中间旋梭装置及旋梭架夹具设计

1、 毕业设计说明书题 目：中间旋梭装置及旋梭架夹具设计学 号：姓 名：班 级：专 业：机械设计制造及其自动化指导教师：学 院：机械工程学院答辩日期：2013年 5月 8 日毕 业 设 计 说 明 书摘 要研究并设计了中间旋梭装置的结构，包括旋梭架、分线钩机构、传动机构结构。在传动机构中，对中间传动轴、主动齿轮、从动齿轮进行机构设计，以及强度进行校核。最后通过模拟编程软件ug进行运动仿真，生成运动轨迹图表。关键词： 中间旋梭装置；机构设计；校核；仿真毕 业 设 计 说 明 书abstract the middle rotary hook device structure was investiga

2、ted, the rotary hook rack, sub-line hook mechanism, transmission mechanism were included. in the transmission mechanism, the intermediate drive shaft, the driving gear, the driven gear mechanism are designed, as well as strength to be checked. finally,the motion simulation, generating a trajectory c

3、hart were made by ug.key words: the middle rotary hook device; mechanism design; checking; simulation 目 录摘 要iabstract1第1章 绪论31.1 设计的背景和意义31.2 设计的内容和思路3第2章 总体设计方案42.1 旋梭架的设计42.2 传动机构的设计5第3章 关键零部件的选择和计算63.1 旋梭的选择63.2 齿轮机构的设计计算83.3 主动轴的设计计算13第4章 基于ug软件的运动分析174.1 ug运动仿真的介绍174.2 运动仿真的过程17第5章 专用夹具的设计225.1

4、 专用夹具的设计225.2 夹紧力的计算225.3 定位机构的设计235.4 夹具的介绍及操作方法23参考文献24致 谢26第1章 绪论1.1 设计的背景和意义经过20 多年的努力，我国已成为世界缝纫机生产大国，这是值得庆贺的。但我们离世界缝纫机生产强国还相差甚远。 我国与缝纫机强国的差距主要表现在：管理理念比较落后，设计方法比较陈旧，制造技术不够先进，因此要成为缝纫机生产强国还需做艰苦的努力。随着服装等下游行业的产业升级步伐加快，高效、绿色节能、机电一体化缝制设备需求量大幅上升，也出现了很多个性化需求。企业也跟随市场不断创新变化，充分重视技术创新和产品质量，从制造到创造转变。缝纫机作为缝制设

5、备行业的主要代表，更要充分重视有关缝纫机技术的创新和产品的质量。旋梭装置是缝纫机的重要组成部分，其作用是为提供一种面线环从梭中抽出时可防止产生过大拉力。这种缝纫机的旋梭装置具有梭壳、梭架与限制构件。其中，梭壳与梭轴一体回转，梭架可相对梭壳回转地组装起来，靠形成于梭架的结合部的抵接作用，限制构件可限制梭架的回转；同时，使前述梭壳的中心轴线和前述梭轴的回转轴线偏心，梭壳每转一转，梭架做上下左右摇摆运动。旋梭装置的精度直接决定产品的质量，因此，旋梭装置的设计不容忽视。1.2 设计的内容和思路1. 查阅文献资料，完成开题报告、文献综述及外文翻译等工作； 2对机构进行方案设计、评价并确定最佳方案；3进行

6、装配图设计；4绘制部分零件图；5. 对旋梭架的某一工序进行其加工夹具的设计。第2章 总体设计方案2.1 旋梭架的设计旋梭装置主要由旋梭、旋梭架、分线钩机构、传动机构等部分组成。中间旋梭装置对空间有一定的要求，相比市场上的旋梭装置，在体积和质量上具有很大的不同。本设计主要是对旋梭架进行优化，为了简化设计的结构，减轻整体的重量，缩短产品的设计和制造周期，其主体框架采用45钢制造。在机构上，主要采用框架机构，这样的机构为整个装置节省了空间，同时大大的缩小了制造成本，如图2.1所示。图2.1旋梭架的结构设计2.2 传动机构的设计中间旋梭装置为了实现与另外两个旋梭装置实现同步运动，主要是通过同步带实现与

