角磨机的机械结构及外型设计

本科课程设计(论文) 题 目： 角磨机的机械结构及外型设计角磨机的机械结构及外型设计 学 院: 专 业： 姓 名： 指导教师： 2 2011 年 6 月 20 日 .1 本科课程设计本科课程设计( (论文论文) ).1 第第 1 章章 设计要求设计要求 .2 1.1 引言.3 1.2 课程组完成的设计任务.3 1.3 个人完成的设计任务.3 第第 2 章章 资料查询与市场调研资料查询与市场调研 .4 2.1 资料查询 .4 2.2 角磨机的市场调研.5 第第 3 章章 总体方案设计总体方案设计 .7 3.1 角磨机工作原理分析与说明.7 3.2 角磨机的总体结构设计 .10 3.3 典型机构设计.11 3.3.1 直流电动机.11 3.3.2 空间齿轮结构.13 第第 4 章章 典型零件结构设计典型零件结构设计齿轮和轴承齿轮和轴承 .14 4.1 齿轮结构设计.14 4.2 设计说明.15 4.3 注意事项.15 4.4 结构分析.15 4.5 连接关系.15 4.6 轴承设计.15 第第 5 章章 设计说明书设计说明书 .17 5.1 角磨机外观设计.17 5.2 设计来源.19 5.3 设计流程.19 5.4 产品规格.19 5.5 使用说明及注意事项.20 第第 6 章章 设计总结设计总结 .21 3 一、设计要求一、设计要求 1.1 引言引言 电动角磨机学名“角向磨光机” ，一种普遍使用的电动手持式切割研磨工 具。就是以交流电或直流电驱动电机，驱动伞状齿轮高速运转带动砂轮高速 运转，从而利用高速旋转的薄片砂轮以及橡胶砂轮、钢丝轮等对金属构件进 行磨削、切削、除锈、磨光加工。角磨机适合用来切割、研磨及刷磨金属与 石材，作业时不可使用水。切割石材时必须使用引导板。针对配备了电子控 制装置的机型，如果在此类机器上安装合适的附件，也可以进行研磨及抛光 作业。角磨机被广泛应用于机械制造业、建筑、家具制造等行业领域，角磨 机经实验和现场实际操作证明，具有结构合理、体积 小、重量轻、功利大、 操作灵活、携带方便等优点，深受广大电力电信作业者等的欢迎。了解角磨 机工作原理、结构等可以帮助人们更好的使用；对角磨机的再设计能够更好 的满足广大消费者的功能需求，同时增加了消费者使用的安全性以及舒适度。 1.2 课题组完成的设计任务课题组完成的设计任务 我组通过上网查阅资料、翻阅相关书籍，在各大五金市场对角磨机进行了 详细的市场调查，来研究角磨机的工作原理及结构并对角磨机的发展趋势进 行了考查探究。最终我组选择牧田角磨机为例，将其拆分进行角磨机的内部 结构分析、测绘、计算及三维结构设计，运动分析，各零件的连接分析与设 计。另外运用 Rhino 三维建模软件做出了三维模型，在不同角度和部位做了 爆炸图以便更好的分析其内部结构、连接方式和运作方式，运用 AutoCAD 进 行了典型零件的三视图绘制。最后对其外形进行了构思创意设计。 1.3 个人完成工作量个人完成工作量 完成角磨机的三维内部结构机外观设计，最终提供如下 6 方面的资料： （1） 工作原理图（CAD 图） 1 张 （2） 总爆炸图（外观包括电机机壳、齿轮箱。内部构件包括 砂轮、空间齿轮、 转子、定子、轴承等） 3 张 4 （3） 结构组装、爆炸图 3 张 （4） 典型零件（齿轮）详图 2 张 （5） 外形设计方案 2 张（草图） （6） 设计说明书 1 份 二、资料查询与市场调研二、资料查询与市场调研 2.12.1 资料查询资料查询 在确定了课题后的第一天，我们小组就角磨机的工作原理和运动简图等开 始浏览并收集资料，我们到图书馆和上网查阅了相关机械的资料，对于电磁感 应产生电能的原理（即电动机工作原理）和空间齿轮机构的构成有了比较具体 的的了解，也对角磨机的工作原理有了初步认识。然后对角磨机进行拆卸，对 各部进行数据测量并记录相关数据，对角磨机的结构有更深的了解。 