第1章緒論1.1研究課題的背景與意義幾十年來工業(yè)沖床的相關定義經歷了多次修改和變化，在電子信息技術和新型材料的快速發(fā)展的背景下，目前工業(yè)沖床已經集成了多種電子技術，例如常見的位移傳感器和力傳感器，工業(yè)沖床所能實現的功能也越來越多。工業(yè)沖床技術的大躍進刺激是由于汽車等傳統(tǒng)領域技術的發(fā)展，人類使用器具從手動到半智能化再到可以適合在各種復雜的環(huán)境下和滿足要求的全自動工作設備。不斷進步的科學技術促使人們不斷地對未知領域進行一系列的探索和發(fā)現，從荒野戈壁到深不見底的江河湖泊，因此人類越來越需要一種可以幫助科研人員進行深入研究和輔助救援的機械沖床。工業(yè)沖床指的是一種可以在大多空間內例如繁雜的生產工序又或者是小型的生產作坊內由人員根據要求進行沖壓需要變形的模具。不同的國家或地區(qū)對工業(yè)使用的沖床的定義并不完全相同，比如按照中國自己的國家標準，智能工業(yè)機械沖床為用于工業(yè)制造時對模具的定型功能。大多數工業(yè)沖床相比較與傳統(tǒng)的工業(yè)輔助設備而言，它是一種全新設計概念的工業(yè)輔助用具，最主要的改變是盡可能的增加工業(yè)機械沖床內部電板的指令功能，從而增大其對生產工人的幫助作用，確保機械沖床真正可以實現在多種環(huán)境的廠房內正常運作。例如國內的哈爾濱工業(yè)大學已經成功的開發(fā)出了一款中速沖床，對于要求較大的沖壓力和稍微復雜的模具外形可以說是非常容易的。該款中速沖床臂無論是重量還是結構方面都得到了其他科技人員較高的評價。瑞士和日本的公司經過多年的潛心研究和實驗終于開發(fā)出了一款適合高速頻繁沖壓的工業(yè)沖床，該款全自動沖床已經成功應用于各種實際環(huán)境中，總之這款沖床的實際表現性能非常優(yōu)異，在市場上取得不俗的成績。緊接著，越來越多結構形式的工業(yè)沖床也被成功的投入實際應用中。工業(yè)沖床實際上指的是一種可以實現預定物體外形表面的機電一體器械。工業(yè)機械沖床作為一種不同于傳統(tǒng)制造領域的機器，目前在國內外都得到了工程師的廣泛關注。我國目前已經有多個與工業(yè)機械沖床相關的民間聯盟，這些聯盟可以提供一些技術上面的支持，這也預示著機械沖床在未來的前景是光明的。本課題的目標主要是對市場上已有的機械沖床研究后重新進行一個結構上的設計，主要包括工業(yè)機械沖床的驅動設計和結構強度校核。首先需要了解機械沖床的運動結構簡圖，并熟悉機械沖床的研究設計流程與方法，加深對機械設計書本內容上的理解，綜合運用以前學習過的材料力學和理論力學完成當代機械沖床一體結構設計。本文將會通過分析比較當前國內外存在的幾種皮帶傳動的機械沖床所采用的所有結構，對機械沖床的往復移動機構和動力驅動機構進行選型與研究分析。沖床輸出端的結構是整個機械沖床所有結構中最為重要的一部分，沖壓頭可以決定整個工業(yè)機械沖床在運行過程中的性能表現。如何合理的設計機械沖床的結構形狀對于提高工業(yè)機械沖床的整體性能是存在著一定的積極意義的。1.2研究課題的國內外發(fā)展狀況國外對于工業(yè)機械沖床的研究要明顯早于國內，例如工業(yè)強國美國和日本等國已經申請了多項專利，并且有豐富的機械構類型是可供選擇和使用。日本最先生產出機械沖床的公司是AIDA有限集團，作為全球出口前幾名的機床生產制造集團，AIDA敏銳的嗅到了中速沖床對于生產效率提高的應用價值。AIDA最終在上世紀末推出了全球第一款的中速沖床，但是很遺憾的是由于一些商業(yè)上的考慮，AIDA并沒有公開出口數量。在此之后，其他的沖床生產制造商也開始投入資金開始進行機械沖床的設計與生產制造。比較出名的為日本DOBBY公司和瑞士沖床集團研發(fā)生產的機械沖床系列。一開始國外對于工業(yè)機械沖床采用的大都是電機驅動，大型的工業(yè)機械沖床常見的驅動結構形式為氣缸和液壓缸配合驅動機械沖床輸出，小型沖床較為常用形式的為一個電機帶動一個齒輪減速器傳動。此類機械沖床大部分應用于沖壓簡單外表面的用途中，比如鞋制品或電機內部等。機械沖床之所以在制造車間內流行一方面是因為在工業(yè)中對生產效率迫切提高歷程中，高效化機械具有重要的地位和意義，機械沖床中的齒輪減速器傳動結構在古代就已經被人類發(fā)明并應用，另一方面是因為這種結構的機械沖床在整體重量、設計和制造成本方面具有較大的優(yōu)勢。中高速機械沖床可以達到的速度大約在每秒幾百片模具，并且齒輪減速器結構的工業(yè)機械沖床的使用時間長，所需要的維修和保養(yǎng)價格低廉，極大地適合大批量生產。