机械设计说明书 驱动直线步进机械设备的槽轮机构设计

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1、 目 录 1 驱动直线步进机械设备的槽轮机构设计（6） 1 1.1 设计题目 1 1.2 设计任务 1 1.2.1 设计参数 1 1.2.2 设计内容 1 1.2.3 设计要求 1 1.2.4 设计任务 2 1.2.5 设计资料 2 2 槽轮机构运动分析 2 2.1 槽轮机构运动特性分析 2 2.2 动静比的计算 5 3 槽轮机构的动力学计算 7 3.1 驱动直线步进机械设备扭矩的计算 7 3.2 驱动功率的计算 8 3.3 轴的强度校核 9 4 槽轮机构结构尺寸设计 11 4.1 槽轮主要结构尺寸计算 11 4.2 槽轮机构结构型式 12 4.3 轴的

2、结构尺寸设计 13 4.3.1 槽轮轴的尺寸设计 13 4.3.2 曲柄轴的尺寸设计 14 4.4 轴承及键的选择 14 4.4.1 轴承的选择 14 4.4.2 键的选取 14 5 设计体会及以后的改进意见 15 参 考 文 献 16 1 驱动直线步进机械设备的槽轮机构设计（6） 1.1 设计题目：驱动直线步进机械设备的槽轮机构设计（6） 一个外啮合6槽槽轮机构，带动一水平循环的传送带设备做步进运动。 1.2 设计任务 1.2.1 设计参数 （1）传送带上有40辆小车，每辆小车重20kg，小车与导轨间的摩擦系数为f=0.2； （2）间歇移

3、动的距离为H=200mm； （3）运动-停歇的周期时间为10s； （3）槽轮机构的传动效率为0.9； （4）槽轮轴立式安装，工作台通过一组轴承与机架相连。 1.2.2 设计内容 （1）根据要求，确定工作台的静止和转位时间； （2）计算主动拨销的转速； （3）计算槽轮轴上的最大扭矩和平均扭矩； （4）对槽轮进行运动学分析。列出槽轮的角位移、角速度和角加速度的方程，并做出相应的曲线图。 （5）对槽轮进行受力分析。计算转臂轴上需要的最大驱动力矩和平均功率，确定驱动电机的功率；求出拨销和转臂之间的最大反力，校核转臂轴直径和槽轮轴直径是否满足强度和刚度要求。 1.2.3 设计要求

4、课程设计是一必修的实践性教学环节，所有学生必须重视、认真对待，必须独立按时完成课程设计任务，遵守设计纪律，严禁雷同、抄袭。 图纸要求：使用计算机软件绘图，注意装配图、零件图的标注内容及格式，要求标注完整、规范，结构合理。 说明书要求：按照陕西科技大学课程设计的格式规范，内容详实，分析合理，计算又据，数据可靠。 1.2.4 设计任务 （1）槽轮机构及其转臂组件的装配图（含箱体，工作台）。 （2）槽轮机构的详细图纸（包含组件图和零件图）。 （3）图纸量最少为1张装配图和3张零件图。 1.2.5 设计资料 （1）课程设计说明书（统一左侧装订） （2）相关设计图纸（总计不少于4张）

5、 （3）陕西科技大学课程设计评分表（网上下载，不同说明书装订在一起，填写完整的设计题目，姓名等相关资料，并注意评分表下面的日期为2012年） 2 槽轮机构运动分析 2.1 槽轮机构运动特性分析 从结构原理上分析，槽轮机构实际上是曲柄导杆机构的一种变型。在槽轮机构运动过程的任一瞬时，如图2-1所示，槽轮的转角和曲柄的转角之间的几何关系为 图2-1 槽轮机构运动特性计算图 令，把它代入上式，得 （2-1） 将上式对时间逐次求导，即得槽轮运动的角速度和角加速度为。 （2-2）

