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湖南农业大学全日制普通本科生 毕业论文（设计） 中 期 检 查 表 学 院： 工学院 学生姓名 刘同乐 学 号 200940614227 年级专业及班级 2009 级机械设计制造及其自动化 (1)班 指导教师姓名 陈力航 指导教师职称 讲师 论文（设计）题目 压盖自动送料机设计 毕业论文（设计）工作进度 已完成的主要内容 尚需解决的主要问题 整体机构和结构的设计计算 ,相关零件的强度校核等 基本完成设计说明书 基本完成总装图 机构的三维运动仿真及有关零件的有限元分析等 完善装配图及零件图 指导教师意见 签名： 年 月 日 检查小组意见 组长签名： 年 月 日 注： 可打印，但意见栏必须相应责任人亲笔填写。 1 湖南农业大学全日制普通本科生 毕业论文（设计）任务书 学生姓名 刘同乐 学 号 200940614227 年级专业及班级 2009 级 机制 （ 1）班 指导教师及职称 陈力航 讲师 学 院 工学院 2012 年 12 月 3 日 2 填 写 说 明 一、毕业论文（设计）任务书是学校根据已经确定的毕业论文（设计）题目下达给学生的一种教学文件，是学生在指导教师指导 下独立从事毕业论文（设计）工作的依据。此表由指导教师填写。 二、此任务书必需针对每一位学生，不能多人共用。 三、选题要恰当，任务要明确，难度要适中，份量要合理，使每个学生在规定的时限内，经过自己的努力，可以完成任务书规定的设计研究内容。 四、任务书一经下达，不得随意更改。 五、各栏填写基本要求 （一）毕业论文（设计）选题来源、选题性质和完成形式： 请在合适的对应选项前的“”内打“”，科研课题请注明课题项目和名称，项目指“国家青年基金”等。 （二）主要内容和要求： 1工程设计类选题 明确设计具体任务，设 计原始条件及主要技术指标；设计方案的形成（比较与论证）；该生的侧重点；应完成的工作量，如图纸、译文及计算机应用等要求。 2实验研究类选题 明确选题的来源，具体任务与目标，国内外相关的研究现状及其评述；该生的研究重点，研究的实验内容、实验原理及实验方案；计算机应用及工作量要求，如论文、文献综述报告、译文等。 3文法经管类论文 明确选题的任务、方向、研究范围和目标；对相关的研究历史和研究现状简要介绍，明确该生的研究重点；要求完成的工作量，如论文、文献综述报告、译文等。 （三）主要参考文献与外文资料： 在确定 了毕业论文（设计）题目和明确了要求后，指导教师应给学生提供一些相关资料和相关信息，或划定参考资料的范围，指导学生收集反映当前研究进展的近 1 3 年参考资料和文献。外文资料是指导老师根据选题情况明确学生需要阅读或翻译成中文的外文文献。 （四）毕业论文（设计）的进度安排 1设计类、实验研究类课题 实习、调研、收集资料、方案制定约占总时间的 20%；主体工作，包括设计、计算、绘制图纸、实验及结果分析等约占总时间的 50%，撰写初稿、修改、定稿约占总时间的 30%。 2文法经管类论文 实习、调研、资料收集、归档整理、形 成提纲约占总时间的 60%；撰写论文初稿，修改、定稿约占总时间的 40%。 六、各栏填写完整、字迹清楚。应用黑色签字笔填写，也可使用打印稿，但签名栏必须相应责任人亲笔签名。 3 毕业论文（设计）题目 压盖 自动送料机 设计 选题来源 结合科研课题 课题名称： 生产实际或社会实际 其他 选题性质 基础研究 应用研究 其他 题目完成形式 毕业论文 毕业设计 提交作品，并撰写论文 主要内容和要求 主要内容 :整套机构的设计、 凸轮加工、重要杆件 的受力分析、应力集中点、以及 机构运动轨迹分析等相关任务 . 设计基本要求： 要求 慢速 送进 ,快速返回 ,步距 240工作阻力 1000N,往复 30次 / 5%) 传动 比（不设计减速器） . 求送料 动作，保证运动过程中不出现问题 编写设计说明书，总字数不少于 1 万 5 千字；绘制图纸总面积不少于 2 张零号图纸，其中必须有总装图 1 张，及工作零件和 运动分析视频，有限元模型分析 。 工件图 注：此表如不够填写，可另加页。 4 主要参考文献与外文资料 1 孙 恒，陈作模，葛文杰 , 主编 七版） M高等教育出版社 ,2006. 2（美） . ，陈立周，韩建友，李威，邱丽 芳，译 机器和机构综合与分析（原书第二版） M机械工业出版社， 2003. 3 著，孔建益，译 分析综合优化 M机械工业出版社， 2003 4 濮良贵，纪名刚，主编 八版 )M 高等教育出版社， 2006. 5 孟宪源 , 姜琪，编著 . 机构构型与应用 M机械工业出版社 ,2004. 6 邹慧君，编著 M机械工业出版社， 2008. 7 李瑞琴，编著 M国防工业出版社， 2008. 8 吕洋波 , 胡仁喜 , 吕小波 , 主编 X 力学与有限元分析从入门到精通 M机械工业出版社 ,2010. 9 张晋西 , 张甲瑞 , 郭学琴 , 编著 X/构运动仿真基础及实例 M清华大学出版社 ,2009. 10 胡小康 , 编著 , 动仿真培训教程 M清华大学出版社 ,2009. 工作进度安排 阶段 起止日期 阶段工作内容 一 研，开题 二 习相关课程 ， 强化计算机辅助设计分析水平 三 思方案 ,总体设计 ,中期检查 四 成设计工作，审核初稿 五 改 六 理提交资料 ,毕业答辩 要求完成日期： 2013 年 05 月 06 日 指导教师签名： 审查日期： 2012 年 月 日 专业委员会签名： 批准日期： 2012 年 月 日 学院指导委员会签名（公章）： 接受任务日期： 2012 年 12 月 05 日； 学生签名： 注：签名栏必须有相应责任人亲笔签名。