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机械毕业设计全套
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JX01-255@鞭炮插引机设计,机械毕业设计全套
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毕业设计说明书 题目：鞭炮插引机设计 院 （系）： 机械工程学院 专 业： 机械设计制造及其自动化 学 号： XXXXX 姓 名： XXXXX 指导教师： XXXXX 完成日期： 2014 年 5 月 7 日 nts 目 录 摘要 . 1 1 绪论 . 3 1.1 简述 . 3 1.2 鞭炮插引机的国内现状 . 3 1.3 本课题的研究目的和内容 . 6 1.4 本课题的研究意义 . 6 2 鞭炮插引机机械结构原理及运动分析 . 7 2.1 鞭炮插引机送料平台工作原理和工艺动作分解 . 7 2.2 鞭炮插引机插引部分机构工作原理以及工艺动作分解 . 8 2.3 鞭炮插引机执行机构选型 . 9 2.3.1 鞭炮插引机双胶辊的机构方案 . 9 2.3.2 鞭炮插引机压引板的机构方案 . 9 2.3.3 鞭炮插引机切引刀的机构方案 . 10 2.4 鞭炮插引机切引刀凸轮机构的尺寸设计 . 10 2.5 鞭炮插引机机械结构受力分析与计算 . 13 2.5.1 鞭炮插引机轴用键受力计算 . 13 2.5.2 鞭炮插引机齿轮受力计算及校核 . 15 2.5.3 鞭炮插引机切引刀转动拉伸弹簧设计计算 . 16 2.5.4 鞭炮插引机主轴的设计计算及其校核 . 17 3 步进电机的选择 . 19 3.1 步进电机 . 19 3.2 PLC 驱动步进电机 . 19 4 传感器的选择 . 21 4.1 电磁（感）式传感器 . 22 4.2 光电式传感器 . 22 4.3 霍尔元件传感器 . 23 4.4 超声波位置传感器 . 23 5 控制程序的设计 . 25 5.1 I/O 接线图 . 25 5.2 梯形图 . 26 6 结论 . 27 nts 参考文献 . 28 致谢 . 29 附录 I：英文译文 . 错误 !未定义书签。 nts 1 鞭炮插引机设计 摘要 ： 目前鞭炮插入引线设备主要通过手动方式，工人劳动强度大，生产效率低。为了提高生产效率，在分析插入引线过程与要求的基本上，研发了自动插引 机。该设备通过手摇控制机构，实现了炮盘进给、引线插入的自动完成，该设备高效、安全，生产效率高。根据引线插入机构的工作过程，建起了结构关系式，在不同的设计要求（引线的长度与鞭炮的大小）下，实现了插引机的参数化设计。鞭炮是我国的传统产品，历来由手工制作。虽然最近几年鞭炮生产的少部分工序采用了一些机械设备，但许多工序仍沿用传统的手工操作方法，其生产率低，工时多，劳动强度大，安全隐患多， 自动化程度低。我们根据有关厂家的要求，研发了完成鞭炮引线插装工作一体化设备 鞭炮插引自动机械。本设备属多工位间歇装配自动机械，由 转位及定位机构、 送料机构、 扎眼机构、 引线插入和剪断机械手和压眼机构等组成。 关键词 ： 插引机；鞭炮； nts 2 Design of Mechanism Firecracker Fuse Inserting Abstract： At present the device used in the firecracker production is generally adopted by hand , resulting in low production and high work intensity. In order to enhance production, based on