圆盘刻线机-机械原理课程设计说明书.doc

河北工业大学机械原理课程设计说明书

河 北 工 业 大 学

机械原理课程设计
设计说明书

作 者： 刘昭 学 号： 140566
学 院： 机械工程学院 班 级： 机电142
题 目： 圆盘刻线机
同 组 人： 赵洪飞
指导教师： 张换高

2016年 6 月 25 日
摘 要

题 目： 圆盘刻线机的设计

摘要：
机械原理课程设计是使学生较全面、系统巩固和加深机械原理课程的基本原理和方法的重要环节，学生通过此次设计，学习机构运动方案的确定，培养分析向设计机械能力，以及开发创新的能力，以机械系统方案设计与拟定为结合点，进一步巩固和加深学生所学的理论知识，明确课程设计目的、步骤，根据自己的设计题目对设计内容进行分析，确定输入、输出件运动形式（及功能原理分析），本次任务目标是完成圆盘的刻线，使用凸轮机构，不完全齿轮与齿轮进行传动，通过电动机实现功能。
关键词：
机构设计，机构运动分析，凸轮机构，不完全齿轮机构，齿轮机构，复杂凸轮设计

河北工业大学机械原理课程设计说明书

目 录
目 录 1
1设计任务 2
2国内外研究现状 2
3执行装置方案设计 2
3.1功能分析 3
3.2总功能实现的原理 3
3.3执行构件工艺动作设计分解 4
3.4机构型综合 5
3.5工作循环图设计 7
3.6执行机构尺度综合 7
4原动机选择 8
4.1原动机类型选择 8
4.2原动机功率和转速确定 8
5传动系统设计 8
5.1总传动比计算 9
5.2传动比分配与传动装置设计（各传动传动比） 9
6总体设计方案 10
6.1总体布局方案 10
6.2总体设计方案 11
7机构运动分析 12
8结论 13
参 考 文 献 14
设计感言 14

1设计任务
1.圆盘刻线机主要用来实现自动刻线，刻线要求为每隔１秒刻一条线，平尺上相邻两条刻线之间的圆弧所对应的中心角度为一度，刻线长度有18毫米、13毫米、10毫米三种类型。第一次刻线长度为18毫米，后四次刻线长度为10毫米，第六次刻线长度为13毫米，第七至第十次刻线长度为10毫米，以后依此类推，圆盘毛坯的直径为300mm，相邻两条刻线之间圆弧所对应的中心角为一度。

2.刻线深度为0.5mm，深度要均匀，为防止刀具磨损，要求反行程要有抬刀运动。
3.为扩大刻线机的应用范围，要求线条长度可调（中，短长三种长度的比例可不变）。
4. 每秒钟刻一条线。
5：要求刻线机在工作过程中主动轴的角速度不均匀系数δ<=1/40。刻线时的切削力F=1000N。

2国内外研究现状
刻线机国内研究现状：
科学技术的发展，有的刻线机上采用了激光刻线机由光刻代替机械刻划，可在工作台移动的情况下完成动态刻线，刻线精度大为提高，国内比较成熟的激光刻线机厂家例如北京博奥嘉华激光科技有限公司生产的BVD50系列激光刻线机。
刻线机国外研究现状：
国外现在有的刻线机大部分是电脑中控下的激光刻线机。例如OK-KX50A 激光刻线机采用光刻代替机械刻划，可在工作台移动的情况下完成动态刻线，刻线精度大为提高。克服了传统“照相-腐蚀”工艺费时，费力的缺点，高速、高效，一次完成刻线、字符、商标等内容。全程电脑控制，精度高、速度快，最大限度的降低了产品不合格率。使用灵活方便，即可成批量生产，又可满足少量加工等多种需求。绝对环保，无任何污染，是现代化生产工艺的主流。支持单公制、单英制、双公制、双英制、公英制、英公制等标新型。支持丁字型、拐角型、圆型等各种特殊量具类型。支持用户自定义的其它非标类的平面或圆柱面的量具。速度快,刻线清晰、精度高、永不磨损。制图方便快捷，可根据需要随意制作各种尺寸、形状、图标的量具。三维数控，除主运动外其它两维运动也是自动调整，可以快速准备的对焦，定位。对已生产过的型号，电脑自动记忆位置及其刻线参数，以后生产可直接调用，不必再调焦，定位。
3执行装置方案设计
3.1功能分析
圆盘刻线
刻刀上下左右移动，圆盘转动。
齿轮
凸轮
电动机

3.2总功能实现的原理
（1）功能元实现原理求解
功能实现原理的形态学矩阵

可用原理1
可用原理2
可用原理3
可用原理4
抬刀
往复直线运动
匀速直线运动
回转运动
变速进给
刻刀运动
刀具直线进给
单向的间歇运动
变速进给
组合机构
圆盘间歇运动
间歇旋转
间歇进给
往复运动