7、其他旋梭装置主轴之间的传动，这样能保证三个旋梭装置的主轴转动速度一致，从而保证三个旋梭装置之间的同步运动。在本装置中，主要是通过齿轮传动来实现主轴与旋梭轴之间的传动关系。由于主轴与旋梭轴之间是空间错开垂直关系，并且对空间尺寸也有要求，所以选用螺旋齿轮，以实现主轴和旋梭轴之间的运动传递。螺旋齿轮相对于圆锥齿轮结构上更加紧凑，能更好的节省空间和材料。由于蜗轮蜗杆的传动比比较大，不能满足本设计的要求。对于分线钩连杆的往复运动，主要是通过旋梭轴偏心作用，带动分线钩杆往复摆动，从而实现分线钩的功能。如图2.2所示。图2.2中间旋梭装置第3章 关键零部件的选择和计算3.1 旋梭的选择旋梭的选用直接关系到整

8、个旋梭装置的设计，通过充分利用现有的文献、资料，及对比不同种类旋梭的功能和特性，选用db型垂直旋梭。表3.1为旋梭的分类及区别。表3.1旋梭的分类及区别在工业缝纫机中db型旋梭是使用最为广泛、最多的。db型旋梭可以分为abcdef6种基本形式，其各有各的特征，db型旋梭的分类见图3.1。a型旋梭用于厚料或曲折缝，脱线时间与其他型号比是最快的，即使旋梭对针的配合很慢，也不会造成脱线故障。b型旋梭适用于厚料到薄料的通用性旋梭，至特征是脱线爪伸出较长。因为这个爪可以使面线脱线时的时间较长，所以面线不会很松弛。但是，在使用绕度较大的不光滑的缝线时容易使缝线打结，有电视不容易产生抛线。c型旋梭中厚料、薄

9、料兼用型，脱线时、可以防止面线进入外梭槽与内梭滑道的间隙中，有防止轧线的突起部分。就象图示的那样面线在那凸起的部位在防止轧线的同时，在某种程度上这凸起的部分还可以防止缝线的松弛，因为有这凸起的部分，外梭的槽长也较长有增加耐磨性、减少噪音的效果。d型旋梭适用于薄料，此旋梭兼备了b与c型的优点。也就是说，为了保持缝线的张力内梭脱线爪与b型的一样，为了防止轧线，突起部分与c型一样。再有一个特点是内梭的重量较轻、瞬间的惯性较小，这样，面线在脱离定位勾的时候阻力就会变得较小，所以对于较细、较软的缝线或者较难缝制的化纤线能得到较好的缝制效果。boh型旋梭适用于中厚料、厚料。内梭脱线勾的长度较短，即使较粗的

10、、捻度较小的、较柔软的缝线其脱线也较方便，这是特为消除毛巾状的缝制故障而设计的。f型旋梭此种旋梭是一种专用的旋梭，其形式属于a型旋梭一类。但是其内梭安装结构特征是内梭压板适用螺钉加弹簧来固定的，所以一旦有轧线的情况也可以不必拆下内梭而轻易地排除轧线故障。此种旋梭在家用缝纫机的刺绣缝中也有使用。图3.1db型旋梭的分类3.2 齿轮机构的设计计算3.2.1选定齿轮的类型、精度等级、材料及齿数本文设计的中间旋梭装置主动轴和旋梭轴之间为空间垂直错开关系，并且对空间大小有定的要求，故选用螺旋齿轮；螺旋齿轮副的组成决定了它具有一些自身的特点和优点：制造工艺简单、造价便宜；可以方便的实现任意轴交角间的传动；

