刀削面機(jī)械手機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

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本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 題 目：刀削面機(jī)械手機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 專業(yè)代碼 作者姓名 學(xué) 號(hào) 單 位 指導(dǎo)教師 原創(chuàng)性聲明 　　本人鄭重聲明：所提交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下，獨(dú)立進(jìn)行研究取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，論文中不含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得聊城大學(xué)東昌學(xué)院或其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位證書而使用過的材料。對(duì)本文的研究作出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人承擔(dān)本聲明的相應(yīng)責(zé)任。 學(xué)位論文作者簽名：　　　　　　　日期　　　　　　 指 導(dǎo) 教 師 簽 名：　　　　　　 日期　　 　　　 摘要 如今刀削面加工，使用機(jī)器來取代手工，不但能夠改善面食外觀使其整齊，而且還能緩解手工工作疲勞，降低人工成本同時(shí)提高了面食的制作效率，因此刀削面機(jī)械手前景廣泛。 刀削面機(jī)器人機(jī)械手組成機(jī)構(gòu)有小臂擺動(dòng)切削機(jī)構(gòu)、進(jìn)給運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。本論文介紹了刀削面機(jī)器人的功能要求，然后提出刀削面機(jī)器人機(jī)械手的總體方案及各個(gè)分功能的機(jī)構(gòu)方案；隨后對(duì)機(jī)械手的主要參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)與選擇；再對(duì)各主要零部件進(jìn)行了設(shè)計(jì)與校核；最后用二維繪圖軟件詳細(xì)設(shè)計(jì)。通過本次設(shè)計(jì)，既實(shí)現(xiàn)了所學(xué)專業(yè)理論知識(shí)與實(shí)踐的結(jié)合，又提高了對(duì)AutoCAD制圖軟件的操作熟練度。 關(guān)鍵字：刀削面；機(jī)械手；機(jī)構(gòu)； 1 Abstract Application of cutting robot manipulator in production, is conducive to improve the fabric transfer, tool replacement and Sliced noodles machine assemblyautomation, which can improve the labor productivity Sliced noodles, reduce production costs, accelerate food production mechanization and automation pace. Therefore the design of Sliced noodles manipulator will have great value.The design of the cutting robot manipulator by small arm swinging cutting mechanism, fabric movement mechanism, composition of fabric longitudinal feed movement mechanism and a transmission mechanism. This paper first analyzes the background and function of the face to the requirements of robot on the basis of this analysis, the paper puts forward the overall plan of cutting robot manipulator pass mechanism scheme function; then the overall parameters of the manipulator are designed and calculated and selection; then the design and check of the main components; finally assembly drawing surface the robot manipulator and the main parts of the map by AutoCAD software.Through the professional knowledge of the design of consolidation of the University, such as mechanical design, mechanical principle, interchangeability and measurement technology, mechanical drawing; master the design method of commonly used manipulator and can skillfully use AutoCAD drawing software. Key words: Doodle；Robots；Agencies；Design 2 目 錄 前言 1 1.