毕业设计-滚筒与滚筒轴装配设计.doc

优秀毕业设计，全套设计（图纸）加QQ 36296518毕业设计论文课题名称 滚筒与滚筒轴装配 学 院 机械学院 专 业 班 级 学 号 姓 名 指导教师 定稿日期： 年 月 日引言自动生产线就是产品生产过程所经过的路线，即从原料进入生产现场开始，经过加工、运送、装配、检验等一系列生产生产线活动所构成的路线。生产线是按对象原则组织起来的，完成产品工艺过程的一种生产组织形式，即按产品专业化原则，配备生产某种产品（零、部件）所需要的各种设备和各工种的工人，负责完成某种产品（零、部件）的全部制造工作，对相同的劳动对象进行不同工艺的加工。生产线的种类，按范围大小分为产品生产线和零部件生产线 ，按节奏快慢分为流水生产线和非流水生产线，按自动化程度，分为自动化生产线和非自动化生产线。生产线的主要产品或多数产品的工艺路线和工序劳动量比例，决定了一条生产线上拥有为完成某几种产品的加工任务所必需的机器设备，机器设备的排列和工作地的布置等。生产线具有较大的灵活性，能适应多品种生产的需要；在不能采用流水生产的条件下，组织生产线是一种比较先进的生产组织形式；在产品品种规格较为复杂，零部件数目较多，每种产品产量不多，机器设备不足的企业里，采用生产线能取得良好的经济效益。AbstractThrough the production line is the product of the production process route, from raw materials into the production site began, after processing, transportation, assembly, testing and other components of a series of activities of the line production line. Is the production line according to the principle of objects organized, complete a kind of organizational form of production of product process, namely the by product specialization principle, with the production of a product (zero, parts) need of various equipment and various types of workers, responsible for the completion of a certain product (zero, parts) all the manufacturing work, processing different process for the same labor object.Types of production lines, according to the size range is divided into production line and parts production line, according to the rhythm is divided into flow line production and non production line, according to the degree of automation, divided into automated production lines and non automatic production line.目录一,滚筒与轴自动装配设计的意义二,滚筒与轴自动装配设计的概况 三，滚筒与轴自动装配设计的种类介绍 3.1按功能分 3.2按驱动系统 四，滚筒与轴自动装配设计的设计要点介绍 4.1电控系统设计4.2液控系统设计五， 滚筒与轴自动装配设计的设计计算 5.1传动方式选择分析 5.2轴承的选用和计算 5.3 电机的选择计算 5.4传动部件的设计计算5.5轴的设计计算5.6微调机构设计 六，零部件有限元分析七，总结八，参考文献 一,滚筒与轴自动装配设计的意义生产线就是产品生产过程所经过的路线，即从原料进入生产现场开始，经过加工、运送、装配、检验等一系列生产生产线活动所构成的路线。