液压驱动自动夹持机构的设计

编号 南京航空航天大学金城学院南京航空航天大学金城学院 毕 业 设 计毕 业 设 计 题目 液压驱动自动夹持机构 的设计 学生姓名 学号 系部机电工程系 专业机械工程及自动化 班级 指导教师 二 一 年六月 南京航空航天大学金城学院南京航空航天大学金城学院 本科毕业设计 论文 诚信承诺书本科毕业设计 论文 诚信承诺书 本人郑重声明 所呈交的毕业设计 论文 题目 液压驱动自动夹持机构的设计 是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的成果 尽本人所知 除了毕业 设计 论文 中特别加以标注引用的内容外 本毕业设计 论文 不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品 作者签名 年月日 学号 毕业设计 论文 报告纸 i 液压驱动自动夹持机构的设计 摘要 为了实现高产高效 工件的定位 支撑 夹紧和夹具的快速松开夹紧 以及 操作方便 安全都是非常重要的环节 对于加工一个较大的工件 并且工序间隔 时间短 选用液压夹具是非常具有经济价值的 液压定位和夹紧是一项非常可靠 而且有效的技术 本课题所设计的棒料夹持头采用液压驱动双滑块机构来完成夹持功能 活塞 微动配合夹紧 可以同时夹持多根棒料 顶部设有蜗轮蜗杆转向机构 完成转向 功能 在原来的基础上 进行了更加简单的设计 引入曲柄滑块机构 进行模块 化设计 便于安装和拆卸 关键词 微动夹紧 升降 走位 液压驱动 夹紧方案 毕业设计 论文 报告纸 ii The stick anticipate an auto unload device Abstract In order to achieve the structure is developed both on the bases of manufacturing experiences and the foreign similar products It has a very fine capability to the environment has no electromagnetic wave interference and has safe credibility This device is a kind of ideal tong which could unload the sticks freely without anybody in ground to match with The device which I designed adopts liquid presses to move the double slip to complete the function of nipping The pistons move tinily to match each other to clip tightly and it can hold several aluminum sticks one time On the top of the device there is a section for turning Key words Micro displacement clamp Lifting and drop Displacement Hydraulic drive Clamping plan 毕业设计 论文 报告纸 iii 目录 摘要 i Abstract ii 目录 iii 第一章引言 1 1 1 课题研究的目的和意义 1 第二章 夹具的机构设计 3 2 1 夹紧机构原理 3 2 2 对夹紧装置的基本要求 3 2 3 夹紧装置的组成 4 2 4 夹紧力的确定原则 4 2 5 夹具体的基本要求 6 2 6 夹具体的毛坯制造方法 7 2 7 夹具的发展趋势 8 第三章 系统的参数设计与计算 11 3 1 机构的组成和工作原理 11 3 1 1 机构的组成 11 3 1 2 机构的工作原理 13 3 2 液压系统的设计 13 3 2 1 液压系统的工作原理及设计准则 13 3 2 2 受力分析 16 3 2 3 液压缸工况分析 17 3 2 4 液压缸的设计与计算 18 3 3 蜗轮蜗杆的设计 22 3 3 1 蜗杆传动的类型和特点 22 3 3 2 蜗杆传动的失效形式 23 毕业设计 论文 报告纸 iv 3 3 3 蜗杆传动的受力分析 23 3 3 4 蜗轮蜗杆的参数设计与计算 24 3 4 机构材料的应力分析 26 3 4 1 底部钢板的受力分析 26 3 4 2 对夹持板的校核 27 3 4 3 四个支架及其螺栓的拉伸强度校核 27 3 4 4 对传动杆的受力分析 28 第四章 三维立体图 29 4 1 Pro Engineer 简介及应用范围 29 4 2 总装图 32 4 3 夹持机构图 34 4 4 转向机构图 37 第五章 总结与展望 40 参 考 文 献 42 致谢 43 毕业设计 论文 报告纸 1 第一章引言 1 1 课题研究的目的和意义 液压技术是实现现代化传动与控制的关键技术之一 世界各国对液压工业的 发展都给予很大重视 世界液压元件的总销售额为 350 亿美元 据统计 世界各 主要国家液压工业销售额占机械工业产值的 2 3 5 而我国只占 1 左右 