CDIO項目設(shè)計-對切割機的研究設(shè)計

1、cdio項目設(shè)計設(shè)計 題目： 對切割機的研究設(shè)計學(xué)生學(xué)號：學(xué)生學(xué)號：學(xué)部（系）：專業(yè)年級：指導(dǎo)教師：2014年6月24日目錄第一章概述第二章砂輪切割機的方案設(shè)計42.1砂輪切割機總體設(shè)計422傳動方案的選取42.3砂輪片的選取52.4電機的選取72.5砂輪切割機的夾具設(shè)計7第三章砂輪切割機系統(tǒng)傳動裝置的設(shè)計83.1電動機的參數(shù)83.2傳動機構(gòu)的設(shè)計校核8 3. 3控制系統(tǒng)的設(shè)計校核第四章：機械傳動系統(tǒng)傳動裝置的建模及仿真裝配4.1虛擬樣機技術(shù)概念4.3 ug建模與仿真裝配154.2 ug建模的優(yōu)點1718總結(jié)參考文獻(xiàn)第一章概述本次我們研究的是砂輪切割機。砂輪切割機，乂叫砂輪鋸，砂輪切割機適用于

2、建筑、五 金、石油化工、機械冶金及水電安裝等部門。砂輪切割機可對金屬方扁管、方扁鋼、工字鋼, 槽型鋼，碳元鋼、元管等材料進(jìn)行切割的常用設(shè)備。其主耍是由基座、砂輪、電動機或其他 動力源、托架、防護罩和給水器等所組成，砂輪是設(shè)置于基座的頂面，基座內(nèi)部具有供容置 動力源的空間，動力源傳動一減速器，減速器具有一穿出基座頂血的傳動軸供固接砂輪，基 座對應(yīng)砂輪的底部位置具有一凹陷的集水區(qū)，集水區(qū)向外延伸一流道，給水器是設(shè)于砂輪一 側(cè)上方，給水器內(nèi)具有一盛裝水液的空間，且給水器對應(yīng)砂輪的一側(cè)具有一出水口。具有整 體傳動機構(gòu)十分精簡完善，使研磨的過程更加方便順暢及提高整體砂輪機的研磨效能的功 效。就切割方式來

3、說，總結(jié)有以下兒種主要切割機種類分類名稱工作原理特點應(yīng)用場合切割方式數(shù)控火焰切割機利用氧化鐵燃燒過 程中產(chǎn)生的高溫來切 割碳鋼具有大厚度碳鋼 切割能力，切割 費用較低，切割 誤差大限于碳鋼、大厚度板材 切割數(shù)控等離 子切割機利用高溫等離子電弧， 電弧的熱量使工件切 口的金屬局部融化（和 蒸發(fā)），并借住高速等 離子氣流的動力排除 熔融金屬以形成切口具有切割領(lǐng)域 寬，可切割所有 金屬板材，切割 速度快，效率高， 切割速度可達(dá)10m/min 以上等離子在水下切割能消 除切割時產(chǎn)生的噪聲， 粉塵、有害氣體和弧光 的污染，有效地改善工 作場合的環(huán)境。采用精 細(xì)等離子切割已使切割 質(zhì)量接近激光切割水平數(shù)控

4、激光切割機利用高功率密度的激 光束照射工件產(chǎn)生高 溫使材料局部汽化來 實現(xiàn)切割具有切割速度 快，精度高等特 點激光切割機價格昂貴， 切割費用高，只適合于 薄板切割、精度要求高 的場合數(shù)控高壓 水射流切 割機利用高速水箭形成高 壓水刀實現(xiàn)切割切割精度高，效 率低，切割費用 高不產(chǎn)生熱變 形，環(huán)保適用于任何材料的切割 （金屬、非金屬、復(fù)合 材料）砂輪切割機通過高速旋轉(zhuǎn)的薄片砂輪來對被切割物進(jìn)行磨削使其分離切割精度不高，自動化程度不高適用范圍廣，用來切割 不銹鋼、軸承鋼、各種 合金鋼、淬火鋼等材料 時，更有其突出優(yōu)點在機械結(jié)構(gòu)上，龍門式數(shù)控切割機即傳統(tǒng)大中型機床的雙底架橫梁座立式結(jié)構(gòu)，跨距和 向行走

