10mm玻璃切割机的设计（基于玻璃马赛克切割的研究）

10mm玻璃切割机的设计（基于玻璃马赛克切割的研究）,10,mm,玻璃,切割机,设计,基于,马赛克,切割,研究 *学院科技*学院*设计（*） 1 绪论1.1 课题的研究背景及意义随着科技的发展，人们生活水平的提高，玻璃在国民经济中的应用越来越广泛。不仅在机械、汽车、航空等方面发挥着重要作用，而且在建筑领域也得到了广泛的运用。尤其是玻璃马赛克，其耐酸碱、耐腐蚀、不褪色等优良性能被广泛运用于装修行业，如做外墙装饰的保护层、门面装璞室内墙面、阳台外侧装饰。在玻璃马赛克应用日益广泛的前提下，人们对玻璃马赛克需求量也日益增加。当然，随着玻璃马赛克求量的增加，必然带动了玻璃马赛克等脆性材料加工设备的发展，同时也对产品的加工质量提出了更高的要求。传统的玻璃马赛克加工设备具有自动化程度不高，厚的玻璃难以切割，以及废品率太高等缺陷，严重影响了生产的需要。目前，先进的玻璃切割机绝大部分在来源于国外一些大型跨国公司，虽然我国自20世纪80年代始，先后从意大利、德国等国家引进了很多先进的加工设备，国内也有许多企业和研究机构也逐步建立了硬脆性材料数控加工中心。但是，对于玻璃马赛克的加工精度来讲，玻璃切割机远远落后于国际先进水平。随着玻璃马赛克应用越来越广泛，而且产品的加工质量要求也越来越高，因此，对于玻璃马赛克切割机研究的重要性就显得更为突出。本课题旨在提高生产效率，降低企业的加工成本和减轻工人的劳动强度，对玻璃切割机机械结构的设计来实现对马赛克玻璃的高效加工。不仅能够增强市场的竞争力，而且希望能够产生强大的社会效益和经济效益，也有利于提高国内玻璃马赛克加工水平的提高。1.2 玻璃马赛克的概述1.2.1玻璃马赛克的现状玻璃马赛克还有两个专业术语，叫作玻璃锦砖和玻璃纸皮砖，它是新型建筑装饰材料，靠用硅砂等原料经熔制和成型退火等工艺制成的。一般规格为20毫米20毫米、30毫米30毫米、40毫米40毫米。厚度为4 -6毫米，具有耐热性、耐酸碱性、防水性好、强度高，而且还有不变色、不积灰、容重轻、粘结牢等优良性能，再加上成本低廉，施工方便，多用于外墙装饰保护层、门面装璞室内墙面、阳台外侧装饰，并可镶嵌成各种图案壁画，用来制成工艺装饰品。玻璃马赛克作为一种外装饰材料，已经在我国的机关大楼、高级宾馆、饭店、民用住宅之中流行了起来。1.2.2玻璃马赛克的发展趋势 玻璃马赛克的市场供求的潜力还是非常大的，有一种上升的趋势。主要有以下三点：一是将玻璃马赛克作为一种工艺品，它具有很高的艺术价值;二是我国经济的迅速发展，人民生活水平的提高，普通老百姓都向往过上更有价值、更有品位的生活;三是作为消费主力的90后，以他们追求个性，讲究独异的性格，玻璃马赛克也正好具有这些特点，能满足消费主力军的爱好。但是与之不同的是，玻璃马赛克的销售却只限于省会城市和大城市，主要的问题是，一是玻璃马赛克铺贴非常麻烦，因为玻璃马赛克的规格非常小，所以要求铺贴的工人有非常高的技巧，二是铺设计，要融入设计师的想法，要考虑空间的大小，所以要完成铺贴玻璃马赛克，还需要一位出色的设计师。1.2.3玻璃马赛克的生产现状玻璃马赛克在全世界的发展情况是各不相同，其中发展较快的国家有：日本、意大利、德国等国家，他的玻璃马赛克的制造技术非常成熟，加工方面也是一流的， 不但品种繁多，而且各具特点，其中要数最厉害的便是意大利，它的彩色金星玻璃马赛克产几乎占据了全球市场。但是过的玻璃马赛克行业与国外相比，差距就非常大了，这些差距主要体现在玻璃马赛克的制造、加工、设计等方面。就拿玻璃马赛克的加工来说吧，国内的玻璃马赛克加工只是停留在初级阶段，甚至还有纯手工现象存在。从产品质量上来讲，国内非常好的玻璃马赛克，它的品质也就50%-60%，与国外相差很大，这些即是玻璃马赛克行业的难题，又是行业的挑战。1.3玻璃切割产业研究现状目前，国内外大多的玻璃切割方法是机械切割，即是靠金刚石在一定的压力下沿玻璃表面进行滑动，从而在玻璃表面上形成一条宽度与深度相等的切口，这种切割方法也非常适用于玻璃马赛克的加工。1.4主要研究内容10mm玻璃切割机要求适用于玻璃马赛克加工的工艺需求。而玻璃马赛克的加工过程中具有自动化程度不高，厚的玻璃难以切割，以及废品率太高的问题。本次*设计主要围绕这三个问题进行展开，从而设计10mm玻璃切割机的机械结构，完成玻璃切割机的一套图纸。1.5本章小结通过上面的论述，我们知道了以玻璃马赛克为基础，研究10mm玻璃切割机的的目的，国内外的研究情况。对此，本次*设计我们主要解决玻璃马赛克的加工问题，提高玻璃马赛克加工的自动化程度，完好的切割厚的玻璃，降低废品率。2玻璃切割机的总体设计2.1玻璃切割机设计的基本概述10mm玻璃切割机主要适用于玻璃马赛克加工的工艺需求。面对玻璃马赛克的加工问题，我们设想玻璃原片由输送系统输送到指定切割位置，玻璃切割通过采用三轴联动机械来完成刀具线速度定位和切割路径控制，要求为切割刀具能在X、Y、Z三个方向中实现进给，各个方向都需要采用直流伺服电动机，从而保证切割方向始终与XY方向垂直，同时也要保证切割效率和切割质量。以满足任务的要求。2.2玻璃切割机设计方案本次*设计主要是结合工程实际情况，依靠计算机辅助设计（CAD）来设计10mm玻璃切割机的输送系统和三轴联动系统（行走机构和切割装置），从而来解决玻璃马赛克的加工过程中自动化程度不高，厚的玻璃难以切割，以及废品率太高的问题。对此我准备采取以下四个步骤去拟定最合理的机械结构方案。1. 依据玻璃马赛克的加工问题来确定10mm玻璃切割机的功能。2. 查找文献，和相关设备资料，找出设计结构方案的参照物。3. 根据参照物，分析它的工作原理，优缺点，得到可以改进的方案。4. 根据工作原理，进行反复探索，得出最合理的机械结构方案2.2.1输送系统方案的选择玻璃输送系统的机械部分一般是由机械传动、输送小球、输送带以及机架组成，这次我们主要考虑的是机械传动部分。为了确保输送玻璃的稳定性，我们要求传送玻璃时输送偏差不大于2mm，无跳动现象产生。对此，我查阅大量资料，借鉴各类输送系统装置来设计我们的输送系统。方案一：此输送系统是通过带传动而进行设计的，同步带轮和输送小球是通过轴连在一起，轴的两端用调心轴承座做支承。优点结构简单，缺点传递效率不高。 方案二：此输送系统是通过链传动和蜗杆传动而进行设计的，涡轮和输送小球是通过输送轴连在一起，输送是轴靠调心轴承座做支承。涡杆和链轮是通过传动轴连在一起，传动轴是轴靠调心轴承座做支承。此输送系统最大的特点是传动轴是通过并联方式传递动力和扭矩给输送轴。缺点是传递效率不高。方案三：输送系统是通过套筒滚子链传动而进行设计的，剖视A-A左右两个链轮是通过用轴做链接，轴的两端是通过滚动轴承做支承。此输送系统最大他点同一时间能进行来回输送工质，缺点无法进行长距离输送。1为链轮，2为链条，3为轴承，4为电动机减速器。获选方案：方案二获选理由：方案一，输送传动靠带传动，虽然拥有结构简单、传动平稳、减震缓冲等优点，但是在本装置中，结合任务要求，输送的长度决定的他的传动方案不合理，因为带传动是通过串联的方式进行传动，传动过程中功率损失严重。方案三，虽然看上去比较合理，但是结合任务要求，输送长度决定了传动方案不合理，传动过程中功率损失严重，再加上是只有一根链条，链条所需要的拉力远远超过链条本身的抗拉强度，故不合理。