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揚(yáng)州大學(xué)廣陵學(xué)院
本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)
畢業(yè)設(shè)計(jì)題目 碟形彈簧測(cè)力分選機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
學(xué) 生 姓 名 閆相宜
專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
班 級(jí) 機(jī)械81001班
指 導(dǎo) 教 師 周建華
完 成 日 期 2014 年 05 月 30 日
畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文）中文摘要
近年來(lái)，由于機(jī)械設(shè)備行業(yè)，汽車工業(yè)等行業(yè)的迅速發(fā)展，推動(dòng)了彈簧工業(yè)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造工藝生產(chǎn)設(shè)備以及彈簧的材料等的發(fā)展。由于行業(yè)的需要，對(duì)于彈簧的檢測(cè)以及分選設(shè)備的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，是彈簧工業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。彈簧分選機(jī)是安裝在彈簧加工過(guò)程中的檢測(cè)工藝工段線上。對(duì)此，本文是針對(duì)碟形彈簧分選機(jī)的設(shè)計(jì)，涉及到機(jī)械、電氣等方面的技術(shù)，是一個(gè)典型的機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，主要是碟形彈簧分選機(jī)的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。結(jié)合目前所掌握的各項(xiàng)技術(shù)，旨在開(kāi)發(fā)一套具有較高自動(dòng)化水平，安全可靠，性價(jià)比高的數(shù)控自動(dòng)碟形彈簧分選機(jī)。彈簧檢測(cè)是其生產(chǎn)過(guò)程必不可少的工序，而測(cè)力是檢測(cè)的主要內(nèi)容之一。彈簧力參數(shù)直接影響彈簧的性能和工作狀態(tài)。尤其是高精度彈簧以及需配對(duì)或者配套使用的彈簧，要求嚴(yán)格按力參數(shù)分選包裝。
結(jié)合碟形彈簧的特點(diǎn)，本文旨在設(shè)計(jì)一種自動(dòng)化數(shù)控機(jī)構(gòu)，能夠在生產(chǎn)碟形彈簧時(shí)，根據(jù)其彈性系數(shù)的不同，按照不同指標(biāo)測(cè)試彈力，篩選出不同彈性系數(shù)的碟形彈簧，并且流入不同的落料箱，以達(dá)到碟形彈簧分選的目的。要求設(shè)計(jì)的試驗(yàn)機(jī)能按照試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行連續(xù)運(yùn)行，運(yùn)動(dòng)動(dòng)力源采用電動(dòng)機(jī)，其篩選的范圍是根據(jù)碟形彈簧直徑而定為50mm-100mm。
關(guān)鍵詞 碟形彈簧 測(cè)力 分選 彈性系數(shù) 電動(dòng)機(jī)
畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文）外文摘要
Title Disc spring?force?mechanism design of?sorting machine
Abstract
In recent years, the rapid development of machinery industry, automobile industry and other industries, and promote the development of the product design and manufacturing process equipment and industrial spring material such as spring. Due to the need of the industry, for the spring testing and sorting equipment design and development, industrial development is the inevitable trend of spring. Spring sorter is installed in the spring of the detection processing section processes the line. In this regard, the design is a disc spring sorting machine design, which involves mechanical, electrical and other aspects of technology, is a typical mechatronic system design, primarily sorter disc spring mechanism design. Combined with the currently available technology, to develop a set of high level of automation, safe, reliable, cost-effective disc spring CNC automatic sorting machine. Spring testing is an essential step of its production process. One of the main load is detected. The spring force of the spring parameters directly affect the performance and operation. Especially in high-precision springs and spring required matching or supporting the use of force by demanding parameters sorting packaging.
