自動捶背機的設(shè)計含SW三維及5張CAD圖
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XXXXX
XX設(shè)計(X)任務(wù)書(理工類)
學(xué)生姓名： 專業(yè)： 班級： 學(xué)號：
校內(nèi)導(dǎo)師姓名： 職 稱： 單位：
校外導(dǎo)師姓名： 職務(wù)（稱）： 單位：
完成時間：20XX年5月
畢業(yè)設(shè)計(論文)題目：
自動捶背機的設(shè)計
題目
來源
教師科研課題：縱向（ ）/橫向（?。?
題目
類型
理論研究（ ）
注：請直接在所屬項目括號內(nèi)打“√”
社會生產(chǎn)實際（ ）
應(yīng)用研究（ ?。?
創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)競賽（ ）
應(yīng)用設(shè)計（ √）
教師自擬課題（√）
調(diào)研報告（ ）
學(xué)生自擬課題（ ）
其 他（ ）
總體設(shè)計要求及技術(shù)要點：
1 總體設(shè)計要求
提供一種通電后能自動捶背的簡易捶背器，以滿足老年人、病人、甚至是青年人所需求的一種保健和享受。
2 技術(shù)要點
要求對自動捶背機的各項功能進行方案選擇、原理分析、主要零件尺寸計算及強度校核，基本上實現(xiàn)了各個裝置的正常運行。并用CAD畫出了總體結(jié)構(gòu)，以及相應(yīng)的裝配圖及零件圖。
工作環(huán)境及技術(shù)條件：
需使用PC機進行機械工程圖的繪制、計算機輔助設(shè)計，學(xué)生可以充分利用系里的CAD/CAM實驗室進行設(shè)計工作；
設(shè)計有關(guān)的各種手冊和資料和從學(xué)校圖書館接閱；另外可以充分利用學(xué)校的數(shù)字圖書資源，查閱中、英文文獻。
工作內(nèi)容及最終成果：
1.查閱相關(guān)文獻及中外文資料，撰寫文獻綜述，撰寫開題報告。
2.撰寫畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書：
1）完成總體傳動方案的設(shè)計和論證，繪制機構(gòu)運動簡圖。
2）完成主要裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計。
3）完成裝配圖1張（A0或A1），零件圖若干張，圖紙總量>2張A0。
4）繪制三維總裝配圖1張（A3）。
5）編寫設(shè)計說明書1份。
時間進度安排：
1. 2021年1-2月，查閱資料，完成開題報告、文獻綜述、外文文獻翻譯。
2. 2021年3月，開題報告審閱。
3. 2021年4月，方案論證，繪制機構(gòu)運動簡圖。
4. 2021年5月，總體結(jié)構(gòu)設(shè)計，繪制裝配圖和零件圖。
5. 2021年6月，整理資料，完成畢業(yè)設(shè)計論文,準備答辯。
指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日
教研室主任意見：
教研室主任簽字： 年 月 日
摘 要
本文設(shè)計計算了自動捶背機的整體結(jié)構(gòu)，計算了各個部分的主要部件所需參數(shù)并進行了校核，本文所設(shè)計的自動捶背機的結(jié)構(gòu)主要由以下結(jié)構(gòu)實現(xiàn)，背架、寬距錘頭、絲杠、升降架、升降電機、傳動齒輪、捶背電機、曲柄、滑塊、窄距錘頭、伸縮氣缸、伸縮氣桿和導(dǎo)軌等一系列組成。使用solid works三維軟件完成了自動捶背機設(shè)計的裝備圖及各主要零件的三維建模，并用autoCAD繪制了自動捶背機設(shè)計的裝配圖及部分關(guān)鍵零件圖。
本課題的研究設(shè)計工作為自動捶背機設(shè)計結(jié)構(gòu)設(shè)計奠定了基礎(chǔ)，同時也為相關(guān)的問題的研究提供了借鑒方法和經(jīng)驗。
關(guān)鍵詞： 全自動捶背機，電動缸；數(shù)字化建模；有限元
Abstract
In this paper, the overall structure of the automatic backbeating machine is designed and calculated. The parameters required by the main parts of each part are calculated and checked. The structure of the automatic backbeating machine designed in this paper is mainly realized by the following structure.
Back frame, wide distance hammer head, lead screw, lifting frame, lifting motor, transmission gear, back motor, crank, slider, narrow distance hammer head, telescopic cylinder, telescopic air rod and guide rail and a series of components.
The equipment drawing and the 3D modeling of the main parts of the automatic backbeating machine were completed by using Solid Works 3D software. The assembly drawing and some key parts of the automatic backbeating machine were drawn by using AutoCAD.
The research and design work of this topic lays a foundation for the structural design of automatic backbeating machine, and also provides reference methods and experience for the research of related problems.
