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多功能
打孔机
设计
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多功能打孔机的设计,多功能,打孔机,设计
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1 概述1.1 设计的目的和意义随着社会经济和办公设备的发展，多功能自动打孔机在国外先进国际得到越来越广泛的应用，逐步会进入国内市场，而且用户对多功能自动打孔机的性能不断提出新的要求。打孔的厚度是1-50张纸，产品轻便耐用，适合政府、学校、印刷、银行、图文店等使用等。本设计依据国外市场上已有的多功能自动打孔机的种类和外形尺寸，结合国内外已经投入使用且用户反映好的多功能自动打孔机结构，查阅国内外的多功能自动打孔机的相关资料，分析多功能自动打孔机的打孔机理和运动，进行多功能自动打孔机的结构方案论证分析，确定设计方案，设计多功能自动打孔机的结构参数、驱动系统及钻孔刀具。主要内容包括：多功能自动打孔机的计算与选择，传动系统的减速比计算选择，传动结构的设计和计算，轴的强度和刚度校核，以及其他动力辅件的计算、选择以及校核等。本设计要求多功能自动打孔机的结构紧凑合理、外形简洁美观、安装调试方便、自动化程度高。打孔机在现代社会有着较为广泛的应用，其用途可分为办公用途打孔机，工业生产打孔机。目前办公用途的打孔机一般是手动方式进行打孔的，在空白纸张侧边进行打孔，通常孔距是固定不变的，孔径也是固定不变的，最后使用专门的装订夹把已经打好孔的纸张进行装订。很显然这种传统的打孔方式已经不能在适应工业发展的脚步，在现代自动化程度迅速发展的时代，打孔机也要跟上自动化进步的步伐。该款全自动打孔机具备将强的实用性，自动化程度性对于传统的打孔机有所提高，该自动打孔机具有围观小巧，使用方便，自动化较强，并设计有定位标尺，可调节打孔间距等优化设计1.2 市场现有的打孔机存在的问题和改进方案 1.2.1 存在的问题经过查阅资料和实践调研发现，市场现有打孔机基本属于专用打孔机，不能适应小批量，多任务的生产工作。缺点如下：（1）孔距，孔数固定不变；（2）所打印的纸张定位装置不完善；（3）打制的孔不满足精度要求，有裂痕和毛刺；（4）打孔是噪音较大；1.2.2 改进方案针对以上普遍才在的问题，在本设计中对现有的打孔机进行了设计改进。（1）改变打孔间距和孔距，提高打孔机的适应性；（2）改进定位装置（3）选用精度较高的刀具（4）减小机构之间的摩擦和冲击，降低噪音，提高打孔机的工作寿命；1.3 内容及要求1.3.1 内容（1）打孔机的整体设计；（2）打孔机的结构设计；（3）传动系统的设计；（4）动力系统的设计；（5）凸轮的设计；（6）轴承的计算选择；（7）基座的设计；1.3.2 技术要求根据课题要求本设计的技术要求如下：（1）加工纸张的参数：纸张厚度0-10毫米；纸张的加工长度300毫米；打孔数量12；可打孔直径：6毫米；孔距：20毫米；（2）要求打好的孔边缘光滑，无位移，毛边和裂纹；（3）工作寿命长，方便操作和维护；（4）实用性强，性价比高；1.4 设计思路1.4.1 课题要求打孔针对A4纸，打孔直径6毫米，孔间距20毫米，最多可一次性给50张A4纸打孔。采取设计步骤：（1）打孔部分。设计打孔刀具和与刀具形成剪切作用的孔；（2）动力系统个传动系统的设计。包括点击的选择计算，凸轮的设计计算；（3）轴承的选择计算；（4）机体机架的设计；（5）各种标准件的设计；1.4.2 总体设计方案经过对现有打孔机的比较和研究，制定了全自动打孔机的总体设计方案。