研究对象研究对象 此次我们小组研究的角磨机是日本日立电动角磨机G10SF3 560W，主要参 数如下 砂轮外径：100 公厘（4 英寸） 孔径：16 公厘（5/8 英寸） 主轴螺纹：M101.5 输入功率：560 瓦 空载转速：12,000/分钟 最大输出功率：640 瓦 全长：254 公厘（10 英寸） 重量：1.4 公斤（3.1 磅） 最大输出功率：640W 5 2.22.2 市场调研市场调研 2.2.12.2.1 消费者购买角磨机时考虑的事项消费者购买角磨机时考虑的事项 （一）个人爱好和财力 ，以及角磨机的用途。 （二）角磨机的质量、价格和维修等因素，其中进口机的质量明显优于国产机， 并且使用寿命较长，而国产机的价格及维修费用低于进口机。 （三）塑料外壳的表面光洁度（包括附件光洁度） ，模具开得好坏（塑料机壳和 附件棱角是否清晰、美观、整齐） 。 （四）角磨机稳定性的强弱。 （五）功能是否齐全，看功率大小。要考虑其工作使的震动大小以及发出的噪 声大小。 （六）了解价格。角磨机价格属市场调节价、可上下浮动；因各店进货渠道不 同，进价不一，更会出现售价不一，甚至高、低悬殊的现象。 2.2.22.2.2 产品定位产品定位 下面是市场上比较畅销的几款角磨机的对比分析 产品类型图片重要参数及特点 6 博世 Bosch 角 磨机 GWS7-125 输入功率：1,200 瓦 空载转速： 8,500/分钟 全长：391 公厘 （1513/32 英寸） 重量：2.7 公斤 （5.9 磅） 内部结构创新、 突破寿命瓶颈 1.高效马达冷却 系统 2.全机身严密防 尘保护 3.世界最细握柄 日立 180mm 730W 角磨机 G18SS 砂轮外径 180 公厘 （7 英寸） 空载转速：8,500/ 分钟 最大输出功率： 3150 瓦 全长：463 公厘 （18-7/32 英寸 重量：4.3 公斤 （9.5 磅） 1.1900W 大功率 输入 2.高性价比产品 定位 3.120%高过载 7 力设计 百雷仕 砂轮外径 230mm 空载转速：6,000/ 分钟 输入功率：1800 瓦 全长：530 公厘重 量：3.9 公斤（9.5 磅） 牧田电动角磨 机 GA5030 砂轮外径 125 公厘 空载转速： 11，000/分钟 最大输出功率： 3150 瓦 全长：266 公厘 重量：,1.4 公斤 该产品在定位上不仅注意其功率、转速、重量、体积等各方面等功能因素， 还要注意其外观的体现及形式美的要素，使人们在笨重枯燥的工作中更感觉轻 松自如。 三、角磨机总体方案设计三、角磨机总体方案设计 3.1 工作原理分析与说明工作原理分析与说明 1、工作原理图、运动简图 8 工作原理图工作原理图 角磨机运动简图角磨机运动简图 9 10 角磨机工作原理图角磨机工作原理图 11 角磨机运动简图角磨机运动简图 2、工作原理分析、说明 角磨机就是利用高速旋转的薄片砂轮以及橡胶砂轮、钢丝轮等对金属构件 进行磨削、切削、除锈、磨光加工。通过电磁感应产生电能，带动轴承转动， 通过空间齿轮结构将水平传动转变为竖直传动，从而带动薄片砂轮或橡胶砂轮， 钢丝轮等高速旋转。 3.2 角磨机总体结构设计角磨机总体结构设计 剖视图剖视图 角磨机总体分为以下几个方面： 1） 、外壳包装及操作按钮 2） 、转子组件和定子组件及轴承 3） 、空间齿轮机构及砂轮轴 由于角磨机工作频率较高，会产生震动,所以在各零件连接之间都要做好防 震措施，在螺丝连接处要多加垫圈，外壳多采用塑料，角磨机的尾部外壳要留 出出风孔，防止角磨机工作散热不及时导致原件损坏。 3.3 典型机构设计典型机构设计 12 3.3.1 直流电动机直流电动机 直流电动机分为两部分： 1）转子组件 2）定子组件 转子组件和定子组件的尺寸一定要相符合，两者之间的间隙要合适，该间 隙称为气隙。 