碟形弹簧测力分选机结构设计【说明书+CAD】
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The Japan Society of Mechanical EngineersNII-Electronic Library ServiceThe Japan Society of Mechanical EngineersNII-Electronic Library ServiceThe Japan Society of Mechanical EngineersNII-Electronic Library ServiceThe Japan Society of Mechanical EngineersNII-Electronic Library ServiceThe Japan Society of Mechanical EngineersNII-Electronic Library ServiceThe Japan Society of Mechanical EngineersNII-Electronic Library ServiceThe Japan Society of Mechanical EngineersNII-Electronic Library ServiceThe Japan Society of Mechanical EngineersNII-Electronic Library ServiceThe Japan Society of Mechanical EngineersNII-Electronic Library ServiceThe Japan Society of Mechanical EngineersNII-Electronic Library ServiceThe Japan Society of Mechanical EngineersNII-Electronic Library Service碟形弹簧的力由 Minoru HAMADA 和 Yasuyuki SEGUCHI编写本文的研究内容是关于碟形弹簧的行为的微分方程进行数值求解，研究利用势能驻值原理的近似解的精度。由H. B.凯勒和E. L.提出的通过修改迭代程序的解决方案获得的。赖斯的迭代过程获得的近似解本质上是和Wempner的近似解一样的，但通过减少一个几何参数，发现在设计公式的基础上给出的更紧凑的近似解实在践中是有效的，并且进行了实验，并与理论结果进行了比较。1、 介绍本文讨论的问题是碟形弹簧的轴向载荷下的强度，如图1所示。根据碟形弹簧的几何因素在许多方面，负载偏转特性的分析有所不同；例如，我们发现的一些有趣案例，恒载挠度情况下，负弹簧常数。这些特征的分析，然而需要类似的不稳定对扁球壳基于有限变形理论，展现“oilcanning”现象的问题复杂的解决。因此，我们可以找到一些近似解（1）（2）;由J.O. A1men 和Alaszlo in 1936（1）联办得到的近似的解决方案，通常用于盘簧的设计。现在它是检查这些近似解的精度非常重要的方法。图1 碟形弹簧轴向图在这份报告中，我们将介绍用于解决应用E.Reissner的一般旋转壳理论（3）以浅锥壳获得的非线性常微分方程的数值方法。这个数值的过程是由H.B.凯勒沙丘和E. L.赖斯（4 ）在迭代过程的改进的，因为在这一过程中，是由势能驻值原理的近似解作为迭代增加其有效性的初步估计。这里所用的基本方程，并通过应变能量法的近似解仅包括两个几何参数和使计算的结果可以被安排在较简单的形式，因此，盘簧的设计，可以更容易地进行，而在以前的结果，包括Wempner的解决方案2三缘度量参数，也就是弹簧的高度，半径比和弹簧厚度已被使用。通过迭代多项式，引诱数值计算被执行为各种几何配置碟形弹簧并将其结果与该解决方案由应变能量的方法相比。由此，可以确认的近似解是根据本解决方案的设计公式给出的有足够精确的实际用途。从实验的角度来看，虽然由J. O. Almen和A.拉斯洛1的详细结果是有效的，那么在这个调查的数值解相比，其他类型的碟形弹簧的生产和实验实现fllirm效度的数值程序和应变能量法得到的结果。2、 基本方程革命由E. Reissner变分，即假设小应变，无剪切变形而得壳挠度理论，都写在以下几种形式：其中而且和是年轻的rnodulus和泊松比。其它符号的定义按照图2是由以下关系式定义的元素的旋转角度：圆锥壳方程由上述关系得到的（见图1）。通过设置D= ds，其等效于= 1和和此外通过使用以下近似和限制非线性项的二阶的旋转角度，微分方程（1）和（2）降低到以下形式：碟形弹簧的载荷是轴向力P，没有统一的正常压力的存在条件，因此，从方程（4）;代方程。（9）和（10）代入式（7）和（8），我们有下面的关系式：使用的无量纲变量f，g和x，这是定义的关系方程（11）和（12）则成为其中和Q是由以下表达式和参数定义：差分方程（14）和（15）是适用于根据轴对称轴向力P的任何圆锥壳，但是当锥壳薄，浅，盘簧，这些方程可以简化得多，而忽略了与tan从假设H和分别为小，并使用表达式方程（14）和（15）最终成为如下所示：符号在方程（17）是几何参数，这是关系到初始子午线角和厚度h，并且方便简化计算和其结果的表现形式的程序，而符号Q 为负载参数。记住盘弹簧的支撑力条件下使用时，我们考虑以下边界条件： 案例A：随意移动这两个边缘。案例B：内边自由移动和外缘不动产。（无径向位移）方案C：外缘不动产和内缘自由移动。除了上述边界条件，被认为是边缘不动的情况下，但在这种情况下，碟形弹簧太硬。在上述方程，我们使用的符号=ba。如果方程的解由（18）和（19）得到，垂直偏转和盘簧的应力可以通过下面的关系来计算：垂直挠度w：径向应力的合力Nr：周向应力的合力No:径向弯矩的每单位长度Mr:周围的每单位长度的弯曲力矩M:基本方程（18）和（19）预计是一样准确，von Karman方程为板的大挠度的问题，并考虑到von Karman方程是足够精确的在实践中，使用公式得到的结果。 方程（18）和（19）预计也是准确的。