基于单片机控制的间歇送料及冲压装置的设计

基于单片机控制的间歇送料及冲压装置的设计 1 摘 要根据工科机械工程类专业学生实验教学的需要和社会需求，设计一个通过单片机控制的间歇送料及冲压装置。该装置是一种实验装置，设计成功后用来给学生做实验使用，可供学生很容易地拆装。该装置机械系统结构分析及控制实验系统适用于机电一体化实验教学，它对应了机电一体化专业课程的主要内容，主要包含：各种常用机构和通用机械零部件的设计；控制方法的设计（电机控制、气动控制）；常用控制系统的设计（单片机、PLC）。该实验教学系统具有很强的工程实用背景，使用功能明显，有良好的直观性，学生通过对装置的传动方案与结构的分析，可以掌握机械系统运动方案和结构设计的基本要求，培养机械系统运动方案、机械结构的设计能力，提高学生控制系统的设计能力和创新意识。该实验系统主要由以下实验装置组成：冲压机及送料装置、间歇送料及冲压装置、转位及输送装置、步进输送机。间歇送料及冲压装置是机械系统结构分析及控制实验系统的组成部分，该部分主要完成间歇送料和冲压功能。关键词：间歇送料，冲压装置，单片机控制基于单片机控制的间歇送料及冲压装置的设计 2 ABSTRACTAccording to the needs and social needs of the experimental teaching of Engineering Mechanical Engineering students design a microcontroller-controlled intermittent feeding and stamping device. The device is an experimental device, used to design successful experiments using students, for students easily removable. Structural analysis of the mechanical system of the device and control experimental system for experimental teaching mechatronics, which corresponds to the main content of the mechanical and electrical integration of professional courses, mainly includes: the design of a variety of common institutions, and general machinery parts; design of the control method (motor control, pneumatic control); commonly used in control system design (microcontroller, PLC). The experimental teaching system has a strong practical engineering background, use the function is obvious, intuitive, by the analysis of the transmission scheme and structure of the device, can grasp the basic requirements of the mechanical system program and structural design and develop mechanical systems sports program, the design capacity of the mechanical structure to improve the students control system design capabilities and sense of innovation. The experimental system mainly consists of the following experimental setup consists of: stamping machines and feeding equipment, intermittent feeding and punching device, transfer