但是齒輪減速器結構的工業(yè)沖床在使用次數高或者載荷較大等復雜操作環(huán)境中時，容易出現較大的振動從而導致機械沖床沖壓物體精度較差等情況出現。與此同時，科研人員在進行工業(yè)機械沖床的設計時還考慮過傾斜和固定臺式的工業(yè)沖床，雖然固定臺式的工業(yè)沖床在生產線上的沖壓速度要明顯優(yōu)于手動的沖床（如圖1-1所示）又或者是機械沖床，但是這種工業(yè)沖床需要多種技術的配合才行，比如需要電子學、傳感器的應用和機構學的綜合運用，整體的設計難度比較大，目前應用的場合正在慢慢變多。圖1-1手動沖床幾年后，手動機械沖床的驅動結構開始采用皮帶式設計。這主要是因為采用皮帶式驅動的機械沖床相比較于傳統(tǒng)的齒輪減速器機械沖床能夠更好地適應多種復雜的操作狀況，除此之外皮帶結構機械沖床的設計與制造技術都已經相對成熟，并不會對于機械沖床造成太多的設計困難。使用皮帶傳動設計的智能化工業(yè)沖床有以下幾個好處。第一，皮帶傳動的設計與地面的傳輸距離相比較于傳統(tǒng)的齒輪減速器要大的多，在相同的載重量的情況下，皮帶傳動的設計在比較長的生產線上比如大批量零件的生產，工業(yè)機械沖床相對齒輪減速器的所占空間要小，從而帶來的好處就是機械沖床進行沖壓模具時具有相對較小的滾動摩擦力，機械沖床可以快速對物體表面成型，以便在更短的時間內完成作業(yè)任務。第二，采用皮帶傳動設計的機械沖床可以實現傳統(tǒng)齒輪減速器機械沖床不能實現的功能，即實現工業(yè)機械沖床空間變大。這是因為兩條皮帶的安裝位置如果有差別，比如兩條皮帶相互垂直的擺放就可以實現平面內任意移動，所以皮帶設計的智能化工業(yè)沖床所達到的移動范圍要大得多。第三，工業(yè)機械沖床的載重量在額定范圍內沖壓，傳動結構就很難出現打滑的可能性，因為皮帶之間是通過帶輪與帶一起傳動的，在傳送性能方面有較高的可靠性。第四，工業(yè)沖床對于仿生手臂抓取物體的能力具有很高的要求，如果采用傳統(tǒng)機械結構設計，則容易受到環(huán)境和噪音的干擾，在復雜環(huán)境會較大的概率出現卡死現象。除此之外，工業(yè)沖床可以實現雙手直接敲打的大部分功能。工業(yè)沖床盡管相比較傳統(tǒng)的手工敲打有很多的優(yōu)點，但是其還是存在著一些難以消除的缺點的，例如機械沖床工作臺進行旋轉時如果轉彎半徑過大，就會產生較大的偏心力，如果機械沖床不能滿足這么大的摩擦力則會出現沖壓失敗的現象，還容易對物體表面造成較大的破壞。高效化機械沖床的設計重點需要放在傳動結構設計和電子控制技術兩個方面，并且需要用實驗驗證理論研究的正確與否。同時機械沖床不能采用過于簡單的結構設計，否則將會限制工業(yè)機械沖床的多功能實現情況。機械沖床的理論研究爆發(fā)于上世紀七八十年代，英國工業(yè)沖床在上世紀大約九十年成功的開發(fā)出了中速工業(yè)沖床，提高了工人在車間中沖壓模具的速度。除了上述介紹的全球知名的工業(yè)機械沖床外，加拿大的AZMUT和法國的Helios集團出口的工業(yè)沖床在整個工業(yè)機械沖床市場上都有著不低的占有率。進入21世紀后，國外對于中高速工業(yè)沖床的重點主要集中在工業(yè)機械沖床的整體結構優(yōu)化設計、作業(yè)穩(wěn)定性能和操控指令這三個方面。上述的理論研究如果取得較大的進步就可以促進中高速工業(yè)沖床的又一波發(fā)展，對于整個工業(yè)機械沖床的發(fā)展有著重要的意義。國內對于智能化工業(yè)沖床的研究與國外相比，存在著起步較晚和研發(fā)實力較弱的不爭事實。我國對于智能化探索工業(yè)沖床的研究主要來源于國內科研高校，比如北京航空航天大學、南京理工大學、哈爾濱工程大學和北京林業(yè)大學以及沈陽自動研究所。目前，國內研制的大多數機械沖床主要分為低速的工業(yè)機械沖床、中速的工業(yè)機械沖床和高速的工業(yè)機械沖床等。北京多家制造集團成功研究出了具有多維度移動及多功能的中速機械沖床（如圖1-2所示），該工業(yè)機械沖床可以對高精度復雜外形成型操作，對于那些普通機械沖床不容易沖壓的特殊物體，此類型的機械沖床可以根據使用人員預先輸入進去的程序首先進行轉變沖壓工作臺等功能。此外，國家大型項目中也包括了這種更高精度的高速機械沖床的研制。目前，關于國內中型機械沖床的使用反饋要明顯好與國內其他同類型的機械沖床。