5、距離大，適合大型板材加工。懸借式數(shù)控切割機也是一種傳統(tǒng)經(jīng)典的機械結(jié)構(gòu)，單底 座與橫梁一端相接，割槍在橫梁上橫向移動，此類設(shè)備適合中小型板材加工。在機械加工過程中，板材切割常用方式有手工切割、半自動切割機切割及數(shù)控切割機切 割。手工切割靈活方便，但手工切割質(zhì)量差、尺寸誤差大、材料浪費大、后續(xù)加工工作量大, 同吋勞動條件惡劣，生產(chǎn)效率低。半自動切割機中仿形切割機，切割工件的質(zhì)量較好，由于 其使用切割模具，不適合于單件、小批量和大工件切割。其它類型半自動切割機雖然降低了 工人勞動強度，但其功能簡單，只適合一些較規(guī)則形狀的零件切割。數(shù)控切割相對手動和半 口動切割方式來說，對有效地提高板材切割地效率、切

6、割質(zhì)量，減輕操作者地勞動強度。在 我國的一些中小企業(yè)甚至在一些大型企業(yè)中使用手工切割和半自動切割方式還較為普遍。我 國機械工業(yè)鋼材使用量已達(dá)到3億噸以上，鋼材的切割量非常大；隨著現(xiàn)代機械工業(yè)的發(fā)展, 對板材切割加工的工作效率和產(chǎn)品質(zhì)量的要求也同時提高，因而數(shù)控切割機的市場潛力還是 很大，市場前景比較樂觀。由此可以看出，就性價比而已，砂輪切割機作為傳統(tǒng)的工具，仍然具有很高的適用范圍 和市場，具有很高的研究價值。第二章砂輪切割機的方案設(shè)計2.1砂輪切割機總體設(shè)計圖2-1砂輪切割機1.手柄2.切割片3夾緊塊4.手輪5.絲桿6.支架7.腳輪&皮帶罩9電機10.開關(guān)11護罩砂輪機，其主要是由基座

7、、砂輪、電動機或其他動力源、托架、防護罩和給水器等所組 成，砂輪是設(shè)置于基座的頂面，基座內(nèi)部具有供容置動力源的空間，動力源傳動一減速器, 減速器具有一穿出基座頂面的傳動軸供固接砂輪，基座對應(yīng)砂輪的底部位置具有一凹陷的集 水區(qū)，集水區(qū)向外延伸一流道，給水器是設(shè)于砂輪一側(cè)上方，給水器內(nèi)具有一盛裝水液的空 i'可，且給水器對應(yīng)砂輪的一側(cè)具有一出水口。具有整體傳動機構(gòu)十分精簡完善，使研磨的過 程更加方便順暢及提高整體砂輪機的研磨效能的功效。2.2傳動方案的選取現(xiàn)在傳動機構(gòu)主要有兩種方案，第一，電動機通過帶傳動帶動砂輪運動。 第二，電動機通過圓錐齒輪傳動帶動砂輪?？紤]到切割過程中電動機帶動砂輪高

8、 速旋轉(zhuǎn)，會有一定的震動，所以優(yōu)先選擇第一種方案，因為圓錐齒輪傳動不適合 在轉(zhuǎn)速太高的場合，而且齒輪傳動運動時，還要考慮消除震動和怎樣潤滑的問題, 這樣就大大增加的生產(chǎn)成本。因此，確定傳動方案簡圖如下圖22切割機傳動示意:圖23砂輪片的選取磨料是制造砂輪的主要原料，它擔(dān)負(fù)著切削工作。因此，磨料必須鋒利，并具備高的硬度、良好的耐熱性和一定的韌性。系別名稱代號主要 成分顯微硬度 (hv)顏色特性適用范圍棕剛玉aala91-96%2200-2288棕褐色硬度高， 韌性好， 價格便宜碳鋼、合金 鋼、可鍛鑄 鐵、硬青銅白剛玉waal2o397-99%2200-2300白色硬度比a 高，磨削 熱量小磨削淬

