微噴射三維調(diào)節(jié)裝置設(shè)計【三維調(diào)節(jié)架結(jié)構(gòu)設(shè)計】

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微注射應用的范圍非常廣泛，從輔助（體外）細胞受精技術(shù)至分子和細胞基本組分的轉(zhuǎn)運都需使用這一技術(shù)，比較典型的是將某些物質(zhì)注射進細胞中以操作和/或監(jiān)測某種特定的存活細胞中的基本機體生物化學狀態(tài)。這些可以注射進細胞的物質(zhì)包括有：各種細胞器、激酶、組織化學標志物（比如辣根過氧化物酶或者熒光黃）、蛋白質(zhì)、代謝物質(zhì)、微磁頭、離子、抗體、基因、分子生物學的mRNA和DNA，等等。運用這一技術(shù)，也可以實現(xiàn)用于單個細胞或一組細胞的較少量（皮升至毫升）藥劑或藥物的精確輸送（微灌注），例如藥理學的藥物檢驗。 為了使科研人員能夠順利進行上述的實驗并得到有意義的結(jié)果，這些實驗中所使用的器具（設(shè)備）不僅應當有特殊的功能，還應當同時有很高的、過硬的質(zhì)量，能夠提供確保結(jié)果正確所需的可靠性、精確性以及可重復性。 1.2 微注射裝置 用于定量直接加壓微注射的必備裝置有一臺光學顯微鏡，一臺顯微操作儀，微米注射器，拉針儀，防震裝置等。由于其進行的是精細操作，所以定量直接細胞注射系統(tǒng)還包括安靜無塵的環(huán)境，適宜溫度下培養(yǎng)細胞的方法，細胞養(yǎng)箱以及起“閘控”小于的裝置。更精細的系統(tǒng)還包括高質(zhì)量視覺，多用、穩(wěn)定良好的顯微操作儀，照相和錄音機、監(jiān)視器，數(shù)字圖象加工和圖象檢出儀。 1.3 微注射方法 現(xiàn)有的微注射方法可分為定量和半定量方法，定量直接加壓顯微注射方法兩大類。 1.3.1 定量和半定量方法 定量微注射方法有包被針尖法、被動注射和直接壓強法。在包被針尖方法中，將針尖（密封針）浸到即將導入到細胞的物質(zhì)溶液中。微注射針刺入細胞，樣品在細胞質(zhì)中溶解。這種方法既快又簡單，但對實際上導入細胞中樣品的量難以控制。 在被動注射方法中，針中充滿注射溶液。將針刺入細胞質(zhì)中，樣品被動地流入細胞中。這種方法避免了包被針尖方法所遇到的許多問題，包括由于針尖干燥使樣品變性問題。另一優(yōu)點是導入到細胞中的物質(zhì)濃度是已知的，但控制注射的量極為困難。這是由于時間、位置以及導入樣品進入細胞的速度無法精確控制。 直接壓強法微注射方法應用最廣泛。它對大量的特異分如細胞骨架蛋白質(zhì)是很有效的。這種方法有兩種不同方式，一是使用恒定的溶液引流，二是使用脈沖引流。恒定流動顯微注射方法需要相當量的樣品，對十分寶貴的樣品是不合適的。 脈沖流動注射方法可能是當前最為廣泛使用的方法。該方法是用抗壓的管將持針器與壓強控制裝置相連接在一起，這能精確控制排出氣體量以及控制噴射壓強的時機和時間。需測定針的平衡壓強，防止樣品從針內(nèi)流出或倒流?，F(xiàn)在，用于該種微注射方法的壓強控制裝置（微注射器）已經(jīng)可以在市面上買到?，F(xiàn)有的此種壓強控制裝置分手動和自動兩種。如Eppendorf研制的自動微注射器。這種設(shè)備接在一個壓縮空氣瓶上，為針頭提供壓強。另外，它還通過塑料管連到針頭的托棒上。通過調(diào)整相應的閥門可獲得低、中、高三種不同的輸出壓強：低壓在針頭內(nèi)形成一種持續(xù)的壓強（維持壓），用來防止吸入培養(yǎng)基；中壓為微注射提供壓強（注射壓）；高壓用遇毛細管和清洗。 1.3.2 定量直接加壓顯微注射方法 定量直接加壓顯微注射目的是特定時間和位置，依靠壓強直接將一精確體積的已知濃度的物質(zhì)，精確地導入到細胞中。通過“謹慎”地操作，可以通過滴定確定細胞對特定物質(zhì)成分的反應?？諝?水銀和液壓返回方法是最廣泛使用于導入已知體積的方法（如皮升或更?。?。 1.3.3 微流體數(shù)字化微注射方法 南京理工大學微系統(tǒng)研究室研制中的數(shù)字化細胞微注射儀有四個特點，“一是注射數(shù)字化脈沖流動，注液工序?qū)崿F(xiàn)自動化且液量分辨率達飛升級；二是注射針在刺入、退出工序中數(shù)字化脈沖地移動，以較高的瞬時速度減小細胞變形；三是細胞由數(shù)字化輸送器送至顯微鏡視野，免去在培養(yǎng)皿中搜索細胞的工夫；四是細胞在吸持器上可自動調(diào)整姿態(tài)，使細胞核位置隊準注射針針尖。 1.4 微流體驅(qū)動控制技術(shù) 1.4.1 微流體驅(qū)動控制技術(shù)簡介 隨著微流體系統(tǒng)，尤其是生物芯片和縮微芯片實驗室（Lab-on-a-chip）技術(shù)的發(fā)展，微米乃至納米尺度構(gòu)件中流體的驅(qū)動與控制技術(shù)越來越引起人們的注意。