圆柱形18650锂电池充放电设备的设计说明书.doc
圆柱形18650锂电池充放电设备的设计【7张CAD图纸+文档全套】
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圆柱形18650锂电池充放电设备的设计摘 要锂离子电池是20世纪90年代出现的绿色高能环保电池，具有能量密度高、环境友好、无记忆效应、循环寿命长、自放电少等突出的优点。其生产流程主要由涂布、切片、叠片、注液、化成以及测试等组成。化成是锂电池生产过程中的重要工序，它是锂电池形成电池后的第一次活化充放电过程，正极锂电池通过电解液在电流作用下嵌入负极石墨形成电势，产生电压，化成的好坏很大程度上决定了这个电池的使用寿命价值。该课题的研究对于提高学生的工程能力以及为今后锂电池化成设备的研发具有重要的社会意义和市场价值。本次设计的圆柱形18650锂电池充放电设备其结构主要设计分为3个部分：极耳间距调整、充电板的升降及自动取料。工作原理是将电池放入电池架，利用气压推杆带动最底部的充电板，让充电板从初始高度上升，等充电板上的极耳与电池架中的电池接触后，带动电池架上升，直到让最顶部的充电板触点与电池的极耳触点接触，达到给锂电池充电的目的。本文首先通过分析现有锂电池充放电设备研究现况提出自己的设计方案，然后对设计的方案中极耳间距调整机构、充电板的升降及自动取料机构进行了详细 的设计与校核，最后用CAD软件绘制了七装配图和主要零件图，本文的研究方法对今后锂电池化成设备的设计有很好的指导意义。关键字：锂电池，充放电，丝杠螺母，气缸AbstractLithium ion batteries are the 1990s appear green energy environmental protection battery with high energy density, environmentally friendly , no memory effect, long cycle life, low self-discharge and other prominent advantages. The main production process of the coating , slice, lamination , injection solution , and the like into the test composition . Lithium Kasei important step in the production process , it is the first activation of the battery charging and discharging process after the formation of the lithium battery , lithium battery cathode through the electrolyte is embedded in the current action potential of the negative electrode of graphite , a voltage , into the bad largely determines the value of the life of the battery. Research on the subject for improving students engineering capabilities and has important social significance and market value for the future development of lithium batteries into the device.The design of the cylindrical 18650 lithium battery charge and discharge device structure design is divided into three main parts: the spacing adjustment tabs , lift and automatic charging plate reclaimer . Working principle is the battery into the battery holder , the use of pneumatic pusher plate driven by the bottom of the charge , so that the height increased from the initial charge sheet , such as the posterior pole of the battery rack ears charging the