毕业设计（论文）-新型破竹机构结构设计说明书

第页目录摘要 3Abstract 41绪论 61.1研究背景 61.2研究目的及意义 61.3国内外研究现状 71.3.1国外研究现状 71.3.2国内研究现状 71.3.3竹加工机械发展趋势 81.4破竹机存在的问题 101.5研究的主要内容 111.6本章小结 112新型破竹机总体设计 122.1方案设计 122.1.1总功能分解 122.1.2形态学矩阵求解 122.1.3方案评价与决策 132.2破竹机设计要求 152.3破竹机设计参数 152.4破竹机主要机构分析 162.5本章小节 173传动系统的设计 183.1上料机构的设计与计算 183.1.1输送速度的设计 183.1.2电机的设计和选型 183.1.3电机输出轴链传动的设计和选型 193.2对中机构的设计与计算 203.3推竹机构的设计与计算 213.3.1电机的设计和选型 213.3.2确定齿轮齿条精度等级及材料 213.3.3齿面接触强度设计 213.3.4按齿根弯曲疲劳强度校核 233.4刀盘及换刀机构的设计与计算 233.5出料机构的设计与计算 253.5.1确定齿轮精度等级及材料 253.5.3按齿根弯曲疲劳强度校核 273.6竹条收料装置的设计与计算 283.6.1横移电机的设计和选取 283.7本章小节 304三维结构设计 314.1三维软件SolidWorks介绍 314.2上料机构的三维模型 324.3对中机构的三维模型 324.4推竹机构的三维模型 334.5刀盘及换刀机构的三维模型 334.6出料机构的三维模型 344.7总装配体的三维模型 354.8本章小节 355总结与展望 365.1总结 365.2展望 37致谢 38参考文献 39

摘要中国作为竹林大国，国内竹子资源也是十分丰富，而它作为可以再生的资源，具有良好的用处，在生活中经常也会用到，因此在竹子资源的利用和开发上就显得尤为重要。但是对于竹资源的开发以及利用就需要在实际加工中进行体现，比如如何提高其加工效率和降低加工成本。因为常见的竹材加工设备的机械结构简单，并且危险系数高，总体加工效率不高，从而也为开采竹林资源增加了些许成本，故此就需要研究一款新型的破竹机来解决以往老式破竹机的一些问题。在前期进行了充分的调查和研究后，针对新型破竹机机构的机械结构进行了设计，对各组成零部件进行了设计和计算，包括材料的选取和尺寸的确定，使用计算机软件进行了三维实体的建模和二维图纸的绘制，本课题设计的新型破竹机结构，具有稳定性好、控制简单、结构精妙、工作性能好等特点，其加工速度快，生产效率高，加工简单，可以提高相关行业的技术水平，提高竹子加工产业的经济效益，实用性较高。本课题设计的新型破竹机机构，首先说明了课题的研究背景、目的和意义，同时阐述了竹加工机械发展趋势和目前破竹机存在的问题，以及破竹机机构的国内外研究现状和发展趋势，论述了主要研究的内容、方法和目的。最后针对设计要求和课题目的进行了总体的设计，包括破竹机设计要求、破竹机设计参数、破竹机主要机构分析和破竹机整体结构等内容。对三维结构进行了零件和装配体的建模，包括三维软件SolidWorks介绍、总装配体的三维模型、上料机构的结构设计、对中机构的结构设计、推竹机构的结构设计、刀盘及换刀机构的结构设计和出料机构的结构设计等内容。关键词：新型、破竹机、刀盘、推竹机构、上料机构

AbstractAsabamboocountry,Chinaisalsorichindomesticbambooresources.Asarenewableresource,ithasgoodusesandisoftenusedindailylife.Therefore,theutilizationanddevelopmentofbambooresourcesisparticularlyimportant.However,theexploitationandutilizationofbambooresourcesneedtobereflectedintheactualprocessing,suchashowtoimprovetheprocessingefficiencyandreducetheprocessingcost.Becausethemechanicalstructureofthecommonbambooprocessingequipmentissimple,andtheriskfactorishigh,theoverallprocessingefficiencyisnothigh,whichalsoincreasesthecostfortheexploitationofbambooresources,soitisnecessarytostudyanewtypeofbamboobreakingmachinetosolvesomeproblemsoftheoldbamboobreakingmachine.Aftersufficientinvestigationandresearchintheearlystage,themechanicalstructureofthenewbamboobreakingmachinemechanismwasdesigned,thecomponentsweredesignedandcalculated,includingtheselectionofmaterialsandthedeterminationofsize,theuseofcomputersoftwareforthree-dimensionalentitymodelingandtwo-dimensionaldrawing,thedesignofthenewbamboobreakingmachinestructure,Ithasthecharacteristicsofgoodstability,simplecontrol,exquisitestructureandgoodworkingperformance.Ithastheadvantagesoffastprocessingspeed