3、近似解的应变能法获得解决方案满足上述关系，我们首先要解决的问题的碟形弹簧近似用应变能的方法，用它作为迭代的初始估计由于更好的近似作为初始估计，更快的迭代收敛到解。该数值的过程也被称为Keller-Reiss方法的改进，因为在我们的方法中的负载参数的任意值的解决方案可以直接获得，而在Keller-Reiss方法不能做。假设该碟形弹簧仍圆锥形的外力施加后，我们设置替代这个假设相容方程（19）和整合；g的近似解，得到如下：而 和C1C2是积分常数。现在使用以下符号：V：总的潜在能量U：应变能Q：由外力势能而忽略了剪切应力的影响，获得以下关系：其中内力和弯矩；Nr，No，Mr和Mo可考虑方程未知的fa表示。（24）至（29）。代入式（30），我们终于到达总势能的表达式，即，积分常数C1，C2是由边界条件如下：方案A方案B方案C未知，fa是由势能驻值原理dV / dfa = 0。然后由应变能法最后的结果是其中，M是从下列关系计算出的常数：方案A方案B方案C这应该由边界条件决定。方程（29）和（35）的应变能量法的碟形弹簧近似解。应当指出的是，G. A. wempner的解决方案也由应变能量法得到但它包括三个几何参数，而本文的近似的解决方案包括两个几何参数的简化表达式结果有用。然而，是容易看到的是，无论是哪个都是基本相同的。4、数值解的迭代过程如果未知。方程（35）确定的半径比为一定值，几何参数k和负载参数Q，与以下几步迭代过程进行，fa作为初步估计：（1）m=1，m是正整数作为迭代次数。（2）解（3）解（4）计算fm（5）使m+1m然后跳到（2）。在上面的过程，就是所谓的松弛参数此过程中，如前所述，是Keller-Reiss的方法，其中所述迭代，必须从一个小的负载参数（对于该解决方案由线性理论和由非线性理论并不那么不同）进行，以一个大的负荷参数，而上述迭代过程可以给负载参数的任意值的解决方案中。 松弛参数。是用来加速收敛的解决方案或防止发散。在一般情况下，提高了算法的收敛性能降低的参数值，收敛观察不能被很好的参数的值的改善。表1比较的挠度和应力为n =50，100和200（V=0.3）方程（39）和（40）与给定的边界条件，可以很容易地用有限差分法求解，为他们的右手边是在迭代法是一种线性化和每一步的认识，应用有限差分近似，他们成为线性代数方程组或三对角方程系统的解决方案，可以容易被消除的方法只有两次是必需的。用于此目的的有限差分近似如下：除了边界内的网格点，对于这两种界限其中 N：网格数（a） 挠度和应力分布曲线（b） 挠度和应力分布曲线（C）周向弯曲大负载参数应力分布的例子图35、数值计算进行了数值计算，对于n=100和的情况下，因为它是最重要的。一般来说，用有限差分法求解的精度取决于其网格数N。表1给出了两个例子，他经常计算n=50，100，200显示，对于n=100是足够精确的实际用途的计算。式中的松弛参数的最佳值（41）所应选择的试验。当它是计算的收敛是不好的条件下观察到，值立刻进行修改。改善这种不良状况和减少计算时间，注意到一个较小的值一般应足以不收敛条件。因此，计算程序是这样写的能够改变的值手动操作时非常方便。在迭代过程收敛的数值的标准，我们把该解决方案解的精度，可以任意选择的值来确定。在这里，我们把 =0.00005 数值计算是大阪大学NEAC-2206数字化计算机上执行的。6、数值结果6.1偏转和应力分布曲线图3显示了几个与无量纲形式的w/hCOS和应力分布与后缀r和形式的平均径向和环向薄膜应力变形分布的例子，分别表示br和b平均径向及周向弯曲应力-ES。如图所示，径向应力远远小于膜应力和弯曲应力，因此只有周向应力的周向应力引起的讨论。和弯曲应力，没有例外，内边缘处最大，且抗压的上表面和下表面上的拉伸。另一方面，膜应力的内部边缘的压缩和拉伸的外边缘处的挠度较小的地区除了的情况下，K为零。对变形较大的区域，它们的拉伸的内缘和压缩的外边缘和一个瞬变点发生变形的中间值，膜应力分布呈现奇异性图3（a）。同时对负荷参数的弯曲应力分布略有奇异图大值（C）。不管怎样，总应力是薄膜应力和弯曲应力和最大的上表面或下表面的内侧边。因此，图5显示了在6.3内边缘仅占总应力。图3中，由应变能量法的近似的解决方案相比得到数值解。图46.2荷载-挠度曲线碟形弹簧的载荷-挠度曲线的参数值和P=0.25，0.5和0.75，如图4所示在负载是无量纲形式表达，在形式最大挠度。在每一种情况下，比较了由应变能量法的近似解。一般来说，如图4所示，近似解与P的较小的值的数值解，但不为不稳定区域是如此的精确。无论如何，能源解决方案的可能几乎被称为碟形弹簧近似。6.3应力-挠度曲线无量纲总应力在上、下表面与偏转内缘是显示在图5。图5中，在上表面的曲线相交的下表面，这意味着最大应力出现在上表面为较小的偏转，偏转增加曲线，它跳到下表面。图5中的虚线（B）是谁的错误被发现在瞬态点增加能源解决方案。但是，碟形弹簧，通常用于在最大应力出现在上表面区域，因此能源解决方案的应力-挠度曲线可能是良好的近似实际的目的。相反，记住，由应变能法的应力分布，结果并不总是好的合适的值。6.4比较一Almen一Laszlo的实验结果通过J.O.Almen和A.Laszlo的实验结果被认为虽然是出色的。详细的设备和方法在他们的论文中未示出。因此，我们尝试一些比较这些结果与我们的计算结果如图6。从这些数字，数值结果被发现与实验结果吻合较好，而能源解决方案：也有很好的近似，除了不稳定的区域，此外，应该指出的是，他们是Almen-Laszlo解决方案的改进。图57、实验重申了数值解的有效性和能源解决方案，实验独立进行Almen和Laszlo。图6具体内容如下：1）标本标本制成的SK钢在日本工业标准。因此，Youngs rnodulus E 和泊松比，可以采取如下：E = 21000公斤/平方毫米，V = 0.3它们的几何配置表2。试样尺寸表2（毫米）2）加载appratures测量系统标本，如图7所示，是举行了两次加载附件和由奥尔森型测试仪加载之间。最大挠度测量的差动变压器式位移计量，和负载细胞和X-Y记录仪是用于在同一时间获得连续的载荷-挠度曲线。固定边界条件，二硫化钼润滑脂涂抹的试样的接触部分和加载附件被认为是有效的。图7（3）实验结果图8 图9图10图8图显示的各种试件的荷载-挠度曲线。