生产线是按对象原则组织起来的，完成产品工艺过程的一种生产组织形式，即按产品专业化原则，配备生产某种产品（零、部件）所需要的各种设备和各工种的工人，负责完成某种产品（零、部件）的全部制造工作，对相同的劳动对象进行不同工艺的加工。生产线的种类，按范围大小分为产品生产线和零部件生产线，按节奏快慢分为流水生产线和非流水生产线，按自动化程度，分为自动化生产线和非自动化生产线。生产线的主要产品或多数产品的工艺路线和工序劳动量比例，决定了一条生产线上拥有为完成某几种产品的加工任务所必需的机器设备，机器设备的排列和工作地的布置等。生产线具有较大的灵活性，能适应多品种生产的需要；在不能采用流水生产的条件下，组织生产线是一种比较先进的生产组织形式；在产品品种规格较为复杂，零部件数目较多，每种产品产量不多，机器设备不足的企业里，采用生产线能取得良好的经济效益。转位装置主要由执行机构、驱动机构和控制系统三大部分组成。根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。运动机构，使装置完成各种转动（摆动）、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为转位装置的自由度 。为了抓取空间中任意位置和方位的物体，需有6个自由度。自由度是机 械手设计的关 键参数。自由 度越多，转位装置的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。一般专用转位装置有23个自由度。控制系统是通过对转位装置每个自由度的电机的控制，来完成特定动作。同时接收传感器反馈的信息，形成稳定的闭环控制。控制系统的核心通常是由单片机或dsp等微控制芯片构成，通过对其编程实现所要功能。二,滚筒与轴自动装配设计的概况 本机构是一种具有简单动作功能的机械手。随着网络技巧的发展，机械手的联网操作问题也是以后发展的方向。工业机器人是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。工业机械手的是工业机器人的一个重要分支。它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。自动换刀装置是数控加工中心在工件的一次装夹中实现多道工序加工不可缺少的装置, 主要由刀库、机械手和驱动装置几部分组成。机械手和驱动装置是两个关键部分, 根据驱动装置的不同, 自动换刀装置可分为凸轮式、液压式、齿轮式、连杆式及各种机构复合式, 其中以凸轮式用得较多。发达国家数控加工中心的立式自动换刀机械手主要采用凸轮式, 我国加工中心技术起步较晚, 对自动换刀机械手研究较少。进入20 世纪90 年代后, 北京机床研究所、大连组合机床研究所、济南第一机床厂、青海机床厂以及陕西省的秦川机床厂都对立式自动换刀机械手进行了研究和开发。迄今为止, 我国制造的加工中心配置的自动换刀机械手大多数是进口的。其主要原因: 一是国内生产的换刀机械手质量较差, 成本也不低; 二是进口换刀机械手价格虽然较高, 但在整个加工中心中所占份额不大。作为加工中心的配套技术, 自动换刀机械手的研究和开发将直接影响到我国自动化生产水平的提高, 从经济上、技术上考虑都是十分必要的。三，滚筒与轴自动装配设计的种类介绍 3.1按功能分工业制造领域：主要让机器人在机械制造业中代替人完成大批量、高质量要求的工作，如汽车制造、舰船制造及某些家电产品（电视机、电冰箱、洗衣机）的制造等。化工等行业自动化生产线中的点焊、弧焊、喷漆、切割、电子装配及物流系统的搬运、包装等工作，也有部分是由机器人完成的。军事领域：主要让机器人执行一些自动的侦察与控制任务，尤其是一些相对较为危险的任务，比如，无人侦察机、拆除炸弹的机器人及扫雷机器人等。