手動或者低速機械沖床具有結構簡單的優(yōu)勢，不需要復雜的傳動機構配合使用，對于實現復雜外形要求很難實現，并且對于目前工業(yè)上要求越來越高的工業(yè)機械沖床，采用適合低速的傳動結構那些設計已經不再適合了，因此國內一家工業(yè)沖床公司歷時數年終于成功的開發(fā)出一款高速機械沖床，這種工業(yè)機械沖床是為了能夠在復雜的工作環(huán)境下去沖壓物品以及其他操作，整機質量小于600kg,沖擊壓力可以達到幾千牛。目前國內上海大學也在緊鑼密鼓的進行相關產品的開發(fā)和研制，其研制的工業(yè)產品可以歸為中速工業(yè)機械沖床的范圍，雖然他們的實際表現比較讓人滿意，但是隨著實際使用需求的變化，國內又繼續(xù)研發(fā)出了速度更高的中速機械沖床，由于擴大了工作臺，所以這種工業(yè)機械沖床的適用范圍進一步增大，但是內部的機電結構也更加復雜，研發(fā)成本和時間是其他低速機械沖床的數倍以上。當前，國產的機械沖床可以產生3000N左右的沖壓力，機械沖床模具速度可以保持在每分100片。對于那些物體外形復雜的金屬沖壓過程也很容易，此外電力系統(tǒng)逐漸開始采用可編程電機驅動。上海交通大學目前正在研發(fā)可以實現每分鐘可達500片模具的高速機械沖床，初步結構設計方案為采用固定安裝液壓裝置實現機械沖床的沖壓功能，并考慮使用最新研發(fā)出來的動平衡技術保證工業(yè)機械沖床在作業(yè)過程中的穩(wěn)定性。機械沖床的穩(wěn)定性也是很重要的一個設計參數，當工業(yè)機械沖床在任意作業(yè)環(huán)境中時，無論是運動還是靜止狀態(tài)下，都需要保持整個輸出運動平衡能力，不會出現突然加速和沖壓力不夠等現象。目前機械沖床中的遇到緊急情況的時候，可以在緊急剎車與旋轉時仍然保持平衡。當前主流的結構設計方案是將工業(yè)機械沖床的重心盡可能的降低，并且在滿足設計要求的情況下增大皮帶之間的距離。圖1-2中速機械沖床1.3工業(yè)機械沖床研發(fā)的未來趨勢最近幾年來，國外的科研人員為了提高工業(yè)機械沖床的可操作性，開始預研制采用了伺服控制系統(tǒng)。工業(yè)機械沖床的控制系統(tǒng)一般有以下幾種方式，伺服控制和反饋控制以及自適應控制等。若從控制算法來分，則有兩種類型，即串行和并行兩種方式。串行處理為每個CPU只是針對具體的問題運行預先設定好的程序，當遇到多任務情況時，就會出現計算速度變慢甚至宕機的危險，同時還有實時性差的缺點。并行處理控制方式是為了解決串行控制計算速度慢而被廣泛應用在工業(yè)機械沖床上的控制技術，其基本操作為改變串行控制的算法，使算法與并行處理結構適配。可控制化機械沖床以前較常用的通信方式為無線傳輸。工業(yè)機械沖床通過圖像識別和攝像模塊實時將圖片信息壓縮后通過無線通信傳遞給工業(yè)機械沖床的操作平臺上。國內公司和大學合作預研發(fā)了伺服控制的工業(yè)機械沖床，該款工業(yè)機械沖床綜合了皮帶傳動及其他設計的優(yōu)點，工業(yè)機械沖床的輸出端可以做周期性運動。該工業(yè)機械沖床既可以擁有媲美國外主流工業(yè)機械沖床的運動速度，同時又具備了沖壓復雜外形表面的制造能力。通過對工業(yè)機械沖床輸入一定的指令，工業(yè)機械沖床可以實現多種復雜動作，例如突然停止和控制沖擊變慢等。同濟大學在前年提出了高速化機械沖床的設計理念，這一想法實際上是來源于高精密表面沖壓的需求。航空工業(yè)制造中采用高速和伺服化設計的機械沖床具有復雜的電氣控制和機械機構，采用Labview算法增加了工業(yè)機械沖床對于外界環(huán)境的自適應能力。（如圖1-3所示）圖1-3伺服機械沖床第2章總體設計方案本課題機械沖床的工作要求與一般的工程機械沖床有著一些相似之處，即整個機械沖床同樣是由如驅動結構、傳動機構、位移傳輸結構和沖壓機構等組成。驅動結構是任何機械結構都需要考慮的部分，作為一種作業(yè)在生產線上的機器結構而言，電機驅動是不可替代的選擇方案，不僅是因為電機已經標準化生產，其價格便宜并且可供選擇的型號有很多種，以上介紹的優(yōu)勢對于本課題設計的小型機械沖床來說選擇電機作為驅動是非常合理的。機械沖床中較為核心部分的傳動動結構可以采用普通機械沖床使用的帶傳動、鏈輪傳動和齒輪減速器傳動。上述的三種機械傳動結構在應用范圍上都比較廣泛，本次畢業(yè)課題設計的機械沖床如何選取傳動結構需要從傳動精確度、使用強度、使用成本和使用過程中維修難易程度這些方面進行綜合考慮。