11、方便凑配中心距、易于减少外轮廓尺寸、结构紧凑；交错轴螺旋齿轮间是点接触，因而对安装过程中的轴交角、中心距误差在一般情况下都不敏感，这对于它的安装、调整、检验也都是十分便利的。主轴的转速n=3000故对齿轮的精度要求比较高，精度等级选用5级；齿轮材料选用45钢，正火处理，大齿轮齿面硬度达到220250hbs，小齿轮齿面硬度达到180210hbs，二者的硬度差为40hbs；选大齿轮的齿数为=30，小齿轮齿数=15；3.2.2几何尺寸的设计计算由文献2 可知，螺旋齿轮副中的单个齿轮与斜齿圆柱齿轮无异。无论从齿廓曲面的形成原理还是从几何尺寸的计算来看，斜齿圆柱齿轮与螺旋齿轮完全相同。正确啮合传动时，两

12、种齿轮副间的法面模数和法面压力角都应当分别相等；唯一的差别在于螺旋角之和的大小。当=-或+=0时，两齿轮构成斜齿圆柱齿轮副；若+0，则构成螺旋齿轮副。螺旋齿轮副可以实现交错轴问的运动与动力的传递。在工程实际中，交错轴间夹角多为=+=。但在这种情况下，齿轮啮合的每一瞬时，齿面呈点接触状态，因此会产生较大的接触应力。因此，传动设计时，如若选材不当，就有可能导致齿轮的异常快速磨损。目前对螺旋齿轮的研究较少，参照斜齿轮的尺寸设计过程对螺旋齿轮的尺寸进行设计计算。在螺旋齿轮中，就单个齿轮来说就是斜齿轮或者直齿轮，两个齿轮均为右旋螺旋齿轮的基本几何参数计算按照文献3中表3-1所列的公式进行。所以螺旋齿轮的

13、相关几何参数如表3.2所示。表3.2螺旋齿轮几何参数序号项目代号计算式或说明数值1轴交角计算式或说明2齿轮1螺旋角根据有关要求选定3齿轮2螺旋角4法面压力角设计时选取5模数根据强度选为标准值6齿轮1齿数设计时选取7齿轮2齿数8传动比由设计要求给定9齿轮1分度圆半径10齿轮2分度圆半径11齿轮1齿顶圆半径12齿轮2齿顶圆半径13齿轮1齿底圆半径14齿轮2齿底圆半径15中心距3.2.3螺旋齿轮的强度校核螺旋齿轮是用于空间交错轴间增速传动的一种较特殊的齿轮传动形式，在汽车和机器的小功率辅助传动中和仪表中得到较广泛的应用，但较少用于主传动，究其原因在于其齿面是点接触，接触应力大，同时齿面间相对滑动速度

14、大，一般可达10m/s 以上，因此齿面极易磨损和胶合。由于机械设计手册和机械工程手册中均没有螺旋齿轮接触强度的计算公式，给螺旋齿轮的强度设计带来了极大的困难，国内外此方面的研究较少，少数译自前苏联的机械零件教材中有简单的设计经验公式对螺旋齿轮轮齿间的作用力有较详细的论述，但其强度设计计算也是一个经验公式。然而，由文献3可知，应用赫兹理论和齿轮啮合理论给出了螺旋齿轮齿面接触应力的计算方法和相关公式，算例的计算结果表明螺旋齿轮齿面接触应力明显大于相近参数的圆柱斜齿轮，这是此类齿轮用于主传动时普遍出现齿面磨损的一个重要原因，因此在设计确定齿轮参数时必须校核接触应力。由参考文献2可知，螺旋齿轮之间的接

15、触面为椭圆面，其最大接触力作用在椭圆中心，其计算公式为： （3.1）计算螺旋齿轮齿面接触应力需要的主要参数是齿面法向力；椭圆的短半轴和长半轴b；其中齿面法向力可由轴的计算中得知=114.4；椭圆长半轴和短半轴的计算公式： （3.2） （3.3）式中：e是材料的当量弹性模量。当量弹性模量可由齿轮材料的参数按下式得出： （3.4）螺旋齿轮常用的材料配对为钢对铜或钢对钢，金属的泊松比都可取为0.3，一般铜材的弹性模量为1.0510n/mm,合金钢的弹性模量为2.110n/mm,因此，大小齿轮材料都为钢时的当量弹性模量为e=2.3110n/mm系数、是根据几何参数确定的（见图3.2）。图3.2系数、和

