内容简介：: 长沙学院 CHANGSHA UNIVERSITY毕业设计（论文）资料设计（论文）题目：花炮筒扇形排布穿引机设计系部：机电工程系专业：机械设计制造及其自动化学生姓名：班级： 1班学号指导教师姓名：职称副教授最终评定成绩长沙学院教务处二一一年二月制花炮筒扇形排布穿引机设计目录第一部分设计说明书一、设计说明书第二部分过程管理资料一、毕业设计（论文）课题任务书二、本科毕业设计（论文）开题报告三、本科毕业设计（论文）中期报告四、毕业设计（论文）指导教师评阅表五、毕业设计（论文）评阅教师评阅表六、毕业设计（论文）答辩评审表20 12 届本科生毕业设计（论文）资料第一部分设计说明书（20 12届）本科生毕业设计说明书花炮筒扇形排布穿引机设计系部：机电工程系专业：机械设计制造及其自动化学生姓名：班级： 1班学号指导教师姓名：职称副教授最终评定成绩 2012年5月长沙学院本科生毕业设计花炮筒扇形排布穿引机设计系（部）：机电工程系专业：机械设计制造及其自动化学号：学生姓名：指导教师：（副）教授2012年5月长沙学院毕业设计(论文) 摘要烟花鞭炮的传统生产工艺大多系手工操作，工艺烦琐。不仅劳动强度大、功效低、产品质量难以保证，研发花炮筒扇形排布穿引机，是提高生产效率，确保安全生产和稳定产品质量的必然趋势。花炮筒扇形排布穿引机可实现花炮筒的扇形排布、涂胶、穿引等工序，其主要由四部分组成：扇形排布机构、打孔穿引机构、涂胶机构、堆砌机构。扇形排布机构部分是实现花跑筒固定并且呈扇形排布的机构，主要通过弹性元件变形实现均匀扇形；打孔穿引机构是通过气缸实现在花炮筒底端打孔，同时将引线勾入炮筒的机构；涂胶机构是采用胶箱、涂胶滚筒实现在花炮筒筒体涂胶的机构；堆砌机构是将已排的扇形花炮筒堆砌，形成扇形筒堆。为传统烟花鞭炮生产提供了一种可用的自动扇形排布穿引机。关键词：扇形花炮, 扇形排布, 打孔穿引, 涂胶ABSTRACT The fireworks and firecrackers in the traditional production process are mostly manual operation, process cumbersome. Not only has large labor intensity, low efficiency, difficult to guarantee the quality of products, R & D fireworks barrel threading machine platoon, raises the production efficiency, ensure the safety of production and product quality and stability of the inevitable trend.Fireworks and firecrackers barrel threading machine can realize fan-shaped arrangement flower barrels platoon, glue, threading and other processes, which mainly consists of four parts: a fan-shaped arrangement mechanism, drilling threading mechanism, a glue spreading mechanism, stacking mechanism. Fan arrangement mechanism part is spent achieving run cylinder fixed and fan-shaped arrangement of institutions, mainly through the elastic element deformation to achieve uniform sector; drilling threading mechanism is through the cylinder to achieve the fireworks barrel bottom end punch, while the wire hook