这充 分说明我国液压技术使用率较低 努力扩大其应用领域 将有广阔的发展前景 液压气动技术具有独特的优点 如 液压技术具有功率重量比大 体积小 频响 高 压力 流量可控性好 可柔性传送动力 易实现直线运动等优点 气动传动 具有节能 无污染 低成本 安全可靠 结构简单等优点 并易与微电子 电气 技术相结合 形成自动控制系统 因此 液压气动技术广泛用于国民经济各部门 但是近年来 液压气动技术面临与机械传动和电气传动的竞争 如 数控机床 中小型塑机已采用电控伺服系统取代或部分取代液压传动 其主要原因是液压技 术存在渗漏 维护性差等缺点 为此 必须努力发挥液压气动技术的优点 克服 缺点 注意和电子技术相结合 不断扩大应用领域 同时降低能耗 提高效率 适应环保需求 提高可靠性 这些都是液压气动技术继续努力的永恒目标 也是 液压气动产品参与市场竞争是否取胜的关键 随着科技不断的发展 使机械工业得到了很大的提高 特别是近年来机械工 业领域正向着高精度 高质量 高效率 低成本方向发展 随着机械工业的发展 其他各工业部门都想着高深度迈进 机械工业的发展日趋重要 机械工业是国民经济的支柱产业 现代机械制造技术是机械工业赖以生存和 发展的重要保证 机械制造工艺是制造机械产品的技巧 方法和程序 机械制造 中 需要的加工顺序 装配工序及检验工序等 使用着大量的夹具 可以提劳动 效率 提高加工精度 减少废品 可以扩大机床的工艺范围 改善操作的劳动条 件 因此 夹具是机械制造的一项重要工艺装备 夹具是一种装夹工件的工艺装备 它广泛地应用于机械制造过程中的切削加 毕业设计 论文 报告纸 2 工 热处理 装配 焊接和检测等工艺过程中 在金属切削机床上使用的夹具统 称为机床夹具 在现代生产中 机床夹具是一种不可缺少的工艺装备 它直接影响 着工件的加工精度劳动生产率和产品的制造成本等 鉴于该现状 加之本人的查阅资料与实地考查 专门针对棒料方面的机械夹 具进行了为期两个半月的毕业设计 该课题来源于实际生产 目前国内的棒料厂 尚未有自动生产线 从棒料出炉 上滚床 切割到卸料装箱 多个工序仍是人工 操作 采用单件和手工上料和卸料 劳动强度大 生产率低 事故发生率高 而 国外虽有自动卸料机构 只是单根卸料 生产率难以提高 只有与之相适应的生 产设备 才能保证快速 安全生产 为满足市场需要 对棒料生产提出越来越高的要求 不仅要求生产率高而且 棒料的形状规格多样 为改善目前的状况 笔者在参照原有设计的基础上进行了 创新设计 设计出了新型的更为简单实用的专门针对棒料自动卸料的铰链式液压 夹紧机构 该机构采用液压驱动 活塞微动相配合夹紧 可以同时夹持多根棒料 提出 了基于实体模型的工件夹紧点自动确定方法和夹紧信息表示方法 作为一种简单 实用的铰链式液压夹紧机构的设计方法 对以往的设计有了 很大的改进 在原来丝杠螺母旋转带动夹具的基础上 进行了更加简单的设计 引入曲柄滑块机构 进行模块化设计 便于安装和拆卸 结构的设计 是在多年 的生产经验基础上 吸收国内外同类产品的先进经验开发生产的 对环境适用性 强 无电磁波干扰 使用安全可靠 此夹具可以在无人员配合的条件下 自由的 装卸棒料 是一种新型实用的棒料夹具 毕业设计 论文 报告纸 3 第二章 夹具的机构设计 2 1 夹紧机构原理 夹紧机构对夹具的整体结构起决定性的影响 在选择或设计夹紧机构时 灵 活性很大 在满足产品质量的前提下 应注意使夹具的复杂程序与生产批量相适 应 夹紧机构的结构要便于制造 调整 使用和维修 不论采用何种力源 手动 或机动 形式 一切外力都要转化为夹紧力 这一转化过程都不得是通过夹紧机 构实现的 因此夹紧机构是夹紧装置中的一个重要组成部分 在各种夹紧机构中 起基本夹紧作用的 多为斜楔 螺旋 偏心 杠杆 薄壁弹性元件等夹具元件 而其中以斜楔 螺旋 偏心以及由它们组合而成的夹紧装置应用最为普遍 2 2 对夹紧装置的基本要求 机械加工过程中 为保持工件定位时所确定的正确加工位置 防止工件在切 削力 惯性力 离心力及重力等作用下发生位移和振动 机床夹具应设有夹紧装 置 将工件压紧夹牢 夹紧装置是否合理 可靠及安全 对工件加工的精度 生 产率和工人的劳动条件有着重大的影响 因此 夹紧机构应满足下面要求 1 夹紧过程中 必须保证定位准确可靠 而不破坏原有的定位 2 夹紧力的大小要可靠 适应 既要保证工件在整个加工过程中位置稳定 不变 振动小 又要使工件不产生过大的夹紧变形 3 夹紧装置的自动化和复杂程度应与生产类型相适应 在保证生产效率的 前提下 其结构要力求简单 工艺性好 便于制造和维修 4 夹紧装置应具有良好的自锁性能 以保证在源动力波动或消失后 仍能 保持夹紧状态 5 夹紧装置的操作应当方便 安全 省力 毕业设计 论文 报告纸 4 2 3 夹紧装置的组成 1 力源装置产生夹紧作用力的装置称为力源装置 常用的力源有人力和动 力 力源来自人力的称为手动夹紧装置 力源来自气压 液压 电力等动力的称 为动力传动装置 2 夹紧部分接受和传递原始作用力使之变为夹紧力并执行夹紧任务的部 分 一般由下列元件或机构组成 1 夹紧元件是实现夹紧作用的最终执行元件 如各种螺钉 压板等 2 中间递力机构通过它将力源产生的夹紧力传给夹紧元件 然后由夹紧 元件最终完成对工件的夹紧 一般中间递力机构可以在传递夹紧力的过程中 改变夹紧力的方向和大小 