馬賽克自動鋪貼機胎模傳輸子系統設計及實現

I 目 錄 1. 緒論 1 1.1 課題來源 1 1.2 目的和意義 1 1.3 國內外技術發(fā)展現狀與趨勢 2 2. 項目總方案及胎模傳輸子系統的介紹 3 2.1 項目總方案 3 2.2 馬賽克自動鋪貼機胎模傳輸子系統 4 3. 胎模傳輸系統的設計 4 3.1 胎模傳輸系統方案的擬定 4 3.2 滾珠絲杠滑臺設計計算及選型 5 3.2.1 滾珠絲杠副的特點 5 3.2.2 滾珠絲杠滑臺選型設計及計算 6 3.3 電動推桿的選型 12 3.3.1 電動推桿的結構及特點 12 3.3.2 電動推桿的選擇 13 4. 胎模傳輸系統 Solidworks 建模及模擬裝配 13 4.1 Solidworks 軟件簡介 13 4.2 胎模傳輸系統 Solidworks 建模及模擬裝配 14 4.2.1 胎模傳輸系統零件的三維建模 14 4.2.1 胎模傳輸系統零部件的模擬裝配 14 5. 結論 16 參考文獻 17 致 謝 18 1 馬賽克自動鋪貼機胎模傳輸子系統設計及實現 姓名： 張振江 學號： 2010334316 班級： 10 級機械設計制造及其自動化 2 班 1. 緒論 1.1 課題來源 課題來源于 與廣東科達機電有限公司共同申報的項目“多顏色復雜圖案馬賽克自動鋪貼裝備的研發(fā)及產業(yè)化”，該項目 旨在研究開發(fā) 多顏色復雜圖案陶瓷錦磚馬賽克顆 粒的自動鋪貼設備 。本論文重點是 對多顏色復雜圖案馬賽克自動鋪貼設備的胎模傳輸系統的設計 ， 進而輔助完成多顏色復雜圖案馬賽克自動鋪貼裝備整個系統的設計及實現。 1.2 目的 和意義 本項目的目的是研制一種多色多圖案馬賽克自動鋪貼成套設備并產業(yè)化，解決目前 馬賽克行業(yè)機械化程度低、生產效率不高、嚴重依賴勞動力 鋪貼等問題。 陶瓷錦磚又稱陶瓷馬賽克，是在陶瓷胎模（底模）上鋪貼上各種顏色的 小石塊或 陶瓷碎片或有色玻璃碎片 形成的一種建筑裝飾材料，根據所鋪貼的圖案，馬賽克可分為單色馬賽克與多色圖案馬賽克，如圖 1-1 所示。 (a) 單色馬賽克 (b) 多色圖案馬賽克 圖 1-1 馬賽克及其幾何拼圖 典型的馬賽克是在陶瓷胎模上鋪貼各種顏色的馬賽克顆粒形成的，如圖 1-2 所示。馬賽克顆粒的鋪貼是制作馬賽克的重要環(huán)節(jié)。鋪貼的效率和質量直接影響到產能與質量。 馬賽克顆粒 陶 瓷 胎 模鋪 貼馬 賽 克 圖 1-2 馬賽克形成過程示意圖 傳統典型的制作方式是熔融法，即首先在陶瓷胎模上鋪貼好馬賽克顆粒，然后在顆粒的縫隙間噴上固定顆粒用的溶膠，再經烘干溶膠使得顆粒與胎模固定在一起。傳統的鋪貼工藝主要通過人工逐片逐點實施，不僅效率低下，而且影響人體健康。為了提 高產能，實現清潔生產的目標，自上世紀 80 年代中期，一些生產企業(yè)開始引進馬賽克自動生產設備。例如， 佛山市石灣工業(yè)陶瓷廠 在 1983 率先自日本引進了一條彩釉馬賽克自動生產線 ，上海曼聯馬賽克公司引進了意大利薩克米公司全自動生產線二條，佛山斯米克公司先后從意大利、瑞士引進了全套專業(yè)瓷磚生產線。到 1990 年前后，一些有實力的企業(yè)開始自主研發(fā)或者與國內研究機構合作開發(fā)所需要的自動生產設備。但由于 馬賽克 是一個以傳統手工制作為主體的勞動密集型產業(yè)，生產標準不完善、 無序競爭 激烈、公司之間仿冒抄襲嚴重，導致技術研發(fā)難以得到足夠重 視，進展緩慢 。 此外， 馬賽克 屬于陶瓷產業(yè)衍生的一個產業(yè)。由于陶瓷制作的高能耗、高污染性，在目前國家強力推行節(jié)能環(huán)保、清潔生產的大環(huán)境下，所有的陶瓷生產企業(yè)都開始了回歸技術、調整結構的戰(zhàn)略轉變。馬賽克生產也在這場轉變中轉變其生產模式，向清潔生產的方向發(fā)展。