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常州工學院機電工程學院畢業(yè)設計說明書
第一章 引言
1.1 序言
畢業(yè)設計是完成了全部基礎課，技術基礎課，專業(yè)課以及參加了生產實現(xiàn)之后，在大學四年學習中最后一個學期進行的。這是畢業(yè)之前對所學各課程的一次深入的綜合性的總復習，也是一次理論聯(lián)系實際的訓練，通過這次畢業(yè)設計對未來從事的工作進行一次適應性訓練，從中鍛煉分析能力，解決問題能力，為今后的工作打下基礎。
通過本次畢業(yè)設計，得到以下的收獲與訓練：
1. 能熟悉運用理論力學，機械設計等課程的專業(yè)知識及設計計算。
2. 結構設計的能力，能運用學過的知識，完成零件的結構與設計，并通過學過的軟件完成繪圖。
3. 學會使用圖表及手冊資料。熟悉查找與本課題相關的各種資料名稱，出處，能做到熟悉運用。
1.2 課題來源
本課題來源于常州紅梅電力設備廠，壓裝機可用于試制產品的壓裝，壓裝空間適用于各種產品。
應用的設計原理：采用高質量的交流伺服電機，減速器，PLC傳動方式，具有導向裝置。向下壓入的速度可調，采用無級調速方式。本課題旨在解決儀表生產中的錐形薄片壓入儀表殼中的工序自動化問題，既要保證壓入的位置，同時必須保證錐形薄片在同一位置產生精度相同的變形。本課題要求學生自動化錐形薄片自動化壓裝系統(tǒng)設計的壓裝機設計，完成壓裝機構的運動分析、工序設計、結構設計及關鍵零部件設計。該課題與生產實踐相結合，有較高的實用價值和借鑒價值，該課題主要培養(yǎng)學生產品設計的綜合能力，協(xié)同工作能力等。 壓裝機可采用手動/自動程序兩種操縱方式進行控制。
1.3設計要求
本課題旨在解決儀表生產中的錐形薄片壓入儀表殼中的工序自動化問題，既要保證壓入的位置，同時必須保證錐形薄片在同一位置產生精度相同的變形。本課題要求學生自動化錐形薄片自動化壓裝系統(tǒng)設計的壓裝機設計，完成壓裝機構的運動分析、工序設計、結構設計及關鍵零部件設計。該課題與生產實踐相結合，有較高的實用價值和借鑒價值，該課題主要培養(yǎng)學生產品設計的綜合能力，協(xié)同工作能力等。
技術指標：每分鐘完成任務15只金屬儀表盤的壓裝,壓裝精度滿足生產要求。
第二章 壓裝機的設計
2.1 儀表殼
圖2-1錐形薄片
將錐形薄片壓入儀表殼，既要保證壓入的位置，同時必須保證錐形薄片在同一位置產生精度相同的變形，以完成儀表生產中的錐形薄片壓入儀表殼中的工序自動化問題。
2.2 裝配夾具
圖2-2裝配夾具
如圖2-2所示，裝備夾具用來固定錐形薄片，使其有準確的壓裝。
2.3 壓頭
（a）
（b）壓頭
圖2-3
如圖2-3所示，錐形薄片利用裝備夾具的定位，由凸輪1將其固定(圖a)，外軸采用凸輪下降，其下端的錐形面使錐形薄片壓緊于裝配夾具里，然后內軸下降使下端的沖壓頭將錐形薄片的翼耳翻轉并固定在裝配夾具的凸緣上，壓裝完畢，內外軸向上縮回（圖b）。
2.4凸輪機構的設計
凸輪機構因機構中有一特征凸輪而得名。凸輪是指具有曲線輪廓或凹槽等特定形狀的構件。凸輪通過高副接觸帶動從動件實現(xiàn)預期的運動，這樣構成的機構成為凸輪結構。
凸輪機構可分為平面凸輪機構，空間凸輪機構等類型。凸輪機構廣泛用于各種機構中，特別是自動機械，自動控制裝置和裝配生產線
2.4.1凸輪機構的組成
凸輪機構一般是由凸輪，從動件和機架組成的一種高副機構?！?-3】
2.4.2凸輪機構的類型
凸輪機構可根據(jù)凸輪的形狀，從動件的形狀和運動方式及凸輪與從動件維持高副的
接觸方法來分別分類?！?-3】
(1).按照凸輪的形狀分類：移動凸輪機構，盤型凸輪機構和圓柱凸輪機構。其中盤型凸輪機構是凸輪機構中最基本的結構形式，應用最廣。
(2). 按照從動件的形狀分類：尖端從動件凸輪機構，曲面從動件凸輪機構，滾子從動件凸輪機構和平底從動件凸輪結構。
(3).按照從動件的運動形式分：移動從動件和擺動從動件凸輪機構。
(4).按照凸輪與從動件維持高副接觸的方法分：力封閉型凸輪機構和形封閉型凸輪機構。其中形封閉型凸輪機構又可分為：槽型凸輪機構，等寬凸輪機構，等徑凸輪機構和共軛凸輪機構?！?-3】
2.4.3從動件常用運動規(guī)律特征比較及適用場合【20-23】
表2-1 從動件常用運動規(guī)律
運動規(guī)律
相應方程
Vmax=（hw/?o）×
amax=(hw2/?o2)×
沖擊
應用場合
多項式
等速
1.00
∞
剛性
低速輕載荷
等加速等減速
2.00
4.00
柔性
中速輕載荷
3-4-5多項式
1.88
5.77
無
高速中載荷
三角函數(shù)
正弦加速度
2.00
6.28
無
中高速輕載荷
余弦加速度
1.57
4.93
柔性
中低速中載荷
2.4.4 運動規(guī)律的組合