保证夹紧机构的工作安全可靠 并具有一定的自锁性 能 3 夹紧机构是指手动夹紧时所使用的 由中间递力机构和夹紧装置组成 如手柄 螺母 压板等 2 4 夹紧力的确定原则 确定夹紧力必须从力的三要素考虑 即力的大小 方向和作用点 它是一个 综合性问题 必须结合工件的形状 尺寸 重量和加工要求 定位元件的结构及 其分布方式等具体情况来确定 1 夹紧力方向的确定原则 夹紧力的作用方向不仅影响加工精度 而且还影响夹紧的实际效果 具体应 考虑如下几点 1 夹紧力的作用方向应保证定位准确可靠 而不破坏工件的原有定位精 度 工件在夹紧力作用下 应确保其定位基面贴在定位元件的工作表面上 为此 要求主夹紧力的方向应指向主要定位基准面 其余夹紧力方向应指向工件的定位 支承 2 夹紧力的作用方向应使工件的夹紧变形尽量小 3 夹紧力作用方向应使所需夹紧力尽可能小 2 选择夹紧力作用点的原则 毕业设计 论文 报告纸 5 夹紧力作用点的位置 数目及布局同样应遵循保证工件夹紧稳定 可靠 不 破坏工件原来的定位以及夹紧变形尽量小的原则 具体应考虑如下几点 1 夹紧力作用点应能保持工件定位稳固而不至引起工件发生位移或偏转 根据这一原则 夹紧力作用点必须作用在定位元件的支承表面上或作用在几 个定位元件所形成的稳定受力区域内 2 夹紧力作用点应使夹紧变形尽量小 夹紧力应作用在工件刚性好的部位上 对于壁薄易变形的工件 应采用多点 夹紧或使夹紧力均匀分布 以减少工件的夹紧变形 3 夹紧力的作用点应保证定位稳定 夹紧可靠 夹紧力的作用点应尽可能靠近被加工表面 以提高定位的稳定性和夹紧的可 靠性 如图 6 37 所示 有的工件由于结构形状所限 加工表面与夹紧力作用点 较远且刚性又较差时 应在加工表面附近增加辅助支承及对应的附加夹紧力 3 夹紧力大小的确定原则 当夹紧力的方向和作用点确定后 就应计算所需夹紧力的大小 夹紧力的大 小直接影响夹具使用的安全性 可靠性 夹紧力过小 则夹紧不稳固 在加工过 程中工件仍会发生位移而破坏定位 结果 轻则影响加工质量 重则千万安全事 故 夹紧力过大 无必要 反而增加夹紧变形 对加工质量不利 同时夹紧机构 的尺寸也会相应加大 所以夹紧力的大小应适当 在实际设计工作中 夹紧力的大小可根据同类夹具的实际使用情况 用类比 法进行经验估计 也可用分析计算方法近似估算 分析计算法 通常是将夹具和工件视为刚性系统 找出在加工过程中 对夹 紧最不利的瞬时状态 根据该状态下的工件所受的主要外力即切削力和理论夹紧 力 大型工件要考虑工件的重力 调整运动下的工件要考虑离心力或惯性力 按静力平衡条件解出所需理论夹紧力 再乘以安全系数作为实际所需夹紧力 以 确保安全 即 Fsw K Fw 式中 Fsw 所需实际夹紧力 单位为 N Fw 按静力平衡条件解出的所需理论夹紧力 单位为 N 毕业设计 论文 报告纸 6 K 安全系数 根据经验一般粗加工时取 2 5 3 精加工时取 1 5 2 实际所需夹紧力的具体计算方法可参照机床夹具设计手册等资料 2 5 夹具体的基本要求 夹具体是整个夹具的基础件 在夹具体上要安装组成该夹具所需要的各种元 件 机构 装置等 并且还必须便于装卸工件以及在机床上的固定 因此 夹具 体的形状和尺寸 主要取决于夹具上各组成件分布情况 工件的形状 尺寸以及 加工性质等 对于夹具体的设计提出以下一些基本要求 1 应有足够的强度和刚度 以保证加工过程在夹紧力 切削力等外力作用下 不致产生不允许的变形和 振动 为此 夹具体应具有足够的壁厚 在刚度不足处可设置一些加强筋 一般 加强筋厚度取壁厚的 0 7 0 9 倍 筋的高度不大于壁厚的 5 倍 近年来有些工 厂采用框形结构的夹具体 可进一步提高强度及刚度 而重量却能减轻 2 力求结构简单 装卸工件方便 要防止无法制造和难以装卸的现象发生 在保证强度和刚度的前提下 尽可 能体积小 重量轻 特别对手动 移动或翻转夹具 要求夹具总重量不超过 100N 相当于 10kg 以便于操作 3 有良好的结构工艺性和使用性 以便于制造 装配和使用 夹具体上有三部分表面是影响夹具装配后精度的 关键 即夹具体的安装基面 与机床连接的表面 安装定位元件的表面 安装 对刀或导向装置的表面 而其中往往以夹具体的安装基面作为加工其它表面的定 位基准 因此在考虑夹具体结构时 应便于达到这些表面的加工与要求 对于夹 具体上供安装各元件的表面 一般应铸出 3 5mm 高的凸台 以减少加工面积 夹具体上不加工的毛面与工件表面之间应保证有一定的空隙 以免安装时产生干 涉 空隙大小可按以下经验数据选取 夹具体是毛面 工件也是毛面时 取 8 15mm 夹具体是毛面 而工件是光面时 取 4 10mm 毕业设计 论文 报告纸 7 4 夹具体的 尺寸要稳定 即夹具体经制造加工后 应防止其日久变形 为此 对于铸造夹具体 要进 行时效处理 对于焊接夹具体 则要进行退火处理 铸造夹具体的壁厚变化要和 缓 均匀 以免产生过大内应力 5 排屑要方便 为了防止加工中切屑聚积在定位元件工作表面上或其它装置中 而影响工件 的正确定位和夹具的正常工作 因此在设计夹具体时 要考虑切屑的排除问题 当加工所产生的切屑不多时 可适当加大定位元件工作表面与夹具体之间的距离 或增设容屑沟 以增加容屑空间 2 6 夹具体的毛坯制造方法 在选择夹具体的毛坯制造方法时 应以下面因素作为考虑依据 即工艺性 