into the barrel body; the adhesive mechanism adopts plastic boxes, spreading roller in fireworks cylinder cylinder coating mechanism; stack mechanism is the row of scalloped flower barrel together, forming a fan cylinder pile. As the traditional fireworks and firecrackers production provided an available automatic platoon threading machine.Keywords: The fan-shaped fireworks, platoon, drilling threading, glue目录摘要IABSTRACTII第1章绪论11.1花炮的历史及其发展11.1.1花炮的由来11.1.2花炮的发展11.2扇形彩烟的生产现状和发展趋势21.2.1 扇形彩烟的生产现状21.3扇形彩烟的传统生产方式31.3.1扇形彩烟的简单介绍31.3.2 扇形彩烟的应用及前景5第2章花炮筒扇形排布穿引机整体设计72.1花炮筒扇形排布穿引机简介72.2设计目的72.3.1 扇形排布机构原理分析72.3.2 打孔穿引机构原理分析10（1）打孔穿引概述10（2）打孔穿引原理102.61打孔穿引机构气缸的计算14（6）气缸筒的壁厚的确定16（7）气缸进排气口直径d016（8）活塞杆的校核172.62下压机构气缸的计算182.7机构设计192.8关键部位的强度校核202.7.1固胶机构气缸的横杆的校核202.7.2排布气缸与燕尾槽的螺栓连接212.7.3 下压气缸与支撑座的连接杆22第3章标准件的选取233.1气缸的选择233.2导轨的选择293.3 联轴器的选择30第4章设计成果32结论34参考文献35附录36气缸的设计计算与校核36气缸内径的确定36致谢37III第一章绪论1.1花炮的历史及其发展1.1.1花炮的由来古时烟花又名爆竹、爆仗、炮仗，称鞭炮是宋以后的事。从诗经小雅庭燎中，我们可读到这样的诗句：“庭燎晰晰，君子至止。”庭燎，是古人将竹子、草或麻杆，捆绑在一起燃放使夜晚耀如白昼，有照明与驱邪的作用。这可能是中国燃放爆竹的雏型，距今已两千多年以前了。古书周礼有岁终驱疫鬼即“驱傩”的活动。汉代，燃放爆竹，也为了驱鬼辟邪，时间在正月初一。汉东方朔的神异经西荒经说，深山中有山臊（后人称山魈），人接触到它，往往染寒热病。它好偷人食盐来吃虾蟹，遇见它“人尝以竹着火中爆州（形容声音）而出，臊皆惊惮。”南朝梁的宗懔在荆楚岁时记也说：正月初一“鸡鸣即起，先于庭前爆竹，以避山臊恶鬼。”山魈怕爆竹，民间便将山魈演变成一个叫“年”的怪物，年年从海里爬上岸来害人，后来它被一个穿红衣的小孩燃放爆竹吓跑了。这样除夕或正月初一燃爆竹驱邪，就渐成一种习俗。1.1.2花炮的发展1、最早的“花炮”、“爆竹”，是火烧竹子所发出的爆裂声。荆楚岁时记载：“燃火投竹，爆破有声，能辟恶魔”。 2、唐朝初年，“药王”孙思邈（公元581-682年）最早记叙了把硝石、硫磺、含炭物质混合在一起创造火药的“硫磺伏火法”。传说孙思邈曾隐居浏阳。浏阳城东历来有“孙隐崖”、“洗药桥”等地名，有“升冲观”（前两年重修）。如今还新建有“思邈公园”。 3、宋代，民间开始用纸筒装裹火药，并用麻茎编结成串，做成“编炮”。这种传统工艺一直延续近千年。 4、清康熙浏阳县志记载：“后人卷纸作筒，实以硝磺，名为大爆竹，馈遗者，号曰春雷。往岁小除夕，响声不绝。”在此，爆竹已广泛用于送旧迎新、婚丧嫁娶等场合。 5、20世纪80年代初期，浏阳开始研制出具有国际水准的“礼花弹”，完成了由“玩具烟花”到“大型烟花”的飞跃。此后，“浏阳花炮”频频亮相于国内国际的大型烟火表演，让这个世界黑色的夜空光芒四射。1.2扇形彩烟的生产现状和发展趋势1.2.1 扇形彩烟的生产现状目前，国内大多数烟花还是依靠手工操作，除了鞭炮生产有一些设备外，其他产品很少有设备生产，花炮的传统工艺均系手工操作，工艺繁琐，据说须经过12道流程、72道工序，不仅劳动强度大，工效低，不安全，生产企业习惯于、仍处于传统作坊式手工生产和加工，机械化程度低，装备水平和工艺设施落后，而且产品的质量难以保证。