方案二：传动轴是靠链传动来进行的，与带传动相比，链传动具有无整体打滑现象和无弹性滑动现象，很好的解决了带传动的传动效率不高问题，传动轴通过蜗杆传动来带动输送轴的运动，与带传动相比，它具有很好的自锁性。结构优化：1. 蜗杆传动是否可以用其他传动替代，从而来提高传动效率？不能，根据输送轴和传动轴的交角为，交错轴齿轮机构拥有交错轴斜齿轮传动、蜗杆涡轮传动。准双线曲线齿轮传动，而准双线曲线齿轮传动制造十分困难，从经济性的角度来讲，如果其他方案满足任务要求的话，不宜选择准双线曲线齿轮传动。交错轴斜齿轮传动与蜗杆涡轮传动相比，虽然交错轴斜齿轮传动传递的速度和效率比蜗杆涡轮传动要好，但是此输送系统传递速度要求不高，而主要要的要求是提高传递的稳定性和精确度，而涡轮蜗杆传动的传动平稳性能和自锁性能正好满足正好满足这要求，相比交错轴斜齿轮传动的高传动效率更具有优势。2.方案二的输送系统是否能有三轴联动有效的进行进行组合？不能，考虑到输送系统方案要与三轴联动系统方案进行组合，所以需要将输送系统的方案进行一下优化，借鉴方案一的优势，将方通的一个侧面进行切割处理，与方案一的侧面方通结构相似，与之不同的是轴承座是靠方通的底面进行连接固定的，如此处理的原理，是基于任务要求的考虑，为三轴联动方案留下足够的空间。结构优化后，结构如下图。2.2.2三轴联动方案的借鉴与创新：三轴联动是机电一体化的内容，它的机械部分主要是由机械转动、支承部件及执行机构组成，为了保证机械部分的执行精度和工作的稳定性，我们要求机械部分要具有高精度、高刚度、低摩擦、良好的稳定性等要求。对此，根据自身的经验，我设计出方案一，通过平时积累的三维模型提出剩下三种种方案。 方案一：此三轴联动，x轴靠滚珠丝杠传动，y轴靠燕尾槽进行传动，z轴靠滚轴丝杠进行传动，xyz都是通过伺服电机传动，其中燕尾槽是靠步进电机加丝杠传动的方式进运动的，在此图中并未显示。缺点，经济性不高。方案二：此三轴联动，最主要的特点是它引入的齿轮齿条传动。缺点是精度不高。方案三：此联动机构，最主要的特点是，相对方案一而言，执行部分和支承部分的结构更加合理可靠。缺点是结合我们的输送系统，Y轴方向输送需要改进。借鉴与创新：评价：此方案是在方案三的基础上，结合任务要求，对薄弱的环节加以改进从而提出来的，增加了联动机构的行走机构，燕尾槽是靠步进电机加齿轮齿条传动的方式进运动的。结构的优化:1. 滚珠丝杠是否可以代替齿轮齿条的传动？燕尾槽是靠步进电机加齿轮齿条传动的方式进运动的，为何不是滚珠丝杠，因为滚珠丝杠的制造周期十分长，在国内的企业中很少能够制造出长度长、直径大、精度高的滚珠丝杆的; 再加上长度较长的丝杆，由于本身的自重引起的挠度较大，需要增加丝杆托持机构等，使结构变得复杂。虽然齿轮齿条之间的间隙在装配时较难消除，但齿轮齿条传动可以不受长度限制，齿条可以根据长度需要拼接，相对长丝杆要增加托持机构来说，在结构上可简单化。在精度允许的情况下，选择齿轮齿条传动比较经济。3 输送系统的设计3.1电机的选择初步估算有效拉力F=1000，输送系统速度为0.5m/s,输送小球直径为100mm计算项目计算内容计算结果1、选择电机的类型根据根据玻璃马赛克加工自动化程度不高，废品率高等缺点，我们提出输送系统用来提高自动化程度，增加输送系统的稳定性和精确度可以降低废品率，对此，我们选择SWE R系列减速电机。R系列减速电机为平行轴斜齿轮减速电机。SWE R系列减速电机。2、确定电机的功率电动机所需工作功率：根据的运输系统类型，可取工作机效率。传动装置的总效率: 因为转动装置时混合机构，而其中的并联机构各个子机构结构相同，虽然传动装置中传动轴靠联轴器相接，但是在并联机构中按最大转动效率计算，故：查阅课本机械设计课程设计的第94页，根据表10-2机械传动和轴承效率概略值，从而确定各部分效率为：链传动滚子链的传动效率为 ；蜗杆传动单头蜗杆的传动效率为 ，调心轴承的传动效率为 ，代入得 所需电动机功率为因为载荷十分平稳，还需考虑影响电机功率的因素，如电机的工作质，环境等，故电动机额定功率应该略大于即可，由根据SWE R系列减速电机的技术参数，从而选定减速电机的额定功率0.75KW。3、确定电动机的转速工作转速为初步估计输送系统输送速度为0.5m/s,输送小球直径为100mm。得n=根据输送系统的类型，可取输送系统一般传动比的范围是830,则总传动比合理范围为,因此电动机转速的可选范围为：至此我们初步选定SEW-RX57 DT80N4减速电动机。n=95.54r/minr/min电动机型号为SEW-RX57 DT80N4。4、验算电机是否可行。根据下表初步选择使用系数为最大值1.8来进行验算由上表可以SEW-RX57 DT80N4的减速器输出最大扭矩为65，而我们计算出来的扭矩在这一范围之内。45，可从课本机械设计第253页，根据表11-8涡轮的基本许用弯曲应力，可查得涡轮的基本许用弯曲应力MPa。应力循环次数 寿命系数 则 计算值判断是否满足要求,满足弯曲强度要求。弯曲强度是满足的。3.3.4校核齿面接触疲劳强度计算项目计算内容计算结果确定涡轮的齿面接触应力 根据涡轮材料为锡磷青铜ZCuSn10P1，而且为金属模铸造，再加上螺杆螺旋齿面硬度45，可从课本机械设计第251页，根据表11-7铸锡青铜涡轮的基本接触许用应力，查得涡轮的基本许用弯曲应力MPa。应力循环次数 寿命系数 则 计算值判断是否满足要求满足齿面接触疲劳强度要求满足齿面接触疲劳强度要求4 三轴联动4.1齿轮传动4.1.1齿轮齿条的材料选择一般选用钢材作为齿轮的材料，因为钢材具有韧性好和耐冲击等特点，最主要的还是它还可通过热处理和化学热处理来提高齿面的硬度，故比较适用于来做制造齿轮的材料。钢材的种类也非常多，根据齿轮需要承受比较大的载荷，应采用硬齿面，其中硬度应大于等于350HBS，故选取合金钢，它可以满足强度要求，同时进行设计计算。4.1.2 各系数的选定计算齿轮强度用的载荷系数K，包括使用系数、动载系数、齿间载荷分配系数及齿向载荷分配系数，即 K=1）使用系数使用系数来表示齿轮传动中的实际载荷会受到原动机和工作机的特性、质量比、联轴器类型以及运行状态的影响。查阅课本机械设计第192页，依据表10-2使用系数，根据该齿轮传动的载荷状态为均匀平稳，工作机器为玻璃切割机，原动机为伺服电机，所以使用系数取1.00。2）动载系数动载系数是为了计算动载荷的影响，按如图2-1所示进行选取。图2-1动载系数依据玻璃机的Y轴方向移动速度v很小，根据上图所表示的关系查得，应取1.0比较合适。3）齿间载荷分配系数查阅课本机械设计第195页，依据表10-3齿间载荷分配系数、对于直齿轮及修形齿轮，取。4）齿轮载荷分布系数通常用载荷分布系数来表示齿面上载荷分布不均匀的程度对齿轮强度的一种影响。查阅课本机械设计第196页，依据表10-4接触疲劳强度计算用的齿向载荷分布系数，可取=1.14。查阅课本机械设计第197页，依据图10-13弯曲强度计算的齿向载荷分布系数，可取1.09综上所述，最终确定齿轮系数K=1.35111.09=1.474.1.4齿轮的设计计算项目计算内容计算结果压力角的选择在我国，对一般用途的齿轮传动规定的标准压力角为=20。=20。齿数z的选择为使齿轮免于根切，对于=20的标准直齿轮，应取z17，这里取z=25。z=25齿宽系数的选择查阅课本机械设计第206页，依据表10-7圆柱齿轮的齿宽系数，由于金属切削机床的齿轮传动，若功率不大时，可以小到0.2，故取。