平尺刻線機設計-機械設計與制造主體實踐

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1、課 程 設 計（ 課 程 實 習 ） 機械設計與制造主體實踐(一) 院（系、部）： 機 械 工 程 學 院 姓 名： 劉志宏 同組成員： 尤景澤 江輝 王吉仁 班 級： 機132 指導教師簽名： 徐 林 林 2015年 7 月 10 日·北京 目錄 1.1機器的功能和設計要求…………………………………………3 1.2工作原理和工藝動作…………………………………………… 4 1.3執(zhí)行機構(gòu)選型和評定………………………………………5 1.

2、4擬定運動循環(huán)圖…………………………………………………12 1.5 機械運動方案示意圖……………………………………………12 1.6 執(zhí)行機構(gòu)的運動尺度設計………………………………………13 1.7 機械傳動系統(tǒng)設計………………………………………………18 1.8 設計結(jié)果得分析…………………………………………………20 1.9參考文獻…………………………………………………………20 2.0設計體會…………………………………………………………20 1.1平尺刻線機設計 一、工作原理及工藝動作過程 在很多具有定量要求的相對移動和相對轉(zhuǎn)動的零件上，需要有指示相對移動或轉(zhuǎn)動量的刻

3、度線。平尺刻線機主要用于有相對移動零件的刻線工作?？潭染€長度按十進制規(guī)律分為三種，分別指示一、五和十，并依次重復出現(xiàn)。圖1所示的鋼板尺就是用平尺刻線機加工的。顯然在加工時，平尺每送進1 mm，刻刀刻線一次，且能自動改變刻線長度。因 圖1 鋼板尺 此，平尺刻線機主體工作機構(gòu)是刻線機構(gòu)（主運動）和平尺送進機構(gòu)（輔助運動）。 二、原始數(shù)據(jù)及設計要求 (1)平尺毛坯的輪廓尺寸(圖6-14)為：1040×30mm(長×寬)。 (2)要求在平尺毛坯上按一定規(guī)律刻出不同長度的線條：短線10mm；中線13mm；長線18mm。相鄰兩條刻線之間的距離為1mm。從零起隔四條短線刻一條中線，隔九條刻

4、線刻一條長線，然后依次重復。 (3)刻線深度為0.5mm，深度要均勻，為防止刀具磨損，要求反行程有抬刀運動。 (4)刻線速度：每秒鐘刻一條線。 (5)行程速度變化系數(shù)K≥1.2。 (6)為擴大刻線機的應用范圍，要求線條長度可調(diào)(短、中、長三種長度的比例可不變)。 (7)刻線機在工作過程中主動軸的角速度不均勻系數(shù)?？叹€時的切削力。 三、設計方案提示 (1) 在刻線機構(gòu)中需要考慮抬刀運動和自動改變線條長度的機構(gòu)及其它一些必要的調(diào)節(jié)機構(gòu)。 (2)根據(jù)原始數(shù)據(jù)進行傳動計算，可初選電動機的額定轉(zhuǎn)速n＝1450 r/min。通過傳動比計算確定主運動和送進運動系統(tǒng)中各

5、級傳動比的分配。 (3) 刻線機構(gòu)為了保證刻線質(zhì)量，應盡可能使刻刀在刻線行程內(nèi)勻速運動。抬刀機構(gòu)必須與刻線機構(gòu)運動協(xié)調(diào)，即在刻線完成點抬刀，在刻線起始點落刀。為保證落刀時刀尖不碰到平尺坯上，刻刀在刻入尺坯前應有一定距離的空程，在設計時主運動的行程應考慮這段距離（可取為3～4mm）。 (4) 自動改變行程長度的附加機構(gòu)必須與進給運動聯(lián)系起來，即每進給四次，第五次行程由短程變?yōu)橹谐?，再進給四次短程，第五次時變?yōu)殚L程，完成一次循環(huán)。顯然在進給機構(gòu)和行程控制機構(gòu)之間，需要一個計數(shù)機構(gòu)來實現(xiàn)循環(huán)的控制。這一計數(shù)機構(gòu)要求簡單實用，靈活可靠，且必須是一種純機械式的設計方案。 (5)根據(jù)對刻線機