6、 (2-3) 式中为曲柄转角 若满足槽轮机构运动平稳无冲击的要求，则拨销在进入退出槽轮的速度和加速度为最小值。于是，由式（2-2），得 式中为拨销进入槽轮时的角速度，为相应于时的曲柄转角。即 （2-4） 所以当曲柄拨销在垂直角进入时可以避免第一冲击，此时槽轮的角加速度由式（2-3）可得， 式中为拨销进入槽轮时的角加速度， 将代入上式可得 可见，曲柄销进入槽轮时存在角速度产生的第二冲击。 由图2-1知，槽轮机构角速度变化曲线是对称于位置的，在时达最大值。这对其他槽数的槽轮机构也都成立。

7、只要用带入式（2-2），即可求得槽轮的最大角速度为 （2-5） 槽轮角速度最大值并不发生在位置。对它求一次倒数并令它等于零得 （2-6） 角速度分析，=0.5 = 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1 0.915 0.71 0.477 0.275 0.118 0 -0.087 -0.015 -0.2 角加速度分析 = 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 0 -

8、0.929 -1.335 -1.272 -1.029 -0.8 -0.577 -0.428 -0.319 -0.246 图2-2 角速度变化曲线 图2-3 角加速度变化曲线 2.2 动静比的计算 设槽轮有个均匀分布的径向槽，槽轮每一次转动过程的转角为主动件相应的转角为。由此得槽轮的转角 （2-7） 槽数为6，代入公式得， 曲柄的转角（即转臂或拨销盘的转角） （2-8） 槽数为6，代入公式，得 将值代入下式 设槽轮在一个循环周期中的运动时间为静止时间为，曲柄销转一周的时间为T。

9、 （2-9） 将式代入以上两式，得 3 槽轮机构的动力学计算 3.1 驱动直线步进机械设备扭矩的计算 在传送带上，这种机械设备一般都在低速情况下工作，计算扭矩时，通常可忽略惯性力矩而仅考虑摩擦阻力矩。由功率相等原理有： (3-1) 式中 F----机械设备的生产阻力，如传送带与支撑导轨间的摩擦力（N） dh----机械设备的微小位移量（m） M2---槽轮轴上的平均扭动转矩（NM） d---槽轮的微小转角（rad） (3-2) 式中

10、H——机械设备的最大步进位移量（m） ——槽轮的槽间角（rad） 将 f=0.2 N=40 m=20kg代入上式 F= Nmgf=40209.80.2=1568 N 为槽轮轴上平均驱动转矩， 主动拨销盘支承轴上的扭矩Mc为： (3-3) 式中 Mc——拨销盘支撑轴上的扭矩 ω—— 槽轮转动的角速度 ω0——拨销盘转动的角速度 ŋ——槽轮机构的传动效率 将式（3-2）代入上式并按最大扭矩计算得 3.2 驱动功率的计算 槽轮轴上所需的最大功率为 （3-4） 主动转臂轴上所

11、需的驱动最大功率为 （3-5） 转臂轴上需要的平均功率为 （3-6） 查自动机械设计表7-2知：Z=6时， 如果由电动机来驱动单个槽轮机构，则电机的额定功率乘以过载系数一定要大于槽轮机构的最大功率。上式求出的P2需除以过载系数后后选择驱动电机的额定功率，此时选电机的过载系数为1.8，则 我国普通电机的过载系数为1.8~2，由表可以看出，z≤6的槽轮机构其比例系数大于电机的过载系数，所以在设计槽数较少的槽轮机构时，选择电机的额定功率应适当的大于他的平均功率。即选用电机的功率为 选取小功率电动机，选择YC系列功率为0.25kW 转速1400r/mi