analyses of the fuse-inserted process, an automatic inserting fuse machine is designed, in which by using the special mechanical and electrical mechanism, the automatic inserting fuse and feed of cracker support can be carried out. The device possesses the characteristics of safety and high production, which is three to four times higher that ever before. Then according to the work process of the inserting fuse mechanism, the construction relation equation is built up, so that the parameter design of the inserting fuse can be obtained for different firecracker dimensions and fuse lengths. Key words： Fuse; inserting fuse machine nts 3 1 绪论 1.1 简述 鞭炮的燃放，是对节日喜庆的一种表达形式，随着许多大中型城市的解禁令的执行，鞭炮的燃放越来越多。 然而，鞭炮的生产大部分还是手工制作，特别是插引线还处于人工插引或者非机械操作，工人劳动强度大、生产效率低，而且存在严重的安全隐患。为了扩大规模，提高效率，鞭炮生产厂家需要一种安全、高效的插引线设备。我在分析插引线过程与一些技术要求的基础上，设计的插引机通过步进电机的控制，实现了引线插入、炮盘进给全自动完成，该设备安全可行，满足所需的技术要求，很大程度降低了插引时间，实现了插引的全自动。 鞭炮插引是鞭炮生产的一个重要环节， 引线的插入的位置与引线的长短的直接决定鞭炮的质量。插引设备一定具备安全可靠，不能在生产中出现安全事故，而且该设备的成本要低，才能符合降低成 本的要求。鞭炮的引线根据老师给的任务书的要求，直径一般是 1 到 2mm，而且插引的位置一定要精确，才保证生产的鞭炮合格，插入炮心的同时，也一定要露出 5mm 左右的引线，才能正确、安全施爆。 成品的鞭炮有不一样的排列方式，最常见的有两种，一种是以正六边形排列，一种是以辫子的形式出现。根据任务书的要求，一定要是以正六边形的形式插引，既方便插引机的工作，同时利于包装和运输，对降低成本优势很大。 1.2 鞭炮插引机的国内现状 浏阳烟花是全世界烟花生产的主要基地，每年大量的销售与出口，将浏阳的烟花带入全新的世界 。 浏阳制作 烟花。爆竹 ，久负盛名，素有 “ 鞭炮之乡 ” 誉称。烟花 爆竹 品种，名目繁多，主要 由 燃放效果分为喷花、旋转升空、火箭、 旋转、 吐珠、践香、小礼花、烟雾、造型玩具、组合烟花、礼花弹 11类，品种近 400个。烟花结构新颖，装潢美观，燃放时，有声有色，绚丽多彩，能给人以 身心舒畅 ，欢快旷达的感受。 尤其 是夜间燃放，金花四溅，五彩缤纷， 有时 旋转窜跃于地面， 有时 飞腾闪耀于天空， 让 人目不暇接。其中 特别 以玩具烟花和组合烟花为人们所喜爱。玩具烟花是以其音响、色彩、运动及 烟雾造型取胜，被外商誉为 “ 有声有色 ” 的好烟花。如 “ 全家乐 ” 就以 其特有声、色组合受到人们的喜爱，可谓浏阳花炮，响彻四方 ， 纵横驰骋 。 