由于流體流動的影響因素眾多，它的驅(qū)動和控制技術(shù)，與宏觀流體相比，更為復雜和多樣化。 目前，微流體的驅(qū)動和控制技術(shù)種類很多，采用的原理和形式也不盡相同，如按原理來分，可分為壓強驅(qū)動、電水力驅(qū)動、電滲驅(qū)動、熱驅(qū)動、表面張力驅(qū)動、離心力驅(qū)動等；如按有無可動部件分，又可分為有閥和無閥的驅(qū)動和控制；其中每一中驅(qū)動和控制方法又有各種不同的操作形式。 1.4.2 微流體數(shù)字化技術(shù) “微流體數(shù)字化技術(shù)”的原創(chuàng)技術(shù)特征如下：方法上以脈沖為微流動基本形態(tài)；以脈沖當?shù)貞T性為主動力；以脈沖波形、頻率、幅值、相位、波數(shù)、波序列為驅(qū)動-控制-擾動參數(shù)；裝置上既無微可動件又無嵌入式微電路；以外部宏驅(qū)動器影響微流道內(nèi)部流動。性能上：適用流體廣，包括各種液體和粉體；流動分辨率高達飛升級；脈沖量調(diào)整、序列可控的數(shù)字化流動；可靠性高、抗固粒堵塞、氣泡阻斷；工作條件保持生物活性；結(jié)構(gòu)簡、成本低。 1.5 三維調(diào)節(jié)方法 本課題所涉及的某試驗裝置，其調(diào)節(jié)架與微噴射裝置之間采用嵌接的連接方式。調(diào)節(jié)架與微噴射裝置之間可能因系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變形而產(chǎn)生附加應力和應變，這將影響實驗系統(tǒng)正常工作甚至產(chǎn)生破壞作用 針對三維隨動調(diào)節(jié)支架設(shè)計要求，我們采片了三維隨動調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)解決微噴射裝置的自由度；此結(jié)構(gòu)設(shè)計用于支撐和調(diào)節(jié)試驗用微噴射裝置的三維調(diào)節(jié)支架，要求微噴射裝置支架設(shè)計成三維調(diào)節(jié)型，以便微噴射三維調(diào)節(jié)支架支撐微噴射裝置自動空間調(diào)節(jié)位置，減小調(diào)節(jié)架與微噴射裝置之間的相互作用；然后通過ANSYS對三維隨動調(diào)節(jié)支架結(jié)構(gòu)進行仿真分析，本課題的主要任務就是要得到三維調(diào)節(jié)支架的應力場和位移場，校核支架的強度和剛度。并據(jù)此對結(jié)構(gòu)進行最優(yōu)化設(shè)計。 三維調(diào)節(jié)架的結(jié)構(gòu)設(shè)計應滿足系統(tǒng)多方面要求，主要實現(xiàn)功能：① 安裝前x、Y向可調(diào)節(jié)要求，噴嘴角度可調(diào)節(jié)；②安裝后X、Y 向自動調(diào)節(jié)的要求；③可靠性、工藝性、經(jīng)濟性和外觀造型等方面的要求。 有限單元法是隨著電子計算機的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的一種現(xiàn)代計算方法。將某個工程結(jié)構(gòu)離散為由各種單元組成的計算模型，稱為單元剖分。離散后單元與單元之問利用單元的節(jié)點相互連結(jié)起來，單元節(jié)點的設(shè)置、性質(zhì)、數(shù)目等應視問題的性質(zhì)，描述變形形態(tài)的需要和計算精度而定三維隨動調(diào)節(jié)支架的ANSYS有限元分析對結(jié)構(gòu)設(shè)計是十分必要的一項綜合性工作。利用有限元法的原理進行分析計算，使其滿足預期的設(shè)計要求，實現(xiàn)預定的結(jié)構(gòu)設(shè)計功能[1]-[5]。 因此，三維隨動可調(diào)節(jié)支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計是一項綜合性的技術(shù)工作。由于結(jié)構(gòu)設(shè)計的錯誤或不合理，可能造成不應有的失效，使其無法滿足預期的要求，實現(xiàn)預定的功能，同時可能給整個工程系統(tǒng)造成很大的影響，甚至無法工作。 1.6 畢業(yè)設(shè)計工作內(nèi)容 在基于微流體數(shù)字化技術(shù)的微注射和微噴射中，三維調(diào)節(jié)是噴射過程中的重點，作用是調(diào)節(jié)噴嘴在三維方向的位置，所以這里所需的三維調(diào)節(jié)應該是一個持續(xù)平穩(wěn)的調(diào)節(jié)裝置。