预计工作寿命10年，每年300个工作日，每个工作日8个小时=103008=24000h=24000h齿轮的许用应力齿轮的许用应力是一般基于实验条件下的齿轮疲劳极限的出来，同时再考虑实际齿轮与实验条件的差别和可靠性而确定的。 按下式计算式中：S：疲劳强度安全系数，一般而言，对于接触疲劳强度来进行设计计算时，可取S=1；对于齿根弯曲疲劳强度来设计计算时，可取S=1.251.5。 ：寿命系数用来表示应力循环次数的影响，称为寿命系数。根据可以确定应力循环次数，其中n表示齿轮的转速，单位为r/min；j表示每当齿轮转一圈时，同一齿面啮合的次数；表示齿轮的工作寿命，单位为h。n暂取10，则N=601024000=1.44。查阅课本机械设计第208页，依据图10-22弯曲疲劳寿命系数KFN，根据齿轮工作应力循环次数N和材料是合金钢，可得KFN=1。查阅课本机械设计第208页，依据图10-23接触疲劳寿命系数KFN，根据齿轮工作应力循环次数N和材料是合金钢，可得KHN=1.3。：齿轮疲劳极限。查阅课本机械设计第191页，依据表10-3常用齿轮材料及其力学性能，根据齿轮材料合金钢（20），可知HBS300，查阅课本机械设计第页，依据图调质处理钢的，根据HBS，在和中间选值，得=500KFN=1 S=1 查阅课本机械设计第页，依据图（调质处理钢的），根据，在和中间选值，得=KN= S=1当齿数z=25 时，查阅课本机械设计第200页，依据图10-17外齿轮齿形系数齿形，=2.65。当齿数z=25 时，查阅课本机械设计第201页，依据图10-18外齿轮应力修正系数，。 N=1.44KFN=1KHN=1.3HBS300KFN=1 S=1=2.65确定m的值按照开式齿轮的强度来计算，主要考虑齿轮的弯曲疲劳强度。由于相同模数下，外齿轮的强度较低，齿条会高于外齿轮，因此根据载荷计算外齿轮的弯曲强度，从而确定模数 齿轮的设计计算公式：m=2.5m=2.5按齿面接触疲劳强度由于此传动为齿轮齿条传动，所以传动比无穷大，所以1. 计算小齿轮传递的转矩。2. 查阅课本机械设计第202页，根据表10-5弹性影响系数，由于齿轮齿条的材料都选锻钢，故3. 取1.3通过模数计算得m=2.5,z=25, 所以分度圆直径为62.5mm取两者偏大值62.5mm4.2螺旋传动4.2.1滚珠丝杠选择4.2.1.1滚珠丝杠工作长度计算丝杠工作长度： =1075mm 丝杠工作载荷： 丝杠的工况均为：10mm玻璃切割机每天开机8小时；每年300个工作日；工作10年以上。丝杠材料：CrWMn钢；滚道硬度为5862HRC；丝杠传动精度为平均转速：n=100r/min 4.2.1.2计算载荷求解载荷系数载荷性质无冲击平稳运转一般运转有冲击和振动运转11.21.21.51.52.5硬度系数滚道实际硬度555045401.01.111.562.43.85精度系数精度等级C、DE、FGH1.01.11.251.434.1.2.3额定动载荷计算寿命： 4.1.2.4滚珠丝杠副选择假设选用FC1型号，按滚珠丝杠副的额定动载荷等于或稍大于的原则，查阅课本机电一体化系统设计第59页，依据表3-11汉江机床厂C1型滚珠丝杠相关参数，选择汉江机床厂出品的2004-2.5，其参数如下：公称直径：do=20导程：P=4mm螺旋角：滚珠直径Dw=2.381mm滚道半径Rs=0.52Dw=0.52X2.381mm=1.238mm偏心距:丝杠内径d2=d0+2e-2Rs=（20+2x3.358x10-2-2x1.238）mm=17.59mm4.1.2滚珠丝杠的校核计算项目计算内容计算结果稳定性验算1） 由于一端轴向固定的长丝杠在工作时可能会发生失稳，所以在设计时应验算其安全系数S，其值应大于丝杠副传动结构允许安全系数S，其值可以查阅课本机电一体化系统中的机械设计第57页，依据表3-10稳定性系数可得。临界载荷（N）是指丝杠不会发生失稳的最大载荷。按下式进行计算可知：式中，E表示丝杠材料的弹性模量，对于钢来讲，E=206GPa；l表示丝杠工作长度，单位为m；Ia表示丝杠危险截面的轴惯性矩，单位为m4；表示长度系数，查阅课本机电一体化系统中的机械设计，第57页，表3-10稳定系数可知：依题意，取，则安全系数查阅课本机电一体化系统中的机械设计，根据表3-10稳定系数，S=2.53.3。SS，丝杠是安全的，不会发生失稳现象。2） 高速长丝杠工作时可能发生共振，因此需验算其不会发生共振的最高转速。要求丝杠的最大转速临界转速（r/min）：该丝杠工作转速: 3） 滚珠丝杠副还受值的限制，通常要求杠工作转速所以该丝杠副工作稳定 Sx=37.2Sy=812丝杠副工作稳定刚度验算滚珠丝杠在工作负载F（N）和转矩共同作用下引起每个导程的变形量为式中，A表示丝杠截面积，；表示丝杠的极惯性矩，；G表示丝杠切变模量，对钢；为转矩。式中，为摩擦角，其正切函数值为摩擦系数；为平均工作负载。本题取摩擦系数为,则。按最不利的情况取（其中）则丝杠在工作长度上的弹性变形所引起的导程误差为通常要求丝杠的导程误差应小于其传动精度的1/2，即，该丝杠满足刚度要求。 7、效率验算滚珠丝杠副的传动效率为要求是在90%95%之间，所以我们的丝杠副合格。5总结经过三个多月的奋战，终于把*设计做好了，从一开始的毫无头绪、一无所知到现在即使工作量再大，人再忙，也要注重细节，加强创新。在此期间，我也回顾了自己大学四年的学习，大一的机械制图，在用caxa制图时，时常会感受自己对知识的遗忘之快，所以作图时，我经常把大一的机械制图放在电脑旁边，有时机械制图课本无法解释我的困惑，我就会去查阅课外书，如梁德本的机械制图手册，更多的是拿自己以前画的图作为参考，因为从很早开始我就在积累经典图纸，有自己画的，有别的公司的，也有同学的，这次在作图中，这个习惯确实给了我了很大的帮助。大四的机械设计，在考虑方案和编写计算说明书时，我时常用到此书，对于机械传动，让我有了清晰的认识，如链传动、齿轮齿条的传动、蜗杆传动、螺旋传动等，大四的机械设计课程设计也给了我很大的帮助，如电动机的选择。大四的机电一体化系统设计，对于10mm切割机来讲，三轴联动系统多亏了她。当然还有很多课程给了我很大的帮助，在这我就不一一举列了。在设计10mm玻璃切割机时，我查阅了大量的资料，方案改了又改，其中所用时间最多的要数行走机构了，就是现在的三轴联动，其实最早我是想用步进电机带动皮带轮，同步皮带带动滑块，从而带动行走机构的。到后来用滚珠丝杠带动控制XYZ三个方向，但考虑到Y轴的距离过大，滚珠丝杠的精度就要求很高，所以最后就决定Y轴用燕尾槽机构来实现运动目标。10mm玻璃切割机作品，还是存在很多问题的，比如说，既然是三轴联动，为什么还要设计输送系统，那是因为刚开始定方案的时候，还考虑的他的瓣片系统，当玻璃切割完成时，输送系统运动，玻璃进入瓣片系统中进行瓣片，然后玻璃再进入900旋转系统中，输送系统再运动，进入瓣片系统中。瓣片系统和旋转系统的方案大致定下来了，但是关键的细节问题还是没有处理好，如瓣片系统，怎样时它机械结构的体积减小，如旋转系统，上升靠气缸，旋转靠电动机带动斜齿轮，但是两者的机架很难搞定。再加上时间的不足，所以这两者没有能在此设计中体现出来，这是一个遗憾，也是一个挑战。三个月多月的努力过去了，与其说是做了一次*设计，倒不如说是对这四年所学的进行了一次总结！6经济分析报告 本次所设计的10mm玻璃切割机属于玻璃行业的中型设备，该精度高、性能良好、结构新颖，适用于玻璃马赛克加工的工艺需求。