,highproductionefficiencyandsimpleprocessing,whichcanimprovethetechnicallevelofrelatedindustries,improvetheeconomicbenefitsofbambooprocessingindustryandhighpracticability.Thenewbamboobreakingmachineisdesignedinthisproject.Firstly,itexplainstheresearchbackground,purposeandsignificanceoftheproject.Atthesametime,itexpoundsthedevelopmenttrendofbambooprocessingmachineryandtheexistingproblemsofbamboobreakingmachine,aswellastheresearchstatusanddevelopmenttrendofbamboobreakingmachineinstitutionsathomeandabroad,anddiscussesthemainresearchcontent,methodsandpurpose.Finally,accordingtothedesignrequirementsandthepurposeoftheproject,theoveralldesign,includingthedesignrequirementsofthebamboomachine,thedesignparametersofthebamboomachine,theanalysisofthemainmechanismofthebamboomachineandtheoverallstructureofthebamboomachine.Thethree-dimensionalstructureofthepartsandassemblymodeling,includingtheintroductionofthree-dimensionalsoftwareSolidWorks,thetotalassemblyofthethree-dimensionalmodel,thestructureofthefeedingmechanism,thestructureofthestructureofthemechanism,thestructureofthepushbamboomechanism,thecutterheadandthetoolchangemechanismofthestructureofthedesignandthestructureofthedischargemechanism.Keywords:Newtype,bamboobreakingmachine,cutterhead,bamboopushingmechanism,feedingmechanism1

1绪论1.1研究背景 随着社会的发展,人们在日常生活中对生产效率和生活环境提出了更高要求,因此就需要不断提高工作质量[1]。目前我国竹材加工主要采用手摇式、人工控制等传统机械方式进行。这种方法虽然能够保证一定劳动强度及操作简单方便且成本较低但存在很多不足之处:一方面由于竹根具有很好的韧性抗压能力以及耐腐蚀性能;另一方面在竹子生长过程中容易受到外界条件因素影响导致应力变化,造成材料破坏或开裂甚至脱落。在竹材加工过程中,为了满足不同的工艺要求,需要采用相应的技术来实现对材料和生产环境质量等方面进行提高;同时由于竹子生长快、容易受到外界因素干扰导致其抗压能力较差且不易受外部条件变化而产生应力集中现象等等原因都使得竹材加工成本较高。因此设计一种新型破竹机以适应现阶段我国林业机械行业发展需求具有重要意义[2]。1.2研究目的及意义中国的经济发展迅速，同时对于竹子的加工上也是发展的十分迅速,2021年就广西的竹材工业产值就超过了3000亿元，竹子产业的发展也越来越好，许多人也依靠着竹子而发家致富，所以在南方许多农村地区，都有很多人依靠着种植竹子来发家致富。今天我们就来一起了解一下关于南方的竹产业发展情况。竹子具有很好的经济价值，所以南方的竹业产业发展十分迅速，特别是在我国的一些竹乡中，几乎家家户户都在种植竹子，这也促进了当地的经济发展。竹子不仅具有很好的经济价值，它还有很高的实用价值。在我国的一些地区中，竹子经常用来做家具，这也是人们所熟知的一种用途。同时我们知道竹材具有很好的抗菌能力，所以很多人在生产生活中都会用到竹材。我国也是作为竹材加工生产的主要地区，从竹子的加工中获得一定的经济，已经成为了许多农民工收入来源重要的一部分，从而渐渐形成了竹材生产区域经济的一种发展趋势。竹加工企业要想实现可持续发展,就需要将技术创新作为首要任务,在生产过程中不断提高其工艺水平与质量。目前我国的竹林面积大、资源丰富且价格低廉。但是由于市场需求量有限以及国家政策限制等因素使得一些中小型竹子加工企业难以得到较好地经济收益和社会效益;并且当前国内竹林机械设备技术不够先进导致竹材质量不能达到高质量要求,从而影响了产品产量及品质提升,同时也制约着生产效率与生产能力的提高因此,竹加工企业要想实现可持续发展,就必须加大对技术的创新力度。在我国传统的竹材加工技术与研发中，竹子的原始原料加工占了总成本的很大比重，并且以手工劳动为主，还有大量来自于生产地区的廉价劳动力。虽然我国的竹产业发展很快，但是在竹产业的整体发展过程中，依然存在着低效率的现象，从而导致承包竹材加工的企业遇到一些阻碍。而想要提高竹材的加工效率，就得从竹材最初的加工上进行工艺处理，利用全自动化技术从而来顺利的解决效率不足的问题。1.3国内外研究现状1.3.1国外研究现状竹子不但是世界上最重要的一种资源，在中国也是最常见的一种，除此之外，在亚洲的几个国家，比如北美洲、非洲、南美洲、大洋洲等等，都有很多的竹子。其中日本在亚洲发展十分的迅速，也是最早的的发法国家，它的工业发展很迅速，加上日本在对比他的陆地领土面积上也占有许多的竹林资源，因此日本在竹子的加工业上也发展得非常出色。