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1 概述
1.1 設(shè)計的目的和意義
隨著社會經(jīng)濟和辦公設(shè)備的發(fā)展，多功能自動打孔機在國外先進國際得到越來越廣泛的應用，逐步會進入國內(nèi)市場，而且用戶對多功能自動打孔機的性能不斷提出新的要求。打孔的厚度是1-50張紙，產(chǎn)品輕便耐用，適合政府、學校、印刷、銀行、圖文店等使用等。
本設(shè)計依據(jù)國外市場上已有的多功能自動打孔機的種類和外形尺寸，結(jié)合國內(nèi)外已經(jīng)投入使用且用戶反映好的多功能自動打孔機結(jié)構(gòu)，查閱國內(nèi)外的多功能自動打孔機的相關(guān)資料，分析多功能自動打孔機的打孔機理和運動，進行多功能自動打孔機的結(jié)構(gòu)方案論證分析，確定設(shè)計方案，設(shè)計多功能自動打孔機的結(jié)構(gòu)參數(shù)、驅(qū)動系統(tǒng)及鉆孔刀具。主要內(nèi)容包括：多功能自動打孔機的計算與選擇，傳動系統(tǒng)的減速比計算選擇，傳動結(jié)構(gòu)的設(shè)計和計算，軸的強度和剛度校核，以及其他動力輔件的計算、選擇以及校核等。
本設(shè)計要求多功能自動打孔機的結(jié)構(gòu)緊湊合理、外形簡潔美觀、安裝調(diào)試方便、自動化程度高。
打孔機在現(xiàn)代社會有著較為廣泛的應用，其用途可分為辦公用途打孔機，工業(yè)生產(chǎn)打孔機。目前辦公用途的打孔機一般是手動方式進行打孔的，在空白紙張側(cè)邊進行打孔，通?？拙嗍枪潭ú蛔兊?，孔徑也是固定不變的，最后使用專門的裝訂夾把已經(jīng)打好孔的紙張進行裝訂。很顯然這種傳統(tǒng)的打孔方式已經(jīng)不能在適應工業(yè)發(fā)展的腳步，在現(xiàn)代自動化程度迅速發(fā)展的時代，打孔機也要跟上自動化進步的步伐。該款全自動打孔機具備將強的實用性，自動化程度性對于傳統(tǒng)的打孔機有所提高，該自動打孔機具有圍觀小巧，使用方便，自動化較強，并設(shè)計有定位標尺，可調(diào)節(jié)打孔間距等優(yōu)化設(shè)計
1.2 市場現(xiàn)有的打孔機存在的問題和改進方案
1.2.1 存在的問題
經(jīng)過查閱資料和實踐調(diào)研發(fā)現(xiàn)，市場現(xiàn)有打孔機基本屬于專用打孔機，不能適應小批量，多任務的生產(chǎn)工作。缺點如下：
（1）孔距，孔數(shù)固定不變；
（2）所打印的紙張定位裝置不完善；
（3）打制的孔不滿足精度要求，有裂痕和毛刺；
（4）打孔是噪音較大；
1.2.2 改進方案
針對以上普遍才在的問題，在本設(shè)計中對現(xiàn)有的打孔機進行了設(shè)計改進。
（1）改變打孔間距和孔距，提高打孔機的適應性；
（2）改進定位裝置
（3）選用精度較高的刀具
（4）減小機構(gòu)之間的摩擦和沖擊，降低噪音，提高打孔機的工作壽命；
1.3 內(nèi)容及要求
1.3.1 內(nèi)容
（1）打孔機的整體設(shè)計；
（2）打孔機的結(jié)構(gòu)設(shè)計；
（3）傳動系統(tǒng)的設(shè)計；
（4）動力系統(tǒng)的設(shè)計；
（5）凸輪的設(shè)計；
（6）軸承的計算選擇；；
（7）基座的設(shè)計；
1.3.2 技術(shù)要求
根據(jù)課題要求本設(shè)計的技術(shù)要求如下：