烟花爆竹机械起源是上个世纪八十年代，最具代表性的是浏阳烟花鞭炮，近十几年通过政府扶持、科技攻关、加强营销以及对外宣传等措施，浏阳烟花鞭炮行业更加光彩夺目。目前产品已销往世界 110nts 4 多个国家和地区，出口量占全国的 61%，浏阳也被业界喻为“烟花鞭炮王国”。八十年代插引机、全自动结鞭机的出现而且全自动卷筒机、切筒机、分纸机、浆引机、刁底机的研发成功获得推广使用，保证简单实现机械化的连续生产，给烟花爆竹行业带来了一场新的划时代的革命。 图 1-1 浏阳鞭炮 然而我国鞭炮插引机制造水平与发达国家相比，仍存在明显差距。主要表现在：鞭炮插引机设计技术方面，很少具有自主知识产权以及原创技术；在鞭炮插引机制造工艺以及装备方面，还处在较低加工水平；在关键鞭炮插引机质量方面，还达不到引进机的先进水平；在鞭炮插引机附加值和价格方面，很大程度落后于同类引进机型；在鞭炮插引机市场里面，国内加进恶性竞争，国际缺乏实力竞争；在国内鞭炮插引机行业中，缺少有实力的龙头企业和驰名品牌产品。 燃放鞭炮是人们庆祝重大节日的一个重要项目，尤其是随着一些大城市春节 期间的燃放解禁，鞭炮在国内外都有非常大的需求量。但是，鞭炮的生产大部分还是纯手工制作，尤其插引线还处于手动和脚踏状态，工人劳动强度大、生产效率低，不能满足高效、安全的生产要求。但为了扩大规模，提高效率，鞭炮厂家需要一种既安全、又高效的鞭炮插引设备。 在科学技术日新月异的今天，在和制造强国差距越来越大的今天，在国内外鞭炮插引机市场竞争越演越烈的今天，国内插引机的水平也需要跟上时代的步伐，必须着重开发新的全自动插引机，把鞭炮的生产效率大大提高，才能将国内的烟花更快速更好的推广到全世界，带动一个地区甚至是全国的经 济发展，开发新技术，已经毋庸置疑了。 我国鞭炮插引机使用制造水平有了快速发展及提高，基本实现机械化，这充分说明鞭炮插引机发展所作出的贡献。为鞭炮插引机发展创新提供了难得机遇，而且注入新活力，鞭炮插引机制造企业应当快速抓住这一难得机遇转变观念。制定鞭炮插引机创新目标，落实鞭炮插引机创新措施，在不断提高鞭炮插引机技术创新能力的基础上，开发出具有中国特色和自主知识产权的鞭炮插引机新设备，用来提高企业在国内市场竞争力。 nts 5 图 2 鞭炮插引机 在鞭炮插引机设计技术方面，有投产快 、见效快、经济效益好的特点，但是同时也滋长了技术创新的依赖思想。这种那个依赖思想的主要表现是：不思进取，满足于照葫芦画瓢。不深入实际，缺乏对设计、技术、工艺的实践和学习，使得鞭炮插引机设计在工艺教材上，理论滞后生产实际，缺乏对现代技术的分析、讨论以及提高。鞭炮插引机发展创新的过程，是不断运用新技术和不断推陈出新的过程。国产鞭炮插引机之所以科技含量低，就是因为很少应用新技术的结果。插引机每一次可插十几根，这种机器已被多户人家使用。早几年年， 湖南醴陵县有三个青年， 发明了新的插引机， 每一次可插五六十根， 但 是这种插相机未能面世。究其原因，主要有二：第一， 刀盘选材为不锈钢， 硬度低， 寿命短， 刀口在工作很短的时间后， 即变成圆弧型。 第二， 刃口角度为 钝角， 不锋利，需要很大的推力才能形成挤压剪切，拿一把引线剪断。手工插引的引线是已经剪好的一小段，但是插引机使用的是引锭。 将引线从引锭上牵拉下来再插入纸筒后， 然后剪断。 剪断要求非常彻底， 必须全部剪断才行， 只要有一丝留下， 引锭在上升让开工位时，就会把已插入药物纸筒内的引线带走。更主要的是不安全，因为挤压剪切形成的能量聚合，会迅速造成局部高温， 三要 素同时发挥威力而爆炸。此次设计的插引机，是在该机基础上改进的。我们仔细研究了这种新型插引机， 它的原理、 结构都很科学先进， 主要是选材不适以及刀具角度不合理。我们与发明者一道，选用坚硬异常的合金钢做刀盘，而且进行适当热处理，刀刃锐角非常锋利。由步进电机带动刀具位移量只有引线直径为左右 ，且位移速度极慢 每几秒钟 ， 做剃割剪切， 所需切断力很小。