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基于CAD仿真生產(chǎn)正齒輪和漩渦齒輪中滾切加工
摘要：以一個(gè)精確且實(shí)際的滾齒過程模擬為目標(biāo)，輔以三維計(jì)算機(jī)輔助設(shè)備，本文介紹了一個(gè)有效且真實(shí)的近似值。滾齒機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)直接應(yīng)用于齒輪間隙。每個(gè)生成位置公式化一個(gè)將穿接體積綁定到工件的空間曲面路徑。三維表面路徑由滾齒和工件齒輪的相對(duì)旋轉(zhuǎn)與位移結(jié)合生成。這些滾齒和工件齒輪用于分離遭受體積的同時(shí)創(chuàng)建碎片和余下工件齒輪的立體幾何圖形。利用商業(yè)CAD軟件包的建模和圖形能力，HOB3D開發(fā)軟件程序精準(zhǔn)仿真了正齒輪和漩渦齒輪的生產(chǎn)過程。但三維立體的幾何數(shù)據(jù)結(jié)果以及碎片和齒輪提供的完整幾何信息需要進(jìn)一步的研究，如切削阻力的預(yù)測(cè)、滾齒過程的優(yōu)化過程中工具壓力和磨損的發(fā)展等。
關(guān)鍵詞：滾齒；制造仿真；CAD建模
1、前言
滾齒廣泛成熟應(yīng)用于制造任何旋轉(zhuǎn)中心一致的外部齒形。與傳統(tǒng)機(jī)器（如車削和銑削）相比，滾銑過程就是一項(xiàng)先進(jìn)的金屬切削技術(shù)。盡管它在齒輪初步加工中使用最為廣泛，但是滾銑過程的復(fù)雜性和成本使人們對(duì)這項(xiàng)技術(shù)所知甚少。該工程的運(yùn)動(dòng)性原理是基于工件與滾刀之間三個(gè)相關(guān)聯(lián)的運(yùn)動(dòng)。像制作正齒輪或螺旋齒輪，工件以恒角速度循著它的對(duì)稱軸旋轉(zhuǎn)，同時(shí)又循著相對(duì)的齒輪滾刀旋轉(zhuǎn)。根據(jù)使用的滾齒機(jī)器，工作臺(tái)和滾刀可能根據(jù)已經(jīng)選擇的進(jìn)給速率沿著工作軸運(yùn)動(dòng)。
旨在確定未變形切片的幾何圖形、切削力組件和工具磨損的發(fā)展，關(guān)于不同近似值的滾齒過程的仿真已經(jīng)隨著數(shù)值與分析模型的發(fā)展而提出。這三個(gè)仿真結(jié)果的工業(yè)分量與優(yōu)化滾齒過程中每件產(chǎn)品損耗的效率息息相關(guān)。在決定切削力組件中，是必不可少的參數(shù)。同時(shí)，未變形切片的幾何圖形能預(yù)先定義工具磨損的發(fā)展?fàn)顩r。而在滾齒過程的相關(guān)數(shù)據(jù)中，切削力組件與工具磨損是非常重要的損耗。滾刀設(shè)計(jì)參量與調(diào)準(zhǔn)誤差的偏差的具有有效規(guī)范，Kim提出能夠以參數(shù)形式描繪滾刀齒形輪廓幾何圖形的工具，并且該工具決定展成法齒輪作為滾刀設(shè)計(jì)參量和通過數(shù)字模型生成過程而生成動(dòng)作規(guī)范的曲面方程。Fan提出霍布斯螺旋錐齒輪和準(zhǔn)雙曲面齒輪的嚙合、齒面生成的數(shù)學(xué)模型的仿真，同時(shí)，齒的接觸分析程序也有所發(fā)展。
該研究提供了關(guān)于滾齒過程數(shù)值建模的基本理論，隨后根據(jù)類似的建模策略，一些全新的近似值也將提出。提出這些近似值是為了決定滾齒過程的結(jié)果，但是這些值最大的特點(diǎn)是為達(dá)到簡(jiǎn)化的目的，將真實(shí)的三維過程還原成平面模型。那之前的近似值的應(yīng)用使用了平面模型，并沒有體現(xiàn)出與精度直接相關(guān)的（如計(jì)算位面的數(shù)量等不同的輸入?yún)?shù)）切片和齒輪的精確立體幾何。此外，任何后面的提取的切片和齒輪平面幾何圖形（如有限元分析）需要附加的數(shù)據(jù)處理來支持插入的二維結(jié)果。
著眼于真實(shí)且精準(zhǔn)的滾齒過程的仿真，減去不可避免的建模不足，本文闡述了制造正齒輪和螺旋齒輪的仿真技術(shù)。利用HOB3D軟件程序強(qiáng)有力地建模和圖形能力，HOB3D用于引導(dǎo)CAD系統(tǒng)。HOB3D根據(jù)可視化Basic語言中計(jì)算機(jī)代碼編制而成，并根據(jù)相同的切割原理將這種能力擴(kuò)展到其他切割過程中。固體模型結(jié)果的輸出格式提供真實(shí)的零件、切片和工作齒輪，這樣更容易勝任今后的個(gè)體研究或者作為任何其他CAD,CAM 或FEA商業(yè)軟件系統(tǒng)的輸入方式。
2、HOB3D 的建模程序
滾刀和工件間的輾擴(kuò)原理讓滾齒過程不同于傳統(tǒng)的碾磨。如圖1所示，被切齒輪的幾何特征被指定，將要使用的滾刀將與其產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)學(xué)，這就是該過程的問題。
6個(gè)參數(shù)基本上能夠描述結(jié)果齒輪的幾何圖形：模塊（m），齒的數(shù)量（Z2）、外徑（dg）、螺旋角（ha）、齒輪寬度（W）和壓力角（an）。這些參數(shù)的關(guān)聯(lián)自動(dòng)忽略了滾刀模塊（m）。然而，外徑、列數(shù)（ni）、緣起的數(shù)字（z1）、軸向間距（?）和螺旋角（γ）等其他道具幾何參數(shù)卻能進(jìn)行選擇。
一旦兩個(gè)部分的幾何參數(shù)建立，動(dòng)力學(xué)鏈將初始化。滾刀和工作齒的螺旋角被稱為兩個(gè)部分間的安裝角，并且它能描述這兩個(gè)部分相互運(yùn)動(dòng)的路線。刀具旋轉(zhuǎn)的坐標(biāo)軸、工具軸向位移和工件旋轉(zhuǎn)的坐標(biāo)軸能決定不同的切削運(yùn)動(dòng)。通過這些方式，軸向進(jìn)給（fa）可描述兩個(gè)不同滾銑策略：上爬式（CL）或上切式（UC）。假定螺旋齒輪的兩個(gè)附加的變分存在，工具的螺旋角（γ）與齒的螺旋角（ha）相比，如果齒螺旋角的指向與滾刀的螺旋角指向一致，則該過程稱為等向向型（ED），否則為反向型（CD）。
如圖2所示，立體幾何圖形輸入初始化后，工具齒置于CAD中且一個(gè)滾刀齒耙的前面截形是精確且可視的。同時(shí)，這也決定有效切割的滾刀齒（N）的裝配。由于軸對(duì)稱配置問題的存在。滾齒過程的運(yùn)動(dòng)也直接應(yīng)用于齒輪的三維齒隙。此外，結(jié)合滾刀和工作齒的配置，計(jì)算如同鐵軌般的空間樣條，每一個(gè)生成的位置都能形成三維表面（如連續(xù)的齒縫）。這些三維表面用于分辨未變形的切片幾何圖形，分離受體量并最終創(chuàng)造切片和余下工作齒的幾何圖形。
3 HOB3D的仿真策略
在HOB3D方法中，在仿真過程中，發(fā)生在滾刀和工作齒之間每次旋轉(zhuǎn)和位移都直接轉(zhuǎn)移到滾刀上。如圖3所示，這兩部分的總體坐標(biāo)系統(tǒng)固定在工件的上層中心上，為移動(dòng)提供一個(gè)穩(wěn)定的引用系統(tǒng)。在以前的數(shù)值近似研究工作已經(jīng)顯示的動(dòng)力學(xué)圖形（引言中有提及）得以調(diào)整。
不考慮整體的損耗，滾刀可以用齒數(shù)命名為齒0。標(biāo)示的齒0的向量vO來源于滾刀的Yh坐標(biāo)軸上的CH并且它的尾部位于前刀面的中間部位，形成了相當(dāng)于dh/2的模型。在XYZ球形坐標(biāo)中建立垂直距離L1該向量決定了滾刀坐標(biāo)系統(tǒng)XhYhZh中的Zh坐標(biāo)軸且位于球形Z坐標(biāo)和切割開始的方位。一旦仿真參數(shù)建立，工作齒的立體圖形生成，有效切割的滾刀齒能夠使用。滾齒仿真開始時(shí)可看做時(shí)間為0。此時(shí)，YZ平面和YhZh平行且它們的水平距離平行且在整個(gè)仿真過程中趨于穩(wěn)定，公式為：L2=（dh/2）+(dh/2)-t。在實(shí)際操作中，L2的距離決定切割的深度，使用者將其看做一個(gè)輸入?yún)?shù)。為了決定安裝角θs，滾刀坐標(biāo)系統(tǒng)XhYhZh沿著坐標(biāo)軸Xh旋轉(zhuǎn)，這樣仿真過程才能被完整的描述。
考慮滾刀幾何軸的輸入?yún)?shù)使用空間向量vO容易計(jì)算每個(gè)有效齒的N中的與vO相關(guān)的向量v1。
在切割仿真中，獨(dú)立的參數(shù)θ1計(jì)算滾刀工具Yh軸的轉(zhuǎn)動(dòng)角。參數(shù)θ2決定工作齒中滾刀的轉(zhuǎn)動(dòng)角，fa依賴θ1且它們的值根據(jù)角的值（如圖3）確定。有效切割滾刀齒的正向運(yùn)動(dòng)發(fā)生在齒縫間。據(jù)此，判斷vO和考慮切割滾刀齒vf的第一個(gè)識(shí)別向量得以確定。正向運(yùn)動(dòng)首先運(yùn)用到vf，接著后面的向量vi，直到最后一個(gè)切割滾刀齒的工作周期vl，從而精準(zhǔn)地仿真整個(gè)生產(chǎn)過程。
假如仿真螺旋齒輪的裝配，為了增加或減少旋轉(zhuǎn)工件的角速度，確保滾銑切割和齒輪切割角度相契合，齒輪的旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)中需增加特別的角量。根據(jù)滾銑過程的種類，為使整個(gè)運(yùn)動(dòng)鏈中θ2,加速或減速，需插入新的角參數(shù)dθ.計(jì)算dθ的參數(shù)值需在齒節(jié)圓中進(jìn)行，如圖3最下邊細(xì)節(jié)圖所示。
如圖4，在CAD中，運(yùn)動(dòng)鏈用于構(gòu)建三維立體樣條路徑。該樣條路徑由切割滾刀齒的向量vi生成的的插值點(diǎn)產(chǎn)生，同時(shí)在仿真參數(shù)θ1θ2 fa作用下得以適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)變和旋轉(zhuǎn)。同理，在i-th切割齒每次旋轉(zhuǎn)位置，表4中單位向量（CHn1）i和（CHn2）i為了生成適合三維空間的平面而進(jìn)行轉(zhuǎn)換和旋轉(zhuǎn)。
如圖4中間部分所示，二維空間中切割滾刀齒的側(cè)面由空間平面生成。沿著軌跡制造的空間樣條，通過構(gòu)建的開放剖面模線,三維立體開放表面由齒輪間隙空間創(chuàng)造。該表面的路徑描繪i-th切割齒的生成位置并限制進(jìn)入工件的穿透體積。使用布爾運(yùn)算和CAD的制圖能力，該表面路徑可幫助分辨每個(gè)生成位置中切片的幾何圖形。切片的幾何圖形受限于外部創(chuàng)建表面中工作齒輪間隙瞬間形成的外部體積。然后，被識(shí)別的立體幾何圖形從工件中減去并導(dǎo)致下一個(gè)是切片和余下工作齒的三維立體圖形的生成。由于仿真過程中立體結(jié)果部分的輸出形式，之后任何種類的過程都能簡(jiǎn)單實(shí)用，如圖4右下部圖A，在特定的旋轉(zhuǎn)位置可以檢測(cè)切片的立體幾何圖形厚度的最大值。在CAD中使用HOB3D仿真就能獲取圖4所示信息。圖像處理程序通過增加詞語、階段和箭頭使圖片獲得更好的解釋。