直到上个世纪三十年代和四十年代，日本才逐渐开始采用电机和其他机器来制造竹子。最后因为日本的领土有限，地理位置也有很大的劣势，所以一直导致其竹材加工发展受到了局限。东南亚以及印度的一些地区，也具有许多的竹材资源，尤其是印度，在竹材资源上仅仅只是次于中国。不过这些地方的国家在竹林的利用和开发上主要是针对生物和化学方向的研究，故此在竹材的具体机械加工上次并没有做过多的研究，也并没有什么先进的破竹机械加工设备，所有他们的装备都是从我们国家采购的。非洲是世界上三大竹子产地中最小的一个，但其竹子资源却比较集中。但非洲人对竹子的使用，更多的是将其作为原料，用来建造，用来装饰。非洲的竹子工业刚刚开始，人们对竹子的使用还停留在手工制作的阶段，与竹子有关的机器也几乎没有。在欧美等发达国家，竹子的研究已经很早了，而且已经有了很深的基础，但因为竹材资源的限制，大部分都停留在理论层面上的研究和对环境的探索上，很少有真正意义上的竹材生产企业。总之，对于国外的话，基本上是没有先进的竹材加工设备。1.3.2国内研究现状在20世纪30年代以前，全球竹子产业的发展还是一片空白，基本上都是人工进行。随着工业革命的推进，木材资源的日益紧缺，竹子的工业利用也开始受到重视。台湾省地区是我国第一个采用机械式竹加工的地方。七十年代以后，从内地引入了竹子的加工设备。目前我国大部分竹制品生产企业采用的是传统手工式和半自动化相结合的方式来进行木材加工。人工手工艺由于其效率低、劳动强度大等缺点严重影响了整个产业链条的发展,因此必须要加快研究与创新机械设备系统中所涉及到的关键技术环节以提高竹材加工质量并促进竹子产品向高附加值方向转变。进入本世纪以来，我国实行了天然木本植物的禁伐，使我国竹子资源受到了极大的关注，竹子加工机的发展前景十分广阔。尤其是在过去的十几年里，我们在研究和生产竹子的过程中，有了一定的探索，并开发出了一批新的设备。该项目的实施，对研发竹材行业前期工序的高效处理装备，包括竹材破碎机，都有着重大的意义。90年代是我国竹子加工机械发展的一个关键时期，我国的科技人员在借鉴国外先进技术的同时，也在不断地对竹子进行吸收和吸收，带动了竹子加工机械的研发，经过长期的摸索，竹子加工机械的发展速度很快，并逐渐形成了规模，竹子加工场也从传统的手工场逐步向机械化和工业化发展。浙江安吉响铃竹材机器有限公司研制了超高速竹材四边精刨机，浙江德迈竹材机器有限公司研制了竹材两面平整机等；南京林业大学开发出的竹制胶合板加工技术，已经在建筑模板和车箱地板上得到了应用，苏州林业机械厂等也制造出了相应的配套加工机械，竹制人造板加工机械、竹制凉席等产品的加工机械也在逐步发展起来。目前已经初步开发成功的竹材加工机械有很多，在经过持续的改进、优化、定型之后，就可以投入到生产中去。吴哲研究了一种数控竹材剖分加工机床，可以实现自动换刀、自动对中和开条。数控破竹加工机床整体结构如图1-2所示。该设备能初步实现自动换刀和对中，但无法保证准确度，实际加工中原竹位置可能发生偏移，对开条造成影响，对于刀盘及自动换刀机构进行简单阐述，但是换刀的准确性难以保证。1.3.3竹加工机械发展趋势相比于竹产业发展较快的国家和地区，我国的竹加工机械具有起步晚、发展快的特点，竹材加工机械行业标准的制定也相对落后，随着竹材加工机械标准化工作的展开，我国的竹材加工机械标准化逐步健全。2000年以后，竹产业发展脚步越来越快，为适应竹产业的快速发展，竹加工机械也伴随着一轮大的技术变革，1999年实施的林业行业标准《竹材加工机械型号编制方法》已不能完全适应现代竹工机械的发展要求，相关标准体系不够完整。今天的人们更加注重产品的标准化，如果任由竹产业自由发展，一直缺乏统一标准，那么竹加工行业乃至整个竹产业链都将面临严峻的考验。截止到2018年，我国现有竹类产品标准71项，其中22项国家标准。在竹材加工机械未来的发展中，首先，要依托国家发展战略，走可持续发展道路，抓住安全、节约、环保等主题，将科技作为产品研发的重心，根据现有市场迅速更新换代这一特点，以科技创新来立足当今市场环境，增加产品的适应性，在满足消费者对产品的各方面要求的同时尽量缩短产品的研发周期，在时间上占据优势，抢占竹加工机械市场；其次，要推动精细化的管理，加速信息化的工程建设。目前，控制技术、机器人技术、自动化技术等一系列先进技术趋于成熟，竹材加工机械要想不断的发展，也需要将这些现代先进技术融入到自己身上，未来我国竹材加工机械的发展趋势是要更加专业化、精细化，减少不必要的浪费，降低安全隐患，高效、智能将会是现阶段竹材加工机械的最终目标。1）推进机构，2）对中弹性支撑机构，3）底座，4）刀具定位架，5）刀具及刀架，6）换刀机构。图1.1数控破竹加工机床整体结构孙晓东等设计了一种竹材去内节破竹机。能够实现破竹和去竹内节的同时进行，从加工工艺上改变，缩短对竹材处理的时间，但其结构较为复杂，使破竹和去除竹内节的准确性大大降低，其中破竹刀盘结构简图如图1.2所示。图1.2去内节破竹机破竹刀盘结构简图更换刀具，无法保障换刀的准确性。图1.3自动换刀机构1.4破竹机存在的问题纵观我国近几年的破竹机械技术,由于其研究和发展时间较短,在一些关键性问题上还没有解决好。具体表现如下：（1）如何才能提高生产率。（2）怎样使竹材在运输过程中更加安全。（3）通过对加工工艺控制、优化设计来实现有效地提升产品质量与产量的目标是当前存在于国内大部分破竹林道竹子加工环节之中的难题之一;④由于破竹机机械系统技术发展时间较短,所以其研究程度还不够成熟和完善其在研究中还存在着许多的问题,需要我们去解决和完善。从国内外竹材初加工的情况来观望，新型破竹机需要解决的问题主要有以下四个方面：（1）如何使形状长短不一、弯曲度不一致、重量不等的竹段完成逐个自动上料，以节约人工。（2）竹材在剖分过程中需要将每根竹材中心对准刀具，刀具中心通过竹材中心完成竹材的剖分，如何对不同直径的竹段进行定位检测，找准中心。（3）由于竹材的直径大小不一，为了保证竹材较高的出材率,必须将不同直径范围的竹材剖分成不同数量的竹条，因此在剖分过程中需要不断的更换刀具如何实现多把刀具的自动更换。