battery touch panel , battery holder driven rise until the very top of the charging pad make contact with the battery contacts touch very ears , to give lithium battery charging purposes.Firstly, make their own designs through the analysis of existing lithium battery charge and discharge status of research equipment , and then design programs lug spacing adjustment mechanism , the charging plate lifting mechanism and automatic reclaiming a detailed design and verification, Finally CAD software to draw the seven main parts assembly drawings and maps, research methods for future lithium batteries into the device design has a good guide .Keywords: Lithium battery , Charge and discharge , Screw nut , Cylinder目 录摘 要1Abstract2第一章 绪论51.1研究目的和意义51.2 18650锂电池概述61.3国内外发展情况及趋势71.4设计要求81.4.1设计内容81.4.2参数要求9第二章 整体方案设计102.1原理分析102.2 方案拟定102.2.1 极耳间距调整机构102.2.2 升降机构102.2.3 送取料机构112.2.4 自动送取料机构11第三章 主要部件的设计123.1极耳间距调整机构设计123.1.1整体参数确定123.1.2电机的选择123.1.4 丝杆螺母的设计133.2 升降机构设计173.2.1气动系统的设计173.2.2 气缸的设计193.3 自动送取料机构设计243.3.1整体参数确定253.3.2 电机的选定253.3.3丝杆螺母的设计263.3.3 导轨的设计303.3.4 滑台的设计333.4 机架的设计34结 论35参考文献36致 谢37第一章 绪论1.1研究目的和意义锂离子电池是20世纪90年代出现的绿色高能环保电池，具有能量密度高、环境友好、无记忆效应、循环寿命长、自放电少等突出的优点。其生产流程主要由涂布、切片、叠片、注液、化成以及测试等组成。化成是锂电池生产过程中的重要工序，它是锂电池形成电池后的第一次活化充放电过程，正极锂电池通过电解液在电流作用下嵌入负极石墨形成电势，产生电压，化成的好坏很大程度上决定了这个电池的使用寿命价值。该课题的研究对于提高学生的工程能力以及为今后锂电池化成设备的研发具有重要的社会意义和市场价值。目前由于技术和成本因素，国内的电池化成绝大部分还在沿用小容量电池的设备，充电设备效率和网侧功率因数较低，放电时采用将电池内部能量通过电阻放电的方式消耗，造成极大的能源浪费。据估算，电池化成消耗的电能费用可占到成本的20%-30%，尤其在大量化的趋势下，能量浪费则更加明显。同时，单体电池化成过程的数据由人工手动完成，不易形成系统化的数据，电池的性能只能粗略估计，不能形成合理的客观评价，对电池的串联成组使用带来潜在的性能和寿命隐患。对于小容量的锂离子电池因为电池单体的成本较低，而高效率的电池化成设备成本相对较高，使高效率的电池化成设备没有实际的应用价值，这方面的研究也很少。但随着各电池厂家进入大容量的锂离子动力电池领域，使高效率的电池化成设备应用成为可能，因为单体大容量锂离子电池本身价值很高，充放电过程中会消耗大量能量。大容量锂离子电池生产数量越大，电池化成过程造成的能量浪费问题就会表现的越明显。必须在大容量锂离子电池大规模应用的前期对高效率的电池化成设备进行研究，为大容量锂离子电池大规模应用提供必须的生产设备，既为生产厂家节能，也符合国家节能减排的要求。 (a) (b) 锂电池化成柜1.2 18650锂电池概述18650锂电池中的18650这几个数字，代表外表尺寸：18指电池直径18.0mm ，650指电池高度65.0mm。常见的18650电池分为锂离子电池、磷酸铁锂和镍氢电池。电压及容量规格为镍氢电池电压为1.2V 常见容量为2500MAH，锂离子电池电压为3.6V常见容量为1500MAH-3100MAH。18650锂电池锂离子电池的工作原理就是指其充放电原理。当对电池进行充电时，电池的正极上有锂离子生成，生成的锂离子经过电解液运动到负极。