毕业设计（论文）-顶升旋转机构设计

顶升旋转机构设计摘要当前汽车用蓄电池是利用高度自动化的制造流水线进行生产。但现有结构技术中，汽车蓄电池在打码时，通常采用人工手动旋转后打码，既耗费人力效率又低。本论文为汽车用蓄电池在生产线上的打码工序设计一个顶升旋转装置，用于蓄电池旋转顶升定位后完成打码工序。完成的主要内容如下：1.针对打码需要的工况进行分析，完成顶升机构和旋转机构的整体设计及重要零部件的选型，并用SolidWorks软件进行整体的建模。2.使用ANSYS Workbench软件对顶升机构的三种工况进行有限元分析，其中单独分析传动机构的静力学，结果表明该装置整体强度、刚度满足要求。在此装置静力学分析的基础上进行不同工况的模态分析，查看整体变形情况，结合两者的结果进行个别零件的结构优化。 通过上述研究，该结构的实现将为快速打码提供技术支持和理论指导。有利于提高蓄电池打码生产效率，降低生产成本，并且有重要的工程应用意义。关键词：顶升机构、旋转机构、静力学分析、优化全套图纸加扣 3346389411或3012250582AbstractAt present, automobile batteries are produced by highly automated manufacturing lines. However, 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 line, 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 mechanism，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 mechanism, 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 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 efficiency of battery coding, reduce the production cost, and has important engineering application significance.Key Words：jacking mechanism, rotating mechanism, statics analysis, optimizationII目录摘要I目录III第1章绪论11.1研究意义11.2国内外研究现状11.2.1在数控机床上的应用11.2.2在生产线上的应用31.3总体技术方案5第2章顶升旋转机构的设计72.1顶升机构分类72.2顶升机构的设计82.2.1气缸型号的选取92.3旋转机构的设计102.3.1旋转机构的分类102.3.2旋转机构的工作原理102.3.3齿轮齿条设计122.3.4轴的校核162.3.5轴承的校核182.3.6键的校核192.3.7装置的其他部件的选用192.4本章小结20第3章顶升旋转机构静力学分析213.1有限元分析介绍213.2ANSYS Workbench软件介绍213.3顶升机构静力学分析213.4齿轮齿条静力学分析253.5本章小结26第4章顶升机构模态分析及优化274.1顶升机构模态分析274.1.1静止工况模态分析274.1.2运动工况模态分析294.2系统关键部位的优化304.3本章小结32第5章总结与展望33参考文献：34致谢36附录37IV第1章 绪论1.1 研究意义随着技术的进步、社会的发展，在生产中采取自动化生产线加工的方式也越来越普遍，旋转机构和顶升机构是这种方式中的重要部件。特别是在电子制造行业和汽车装配线及生产流水线中中，不论是汽车零件的安装还是在生产线中汽车的装配，都需要顶升机构和旋转机构的配合使用来方便工人的操作。汽车用蓄电池在产品打标的过程中，有些产品需要人工转换方向再来完成打标。这种打标方式由工人操作费力，效率特别低，而且容易出现安全隐患。因此，为了提高此工序的效率，设计出一个角度可控的旋转机构和实现升降的顶升机构二合一的装置。适用于汽车用蓄电池的的顶升旋转后打码，在使用操作过程中，安全可靠，操作简单。1.2 国内外研究现状旋转机构是实现工件位置变化的重要机构，在电子、农业、食品等自动生产线上和机械加工行业应用的非常广泛。在机械加工中大部分用回转工作台即作为机床的功能部件来实现角度的变化。1.2.1 在数控机床上的应用随着计算机科学、数控技术、机械制造技术的不断发展，旋转机构在机床上的结构也变得多种多样。在数控回转工作台的设计中王友林等1使用蜗轮蜗杆传动机构设计了新型两轴工作台，两轴可联动使用，其中第一个轴能独立实现90以内的旋转，另外一根轴控制实现360的旋转，既可以单独控制又能联动控制。