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2020-04 14张CAD图+Solidworks三维图+说明书 2020 04 机械 冲床 设计 14 CAD Solidworks 三维 说明书

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摘 要当前，机械冲床这些年来因为机器结构学科的兴起不仅是因为电子信息技术的大幅度发展，还因为这种成型机器结构确实可以给一些工程人员带来极大的便利。国外对于机械冲床的研究与设计在上世纪就已经开始，机械冲床的广泛应用使得科研人员能够很方便的帮助操作者做一些繁琐且多次重复的动作，比如对多达上万的模具进行冲压，因此我国是非常有必要进行机械冲床机构的研究。本课题正式基于这样的背景进行机械冲床机构的研究与分析。本文主要研究的是可以对模具进行快速冲压成型的机械冲床机构，机械冲床机构采用电机实现驱动结构。本文首先分析了机械冲床机构常用传动结构的优缺点，并由此确定了机械冲床机构的整体设计方案，包括电机、减速器、皮带结构、齿轮机构、连杆等。紧接着本文详细分析了驱动结构、皮带结构、齿轮机构和连杆的参数设计并进行强度校核。最后，本文对机械冲床机构这一课题进行了总结。本文所做的关于机械冲床机构的理论分析与研究可以用于日后的进一步研究，对于提高当下我国机械冲床机构的设计与制造水平有着一定的积极意义。关键词：机械冲床 电机 皮带 齿轮 连杆AbstractAt present, the rise of mechanical punch in recent years is not only due to the great development of electronic information technology, but also because this kind of forming machine structure can really bring great convenience to some engineers. The research and design of mechanical punch has been started in the last century in foreign countries. The wide application of mechanical punch makes it very convenient for researchers to help operators to do some tedious and repeated actions, such as stamping up to tens of thousands of dies. Therefore, it is necessary to study the mechanism of mechanical punch in China. Based on this background, this paper studies and analyzes the mechanism of mechanical punch.In this paper, the main research is the mechanical punch mechanism which can be used for the rapid stamping of the die. The mechanical punch mechanism uses the motor to realize the driving structure. This paper first analyzes the advantages and disadvantages of the common transmission structure of the mechanical press mechanism, and then determines the overall design scheme of the mechanical press mechanism, including the motor, reducer, belt rod structure, gear mechanism, connecting rod, etc. Then, this paper analyzes the parameter design of driving structure, belt structure, gear mechanism and connecting rod in detail and carries out strength check. Finally, this paper summarizes the subject of small mechanism of mechanical punch.The theoretical analysis