不但一次可插、 可切断 根 实为根 引线， 生产率高， 而且无挤压发热， 从开始到结尾不会形成爆炸封闭环， 既高效， 又可靠。 nts 6 1.3 本课题的研究目的和内容 设计一个基于 PLC 的自动鞭炮机插引机平台，并设计出要求能适应不同规格的鞭炮盘，自动完成整个鞭炮插引控制程序。 具体内容： 1鞭炮机插引机鞭炮盘平台设计，包括平台的外形与结构设计。 2步进电机的选择 3传动机构的设计，包括齿轮、轴和键的计算 4传感器的选择 5控制程序的设计 1.4 本课题的研究意义 对已经研究出来的鞭炮插引机平台进行分析 ， 分析其机构简图，对该机器进行建模，根据任务书的技术要求与数据，求解该机构关键点的位移、速度、加速度等数值，并进行运动仿真，输出各关 键点运动学参数并显示运动轨迹，使得其参数更至完善。 巩固专业知识，加强了实践能力，深入了解了专业课程设计的流程，只有把书本知识在实践中运用，才能将其深刻的理解掌握，总的来说通过毕业设计使我受益颇多。设计时先对各机构运动进行分解，进而确定各机构的运动类型，筛选出各执行机构的机构方案，进一步熟悉了不同机构的运动形式、优缺点以及适用场合，懂得了根据机构特点和机器功能要求评价不同方案的合理性， 并结合鞭炮插引机的工作原理，对其进行设计优化，以达到工人师傅操作方便，更进一步减轻其劳动强度为目的，设计了这款鞭炮插引机平台， 并为鞭炮插引机的设计生产提供理论依据。 对设计任务课题进行工作原理和工艺动作分解，根据工艺动作和协调要求拟定运动循环图，进行执行机构选型，构思该机械运动方案，并进行的选择和评定，确定机械运动的总体方案，根据任务书中的技术参数，作出机构运动简图，对相关执行机构的具体尺度进行分析与设计，最后将设计成果展示在各位老师面前。 nts 7 2 鞭炮插引机机械结构原理及运动分析 2.1 鞭炮插引机送料平台工作原理和工艺动作分解 插引机平台包括箱体、水平工作台面、旋转工作台面、齿轮条、工作齿轮、步进电机、从动轴等组成， 所述平台上方垂直设置有一支架，与平台箱体相固定，另一端与插引机械部分相连，插引机械部分和平台部分共同构成了鞭炮插引机。由于插引机的运动可看成是间歇运动，所以平台部分也需要靠 PLC控制步进电机来实现移动。平台部分分成两部分，即水平送料板和圆形转台。圆形转台随水平送料板一起移动，但可以单独转动。通过技术要求，由于插引的鞭炮为正六边形的饼状，一次行插引 1-12根，所以平台不可能通过一次加工而将整个正六边形插满引线。通过研究，确定将正六边形的加工分成三个同等的平行四边形进行加工，所以通过三次加工，可以将正六边形全部 插满引线。 起点 终点 图 2-1 饼状炮筒分解图 由图可知，一个饼状鞭炮筒必须分三次插引，才能完全插满。从图所示的起点开始插引，通过电机的控制水平平台移动，达到终点后，控制电机反转将水平平台回到起点，同时控制圆形平台的另一个电机顺时针转动 120 ，然后继续插引，所以，通过水平平台和圆形平台的控制，将正六边形的饼 状炮筒全部插满。 (1)水平送料板： 由水平送料板的工艺动作分解可知水平送料机构需要实现间歇性的单向进给运动，插完十二行炮筒后回到起点位置，重新工作。所以这个运动过程靠步进电机带动丝杆转动，进而使丝杆上的滑座左右移动，带动连接滑座上的水平送料板移动，实现送料板的水平进给。 nts 8 (2)圆形转台：由工艺分析，圆形转台也是间歇运动，在水平送料板完成十二行插引退后起点过程的时候，圆形转台就转动，顺时针转动 120 。这个过程由步进电机与圆形转台的连接带动旋转来实现。 2.2 鞭炮插引机插引部分机构工作原理以及工艺动 作分解 鞭炮插引机上面插引部分包括双胶辊、引线导向板、切引刀、压引板大三部分组成。