而作为负极的碳呈层状结构，它有很多微孔，到达负极的锂离子就嵌入到碳层的微孔中，嵌入的锂离子越多，充电容量越高。同样道理，当对电池进行放电时（即我们使用电池的过程），嵌在负极碳层中的锂离子脱出，又运动回到正极。回到正极的锂离子越多，放电容量越高。我们通常所说的电池容量指的就是放电容量。不难看出，在锂离子电池的充放电过程中，锂离子处于从正极 负极 正极的运动状态。如果我们把锂离子电池形象地比喻为一把摇椅，摇椅的两端为电池的两极，而锂离子就象优秀的运动健将，在摇椅的两端来回奔跑。所以，专家们又给了锂离子电池一个可爱的名字摇椅式电池。充放电过程锂电池充电控制是分为两个阶段的，第一阶段是恒流充电，在电池电压低于4.2V时，充电器会以恒定电流充电。第二阶段是恒压充电阶段，当电池电压达到4.2V时，由于锂电池特性，如果电压再高，就会损坏，充电器会将电压固定在4.2V，充电电流会逐步减小，当电流减小到一定值时（一般是1/10设置电流时），切断充电电路，充电完成指示灯亮，充电完成。锂离子电池过度充放电会对正负极造成永久性损坏。过度放电导致负极碳片层结构出现塌陷，而塌陷会造成充电过程中锂离子无法插入；过度充电使过多的锂离子嵌入负极碳结构，而造成其中部分锂离子再也无法释放出来。有些充电器使用廉价的方案实现的，在控制精度上不够好，容易造成电池充电异常，甚至损坏电池。选购充电器的时候尽量选择大品牌的18650锂离子电池充电器，质量和售后有保证，延长电池的使用寿命。品牌保障的18650锂离子电池充电器拥有四重保护：短路保护、过流保护、过压保护、电池反接保护功能等。过充电保护：当充电器对锂离子电池过充电时，为防止因温度上升所导致的内压上升，需终止充电状态。为此，保护器件需监测电池电压，当其到达电池过充电压时，即激活过充电保护功能，中止充电。 过放电保护：为了防止锂离子电池的过放电状态，当锂离子电池电压低于其过放电电压检测点时，即激活过放电保护，中止放电，并将电池保持在低静态电流的待机模式。过电流及短路保护：当锂离子电池的放电电流过大或短路情况产生时，保护器件将激活过电流保护功能。1.3国内外发展情况及趋势 在国家鼓励支持及市场前景的推动下，锂离子电池关键技术、关键材料和产品研究都取得了重大进展。其技术和经济性优势显著，推广应用的条件已经日趋成熟。如中信国安盟固利公司提供给北京奥运电动车的新型锂离子动力电池总成比能量已经超过90wh/kg。但是此前一阶段锂离子电池工作关注重点是关键技术、关键材料和产片研究。锂离子电池的成组技术，成组充电、放电和维护管理等应用技术没有得到应有的重视，致使锂离子电池的充电、放电和维护管理技术及设备研究严重滞后于电池技术达到发展。当前仍然普遍采用的是不能适应锂离子电池特点的电池应用技术和设备。错误的将因为成组技术落后而造成的过充电、过放电、超温和过流问题引起的电池寿命下降、燃烧、炸裂等问题，转嫁到电池本身上。这已经严重制约了其推广应用和产业发展。由于锂电池具有优良的性能而具有广泛的应用价值，将成为动力以及通讯电池的首选。世界上许多大公司竞先加入到该研究产品的研究、开发行列中。如索尼、 三洋、东芝、三菱、富士通、日产、TDK、佳能、永备、贝尔、富士、松下、日本电报电话、三星等。目前常用的领域为电子产品，如手机、笔记本电脑、微型 摄像机等。对其他一些重要的领域，如电动交通工具、航空航天、军事等领域也 正在进行渗透。消费者对电池电能要求日渐提高；人们希望在获得大容量电能的同时, 能够尽量减轻重量, 提高整个电源系统的使用效率和寿命。尽管国内化成设计技术取得巨大进步，但相比国外的技术还存在一定的差距。国内锂电池化成车间1.4设计要求本课题名为圆柱形18650锂电池充放电设备的设计，据现有的锂电池化成工艺要求，要求设计一种化成设备，具有极耳间距调整、极片或极板夹紧以及充放电功能。该设备的设计特点极耳间距调整、充电板的升降及自动取料。1.4.1设计内容（1）极耳间距调整调整极耳间距是为了使充电板上的电极触点与锂电池的继而出触点可以对准并且能够良好的接触。这样才能确保电池化成时每一节锂电池都能得到良好的充放电，从而确保电池的使用性能及使用寿命。该机构通过安装丝杆螺母，使用部件电机来直接驱动。（2）升降机构充电板有升降功能。将电池放入电池架，利用气压推杆带动最底部的充电板，让底部充电板从初始高度上升，等充电板上的极耳与电池架中的电池接触后，带动电池架上升，直到让最顶部的充电板触点与电池的极耳触点接触。达到给锂电池充电的目的。该机构是通过气压推杆来实现充电板的上升与下降。（3）送取料机构电池架可以像抽屉一样进入化成箱工作区域或从工作区域取出。该运动可以通过在电池架与工作框架下方接触部分安装滑槽或者导轨来实现。（4）自动送取料机构在送取料机构的基础上多加一个传动装置，使电池架可以自动送进送出。这个设计可以方便工作人员取料及放料，从而减少人力工作量提高工作效率。该机构可以通过安装自动滑台来实现。