Combining the characteristics of the disc spring, in the production of this paper is to design the disc spring, according to the different modulus of elasticity, elasticity test according to the different indicators screened different modulus of elasticity of the spring disc, and into a different tank falls to coned disc spring reaches the sorting purposes. Experimental design performance requirements in accordance with the design requirements of the standard test for continuous operation, the motive power source is an electric motor which is based on the range of screening the diameter of the disc spring is 50mm-100mm.
Keywords Disc spring force Dorting Dhe elastic coefficient The electric motor
閆相宜 碟形彈簧測(cè)力分選機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
目 錄
1 緒論 3
1.1 課題研究的目的及意義 3
1.2 工作原理 3
1.3 國(guó)外分選機(jī)研究現(xiàn)狀 4
1.4 國(guó)內(nèi)分選機(jī)研究現(xiàn)狀 4
2 方案的選擇與設(shè)計(jì) 6
2.1 本課題的設(shè)計(jì)任務(wù) 6
2.2 設(shè)計(jì)思想和思路 6
2.3 上料機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 6
2.4 定位方案選擇 7
2.5 測(cè)力機(jī)構(gòu)的選擇 10
2.6 分選機(jī)構(gòu)方案的選擇 10
3 總體的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 12
3.1 碟形彈簧分選機(jī)總體要求 12
3.1.1 工作環(huán)境 12
3.1.2 主要性能要求 12
3.1.3 工件要求 12
3.2 碟形彈簧測(cè)力分選機(jī)機(jī)構(gòu)組成 12
4 零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 14
4.1 托盤(pán)設(shè)計(jì) 14
4.2 軸的設(shè)計(jì) 15
4.3 鍵的選擇 16
4.3.1 大鍵的選擇 16
4.3.2 小鍵的選擇 17
4.4 齒輪的設(shè)計(jì) 17
4.4.1 大齒輪的設(shè)計(jì) 17
4.4.2 小齒輪的設(shè)計(jì) 18
4.5 機(jī)座的設(shè)計(jì) 19
4.6 氣壓缸的選擇 20
4.7 軸承的選擇 20
4.8 液壓缸的選擇 23
4.9 軸承蓋的選擇 23
4.10 電動(dòng)機(jī)的選擇 24
5 強(qiáng)度校核 26
5.1液壓缸的強(qiáng)度校核 26
5.2 托盤(pán)的強(qiáng)度校核 29
結(jié) 論 34
致 謝 35
參考文獻(xiàn) 36
附件：碟形彈簧測(cè)力分選機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)裝配圖及零件圖 37
1 緒論
1.1 課題研究的目的及意義
碟形彈簧是一種圓環(huán)墊片狀的材質(zhì)不同的金屬機(jī)械配件，是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸緊湊的彈性元件，又名貝勒維爾彈簧墊圈，是法國(guó)人貝勒維爾發(fā)明的。一般是通過(guò)相當(dāng)數(shù)量的疊加來(lái)提供足夠彈性伸展而發(fā)揮作用。由于有變剛度特性、承載能力大、緩沖減震性強(qiáng)并且易于獲取不同彈性特性和安裝緊湊等的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于機(jī)械設(shè)備行業(yè)，汽車工業(yè)，石油工業(yè)以及航天工業(yè)等領(lǐng)域，很大范圍取代了圓柱形螺旋彈簧。碟形彈簧一般由金屬帶材、板材或鍛造坯料沖壓而成，其幾何構(gòu)型為截面呈淺圓錐狀的軸對(duì)稱回轉(zhuǎn)體。如圖1-1所示。
圖1-1 碟形彈簧結(jié)構(gòu)示意圖
由于機(jī)械設(shè)備行業(yè)，汽車工業(yè)等行業(yè)的迅速發(fā)展，推動(dòng)了彈簧工業(yè)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造工藝生產(chǎn)設(shè)備以及彈簧的材料等的發(fā)展。由于行業(yè)的需要，碟形彈簧的合格與不合格，彈性系數(shù)不同的檢驗(yàn)至為重要。碟形彈簧產(chǎn)量的增加也導(dǎo)致碟形彈簧分選工作量的增加。因此碟形彈簧測(cè)力分選機(jī)的設(shè)計(jì)，既能很好的按彈性系數(shù)分成幾類，又能提高檢測(cè)效率。
1.2 工作原理
結(jié)合碟形彈簧的特點(diǎn)，在生產(chǎn)碟形彈簧時(shí)，根據(jù)其彈性系數(shù)的不同，按照不同指標(biāo)測(cè)試彈力，篩選出不同彈性系數(shù)的碟形彈簧，并且流入不同的落料箱，以達(dá)到碟形彈簧分選的目的。
