平尺刻线机-课程设计说明书-终极版.doc

课 程 设 计（ 课 程 实 习 ）

机械设计与制造主体实践(一)

院（系、部）：
机 械 工 程 学 院
姓 名：
周 天 宇
同组成员：
沈戊坤 梁磊 李东 金明旭
班 级：
机电132
指导教师签名：
徐 林 林

2015年 7 月 10 日·北京
目录
1.1 机器的功能和设计要求………………………………………… 3
1.2 工作原理和工艺动作…………………………………………… 4
1.3 拟定运动循环图………………………………………………… 5
1.4 执行机构选型和评定…………………………………………… 6
1.5 机械运动方案示意图……………………………………………10
1.6 执行机构的运动尺度设计………………………………………11
1.7 机械传动系统设计………………………………………………24
1.8 运动仿真…………………………………………………………26
1.9 飞轮设计…………………………………………………………27
2.0 设计结果得分析…………………………………………………29
2.1 参考文献…………………………………………………………29
2.2 设计体会…………………………………………………………29

1.1 机器的功能和设计要求
在很多具有定量要求的相对移动和相对转动的零件上，于是需要有指示相对移动或转动量的刻度线。平尺刻线机主要用于有相对移动零件的刻线工作。本课题设计通过机械化刻线，可以达到准确度高、精确度高。减少了劳动力，提高了生产效率，降低成本，并且在研究时遇到的一些技术问题，通过认真分析以解决，在今后的设计类的工作中也有一定的经验可循。

1． 机器的功能：
平尺刻线机刻出的刻度线长度按十进制规律分为三种，分别指示一、五和十，并依次重复出现（如图1.1所示）。显然在加工时，平尺每送进1 mm，刻刀刻线一次，且能自动改变刻线长度。
为了实现以上功能，平尺刻线机整体工作应分为三种：
(1) 刀具刻线工作（主工作）
(2) 刀架升降工作（辅助工作）
(3) 平尺送进工作（辅助工作）

2． 原始数据及设计要求：
(1) 平尺毛坯的轮廓尺寸为：1040×30mm(长×宽)。
(2) 要求在平尺毛坯上按一定规律刻出不同长度的线条：短线10mm；中线13mm；长线18mm。相邻两条刻线之间的距离为1mm。从零起隔四条短线刻一条中线，隔九条刻线刻一条长线，然后依次重复。
(3) 刻线深度为0.5mm，深度要均匀，为防止刀具磨损，要求反行程有抬刀运动。
(4) 刻线速度：每秒钟刻一条线。
(5) 行程速度变化系数K≥1.2。
(6) 为扩大刻线机的应用范围，要求线条长度可调(短、中、长三种长度的比例可不变)。
(7) 刻线机在工作过程中主动轴的角速度不均匀系数。刻线时的切削力为

1.2 工作原理和工艺动作
1． 工作原理：
平尺刻线机主要用于有相对移动零件的刻线工作。刻度线长度按十进制规律分为三种，分别指示一、五和十，并依次重复出现。图1所示的钢板尺就是用平尺刻线机加工的。显然在加工时，平尺每送进1 mm，刻刀刻线一次，且能自动改变刻线长度。因此，平尺刻线机主体工作机构是刻线机构（主运动）和平尺送进机构（辅助运动）。

2． 工艺动作：
为了完成在上述三种整体工作，平尺刻线机应该完成以下五个工艺动作：
(1) 落刀（准备进入工作水平面）
(2) 进刀（第一次刻线）
(3) 抬刀（退回准备水平面）
(4) 退刀（第二次刻线保证刻线均匀，并回到第二步开始位置）
(5) 进刻度尺
上述五个动作中：进刀、退刀为刀具刻线工作；落刀、抬刀为刀架升降工作；进刻度尺为平尺送进工作。因此，平尺刻线机重点考虑三个机构的设计：刀具刻线机构，刀架升降机构和刻度尺进给的间歇运动机构。
平尺刻线机的运动传递路线（如图1.2所示）：

