钢筋切断机设计

机械原理设计任务书机械原理设计任务书 设计题目 设计题目 钢筋切断机机构设计 姓 名 XXXXX 班 级 XXXXXXX 学 号 XXXXXXX 钢筋切断机设计 1 目录目录 一 摘要 3 二 设计题目和要求 3 2 1 题目简介 3 2 2 设计要求和有关数据 4 2 3 设计任务 4 2 4 设计创新 5 2 5 设计思路 5 三 机构设计 5 3 1 机构驱动方案选择 5 3 1 1 液压传动驱动 5 3 1 2 液压传动特点 6 3 1 3 电机驱动 6 3 1 4 驱动方式的选择 6 3 2 传动装置的选择 7 3 2 1 带传动 7 3 2 2 齿轮传动 7 3 2 3 组合传动 7 3 2 4 传动机构的选择 8 3 3 执行装置的方案设计 8 3 3 1 曲柄滑块机构 8 3 3 2 凸轮机构 9 3 4 方案比较 9 四 参数综合 10 4 1 曲柄滑块机构综合 10 4 2 齿轮机构综合 11 4 3 电机相关参数选择 12 五 机构装配及运动分析 13 5 1 输出件速度 加速度计算 13 5 2 机构装配图 14 5 3 运动分析 15 5 3 1 动刀位移分析 如图 15 5 3 2 动刀速度测试 如图 15 钢筋切断机设计 2 5 3 3 动刀加速度测试 如图 16 5 4 误差分析 16 5 5 设计改进 16 5 5 1 齿轮的改进 16 5 5 2 刀具的改进 17 六 参考文献 18 钢筋切断机设计 3 一 摘要一 摘要 钢筋在建筑上应用非常广泛 它可以用作预制构件 钢筋混凝土和箍筋等 为此 需要钢筋切断机按所要求的钢筋的规格的长度将其切断 钢筋切断机是 钢筋加工必不可少的设备之一 它主要用语房屋建筑 桥梁 隧道 电站 大 型水利等工程中对钢筋的定长切断 一般都是用于剪切建筑用的 I 级钢 剪切 钢筋直径为 6 40 毫米 钢筋切断机有机械传动和液压传动两种 机械传动构 造简单 工作可靠 维修方便 液压传动无噪音 体积小 重量轻 移动方便 但液压传动结构复杂 一旦出现故障难以排除 故目前较多使用的仍然是机械 传动的钢筋切断机 如图 目前国内建筑工地使用的钢筋切断机虽能完成切断动作 但其执行机构没 有考虑到对切刀运动规律和动力特性的要求 切刀工作过程中产生的冲击很大 切断效率较低 因此 有必要将现存的钢筋切断机加以改进 重新设计 以获 得动态性能较好的钢筋切断机 使其实现操作简便 调节方便 落料简单 生 产效率高等特点 二 设计题目和要求二 设计题目和要求 2 1 题目简介题目简介 钢筋在建筑上应用非常广泛 它可以用作预制构件 钢筋混凝土和箍筋等 为此 需要钢筋切断机按所要求的钢筋的规格的长度将其切断 目前建筑工地 使用的钢筋切断机虽能完成切断动作 但其执行机构没有考虑到对切刀运动规 律和动力特性的要求 切刀工作过程中产生的冲击很大 切断效率较低 因此 有必要将现存的钢筋切断机加以改进 重新设计 以获得动态性能较好的钢筋 切断机 2 2 设计要求和有关数据设计要求和有关数据 1 设计要求 a 基本工作要求 用手工将不同规格的钢筋按所需长度送至刀口 将其切 断 以后再次送入 作下次截断 b 运动要求 i 在切断过程中 要求切断速度尽可能小 速度尽可能均匀 以保证切削 钢筋切断机设计 4 质量 减少冲击 ii 保证切刀行程 H iii 切刀空行程中速度尽可能快 以提高效率 iv 保证切刀的每分钟切断次数 生产率 c 动力要求 切刀能产生足够的冲力克服工作阻力 要有较好的传动性能 2 有关数据 拟采用三相异步电机作动力源 初定电机转速 nd rpm 所切钢筋的最大 直径 dmax 40mm 动刀通过的距离 H 44mm 其生产率分型号依次为 34 次 分 38 次 分 42 次 分 刀在切断过程中所受工作阻力 P 400KN 其它行程无 阻力 整个机器的尺寸范围为 长 宽 高 1600 500 750 2 3 设计任务设计任务 1 至少提出两种运动方案 然后进行方案分析评比 选出一种运动方案进 行设计 2 设计传动系统并确定其传动比分配 3 对平面连杆机构进行尺度综合 