双胶辊负责引线的牵动与输送，引线导向板负责将引线的位置确定，切引刀负责将引线切断，压引板负责夹住引线，插入炮心。 双胶辊：每一个工作周期的开始转动一些角度将引线进给 35mm，做间歇运动，它的运动规律如图 4示： 双胶辊 0 90 180 270 360 图 4 双胶辊运动图 （ 2）切引刀 ： 引线向下 输送到达指定位置的时候，由压引 板负责夹紧 ， 然后 切引刀切断引线，之后压引板压紧引线插入 炮心 。其运动规律如图 5所示： 切引刀 1 0 90 180 270 360 图 5 切引刀运动图 （ 3）压引板：引线向下输送后，压引板在水平方向进给 5mm将引线夹紧，随后切引刀切断引线后，切引板竖直向下进给 10mm，将引线插入炮心，之后水平负方向退回5mm，再竖直向上退回 10mm，完成一个周期，运动图如图 6所示。 nts 9 压引板 竖直 10 5 水平 0 90 180 270 360 图 6 压引板运动图 2.3 鞭炮插引机执行机构选型 由各机构工艺动作分解可知该机器共有四个执行机构双胶辊、压引板、切引刀和送料平台。根据运动分析拟定各执行机构的方案如下： 2.3.1 鞭炮插 引机双胶辊的机构方案 由双胶辊的工艺动作分解可知双胶辊机构需要实现间歇性的旋转运动，根据要求，可以选择不完全齿轮来完成这个动作。如图 7所示： 图 7 不完全齿轮 2.3.2 鞭炮插引机压引板的机构方案 由压引板的工艺动作分 解可知压引板机构需要实现水平和竖直方向的间歇性的矩nts 10 形运动轨迹，所以 必须设计两个运动方案，才能完成这个过程 。如图所示。 C B A 图 9 曲柄滑块机构图 2.3.3 鞭炮插引机切引刀的机构方案 由以上切引刀的工艺动作分解可知切引刀机构需要实现间歇性的往复摆动运动，根据要求拟定如下 两种方案 ，如图 11机构所示。 图 11 凸轮机构 2.4 鞭炮插引机切引刀凸轮机构的尺寸设计 （ 1） 凸轮机构的组成 凸轮是一个具有曲线轮廓或凹槽的构件。凸轮通常作等速转动，但也有作往复摆动或移动的。 推杆是被凸轮直接推动的构件。因为在凸轮机构中推杆多是从动件，故又常称其为从动件。凸轮机构就是由凸轮、推杆和机架三个主要构件所组成的高副机构。 （ 2） 凸轮机构中的作用力 nts 11 直动尖顶推杆盘形凸轮机构在考虑摩擦时，其凸轮对推杆的作用力 F 和推杆所受的载荷 (包括推杆的自重和弹簧压力等 ) G 的关系为 F = G / cos(+ 1)-(l+2b/l)sin(+ 1)tan 2 （ 1） （ 3）凸轮机构的压力角 推杆所受正压力的方向 (沿凸轮廓线在接触点的法线方向 )与推杆上作用点的速度方向之间所夹之锐角，称为凸轮机构在图示位置的压力角，用 表示 在凸轮机构中，压力角 是影响凸轮机构受力情况的一个重要参数。在其他条件相同的情况下，压力角 愈大， 则分母越小， 作用力 F 将愈大；如果压力角大到使作用力将增至无穷大时，机构将发生自锁，而此时的压力角特称为临界压力角 c ，即 arctan1/(1+2b/l)tan 2- 1 （ 2） 为保证凸轮机构能正常运转，应使其最大压力角 max 小于临界压力角 c 。在生产实际中，为了提高机构的效率、改善其受力情况，通常规定凸轮机构的最大压力角 max 应小于某一许用压力角 。其值一般为： 推程 对摆动推杆取 35 45 ； 回程时通常取 70 80。 凸轮的轮廓主要尺寸是根据四杆机构推头所要达到的工作行程和推头工作速度来确定的，初步定基圆半径 r0=20m，凸轮厚 25mm, ,滚子半径 r=4mm。 