and delivery devices, stepper conveyor. Intermittent feeding and the stamping device is an integral part of the structural analysis of mechanical systems and control experimental system, the part of the completion of the intermittent feeding and punching function.Key words：MCU control, intermittent feeding, stamping device基于单片机控制的间歇送料及冲压装置的设计 3 目 录1 绪论 -41.1 间歇送料及冲压装置概述 -41.2 本课题设计要求 -42 间歇送料及冲压装置机械部分设计 -62.1 电动机及减速器的选择 -62.2 机械部分设计计算 -73 单片机控制部分设计 -144 结 论 -295 参考文献 -296 致 谢 -30基于单片机控制的间歇送料及冲压装置的设计 4 1绪论1.1 间歇送料及冲压装置概述冲压作为一门古老而又年轻的制造技术，几乎渗透到国民经济的每一个部门。在许多发达国家，从作为支柱产业之一的汽车制造业到农业机械、建筑机械、化工机械、医疗器械和日用五金等，再到航空航天、军事武器，冲压制件都占据着相当重要的地位。传统的冲压技术，即用刚性的凸模和凹模来完成冲压的冲压技术目前国内外仍然大量使用。我国大多数工厂的生产线上装卸工件仍由人工完成，其劳动强度大、生产效率低，而且具有一定的危险性，已经满足不了生产自动化的发展趋势，为了提高效率降低成本，如今国内外已有了先进的自动送料技术，能够自动连续地进行加工。随着我国工业的发展，对冲压制件类型、工艺的复杂化以及人性化的生产要求，手工送料的冲压加工已逐步由自动送料机构所取代，从而进一步满足了冲压生产自动化的要求，大幅度提高了生产效率和生产质量。1.2 本课题设计要求机械系统结构分析及控制实验系统适用于机电一体化实验教学，它对应了机电一体化专业课程的主要内容，主要包含：各种常用机构和通用机械零部件的设计；控制方法的设计（电机控制、气动控制） ；常用控制系统的设计（单片机、PLC） 。该实验教学系统具有很强的工程实用背景，使用功能明显，有良好的直观性，学生通过对装置的传动方案与结构的分析，可以掌握机械系统运动方案和结构设计的基本要求，培养机械系统运动方案、机械结构的设计能力，提高学生控制系统的设计能力和创新意识。该实验系统主要由以下实验装置组成：冲压机及送料装置、间歇送料及冲压装置、转位及输送装置、提斗上料装置、步进输送机。间歇送料及冲压装置是机械系统结构分析及控制实验系统的组成部分，该部分主要完成间歇送料和冲压功能。间歇送料及冲压装置由冲压机及送料装置、间歇送料及冲压装置、转位及输送装置、步进输送机等组成。间歇送料及冲压装置是机械系统结构分析及控制实验系统的组成部分，该部分主要完成间歇送料和冲压功能。该间歇送料及冲压装置如图 1-1 所示。工作时，电动机 1 通过蜗杆减速器 2 驱动转轴 3 转动，转轴 3 通过同步齿形带 4 使间歇送料机构 5内的圆柱凸轮 9 旋转，通过分布在分度盘 10 上的销轴 11 使分度盘做间歇运动，从而带动与分度盘固结的转盘也做间歇运动，在工作转台间歇时凸轮机构 8 实施对工件送料，同时气缸 6 做冲压。基于单片机控制的间歇送料及冲压装置的设计 5 图 1-1 间歇送料及冲压装置系统设计要求：1电动机：转速 n =1400 r/min 2电源： 380V 50Hz 3间歇送料： 28 次/min4气源压力： 0.30.6 MPa5工作台尺寸： mm3406外形尺寸： 长 宽 高=975mm 480mm 635mm工作要求：要求学生根据系统简图完成该装置的工作原理分析、机械结构设计、三维模型的设计、装配图及主要零件图的设计；完成控制系统的设计。最后要求提供 2 张 0 号设计图纸；并完成 2 万字的英文文献翻译工作、2 万字左右的设计说明书。基于单片机控制的间歇送料及冲压装置的设计 6 2 间歇送料及冲压装置机械部分设计2.1 电动机及减速器的选择电动机为系列化产品，机械设计中需要根据工作机的工作情况和运动、动力参数，合理选择电动机的类型、结构形式、容量和转速，选定具体的电动机型号。如无特殊需要，一般选用 Y 系列三相交流异步电动机。