（4）由于竹材长短、直径大小不一，为了节省效率，如何让竹材完成分拣。1.5研究的主要内容本论文研究一种自动化破竹加工设备，实现直径50-120mm，长度1000-1600mm竹筒自动的自动上料、自动测量直径、自动夹持与对中、自动刀盘定位、自动换刀、自动破竹、自动送料、自动分拣等功能。根据破竹方法研究自动化破竹设备的整体结构，并完成三维模型和仿真分析，验证结构的可靠性;完成整机的加工与装配，并进行试验验证。研究的主要内容如下所示（1）查阅有关破竹机构的文献，了解其国内外研究现状，完成开题报告的娱写(要求含初略的设计方案)，查阅的文前不少于15篇，至少有1篇外文资料:完成1篇外文资料的完整割译，译文不少于3000个汉字。（2）破竹机构总体方案设计。根据研究的破竹机构的功能及设计要求，同时考虑社会、经济、环境、法律法规和安全等因素，从众多可行方案中通过评价，决策出相对最合理的破竹机构方案(要求具体的设计方案)。破竹机构的机械结构设计。对破竹机构进行整体布局，对破竹机构各组成构件进行结构设计，并对破竹机构的关键部件进行受力分析。使用Solidworks、UG、ProeE等三维软件完成破竹机构的实体建模、三维装配、干涉检查及工程图制作(累积图纸当量不少于3张0号图纸)。1.6本章小结现有的竹材加工机械自动化程度低，生产成本高，加工效率低，耐用性能差，自动化程度低，安全性能差，不能满足高质量高效率的竹材加工生产要求。目前，我国毛竹加工装备存在着自动化水平低、成本高、加工效率低、耐久性差、安全性差等问题，无法满足毛竹高品质高效加工的需求，并总结了现有新型破竹机系统在实际应用中存在的问题。重点介绍了本论文研究的主要内容和技术路线。

2新型破竹机总体设计2.1方案设计原始破竹机的构造比较简单，尤其在自动化程度以及效率上都比较低，而破竹机作为一种竹工机械，有其自身和工作对象的特殊性。对于开条工序来说，竹材的性质和要求是开条加工工作的出发点，也是开条能够如何的有序进行。开条加工时，首先要分析竹材的性质、形状、大小和重量，以及本工序的加工要求等，然后根据这些情况选定机床和开条刀具的具体形式，并在合理的工艺条件下安全的进行开条加工，以经济的达到竹条要求的加工质量。另外机床是进行开条工作的基础，它的性能的好坏，对于开条加工的顺利与否具有决定性的作用。2.1.1总功能分解总功能分解是系统工程中常用的一种方法，它通过逐步将系统或产品层次化为子系统或功能，再次逐步细分最后获得单个功能或物理组件的功能来为之后的设计提据，最终形成清晰结构，提高功能之间的协调性和完整性。该方法经常应用于产品开发的需求分析和产品设计方案的制定。总的来说，总功能分解法可以帮助工程师了解并设计子系统及其功能，并形成完整的产品。破竹机构由破竹件和竹节件两个部分组成。破竹件采用了高强度、高耐蚀性的材料制成，可以承受大量的重压和挤压，并具有较强的弯曲和扭转能力。竹节件则采用了复合材料制成，可以承载和连接破竹件，并使机构的连接更加牢固和稳定。总功能分解出的子功能如图2.1所示图2.1新型破竹机总功能分解2.1.2形态学矩阵求解形态学矩阵是一种采用矩阵形式进行系统搜索和程式化求解的方法。原理方案分析与求解的形态学矩阵如表2.2所示。表2.2新型破竹机构的形态学矩阵子功能功能载体A动力源电动机柴油机汽油机B上料手动自动C换刀手动自动B对心手动自动D推竹带传动链传动涡轮传动齿轮传动E去竹节先去竹节后破竹先破竹后去竹节第一列为各子功能，第一行为功能载体（子功能解）的序号，表中列出各子功能的功能载体。根据新型破竹机机的形态学矩阵，可解得其原理方案的总量为N=3×2×2×由此可以发现，新型破竹机的原理方案解很多。考虑到新型破竹机是在室内进行，不缺乏电力。所以可以剔除A动力源中的柴油机和汽油机功能载体。可得新型破竹机原理方案解N的总数为N在此基础上，从64个原理方案中选择2个，对其进行评估分析，并对其中最合理的原理方案解决方案进行评价。原理方案1：A1+B1+C1+D1+E5+F1先去内节后破竹；原理方案2：A1+B2+C2+D3+E1+F1先破竹后去内节；2.1.3方案评价与决策在机械系统设计中往往要解决许多复杂、多解的问题。获得尽可能多的方案，然后通过分析评价从中选择最佳方案，这是合理设计的重要途经。在机械系统的各个设计阶段，例如确定，例如确定原理方案、总体方案等，都要通过逐段评价才能得到优化的方案。对于技术方案而言，评价内容一般包括技术性、经济性和外部环境三个方面，评价方法采用加权系数法，并确定评价指标及评价指标的加权系数。评价指标的加权系数大，说明其重要性高；反之评价指标的加权系数小，说明其重要性低。然后根据评价指标的重要程度两两进行比较，当两项指标同等重要时，各给2分；若一项比另一项重要，则分别给3分和1分；若一项比另一项重要得多，则分别给4分和0分，然后分别打分并进行计算。各评价指标、判别结果和加权系数计算如表2.2所示。表2.SEQ表2.\*ARABIC2新型破竹机的加权系数计算评价指标平稳性可靠性寿命价格维修性外观k加权系数q平稳性023233130.22可靠性203233130.22寿命11002370.12价格224044160.27维修性11200370.12外观11101000.05总计kq根据加权系数计算计算结果绘制新型破竹机的评价指标树如图2.3所示。图2.3新型破竹机的评价指标树根据所求得各评价指标的加权系数，对上文所述的三种原理方案进行评价打分并建立方案评价表如表2.4所示，从中选出得分最高的方案1作为最终原理方案。表2.4原理方案评价表性能指标加权系数q原理方案1原理方案2原理方案3评分加权分评分加权分评分加权分技术性（0.56）平稳性0.2271.5471.5491.98可靠性0.2271.5481.7681.76寿命0.1260.7250.670.84社会性（0.05）外观0.0560.370.3580.4经济性（0.49）价格0.2771.8961.6251.35维修性0.1250.670.8460.72加权总分6.596.717.052.2破竹机设计要求人们在利用破竹机械对竹材进行加工时，会碰到各种问题，在工作中，破竹机会被各种因素所制约，其中包括了机器本身的特性和竹材的特殊性[3]。