從表1-1列出的基本運動規(guī)律及其方程的運動特征可以看出，由于存在沖擊或加速度的最大值amax較大，使得基本運動規(guī)律應用于高速場合時的運動和動力性能較差。為了克服基本運動規(guī)律的缺陷，通常將不同的基本規(guī)律進行組合，以得到運動和動力性
能較佳的新的運動規(guī)律，一般也稱這種運動規(guī)律為組合式運動規(guī)律。
組合式運動規(guī)律必須遵循以下兩條原則：【2,3,9,17】
一，為避免剛性沖擊，位移曲線和速度曲線必須連續(xù)；對于中、高速凸輪機構，還應該避免柔性沖擊，也就是要求曲線也必須連續(xù)。所以，當用不同運動規(guī)律組合起來行成從動件完整的運動規(guī)律時，各段運動規(guī)律的位移、速度和加速度曲線在連接點處的值應分別相等，這也是運動規(guī)律組合時應滿足的邊界條件。
二，應使用組合后的運動規(guī)律的最大速度值vmax、最大加速度值amax、最大躍度值jmax和vmax與amax的乘積mmax=vmax×amax的值盡可能小。若從動件的負載是靜態(tài)的，如彈簧力、重力和靜態(tài)力的工作阻力，則驅動轉矩與速度成正比，所以，vmax較小，則靜態(tài)驅動轉矩也較小。另外，vmax還與機構壓力角有關，vmax較小，使得最大壓力角amax也小，這樣，可使凸輪設計得較小。amax較小，則慣性力較小。躍度反映了慣性力變化的情況，jmax較小可減少機構的振動。mmax稱為機構的動力特征值，當mmax較小時，由從動件的慣性引起的凸輪驅動轉矩也較小，再設計高速凸輪機構時考慮這一因素。
2.4.5 從動件運動規(guī)律的選擇【3,9,17】
從動件運動的選擇除了要滿足機械的具體工作要求外，還應使凸輪機構具有良好的動力特性，以及應使所設計的凸輪廓線便于加工等。而這些往往又是互相制約的，因此，在選擇或設計從動件的運動規(guī)律時，必須根據(jù)使用場合、工作條件等分清主次綜合考慮，確定選擇或設計的運動規(guī)律的主要依據(jù)。
(1) 當機械的工作過程要求從動件實現(xiàn)一定的工作行程，而對運動規(guī)律無特殊要求時，應選擇使凸輪機構具有較好的動力特性和便于加工的運動規(guī)律。對于低速輕載的凸輪機構，因為這時動力特性不是主要的，可主要從凸輪廓線便于加工考慮，選擇圓弧、直線等便于加工的曲線作為凸輪廓線。而對于速度較高的凸輪機構，應主要考慮其動力特性，避免產生較大的沖擊。
(2) 當機械的工作過程對從動件的運動規(guī)律有特殊要求時，而凸輪的轉速又高時，應從滿足工作需出發(fā)來選擇從動件的運動規(guī)律，其次考慮其動力特性和便于加工。
(3) 當機械的工作過程對從動件的運動規(guī)律有特殊要求，而凸輪的轉速又較高時，應兼顧兩者來設計從動件的運動規(guī)律。通?？蛇x用組合運動規(guī)律來滿足這種要求。
(4) 在選擇或設計從動件運動規(guī)律時，除了要考慮其沖擊特性外，還應考慮其具有的最大速度vmax、最大加速度amax、最大躍度jmax和mmax較小。這些因素會影響到機械系統(tǒng)工作的平穩(wěn)性，因此總希望其越小越好，特別是對于高速凸輪加工，這一點尤其重要。
2.4.6凸輪廓線的設計【5-21】
此壓裝機在凸輪軸上裝有三個盤型凸輪。設從動件的運動規(guī)律為等速。
第一個凸輪用于將裝配夾具夾緊，已知凸輪軸心與從動件轉軸之間的中心距a=16cm，凸輪基圓半徑rb=4cm，從動件長度l=16cm，擺角Φ=400.。
第二個凸輪用于壓緊錐形薄片，將其固定，已知凸輪軸心與從動件轉軸之間的中心
距a=16cm，凸輪基圓半徑rb=7cm，從動件長度l=16cm，擺角Φ=200。
第三個凸輪用于將薄片的翼耳壓翻轉，已知凸輪軸心與從動件轉軸之間的中心距a=16cm，凸輪基圓半徑rb=6cm，從動件長度l=14cm，擺角Φ=200。
利用反轉法原理設計凸輪輪廓?！?-5】
設凸輪的輪廓曲線已按預定的從動件運動規(guī)律設計。當凸輪以角速度w1繞軸O轉動時，從動件的尖頂沿凸輪輪廓曲線相對其導路按預定的運動規(guī)律移動?，F(xiàn)設想給整個凸
輪機構加上一個公共角速度-w1，此時凸輪將不動。根據(jù)相對運動原理，凸輪和從動件之間的相對運動并未改變。這樣從動件一方面隨導路以角速度-w1繞軸O轉動，另一方面又在導路中按預定的規(guī)律作往復移動。由于從動件尖頂始終與凸輪輪廓相接觸，顯然，從動件在這種復合運動中，其尖頂?shù)倪\動軌跡即是凸輪輪廓曲線。這種以凸輪作動參考系，按相對運動原理設計凸輪輪廓曲線的方法稱為反轉法(如圖1-4)。
圖2-4反轉法原理
凸輪輪廓曲線設計步驟：
1） 選取適當?shù)牡谋壤?，作出從動件的位移線圖，并將推程和回程區(qū)間位移曲線的橫坐標各分成若干等份，將設凸輪一得偏角為零，則凸輪二的偏角相對凸輪一為400，凸輪三相對凸輪一為900。如圖2-5所示。