1.3 拟定运动循环图
运动循环图主要是确定刀具、刀架、刻度尺三个执行构件的运动的先后顺序、相位，以便进行设计、装配和调试。
将刀具、刻度尺、刀架三个执行构件按照空间运动可分为X、Y、Z三个方向（如图1.3所示）：刀架升降运动在Z轴方向（正向抬刀，负向落刀）；刀具刻线运动在X轴方向（正向进刀，负向退刀）；平尺送进运动在Y轴方向（正向送进）。
分析五个工艺动作，刀具刻线（往复）运动是最主要的运动。因此，平尺刻线机的刀具刻线机构为主机构，并设定刀具在最高位置时为运动的起点位置，也是一个运动循环的终点位置。此时刻度尺、刀架的位移为零，并以此作为运动循环图横坐标的起点，循环周期为360°。（如图1.4所示）

1.4 执行机构选型和评定
1． 整体选型形态学矩阵
根据刀具、刀架、刻度尺这三个执行构件的动作要求和结构特点可以选择（如表1.1所示）的常用机构，构成机构选型的形态学矩阵。可以求出平尺刻线机的机械运动方案数目为：

刀具刻线机构
曲柄滑块机构
凸轮推杆机构
不完全齿轮和齿条机构
组合机构
刀架升降机构
平底凸轮机构
刻度尺进给的间歇运动机构
槽轮机构
不完全齿轮机构
棘轮机构
组合机构
表1.1 构成机构选型的形态学矩阵
2． 刀具刻线机构评定
I方案说明：
通过三种形状、大小不同的凸轮来控制刀具的左右移动，再通过一个凸轮来控制刀具的抬刀，下刀运动，推过控制凸轮的推程与回程，来控制刀具的急回速比K≥1.2。（图1.5）

方案评价：
通过三个凸轮来控制刀具左右移动，难以控制它们之间的转速比，容易发生碰撞的现象，而且容易发生失真的现象，所以我们不采用这套方案。
II方案说明：
这套方案是通过一套组合机构实现刻刀的进刀、退刀动作，同时通过凸轮槽的形状实现滑块的匀速运动，进而实现刀具的匀速运动。同时也可以满足急回速比K≥1.2。（图1.6）

方案评价：
该方案主要通过一个凸轮来控制进刀运动，此凸轮的形状会过于复杂，所以我们不采用这套方案。

III方案说明：
这种方案通过一个凸轮来控制刀具的进刀、退刀运动，另一个凸轮来控制刀具的抬刀、下刀运动，并通过凸轮的推程与回程来控制刀具的急回速比K≥1.2。（图1.7）

方案评价：
该方案可满足全部刻线的功能要求，同时可以使进刀动作平稳，采用两个凸轮控制进刀、退刀，凸轮的设计也不会过于复杂。所以我们决定采用这套方案。

3． 刻度尺进给的间歇运动机构评定
槽轮机构外形尺寸小，机械效率高，能平稳地间歇地进行转位，但是相对于不完全齿来说实现进给时结构稍显复杂；而且制造及装配的精度要求高，其传动时尚存在柔性冲击，只能用于速度不太高的场合，且转角大小不能调节。
不完全齿轮机构可设计的参数较多，易满足不同停歇要求。但是，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。
棘轮机构结构简单、制造方便和运动可靠，并且棘轮转角可以根据需要进行调节等优点。但其缺点是传动动力小、工作时有冲击和噪声。不仅如此，传动力不足则会对工作台的进给产生影响，从而影响整个工序。（图1.8）

基于以上机构的优缺点，故考虑组合机构——槽轮与螺旋机构。此机构简单、进给精度高传动力较大，易于制造加工。(如图1.9所示)

这套方案采用槽轮机构实现工作台的间歇进给，当拨盘做连续回转时，槽轮做间歇式转动，槽轮机构可以带动螺旋丝杠间歇转动，来实现工作台的间歇进给，控制拨盘的转速与螺旋丝杠的导程可实现每秒进给量为1mm。
方案评价：槽轮机构尺寸小，外形简单，机械效率高，传动较为平稳。至于其缺点通过螺旋机构配合改善，得到的组合机构更加稳定，所以我们决定采用这套方案。

1.5 机械运动方案示意图

按已选定的三个执行机构和机械传动系统，画出平尺刻线机的机械运动方案示意图（如图2.0所示）。

1.6 执行机构的运动尺度设计
在凸轮的设计中，欲满足行程速度变化系数K≥1.2，即一个运动周期内工作时转过的角度大于等于非工作时的1.2倍，以下的凸轮设计采取K=1.5满足设计要求。1． 刀具刻线机构的尺寸综合及运动分析