6、工作循環(huán)的載荷變化規(guī)律和各構(gòu)件的估計質(zhì)量以及各傳動系統(tǒng)的估算阻力，對整個機械傳動系統(tǒng)進行力分析，求出機械系統(tǒng)一個循環(huán)的等效阻力矩變化規(guī)律，并近似以其平均值計算所需電動機功率，選擇合適的電動機功率。 四、設計任務 （1） 根據(jù)工藝動作要求擬定并繪制運動循環(huán)圖； （2） 進行刻線機構(gòu)和平尺送進機構(gòu)的選型； （3） 機械運動方案的評定和選擇； （4） 根據(jù)選定的原動機和執(zhí)行機構(gòu)的運動參數(shù)擬定機械傳動方案，分配傳動比，并在圖紙上畫出傳動方案圖； （5） 對機械傳動系統(tǒng)和執(zhí)行機構(gòu)進行運動尺寸計算； （6） 對執(zhí)行機構(gòu)進行運動分析，畫出運動線圖，進行運動模擬； （7） 畫出機械運動方案簡圖

7、； （8） 進行飛輪設計； （9） 編寫設計計算說明書。 1.2.三運動分析 1.運動要求：實現(xiàn)“抬刀—刻線－抬刀－刻線”的運動。 2.功能分析：刻線機主要由抬刀機構(gòu)、刻線機構(gòu)以及進給機構(gòu)三部分組成。抬 刀機構(gòu)用于刻線時將刀具壓下；刻線機構(gòu)用于刻線，刻線機構(gòu)要有急回特性：進給機構(gòu)用于控制刻線間隔以及改變刻線長度。 六．機構(gòu)運動方案擬定 1.刻線機構(gòu)的方案選定 方案一： 此方案為六桿機構(gòu)，曲柄搖桿機構(gòu)與搖桿滑塊機構(gòu)的組合。 主要優(yōu)點為：運動副為低副，磨損小，且制作簡便，可以傳遞遠距離的動作。 主要缺陷：慣性力和慣性力矩不易平衡，設計比高副機構(gòu)復雜，有時為了滿足需要需要增

8、加運動副的數(shù)目，會產(chǎn)生運動誤差，影響傳動精度。 方案二： 刀具工作臺下的圓柱體實現(xiàn)勻速轉(zhuǎn)動，在圓柱外表面開槽，通過槽位置的設定和工作臺下桿和槽的配合實現(xiàn)可控的往復運動和其急回特性，上右圖就為展開的圓柱外圓槽曲線。 優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單且可實現(xiàn)可控往復運動的功能要求，且有急回特性。 缺點：此方案需要的圓柱體較大，效率低，磨損問題較為嚴重，運動過程中可能會出現(xiàn)卡死現(xiàn)象，較為危險。 方案三: 通過凸輪控制載刀臺的水平方向的前后刻線運動從而完成刻線。 主要優(yōu)點： 只要設計出適當?shù)耐馆嗇喞?，即可使從動件實現(xiàn)任意預期的運動規(guī)律，完全可以實現(xiàn)刀具在刻線時勻速運動。并且結(jié)構(gòu)簡單，緊湊，工作可靠。

9、缺點：凸輪為高副接觸，容易磨損，凸輪輪廓加工比較困難，費用較高。 綜合上面的分析，由于刻線機構(gòu)大部分為低速機構(gòu)，又要求精度較高，且結(jié)構(gòu)緊湊，工作可靠，同時要求刻線時勻速運動。(2)與（3）比較,圓柱凸輪機構(gòu)的凸輪徑向尺寸比盤型凸輪機構(gòu)的凸輪徑向尺寸要小得多，所需凸輪活動空間也小。但是它的軸向尺寸卻增大了，因此在實際設計中，還應根據(jù)允許的空間大小，最后決定選擇方案（3） 2抬刀機構(gòu)設計 方案一 此方案存在明顯不足：由于是靠彈簧來實現(xiàn)抬刀落刀的，所以刻線深度容易存在較大誤差。 方案二 用此連桿機構(gòu)會增大機構(gòu)所占空間，且比較復雜。 方案三 仍采用凸輪機構(gòu)完成抬刀落刀運動，且能完全控制

10、刀具運動規(guī)律，結(jié)構(gòu)緊湊。 綜上，選取方案3為抬刀機構(gòu)。 3 工作臺進給機構(gòu)方案的選用 方案一 曲柄搖桿機構(gòu)與外棘輪組合機構(gòu)，通過右面的棘輪把間歇的轉(zhuǎn)動傳遞出去。 優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，傳力較小，運動靈活，利用曲柄搖桿機構(gòu)可實現(xiàn)右輪的往復轉(zhuǎn)動。 缺點：結(jié)構(gòu)簡單但不緊湊。 方案二 差動螺旋可實現(xiàn)尺坯的先后運動，但在改變尺坯左右方向上局限性很大，因為要改變刻度的長度，所以這種方法不適用。 方案三 曲柄搖桿機構(gòu)與外棘輪組合機構(gòu)，通過右面的棘輪把間歇的轉(zhuǎn)動傳遞出去。優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，傳力較小，運動靈活，，利用曲柄搖桿機構(gòu)可實現(xiàn)右輪的往復轉(zhuǎn)動。缺點：結(jié)構(gòu)簡單但不緊湊。 綜上，這里選擇方案三。