由于實際噴射中，在調(diào)節(jié)噴嘴方向會對裝置產(chǎn)生一些的不確定因素。微噴射三維調(diào)節(jié)裝置應能對噴嘴方向進行三維調(diào)節(jié)。所以本課題所涉及的某試驗裝置，其調(diào)節(jié)架與微噴射裝置之間采用嵌接的連接方式。調(diào)節(jié)架與微噴射裝置之間可能因系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變形而產(chǎn)生附加應力和應變，這將影響實驗系統(tǒng)正常工作甚至產(chǎn)生破壞作用[6]-[9]。 為滿足基于微流體數(shù)字化技術(shù)的微注射和微噴射對三維調(diào)節(jié)的要求，微噴射三維調(diào)節(jié)裝置應滿足以下技術(shù)要求： ①安裝前x、Y向可調(diào)節(jié)要求，噴嘴角度可調(diào)節(jié)； ②安裝后X、Y 向自動調(diào)節(jié)的要求； ③可靠性、工藝性、經(jīng)濟性和外觀造型等方面的要求。 2 微噴射調(diào)節(jié)裝置初步設(shè)計 對于三維調(diào)節(jié)裝置來講，裝置的承受能力是很重要的一個因素，如何在原有的基礎(chǔ)上提高承受能力是一個非常值得研究的課題，與承受能力相關(guān)的因素很多，其中之一就是提高設(shè)備的相關(guān)零件，我研究的課題就是設(shè)計一個操作簡單、有一定承受能力的三維調(diào)節(jié)裝置的設(shè)計。 原始數(shù)據(jù)及技術(shù)要求： 采取手動調(diào)節(jié)； 行程調(diào)節(jié)：垂直200mm，水平100mm，旋轉(zhuǎn)角度±45°； 調(diào)節(jié)精度：垂直、水平±0.5mm，旋轉(zhuǎn)角度±0.5°。 總體外形尺寸盡量小于500mm×500mm×500mm。 2.1 擬定設(shè)計方案 方案設(shè)計論證 為實現(xiàn)對三維調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)裝置的設(shè)計，就是要保證在水平、豎直、角度調(diào)節(jié)的操作。現(xiàn)在預擬訂的方案如下： 方案1： 在水平調(diào)節(jié)上采用水平滑塊和齒輪傳動解決這個問題；在豎直調(diào)節(jié)上采用豎直滑塊和齒輪傳動解決這個問題；在角度調(diào)節(jié)上采用齒輪傳動來解決這個問題；這個機構(gòu)是由滑塊、齒輪等若干構(gòu)件連接而成的。由于此機構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)水平、豎直、角度運動軌跡和運動規(guī)律，而且不易磨損而又易于操作，以及能由本身幾何形狀保持接觸等特點。但是此機構(gòu)也有其不足之處，其中是齒輪在調(diào)節(jié)位置時不宜調(diào)節(jié)過重的單位；其二是此機構(gòu)較難準確實現(xiàn)預期運動，不能達到微觀程度。但是對于調(diào)節(jié)機構(gòu)來講，要實現(xiàn)這個問題的難點在于如何控制調(diào)節(jié)移動的距離和調(diào)節(jié)角度的大小。 方案2： 在水平和豎直調(diào)節(jié)上采用直齒圓柱齒輪傳動來解決這個問題；在角度調(diào)節(jié)上采用可以采用齒輪傳動來解決這個問題；這個機構(gòu)是由直齒圓柱齒輪傳動、齒輪等若干機構(gòu)連接而成的。此機構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)水平、豎直、角度運動軌跡和運動規(guī)律，而且又易于操作，以及能由本身幾何形狀保持接觸等特點。但是此機構(gòu)也有其不足之處，其中是直齒圓柱齒輪傳動在調(diào)節(jié)位置時不能同時調(diào)節(jié)水平、豎直方向上的位置；其二是此機構(gòu)也較難準確實現(xiàn)預期運動，不能達到微觀程度。但是對于調(diào)節(jié)機構(gòu)來講，要實現(xiàn)這個問題的難點在于如何控制調(diào)節(jié)移動的距離和調(diào)節(jié)角度的大小。 兩種方案的比較： 方案一實現(xiàn)自動化的難度較大，適合人工的操作，但是人工的效率跟工人的熟練程度有關(guān)；方案二設(shè)計難度相當，但同時調(diào)節(jié)水平、豎直方向上的位置比較困難； 所以，本次設(shè)計優(yōu)先采用方案一。 