總體方案設(shè)計(jì) 3 1.1功能描述 3 1.2功能分析 3 1.3總體方案設(shè)計(jì)及選擇 3 1. 4各機(jī)構(gòu)方案選擇 4 1.4.1切削動(dòng)作方案 4 1.4.2橫向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方案 4 1.4.3縱向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方案 5 2．總體機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及參數(shù)選擇 5 2.1基本運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 5 2.1.1小臂擺動(dòng)切削機(jī)構(gòu) 5 2.1.2面料橫向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu) 6 2.1.3面料縱向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu) 7 2.2主要的參數(shù)選擇 7 2.2.1齒輪傳動(dòng) 7 2.2.2刀具切寬、切深 8 2.2.3驅(qū)動(dòng)的選擇 8 2.3運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力參數(shù)計(jì)算 9 2.3.1傳動(dòng)比的分配 9 2.3.2傳動(dòng)參數(shù)的計(jì)算 9 3.各主要零部件的設(shè)計(jì) 10 3.1錐齒傳動(dòng)的設(shè)計(jì) 11 1 3.1.1選精度等級(jí)、材料和齒數(shù) 11 3.1.2按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì) 11 3.1.3校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度 12 3.1.4驗(yàn)算 14 3.2圓柱齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì) 16 3.2.1選精度等級(jí)、材料和齒數(shù) 16 3.2.2按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì) 16 3.2.3按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì) 18 3.2.4幾何尺寸計(jì)算 19 3.3軸的設(shè)計(jì)（以中間軸為例） 20 3.3.1 求凸輪軸上的功率、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩 20 3.3.2首次確定軸的最小直徑 20 3.3.3各段尺寸設(shè)計(jì) 21 3.3.4軸上的周向定位 21 3.3.5軸的校核 22 3.4鍵連接的選擇和計(jì)算 23 3.4.1輸入軸與聯(lián)軸器的連接 23 3.4.2中間軸軸與圓柱齒輪的連接 23 3.4.3凸輪軸軸與凸輪的連接 24 總 結(jié) 24 參考文獻(xiàn) 25 2 刀削面機(jī)械手機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 前言 研究背景及目的 中國(guó)人口眾多，餐飲在中國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中占有不可或缺的地位，刀削面作為我國(guó)傳統(tǒng)的特色面食，遍布全國(guó)南北，尤其是在北方地區(qū)，到處都有面館，客流量巨大。人工操作既費(fèi)時(shí)又費(fèi)力，刀削面機(jī)器人的出現(xiàn)，極大地解放勞動(dòng)力，提高餐桌翻臺(tái)率，深受商家喜愛。該機(jī)器傳動(dòng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)潔可靠，維護(hù)方便，切削速度優(yōu)于人工平均水平，切削出來的面條薄厚均勻適中，適用于各類小餐館。目前市面上出現(xiàn)的機(jī)器，筆者分析后發(fā)現(xiàn)大都存在結(jié)構(gòu)不緊湊、定價(jià)高等問題。為此，我們對(duì)該設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，投放市場(chǎng)，從而解決人們的需求。 