考慮到機械沖床的往復運動次數較多，并且需要一定的運動精確度保證機械沖床能夠較好地實現機械沖床位移到預定的位置，鏈傳動還要受到重力的干擾進一步降低了其可以允許的傳輸速度。因此，傳動結構還有齒輪減速器和帶傳動兩種共同配合使用，本次設計的機械沖床的沖壓距離在豎直方向上屬于近距離，通過選擇齒輪減速器機構需要好多級的齒輪減速器機構又或者增加齒輪減速器的空間尺寸兩方面實現傳動。連桿機構和飛輪的連接實現沖床輸出端的往復沖壓，本文沖床實現原理如下圖所示。圖2-1沖床原理圖2.1驅動結構機械沖床中采用電機主要是對飛輪進行驅動，因為本次課題設計的沖床是需要實現豎直方向上的位移，所以整個機構需要固定安置一個電機?？紤]到整體結構的安裝容易程度，電機安裝的位置選擇在外殼的端部（如圖2-2所示），電機通常用內六角的螺紋孔與外殼進行固定，因為大多數電機的功率和扭矩以及轉速這三個方面的輸出參數并不是與課題設計所需要的一致，所以在電機的輸出軸上電機與減速機構的配合方式一般為平鍵固連在一起或者使用摩擦力進行鎖緊電機軸。對于減速機構設計方案，主要從減速比和傳動效率上面進行考慮，要求傳動效率不能太低是要保證電機的輸出功率盡可能的輸送到傳動結構上。圖2-2電機驅動結構2.2帶傳動本課題設計的機械沖床中的傳動機構確定選擇普遍的同步帶傳動結構形式，同步齒形帶不同于傳統(tǒng)以摩擦為依靠的三角帶，其至今發(fā)展歷史時間大約有四五十年，對于同步帶的應用場合目前以計算儀表等最多。本課題設計的機械沖床用同步帶進行輸送，因為其廣義上屬于嚙合傳動形式并且安裝凸輪與槽口緊貼在一起，實現了主從帶輪與帶輪運動過程無相對滑動，當然了同步帶并不能完全實現零誤差傳輸，這主要是復合材料所制造出來的皮帶有較大的彈性，采用彈性模量較大的皮帶是因為將皮帶和帶輪安裝在一起時需要給予一定張緊力從而保證帶與帶輪的緊密貼合。當機械沖床使同步帶運行時，同步帶需要承受來自導軌和電機的拉壓力，由于皮帶和帶輪的材料使用的不同，這就使二者之間的彈性模量在數值上有著較大的差別，有接觸理論可以推出帶載運動時皮帶和帶輪接觸存在一定的滑動現象，機械沖床中的電機輸出力矩越大就會增大皮帶和帶輪之間的摩擦滑動，皮帶和主從帶輪之間的傳動精確度將會受到很大的影響。對于本課題設計的機械沖床，為了減少同步帶由于彈性變形造成的傳輸誤差，對于導軌結構的重量應該有所限制，同時需要對帶輪和電機的安裝配合提高精準度，減少由于配合誤差造成皮帶和帶輪接觸面情況不理想。本次設計的機械沖床中的三維位移距離比較大，并且需要將機械沖床精準輸送，考慮到帶傳動比較適合于較遠距離的運輸，帶傳動需要進行張緊裝置以保證運行過程中不會出現諸如皮帶打滑的不良現象，使用帶傳動的同時還需要注意到它的缺點，即皮帶容易出現打滑和斷裂造成機器運轉失效，所以設計帶傳動的重要結構參數時一定要考慮到過載的問題。帶傳動通常是由皮帶和兩個傳動輪組成，兩個傳動輪一個作為主動輪，另外一個就是從動輪，至于如何選擇哪個輪作為主動輪必須是根據傳動比來進行的。帶傳動是依靠主動輪和從動輪與機架固定安裝的，因此兩個輪子都是需要進行安裝滾動軸承以較少與支撐架的摩擦力，這是因為滾動軸承內外圈分離有效程度上保證了帶傳動的功率損耗可以降至最低。本課題設計的機械沖床選擇深溝球軸承，即機械原理書上介紹過的7系列軸承，該系列的球類軸承不需要安裝后單獨對其進行軸向游隙的調整，并且可以受到的軸向載荷也不大。帶傳動中的主動輪與減速機器的輸出軸配合在一起，二者之間的配合方式為常用的鍵連接。機械沖床中的傳動結構形式如圖2-3所示。圖2-3帶傳動示意圖2.3齒輪結構對于外嚙合傳動齒輪減速器結構而言，首先要根據沖床中滾刀的尺寸要求和傳動要求選擇傳動比和模數以及齒數等重要參數本次課題的齒輪減速器機構只需要普通的8級精度就可以在傳動精確度和中心距誤差等方面滿足課題傳動要求。對于提高齒輪減速器在運轉過程中的兩種強度，我們可以從齒輪減速器的材料選用和變位兩種情況進行考慮。當下齒輪減速器的材料一般使用調質鋼或者進行滲碳處理以加強表面硬度。除此之外，對于那些設計要求高或者在高溫工作下的齒輪減速器最好還是再考慮膠合強度。本課題為了進一步增強齒輪減速器的運行過程中的強度，最終決定采用變位齒輪，一方面變位齒輪輸出可以允許齒輪的齒數可以選的比正常齒數17少，保證了齒輪傳動的傳動比滿足仿真機器的要求。另一方面的原因是這樣可以通過對小齒輪減速器采取正變位的方式改善小齒輪減速器的強度從而可以彌補因為小齒輪傳動時的循環(huán)次數較多的缺點。（如圖2-4所示）圖2-4齒輪結構2.4連桿機構本次課題設計的沖壓車床采用帶有滑塊的連桿機構，因為研究發(fā)現連桿機構實現的沖擊力在目前是遠大于凸輪結構的，凸輪當前主要使用材料只能承受較小的壓力，所以本課題決定采用雙滑塊機構。