方案設(shè)計原理如下： 如圖所示： 圖1 設(shè)計示意圖 1-中間滑軌；2-下滑軌；3-橫向滑軌；4-底板； 當需要調(diào)節(jié)水平位置時通過齒輪與橫向滑軌之間的齒輪傳動來控制水平方向上的移動；當需要調(diào)節(jié)豎直位置時則通過齒輪和橫向之間的齒輪傳動來控制豎直方向上的移動；當需要調(diào)節(jié)角度大小時通過旋轉(zhuǎn)盤和齒輪傳動來控制角度調(diào)節(jié)的大小[10]-[15]； 3 調(diào)節(jié)裝置參數(shù)的確定 3.1 各種參數(shù)的確定 本設(shè)計所針對的是微噴射三維調(diào)節(jié)裝置中的三維調(diào)節(jié)的裝置。 齒輪 載荷系數(shù) 齒寬系數(shù) 模數(shù) 分度圓直徑 中心距 齒輪寬度 軸 軸的強度校核 三維調(diào)節(jié)裝置的外形尺寸（夾具根據(jù)工件的型號而確定） （長×寬×高）…盡量小于500mm×500mm×500mm . 4 裝置各個部件的設(shè)計 4.1 齒輪的設(shè)計 齒輪的組成結(jié)構(gòu)一般有輪齒、齒槽、端面、法面、齒頂圓、齒根圓、基圓、分度圓。 輪齒簡稱齒，是齒輪上 每一個用于嚙合的凸起部分，這些凸起部分一般呈輻射狀排列，配對齒輪上的輪齒互相接觸，可使齒輪持續(xù)嚙合運轉(zhuǎn)；齒槽是齒輪上兩相鄰輪齒之間的空間；端面是圓柱齒輪或圓柱蝸桿上 ，垂直于齒輪或蝸桿軸線的平面；法面指的是垂直于輪齒齒線的平面；齒頂圓是指齒頂端所在的圓；齒根圓是指槽底所在的圓；基圓是形成漸開線的發(fā)生線作純滾動的圓；分度圓 是在端面內(nèi)計算齒輪幾何尺寸的基準圓。 　　齒輪可按齒形、齒輪外形、齒線形狀、輪齒所在的表面和制造方法等分類。 齒輪的齒形包括齒廓曲線、壓力角、齒高和變位。漸開線齒輪比較容易制造，因此現(xiàn)代使用的齒輪中 ，漸開線齒輪占絕對多數(shù)，而擺線齒輪和圓弧齒輪應用較少。 　　在壓力角方面，小壓力角齒輪的承載能力較??；而大壓力角齒輪，雖然承載能力較高，但在傳遞轉(zhuǎn)矩相同的情況下軸承的負荷增大，因此僅用于特殊情況。而齒輪的齒高已標準化，一般均采用標準齒高。變位齒輪的優(yōu)點較多，已遍及各類機械設(shè)備中。 　　另外，齒輪還可按其外形分為圓柱齒輪、錐齒輪、非圓齒輪、齒條、蝸桿蝸輪 ；按齒線形狀分為直齒輪、斜齒輪、人字齒輪、曲線齒輪；按輪齒所在的表面分為外齒輪、內(nèi)齒輪；按制造方法可分為鑄造齒輪、切制齒輪、軋制齒輪、燒結(jié)齒輪等。 一般擋圈和密封圈配套使用，防止在壓力的作用下密封圈被擠入低壓側(cè)的間隙，而保持原先的密封效果。擋圈是密封圈的補充，其本身不是密封件，但提高了密封圈工作壓力范圍。 圖2 齒輪圖片 齒輪傳動按一對齒輪軸與軸之間的相對位置關(guān)系，可分為平行軸齒輪傳動、相交軸齒傳動和交錯軸齒輪傳動。 1.平行軸齒輪傳動可分為圓柱齒輪傳動，非圓齒輪傳動　按齒廓形狀分為（1）浙開線齒輪傳動（2）圓弧齒輪傳動（3）擺線齒輪傳動（4）其他 2.相交軸齒輪傳動（按齒線形狀分）（1）直齒錐齒輪傳動（2）斜齒錐齒輪傳動 3.交錯軸齒輪傳動　交錯軸斜齒輪傳動 蝸桿傳動可分為圓柱蝸桿傳動與環(huán)面蝸桿傳動和錐面蝸桿傳動 環(huán)面蝸桿傳動可分為（1）直廓環(huán)面蝸桿傳動（TA) （2）平面齒包絡環(huán)面蝸桿傳動(TI）（3）浙開面包絡環(huán)面蝸桿傳動（TI) （4）錐面包絡環(huán)面蝸桿傳動（TK） 齒輪傳動按輪系中軸與軸之前的相對運動關(guān)系又可分為定軸輪系和周轉(zhuǎn)輪系。在周轉(zhuǎn)輪系中，一個主動件形成確定運動的稱為行星輪系，兩個主動件形成確定運動的稱為差動系。在行星齒輪傳動中主要有；（1）浙開線行星齒輪傳動（2）少齒差行星齒輪傳動 少齒差行星齒輪傳動可分為（1）浙開線齒輪少齒差行星傳動（2）擺線針輪行星減速機（3）諧波齒輪傳動 以上為齒輪和齒輪傳動的分類。本課題需要設(shè)計的是直齒圓柱齒輪傳動和齒輪齒條傳動。下圖為一些常用的齒輪傳動。 圖3 齒輪齒條傳動 圖4 斜齒圓柱齒輪傳動 圖5 直齒圓柱齒輪傳動 圖6 直齒圓錐齒輪傳動 4.1.1 直齒圓柱齒輪的設(shè)計 1、齒輪材料的選擇原則 （1）齒輪材料必須滿足工作條件的要求。 （2）應考慮齒輪尺寸的大小、毛坯成型 及熱處理和制造工藝。 （3）正火碳鋼用于制作在載荷平穩(wěn)或輕度沖擊下工作的齒輪，不能承受較大的沖擊載荷；調(diào)質(zhì)鋼可用于制作中等沖擊載荷下工作的齒輪。 （4）合金鋼常用于制造高速、重載并在沖擊 載荷下工作的齒輪。 （5）飛行機器中的齒輪運動，要求齒輪尺寸盡可能小，應采用表面硬化處理的好強度合金鋼。 （6）鋼制軟齒面齒輪，配對兩論齒面的硬度差應為30-50HBS以上。 2、齒輪的設(shè)計計算 1、選擇齒輪的類型、材料、精度和齒數(shù) （1）按已知條件，選用直齒圓柱齒輪傳動。 （2）大小齒輪材料采用45鋼調(diào)質(zhì)處理，硬度差為40HBS可以提高大齒輪齒面的疲勞。 （3）表面正火，齒輪變形小，不需磨削，故選7級精度。 （4）選擇小齒輪齒數(shù)z1=20，則z2=uz1=3*20=60 2、按齒面接觸疲勞強度計算 根據(jù)以下設(shè)計公式進行計算： d1t≥2.323KtT1?d?u±1u?ZεZEσH2 （3-1） （1）確定上式中的各參數(shù) ① 試選載荷系數(shù)Kt=1.3； ② 小齒輪傳遞的扭矩為：T1=95.5×105×1.11450=7.24×103N?mm ③ 查設(shè)計手冊，選齒寬系數(shù)?d=0.9； ④ 查設(shè)計手冊，得彈性影響系數(shù)ZE=143.7 MPa ； ⑤ 查設(shè)計手冊，按齒面硬度中間值HRC45，查得大、小齒輪的接觸疲勞強度極限為 σHlim1=σHlim2=1100 MPa ⑥ 重合度系數(shù) Zε ，端面重合度 εa=1.88-3.321z1+1z2cosβ=1.88-3.32120+160cos00=1.66 Zε=4-εa3=4-1.663=0.883 ⑦ 計算應力循環(huán)次數(shù) N1=60n1jLh=60×1450×1×300×10×8=2.1×109 次 N2=1.8×1083=0.7×109 次 ⑧ 查設(shè)計手冊，得接觸疲勞壽命系數(shù)KHN1=1，KHN2=1.03； ⑨ 計算接觸疲勞許用應力：取安全系數(shù)S=1，則 σH1=KHN1σHlim1S=1×1100=1100MPa σH2=KHN2σHlim2S=1.03×1100=1133MPa （2）計算 ① 將σH中的較小的值代入公式（3-1）得 d1t≥2.323KtT1?d?u±1u?ZεZEσH2=2.32×31.3×72400.9?43?143.7×0.88311002 = 16.52 ② 計算小齒輪分度圓圓周速度v v=πd1tn160×1000=π×13.2×145060×1000=10.01ms ③ 計算齒寬b b=?dd1t=0.9×13.2=11.88mm ④ 計算齒寬和齒高之比b/h 模數(shù)mt=d1tz1=13.220=0.66mm 齒高h=2.25mt=2.25×0.66=1.49mm bh=11.88/1.49=8.0 ⑤ 計算載荷系數(shù) 查設(shè)計手冊，由v=10.01ms，7級精度得Kv=1.19 查設(shè)計手冊，得KHα=KFα=1.1 查設(shè)計手冊，得KA=1 查設(shè)計手冊，得KHβ=1.43 查設(shè)計手冊，得KFβ=1.37 ∴ 載荷系數(shù)K=KAKVKHαKHβ=1×1.19×1.1×1.43=1.72 ⑥ 按實際載荷系數(shù)修正d1t， d1=d1t3KKt=13.2×31.721.3=14.5mm ⑦ 計算模數(shù) m m=d1z1=14.520=0.73 3、按齒根彎曲疲勞強度設(shè)計 設(shè)計公式為 m≥32KT1?dz12YFaYSaYεσF （3-2） （1）確定設(shè)計公式中的參數(shù) ① 查設(shè)計手冊，得大、小齒輪的彎曲疲勞強度極限 σFE1=σFE2=580 MPa； ② 查設(shè)計手冊，得彎曲疲勞壽命系數(shù)KFN1=0.88，KFN2=0.9； ③ 計算彎曲疲勞許用應力：取安全系數(shù)S=1.4則 σF1=KFN1σFE1S=0.88×5801.4=364.6MPa σF2=KFN2σFE2S=0.9×5801.4=372.9MPa ④ 計算載荷系數(shù)K K=KAKVKFαKFβ=1×1.12×1.1×1.37=1.69 ⑤ 查設(shè)計手冊，得齒形系數(shù)YFa1=2.8，YFa2=2.28； ⑥ 查設(shè)計手冊，得應力校正系數(shù)YSa1=1.55，YSa2=1.73； ⑦ 計算重合度系數(shù)Yε=0.25+0.75εα=0.25+0.751.7=0.7； ⑧ 計算大、小齒輪YFaYSaσF的值 YFa1YSa1σF1=2.8×1.55580=0.075 YFa2YSa2σF2=2.28×1.73580=0.0068 （2）計算齒輪模數(shù) 設(shè)計公式（3-2）中代人YFaYSaσF 中的較大值，得 m≥32KT1?dz12YFaYSaYεσF=32×1.69×7.24×1030.9×202×0.0075×0.7=0.71 由計算結(jié)果可看出，由齒面接觸疲勞強度計算的模數(shù)m略大于由齒根彎曲疲勞強度計算的模數(shù)，但由于齒輪模數(shù)m的大小主要取決于彎曲疲勞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有關(guān)，所以，可取由彎曲強度計算得的模數(shù)0.71，并就近圓整為標準值m=1 mm。