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上海電機(jī)學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計(jì)
課 題 自動(dòng)化車床的供料及出料裝置設(shè)計(jì)
專 業(yè)
年 級(jí) 2009級(jí)
姓 名 學(xué) 號(hào)
指 導(dǎo) 教 師 （簽字）
學(xué) 院（系）院長(zhǎng)（簽字）
年 月 日
自動(dòng)化車床的供料及出料裝置設(shè)計(jì)
摘 要
供料及出料具有很多人類所不具有的能力，包括快速分析環(huán)境能力；抗干擾能力強(qiáng)，能長(zhǎng)時(shí)間工作和工作精度高?？梢哉f(shuō)供料及出料是工業(yè)進(jìn)步的產(chǎn)物，它也發(fā)揮了在當(dāng)今工業(yè)的至關(guān)重要的作用。如今，供料及出料工業(yè)已成為世界各國(guó)備受關(guān)注的產(chǎn)業(yè)。
本文闡述了自動(dòng)化供料及出料的發(fā)展歷史，國(guó)內(nèi)外的應(yīng)用狀況，及其巨大的優(yōu)越性，提出了具體的供料及出料設(shè)計(jì)要求和進(jìn)行了總體方案設(shè)計(jì)具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、計(jì)算；
在分析國(guó)內(nèi)外智能供料及出料研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，本文設(shè)計(jì)了一種新型供料及出料結(jié)構(gòu)——將驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)機(jī)構(gòu)相結(jié)合，在兩個(gè)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，通過(guò)一些簡(jiǎn)單的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，使供料及出料可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)行。建立了供料及出料的準(zhǔn)靜態(tài)模型，進(jìn)行了準(zhǔn)靜態(tài)分析，從而獲得供料及出料在步態(tài)運(yùn)動(dòng)時(shí)各部件的受力狀況。
關(guān)鍵詞：供料及出料，步態(tài)行走，供料及出料；工業(yè)；傳動(dòng)；強(qiáng)度
III
自動(dòng)化車床的供料及出料裝置設(shè)計(jì)
Abstract
Feeding and discharging ability of many humans do not have, including rapid analysis of environmental capacity; strong anti-interference ability, can work for a long time and high precision work. Can be said that the feeding and discharging is a product of industrial progress, it also plays a vital role in today's industry. Now, the feeding and discharging industrial countries in the world has become the concern of the industry.
This paper describes the automatic feeding and the development history, application status at home and abroad, and its great superiority, proposed the concrete material feeding and discharging the design requirements and the specific structure design, calculation of overall scheme design;In the analysis of domestic and foreign intelligence information and basic research on the current situation, this paper designed a new type of feeding and discharging structure -- will drive system of combined mechanism, the drive two motors, through some simple transmission mechanism, the material feeding and discharging can be implemented to run. Establishment of the feeding and quasi static model material, quasi static analysis is carried out, so as to obtain the feeding and the stress state of material in the gait motion components.
Keywords: feeding and discharging, gait, feeding and discharging; industrial; transmission; strength
目 錄
摘 要 I
Abstract II
目 錄 III
1 緒論 1
1.1 課題研究意義 1
1.2自動(dòng)化車床設(shè)備應(yīng)用 1
1.3 自動(dòng)化車床設(shè)備 2
1.4 自動(dòng)化車床設(shè)備趨勢(shì) 2
2 自動(dòng)化車床的供料及出料裝置設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì) 3
2.1機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì) 3
2.2機(jī)構(gòu)方案論述 4
3 供料及出料四連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 6
3.1四連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 6
3.2確定設(shè)計(jì)變量 7
3.3建立目標(biāo)函數(shù) 7
3.4確定約束條件 8
3.5寫(xiě)出優(yōu)化數(shù)學(xué)模型 9
4 輸送帶裝置設(shè)計(jì) 10
4.1同步帶的概述 10
4.1.1同步帶介紹 10
4.1.2同步帶傳動(dòng)的主要失效形式 11
4.2 同步帶傳動(dòng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 13
4.3同步帶分類 13
4.4同步帶傳動(dòng)計(jì)算 14
4.4.1同步帶計(jì)算選型 14
4.4.2同步帶的主要參數(shù)（結(jié)構(gòu)部分） 16
4.5同步帶的設(shè)計(jì) 18
4.6同步帶輪的設(shè)計(jì) 19
5 凸輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 20
5.1凸輪從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律 20
5.2 凸輪輪廓線曲線的設(shè)計(jì) 21
5.3凸輪機(jī)構(gòu)基本尺寸的確定 24
5.4滾子半徑的選擇 24
5.4.1凸輪理論輪廓內(nèi)凹部分 24
5.4.2凸輪理論輪廓的外凸部分 24
5.5 直動(dòng)滾子推桿盤(pán)形凸輪 26
5.6直動(dòng)平底推桿盤(pán)形凸輪 26
6 氣缸設(shè)計(jì) 28
6.1供料用氣缸的計(jì)算 28
6.2下擺動(dòng)關(guān)節(jié)氣缸的計(jì)算 29