Y 系列电动机具有高效、节能、噪声小、振动小、运行安全可靠的特点，安装尺寸和功率等级符合国际标准（IEC） 。Y 系列电动机额定电压为 380V，额定功率为 50Hz，额定功率为 3kW 及以下为“Y ”接法，额定功率为 4kW 及以上为“”接法。Y 系列电动机应用于一般无特殊要求的机械设备，如农业机械、食品机械、风机、水泵、机床、搅拌机、空气压缩机等。电动机容量（功率）的选择对电动机的工作和经济性都有影响。容量小于工作要求，则不能保证工作机的正常工作，或电动机因长期超载运行而过早损坏；容量选得过大，则电动机的价格高、传动能力不能充分体现，而且效率和功率因数较低，造成能源上的浪费。由于设计任务书所给工作机为稳定（或变化较小）载荷连续运转的机械，而且传递功率较小，故只需使电动机的额定功率 等于或稍大于电动机的实际输出功率 就可以了，cdPdP一般不需要对电动机进行热平衡计算和启动力矩校核。步 进 电 机 是 一 种 感 应 电 机 ， 步 进 电 机 并 不 能 像 普 通 的 直 流 电 机 和 交 流 电 机 那样 在 常 规 情 况 下 使 用 ， 尽 管 步 进 电 机 已 被 广 泛 地 应 用 到 各 个 领 域 中 了 。 步 进 电 机必 须 通 过 功 率 驱 动 电 路 、 双 环 形 脉 冲 信 号 等 各 种 控 制 系 统 的 控 制 才 能 正 常 使 用 。所 以 要 熟 练 的 使 用 好 步 进 电 机 绝 不 容 易 ， 以 为 它 涉 及 到 计 算 机 程 序 编 程 、 电 子 电路 、 机 械 传 动 以 及 电 机 等 许 多 专 业 知 识 。 作 为 一 种 关 键 的 执 行 元 件 ， 步 进 电 机 可 以 说 是 机 电 一 体 化 这 个 行 业 的 关 键 产品 之 一 ， 它 被 广 泛 的 应 用 在 各 种 自 动 化 控 制 系 统 中 。 所 以 ， 步 进 电 机 的 需 求 量 正在 随 着 计 算 机 技 术 以 及 微 电 子 技 术 的 逐 步 发 展 而 与 日 俱 增 ， 在 各 个 国 民 经 济 领 域都 有 广 泛 的 应 用 13。 从 某 个 角 度 来 讲 ， 步 进 电 机 所 执 行 的 动 作 便 是 将 电 脉 冲 转 化 为 角 位 移 。 通 俗一 点 讲 ： 驱 动 步 进 电 机 按 设 定 的 方 向 转 动 一 个 固 定 的 角 度 （ 即 步 距 角 ） 之 前 ， 步进 点 击 的 驱 动 器 必 须 要 接 收 到 一 个 脉 冲 信 号 ， 否 则 步 进 电 机 就 不 会 运 转 。 也 就 是说 ， 要 想 达 到 调 速 的 目 的 ， 可 以 通 过 控 制 脉 冲 频 率 来 控 制 电 机 转 动 的 速 度 和 加 速 度 ；基于单片机控制的间歇送料及冲压装置的设计 7 与 此 同 时 ， 要 想 做 到 准 确 定 位 的 要 求 ， 也 可 以 通 过 控 制 输 送 给 电 机 的 脉 冲 个 数 来控 制 角 位 移 量 。步 进 电 机 按 运 转 方 式 可 以 分 为 三 种 ： 永 磁 式 （ PM） ， 反 应 式 （ VR） 和 混 合式 （ HB） 一 般 情 况 下 永 磁 式 步 进 电 机 为 两 相 ， 体 积 和 转 矩 都 比 较 小 ， 步 距 角 一 般为 7.5 度 或 15 度 ； 反 应 式 步 进 电 机 为 三 相 ， 可 实 现 较 大 转 矩 输 出 ， 步 距 角 一 般为 1.5 度 ， 但 缺 点 是 振 动 和 噪 声 很 大 。 在 欧 美 等 发 达 国 家 这 两 种 步 进 电 机 在 80 年代 已 经 被 淘 汰 不 再 使 用 了 ； 混 合 式 步 进 电 机 则 同 时 包 含 了 反 应 式 和 永 磁 式 的 优 点 。它 可 以 被 分 类 为 为 五 相 式 步 进 电 机 和 两 相 式 步 进 电 机 ： 五 相 步 进 电 机 的 步 距 角 一般 为 0.72 度 ， 两 相 式 步 进 电 机 的 步 距 角 一 般 为 1.8 度 。 这 一 类 电 机 在 现 阶 段 应 用的 范 围 最 广 15。控 制 系 统 每 发 一 个 步 进 脉 冲 信 号 ， 电 机 就 会 转 动 一 个 固 定 的 角 度 ， 这 个 角 度就 是 所 谓 的 电 机 固 有 步 距 角 。 