凸轮的理论轮廓 曲线的坐标公式为： sin0 srx ， cos0 sry （ 3） （ 4）求凸轮理论轮廓曲线： a）推程阶段 4501 2/2s in/0110111 hs= 2/4s in/21hb）远休阶段 240022s 7.5 c)回程阶段 4503 33 10 hs 03/ 5035340343 /6/15 hh nts 12 5534343333 /1458/1215/270 hhh d) 近休阶段 24002 04 s e)推程段的压力角和回程段的压力角 srdd s 0/arctan （ 4） 将以上各相应值代入式（ A）计算理论轮廓曲线上各点的坐标值。在计算中时应注意：在推程阶段取 1 ，在远休阶段取201 ，在回 程阶段取30201 ，在近休阶段取4030201 。 根据推瓶机构原理，推瓶机构所需达到的工作要求来设计凸轮，凸轮的基本尺寸在近休时尺寸为 20mm,达到最远距离时尺寸为 38mm。 (5)求工作轮廓曲线： 有公式的 cos rrxx sinrryy （ 5） 其中： 22 /s in dddddd yxx （ 6） 22 /c o s dddddd yxy （ 7） a）推程阶段 .21,01 101 coss in/ srdddd xx 1011 c o ss in4c o s12 srh （ 8） 101 s inc o s/ srdddd sy = 1011 s inc o s4c o s12 srh （ 9） a)远休阶段 5/0 ， 20 2/c o s/ srdd x 20 2/s in/ srdd yynts 13 b)回程阶段 5/2,0 303 c o ss in/ srdddd sx 303543433323 c oss i n/72 90/48 60/81 0 srhhh 303543433323 s i nc o s/7 2 9 0/4 8 6 0/8 1 0/ srhhhdd y c)近休阶段 5/,0 40 3/4c o s/ srdd x（ 10） 40 3/4s in/ srdd y（ 11） 从动件为滚子从动件，滚子与凸轮轮廓间为滚动摩擦，磨损较小，也可用来传递较大动力，对于切引刀这种中高速机构比较合适。滚子半径根据基圆半径确定，其大小为 rr=（ 0.10.15） r0 。系数取 1.33计算得 rr=6mm 。 2.5 鞭炮插引机机械结构受力分析与计算 机架采用 Q235 钢铸造而成，杆件均采用 45 钢机加工制造，该鞭炮插引机整机重30KG。 2.5.1 鞭炮插引机轴用键受力计算 (1）输入轴上键的选择及校核 输入轴伸出的输出端与小带轮联结需用键实现周向固定。 输入轴传递的转矩为 T=8 610 N mm,与轴的周向定位可用 A 型普通平键联接 , 按d=8mm 进而从相关手册中查得到平键的尺寸为 : b h l=3 3 8 , 为 保证输入轴有较好的对中性 ,取配合为 H7/r6。 键联接选择计算 ,普通平键在轴上传递转矩 T 时 ,键的工作面受到压力 N 的作用 ,工作面受挤压 ,键受剪切 ,失效形式是键、轴槽和轮毂槽三者中最弱的工作面被压溃和平键被剪坏。当键用 45钢制造时，主要失效形式为压溃，所以通常只进行挤压强度计算。假定挤压应力在键的接触面上是均匀分布的，此时挤压强度条件是： 2 pp dlkT 2mmN （ 12） 键的受力简图如下图所示： nts 14 图 12 轴键设计参数示意图 其中 k是键与轮毂（或轴槽）的接触高度， mm， k=h/2 ,查设计手册得到 k=7 mm,L为键的工作长度， b 为键的宽度 。查手册得到 45 钢在冲击载荷静联接下键的许用挤压应力 P 为 60 1002mmN。 此时联结带轮和输入轴的键的挤压强度为 8.362pp dlkT 2mmN（ 13） 从上面计算可得出输入轴键的强度能够满足强度要求。 输出轴上键的选择及校核 输入轴上有两处需布键以实现动力的传输：输入端的带轮与轴以及输出端的轴与齿轮。键材料用 #45 钢，其 P =60 1002mmN。 （ 1）输入轴即带轮轴上的转矩 T=8 610 N mm,带轮与轴的周向定位可用 A型普通平键联接 , 按 d=8mm 进而从相关手册中查得到平键的尺寸为 : b h l=3 3 8。 键的选择计算 ,与上面的一样，普通平键在轴上传递转矩 T时 ,键的工作面受到压力 N的作用 ,工作面受挤压 ,键受剪切 ,失效形式是键、轴槽和轮毂槽三者中最弱的工作面被压溃和 平键被剪坏。 带轮与轴的连接的键可采用 45钢，所以它的主要失效形式为压溃，所以通常只进行挤压强度计算。假定挤压应力在键的接触面上是均匀分布的，此时挤压强度条件是： 2 pp dlkT 2mmN （ 14） 将已知数据代入挤压强度公式得： 3.422 pp dlkT 2mmN （ 15） 从上面计算可得出带轮处轴上键的强度能够满足强度要求。与输入轴上小齿轮配合nts 15 的轴直径 d 10mm，查相关手册，选用 A 型普通平键，其尺寸为： b h l=3 3 8,为了确保证齿轮与轴具有合适的对中性 ,取齿轮与轴的公差配合为 H7/r6。 将已知数据代入挤压强度公式，有： 3.862 pp dlkT 2mmN （ 16） 由上述计算得到单个平键的强度不够，但差得不多，故采用双键联接。 小齿轮轴键的选择及校核 小齿辊轴上共有两处需布键：齿轮与小齿辊轴的周向固定以及齿环与小齿辊轴的周向固定。键材料用 #45 钢，其 P =60 100 2/ mmN 。小齿辊轴上的扭矩： T 8 610 N.mm。 （ 1）与齿轮配合的轴直径 d 10mm，查相关手册，选用 A型普通平键，其尺寸为：b h l=3 3 8,为了确保证齿轮与轴具有合适的对中性 ,取齿轮与轴的公差配合为 H7/r6。将已知数据代入挤压强度计算公式，有 4.522 pp dlkT 2mmN （ 17） 从上面计算可得出小齿辊上齿轮处轴上键的强度能够满足强度要求。 （ 2）与齿环配合的轴直径 d 10mm。查相关手册，选用 A型普通平键，其尺寸为：b h l=3 3 10。为了确保证齿轮与轴具有合适的对中性 ,取齿轮与轴的公差配合为 H7/r6。将已知数据代入挤压强度公式，有： 28.52 pp dlkT 2mmN （ 18） 从上面计算可得出齿环处轴上键的强度能够满足强度要求。 2.5.2 鞭炮插引机齿轮受力计算及校核 由于整个鞭炮插引机功率及载荷都比较小，齿轮的设计关键在于设计其齿数。 根据动作循环要求整个机构除不完全齿轮外传动比均为 1，齿数为 20，不完全齿轮齿数为 7，模数为 2，材料为 45号钢 ,根据载荷类型选用渐开线直齿圆柱齿轮。 设计主要参数为： m=2 1Z 2Z 3Z 20 d=mZ=40 = 20 ad =（ Z+2 *ah ） m=44 nts 16 fd=（ Z+2 *ah-2 *C ） m=43 s=p= 2m =3.14 2.5.3 鞭炮插引机切引刀转动拉伸弹簧设计计算 该圆柱螺旋拉伸弹 簧设计 （ 1）圆柱螺旋拉伸弹簧结构尺寸选取计算 接下来，设计一普通圆柱螺旋拉伸弹簧，中径2 2.75D mm，外径 3D mm 。当弹簧拉伸变形量1 5mm 时，拉力1 20 .P N m。 弹簧直径 d/mm 由强度计算公式确定 弹簧中径 2D /mm 2D =Cd =2.75mm 弹簧内径 1D /mm 1D = 2D -d =2.5mm 弹簧外径 D/mm D= 2D +d =12mm 弹簧指数 C C= 2D /d=5 一般 4 C 6 / 2DParctgr 5 9 ，取为6 有效圈数 n 由变形条件计算确定 n=10圈 总圈数 1n 压缩 1n n (22.5)=12 自由高度或长度 H0/mm 两端圈不磨平 1n n 2=12时，0H np+3d=15mm LI型 0H (n+1)d+ 1D L型 0H (n+1)d+2 1D L型 0H (n+1.5)d+2 1D 工作高度或长度 Hn/mm Hn0H n =12mm Hn0H+n， n变形量 节距 p/mm p 1mm 间距 /mm p d =0.5 0.5 nts 17 压缩弹簧高径比 b 20 DHbb=5 展开长度 L/mm L= 12nD /cos L=250mm 该圆柱螺旋拉伸弹簧材料为 II级热处理弹簧钢带，其硬度不小于 48-53HRC，承受。