为了克服加工中心中零件有不均匀孔分布时调整工位的问题，铜陵有色安庆月山矿业公司2研究设计了采用箱体式结构的数控回转工作台，工况为重载情况下回转台能够旋转准确的角度而没有偏差，定位精度达到30。烟台公司研制的TK2500系列数控回转工作台则是驱动方式上有所突破，采用电机直驱的方法，将绝对编码器的应用添加到工作台中，在旋转定位时提高了精度。同样使用电机直驱并且是国内首次应用西门子生产的大力矩电机的是齐重数控公司，在新开发的一种 3磨床工作台中投入使用，降低了工作台径向和端面跳动度，实现了高精度传动随着企业技术的不断投入，产品的设计思路与工艺手段不断完善。但是机床使用直驱方式驱动就技术而言，国外早已领先国内很多。和国内在数控机床方面使用电机直驱的时间不同，早在二十世纪 90 年代初，德国就已经制造出了世界上首个使用电机直驱的方式驱动机床运作，并且在汉诺威国际机床展上展览出了这个高端的加工中心4。现在世界上销量领先的几个机床制造公司，例如马扎克和德玛机都是用直接驱动来提升数控机床主轴的旋转速度和精度。可见采用直接驱动的方式已经成为制造业中的首选，提高生产的效率和准确性。而且国外相较于国内在机床回转工作台的结构设计上很有自己的想法。即可以实现旋转的动作，又能使零件翻转的机床由意大利茵塞公司生产的数控回转工作台可以完成，主要是通过液压缸实现定位支撑的，如图1.1所示。在这种5支承结构形状复杂的机械中，不同机器位置的承载能力差异很重要。为适应核电反应堆吊篮的内部加工，在设计中可以互相借鉴和应用不同机床的结构思路，例如在回转工作台的设计中运用铣床、镗床的立柱式设计实现回转工作台的回转运动，可实现分度，如图1.2所示。图1.1 INNSE 可翻转回转工作台图1.2 INNSE 环形车铣加工工作台旋转机构在其他方面的应用也非常广泛。吴瑞清6为解决注塑机上由于惯性的作用，合模时的转动盘的旋转角度超过180 ，导致动模与定模不能对齐进行合模的缺陷，设计了一种装有定位装置的注塑机转动盘，即包括与底座固定连接的螺套和与螺套内螺纹相啮合的螺杆。这其中设计的导向杆与导向槽相互配合，而导向槽设计成可利用滑块从第一个定位到第二个定位的转换，所以就实现了推动导向杆就能精准控制转盘旋转180。市场上大转台定角度旋转机构多采用电动机直连或者角度分割器实现。但是相对于一些小的装置，使用电动机直连的方式控制旋转会使得生产成本变高。要确保角度的精确还需另外安装角度控制器，这样安装的空间大，而且整体的成本也不比电动机的低，所以也不是最佳的选择。为解决成本上的难题，贾萍萍7等设计改进一种全自动水胶贴合机，其中转台旋转机构即一种大转台定角度旋转机构，通过旋转气缸加上轴环的方式实现转台旋转和双工位之间的切换。这个设计能够保证在降低设备成本的同时也保证旋转的定位精度，其实现了设备在运行过程中双工位之间的平稳旋转的功能，且具有角度自由选择设备自动化程度高，节约人力成本，提高生产效率。旋转机构和升降机构共同配合使用的场所也是非常多见的。王慧莲8等设计了一种可以代替绝缘高架车完成狭窄场所的带电作业项目,即180旋转升降绝缘平台。解决了在高压状态下的电力检修上，碰到的狭窄的空间中绝缘高架车受到限制，使得整个工作面临停滞的问题。此装置首先用升降机构保证绝缘平台的高度，即让绝缘平台上升一米，再通过旋转机构中设计的蜗轮蜗杆副实现平台以导轨为旋转轴的180的旋转,来调整绝缘平台相的水平位置位置,为工作人员提供更加灵活的操作条件。在表演中旋转升降舞台的使用非常的普遍，根据表演的需要，呈现方式也不同。常用的舞台升降机构有液压式和机械式，其中会采用剪叉结构来使行程放大。大多数的舞台升降系统顾虑安全和承重因素，将台面和升降机顶部连结，实现平稳的升降却不能实现舞台旋转。王栋9等人发明了只有一个驱动装置却可以实现舞台的旋转和升降一套系统，固定架和旋转舞台中通过杆支撑，当电机驱动齿轮旋转时，舞台旋转再通过中间支撑杆结构中的套杆和滑轮组的配合使舞台上升，完成边上升边旋转的动作，制造成本低，适用性广。1.2.2 在生产线上的应用自动化生产线上送料系统或者上料系统中旋转装置和顶升装置的应用非常普遍。对于自动化生产线上加工技术的探索和应用，我国与国外相比较起步较晚。在二十世纪20-50年代期间，随着工业的发展，为了利用资源并且减轻劳动强度，适应生产需要，各种单机半自动化加工设备出现10，伴随着出现的就是微电子技术，此技术是以集成电路为核心，对自动化生产线的发展带来了巨大的影响，并意味着进入了单机半自动化阶段。六十年代-七十年代中期，在此阶段的基础上，改版了原有的加工装置，增加了上下料装置，将单个工艺过程实现了加工循环，对于大中批量生产有了硬性的加工条件，比原来在半自动化阶段提高了效率。