金屬梳自動清洗機的設計
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畢業(yè)設計說明書(論文)
作 者:
3號楷體
學 號：
3號楷體
學院(系):
3號楷體
專 業(yè):
3號楷體
題 目:
金屬梳自動清洗機的設計
3號楷體
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指導者：
(姓 名) (專業(yè)技術職務)
3號楷體
3號楷體
評閱者：
(姓 名) (專業(yè)技術職務)
2015年 6 月
畢業(yè)設計說明書（論文）中文摘要
本文主要介紹金屬梳自動清洗機的發(fā)展狀況，金屬梳自動清洗機結構設計原理，金屬梳自動清洗機總體方案分析及確定，金屬梳自動清洗機結構設計內容所包含的機械圖紙的繪制，金屬梳自動清洗機的計算，金屬梳自動清洗機的結構設計結論與建議。
整機結構主要由電動機減速器產生動力通過小帶輪將需要的動力傳遞到大帶輪上，帶輪帶動主軸，從而帶動整機裝置運動,此可以代替人手的繁重勞動，顯著減輕工人的勞動強度，改善勞動條件，提高勞動生產率和生產自動化水平。
本論文研究內容：
(1) 金屬梳自動清洗機總體結構設計。
(2) 金屬梳自動清洗機工作性能分析。
(3)電動機的選擇。
(4) 金屬梳自動清洗機的傳動系統(tǒng)、執(zhí)行部件及機架設計。
(5)對設計零件進行設計計算分析和校核。
(6)運用計算機輔助設計，對設計的零件進行三維建模。
(7)繪制整機裝配圖及重要部件裝配圖和設計零件的零件圖。
關鍵詞： 金屬梳自動清洗機，結構設計，三維建模；步進電機
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畢業(yè)設計說明書（論文）外文摘要
This mainly introduced in this paper metal comb automatic cleaning machine, the current situation, metal comb automatic cleaning machine structure design principle, metal comb automatic cleaning machine overall scheme analysis and determination, metal comb automatic cleaning machine structure design content contained in the mechanical drawing of rendering, metal comb automatic calculation of washing machine, metal comb automatic cleaning machine structure design of the conclusions and recommendations.
Whole structure mainly consists of the motor reducer to generate power through a small pulley will need the power is transferred to the big belt wheel, belt wheel drive shaft, so as to drive the motion of the whole device, which can replace the heavy manual labor, significantly reduce the labor intensity of workers, improve working conditions, improve labor productivity and automation level of production.
Research content of this thesis:
(1) overall structure design of metal comb automatic cleaning machine.
(2) working performance analysis of metal comb automatic cleaning machine.
(3) motor selection.
(4) the transmission system, the execution parts and the frame design of the metal comb automatic cleaning machine.
(5) design and calculation of the design parts for calculation and verification.
(6) the use of computer-aided design, the design of three-dimensional modeling of parts.
(7) drawing the assembly drawings and important parts of the assembly drawings and parts drawings of the design parts.
Key words: metal comb automatic cleaning machine structure design 3D modeling stepper motor
目 錄
1 緒 論 1
1.1 選題的背景、意義 1
1.2 國內金屬梳自動清洗機的發(fā)展狀況 1
1.3 金屬梳自動清洗機的發(fā)展趨勢 2
1.4 本文研究主要內容 3
2 金屬梳自動清洗機機構總體方案設計 4
2.1 基本結構 4
2.2 設計原則 4
2.3 方案分析 4
2.3.1 第一方案 4
2.3.2第二方案 5
2.3.3第三方案 5
2.3.4 最終方案 6
3 金屬梳自動清洗機的機械部分計算 7
3.1電機的選取 7
3.2 帶傳動設計 9
3.2.1 選擇帶型 10
