隙和预紧方式，可通过调整预紧力来改变其松紧程度，以便使用权丝杠运转自如。 图 2-3 双电机传动设计方案 nts湘潭大学毕业设计说明书 如果为了设计成本低廉方便，可以采用双电机工作方式，其一为异步电机，其二为步进电机，即使用伺服电动机，方案原理图为上图 2-3。 考虑到精度等方面的因素 ，决定采用单电机工作方式，因为如果采用双电机工作方式，其造价较虽低但其结构较单电机方案复杂且精度稍低。单电机为伺服电机，其结构简单精度高。 图 2-4 单电机传动设计方案 所采用的丝杠为滚珠丝杠，滚珠丝杠必须考虑自锁，其自锁方式有多种，本系统中利用蜗轮蜗杆（降速比较大）来实现其自锁。万能材料试验机主机部分是它的主体结构，其所占空间与试验场地有密切联系，因此，在设计时必须考虑其体积及所需要占用的空间位置。且应使其便于安装和运输。 螺纹联接的防松，在冲击，振动或变载荷的作用下，螺旋副的摩擦力可能减小或瞬间消失 ，重复后，就可能使用联接松动，甚至松脱。因此必须采取防松措施。本试验机中采用的防松措施为：双螺母防松（即在螺母上再加一个螺母）和垫片防松。 nts湘潭大学毕业设计说明书 图 2-5 工作示意图 (1) 图 2-6 工作示意图 (2) 本试验机使用的润滑方式为脂润滑。因此应该根据实际情况定时加一定的润滑脂，以保证机构的运转良好。轴承的预紧情况将直接影响其运转性能。如过松，易使机构失效，且易产生振动。如过紧，则又使机构运转不良。本试验机中多采用了焊接连接方式。因此，焊接的方法，质量就直接影响试验机的整机性能和寿命。 nts湘潭大学毕业设计说明书 第 3 章 动力设计与验算 3.1 滚珠丝杠副的运动动力设计计算 消除轴向间隙的调整预紧方式，采用双螺母 ,通过两螺母间的轴向位置，以消除轴向间隙，并进行预紧 ,提高传动的定位精度，重复定位精度及轴向刚度，预紧力一般为最大轴向载荷的 1/3。预紧方式采用垫片式。 滚珠丝杠的承载能力取决于其抗疲劳能力，故应首先按寿命条件和额定动载荷选择和校验其基本参数。同时检验其载荷是否超过额定静载荷（低速）。强度，刚度，稳定性也需要进行验证。 采用内循环方式，垫片式消隙和预紧。 预紧参数 双圆弧 接触角 45 比 值 / 0.52nWrD 滚道圆弧偏心距 ( / 2 ) s i nsWe r D 丝杠参数 公称直径 50mm 导程 10ho mm 右旋 精度等级三级 钢球直径 5 . 9 5 3 ( 1 5 / 6 4 ) / m i nWD in 圈数 j k 列数 =13 0 . 5 2 5 . 9 5 3 0 . 5 2 3 . 0 9 6sWrD 217 o 承载能力系数 51500aC N 217300Coa N 滚珠螺旋传动由于精度要求较高，比较复杂，所以一般均由专业厂生产。转速很低时可仅按额定静 载荷确定或校核其尺寸。 3.1.1 静态负载条件 oa F HC K K F FK 载荷系数 查表 6.2-11， FK =1.2 1.5: ，取 FK =1.2 HK 静载荷硬度影响系数 查表 6.2 14 ， HK 1.0 F 丝杠载荷加 %20 余量 F 120000N nts湘潭大学毕业设计说明书 计算 oa F HC K K F =1 . 2 1 . 0 1 2 0 0 0 0 1 4 4 0 0 0NN 217300Coa N 即丝杠满足静载荷条件。 3.1.2 丝杠寿命计算 h F H LanK K K KCFK hL 工作寿命 查表 6.2 10 ， 15000hLh hK 寿命系数 hK = 1/ 3( / 500)hL 3.1072 FK 载荷系数 查表 6.2 11 ， FK =1.2 HK 动载荷硬度影响系数 查表 6.2 14 ， HK 1.0 LK 短行程系数 查表 6.2 15 ， LK 1.0 nK 转速系数 1 / 3( 3 3 . 