and Research on the mechanism of mechanical punch in this paper can be used for further research in the future, which has a certain positive significance for improving the design and manufacturing level of the mechanism of mechanical punch in our country.Key words: mechanical punch; motor; belt; gear; connecting rod目 录摘 要IAbstractII第1章 绪论11.1 研究课题的背景与意义11.2研究课题的国内外发展状况21.3工业机械冲床研发的未来趋势5第2章 总体设计方案62.1驱动结构62.2带传动72.3 齿轮结构82.4连杆机构9第3章 主要零部件设计113.1 电机的选择113.2 飞轮的转动惯量与尺寸计算123.3 V带传动设计与计算133.3.1 V带的型号的确定133.3.3验算带的速度143.3.4确定中心距a和V带基准长度Ld143.3.5计算小轮包角153.3.6确定V带根数Z153.3.7初拉力F0的确定153.3.8计算作用在轴上的压力FQ163.3.9小带轮结构设计163.4齿轮传动结构163.5飞轮滑块尺寸确定及运动分析183.6 轴的设计计算20第4章 项目管理及环境的可持续发展214.1 机械冲床的项目时间分配214.2 机械冲床项目的成本预估214.3 机械冲床项目的质量规划与监控214.4 机械冲床项目的风险预测224.5 机械冲床项目的三废处理办法224.6 机械冲床项目的环境保护224.7 机械冲床项目的可持续发展22结 论23致 谢24参考文献25V第1章 绪论1.1 研究课题的背景与意义几十年来工业冲床的相关定义经历了多次修改和变化，在电子信息技术和新型材料的快速发展的背景下，目前工业冲床已经集成了多种电子技术，例如常见的位移传感器和力传感器，工业冲床所能实现的功能也越来越多。工业冲床技术的大跃进刺激是由于汽车等传统领域技术的发展，人类使用器具从手动到半智能化再到可以适合在各种复杂的环境下和满足要求的全自动工作设备。不断进步的科学技术促使人们不断地对未知领域进行一系列的探索和发现，从荒野戈壁到深不见底的江河湖泊，因此人类越来越需要一种可以帮助科研人员进行深入研究和辅助救援的机械冲床。工业冲床指的是一种可以在大多空间内例如繁杂的生产工序又或者是小型的生产作坊内由人员根据要求进行冲压需要变形的模具。不同的国家或地区对工业使用的冲床的定义并不完全相同，比如按照中国自己的国家标准，智能工业机械冲床为用于工业制造时对模具的定型功能。大多数工业冲床相比较与传统的工业辅助设备而言，它是一种全新设计概念的工业辅助用具，最主要的改变是尽可能的增加工业机械冲床内部电板的指令功能，从而增大其对生产工人的帮助作用，确保机械冲床真正可以实现在多种环境的厂房内正常运作。例如国内的哈尔滨工业大学已经成功的开发出了一款中速冲床，对于要求较大的冲压力和稍微复杂的模具外形可以说是非常容易的。该款中速冲床臂无论是重量还是结构方面都得到了其他科技人员较高的评价。瑞士和日本的公司经过多年的潜心研究和实验终于开发出了一款适合高速频繁冲压的工业冲床，该款全自动冲床已经成功应用于各种实际环境中，总之这款冲床的实际表现性能非常优异，在市场上取得不俗的成绩。紧接着，越来越多结构形式的工业冲床也被成功的投入实际应用中。工业冲床实际上指的是一种可以实现预定物体外形表面的机电一体器械。工业机械冲床作为一种不同于传统制造领域的机器，目前在国内外都得到了工程师的广泛关注。我国目前已经有多个与工业机械冲床相关的民间联盟，这些联盟可以提供一些技术上面的支持，这也预示着机械冲床在未来的前景是光明的。本课题的目标主要是对市场上已有的机械冲床研究后重新进行一个结构上的设计，主要包括工业机械冲床的驱动设计和结构强度校核。首先需要了解机械冲床的运动结构简图，并熟悉机械冲床的研究设计流程与方法，加深对机械设计书本内容上的理解，综合运用以前学习过的材料力学和理论力学完成当代机械冲床一体结构设计。本文将会通过分析比较当前国内外存在的几种皮带传动的机械冲床所采用的所有结构，对机械冲床的往复移动机构和动力驱动机构进行选型与研究分析。冲床输出端的结构是整个机械冲床所有结构中最为重要的一部分，冲压头可以决定整个工业机械冲床在运行过程中的性能表现。如何合理的设计机械冲床的结构形状对于提高工业机械冲床的整体性能是存在着一定的积极意义的。1.2研究课题的国内外发展状况国外对于工业机械冲床的研究要明显早于国内，例如工业强国美国和日本等国已经申请了多项专利，并且有丰富的机械构类型是可供选择和使用。日本最先生产出机械冲床的公司是AIDA有限集团，作为全球出口前几名的机床生产制造集团，AIDA敏锐的嗅到了中速冲床对于生产效率提高的应用价值。