Key words: Automatic backbeating machine, electric cylinder; Digital modeling; The finite element
目錄
摘 要 1
Abstract 2
第1章 引 言 6
1.1 前言 6
1.2 國內(nèi)外研究情況 6
1.3 發(fā)展趨勢 6
1.4課題研究內(nèi)容與方法 7
第2章 功能性設(shè)計 8
2.1方案分析 8
2.3總體方案設(shè)計 9
第3章 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計 11
3.1電機的選型與計算 11
3.1.1電機性能的比較 11
3.1.2電機的選型與計算 12
3.2曲柄滑塊機構(gòu)的設(shè)計 13
3.2.1 機構(gòu)簡圖 13
3.2.2曲柄1的設(shè)計 14
3.2.3滑塊2的設(shè)計 14
3.3傳動齒輪的設(shè)計 15
3.3.1 選擇齒輪精度等級、材料及齒數(shù) 15
3.3.2按齒面接觸疲勞強度設(shè)計 16
3.3.3按齒根彎曲疲勞強度設(shè)計 17
3.4 提升絲杠系統(tǒng)設(shè)計 20
3.4.1提升絲杠設(shè)計 20
3.4.2校核 22
3.5窄距錘頭驅(qū)動氣缸設(shè)計 24
3.3.1橫向移動氣缸參數(shù)設(shè)計 24
3.3.2活塞桿直徑尺寸系列 25
3.6導(dǎo)軌的選型計算 27
3.6.1導(dǎo)軌類型分析選擇 27
3.6.2 滾動直線導(dǎo)軌副壽命計算 29
3.6.3滾動導(dǎo)軌副的壽命計算及選用規(guī)格 30
3.7自動捶背機背架結(jié)構(gòu)設(shè)計 31
4自動捶背機裝配與干涉檢查 32
4.1 自動捶背機的裝配體建模及爆炸圖 32
4.2自動捶背機的爆炸視圖及干涉分析 33
4.3自動捶背機的仿真 35
4.3.1三維模型 35
4.3.2自動捶背機作業(yè)過程分析 36
5自動捶背機的有限元分析 40
5.1有限元分析說明 40
5.2氣缸桿有限元分析 40
5.2.1 氣缸桿的有限元分析 41
5.2.2 前置處理自動注液系統(tǒng)氣缸桿 44
5.2.3求解 45
5.2.4?進行后處理 45
5.2.5結(jié)果分析 45
5.3傳動軸有限元分析 46
5.3.1 有限元分析 47
5.3.2 前置處理自動捶背機傳動軸 49
5.3.3求解 50
5.3.4?進行后處理 50
5.3.5結(jié)果分析 50
6結(jié) 論 52
參考文獻 53
致 謝 55
第1章 引 言
1.1 前言
隨著生活水平的不斷提高和生活節(jié)奏的加快，人們的工作壓力越來越大，為生活和事業(yè)忙碌，身體素質(zhì)開始下降，卻又得不到充分的鍛煉，經(jīng)常會腰酸背痛，人們通常采用捶背的方式消除疲勞。一般手動捶背方式費勁且不方便，尤其是空巢老年行動不便，自己捶背或者找人捶背比較困難。人們?yōu)榱藵M足生產(chǎn)和生活的需要,研制了類型繁多、功能各異的機器。尤其是蒸汽機出現(xiàn)之后，使機器具有了完整的形態(tài)[1]。因此，如果能為現(xiàn)代生活中的人們設(shè)計一款自動捶背機，將有著重要的意義。
1.2 國內(nèi)外研究情況
人類通過長期生產(chǎn)實踐創(chuàng)造了機械,并使其不斷發(fā)展形成了當(dāng)今多種多樣的類型。在現(xiàn)代生產(chǎn)和日常生活中,機器已成為代替或減輕人類勞動、提高勞動生產(chǎn)率的主要手段。使用機器的水平是衡量一個國家現(xiàn)代化程度的重要標志[2]。目前公知的各種健身錘,均是手持捶打,力度差,身體某些部位捶打不方便,特別是捶背,自己捶打更是不便,捶背是一種舒筋活血、除疲保健的好方法,常捶可以延年益壽。
國內(nèi)外的自動捶背機大都有兩個問題尚未解決,第一個問題是運用齒輪曲柄滑塊機構(gòu)或者蝸輪蝸桿結(jié)構(gòu)帶動去敲打背部的對于人追求舒適度方面有些欠缺,雖然價格便宜但是卻很難通過控制去調(diào)節(jié)力度的合適度僅由單一的基本機構(gòu)組成的機械系統(tǒng)，這是最簡單的機械系統(tǒng)。這些基本機構(gòu)可能是齒輪機構(gòu)、凸輪機構(gòu)、連桿機構(gòu)或其他常用機構(gòu),通過電機工作帶動曲柄滑塊機構(gòu)的擺動從而實現(xiàn)穩(wěn)定的錘擊力度,可以滿足捶背的民用效果。
第二個問題是按摩椅上的捶背裝置對于一般家庭來說價格又太貴,舒適度是有了不過價格少則幾千好一點的要上萬,這種貴重的消費品還不能普及,因為其體積問題不能隨身攜帶還要一直插電使用導(dǎo)致其不方便性。就目前的情況,自動捶背機應(yīng)該更偏向于便捷、實用、廉價、親民、舒適更加人性化方向發(fā)展而不是一味的去追求高檔奢華?，F(xiàn)在國內(nèi)外的目光更多的是聚焦在按摩椅上,按摩椅的功能全面更加舒適,但是花費太高不能夠?qū)崿F(xiàn)全面的普及,所以我們還是可以把目光轉(zhuǎn)向功能比較單一的自動捶背器的。
