数控软片裁片设备设计方案

第一章 设计任务书及及总体设计方案1.1 设计任务书数控软片裁片设备主要用于实现绝热软片（2-10）mm倒边的裁制。该设备要求操作简单、方便，结构材料采用不锈钢或其它金属材料，确保该部分具有一定的刚度、耐磨性能及机械加工质量，同时要求设备表面美观大方，软片倒边裁制速度可调，并提供刀具移动速度显示。数控绝热软片裁片、倒边设备由裁片、倒边模具，软片裝夹部分及控制部分组成。裁片、倒边模具，软片裝夹部分主要用于实现裁片模具、软片的定位及裝夹。要求该部分模具定位、软片裝夹操作方便快捷。且在裁片、倒边裁制过程中以及受力状态下保持模具、软片紧固。并提供模具裝夹力值显示。控制系统主要用于实现刀具运动、裝夹部分运动的自动控制。通过软片裁片、倒边裁制过程的位移、速度控制，以保证软片裁制度质量及精度。软片裁制基本外型有三种：长方形、扇形、圆形。所裁软片最大尺寸如下：圆片：min外径65mmmax外径500mm扇形片：最大弧长900mm，高500mm长方形片：最大尺寸1000mmX750mm要求软片裁制倒边尺寸精度为±0.5mm，为提高裁片效率，对2mm、3mm厚软片可实现双层叠放裁制。以某一特定发动机裁片时间为依据，要求全部裁完软片的时间少于手工裁片时间的20长方形片绝热材料软片倒角即裁制斜边宽度要求如下：（1）2mm软片倒边宽度为片厚的（2-7）倍。（2）3mm以上软片倒边宽度为片厚的（2-5）倍最后附上几种绝热材料的资料：l 5-III材料：主要组份为丁腈橡胶、酚醛树脂。未固化材料的邵氏硬度为40-50。材料的延伸率170l 9621材料：主要组份为丁腈橡胶。未固化材料的邵氏硬度为20-30。材料的延伸率200l VI材料：主要组份为丁腈橡胶、酚醛树脂、碳纤维。未固化材料的邵氏硬度为80-90。材料的延伸率151.2 设计方案的拟定1.2.1概述为了满足用贴片机在火箭发动机内粘贴橡胶衬板的需要，橡胶衬板的加工必须规范化并保证足够的精度，数控橡胶软片裁片机必须与贴片机紧密配合，与贴片机的工艺要求相适应。这就要求数控橡胶软片裁片机自动化程度高，橡胶软片裁片时安装方便，定位便捷，把操作人员的劳动强度减到最低，同时获得最高的工作效率。1.2.2系统原理及功能1.2.2.1系统组成本机由台架、大臂、小臂、升降臂、刀杆、真空转盘、真空泵和驱动控制系统等几大部分组成，其结构如图2-1所示。图2-1 数控橡胶衬板倒边机结构图1.2.2.2 工作原理(1) 大、小臂运动带动刀具实现平面(X、Y)进给运动，真空转盘回转（C）带动夹具和工件实现圆周进给和分度。为了能够切出曲边坡口，上述三个运动需要联动控制。(2) 升降臂的升降(Z)和刀杆的摆动(B)用于调整刀具位置和切削角度。可以单独控制。(3) 刀杆轴带动刀盘回转形成主切削运动。根据橡胶软片的厚度及刀具几何形状的不同刀具回转存在一个最佳速度，因此刀具回转角速度必须能够连续可调。(4) 工件用真空吸盘吸附夹紧，一次装卡可自动完成切边、倒坡口等操作。数控橡胶软片裁片机的运动链如图2-2所示。图2-2 数控橡胶软片裁片机的运动链1.2.2.3控制系统本机运动控制需要采用六轴轴三联动控制系统，大、小臂驱动轴(X、Y)和真空转盘回转轴（W）用交流伺服电机驱动，并需三轴联动，以实现直线和圆弧插补；升降臂的升降轴(Z) 和刀盘回转轴（主轴）单独控制，其中升降轴用交流伺服电机驱动；而刀盘回转轴用交流电机驱动，通过变频调速器控制其转速。摆动轴用交流电机驱动，以便获得坡口所需的角度。