因按接觸強度算得的分度圓直徑d1=14.5mm，這時需要修正齒數(shù) z1=d1m=14.51=14.5，取z1=15 則 z2=uz1=3×15=45，取z2=45 4、幾何尺寸計算 （1）計算分度圓直徑 d1=mz1=1×15=15mm d2=mz2=1×45=45mm （2）計算中心距 a=12d1+d2=1215+45=30mm （3）計算齒輪寬度 b=?dd1=0.9×15=13.5mm 取 b2=14，b1=b2+6=20mm 5、驗算 Ft=2T1d1=2×724015=965.3N KAFtb=965.314=68.95N/mm 4.1.2 齒條齒輪的設(shè)計 齒輪的轉(zhuǎn)動帶動齒條的前后移動。齒條的前后移動也可以帶動齒輪的轉(zhuǎn)動。 1、與直齒圓柱齒輪嚙合的齒條基本參數(shù)的確定 模數(shù)：m=3 齒數(shù)：z=24（有效齒數(shù)為20） 齒頂高：h=4 頂隙：c=0.2 m=0.5 傳動比：I=1 ：1 所以，所設(shè)計齒輪的基本參數(shù)： 模數(shù)：m=3 齒頂高：h=4 頂隙：c = 0.2 m=0.5 齒寬系數(shù)：b=0.9 中心距：a ===29 分度圓直徑：d = m·z =3×20 = 60 mm 齒頂圓直徑：d= d + 2h = 60+ 2 × 4 = 68mm 齒根圓直徑：d= d – 2( h + c ) = 60 – 2 × ( 4 + 0.5 ) = 51mm 圖7 齒條的設(shè)計模型示意圖 2、齒根彎曲疲勞強度校核 輪齒進入嚙合區(qū)時，齒面受到載荷力作用，在齒根產(chǎn)生彎曲應力。輪齒從開始到嚙合到退出嚙合過程中，齒面載荷的作用部位是變化的。 （1）齒根彎曲疲勞強度計算 齒根彎曲應力：σF=2KT1YFaYSaYεΦdm3z12 重合度系數(shù)：Yε=0.25＋0.75εа 端面重合度εα=1.88－3.32×16=1.3 由(4-2)，Yε=0.25＋0.751.3=0.83 Φb=bd=0.960=0.015㎜ 傳動效率 n = 0.95 功率p = p1× 0.95 = 0.05 × 0.95 轉(zhuǎn)速 n = 30r/min 轉(zhuǎn)矩 T = 9.55 × 10 × 0.01530 = 4775 N.M 查機械設(shè)計手冊，彎曲疲勞強度極限：σFE=520MPa；彎曲疲勞強度壽命系數(shù)：KFN1=0.88 取安全系數(shù)S=1.2，則[σ]F=σFEKFN1s=520×0.881.2=381.3MPa 查機械設(shè)計手冊，齒形系數(shù)及修正系數(shù)分別為：YFа=2.80，YSа=1.55 選載荷系數(shù)K=1.3 YFaYSa[σ]F=2.80×1.55352=0.0123 所以，根據(jù)上述參數(shù)，由代入得： =1.2滿足要求。 4.2 軸承的選擇 究其作用來講應該是支撐，即字面解釋用來承軸的，但這只是其作用的一部分，支撐其實質(zhì)就是能夠承擔徑向載荷。也可以理解為它是用來固定軸的。就是固定軸使其只能實現(xiàn)轉(zhuǎn)動，而控制其軸向和徑向的移動。 在軸承的選擇上，該設(shè)備一共需要兩種類型的軸承，第一是圓錐滾子軸承（20212和20211），它們主要運用在傳動軸上面，有向心的作用。第二是推力球軸承主要用在零件之間的連接上面，為防止轉(zhuǎn)動。 采用彈黃擋圈可省去軸臺設(shè)計,減少軸的尺寸,節(jié)省材料和加工時間. 圖8 圓錐滾子軸承（型號20212） 圖9 推力球軸承（型號51104） 圖10 圓錐滾子軸承（型號20211） 圖11 圓錐滾子軸承實際模型 1、軸承的校核 軸承的壽命隨著載荷的增大而降低，壽命與載荷的關(guān)系曲線方程為 PεL10=常數(shù) 式中： L10-基本額定壽命，106轉(zhuǎn)； P-當量動載荷，N； ε-壽命指數(shù)，滾子軸承ε=103； 根據(jù)基本額定動載荷的定義，L10=1（106r）轉(zhuǎn)時，軸承所能承受的載荷為基本額定動載荷C，則 PεL10=Cε×1 故得 L10=（CP）ε（106r） 實際計算時，用小時表示軸承壽命比較方便。設(shè)軸承轉(zhuǎn)速為n(r/min),則以小時計的壽命軸承計算公式為 計算軸承壽命。 10r/min C=37500N 10/3 P= 27500N 查表得，溫度系數(shù)=1，代入得Lh=3.6×106h ,滿足使用要求 4.3 齒輪軸的設(shè)計 齒輪傳動軸，主要用來傳遞扭矩而不承受彎矩。軸的材料主要采用碳素鋼或合金鋼，也可采用球墨鑄鐵或合金鑄鐵等。軸的工作能力一般取決于強度和剛度，轉(zhuǎn)速高時還取決于振動穩(wěn)定性。 