6.3四連桿關(guān)節(jié)氣缸的計(jì)算 30
7 氣動(dòng)原理設(shè)計(jì) 33
8 PLC控制部分設(shè)計(jì) 35
8.1 可編程序控制器的選擇及工作過(guò)程 35
8.1.1 可編程序控制器的選擇 35
8.1.2 可編程序控制器的工作過(guò)程 35
8.2 可編程序控制器的使用步驟 36
8.3可編程序控制器控制方案 37
8.3.1 控制系統(tǒng)的工作原理及控制要求 37
8.3.2.控制要求 37
8.4 PLC控制原理圖設(shè)計(jì) 38
總結(jié)與展望 40
參 考 文 獻(xiàn) 41
致 謝 42
自動(dòng)化車床的供料及出料裝置設(shè)計(jì)
1 緒論
1.1 課題研究意義
市場(chǎng)的開(kāi)放性和全球化使產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈。而決定產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力的指標(biāo)是產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)時(shí)間(Time ) ， 產(chǎn)品(Quality)，成本(Cost)，創(chuàng)新能力(Creation)和服務(wù)(Service)。用戶在追求高質(zhì)量產(chǎn)品的同時(shí)，會(huì)更多的追求較低的價(jià)格和較短的交貨周期。美國(guó)制造業(yè)在20世紀(jì)50至40年代主要以擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模作為企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的第一要素，而在70年代競(jìng)爭(zhēng)力的第一要素為降低生產(chǎn)成本，80年代為提高產(chǎn)品質(zhì)量，90年代為市場(chǎng)響應(yīng)速度。所以現(xiàn)代企業(yè)都期望通過(guò)提高自身的科技含量，增強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力。
制造業(yè)是國(guó)家重要的基礎(chǔ)工業(yè)之一，制造業(yè)的基礎(chǔ)是。是眾多機(jī)械制造的母機(jī)，它的發(fā)展水平，與制造業(yè)的生產(chǎn)能力和制造精度有著直接關(guān)系，關(guān)系到國(guó)家機(jī)械工業(yè)以至整個(gè)制造業(yè)的發(fā)展水平.是先進(jìn)制造技術(shù)的基本單元載體，機(jī)械產(chǎn)品的質(zhì)量、更新速度、對(duì)市場(chǎng)的應(yīng)變能力、生產(chǎn)效率等在很大程度上取決于的效能。因此，制造業(yè)對(duì)于一個(gè)國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展起著舉足輕重的作用我國(guó)是世界上產(chǎn)量最多的國(guó)家.根據(jù)德國(guó)工業(yè)協(xié)會(huì)(VD W )2000年統(tǒng)計(jì)資料，在主要的生產(chǎn)國(guó)家中，中國(guó)排名為世界第五位。但是在國(guó)際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中仍處于較低水平:即使在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)也面臨著嚴(yán)峻的形勢(shì):一方面國(guó)內(nèi)市場(chǎng)對(duì)各類產(chǎn)品有著大量的需求，而另一方面卻有不少國(guó)產(chǎn)滯銷積壓，國(guó)外產(chǎn)品充斥市場(chǎng)。
1.2自動(dòng)化車床設(shè)備應(yīng)用
據(jù)統(tǒng)計(jì)，一般在車間中普通機(jī)床的平均切削時(shí)間很少超過(guò)全部工作時(shí)間的15%。其余時(shí)間是看圖、裝卸工件、調(diào)換刀具、操作機(jī)床、測(cè)量以及清除鐵屑等等。使用數(shù)控機(jī)床雖然能提高85%，但購(gòu)置費(fèi)用大。某些情況下，即使生產(chǎn)率高，但加工相同的零件，其成本不一定比普通機(jī)床低。故必須更多地縮短加工時(shí)間。不同的加工方法有不同的特點(diǎn)，就鉆削加工而言，自動(dòng)化車床設(shè)備是一種通過(guò)少量投資來(lái)提高生產(chǎn)率的有效措施。雖然不可調(diào)式多軸頭在自動(dòng)線中早有應(yīng)用，但只局限于大批量生產(chǎn)。即使采用可調(diào)式多軸頭擴(kuò)大了使用范圍，仍然遠(yuǎn)不能滿足批量小、孔型復(fù)雜的要求。尤其隨著工業(yè)的發(fā)展，大型復(fù)雜的自動(dòng)化車床設(shè)備更是引人注目。例如原子能發(fā)電站中大型冷凝器水冷壁管板有15000個(gè)ψ20孔，若以搖臂鉆床加工，單單與锪沉頭孔就要842.5小時(shí)，另外還要?jiǎng)澗€工時(shí)151.1小時(shí)。但若以數(shù)控八軸落地鉆床加工，鉆锪孔只要171.6小時(shí)，劃線也簡(jiǎn)單，只要1.9小時(shí)。因此，利用數(shù)控控制的二個(gè)坐標(biāo)軸，使刀具正確地對(duì)準(zhǔn)加工位置，結(jié)合自動(dòng)化車床設(shè)備不但可以擴(kuò)大加工范圍，而且在提高精度的基礎(chǔ)上還能大大地提高工效，迅速地制造出原來(lái)不易加工的零件。有人分析大型高速柴油機(jī)30種箱形與桿形零件的2000多個(gè)操作中，有40%可以在自動(dòng)更換主軸箱機(jī)床中用二軸、三軸或四軸多軸頭加工，平均可減少20%的加工時(shí)間。1975年法國(guó)巴黎機(jī)床展覽會(huì)也反映了自動(dòng)化車床設(shè)備的使用愈來(lái)愈多這一趨勢(shì)。
1.3 自動(dòng)化車床設(shè)備
自動(dòng)化車床設(shè)備是在一次進(jìn)給中同時(shí)加工許多孔或同時(shí)在許多相同或不同工件上各加工一個(gè)孔。這不僅縮短切削時(shí)間，提高精度，減少裝夾或定位時(shí)間，并且在數(shù)控機(jī)床中不必計(jì)算坐標(biāo)，減少字塊數(shù)而簡(jiǎn)化編程。它可以采用以下一些設(shè)備進(jìn)行加工：立鉆或搖臂鉆上裝多軸頭、多軸鉆床、多軸組合機(jī)床心及自動(dòng)更換主軸箱機(jī)床。甚至可以通過(guò)二個(gè)能自動(dòng)調(diào)節(jié)軸距的主軸或多軸箱，結(jié)合數(shù)控工作臺(tái)縱橫二個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)，加工各種圓形或橢圓形孔組的一個(gè)或幾個(gè)工序。現(xiàn)在就這方面的現(xiàn)狀作一簡(jiǎn)介。
1.4 自動(dòng)化車床設(shè)備趨勢(shì)
自動(dòng)化車床設(shè)備生產(chǎn)效率高，投資少，生產(chǎn)準(zhǔn)備周期短，產(chǎn)品改型時(shí)設(shè)備損失少。而且隨著我國(guó)數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)化車床設(shè)備的范圍一定會(huì)愈來(lái)愈廣，加工效率也會(huì)不斷提高。
43
自動(dòng)化車床的供料及出料裝置設(shè)計(jì)
2 自動(dòng)化車床的供料及出料裝置設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)
2.1機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)
由輸送帶將坯料送到料架上，供料裝置將坯料送入車床主軸的中心，夾緊工件；平端面、端面倒角；加工完后，工件落入出料托盤(pán)中，托盤(pán)隨后向輸出斜槽傾斜。由輸送帶輸出。
在加工過(guò)程中，工件托架必須要轉(zhuǎn)到一個(gè)離開(kāi)加工碎屑的位置。