之前提到的有關(guān)仿真的所有工作都由操控CAD圖形能力的HOB3D控制。它迫使生成的圖形實(shí)物進(jìn)入，又從中收集圖形數(shù)據(jù)，同時(shí)完成編程數(shù)值計(jì)算。CAD與程序的數(shù)值計(jì)算不間斷交叉在算法上如圖5所示。使用者插入程序參數(shù)后進(jìn)入初始化并形成工作輪的柱面圖形，有效切割齒的數(shù)量N也得到估算?？臻g向量v0成為一個(gè)固定的數(shù)值?？臻g平面的基本要素切割齒的數(shù)量參數(shù)i設(shè)定為f（第一次切割齒數(shù)量）、向量vi和單位向量(CH n1)i 和 (CH n2)i相較于v0有了確定數(shù)值。滾銑過程的向前運(yùn)動(dòng)應(yīng)用于這些向量。結(jié)果數(shù)值、描述3D的樣條點(diǎn)集和3D平面用于生成CAD中相應(yīng)的實(shí)體。生成的3D點(diǎn)集在CAD中插補(bǔ)3D樣條的建設(shè)。對(duì)于每個(gè)創(chuàng)建的樣條平面，齒形以數(shù)值形式描畫在CAD系統(tǒng)中。循著3D樣條軌跡形成切割齒的3D表面路徑。樣條表面的立體幾何圖形包括從工作齒中減去另存為i切片圖形（見圖4）。I計(jì)數(shù)器設(shè)值為i+1且不斷重復(fù)相同過程直到i變?yōu)?（最后切割齒數(shù)）。
為了減少計(jì)算時(shí)間和精力，對(duì)于每次有效滾齒i的生成位置，滾刀Yh軸的整體旋轉(zhuǎn)限制在0-180度。這樣在整個(gè)仿真過程中，只有影響結(jié)果立體圖形的位移，對(duì)過程的充分性沒有任何影響。每個(gè)樣條表面相繼組建和切片立體幾何圖形減少的完成。齒縫由收集的每個(gè)生成位置形成。
4.H0B3D仿真結(jié)果
HOB3D的擴(kuò)展程序用于正齒輪和螺旋齒輪的制造，它后加工的代碼用于決定立體切片厚度的發(fā)展。之前的研究工作通過使用HOB3D生成的齒輪缺口的立體幾何圖形，建議計(jì)劃得到驗(yàn)證和確定。那些缺口的剖面與Perti和DIN3972介紹的標(biāo)準(zhǔn)型作比，平均誤差小于10μm齒輪產(chǎn)生的工作深度。這樣微不足道的偏差滿足計(jì)算精度的期望,并驗(yàn)證開發(fā)的代碼的充分性。
4.1 正齒輪的制造過程仿真
HOB3D用于仿真正齒輪的制造過程。圖6展示了上切式案例處理的輸入數(shù)據(jù)和輸出切片提出了堅(jiān)實(shí)的幾何圖形的生成位置。左邊的圖片顯示滾刀的切削方向，并從滾刀位置觀察切片。測(cè)試切片的三維立體幾何圖形，我們發(fā)現(xiàn)切片形狀的極端圖形變化能夠確定，盡管值不止跨越一個(gè)域。
程序擴(kuò)展的后加工代碼用于每次旋轉(zhuǎn)點(diǎn)中每個(gè)切線工作循環(huán)中最大厚度。旋轉(zhuǎn)點(diǎn)屬于使用的運(yùn)動(dòng)生成點(diǎn)，設(shè)定為0-90。假設(shè)切片的立體幾何圖形中旋轉(zhuǎn)點(diǎn)相互交叉，厚度的最大值能夠被識(shí)別記錄。這個(gè)序列導(dǎo)致如圖6所示的每個(gè)切片最大厚度值的生成。右邊的圖所示測(cè)量發(fā)生在十九旋轉(zhuǎn)點(diǎn),該旋轉(zhuǎn)點(diǎn)范圍為45到63。
為改善結(jié)果的可視化圖表,圖6是分開的兩個(gè)部分(上、下)。圖的上部分展示十六分之一的切片生成,生成對(duì)應(yīng)位置-18至?3。這些數(shù)值的最大厚度范圍為0-0.6毫米。從中可以觀察, 第一個(gè)旋轉(zhuǎn)位置切片厚度接近于零時(shí)，最大值接近結(jié)束的切片。當(dāng)厚度取最高至0.57毫米，切片生成點(diǎn)為-18，表示切片的生成點(diǎn)沖-17到-3，其最大厚度在0.1至0.3間擺動(dòng)。減少切片的厚度值并保持，切片的生成位置為-2至13.這也是圖下方下個(gè)16生成點(diǎn)的范圍為0至0.1毫米。它可以很容易地觀察到最高值后切片的厚度是一樣的且如同第一個(gè)十六分之一，從0.1毫米的最高值出現(xiàn)生成位置?2，工作周期停在生成位置13，這時(shí)切片最大厚度值非常接近于零。
上切式案例仿真數(shù)據(jù)用于僅通過改變軸向 (fa)輸入尋找上爬式結(jié)果的近似值。評(píng)定切片的立體幾何圖形后，HOB3D的后加工用于測(cè)試切片厚度的最大值，也就是如之前所描述的。圖7中，上切式和上爬式的每個(gè)生成點(diǎn)的最大厚度都有記錄和測(cè)繪。
圖7的兩個(gè)圖所示,兩個(gè)案例中第一個(gè)有效的(滲透)生成的位置是規(guī)定一個(gè)切割滾刀齒為i=?18。上切式案例的最后有效生成點(diǎn)為i=13而上爬式案例則是vi= v14。除了在第一個(gè)產(chǎn)生的位置測(cè)量的上切式最大的切片厚度接近0.6毫米，可以看出兩種情況下的測(cè)量結(jié)果是0-0.3毫米范圍內(nèi)振蕩。對(duì)于最大厚度最高的測(cè)量值的上切式和上爬式分別為0.57毫米（生成點(diǎn)為-18）和0.32毫米（生成點(diǎn)為-14）。
4.2 螺旋齒制造的仿真
為了制造螺旋齒，根據(jù)所選的過程參數(shù)，也就是在HOB3D模型中所描述的，需要介紹四種不同的滾刀策略。這些策略的示意圖如圖8所示，表示螺旋齒輪生產(chǎn)過程中的螺旋角 (ha > 0°)。
HOB3D使用這四種策略仿真當(dāng)螺旋角為30度時(shí)螺旋齒的制造。除了工具的螺旋角和軸向進(jìn)給，檢測(cè)物的輸入數(shù)據(jù)值是完全相同的。如圖8和圖9所示，這些參數(shù)表示每種情況下滾刀策略。
評(píng)估四種不同策略下切片的立體幾何圖形后，HOB3D的后加工用于測(cè)算切片最大厚度，如之前描述的策略。反向上切式測(cè)試案例、反向上爬式測(cè)試案例、等向上切式測(cè)試案例和等向上爬式測(cè)試案例的每個(gè)生成點(diǎn)上的最大厚度都被記錄和繪制，如圖9所示。
如圖9第四圖所示，反向上切式案例的第一個(gè)有效（滲透）生成點(diǎn)為當(dāng)切割滾刀值為22至-7.這也是圖片中黑色箭頭向左指用于表示切削齒的順序。反向上爬式出現(xiàn)同樣情況是當(dāng)vf=v-7，vl=v18。這是工件的左旋轉(zhuǎn)和滾刀的工具齒的數(shù)量造成的。等向案例中，當(dāng)?shù)认蛏锨惺桨咐秊関f=v-20，vl=v7，且等向上爬式案例為時(shí)，箭頭是反向的，這是由于工件的右旋轉(zhuǎn)和滾刀的工具齒的數(shù)量。
應(yīng)該注意到,四個(gè)策略的的最大切片厚度振動(dòng)在同一范圍，即0毫米到0.52毫米,和每個(gè)的最高值近似為0.5毫米的值。同時(shí),應(yīng)該注意,反向上切式的圖例和等向上爬式圖例中出現(xiàn)的相同振蕩行為,也適用于反向和等向上切式案例。
有HOB3D生成用于仿真等向上切式滾齒過程的3D切片立體圖形如圖10所示。輸入的數(shù)據(jù)處理如下圖。左邊的圖片顯示滾刀的切削方向，并從滾刀位置觀察切片。測(cè)試切片的三維立體幾何圖形，我們發(fā)現(xiàn)切片形狀的極端圖形變化能夠確定，盡管值不止跨越一個(gè)域。
程序的后加工代碼擴(kuò)展再一次用于每次旋轉(zhuǎn)點(diǎn)中每個(gè)切線工作循環(huán)中最大厚度。旋轉(zhuǎn)點(diǎn)屬于使用的運(yùn)動(dòng)生成點(diǎn)，設(shè)定為0-90。假設(shè)切片的立體幾何圖形中旋轉(zhuǎn)點(diǎn)相互交叉，厚度的最大值能夠被識(shí)別記錄。這個(gè)序列導(dǎo)致如圖10所示的每個(gè)切片最大厚度值的生成。右邊的圖所示測(cè)量發(fā)生在16旋轉(zhuǎn)點(diǎn),該旋轉(zhuǎn)點(diǎn)范圍為45到60。
為改善結(jié)果的可視化圖表,圖10是分開的兩個(gè)部分(上、下)。圖的上部分展示十三分之一的切片生成,生成對(duì)應(yīng)位置-7至5。這些數(shù)值的最大厚度范圍為0-0.36毫米。從中可以觀察, 切片厚度值在生成位置為-7至5之間時(shí)有一個(gè)提升速率，且當(dāng)取最大值0.025時(shí)，生成位置為-7，取0.36毫米時(shí)，生成位置為5。同時(shí)可以觀察到,這些最大厚度值出現(xiàn)位置接近連續(xù)循環(huán)的中間位置。減少切片的厚度值并保持，切片的生成位置為6至10.這也是下一個(gè)十三（6-18）的生成點(diǎn)中數(shù)值變化范圍為0-0.51毫米的原因。切片厚度最大值為0.51毫米時(shí)，最后旋轉(zhuǎn)位置芯片生成的位置為11。從生成位置11開始，最大厚度值降序排列,到最后(gp:18)切片最大厚度值非常接近于零。
5、結(jié)語
在當(dāng)前的研究中，基于CAD制作而成的先進(jìn)的驗(yàn)證仿真程序HOB3D提了出來并用于滾齒過程的仿真、正齒輪和螺旋齒輪的制造過程。相較于以前的研究嘗試,就目前的調(diào)查而言, 為了每個(gè)生成的位置，滾齒機(jī)的運(yùn)動(dòng)學(xué)是直接應(yīng)用于一齒三維空間的建筑空間表面路徑。運(yùn)動(dòng)學(xué)在每一個(gè)制造滾齒機(jī)的過程中涉及旋轉(zhuǎn)和位移兩個(gè)滾動(dòng)部分(滾刀和工作齒)。三維表面路徑用于分離受體并直接生成切片和余下工作齒連續(xù)立體幾何圖形。
考慮到質(zhì)量和由此產(chǎn)生的立體幾何圖形的輸出格式并能運(yùn)用于進(jìn)一步調(diào)查并消除外推需要而進(jìn)行了直接的后加工處理。為了兩種不同種類的正齒輪制造和四種不同類型的螺旋齒的制造，提取切片立體幾何圖形的厚度測(cè)量、記錄和繪制均由HOB3D完成。該研究結(jié)果包括動(dòng)態(tài)行為的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)和刀具磨損滾齒機(jī)的發(fā)展過程，具有重要工業(yè)和研究意義。隨著該項(xiàng)研究工作的完成（預(yù)測(cè)切削力、損耗和工具破損等）和HOB3D軟件程序的完成，這將構(gòu)成CAD系統(tǒng)模塊的一部分。
GQ50鋼筋切斷機(jī)（圖）?鋼筋切斷機(jī)功率?鋼筋切斷機(jī)型號(hào)
它適用于建筑工程上各種鋼筋混凝土中普通碳素鋼，及熱軋圓鋼和螺紋鋼。亦可切斷扁鋼、方鋼和角鋼
GQ50鋼筋切斷機(jī)技術(shù)參數(shù):
型號(hào)
GQ12
GQ40?
GQ50
切斷圓鋼（Q235-A）直徑
（Φ6∽Φ12）mm
（Φ6∽Φ40）mm
（Φ6∽Φ50）mm
切斷扁鋼最大規(guī)格
?
(70×15)mm
(80×15)mm
切斷方鋼（Q235-A）最大規(guī)格
切斷角鋼最大規(guī)格
?
(32×32)mm
?
(50×50)mm
(40×40)mm
?
(63×63)mm
連續(xù)切斷次數(shù)
30次/min
32次/min
28次/
電機(jī)功率
0.75KW
2.2KW
4.0KW