结构合理性 制造周期 经济性 标准化可能性以及工厂的具体条件等 生产中 常用的夹具体毛坯制造方法有以下四种 1 铸造夹具体 铸造夹具体工艺性好 可以铸出各种复杂的外形 且抗压强度 刚度和抗振 性都较好 但生产周期长 为消除内应力 铸件需经时效处理 故成本较高 铸造夹具体的材料大多采用灰铸铁 HT15 33 或 HT20 40 当要求强度高时 也可采用铸钢件 要求重量轻时 在条件允许下也可采用铸铝件 2 焊接夹具体 焊接夹具体夹具体与铸造夹具体相比 其优点是易于制造 生产周期短 成 本低 重量轻 缺点是焊接过程中产生的热变形和残余应力对精度影响较大 故 焊接后需经退火处理 此外焊接夹具体较难获得复杂的外形 3 锻造夹具体 锻造夹具体夹具体只适用于形状简单 尺寸不大的场合 一般情况下较少使 用 4 装配夹具体 毕业设计 论文 报告纸 8 装配夹具体是很有发展前途的一种制造方法 即选用标准毛坯件或标准零件 组装成所需夹具体结构 这样不仅可大为缩短夹具体的制造周期 而且可组织专 门工厂进行专业成批生产 有利于提高经济效益 进一步降低成本 当然要推广 这种方法 必须实现夹具的结构标准化和系列化 2 7 夹具的发展趋势 无论是在传统制造业还是现代柔性制造系统中 由于大量的加工操作需要 装夹 夹具设计在制造系统中就显得非常重要 它直接影响加工质量 生产效率 和制造成本在一个柔性制造系统中 夹具设计制造的费用占到整个系统费用的夹 具在单件 成批 大量生产中得到了广泛的应用 它是在制造加工过程中根据设 计说明书 在合理的位置定位和牢固装夹工件 从而完成所要求的加工过程的 一种装置柔性夹具是随柔性制造系统和计算机集成制造系统的发展而应运而生 的没有柔性夹具 就不可能实现真正意义上的柔性 而随着的提出 多品种中 小批生产日益受到重视 适应于这种产品和生产变化需要的柔性夹具更是必不可 少的年代中期开始 从计算机辅助夹具设计到自动夹具设计 在国际上普遍受 到重视 同时正在发展成为一个独立的制造软件系统 1 柔性夹具的研究和发展 制造过程的工艺设备包括刀具 夹具 检测设备及模具的选择和设计为了降 低装夹费用和生产准备时间 柔性装夹是必不可少的一般说来 柔性夹具是指 工件的形状和尺寸有一定变化后 夹具还能适应这种变化并继续使用的应变能 力但是工件变化可以在小范围 即在相似的形状和尺寸变动不大的范围 也可 在大范围 即零件形状完全不同 尺寸变化也很大所以 柔性夹具还是模糊的 没有明确的定义和界限笼统地说 就是指与机床 加工中心配合使用的 具有夹 持多种不同工件能力的夹具 柔性夹具包括组合夹具 可编程夹具 通用柔性 夹具 相变材料柔性夹具及其它夹具 使用不同的相变材料可得到多种类型的夹 具 相变材料柔性夹具 而相变材料柔性夹具适合于装夹具有复杂曲面和刚度 较弱容易变形的工件朱耀祥和融易鸣中将年代后期柔性夹具的研究开发分为两 大方向 毕业设计 论文 报告纸 9 2 计算机辅助夹具设计 CAFD 在过去的十几年中 制造研究团体将研究的重点放在了发展和改善诸如计 算机辅助设计计算机辅助制造 CAD CAM 和计算机辅助工艺规划 CAPP 等方面 只是在最近20年来 CAFD才发展成为 CAD CAM 集成技术的一个重要组成部分 并且成为CAPP的一个重要方面 它是CIMS环境下设计和制造之间的连接纽带 随 着CAD CAM系统在工业中的建立 CAFD很自然地应用到了夹具设计当中 CAFD领域的主要研究方面有 1 夹具设计时基于成组技术的分类方法及基 于案例的推理 2 通过运动学分析确定定位点和夹紧点 3 利用基于知识的专 家系统选择定位面和夹紧面 4 基于几何分析的夹具规划 5 用于定位基准 选择的精度关系分析 6 组合夹具的构形设计 3 自动化夹具 AFD 近年来组合夹具系统的设计受到了夹具行业的普遍关注 并且在一些文献 中对该领域的最新发展成果进行了回顾 通过几何计算的方法验证了夹具构形中 力的锁合问题 在确定优化的夹紧点和夹紧顺序中提出了几何推理的方法 这 种方法在考虑到力的锁合后 从候选的夹紧点布局中确定最优化的夹紧点 是 非常简单并行之有效的 通过变形一种是由于装夹所产生的接触变形 另一种是 由于切割力所引起的工件的弯曲变形分析 对支撑和夹紧位置进行所需的重新 布置 以在给定的工件上设计出最好的支撑 定位和夹紧位置 完成加工过程中 牢固精确地夹紧工件的功能 并在自动夹具设计原型系统中贯彻了这样的推理机 制该系统提供了一种智能化的自动夹具设计环境系统由个主要模块构成完全信 息化的产品模型知识库推理机制最终的夹具构型 按照自动化程度区分 夹具设 计系统分为交互式 半自动化式和自动化式交互式的夹具 设计系统是计算机为 使用者提供一种信息化的用户界面 基于设计者的知识 辅助用户选择合适夹 具元件的一种系统系统由于要由用户根据工件的几何形状及加工要求来选择装 夹表面 装夹点及夹具元件 所以是非常耗时的 而且并未完全开发出计算机的 功能半自动化式的夹具设计系统是在交互式的基础上加以改进而来的 它降低 了对设计者专业知识的要求而自动化式的夹具设计系统用以进一步提高夹具设 毕业设计 论文 报告纸 10 计过程的效率和质量 可以自动确定夹紧点 自动从一系列候选点列表中选择 精确的夹紧点 等基于先进的及技术在组合夹具上的应用 使用方法和一软件 技术 开发了一种自动组合夹具设计系统该系统与交互式和半自动化式的夹具 