1.3 發(fā)展趨勢
最近幾十年,自動捶背機的發(fā)展有很大的進步,通過智能控制先進的技術(shù)實現(xiàn)自動捶背機關(guān)鍵問題是模擬人工捶背的方法。而在模擬捶背手法力度的時候,對捶背的舒適度以及頻率就顯得非常重要。所以捶背的力度和頻率的情況將直接影響到自動捶背機的發(fā)展。將來的自動捶背機會越來越向舒適度的方向進行發(fā)展。
1.4課題研究內(nèi)容與方法
本課題主要針對自動捶背機，進行自動捶背機的總體方案制訂與結(jié)構(gòu)設(shè)計。本文利用SolidWorks對自動捶背機設(shè)計主要零件進行三維設(shè)計，并對自動捶背機進行運動仿真。其中自動捶背機的設(shè)計主要內(nèi)容包括：
（1）學(xué)習(xí)和掌握自動捶背機等相關(guān)知識，制定總體設(shè)計方案。對周邊濃縮自動捶背機進行系統(tǒng)特性分析，研究其傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。
（2）運用所學(xué)到的這些知識，理論力學(xué)、材料力學(xué)、動力學(xué)的知識,再查找機械設(shè)計手冊，完成自動捶背機結(jié)構(gòu)設(shè)計。
（3）對自動捶背機機構(gòu)的基礎(chǔ)零件進行設(shè)計，基礎(chǔ)零件用SolidWorks三維建模軟件進行三維繪制并且裝配約束、干涉檢測等[6]；
（4）用SolidWorks三維建模軟件進行對自動捶背機機構(gòu)進行運動仿真；
（5）進行對自動捶背機機構(gòu)零件的有限元分析。
7
第2章 功能性設(shè)計
2.1方案分析
一個系統(tǒng)的總功能是該系統(tǒng)中各子系統(tǒng)乃至各個元件共同完成的。各子系統(tǒng)分擔(dān)各自的分功能，子功能，乃至功能元，各分功能的類型不完全相同，它們之間有聯(lián)系，也有 區(qū)別。為了更方便的求得功能解，即確定實現(xiàn)功能的設(shè)計方案，需要將系統(tǒng)的總功能進行分解。另外可能有的分功能已經(jīng)有了定型化的產(chǎn)品，可以直接購置,或有些分功能已經(jīng)研制出來，可以直接拿來使用。例如減速器，發(fā)動機，電路板等[3]。
對于上述問題的解決方法其實有很多種,其中最舒適方便的就是將其掛在脖子上或者像書包一樣背在肩上,電機使用可裝載電池的電機類型,對于力度上的調(diào)節(jié)我覺得可以在其內(nèi)部裝上一個滑動電阻從而來控制其輸出電流的大小從而控制敲擊力度和頻率。對于市面上單一的曲柄滑塊機構(gòu)我們可以采用通過齒輪傳動來帶動滑輪的滾動這樣的話一個電機可以帶動兩個滾輪從而更好的進行捶背。自動捶背機可以采用外形U形枕的方式進行懸掛在脖子上,U形枕的連接處可以采用調(diào)接扣進行連接可以調(diào)節(jié)不同年齡段的需求,在脖子左右兩邊分別裝上齒輪傳動結(jié)構(gòu),中間放上電機,電機的兩側(cè)放置滑動電阻進行力度和頻率的調(diào)節(jié),滾輪外面采用橡膠材質(zhì)使得滾動更加舒適。
所以綜上所述本設(shè)計方案是由U形機架、中心支撐板、電機、滑動電阻、齒輪傳動系統(tǒng)、滑道、滑板、橡膠滾輪,所述的機架左右兩側(cè)均分布有相同的滑道,電機在中間提供驅(qū)動驅(qū)動力,電機驅(qū)動齒輪與傳動齒輪嚙合,中心支撐板上的兩側(cè)有兩個滑道可供滑板進行上下移動。
對于齒輪及傳動系統(tǒng)的分析及運用
動力傳動系有兩個作用：它把動力從發(fā)動機傳送到驅(qū)動輪上，并且改變扭矩的大小。動力傳動系包括：1.發(fā)動機：制造動力2.變速器:不是手動就是自動3.離合器：僅用在手動變速器或者液力變矩器4.驅(qū)動軸：把動力從變速器傳到差速器5.差速器：將動力傳到兩個驅(qū)動軸上。
在所有的機械傳動形式中，齒輪傳動是一種最結(jié)實耐用的傳動方式。它們可以傳遞很大的功率，效率可以達到98%，并且服務(wù)年限長。由于具有以上優(yōu)點，齒輪傳動比皮帶裝置等其它傳動方式更常見于自動式傳動機構(gòu)和重載機構(gòu)中。在另一方面，齒輪比其它傳動方案貴得多，特別是精加工齒輪和合金鋼材料的。齒輪的制造成本會隨便著精度和公差的要求急劇增加。因此，在合適的范圍內(nèi)選一個合理的公差帶就顯得尤其重要。用于大功率傳遞和高速傳遞的齒輪傳動系統(tǒng)不是特別的貴，但是用合金鋼材料和精加工的齒輪成本比較高。
低噪聲齒輪機構(gòu)也很昂貴。精密儀器和電腦里用的齒輪機構(gòu)住住是相當(dāng)昂貴的，因為它們對速度和傳動比的要求很高。低速的開式傳動的被定義為非臨界狀態(tài)，并且以此作為齒輪的最小標準。齒輪的形狀、尺寸、性質(zhì)和工業(yè)用途都遵循美國齒輪制造協(xié)會所制定的標準。
圖2.1 曲柄滑塊結(jié)構(gòu)
2.3總體方案設(shè)計
設(shè)計如圖：