刀削面機(jī)械手市場(chǎng)調(diào)研 （1）刀削面的制作方法與困境 山西刀削面雖然好吃，但是傳統(tǒng)的制作方法復(fù)雜、費(fèi)力，想要在自家中自制刀削面的更是困難。因此刀削面機(jī)械手出現(xiàn)使在家自制刀削面成為可能。因?yàn)椋瑱C(jī)械手能使刀削面高效大批量生產(chǎn)，所以它的市場(chǎng)應(yīng)用前景十分廣闊。 （2）刀削面機(jī)械手的應(yīng)用優(yōu)勢(shì) 生產(chǎn)中應(yīng)用刀削面機(jī)械手，有利于提高面料的傳送，可輕松實(shí)現(xiàn)美食的標(biāo)準(zhǔn)化和智能化作業(yè)，大幅降低勞動(dòng)力成本，提高產(chǎn)出效率和質(zhì)量。而刀削面機(jī)械手代替人工操作，可以避免人工長(zhǎng)期操作疲勞而引發(fā)的安全生產(chǎn)事故。由于現(xiàn)有投放市場(chǎng)的刀削面設(shè)備基本上都應(yīng)用了PLC、Delphi等控制系統(tǒng)，這導(dǎo)致了它的高成本、高價(jià)位、難維護(hù)，小型門店沒有能力應(yīng)用這種自動(dòng)化設(shè)備。因此，刀削面機(jī)械手需要優(yōu)化設(shè)計(jì)，調(diào)整機(jī)構(gòu)組合和控制策略，降低復(fù)雜度，從而降低成本。（3）刀削面機(jī)械手的意義 （a）通過學(xué)習(xí)機(jī)械手設(shè)計(jì)知識(shí)，在設(shè)計(jì)過程中發(fā)現(xiàn)問題、研究問題、解決問題； （b）改善了工人的勞動(dòng)限制，避免操作疲勞而引發(fā)的安全事故； （c）使食品生產(chǎn)向機(jī)械化和自動(dòng)化發(fā)展 。 1.總體方案設(shè)計(jì) 1.1功能描述 工人擺放好面料，預(yù)調(diào)刀具，機(jī)械手全自動(dòng)完成整個(gè)削面的過程動(dòng)作，其中機(jī)械手需要完成的三大任務(wù)如下： （1）機(jī)械手小臂繞肘關(guān)節(jié)往復(fù)擺動(dòng)做切削動(dòng)作。 （2）大臂相對(duì)于面料放置板，通過橫向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，完成面料表層的切削，然后復(fù)位，回到進(jìn)刀的初始位置。 （3）大臂相對(duì)于面料放置板，通過縱向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，完成切削面料后，停止進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。 1.2功能分析 該機(jī)械手臂的握緊夾具，主要用于固定面板上的面料，其安裝在固定的機(jī)架上。大臂保持固定，小臂的回轉(zhuǎn)角度控制在60至90范圍內(nèi)，切削工作可以在放置面料面板的橫向進(jìn)給與縱向抬升配合小臂的擺動(dòng)共同完成。因此機(jī)械手的自由度最高為3，三個(gè)不同驅(qū)動(dòng)力也可以通過機(jī)構(gòu)聯(lián)動(dòng)配合完成則該機(jī)械手自由度最低為1。 該機(jī)械手運(yùn)動(dòng)控制可以分以下三種情況： （1）通過3個(gè)不同分布的電機(jī)控制3個(gè)不同的機(jī)構(gòu)工作（該自由度為3）。 （2）通過2個(gè)不同分布的電機(jī)控制2個(gè)不同的機(jī)構(gòu)工作。篩選出一個(gè)對(duì)控制要求精確的機(jī)構(gòu)為獨(dú)立工作（比如上下進(jìn)給運(yùn)動(dòng)），其他兩個(gè)動(dòng)作則通過連桿或齒輪等機(jī)構(gòu)聯(lián)合工作，由一個(gè)電機(jī)控制（該自由度為2）。 （3）由1個(gè)電機(jī)通過連桿或齒輪等機(jī)構(gòu)聯(lián)動(dòng)控制3個(gè)不同的機(jī)構(gòu)工作（該自由度為10）。 1.3總體方案設(shè)計(jì)及選擇 方案一：傳統(tǒng)的刀削面機(jī)械手，是通過CNC編程來精確控制三個(gè)不同動(dòng)作的運(yùn)動(dòng)時(shí)間與運(yùn)動(dòng)速度，來完成全自動(dòng)化控制整個(gè)機(jī)構(gòu)動(dòng)作。 方案二：通過控制實(shí)現(xiàn)兩個(gè)電機(jī)的配合運(yùn)轉(zhuǎn)，從而完成切削作業(yè)。 方案三：對(duì)CNC技術(shù)的控制程度降低，甚至擺脫CNC控制來實(shí)現(xiàn)整個(gè)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)。 通過對(duì)機(jī)械手的綜合數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可知，CNC技術(shù)的運(yùn)用以及電機(jī)的使用數(shù)量不僅占了刀削面機(jī)械手的制造成本比重，而且增加了機(jī)械手的系統(tǒng)不穩(wěn)定性和維護(hù)成本，不符合機(jī)械手的操作簡(jiǎn)易性。對(duì)比下，單自由度的方案結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，制造成本低，因此更能適應(yīng)當(dāng)前的市場(chǎng)需求。 