汽车牌照自动压印机的设计【6张CAD图纸+PDF图】
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献格式题目 汽车牌照自动压印机的设计 学院名称 专业班级 学生姓名 导师姓名 年 月 日（扉页格式）汽车牌照自动压印机的设计 作 者 姓 名 专 业 指导教师姓名 专业技术职务 目 录摘 要 ABSTRACT第一章 绪论11.1自动压印机的介绍 11.2车牌压印机工作原理2第二章 气缸的选择22.1气缸类型的选择 22.2气缸的安装 22.3气缸缸径的选择 32.4活塞行程42.5气源装置的选择52.6气压系统的设计52.7气缸安装须知6第三章 模具的选定63.1尺寸的确定63.2模具材料的选定73.3模具在工作台上的排列8第4章 直线导轨的选择94.1直线导轨的固定104.2直线导轨的安装104.3直线导轨的参数选择及计算11第5章 滚珠丝杠的选择135.1滚珠丝杠的介绍145.2滚珠丝杠的特点145.3滚珠丝杠参数的选定及其计算 15第6章 步进电机的选择 166.1步进电机的介绍 166.2步进电机参数的选择166.3步进电机必要脉冲数的计算176.4步进电机负载转矩的计算17第7章 横梁的校核187.1横梁的正应力187.2横梁截面二次矩和弯曲截面系数197.3横梁强度校核20设计总结 22参考文献 23致谢 24摘 要 汽车牌照，是国家车辆管理法规规定的具有统一格式、统一式样，由车辆管理机关经过申领牌照的汽车进行审核、检验、登记后，核发的带有注册登记编码的硬质号码牌。随着经济社会的迅猛发展，汽车已成为必不可少的交通工具。而汽车数量的急剧上升，汽车牌照的需求也随之上升。政府对牌照的管理不断加强，所以对于牌照的制作的要求也在不断提高。本设计是在借鉴三维雕刻成型机床的基础上进行的压印机自动化设计。整个自动压印机是由可以控制横梁运动的两台并联步进电机、横梁上的一台步进电机控制夹具沿着光杆左右移动和车牌夹具沿着丝杠和直线导轨上下运动的另一步进电机组成，它们的联动实现牌照夹具在X、Y、Z轴方向的三维运动。由此机构构成的压印机可以完成牌照半成品在模具板上的精确定位。汽车牌照自动压印机的设计，使汽车牌照的制作更加快捷高效简便。关键词：牌照 压印机 步进电机 ABSTRACTCar license plate is the national traffic management rules and regulations has a unified format, style, after applying for licences by vehicle management agency of car for review, inspection, after registering, hard with a registration code number issued by the brand.In accordance with the regulations on the administration of road traffic rules, car plate is one of the statutory certificates granted the cars on the road.With the rapid development of economic and social, the car has become a necessary means of transportation.And the number of cars has risen sharply, license plate demand also rose.Government continue to strengthen management of the licence, so to the requirement of license plates production has been improved.This design is in reference on the basis of three-dimensional sculpture forming machine for embossing machine automation design.The spindle by can control the beam movement of two parallel stepper motor, the beam of a devoted into motor control clamp