圖2.2 總體結(jié)構(gòu)
1背架、2寬距錘頭、3絲杠、4升降架、5升降電機、6傳動齒輪、7捶背電機、8曲柄、9滑塊、10窄距錘頭、11伸縮氣缸、12伸縮氣桿和13導(dǎo)軌
第3章 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計
3.1電機的選型與計算
3.1.1電機性能的比較
在機器人的驅(qū)動器一般采用以下幾種電機：直流電機、步進電機和舵機。幾種電機有關(guān)參數(shù)進行如表 1.1 所示。
表3.1 幾種電機比較
電機類型
優(yōu) 點
缺 點
直流電機
容易購買
型號多
功率大
接口簡單
轉(zhuǎn)速太快，需減速器
電流較大
較難與車輪裝配
價格較貴
控制復(fù)雜（PWM）
步進電機
精確的速度控制
型號多樣
適合室內(nèi)機器人的速度
接口簡單
價格便宜
功率與自重比小
電流通常較大
外形體積大
較難與車輪裝配，負載能力低
功率小
舵 機
內(nèi)部帶有齒輪減速器
型號多樣
適合室內(nèi)機器人的速度
接口簡單
功率中等
價格便宜
負載能力低
速度調(diào)節(jié)的范圍小
（1） 舵機
1）什么是舵機：
在機器人機電控制系統(tǒng)中，舵機控制效果是性能的重要影響因素。舵機可以在微機系統(tǒng)和航模中作為基本的輸出執(zhí)行機構(gòu)，其簡單的控制和輸出使得單片機系統(tǒng)非常容易與之接口。舵機是一種位置（角度）伺服的驅(qū)動器，適用于那些需要角度不斷變化并可以保持的控制系統(tǒng)。目前在高檔遙控玩具，如航模，包括飛機模型，潛艇模型；遙控機器人中已經(jīng)使用得比較普遍。舵機是一種俗稱，其實是一種伺服馬達。
2）舵機的工作原理：
控制信號由接收機的通道進入信號調(diào)制芯片，獲得直流偏置電壓。它內(nèi)部有一個基準電路，產(chǎn)生周期為20ms，寬度為1.5ms的基準信號，將獲得的直流偏置電壓與電位器的電壓比較，獲得電壓差輸出。最后，電壓差的正負輸出到電機驅(qū)動芯片決定電機的正反轉(zhuǎn)。當(dāng)電機轉(zhuǎn)速一定時，通過級聯(lián)減速齒輪帶動電位器旋轉(zhuǎn)，使得電壓差為0，電機停止轉(zhuǎn)動。當(dāng)然我們可以不用去了解它的具體工作原理，知道它的控制原理就夠了。就像我們使用晶體管一樣，知道可以拿它來做開關(guān)管或放大管就行了，至于管內(nèi)的電子具體怎么流動是可以完全不用去考慮的。
（2）步進電機
步進電機作為一種新型的自動控制系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)，得到了越來越廣泛的應(yīng)用，進入了一些高、精、尖的控制領(lǐng)域。步進電機雖然有一些不足，如啟動頻率過高或負載過大時易出現(xiàn)丟步或堵轉(zhuǎn)，停止時轉(zhuǎn)速過高易出現(xiàn)過沖，且一般無過載能力，往往需要選取有較大轉(zhuǎn)距的電機來克服慣性力矩。但步進電機點位控制性能好，沒有積累誤差，易于實現(xiàn)控制，能夠在負載力矩適當(dāng)?shù)那闆r下，以較小的成本與復(fù)雜度實現(xiàn)電機的同步控制。
3.1.2電機的選型與計算
對于本課題來說，設(shè)計捶背的移動速度最高為 0.2 米/秒，1秒一個循環(huán)周期，驅(qū)動電機轉(zhuǎn)數(shù)最高接近 100 轉(zhuǎn)/分。如果用直流電機，由于受轉(zhuǎn)速和力矩的影響，要配減速器。而如果用步進電機，控制位置精度比較高可以達到 1.8 度。而且不需要減速器避免造成結(jié)構(gòu)冗繁。因此選擇步進電機作為驅(qū)動電機。對于人捶背而言，所設(shè)計的功率0.5kw即可，對于兩個提升裝置則需要克服重力做功，總重約為50N，需要總功率為1kw，由于設(shè)計為兩個電機來提升，則需功率0.5kw，同捶背電機選擇同一型號即可。
因為設(shè)計捶背1秒一個循環(huán)周期，則需要曲柄1r/s，為60r/min。因此需要配備相應(yīng)的減速器，使得輸出轉(zhuǎn)速為60r/min。
因此，選擇了的56BYG250D-0242型號電機。功率為0.5kw，靜轉(zhuǎn)矩為 2 NM ，輸出轉(zhuǎn)速為60r/min。該電機在相近產(chǎn)品中具有在轉(zhuǎn)速變高一定范圍內(nèi)能夠保持平穩(wěn)的力矩。
3.2曲柄滑塊機構(gòu)的設(shè)計
3.2.1 機構(gòu)簡圖
改結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)電機帶動下，兩個錘頭往復(fù)直線運動，實現(xiàn)捶背的動作，該驅(qū)動裝置主要由四桿機構(gòu)組成，曲柄、滑塊1和導(dǎo)軌以及機架組成。由電機驅(qū)動，通過調(diào)節(jié)曲柄的速度，曲柄帶動滑塊，往復(fù)拉動導(dǎo)桿，在電機作用下，實現(xiàn)往復(fù)捶背的過程。整體布置如圖3-4所示：
