压盖自动送料机设计

1压盖自动送料机设计摘 要：自动输送是自动化的核心组成，应用广泛，对于其运动需进行严格分析、设计及优化，自动输送机可以不需复杂的控制系统,而只需设计相应的机构便可满足使用要求。本文设计的自动输送机主要针对特一压盖，对轨迹及相关零件进行了设计计算。该输送装置是由凸轮、曲柄和若干个连杆构成的。输送杆垂直方向的运动是由凸轮驱动的，而水平往复运动则由曲柄驱动，合成运动能快速送进、快速返回。结构上底盘与机架采用焊接结构,销轴采用两端紧定螺母锁紧式.关键词：自动送料机；连杆设计；凸轮设计优化及加工；运动分析；有限元分析The Design of Gland Auto-feeder Abstract:Automatic transmission,the core component of automation, is widely applied and rigorous analysis, design and optimization are necessarily conducted on its motion. To meet its operating requirement, a complicated control system is not necessary but the design of appropriate institutions. The design of auto-feeder in this paper is mainly focus on the type of gland, in which the track and related parts of this machine will be designed and calculated. This conveying device is composed of several parts including a cam, a crank, and a number of connecting rod. The cam makes the feed rod move in a vertical direction while a horizontal reciprocating motion is driven by the crank ,and its resultant motion can realize both swift feed and fast return. Structurally, welded structure will be adopted in chassis and rack while nut locking will be introduced to fix both ends of the pin.Keywords: Auto-feeder; Connecting rod design; Optimization and processing of the cam design ; Kinematic analysis; Finite element analysis.21 前言 1.1 课题的背景与意义送料机是输送材料或工件的机器，是无论是轻工行业还是重工业都不可缺少的设备。传统观念，送料机是借助于机器运动的作用力加力于材料，对材料进行运输的机器。近代的送料机发生了一些变化，开始将高压空气、超声波等先进技术用于送料技术中，但人们仍然将这些设备归纳在送料机类的设备中。自动化程度高的送料设备有：由电脑控制的动头式送料机、激光送料机、高压气压和电脑送料机等。另外，国外的公司生产一种投影送料机,这种设备的送台上设有感应器及目察装置，用于对材料轮廓扫描，或在材料行投影以引导送料安排。自动输送机对企业来说不仅仅只是创造经济价值，而且具有很多优点，首先，对环境的适应性强，能代替人从事危险有害的工作或者在长时间工作对人体有害的场所，自动输送机只要根据工作环境进行合理设计，选择适当的材料和结构就可以在高温或低温、压力异常、粉尘、放射性条件下工作。其次，自动送料机能持久，耐劳，减少了工人的劳动强度。再次，自动送料机还可以结合程序控制，因此工作稳定，精度较高，能很好的避免人为操作的错误。最后，自动送料机具有工业的通用性和灵活性，能很好的适应产品的变化，满足柔性生产的需要。自动化的程度直接影响着整个生产线的自动化程度及生产效率，几乎渗透到农用机械、动力机械、食品机械、建筑机械、化工机械、精密机械、仪器仪表等各种工业加工生产，送料为自动化生产的关键组成，由于手工送料存在着效率、速度、精度、安全等方面的一系列问题，手工送料已逐步由自动送料机构所取代，从而进一步满足了自动化加工生产，大幅度提高了生产节拍、生产质量的要求。