畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）-頂升旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

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1、 頂升旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)  摘要 當(dāng)前汽車用蓄電池是利用高度自動(dòng)化的制造流水線進(jìn)行生產(chǎn)。但現(xiàn)有結(jié)構(gòu)技術(shù)中，汽車蓄電池在打碼時(shí)，通常采用人工手動(dòng)旋轉(zhuǎn)后打碼，既耗費(fèi)人力效率又低。本論文為汽車用蓄電池在生產(chǎn)線上的打碼工序設(shè)計(jì)一個(gè)頂升旋轉(zhuǎn)裝置，用于蓄電池旋轉(zhuǎn)頂升定位后完成打碼工序。完成的主要內(nèi)容如下： 1.針對(duì)打碼需要的工況進(jìn)行分析，完成頂升機(jī)構(gòu)和旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的整體設(shè)計(jì)及重要零部件的選型，并用SolidWorks軟件進(jìn)行整體的建模。 2.使用ANSYS Workbench軟件對(duì)頂升機(jī)構(gòu)的三種工況進(jìn)行有限元分析，其中單獨(dú)分析傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的靜力學(xué)，結(jié)果表明該裝置整體

2、強(qiáng)度、剛度滿足要求。在此裝置靜力學(xué)分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行不同工況的模態(tài)分析，查看整體變形情況，結(jié)合兩者的結(jié)果進(jìn)行個(gè)別零件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化。 通過上述研究，該結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)將為快速打碼提供技術(shù)支持和理論指導(dǎo)。有利于提高蓄電池打碼生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，并且有重要的工程應(yīng)用意義。 關(guān)鍵詞：頂升機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、靜力學(xué)分析、優(yōu)化 全套圖紙加扣 3346389411或3012250582 Abstract At present, automobile batteries are produced by highly automated manufacturing lines. Howeve

3、r, in the current structure technology, when the automobile battery is coding, it usually USES manual manual rotation to code, which is not only labor-intensive but also low in efficiency. This paper designs a jacking rotating device for the coding process of automobile battery on the production lin

4、e, which is used to complete the coding process after the battery jacking positioning. The main contents completed are as follows: 1.Analyze the working conditions required for coding and determine the schemes of key institutions. Complete the overall design of jacking mechanism and rotary mechanis

5、m，and check important parts, and finally use SolidWorks software for overall modeling. 2. The finite element analysis of three oerating environment of jacking mechanism was carried out by ANSYS Workbench，ANSYS Workbench was used for finite element analysis of three working conditions of jacking mec

6、hanism, among which the statics of transmission mechanism is analyzed separately. The results show that the overall statics conditions of the device meet the requirements. On the basis of the static analysis of the device, the modal analysis of different working environment is conducted, the overall

7、 deformation is viewed, and the structural optimization of individual parts is conducted based on the results of both. Through the above research, the realization of this structure will provide technical support and theoretical guidance for fast coding. It is beneficial to increase production effic

8、iency of battery coding, reduce the production cost, and has important engineering application significance. Key Words：jacking mechanism, rotating mechanism, statics analysis, optimization II 目錄 摘要 I 目錄 III 第1章 緒論 1 1.1 研究意義 1 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1 1.2.1 在數(shù)控機(jī)床上的應(yīng)用 1 1.2.2 在生產(chǎn)線上的應(yīng)用 3 1.3 總

9、體技術(shù)方案 5 第2章 頂升旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 7 2.1 頂升機(jī)構(gòu)分類 7 2.2 頂升機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 8 2.2.1 氣缸型號(hào)的選取 9 2.3 旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 10 2.3.1 旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的分類 10 2.3.2 旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的工作原理 10 2.3.3 齒輪齒條設(shè)計(jì) 12 2.3.4 軸的校核 16 2.3.5 軸承的校核 18 2.3.6 鍵的校核 19 2.3.7 裝置的其他部件的選用 19 2.4 本章小結(jié) 20 第3章 頂升旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)靜力學(xué)分析 21 3.1 有限元分析介紹 21 3.2 ANSYS Workbench軟件介紹 21 3.3 頂升機(jī)構(gòu)靜力學(xué)分析

10、 21 3.4 齒輪齒條靜力學(xué)分析 25 3.5 本章小結(jié) 26 第4章 頂升機(jī)構(gòu)模態(tài)分析及優(yōu)化 27 4.1 頂升機(jī)構(gòu)模態(tài)分析 27 4.1.1 靜止工況模態(tài)分析 27 4.1.2 運(yùn)動(dòng)工況模態(tài)分析 29 4.2 系統(tǒng)關(guān)鍵部位的優(yōu)化 30 4.3 本章小結(jié) 32 第5章 總結(jié)與展望 33 參考文獻(xiàn)： 34 致謝 36 附錄 37 IV 第1章 緒論 1.1 研究意義 隨著技術(shù)的進(jìn)步、社會(huì)的發(fā)展，在生產(chǎn)中采取自動(dòng)化生產(chǎn)線加工的方式也越來越普遍，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和頂升機(jī)構(gòu)是這種方式中的重要部件。特別是在電子制造行業(yè)和汽車裝配線及生產(chǎn)流水線中中，不論是汽

11、車零件的安裝還是在生產(chǎn)線中汽車的裝配，都需要頂升機(jī)構(gòu)和旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的配合使用來方便工人的操作。汽車用蓄電池在產(chǎn)品打標(biāo)的過程中，有些產(chǎn)品需要人工轉(zhuǎn)換方向再來完成打標(biāo)。這種打標(biāo)方式由工人操作費(fèi)力，效率特別低，而且容易出現(xiàn)安全隱患。 因此，為了提高此工序的效率，設(shè)計(jì)出一個(gè)角度可控的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)升降的頂升機(jī)構(gòu)二合一的裝置。適用于汽車用蓄電池的的頂升旋轉(zhuǎn)后打碼，在使用操作過程中，安全可靠，操作簡單。 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)工件位置變化的重要機(jī)構(gòu)，在電子、農(nóng)業(yè)、食品等自動(dòng)生產(chǎn)線上和機(jī)械加工行業(yè)應(yīng)用的非常廣泛。在機(jī)械加工中大部分用回轉(zhuǎn)工作臺(tái)即作為機(jī)床的功能部件來實(shí)現(xiàn)角度的變化。 1.2

12、.1 在數(shù)控機(jī)床上的應(yīng)用 隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)、數(shù)控技術(shù)、機(jī)械制造技術(shù)的不斷發(fā)展，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)在機(jī)床上的結(jié)構(gòu)也變得多種多樣。 在數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的設(shè)計(jì)中王友林等[1]使用蝸輪蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)了新型兩軸工作臺(tái)，兩軸可聯(lián)動(dòng)使用，其中第一個(gè)軸能獨(dú)立實(shí)現(xiàn)90°以內(nèi)的旋轉(zhuǎn)，另外一根軸控制實(shí)現(xiàn)360°的旋轉(zhuǎn)，既可以單獨(dú)控制又能聯(lián)動(dòng)控制。為了克服加工中心中零件有不均勻孔分布時(shí)調(diào)整工位的問題，銅陵有色安慶月山礦業(yè)公司[2]研究設(shè)計(jì)了采用箱體式結(jié)構(gòu)的數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)，工況為重載情況下回轉(zhuǎn)臺(tái)能夠旋轉(zhuǎn)準(zhǔn)確的角度而沒有偏差，定位精度達(dá)到30＂。煙臺(tái)公司研制的TK2500系列數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)則是驅(qū)動(dòng)方式上有所突破，采用電機(jī)直驅(qū)的方

