自動裱花機(jī)的整體結(jié)構(gòu)方面進(jìn)行研究設(shè)計(jì)

摘要傳統(tǒng)的蛋糕裱花都是以人工為主，不僅成本高，而且效率比較低。因?yàn)轳褕D案的多樣性，很難保證裱花蛋糕的質(zhì)量，也不能實(shí)現(xiàn)任意圖案的裱花。為解決傳統(tǒng)蛋糕裱花行業(yè)的上述存在的這些問題，借鑒了數(shù)控行業(yè)中的很多成熟理論和技術(shù)，本著實(shí)用易推廣，進(jìn)行了“蛋糕自動裱花機(jī)設(shè)計(jì)”。本文首先分析植物奶油裱花的特點(diǎn)，確立了蛋糕自動裱花機(jī)的總體方案，并對如何提高裱花機(jī)的準(zhǔn)確性和效率提高做出了進(jìn)行了深入的研究。最終實(shí)現(xiàn)了蛋糕裱花自動化機(jī)的設(shè)計(jì)需求。本設(shè)計(jì)對自動裱花機(jī)的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，主要包括裱花機(jī)擠出裝置與工作臺的設(shè)計(jì)，完成傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，分析傳動參數(shù)及動力傳動原理，并基于solidworks三維建模軟件對齒輪等主要零部件進(jìn)行了三維建模，并應(yīng)用ansys有限元分析軟件對其進(jìn)行仿真分析，分析結(jié)果表明，其應(yīng)力，應(yīng)變均在許可范圍內(nèi)，符合設(shè)計(jì)要求，體現(xiàn)了設(shè)計(jì)的合理性。關(guān)鍵詞:裱花機(jī)；擠出裝置；傳動結(jié)構(gòu)；仿真分析

AbstractTraditionalcakemountingflowersaremainlyartificial,notonlyhighcost,butalsolowefficiency.Becauseofthediversityofmountingpatterns,itisdifficulttoensurethequalityofthemountingcake,andcannotachieveanymountingpatternmounting.Inordertosolvetheaboveproblemsinthetraditionalcakedecoratingindustry,manymaturetheoriesandtechnologiesinthenumericalcontrolindustry,inlinewiththepracticalandeasypromotion,the"cakeautomaticdecoratingmachinedesign".Thispaperfirstanalyzesthecharacteristicsofthevegetablecreamdecorating,establishedtheoverallschemeofcakeautomaticmountingmachine,andstudiedhowtoimprovetheaccuracyandefficiencyofthedecoratingmachine.Finally,thedesignrequirementsofcakedecoratingautomationmachineisrealized.Thisdesignstudiestheoverallstructureoftheautomaticdecoratingmachine,mainlyincludingthedesignofthedecoratingmachineextrusiondeviceandworkbench,completethestructuredesignofthetransmissionsystem,analyzetheprincipleoftheassemblywithCAD,theoverallstructureofimportantparts,establishthe3ddiagramofsomeimportantparts,andthesimulationanalysis.Keywords:mountingmachine;extrusiondevice;transmissionstructure;simulationanalysisKeyWords:Frmachine;Extrusiondevice;Transmissionstructure;Simulationanalysis目錄TOC\o"1-3"\h\u14813摘要 I8062Abstract II22542第1章緒論 1248881.1選題的背景、目的和意義 180911.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 2162501.2.1國外研究現(xiàn)狀 2216841.2.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀 3257821.3課題的主要研究內(nèi)容 531508第2章裱花機(jī)總體方案設(shè)計(jì) 611492.1設(shè)計(jì)原則 6255102.2設(shè)計(jì)方案 6289712.3裱花機(jī)工作原理 7123012.4基本尺寸參數(shù)確定 8173472.5總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 9172832.6步進(jìn)電機(jī)選擇與校核 10204312.6.1電機(jī)的選擇 1050452.6.2Z向電機(jī)校核 11110882.6.3X/Y向電機(jī)校核 1285852.7本章小結(jié) 134851第3章裱花機(jī)傳動部件設(shè)計(jì) 14248063.1滾動導(dǎo)軌的選擇 14299933.1.1X向直線導(dǎo)軌副的選取 14204773.1.2滾動體的尺寸和數(shù)量 147293.1.4額定壽命計(jì)算 15168083.1.5直線導(dǎo)軌動載荷計(jì)算 16232353.1.6接觸強(qiáng)度計(jì)算 17153093.1.7Y向直線導(dǎo)軌副的選取 18196573.2滾珠絲杠副的選擇 1845993.2.1滾珠絲杠副特點(diǎn) 18237403.2.2滾珠絲桿螺母副類型選擇 19259733.2.3滾珠絲桿副計(jì)算 19103373.2.4主要尺寸初選 19163263.2.5Z向絲杠選取 24130013.2.6滾動軸承壽命校核 24248633.5本章小結(jié) 2626413第4章蛋糕自動裱花機(jī)其他部件設(shè)計(jì) 27277154.1裱花彎臂的強(qiáng)度校核 27307044.2擠出裝置方案設(shè)計(jì) 2787184.2.1方案選取 2788244.2.1氣壓式擠出 28128934.2.2活塞擠壓式擠出 28263594.2.3液壓式擠出 2954364.3.4螺旋絞龍式擠出 29315854.3擠出裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 30139554.3裱花機(jī)承載平臺設(shè)計(jì) 31151324.3.1平臺材料選擇 31202904.3.2平臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 3284974.3.3裱花平臺平面運(yùn)動的原理以及導(dǎo)軌的安裝 32255194.4本章小結(jié) 332310第5章基于AnsysWorkbench對關(guān)鍵部件的有限元分析 34208575.1有限元概述 3445875.2AnsysWorkbench簡介 34311405.3AnsysWorkbench分析基本步驟 3592125.4部分關(guān)鍵部件有限元分析 35108475.5傳動齒輪的有限元分析 36187255.5.1傳動齒輪的幾何模型 36205965.5.2傳動齒輪的網(wǎng)格劃分 36254295.5.3傳動齒輪的總變形結(jié)果 37300125.5.4傳動齒輪的等效應(yīng)力結(jié)果分析 37207595.6導(dǎo)軌座的的有限元分析 38300205.6.1導(dǎo)軌座的幾何模型 38235995.6.2導(dǎo)軌座的的網(wǎng)格劃分 39320055.6.3導(dǎo)軌座的總變形結(jié)果、 39271225.6.4導(dǎo)軌座的等效應(yīng)力結(jié)果分析 4011075.7X軸滾珠絲杠的有限元分析 40254445.7.1X軸滾珠絲杠的幾何模型 4016645.7.2X軸滾珠絲杠的網(wǎng)格劃分 41152195.7.3X軸滾珠絲杠總變形結(jié)果 41256575.7.4滾珠絲杠等效應(yīng)力結(jié)果分析 42275785.9本章小結(jié) 421449結(jié)論 4317591參考文獻(xiàn) 4418029致謝 46第1章緒論1.1選題的背景、目的和意義裱花蛋糕的生產(chǎn)距今已有100多年的歷史，過去的五六十年里，蛋糕裱花樣式發(fā)展十分迅速,在上世紀(jì)60年代，奶油裱花蛋糕開始在中國流行，奶油蛋糕相反，90年左右，奶油蛋糕逐漸發(fā)展為主流。在上世紀(jì)90年代末植物奶油的出現(xiàn)，給裱花蛋糕市場帶來了巨大的變化，植物奶油迅速發(fā)展成裱花蛋糕的流行原材料，使蛋糕裱花的加工變得更加便捷，因?yàn)橹参锬逃偷娜埸c(diǎn)更高，穩(wěn)定性更好，裱花后的形狀保持的時(shí)間更長，所以裱花的樣式越來越豐富，越來越多的人選擇裱花蛋糕作為過生日，探親訪友的禮物。它與人們的生活越來越密切。裱花蛋糕行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)定義的現(xiàn)狀：在清蛋糕、混合蛋糕或油蛋糕坯表面進(jìn)行裱花裝飾的蛋糕。根據(jù)不同的裝飾材料，蛋糕胚分為一下五類:蛋白裱花蛋糕、奶油裱花蛋糕、人造奶油裱花蛋糕、植物奶油蛋糕，其他類裱花蛋糕。在戚風(fēng)蛋糕上涂上一層奶油，再將奶油裱成花紋，蛋糕胚與奶油結(jié)合，形成一種既有蛋糕的香濃口感又有奶油的潤滑口感的蛋糕。