玻璃原片由输送滚轮输送到指定切割位置，它是通过电机带动链轮，链轮带动传动轴，传动轴带动蜗轮蜗杆，从而带动输送轴和小输送棍来带动玻璃原片。玻璃切割通过采用三轴联动机械来完成刀具线速度定位和切割路径控制，三轴机械中X，Y，Z形成一个三维空间，保证切割刀具的行走方向始终与想X，Y合成运动方向保持一致，从而有效的保证切割效率和质量以及延长切割刀具的寿命，三轴的联动性要求比较高，运动控制精度比较高，以达到全自动化的要求可以压制，有巨大的市场潜力，对我国玻璃加工行业的创新有重要意义，而且有比较好的经济效益。6.1市场预测（含同类项目的国内外市场情况）10mm玻璃切割机是电、机一体化的高级设别。研究10mm玻璃切割机是很有现实意义的，根据建筑行业和汽车行业的蓬勃发张，未来的十几年之中，市场还是非常大的。我所设计的玻璃切割使用现代设计方法设计进行设计，它具有精度高，稳定性强等优点。二三十年来，我国从一个完全进口的玻璃切割机国家发展成为如今的世界玻璃生产大国，销售也从国内拓展到国外。6.2 经济效益分析a） 假设所设计的10mm玻璃切割机销售价格为3.6万元/台（含税销售价），该价格是同类进口产品价格的65%左右，以年产量4000台计算，含税销售收入14400万元。b） 经营成本： 项目 金额铸锻钢件1.8万元/台4000台=7200万元动力及工具低值品0.275万元/台4000=1100万元工人工资250万元固定资产折旧100万元管理费用300万元其中：管理人员工资：120万元福利费用：60万元设备修理费：120万元财务费用100万元销售费用200万元可变成本合计7050万元固定成本合计500万元经营成本合计7550万元 c）应交增值税用及附加税： 项目 金额 备注应交增值税385.5万元附加税69.39万元以应交增值税的18%计算d）通过计算分析，可以得出一下盈利估算表： 项目 金额 备注销售收入（不含税）9125.45万元销售收入（含税）10800万元生产成本（可变成本）7050万元经营成本（总成本）7550万元销售税金（缴税额）454.89万元以增值税规定及附加税计算经营利润11237.68万元所得税金352.7328万元按现时政策的33%计算税后利润856.06万元6.3 社会效益分析（a） 假设所设计的10mm玻璃切割机的销售价格约为同类进口舍别的65%左右，以年产4000台计算。每年可以为国家节约外汇800万美元左右，为国内用户减少设备投资2568万元左右。（b） 该产品达产后，每年可为国家和地方政府增加税金454.89万元左右。（c） 该产品达产后，将为建筑、汽车行业的厂家创造一定的效益，也为国家和地方政府创造一定的税金。 综上分析，课件该项目产品有较好的社会经济效益。致 谢大学生活即将结束，四年的大学生活教会了我很多，很多。回首求学的那四年，我内心充满感激，感谢你们，与你们相遇相知，真的很好。我首先要感谢的是我的*设计指导老师胡伟文，是他带领着我在大学最后一个学期的学习总结，正是通过这一次学习的总结，我对机械专业知识，有着更深入、更系统的了解。我很感谢他，很感谢他所出的题目，让我知道自己有哪些方面的不足，同时也巩固了以前的薄弱环节，提出了新的学习方向与其思路。感谢他的认真与负责，不管有多晚，都会细心的听我在*设计的困惑，指明正确的道路。感谢我们的班主任，感谢他在*给予我的帮助。感谢我们的所有任课老师，感谢他们教会我知识,给予我谟生的本领。人因梦想而变得伟大，作为一名机械专业的学生，设计产品，改善每一个人的生活便是我们的使命!参 考 文 献1 濮良贵 陈固定 吴立言 主编 机械设计第九版 高等学校出版社 20132 冯清秀 邓星钟 主编 机电传动控制 第五版 华中科技大学出版社 2014 3 成大先 主编 机械设计手册 第五版 化学工业出版社 20084 孔庆华 母福生 刘传绍 主编 极限配合与测量技术基础 第二版 江西高校出版社 20135 涂晓斌 钟红生 习俊梅 杨中芳 主编 机械制图 江西高校出版社 20106 王知行 邓宗全 主编. 机械原理 第二版 哈尔滨工业大学 20067 朱张校 姚可负 主编 工程材料 第四版 北京 清华大学出版社 20118 刘鸿文 主编 材料力学 第五版 高等教育出版社 20129 冯 浩 汪建新 赵书尚 主编 机电一体化系统设计 华中科技大学出版社 201310 Ye Zhonghe Lan Zhanghui M.R.Smith MECHANISMS AND MECHINE THEORY Highier Educotion Press 201111 Ashraf Ei Din Zein Ei Din PLC-Based Speed Control of DC Motor 2006 5th International Power electronics and motion control Conference 200612 Guoping Yang ,Jian Fang Structure Parameters Optimszation Analysis of Hydraulic Hammer System Modern Mechanical Engineering 2012第 33 页 共 33 页 摘 要玻璃是一种重要的建筑和装饰材料，尤其是玻璃马赛克，被广泛应用于门面装璞室内墙面、地坪装饰,并可镶嵌成各种图案壁画制成工艺装饰品。玻璃切割是玻璃深加工的一个重要工序。目前，传统的玻璃马赛克加工设备具有自动化程度不高，厚的玻璃难以切割，以及废品率太高等缺陷，严重影响了生产的需要。因此，对于玻璃马赛克切割机研究的重要性就显得更为突出。课题研究玻璃切割机的机械结构就是针对目前行业的需求，应运而生。本文针对玻璃切割机的性能要求，设计出玻璃马赛克切割机的机械结构，要求大大降低制造玻璃的劳动强度，提高生产效率和玻璃产品的质量。对玻璃马赛克加工的缺陷进行深入的剖析，选择了最合适的方案解决问题，并给出了详细的说明，形成玻璃切割机的设计方案。根据玻璃输送的需求，设计通玻璃的输送系统，保证输送的平稳性。分析玻璃切割的方式，提出以三轴联动为主的行走机构，保证玻璃加工的质量。最后对本课题工作进行了总结，并对玻璃切割机的应用和发展趋势进行了展望。关键词：马赛克 切割机 玻璃 1 绪论1.1 课题的研究背景及意义随着科技的发展，人们生活水平的提高，玻璃在国民经济中的应用越来越广泛。不仅在机械、汽车、航空等方面发挥着重要作用，而且在建筑领域也得到了广泛的运用。尤其是玻璃马赛克，其耐酸碱、耐腐蚀、不褪色等优良性能被广泛运用于装修行业，如做外墙装饰的保护层、门面装璞室内墙面、阳台外侧装饰。在玻璃马赛克应用日益广泛的前提下，人们对玻璃马赛克需求量也日益增加。当然，随着玻璃马赛克求量的增加，必然带动了玻璃马赛克等脆性材料加工设备的发展，同时也对产品的加工质量提出了更高的要求。传统的玻璃马赛克加工设备具有自动化程度不高，厚的玻璃难以切割，以及废品率太高等缺陷，严重影响了生产的需要。目前，先进的玻璃切割机绝大部分在来源于国外一些大型跨国公司，虽然我国自20世纪80年代始，先后从意大利、德国等国家引进了很多先进的加工设备，国内也有许多企业和研究机构也逐步建立了硬脆性材料数控加工中心。但是，对于玻璃马赛克的加工精度来讲，玻璃切割机远远落后于国际先进水平。