這也為本項目相應技術的開發(fā)和創(chuàng)新提供了機遇。 馬賽克全自動鋪貼生產線是提高馬賽克生產產能的重要手段，也是清潔生產的重要途徑。然而，目前國產的馬賽克自動鋪貼設備在諸多方面不能滿足現實市場的需求，特別是針對復雜圖案馬賽克的全自動鋪貼設備，國內還未見相關報道。綜上 所述，本項目開展多色多圖案馬賽克全自動鋪貼成套設備的研發(fā)具有重要的意義。據此，該馬賽克自動鋪貼機胎模傳輸子系統設計及實現在對整個系統的設計及實現上意義非凡。 1.3 國內外技術發(fā)展現狀與趨勢 馬賽克本屬舶來，源于國外。國外對馬賽克的設計與生產早有研究并且有很成熟的馬賽克自動生產線。其中意大利、日本、荷蘭、瑞典等國家技術成熟，工藝設備完備，能夠實現馬賽克自動鋪貼、刷膠、烘烤、質量檢測。我國目前在使用的自動生產線基本上源于進口。目前進口一套多色彩立方顆粒陶瓷馬賽克自動生產線的價格為人民幣 700 萬以上（其中鋪貼、 刷膠部分在 550萬元左右）。對于其他形狀的或者多色的，價格都在千萬人民幣以上。由于價格昂貴，國內除了少數實力雄厚的企業(yè)以外，其他馬賽克生產企業(yè)較少采用。 近年來，國內也有開展馬賽克自動鋪貼設備的相關報道。其中山東杰瑪公司出品的旋振式馬賽克鋪貼機擁有最多的用戶。該鋪貼機可同時放置二排共六塊塑料模板，經振動篩將馬賽克顆粒入模定格。經操作工停機起模、換裝空模板后循環(huán)工作。顯然，這種鋪貼機提高了單色馬賽克的鋪貼效率。但是對于多色馬賽克片組成幾何圖案的情形，該鋪貼機無法進行自動鋪貼。 2011 年，佛山市 竟佳工控設備廠 開 發(fā)了一種 馬賽克全自動排版機 ，但是該設備只能對馬賽克進行 單色和雙色排版 。 在技術研究方面，國內的報道也不多見。 1988 年，陳剛昌發(fā)明的專利技術“ 一種馬賽克鋪貼器 ” ，由機架、前后輪、傳壓帶、止滑板、松緊器、控制桿和握把等構成， 主要基于人工操作完成的。 1993 年， 韓起文 發(fā)明了“ 玻璃馬賽克雙向快速鋪擺機 ”，主要在 馬賽克粘貼前 將 馬賽克 片鋪擺在模具里 。 1995 年，廣東新會玻璃廠與五邑大學于合作開展馬賽克自動鋪貼生產線的研究，研究出了單色馬賽克自動鋪貼生產線。但遺憾的是，此項技術由于受當時技術手段的限制，自身存在著一些問 題，未能得到進一步發(fā)展和推廣。 2006 年， 霍賴河 發(fā)明 了一種瑪賽克自動分選鋪貼機， 可實現馬賽克片的自動分選 。 2007 年， 陳順利 、 郭安華 發(fā)明了“ 馬賽克自動鋪磚機 ”主要用于 運送馬賽克模板 。 2008 年， 郭安華 、 陳順利 發(fā)明了“ 馬賽克瓷磚全自動收磚鋪貼線 ”。主要在原有馬賽克生產線的基礎上 新增加了色標傳感器 等裝置，能 實現瓷磚全自動收磚和鋪貼的操作過程。 但是該設備在使用過程中色標識別的誤差較大，需要大量人工干預。 2008 年， 潘燦強 、 朱康盛 也在設計出了 一種全自動鋪貼系統及其自動識別反向裝置 ，可在馬賽克顆粒中挑出殘缺片并實現 單色馬賽克顆粒的自動鋪貼 。 2010 年，陳耀灶設計了一種馬賽克鋪貼設備。該裝置利用三條輸送馬賽克顆粒的輸送帶，三個機械手同時從三條輸送帶上提取馬賽克顆粒放到?？騼?，使馬賽克在模框內形成陣列。 盡管國內對馬賽克自動鋪貼設備進行了一系列研發(fā)，但是這些設備很難實現對多種色彩和多種幾何圖案的馬賽克進行鋪貼，而國外進口的設備價格昂貴。因此，在馬賽克最大生產制造地的廣東省開展多色多圖案馬賽克自動鋪貼成套設備的研發(fā)顯得非常必要。 除了經濟效益以外，項目的開展還有巨大的社會效益。這主要基于人類無止境追求美的社會效應。隨著對美 的不斷追求，人類居住環(huán)境的美化意識和行為也是無止境的。只要有人類存在，馬賽克作為人類審美和美化價值的一種載體，就會越來越多地應用于人類活動的場所，尤其是面對大型建筑外墻美化的需要。