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計就是確定軸的結(jié)構(gòu)形狀、各部分的直徑長度等全部尺寸。設(shè)計時應滿足下列基本要求：保證軸及軸上零件有準確的工作位置，固定可靠；軸上零件的拆裝和調(diào)整方便，軸具有良好的制造工藝性；軸的結(jié)構(gòu)有利于提高軸的強度、減輕應力集中等。軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計的一般步驟如下： 1、初估軸的直徑 各軸可按承受純扭矩并降低許用應力（考慮彎矩的影響）的辦法來初估各軸的直徑d，其分式寫為： d=A3pn 式中：P—軸所傳遞的功率，kw；n—軸的轉(zhuǎn)速，r/min；A為軸的材料及承載情況確定的系數(shù)，可查有關(guān)教材。對于非外伸軸，初估直徑常作為與傳動零件相配合的直徑（A取大值），并圓整為標準值；對于外伸軸，初估直徑作為外伸軸端直徑（A取小值），并圓整為標準值，若外伸軸有外接零件（聯(lián)軸器等），d應與外接零件孔徑一致（必要時作適當調(diào)整），并滿足鍵的強度要求。 2、擬定軸上零件的轉(zhuǎn)配方案并選擇支承的結(jié)構(gòu)型式 軸上零件的裝配方案及軸支承結(jié)構(gòu)型式的不同，軸的結(jié)構(gòu)形狀、尺寸也將不同，可通過分析比較選擇一個好的方案。 3、在上述1、2步驟的基礎(chǔ)上，考慮對軸結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本要求，確定軸各段直徑及長度。 1、初步確定軸的最小直徑 根據(jù)上面公式初步確定軸的最小直徑。選取軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理，查設(shè)計手冊，取A=110 則 dmin= A3pn=11030.035×0.97×0.98810=16.47mm 2、求作用在齒輪上的力 Ft=2T1d=2×30.740.126=487.94N Fr=Fttg20°=177.6N 輸入軸的最小直徑是用于安裝聯(lián)軸器。為使所選直徑d1與聯(lián)軸器的孔徑相適應，故需同時選取聯(lián)軸器型號。 聯(lián)軸器的計算轉(zhuǎn)矩Tca=KAT，考慮扭矩變化很小，取KA=1.3，則 Tca=KAT=1.3×30.74=40 N?m 3、擬定軸方案 圖12 軸擬定 4、 求軸上支反力及彎矩 截面處的彎矩 載荷 水平面H 垂直面V 支反力R 彎矩M 總彎矩 扭矩T T=30.74N.m 計算彎矩 5、按彎扭合成應力校核軸的強度 校核軸上承受最大計算彎矩的截面處的強度 σca =McaW=34.446400×1000=5.38MPa 6、 疲勞強度的校核 從應力集中對軸的疲勞強度的影響來看，截面處引起的應力集中最嚴重，且所受力矩最大，所以只需校核截面左側(cè)即可。 抗彎截面模量 W=0.1d3=0.1×403=6400mm 抗扭截面模量 WT=0.2d3=12800 mm 作用與截面左側(cè)的彎矩M為 M=13.54N.m 作用與截面上的彎矩M為 T3=30.74N.M 截面左側(cè)的彎曲應力 σb=MW=13.546400=2.1MPa 截面左側(cè)的扭轉(zhuǎn)應力 τT= T3WT=30.7412800=2.4MPa 軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)。查表得σB=640MPa，σ-1=275MPa，τ-1=155MPa. 截面上由于軸肩而形成的理論應力集中系數(shù)及查表選取。因 rd=140=0.025, Dd=6040=1.5查值得 =2.1， =1.7 查圖可得軸的材料的敏感系數(shù) qσ=0.75 qτ=0.8 所以有效應力集中系數(shù)為 kσ=1+qσ(ασ-1)=1.825 kτ=1+qτ(ασ-1)=1.56 查圖得尺寸系數(shù)0.85、0.75 查圖得表面質(zhì)量系數(shù)為 βσ=0.9,βr=0.94 軸按磨削加工，由圖得表面質(zhì)量系數(shù)為 Kσ=kσεα+1βσ-1=2.26 Kτ=kτετ+1βr-1=1.9 由材料系數(shù)取φσ=0.1 φτ=0.05 計算安全系數(shù)Sca Sσ= σ-1 Kσσb+Kσσm=57.94 Sτ= τ-1 Kττα+φττm=66.24 Sca=SσSτSσ2+Sτ2=43.6>S=1.5 所以安全 4.4 導軌的設(shè)計和選擇 為了裝置更好的調(diào)節(jié)在水平、豎直方向上的移動。導軌的選擇也是非常重要的。導軌的形狀也會影響對裝置中的實用性。導軌的形狀可分為品字形、口字形和梯形等。 而這些導軌的形狀中對裝置要求最符合的是梯形的滑軌。 