13、法，將絕對(duì)編碼器的應(yīng)用添加到工作臺(tái)中，在旋轉(zhuǎn)定位時(shí)提高了精度。同樣使用電機(jī)直驅(qū)并且是國內(nèi)首次應(yīng)用西門子生產(chǎn)的大力矩電機(jī)的是齊重?cái)?shù)控公司，在新開發(fā)的一種 [3]磨床工作臺(tái)中投入使用，降低了工作臺(tái)徑向和端面跳動(dòng)度，實(shí)現(xiàn)了高精度傳動(dòng)隨著企業(yè)技術(shù)的不斷投入，產(chǎn)品的設(shè)計(jì)思路與工藝手段不斷完善。 但是機(jī)床使用直驅(qū)方式驅(qū)動(dòng)就技術(shù)而言，國外早已領(lǐng)先國內(nèi)很多。和國內(nèi)在數(shù)控機(jī)床方面使用電機(jī)直驅(qū)的時(shí)間不同，早在二十世紀(jì) 90 年代初，德國就已經(jīng)制造出了世界上首個(gè)使用電機(jī)直驅(qū)的方式驅(qū)動(dòng)機(jī)床運(yùn)作，并且在漢諾威國際機(jī)床展上展覽出了這個(gè)高端的加工中心[4]。現(xiàn)在世界上銷量領(lǐng)先的幾個(gè)機(jī)床制造公司，例如馬扎克和德瑪機(jī)都是用直

14、接驅(qū)動(dòng)來提升數(shù)控機(jī)床主軸的旋轉(zhuǎn)速度和精度?？梢姴捎弥苯域?qū)動(dòng)的方式已經(jīng)成為制造業(yè)中的首選，提高生產(chǎn)的效率和準(zhǔn)確性。 而且國外相較于國內(nèi)在機(jī)床回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上很有自己的想法。即可以實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)的動(dòng)作，又能使零件翻轉(zhuǎn)的機(jī)床由意大利茵塞公司生產(chǎn)的數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)可以完成，主要是通過液壓缸實(shí)現(xiàn)定位支撐的，如圖1.1所示。 在這種[5]支承結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜的機(jī)械中，不同機(jī)器位置的承載能力差異很重要。為適應(yīng)核電反應(yīng)堆吊籃的內(nèi)部加工，在設(shè)計(jì)中可以互相借鑒和應(yīng)用不同機(jī)床的結(jié)構(gòu)思路，例如在回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的設(shè)計(jì)中運(yùn)用銑床、鏜床的立柱式設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)分度，如圖1.2所示。 圖1.1 INNSE 可

15、翻轉(zhuǎn)回轉(zhuǎn)工作臺(tái) 圖1.2 INNSE 環(huán)形車銑加工工作臺(tái) 旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)在其他方面的應(yīng)用也非常廣泛。吳瑞清[6]為解決注塑機(jī)上由于慣性的作用，合模時(shí)的轉(zhuǎn)動(dòng)盤的旋轉(zhuǎn)角度超過180 °，導(dǎo)致動(dòng)模與定模不能對(duì)齊進(jìn)行合模的缺陷，設(shè)計(jì)了一種裝有定位裝置的注塑機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)盤，即包括與底座固定連接的螺套和與螺套內(nèi)螺紋相嚙合的螺桿。這其中設(shè)計(jì)的導(dǎo)向桿與導(dǎo)向槽相互配合，而導(dǎo)向槽設(shè)計(jì)成可利用滑塊從第一個(gè)定位到第二個(gè)定位的轉(zhuǎn)換，所以就實(shí)現(xiàn)了推動(dòng)導(dǎo)向桿就能精準(zhǔn)控制轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)180°。 市場上大轉(zhuǎn)臺(tái)定角度旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)多采用電動(dòng)機(jī)直連或者角度分割器實(shí)現(xiàn)。但是相對(duì)于一些小的裝置，使用電動(dòng)機(jī)直連的方式控制旋轉(zhuǎn)會(huì)使得生產(chǎn)成本變高。

16、要確保角度的精確還需另外安裝角度控制器，這樣安裝的空間大，而且整體的成本也不比電動(dòng)機(jī)的低，所以也不是最佳的選擇。為解決成本上的難題，賈萍萍[7]等設(shè)計(jì)改進(jìn)一種全自動(dòng)水膠貼合機(jī)，其中轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)即一種大轉(zhuǎn)臺(tái)定角度旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，通過旋轉(zhuǎn)氣缸加上軸環(huán)的方式實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)和雙工位之間的切換。這個(gè)設(shè)計(jì)能夠保證在降低設(shè)備成本的同時(shí)也保證旋轉(zhuǎn)的定位精度，其實(shí)現(xiàn)了設(shè)備在運(yùn)行過程中雙工位之間的平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)的功能，且具有角度自由選擇設(shè)備自動(dòng)化程度高，節(jié)約人力成本，提高生產(chǎn)效率。 旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和升降機(jī)構(gòu)共同配合使用的場所也是非常多見的。王慧蓮[8]等設(shè)計(jì)了一種可以代替絕緣高架車完成狹窄場所的帶電作業(yè)項(xiàng)目,即180°旋轉(zhuǎn)升降絕緣

17、平臺(tái)。解決了在高壓狀態(tài)下的電力檢修上，碰到的狹窄的空間中絕緣高架車受到限制，使得整個(gè)工作面臨停滯的問題。此裝置首先用升降機(jī)構(gòu)保證絕緣平臺(tái)的高度，即讓絕緣平臺(tái)上升一米，再通過旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)中設(shè)計(jì)的蝸輪蝸桿副實(shí)現(xiàn)平臺(tái)以導(dǎo)軌為旋轉(zhuǎn)軸的180°的旋轉(zhuǎn),來調(diào)整絕緣平臺(tái)相的水平位置位置,為工作人員提供更加靈活的操作條件。 在表演中旋轉(zhuǎn)升降舞臺(tái)的使用非常的普遍，根據(jù)表演的需要，呈現(xiàn)方式也不同。常用的舞臺(tái)升降機(jī)構(gòu)有液壓式和機(jī)械式，其中會(huì)采用剪叉結(jié)構(gòu)來使行程放大。大多數(shù)的舞臺(tái)升降系統(tǒng)顧慮安全和承重因素，將臺(tái)面和升降機(jī)頂部連結(jié)，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)的升降卻不能實(shí)現(xiàn)舞臺(tái)旋轉(zhuǎn)。王棟[9]等人發(fā)明了只有一個(gè)驅(qū)動(dòng)裝置卻可以實(shí)現(xiàn)舞臺(tái)的旋轉(zhuǎn)

18、和升降一套系統(tǒng)，固定架和旋轉(zhuǎn)舞臺(tái)中通過桿支撐，當(dāng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，舞臺(tái)旋轉(zhuǎn)再通過中間支撐桿結(jié)構(gòu)中的套桿和滑輪組的配合使舞臺(tái)上升，完成邊上升邊旋轉(zhuǎn)的動(dòng)作，制造成本低，適用性廣。 1.2.2 在生產(chǎn)線上的應(yīng)用 自動(dòng)化生產(chǎn)線上送料系統(tǒng)或者上料系統(tǒng)中旋轉(zhuǎn)裝置和頂升裝置的應(yīng)用非常普遍。對(duì)于自動(dòng)化生產(chǎn)線上加工技術(shù)的探索和應(yīng)用，我國與國外相比較起步較晚。在二十世紀(jì)20-50年代期間，隨著工業(yè)的發(fā)展，為了利用資源并且減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，適應(yīng)生產(chǎn)需要，各種單機(jī)半自動(dòng)化加工設(shè)備出現(xiàn)[10]，伴隨著出現(xiàn)的就是微電子技術(shù)，此技術(shù)是以集成電路為核心，對(duì)自動(dòng)化生產(chǎn)線的發(fā)展帶來了巨大的影響，并意味著進(jìn)入了單機(jī)半自動(dòng)化階段。