机器人还可以代替士兵去完成那些不太复杂的工程及后勤任务，从而使战士从繁重的工作中解脱出来，去从事更加重要的工作。娱乐领域：机器人在娱乐领域的应用十分广泛，比如，机器人足球大赛、机器人弹钢琴和机器人宠物等。3.2按驱动系统 按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手机械手所用的驱动机构主要有4种：液压驱动、气压驱动、电气驱动和机械驱动。其中以液压驱动、气压驱动用得最多。1、液压驱动式液压驱动式机械手通常由液动机（各种油缸、油马达）、伺服阀、油泵、油箱等组成驱动系统，由驱动机械手执行机构进行工作。通常它的具有很大的抓举能力（高达几百千克以上），其特点是结构紧凑、动作平稳、耐冲击、耐震动、防爆性好，但液压元件要求有较高的制造精度和密封性能，否则漏油将污染环境。2、气压驱动式其驱动系统通常由气缸、气阀、气罐和空压机组成，其特点是气源方便、动作迅速、结构简单、造价较低、维修方便。但难以进行速度控制，气压不可太高，故抓举能力较低。3、电气驱动式电力驱动是机械手使用得最多的一种驱动方式。其特点是电源方便，响应快，驱动力较大（关节型的持重已达400kg），信号检测、传动、处理方便，并可采用多种灵活的控制方案。驱动电机一般采用步进电机，直流伺服电机（AC）为主要的驱动方式。由于电机速度高，通常须采用减速机构（如谐波传动、RV摆线针轮传动、齿轮传动、螺旋传动和多杆机构等）。有些机械手已开始采用无减速机构的大转矩、低转速电机进行直接驱动（DD）这既可使机构简化，又可提高控制精度。4、机械驱动式机械驱动只用于动作固定的场合。一般用凸轮连杆机构来实现规定的动作。其特点是动作确实可靠，工作速度高，成本低，但不易于调整。其他还有采用混合驱动，即液-气或电-液混合驱动。四，滚筒与轴自动装配设计的设计要点介绍 本设计为机加工中棒料传送装置，机构将棒料夹紧，传送至加工区域。夹紧过程如下。图中1机身1，2为机身2，3为底座，4为液压缸，5为三联件，6为电机，7为波动叶片。滚筒轴被争气摆放在支架1上，轴摆放在支架2上，调节轴和轴承的中心位置，液压缸将其推入，进行装配。拨动叶片有自动上料的功能，将滚筒进行上料。支架2下面有定位轴，可以进行微调，可以满足不同尺寸的滚筒与滚筒轴的装配。本设计中要求，转位装置具有两个方向的旋转功能，并且对旋转行程有要求。在结构中主要考虑如下因素：如图所示，1为旋转支架，2为旋转轴，3为电动控制部分，4为传感器旋转轴与电机连接，电机转动带动旋转支架旋转，旋转支架头部有环形槽，槽呈90度状态，在槽的两端装有传感器，如图4. 该传感器为接触开关式传感器，当旋转支架头部碰到传感器时，传感器处于触发状态，将电信号传送给主，电路板，电路板控制旋转电机停止工作，从而控制旋转轴停止转动，旋转支架停止转动。2，翻转的方案设计翻转方案采用旋转方式，使机构中旋转轴旋转90度，实现翻转的功能。方案可以参考水平方向的旋转方式。电机带动齿轮旋转，齿轮带动旋转轴旋转，旋转轴与支架之间有环形连接，支架上90度圆环的端部有定位装置，采用两个接触开关，当旋转轴上的轴端部分，碰触到接触开关，接触开关将电信号传送给电路板，电路板控制电机，停止工作，从而齿轮停止转动，旋转周停止转动，避免发生碰撞。3，伸缩机构本机构中，需要机构有向前后伸缩的功能，结构中采用液压钢完成此功能，如下图所示1为轴销，2为液压缸，3为旋转轴，4保护结构液压缸被固定在旋转支架上，通气工作以后，液压缸可以，像前后伸缩途中234部分整体向前移动，也可以整体向后收缩，这样就完成了，伸缩的功能4，限位装置的设计如图所示的限位装置是采用接触式开开关，接触开关。1、电感式接近开关工作原理电感式传感器由三大部分组成：振荡器、开关电路及放大输出电路。振荡器产生一个交变磁场。当金属目标接近这一磁场，并达到感应距离时，在金属目标内产生涡流，从而导致振荡衰减，以至停振。振荡器振荡及停振的变化被后级放大电路处理并转换成开关信号，触发驱动控制器件，从而达到非接触式之检测目的。