此表可从教务处网站下载中心下载。 湖 南 农 业 大 学 全日制普通本科生毕业论文 (设计 ) 压盖自动送料机设计 F 生姓名 ： 刘同乐 学 号： 200940614227 年级专业 及班级 ： 2009 级 机械设计及其自动化 （ 1）班 指导老师 及职称： 陈力航 讲师 学 院： 工 学院 湖南 长沙 提交日期： 2013 年 05 月 湖南农业大学全日制普通本科生毕业设计 诚 信 声 明 本人郑重声明：所呈交的本科毕业设计是本人在指导老师的指导下，进行研究工作所取得 的成果，成果不存在知识产权争议。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体在文中均作了明确的说明并表示了谢意。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 毕业论文作者签名： 2013 年 5 月 26 日 目 录 摘要 1 关键词 1 1 前 言 2 题的背景与意义 2 内外输送机发展趋势与水平 2 国输送机的未来之路与展望 3 2 机械系统设计 4 作分析及轨迹初 定 4 行机构设计 5 杆杆长的设计与计算 6 轮设计 迹优化及凸轮廓线 7 轮孔 10 轮的加工制造 11 动机选择 16 3 传动零件的设计计算 17 送杆的设计 17 连接强度计算 19 的结构设计 20 4 机构的动力学分析 20 动模型的建立 20 动分析 21 5 有限元分析校核 24 限元 计的优势 24 送杆的有限元校核 25 转轴的有限元校核 26 6 结论 27 参 考文献 28 致谢 29 湖南农业大学全日制普通本科生 毕业论文（设计）开题报告 学生姓名 刘同乐 学 号 200940614227 年级专业及班级 2009 级机械设计制造及其自动化 (1)班 指导教师及职称 陈力航 讲师 学 院 工学院 20 年 月 日 毕业论文（设计）题目 压盖自动送料机设计 文献综述（选题研究意义、国内外研究现状、主要参考文献等，不少于 1000 字） 随着我国制造业的发展对加工、装配技术自动化也提出越来越高的要求。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。 自动化生产主要包括原材料的供给、自动加工、装配线上的自动输送等，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，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。自动送料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，自动送料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。 综上所述，鉴于各方面优点，在制造业领域自动化送料有很大的潜力，学习和研究都很有价值和必要，本课题就是设计自动送料机的机械结构、对相关零件、传动单元进行分析和计算并对相关零件进行三维实体设计及有限元分析。 常用送料机根据送料动力的不同可分为机械、液压、气动三大类，机械送料因其送料准确可靠、相对液压与气动冲击与振动小、噪声低、稳定性好等优点，在机械制造领域是最常用的自动送料方式。目前国内外自动送料机主要运用凸轮和曲柄连 杆机构或运用程序控制自动送料。 主要参考文献与外文资料 1 孙 恒，陈作模，葛文杰 , 主编 七版） M高等教育出版社 ,2006. 2（美） . ，陈立周，韩建友，李威，邱丽芳，译 机器和机构综合与分析（原书第二版） M机械工业出版社， 2003. 3 著，孔建益，译 分析综合优化 M机械工业出版社， 2003 4 濮良贵，纪名刚，主编 八版 )M 高等教育出版社， 2006. 5 孟宪源 , 姜琪，编著 . 机构构型与应用 M机械工业出版社 ,2004. 6 邹慧君，编著 M机械工业出版社， 2008. 7 李瑞琴，编著 M国防工业出版社， 2008. 8 吕洋波 , 胡仁喜 , 吕小波 , 主编 X 力学与有限元分析从入门到精通 M机械工业出版社 ,2010. 9 张晋西 , 张甲瑞 , 郭学琴 , 编著 X/构运动仿真基础及实例 M清华大学出版社 ,2009. 10 胡小康 , 编著 , 动仿真培训教程 M清华大学出版社 ,2009. 11 洪如瑾 , 编著 , 级仿真培训教程 M清华大学出版社 ,2005. 12 沈春根，王贵成，王树林，编著 X 限元分析入门与实例精讲 M机械工业出版社， 2010. 13 吴宗泽，罗圣国，主编 M高等教育出版社 ,2006. 14 刘鸿文，主编，材料力学 M高等教育出版社， 2011. 15 李廉锟 , 主编 , 结构力学（第 4 版） M高等教育出版社 ,2007. 16 徐学林 , 主编 , 互换性与测量技术基础 M湖南大学出版社 ,2009. 17 中国农业机械化科学研究院，编 M中国农业机械出版社 ,1985. 18 哈尔滨工业大学理论力学教研室，编 M高等教育出版社 ,2009. 19 沈守范，张纪元，万金宝，编著 M上海交通大学出版社， 1999. 20 于广滨，金向阳，胥文，编著 008 中 文版机械制图标准培训教程 M机械工业出版社， 2008. 注：此表如不够填写，可另加页。 