随着玻璃马赛克应用越来越广泛，而且产品的加工质量要求也越来越高，因此，对于玻璃马赛克切割机研究的重要性就显得更为突出。本课题旨在提高生产效率，降低企业的加工成本和减轻工人的劳动强度，对玻璃切割机机械结构的设计来实现对马赛克玻璃的高效加工。不仅能够增强市场的竞争力，而且希望能够产生强大的社会效益和经济效益，也有利于提高国内玻璃马赛克加工水平的提高。1.2 玻璃马赛克的概述1.2.1玻璃马赛克的现状玻璃马赛克还有两个专业术语，叫作玻璃锦砖和玻璃纸皮砖，它是新型建筑装饰材料，靠用硅砂等原料经熔制和成型退火等工艺制成的。一般规格为20毫米20毫米、30毫米30毫米、40毫米40毫米。厚度为4 -6毫米，具有耐热性、耐酸碱性、防水性好、强度高，而且还有不变色、不积灰、容重轻、粘结牢等优良性能，再加上成本低廉，施工方便，多用于外墙装饰保护层、门面装璞室内墙面、阳台外侧装饰，并可镶嵌成各种图案壁画，用来制成工艺装饰品。玻璃马赛克作为一种外装饰材料，已经在我国的机关大楼、高级宾馆、饭店、民用住宅之中流行了起来。1.2.2玻璃马赛克的发展趋势 玻璃马赛克的市场供求的潜力还是非常大的，有一种上升的趋势。主要有以下三点：一是将玻璃马赛克作为一种工艺品，它具有很高的艺术价值;二是我国经济的迅速发展，人民生活水平的提高，普通老百姓都向往过上更有价值、更有品位的生活;三是作为消费主力的90后，以他们追求个性，讲究独异的性格，玻璃马赛克也正好具有这些特点，能满足消费主力军的爱好。但是与之不同的是，玻璃马赛克的销售却只限于省会城市和大城市，主要的问题是，一是玻璃马赛克铺贴非常麻烦，因为玻璃马赛克的规格非常小，所以要求铺贴的工人有非常高的技巧，二是铺设计，要融入设计师的想法，要考虑空间的大小，所以要完成铺贴玻璃马赛克，还需要一位出色的设计师。1.2.3玻璃马赛克的生产现状玻璃马赛克在全世界的发展情况是各不相同，其中发展较快的国家有：日本、意大利、德国等国家，他的玻璃马赛克的制造技术非常成熟，加工方面也是一流的， 不但品种繁多，而且各具特点，其中要数最厉害的便是意大利，它的彩色金星玻璃马赛克产几乎占据了全球市场。但是过的玻璃马赛克行业与国外相比，差距就非常大了，这些差距主要体现在玻璃马赛克的制造、加工、设计等方面。就拿玻璃马赛克的加工来说吧，国内的玻璃马赛克加工只是停留在初级阶段，甚至还有纯手工现象存在。从产品质量上来讲，国内非常好的玻璃马赛克，它的品质也就50%-60%，与国外相差很大，这些即是玻璃马赛克行业的难题，又是行业的挑战。1.3玻璃切割产业研究现状目前，国内外大多的玻璃切割方法是机械切割，即是靠金刚石在一定的压力下沿玻璃表面进行滑动，从而在玻璃表面上形成一条宽度与深度相等的切口，这种切割方法也非常适用于玻璃马赛克的加工。1.4主要研究内容10mm玻璃切割机适用于玻璃马赛克加工的工艺需求。玻璃原片由输送滚轮输送到指定切割位置，它是通过电机带动链轮，链轮带动传动轴，传动轴带动蜗轮蜗杆，从而带动输送轴和小输送棍来带动玻璃原片。玻璃切割通过采用三轴联动机械来完成刀具线速度定位和切割路径控制，要求为切割刀具能在X、Y、Z三个方向中实现进给，各个方向都需要采用直流伺服电动机，从而保证切割方向始终与XY方向垂直，同时也要保证切割效率和切割质量。以达到全自动化的要求。1.5本章小结通过上面的论述，我们知道了以玻璃马赛克为基础，研究10mm玻璃切割机的的目的，国内外的研究情况。对此，本次*设计我们主要解决玻璃马赛克的加工问题，以玻璃马赛克的自动输送和自动切割为主要研究方向。2玻璃切割机的总体设计2.1玻璃切割机设计的基本概述10mm玻璃切割机主要适用于玻璃马赛克加工的工艺需求。玻璃原片由输送滚轮输送到指定切割位置，玻璃切割通过采用三轴联动机械来完成刀具线速度定位和切割路径控制，玻璃切割通过采用三轴联动机械来完成刀具线速度定位和切割路径控制，要求为切割刀具能在X、Y、Z三个方向中实现进给，各个方向都需要采用直流伺服电动机，从而保证切割方向始终与XY方向垂直，同时也要保证切割效率和切割质量。以达到全自动化的要求。2.2玻璃切割机设计方案本次*设计主要是结合工程实际情况，依靠计算机辅助设计（CAD）来设计10mm玻璃切割机的输送系统和三轴联动系统（行走机构和切割装置），从而来解决玻璃马赛克的加工过程中自动化程度不高，厚的玻璃难以切割，以及废品率太高的问题。对此我准备采取以下四个步骤去拟定最合理的机械结构方案。1. 认真落实机械设备的功能和参数。2. 找出设计结构方案的参照物。3. 根据参照物找出其工作原理。4. 根据原理拟定最合理的结构方案2.2.1输送系统方案的选择玻璃输送系统的机械部分一般是由机械传动、输送小球、输送带以及机架组成，这次我们主要考虑的是机械传动部分。为了确保输送玻璃的稳定性，我们要求传送玻璃时输送偏差不大于2mm，无跳动现象产生。对此，我借鉴各类输送系统装置来设计我们的输送系统。方案一：此输送系统是通过带传动而进行设计的，同步带轮和输送小球是通过轴连在一起，轴的两端用调心轴承座做支承。此输送系统最大特点结构简单，缺点无法进行长距离的输送。 方案二：此输送系统是通过链传动和蜗杆传动而进行设计的，涡轮和输送小球是通过输送轴连在一起，输送是轴靠调心轴承座做支承。涡杆和链轮是通过传动轴连在一起，传动轴是轴靠调心轴承座做支承。此输送系统最大的特点是传动轴是通过并联方式传递动力和扭矩给输送轴。缺点是传递效率不高。方案三：输送系统是通过套筒滚子链传动而进行设计的，剖视A-A左右两个链轮是通过用轴做链接，轴的两端是通过滚动轴承做支承。此输送系统最大他点同一时间能进行来回输送工质，缺点无法进行长距离输送。1为链轮，2为链条，3为轴承，4为电动机减速器。获选方案：方案二获选理由：方案一，输送传动靠带传动，虽然拥有结构简单、传动平稳、减震缓冲等优点，但是在本装置中，结合任务要求，输送的长度决定的他的传动方案不合理，因为带传动是通过串联的方式进行传动，传动过程中功率损失严重。方案三，虽然看上去比较合理，但是结合任务要求，输送长度决定了传动方案不合理，传动过程中功率损失严重，再加上是只有一根链条，链条所需要的拉力远远超过链条本身的抗拉强度，故不合理。方案二：传动轴是靠链传动来进行的，与带传动相比，链传动具有无整体打滑现象和无弹性滑动现象，很好的解决了带传动的传动效率不高问题，传动轴通过蜗杆传动来带动输送轴的运动，与带传动相比，它具有很好的自锁性。结构优化：1. 蜗杆传动是否可以用其他传动替代？输送轴和传动轴的交角为，交错轴齿轮机构拥有交错轴斜齿轮传动、蜗杆涡轮传动。准双线曲线齿轮传动，而准双线曲线齿轮传动由于制造苦难，从经济性的角度来讲，如果其他方案满足任务要求的话，不宜选择，交错轴斜齿轮传动与蜗杆涡轮传动相比，虽然交错轴斜齿轮传动传递的速度和效率比蜗杆涡轮传动要好，但是此输送系统传递速度要求不高，而主要要的要求是提高传递的稳定性和精确度，而涡轮蜗杆传动的传动平稳性能和自锁性能正好满足正好满足这要求，相比交错轴斜齿轮传动的高传动效率更具有优势。2.方案二的输送系统是否能有三轴联动有效的进行进行组合？不能，考虑到输送系统方案要与三轴联动系统方案进行组合，所以需要将输送系统的方案进行一下优化，借鉴方案一的优势，将方通的一个侧面进行切割处理，与方案一的侧面方通结构相似，与之不同的是轴承座是靠方通的底面进行连接固定的，如此处理的原理，是基于任务要求的考虑，为三轴联动方案留下足够的空间。结构优化后，结构如下图。