16、之间对应关系计算公式： （3.5）式中：为啮合点两齿面的综合曲率半径；、为螺旋齿轮齿面的主曲率半径；为两螺旋面特征线间的夹角。根据啮合理论，任意光滑连续曲面上的任一点都有两个主曲率，即最大和最小曲率。在齿轮传动中一般都只计算两齿轮在节线啮合时的接触应力， 因此，只须求出两螺旋齿轮的齿面在节点处的两个主曲率。由于是标准中心距，所以也就是要求出分度圆上的主曲率。主曲率半径的计算公式： （3.6）（3.7）式中为分度圆半径；为基圆螺旋升角。它与分度圆螺旋角及法向压力角的关系为：（3.8）=0.747式中为分度圆上的端压力角，它与角度圆螺旋角及法向压力角的关系为：（3.9）=27.2大、小齿分度圆半径

17、分别为21.2、10.6 mm故：=13 mm=6.5 mm综合曲率半径的计算公式：（3.10） mm两螺旋面特征线间的夹角的计算公式：（3.11）式中：、为螺旋齿轮分度圆上的螺旋升角，；、为分度圆和节圆上的法向压力角，标准渐开线齿轮标准中心线安装时均为。将已知的值代入公式（3.5）计算得：=0.8根据图3.2：系数=1.95;=0.55。将系数、；齿面法向力;；当量弹性模量e代入公式（3.2）、（3.3）得：=0.7mm=0.2mm因此，椭圆中心的最大接触应力：=389 n/mm齿轮的接触疲劳强度极限为550mpa，550mpa,故可以满足接触疲劳强度要求。3.3 主动轴的设计计算3.3.1

18、求主轴上的功率p、转矩t传动关系：电机v型带同步带下轴同步带主动轴已知：电机的9功率：p=550w；电机的转速n=3000；v型带的效率为=0.96;同步带的效率为=0.99；滑动轴承的效率为=0.98；滚动轴承效率=0.99；故主轴的功率：（3.12）p=5500.960.990.99w=487 w因此轴的扭矩： （3.13） 3.3.2求作用在大齿轮上的力由于所用的齿轮为螺旋齿轮，其分度圆直径d=42.5mm螺旋大齿轮圆周力f（3.14） 螺旋大齿轮法向力f（3.15）其中=45为大齿轮分度圆螺旋角；=20为大齿轮法向压力角；则 螺旋大齿轮轴向力f（3.16）螺旋大齿轮径向力f（3.17）

19、 n3.3.3初步确定轴的最小直径先按公式（3.18）初步估算轴的最小直径。 （3.18）选取45钢，调质处理。根据文献1的表15-3，取a=112，于是得= mm=6.1mm3.3.4轴的结构设计关于轴的各段直径和长度，如图3.3所示。图3.3轴3.3.5求轴上的载荷首先根据轴的结构图做出轴的计算简图3.4。由于使用的轴承位滑动轴承，取a值是取滑动轴承的中点处。根据轴的计算简图做出轴的弯矩图和扭矩图3.5。从轴的机构图以及弯矩和扭矩图中可以看出截面c是轴的危险截面。现将计算出的截面c处的mh、mv及m的值列于表3.3。表3.3c截面处的的力和弯矩扭矩载荷水平面垂直面支反力fnh1=7.6n