I刻短线凸轮：
采用直动平底从动件盘形凸轮（平底），因为转速较低于是采用余弦运动规律

参数大小分析：

运动规律分析：

形状尺寸分析：

II刻中、长线凸轮：
采用直动从动件盘形凸轮（尖端），压力角小于40°，因为转速较低于是采用余弦运动规律

参数大小分析：

运动规律分析：

形状尺寸分析：
通过满足压力角α≤40°，确定

此处凸轮基圆半径取50mm

2． 刀架升降机构的尺寸综合及运动分析
刀架凸轮：
采用直动平底从动件盘形凸轮（平底），因为转速较低于是采用余弦运动规律

参数大小分析：

运动规律分析：

形状尺寸分析：

3． 刻度尺进给的间歇运动机构的尺寸综合及运动分析
I刻度尺进给的间歇运动机构采用单圆销槽轮机构实现周期性间歇转动，如图3.1所示。已知主动拨盘的转速为60ｒ/min，中心距ａ＝144mm，按工位要求槽数ｚ＝6。

槽轮机构的几何尺寸计算：
(1) 槽间角2Φ2，。
(2) 槽轮运动角2Φ1，。
(3) 圆销回转半径Ｒ1，。
(4) 槽轮半径Ｒ2，。
(5) 锁止弧张角γ，。
(6) 圆销半径ｒ，取。
(7) 槽轮齿顶厚ｅ，取ｅ＝5ｍｍ。
(8) 锁止弧半径Ｒｓ，。
(9) 槽轮槽深ｈ，。取ｈ＝70mm。
(10) 运动系数ｋ，。
(11) Ｒ1与ａ的比值λ，。
(12) 槽轮机构的运动分析
槽轮角位移：
槽轮角速度：
槽轮角加速度：
其中，。计算结果列于表3.1。
表3.1槽轮机构的运动分析
Φ1
Φ2
ω2
ε2
-60
-30
4.65049E-16
22.79288
-50
-29.4415
0.738753874
30.7584
-40
-27.5157
1.72702484
40.63007
-30
-23.794
2.994736451
50.20605
-20
-17.878
4.451505829
52.58459
-10
-9.70648
5.7432617
36.55439
0
0
6.283185307
0
10
9.706481
5.7432617
-36.5544
20
17.87799
4.451505829
-52.5846
30
23.79398
2.994736451
-50.206
40
27.51574
1.72702484
-40.6301
50
29.44146
0.738753874
-30.7584
60
30
4.65049E-16
-22.7929
槽轮的角速度ω2，角加速度ε2随主动件转角Φ1的变化曲线，如图3.2所示。

II刻度尺进给的间歇运动机构采用螺旋机构实现转动转化平动
螺旋机构
螺杆与螺母采取钢对钢梯形螺纹，摩擦系数f值为0.11～0.17，牙型角。
取丝杠直径d=16mm，长度L=1200mm

-----------------------验算是否自锁：

，不发生自锁

1.7 机械传动系统设计
1． 电动机的选择
确定原动机的功率

其中，为工作机要求的功率；η为由电动机到工作机执行机构的总效率。工作机要求的功率主要为执行构件在单位时间里克服工作阻力所作的功。在平尺刻线机中,主要为在单位时间里刻刀刻线时克服工作阻力所作的功。则

其中，为刻刀刻线时的工作阻力，主要发生在刻线的整个行程中，且假定为均匀阻力，整个过程阻力为1000N。为刻刀的的运动速度，可以通过得凸轮机构的运动分析得到。由上式可以算得刻刀在不同位置时，消耗的功率，列于表3.2。可见最大值为2瓦左右。
参考抬刀机构、进给机构，以及机器中运动副间的摩擦损失，参照电动机的技术数据选择YSK-50-4电机。输出功率Ｎ＝50Ｗ、转速ｎ＝670 r/min。

表3.2刻刀在不同位置消耗的功率（刻18mm）
φ1
Fr
Vc
Pw
335.7
1000
0.52035
0.520349
336.6
1000
1.00524
1.005237
337.5
1000
1.42162
1.42162
338.4
1000
1.74112
1.741122
339.3
1000
1.94197
1.94197
340.2
1000
2.01047
2.010475
341.1
1000
1.94197
1.94197
342.0
1000
1.74112
1.741122
342.9
1000
1.42162
1.42162
343.8
1000
1.00524
1.005237
344.7
1000
0.52035
0.520349
345.6
1000
0.00000
0
2． 速比分配
驱动电机的转速为670r/min，刻线机构刻线的最小转速为6r/min，则机械传动系统的总传动比为：