正是由于企业自身安全投入不足，安全保障能力难以提高，无跨地区、跨行业的企业集团，产品竞争力低，这势必严重影响我国烟花爆竹行业健康发展。特别是扇形彩烟，目前还没有相应生产设备的任何资料记载。如图1.1所示，工人正在涂胶，码放。图 1.1 扇形彩烟生产现状1.2.2 扇形彩烟生产的发展趋势调查得知，我国多数花炮生产企业以生产低档烟花爆竹为主，工艺落后，产能较低，人员众多，标准不高。企业所使用的生产机械如结鞭机，插引机，包括近年来引进的自动装配药机等机械设备，对于刚刚实现从作坊到工厂转变不久的生产企业来说，在产能和安全方面，已取得了长足的进步。但是同时我们也注意到这些机械设备大多为本行业自行研发制造，其结构比较简单，工艺水平不高，尤其是在安全性和可靠性方面，几乎没有经任何国家权威部门进行产品合格鉴定，许多还需要进一步的改进和提高，因此，研发自动化生产设备，提高生产效率，确保安全生产和稳定产品质量是必然趋势。1.3扇形彩烟的传统生产方式1.3.1扇形彩烟的简单介绍扇形彩烟属于烟花爆竹类中日景特效烟花系列烟雾类，主要效果是发出各种五彩烟雾，日观彩烟突破传统的烟花只能在夜间燃放的局限性，能够在白天清晰显现，故又称为日景烟花。历来的高空礼花都只能在晚上燃放，因为白天的强烈光照会使焰火的斑斓色彩黯淡无光，日景彩烟花彻底改变了这一现象。它通过高空的七彩烟缕，让人们在朗朗晴空也能看到烟花奇观。一般最适合的观赏距离大约为30米开外，可以全景的观看彩烟的效果。适用于：开业典礼、开工竣工、奠基仪式、文化艺术节开幕等大型庆典活动。如图，将装药卷筒等工艺完成后的花炮，呈扇形排布在纸板上，就是一个成品。在婚礼、开业或庆典现场施放，产生喜庆的气氛。无浓烈火药味，不伤人（小孩也可操作使用），深受人们喜爱。图1.2所示，为人工安装的扇形炮筒排布结果。由图可见，其排布不均匀，误差大。图1.2 现有产品1.3.2 扇形彩烟的应用及前景扇形彩烟的燃放效果具有红、黄、蓝、绿、橙五种艳丽颜色，同时伴有清脆悦耳的笛声和银龙般的亮光，燃放高度可达数十米；组合后形似彩色瀑布，或七彩祥瑞；气势磅礴震撼，效果新颖独特，给观者带来强烈的视觉冲击和心灵的愉悦，极大的丰富了喜庆活动的内涵。产品广泛用于：节庆开幕、庆典礼仪、开业奠基、竣工典礼、舞美特效、展会推广、招商活动、促销活动、演艺活动、飞行拉烟表演等大型活动。随着我国花炮产业快速发展，安全生产压力也在增大，扇形彩烟生产方式属于季节性生产，生产期受限制，特别装药期较短，虽然工人在上岗前也要经过培训，但技术不熟练、基本功不扎实、安全意识淡薄、违反劳动纪律、不严格遵守行业规程与政策法规等问题普遍存在，不仅劳动强度大,工作环境差,工效低,质量难以保证,而且安全系数小，加之从业人员素质低,自我保护的意识差，生产工艺、生产技术的传承从来就是师傅怎么教,徒弟怎么做，生产机械化程度不高且工艺十分落后，研究开发相关生产机械前景十分光明，紧紧依靠科技进步，加快机械设备研发生产，提高机械设备在生产过程中的比重，减少操作员工数量，实现人机分离，提高劳动效率，不断改进安全生产条件，是提升企业产能和提高企业产品质量的根本途径。图1.4是扇形彩烟的燃放实景场面：图1.3 扇形彩烟的应用第2章花炮筒扇形排布穿引机整体设计2.1花炮筒扇形排布穿引机简介花炮筒扇形排布穿引机是在花炮筒产品生产中的一道工序，目的是将花炮筒打孔穿引以及固胶工艺然后排成扇形。由于排布穿引固胶涉及多道工序，故花炮筒扇形排布穿引机设计时需考虑完成工序多样的特征，且要求每一个动作都能够智能机械化完成，因此我们的装置采用一个主机构加上三个副机构，这样不但能够完成所有的工序，而且具有环保，安全，高效等优点。2.2设计目的在本次设计中，主要解决的是花炮筒在装药，卷筒环节之后，通过步进机构将花炮筒体固定于此机构上，并且在此依次完成打孔、穿引、扇形排布以及固胶工序。用机器代替传统的手工作坊，不但提高了生产效率，而且降低了生产的危险性。 2.3 原理分析2.3.1 扇形排布机构原理分析排布机构的主要功能是固定花炮筒体，将筒体固定在弹簧片上，使其整齐且呈扇形排布，等待下一步工作。