并进行运动分析 验证输出构件的轨迹 是否满足设计要求 求出机构中输出件的速度 加速度 画出机构运动线图 4 用软件 VB MATLAB ADAMS 或 SOLIDWORKS 等均可 对执行机构进 行运动仿真 并画出输出机构的位移 速度 和加速度线图 5 编写设计计算说明书 其中应包括设计思路 计算及运动模型建立过程 以及效果分析等 6 在机械基础实验室应用机构综合实验装置验证设计方案的可行性 2 4 设计创新设计创新 1 在设计的过程中 应尽量减少整体机构的震动和噪声 2 对刀片的改进 在刀片的设计上 要注意当钢筋放在刀片上受力时 防 止钢筋突然弹出来 钢筋切断机设计 5 2 5 设计思路设计思路 钢筋切断机主要是由驱动装置 传动装置和执行机构组成 因此 在设计 中 首先提出各个部分的设计方案 然后经过对比选择合适的方案 当方案确 定之后 就要选择各个零件的参数 这个过程中 首先应该确定执行机构的各 个参数 然后确定传动机构零件的参数和整个传动比 最后才是驱动装置的参 数确定 当各个参数确定之后 接下来就是装配和运动分析 误差分析 方案 改进创新等 三 三 机构设计机构设计 3 1 机构驱动方案选择机构驱动方案选择 3 1 1 液压传动驱动液压传动驱动 要实现液压传动了 则在整个机构中 需要有齿轮泵和油缸 齿轮泵是为 了产生油缸运动的动力 齿轮泵能产生的动力的大小直接影响着油缸的工作能 力 而油缸是直接作为执行元件 将液压油的压力转化为机械能从而实现机构 的直线运动 在整个机构的运行过程中 油缸的运动很安静 但是齿轮泵则会 产生较大的噪音 如图所示 油缸简图油缸简图 齿轮泵结构简图齿轮泵结构简图 3 1 2 液压传动特点 液压传动特点 液压式钢筋切断机的出现虽然晚于机械式切断机 但却有着不可比拟的技 术优越性和高经济效益 其技术优越性大致表现在如下方面 1 具有较高的工作性能由于可以使用较高的液压力 因而钢筋切断机能以 很高的冲击力进行剪切 钢筋切断机设计 6 2 具有较好的工作适应能力可实现直径在 6mm 16mm 之间的钢筋加工 同时 还可一机多用 采用不同的工作头即可进行多种工作 如弯管 穿孔等 具有较高的工作可靠性省去各种离合装置 不会由于离合装置不可靠而产生连 切 易于实现自动化生产 同时 控制系统的引入 可以实现定尺剪切 并保 证钢筋切口的表面质量 3 携带方便 当输出力或者输出力矩相同时 液压工作头的重量远小于电 动或气动工具 此外 采用了超高压小流量液压技术 所以其体积小 重量轻 3 1 3 电机驱动电机驱动 异步电机其特点是结构简单 坚固耐用 成本低廉 运行可靠 低转矩脉 动 低噪声 不需要位置传感器 转速极限高 并且能够提供较大的功率 异步 电机矢量控制调速技术比较成熟 使得异步电机驱动系统具有明显的优势 电 机驱动是较为常用和传统的驱动方式 特别是三相交流异步电机应用更为广泛 三相异步电动机结构简图 3 1 4 驱动方式的选择驱动方式的选择 虽然液压驱动具有体积小 携带方便 机构设计简单的特点 但是其成本 较高 且维修复杂 而三相异步电机相对应用广泛 噪声比液压驱动更小 震 动更小 调速更方便等特点 故综上从成本和题目所给的性能要求来看 选择 三相异步电机作驱动装置更合适 钢筋切断机设计 7 3 2 传动装置的选择传动装置的选择 3 2 1 带传动带传动 带传动是通过两皮带轮与皮带之间的抱死来实现构建之间的运动传输 其 工作时主要靠皮带与皮带轮之间的摩擦来带动运动的 也就是说这个过程中一 部分机械能会转化为内能 并且皮带的寿命比较短 维修频率较大 通常出现 在机构的第一级传动中 3 2 2 齿轮传动齿轮传动 在机械传动中应用最广泛的传动方式 其传动准确可靠 效率很高 噪声 小 可以满足不同工况要求 但其加工成本比较高 可实现传动比不是很大 需要多级传动才能达到大传动比的要求 3 2 3 组合传动组合传动 由于机械运动形式 运动规律和机械性能等方面要求的多样性和复杂性 而以上传动机构的局限性 因此常常需要将几种机构配合起来 形成组合传动 机构 如图所示 钢筋切断机设计 8 3 2 4 