运动控制采用工控机IPC和美国GALIL公司生产的多轴运动控制器组成开放性数控系统，具有内置的可编程序控制器PLC功能，便于对开关量进行控制，对于常用规格产品可储存其加工程序，加工过程自动进行。1.2.2.4性能指标(1) 本机可以对厚度为210mm的橡胶软片进行直线、曲线切边和倒坡口操作。(2) 根据切削试验结果，本机倒坡口角度可达到<12°，凹边曲率半径可达到100mm或更小。(3) 切削速度可达到1500-4000mm/min。第二章 设计计算2.1 X轴传动装置设计计算2.1.1电机的选择负载扭矩的计算 负载扭矩是由于驱动系统的摩擦力和切削力所引起。即 2MFL 其中M为负载扭矩，F为摩擦力，L为龙门架移动距离F=+f , 为滑动摩擦系数 =0.005 ，f为刮油片阻力 f=0.5×9.8=4.9NG为龙门架的总重量 , 其中m=46(刀架)109(龙门)10(导轨等)165kg故F=0.005×1617+4.9=12.985N由于存在传动效率和摩擦系数因素，所以 M= 其中为同步带的效率0.95，MB为支撑轴承的摩擦力矩 查手册得30N所以M=选择电机DSM4-09.1-1系列，P=0.25KW， 转数3000r/min 2.1.2同步带传动设计（以下所用的表和图均源自机械设计手册）1. 求计算功率查表10-39得1.9 2. 选择带型根据=0.475KW和查图10-18 应选用L型同步带，3. 选取带轮齿数>,由表10-40查得 18，取194. 带轮节径5. 带速 6. 初定中心距7. 选用带长及齿数按表10-36选用 ，代号12008. 求理论中心距采用中心距可调，9. 齿轮啮合齿数10. 基本额定功率mm, 查表10-41得 =244.46N, m=0.095KG/m11. 带宽查表10-37选取标准带宽 25.4mm 代号10012. 作用于轴上的力2.1.3滑动导轨的选择本书考虑满足机床传动的精度要求，故初步决定选用精度很高的HIWIN线性滑动导轨，此种线性滑轨为一种滚动导引，藉由钢珠在滑块与滑轨之间作无限滚动循环，负载平台能沿着滑轨轻易地以高精度作线性运动。与传统的滑动导引相比较，滚动导引的摩擦系数可降低至原来的1/50，由于起动的摩擦力大大减少，相对的较少无效运动发生，故能轻易达到m级进给及定位。再加上滑块与滑轨间的束制单元设计，使得线性滑轨可同时承受上下左右等各方向的负荷，上述所列特点并非传统滑动导引所能比拟，因此采用此导轨能大幅提高设计机器的精度和机械效能。根据龙门架的传动要求及设计尺寸，初步选用LGW 25CB型号，查表得：基本动额定负荷C=2410kgf23618N，基本静额定负荷 =38024N，容许静力矩 2.1.4线性滑轨寿命计算2.1.4.1基本静额定负荷计算导轨的基本静额定负荷为刀架部件的总重量，即 由于有两个线性导轨，所以静安全系数为：故静强度安全3.1.4.2基本动额定负荷计算（1）寿命的计算考虑线性滑轨使用的环境因素，其寿命会随运动的状态、珠道表面硬度及系统温度而有所变化，所以滑轨寿命为：其中：L为寿命，C为基本动额定负荷，PC为最大工作负荷，fk为硬度系数，ft为温度系数，fw为负荷系数 HIWIN的线性滑轨硬度都为HRC58以上，故查表得， Pz为预压力，初选预压形式为Z1，所以（2）寿命时间的计算依使用速度及频率将寿命距离换算成寿命时间： 其中：Lk为寿命时间，L为寿命，S为运行速率，取S=100mm/s,即6m/min故其寿命年限约为12年。