move around along the polished rod and plate movement up and down on the ball screw and linear guide of another step motor, the linkage implementation licence fixture of the X, Y, Z axis three-dimensional movement.The mechanism of embossing machine can complete license precise localization of semi-finished products in the mold plate.The design of the car license plate automatic stamping machine, the production of car license plate is more rapid, efficient and convenient.Key words：licence; stamping machine; stepper motorIV第一章 绪论汽车牌照自动压印机的设计是为了完善汽车牌照的制作过程及提高牌照的压印质量。汽车号牌，一般为两面，分别按规定安装在汽车前后部指定位置上。汽车号牌是准许汽车上道行驶的法定凭证，是政府道路交通管理部门、社会治安管理部门及广大人民群众监督汽车行驶情况，识别、记忆与查找的凭证。随着经济社会的迅猛发展，人们的生活水平的提高，汽车已成为必不可少的交通工具。而汽车数量的急剧上升，汽车牌照的需求也随之上升。按照道路交通管理条例规定，汽车号牌是准予汽车上道路行驶的法定证件之一。政府对牌照的管理不断加强，所以对于牌照的制作的要求也在不断提高。汽车牌照自动压印机的设计，使汽车牌照的制作更加快捷高效简便。目前，国内及大多数国家的车牌制作都是采用手动车牌压印机。包括TT-YY120T电脑数控车牌压字机TT-YY60机械车牌压字机YY60车牌液压成型机等手动调整模版的压印机。但在少数发达国家中，已使用先进的车牌3D打印机来制作车牌。1.自动压印机的介绍 车牌的定位主要由横梁支撑的主轴和固定车牌半成品夹具的副轴组成。整个主轴由可以控制横梁运动的两台并联步进电机、横梁上主轴电机左右移动的一台小步进电机和控制夹具沿着丝杠上下运动的另一步进电机电机组成，它们的联动实现车牌自动压印机机在X、Y、Z轴三个方向的三维移动。在机床的工作台底板上的从动副轴负责固定物件以及控制车牌半成品移动并配合主轴相应运动实现与主轴的联动以压印出所需要的车牌。由此机构构成的压印机要求精度比较高。该汽车牌照自动压印机具有以下优点：a.横向运动的横梁紧贴底部增强了运动部件的机械强度，进而保证运动的准确性。b.压印机纵向运动，多数设计方案为单丝杠带动。因为运动中的车牌夹具的位置实际上不会在两导轨的正中间，同时两边导轨的安装间隙、摩擦阻力也不会完全相等，使得横梁在两边的导轨上运动时不能同步，造成一定程度的倾斜，影响准确度。从机械传动的角度，该设计可以解决运动中的不平衡问题，同时也能使工作平台本身结构更加坚固。c.本设计方案是纵向运动采用两台57式步进电机，同时采用链轮链条传动，对两条丝杠进行机械联动，这样设计一方面并联的两步进电机可以保证传动精度，另一方面，可以机械地进行纠步。相比若用一台电机带动，用机械传动方式让另一条丝杠同步，传动误差很大，无法消除。用两台电机各自传动两条丝杠，不解决步进电机丢步造成运动不平衡问题就必须用伺服电机，伺服电机和控制系统的成本要比步进电机高10到20倍，会大大地增加机器的成本。d.整个压印机的结构特点是采用多构件来完成，降低了材料和制造成本。移动构件和夹具等部分设计，结构简捷、紧凑、合理、便于生产、装配和使用。2.车牌压印机工作原理该自动压印机由计算机指令控制系统，气压系统，压印机控制器和压印机主体四部分组成。其工作原理是：通过计算机内配置的专用软件进行设计和排版，并由计算机把设计与排版的数据信息自动传送至自动压印机控制器中，再由压印机控制器把这些信息转化成带有功率的信号进而驱动各轴步进电机联动工作，控制压印机主机生成X,Y,Z三轴的移动使牌照夹具到达相应的位置。同时当夹具移动到一个位置以后（即压印机完成一个移动动作，也就是完成夹具对一个字符模具的定位），将相应的位置信息反馈到计算机，计算机再给控制器发送指令控制对应位置的气缸对车牌半成品进行压印。对于中国大陆车牌来说，一块车牌的压印只需完成七个移动动作即可完成压印。