打孔机的重要工作部分是打孔装置，根据实验我们采用了刀具和底板孔相互配合进行打孔的打孔方式。工作方式是先底板固定不动，刀具早传动系统和凸轮的作用下上下移动来实现打孔动作。电机旋转通过轴带动凸轮周期旋转从而带动刀具向下运动与底板孔配合，高效的进行打孔。技术参数:（1）加工的纸张为A4尺寸;（2）加工孔的间距为20mm;（3）孔的直径为6mm，启动电机一次性完成打孔；（4）加工精度：0.5mm;2 打孔装置的结构设计2.1 刀具的设计 如图所示，代表a，b，c三种不同型号的刀具，三种刀具的上端螺纹相同，设计成螺纹的的原因是，这样可以实现快速的更换刀具的需求。三种不同的刀具可以打制三种不同孔径的孔，方便灵活，实用性强。刀具材料使用硬度较高的白刃刚打造，具备较好的耐磨性，使用寿命长。 图3.1.1刀具2.2 刀柄的设计柄是用于和刀具链接的，其上端安装的有轮子，轮子和凸轮接触，这样可以承受较大的压力。其下端有螺纹孔，用于安装刀具。刀柄使用45号刚，价格低廉且强度满足要求。刀柄如图所示图3.1.2 刀柄2.3 刀具与底板孔间隙刀具与底板孔有适当的间隙，这样才能将由刀具减掉的纸屑漏到下面的盒子里而不会造成堵塞的现象。间隙取值范围为0.05-0.08毫米。刀具的尺寸制作成纸张孔径的要求尺寸，而地板孔则增加间隙值。2.4 底板的设计 为了保证刀具和地板孔的配合精度，将地板孔设计在底板上，形成一个整体。为了降低下底板的重心，保证稳定性，特意加重下底座的重量，由于下底板承受一般的负荷，选用材料HT250。2.5 刀具和底座相关零件的配合刀具和下底座的配合。由于打孔时刀具是制造成纸张孔径的要求尺寸，所以刀具和孔的配合要选用基轴制。刀具到头的部分选用公差级别IT6级。刀具部分的直径为6毫米，由常用和优选用轴的偏差表，可查表的刀具部分的直径。2.6 上支撑板的设计 上支撑板是起支撑作用的，它是与弹簧直接接触的，弹簧在他的支撑作用下将刀具复位，与此同时，上支撑板上的孔还起导向作用，上支撑板与刀杆配合保证刀具能垂直纸张打孔，为保证打孔的质量做支撑，是承受下行打孔力的只要部件，根据上支撑板不能承受太大的负荷的情况，选用材料HT250.同事为了减轻重量，尽量减小上支撑板的厚度，在其上部设置加强筋。3 传动部分的设计3.1 传动方案的设计根据打孔机运动速度低，工作效率小的特点，在传动方案中，电动机通过联轴器与凸轮轴相连接并带动凸轮轴转动。凸轮轴的旋转带动凸轮的周期性转动，凸轮又与刀柄接触，刀柄带动刀杆在上支撑板的导向作用下进行准确的打孔，完成整个打孔动作。3.2 凸轮的设计3.2.1 概述凸轮机构是由具有曲线轮廓或凹槽的构件，通过高副接触带动从动件实现预期运动规律的一种高副机构。虽然凸轮机构的应用受到一定的限制，但还是被广泛应用于各种机械中，特别是自动机械，装配生产线中的自动控制装置中。凸轮机构在应用中的基本特点在于能使从动件获得较复杂的运动规律。因为从动件的运动规律取决于凸轮轮廓曲线，所以在应用时，只要根据从动件的运动规律来设计凸轮的轮廓曲线就可以了。 凸轮机构广泛应用于各种自动机械、仪器和操纵控制装置。凸轮机构之所以得到如此广泛的应用，主要是由于凸轮机构可以实现各种复杂的运动要求，而且结构简单、紧凑。凸轮结构的特点：1、只需改变凸轮廓线，就可以得到复杂的运动规律；2、设计方法简便；3、构件少、结构紧凑；4、与其它机构组合可以得到很复杂的运动规律；5、凸轮机构不宜传递很大的动力；6、从动件的行程不宜过大；7、 特殊的凸轮廓线有时加工困难；设计机械时，当需要其从动件必须准确地实现某种预期的运动规律时，常采用凸轮机构。当凸轮运动时，通过其上的曲线轮廓与从动件的高副接触，可使从动件获得预期的运动。