1.2 国内外输送机发展趋势与水平输送主要包括原材料的供给图（1） 、自动加工图（2） 、装配线上图（3）的自动输送等，使用自动化机械能真正做到环保省时，大大减少了工人的劳动强度，如图（4）面包自动输送包装机真正做到了低成本、高回报，在现在高速发展的社会，这种自动化机械越来越受重视。工厂里的装配、检查、计数和包装工序的自动化和无人化成为人们所关注的重要课题,因此使零部件能够沿着一定方向并能稳定供给的送料机成为工厂自动化研究的重要组成部分。目前的输送机种类主要有埋刮板输送机、带式输送机、斗式输送机、振动输送机、螺旋输送机等。3图 1 重型精密 NC 滚轮送料机 图 2 送料加工接料自动机床 Figure 1 Heavy precise NC roller feeder Figure 2 Automatic machine tool for feeding and processing图 3 自行葫芦输送机 图 4 面包自动输送包装机Figure 3 Automatic hoist conveyor Figure 4 Automatic packaging machine for 1bread 1.3 我国输送机的未来之路与展望国内外自动输送料机总体水平都在提高，自动化程度也愈来愈高。拿NC自动输送机来说其编程存在一个误区.那就是企图实现的功能太多.造成操作和软件方面的许多问题。国外一些公司正在试图简化控制软件,国内厂家也应注意这方面的问题。中国被称为“世界工厂 ”，就我个人感觉而言，觉得中国的生产能力是取得了长足的进步，但作为名副其实的世界工厂，还有很长的路要走。未来将是机器人全自动化的时代，4输送机作为自动化的工具，这不仅仅是一个加工制造业的问题，该项研究进展也能反映提升我国在设计领域中的控制权，关系到我们的设计水平、工艺水平等各个领域的发展，而自动输送机也应往高控制控制、高柔性、高精度的方向发展。2 机械系统设计2.1 动作分析及轨迹初定设计输送机输送压盖如图 5 所示,工件外形尺寸为 180mm140mm80mm。根据要求工件需慢速送进、快速返回，输送爪近似轨迹应接近图 6（虚线疏密代表运动快慢） 。UG（Unigraphics NX）是 Siemens PLM Software 公司出品的一个产品工程解决方案，它为用户的产品设计及加工过程提供了数字化造型和验证手段。Unigraphics NX 针对用户的虚拟产品设计和工艺设计的需求，提供了经过实践验证的解决方案,集建模、分析、仿真、加工等于一身，通过 NX 建模分析得出工件质心坐标为：Xcbar = -36.681663731Ycbar = -5.768296200Zcbar = 0.018506569图5 输送工件模型图Figure 5 Diagrammatic figure of delivery workpiece 图6 输送爪初定近似轨迹Figure 6 The temporary trajectory of delivery claw5那么，为了使工件在输送过程 AB 段受力较好，输送爪合力的推力应通过质心，且输送爪工作面运动高度：H25-|Ycbar|=19.23mm。 2.2 执行机构设计要实现预定动作，典型的曲柄摇杆机构显然不能完成动作要求，因为摇杆的轨迹为圆弧形，机构上任意点也没有要求输送爪近似轨迹，故而要想实现这种动作，那么必须是五杆机构或者六杆机构甚至更多，基本的机构可选用平行四边形机构，然后进行衍化，如图 7，输送爪应与连杆 AB 为一体，那么要使 AB 上有近似图 6 的轨迹，C、D 两点应随 AC、BD 杆的旋转同步的曲线移动，即控制输送爪的纵向位移。图 7 运动模型Figure 7 Motion model另外的，输送爪要求需快速返回，近似匀速送进，可运用曲柄摇杆机构的急回特性，由于 C、D 两点也在运动，故将摇杆的铰接连接衍化成滑块。凸轮的轮廓外形可使从动件得到任意的预期运动，为了方便设计计算，先用偏心轮代替复杂轮廓曲线，送料整体变成为图 8 所示。图 8 机构运动简图Figure 8 Kinematic diagram of mechanism6由于机构左右重复，计算机构自由度只计算一半即可，则机构的自由度F=3n-（2 +P - ）- ， 1PhF(1)其中：F机构的自由度；n活动构件数；低副个数；1P高副个数；h虚约束数；局部自由度数；F则 F=35-（26+2-0）-0=1，为了减少高副元素的磨损，在 与凸轮之间装入滚1OP子，而滚子绕自身轴线的转动并不影响其他构件的运动，自由度保持不变。2.3 连杆杆长的设计与计算杆长的设计计算只需考虑半部分，由于左侧部分包括机架具有六个构件，设计计算极其复杂，依旧用偏心轮先代替凸轮来设计计算，如图 9 机构运动 180前后位置图。