机械设计说明书 驱动直线步进机械设备的槽轮机构设计

目 录1 驱动直线步进机械设备的槽轮机构设计（6）11.1 设计题目11.2 设计任务11.2.1 设计参数11.2.2 设计内容11.2.3 设计要求11.2.4 设计任务21.2.5 设计资料22 槽轮机构运动分析22.1 槽轮机构运动特性分析22.2 动静比的计算53 槽轮机构的动力学计算73.1 驱动直线步进机械设备扭矩的计算73.2 驱动功率的计算83.3 轴的强度校核94 槽轮机构结构尺寸设计114.1 槽轮主要结构尺寸计算114.2 槽轮机构结构型式124.3 轴的结构尺寸设计134.3.1 槽轮轴的尺寸设计134.3.2 曲柄轴的尺寸设计144.4 轴承及键的选择144.4.1 轴承的选择144.4.2 键的选取145 设计体会及以后的改进意见15参 考 文 献161 驱动直线步进机械设备的槽轮机构设计（6）1.1 设计题目：驱动直线步进机械设备的槽轮机构设计（6）一个外啮合6槽槽轮机构，带动一水平循环的传送带设备做步进运动。 1.2 设计任务1.2.1 设计参数（1）传送带上有40辆小车，每辆小车重20kg，小车与导轨间的摩擦系数为f=0.2；（2）间歇移动的距离为H=200mm；（3）运动-停歇的周期时间为10s；（3）槽轮机构的传动效率为0.9；（4）槽轮轴立式安装，工作台通过一组轴承与机架相连。1.2.2 设计内容（1）根据要求，确定工作台的静止和转位时间；（2）计算主动拨销的转速；（3）计算槽轮轴上的最大扭矩和平均扭矩；（4）对槽轮进行运动学分析。列出槽轮的角位移、角速度和角加速度的方程，并做出相应的曲线图。（5）对槽轮进行受力分析。计算转臂轴上需要的最大驱动力矩和平均功率，确定驱动电机的功率；求出拨销和转臂之间的最大反力，校核转臂轴直径和槽轮轴直径是否满足强度和刚度要求。1.2.3 设计要求课程设计是一必修的实践性教学环节，所有学生必须重视、认真对待，必须独立按时完成课程设计任务，遵守设计纪律，严禁雷同、抄袭。图纸要求：使用计算机软件绘图，注意装配图、零件图的标注内容及格式，要求标注完整、规范，结构合理。说明书要求：按照陕西科技大学课程设计的格式规范，内容详实，分析合理，计算又据，数据可靠。1.2.4 设计任务（1）槽轮机构及其转臂组件的装配图（含箱体，工作台）。（2）槽轮机构的详细图纸（包含组件图和零件图）。（3）图纸量最少为1张装配图和3张零件图。1.2.5 设计资料（1）课程设计说明书（统一左侧装订）（2）相关设计图纸（总计不少于4张）（3）陕西科技大学课程设计评分表（网上下载，不同说明书装订在一起，填写完整的设计题目，姓名等相关资料，并注意评分表下面的日期为2012年）2 槽轮机构运动分析2.1 槽轮机构运动特性分析从结构原理上分析，槽轮机构实际上是曲柄导杆机构的一种变型。在槽轮机构运动过程的任一瞬时，如图2-1所示，槽轮的转角和曲柄的转角之间的几何关系为图2-1 槽轮机构运动特性计算图令，把它代入上式，得（2-1）将上式对时间逐次求导，即得槽轮运动的角速度和角加速度为。（2-2） (2-3)式中为曲柄转角若满足槽轮机构运动平稳无冲击的要求，则拨销在进入退出槽轮的速度和加速度为最小值。于是，由式（2-2），得 式中为拨销进入槽轮时的角速度，为相应于时的曲柄转角。即（2-4） 所以当曲柄拨销在垂直角进入时可以避免第一冲击，此时槽轮的角加速度由式（2-3）可得，式中为拨销进入槽轮时的角加速度， 将代入上式可得可见，曲柄销进入槽轮时存在角速度产生的第二冲击。由图2-1知，槽轮机构角速度变化曲线是对称于位置的，在时达最大值。这对其他槽数的槽轮机构也都成立。只要用带入式（2-2），即可求得槽轮的最大角速度为（2-5）槽轮角速度最大值并不发生在位置。对它求一次倒数并令它等于零得（2-6）角速度分析，=0.5 = 0 10 20 30 40 5060708090 10.9150.710.4770.2750.1180-0.087-0.015-0.2角加速度分析= 01020304050607080900-0.929-1.335-1.272-1.029-0.8-0.577-0.428-0.319-0.246 图2-2 角速度变化曲线图2-3 角加速度变化曲线2.2 动静比的计算 设槽轮有个均匀分布的径向槽，槽轮每一次转动过程的转角为主动件相应的转角为。