9、硬的 碳鋼、高速 鋼黑碳化硅sicsic>95%2840-3320黑色帶 光澤硬度高于 鋼玉，性 脆而鋒 利，有良 好的導(dǎo)熱 性和導(dǎo)電 性磨削鑄鐵、 黃銅、鋁及 非金屬綠碳化硅gc3280-3400綠色優(yōu)良的導(dǎo) 電性高硬磨料立方氮 化硼cbn立方氮化硼8000-9000黑色硬度僅次 于金剛 石，耐磨 性和導(dǎo)電 性好，發(fā) 熱量小磨削硬質(zhì)合 金、不銹鋼、 高合金鋼等 難加工材料人造金剛石mbd碳結(jié)晶體10000乳口色硬度極 高，韌性 很差，價 格昂貴粒度是指磨料顆粒尺寸的大小。粒度分為磨粒和微粉兩類。對于顆粒尺寸大于40pm的磨料，稱為磨粒。主要與加工表面粗糙度和生產(chǎn)率有關(guān)。粗磨時，磨削余量

10、大，要求的表 面粗糙度值較大，應(yīng)選用較粗的磨粒。因為磨粒粗、氣孔大，磨削深度可較大，砂輪不易堵 塞和發(fā)熱。精磨時，余量較小，要求粗糙度值較低，可選取較細(xì)磨粒。一般來說，磨粒愈細(xì), 磨削表面粗糙度愈好。用篩選法分級，粒度號以磨粒通過的篩網(wǎng)上每英寸長度內(nèi)的孔眼數(shù)來 表示。如60 #的磨粒表示其大小剛好能通過每英寸長度上有60孔眼的篩網(wǎng)。對于顆粒尺 寸小于40 um的磨料，稱為微粉。用顯微測量法分級，用w和后面的數(shù)字表示粒度號，其w 后的數(shù)值代表微粉的實際尺寸。如w20表示微粉的實際尺寸為20umo各種粒度號的磨粒尺 寸見下表磨粒磨粒微粉粒度號顆粒尺寸(um )粒度號顆粒尺寸(um)粒度號顆粒尺寸(

11、um)14 #1600=25070 #250200w4040 2816 #1250100080 #200160w28282020 #1000800100 #160125w20201424 #800630120 #125100w14141030 #630 500150 #100 80w1010736 #500400180 #8063w77546 #400315240 #6350w553560 #315250280 #5040w3. 53. 52. 5注：比14 #粗的磨粒及比w3.5細(xì)的微粉很少使用，表中未列出。經(jīng)過查資料。切斷能力為50的砂輪片，其規(guī)格為400x3.2x32mm,所需電機的最小

12、功 率為pmin = 2.2 kw,轉(zhuǎn)速為n=2840r/min,砂輪片的最大線速度為70 m/s。最終選擇的砂輪片的型號為tl-001型，其磨料為棕剛玉，粒度為20#lo2.4電機的選取根據(jù)砂輪片的要求，現(xiàn)選用比較常用的y系列三相異步電機，這是由于y系列三相異 步電機的功率等級和安裝尺寸與國外同類型的先進(jìn)產(chǎn)品相當(dāng)，因而與國外同類型產(chǎn)品之間有 良好的互換性，共配套出口及引進(jìn)設(shè)備替換。另外y系列（ip44）電動機為一般用途全封 閉式自扇冷式籠型三相異步電動機，具有防止灰塵、鐵屑或其他雜物侵入電動機的特點，特 別適合砂輪切割機的工作環(huán)境。因此選取電機功率為2.2kw,滿載轉(zhuǎn)速為2840r/mino