七十年代以后11,12，随着计算机辅助技术、信息技术、机器人和自动化技术的飞速发展，市场竞争进一步加剧，丰富了自动化生产线的技术，集结了各种传感、集结、接口和计算机技术。在这些技术的推动下，自动化生产线有了更加显著的进步，激励和推动国内出现一些向轻工业、食品和农业等行业对口的，采用完全自动化生产的公司，并在不断地改进和优化自己的生产线技术 13。现在的大批量生产的自动化生产线中使用各种数控机床和工业机器人技术，不仅减小设备的占地面积更加重要的是提高了整体的生产效率，大大降低了生产的经济成本，有巨大的经济效益 14,15。图 1.3汽车部件装配线和生产线在自动线的输送中，出现融合几种机构、一起实现几种动作的高效率、低成本的装置的现象非常的应运。回转式数控多工位运输机的分选和转向提升运输功能可广泛应用于各种行业中，例如轻工业、重工业、汽车行业和广告业等。适应不同重量物体的搬运、标准提升和机械手的精确定位助力，适应不同生产工艺和装备要求，如图 1.3所示：为解决随着汽车玻璃产量的提升，原有的汽车玻璃运输方式已经不能满足汽车整车生产的问题赵兴新设计出一种新型输送系统，实现汽车玻璃的顶升和旋转；在手拉天车系统的夹具内设有伸缩气缸和旋转气缸，旋转气缸可将玻璃旋转到适当角度，以便于玻璃进行下一个工序。玻璃顶升系统内一共有 4 套玻璃顶升机构，顶升机构内设有伸缩气缸，配合机械结构可实现对汽车玻璃的举升，每个工作区域的2个玻璃顶升机构分别用于前风窗玻璃和后风窗玻璃的举升，以方便 AGV 小车的搬运和卸载16。姜力17等为了解决 TFTLCD 生产过程中对玻璃在垂直方向移动以及水平方向旋转的问题，同时考虑传输玻璃平稳要求以及传输洁净环境的要求，设计出玻璃的旋转顶升对中的传输装置。将顶升与旋转机构配合使用，既加快了生产过程，又减少了成本的投入，极大地提高了生产效益。在汽车生产线上，运用顶升和旋转机构也很常见。刘维峰等18为方便汽车自动生产线中座椅翻转的生产，设计了一种托盘自动旋转装置，既能旋转座椅又可举升。它的顶升和旋转都是通过气缸实现，升降气缸用于整个装备的升降，而旋转气缸控制托盘的旋转角度，既可以减少人的劳动强度，又可以提升整个工作效率。姚敏19等为解决汽车安装生产线由于生产需要和厂房的限制不能高效率的完成升降旋转工作，即工人操作某一个工序要先调整工作台中零件的方向，然后再调整工作台的高度，这样一步一步完成装配工作，影响生产效率，他设计一种装配工作台和升降台是一起的装置，满足了操作者灵活多变的工作需求。李晶20设计了一种全自动锤珠机解决珠形首饰件生产设备落后、加工步骤繁琐、耗费人力大且制作精度不够、效率低的现实矛盾。此装置为实现旋转和升降，用步进电机提供动力，旋转模块中带动齿轮齿条旋转，为后续冲压动作提供一个新的加工工位；升降模块中主要设计丝杠提升或降低滑轨，用这两个机构实现脱模和入模动作。再多工位的灵活运输的优化上曲文21结合自动化生产线中国内外现有的运输设备，设计了回转式数控多工位运输机。回转式就是将多工位合理布置后，数字化完成一系列工序，在运输、出料和后续工位的操作都变得非常高效。而且在某一工序中使用电机驱动丝杠的升降，比起其他的升降装置结构更加紧凑，占地面积少。1.3 总体技术方案图 1.4 技术路线本论文为汽车用蓄电池在生产线上的打码工序设计一个顶升旋转装置，用于蓄电池旋转顶升定位后完成打码工序。主要研究内容有：第一章：绪论，主要就使用顶升旋转机构的同类型设备的国内外研究现状，包括作为机床部件和生产线上的辅助装置的应用，课题的研究意义等进行分析和阐述。 第二章：设计顶升旋转机构的工作原理和主要组成，主要对机构的设计进程进行理论概述，概念建模后对主要的零部件进行校核验证，对执行机构进行了详细的研究设计，插入机构的相关的三维模型，便于说明。第三章：依据结构设计完成顶升旋转机构的三维建模，利用ANSYS Workbench软件对整个装置及重要的传动机构进行静力学分析，查看其强度和刚度是否满足要求。第四章：依据顶升旋转机构结构特点和工作情况，进行机构的模态分析，结合静力学分析结果对部分零件进行结构参数优化。第五章：总结和展望，对整个研究课题进行总结，总结全文内容和主要工作。6武汉理工大学毕业设计（论文）第2章 顶升旋转机构的设计2.1 顶升机构分类顶升机构实现的方式有很多，具体有以下几种方式：1.滚珠丝杆：电机带动转一圈则为一个导程，精度高，顶升均匀，效率一般超过90%；2.梯形丝杠：截面为梯形，螺母座与其面摩擦而实现直线运动，滑动摩擦面损伤较大，有一定的自锁性，不适用于高速传递，与滚珠丝杆相比较，温升较大，效率很低，在30%左右；3.同步带：耐磨性强，适用温度范围较大，一般速度不超过50m/s，适合低速运动，噪声小，保养方便，效率很高；4.直线电机：精度高但价格昂贵；5.