由此得槽轮的转角（2-7）槽数为6，代入公式得，曲柄的转角（即转臂或拨销盘的转角）（2-8）槽数为6，代入公式，得将值代入下式 设槽轮在一个循环周期中的运动时间为静止时间为，曲柄销转一周的时间为T。（2-9）将式代入以上两式，得3 槽轮机构的动力学计算3.1 驱动直线步进机械设备扭矩的计算 在传送带上，这种机械设备一般都在低速情况下工作，计算扭矩时，通常可忽略惯性力矩而仅考虑摩擦阻力矩。由功率相等原理有：(3-1)式中 F-机械设备的生产阻力，如传送带与支撑导轨间的摩擦力（N） dh-机械设备的微小位移量（m） M2-槽轮轴上的平均扭动转矩（NM） d-槽轮的微小转角（rad） (3-2)式中 H机械设备的最大步进位移量（m） 槽轮的槽间角（rad）将 f=0.2 N=40 m=20kg代入上式F= Nmgf=40209.80.2=1568 N为槽轮轴上平均驱动转矩，主动拨销盘支承轴上的扭矩Mc为： (3-3)式中 Mc拨销盘支撑轴上的扭矩 槽轮转动的角速度 0拨销盘转动的角速度 槽轮机构的传动效率 将式（3-2）代入上式并按最大扭矩计算得3.2 驱动功率的计算槽轮轴上所需的最大功率为（3-4）主动转臂轴上所需的驱动最大功率为（3-5）转臂轴上需要的平均功率为（3-6）查自动机械设计表7-2知：Z=6时，如果由电动机来驱动单个槽轮机构，则电机的额定功率乘以过载系数一定要大于槽轮机构的最大功率。上式求出的P2需除以过载系数后后选择驱动电机的额定功率，此时选电机的过载系数为1.8，则我国普通电机的过载系数为1.82，由表可以看出，z6的槽轮机构其比例系数大于电机的过载系数，所以在设计槽数较少的槽轮机构时，选择电机的额定功率应适当的大于他的平均功率。即选用电机的功率为选取小功率电动机，选择YC系列功率为0.25kW 转速1400r/min此时通过用无级降速器降到6r/min。3.3 轴的强度校核轴受弯矩不大，所以按扭转强度条件计算，轴的扭转强度为(3-7)式中 扭转切应力，； T轴所受的扭矩，Nm；轴的抗扭截面系数，；n轴的转速，r/min；P轴的传递的功率，kW；d计算截面处轴的直径，mm；许用扭转切应力，单位,由上式可得轴的直径(3-8)按最大功率校核，轴选用45号钢，则将P1max=0.19kw，P2=0.21kw,n=6rmin代入上式计算得出槽轮轴的直径：主动曲柄的直径：当轴截面上开有键槽时，应增大轴径以考虑键槽对轴的强度的消弱。对于直径mm的轴，有一个键槽时，轴径应增大5%7%。故槽轮轴的直径：主动曲柄的直径：4 槽轮机构结构尺寸设计 4.1 槽轮主要结构尺寸计算槽轮机构的主要结构尺寸取决于机构所能传递的扭矩，即应具备的强度条件。这和机构的使用情况，材料、热处理、加工装配技术，结构形式等许多影响因素有关。设计时，通常根据工艺要求、布局条件选定适当的中心距和槽数。图4-1 槽轮机构简图(a)、中心距暂时选取中心距=180mm(b)、主动曲柄半径r (c)、主动圆销半径ra(d)、槽轮名义半径R 槽轮的名义外圆半径是指当圆销开始进入槽轮（即当圆销中心A处在位置,如图3-1）所示时槽轮轴心到滚子中心A之间的距离为.如果槽轮为外圆半径则当圆销进入槽轮时，将与轮槽两侧顶端有一间隙，使冲击加剧，这时槽轮实际外圆半径应是槽轮轴心到轮槽边延长线与圆销切点D之间的距离，即(e)、槽深h(f)、槽顶厚，取b=5mm(g)、槽轮轮毂半径(h)、曲柄轴半径，(i)、锁止狐半径(j)、锁止狐张角对定位精度要求较高时，刚可主动转臂上锁止弧所对中心角，应与槽轮在静止时的转臂转角相等，故4.2 槽轮机构结构型式槽轮机构主动件的结构型式，可做成拨销盘或曲柄，也可做成其他形式，如带有拨销的齿轮或蜗杆等。拨销可做成悬臂式单支承或双支承。单支承的刚度一般能满足要求，且适应性强，故本次设计采用单支承。拨销采用套在螺栓上的滚子（套筒）型式。槽轮尺寸较大时可做成镶嵌式结构，在尺寸不大时可做成整体式结构，本次设计采用整体式结构，以降低制造成本。4.3 轴的结构尺寸设计有上式计算知：槽轮轴的直径：主动曲柄的直径：综合强度与经验公式选取槽轮轴最小直径为36mm，曲柄轴最小直径为38mm可免去轴的较核。