3.2.2確定帶輪的基準直徑并驗證帶速 11
3.2.3確定中心距離、帶的基準長度并驗算小輪包角 11
3.2.4確定帶的根數(shù)z 12
3.2.5確定帶輪的結構和尺寸 12
3.2.6確定帶的張緊裝置 13
3.3 軸的校核 15
3.4 鍵的校核 15
3.5 軸承的校核 16
3.6 風機參數(shù)的選擇和計算 17
3.6.1 風機計算 17
3.6.2 風機參數(shù)的選擇 18
4 毛刷工作機構設計 19
4.1 電機的選型 19
4.2 毛刷主軸的設計 20
4.2.1 確定毛刷主軸最小直徑 20
4.2.2 求軸上的載荷 21
4.2.3 按彎曲扭轉合成應力校核軸的強度 22
4.2.4 精確校核軸的疲勞強度 22
5 氣缸元件的計算 26
5.1氣缸的選擇 26
5.2 氣缸結構 30
5.3 工作原理 31
5.3.1下壓機構氣缸的計算 32
5.3.2 其余氣缸的選型 32
總 結 33
致 謝 34
參考文獻 35
本科畢業(yè)設計說明書（論文） 第36頁 共41頁
1 緒 論
1.1 選題的背景、意義
隨著我國經(jīng)濟的蓬勃發(fā)展，國民經(jīng)濟各領域對產品的需求日益擴大，制造業(yè)對各種金屬梳的質量要求也越來越高。線的質量好壞、直接關系到下道工序能否順利進行，特別是超細規(guī)格的線質量要求很高；。目前國內使用的金屬梳自動清洗機械，卷取主軸多用力矩電機驅動，排線機構與主軸采用機械齒合傳動的硬耦合連接，通過絲杠或光桿帶動金屬梳器左右平移、依靠齒輪或電磁鐵的離合動作實現(xiàn)換向，達到往復排線的工藝要求。這種純機械耦合機構存在零件加工和裝配復雜、因頻繁換向導致機械磨損大、噪聲大、排線精度降低[2]。
此外，由于絲線的規(guī)格品種繁多，每次改變品種規(guī)格、都要重新調整金屬梳自動清洗機的機械參數(shù)，甚至更換機械零件，一套機構無法同時滿足對不同規(guī)格絲線的清洗機需要?；诖?，我們提出了本課題的研究。
本文介紹一種新型清洗機裝置，利用先進的數(shù)字控制技術，將主軸送進傳動與切斷，分別用不動的動力獨立驅動、實現(xiàn)對清洗機連接。采用FX2N一32MT可編程序控制器、脈沖測速碼盤及光電傳感器控制，檢測步進電機的工況，實現(xiàn)了計算機數(shù)字控制和柔性化參數(shù)設置。新系統(tǒng)具有：穩(wěn)定、準確、靈活、快速的特點，適用于對各種規(guī)格絲線的繞排線控制。
1.2 國內金屬梳自動清洗機的發(fā)展狀況
目前我國金屬梳自動清洗機行業(yè)處于非常困難的時期，如何才能使整個行業(yè)從技術的互相模仿與殘酷的價格戰(zhàn)等困境中脫身而出？從業(yè)企業(yè)只有放下急于求成的心態(tài)，從基礎理論、新技術研發(fā)等領域出發(fā)，一絲不茍地修煉自己的自主創(chuàng)新能力。
金屬梳自動清洗機結合了機械、傳動、電氣控制等多方面的技術，所以基礎理論研究是開發(fā)新技術的基礎，只有核心技術的發(fā)展才能推動清洗機設備的進步，各方面為技術開發(fā)做努力，這樣才會使我國的清洗機設備逐步走上自主創(chuàng)新的道路。
?國產的金屬梳自動清洗機自動化水平低、控制手段落后是普遍存在的問題。只能應用于清洗機要求相對不高的場合，高端設備都有日本、瑞士、德國等進口設備占領市場，而國產設備只能在很小的市場份額里以低價來爭得客戶， 分析我國金屬梳自動清洗機市場目前處于高速發(fā)展的時期，相反我國的金屬梳自動清洗機生產企業(yè)的處境卻相當?shù)钠D難，不難看出，極大的市場份額都是進口設備，在國內市場獲得高利潤的回報，在新機型的開發(fā)上就有了強大的資金保障，而我們國內企業(yè)的銷售利潤偏低，去掉銷售環(huán)節(jié)中存在的費用，留給企業(yè)的回報已經(jīng)所剩無及了，所以不斷的提升自主創(chuàng)新能力，才能市場份額較大的中高端市場，來打破目前的艱難局面[4]。
1.3 金屬梳自動清洗機的發(fā)展趨勢
金屬梳自動清洗機是機械行業(yè)中的主要加工設備，金屬梳自動清洗機的質量、數(shù)量及自動化水平，直接影響整個機械行業(yè)的發(fā)展；金屬梳自動清洗機的自動化水平對提高生產效率和產品質量，減輕操作人員的體力勞動等方面都起到極為重要的作用。
先進的機械制造技術能在很大程度上提高金屬梳自動清洗機的自動化水平。機械制造技術是研究產品設計、生產、加工制造、銷售使用、維修服務乃至回收再生的整個過程的工程學科,是以提高質量、效益、競爭力為目標,包含物質流、信息流和能量流的完整的系統(tǒng)工程。隨著社會的發(fā)展,人們對產品的要求也發(fā)生了很大變化,要求品種要多樣、更新要快捷、質量要高檔、使用要方便、價格要合理、外形要美觀、自動化程度要高、售后服務要好、要滿足人們越來越高的要求,就必須采用先進的機械制造技術。
（1） PLC在清洗機設備中的應用
PLC具有很強的抗干擾能力及高可靠性，這點對清洗機設備非常重要，設備的穩(wěn)定性很大程度上依賴于電氣控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，PLC和同等規(guī)模的繼電接觸器系統(tǒng)相比，電氣接線及開關接點已減少到數(shù)百甚至數(shù)千分之一，故障率也就大大降低了；如今的清洗機設備由于加工特性的關系，其控制功能和要求都不相同，PLC很好的滿足了設備的要求，如今功能單元大量出現(xiàn)，使PLC可以同時應用于位置控制、溫度控制、CNC等各種工業(yè)控制中，在研發(fā)清洗機設備時通常都需要定制控制系統(tǒng)，由于PLC用存儲邏輯代替接線邏輯，大大減少了控制設備外部的接線，使控制系統(tǒng)設計及建造的周期大為縮短[11]。在清洗機設備中控制系統(tǒng)中PLC的使用情況大致可歸納為如下幾類：
1、開關量的邏輯控制
? 這是PLC最基本、最廣泛的應用領域，它取代傳統(tǒng)的繼電器電路，實現(xiàn)邏輯控制、順序控制。
2、模擬量控制