1.4.2参数要求电池型号：18650电池直径：18mm电池高度：65mm工作气压：0.5MPa工作容量：64颗平台伸缩距离：400mm第二章 整体方案设计2.1原理分析本课题设计的是一个锂电池的化成箱，其结构主要设计分为3个部分：极耳间距调整、充电板的升降及自动取料。该化成箱的工作原理是将电池放入电池架，利用气压推杆带动最底部的充电板，让充电板从初始高度上升，等充电板上的极耳与电池架中的电池接触后，带动电池架上升，直到让最顶部的充电板触点与电池的极耳触点接触。达到给锂电池充电的目的。2.2 方案拟定2.2.1 极耳间距调整机构安装丝杆螺母用来调整极耳之间的间距，考虑到极耳间距知需进行左右方向的调整而前后间距可以通过送料机构的精确定位保证，左右方向的调整不涉及到传动路线方向变更因此可使用步进电机直接驱动丝杠螺母来实现。图2-1 极耳间距调整机构2.2.2 升降机构当电池架装料后并送入工作区域内即电池定位后，利用气压推杆带动最底部的充电板，让充电板从初始高度上升，直至充电板触点与电池接触。该机构通过气压推杆来实现充电板的上升与下降。1-顶部充电板 2-工作台 3-底部充电板 4-气压推杆 5-电池架 6-弹簧图2-2 升降机构2.2.3 送取料机构在工作台下方安装导轨，工作台可以滑出方便送料和取料。1-机座 2-导轨 3-丝杆螺母 4-工作台图2-3 送取料机构2.2.4 自动送取料机构在送取料机构的基础上多加一个丝杠传动装置，使电池架可以自动送进送出。这个设计可以方便工作人员取料及放料，从而减少人力工作量提高工作效率。该机构可以通过安装自动滑台来实现。1-电机 2-导轨 3-丝杆螺母 4-工作台 5-轴承座图2-4自动送取料机构第三章 主要部件的设计3.1极耳间距调整机构设计调整极耳间距是为了使充电板上的电极触点与锂电池的继而出触点可以对准并且能够良好的接触。这样才能确保电池化成时每一节锂电池都能得到良好的充放电，从而确保电池的使用性能及使用寿命。为了实现这一功能，安装丝杆螺母用来调整极耳之间的间距，使用步进电机直接驱动。图3-1 极耳间距调整机构3.1.1整体参数确定通常极耳间距相差不会太多，只需进行小幅度的距离调整，本次设计的调整范围左右均为20mm，即极耳间距调整机构的调整行程为40mm。3.1.2电机的选择(1)交流伺服电动机的运行特点：1) 调速范围宽，伺服电动机的转速随着控制电 压改变，能在宽的范围内连续调节；2) 转子的惯性小，即能实现迅速启动、停转；3) 控制功率小，过载能力强，可靠性好；4) 可控。 (2)电动机的选择原则：基本依据：满足生产机械对拖动系统静态和动态特性要求前提下、力求结构简单、运行可靠、维护方便、价格低廉。对不要求调速、对启动性能无过高要求的生产机械，应优先考虑使用一般鼠笼式异步电动机；若要求启动转矩较大，可用高启动转矩的鼠笼式异步电动机。对于要求经常启、制动，负载转矩较大、又有一定调速要求生产机械，应考虑选用线绕式异步电动机。对于只需要几种速度，不要求无级调速的生产机械，可选用多速异步电动机。 对于要求恒速稳定运行的生产机械，且需要补偿电网功率因数的场合，应优先考虑选用同步电动机(如TD 型等)。 对于需要大的启动转矩，又要求恒功率调速的生产机械，常选用直流串励或复励电动机。对于要求大范围无级调速，且要求经常启动、制动、正反转的生产机械，则可选用带调速装置的直流电动机或鼠笼式异步电动机。(3)确定电动机的型号极耳间距调整机构驱动电机只需驱动顶部充电板左右移动，负载为克服顶部充电板的与支架的阻力和惯性力，负载很小。因此此处选用的伺服电机型号为：SM-40-002-30LFB，额定功率50W，额定转速3000rpm，额定转矩0.13N.m3.1.4 丝杆螺母的设计极耳间距调整机构由于对定位精度和传动效率均不高，传动负载压不大因此采用一对梯形螺杆、螺母的滑动丝杠传动。梯形螺纹具有牙根强度高，工艺性好，螺纹对中性好等优点。主要缺点是效率低，但并不影响工作。螺杆采用45号钢制造，螺母采用35号钢整体车制。丝杠所受外载荷F包括两种类型，分别为摩擦阻力负载、惯性负载即：F = + Ff+ Fa1）导轨摩擦阻力负载Ff启动时为静摩擦力，启动后为动摩擦力，对于平行导轨Ff可以由下式求的：Ff = f ( G + FRn ) G 运动部件重力300N； FRn 垂直于导轨的工作负载，此设计中为零； f导轨摩擦系数，取静摩擦系数为0.2，动摩擦系数为0.1。求得Ffs = 0.2300N =60NFfa = 0.1300N =30N上式中Ffs 为静摩擦力，Ffa 为动摩擦力。3）运动部件速度变化时的惯性负载FaFa = 式中g重力加速度； 加速或减速时间，本设计中取=0.2s； 时间内的速度变化量。故：Fa = N =3N根据以上计算结果，丝杠螺母副所示最大负载为F=63N。3）设计计算及校核螺纹副耐磨性计算滑动螺旋的磨损多发生在螺母并且与螺纹工作面上的压力、滑动速度、螺纹表面粗糙度以及润滑状态等因素有关。