在这些数据中观察到，加载与卸载曲线不重合的曲线。这是由于试样和加载附件，可以通过在接触部分采用MoSz-grease有防止之间的摩擦力。但应该指出的是，这是必然的-一些试样的表的初始几何缺陷。除了摩擦效应，荷载挠度曲线也是这个初始缺陷十分敏感，尤其是弹簧高度的初始缺陷。实际上，大多数的荷载-挠度曲线实验表明对于小负载值的参数如图所示的奇异性，图11。在这种情况下，测量高度C应纠正图11如下：图11这种修正的计算和实验结果之间的比较是非常重要的。所有的图8图10是以这样的方式纠正。在数字；实验结果与能源解决方案相比，它是观察到的结果显示出良好的协议。因此，它被发现的能源解决方案可用于碟形弹簧的设计为更好的近似比阿尔-拉斯洛公式。8、对碟形弹簧的设计计算公式由应变能量法的近似解减少到以下考虑实用方便的形式：对于负载一偏转特性，这些应力，其中W: 最大挠度P：轴向力u：在内部边缘的上表面的总应力L：在内部边缘的下表面的总应力E：杨氏模量：泊松比，N, , :常数而且图12显示的值的常数，N,取决于半径比，这图也显示方程（36）M的值。9、摘要碟形弹簧的微分方程的数值方法，基于Reissner理论弹簧的迭代过程，使检测精度的近似解和实验进行了验证这些结果的有效性。近似解，本质上是不gawempner方案得到的应变能方法，但更加有用，因为有两个几何参数来代替wempner方案为碟形弹簧的一个很好的近似解。本报告中的数值方法是由Keller和Reiss的迭代程序的改进，可以应用于其他的非线性问题的近似解可以容易得到。图12应当指出的是，在实验结果中观察到的实际的载荷 - 挠度曲线是通过摩擦力在边缘和初始几何缺陷的影响。最后，作者想表达自己的感谢为自己便利进行计算K.JO教授和助理教授S.Makinouch提供的设施参考文献(1)J.O. Almen and A. Laszlo: Trans. ASME, Vo1.58（1936), p. 305.(2)G.A. Wempner: Proc. Third U.S. Nat. Congr.Appl.Mech., (1958), p. 473.(3)E. Reissner: Progr. Appl. Mech. The Prager Anni-versary Volume, (1963), p. 171.(4)H.B. Keller and E.L. Aeiss: Proc. Third U.S. Nat.Congr. Appl. Mech:, (1958), p. 375.文 献 综 述 前言 碟形弹簧是一种圆环垫片状的材质不同的金属机械配件，是一种结构简单、尺寸紧凑的弹性元件。一般是通过相当数量的叠加来提供足够弹性伸展而发挥作用。由于有变刚度特性、承载能力大、缓冲减震性强并且易于获取不同弹性特性和安装紧凑等的特点，广泛应用于机械设备行业，汽车工业，石油工业以及航天工业等领域，很大范围取代了圆柱形螺旋弹簧。碟形弹簧一般由金属带材、板材或锻造坯料冲压而成，其几何构型为截面呈浅圆锥状的轴对称回转体。如图所示近年来，由于机械设备行业，汽车工业等行业的迅速发展，推动了弹簧工业的产品设计制造工艺生产设备以及弹簧的材料等的发展。由于行业的需要，对于弹簧的检测以及分选设备的设计开发，是弹簧工业发展的必然趋势。弹簧分选机是安装在弹簧加工过程中的检测工艺工段线上。对此，本设计是碟形弹簧分选机的设计，其涉及到机械、电气等方面的技术，是一个典型的机电一体化系统设计，主要是碟形弹簧分选机的机构设计。结合目前所掌握的各项技术，旨在开发一套具有较高自动化水平，安全可靠，性价比高的数控自动碟形弹簧分选机。弹簧检测是其生产过程必不可少的工序。测力是检测的主要内容之一。弹簧力参数直接影响弹簧的性能和工作状态。尤其是高精度弹簧以及需配对或者配套使用的弹簧，要求严格按力参数分选包装。这类弹簧大批量生产时，用手工在测力仪上测试存在如下间题：（1）易产生操作误差，包括有测量位移误差，工件偏置误差，操作速度变化而产生的附加动载荷、操作手柄在测试读数时因抖动或松动引起的误差;（2）易产生读数误差，指针摆动惯性，操作者疲劳观察错觉等引起的误差。 目前国内市场上能见到的弹簧分选机大多数都是国外厂家开发生产的，国内各弹簧生产设备及检测设备生产的研究较少，因此本设计可提高我国弹簧检测分选设备在全世界中的竞争力。我国自八十年代初开始研制自动测力装置，至今还未有令人满意的结果，究其原因可归纳为如下几点。 （1）没排除受检弹簧与定位元件表面在测力过程中的摩擦力的影响及机械动作、液压装置冲击所引起的附加动载荷的影响; （2）没有很好地消除测力装置本身的加工和安装误差; （3）受传感器精度影响及分选控制误动影响; （4）大多数机型不能同时完成自动测力和分选功能。由于手工操作检验及现有测力分选机的缺陷，严重影响产品质量和检验效率。所以本文主要研究快速准确的碟形弹簧分选机。国内各弹簧生产设备及检测设备生产厂均未研制出高效实用的弹簧分选机。国外市场上能见的分选机类型为两种高精度型和高速度型;高精度型弹簧分选机主要用来分选那些精度要求很高的弹簧，如喷气飞机的油门弹簧，该弹簧的每一个变形对应相应的飞行速度。因此，对这种弹簧的分检要求十分苛刻，该弹簧的静态负荷精度达要求达到0.3%以上，位移精度要求小于0.02mm，需要用到高精度型弹簧分选机才能满足要求，但这种分选机的分选速度很低，一般低于每分钟8件，不适合大批量弹簧生产的需要fZl。国内很多弹簧生产及检测设备生产厂针对各自的需求研发了一些弹簧分选设备，如基于重力的弹分选机、基于尺寸的弹簧分选机、基于压力的弹簧分选机，这些设备在功能和性价比上都还和国外同类产品有一定差距。因此研究自动弹簧分选机技术，研制开发自动化程度高、运行经济、高速高效的自动弹簧分选设备以替代进口产品及国内同类产品的不足，对适应我国汽摩行业发展和弹簧自动分选，以及推动整个工业自动化装备国产化具有十分重要的意义。在分选机研究方面，国外公司起步较早。美国、日本、英国、瑞士的一些粮食加工设备生产企业从事此项研究。因此早期的分选机主要运用在农副产品如水果、谷物类等分选上。随着工业化速度加快，在二十世纪四五十年代弹簧分选机运用与发展，但也仅限于像飞机油门弹簧等高精度分选场合。