出 厂 时 ， 厂 家 已 为 步 进 电 机 给 出 了 一 个 步 距 角 的 值 ，如 2301HC52A2 型 电 机 给 出 的 值 为 0.6/1.2（ 表 示 半 步 工 作 时 为 0.6、 整 步 工 作 时为 1.2。 通 常 步 进 电 机 步 距 角 的 一 般 计 算 按 下 式 计 算 。 =360/()ZmKA式 中 步 进 电 机 的 步 距 角 ； Z转 子 齿 数 ； m步 进 电 动 机 的 相 数 ； K控 制 系 数 ， 是 拍 数 与 相 数 的 比 例 系 数 电动机的输出功率 为dP，aWdP根据工作机效率 ，计算传动装置的总效率96.0W基于单片机控制的间歇送料及冲压装置的设计 8 ，93.06.9.02321 a工作机所需功率 由工作机的工作阻力和运动参数确定，即WP，kWFvPW10所需电动机功率为，kFvPaWd72.10根据工作机的转速为 ，和蜗轮蜗杆减速器一般传动比范围为 1040，算min/3.64rn得电动机转速的可选范围为 6432572r/min。利弊权衡，从体积、价格以及总的传动比等考虑，本设计决定采用 2301HC52A2 的两相混合式步进电机，该型电机性能良好，可以满足要求。减速器是原动机和工作机之间的独立的闭式传动装置，用来降低转速和增大转矩以满足各种工作机械的需要。减速器的种类很多，按照传动形式不同可分为齿轮减速器，蜗杆减速器和行星减速器；按照传动的级数可分为单级和多级减速器；按照传动的布置形式又可分为展开式，分流式和同轴式减速器。蜗杆减速器的特点是在外廓尺寸不大的情况下，可以获得大的传动比，工作平稳，噪声较小，但效率较低。其中应用最广的是单级蜗杆减速器，两级蜗杆减速器则应用较少。对于涡轮蜗杆减速器的选型首先要考虑减速器本身的作用，其次是相对于使用设备的尺寸大小，然后是蜗轮蜗杆减速器的速比、安装方式和装配形式。最后还要注意相对应的电动机功率，以及电动机的使用环境。蜗轮蜗杆减速器的作用是（1）减速器减速的同时提高输出扭矩，扭矩输出比例按电动机输出乘以减速比；（2）减速器减速同时降低了负载的惯量，惯量减少的为减速比的平方。蜗轮蜗杆减速器的主要型号有 WP 系列蜗轮蜗杆减速器、WH 系列蜗轮蜗杆减速器、CW 系列蜗轮蜗杆减速器、RV系列蜗轮蜗杆减速器如图 2-1 所示，同时还包括 C 系列包络蜗轮蜗杆减速器和 TP 系列平面包络环面蜗杆减速器。基于单片机控制的间歇送料及冲压装置的设计 9 图 2-1 RV系列涡轮蜗杆减速器根据间歇送料及冲压装置是由电动机驱动，减速器输入转速 1460r/min，要求输出转速 36r/min，减速器输出转矩 ，启动转矩 ，选定减速mNTW25mNTW510max2器的公称传动比，按 选取公称传动比为 20，查机械手册得工况系14.036721ni数 ，启动频率系数 ，小时载荷率系数 ，环境温度系数25.1f .f 93.0f，计算得4 mNfTW351.21521，f 704.90432查机械手册，并根据 i 及减速器输入转速，选出中心距 a=200mm，其额定输出转矩，满足要求，校核输出轴轴伸载荷，查机械手册 ，而mNT402 NFr180，因此满足 条件，校核瞬时尖峰载荷，根据 ，其中FrW1rrWF 2max25.TW， ，满足条件，查外形和安装尺寸选定减5max2 mNT1045.2.速器型号为 RV200-20-IF，如表 2-1 所示。基于单片机控制的间歇送料及冲压装置的设计 10 表 2-1 蜗杆减速器外形尺寸数据型号 size 40 50 60 70减速器 ratio 1/5 1/10 1/15 1/20 1/25 1/30 1/40 1/50 1/60A 149 175 198 231AB 89 107 122 140B 124 150 168 194BB 79 97 112 131AC 95 111 127 152BC 61 68 76 86CC 40 50 60 70HL 45 50 60 73LL 60 70 93 108H 135 165 195 233M 100 120 130 150基于单片机控制的间歇送料及冲压装置的设计 11 N 130 140 150 190E 80 95 105 115F 110 110 120 150G 10 15 18 18Z 10 12 12 15HS 25 30 40 40U 12 12 15 18入力轴TV 42.5 42.5 53 53LS 28 40 50 60S 14 17 22 28出力轴WY 53 53 74 74重量（kg） 4.5 7.5 11.5 15.52.2 机械部分设计计算 轴的设计包括结构设计和工作能力计算两方面的内容。