目前，國內(nèi)很多企業(yè)把植物奶油蛋糕叫做牛奶蛋糕，因?yàn)檫@種奶油口感和外形都很像牛奶奶油。其特色為面坯潔白柔軟，漿質(zhì)細(xì)膩，入口香濃，且圖案紋路精美。裱花漿料的制作十分方便，只要把配料放在攪拌器里，打發(fā)即可。這樣，原材料價(jià)格更低，利潤比以前更高。對于傳統(tǒng)的裱花蛋糕，蛋糕裱花是一個(gè)高附加值的產(chǎn)業(yè)。由于傳統(tǒng)的加工方式都是人工處理的，對裱花師的技術(shù)水平有較高的要求，除了需要經(jīng)過專業(yè)的培訓(xùn)外，還需要工人自己掌握一定的畫畫技巧。因此，一個(gè)優(yōu)秀的蛋糕裱花師傅是十分難得的。但是，即使是最好的裱花師，自己的繪畫方式也會受到限制,由于手工制作的限制，他們裱花的精確度并不能完全得到保證。隨著機(jī)械設(shè)備、精密電子儀器儀表、自動控制、工業(yè)機(jī)器人、圖像自主識別處理計(jì)算機(jī)等科學(xué)技術(shù)和工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)高水平的迅速發(fā)展，傳統(tǒng)的蛋糕扁平化行業(yè)已經(jīng)發(fā)生了很多變化。為了優(yōu)化行業(yè)的核心內(nèi)容——裱花，是裱花方式工業(yè)化，自動裱花機(jī)的研究開始進(jìn)入大眾視野，依靠目前的技術(shù)水平，可以將很多已有的數(shù)控行業(yè)中的成熟技術(shù)加以利用，從而形成自己的裱花制造行業(yè)。我認(rèn)為至少有以下3個(gè)優(yōu)點(diǎn)：對于運(yùn)營商，自動裱花機(jī)沒有任何關(guān)于裱花方面的技術(shù)上的限制。他只要用鼠標(biāo)在一些正常的計(jì)算機(jī)上點(diǎn)一下，就能把所有的工作都做完。此外，這套程序可以自己動手制作，非常簡單，你可以添加任意圖片到程序中去制作那你的創(chuàng)意蛋糕，送給你的好朋友當(dāng)禮物。蛋糕不再是苦與累，而是一種時(shí)尚生活的一部分。為了使裱花圖案能完美的繪制出來，使用目前能夠精準(zhǔn)操作機(jī)械的數(shù)控技術(shù)，數(shù)控技術(shù)可以精確控制裱花嘴或蛋糕胚子的走向，控制移動的距離，使裱花的圖案更加清晰，裱花圖案質(zhì)量更高。在裝飾效率這一方面。現(xiàn)代計(jì)算機(jī)可能更具有優(yōu)勢，在裱花相同的圖案時(shí)，計(jì)算機(jī)可以通過優(yōu)化算法來計(jì)算最優(yōu)裱花路線，可以更高效的完成裱花工作，雖然裱花師也可以繪制出完美的裱花圖案，但是機(jī)器不會感到疲憊，可以一直按同樣的效率進(jìn)行裱花作業(yè)，這點(diǎn)是一般裱花師不能相比的。本課題在這種背景下提出的，通過對數(shù)控行業(yè)以及食物3D打印方面的研究與分析，結(jié)合現(xiàn)有的成熟技術(shù)，研發(fā)一種新型的蛋糕自動裱花機(jī)。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1國外研究現(xiàn)狀裱花機(jī)在國外的蛋糕消費(fèi)市場上確實(shí)出現(xiàn)了，但在應(yīng)用和推廣中都比較少。例如英國的管道機(jī)器人，有大量的商家需要在蛋糕上寫一些表示祝福的話語，這項(xiàng)高難度的工作需要一名熟練的裱花師傅才能完成，這就需要花費(fèi)很多的時(shí)間來培養(yǎng)一個(gè)這樣高熟練度的裱花師。為了低成本的完成這項(xiàng)工作，日本愛普生公司英國機(jī)器人分部設(shè)計(jì)并制造了一種新型的裱花機(jī)器人。它使用了愛普生的SCARA型機(jī)器人，裱花口采用的是一種不銹鋼尖端密封閥門。定位裝置采用的光學(xué)定位的方法，通過光學(xué)定位原件實(shí)現(xiàn)對蛋糕位置的定位工作，保證裱花的位置精度，裱花圖案可以正確繪制出來。圖1-1愛普生機(jī)器人因?yàn)闊o法保證每個(gè)蛋糕的高度都是完全相同的，所以需要加裝激光測距儀，通過激光測距儀的反饋，調(diào)節(jié)裱花嘴的高度，可以更好的保證裱花工作的完成情況，一個(gè)完整的生產(chǎn)系統(tǒng)，可以加快生產(chǎn)速率，保證穩(wěn)定的產(chǎn)品質(zhì)量，降低工人的培訓(xùn)成本，并具有一定的制造靈活性的特點(diǎn)。同樣的例子還有美國的專利，這個(gè)專利是2021年4月1日美國花王株式會社申請的，美國專利號：US20210092381A1，專利名稱為“Methodforobtainingdimensionaldecorationusingflowerdecoratingsystem”。該專利的特點(diǎn)在于采用了機(jī)器視覺技術(shù)，通過掃描食品表面進(jìn)行花型識別和花瓣旋轉(zhuǎn)控制，實(shí)現(xiàn)了高效、精準(zhǔn)的裱花，同時(shí)還提供了一種新型的花瓣旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。還有日本在2021年2月25日申請專利的一項(xiàng)關(guān)于裱花方面的專利，申請人為東京特殊裱花株式會社，日本專利號：JP2020007328A，專利名稱為“花布繡裱花機(jī)及其裱花方法”。該專利的特點(diǎn)在于，采用了傳統(tǒng)的手工裱花技術(shù)，通過電腦控制和傳感器監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)了對花瓣壓力、移動速度等參數(shù)的精準(zhǔn)控制，提高了裱花的質(zhì)量和效率，同時(shí)還提供了一種新型的裱花機(jī)構(gòu)。這些都是近年來國外在裱花機(jī)研究方面取得的成果。1.2.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀國內(nèi)對于裱花機(jī)的研究還處于起步階段，大多數(shù)的研究還集中在機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和制作上。例如國內(nèi)為了方便蛋糕的裱花過程，在輔助蛋糕裱花方面推出了一系列奶油裱花輔助工具—奶油槍(圖1-1)。奶油槍是專門用來制作一些甜點(diǎn)和面包的一種烘焙工具，手柄內(nèi)安裝一個(gè)可裝入奶油或其他材料的容器，通過按壓手柄來使材料從裱花嘴擠出，在甜點(diǎn)或面包的表面形成不同的花紋或形狀。圖1-2裱花槍國內(nèi)對裱花機(jī)相關(guān)的自動化設(shè)備也有很多研究，但國內(nèi)的研究多為論文和專利，實(shí)際機(jī)器生產(chǎn)較少。在2001年的時(shí)候，就有一個(gè)團(tuán)隊(duì)申請了關(guān)于蛋糕裱花機(jī)的專利:潘力軍團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一項(xiàng)實(shí)用型的專利一種糕點(diǎn)自動裱花機(jī)，這是一個(gè)采用3D快速成型技術(shù)在蛋糕胚上自動裱花的機(jī)構(gòu)，，由工作機(jī)架、原料注入系統(tǒng)、3D運(yùn)動系統(tǒng)及計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)組成。同時(shí)還可以利用帶有閥門或計(jì)量泵或壓桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)轉(zhuǎn)來控制原材料的注出、停止注出以及注出量的大小，從而實(shí)現(xiàn)對糕點(diǎn)進(jìn)行自動裱花。但是這個(gè)專利并沒有對奶油的擠壓裝置進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)，也沒有發(fā)現(xiàn)與該專利有關(guān)的產(chǎn)品。合肥斯科爾技術(shù)股份有限公司于2014年7月公布了其發(fā)明專利：一種雙噴射轉(zhuǎn)動型奶油蛋糕立體打印機(jī)。本發(fā)明由機(jī)架，工作臺和噴射模塊構(gòu)成，第一個(gè)噴射模塊負(fù)責(zé)將打發(fā)后的奶油噴射到蛋糕表面進(jìn)行裱花，第二個(gè)噴射模塊負(fù)責(zé)將巧克力或者果醬之類的材料噴射到蛋糕表面進(jìn)行進(jìn)一步的裝裱。專利的方案很新穎，方案的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)很簡單，但是到目前為止，還沒有看到這家公司的相關(guān)產(chǎn)品在市場上銷售?！?D打印技術(shù)應(yīng)用在奶油食品工業(yè)中的方案設(shè)計(jì)》是河南財(cái)經(jīng)政法大學(xué)姚青華團(tuán)隊(duì)于2016年2月發(fā)表的一篇文章，該文章提出了一種利用微型氣泵驅(qū)動的奶油擠壓方法，以可編程控制器為控制系統(tǒng)的加工平臺，從而實(shí)現(xiàn)了奶油的擠出。程錦才團(tuán)隊(duì)于2017年5月發(fā)表了《3D裱花機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)》，其中介紹了一種使用絲桿驅(qū)動活塞實(shí)現(xiàn)對奶油進(jìn)行擠壓的方法，該方法的結(jié)構(gòu)比較完整。