进行这道工序现拟采用以下两种方案：方案一：如图2.1所示，将纸质花炮筒按照上料装置方向推入，使筒体被上端杆的固定块等距离固定，再将下端的杆往前推进，利用推进气缸带有弹簧片的伸缩，而弹簧片被固定住，这样弹簧片在中心力的作用下形成一个弧度，达到使筒体分别朝左右两边不同角度的倾斜，实现对筒体的等角度分离，从而使花炮筒体呈扇形排布，确保产品的精度。图2.1 排布机构方案一方案二：如图2.2所示，首先将花炮筒固定在工作台上，然后将此机构固定在气缸上。利用气缸的来回运动，使得此机构前端的固定块能对准花炮筒筒体的底端，然后深入筒体达到与花炮筒联结的目的。再利用气缸向后拉动此机构的细连杆，使前端呈扇形等角度排列开，从而也使筒体分别朝左右两边不同角度的倾斜，实现对筒体的等角度分离，从而使花炮筒体呈扇形排布，确保产品的精度。图2.2 排布机构方案二通过以上两种方案的比较可知，方案一虽然原理可行，但需要采用较多的零部件，并且也需要更高精度的尺寸和配合。方案二所需的零部件较方案一更少，并且其原理也更加符合筒体呈扇形排布的要求。综合可行性实用性以及便捷性等多方面的考虑，拟采用方案二作为扇形排布的机构。排布机构的设计结构简单可行，类似于雨伞样式，能顺利把筒体固定在相应的位置，完成后续的打孔穿引工序。2.3.2 打孔穿引机构原理分析打孔穿引概述打孔机构的主要功能是对花炮筒体进行打孔，将筒体整齐固定在排布机构上后，利用打孔机构的纵向打孔，使每个筒体打上两个孔，从左至右依次完成每个筒体的打孔，完成一个工作循环。传动系统为气动元件、气缸。穿引是将引线穿入筒体上的孔的过程，主要通过穿引机构将引线切割成一小段后，由穿引机构上的夹子将引线夹住，然后对准筒体上的孔往前推进，从而使引线穿入筒体的过程。打孔穿引原理打孔机构是由气缸、连杆以及打孔针构成，通过气缸的下压带动连杆机构进行纵向打孔。穿引的工艺动作如图所示，穿引装置连杆伸出，在其上的切割单开始切割引线，每切割一条引线，引线夹便将其加紧并且对准筒体上相邻的孔，通过连杆的向前推使引线穿入筒体，最后夹子合拢往前推进一小段距离，使引线固定在筒体上，从而完成穿引工艺。该机构主要目的是对固定好的花炮筒底端进行打孔，并且穿上引线的过程。进行这道工序现拟采用以下两种方案：方案一：由打孔、穿引两种机构分别完成两道工序打孔是将花炮筒体固定于排布机构上后，直接将打孔机构调至筒体打孔位置的上方，通过纵向运动实现打孔动作。原理图如图 2.4所示：图2.4 打孔原理图穿引的工艺动作如图2.5所示，穿引装置连杆伸出，在其上的切割单开始切割引线，每切割一条引线，引线夹便将其加紧并且对准筒体上相邻的孔，通过连杆的向前推使引线穿入筒体，最后夹子合拢往前推进一小段距离，使引线固定在筒体上，从而完成穿引工艺。图2.5 穿引工艺原理图方案二：打孔穿引由一种机构一次性完成。打孔穿引实行一个机构一步完成，最大限度的提高生产效率。如图2.6所示，将花炮筒固定在工作台上后，利用连接的打孔针的气缸的左右伸缩运动，实现从左往右依次对花炮筒筒体进行打孔的工序。当打孔针将全部筒体打孔完成后，利用针头钩住花炮筒固定台左边的引线，然后气缸缩回，打孔针将引线从右至左拉回，最后引线穿过整个筒体，实现对花炮筒的打孔穿引工序。图2.6打孔穿引原理图通过以上两种方案的比较可知，方案一虽然原理可行，但具体操作比较困难，并且两种机构的设计也更加复杂。方案二所需设计的机构比较简单，并且其原理也更加符合对筒体打孔穿引的要求。综合可行性实用性以及便捷性等多方面的考虑，采用方案二作为打孔穿引的机构。2.4各机构动作分析2.4.1打孔穿引动作分析打孔穿引工序由一种机构一次性完成，其具体的动作如图2.7所示。首先由气缸推动活塞杆向前推进，从而使得打孔针横向对花炮筒筒体进行打孔，即上方箭头所示方向。在花炮筒的左边固定一卷引线，并且使引线向下掉落一定长度，在打孔针穿过所有花炮筒至引线下方时，人工将引线勾在打孔针前端的钩子上，再通过气缸的收缩使得打孔针带动引线依次穿过所有的花炮筒，即下方箭头所示方向，从而达到穿线的目的，完成打孔穿引工序。图2.7打孔穿引动作图扇形排布的动作主要由两部分组成，首先是推进气缸的动作，推进气缸向前推进，推动燕尾槽向前运动，从而使得燕尾槽前端的花炮筒夹对准花炮筒体进行夹持。然后通过拉紧气缸右端的活塞杆向内拉紧，通过连接件使得整个带花炮筒夹的弹簧片呈扇形向内拉伸，同时拉紧气缸也会向后端移动一定距离。