（1）加工紙張的參數(shù)：紙張厚度0-10毫米；紙張的加工長度300毫米；打孔數(shù)量12；可打孔直徑：6毫米；孔距：20毫米；
（2）要求打好的孔邊緣光滑，無位移，毛邊和裂紋；
（3）工作壽命長，方便操作和維護；
（4）實用性強，性價比高；
1.4 設(shè)計思路
1.4.1 課題要求
打孔針對A4紙，打孔直徑6毫米，孔間距20毫米，最多可一次性給50張A4紙打孔。
采取設(shè)計步驟：
（1）打孔部分。設(shè)計打孔刀具和與刀具形成剪切作用的孔；
（2）動力系統(tǒng)個傳動系統(tǒng)的設(shè)計。包括點擊的選擇計算，凸輪的設(shè)計計算；
（3）軸承的選擇計算；
（4）機體機架的設(shè)計；
（5）各種標準件的設(shè)計；
1.4.2 總體設(shè)計方案
經(jīng)過對現(xiàn)有打孔機的比較和研究，制定了全自動打孔機的總體設(shè)計方案。
打孔機的重要工作部分是打孔裝置，根據(jù)實驗我們采用了刀具和底板孔相互配合進行打孔的打孔方式。工作方式是先底板固定不動，刀具早傳動系統(tǒng)和凸輪的作用下上下移動來實現(xiàn)打孔動作。電機旋轉(zhuǎn)通過軸帶動凸輪周期旋轉(zhuǎn)從而帶動刀具向下運動與底板孔配合，高效的進行打孔。
技術(shù)參數(shù):
（1）加工的紙張為A4尺寸;
（2）加工孔的間距為20mm;
（3）孔的直徑為6mm，啟動電機一次性完成打孔；
（4）加工精度：±0.5mm;
2 打孔裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計
2.1 刀具的設(shè)計
如圖所示，代表a，b，c三種不同型號的刀具，三種刀具的上端螺紋相同，設(shè)計成螺紋的的原因是，這樣可以實現(xiàn)快速的更換刀具的需求。三種不同的刀具可以打制三種不同孔徑的孔，方便靈活，實用性強。刀具材料使用硬度較高的白刃剛打造，具備較好的耐磨性，使用壽命長。
圖3.1.1刀具
2.2 刀柄的設(shè)計
柄是用于和刀具鏈接的，其上端安裝的有輪子，輪子和凸輪接觸，這樣可以承受較大的壓力。其下端有螺紋孔，用于安裝刀具。刀柄使用45號剛，價格低廉且強度滿足要求。刀柄如圖所示
圖3.1.2 刀柄
2.3 刀具與底板孔間隙
刀具與底板孔有適當?shù)拈g隙，這樣才能將由刀具減掉的紙屑漏到下面的盒子里而不會造成堵塞的現(xiàn)象。間隙取值范圍為0.05-0.08毫米。刀具的尺寸制作成紙張孔徑的要求尺寸，而地板孔則增加間隙值。
2.4 底板的設(shè)計
為了保證刀具和地板孔的配合精度，將地板孔設(shè)計在底板上，形成一個整體。為了降低下底板的重心，保證穩(wěn)定性，特意加重下底座的重量，由于下底板承受一般的負荷，選用材料HT250。
2.5 刀具和底座相關(guān)零件的配合
刀具和下底座的配合。由于打孔時刀具是制造成紙張孔徑的要求尺寸，所以刀具和孔的配合要選用基軸制。刀具到頭的部分選用公差級別IT6級。刀具部分的直徑為6毫米，由常用和優(yōu)選用軸的偏差表，可查表的刀具部分的直徑。
2.6 上支撐板的設(shè)計
上支撐板是起支撐作用的，它是與彈簧直接接觸的，彈簧在他的支撐作用下將刀具復位，與此同時，上支撐板上的孔還起導向作用，上支撐板與刀桿配合保證刀具能垂直紙張打孔，為保證打孔的質(zhì)量做支撐，是承受下行打孔力的只要部件，根據(jù)上支撐板不能承受太大的負荷的情況，選用材料HT250.同事為了減輕重量，盡量減小上支撐板的厚度，在其上部設(shè)置加強筋。
3 傳動部分的設(shè)計