圖2-5從動件運動位移線圖
該機構要求凸輪的動作為:第一個凸輪先運動夾緊裝配夾具，然后第二個凸輪將其固定，最后第三個凸輪將錐形薄片的翼耳壓翻過來。返回時，第二個凸輪先縮回，然后
是第三個凸輪，最后是第一個凸輪。
圖2-5中縱坐標代表從動件的擺角ψ，因此縱坐標的比例尺是1mm代表多少度。
2） 以D0為圓心、以rb為半徑作為基圓，并根據(jù)已知的中心距a，確定從動件轉軸A的位置A0。然后以A0為圓心，以從動件桿長l為半徑作圓弧，交基圓于C0。A0C0即代表從動件的初始位置，C0即為從動件滾子圓心的初始位置。
3） 以D0為圓心，以a為半徑作轉軸圓，并自A0點開始沿著-ω方向將該圓分成如圖1-5中橫坐標對應的區(qū)間和等份，得點A1,A2,...。他們代表反轉過程中從動件轉軸A依次占據(jù)的位置。
4） 以上述各點為圓心，以從動件桿長l為半徑，分別作圓弧，交基圓于C1,C2,...各點，得線段A1C1,A2C2...;以A1C1,A2C2，...為一邊，分別作∠C1A1B1,∠C2A2B2,...使他們分別等于圖1-5中對應的角位移，得線段A1B1,A2B2,...。這些線段即代表反轉過程中從動件所依次占據(jù)的位置。B1,B2,...即為反轉過程中從動件滾子圓心的運動軌跡。
5） 將點B0,B1,B2,...連成光滑的曲線，即得凸輪的理論輪廓線?！?-5,11-23】
圖2-6凸輪一輪廓曲線
圖2-7凸輪二輪廓曲線
圖2-6為第一個凸輪的輪廓曲線，圖2-7為第二個凸輪的輪廓曲線，圖2-8為第三個凸輪的輪廓曲線
圖2-8凸輪三輪廓曲線
2.4.7凸輪輪廓的加工方法【15-16】
（一）銑、銼削加工
用于低速、輕載場合的凸輪
（二）數(shù)控加工
用于高速、重載的場合，加工精度高。
2.4.8凸輪機構的壓力角
壓力角 ：凸輪機構從動件速度方向與該點受力方向的夾角。
對直動從動件凸輪機構[a]=30～38°
擺動從動件凸輪機構[a]=40～50°工作行程
[a]=70~80° 回程
2.5軸的設計
圖2-9軸
根據(jù)軸徑選鍵，Φ20選的平鍵b×h為8×7（圖2-9），配合為Φ20H7/k6,Φ25H7/k6（如圖2-10）【1-3,11-18】
圖2-10軸
圖2-10為凸輪軸，圖2-11和2-12分別為控制壓和夾緊凸輪的軸。
圖2-11軸
圖2-12軸
第三章 減速箱的設計
3.1 減速箱的示意圖
圖3-1減速箱示意圖
3.2各主要部件的選擇
表3-1
分析對象
過程分析
結論
動力源
一般選用交流電動機
三相交流電動機
帶
V帶允許的傳動比大,結構緊湊
V帶
齒輪
直齒傳動平穩(wěn)
高速級、低速級都可用直齒
軸承
此減速器軸承承受軸向載荷很小
球軸承
聯(lián)軸器
有吸振和緩沖能力,耐久性好
彈性柱銷聯(lián)軸器
3.3電動機的選擇
壓裝機每分鐘壓15個，即減速箱輸出為15r/min, 查表知V帶傳動常用傳動比范圍 為2～4,單級圓柱齒輪的傳動比范圍為3～6,則電動機的轉速的可選范圍為：
因此,可選同步轉速為1500r/min的電動機，型號為Y112M-4?！?6-28】
3.4 分配傳動比
表3-2 傳動比分配
分析對象
過程分析
結論
分配傳動比
傳動系統(tǒng)的總傳動比i=nm/nw(式3-2)其中i是傳動系統(tǒng)的總傳動比，多級串聯(lián)傳動系統(tǒng)的總傳動等于各級傳動比的連乘積；nm是電動機的滿載轉速，r/min；nw 為工作機輸入軸的轉速，r/min。
計算如下? nm=1440r/min
nw =15r/min
i=nm/nw=1440/15=96
V帶,初取
則減速器傳動比為:i減=i/i帶(式3-3)
=96/4=24
按展開式布置,考慮沒有潤滑條件,為使兩級齒輪直徑相近,
取高速級 ,則低速級i2=i減/i1=6
3.5 V帶傳動的設計【9,17】
已知電動機的功率P=3.8kw,轉速N=1500r/min。
1、由于載荷平穩(wěn),選用普通V帶。
2、確定計算功率，取工況系數(shù)KA =1
Pca=KAP=1*4=4（式3-4）
3、 選擇帶型
根據(jù)Pca 與N=1500r/min,由《機械設計手冊》確定選用A型
4、 確定帶輪基準直徑并驗算帶速
初取主動輪的基準直徑 dd1=90 mm
V=πdd1n1/(601000)（式3-5）
= =6.7824m/s<25 m/s
于是從動輪基準直徑dd2= dd1i01=904=360mm
5、確定普通V帶的基準長度和傳動中心距Ld
根據(jù)0.7(dd1+ dd2)
90
因此,主動輪上的包角合適。
7．計算普通V帶的根數(shù)Z
由 n1=1500r/min，dd1=90 mm，i=4，查手冊得
PO=0.68Kw △PO=0.17Kw
查表得K=0.93, KL=1.03由（式3-10）得
故取Z=5.