AIDA最终在上世纪末推出了全球第一款的中速冲床，但是很遗憾的是由于一些商业上的考虑，AIDA并没有公开出口数量。在此之后，其他的冲床生产制造商也开始投入资金开始进行机械冲床的设计与生产制造。比较出名的为日本DOBBY公司和瑞士冲床集团研发生产的机械冲床系列。一开始国外对于工业机械冲床采用的大都是电机驱动，大型的工业机械冲床常见的驱动结构形式为气缸和液压缸配合驱动机械冲床输出，小型冲床较为常用形式的为一个电机带动一个齿轮减速器传动。此类机械冲床大部分应用于冲压简单外表面的用途中，比如鞋制品或电机内部等。机械冲床之所以在制造车间内流行一方面是因为在工业中对生产效率迫切提高历程中，高效化机械具有重要的地位和意义，机械冲床中的齿轮减速器传动结构在古代就已经被人类发明并应用，另一方面是因为这种结构的机械冲床在整体重量、设计和制造成本方面具有较大的优势。中高速机械冲床可以达到的速度大约在每秒几百片模具，并且齿轮减速器结构的工业机械冲床的使用时间长，所需要的维修和保养价格低廉，极大地适合大批量生产。但是齿轮减速器结构的工业冲床在使用次数高或者载荷较大等复杂操作环境中时，容易出现较大的振动从而导致机械冲床冲压物体精度较差等情况出现。与此同时，科研人员在进行工业机械冲床的设计时还考虑过倾斜和固定台式的工业冲床，虽然固定台式的工业冲床在生产线上的冲压速度要明显优于手动的冲床（如图1-1所示）又或者是机械冲床，但是这种工业冲床需要多种技术的配合才行，比如需要电子学、传感器的应用和机构学的综合运用，整体的设计难度比较大，目前应用的场合正在慢慢变多。图1-1 手动冲床几年后，手动机械冲床的驱动结构开始采用皮带式设计。这主要是因为采用皮带式驱动的机械冲床相比较于传统的齿轮减速器机械冲床能够更好地适应多种复杂的操作状况，除此之外皮带结构机械冲床的设计与制造技术都已经相对成熟，并不会对于机械冲床造成太多的设计困难。使用皮带传动设计的智能化工业冲床有以下几个好处。第一，皮带传动的设计与地面的传输距离相比较于传统的齿轮减速器要大的多，在相同的载重量的情况下，皮带传动的设计在比较长的生产线上比如大批量零件的生产，工业机械冲床相对齿轮减速器的所占空间要小，从而带来的好处就是机械冲床进行冲压模具时具有相对较小的滚动摩擦力，机械冲床可以快速对物体表面成型，以便在更短的时间内完成作业任务。第二，采用皮带传动设计的机械冲床可以实现传统齿轮减速器机械冲床不能实现的功能，即实现工业机械冲床空间变大。这是因为两条皮带的安装位置如果有差别，比如两条皮带相互垂直的摆放就可以实现平面内任意移动，所以皮带设计的智能化工业冲床所达到的移动范围要大得多。第三，工业机械冲床的载重量在额定范围内冲压，传动结构就很难出现打滑的可能性，因为皮带之间是通过带轮与带一起传动的，在传送性能方面有较高的可靠性。第四，工业冲床对于仿生手臂抓取物体的能力具有很高的要求，如果采用传统机械结构设计，则容易受到环境和噪音的干扰，在复杂环境会较大的概率出现卡死现象。除此之外，工业冲床可以实现双手直接敲打的大部分功能。工业冲床尽管相比较传统的手工敲打有很多的优点，但是其还是存在着一些难以消除的缺点的，例如机械冲床工作台进行旋转时如果转弯半径过大，就会产生较大的偏心力，如果机械冲床不能满足这么大的摩擦力则会出现冲压失败的现象，还容易对物体表面造成较大的破坏。高效化机械冲床的设计重点需要放在传动结构设计和电子控制技术两个方面，并且需要用实验验证理论研究的正确与否。同时机械冲床不能采用过于简单的结构设计，否则将会限制工业机械冲床的多功能实现情况。机械冲床的理论研究爆发于上世纪七八十年代，英国工业冲床在上世纪大约九十年成功的开发出了中速工业冲床，提高了工人在车间中冲压模具的速度。除了上述介绍的全球知名的工业机械冲床外，加拿大的AZMUT和法国的Helios集团出口的工业冲床在整个工业机械冲床市场上都有着不低的占有率。进入21世纪后，国外对于中高速工业冲床的重点主要集中在工业机械冲床的整体结构优化设计、作业稳定性能和操控指令这三个方面。上述的理论研究如果取得较大的进步就可以促进中高速工业冲床的又一波发展，对于整个工业机械冲床的发展有着重要的意义。国内对于智能化工业冲床的研究与国外相比，存在着起步较晚和研发实力较弱的不争事实。我国对于智能化探索工业冲床的研究主要来源于国内科研高校，比如北京航空航天大学、南京理工大学、哈尔滨工程大学和北京林业大学以及沈阳自动研究所。目前，国内研制的大多数机械冲床主要分为低速的工业机械冲床、中速的工业机械冲床和高速的工业机械冲床等。北京多家制造集团成功研究出了具有多维度移动及多功能的中速机械冲床（如图1-2所示），该工业机械冲床可以对高精度复杂外形成型操作，对于那些普通机械冲床不容易冲压的特殊物体，此类型的机械冲床可以根据使用人员预先输入进去的程序首先进行转变冲压工作台等功能。此外，国家大型项目中也包括了这种更高精度的高速机械冲床的研制。目前，关于国内中型机械冲床的使用反馈要明显好与国内其他同类型的机械冲床。