当破竹机在进行破竹作业时，实际上就是在进行竹材开条工序，我们要按照该工序的要求来对加工技术或工艺进行适当的调整，在此情况下，我们要将竹材自身的特性，包括竹子的形状、直径、重量、中空性等因素对加工过程的影响考虑在内，以此为基础，我们才能确定破竹机的设计方案以及具体形式。在对竹加工机械的认知和理解中，我们从机械设计的合理性角度，并与竹加工机械相结合。破竹机的特殊属性，对破竹机器的设计要求如下：竹片破碎时，竹片破碎时压板受力不均，破碎时机器各个部件所引起的振源扰动，对破碎效果有很大的影响，破碎时应尽可能地避免或减小这种振动。切竹器的切割器，在切割器被切碎的那一刻，要受到巨大的冲击，切割器的刀身能否承受得住，必须要有足够的硬度，足够的硬度来切割竹子，以确保切割器刀刃不会变形，焊接处不会出现裂缝，切割机的使用寿命更长[4]。(3)推竹机的导轨必须具有很高的刚度；用来抵挡竹子破碎时产生的冲击。(4)切竹子时，要确保切竹刀的刀尖与竹管的刀尖在一条直线上。(5)需要按照竹筒的外形特点，设计出适合于该碎竹机的支承机构。2.3破竹机设计参数本课题要求设计一款结构紧凑、工作可靠的新型破竹机构，主要技术指标或研究目标为针对直径为50-120mm，长度为1000-1600m的毛竹，竹条出材率在70%左右，竹条毛边率在8.0%左右，破竹机的加工速度为12m/min。2.4破竹机主要机构分析结合设备布局与整体结构的要求，确定了新型破竹机的总体设计方案。自动化破竹设备主要包括自动上料机构、快速对中装置、直径检测及自动换刀机构、推竹机构、竹片出料装置、竹条收料机构等几部分组成。(1)上料机构旧式碎竹机没有专门的上料装置，主要靠手动上料，这样不仅效率低，上料速度不均匀，而且安全性也很差。上料机构的主要功能是将竹材连续、均匀地输送到竹材的支承构件，在破竹过程中，竹材要一个接一个地经过破竹刀，这就要求竹材的上料必须是一根一根地进行。在此次上料机构中，主要是依靠链条上的刮板来实现竹筒的前进，每一块刮板之间都有一定的间隔，这样可以让竹筒的上料能够一个一个地进行，刮板与链条之间形成一个一定的角度，从而确保竹筒不会滑落[5]。(2)对中机构早期的切竹机是通过手动对中来实现对中的，这种方法工作量很大，而且误差也很大，目前的切竹机都是通过对中的方式来实现的，比如使用弹性对中，利用竹子的自重和弹簧，来实现对竹子重心的调整，但是这些方法都存在着一些问题。在本次设计中，将使用V字形抓取装置，并与气压位移直线驱动机构相结合，将夹具送到与刀具中心对齐的指定位置，从而实现自动对中。(3)推竹机构推竹机构的主要功能是把竹筒送入到破竹刀中，旧式破竹机使用的是人工撞竹，这不仅对人造成了很大的伤害，对机械也造成了很大的伤害，并且因为冲击所造成的力量不受控制，会造成很大的震动，导致破竹后的竹条品质很差；目前，许多破竹机械以电机为驱动，通过单侧的链传动将动力传递到推板或者运动台，将竹筒带向刀盘，因此，推竹机构的受力存在一侧大、一侧小不均匀的问题，而且还未解决因冲击带来的振动问题。在本次设计中，为了降低推板对竹筒的瞬间冲击力，降低振动，从而提升竹筒开条质量。(4)刀盘及换刀机构由于所用毛竹原料的粗细参差不齐，若仅采用一把刀片对毛竹进行开条，则毛竹的粗细差异较大，给以后的毛竹加工造成了很大的困难。根据不同的竹筒直径，选用不同刀片数的刀具来进行破竹开条处理，可以使破竹开条后得到的竹条宽度保持一致。所以，破竹机需要有多个刀具选择，以适应一定直径范围内竹筒开条的要求，在减少人工处理的前提下，换刀过程需要实现自动化[6]。(5)出料机构破竹机的出料机构由电机经过减速器，经过链传动，带动齿轮传动，达到出料的目的。(6)收料机构收料机构由夹持装置和横移电机驱动的形式，提供了竹条夹持和横移送料的功能。2.5本章小节本章主要针对设计要求和课题目的进行了总体的设计，包括破竹机设计要求、破竹机设计参数、破竹机主要机构分析和破竹机整体结构等内容。

3传动系统的设计3.1上料机构的设计与计算3.1.1输送速度的设计本文设计的竹段上料系统，由于竹段的外形固定，因此每一道挡板平均运输的1个。挡板的上下间隔距离为254mm，因此计算可得运输的线速度为[7]：v=（3.1）由于电机输出轴链轮的半径为r=0.033m，此链轮的角速度计算为：w=（3.2）3.1.2电机的设计和选型（1）确定电机类型破竹机的原动力件为电动机，因此需要确定和选取电机的类型，在选取过程中我们需要根据电机的转速、所需要的扭矩、电机控制方式、电机安装方式以及电机使用的环境等因素。根据以上条件，本次破竹机的设计选取了Y系列的三相异步电机作为原动力。这种类型的电机结构紧凑、运行稳定、安全性能高[8]。计算电机的功率电机的功率根据下式来计算：P=（3.3）其中ηw为本次传动链的总效率，包含了齿轮传动、轴承等很多装置查阅相关资料可知，根据下式计算总效率：η（3.4）其中η1为本次链传动的传动效率，取值为0.96；η2为轴承的传动效率，取值为0.98；η3为传送带的传动效率，取值为0.97[因此计算可得ηw本次设计的破竹机负载较小，假定所需要的总驱动力为F=3000N，线速度由前文可知为12m/min，即为0.2m/s。根据以上数据，电动机的功率计算如下所示：P=（3.5）（3）电机型号的确定由破竹机传动机构的结构特点可以知道，电机选取为4级或6级电机，对应的同步转速的值一般是1500r/min或者是1000r/min，根据本课题的传动效率，最终选取了1500r/min同步转速的电机。根据相关的设计原则，一般电机的额定功率要比实际所需要的功率略大一些，同时为了节约能源不能超过太多，因此最终选取了型号为Y80M2-4的电动机，其额定功率为0.75KW，额定转速为1390r/min，效率为74.5%，重量为17kg[10]。3.1.3电机输出轴链传动的设计和选型1链条的设计本课题的破竹机采用滚子链的形式，具体步骤如下：（1）确定小链轮的齿数z按照规定，链轮的最小齿数应该不小于9，为了使得链轮和链条在转动过程中可以互相磨损及配合良好，链轮齿数应该尽可能为奇数。