轴的结构设计是根据轴上基于单片机控制的间歇送料及冲压装置的设计 12 零件的安装、定位以及轴的制造工艺等方面的要求，合理地确定轴的结构形式和尺寸，轴的结构设计不合理，会影响轴的工作能力和轴上零件的工作可靠性，还会增加轴的制造成本和轴上零件装配的困难等；轴的工作能力计算指的是轴的强度、刚度和振动稳定性等方面的计算，多数情况下，轴的工作能力主要取决于轴的强度，这时只需对轴进行强度计算，以防止断裂或塑性变形，而对刚度要求高的轴和受力大的细长轴，还应进行刚度计算，以防止工作时产生过大的弹性变形，对高速运转的轴，还应进行振动稳定性计算，以防止发生共振而破坏。轴的材料主要是碳钢和合金钢。钢轴的毛坯多数用轧制圆钢和锻钢，有的则直接用圆钢，由于碳钢比合金钢价廉，对应力集中的敏感性较低，同时也可以用热处理或化学热处理的方法提高其耐磨性和抗疲劳强度，故采用碳钢制造轴尤为广泛，其中最常用的是 45 钢。合金钢比碳钢具有更高的力学性能和更好的淬火性能，因此在传递大动力，并要求减小尺寸与质量，提高轴颈的耐磨性，以及处于高温或低温条件下工作的轴，常采用合金钢。必须指出，在一般工作温度下（低于 200） ，各种碳钢和合金钢的弹性模量均相差不多，因此在选择钢的种类和决定钢的热处理方法时，所根据的是强度和耐磨性，而不是轴的弯曲或扭转刚度。但也应当注意，在既定条件下，有时也可选择强度较低的钢材，而用适当增大轴的截面面积的办法来提高轴的刚度。电动机轴与减速器高速轴连接用的联轴器，由于轴的转速较高，为减小启动动载荷、缓和冲击，应选用具有较小转动惯量和具有弹性的联轴器，一般选用有弹性元件的挠性联轴器，例如弹性柱销联轴器等。减速器低速轴与工作机轴连接的联轴器，由于轴的转速较低，不必要求有较小的转动惯量，但传递的转矩较大，又因为减速器与工作机常不在同一底座上，要求有较大的轴线偏移补偿，因此，常需选用无弹性元件的挠性联轴器，例如齿式联轴器、滚子链联轴器等。标准联轴器主要按照传递的计算转矩和转速来选择型号。应注意联轴器孔尺寸范围与所连接轴的直径相适应，因此，减速器高速轴外伸段轴径与电动机的轴径不应相差很大，否则难以选择合适的联轴器。因为电动机选定后，其轴径是一定的，一般可调整减速器高速轴外伸端的直径。初步确定轴的最小直径，选取轴的材料为 45 钢，调质处理，取 A0=112，于是得，mnPAd7.136.021330min 输出轴的最小直径显然是安装联轴器处轴的直径 d1，为了使所选的轴直径 d1 与联轴器孔径相适应，故需同时选取联轴器型号。联轴器的计算转矩 ，考虑到转矩变1TKAca基于单片机控制的间歇送料及冲压装置的设计 13 化很小，故取 ，则3.1AK=1.34.1=5.33Nm，1TKAca按照计算转矩 =5.33Nm，应小于联轴器公称转矩的条件，查机械设计手册，选用caTLT1 弹性联轴器，其公称转矩为 6.3Nm，半联轴器的孔径 d=14mm，故取 d1=14mm,半联轴器长度 L=32mm，半联轴器与轴配合的毂孔长度为 20mm。拟定轴上零件的装配方案，根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度，第一段轴的左端用轴端挡圈定位，第二段的直径 d2=25mm，初步选择滚动轴承，因轴承主要承受径向力的作用，故选用深沟球轴承，参照工作要求并根据 d2=25mm，由轴承产品目录中选取深沟球轴承 6205，其尺寸为 dDB=25mm52mm15mm，右端滚动轴承采用轴肩进行轴向定位，有手册上查得定位轴肩高度为 5mm，故 d3=30mm，d7 段轴安装有带轮，选用带轮的孔径为18mm，因此此处轴径为 d7=18mm，第六段轴同样安装深沟球轴承 6205，所以 d6=25mm，第五段轴上装有凸轮机构，凸轮右侧定位为轴肩定位，左侧则靠套筒进行定位，套筒内径等于 25mm，因此 d4=25mm。轴上零件的周向定位，凸轮、半联轴器、带轮与轴的周向定位均采用平键连接。按 d1 查机械手册得平键截面 bh=5mm5mm，键槽用键槽铣刀加工，长为 32mm，凸轮与轴的周向定位选用平键为 10mm8mm36mm，带轮与轴的连接选取单圆头普通平键尺寸为 6mm6mm28mm。取轴端倒角为 245。