??在清洗機設備生產過程當中，有許多連續(xù)變化的量，如速度、圈數(shù)、排線桿位置等都是模擬量，PLC將以上數(shù)據(jù)采集后加以運算。
3、運動控制
? 如今的金屬梳自動清洗機都配置有步進電機或伺服電機，可以通過PLC直接對這些執(zhí)行單元進行驅動控制[5]。
（2） 測試和測量系統(tǒng)在金屬梳自動清洗機中的運用
測試技術是測量和實驗技術的統(tǒng)稱。在現(xiàn)代機電設備的研發(fā)和創(chuàng)新設計、老產品改造以及機電產品全壽命的各個過程的研究中，實驗研究是必不可少的環(huán)節(jié)。在工程試驗中，需要進行各種物理量的測量，以得到準確的定量結果。當然，不僅是各類工程試驗需要測量，機器和生產過程的運用監(jiān)測、控制和故障診斷也需要在線測量。這時，測量系統(tǒng)大多就是機器和生產線的重要組成部分[6]。
（3） 機電一體化在金屬梳自動清洗機中的應用
機電一體化是隨著生產和技術的發(fā)展，在以機械、電子技術等為主的多門技術學科相互滲透、相互結合過程中逐漸形成和發(fā)展起來的一門新興邊緣技術科學。性能上，向高精度、高生產效率、高性能、智能化的方向發(fā)展。功能上，向小型化、輕型化、多功能化方向發(fā)展。通過機電一體化技術的運用使得整體結構最優(yōu)化、系統(tǒng)控制智能化、操作性能柔性化。通過測試系統(tǒng)、自動控制系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)達到機電一體化的目的[7]。
1.4 本文研究主要內容
通過利用網(wǎng)絡工具、圖書館的書籍和各類期刊、雜志查閱了解金屬梳自動清洗機的相關知識，確定本設計符合要求，滿足需要。具體設計方法如下：
1、查閱資料、結合所學專業(yè)課程，產生金屬梳自動清洗機結構設計的基本思路；
2、查閱各類機械機構手冊，確定合理的金屬梳自動清洗機結構；
3、根據(jù)給定技術參數(shù)來選擇合適的部位；
4、重點對驅動機構及控制機構進行設計研究；
5、通過研究國內外情況，確定本設計課題的重點設計；
6、完成2D裝配圖的設計和繪制，并由此繪制零件圖；
7、編寫設計說明書；
8、檢查并完善本設計課題。
本設計采用的方法是理論設計與經(jīng)驗設計相結合的方案，所運用的資料來源廣泛，內容充足。
2 金屬梳自動清洗機機構總體方案設計
2.1 基本結構
金屬梳自動清洗機其功能部件(1)由支承體(9)、帶動力裝置的金屬梳自動清洗機等組成。由功能部件(1)，電動機(8)和機架（6)等構成的金屬梳自動清洗機，下圖是該機器的工作原理圖。
2.2 設計原則
金屬梳自動清洗機其功能部件(1)由支承體(9)、帶動力裝置的金屬梳自動清洗機切刀部件和包壓線或機筒等組成。由功能部件，電動機和機架(或機腳)等構成金屬梳自動清洗機。在功能部件中的金屬梳自動清洗機轉子上裝有使毛刷
2.3 方案分析
2.3.1 第一方案
采用平鋪帶式傳送裝置，將金屬梳手工放落在傳送帶上，由電動機帶動傳送帶將金屬梳送到毛刷。
此輸送裝置由于需要電機通過軸帶動輸送帶滾筒轉動
金屬梳自動清洗機示意圖如下圖所示：
圖2.3.1 臥式金屬梳自動清洗機示意圖
Fig.2.3.1 schematic diagram of horizontal shredding machine
據(jù)上圖2.3.1臥式金屬梳自動清洗機示意圖，不難看出此金屬梳自動清洗機包括2個電機，3根軸，滾筒，輸送帶，帶輪，帶輪等等。金屬梳自動清洗機零件眾多，這無疑增加了金屬梳自動清洗機的制造成本與維護運行成本。對于廣大的金屬梳來說，這種臥式金屬梳自動清洗機很顯然不是他們理想的選擇。因此，設計出一款小型且制造成本低廉，適用與金屬梳自動清洗機非常必要。
2.3.2第二方案
輸送裝置仍然采用圓管帶式輸送，把金屬梳平鋪在帶上后，隨帶前進，但在輸送帶之間安裝兩個喂入輪，做相對回轉時，把輸送帶傳送的金屬梳擠壓夾持后，送入到切碎口，曲線型刃口的轉刀制造、磨刃均較方便，清洗阻力矩變化平緩，但金屬梳有向外推移的現(xiàn)象，刃口磨損也不均勻。而直線型動刀制造、磨刃均比較簡單、強度好，缺點是清洗開始時，往往將金屬梳向外推移，此時清洗點離軸心的距離較大，因而清洗阻力矩大大增加，致使清洗阻力矩在清洗過程中變化劇烈
2.3.3第三方案
經(jīng)過以上兩種方案的分析、研究及比較，最終方案確定如下：
設計一種小型的立式金屬梳自動清洗機取代一般的臥式金屬梳自動清洗機既避免了功率消耗大，成本高等缺點；又可讓金屬梳少擠壓與擦傷
參照圖2.1.1、圖2.1.2，立式金屬梳自動清洗機由功能部件(1) 、電機支架(2)、電磁調速電機(3)、螺栓(4)、帶輪(5)、機架(6)等組成。
功能部件(1)是本實用新型金屬梳自動清洗機的核心，它由帶輪(7)、軸承(8)、支承體(9)、主軸(10)、防污密封軸承端蓋(11)、墊套(12)、機殼(13)、螺母、毛刷、擋板(16)、出料門(17)等構成。電機支架(2)可連同電機(3)一起繞螺栓(4)沿逆時針方向轉動90度后固定在機架(6)上，使電機(3)平臥，以便用來驅動其它臥式機械，提高電機的利用率。機架(6)是功能部件(1)和電動機(3)的聯(lián)系和支承件。
2.3.4 最終方案
金屬梳自動清洗機其功能部件由支承體、帶動力裝置的金屬梳自動清洗機毛刷部件和機筒等組成。由功能部件(1)，電動機(8)和機架（6)等構成的金屬梳自動清洗機，其特征是轉子上裝有使刀刃切鍘平面垂直于主軸的毛刷功能部件(下部內有能使物料自動卸出，設有與刀片)相對。
3 金屬梳自動清洗機的機械部分計算
3.1電機的選取
金屬梳自動清洗機在工作時，在運轉穩(wěn)定性較好（保障運轉穩(wěn)定性的條件：有足夠的轉動慣量；發(fā)動機有足夠的儲備功率和較靈敏的調速器）的條件下，其功率總耗用N 由兩部分組成：一部分用于克服空轉而消耗的功率（占總功率消耗的5%-7%），一部分用于克服脫粒阻力而消耗的功率（占總功率消耗的93%-95%），所以裝置的功率消耗為：
N =+ （kW ） (4) 1)其中空轉功率消耗: =+
式中：——系數(shù)，為克服軸承及傳動裝置的摩擦阻力的功率消耗，
B——系數(shù)，為克服滾筒轉動時的空氣迎風阻力而消耗的功率， .