其中最主要的是螺纹工作面上的压力，压力越大螺旋副间越容易形成过度磨损。因此，滑动螺旋的耐磨性计算，主要是限制螺纹工作面上的压力p，使其小于材料的许用压力p。 滑动螺旋传动用梯形、矩形或锯齿形螺纹，其失效形式多为螺纹磨损，而螺杆的直径和螺母的高度也常由耐磨性要求决定。传力较大时，应验算有螺纹部分的螺杆或其他危险部位以及螺母或螺杆螺纹牙强度。要求自锁时，应验算螺纹副的自锁条件。对于长径比很大的受压螺旋，应验算其稳定性，其直径也常由稳定性要求决定。螺母为整体式并且磨损后间隙不能调整，因此取；该螺旋机构为伺服电机驱动，因此P提高20%，P=13MPa。取 因此选用的螺杆，其参数为：公称直径d螺距P中径大径小径123101389表：滑动螺旋副材料的许用压力 P螺杆螺母的材料滑动速度许用压力钢青铜低速18253.011186127101512钢钢低速1013钢铸铁2.4131861247注：当2.5或人力驱动时，p值可提高20；若为剖分螺母时则p值应降低1520% 螺纹牙强度计算螺纹牙的剪切和弯曲破坏多发生在螺母。螺纹牙底宽 许用压应力 许用切应力 许用弯曲应力 相旋合螺纹圈数 剪切强度条件 弯曲强度条件 滑动螺旋副材料的许用应力螺旋副材料许用应力(MPa)b螺杆钢s/(35)螺母青铜40603040铸铁405540钢(1.01.2) 0.6螺纹副自锁条件 梯形螺纹的牙型斜角，其当量摩擦角对于螺旋传动，为保证自锁可靠，实际应取。本设计满足这一条件，因此能够自锁。上式中；y为螺纹升角；fV为螺旋副的当量摩擦系数；f为摩擦系数见下表。 表： 滑动螺旋副的摩擦系数f 螺杆螺母的材料 摩擦系数f 钢青铜 0.080.10 淬火钢青铜 0.060.08 钢钢 0.110.17 钢铸铁 0.120.15 螺杆稳定性计算对于长径比大的受压螺杆，当轴向压力Q大于某一临界值时，螺杆就会突然发生侧向弯曲而丧失其稳定性。因此，在正常情况下，螺杆承受的轴向力Q必须小于临界载荷Q，则螺杆的稳定性条件为：表: 螺杆的长度系数端 部 支 撑 情 况长度系数两端固定0.50一端固定，一端不完全固定0.60一端铰支，一端不完全固定0.70两端不完全固定0.75两端铰支1.00一端固定，一端自由2.00所以，该螺杆是稳定的。3.2 升降机构设计充电板有升降功能。将电池放入电池架，利用气压推杆带动最底部的充电板，让底部充电板从初始高度上升，等充电板上的极耳与电池架中的电池接触后，带动电池架上升，直到让最顶部的充电板触点与电池的极耳触点接触。达到给锂电池充电的目的。当电池架装料后并送入工作区域内即电池定位后，利用气压推杆带动最底部的充电板，让充电板从初始高度上升，直至充电板触点与电池接触。该机构通过气压推杆来实现充电板的上升与下降。1-顶部充电板 2-工作台 3-底部充电板 4-气压推杆 5-电池架 6-弹簧图3-2升降机构3.2.1气动系统的设计气动系统的设计一般应包括：1）回路设计；2）元件、辅件选用； 3）管道选择设计； 4）系统压降验算； 5）空压机选用； 6）经济性与可靠性分析。气动基本回路是气动回路的基本组成部分，可分为：压力与力控制回路、方向控制（换向）回路、速度控制回路、位置控制回路和基本逻辑回路。（1）压力与力控制回路主要控制气罐，使其压力不超过规定压力。常采用外控式溢流阀1来控制，也可用带电触点的压力表1，代替溢流阀1来控制压缩机电动机的启、停，从而使气罐内压力保持在规定压力范围内。采用溢流阀结构简单、工作可靠，但无功耗气量大；后者对电动机及其控制要求较高：一次压控制回路（2）单作用缸的换向回路图a为常断二位三通电磁阀控制回路。通电时活塞杆上升，断电时靠外力（如弹簧力等）返回。二位三通电磁阀控制回路综上述，气动原理图如下：气动系统原理图3.2.2 气缸的设计（1）气缸参数选定本升降机构气缸推动螺杆移动，因此单注射个气缸的最大负载为：G-工作台加电极板重量，参考市场现有充电设备为1000N当电池上下电极均与充电板上电极接触时，气缸的载荷达到最大值500N，此时气缸有杆腔进气，且注射缸活塞移动速度也近似等于零，回气量极小；故背压力可以忽略不计，这样该处气缸负载不大，并且气缸活塞杆属于拉杆，故选择活塞杆的直径d=（0.30.5）D，并且为保证密封圈标准化活塞杆直径应取标准系列，参照下表.表3-4 活塞直径系列810121620253240506380（90）100（110）125（140）160（180）200(220)250320400500630表3-5活塞杆直径系列45681012141618222252832364045505663708090100110125140160180200220250280320360400结合上述两式求得活塞及活塞杆直径并按照上表选取标准系列：活塞直径：活塞杆直径：（2）气缸主要尺寸的确定气缸壁厚和外经的计算气缸的壁厚由气缸的强度条件来计算。气缸的壁厚一般指缸筒结构中最薄处的厚度。