13、型號 為 y90l-2 o2.5砂輪切割機的夾具設(shè)計此砂輪切割機為人工手動操作，砂輪的上下運動由提桿帶動，運動簡圖如下圖所示。砂輪繞基座作圓弧運動，rti于是人工操作提桿來帶動砂輪運動，所以其速度沒有固定值。圖23切割運動示意圖通過手柄的運動可以使螺紋不斷嚙合從而推動夾板靠攏，從而夾緊工件。因此,夾具設(shè)計如下圖第三章 砂輪切割機系統(tǒng)傳動裝置的設(shè)計3.1電動機的參數(shù)根據(jù)設(shè)計任務(wù)書，由有關(guān)手冊查出電動機性能參數(shù)如下:電動機性能參數(shù)，如表3-1電動機型號額定功率滿載轉(zhuǎn)速kwr/miny90l-22.22840表3-1電動機主耍外形如圖3-1所示，安裝尺寸列于下表3-2：圖3-1電動機主要外形和安裝尺

14、寸中心高h(yuǎn)外形尺寸lxacxhd底腳安裝尺寸axb底腳螺栓孔直徑k軸伸尺寸dxe裝鍵部位尺寸fxg160225x130x180100x80711x234x8.5表2電動機的安裝尺寸3. 2傳動機構(gòu)的設(shè)計校核切割機的切割砂輪直接固定在與電動機的軸同軸線相連接的軸上，根據(jù)切割砂輪的規(guī)格尺寸設(shè)計軸的尺寸并檢驗。3.2.1軸的計算1) 安裝切割砂輪的軸與電動機軸直接通過套筒連接，首先都軸進(jìn)行設(shè)計計算。已知軸上的 功率p，轉(zhuǎn)速m求轉(zhuǎn)矩t：p=2.2kwn=2840r/mint=9550p/n =7.40n.m2) 初步確定軸的最小直徑選取軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理。根據(jù)有關(guān)手冊取a =112,于是得dm

15、in=a0*p丨n =112”7.40/2840 =4.97 mm輸入軸的最小直徑顯然是安裝切割機砂輪處軸的直徑di，根據(jù)砂輪的規(guī)格尺寸，故 d i .h = 10 mm, l i _ii = 8 mm。3) 軸的撓度計算由于軸與電機軸同步轉(zhuǎn)動，選擇聯(lián)軸器。為了方便，聯(lián)軸器與軸做成一體，長度l = 40 mm ,其中 l i _n = 8 mm ,則 ln-in =32 mm。撓度計算公式如下：ymax=pa2(3l-a)/6ei<=y式中：p切割時作用在軸上的力，p=4.9n (這一力很小)；a切割點至支撐點的距離,即lu-in, a=32mm；l一軸的長度，l=40mm；e彈性模量，

16、查手冊：e=206gpa；i慣矩,i=id4/64;刃一許用撓度，y=0.05mmo則 d>=19.5mm為了滿足切割砂輪的軸向定位要求，1-11軸段右端需制出一軸肩，而且為了避免電動 機的軸向竄動，選擇推力球軸承加以軸向固定。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)件軸承的內(nèi)徑尺寸，故取ii-m段 的直徑山川二20mm.軸承類型：51204 (gb/t 301-1995)。砂輪的軸向固定輪安裝在軸上后，左端用軸肩來固定，右端使用螺母。所以軸的i-ii段 攻有螺紋，由于要留有砂輪裝配空間，故螺紋長度占有6mim螺母規(guī)格：d=m10(gb/t6174)3.2.2軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計圖32軸3.2.3帶傳動的設(shè)計與計算工況系數(shù)計算

17、功率 選擇帶的型號 小帶輪直徑大帶輪直徑大帶輪轉(zhuǎn)速(2)計算帶長求d”求4初取屮心距查表得ka = 1.1匕=kax p = lix.5 = .65kw查表得 a型查表得 収d = 63mmd = (1y)凹hi= (l-0.1)x63x1400700=126 mmhi = (1 £)dm= 700r/mindm =di + da = 350 mm(1-0.01)63x140012663 + 126""2= 94.5帶長ioa231 52l =風(fēng)+ 2q + = 3 .14 x945 + 2x350 + - a350= 296.73 + 700 + 2.835=9