1、 圓形工件的料架；2、工件（末加工）；3、氣缸；4、四連桿機(jī)構(gòu)（雙搖桿）
5、出料斜槽；6、加工完的工件；7、供料用氣缸；8、夾具；9、工具滑塊
10、供料設(shè)備；11、出料裝置；12、擺動(dòng)關(guān)節(jié)；13、杠桿
圖示所示為自動(dòng)車床的供料和出料機(jī)構(gòu)。V 形的高度可調(diào)。托架從料架中取出一個(gè)未加工的工件，并把工件輸送到機(jī)床主軸的中心，在這個(gè)位置，被一個(gè)凸輪（未顯示）推進(jìn)到夾具中，加工完后，工件落入出料托盤(pán)中，這個(gè)托盤(pán)隨后向輸出斜槽傾斜。整個(gè)設(shè)備是裝在一個(gè)基座上的，并與機(jī)器上工具的區(qū)域連接。在加工過(guò)程中，工件托架必須要轉(zhuǎn)到一個(gè)離開(kāi)加工碎屑的位置。
適用元件：
標(biāo)準(zhǔn)氣缸ESN…
標(biāo)準(zhǔn)氣缸DNG…或DNC…
接近開(kāi)關(guān)SM…
氣缸
安裝腳架LBG…
雙耳環(huán)SGS…
單向流量閥GR…
耳軸支座LNZ…
安裝附件
管接頭
2.2機(jī)構(gòu)方案論述
負(fù)載大小的確定主要是考慮沿供料及出料各運(yùn)動(dòng)方向作用于機(jī)械接口處的力和扭矩。其中應(yīng)包括供料及出料末端的重量、抓取工件或作業(yè)對(duì)象的重量和規(guī)定速度和加速度條件下，產(chǎn)生的慣性力等。由本次設(shè)計(jì)給的設(shè)計(jì)參數(shù)可初估本次設(shè)計(jì)屬于小負(fù)載。
驅(qū)動(dòng)方式
由于伺服電機(jī)具有控制性能好，控制靈活性強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)速度、位置的精確控制，對(duì)環(huán)境沒(méi)有影響，體積小，效率高，適用于運(yùn)動(dòng)控制要求嚴(yán)格的中、小型供料及出料等特點(diǎn)，故本次設(shè)計(jì)采用了伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)
（三）傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
供料及出料傳動(dòng)裝置中應(yīng)盡可能做到結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和體積小，在傳動(dòng)鏈中要考慮采用消除間隙措施，以提高供料及出料的運(yùn)動(dòng)和位置控制精度。在供料及出料中常采用的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)有齒輪傳動(dòng)、蝸桿傳動(dòng)、滾珠絲杠傳動(dòng)、同步齒形帶傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)、行星齒輪傳動(dòng)、諧波齒輪傳動(dòng)和鋼帶傳動(dòng)等，由于齒輪傳動(dòng)具有效率高，傳動(dòng)比準(zhǔn)確，結(jié)構(gòu)緊湊、工作可靠、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，且大學(xué)學(xué)習(xí)掌握的比較扎實(shí)，故本次設(shè)計(jì)選用齒輪傳動(dòng)。
（四）工作范圍
工業(yè)供料及出料的工作范圍是根據(jù)工業(yè)供料及出料作業(yè)過(guò)程中操作范圍和運(yùn)動(dòng)軌跡來(lái)確定，用工作空間來(lái)表示的。工作空間的形狀和尺寸則影響供料及出料的機(jī)械結(jié)構(gòu)坐標(biāo)形式、自由度數(shù)和操作機(jī)各手臂關(guān)節(jié)軸線的長(zhǎng)度和各關(guān)節(jié)軸轉(zhuǎn)角的大小及變動(dòng)范圍的選擇
（五） 運(yùn)動(dòng)速度
供料及出料操作機(jī)手臂的各個(gè)動(dòng)作的最大行程確定后，按照循環(huán)時(shí)間安排確定每個(gè)動(dòng)作的時(shí)間，就能進(jìn)一步確定各動(dòng)作的運(yùn)動(dòng)速度，用m/s或（°）/s表示，各動(dòng)作的時(shí)間分配要考慮多方面的因素，例如總的循環(huán)時(shí)間的長(zhǎng)短，各動(dòng)作之間順序是依序進(jìn)行還是同時(shí)進(jìn)行等。應(yīng)試做各動(dòng)作時(shí)間的分配方案表，進(jìn)行比較，分配動(dòng)作時(shí)間除考慮工藝動(dòng)作的要求外，還應(yīng)考慮慣性和行程的大小，驅(qū)動(dòng)和控制方式、定位方式和精度等要求。
自動(dòng)化車床的供料及出料裝置設(shè)計(jì)
3 供料及出料四連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
3.1四連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
連桿機(jī)構(gòu)是最常用的機(jī)構(gòu)，因此連桿機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)在機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中十分重要，研究工作開(kāi)展得也最為廣泛。有大量的文獻(xiàn)介紹有關(guān)平面四桿機(jī)構(gòu)、平面五桿機(jī)構(gòu)、柔性連桿機(jī)構(gòu)、曲柄連桿機(jī)構(gòu)、槽輪連桿機(jī)構(gòu)、凸輪連桿組合機(jī)構(gòu)和齒輪連桿等機(jī)構(gòu)的優(yōu)化。鑒于四連桿機(jī)構(gòu)的典型性，本節(jié)結(jié)合四連桿機(jī)構(gòu)的函數(shù)再現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題，闡述連桿機(jī)構(gòu)優(yōu)化問(wèn)題的一般方法及流程。
四連桿機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)就是對(duì)四連桿機(jī)構(gòu)的參量進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，使得機(jī)構(gòu)給定的運(yùn)動(dòng)和機(jī)構(gòu)所實(shí)現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)之間誤差最小。因此四連桿機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)的過(guò)程，就是尋找使得四連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)誤差最小的一組機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)參量。四連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)參量確定后，就可認(rèn)為實(shí)現(xiàn)了機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。
四連桿機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)包括四連桿機(jī)構(gòu)優(yōu)化模型建立和優(yōu)化模型求解二個(gè)主要過(guò)程。通過(guò)對(duì)四連桿機(jī)構(gòu)的分析確定優(yōu)化方案，確定設(shè)計(jì)變量，給出目標(biāo)函數(shù)，并將機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)制約條件，如桿長(zhǎng)條件、傳動(dòng)角條件等，寫(xiě)成相應(yīng)的約束條件，即可建立機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)模型。
下面介紹四連桿機(jī)構(gòu)函數(shù)再現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)模型的建立。