第二章 气缸的选择1、 气缸类型的选择 根据车牌自动压印机工作时的要求和条件，气缸类型的选择要求气缸从开始运动至到达行程终端无冲击现象和撞击噪。由于该设计的要求气缸行程长、重量轻、不允许活塞杆旋转、具回转功能等条件，所以本设计方案应选用垫缓冲、单杆双作用的C95系列气缸。2、气缸的安装气缸的安装需要根据安装位置、使用目的等因素决定。根据本设计的工作条件，采用固定式气缸。将气缸固定在支架上。3、 气缸缸径的选择a.根据气缸工作时的负载力来确定气缸推力和拉力。一般情况下按照气缸外载荷理论平衡原理来确定气缸的作用力，根据气缸运动的不同速度选择不同的负载率，使气缸工作时输出力稍有余量。如果缸径过小，输出力不够，但是气缸缸径如果太大，会使设备笨重，既提高了成本，又增加了耗气量，比较浪费能源。所以气缸缸径的选择应尽量合理。b.由负载及运动速度选定气缸的负载率值负载率 （2-1）理论输出力P(N) （2-2） （2-3）式中P1为推力，P2为拉力 ；F为气缸活塞杆上所受的实际负载(N)、P是气缸工作时的理论输出力(N)D是气缸内径(cm)p是气缸工作压力(MPa)、d是气缸活塞直径(cm)。负载性质：阻性负载=80%；惯性负载=50%；一般情况，V0.2m/s=65%；高速运动=30%由实际负载F及负载率值，即将求出所需的气缸理论输出力P(P1或P2）P=F/c.根据气缸的工作压力P及其压印机工作时所需的实际输出力P即可计算气缸缸径D，再按其缸径的大小来确定气缸的尺寸。图2-1按照选定气源的工作压力工作压力为0.6Mpa，模具受压面积为45cm根据表2-1选定气缸内径为80mm，活塞杆直径为25mm。 表2-14.活塞行程活塞行程的选定与自动压印机的使用场合和其部件机构的行程相关，但在一般情况下不选满行程，这样可以防止活塞和缸盖相碰撞。如果气缸是用来机构的夹紧等，活塞行程计算应按所需的行程增加1020的余量。而车牌自动压印机气缸冲压头（凸模）和凹模的实际距离为459mm，所以选定气缸的行程为480mm。5.气源装置的选择气源装置即空气压缩机。空气压缩机的选择主要依据车牌自动压印机上气缸需要的工作压力和流量。一般情况下气源装置的工作压力应比气压传动系统中的最高工作压力高出20%左右，以防止气缸压力不足。因为要考虑气压系统中供气管道的局部损失和沿程损失。如果气压系统中某些机构的工作压力要求较低，可以采用减压阀来供气。空气压缩机的额定排气压力分为低压（0.71.0MPa）。中压（1.010MPa）、高压（10100MPa）和超高压（100MPa以上），可根据车牌压印机的实际需求及表2-2，本设计所需要的工作压力为0.6Mpa，所以选择压力为0.8Mpa、功率为7.5kw、转速为960R/min的低压空气压缩机。表2-26. 气压系统的设计 该自动压印机的气压系统工作原理如图2-2所示图2-2气源的输出压力为0.6Mpa，牌照压印力需要的压印力为0.45Mpa，所以溢流阀的压力参数设置为0.45Mpa。7.气缸安装使用须知气缸的使用条件根据工作条件的不同而不同,但不论什么条件都仍须注意:a.气缸安装使用前,应先检查气缸在运输过程中是否损坏,连接部件是否松动,然后再安装使用。b.无论采用何种安装型式，都必须保证缸体在外力的作用下不产生变形，气缸的安装底座有足够的强度，绝不能用电焊来焊接负载和活塞杆。d.气缸正确安装完以后，应在工作压力范围内进行无负载测试。运行2-3次，检查气缸是否正常工作。e.若采用带可调缓冲气缸，在气缸开始工作前，应将缓冲调节阀调至阻尼最小位置，气缸正常工作后，再逐渐调节缓冲针阀，增大缓冲阻尼，直到达到需求为止。第三章 模具的选定1. 尺寸的确定选定北京市内小型汽车的蓝底白字车牌为研究对象，其总体尺寸为440mm*140mm。省会简称字母和数字字符的宽为45mm高为90mm;而间隔符的宽为10mm。所以根据其牌照的字符具体尺寸确定其压印凹凸模的长为90mm，宽为45mm。暂定其固定在工作台上的凹模高度为50mm，固定在气缸活塞上的冲压凸模高度为100mm。图3-12. 模具材料的选定 由于车牌在自动压印加工过程中，车牌半成品和模具间没有相对滑动，由压印过程产生的热量也很少。所以会导致模具失效的主要原因可能是由于压印过程产生的撞击或龟裂等原因。而汽车牌照自动压印机的压印模具尺寸较小，工作压力较低，车牌的加工批量又不大，所以该模具的对钢材料的要求不高。根据以上分析，采用碳素工具钢作为压印模具材料。3. 模具的校核凹凸模在压印机的正常工作条件下，主要受力为来自气缸垂直方向的压力，其它的受力可以忽略不计。所以只需要校核该模具的抗压强度。