研究方案 （ 研究目的、内容、方法、预期成果、条件保障等） 研究目的： 通过合理的设计计算，设计出能够完成指定工件的自动送料机构，并选择动力系统，完成整机大体结构及零件设计。 内容： 1、 根据工件宽度设计横向工作机构并确定行程、速度等工作参数。 2、 根据工件高度设计纵向工作机构并确定行程、速度等工作参数。 3、 对机构类型及结构进行确定，同时根据参数，初步选择动力、电机及减速器传动比。 4、 确定机构各零件的尺寸参数，并对相关零件进行强度校核。 5、 完成虚拟装配，优化零件结构尺寸及配合尺寸，并运用动力学进行仿真。 6、 绘制零件工程图与装配图。 7、 完善修改并总结。 设计方法： 通过设计对比分析、计算机辅助设计和计算机辅助分析等方法（ X 动仿真及高级仿真），找出一种最佳的方案。 预期成果： 机械能完成使用要求，即能完成所设计的动作参数且能够准确定位。 条件保障： 湖南农业大学图书馆、湖南农业大学信息检索系统、互联网、良好的专业理论基础知识、 007、 007、 X 秀外挂、胡波外挂。 进程计划（各研究环节的时间安排、实施进度、完成程度等） 毕业设计起止日期： 一阶段（ 熟悉课题，收集借阅相关资料，粗拟开题报告。 第二阶段（ 复习相关课程，强化计算机辅助设计与计算机辅助分析。 第三阶段（ 构思总体方案，进行总体设计。 第四阶段（ 完成整个设计、说明书及图纸绘制。 第五阶段（ 修改完善设计说明书和图纸。 第六阶段（ 打印、整理、装订、准备答辩。 论证小组意见 组长签名： 20 年 月 日 专业委员会意见 专业委员会主任签名： 20 年 月 日 注： 可打印，但意见栏必须相应责任人亲笔填写。 1 湖南农业大学全日制普通本科生毕业论文（设计） 开题论证记录 学 院： 工学院 记录人 ： 学生姓名 刘同乐 学 号 200940614227 年级专业及班级 2009 级 机械设计制造及其自动化 专业（ 1）班 指导教师姓名 陈力航 指导教师职称 讲师 论文（设计）题目 压盖自动送料机设计 论证小组质疑： 学生回答简要记录： 论证小组 成员签名 论证地点： 论证日期： 20 年 月 日 注：此表可从教务处网站下载中心下载。 记录、签名栏必须用黑色笔手工填写。 1 压盖自动送料机设计 学 生：刘同乐 指导老师：陈力航 (湖南农业大学 工学院，长沙 410128) 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 of 10128, of is on To a is of of in is on of in of be is of a a a of in a a is by be in be to of of 2 1 前言 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。 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 轮送料机 图 2送料加工接料自动机床 C 3 自行葫芦输送机 图 4 面包自动输送包装机 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 那就是企图实现的功能太多 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，输 4 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 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 18014080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）。 X）是 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。 X 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 模分析得出工件质心坐标为： = = = 5 输送工件模型图 of 图 6 输送爪初定近似轨迹 of 5 那么，为了使工件在输送过程 送爪合 力的推力应通过质心，且输送爪工作面运动高度： H 25-| 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 么要使 的轨迹， C、 C、 线 移动，即控制输送爪的纵向位移。 图 7 运动模型 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、 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 of 6 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=321P+） ， (1) 其中： F 机构的自由度； n 活动构件数； 1P 低副个数； 高副个数； P 虚约束数； F 局部自由度数； 则 F=3 5-（ 2 6+2，为了减少高副元素的磨损，在1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。 