齿轮齿条：结构简单，承载能力大，可无限延长距离，但是噪音大、精度不高、需要润滑。6.气缸：结构简单，气源来源方便，便于贮存。工作性能安全可靠，工作的压强一般为0.2-0.8MPa，速度选择方便，但输出力和力矩不大。通过初步比较上述方法的优缺点，发现气缸顶升机构的运行比较平稳，而且考虑到顶升的行程不大，且成本不高，所以最终选用气缸顶升。为了实现蓄电池在传输过程中实现垂直方向的升降以及水平方向上的旋转达到打标的位置要求，本文设计出一种装置同时满足要求，图 2.1是该装置的结构示意图：图 2.1顶升旋转装置示意图1、托架；2、MGPM50-75三轴气缸；3、顶升组装板；4、气缸顶板；5、偏心调整轮组；6、缓冲器；7、固定板；8、连接板；9、滑块；10、齿条+滑轨；11、齿轮；12、旋转垫圈；13、轴座；14、圆锥滚子轴承；15、托板；16、定位销；17、MDBB32-Z250标准气缸设计的顶升旋转机构主要包括托板、旋转机构、托架、顶升用气缸和顶升组装板等等。托板和旋转轴通过螺栓和螺钉连接，托板上设计有定位销用于角度的定位，托板和旋转组装安装板依次通过中部的带有圆锥滚子轴承的顶升旋转轴连接，带有圆锥滚子轴承的顶升旋转轴套着齿轮，齿轮又与齿条相啮合。当气缸带动齿条运动时，齿轮便绕着顶升旋转轴带动托板旋转。旋转组件安装板上相对的位置装有缓冲器和螺栓，托板底下设计一个挡板，当齿轮带动托板旋转时螺栓挡板相碰实现旋转的角度为180度，同时挡板和缓冲器相碰，起到减小瞬间冲击的一个作用。托架与顶升气缸底部连接，顶升气缸顶部装有气缸顶板，与旋转组件安装板相连接，利用三轴缸控制整个机构的上升或下降。2.2 顶升机构的设计此次顶升机构的实现主要采用两个三轴气缸同步顶升的方式实现。三轴气缸可以承受较大的载荷，导向精度高,可承受较大侧向力。设计主要由两个气缸和组装顶升板以及调整轮组组成。旋转机构与顶升机构有一部分相连，所以有另外的连接板也包含在顶升机构中。通过气缸实现顶升板上的所有的部件的一起顶升或下降。图 2.2 顶升机构的组成从图 2.2中可以看出两个三轴气缸上安装气缸顶板，气缸顶板和组装顶升板用螺栓固定，三轴气缸底部与托架固定。在机构顶升或下降过程中，通过同步气动回路控制两个三轴气缸的同步性，避免出现因不同步导致顶升板的倾斜。由于托盘和顶升板之间有一段距离，减少托板受到位置不稳的情况出现，在托板和顶升板之间放置调整轮组用以微调。2.2.1 气缸型号的选取按照设计气缸的运动方向为竖直运动，气缸的实际负载是由工况决定的，即此机构中一起顶升的部件加上托板载着的零件的总重估算为80Kg，有两个三轴缸同步使其上升下降，故每个三轴缸承受的实际负载为40Kg。负载率n和理论负载及实机负载有关系，而负载率n的选取与气缸的运动速度有关，如表2.1所示：表 2.1气缸负载性能与运动速度顶升机构组成负载的运动状态静负载如加紧、低速压铆动载荷气缸速度500mm/s负载率n80%65%50%30%根据运动状态与负载率的关系表格，三轴缸的速度选为100mm/s，对应选择的负载率为n=50%。根据实际负载力与理论力的公式: n=FFO100% （2.1）得出理论负载力为：F0=Fn=40g50%=800N气缸缸径与理论负载力的公式为： Fo=4D2P （2.2）式中：FO-气缸理论输出力（N）；D-气缸缸径（mm）；P-工作压力（kgf/cm2）。P一般取0.20.8Mpa，在此处取0.5MPa经计算得出:D2=4F0P=4800N0.5MPa=2037.18mm2所以D=45.13mm，根据一些气缸生产厂商的产品手册，故选用D=50mm,需要顶升50mm，故选择75mm的行程，根据一些气缸生产厂商的产品手册，此设计中选用三轴气缸MGPM50-75。2.3 旋转机构的设计2.3.1 旋转机构的分类旋转机构分为传动机构和动力机构，常采用的传动机构有如下几种：主要是将旋转运动改变为直线运动的有螺旋式旋转机构、曲柄式旋转机构、蜗轮蜗杆式和齿轮齿条式。几种机构的构成方式不同但是最终的目的一样，都有各自的优点和短板。凸轮式旋转机构中凸轮作为主动件在轻工业邻域使用的较广；曲柄式旋转机构多用于汽车领域，最常见的是作为发动机的主要部件，将力变换为转矩，驱动车轮的转动。这其中有自锁性能的有螺旋式旋转机构和蜗轮蜗杆式机构，前者需要选择合适的导程角，而且可以获得很多的减速比，后者则是需要其螺旋线升角小于当量摩擦角。蜗轮蜗杆机构的传动方式与齿轮齿条传动相似，都有传动平稳的优点，但是齿轮齿条传动精度高，不论齿条有多长都能满足传动的精度，传动速度可以很高，而且齿条齿轮传动对于结构设计来讲要相对简单一些。通过以上几种传动机构的比对，选取更适合此装置的齿轮齿条机构。考虑到旋转机构连接在顶升组装板上，需要给传动机构提供动力的装置轻便且可以不干涉其他零件与顶升板组装，提供动力的装置选用气缸，方便安装。