从材料力学可知，承受内压力的圆筒，其内应力分布规律应壁厚的不同而各异。一般计算时可分为薄壁圆筒和厚壁圆筒。气缸的内径D与其壁厚的比值的圆筒称为薄壁圆筒。工程机械的气缸，一般用无缝钢管材料，大多属于薄壁圆筒结构，其壁厚按薄壁圆筒公式计算 式中 气缸壁厚(m)；D气缸内径(m)； 试验压力，一般取最大工作压力的(1.251.5)倍； 缸筒材料的许用应力。无缝钢管。则： 在中低压液压系统中，按上式计算所得气缸的壁厚往往很小，使缸体的刚度往往很不够，如在切削过程中的变形、安装变形等引起气缸工作过程卡死或漏油。因此一般不作计算，按经验选取，必要时按上式进行校核。气缸壁厚算出后，即可求出缸体的外经为为2）气缸工作行程的确定气缸工作行程长度，可根据执行机构实际工作的最大行程来确定，并参阅表3-6中的系列尺寸来选取标准值。已知电池高度65mm，初步选定气缸行程S=80mm表3-6气缸行程系列2550801001251602002503204005006308001000125016002000250032004000406390110140180220280360450550700900110014001800220028003900240260300340380420480530600650750850950105012001300150017001900210024002600300038003) 缸盖厚度的确定一般气缸多为平底缸盖，其有效厚度t按强度要求可用下面两式进行近似计算。无孔时 有孔时 式中 t缸盖有效厚度(m)；缸盖止口内径(m)； 缸盖孔的直径(m)。气缸：无孔时 ，取 t=10mm有孔时，取 t=12mm4) 最小导向长度的确定当活塞杆全部外伸时，从活塞支承面中点到缸盖滑动支承面中点的距离H称为最小导向长度（如下图2所示）。如果导向长度过小，将使气缸的初始挠度（间隙引起的挠度）增大，影响气缸的稳定性，因此设计时必须保证有一定的最小导向长度。图3-8 气缸的导向长度对一般的气缸，最小导向长度H应满足以下要求：式中 L气缸的最大行程； D气缸的内径。活塞的宽度B一般取B=(0.61.0)D；缸盖滑动支承面的长度，根据气缸内径D而定；当D80mm时，取。为保证最小导向长度H，若过分增大和B都是不适宜的，必要时可在缸盖与活塞之间增加一隔套K来增加H的值。隔套的长度C由需要的最小导向长度H决定，即最小导向长度：，取 H=25mm活塞宽度：B=0.6D=24mm5) 缸体长度的确定气缸缸体内部长度应等于活塞的行程与活塞的宽度之和。缸体外形长度还要考虑到两端端盖的厚度。一般气缸缸体长度不应大于内径的2030倍。缸体内部长度（3）气缸的结构设计气缸主要尺寸确定以后，就进行各部分的结构设计。主要包括：缸体与缸盖的连接结构、活塞与活塞杆的连接结构、活塞杆导向部分结构、密封装置、排气装置及气缸的安装连接结构等。由于工作条件不同，结构形式也各不相同。设计时根据具体情况进行选择。1) 缸体与缸盖的连接形式缸体与缸盖的连接形式与工作压力、缸体材料以及工作条件有关。本次设计中采用外半环连接，如下图3所示：图3-9 缸体与缸盖外半环连接方式优点：结构较简单；加工装配方便缺点：外型尺寸大；缸筒开槽，削弱了强度，需增加缸筒壁厚2) 活塞杆与活塞的连接结构参阅P15表2-8，采用组合式结构中的螺纹连接。如下图4所示：图3-10 活塞杆与活塞螺纹连接方式特点： 结构简单，在振动的工作条件下容易松动，必须用锁紧装置。应用较多，如组合机床与工程机械上的气缸。2) 活塞杆导向部分的结构活塞杆导向部分的结构，包括活塞杆与端盖、导向套的结构，以及密封、防尘和锁紧装置等。导向套的结构可以做成端盖整体式直接导向，也可做成与端盖分开的导向套结构。后者导向套磨损后便于更换，所以应用较普遍。导向套的位置可安装在密封圈的内侧，也可以装在外侧。机床和工程机械中一般采用装在内侧的结构，有利于导向套的润滑；而油压机常采用装在外侧的结构，在高压下工作时，使密封圈有足够的油压将唇边张开，以提高密封性能。在本次设计中，采用导向套导向的结构形式，其特点为：导向套与活塞杆接触支承导向，磨损后便于更换，导向套也可用耐磨材料。盖与杆的密封常采用Y形、V形密封装置。密封可靠适用于中高压气缸。3) 防尘方式常用J形或三角形防尘装置。活塞及活塞杆处密封圈的选用活塞及活塞杆处的密封圈的选用，应根据密封的部位、使用的压力、温度、运动速度的范围不同而选择不同类型的密封圈，在本次设计中采用O形密封圈。综上述，本次设计的气缸结构及主要尺寸如下：3.3 自动送取料机构设计在工作台下方安装导轨，用丝杆螺母来控制工作台的直线移动，使用步进电机来驱动。1-机座 2-导轨 3-丝杆螺母 4-工作台在送取料机构的基础上多加一个传动装置，使电池架可以自动送进送出。这个设计可以方便工作人员取料及放料，从而减少人力工作量提高工作效率。该机构可以通过安装自动滑台来实现。