设计系统相集成 除了能够自动确定夹紧点外 还可以使用加工干涉检测子模 块来防止加工过程中切割工具和夹具之间的干涉和 则提出了一种快速干涉检测 算法 该方法将夹具部件模型简化成具有高度信息的二维轮廓模型 它不同于 使用填充实体的检测过程 在夹具验证方面更加有效 毕业设计 论文 报告纸 11 第三章 系统的参数设计与计算 3 1 机构的组成和工作原理 3 1 1 机构的组成 夹持部分的设计如下图所示 由以下部分组成 7 8 11 6 9 10 12 13 1415 161718 19 20 782230 1376 110 170 270 35k6 40k6 60JS7 25k6 50H7 图 3 1 主视图 毕业设计 论文 报告纸 12 12 3 4 5 拆 去 顶 部 换 向 机 构 图 3 2 俯视图 拆 去 液 压 马 达 连 轴 器 角 板 和 联 接 板轴 承 等 21 22232425 100 2627 28 29 30 31 32 33 34 图 3 3 左视图 夹持部分 由螺栓1小液压缸 2底板 3导轨 4销轴 5滑块 6支撑板 7支撑板焊接件 8传 动杆 9连接支架 10顶部滑轨滑座 11顶板 12联接板 13轴承 14螺栓M10 30 15 轴承 16轴承 17角钢 18弹性套销联轴器 19液压马达 20角钢 21导轨 22滑块 23开槽螺母 24开口销 25键 26蜗轮 27蜗杆 28轴 29U型固定件 30轴头部接套 毕业设计 论文 报告纸 13 31防松螺母 32液压缸头套组件 33主液压缸 34嵌块 转向机构 由液压马达驱动蜗杆转动 蜗杆带动蜗轮转动 蜗轮与联接轴固联 联接轴 便带动下部夹持部分转动 完成转向功能 运动部分 由主液压缸实现滑块的上下移动 通过传动杆带动横向滑块的横向运动 完 成夹持 由小液压缸来防止棒料长短不一而产生的松动 控制部分 由计算机自动控制 3 1 2 机构的工作原理 整个工作过程是 夹紧棒料 提升 走位 下降 松夹 上升 回位 下 降 开始时 夹持部分 工作由主液压缸 传动杆 带动左右滑块 及和它相连 接的左右支撑板 一起位移 当支撑板靠近棒料时嵌块配合运动 将棒料夹紧 然后由提升机构将整个机构提起 上升到一定高度后 上液压马达驱动齿轮 转动 齿轮齿条啮合走位 行走至料箱正上方时停止走位 然后提升机构将整个 机构下放 夹紧机构连同棒料一起下降 下降至一定高度时 夹紧机构中主液压 缸回缩带动传动杆和与它相连接的滑块移动 并带动了左右支撑板的松夹 同时 小液压缸活塞回缩 将棒料放入料箱中 然后提升机构将夹紧部分提起 上液压 马达驱动齿轮反向转动 回位至料箱正上方 齿轮停止转动将夹持部分放下 完 成一个工作循环 当运送方棒需要转向时 上端液压马达通过联轴器驱动蜗杆 蜗杆带动蜗轮 转动 蜗轮带动连接轴下端的夹持部分一起转动 完成转向功能 3 2 液压系统的设计 3 2 1 液压系统的工作原理及设计准则 液压缸是将液压能转变为机械能的 做直线往复运动 或摆动运动 的液压 执行元件 它结构简单 工作可靠 用它来实现往复运动时 可免去减速装置 并且没有传动间隙 运动平稳 因此在各种机械的液压系统中得到广泛应用 毕业设计 论文 报告纸 14 液压缸的设计和计算是在对整个液压系统进行工况分析 计算了最大负载 力 先定了工作压力的基础上进行的 详见第十一章 因此 首先要根据使用 要求确定结构类型 在按照负载情况 运动要求决定液压缸的主要结构尺寸 最 后进行结构设计 1 在设计液压系统时首先要对所要设计的设备进行全面的了解 明确设备 对液压系统的所有要求 例如 所设计设备的用途 总体布局 对液压装置的位 置与空间尺寸的限制 设备的工艺流程 动作循环 技术参数及性能要求 设备 对液压系统的工作方式及控制方式的要求 对液压系统的工作条件 工作环境 经济性与成本等方面的要求等等 2 液压系统原理图的拟定是在系统的方案设定的基础上 通过选择基本回 路 拟合回路 优化回路性能 防止回路干扰完成 确定液压系统方案时 要涉 及到系统参数的调整 工作介质及回路类型的选择 执行元件与动力装置种类的 初定等 系统参数的调整与控制主要涉及调速 调压 换向三个方面 对于电动机驱 动的中小型液压设备 或系统的平稳性要求较高时 可选用节流调速或容积节流 调速回路 当要求系统高效节能且速度平稳性要求不高时 可选用容积调速回路 若原动机为内燃机时 可通过改变泵的转速来实现调速 压力控制应根据执行元 件的工作需要而确定稳压 安全 减压 卸载 平衡等调压方式 换向方式主要 分为电动和手动两大类 当设备要求自动控制时应选电动换向方式 对于行走机 械 工程机械 多采用手动操纵方式 普通液压设备一般选用矿物型液压油 在高温及易燃环境下作业的液压设备 应选用难燃工作介质 液压装置可分为开式和闭式回路两种方式 对于普通液压 设备应采用开式回路 对于行走机械 工程机械或航空液压装置应选用闭式回路 液压设备的执行元件是根据设备负载的大小 运动形式 行程长短 空间结 构等条件 确定执行元件的类型 计算结构参数 然后制订执行元件的负载 行 程 速度 行程 功率 行程工况图 根据此图初步确定液压泵的类型 3 液压系统参数的计算与液压元件的选择是在初选了执行元件与泵的类型 毕业设计 论文 报告纸 15 后进行的设计工作 根据选定的液压泵和所拟定的液压系统图 