一般情况下为了传动结构的紧凑，本文最终选取电机轴链轮的齿数z1=15。传动比均为1[11]（2）确定链条的链节数L本次破竹机初选中心距为a0=25p，链节数的计算如下所示L（3.6）算出来的值进行圆整，一般链节数取偶数，因此可得链节数为66。（3）确定单排链的传递功率p0参考相关资料，工作情况系数取值为KA=1，计算如下所示P（3.7）查阅相关资料，链轮齿数系数取值为Kz=1.11，链长系数取值为Kl=1.07；本次选用了单排链，其相关系数为KpP（3.8）由上文可知，链轮转速为n=36.78r/min和功率为0.75KW，根据链传动设计原则，确定链节距的值为p=12.700mm，因此选取的链条的最终型号为08A-1[12]。（4）计算链条链速根据相关设计原则，链速的计算如下式所示：v=（3.9）根据上文的设计参数相差不大，所以符合设计原则。（2）计算电机轴的链轮尺寸链轮的分度圆直径计算如下所示：d=齿顶圆的直径计算如下，其中d1为滚子外径，取值为ddd根据以上计算结果，其齿顶圆直径为68mm。因此齿根圆直径计算可得：d齿的高度计算如下：h3.2对中机构的设计与计算本文中气动系统的工作压力为0.1MPa~0.7MPa，此时由于气缸用于夹紧，估算单个气缸需要的最大夹紧力为200N，故以气压系统的最大压力为0.7MPa来计算[13]。气缸内径的计算：竹段对中时需要气缸活塞杆伸出，此时气压进入气缸的无杆腔：F=P（3.10）其中D为气缸的内径，单位为mm；d为活塞杆的直径，单位为mm；机械效率取值为η=0.96；F是工作负载，估算其取值为F=200N，上文已知P=0.7MPa；参照相关设计原则，可知活塞杆直径可以取值为d=0.4D。故可得：D=4FπPη1−0.2经过查阅相关文献资料，由标准GB/T2348-93可以选取气缸标准内径[14]。取D为40mm，故可取d=16mm。选取活塞杆材料为45钢。查表知，45钢的屈服强度σs按强度条件校核：d≥4此时d为16mm，大于0.7mm，所以符合要求。缸体外径D本次设计的气缸外径可以取值为D1=50mm，计算可知该气缸的壁厚为5mm一般气缸的壁厚计算会根据薄壁圆筒和厚壁圆筒等两种类型来计算[15]。由于本文参数可知δD=0.125<0.3，因此需要根据薄壁圆筒来进行计算，δ≥(P_yD)/(2[σ])（3.11）pp查表得[σ]=157.8MPa，计算可得δ≥1.05×180由上文已知壁厚δ=5mm≻0.6mm，故满足强度要求。3.3推竹机构的设计与计算3.3.1电机的设计和选型由破竹机传动机构的结构特点可以知道，电机选取为4级或6级电机，对应的同步转速的值一般是1500r/min或者是1000r/min，根据本课题的传动效率，最终选取了1500r/min同步转速的电机。根据相关的设计原则，一般电机的额定功率要比实际所需要的功率略大一些，同时为了节约能源不能超过太多，最终选取的电机型号为SAF37DR63L4，其额定功率的取值为3KW，额定转速取值为1390r/min，效率确定为74.5%，重量大概是35kg。3.3.2确定齿轮齿条精度等级及材料本文设计的齿轮齿条传动的材料选择，小齿轮的材料确定为40cr，热处理采取了调质来进行处理，硬度要求为250-280HBS，45号钢作为齿条的材料，也进行了调质的热处理方式，硬度要求取值为220-240HBS[16]。查阅相关文献可知，本文设计的齿轮传动机构选取了7级精度。同时，选取齿轮传动的齿数分别为，小齿轮齿数为Z13.3.3齿面接触强度设计查阅相关参考文献，可以按照下式进行，如下所示：d（3.12）根据上述计算公式，初定取值为Kt=1.3，因此扭矩的计算如下所示为：T=9550（3.13）根据齿轮设计原则，齿宽的系数取值为Φd=0.5；弹性影响系数取值为ZE=189.8MPa1/2；小齿轮的接触疲劳极限取值为σHlim1=600MPa；大齿轮的接触疲劳极限取值为σHlim2=550MPa。根据设计参数，齿轮应力循环次数的计算如下式所示：N查阅相关文献可知，接触疲劳寿命系数为kHN1=1.7。计算接触许用应力，则取安全系数S=1。因此，根据相关公式计算可得：σ（3.14）其他参数计算如下所示：（1）小齿轮的分度圆直径d1t：d（2）圆周速度计算如下所示：v=（3齿宽b及模数mn的计算如下所示：b=mh=2.25b（5）根据齿轮传动的实际的载荷系数来校正和计算，所得分度圆直径由参考文献如下所示：d（3.15）（6）计算模数m如下m=（3.16）综上所述，本次齿轮传动的标准模数取值为m=2.5mm。3.3.4根据齿根弯曲疲劳强度校核查阅相关资料可知，本课题设计的曲柄压力机齿轮传动按照齿根弯曲疲劳强度校核计算如下式所示：σ（3.17）确定公式内各参数的计算数值如下所示：Fb=k=查阅相关参考文献，小齿轮的弯曲疲劳强度极限取值为σFE1=500MPa，σFE2=380MPa；其弯曲疲劳寿命系数取值为kFN1=0.85，kFN2=0.88；许用弯曲应力取值为S=1.4[17]。相关计算如下所示：σσ查阅相关资料，齿形系数的取值为YFa1=2.91，YFa2=2.18；Ysa1=1.53，Ysa2=1.79。相关参数计算如下所示：YY互相比较对比可知σF代入数值，计算可得：σ因此本文设计的齿轮传动系统的弯曲强度符合设计要求。3.4刀盘及换刀机构的设计与计算对于刀盘换刀机构而言，其不需要很大的扭矩，因此选取了伺服电机作为刀盘机构的驱动电机，其型号为MSMF113L，额定转速为300r/min，额定扭矩为9.55N·m。设计有减速器配合使用，减速器型号为ZJU01-120-P2-P，减速比为10。因此小齿轮轴上的转速为30r/min，最大转矩95.5N·m。槽轮机构的结构紧凑，传动效率高，能实现等角度间歇性传动，因此本课题的换刀机构采用了槽轮机构，槽轮机构的示意图如下图3.1所示，主要包括主动拨盘、从动轮和机架等零部件。图3.1槽轮机构示意图如上图3-1所示，主动拨盘B转动一圈时，槽轮A的转动时间与B的转动时间的比值，可以称之为运动系数，本课题用k来表示。由于槽轮由四个互成90度的均布槽构成，因此本课题的运动系数K=1/4。