2.3.2 旋转机构的工作原理图 2.3 旋转机构的组成 如图 2.3所示，旋转机构分别由三部分构成：传动机构、动力源和旋转控制部件。传动机构是齿轮齿条副，由气缸提供动力。齿条带动齿轮旋转，齿轮和旋转轴及托板一起旋转，实现物体的转向。托板底下设有挡板，挡板和两个互呈180安装在顶升组装板上的缓冲器配合实现旋转的角度在0180。气缸通过连接板与顶升组装板固定，确保齿条直线运动的滑块通过固定板与顶升组装板连接。一、 转动惯量的计算1. 本设计中涉及到的零件为汽车用蓄电池尺寸为244mm*172mm*188mm,参考重量为17.2KgI1=ma2+b212=17.2(0.2442+0.1722)12=0.128Kgm2 （2.3） 2. 托盘 本设计中设计直径为570mm,假设整个托盘质量均匀分布，材料选定为灰铸铁，利用SW质量检测估算出其质量为21.866 kg I2=mr22=21.8660.28522=0.888Kgm2 （2.4）3. 转动惯量总和I=I1+I2=0.888+0.128=1.016Kgm2设计由气缸带动齿轮保证2s内旋转180，故在旋转期间不能超过其最大速度。4. 合外力矩M=I=It=1.01622=0.7979N.m （2.5）5. 计算理论力初步设定齿轮为直齿圆柱齿轮，取模数m=2、齿数z=63，则：M=Fr （2.6） F=Md12=0.749226310-32=12.66N二、 气缸的选型计算1. 缸径的计算由于实际推力较小，所以普通气缸就能满足要求。计算时考虑到其他因素，将实际推力取为F=15N。根据运动状态与负载率的关系，气缸的速度选为100mm/s，对应选择的负载率为n=50%。根据实际负载力与理论力的公式，得出理论负载力为：F0=Fn=15N50%=30N根据气缸缸径与理论负载力的公式（P取0.5Mpa），得出缸径值：D2=4F0P=430N0.5MPa=76.39mm2所以D=8.74mm，根据表格选择D=32mm的标准气缸可以满足。2. 行程的计算由于齿轮旋转一半能满足旋转角度，所以取齿轮的一半周长作为走过的行程， L=d12=1262=197.92mm选择的标准行程应该预留，故选择250mm，最终确定为2.3.3 齿轮齿条设计一、 齿轮设计根据齿轮保证2s内旋转180，知道齿轮的角速度为：=2rad/s一般齿轮模数在23mm之间，压力角取=20，直齿圆柱齿轮齿数17，故取模数m=2、压力角 =20、齿数z=63,选用软齿面，HB350，精度等级7级。选用材料：齿轮和齿条都采用调质处理，齿轮的硬度需比齿条的高，所以齿轮材料选40Cr，硬度为280HBS，齿条材料选45钢，硬度为240HBS。分度圆直径:d1=mz1=263=126mm角速度与线速度的关系：v=r=212610-32=0.099m/s （2.7）线速度与转速的关系： v=Dn （2.8）n=vD=0.099m/s126mm3.14=0.25r/min1. 按齿面接触强度设计（查询齿轮设计手册所得）由设计计算公式进行计算，即dt12.323KtTdu+1uZEH2 （2.9）1) 确定公式内的数值i. 试选载荷系数Kt=1.2b) 计算齿轮的传递转矩（预模数m=2mm,直径d=126mm）T=Fd12=12.66N126mm2=0.7979103Nmm （2.10）c) 查表选齿宽系数d=0.5d) 由表查得材料的弹性影响系数ZE=189.8MPa12e) 由图按齿面硬度查得接触疲劳强度极限齿轮的Hlim1=600Mpa，齿条的Hlim2=550Mpaf) 应力循环次数N=60njLh=600.251283008=5.76105 （2.11）g) 由图取得接触疲劳寿命系数KHN1=KHN2=1.4h) 计算接触疲劳许用应力，取安全系数SHmin=1.3，H=HlimKHNSHmin （2.12）H1=1.46001.3=646.15MPaH2=1.45501.3=592.31MPa比较两个值的大小，取较小的H=H2=592.31MPa2) 计算i. 齿轮的分度圆直径dt12.3231.20.79791030.563+163189.8592.312=13.562mmb) 圆周速度vv=dt1n601000=13.5620.2560000=0.18mm/s （2.13）c) 齿宽bb=ddt1=0.513.562=6.781mmd) 齿宽与齿高之比mt=dt1z=13.56263=0.21mm （2.14）h=2.25mt=2.250.21=0.526mm （2.15）bh=6.7810.526=12.89e) 载荷系数根据7级精度查得KV=1,直齿轮KH=KF=1，查得使用系数KA=1.35，查表格7级精度、齿轮悬臂布置时KH=1.18，由bh=12.89、KH=1.18查得KF=1.15，载荷系数K=KHKAKHKV=1.181.3511=1.593f) 按实际的计算分度圆直径d1=dt13KKt=13.56231.5931.2=14.905mm （2.16）g) 模数m=d1z=14.90563=0.236mm2. 