20、fnh2=46.6nfnv1=15n fnv2=91n弯矩mmh=663n*mmmv1=1250n*mm mv2=1238n*mm总弯矩m1=m2=扭矩tt=1550n*mm3.3.6按弯扭合成应力校核轴的强度进行校核时，通常只校核轴上承受最大弯矩和扭矩的截面（c危险截面）的强度。根据公式（3.19）其中弯矩m=1403 n*mm；扭矩t=1614n*mm;及轴单向旋转，扭转切应力为脉动循环变应力，取=0.6；w为抗弯、抗扭截面系数，按文献1表15-4公式w=计算。轴的计算应力=17 mpa前已选定轴的材料为45钢，调质处理，由文献1表15-1查得=60 mpa；因此，, 故安全。图3.4轴的

21、受力简图图3.5轴的载荷分析图第4章 基于ug软件的运动分析4.1 ug运动仿真的介绍ug运动分析模块式ug模块中的主要部分，用于建立运动机构模型，分析运动规律。通过ug/modeling的功能建立一个三维实体模型，利用ug/motion的功能给三维实体模型的各个部分赋予一定的运动学特性，再在各个部件之间设立一定的连接关系即可建立一定的运动仿真模型。ug/motion的功能可以对机构进行大量的装配分析工作，运动合理性分析工作，得到大量运动机构的运动参数。通过对这个运动仿真模型进行运动学或动力学运动分析就可以验证该运动机构设计的合理性，并可以利用图形输出各个部件的位移、坐标、加速度、速度和力的变

22、化情况，对运动机构进行优化。运动仿真的实现步骤：（1）建立一个运动分析场；（2）运动分析方案的创建，包括设置每个零件的连杆特性，设置两个连杆之间的运动副和添加机构载荷；（3）进行运动参数的设置，提交运动仿真数据，同时进行运动仿真动画的输出和运动过程的控制；（4）运动分析结果数据输出和表格、变化曲线输出，认为的进行机构运动特性的分析。4.2 运动仿真的过程4.2.1 建立运动分析场景在进行运动仿真之前，先要打开ug运动仿真的主界面。在ug的主界面菜单中单击开始命令，选择运动仿真选项，系统会自动打开运动仿真界面，单击导航栏里的运动导航器，单击里面的motion_1，右击新建运动仿真，系统会自动跳出

23、一个运动仿真环境的选择，如图4.1所示，本文选择动态。图4.1运动环境的选择4.2.2 创建运动分析方案（1）创建连杆。机构就是连在一起运动的连杆的集合。模型任意部分可设置为连杆，而那些无需运动的模块，例如旋梭架，即可设置为固定连杆，图4.2所示为创建旋梭轴和旋梭轴上的齿轮为一个连杆。图4.2连杆的创建本文将旋梭架、大小轴套、旋梭轴套、旋梭轴套u、垫片设置为固定连杆l001，主动轴和大齿轮设置为连杆l002，旋梭和小齿轮设置为连杆l003，分线钩连杆为连杆l004,分线钩杆为连杆l005,分线钩连杆轴和螺母为连杆l006。（2）创建两个连杆之间的运动副。运动副就是将机构中的连杆连接在一起，从而

24、是连杆一起运动。在运动副创建之前，机构中的连杆都是空中浮动的，没有任何约束，具有6个自由度。运动副创建后，会约束一个或几个自由度，运动副具有双重作用；允许所需要的运动和约束不需要的运动。运动副的创建步骤：a、选择运动副的类型；b、创建运动副要约束的第一个连杆；c、创建运动副的第一个连杆的原点和方向；d、创建运动副要约束的第二个连杆；e、创建运动副第二个连杆的原点和方向。图4.3对连杆l002设置为转动副，指定z轴正方向为正方向。图4.3运动副的创建（3）运动参数的设定，定义运动驱动。运动驱动又可分为5中驱动方式，分别为：a、无运动驱动:构件只受重力作用；b、运动函数驱动：用数学函数定义运动方式

