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平尺刻线机
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12 届毕业设计平尺刻线机设计平尺刻线机设计说明书说明书学生姓名 刘 康 乐 学 号 8031208115 所属学院 机械电气化工程学院 专 业 农业机械化及其自动化 班 级 12-1 指导教师 刘 媛 媛 日 期 2012.5 塔里木大学教务处制目录目录1 1 绪绪 论论.31.1 选题的意义和目的 .31.2 本课题的研究现状.31.3 本课题需重点研究的关键问题.41.4 方案的确定.42 2 总体设计总体设计.52.1 机型.52.2 工作原理.52.3 总体配置.62.4 基本设计参数.62.5 进料槽 .62.6 抬刀机构 .63 3 动力性能计算动力性能计算.63.1 主工作动力的选择 .64 4 主要工作部件的设计计算主要工作部件的设计计算.84.1 设计要求 .84.2 刀架轴的尺寸设计以及校核 .84.3 立轴的设计 .104.4 摩擦轮镇压弹簧的选择 .104.5 摩擦轮力的计算.114.6 凸轮的设计.124.7 齿轮轴上齿轮齿条副的传动比.134.8 摩擦轮轴的设计 .134.8.1 轴的定位和材料的选取说明 .134.9 刻线周期的确定 .154.10 不完全齿轮的设计 .175.5.其他零部件其他零部件.185.1 水平轴 .18图图 5-1 水平轴水平轴.185.2 刻线刀示意图.185.3 工作台示意图 .195.4 轴承的选取 参见参考资料1第 64 页。.195.5 键的选取 根据设计的需要，见参考资料1第 53 页。.195.6 水平轴复位弹簧的选取.196 6 结论结论.19致致 谢谢.20参考文献参考文献.211 1 绪绪 论论1.1 选题的意义和目的人们在认识我们所生活的大自然到改造我们生活的大自然，由表及里，逐一深入，从外及内，颜色、形状、大小、尺寸以及内部结构。长度测量就显现出它的重要性，长度的测量是最基本的测量，最常用的工具是刻度尺。可是在最开始是不存在刻度尺的，最早有记载的人为标准来自古埃及。埃及人曾用质地坚硬的花岗岩制作了一根长度标尺，它的长度是法老的小臂（肘到中指）的距离，因此又叫“腕尺”。虽然这个标准确定得 相当随意，却解决了重要问题，比如：金字塔的准确施工得到了保证。 随意定义长度标准的并不仅限于国外，中国的情况也基本类似。史书记载，在远古时期，中国人便“布手知尺”、“身高为丈”、“迈步定亩”。古人中指中节之长被定义为“一寸”，直到现在，中医的针灸还沿用这个标准。中国最早的长度标尺是安阳殷墟出土的商尺。这把骨尺由兽骨磨成，长 17 厘米，上面标刻着等长的 10 个单位。到了春秋战国时期，各国诸侯各自定义自己领土内的长度标准。这个王的手掌，那个王的小腿，都纷纷派上用场，使得长度标准极为混乱，给国与国之间的交流造成了极大不便。到秦始皇统一度量衡时，王侯的身体部位才退出历史舞台。从而我们是很迫切的需要一种有准确刻度线的丈量仪器，而刻线又成了一个问题。人工的误差是很大的，在工业和科技日新月异的最近一个世纪，人们就设计出了刻线机，并且不断改进。本课题通过机械化刻线，可以达到准确度高、精确度高。减少了劳动力，提高了生产效率，降低成本，本课题在研究时遇到的一些技术问题，通过认真分析以解决，在今后的设计类的工作中也有一定的经验可循。1.2 本课题的研究现状平尺刻线机国内研究现状：随著科学技术的发展，有的刻线机上采用了激光刻线机由光刻代替机械刻划，可在工作台移动的情况下完成动态刻线，刻线精度大为提高，国内比较成熟的激光刻线机厂家例如北京博奥嘉华激光科技有限公司生产的 BVD50 系列激光刻线机。平尺刻线机国外研究现状：国外现在有的刻线机大部分是电脑中控下的激光刻线机。例如 OK-KX50A 激光刻线机采用光刻代替机械刻划，可在工作台移动的情况下完成动态刻线，刻线精度大为提高。