2 、电容式接近开关的工作原理电容式接近开关的感应面由两个同轴金属电极构成，很象“打开的”电容器电极，该两个电极构成一个电容，串接在RC振荡回路内。电源接通时，RC振荡器不振荡，当一目标朝着电容器的电靠近时，电容器的容量增加，振荡器开始振荡。通过后级电路的处理，将振和振荡两种信号转换成开关信号，从而起到了检测有无物体存在的目的。该传感器能检测金属物体，也能检测非金属物体，对金属物体可以获得最大的动作距离，对非金属物体动作距离决定于材料的介电常数，材料的介电常数越大，可获得的动作距离越大。3，零部件工作强度的校核.轴I的强度校合（1）求作用在齿轮上的力（2）求轴承上的支反力垂直面内：N N水平面内： （1） 画受力简图与弯矩图根据第四强度理论且忽略键槽影响（，）载荷水平面H 垂直面V支反力F N N弯矩M弯矩M 总弯矩扭矩TT=138633N.mm所以轴的强度足够2.校合轴II的强度（1）求作用在齿轮上的力 3381.30N1230.69N（2）求轴承上的支反力水平面内： 求得162N求得-2670N垂直面内： 求得=5646N 求得=7700N画受力简图与弯矩图 (4)按弯扭合成应力校核轴的强度在两个轴承处弯矩有最大值，所以校核这两处的强度 载荷水平面H 垂直面V支反力F=5646N=7700N162N-2670N弯矩M1弯矩M2总弯矩M1总弯矩M2扭矩TT=588023N.mm精确校核轴的疲劳强度1）判断：危险面为A面与B面2）对截面III截面III左侧抗弯截面系数 抗扭截面系数 截面A左侧的弯矩M为 截面A左侧的扭矩T为 截面A上的弯曲应力截面A上的扭转切应力轴的材料为40Cr，调质处理。查表15-1得,由 , ，查得=2.04，=1.60查得材料的敏性系数为 q=0.82, =0.85应力集中系数为 k=1+q-1=1.853 k=1+q-1=1.510查得表面质量系数 =0.92查得尺寸系数为 =0.73；查得扭转尺寸系数为 =0.80计算得综合系数为K=k+1-1=2.625K=k+1-1=1.974取40Cr的特征系数为 =0.10.2，取=0.1 =0.050.1，取=0.05计算安全系数S=-1Ka+m=10.43S=-1Ka+m=8.358Sca=SSS2+S2=10.438.35810.432+8.3582=6.42S=1.5故可知截面III左侧安全截面A右侧抗弯截面系数 抗扭截面系数 截面A左侧的弯矩M为 截面A左侧的扭矩T为 截面上的弯曲应力截面上的扭转切应力轴的材料为45钢，调质处理。查得B=640MPa, -1=275MPa, -1=155MPa过盈配合处的k, 查得k=3.48，并取k=0.8k=2.78查得表面质量系数 =0.92查得尺寸系数为 =0.73；查得扭转尺寸系数为 =0.80计算得综合系数为K=k+1-1=3.567K=k+1-1=2.867取40Cr的特征系数为 =0.10.2，取=0.1 =0.050.1，取=0.05计算安全系数S=-1Ka+m=6.484S=-1Ka+m=8.923Sca=SSS2+S2=6.125.366.122+5.362=5.25S=1.5故可知截面A左侧安全综上，截面A两侧均安全综合以上分析，轴强度合格轴III的强度校合（1）求作用在齿轮上的力由前面计算可知作用在齿轮四上的力的大小等于作用在齿轮三上的力，即：(2)求轴承上的支反力垂直面内： 求得=1542N =926N水平面内： 求得画受力简图与弯矩图五， 滚筒与轴自动装配设计的设计计算 5.1传动方式选择分析用的旋转机构有如下几种：螺旋式旋转机构凸轮式旋转机构曲柄式旋转机构铰链式旋转机构连杆式旋转机构5.2轴承的选择滚动轴承一般是由内圈、外圈、滚动体和保持架组成(图18-1)。通常内圈随轴颈转动，外圈装在机座或零件的轴承孔内固定不动。内外圈都制有滚道，当内外圈相对旋转时，滚动体将沿滚道滚动。保持架的作用是把滚动体沿滚道均匀地隔开，滚动轴承的额定动载荷是在一定条件下确定的。对向心轴承是指承受纯径向载荷；对推力轴承是指承受轴向载荷。如果作用在轴承上的实际载荷与上述条件不一样，必须将实际载荷换算为和上述条件相同的载荷后，才能和额定动载荷进行比较。