碟形彈簧測(cè)力分選機(jī)由上料裝置、控制系統(tǒng)、測(cè)力機(jī)構(gòu)、分選機(jī)構(gòu)組成。上料裝置又分為自動(dòng)上料裝置和手動(dòng)上料裝置，手動(dòng)上料裝置工作效率低下，而自動(dòng)上料裝置效率高。將需要測(cè)力分選的碟形彈簧放入自動(dòng)上料裝置，自動(dòng)上料裝置通過(guò)傳送帶傳送并由氣缸推送使得彈碟形簧有序地推入碟形彈簧定位裝置，工作臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)使碟形彈簧進(jìn)入待測(cè)力點(diǎn)，以待檢測(cè)。測(cè)力機(jī)構(gòu)由加力裝置和稱重傳感器等零件組成，壓桿由液壓缸組成，液壓缸推動(dòng)向下壓彈簧，直到達(dá)到預(yù)定的彈簧變形量時(shí)停止，稱重傳感器輸出檢測(cè)的值，控制系統(tǒng)通過(guò)測(cè)側(cè)值判斷彈簧是否合格，為哪一組彈簧，通過(guò)分選機(jī)構(gòu)的氣壓缸推出，將其送入相應(yīng)的料箱。
1.3 國(guó)外分選機(jī)研究現(xiàn)狀
在分選機(jī)研究方面，國(guó)外的公司起步較早，美國(guó) ESM 公司及 Sortxe 公司分別于20 世紀(jì) 30 年代及 40 年代研制了這種設(shè)備，并根據(jù)市場(chǎng)需要不斷推陳出新。日本佐竹公司于 1979 年首次推出這種產(chǎn)品，且目前生產(chǎn)的 GS 系列大米色選機(jī)性能優(yōu)越，技術(shù)指標(biāo)穩(wěn)定，得到了廣泛的應(yīng)用。日本安西制作所一直著力于分選技術(shù)的研究，2002 年 4 月成功開(kāi)發(fā)出世界首創(chuàng)的用于分選低粘度小麥的專用分選機(jī)AU，2004 年開(kāi)發(fā)并生產(chǎn)搭載高速 CCD(ChargeCoupledDeviee)的大型號(hào)色選機(jī)。另外從事分選機(jī)研究的公司還有美國(guó)布勒集團(tuán)及英國(guó)和瑞士的一些糧食加工設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)。
因此早期的分選機(jī)主要運(yùn)用在農(nóng)副產(chǎn)品如水果、谷物類等分選上。隨著工業(yè)化速度加快，在二十世紀(jì)四五十年代彈簧分選機(jī)運(yùn)用與發(fā)展，但也僅限于像飛機(jī)油門(mén)彈簧等高精度分選場(chǎng)合。同時(shí)一些彈簧專業(yè)生產(chǎn)廠也根據(jù)自身需要開(kāi)發(fā)了一些以單一要素為主要分選體的分選設(shè)備。如瑞典的 Tekno – Detaljer 公司于 1970 年開(kāi)發(fā)的彈簧分選機(jī)。該類分選機(jī)雖在精度上具有較大的優(yōu)勢(shì)，但由于其大多結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且分選單一，因此僅適合一些實(shí)驗(yàn)性和小加工生產(chǎn)上作為檢測(cè)使用。目前國(guó)外市場(chǎng)上有兩種彈簧分選機(jī)——高精度型與高速度型；高精度型彈簧分選機(jī)用來(lái)分選那些分檢精度要求很高的彈簧，如噴氣飛機(jī)的油門(mén)彈簧，該彈簧的每個(gè)變形即對(duì)應(yīng)一個(gè)飛行速度。因此，這種彈簧對(duì)精度要求十分苛刻，但這種分選機(jī)的分選速度很低，一般低于每分鐘 4 件，不適合大批量彈簧生產(chǎn)的需要。高速度型彈簧分選機(jī)主要為大批量彈簧生產(chǎn)商研制的專用分選機(jī)，如英國(guó)Testometric 公司研制的 Testometric AT-S 機(jī)，這種分選機(jī)在速度上能達(dá)到較高的要4求，但高昂的費(fèi)用使的大多數(shù)的企業(yè)都無(wú)法接受。
1.4 國(guó)內(nèi)分選機(jī)研究現(xiàn)狀
相對(duì)國(guó)外而言，國(guó)內(nèi)分選機(jī)的研究還處于起步階段，用于成品的還很少，目前主要是引進(jìn)或者改造國(guó)外的分選機(jī)。主要有:中美合資合肥安科光電有限公司引進(jìn)美國(guó)技術(shù)生產(chǎn)的分選機(jī)系列；由浙江齊鯉機(jī)械有限公司和韓國(guó)韓亞自動(dòng)化(株式會(huì)社)聯(lián)合開(kāi)發(fā)制作的 DIGE 呵 ICS 系列大米分選機(jī)；合肥美亞光電技術(shù)有限責(zé)任公司 2003 年 8 月推出的最新 VS 軟件系統(tǒng) 55-B 系列數(shù)字化分選機(jī)，其首次將高速浮點(diǎn) DSP 數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)及雷達(dá)中的抗干擾技術(shù)用于數(shù)字化分選機(jī)的開(kāi)發(fā)。另外，核工業(yè)理化工程研究院自主研究生產(chǎn)的分選機(jī) 1996 年 11 月通過(guò)了國(guó)家鑒定，但在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上還有許多值得改進(jìn)的地方，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)與國(guó)外產(chǎn)品相比還有一定的差距。