19、六十年代-七十年代中期，在此階段的基礎(chǔ)上，改版了原有的加工裝置，增加了上下料裝置，將單個(gè)工藝過程實(shí)現(xiàn)了加工循環(huán)，對(duì)于大中批量生產(chǎn)有了硬性的加工條件，比原來在半自動(dòng)化階段提高了效率。七十年代以后[11,12]，隨著計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)、信息技術(shù)、機(jī)器人和自動(dòng)化技術(shù)的飛速發(fā)展，市場競爭進(jìn)一步加劇，豐富了自動(dòng)化生產(chǎn)線的技術(shù)，集結(jié)了各種傳感、集結(jié)、接口和計(jì)算機(jī)技術(shù)。在這些技術(shù)的推動(dòng)下，自動(dòng)化生產(chǎn)線有了更加顯著的進(jìn)步，激勵(lì)和推動(dòng)國內(nèi)出現(xiàn)一些向輕工業(yè)、食品和農(nóng)業(yè)等行業(yè)對(duì)口的，采用完全自動(dòng)化生產(chǎn)的公司，并在不斷地改進(jìn)和優(yōu)化自己的生產(chǎn)線技術(shù) [13]。 現(xiàn)在的大批量生產(chǎn)的自動(dòng)化生產(chǎn)線中使用各種數(shù)控機(jī)床和工業(yè)機(jī)器人

20、技術(shù)，不僅減小設(shè)備的占地面積更加重要的是提高了整體的生產(chǎn)效率，大大降低了生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)成本，有巨大的經(jīng)濟(jì)效益 [14,15]。 圖 1.3汽車部件裝配線和生產(chǎn)線 在自動(dòng)線的輸送中，出現(xiàn)融合幾種機(jī)構(gòu)、一起實(shí)現(xiàn)幾種動(dòng)作的高效率、低成本的裝置的現(xiàn)象非常的應(yīng)運(yùn)?；剞D(zhuǎn)式數(shù)控多工位運(yùn)輸機(jī)的分選和轉(zhuǎn)向提升運(yùn)輸功能可廣泛應(yīng)用于各種行業(yè)中，例如輕工業(yè)、重工業(yè)、汽車行業(yè)和廣告業(yè)等。適應(yīng)不同重量物體的搬運(yùn)、標(biāo)準(zhǔn)提升和機(jī)械手的精確定位助力，適應(yīng)不同生產(chǎn)工藝和裝備要求，如圖 1.3所示： 為解決隨著汽車玻璃產(chǎn)量的提升，原有的汽車玻璃運(yùn)輸方式已經(jīng)不能滿足汽車整車生產(chǎn)的問題趙興新設(shè)計(jì)出一種新型輸送系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)汽車玻

21、璃的頂升和旋轉(zhuǎn)；在手拉天車系統(tǒng)的夾具內(nèi)設(shè)有伸縮氣缸和旋轉(zhuǎn)氣缸，旋轉(zhuǎn)氣缸可將玻璃旋轉(zhuǎn)到適當(dāng)角度，以便于玻璃進(jìn)行下一個(gè)工序。玻璃頂升系統(tǒng)內(nèi)一共有 4 套玻璃頂升機(jī)構(gòu)，頂升機(jī)構(gòu)內(nèi)設(shè)有伸縮氣缸，配合機(jī)械結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車玻璃的舉升，每個(gè)工作區(qū)域的2個(gè)玻璃頂升機(jī)構(gòu)分別用于前風(fēng)窗玻璃和后風(fēng)窗玻璃的舉升，以方便 AGV 小車的搬運(yùn)和卸載[16]。 姜力[17]等為了解決 TFT－LCD 生產(chǎn)過程中對(duì)玻璃在垂直方向移動(dòng)以及水平方向旋轉(zhuǎn)的問題，同時(shí)考慮傳輸玻璃平穩(wěn)要求以及傳輸潔凈環(huán)境的要求，設(shè)計(jì)出玻璃的旋轉(zhuǎn)頂升對(duì)中的傳輸裝置。將頂升與旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)配合使用，既加快了生產(chǎn)過程，又減少了成本的投入，極大地提高了生產(chǎn)效益。

22、在汽車生產(chǎn)線上，運(yùn)用頂升和旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)也很常見。劉維峰等[18]為方便汽車自動(dòng)生產(chǎn)線中座椅翻轉(zhuǎn)的生產(chǎn)，設(shè)計(jì)了一種托盤自動(dòng)旋轉(zhuǎn)裝置，既能旋轉(zhuǎn)座椅又可舉升。它的頂升和旋轉(zhuǎn)都是通過氣缸實(shí)現(xiàn)，升降氣缸用于整個(gè)裝備的升降，而旋轉(zhuǎn)氣缸控制托盤的旋轉(zhuǎn)角度，既可以減少人的勞動(dòng)強(qiáng)度，又可以提升整個(gè)工作效率。姚敏[19]等為解決汽車安裝生產(chǎn)線由于生產(chǎn)需要和廠房的限制不能高效率的完成升降旋轉(zhuǎn)工作，即工人操作某一個(gè)工序要先調(diào)整工作臺(tái)中零件的方向，然后再調(diào)整工作臺(tái)的高度，這樣一步一步完成裝配工作，影響生產(chǎn)效率，他設(shè)計(jì)一種裝配工作臺(tái)和升降臺(tái)是一起的裝置，滿足了操作者靈活多變的工作需求。 李晶[20]設(shè)計(jì)了一種全自動(dòng)錘珠機(jī)解

23、決珠形首飾件生產(chǎn)設(shè)備落后、加工步驟繁瑣、耗費(fèi)人力大且制作精度不夠、效率低的現(xiàn)實(shí)矛盾。此裝置為實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)和升降，用步進(jìn)電機(jī)提供動(dòng)力，旋轉(zhuǎn)模塊中帶動(dòng)齒輪齒條旋轉(zhuǎn)，為后續(xù)沖壓動(dòng)作提供一個(gè)新的加工工位；升降模塊中主要設(shè)計(jì)絲杠提升或降低滑軌，用這兩個(gè)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)脫模和入模動(dòng)作。 再多工位的靈活運(yùn)輸?shù)膬?yōu)化上曲文[21]結(jié)合自動(dòng)化生產(chǎn)線中國內(nèi)外現(xiàn)有的運(yùn)輸設(shè)備，設(shè)計(jì)了回轉(zhuǎn)式數(shù)控多工位運(yùn)輸機(jī)?；剞D(zhuǎn)式就是將多工位合理布置后，數(shù)字化完成一系列工序，在運(yùn)輸、出料和后續(xù)工位的操作都變得非常高效。而且在某一工序中使用電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠的升降，比起其他的升降裝置結(jié)構(gòu)更加緊湊，占地面積少。 1.3 總體技術(shù)方案 圖 1.4 技術(shù)路

24、線 本論文為汽車用蓄電池在生產(chǎn)線上的打碼工序設(shè)計(jì)一個(gè)頂升旋轉(zhuǎn)裝置，用于蓄電池旋轉(zhuǎn)頂升定位后完成打碼工序。主要研究內(nèi)容有： 第一章：緒論，主要就使用頂升旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的同類型設(shè)備的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，包括作為機(jī)床部件和生產(chǎn)線上的輔助裝置的應(yīng)用，課題的研究意義等進(jìn)行分析和闡述。 第二章：設(shè)計(jì)頂升旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的工作原理和主要組成，主要對(duì)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)進(jìn)程進(jìn)行理論概述，概念建模后對(duì)主要的零部件進(jìn)行校核驗(yàn)證，對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)的研究設(shè)計(jì)，插入機(jī)構(gòu)的相關(guān)的三維模型，便于說明。 第三章：依據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成頂升旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的三維建模，利用ANSYS Workbench軟件對(duì)整個(gè)裝置及重要的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)分析，