克服了传统 “照相-腐蚀”工艺费时，费力的缺点，高速、高效，一次完成刻线、字符、商标等内容。全程电脑控制，精度高、速度快，最大限度的降低了产品不合格率。使用灵活方便，即可成批量生产，又可满足少量加工等多种需求。绝对环保，无任何污染，是现代化生产工艺的主流。支持单公制、单英制、双公制、双英制、公英制、英公制等标新型。支持丁字型、拐角型、圆型等各种特殊量具类型。支持用户自定义的其它非标类的平面或圆柱面的量具。速度快 ,刻线清晰、精度高、永不磨损。制图方便快捷，可根据需要随意制作各种尺寸、形状、图标的量具。三维数控，除主运动外其它两维运动也是自动调整，可以快速准备的对焦，定位。对已生产过的型号，电脑自动记忆位置及其刻线参数，以后生产可直接调用，不必再调焦，定位。1.3 本课题需重点研究的关键问题本课题需要重点研究的关键的问题是刻线部分的抬刀机构和刻线机构，还有平尺的进给机构。解决刻线不准确、不方便，保证刻线刀的工作效果，结合目前的研究条件，此平尺刻线机采用类似立式铣床的结构来实现刻线与抬刀动作，这种结构简单，易于设计，传动效率高。同时容易理解，本课题的主要动力来源刻刀，由主电动机通过减速器带动整体，完成刻线。然后由抬刀电动机通过减速器连接到齿轮齿条副，在通过立柱上的丝杠螺纹副完成抬刀下刀动作。最后由进料电动机通过减速器连接到不完全齿轮连到摩擦轮轴，由摩擦轮带动平尺前进完成进料动作。 进行下一周期的刻线工序。1.4 方案的确定在翻阅和查找国内外的相关资料和信息，经过调查分析，我们发现刻线方式有以下几种：1、 工作间歇进给机构首先，间歇性进给机构大致有：a）、槽轮机构b）、不完全齿轮机构c）、棘轮机构d）、组合机构首先，槽轮机构外形尺寸小，机械效率高，能平稳地间歇地进行转位，但是相对于不完全齿实现进给时结构稍显复杂；而且制造及装配的精度要求高，其传动时尚存在柔性冲击，只能用于速度不太高的场合，且转角大小不能调节。不完全齿轮机构可设计的参数较多，易满足不同停歇要求。但是，不完全齿轮机构和普通齿轮机构的区别，不仅在从齿轮的分布上，而且在啮合传动中，当首齿进入啮合及末齿退出过程中，齿轮并非在实际啮合线上啮合，因此在此过程中不能确保定传动比传动。由于从动轮每次转动开始和终止时，角速度有突变，故存在刚性冲击。若将不完全齿轮直接和调节进给的下层工作台相连，则会造成较大的进给误差。棘轮机构结构简单、制造方便和运动可靠，并且棘轮转角可以根据需要进行调节等优点。但其缺点是传动动力小、工作时有冲击和噪声。不仅如此，传动力不足则会对工作台的进给产生影响，从而影响整个工序。基于以上机构的优点，故考虑组合机构不完全齿轮与螺旋机构。此机构简单、进给精度高传动力较大，易于制造加工。 不完全齿轮机构 槽轮机构 棘轮机构 图 1-12、 刻线机构常见的王府机构有：a） 、凸轮推杆机构b） 、四杆机构c） 、不完全齿轮与环形齿条凸轮推杆机构中，能通过凸轮的轮廓曲线实现推程、休止、回程。推程与回程使刀具沿直线运动，休止能起到间接性的作用，从而机构亦能达到刀具的间歇性往复运动。但凸轮与推杆的接触为先接触，而刻线是刀具收的力比较大，凸轮压力大，易磨损。由于不完全齿轮能实现所需的间歇性运动，而环形齿条能实现往复运动，不完全齿轮与环形齿条配合也为实现刀具的间歇性往复运动提供另一条途径。搭载计算过程中因为齿数等参数比较难于计算，无法做到恰到好处的啮合，且也无法实现抬刀运动，只能保证刀在一个方向上运动。刻线的直线行程，四杆机构选择性相对较大，是的四杆机构不能被忽略考虑。在对一些常用的四杆机构的分析过程中，我们发现四杆机构普遍类似，且功能单一。基于以上考虑，采用凸轮推杆机构组合螺旋上升机构完成刻线和抬刀动作。此机构结构简单，易于实现。2 2 总体设计总体设计 2.1 机型该机器属于专用型小型机器，借鉴立式铣床的原理进行设计。虽然定位为小型机器，但其结构尺寸还要根据具体的配套电动机来定。 