通過飛輪的轉動帶動第一個滑塊的直線輸出，滑塊采用圓球連接，因為現實傳動機構中曲柄滑塊機構無法用低副實現。與此滑塊連接的是第二個滑塊機構，二者實現位移的原理是相同的。第二個滑塊與沖床壓頭相固連，因此沖床輸出端隨著滑塊的往復運動進行連續(xù)沖壓操作臺上的金屬。（如圖2-5所示）圖2-5連桿機構綜合考慮，本次畢業(yè)設計的機械沖床的傳動結構選擇帶傳動運輸以及齒輪減速驅動。機械沖床需要可以實現在豎直方向自由往復運動進行沖壓成型，目前市場上可以實現來回沖壓金屬的機構有較多選擇，比如常見的凸輪機構，沖床機構常用在制造手表和試驗裝置等領域上，可以滿足不同尺寸和負載的工作要求，機械沖床的沖壓功能是最為重要的部分，本次課題設計的機械沖床需要實現沖床快速成型功能，對于有的物體外形比較奇特或者沒有較好的沖壓平面，這時就需要將機械沖床的工作臺進行一定角度的位移，從而順利沖壓物體。機械沖床的驅動系統(tǒng)目前有兩個使用效果比較好的選擇，第一種是核心元件為液壓系統(tǒng)，依靠將液體的勢能提供驅動，這種系統(tǒng)主要用在大型沖壓車間中。第二種是以電動機為執(zhí)行元件，通過編程控制正反轉實現機器可靠運動。本文課題設計的沖床機構三維機構(如圖2-6所示)。圖2-6機械沖床三維結構第3章主要零部件設計3.1電機的選擇電機對于任何一個機構而言，它都是相當于整個機構的心臟。電機如果不能源源不斷的給機構提供動力，那么整個機構就無法實現設計時的初衷。因此，正確的選擇電機對于本課題是有著非常重要的意義的，當今電機市場生產出售各種各樣的電機，如果隨意的進行采購可能會出現一些意想不到的后果，因此在選擇的時候除了查看電機的功率和轉速這兩個重要的因素外，還有就是一定要注意查詢電機的使用環(huán)境、連續(xù)運轉時長等次要因素。電機對于功率的選擇原則一般是額定功率要求大于機構所需要的功率。電機的選擇步驟一般(如圖3-1所示)。圖3-1電機選擇步驟工作要求和條件:公稱壓力Pg=40KN，發(fā)生公稱壓力時滑塊離F死點距離Sp=3mm，滑塊行程h=400mm。行程次數n=200次/分，沖裁板厚δ=2mm，板料寬度β=300mm，載荷有沖擊，小批量生產，兩班8年，斷續(xù)周期性工作，Fc=40%.則電動機功率為： （3.1） （3.2） （3.3） （3.4）其中：P——電動機平均功率（千瓦）k一般為1.2~1.6t——工作周期時間（秒）A——工作循環(huán)所需的總能量（焦）——工件變形功（屬有效能量）——拉延墊工作功，即進行拉延工藝時壓邊所需的功（屬有效能量）n——沖床滑塊行程次數——沖床行程利用系數(1)由于行程次數n=200次/分，為中等，K取1.6(2)工件變形功，因A2很小，故忽略不計(3)固沖床行程利用系數Cn=1(4)實際工作周期(5)傳動為二級，η=0.4則選用Y80M-4型全封閉籠型三相異步電動機。3.2飛輪的轉動慣量與尺寸計算在沖壓工件時，主要靠飛輪釋放能量，若忽略電動機在此時所輸出的能量，即得 （3.5） （3.6） （3.7） （3.8）則A0=A1+A2+A3+A4=71800J （3.9） （3.10）由所選電機型可得=0.027查得=0.02則使k=1.2查得選用鑄鋼材料，飛輪外徑，取為720mm。以上所得轉動慣量實際不僅包括飛輪本身的慣量，還包括其他傳動零件的轉動慣量。在沖床中，飛輪轉動慣量與飛輪本身的轉動慣量有以下關系：3.3V帶傳動設計與計算皮帶傳動的主要組成零部件為皮帶、主動皮帶輪和從動皮帶輪三個部分組成。皮帶的結構形式到目前為止已經有許多種，帶傳動正式應用于傳動結構的最初幾十年，皮帶的橫截面結構形式一般以三角形為主，根據不同的使用要求和傳動場景，三角形皮帶也可以分為大致如下四種：第一種為常用于環(huán)境較惡劣如農田上的拖拉機等的標準型三角帶，其主要特征為最大寬度與高度比值為1.65，該種結構的材料主要由百分之六十左右的纖維組成，具有非常好的橫向延生與耐拉性能，對于農用拖拉機工作載荷不穩(wěn)定、變化大的特點，該種三角皮帶允許最大值為45HZ的振動頻率以及皮帶轉速可以達到32m/s，同時需要注意的是標準型三角帶的傳動效率是很低的。上世紀汽車產業(yè)的快速發(fā)展使得工程人員急需重新設計出一種可以適合于高速運轉的皮帶結構，工程師對標準型三角皮帶進行了一定程度的改變，即將皮帶橫截面的最大寬度與高度的比值取小變成1.23，并且將這種皮帶形式稱之為窄型三角皮帶，其所使用的的材料和標準型三角帶基本一致，但是在運輸速度和傳動功率以及振動幅度等方面有著較為大的改變，上述優(yōu)點除了是一方面因為皮帶變窄以外，另一方面由于其還將標準三角皮帶中的一些傳動部分去掉了。