2022年12月，興泰食品(大連)有限公司\t"/kcms2/article/_blank"劉佳公布了新的專利：一種糕點(diǎn)自動裱花機(jī)，通過電機(jī)驅(qū)動，來進(jìn)行裱花作業(yè)，通過擋板實(shí)現(xiàn)多個(gè)裱花頭的轉(zhuǎn)動，并通過擋板進(jìn)行復(fù)位，還能對裱花嘴進(jìn)行密封，防止裱花原料的泄露，提高了裱花機(jī)裱花的清潔度，設(shè)計(jì)新穎。目前，在3D打印領(lǐng)域，國內(nèi)已經(jīng)有很多團(tuán)隊(duì)以食物作為打印材料進(jìn)行打印機(jī)的研究，以巧克力，餅干等食品作為原材料的打印裝設(shè)備的研究相對比較成熟，但是以奶油為原材料進(jìn)行的打印機(jī)的研究進(jìn)展比較慢。浙江大學(xué)團(tuán)隊(duì)成功研制出了一款可以打印巧克力，餅干和藥劑的打印設(shè)備，該設(shè)備通過電機(jī)驅(qū)動活塞，加上加熱和冷卻裝置，完成食物的定型。清華團(tuán)隊(duì)研發(fā)出了以面糊為原材料的煎餅打印機(jī)，這個(gè)發(fā)明可以在加熱臺上繪制想要的圖案，使煎餅的樣式更加多樣化，這項(xiàng)發(fā)明送到了消費(fèi)者的歡迎，另外華中科技大學(xué)，北京航空航天大學(xué)等多所高校在食品3D打印領(lǐng)域都有很多進(jìn)展，但是對于奶油裱花領(lǐng)域的相關(guān)研究依舊相對比較少。1.3課題的主要研究內(nèi)容本設(shè)計(jì)對自動裱花機(jī)的整體結(jié)構(gòu)方面進(jìn)行研究設(shè)計(jì)，完成傳動系統(tǒng)部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，分析傳動方式以及傳動參數(shù)，設(shè)計(jì)裱花方式，繪制二維裝配總體結(jié)構(gòu)圖、重要零件的零件圖；

撰寫設(shè)計(jì)論文。(1)設(shè)計(jì)自動裱花機(jī)的設(shè)計(jì)原理并計(jì)算相關(guān)參數(shù)，自動裱花機(jī)的總體機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，自動裱花機(jī)的結(jié)構(gòu)原理，確定電動機(jī)參數(shù)，帶傳動結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，傳動軸設(shè)計(jì)、確定軸的尺寸及軸的強(qiáng)度校核。(2)設(shè)計(jì)傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，選擇傳動方式確定軸，導(dǎo)軌等裝置并計(jì)算，確定采用滾珠絲杠進(jìn)行傳動設(shè)計(jì)，滾珠絲杠的相關(guān)參數(shù)選取絲杠，對導(dǎo)軌以及滾珠絲杠進(jìn)行校核。(3)設(shè)計(jì)擠出裝置和工作臺以及其他部件，對整機(jī)其他部件進(jìn)行設(shè)計(jì)與強(qiáng)度校核，確定機(jī)架的材料。(4)基于solidworks三維建模軟件對齒輪等主要零部件進(jìn)行了三維建模，并應(yīng)用ansys有限元分析軟件對其進(jìn)行仿真分析，并對結(jié)果進(jìn)行分析。

第2章裱花機(jī)總體方案設(shè)計(jì)2.1設(shè)計(jì)原則對于蛋糕自動裱花機(jī)的總體設(shè)計(jì)，要遵循的裱花機(jī)設(shè)計(jì)原則:首先需要滿足一般的標(biāo)準(zhǔn)要求；能夠加工市面常見的蛋糕尺寸，能夠靈活且快速的完成裱花工作；操作的方法要簡便可靠，優(yōu)質(zhì)性高，使用方便，能夠被有效推廣；設(shè)計(jì)的零部件要標(biāo)準(zhǔn)化，通用性高，便于維護(hù)與保養(yǎng)；整機(jī)的實(shí)際結(jié)構(gòu)要簡單，設(shè)計(jì)的成本要便宜。使用上的操作要簡便，后期的維修與保養(yǎng)要方便，整體質(zhì)量要輕便，便于運(yùn)輸。2.2總體方案設(shè)計(jì)在機(jī)械部件中，要對其進(jìn)行全面的規(guī)劃，要對其工作行程能夠達(dá)到一定的要求，要對傳動裝置進(jìn)行穩(wěn)定和精確的控制，同時(shí)也要對其速度進(jìn)行控制。此外，還需要對經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行考量，該設(shè)備對成本有一定的要求，因此要盡可能地使用標(biāo)準(zhǔn)件，以降低額外的工作量。該裝置一年工作330天，一天12個(gè)小時(shí)，工作時(shí)間不少于15年，加載速率為90%，要求大批量生產(chǎn)。在電路方面，本文重點(diǎn)介紹了電機(jī)的選擇，由于裱花工作是一項(xiàng)輕負(fù)載的工作，所以對電動機(jī)的功率的要求也比較低，所以采用步進(jìn)電機(jī)。通過電路來控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速率和轉(zhuǎn)動方向，來控制機(jī)器的工作流程。在裱花工作進(jìn)行的時(shí)候，要考慮到不同拐點(diǎn)處的裱花奶油量的問題，既可以通過改變X，Y方向的運(yùn)動速度來進(jìn)行調(diào)節(jié)，也可以通過單一的Z向運(yùn)動進(jìn)行調(diào)節(jié)，來確保裱花的質(zhì)量。本設(shè)計(jì)采用了后者的方法，因?yàn)榭刂埔粋€(gè)電機(jī)的運(yùn)動比控制兩個(gè)電機(jī)的運(yùn)動更簡單。在原方案的選擇中，奶油的擠壓系統(tǒng)，準(zhǔn)備采用氣壓或者液壓系統(tǒng)。通過跟進(jìn)一步的研究和分析，液壓難以精確的控制奶油擠出的量，而且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，安裝不便。所以改用步進(jìn)電機(jī)控制絲杠來控制奶油的擠出，，絲杠控制不僅具有可逆轉(zhuǎn)的運(yùn)動方式，靈活正反向旋轉(zhuǎn)，運(yùn)作速度均勻，穩(wěn)定性高。同時(shí)也有很高的定位精度，很高的重復(fù)定位精度的特點(diǎn)。因此，在最后的設(shè)計(jì)方案中，選擇了使用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動絲杠控制奶油擠出的方式。這類方案一共采用了四臺步進(jìn)電機(jī)，通過編程和電路，實(shí)現(xiàn)各個(gè)電機(jī)實(shí)現(xiàn)各自的運(yùn)功，從而保證了裱花的軌跡，并確保了裱花圖案能高質(zhì)量完成。Z軸方向上要求穩(wěn)定的傳動，因此選擇了具有自鎖能力的滾珠絲杠螺母進(jìn)行傳動工作，可以確保裱花圖案能夠穩(wěn)定完成。為了滿足裱花工作的要求，可以通過調(diào)節(jié)控制Z軸滾珠絲杠螺母的電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使Z軸向上升和向下降都能夠滿足裱花要求。對于X,Y方向，要求傳動平穩(wěn)性高，移動精度高。因此也選擇了高效率，高剛度，高精度，壽命長的滾珠絲杠。導(dǎo)向裝置負(fù)載較大，而且要求運(yùn)動平穩(wěn)。因此在因此在X軸方向和Y軸方向上都采用了滾輪導(dǎo)引裝置，其負(fù)載更大，而且引導(dǎo)更精確。為使結(jié)構(gòu)簡單化，設(shè)計(jì)了一種由步進(jìn)電動機(jī)和滾珠絲杠組成的引導(dǎo)裝置，該方法具有結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，壽命長，傳動比穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。2.3裱花機(jī)工作原理的確定通過對管道機(jī)械工作原理進(jìn)行分析，將管道機(jī)械的功能分成兩個(gè)部分：擠壓結(jié)構(gòu)和移動機(jī)構(gòu)。分析奶油在管道中的結(jié)構(gòu)特性。使用活塞進(jìn)行擠出成型。當(dāng)作用在活塞上的壓力超過奶油在管中的屈服壓力，就可以將奶油擠出進(jìn)行裱花，當(dāng)停止施加壓力的時(shí)候，奶油就會停止流出，可以有效的控制奶油的擠出量。為了使機(jī)構(gòu)更加簡潔，將機(jī)構(gòu)設(shè)置成一種獨(dú)立運(yùn)動的結(jié)構(gòu)。根據(jù)同時(shí)加壓和移動的要求，自動裱花機(jī)的主體是裱花裝置與蛋糕承載裝置。裱花裝置是一個(gè)只會做上下垂直運(yùn)動的機(jī)構(gòu)，蛋糕承載裝置是一個(gè)可以做平面運(yùn)動的平臺，采用這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以方便蛋糕的上料與卸料。所以，整個(gè)機(jī)械裝置就是一個(gè)包含四個(gè)移動副組成的四軸連桿裝置。下圖為裱花機(jī)整體機(jī)構(gòu)示意圖。1-機(jī)器底座、2-X軸方向溜板、3-Y軸方向溜板、4-蛋糕托盤、5-懸臂梁、6-裱花噴頭、7-奶油圖2-1裱花機(jī)整體機(jī)構(gòu)示意圖該機(jī)構(gòu)的主要運(yùn)動為裱花噴頭沿Z軸的直線運(yùn)動以及X、Y軸溜板的平移。懸臂根據(jù)蛋糕高度實(shí)時(shí)調(diào)整高度，保持裱花嘴與蛋糕表面保持合適高度。在選擇直線移動副時(shí)，機(jī)構(gòu)選用上通常選用以下三種類型的移動副,分別是同步帶、絲杠螺母機(jī)構(gòu)和滾珠絲杠副。下面表2.1對上述三種移動副進(jìn)行了優(yōu)點(diǎn)、以及各種參數(shù)進(jìn)行了比較。表2-1移動方案比較同步帶絲杠螺母機(jī)構(gòu)滾珠絲杠副優(yōu)點(diǎn)在工作的時(shí)候沒有相對滑動，且擁有固定且精確的傳動比，且傳動效率非常高，因?yàn)椴恍枰獫櫥?，所以容易進(jìn)行維護(hù)與保養(yǎng)，維護(hù)費(fèi)比較低，可被用在長距離傳動上。結(jié)構(gòu)簡單，加工簡單，承載能力大，運(yùn)動平穩(wěn)，剛度大，可產(chǎn)生較大的軸向力，有較高的降速比,易于自鎖擁有傳動效率高的特點(diǎn)，還具備傳動可逆性，工作穩(wěn)定，摩擦系數(shù)?。粫霈F(xiàn)爬行現(xiàn)象，反轉(zhuǎn)時(shí)也不會出現(xiàn)空行程,定位精度高，同時(shí)磨損小，壽命長。