凸轮机构是由凸轮、从动件和机架这三个基本构件所组成的一种高副机构。原理：由凸轮的回转运动或往复运动推动从动件作规定往复移动或摆动的机构。凸轮具有曲线轮廓或凹槽，有盘形凸轮、圆柱凸轮和移动凸轮等，其中圆柱凸轮的凹槽曲线是空间曲线，因而属于空间凸轮。从动件与凸轮作点接触或线接触，有滚子从动件、平底从动件和尖端从动件等。尖端从动件能与任意复杂的凸轮轮廓保持接触，可实现任意运动，但尖端容易磨损，适用于传力较小的低速机构中。为了使从动件与凸轮始终保持接触，可采用弹 簧或施加重力。具有凹槽的凸轮可使从动件传递确定的运动，为确动凸轮的一种。一般情况下凸轮是主动的，但也有从动或固定的凸轮。多数凸轮是单自由度的，但也有双自由度的劈锥凸轮。凸轮机构结构紧凑，最适用于要求从动件作间歇运动的场合。它与液压和气动的类似机构比较，运动可靠，因此在自动机床内燃机印刷机和纺织机中得到广泛应用。但凸轮机构易磨损，有噪声，高速凸轮的设计比较复杂，制造要求较高。3.2.2 基圆以及方程的计算设：凸轮顺时针转动根据数据确定基圆位置，基圆半径rb= 20 mm根据数据划分各阶段：正弦加速度运动规律，推程的运动方程： (3.2.2.1) (3.2.2.2) (3.2.2.3)等加速度回程的运动方程： ( 3.2.2.4) (3.2.2.5) ( 3.2.2.6)等减速度回程的运动方程： ( 3.2.2.7) ( 3.2.2.8) ( 3.2.2.9)设=15 *n(n=1,2,3) h=25mm经过计算、整理得数据:表3.2.2推程远休止（度数）01530456075901051201351501651801530S(毫米)01.52.35.68.711.214.617.119.521.923.224.725.115.325.3回程近休止（度数）1530456075901051201530S（毫米）25.323.118.613.18.24.61.20.2003.2.3 绘制推杆的位移图线用图解法设计此盘形凸轮机构，并将凸轮轮廓及从动件的位移曲线绘制出来。图4.2.3 刀具位移图3.2.4 用反转法设计图轮廓线在各等分线的段点上作为圆心，绘制系列滚子圆，如下所示：图4.2.4根据上述的参数，绘制一系列滚子圆及凸轮的理论廓线，如图：图4.2.4再通过上面一系列的滚子圆，绘制凸轮的工作廓线，如图：图4.2.43.2.5 压力角是否满足许用压力角的要求图4.2.5沿凸轮廓线在接触点的法线方向与推杆之间所夹的锐角,所以max=4.12 .推程时，许用压力角的值一般为：对直动推杆取=30 。所以该凸轮的压力角满足许用压力角的要求公式： (3.2.5) 图3.2.5 凸轮4. 联轴器的设计4.1 动力机的机械特性动力机到工作机之间，通过一个或者几个不同形式，规格的连轴将主，从动件链接起来，形成轴系传动系统，。在机械性传动中，由于动力机工作原理和机构的不同，起机械特性特别差大，有的运转平稳，有的运转时有冲击，对传动系统造成不等的影响。动力机的机械特性对整个传动系统有一定的影响，不同类型的动力机，由于其机械特性的不同，应该选取相应的动力机系数，选择适合于改系统的最佳联轴器。动力机的选择是选择联轴器的基本因素，动力机的功率是确定联轴器规格大小的只要依据之一，与联轴器转轴成正比。4.2 载荷类别由于结构和材料的不同，用于各个机械产品机械传动系统的联轴器，其载荷能力差别很大，载荷的类别主要是针对工作机的工作载荷冲击，震动，正反转，制动，频繁启动等原因而形成不同类别的载荷。传动系统的载荷类别是选择联轴器品牌的基本依据。