國(guó)內(nèi)生產(chǎn)彈簧分選機(jī)的主體企業(yè)并不多，只是一些企業(yè)主要依據(jù)自身的要求研發(fā)相應(yīng)的自動(dòng)化程度較低的、分選比較單一的分選機(jī)，如杭州寶威機(jī)械廠研制的彈簧分選機(jī)，該機(jī)在設(shè)計(jì)上采用工位旋轉(zhuǎn)方式，速度與彈簧定位成為關(guān)鍵，速度過(guò)快彈簧可能在慣性下飛出工位，速度過(guò)低則達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，且圓盤(pán)式結(jié)構(gòu)使得圓盤(pán)轉(zhuǎn)到的慣性難以控制。針對(duì)此種情況國(guó)內(nèi)一些科研機(jī)構(gòu)和大專院校結(jié)合實(shí)際也做了相關(guān)的研究工作，如湖北工業(yè)大學(xué)與武漢科技學(xué)院合作研發(fā)的數(shù)控彈簧高速自動(dòng)分選機(jī)，該項(xiàng)目研究的數(shù)控彈簧高速自動(dòng)分選機(jī)，開(kāi)發(fā)了檢測(cè)系統(tǒng)抗漂移、抗干擾和變頻傳動(dòng)高速分度系統(tǒng)；研制了快速采集和快速濾波系統(tǒng)；確定了數(shù)據(jù)特征值，開(kāi)發(fā)了計(jì)算機(jī)快速?gòu)椈蓹z測(cè)圖形分析及檢測(cè)軟件，但在速度與彈簧分組值上還有待提高。我國(guó)自八十年代初開(kāi)始研制自動(dòng)測(cè)力裝置，至今還未有令人滿意的結(jié)果，究其原因可歸納為如下幾點(diǎn)：（1）沒(méi)排除受檢彈簧與定位元件表面在測(cè)力過(guò)程中的摩擦力的影響及機(jī)械動(dòng)作、液壓裝置沖擊所引起的附加動(dòng)載荷的影響;（2）沒(méi)有很好地消除測(cè)力裝置本身的加工和安裝誤差; （3）受傳感器精度影響及分選控制誤動(dòng)影響;（4）大多數(shù)機(jī)型不能同時(shí)完成自動(dòng)測(cè)力和分選功能。
2 方案的選擇與設(shè)計(jì)
2.1 本課題的設(shè)計(jì)任務(wù)
結(jié)合碟形彈簧的特點(diǎn)，在生產(chǎn)碟形彈簧時(shí)，根據(jù)其彈性系數(shù)的不同，按照不同指標(biāo)測(cè)試彈力，篩選出不同彈性系數(shù)的碟形彈簧，并且流入不同的落料箱，以達(dá)到碟形彈簧分選的目的。主要的設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于碟形彈簧定位機(jī)構(gòu)、測(cè)力機(jī)構(gòu)和分選機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
2.2 設(shè)計(jì)思想和思路
如前所述，隨著技術(shù)的迅猛發(fā)展，彈簧分選機(jī)的設(shè)計(jì)也得到了極大的提高，通過(guò)大量查閱資料和文獻(xiàn)，本文提出如下設(shè)計(jì)思路:
(1) 通過(guò)查閱大量拉力試驗(yàn)機(jī)的資料提出性能更優(yōu)越的設(shè)計(jì)方案；
(2) 對(duì)碟形彈簧測(cè)力分選機(jī)進(jìn)行總體的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)；
(3) 根據(jù)整體對(duì)各個(gè)部件進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)；
(4) 設(shè)計(jì)好整體及零部件后進(jìn)行強(qiáng)度的校核。
2.3 上料機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)
根據(jù)碟形彈簧的外觀特性，本文選擇如圖2-1所示的傳送帶上料方式。傳送帶將碟形彈簧由左往右傳送，當(dāng)?shù)竭_(dá)指定位置時(shí)氣壓缸依次將碟形彈簧推送到托盤(pán)的定位工位上，完成上料。
1-傳送帶 2-氣缸
圖2-1 上料機(jī)構(gòu)示意圖
2.4 定位方案選擇
彈簧分選機(jī)定位機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算，是分選機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的中心問(wèn)題，也是決定分選機(jī)性能的關(guān)鍵之一。
目前碟形彈簧的定位方式一般分為兩種，分別是固定式和運(yùn)動(dòng)式。固定式即指工件相對(duì)工位固定，在測(cè)試過(guò)程中，工位的數(shù)量不小于工件數(shù)量，工件一直與工位相對(duì)固定直到這個(gè)工件檢測(cè)結(jié)束。運(yùn)動(dòng)式定位是指運(yùn)用外力使彈簧在檢測(cè)過(guò)程中運(yùn)動(dòng)直到檢測(cè)完畢。固定式定位法有利于檢測(cè)臺(tái)結(jié)構(gòu)布局的整體性，但固定式定位法限制了工件的運(yùn)動(dòng)速度，降低了設(shè)備的整體運(yùn)行效率。而運(yùn)動(dòng)式定位法雖然在整體性方面不及固定式，但在運(yùn)行的效率以及可控性方面卻比固定式大大提高，且在連接上位傳送機(jī)構(gòu)與下位分選裝置提供了良好銜接點(diǎn)。
查詢和瀏覽了大量相關(guān)資料之后，參考了圓柱螺旋彈簧分選機(jī)的設(shè)計(jì)，選出了幾種定位方式進(jìn)行參考比較。
方案一：
圖2-2，2-3所示是一種定位方式推固定雙進(jìn)的定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，圖中數(shù)字的意義分別為：1支撐板、2檢測(cè)元件、3被測(cè)元件、4定位架、5小氣缸、6小氣缸座、7大氣缸、8工作臺(tái)。大氣缸推動(dòng)小氣缸往返運(yùn)動(dòng)，到達(dá)設(shè)定位置后小氣缸帶動(dòng)定位架將被測(cè)彈簧帶到下一工位，如此循環(huán)往復(fù)工作。
圖2-2 工位直進(jìn)式
圖2-3 現(xiàn)場(chǎng)圖
方案二：