手动或者低速机械冲床具有结构简单的优势，不需要复杂的传动机构配合使用，对于实现复杂外形要求很难实现，并且对于目前工业上要求越来越高的工业机械冲床，采用适合低速的传动结构那些设计已经不再适合了，因此国内一家工业冲床公司历时数年终于成功的开发出一款高速机械冲床，这种工业机械冲床是为了能够在复杂的工作环境下去冲压物品以及其他操作，整机质量小于600kg,冲击压力可以达到几千牛。目前国内上海大学也在紧锣密鼓的进行相关产品的开发和研制，其研制的工业产品可以归为中速工业机械冲床的范围，虽然他们的实际表现比较让人满意，但是随着实际使用需求的变化，国内又继续研发出了速度更高的中速机械冲床，由于扩大了工作台，所以这种工业机械冲床的适用范围进一步增大，但是内部的机电结构也更加复杂，研发成本和时间是其他低速机械冲床的数倍以上。当前，国产的机械冲床可以产生3000N左右的冲压力，机械冲床模具速度可以保持在每分100片。对于那些物体外形复杂的金属冲压过程也很容易，此外电力系统逐渐开始采用可编程电机驱动。上海交通大学目前正在研发可以实现每分钟可达500片模具的高速机械冲床，初步结构设计方案为采用固定安装液压装置实现机械冲床的冲压功能，并考虑使用最新研发出来的动平衡技术保证工业机械冲床在作业过程中的稳定性。机械冲床的稳定性也是很重要的一个设计参数，当工业机械冲床在任意作业环境中时，无论是运动还是静止状态下，都需要保持整个输出运动平衡能力，不会出现突然加速和冲压力不够等现象。目前机械冲床中的遇到紧急情况的时候，可以在紧急刹车与旋转时仍然保持平衡。当前主流的结构设计方案是将工业机械冲床的重心尽可能的降低，并且在满足设计要求的情况下增大皮带之间的距离。图1-2 中速机械冲床1.3工业机械冲床研发的未来趋势最近几年来，国外的科研人员为了提高工业机械冲床的可操作性，开始预研制采用了伺服控制系统。工业机械冲床的控制系统一般有以下几种方式，伺服控制和反馈控制以及自适应控制等。若从控制算法来分，则有两种类型，即串行和并行两种方式。串行处理为每个CPU只是针对具体的问题运行预先设定好的程序，当遇到多任务情况时，就会出现计算速度变慢甚至宕机的危险，同时还有实时性差的缺点。并行处理控制方式是为了解决串行控制计算速度慢而被广泛应用在工业机械冲床上的控制技术，其基本操作为改变串行控制的算法，使算法与并行处理结构适配。可控制化机械冲床以前较常用的通信方式为无线传输。工业机械冲床通过图像识别和摄像模块实时将图片信息压缩后通过无线通信传递给工业机械冲床的操作平台上。国内公司和大学合作预研发了伺服控制的工业机械冲床，该款工业机械冲床综合了皮带传动及其他设计的优点，工业机械冲床的输出端可以做周期性运动。该工业机械冲床既可以拥有媲美国外主流工业机械冲床的运动速度，同时又具备了冲压复杂外形表面的制造能力。通过对工业机械冲床输入一定的指令，工业机械冲床可以实现多种复杂动作，例如突然停止和控制冲击变慢等。同济大学在前年提出了高速化机械冲床的设计理念，这一想法实际上是来源于高精密表面冲压的需求。航空工业制造中采用高速和伺服化设计的机械冲床具有复杂的电气控制和机械机构，采用Labview算法增加了工业机械冲床对于外界环境的自适应能力。（如图1-3所示）图1-3 伺服机械冲床第2章 总体设计方案本课题机械冲床的工作要求与一般的工程机械冲床有着一些相似之处，即整个机械冲床同样是由如驱动结构、传动机构、位移传输结构和冲压机构等组成。驱动结构是任何机械结构都需要考虑的部分，作为一种作业在生产线上的机器结构而言，电机驱动是不可替代的选择方案，不仅是因为电机已经标准化生产，其价格便宜并且可供选择的型号有很多种，以上介绍的优势对于本课题设计的小型机械冲床来说选择电机作为驱动是非常合理的。机械冲床中较为核心部分的传动动结构可以采用普通机械冲床使用的带传动、链轮传动和齿轮减速器传动。上述的三种机械传动结构在应用范围上都比较广泛，本次毕业课题设计的机械冲床如何选取传动结构需要从传动精确度、使用强度、使用成本和使用过程中维修难易程度这些方面进行综合考虑。考虑到机械冲床的往复运动次数较多，并且需要一定的运动精确度保证机械冲床能够较好地实现机械冲床位移到预定的位置，链传动还要受到重力的干扰进一步降低了其可以允许的传输速度。因此，传动结构还有齿轮减速器和带传动两种共同配合使用，本次设计的机械冲床的冲压距离在竖直方向上属于近距离，通过选择齿轮减速器机构需要好多级的齿轮减速器机构又或者增加齿轮减速器的空间尺寸两方面实现传动。连杆机构和飞轮的连接实现冲床输出端的往复冲压，本文冲床实现原理如下图所示。图2-1 冲床原理图2.1驱动结构机械冲床中采用电机主要是对飞轮进行驱动，因为本次课题设计的冲床是需要实现竖直方向上的位移，所以整个机构需要固定安置一个电机。考虑到整体结构的安装容易程度，电机安装的位置选择在外壳的端部（如图2-2所示），电机通常用内六角的螺纹孔与外壳进行固定，因为大多数电机的功率和扭矩以及转速这三个方面的输出参数并不是与课题设计所需要的一致，所以在电机的输出轴上电机与减速机构的配合方式一般为平键固连在一起或者使用摩擦力进行锁紧电机轴。