8.計算預緊力F0
查表得q=0.10kg/m,
（式3-11）
=99.2N
9.計算作用在軸上的壓軸力Fp 由 Fp=2ZF0 sin（式3-12）得
Fp=2ZF0 sin=2 5 99.2sin=968.5N
10.V帶輪的選擇
由主、從動輪的基準直徑,選用輪輻式V帶輪
其寬度B=(Z-1)e+2f（式3-13）
=(5-1)12+27=62mm
3.6 設計高速級齒輪
表3-3 高速級齒輪設計
分析對象
過程分析
結論
選精度等級材料和齒數(shù)
1.選用直齒圓柱齒輪傳
2.選用7級精度
3.材料選擇。小齒輪材料為40Cr（調質），硬度為280HBS，大齒輪材料為45鋼（調質），硬度為240HBS，二者材料硬度差為40HBS。
4.選小齒輪齒數(shù)Z1＝２4，
5.大齒輪齒數(shù)Z2＝ｉ1·Z1＝4×24=96
小齒輪材料為40Cr（調質），硬度為
280HBS，大齒輪材料為
45鋼（調質），硬度為240HBS
按齒面接觸強度設計
按式試算，即
（式3-14）
１）確定公式內的各計算數(shù)值
（１）試選
（2）計算小齒輪傳遞的轉矩
（3）由 《機械設計》表12.13，選取齒寬系數(shù)
（4）由表《機械設計》表12.12查得材料的彈性影響系數(shù)
（5）由圖《機械設計》圖12.17c按齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞強度極限，大齒輪的接觸疲勞強度極限
（6）計算應力循環(huán)次數(shù)，由《機械設計》表12.15，估計
?。ㄊ?-15）
（7）由圖《機械設計》查得接觸疲勞強度壽命系數(shù)
（8）計算接觸疲勞強度許用應力
取失效概率為１％，安全系數(shù)為S=1，得
（式3-16）
按齒面接觸強度設計
２）計算
?。ǎ保┰囁阈↓X輪分度圓直徑，由計算公式3-14得
（２）計算圓周速度
?。ǎ常┯嬎泯X寬ｂ
（４）計算齒寬與齒高比
模數(shù)
（５）計算載荷系數(shù)K
已知使用系數(shù)
根據(jù)，７級精度，由圖12.9查得動載荷系數(shù)
查表得
故載荷系數(shù)
?。ǎ叮┌磳嶋H的載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑，得
（７）計算模數(shù)m
按齒面接觸強度設計,模數(shù)m=1.656mm
按齒根彎曲強度設計
由式 （式3-16）
１） 確定計算參數(shù)
（１）計算載荷系數(shù)
（2）查取齒形系數(shù)
由《機械設計》圖12.21查得
?。?）查取應力校正系數(shù)
由《機械設計》圖12.22查得
?。?）由《機械設計》圖12.23c查得，小齒輪的彎曲疲勞強度極限
大齒輪的彎曲疲勞強度極限
（5）由《機械設計》查得彎曲疲勞強度壽命系數(shù)
（6）計算彎曲疲勞許用應力
取彎曲疲勞安全系數(shù)S＝1.4，得
（7）計算大小齒輪的
大齒輪的數(shù)據(jù)大
２） 設計計算
按齒面彎曲強度設計,模數(shù)m=1.313mm，
但是因為傳遞動力的齒輪模數(shù)應取大于等于1.5mm,所以模數(shù)取m=1.5mm
對比計算結果
對比計算結果，由齒面接觸疲勞強度計算的模數(shù)大于由齒根彎曲疲勞強度計算的模數(shù)，由于齒輪模數(shù)m的大小主要取決于彎曲強度所決定的承載能力,而齒面接觸疲勞強度所決定的承載能力,僅與齒輪直徑(即模數(shù)與齒數(shù)的乘積)有關,可取由彎曲強度算得的模數(shù)1.313并就近圓整為標準值m=1.5mm,按接觸疲勞強度算得的分度圓直徑來計算應有的齒數(shù)。于是由
則
按齒根彎曲強度設計,得模數(shù)
m>1.313,綜合比較可得高速級兩齒數(shù):
幾何尺寸計算
(1)計算分度圓直徑
(2)計算中心距
圓整為102
(3)計算齒輪寬度
??；
中心距
分度圓直徑
齒輪寬度
3.7 設計低速級齒輪
根據(jù)表3-3的計算方法，得：小齒輪材料為40Cr（調質），硬度為280HBS，大齒輪材料為45鋼（調質），硬度為240HBS，小齒輪齒數(shù)Ｚ1＝33，大齒輪齒數(shù)Ｚ2＝ｉ2·Ｚ1＝6×33=198，模數(shù)m=2.430mm，中心距a=211mm，分度圓直徑d1=57.75mm =346.5mm,齒輪寬度B2=60mm B1=65mm。
3.8齒輪潤滑方式的選擇
因為潤滑脂承受的負荷能力較大、粘附性較好、不易流失，齒輪靠機
體油的飛濺潤滑。I，II，III軸的速度因子，查機械設計手冊可選用鈉基潤滑劑2號?！?-3,18】
3.9密封方式的選擇
由于I，II，III軸與軸承接觸處的線速度，所以采用氈圈密封。
第四章 聯(lián)軸器的設計選擇
聯(lián)軸器的選型【21-23】
聯(lián)軸器是用來連接進給機構的兩根軸使之一起回轉以傳遞扭矩和運動的一種裝置。機器運轉時，被連接的兩軸不能分離，只有停車后，將聯(lián)軸器拆開，兩軸才能脫開。
目前聯(lián)軸器的類型繁多，有液壓式、電磁式和機械式。機械式聯(lián)軸器是應用最廣泛的一種，它借助于機械構件相互間的機械作用力來傳遞扭矩，大致可將聯(lián)軸器劃分為剛性聯(lián)軸器和彈性聯(lián)軸器兩類。
（1）剛性聯(lián)軸器可分為以下兩類。
①固定式聯(lián)軸器，主要有套筒聯(lián)軸器、凸緣聯(lián)軸器和夾殼聯(lián)軸器等。
②可移式聯(lián)軸器，主要有齒輪聯(lián)軸器、十字滑塊聯(lián)軸器和萬向聯(lián)軸器等。
（2）彈性聯(lián)軸器可分為以下兩類。
①金屬彈性件聯(lián)軸器，主要有套筒聯(lián)軸器、膜片聯(lián)軸器和波形管聯(lián)軸器等。
②非金屬彈性聯(lián)軸器，主要有輪胎式聯(lián)軸器、整圈橡膠聯(lián)軸器和橡膠塊聯(lián)軸器等。
凸緣聯(lián)軸器
凸緣聯(lián)軸器是把兩個帶有凸緣的半聯(lián)軸器分別與兩軸連接，然后用螺栓把兩個半聯(lián)軸器聯(lián)成一體，以傳遞動力和扭矩。凸緣聯(lián)軸器還有兩種對中，另一種則是共同與另一部分環(huán)相配合而對中。前者在裝拆時軸必須作軸向移動，后者則無此缺點。連接螺栓可以采用半精制的普通螺栓，此時螺栓桿與釘孔壁間存有間隙，扭矩靠半聯(lián)軸器結合面間的摩擦力來傳遞；也可采用鉸質孔用螺栓，此時螺栓桿與釘孔為過渡配合，靠螺栓桿承受擠壓與剪切來傳遞扭矩凸緣聯(lián)軸器可制成帶防護邊的或不帶防護邊的。