槽轮机构不完全齿轮机构

（2）系统总功能实现的原理
刻刀上下移动我们选择的是凸轮机构，因为凸轮可以长时间控制刀的升降高度，左右移动我们选择的是凸轮，因为凸轮可以控制刀的进给长度，凸轮推杆机构中，能通过凸轮的轮廓曲线实现推程、休止、回程。推程与回程使刀具沿直线运动，休止能起到间接性的作用，从而机构亦能达到刀具的间歇性往复运动，圆盘的间歇运动选择的是不完全齿轮，因为不完全齿轮的性能比较好，不完全齿轮机构可设计的参数较多，易满足。
在后续设计过程中，对凸轮的设计是比较难的，由于要控制刀的进给长度，凸轮要设计得很复杂，这对画图要求很高，不完全齿轮与齿轮的传动比也要进行精密的计算。不完全齿轮机构和普通齿轮机构的区别，不仅在从齿轮的分布上，而且在啮合传动中，当首齿进入啮合及末齿退出过程中，齿轮并非在实际啮合线上啮合，因此在此过程中不能确保定传动比传动。由于从动轮每次转动开始和终止时，角速度有突变，故存在刚性冲击。若将不完全齿轮直接和调节进给的下层工作台相连，则会造成较大的进给误差。凸轮与推杆的接触为先接触，而刻线是刀具收的力比较大，凸轮压力大，易磨损。基于以上考虑，采用凸轮机构组合齿轮机构完成刻线和抬刀动作。此机构结构简单，易于实现。

3.3执行构件工艺动作设计分解
1.通过齿轮带动凸轮，凸轮控制刀具的上下直线移动

2.间歇性齿轮使圆盘达到间歇性旋转运动的状态

3.刻线凸轮使刀具完成进给运动

3.4机构型综合
（1）各执行构件运动的实现机构求解
执行机构形态学矩阵

可用原理1
可用原理2
可用原理3
可用原理4
抬刀运动
平底凸轮机构
斜平台
曲柄滑块机构
步进电机进给机构
刻刀运动
凸轮机构
棘轮
伺服电机进给机构
组合机构
圆盘间歇运动
槽轮机构
不完全齿轮机构
棘轮机构
伺服/舵机

（2）机构型综合
抬刀和刻线选择的是凸轮机构，圆盘旋转选择的是不完全齿轮机构
刻线凸轮设计方法：先设置凸轮基圆半径，注意不能太大也不能太小导致凸轮不好设计，这里凸轮半径取80mm，利用反转法由刀具的进给量反求凸轮外轮廓。

反转法求凸轮廓线

设计好的凸轮
相同的，抬刀凸轮使用一个凸起的设计，要求推程和行程占一个工作周期的一半，很容易就可以得到。

3.5工作循环图设计
抬刀凸轮
不抬刀
抬刀
刻线凸轮
进刀
退刀
工作台
停止
旋转
曲柄转角 0° 180° 360°
3.6执行机构尺度综合

1刻线凸轮传动齿轮Z=50 W=π/5 m=2 d=100
2抬刀凸轮W=2π m=2
3不完全齿轮z=36 W=2π 3齿 m=1 d=36
4圆盘齿轮z=180 W=π/15 m=1 d=180
5主斜齿Z=24 W=2π m=1 d=24
6副斜齿Z=24 W=2π m=1 d=24
7 刻线凸轮基圆90mm
8 抬刀凸轮基圆20mm
4原动机选择
4.1原动机类型选择
可选电动机（有电的条件下）（交流、直流、控制电机）、柴油机和汽油机（野外作业）、液压马达和液压缸（大功率、大载荷，需附带液压系统）、气动马达和汽缸（需压力气源）。
根据电动机的电源种类，工作条件，工作时间的长短，载荷条件以及过载情况等条件来选择Y型三相异步电动机Y132M-4.直流电机n=1440r/min
4.2原动机功率和转速确定
每秒刻一条线，刻线圆盘转一圈刻十条线，w=π/5，抬刀凸轮w=2π
主动轴转速n=60w/2π=60r/min=1r/s
电动机转速n2=24*n=1440r/min
P=F*V
切削力F=1000N 抬刀阻力F=200N
刻线刀刻线速度：36mm/s
圆盘刻线刀抬刀速度：60mm/s
刻线机圆盘转位速度：19mm/s
根据已知条件可以计算出工作机的各部分输出功率：
刻线刀移动的功率：P1=F1*V1=1000*36/1000=36W
抬刀杆抬刀的功率：P2=F2*V2=200*60/1000=12W
圆盘转动的功率：W=J*w2/2 W=Pt P=912w P3=912*1/12+91.2*11/12=159.6w
电动机输出功率：P总=P1+P2+P3=36+12+159.6=207.6W
为了计算电动机的所需功率P，先要确定从电动机到工作机之间的总效率η。
查表可知传动装置中每对运动副的效率选择如下：
类型 数量 效率η
凸轮滚子 2个 η1=0.98
滚动轴承 7个 η2=0.98
圆柱齿轮 12个 η3=0.98
斜齿轮 2个 η4=0.9
摩擦传动 2个 η5=0.9
则传动装置的总效率为：η=0.429
电动机所需的功率为：P=P总/η=207.6/0.429=484W
5传动系统设计
5.1总传动比计算
1刻线凸轮Z=50 W=π/5
2抬刀凸轮W=2π
3不完全齿轮Z=36 W=2π
4圆盘齿轮Z=180 W=π/15
5主斜齿Z=24 W=2π
6副斜齿Z=24 W=2π
I21 =10 I34=Z4/Z3=30
5.2传动比分配与传动装置设计（各传动传动比）
把总传动比分配到各级传动，画出传动系统示意图，并标明传动比。各种传动的性能、传动比范围和效率如图。
不完全齿轮传动装置I=30