3 / ) 4 . 8nKn n 工作转速（ /minr ） ，加载时 n 0.05 /mm s ，则 n 0 . 0 5 6 0 0 . 3 / m i n10 r 计算 h F H La nK K K KCFK 3 . 1 0 7 2 1 . 2 1 . 0 1 . 0 6 0 0 0 0 4 6 6 1 04 . 8 N 51500aC N 即丝杠寿命符合条件。 3.1.3 丝杠强度计算 丝杠转矩： 1T （ /N mm ） 0 t a n ( ) / 2TFd T 当量摩角 T =10 34: ，取 T 17 0d 丝杠公称直径 0 50d mm nts湘潭大学毕业设计说明书 丝杠螺旋角 2 17 计算 1T （ /N mm ） 0 t a n ( ) / 2TFd 1 2 0 0 0 0 5 0 t a n ( 2 1 7 1 7 ) / 2 1 3 4 4 1 2 /N m m 采用预紧，因此预紧产生的转矩也要计算，预紧力为最大轴向力的 1/3，则 2201 / 3 ( ) / 2 ( 1 ) 9 0 2 4 /TT F d N m m 丝杠合转矩 12 ( 1 3 4 4 1 2 9 0 2 4 ) / 1 4 3 4 3 6 /T T T N m m N m m 当量应力 2223224( ) ( )0 . 2FTdd 2d 丝杠螺纹底径 2022sd d e r 5 0 2 0 . 0 8 4 2 3 . 0 9 6 43.976mm 计算 22234 1 2 0 0 0 0 1 4 3 4 3 6( ) ( )4 3 . 9 7 6 0 . 2 4 3 . 9 7 6 79.06 aMp 查表 6.1 15 ， 4 8 0 5 0 0saMp : ， ( 0 . 2 0 . 3 ) s : 96 165 : aMp 根据强度条件 ，即 丝杠满足强度条件。 3.1.4 丝杠的稳定性 柔度计算 /r Li 长度系数 查表 6.1 17 ， 0.7 L 丝杠最大工作长度 1500L mm 2 / 4 4 3 . 9 7 6 4 1 0 . 9 9 4id nts湘潭大学毕业设计说明书 0F 临界载荷 计算 /r Li 0 . 7 1 5 0 0 / 1 0 . 9 9 4 9 5 . 5 85 90r :时， 220 / rF E AE 弹性模量 A 丝杠的危险截面面积 A 222 / 4 1 5 1 8 . 8 7d m m 计算 220 / rF E A 339894N稳定的合格条件 0 / 2 .5 4FF :0 / 3 3 9 8 9 4 / 6 0 0 0 0 5 . 7FF 丝杠符合稳定性条件。 3.1.5 丝杠的刚度 轴向载荷产生的轴向变形量 : jFFLEA iL 丝杠的计算长度，指 F和 T作用处到固定支撑端的距离，800iL mm E 丝杠材料弹性模量， 52 .0 7 1 0E A 丝杠的计算截面面积， 5 .9 5 3WD m m，直径0 50d mm2 2 20( ) / 4 ( 5 0 5 . 9 5 3 ) / 4 1 5 2 4WA d D m m 计算51 2 0 0 0 0 8 0 0 0 . 3 0 42 . 0 7 1 0 1 5 2 4F mm 转矩 T 产生的轴向变形T: 2 jhT pTL PGI nts湘潭大学毕业设计说明书 hP 丝杠的螺纹导程， 10hP mmG 丝杠材料的切变模量， 48.3 10G pI 4 440 / 3 2 ( ) 3 6 9 5 4 3pWI d D m m m m 计算2 jhT pTL PGI =41 4 3 4 3 6 8 0 0 1 0 0 . 