25、查看其強(qiáng)度和剛度是否滿足要求。 第四章：依據(jù)頂升旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作情況，進(jìn)行機(jī)構(gòu)的模態(tài)分析，結(jié)合靜力學(xué)分析結(jié)果對(duì)部分零件進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化。 第五章：總結(jié)和展望，對(duì)整個(gè)研究課題進(jìn)行總結(jié)，總結(jié)全文內(nèi)容和主要工作。  6 武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第2章 頂升旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 2.1 頂升機(jī)構(gòu)分類 頂升機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的方式有很多，具體有以下幾種方式： 1.滾珠絲桿：電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)一圈則為一個(gè)導(dǎo)程，精度高，頂升均勻，效率一般超過90%； 2.梯形絲杠：截面為梯形，螺母座與其面摩擦而實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)，滑動(dòng)摩擦面損傷較大，有一定的自鎖性，不適用于高速傳遞，與滾珠絲桿相比較，溫升較

26、大，效率很低，在30%左右； 3.同步帶：耐磨性強(qiáng)，適用溫度范圍較大，一般速度不超過50m/s，適合低速運(yùn)動(dòng)，噪聲小，保養(yǎng)方便，效率很高； 4.直線電機(jī)：精度高但價(jià)格昂貴； 5.齒輪齒條：結(jié)構(gòu)簡單，承載能力大，可無限延長距離，但是噪音大、精度不高、需要潤滑。 6.氣缸：結(jié)構(gòu)簡單，氣源來源方便，便于貯存。工作性能安全可靠，工作的壓強(qiáng)一般為0.2-0.8MPa，速度選擇方便，但輸出力和力矩不大。 通過初步比較上述方法的優(yōu)缺點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)氣缸頂升機(jī)構(gòu)的運(yùn)行比較平穩(wěn)，而且考慮到頂升的行程不大，且成本不高，所以最終選用氣缸頂升。 為了實(shí)現(xiàn)蓄電池在傳輸過程中實(shí)現(xiàn)垂直方向的升降以及水平方向上的旋轉(zhuǎn)達(dá)到

27、打標(biāo)的位置要求，本文設(shè)計(jì)出一種裝置同時(shí)滿足要求，圖 2.1是該裝置的結(jié)構(gòu)示意圖： 圖 2.1頂升旋轉(zhuǎn)裝置示意圖 1、托架；2、MGPM50-75三軸氣缸；3、頂升組裝板；4、氣缸頂板；5、偏心調(diào)整輪組；6、緩沖器；7、固定板；8、連接板；9、滑塊；10、齒條+滑軌；11、齒輪；12、旋轉(zhuǎn)墊圈；13、軸座；14、圓錐滾子軸承；15、托板；16、定位銷；17、MDBB32-Z250標(biāo)準(zhǔn)氣缸 設(shè)計(jì)的頂升旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)主要包括托板、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、托架、頂升用氣缸和頂升組裝板等等。托板和旋轉(zhuǎn)軸通過螺栓和螺釘連接，托板上設(shè)計(jì)有定位銷用于角度的定位，托板和旋轉(zhuǎn)組裝安裝板依次通過中部

28、的帶有圓錐滾子軸承的頂升旋轉(zhuǎn)軸連接，帶有圓錐滾子軸承的頂升旋轉(zhuǎn)軸套著齒輪，齒輪又與齒條相嚙合。當(dāng)氣缸帶動(dòng)齒條運(yùn)動(dòng)時(shí)，齒輪便繞著頂升旋轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)托板旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)組件安裝板上相對(duì)的位置裝有緩沖器和螺栓，托板底下設(shè)計(jì)一個(gè)擋板，當(dāng)齒輪帶動(dòng)托板旋轉(zhuǎn)時(shí)螺栓擋板相碰實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)的角度為180度，同時(shí)擋板和緩沖器相碰，起到減小瞬間沖擊的一個(gè)作用。托架與頂升氣缸底部連接，頂升氣缸頂部裝有氣缸頂板，與旋轉(zhuǎn)組件安裝板相連接，利用三軸缸控制整個(gè)機(jī)構(gòu)的上升或下降。 2.2 頂升機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 此次頂升機(jī)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)主要采用兩個(gè)三軸氣缸同步頂升的方式實(shí)現(xiàn)。三軸氣缸可以承受較大的載荷，導(dǎo)向精度高,可承受較大側(cè)向力。 設(shè)計(jì)主要由兩個(gè)氣

29、缸和組裝頂升板以及調(diào)整輪組組成。旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)與頂升機(jī)構(gòu)有一部分相連，所以有另外的連接板也包含在頂升機(jī)構(gòu)中。通過氣缸實(shí)現(xiàn)頂升板上的所有的部件的一起頂升或下降。 圖 2.2 頂升機(jī)構(gòu)的組成 從圖 2.2中可以看出兩個(gè)三軸氣缸上安裝氣缸頂板，氣缸頂板和組裝頂升板用螺栓固定，三軸氣缸底部與托架固定。在機(jī)構(gòu)頂升或下降過程中，通過同步氣動(dòng)回路控制兩個(gè)三軸氣缸的同步性，避免出現(xiàn)因不同步導(dǎo)致頂升板的傾斜。由于托盤和頂升板之間有一段距離，減少托板受到位置不穩(wěn)的情況出現(xiàn)，在托板和頂升板之間放置調(diào)整輪組用以微調(diào)。 2.2.1 氣缸型號(hào)的選取 按照設(shè)計(jì)氣缸的運(yùn)動(dòng)方向?yàn)樨Q直運(yùn)動(dòng)，氣缸的實(shí)際負(fù)載是由工況決定的

30、，即此機(jī)構(gòu)中一起頂升的部件加上托板載著的零件的總重估算為80Kg，有兩個(gè)三軸缸同步使其上升下降，故每個(gè)三軸缸承受的實(shí)際負(fù)載為40Kg。 負(fù)載率n和理論負(fù)載及實(shí)機(jī)負(fù)載有關(guān)系，而負(fù)載率n的選取與氣缸的運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)，如表2.1所示： 表 2.1氣缸負(fù)載性能與運(yùn)動(dòng)速度頂升機(jī)構(gòu)組成 負(fù)載的運(yùn)動(dòng)狀態(tài) 靜負(fù)載 如加緊、低速壓鉚 動(dòng)載荷 氣缸速度<100mm/s 氣缸速度100~500mm/s 氣缸速度>500mm/s 負(fù)載率n ≤80% ≤65% ≤50% ≤30% 根據(jù)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與負(fù)載率的關(guān)系表格，三軸缸的速度選為100mm/s，對(duì)應(yīng)選擇的負(fù)載率為n=50%。 根據(jù)實(shí)際負(fù)

31、載力與理論力的公式: n=FFO×100% （2.1） 得出理論負(fù)載力為： F0=Fn=40g50%=800N 氣缸缸徑與理論負(fù)載力的公式為： Fo=π4D2P （2.2） 式中：FO-氣缸理論輸出力（N）；D-氣缸缸徑（mm）；P-工作壓力（kgf/cm2）。 P一般取0.2~0.8Mpa，在此處取0.5MPa 經(jīng)計(jì)算得出: D2=4F0πP=4×800Nπ×0.5MPa=2