采用一级皮带传动、一级和二级齿轮传动，他们的传动比为：
皮带传动：传动比为3.72
圆柱齿轮传动：齿轮1与齿轮6的传动比为3，取。
齿轮1’与齿轮2的传动比为3，取。
齿轮2’与齿轮3的传动比为1，取。
齿轮2’与齿轮4的传动比为2，取。
齿轮4’与齿轮5的传动比为5，取

3． 转速
皮带转速：
圆柱齿轮转速：齿轮6转速为：
齿轮2转速为：
齿轮3转速为：
齿轮4转速为：
齿轮5转速为：

4． 机械传动系统的设计
从原动电机到用于刻度尺进给的间歇运动机构，用于刀具刻线机构以及刀架升降机构采用分路传动，所用的传动机构及传递路线如图所示。

电机
带传动
齿轮传动
刻度尺进给的间歇运动机构
刀具刻线机构
刀架升降机构

1.8 运动仿真
采用working model软件进行刀具刻线工作和刀架升降工作的运动仿真

由于粗略仿真多少存在系统误差和客观因素影响，不过结果大致符合要求

1.9 飞轮设计
刻线时刀具工作受到阻力的影响，造成机器的速度波动，必须通过加飞轮的方法进行调节。由于机器的第一级传动选择了皮带传动，所以飞轮只能安装在带传动后面的齿轮传动的高速轴上，即以齿轮传动的高速轴为等效构件，如图2.0所示。轴的转速n=670/3.72=180r/min，取平尺刻线机的许用速度波动系数[δ]=0.02，以满足刻线机在工作过程中主动轴的角速度不均匀系数。
1． 计算等效力矩和最大盈亏功
平尺刻线机的能量消耗，主要来自刀具刻线时消耗的能量。因此，可以忽略其它执行机构，以及各构件惯性力的影响，只考虑刀具的工作阻力F。
F=1000N，==0.02，运动稳定循环周期T=6π

阻力力矩Mr如图所示，阻力力矩做功A=0.50902J
驱动力矩Md=A/6π=0.027 N*m
最大盈亏功ΔWmax=0.32238J
2． 计算飞轮的转动惯量

3． 确定飞轮的尺寸
对于如图4.1所示的轮形飞轮，其转动惯量可用下式表示

其中，D为飞轮轮缘的平均直径，m为飞轮的质量
可以算得
由公式
其中，ρ为飞轮材质的密度。（取ρ=7800kg/m3，D=400mm,H=35mm）
可以算得

2.0 设计结果的分析
机器的应用可以充分利用，节省了成本，大大提高了生产效率。
平尺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，用槽轮机构和螺旋机构配合完成定时、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，由于本设计没有做试验，对其实际的可行性程度还不能确定。

2.1 参考文献
[1] 江帆主编.机械原理.北京：机械工业出版社, 2012:12
[2] 单辉祖.材料力学（第五版）.高等教育出版社.
[3] 大连理工大学工程图学教研室编.机械制图.6版.北京：高等教育出版社，2007.7
[4] 洪钟德主编.简明机械设计手册.同济大学出版社，2002.5

2.2 设计体会
在机械设计中，需要一步一步循序渐进地去做。首先要了解要做什么机器要完成什么工作，接着去分析欲完成其工作的运动动作，然后去想做该运动动作的机构能有哪些，有时会遇到很多种机构的组合，去设计方案从多个方案中筛选，一步一步修正改进方案。设计好合适的方案，就去设计机构的尺寸，分析运动规律是否符合工作的过程。再去检验机构，能否正常工作，满足一些要求。
每个步骤一定要记录清楚，因为在设计中会有很多的错误和未知因素（未想到的因素）的干扰，出现这些问题时要经常翻回去重新计算、分析，甚至是重新设计方案。
多查阅资料，多询问老师，是让设计顺利完成的捷径。在此也很感谢机械原理的徐老师、刘老师、姬老师和材料力学的席老师的辅导！
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