机械式送料机构及关键零件夹具设计 精品.doc

题 目：机械式送料机构及关键零件夹具设计第1章 绪论1.1 设计的背景和意义缝纫机制造业已经有一百五十多年的历史，发展至今，我国已经成为世界上最大的缝制机械生产和销售国，而且还在不断蓬勃发展。目前，国内缝制机械总产量已占世界缝制机械总产量的80%以上。现如今，缝纫机的运用可谓方方面面，包括一般家庭使用的缝纫机，到大工业流水线的生产设备，再到综合各种技术的机电一体化产品，都充斥着缝纫机的产品，因此缝纫机作为基础产业已经和人们日常生活息息相关。虽然我国已经成为世界缝纫机生产中心和生产大国，但却不是强国，自动化程度低、功能单一、可靠性不高等都是我们生产的工业缝纫机一些严重不足。对于高档缝纫机一般只能依赖进口。如果我国想要实现从工业缝纫机生产大国走向生产强国的跨越，就必须解决那些关键性技术问题，并且提高自主创新能力，使工业缝纫机脱离高档缝纫机一般只能依赖进口的尴尬。在现代工业生产领域里，材料的搬运，机床的送料，整体的装配等实现高效工作是非常必要的。然而送料是一项重复且十分繁重的工作，为了提高生产效率，减轻体力劳动，相对于以前传统的手动送料放料，使用机械式送料机构是行之有效的方法。在缝纫机作业过程中，采用机械式送料机构进行送料，该机构具有操作简单、生产率高等优点。在今后的生产中有很大的发展空间。1.2 设计的主要内容1.对送料机构进行方案设计、评价并确定最佳法案；2.进行装配图设计；3.绘制部分零件图；4.选择张紧装置零件的钻孔工序进行其加工夹具的设计；5.建立送料机构三维模型并进行仿真分析。1.3 拟解决的关键问题1.通过定期、自动、张紧轮张紧装置的对比，确定带的张紧装置结构设计；2.带输送过程中是依靠摩擦力输送布，确定布与带之间的摩擦力的大小；3.确定布料从初始地至目的地的传送的过程。第2章 总体设计方案2.1 送料机构简介由电动机作为动力源，梯形齿同步带传动做传动方式，依靠皮带与物料之间的摩擦力进行驱动，将物料送到所需要的目的地。可以大大减少劳动力成本，这在实际生产中具有很好的推广效果和意义。同步轮和轴用紧定螺钉连接，轴和电动机之间使用弹性柱销联轴器连接，接通电源，同步轮转动，带动皮带使得布料与皮带前进。本机构设计示意图见图2.1。图2.1设计示意图2.2 带的选择带传动的机械送料方式有平带、圆带、V带、多楔带、同步带传动，如图2.2所示。平带传动结构简单，传动效率高，带轮也容易制造，在传动中心距较大的情况下应用较多。圆带结构简单，其材料常为皮革、棉、锦纶、聚氨脂等，多用于小功率传动。V带带轮上有相应的轮槽，槽面摩擦可以提供更大的摩擦力，另外，V带传动允许的传动比大，结构紧凑。多楔带兼有平带柔性好和V带摩擦力大的优点，主要用于传递功率大同时要求结构紧凑的场合。啮合型带传动也称为同步带传动，它通过传动带内表面上等距分布的横向齿和带轮上的相应齿槽的啮合来传递运动，与摩擦型带传动比较，同步带传动的带轮和传动带之间没有相对滑动，能够保证严格的传动比。该机构是输送布料的，通过比较，同步带的传动比确定，带轮与带之间没有相对滑动，可以更稳定的将布料送到所需目的地，所以这里选择使用同步带作为带传动方式来进行送料。 (a)平带传动 (b)V带传动 (c)圆带传动 (d)多楔带传动图2.2摩擦型带传动的几种类型2.2 同步带张紧方式的选择带式送料的张紧方式有手动张紧、自动装紧、采用张紧轮的自动张紧装置，如图2.3所示。