1.4各機(jī)構(gòu)方案選擇 1.4.1切削動(dòng)作方案 刀削面機(jī)械手圖1優(yōu)點(diǎn)：空間利用率高，對(duì)操作空間要求少。缺點(diǎn)：雙曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的成本高，機(jī)構(gòu)復(fù)雜，效率低。刀削面機(jī)械手圖2優(yōu)點(diǎn)：效率高，成本低，機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，方便安裝維護(hù)。缺點(diǎn)：對(duì)操作空間要求高。機(jī)械手的設(shè)計(jì)目的是使產(chǎn)品物美價(jià)廉，因?yàn)閳D2各種條件都高于方案一，因此選方案一作為刀削面機(jī)械手小臂切削機(jī)構(gòu)。 圖1 滑塊機(jī)構(gòu) 圖2 四桿機(jī)構(gòu) 1.4.2橫向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方案 如圖3所示，輪機(jī)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)緊湊，容錯(cuò)率低，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化。缺點(diǎn)：不適于高速運(yùn)轉(zhuǎn)。齒輪齒條優(yōu)點(diǎn)：承載力大，傳動(dòng)精確，傳動(dòng)效率高。缺點(diǎn)：精度差，噪音大，易磨損。用凸輪機(jī)構(gòu)在控制刀削面面料板時(shí)運(yùn)動(dòng)速度低，且安裝方便。所以選擇凸輪機(jī)構(gòu)作為面料進(jìn)給機(jī)構(gòu)。 圖3 凸輪機(jī)構(gòu) 1.4.3縱向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方案 因?yàn)槊媪习宓目v向進(jìn)給速度相對(duì)于橫向進(jìn)給速度相當(dāng)緩慢，所以選擇凸輪機(jī)構(gòu)作為面料縱向進(jìn)給機(jī)構(gòu)。因?yàn)辇X輪齒條機(jī)構(gòu)與凸輪機(jī)構(gòu)可以構(gòu)造一個(gè)新的機(jī)構(gòu)，所以簡(jiǎn)化了機(jī)械手的復(fù)雜度也減少了凸輪機(jī)構(gòu)空間占有率。因此選擇齒輪齒條機(jī)構(gòu)作為面料縱向進(jìn)給機(jī)構(gòu)。 2. 總體機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及參數(shù)選擇 2.1基本運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 2.1.1小臂擺動(dòng)切削機(jī)構(gòu) 圖4臂擺動(dòng)切削機(jī)構(gòu) R45=CD—BD ； R65=CD + BD 由圖4，R45、R65與R18的交點(diǎn)分別是該四桿機(jī)構(gòu)的兩個(gè)極限位置，兩極限位置夾角為78度，符合該機(jī)械手設(shè)計(jì)方案。 2.1.2面料橫向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu) 機(jī)械手在切削運(yùn)動(dòng)時(shí)，面料在單位時(shí)間內(nèi)橫向進(jìn)給量是恒定，而且面料表層切削完成后的回程動(dòng)作要快，由以上條件來進(jìn)行該凸輪的設(shè)計(jì)。 因?yàn)闄M向進(jìn)給的速度V是勻速的，所以凸輪的推程是等速運(yùn)動(dòng)。但是凸輪在起始位置的推程速度就達(dá)到V時(shí)，加速度a=（v-0）/ t ；則加速度a無窮大。因此凸輪推程起始與結(jié)束位置作簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)，中間作等速運(yùn)動(dòng)。 凸輪機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖：基圓半徑為10mm 則推程：簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng) s=h(1-cosδπδ0)/2 v=πhω(sinπδδ0)/(2δ0) a=π2hω2（cosπδδ0）/(2δ2) 等速運(yùn)動(dòng) s=hδ/δ0 v=hω/δ0 a=0 回程：簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng) s=h(1+cosπδδ0)/2 v=-πhωsinπδδ0/(2δ0) a=-π2hω2cosπδδ0/(2δ02) 等速運(yùn)動(dòng) s=h(1-δ/δ0) v=-hω/δ0 a=0 其中最大推程=12cm，Φ1 ：Φ2 =1 ：5 ； 即推程角Φ =60；回程角Φ’ =300 2.1.3面料縱向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu) 因?yàn)槊媪蠙M向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)為凸輪機(jī)構(gòu)，可以通過降低機(jī)械手內(nèi)部機(jī)構(gòu)的復(fù)雜度，將凸輪機(jī)構(gòu)與齒輪齒條機(jī)構(gòu)結(jié)合，形成一個(gè)新機(jī)構(gòu)，如圖5所示。 