圖13 梯形滑軌 圖14 口字形滑軌 圖15 品字形滑軌 4.5齒輪軸套的選擇 在運動部件中，因為長期的磨擦而造成零件的磨損，當軸和孔的間隙磨損到一定程度的時候必須要更換零件，因此設(shè)計者在設(shè)計的時候選用硬度較低、耐磨性較好的材料為軸套，這樣可以減少軸和座的磨損，當軸套、磨損到一定程度進行更換，這樣可以節(jié)約因更換軸或座的成本，一般來說，軸套與座采用過盈配合，而與軸采用間隙配合，因為無論怎么樣還是無法避免磨損的，只能延長壽命，而軸類零件相對來說比較容易加工；也有一些新的設(shè)計人員不喜歡這樣設(shè)計，認為這樣是在制造的時候增加成本，但經(jīng)過一段時間使用后，維修時還是要按這種方法改造，但改造容易造成設(shè)備的精度降低，原因很簡單，二次加工是無法保證座孔中心的位置的。 圖16 齒輪軸套模型圖如上 4.6 旋轉(zhuǎn)盤的設(shè)計 在前面設(shè)計的圓柱齒輪就是為了輔助旋轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)，其主要作用在于：該旋轉(zhuǎn)盤上有一些螺釘孔，通過螺釘可使其固定在橫向滑軌上，同時，其也通過螺釘使微噴射裝置固定好并可以平穩(wěn)作扭轉(zhuǎn)運動。 圖17 旋轉(zhuǎn)盤 4.7 齒輪座的設(shè)計 齒輪座是主傳動系統(tǒng)中的重要部件。它具有傳遞扭矩大、速度低、中心距又受、中心距的限制,潤滑狀況較差等特點。而且齒輪座的設(shè)計要根據(jù)課題所要設(shè)計的圖形來確定其形狀尺寸。 圖18 齒輪座模型 箱型截面的下緣便稱之為底板，是承受正負彎矩的主要工作部位。 4.8螺栓、螺母的設(shè)計和選擇 螺栓、螺母主要根據(jù)實際的需要選擇一些標準件，這樣為設(shè)計提供方便，成本也大大的降低。在此次設(shè)計過程中主要使用了三種型號的螺栓（分別是M6，M10，M10短）。 圖19 M6 圖20 M10短 圖21 M10短 4.9 旋鈕的設(shè)計和選擇 由于本課題中利用齒輪傳動來實現(xiàn)三維調(diào)節(jié)是手動調(diào)節(jié)，故調(diào)節(jié)齒輪要與選鈕相連，這樣才可以讓工作人員更容易的手動操作三維調(diào)節(jié)。 圖22 旋鈕模型圖如上 4.10 過渡齒輪的設(shè)計 過渡齒輪，也就是過橋齒輪，可以傳動主動輪動力，而又使從動輪與主動輪在同一方向轉(zhuǎn)動，過橋齒輪在和驅(qū)動端和輸出端的嚙合點處的受力大小是相等的，方向是相反的，即是一個力偶。 圖23 過渡齒輪模型圖 結(jié)論 （1）微噴射三維調(diào)節(jié)裝置實現(xiàn)了三維調(diào)節(jié)的手動調(diào)節(jié)，克服了一起裝置不能同時在水平、豎直和角度的多方面的調(diào)節(jié)。同時，也可以再略微調(diào)節(jié)Z軸方向上的位置。 （2）裝置采用的齒輪傳動來實現(xiàn)三維調(diào)節(jié)。在水平和豎直方向采用的齒輪傳動為齒條齒輪傳動，在角度調(diào)節(jié)上采用的是圓柱齒輪傳動。 （3）由于三維調(diào)節(jié)裝置設(shè)計是一項手動調(diào)節(jié)的裝置。因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計上的錯誤或不合理，可能造成不應有的失效，使其無法滿足預期的要求，實現(xiàn)預定的功能，同時可能給整個工程系統(tǒng)造成很大的影響，甚至無法工作。所以采用的材料應為強度較大的材料。 致謝 感謝我的導師李清教授，他治學嚴謹、踏實研究的作風一直是我學習的榜樣；感謝他循循善誘的教導和不拘一格的思路給予我無盡的啟迪。在他細致、透徹的講解下，我對三維調(diào)節(jié)裝置有了初步的認識，深感課題的重要性。 感謝南京理工大學紫金學院的肖猛、江琴老師和一些同學對我的幫助和指點。沒有他們的幫助和提供資料對于我一個對網(wǎng)絡知識一竅不通的人來說要想在短短的幾個月的時間里學習到網(wǎng)絡知識并完成畢業(yè)論文是幾乎不可能的事情。? 尤其感謝宿舍的兄弟同學。你們對我的熱情關(guān)心和耐心幫助，我能在學校和你們在一起學習，我感到非常高興。 在論文即將完成之際，我的心情無法平靜，從開始進入課題到論文的順利完成，有多少可敬的師長、同學、朋友給了我無言的幫助，在這里請接受我誠摯的謝意！向所有關(guān)心和幫助我的前輩和同學表示衷心的感謝！ 參考文獻 [1] 王國強．實用工程數(shù)值模擬技術(shù)搜其在ANSYS上的實踐[M]．西安：西北丁業(yè)大學出版社，1999．8. 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