3.2確定設(shè)計(jì)變量
根據(jù)設(shè)計(jì)要求，由機(jī)械原理知識(shí)可知，設(shè)計(jì)變量有L1、L2、L3、L4、。將曲柄的長(zhǎng)度取為一個(gè)單位長(zhǎng)度1，其余三桿長(zhǎng)可表示為L(zhǎng)1的倍數(shù)。由圖1所示的幾何關(guān)系可知
為桿長(zhǎng)的函數(shù)。另外，根據(jù)機(jī)構(gòu)在機(jī)器中的許可空間，可以適當(dāng)預(yù)選機(jī)架L4的長(zhǎng)度，取L4=5，經(jīng)以上分析，只剩下L2、L3兩個(gè)獨(dú)立變量，所以，該優(yōu)化問(wèn)題的設(shè)計(jì)變量為
因此。本優(yōu)化設(shè)計(jì)為一個(gè)二維優(yōu)化問(wèn)題。
3.3建立目標(biāo)函數(shù)
按軌跡的優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以將連桿上M點(diǎn)與預(yù)期軌跡點(diǎn)坐標(biāo)偏差最小為尋優(yōu)目標(biāo)，其偏差為和，如圖2。為此，把搖桿運(yùn)動(dòng)區(qū)間2到5分成S等分，M點(diǎn)坐標(biāo)有相應(yīng)分點(diǎn)與之對(duì)應(yīng)。將各分點(diǎn)標(biāo)號(hào)記作，根據(jù)均方根差可建立其目標(biāo)函數(shù)，即
，S為運(yùn)動(dòng)區(qū)間的分段數(shù)
于是由以上表達(dá)式便構(gòu)成了一個(gè)目標(biāo)函數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)式，對(duì)應(yīng)于每一個(gè)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案（即給定），即可計(jì)算出均方根差。
圖 2
3.4確定約束條件
根據(jù)設(shè)計(jì)條件，該機(jī)構(gòu)的約束條件有兩個(gè)方面：一是傳遞運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的最小傳動(dòng)角應(yīng)大于50度；二是保證四桿機(jī)構(gòu)滿足曲柄存在的條件。以此為基礎(chǔ)建立優(yōu)化線束條件。
①保證傳動(dòng)角
圖 3
按傳動(dòng)條件，根據(jù)圖3可能發(fā)生傳動(dòng)角最小值的位置圖，由余弦定理
（見(jiàn)圖3（a））
所以
（a）
（見(jiàn)圖3（b））
所以
（b）
式（a）、（b）為兩個(gè)約束條件，將，，，代入式（a）、（b），得
②曲柄存在的條件
按曲柄存在條件，由機(jī)械原理知識(shí)可知
，，
，
把它們寫(xiě)成不等式約束條件（將，，，代入上式），得
經(jīng)過(guò)分析，上述七個(gè)約束條件式中，和為緊約束條件，為松約束條件，即滿足和的，必滿足不等式，所以本優(yōu)化問(wèn)題實(shí)際起作用的只有和兩個(gè)不等式約束條件。
3.5寫(xiě)出優(yōu)化數(shù)學(xué)模型
綜上所述，可得本優(yōu)化問(wèn)題的數(shù)學(xué)模型為
即本優(yōu)化問(wèn)題具有兩個(gè)不等式約束的二維約束優(yōu)化問(wèn)題。
4 輸送帶裝置設(shè)計(jì)
4.1同步帶的概述
4.1.1同步帶介紹
同步帶是綜合了帶傳動(dòng)、鏈條傳動(dòng)和齒輪傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)而發(fā)展起來(lái)的新塑傳動(dòng)帶。它由帶齒形的一工作面與齒形帶輪的齒槽嚙合進(jìn)行傳動(dòng)，其強(qiáng)力層是由拉伸強(qiáng)度高、伸長(zhǎng)小的纖維材料或金屬材料組成，以使同步帶在傳動(dòng)過(guò)程中節(jié)線長(zhǎng)度基本保持不變，帶與帶輪之間在傳動(dòng)過(guò)程中投有滑動(dòng)，從而保證主、從動(dòng)輪間呈無(wú)滑差的間步傳動(dòng)。
同步帶傳動(dòng)（見(jiàn)圖3-1）時(shí)，傳動(dòng)比準(zhǔn)確，對(duì)軸作用力小，結(jié)構(gòu)緊湊，耐油，耐磨性好，抗老化性能好，一般使用溫度-20℃―80℃，v<50m/s，P<300kw,i<10,對(duì)于要求同步的傳動(dòng)也可用于低速傳動(dòng)。
圖3.1 同步帶傳動(dòng)
同步帶傳動(dòng)是由一根內(nèi)周表面設(shè)有等間距齒形的環(huán)行帶及具有相應(yīng)吻合的輪所組成。它綜合了帶傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)和齒輪傳動(dòng)各自的優(yōu)點(diǎn)。轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，通過(guò)帶齒與輪的齒槽相嚙合來(lái)傳遞動(dòng)力。 同步帶傳動(dòng)具有準(zhǔn)確的傳動(dòng)比，無(wú)滑差，可獲得恒定的速比，傳動(dòng)平穩(wěn)，能吸振，噪音小，傳動(dòng)比范圍大，一般可達(dá)1:10。允許線速度可達(dá)50M/S，傳遞功率從幾瓦到百千瓦。傳動(dòng)效率高，一般可達(dá)98%，結(jié)構(gòu)緊湊，適宜于多軸傳動(dòng)，不需潤(rùn)滑，無(wú)污染，因此可在不允許有污染和工作環(huán)境較為惡劣的場(chǎng)所下正常工作。 本產(chǎn)品廣泛用于紡織、機(jī)床、煙草、通訊電纜、輕工、化工、冶金、儀表儀器、食品、礦山、石油、汽車等各行業(yè)各種類型的機(jī)械傳動(dòng)中。同步帶的使用，改變了帶傳動(dòng)單純?yōu)槟Σ羵鲃?dòng)的概念，擴(kuò)展了帶傳動(dòng)的范圍，從而成為帶傳動(dòng)中具有相對(duì)獨(dú)立性的研究對(duì)象，給帶傳動(dòng)的發(fā)展開(kāi)辟了新的途徑。
2 同步帶的特點(diǎn)
(1)、傳動(dòng)準(zhǔn)確，工作時(shí)無(wú)滑動(dòng)，具有恒定的傳動(dòng)比；
(2)、傳動(dòng)平穩(wěn)，具有緩沖、減振能力，噪聲低；
(3)、傳動(dòng)效率高，可達(dá)0.98，節(jié)能效果明顯；
(4)、維護(hù)保養(yǎng)方便，不需潤(rùn)滑，維護(hù)費(fèi)用低；
(5)、速比范圍大，一般可達(dá)10，線速度可達(dá)50m/s，具有較大的功率傳遞范圍，可達(dá)幾瓦到幾百千瓦；
(6)、可用于長(zhǎng)距離傳動(dòng)，中心距可達(dá)10m以上。
4.1.2同步帶傳動(dòng)的主要失效形式
在同步帶傳動(dòng)中常見(jiàn)的失效形式有如下幾種：
(1)、同步帶的承載繩斷裂破壞
同步帶在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中承載繩斷裂損壞是常見(jiàn)的失效形式。失效原因是帶在傳遞動(dòng)力過(guò)程中，在承載繩作用有過(guò)大的拉力，而使承載繩被拉斷。此外當(dāng)選用的主動(dòng)撈輪直徑過(guò)小，使承載繩在進(jìn)入和退出帶掄中承受較大的周期性的彎曲疲勞應(yīng)力作用，也會(huì)產(chǎn)生彎曲疲勞折斷(見(jiàn)圖3-2)。
圖3.2 同步帶承載繩斷裂損壞
(2)、同步帶的爬齒和跳齒
根據(jù)對(duì)帶爬齒和跳齒現(xiàn)象的分析，帶的爬齒和眺齒是由于幾何和力學(xué)兩種因素所引起。因此為避免產(chǎn)生爬齒和跳齒，可采用以下一些措施：
1、控制同步帶所傳遞的圓周力，使它小于或等于由帶型號(hào)所決定的許用圓周力。
2、控制帶與帶輪間的節(jié)距差值，使它位于允許的節(jié)距誤差范圍內(nèi)。
3、適當(dāng)增大帶安裝時(shí)的初拉力開(kāi)。，使帶齒不易從輪齒槽中滑出。
4、提高同步帶基體材料的硬度，減少帶的彈性變形，可以減少爬齒現(xiàn)象的產(chǎn)生。
(3)、帶齒的剪切破壞