圖5料縱向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu) 該機(jī)構(gòu)的矩形螺紋在作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)相當(dāng)于齒輪，齒距為2mm。該刀削面機(jī)械手完成一次面料表層的切削，即凸輪旋轉(zhuǎn)一圈，放置面料板隨即抬升2mm，繼續(xù)切削新一層的裸露面料。 2.2主要的參數(shù)選擇 2.2.1齒輪傳動(dòng) 如圖6，選定的齒輪布置如下： 圖6輪傳動(dòng)布置圖 為了方便設(shè)計(jì)，所有的齒輪統(tǒng)一相同的模數(shù)。按圖6方案，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的錐齒輪a通過整個(gè)輪系帶動(dòng)凸輪h旋轉(zhuǎn)。則： 注釋： d-齒輪直徑 m-齒輪模數(shù) z-齒輪齒數(shù) n-齒輪傳動(dòng)比 由于： d = m*z則N1:N2= z2: z1 = (d2/m2): (d1/m1) 又因?yàn)椋? m1=m2=m3=m4=……=mn 傳動(dòng)比為： Na : Nb = db: da = 2 : 1 ; Nb : Nd = dd: db = 2 : 1 ; Nd : Nf = Nd : Ne = 6 : 1 ; Nf : Ng = 14:3 即： Nd: Ng = 28 : 1（d齒輪即是四桿機(jī)構(gòu)的曲柄） 2.2.2刀具切寬、切深 由推程角與回程角比是Φ1:Φ2 =1:5得出，Φ1 =60；Φ2 =300 該刀削面機(jī)械手在面料表層將切削的最大面條數(shù)為：28*5/6=24（取整）。 由最大推程為12cm，者刀削面面寬最大為12/24=0.5cm；因此刀具的削面寬度最小為5mm，刀具的切深為2mm。 2.2.3驅(qū)動(dòng)的選擇 （1）驅(qū)動(dòng)形式的選擇 機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)裝置常見的是電力傳動(dòng)、氣壓傳動(dòng)、液壓傳動(dòng)和機(jī)械傳動(dòng)等四類基本形式。由于本設(shè)計(jì)研究的機(jī)械手額定負(fù)載不大，綜合分析后，決定采用電力傳動(dòng)。電力驅(qū)動(dòng)方式具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于控制、使用維修方便、不污染環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)。 當(dāng)采用電力驅(qū)動(dòng)方式時(shí)，需要根據(jù)實(shí)際情況對(duì)電機(jī)進(jìn)行選擇。電機(jī)分為四種，步進(jìn)電機(jī)、直流伺服電機(jī)、交流伺服電機(jī)和三相異步電機(jī)。 使用直流伺服電機(jī)能構(gòu)成閉環(huán)控制，精度高，額定轉(zhuǎn)速高，但價(jià)格較高，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)成本低，但若高于一定速度就無法啟動(dòng)，并伴有嘯叫聲。上述電機(jī)的功能要求基本上是針對(duì)數(shù)控加工的，而刀削面驅(qū)動(dòng)裝置無需通過脈沖控制，因而使用通用的三相異步電動(dòng)機(jī)。 由于 Na : Nb = da : db = 2 : 1 ; Nb : Nd = db: dd = 2 : 1 ; 則：Na : Nd = 4 : 1 ; 刀削面機(jī)械手的小臂搖桿機(jī)構(gòu)搖擺速度即是切削速度?？紤]到搖桿機(jī)械疲勞強(qiáng)度，搖桿最高速度v為4次/s。不同電機(jī)極數(shù)的三相異步電動(dòng)機(jī)同步轉(zhuǎn)速如下：2極電機(jī)同步轉(zhuǎn)速為3000轉(zhuǎn)/分。4極電機(jī)同步轉(zhuǎn)速為1500轉(zhuǎn)/分。6極電機(jī)同步轉(zhuǎn)速為1000轉(zhuǎn)/分。8極電機(jī)同步轉(zhuǎn)速為750轉(zhuǎn)/分。 三相異步電機(jī)速度V≦ v*Nd/Na = 16/s= 960轉(zhuǎn)/分； 故選擇8極三相異步電機(jī)。 則刀削面機(jī)械手的切削速度v = 750/（4*60）=3.125條/秒； （2）功率的確定 根據(jù)參數(shù)，選用額定功率為500W的電機(jī)。 