重量輕較輕重機(jī)構(gòu)剛度低高高摩檫力大小小大小傳動精度較高低高運(yùn)動間隙無有無傳動效率98%30%85%-98%結(jié)構(gòu)復(fù)雜度復(fù)雜簡單較復(fù)雜自鎖能力無有無加工精度易易難傳動速度高速中低速高速對于在XY方向上的運(yùn)動，首要考慮的使運(yùn)動的速度以及傳動的精度，XY平面上的運(yùn)動是低載荷運(yùn)動，所以采用具有傳動精度高的滾珠絲杠機(jī)構(gòu)，用步進(jìn)電機(jī)與絲杠直接相連，可以更好的控制平臺的運(yùn)動。裱花機(jī)構(gòu)所在的Z軸，該方向的運(yùn)動主要考慮是否能夠自鎖，所以不需要套復(fù)雜的機(jī)構(gòu)，而且裱花頭上下移動的速度有不需要太快，主要考慮運(yùn)動精度以及自鎖能力，所以采用絲杠螺母機(jī)構(gòu)。而奶油的擠出需要足夠的壓力以及合適的擠出量，為了保證擠出裝置有足夠的精度，同樣采用絲杠螺母機(jī)構(gòu)。2.4基本尺寸參數(shù)確定在設(shè)計(jì)要求中提出:裱花機(jī)的最大裱花工作范圍為12英寸（約為305mm）；裱花的工作完成時(shí)間壓縮在5-10分鐘。在這些基礎(chǔ)上，可以確定出該裝置的運(yùn)動的最大行程等參數(shù)。暫定運(yùn)動機(jī)構(gòu)參數(shù)如下表2-2:表2-2運(yùn)動參數(shù)X軸的最大行程:lxY軸的最大行程:lyZ軸調(diào)高的最大行程:lz噴頭距離清蛋糕面高度:hzx、y軸運(yùn)動速度:Vx=Vy310mm310mm90mm1mm250mm/s上述各尺寸參數(shù)只是一個(gè)參考值，可供設(shè)計(jì)時(shí)參考，但在實(shí)際操作中，應(yīng)當(dāng)更具不同條件而略作調(diào)整。2.5總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)裱花機(jī)分為奶油擠出裝置，蛋糕承載平臺兩部分，奶油的擠出裝置依靠電機(jī)來控制，裱花高度通過另外一臺電機(jī)控制，而蛋糕承載平臺通過兩個(gè)不同方向的導(dǎo)軌副相互疊加，以滿足被裱花面能夠在平面內(nèi)實(shí)現(xiàn)往復(fù)運(yùn)動，兩個(gè)方向的進(jìn)給運(yùn)動通過兩個(gè)不同的電機(jī)進(jìn)行控制。裱花機(jī)的對傳送裝置的精度有很高的要求，為了保證裱花機(jī)的傳動上的精度，通過在滾珠絲杠上增添緊定螺釘，以消除軸向間隙,同時(shí)與鍵配合下，也減少了徑向間隙。具體結(jié)構(gòu)圖如下：Z向聯(lián)軸器2-軸承端蓋3-角接觸球軸承4-z向絲杠5-緊固螺栓6-固定板7推力球軸承8-鎖緊螺母9-小軸10-裱花嘴11步進(jìn)電機(jī)12工作臺13-滾動滑座14-導(dǎo)軌座15-緊縮螺母16-圓螺母17-套筒18-鍵19-絲杠螺母20-X向絲杠21-角接觸球軸承22-預(yù)緊螺母23-防松螺母24-軸承蓋25-擋油環(huán)圖2-2自動裱花機(jī)總體結(jié)構(gòu)圖2.6步進(jìn)電機(jī)選擇與校核2.6.1電機(jī)的選擇步進(jìn)電機(jī)是一種把電脈沖信號轉(zhuǎn)換成角位移或線位移的開環(huán)控制電機(jī)。它相較于與普通交流異步電機(jī)，具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、低速運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、力矩大、工作頻率高、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種要求定位精度高的場合。因此，它適合于在是自動裱花機(jī)這類精度高，載荷小的機(jī)器上使用。步進(jìn)電動機(jī)有很多種類型，根據(jù)其產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩的原理，可以劃分為三大類：反應(yīng)式（VR）；永磁式（PM）；混合式（HB）。通過對比步進(jìn)電機(jī)的脈沖當(dāng)量和靜轉(zhuǎn)矩，來確定步進(jìn)電機(jī)的類型，并在其技術(shù)參數(shù)列表中查找出步距角的參數(shù)，對電機(jī)進(jìn)行初選時(shí)，要合理選用的步距角和傳動比i，并滿足下列條件：根據(jù)步進(jìn)電動機(jī)的脈沖等效及最大靜扭矩，對步進(jìn)電動機(jī)的類型進(jìn)行了初步選擇，在此基礎(chǔ)上，對兩種不同的脈沖分布模式進(jìn)行了研究。對電動機(jī)進(jìn)行初步選型時(shí)，要合理選用步距角和傳動比，并符合：θbL0根據(jù)上述要求，選擇：Z向電機(jī)選擇:55BF003X向與Y向電機(jī)選擇:70BF003。步距角相數(shù)電壓相電流最大靜轉(zhuǎn)矩最高空載啟動頻率質(zhì)量外徑Φ長度軸徑1.5/3324V3A0.686N·m1800HZ0.83Kg55mm70mm6mm表2-2Z向55BF003電機(jī)的參數(shù)表2-3X向Y向70BF003電機(jī)參數(shù)步距角相數(shù)電壓電流最大靜轉(zhuǎn)矩最高空載啟動頻率質(zhì)量外徑Φ長度軸徑1.5/3327V3A0.784N·m1600HZ1.2Kg75mm63mm8mm2.6.2Z向電機(jī)校核初選步進(jìn)電機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩Mjmax與步進(jìn)電機(jī)啟動轉(zhuǎn)矩Mmq的相互關(guān)系:即：Mmq=λMjmax=0.866×0.686=0.594N/cm步進(jìn)電機(jī)的空載啟動頻率是指步進(jìn)電機(jī)在空載的情況下能夠正常啟動的脈沖頻率。步進(jìn)電機(jī)的空載啟動力矩的計(jì)算公式如下：Mkg=Mka+Mkf+M0（2-2）Mkg—空載啟動力矩；Mka—空載啟動時(shí)，構(gòu)件從靜止上升到最大運(yùn)行速度，換算成電動機(jī)軸上的加速力矩（N.CM）；Mkf—電動機(jī)在空載狀態(tài)下，換算到電動機(jī)軸上的摩擦力矩（N.CM）；M0—絲杠的預(yù)緊力，換算到電機(jī)軸上的額外的摩擦力矩。初選電機(jī)型號時(shí)，要求步進(jìn)電機(jī)的空載啟動力矩小于步進(jìn)電機(jī)標(biāo)記的啟動轉(zhuǎn)矩，即：Mkq≤Mmq=λMjmaxλ=Mkq/Mjmax=0.866加速力矩（2-3）=0.617×0.1×2×л×1440×（2-4）JΣ—傳動系統(tǒng)各部件慣性力矩?fù)Q算到電機(jī)軸上的總等效轉(zhuǎn)動慣性力矩（kg.cm2）；—電機(jī)最大角加速度（rad/s2）；nmax—與運(yùn)動部件的最大運(yùn)行速度所對應(yīng)的電機(jī)的最大轉(zhuǎn)速（r/min）；t—運(yùn)動部件由靜止啟動加速到最大運(yùn)行速度所需要的時(shí)間（s）；vmax—運(yùn)動部件的最大運(yùn)行速度（mm/min）；δp—脈沖當(dāng)量（mm/脈沖）；θb—步進(jìn)電機(jī)的步距角?？蛰d摩擦力矩：（2-5）=30×0.1×0.2/2л×0.8×1=0.119(N?cm)G—運(yùn)動部件的總重力（N）；f′—導(dǎo)軌摩擦系數(shù)；i—齒數(shù)傳動降速比；η—傳動系數(shù)總效率；取η=0.7-0.85L0—滾珠絲杠的基本導(dǎo)程（cm）。附加摩擦力矩:（2-6）=490/3×1/30.2×(1-0.952)/2л×0.8×1=0.016(N?cm)FYJ—滾珠絲杠上預(yù)加載的載荷即為預(yù)緊力，一般取1/3Fm；Fm—為進(jìn)給牽引力（N）；η為滾珠絲杠沒有進(jìn)行預(yù)緊時(shí)的傳動效率，一般取傳動效率η0≥0.9；所以Mkg≤Mmq符合要求。2.6.3X/Y向電機(jī)校核X軸上的電機(jī)與Y軸上的電機(jī)的校核與Z軸上的電機(jī)原理基本相同，在設(shè)計(jì)中只是對它們進(jìn)行了簡單的校核。Mmq=λMjmax=0.866×0.392=0.3395N/cm=30×0.1×0.3/2л×0.8×4=0.036(N?cm)i=4=×0.3×(1-0.952)/2л×0.8×4=0.079(N?cm)Mmq=0.3395>Mkf+M0=0.115故符合設(shè)計(jì)要求。2.7本章小結(jié)本章對于自動裱花機(jī)的總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，說明了自動裱花機(jī)的工作原理，工作流程，確定了裱花機(jī)整體結(jié)構(gòu)，分為奶油擠出裝置和移動平臺，各裝置都有電機(jī)直接連接并控制。確定了裱花機(jī)的基本參數(shù)，X軸和Y軸的最大行程:ly=310mmZ軸調(diào)高的最大行程:lz=90mm，通過自動裱花機(jī)相關(guān)參數(shù)選擇步進(jìn)電機(jī)，對電機(jī)進(jìn)行校核，確定所選電機(jī)滿足設(shè)計(jì)要求。