此外，隨著節(jié)能環(huán)保、清潔生產等理念的深化和滲透，人們對馬賽克自動化生產設備的要求只會愈來愈高、愈來愈豐富。發(fā)展中國家城市化進程的深入以及國家建材下鄉(xiāng)政策，將會給馬賽克產業(yè)帶來更大需求和市場。這也意味著本項目后續(xù)的發(fā)展空間巨大。 今天的馬賽克追求極度奢華、強調細節(jié)、注重格調、突出個性、提倡環(huán)保健康，所以越來越走俏，為市場所青睞。馬賽 克市場將會進一步擴大，一是取決于馬賽克的藝術價值 ;二是改革開放以來，中國經濟一直快速增長，人民生活水平及素質提高很快，有資金有時間講究生活品位了 ;三是追求個性的 80 后年輕人將成為消費主體，而馬賽克的特點正好可以滿足這一需求 2. 項目 總方案及胎模傳輸子系統的 介紹 2.1 項目總方案 該 項目所設計的機械設備是一個光機電一體化的機械系統 。整一個馬賽克自動鋪貼系統的設計是用 C 語言編程 由 C51 單片機程序控制馬賽克顆粒顏色識別以及馬賽克顆粒落料的順序。馬賽克自動鋪貼機的驅動是 由 PLC 控制的，其包括 對 傳 輸系統控制 、 馬賽 克顆粒 向胎模鋪貼的 準確定位 、 電機啟動 控制 等 。系統的總體方案如下圖 2-1 所示。 圖 2-1 項目 總 方案 示意圖 (略去了輔助裝置 ) 在圖 2-1 中， A 為振動 器 ，其中包含電機，振動部分； B 胎模傳送裝置 ； C 為載物臺 ； D 為胎模 ； E 與 F 為沖壓裝置， 它是利用下落沖壓的模式將馬賽克顆粒從振動篩 (未畫出 )沖 壓送到胎膜上 ，其中 E 為沖頭， F 為電機 ； G 為 馬賽克顆粒； H 為胎模的推出裝置 ； I 為下料片 (分兩級 )，以合頁的形式與 J 連接； J 為 振動 滑道 ； K 為馬賽克落料振動盤，內置有馬賽克正反面檢測裝置 (未畫出 )，可以自動將馬賽克顆粒翻面。 系統的總體工作原理：由 馬賽克落料振動盤 K 輸送馬賽克顆粒，區(qū)分出顆粒的正反面 , 而馬賽克顆粒流入到 振動 滑道 J， 此 振動 滑道是由 兩級檢測裝置可以通過 PLC 準確控制其將需要的馬賽克顆粒輸送到胎模上方 ， 再通過沖壓裝置 E、 F 將馬賽克顆粒準確的鋪貼到胎模上。繼而在 PLC自動控制下胎模傳送裝置 B 工作將胎模傳輸到指定位置 ，再通過 胎模的推出裝置 H 將鋪貼好的胎模推走，從而完成一個循環(huán)。 如果 在振動滑道傳送的馬賽克顆粒不是預要求的，則可通過下料片 I 的開合將其放掉，直到需求的馬賽克顆粒來到，繼續(xù)完成預定工作循環(huán)。 2.2 馬賽克自動鋪 貼機胎模傳輸子系統 該子系統要實現多彩馬賽克顆粒向胎?？焖贉蚀_鋪貼和及時將已鋪貼好的胎模傳輸出去的目的。 目前國內在單色馬賽克顆粒鋪貼方面已經有較成熟的產品銷售，但是對于多色幾何圖案的鋪貼，無論是從技術上還是工藝上都缺乏可借鑒的方法。自動鋪貼不僅涉及到鋪貼動作實現的技術問題，還涉及到鋪貼效率問題。高效的自動鋪貼是 該子系統 的關鍵，需要協調傳輸、識別等一系列要素，是一個綜合性很高的復雜控制問題。 3. 胎 模 傳輸系統的設計 3.1 胎 模 傳輸系統方案的擬定 胎模傳輸系統主要是實現馬賽克的精確鋪貼及及時運送胎模 功能 的 系統。 該系統包含兩個小的子系統：實現馬賽克顆粒自動鋪貼及胎模多點停留的傳送控制子系統和實現把已鋪貼好的胎模推出的 推桿 子系統。 鑒于各種條件限制，本設計現階段還不能設計出真正用于生產的設備，只能先設計出迷你型設備。因此其馬賽克顆粒及胎模等已定部件均按迷你型設備需求給出。 設計 中的胎模 及 馬賽克 顆粒 質量不大，其傳輸速度 不快 但速度多變又需要多點停留。 