按齿根弯曲强度设计m32KTdz2YFaYSaF （2.17）1) 确定数值a) 由图查得弯曲疲劳强度极限齿轮Flim1=500Mpa,齿条Flim2=380Mpab) 由图取弯曲疲劳寿命系数KFN1=1.1, KFN2=1.2c) 计算弯曲疲劳许用应力取安全系数SFmin=1. F=FlimKFNSFmin （2.18）F1=Flim1KFN1SFmin=1.15001.2=458.33MPaF2=Flim2KFN2SFmin=1.23801.2=380MPad) 载荷系数K=KAKVKFKF=1.351.1511=1.5525e) 由齿形系数查得YFa1=2.75, YFa2=2.16，应力校正系数YSa1=1.68，YSa2=2.02f) 计算齿轮齿条的YFaYSaF并加以比较YFa1YSa1F1=2.751.68458.33=0.01008YFa2YSa2F2=2.162.02380=0.01148齿轮的数值大。2) 设计计算m321.55250.79791030.56320.01148=0.24mm由于齿轮模数m的大小主要决定弯曲强度，而齿面接触疲劳强度主要取决于齿轮直径。将对应的值即算得的模数m=0.24和算的分度圆直径d=14.905mm，带入式子中算出齿轮齿数z=dm=14.9050.2463以上验证了m=2, d=126mm的齿轮是符合强度要求的。二、 齿条设计根据与齿轮啮合的特征，齿条模数取m=2，齿数选取为z=63。设计的托板载着零件旋转180，即通过齿轮旋转180实现。齿条将要走过的距离为齿轮周长的一半，故设计齿轮的长度时理应多取一些值，齿条的长度设计参考齿轮的周长:l=d=3.14126=395.84mm取整后齿条的长l=395mm（三）齿轮齿条参数表表 2.2齿轮齿条的参数表名称计算公式齿轮齿条模数m22齿数z6363齿顶高ha=ha*m2mm2mm齿根高hf=ha*+c*m2.5mm2.5mm全齿高h=ha+hf4.5mm4.5mm分度圆直径d=mz126mm-齿顶圆直径dh=d+2ha130mm-齿根圆直径df=d-2hf121mm121mm齿宽b25mm30mm齿距p=m6.28mm6.28mm齿厚s=p23.14mm3.14mm齿槽宽e=p23.14mm3.14mm2.3.4 轴的校核1. 计算轴的直径计算轴的最小直径（查机械设计手册（第5版）6-1-19表可取C=112） P=Tn9550 (2.19)P=0.7979Nm0.25r/min9550=2.0810-5Kw dC3Pn=11232.0810-50.25=4.89mm (2.20)式中：P-轴传递的功率（Kw）；n-轴的工作转速（r/min）.考虑和综合实际情况，轴的最小直径设计时取40mm2. 校核选材为45钢，调质处理，机械性能查表6-1-1得抗拉强度b=650MPa,屈服强度 s=360MPa,弯曲疲劳极限-1=270MPa，扭转疲劳极限-1=155MPa，许用弯曲应力+1=215Mpa、o=100Mpa、-1=60 Mpa。1) 计算作用在齿轮上的力：已知d=126mm，T=0.7979103Nmm，则圆周力Ft :Ft=2Td=20.7979103Nmm126mm=12.66N (2.21)径向力Fr : Fr=Fttan20=12.66tan20=4.61N (2.22)2) 求作用在轴上的力a) 水平支反力： Ft=FHA+FHBFt(L1+L2)=FHBL2FHA=-14.61N、FHB=27.27N MH1=FHAL2=-589.6395Nmmb) 垂直支反力 Fr=FVA+FVBFr(L1+L2)=FVBL2 FVA=-14.45N、FVB=19.06N MV=FVAL2=-241.662Nmmc) 合成弯矩MH=MH2+MV2 =637.2403Nmm图 2.4 受力、扭弯矩图d) 扭矩T=797.9Nmme) 校核危险截面校核轴上受力最大的弯矩和扭矩的危险截面的强度。根据=(MW)2+4(T2W)2=M2+T2W-1 (2.23)查手册取脉动循环系数=0.6，计算当量弯矩， M1=MH2+T2=637.24032+0.6797.92=797.0365Nmm=M10.1d3=797.03650.14030.1242MPa已选取轴的材料为45钢，调质处理，查的-1=60MPa。因此38400h所以轴承符合要求。