变速旋转夹具

1、变速旋转夹具说明书 设计者： 姜兴涛 高龙标 申海 徐杨 李圣明 指导教师： 邹德峰 邹永 变速旋转夹具设计者：姜兴涛 高龙标 申海 徐杨 李圣明指导教师：邹德峰 邹永 作品内容简介通过对机械设计基础中轮系授课的考查，生产实习的实践，由于学习齿轮轮系机构这一章中发现轮系结构只是老师的讲解，十分抽象，而如今轮系广泛应用于各种机械传动机构之中，我们需要具体的了解它，知道它的原理，而不是继续停留在只有理论讲述却不知道它的构造的界面，并且在生产中磨削对角度有严格要求的零件时，没有多年的经验工人很难完成，为了解决这一问题，所以我们设计了一套集教学用具为一身的机电产品变速旋转夹具。该作品由三部分组成，机械

2、部分，电气部分以及液压部分.在机械部分中动力源为三相混合式步进电动机，通过伞齿轮传递扭矩到主轴中，保证轮系的均匀运动，在主轴中有两档滑移齿轮调节转速，改变输出轴的转速，通过三个星型轮的组合，提高伞齿轮的转矩，增强动力和控制齿轮在齿条中的往复运动，从而控制夹具台面的运动速度和方向。在电气部分，双行程开关的正反停控制电路，当运动部件达到行程位置，对步进电机进行可编程控制，实现同步电机正反转以及停止的精确控制。在液压部分，采用双杆双作用液压缸，实现在夹具旋转一定角度时的工作台面的往复运动，避免了齿轮倾斜造成的运动不平衡问题。1 研制背景及意义近多年来我国的机械加工技术得到了迅速发展，产品的类型、功能

3、已能基本满足一般的加工需求。随着经济社会的快速发展、产品需求，对机械加工提出更高的要求，尤其是加工对角度有严格要求的工件。并且在大学教学中要求机械课堂有更多的教学模型，使学生更加生动形象的了解熟悉加掌握机械结构的构成，原理及在实践中的应用。1、 国内机械加工的发展近况 在这里所讨论的机械加工中，对角度有一定要求的加工，主要加工形势包括：垫块成一定角度，分度盘获取角度。 垫块成一定角度：工人通过现有垫块，实现角度的加工。这种加工形式角度不能精确控制，特别是在平面磨床中磨削加工对于精确要求角度的工件难以完成。 分度盘获取角度：分度盘虽然可以获得精度角度，但不能进行夹紧，分度盘夹紧之后，需通过夹紧元

4、件实现夹紧，会造成加工误差。2、与国外研究现状的差距 在国外机械加工中对角度要求精确的工件加工使用专用夹具，以及多轴的高精度机床来实现工件角度加工。 综合国内外的调研资料，结合我国的加工现状以及课堂教学，设计出一套适合我国教学环境使用和机械加工的机电产品变速旋转夹具。该产品很好的解决了在教学及生产加工的诸多问题，它结构紧凑，集伞齿轮系机构，定轴轮系和行星轮系为一体的教学机构，在学生面前真实直观的感受机械中轮系机构的功能及用途，可以广泛运用到各大高校的机械课堂中。此外在加工生产中，磨削对角度有严格要求的零件，保证了加工精度和形位公差。运用到中小型企业中可以降低成本，提高生产效率。该作品结构紧凑，

5、真实感知，外形美观的教学工具，有着广阔的应用前景，开发价值。2 设计方案 2.1整体方案设计变速旋转夹具由变数旋转夹具中步进电机作为动力源，由电气控制机械运动，构成真正意义上的机电一体化系统。其中机械部分由步进电机接收信号，低速平稳的传递到锥齿输出转矩，通过拨叉的推动，使主轴上的二级滑移齿轮左右滑动变速，带动长轴上的齿轮旋转，传递到三个系杆链接在一起的短轴上的行星齿轮，起到稳定大扭矩输出及自锁功能，接着在长轴上的锥齿轮改变方向传递到竖直上工作台的动力输出轴，使工作台按照指令左右反复摆动及停止。 变速旋转夹具简图2.2机械部分方案设计 2.2.1 滑移齿轮 滑移齿轮是在轴上可以移动的，它所传递的