同时一些弹簧专业生产厂也根据自身需要开发了一些以单一要素为主要分选体的分选设备。如瑞典的 Tekno Detaljer 公司于 1970 年开发的弹簧分选机。该类分选机虽在精度上具有较大的优势，但由于其大多结构简单，且分选单一，因此仅适合一些实验性和小加工生产上作为检测使用。相对国外而言，国内分选机的研究还处于起步阶段，用于成品的还很少，目前主要是引进或者改造国外的分选机。国内生产弹簧分选机的主体企业并不多，只是一些企业主要依据自身的要求研发相应的自动化程度较低的、分选比较单一的分选机，如杭州宝威机械厂研制的弹簧分选机，该机在设计上采用工位旋转方式，速度与弹簧定位成为关键，速度过快弹簧可能在惯性下飞出工位，速度过低则达不到设计要求，且圆盘式结构使得圆盘转到的惯性难以控制。针对此种情况国内一些科研机构和大专院校结合实际也做了相关的研究工作，如湖北工业大学与武汉科技学院合作研发的数控弹簧高速自动分选机，该项目研究的数控弹簧高速自动分选机，开发了检测系统抗漂移、抗干扰和变频传动高速分度系统；研制了快速采集和快速滤波系统；确定了数据特征值，开发了计算机快速弹簧检测图形分析及检测软件，但在速度与弹簧分组值上还有待提高。本设计研究的碟形弹簧分选机结构主要采用了工位旋转工作模式与落料旋转的分选方法。工位旋转工作模式是弹簧相对于工位是不动的，故结构的整体性是很好的，但是弹簧的重力作用在固定工位上，故限制了检测的速度。落料旋转的分选结构设计，不仅结构简单而且噪音小等优点。方案比较通过分析国内外分选机的研究现状，结合国内企业生产实际需求，总结国内外弹簧弹簧分选机的优点与不足，可知碟形弹簧分选机关键技术主要集中在以下四个方面:碟形弹簧定位、分选机构设计、电机控制、系统分选精度。本设计主要研究碟形弹簧分选机的碟形弹簧的定位以及机构设计。不同的结构决定了分选机的性能的差异。 碟形弹簧分选机机械结构的可靠与合理性是保障整机运行平稳、可靠以及运行精度的核心组成部分。机械结构部分主要由圆柱螺旋弹簧测定台、分选分装结构及机架构成。目前碟形弹簧定位方案大致分为两种类型，一种是碟形弹簧固定式，另一种是碟形弹簧运动方式。固定式即指工件相对工位固定，工位的数量不小于工件数量，在检测工序过程中工件始终保持与工位的相对固定直到这个工位检测完毕。固定式的方法有利于检测台结构布局整体性，但由于利用弹簧自身重力作用固定在工位上，随着工位运动必将限制运动的速度，降低了整个设备运行效率。碟形弹簧运动方式是指利用外力促使碟形弹簧在检测流程中运动，直至检测完毕送入分选框内。该方式在结构不及固定式的整体性，但在运行效率可控性方面得到极大提高，且在连接上位传送机构与下位分选装置提供了良好衔接点。考虑两种定位方案利弊，综合方案一的整体机构性与方案二的可控性，采用了双推固定双进的定位工作模式。 分选机分选机构在保障有效落料方面起着核心控制作用，关键在于使碟形弹簧准确快速的分装在分选框内。国内外在这方面的研究时间相对较早，运用方式也越来越灵活多变。具有代表性的分别运用在农业上的种子分选滚筒式、苹果分选链条式，其次就是利用分选物料自身特性设计分选机构落料筒动定方式。滚筒式与链条式原理相同，仅在结构上有差别，都能适应大量自动化生产的要求且效率也高，但由于结构庞大以及是以大量的摩擦传动为基础，因此在设备运行过程中噪音大、资源消耗大，不适用于体积小、重量轻的离合器弹簧的分选。落料筒动定方式有效运用了弹簧自身要素特点，在此基础上而设计的两种不同的分选方式。落料筒旋转的方式相对与固定方式在结构与防噪上更具有独特优势，利用步进电机带动落料筒旋转不仅结构简单，且步进电机自身可控制好与运行噪音小等特点综上各方案比较，最终选择如下图送料方式及定位方式：此送料装置的设计要求是将受检弹簧逐个连续地输送给测力系统。设计方案是用一分料盘逐个将受检弹簧从料斗中取出并输送出去。用SolidWorks绘制三维图，用ansys对主要受力零件进行结构分析，确保分选机机构的稳定性。扬州大学广陵学院本科生毕业设计 毕业设计题目 碟形弹簧测力分选机结构设计 学 生 姓 名 闫相宜 专 业 机械设计制造及其自动化 班 级 机械81001班 指 导 教 师 周建华 完 成 日 期 2014 年 05 月 30 日 毕业设计说明书（论文）中文摘要近年来，由于机械设备行业，汽车工业等行业的迅速发展，推动了弹簧工业的产品设计制造工艺生产设备以及弹簧的材料等的发展。由于行业的需要，对于弹簧的检测以及分选设备的设计开发，是弹簧工业发展的必然趋势。弹簧分选机是安装在弹簧加工过程中的检测工艺工段线上。对此，本文是针对碟形弹簧分选机的设计，涉及到机械、电气等方面的技术，是一个典型的机电一体化系统设计，主要是碟形弹簧分选机的机构设计。结合目前所掌握的各项技术，旨在开发一套具有较高自动化水平，安全可靠，性价比高的数控自动碟形弹簧分选机。弹簧检测是其生产过程必不可少的工序，而测力是检测的主要内容之一。弹簧力参数直接影响弹簧的性能和工作状态。尤其是高精度弹簧以及需配对或者配套使用的弹簧，要求严格按力参数分选包装。结合碟形弹簧的特点，本文旨在设计一种自动化数控机构，能够在生产碟形弹簧时，根据其弹性系数的不同，按照不同指标测试弹力，筛选出不同弹性系数的碟形弹簧，并且流入不同的落料箱，以达到碟形弹簧分选的目的。要求设计的试验机能按照试验标准要求进行连续运行，运动动力源采用电动机，其筛选的范围是根据碟形弹簧直径而定为50mm-100mm。