2.2.2三轴联动方案的借鉴与创新：三轴联动是机电一体化的内容，它的机械部分主要是由机械转动、支承部件及执行机构组成，为了保证机械部分的执行精度和工作的稳定性，我们要求机械部分要具有高精度、高刚度、低摩擦、良好的稳定性等要求。对此，根据自身的经验，我设计出方案一，通过平时积累的三维模型提出剩下三种种方案。 方案一：此三轴联动，x轴靠滚珠丝杠传动，y轴靠燕尾槽进行传动，z轴靠滚轴丝杠进行传动，xyz都是通过伺服电机传动，其中燕尾槽是靠步进电机加丝杠传动的方式进运动的，在此图中并未显示。缺点，经济性不高。方案二：此三轴联动，最主要的特点是它引入的齿轮齿条传动。缺点是精度不高。方案三：此联动机构，最主要的特点是，相对方案一而言，执行部分和支承部分的结构更加合理可靠。缺点是我们的任务要求联动机构具有行走机构。方案四：此三轴联动，最主要的特点是，相对方案一而言，执行部分和支承部分的结构更加合理可靠，相对方案三而言，此三轴联动具有行走机构，最大的缺点就是当此方案与输送系统进行组合时，他的行走机构需要改进，而且经济性不高。借鉴与创新：评价：此方案是在方案三的基础上，结合任务要求，对薄弱的环节加以改进从而提出来的，增加了联动机构的行走机构，燕尾槽是靠步进电机加齿轮齿条传动的方式进运动的。结构的优化:1. 一根导轨是否晃动是否会很厉害？不会。2. 滚珠丝杠是否可以代替齿轮齿条的传动？燕尾槽是靠步进电机加齿轮齿条传动的方式进运动的，为何不是滚珠丝杠，因为滚珠丝杠的制造周期长，能制造长度长、直径大、精度高的滚珠丝杆的企业较少; 另外长度较长的丝杆本身的自重引起的挠度较大，需要增加丝杆托持机构等，使结构变得复杂。虽然齿轮齿条之间的间隙在装配时较难消除，但齿轮齿条传动可以不受长度限制，齿条可以根据长度需要拼接，相对长丝杆要增加托持机构来说，在结构上可简单化。在精度允许的情况下，选择齿轮齿条传动比较经济。3 输送系统的设计3.1电机的选择计算项目计算内容计算结果1、选择电机的类型根据根据玻璃马赛克加工自动化程度不高，废品率高等缺点，我们提出输送系统用来提高自动化程度，增加输送系统的稳定性和精确度可以降低废品率，对此，我们选择SWE R系列减速电机。R系列减速电机为平行轴斜齿轮减速电机。SWE R系列减速电机。2、确定电机的功率电动机所需工作功率：根据的运输系统类型，可取工作机效率。传动装置的总效率: 因为转动装置时混合机构，而其中的并联机构各个子机构结构相同，虽然传动装置中传动轴靠联轴器相接，但是在并联机构中按最大转动效率计算，故：查阅课本机械设计课程设计的第94页，根据表10-2机械传动和轴承效率概略值，从而确定各部分效率为：链传动滚子链的传动效率为 ；蜗杆传动单头蜗杆的传动效率为 ，调心轴承的传动效率为 ，代入得 所需电动机功率为因为载荷十分平稳，还需考虑影响电机功率的因素，如电机的工作质，环境等，故电动机额定功率应该略大于即可，由课本机械设计课程设计第19章，根据表19-1所示Y系列三相异步电动机的技术参数，从而选定电动机的额定功率为0.75KW。3、确定电动机的转速工作转速为n=根据输送系统的类型，可取输送系统一般传动比的范围是840,则总传动比合理范围为,因此电动机转速的可选范围为：查阅课本机械设计课程设计第19章，根据表19-1所示Y系列三相异步电动机的技术参数，从而确定符合这一范围的同步转速只有2830r/min，即选定电动机型号为Y80M1-2。n=95.54r/minr/min电动机型号为SEW-RX57 DT80N4。3.2链传动设计计算项目计算内容计算结果1、选择链轮齿数因为要防止链条与机架相接触，所以取小链轮齿数15，大链轮的齿数为152、确定计算功率查阅课本机械设计第178页，根据表9-6工况系数，可得，查阅课本机械设计第179页，根据图9-13主动链轮系数，可得，单排链，则计算功率为3、选择链条型号和节距根据， 和，查阅课本机械设计第176页，根据图9-11 A系列、单排滚子链额定功率曲线，可选08A的滚子链。查阅课本机械设计第167页，以表9-1 滚子链规则和主要参数为依据，可选链条节距P=12.7mm。P=12.7mm4、计算链节数和中心距初选中心距。取。相应的链长节数为：因为链长节数为整数，故取链长节数。查阅课本机械设计第181页，根据表9-8链传动的布置，对于垂直传动a、i任意，故将a定为600mm5、计算链速V，确定润滑方式由v=1.41m/s和链号08A，查阅课本机械设计第181页，根据图9-14润滑范围选择图，可知应采用滴油润滑。6、计算压轴力有效圆周力为：垂直传动，压轴力系数，则压轴力为3.3蜗杆传动设计3.3.1涡轮蜗杆的设计计算项目计算内容计算结果1、选择蜗杆传动类型为了能够保证传动的精度，根据GB/T 100851988的推荐，并且查阅课本机械设计第242页，依据（ 四）蜗杆传动类型的选择，为了提高传递精度，降低玻璃废品率，应该采用渐开线蜗杆（ZI）比较合适。渐开线蜗杆（ZI）2、选择材料考虑到需要蜗杆传动功率并不是不大，速度也只是中等而已，所以蜗杆的材料用45钢;因为希望拥有效率更高，且耐磨性更好，故蜗杆螺旋齿面应要求淬火，而且硬度应为4555HRC。涡轮的材料应选用铸锡磷青铜ZCuSn10P1比较好，金属模铸造，但是为了节约贵重的有色金属材料，仅齿圈用青铜制造，而轮芯则用灰铸铁HT100制造。涡轮ZCuSn10P1蜗杆45钢3、确定传动比蜗杆头数蜗轮齿数由以上大小齿轮的齿数可知：4.确定模数和压力角按标准选择，模数为m=1.6ZI蜗杆的法向压力角取标准值m=1.65.蜗杆分度圆直径d1因为要考虑到蜗杆与传动轴的装配关系，故此蜗杆分度圆直径不能按照课本机械设计第245页的表11-2普通圆柱蜗杆基本尺寸和参数来计算，综合传动轴的直径考虑，此蜗杆分度圆确定为48mm。此蜗杆传动需校核齿根弯曲疲劳强度校和齿面接触疲劳强d1=48mm4、计算涡轮传递的转矩因为电动机的输出功率为0.75KW，而且加上链传动的传动效率为0.96，一共14组蜗轮蜗杆，且并联，故单组蜗轮蜗杆的输入功率按，故取效率0.85，则Nmm3.3.1蜗杆的主要参数与尺寸确定参数计算项目计算内容计算结果轴向齿距齿顶圆直径da1=蜗杆轴向齿厚=3.18蜗杆轴向齿厚3.3.2涡轮的主要参数与尺寸确定参数计算项目计算内容计算结果蜗轮分度圆直径误差在允许范围内蜗轮齿根圆直径蜗轮齿顶圆直径3.3.3校核齿根弯曲疲劳强度计算项目计算内容计算结果确定载荷系数为齿向载荷分布系数，因为工作载荷比较稳定，故取载荷分布不均系数；由机械设计第251页表11-5使用系数选取使用系数；由于转速不高，且冲击并不是十分大，则可取动载系数；则确定涡轮的需用弯曲应力 根据涡轮材料为锡磷青铜ZCuSn10P1，而且为金属模铸造，再加上螺杆螺旋齿面硬度45，可从课本机械设计第253页，根据表11-8涡轮的基本许用弯曲应力，可查得涡轮的基本许用弯曲应力MPa。应力循环次数 寿命系数 则 计算值判断是否满足要求,满足弯曲强度要求。弯曲强度是满足的。3.3.4校核齿面接触疲劳强度计算项目计算内容计算结果确定涡轮的齿面接触应力 根据涡轮材料为锡磷青铜ZCuSn10P1，而且为金属模铸造，再加上螺杆螺旋齿面硬度45，可从课本机械设计第251页，根据表11-7铸锡青铜涡轮的基本接触许用应力，查得涡轮的基本许用弯曲应力MPa。