32、037.18mm2 所以D=45.13mm，根據(jù)一些氣缸生產(chǎn)廠商的產(chǎn)品手冊，故選用D=50mm,需要頂升50mm，故選擇75mm的行程，根據(jù)一些氣缸生產(chǎn)廠商的產(chǎn)品手冊，此設(shè)計(jì)中選用三軸氣缸MGPM50-75。 2.3 旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 2.3.1 旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的分類 旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)分為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和動(dòng)力機(jī)構(gòu)，常采用的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)有如下幾種： 主要是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)改變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)的有螺旋式旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、曲柄式旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、蝸輪蝸桿式和齒輪齒條式。幾種機(jī)構(gòu)的構(gòu)成方式不同但是最終的目的一樣，都有各自的優(yōu)點(diǎn)和短板。凸輪式旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)中凸輪作為主動(dòng)件在輕工業(yè)鄰域使用的較廣；曲柄式旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)多用于汽車領(lǐng)域，最常見的是作為發(fā)動(dòng)機(jī)的主要部

33、件，將力變換為轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動(dòng)車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)。這其中有自鎖性能的有螺旋式旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和蝸輪蝸桿式機(jī)構(gòu)，前者需要選擇合適的導(dǎo)程角，而且可以獲得很多的減速比，后者則是需要其螺旋線升角小于當(dāng)量摩擦角。蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)方式與齒輪齒條傳動(dòng)相似，都有傳動(dòng)平穩(wěn)的優(yōu)點(diǎn)，但是齒輪齒條傳動(dòng)精度高，不論齒條有多長都能滿足傳動(dòng)的精度，傳動(dòng)速度可以很高，而且齒條齒輪傳動(dòng)對(duì)于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來講要相對(duì)簡單一些。 通過以上幾種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的比對(duì)，選取更適合此裝置的齒輪齒條機(jī)構(gòu)?？紤]到旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)連接在頂升組裝板上，需要給傳動(dòng)機(jī)構(gòu)提供動(dòng)力的裝置輕便且可以不干涉其他零件與頂升板組裝，提供動(dòng)力的裝置選用氣缸，方便安裝。 2.3.2 旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的工作原理

34、 圖 2.3 旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的組成 如圖 2.3所示，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)分別由三部分構(gòu)成：傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、動(dòng)力源和旋轉(zhuǎn)控制部件。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是齒輪齒條副，由氣缸提供動(dòng)力。齒條帶動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)，齒輪和旋轉(zhuǎn)軸及托板一起旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)物體的轉(zhuǎn)向。托板底下設(shè)有擋板，擋板和兩個(gè)互呈180°安裝在頂升組裝板上的緩沖器配合實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)的角度在0~180°。氣缸通過連接板與頂升組裝板固定，確保齒條直線運(yùn)動(dòng)的滑塊通過固定板與頂升組裝板連接。 一、 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算 1. 本設(shè)計(jì)中涉及到的零件為汽車用蓄電池尺寸為244mm*172mm*188mm,參考重量為17.2Kg I1=ma2+b212=17.2×(0.2442+0.1722)

35、12=0.128Kg·m2 （2.3） 2. 托盤 本設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)直徑為570mm,假設(shè)整個(gè)托盤質(zhì)量均勻分布，材料選定為灰鑄鐵，利用SW質(zhì)量檢測估算出其質(zhì)量為21.866 kg I2=mr22=21.866×0.28522=0.888Kg·m2 （2.4） 3. 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量總和 I=I1+I2=0.888+0.128=1.016Kg·m2 設(shè)計(jì)由氣缸帶動(dòng)齒輪保證2s內(nèi)旋轉(zhuǎn)180°，故在旋轉(zhuǎn)期間不能超過其最大速度。 4. 合外力矩 M=Iβ=Iωt=1.016×π22=0.7979

36、N.m （2.5） 5. 計(jì)算理論力 初步設(shè)定齒輪為直齒圓柱齒輪，取模數(shù)m=2、齒數(shù)z=63，則： M=Fr （2.6） F=Md12=0.74922×63×10-32=12.66N 二、 氣缸的選型計(jì)算 1. 缸徑的計(jì)算 由于實(shí)際推力較小，所以普通氣缸就能滿足要求。計(jì)算時(shí)考慮到其他因素，將實(shí)際推力取為F=15N。根據(jù)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與負(fù)載率的關(guān)系，氣缸的速度選為100mm/s，對(duì)應(yīng)選擇的負(fù)載率為n=50%。 根據(jù)實(shí)際負(fù)載力與理論力的公式，得出理論負(fù)載力為： F0=F

37、n=15N50%=30N 根據(jù)氣缸缸徑與理論負(fù)載力的公式（P取0.5Mpa），得出缸徑值： D2=4F0πP=4×30Nπ×0.5MPa=76.39mm2 所以D=8.74mm，根據(jù)表格選擇D=32mm的標(biāo)準(zhǔn)氣缸可以滿足。 2. 行程的計(jì)算 由于齒輪旋轉(zhuǎn)一半能滿足旋轉(zhuǎn)角度，所以取齒輪的一半周長作為走過的行程， L=d1π2=126×π2=197.92mm 選擇的標(biāo)準(zhǔn)行程應(yīng)該預(yù)留，故選擇250mm，最終確定為 2.3.3 齒輪齒條設(shè)計(jì) 一、 齒輪設(shè)計(jì) 根據(jù)齒輪保證2s內(nèi)旋轉(zhuǎn)180°，知道齒輪的角速度為： ω=π2rad/s 一般齒輪模數(shù)在2~3mm之間，壓力角取α

38、=20°，直齒圓柱齒輪齒數(shù)≥17，故取模數(shù)m=2、壓力角 α=20°、齒數(shù)z=63,選用軟齒面，HB<350，精度等級(jí)7級(jí)。 選用材料：齒輪和齒條都采用調(diào)質(zhì)處理，齒輪的硬度需比齒條的高，所以齒輪材料選40Cr，硬度為280HBS，齒條材料選45鋼，硬度為240HBS。 分度圓直徑: d1=mz1=2×63=126mm 角速度與線速度的關(guān)系： v=ωr=π2×126×10-32=0.099m/s （2.7） 線速度與轉(zhuǎn)速的關(guān)系： v=D×π×n （2.8）

39、 n=vDπ=0.099m/s126mm×3.14=0.25r/min 1. 按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì)（查詢齒輪設(shè)計(jì)手冊所得） 由設(shè)計(jì)計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算，即 dt1≥2.323KtTφdu+1uZEσH2 （2.9） 1) 確定公式內(nèi)的數(shù)值 i. 試選載荷系數(shù)Kt=1.2 b) 計(jì)算齒輪的傳遞轉(zhuǎn)矩（預(yù)模數(shù)m=2mm,直徑d=126mm） T=Fd12=12.66N×126mm2=0.7979×103N·mm （2.10） c) 查表選齒寬系數(shù)φd=0.5 d) 由表查得材料的彈性影響系數(shù)ZE=189.8MPa12 e) 由圖按齒面

40、硬度查得接觸疲勞強(qiáng)度極限齒輪的σHlim1=600Mpa，齒條的σHlim2=550Mpa f) 應(yīng)力循環(huán)次數(shù) N=60njLh=60×0.25×1×2×8×300×8=5.76×105 （2.11） g) 由圖取得接觸疲勞壽命系數(shù)KHN1=KHN2=1.4 h) 計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力，取安全系數(shù)SHmin=1.3， σH=σHlimKHNSHmin （2.12） σH1=1.4×6001.3=646.15MPa σH2==1.4×5501.3=592.31MPa 比較兩個(gè)值的大小，取較小的σH=σH2=592.