冲击，震动，和转矩变化较大的工作载荷，应选择具有弹性元件的挠性联轴器，以缓冲，减震，补偿轴线偏移，改善传动系统的工作性能，启动频繁，转反转，制动时的转矩是正常平稳工作的时工作转矩的数倍，低速工作应避免选用中小功率的联轴器。4.3 许用转速联轴器许用转速是根据联轴器不同材料的允许线速度和最大外延尺寸，经过计算而确定的。不同材料和品种，规格的联轴器许用转速的范围不同，改变联轴器的材料可提高联轴器的许用转速范围，材料为钢的许用转速大于材料为铁的许用转速。用于N5000R/MIN工作状况的联轴器，应考虑联轴器的外延离心和弹性元件变形的影响因素。并应动作平衡，高速时不应选用金属型的弹性元件，应该选用高精度的挠性联轴器。4.4 联轴器所联两轴相对位移联轴器由于所连接的两根轴的制造误差，装配误差，安装差，承受载荷而产生变形，基座变形，轴承受损，温度变化，部件之间的相对运动等多种因素产生的相对位移。一般情况下，连轴相对位移是难以避免的，但不同工作条件下，中大量选择挠性联轴器。刚性联轴器不具备补偿性能，应用范围受到限制，因此用量很少。角向（）唯一较大的轴系传动宜选用万向联轴器，有轴向窜动，并需控制轴向位移的轴系传动，应选用膜片联轴器；只有对中精度很高的情况下选用刚性联轴器，但不同工况条件下的轴系传动所产生的位移方向，即轴向（x）、径向（y）、角向（）以及位移量的大小有所不同。只有挠性联轴器才具有补偿两轴相对位移的性能，因此在实际应用 。4.5 转矩转矩和以传递运动为主的轴系传动，要求联轴器具有较高的传动精度，宜选用金属弹性元件的挠性联轴器。大转矩个传递动力的轴系传动，对传动精度亦有要求，高转速时，应避免选用非金属弹性元件弹性联轴器和可动元件之间有间隙的挠性；联轴器，宜选用传动精度高的膜片联轴器。图5.5 联轴器5 步进电机的选择5.1 概述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。步进电机是机电一体化产品中关键部件之一，通常被用作定位控制和定速控制。步进电机惯量低、定位精度高、无累积误差、控制简单等特点。广泛应用于机电一体化产品中，如：数控机床、包装机械、计算机外围设备、复印机、传真机等 。选择步进电机时，首先要保证步进电机的输出功率大于负载所需的功率。而在选用功率步进电机时，首先要计算机械系统的负载转矩，电机的矩频特性能满足机械负载并有一定的余量保证其运行可靠。在实际工作过程中，各种频率下的负载力矩必须在矩频特性曲线的范围内。一般地说最大静力矩Mjmax大的电机，负载力矩大。选择步进电机时，应使步距角和机械系统匹配，这样可以得到机床所需的脉冲当量。在机械传动过程中为了使得有更小的脉冲当量，一是可以改变丝杆的导程，二是可以通过步进电机的细分驱动来完成。但细分只能改变其分辨率，不改变其精度。精度是由电机的固有特性所决定。 步进电机有步距角（涉及到相数）、静转矩、及电流三大要素组成。一旦三大要素确定，步进电机的型号便确定下来了。（1）步距角的选择 电机的步距角取决于负载精度的要求，将负载的最小分辨率（当量）换算到电机轴上，每个当量电机应走多少角度（包括减速）。电机的步距角应等于或小于此角度。目前市场上步进电机的步距角一般有0.36度/0.72度（五相电机）、0.9度/1.8度（二、四相电机）、1.5度/3度 （三相电机）等。（2）静力矩的选择 步进电机的动态力矩一下子很难确定，我们往往先确定电机的静力矩。静力矩选择的依据是电机工作的负载，而负载可分为惯性负载和摩擦负载二种。单一的惯性负载和单一的摩擦负载是不存在的。直接起动时（一般由低速）时二种负载均要考虑，加速起动时主要考虑惯性负载，恒
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