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 转半周期 C 点上升距离为 20右，为使杆 拉力完全用于 对工件的送料，将杆C，则有如下关系式： 3 0 2 / 6 0 (2) s i n 2 0 s i R (3) e s i n ( ) s i n ( 1 8 0 ） (4) 240 为 15，为 142，为 1， 30用作图法粗略得到725始位置68心轮外槽直径为 225 轮设计 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 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 0送料轨迹（ 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）。 7 图 9机构运动 180前后位置图 of 80 （ a） （ b） 图 10 送料轨迹 0 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 12所示。 8 图 11 凸轮位移规律 1 知工作时凸轮顺时针转动 ,从动 件左偏距 e 设计为 20定基圆半径 110子直径为 12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0 1 2B 、，将这些点用光滑的曲线相连，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 1 3 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 2 图 13， 设有向弧段 0 x ， x+ x 为 (a， b)内两个邻近的点，它们在曲线 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： 2 2 22 22222MM M M M M Mx x M M M （ 5） 2 21M M x 2 21s M M M x 因为0l i m l i m 1x M M M M （ 6） 又0 ，因此弧微分为 21ds 。 当凸轮廓线用 曲线是光滑的，曲线上从点 M 到 M 的弧长为 s ，切线转过角度 ，那么： 0l i m = 为曲线在点 M 处的曲率，在 M 点与曲线内切的最大圆为此点的曲率圆。 10 1= ( 0 ) 为曲线在点 M 处的曲率半径，即曲率圆半径。 图 13 有向弧微分 3 of 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 X 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。 (a) （ b） 图 14 曲率优化对比 4 of 11 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）。 轮孔 根据轨迹的捕捉点数目 ,凸轮旋转 工件从起点输送到下一个步距的起点 ,输送距离为 240工件速度 =m/s （ 7）则输送功率 =P 000 61 w （ 8）滑块传递效率1为 链传动效率2取 轴的传递功率12 输轴=305 w (9)施加在销轴上的力 305=d 2 0 . 0 5 7 轴 轴= (10)轴孔的直径33 095500000 . 2 轴(11)对于 4000则得到 d 孔取为 25对于销轴主要承受剪力，承受的力较小且为短轴 ,可直接取为 12 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 12 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 50 55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常见的凸轮制造方法。 表 1 常用凸轮制造方法 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 / 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 建立刀具 加工仿真 编辑程序文件等。整体加工刀路 13 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 序号 内容 设备 10 粗车 252 圆 0 下料厚度 234028 30 粗铣两端面 0 正火（风冷） 50 半精铣两端面 0 中心钻、钻、扩、铰 粗铣 半精铣 精铣 图 15 凸轮加工刀路 5 14 图 16铣削刀路的组成 6 of 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不同的步距深度，每加工一个步距（ 1 5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（ 1 3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 % 40 90 0020 28 0030 06 0 500 0050 01 82 0070 0080 0090 28 0100 06 0 500 0120 02 0130 0140 0150 0160 0170 0180 序起止符 取消刀 补 绝对值增量 无孔 用 1号刀 5 中心钻 0 正转 500 1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 8 钻头 啄 钻 15 1 0200 0210 0220 0230 0240 0250 0260 0270 0280 28 0290 06 0 500 0310 