3.1 傳動方案的設(shè)計
根據(jù)打孔機運動速度低，工作效率小的特點，在傳動方案中，電動機通過聯(lián)軸器與凸輪軸相連接并帶動凸輪軸轉(zhuǎn)動。凸輪軸的旋轉(zhuǎn)帶動凸輪的周期性轉(zhuǎn)動，凸輪又與刀柄接觸，刀柄帶動刀桿在上支撐板的導向作用下進行準確的打孔，完成整個打孔動作。
3.2 凸輪的設(shè)計
3.2.1 概述
凸輪機構(gòu)是由具有曲線輪廓或凹槽的構(gòu)件，通過高副接觸帶動從動件實現(xiàn)預期運動規(guī)律的一種高副機構(gòu)。雖然凸輪機構(gòu)的應用受到一定的限制，但還是被廣泛應用于各種機械中，特別是自動機械，裝配生產(chǎn)線中的自動控制裝置中。凸輪機構(gòu)在應用中的基本特點在于能使從動件獲得較復雜的運動規(guī)律。因為從動件的運動規(guī)律取決于凸輪輪廓曲線，所以在應用時，只要根據(jù)從動件的運動規(guī)律來設(shè)計凸輪的輪廓曲線就可以了。 凸輪機構(gòu)廣泛應用于各種自動機械、儀器和操縱控制裝置。凸輪機構(gòu)之所以得到如此廣泛的應用，主要是由于凸輪機構(gòu)可以實現(xiàn)各種復雜的運動要求，而且結(jié)構(gòu)簡單、緊湊。
凸輪結(jié)構(gòu)的特點：
1、只需改變凸輪廓線，就可以得到復雜的運動規(guī)律；
2、設(shè)計方法簡便；
3、構(gòu)件少、結(jié)構(gòu)緊湊；
4、與其它機構(gòu)組合可以得到很復雜的運動規(guī)律；
5、凸輪機構(gòu)不宜傳遞很大的動力；
6、從動件的行程不宜過大；
7、 特殊的凸輪廓線有時加工困難；
設(shè)計機械時，當需要其從動件必須準確地實現(xiàn)某種預期的運動規(guī)律時，常采用凸輪機構(gòu)。當凸輪運動時，通過其上的曲線輪廓與從動件的高副接觸，可使從動件獲得預期的運動。凸輪機構(gòu)是由凸輪、從動件和機架這三個基本構(gòu)件所組成的一種高副機構(gòu)。原理：由凸輪的回轉(zhuǎn)運動或往復運動推動從動件作規(guī)定往復移動或擺動的機構(gòu)。凸輪具有曲線輪廓或凹槽，有盤形凸輪、圓柱凸輪和移動凸輪等，其中圓柱凸輪的凹槽曲線是空間曲線，因而屬于空間凸輪。從動件與凸輪作點接觸或線接觸，有滾子從動件、平底從動件和尖端從動件等。尖端從動件能與任意復雜的凸輪輪廓保持接觸，可實現(xiàn)任意運動，但尖端容易磨損，適用于傳力較小的低速機構(gòu)中。為了使從動件與凸輪始終保持接觸，可采用彈 簧或施加重力。具有凹槽的凸輪可使從動件傳遞確定的運動，為確動凸輪的一種。一般情況下凸輪是主動的，但也有從動或固定的凸輪。多數(shù)凸輪是單自由度的，但也有雙自由度的劈錐凸輪。凸輪機構(gòu)結(jié)構(gòu)緊湊，最適用于要求從動件作間歇運動的場合。它與液壓和氣動的類似機構(gòu)比較，運動可靠，因此在自動機床內(nèi)燃機印刷機和紡織機中得到廣泛應用。但凸輪機構(gòu)易磨損，有噪聲，高速凸輪的設(shè)計比較復雜，制造要求較高。
3.2.2 基圓以及方程的計算
設(shè)：凸輪順時針轉(zhuǎn)動
根據(jù)數(shù)據(jù)確定基圓位置，基圓半徑rb= 20 mm
根據(jù)數(shù)據(jù)劃分各階段：
正弦加速度運動規(guī)律，推程的運動方程：
(3.2.2.1)
(3.2.2.2)
(3.2.2.3)
等加速度回程的運動方程：
( 3.2.2.4)
(3.2.2.5)
( 3.2.2.6)
等減速度回程的運動方程：
( 3.2.2.7)