1-电机 2-导轨 3-丝杆螺母 4-工作台 5-轴承座3.3.1整体参数确定平台伸缩距离：400mm由于自动送取料机构对精度要求不高，3.3.2 电机的选定(1)交流伺服电动机的运行特点：1) 调速范围宽，伺服电动机的转速随着控制电 压改变，能在宽的范围内连续调节；(2) 转子的惯性小，即能实现迅速启动、停转；(3) 控制功率小，过载能力强，可靠性好；(4) 可控。 (2)电动机的选择原则：基本依据： 满足生产机械对拖动系统静态和动态特性要求前提下、力求结构简单、运行可靠、维护方便、价格低廉。对不要求调速、对启动性能无过高要求的生产机械，应优先考虑使用一般鼠笼式异步电动机；若要求启动转矩较大，可用高启动转矩的鼠笼式异步电动机。对于要求经常启、制动，负载转矩较大、又有一定调速要求生产机械，应考虑选用线绕式异步电动机。对于只需要几种速度，不要求无级调速的生产机械，可选用多速异步电动机。 对于要求恒速稳定运行的生产机械，且需要补偿电网功率因数的场合，应优先考虑选用同步电动机(如TD 型等)。 对于需要大的启动转矩，又要求恒功率调速的生产机械，常选用直流串励或复励电动机。对于要求大范围无级调速，且要求经常启动、制动、正反转的生产机械，则可选用带调速装置的直流电动机或鼠笼式异步电动机。(3)确定电动机的型号极耳间距调整机构驱动电机只需驱动顶部充电板左右移动，负载为克服顶部充电板的与支架的阻力和惯性力，负载很小。因此此处选用的伺服电机型号为：SM-60-003-30LFB，额定功率100W，额定转速3000rpm，额定转矩0.3N.m3.3.3丝杆螺母的设计自动送取料机构由于对定位精度和传动效率均不高，传动负载压不大因此采用一对梯形螺杆、螺母的滑动丝杠传动。梯形螺纹具有牙根强度高，工艺性好，螺纹对中性好等优点。主要缺点是效率低，但并不影响工作。螺杆采用45号钢制造，螺母采用35号钢整体车制。丝杠所受外载荷F包括两种类型，分别为摩擦阻力负载、惯性负载即：F = + Ff+ Fa1）导轨摩擦阻力负载Ff启动时为静摩擦力，启动后为动摩擦力，对于平行导轨Ff可以由下式求的：Ff = f ( G + FRn ) G 运动部件重力1000N； FRn 垂直于导轨的工作负载，此设计中为零； f导轨摩擦系数，取静摩擦系数为0.2，动摩擦系数为0.1。求得Ffs = 0.21000N =200NFfa = 0.1300N =100N上式中Ffs 为静摩擦力，Ffa 为动摩擦力。3）运动部件速度变化时的惯性负载FaFa = 式中g重力加速度； 加速或减速时间，本设计中取=0.5s； 时间内的速度变化量。故：Fa = N =10N根据以上计算结果，丝杠螺母副所示最大负载为F=210N。3）设计计算及校核螺纹副耐磨性计算滑动螺旋的磨损多发生在螺母并且与螺纹工作面上的压力、滑动速度、螺纹表面粗糙度以及润滑状态等因素有关。其中最主要的是螺纹工作面上的压力，压力越大螺旋副间越容易形成过度磨损。因此，滑动螺旋的耐磨性计算，主要是限制螺纹工作面上的压力p，使其小于材料的许用压力p。 滑动螺旋传动用梯形、矩形或锯齿形螺纹，其失效形式多为螺纹磨损，而螺杆的直径和螺母的高度也常由耐磨性要求决定。传力较大时，应验算有螺纹部分的螺杆或其他危险部位以及螺母或螺杆螺纹牙强度。要求自锁时，应验算螺纹副的自锁条件。对于长径比很大的受压螺旋，应验算其稳定性，其直径也常由稳定性要求决定。螺母为整体式并且磨损后间隙不能调整，因此取；该螺旋机构为人力驱动，因此P提高20%，P=13MPa。取 因此选用的螺杆，其参数为：公称直径d螺距P中径大径小径20418211526表：滑动螺旋副材料的许用压力 P螺杆螺母的材料滑动速度许用压力钢青铜低速18253.011186127101512钢钢低速1013钢铸铁2.4131861247注：当2.5或人力驱动时，p值可提高20；若为剖分螺母时则p值应降低1520。 螺纹牙强度计算螺纹牙的剪切和弯曲破坏多发生在螺母。螺纹牙底宽 许用压应力 许用切应力 许用弯曲应力 相旋合螺纹圈数 剪切强度条件 弯曲强度条件 滑动螺旋副材料的许用应力螺旋副材料许用应力(MPa)b螺杆钢s/(35)螺母青铜40603040铸铁405540钢(1.01.2) 0.6螺纹副自锁条件 梯形螺纹的牙型斜角，其当量摩擦角对于螺旋传动，为保证自锁可靠，实际应取。本设计满足这一条件，因此能够自锁。上式中；y为螺纹升角；fV为螺旋副的当量摩擦系数；f为摩擦系数见下表。 表： 滑动螺旋副的摩擦系数f 螺杆螺母的材料摩擦系数f钢青铜0.080.10淬火钢青铜0.060.08钢钢0.110.17钢铸铁0.120.15螺杆稳定性计算对于长径比大的受压螺杆，当轴向压力Q大于某一临界值时，螺杆就会突然发生侧向弯曲而丧失其稳定性。因此，在正常情况下，螺杆承受的轴向力Q必须小于临界载荷Q，则螺杆的稳定性条件为：表: 螺杆的长度系数端 部 支 撑 情 况长度系数两端固定0.50一端固定，一端不完全固定0.60一端铰支，一端不完全固定0.70两端不完全固定0.75两端铰支1.00一端固定，一端自由2.00所以，该螺杆是稳定的。