模具面积内承受的压应力必须小于模具材料的允许的压力 P/S （3-1） 0.6Mpa/45mm式中，P-模具纵向总压力 S-模具的受力总面积根据下表，相比极小，即凹凸模的抗压强度合格。表3-13.模具在工作台上的排列 所有模具在工作台上排列如图3-2所示，整个工作台的有效面积为1800mm*1715mm；每个模块之间的横向距离为30mm；工作台的最右边为了给移动横梁留出足够的位置，所以最右边的模块离工作台右边缘的距离为240mm；模块间的纵向距离为390mm；模块与工作台前边缘和后边缘的距离为400mm，给车牌半成品的加工移动提供充足的空间。图3-2第4章 直线导轨的选择 根据车牌自动压印机的工作条件，确定移动横梁的直线导轨选用THK-LM滚动导轨系列HSR-20M2A型号。该直线导轨具有较好的误差吸收能力摩擦系数低刚性高等优点 。图4-11. 直线导轨的固定 直线导轨的固定采用定位固定法。该固定法是通过利用螺栓头部斜度的推进来实行，因此需要特别注意螺栓的头部的位置。由于工作台空间位置的关系，螺栓尺寸不应太大。图4-22. 直线导轨的安装直线导轨的安装分为轨道的安装和滑块的安装。安装轨道前必须把工作台上的加工毛坯和杂物彻底清除干净。具体安装步骤如下图： 1 2 3 4图4-33. 直线导轨参数的选择及其计算直线导轨HSR-20M2A的基本额定动负荷C=8.5kN,基本额定静负荷C0=13.5kN如下图所示：质量 m1=100kg m2=10kg速度 v=0.5m/s加速度 a1=10m/s a2=3.33m/s时间 t1=0.05s t2=3.99s t3=0.15s距离 l0=40mm l1=1815 l2=90mm l3=50mm l4=100mm l5=200mm行程 ls=2045mm 图4-4a. 匀速时径向负荷大小Pn （4-1） （4-2） （4-3） （4-4）得到P1=1891N P2=2459N P3=1794N P4=1911Nb.加速时径向负荷大小Pan （4-5） （4-6） （4-7） （4-8）得出Pa1=-275.6N Pa2=3625N Pa3=2645N Pa4=-855.6Nc.减速时径向负荷大小Pdn （4-9） （4-10） （4-11） （4-12）得到Pd1=2946.6N Pd2=2403.4N Pd3=1423.6 Pd4=1966.4Nd.直线导轨在静态下的安全系数如前面所述，直线导轨上所作用的最大负荷是滑块No.2左行加速时产生，故静态下的安全系数如下所示。 （4-13） fs=10.2f.平均负荷 Pmn计算出每个滑块上所作用的平均负荷得出Pm1=2910.1N Pm2=3492.2N Pm3=2520.4 N Pm4=1985.5Ng.直线导轨的额定寿命Ln根据导轨的额定寿命计算公式Ln=（C/fwPmn)50假定fw=1.5 得到L1=73700km L2=20600km L3=43000km L4=23900km 第五章 滚珠丝杠的选择1.滚珠丝杠的介绍 滚珠丝杠是由螺母、螺杆和滚珠组成。它将旋转运动转化成直线运动的功能是从滚珠螺丝功能上的进一步发展和延伸，其传动机械效率可高达92%98%。所以这项功能研究的重要意义就是将轴承从滚动动作变成滑动动作。由于滚珠丝杠具有可逆性、高精度和高效率及摩擦阻力非常小等特点，所以滚珠丝杠被广泛应用于各种工业设备和精密仪器。 同时滚珠丝杠也是被应用最广泛的传动元件。图5-12.滚珠丝杠的特点a. 由于滚珠丝杠副的丝杠轴与丝母之间有很多滚珠在做滚动运动,相比滑动丝杠的驱动力只有其1/3，所以该结构相对比较节能。b. 高精度的保证滚珠丝杠副一般是由世界最高水平的机械设备加工生产出来的，在不同的工厂环境都能保证各方面工序的高精度。c. 滚珠丝杠副启动力矩极小,可避免产生爬行现象。 d. 无侧隙、刚性高 e. 滚珠丝杠由于运动传动效率高、摩擦阻力很小、所以可实现高速运动。3. 滚珠丝杠参数的设定及计算a. 参数条件的选定：工作台质量 m 1 = 100kg工件质量 m 2 = 10 kg行程长度 ls = 2045mm最高速度 Vmax = 0.5m/s加速时间 t 1 = 0.05s减速时间 t 3 = 0.15s每分钟往复次数n = 8 min -1定位精度 0.3mm/1000mm反复定位精度 0.1mm最小进给量 s 0.020mm 脉冲驱动马达 AC 步进电机额定转速 3000min 1步进电机的惯性矩 J m =1 10 -3 kg-m 2减速机构 无（直接连接）A=1导向面 滚动( =0.003)导向面阻力 f=15N（无负荷时）b.导程精度的选择：为了满足需求的定位精度 0.3mm/1000mm 所以必须选择 0.090mm 300mm以上的导程精度。