第三種則是為了進一步適用汽車變速器的高速運轉開發(fā)出來的粗邊三角皮帶結構，其主要的改變是對傳統(tǒng)的皮帶材料進行了一些新的工藝，使得粗邊三角皮帶的柔度得到了大大的提高，同時加大了皮帶在大載荷下的耐磨能力直接提高了其使用壽命。最近幾年工程師對于三角形皮帶的研究中心主要放在了高強度和小延伸率的kjelar型號上面，在不久的將來或許可以應用到實際產品中。上述的不同結構形式的三角形皮帶主要是依靠帶與帶輪之間的摩擦從而實現傳輸，由于摩擦的穩(wěn)定性不太高所以出現皮帶打滑的概率較大，因此本課題考慮使用依靠嚙合的多槽帶，其特征為每一個槽都可以單獨進行功率的傳遞。3.3.1V帶的型號的確定V帶型號根據設計功率Pd和小帶輪轉速n1確定，查教材圖5-7可選取A型帶。3.3.2帶輪的基準直徑的確定查教材表5.7普通V帶帶輪最小基準直徑，知A型帶=75mm,選取小帶輪基準直徑：=80mm；因此，大帶輪基準直徑： 查表選取大帶輪基準直徑為160mm。其傳動比誤差故可用。3.3.3驗算帶的速度由帶的速度公式： （3.11）式中 ——電動機轉速； ——小帶輪基準直徑。即符合要求。3.3.4確定中心距a和V帶基準長度根據初步確定中心距考慮到結構，選取中心距=400mm。初算帶的基準長度： （3.12）式中 ——帶的標準基準長度； ——帶的初算基準長度；——初選中心距。帶入數據計算得查教材表5.2普通帶基準長度及長度系數，確定帶的基準長度=1050mm。計算實際中心距，由 （3.13）故，實際中心距為465.4mm。3.3.5計算小輪包角小帶輪包角： （3.14）3.3.6確定V帶根數Z根據確定帶的根數。式中——包角修正系數，考慮包角對傳動能力的影響，由教材表5.4查??；——帶長修正系數，考慮帶長不為特定帶長時對使用壽命的影響，由教材表5.5查?。弧猇帶基本額定功率。由教材表5.2查取單根V帶所能傳遞的功率為=1.37kW；由式計算功率增量。其中 Kb——彎曲影響系數；——傳動比系數；——小帶輪轉速，r/min。查表得查表得=1.0202；故得查教材表5.4得=0.98；查教材表5.5得=0.99。所以 （3.15）所以，選取V帶根數z=3。3.3.7初拉力F0的確定單根普通V帶初拉力計算公式： （3.16）式中Pd——設計功率； v——V帶速度； z——帶的根數； ——包角修正系數； m——普通V帶每米長度質量。查教材表5.1得m=0.1kg/m。所以 3.3.8計算作用在軸上的壓力FQ壓力等于松邊和緊邊拉力的向量和，如果不考慮帶兩邊的拉力差，可以近似的按帶兩邊所受初拉力的合力來計算： （3.17）式中——初拉力； ——帶的根數； ——小輪包角。所以 3.3.9小帶輪結構設計（1）帶輪材料選擇帶輪的材料主要采用鑄鐵，轉速較高時采用鑄鋼；小功率時可用鑄鋁或塑料。常用材料的牌號為HTl50或HT200。本設計中轉速要求不高，故材料選用鑄鐵，牌號為HT200。（2）帶輪結構形式本方案中帶輪為中小尺寸（dd1≤125mm），選用腹板輪。（3）帶輪結構尺寸(部分)確定帶輪的其它部分尺寸由經驗公式計算。dk=（1.8－2)×dd1=114mm-160mm，取dk=140mm。3.4齒輪傳動結構1.當前市場上比較知名沖床中所采用的齒輪傳動結構的形式很多種，本次課題設計選擇外嚙合傳動形式，如圖3-2所示。齒輪的輪齒為常見的漸開線齒輪，漸開線齒輪除了在結構設計上已經比較簡單，還有就是在加工制造方面也相較其他類型的齒輪要簡單。雖然斜齒輪相比直齒輪有許許多多的優(yōu)點，比如傳動比較平穩(wěn)以致于運行時發(fā)出的噪聲相對比較小，但是值得注意的是本次畢業(yè)設計對于傳動的平穩(wěn)性方向上要求并不是太高，所以綜合考慮選用漸開線直齒輪傳動形式。對于外嚙合傳動齒輪結構而言，首先要根據沖床的尺寸要求和傳動要求選擇傳動比和模數以及齒數等重要參數。圖3-2外嚙合傳動結構示意2.因為沖床的工作環(huán)境相比較穩(wěn)定，并且本次課題預設的電機的運行速度是遠遠小于/s的，根據我國2008年機械工程協(xié)會頒布的有關齒輪設計精度標準進行參照，本次課題的齒輪機構只需要普通的8級精確度就可以在傳動精確度和中心距誤差等方面滿足課題傳動要求。3.齒輪的強度主要考慮因素目前有兩種，分別是接觸強度和彎曲強度。