设初始位置杆 RC 与水平方向夹角为 ，PR 与 RC 夹角为 ，旋转半周期 RC 转过角度为 ，C 点上升距离为 20mm 左右，为使杆 GE 的拉力完全用于 AC 杆对工件的送料，将杆 GE 设计垂直于杆 AC，则有如下关系式：(2)302/6(3)sinsinRCRCLL(4)e()(180P） mm,取 为 15， 为 142， 为 1，L 为 90.5mm， 为 135.4mm,240A RCPRL为 530mm,运用作图法粗略得到 为 57mm， 为 125mm，初始位置 为C OGLGEO168mm，偏心轮外槽直径为 225mm。2.4 凸轮设计 2.4.1 轨迹优化及凸轮廓线在各式各样的机器中,常常采用凸轮从动件系统.如用凸轮开启汽车发动机的汽门。在许多生产消费品的机器上，也采用各种凸轮机构。与连杆机构相比，凸轮机构较易实现所规定的的运动规律，但制造却要相对昂贵一些，但是随着数控技术的到来，凸轮的制造已不再是技术难题。将前文得到的整数尺寸建模，运用 UG 运动仿真得到送料轨迹如图 10 送料轨迹7（a） ，然后通过考虑实际运动，预防干涉而将轨迹优化成图 10（b） 。图 9 机构运动 180前后位置图Figure 9 Location plan of back and forth after the mechanism move 180 （a） （b）图 10 送料轨迹Figure 10 Feeding trajectory设槽轮滚柱初始位置为纵向位移原点，则滚柱纵向位移随凸轮转动角度运动规律如图 11 所示，根据凸轮位移规律及相应各杆件的位置用图解法作得凸轮廓线如图 128所示。图 11 凸轮位移规律Figure 11 Cam displacement law已知工作时凸轮顺时针转动,从动件左偏距 e 设计为 20mm,选定基圆半径 r0为110mm,滚子直径为 12mm,设计可按一般凸轮机构，作图步骤如下:1) 作凸轮轴心、基圆及从动件导向方位线，从动件导路方位线即从动件滚子中心点相对机架所走的轨迹线，因为这一点的运动能代表从动件的运动，称为尖端从动件的尖点。2) 将位移规律曲线按角度细数等分，以偏距为半径作偏距圆，它与导路线切于K0点，从此点开始，将偏距圆沿逆时针方向依据位移曲线细数等分情况作相应的细数等分，并从偏距圆的各分点作该圆的切线，原理是利用转换机架法，即凸轮不动时，机架导路相对于凸轮的运动情况。3) 从偏距圆切线与基圆的交点开始，沿此切线向基圆外量取线段与位移曲线上相应的从动件位移相等，得点 ，将这些点用光滑的曲线相连，012B、 、得凸轮的理论廓线。4) 以理论廓线上各点为圆心，滚子半径为半径作圆，取其包络线，即得槽轮的工作廓线。5) 推杆所受正压力方向与速度方向之间的夹角的锐角为压力角，压力角一般不超过 30或曲率半径不小于 13 mm，机构便不会自锁，那么可以从曲率上对廓线进行曲率优化。9图 12 凸轮廓线Figure 12 Cam profile line如图 13，设有向弧段 ,设 x ， x+ x 为(a，b)内两个邻近的点，它们在A0M曲线 yf(x)上的对应点为 M， M，并设对应于 x 的增量x ，弧 s 的增量为s，于是：AA2222 22 ysxxx （5）A221Myx22sxA因为 0limli1xM（6）又 ，因此弧微分为 。0li=yx 21dsyx10当凸轮廓线用 B 样条曲线绘制成封闭图形时，此曲线是光滑的，曲线上从点到 的弧长为 ，切线转过角度 ，那么：Ms为曲线在点 处的曲率，在 点与曲线内切的最大圆为此点0lim=xdKM的曲率圆。为曲线在点 处的曲率半径，即曲率圆半径。1()图 13 有向弧微分Figure 13 Differential of directed arc将曲线上采集点的曲率半径用线段长度连续显示而形同与梳子的形状叫做曲线的曲率梳。显示出曲率梳，透过峰值，你可以知道哪里的曲率半径最小。透过拐点，你可以知道曲线的凹凸状态发现改变，也就是说，曲率梳变化越平缓（尖点不明显强烈）曲线的光顺程度越好，曲线质量也就越高。运用 UG NX 7.0 分析凸轮廓线曲率，显示曲率梳如图 14（a） ，很明显的看到曲率梳存在尖点并且还存在拐点，其不仅影响凸轮控制特性还影响表面加工质量，因而需要进一步优化。11(a) 21.3198（min） （b）44.8837（min）图 14 曲率优化对比Figure 14 The optimized contrast of curvature样条曲线是由一组逼近控制多边形的光滑参数曲线段构成，样条曲线的次数，是由样条曲线数学定义中所取的基函数所决定的。直观的说，所构成样条曲线的一段光滑参数曲线段，由控制多边形的相邻连续的几段折线段决定，就是几次样条，最常用的就是二次和三次样条。