对于减速机构设计方案，主要从减速比和传动效率上面进行考虑，要求传动效率不能太低是要保证电机的输出功率尽可能的输送到传动结构上。图2-2 电机驱动结构2.2带传动本课题设计的机械冲床中的传动机构确定选择普遍的同步带传动结构形式，同步齿形带不同于传统以摩擦为依靠的三角带，其至今发展历史时间大约有四五十年，对于同步带的应用场合目前以计算仪表等最多。本课题设计的机械冲床用同步带进行输送，因为其广义上属于啮合传动形式并且安装凸轮与槽口紧贴在一起，实现了主从带轮与带轮运动过程无相对滑动，当然了同步带并不能完全实现零误差传输，这主要是复合材料所制造出来的皮带有较大的弹性，采用弹性模量较大的皮带是因为将皮带和带轮安装在一起时需要给予一定张紧力从而保证带与带轮的紧密贴合。当机械冲床使同步带运行时，同步带需要承受来自导轨和电机的拉压力，由于皮带和带轮的材料使用的不同，这就使二者之间的弹性模量在数值上有着较大的差别，有接触理论可以推出带载运动时皮带和带轮接触存在一定的滑动现象，机械冲床中的电机输出力矩越大就会增大皮带和带轮之间的摩擦滑动，皮带和主从带轮之间的传动精确度将会受到很大的影响。对于本课题设计的机械冲床，为了减少同步带由于弹性变形造成的传输误差，对于导轨结构的重量应该有所限制，同时需要对带轮和电机的安装配合提高精准度，减少由于配合误差造成皮带和带轮接触面情况不理想。本次设计的机械冲床中的三维位移距离比较大，并且需要将机械冲床精准输送，考虑到带传动比较适合于较远距离的运输，带传动需要进行张紧装置以保证运行过程中不会出现诸如皮带打滑的不良现象，使用带传动的同时还需要注意到它的缺点，即皮带容易出现打滑和断裂造成机器运转失效，所以设计带传动的重要结构参数时一定要考虑到过载的问题。带传动通常是由皮带和两个传动轮组成，两个传动轮一个作为主动轮，另外一个就是从动轮，至于如何选择哪个轮作为主动轮必须是根据传动比来进行的。带传动是依靠主动轮和从动轮与机架固定安装的，因此两个轮子都是需要进行安装滚动轴承以较少与支撑架的摩擦力，这是因为滚动轴承内外圈分离有效程度上保证了带传动的功率损耗可以降至最低。本课题设计的机械冲床选择深沟球轴承，即机械原理书上介绍过的7系列轴承，该系列的球类轴承不需要安装后单独对其进行轴向游隙的调整，并且可以受到的轴向载荷也不大。带传动中的主动轮与减速机器的输出轴配合在一起，二者之间的配合方式为常用的键连接。机械冲床中的传动结构形式如图2-3所示。图2-3 带传动示意图2.3 齿轮结构对于外啮合传动齿轮减速器结构而言，首先要根据冲床中滚刀的尺寸要求和传动要求选择传动比和模数以及齿数等重要参数本次课题的齿轮减速器机构只需要普通的8级精度就可以在传动精确度和中心距误差等方面满足课题传动要求。对于提高齿轮减速器在运转过程中的两种强度，我们可以从齿轮减速器的材料选用和变位两种情况进行考虑。当下齿轮减速器的材料一般使用调质钢或者进行渗碳处理以加强表面硬度。除此之外，对于那些设计要求高或者在高温工作下的齿轮减速器最好还是再考虑胶合强度。本课题为了进一步增强齿轮减速器的运行过程中的强度，最终决定采用变位齿轮，一方面变位齿轮输出可以允许齿轮的齿数可以选的比正常齿数17少，保证了齿轮传动的传动比满足仿真机器的要求。另一方面的原因是这样可以通过对小齿轮减速器采取正变位的方式改善小齿轮减速器的强度从而可以弥补因为小齿轮传动时的循环次数较多的缺点。（如图2-4所示）图2-4 齿轮结构2.4连杆机构本次课题设计的冲压车床采用带有滑块的连杆机构，因为研究发现连杆机构实现的冲击力在目前是远大于凸轮结构的，凸轮当前主要使用材料只能承受较小的压力，所以本课题决定采用双滑块机构。通过飞轮的转动带动第一个滑块的直线输出，滑块采用圆球连接，因为现实传动机构中曲柄滑块机构无法用低副实现。与此滑块连接的是第二个滑块机构，二者实现位移的原理是相同的。第二个滑块与冲床压头相固连，因此冲床输出端随着滑块的往复运动进行连续冲压操作台上的金属。（如图2-5所示）图2-5 连杆机构综合考虑，本次毕业设计的机械冲床的传动结构选择带传动运输以及齿轮减速驱动。机械冲床需要可以实现在竖直方向自由往复运动进行冲压成型，目前市场上可以实现来回冲压金属的机构有较多选择，比如常见的凸轮机构，冲床机构常用在制造手表和试验装置等领域上，可以满足不同尺寸和负载的工作要求，机械冲床的冲压功能是最为重要的部分，本次课题设计的机械冲床需要实现冲床快速成型功能，对于有的物体外形比较奇特或者没有较好的冲压平面，这时就需要将机械冲床的工作台进行一定角度的位移，从而顺利冲压物体。机械冲床的驱动系统目前有两个使用效果比较好的选择，第一种是核心元件为液压系统，依靠将液体的势能提供驱动，这种系统主要用在大型冲压车间中。第二种是以电动机为执行元件，通过编程控制正反转实现机器可靠运动。本文课题设计的冲床机构三维机构(如图2-6所示)。图2-6 机械冲床三维结构第3章 主要零部件设计3.1 电机的选择电机对于任何一个机构而言，它都是相当于整个机构的心脏。