12、n此时通过用无级降速器降到6r/min。 3.3 轴的强度校核 轴受弯矩不大，所以按扭转强度条件计算，轴的扭转强度为 (3-7) 式中 —扭转切应力，； T—轴所受的扭矩，Nm； —轴的抗扭截面系数，； n—轴的转速，r/min； P—轴的传递的功率，kW； d—计算截面处轴的直径，mm； —许用扭转切应力，单位, 由上式可得轴的直径 (3-8) 按最大功率校核，轴选用45号钢，则 将P1max=0.19kw，P2=0.21kw,n=6r\min代入上式计算得出 槽轮轴的直径： 主动曲柄的直径： 当轴截面上开有

13、键槽时，应增大轴径以考虑键槽对轴的强度的消弱。对于直径mm的轴，有一个键槽时，轴径应增大5%~7%。故槽轮轴的直径： 主动曲柄的直径： 4 槽轮机构结构尺寸设计 4.1 槽轮主要结构尺寸计算 槽轮机构的主要结构尺寸取决于机构所能传递的扭矩，即应具备的强度条件。这和机构的使用情况，材料、热处理、加工装配技术，结构形式等许多影响因素有关。设计时，通常根据工艺要求、布局条件选定适当的中心距和槽数。 图4-1 槽轮机构简图 (a)、中心距 暂时选取中心距=180mm (b)、主动曲柄半径r (c)、主动圆销半径ra (d)、槽轮名义半径R 槽轮的名义外

14、圆半径是指当圆销开始进入槽轮（即当圆销中心A处在位置,如图3-1）所示时槽轮轴心到滚子中心A之间的距离为.如果槽轮为外圆半径则当圆销进入槽轮时，将与轮槽两侧顶端有一间隙，使冲击加剧，这时槽轮实际外圆半径应是槽轮轴心到轮槽边延长线与圆销切点D之间的距离，即 (e)、槽深h (f)、槽顶厚 ，取b=5mm (g)、槽轮轮毂半径 (h)、曲柄轴半径 ， (i)、锁止狐半径 (j)、锁止狐张角 对定位精度要求较高时，刚可主动转臂上锁止弧所对中心角，应与槽轮在静止时的转臂转角相等，故 4.2 槽轮机构结构型式 槽轮机构主动件的结构型式，可做成拨销盘或曲柄，也

15、可做成其他形式，如带有拨销的齿轮或蜗杆等。拨销可做成悬臂式单支承或双支承。单支承的刚度一般能满足要求，且适应性强，故本次设计采用单支承。拨销采用套在螺栓上的滚子（套筒）型式。 槽轮尺寸较大时可做成镶嵌式结构，在尺寸不大时可做成整体式结构，本次设计采用整体式结构，以降低制造成本。 4.3 轴的结构尺寸设计 有上式计算知： 槽轮轴的直径： 主动曲柄的直径： 综合强度与经验公式选取槽轮轴最小直径为36mm，曲柄轴最小直径为38mm可免去轴的较核。轮毂的长度D=(1.5~2)d，槽轮轮毂直径为75mm，曲柄轴轮毂直径为65mm 绘制轴的结构简图 5 4 3 2

16、3 1 图4-2 轴的结构简图 4.3.1 槽轮轴的尺寸设计 （1） 确定各轴段直径 1段：d1=dmin=36mm，根据公式的估算值 2段：d2=40mm，根据轴承的标准选取 3段：d3=45mm，大于40mm减少加工 4段：d4=48mm，安装零件处的尺寸 5段：d5=40mm，根据轴承的标准选取 轴肩直径取55、52， （2）确定个轴段长度 1段：l=70mm，估算值 2段：l=20mm，根据轴承的标准选取 3段：l=75mm，根据曲柄的轮毂长度计算 4段：l=70mm，此处小于零件的轮毂长度 5段：l=20mm，根据轴承的标准选取 肩的