其中消耗:這個過程比較復雜，
清洗裝置消耗的功率由下式可求得：
(6)
其中：——單位時間進入清選裝置的質量（）；
——單位脫出物質量清選篩所需的功率（）
——選別能力系數(shù)，0.8-0.9。
由于計算較為復雜，初步采用估算的方法，擬采用Y132M-4電動機。
查《機械設計課程設計手冊》得：
選擇，其銘牌如下表2-1：
表2-1 Y系列三相異步電動機
電動機型號
額定功率 KW
滿載轉速 r/min
堵轉轉矩/額定轉矩
最大轉矩/額定轉矩
質量 Kg
Y132M-4
7.5
同步轉速1500 r/min,4級
1440
2.2
2.2
81
（a）
（b）
圖2-3 電動機的安裝及外形尺寸示意圖
表2-2 電動機的安裝技術參數(shù)
中心高/mm
外型尺寸/mm
L×（AC/2+AD）×HD
底腳安裝
尺寸A×B
地腳螺栓 孔直徑K
軸伸尺
寸D×E
裝鍵部位
尺寸F×GD
132
515× 345× 315
216 ×178
12
38× 80
10 ×43
3.2 帶傳動設計
輸出功率P=7.5kW,轉速n1=1440r/min,n2=500r/min
表3-1 工作情況系數(shù)
工作機
原動機
ⅰ類
ⅱ類
一天工作時間/h
10~16
10~16
載荷
平穩(wěn)
液體攪拌機；離心式水泵；通風機和鼓風機（）；離心式壓縮機；輕型運輸機
1.0
1.1
1.2
1.1
1.2
1.3
載荷
變動小
帶式運輸機（運送砂石、谷物），通風機（）；發(fā)電機；旋轉式水泵；金屬切削機床；剪床；壓力機；印刷機；振動篩
1.1
1.2
1.3
1.2
1.3
1.4
載荷
變動較大
螺旋式運輸機；斗式上料機；往復式水泵和壓縮機；鍛錘；磨粉機；鋸木機和木工機械；紡織機械
1.2
1.3
1.4
1.4
1.5
1.6
載荷
變動很大
破碎機（旋轉式、顎式等）；球磨機；棒磨機；起重機；挖掘機；橡膠輥壓機
1.3
1.4
1.5
1.5
1.6
1.8
根據(jù)V帶的載荷平穩(wěn)，兩班工作制（16小時），查《機械設計》P296表4，
取KA＝1.1。即
3.2.1 選擇帶型
普通V帶的帶型根據(jù)傳動的設計功率Pd和小帶輪的轉速n1按《機械設計》P297圖13－11選取。
圖3-1 帶型圖
根據(jù)算出的Pd＝8.25kW及小帶輪轉速n1＝1440r/min ，查圖得：dd=80～100可知應選取A型V帶。
3.2.2確定帶輪的基準直徑并驗證帶速
由《機械設計》P298表13－7查得，小帶輪基準直徑為80～100mm
則取dd1=90mm> ddmin.=75 mm（dd1根據(jù)P295表13-4查得）
表3-2 V帶帶輪最小基準直徑
槽型
Y
Z
A
B
C
D
E
20
50
75
125
200
355
500
由《機械設計》P295表13-4查“V帶輪的基準直徑”，得=250mm
① 誤差驗算傳動比： （為彈性滑動率）
誤差 符合要求
② 帶速
滿足5m/s300mm，所以宜選用E型輪輻式帶輪。
總之，小帶輪選H型孔板式結構，大帶輪選擇E型輪輻式結構。
帶輪的材料：選用灰鑄鐵，HT200。
3.2.6確定帶的張緊裝置
選用結構簡單，調整方便的定期調整中心距的張緊裝置。
3.8計算壓軸力
由《機械設計》P303表13－12查得，A型帶的初拉力F0＝133.46N，上面已得到=153.36o，z=8，則
對帶輪的主要要求是質量小且分布均勻、工藝性好、與帶接觸的工作表面加工精度要高，以減少帶的磨損。轉速高時要進行動平衡，對于鑄造和焊接帶輪的內應力要小, 帶輪由輪緣、腹板（輪輻）和輪轂三部分組成。帶輪的外圈環(huán)形部分稱為輪緣，輪緣是帶輪的工作部分，用以安裝傳動帶，制有梯形輪槽。由于普通V帶兩側面間的夾角是40°，為了適應V帶在帶輪上彎曲時截面變形而使楔角減小，故規(guī)定普通V帶輪槽角 為32°、34°、36°、38°（按帶的型號及帶輪直徑確定），輪槽尺寸見表7-3。裝在軸上的筒形部分稱為輪轂，是帶輪與軸的聯(lián)接部分。中間部分稱為輪幅（腹板），用來聯(lián)接輪緣與輪轂成一整體。
表3-5 普通V帶輪的輪槽尺寸（摘自GB/T13575.1-92）
項目
符號
槽型
Y
Z
A
B
C
D
E
基準寬度
b p
5.3
8.5
11.0
14.0
19.0
27.0
32.0
基準線上槽深
h amin
1.6
2.0
2.75
3.5
4.8
8.1
9.6
基準線下槽深
h fmin
4.7
7.0
8.7
10.8
14.3
19.9
23.4
槽間距
e
8 ± 0.3
12 ± 0.3
15 ± 0.3
19 ± 0.4
25.5 ± 0.5
37 ± 0.6
44.5 ± 0.7
第一槽對稱面至端面的距離
f min
6
7
9
11.5
16
23
28
最小輪緣厚
5
5.5
6
7.5
10
12
15
帶輪寬
B
B =( z -1) e + 2 f ? z —輪槽數(shù)
外徑
d a
輪 槽 角
32°
對應的基準直徑 d d
≤ 60
-
-
-
-
-
-
34°
-
≤ 80
≤ 118
≤ 190
≤ 315
-
-
36°
60
-
-
-
-
≤ 475
≤ 600
38°
-
＞ 80
＞ 118
＞ 190
＞ 315
＞ 475
＞ 600
極限偏差
± 1
± 0.5
V帶輪按腹板（輪輻）結構的不同分為以下幾種型式：
（1） 實心帶輪：用于尺寸較小的帶輪(dd≤(2.5～3)d時)，如圖3-2a。
（2） 腹板帶輪：用于中小尺寸的帶輪(dd≤ 300mm 時)，如圖3-2b。
（3） 孔板帶輪：用于尺寸較大的帶輪((dd－d)＞ 100 mm 時)，如圖3-2c 。
（4） 橢圓輪輻帶輪：用于尺寸大的帶輪(dd＞ 500mm 時)，如圖3-2d。
（a） （b） （c） （d）
圖3-2 帶輪結構類型
根據(jù)設計結果，可以得出結論：小帶輪選擇實心帶輪，如圖（a）,大帶輪選擇腹板帶輪如圖（b）
3.3 軸的校核
需要驗算傳動軸薄弱環(huán)節(jié)處的傾角荷撓度。驗算傾角時，若支撐類型相同則只需驗算支反力最大支撐處傾角；當此傾角小于安裝齒輪處規(guī)定的許用值時，則齒輪處傾角不必驗算。驗算撓度時，要求驗算受力最大的齒輪處，但通?？沈炈銈鲃虞S中點處撓度（誤差<%3）.