18、99.56mm由v帶基準(zhǔn)長度圖表，可得l = 1000呦(3)求中心距與包角屮心距小帶輪包角(4)求帶的根數(shù)帶速傳動比帶的根數(shù)a = lndn +1j(厶一風(fēng))2 一疝4 八= 1ooo_3：4x94.5+£j(000_”x94.5)28x31.52=965.3m/?r)i de = 180。一一=x60°= 180°-126-63965.3x60°>120°= 176°兀dm60x1000n _ 2840n 700_3j4x63x2840-60x1000=9.36m / s查表得 = 132kw rtl查表得 ka = 0.9

19、8查表得 k = 0.93 由查表得 m = 0.71hve1.65z =(po+ pjkk (1.32 + 07) x 0.98x 0.93-2.1(5)求軸上載荷 張緊力 軸上載荷v帶輪的尺寸計算(1)小帶輪小帶輪直徑d “npc/2.5ka 2fo = 5oo () + q 廠vz ku=500 x() + 0.1 x 7.37.3x20.98=90kafc = 2zxfos1n = 2x2x90xsin= 360nd = 63mm查表得h頂二3.5mm3 = 6mm h = 12mme - 15±03"力f = 1 omm 0 = 34° bo = 13.

20、1°輪寬b = (z-1) + 2/ = (2-1)x15 + 20 = 35mm外徑d® = d + 2h 頂=100 + 2x3.5=101 mm孔徑 此處的孔徑依據(jù)電機的輸出軸為準(zhǔn)查表得軸=22mm d. - 22mm（2）大帶輪大帶輪直徑e - 15±03"力外徑（3）結(jié)構(gòu)選擇選擇輻板式結(jié)構(gòu)輪緣直徑輪轂克徑dz = 198mm查表得加=3.5 mm3 = 6mmf = 10mm © = 38°= di + 2 頂=198 + 2x3.5=205mm厶二 dl2(h +)= 205-2(12 + 6)=169mmdn = (1.

21、8 2) d誡36 40h = 12mmho = 13.4°輻板孔圓周定位尺寸do =169 + 40_2-=104.5/zzmsi > 0.5s = 0.5x10 = 5mmdi =169-402-2x5=54.5 mm3.3控制系統(tǒng)的設(shè)計校核3.3.1夾具的主要結(jié)構(gòu)與使用女口3-3圖所示，該夾具由手輪、絲桿、絲母、左夾具、右夾具組成。絲母和左夾具是固 定不動的，當(dāng)旋轉(zhuǎn)手輪吋，絲桿依靠螺旋作用前進(jìn)或后退，用來夾緊或松開工件，絲母在夾緊 或松開過程屮起導(dǎo)向和支承作用。由此可見這種夾具是依靠非常簡單的螺旋運動前進(jìn)或后退, 來實現(xiàn)對工件的夾緊或松開。例如我們驅(qū)動夾具壓桿前進(jìn)50mm

22、，壓桿的螺距為5mm，當(dāng)手 輪旋轉(zhuǎn)一周時壓桿前進(jìn)了5mm。通過計算可知，若要實現(xiàn)壓桿前進(jìn)50mm，手輪需旋轉(zhuǎn)10圈。圖3-3夾緊裝置關(guān)于夾緊力的計算，夾緊力的計算可有下式進(jìn)行：w = ql/ (rltgo 1 + r2tg(a+(p2)式中：q 手驅(qū)動力取q = 300n;l 手輪半徑 l= 10mm;rl 一壓桿端部與工件間的當(dāng)量摩擦半徑，假設(shè)壓桿與工件為點接觸，則1=0;r2 壓桿螺紋中徑的一半，r2 = 4.5mm(注:壓桿螺紋為10mm)；0)1 壓桿端部與工件間的摩擦角,tg(dl =01;a壓桿螺紋升角；a= 2。2&；2 壓桿螺紋螺旋副的當(dāng)量摩擦角，2 = 6°