電機(jī)參數(shù)如表1： 表1電動(dòng)機(jī)參數(shù) 電動(dòng)機(jī)型號(hào) 額定功率（W） 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速（r/min） 堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩 最大轉(zhuǎn)矩 同步 滿載 Y50L-8 500 750 720 2.0 2.2 2.3運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力參數(shù)計(jì)算 2.3.1傳動(dòng)比的分配 機(jī)械手曲柄總傳動(dòng)比：=4 凸輪總傳動(dòng)比=112 選擇各級(jí)傳動(dòng)比如下： 圓錐齒輪傳動(dòng)比范圍，取 一級(jí)圓柱傳動(dòng)比 二級(jí)圓柱傳動(dòng)比 三級(jí)圓柱傳動(dòng)比 2.3.2傳動(dòng)參數(shù)的計(jì)算 （1）各軸的轉(zhuǎn)速n 電機(jī)軸0的轉(zhuǎn)速：==750r/min 1軸的轉(zhuǎn)速：==750r/min 2軸的轉(zhuǎn)速：=/=750/2=375r/min 3軸的轉(zhuǎn)速：=/=375/2=187.5r/min 4軸的轉(zhuǎn)速：=/=31.25r/min 5軸的轉(zhuǎn)速：=/=6.7r/min （2）各軸的輸入功率P 電機(jī)軸0的輸入功率： 1軸的輸入功率： 2軸的輸入功率： 3軸的輸入功率： 4軸輸入功率： 5軸的輸入功率： （3）各軸的輸入轉(zhuǎn)矩T 電機(jī)軸0的輸入轉(zhuǎn)矩：6.37Nm 1軸的輸入轉(zhuǎn)矩：6.3Nm 2軸的輸入轉(zhuǎn)矩：12.23Nm 3軸的輸入轉(zhuǎn)矩：23.73Nm 4軸的輸入轉(zhuǎn)矩：138.15Nm 5軸的輸入轉(zhuǎn)矩：625.14Nm （4）各軸參數(shù)表2所示： 表2 軸參數(shù) 軸名 功率 P/W 轉(zhuǎn)矩T/(N.m） 轉(zhuǎn)速 n/（r/min） 傳動(dòng)比 i 電機(jī)軸 500 6.37 750 1 1軸 495 6.30 750 2軸 480.25 12.23 375 2 3軸 465.94 23.73 187.5 2 4軸 452.05 138.15 31.25 6 5軸 438.58 625.14 6.7 28/6 3.各主要零部件的設(shè)計(jì) 3.1錐齒傳動(dòng)的設(shè)計(jì) 3.1.1選精度等級(jí)、材料和齒數(shù) 選用直齒錐齒輪傳動(dòng)，速度不高，故選用7級(jí)精度 材料選擇：選取小齒輪材料為45（調(diào)質(zhì)），硬度為280HBS，大齒輪材料為45鋼（調(diào)質(zhì)），硬度為240HBS，二者材料硬度差為40HBS。 選小齒輪齒數(shù)Z1＝15，大齒輪齒數(shù)Z2＝i1Z1＝215=30 3.1.2按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì) 由設(shè)計(jì)計(jì)算公式進(jìn)行試算，即 １）確定公式內(nèi)的各計(jì)算數(shù)值 （1）試選載荷系數(shù) （2）計(jì)算小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩 （3）選取齒寬系數(shù) （4）知齒輪，查得節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù) 材料的彈性影響系數(shù) （5）按齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限，大齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限 （6）計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù) （7）接觸疲勞強(qiáng)度壽命系數(shù) （8）計(jì)算接觸疲勞強(qiáng)度許用應(yīng)力 取失效概率為1％，安全系數(shù)為S=1 ２）計(jì)算 （1）試算小齒輪分度圓直徑，由計(jì)算公式得 （2）計(jì)算圓周速度 （3）模數(shù)及主要尺寸的確定 模數(shù)：，取 　　　分度圓直徑： 節(jié)錐角： 　　　　　　　 錐距 　　　平均分度圓直徑： 齒寬，取 3.1.3校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度 （1） 彎曲強(qiáng)度校核公式： （2）確定各參數(shù) 平均分度圓處螺旋角，則 查得動(dòng)載系數(shù)1.15 齒向載荷分布系數(shù) 使用系數(shù) 故 （3）分度圓圓周 （4）齒輪系數(shù)YF和應(yīng)力修正系數(shù)YS 得 （5）許用彎曲應(yīng)力可由下式算得 可得出彎曲疲勞極限應(yīng)力 小錐齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限 大錐齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限 查得壽命系數(shù) 查得 ， 查得安全系數(shù)是 故許用彎曲應(yīng)力 因此滿足齒根彎曲疲勞強(qiáng)度。 3.1.4驗(yàn)算 1）齒面接觸強(qiáng)度驗(yàn)算 接觸強(qiáng)度壽命系數(shù); 最小安全系數(shù) 因此齒面強(qiáng)度足夠。 