33.06.1 m a xm i n CKFd （ 2）圆柱螺旋拉伸弹簧强度刚度校核 依据圆柱螺旋拉伸弹簧强度计算公 式得： 33.06.1 m a xm i n CKFd （ 19） 所选弹簧 0.5d mm 。满足强度要求。 3.144 14165.0 CCCK （ 20） 式中， K 为曲度系数， F 为载荷； C 为弹簧指数（亦称旋绕比）， C = D2/d=5mm； 为弹簧材料的许用扭转应力。由此可计 算弹簧丝直径 d=0.5mm。 （ 2） 刚度计算公式 168 3 FCGdn （ 21） 式中， n 为弹簧的有效圈数 G 为弹簧的切变模量； G=200000 为弹簧变形量； D2 为弹簧圈中径；其它符号意义同前。 综上所述，圆柱螺旋拉伸弹簧选为 AWY12-250，可以满足设计要求。 2.5.4 鞭炮插引机主轴的设计计算及其校核 本次主轴的设计主要采用验证性的设计。 该鞭炮插引机采用的是手摇式，功率约为 500W， T为 mmN 4108 。 mmn Pd 65.92.09 5 50 0 0 03 （ 22） nts 18 8.036.011073.5 414PIiii ILTLG(23) 根据轴上零部件的安装要求设计主轴示意图如下： 图 13 主轴示意图 轴上 EC 与 GH 处所受的剪力大小为 N3104 ,E 处所受的水平和竖直压力大小为100N 。 综 合 分 析 得 E 处 为 危 险 截 面 ， 此 处 的 总 剪 力 为 ： NF 4000100)104( 223 总弯矩为： mmNM 4221 106.11 6 0 050 所以： M P aM P aW TMca 602.14)( 2221 （ 24） 经过校核原设计轴符合强度和刚度要求。 nts 19 3 步进电机的选择 3.1 步进电机 本设计选用 45BF008。相数是三相、步距角 1.5/3 度。电压 24V、相电流 0.2A、保持转距 0.118NM(1.2kg.cm)、空载启动频率 500， D 为 45； D1 为 25； 高 H 为 2.5； d 为 4； E 为 14.5； L 为 58； D2 为 33； MS 为 4-M3。 图 3-1 45BF三相反应式步进电机实物图 图 15 45BF三相反应式步进电机尺寸 3.2 PLC 驱动步进电机 三菱 PLC 本身带有高速脉冲计数器和高速脉冲发生器，其发出的频率最大为nts 20 10KHz，能够满足步进电动机的要求。对 PLC 提出两个特性要求。一是在此应用的 PLC最好是具有实时刷新技术的 PLC，使输出信号的频率可以达到数千赫芝或更高。其目的是使环形脉冲分配能有较高的分配速度，充分利用步进电机的速度响应能力，提高整个系统的快速性。二是 PLC 本身的输出端口应该采用大功率晶体管，以满足步进电机各相绕组数十 伏脉冲电压、数安培脉冲电流的驱动要求。如下图所示： 图 16 PLC直接驱动电机 环形分配程序对步进电机各相绕组的通电顺序进行环形脉冲分配，从而控制接到步进电机三相绕组的 48V 直流电源的依次通、断，形成旋转磁场，使步进电机转动。步进电机的转动，由于步进电机是电感性负载，直流电阻很小，故接限流电阻以免脉冲电流过大损坏，当步进
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