关键词 碟形弹簧 测力 分选 弹性系数 电动机毕业设计说明书（论文）外文摘要Title Disc springforcemechanism design ofsorting machine AbstractIn recent years, the rapid development of machinery industry, automobile industry and other industries, and promote the development of the product design and manufacturing process equipment and industrial spring material such as spring. Due to the need of the industry, for the spring testing and sorting equipment design and development, industrial development is the inevitable trend of spring. Spring sorter is installed in the spring of the detection processing section processes the line. In this regard, the design is a disc spring sorting machine design, which involves mechanical, electrical and other aspects of technology, is a typical mechatronic system design, primarily sorter disc spring mechanism design. Combined with the currently available technology, to develop a set of high level of automation, safe, reliable, cost-effective disc spring CNC automatic sorting machine. Spring testing is an essential step of its production process. One of the main load is detected. The spring force of the spring parameters directly affect the performance and operation. Especially in high-precision springs and spring required matching or supporting the use of force by demanding parameters sorting packaging.Combining the characteristics of the disc spring, in the production of this paper is to design the disc spring, according to the different modulus of elasticity, elasticity test according to the different indicators screened different modulus of elasticity of the spring disc, and into a different tank falls to coned disc spring reaches the sorting purposes. Experimental design performance requirements in accordance with the design requirements of the standard test for continuous operation, the motive power source is an electric motor which is based on the range of screening the diameter of the disc spring is 50mm-100mm.Keywords Disc spring force Dorting Dhe elastic coefficient The electric motor闫相宜 碟形弹簧测力分选机结构设计目 录1 绪论31.1 课题研究的目的及意义31.2 工作原理31.3 国外分选机研究现状41.4 国内分选机研究现状42 方案的选择与设计62.1 本课题的设计任务62.2 设计思想和思路62.3 上料机构的设计62.4 定位方案选择72.5 测力机构的选择102.6 分选机构方案的选择103总体的机构设计123.1 碟形弹簧分选机总体要求123.1.1 工作环境123.1.2 主要性能要求123.1.3 工件要求123.2 碟形弹簧测力分选机机构组成124 零件的结构设计144.1 托盘设计144.2 轴的设计154.3 键的选择164.3.1 大键的选择164.3.2 小键的选择174.4 齿轮的设计174.4.1 大齿轮的设计174.4.2 小齿轮的设计184.5 机座的设计194.6 气压缸的选择204.7 轴承的选择204.8 液压缸的选择234.9 轴承盖的选择234.10 电动机的选择245 强度校核265.1液压缸的强度校核265.2 托盘的强度校核29结 论34致 谢35参考文献36附件：碟形弹簧测力分选机结构设计装配图及零件图371 绪论1.1 课题研究的目的及意义碟形弹簧是一种圆环垫片状的材质不同的金属机械配件，是一种结构简单、尺寸紧凑的弹性元件，又名贝勒维尔弹簧垫圈，是法国人贝勒维尔发明的。一般是通过相当数量的叠加来提供足够弹性伸展而发挥作用。由于有变刚度特性、承载能力大、缓冲减震性强并且易于获取不同弹性特性和安装紧凑等的特点，广泛应用于机械设备行业，汽车工业，石油工业以及航天工业等领域，很大范围取代了圆柱形螺旋弹簧。碟形弹簧一般由金属带材、板材或锻造坯料冲压而成，其几何构型为截面呈浅圆锥状的轴对称回转体。如图1-1所示。图1-1 碟形弹簧结构示意图由于机械设备行业，汽车工业等行业的迅速发展，推动了弹簧工业的产品设计制造工艺生产设备以及弹簧的材料等的发展。由于行业的需要，碟形弹簧的合格与不合格，弹性系数不同的检验至为重要。碟形弹簧产量的增加也导致碟形弹簧分选工作量的增加。因此碟形弹簧测力分选机的设计，既能很好的按弹性系数分成几类，又能提高检测效率。