綜上所述，圓錐齒輪參數(shù)數(shù)據(jù)整理如表3所示： 表3 圓錐齒輪參數(shù) 名稱 符號(hào) 公式 直齒圓錐小齒輪 直齒圓錐大齒輪 齒數(shù) 15 30 模數(shù) m m 2 傳動(dòng)比 i i 2 分度圓錐度 ， 分度圓直徑 30 60 齒頂高 2 2 齒根高 2.4 2.4 齒全高 h 4.4 4.4 齒頂圓直徑 ， 33.58 (大端) 61.79 （大端） 齒根圓直徑 25.62 57.85 齒距 p 6.28 6.28 頂隙 c 0.4 0.4 錐距 R 33.54 33.54 齒頂角 ， 齒根角 齒頂圓錐角 ， 齒根圓錐角 ， 齒寬 11.5 11.5 3.2圓柱齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì) 本次總共用到3級(jí)圓柱齒輪傳動(dòng)，本次設(shè)計(jì)中以第2級(jí)圓柱齒輪傳動(dòng)為例進(jìn)行計(jì)算，其他各級(jí)計(jì)算過程類似，不一一列舉。 3.2.1選精度等級(jí)、材料和齒數(shù) 采用7級(jí)精度選擇小齒輪材料為40Cr（調(diào)質(zhì)），硬度為320HBS，大齒輪材料為40Cr鋼（調(diào)質(zhì)），硬度為300HBS。 選小齒輪齒數(shù) 大齒輪齒數(shù)，取 3.2.2按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì) 由設(shè)計(jì)計(jì)算公式進(jìn)行試算，即 1） 確定公式各計(jì)算數(shù)值 （1）試選載荷系數(shù) （2）計(jì)算小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩 （3）小齒輪相對(duì)兩支承非對(duì)稱分布，選取齒寬系數(shù) （4）得出材料的彈性影響系數(shù) （5）按齒面硬度得出 小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限 大齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限 （6）計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù) （7）接觸疲勞強(qiáng)度壽命系數(shù) （8）計(jì)算接觸疲勞強(qiáng)度許用應(yīng)力 取失效概率為1％，安全系數(shù)為S=1，由式10-12得 （9）計(jì)算 試算小齒輪分度圓直徑，代入中的較小值 計(jì)算圓周速度v 計(jì)算齒寬b 計(jì)算齒寬與齒高之比b/h 模數(shù) 齒高 計(jì)算載荷系數(shù)K 根據(jù)，7級(jí)精度，查得動(dòng)載荷系數(shù) 假設(shè)，由表查得 得使用系數(shù).15 得 得 故載荷系數(shù) （10）按實(shí)際的載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑，由式可得 （11）計(jì)算模數(shù)ｍ 3.2.3按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì) 彎曲強(qiáng)度的設(shè)計(jì)公式為 （1）確定公式內(nèi)的計(jì)算數(shù)值 小齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限 大齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限 得彎曲疲勞壽命系數(shù) 　 計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力 取失效概率為1％，安全系數(shù)為S=1.3，由式得 計(jì)算載荷系數(shù) （2）查取齒形系數(shù) 得　 （3）查取應(yīng)力校正系數(shù) 　 （4）計(jì)算大小齒輪的，并比較 大齒輪的數(shù)據(jù)大 （5）設(shè)計(jì)計(jì)算 對(duì)比計(jì)算結(jié)果，由齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù)m大于由齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù)，可取有彎曲強(qiáng)度算得的模數(shù)1.67，并就近圓整為標(biāo)準(zhǔn)值m＝2mm。 按接觸強(qiáng)度算得的分度圓直徑 算出小齒輪齒數(shù)　取　 大齒輪齒數(shù)　取 3.2.4幾何尺寸計(jì)算 （1）計(jì)算分度圓直徑 （2）計(jì)算中心距 （3）計(jì)算齒寬寬度取B2=20mm, B1=20mm 圓柱齒輪參數(shù)數(shù)據(jù)整理如表4所示： 表4圓柱齒輪參數(shù)數(shù)據(jù) 序號(hào) 名稱 符號(hào) 計(jì)算公式及參數(shù)選擇 1 齒數(shù) Z 20，120 2 模數(shù) m 2mm 3 分度圓直徑 40mm,240mm 4 齒頂高 2mm 5 齒根高 2.5mm 6 全齒高 h 4.5mm 7 頂隙 0.25mm 8 齒頂圓直徑 44mm,244mm 9 齒根圓直徑 35mm,235mm 10 中心距 140mm 3.3軸的設(shè)計(jì)（以中間軸為例） 3.3.1 求凸輪軸上的功率、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩 =452.05W =31.25r/min =138.15Nm 3.3.2首次確定軸的最小直徑 首次計(jì)算軸的最小直徑。