应力循环次数 寿命系数 则 计算值判断是否满足要求满足齿面接触疲劳强度要求满足齿面接触疲劳强度要求4 三轴联动4.1伺服电动机的选择4.1齿轮传动4.1.1齿轮齿条的材料选择一般选用钢材作为齿轮的材料，因为钢材具有韧性好和耐冲击等特点，最主要的还是它还可通过热处理和化学热处理来提高齿面的硬度，故比较适用于来做制造齿轮的材料。钢材的种类也非常多，根据齿轮需要承受比较大的载荷，应采用硬齿面，其中硬度应大于等于350HBS，故选取合金钢，它可以满足强度要求，同时进行设计计算。4.1.2 各系数的选定计算齿轮强度用的载荷系数K，包括使用系数、动载系数、齿间载荷分配系数及齿向载荷分配系数，即 K=1）使用系数使用系数来表示齿轮传动中的实际载荷会受到原动机和工作机的特性、质量比、联轴器类型以及运行状态的影响。查阅课本机械设计第192页，依据表10-2使用系数，根据该齿轮传动的载荷状态为均匀平稳，工作机器为玻璃切割机，原动机为伺服电机，所以使用系数取1.00。2）动载系数动载系数是为了计算动载荷的影响，按如图2-1所示进行选取。图2-1动载系数依据玻璃机的Y轴方向移动速度v很小，根据上图所表示的关系查得，应取1.0比较合适。3）齿间载荷分配系数查阅课本机械设计第195页，依据表10-3齿间载荷分配系数、对于直齿轮及修形齿轮，取。4）齿轮载荷分布系数通常用载荷分布系数来表示齿面上载荷分布不均匀的程度对齿轮强度的一种影响。查阅课本机械设计第196页，依据表10-4接触疲劳强度计算用的齿向载荷分布系数，可取=1.14。查阅课本机械设计第197页，依据图10-13弯曲强度计算的齿向载荷分布系数，可取1.09综上所述，最终确定齿轮系数K=1.35111.09=1.474.1.4齿轮的设计计算项目计算内容计算结果压力角的选择在我国，对一般用途的齿轮传动规定的标准压力角为=20。=20。齿数z的选择为使齿轮免于根切，对于=20的标准直齿轮，应取z17，这里取z=25。z=25齿宽系数的选择查阅课本机械设计第206页，依据表10-7圆柱齿轮的齿宽系数，由于金属切削机床的齿轮传动，若功率不大时，可以小到0.2，故取。预计工作寿命10年，每年300个工作日，每个工作日8个小时=103008=24000h=24000h齿轮的许用应力齿轮的许用应力是一般基于实验条件下的齿轮疲劳极限的出来，同时再考虑实际齿轮与实验条件的差别和可靠性而确定的。 按下式计算式中：S：疲劳强度安全系数，一般而言，对于接触疲劳强度来进行设计计算时，可取S=1；对于齿根弯曲疲劳强度来设计计算时，可取S=1.251.5。 ：寿命系数用来表示应力循环次数的影响，称为寿命系数。根据可以确定应力循环次数，其中n表示齿轮的转速，单位为r/min；j表示每当齿轮转一圈时，同一齿面啮合的次数；表示齿轮的工作寿命，单位为h。n暂取10，则N=601024000=1.44。查阅课本机械设计第208页，依据图10-22弯曲疲劳寿命系数KFN，根据齿轮工作应力循环次数N和材料是合金钢，可得KFN=1。查阅课本机械设计第208页，依据图10-23接触疲劳寿命系数KFN，根据齿轮工作应力循环次数N和材料是合金钢，可得KHN=1.3。：齿轮疲劳极限。查阅课本机械设计第191页，依据表10-3常用齿轮材料及其力学性能，根据齿轮材料合金钢（20），可知HBS300，查阅课本机械设计第页，依据图调质处理钢的，根据HBS，在和中间选值，得=500KFN=1 S=1 查阅课本机械设计第页，依据图（调质处理钢的），根据，在和中间选值，得=KN= S=1当齿数z=25 时，查阅课本机械设计第200页，依据图10-17外齿轮齿形系数齿形，=2.65。当齿数z=25 时，查阅课本机械设计第201页，依据图10-18外齿轮应力修正系数，。 N=1.44KFN=1KHN=1.3HBS300KFN=1 S=1=2.65确定m的值按照开式齿轮的强度来计算，主要考虑齿轮的弯曲疲劳强度。由于相同模数下，外齿轮的强度较低，齿条会高于外齿轮，因此根据载荷计算外齿轮的弯曲强度，从而确定模数 齿轮的设计计算公式：m=2.5m=2.5按齿面接触疲劳强度由于此传动为齿轮齿条传动，所以传动比无穷大，所以1. 计算小齿轮传递的转矩。2. 查阅课本机械设计第203页，根据图10-20 时的节点区域系数，由于直齿圆柱齿轮的螺旋角为，得出3. 查阅课本机械设计第202页，根据表10-5弹性影响系数，由于齿轮齿条的材料都选锻钢，故4. 计算重合系数。4.2螺旋传动4.2.1滚珠丝杠选择4.2.1.1滚珠丝杠工作长度计算丝杠工作长度： =1075mm 丝杠工作载荷： 丝杠的工况均为：10mm玻璃切割机每天开机8小时；每年300个工作日；工作10年以上。丝杠材料：CrWMn钢；滚道硬度为5862HRC；丝杠传动精度为平均转速：n=100r/min 4.2.1.2计算载荷求解载荷系数载荷性质无冲击平稳运转一般运转有冲击和振动运转11.21.21.51.52.5硬度系数滚道实际硬度555045401.01.111.562.43.85精度系数精度等级C、DE、FGH1.01.11.251.434.1.2.3额定动载荷计算寿命： 4.1.2.4滚珠丝杠副选择假设选用FC1型号，按滚珠丝杠副的额定动载荷等于或稍大于的原则，查阅课本机电一体化系统设计第59页，依据表3-11汉江机床厂C1型滚珠丝杠相关参数，选择汉江机床厂出品的2004-2.5，其参数如下：公称直径：do=20导程：P=4mm螺旋角：滚珠直径Dw=2.381mm滚道半径Rs=0.52Dw=0.52X2.381mm=1.238mm偏心距:丝杠内径d2=d0+2e-2Rs=（20+2x3.358x10-2-2x1.238）mm=17.59mm4.1.2滚珠丝杠的校核计算项目计算内容计算结果稳定性验算1） 由于一端轴向固定的长丝杠在工作时可能会发生失稳，所以在设计时应验算其安全系数S，其值应大于丝杠副传动结构允许安全系数S，其值可以查阅课本机电一体化系统中的机械设计第57页，依据表3-10稳定性系数可得。临界载荷（N）是指丝杠不会发生失稳的最大载荷。按下式进行计算可知：式中，E表示丝杠材料的弹性模量，对于钢来讲，E=206GPa；l表示丝杠工作长度，单位为m；Ia表示丝杠危险截面的轴惯性矩，单位为m4；表示长度系数，查阅课本机电一体化系统中的机械设计，第57页，表3-10稳定系数可知：依题意，取，则安全系数查阅课本机电一体化系统中的机械设计，根据表3-10稳定系数，S=2.53.3。SS，丝杠是安全的，不会发生失稳现象。2） 高速长丝杠工作时可能发生共振，因此需验算其不会发生共振的最高转速。要求丝杠的最大转速临界转速（r/min）：该丝杠工作转速: 3） 滚珠丝杠副还受值的限制，通常要求杠工作转速所以该丝杠副工作稳定 Sx=37.2Sy=812丝杠副工作稳定刚度验算滚珠丝杠在工作负载F（N）和转矩共同作用下引起每个导程的变形量为式中，A表示丝杠截面积，；表示丝杠的极惯性矩，；G表示丝杠切变模量，对钢；为转矩。式中，为摩擦角，其正切函数值为摩擦系数；为平均工作负载。本题取摩擦系数为,则。按最不利的情况取（其中）则丝杠在工作长度上的弹性变形所引起的导程误差为通常要求丝杠的导程误差应小于其传动精度的1/2，即，该丝杠满足刚度要求。 7、效率验算滚珠丝杠副的传动效率为要求是在90%95%之间，所以我们的丝杠副合格。5总结经过三个多月的奋战，终于把*设计做好了，从一开始的毫无头绪、一无所知到现在即使工作量再大，人再忙，也要注重细节，加强创新。