17、宽度为5mm，因此轴的总长度为265mm 4.3.2 曲柄轴的尺寸设计 方法同上 4.4 轴承及键的选择 4.4.1 轴承的选择 本次设计中由于槽轮作为传动件所受的扭矩大于弯矩，且在轴向方向受力较少，因此本次设计中选用深沟球轴承。查机械课程设计简明手册表8-23深沟球轴承分别选为 曲柄轴：一对圆珠滚子轴承6008配合 槽轮轴：一对圆珠滚子轴承6009配合 4.4.2 键的选取 建的选择包括类型选择和尺寸选择，键的类型应根据键连接的结构特点、使用要求和工作条件来选择，本次设计采用平键连接.键的尺寸按符合标准规格和强度要求来取定。键的主要尺寸为其截面尺寸（一般以键宽b键高h表示）

18、与长度l。建的截面尺寸bxh按轴的直径d由标准中选定。键的长度L一般可按轮毂的长度来决定，即键长等于或小于轮毂的长度，且符合标准的长度系列。查机械设计表6-1可知 直径48的轴上选用bh=149,深度t为公称尺寸7mm长度L=63mm 直径36的轴上选用bh=108,深度t为公称尺寸7.5mm长度L=40mm 直径44的轴上选用bh=128,深度t为公称尺寸4.0mm长度L=56mm 直径38的轴上选用bh=128,深度t为公称尺寸4.0mm长度L=45mm 5 设计体会及以后的改进意见 本次的课程设计也是大学生涯的最后一次课程设计，通过本次的课程设计，使我对原先学习过的知识

19、进行了一次系统的温故，把原先所学的知识进行了一次综合。以前没接触过的槽轮机构，在这次课程设计中，通过查阅资料，对其结构，工作原理，有了一定了解。了解到当其他条件相同时，槽数越少，加速度越大，惯性冲级越强烈，磨损越严重，精度保持性越差。 外槽轮机构虽然结构结构简单和制造安装方便，但运动性能不够理想，而且调节性能差，因此限制了他的运动速度。虽然可以通过增加槽轮槽数来改善槽轮机构的运动特性，但槽数增加动静比变大，生产率降低。为此可以利用具有规律性变速回转特性的机构，带动槽轮机构的主动件做变速连续回转运动，通过合理设计，使槽轮获得动力特性性能良好的步进输出运动。也可以通过改变主动拨销回转半径，来改变

20、特性。 这次课程设计，使我从中学到了很多很容易被忽视的问题、知识点，课堂上也有部分知识不太清楚，因此不得不边学边用，时刻巩固所学知识，甚至还培养了自己的耐心、细心、专心的性格。尤其是这次课程设计在即将到来的毕业设计之前，这对于明年的毕业设计肯定有莫大的帮助。课程设计不仅是对前面所学知识的一种检验，而且也是对自己能力的一种磨练。通过这次课程设计使我明白了自己原来知识还比较欠缺，自己要学习的东西还太多。有些东西以为学会了，但真正到用的时候才发现自己真的是捉襟见肘，所以我认为只有将学到的东西应用到实践中去才达到受教育的目的。通过这次课程设计，我也明白了学习是一个长期积累的过程，在以后的工作、生活中

21、都应该不断的学习，努力提高自己知识和综合素质。 在本次设计中，得到xxx老师指导帮助，在此表示感谢！本次设计还有不足，希望老师批评指正，特此致敬！ 参 考 文 献 [1] 尚久浩,张淳主编.自动机械设计.北京:中国轻工业出版社，2010 [2] 西北工业大学机械原理及机械零件教研室编，濮良贵，纪名刚主编.机械设计.第七版. 北京：高等教育出版社，2005 [3] 周开勒主编.机械零件手册.第五版.北京：高等教育出版社，2009 [4] 朱龙根主编.简明机械零件设计手册.第二版.北京：机械工业出版社，2005.6 [5] 成大先主编.机械设计图册.第二卷.北京：化学工业出版社，2000 [6] 机械工程师手册第二版编辑委员会编.机械工程师手册.第二版.北京：机械工业出版社，2000,5 [7] 骆素君，朱诗顺主编.机械课程设计简明手册.第二版.北京：化学工业出版社，2011.5 15