當軸的各段直徑相差不大，計算精度要求不高時，可看做等直徑，采用平均直徑進行計算，計算花鍵軸傳動軸一般只驗算彎曲剛度，花鍵軸還應進行鍵側擠壓驗算。彎曲剛度驗算；的剛度時可采用平均直徑或當量直徑。一般將軸化為集中載荷下的簡支梁，其撓度和傾角計算公式見【5】表7-15.分別求出各載荷作用下所產生的撓度和傾角，然后疊加，注意方向符號，在同一平面上進行代數(shù)疊加，不在同一平面上進行向量疊加。
：通過受力分析，
最大撓度：
查【1】表3-12許用撓度；
。
3.4 鍵的校核
鍵和軸的材料都是鋼，由【4】表6-2查的許用擠壓應力,取其中間值，。鍵的工作長度，鍵與輪榖鍵槽的接觸高度。由【4】式（6-1）可得
可見連接的擠壓強度足夠了，鍵的標記為：
3.5 軸承的校核
⑴、軸軸承的校核
Ⅰ軸選用的是深溝球軸承6206，其基本額定負荷為19.5KN, 由于該軸的轉速是定值，所以齒輪越小越靠近軸承，對軸承的要求越高。根據(jù)設計要求，應該對Ⅰ軸未端的滾子軸承進行校核。
②軸傳遞的轉矩
∴
受力
根據(jù)圖3.12受力分析和受力圖可以得出軸承的徑向力為:
圖3.12受力分析和受力圖
在水平面：
在水平面：
∴
④因軸承在運轉中有中等沖擊載荷，又由于不受軸向力，【4】表13-6查得載荷系數(shù)，取，則有：
⑤軸承的壽命計算:所以按軸承的受力大小計算壽命
故該軸承6206能滿足要求。
⑵、其他軸的軸承校核同上，均符合要求。
3.6 風機參數(shù)的選擇和計算
3.6.1 風機計算
(1）風機葉輪葉輪的外徑D1
(2)
其中為壓力系數(shù)，一般取=0.35。
代入上式得：23.61(m/s)
==60/(3.14×650)×23.61=0.69m
取=0.70m。
(2）風扇進風口的直徑=(0.65～0.8)，?。?.70×0.70=0.50m。
(3）風扇寬度Ｂ
，取B=0.50m。
(4）風機出風口高度S
，取0.28m。
(5)風扇功率
(6)葉輪內徑
＝,?。剑?4×0.70=0.28m
(7）葉片數(shù)的確定
,取片。
3.6.2 風機參數(shù)的選擇
本設計中的風機采用的是機械中廣泛采用的農用型風機,葉片采用直葉,外形為切角的矩形,以改善風機出口氣流的不均勻性,殼體為蝸殼形外殼,據(jù)試驗懸浮速度為之間,比重/cm3,選取風機的風速為。
(1)假設輕質夾雜物的質量為，
——輕質雜質量與空氣量之比的系數(shù)，通常，
則空氣的流量為=0.050/0.25=0.20 m3/s
(2)風機的全壓力為：
=+=2/2+15=72×0.1+15=19.9/2
4 毛刷工作機構設計
4.1 電機的選型
（1） 基于電動機的以上特點，本文選用作為北京和利時電機技術有限公司部分110BYG系列混合式步進電機作為毛刷驅動裝置。
圖3.1是北京和利時電機技術有限公司部分110BYG系列混合式步進電機的技術數(shù)據(jù)。
圖3.1 110BYG系列混合式步進電機的技術數(shù)據(jù)
所以根據(jù)計算所得數(shù)據(jù)選擇110BYG350DH-SAKRMA型號的電機，圖3.2是110BYG系列混合式步進電機的型號說明。
圖3.2 110BYG系列混合式步進電機的型號說明
110BYG系列混合式步進電機的外形尺寸，如圖3.3所示。
圖3.3 110BYG系列混合式步進電機的外形尺寸
110BYG系列混合式步進電機的矩頻特性曲線，如圖3.4所示。
圖3.4 110BYG350DH型電機矩頻特性曲線
4.2 毛刷主軸的設計
4.2.1 確定毛刷主軸最小直徑
（1）先按課本式（15-2）初步估算軸的最小直徑。選取軸的材料為45鋼,調質處理。根據(jù)課本，取，于是得
＝112×10.23
根據(jù)切削機床主軸的設計相關知識，前面章節(jié)已經(jīng)做了說明，在此不具體說明，
擬定軸的結構如下圖，
軸的受力情況如下圖：
圖6.3 軸的受力圖
4.2.2 求軸上的載荷
從軸的結構圖以及彎矩和扭矩圖中可以看出截面Ｃ是軸的危險截面。計算步驟如下：
＝＝＝4 966.34 N
＝＝＝3 960.59 N
＝＝＝2 676.96 N
＝＝3 356.64-2 676.96＝679.68 N
＝＝4 966.34×57.1＝283 578.014
＝＝2 676.96×57.1＝152 854.416
＝＝679.68×71.6＝486 65.09
＝＝＝322 150.53
＝＝＝287 723.45
表6.5 軸設計受力參數(shù)
載 荷
水平面H
垂直面V
支反力
＝4 966.34 N，＝3 960.59 N