传动机构的选择传动机构的选择 综上 考虑到成本和传动比的选择 本题可以采用带传动和齿轮传动构成 的组合传动机构 这样 特可以解决齿轮传动传动比不是很高 带传动消耗的 输出功率太大的缺点 而可以充分发挥带传动传动级数较少 齿轮传动噪声小 传动准确可靠 效率很高的优点 3 3 执行装置的方案设计执行装置的方案设计 在整个传动过程中 执行机构是最重要的一部分 它不仅要实现产品设计 的使用价值 还要将机械的其他运动转化为本题我们需要的直线运动 实现这 一过程的方式有很多 在这里 我们只讨论常见的两种方式 第一种是采用曲 柄滑块机构 第二种采用凸轮机构 3 3 1 曲柄滑块机构曲柄滑块机构 如图所示 曲柄滑块机构具有设计简单 成本较低 能的特点 但是其运 动轨迹很难达到设计的要求 曲柄滑块机构简图 钢筋切断机设计 9 3 3 2 凸轮机构凸轮机构 如图 凸轮机构和曲柄滑块机构一样 可以使机构具有急回特性 其具有 高精度的传动特性 且能按照特定的轨迹进行运动 但设计和制造相对复杂 若不需要考虑精度问题 则在制造的过程中凸轮轮廓的制造比较复杂 且加工 量较大 若考虑精度问题 可以根据设计出的轨迹方程借助软件求出凸轮轮廓 线 然后再用数控机床进行加工 这样的话就提高了其成本 凸轮机构简图 3 4 方案比较方案比较 首先 曲柄滑块机构和凸轮机构都能实现急回特性 由于对心曲柄滑块机 构没有急回特性 所以在设计时 我们考虑采用偏置曲柄滑块机构的几何模型 给定极位夹角为 和滑块的摆程为 H 假设滑块导路与 X 轴平行 如图 钢筋切断机设计 10 四 四 参数综合参数综合 4 1 曲柄滑块机构综合曲柄滑块机构综合 由曲柄滑块机构简图知 设机构的行程速度系数 K 1 25 摇杆摆角 30 则由 180 1 1 20 10 由 1 0 2 1 0 2 2 0 2 22 0 2cot 60 44 2sin 64 32 由 取 0 1 0 1 60 则 或 1 86 32 1 42 32 由 1 1 2 1 1 cos 1sin cos 1 1 2 1sin 1 1 cos sin 得 1 1 1 1 I86 326031 599 05 II 42 326030 61 12 95 当 时 有方案 I 1 86 32 1 60 1 31 59 1 9 05 1 1 2 1 1 2 74 77 所以 其中 解得 cos 12 22 2 2 1 2 1 L 2 L 所以杆 18 06 当 时 有方案 II 1 42 32 1 60 1 30 61 1 12 95 1 1 2 1 1 2 103 15 所以 其中 解得 cos 12 22 2 2 1 2 1 L 2 L 钢筋切断机设计 11 所以杆 13 03 传力角计算 由函数关系可得 所以 cos 1 1 2 2 2 2 2 1 方案 I 有 1 26 08 方案 II 有 2 44 34 为了保证机构有良好的传力性能 传动角越大的机构传力性能越好 由 知选择方案 II 较好 即 1 2 1 42 32 1 60 1 30 61 1 12 95 103 15 13 03 4 2 齿轮机构综合齿轮机构综合 齿轮选择 要使两齿轮之间能够正常齿合 则两齿合齿轮之间的模数和压力角应 分别相等 所以 小带轮 d7 50mm 大带轮 d6 215mm Z2 60 m 5 齿宽 28 分度圆直径 d2 300mm Z3 15 m 5 齿宽 60 分度圆直径 d3 75mm Z4 75 m 5 齿宽 55 分度圆直径 d4 375mm Z5 17 m 5 齿宽 80 分度圆直径 d5 85mm 曲柄轴 d1 13 03mm 效率计算 闭式圆柱齿轮传递效率 0 97 滚动轴承传递效率 0 99 带传动传递效率 0 94 联轴器传递效率 0 99 01 0 99 34 0 9603 45 0 9603 67 0 94 总 01 34 45 67 0 858 齿轮的传动比 钢筋切断机设计 12 总 2 4 6 3 5 7 66 04 4 3 电机相关参数选择电机相关参数选择 齿轮转矩计算 1 sin 400 sin44 34 572 