根据查表可知，应选择的导程精度等级为C7级。c.滚珠丝轴直径的选择：如上导程的等级精度选择，当轴的长度为2000mm，选择丝杆轴的直径为25mm。d.丝轴支撑方式的选择：由于行程很长，最大速度为0.5m/s属较高速使用。所以采用电机一端固定另一端支撑的方式。即固定支撑的方式。e.丝杆轴向负荷的计算最大轴向负荷计算：导向面的阻力 f 15N（无负荷时）工作台质量m 1 100 kg工件质量 m 2 10 kg导向面的阻力 0.003最高速度 V max 0.5m/s重力加速度 g 9.8m/s加速時間 t 1 0.15s所以，加速度 （5-1）去程加速时 （5-2）去程匀速时 去程减速时 回程加速时 回程匀速时 回程减速时 由上可得Fa1=381.63N Fa2=18.234N Fa3=-348N Fa4= -384.54N Fa5=-18.23N Fa6=348N综上所述，滚珠丝杠的最大轴向负荷为Famax=384.54NF.丝杠轴的最大负荷计算 （5-3）其式中la2100mm，2=20.0（查表所得）d1=17.5mm 得到P1=4253N由此可知，轴的最大负荷比它本身能承受的最大负荷小很多，所以该滚珠丝杠在使用上没有问题。第6章 步进电机的选用1. 步进电机的介绍步进电机是一种能将数字输入脉冲转换成旋转或直线增量运动的电磁执行元件。每输入一个脉冲电机转轴步进一个步距角增量。电机总的回转角与输入脉冲数成正比例，相应的转速取决于输入脉冲频率。步进电机具有惯量低、控制简单、无累积误差、定位精度高等特点。 步进电机在车牌自动压印机的设计中被用来作定位控制和定速控制的零件。2. 步进电机参数的选择本设计选用二相步进电机，步进度为1.8。移动横梁总重量w=（m1+m2）g=110*10=1100N滚珠丝轴与滑块的摩擦系数U=0.06最大阻抗力FZ（与运动方向相反）=1400N最大主动力FY（与导轨垂直）=2800N最高速度 Vmax = 0.5m/s滚珠丝杆导程L=6mm滚珠丝杆直径d0=25mm丝杆总长L=2045mm定位精度0.01mm丝杆螺距10mm3. 必要脉冲数的计算必要脉冲数是指传动装置将物体从起始位置传送到目标位置所需要提供给步进电机的脉冲数。图6-1脉冲当量：一个指令脉冲使步进电动机驱动拖动的移动距离s=0.01mm/p步距角为1.8，所以每转的脉冲数 （6-1） 步进电机和滚珠丝杆之间的传动比i 4. 负载转矩的计算a.摩擦转矩TLF （6-2）b.横梁运动时的负载转矩 （6-3）c.转动惯量计算 （6-4）得出Js=8.110kgmd.大小齿轮转动惯量 （6-5）得到Jg1=0.57810kgm Jg2=1.7610kgm 所以换算到步进电机轴上的总转动惯量JL =7.3310kgm由上数据查表可知，选择二相57步进电机较为合适。第七章 横梁的校核1.横梁的正应力a.中性层和中性轴的概念： 中性层：受力发生纯弯曲变形时横梁的纤维层有的变长，有的变短。但其中有一层既不伸长也不缩短的部分，这一部分称为横梁的中性层。 中性轴：中性层与横截面的交线称为中性轴。 图7-1b、弯曲时横梁的正应力的分布规律： 以中性轴为分界线分为拉区和压区，正弯矩上压下拉，负弯矩下压上拉，正应力成线性规律分布，最大的正应力发生在上下边沿点。 图7-2c、横梁的正应力的计算公式： （）横梁上任意一点的正应力计算公式： （7-1） （）横梁上最大正应力的计算公式： （7-2）其式中：M-横梁截面上的弯矩； IZ-横梁截面对其中性轴的惯性矩； y-所求横梁应力点到中性轴的直线距离。2.横梁截面二次矩和弯曲截面系数 横梁的受力分析如图7-3所示图7-3 （7-3） （7-4） （7-5） （7-6） 由上公式可得： 3.横梁强度校核横梁的弯矩图如下所示，横梁的中点为最大弯矩点。根据横梁的材质查表可知=100Mpa。 图7-4 （7-7）由公式 （7-8）得到所以其横梁的弯曲截面系数为 （7-9） 求出各应力与横梁的允许应力相比较：从上各式可以看出，各应力都在横梁允许应力范围内。即该横梁正应力强度合格。设计总结此次设计，在刚拿到任务书和客体时，对此课题比较茫然，但是在指导老师的讲解和查询资料后，渐渐的明白了一些。虽然在设计的整体过程比较波折，结果不是很完美，基本按要求完成。但当在设计过程中真正领悟到一个个的知识点，自己通过自己所学的知识将存在的问题一一解决时，有无比的成就感，让自己有更大的信心去坚持做下去。在此
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