選取軸的材料為45鋼（調(diào)質(zhì)），根據(jù)課本表15-3，取得 低速軸的最小值顯然是安裝聯(lián)軸器的直徑。 因軸上有兩個(gè)鍵槽，故直徑增大5%—10%，故 3.3.3各段尺寸設(shè)計(jì) 為整個(gè)軸直徑最小處選 =20mm 為了滿足齒輪的軸向定位，取 根據(jù)齒輪寬度及綜合考慮取 ==20mm 綜上，初步確定了軸各個(gè)分段直徑與長(zhǎng)度。 3.3.4軸上的周向定位 小圓柱齒輪的周向定位采用平鍵連接，按由課本表6-1查得平鍵截面 鍵槽用鍵槽銑刀加工，長(zhǎng)為18mm，同時(shí)為保證齒輪與軸配合有良好的對(duì)中性，故選擇齒輪輪轂與軸的配合為； 大齒輪的周向定位采用平鍵連接，按由課本表6-1查得平鍵截面 鍵槽用鍵槽銑刀加工，長(zhǎng)為18mm，同時(shí)為保證齒輪與軸配合有良好的對(duì)中性，故選擇齒輪輪轂與軸的配合為； 滾動(dòng)軸承與軸的周向定位是通過過渡配合來保證的，此處選軸的尺寸公差為m6。 確定軸上圓角和倒角尺寸，參考表15-2，取軸端倒角為。 3.3.5軸的校核 （1）計(jì)算軸上的載荷 依照?qǐng)D7可知，畫出軸的計(jì)算簡(jiǎn)圖，通過從軸的結(jié)構(gòu)圖，以及彎矩和扭矩圖中可以得出圓柱齒輪位置的中點(diǎn)截面是軸的危險(xiǎn)截面。 圖7 結(jié)構(gòu)圖 計(jì)算出的圓柱齒輪位置的中點(diǎn)截面處的、及的值列于表5： 表5 圓柱齒輪 載荷 水平面H 垂直面V 支反力F 彎矩M 總彎矩 扭矩T =424.53Nm （2）按彎扭合成應(yīng)力校核軸的強(qiáng)度 根據(jù)上表數(shù)值和軸的單向旋轉(zhuǎn)，扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為脈動(dòng)循環(huán)變應(yīng)力，取 ， 軸的計(jì)算應(yīng)力 前已選定軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理， 由課本表15-1查得許用彎曲應(yīng)力 因此故安全。 3.4鍵連接的選擇和計(jì)算 3.4.1輸入軸與聯(lián)軸器的連接 軸徑，選取的平鍵界面為，長(zhǎng)L=22mm。由指導(dǎo)書表14-26得，鍵在軸的深度t=2.5mm，輪轂深度1.8mm。圓角半徑r=0.2mm。查課本表6-2得，鍵的許用應(yīng)力。 滿足強(qiáng)度要求。 3.4.2中間軸軸與圓柱齒輪的連接 軸徑，選取的平鍵界面為，長(zhǎng)L=18mm。由指導(dǎo)書表14-26得，鍵在軸的深度t=3.0mm，輪轂深度2.3mm。圓角半徑r=0.2mm。查課本表6-2得，鍵的許用應(yīng)力。 滿足強(qiáng)度要求。 3.4.3凸輪軸軸與凸輪的連接 軸徑，選取的平鍵界面為，長(zhǎng)L=18mm。由指導(dǎo)書表14-26得，鍵在軸的深度t=4.0mm，輪轂深度3.3mm。圓角半徑r=0.3mm。查課本表6-2得，鍵的許用應(yīng)力。 滿足強(qiáng)度要求。 總 結(jié) 大學(xué)時(shí)光就要結(jié)束了，在最后階段的緊張實(shí)踐學(xué)習(xí)中，我的綜合能力得到了很大的提高。削面機(jī)械手削面機(jī)構(gòu)這一課題，涉及了多方面學(xué)科的知識(shí)，是非常重要的課題。在整體的設(shè)計(jì)中，對(duì)產(chǎn)品機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也有了進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)。本次設(shè)計(jì)，在原有的基礎(chǔ)上加了一點(diǎn)創(chuàng)新，融入了我很多新的構(gòu)想，然而由于實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的缺乏，本次設(shè)計(jì)還有很多的不足之處，請(qǐng)指正。 參考文獻(xiàn) [1] 數(shù)字化手冊(cè)編委會(huì). 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)（新編軟件版）2008.化學(xué)工業(yè)出版社 [2] 朱龍英. 機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ) 北京：機(jī)械工業(yè)出版社 2010 [3] 林清安. 完全精通Pro/Engineer綜合教程 北京：電子工業(yè)出版社 2009 [4] 寇尊權(quán). 機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì) 北京：機(jī)械工業(yè)出版社 2011 [5] 孫士保. 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