查阅相关资料可知，对于四槽的槽轮机构来说，其圆柱销所受到的最大作用力FmaxF（3.18）其中a为中心距，查阅相关资料，可以得到参数c=2.000，参数d=2.327，代入上式计算可得Fmax=1.19综上所述，槽轮的尺寸和参数如下所示:槽数z=4槽轮每次转位时，主动件的转角α=π（1-2/z）=0.5π槽间角β=2π/z=0.5π主动件圆销中心直径R1=asinβ本课题设计的槽轮如下图3.2所示。图3.2新型破竹机刀盘及换刀机构3.5出料机构的设计与计算由出料的整体性能可知，由于负载较小，因此选取的电动机型号为QABP71M2B，额定功率的取值为0.55KW，额定转速的取值为1490r/min，效率确定为78.6%，重量大概是13kg。本文的链传动采用滚子链，具体设计流程如下：按照规定，链轮的最小齿数应该不小于9，为了使得链轮和链条在转动过程中可以互相磨损及配合良好，链轮齿数应该尽可能为奇数。一般情况下为了传动结构的紧凑，链轮取值z1≥17，本文最终选取电机轴链轮的齿数z1=30。一般情况下链传动的传动比不大于7，因此取从动轴链轮为i=齿轮传动的特点是可以传递较大的扭矩，同时，齿轮传动具有结构紧凑、可靠性能高、工作寿命长等优点。3.5.1确定齿轮精度等级及材料根据材料属性和相关要求，齿轮的材料选取为40cr，热处理采取了调质处理，其硬度范围是为250-280HBS，确定大齿轮材料为45号钢，同样进行了调质处理，硬度范围是220-240HBS。查阅相关文献可知，本文设计的齿轮传动机构选取了7级精度。同时，选取齿轮传动的齿数分别为，小齿轮齿数为Z1=17，大齿轮齿数为Z2=uZ3.5.2齿面接触强度设计查阅相关参考文献，可以按照下式进行，如下所示：d（3.19）初步确定相关值为Kt=1.3；小齿轮的扭矩的值计算为T1=95.55N.m；齿宽系数的取值为Φd=1；弹性影响系数取值为ZE=189.8MPa1/2；小齿轮的接触疲劳极限为σHlim1=600MPa；大齿轮的接触疲劳极限取值为σHlim2=550MPa。根据相关设计原则，其应力循环次数的计算如下所示：NN查阅相关文献可知，接触的疲劳寿命系数取值为kHN1=0.92，kHN2=0.97；安全系数取值S=1。因此，根据相关公式计算可得：σσσ齿轮相关参数计算如下：（1）确定小齿轮分度圆直径d1t：d（2）确定圆周速度：v=（3）确定齿宽b和模数mn：b=mh=2.25bh（4）确定载荷系数k：其使用系数确定为KA=1，同时根据线速度的值ν=1.1m/s，结合7级的精度等级，动载系数取值为Kv=1.1。KHβ的计算如下所示：kk查阅相关资料，取值为KFβ=1.3；KHα=KFα=1.2。故载荷系数计算如下：k=（5）根据齿轮传动的实际的载荷系数来校正和计算，所得分度圆直径由参考文献如下所示：d（3.20）（6）计算齿轮传动的模数m：m=根据设计原则，本次模数取值为标准模数m=2mm。3.5.3按齿根弯曲疲劳强度校核查阅相关资料可知，本课题设计的曲柄压力机齿轮传动按照齿根弯曲疲劳强度校核计算如下式所示：σ（3.21）确定公式内各参数的计算数值如下所示：Fb=k=查阅相关参考文献，小齿轮的弯曲疲劳强度极限取值为σFE1=500MPa，σFE2=380MPa；弯曲疲劳寿命系数取值为kFN1=0.85，kFN2=0.88；许用弯曲应力取值为S=1.4。因此计算可知σ（3.22）σ（3.23）查阅相关资料，齿形系数的取值为YFa1=2.91，YFa2=2.18；Ysa1=1.53，Ysa2=1.79[39]。相关参数的计算如下所示：YY互相比较对比可知σF代入数值，计算可得：σ（3.24）因此本文设计的齿轮传动系统的弯曲强度符合设计要求。3.6竹条收料装置的设计与计算3.6.1横移电机的设计和选取查阅相关资料，依据电机设计原理，横移电机按照下式计算：（1）负载惯量计算为：J（3.25）其中M为负载重量；D为输出轴直径；R1为减速比，假定M=25kg，D为32mm，R计算得：J按照负载惯量小于3倍电机转子惯量JJ（2）计算电机驱动负载所需要的扭矩如下：克服摩擦力所需转矩为：T（3.26）其中M为负载重量；D为直径，R1摩擦系数μ为0.6，重力加速度g为9.8g/cm2，T加速时所需转矩为：T（3.27）经过计算，其中负载运行加速递a为15m/min2，计算得T由以上得，伺服电机额定扭矩大于Tf，最大扭矩大于T（3）计算电机所需要转速如下：N=（3.28）电机选择森创牌的伺服电机，其型号和规格如下表所示。经过以上分析，选择电机型号为130MB150B-501000，森创伺服电机型号规格3.7本章小节本章主要进行了上料机构的设计与计算、对中机构的设计与计算、推竹机构的设计与计算、刀盘及换刀机构的设计与计算、出料机构的设计与计算、竹条收料装置的设计与计算等内容，其中上料机构的设计与计算又包括输送速度的设计、电机的设计和选型和电机输出轴链传动的设计和选型，推竹机构的设计与计算又包括电机的设计和选型、确定齿轮齿条精度等级及材料、齿面接触强度设计和按齿根弯曲疲劳强度校核，出料机构的设计与计算又包括确定齿轮精度等级及材料、按照齿面接触强度设计和按齿根弯曲疲劳强度进行强度校核，竹条收料装置的设计与计算又包括横移电机的设计和选取和夹持手爪夹紧力的计算等内容。