通过上述两个动作实现了对花炮筒筒体的扇形排布。扇形排布机构动作流程图如下图所示：图2.8 扇形排布动作图2.5 整体运动分析花炮筒扇形排布穿引机主要运动以及顺序如下：1、一阶梯台原始位置打孔穿线（含下压板压紧）。2、后工件推前工件，到二阶梯台面上方下沉60mm左右。3、二阶梯台面上扇形排布机构运动，使花炮筒扇形排布。4、人工涂胶，放隔离纸片。5、完成动作循环2.6动力元件的计算2.6.1打孔穿引机构气缸的计算通过针刺实验，样品的穿透负载在100N以内。设计时确定负载大小为100N。考虑到气缸未加载时实际所能输出的力，受气缸活塞和缸筒之间的摩擦、活塞杆与前气缸之间的摩擦力的影响。在研究气缸的性能和确定气缸的缸径时，常用到负载率：由液压与气压传动技术表3.2：表2.1 气缸的运动状态与负载率阻性负载（静负载）惯性负载的运动速度v运动的速度v=50mm/s，取=0.60，所以实际的气缸缸负载的大小为：F=F0/=163N气缸选型首先，根据设计要求，确定气缸的行程为300mm。设定其负荷率为0.7，使用压力0.5MPa，与气压缸出力163N，查表3.2可知气压刚内径为25mm，选型为CM2L25300。气缸的校核输出力的大小为经验算该型可以达到使用要求。2.6.2下压机构气缸的计算气缸的选型估算压紧力的计算（50N），其中上压板的重量为20N。当气缸下压时，气缸只需提供30N的压力。所以实际气缸负载的大小为30/0.6=50N。根据设计要求，确定气缸的行程为100mm。设定其负荷率为0.7，使用压力0.5MPa，与气压缸出力163N，查下表可知气压刚内径为16mm，选型为CM2L16100。气缸的校核输出力的大小为：回收的时候经验算，可以达到使用要求。2.6.3 其余气缸的选型由于其余气缸所需动力较小，所以选择缸径为30mm的气缸，长度按需要进行选择。其中扇形排布机构推进气缸选择长度为100mm的气缸，推进气缸选择长度为100mm的气缸。以下是花炮筒扇形排布穿引机的气缸运动时序表（一个循环内）：表4.1 整体机构气缸运动时序表气缸名称速度T（伸出）/sT（收回）/s排布气缸（气缸1）2421-21.524.5-25下压气缸（气缸2）2521-2323-25打孔穿引气缸（气缸3）4023-2425-26拉紧气缸（气缸4）4024-2526-27推进气缸（气缸5）2.525-2723-252.7机构设计2.7.1 打孔穿引机构结构设计打孔、穿引两个动作的也是通过气缸来控制的。打孔针通过针套连接到活塞杆上，活塞杆伸出的时候，打孔针打孔，活塞杆收回的时候，打孔针钩着引线收回为完成穿引动作。打孔针的结构设计: 由以上设计的上下压板的长度可知，打孔针的长度要大于上下压板的长度，即打孔针的长度大于，考虑到还要安装到气缸上的尺寸。取打孔针的长度为，20钢，打孔力100N。式中为许用应力，取80MPa。鉴于打孔针上开钩线口，将打孔针截面设计为矩形，取取，。由于要开钩线口，则钩线口处的截面为危险截面。危险截面的面积，由于，则钩线口的高度。在这里将钩线口的位置设在离针头处。图2.9 打孔针简图2.7.2 扇形排布机构结构设计扇形排布机构主要由花炮筒夹、弹簧片、拉紧气缸、推进气缸、燕尾槽以及连接件组成。通过各零件的配合，以及协调运动使得整个机构在以气缸为执行元件的系统中完成花炮筒的夹持、扇形排布、松开等动作，从而达到使花炮筒筒体呈扇形排布的目的。花炮筒夹的设计花炮筒夹部件主要由以下零件组成：夹柄、夹套、夹圈。通过各零件的配合及协调，花炮筒筒夹能够完成对花炮筒的夹持动作。其中各零件的相关设计如下：由于本课题研究的花炮的规格为40350，如图2.10所示为炮筒3D图：图2.10 花炮筒图考虑使用类似夹子一样的工具把花炮夹住，初步夹子结构如图2.11所示：图2.11 花炮夹持图可见夹子的尺寸要根据花炮筒的外形直径40来确定。其他结构按照结构小巧合理的工艺要求，关于夹子松紧夹持的控制要拟定采用不完全齿轮设计，如图2.12所示：图2.12 半圆齿轮图不完全齿轮采用3-5个齿啮合，注意部位错齿一颗，齿轮参数取m=1,z=16(完全齿数)。并采用了单圈弹簧复位。齿轮材料的选择对齿轮材料性能的基本要求为齿面要硬，齿心要韧。钢材韧性好，耐冲击，容易通过热处理来改善其机械性能和提高硬度，是制造齿轮最常用的材料。