凸緣聯(lián)軸器的材料可用HT250或碳鋼，重載或圓周速度大于30m/s時應用鑄鋼或鍛鋼。
凸緣聯(lián)軸器對于所連接的兩軸的對中性要求很高，當兩軸間有位移與傾斜存在時，就在機件內引起附加載荷，使工作情況惡化，這是它的主要缺點。但由于其結構簡單、成本低以及可傳遞較大扭矩，故當轉速低、無沖擊、軸的剛度大以及對中性較好時亦常采用。
根據(jù)工作需要選擇凸緣聯(lián)軸器
根據(jù)軸徑選折YLD5凸緣聯(lián)軸器具體參數(shù)如下：（機械設計手冊表29.2-5P29-26）
型號
許用轉矩
[T]
許用轉速
（n）
軸孔直徑
軸孔長度
D
D0
螺栓
L0
重量
m
轉動慣量
mm
數(shù)量
n
直徑
d
(r/min)
mm
N.m
鐵
鋼
鐵
鋼
Y型
J J1型
mm
mm
Y型
J J1型
kg
Kg/m2
YLD5
63
5500
9000
28
28
62
4
100
80
4
M8
128
92
3.19
0.013
圖4.1凸緣聯(lián)軸器
第五章 總結
本次畢業(yè)設計完成壓裝機構的運動分析、工序設計、結構設計及關鍵零部件設計 。此壓裝機主要依靠三個凸輪的運動實現(xiàn)。第一個凸輪通過其擺動從動件控制夾緊軸的水平移動，第二個與第三個凸輪通過其擺動從動件，分別控制內軸與外軸垂直移動，使其定位和沖壓。進行了結構設計及關鍵零部件設計，其中有儀表殼的尺寸，裝配夾具形狀及尺寸，從動件的位移線圖的設計，凸輪的設計，其中為了壓裝機的運作設計了減速箱，減速箱里包括電機的選擇，V帶的設計和齒輪的設計，最后選擇了連接壓裝機和減速箱的聯(lián)軸器。
本次設計的儀表殼的自動化壓裝機具有結構簡單，可以保證錐形薄片在同一位置產生精度相同的變形的特點。在設計過程中遇到了各種實際問題，比如在方案論證過程中，通過各種途徑查閱了大量資料，一步步改良完善方案；在著手畫裝配圖的過程中，視圖的規(guī)范畫法，如何表達視圖才能達到最佳的效果等，這些都需要我在畫圖的過程中，真正將自己擺在一個設計人員的角度，從實際出發(fā)，充分考慮加工事實，將圖畫的更準確，這使我將來從事設計能更加得心應手；在裝配圖畫完之后，開始標注尺寸公差與配合，工差配合是每個設計人員都需要重視的問題，它從另一個方面體現(xiàn)了一個設計人員的基本素質，
第六章 致謝
在此次的設計中，我要非常感謝劉天軍老師的悉心指導，他淵博的知識，開闊的思維，勇于創(chuàng)新實踐精神，嚴謹求實的治學態(tài)度，兢兢業(yè)業(yè)一絲不茍的工作作風，時刻督促我努力學習和工作。從論文的選題、實踐研究到撰寫，期間一直得到劉老師的悉心指導和關懷。每個星期他都會抽出時間來輔導我們的設計，時刻關注我們的設計進程，及時糾正設計中的錯誤，隨時提出寶貴的建議，積極鼓勵我們勤思考、勤探討、勤查閱，真正將四年所學的知識融會貫通，應用起來得心應手，使我獲益匪淺。再次對劉老師的辛勤工作表示深深的感謝！
感謝劉天軍老師在畢業(yè)設計期間給我提出了寶貴的要求和建議，他的嚴格要求不斷的激勵我，在后來的設計中不斷改進，使設計更加完善。
陳天平
2010年6月1日
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24
KC011-1
2010 屆畢業(yè)設計選題申報表
二級學院（直屬學部）： 機電工程學院 專業(yè)： 機械設計制造及其自動化
課題名稱
儀表殼自動化壓裝機的設計
地點
校內
課題來源
常州紅梅電力設備廠
學生
人數(shù)
1
申報人
劉天軍
職稱
副教授
課題簡介：
本課題旨在解決儀表生產中的錐形薄片壓入儀表殼中的工序自動化問題，既要保證壓入的位置，同時必須保證錐形薄片在同一位置產生精度相同的變形。本課題要求學生自動化錐形薄片自動化壓裝系統(tǒng)設計的壓裝機設計，完成壓裝機構的運動分析、工序設計、結構設計及關鍵零部件設計。該課題與生產實踐相結合，有較高的實用價值和借鑒價值，該課題主要培養(yǎng)學生產品設計的綜合能力，協(xié)同工作能力等。
指標（目標）要求：
該課題工作內容：要求學生完成-壓裝機設計設計、用CAD完成壓裝機及落料部件設計裝配圖，部分零件圖，設計說明書，完成15000英文字符的英文文獻的翻譯。
技術指標:每分鐘完成任務15只金屬儀表盤的壓裝,壓裝精度滿足生產要求.
進程安排：
第一周：技術調研及方案研討，查閱各類資料。
第二周-第四周：方案設計及方案論證、結構圖的設計階段
第五周~第十二周：裝配圖及零件圖
第十三周~第十五周:撰寫編寫畢業(yè)設計說明書
第十六周：答辯
每個學生課題分工情況、課題的副標題：
（當課題需由2名及以上學生完成時）
系部
審核
意見
負責人簽名： 年 月 日
二級學院
（直屬學部）
審核意見
負責人簽名： 年 月 日
審 題 說 明
對選題應從以下幾方面進行審核：
1.課題是否符合專業(yè)培養(yǎng)目標及畢業(yè)設計（論文）教學大綱的要求，與專業(yè)知識結合程度如何；
2.課題是否具有一定的科學性、社會價值和經濟效益；
3.課題是否具有一定的深度與廣度；
4.課題的工作量是否飽滿。
注：本表由提出課題的教師填寫，系部保存。
英文翻譯
【附】英文原文
翻譯文獻：Five-axis milling machine tool kinematic chain design and analysis
作者：E.L.J. Bohez
文獻出處：International Journal of Machine Tools & Manufacture 42 (2002) 505–520
翻譯頁數(shù)：
Five-axis milling machine tool kinematic chain design and analysis
1. Introduction
The main design specifications of a machine tool can be deduced from the following principles:
● The kinematics should provide sufficient flexibility in
orientation and position of tool and part.