考慮到氣動式執(zhí)行元件功率小，體積大，動作不夠平穩(wěn)，不易小型化且工作噪聲大，難于伺服以及液動式執(zhí)行元件液壓源要求嚴格，易泄漏且有污染等 諸多不足，本設計決定采用電動式執(zhí)行元件。 基于這些考慮，推桿部分業(yè)已確定為電動推桿裝置，而實現馬賽克顆粒自動鋪貼及胎模多點停留的傳送控制子系統 本設計初定 了 三個方案供選擇： 由滾珠絲杠副作為傳動件的滾珠絲桿滑臺系統，如圖 3-1(a)所示。 由 小齒輪和齒條作 為傳動件的傳輸系統 ，如圖 3-1(b)所示 。 由 齒輪 和傳輸帶 傳動為傳動件的傳輸帶輸送系統 ，如圖 3-1(c)所示 。 (a) (b) (c) 圖 3-1 傳送控制子系統的三種方案 通過比較可知 ： 方案滾珠絲杠軸向剛度高，反向定位精度高，滾珠絲杠副可進行預緊并消除間隙，因而 軸向剛度高，反向時無空行程 (死區(qū) )，定位精度高，且運動靈敏、低速時無爬行，磨損小，壽命長，維護簡單。 方案 小齒輪和齒條 傳動承載力大，傳動精度較高 ， 但其 工作時噪聲和振動大，而且 齒輪 磨損易跳齒 。 方案 適用于兩軸中心距較大的傳動；帶具有良好的撓性，可緩和沖擊，吸收振動；過載時打滑防止損壞其他零部件；結構簡單、成本低廉。 但是 傳動的外廓尺寸較大 ， 需張緊裝置 ， 由于帶的 打滑，不能保證固定不變的傳動比 ，進而不能準確的控制胎模的傳動位置。 綜上所述，本設計最終確定選用方案。 即胎模傳輸系統由滾珠絲杠副作為傳動件的滾珠絲 桿滑臺系統和電動推桿裝置組成 ，如圖3-2 所示。 (a） (b) 圖 3-2 胎模傳輸系統 示意圖 3.2 滾珠絲杠滑臺設計 計算 及選型 3.2.1 滾珠絲杠副的特點 滾珠絲杠副（圖 3-3）有許多特點，大致如下： （ 1）軸向剛度高 ， 反向定位精度高 ， 滾珠絲杠副可進行預緊并消除間隙 ， 因而軸向剛度高，反向時無空行程 (死區(qū) )， 定位精度高。 （ 2）運動靈敏、低速時無爬行。由于靜、動摩擦系數小 ， 且二者差值也很小，因而起動轉矩小，動作靈敏，不會出現低速爬行現象。 （ 3）摩擦損失小、傳動效率高。般傳動效 率可達 0.92-0.96， 比普通滑動絲杠副提高 3-4 倍 .因此驅動轉矩為滑動絲杠副的 1/4 （ 4）傳動具有可逆性， 可 將 旋轉運動 和 直線運動 互相轉化。 （ 5）磨損小，壽命長，維護簡單。 (a) (b) (c) 圖 3-3 滾珠絲杠副 3.2.2 滾珠絲杠 滑臺 選型設計及計算 （本設計參數均參照 THK 滾珠絲杠手冊） 初定各參數為： 有效行程： l=300mm 胎模尺寸： 137mm 137mm 9mm 定位精度： 0.1mm/300mm 馬賽克顆粒尺寸： 23mm 23mm 8mm 工 作臺質量： m1=5kg 工件質量： m2=0.6kg 載物臺尺寸： 160mm 140mm 20mm 胎模最大傳輸速度： Vmax=40mm/s 加速時間： t1=0.1s 減速時間： t3=0.1s 預期壽命： 30000h 工作臺與導軌滑動面的摩擦系數： =0.003 導向面阻力： f= m1g=0.003 5 9.8N=0.147N （ 1） 選定絲杠精度 為了 滿足 0.1mm/300mm 的定位精度 要求 ，必須選擇 誤差 低于 0.1mm/300mm 的導程精度 。由此條件查 thk 絲杠手冊可知選 C7 級精度，其導程誤差為 0.05mm/300mm。又由于 C7 精度下既有軋制又有磨制滾珠絲杠，因此優(yōu)先選用 C7 級價格低廉的軋制滾珠絲杠。 （ 2）選定導程 初選電機的最大轉速為 nmax=300r/min，電機與絲杠軸直聯，故減速比為 1。 導程計算公式為： i60maxmaxNVPH (3-1) 其中 ， PH 為絲杠導程 ， mm； Vmax 為最大傳輸速度 ， mm/s； i 為電機至絲桿的減速比，當電機與絲桿直連時 i=1。 