手动张紧是改变中心距的方法来调节带的初压力，使带重新张紧。自动张紧可以自动保持初压力，操作方便。当中心距不能调节时，可采用张紧轮将带张紧。(a) 手动张紧 (c)自动张紧 (d)张紧轮张紧图2.3张紧装置该送料机构选择自动张紧的方式来张紧皮带，可以自动保持初压力，使得皮带与布料之间的压力和布料与工作台之间的摩擦力保持在一个稳定的范围内，布料就能不发生相对滑动并且稳定的到达目的地。这里考虑将自动张紧装置摆放在下皮带表面，固定在两旁的支板上，如图2.4所示。图2.4张紧装置摆放位置图本机构的自动装置如图2.5所示。通过2个中心对称的张紧板固定在张紧轴上，每个张紧板上连接一个螺栓和一个盘头螺钉，2个盘头螺钉固定2个张紧轮，可以压紧皮带使皮带与布之间的摩擦力保持在一个稳定的值。2个螺栓之间拉一根弹簧，当皮带松弛导致一边的张紧轮上抬，2块中心对称的张紧板在弹簧的拉力下使另一边的张紧轮下抬压住皮带，从而达到压紧皮带的目的。(a)张紧装置3D造型图（b)张紧装置2D装配图2.5张紧装置第3章. 送料机构结构设计3.1 选择电动机类型设带的速度为V=0.3m/s，有效拉力为F=900N，按工作要求和工况条件，选用YCT系列电磁调速电机。工作机所需输入功率为(3.1)由电动机至运输带的传动总效率为(3.2)式中、分别为联轴器、轴承、同步轮传动的传动效率。电动机所需工作功率为(3.3)根据图3.1可选功率为0.55KW的电动机，型号为YCT 112-4A。YCT 112-4A具体技术数据如图3.1所示。图3.1电动机技术数据图3.2 轴的结构设计3.2.1 确定轴的最小直径轴上的输出功率为(3.4)初步估算轴的最小直径。选取轴的材料为45钢。根据机械设计中表15-3，取=115，得(3.5)输出轴的最小直径是安装联轴器处轴的直径。为了使选的轴最小直径与孔径想适应，故需同时选取联轴器型号。联轴器的计算转矩，查机械设计表14-1，考虑到转矩变化很小，取=1.5，则：（3.6）（3.7）（3.8）按照计算转矩应小于联轴器公称转矩的条件，根据机械设计课程设计表19-6，选用HL1型号的弹性柱销联轴器，其公称转矩为160000。半联轴器的孔径为16mm，半联轴器长度L=42mm，半联轴器与轴配合的孔毂长度为30mm。3.2.2 轴上零件的周向定位同步轮与轴使用紧定螺钉进行连接，装拆、传力均较为方便。半联轴器与轴得周向定位均采用平键联接及过盈配合。3.2.3 轴上零件的轴向定位支板、支撑架、同步轮之间用轴套进行定位。支撑架上的轴承外圈由支撑架进行定位并采用过盈配合，内圈由轴肩进行定位，支板上的轴承内圈由轴套进行定位，外圈由支撑板进行定位并采用过盈配合。支撑架与工作台之间用螺栓进行固定，如图3.2所示。图3.2轴上零件装配方案3.2.4 确定各段轴径直径和长度如图3.3和3.4所示，该轴为对称轴，轴径从左至右取：1620243030242016。轴长：取决于轴上零件得宽度及他们得相对位置。选用N204E和N206E圆柱滚子轴承，其宽度为14mm和16mm；为了满足半联轴器的轴向定位要求，半联轴器与轴配合长度为30mm，为使压板压住半联轴器，取其相应得轴长为28mm；根据轴承宽度为14mm，取第二段轴的长度为15mm；支板和支撑架距离为9mm，取第三段轴的长度为8mm；两个支板之间的距离应小于布料的宽度，布料宽度为250mm，所以取支板之间的距离为304mm。