按弯扭合成应力校核轴的强度，进行校核时，通常只校核轴上承受最大弯矩和扭矩的截面的强度，取 ，轴的计算应力6.0，MPaWTMca 12.7701.456932322 已选定轴的材料为 45 钢，调质处理，查表得知 ，故安全，从应力集中对轴的1-ca疲劳强度的影响来看，该轴只需校核 d4 截面即可，截面左侧抗弯截面系数，333 5.62251.0. md抗扭截面系数，3331252.0.dWT基于单片机控制的间歇送料及冲压装置的设计 14 ，mNM157232718截面上的弯曲应力，MPaWb 01.5.1627截面上的扭转切应力，PaT2.132540轴的材料为 45 钢，调质处理，由机械手册查得 ， ，MB640Pa2751，计算安全系数 ，由MPa15caS和2.170.7251 maK，.32.5.16.1aS得到，1.570.912.3.72Sca故可知其安全。凸轮机构的优点是只要设计出适当的凸轮轮廓，即可使从动件实现任意预期的输出特性（如运动规律、运动轨迹等） ，并且结构简单、紧凑、工作可靠。本课题中的送料凸轮机构为平面凸轮机构中的盘形凸轮，从动件采用滚子从动件，这样不仅改善了从动件与凸轮轮廓之间的接触条件，耐磨损，可承受较大载荷，还可直接选用滚动轴承标准件。从动件推程运动方程，推程段采用余弦加速度运动规律，将、h=20mm 代入余弦加速度运动规律的推程段方程中，得6/510基于单片机控制的间歇送料及冲压装置的设计 15 ，)56cos(4.1in2)56cos(10avs从动件远休程运动方程，在远休程 段，即 时，s6/7/s=h=20mm，v=0，a=0，从动件回程运动方程，由于采用正弦加速度运动规律，将、h=20mm 代入正弦加速度运动规律的回程段方程中，得3/210，)5.3sin(90.co13)5.3sin(275.22avs从动件近休程运动方程，在近休程 段，即 时，s=0，v=0，a=0。s 26/1带传动具有结构简单、传动平稳、价格低廉和缓冲吸振等特点，在近代机械中应用广泛。啮合型带传动一般也称为同步带传动，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，能够保证严格传动比，但同步带传动对中心距及其尺寸稳定性较高。设计 V 带传动时的已知条件包括：带传动的工作条件；传动位置与总体尺寸限制；所需传递的额定功率 P；小带轮转速 n1；大带轮转速 n2或传动比 i。设计内容包括选择带的型号、确定基准长度、根数、中心距、带轮的材料、基准直径以及结构尺寸、初拉力和压轴力、张紧装置等。带传动的参数选择。中心距大，可以增加带轮的包角，减少单位时间内带的循环次数，有利于提高带的寿命，但是中心距过大，则会加剧带的波动，降低带传动的平稳性，同时增大带传动的整体尺寸，一般初选带传动的中心距为 ，式中 为初选的带传动中心距；)(2)(7.021021dda0a传动比大会减小带轮的包角，当带轮的包角减小到一定程度时，带传动就会打滑，从而无法传递规定的功率，带传动的传动比一般为 ，推荐值为 ，如表 2-2 所7i52i基于单片机控制的间歇送料及冲压装置的设计 16 示；在带传动需要传递的功率给定的条件下，减小带轮的直径，会增大带传动的有效拉力，从而导致带根数的增加，这样不仅增大了带轮的宽度，而且也增大了载荷在带之间分配的不均匀性，另外带轮直径的减小，增加了带的弯曲应力，为了避免弯曲应力过大，小带轮的基准直径就不能过小，一般情况下应保证 ；带速不宜过min)(d高或过低，一般推荐 =525m/s，最高带速 。v sv/30max表 2-2 包角修正系数确定带轮的基准直径，并验算带速，取小带轮直径为 =90mm，则1d=2.590（1-0.02）=143mm，212/ndn根据机械设计手册选取 d2=145mm，带速验算=146090/（601000）=1.7m/s，106/1dnVm介于 525m/s 范围内故合适，确定带长和中心距 a210217.0dad459459.0带轮包角 180 175 170 165 160 155 150 145 140 135 130 125 120K1.00 0.99 0.98 0.96 0.95 0.93 0.92 0.91 0.89 0.88 0.86 0.84 0.82基于单片机控制的间歇送料及冲压装置的设计 17 ，950.32a初定中心距 ，则带长为ma5.6410012210 4/2addaL，m536./9045/95.641 由机械设计手册选用 ，确定实际中心距为mLd0，ad 5.6432/540.612/00 验算小带轮上的包角 a/3.71812= 。12065.4/.9045间歇转位机构由圆柱凸轮、分度盘和分度盘上的销轴组成。与棘轮机构、槽轮机构和不完全齿轮机构等间歇运动机构相比较，凸轮式间歇运动机构的转位精度高，且不需要专门的定位装置，当合理地选择转盘的运动规律时，可以使机构传动平稳，冲击振动较小，动力特性较好。