计算各个液压控 制阀及辅件等液压元件在不同工作阶段所承受的压力与流量等系统参数 以此选 定元件的规格 液压系统参数的计算必须逐一将各工作阶段的系统实际形成的参 数计算出后 经过分析对比 加权折扣后 最终才能确定各元件的规格参数 单 凭某一工作阶段的工况是无法确定元件的规格参数的 4 系统的验算与各控制元件调整参数的设定是系统设计的另一项重要工作 根据液压系统的不同 验算性能参数的项目也有所不同 一般要进行系统压力损 失验算 系统发热验算 系统散热验算 系统效率演算等 若根据液压装置计算 出的压力损失大于预先估计的压力损失值 则应提高泵的额定压力或增大溢流阀 的调整压力 系统发热验算的目的是验算油温是否超过允许值 若油温超过允许 值则应考虑扩大油箱容积或单独设置冷却装置 控制元件调整参数的设定主要指 压力阀调整压力确定与各测压点压力的确定 当系统的验算完成了 各压力阀的 调整参数就可以确定 据此可以设置系统的压力控制点 检测系统的工作状态 5 设计文献的编制与非标液压装置的设计是系统设计的最后一个内容 设 计文献主要包括设计任务书 设计计算书 使用说明书 易损件明细表等 非标 液压装置设计主要包括非标准件设计 液压装置总图设计 管道安装图设计等 这些文献和设计是依据液压设备的不同 系统复杂程度差异 产品用途不同而不 同 6 液压系统的一般设计过程包括 明确要求与负载分析 选择方案与回路 设计 参数计算与元件选择 系统验算与参数设定 文献编写与装置设计等几个 设计步骤 由于液压系统的多样性 许多因素无法直接确定 因此设计步骤是灵 活的 经常会遇到设计步骤需要穿插进行 特别是对于不同的设计对象 例如机 床液压系统 工程机械液压系统 冶金设备液压系统等 其设计步骤略有差别 对于比较简单的液压系统有些步骤可以简化与合并 7 随着技术的发展 有许多设计资料可以参阅 多种设计经验可以借鉴 因此 设计资料的查找 设计思想的建立也是本章需要注意的问题 在查找设计 手册 阅读产品样本时要注意数据资料使用条件和环境要求 在学习设计方法时 毕业设计 论文 报告纸 16 应认识到 一个设计方案常要通过分析 对比 选择和估算等过程才能最终确定 一个恰当的设计参数通常需要经过设计 检验 否定 再设计 检验 否定等几 个反复过程才能完成 3 2 2 受力分析 先进行受力分析 按棒料的最大重量计算 体积 v 700 3 14 10302 25 700 22644345 5 取 质量 m pv 棒料比重2 6 3 取3 3 22 644 338 932 kg 取340 kg 重量 G mg g 10N kg 340 10 3400N 安全系数 1 1 1 3 取1 3 G 3400 1 3 4420Nf 对棒料进行受力分析 G 单根棒料的重力 f 夹板和棒料产生的摩擦力 棒料可以安全夹持的条件 2f 即f 1700N 由公式 F 知F f 摩擦系数0 2 计算得出小液压缸提供的预防棒料滑脱所提供的压力为 F小 f M 441 558 0 2 8500N 毕业设计 论文 报告纸 17 F为底部夹板提供的压力 因该机构共可夹持2根铝棒 2根铝棒的总重量 G 1总 G 2 G 2 3400 6800N底部固定小液压缸钢板总重量G 2总 G为单个钢板重量 L 1029mm h 60mm d 20mm 7 89 Kg G V g L h d g 60 20 1029 7 89 10 9 734 10 97 43N 钢板总重量 G 2 G 194 86N 下部总重 G总 G G 6800 194 86 6994 86N 取7000N 3 2 3 液压缸工况分析 在夹持棒料时的受力分析 在夹持长为500mm的棒料时 主液压缸所提供的力F主 G总 7000N 由力的平衡知 F总 cos21 G cos21 总 F cos21 7000 cos21 总 F总 8046N 当夹持500mm棒料时 主液压缸需提供的压力为8046N 在夹持长为700mm的棒料时 主液压缸所提供的力F 主 液压缸提供的力F 由力的平衡计算得 F cos31 G总 cos31 F 9589 04N 柱 因此选择液压缸应该提供的力大于等于9589 04N 选取10000N 毕业设计 论文 报告纸 18 液压缸所受外负载 F 包括三种类型 即 F Fw Ff Fa 式中 Fw 工作负载 对于液压机来说 即为压制力 由上得Fw为 10000N Fa 运动部件速度变化时的惯性负载 Ff 导轨摩擦阻力负载 启动时为静摩擦阻力 启动后为动摩擦 阻力 对于平导轨 Ff 可由下式求得 Ff f G FRn G 重力 FRn 垂直于导轨的工作负载 事例中为零 f 导轨摩擦系数 静摩擦系数取 0 2 动摩擦系数为 0 1 初步确定液压缸参数 F惯 tg VG 7000 3 9 81 0 3 7135 58N 1 摩擦力 F 动 F 静忽略不计 2 重力 F重 7000N 3 密封阻力 F密 0 1F F 为总的负载 4 背压阻力F背 F背处算时不考虑 5 压制力 F 压 10000N 3 2 4 液压缸的设计与计算 1 液压缸主要尺寸的确定 计算液压缸内径 D 和活塞杆直径 d 由上知最大负载 F 为 10000N 可取 p2 为 0MPa cm 为 0 95 取 d D 为 0 7 将上述数据代入下式可得 D 