对于强度、速度和精度要求不高的齿轮传动，可以采用软齿面齿轮。软齿面齿轮的齿面硬度低于350HBS，热处理方法为调制或正火，常用材料有45号钢和40Cr等。加工方法一般为热处理后切齿，切制后即为成品，精度一般为8级。本文设计的齿轮副速度要求不高，所以设计选用40Cr为材料，软齿面即可满足传动要求。图2.13 齿轮啮合图齿轮副的强度校核轮齿在受载荷时，齿根所受的弯矩最大，因此齿根处的弯曲疲劳强度最弱。对于制造精度较低的传动齿轮，由于制造误差大，实际上多由在齿顶处咬合的轮齿分担较多的载荷，为便于计算，通常按全部载荷作用于齿顶来计算齿根的弯曲强度。本文设计的是直齿圆柱齿轮，齿数Z=16，模数=1 mm，齿宽b=6mm,分度圆直径d=16，齿形角度，齿轮副的传动比u=1:1。假设传动的转矩T=90。对于齿轮的校核将从两方面来计算： 1) 齿面接触疲劳强度的校核齿面接触疲劳强度的校核公式为；（3-5）式中：为区域系数，标准直齿轮=2.5； K为载荷系数，此处取K=1.8；为弹性影响系数，查得=188；为接触疲劳许用应力（3-6）式中：为接触疲劳寿命系数，取=0.95；齿轮接触疲劳强度极限，查得=550； S为安全系数，取S=1。从而求得： =522.5将所有已知量带入(3-6)式，求得： =199.5=522.5 从齿面接触疲劳强度上来说，齿轮是合格的。(2）齿根弯曲疲劳强度的校核）本文设计中的齿轮为一悬臂梁。齿根危险截面的弯曲强度条件式为（3-7）式中：为齿根危险截面处的理论弯曲应力；为载荷作用于齿顶时的应力校正系数，取=1.625；为载荷作用于齿顶时的齿形系数，取=2.52；为弯曲疲劳许用应力。（3-8）其中：为弯曲疲劳寿命系数，查得=0.88；为弯曲疲劳强度极限，取=380；取弯曲疲劳安全系数S=1.4。从而求得： =238.86将所有已知量带入(7)式，求得： =5.53=238.86以上计算可知，设计的齿轮副是合格的。表3.3齿轮的几何尺寸名称符号公式分度圆直径齿顶高齿根高齿全高齿顶圆直径齿根圆直径齿距齿厚齿槽宽中心距表2.9 半圆齿轮尺寸表2.7.3燕尾槽滑台的设计滑台的设计截面采用倒立的梯形截面，底面宽，下面窄的结构，如图2.14所示。结构采用整体协调的原则。材料采用HT200，耐磨损，减摩性能良好。图2.14 滑台结构示意图燕尾槽的设计截面采用倒立的梯形截面，底面宽，下面窄的结构，与滑台配合，保证一个小的间隙量。如图2.15所示。结构采用整体协调的原则。调整时必须使各道压下量分配合理，特别要注意孔腰的厚度和高度。材料采用HT200，耐磨损，减摩性能良好。图2.15 燕尾槽结构示意图2.7.4扇形工作弹簧片的设计扇形工作弹簧片的选择扇形工作弹簧片是对花炮筒夹进行固定和定位的零件，通过对弹簧片上进行等距离的打圆孔，使得每个花炮筒夹依次定位在弹簧片上，从而对花炮筒实行夹持和扇形排布的工序。弹簧片的长度以花炮排列的最大外形尺寸为依据，宽度按照花炮的直径选择。考虑工作情况，初选1mm厚的弹簧片，如下图所示：图2.15 弹簧片弹簧片变形计算受力图如下：图2.16 弹簧片受力分析图计算梯形单片弹簧变形和应力，可以利用材料力学求小挠度梁方法计算。梯形单片弹簧与等宽简支梁计算公式不同之处是引进了一个挠度系数，梯形单片弹簧刚度、变形、应力和比应力计算公式如下：（4）（5）（6）（7）式中：梯形单片弹簧刚度，; 梯形单片弹簧变形，; 梯形单片弹簧在根部（或中心螺栓处）应力，; 弹簧比应力（单位变形应力），; 钢板弹簧材料弹性模量，取；作用在弹簧上的载荷，取,；梯形单片弹簧长度， ,；梯形单片弹簧在根部的惯性矩， ; （8）梯形单片弹簧在根部的断面系数， ; （9）单片弹簧各片宽度，；单片弹簧各片厚度，；挠度增大系数，；（10）弹簧总片数；与主片等长片数。需要说明一点的是，上面计算公式只适用于等厚片弹簧，对于各片厚度或惯性矩不等的多片弹簧，应按等效惯性矩方法来确定各片的展开宽度。弹簧各片应力和比应力，按下面方法计算。根据共同曲率假设，任意载荷时同一截面上各片曲率半径相等条件下，弹簧各片所承受的弯矩应正比于其惯性矩。由力矩平衡可求出作用在各片弹簧上的力矩。（11）式中：作用在第簧片上的力矩，; 第片弹簧惯性矩， ; 弹簧各片惯性矩之和， ; 第片弹簧片厚，。