41、31MPa 2) 計(jì)算 i. 齒輪的分度圓直徑 dt1≥2.3231.2×0.7979×1030.563+163189.8592.312=13.562mm b) 圓周速度v v=π×dt1×n60×1000=π×13.562×0.2560000=0.18mm/s （2.13） c) 齒寬b b=φd·dt1=0.5×13.562=6.781mm d) 齒寬與齒高之比 mt=dt1z=13.56263=0.21mm （2.14） h=2.25mt=2.25×0.21=0.526mm （2.15） bh=6.781

42、0.526=12.89 e) 載荷系數(shù) 根據(jù)7級(jí)精度查得KV=1,直齒輪KHα=KFα=1，查得使用系數(shù)KA=1.35，查表格7級(jí)精度、齒輪懸臂布置時(shí)KHβ=1.18，由bh=12.89、KHβ=1.18查得KFβ=1.15，載荷系數(shù)K=KHαKAKHβKV=1.18×1.35×1×1=1.593 f) 按實(shí)際的計(jì)算分度圓直徑 d1=dt13KKt=13.562×31.5931.2=14.905mm （2.16） g) 模數(shù) m=d1z=14.90563=0.236mm 2. 按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì) m≥32KTφdz2YFaYSaσF

43、 （2.17） 1) 確定數(shù)值 a) 由圖查得彎曲疲勞強(qiáng)度極限齒輪σFlim1=500Mpa,齒條σFlim2=380Mpa b) 由圖取彎曲疲勞壽命系數(shù)KFN1=1.1, KFN2=1.2 c) 計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力 取安全系數(shù)SFmin=1. σF=σFlimKFNSFmin （2.18） σF1=σFlim1KFN1SFmin=1.1×5001.2=458.33MPa σF2=σFlim2KFN2SFmin=1.2×3801.2=380MPa d) 載荷系數(shù) K=KAKVKFβKFα=1.35×1.15×1×

44、1=1.5525 e) 由齒形系數(shù)查得YFa1=2.75, YFa2=2.16，應(yīng)力校正系數(shù)YSa1=1.68，YSa2=2.02 f) 計(jì)算齒輪齒條的YFaYSaσF并加以比較 YFa1YSa1σF1=2.75×1.68458.33=0.01008 YFa2YSa2σF2=2.16×2.02380=0.01148 齒輪的數(shù)值大。 2) 設(shè)計(jì)計(jì)算 m≥32×1.5525×0.7979×1030.5×632×0.01148=0.24mm 由于齒輪模數(shù)m的大小主要決定彎曲強(qiáng)度，而齒面接觸疲勞強(qiáng)度主要取決于齒輪直徑。將對(duì)應(yīng)的值即算得的模數(shù)m=0.24和算的分度圓直徑d=14.905m

45、m，帶入式子中算出齒輪齒數(shù) z=dm=14.9050.24≈63 以上驗(yàn)證了m=2, d=126mm的齒輪是符合強(qiáng)度要求的。 二、 齒條設(shè)計(jì) 根據(jù)與齒輪嚙合的特征，齒條模數(shù)取m=2，齒數(shù)選取為z=63。 設(shè)計(jì)的托板載著零件旋轉(zhuǎn)180°，即通過齒輪旋轉(zhuǎn)180°實(shí)現(xiàn)。齒條將要走過的距離為齒輪周長的一半，故設(shè)計(jì)齒輪的長度時(shí)理應(yīng)多取一些值，齒條的長度設(shè)計(jì)參考齒輪的周長: l=πd=3.14×126=395.84mm 取整后齒條的長l=395mm （三）齒輪齒條參數(shù)表 表 2.2齒輪齒條的參數(shù)表 名稱 計(jì)算公式 齒輪 齒條 模數(shù) m 2 2 齒數(shù) z 63 63

46、 齒頂高 ha=ha*m 2mm 2mm 齒根高 hf=ha*+c*m 2.5mm 2.5mm 全齒高 h=ha+hf 4.5mm 4.5mm 分度圓直徑 d=mz 126mm - 齒頂圓直徑 dh=d+2ha 130mm - 齒根圓直徑 df=d-2hf 121mm 121mm 齒寬 b 25mm 30mm 齒距 p=πm 6.28mm 6.28mm 齒厚 s=p2 3.14mm 3.14mm 齒槽寬 e=p2 3.14mm 3.14mm 2.3.4 軸的校核 1. 計(jì)算軸的直徑 計(jì)算軸的最小直徑（查《

47、機(jī)械設(shè)計(jì)手冊（第5版）》6-1-19表可取C=112） P=Tn9550 (2.19) P=0.7979N·m×0.25r/min9550=2.08×10-5Kw d≥C3Pn=112×32.08×10-50.25=4.89mm (2.20) 式中：P-軸傳遞的功率（Kw）；n-軸的工作轉(zhuǎn)速（r/min）. 考慮和綜合實(shí)際情況，軸的最小直徑設(shè)計(jì)時(shí)取40mm 2. 校核 選材為45鋼，調(diào)質(zhì)處理，機(jī)械性能查表6-1-1得抗拉強(qiáng)度σb=650

48、MPa,屈服強(qiáng)度 σs=360MPa,彎曲疲勞極限σ-1=270MPa，扭轉(zhuǎn)疲勞極限τ-1=155MPa，許用彎曲應(yīng)力σ+1=215Mpa、σo=100Mpa、σ-1=60 Mpa。 1) 計(jì)算作用在齒輪上的力： 已知d=126mm，T=0.7979×103N·mm，則 圓周力Ft : Ft=2Td=2×0.7979×103N·mm126mm=12.66N (2.21) 徑向力Fr : Fr=Fttan20°=12.66×tan20°=4.61N (2.22) 2) 求作用在軸上的力 a) 水平支反力： Ft=FHA+FH

49、BFt×(L1+L2)=FHB×L2 FHA=-14.61N、FHB=27.27N MH1=FHA×L2=-589.6395N·mm b) 垂直支反力 Fr=FVA+FVBFr×(L1+L2)=FVB×L2 FVA=-14.45N、FVB=19.06N MV=FVA×L2=-241.662N·mm c) 合成彎矩 MH=MH2+MV2 =637.2403N·mm 圖 2.4 受力、扭彎矩圖 d

50、) 扭矩T=797.9N·mm e) 校核危險(xiǎn)截面 校核軸上受力最大的彎矩和扭矩的危險(xiǎn)截面的強(qiáng)度。根據(jù) σα=(MW)2+4(?T2W)2=M2+?T2W≤σ-1 (2.23) 查手冊取脈動(dòng)循環(huán)系數(shù)?=0.6，計(jì)算當(dāng)量彎矩， Mα1=MH2+?T2=637.24032+0.6×797.92=797.0365N·mm σα=Mα10.1d3=797.03650.1×403≈0.1242MPa 已選取軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理，查的σ-1=60MPa。因此σα<σ-1，故軸設(shè)計(jì)的尺寸強(qiáng)度足夠。 2.3.5 軸承的校核 對(duì)于GB/T297-94

51、圓錐滾子軸承30208，查詢機(jī)械手冊得到： 基本額定動(dòng)載荷：Cr=34KN 由上述軸的計(jì)算得，軸所受的軸向力 支點(diǎn)A處軸承所受的合力： RA=FHA2+FVA2=1.952+14.452=14.58N 支點(diǎn)B處軸承所受的合力： RB=FVB2+FHB2=14.612+19.062=24.01N 由計(jì)算可得，靠近齒輪的支點(diǎn)B處軸承易受損壞，B處為緊邊。 Fr=FB=24.01N，F(xiàn)a=G=390.66N. 得徑向動(dòng)載荷系數(shù)x=0.4，y=1.6，據(jù)公式可得軸承的當(dāng)量動(dòng)載荷P的值： P=xFr+yFa=0.4×24.01+1.6×390.66=634.66N Lh=106