0 0 62 8 . 3 1 0 3 6 9 5 4 mm 轴向载荷 F 使钢球与螺纹滚道间产生的轴向变形量a: 3130 . 3 1 0 ZaWPKFZ D F （有预紧 / 0.52sWrD） WD 钢球直径， 5 .9 5 3WD m mZ 工作台螺母中的钢球数， 78Z mjk ZK 载荷分 布不均匀系数，取 1.2ZK PF 预紧力（ N），取m a x / 3 4 0 0 0 0PF F N计算 3131 . 2 1 2 0 0 0 00 . 3 1 0 0 . 0 6 47 8 5 . 9 5 3 4 0 0 0 0amm 支撑滚珠丝杠的轴承的轴轴向变形 : 圆锥滚子轴承的轴向变形量为： 0 . 90 . 80 . 0 0 0 6 1s i n s i nc uFL 轴承接触角， 2 8 4 8 3 9 F 轴承轴向载荷 Z 轴承滚去体数， 78Z uL 轴承有效长度， 1 2 1 5uL L r m m 计算 0 . 90 . 8 0 . 9 0 . 90 . 0 0 0 6 1 2 0 0 0 0 1 0 . I 全套设计包括设计说明书 +CAD 图纸。购买请联系 qq：541937254 Z535 机床带专用夹具的六轴头设计 摘 要 钻孔加工 在机械 加工 中是再 普通 不过的 工序 了。在 中小 批量的生产中，通常采 用普通立式 钻床，一 次钻一个孔 ，然后移位 钻另一个孔。这种加工方 法效率很低 ，而且孔 的位置度难以 保证。为 了解决该一矛盾， .我们设 计了用 于普通 立式 钻床的 多轴钻 孔头 。在设 备、人力不增加的情况下，配上多轴钻孔头，不仅可使加工效率成倍增加，而且加工精度及孔的位置度得到可靠的保证。并且在此设计中，我们还设计了用于该系统的专用夹具， 可以使生 产效率翻倍的 提高，并且加工的精度和稳定性都得到了很大的提高。此系统和是和普通钻床的配合使用，它的设计周 期和设计制 造成本比设计 一个组合机 床的周期和设计制造成本要低的多，但是却可以达到和组合机床相差不多的生产效果。并且在使 用过程中，操 作简单，可以 节约劳动力，降低企业的生产成本，大大提 高企业的经 济效益。 本文介绍用于普通立式钻床的多轴钻孔头的设计原理，在人力和设备 不增 加的 情 况下 使用 多轴 钻 孔头 可成 倍提 高 普通 钻床 的加 工效率。 关键词 ： 钻床 ,多轴 钻孔头 ,设计 nts II 英文摘要 nts III nts IV 目 录 字符说明 . 1 前 言 . 3 1 课题的引出及多轴头的简单介绍 . 2 设计的内容 . 第一章 工件的结构及工艺分析 . 5 1 1 工件的结构、功用及材料 . 5 1 2 工件的工艺分析 . 5 1 2 1 工件的工艺过程 . 5 1 2 1 重点工艺分析 . 6 第二章 Z535 的技术尺寸及相关参数 . 7 2 1 Z535 的联系尺寸 . 7 2 2 Z535 的相关技术参数 . 第三章 轴所受的切削力、扭距、功率的计算 . 3 1 切削轴向力 Fa、扭距 T、功率 P 的计算公式 . 9 3 2 公式中相关的数据及计算 . 9 3 3 计算总切削力 Fa 、总扭距 T 、总功率 P . 9 第四章 夹具的定位、夹紧分析 . 10 4 1 零件的受力分析 . 10 4 2 零件的定位分析 . 10 4 3 零件的夹紧 . 11 第五章 传动系统设计 . 12 5 1 传动方式的选择 . 12 5 2 传动原理 . 12 5 3 结构设计 . 13 第六章 相关轴的验算 . 14 nts V 6 1 主动轴的演算 . 14 6 1 1 初选直径 . 