( 3.2.2.8)
( 3.2.2.9)
設(shè)δ=15 o *n(n=1,2,3…) h=25mm
經(jīng)過計算、整理得數(shù)據(jù):
表3.2.2
推程
遠休止
δ（度數(shù)）
0
15
30
45
60
75
90
105
120
135
150
165
180
15
30
S(毫米)
0
1.5
2.3
5.6
8.7
11.2
14.6
17.1
19.5
21.9
23.2
24.7
25.1
15.3
25.3
回程
近休止
δ（度數(shù)）
15
30
45
60
75
90
105
120
15
30
S（毫米）
25.3
23.1
18.6
13.1
8.2
4.6
1.2
0.2
0
0
3.2.3 繪制推桿的位移圖線
用圖解法設(shè)計此盤形凸輪機構(gòu)，并將凸輪輪廓及從動件的位移曲線繪制出來。
圖4.2.3 刀具位移圖
3.2.4 用反轉(zhuǎn)法設(shè)計圖輪廓線
在各等分線的段點上作為圓心，繪制系列滾子圓，如下所示：
圖4.2.4
根據(jù)上述的參數(shù)，繪制一系列滾子圓及凸輪的理論廓線，如圖：
圖4.2.4
再通過上面一系列的滾子圓，繪制凸輪的工作廓線，如圖：
圖4.2.4
3.2.5 壓力角是否滿足許用壓力角的要求
圖4.2.5
沿凸輪廓線在接觸點的法線方向與推桿之間所夾的銳角,所以αmax=4.12 o.
推程時，許用壓力角[α]的值一般為：對直動推桿取[α]=30 o。
所以該凸輪的壓力角滿足許用壓力角的要求
公式：
(3.2.5)
圖3.2.5 凸輪
4. 聯(lián)軸器的設(shè)計
4.1 動力機的機械特性
動力機到工作機之間，通過一個或者幾個不同形式，規(guī)格的連軸將主，從動件鏈接起來，形成軸系傳動系統(tǒng)，。在機械性傳動中，由于動力機工作原理和機構(gòu)的不同，起機械特性特別差大，有的運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，有的運轉(zhuǎn)時有沖擊，對傳動系統(tǒng)造成不等的影響。動力機的機械特性對整個傳動系統(tǒng)有一定的影響，不同類型的動力機，由于其機械特性的不同，應該選取相應的動力機系數(shù)，選擇適合于改系統(tǒng)的最佳聯(lián)軸器。動力機的選擇是選擇聯(lián)軸器的基本因素，動力機的功率是確定聯(lián)軸器規(guī)格大小的只要依據(jù)之一，與聯(lián)軸器轉(zhuǎn)軸成正比。
4.2 載荷類別
由于結(jié)構(gòu)和材料的不同，用于各個機械產(chǎn)品機械傳動系統(tǒng)的聯(lián)軸器，其載荷能力差別很大，載荷的類別主要是針對工作機的工作載荷沖擊，震動，正反轉(zhuǎn)，制動，頻繁啟動等原因而形成不同類別的載荷。傳動系統(tǒng)的載荷類別是選擇聯(lián)軸器品牌的基本依據(jù)。沖擊，震動，和轉(zhuǎn)矩變化較大的工作載荷，應選擇具有彈性元件的撓性聯(lián)軸器，以緩沖，減震，補償軸線偏移，改善傳動系統(tǒng)的工作性能，啟動頻繁，轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)，制動時的轉(zhuǎn)矩是正常平穩(wěn)工作的時工作轉(zhuǎn)矩的數(shù)倍，低速工作應避免選用中小功率的聯(lián)軸器。
4.3 許用轉(zhuǎn)速