电机如果不能源源不断的给机构提供动力，那么整个机构就无法实现设计时的初衷。因此，正确的选择电机对于本课题是有着非常重要的意义的，当今电机市场生产出售各种各样的电机，如果随意的进行采购可能会出现一些意想不到的后果，因此在选择的时候除了查看电机的功率和转速这两个重要的因素外，还有就是一定要注意查询电机的使用环境、连续运转时长等次要因素。电机对于功率的选择原则一般是额定功率要求大于机构所需要的功率。电机的选择步骤一般(如图3-1所示)。图3-1 电机选择步骤工作要求和条件:公称压力Pg=40KN，发生公称压力时滑块离F死点距离Sp=3mm，滑块行程h=400mm。行程次数n=200次/分，冲裁板厚=2mm，板料宽度=300mm，载荷有冲击，小批量生产，两班8年，断续周期性工作，Fc=40%.则电动机功率为：（3.1）（3.2）（3.3）（3.4）其中：P电动机平均功率（千瓦） k一般为1.21.6 t 工作周期时间（秒） A 工作循环所需的总能量（焦） 工件变形功（属有效能量） 拉延垫工作功，即进行拉延工艺时压边所需的功（属有效能量）n 冲床滑块行程次数 冲床行程利用系数(1) 由于行程次数n=200次/分，为中等，K取1.6(2) 工件变形功，因A2很小，故忽略不计(3) 固冲床行程利用系数Cn=1 (4) 实际工作周期(5)传动为二级，=0.4则 选用Y80M-4 型全封闭笼型三相异步电动机。 3.2 飞轮的转动惯量与尺寸计算在冲压工件时，主要靠飞轮释放能量，若忽略电动机在此时所输出的能量，即得（3.5）（3.6）（3.7）（3.8） 则A0=A1+A2+A3+A4=71800J（3.9）（3.10） 由所选电机型可得 =0.027 查得=0.02 则使 k=1.2 查得 选用铸钢材料，飞轮外径，取为720mm。以上所得转动惯量实际不仅包括飞轮本身的惯量，还包括其他传动零件的转动惯量。在冲床中，飞轮转动惯量与飞轮本身的转动惯量有以下关系：3.3 V带传动设计与计算皮带传动的主要组成零部件为皮带、主动皮带轮和从动皮带轮三个部分组成。皮带的结构形式到目前为止已经有许多种，带传动正式应用于传动结构的最初几十年，皮带的横截面结构形式一般以三角形为主，根据不同的使用要求和传动场景，三角形皮带也可以分为大致如下四种：第一种为常用于环境较恶劣如农田上的拖拉机等的标准型三角带，其主要特征为最大宽度与高度比值为1.65，该种结构的材料主要由百分之六十左右的纤维组成，具有非常好的横向延生与耐拉性能，对于农用拖拉机工作载荷不稳定、变化大的特点，该种三角皮带允许最大值为45HZ的振动频率以及皮带转速可以达到32m/s，同时需要注意的是标准型三角带的传动效率是很低的。上世纪汽车产业的快速发展使得工程人员急需重新设计出一种可以适合于高速运转的皮带结构，工程师对标准型三角皮带进行了一定程度的改变，即将皮带横截面的最大宽度与高度的比值取小变成1.23，并且将这种皮带形式称之为窄型三角皮带，其所使用的的材料和标准型三角带基本一致，但是在运输速度和传动功率以及振动幅度等方面有着较为大的改变，上述优点除了是一方面因为皮带变窄以外，另一方面由于其还将标准三角皮带中的一些传动部分去掉了。第三种则是为了进一步适用汽车变速器的高速运转开发出来的粗边三角皮带结构，其主要的改变是对传统的皮带材料进行了一些新的工艺，使得粗边三角皮带的柔度得到了大大的提高，同时加大了皮带在大载荷下的耐磨能力直接提高了其使用寿命。最近几年工程师对于三角形皮带的研究中心主要放在了高强度和小延伸率的kjelar型号上面，在不久的将来或许可以应用到实际产品中。上述的不同结构形式的三角形皮带主要是依靠带与带轮之间的摩擦从而实现传输，由于摩擦的稳定性不太高所以出现皮带打滑的概率较大，因此本课题考虑使用依靠啮合的多槽带，其特征为每一个槽都可以单独进行功率的传递。3.3.1 V带的型号的确定V带型号根据设计功率Pd 和小带轮转速n1确定，查教材图5-7可选取A型带。3.3.2带轮的基准直径的确定查教材表5.7 普通V带带轮最小基准直径，知A型带=75mm,选取小带轮基准直径：=80mm；因此，大带轮基准直径：查表选取大带轮基准直径为160mm。其传动比误差 故可用。3.3.3验算带的速度由带的速度公式：（3.11）式中电动机转速；小带轮基准直径。即符合要求。3.3.4确定中心距a和V带基准长度根据初步确定中心距考虑到结构，选取中心距=400mm。初算带的基准长度：（3.12）式中带的标准基准长度； 带的初算基准长度；初选中心距。带入数据计算得查教材表5.2普通带基准长度及长度系数，确定带的基准长度=1050mm。计算实际中心距，由（3.13）故，实际中心距为465.4mm。3.3.5计算小轮包角小带轮包角：（3.14） 3.3.6确定V带根数Z根据确定带的根数。式中 包角修正系数，考虑包角对传动能力的影响，由教材表5.4查取；带长修正系数，考虑带长不为特定带长时对使用寿命的影响，由教材表5.5查取；V带基本额定功率。由教材表5.2查取单根V带所能传递的功率为=1.37kW；由式 计算功率增量。