帶齒在與帶輪齒嚙合傳力過(guò)程中，在剪切和擠壓應(yīng)力作用下帶齒表面產(chǎn)生裂紋此裂紋逐漸向齒根部擴(kuò)展，并沿承線繩表面延件，直至整個(gè)帶齒與帶基體脫離，這就是帶齒的剪切脫落（見(jiàn)圖3-3）。造成帶齒剪切脫落的原因大致有如下幾個(gè)：
1、同步帶與帶輪問(wèn)有較大的節(jié)距差，使帶齒無(wú)法完全進(jìn)入輪齒槽，從而產(chǎn)生不完全嚙合狀態(tài)，而使帶齒在較小的接觸面積上承受過(guò)大的載荷，從而產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致帶齒剪切損壞。
2、帶與帶輪在圍齒區(qū)內(nèi)的嚙合齒數(shù)過(guò)少，使嚙合帶齒承受過(guò)大的載荷，而產(chǎn)生剪切破壞。
3、同步帶的基體材料強(qiáng)度差。
為減少帶齒被剪切，首先應(yīng)嚴(yán)格控制帶與帶輪間的節(jié)距誤差，保證帶齒與輪齒能正確嚙合；其次應(yīng)使帶與帶輪在圍齒區(qū)內(nèi)的嚙合齒數(shù)等于或大于6，此外在選材上應(yīng)采用有較高勿切韌擠壓強(qiáng)度的材料作為帶的基體材料。
圖3.3 帶齒的剪切破壞
(4)、帶齒的磨損
帶齒的磨損（見(jiàn)圖3-4）包括帶齒工作面及帶齒齒頂因角處和齒谷底部的廓損。造成磨損的原因是過(guò)大的張緊力和忻齒和輪齒間的嚙合干涉。因此減少帶齒的磨損，應(yīng)在安裝時(shí)合理的調(diào)整帶的張緊力；在帶齒齒形設(shè)計(jì)時(shí)，選用較大的帶齒齒頂圓角半徑，以減少嚙合時(shí)輪齒的擠壓和刮削；此外應(yīng)提高同步帶帶齒材料的耐磨性。
圖3.4 帶齒磨損
(5)、同步帶帶背的龜裂(圖3-5)
同步帶在運(yùn)轉(zhuǎn)一段時(shí)期后，有時(shí)在帶背會(huì)產(chǎn)生龜裂現(xiàn)象，而使帶失效。同步帶帶背產(chǎn)
生龜裂的原因如下，
1、帶基體材料的老化所引起；
2、帶長(zhǎng)期工作在道低的溫度下，使帶背基體材料產(chǎn)生龜裂。
圖3.5 同步帶帶背龜裂
防止帶背龜裂的方法是改進(jìn)帶基體材料的材質(zhì)，提向材料的耐寒、耐熱性和抗老化性能，此外盡量避免同步帶在低溫和高溫條件下工作。
4.2 同步帶傳動(dòng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則
據(jù)對(duì)同步帶傳動(dòng)失效形式的分析，可知如同步帶與帶輪材料有較高的機(jī)械性能，制造工藝合理，帶、輪的尺寸控制嚴(yán)格，安裝調(diào)試也正確，那么許多失效形式均可避免。因此，在正常工作條件下，同步帶傳動(dòng)的主要失效形式為如下三種；
(1)同步帶的承載繩疲勞拉斷；
(2同步帶的打滑和跳齒；
(3)同步帶帶齒的磨損。
因此，同步帶傳動(dòng)的設(shè)計(jì)淮則是同步帶在不打滑情況下，具有較高的抗拉強(qiáng)度，保證承線繩不被拉斷。此外，在灰塵、雜質(zhì)較多的工作條件下應(yīng)對(duì)帶齒進(jìn)行耐磨性計(jì)算。
4.3同步帶分類
同步帶齒有梯形齒和弧齒兩類，弧齒又有三種系列：圓弧齒(H系列又稱HTD帶)、平頂圓弧齒(S系列又稱為STPD帶)和凹頂拋物線齒（R系列)。
梯形齒同步帶 梯形齒同步帶分單面有齒和雙面有齒兩種，簡(jiǎn)稱為單面帶和雙面帶。雙面帶又按齒的排列方式分為對(duì)稱齒型（代號(hào)DA)和交錯(cuò)齒型(代號(hào)DB〕。
梯形齒同步帶有兩種尺寸制：節(jié)距制和模數(shù)制。我國(guó)采用節(jié)距制，并根據(jù)ISO 5296制訂了同步帶傳動(dòng)相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 11361～11362-1989和GB/T 11616-1989。
弧齒同步帶 弧齒同步帶除了齒形為曲線形外，其結(jié)構(gòu)與梯形齒同步帶基本相同，帶的節(jié)距相當(dāng)，其齒高、齒根厚和齒根圓角半徑等均比梯形齒大。帶齒受載后，應(yīng)力分布狀態(tài)較好，平緩了齒根的應(yīng)力集中，提高了齒的承載能力。故弧齒同步帶比梯形齒同步帶傳遞功率大，且能防止嚙合過(guò)程中齒的干涉。
弧齒同步帶耐磨性能好，工作時(shí)噪聲小，不需潤(rùn)滑，可用于有粉塵的惡劣環(huán)境。已在食品、汽車、紡織、制藥、印刷、造紙等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。
4.4同步帶傳動(dòng)計(jì)算
4.4.1同步帶計(jì)算選型
設(shè)計(jì)功率是根據(jù)需要傳遞的名義功率、載荷性質(zhì)、原動(dòng)機(jī)類型和每天連續(xù)工作的時(shí)間長(zhǎng)短等因素共同確定的，表達(dá)式如下：
式中 ——需要傳遞的名義功率
——工作情況系數(shù)，按表2工作情況系數(shù)選取=1.5；
表3-3.工作情況系數(shù)
確定帶的型號(hào)和節(jié)距
可根據(jù)同步帶傳動(dòng)的設(shè)計(jì)功率Pd'和小帶輪轉(zhuǎn)速n1，由同步帶選型圖中來(lái)確定所需采用的帶的型號(hào)和節(jié)距。
其中Pd=4.5kw，n1=960/15.027=64 rpm。查表3-4
表3-4
選同步帶的型號(hào)為H：，節(jié)距為：Pb=8.00mm
選擇小帶輪齒數(shù)z1，z2
可根據(jù)同步帶的最小許用齒數(shù)確定。查表3-3-3得。
查得小帶輪最小齒數(shù)14。
實(shí)際齒數(shù)應(yīng)該大于這個(gè)數(shù)據(jù)
初步取值z(mì)1=21故大帶輪齒數(shù)為：z2=i×z1=1×z1=34。
故z1=21，z2=21。
確定帶輪的節(jié)圓直徑d1，d2
小帶輪節(jié)圓直徑d1= d2=Pbz1/π=8.00×21/3.14≈53.5mm
驗(yàn)證帶速v
由公式v=πd1n1/60000計(jì)算得，
s﹤vmax=40m/s，
確定帶長(zhǎng)和中心矩
現(xiàn)在選取軸間間距為取1350mm
10、同步帶帶長(zhǎng)及其齒數(shù)確定
=()
=
=2866.4mm
11、帶輪嚙合齒數(shù)計(jì)算
有在本次設(shè)計(jì)中傳動(dòng)比為1，所以嚙合齒數(shù)為帶輪齒數(shù)的一半，即=17。
12、基本額定功率的計(jì)算
查基準(zhǔn)同步帶的許用工作壓力和單位長(zhǎng)度的質(zhì)量表4-3可以知道=2100.85N，m=0.448kg/m。
所以同步帶的基準(zhǔn)額定功率為
==0.21KW
表3-5 基準(zhǔn)寬度同步帶的許用工作壓力和單位長(zhǎng)度的質(zhì)量
4.4.2同步帶的主要參數(shù)（結(jié)構(gòu)部分）
1、同步帶的節(jié)線長(zhǎng)度
同步帶工作時(shí)，其承載繩中心線長(zhǎng)度應(yīng)保持不變，因此稱此中心線為同步帶的節(jié)線，并以節(jié)線周長(zhǎng)作為帶的公稱長(zhǎng)皮，稱為節(jié)線長(zhǎng)度。在同步帶傳動(dòng)中，帶節(jié)線長(zhǎng)度是一個(gè)重要
參數(shù)。當(dāng)傳動(dòng)的中心距已定時(shí)，帶的節(jié)線長(zhǎng)度過(guò)大過(guò)小，都會(huì)影響帶齒與輪齒的正常嚙合，因此在同步帶標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)梯形齒同步帶的各種哨線長(zhǎng)度已規(guī)定公差值，要求所生產(chǎn)的同步帶節(jié)線長(zhǎng)度應(yīng)在規(guī)定的極限偏差范圍之內(nèi)（見(jiàn)表3-6）。
表3-6 帶節(jié)線長(zhǎng)度表
2、帶的節(jié)距Pb
如圖3-4所示，同步帶相鄰兩齒對(duì)應(yīng)點(diǎn)沿節(jié)線量度所得約長(zhǎng)度稱為同步帶的節(jié)距。帶節(jié)距大小決定著同步帶和帶輪齒各部分尺寸的大小，節(jié)距越大，帶的各部分尺寸越大，承載能力也隨之越高。因此帶節(jié)距是同步帶最主要參數(shù)．在節(jié)距制同步帶系列中以不同節(jié)距來(lái)區(qū)分同步帶的型號(hào)。在制造時(shí)，帶節(jié)距通過(guò)鑄造模具來(lái)加以控制。梯形齒標(biāo)準(zhǔn)同步帶的齒形尺寸見(jiàn)表3-5。