14 6 1 2 强度较核 . 15 6 2 钻直径为 13 的孔的工作轴的验算 . 15 6 2 1 初选直径 . 错误 !未定义书签。 6 2 2 强度较核 . 错误 !未定义书签。 第七章 轴承的验算 . 7 1 主动轴上的轴承较核 . 17 7 1 1 额定动载荷的计算及 初选轴承 . 17 7 1 2 较核轴向载荷 . 19 7 1 3 较核轴承寿命 . 错误 !未定义书签。 7 2 钻直径为 13 的孔的工作轴的轴承 较核 . 19 7 2 1 计算额定动载荷及初选轴承 . 19 7 2 2 较核轴向载荷 . 错误 !未定义书签。 7 2 3 较核轴承寿命 . 错误 !未定义书签。 总 结 . 参考文献 . 致 谢 . nts 1 字符说明 v-切削速度 f-每转进 给量 D-钻头直 径 HB-零件的布氏硬 度值 kv-修正系数 d-计算截 面处轴的直径 ，单位为 mm; P-功率 n-转速 A0-A0= 3 9 5 5 0 0 0 0 / 0 . 2 T,T材料的 许用扭转切 应力 T-材料的许用扭 转切应力 T-扭距 WT-轴的抗扭截面 系数 C-基本额定动载荷 p-当量动载荷 fh-寿命系 数 fm-力矩载 荷因数，力矩 较小时取 fm=1.5，力矩较 大时取 fm=2 fd-冲击载 荷系数 fT-温度系 数 fn-速度系 数 Cr-轴承尺 寸及性能表所 列 径向基本 额定动载荷 Ca-轴承尺 寸及性能表所 列轴向基本 额定动载荷 Fr-径向载 荷 Fa-轴向载 荷 X-径向动载荷系数 Y-轴向动载荷系数 A-最小载荷常数 Famin-最 小轴向力 nts 2 -指数，对 于球轴承， =3；对于滚子 轴承， =10/3 Lh-轴承寿 命 tf-度 系数 G-重力 J-夹紧力 f-摩擦系 数 nts 3 前 言 一个零件的同 一个面， 往往有多个 孔，如果 在普通钻 床上加工，通常要一个一个孔的钻削，生产效率低。要是在普通钻床的主轴上装一个多轴头，就可以 同时钻多个 孔，大大提 高了生产效率 。 按 照传 动形 式 ，多 轴头 分 为齿 轮传 动 多轴 头和 曲 拐传 动多 轴头（或称偏心多 轴头）。在一般 情况下，多 轴头工作 轴的中心 距做成不可调的，叫做一 般多轴头 。只在特殊 需要的情况下 ，将工作 轴的中心距做成可调整的，叫 做可调整多 轴头。 利用 多轴头，可分别进行 钻、扩、铰孔及 攻丝等加工，也可同时进行钻、扩、铰或钻扩、攻丝等多工序加工。此外，在钻床的功率、转速、进 给允 许的情 况下， 攻丝多 轴头 也可用 来钻孔 （钻孔 时 ,重新调整机床的转 速和进给量 ，来符合 钻孔的转 速和进给量 要求 ）。按其不同加工内容，多轴 头可分为钻 孔多轴头，攻丝 多轴头及多 工序加工多轴头。这三种 多轴头，在设计原则 上与方法上大 同小异。对于攻丝多轴头，要特别注意使 工作轴每转 进给量必须与 丝锥螺距相 等这一特点。以下介绍的是钻 孔多轴头。 多轴头由下列三 个部分组成 ： （ 1） 多轴头与机床的连接 部件和传动 部件， （ 2） 多轴头的导向部件 （ 3） 传动箱 多轴头的设计 特点是程序 性强。设计时 应按照设计程 序，逐步进行设计与计算。多轴头的设计可分为三大步骤：设计前的准备工作，传动系统的设计，多 轴头的结构 设计。 设计前的准备 工作是设计 的基础，需要 认真进行。其内 容主要是掌握产品和工艺要求 ，了解所用 机床、刀具 、加剧等的状 况。 产品方面应明 确：工件上 被加工孔的直 径、数目、分 布情况、位置精度及工件的材料 等。 工艺方面应明 确：工序内 容（钻、扩 、铰或攻丝 ），切削 用量（刀具转速、切削速度及 刀具每分钟 的进给量 ），单件工时 及 生产批量 等。 