二次样条的某一曲线段只与相应的两段折线段，三个控制多边形顶点有关，改变其中一个顶点，将影响三段样条曲线段。同样的，对三次样条，某一曲线段由相应的三段折线段，四个控制点决定。曲线借此越高，控制点也就越多，更改其中一个极点对曲线的变化也就越小，对曲线的调节程度也就越高，这里样条曲线的优化采用四次样条，优化后的控制极点和曲率梳如图 14（b） 。2.4.2 凸轮孔2.4.3 凸轮的加工制造当完成凸轮设计后，还必须考虑凸轮制造中的一些事项。毕竟，如果不能把所设计的凸轮真实的按选择的理论函数用材料加工出来，那么设计的再好也体现不出来，凸轮从制造性质上说是个较为复杂的问题。凸轮通常是用经表面淬火或整体淬火的中碳钢或高碳钢这类高强度和硬度的材料，或用可锻铸铁或灰铸铁（表面硬化）制造。凸轮加工最典型是用旋转刀具铣削，实际上，铣削后从微观上看剩下的金属还不是完全光滑的表面。当要求凸轮有较低的表面粗糙度时,一般将铣出来的凸轮再用磨削把不需要的材料去掉。为了防止凸轮迅速磨损，通常还需要进行热处理，以使表面得到足够的硬度，对钢制凸轮最典型的是将其淬火至洛氏硬度 5055HRC。热处理都将产生一些几何变形。在热处理后，通常采用研磨来修整凸轮的工作表面并降低其表面粗糙度。一个已经比较昂贵的零件经过磨削工序将使其成本几乎成倍增加，为了省钱有时省掉这道工序。一个淬火但未研磨的凸轮，尽管在淬火钱是精确铣削的，但总会产生一些热变形误差。表 2-1 为常见的凸轮制造方法。表 1 常用凸轮制造方法Label 1 Commonly used cam Manufacturing method12制造方法 说明靠模加工 利用靠模车床，一般制造偏心凸轮。手动或数控按凸轮坐标加工 一种离散数控过程，按照不连续的位置作横向进给。线性插值连续数控在连续数控机床上，刀具与工件不断接触，机床控制计算机对每对数据点之间按直线计算。圆弧插值连续数控除数据点之间采用圆弧算法外与线性插值的连续数控类似，允许加工中心的数据库中有更少的点数。手工修整靠模凸轮的靠模仿形 用于仿形机床的大批量精加工凸轮。由于任务要求转速为 30 转/min,即 0.5r/s,转速较低,且只为了实现纵向位移,受负荷较小,因而可选用 60 钢. 60 号钢为亚共析钢，耐磨，有一定的强度和一定弹性,冷变形时塑性较低，切削性较差，焊接和淬透性差，水淬有产生裂纹倾向，大型制件多采用正火。60 号钢用于制造轴、弹簧圈、轮轴、各种垫圈、凸轮、钢绳等受力较大、在摩擦条件下工作，要求较高强度、耐磨性和一定弹性的零件。由于凸轮为小批量生产，可由圆形棒料直接下料，然后对两端面用端铣进行粗加工，正火后再进行半精加工，最后在数控铣床上一次完成其余孔和槽的粗加工、半精加工、精加工，加工路线如表 2 所示。针对工序 60 而言,先绘制凸轮模型,为了不另设曲柄,曲柄可有凸轮代替,只需在相应安装位置加工一孔,对于数控编程,主要步骤为建立机床坐标系-定义工件毛坯(workpiece)-建立刀具-创建操作-加工仿真-后处理-编辑程序文件等。整体加工刀路如图 15 所示，铣削的刀路组成如图 16 所示。表 2 凸轮加工路线Label 2 Cam processing line工序号 内容 设备10 粗车 252 圆 CA614020 下料厚度 23mm G402830 粗铣两端面 X5340 正火（风冷） 50 半精铣两端面 X53中心钻、钻、扩、铰60粗铣X53K（SIEMENS）13半精铣精铣图 15 凸轮加工刀路Figure 15 Cam machining tool path图 16 铣削刀路的组成Figure 16 The composition of the milling tool path对于深孔的加工或碎裂性铁屑，可采用啄钻式的钻孔加工，啄钻即每次以相同或14不同的步距深度，每加工一个步距（15mm）后退回到安全平面，然后继续增加一个步距的加工方式。另外一种类似的加工方法是断屑加工，断屑加工与啄钻不同的是加工一个步距之后只退一小步距离（13mm）而不退到安全平面，起带屑断屑的作用。以钻扩铰为例，本凸轮孔的数控加工程序如下：程序 说明%N0010 G40 G17 G90 G70N0020 G91 G28 Z0.0N0030 T01 M06N0040 G0 G90 X-2.9566 Y1.1287 S500 M03N0050 G43 Z.1969 H01N0060 G82 Z0.0 R.1969 F9.8N0070 X-.848 Y1.8965N0080 G80N0090 G91 G28 Z0.0N0100 T02 M06N0110 G0 G90 X-2.9566 Y1.1287 S500 M03N0120 G43 Z.1181 H02 M08N0130 G1 Z-.1969 F9.8N0140 G0 Z.1181N0150 