裱花機(jī)傳動部件設(shè)計(jì)3.1滾珠絲杠副的選擇3.1.1滾珠絲杠副特點(diǎn)在絲杠與螺母旋合螺旋槽之間放置適當(dāng)數(shù)量的滾珠作為中間傳動體，借助滾珠返回通道，當(dāng)絲杠或螺母轉(zhuǎn)動時(shí)，推動滾珠沿著滾道導(dǎo)珠管（或圓形返向器）滾道不斷的循環(huán)，從而實(shí)現(xiàn)周而復(fù)始的滾動運(yùn)動。因此，滾動絲杠副的運(yùn)動機(jī)理，就是以滾動摩擦代替滑動摩擦。滾珠絲杠副具有許多與滾動軸承相似的特征。與滑動絲杠副或液壓缸傳動相比，有以下主要特點(diǎn)：（1）傳動效率高滾珠絲杠副的傳動效率高達(dá)86%-98%，是滑動絲杠副的2-4倍。（2）運(yùn)動平穩(wěn)滾珠絲杠副在工作過程中摩擦阻力較小，靈敏度較高，而且摩擦系數(shù)基本與運(yùn)動速度無關(guān)，啟動摩擦力矩與運(yùn)動時(shí)的摩擦力矩的差別非常小，所以滾珠絲杠副運(yùn)動平穩(wěn)，啟動無顫動，低速無爬行。（3）傳動可逆性與滑動絲杠副相比，滾動絲杠副突出的特點(diǎn)是具有運(yùn)動的可逆性。滾珠絲桿副具有運(yùn)動的可逆性，但沒有像滑動絲杠副那樣運(yùn)動具有自鎖性。（4）可以預(yù)緊通過對螺母施加預(yù)緊力能夠消除滾珠絲杠副的間隙，提高軸向剛度，但摩擦力矩增加卻不大。（5）定位精度和重復(fù)定位精度高由于滾珠絲杠副具備傳動效率高，運(yùn)動平穩(wěn)，可以預(yù)緊等特點(diǎn)，所以滾珠絲杠副在工作過程中溫升較小，無爬行。并可消除軸向間隙和對絲杠進(jìn)行預(yù)拉伸來補(bǔ)償熱膨脹，這能獲得較高的定位精度和重復(fù)定位精度。（6）同步性好用幾套相同的滾珠絲杠副同時(shí)驅(qū)動相同的部件或裝置時(shí)，由于反應(yīng)靈敏，無阻滯，無滑移，其啟動的同時(shí)性，運(yùn)行中的速度和位移等，都具有準(zhǔn)確的一致性，這就是所謂同步性好。（7）使用可靠，潤滑簡單，維修方便在正常使用條件下通常只需要進(jìn)行一般的潤滑與防塵。在特殊使用場合，可在無潤滑的狀態(tài)下正常工作。3.1.2滾珠絲桿螺母副類型選擇滾珠絲杠螺母副由專門工廠制造，當(dāng)類別、型號選定和校核后，可以外購。滾珠絲杠副的類別主要從三個(gè)方面考慮：循環(huán)方式、循環(huán)列數(shù)和圈數(shù)、預(yù)緊方式。鋼珠在絲杠與螺母之間滾動是一個(gè)循環(huán)閉路。根據(jù)回珠方式，可分為兩類：內(nèi)循環(huán)，回珠器處在螺母之內(nèi)；外循環(huán)，插管式回珠器位于螺母之外。為了消除間隙和提高滾珠絲杠的剛度，可以預(yù)加載荷，是它在過盈的條件下工作，稱為預(yù)緊。預(yù)緊后的剛度可提高大批為無預(yù)緊時(shí)的二倍。但是，預(yù)加載荷過大，將使壽命下降和摩擦力矩加大。通常，滾珠絲杠在出廠時(shí)，就已經(jīng)由制造廠調(diào)好預(yù)加載荷，并且預(yù)加載荷往往與絲杠副的餓額定動載有一定的比例關(guān)系常用的滾珠絲杠副的預(yù)緊方法有：雙螺母墊片式預(yù)緊、雙螺母螺紋式預(yù)緊、雙螺母齒差式預(yù)緊。設(shè)計(jì)中選用了雙螺母螺紋式預(yù)緊.3.1.3滾珠絲桿副計(jì)算根據(jù)設(shè)計(jì)的尺寸和材料的選擇，可以計(jì)算出沿Y軸運(yùn)動時(shí)，Y軸上用于傳動的滾珠絲杠，做水平直線進(jìn)給運(yùn)動時(shí)，需要承載的重物重量為mg=100×9.8=980N，則Y軸上的平均工作載荷為Fm=1/3Mg=980/3=326N。由前面的計(jì)算可知，絲杠的工作長度為L為500毫米，平均轉(zhuǎn)速為nmax為每分鐘200轉(zhuǎn)，理想使用壽命Lh為15000個(gè)小時(shí)。3.1.4主要尺寸初選（1）初算導(dǎo)程Phvmax—絲杠副的最大移動速度，取8×102㎜/min；nmax—絲杠副的最大相對轉(zhuǎn)動速度，取200r/min。滾珠絲杠副導(dǎo)程為Ph≥vmax/nmax（3-8）=800/200=4㎜（2）當(dāng)最動載荷Fm滾珠絲杠最大軸向?yàn)镕a＝500；FW—載荷性質(zhì)系數(shù)，取為1；ｆ—摩擦系數(shù)，取為0.04。滾珠絲杠最大載荷為Fmax=FW×Fa+f×G(3-9)=1×500+0.04×5×9.8=501.96N滾珠絲杠最小載荷為摩擦為：Fmin＝f×G＝0.04×5×9.8＝1.96NFm=1/3（2Fmax+Fmin）=1/3（2×501.96+1.96）=335.29N（3）額定動載荷計(jì)算CamCam=(3-10)=1×175(300/4)1/3/(0.9×0.21)＝6763.28FW—載荷性質(zhì)系數(shù)，取為I；FA—精度系數(shù)，取為0.9；FC—可靠性系數(shù)，取為0.21；FE—預(yù)加載荷系數(shù)，取為4.5。附加載荷為Cam=FEFMAX(3-11)=4.5×501.96=2258.28N取Cam與Cam中較大者為預(yù)期值Cam=2258.28N(4)估算滾珠絲杠允許最大軸向變形mm=(1/3～1/4)重復(fù)定位精度(3-12)=1/3×0.045=0.015umm≤（1/4～1/5）定位精度(3-13)=（1/4）×0.07=0.0175um取m與m中較小值為m值m＝0.015um(5)計(jì)算滾珠絲杠副的螺紋小徑d2md2m=(3-14)=0.039=8.66mmF0—導(dǎo)軌間的摩擦力，F(xiàn)0＝uo×G=0.04×5×9.8＝1.96NL—滾珠絲杠兩個(gè)軸承支點(diǎn)之間的距離,一般情況下，取間距L=1.1倍的行程+（10～14）的導(dǎo)程Ph當(dāng)軸承的固定方式為兩端固定或鉸支時(shí)，查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》得，支撐方式的系數(shù)一般取0.039。(6)確定滾珠絲杠副規(guī)格代號根據(jù)上述估算得出的Ph，Cam及d2m的值，查閱《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》中的表格12-1-30到表12-1-33，從中選取合適的規(guī)格代號及與之相關(guān)的安裝，聯(lián)接尺寸，并使d2≥d2m，Ca≥Cam，但不能太大，否則會增加絲杠副的啟動慣量。絲杠副的幾何結(jié)構(gòu)尺寸數(shù)據(jù)：公稱直徑：d0=27.5mm導(dǎo)程：P＝4mm螺旋角：20°55′滾珠直徑：Dw=3.2mm絲杠底徑：d2=25mm額定動載荷：Ca=6763.28N選擇與之接近的2004-3型號的滾珠絲杠副進(jìn)行校核，此絲杠副有關(guān)數(shù)據(jù)為：公稱直徑：d0=25㎜導(dǎo)程：P＝4㎜螺旋角：20°55′滾珠直徑：Dn=3.175絲杠底徑：d2=24.5㎜額定動載荷：Ca=9610N圖3.3滾珠絲杠(7)其它尺寸由尺寸公求計(jì)算滾道半徑：R＝0.52×Dw=0.52×3.175=1.651㎜偏心距：e=絲杠內(nèi)徑：d1=d0+2e-2R=(25+2×0.004445-2×1.651)=21.71㎜(8)穩(wěn)定性驗(yàn)算如果將絲杠的一端進(jìn)行軸向固定，這樣在工作的時(shí)候可能會出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況，因此，在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該進(jìn)行驗(yàn)算，它的安全系數(shù)為s，其值應(yīng)該大于絲杠副傳動機(jī)構(gòu)的允許安全系數(shù)[S]，查閱手冊得[S]=2.5～3.3臨界載荷Fcr(N)按下式計(jì)算:(3-15)(E=206GP，l=290mm，)Ia為絲杠危險(xiǎn)載面的軸轉(zhuǎn)動慣量（m4）=m則因?yàn)榘踩禂?shù)S＝>[S]，所以絲杠轉(zhuǎn)動安全，不會失穩(wěn)。(9)共振驗(yàn)算要求nmax〈ncr〈ncr為臨界轉(zhuǎn)速ncr=9910（3-16）查閱手冊得，臨界轉(zhuǎn)速的系數(shù)fc=3.927;=2則ncr足夠大，故不會發(fā)生共振。（10）剛度驗(yàn)算滾珠絲杠在工作載荷F和轉(zhuǎn)矩T的聯(lián)合作用下，所引起的每一個(gè)導(dǎo)程的變形量l（m）為（3-17）絲杠載面積A＝1/4;絲杠極慣性矩Jc＝;G為絲杠切變模量對于45號鋼取G＝83.3GPa；T為轉(zhuǎn)矩T＝Fmtan(λ+（3-18）取摩擦系數(shù)tan＝0.0025得＝T＝335.29××10-3×tan（4022’+8040”）＝0.968N.m按最不利的情況?。ㄆ渲蠪＝Fm）（3-19）um則線杠因?yàn)楣ぷ鲿r(shí)的彈性變形，而導(dǎo)致的導(dǎo)程誤差為（3-20）通常要求＝0.015㎜＝15m該絲杠的滿足上式，所以剛度滿足要求。（11）效率驗(yàn)算滾珠絲杠副的傳動效率為（3-21）按規(guī)定，傳動效率需要在90%～95%之間，因此，該絲杠副符合要求。因此2004-3型滾珠絲杠的性能達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)。3.1.5Z向絲杠選取因?yàn)閆軸可以控制奶油的擠出量的多少，而且需要考慮到發(fā)生突然停電的情況，需保證突然斷電時(shí)，奶油擠出裝置不會流出奶油。因此，Z軸必須要具有自鎖的能力。因此，我選擇了絲杠螺母傳動機(jī)構(gòu)。以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性。絲杠螺母的設(shè)計(jì)與自鎖驗(yàn)算：絲杠螺母的螺距p為4mm公稱直徑d2為18mm螺母的高度：H=ψd2=2.5ψ取2.5旋合圈數(shù)：n=H/P=45/4=11.25＜12螺紋的工作高度：h=0.5P=0.54=2螺牙根部寬度：b=0.65P=0.65工作比壓：P=F/0.0024MP自鎖的驗(yàn)算：導(dǎo)程角：所以絲杠螺母可以自鎖。絲杠螺母的效率計(jì)算：3.1.6滾動軸承壽命校核軸承額定壽命為=15000h圖3.4滾動軸承受力情況由力分析可知：=×370/420=300×370/420=261.2Nr2=re--Fr1=300-261.2=38.8N求兩軸承的計(jì)算軸向力和：Fd1=0.4Fr1=0.4×261.2=104.48NFd2=Fr2=0.4×38.8=15.52N查手冊得：Fa1=Fae+Fd2=300+15.52=315.52NFF=300+104.48=404.48NF=104.48N取其中較大者，則Fa1=315.52N，F(xiàn)進(jìn)行插值計(jì)算，得e=0.47，e=0.43求軸承當(dāng)量動載荷和：因?yàn)镕a1/FFa2/對于軸承1=0.44，=1.19對于軸承2=0.44，=1.30因軸承運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，會受到中等的沖擊載荷，經(jīng)查閱手冊得：取=1.2～1.8，取=1.2，則：=(+)(3-22)=1.2(0.44×261.2+1.19×315.52)=588N=(+)(3-23)=1.2(0.44×38.8+1.30×104.48)=183N驗(yàn)算軸承壽命：因?yàn)椋?gt;，所以按軸承1的受力大小驗(yàn)算=10/60n(C/)(3-24)=10/60×100×(4610/588)=79092>所以該軸承壽命滿足要求，可以選用。