1. 曲柄 2.滑塊1 3.導(dǎo)桿 4.機架和電動機
圖3-4 曲柄滑塊機構(gòu)原理圖
自由度計算公式為
F=3n-2L-H
活動構(gòu)件一共3個，機架是固定構(gòu)件，
運動副按照運動副的接觸形式可以分為:
低副:面和面接觸的運動副在接觸部分的壓強較低，被稱為低副。
高副:點或線接觸的運動副稱為高副，高副比低副容易磨損。
低副一般有轉(zhuǎn)動副，移動副，螺旋副，高副有車輪與鋼軌，凸輪與從動件，齒輪傳動等。
此六桿機構(gòu)沒有高副，有4個低副，因此算的
F=3n-2L-H=3*3-2*4-0=1
此機構(gòu)具有一個自由度，一個原動件，因此具有確定的運動。
滑槽的設(shè)計為兩個寬距的錘頭的距離，設(shè)計為240mm，曲柄OA是將原動機旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成直線運動的機構(gòu)，需要將曲柄滿足360度旋轉(zhuǎn)，因此OA一定要小于240mm，可以設(shè)計為20mm。
3.2.2曲柄1的設(shè)計
曲柄1是直接有電機進行驅(qū)動，為滿足所需要強度，采用不銹鋼材料進行設(shè)計，總長度設(shè)計為20mm，一端連接到電機的驅(qū)動軸上，另一端則和滑塊2的滑槽形成滑動副，是的周轉(zhuǎn)運動變?yōu)榱酥本€往復(fù)運動。
3.2.3滑塊2的設(shè)計
滑塊2是直接有曲柄進行驅(qū)動，為滿足所需要強度，采用不銹鋼材料進行設(shè)計，總長度設(shè)計為240mm，和曲柄的滑槽形成滑動副，是的周轉(zhuǎn)運動變?yōu)榱酥本€往復(fù)運動。設(shè)計三維圖如圖3-7
圖3-6 曲柄滑塊
3.3傳動齒輪的設(shè)計
3.3.1 選擇齒輪精度等級、材料及齒數(shù)
1、齒輪精度選擇
對直齒圓柱齒輪的壓力角取20°，齒輪精度為7級。
2、齒輪材料選擇
選擇小齒輪材料為40Cr（調(diào)質(zhì)），強度極限σB1=700MPa，屈服極限σS1=500MPa,齒面硬度280HBS；大齒輪材料45鋼（調(diào)質(zhì)），強度極限σB2=650MPa,屈服極限σS2=360MPa,齒面硬度240HBS。
3、齒輪齒數(shù)確定
為使結(jié)構(gòu)緊湊，齒數(shù)和SZ盡可能選小， 取小齒輪齒數(shù)Z1=30，已知減速器齒輪傳動比ι2=1，則大齒輪齒數(shù)Z2=30。
3.3.2按齒面接觸疲勞強度設(shè)計
試算分度圓直徑
由式對小齒輪分度圓直徑進行試算
1、確定公式中各參數(shù)值
①試選接觸疲強度計算用載荷系數(shù) 。
②計算小齒輪傳遞轉(zhuǎn)矩
③由《機械設(shè)計手冊》查得，選取齒寬系數(shù)
④齒數(shù)比為1
⑤由《機械設(shè)計手冊》查得，查得區(qū)域系數(shù)
⑥由《機械設(shè)計手冊》查得，材料的彈性影響系數(shù)
⑦計算接觸疲勞強度用重合度系數(shù)
⑧計算接觸疲勞許用應(yīng)力
由《機械設(shè)計手冊》查得，小齒輪和大齒輪的接觸疲勞極限分別為 、
計算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)
由《機械設(shè)計手冊》查得，]查取接觸疲勞壽命系數(shù)、
取失效概率為1%、安全系數(shù),于是得
取較小者作為該齒輪副的接觸疲勞許用應(yīng)力。
3.3.3按齒根彎曲疲勞強度設(shè)計
試算模數(shù)
由式對齒輪模數(shù)進行試算
1、確定公式中各參數(shù)值
①試選勞彎曲疲勞強度計算用載荷系數(shù)。
②計算彎曲疲勞強度用重合度系數(shù)
③計算
由《機械設(shè)計手冊》查得，齒形系數(shù)，
查得應(yīng)力修正系數(shù)，
查得小齒輪和大齒輪齒根彎曲疲勞極限分別為 、 。
查得彎曲疲勞壽命系數(shù)、。
取彎曲疲勞安全系數(shù)，于是得
因為大齒輪的大于小齒輪，所以取
2、試算模數(shù)
計算實際載荷系數(shù)KF
根據(jù)，7級精度，由《機械設(shè)計手冊》查得，動載系數(shù)，由《機械設(shè)計手冊》查得，得齒間載荷分配系數(shù) 。
③由《機械設(shè)計手冊》查得，用插值法查得 ，結(jié)合 查圖10-13[2]，得 。
則載荷系數(shù)為
3、按實際載荷系數(shù)計算齒輪模數(shù)
由于齒輪模數(shù)的大小主要取決于彎曲疲勞強度所決定的承載能力，因此齒輪模數(shù)的設(shè)計按齒根彎曲疲勞強度進行計算。按實際載荷系數(shù)計算出的齒輪模數(shù) ，就近圓整為標準值 。
所設(shè)計齒輪參數(shù)如下
表3-6 齒輪參數(shù)匯總
齒數(shù)z
模數(shù)m
分度圓直徑d（mm）
齒寬b（mm）
中心距（mm）
小齒輪
30
2
60
20
60
大齒輪
30
60
20
3.4 提升絲杠系統(tǒng)設(shè)計
3.4.1提升絲杠設(shè)計
橫向最大行程（X軸）500㎜；