轮毂的长度D=(1.52)d，槽轮轮毂直径为75mm，曲柄轴轮毂直径为65mm绘制轴的结构简图543231图4-2 轴的结构简图4.3.1 槽轮轴的尺寸设计（1） 确定各轴段直径1段：d1=dmin=36mm，根据公式的估算值2段：d2=40mm，根据轴承的标准选取3段：d3=45mm，大于40mm减少加工4段：d4=48mm，安装零件处的尺寸5段：d5=40mm，根据轴承的标准选取轴肩直径取55、52，（2）确定个轴段长度1段：l=70mm，估算值2段：l=20mm，根据轴承的标准选取3段：l=75mm，根据曲柄的轮毂长度计算4段：l=70mm，此处小于零件的轮毂长度5段：l=20mm，根据轴承的标准选取肩的宽度为5mm，因此轴的总长度为265mm4.3.2 曲柄轴的尺寸设计方法同上4.4 轴承及键的选择4.4.1 轴承的选择本次设计中由于槽轮作为传动件所受的扭矩大于弯矩，且在轴向方向受力较少，因此本次设计中选用深沟球轴承。查机械课程设计简明手册表8-23深沟球轴承分别选为曲柄轴：一对圆珠滚子轴承6008配合槽轮轴：一对圆珠滚子轴承6009配合4.4.2 键的选取建的选择包括类型选择和尺寸选择，键的类型应根据键连接的结构特点、使用要求和工作条件来选择，本次设计采用平键连接.键的尺寸按符合标准规格和强度要求来取定。键的主要尺寸为其截面尺寸（一般以键宽b键高h表示）与长度l。建的截面尺寸bxh按轴的直径d由标准中选定。键的长度L一般可按轮毂的长度来决定，即键长等于或小于轮毂的长度，且符合标准的长度系列。查机械设计表6-1可知直径48的轴上选用bh=149,深度t为公称尺寸7mm长度L=63mm直径36的轴上选用bh=108,深度t为公称尺寸7.5mm长度L=40mm直径44的轴上选用bh=128,深度t为公称尺寸4.0mm长度L=56mm直径38的轴上选用bh=128,深度t为公称尺寸4.0mm长度L=45mm5 设计体会及以后的改进意见本次的课程设计也是大学生涯的最后一次课程设计，通过本次的课程设计，使我对原先学习过的知识进行了一次系统的温故，把原先所学的知识进行了一次综合。以前没接触过的槽轮机构，在这次课程设计中，通过查阅资料，对其结构，工作原理，有了一定了解。了解到当其他条件相同时，槽数越少，加速度越大，惯性冲级越强烈，磨损越严重，精度保持性越差。外槽轮机构虽然结构结构简单和制造安装方便，但运动性能不够理想，而且调节性能差，因此限制了他的运动速度。虽然可以通过增加槽轮槽数来改善槽轮机构的运动特性，但槽数增加动静比变大，生产率降低。为此可以利用具有规律性变速回转特性的机构，带动槽轮机构的主动件做变速连续回转运动，通过合理设计，使槽轮获得动力特性性能良好的步进输出运动。也可以通过改变主动拨销回转半径，来改变特性。这次课程设计，使我从中学到了很多很容易被忽视的问题、知识点，课堂上也有部分知识不太清楚，因此不得不边学边用，时刻巩固所学知识，甚至还培养了自己的耐心、细心、专心的性格。尤其是这次课程设计在即将到来的毕业设计之前，这对于明年的毕业设计肯定有莫大的帮助。课程设计不仅是对前面所学知识的一种检验，而且也是对自己能力的一种磨练。通过这次课程设计使我明白了自己原来知识还比较欠缺，自己要学习的东西还太多。有些东西以为学会了，但真正到用的时候才发现自己真的是捉襟见肘，所以我认为只有将学到的东西应用到实践中去才达到受教育的目的。通过这次课程设计，我也明白了学习是一个长期积累的过程，在以后的工作、生活中都应该不断的学习，努力提高自己知识和综合素质。在本次设计中，得到xxx老师指导帮助，在此表示感谢！本次设计还有不足，希望老师批评指正，特此致敬！ 参 考 文 献1 尚久浩,张淳主编.自动机械设计.北京:中国轻工业出版社，20102 西北工业大学机械原理及机械零件教研室编，濮良贵，纪名刚主编.机械设计.第七版. 北京：高等教育出版社，20053 周开勒主编.机械零件手册.第五版.北京：高等教育出版社，20094 朱龙根主编.简明机械零件设计手册.第二版.北京：机械工业出版社，2005.65 成大先主编.机械设计图册.第二卷.北京：化学工业出版社，20006 机械工程师手册第二版编辑委员会编.机械工程师手册.第二版.北京：机械工业出版社，2000,57 骆素君，朱诗顺主编.机械课程设计简明手册.第二版.北京：化学工业出版社，2011.515