3.2滾動導(dǎo)軌的選擇滾動導(dǎo)軌是直線導(dǎo)軌的一種類型，它的優(yōu)點(diǎn)是具有較高的靈敏度，其動摩擦系數(shù)和靜摩擦系數(shù)相差非常小，精準(zhǔn)定位程度高，部分型號的導(dǎo)軌的重復(fù)定位精度能達(dá)到0.2微米，滾動導(dǎo)軌受到的摩擦阻力小，移動輕便，損耗小，具有較高的精度保持性。3.2.1X向直線導(dǎo)軌副的選取滾珠直線導(dǎo)軌其特征在于絲杠副上設(shè)有滾珠，滾珠使導(dǎo)軌面之間的靜摩擦轉(zhuǎn)變成了滾動摩擦，滾珠的運(yùn)動方向與電機(jī)軸平行。它具有自鎖功能，通過一定的設(shè)計(jì)方法，能實(shí)現(xiàn)高精度、高速度的直線運(yùn)動。通常為多層滾動體，最外面是滾道，內(nèi)圈是滾道與滾道之間的溝槽或滾道與溝槽之間的間隙，中圈是固定的，外圈內(nèi)圈都可以移動。利用滾珠在滑塊和軌道間的無限循環(huán)滾動，使載荷平臺沿軌道作高精度直線運(yùn)動。因?yàn)闈L珠直線導(dǎo)軌具有以下的優(yōu)點(diǎn)：導(dǎo)向精度高，重復(fù)精度高，滾珠絲杠副的摩擦因數(shù)??；磨損低，精度保持性高；運(yùn)動慣性小，低速運(yùn)動平穩(wěn)性好；工作噪聲低，可靠性高，維護(hù)簡單。在設(shè)計(jì)時(shí)，因?yàn)閷?dǎo)軌的負(fù)載小，傳動精度需求比較高，所以選用了滾珠直線導(dǎo)軌。導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)緊湊，制造簡單，成本低優(yōu)點(diǎn)。為了保證導(dǎo)軌具有足夠的剛度，導(dǎo)軌采用淬硬鋼材料，淬硬至硬度達(dá)到60-62HRC。3.2.2滾動體的尺寸和數(shù)量滾動體直徑越大，與導(dǎo)軌間的摩擦力越小，接觸應(yīng)力越小，越不容易產(chǎn)生相對滑動。通常選取直徑6-8毫米的滾珠.所以本設(shè)計(jì)選擇了滾珠直線導(dǎo)軌，滾動體選擇直徑為8毫米的滾珠。滾動體的數(shù)量需要根據(jù)導(dǎo)軌的強(qiáng)度和剛度，來確定每個(gè)軌道上的滾珠數(shù)量，一般情況，每個(gè)導(dǎo)軌上必須至少要有12到16個(gè)滾動體，因?yàn)楫?dāng)滾動體的數(shù)量太少時(shí)，加工誤差會對移動構(gòu)件的定位精度造成很大的影響。相反，如果滾動體太多，將會增加載荷，使導(dǎo)軌內(nèi)的載荷分配不均，使導(dǎo)軌的剛性降低，按照下式計(jì)算合理的滾動體數(shù)目Z：Z≤≤=14.6（3-1）所以選取15個(gè)。Z──滾珠的數(shù)目；F──每條導(dǎo)軌承受的載荷(N)；在設(shè)計(jì)時(shí)每條導(dǎo)軌的承載力為40*9.8=392N；d──滾珠直徑(mm)。3.1.3導(dǎo)軌長度滾動導(dǎo)軌中的滾動體和保持架隨著導(dǎo)軌移動，但它的移動速度只是動導(dǎo)軌移動速度的一半。在圖中3.1，滾動體與保持架的長度LC：圖3-1滾珠導(dǎo)軌LG=Ld+（3-2）式中Ld－－動導(dǎo)軌長度；l－－－動導(dǎo)軌的行程長度。支承導(dǎo)軌長度L=LG+，這種形式可保證在動導(dǎo)軌移動到兩端極限位置時(shí)，滾動體剛好移動到支承導(dǎo)軌的邊緣，因而使動導(dǎo)軌在全長上始終與滾動體相接觸，滾動導(dǎo)軌的剛性好。但是，此種導(dǎo)軌由于有的保持架中的滾子始終露在外面，因此必須加強(qiáng)導(dǎo)軌的防護(hù)。3.2.4額定壽命計(jì)算當(dāng)行程長度一定不再變時(shí)，由使用壽命時(shí)間以h為單位的計(jì)算公式，能夠計(jì)算出：（3-3）式中Lh－－－導(dǎo)軌壽命時(shí)間（h），（此處導(dǎo)軌壽命取15000h）；L－－－額定壽命（km）；La－－－行程長度，取300mm。N2－－－每分鐘往復(fù)次數(shù)，取4次。L=＝2000km3.2.5直線導(dǎo)軌動載荷計(jì)算滾動直線導(dǎo)軌副的額定使用壽命的計(jì)算方法與滾動軸承的計(jì)算方法基本相同。根據(jù)這個(gè)公式得到動載荷的計(jì)算公式：L=P=Fmax（3-4）式中L－－－額定壽命（km）；Ca－－－額定動載荷（KN）；P－－－當(dāng)量動載荷（KN）；Fmax－－－外加載荷（KN）；－－－指數(shù)，當(dāng)導(dǎo)軌的滾動體是滾珠的時(shí)候，取3。K－－－直線導(dǎo)軌的額定壽命（km），當(dāng)滾動體為滾珠時(shí)，額定壽命取50km。－－－直線導(dǎo)軌的硬度系數(shù)，為滿足產(chǎn)品技術(shù)的生產(chǎn)要求，軌道的硬度應(yīng)當(dāng)高于58HRC，一般情況下，取為1。－－－直線導(dǎo)軌溫度系數(shù)，根據(jù)新版《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》（第二卷）中的表格9.3-45得，直線導(dǎo)軌的工作溫度小于1000C時(shí)，硬度系數(shù)取值為1。－－－導(dǎo)軌接觸系數(shù)，根據(jù)新版《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》（第二卷）中的表格9.3-46得；當(dāng)每根導(dǎo)軌上有兩個(gè)滑塊時(shí)，取值為0.81。－－－直線導(dǎo)軌精度系數(shù)，根據(jù)新版《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》（第二卷）中的表格9.3-47得當(dāng)；直線導(dǎo)軌精度等級為2級時(shí)，取的值為1。－－－直線導(dǎo)軌載荷系數(shù)，根據(jù)新版《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》（第二卷）中的表格9.3-48得；當(dāng)速度為中等，無明顯撞擊和震動時(shí)，的取值區(qū)間為1.5-2。Ca=（3-5）＝＝3.2KN根據(jù)計(jì)算出的動載荷選取的滾動直線導(dǎo)軌副為GGB16AA2P12*500-4型四方等載荷滾動直線導(dǎo)軌副。圖3-2導(dǎo)軌與滑塊連接處刨面圖圖3-2滾動導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)尺寸圖表3-3滾動導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)尺寸數(shù)據(jù)型號HWL1L2L3DhdM1T1KH1GGB16AA2415.55840.530M51119.415由表可知，單條導(dǎo)軌的最大長度Lmax為500毫米，額定動載荷為6.07KN，額定靜載荷為6.8KN。3.2.6接觸強(qiáng)度計(jì)算滾動導(dǎo)軌接觸強(qiáng)度計(jì)算主要是判別受力最大的滾動體處導(dǎo)軌的接觸應(yīng)力是否超過允許值。如果一條導(dǎo)軌上承受一個(gè)作用在導(dǎo)軌面重心上的力F和力矩M，則受力最大的滾動體上的載荷為:Fmax=(1+)（3-6）=(1+)=103.6NZ──一條導(dǎo)軌上的滾動體數(shù)目；L──滾動體有效工作長度。在受力最大的滾動體上的載荷Fmax的作用下，滾動體與滾動導(dǎo)軌間的接觸應(yīng)力為σmax，對滾珠直線導(dǎo)軌有下列計(jì)算：σmax=4.58×108（3-7）=4.58×108×2.75=1.36×109Pad——滾珠直徑；Fmax——滾動體上承受的最大的載荷；σmax——滾動體與導(dǎo)軌間的接觸應(yīng)力，應(yīng)該低于許用應(yīng)力[σ]，也就是σmax≤[σ]，[σ]為滾動體的許用應(yīng)力。查資料得由淬火鋼（HRC60-62）制作的滾動體的許用應(yīng)力為[σ]=1.8×109Pa。根據(jù)計(jì)算的結(jié)果得出，設(shè)計(jì)中所選取的數(shù)據(jù)是合理且滿足要求。3.2.7Y向直線導(dǎo)軌副的選取因?yàn)閅軸上的導(dǎo)軌所承受的載荷，比X軸導(dǎo)軌上承受的載荷要小的，所以可以選用和X軸相同的導(dǎo)軌，一樣滿足Y軸的傳動要求。3.3本章小結(jié)本章對自動裱花機(jī)的傳動系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，工作臺采用滾動導(dǎo)軌副進(jìn)行傳動，根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)，選擇合適的滾動導(dǎo)軌，為保證導(dǎo)軌的剛度，滾動體數(shù)量設(shè)計(jì)為15，確定了導(dǎo)軌的型號，并進(jìn)行了強(qiáng)度校核和壽命計(jì)算，導(dǎo)軌副的驅(qū)動方式采用的是絲杠傳動，保證傳動的精度，確定了絲杠的長度，滾道半徑，并分別對X，Z軸絲杠進(jìn)行強(qiáng)度校核與壽命計(jì)算。