图3.3轴的结构设计图3.4轴的结构3D造型图3.2.5 轴的强度校核作出轴的受力计算图如图3.3(a)所示，取集中载荷作用于同步轮及轴承的中点，计算同步轮上作用力的大小和方向。转矩：(3.9)圆周力：(3.10)径向力：(3.11)、方向如图3.4所示。计算轴承上的上的支反力：根据静力平衡方程，得：(3.12)各轴承支反力:计算各轴段弯矩：为各段轴距A点的任意截面的距离。AB轴段：(3.13)BE轴段：(3.14)EF轴段：(3.15)FC轴段：(3.16) CD轴段： (3.17) 画出合成弯矩图，见图3.5。图3.5轴的受力校核图判断危险截面并计算强度：剖面E、F当量弯矩最大，直径与邻接段相差不大，故剖面E、F为危险截面。(3.18)式中，轴的计算应力，MPa； 轴所受弯矩，； 轴所受扭矩，； 轴的抗弯截面系数，；对称循环变应力时轴的许用弯曲应力，按机械设计表15-1选取为55。(3.19)所以满足强度需求。3.3 同步带的结构设计3.3.1 设计功率 (3.20) 式中 设计功率，kW； 为载荷修正系数，见机械零件设计手册表14-26； 所需传递的额定功率，kW。由机械零件设计手册表14-26查得=。则：3.3.2 选择带型和节距由，查机械零件设计手册图14-9确定为L型，根据图3.6，确定同步带齿形尺寸，节距 =9.525。图3.6梯形齿标准同步带的齿形尺寸3.3.3 小带轮齿数的确定小带轮齿数根据带型L和小带轮转速，由机械零件设计手册表14-27查得小带轮的最小齿数=18，此处取20。3.3.4小带轮节圆直径(3.21)由机械零件设计手册表14-32查其外径。3.3.5 大带轮齿数传动比已由前面确定(3.22)3.3.6 大齿轮节圆直径(3.23)由机械零件设计手册表14-32查其外径3.3.7 带速(3.24) 3.3.8 初定轴间距取：=900mm 3.3.9 带长及其齿数(3.25) =由机械零件设计手册表14-23差得应选用带长号为800的L型同步带，其节线长=2133.60，节线上的齿数=160。3.3.10 实际轴间距此结构的轴间距可调整为：(3.26)3.3.11 小带轮啮合齿数(3.27) 3.3.12 基本额定功率 由机械零件设计手册表14-29差得=244.46N，0.095/m得基本额定功率：(3.28) 3.3.13 所需带宽 由机械零件设计手册表14-28查得L型带=25.4，按=10查机械零件设计手册表14-25得。(3.29) 由机械零件设计手册表14-24查得，应选带宽代号为100的L型带，其25.4。3.3.14 带轮结构和尺寸传动选用的同步带为800H100；小带轮： ， ；大带轮： ， ；中心距：。查机械零件设计手册表14-30，取齿形角，齿高，齿顶厚，齿顶圆半径，齿根圆半径。具体数据如图3.7所示。图3.7齿条的尺寸和公差可根据上列参数决定带轮的结构和全部尺寸，本机构设计的同步轮3D造型如图3.8所示，左图为大同步带轮，通过紧定螺钉与轴连接，小同步带轮与轴承连接，皮带带动小同步带轮转动。图3.8同步带轮同步带轮装配方案如图3.9所示，在小同步带轮里做一个轴承的槽，轴承和同步带轮过盈配合，轴承内圈用同步轴的轴肩进行固定，同步带轮外边的凸缘用挡圈挡住，把整个小同步轮装置固定住。大同步带轮与支板之间的距离用轴套进行定位，和轴使用紧定螺钉进行连接，便于拆装。