聯(lián)軸器許用轉(zhuǎn)速是根據(jù)聯(lián)軸器不同材料的允許線速度和最大外延尺寸，經(jīng)過計算而確定的。不同材料和品種，規(guī)格的聯(lián)軸器許用轉(zhuǎn)速的范圍不同，改變聯(lián)軸器的材料可提高聯(lián)軸器的許用轉(zhuǎn)速范圍，材料為鋼的許用轉(zhuǎn)速大于材料為鐵的許用轉(zhuǎn)速。用于N>5000R/MIN工作狀況的聯(lián)軸器，應考慮聯(lián)軸器的外延離心和彈性元件變形的影響因素。并應動作平衡，高速時不應選用金屬型的彈性元件，應該選用高精度的撓性聯(lián)軸器。
4.4 聯(lián)軸器所聯(lián)兩軸相對位移
聯(lián)軸器由于所連接的兩根軸的制造誤差，裝配誤差，安裝差，承受載荷而產(chǎn)生變形，基座變形，軸承受損，溫度變化，部件之間的相對運動等多種因素產(chǎn)生的相對位移。一般情況下，連軸相對位移是難以避免的，但不同工作條件下，中大量選擇撓性聯(lián)軸器。剛性聯(lián)軸器不具備補償性能，應用范圍受到限制，因此用量很少。角向（α）唯一較大的軸系傳動宜選用萬向聯(lián)軸器，有軸向竄動，并需控制軸向位移的軸系傳動，應選用膜片聯(lián)軸器；只有對中精度很高的情況下選用剛性聯(lián)軸器，但不同工況條件下的軸系傳動所產(chǎn)生的位移方向，即軸向（?x?）、徑向（?y?）、角向（α）以及位移量的大小有所不同。只有撓性聯(lián)軸器才具有補償兩軸相對位移的性能，因此在實際應用 。
4.5 轉(zhuǎn)矩
轉(zhuǎn)矩和以傳遞運動為主的軸系傳動，要求聯(lián)軸器具有較高的傳動精度，宜選用金屬彈性元件的撓性聯(lián)軸器。大轉(zhuǎn)矩個傳遞動力的軸系傳動，對傳動精度亦有要求，高轉(zhuǎn)速時，應避免選用非金屬彈性元件彈性聯(lián)軸器和可動元件之間有間隙的撓性；聯(lián)軸器，宜選用傳動精度高的膜片聯(lián)軸器。
圖5.5 聯(lián)軸器
5 步進電機的選擇
5.1 概述
步進電機是一種能將數(shù)字輸入脈沖轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)或直線增量運動的電磁執(zhí)行元件。每輸入一個脈沖電機轉(zhuǎn)軸步進一個步距角增量。電機總的回轉(zhuǎn)角與輸入脈沖數(shù)成正比例，相應的轉(zhuǎn)速取決于輸入脈沖頻率。步進電機是機電一體化產(chǎn)品中關(guān)鍵部件之一，通常被用作定位控制和定速控制。步進電機慣量低、定位精度高、無累積誤差、控制簡單等特點。廣泛應用于機電一體化產(chǎn)品中，如：數(shù)控機床、包裝機械、計算機外圍設(shè)備、復印機、傳真機等 。
選擇步進電機時，首先要保證步進電機的輸出功率大于負載所需的功率。而在選用功率步進電機時，首先要計算機械系統(tǒng)的負載轉(zhuǎn)矩，電機的矩頻特性能滿足機械負載并有一定的余量保證其運行可靠。在實際工作過程中，各種頻率下的負載力矩必須在矩頻特性曲線的范圍內(nèi)。一般地說最大靜力矩Mjmax大的電機，負載力矩大。
選擇步進電機時，應使步距角和機械系統(tǒng)匹配，這樣可以得到機床所需的脈沖當量。在機械傳動過程中為了使得有更小的脈沖當量，一是可以改變絲桿的導程，二是可以通過步進電機的細分驅(qū)動來完成。但細分只能改變其分辨率，不改變其精度。精度是由電機的固有特性所決定。
步進電機有步距角（涉及到相數(shù)）、靜轉(zhuǎn)矩、及電流三大要素組成。一旦三大要素確定，步進電機的型號便確定下來了。
（1）步距角的選擇?