毕业设计 论文 报告纸 19 2 6 2 1 2 1 7 01 200 0 195 02014 3 100004 11 4 10 N D d F P P p cm 12 203cm 由液压缸尺寸系列表 2 4 查得 D 12 5cm 活塞直径 d 按 D d 0 7 d 87 5 由表 2 4 和 2 5 液压缸和活塞尺寸系列 取液压缸为 D 125mm 和活塞为 d 90mm 表 2 4 液压缸内径尺寸系列 GB2348 80 8101216202532 40506380 90 100 110 125 140 160 180 200 220 250 表 2 5 活塞杆直径系列 GB2348 80 45681012141618 202225283236404550 5663708090100110125140 2 液压缸的设计 1 液压缸工作压力的确定 根据设备的类型初选工作压力 P 20MPa 2 液压缸内径 D 和活塞杆 d 的确定 有前面的计算以得出 D 12 5cm d 9cm 3 液压缸壁厚的确定和外径的确定 3 液压缸一般用无缝钢管材料 大多属于薄壁圆筒结构 其壁厚按薄壁圆筒 公式计算 2 D py 式中 液压缸壁厚 m 毕业设计 论文 报告纸 20 D 液压缸的内径 m py 试验压力 一般取最大工作压力的 1 25 1 5 倍 MPa 缸筒材料的许用应力 其值为锻钢 110 120MPa 铸钢 100 110MPa 无缝钢管 100 120MPa 高强度铸铁 60MPa 灰铸铁 25MPa MPaMPa pp ny 2011 185 15 1 100MPacm MPa cmMPa 698 1 1002 5 1220 查无缝钢管标准系列取mm20 4 缸体的外径为 2 1 D D 225 12 5 16 cm 现取 D 16 5cm 选择 YB231 64 型无缝钢管 cmcm D 2 5 16 1 5 液压缸工作行程的确定 由于本执行机构实际工作的最大行程为 200mm 系列尺寸确定缸的工作行程 为 200mm 6 缸盖厚度的确定 一般液压缸多为平底缸盖 其有效厚度 t 按强度要求可用下面式 子进行近似的计算 t 433 0 02 2 2 dD D p D y mm 035 0125 0 100 125 011 185 1 125 0433 0 10 6 毕业设计 论文 报告纸 21 mm25 33 式中 t 缸盖有效厚度 m D2 液压缸缸盖的止口直径 m d0 缸盖孔直径 7 最小导向长度的确定 最小导向长度是指从活塞支撑面到缸盖滑动轴承支撑面中点的距离 如果导 向长度过小 将使液压缸的初始绕度增大影响液压缸的稳定性 对一般液压缸 要求最小导向长度 H 应满足以下要求 H 220 D 式中 L 液压缸的最大行程 D 液压缸的内径 H 220 D 2 125 20 200 5 71 cm 活塞的宽度 B 一般取 B 0 6 1 0 D1 缸盖的滑动支撑面的长度 1 根 据液压缸内径 D 而确定 当 D80mm 时 取 1 0 6 1 0 d 因为 B 在 0 6 1 0 D 故 B 75 125 mm 现取 B 80mm 因为 D 250mmmm80 故取 1 0 6 1 0 d 现取 1 75cm 毕业设计 论文 报告纸 22 3 3 蜗轮蜗杆的设计 3 3 1 蜗杆传动的类型和特点 按蜗杆形状的不同 蜗杆传动可分为圆柱蜗杆传动 环面蜗杆传动和锥蜗杆 传动 圆柱蜗杆传动又可分为普通圆柱蜗杆传动和圆弧齿圆柱蜗杆传动 如图 3 4 所示 根据蜗杆的形状 蜗杆传动可分为圆柱蜗杆传动 图 a 环面蜗杆传 动 图 b 和锥面蜗杆传动 图 c 在普通圆柱蜗杆传动中 又有多种型式 其 中 阿基米德蜗杆传动制造简单 在机械传动中应用广泛 而且 也是认识其他 类型蜗杆传动的基础 a b c 图 3 4 蜗轮蜗杆的传动原理图 蜗杆传动是用来传递空间两交错轴间的运动和动力 其特点是传动比大 工 作平稳 噪声低 结构紧凑 可以实现自锁等优点 它的主要缺点是蜗杆齿与蜗 轮齿相对滑动速度大 发热大和磨损严重 传动效率低 毕业设计 论文 报告纸 23 3 3 2 蜗杆传动的失效形式 由于蜗杆螺旋部分的强度总是高于蜗轮轮齿的强度 失效经常发生在蜗轮轮 齿上 又因蜗杆传动在齿面间有较大的相对滑动 发热量大 所以其主要失效形 式有胶合 点蚀 磨损和轮齿断裂等 其中 闭式传动容易产生齿面胶合 开式 传动容易产生齿面磨损 3 3 3 蜗杆传动的受力分析 蜗杆传动的受力分析与斜齿圆柱齿轮传动大体相同 但应注意到蜗杆轴线与 蜗轮轴线在空间成 90 交错配置 齿面上作用的法向力Fn为一空间力 它同样 可以分解为三个互相垂直的分力 即圆周力Ft 径向力Fr和轴向力Fa 蜗杆和 蜗轮所受三个分力的方向可按如下方法判定 1 蜗杆上的圆周力起阻力作用 与回转方向相反 蜗轮上的圆周力起驱动 力的作用 与回转方向相同 2 蜗杆和蜗轮上的径向力分别指向各自的轮心 3 蜗杆上的轴向力按 左 右手定则 来判定 蜗轮上的轴向力与蜗杆上 的圆周力方向相反 图 3 5 蜗杆传动受力分析 毕业设计 论文 报告纸 24 3 3 4 蜗轮蜗杆的参数设计与计算 由于材料和结构等因素 蜗杆轮齿的强度远比蜗轮轮齿的强度高 因此 轮 齿的失效都出现在蜗轮上 在强度计算中只计算蜗轮的轮齿 有关胶合与磨损的 