其中，接觸強度主要衡量的是齒輪在多次運轉后，齒輪表面出現裂痕或者凹坑等不良情況。彎曲強度一般出現在載荷過大的開式齒輪結構。齒輪彎曲強度的計算是為了避免輪齒發(fā)生折斷因此產生不必要的生產事故。對于提高齒輪在運轉過程中的兩種強度，我們可以從齒輪的材料選用和變位兩種情況進行考慮。當下齒輪的材料一般使用調質鋼或者進行滲碳處理以加強表面硬度。除此之外，對于那些設計要求高或者在高溫工作下的齒輪最好還是再考慮膠合強度。因為小齒輪的循環(huán)次數要大于大齒輪以及同樣扭矩下大齒輪的圓周力要小很多，所以本文只要確定小齒輪傳動強度滿足條件即可。本課題的齒輪傳動機構在運動循環(huán)次數上并不是太多，即彎曲強度在本文中相比較于表面強度以及膠合強度來說首先保證的重要參數。齒輪彎曲強度公式（3.1）為GBT3480-1997提供的，本次沖床預設的兩個小齒輪中心距為400mm，傳動比初定在1.1和1.2之間，大齒輪和小齒輪的齒數分別初選為24和60。 （3.18）查詢手冊得彎曲疲勞壽命系數為2,由下式得到齒輪的彎曲極限。 （3.19） （3.20）根據式（3.4）至式（3.6）本次的齒輪結構只需對小齒輪進行計算分析。 YF1=3.22 Ys1=1.47 YF1Y由簡便的齒輪計算強度公式得 （3.24）由上式取標準模數10,則齒輪齒寬b=d1×Φd=147.5,圓整后取:b=150mm。標準中心距為:a=d1/2+d2/2=420mm。齒輪重合度為： （3.25）重合度為1.23滿足正常工作的條件。3.5飛輪滑塊尺寸確定及運動分析曲柄R=200mm設傳入角γ=70°連桿尺寸為L,則 （3.26）取L=2200mm圖3-3滑塊運動分析圖曲柄轉角從下死點算起，與曲柄旋轉方向相反為正，滑塊位移S從下死點算起向上方向為正，滑塊速度V及滑塊加速度，其方向向下為正，則有： （3.27） （3.28） （3.29）曲柄轉角可表示如下： （3.30）式中：S——滑塊位移（m）V——滑塊速度（m/s）——滑塊加速度（m/s）——曲柄角速度（rad/s）λ——連桿系數，R——曲柄半徑（m）L——連桿長度（m）則得出如圖3-4滑塊的行程,速度和加速度曲線圖圖3-4滑塊的行程,速度和加速度曲線圖3.6軸的設計計算本課題設計的沖床中會大量用到軸類零部件，比如對帶輪軸承起到支撐作用的懸臂圓柱截面梁，這樣的軸因為回傳承受一定大小的彎矩，并且為固定狀態(tài)，稱之為心軸。碼垛機械手臂中承受扭矩的軸比如電機輸出軸和減速器的輸出軸，此類軸只是將電機的扭矩傳遞給減速機器的輸出軸。軸類零件在碼垛機械手臂中的作用還是比較大的，因此不同的場合對于軸類零件的要求并不相同。不銹鋼材料一直是軸類零件的首要選擇，一方面是因為該種材料現在在成本上已經相比較其他的材料很便宜，還有一個原因則是其自身的強度和剛度比較大，可以有效地在多種場合中使用。本課題在沖床中將軸類部件的材料選定為45鋼。軸類零件在設計之初需要考慮在最大載荷下時的最小半徑，只有這樣才可以保證軸不會發(fā)生破壞。在確定好整個機器中使用的軸類零件的直徑后，設計人員需要繪制出軸的彎矩和剪力曲線，確保其在一定的安全系數范圍內。為了便于安裝軸上的零件，通常的做法則是對軸進行倒角以及去毛刺等工藝手段。起軸向定位的軸肩則需要注意過渡圓角半徑值，以免其過大造成零件無法被有效定位。（1）軸的材料為45鋼，調質處理至H235。（2）軸的結構設計軸的最小尺寸的確定根據機械設計表15-3，取A0=112，于是得 （3.31）由于要銑一個鍵槽，所以 dmin=15×｛1+（3%-5%）｝ （3.32）算出dmin=15.45-15.75mm，取dmin=16mm。第4章項目管理及環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展4.1機械沖床的項目時間分配合理的安排項目時間是項目管理中一項關鍵內容，強調要按時完成計劃，對資源進行合理配置，提高工作效率，調動人員積極性，保障項目按時高效完成。深入了解項目，摸清項目中各環(huán)節(jié)間的聯系，將項目有效拆分成各個小任務，對各個小任務進行合理工期的預估，按實際情況制定項目的完整實施進度計劃。前期預估完成后，結合相關經驗，根據定量型的基礎工期,進行模擬估計，定量計算整體工期，進行整體評估，并對前期估算進行調整。最終確定開工時間和結工時間，并結合資源因素，人工因素等對各小任務的工期進行安排。同時要根據整個項目的工期按比例保留時間，留有一定的時間以應對項目風險，并隨項目進展，風險降低，可適當減少預留時間。