工作進給速度為3000mm/min;
捶背裝置質(zhì)量：2㎏；
所選的進給系統(tǒng)為滾柱絲杠副用伺服電機直接驅(qū)動，如圖所示：
滾珠絲杠的計算及選擇
在本設(shè)計中，電機和絲杠直接相連，傳動比為i=1，設(shè)電機的最高工作轉(zhuǎn)速為,則絲杠導(dǎo)程為：
ph≥vmaxnmax
ph≥3×1031500=2
取 ph=2mm
確定絲杠的轉(zhuǎn)速
n=vphr/min
由公式，最大進給速度時絲杠的轉(zhuǎn)速：
捶背裝置總重量：
確定絲杠的等效負載
工作負載是指機床工作時，實際作用在滾珠絲杠上的軸向壓力，它的數(shù)值可用進給牽引力的試驗公式計算。選定導(dǎo)軌為滑動導(dǎo)軌，取摩擦系數(shù)為0.03，K為顛覆力矩影響系數(shù).一般取1.1-1.5，現(xiàn)取為1.1，則絲杠所受的力為：
=119N
其等效負載可按下式估算
（取，）：
，-------軸向載荷，作用下的時間（s）。
，------軸向載荷，作用下的轉(zhuǎn)速（r/min）。
計算為135N
確定絲杠所受的最大動載荷
---負載性質(zhì)系數(shù)；（查表：當(dāng)一般運轉(zhuǎn)時，為1.2--1.5，取=1.5）。
--溫度系數(shù)；（查表：）
--硬度系數(shù);（查表：滾道實際硬度HRC58時，=1。）
--精度系數(shù)；（查表：當(dāng)精度等級為3時，=1.0。）
--可靠性系數(shù)；（查表：可靠性為90%時，=1.0。）
--等效負荷（N）
--等效轉(zhuǎn)速（r/min）;
--工作壽命（h）。
由公式
計算為147N
3.4.2校核
臨界壓縮負荷
臨界壓縮負荷按下式計算：
Fcτ=f1π2EIlv2K1≥Fmax
式中 E---材料的彈性模量=2.1（N/）；
--最大受壓長度（m）;
--安全系數(shù)，?。?
——最大軸向工作負荷（N）；
f1=4——絲杠支承方式系數(shù)（支承方式為一段固定一段支撐，f1=0.5）
I——絲杠最小截面慣性矩（）：
（3.8）
式中 ——絲杠公稱直徑（mm）
——滾珠直徑（mm）
X方向絲杠螺紋部分長度為行程 Ln=450mm
支承跨距 L1=100mm 絲杠全長L=550mm
Fcτ=f1π2EIlv2K1=3191.5≥Fmax=152N
可見遠大于，臨界壓縮負荷滿足要求。
絲杠拉壓振動與扭轉(zhuǎn)振動的固有頻率
絲杠系統(tǒng)的軸向拉壓系統(tǒng)剛度的計算公式：
兩端固定：
式中 ——滾珠絲杠副的拉壓系統(tǒng)剛度（N/）;
——螺母座的剛度（N/）;
——絲杠副內(nèi)滾道的接觸剛度（N/）;
——絲杠本身的拉壓剛度（N/）;
——軸承的接觸剛度（N/）。
絲杠副內(nèi)滾道的接觸剛度可查滾珠絲杠副型號樣本。
軸承的接觸剛度可查軸承的型號樣本。
螺母座的剛度可近似估算為1000。
絲杠本身的拉壓剛度：
對絲杠支承組合方式為兩端固定的方式：
式中 A——絲杠最小橫截面，；
E——材料的彈性模量，
L——兩支承間距（m）;
a——螺母至軸向固定處的距離（m）。
絲杠轉(zhuǎn)動慣量：
JX=18mxd2
=18dx2(14×πdx2×Lp)
Jz=1.6×10-4kg?m2
ωt=79345.2+1.6+43*10-4=3692.5rad/s
顯然，絲杠的扭轉(zhuǎn)振動的固有頻率遠大于1500r/min，可以滿足要求。
3.5窄距錘頭驅(qū)動氣缸設(shè)計
3.3.1橫向移動氣缸參數(shù)設(shè)計
行程120mm，伸縮速度：200mm/s
在最頂端設(shè)計有往復(fù)的氣缸，帶動窄距錘頭結(jié)構(gòu)做往復(fù)運動，實現(xiàn)連續(xù)捶背的效果。
按照所設(shè)計的窄距錘頭結(jié)構(gòu)的重量測量大約為0.8KG，得到要順暢驅(qū)動的負載大小位10N，經(jīng)過查詢得，驅(qū)動的負載大小位10N得工件，則需要得工作壓力為0.5 MPa，參考設(shè)計的，橫向移動氣缸的氣缸未加載的時候，所產(chǎn)生的氣缸的實際所能輸出所產(chǎn)生的力，此情況受到橫向移動氣缸的氣缸活塞和氣缸的缸筒之間相對運動的摩擦、移動氣缸的活塞桿與前移動氣缸之間相對運動的摩擦力，此力所產(chǎn)生的相關(guān)影響。因此在研究所設(shè)計的橫向移動氣缸的氣缸性能，確定所設(shè)計的氣缸的缸徑的時候，經(jīng)常使用的氣缸的負載率β：
β=氣缸的實際負載F氣缸的理論負載F0×100%
由參考書目《液壓與氣壓的傳動設(shè)計》里面的表5-2，參考的氣缸此時的運動狀態(tài)與所設(shè)計的氣缸的負載率：
設(shè)計窄距錘頭移動200mm/s的速率，這樣可以取所設(shè)計的相對運動的速度，速度為V=40mm/s，這里可以查詢?nèi)ˇ?0.8，所以所設(shè)計的實際氣缸，其中的負載的大小參數(shù)為：
F=F0/β=20N
查書《液壓與氣壓的傳動設(shè)計》得計算公式為
D=1.27FP=28.6mm
F—代表著氣缸的輸出拉力的參數(shù) N；