?GQ50鋼筋切斷機(jī)特點(diǎn)：
1. 機(jī)身堅(jiān)固耐用結(jié)構(gòu)緊湊，造型美觀；
2. 手按式壓注油杯使加油方便，便于潤(rùn)滑
3. 機(jī)體小，設(shè)有輪腳，移動(dòng)方便
?GQ50鋼筋切斷機(jī)切斷鋼筋直徑：10-50mm(鋼筋抗拉強(qiáng)度Vb≤450MPa以下)
? ?切斷扁鋼最大規(guī)格：85×16mm
???切斷方鋼最大規(guī)格：(Q235A)40×40mm
?切斷角鋼最大規(guī)格：63×63mm
切刀公稱沖程：34mm
?連續(xù)切斷次數(shù)：35次／min
GQ50鋼筋切斷機(jī)技術(shù)參數(shù)：
電動(dòng)機(jī)：??型號(hào)：Y90L-2-B3????功率：4?k?w
????電壓：3?8?0?V????轉(zhuǎn)速：2880?r／min
外形尺寸：880×780×730mm3
整機(jī)質(zhì)量：580kg
題 目
GQ50型鋼筋切斷機(jī)的三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真
一、選題的目的及研究意義
本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的題目是：GQ50型鋼筋切斷機(jī)的三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真。本次設(shè)計(jì)的研究對(duì)象為鋼筋切斷機(jī)。
鋼筋切斷機(jī)是一種剪切鋼筋所使用的一種工具。一般有全自動(dòng)鋼筋切斷機(jī)，和半自動(dòng)鋼筋切斷機(jī)之分。它是鋼筋加工必不可少的設(shè)備之一，它主要用語房屋建筑、橋梁、隧道、電站、大型水利等工程中對(duì)鋼筋的定長(zhǎng)切斷。鋼筋切斷機(jī)與其他切斷設(shè)備相比，具有重量輕、耗能少、工作可靠、效率高等特點(diǎn)，因此近年來逐步被機(jī)械加工和小型軋鋼廠等廣泛采用，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的各個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮了重要的作用。
通過對(duì)GQ50型鋼筋切斷機(jī)主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)仿真，熟悉機(jī)械設(shè)計(jì)的基本步驟，基本方法，培養(yǎng)本人查找文獻(xiàn)、手冊(cè)等的綜合能力。
通過對(duì)此處畢業(yè)設(shè)計(jì)也達(dá)到自己熟悉使用二維CAD軟件和三維proe軟件的能力。
二、綜述與本課題相關(guān)領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢(shì)、研究方法及應(yīng)用領(lǐng)域等
縱觀我國(guó)建筑用鋼筋切斷機(jī)的總體水平，與國(guó)際上先進(jìn)產(chǎn)品相比還是比較落后。主要表現(xiàn)在：企業(yè)生產(chǎn)規(guī)模小，產(chǎn)品的技術(shù)含量低，生產(chǎn)效率低下。大部分產(chǎn)品調(diào)直速度較低，鋼筋的直線度不高，表面劃傷較重。造成這種局面的主要原因在于，我國(guó)的建筑用鋼筋切斷機(jī)市場(chǎng)還沒有真正形成，還處在地域及價(jià)格因素占主導(dǎo)位置的過渡階段，尚未進(jìn)入真正的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)階段。生產(chǎn)企業(yè)多而零散，且大都處在一種小而全、小而不全的狀態(tài)，在這些生產(chǎn)企業(yè)中很難形成強(qiáng)大的技術(shù)投入在這種條件下，企業(yè)之間相互抄襲現(xiàn)象嚴(yán)重，很難找到擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品，尚沒有出現(xiàn)可以稱得上領(lǐng)軍式的企業(yè)。
建筑用新Ⅲ級(jí)鋼筋的推廣使用為鋼筋切斷機(jī)的生產(chǎn)企業(yè)提供了廣闊的發(fā)展空間。為此，許多企業(yè)投入大量資金，爭(zhēng)相開發(fā)、研制適合新!級(jí)鋼筋要求的高速、大直徑鋼筋切斷機(jī)。
在傳統(tǒng)的調(diào)直模式和曲線輥式調(diào)直切斷機(jī)中廣泛采用的錘擊式切斷機(jī)構(gòu)，長(zhǎng)期以來一直存在連切的問題，被行業(yè)稱之為老大難問題。多少年來，許多生產(chǎn)企業(yè)和使用單位為此傷透了腦筋，想盡了各種辦法，始終沒有徹底解決。隨著專利技術(shù)“錘擊式?jīng)_壓及切斷設(shè)備的零連切裝置”的開發(fā)與應(yīng)用，不僅徹底解決了錘擊式切斷機(jī)構(gòu)的連切問題，而且調(diào)直度好，長(zhǎng)度誤差小，受到了新老戶、特別是廣大鋼筋焊網(wǎng)企業(yè)的熱烈歡迎。僅傳統(tǒng)設(shè)備改造一項(xiàng)就為開發(fā)企業(yè)帶來一大片市場(chǎng)。
在電氣控制方面，眾多企業(yè)紛紛淘汰傳統(tǒng)的電氣控制技術(shù)，竟相采用先進(jìn)的PLC 式電腦控制，不僅使控制單元得到了簡(jiǎn)化，整機(jī)的運(yùn)行更加穩(wěn)定、可靠，維護(hù)更加簡(jiǎn)單，更使我國(guó)建筑用鋼筋切斷機(jī)的整體水平躍上一個(gè)新的臺(tái)階，極大地縮短了與國(guó)際上先進(jìn)產(chǎn)品的差距。
面對(duì)空前廣闊的鋼筋切斷機(jī)市場(chǎng)，廣大生產(chǎn)企業(yè)也面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。多年來，受運(yùn)輸長(zhǎng)度等多種因素影響，大型軋鋼企業(yè)生產(chǎn)的直徑小于φ14鋼筋都是以盤條形式走向市場(chǎng)。目前已有個(gè)別企業(yè)看準(zhǔn)后續(xù)加工（即鋼筋的調(diào)直與定尺切斷）中的可觀利潤(rùn)，開始購(gòu)入單機(jī)。一旦這些企業(yè)實(shí)現(xiàn)并完成對(duì)現(xiàn)有生產(chǎn)線的改進(jìn)，將以往的盤條改為直條走向市場(chǎng)，勢(shì)必對(duì)現(xiàn)有的鋼筋切斷機(jī)市場(chǎng)，特別是對(duì)鋼筋切斷機(jī)生產(chǎn)企業(yè)形成巨大的沖擊。人無遠(yuǎn)慮，必有近憂，這是一個(gè)應(yīng)該引起廣大鋼筋切斷機(jī)生產(chǎn)企業(yè)十分重視的大問題。
綜上所述，我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的飛速發(fā)展為建筑行業(yè)，特別是為建筑機(jī)械的發(fā)展提供了一個(gè)廣闊的發(fā)展空間，為廣大生產(chǎn)企業(yè)提供一個(gè)展示自己的舞臺(tái)。面對(duì)競(jìng)爭(zhēng)日益激烈的我國(guó)建筑機(jī)械市場(chǎng)，加強(qiáng)企業(yè)的經(jīng)營(yíng)管理，加大科技投入，重視新技術(shù)、新產(chǎn)品的研究開發(fā)，提高產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)品售后服務(wù)水平，積極、主動(dòng)走向市場(chǎng)，使企業(yè)的產(chǎn)品不斷地滿足廣大用戶的需求，盡快縮短與國(guó)外先進(jìn)企業(yè)的差距，無疑是我國(guó)廣大鋼筋切斷機(jī)生產(chǎn)企業(yè)生存與發(fā)展的必由之路。
本次畢業(yè)設(shè)計(jì)采用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)結(jié)合動(dòng)力學(xué)理論，對(duì)鋼筋切斷機(jī)進(jìn)行零件三維設(shè)計(jì)、裝配，建立鋼筋切斷機(jī)三維仿真模型，模擬鋼筋切斷機(jī)運(yùn)行狀況，對(duì)鋼筋切斷機(jī)進(jìn)行仿真分析研究，以加快產(chǎn)品技術(shù)更新。
三、GQ50型鋼筋切斷機(jī)主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案和解決問題的思路和方法
1、GQ50型鋼筋切斷機(jī)的三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真的設(shè)計(jì)方案
通過查找G50型鋼筋切斷機(jī)主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的相關(guān)稅資料和專利文獻(xiàn)選取本次設(shè)計(jì)的基本設(shè)計(jì)方案為：
工作原理：采用電動(dòng)機(jī)經(jīng)一級(jí)三角帶傳動(dòng)和二級(jí)齒輪傳動(dòng)減速后,帶動(dòng)曲軸旋轉(zhuǎn),曲軸推動(dòng)連桿使滑塊和動(dòng)刀片在機(jī)座的滑道中作往復(fù)直線運(yùn)動(dòng),使活動(dòng)刀片和固定刀片相錯(cuò)而切斷鋼筋。如圖1-1：
圖1-1 鋼筋切斷機(jī)的基本結(jié)構(gòu)形式
1—電機(jī) 2—小帶輪 3—大帶輪 4—Ⅰ軸連軸齒輪
5—Ⅱ軸大齒輪 6—Ⅲ軸連軸齒輪 7—游動(dòng)大齒輪 8—離合器
9—機(jī)體 10—Ⅰ軸 11—Ⅱ軸連軸齒輪 12—Ⅱ軸
13—Ⅲ軸大齒輪 14—Ⅲ軸 15—曲柄 16—連桿
17—活動(dòng)刀座 18—活動(dòng)刀片 19—固定刀片
2、GQ50型鋼筋切斷機(jī)主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本思路：
本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的基本思路為：
鋼筋切斷機(jī)的發(fā)展，鋼筋切斷機(jī)的基本工作原理，本次設(shè)計(jì)的基本任務(wù)及參數(shù)要求，本次是合計(jì)的基本任務(wù)，本次設(shè)計(jì)的基本參數(shù)要求
GQ50鋼筋切斷機(jī)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，傳動(dòng)方式及電機(jī)的型號(hào)的選取，鋼筋切斷機(jī)傳動(dòng)方案的選取，鋼筋切斷機(jī)電機(jī)的選取，鋼筋切斷機(jī)傳動(dòng)比的分配，傳動(dòng)主體各軸的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù)計(jì)算，帶傳動(dòng)的設(shè)計(jì)，傳動(dòng)主體中齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)，軸的設(shè)計(jì)與校核，鍵的選取與校核，軸承的選取與校核