則 將數據代入式 (3-1)得 ： mmmmPH 8300 6040 (3-2) 則所選導程應 滿足 PH 8mm。 （ 3） 選定支承方式 絲杠輸送胎模的有效行程為 300mm 屬較小行程，速度不高，精度要求一般，所以選擇兩端支承的支承方式。 （ 4） 絲杠軸外徑的選擇 按設計要求 該絲杠軸軸向游隙 應小于 0.15mm，則查 thk 絲杠手冊軋制滾珠絲杠外徑需在32mm 以內。由手冊知同時滿足導程大于等于 8mm，絲杠外徑小于 32mm 兩個條件的可能組合為： 規(guī)格 A（導程 8mm外徑 12mm）、規(guī)格 B（導程 8mm外徑 12mm）、規(guī)格 C（導程 10mm外徑 15mm） 軸向允許載荷計算及校核 有分析 知，加速運行時軸向載荷最大，計算該情況下的最大軸向載荷。 加速度： 21m a x /4.01.0 /40ta sms smmV (3-3) 最大軸向載荷： NmmF55.2 0 .4 N5 .60 .1 4 79 .85 .60 .0 0 3 a)m(fg)m( 2121a (3-4) 按最小軸徑規(guī)格 A（導程 8mm+外徑 12mm）計算最大軸向允許載荷如下： 查閱 thk 絲杠手冊，得出絲杠溝槽最小直徑 dr=9.7mm，與安裝方式有關的系數 2=5.0，初定絲杠安裝間距 L=400mm。 最大軸向允許載荷 計算公式為 ： 4 4122d 10rP L(3-5) 其中， P1 為 最大軸向允許載荷 ， N； dr 為 絲杠溝槽最小直徑， mm； L 為絲杠的安裝距離， mm； 2 為與安裝方式有關的系數 (參照 thk 絲杠手冊 )。 將數據代入式 (3-5)可得： NNLP r 5.276610400 7.9510d 42442421 (3-6) 計算結果：最大軸向允許載荷 2766.5N 大于實際最大軸向載荷 2.55N，安全。 絲杠臨界轉速計算及校核 查閱 thk 絲杠手冊，絲杠直徑為 12mm、 18mm、 15mm 時，絲杠溝槽最小直徑分別 為 dr=9.7mm、14.4mm、 12.5mm。由手冊知與支承方式有關的系數 f=9.7， 絲杠的 臨界轉速公式 72r1 10dfn L (3-7) 其中， 1n 為臨界轉速， r/min; rd 為絲杠溝槽最小直徑， mm； f 為與安裝方式有關的系數 (參照 thk 絲杠手冊 )； L 為絲杠的安裝距離， mm。 由式 (3-7)可得絲杠直徑為 12mm、 18mm、 15mm 時的臨界轉速分別為： m i n/r5880m i n/r10400 7.97.9n 721.1 (3-8) m i n/r8730m i n/r10400 4.147.9n 722.1 (3-9) m i n/r7578m i n/r10400 5.127.9n 723.1 (3-10) 查閱 thk 絲杠手冊，絲杠直徑為 12mm、導程 8mm 時，滾珠中心直徑 D=12.65mm；絲杠直徑為 18mm、導程 8mm 時，滾珠中心直徑 D=19.3mm；絲杠直徑為 15mm、導程 10mm 時，滾珠中心直徑 D=15.75mm. 根據公式 D70000n2 (參照 thk絲杠手冊 )可得以上三種絲杠直徑規(guī)格由 DN 決定的臨界轉速分別為： m in/r553365.1270000n 1.2 (3-11) m in/r36263.1970000n 2.2 (3-12) m in/r444475.1570000n 3.2 (3-13) 根據 導程 的定義，電機所需要的轉速 maxn 與 最大 高速度 maxV 、絲杠導程HP、減速比 i 之間的關系為： iP 6010n H3m a xm a x V(3-14) 其中， maxn 為電機所需要的最大轉速， r/min ； maxV 為最大傳輸 速度 ， mm/s； HP為絲杠導程， mm； i 為電機至絲桿的減速比，當電機與絲桿直連時 i=1。 