＝2 676.96 N，＝679.68 N
彎矩M
＝283 578.014
＝152 854.416
＝486 65.09
總彎矩
＝322 150.53 ,＝287 723.45
扭矩T
1 410 990
4.2.3 按彎曲扭轉合成應力校核軸的強度
進行校核時，通常只校核軸上承受最大彎矩和扭矩的截面（即危險截面C）的強度。根據(jù)課本式(15-5)及表7.2中的數(shù)據(jù)，以及軸單向旋轉，扭轉切應力為脈動循環(huán)變應力，取＝0.6，軸的計算應力
＝＝ MPa＝12.4 MPa
前已選軸材料為45鋼，調質處理，查課本表15-1得[]＝60MP。因此〈 []，故此軸安全。
4.2.4 精確校核軸的疲勞強度
（1）判斷危險截面
截面A,Ⅱ,Ⅲ,B只受扭矩作用，雖然鍵槽、軸肩及過渡配合所引起的應力集中均將消弱軸的疲勞強度，但由于軸的最小直徑是按扭轉強度較為寬裕確定的，所以截面A,Ⅱ,Ⅲ,B均無需校核。
從應力集中對軸的疲勞強度的影響來看，截面Ⅳ和Ⅴ處過盈配合引起的應力集中最嚴重，從受載來看，截面C上的應力最大。截面Ⅴ的應力集中的影響和截面Ⅳ的相近，但是截面Ⅴ不受扭矩作用，同時軸徑也較大，故不必做強度校核。截面C上雖然應力最大，但是應力集中不大（過盈配合及鍵槽引起的應力集中均在兩端），而且這里軸的直徑最大,故截面C也不必校核，截面Ⅵ和Ⅶ顯然更不必要校核。由課本第3章的附錄可知，鍵槽的應力集中較系數(shù)比過盈配合的小，因而，該軸只需校核截面Ⅳ左右兩側即可。
（2）截面Ⅳ左側
抗彎截面系數(shù) W＝0.1＝0.1＝61 412.5
抗扭截面系數(shù) ＝0.2＝0.2＝122 825
截面Ⅶ的右側的彎矩M為
＝90 834.04
截面Ⅳ上的扭矩為 ＝1 410 990
截面上的彎曲應力
＝1.48 MPa
截面上的扭轉切應力
＝11.49 MPa
軸的材料為45鋼，調質處理。由課本表15-1查得
截面上由于軸肩而形成的理論應力集中系數(shù)及按課本附表3-2查取。因
，
經(jīng)插值后查得
＝1.9，＝1.29
又由課本附圖3-1可得軸的材料的敏性系數(shù)為
，＝0.88
故有效應力集中系數(shù)按式(課本附表3-4）為
＝1.756
由課本附圖3-2的尺寸系數(shù)；由課本附圖3-3的扭轉尺寸系數(shù)。
軸按磨削加工，由課本附圖3-4得表面質量系數(shù)為
軸為經(jīng)表面強化處理，即，則按課本式（3-12）及式（3-12a）得綜合系數(shù)為
又由課本及3-2得碳鋼的特性系數(shù)
，取
，取
于是，計算安全系數(shù)值，按課本式（15-6）(15-8)則得
S＝＝＝65.66
S＝＝＝16.92
＝＝＝16.38≥S＝1.5
故可知其安全。
1. 截面Ⅳ右側
抗彎截面系數(shù) W＝0.1＝0.1＝72 900
抗扭截面系數(shù) ＝0.2＝0.2＝145 800
截面Ⅶ的右側的彎矩M為
＝90 834.04
截面Ⅳ上的扭矩為 ＝1 410 990
截面上的彎曲應力
＝1.25 MPa
截面上的扭轉切應力
＝9.68 MPa
過盈配合處的，由課本附表3-8用插值法求出，并?。?.8，于是得
＝3.24 ＝0.8×3.24＝2.59
軸按磨削加工，由課本附圖3-4得表面質量系數(shù)為
軸為經(jīng)表面強化處理，即，則按課本式（3-12）及式（3-12a）得綜合系數(shù)為
＝3.33
＝2.68
又由課本及3-2得碳鋼的特性系數(shù)
，取
，取
于是，計算安全系數(shù)值，按課本式（15-6）(15-8)則得
S＝＝＝66.07
S＝＝＝16.92
＝＝＝11.73≥S＝1.5
故該軸的截面Ⅳ右側的強度也是足夠的。本軸因無大的瞬時過載及嚴重的應力循環(huán)不對稱性，故可略去靜強度校核。至此，低速軸的設計計算即告結束。
5 氣缸元件的計算
5.1氣缸的選擇
氣缸的選用要根據(jù)以下方面進行分析：
1、類型的選擇? ?
根據(jù)工作要求和條件，正確選擇氣缸的類型。要求氣缸到達行程終端無沖擊現(xiàn)象和撞擊噪聲應選擇緩沖氣缸；要求重量輕，應選輕型缸；要求安裝空間窄且行程短，可選薄型缸；有橫向負載，可選帶導桿氣缸；要求制動精度高，應選鎖緊氣缸；不允許活塞桿旋轉，可選具有桿不回轉功能氣缸；高溫環(huán)境下需選用耐熱缸；在有腐蝕環(huán)境下，需選用耐腐蝕氣缸。在有灰塵等惡劣環(huán)境下，需要活塞桿伸出端安裝防塵罩。要求無污染時需要選用無給油或無油潤滑氣缸等。
2、安裝形式? ?