1.2 工作原理结合碟形弹簧的特点，在生产碟形弹簧时，根据其弹性系数的不同，按照不同指标测试弹力，筛选出不同弹性系数的碟形弹簧，并且流入不同的落料箱，以达到碟形弹簧分选的目的。碟形弹簧测力分选机由上料装置、控制系统、测力机构、分选机构组成。上料装置又分为自动上料装置和手动上料装置，手动上料装置工作效率低下，而自动上料装置效率高。将需要测力分选的碟形弹簧放入自动上料装置，自动上料装置通过传送带传送并由气缸推送使得弹碟形簧有序地推入碟形弹簧定位装置，工作台转动使碟形弹簧进入待测力点，以待检测。测力机构由加力装置和称重传感器等零件组成，压杆由液压缸组成，液压缸推动向下压弹簧，直到达到预定的弹簧变形量时停止，称重传感器输出检测的值，控制系统通过测侧值判断弹簧是否合格，为哪一组弹簧，通过分选机构的气压缸推出，将其送入相应的料箱。1.3 国外分选机研究现状在分选机研究方面，国外的公司起步较早，美国 ESM 公司及 Sortxe 公司分别于20 世纪 30 年代及 40 年代研制了这种设备，并根据市场需要不断推陈出新。日本佐竹公司于 1979 年首次推出这种产品，且目前生产的 GS 系列大米色选机性能优越，技术指标稳定，得到了广泛的应用。日本安西制作所一直着力于分选技术的研究，2002 年 4 月成功开发出世界首创的用于分选低粘度小麦的专用分选机AU，2004 年开发并生产搭载高速 CCD(ChargeCoupledDeviee)的大型号色选机。另外从事分选机研究的公司还有美国布勒集团及英国和瑞士的一些粮食加工设备生产企业。因此早期的分选机主要运用在农副产品如水果、谷物类等分选上。随着工业化速度加快，在二十世纪四五十年代弹簧分选机运用与发展，但也仅限于像飞机油门弹簧等高精度分选场合。同时一些弹簧专业生产厂也根据自身需要开发了一些以单一要素为主要分选体的分选设备。如瑞典的 Tekno Detaljer 公司于 1970 年开发的弹簧分选机。该类分选机虽在精度上具有较大的优势，但由于其大多结构简单，且分选单一，因此仅适合一些实验性和小加工生产上作为检测使用。目前国外市场上有两种弹簧分选机高精度型与高速度型；高精度型弹簧分选机用来分选那些分检精度要求很高的弹簧，如喷气飞机的油门弹簧，该弹簧的每个变形即对应一个飞行速度。因此，这种弹簧对精度要求十分苛刻，但这种分选机的分选速度很低，一般低于每分钟 4 件，不适合大批量弹簧生产的需要。高速度型弹簧分选机主要为大批量弹簧生产商研制的专用分选机，如英国Testometric 公司研制的 Testometric AT-S 机，这种分选机在速度上能达到较高的要4求，但高昂的费用使的大多数的企业都无法接受。1.4 国内分选机研究现状相对国外而言，国内分选机的研究还处于起步阶段，用于成品的还很少，目前主要是引进或者改造国外的分选机。主要有:中美合资合肥安科光电有限公司引进美国技术生产的分选机系列；由浙江齐鲤机械有限公司和韩国韩亚自动化(株式会社)联合开发制作的 DIGE 呵 ICS 系列大米分选机；合肥美亚光电技术有限责任公司 2003 年 8 月推出的最新 VS 软件系统 55-B 系列数字化分选机，其首次将高速浮点 DSP 数字信号处理技术及雷达中的抗干扰技术用于数字化分选机的开发。另外，核工业理化工程研究院自主研究生产的分选机 1996 年 11 月通过了国家鉴定，但在结构设计上还有许多值得改进的地方，各项技术指标与国外产品相比还有一定的差距。国内生产弹簧分选机的主体企业并不多，只是一些企业主要依据自身的要求研发相应的自动化程度较低的、分选比较单一的分选机，如杭州宝威机械厂研制的弹簧分选机，该机在设计上采用工位旋转方式，速度与弹簧定位成为关键，速度过快弹簧可能在惯性下飞出工位，速度过低则达不到设计要求，且圆盘式结构使得圆盘转到的惯性难以控制。针对此种情况国内一些科研机构和大专院校结合实际也做了相关的研究工作，如湖北工业大学与武汉科技学院合作研发的数控弹簧高速自动分选机，该项目研究的数控弹簧高速自动分选机，开发了检测系统抗漂移、抗干扰和变频传动高速分度系统；研制了快速采集和快速滤波系统；确定了数据特征值，开发了计算机快速弹簧检测图形分析及检测软件，但在速度与弹簧分组值上还有待提高。我国自八十年代初开始研制自动测力装置，至今还未有令人满意的结果，究其原因可归纳为如下几点：（1）没排除受检弹簧与定位元件表面在测力过程中的摩擦力的影响及机械动作、液压装置冲击所引起的附加动载荷的影响;（2）没有很好地消除测力装置本身的加工和安装误差; （3）受传感器精度影响及分选控制误动影响;（4）大多数机型不能同时完成自动测力和分选功能。2 方案的选择与设计2.1 本课题的设计任务结合碟形弹簧的特点，在生产碟形弹簧时，根据其弹性系数的不同，按照不同指标测试弹力，筛选出不同弹性系数的碟形弹簧，并且流入不同的落料箱，以达到碟形弹簧分选的目的。主要的设计难点在于碟形弹簧定位机构、测力机构和分选机构的结构设计。2.2 设计思想和思路如前所述，随着技术的迅猛发展，弹簧分选机的设计也得到了极大的提高，通过大量查阅资料和文献，本文提出如下设计思路:(1) 通过查阅大量拉力试验机的资料提出性能更优越的设计方案；(2) 对碟形弹簧测力分选机进行总体的机构设计；(3) 根据整体对各个部件进行详细的设计；(4) 设计好整体及零部件后进行强度的校核。2.3 上料机构的设计根据碟形弹簧的外观特性，本文选择如图2-1所示的传送带上料方式。传送带将碟形弹簧由左往右传送，当到达指定位置时气压缸依次将碟形弹簧推送到托盘的定位工位上，完成上料。1-传送带 2-气缸图2-1 上料机构示意图2.4 定位方案选择弹簧分选机定位机构的设计计算，是分选机机械结构设计的中心问题，也是决定分选机性能的关键之一。目前碟形弹簧的定位方式一般分为两种，分别是固定式和运动式。固定式即指工件相对工位固定，在测试过程中，工位的数量不小于工件数量，工件一直与工位相对固定直到这个工件检测结束。运动式定位是指运用外力使弹簧在检测过程中运动直到检测完毕。固定式定位法有利于检测台结构布局的整体性，但固定式定位法限制了工件的运动速度，降低了设备的整体运行效率。