2.2 工作原理工作过程：刻线机主要由压刀机构、刻线机构以及进给机构三部分组成。压刀机构用于刻线时将刀具压下，刻线完成之后，通过齿条齿轮副和丝杠螺纹副使刀具自动起落，避免平尺磨损；刻线机构用于控制刻线及刻线长度；进给机构用于控制刻线间隔。2.3 总体配置经过多次的讨论和研究，确定平尺刻线机的总体结构，包括台刀机构、刻线机构和平尺进给机构等组成。 图 2-1 刻线机主要部件示意图1.工作台 2.端盖螺钉 3.水平轴 4.定尺条 5.螺纹筒 6.刀架轴 7.固定螺母 8 键9.立轴（丝杆、齿轮轴） 10.刀体 11.定位螺母 12.垫片 13.压紧弹簧 14.摩擦轮 机器主要由工作台、电动机、凸轮、水平轴、定尺条、立柱、螺纹筒、刀体、以及不挖版权齿轮、压紧装置和摩擦轮构成。2.4 基本设计参数 刻线深度 （mm） 0.5刻线时间 (s) 1刻单线力 （N） 10002.5 进料槽平尺为 1040*30（mm）平尺刻线机主要用来实现自动刻线，刻线要求为每隔 1 毫米刻一条线，刻线长度有 10毫米、13 毫米、18 毫米三种类型。前四次刻线每次刻线长度为 10 毫米，第五次刻线长度为 13 毫米，第六至第九次刻线长度为 10 毫米，第十次刻线长度为 18 毫米，以后依此类推。刻线机主要由压刀机构、刻线机构以及进给机构三部分组成。压刀机构用于刻线时将刀具压下，刻线完成之后，通过齿条齿轮机构和丝杠螺纹副使刀具自动抬起，避免平尺磨损；刻线机构用于控制刻线及刻线长度；进给机构用于控制刻线间隔。2.6 抬刀机构抬刀机构是由如图 2-1 所示，定尺条 4 与齿轮轴 9 上的齿轮啮合使传动方向改变，然后通过丝杠 9 到螺纹筒 5 到刀架轴 6 完成抬刀下刀动作，刻线完成后水平轴在回位弹簧的作用下回位，从而齿轮齿条副以及上面的丝杠螺纹副反向运动完成回程运动。3 3 动力性能计算动力性能计算3.1 主工作动力的选择基于设计是从最末端的工作部位开始的，所以从工作部位的零件开始校核计算。动力的配套适应性应符合拖拉机的额定功率大于机具在作业中所消耗的功率这一原则。图 3-1 减速机的型号与标记图 3-2 减速机的安装形式图 3-3 减速机的电机接线盒位置 机具在作业中要消耗的功率 P1作业中机具消耗的功率主要刻线刀在受牵引破开平尺消耗的功率 P 组成。刻线消耗的功率 P：刻刻线刀克服平尺阻力所消耗的功率 P按下式计算：刻 （3.1.1）3=1000 10 18 10 =180pFvW刻刻刻行-机具行进速度(mm/s)可按 18mm/s 就是按照每秒完成刻线动作一次。刻线刀所受工作阻力为 （3.1.2）=1000 1010000FFnNN刻单线式中： n每次刻线的条数 刻每条线所需要的力F单线 相应于作业功率，拖拉机发动机应具有的功率 P：开拖拉机发动机的额定功率应较作业消耗功率大一些，有所贮备，另外再考虑到动力传输的机械效率，因此减速机应具有的功率为： （3.1.3）3=F=10000 18 100.9=162WPv刻刻刻实式中：减速机滚动阻力系数，这里取 0.12机组总的机械效率，现在按 0.9 计将各有关值代入公式考虑到回位弹簧所消耗的功率，参考图 3-1、3-2、3-3 可选择FAZ32Y111.0450PMC4 4 主要工作部件的设计计算主要工作部件的设计计算4.1 设计要求刻线力： 1000N/每条线行走速度： smm18v平尺长度：L=1040mm 每行走 11mm 就是要刻线 10mm，所需时间约为 4 秒钟 所以每分约刻线 150mm.4.2 刀架轴的尺寸设计以及校核图 4-1 刀架轴水平面支撑反力： 12HHFF10 1000=10000tFN（4.2.1） 150002tHFFN（4.2.2）水平面的弯矩： 10.0755000187.522aHHLMFNm（4.2.3）转矩： 20.27010000135022tdTFmNm（4.2.4） 22()eaHMMT（4.2.5） 22(187.5)(0.6 1350) 