6、扭距是传到轴上的，用滑键或花键连接，齿轮啮合实现变速。 2.2.2轴承配合为过盈配合轴承与轴承座之间的配合为过盈配合，紧密的使轴承与轴承座之间连接，可以定位轴使得其不能来回晃动。 2.2.3使用阶梯轴 齿轮的轴均采用阶梯轴而不是光轴，方便齿轮的定位和拆卸，利于装配。齿轮使用轴肩进行定位，利用轴套连接板固定行星轮的轴。 2.2.4副挡板滑道 在副挡板上铣出槽道使输出轴在槽道运动，保证了齿轮紧密啮合。 2.2.5步进电机 步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响。 2.2.6锥齿链接传动动

7、力巧妙的将锥齿轮运用到动力源传动中，增加了空间齿轮演示机构，而且节省了空间。2.3电气部分设计 2.3.1行程开关位置开关（又称限位开关）的一种，是一种常用的小电流主令电器。利用生产机械运动部件的碰撞使其触头动作来实现接通或分断控制电路，达到一定的控制目的。 2.3.2可编程控制器可编程逻辑控制器是一种具有微处理机的数字电子设备，用于自动化控制的数字逻辑控制器，可以将控制指令随时加载内存内储存与执行。可编程控制器由内部CPU，指令及资料内存、输入输出单元、电源模组、数字模拟等单元所模组化组合。 2.3.3永磁吸盘 PLC电气控制工作台 永磁吸盘又名磁力吸盘，是机械加工中广泛运用的磁性夹具，可以

8、大大提高磁性刚性材料装夹效率。永磁吸盘通过手板动手柄转动，从而改变吸盘内磁力系统，达到被加工工件的吸持或释放 。 2.4液压部分设计 2.4.1双杆双作用液压缸双作用液压缸是能由活塞的两侧输入压力油的液压缸。双作用液压缸的执行器是液压运动系统的主要的输出设备，虽然在大小、类型和设计结构上各有不同，通常这部分也是最能被观察到的部分。这些执行器将液体压力转换成快速的、可控的线性运动或力，从而驱动负载。3 理论计算3.1步进电机计算选择由于该示教轮系机构载荷极小，且在室温下工作，用于齿轮传递动力源，根据定位精度和振动方面的要求情况最终选择的步进电动机，参数如下： 型号步距角相电阻相电感额定电流保持转

9、矩重量机身长转动惯量 °（度）mhAKgL（mm） 35HB20-0461.81414.01.50.09134103.2齿轮的理论计算 选齿轮材料及精度等级，因传递功率不大，大，小齿轮都选用软齿面，根据查表，大，小齿轮均选用45号钢调质，齿面硬度为220HBS，因是教具用齿轮，由查表选用七级精度，要求齿面粗糙度Ra1.63.2，由于是在闭式齿轮，所以主要失效形式是齿面点蚀，应先按齿面接触疲劳强度进行设计计算，确定齿轮的主要参数和尺寸，然后按弯曲疲劳强度校核齿根的弯曲强度。先确定有关参数：1） 转矩T 2） 载荷系数K 查表取K=1.353） 齿数z和齿宽系数 定轴轮系中小齿轮齿数=3

10、0，则大齿轮齿数=1.3330=39.8，圆整取=40. 行星轮系中小齿轮=20，则大齿轮. 实际传动比为 传动比误差 可用。 齿数比 齿轮为非对称布置，又为软齿面，所以查得。齿宽系数齿轮相对于轴承的位置齿面硬度软齿面（)硬齿面（）对称布置0.81.40.40.9不对称布置0.61.20.31.6悬臂布置0.30.40.20.254） 许用接触应力由图表查得 由表查得 安全系数和安全系数软齿面（)硬齿面（）重要的传动，渗碳淬火齿轮或铸造齿轮 1.01.11.11.21.31.31.41.41.61.62.2 应力循环系数 由图表查得 由式可得 将个参数代入式中 计算模数 由表取标准模数 主要尺