● Orientation and positioning with the highest possible
speed.
● Orientation and positioning with the highest possible
accuracy.
● Fast change of tool and workpiece.
● Save for the environment.
● Highest possible material removal rate.
The number of axes of a machine tool normally refers to the number of degrees of freedom or the number of independent controllable motions on the machine slides.The ISO axes nomenclature recommends the use of a right-handed coordinate system, with the tool axis corresponding to the Z-axis. A three-axis milling machine has three linear slides X, Y and Z which can be positioned everywhere within the travel limit of each slide. The tool axis direction stays fixed during machining. This limits the flexibility of the tool orientation relative to the workpiece and results in a number of different set ups. To increase the flexibility in possible tool workpiece orientations, without need of re-setup, more degrees of freedom must be added. For a conventional three linear axes machine this can be achieved by providing rotational slides. Fig. 1 gives an example of a five-axis milling machine.
2. Kinematic chain diagram
To analyze the machine it is very useful to make a kinematic diagram of the machine. From this kinematic (chain) diagram two groups of axes can immediately be distinguished: the workpiece carrying axes and the tool carrying axes. Fig. 2 gives the kinematic diagram of the five-axis machine in Fig. 1. As can be seen the workpiece is carried by four axes and the tool only by one axis.The five-axis machine is similar to two cooperating robots, one robot carrying the workpiece and one robot carrying the tool.Five degrees of freedom are the minimum required to obtain maximum flexibility in tool workpiece orientation,this means that the tool and workpiece can be oriented relative to each other under any angle. The minimum required number of axes can also be understood from a rigid body kinematics point of view. To orient two rigid bodies in space relative to each other 6 degrees of freedom are needed for each body (tool and workpiece) or 12 degrees. However any common translation and rotation which does not change the relative orientation is permitted reducing the number of degrees by 6. The distance between the bodies is prescribed by the toolpath and allows elimination of an additional degree of freedom, resulting in a minimum requirement of 5 degrees.
3.Literature review
One of the earliest (1970) and still very useful introductions to five-axis milling was given by Baughman [1] clearly stating the applications. The APT language was then the only tool to program five-axis contouring applications. The problems in postprocessing were also clearly stated by Sim [2] in those earlier days of numerical control and most issues are still valid. Boyd in Ref. [3] was also one of the early introductions. Beziers’ book [4] is also still a very useful introduction. Held [5] gives a very brief but enlightening definition of multi-axis machining in his book on pocket milling. A recent paper applicable to the problem of five-axis machine workspace computation is the multiple sweeping using the Denawit-Hartenberg representation method developed by Abdel-Malek and Othman [6]. Many types and design concepts of machine tools which can be applied to five-axis machines are discussed in Ref. [7] but not specifically for the five-axis machine. he number of setups and the optimal orientation of the part on the machine table is discussed in Ref. [8]. A review about the state of the art and new requirements for tool path generation is given by B.K. Choi et al. [9]. Graphic simulation of the interaction of the tool and workpiece is also a very active area of research and a good introduction can be found in Ref. [10].
4. Classification of five-axis machines’ kinematic structure
Starting from Rotary (R) and Translatory (T) axes four main groups can be distinguished: (i) three T axes and two R axes; (ii) two T axes and three R axes; (iii) one T axis and four R axes and (iv) five R axes. Nearly all existing five-axis machine tools are in group (i). Also a number of welding robots, filament winding machines and laser machining centers fall in this group. Only limited instances of five-axis machine tools in group (ii) exist for the machining of ship propellers. Groups (iii) and (iv) are used in the design of robots usually with more degrees of freedom added. The five axes can be distributed between the workpiece or tool in several combinations. A first classification can be made based on the number of workpiece and tool carrying axes and the sequence of each axis in the kinematic chain. Another classification can be based on where the rotary axes are located, on the workpiece side or tool side. The five degrees of freedom in a Cartesian coordinates based machine are: three translatory movements X,Y,Z (in general represented as TTT) and two rotational movements AB, AC or BC (in general represented as RR).Combinations of three rotary axes (RRR) and two linear axes (TT) are rare. If an axis is bearing the workpiece it is the habit of noting it with an additional accent. The five-axis machine in Fig. 1 can be characterized by XYABZ. The XYAB axes carry the workpiece and the Z-axis carries the tool. Fig. 3 shows a machine of the type XYZAB, the three linear axes
carry the tool and the two rotary axes carry the workpiece.
5. Workspace of a five-axis machine
Before defining the workspace of the five-axis machine tool, it is appropriate to define the workspace of the tool and the workspace of the workpiece. The workspace of the tool is the space obtained by sweeping the tool reference point (e.g. tool tip) along the path of the tool carrying axes. The workspace of the workpiece carrying axes is defined in the same way (the center of the machine table can be chosen as reference point).These workspaces can be determined by computing the swept volume [6].Based on the above-definitions some quantitative parameters can be defined which are useful for comparison, selection and design of different types of machines.
6.Selection criteria of a five-axis machine
It is not the objective to make a complete study on how to select or design a five-axis machine for a certain application. Only the main criteria which can be used to justify the selection of a five-axis machine are discussed.
6.1. Applications of five-axis machine tools
The applications can be classified in positioning and contouring. Figs. 12 and 13 explain the difference between five-axis positioning and five-axis contouring.
6.1.1. Five-axis positioning
Fig. 12 shows a part with a lot of holes and flat planes under different angles, to make this part with a three axis milling machine it is not possible to process the part in one set up. If a five-axis machine is used the tool can process. More details on countouring can be found in Ref. [13]. Applications of five-axis contouring are: (i) production of blades, such as compressor and turbine blades; (ii) injectors of fuel pumps; (iii) profiles of tires; (iv) medical prosthesis such as artificial heart valves; (v) molds made of complex surfaces.