(a)小同步带轮(b)大同步带轮图3.9同步带轮的装配方案3.4 支撑架的结构设计本机构设计的支撑架用途是用来支撑主轴和固定轴承的外圈。主轴放置在支撑架里，需要安装轴承来减小轴转动时和支撑架产生的摩擦，支撑架的3D造型图如图3.10所示。由于同步带需要放置在一定的高度，根据同步带的大带轮节圆直径，这里取支撑架的高度为90。支撑架与工作台进行螺栓连接，设计一个15mm的台阶，在上面打2个的光孔，用来放置螺栓与工作台连接。考虑到轴装配的时候会有磕碰，在轴进入的一面孔上倒R1的斜角如图3.8所示(a)支撑架3D图(b)支撑架二维图图3.10支撑架结构图根据本机构所选的支撑架轴承宽度B为14mm，轴承直径D=47mm，这里设计支撑架的厚度为14mm，放轴承的孔为mm。支撑架内壁与轴承外圈为过盈配合，粗糙度要求达到1.6。由于需要用到支撑架来固定轴承的外圈，根据安装尺寸，在支撑架的轴承孔里设计一个厚度为1mm，内圈直径为42的挡圈来固定轴承的外圈，轴承内圈用主轴轴肩固定，如图3.11所示，轴承数据如图3.12所示，该轴承代号为N204E。图3.11支撑架装配方案图图3.12圆柱滚子轴承第4章 基于UG软件的三维造型、运动仿真和Solid works仿真分析4.1 零件的三维造型UG软件是一款三维造型软件，一般先通过建立草图，把要创建的所有草图元素都在指定的平面内完成，然后进行特征建模来进行草图的三维造型。一般常用到特征有拉伸、回转、扫掠等，在特征建模的时候还会使用到布尔运算的功能，比如求和、求差等，最后可能需要用上细节特征如拔模、螺纹、倒斜圆角来完善整个三维模型，这里介绍1个零件的三维造型过程。4.1.1 支撑架的三维造型首先建立一个草图，绘制支撑架的底座，然后进行拉伸，距离为15mm，如图4.1所示。图4.1支撑架底座拉伸图在第一步的底座上建立草图，绘制底座上的支撑体，进行拉伸，为了使同步带轮和工作台间隔一定的距离，支撑架高度设计为90mm，拉伸距离则为75mm，如图4.2所示。图4.2支撑体的拉伸图在支撑体的一面建立草图，绘制轴承孔的草图，进行拉伸。拉伸距离为13mm，由于是建一个孔的模型，所以布尔运算为求差，如图4.3所示。图4.3轴承孔建模图在支撑体的另一面建立草图，绘制一个的圆，进行拉伸，拉伸距离为1mm，布尔运算为求差，这样就建立了一个类似挡圈来固定住轴承的外圈，如图4.4所示。图4.4轴承外挡圈的建模在支撑架上打2个通孔，用螺栓来连接支撑架和工作台，如图4.5所示。图4.5孔的建模最后进行细节特征倒斜角，倒斜角便于轴的安装，至此完成整个的模型建设，如图4.6所示。图4.6支撑架三维模型4.2 仿真运动UG软件中的运动仿真模块可以把建造的三维模型按照实际运动模式以最直观的的形式展现在设计师眼前，通过最直观的运动可以让设计者更清楚的发现机构中的错误和不足之处，能够更容易的找到解决办法。当然，用UG做的仿真运动制作成视频给第一次使用者观看，能够让购买者一目了然，省去了阅读繁琐的说明书。该机构通过电动机作为动力源，通过联轴器带动轴的转动，从而带动同步轮的转动。首先打开机构的装配图，进入UG的运动仿真界面，新建一个运动仿真。然后要用到“连杆”的功能，在本机构中，主轴带动同步带轮，在支撑架和支板出放置轴承以减少摩擦，所以在建立该连杆时，轴、轴承内圈、同步带轮为一个连杆，如图4.7所示，有颜色的为同一个连杆。图4.7连杆的建立以相同的形式建立3对小同步带轮的连杆。如图4.8所示。