3、帶的齒根寬度
一個(gè)帶齒兩側(cè)齒廓線與齒根底部廓線交點(diǎn)之間的距離稱為帶的齒根寬度，以s表示。帶的齒根寬度大，則使帶齒抗剪切、抗彎曲能力增強(qiáng)，相應(yīng)就能傳動(dòng)較大的裁荷。
圖3.7 帶的標(biāo)準(zhǔn)尺寸
表3-7 梯形齒標(biāo)準(zhǔn)同步帶的齒形尺寸
4、帶的齒根圓角
帶齒齒根回角半徑rr的大小與帶齒工作時(shí)齒根應(yīng)力集中程度有關(guān)t齒根圓角半徑大，可減少齒的應(yīng)力集中，帶的承載能力得到提高。但是齒根回角半徑也不宜過(guò)大，過(guò)大則使帶
齒與輪齒嚙合時(shí)的有效接觸面積城小，所以設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)選適當(dāng)?shù)臄?shù)值。
5、帶齒齒頂圓角半徑八
帶齒齒項(xiàng)圓角半徑八的大小將影響到帶齒與輪齒嚙合時(shí)會(huì)否產(chǎn)生于沙。由于在同步帶傳動(dòng)中，帶齒與帶輪齒的嚙合是用于非共扼齒廓的一種嵌合。因此在帶齒進(jìn)入或退出嚙合時(shí)，
帶齒齒頂和輪齒的頂部拐角必然會(huì)超于重疊，而產(chǎn)生干涉，從而引起帶齒的磨損。因此為使帶齒能順利地進(jìn)入和退出嚙合，減少帶齒頂部的磨損，宜采用較大的齒頂圓角半徑。但與齒根圓角半徑一樣，齒頂圓角半徑也不宜過(guò)大，否則亦會(huì)減少帶齒與輪齒問(wèn)的有效接觸面積。
6、齒形角
梯形帶齒齒形角日的大小對(duì)帶齒與輪齒的嚙合也有較大影響。如齒形角霹過(guò)小，帶齒縱向截面形狀近似矩形，則在傳動(dòng)時(shí)帶齒將不能順利地嵌入帶輪齒槽內(nèi)，易產(chǎn)生干涉。但齒形角度過(guò)大，又會(huì)使帶齒易從輪齒槽中滑出，產(chǎn)生帶齒在輪齒頂部跳躍現(xiàn)象。
4.5同步帶的設(shè)計(jì)
在這里，我們選用梯形帶。帶的尺寸如表3-8。帶的圖形如圖3-5。
表3-8 同步帶尺寸
型號(hào)
節(jié)距
齒形角
齒根厚
齒高
齒根圓角半徑
齒頂圓半徑
H
8
40。
6.12
4.3
1.02
1.02
圖 同步帶
4.6同步帶輪的設(shè)計(jì)
同步帶輪的設(shè)計(jì)的基本要求
1、保證帶齒能順利地嚙入與嚙出
由于輪齒與帶齒的嚙合同非共規(guī)齒廓嚙合傳動(dòng)，因此在少帶齒頂部與輪齒頂部拐角處的干涉，并便于帶齒滑入或滑出輪齒槽。
2、輪齒的齒廊曲線應(yīng)能減少嚙合變形，能獲得大的接觸面積，提高帶齒的承載能力即在選探輪齒齒廓曲線時(shí)，應(yīng)使帶齒嚙入或嚙出時(shí)變形小，磨擦損耗小，并保證與帶齒均勻接觸，有較大的接觸面積，使帶齒能承受更大的載荷。
3、有良好的加了工藝性
加工工藝性好的帶輪齒形可以減少刀具數(shù)量與切齒了作員，從而可提高生產(chǎn)率，降低制造成本。
4、具有合理的齒形角
齒形角是決定帶輪齒形的重要的力學(xué)和幾何參數(shù)，大的齒形角有利于帶齒的順利嚙入和嚙出，但易使帶齒產(chǎn)生爬齒和跳齒現(xiàn)象；而齒形角過(guò)小，則會(huì)造成帶齒與輪齒的嚙合干涉，因此輪齒必須選用合理的齒形角。
5 凸輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)
5.1凸輪從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律
基本運(yùn)動(dòng)規(guī)律
從動(dòng)件位移s隨凸輪轉(zhuǎn)角φ的變化情況如圖2-3所示，圖中橫坐標(biāo)代表凸輪轉(zhuǎn)角φ，縱坐標(biāo)代表從動(dòng)件位移s、速度v和加速度a隨凸輪轉(zhuǎn)角φ的變化規(guī)律稱為從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律。從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律又可分為基本運(yùn)動(dòng)規(guī)律，基本運(yùn)動(dòng)規(guī)律有以下幾種：
圖2-3
等速運(yùn)動(dòng)規(guī)律：從動(dòng)件在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中速度為常數(shù)，而在運(yùn)動(dòng)的始、末點(diǎn)處速度產(chǎn)生突變，理論上加速度為無(wú)窮大，產(chǎn)生無(wú)窮大的慣性力，機(jī)構(gòu)將產(chǎn)生極大的沖擊，稱為剛性沖擊，次類運(yùn)動(dòng)規(guī)律只使用于低速運(yùn)動(dòng)的場(chǎng)合。
等加速等減速運(yùn)動(dòng)規(guī)律：從動(dòng)件在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中加速度為常數(shù)，而在運(yùn)動(dòng)的始、末點(diǎn)處加速度有突變，產(chǎn)生較大的加速度和慣性力，由此而引起的沖擊稱為柔性沖擊，這種運(yùn)動(dòng)規(guī)律只適用與中速運(yùn)動(dòng)的場(chǎng)合。
余弦加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律：又名簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)規(guī)律。從動(dòng)件在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中速度皆連續(xù)，但在運(yùn)動(dòng)的始、末點(diǎn)處加速度有突變，產(chǎn)生柔性沖擊，因而也只適用中速運(yùn)動(dòng)場(chǎng)合。
正弦加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律：又名擺線運(yùn)動(dòng)規(guī)律。從動(dòng)件在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中速度和加速度皆連續(xù)無(wú)突變，避免了剛性沖擊和柔性沖擊，可以用于高速運(yùn)動(dòng)的場(chǎng)合。
在工程實(shí)際中，為使凸輪機(jī)構(gòu)獲得更好的工作性能，經(jīng)常采用以某種基本運(yùn)動(dòng)規(guī)律為基礎(chǔ)，輔之以其他運(yùn)動(dòng)規(guī)律與其組合，從而獲得組合運(yùn)動(dòng)規(guī)律。當(dāng)采用不用的運(yùn)動(dòng)規(guī)律組合成改進(jìn)型運(yùn)動(dòng)規(guī)律時(shí)，它們?cè)谶B接點(diǎn)處的位移、速度和加速度應(yīng)分別相等；這就是兩運(yùn)動(dòng)規(guī)律組合時(shí)必須滿足的邊界條件。
常用的組合運(yùn)動(dòng)規(guī)律有：改進(jìn)性等速運(yùn)動(dòng)規(guī)律，改進(jìn)性正弦加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律和改進(jìn)性梯形加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律。
基本的從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律方程如表2-1：
從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)位移方程
運(yùn)動(dòng)規(guī)律
從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)方程
推程0°≤δ≤δ1
回程0°≤δ`≤δ3
等速運(yùn)動(dòng)規(guī)律
S=hδ1δ
S=h-hδ3δ
等加速等減速運(yùn)動(dòng)規(guī)律
0°≤δ≤δ12
S=2hδ12δ2
0°≤δ`≤δ32
S=h- 2hδ32δ2
δ12≤δ≤δ1
S=h-2hδ12(δ1-δ)2
δ32<δ≤δ3
S=2hδ32δ3-δ2
余弦加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律