依據公式 (3-14)計算出 三種規(guī)格的實際最高轉速分別為： m i n/r3008 6040iP 6010nH3m a xm a x 1 V(3-15) m i n/r3008 6040iP 6010nH3m a xm a x 2 V(3-16) m i n/r24010 6040iP 6010nH3m a xm a x 1 V(3-17) 計算結果：規(guī)格 A、規(guī)格 B、規(guī)格 C 三種規(guī)格的絲杠均滿足條件。 （ 5） 選定螺母類型 螺母允許最大軸向載荷校核 查閱 thk 絲杠手冊，軋制滾珠絲杠中， 絲杠規(guī)格為 A、 B、 C 的螺母分別為滾珠絲杠 BTK 和BLK 型，可以選擇的螺母型號及額定載荷分別為： BTK1208-2.6： Ca=3.8kN， C0a=6.8kN； BTK1808-3.6： Ca=13.1kN， C0a=31kN； BLK1510-5.6： Ca=9.8kN， C0a=25.2kN； 查 thk 絲杠手冊，本例中低速載荷平穩(wěn)條件下的經安全系數 fs=1.3，由公式sa0amax fCF 可得最小規(guī)格螺母允許的最大軸向載荷為： NNNCF 5231k231.5k3.1 8.6f s a0a m a x (3-18) 計算結果：實際最大軸向載荷 2.55N 小于螺母允許的最大軸向載荷 5231N，安全。 額定壽命計算及校 核 (a)計算軸向載荷 假設絲杠按通常模式運行，前進時按加速、等速、減速三個階段，返回時同樣按加速、等速、減速三個階段，各階段行走的距離分別為 l1、 l2、 l3、 l4、 l5、 l6，軸向載荷分別為 Fa1、 Fa2、 Fa3、Fa4、 Fa5、 Fa6。由于馬賽克顆粒規(guī)格為 23mm 23mm 8mm，胎模每次需移動 23+1.5=24.5mm 的距離 。則各階段行走的距離分別為： 加速時行走距離 l1(l4)： mmmmtVll 22 1.0402 1m a x41 (3-19) 減速時行走距離 l3(l6)： mmmmtVll 22 1.0402 3m a x63 (3-20) 等速時行走距離 l2(l5)： mmllmmll 5.205.24 2152 (3-21) 總移動距離 l： mmlllllll 4925.202222654321 (3-22) 則各階段的軸向載荷分別為： Namfgm 404.2mmF 2121a1 (3-23) Nfgm 164.0mF 21a2 (3-24) Namfgm 076.2mmF 2121a3 (3-25) Namfgm 404.2mmF 2121a4 (3-26) Nfgm 164.0mF 21a5 (3-27) Namfgm 076.2mmF 2121a6 (3-28) 因為各階段軸向載荷方向不同，所以需要分別計算兩個方向的平均軸向載荷。 正向平均軸向載荷： NNllFlFlFF aaam977.0492076.25.20164.02404.23 3333 6632231131(3-29) 負向平均軸向載荷 ： NFl lFlFlFF aaam 977.01m3 5534433332 (3-30) 平均軸向載荷為： NFFF 977.02m1mm (b)計算用總轉數表示的額定壽命 滾珠絲杠的 疲勞壽命可以有總轉數來表示，計算公式為： 63a 10r mw FfCL (3-31) 其中 ， rL 為由總轉數表示的額定疲勞壽命 ， r； aC 為螺母額定動載荷 ， N； wf 為負荷系數，與運動速度及振動沖擊情況有關， (thk 滾珠絲杠手冊 )； mF 軸向載荷， N； 根據 公式 (3-31)分 