4三维结构设计尽管生产实践是对产品设计最为重要的评价依据，但在实际的系统开发研究过程中，一般先对系统进行仿真分析。仿真分析可对整个系统的设计进行评估，为实验提供数据参考，减少实验次数，缩短周期，降低成本。4.1三维软件SolidWorks介绍SolidWorks软件是PTC软件公司提供的一个工程实际的解决方案，是世界上第一个三维绘图软件，SolidWorks的出现，为客户在工业产品的设计和制造加工过程中，提供了现代化的造型手段和验证方式。同时，SolidWorks可以根据不同用户对产品设计的虚拟建模和工业设计的目的，还有其他各种需求，提供了科学化的解决手段和验证方案。SolidWorks软件功能非常强大，可以对不同结构的实体进行方便的建模和虚拟构造。SolidWorks软件最开始应用于工业工作站上，但是随着技术发展过程，SolidWorks有了非常长足的发展和改进，目前已经成为了三维建模行业的一个十分主流的工业软件具有十分广泛的应用。综上所述，SolidWorks软件的主要功能有以下四种：（1）工业设计功能SolidWorks为工业设计领域提供了科学化的解决方案和创新性研究平台，工业设计师可以通过使用SolidWorks软件，十分方便地建立产品的外观形状以及工业构造，SolidWorks软件还可以提供非常现代化的渲染工具，可以满足工业设计史对产品外观的美观和审美需求，因此，SolidWorks可以极大程度上满足工业设计上的需求。（2）产品设计功能SolidWorks是世界上应用最广泛也是设计功能最强大的建模软件之一，在产品设计领域，SolidWorks具有非常强大的机械设计功能，能够建立十分完美的三维和二维模型，为机械设计及加工制造领域提供高性能和高可靠性的模块，从而可以复合使用者不同产品和结构的设计需求。对比于其他的产品设计软件，SolidWorks具有很多专业性的模块，比如钣金模块、电路板设计模块、塑料产品的设计工具，可以满足很多工业领域上的设计需求，具有非常广泛的产品设计上的应用[22]。（3）数控加工功能SolidWorks的数控加工模块可以提供科学化的建模框架和接口，包括图形化数字化的操作窗口和简单易操作的界面环境，使用者可以方便地观察数控机场的刀具的加工轨迹，并且可以对图形化的窗口进行直接修改，比如对刀具的轨迹来修正和完善。本模块还可以提供各种点位的编程功能，可以对不同机械加工工序的程序进行修改和完善，以减小工作时间。SolidWorks软件还可以通过其实体模型，直接识别并形成数控加工的程序，程序保持和三维模型高度吻合，加工可靠度高，减小了很多编程序的时间[23]。（4）模具设计SolidWorks在模具设计的领域，应用非常普遍，主要原因一是因为SolidWorks可视化操作简单的应用界面，另一方面也是其非常强大而完善的模具设计工具。模具设计作为产品设计的一个分支，不同于其他的产品设计过程，其具有很多工艺流程，其中最关键的一步流程就是分模。在工业领域一般把分模过程分为两类，一类是自动进行分模，另外一类需要进行手动分模。SolidWorks软件提供自动分模的功能，可以实现分模过程的高度自动化。4.2上料机构的三维模型如下图4.2所示，为本课题设计的上料机构三维模型，其包括支架、电机、传动链、挡块、传感器等零部件。图4.2上料机构的三维模型4.3对中机构的三维模型如下图4.3所示，为本课题设计的对中机构三维模型，其包括气缸、轴承、支座、连杆、压板等零部件。图4.3对中机构的三维模型4.4推竹机构的三维模型如下图4.4所示，为本课题设计的推竹机构三维模型，其包括电机、齿条、齿轮、支座和轴等零部件。图4.4推竹机构的三维模型4.5刀盘及换刀机构的三维模型如下图4.5所示，为本课题设计的刀盘及换刀机构三维模型，其包括刀盘、切刀、支座、轴承、支架、槽轮机构等零部件。图4.5刀盘及换刀机构的三维模型4.6出料机构的三维模型如下图4-6所示，为本课题设计的出料机构三维模型，其包括链条、齿轮、传动轴、电机、减速器、支撑板、外罩板等零部件。图4.6出料机构的三维模型4.7总装配体的三维模型本文设计的新型破竹机的机械结构，如下图4.7所示，主要包括自动上料机构、快速对中装置、直径检测及自动换刀机构、推竹机构、竹片出料装置、竹条收料机构等几大部分，结构紧凑，维修方便，成本低，具有很高的经济价值。图4.7新型破竹机的三维结构4.8本章小节本章主要对三维结构进行了零件和装配体的建模，包括三维软件SolidWorks介绍，以及总装配体、上料机构、对中机构、推竹机构、刀盘及换刀机构和出料机构等的三维建模。

5总结与展望5.1总结随着社会的发展，人们在日常生活中对生产效率和生活环境提出了更高要求，因此就需要不断提高工作质量。目前我国竹材加工主要采用手摇式、人工控制等传统机械方式进行。这种方法虽然能够保证一定劳动强度及操作简单方便且成本较低但存在很多不足之处:一方面由于竹根具有很好的韧性抗压能力以及耐腐蚀性能；另一方面在竹子生长过程中容易受到外界条件因素影响导致应力变化，造成材料破坏或开裂甚至脱落。在竹材加工过程中，为了满足不同的工艺要求，需要采用相应的技术来实现对材料和生产环境质量等方面进行提高；同时由于竹子生长快、容易受到外界因素干扰导致其抗压能力较差且不易受外部条件变化而产生应力集中现象等等原因都使得竹材加工成本较高。本课题在前期进行了充分的调查和研究，后续进行了详细设计，主要包括材料的选取和尺寸的确定，使用计算机软件进行了三维实体的建模和二维图纸的绘制，本课题设计的新型破竹机结构，具有稳定性好、控制简单、结构精妙、工作性能好等特点，其加工速度快，生产效率高，加工简单，本课题的研究对破竹机的发展具有非常重大的意义，可以提高相关行业的技术水平。本次设计主要的工作分为以下几点：（1）本次设计的新型破竹机机构，首先说明了课题的研究背景、目的和意义，同时阐述了竹加工机械发展趋势和目前破竹机存在的问题，以及破竹机机构的国内外研究现状和发展趋势，论述了主要研究的内容、方法和目的。（2）本课题设计的新型破竹机机构，针对设计要求和课题目的进行了总体的设计，包括破竹机设计要求、破竹机设计参数、破竹机主要机构分析和破竹机整体结构等内容。（3）本次设计主要进行了上料机构的设计与计算、对中机构的设计与计算、推竹机构的设计与计算、刀盘及换刀机构的设计与计算、出料机构的设计与计算、竹条收料装置的设计与计算等内容，其中上料机构的设计与计算又包括输送速度的设计、电机的设计和选型和电机输出轴链传动的设计和选型，推竹机构的设计与计算又包括电机的设计和选型、确定齿轮齿条精度等级及材料、齿面接触强度设计和按齿根弯曲疲劳强度校核，出料机构的设计与计算又包括确定齿轮精度等级及材料、按照齿面接触强度设计和按齿根弯曲疲劳强度进行强度校核，竹条收料装置的设计与计算又包括横移电机的设计和选取和夹持手爪夹紧力的计算等内容。（4）本课题设计的新型破竹机机构，对三维结构进行了零件和装配体的建模，包括三维软件SolidWorks介绍，以及总装配体、上料机构、