而运动式定位法虽然在整体性方面不及固定式，但在运行的效率以及可控性方面却比固定式大大提高，且在连接上位传送机构与下位分选装置提供了良好衔接点。查询和浏览了大量相关资料之后，参考了圆柱螺旋弹簧分选机的设计，选出了几种定位方式进行参考比较。方案一：图2-2，2-3所示是一种定位方式推固定双进的定位系统结构图，图中数字的意义分别为：1支撑板、2检测元件、3被测元件、4定位架、5小气缸、6小气缸座、7大气缸、8工作台。大气缸推动小气缸往返运动，到达设定位置后小气缸带动定位架将被测弹簧带到下一工位，如此循环往复工作。图2-2 工位直进式图2-3 现场图方案二：图2-4所示的机械传送定位机构由转位油缸、分度板、三只爪（弹簧加压）、控制凸轮、转位工作盘等五个部件组成。齿轮上的一号爪卡入分度盘上的一个槽中，转位油缸带动一号爪转动，一号爪带动分度盘转动，带动转动轴转盘转位，当转盘转过45度时，二号爪与三号爪同时卡入分度板上的两个相应槽内。此时，转位工作台保持不动，弹簧进入待测位置，然后，测力机构作压缩运动，转位油缸退回，一号爪卡入分度板的另一相应槽内，控制凸轮挡回二号爪的爪尖，使二号爪与分度板隔开。测力油缸活塞退回原位，进入下一个循环。（引用：WGTF_500型弹簧负荷分选机的研制）图2-4 工位旋转式方案三：图2-5所示的是一种弹簧测力机构，使用V型块定位，使弹簧中心与传感器对应，测力杆沿着弹簧中心轴心移动压缩弹簧，实现测力，再进行分选。本方案与上述两方案不同之处在于工件是平放着进行测试，工位固定单一，工位不随着工件移动。1-传感器 2-定位元件 3-盘形凸轮 4-控制主轴 5-链轮 6-圆柱凸轮7-传动杆 8-滑块 9-推杆 10-间隙补偿器 11-测量杆 12-传力杆图2-5 工位固定式1-液压缸 2-托盘 3-定位孔图2-6碟簧定位机构示意图根据方案的对比我们不难发现，如图2-6的方案更直观简单，因此最终方案。如图2-6为本设计的碟形弹簧定位机构图，碟簧由上料装置的气缸推送入定位孔，托盘转动，当转到测试工位时液压缸推动压头下压，完成检测，托盘再次转动，进入分选机构分选。托盘再转动将下一个碟形弹簧转到测试工位，如此循环。2.5 测力机构的选择通过查阅资料，总结得出弹簧分选机的测力机构有两种型式，一种为立式，即垂直给予压力进行测量：另外一种为卧式，即水平给予压力进行测量。两种方案如2-7图。A-弹簧自由高度 B-压缩后高度C-试压头 D-传感器（a）立式 (b)卧式图2-7测力机构弹簧的测试原理如图2-7所示，当弹簧进入待测位置时，施压头向下压一定的行程压缩弹簧，弹簧下方的传感器随即输出测试值。根据碟形弹簧的特点，本设计选用立式，压头由液压缸推动向下压设定的行程，压缩碟簧进行检测，结构简图如图2-6所示。2.6 分选机构方案的选择碟形弹簧测力检测完之后，控制中心通过测力的值判断碟形弹簧是否合格，是哪一类弹性系数的碟形弹簧，并由分选机构执行将检测分选好的碟形弹簧推入不同的落料箱中，最终完成碟形弹簧的分选。结合本文所设计的定位机构，测力机构，设计出分选机构如下图2-8所示，有五个气压缸分别对应于五个工位，经过测力检测后的碟形弹簧由控制系统判断该碟形弹簧的分选范围，当旋转到相应的工位时，相应的气压缸启动，推出碟形弹簧并落入落料箱中，完成分选。1-分选气压缸一 2-分选气压缸二 3-分选气压缸三图2-8 分选结构示意图373 总体的机构设计3.1 碟形弹簧分选机总体要求3.1.1 工作环境（1） 室内使用；（2） 环境温度：-2040；（3） 电压要求：220v/50Hz，电压稳定度，接地电阻小于5；（4） 工作制度：24小时不间断工作。3.1.2 主要性能要求（1） 碟形弹簧应能完成对碟形弹簧弹力值检测、合格与不合格品分组，并且能对一定直径范围内的弹簧进行检测。（2） 应具有电机急停、校准、复位等功能。（3） 将待检测弹簧循环输送至各检测工位，显示器实时显示检测的各项参数值。（4） 系统按照设定值对检测的弹簧参数值进行判断，将合格品与不合格品自动推入不同料箱。（5） 设备工作速度应每小时至少完成500工件。（6） 设备精度：自由长度精度小于0.01mm，压力值测试精度小于0.1N。3.1.3 工件要求（1）碟簧要求：GB/T 1972-2005 碟形弹簧国家标准；（2）检测直径范围：50mm100mm。3.2 碟形弹簧测力分选机机构组成根据查阅的各种文献资料，勾勒出了碟形弹簧测力分选机的总体机构的蓝图。如图3-1，3-2所示，碟形弹簧测力分选机机构主要由三个部分组成，即碟形弹簧定位机构、测力机构和分选机构。这三个部分由各个零件组合而成，装配后放入底座中。底座采用铸造工艺制作而成，以提供稳定的支撑。定位机构即托盘与空心轴通过健连接，空心轴上有套筒，并且有一个深沟球轴承，两个圆柱滚子轴承装在轴上，分别承受径向与轴向的载荷力。将空心轴放在底座中，电动机放在底座的电动机支架上，电动机上的齿轮与套在空心轴最后一节的大齿轮啮合用以传动。测力机构安装在底座上，主要为一个小型液压缸给予压力压跟随托盘转动到检测工位的碟形弹簧。分选机构安装在底座上，横跨托盘，主要由气压缸给予推力将分选出的碟形弹簧推出托盘落入不同的落料箱中，最终完成分选。图3-1 碟形弹簧测力分选机机构三维图图3-2 碟形弹簧测力分选机机构三维剖面图4 零件的结构设计4.1 托盘设计托盘起着定位碟形弹簧和转动碟形弹簧到测力以及承受测力的作用。因此要考虑到碟形弹簧定位的槽的大小设计，托盘厚度强度等的考虑，设计出如下托盘。图4-1,4-2,4-3所示分别为托盘的三维视图和二维视图。图4-1 托盘三维正面视图4-2 托盘三维反面视图图4-3 托盘二维图由上图可知，托盘上开有五个槽，等均分布，用于碟形弹簧工件的定位；分度盘上部外径640，内径50mm，与外径50mm的轴配合；并且开有bh为14mm9mm键的键槽。了能够承载较大的压力，设计为加有强筋的托盘，既保证强度，又不会太重。材料选择45钢调质处理。4.2 轴的设计本机构中轴通过轴承、齿轮传动将电动机扭矩传递给托盘，使托盘转动，进行工位变换。本文将进行计算，设计出符合规格的轴径。托盘的转动惯量公式为其中，所以所需功率，设定转盘转一个工位需0.5s，即，由此可得，这是匀速运转所需功率。设定在0.1s内转盘速度达到，则角加速度，则，所以瞬时所需功率。