03 0320 0330 0340 0350 0360 0370 0380 0390 0400 0410 0420 0430 0440 0450 0460 0470 0480 0490 0500 0510 0520 0530 0540 0550 0560 3号刀 钻头 16 0 0580 0590 0600 0610 0620 28 0630 06 0 750 0650 04 0660 0670 0680 0690 0700 0710 0720 0730 0740 0750 0760 0770 0780 0790 0800 0810 0820 0830 0840 28 0850 06 0 1500 0870 05 0880 0890 0900 0910 0920 0930 0940 4号刀 24 钻头 扩孔 换 5号 12 铰刀 17 0 0960 0970 28 0980 06 0 1500 1000 06 1010 1020 1030 1040 1050 1060 1070 1080 1090 1100 换 6号 25 铰刀 切削液关 程序终止 终止符 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 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 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/则总传动比 140030i=级齿轮减速器的减速比为 8 40,故若采用双级齿轮减速还需一级带传动 ,增加了成本 传动方案简图如图 17。 图 17 传动方案 7 18 联轴器的传递效率3为 对轴承的传递效率4为 头蜗杆的传递效率5为 345 轴= 3050 0 0 =441w (12)因此选择功率为 550瓦型号为 3 传动零件的设计计算 输送杆的设计 机构工作时 ,杆 危险杆，不考虑本身重力及摩擦主要受到输送反作用力但是杆 以杆参考 ,则对于方向总是垂直于杆 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 8所示 . 图 18 起止杆 力图 8 of A 1）在起点， 距离为 206 530杆的方向为水平方向，则杆受到的拉力 co = = 1 0 0 0 c o s 1 1 5 . 9 = (13) 对于 00 420用弯曲应力 40224 . 3 6 8 1 0= 420 r (14)采用方形截面杆，由于有滑块移动为减小变形，取杆截面为 3015 1 = 5 3 0 2 0 6 t a n 1 8 0 1 1 5 . 9a r c t a （ ） （ ）= (15) 19 由正弦定理得 1=s i n 9 0 s i n 1 8 0 - 9 0 9 0 ( 1 8 0 1 1 5 . 9 ) （ ）(16) 得1 1= 以 C 点为原点 ,杆在 段内的剪力和弯矩不能用同一方程来表示 ,应分段考虑。在 内取距原点为 x 的任意截面，截面以左只有外力1据剪力和弯矩的计算方法和正负号规则，求得这一截面上的 分别为 1()S C yF x F=N (0x (17) 1() x F x= (0 x (18) 11()S E C yF x F F=N (x (19) 11( ) ( 0 . 2 0 6 )E C yM x F x F x = (x (20) 分段作剪力图和弯矩图如图 19(a)。 2）在止点， 30杆的方向为水平方向，则杆受到的拉力 co = = 1 0 0 0 c o s 9 4 = (21) 由于拉力较小，对于 30 15横截面上的应力可不用计算。 2 = 5 3 0 1 8 5 . 2 t a n 1 8 0 9 4 . 6a r c t a 5 . 2 （ ） （ ）= (22) 由正弦定理得 1=s i n 9 0 s i n 1 8 0 - 9 0 9 0 ( 1 8 0 1 1 5 . 9 ) （ ）(23) 得2 1= 在 分别为 1()S C yF x F=N (0x 1() x F x= (0 x 20 11()S E C yF x F F=N (x 11( ) ( 0 . 1 8 5 )E C yM x F x F x = (x 分段作剪力图和弯矩图如图 19(b)。 (a) （ b） 图 19 杆 力图和弯矩图 9 of A 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。 30= p (24) 传递的扭矩最大扭矩 T1 310 = m (25) k=.5 l=206 30= =于具有轻微冲击的静联接来说，钢的 p为 100 120 铁的 p为 50 60 键的材料应选择为钢，其连接强度能远远达到使用要求。 21 的结构设计 联轴器的计算转矩T K T，考虑到转矩变化较小， 5=0 轴连= . 3 0 89 5 5 0 0 0 0 9 5 5 0 0 0 0 30PT n =98072 N (26) T K T= m (27) 按照计算转矩机械设计手册，选用型号为 孔直径 23,从动端装配尺寸轴孔长为 44动端装配尺寸轴孔长为62 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 0 of 机构的动力学分析 动模型的建立 通过运用 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。 22 图