S=h21-cosπδ1δ
S=h21+cosπδ3δ
正弦加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律
S=hδδ1-12πsin2πδ1δ
S=h1-δδ3+12πsin2πδ3δ
表2-1
5.2 凸輪輪廓線曲線的設(shè)計(jì)
凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是凸輪輪廓曲線的設(shè)計(jì),而凸輪的輪廓曲線形狀取決于從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律。從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律的形式通常有多項(xiàng)式運(yùn)動(dòng)規(guī)律、三角函數(shù)運(yùn)動(dòng)規(guī)律、組合運(yùn)動(dòng)規(guī)律等。凸輪機(jī)構(gòu)從動(dòng)件常用的等速(加速度a=0)、等加速等減速(加速度為常數(shù),即a=c)、簡(jiǎn)諧(又稱余弦加速度規(guī)律)、擺線(又稱正弦加速度規(guī)律)等4種形式的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。在設(shè)計(jì)凸輪輪廓曲線之前,必須首先根據(jù)機(jī)構(gòu)的工作要求選定從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律。從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律確定后,通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真就可以得到凸輪的精確輪廓線。
以擺動(dòng)滾子從動(dòng)件盤(pán)形凸輪機(jī)構(gòu)為例。圖2-4為擺動(dòng)滾子從動(dòng)件盤(pán)性凸輪機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖。
其中C(Xc,Yc)為凸輪理論輪廓線上的任意一點(diǎn)，N（Xn,Yn）、N`Xn`，Yn`分別為外緣和內(nèi)緣凸輪工作輪廓上與點(diǎn)C對(duì)應(yīng)的點(diǎn)，DXd,Yd、D`Xd`,Yd`分別為加工N點(diǎn)和N`點(diǎn)時(shí)刀具中心的位置， 圖2-4
RD為刀具半徑，Rr為滾子半徑，Rb為基圓半徑，SO為擺桿初始角（SO=csc-1L2+l2-Rb22Ll),S為擺角增量，θ為凸輪轉(zhuǎn)角，L為擺心距，l為擺桿長(zhǎng)，ω為角速度。
在圖2-4直角坐標(biāo)系中，由三角形的函數(shù)關(guān)系可以得到凸輪任一時(shí)刻理論輪廓直角坐標(biāo)為xc=Lsinθ-lsinS+S0+θ (2-1)
yc=Lcosθ-lcosS+S0+θ (2-2)
工作輪廓坐標(biāo)為：
XN=xc?Rr-Lsinθ+lS`θ+1sinS+S0+θ/? (2-3)
YN=ycμRrLcosθ+lS`θ+1cosS+S0+θ/? (2-4)
?=L2+l2S`θ+12-2LlS`θ+1cosS+S0 (2-5)
當(dāng)凸輪機(jī)構(gòu)為外緣型時(shí)，工作輪廓坐標(biāo)中的±和μ取上方的符號(hào)，為內(nèi)緣型時(shí)取下方的符號(hào)。計(jì)算刀具中心軌跡坐標(biāo)時(shí)，將Rr以-RD-Rr代入工作輪廓坐標(biāo)即可。
設(shè)凸輪以等角速度ω逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)，凸輪基園半徑Rb、滾子半徑rr，導(dǎo)路和凸輪軸心間的相對(duì)位置及偏距e，從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律S=Sφ，如圖2-5。
(1)理論輪廓線方程BX，Y
圖2-6
x=S0+Ssinφ+ecosφy=S0+Scosφ-esinφ 圖2-5
其中S0=r02-e2
(2)實(shí)際輪廓方程B`X`,Y`如圖2-6
x`=x?rcosθy`=y±rsinθ (2-6)
tanθ=-dxdy=dxdφ-dydφ=sinθcosθ
dxdφ=dsdφ-esinφ+S0+Scosφ
dydφ=dsdφ-ecosφ-S0+Ssinφ
sinφ=dxdφdxdφ2+dydφ2
cosφ=-dydφdxdφ2+dydφ2
5.3凸輪機(jī)構(gòu)基本尺寸的確定
凸輪機(jī)構(gòu)的壓力角及許用值
(1)壓力角：從動(dòng)件于凸輪在接觸點(diǎn)處的受力方向與其在該點(diǎn)絕對(duì)速度方向之間所夾的銳角即為壓力角。如圖2-7所示
tanφ=PDBD=OP?es0+s=dsdφ?er02-e2+s
(2)許用壓力角：為了改善凸輪機(jī)構(gòu)的受力情況，提高機(jī)械效率，規(guī)定了允許采用的最大壓力角α。
αmax≤α
推程（工作行程）推薦的許用壓力角為：
直動(dòng)從動(dòng)件：α=30°~40°
擺動(dòng)從動(dòng)件：α=35°~45°
回程（空回行程）α=70°~80°
(3)基圓半徑的確定：
根據(jù)公式： r0≥dsdφ?etanα-s2+e2 圖2-7
為保證凸輪機(jī)構(gòu)在整個(gè)運(yùn)動(dòng)周期中均能滿足αmax≤α,應(yīng)選取計(jì)算結(jié)果中的最大值作為凸輪的基圓半徑。
5.4滾子半徑的選擇
5.4.1凸輪理論輪廓內(nèi)凹部分
如圖2-6a所示，工作輪廓曲率半徑ρa(bǔ)、理論輪廓曲率半徑ρ與滾子半徑rr三者之間的關(guān)系為
ρa(bǔ)=ρ+rr (2-7)
這時(shí)，工作輪廓曲率半徑恒大于理論輪廓曲率半徑，即ρa(bǔ)>ρ。這樣，當(dāng)理論輪廓作出后，不論選擇多大的滾子，都能做出工作輪廓。
5.4.2凸輪理論輪廓的外凸部分
如圖2-8b所示，工作輪廓曲率半徑ρa(bǔ)理論輪廓曲率半徑ρ與滾子半徑rr三者之間的關(guān)系為:
ρa(bǔ)=ρ+rr (2-8)
圖2-8滾子半徑對(duì)工作輪廓的影響
如圖2-6b，當(dāng)ρ>rr時(shí)，ρa(bǔ)>0；這時(shí)，可以作出論拖的工作輪廓；
如圖2-6c，當(dāng)ρ=rr時(shí)，雖然能作出凸輪工作輪廓，但出現(xiàn)了尖點(diǎn)；尖點(diǎn)處是極容易磨損的。
如圖2-6d，當(dāng)ρ
Mg=(3.057+0.1+0.660+0.309+0.139)10=41.65 N。
根據(jù)公式F=PA+，系統(tǒng)壓為最低0.3Mpa考慮，可得
壓側(cè)的輸出力為94.2 N；拉側(cè)的輸出力為65.7 N，顯然滿足要求。
參照（ISO6432標(biāo)準(zhǔn)），氣缸1選用缸徑為20mm，行程為25mm的亞德客超薄氣缸，代號(hào)為ACQ-2025 。
同理，下壓氣缸4選用亞德客筆型氣缸，代號(hào)為PB-1030。
圖2.10 AIRTAC超薄氣缸
參照供料用傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)，又下擺動(dòng)關(guān)節(jié)的沖壓力Pz=8.6 N，選擇的氣缸類型分別為（表2.4）：
氣缸名稱
上模板氣缸
下壓氣缸
品牌及類型
AIRTAC ACQ-25X12
AIRTAC ACQ-40X50
缸徑mm
25
40
活塞桿外徑mm
9
14
行程mm
10
40
受壓面積mm2(押側(cè)/拉側(cè))
421/298
1057/756
理論輸出力N(押側(cè)/拉側(cè))
117.3/103.3
337.0/216.7
表2.4 下擺動(dòng)關(guān)節(jié)氣缸的規(guī)格
氣缸的運(yùn)動(dòng)時(shí)序表如下：
氣缸名稱
速度
T（伸出）/s
T（收回）/s
上模板氣缸
21
0-0.5
2.5-3
下壓氣缸
23
0.5-2.5
1.5-3
表2.5 下擺動(dòng)關(guān)節(jié)氣缸的運(yùn)動(dòng)時(shí)序表
6.3四連桿關(guān)節(jié)氣缸的計(jì)算
對(duì)四連桿關(guān)節(jié)連接滑塊進(jìn)行受力分析（在最大壓力角處），圖示如下：