第4章蛋糕自動裱花機(jī)其他部件設(shè)計(jì)4.1裱花彎臂的強(qiáng)度校核為便于供奶奶油的擠出和裱花頭的穩(wěn)定性，在本設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)了裱花彎臂。因?yàn)轳鸦◤澅凵鲜艿截Q直向下的載荷，因此下面對彎曲臂進(jìn)行了計(jì)算和檢驗(yàn)。下面是裱花彎臂示意圖，如下圖4-1：圖4-1裱花彎臂彎臂受到扭轉(zhuǎn)力的作用，其扭矩為：計(jì)算截面慣性矩：(4-1)在截面的上下邊緣，分別作用有最大拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)力：(4-2)取[]=75Mpa≤[]d=12mm完全可以滿足設(shè)計(jì)要求。4.2擠出裝置方案設(shè)計(jì)4.2.1方案選取裱花機(jī)系統(tǒng)最終目標(biāo)就是把奶油按一定的規(guī)則擠出來，并在理想的位置點(diǎn)上完成裱花的工作。所以，雖然擠出裝置只是分立機(jī)構(gòu)中的一個(gè)分支，但它是整個(gè)機(jī)構(gòu)的最重要的組成部分，是裱花機(jī)的一個(gè)主要執(zhí)行機(jī)構(gòu)。根據(jù)奶油的裱花特點(diǎn)和奶油本身的各種性質(zhì)，選擇合適的奶油擠出方式是實(shí)現(xiàn)自動裱花機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)。于是討論了下列四種擠出方式。4.2.1氣壓式擠出氣壓式擠壓裝置是指通過將壓縮氣體注入到密封的儲存奶油的裝置中，通過控制壓縮氣體的注入時(shí)間和注入速度，來實(shí)現(xiàn)對奶油的擠壓。氣壓式擠壓裝置的結(jié)構(gòu)簡單、裝置容易清洗，對于奶油擠出裝置，這種方法可以很好的保證奶油的潔凈度。圖4-2氣壓式擠出方式但在奶油擠出時(shí)，氣壓式擠出裝置有很多不足。首先，由于奶油和空氣都是可壓縮的，所以在氣體注入以后，奶油被氣體擠壓的過程，奶油的擠出可能會有一定的延后，并且隨著存儲奶油的裝置中的奶油體積的逐漸減少，通入氣體的體積增大，奶油擠出過程中的控制速度也越來越慢，這樣是不能滿足蛋糕裱花工作的要求的。另外，因?yàn)槟逃途哂姓扯确浅８叩奶匦裕瑪D出奶油所需要的大氣壓也是比較大的，所以氣壓裝置需要的成本也是比較高的。4.2.2活塞擠壓式擠出活塞擠壓式擠出裝置是通過電機(jī)與絲杠螺母聯(lián)動來實(shí)現(xiàn)的，將電機(jī)的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)變成為活塞的擠壓運(yùn)動，從而實(shí)現(xiàn)對封閉容器中的奶油進(jìn)行固定量的擠出。該擠壓方式具有結(jié)構(gòu)比較簡單，清理比較容易的優(yōu)點(diǎn)。對于奶油的擠壓而言，奶油的擠出精度被奶油自身的可壓縮性影響，連續(xù)擠出性比較差，需更換貯藏設(shè)備才能實(shí)現(xiàn)連續(xù)擠壓，擠壓過程中的停頓也會影響擠壓精度。圖4-3活塞式擠出4.2.3液壓式擠出液壓是擠出是利用液體作為傳遞力矩的媒介，對液體進(jìn)行加壓，將密封的儲存裝置中的奶油擠出。這種擠出方式具有擠出過程平穩(wěn)，操作方便等優(yōu)點(diǎn)。但是在奶油儲存裝置中，作為傳遞力矩的液體可能會因?yàn)槊芊獠粐?yán)，與存儲的奶油混合，從而對奶油造成污染，這種污染對于作為食品的奶油來說，顯然被污染的奶油是無法在繼續(xù)使用的，由于擠壓方式的限制，奶油只能實(shí)現(xiàn)間歇性的連續(xù)擠出，顯然是無法滿足裱花機(jī)工作的要求的，圖4-4液壓式擠出4.3.4螺旋絞龍式擠出螺旋絞龍式擠出是指將成卷的原料裝入螺旋形口模，通過轉(zhuǎn)動口模，使原料在螺槽內(nèi)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，當(dāng)絞龍的運(yùn)動達(dá)到一定時(shí)間時(shí)，機(jī)頭內(nèi)的螺旋槽部分充滿奶油，大部分奶油在螺槽中被擠出機(jī)頭外，可以通過改變絞龍的旋轉(zhuǎn)速度，來實(shí)現(xiàn)對奶油擠出量的調(diào)節(jié)。旋轉(zhuǎn)絞龍式擠出可以對超高粘度的流體進(jìn)行運(yùn)輸，可以連續(xù)不斷的輸出奶油。但是奶油對溫度的要求比較高，而絞龍?jiān)谛D(zhuǎn)的過程中，不可避免地會跟奶油，筒壁發(fā)生摩擦，摩擦就會產(chǎn)生熱量，使奶油的溫度升高，容易導(dǎo)致奶油的特性發(fā)生改變；同時(shí)，這種擠出方法的拆裝比較麻煩，奶油的儲存裝置清洗比較困難。圖4-5螺旋絞龍式擠出對四種擠出方案總結(jié)，奶油的擠出方式選用通過絲杠螺母控制活塞的擠出方式作為奶油裱花的工作方式。4.3擠出裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)根據(jù)絲杠螺母的絲杠與螺母的相對運(yùn)動方式，可以分為四種類型：固定螺母、絲杠轉(zhuǎn)動并移動；絲桿進(jìn)行轉(zhuǎn)動、螺母進(jìn)行移動；螺母進(jìn)行轉(zhuǎn)動、絲桿進(jìn)行移動；固定絲桿、螺母進(jìn)行轉(zhuǎn)動并移動。為保證機(jī)構(gòu)緊湊，我們在擠壓機(jī)構(gòu)中選用了螺母進(jìn)行轉(zhuǎn)動、絲桿進(jìn)行移動的方式。其中，活塞桿是由絲杠推動的，螺母則是驅(qū)動力的輸入點(diǎn)。選用型號為61802的深溝球軸承作為連續(xù)工作的螺母的支撐軸承座。圖4-6擠出裝置示意圖在擠出奶油的時(shí)候，托盤也是在做平面水平運(yùn)動的，所以絲杠的螺距不能太大，否則會影響到模具的定位。在此，我們選用的是3mm的螺距?；钊b置一般為垂直布置?？紤]到垂直放置，重心偏高，容易發(fā)生左右擺動，當(dāng)活塞移動時(shí)，整個(gè)機(jī)械會有較大的震動，這對于蛋糕的裱花工作，十分不利。經(jīng)過認(rèn)真思索，將活塞裝置改為水平放置，不僅可以實(shí)現(xiàn)擠壓作用，還可以避免上述缺陷。最關(guān)鍵的一點(diǎn)，活塞裝置水平放置可以有效的防止奶油因?yàn)橹亓υ颍l(fā)生自流現(xiàn)象。在奶油擠出的過程中，在不考慮重力等外力的影響下，可以理想化的把奶油各個(gè)點(diǎn)的壓強(qiáng)看作是處處相等的。這樣在奶油的擠出過程中，只需要考慮及出口的位置，活塞給的壓力是否超過奶油本身的屈服應(yīng)力。這一點(diǎn)與最初的裱花機(jī)擠出裝置的設(shè)想相吻合。因?yàn)轳鸦C(jī)的基礎(chǔ)裝置需要活塞在奶油存儲裝置內(nèi)進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動，所以為了保證裝置具有良好的密封性，活塞可以在儲存裝置內(nèi)靈活運(yùn)動，所以配合方式選擇過度配合，這樣及不會產(chǎn)生太大的摩擦力，也保證了良好的密封性，確保奶油不會溢出。經(jīng)過查閱資料得知，植物奶油在擠出過程中，會因?yàn)閿D出壓強(qiáng)減小而發(fā)生脹大現(xiàn)象，所以將出口的裱花嘴的口徑縮小10%，不同的裱花嘴需要根據(jù)各自的花型進(jìn)行更精致的調(diào)整。為了使裱花機(jī)可以加工多種裱花圖案，將裱花嘴改裝成可自由拆卸的樣子，并對各個(gè)內(nèi)徑進(jìn)行細(xì)致的收縮，降低脹大現(xiàn)象對裱花作業(yè)的影響，使裱花圖案質(zhì)量更高。通常情況下，裱花機(jī)的奶油裝載量不會太大，所以要頻繁地將裝著乳脂的儲存封閉倉拆下來，然后再加入新的奶油。因此，在我們的設(shè)計(jì)中，我們已經(jīng)將這個(gè)裝料箱的可拆卸性作了充分的考慮。在料筒的前部和后部各增加一對起重突起，并通過螺栓將其與料筒的支承連接起來。在奶油裱花嘴的出口處，設(shè)計(jì)了一凸起，并與底板上的溝槽相應(yīng)。采用吊耳及凸起結(jié)構(gòu)，使其易于安裝，定位精確。在擠出裝置中，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)布局上的問題，驅(qū)動電機(jī)不能與驅(qū)動螺母作用在同一直線上，為了保證擠出裝置能夠滿足裱花要求，且結(jié)構(gòu)簡單，所以將一對傳動比為1的直齒輪副安裝在擠出裝置驅(qū)動端，這樣及滿足了裱花機(jī)結(jié)構(gòu)簡便的要求，也保證了機(jī)床裝置的控制精度。為了避免直齒輪組發(fā)生根切，齒輪的齒數(shù)不能小于17。4.3裱花機(jī)承載平臺設(shè)計(jì)4.3.1平臺材料選擇裱花平臺是裱花機(jī)的重要組成部分，它提供了一個(gè)穩(wěn)定的工作平臺，用于支撐裱花過程中的操作和移動。平臺的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮到工作區(qū)域的大小和形狀，以提供足夠的空間供操作和移動。裱花平臺的結(jié)構(gòu)應(yīng)該穩(wěn)固耐用，并能夠承受裱花機(jī)和操作人員的重量。由于裱花涉及食品處理，裱花平臺的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮到清潔和衛(wèi)生的要求。平臺表面應(yīng)易于清潔，無孔隙或凹槽，以防止食物殘?jiān)姆e聚。同時(shí)采用的材料要易于清潔，具有良好的耐腐蝕性，所以裱花平臺的材料選擇鋁合金。鋁合金具有質(zhì)量輕，強(qiáng)度高，耐腐蝕性強(qiáng)，散熱強(qiáng)的特點(diǎn)，同時(shí)鋁合金的可塑性強(qiáng)，可以通過各種加工工藝獲得想要的形狀和尺寸。4.3.2平臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)蛋糕的裱花工作通過平臺的移動來完成，因?yàn)槟逃痛鎯ρb置與擠出裝置都安裝在裱花彎臂上，這樣奶油擠出機(jī)構(gòu)的總體重量很大，如果擠出裝置安裝在運(yùn)動裝置上，會因?yàn)橘|(zhì)量過大，導(dǎo)致慣性較大，對裱花的運(yùn)動精準(zhǔn)造成影響，所以原本計(jì)劃由擠出裝置進(jìn)行的運(yùn)動改為裱花平臺進(jìn)行運(yùn)動。這樣可以保證裱花的質(zhì)量。如下圖（圖4-7）。