11、寸 取，则: 按齿根弯曲疲劳强度校核，如满足，则为合格。先确定有关参数和关系数1) 齿形系数 标准外齿轮的齿形系数Z1920222528303540455060801002.852.812.752.652.582.542.472.412.372.352.302.252.18 由表查得 =2.54 =2.41 =2.81 =2.542） 应力修正系数 标准外齿轮的应力修正系数Z1920222528303540455060801001.551.561.581.591.611.631.651.671.691.711.731.771.80由表查得 =1.63 =1.67 =1.56 =1.633）许用

12、弯曲应力 由图表查得 由表查得 由图表查得 可得 将个参数代入式中 轮齿齿根弯曲疲劳强度足够。名称齿数模数材料 锥齿齿轮15245#内齿齿轮80245# 滑移齿轮30245#40245#外齿齿轮30245#20245#3.3轴的理论设计计算1. 轴的动力参数计算1） 电机轴 2） 输入轴 3） 长轴3） 输出轴轴序号功率P/w转速n（r/min）转矩T传动形式传动比i电机轴16473.25锥齿轮1主轴15.84473.22齿轮传动1.34长轴15.2135.073.10齿轮传动1输出轴14.9023.386.09齿轮传动1.52.轴的结构设计计算1）.材料和热处理轴的材料种类很多，主要根据轴的

13、使用条件，对轴的强度、刚度等的要求，采用的热处理方式，同时考虑制造加工工艺，并经济合理的选择轴材料。根据本设计的要求，选45号钢作材料，调质处理。2）结构设计轴的结构构设计使确定整体外形和结构尺寸包括轴长，轴肩等大小和结构位置。轴的结构设计原则： （1）避免应力集中，提高强度。 （2）齿轮定位准确，便于安装。 （3）便于加工制造，加工精度及圆跳动易于满足。 由于圆轴扭转的强度条件： 式中 由上式可得轴的最小直径计算公式： 式中为计算常数，取决于轴的材料和受载情况，查表取，则 轴的最小直径为7.54mm，由于材料的磨损，轴的最小直径取10mm。 输入轴与电机采用锥齿轮相连，所以轴取轴长105mm

14、， 由于长轴贯穿两轮系，所以取轴长220mm，轴颈安装的齿轮内径12的内孔，输出轴深入副板滑道内，取轴长60mm，。齿轮与轴之间采用平键固定，过盈配合，所以取直径12。 （1）主轴结构 （2） 长轴结构 经强度校核，以上主轴，长轴，中危险截面均满足要求，有足够的强度，在工作状态下不会发生弯折等现象。3.3支撑件的选择 变速旋转夹具的支撑件包括底板、立柱、轴承、工作台、支撑板、系杆。他们相互连接，构成变速旋转夹具的基础，支撑夹具的工作部件，为保证夹具部件的相对位置和相对运动精度。支撑件应满足的基本要求:（1） 支撑件应有足够的静刚度和较高的固有频率。支撑件的静刚度包括整体刚度、局部刚度、和接触刚

15、度。我们的夹具，载荷通过支撑导轨面施加到工作台上，使工作台产生整体的弯曲扭矩变形，且是工作台产生局部变形和导轨面施加产生接触变形。（2） 具有良好的动态特性。支撑件应具有较高的静刚度、固有频率、是整体的各阶固有频率远离激振频率，在夹具的整体工作中产生共振；支撑件还必须具有较大的阻尼，以抑制振动的振幅。（3） 支撑件应该结构合理，成型后进行时效处理，充分消除内应力，形状稳定，热变形小，使其在变形后对工作台的运动影响较小。（4） 支撑件应该排屑畅通，易于制造、成本；运输和安装方便。 支撑件的变形主要是弯扭变形。而抗弯刚度、抗扭刚度都是截面惯性矩的函数，随支撑件截面惯性矩的增大而增加。支撑件的结构设