Z-.0787N0160 G1 Z-.3937N0170 G0 Z.1181N0180 Z-.2756N0190 G1 Z-.5906N0200 G0 Z.1181N0210 Z-.4724N0220 G1 Z-.7874N0230 G0 Z.1181N0240 Z-.6693N0250 G1 Z-.9174N0260 G0 Z.1181N0270 M09N0280 G91 G28 Z0.0N0290 T03 M06N0300 G0 G90 X-2.9566 Y1.1287 S500 M03N0310 G43 Z.1181 H03 M08程序起止符取消刀补 XY 平面 绝对值增量 无孔用 1 号刀 中心钻5G00 现可略写成 G0 正转 5001 号刀补圆弧转角 进给取消固定循环增量方式插补 复归参考原点换 2 号刀 钻头8M06 西门子换刀指令啄钻换 3 号刀 钻头1.517N0320 G1 Z-.1969 F3.9N0330 G0 Z.1181N0340 Z-.0787N0350 G1 Z-.3937N0360 G0 Z.1181N0370 Z-.2756N0380 G1 Z-.5906N0390 G0 Z.1181N0400 Z-.4724N0410 G1 Z-.7874N0420 G0 Z.1181N0430 Z-.6693N0440 G1 Z-.9647N0450 G0 Z.1181N0460 X-.848 Y1.8965N0470 G1 Z-.1969N0480 G0 Z.1181N0490 Z-.0787N0500 G1 Z-.3937N0510 G0 Z.1181N0520 Z-.2756N0530 G1 Z-.5906N0540 G0 Z.1181N0550 Z-.4724N0560 G1 Z-.7874N0570 G0 Z.1181N0580 Z-.6693N0590 G1 Z-.9647N0600 G0 Z.1181N0610 M09N0620 G91 G28 Z0.0N0630 T04 M06N0640 G0 G90 X-.848 Y1.8965 S750 M03N0650 G43 Z.1181 H04 M08N0660 G1 Z-.1969 F7.9N0670 G0 Z.1181N0680 Z-.0787N0690 G1 Z-.3937换 4 号刀 钻头 扩孔218N0700 G0 Z.1181N0710 Z-.2756N0720 G1 Z-.5906N0730 G0 Z.1181N0740 Z-.4724N0750 G1 Z-.7874N0760 G0 Z.1181N0770 Z-.6693N0780 G1 Z-.9843N0790 G0 Z.1181N0800 Z-.8661N0810 G1 Z-1.0594N0820 G0 Z.1181N0830 M09N0840 G91 G28 Z0.0N0850 T05 M06N0860 G0 G90 X-2.9566 Y1.1287 S1500 M03N0870 G43 Z.1181 H05 M08N0880 G1 Z-.3937 F7.9N0890 G0 Z.1181N0900 Z-.3445N0910 G1 Z-.7874N0920 G0 Z.1181N0930 Z-.7382N0940 G1 Z-.8465N0950 G0 Z.1181N0960 M09N0970 G91 G28 Z0.0N0980 T06 M06N0990 G0 G90 X-.848 Y1.8965 S1500 M03N1000 G43 Z.1181 H06 M08N1010 G1 Z-.3937 F7.9N1020 G0 Z.1181N1030 Z-.3445N1040 G1 Z-.7874N1050 G0 Z.1181N1060 Z-.7382N1070 G1 Z-.8465换 5 号 铰刀12换 6 号 铰刀2519N1080 G0 Z.1181N1090 M09N1100 M02%切削液关程序终止终止符2.5 电动机选择因输入凸轮轴的的功率为 305w，故电动机应选择小功率异步电动机，小功率交流异步电动机为三相异步电动机和单相异步电动机。其中 YU 系列为单相电阻起动一步电动机，具有中等启动和过载的能力，结构简单，使用、维修方便，适合于使用单相电源的小型机械。因 YU 系列电动机只有两种转速,综合考虑各方面情况选择转速较低的 1400r/min的电动机,则总传动比 =46.671403i双级齿轮减速器的减速比为 840,故若采用双级齿轮减速还需一级带传动,增加了成本.因此采用蜗杆传动反而更紧凑划算且传动平稳,传动方案简图如图 17。