145726314572631-電機(jī)2-聯(lián)軸器3-裱花平臺4-滾珠絲杠5-導(dǎo)軌6-導(dǎo)軌座7-軸支承座圖4-7裱花平臺結(jié)構(gòu)圖4.3.3裱花平臺平面運(yùn)動的原理以及導(dǎo)軌的安裝通過聯(lián)軸器將電機(jī)與滾珠絲杠直接連接，電機(jī)的轉(zhuǎn)動帶動滾珠絲杠，進(jìn)而帶動導(dǎo)軌上的滑塊進(jìn)行直線進(jìn)給運(yùn)動，電機(jī)的正轉(zhuǎn)與倒轉(zhuǎn)控制滑塊的前后運(yùn)動，電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制滑塊的運(yùn)動速度。X軸方向滾珠絲杠上的滑塊與Y軸方向上的導(dǎo)軌座相互固定，Y軸導(dǎo)軌座下方安裝由兩個(gè)滾珠導(dǎo)軌的滑塊平行安裝，保證導(dǎo)軌的平衡性，Y軸方向的導(dǎo)軌同安裝方法與承載平臺相連接。通過控制XY軸方向的電機(jī)，控制平臺的運(yùn)動。圖4-8導(dǎo)軌座為了保證導(dǎo)軌在往導(dǎo)軌底座上固定的時(shí)候的定位精度，導(dǎo)軌的安裝采用九個(gè)定位螺釘進(jìn)行定位。安裝過程中，應(yīng)先將全部螺釘插入后，在進(jìn)行擰緊，以防發(fā)生偏移。4.4本章小結(jié)本章對裱花機(jī)的其他部件進(jìn)行了設(shè)計(jì)研究，主要包括對裱花彎臂的強(qiáng)度校核；自動裱花機(jī)奶油擠出方式的選擇以及擠出裝置的設(shè)計(jì)；對氣壓，液壓，活塞擠壓，絞龍式擠壓進(jìn)行分析與對比，確定了活塞式擠壓為最終方案，分析擠壓時(shí)的奶油的性質(zhì)，對裱花嘴進(jìn)行優(yōu)化，保證裱花質(zhì)量。對裱花機(jī)個(gè)因素進(jìn)行分析，選擇鋁合金作為平臺的材料，確定裱花機(jī)的主要移動裝置為裱花工作臺，移動方式采用滾珠絲杠加滾動導(dǎo)軌，實(shí)現(xiàn)平面內(nèi)的往復(fù)運(yùn)動。

第5章基于AnsysWorkbench對關(guān)鍵部件的有限元分析5.1有限元概述對于一些比較復(fù)雜的問題，可以利用有限元分析來求解。把一個(gè)結(jié)構(gòu)劃分成網(wǎng)格狀，就像把一條曲線變?yōu)橐粭l直線一樣。把一個(gè)復(fù)雜的項(xiàng)目分解成若干個(gè)簡單的部分，然后每一個(gè)部分分別完成一個(gè)項(xiàng)目。一個(gè)單獨(dú)的結(jié)果，然后把它們的結(jié)果放在每一個(gè)子集上，這樣就產(chǎn)生了一個(gè)完整的解答。但是，由于該方法只能得到一個(gè)對整體結(jié)果的近似值，因此，在很多實(shí)際問題中，該方法并不能得到準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果。但是這一方法可以滿足一定的精度要求，所以這一方法已被廣泛地應(yīng)用于工程實(shí)踐。采用有限元方法，不僅能處理力學(xué)問題，還能處理實(shí)際工程中的結(jié)構(gòu)形式問題，還能處理模態(tài)分析、磨耗松弛等具有屬性特征的動力學(xué)問題，還能處理振動、材料磨損等問題。此外，還可以通過有限元方法計(jì)算材料的導(dǎo)熱和電磁特性。因此，上述部分具有廣泛的應(yīng)用組件，問題可以簡單，統(tǒng)計(jì)準(zhǔn)確性和有用性高，并且可以用于技術(shù)分析。5.2AnsysWorkbench簡介AnsysWorkbench是一款由ANSYS開發(fā)的優(yōu)化分析軟件，具有專用的SCDM處理器，可以自行建立并修改輸入的模型。工作試樣可由SCDM或3D軟件輸入。在“任務(wù)”主頁面上，你可以設(shè)定單位、背景等設(shè)定，也可以設(shè)定“單位分析”、“短期分析”等設(shè)定。工作臺有自己的資源庫，你可以從里面挑選不同的材料，比如附件、合成材料等等，沒有的也可以從外部導(dǎo)入資源。它的解析功能也很強(qiáng)，無論是對某些機(jī)械系統(tǒng)的構(gòu)造，還是對液體磁場的探測，亦或是對“Model”模塊的工作狀態(tài)進(jìn)行解析，都可以很好的進(jìn)行分析。在采樣模式中，可以定義采樣的溫度類型，規(guī)定采樣表面與采樣之間的連接類型，分離采樣連接，規(guī)定時(shí)間加載步驟，規(guī)定條件，添加完成條件。在完成原型建模后，給出了相關(guān)的計(jì)算數(shù)據(jù)、云圖和數(shù)據(jù)點(diǎn)，并用ANSYS軟件進(jìn)行了分析。仿真動畫還能在短期內(nèi)，動態(tài)地顯示解的結(jié)果。5.3AnsysWorkbench分析基本步驟對于不同的分析模塊來說，Workbench分析的基本步驟都是一樣的，只是需要設(shè)置不同創(chuàng)建幾何模型的參數(shù)。以下是基本步驟：創(chuàng)建幾何模型導(dǎo)入創(chuàng)建幾何體導(dǎo)入創(chuàng)建幾何體添加模型材料屬性添加模型材料屬性劃分網(wǎng)絡(luò)劃分網(wǎng)絡(luò)施加載荷與約束施加載荷與約束處理結(jié)果處理結(jié)果圖5-1Workbench分析基本流程5.4部分關(guān)鍵部件有限元分析對機(jī)器中的關(guān)鍵零部件進(jìn)行強(qiáng)度、剛度分析是很重要的，為滿足此項(xiàng)要求，使用Workbench的StaticStructural模塊對機(jī)器中的齒輪進(jìn)行有限元分析，通過獲取應(yīng)力、應(yīng)變云圖以及變形結(jié)果的方式進(jìn)行表達(dá)。對關(guān)鍵部件進(jìn)行Workbench的分析步驟如下：（1）使用三維繪圖軟件Solidworks對要分析的零件進(jìn)行三維建模；（2）對上述的零件的三維模型進(jìn)行通用化處理，將導(dǎo)出的格式設(shè)置為x-t，然后在Workbench中打開；（3）使用StaticStructural模塊，點(diǎn)擊Model進(jìn)入分析界面；（4）針對此三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，即做成一個(gè)一個(gè)的單元體；（5）根據(jù)零件的實(shí)際工作情況，進(jìn)行添加約束和加載；（6）準(zhǔn)備工作完成，進(jìn)行求解，進(jìn)而添加需要得出的結(jié)論；（7）得出應(yīng)力、應(yīng)變及變形云圖，針對云圖進(jìn)行驗(yàn)證性總結(jié)；完成關(guān)鍵部件的有限元分析以后，可以根據(jù)得到的云圖進(jìn)行應(yīng)變和應(yīng)力分析。5.5傳動齒輪的有限元分析5.5.1傳動齒輪的幾何模型在對關(guān)鍵部件進(jìn)行應(yīng)力分析前，對關(guān)鍵部件進(jìn)行三維建模，通過Soildworks對齒輪建立三維模型，將建好的三維模型導(dǎo)入有限元分析軟件之中。傳動齒輪的三維模型如下圖5-1：圖5-1傳動齒輪的幾何模型5.5.2傳動齒輪的網(wǎng)格劃分首先對傳動齒輪的三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，定義劃分的網(wǎng)格相關(guān)度為60，定義劃分質(zhì)量為Medium，劃分類型使用四面體網(wǎng)格劃分，劃分網(wǎng)格大小選取為4mm，劃分節(jié)點(diǎn)數(shù)為33，賦予材料40Cr，具體示意圖如下圖5-2圖5-2傳動齒輪的網(wǎng)格劃分5.5.3傳動齒輪的總變形結(jié)果最大總變形圖如下圖5-11，通過總變形分布云圖顯示，當(dāng)齒輪嚙合時(shí)，齒頂部總變形量最大，其仿真最大變形量為0.0066162mm，變形數(shù)值較小，對齒輪嚙合時(shí)影響不大。圖5-3傳動齒輪的總變形分布云圖5.5.4傳動齒輪的等效應(yīng)力結(jié)果分析根據(jù)等效應(yīng)力分布云圖顯示可知，當(dāng)齒輪嚙合時(shí)，齒根部位等效應(yīng)力最大，其數(shù)值為61.939MPa，小于40Cr的許用應(yīng)力211.1MPa，等效應(yīng)力分布云圖如下圖5-4所示，滿足設(shè)計(jì)條件。圖5-4傳動齒輪的等效應(yīng)力分布云圖5.6導(dǎo)軌座的的有限元分析5.6.1導(dǎo)軌座的幾何模型在對關(guān)鍵部件進(jìn)行應(yīng)力分析前，對關(guān)鍵部件進(jìn)行三維建模，通過Soildworks對導(dǎo)軌座進(jìn)行三維建模，將建好的導(dǎo)軌座的三維模型導(dǎo)入有限元分析軟件之中。導(dǎo)軌座的三維模型如下圖5-5：圖5-5導(dǎo)軌座的幾何模型5.6.2導(dǎo)軌座的的網(wǎng)格劃分進(jìn)行網(wǎng)格劃分，首先定義網(wǎng)格相關(guān)度為60，定義劃分質(zhì)量為Medium，采用四面體網(wǎng)格劃分方法，定義網(wǎng)格大小為4mm，劃分節(jié)點(diǎn)數(shù)為11665，賦予材料40Cr，具體示意圖如下圖5-6：圖5-6導(dǎo)軌座的網(wǎng)格劃分5.6.3導(dǎo)軌座的總變形結(jié)果、通過總變形分布云圖顯示，對導(dǎo)軌座的兩端施加約束，限制導(dǎo)軌座的六個(gè)自由度，在導(dǎo)軌面上施加壓力，總變形圖如下圖5-7，其仿真結(jié)果顯示，最大變形量為0.011962mm，對導(dǎo)軌工作的影響較小。圖5-7導(dǎo)軌座的總變形云圖5.6.4導(dǎo)軌座的等效應(yīng)力結(jié)果分析根據(jù)等效應(yīng)力分布云圖顯示可知，當(dāng)導(dǎo)軌在導(dǎo)軌座上運(yùn)動時(shí)，其最大等效應(yīng)力發(fā)生在導(dǎo)軌接觸面上產(chǎn)生應(yīng)力集中，等效應(yīng)力分布云圖如下圖5-8所示，其數(shù)值為74.708MPa，小于40Cr的許用應(yīng)力211.1MPa，滿足設(shè)計(jì)條件。圖5-8導(dǎo)軌座的等效應(yīng)力圖5.7X軸滾珠絲杠的有限元分析5.7.1X軸滾珠絲杠的幾何模型在對關(guān)鍵部件進(jìn)行應(yīng)力分析前，對關(guān)鍵部件進(jìn)行三維建模，通過Soildworks建立滾珠絲杠