圖2-4所示的機(jī)械傳送定位機(jī)構(gòu)由轉(zhuǎn)位油缸、分度板、三只爪（彈簧加壓）、控制凸輪、轉(zhuǎn)位工作盤(pán)等五個(gè)部件組成。齒輪上的一號(hào)爪卡入分度盤(pán)上的一個(gè)槽中，轉(zhuǎn)位油缸帶動(dòng)一號(hào)爪轉(zhuǎn)動(dòng)，一號(hào)爪帶動(dòng)分度盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)軸轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)位，當(dāng)轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)過(guò)45度時(shí)，二號(hào)爪與三號(hào)爪同時(shí)卡入分度板上的兩個(gè)相應(yīng)槽內(nèi)。此時(shí)，轉(zhuǎn)位工作臺(tái)保持不動(dòng)，彈簧進(jìn)入待測(cè)位置，然后，測(cè)力機(jī)構(gòu)作壓縮運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)位油缸退回，一號(hào)爪卡入分度板的另一相應(yīng)槽內(nèi)，控制凸輪擋回二號(hào)爪的爪尖，使二號(hào)爪與分度板隔開(kāi)。測(cè)力油缸活塞退回原位，進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)。（引用：WGTF_500型彈簧負(fù)荷分選機(jī)的研制）
圖2-4 工位旋轉(zhuǎn)式
方案三：
圖2-5所示的是一種彈簧測(cè)力機(jī)構(gòu)，使用V型塊定位，使彈簧中心與傳感器對(duì)應(yīng)，測(cè)力桿沿著彈簧中心軸心移動(dòng)壓縮彈簧，實(shí)現(xiàn)測(cè)力，再進(jìn)行分選。本方案與上述兩方案不同之處在于工件是平放著進(jìn)行測(cè)試，工位固定單一，工位不隨著工件移動(dòng)。
1-傳感器 2-定位元件 3-盤(pán)形凸輪 4-控制主軸 5-鏈輪 6-圓柱凸輪
7-傳動(dòng)桿 8-滑塊 9-推桿 10-間隙補(bǔ)償器 11-測(cè)量桿 12-傳力桿
圖2-5 工位固定式
1-液壓缸 2-托盤(pán) 3-定位孔
圖2-6碟簧定位機(jī)構(gòu)示意圖
根據(jù)方案的對(duì)比我們不難發(fā)現(xiàn)，如圖2-6的方案更直觀簡(jiǎn)單，因此最終方案。
如圖2-6為本設(shè)計(jì)的碟形彈簧定位機(jī)構(gòu)圖，碟簧由上料裝置的氣缸推送入定位孔，托盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)轉(zhuǎn)到測(cè)試工位時(shí)液壓缸推動(dòng)壓頭下壓，完成檢測(cè)，托盤(pán)再次轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)入分選機(jī)構(gòu)分選。托盤(pán)再轉(zhuǎn)動(dòng)將下一個(gè)碟形彈簧轉(zhuǎn)到測(cè)試工位，如此循環(huán)。
2.5 測(cè)力機(jī)構(gòu)的選擇
通過(guò)查閱資料，總結(jié)得出彈簧分選機(jī)的測(cè)力機(jī)構(gòu)有兩種型式，一種為立式，即垂直給予壓力進(jìn)行測(cè)量：另外一種為臥式，即水平給予壓力進(jìn)行測(cè)量。兩種方案如2-7圖。
A-彈簧自由高度 B-壓縮后高度
C-試壓頭 D-傳感器
（a）立式 (b)臥式
圖2-7測(cè)力機(jī)構(gòu)
彈簧的測(cè)試原理如圖2-7所示，當(dāng)彈簧進(jìn)入待測(cè)位置時(shí)，施壓頭向下壓一定的行程壓縮彈簧，彈簧下方的傳感器隨即輸出測(cè)試值。
根據(jù)碟形彈簧的特點(diǎn)，本設(shè)計(jì)選用立式，壓頭由液壓缸推動(dòng)向下壓設(shè)定的行程，壓縮碟簧進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2-6所示。
2.6 分選機(jī)構(gòu)方案的選擇
碟形彈簧測(cè)力檢測(cè)完之后，控制中心通過(guò)測(cè)力的值判斷碟形彈簧是否合格，是哪一類彈性系數(shù)的碟形彈簧，并由分選機(jī)構(gòu)執(zhí)行將檢測(cè)分選好的碟形彈簧推入不同的落料箱中，最終完成碟形彈簧的分選。
結(jié)合本文所設(shè)計(jì)的定位機(jī)構(gòu)，測(cè)力機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)出分選機(jī)構(gòu)如下圖2-8所示，有五個(gè)氣壓缸分別對(duì)應(yīng)于五個(gè)工位，經(jīng)過(guò)測(cè)力檢測(cè)后的碟形彈簧由控制系統(tǒng)判斷該碟形彈簧的分選范圍，當(dāng)旋轉(zhuǎn)到相應(yīng)的工位時(shí)，相應(yīng)的氣壓缸啟動(dòng)，推出碟形彈簧并落入落料箱中，完成分選。
1-分選氣壓缸一 2-分選氣壓缸二 3-分選氣壓缸三
圖2-8 分選結(jié)構(gòu)示意圖
37
3 總體的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
3.1 碟形彈簧分選機(jī)總體要求
3.1.1 工作環(huán)境
（1） 室內(nèi)使用；
（2） 環(huán)境溫度：-20℃~40℃；
（3） 電壓要求：220v/50Hz，電壓穩(wěn)定度，接地電阻小于5Ω；
（4） 工作制度：24小時(shí)不間斷工作。
3.1.2 主要性能要求
（1） 碟形彈簧應(yīng)能完成對(duì)碟形彈簧彈力值檢測(cè)、合格與不合格品分組，并且能對(duì)一定直徑范圍內(nèi)的彈簧進(jìn)行檢測(cè)。
（2） 應(yīng)具有電機(jī)急停、校準(zhǔn)、復(fù)位等功能。
（3） 將待檢測(cè)彈簧循環(huán)輸送至各檢測(cè)工位，顯示器實(shí)時(shí)顯示檢測(cè)的各項(xiàng)參數(shù)值。
（4） 系統(tǒng)按照設(shè)定值對(duì)檢測(cè)的彈簧參數(shù)值進(jìn)行判斷，將合格品與不合格品自動(dòng)推入不同料箱。
（5） 設(shè)備工作速度應(yīng)每小時(shí)至少完成500工件。
（6） 設(shè)備精度：自由長(zhǎng)度精度小于0.01mm，壓力值測(cè)試精度小于0.1N。
3.1.3 工件要求
（1）碟簧要求：GB/T 1972-2005 碟形彈簧國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)；
（2）檢測(cè)直徑范圍：50mm～100mm。
3.2 碟形彈簧測(cè)力分選機(jī)機(jī)構(gòu)組成