項目開始后，要實時監(jiān)督進度的執(zhí)行情況，以便及時發(fā)現和糾正偏差和錯誤，降低損失。在監(jiān)督過程中，任-一小任務的完成，都對其與預測情況進行分析，考慮變差因素產生的原因，同時預測變差因素的變更對項目其他部分是否產生影響，若產生影響，對其進行及時的干預。4.2機械沖床項目的成本預估材料能否充分利用是直接影響產品成本的主要因素之一，提高材料利用率的方法:保證工件達到符合生產標準的情況下，選用性價比更高的原材料，并.嚴格把控，縮減生產過程中不必要的損失，從而節(jié)省材料，以提高材料利用率。平行度，垂直度，總間隙，這是設計中需要參考的重要參數，影響著產品的質量，壽命和材料損耗，應根據實際情況和需要合理的選用。精度好的沖床不僅能出產好的產品，而且對模具的損傷更小，節(jié)約了模具維修時間更節(jié)約了維修用度。成本預估計算，需要前期對材料工廠進行考核、適用，選擇性價比高的材料。并預測人工費、損耗費，廢料處理費用等。在項目實施后，對于完成的小任務所花成本與成本預估，進行分析，針對誤差對未完成的小項目進行調整。4.3機械沖床項目的質量規(guī)劃與監(jiān)控質量可以說是一個項目中最重要的。因此對于質量的規(guī)劃實在整個項目的重心。材料，技術，工藝，管理制度，操作方法，施工時間等都影響著產品的質量。需保證材料設備按質、按量的供應以及按需使用，不偷工減料。實行獎懲制度，調動人員的積極性。對于即將出廠的產品進行抽查，避免出廠低質量產品降低企業(yè)信用。制作過程中，更應嚴格把控，消除制約因素，將產品質量控制在一定范圍內波動，保證每道工序都按要求完成。4.4機械沖床項目的風險預測風險總是存在的，項目開始之前，便要對該項目進行風險評估，這是必要環(huán)節(jié)，對材料市場，產品市場，都要進行調研和風險評估，避免市場大幅度波動造成項目損失。辨別項目運行風險，將風險進行實際假設，預估是否有承擔風險的能力，分析形勢，對項目的風險進行控制，制定及時有效的措施，將風險控制在一定范圍內，以避免承擔過重的損失,造成不必要的損失。4.5機械沖床項目的三廢處理辦法工業(yè)三廢是指廢水，廢氣，廢渣。其中含有多種有毒，有害物質，所以為了環(huán)境不被破環(huán)，需要對此進行合理有效的處理。這三廢主要產生來源:一、化學反應不完全或者有副反應，針對這一來源，要創(chuàng)造能讓化學反應完全發(fā)生的條件，對于創(chuàng)造的條件難以實現以及副產物，進行后續(xù)反應，使其產物為水，二氧化碳，以及其他無毒無污染的產物。二、物理分離中產生的，對于這種也可以再用化學方法進行處理。三、通過非正常時期的短期排放產生的，主要是進行及時的收集，后續(xù)再進行處理，避免泄露造成污染。從工藝上來考慮，大力采用無污染或者少污染的新工藝、新技術、采用新材料，機械生產不可避免會有廢料的產生，所以在選材時不僅要選擇性價比高的材料，還要考察是否符合國家標準，是否屬于綠色材料。從根源上減少三廢的產生。對于不可避免產生的三廢，要采用最新工藝，對三廢進行處理，符合國家標準后再排放。4.6機械沖床項目的環(huán)境保護當今社會，任何項目都需要考慮環(huán)境保護，環(huán)境一-旦被破壞，將很難重新恢復。但工業(yè)中的大量廢物都是有毒有污染的，所以這更需要重視廢物的處理，同時要加大環(huán)保力度和宣傳力度，采用環(huán)保技術，實現工業(yè)生產的低污染低排放，突破環(huán)境治理的技術瓶頸。這樣不僅保護了環(huán)境也同時提高了企業(yè)的形象。不僅僅是廢物會造成污染，噪音污染同樣需要治理。有研究表明，長期.的生活噪音除了對聽力造成損害，對人的生理和心理都會產生嚴重影響，損害人的生活質量和身體健康。因為噪音污染的特殊性，所以當前的解決方案只能是將工廠遷離至郊區(qū)人煙稀少的地方，避免對周圍住戶造成傷害，同時工廠的員工在工作時也要帶_上防噪音耳罩，保護自身安全。而要根本解決這一噪音污染，還要從噪音產生的根本去解決，這就需要相應的技術支持，在生產過程中便減少噪音的產生。4.7機械沖床項目的可持續(xù)發(fā)展在生產中促成廢料的集中收集，以便后續(xù)的處理和利用，同時也避免了污染環(huán)境。產生的三廢是污染，但是我們可以變廢為寶，通過有效的化學反應等方式，將無用有毒的廢料，轉化為新的資源。最有效的可持續(xù)發(fā)展方式還是提高能源利用效率，實現資源的百分百利用，既環(huán)保又實現了可持