第片弹簧在根部的应力和比应力为：（12）（13）式中：第片弹簧断面系数，。有关钢板弹簧的刚度、强度等，可按等截面简支梁的计算公式计算，但需引入挠度增大系数加以修正。因此，可根据修正后的简支梁公式计算钢板弹簧所需要的总惯性矩。对于对称钢板弹簧：式中： s为U形螺栓中心距（mm）； k为考虑U形螺栓夹紧弹簧后的无效长度系数（如刚性夹紧，取k=0.5，挠性夹紧，取k=0）； c为钢板弹簧垂直刚度（N/mm），；为挠度增大系数（先确定与主片等长的重叠片数，再估计一个总片数。有式：式中钢板与主片等长的重叠片数，取值1.又有：式中：材料的弹性模量；则有将其代入求得：；=；初取：，取： b=8=52.8mm.根据题设可知，达到52.8mm可以满足要求。强度及寿命校核弯矩图如下：图2.16 弹簧片弯矩图在断面上，扭转应力与弯曲应力为： (1) (2)式中：计算矩形断面抗扭断面系数时的转化系数，它决定于矩形断面尺寸b与S之比。由文献可知，取b：S=40，查得=0.801把数据代入公式(4.24)、(4.25)计算得：=4.889MPa=24.240MPa计算应力等于： (3)数据代入(3)计算得： =42.269MPa所以校核合格。为了评估弹簧(材料)疲劳性能的好坏和寿命高低，比较普遍的做法就是针对具体的弹簧(材料进行大量的疲劳试验，绘出相应的s N曲线(簇)或P s N 曲线；如采用半对数坐标、这些s N曲线一般分成两部分：即有限寿命、向右下倾斜的直线段和无限寿命的水平线段，前者由直线的斜率能反映疲劳损伤的严重程度，后者可判定疲劳极限的高低。P s N 曲线只是增加了破坏机率(P、的考虑，例如P为l0 、50 及90 的三条s N曲线可供选择。由于弹簧片疲劳破坏危险点的应力循环为非对称循环,同时,由上述可知,弹簧片疲劳破坏的危险点为点,此点处的循环应力幅a和平均应力m分别为: (3.1) (3.2)取当量应力a,表示弹簧片疲劳破坏危险点的循环应力状态。 (3.3)应用式(5) ,实测得到2 c与1 c之间的关系,以及式(10) 、(11) 、(12) 可分别求出弹簧片的当量应力a ,不同的分离循环次数获得不同的当量应力。即当量应力a基本上与疲劳循环次数Ni 的对数成线性关系,如图6 :根据材料的疲劳特点,在疲劳寿命Ni = 102106次之间,当量应力为: 且服从正态分布 (3.4) (3.5) 图6 规矩性当量应力和-N曲线任何一种材料的弹簧,在温度恒定的条件下,利用试验数据都可以获得如图6 中的d- lgNi 曲线,由于长时间地频繁载荷, 导致弹簧片材料的组织产生相变,使应力水平下降,达到一定时间后,在d - lgNi 座标中就会出现折点。为了确定应力循环下的疲劳极限,即循环寿命,采取试验和数理统计计算相结合的方法,能够获得正确的结果,为此: 令（3.6）并代入式 ,便得到直线方程: y = a + bx用加权最小二乘法处理,便得到: 上式中: ni 为试验循环级数。由图6 可见,膜片弹簧在循环Ni = 102106 次有限寿命范围内,当量力d基本上与疲劳循环次数Ni 的对数成线性关系。,常用弹簧材料60 S12Mn 或50CrNA ,前者其机械性能持久疲劳极限21 = 0. 28 (b +s) ,b = 1391Mpa，s = 1255MPa所以d = 21 = 740. 9MPa把d = 740. 9MPa 代入式(20) (13) ,便得到相应的循环次数N106 次, 及在交变Ni = 106 次循环作用下的疲劳寿命L1 = 3.6 106次。弹簧圆周均布着许多开槽和窗口,在窗口截面A A 点处出现了应力集中,应力集中将使疲劳极限大为降低。窗口点处应力集中的形成是由冲压形状决定的,为了削减应力集中,提高材料的疲劳极限,常采用表面喷丸处理和强化处理,由于应力集中,常常使疲劳极限- 1降低许多倍数K6 (有效应力集中系数) , K6 用下式表达: （3.7）式中:为弹簧片尺寸系数,查表= 1 ;为弹簧片表面系数,查表= 1;021为交变应力下的持久极限(MPa) ;为强化系数,= 1.2。由于当量应力n与循环次数Ni 有对数线性关系,因此可以确定Ni = 106 循环点的许用当量应力（3.8）式中： nq为安全系数,取n= 1.3，= 1.0， e = 1.0，=1.2，则 d106= 455. 