2.3.6 键的校核校核齿轮处的键连接查取机械设计手册，根据载荷类型选择C型平键尺寸为：bh=12mm8mm , GB/T1096-2003查表钢的静链接在使用时的许用应力p=100120MPa校核键：p=2T103Kld=2797.943040=0.332MPap (2.25)式中，T为传动转矩，d为轴的直径，h为键的高度，l为键的工作长度。经计算可知，所选取的键合乎设计的要求，可用。2.3.7 装置的其他部件的选用1. 偏心调整轮组机构在顶升过程中，托板承载着物体有可能会出现倾斜，为避免这种情况的发生，设置四个偏心调整轮组，分别由左右两个支架、支撑滚轮、曲轴、轴承和轴承挡圈构成。其中曲轴将和滚轮接触的部分与不接触的部分设计成不同轴，达到支撑滚轮可帮助托板完成自调节，让托板始终保持平稳。支撑滚轮选用橡胶，材质软，有缓冲功能。2. 缓冲器的选用旋转机构带着物体旋转到指定角度，会出现瞬间运动形式的改变，可能会有冲击，需要液压缓冲器缓解。考虑到是旋转撞击，且物体质量为17.2Kg，但是旋转速度低，故选用小的缓冲器。取旋转半径为物体底部对角线的一半，大约为150mm，角速度已知是/2rad/s，计算相关的值： EK=122=1.23Nm (2.26)计算得出动能非常的小，故选型时只看物体质量与角速度即可，考虑安装环境，最终选择最大吸收能量为60J 的ACA2020-1N缓冲器。角度的控制需要有一个刚性的里零件使物体定位，选用螺栓定位，将螺栓和缓冲器安装在一起。3. 轴承座旋转轴上选用嵌入式轴座，优点是重量轻、结构紧凑，轴承座结构尺寸按照用其定位的轴承的外径来确定。4. 润滑油的选择旋转轴上的齿轮与轴承采用同种润滑油比较便利，考虑该装置用于小型设备，选用一般工业用油润滑。2.4 本章小结本章主要对顶升旋转装置的顶升机构和旋转机构分开设计包括标准件的选型以及旋转机构中关键零件的校核计算。20武汉理工大学毕业设计（论文）第3章 顶升旋转机构静力学分析3.1 有限元分析介绍有限元分析（FEA，Finite Element Analysis）的定义是利用数学近似的方法对真实物理系统（几何和载荷工况）进行模拟。它的主要运用的思路是将复杂问题简单化，将其细分割为若干个小的单元来求解，结合起来所得到结果并不是原来问题的精确的答案，而是无限趋近于正确答案的近似解。这个方法早先出现是为了检查计算航空行业中某些结构强度是否符合要求，但现在这种方法对其它领域的问题也适用，逐渐成为解决工程应用问题最有效的手段之一。由于它适用性广泛，不仅能对某一结构进行分析和校核，所以有限元分析方法不拘泥于一个领域的发展，而是慢慢的向各种机构的优化方面涉及，成为工程设计的重要组成部分22 。3.2 ANSYS Workbench软件介绍利用有限元分析的软件有很多，目前被人熟知的有：ABAQUS、ANSYS和MSC三个知名度较大的公司。其中ANSYS 软件是由美国 SASI公司研究开发的一款包含结构分析、流体分析、磁场分析和耦合场分析等多功能一体的有限元分析软件。此软件一般分为前处理、分析和后处理模块。从7.0版本开始分为ANSYSY经典和ANSYS Workbench界面。其中ANSYS Workbench具有协同仿真环境，可以将较为复杂的系统进行线性和非线性分析、动力学分析、热、电磁场以及耦合场等进行分析 23。有经典界面没有的优点，就是实现了软件前后处理之间的信息调用，可以在相同的前处理情况下，连接到用户自己想要的分析模块中，在一个模块中可以任意改变前处理，在变化后可刷新得到之后的结果，使用非常方便。3.3 顶升机构静力学分析1、导入模型本文研宄过程中采用SolidWorks建立装配体的简化模型，将模型保存为x-t格式后直接导入到ANSYS Workbench中，进行后续的操作。 2、网格划分ANSYS软件提供的网格划分方式有：四面体划分网格法(Terahedrons)、扫掠法（Swept Meshing）、自动划分法（Automatic）、六面体划分网格（Hex Dominat）、多层划分（multizone）和笛卡尔（Cartesian）等方式。此次模型主要用四面体网格划分，细化接触面和易变形区域，总共划分网格节点为224486，单元为127513。3、定义材料属性 装配体模型导入后，对各个零件材料属性进行设置，可以自己输入也可从外部导入。在此次分析中除了特定的几个零件的材料属性是自己手动设置外，其他零件用默认的材料。定义的零件属性如表 3.1所示：表 3.1顶升机构零件材料属性表零件材料密度Kg/m-3杨氏模量Pa泊松比托板HT30073001.43E+110.27旋转轴45钢78902.09E+110.269气缸轴铝合金27707.1E+100.33其他Structural Steel78502E+110.34、施加约束条件 模型是有多个零件组成的装配体，在ANSYS Workbench导入装配体时，程序就会在自动扫描形成接触副，由于是线性计算，主要使用绑定接触和不分离接触。