根據(jù)安裝位置、使用目的等因素決定。在一般情況下，采用固定式氣缸。在需要隨工作機構連續(xù)回轉時（如車床、磨床等），應選用回轉氣缸。在要求活塞桿除直線運動外，還需作圓弧擺動時，則選用軸銷式氣缸。有特殊要求時，應選擇相應的特殊氣缸。
3、作用力的大小
即缸徑的選擇。根據(jù)負載力的大小來確定氣缸輸出的推力和拉力。一般均按外載荷理論平衡條件所需氣缸作用力，根據(jù)不同速度選擇不同的負載率，使氣缸輸出力稍有余量。缸徑過小，輸出力不夠，但缸徑過大，使設備笨重，成本提高，又增加耗氣量，浪費能源。在夾具設計時，應盡量采用擴力機構，以減小氣缸的外形尺寸。
4、活塞行程
與使用的場合和機構的行程有關，但一般不選滿行程，防止活塞和缸蓋相碰。如用于夾緊機構等，應按計算所需的行程增加10～20㎜的余量。
5、活塞的運動速度
主要取決于氣缸輸入壓縮空氣流量、氣缸進排氣口大小及導管內徑的大小。要求高速運動應取大值。氣缸運動速度一般為50～800㎜/s。對高速運動氣缸，應選擇大內徑的進氣管道；對于負載有變化的情況，為了得到緩慢而平穩(wěn)的運動速度，可選用帶節(jié)流裝置或氣—液阻尼缸，則較易實現(xiàn)速度控制。選用節(jié)流閥控制氣缸速度需注意：水平安裝的氣缸推動負載時，推薦用排氣節(jié)流調速；垂直安裝的氣缸舉升負載時，推薦用進氣節(jié)流調速；要求行程末端運動平穩(wěn)避免沖擊時，應選用帶緩沖裝置的氣缸。
圖3.1 氣缸實物圖
6、氣缸的選型步驟及其類型介紹
程序1：根據(jù)操作形式選定氣缸類型：
氣缸操作方式有雙動，單動彈簧壓入及單動彈簧壓出等三種方式
程序2：選定其它參數(shù)：
1、選定氣缸缸徑大小? ?? ? 根據(jù)有關負載、使用空氣壓力及作用方向確定
2、選定氣缸行程? ?? ?? ??工件移動距離
3、選定氣缸系列
4、選定氣缸安裝型式? ?? ? 不同系列有不同安裝方式，主要有基本型、腳座型、法蘭型、U型鉤、軸耳型
5、選定緩沖器? ?? ?? ?? 無緩沖、橡膠緩沖、氣緩沖、油壓吸震器
6、選定磁感開關? ?? ?? ??主要是作位置檢測用，要求氣缸內置磁環(huán)
7、選定氣缸配件? ?? ?? ??包括相關接頭
（一）單作用氣缸
? ? 單作用氣缸只有一腔可輸入壓縮空氣，實現(xiàn)一個方向運動。其活塞桿只能借助外力將其推回；通常借助于彈簧力，膜片張力，重力等。其原理及結構見下圖：
圖3.2單作用氣缸
1— 缸體；2—活塞；3—彈簧；4—活塞桿；
單作用氣缸的特點是：
? ? 1）僅一端進（排）氣，結構簡單，耗氣量小。
? ? 2）用彈簧力或膜片力等復位，壓縮空氣能量的一部分用于克服彈簧力或膜片張力，因而減小了活塞桿的輸出力。
? ? 3）缸內安裝彈簧、膜片等，一般行程較短；與相同體積的雙作用氣缸相比，有效行程小一些。
? ? 4）氣缸復位彈簧、膜片的張力均隨變形大小變化，因而活塞桿的輸出力在行進過程中是變化的。
? ? 由于以上特點，單作用活塞氣缸多用于短行程。其推力及運動速度均要求不高場合，如氣吊、定位和夾緊等裝置上。單作用柱塞缸則不然，可用在長行程、高載荷的場合。
（二） 雙作用氣缸
? ? 雙作用氣缸指兩腔可以分別輸入壓縮空氣，實現(xiàn)雙向運動的氣缸。其結構可分為雙活塞桿式、單活塞桿式、雙活塞式、緩沖式和非緩沖式等。此類氣缸使用最為廣泛。
1） 雙活塞桿雙作用氣缸雙活塞桿氣缸有缸體固定和活塞桿固定兩種。
2） 缸體固定時，其所帶載荷（如工作臺）與氣缸兩活塞桿連成一體，壓縮空氣依次進入氣缸兩腔（一腔進氣另一腔排氣），活塞桿帶動工作臺左右運動，工作臺運動范圍等于其有效行程s的3倍。安裝所占空間大，一般用于小型設備上。
活塞桿固定時，為管路連接方便，活塞桿制成空心，缸體與載荷（工作臺）連成一體，壓縮空氣從空心活塞桿的左端或右端進入氣缸兩腔，使缸體帶動工作臺向左或向左運動，工作臺的運動范圍為其有效行程s的2倍。適用于中、大型設備。
圖3.3雙活塞桿雙作用氣缸
a）缸體固定；b）活塞桿固定
1—缸體；2—工作臺；3—活塞；4—活塞桿；5—機架
雙活塞桿氣缸因兩端活塞桿直徑相等，故活塞兩側受力面積相等。當輸入壓力、流量相同時，其往返運動力及速度均相等。
(三)?緩沖氣缸
緩沖氣缸對于接近行程末端時速度較高的氣缸，不采取必要措施，活塞就會以很大的力（能量）撞擊端蓋，引起振動和損壞機件。為了使活塞在行程末端運動平穩(wěn)，不產生沖擊現(xiàn)象。在氣缸兩端加設緩沖裝置，一般稱為緩沖氣缸。緩沖氣缸見下圖，主要由活塞桿1、活塞2、緩沖柱塞3、單向閥5、節(jié)流閥6、端蓋7等組成。其工作原理是：當活塞在壓縮空氣推動下向右運動時，缸右腔的氣體經(jīng)柱塞孔4及缸蓋上的氣孔8排出。在活塞運動接近行程末端時，活塞右側的緩沖柱塞3將柱塞孔4堵死、活塞繼續(xù)向右運動時，封在氣缸右腔內的剩余氣體被壓縮，緩慢地通過節(jié)流閥6及氣孔8排出，被壓縮的氣體所產生的壓力能如果與活塞運動所具有的全部能量相平衡，即會取得緩沖效果，使活塞在行程末端運動平穩(wěn)，不產生沖擊。調節(jié)節(jié)流閥6閥口開度的大小，即可控制排氣量的多少，從而決定了被壓縮容積（稱緩沖室）內壓力的大小，以調節(jié)緩沖效果。若令活塞反向運動時，從氣孔8輸入壓縮空氣，可直接頂開單向閥5，推動活塞向左運動。如節(jié)流閥6閥口開度固定，不可調節(jié)，即稱為不可調緩沖氣缸。