16、计：依据表可以得知（1） 空心截面比实心截面的惯性矩大。（2） 方形截面的抗弯刚度比圆形截面的抗弯刚度大，而抗扭刚度比圆形截面的抗扭刚度低。（3） 不封闭截面的刚度远小于封面刚度，其抗扭刚度下降更大。 3.4导轨的选择导轨的功用是支承并引导运动部件沿一定的轨迹运动，它承受的运动部件和工件的质量和切削力。导轨应满足的基本要求：（1） 导轨具有承载和导向功能，且具有摩擦状态为混合状态。导向精度是导轨副相对运动的直线度（直线运动导轨）或圆度（圆周运动导轨）。（2） 具有精度保持性。精度保持性是导轨设计的关键，也是影响工作台运动的重要指标之一。影响精度保持性的主要因素是磨损，即导轨的耐磨性。导轨在反复

17、接触应力的作用下，材料表层疲劳，产生掉点蚀，它也是导轨的主要失效形式。（3） 满足刚度要求。导轨承载后的变形影响部件之间的相对位置和导向精度。因此要求导轨具有足够的精度。（4） 要求低速运动具有平稳性。当工作台在导轨上运动时，应该保证导轨运行平稳、进给量准确、不产生时快时慢或时走时停的现象。低速运动的平稳性对工作台的运动极为重要。导轨计算滚动直线导轨的计算就是计算其距离额定寿命或时间额定寿命。而额定寿命主要与导轨的额定载荷C和导轨上每个滑块所承受的工作载荷F有关。额定动载荷C值可以从样本上查到。每个滑块所承受的工作载荷F则要根据导轨的安装形式和受力情况进行计算。额定动载荷C是指导轨在一定的载荷

18、下行走一定距离，90%的支承不发生点蚀，这个载荷称为滚动直线导轨的额定动载荷，这个行走距离称为滚动直线导轨的距离额定寿命。如果把这个行走距离换算成时间，则得到时间额定寿命 温度系数fc工作温度<100>100150>150200200250ft1.000.900.730.60 接触系数fc每跟导轨上的滑块数12345fc1.000.810.720.660.40载荷系数fw工作条件无外部冲击或震动的低速运动场合速度小于15无外部冲击或震动的中速运动场合速度小于1560有外部冲击或震动的高速运动场合速度大于60fw11.51.52.02.03.5 等级精度fa精度等级2345fa

19、1.01.00.90.9寿命时间的计算：当行程长度已定，以小时为单位的额定寿命: 式中 l行程长度 n每分钟往复次数 L额定寿命3.5可编程控制器 在制造业和过程工业中，除了以模拟量为被控对象外，还存在着大量的数字量为主的逻辑顺序控制，这一点在以改变几何形状和机械性能为特征的制造业中，尤为突出。它要求控制系统按照逻辑条件和一定的顺序、时序产生控制动作，并能够对来自现场的大量开关量、脉冲、计时、计数等数字信号进行监视和处理。这些工作在早期由继电-接触器电路来实现，其缺点是体积庞大、故障率高、功耗大、不易维修、不易改造和升级等。 而目前，PLC控制器的程序存储容量多以MB为单位，随着超大规模集成电

20、路技术的发展，微处理器的性能大幅提高，指令执行速度达到微秒级，从而极大提高了PLC的数据处理能力，高档的PLC可以进行复杂的浮点运算，并增加了许多特殊功能，如高数计数、脉宽调制变换、PID闭环控制、定位控制等等，从而在以模拟量为主的过程控制领域也占有了一席之地，在一定程度上具备了组建DCS系统的能力。此外，PLC的通信功能和远程I/O能力非常强大，可以组建成分布式通信网络系统。 在组成结构上，PLC具有一体化结构和模块式结构两种模式。一体化结构的PLC追求功能的完善，性能的提高，体积越来越小，有利于安装。而模块式结构的PLC则利用单一功能的各种模块拼装成一台完整的PLC，用户在设计自己的PLC

21、控制系统时拥有极大的灵活性，并使设备的性价比达到最优。同时，模块式结构也有利于系统的维护、换代和升级，并使系统的扩展能力大大加强。可编程控制器的生产是基于工业控制的需要，是面向工业控制领域的专用设备，归纳为以下几点：1.可靠性高，抗干扰能力强；2.灵活性强，控制系统具有良好的柔性；3.通用性强，使用方便；4.功能强，适应面广；5.编程简单，容易掌握6.PLC控制系统的设计、安装、调试、维护方便；7.体积小、重量轻、功耗低；1.可编程控制器的硬件组成PLC 实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相似。PLC从结构上分为固定式和组合式（模块式）两种。固定式PLC包括CPU板