52、60×n(CP)ε (2.24) Lh=2×8×300×8=38400h 因?yàn)槭菆A錐滾子軸承，其中ε取103，n=0.25r/min,帶入值： Lh=10660×0.25(34000634.66)103=3.86×1010>38400h 所以軸承符合要求。 2.3.6 鍵的校核 校核齒輪處的鍵連接 查取機(jī)械設(shè)計(jì)手冊，根據(jù)載荷類型選擇C型平鍵 尺寸為：b×h=12mm×8mm , GB/T1096-2003 查表鋼的靜鏈接在使用時(shí)的許用應(yīng)力[σp]=100~120MPa 校核鍵： σp=2T×103Kld=2×797.94

53、×30×40=0.332MPa<[σp] (2.25) 式中，T為傳動(dòng)轉(zhuǎn)矩，d為軸的直徑，h為鍵的高度，l為鍵的工作長度。經(jīng)計(jì)算可知，所選取的鍵合乎設(shè)計(jì)的要求，可用。 2.3.7 裝置的其他部件的選用 1. 偏心調(diào)整輪組 機(jī)構(gòu)在頂升過程中，托板承載著物體有可能會(huì)出現(xiàn)傾斜，為避免這種情況的發(fā)生，設(shè)置四個(gè)偏心調(diào)整輪組，分別由左右兩個(gè)支架、支撐滾輪、曲軸、軸承和軸承擋圈構(gòu)成。其中曲軸將和滾輪接觸的部分與不接觸的部分設(shè)計(jì)成不同軸，達(dá)到支撐滾輪可幫助托板完成自調(diào)節(jié)，讓托板始終保持平穩(wěn)。支撐滾輪選用橡膠，材質(zhì)軟，有緩沖功能。 2. 緩沖器的選用 旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)帶著物體旋轉(zhuǎn)到指定角

54、度，會(huì)出現(xiàn)瞬間運(yùn)動(dòng)形式的改變，可能會(huì)有沖擊，需要液壓緩沖器緩解。考慮到是旋轉(zhuǎn)撞擊，且物體質(zhì)量為17.2Kg，但是旋轉(zhuǎn)速度低，故選用小的緩沖器。 取旋轉(zhuǎn)半徑為物體底部對(duì)角線的一半，大約為150mm，角速度已知是π/2rad/s，計(jì)算相關(guān)的值： EK=12ω2=1.23N·m (2.26) 計(jì)算得出動(dòng)能非常的小，故選型時(shí)只看物體質(zhì)量與角速度即可，考慮安裝環(huán)境，最終選擇最大吸收能量為60J 的ACA2020-1N緩沖器。 角度的控制需要有一個(gè)剛性的里零件使物體定位，選用螺栓定位，將螺栓和緩沖器安裝在

55、一起。 3. 軸承座 旋轉(zhuǎn)軸上選用嵌入式軸座，優(yōu)點(diǎn)是重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊，軸承座結(jié)構(gòu)尺寸按照用其定位的軸承的外徑來確定。 4. 潤滑油的選擇 旋轉(zhuǎn)軸上的齒輪與軸承采用同種潤滑油比較便利，考慮該裝置用于小型設(shè)備，選用一般工業(yè)用油潤滑。 2.4 本章小結(jié) 本章主要對(duì)頂升旋轉(zhuǎn)裝置的頂升機(jī)構(gòu)和旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)分開設(shè)計(jì)包括標(biāo)準(zhǔn)件的選型以及旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)中關(guān)鍵零件的校核計(jì)算。 20 武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第3章 頂升旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)靜力學(xué)分析 3.1 有限元分析介紹 有限元分析（FEA，F(xiàn)inite Element Analysis）的定義是利用數(shù)學(xué)近似的方法對(duì)真實(shí)物理系統(tǒng)（幾何和載荷工況）進(jìn)行模

56、擬。它的主要運(yùn)用的思路是將復(fù)雜問題簡單化，將其細(xì)分割為若干個(gè)小的單元來求解，結(jié)合起來所得到結(jié)果并不是原來問題的精確的答案，而是無限趨近于正確答案的近似解。這個(gè)方法早先出現(xiàn)是為了檢查計(jì)算航空行業(yè)中某些結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是否符合要求，但現(xiàn)在這種方法對(duì)其它領(lǐng)域的問題也適用，逐漸成為解決工程應(yīng)用問題最有效的手段之一。 由于它適用性廣泛，不僅能對(duì)某一結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和校核，所以有限元分析方法不拘泥于一個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展，而是慢慢的向各種機(jī)構(gòu)的優(yōu)化方面涉及，成為工程設(shè)計(jì)的重要組成部分[22] 。 3.2 ANSYS Workbench軟件介紹 利用有限元分析的軟件有很多，目前被人熟知的有：ABAQUS、ANSYS和M

57、SC三個(gè)知名度較大的公司。其中ANSYS 軟件是由美國 SASI公司研究開發(fā)的一款包含結(jié)構(gòu)分析、流體分析、磁場分析和耦合場分析等多功能一體的有限元分析軟件。此軟件一般分為前處理、分析和后處理模塊。從7.0版本開始分為ANSYSY經(jīng)典和ANSYS Workbench界面。其中ANSYS Workbench具有協(xié)同仿真環(huán)境，可以將較為復(fù)雜的系統(tǒng)進(jìn)行線性和非線性分析、動(dòng)力學(xué)分析、熱、電磁場以及耦合場等進(jìn)行分析 [23]。有經(jīng)典界面沒有的優(yōu)點(diǎn)，就是實(shí)現(xiàn)了軟件前后處理之間的信息調(diào)用，可以在相同的前處理情況下，連接到用戶自己想要的分析模塊中，在一個(gè)模塊中可以任意改變前處理，在變化后可刷新得到之后的結(jié)果，使

58、用非常方便。 3.3 頂升機(jī)構(gòu)靜力學(xué)分析 1、導(dǎo)入模型 本文研宄過程中采用SolidWorks建立裝配體的簡化模型，將模型保存為x-t格式后直接導(dǎo)入到ANSYS Workbench中，進(jìn)行后續(xù)的操作。 2、網(wǎng)格劃分 ANSYS軟件提供的網(wǎng)格劃分方式有：四面體劃分網(wǎng)格法(Terahedrons)、掃掠法（Swept Meshing）、自動(dòng)劃分法（Automatic）、六面體劃分網(wǎng)格（Hex Dominat）、多層劃分（multizone）和笛卡爾（Cartesian）等方式。此次模型主要用四面體網(wǎng)格劃分，細(xì)化接觸面和易變形區(qū)域，總共劃分網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)為224486，單元為127513。

59、3、定義材料屬性 裝配體模型導(dǎo)入后，對(duì)各個(gè)零件材料屬性進(jìn)行設(shè)置，可以自己輸入也可從外部導(dǎo)入。在此次分析中除了特定的幾個(gè)零件的材料屬性是自己手動(dòng)設(shè)置外，其他零件用默認(rèn)的材料。定義的零件屬性如表 3.1所示： 表 3.1頂升機(jī)構(gòu)零件材料屬性表 零件 材料 密度Kg/m-3 楊氏模量Pa 泊松比 托板 HT300 7300 1.43E+11 0.27 旋轉(zhuǎn)軸 45鋼 7890 2.09E+11 0.269 氣缸軸 鋁合金 2770 7.1E+10 0.33 其他 Structural Steel 7850 2E+11 0.3 4、施加約束條