190Nm最小直径： 310.1ebMd 33190 1030.50.1 60d（4.2.6） 考虑到键槽对轴的削弱，将值增大 5%，故d 1.05 30.532dmmmm（4.2.7）刀架轴的受力分析： 图 4-24.3 立轴的设计图 4-3 立轴（齿轮轴、丝杠轴）立轴的受力计算：转矩 (4.3.1)500216660.3tFTNml(1) 按强度要求，应使 (4.3.2)3 0.2TTTWd故轴的直径 (4.3.3)3331666 10270.2 0.2 60Tdmmmm(2) 按扭转刚度要求，应使 (4.3.4)432 TlG d按题意，在轴的全长上，。故30lmm 1180orad (4.3.5)34443232 1666 103029.5 8 10180TldmmmmG 故该轴的直径取决于刚度要求。圆整后可取。 31dmm(4.3.6)4.4 摩擦轮镇压弹簧的选择由工作抬的尺寸可选弹簧 YA GB/T 2089-19942.5 25 70表 41弹簧参数线径： 2.5mm弹簧中经： 25mm自由高度： 70mm材料： 60Si2Mn表面处理： 涂漆类型： 右旋圆柱螺旋压缩弹簧取弹簧的劲数： 7kNmm设计弹簧压缩量是： 10mm 图 4-4 弹簧4.5 摩擦轮力的计算图 4-5 摩擦轮因设计的需要，摩擦轮的直径取， 轮毂款。轮毂外援为一层250dmm20bmm橡胶，使摩擦力尽可能的大。摩擦力的计算：由（4-4.1）及胡可定律可得单个弹簧的弹力： (4.5.1)10 770FkxNN单则四个弹簧的总弹力为 (4.5.2)=4=4 70N=280NFF弹总单考虑到摩擦轮及摩擦轮轴和座套等的重量，约为 m=3kg， 故总的镇压力为 (4.5.3)=G=2803 10310FFFmgNN 总弹总弹总由于要使尺子在摩擦力的作用下向前运动，则可以想到，平尺的上表面是与摩擦轮的外缘橡胶接触的，摩擦力打；平尺的下表面直接与工作台的进料槽接触，且与光滑的铁质平面接触，为了是下表面懂得摩擦力尽可能的小，在适量的加入润滑油（待刻线完成后予以清理） 。则可知铁-铁之间的摩擦因数 铁橡胶之间的摩擦因数 (4.5.4)0.05=0.6胶可知 (4.5.5)=F=310 0.05=15.5NF总摩下 (4.5.6)=F=310 0.6=186NF总摩上胶可得平尺前进的驱动力为 (4.5.7)=FF=186 15.5N=170.5NF驱摩上摩下故摩擦轮的转矩为 (4.5.8)3250=170.510 N m=21.3N m2TFR驱摩轮4.6 凸轮的设计 图 4-6 凸轮凸轮廓线 ()cossin()()sincossbsbdxRsddyRsd直角坐标（4.6.1） 22()arctan( )rxyyx极坐标（4.6.2）注：1、参变量中的增量根据精度要求而定，通常取左右。1 22、 移动平动件平底的长度为。 max(5 10)sdmmd3、 上式中，为推程运动角，为基圆半径。bR凸轮材料应能满足强度和耐磨性的要求。对于在低速、轻载、平稳传动中，凸轮可采用中碳钢制造。中速、中载时应采用中碳钢淬火处理。而本设计中刻线传动部分属于低速、轻载、较平稳的传动，所以应采用中碳钢。4.7 齿轮轴上齿轮齿条副的传动比为了保证在作业时连续工作,则要求传动部分要有可靠的传动比、无滑动。又由于在刻线传动部分所传动的功率小、速率小，所以所要求的齿轮齿条副的动比非常的严格，要满足相应要求。经计算，该部分的链传动比 i=1。根据以往经验和相关手册，该传动比完全满足要求。4.8 摩擦轮轴的设计图 4-7 摩擦轮轴材料45钢许用应力 60MpamDdDWtTt025. 03/16065. 0128001061660/3取(4.8.1)mD028. 0校核小Mpa100max57.7132/3040. 0/005. 012800/maxzWM于Mpa100确定轴径 mmD284.8.1 轴的定位和材料的选取说明轴的材料：轴的材料主要是碳钢和合金钢。