圖3.4緩沖氣缸
1—活塞桿；2—活塞；3—緩沖柱塞；4—柱塞孔；5—單向閥
6—節(jié)流閥；7—端蓋；8—氣孔
5.2 氣缸結構
氣缸是由缸筒、端蓋、活塞、活塞桿和密封件組成，其內部結構如圖所示：
1）缸筒
缸筒的內徑大小代表了氣缸輸出力的大小。活塞要在缸筒內做平穩(wěn)的往復滑動，缸筒內表面的表面粗糙度應達到Ra0.8um。對鋼管缸筒，內表面還應鍍硬鉻，以減小摩擦阻力和磨損，并能防止銹蝕。缸筒材質除使用高碳鋼管外，還是用高強度鋁合金和黃銅。小型氣缸有使用不銹鋼管的。帶磁性開關的氣缸或在耐腐蝕環(huán)境中使用的氣缸，缸筒應使用不銹鋼、鋁合金或黃銅等材質。
SMC CM2氣缸活塞上采用組合密封圈實現(xiàn)雙向密封，活塞與活塞桿用壓鉚鏈接，不用螺母。
2）端蓋
端蓋上設有進排氣通口，有的還在端蓋內設有緩沖機構。桿側端蓋上設有密封圈和防塵圈，以防止從活塞桿處向外漏氣和防止外部灰塵混入缸內。桿側端蓋上設有導向套，以提高氣缸的導向精度，承受活塞桿上少量的橫向負載，減小活塞桿伸出時的下彎量，延長氣缸使用壽命。導向套通常使用燒結含油合金、前傾銅鑄件。端蓋過去常用可鍛鑄鐵，現(xiàn)在為減輕重量并防銹，常使用鋁合金壓鑄，微型缸有使用黃銅材料的。
3）活塞
活塞是氣缸中的受壓力零件。為防止活塞左右兩腔相互竄氣，設有活塞密封圈。活塞上的耐磨環(huán)可提高氣缸的導向性，減少活塞密封圈的磨耗，減少摩擦阻力。耐磨環(huán)長使用聚氨酯、聚四氟乙烯、夾布合成樹脂等材料?；钊膶挾扔擅芊馊Τ叽绾捅匾幕瑒硬糠珠L度來決定。滑動部分太短，易引起早期磨損和卡死?；钊牟馁|常用鋁合金和鑄鐵，小型缸的活塞有黃銅制成的。
4）活塞桿
活塞桿是氣缸中最重要的受力零件。通常使用高碳鋼，表面經(jīng)鍍硬鉻處理，或使用不銹鋼，以防腐蝕，并提高密封圈的耐磨性。
5）密封圈
回轉或往復運動處的部件密封稱為動密封，靜止件部分的密封稱為靜密封。
缸筒與端蓋的連接方法主要有以下幾種：
整體型、鉚接型、螺紋聯(lián)接型、法蘭型、拉桿型。
6）氣缸工作時要靠壓縮空氣中的油霧對活塞進行潤滑。也有小部分免潤滑氣缸。
5.3 工作原理
根據(jù)工作所需力的大小來確定活塞桿上的推力和拉力。由此來選擇氣缸時應使氣缸的輸出力稍有余量。若缸徑選小了，輸出力不夠，氣缸不能正常工作；但缸徑過大，不僅使設備笨重、成本高，同時耗氣量增大，造成能源浪費。在夾具設計時，應盡量采用增力機構，以減少氣缸的尺寸。
氣缸
下面是氣缸理論出力的計算公式：
F：氣缸理論輸出力(kgf)
F′：效率為85％時的輸出力(kgf)－－(F′＝F×85％）
D：氣缸缸徑(mm)
P：工作壓力(kgf／cm2)
例：直徑340mm的氣缸，工作壓力為3kgf／cm2時，其理論輸出力為多少?芽輸出力是多少?
將P、D連接，找出F、F′上的點，得：
F＝2800kgf；F′＝2300kgf
在工程設計時選擇氣缸缸徑，可根據(jù)其使用壓力和理論推力或拉力的大小，從經(jīng)驗表1－1中查出。
5.3.1下壓機構氣缸的計算
估算壓緊力的計算（50N），其中上壓板的重量為20N。當氣缸下壓時，氣缸只需提供30N的壓力。所以實際氣缸負載的大小為30/0.6=50N。
根據(jù)設計要求，確定氣缸的行程為100mm。
設定其負荷率為0.7，使用壓力0.5MPa，與氣壓缸出力163N，查下表可知氣壓剛內徑為16mm，選型為CM2L16—100。
4.3.2.2氣缸的校核
輸出力的大小為：
回收的時候
經(jīng)驗算，可以達到使用要求。
5.3.2 其余氣缸的選型
由于其余氣缸所需動力較小，所以選擇缸徑為30mm的氣缸，長度按需要進行選擇。其中扇形排布機構推進氣缸選擇長度為100mm的氣缸，推進氣缸選擇長度為100mm的氣缸。
以下是氣缸運動時序表（一個循環(huán)內）：
表4.1 整體機構氣缸運動時序表
氣缸名稱
速度
T（伸出）/s
T（收回）/s
切刀氣缸
（氣缸1）
24
21-21.5
24.5-25
下壓氣缸
（氣缸2）
25
21-23
23-25
推進氣缸
（氣缸5）
2.5
25-27
23-25
總 結
本文設計了一種金屬梳自動清洗機，詳細地設計了移動金屬梳自動清洗機的各個部分，在全面分析各個系統(tǒng)的基礎上，對系統(tǒng)研究過程中所遇到的一些問題也進行了深入的研究。
金屬梳自動清洗機是一種具有很大的研究價值和應用前景的金屬梳自動清洗機，在不方便操作的地方都扮演著很重要的角色，本次設計對金屬梳自動清洗機的結構進行了設計，包括機身、肘關節(jié)、腕關節(jié)和手爪，主要工作如下：
l 通過功能和設計任務的分析，初步制定了金屬梳自動清洗機的總體方案。
l 接下來進行了結構的設計。
l 重要零部件的受力分析與校核。
l 電機
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