根據(jù)查閱的各種文獻(xiàn)資料，勾勒出了碟形彈簧測(cè)力分選機(jī)的總體機(jī)構(gòu)的藍(lán)圖。如圖3-1，3-2所示，碟形彈簧測(cè)力分選機(jī)機(jī)構(gòu)主要由三個(gè)部分組成，即碟形彈簧定位機(jī)構(gòu)、測(cè)力機(jī)構(gòu)和分選機(jī)構(gòu)。這三個(gè)部分由各個(gè)零件組合而成，裝配后放入底座中。底座采用鑄造工藝制作而成，以提供穩(wěn)定的支撐。
定位機(jī)構(gòu)即托盤(pán)與空心軸通過(guò)健連接，空心軸上有套筒，并且有一個(gè)深溝球軸承，兩個(gè)圓柱滾子軸承裝在軸上，分別承受徑向與軸向的載荷力。將空心軸放在底座中，電動(dòng)機(jī)放在底座的電動(dòng)機(jī)支架上，電動(dòng)機(jī)上的齒輪與套在空心軸最后一節(jié)的大齒輪嚙合用以傳動(dòng)。
測(cè)力機(jī)構(gòu)安裝在底座上，主要為一個(gè)小型液壓缸給予壓力壓跟隨托盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)到檢測(cè)工位的碟形彈簧。
分選機(jī)構(gòu)安裝在底座上，橫跨托盤(pán)，主要由氣壓缸給予推力將分選出的碟形彈簧推出托盤(pán)落入不同的落料箱中，最終完成分選。
圖3-1 碟形彈簧測(cè)力分選機(jī)機(jī)構(gòu)三維圖
圖3-2 碟形彈簧測(cè)力分選機(jī)機(jī)構(gòu)三維剖面圖
4 零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
4.1 托盤(pán)設(shè)計(jì)
托盤(pán)起著定位碟形彈簧和轉(zhuǎn)動(dòng)碟形彈簧到測(cè)力以及承受測(cè)力的作用。因此要考慮到碟形彈簧定位的槽的大小設(shè)計(jì)，托盤(pán)厚度強(qiáng)度等的考慮，設(shè)計(jì)出如下托盤(pán)。
圖4-1,4-2,4-3所示分別為托盤(pán)的三維視圖和二維視圖。
圖4-1 托盤(pán)三維正面視圖
4-2 托盤(pán)三維反面視圖
圖4-3 托盤(pán)二維圖
由上圖可知，托盤(pán)上開(kāi)有五個(gè)槽，等均分布，用于碟形彈簧工件的定位；分度盤(pán)上部外徑640，內(nèi)徑50mm，與外徑50mm的軸配合；并且開(kāi)有bh為14mm9mm鍵的鍵槽。了能夠承載較大的壓力，設(shè)計(jì)為加有強(qiáng)筋的托盤(pán)，既保證強(qiáng)度，又不會(huì)太重。材料選擇45鋼調(diào)質(zhì)處理。
4.2 軸的設(shè)計(jì)
本機(jī)構(gòu)中軸通過(guò)軸承、齒輪傳動(dòng)將電動(dòng)機(jī)扭矩傳遞給托盤(pán)，使托盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)行工位變換。本文將進(jìn)行計(jì)算，設(shè)計(jì)出符合規(guī)格的軸徑。
托盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量公式為
其中，，
所以
所需功率，設(shè)定轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)一個(gè)工位需0.5s，即，由此可得，這是α勻速運(yùn)轉(zhuǎn)所需功率。設(shè)定在0.1s內(nèi)轉(zhuǎn)盤(pán)速度達(dá)到，則角加速度，則，所以瞬時(shí)所需功率。
軸所傳遞轉(zhuǎn)矩，則最小直徑，其中取110，β取0.6。
材料選擇45鋼調(diào)質(zhì)處理。
圖4-4 軸
圖4-4所示為軸，所以直徑25mm太小，取外徑D1為30mm，長(zhǎng)L1=25mm，所以第二段軸外徑D2=40mm，L2=75mm，第三段D3為55mm，長(zhǎng)L3=240mm，第四段外徑D4=63mm，長(zhǎng)L4=170mm，第五段外徑D4=55mm，長(zhǎng)L4=49mm，第六段外徑D4=50mm，長(zhǎng)L4=60mm
各軸端倒角均為0.5×45°。
倒圓角半徑均為0.5mm。
4.3 鍵的選擇
4.3.1 大鍵的選擇
圖4-5所示為軸與托盤(pán)之間連接所選擇設(shè)計(jì)的鍵，查《機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊(cè)》選出鍵14×36,主要尺寸及選擇參數(shù)已標(biāo)出。
圖4-5 大鍵
4.3.2 小鍵的選擇
圖4-6所示為軸與托盤(pán)之間連接所選擇設(shè)計(jì)的鍵，查《機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊(cè)》選出鍵8×15,主要尺寸及選擇參數(shù)已標(biāo)出。
圖4-6 小鍵
4.4 齒輪的設(shè)計(jì)
4.4.1 大齒輪的設(shè)計(jì)
大小齒輪中心距a=170mm，傳動(dòng)比n=4，大齒輪的主要參數(shù)為模數(shù)m=2,齒頂高，齒根高,根據(jù)，分度圓直徑d=272mm，m=2可以計(jì)算出齒數(shù)Z=136，根據(jù)齒頂圓直徑公式可得到=220+4=224mm,根據(jù)齒根圓公式可以得到=272-5=267mm，根據(jù)齒距公式可得到p=6.28mm,齒厚，可得到s=3.14mm,由于第一段軸與大齒輪配合并用大鍵連接，因此=50mm,所以可以設(shè)計(jì)出大齒輪的結(jié)構(gòu)。材料選用40Cr。
由于大齒輪較大，為了減輕齒輪重量，設(shè)計(jì)出如圖4-7所示的大齒輪。
圖4-7 大齒輪
4.4.2 小齒輪的設(shè)計(jì)
大小齒輪中心距a=170mm，傳動(dòng)比n=4，小齒輪的主要參數(shù)為模數(shù)m=2,齒頂高，齒根高,根據(jù)，分度圓直徑d=68mm，m=2可以計(jì)算出齒數(shù)Z=34，根據(jù)齒頂圓直徑公式可得到=68+4=72mm,根據(jù)齒根圓公式可以得到=68-5=63mm，根據(jù)齒距公式可得到p=6.28mm，齒厚，可得到s=3.14mm,小齒輪通過(guò)Z2漲緊套與電動(dòng)機(jī)軸固定，Z2漲緊套d=19mm, D=47mm電動(dòng)機(jī)軸d=19mm，因此=,47mm,所以可以設(shè)計(jì)出小齒輪的結(jié)構(gòu)，如圖4-8。材料選用40Cr。