鋼筋切斷機(jī)的零部件的繪制以及總圖的裝配，實(shí)現(xiàn)主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真。
3、GQ50型鋼筋切斷機(jī)主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法
查找機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)、機(jī)械設(shè)計(jì)原理、機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)等書籍、以及相關(guān)中文和外文文獻(xiàn)、國(guó)內(nèi)外相關(guān)專利等等對(duì)鋼筋切斷機(jī)主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行基本設(shè)計(jì)；
利用proe三維軟件對(duì)鋼筋切斷機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)主體零部件進(jìn)行三維建模和仿真分析，對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確性進(jìn)行分析（包過尺寸干涉、強(qiáng)度分析等等）
四、檢索與本課題有關(guān)參考文獻(xiàn)資料的簡(jiǎn)要說明
本次畢業(yè)設(shè)計(jì)將采用以下基本文獻(xiàn)為參考對(duì)后續(xù)的畢業(yè)設(shè)計(jì)進(jìn)行仔細(xì)設(shè)計(jì)：
[1] 胡永華,劉中. 鋼筋切斷機(jī)參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)開發(fā)[J]. 機(jī)械工程與自動(dòng)化. 2011(02)
[2] 歐曉鷗. 高能點(diǎn)火推進(jìn)器虛擬裝配的研究與實(shí)現(xiàn)[J]. 制造業(yè)自動(dòng)化. 2006(10)
[3] 黃素霞,李河宗,蘇夢(mèng)香. 連鑄機(jī)偏心連桿振動(dòng)裝置的三維參數(shù)化設(shè)計(jì)[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì). 2007(07)
[4] 車仁煒,陸念力,王樹春.一種新型鋼筋切斷機(jī)的設(shè)計(jì)研究[J]. 機(jī)械傳動(dòng). 2004(02)
[5] 于修洪,項(xiàng)輝宇,牛凱. 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在機(jī)械產(chǎn)品裝配中的應(yīng)用[J]. 現(xiàn)代制造工程. 2011(05)
[6] 胡永華,劉中.??鋼筋切斷機(jī)參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)開發(fā)[J]. 機(jī)械工程與自動(dòng)化. 2011(02)
[7] 王良文,陳學(xué)文. 國(guó)產(chǎn)鋼筋切斷機(jī)的生產(chǎn)現(xiàn)狀與改良方向[J]. 建設(shè)機(jī)械技術(shù)與管理. 2009(03)
[8] 陶浩,段紅杰 鋼筋切斷機(jī)的動(dòng)力學(xué)性能[J]. 煤礦機(jī)械. 2008(05)
[9] 梁崇高等著.平面連桿機(jī)構(gòu)的計(jì)算設(shè)計(jì).北京：高等教育出版社，1993
[10] 田野編寫.我國(guó)鋼筋調(diào)直切斷機(jī)的現(xiàn)狀及發(fā)展.建筑機(jī)械化，2005年第1期23頁
五、畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）進(jìn)程安排
1、2015.01.16至2015.03.20 熟悉課題研究?jī)?nèi)容，查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，完成開題報(bào)告和外文翻譯；
2、2015.03.21至2015.04.10 方案設(shè)計(jì)，進(jìn)行鋼筋切斷機(jī)主傳動(dòng)的相關(guān)設(shè)計(jì)計(jì)算，進(jìn)行受
力分析；
3、2015.04.11至2015.04.30 進(jìn)行鋼筋切斷機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，完成裝配圖設(shè)計(jì)，運(yùn)動(dòng)仿真；
4、2015.05.01至2015.05.20 完成零件圖設(shè)計(jì)，提交設(shè)計(jì)說明書初稿；
5、2015.05.21至2015.05.31 修改圖紙和設(shè)計(jì)說明書，準(zhǔn)備答辯
六、指導(dǎo)教師意見
1．對(duì)開題報(bào)告的評(píng)語
2．對(duì)開題報(bào)告的意見及建議
指導(dǎo)教師（簽名）：
年 月 日
所在院（系）審查意見：
負(fù)責(zé)人簽字(蓋公章)
年 月 日
4
GQ50鋼筋切斷機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)仿真
潘林豐
（陜理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院機(jī)自專業(yè)1008班，陜西 漢中 723003）
指導(dǎo)老師：賈吉林
【摘要】
鋼筋切斷機(jī)是把鋼筋切成所需長(zhǎng)度的專用機(jī)械,在大型建筑工地上的應(yīng)用非常廣泛。鋼筋切斷機(jī)分為機(jī)械傳動(dòng)和液壓傳動(dòng)兩種。機(jī)械傳動(dòng)式鋼筋切斷機(jī),工作時(shí)大都采用電動(dòng)機(jī)經(jīng)一級(jí)三角帶傳動(dòng)和三級(jí)齒輪傳動(dòng)減速后,帶動(dòng)曲軸旋轉(zhuǎn),曲軸推動(dòng)連桿使滑塊和動(dòng)刀片在機(jī)座的滑道中作往復(fù)直線運(yùn)動(dòng),使活動(dòng)刀片和固定刀片相錯(cuò)而切斷鋼筋。GQ50型鋼筋切斷機(jī)，其剪切運(yùn)動(dòng)是由一偏心輪連桿機(jī)構(gòu)完成的。但是由于切斷機(jī)機(jī)體內(nèi)腔狹小，在裝配曲軸連桿時(shí)比較困難。尤其是在使用中發(fā)生故障需要維修時(shí)，拆卸曲軸連桿更加不容易，給維修造成很大的不變，因此在不改變?cè)O(shè)備功能的情況下，我對(duì)曲軸連桿機(jī)構(gòu)做了一些改進(jìn)。改進(jìn)后的偏心輪結(jié)構(gòu)直接從機(jī)體的注冊(cè)孔中裝入和取出。而不必拆卸連桿，大大簡(jiǎn)化了裝配程序，減輕的工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。同時(shí)也極大的方便了維修，還簡(jiǎn)化了零件的工藝過程，取得良好的經(jīng)濟(jì)效益。
【關(guān)鍵詞】：鋼筋切斷機(jī)；偏心輪；曲軸連桿機(jī)構(gòu)
GQ50 reinforcing steel cutter structural design and movement simulation
Pan Linfeng
（Grade10,Class08,Major Mechanical Design，Manufacturing and Automation
Dept.，Shaanxi University of Technology，Hanzhong 723003Shaanxi）
Tutor：Jia Jilin
Abstract
Reinforcing steel cutting machine is used to cut the required length of steel machinery specialized for large construction sites in the application of very extensive. Reinforcing steel cutting machine into mechanical transmission and hydraulic transmission of two. Mechanical transmission reinforced cutting machine, working mostly used as a V-belt drive motor and gear drive slow down after three, driven crankshaft rotation, promoting the crankshaft and connecting rod to move the slider blade in the frame of the chute in a reciprocating linear motion So that the activities of the blade and a fixed blade and cut off the wrong steel. GQ50-steel cutter, whose movement from one type of the crankshaft linkage to complete. However, due to cut off the small inner cavity of the body, in the assembly when the crankshaft link more difficult. Especially in the use of a fault in need of repair, demolition crank link more difficult to repair a big change, so do not change the function of the equipment under the circumstances, we have made some improvement to crank linkage. The improved structure of the cam directly from the body of the aircraft registered in the hole and packed out. Without dismantling the link, greatly simplifies the assembly, reducing labor intensity of workers. But also greatly facilitate the maintenance, has also simplified the process of parts and achieved good economic returns.