图 17 传动方案Figure 17 Transmission scheme联轴器的传递效率 为 0.99，一对轴承的传递效率 为 0.97，单头蜗杆的传递34效率 为 0.72 则电动机的输入功率5= =441w 345P轴 0.97.2(12)因此选择功率为 550 瓦型号为 YU90S4 的单相异步电动机。3 传动零件的设计计算3.1 输送杆的设计机构工作时,杆 CA 为危险杆，不考虑本身重力及摩擦主要受到输送反作用力 以AF及杆 GE 对杆 CA 的推力 , 的大小和方向均保持水平,但是杆 CA 却在不停旋转,以CFA杆 CA 为参考,则 是一个大小不变方向变化的力;对于 ,其方向总是垂直于杆 CA,A CF20而相对于回转点 C 的位置却在不停变化,根据平衡原理其大小也是在不断变化的,故是一个大小位置变化方向不变的力。在输送工件阶段，由于角度近似均匀变化，故只需考虑起止点的受力情况即可，起止点位置杆 CA 受力如图 18 所示. 图 18 起止杆 CA 受力图Figure 18 The free-body diagram of rod CA1）在起点， 与杆的夹角为 115.9，CE 的距离为 206mm，杆 CA 长 530mm,以杆AF的方向为水平方向，则杆受到的拉力= =436.8 N (13)cos10cos5.9对于 Q235-A 抗拉强度为 400420MPa，许用弯曲应力 40MPa，CA 杆横截面上的应力为420 r5.75mm， (14)24.368rFS采用方形截面杆，由于有滑块移动为减小变形，取杆截面为 30mm15mm。与杆 CA 的夹角的锐角1C= =72.8 (15)53026tan1805.9arctn（ ） （ ）由正弦定理得(16)1sin90sin180-90(85.9)A EFF（ ）得 =2310.6 N = - =1411.0 N1ECyEsin.A以 C 点为原点,杆在 CE 和 EA 两段内的剪力和弯矩不能用同一方程来表示,应分段考虑。在 CE 段内取距原点为 x 的任意截面，截面以左只有外力 的作用，根据剪力1CF和弯矩的计算方法和正负号规则，求得这一截面上的 和 分别为SM=-1.411 KN (0 0.206) (17)1()SCyFx=-1.411 (0 0.206) (18)Mx21EA 段截面上的剪力和弯矩分别是=0.8996 KN (0.206 0.53 ) (19)1()SECyFx x=0.8996 -0.4760 (0.206 0.53 ) (20)10.26)CyMFx分段作剪力图和弯矩图如图 19(a)。2）在止点， 与杆的夹角为 94.6，CE 的距离为 185.2mm，杆 CA 长 530mm,以A杆的方向为水平方向，则杆受到的拉力= =80.2 N (21)cosAF10cos94.6由于拉力较小，对于 3015mm 的矩形截面，CA 杆横截面上的应力可不用计算。与杆 CA 的夹角的锐角2C= =87.5 (22)53018.2tan094.6arctn5（ ） （ ）由正弦定理得(23)1sin90sin180-90(85.9)A EFF（ ）得 =2833.6 N = - =1836.8 N2ECyEsin4.6A在 CE 段截面上的 和 分别为SM=-1.8368 KN (0 0.1852)1()SCyFxx=-1.8368 (0 0.1852)MEA 段截面上的剪力和弯矩分别是=0.9968 KN (0.1852 0.53)1()SECyx x=0.9968 -0.5242 (0.1852 0.53)10.85)CyFx分段作剪力图和弯矩图如图 19(b)。22(a) （b）图 19 杆 CA 剪力图和弯矩图Figure 19 Shear force diagrams and bending moment diagram of the rod CA3.2 键连接强度计算凸轮和轴的连接采用单圆头平键连接，平键连接通常只按工作面上的挤压应力进行强度校核计算。 (24)3p210=kldTp传递的扭矩最大扭矩 T =2833.612.5 =35.42 N m (25)1d2EF310Ak=0.5h=3.5 mm l=20-4=16 mm得 =50.6 Mpa3p210=kld对于具有轻微冲击的静联接来说，钢的 为 100120 Mpa，铸铁的 为 5060 ppMpa，故键的材料应选择为钢，其连接强度能远远达到使用要求。3.3 轴的结构设计联轴器的计算转矩 ，考虑到转矩变化较小， =1.5caATKAK=0.308 kw0.35=9P轴连23=98072 Nmm (26)0.3895095PTn=147.1 Nm (27)caAK按照计算转矩 应小于联轴器公称转矩的条件，查机械设计手册，选用型号为 GY4ca的凸缘联轴器，轴孔直径 23,从动端装配尺寸轴孔长为 44mm,主动端装配尺寸轴孔长为 62mm。