常用的凸轮间歇机构有两种形式：圆柱凸轮式间歇运动机构和蜗杆凸轮式间歇运动机构。本课题设计的装置中使用圆柱凸轮式间歇运动机构。用在摆动从动件圆柱沟槽凸轮中的从动件有两种形式，往复摆动和工作台间隙转动。后者叫做圆柱分度凸轮。为了简便起见，以下称圆柱凸轮。为了求出圆柱凸轮轮廓形状和沟槽壁面曲率半径，应采用后述的精密解法。知道其一般形状，求压力角和凸轮大小，用平面近似解就足够了，以下就平面近似解加以说明。图 2-1 所示为圆柱分度凸轮。基于单片机控制的间歇送料及冲压装置的设计 18 图 2-1 圆柱分度凸轮机构凸轮轴以等速 旋转，从动件轴 按给定的凸轮曲线进行运动。在分度角 之间，从动 h件实现一次分度运动。在剩余的 之间，从动件的两个滚子夹着凸轮的直线部h360分使从动件成为停留状态。图 所示是把圆柱分度凸轮展开成平面直动凸轮的形状。这种机构可用圆端摆动从动件直动凸轮的解法求解。设从动件分度数为 ，从动件摆角n为 ，则radh，nh2785.0在圆柱分度凸轮中，从动件滚子数等于分度数 的 1 倍、2 倍和 3 倍时，分别称为单槽、双槽和 3 槽分度凸轮。图 所示为单槽圆柱分度凸轮。按滚子、的顺序与凸轮接触。滚子所在沟槽称为主槽，其他两个槽称为副槽。在停留位置上，一般是把两个滚子分开布置。这时，在 个槽的圆柱分度凸轮上有 编号滚子，其起始位置mGmG按下式求得：0 2,1,5.20 mnnmh基于单片机控制的间歇送料及冲压装置的设计 19 式中，基准线为图 所示的 方向，符号的意义为从动件逆时针方向转动为正，顺时针方向转动为负。在凸轮的旋转方向上有向近侧和离去侧两个方向。图 所示为向近侧旋转方向。当从动件逆时针方向旋转而凸轮向近侧旋转时，凸轮为右旋凸轮（螺纹方向为右旋的凸轮） 。求此情况下的压力角时，可参考平面凸轮机构的解法，得下式 p0pShTpprchVkiRsin1cosntanchrpk，dTSV式中 为从动件滚子的安装节圆半径， 是以纵轴为弧长而画成实际尺寸的凸轮曲线rRpk的纵横比。上式不仅适用主槽，也适用于以任意 开始的摆角为 的转动。设凸轮曲0h线为摆线曲线 、 、 时，求出压力角。当主槽 的最大压力角为1mG6n5.0pk 2mG，即 。摆线曲线条件下， 为横轴，主槽最大压力角 和分度数 的关m.48p n系图。由图可知，已知最大压力角 ，根据分度数 可求出相应的 值，从而可求出mnpk凸轮的有效半径 。cR基于单片机控制的间歇送料及冲压装置的设计 20 滚动轴承是现代机器中广泛应用的部件之一，它是依靠主要元件间的滚动接触来支承转动零件的，滚动轴承绝大多数已经标准化，并由专业工厂大量制造及供应各种常用规格的轴承，滚动轴承具有摩擦阻力小，功率消耗少，启动容易等优点。如果仅按轴承用于承受的外载荷不同来分类时，滚动轴承可以概括地分为向心轴承、推力轴承和向心推力轴承三大类，选用轴承时，首先是选择轴承类型。轴承所受载荷的大小、方向和性质，是选择轴承类型的主要依据。根据载荷的大小选择轴承类型时，由于滚子轴承中主要元件间是线接触，宜用于承受较大的载荷，承载后的变形也较小，而球轴承中则主要为点接触，宜用于承受较轻的或中等的载荷，故在载荷较小时，可优先选用球轴承。根据载荷的方向选择轴承类型时，对于纯轴向载荷，一般选用推力轴承，较小的纯轴向载荷可选用推力球轴承，较大的纯轴向载荷可选用推力滚子轴承，对于纯径向载荷，一般选用深沟球轴承、圆柱滚子轴承或滚针轴承，当轴承在承受径向载荷的同时，还有不大的轴向载荷时，可选用深沟球轴承或接触角不大的角接触球轴承或圆锥滚子轴承，当轴向载荷较大时，可选用接触角较大的角接触球轴承或圆锥滚子轴承，或者选用向心轴承和推力轴承组合在一起的结构，分别承担径向载荷和轴向载荷。在一般转速下，转速的高低对类型的选择不发生什么影响，只有在转速较高时，才会有比较显著的影响，轴承样本中列入了各种类型、各种尺寸轴承的极限转速 值，limn这个转速是指载荷不太大，冷却条件正常，且为 0 级公差轴承时的最大允许转速，但是由于极限转速主要是受工作时温升的限制，因此，不必认为样本中的极限转速是一个绝对不可超越的界限，从工作转速对轴承的要求看，可以确定一下几点：（1）球轴承与滚子轴承相比较，有较高的极限转速，故在高速时应优先选用球轴承。（2）在内径相同的条件下，外径越小，则滚动体就越小，运转时滚动体加在外圈滚道上的离心力也就越小，因而也就更适于在更高的转速下工作，故在高速时，宜选用相同内径而外径较小的轴承，若用一个外径较小的轴承而承载能力达不到要求时，可再并装一个相同的轴承，或者考虑采用宽系列的轴承，外径较大的轴承，宜用于低速重载的场合。