25、；c、恒定驱动：恒定的速度和加速度；d、简谐运动驱动：振幅、频率和相位角；e、关节运动驱动：步长和步数。连杆l002的间接动力源为电机，故驱动方式为恒定驱动。双击导航器中已创建的运动副，系统将自动弹出所选择的运动副设置界面，单击驾驶员，即可开始定义运动驱动了。如图4.4所示。图4.4定义运动驱动 （4）运动分析结果的数据输出和变化曲线输出。当连杆、运动副、运动驱动方式全部定义完毕后，创建“解算方案”，设置运动分析的时间和步数，本文中仿真设置的时间为10s，步数为500，如图4.5所示。图4.5解算方案的设置当所有参数全部设定好后，即可在ug仿真界面进行“求解”，求解完毕后，单击菜单中的“动画”

26、，系统将出现动画界面，单击“播放”，即可看到旋梭装置模型运动仿真的过程。ug运动仿真除了可以使模型动起来之外，还可以导出x、y、z三向的运动仿真曲线图。方法如下，单击ug仿真界面菜单中的“生成图表”，系统将弹出图表界面，添加所需要的运动对象和定义y轴，单击“确定”，即会在ug仿真界面出现所需要的图表，如图4.6所示。图4.6图表的创建本文中选择了运动副j008作为分析对象，因为j008所对应的组件为分线钩连杆轴，在运动工程中做往复运动，故得出“时间-幅值”图像如图4.7所示，其中横向表示时间，纵向表示组件运动的幅值。为了便于观察运动仿真的现象，本设计减低了主轴的转速，以便于对仿真现象进行分析。

27、通过分析图像，我们可以得到分线钩连杆轴做往复运动的运动周期约为1.4s，运动幅值为0.185mm。图4.7时间幅值图像第5章 专用夹具的设计5.1 专用夹具的设计本设计对旋梭架的旋梭孔有很高的要求，旋梭的位置直接对整个旋梭装置功能的实现有决定性作用，因此在尺寸公差和位置公差上都有很高的要求。在尺寸上要求与其配合的零件之间的配合公差为，位置上要求对于主轴的垂直度公差为0.02mm，两个孔之间的同轴度公差为0.012mm。为了保证零件的精度，所以通过设计专用的钻孔夹具对该孔进行钻孔加工。5.2 夹紧力的计算由实际加工经验可知，钻削是的主要切削力为钻头的切削方向，即垂直于工作台，查机械手册，主切削力

28、的计算公式为：f=其中系数=270；指数=1 =0.75；修正系数=1；背吃刀量=3mm；进给量=0.3mm/r。f=2703 n=328 n采用气缸推动来达到适当夹紧后本夹具即可安全工作。5.3定位机构的设计本套夹具选用“心轴小平面支撑钉”的定位，通过心轴限制y、z方向上的移动及绕y、z轴的旋转；通过小平面来限制x轴方向上的移动；通过支撑钉限制绕x轴方向的旋转，这样就完成的对六个自由度的限制。由于零件结构的特殊性，心轴采用的是阶梯式的设计方式，方便零件的装卸。钻孔的位置要求与底面垂直，因此利用一个支撑钉和一个可调支撑钉共同作用，完成对绕x轴方向上旋转的限制。5.4 夹具的介绍及操作方法在操作

29、过程中要注意选择合适的切削用量，利用钻床的深度尺来控制钻孔的深度，并经常退出钻头排屑，效果较理想。图5.1夹具装配图图5.2正视图图5.3俯视图图5.4侧视图28参考文献1 濮良贵. 机械设计m. 北京：高等教育出版社, 2007.2 费喜明, 郑建华. 螺旋齿轮齿面接触应力理论计算j. 海区工程大学学报, 2001, 13(3): 90-92.3 赵亚平. 螺旋齿轮啮合原理论研究与试验分析d. 北京: 中国农业大学, 2002.4 王文博. 缝纫机原理快速入门m. 北京: 化学工业出版社,2006.5 杨明才. 工业缝纫设备手册m. 南京: 江苏科学技术出版社, 2001.6 孙桓，陈作模，

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