为了满足各个连杆的定位要求及联轴器轴承的安装，设计相应轴肩，拟定轴上零件装配方案如图 20 所示。轴的左端用端盖定位,端盖用内六角螺钉与销轴安装在轴上;轴承安装在支座内,右侧用端盖卡紧在支座槽里,端盖用螺钉安装在支座上;轴的右端用联轴器与减速箱输出轴相连。图 20 轴的结构Figure 20 The structure of the shaft4 机构的动力学分析4.1 运动模型的建立通过运用 NX 软件对设计机构进行三维建模，并装配，三维模型如图 21 所示。然后进入运动仿真，建立连杆和运动副,施加约束、载荷和阻尼,添加追踪或传感器并加以解算便可以对运动机构进行分析。比如动画分析、干涉检查、图表输出等，从而验证运动机构设计的合理和可实现性。其主要具体步骤结构如图 22 所示。24图 21 三维模型Figure 21 Three-dimensional model图 22 NX 运动仿真步骤结构Figure 22 NX motion simulation steps structure4.2 运动分析送料爪工作一个周期为 2 秒,将 360等分成 30 步,输出 数据如表 3,sa拟合曲线分别如图 23（a） 、 （b） 、(c)所示，其中起点皆为坐标起始位,stvat置。表 3 输送爪 单周期数据sLabel 3 Displacement, velocity and acceleration single cycle data of the conveying clawTime(s) x-coordinate（ mm） Velocity(mm/s) Acceleration(mm/s2) 说明0.000 -1373.506 0 1536.1820.067 -1370.514 104.206 1766.813快速返回,反向时先加速后减速接连杆运动副约束 载荷解算图表输出电子表格 NX常规运动 关节运动运动目录主模型传动副Motion_1 Motion_2 Motion_3 Motion_n阻尼动画输出电子表格250.133 -1359.596 223.212 1690.5760.200 -1341.024 329.515 1377.7250.267 -1316.306 405.779 936.3000.333 -1287.311 459.561 538.7660.400 -1255.991 474.350 13.3500.467 -1224.700 458.548 -509.4470.533 -1195.675 407.228 -933.9570.600 -1170.493 350.362 -796.9730.667 -1149.323 293.779 43.8450.733 -1128.590 336.638 2194.2340.800 -1105.837 312.921 -1792.2260.867 -1095.761 -29.474 -3186.016触工件速度接近于零。0.933 -1101.373 -117.253 -757.7541.000 -1110.970 -173.792 -965.0151.067 -1124.430 -222.481 -351.1051.133 -1139.846 -239.789 -305.7381.200 -1156.612 -264.237 -409.1951.267 -1175.123 -290.948 -392.1441.333 -1195.415 -317.720 -380.7321.400 -1217.333 -337.994 -217.8991.467 -1240.229 -347.185 -64.1801.533 -1263.404 -346.162 106.2031.600 -1286.098 -332.917 257.5321.667 -1307.670 -312.728 393.3041.733 -1327.506 -280.592 549.8601.800 -1344.910 -239.629 692.4401.867 -1359.122 -184.606 956.7341.933 -1369.180 -113.142 1182.7772.000 -1373.506 0 1536.182开始送料，加速到约 0.3m/s 的速度近似匀速送料，送料快完成时减速送进直到返回进行第二次输送。