计算 目前还缺乏可靠的方法与数据 故仍按齿轮的方法进行计算 在公式与许 用应力中适当考虑胶合与磨损的影响 在多数情况下 蜗轮轮齿弯曲强度所限定 的承载能力大都超过齿面接触强度所限定的承载能力 因此 只需按照齿面接触 疲劳强度计算即可 蜗轮齿面接触疲劳强度计算与斜齿轮相似 以赫兹公式为计算基础 按节点 处的啮合条件计算齿面接触应力 可推出对钢制蜗杆与青铜蜗轮或铸铁蜗轮校核 公式如下 2 21 2 2 2 21 2 520520 zdm kT dd kT H H 设计公式为 1 2d m 2 2 2 520 H z kT 式中 T2为蜗轮轴的转矩 Nmm K为载荷系数K 1 1 5 当载荷平稳相对滑 动速度较小时 vS 3m s 取较小值 反之取较大值 严重冲击时取K 1 5 H 蜗轮材料的许用接触应力 MPa 当蜗轮材料为锡青铜 b25 10 7时应取 N 25 10 7 5 106 2 N时应 取 5 106 2 N 当蜗轮的材料为铝青铜或铸铁 b 300MPa 时 蜗轮的主要 失效形式为胶合 许用应力与应力循环次数无关 计算项目计算与说明计算结果 1 选择材料确定 许用应力 1 选择材料 蜗杆 45号钢表面淬火45 50HRC 蜗轮 ZCuSn10P1 砂模铸造 初估 vs 4m s 2 确定许用应力 0H 200MPa H 158 MPa 蜗杆 45 钢表面 淬火 45 50HRC 蜗轮 ZCuSn10P1 砂 模铸造 毕业设计 论文 报告纸 25 nmi 48 20 960 1 2 r i n n 24000103008 h Lh N 60 n2 Lh 60 48 24000 6 9 10 7 79 0 109 6 1010 8 7 7 8 7 N ZN H ZN 0H 200 0 79 158MPa 2 确定 z1 z2 z1 2 表 7 1 z2 i z1 20 2 40 z 1 20 z2 40 续表 3 计算蜗轮转矩T2 T2 9 55 10 6 P 1 n2 9 55 10 6 4 0 8 48 6 37 10 5 Nmm 取 0 8 T2 6 37 10 5 Nmm 4 按齿面接触疲 劳强度计算 K 1 1 工作载荷稳定速度较低 2 2 21 2 520 H z KTdm 2 5 15840 520 1037 61 1 4744mm 3 由表 7 2 取m 2d 5376mm3得 m 8 q 10 d1 80mm d2 mz2 8 40 320mm arctg z1m d1 arctg 2 8 80 11 31 m 8 q 10 d1 80mm d2 320mm 11 31 5 校核齿根弯曲 疲劳强度 略 6 验算传动效率 v1 d1n1 60 1000 3 14 80 960 60 1000 4 02m s vs v1 cos 4 02 cos11 31 4 1m s 查表 7 8 得 v 1 36 97 0 95 0 v tg tg 36 131 11 31 11 97 0 95 0 00 0 tg tg 0 84 0 86 0 84 0 86 与 初估值 0 8 相近 毕业设计 论文 报告纸 26 7 几何尺 寸计算 蜗 杆 d1 80mm da1 m q 2 8 10 2 96mm df1 m q 2 4 8 10 2 4 60 8mm pa1 m 3 14 8 25 12mm L 11 0 06Z2 m 11 0 06 40 8 107mm d 1 80mm da1 96mm df1 60 8mm pa1 25 12m m L 107mm 蜗 轮 d2 mz2 8 40 320mm da2 m z2 2 8 40 2 336mm df2 m z2 2 4 8 40 2 4 300 8m m de2 da2 1 5m 336 1 5 8 348mm b 0 75da1 0 75 96 72 mm d2 320mm da2 336mm df2 300 8mm de2 348mm b 72 mm 中 心 距 a m q z2 2 8 10 40 2 200mma 200mm 8 热平衡计算 取t0 20 t1 65 ks 14w m 2 1 1000 01 1 ttK P A S 95 0 2065 14 4 85 01 1000 m 2 所需散热 面积 A 0 95m 2 9 结构设计绘制工作图 略 3 4 机构材料的应力分析 3 4 1 底部钢板的受力分析 当夹持重物时对机构底部钢板进行受力分析和滑轨所在钢板的弯曲校核 在底部钢板上有四个滑块 在滑块的运动过程中 滑轨承受主要的力 计算 在此过程中滑轨所在的钢板是否会弯曲变形 底部四个滑块在运动过程中所受的摩擦系数 0 1 选择钢板是 45 号钢 80MP 因为底部钢板有四块滑块分担重量 因此 此处的G为总重量的1 4 即 7000 4 1750N G 1750N 经分析显然C界面处是危险面 毕业设计 论文 报告纸 27 Fa Fb G 2 M Fa l 2 Nm G 2 l 2Nm 1825 2 0 47 2 Nm 214Nm 对C界面处进行校核 214 Wz 6316410 86 6 32M P 通过计算可以看到所选择的钢板可以承受相应的压力 3 4 2 对夹持板的校核 单个所承受的拉力 F拉 G 8F压 F 8 tan31 125660 8 0 5150