平尺刻线机设计说明书.docx
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平尺刻线机设计说明书
机械原理课程设计说明书
设计题目:
平尺刻线机
专业班级：
车辆三班
指导老师：
陈敏钧
设计日期：
2013年7月5日
摘要
机械原理课程设计是使学生较全面、系统巩固和加深机械原理课程的基本原理和方法的重要环节，学生通过此次设计，学习机构运动方案的确定，培养分析向设计机械能力，以及开发创新的能力，以机械系统方案设计与拟定为结合点，进一步巩固和加深学生所学的理论知识，明确课程设计目的、步骤，根据自己的设计题目对设计内容进行分析，确定输入、输出件运动形式（及功能原理分析）。
关键字：
机构运动分析机构结构设计曲柄滑块凸轮设计
1设计功能与要求………………………………………………………………………….....1
1.1设计功能………………………………………………………………………....1
1.2要求………………………………………………………………………….......1
2执行机构的比较与选定……………………………………………………………...........1
2.1刻线机构………………………………………………………………...............2
2.2抬刀机构……………………………………………………………………........7
2.3进给机构………………………………………………………..........................7
3传动方案设计………………………………………………………………..........................9
3.1传动方案总括............................................................................................9
3.2传动效率计算.............................................................................................9
3.3电动机选择.................................................................................................9
3.4传动比计算................................................................................................10
4执行机构的尺寸设计………………………………………………………………………...12
4.1设计总体思路............................................................................................12
4.2抬刀凸轮尺寸设计....................................................................................12
4.3刻线组合机构尺寸计................................................................................14
4.4进给机构尺寸设计..................................................................................16
5方案图与机构运动循环图（表）…………………………………………………………16
5.1方案图......................................................................................................17
5.2机构运动循环图.......................................................................................17
5.3机构运动循环表.......................................................................................18
6参考文献……………………………………………………………………………….......18
7小结………………………………………………………………………………...............18
1、设计功能与要求
1.1设计功能
平尺刻线机主要用来实现自动刻线，刻线要求在平尺毛坯上按一定规律刻划出不同长度的线条：
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。
（如图1）。
图1
1.2设计要求
运动要求：
刀具在刻线行程时作等速运动（或近似等速运动），反行程时快速退回；刀具反行程时要有抬刀运动，并且工作台完成一定进给运动。
实现“落刀—刻线－抬刀－回刀”的运动。
功能要求
刻线机主要由抬刀机构、刻线机构以及进给机构三部分组成。
抬刀机构用于刻线时将刀具压下，刻线完成之后，通过凸轮使刀具自动抬起，避免磨损；刻线机构用于控制刻线及刻线长度；进给机构用于控制刻线间隔，且要求刀具具有急回特性。
原始数据及要求：
1：
平尺毛坯的轮廓尺寸为1040*1030。
要求在平尺毛坯上按一定规律刻划出不同长度的线条：
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。
2：
刻线深度为0.5mm,深度均匀，为防止刀具磨损，要求返程有抬刀运动。
3：
刻线速度：
每秒钟刻一条线。
4：
推动刀具进行刻线运动的机构，其运动要求应保证刻线质量和提高刻线机的生产率角度提出。
刻线行程中刀具做等速运动，反行程时刀具快速退回。
只要求道具在反行程中有急回运动，行程速度变化系数K>=1.2.