Key words: steel cutting machine, the structure design, proe, virtual assembling, movement
simulation
目錄
1 緒論 1
1.1 鋼筋切斷機(jī)的研究現(xiàn)狀 1
1.2 本次設(shè)計(jì)的任務(wù) 2
1.3 本次設(shè)計(jì)目的與意義 3
2 鋼筋切斷機(jī)的總體設(shè)計(jì) 4
2.1 鋼筋切斷機(jī)的基本介紹 4
2.2 GQ50型鋼筋切斷機(jī)的改良方向 5
2.3鋼筋切斷機(jī)的工作原理 6
2.4 鋼筋切斷機(jī)的基本結(jié)構(gòu) 6
2.4.1 GQ50型鋼筋切斷機(jī)主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案的確定 6
2.4.2 GQ50型鋼筋切斷機(jī)主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本思路 7
2.4.3 GQ50型鋼筋切斷機(jī)主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法 7
3 方案設(shè)計(jì)比較 8
3.1驅(qū)動(dòng)裝置方案選擇 8
3.1.1液壓驅(qū)動(dòng) 8
3.1.2 手動(dòng)驅(qū)動(dòng) 8
3.1.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng) 8
3.2傳動(dòng)裝置方案選擇 9
3.2.1 液壓傳動(dòng) 9
3.2.2 帶傳動(dòng) 9
3.2.3 齒輪傳動(dòng) 9
3.2.4 組合傳動(dòng) 9
3.3執(zhí)行裝置方案選擇 9
3.3.1曲柄滑塊機(jī)構(gòu) 9
3.3.2齒輪齒條機(jī)構(gòu) 10
3.3.3凸輪機(jī)構(gòu) 10
4 鋼筋切斷機(jī)傳動(dòng)設(shè)計(jì) 12
4.1電動(dòng)機(jī)的選擇 12
4.2 基本傳動(dòng)數(shù)據(jù)計(jì)算 12
4.2.1傳動(dòng)比的分配 12
4.2.2 各軸的運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力參數(shù)分析 13
4.3 帶傳動(dòng)的設(shè)計(jì) 14
4.3.1帶型的選擇 14
4.3.2帶輪基準(zhǔn)直徑的確定 14
4.3.3帶速的確定 15
4.3.4中心距、帶長(zhǎng)及包角的確定 15
4.3.5確定帶的根數(shù) 16
4.4 齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì) 16
4.4.1選材料、確定初步參數(shù) 16
4.4.2齒面疲勞強(qiáng)度計(jì)算 18
4.4.3齒根抗彎疲勞強(qiáng)度驗(yàn)算 20
4.5 軸的設(shè)計(jì) 21
4.6鍵的選取與校核 22
4.6.1鍵的選取 22
4.6.2鍵強(qiáng)度的校核 22
4.7軸承的組合設(shè)計(jì) 23
4.8連桿的設(shè)計(jì) 24
4.9切斷鋼筋需用力計(jì)算 24
4.10減速器附件的選擇 25
5 鋼筋切斷機(jī)的摩擦、磨損和潤(rùn)滑 26
6 機(jī)械式鋼筋切斷機(jī)調(diào)整及保養(yǎng)的使用 27
6.1 鋼筋切斷機(jī)的使用調(diào)整 27
6.2 鋼筋切斷機(jī)的保養(yǎng) 28
6.3鋼筋切斷機(jī)的一般安全的規(guī)定 29
7 建模與仿真 30
7.1 三維軟件的介紹 30
7.2 鋼筋切斷機(jī)的建模與仿真 31
7.2.1 鋼筋切斷機(jī)主要零件的三維建模 31
7.2.2 GQ50型鋼筋切斷機(jī)主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的裝配與仿真 40
致謝 43
參考文獻(xiàn) 44
- IV -
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陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文
題 目 GQ50型鋼筋切斷機(jī)主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)仿真
學(xué)生姓名 潘林豐 學(xué)號(hào) 1015014221
所在學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院
專業(yè)班級(jí) 機(jī)自1008班
指導(dǎo)教師 賈吉林
完成地點(diǎn) 校內(nèi)
2014年5月30日
GQ50鋼筋切斷機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)仿真
潘林豐
（陜理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院機(jī)自專業(yè)1008班，陜西 漢中 723003）
指導(dǎo)老師：賈吉林
【摘要】
鋼筋切斷機(jī)是把鋼筋切成所需長(zhǎng)度的專用機(jī)械,在大型建筑工地上的應(yīng)用非常廣泛。鋼筋切斷機(jī)分為機(jī)械傳動(dòng)和液壓傳動(dòng)兩種。機(jī)械傳動(dòng)式鋼筋切斷機(jī),工作時(shí)大都采用電動(dòng)機(jī)經(jīng)一級(jí)三角帶傳動(dòng)和三級(jí)齒輪傳動(dòng)減速后,帶動(dòng)曲軸旋轉(zhuǎn),曲軸推動(dòng)連桿使滑塊和動(dòng)刀片在機(jī)座的滑道中作往復(fù)直線運(yùn)動(dòng),使活動(dòng)刀片和固定刀片相錯(cuò)而切斷鋼筋。GQ50型鋼筋切斷機(jī)，其剪切運(yùn)動(dòng)是由一偏心輪連桿機(jī)構(gòu)完成的。但是由于切斷機(jī)機(jī)體內(nèi)腔狹小，在裝配曲軸連桿時(shí)比較困難。尤其是在使用中發(fā)生故障需要維修時(shí)，拆卸曲軸連桿更加不容易，給維修造成很大的不變，因此在不改變?cè)O(shè)備功能的情況下，我對(duì)曲軸連桿機(jī)構(gòu)做了一些改進(jìn)。改進(jìn)后的偏心輪結(jié)構(gòu)直接從機(jī)體的注冊(cè)孔中裝入和取出。而不必拆卸連桿，大大簡(jiǎn)化了裝配程序，減輕的工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。同時(shí)也極大的方便了維修，還簡(jiǎn)化了零件的工藝過程，取得良好的經(jīng)濟(jì)效益。
【關(guān)鍵詞】：鋼筋切斷機(jī)；偏心輪；曲軸連桿機(jī)構(gòu)
GQ50 reinforcing steel cutter structural design and movement simulation
Pan Linfeng
（Grade10,Class08,Major Mechanical Design，Manufacturing and Automation
Dept.，Shaanxi University of Technology，Hanzhong 723003Shaanxi）
Tutor：Jia Jilin
Abstract
Reinforcing steel cutting machine is used to cut the required length of steel machinery specialized for large construction sites in the application of very extensive. Reinforcing steel cutting machine into mechanical transmission and hydraulic transmission of two. Mechanical transmission reinforced cutting machine, working mostly used as a V-belt drive motor and gear drive slow down after three, driven crankshaft rotation, promoting the crankshaft and connecting rod to move the slider blade in the frame of the chute in a reciprocating linear motion So that the activities of the blade and a fixed blade and cut off the wrong steel. GQ50-steel cutter, whose movement from one type of the crankshaft linkage to complete. However, due to cut off the small inner cavity of the body, in the assembly when the crankshaft link more difficult. Especially in the use of a fault in need of repair, demolition crank link more difficult to repair a big change, so do not change the function of the equipment under the circumstances, we have made some improvement to crank linkage. The improved structure of the cam directly from the body of the aircraft registered in the hole and packed out. Without dismantling the link, greatly simplifies the assembly, reducing labor intensity of workers. But also greatly facilitate the maintenance, has also simplified the process of parts and achieved good economic returns.