nts 4 机床方面应明 确：机床 主轴的回转 方向，机床 主轴各级转 速，机床主轴各级进给量，机床额定功率，机床允许最大轴向进给力，机床主轴端面至工作台面 的最大及最 小距离。 同时，要核算多 轴头的总轴 向力和消耗 的总功率，使其 不超过机床允许的最大轴向力 和机床的额 定功率。核 算公式如下： Fa= Fa n= Fa 1+ Fa 2+ + Fa n Fa 机 Fa = Fa n= Fa 1+ Fa 2+ Fa n Fa 机 式中 : Fa -多轴头各工作轴的轴向 力的总和（ N）； Fa 1， Fa 2 Fa n- 多轴头每个工作轴的 轴向力（ N）； Fa 机 -机床允许的最大 轴向力； P-多轴头各工作轴消耗 功率的总和（ Kw） ; P1,P2, Pn-多轴头每个工作轴 消耗的功率 （ Kw） ; P 机 -机床的额定功率（ Kw）； 刀具方面应明 确：刀具 材料，刀 具柄部尺寸 ，刀具切削 部分的尺寸等。 夹具方面应明 确：定位与 夹紧机构的 布置情况，操 作方面的情 况，多轴头导向的布置情 况，夹具的 总体尺寸等 。 传动系统的设计与计算是多轴头设计的核心部分。传系统设计的好，可使多轴头 结构紧凑 ，各个轴的 受力情况良好 ，从而减 小轴和轴承的磨损，延长多轴 头的使用寿 命。 nts 5 第一章 工件的结构及工艺分析 1 1 工件的结构、功用及材料 图 1-1 工件零件图 1 2 工件的工艺分析 1 2 1 工件的工艺过程 （ 5）车端面 和镗孔 半自动转塔六 角车床 C B3463A （ 10）粗车外圆和端 面 多刀半自动车 床 C7632 （ 15）精车外圆和端 面 多刀半自动车 床 C7632 （ 20）钻 13 和 10.2 的孔 立式钻床 Z535 （ 25）锪 10.2 孔角 立式钻床 Z525 （ 30）攻螺纹 立式钻床 Z5125A （ 35）去毛刺 钳工台 （ 40）粗铰孔 铰孔机 K389-027 （ 45）精铰孔 铰孔机 K389-027 （ 50）磨外圆 外圆磨床 ME1332A （ 55）吹净零件、打 商标 成品地点 nts 6 （ 60）检验 检验台 1 2 1 重点工艺分析 在这些工序当中 ，其中钻 4 个 13 的孔和 2 个 10.2 的孔最符合用多轴头加工， 因为有 6 个 孔，所以用 六轴头来加工 。 1、确定切削 用量 查组合机床设计中的表 3-7 可以知道 13 的孔的切削速度 v 是 10-18m/min ,进给量 f 是 0.18-0.25mm/r。 10.2 的孔的切削速度 v 是 10-18m/min ,进给量 f 是 0.10-0.18mm/r。查机械加工工艺手册 可以确 定此工序的 切削用量 ， 13 的孔的切削速度 v 是 11.2m/min 进给量 f 是 0.20mm/r. 10.2 的孔的切削速度 v是 12m/min 进给量 f 是 0.15mm/r. 2、此零件的 生产批量及每 天机器运转 时间 成批量生产 ,机器每天工作 8 小时 . nts 7 第二章 Z535 的技术尺寸及相关参数 2 1 Z535 的联系尺寸 图 2 1 Z535 导轨尺寸 型号 A B e e 1 a b c h Z535 500 450 240 105 18D4 30 14 18 表 2-1 Z535 导轨的联系尺 寸 图 2-2 Z535 机床技术尺寸 表 2-2 Z535 联系尺寸 nts 8 2 2 Z535 的相关技术参数 最大进给抗力 /N 16000 主 轴 孔 锥 度/M
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