32 由式可知 越小 F 越大 齿轮转矩计算 1 1 1 1 2 2 1 2 2 2 3 1 2 3 2 3 4 4 1 2 4 4 5 1 2 5 4 5 6 6 1 2 6 6 7 1 2 7 6 综上求的 7 3 5 7 2 4 6 1 7 0 65 钢筋切断机设计 13 阻力扭矩 7 16 37 电机转速选择 滑块平均速度 0 2 2 38转 为各个齿轮上对应的力矩 1 2 3 4 5 6 7 为对应的各个齿轮或轮系上的切向力 1 2 3 4 5 6 7 滑块运动的频率 单位 次 min 曲柄轴的线速度 m min 1 曲柄轴的转速 2 转 由传动比可得电机转子平均速度 0 2 2510转 电动机功率 9550 T 阻力矩 N 电机转速 转 P 所需功率 kw 所以 4 3kw 查相关本资料我们可以选择 Y112M 4 型封闭式笼型三相异步电动机 钢筋切断机设计 14 五 机构装配及运动分析五 机构装配及运动分析 5 1 输出件速度 加速度计算输出件速度 加速度计算 设动刀的运动频率为 f 曲柄与水平面的夹角为 曲柄的速度为 V 动刀的 速度为 V1 则 点 B 的位移为 sin cos 点 B 速度方程为 cos sin 点 B 的加速度为 cos 2 sin sin 2 cos 其中 C 点的运动规律可以作为输出件道具的运动规律 因此点 C 刀具 的位移可以表示为 cos 其中 M 为常数 点 C 的速度可以表示为 sin sin 0 点 C 的加速度为 cos 0 5 2 机构装配图机构装配图 钢筋切断机设计 15 5 3 运动分析运动分析 5 3 1 动刀位移分析 如图动刀位移分析 如图 上图是动刀上的质心的运动测试图 近似的用来作为动刀的运动特性 测 试的时间为 3s 由图形可知动刀的位移为 与题目 1 645 0 602 0 43 所给的值 H 44mm 相近 满足条件 要使行程误差进一步减小 可以更改曲轴 的偏心距 从而得到更加精确的行程范围 5 3 2 动刀速度测试 如图动刀速度测试 如图 同样 动刀的速度与时间的关系可以用动刀的质心的速度特性来表示 测 试时间我们选择为 60s 由测试图分析可知 动刀的切割频率为 37 次 min 与题 所给 38 次 min 相差不大 在误差允许范围内满足条件 从速度曲线来看 动 刀的急回特性不是太明显 钢筋切断机设计 16 5 3 3 动刀加速度测试 如图动刀加速度测试 如图 由图可以看出 动刀的加速度接近正弦函数 所以在运动过程中 它的运 动相对平稳 5 4 误差分析误差分析 在整个机构中 导致误差的原因是多方面的 其中最主要的有装配误差 设计误差和运动传递误差 在装配误差中 由于整个转配图是在 pro e 中完成的 齿轮之间的齿合以 及执行元件 曲柄 摇杆和刀具 的初始位置的选择都会给整个装配带来误差 避免这种误差的方法是在零件建模的过程中 严格选择建模的位置 在装配时 选择合适的装配模式 在设计误差中 由于在设计的时候设计误差与实际误差不相同 例如我们 如果在整个设计中考虑的误差为 5 那么实际建模处的机构可能会达到 8 或 者低于 5 且计算过程中精度的选择在建模过程中有取舍 比如在计算中曲柄 的偏心距为 13 03mm 在建模的过程中也许建模软件默认为 13mm 这样的话 就出现了设计误差 要避免这些因素带来的误差 在设计过程中 尽量保证建 模软件的数值单位与设计计算的单位的精度一致 尽量选择有信服力的经验值 在传递误差中 有时候会因为齿轮的传动有打滑现象 带轮与皮带之间有 相对摩擦现象 这些都会使系统出现传递误差 控制这些误差的最好办法就是 保证齿轮之间的正确 连续齿合 保证带轮与皮带之间的配合 5 5 设计改进设计改进 5 5 1 齿轮的改进齿轮的改进 1 由于小齿轮与大齿轮的模数和压力角应该相等 这样就保证了齿轮之间 钢筋切断机设计 17 的正常齿合 但是通过实际生产发现 当小齿轮在保证和大齿轮有相同的模数 和压力角时 其齿数低于某一范围后会发生根切现象 并且不再材料及各种制 造工艺都相同时小齿轮的寿命比大齿轮要低得多 为了提高小齿轮