Key words: steel cutting machine, the structure design, proe, virtual assembling, movement
simulation
目錄
1 緒論 1
1.1 鋼筋切斷機(jī)的研究現(xiàn)狀 1
1.2 本次設(shè)計(jì)的任務(wù) 2
1.3 本次設(shè)計(jì)目的與意義 3
2 鋼筋切斷機(jī)的總體設(shè)計(jì) 4
2.1 鋼筋切斷機(jī)的基本介紹 4
2.2 GQ50型鋼筋切斷機(jī)的改良方向 5
2.3鋼筋切斷機(jī)的工作原理 6
2.4 鋼筋切斷機(jī)的基本結(jié)構(gòu) 6
2.4.1 GQ50型鋼筋切斷機(jī)主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案的確定 6
2.4.2 GQ50型鋼筋切斷機(jī)主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本思路 7
2.4.3 GQ50型鋼筋切斷機(jī)主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法 7
3 方案設(shè)計(jì)比較 8
3.1驅(qū)動(dòng)裝置方案選擇 8
3.1.1液壓驅(qū)動(dòng) 8
3.1.2 手動(dòng)驅(qū)動(dòng) 8
3.1.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng) 8
3.2傳動(dòng)裝置方案選擇 9
3.2.1 液壓傳動(dòng) 9
3.2.2 帶傳動(dòng) 9
3.2.3 齒輪傳動(dòng) 9
3.2.4 組合傳動(dòng) 9
3.3執(zhí)行裝置方案選擇 9
3.3.1曲柄滑塊機(jī)構(gòu) 9
3.3.2齒輪齒條機(jī)構(gòu) 10
3.3.3凸輪機(jī)構(gòu) 10
4 鋼筋切斷機(jī)傳動(dòng)設(shè)計(jì) 12
4.1電動(dòng)機(jī)的選擇 12
4.2 基本傳動(dòng)數(shù)據(jù)計(jì)算 12
4.2.1傳動(dòng)比的分配 12
4.2.2 各軸的運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力參數(shù)分析 13
4.3 帶傳動(dòng)的設(shè)計(jì) 14
4.3.1帶型的選擇 14
4.3.2帶輪基準(zhǔn)直徑的確定 14
4.3.3帶速的確定 15
4.3.4中心距、帶長(zhǎng)及包角的確定 15
4.3.5確定帶的根數(shù) 16
4.4 齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì) 16
4.4.1選材料、確定初步參數(shù) 16
4.4.2齒面疲勞強(qiáng)度計(jì)算 18
4.4.3齒根抗彎疲勞強(qiáng)度驗(yàn)算 20
4.5 軸的設(shè)計(jì) 21
4.6鍵的選取與校核 22
4.6.1鍵的選取 22
4.6.2鍵強(qiáng)度的校核 22
4.7軸承的組合設(shè)計(jì) 23
4.8連桿的設(shè)計(jì) 24
4.9切斷鋼筋需用力計(jì)算 24
4.10減速器附件的選擇 25
5 鋼筋切斷機(jī)的摩擦、磨損和潤(rùn)滑 26
6 機(jī)械式鋼筋切斷機(jī)調(diào)整及保養(yǎng)的使用 27
6.1 鋼筋切斷機(jī)的使用調(diào)整 27
6.2 鋼筋切斷機(jī)的保養(yǎng) 28
6.3鋼筋切斷機(jī)的一般安全的規(guī)定 29
7 建模與仿真 30
7.1 三維軟件的介紹 30
7.2 鋼筋切斷機(jī)的建模與仿真 31
7.2.1 鋼筋切斷機(jī)主要零件的三維建模 31
7.2.2 GQ50型鋼筋切斷機(jī)主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的裝配與仿真 40
致謝 43
參考文獻(xiàn) 44
- IV -
1 緒論
1.1 鋼筋切斷機(jī)的研究現(xiàn)狀
縱觀我國(guó)建筑用鋼筋切斷機(jī)的總體水平，與國(guó)際上先進(jìn)產(chǎn)品相比還是比較落后。主要表現(xiàn)在：企業(yè)生產(chǎn)規(guī)模小，產(chǎn)品的技術(shù)含量低，生產(chǎn)效率低下。大部分產(chǎn)品調(diào)直速度較低，鋼筋的直線度不高，表面劃傷較重。造成這種局面的主要原因在于，我國(guó)的建筑用鋼筋切斷機(jī)市場(chǎng)還沒有真正形成，還處在地域及價(jià)格因素占主導(dǎo)位置的過渡階段，尚未進(jìn)入真正的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)階段。生產(chǎn)企業(yè)多而零散，且大都處在一種小而全、小而不全的狀態(tài)，在這些生產(chǎn)企業(yè)中很難形成強(qiáng)大的技術(shù)投入在這種條件下，企業(yè)之間相互抄襲現(xiàn)象嚴(yán)重，很難找到擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品，尚沒有出現(xiàn)可以稱得上領(lǐng)軍式的企業(yè)。
建筑用新Ⅲ級(jí)鋼筋的推廣使用為鋼筋切斷機(jī)的生產(chǎn)企業(yè)提供了廣闊的發(fā)展空間。為此，許多企業(yè)投入大量資金，爭(zhēng)相開發(fā)、研制適合新!級(jí)鋼筋要求的高速、大直徑鋼筋切斷機(jī)。
在傳統(tǒng)的調(diào)直模式和曲線輥式調(diào)直切斷機(jī)中廣泛采用的錘擊式切斷機(jī)構(gòu)，長(zhǎng)期以來一直存在連切的問題，被行業(yè)稱之為老大難問題。多少年來，許多生產(chǎn)企業(yè)和使用單位為此傷透了腦筋，想盡了各種辦法，始終沒有徹底解決。隨著專利技術(shù)“錘擊式?jīng)_壓及切斷設(shè)備的零連切裝置”的開發(fā)與應(yīng)用，不僅徹底解決了錘擊式切斷機(jī)構(gòu)的連切問題，而且調(diào)直度好，長(zhǎng)度誤差小，受到了新老戶、特別是廣大鋼筋焊網(wǎng)企業(yè)的熱烈歡迎。僅傳統(tǒng)設(shè)備改造一項(xiàng)就為開發(fā)企業(yè)帶來一大片市場(chǎng)。
采用剪式切斷機(jī)構(gòu)的新型對(duì)輥式鋼筋切斷機(jī)的使用，不僅明顯地降低了對(duì)冷、熱軋帶肋鋼筋表面的傷，也使得鋼筋的調(diào)直速度由過去的４０－６０m/min， 提高到90-120m/min、150m/min，甚至達(dá)到180m/min以上，直線度≤3mm/m，長(zhǎng)度誤差±2mm，完全可以和國(guó)外產(chǎn)品媲美。
復(fù)合式（對(duì)輥+調(diào)直模式）鋼筋切斷機(jī)，不僅保持了傳統(tǒng)產(chǎn)品（調(diào)直模式）調(diào)直度好的特點(diǎn)，同時(shí)也使對(duì)輥式調(diào)直機(jī)的優(yōu)勢(shì)得到了充分發(fā)揮，調(diào)直速度由過去的30-50m/min 提高到80m/min。調(diào)直鋼筋的范圍也由φ5-10mm提高到φ14mm，直線度≤4‰，定尺精度≤10mm。
在電氣控制方面，眾多企業(yè)紛紛淘汰傳統(tǒng)的電氣控制技術(shù)，竟相采用先進(jìn)的PLC 式電腦控制，不僅使控制單元得到了簡(jiǎn)化，整機(jī)的運(yùn)行更加穩(wěn)定、可靠，維護(hù)更加簡(jiǎn)單，更使我國(guó)建筑用鋼筋切斷機(jī)的整體水平躍上一個(gè)新的臺(tái)階，極大地縮短了與國(guó)際上先進(jìn)產(chǎn)品的差距。
面對(duì)空前廣闊的鋼筋切斷機(jī)市場(chǎng)，廣大生產(chǎn)企業(yè)也面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。多年來，受運(yùn)輸長(zhǎng)度等多種因素影響，大型軋鋼企業(yè)生產(chǎn)的直徑小于φ14鋼筋都是以盤條形式走向市場(chǎng)。目前已有個(gè)別企業(yè)看準(zhǔn)后續(xù)加工（即鋼筋的調(diào)直與定尺切斷）中的可觀利潤(rùn)，開始購(gòu)入單機(jī)。一旦這些企業(yè)實(shí)現(xiàn)并完成對(duì)現(xiàn)有生產(chǎn)線的改進(jìn)，將以往的盤條改為直條走向市場(chǎng)，勢(shì)必對(duì)現(xiàn)有的鋼筋切斷機(jī)市場(chǎng)，特別是對(duì)鋼筋切斷機(jī)生產(chǎn)企業(yè)形成巨大的沖擊。人無遠(yuǎn)慮，必有近憂，這是一個(gè)應(yīng)該引起廣大鋼筋切斷機(jī)生產(chǎn)企業(yè)十分重視的大問題。
綜上所述，我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的飛速發(fā)展為建筑行業(yè)，特別是為建筑機(jī)械的發(fā)展提供了一個(gè)廣闊的發(fā)展空間，為廣大生產(chǎn)企業(yè)提供一個(gè)展示自己的舞臺(tái)。面對(duì)競(jìng)爭(zhēng)日益激烈的我國(guó)建筑機(jī)械市場(chǎng)，加強(qiáng)企業(yè)的經(jīng)營(yíng)管理，加大科技投入，重視新技術(shù)、新產(chǎn)品的研究開發(fā)，提高產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)品售后服務(wù)水平，積極、主動(dòng)走向市場(chǎng)，使企業(yè)的產(chǎn)品不斷地滿足廣大用戶的需求，盡快縮短與國(guó)外先進(jìn)企業(yè)的差距，無疑是我國(guó)廣大鋼筋切斷機(jī)生產(chǎn)企業(yè)生存與發(fā)展的必由之路。
本次畢業(yè)設(shè)計(jì)采用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)結(jié)合動(dòng)力學(xué)理論，對(duì)鋼筋切斷機(jī)進(jìn)行零件三維設(shè)計(jì)、裝配，建立鋼筋切斷機(jī)三維仿真模型，模擬鋼筋切斷機(jī)運(yùn)行狀況，對(duì)鋼筋切斷機(jī)進(jìn)行仿真分析研究，以加快產(chǎn)品技術(shù)更新。
1.2 本次設(shè)計(jì)的任務(wù)
鋼筋切斷機(jī)是一種剪切鋼筋所使用的一種工具。一般有全自動(dòng)鋼筋切斷機(jī)，和半自動(dòng)鋼筋切斷機(jī)之分。它是鋼筋加工必不可少的設(shè)備之一，它主要用語房屋建筑、橋梁、隧道、電站、大型水利等工程中對(duì)鋼筋的定長(zhǎng)切斷。鋼筋切斷機(jī)與其他切斷設(shè)備相比，具有重量輕、耗能少、工作可靠、效率高等特點(diǎn)，因此近年來逐步被機(jī)械加工和小型軋鋼廠等廣泛采用，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的各個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮了重要的作用。
采用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)結(jié)合動(dòng)力學(xué)理論，對(duì)鋼筋切斷機(jī)進(jìn)行零件三維設(shè)計(jì)、裝配，建立鋼筋切斷機(jī)三維仿真模型，模擬鋼筋切斷機(jī)運(yùn)行狀況，對(duì)鋼筋切斷機(jī)進(jìn)行仿真分析研究，以加快產(chǎn)品技術(shù)更新。
本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)參數(shù)：
1、本次設(shè)計(jì)的切斷材料為：切斷圓鋼（Q235-A）；
2、被切材料的直徑：Φ6~Φ50mm；
3、效率：連續(xù)切斷次數(shù) 28次/ min；
4、功率：電機(jī)功率4.0KW。
1.3 本次設(shè)計(jì)目的與意義
本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的題目是：GQ50型鋼筋切斷機(jī)主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)仿真。本次設(shè)計(jì)的研究對(duì)象為鋼筋切斷機(jī)。
鋼筋切斷機(jī)是一種剪切鋼筋所使用的一種工具。一般有全自動(dòng)鋼筋切斷機(jī)，和半自動(dòng)鋼筋切斷機(jī)之分。它是鋼筋加工必不可少的設(shè)備之一，它主要用語房屋建筑、橋梁、隧道、電站、大型水利等工程中對(duì)鋼筋的定長(zhǎng)切斷。鋼筋切斷機(jī)與其他切斷設(shè)備相比，具有重量輕、耗能少、工作可靠、效率高等特點(diǎn)，因此近年來逐步被機(jī)械加工和小型軋鋼廠等廣泛采用，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的各個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮了重要的作用。