2.1.5主动轴的强度校核及设计计算作用于带轮的圆周力、径向力、轴向力为:Ft=2T1/d=2×0.8/0.02=80N径向力Fr=Ft×tan20o=29.18N由图3-1可知L1=43mm，L2=39mm图3-1轴的受力分析图2.1.5.1 绘制轴的受力简图，求支座反力Y方向支反力：由MB=0，得RAY(L1+L2)+Ft×L2=0RAY=Ft×L2/(L1+L2)=80×32/ (50+32)=31.22N由Y=0，得RBY=FtRAY=80-61.58=48.78NZ方向支反力：由MB =0，得RAZ×(L1+L2)+Fr×L2=0RAZ=(Fr×L2)/(L1+L2)=(29.18×32)/(50+32)=11.39N由Y=0，得RBZ=FrRAZ=29.18-22.42=17.79N2.1.5.2 作弯矩图A、垂直面弯矩MY图：C点MCY=RAY×L1=31.22×50=1.56×103N·mmB、水平面弯矩MZ图：C点MCZ=RAZ×L1=11.39×50=0.57×103N·mmC、合成弯矩M图：C点总弯矩为：MC=1.66×103N·mm2.1.5.3 作转矩T图 C点左边：TC1=Ft×d/2=80×20/20.8×103N·mmC点右边：TC2=TC1/2=0.4×103N·mm2.1.5.4 作计算弯矩Mca图该轴单向工作，转矩产生的弯曲应力按脉动循环应力考虑，按第三强度理论，取=0.6C点左边McaC=1.73×103N·mmC点右边McaC=1.68×103N·mmD点McaD=0.48×103N·mmE点McaE=×103N·mmB点McaBMcaE=0.24×103N·mm2.1.5.5 校核轴的强度（以下所用的表和图均源自机械设计教材）由图可知，C点弯矩值最大，D、E点轴径最小，所以该轴的危险断面是C点和D、E点所在剖面，由45钢调质处理查表8-1得b=650N/mm2，再由表8-3查得b-1 =60N/mm2C点轴径dC=6.61mm考虑键槽影响，轴径加大5%dC=6.61×（1+0.05）=6.94mm该值小于原设计该点处轴径20mm，安全。D点轴径dD=4.31mm考虑键槽影响，轴径加大5%dD=4.31×（1+0.05）=4.53mm该值小于原设计该点处轴径14mm，安全。E点轴径dE=3.42mm考虑键槽影响，轴径加大5%dE=3.42×（1+0.05）=3.59mm该值小于原设计该点处轴径14mm，安全2.1.5.6 精确校核轴的疲劳强度由图可知，剖面均为有应力集中的剖面，均有可能是危险剖面。其中剖面计算弯矩相同。这几个剖面相比较，只是应力集中影响不同，可取应力集中系数值较大者计算即可。与剖面形状相似，但其上的弯矩更小，所以不必校核。同理，、剖面承载情况也相近，可取应力集中系数值较大者计算。（1）校核、剖面的疲劳强度剖面因配合引起的应力集中系数由副表1-1查得：k=1.97, k=1.51剖面因过度圆角引起的应力集中系数由副表1-1查得： （D-d）/r=（17-14）/0.5=6，r/d=0.5/14=0.036，k=2.465，k=1.592因、剖面主要受转矩作用，故校核剖面。剖面产生的扭转剪应力、应力幅、平均应力为max=T/WT=T/(0.2×d 3)=0.8×103/(0.2×20 3)=0.5 N/mm2a=m=max/2=0.25N/mm245钢机械性能查表8-1得 ：-1=268N/mm2，-1=155N/mm2；绝对尺寸影响系数由副表1-4查得：=0.91，=0.89 ；表面质量系数由副表1-5查得 ：=0.937，=0.937；查表1-5得 =0.34，=0.21。剖面的安全系数为S=S=-1/（K×a/（×）+×