圖4-8 小齒輪
4.5 機(jī)座的設(shè)計(jì)
為了使得整個(gè)裝置的穩(wěn)定和美觀，設(shè)計(jì)出如圖4-9，4-10所示尺寸的機(jī)座，材料選擇HT200鑄造。
圖4-9 三維機(jī)座圖
4-10 二維機(jī)座圖
4.6 氣壓缸的選擇
由于碟形彈簧的特性，設(shè)計(jì)在分選的時(shí)候采用小型氣壓缸推出碟形彈簧進(jìn)行分選，選用五個(gè)AIRTAC公司生產(chǎn)的SDAS_25x120型號(hào)氣壓缸，即內(nèi)徑25mm，行程120mm，如圖4-11所示。
圖4-11 SDAS_25x120型號(hào)氣壓缸
4.7 軸承的選擇
軸承是機(jī)械中的固定機(jī)件。當(dāng)其他機(jī)件在軸上彼此產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，用來(lái)保持軸的中心位置及控制該運(yùn)動(dòng)的機(jī)件。
按其所能承受的載荷方向可分為：1.徑向軸承，又稱向心軸承承受徑向載荷；2.止推軸承，又稱推力軸承，承受軸向載荷；3.徑向止推軸承，又稱向心推力軸承，同時(shí)承受徑向載荷和軸向載荷。
向心力軸承：適用于極限轉(zhuǎn)速比高，軸向承載能力少量的機(jī)構(gòu)。其性能和特點(diǎn)是主要承受徑向載荷，也可以同時(shí)承受小的軸向截荷。當(dāng)量摩擦系數(shù)最小。在高轉(zhuǎn)速時(shí)，可用來(lái)承受純軸向載荷，大量生產(chǎn)，價(jià)格最低。
推力球軸承：適用于極限速比低，軸向承載只能承受單向的軸向載荷。其性能和特點(diǎn)是為了防止鋼球與滾道之間的滑動(dòng)，工作時(shí)必須加有一定的軸向載荷。高速時(shí)離心力大，鋼球與保持架磨損，發(fā)熱嚴(yán)重，壽命降低，故極限轉(zhuǎn)速很低。向心推力軸承：主要適用于軸向力和徑向力都比較大的機(jī)構(gòu)。
在此次做的碟形彈簧測(cè)力分選機(jī)的機(jī)構(gòu)里面軸承主要是承受軸向力，承受較小的徑向力，為了使軸向和徑向受力平穩(wěn)，所以根據(jù)需要在這里選擇了推力球軸承和深溝球軸承配合使用.如圖所示
查《機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊(cè)》得選用推力球軸承51208型，主要性能參數(shù)d=40mm,D=68mm。如圖4-12，4-13所示。
圖4-12 推力軸承三維圖
圖4-13 推力軸承二維圖
查《機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊(cè)》得選用深溝球軸承6314型，主要性能參數(shù)d=55mm,D=100mm。如圖4-14,4-15所示。
圖4-14 深溝球軸承三維圖
圖4-15 深溝球軸承二維圖
4.8 液壓缸的選擇
根據(jù)碟形彈簧的特性以及碟形彈簧測(cè)力分選機(jī)的工作原理，選擇液壓缸帶動(dòng)壓頭給予碟形彈簧壓力的目的，選用內(nèi)徑為63的液壓缸工作。如圖4-16所示。
圖4-16 液壓缸
4.9 軸承蓋的選擇
根據(jù)軸承的尺寸，查《機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)圖冊(cè)》設(shè)計(jì)出可使用的軸承端蓋。如圖4-17和4-18所示。
圖4-17 軸承蓋三維圖
圖4-18 軸承蓋二維圖
4.10 電動(dòng)機(jī)的選擇
本機(jī)構(gòu)采用交流伺服電動(dòng)機(jī)，該電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是為一般防滴式。防止直徑大于12mm的小固體異物進(jìn)入并防止沿垂地線成60度角或小于60度角的淋水對(duì)電機(jī)的影響。
用途及使用范圍：適用于驅(qū)動(dòng)無(wú)特殊要求的各種機(jī)械設(shè)備，如金屬切削機(jī)床，鼓風(fēng)機(jī)，水泵，運(yùn)輸機(jī)等。主要性能及特點(diǎn)效率高、耗電少，性能好，噪音低，振動(dòng)小，體積小，重量輕，運(yùn)行可靠，維護(hù)方便，Y系列絕緣為B級(jí)。
使用條件及工作方式：海拔不超過(guò)1000m；環(huán)境溫度不超過(guò)+40℃；額定電壓為380V，額定頻率為40Hz；3KW以下為Y接法，4KW及以上為Δ接法；工作方式為連續(xù)使用。
選用MSMD08-2S1U型交流伺服電機(jī)，其技術(shù)參數(shù)有功率7.5KW,額定轉(zhuǎn)速3000r/min，最高轉(zhuǎn)速4500r/min，滿足本機(jī)構(gòu)的要求。如圖4-19所示。
圖4-19 伺服電動(dòng)機(jī)
5 強(qiáng)度校核
5.1液壓缸的強(qiáng)度校核
液壓缸的主要作用是固定液壓缸，當(dāng)液壓缸工作時(shí)，液壓缸上裝載的壓頭就會(huì)給托盤(pán)一定的壓力，液壓缸座就有反作用力，因此就需要對(duì)液壓缸進(jìn)行強(qiáng)度校核。
運(yùn)用solidwoks自帶的SimulationXpress Study算例進(jìn)行靜態(tài)載荷分析。
（1） 如圖5-1所示，添加新算例，類型選擇靜態(tài)。
圖5-1 新算例
質(zhì)量:16.0212 kg，體積:0.002054 m^3，密度:7800 kg/m^3，重量:157.008N。
（2） 添加夾具：選擇固定孔，如圖5-2所示。
圖5-2 添加夾具
（3）添加載荷：選擇力，施加7kn垂直于液壓缸座上表面，模擬63液壓缸壓縮碟形彈簧時(shí)對(duì)液壓缸座所作的反作用力。如圖5-3所示。
圖5-3 添加載荷
（4） 選擇材料：優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼45鋼。詳細(xì)參數(shù)如圖5-4，5-5所示。
圖5-4 選擇材料
選擇材料后出現(xiàn)楊氏模量和屈服強(qiáng)度如圖5-5所示。
圖5-5 選擇材料
（5） 運(yùn)行模擬：如圖5-6所示。
圖5-6 運(yùn)行模擬