通過對(duì)GQ50型鋼筋切斷機(jī)主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)仿真，熟悉機(jī)械設(shè)計(jì)的基本步驟，基本方法，培養(yǎng)本人查找文獻(xiàn)、手冊(cè)等的綜合能力。
通過對(duì)此處畢業(yè)設(shè)計(jì)也達(dá)到自己熟悉使用二維CAD軟件和三維PRO/E軟件的能力。
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2鋼筋切斷機(jī)的總體設(shè)計(jì)
2.1 鋼筋切斷機(jī)的基本介紹
鋼筋切斷機(jī)是建筑機(jī)械的一種。它是鋼筋加工必不可少的設(shè)備之一，主要用語房屋建筑、橋梁、隧道、電站、大型水利等工程中對(duì)鋼筋的定長(zhǎng)切斷。鋼筋切斷機(jī)與其他切斷設(shè)備相比，具有重量輕、耗能少、工作可靠、效率高等特點(diǎn)，因此近年來逐步被建筑工地和小型軋鋼廠等廣泛采用，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的各個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮了重要的作用。
新中國(guó)成立初期，建筑工程中鋼筋加工技術(shù)非常落后，主要依靠手工或者簡(jiǎn)單工具，勞動(dòng)強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低、工程質(zhì)量很難保證。太原重型機(jī)械學(xué)院是國(guó)內(nèi)最早生產(chǎn)鋼筋切斷機(jī)的單位之一。他們于1958年首次引進(jìn)蘇聯(lián)的臥式鋼筋切斷機(jī)圖紙，生產(chǎn)了國(guó)內(nèi)第一臺(tái)鋼筋切斷機(jī)。隨后又于1985年引進(jìn)了日本立式鋼筋切斷機(jī)和德國(guó)臥式鋼筋切斷機(jī)，并在此基礎(chǔ)上研發(fā)了GQ40、GQ50、GQ65等一系列開式、封閉式及半封閉式切斷機(jī)。該系列的鋼筋切斷機(jī)均是采用機(jī)械輪剪切進(jìn)行切斷的。此外，沈陽建筑工程學(xué)院工廠、陜西渭南農(nóng)業(yè)科技股份有限公司、黑虎建筑機(jī)械公司等企業(yè)也生產(chǎn)過不同類型的機(jī)械式鋼筋切斷機(jī)。
目前，國(guó)內(nèi)的鋼筋切斷機(jī)多以機(jī)械輪剪式切斷為主。其工作過程基本為：電動(dòng)機(jī)輸出動(dòng)力經(jīng)過帶傳動(dòng)和三級(jí)齒輪傳動(dòng)減速后，帶動(dòng)曲軸旋轉(zhuǎn)，曲軸推動(dòng)連桿使滑塊和動(dòng)刀片在機(jī)座的滑道中做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，使動(dòng)刀片和定刀片相錯(cuò)而切斷鋼筋。
近年來，我國(guó)在鋼筋切斷機(jī)技術(shù)裝備方面有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但產(chǎn)品的技術(shù)水平與國(guó)外先進(jìn)水平相比，尚有以下幾個(gè)方面的差距：
1)國(guó)外切斷機(jī)偏心軸的偏心距較大。如日本立式切斷機(jī)偏心距24mm，而國(guó)內(nèi)一般為17mm?？此剖×?、齒輪結(jié)構(gòu)偏小些，但給用戶帶來麻煩，不易管理。因?yàn)樵谟汕写罅系角行×蠒r(shí)，不是換刀墊就是換刀片，有時(shí)還需要轉(zhuǎn)換角度。
2)國(guó)外切斷機(jī)的機(jī)架都是鋼板焊接結(jié)構(gòu)，零部件加工精度、粗糙度尤其熱處理工藝過硬，使切斷機(jī)在承受過載荷、疲勞失效、磨損等方面都超過國(guó)產(chǎn)機(jī)器。
3)國(guó)內(nèi)切斷機(jī)刀片設(shè)計(jì)不合理。單螺栓固定，刀片厚度夠薄，40型和50型刀片厚度均為17mm；而國(guó)外都是雙螺栓固定，25-27mm厚，因此國(guó)外刀片在受力及壽命等綜合性能方面都較國(guó)內(nèi)優(yōu)良。
4)國(guó)內(nèi)切斷機(jī)每分鐘切斷次數(shù)少。國(guó)內(nèi)一般為28-31次，國(guó)外要高出15-20次，最高高出30次，工作效率較高。
5)國(guó)外機(jī)型一般采用半開式結(jié)構(gòu)。齒輪、軸承用油脂潤(rùn)滑，曲軸軸徑、連桿瓦、沖切刀座、轉(zhuǎn)體處用手工加稀油潤(rùn)滑。國(guó)內(nèi)機(jī)型結(jié)構(gòu)有全開、全閉、半開半閉3種，潤(rùn)滑方式有集中稀油潤(rùn)滑和飛濺潤(rùn)滑2種。
6)國(guó)內(nèi)切斷機(jī)外觀質(zhì)量、整機(jī)性能不盡人意。國(guó)外廠家一般都是規(guī)模生產(chǎn)，在技術(shù)設(shè)備上舍得投入，自動(dòng)化生產(chǎn)水平較高，形成一套完整的質(zhì)量保證加工體系。尤其對(duì)外觀質(zhì)量更是精益求精，外罩一次性沖壓成型，油漆經(jīng)烤漆噴涂處理，色澤搭配科學(xué)合理，外觀看不到哪兒有焊縫、毛刺、尖角，整機(jī)光潔美觀。而國(guó)內(nèi)一些廠家雖然生產(chǎn)歷史較長(zhǎng)，但沒有一家形成規(guī)模，加之設(shè)備老化，加工過程拼體力、經(jīng)驗(yàn)，生產(chǎn)工藝幾十年一貫制，所以外觀質(zhì)量粗糙、觀感較差。
從鋼筋切斷機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)看，隨著建筑設(shè)計(jì)與建筑施工技術(shù)的國(guó)際化，建筑工程設(shè)計(jì)與應(yīng)用鋼筋必將進(jìn)入商品化供應(yīng)時(shí)代，即根據(jù)建筑配筋表采購(gòu)鋼筋，鋼筋使用現(xiàn)場(chǎng)轉(zhuǎn)化成可用鋼筋，商品化供應(yīng)鋼筋。而鋼筋的一體化生產(chǎn)就要求鋼筋切斷機(jī)必須實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制——鋼筋自動(dòng)送料，定尺寸后自動(dòng)切斷、落料。
另一方面，國(guó)外的產(chǎn)品充分融合了機(jī)械技術(shù)、電子技術(shù)、液壓技術(shù)等，形成了以機(jī)械為筋骨、液壓為肌肉、電氣為神經(jīng)的機(jī)電液一體化綜合控制技術(shù)，充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，體現(xiàn)綜合最優(yōu)驅(qū)動(dòng)及控制能力。因此，鋼筋切斷機(jī)不但要求實(shí)現(xiàn)定長(zhǎng)剪切的高精度控制，同時(shí)要求其具有相對(duì)高的生產(chǎn)效率。所以，如何使鋼筋切斷機(jī)的機(jī)電液系統(tǒng)有機(jī)地高度集成，充分發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì)，將是今后研究的主要方向。
2.2 GQ50型鋼筋切斷機(jī)的改良方向
真對(duì)鋼筋切斷機(jī)存在的這些問題，現(xiàn)提出兩方面改良意見：
（1）輕量化設(shè)計(jì)的改進(jìn)
輕量化設(shè)計(jì)可節(jié)省資源、減少生產(chǎn)、使用、回收等環(huán)節(jié)中了浪費(fèi)，而且就
機(jī)器本身而言，也可以通過輕量化設(shè)計(jì)，在最低成本下達(dá)到機(jī)器的使用性能。就
目前來說，可通過建立虛擬樣機(jī)、并對(duì)其進(jìn)行有限元分析實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)及制造。
（2）結(jié)構(gòu)與造型的改良。
目前的鋼筋切斷機(jī)有閉式與開式兩大類。開式由于體積大，搬移不便、潤(rùn)
滑差等，已經(jīng)很少生產(chǎn)使用。而閉式結(jié)構(gòu)的體積雖較為緊湊，但存在的主要問題
是在傳動(dòng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，維修不太方便。目前在市場(chǎng)上出現(xiàn)了一種在整體閉式
結(jié)構(gòu)上的改良設(shè)計(jì)。即將機(jī)體一側(cè)的1/2-1/3設(shè)計(jì)為可拆卸結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)雖然在加工上增加了工序，但鑄造環(huán)節(jié)更簡(jiǎn)單，安裝比較方便，尤其是便于售后服務(wù)。
2.3鋼筋切斷機(jī)的工作原理
工作原理：采用電動(dòng)機(jī)經(jīng)過一級(jí)帶傳動(dòng)和三級(jí)齒輪傳動(dòng)減速后，帶動(dòng)曲軸旋轉(zhuǎn)，曲軸推動(dòng)連桿，使滑塊和動(dòng)刀片在機(jī)座的滑道中做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，這樣，活動(dòng)刀片和固定刀片就能相錯(cuò)而切斷鋼筋。
2.4 鋼筋切斷機(jī)的基本結(jié)構(gòu)
2.4.1、GQ50型鋼筋切斷機(jī)主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案的確定
通過查找GQ50型鋼筋切斷機(jī)主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的相關(guān)稅資料和專利文獻(xiàn)選取本次設(shè)計(jì)的基本設(shè)計(jì)方案為圖2-1：
圖2-1 切斷機(jī)主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
圖2-1中：1.電機(jī)，2.小帶輪，大帶輪4.一軸5.二軸連軸齒輪 6.三軸 7.曲軸大齒輪 8.機(jī)體 9.二軸 10.三軸連軸齒輪11.曲軸 12.連桿13.活動(dòng)刀座 14.活動(dòng)刀片 5.固定刀片
該方案是在一種改進(jìn)的鋼筋切斷機(jī)。它的箱體由側(cè)面箱板和箱底板組裝成封閉型式：其傳動(dòng)系統(tǒng)采用三軸（六齒輪）三級(jí)齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)；而其曲柄桿與滑塊采用鉤型連接結(jié)構(gòu)。這種改進(jìn)，使箱體制造工藝簡(jiǎn)化。由于是三級(jí)齒輪傳動(dòng)節(jié)省了一根中間傳動(dòng)軸，故而使整機(jī)體積縮小了許多，且降低了成本。而曲柄桿與滑塊的鉤型連接方式，不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且提高了機(jī)械強(qiáng)度，不易損壞，使整機(jī)延長(zhǎng)了壽命。并具有功率范圍大，傳動(dòng)效率高，傳動(dòng)比準(zhǔn)確，工作安全可靠等優(yōu)點(diǎn)
考慮到工地上的機(jī)械需要經(jīng)常變幻地方，且考慮到經(jīng)濟(jì)性，應(yīng)盡量使產(chǎn)品的尺寸減小、結(jié)構(gòu)緊湊，所以本設(shè)計(jì)中的小齒輪都采用齒輪軸的形式。為了節(jié)能、儲(chǔ)能和減震，本設(shè)計(jì)運(yùn)用了飛輪的優(yōu)點(diǎn)。為了使飛輪的結(jié)構(gòu)尺寸不至于過大，本產(chǎn)品把飛輪與大帶輪作為一個(gè)整體來設(shè)計(jì)，故安裝在第一根軸上。
2.4.2、GQ50型鋼筋切斷機(jī)主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本思路：
首先，查找相關(guān)文獻(xiàn)了解鋼筋切斷機(jī)的基本工作原理，熟悉鋼筋切斷機(jī)的基本結(jié)構(gòu)特別是對(duì)本次設(shè)計(jì)的重點(diǎn)住傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)原理進(jìn)行仔細(xì)分析。
其次，對(duì)鋼筋切斷機(jī)中基本傳動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，包括鋼筋切斷機(jī)各軸的運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力參數(shù)，鋼筋切斷機(jī)帶型的選擇、帶輪基準(zhǔn)直徑的確定、帶速的確定、中心距、帶長(zhǎng)及包角的確定、鋼筋切斷機(jī)帶的根數(shù)、帶輪結(jié)構(gòu)與尺寸、鋼筋切斷機(jī)齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)（包鋼筋切斷機(jī)選材料、確定初步參數(shù)、鋼筋切斷機(jī)齒面疲勞強(qiáng)度計(jì)算、鋼筋切斷機(jī)齒根抗彎疲勞強(qiáng)度驗(yàn)算）。