5:
为扩大刻线机的应用范围，要求线条长度可调。
6：
要求刻线机在工作过程中主动轴的角速度不均匀系数&<=1/40，刻线是的切削力F=1000N（即刻线0.4kw,进给0.2kw,抬刀0.1kw）
机构选用（表1）
功能
执行构件
工艺动作
执行机构
刻线
刀具
刻线
组合机构
落、抬刀
刀具
落、抬刀
平底凸轮
进给
工作台
间歇进给
槽轮、丝杆
表1
2、执行机构比较与选定
2.1刻线机构
方案1（图2）
图2
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。
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，所以不建议采用。
方案2（图3）
图3
方案说明
通过三个不完全齿轮与齿条的组合，来控制刀具的进刀、退刀运动，通过凸轮来控制刀具的抬刀、下刀运动。
方案评价
这种机构简明易懂，刀具刻线的长度精确，但不容易控制三个不完全齿轮的转速关系，且容易发生撞齿的现象，不能控制刀具的急回速比，所以不建议采用。
方案3（图4）
图4
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。
方案评价
通过一个凸轮来控制进刀、运动，此凸轮的形状会过于复杂，同时不能实现自动回刀，所以不建议采用。
方案4（图5）
图5
方案说明
这种方案是通过一个曲柄滑块机构实现进刀、退刀动作，具有急回特性，另一个凸轮来控制刀具的抬刀、下刀运动，用曲柄滑块机构实现急回速比K>=1.2。
、
方案评价
曲柄滑块机构虽能实现急回速比K>=1.2，但是不能保证刻线过程中的等速运动，所以不建议采用。
方案5（图6）
图6
方案说明
这套方案是通过一套组合机构实现刻刀的进刀、退刀动过，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。
方案评价
此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，采用转动副为低副，降低较低，接触面积大，应力集中就相对小一些，此外，安装、加工也相对方便。
所以我们决定采用这套方案。
2.2抬刀机构
方案1（图7）
图7
方案说明
我们采用凸轮机构实现刀具的抬、落刀动作，通过控制凸轮轮廓来实现刻线时间的调整，又因为凸轮转速一定，即可以控制可线的长短。
方案评价
凸轮机构转动平稳，可有效实现刀具的平稳刻线，同时结构较为简单，体积较小，便于安装。
所以我们采用这套方案。
2.3进给机构
方案1（图8）
图8
方案说明：
这套方案采用不完全齿轮实现工作台的间歇进给，当主动轮做连续回转时，从动轮作间歇式转动，在从动轮停歇期内，两轮轮缘各有锁止弧起定位作用，以防止从动轮游动。
不完全齿轮机构可以带动丝杆间歇转动，来实现工作台的间歇进给，控制不完全齿轮转速与丝杆导程就可实现每秒进给量为1mm。
方案评价：
不完全齿轮冲击较大，且加工、安装较为不便，尺寸较大，所以不建议采用。
方案2（图9）
图9
方案说明：
这套方案采用槽轮机构实现工作台的间歇进给，主动拨盘连续回转，槽轮间歇运动，且我们这套方案采取普通四槽的对称式的槽轮机构，传动较为平稳。
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，所以我们决定采用这套方案。
3、传动方案设计
3.1传动方案总述
采用V带+齿轮传动，将电动机转速减小了需要的转速。
3.2传动功率的计算：
查阅相关资料得：
凸轮效率：
0.95-0.97槽轮效率：
0.95-0.97
滚珠轴承效率：
0.98V带传动效率：
0.94-0.96
9级精度齿轮效率：
0.96螺旋机构效率：
0.85-0.95
刻线机构
P1=0.4/（0.95—0.97）/0.98/0.96/=0.438-0.448KW
抬刀机构
P2=0.1/（0.95—0.97）/0.96/0.96=0.112-0.114KW
进给机构
P3=0.2/（0.85—0.95）/（0.95—0.97）/0.96/0.96=0.236-0.269KW
总体机构
P（电机）=（P1+P2+P3）/（0.94—0.96）=0.819-0.884KW
3.3电动机选择
根据总功率选择电机，查表得，6极的三相交流发电机型号Y132S-6，额定功率为3KW，转速为960r/分，效率为83%。
故P=3*83%=2.49KW，满足功率要求，所以选择上述机型。
3.4传动比计算（图10）
图10
各传动比如图所示。
驱动件采用电动机，由于电动机转速为960r/min，而刻线组合机构工作转速为60r/min，所以要将转速减小至60r/min。
达到传动比i=16，故选择V带传动比i1为4，齿轮i3传动比为4，刻线组合机构工作转速达到60r/min。