P —代表著所設(shè)計的氣缸的工作壓力參數(shù)P0
按照國家標注，GB/T2348-1993是標號，然后進行設(shè)計的圓整，可以取D=30 mm
氣缸直徑按照國家標準可取
8
10
12
16
20
25
32
40
50
63
80
（90）
100
（110）
125
（140）
160
（180）
200
（220）
250
320
400
500
630
由設(shè)計公式d=0.4D 估取所設(shè)計的移動氣缸的活塞桿直徑參數(shù)為 d=12mm
3.3.2活塞桿直徑尺寸系列
所設(shè)計的氣缸的缸筒長度計算公式為：
S=L+B+30
L為所設(shè)計的氣缸的活塞行程；
B為所設(shè)計的氣缸活塞厚度；
氣缸的活塞厚度計算公式：
B=（0.6~1.0）D
=0.7×30=2.1mm
行程120mm，為滿足行程，并留有余量，因此選較小行程130mm為行程，因此氣缸的行程L=130mm ,所以
S=L+B+30=130+12+30=172mm
由參考書目《液壓與氣壓的傳動設(shè)計》可查氣缸筒的壁厚δ參數(shù)，可根據(jù)氣缸的薄筒參數(shù)的計算公式，代入數(shù)據(jù)進行氣缸計算：
δ=PD2[σ]
式中
δ—代表著氣缸的缸筒壁厚參數(shù)（m）；
D—代表著氣缸的缸筒內(nèi)徑參數(shù)（m）；
P—代表著氣缸的缸筒承受的最大工作壓力參數(shù)（MPa）；
[σ]—代表著氣缸的缸筒材料的許用應(yīng)力參數(shù)（MPa）；
所設(shè)計的氣缸的缸筒壁厚強度，進行計算和校核，其計算公式為:
σ=σbn
所設(shè)計的氣缸的缸體的材料進行選擇，綜合考慮可以選擇45鋼材料，材料性能為σb=600 MPa，σ=120 MPa
n為所設(shè)計的安全系數(shù)，正常情況下一般取 n=5；
σb為氣缸的缸筒材料的抗拉強度設(shè)計參數(shù)(Pa)；
P為所設(shè)計的氣缸的缸筒承受的最大情況下的工作壓力參數(shù)（MPa）。當(dāng)氣缸的工作壓力p≤16 MPa的時候，P=1.5p；當(dāng)氣缸的工作壓力p>16 MPa的時候，P=1.25p
由此可知所設(shè)計的氣缸的工作壓力0.5 MPa小于16 MPa的參數(shù)，因此P=1.5p=1.5×0.5=0.75 MPa
δ=PD2[σ]=0.75×302×120=1.6mm
查書《液壓與氣壓的傳動設(shè)計》得，氣缸的氣缸筒壁厚參數(shù)，按照標準圓整取δ = 3mm
Q=πD24t
Q— 代表著工作壓力下的所設(shè)計的輸入氣缸的空氣流量的參數(shù)（m3/s）
V—代表著空氣流經(jīng)進排氣口時候的速度參數(shù)，按照標準可取V=（10~25）m/s
查書《液壓與氣壓的傳動設(shè)計》和《機械設(shè)計手冊》得
氣缸的穩(wěn)定性校核計算公式：
FP0≤Fknk
式中 FP0— 代表著氣缸工作時候下氣缸的活塞桿承受的最大軸向壓力參數(shù)（N）；
FP0=P0*S=P0*πD22=133N ,D為所設(shè)計的氣缸活塞直徑參數(shù)；
Fk — 代表著氣缸的縱向彎曲極限力參數(shù)（N）；
nk— 代表著氣缸的穩(wěn)定性安全系數(shù)，按照標準，一般取1.5~4。經(jīng)過綜合考慮后，選取2；
K—代表著氣缸的活塞桿橫截面回轉(zhuǎn)半徑參數(shù)，對于氣缸的實心桿K=d/4
代入氣缸相關(guān)的數(shù)據(jù) K =5/4=1.25mm
由于氣缸的細長桿比計算公式：
LK≥85m
即
Fk=mEJπ2L2
氣缸的實心圓桿計算公式為：
J=πd464
式中 L— 代表著所設(shè)計的氣缸的安裝長度參數(shù) ；
m— 代表著氣缸的末端系數(shù)參數(shù)；一般情況下選擇情況，固定—自由 m = 1/4
E— 代表著氣缸的材料彈性模量參數(shù)，鋼材 E = 2.1 ×1011 Pa ；
J— 代表著所設(shè)計氣缸的活塞桿橫截面慣性矩的參數(shù)（m4）；
d— 代表著氣缸的活塞桿的直徑參數(shù)（m）；
L— 代表著所設(shè)計氣缸的安裝長度，此安裝長度參數(shù)為氣缸的活塞桿的長度，設(shè)計為172mm；
代入氣缸的相關(guān)數(shù)據(jù)得 FK =2.685×104N
因為
Fknk=1.34×104>FP0
所以所設(shè)計的氣缸的活塞桿的穩(wěn)定性，此穩(wěn)定性滿足氣缸工作條件；
氣缸的強度校核：
由設(shè)計公式
d≥4FP0π[σ]
σ=σbn
N代表著設(shè)計氣缸的安全系數(shù)，一般情況下取 n=5；
σb代表著氣缸的缸筒材料，此材料的抗拉強度參數(shù)(Pa)
45鋼的抗拉強度相關(guān)參數(shù)為，σb=600 MPa ，σ= 120 MPa
則 4FP0π[σ]=2.16mm Solution> solve> CurrentLs ，會顯示此過程，Solution is done，分析自動注液系統(tǒng)的氣缸桿的過程結(jié)束。