换算后的载荷是一种假定的载荷，称为当量动载荷。径向和轴向载荷分别用R和A表示。对于向心轴承，径向当量动载荷P与实际载荷R、A的关系式为P=XR+YA （18-5）式中，X为径向系数、Y为轴向系数，可分别按A/Re或A/Re两种情况，由表18-11查出。参数e反映了轴向载荷对轴承承载能力的影响，其值与轴承类型和A/C0有关，C0是轴承的径向额定静载荷。径向轴承只承受径向载荷时，其当量动载荷为P=R （18-6）推力轴承只能承受轴向载荷，因此其当量动载荷为P=A （18-7）一、滚动轴承的组合设计为保证轴承在机器中能正常工作，除合理选择轴承类型、尺寸外，还应正确进行轴承的组合设计，处理好轴承与其周围零件之间的关系。也就是要解决轴承的轴向位置固定、轴承与其他零件的配合、间隙调整、装拆和润滑密封等一系列问题。1轴承的固定（1）双支点单向固定如图18-7所示，使轴的两个支点中每一个支点都能限制轴的单向移动，两个支点合起来就限制了轴的双向移动。它适用于工作温度变化不大的短轴，考虑到轴因受热而伸长，在轴承盖与外圈端面之间应留出热补偿间隙（图18-7 b）。(a)(b)图18-7 双支点单向固定（一）（2）单支点双向固定这种变化适用于温度变化较大的长轴，如图18-8所示，在两个支点中使一个支点能限制轴的双向移动，另一个支点则可作轴向移动。可作轴向移动的支承称为游动支承，它不承受轴向载荷。图 a右轴承外圈未完全固定，可以有一定的游动量；图b采用的圆柱滚子轴承，其滚子和轴承的外圈之间可以发生轴向游动。(a)(b)图18-8单支点双向固定（一）2轴承组合的调整（1）轴承的调整轴承的调整包括轴承间隙调整和轴承位置调整。轴承间隙的调整是通过调整垫片厚度、调整螺钉和调整套筒等方法完成的。轴承组合位置调整是使轴上的零件（如齿轮、带轮等）具有准确的工作位置。图18-9通过调整轴承端盖与机座间垫片厚度实现轴承间隙的调整。图18-9调整垫片图18-10调整螺钉图18-10为调整螺钉方法。利用调整螺钉对轴承外圈的压盖进行调整以实现轴承的间隙调整。调整完毕之后，用螺母锁紧防松。图18-11是调整套筒。整个圆锥齿轮轴系安装在调整套筒中，然后再安装在机座上。通过垫片1调整套筒与机座的相对位置，实现对锥齿轮轴轴向位置的调整。通过垫片2调整轴承的间隙。5.3 电机的选择计算伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动器控制的U/V/W三相电形成电磁场，转子在此磁场的作用下转动，同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度。伺服电机的精度决定于编码器的精度（线数）。伺服电动机又称执行电动机，在自动控制系统中，用作执行元件，把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。分为直流和交流伺服电动机两大类，其主要特点是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降，随着集成电路、电力电子技术和交流可变速驱动技术的发展，永磁交流伺服驱动技术有了突出的发展，各国著名电气厂商相继推出各自的交流伺服电动机和伺服驱动器系列产品并不断完善和更新。交流伺服系统已成为当代高性能伺服系统的主要发展方向，使原来的直流伺服面临被淘汰的危机。90年代以后，世界各国已经商品化了的交流伺服系统是采用全数字控制的正弦波电动机伺服驱动。交流伺服驱动装置在传动领域的发展日新月异。永磁交流伺服电动机同直流伺服电动机比较，主要优点有：无电刷和换向器，因此工作可靠，对维护和保养要求低。定子绕组散热比较方便。惯量小，易于提高系统的快速性。适应于高速大力矩工作状态。同功率下有较小的体积和重量。整个伺服装置市场都转向了交流系统。早期的模拟系统在诸如零漂、抗干扰、可靠性、精度和柔性等方面存在不足，尚不能完全满足运动控制的要求，近年来随着微处理器、新型数字信号处理器（DSP）的应用，出现了数字控制系统，控制部分可完全由软件进行，分别称为摪胧只瘮或摶旌鲜綌、撊只瘮的永磁交流伺服系统。