电机皮带轮减速装置I=24

凸轮传动装置I=10

6总体设计方案
6.1总体布局方案

6.2总体设计方案

占用空间大小约为55×55×55cm
7机构运动分析
抬刀凸轮：
进刀凸轮：
：

圆盘旋转：

刀具退刀上抬动作 刀具退刀下落动作

进刀速度

抬刀凸轮速度曲线：
8结论
本机构设计通过应用两个凸轮实现刻线机的刀具按特定的规律运动，传动方面应用传动性能优良的齿轮组，经过变速，使各个执行机构按照需要的速度运转，分别带动抬刀凸轮、刻线凸轮和不完全齿轮运动，完美的实现了刀具的进刀，退刀和抬刀运动。通过增加齿轮组，在传动比不变的情况下，减小了齿轮的直径，缩小了轴与轴之间的距离，节省了机构的空间。使用带轮传动使电动机转速降低到使用转速，同时对电动机进行过载保护。使用软件画三维立体图使结构变得一目了然，对结构的认识更加全面，尺寸的设计更加合理，使机器效率达到最大。
机器的空间可以充分利用，节省了成本，大大提高了生产效率。 
圆盘刻线机代替了以往的人工作业， 提高了机械化程度及生产效率， 节省了人力及时间， 改善了人们的作业环境。 
本设计采用巧妙的应用凸轮机构控制刻线和抬刀， 用摩擦轮配合不完全齿轮机构完成定时、定量的进料动作，结构简单不复杂，理论上达到了刻线要求及其它相应工作条件。理论上本机使用价值高，经济效益高。
个人在组中分工：刻线凸轮设计，抬刀凸轮设计，cad三视图作图，solidworks三维图设计
参 考 文 献
[1] 孙桓等. 机械原理（第八版）. 高等教育出版社，2015年
[2] 机械工程手册，机械工业出版社，1997
[3] 机械原理课程设计（第二版）电子工业出版社 2013

设计感言
此次的机械原理课程设计是我上大学以来持续时间最长，工作量最大的课程实践机会。刚拿到课设题目我的心情是复杂的，一方面紧张生怕自己不能在规定的时间内做好课设。另一方面又有些激动，听说这次课设要求与往年不同，更加接近毕业设计，激起了我认真完成课设的欲望。
课程设计的要求很复杂，需要逐条分析，并且综合考量，经过小组分工，我们逐个确定了各个机构的初步方案，并画了三视图进行验证，经过好几次修改之后终于定型。虽然仍存在问题，但老师肯定了我们的整体方案。又经过了几次修正后，我们四个人分为两组，两个人画图，另外两个人做方案分析和机构计算。我使用的是cad和solidworks两款软件画图，先用cad画出机构的三视图以供参考，又在solidworks中设计出各机构的三维零件图，最终装配完成，并生成轴测图，这样我们的圆盘刻线机的画图部分就完成了。
虽然画图的步骤很简单，但实际操作起来还是与想象中有很大的不同，由于三维图需要严格按照尺寸设计，一旦开始画，中间的任何数值的修改都会给制图带来一系列问题。这种情况让我意识到，在动手操作之前，一定要考虑的尽量全面一些，多想想实际的情况是怎么样的，比如凸轮在书本上只是一条首尾相接的曲线，而到了3D图中则要确定凸轮的厚度，中间轴的直径等。如果刚开始没有考虑到这些情况，动手画图的时候就有可能出现凸轮和推杆不能配合的情况。
这次课设让我获益匪浅，掌握了设计产品的基本流程；通过实际的动手操作，夯实了理论知识；体会到了小组合作的重要性。希望以后在机械设计工作中表现的更加完美。

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94. 基于MSP430单片机的远程抄表系统及智能网络水表的设计
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