6.1.2. Five-axis contouring
Fig. 13 shows an example of five-axis contouring, tomachine the complex shape of the surface we need to control the orientation of the tool relative to the part during cutting. The tool workpiece orientation changes in each step. The CNC controller needs to control all the five-axes simultaneously during the material removal process. More details on countouring can be found in Ref. [13]. Applications of five-axis contouring are: (i) production of blades, such as compressor and turbine blades; (ii) injectors of fuel pumps; (iii) profiles of tires; (iv) medical prosthesis such as artificial heart valves; (v)
molds made of complex surfaces.
6.2. Axes configuration selection
The size and weight of the part is very important as a first criterion to design or select a configuration. Very heavy workpieces require short workpiece kinematic chains. Also there is a preference for horizontal machine tables which makes it more convenient to fix and handle the workpiece. Putting a heavy workpiece on a single rotary axis kinematic chain will increase the orientation flexibility very much. It can be observed from Fig. 4that providing a single horizontal rotary axis to carry the workpiece will make the machine more flexible. In most cases the tool carrying kinematic chains will be kept as short as possible because the toolspindle drive must also be carried.
6.3.five-axes machining of jewelry
A typical workpiece could be a flower shaped part as in Fig. 14. This application is clearly contouring. The part will be relatively small compared to the tool assembly. Also small diameter tools will require a high speed spindle. A horizontal rotary table would be a very good option as the operator will have a good view of the part (with range 360°). All axes as workpiece carrying axes would be a good choice because the toolspindle
could be fixed and made very rigid. There are 20 ways in which the axes can be combined in the workpiece kinematic chain (Section 4.2.1). Here only two kinematic chains will be considered. Case one will be a TTTRR kinematic chain shown in Fig. 15. Case two will be a RRTTT kinematic chain shown in Fig. 16.
For model I a machine with a range of X=300mmY=250 mm, Z=200 mm, C=n 360° and A=360°, and a machine tool table of 100 mm diameter will be considered. For this kinematic chain the tool workspace is a single point. The set of tool reference points which can be selected is also small. With the above machine travel ranges the workpiece workspace will be the space swept by the center of the machine table. If the centerline of the two rotary axes intersect in the reference point, a prismatic workpiece workspace will be obtained with as size XYZ or 300×250×200 mm3. If the centerlines of the two rotary axes do not intersect in the workpiece reference point then the workpiece workspace will be larger.
It will be a prismatic shape with rounded edges. The radius of this rounded edge is the excentricity of the bworkpiece reference point relative to each centerline. Model II in Fig. 15 has the rotary axes at the beginning of the kinematic chain (RRTTT). Here also two different values of the rotary axes excentricity will be considered. The same range of the axes as in model I is considered. The parameters defined in Section 5 are computed for each model and excentricity and summarized in Table 1. It can be seen that with the rotary axes at the end of the kinematic chain (model I), a much smaller machine tool workspace is obtained. There are two main reasons for this. The swept volume of the tool and workpiece WSTOOLWSWORK is much smaller for model I. The second reason is due to the fact that a large part of the machine tool workspace cannot be used in the case of model I, because of interference with the linear axes. The workspace utilization factor however is larger for the model I with no excentricity because the union of the tool workspace and workpiece workspace is relatively smaller compared with model I with excentricity e=50 mm. The orientation space index is the same for both cases if the table diameter is kept the same. Model II can handle much larger workpieces for the same range of linear axes as in model I. The rotary axes are here in the beginning of the kinematic chain, resulting in a much larger machine tool workspace then for model I. Also there is much less interference of the machine tool workspace with the slides. The other 18 possible kinematicchain selections will give index values somewhat in between the above cases.
6.4. rotary table selection
Two machines with the same kinematic diagram (TTRRT) and the same range of travel in the linear axes will be compared (Fig. 17). There are two options for the rotary axes: two-axis table with vertical table (model I), two-axis table with horizontal table (model II). Tables 2 and 3 give the comparison of the important features. It can be observed that reducing the range of the rotary axes increases the machine tool workspace. So model I will be more suited for smaller workpieces with operations which require a large orientation range, typically contouring applications. Model II will be suited for larger workpieces with less variation in tool orientation or will require two setups. This extra setup requirement could be of less importance then the larger size. The horizontal table can use pallets which transform the internal setup to external setup. The larger angle range in the B-axes 105 to +105, Fig. 17. Model I and model II TTRRT machines. compared to 45 to +20, makes model I more suited for complex sculptured surfaces, also because the much higher angular speed range of the vertical angular table. The option with the highest spindle speed should be selected and it will permit the use of smaller cutter diameters resulting in less undercut and smaller cutting forces. The high spindle speed will make the cutting of copper electrodes for die sinking EDM machines easier. The vertical table is also better for the chip removal. The large range of angular orientation, however, reduces the maximum size of the workpiece to about 300 mm and 100 kg. Model II with the same linear axes range as model I, but much smaller range in the rotation, can easily handle a workpiece of double size and weight. Model II will be good for positioning applications. Model I cannot be provided with automatic workpiece exchange, making it less suitable for mass production. Model II has automatic workpiece exchange and is suitable for mass production of position applications. Model I could, however, be selected for positioning applications for parts such as hydraulic valve housings which are small and would require a large angular range.
7.New machine concepts based on the Stewart platform
Conventional machine tool structures are based on Carthesian coordinates. Many surface contouring applications can be machined in optimal conditions only with five-axis machines. This five-axis machine structure requires two additional rotary axes. To make accurate machines, with the required stiffness, able to carry large workpieces, very heavy and large machines are required. As can be seen from the kinematic chain diagram of the classical five-axis machine design the first axis in the chain carries all the subsequent axes. So the dynamic responce will be limited by the combined inertia. A mechanism which can move the workpiece without having to carry the other axes would be the ideal. A new design concept is the use of a ‘HEXAPOD’. Stewart [16] described the hexapod principle in 1965. It was first constructed by Gough and Whitehall [20] in 1954 and served as tire tester. Many possible uses were proposed but it was only applied to flight simulator platforms. The reason was the complexity of the control of the six actuators. Recently with the amazing increase of speed and reduction in cost of computing, the Stewart platform is used by two American Companies in the design of new machine tools. The first machine is the VARIAX machine from the company Giddings and Lewis, USA. The second machine is the HEXAPOD from the Ingersoll company, USA. The systematic design of Hexapods and other similar systems is discussed in Ref. [17]. The problem of defining and determining the workspace of virtual axis machine tools is discussed in Ref. [18]. It can be observed from the design of the machine that once the position of the tool carrying plane is determined uniquely by the CL date (point + vector), it is still possible to rotate the tool carrying platform around the tool axis. This results in a large number of possible length combinations of the telescopic actuators for the same CL data.