在此期间，我也回顾了自己大学四年的学习，大一的机械制图，在用caxa制图时，时常会感受自己对知识的遗忘之快，所以作图时，我经常把大一的机械制图放在电脑旁边，有时机械制图课本无法解释我的困惑，我就会去查阅课外书，如梁德本的机械制图手册，更多的是拿自己以前画的图作为参考，因为从很早开始我就在积累经典图纸，有自己画的，有别的公司的，也有同学的，这次在作图中，这个习惯确实给了我了很大的帮助。大四的机械设计，在考虑方案和编写计算说明书时，我时常用到此书，对于机械传动，让我有了清晰的认识，如链传动、齿轮齿条的传动、蜗杆传动、螺旋传动等，大四的机械设计课程设计也给了我很大的帮助，如电动机的选择。大四的机电一体化系统设计，对于10mm切割机来讲，三轴联动系统多亏了她。当然还有很多课程给了我很大的帮助，在这我就不一一举列了。在设计10mm玻璃切割机时，我查阅了大量的资料，方案改了又改，其中所用时间最多的要数行走机构了，就是现在的三轴联动，其实最早我是想用步进电机带动皮带轮，同步皮带带动滑块，从而带动行走机构的。到后来用滚珠丝杠带动控制XYZ三个方向，但考虑到Y轴的距离过大，滚珠丝杠的精度就要求很高，所以最后就决定Y轴用燕尾槽机构来实现运动目标。10mm玻璃切割机作品，还是存在很多问题的，比如说，既然是三轴联动，为什么还要设计输送系统，那是因为刚开始定方案的时候，还考虑的他的瓣片系统，当玻璃切割完成时，输送系统运动，玻璃进入瓣片系统中进行瓣片，然后玻璃再进入900旋转系统中，输送系统再运动，进入瓣片系统中。瓣片系统和旋转系统的方案大致定下来了，但是关键的细节问题还是没有处理好，如瓣片系统，怎样时它机械结构的体积减小，如旋转系统，上升靠气缸，旋转靠电动机带动斜齿轮，但是两者的机架很难搞定。再加上时间的不足，所以这两者没有能在此设计中体现出来，这是一个遗憾，也是一个挑战。三个月多月的努力过去了，与其说是做了一次*设计，倒不如说是对这四年所学的进行了一次总结！6经济分析报告 本次所设计的10mm玻璃切割机属于玻璃行业的中型设备，该精度高、性能良好、结构新颖，适用于玻璃马赛克加工的工艺需求。玻璃原片由输送滚轮输送到指定切割位置，它是通过电机带动链轮，链轮带动传动轴，传动轴带动蜗轮蜗杆，从而带动输送轴和小输送棍来带动玻璃原片。玻璃切割通过采用三轴联动机械来完成刀具线速度定位和切割路径控制，三轴机械中X，Y，Z形成一个三维空间，保证切割刀具的行走方向始终与想X，Y合成运动方向保持一致，从而有效的保证切割效率和质量以及延长切割刀具的寿命，三轴的联动性要求比较高，运动控制精度比较高，以达到全自动化的要求可以压制，有巨大的市场潜力，对我国玻璃加工行业的创新有重要意义，而且有比较好的经济效益。6.1市场预测（含同类项目的国内外市场情况）10mm玻璃切割机是电、机一体化的高级设别。研究10mm玻璃切割机是很有现实意义的，根据建筑行业和汽车行业的蓬勃发张，未来的十几年之中，市场还是非常大的。我所设计的玻璃切割使用现代设计方法设计进行设计，它具有精度高，稳定性强等优点。二三十年来，我国从一个完全进口的玻璃切割机国家发展成为如今的世界玻璃生产大国，销售也从国内拓展到国外。6.2 经济效益分析a） 假设所设计的10mm玻璃切割机销售价格为3.6万元/台（含税销售价），该价格是同类进口产品价格的65%左右，以年产量4000台计算，含税销售收入14400万元。b） 经营成本： 项目 金额铸锻钢件1.8万元/台4000台=7200万元动力及工具低值品0.275万元/台4000=1100万元工人工资250万元固定资产折旧100万元管理费用300万元其中：管理人员工资：120万元福利费用：60万元设备修理费：120万元财务费用100万元销售费用200万元可变成本合计7050万元固定成本合计500万元经营成本合计7550万元 c）应交增值税用及附加税： 项目 金额 备注应交增值税385.5万元附加税69.39万元以应交增值税的18%计算d）通过计算分析，可以得出一下盈利估算表： 项目 金额 备注销售收入（不含税）9125.45万元销售收入（含税）10800万元生产成本（可变成本）7050万元经营成本（总成本）7550万元销售税金（缴税额）454.89万元以增值税规定及附加税计算经营利润11237.68万元所得税金352.7328万元按现时政策的33%计算税后利润856.06万元6.3 社会效益分析（a） 假设所设计的10mm玻璃切割机的销售价格约为同类进口舍别的65%左右，以年产4000台计算。每年可以为国家节约外汇800万美元左右，为国内用户减少设备投资2568万元左右。（b） 该产品达产后，每年可为国家和地方政府增加税金454.89万元左右。（c） 该产品达产后，将为建筑、汽车行业的厂家创造一定的效益，也为国家和地方政府创造一定的税金。 综上分析，课件该项目产品有较好的社会经济效益。致 谢大学生活即将结束，四年的大学生活教会了我很多，很多。回首求学的那四年，我内心充满感激，感谢你们，与你们相遇相知，真的很好。我首先要感谢的是我的*设计指导老师胡伟文，是他带领着我在大学最后一个学期的学习总结，正是通过这一次学习的总结，我对机械专业知识，有着更深入、更系统的了解。我很感谢他，很感谢他所出的题目，让我知道自己有哪些方面的不足，同时也巩固了以前的薄弱环节，提出了新的学习方向与其思路。感谢他的认真与负责，不管有多晚，都会细心的听我在*设计的困惑，指明正确的道路。感谢我们的班主任，感谢他在*给予我的帮助。感谢我们的所有任课老师，感谢他们教会我知识,给予我谟生的本领。人因梦想而变得伟大，作为一名机械专业的学生，设计产品，改善每一个人的生活便是我们的使命!参 考 文 献1 濮良贵 陈固定 吴立言 主编 机械设计第九版 高等学校出版社 20132 冯清秀 邓星钟 主编 机电传动控制 第五版 华中科技大学出版社 2014 3 成大先 主编 机械设计手册 第五版 化学工业出版社 20084 孔庆华 母福生 刘传绍 主编 极限配合与测量技术基础 第二版 江西高校出版社 20135 涂晓斌 钟红生 习俊梅 杨中芳 主编 机械制图 江西高校出版社 20106 王知行 邓宗全 主编. 机械原理 第二版 哈尔滨工业大学 20067 朱张校 姚可负 主编 工程材料 第四版 北京 清华大学出版社 20118 刘鸿文 主编 材料力学 第五版 高等教育出版社 20129 冯 浩 汪建新 赵书尚 主编 机电一体化系统设计 华中科技大学出版社 201310 Ye Zhonghe Lan Zhanghui M.R.Smith MECHANISMS AND MECHINE THEORY Highier Educotion Press 201111 Ashraf Ei Din Zein Ei Din PLC-Based Speed Control of DC Motor 2006 5th International Power electronics and motion control Conference 200612 Guoping Yang ,Jian Fang Structure Parameters Optimszation Analysis of Hydraulic Hammer System Modern Mechanical Engineering 2012