3.3.3 导轨的设计（1）导轨的功用 导轨在机器中十分重要，在机床中尤其重要。机床导轨的功用是起导向及支承作用，即保证运动部件在外力的作用下(运动部件本身的重量、工件重量、切削力及牵引力等)能准确地沿着一定方向的运动。在导轨副中，与运动部件联成一体的运动一方叫做动导轨，与文承件联成一体固定不动的一方为支承导轨，动导轨对于支承导轨通常是只有一个自由度的直线运动或回转运动。（2）导轨应满足的基本要求1）导向精度导向精度是指运动导轨沿支承导轨运动时直线运动导轨的直线性及圆周运动导轨的真圆性，以及导轨同其它运动件之间相互位置的准确性，影响导向精度的主要因素有：导轨的几何精度，导轨的接触精度及导轨的结构形式，导轨和基础件结构刚度和热变形，动压导软和静压导轨之间油膜的刚度，以及导轨的装配质量等等。2）刚度导轨的刚度是机床工作质量的重要指标，它表示导轨在承受动静载荷下抵抗变形的能力，若刚度不足，则直接影响部件之间的相对位置精度和导向精度，另外还使得导轨面上的比压分布不均，加重导轨的磨损，因此导轨必须具有足够的刚度o 3）耐磨性导轨的不均匀磨损，破坏导轨的导向精度从而影响机床的加工精度的材料、导轨面的摩掠性质，导轨受力情况及两导轨相对运动精度有关。4）低速平稳性当运动导轨作低速运动或微量移动时，应保证导轨运动平稳，不产生爬行现象，机床的爬行现象将影响被加工零件粗糙度和加工精度，特别是对高精度机床来说，必须引起足够的重视。 5）结构工艺性在可能的情况下，设计时应尽量使导轨结构简单，便于制造、调整和维护。应尽量减少刮研量，对于镣装导轨，应做到更换容易，力求工艺性及经济性好。（3）导轨的选择导轨的截面与组合如下图所示：矩形 三角形 燕尾形 圆形（4）导轨基本类型及特点1）导轨按工作性质可分为主运动导轨、进给运动导轨。2）校运动轨迹可分为直线运动和圆周运动导轨o3）按受力情况可分为开式导轨和闭式导轨。如图738所示。4）按摩掠性质可分为滑动导轨和滚动导轨。滑动导轨按其表面摩掠形式又可分为：液体静压导轨，两导轨面间有一层静压泊膜，其摩掠性质属于纯液体摩掠，多用于进给运动导轨。液体动压导轨，当导轨面之间相对滑动速度达到一定值时，液体的动压效应使导轨面问形成压力泊膜，把导轨面隔开。这种导轨属于纯液体摩擦，多用于主运动导轨。混合摩掠导轨，这种导轨在导向面间有一定的动压效应，但相对滑动速度还不足以形成完全的压力油楔，导轨面大部分仍处于直接触介于液体摩掠和干摩掠(边界摩擦)之间的状态，大部分进给运动导轨属于此类型。滚动导轨是两导轨面之间为滚动摩擦，导轨间采用该珠、滚柱或该针等为滚动体，目前它在进给运动中用得较多。（5）数控机床常用的滑动导轨数控机床常用直线运动滑动导轨的截面形状的组合形式主要有：三角形一矩形(图738)矩形一矩形(图739)。这两种导轨的刚度高，承载能力强，加工、检验和维修方便。为提高低速性能，减少爬行，提高导轨寿命，在动导轨上都贴有塑料带。数控机床少用不贴塑的摩擦滑动导轨。图738a为开式，没有压板，不能承受较大的翻转力矩，图738b是闭式，有压板可以承受翻转力矩，图739a为窄式导向，工作台由一条导轨的两侧导向；图739b为宽式导向，由两条导轨的内侧导向，两个导向面的距离较大，热膨胀时变形量大，须留较大的侧向间隙，因而导向性不如窄式好。贴塑导轨是一种金属对塑料的摩擦形式，届滑动摩擦导轨它是在动导轨的摩擦表面上贴上一层由塑料等其它化学材料组成的塑料薄膜软带，以提高导轨的耐磨性，降低摩擦系数，而支承导轨则是淬火钢导轨。贴塑导轨的优点是：摩擦系数低，在0.030.05范围内，动静摩擦系数接近，不易产生爬行现象；接合面抗咬合磨损能力强，减振性好；耐磨性高，与铸铁一铸铁摩擦付比可提高12倍；化学稳定性好(耐水，泊)；可加工性能好、工艺简单、成本低；当有硬粒落入导轨面上也可挤入塑料内部，避免了磨损和撕伤导轨。塑料藤膜是以聚四氖乙烯为基体，并与青饲料、铅粉等境料经混合、模压、烧结等工艺，最终形成根据实际需要尺寸的软带。如图740所示。（6）滑动导轨的设计验算 导轨的变形主要是接触变形，有时也应考虑导轨部分局部变形的影响。 1）导轨的受力分析 导轨上所受的外力一般包括切削力、工件和夹具的重量、动导轨所在部件的重量和牵引力。 首先建立外力矩方程式，然后依次求牵引力，支反力和支反力矩。具体受力分析可参看有关机床参考书。 2）计算导轨的压强 根据支反力可求出导轨的平均压强。加入支反力矩的影响，就可以求出导轨的最大压强。 设计导轨时应合理选择许用压强，如许用压强取得过大，则会加剧导轨的磨损；若取得过小，又会增加导轨的尺寸。具体可参看有关机床标准。本次设计导向精度要求不高，根据以上导轨的类型选出本设选用半圆形导轨。3.3.4 滑台的设计为减轻滑台整体重
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