圖2.27 連接滑塊的受力分析
連接滑塊受力來(lái)自兩個(gè)部分，第一是氣缸給的動(dòng)力，第二是連接滑塊和滑銷之間的摩擦阻力。
連接滑塊的摩擦阻力又來(lái)自兩個(gè)部分，其一是滑塊上方零部件的重量和自重引起的，另一個(gè)是由送料凸輪給的力F在水平方向的分量引起的。其中，是連接滑塊、螺釘、墊圈、彈簧墊片、送料夾滑塊、連接螺釘、送料夾、送料夾固定螺釘在送料滑銷上的壓力之和，跟據(jù)proe中質(zhì)量分析，設(shè)置材料Q235A的密度為，可分別得出各零件的質(zhì)量。
經(jīng)分析，得總質(zhì)量M=(連接滑塊質(zhì)量+六角螺釘質(zhì)量+墊圈質(zhì)量+彈簧墊片質(zhì)量+連接螺釘質(zhì)量) X 2+送料夾X 3 +送料夾固定螺釘X 6 + 送料夾滑塊質(zhì)量。
即M=（0.065+0.0038+0.0014+0.0026+0.0038）X 2 + 0.0068 X 3 + 0.0019 X 6 + 0.132= 0.245 Kg
故，=Mg=0.2168 X 10 =2.164 N
又查得剛和剛（粗糙度3.2）之間的 u=0.1。
N （1）
（2）
根據(jù)連接滑塊Y方向的力衡，可知 （3）
聯(lián)立（1）（2）（3）解得F= 0.340 N
根據(jù)要求，四連桿關(guān)節(jié)氣缸選用筆型氣缸（ISO6432標(biāo)準(zhǔn)），理論出力計(jì)算公式是：
F=PA+
式中：F——?dú)飧桌碚撦敵隽Γ∟）
P——工作壓力(MPa)
A——活塞受力面積（）
——彈簧復(fù)位力（N）
系統(tǒng)壓力為0.30.5MPa，選用復(fù)動(dòng)型氣缸時(shí)，=0 N，取系統(tǒng)壓力極小值時(shí)，可得：
氣缸活塞面積大于6.288即可。
即氣缸缸徑大于1.457就行。
參照（ISO6432標(biāo)準(zhǔn)），選用缸徑為12mm，行程為40mm的筆型氣缸足夠滿足要求。選用亞德客氣缸，代號(hào)為PB-1240。
7 氣動(dòng)原理設(shè)計(jì)
氣動(dòng)原理圖如圖4-1所示。整個(gè)氣動(dòng)系統(tǒng)就是要對(duì)供料氣缸、擺動(dòng)氣缸、四連桿氣缸動(dòng)作進(jìn)行控制。
圖4-1 氣動(dòng)原理圖
氣路元件表如圖4-1所示：
圖4-1 氣路元件表
序號(hào)
型號(hào)規(guī)格
名稱
數(shù)量
1
L1-25
單向節(jié)流閥
6
2
24DH-10-S
三位四通電磁滑閥
3
3
QF-44
手動(dòng)截止閥
1
4
QSL-26SQTY-20-S
壓力組件
1
5
YJ-1
壓力繼電器
1
6
Q24DH-10-S
兩位三通電磁滑閥
1
各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的調(diào)速，凡是能采用排氣口節(jié)流方式的，都在電磁閥的排氣口安裝節(jié)流阻尼螺釘進(jìn)行調(diào)速，這種方法的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，效果尚好。如手臂伸縮氣缸在接近氣缸處安裝兩個(gè)快速排氣閥，可加快起動(dòng)速度，也可調(diào)節(jié)全程上的速度。升降氣缸采用進(jìn)氣節(jié)流的單向節(jié)流閥以調(diào)節(jié)手臂的上升速度，由于手臂靠自重下降，其度調(diào)節(jié)仍采用在電磁閥排氣口安裝節(jié)流阻尼螺釘來(lái)完成。氣液傳送器氣缸側(cè)的排氣節(jié)流，可用來(lái)調(diào)整回轉(zhuǎn)液壓緩沖器的背壓大小。為簡(jiǎn)化氣路，減少電磁閥的數(shù)量，各工作氣缸的緩沖均采用液壓緩沖器，這樣可以省去電磁閥和切換節(jié)流閥或行程節(jié)流閥的氣路阻尼元件。電磁閥的通徑，是根據(jù)各工作氣缸的尺寸、行程、速度計(jì)算出所需壓縮空氣流量，與所選用電磁閥在壓力狀態(tài)下的公稱使用流量相適應(yīng)來(lái)確定的。
8 PLC控制部分設(shè)計(jì)
考慮到氣缸的通用性，同時(shí)使用點(diǎn)位控制，因此我們采用可編程序控制器(PLC)對(duì)氣缸進(jìn)行控制.當(dāng)氣缸的動(dòng)作流程改變時(shí)，只需改變PLC程序即可實(shí)現(xiàn)，非常方便快捷。
8.1 可編程序控制器的選擇及工作過(guò)程
8.1.1 可編程序控制器的選擇
目前，國(guó)際上生產(chǎn)可編程序控制器的廠家很多，如日本三菱公司的F系列PC,德國(guó)西門(mén)子公司的SIMATIC N5系列PC、日本OMRON(立石)公司的C型、P型PC等。考慮到本氣缸的輸入輸出點(diǎn)不多，工作流程較簡(jiǎn)單，同時(shí)考慮到制造成本，因此在本次設(shè)計(jì)中選擇了OMRON公司的C28P型可編程序控制器。
8.1.2 可編程序控制器的工作過(guò)程
可編程序控制器是通過(guò)執(zhí)行用戶程序來(lái)完成各種不同控制任務(wù)的。為此采用了循環(huán)掃描的工作方式。具體的工作過(guò)程可分為四個(gè)階段。
第一階段是初始化處理。
可編程序控制器的輸入端子不是直接與主機(jī)相連，CPU對(duì)輸入輸出狀態(tài)的詢問(wèn)是針對(duì)輸入輸出狀態(tài)暫存器而言的。輸入輸出狀態(tài)暫存器也稱為I/0狀態(tài)表.該表是一個(gè)專門(mén)存放輸入輸出狀態(tài)信息的存儲(chǔ)區(qū)。其中存放輸入狀態(tài)信息的存儲(chǔ)器叫輸入狀態(tài)暫存器;存放輸出狀態(tài)信息的存儲(chǔ)器叫輸出狀態(tài)暫存器。開(kāi)機(jī)時(shí)，CPU首先使I/0狀態(tài)表清零，然后進(jìn)行自診斷。當(dāng)確認(rèn)其硬件工作正常后，進(jìn)入下一階段。
第二階段是處理輸入信號(hào)階段。
在處理輸入信號(hào)階段，CPU對(duì)輸入狀態(tài)進(jìn)行掃描，將獲得的各個(gè)輸入端子的狀態(tài)信息送到I/0狀態(tài)表中存放。在同一掃描周期內(nèi)，各個(gè)輸入點(diǎn)的狀態(tài)在I/0狀態(tài)表中一直保持不變，不會(huì)受到各個(gè)輸入端子信號(hào)變化的影響，因此不能造成運(yùn)算結(jié)果混亂，保證了本周期內(nèi)用戶程序的正確執(zhí)行。
第三階段是程序處理階段。
當(dāng)輸入狀態(tài)信息全部進(jìn)入I/0狀態(tài)表后，CPU工作進(jìn)入到第三個(gè)階段。在這個(gè)階段中，可編程序控制器對(duì)用戶程序進(jìn)行依次掃描，并根據(jù)各I/0狀態(tài)和有關(guān)指令進(jìn)行運(yùn)算和處理，最后將結(jié)果寫(xiě)入I/0狀態(tài)表的輸出狀態(tài)暫存器中。
第四階段是輸出處理階段。
CPU對(duì)用戶程序已掃描處理完畢，并將運(yùn)算結(jié)果寫(xiě)入到I/0狀態(tài)表狀態(tài)暫存器中。此時(shí)將輸入信號(hào)從輸出狀態(tài)暫存器中取出，送到輸出鎖存電路，驅(qū)動(dòng)輸出繼電器線圈，控制被控設(shè)備進(jìn)行各種相應(yīng)的動(dòng)作。然后，CPU又返回執(zhí)行下一個(gè)循環(huán)的掃描周期。
8.2 可編程序控制器的使用步驟
在可編程序控制器與被控對(duì)象(機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過(guò)程)構(gòu)成一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)時(shí)，通常以七個(gè)步驟進(jìn)行:
(1)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
即確定被控對(duì)象的工作原理，控制要求，動(dòng)作及動(dòng)作順序。
(2)I/0分配
即確定哪些信號(hào)是送到可編程序控制器的，并分配給相應(yīng)的輸入端號(hào);哪些信號(hào)是由可編程序控制器送到被控對(duì)象的，并分配相應(yīng)的輸出端號(hào).此外，對(duì)用到的可編程序控制器內(nèi)部的計(jì)數(shù)器、定時(shí)器等也要