別計算前面初選三種滾珠螺母用總轉數表示的額定壽命為： BTK1208-2.6： r1074.1r10977.05.1 108.310r 1663363a1 mw FfCL (3-32) BTK1808-3.6： r1014.7r10977.05.1 101.1310r 1763363a2 mw FfCL (3-33) BLK1510-5.6： r1099.2r10977.05.1 108.910r 1763363a3 mw FfCL (3-34) (c)計算每分鐘平均轉速 每分鐘平均轉速 n=3 次 /min，行程長度 l=300mm，兩種導程下絲杠的平均轉速為 導程為 8mm 時： m i n )/(2258 33002n2n 1m rPlH (3-35) 導程為 10mm 時： m i n )/(18010 33002n2n 1m rPlH (3-36) (d)計算用運行時間表示的額定壽命 根據 thk 絲杠手冊公式mrh n60LL 計算三種滾珠螺母用運行時間表示的額定壽命為： BTK1208-2.6： h102.122560 1074.1n60 12161m1r1h LL (3-37) BTK1808-3.6： h103.522560 1014.7n60 13172m2r2h LL (3-38) BLK1510-5.6： h102.222560 1099.2n60 13173m3r3h LL (3-39) 計算結果 :三種規(guī)格滾珠螺母的額定壽命都大于期望壽命 30000h 的要求，因此最后選用三種規(guī)格尺寸中最小的規(guī)格 BTK1208-2.6。 （ 6）計算驅動扭矩 等速運動狀態(tài)下電機所需要的扭矩 由于滾珠絲杠副無預壓，所以由外部負載產生的摩擦扭矩為零。由 thk 絲杠手冊得 mNmNiFPT H 333L 104.3109.02 8404.21012 (3-40) 加速運動狀態(tài)下電機所需要的加速扭矩 查閱 thk 絲杠手冊，得出絲杠單位長度的轉動慣量為 mmcmg /k106.1 24- ，再乘 以絲杠的長度 400mm，即得絲杠的轉動慣量 ： 262224s 104.6104.6400106.1 mkgcmkgcmkgJ (3-41) 工作臺與工件的轉動慣量 JT 為： 26223221 1008.92 1086.52 mkgmkgPHmmJ T (3-42) 由于電機與絲杠軸直聯減速比為 i=1,負載轉動慣量折算到電機輸出軸上的總轉動慣量 JL 為： 46 2 4 2s226 . 4 1 0 9 . 0 8 1 0 6 . 4 9 1 01TL JJJ k g m k g mi (3-43) （ 7）絲杠電機的選擇 步進電機控制性能好，其工作狀態(tài)不易受各種因素干擾 且不會產生累積誤差，應用于系統中能使系統簡化，并可靠地獲得較高的位置精度；又 鑒于本設計的精度要求不高， 實物設 計小型化，加之經濟因素，故選用步進電機。 據設計要求的電機最大轉速 nmax=300r/min 可計算出 角加速度 為： sr a dt /3141.060 300260n2 1m a x (3-44) 加速扭矩 Ta 為： mNJJT mL 502.03141011049.6 34a (3-45) 則電機所需的最大驅動扭矩為： mNTTT aLk 505.0502.0104.3 3 (3-46) 已知導程 PH=8mm、行程 l=300mm，則步距角 x 由公式 l1360x8 計算可得 15.0)3008 360(8360lx (3-47) 依據步進電機選型手冊可選用型號為 57BYG350BL-06013 的三相混合式 57 步進電機。 3.3 電動推桿的選型 3.3.1 電動推桿的 結構及 特點 電動推桿 （如圖 2-4） 由驅動電機、減速齒輪、螺桿、螺母、導套、推桿、滑座 、外殼及渦輪、微動控制開關等組成 。 