（6） 生成網(wǎng)格，網(wǎng)格密度選擇良好，如圖5-7所示。
圖5-7 生成網(wǎng)格
（7）運(yùn)行，產(chǎn)生結(jié)果如圖5-7,5-8所示：分別為顯示應(yīng)力和顯示位移。
圖5-7 顯示應(yīng)力
圖5-8 顯示位移
由演示結(jié)果可以得出，屈服力為185000000 N/m^2，而最大應(yīng)力為85719768N/m^2，因此液壓缸合格，可以使用。
5.2 托盤(pán)的強(qiáng)度校核
（3） 如圖5-9所示，添加新算例，類型選擇靜態(tài)。
圖5-9 新算例
質(zhì)量:63.4609 kg，體積:0.00813602 m^3，密度:7800 kg/m^3，重量:621.917 N。
（4） 添加夾具：選擇固定孔，如圖5-10所示。
圖5-10 添加夾具
（3）添加載荷：選擇力，施加7kn垂直于托盤(pán)碟形彈簧定位槽，模擬63液壓缸壓縮碟形彈簧時(shí)對(duì)托盤(pán)所作的作用力。如圖5-11所示。
圖5-11 添加載荷
（7） 選擇材料：優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼45鋼。詳細(xì)參數(shù)如圖5-12所示。
圖5-12 選擇材料
選擇材料后出現(xiàn)楊氏模量和屈服強(qiáng)度如圖5-13所示。
圖5-13 選擇材料
（8） 運(yùn)行模擬：如圖5-14所示。
圖5-14 運(yùn)行模擬
（9） 生成網(wǎng)格，網(wǎng)格密度選擇良好，如圖5-15所示。
圖5-15 生成網(wǎng)格
（7）運(yùn)行，產(chǎn)生結(jié)果如圖5-16,5-17所示：分別為顯示應(yīng)力和顯示位移。
圖5-16 顯示應(yīng)力
圖5-17 顯示位移
由演示結(jié)果可以得出，屈服力為185000000 N/m^2，而最大應(yīng)力為121993904 N/m^2，因此托盤(pán)合格，可以使用。
結(jié) 論
畢業(yè)設(shè)計(jì)是本科階段一次非常重要的而且難得的學(xué)習(xí)經(jīng)歷，它跟課程設(shè)計(jì)一樣是將理論學(xué)習(xí)和實(shí)際相結(jié)合的學(xué)習(xí)過(guò)程，但是它比課程設(shè)計(jì)歷時(shí)更長(zhǎng)，運(yùn)用的知識(shí)更多，考察的東西更多，對(duì)個(gè)人的學(xué)習(xí)能力和思維能力都是一場(chǎng)考驗(yàn)。
通過(guò)這次碟形彈簧測(cè)力分選機(jī)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，我努力的從固定的理論學(xué)習(xí)，固定的思維中跳脫出來(lái)，運(yùn)用自己本科四年所學(xué)習(xí)到的相關(guān)知識(shí)，解決實(shí)際的機(jī)械設(shè)計(jì)問(wèn)題，同時(shí)我也發(fā)揮自己瀏覽文獻(xiàn)資料，篩選有用的信息，從整體機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)出發(fā)，再逐步細(xì)化到局部、零件的設(shè)計(jì)，反復(fù)對(duì)比斟酌修改，最終定下了本論文所闡述的設(shè)計(jì)。在此期間，我的動(dòng)手制圖能力得到提升，思考問(wèn)題并且解決問(wèn)題的能力得到鍛煉，并且抗壓能力，毅力以及追求完美的品質(zhì)都得到一定的提升。這些正是畢業(yè)設(shè)計(jì)所要考察的地方以及最終目的。
雖然畢業(yè)設(shè)計(jì)考察的東西比較多，真正實(shí)施起來(lái)也比較繁瑣，但是自打開(kāi)始以來(lái)，我樂(lè)在其中，各種零部件的設(shè)計(jì)，各種標(biāo)準(zhǔn)件的選用，反復(fù)的斟酌查找資料，接觸到很多上課時(shí)候接觸不到的知識(shí)。而機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)裝配，也在自己慢慢的琢磨中成型，看著自己機(jī)構(gòu)裝配三維圖的慢慢形成，心里有種興奮與欣慰。
在設(shè)計(jì)期間，軸的配合帶動(dòng)整個(gè)托盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)這部分是最頭疼的地方，但是我堅(jiān)持不懈，反復(fù)的修改試驗(yàn)，查找資料，詢問(wèn)周建華老師，最終定案的時(shí)候興奮的差點(diǎn)蹦起來(lái)。自此我得出，再大的困難也抵不過(guò)人的堅(jiān)持。
人的一生都該在不斷的學(xué)習(xí)不斷的進(jìn)步，這一次的畢業(yè)設(shè)計(jì)讓我積累了更多的專業(yè)知識(shí)，也檢驗(yàn)了我倫理與實(shí)踐結(jié)合的能力，讓我受益匪淺。
致 謝
本設(shè)計(jì)是在周建華教授的精心指導(dǎo)下才最終得以完成的。在設(shè)計(jì)的研究過(guò)程中，周老師不僅從綱領(lǐng)上為我把握方向、提煉思路，還在日常生活中給予我諄諄教誨和鼓勵(lì)支持。本設(shè)計(jì)的最終完成，凝聚著周老師的一番心血。在與周老師的交流過(guò)程中，老師敏銳的洞察能力、謙遜的為人處事、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、淵博的知識(shí)都給我留下了深刻的印象，是我科研道路上的指路明燈。在此，謹(jǐn)向我的導(dǎo)師周建華教授表達(dá)我心中的敬意與感謝。
感謝韓杰同學(xué)在課題研究階段對(duì)我的幫助，在和他的共同學(xué)習(xí)探討中，科研中許多難題得到解決。
感謝我的父母在生活上對(duì)我的關(guān)心與鼓勵(lì)，使我沒(méi)有后顧之憂，能夠安心工作和學(xué)習(xí)。
最后衷心感謝為審閱本文而付出辛勤勞動(dòng)的各位專家學(xué)者
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附件：碟形彈簧測(cè)力分選機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)裝配圖及零件圖
閆相宜
2014年5月