P=9550n/t负载程度空载负载负载负载满载功率因数0.20.50.770.850.89效率00.780.850.880.875由上表中可以看出，电动机的效率和功率因素是随着负载的降低而降低的。也就是说，电动机在额定负载或接近额定负载的条件下工作，有较高的效率和功率因素，其运行时经济的。相反，一个额定功率极大的电动机，仅仅带动一个负载很小的机械工作，这种“大马拉小车”的情况是很不经济、不合理的。对连续运行的恒定负载，电动机的实际功率可用下列公式计算：上述计算公式的各项参数分别所指：P1：生产机械的功率，可以在生产机械的铭牌上查取，或者根据铭牌上的参数计算出来；1：生产机械本身的效率；2：电动机和生产机械之间传动效率。在选择电动机时，其铭牌上的额定功率值Pe应等于或稍微大于计算所得的实际所需功率Pe。5.6微调机构设计通过螺母微调，使得机构可以适合多种尺寸的滚筒与滚筒轴的配合。六，零部件有限元分析支架再本系统中有着很重要的作用。支撑着很多的管路部件，要给这些部件提供称重，和稳定性。稳定性是本系统的一个重要影响因素。管路的稳定性，能够防止泄露，防止元器件在工作过程中发生震动而松弛。所有本系统中支架的设计至关重要。6.1支架的结构设计如下图所示为支架的设计结果其主要功能为支撑管路部件，防止工作过程中产生震动，固定管路部件，使其在工作过程中稳定。支架采用不锈钢板，厚度为10mm6.2支架力学分析6.2.1有限元介绍本设计使用有限元方法对支架进行力学分析在数学中，有限元法（FEM，Finite Element Method）是一种为求解偏微分方程边值问题近似解的数值技术。求解时对整个问题区域进行分解，每个子区域都成为简单的部分，这种简单部分就称作有限元。它通过变分方法，使得误差函数达到最小值并产生稳定解。类比于连接多段微小直线逼近圆的思想，有限元法包含了一切可能的方法，这些方法将许多被称为有限元的小区域上的简单方程联系起来，并用其去估计更大区域上的复杂方程。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的(较简单的）近似解，然后推导求解这个域总的满足条件(如结构的平衡条件），从而得到问题的解。这个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被较简单的问题所代替。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。有限单元法是随着电子计算机的发展而迅速发展起来的一种现代计算方法。它是50年代首先在连续体力学领域-飞机结构静、动态特性分析中应用的一种有效的数值分析。方法，随后很快广泛的应用于求解热传导、电磁场、流体力学等连续性问题。有限元法分析计算的思路和做法可归纳如下：物体离散化将某个工程结构离散为由各种单元组成的计算模型，这一步称作单元剖分。离散后单元与单元之间利用单元的节点相互连接起来；单元节点的设置、性质、数目等应视问题的性质，描述变形形态的需要和计算精度而定（一般情况单元划分越细则描述变形情况越精确，即越接近实际变形，但计算量越大）。所以有限元中分析的结构已不是原有的物体或结构物，而是同新材料的由众多单元以一定方式连接成的离散物体。这样，用有限元分析计算所获得的结果只是近似的。如果划分单元数目非常多而又合理，则所获得的结果就与实际情况相符合。1.4.3.2支架受力分析本设计使用solidworks的simulation模块进行理学分析 首先选择静力分析进入分析模块，需要对模型赋予材料。如下图所示，选择不锈钢材料，点击应用，赋予材料。材料的泊松比为0.28。许用应力为2.1e11接下来需要对模型施加载荷，包括，约束和载荷。先选取，支架下面两个螺丝空，固定，这样就成功将模型进行了约束，模拟现实中，底部固定的结构。接下来需要对模型施加载荷，载荷分为压力，力等支架在工作过程中主要收到如下力，1 支撑压力表等部件2 油笔部分 所有对支架进行如下载荷施加 选取圆面向下施加载荷10N，在油