其中Kb弯曲影响系数；传动比系数；小带轮转速，r/min。查表得查表得 =1.0202； 故得查教材表5.4得=0.98；查教材表5.5得=0.99。所以（3.15）所以，选取V带根数z=3。3.3.7初拉力F0的确定单根普通V带初拉力计算公式：（3.16）式中 Pd 设计功率； vV带速度； z带的根数； 包角修正系数； m普通V带每米长度质量。查教材表5.1得 m=0.1kg/m。所以3.3.8计算作用在轴上的压力FQ 压力 等于松边和紧边拉力的向量和，如果不考虑带两边的拉力差，可以近似的按带两边所受初拉力的合力来计算：（3.17） 式中 初拉力； 带的根数； 小轮包角。所以3.3.9小带轮结构设计（1）带轮材料选择带轮的材料主要采用铸铁，转速较高时采用铸钢；小功率时可用铸铝或塑料。常用材料的牌号为HTl50或HT200。本设计中转速要求不高，故材料选用铸铁，牌号为 HT200。（2）带轮结构形式本方案中带轮为中小尺寸（dd1125mm），选用腹板轮。（3）带轮结构尺寸(部分)确定带轮的其它部分尺寸由经验公式计算。dk=（1.82)dd1=114mm-160mm，取dk=140mm。3.4齿轮传动结构1.当前市场上比较知名冲床中所采用的齿轮传动结构的形式很多种，本次课题设计选择外啮合传动形式，如图3-2所示。齿轮的轮齿为常见的渐开线齿轮，渐开线齿轮除了在结构设计上已经比较简单，还有就是在加工制造方面也相较其他类型的齿轮要简单。虽然斜齿轮相比直齿轮有许许多多的优点，比如传动比较平稳以致于运行时发出的噪声相对比较小，但是值得注意的是本次毕业设计对于传动的平稳性方向上要求并不是太高，所以综合考虑选用渐开线直齿轮传动形式。对于外啮合传动齿轮结构而言，首先要根据冲床的尺寸要求和传动要求选择传动比和模数以及齿数等重要参数。图3-2 外啮合传动结构示意2.因为冲床的工作环境相比较稳定，并且本次课题预设的电机的运行速度是远远小于/s的，根据我国2008年机械工程协会颁布的有关齿轮设计精度标准进行参照，本次课题的齿轮机构只需要普通的8级精确度就可以在传动精确度和中心距误差等方面满足课题传动要求。3.齿轮的强度主要考虑因素目前有两种，分别是接触强度和弯曲强度。其中，接触强度主要衡量的是齿轮在多次运转后，齿轮表面出现裂痕或者凹坑等不良情况。弯曲强度一般出现在载荷过大的开式齿轮结构。齿轮弯曲强度的计算是为了避免轮齿发生折断因此产生不必要的生产事故。对于提高齿轮在运转过程中的两种强度，我们可以从齿轮的材料选用和变位两种情况进行考虑。当下齿轮的材料一般使用调质钢或者进行渗碳处理以加强表面硬度。除此之外，对于那些设计要求高或者在高温工作下的齿轮最好还是再考虑胶合强度。因为小齿轮的循环次数要大于大齿轮以及同样扭矩下大齿轮的圆周力要小很多，所以本文只要确定小齿轮传动强度满足条件即可。本课题的齿轮传动机构在运动循环次数上并不是太多，即弯曲强度在本文中相比较于表面强度以及胶合强度来说首先保证的重要参数。齿轮弯曲强度公式（3.1）为GBT3480-1997提供的，本次冲床预设的两个小齿轮中心距为400mm，传动比初定在1.1和1.2之间，大齿轮和小齿轮的齿数分别初选为24和60。（3.18）查询手册得弯曲疲劳寿命系数 为2,由下式得到齿轮的弯曲极限。（3.19）（3.20）根据式（3.4）至式（3.6）本次的齿轮结构只需对小齿轮进行计算分析。YF1 =3.22 YF2 =2.35（3.21）Ys1=1.47 Ys2=1.68（3.22）YF1Ys1YF2Ys2（3.23）由简便的齿轮计算强度公式得（3.24）由上式取标准模数10,则齿轮齿宽b=d1d=147.5,圆整后取:b=150mm。标准中心距为:a =d1/2+d2/2=420mm。齿轮重合度为：（3.25） 重合度为1.23满足正常工作的条件。3.5飞轮滑块尺寸确定及运动分析曲柄R =200mm设传入角=70 连杆尺寸为L,则（3.26）取L=2200mm图3-3 滑块运动分析图曲柄转角从下死点算起，与曲柄旋转方向相反为正，滑块位移S从下死点算起向上方向为正，滑块速度V及滑块加速度，其方向向下为正，则有：（3.27）（3.28）（3.29）曲柄转角可表示如下：（3.30）式中：S滑块位移（m）V滑块速度（m/s）滑块加速度（m/s）曲柄角速度（rad/s）连杆系数，R曲柄半径（m）L连杆长度（m）则得出如图3-4滑块的行程,速度和加速度曲线图图3-4 滑块的行程,速度和加速度曲线图3.6 轴的设计计算本课题设计的冲床中会大量用到轴类零部件，比如对带轮轴承起到支撑作用的悬臂圆柱截面梁，这样的轴因为回传承受一定大小的弯矩，并且为固定状态，称之为心轴。码垛机械手臂中承受扭矩的轴比如电机输出轴和减速器的输出轴，此类轴只是将电机的扭矩传递给减速机器的输出轴。轴类零件在码垛机械手臂中的作用还是比较大的，因此不同的场合对于轴类零件的要求并不相同。不锈钢材料一直是轴类零件的首要选择，一方面是因为该种材料现在在成本上已经相比较其他的材料很便宜，还有一个原因则是其自身的强度和刚度比较大，可以有效地在多种场合中使用。