定子部分包括机座、主磁极、换向极、端盖、电刷等装置； 转自部分包括电枢铁心、电枢绕组、换向器、转轴、风扇等部件 转子(电枢)： 直流电动机的转子又称电枢，它是产生感应电动势、电流、 电磁转矩而实现能量转换的部件。 1) 电枢铁心 电枢铁心是直流电动机主磁路的一部分，在铁心槽中嵌放电枢绕 组。电枢铁心一般采用硅钢片叠压而成。 2) 电枢绕组 电枢绕组的作用是通过电流产生感应电动势和电磁转矩实现能量 转换。 3) 换向器 换向器的作用是将电枢中的交流电动势和电流转换成电刷间的直流 电动势和电流，从而保证所有导体上产生的转矩方向一致。 4) 转轴 转轴作用是用来传递转矩。为了使电机能可靠地运行，转轴一般用合 金钢锻压加工而成。 5) 风扇 风扇用来降低运行中电机的温升 直流电动机的工作原理直流电动机的工作原理 直流电动机的工作原理如下： 13 如下上图所示为最简单的直流电动机的原理图。其换向器是由二片互相绝 缘的半圆铜环（换向片）构成的，每一换向片都与相应的电枢绕组连接，与电 枢绕组同轴旋转，并与电刷 A、B 相接触。若电刷 A 是正电位，B 是负电位，那 么在 N 极范围内的转子绕组 ab 中的电流从 a 流向 b，在 S 极范围内的转子绕组 cd 中的电流从 c 流向 d。转子载流导体在磁埸中要受到电磁力的作用，根据磁 场方向和导体中的电流方向，利用电动机左手定则判断，如图中 ab 边受力方向 是向左，而 cd 则向右。由于磁场是对称的，导体中流过的又是相同的电流，所 以 ab 边和 cd 边所受的电磁力的大小相等。这样转子线圈上受到的电磁力 f 的 作用而按逆时针方向旋转。当线圈转到磁极的中性面时，线圈中的电流为零。 因此，电磁力也等于零。但由于惯性的作用，线圈继续转动。线圈转过半圈之 后，虽然 ab 与 cd 的位置调换了，ab 转到 S 极范围内，cd 转到 N 极范围内，但 是由于电刷和换向片的作用，转到 N 极下的 cd 边中的电流方向也变了，是从 d 流向 c，在 S 极下的 ab 边中的电流，则从 b 流向 a。因此，电磁力 f 的方向仍 然不变，转子线圈仍按逆时针方向转动。可见，分别在 N，S 极范围内的导体中 的电流方向总是不变的。因此，线圈二边受力方向也不变。这样线圈就可以按 受力方向不停地旋转。 3.3.2 空间齿轮空间齿轮 14 传递两相交轴间的运动和 动力 圆锥 交错轴斜齿圆柱齿轮机构 空间齿轮机构 传递两交错轴间的运动和 动力 蜗杆蜗轮机构 空间齿轮运动简图空间齿轮运动简图 空间齿轮立体图空间齿轮立体图 在设计中运用空间齿轮，主要是利用两个斜齿轮来将水平方向的旋转转化 为竖直方向的旋转，旨在改变从动件的方向。此空间齿轮组采用的材质是合金， 15 在高速的旋转中能够承受巨大的冲击力，其中一个齿轮小，若在使用中磨损， 可以更换只小斜齿轮，这样易于降低成本，节约能耗。 四、典型零件结构设计四、典型零件结构设计齿轮和轴承齿轮和轴承 4.1 齿轮结构设计齿轮结构设计 齿轮立体图齿轮立体图 16 4.2 设计说明设计说明 此零件是连接电机与磨削部分的重要零件，电机力的传递都是通过此构件 传送给磨砂轮，电机的高速运转与磨砂轮受到的阻力会使该零件收到严重损坏， 接处应该有比较大的强度才能承受磨砂所产生的阻力，因此在连接处用了合金 来作为连接件。 4.34.3 注意事项注意事项 因为此构件会收到很大的力，为了防止构件与电机分离，应使构件与电机 连接（即合金）的螺纹方向与电机的旋转方向相反。同理，构件与磨削部分连 接处的受力方向应与旋转方向相反。 4.44.4 结构分析结构分析 此构件上中间有一个孔，通过轴连接，使其与磨砂轮相连，中间有三个孔， 不仅节省了材料，更为角磨机的减震提供了条件，在一定程度上还是角磨机使 用起来更加的轻便。 4.5 连接关系连接关系 该零件与从动装置的连接是轴连接，与主动装置的连接是螺纹连接，是可 分离连接。 