電動機通過變速機構減速后，帶動一對螺桿、螺母，把電機的旋轉運動變?yōu)橹本€運動，利用電機反、正轉完成推、拉動作。 圖 3-4 電動推桿 采用電動推桿作為執(zhí)行機構不僅可 減少采用 氣動執(zhí)行機構 所需的氣源裝置和輔助設備，也可減少執(zhí)行機構的重量。氣動執(zhí)行機構在整個控制運行過程中都需要有一定的氣壓，雖然可采用消耗量小的放大器等，但日積月累，耗氣量仍是巨大的 。 采用電動推桿執(zhí)行機構，在改變控制開度時，需要供電，在達到所需開度時就可不再供電，因此從節(jié)能看，電動推桿執(zhí)行機構比氣動執(zhí)行機構有明顯節(jié)能優(yōu)點。適用于遠距離操縱而廣泛用于電力、化工、冶金、礦山、輕工 、交通、船舶等部門的風門、閥門、閘門等機構的啟閉、物料裝卸、 流量控制 等?，F已被越來越多的部門用它來代替機構手、液壓閥、減速傳動機構的自動裝置 3.3.2 電動推桿的選擇 本設計中電動推桿的功用主要是將鋪滿馬賽克顆粒的胎模推離絲桿滑臺臺面，進而使胎模能夠被后續(xù)設備傳輸走。 只是要簡單的推拉物件，并且精度不太高。 因此對其選擇從以下幾方面考慮： 安裝型式的選擇 由于前期 設備搭建已然 完成，故推桿安裝尺寸及型式就已經確定，因此電動推桿的安裝型式為一端固定一端自由。 額定推力的確定 鋪滿馬賽克顆粒的胎?？傎|量不大，以陶瓷材料的胎模和玻璃材料的馬賽克顆粒為例，加之前敘的規(guī)格尺寸 ，鋪滿馬賽克顆粒的胎模質量約為 kg6.0m ，查閱機械手冊知陶瓷與鋼鐵類材料的摩擦系數為 4.0 ，則推動胎模所需的臨界推力為 ： NNF 35.28.96.04.0mg (3-48) 為了滿足工程上的使用需要，電動推桿的額定推力應高于 負載力的 1.3 倍以上。故 F 額 1.3F=1.3 2.35N=3.06N 額定行程的確定 根據載物臺尺寸及胎模規(guī)格，為使電動推桿能按要求正常工作，則其額定行程應大于負載額定行程 +60mm，即推桿行程 l 160mm+60mm=220mm 綜上所述， 又本著 經濟實用 、體積小、噪聲低、 安裝維修簡單 的要求 ， 參照機械設計手冊可選擇 輕型 ZHN-100-200-30 型號的電動推桿。其規(guī)格參數為：初始安裝尺寸為 310mm，傳動比為5，行程范圍為 50mm-100mm，配備 24V、 12W 的直流電機。 4. 胎模傳輸系統 Solidworks 建模及 模擬裝配 4.1 Solidworks 軟件簡介 Solidworks 是美國 Solidworks 公司開發(fā)的三維 CAD 產品，是實行數字化設計的造型軟件，在國際上得到廣泛的應用。同時具有開放的系統，添加各種插件后，可實現產品的三維建模、裝配校驗、運動仿真、有限元分析、加工仿真、數控加工及加工工藝的制定，以保證產品從設計、工程分析、工藝分析、加工模擬、產品制造過程中的數據的一致性，從而真正實現產品的數字化設計和制造，并大幅度提高產品的設計效率和質量。 4.2 胎模傳輸系統 Solidworks 建模及 模擬裝配 本設計 借用了 Solidworks 建模內核 的強大功能對胎模傳輸系統零部件進行建模和裝配 ，為胎模傳輸系統機械部件實物化提供一個直觀的參照。 4.2.1 胎模傳輸系統零件的三維建模 基于以上對系統零件的 設計及技術尺寸 要求 ， 初步 利用 Solidworks 建模內核設計出系統的 主要 零部件 。 通過對草圖的建立，進一步使用拉伸、旋轉、切除、掃描等特征 對絲杠副 、 導桿 、 電動推桿中絲杠齒輪 、 載物臺 托架 等 主要零部件和輔助部件 進行 建模 。 部分 零件 （篇幅有限 ， 零件未全部展示） 的建模圖形如 圖 4-1 所示 ： 絲杠軸 導桿 絲杠齒輪 載物臺托