8.Conclusion
Theoretically there are large number of ways in which a five-axis machine can be built. Nearly all classical Cartesian five-axis machines belong to the group with three linear and two rotational axes or three rotational axes and two linear axes. This group can be subdivided in six subgroups each with 720 instances.If only the instances with three linear axes are considered there are still 360 instances in each group. The instances are differentiated based on the order of the axes in both tool and workpiece carrying kinematic chain.If only the location of the rotary axes in the tool and workpiece kinematic chain is considered for grouping five-axis machines with three linear axes and two rotational axes, three groups can be distinguished. In the first group the two rotary axes are implemented in the workpiece kinematic chain. In the second group the two rotary axes are implemented in the tool kinematic chain. In the third group there is one rotary axis in each kinematic chain. Each group still has twenty possible instances. To determine the best instance for a specific application area is a complex issue. To facilitate this some indexes for comparison have been defined such as the machine tool workspace, workspace utilization factor, orientation space index, orientation angle index and machine tool space efficiency. An algorithm to compute the machine tool workspace and the diameter of the largest spherical dome which can be machined on the machine was outlined. The use of these indexes for two examples was discussed in detail. The first example considers the design of a five-axis machine for jewelry machining. The second example illustrates the selection of the rotary axes options in the case of a machine with the same range in linear axes.
翻譯題名：Five-axis milling machine tool kinematic chain design and analysis
期刊與作者：E.L.J. Bohez
出版社： International Journal of Machine Tools & Manufacture 42 (2002) 505–520
● 英文譯文
摘要：
現(xiàn)如今五軸數(shù)控加工中心已經非常普及。大部分機床的運動學分析都 基于笛卡爾直角坐標系。本文羅列了現(xiàn)有的概念設計與實際應用，這些從理論上都基于自由度的綜合。一些有用的參數(shù)都有所規(guī)定，比如工件使用系數(shù)，機床空間效率，方向空間搜索以及方向角等。每一種概念，它的優(yōu)缺點都有所分析。選擇的標準及機器參數(shù)設置的標準都給出來了。據(jù)于Stewart平臺的新概念最近行業(yè)內已有介紹并作簡短討論。
1.緒論
設計一臺數(shù)控機床主要要遵循以下規(guī)則：
1，刀具和工件在空間方向上要有足夠的靈活性。
2，方向和位置的改變要盡可能的快。
3，方向和位置的改變要盡可能的準確。
4，刀具和工件快速變、換。
5，環(huán)保
6，切削材料速度快
一臺數(shù)控機床的軸的數(shù)目通常取決于其自由度數(shù)目或者獨立控制運動的導軌數(shù)目。國際標準委員會推薦通過右手笛卡兒坐標系來命名坐標軸，刀具相應的為Z軸。一個三軸銑床有三條導軌，X,Y,Z向，它們可用來在長度范圍內可以在任意位置移動。加工過程中刀具軸的位置始終不變。這就限制了刀具相對于工件在方向上變化的靈活性，并且導致許多偏差的出現(xiàn)。為了盡可能的提高刀具相對于工件的靈活性，無需重啟，必須要加入多個自由度。對于傳統(tǒng)三軸機床來說這可以通過提供旋轉滑臺來實現(xiàn)。圖1給出了一個五軸銑床的例子。
圖1 五軸數(shù)控機床
1.運動鏈圖表
通過制作機器的運動鏈圖表對于機器的分析來說十分有用。通過運動簡圖可知兩組軸可以迅速的區(qū)分開：工件裝夾軸和刀具軸。圖2給出了圖1.五軸機床的運動鏈簡圖。由圖上可以看出工件由四根軸承載，刀具僅在一根軸上。這個五軸機床與兩工位操作機器人很相似，一個機器人夾住工件，另一個夾住刀具。為了獲得刀具工件方向上的最大自由，五個自由度已是最低要求，這就意味著工件和刀具可以在任意角度位置相對定位。最低需求的軸數(shù)也可以通過剛體運動學的方法來分析。兩個剛體在空間確定相對位置，每個剛體需要6個到12個自由度。然而由于任意的移動或轉動并不改變相對位置就允許將自由度減少到6.兩個剛體之間的距離通過刀具軌跡來描述，并且允許去掉一個額外的自由度，結果也就是5個自由度。
圖2 運動鏈圖
2.參考文獻
最早（1970年）到目前并且仍就有參考價值的對五軸數(shù)控銑床的介紹之一是由 Baughman提出的并清楚的闡述了它的應用（附錄1有他的介紹）。APT語言隨后成為唯一的五軸輪廓加工的編程語言之一。后處理階段的問題也在數(shù)控發(fā)展的早期由Sim清楚的表述出來（附錄2有對他的介紹），并且大部分問題到現(xiàn)在仍然有效。Boyd（詳見附錄3）也是最早引進數(shù)控機床的先驅之一。Beziers的書（見附錄4）也是非常有用的介紹。Held（見附錄5）在他的小型銑削加工的書里對多軸機床也有非常簡短但啟發(fā)性的定義。目前一篇適用于解決五軸數(shù)控機床工作空間計算的文章，通過使用Denawit-Hartenberg發(fā)表并由 Abdel-Malek and Othman（見附錄6）改進的算法 應用于多弧段切削。許多對機床的類型和概念設計，這些可以被應用于五軸機床，Ref都有討論（見附錄8）.關于對刀具路徑生成的技巧和新需求由B.K. Choi et al給出（見附錄9）。工件與刀具的圖像模擬也是研究的熱點并且可以在Ref（見附錄10）的書是一個好的入門讀物。
3.五軸機床運動結構的分類
從R軸（旋轉軸）和T軸（移動軸）劃分大致可以分為四大部分：（i）3個移動軸和2個轉動軸；（ii）2個T軸和3個R軸；（