60、件 模型是有多個(gè)零件組成的裝配體，在ANSYS Workbench導(dǎo)入裝配體時(shí)，程序就會(huì)在自動(dòng)掃描形成接觸副，由于是線性計(jì)算，主要使用綁定接觸和不分離接觸。根據(jù)工況的不同，分別施加約束，保證裝配體的自由度。 5、分析結(jié)果 頂升機(jī)構(gòu)的靜力學(xué)分析主要分成三大工況，分別為有載荷靜止工況、有載荷頂升工況和有載荷下降工況。其中每個(gè)工況又分為兩個(gè)，在托板正中央和邊緣處不同位置受到載荷的小工況。根據(jù)工況的不同分別施加約束。 （1）靜止工況 圖 3.1靜止工況的應(yīng)力變形圖和等效應(yīng)力圖 由圖 3.1可得，靜止工況中將物體放在正中央時(shí)最大變形在托板邊緣處，但是整體的最大變形不到0. 1m

61、m；在邊緣處受力時(shí)最大應(yīng)力變形也在托板的邊緣處，也是非常小，但跟前一種情況比較變形較大。兩種情況的最大等效應(yīng)力在氣缸頂板和頂升組裝板的連接點(diǎn)處，有可能是出現(xiàn)了網(wǎng)格劃分不精細(xì)的問題，但都不超過5 MPa，符合要求。 （2）頂升工況 圖 3.2頂升工況的應(yīng)力變形圖和等效應(yīng)力圖 由圖 3.2可得，頂升工況物體放在正中央最大應(yīng)力變形處在氣缸軸和氣缸頂板相連的部分，而物體放在邊緣處的最大應(yīng)力變形處在在托盤的邊緣，雖然位置不同但變形非常?。蛔畲蟮牡刃?yīng)力在施加向上壓強(qiáng)的氣缸軸部位，都是15. 175MPa，符合要求。  （3）下降工況 圖 3.3下降工況的應(yīng)力變形圖和等效應(yīng)力圖

62、 由圖 3.3可得，下降工況物體放在正中央最大應(yīng)力變形處在頂升組裝板的突出部位邊緣處，而物體放在邊緣處的最大應(yīng)力變形處在在托盤的邊緣，雖然位置不同但變形非常小；最大的等效應(yīng)力在施加向上壓強(qiáng)的氣缸軸部位，都是18.774MPa，符合要求。 3.4 齒輪齒條靜力學(xué)分析 將齒輪齒條裝配體在SW中建好模型后，另存為X-T格式導(dǎo)入到Workbench界面。賦予材料屬性后設(shè)置好接觸對(duì)，再進(jìn)行網(wǎng)格劃分。共劃分網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)為392146，單元為197486，然后設(shè)置約束后進(jìn)行有限元分析，得到齒輪副的應(yīng)力變形圖和等效應(yīng)力圖。 表 3.2齒輪齒條材料屬性表 零件 材料 密度Kg/m-3 楊氏模量P

63、a 泊松比 齒輪 40Cr 7870 2.11E+11 0.277 齒條 45鋼 7890 2.09E+11 0.269 圖 3.4齒輪齒條應(yīng)力變形圖和等效應(yīng)力圖 由圖3.4可得，齒輪齒條在扭矩和帶動(dòng)齒條運(yùn)動(dòng)的壓強(qiáng)的作用下，最大的變形量值為2.6401mm，總的最大變形量不大；由圖可知，在模擬正常運(yùn)動(dòng)情況下，最大等效應(yīng)力發(fā)生在齒輪齒條嚙合的地方，即齒根處。分析得出的最大的接觸應(yīng)力為264.23MPa，齒輪齒條的許用接觸應(yīng)力為600MPa，因此符合強(qiáng)度要求。 3.5 本章小結(jié) 本章首先介紹有限元和有限元分析軟件ANSYS Workbench的相關(guān)理論介紹

64、，再進(jìn)行不同工況下的頂升機(jī)構(gòu)的靜力學(xué)分析，查看整體的強(qiáng)度和剛度是否滿足要求。之后進(jìn)行旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)中齒輪齒條的應(yīng)力分析，得出的強(qiáng)度滿足要求。 26 武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第4章 頂升機(jī)構(gòu)模態(tài)分析及優(yōu)化 模態(tài)分析是彈性結(jié)構(gòu)的一種分析方法，以確定彈性結(jié)構(gòu)物在特定頻率或某一范圍內(nèi)的各階主要模態(tài)的特性，就可以推測結(jié)構(gòu)在此頻率范圍內(nèi)在外部或內(nèi)部各種振源作用下產(chǎn)生的實(shí)際振動(dòng)響應(yīng)[24]。模態(tài)分析在預(yù)測物體在不同情況的振源下產(chǎn)生的實(shí)際變形和失效有著重要的意義。通過得到特定頻率下的固有振型，進(jìn)行故障診斷，分析結(jié)構(gòu)受到影響的頻率下實(shí)際振動(dòng)響應(yīng)，維護(hù)設(shè)備安全使用。模態(tài)分析過程可分為四個(gè)步驟：1. 動(dòng)

65、態(tài)數(shù)據(jù)的采集及頻響函數(shù)或脈沖響應(yīng)函數(shù)分析；2.建立結(jié)構(gòu)數(shù)學(xué)模型；3.參數(shù)識(shí)別，細(xì)分為頻域法、時(shí)域法和混合域法；4. 振形動(dòng)畫。 頂升機(jī)構(gòu)的工作狀態(tài)為升起和下降，整個(gè)裝置在運(yùn)動(dòng)過程中有可能受到振動(dòng)發(fā)生部分零件失效，因此對(duì)頂升機(jī)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有重要意義。 模態(tài)分析的核心內(nèi)容是確定描述結(jié)構(gòu)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的參數(shù)，對(duì)于一個(gè)N自由度的線性系統(tǒng)，有限元的基本方程[25]為： Mu+Cu+Ku=F(t) (4.1) 式中：M-質(zhì)量矩陣；u-加速度向量；C-阻尼矩陣；u-速度向量；K-剛度矩陣；u-位移向量；F（t）-作用力向量；t-時(shí)間。 假設(shè)為自由

66、振動(dòng)并忽略阻尼，方程式變?yōu)椋? Mu+Ku=0 (4.2) 自由振動(dòng)滿足如下方程： u=φicosωi (4.3) 式中：φi-第i階模態(tài)形狀的特征向量；ωi-第i階自然振動(dòng)頻率 由式子4.2和4.3可以算出結(jié)構(gòu)振動(dòng)的特征方程： -ωi 2M+K=0 (4.4) 通過上式可以計(jì)算出結(jié)構(gòu)第i階自然振動(dòng)頻率ωi 2 4.1 頂升機(jī)構(gòu)模態(tài)分析 對(duì)頂升機(jī)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析時(shí)，為了盡可能的和實(shí)際工作情況相符合，在靜力學(xué)分析的基礎(chǔ)上，用相同的約束和荷載，對(duì)靜止工況和運(yùn)動(dòng)工況進(jìn)行求解運(yùn)算分別得到其前六階固有頻率和固有振型。 4.1.1 靜止工況模態(tài)分析 圖 4.1靜止工況前六階振型 表 4.1各階模態(tài)參數(shù)及振型分析表 模態(tài) 頻率Hz 振型分析 1 855.21 托板在豎直方向上下振動(dòng)，部分零件開始變形 2 855.23 托板在豎直方向上下振動(dòng)，部分零件開始變形 3 987.33 托板發(fā)生變形，整體變形較小 4 1230.