4.6 轴承轴承 17 18 深沟球轴承结构简图深沟球轴承结构简图 电动角磨机中用的是滚动轴承中的深沟球轴承，使用此滚动轴承是因为其 有吐下有点： 1 摩擦阻力小，功率消耗小，机械效率高，易起动。 2、尺寸标准化，具有互换性，便于安装拆卸，维修方便。 3、结构紧凑，重量轻，轴向尺寸更为缩小。 4、精度高，转速高，磨损小，使用寿命长。 5、该轴承具有自动调心的性能。 6、适用于大批量生产，质量稳定可靠，生产效率高。 7、在角磨机的工作中可以承受偶纯轴向载荷很大的径向载荷，在转速很 高而轴向载荷不太大时，可承受纯轴向载荷。 五、设计说明书五、设计说明书 5.15.1 角磨机外观设计角磨机外观设计 19 设计草图设计草图 1 该角磨机在外形设计上凸显一种“巧” ，机身采用弧面，简洁、不缀余，机 身大部分采用亮丽的橙色，更能产生一种轻快感。 设计草图设计草图 2 该角磨机的设计简洁大方，机身采用直面与曲面的结合，使其刚中带柔， 柔中含刚，在颜色上采用金属的银色与比较活泼的红色相搭配，更是一种理性 20 于感性的结合，从内而外散发出一种机械的美感。 5.25.2 创意来源创意来源 通过上网查阅资料和实际的市场调研，确定了设计的定位为中端产品。通 过对已有角磨机的机构进行拆卸、计算、测绘和结构及原理分析，进而进行各 机构的 Rhino3D 建模、重要零件的 AutoCAD 绘图，系统了解了角磨机的构造和 加工成型工艺，最后提出并完善自己的外观设计方案。通过对一些角磨机的消 费者了解，简洁轻便的外形是消费者所青睐的。这种风格的艺术是在大多数的 主要销售渠道，已确定为基本产品。在角磨机的计中在形状上可以用直曲面的 结合，既简洁又不单调；在设计材料上采用金属与塑料的结合；在颜色上采用 了银色或黑色与比较感性的颜色（红、橙色）等的结合，使其在枯燥的工作中 既体现出一种机械美感又体现艺术美感。 5.3设计流程设计流程 首先考虑到角磨机的结构是否合理，这是开始设计最关键的一步，由于此 前对已有产品的拆卸、计算、测绘和结构及原理分析，使结构对设计的重要性 得以重视。其次对造型的考虑，此类手持类机械产品宜采用曲面圆润的造型， 但外形不适宜过于怪异复杂。再次对材料的考虑，考虑到大多数消费者的审美 观念及材料的感觉特性，采用镀铬和合金材料和塑料为好。最后在颜色选取上， 选用艳丽的红、橙为主。 5.4产品规格产品规格 21 5.5 使用说明及注意事项使用说明及注意事项 使用方法： 1.使用前，要确认工具所接电源电压必须符合铭牌的规定值。 2.接通电源时，工具开关应是于“断开”位置。 3.操作使用前，应认真检查砂轮是否符合规定使用的增强纤维树脂砂轮，其安 全线速度不得小于80m/s。该砂转的外径不得超过所用工具规定的最大规格。同 时应用木槌轻敲砂轮时不应有破碎声。若所用砂轮的保存期超过一年，必须先 进行回转强度试验合格后才可使用。 4.使用时应先将磨光机空载试运行一下后，再接触被加工的工件，产禁在工具 已经与工件接触的状态下直接启动工具进行作业。 5.使用中应自始至终戴妥防护目镜和穿着合适的工作服。 6.产禁在拆除砂轮防护罩的情况下使用磨光机。 7.移动工具时切勿用手提拉电源线的方法，亦不得用手拉电源线的方式将工具 从插座拔下的方法，这样做可能造成电源线折断，产生危险。 8.工具出现故障需检修时，或需要更换任何零件时，均应在插头自电源插座拔 下的状态进行。 使用注意事项： 1.没有砂轮防护装置时千万不要使用本角磨机。 2.确认砂轮上所标识的转速等于或大于角磨机的额定转速。只能使用额定 转速为 80m/s 以上的砂轮。 3.确保砂轮尺寸与角磨机相符、砂轮与主轴相配。 4.须按照厂家的使用说明书小心存放和使用磨轮。 5.使用前检查砂轮，不要使用破损的、有裂缝的或有其他缺陷的产品。 6.使用角磨机时，应牢牢握住工具的操作柄和侧