5.2.4?進行后處理
圖5.6所設(shè)計的自動注液系統(tǒng)氣缸桿所受的應(yīng)力的分布云圖
5.2.5結(jié)果分析
經(jīng)過上面的研究分析可判斷，這篇文章所設(shè)計的自動注液系統(tǒng)的氣缸桿零件，當(dāng)這個氣缸桿零件處在自動注液系統(tǒng)正常工作的情況下，開機正常運行的時候，此自動注液系統(tǒng)的運動過程[22]，氣缸桿起到了穩(wěn)定的效果，在自動注液系統(tǒng)的整體氣缸桿的位置可能會存在應(yīng)力相對來說比較集中的現(xiàn)象，這樣看來僅需研究分析自動注液系統(tǒng)的氣缸桿在工作時候的受力的狀況，需要通過分析該自動注液系統(tǒng)的氣缸桿在工作時候的應(yīng)力云圖，通過分析應(yīng)力應(yīng)變和位移圖，然后可知本文設(shè)計制造自動注液系統(tǒng)的氣缸桿零件的強度，再正常開機運行的時候滿足自動注液系統(tǒng)實際使用需求，滿足設(shè)計強度要求，在自動注液系統(tǒng)的實際使用過程中相對來說較為安全。
5.3傳動軸有限元分析
參考本篇論文所設(shè)計的自動捶背機傳動軸的基本數(shù)據(jù)化模型的參數(shù)，開始進行搭建自動捶背機傳動軸零件的三維數(shù)字化模型，在計算機所安裝采用的三維數(shù)字化建模軟件SOLIDWORKS里面來進行數(shù)字化建模，在建模環(huán)境里面搭建該傳動軸零件的三維數(shù)字化模型，通過保存為中間格式--IGES格式儲存，相應(yīng)參數(shù)然后在該SOLIDWORKS軟件中進行模擬仿真，使用Solidworks simulation的仿真分析軟件，來進行分析該自動捶背機傳動軸零件，通過內(nèi)部轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換自動捶背機的傳動軸零件，使之變成相應(yīng)數(shù)字和產(chǎn)生的代碼，將此產(chǎn)生的分析的模型轉(zhuǎn)移至Solidworks simulation的仿真分析軟件，完成該傳動軸的三維數(shù)字化模型整體到局部細節(jié)的修復(fù)工作，修復(fù)完成后會在Solidworks simulation內(nèi)會展現(xiàn)出，自動捶背機的傳動軸零件的整體三維數(shù)字化模型，經(jīng)過sw里面的軟件的Solidworks simulation的進行分析計算。如下圖里面所展示的是傳動軸零件的Solidworks三維數(shù)字化模型的詳細結(jié)構(gòu)圖。
5.3.1 有限元分析
由前面可以知道，本文設(shè)計自動捶背機的傳動軸零件使用合金鋼的加工材料來進行加工，在solid works的軟件系統(tǒng)可以進行選擇，選擇加載合金鋼的材料，尋找它自動的相關(guān)各個屬性的參數(shù)數(shù)據(jù)，然后對傳動軸進行網(wǎng)格化劃分，代入進去傳動軸的合金鋼材料的相應(yīng)各個屬性的參數(shù)數(shù)據(jù)，由solid works軟件系統(tǒng)取進行研究分析計算，經(jīng)過計算得到的數(shù)據(jù)，該傳動軸零件在此環(huán)境下的受力情況，在solid works軟件系統(tǒng)內(nèi)，屏幕上顯示出的是該傳動軸零件的受力云圖的展示圖[23]，用這種分析應(yīng)力應(yīng)變圖形的方法，來進行校核零部件檢驗，發(fā)現(xiàn)所設(shè)計的關(guān)鍵部件傳動軸零件的性能和存在的缺陷質(zhì)量等問題，再進行下一步的工作，來判斷此設(shè)計是否滿足自動捶背機的工作過程里面的實際使用需求情況。
圖5.7傳動軸載展示圖
圖5.8傳動軸劃分展示圖
圖5.9傳動軸位移數(shù)據(jù)展示圖
圖5.10傳動軸的應(yīng)變量展示圖
5.3.2 前置處理自動捶背機傳動軸
（1）從前面已知設(shè)計的自動捶背機傳動軸零件的材料屬性的參數(shù)，此零件是由合金鋼材料加工，進行多種工藝的加工和制造，才能得到此傳動軸零件，賦予此零件的合金鋼材料，在傳動軸零件的系統(tǒng)中，最直接的方式直接進行調(diào)用來使用也可以得到合金鋼的相應(yīng)性能的參數(shù)[24]。
運用此設(shè)計的傳動軸的模型類別:使用的線性同向的方式
運行分割傳動軸的失敗形式標準: von Mises應(yīng)力是最大的情況下
所分析屈服強度
620.422 N/mm^2
所分析張力強度
723.826 N/mm^2
（2）自動捶背機傳動軸的網(wǎng)格劃分
所設(shè)計的網(wǎng)格類型
選擇實體網(wǎng)絡(luò)
傳動軸零件的網(wǎng)格器
采用標準網(wǎng)格
是否進行自動過度
關(guān)閉不進行
是否包括傳動軸零件的網(wǎng)格自動環(huán)
不包括
采用的傳動軸零件的雅克
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