（3）保持架的材料和结构对轴承转速影响极大，实体保持架比冲压保持架允许高一些的转速，青铜实体保持架允许更高的转速。（4）推力轴承的极限转速均很低，当工作转速高时，若轴向载荷不十分大，可以采用角接触球轴承承受纯轴向力。（5）若工作转速略超过样本中规定的极限转速，可以选用较高公差等级的轴承，或者选用较大游隙的轴承，采用循环润滑或油雾润滑，加强对循环油的冷却等措施来改善轴承的高速性能，若工作转速超过极限转速较多，应选用特制的高速滚动轴承。当轴的中心线与轴承座中心线不重合而有角度误差时，或因轴受力而弯曲或倾斜时，会造成轴承的内外圈轴线发生偏斜，这时，应采用有一定调心性能的调心轴承或带座外球面球轴承，基于单片机控制的间歇送料及冲压装置的设计 21 这类轴承在轴与轴承座孔的轴线有不大的相对偏斜时仍能正常工作。滚子轴承对轴承的偏斜最为敏感，这类轴承在偏斜状态下的承载能力可能低于球轴承，因此在轴的刚度和轴承座孔的支承刚度较低时，或有较大偏转力矩作用时，应尽量避免使用这类轴承。便于装拆，也是在选择轴承类型时应考虑的一个因素。在轴承座没有剖分面而必须沿轴向安装和拆卸轴承部件时，应优先选用内外圈可分离的轴承，当轴承在长轴上安装时，为了便于装拆，可以选用其内圈孔为 1:12 的圆锥孔的轴承。深沟球轴承的选择计算，按工作条件决定选用深沟球轴承，根据其径向载荷和轴向载荷求比值，49.0527raF根据深沟球轴承的最大 e 值为 0.44，故此时 ，初步计算当量动载荷 P，era，)(arpYFXfP，取 ，X=0.56，Y 值需在已知型号和基本额定静载荷 后才能求2.10pf 2.1pf 0C出，现暂选一近似中间值，取 Y=1.5，则P=1.2（0.565500+1.52700）N=1521N,求轴承应有的基本额定动载荷值C = P = 1521 = 13113 N 60n10L 10/36058410 48000按照轴承样本或机械设计手册选择 C=14000N 的 6205 轴承，计算，hh LPnL 631063106 4.52.548所以轴承预期寿命足够。弹簧是一种弹性元件，它可以在载荷作用下产生较大的弹性变形，弹簧在各类机基于单片机控制的间歇送料及冲压装置的设计 22 械中应用十分广泛，主要用于：（1）控制机构的运动，如制动器、离合器中的控制弹簧，内燃机气缸的阀门弹簧等；（2）减振和缓冲，如汽车、火车车厢下的减振弹簧，以及各种缓冲器用的弹簧等；（3）储存及输出能量，如钟表弹簧、枪闩弹簧等；（4）测量力的大小，如测力器和弹簧秤中的弹簧等。按照所承受的载荷不同，弹簧可以分为拉伸弹簧、压缩弹簧、扭转弹簧和弯曲弹簧等四种，而按照弹簧形状的不同，又可分为螺旋弹簧、环形弹簧、碟型弹簧和平面涡卷弹簧等。螺旋弹簧是用弹簧丝卷绕制成的，由于制造简便，所以应用最广，在一般机械中，最为常用的是圆柱螺旋弹簧。机座和箱体等零件，在一台机器的总质量中占有很大的比例（例如在机床中约占总质量的 70%90% ） ，同时在很大程度上影响着机器的工作精度及抗振性能，若兼作运动部件的滑道时，还影响着机器的耐磨性等，所以正确选择机座和箱体等零件的材料和正确设计其结构形式及尺寸，是减小机器质量、节约金属材料、提高工作精度、增强机器刚度及耐磨性等的重要途径。固定式机器，尤其是固定式重型机器，其机座和箱体的结构较为复杂，刚度要求也较高，因而通常都为铸造，铸造材料常用既便于施工又廉价的铸铁（包括普通灰铸铁、球墨铸铁与变性灰铸铁等） ，只有需要强度高、刚度大时才用铸钢，当减小质量具有很大的意义时（如运行式机器的机座和箱体）才用铝合金等轻合金，对于运行式机器，如飞机、汽车、拖拉机及运行式起重机等，减小机体的质量非常重要，故常用钢或轻合金型材焊制，大型机座的制造，则常采取分零铸造然后焊成一体的办法。绝大多数的机座和箱体受力情况都很复杂，因而要产生拉伸或压缩、弯曲、扭转等变形，当受到弯曲或扭转时，截面形状对于它们的强度和刚度有着很大的影响，正确设计机座和箱体的截面形状，在既不增大截面面积又不增大零件质量的条件下，来增大截面系数及截面的惯性矩，就能提高它们的强度和刚度。一般地说，增加壁厚固然可以增大机座和箱体的强度和刚度，但不如加设肋板来得有利，因为加设肋板时既可增大强度和刚度，又可较增大壁厚时减小质量，对于铸件，由于不需增加壁厚，就可减少铸造的缺陷，对于焊件则壁薄时更易保证焊接的品质，因此加设肋板不仅是较为有利的，而且常常是必要的。设计机