图4.8小同步轮的连杆建立然后建立“运动副”，选择所需要运动的连杆，如图4.9所示。再建立运动方式，在运动副中的驾驶员模块设置所需运动的方式，如图4.10所示。图4.9选择运动连杆图4.10连杆运动方式设置在以相同的方式建立三对小同步带轮的运动副。在设置完运动副以后，使用“解算方案”功能对连杆的运动副进行解算，解算方案结果如图4.11所示。图4.11结算方案结果最后进行求解，得到运动仿真，如图4.12所示。图4.12运动动画4.3 Solid works仿真运动4.3.1确定CAE分析计算内容本设计的主轴三维图模型如图3.3所示。现需对其在工作状态下的结构强度进行计算，以校核其强度是否满足要求。主轴三维模型材料属性如表4.1所示：表4.1材料属性 构件名称 材料名称材料参数 质量（kg） 重量（N） 密度（） 主轴圆钢451.8618.2677004.3.2分析边界条件主轴仅有一个自由度，主轴被轴承及支撑架、支板限制了其它5个自由度，添加轴承约束条件，边界约束模型如图4.13所示.图4.13约束模型主轴转动时，同步带轮给轴的扭矩值经前面计算得为2.67N.m，其载荷边界模型如图4.14所示。图4.14载荷边界图对主轴模型进行网格划分，单元类型为实体网格单元，单元总数为7144个，节点总数为11607，其网格模型如图4.15所示。图4.15网格模型图4.3.3 CAE分析计算判据主轴使用材料为圆钢45，材料伸长率为6%，属于塑性材料，强度准则选用第四强度理论进行判断，其相关数据见表4.2所示。表4.2 材料参数材料参数屈服强度（MPa）抗拉强度（MPa）许用应力（MPa）圆钢45355600=/3=200备注: 材料抗拉强度参考GB/T 15115-1994； 安全系数参考汽车标准，其值为3。4.3.4 CAE分析结果计算轴在起动力矩作用下的等效应力云图如图4.16所示，从图中可以得出轴在起动力矩作用下最大等效应力的位置为最左端，即起动力矩作用的位置，最大应力等于58.06MPa。图4.16轴的等效应力云图轴的变形云图如图4.17所示：图4.17轴的变形云图从图4.17可以得出轴的最大变形量为0.009mm，最大变形位置为载荷施加位置。通过上面计算轴的应力及其变形如表4.3所示：表4.3应力及其变形计算结果构件应力计算（MPa）变形计算（mm）许用应力（MPa）轴58.060.009220由表3可以看出，轴在起动力矩作用下的最大等效应力为58.06MPa，远小于其许用应力220MPa，安全域度大，因此轴满足强度要求；轴在起动力矩作用下的变形较小，轴的刚度较好，满足设计要求。第5章 钻孔专用夹具设计5.1 提出问题(1)怎样限制零件的自由度：一个定位螺栓限制四个自由度，一个圆柱挡销限制一个自由度。(2)怎样夹紧：使用夹紧螺母夹紧工件。(3)怎样使夹具使用合理：使用铰链式钻模板，便于装卸。5.2 设计思想设计必须保证零件的加工精度，保证夹具的操作方便、夹紧可靠、使用安全、有合理的装卸空间，还要注意机构密封和防尘作用，使设计的夹具完全符合要求。本夹具为钻螺纹孔，由于工件体积比较小，为了便于装卸，选用铰链式钻模板。5.3 定位分析本夹具定位方案采用六点定位。在夹具底座凸台上用平面限制三个自由度，用一个定位心轴进行定位，限制工件的二个自由度，在工件一侧用一个圆柱挡销，限制一个自由度，如图5.1所示。(a)定位主视图(b)定位俯视图图5.1定位方案图5.