電機的步距角取決于負載精度的要求，將負載的最小分辨率（當量）換算到電機軸上，每個當量電機應走多少角度（包括減速）。電機的步距角應等于或小于此角度。目前市場上步進電機的步距角一般有0.36度/0.72度（五相電機）、0.9度/1.8度（二、四相電機）、1.5度/3度 （三相電機）等。
（2）靜力矩的選擇
步進電機的動態(tài)力矩一下子很難確定，我們往往先確定電機的靜力矩。靜力矩選擇的依據(jù)是電機工作的負載，而負載可分為慣性負載和摩擦負載二種。單一的慣性負載和單一的摩擦負載是不存在的。直接起動時（一般由低速）時二種負載均要考慮，加速起動時主要考慮慣性負載，恒速運行進只要考慮摩擦負載。一般情況下，靜力矩應為摩擦負載的2-3倍內(nèi)好，靜力矩一旦選定，電機的機座及長度便能確定下來（幾何尺寸）
（3）電流的選擇?
靜力矩一樣的電機，由于電流參數(shù)不同，其運行特性差別很大，可依據(jù)矩頻特性曲線圖，判斷電機的電流（參考驅(qū)動電源、及驅(qū)動電壓）?
綜上所述選擇電機一般應遵循以下步驟：
圖5.1
5.2 轉(zhuǎn)矩
經(jīng)過多次試驗得出刀具打孔50張A4紙所需的正壓力為500N，凸輪每旋轉(zhuǎn)一次打三個孔，所以每次打孔的正壓力為1500N。
M=FN’（L+r）sin
FN:滾子對凸輪的反作用力
L:凸輪中心到滾子邊沿的距離
:壓力角
r:滾子的半徑
求得M=3N/m
5.3 轉(zhuǎn)動慣量
轉(zhuǎn)動慣量有兩部分，分別是凸輪軸的轉(zhuǎn)動慣量和凸輪的轉(zhuǎn)動慣量。
(1)凸輪軸的轉(zhuǎn)動慣量
公式：
(5.3.1)
m:凸輪軸的質(zhì)量
r:凸輪軸的半徑
求得JZ1=482 g.cm2
(2) 凸輪的轉(zhuǎn)動慣性
在這里將凸輪看做臀圓形的薄板，公式為：
(5.3.2)
m:凸輪的質(zhì)量
a：橢圓長半軸
b：橢圓短半軸
求得JZ2=493 g.cm2
(5.3.3)
5.4 步距角
根據(jù)打孔機的工作選擇步距角為1.8。
5.5 確定電機型號
通過計算確定選擇FL86BYG92型號的步進電機。具體參數(shù)如圖：
圖6.5
6 結(jié)論
（1）設(shè)計的打孔機通過了改進和完善，滿足了所需要的技術(shù)要求；
（2）沖孔裝置刀具的更換，適應不同直徑圓孔的需求；
（3）設(shè)計上底板辦證沖孔裝置的穩(wěn)定；
（4）工作臺的改進，增加了定位板，保證了對紙張沖孔是的準確定位；
（5）打孔機采用型鋼制造，降低了生產(chǎn)成本，方便大批量生產(chǎn)；