22、、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。2.可编程控制器的选择 一般选择PLC型号从输入/输出点，储存容量，I/O响应时间，输出负载的特点，在线和离线编程等方面考虑。PLC容量选择 首先对控制任务进行详细分析，吧所有的I/O点找出来，包括开关量I/O和模拟量I/O，以及这些I/O端口的性质。然后对用户储存器容量进行估计，户存所需内存容量受到内存利用率，开关量输入/输出点数，模拟量输入/输出点数和用户编程水平几个主要因素的影响。3.6 步进驱动器原理步进驱动器是一

23、种将电脉冲转化为角位移的执行机构。相当于开关的组合单元，对控制脉冲进行环形分配、功率放大，使步进电机绕组按一定顺序通电，控制电机转动。 当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(称为“步距角”)，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机和步进电机驱动器构成步进电机驱动系统。步进电机驱动系统的性能，不但取决于步进电机自身的性能，也取决于步进电机驱动器的优劣。对步进电机驱动器的研究几乎是与步进电机的研究同步进行的。步进电机

24、驱动器主要由方波产生电路、脉冲环型分配电路和功率放大电路这三大电路组成，通过其三大电路实现控制电机的功能，很方便地改变电机的转动速度和方向。此外，步进驱动器有一大特色，可适当地对它进行细分，进而消除电机的低频振荡。PLC和步进电机接线图3.7行程开关在各类开关中，有一种对接近它物件有“感知”能力的元件位移传感器。利用位移传感器对接近物体的敏感特性达到控制开关通或断的目的，这就是接近开关。接近开关又称无触点行程开关，它除可以完成行程控制和限位保护外，还是一种非接触型的检测装置，用作检测零件尺寸和测速等，也可用于变频计数器、变频脉冲发生器、液面控制和加工程序的自动衔接等。特点有工作可靠、寿命长、功

25、耗低、复定位精度高、操作频率高以及适应恶劣的工作环境等。 一种用于工业自动化控制系统中以实现检测、控制并与输出环节全盘无触点化的新型开关元件。当开关接近某一物体时，即发出控制信号。4 工作原理及性能分析变数旋转夹具中以步进电机作为动力源，由电气控制机械运动，构成真正意义上的机电一体化系统。其中机械部分由步进电机接收信号，低速平稳的传递到锥齿输出转矩，通过拨叉的推动，使主轴上的二级滑移齿轮左右滑动变速，带动长轴上的齿轮旋转，传递到三个系杆链接在 一起的短轴上的行星齿轮，起到稳定大扭矩输出及自锁功能，接着在长轴上的锥齿轮改变方向传递到竖直上工作台的动力输出轴，通电螺线管产生磁力把工件夹紧,工作台按

26、照指令左右反复摆动及停止。 夹具结构图 电气控制部分中，通过行程开关的控制实现行程自动往复循环控制线路。行程开关的常开触点和常闭触点全要用上，让SQ1放在右端需要反向的位置，而SQ2发在左端需要反向的位置，挡块装在平移部件上。启动时，利用正反向启动按钮，若按下正转按钮SB2，接触器KM1线圈通电并自锁，步进电机正转带动夹具工作台左移，当工作台移至左端并碰到SQ1时，将行程开关SQ1压下，其常闭触点断开，切断块碰到行程开关SQ2时，SQ2的常闭触点断开KM2线圈回路，同时SQ2的常开触点又接通KM1线圈回路，步进电机又从反转变为正转，如此往复循环运动。5 创新点及应用 变速旋转夹具，作为一种结构紧凑，外形美观的夹具。可以实现无极变速，还可以精准定位旋转，将分度盘安装在夹具体上，实现机械加工中对有严格角度要求的工件。以及运用到各高校机械专业的课堂上，让同学真实感知，接触到真正的机械结构，加深理解，提高同学们对机械结构的学习兴趣。有着广阔的应用前景及开发价值。其创新点主要体现在以下几个方面： （1）变速旋转夹具，使用滑移齿轮和轮系结构相结合，结构紧凑，还可以实现夹具体的有级变速，满足不同等级的