23、38則夾緊力w=1974(n) o對工件的夾緊力(一般砂輪切割機夾具的的夾緊力只需800nboon) o為：w'= wf= 9868 x0.7 =1382(n)f 卡爪與壓桿z間的摩擦系數(shù)第四章：機械傳動系統(tǒng)傳動裝置的建模及仿真裝配4.1虛擬樣機技術(shù)概念虎擬樣機技術(shù)又稱為機械系統(tǒng)動態(tài)仿真技術(shù)，是國際上二十世紀(jì)八十年代隨著計算機技 術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的一項計算機輔助工程(cae)技術(shù)。它是一種嶄新的產(chǎn)品開發(fā)方法, 是一種基于產(chǎn)品的計算機仿真模型的數(shù)字化設(shè)計方法，它從外觀、功能和行為上模擬真實產(chǎn) 品，支持并行工程方法學(xué)。目前對于煨擬樣機的概念還沒有一種通用精確的定義，針對不同的研究領(lǐng)域

24、，有不同的 定義方法。從機械工程研究領(lǐng)域的角度出發(fā)，ed. pandert等人認(rèn)為虎擬樣機是一種針對測 試的対象和物理原型進(jìn)行的一個虛擬制造和仿真過程，基于虛擬樣機技術(shù)建立的工程化制造 開發(fā)模型可以使設(shè)計人員訪問一個實際物理模型的所有關(guān)于機械，物理，外觀和功能特性的 有關(guān)信息。虛擬樣機技術(shù)研究的優(yōu)勢主要是機械系統(tǒng)運動學(xué)和動力學(xué)分析，核心是利用計算機輔助 分析技術(shù)進(jìn)行機械系統(tǒng)的運動學(xué)和動力學(xué)分析，以確定系統(tǒng)及其各構(gòu)件在任意吋刻的位置、 速度和加速度，同時，通過求解代數(shù)方稈組，確定引起系統(tǒng)其各構(gòu)件運動所需的作用力和反 作用力。該技術(shù)一出現(xiàn)，立即受到了極大重視，許多著名制造簡紛紛將虛擬樣機技術(shù)引入各

25、自的 產(chǎn)品開發(fā)屮，取得了良好的經(jīng)濟效益。目前，國際上己經(jīng)出現(xiàn)了許多虛擬樣機技術(shù)的商業(yè)軟 件。4.2 ug建模的優(yōu)點ug實體建模，通過拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃描等建模方法，并輔之以布爾運算，使用戶既可以 進(jìn)行參數(shù)化建模，乂可以方便地使用非參數(shù)方法生成三維模型。另外還可以對部分參數(shù)化或 非參數(shù)化模型再進(jìn)行二次編輯，以方便生成復(fù)雜機械零件的實體模型，具體有以下優(yōu)點。1、ug實體建模充分繼承了傳統(tǒng)意義上的線、面、體造型特點及長處，能夠方便迅速地創(chuàng) 建二維和三維線實體模熨。而且還可以通過其它特征操作和特征編輯模塊對實體進(jìn)行各種操 作和編輯。將復(fù)雜的實體造型大大簡化。2、ug實體建模能夠保持原有的關(guān)聯(lián)性，可以引用到二維工程圖、裝配、加工、機構(gòu)分析 和有限元分析中。3、ug實體建模提供了概念設(shè)計和細(xì)節(jié)設(shè)計，提高創(chuàng)新設(shè)計能力。4、ug實體建模具備對彖顯示和面向?qū)﹀杞换ゼ夹g(shù)，不僅顯示效果明晰而且可以改進(jìn)設(shè)計 進(jìn)度。5、ug實體建模采用主模型設(shè)計方法，驅(qū)動后續(xù)應(yīng)用，如工程制圖、加工等，實現(xiàn)并行工 程。主模型修改后，其它應(yīng)用自動更新，避免重復(fù)6、ug實體建?？梢赃M(jìn)行測量和簡單物理特性分析。43 ug建模與仿真裝配圖41電機的造型設(shè)計圖4-2上支撐的造型設(shè)計圖43上半部分的整體裝