轴所传递转矩，则最小直径，其中取110，取0.6。材料选择45钢调质处理。图4-4 轴图4-4所示为轴，所以直径25mm太小，取外径D1为30mm，长L1=25mm，所以第二段轴外径D2=40mm，L2=75mm，第三段D3为55mm，长L3=240mm，第四段外径D4=63mm，长L4=170mm，第五段外径D4=55mm，长L4=49mm，第六段外径D4=50mm，长L4=60mm各轴端倒角均为0.545。倒圆角半径均为0.5mm。4.3 键的选择4.3.1 大键的选择图4-5所示为轴与托盘之间连接所选择设计的键，查机械设计课程设计手册选出键1436,主要尺寸及选择参数已标出。图4-5 大键4.3.2 小键的选择图4-6所示为轴与托盘之间连接所选择设计的键，查机械设计课程设计手册选出键815,主要尺寸及选择参数已标出。图4-6 小键4.4 齿轮的设计4.4.1 大齿轮的设计大小齿轮中心距a=170mm，传动比n=4，大齿轮的主要参数为模数m=2,齿顶高，齿根高,根据，分度圆直径d=272mm，m=2可以计算出齿数Z=136，根据齿顶圆直径公式可得到=220+4=224mm,根据齿根圆公式可以得到=272-5=267mm，根据齿距公式可得到p=6.28mm,齿厚，可得到s=3.14mm,由于第一段轴与大齿轮配合并用大键连接，因此=50mm,所以可以设计出大齿轮的结构。材料选用40Cr。由于大齿轮较大，为了减轻齿轮重量，设计出如图4-7所示的大齿轮。图4-7 大齿轮4.4.2 小齿轮的设计大小齿轮中心距a=170mm，传动比n=4，小齿轮的主要参数为模数m=2,齿顶高，齿根高,根据，分度圆直径d=68mm，m=2可以计算出齿数Z=34，根据齿顶圆直径公式可得到=68+4=72mm,根据齿根圆公式可以得到=68-5=63mm，根据齿距公式可得到p=6.28mm，齿厚，可得到s=3.14mm,小齿轮通过Z2涨紧套与电动机轴固定，Z2涨紧套d=19mm, D=47mm电动机轴d=19mm，因此=,47mm,所以可以设计出小齿轮的结构，如图4-8。材料选用40Cr。图4-8 小齿轮4.5 机座的设计为了使得整个装置的稳定和美观，设计出如图4-9，4-10所示尺寸的机座，材料选择HT200铸造。图4-9 三维机座图4-10 二维机座图4.6 气压缸的选择由于碟形弹簧的特性，设计在分选的时候采用小型气压缸推出碟形弹簧进行分选，选用五个AIRTAC公司生产的SDAS_25x120型号气压缸，即内径25mm，行程120mm，如图4-11所示。图4-11 SDAS_25x120型号气压缸4.7 轴承的选择轴承是机械中的固定机件。当其他机件在轴上彼此产生相对运动时，用来保持轴的中心位置及控制该运动的机件。按其所能承受的载荷方向可分为：1.径向轴承，又称向心轴承承受径向载荷；2.止推轴承，又称推力轴承，承受轴向载荷；3.径向止推轴承，又称向心推力轴承，同时承受径向载荷和轴向载荷。向心力轴承：适用于极限转速比高，轴向承载能力少量的机构。其性能和特点是主要承受径向载荷，也可以同时承受小的轴向截荷。当量摩擦系数最小。在高转速时，可用来承受纯轴向载荷，大量生产，价格最低。推力球轴承：适用于极限速比低，轴向承载只能承受单向的轴向载荷。其性能和特点是为了防止钢球与滚道之间的滑动，工作时必须加有一定的轴向载荷。高速时离心力大，钢球与保持架磨损，发热严重，寿命降低，故极限转速很低。向心推力轴承：主要适用于轴向力和径向力都比较大的机构。在此次做的碟形弹簧测力分选机的机构里面轴承主要是承受轴向力，承受较小的径向力，为了使轴向和径向受力平稳，所以根据需要在这里选择了推力球轴承和深沟球轴承配合使用.如图所示查机械设计课程设计手册得选用推力球轴承51208型，主要性能参数d=40mm,D=68mm。如图4-12，4-13所示。图4-12 推力轴承三维图图4-13 推力轴承二维图查机械设计课程设计手册得选用深沟球轴承6314型，主要性能参数d=55mm,D=100mm。如图4-14,4-15所示。图4-14 深沟球轴承三维图图4-15 深沟球轴承二维图4.8 液压缸的选择根据碟形弹簧的特性以及碟形弹簧测力分选机的工作原理，选择液压缸带动压头给予碟形弹簧压力的目的，选用内径为63的液压缸工作。如图4-16所示。图4-16 液压缸4.9 轴承盖的选择根据轴承的尺寸，查机械设计课程设计图册设计出可使用的轴承端盖。如图4-17和4-18所示。图4-17 轴承盖三维图图4-18 轴承盖二维图4.10 电动机的选择本机构采用交流伺服电动机，该电机的结构特点是为一般防滴式。防止直径大于12mm的小固体异物进入并防止沿垂地线成60度角或小于60度角的淋水对电机的影响。用途及使用范围：适用于驱动无特殊要求的各种机械设备，如金属切削机床，鼓风机，水泵，运输机等。主要性能及特点效率高、耗电少，性能好，噪音低，振动小，体积小，重量轻，运行可靠，维护方便，Y系列绝缘为B级。使用条件及工作方式：海拔不超过1000m；环境温度不超过+40；额定电压为380V，额定频率为40Hz；3KW以下为Y接法，4KW及以上为接法；工作方式为连续使用。选用MSMD08-2S1U型交流伺服电机，其技术参数有功率7.5KW,额定转速3000r/min，最高转速4500r/min，满足本机构的要求。如图4-19所示。图4-19 伺服电动机5 强度校核5.1液压缸的强度校核液压缸的主要作用是固定液压缸，当液压缸工作时，液压缸上装载的压头就会给托盘一定的压力，液压缸座就有反作用力，因此就需要对液压缸进行强度校核。运用solidwoks自带的SimulationXpress Study算例进行静态载荷分析。（1） 如图5-1所示，添加新算例，类型选择静态。图5-1 新算例质量:16.0212 kg，体积:0.002054 m3，密度:7800 kg/m3，重量:157.008N。（2） 添加夹具：选择固定孔，如图5-2所示。图5-2 添加夹具（3）添加载荷：选择力，施加7kn垂直于液压缸座上表面，模拟63液压缸压缩碟形弹簧时对液
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