11、 同時工作臺上安放塔輪來實現(xiàn)改變刻線長度 塔輪造型如下圖 工作時刀具從內(nèi)向外刻線，刻短線時水平桿抵在內(nèi)圓上，每刻四個短線，水平桿抵在中圓上，鋼尺平臺向刀具（圖中是向右）移動刻出中線；同理刻出長線。 這里，用一個棘輪控制塔輪的間歇轉(zhuǎn)動（具體說明在總體設計方案后面）。 四整體方案設計1 整體方案設計2 整體方案3 備注（右側(cè)工作臺工作原理） 具體說明如下圖 電動機帶著曲柄搖桿機構(gòu)運動，同時曲柄搖桿機構(gòu)與外棘輪組合機構(gòu)，通過右面的棘輪把間歇的轉(zhuǎn)動傳遞出去，傳遞給塔輪，使它 配合工作臺間歇運動。 塔輪的具體構(gòu)造 方案論證，對于1方案，有用到彈簧機構(gòu)，所以不差比較大，不適合，對于

12、2方案主要研究的是機構(gòu)走刀的左右形成問題，但考慮到刻度機在刻線時有一個勻速前行的過程，很顯然塔輪上面的凸起溝槽不能夠是刻線機在工作時按照既定方案勻速刻線，所以排除第2方案，最終確定第3方案。 1.3機構(gòu)的運動循環(huán)圖為 1.4刻線機構(gòu)兩凸輪輪廓參數(shù)的確定 刀具的運動軌跡如下： 說明：（1）刀具分為水平方向和豎直方向的兩個分運動。 （2）刀具水平運動抬刀后要有急回運動。 （3）刀具水平勻速運動的距離為最長刻線的長度18mm，這樣保證了刻線的均勻。這里靠載鋼尺的工作臺的左右移動完成刻線長度的改變，靠鋼尺進給運動完成刻線。 （4）黑線為刀具黃線為刀具運動軌跡藍線為刻線。 （5）我們考慮

13、了刻刀在刻入尺坯前應有的空程距離，這段距離大概3到4mm 1.5控制水平運動的凸輪 1. 控制刀具水平運動凸輪輪廓（對心尖頂從動件盤型凸輪機構(gòu)）的設計 這里采用解析法 第一步：設計從動件的運動規(guī)律： 運動參數(shù)的設定： 凸輪轉(zhuǎn)角為? 角速度ω為 (4*л/3)rad/s = 240度/s Vmax=V刻線=24mm/s 行程速比系數(shù)K=2.6 t工作=1.083s t回程=5/12s Hmax=22mm H刻線=18mm 速度v解析式如下： 0≤?≤2л v1=12-12cos(9?/2) 0≤?≤2л/9 v2=24 2л/9≤?

14、≤11л/9 V3=12-12cos(9?/2-9л/2) 11л/9≤?≤13л/9 V4=cos(?-л)- 13л/9≤?≤2л 位移s的解析式如下： S1=9?/л-2sin(9?/2)/л 0≤?≤2л/9 S2=18?/л-2 2л/9≤?≤11л/9 S3=9?/л+9-2sin(9?/2) 11л/9≤?≤13л/9 S4=22+11sin(18?/5-26л/5)/л-198(?-13л/9)/5/л) 13л/9≤?≤2л 加速度a的解析式如下： a1=72лsin(9?/2) 0≤?≤2л/9 a2

15、=0 2л/9≤?≤11л/9 a3=-72лsin(9?/2-11л/2) 11л/9≤?≤13л/9 a4=-72лsin(18?/5-26л) 13л/9≤?≤2л 第二步： 設計凸輪曲線輪廓 凸輪基圓半徑的選擇方法： 1. 采用理論計算. Rmin=√((ds/d?e/tgα-s)2+) α=[α]=30度 代入數(shù)據(jù)計算得Rmin>=30mm 這里選取基圓半徑Ro=50mm 2. 控制抬刀的凸輪（對心尖頂盤型凸輪機構(gòu)）曲線輪廓的設計（使用圖解法） 這里基圓半徑r=20mm(經(jīng)由前面計算得到） H=3.5mm 位移s