由于碳钢比合金钢价格便宜，对应力集中的敏感性较低，同时也可以用热处理或化学热处理的办法提高其耐磨性和抗疲劳强度，所以本设计采用 45 号钢作为轴的材料。轴上零件的定位为了防止轴上零件受力时发生沿轴向或周向的相对运动，轴上零件除了有游动或空转的要求者外，都必须进行轴向和周向定位，以保证其准确的工作位置。轴的校核按扭转强度计算，用于只承受转矩的传动轴的精确计算，也可用于既受弯矩又受扭矩的轴的计算。其强度条件为：(4.8.2) MpandpWTT32 . 0/1055. 9/6式中：为轴的扭切应力，；为转矩，；为抗扭截面系数，；MpaTkwWT3mm对圆截面；为传递的功率，；为轴的转速，；为32 . 016/3ddWTpkwnmin/rd轴的直径，；为许用扭切应力，。所以，把相关的数据带入公式中得：mm MpaMpandpWTT11.205 .2148.182 . 0/1001055. 92 . 0/1055. 9/636 （4.8.3）由于轴的选材为 45 号钢，所以查表可知 45 号钢的许用扭切应力为，Mpa4030。经校核设计的轴符合要求，可以正常工作。 下图为轴的弯矩和扭矩图：图 4-8 的弯矩图和扭矩图4.9 刻线周期的确定构造和工作原理刻线抬刀机构由工作台、水平轴平推杆、凸轮、固定齿条、刻线刀架、立轴、螺纹套筒等组成，如图 4-8 所示。图 4-9 抬刀刻线机构1.工作台 2水平轴平推杆 3凸轮 4固定齿条 5刻线刀架6.立轴 7.螺纹套筒 8.刻线槽凸轮 3 从近休止点开始转动的时候，水平轴推杆 2 在凸轮的推动下向左运动，当运动到控制抬刀的固定齿条处时，带动位于水平轴的立轴（齿轮轴）上的齿轮转动，立轴上段是表面有螺纹的丝杠，然后带动螺纹套筒 7 下降，当刻刀正好下降到刻线槽 8 的指定刻线位置时立轴下端的齿轮正好走完了齿条，停止下刀，至此凸轮的下刀行程走完；然后凸轮继续转动，推动水平轴开始刻线行程，完成之后就开始了回复行程，以上运动反过来进行。这样就完成了一次刻线动作，其中包括了抬刀动作简单明了。表 42抬刀机构的基本数据凸轮推程角 180凸轮抬刀降刀行程角： 120凸轮刻线行程角： 60凸轮转速： =20 / minr凸升降刀行程： 40mm刻线行程： 20mm可得：刻线周期： 3s齿条啮合长度为： 40mm轴齿轮的分度圆直径为： 32mm齿轮模数为： 3刻线速度： =18/vmm s刻螺纹丝杠副螺距： 14mm 4.10 不完全齿轮的设计 （a）不完全齿轮机构 (b)摩擦轮图 4-104.10.1 不完全齿轮机构的参数计算由摩擦轮控制进料量可得，每次进料 11mm，相对于摩擦轮转动的圆心角。 （算略）5故，不完全齿轮机构所对应的间歇进给量为 可得5从动轮布满时的齿数为 （4.10.1）2360725z 由于齿数太密集，压力角为，故，主动轮仅设计单齿，即，所承受转矩较2.511z 小、可以满足要求。4.10.2 摩擦轮动力驱动机的选取摩擦轮转矩为： （4.10.2）=15.5 0.125N m=1.9375N mTFR摩摩下摩图 3-1、图 3-2 和图 3-3 可选择减速机型号为： （4.10.3）FAZ32Y110.55450PMC5.5.其他零部件其他零部件5.1 水平轴 图 5-1 水平轴5.2 刻线刀示意图图 5-2 刻线刀图 5-3 刀体刀刃的布局5.3 工作台示意图 图 5-4 工作台5.4 轴承的选取 参见参考资料1第 64 页。5.5 键的选取 根据设计的需要，见参考资料1第 53 页。5.6 水平轴复位弹簧的选取YA-4.5-10.5-65-2LH GB/T2089-1994B级 图 5-5 压缩弹簧 6 6 结论结论机器的应用可以充分利用，节省了成本，大大提高了生产效率。平尺刻线机代替了以往的人工作业，提高了机械化程度及生产效率，节省了人力及时间，改善了人
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