6 MPa则：（3.9）可见, 在Ni = 108 次循环后,弹簧片当量应力大于材料的许用当量应力,因此,不能作无限次循环,根据疲劳损伤积累线性理论Palmgren - Miner理论,其表达式为: （3.10）得到弹簧片安全寿命：连接件的结构设计图2.6为固定拉紧收缩气缸的连接件，考虑到与气缸连接，开口大小与气缸相配，其与弹簧片连接为M10螺纹连接。该连接件，连接气缸与爪部，结构尺寸按照与之配合的部位尺寸。图2.16 连接件扇形排布整体结构设计初步拟定9根花炮作为研究对象，其整体排布如下图所示。弹簧片的长度以花炮排列的最大外形尺寸为依据，宽度按照花炮的直径选择。其余的附件按照协调的原则进行。拟定如图2.17所示设计方案：图2.17 扇形排布机构图弹簧片的材料为65Mn，夹持部位齿轮夹子已经作了介绍，气缸选择单独上一章已经做了介绍，其他零件附件采用Q235材料，标准件按照国标选择。花炮扇形展开示意图如图2.18所示：图2.18 扇形机构展开图第三章其它元件的选取3.1气缸的选择3.1.1 扇形排布机构气缸的选择1、类型的选择。从本次设计使用要求来看，要求气缸到达行程终端无冲击现象和撞击噪声，应选轻型缸。因此，选择SMC系列标准气缸。2、安装形式。由本次设计安装位置要求，采用固定式气缸。3、气缸缸径的选择。根据负载力的大小来确定气缸输出的推力和拉力，一般均按外载荷理论平衡条件所需气缸作用力。本次设计气缸需80N的力，因此选择缸径30的气缸。4、活塞行程的选择。由本次设计工作行程，选取长度50mm的气缸。综上，选用CM2L3050型气缸。3.1.2 打孔穿引机构气缸的选择1、类型的选择。从本次设计使用要求来看，要求气缸到达行程终端无冲击现象和撞击噪声，应选轻型缸。因此，选择SMC系列标准气缸。2、安装形式。由本次设计安装位置要求，采用固定式气缸。3、气缸缸径的选择。根据负载力的大小来确定气缸输出的推力和拉力，一般均按外载荷理论平衡条件所需气缸作用力。本次设计气缸需100N的力，因此选择缸径25的气缸。4、活塞行程的选择。由本次设计工作行程，选取长度300mm的气缸。综上，选用CM2L25300型气缸。3.1.3 下压机构气缸的选择1、类型的选择。从本次设计使用要求来看，要求气缸到达行程终端无冲击现象和撞击噪声，应选轻型缸。因此，选择SMC系列标准气缸。2、安装形式。由本次设计安装位置要求，采用固定式气缸。3、气缸缸径的选择。根据负载力的大小来确定气缸输出的推力和拉力，一般均按外载荷理论平衡条件所需气缸作用力。本次设计气缸需50N的力，因此选择缸径16的气缸。4、活塞行程的选择。由本次设计工作行程，选取长度100mm的气缸。综上，选用CM2L16100型气缸。图3.1为SMC公司生产的CM系列标准气缸实物图：图3.1 CM型标准气缸实物图综上所述，花炮筒扇形排布穿引机选择的气缸类型分别为（表2.9）：气缸名称打孔穿引气缸扇形排布机构气缸下压气缸品牌及类型CM2L25300CM2L3050CM2L16100缸径mm2530 16活塞杆外径mm1215 10行程mm30050 100受压面积mm2(押侧/拉侧)235/317325/220245/170理论输出力N(押侧/拉侧)160/98.5225/238205/180表2.9 各机构气缸的规格3.2导轨的选择1、类型的选择。气缸推动各个部分动作时，由于气缸的活塞杆存在旋转运动的可能，为了保证各个部件运动时的平稳性，在需要气缸执行运动的部件相关地方安装具有导向作用的导轨，且要求导轨具有以下特点：(1) 自动调心能力；(2) 具有互换性； (3) 所有方向皆具有高刚性。综上，本次设计选用LM型直线导轨。2、轨宽及轨长的确定。轨宽指滑轨的宽度，是决定导轨负载大小的关键因素之一；轨长是导轨的总长。结合本次设计的要求，初定选用轨宽15、轨长300的导轨。3、滑块类型与数量的选择。常用的滑块是两种：法兰型，方形。主要的区别是滑块本体（金属部分）长度不同，安装孔的孔间距也可能不同。结合本次设计要求，选择方形单滑块导轨。4、精度等级的选择。导轨精度由滑块基准侧面相对同侧滑轨侧面的行走直线误差、组合高度误差，滑轨侧面至滑块基准侧面宽度

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