根据工况的不同，分别施加约束，保证装配体的自由度。5、分析结果顶升机构的静力学分析主要分成三大工况，分别为有载荷静止工况、有载荷顶升工况和有载荷下降工况。其中每个工况又分为两个，在托板正中央和边缘处不同位置受到载荷的小工况。根据工况的不同分别施加约束。（1）静止工况图 3.1静止工况的应力变形图和等效应力图由图 3.1可得，静止工况中将物体放在正中央时最大变形在托板边缘处，但是整体的最大变形不到0. 1mm；在边缘处受力时最大应力变形也在托板的边缘处，也是非常小，但跟前一种情况比较变形较大。两种情况的最大等效应力在气缸顶板和顶升组装板的连接点处，有可能是出现了网格划分不精细的问题，但都不超过5 MPa，符合要求。（2）顶升工况图 3.2顶升工况的应力变形图和等效应力图由图 3.2可得，顶升工况物体放在正中央最大应力变形处在气缸轴和气缸顶板相连的部分，而物体放在边缘处的最大应力变形处在在托盘的边缘，虽然位置不同但变形非常小；最大的等效应力在施加向上压强的气缸轴部位，都是15. 175MPa，符合要求。（3）下降工况图 3.3下降工况的应力变形图和等效应力图由图 3.3可得，下降工况物体放在正中央最大应力变形处在顶升组装板的突出部位边缘处，而物体放在边缘处的最大应力变形处在在托盘的边缘，虽然位置不同但变形非常小；最大的等效应力在施加向上压强的气缸轴部位，都是18.774MPa，符合要求。3.4 齿轮齿条静力学分析将齿轮齿条装配体在SW中建好模型后，另存为X-T格式导入到Workbench界面。赋予材料属性后设置好接触对，再进行网格划分。共划分网格节点为392146，单元为197486，然后设置约束后进行有限元分析，得到齿轮副的应力变形图和等效应力图。表 3.2齿轮齿条材料属性表零件材料密度Kg/m-3杨氏模量Pa泊松比齿轮40Cr78702.11E+110.277齿条45钢78902.09E+110.269图 3.4齿轮齿条应力变形图和等效应力图由图3.4可得，齿轮齿条在扭矩和带动齿条运动的压强的作用下，最大的变形量值为2.6401mm，总的最大变形量不大；由图可知，在模拟正常运动情况下，最大等效应力发生在齿轮齿条啮合的地方，即齿根处。分析得出的最大的接触应力为264.23MPa，齿轮齿条的许用接触应力为600MPa，因此符合强度要求。3.5 本章小结本章首先介绍有限元和有限元分析软件ANSYS Workbench的相关理论介绍，再进行不同工况下的顶升机构的静力学分析，查看整体的强度和刚度是否满足要求。之后进行旋转机构中齿轮齿条的应力分析，得出的强度满足要求。26武汉理工大学毕业设计（论文）第4章 顶升机构模态分析及优化模态分析是弹性结构的一种分析方法，以确定弹性结构物在特定频率或某一范围内的各阶主要模态的特性，就可以推测结构在此频率范围内在外部或内部各种振源作用下产生的实际振动响应24。模态分析在预测物体在不同情况的振源下产生的实际变形和失效有着重要的意义。通过得到特定频率下的固有振型，进行故障诊断，分析结构受到影响的频率下实际振动响应，维护设备安全使用。模态分析过程可分为四个步骤：1. 动态数据的采集及频响函数或脉冲响应函数分析；2.建立结构数学模型；3.参数识别，细分为频域法、时域法和混合域法；4. 振形动画。顶升机构的工作状态为升起和下降，整个装置在运动过程中有可能受到振动发生部分零件失效，因此对顶升机构进行模态分析对结构设计有重要意义。模态分析的核心内容是确定描述结构系统动态特性的参数，对于一个N自由度的线性系统，有限元的基本方程25为：Mu+Cu+Ku=F(t) (4.1)式中：M-质量矩阵；u-加速度向量；C-阻尼矩阵；u-速度向量；K-刚度矩阵；u-位移向量；F（t）-作用力向量；t-时间。假设为自由振动并忽略阻尼，方程式变为：Mu+Ku=0 (4.2)自由振动满足如下方程：u=icosi (4.3)式中：i-第i阶模态形状的特征向量；i-第i阶自然振动频率由式子4.2和4.3可以算出结构振动的特征方程：-i 2M+K=0 (4.4)通过上式可以计算出结构第i阶自然振动频率i 24.1 顶升机构模态分析对顶升机构进行模态分析时，为了尽可能的和实际工作情况相符合，在静力学分析的基础上，用相同的约束和荷载，对静止工况和运动工况进行求解运算分别得到其前六阶固有频率和固有振型。4.1.1 静止工况模态分析图 4.1静止工况前六阶振型表 4.1各阶模态参数及振型分析表模态频率Hz振型分析1855.21托板在竖直方向上下振动，部分零件开始变形2855.23托板在竖直方向上下振动，部分零件开始变形3987.33托板发生变形，整体变形较小41230.