2.4.3、GQ50型鋼筋切斷機(jī)主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法
查找機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)、機(jī)械設(shè)計(jì)原理、機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)等書籍、以及相關(guān)中文和外文文獻(xiàn)、國(guó)內(nèi)外相關(guān)專利等等對(duì)鋼筋切斷機(jī)主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行基本設(shè)計(jì)。
利用pro/e三維軟件對(duì)鋼筋切斷機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)主體零部件進(jìn)行三維建模和仿真分析，對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確性進(jìn)行分析（包過尺寸干涉、強(qiáng)度分析等等）。
3方案設(shè)計(jì)比較
3.1驅(qū)動(dòng)裝置方案選擇
3.1.1液壓驅(qū)動(dòng)
（1）液壓驅(qū)動(dòng)有作用通過幾乎不可壓縮的油液的壓強(qiáng)來實(shí)現(xiàn)，而壓力的大小又取決于負(fù)載的大??；液壓傳動(dòng)可以很容易地實(shí)現(xiàn)無級(jí)變速；液壓輸入功率等于油液壓強(qiáng)與油液流量的乘積。主要有齒輪泵，葉片泵，柱塞泵。前兩種輸出為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，后者輸出為直線運(yùn)動(dòng)。
（2）基于鋼筋切斷機(jī)的工作狀態(tài)，環(huán)境及成本，最宜選擇齒輪泵。齒輪泵有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、工作可靠、自吸性能好、抗油污能力強(qiáng)，但效率低，大，流量脈動(dòng)大，不能用做變量泵等特點(diǎn)。
結(jié)構(gòu)圖如圖3-1。采用液壓系統(tǒng)配合液壓控制裝置，很容易實(shí)現(xiàn)機(jī)械系統(tǒng)的控制。
圖3-1 液壓控制裝置
3.1.2 手動(dòng)驅(qū)動(dòng)
當(dāng)設(shè)計(jì)要求為便攜式鋼筋切斷機(jī)時(shí)可考慮此方案。使用手動(dòng)驅(qū)動(dòng)一般會(huì)用到液壓和壓力倍增機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)相對(duì)復(fù)雜，要求較高。在這里暫不予以考慮。
3.1.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)
電機(jī)驅(qū)動(dòng)是較為常用和傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)方式，特別是三相交流異步電機(jī)應(yīng)用更為廣泛。三相異步電機(jī)的輸出功率比較大，完全可以滿足本設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)要求。故選用電機(jī)驅(qū)動(dòng)作為此切斷機(jī)的切斷驅(qū)動(dòng)裝置。
3.2傳動(dòng)裝置方案選擇
3.2.1 液壓傳動(dòng)方式
若采用液壓泵作為驅(qū)動(dòng)裝置，則應(yīng)選擇液壓的傳動(dòng)方式，因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)已經(jīng)不予以考慮。故排除此傳動(dòng)方式。
3.2.2 帶傳動(dòng)
帶傳動(dòng)為撓性傳動(dòng)，它具有防抱死工況的發(fā)生，所以在以內(nèi)燃機(jī)或工況較惡劣下工作時(shí)的電機(jī)為原機(jī)時(shí)常被采用，特別常在第一級(jí)傳動(dòng)中出現(xiàn)；但由于是靠摩擦來傳遞動(dòng)力，導(dǎo)致部分能量轉(zhuǎn)化為熱，效率下降。盡管如此該傳動(dòng)方式符合本設(shè)計(jì)要求，予以考慮。
3.2.3 齒輪傳動(dòng)
在機(jī)械傳動(dòng)中應(yīng)用最廣泛的傳動(dòng)方式，其傳動(dòng)準(zhǔn)確可靠，效率很高，噪聲小，可以滿足不同工況要求，但其加工成本比較高，可實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)比不是很大，需要多級(jí)傳動(dòng)才能達(dá)到大傳動(dòng)比的要求。予以考慮
3.2.4 組合傳動(dòng)
由于機(jī)械運(yùn)動(dòng)形式、運(yùn)動(dòng)規(guī)律和機(jī)械性能等方面要求的多樣性和復(fù)雜性，而以上傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的局限性，因此常常需要將幾種機(jī)構(gòu)配合起來，形成組合傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。
3.3執(zhí)行裝置方案選擇
執(zhí)行機(jī)構(gòu)選擇的關(guān)鍵是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)，同時(shí)保證好的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力特性。有以下三種方案：
3.3.1曲柄滑塊機(jī)構(gòu)
采用曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，如圖3-2所示，優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造成本低，缺點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)軌跡設(shè)計(jì)很難達(dá)到設(shè)計(jì)要求，從而導(dǎo)致動(dòng)力特性不是很好。
圖3-2 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)
3.3.2齒輪齒條機(jī)構(gòu)
采用齒輪齒條機(jī)構(gòu)，如圖3-3所示，優(yōu)點(diǎn)傳動(dòng)比精確，但在本方案中，亦沒有這方面的要求，且動(dòng)刀運(yùn)動(dòng)需要較好的急回特性，明顯該機(jī)構(gòu)不滿足，故舍棄。
圖3-3 齒輪齒條機(jī)構(gòu)
3.3.3凸輪機(jī)構(gòu)
采用凸輪機(jī)構(gòu)，如圖3-4所示，該方案優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)靈活，可以達(dá)到高精度的運(yùn)動(dòng)曲線和運(yùn)動(dòng)特性要求，但設(shè)計(jì)也相對(duì)復(fù)雜。
圖3-4 凸輪機(jī)構(gòu)
綜上， 本設(shè)計(jì)采用方案1，性能可以達(dá)到設(shè)計(jì)要求
4鋼筋切斷機(jī)傳動(dòng)設(shè)計(jì)
4．1電動(dòng)機(jī)的選擇
根據(jù)本次設(shè)計(jì)的任務(wù)書選取電機(jī)功率為：4kw。
因此根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》由功率數(shù)值和鋼筋切斷機(jī)的應(yīng)用場(chǎng)合由電動(dòng)機(jī)功率為4kw，所以選擇電動(dòng)機(jī)型號(hào)為：
Y112M-2
該電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為2890 r/min，滿載轉(zhuǎn)速為3000r/min。
4.2 基本傳動(dòng)數(shù)據(jù)計(jì)算
減速器是一種由封閉在剛性殼體內(nèi)的蝸桿傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)或齒輪—蝸桿傳動(dòng)所組成的獨(dú)立部件，常用在動(dòng)力機(jī)與工作機(jī)之間作為減速的傳動(dòng)裝置；在少數(shù)場(chǎng)合下也用作增速的傳動(dòng)裝置，此時(shí)就稱為增速器。減速器由于結(jié)構(gòu)緊湊、效率較高、傳遞運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)確可靠、使用維護(hù)簡(jiǎn)單，并可成批生產(chǎn)，故在現(xiàn)代機(jī)械中應(yīng)用很廣。本設(shè)計(jì)中采用的是三級(jí)減速器。
4.2.1傳動(dòng)比的分配
1）總傳動(dòng)比：
2）分配傳動(dòng)裝置的傳動(dòng)比：
上述表達(dá)式中：
分別為帶傳動(dòng)與減速器（三級(jí)齒輪減速）的傳動(dòng)比。
為使V帶傳動(dòng)的外廓尺寸不致過大，同時(shí)使減速器的傳動(dòng)比圓整以便更方便的獲得圓整地齒數(shù)。初步?。?
=1.6
則減速器的傳動(dòng)比為：
3）分配減速器的各級(jí)傳動(dòng)比
《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》，?。?
=4，=4
則：
=4。
4.2.2 各軸的運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力參數(shù)分析
1、各軸的轉(zhuǎn)速計(jì)算
根據(jù)本次畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書結(jié)合上述計(jì)算結(jié)果有：
1） Ⅰ軸的轉(zhuǎn)速為：
2） Ⅱ軸的轉(zhuǎn)速比為：
3） Ⅲ軸的轉(zhuǎn)速比為：
4）曲軸的傳動(dòng)比為：
2、各軸輸入功率的計(jì)算
查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》可以選?。?
A） 帶傳動(dòng)的傳動(dòng)效率=0.96
B） 齒輪傳動(dòng)的傳動(dòng)效率為0.97。則
1）Ⅰ軸的傳動(dòng)功率為：
2）Ⅱ軸的傳動(dòng)功率為：
4） Ⅲ軸的傳動(dòng)功率為：
5）曲軸的傳動(dòng)功率為：
3、各軸的輸入轉(zhuǎn)矩計(jì)算
根據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)資料和設(shè)計(jì)公式有：
1）電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩為：
2）Ⅰ軸的輸出轉(zhuǎn)矩為：
3）Ⅱ軸的輸出轉(zhuǎn)矩為：
4）Ⅲ軸的輸出轉(zhuǎn)矩：
5）曲軸的輸出轉(zhuǎn)矩：
4.3 帶傳動(dòng)的設(shè)計(jì)
4.3.1帶型的選擇
由上述設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)可知，V帶的傳動(dòng)功率為4kw，小帶輪的轉(zhuǎn)速為2890r/min，大帶輪的轉(zhuǎn)速為1806r/min。
查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》可知：
工況系數(shù)?。?
KA=1.5
傳遞功率為：
Pc=1.5×4=6kw
根據(jù)以上數(shù)值及小帶輪的轉(zhuǎn)速查相應(yīng)得圖表選取B型V帶。
4.3.2帶輪基準(zhǔn)直徑的確定
由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》，取小帶輪的基準(zhǔn)直徑為：
則大帶輪的基準(zhǔn)直徑為：
4.3.3帶速的確定
根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》的相關(guān)公式可以計(jì)算得到帶速：
4.3.4中心距、帶長(zhǎng)及包角的確定
由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》知，帶的中心距選取為：
0.7(d1+d2)
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