抬刀凸轮工作转速为20r/min，故选用1对齿轮传动，传动比i=3，其中i4传动比为3，抬刀凸轮达到20r/min。
槽轮主动拨盘转速与刻线组合机构转速大小与方向相同，且布置于抬刀凸轮下方，故选用两对锥齿轮将60r/min的转速传递到工作台，其传动比为i2=1，i5=4，故此时槽轮主动拨盘转速为60r/min，槽轮从动拨盘转速为15r/min。
进给机构要求进给量为1mm/s，故选取与槽轮从动拨盘同轴的丝杆导程为4mm，故进给量为60mm/min，即1mm/s。
3.4各标准齿轮参数（表2）
各标准齿轮参数
模数m=2压力角a=20度ha*=1c*=0.25
皮带轮半径d=80mmD=320mm
齿数
Z1=34
Z1’=34
Z2=17
Z2'=68
Z3=17
Z3'=51
Z4=34
Z4’=136
中径（mm）
d1=68
d1’=68
d2=34
d2'=136
d3=34
d3'=102
d4=136
d4’=272
表2
图11
4、执行机构的尺寸设计
4.1设计总体思路
我们通过比较各种机构与组合，决定采用组合机构（凸轮-连杆机构）完成刻线动作，采用凸轮机构完成抬刀、落刀动作，采用槽轮-丝杆机构完成工作台的间歇进给动作。
其中，组合机构只负责刀具的匀速进给，通过凸轮控制刻线的时间，从而控制刻线长度，与此同时，每秒钟工作台通过槽轮-丝杆机构完成一次间歇进给（1mm）。
4.2抬刀凸轮尺寸设计（图12）
图12（凸轮实际轮廓线）
取抬刀量为0.5mm，（抬刀量之所以去这么小，我们就可以认为抬刀与下刀时间很短，可以忽略不计）.且抬刀凸轮转速为20r/min，即刻线组合机构转过一圈，抬刀凸轮转过三分之一，那么我们将抬刀凸轮均分为10份每份36°，每一份即可完成一次刻线动作。
再在每份中分出相应的度数（10°、10°、10°、10°、13°、10°、10°、10°、10°、18°），使其比例为10：
10：
10：
10：
13：
10：
10：
10：
10：
18，作为刻线度数，余下度数（26°，26°，26°，26°，23°，26°，26°，26°，26°，18°），作为抬刀、回刀、下刀的度数，这样就可以保证10次刻刀的时间为10：
10：
10：
10：
13：
10：
10：
10：
10：
18，如果保证匀速的速度的话，那么刻出的线的长度即可保证10：
10：
10：
10：
13：
10：
10：
10：
10：
18。
此外，我们将10段的小圆内径定为150mm,每段小圆中的26°，23°，18°部分内径为154，之所以设定为这样的数据，是为了抬刀过程平稳进行。
控制刻线深度0.5mm，可以通过调整刻线尺的放置高度来实现。
4.3刻线组合机构尺寸设计（图13、图14）
为控制刀具能达到分别刻18mm、13mm、10mm的线，现令刀具移动距离为18mm，可以保证13mm和10mm的线长足够。
给定推杆的行程为18mm，因为要求每秒钟刻出一条线，故凸轮转速为1r/s,设定K=1.2:
1,故进刀凸轮转角设定为196度，进刀时间为0.55s。
退刀凸轮转角设定为164度。
退刀时间为0.45s。
进刀速度V1=32.7mm/s。
退刀速度V2=40mm/s。
将进刀和退刀行程18mm等分为6段，故每段距离为3mm。
进刀3mm，曲柄转动角度为32度。
退刀3mm，曲柄转动角度为27度。
选定适当的连杆长度30mm。
故依次可以做出凸轮轮廓曲线。
图13
由此可得凸轮连杆组合机构如下图
图14
4.4进给机构尺寸设计（图15）
图15
外啮合槽轮n=1，z=4，运动系数k=1/2-1/z=0.25
取进给丝杆导程为4mm，右旋，则进给量为1mm/s。
进给槽轮参数：
L=20cmR=14.14cmr=2.36cms=14.14cmh>=10.64cmd1<=11.72cmd2<=7cmb=4mm
5、方案图与机构运动循环图（表）
5.1方案图（图16）
图16
5.2机构运动循环图（图17）
图17
5.3机构运动循环表（表3）
凸轮转角
0
10
26
36
46
56
72
82
92
凸轮行程
0
0
4
0
0
4
0
0
4
凸轮转角
108
118
128
144
157
170
180
190
200
凸轮行程
0
0
4
0
0
4
0
0
4
凸轮转角
216
226
236
252
262
272
288
298
308
凸轮行程
0
0
4
0
0
4
0
0
4
凸轮转角
344
362
371
380
凸轮行程
0
0
4
0
表3
6、参考文献
[1]孙桓.机械原理.高等教育出版社.2006.
[2]濮良贵.机械设计.西北工业大学出版社.2006年.
[3]闻邦椿.机械设计（第5版）.机械工业出版社.2006年.
[4]胡虔生.电机学.中国电力出版社.2006年.
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