s-1400.000-1300.000-1200.000-1100.000-1000.0000.000 0.200 0.400 0.600 0.800 1.000 1.200 1.400 1.600 1.800 2.000t A001_X,Displacement(abs)26（a）s-t 曲线图（b）v-t 曲线图（c）a-t 曲线图图 23 输送爪 曲线图saFigure 23 Displacement, velocity and acceleration curve of the Conveying claw从 s-t 曲线可以看出，后送料阶段曲线接近于直线，及具有类似 s=vt 的匀速运动函数关系式，送料速度稳定。另一方面从速度图象来说，返回阶段速度峰值明显大于送料阶段，满足了快速返回的需求，而送料阶段曲线虽然为曲线，但是速度基本稳定在 13m/s，且曲线变化平缓，即工作时速度的变化对工件的冲击较小。从加速度方面来说，返回阶段，加速度在起始阶段越来越大，即速度越来越快，同样满足快速返回的条件，工作阶段加速度稳定在 01m/s 2，进而有较小的速度变化，达到了近似匀速送进工件的效果。综上所述，整体机构能满足使用要求。5 有限元分析校核5.1 有限元 CAE 设计的优势有限元法是现代产品及其结构设计的重要工具，它的基本思想是将连续的物理模型离散为有限个单元体，使其只在有限个指定的节点上相互连接，然后对每个单元选择一个比较简单的函数，近似模拟该单元的物理量，如单元的位移或者应力，并基于问题a-4000.000-3000.000-2000.000-1000.0000.0001000.0002000.0003000.0000.000 0.200 0.400 0.600 0.800 1.000 1.200 1.400 1.600 1.800 2.000tA001_X,Acceleration(abs)v-400.000-300.000-200.000-100.0000.000100.000200.000300.000400.000500.000600.0000.000 0.200 0.400 0.600 0.800 1.000 1.200 1.400 1.600 1.800 2.000t A001_X,Velocity(abs)27描述的基本方程建立单元节点的平衡方程组，再把所有单元的方程组集成为整个结构力学特性的整体代数方程组，最后引入边界约束条件求解代数方程组而获得数值解，如结构的位移分布和应力分布。图24为现代设计中采用CAE技术的设计流程。图 24 有限元仿真设计流程Figure 24 Process of finite element simulation design可见，从产品概念设计、方案对比、样机测试到加工制造，可以把有限元仿真和优化设计方法贯穿整个产品的全部过程，把传统产品设计方法中的从概念设计到样机测试，再返回修改的大循环过程，演化成平行于每一个设计环节的精准分析及其优化，减少了设计过程中的缺陷和不足，大大提高了产品的质量和可靠性，大幅缩减了设计时间，降低了产品研发成本。UG NX 在有限元分析已经作为美国通用原子航空、英国航空航天系统公司等系统分析软件，以其在有限元方面卓越的成就，本次设计采用UG NX 软件有限元简单地分析一下重要零件在受力情况下部分状态。5.2 输送杆的有限元校核输送杆的有限元分析步骤主要如下:1） 首先脚的建模2）根据受力位置拆分体3）进入UG高级仿真模块4）新建FEM和仿真 5）网格配对条件、2D映射网络6）3D扫掠网格7）固定约束建立概念阶段经验确定构思 借助CAE技术评估快速确定产品概念CAD设计验证阶段CAE分析定型生产满足要求由概念确定初步设计 借助CAD构建虚拟产品 借助CAE进行分析和优化大大减少样机试验 根据CAE结果制造样机性能测试 是否288）施加力9）求解得出相应的数据10）分析结束,25图看出单元应力2max1.460=8.40MPa图26看出节点位移 。axSm图 25 应力单元节点Figure 25 Stress unit node29图 26 节点位移变形Figure 26 Deformation of the nodal displacements5.3 回转轴的有限元校核主要是对连接在凸轮上的轴进行强度校核，轴的材料为 40Cr，查常用材料的主要力学性能表，得 40Cr , 。B569MPaS3Pa图 27 轴节点位移变形 max=0.07mmFigure 27 Deformation of Axis nodal displacement max=0.07mm30图 28 轴单元节点的应力 max=52.17Mpa OKFigure 28 The stress of the shaft element nodes max=14.1Mpa OK6 结论通过设计计算，得出输送机的整机结构。结合了平行四边形机构和凸轮机构实现轨迹运动，结合了计算机辅助设计优化了凸轮廓线并对槽型凸轮的加工给出了工艺解释和 CNC 加工。另外的，在动力上给出了相关计算和传动选择。其次根据设计相关原理得到输送部件的装配图，还从虚拟样机的