16、的解析式如下： S1=?-лsin(л?) 0≤?≤ S2= ≤?≤11л/9 S3=лsin(9?-11л)-л?+ 11л/9≤?≤13л/9 S4=0 13л/9≤?≤2л 速度v的解析式如下： V1=л-лcos(?) 0≤?≤ V2=0 ≤?≤ 11л/9 V3=21cos(9?-11л)-21 11л/9≤?≤13л/9 V4=0

17、 13л/9≤?≤2л 加速度a的解析式如下： a1=sin(?) 0≤?≤ a2=0 ≤?≤11л/9 a3=-252лsin(9?-11л) 11л/9≤?≤13л/9 a4=0 13л/9≤?≤2л 將各段分5份使用’反轉(zhuǎn)法 ’ 畫出輪廓曲線 曲線輪廓見下圖 1.6塔輪機構(gòu)的簡單設計 塔輪中的最外有效直徑差值（綠色的外圓與黃圓）為（18-10）x2，即差值為10，塔輪黃色和紅色 的圓有效直徑差值

18、為（13-10）x2, 即差值為6,最內(nèi)部的紅色圓的直徑可以適當選擇，只需使刻線長短滿足差值一半。 CAD成圖 1.7 傳動機構(gòu)方案的設計 刻線機構(gòu)主軸轉(zhuǎn)速n1=40r/min 進給間歇機構(gòu)主軸轉(zhuǎn)速n2=80r/min 首先選擇電動機，常用的電動機型號如下表： 電動機轉(zhuǎn)速確定 取帶傳動的傳動比ib=2～4，齒輪傳動的傳動比ig=3～5，則傳動裝置的總傳動比為： i=ibig=(2～4)×(3～5)=6～20 故得電動機的轉(zhuǎn)速范圍為： n=80x(6~20)=480-1600r/min 查表，選擇選用Y90L-4的電動機轉(zhuǎn)速為1500r/m 取帶傳

19、動的傳動比為4.兩個傳動比分別為刻線機構(gòu)i1=37.5, 進給機構(gòu)i2=18.75 傳動圖 如 各個齒輪的齒數(shù)見上圖。 1.8設計結(jié)果的分析 機器的應用可以充分利用，節(jié)省了成本，大大提高了生產(chǎn)效率。 平尺刻線機代替了以往的人工作業(yè)，提高了機械化程度及生產(chǎn)效率，節(jié)省了人力及時間，改善了人們的作業(yè)環(huán)境。 本設計采用一般思路應用凸輪機構(gòu)控制刻線和抬刀，用塔輪機構(gòu)和棘輪機構(gòu)配合完成定時、定量的進料動作，結(jié)構(gòu)簡單不復雜，理論上達到了刻線要求及其它相應工作條件。理論上本機使用價值高，經(jīng)濟效益高，由于本設計沒有做試驗，對其實際的可行性程度還不能確定。 1.9參考文獻 [1] 材料力

20、學（第五版）.高等教育出版社. [2] 江帆主編.機械原理.北京：機械工業(yè)出版社, 2012:12 [3] 北京理工大學工程圖學教研室編.機械制圖.6版.北京：高等教育出版社，2007.7 [4] 簡明機械設計手冊.同濟大學出版社，2002.5 2.0設計體會 在機械設計中，需要一步一步循序漸進地去做。首先要了解要做什么機器要完成什么工作，接著去分析欲完成其工作的運動動作，然后去想做該運動動作的機構(gòu)能有哪些，在之前的課程設計中我們沒有很深刻的理解這一點，加之上學期有電子實習，沒有按時請教老師，導致了方案遲遲沒有確定和完成，我們?nèi)詧猿肿畛醴桨?，并不斷改正，這期間有很多問題，但得到了徐老師和竇老師的理解和幫助，在此感謝各位老師的寬容。在設計機構(gòu)的尺寸時，我們?nèi)シ治鲞\動規(guī)律是否符合工作的過程。再去檢驗機構(gòu)，能否正常工作，滿足一些要求。 每個步驟都記錄，因為在設計中會有很多的錯誤和未知因素（未想到的因素）的干擾，出現(xiàn)這些問題時要經(jīng)常翻回去重新計算、分析，甚至是重新設計方案。 這次課設是對我們的一次深刻歷練，我們一定汲取教訓，爭取在日后的機械其他課程中逐漸彌補不足和缺陷，再次感謝竇老師和徐老師的認真批閱和指正！