本课题在冲床中将轴类部件的材料选定为45钢。轴类零件在设计之初需要考虑在最大载荷下时的最小半径，只有这样才可以保证轴不会发生破坏。在确定好整个机器中使用的轴类零件的直径后，设计人员需要绘制出轴的弯矩和剪力曲线，确保其在一定的安全系数范围内。为了便于安装轴上的零件，通常的做法则是对轴进行倒角以及去毛刺等工艺手段。起轴向定位的轴肩则需要注意过渡圆角半径值，以免其过大造成零件无法被有效定位。（1）轴的材料为45钢，调质处理至H235。（2）轴的结构设计轴的最小尺寸的确定7根据机械设计表15-3，取A0=112，于是得（3.31）由于要铣一个键槽，所以dmin=151+（3%-5%）（3.32）算出dmin=15.45-15.75mm ，取dmin=16mm。第4章 项目管理及环境的可持续发展4.1 机械冲床的项目时间分配合理的安排项目时间是项目管理中一项关键内容，强调要按时完成计划，对资源进行合理配置，提高工作效率，调动人员积极性，保障项目按时高效完成。深入了解项目，摸清项目中各环节间的联系，将项目有效拆分成各个小任务，对各个小任务进行合理工期的预估，按实际情况制定项目的完整实施进度计划。前期预估完成后，结合相关经验，根据定量型的基础工期,进行模拟估计，定量计算整体工期，进行整体评估，并对前期估算进行调整。最终确定开工时间和结工时间，并结合资源因素，人工因素等对各小任务的工期进行安排。同时要根据整个项目的工期按比例保留时间，留有一定的时间以应对项目风险，并随项目进展，风险降低，可适当减少预留时间。项目开始后，要实时监督进度的执行情况，以便及时发现和纠正偏差和错误，降低损失。在监督过程中，任-一小任务的完成，都对其与预测情况进行分析，考虑变差因素产生的原因，同时预测变差因素的变更对项目其他部分是否产生影响，若产生影响，对其进行及时的干预。4.2 机械冲床项目的成本预估材料能否充分利用是直接影响产品成本的主要因素之一， 提高材料利用率的方法:保证工件达到符合生产标准的情况下，选用性价比更高的原材料，并.严格把控，缩减生产过程中不必要的损失，从而节省材料，以提高材料利用率。平行度，垂直度，总间隙，这是设计中需要参考的重要参数，影响着产品的质量，寿命和材料损耗，应根据实际情况和需要合理的选用。精度好的冲床不仅能出产好的产品，而且对模具的损伤更小，节约了模具维修时间更节约了维修用度。成本预估计算，需要前期对材料工厂进行考核、适用，选择性价比高的材料。并预测人工费、损耗费，废料处理费用等。在项目实施后，对于完成的小任务所花成本与成本预估，进行分析，针对误差对未完成的小项目进行调整。4.3 机械冲床项目的质量规划与监控质量可以说是一个项目中最重要的。因此对于质量的规划实在整个项目的重心。材料，技术，工艺，管理制度，操作方法，施工时间等都影响着产品的质量。需保证材料设备按质、按量的供应以及按需使用，不偷工减料。实行奖惩制度，调动人员的积极性。对于即将出厂的产品进行抽查，避免出厂低质量产品降低企业信用。制作过程中，更应严格把控，消除制约因素，将产品质量控制在一定范围内波动， 保证每道工序都按要求完成。4.4 机械冲床项目的风险预测风险总是存在的，项目开始之前，便要对该项目进行风险评估，这是必要环节，对材料市场，产品市场，都要进行调研和风险评估，避免市场大幅度波动造成项目损失。辨别项目运行风险，将风险进行实际假设，预估是否有承担风险的能力，分析形势，对项目的风险进行控制，制定及时有效的措施，将风险控制在一定范围内，以避免承担过重的损失,造成不必要的损失。4.5 机械冲床项目的三废处理办法工业三废是指废水，废气，废渣。其中含有多种有毒，有害物质，所以为了环境不被破环，需要对此进行合理有效的处理。这三废主要产生来源: 一、化学反应不完全或者有副反应，针对这一来源，要创造能让化学反应完全发生的条件，对于创造的条件难以实现以及副产物，进行后续反应，使其产物为水，二氧化碳，以及其他无毒无污染的产物。二、物理分离中产生的，对于这种也可以再用化学方法进行处理。三、通过非正常时期的短期排放产生的，主要是进行及时的收集，后续再进行处理，避免泄露造成污染。从工艺上来考虑，大力采用无污染或者少污染的新工艺、新技术、采用新材料，机械生产不可避免会有废料的产生，所以在选材时不仅要选择性价比高的材料，还要考察是否符合国家标准，是否属于绿色材料。从根源上减少三废的产生。对于不可避免产生的三废，要采用最新工艺，对三废进行处理，符合国家标准后再排放。4.6 机械冲床项目的环境保护当今社会，任何项目都需要考虑环境保护，环境一 - 旦被破坏，将很难重新恢复。但工业中的大量废物都是有毒有污染的，所以这更需要重视废物的处理，同时要加大环保力度和宣传力度，采用环保技术，实现工业生产的低污染低排放，突破环境治理的技术瓶颈。这样不仅保护了环境也同时提高了企业的形象。不仅仅是废物会造成污染，噪音污染同样需要治理。有研究表明，长期.的生活噪音除了对听力造成损害，对人的生理和心理都会产生严重影响，损害人的生活质量和身体健