毕业设计（说明书）
题目名称：大直径辊筒双头镗孔专机
承载装置及自定心装置的设计
摘要
本论文是关于大直径辊筒双头镗孔专机承载装置和自定心装置的设计说明。首先，本文简要概述了课题的选题背景及发展现状，对双头镗孔专机的加工对象锡林辊筒及道夫辊筒进行了结构和加工工艺的分析。其次，根据承载装置和自定心装置的性能要求进行了方案的拟定并在方案对比分析的基础上确定出了相对合理的方案。承载装置对锡林辊筒与道夫辊筒的定位采用类似V形面的定位方式，驱动方式为减速电动机齿轮传动。自定心装置采用带双矩形导轨的可移动箱体实现三个旋转轴的同时进给，采用液压缸驱动六杆机构运动进而实现自定心装置的三个旋转轴同步转动。同时，对方案中用到的电动机、液压缸、扭杆弹簧进行了计算选择及连杆机构的运动确定性的验证。最后，校核了承载装置中驱动轴的强度及轴承的寿命，并在结论中总结了本设计的优点和创新点，对方案中存在的问题进行了分析并提出了改进方向。
关键词：承载装置 自定心装置 六杆机构
Abstract
This thesis is a piece of explanation of design that about the bearing and self-centering device of the specialized and two-headed boring machine to process the big diameter roller.
Firstly, these papers briefly summarize the background and development present situation of the topic. It also analyze the structure and processing manufacturability of cylinder and doffer rollers which was processed by specialized and two-headed boring machine.
Secondly, according to the performance requirement of the bearing and self-centering device to make the project block in, then on the basis of the project analysis make out a relatively reasonable project. The cylinder and doffer rollers are located by the V-shaped surface and the drive mode is reducer motors gear transmission. Self-centering device adopt the removable tank body with double rectangular guide rail to realize three axis remove in the meantime. It also adopts hydraulic cylinder driving mechanism drive linkage mechanism to realize the three axes rotate meanwhile. At the same time, makes a calculation and choice to the motor and hydraulic cylinder used in the project.
Finally, checks the strength of drive shaft and bearing life of bearing device, summarizes this designing project’s advantage and innovations, analyzes the problems in the project and put up with improving direction.
Key words: bearing device self-centering device six-connecting rod mechanism
目录
引言 1
1 课题介绍 2
1.1 课题名称 2
1.2 课题概述 2
1.3 课题背景及发展现状 2
2 零件的结构和加工工艺分析 4
2.1 辊筒的加工工艺要求 5
2.2 辊筒的加工工艺流程 5
2.3 零件的工艺分析 5
3 方案拟定 6
3.1 承载装置及自定心装置的设计要求 6
3.1.1 承载装置的设计要求 6
3.1.2 自定心装置的设计要求 7
3.2 课题可行性分析 7
3.3 方案的设计与对比分析 8
3.3.1 承载装置方案设计 8
3.3.2 承载装置方案的对比分析 12
3.3.3 自定心装置方案设计 13
3.3.4 自定心装置方案的对比分析 17
3.4 方案的选择确定 18
4 理论计算及关键零部件的校核 18
4.1 理论计算 18
4.1.1 电动机的选择 18
4.1.2 液压缸的选择 19
4.1.3 连杆机构的计算 22
4.1.4 自定心装置中扭杆弹簧的计算 23
4.2 关键零部件的校核 25
4.2.1 承载装置驱动轴的校核 25
4.2.2 键联接的选择与校核 28
4.2.3 轴承的校核 28
结论 30
参考文献 31
致谢 32
附录 33
引言
随着梳棉机在纺织工业中更加广泛地使用，使得梳棉机的主关件锡林辊筒与道夫辊筒的生产加工成为批量生产。然而对于大直径锡林辊筒与道夫辊筒的镗孔加工在普通镗床上加工不能保证镗孔精度，而且加工生产劳动强度大，孔的加工精度不高，而在现代化的加工中心镗孔则会大大提高生产成本，且不利于现代化机械的合理利用。现知梳棉机的生产纲领为3500台/年，则锡林辊筒和道夫辊筒的生产属于批量生产，这就需要专门的镗床专机进行加工即节约成本、降低劳动强度，也保证孔的同轴度和表面粗糙度，而为了保证与回转轴配合的孔的同轴度就需要对辊筒双头同时镗孔。目前纺织机械行业镗锡林道夫辊筒孔所用专机为镗锡林、道夫专机B-SPM。
本课题的设计主要包括大直径辊筒双头镗孔专机的承载装置和自定心装置的设计，在深入理解课题的基础上对两部分装置分别进行了方案的对比分析，并确定出相对较合理的方案。在各方案实现功能的基础上对两部分装置的方案均有创新，承载装置中采用齿轮减速电动机传动，提高自动化程度；在自定心装置中有扭杆弹簧结构设计和整体带动部分构件运动的结构设计，这增加机构运动的同步性。本篇设计说明在结论中对方案中出现的问题都做了分析，同时也给出了问题的改进方向。
1 课题介绍
1.1 课题名称
本课题名称为大直径辊筒双头镗孔专机承载装置及自定心装置的设计
1.2 课题概述
本课题为大直径辊筒双头镗孔专机承载装置及自定心装置的设计，主要的任务是：
(1)根据给定的道夫辊筒零件图对零件进行工艺分析；
(2)根据加工工艺的参数对两部分装置进行结构的设计；
(3)通过对所设计的方案进行对比分析来确定最佳的方案；
(4)对设计的参数进行计算和校核。
对两部分装置的概述：
大直径辊筒双头镗孔专机主要用于对梳棉机产品中的主关件—锡林辊筒和道夫辊筒的加工，加工主要内容为对两辊筒的中心孔进行双头镗削。该双头镗孔专机的两部分主要装置则为承载装置和自定心装置，承载装置的主要作用为：1.该装置可利于大直径辊筒的装卸而且减小机床床身的体积；2.该装置主要用于加工零件时的承载作用，承载装置上的V形定位装置对辊筒起定位作用。自定心装置的作用为：对于双头镗孔专机，为保证镗孔的精度和辊筒两端孔的同轴度就必须保证在加工时辊筒的中心轴线与镗床专机主轴的轴线共线，而自定心装置的原理类似于车床的三爪卡盘的自定心原理，可使辊筒在被夹紧情况自动定心以保证镗孔精度。
本课题的设计要求为在对毕业设计课题熟悉的基础上通过查阅资料、引擎搜索和对相关制造部门的参观学习进行方案的拟定，独立地进行方案的设计和确定并能够做到结构设计的创新，最后进行设计参数的计算和主要零部件的校核。
1.3 课题背景及发展现状
锡林辊筒和道夫辊筒是纺织行业典型机械产品梳棉机的主要零部件，此两种辊筒的主要作用如下：
(1)梳棉机上锡林辊筒的作用
锡林是梳棉机的主要机件，锡林由滚筒和梳理齿条组成，FA201型梳棉机滚筒直径为1284mm,包覆齿条后的工作直径为1290mm.，其作用是将刺辊初步梳理过的纤维转移并带入锡林、盖板工作区，作进一步细致的梳理、伸直和均匀混和，并将纤维转移给道夫。
(2)梳棉机上道夫辊筒的作用
道夫滚筒的结构与锡林相似。FA201型梳棉机的道夫滚筒直径为698mm,工作直径为706mm，道夫的作用是将锡林表面的纤维凝聚成纤维层，并在凝聚过程中，对纤维具有梳理和均匀混和作用，由于道夫直径较小，因而对其动平衡、包卷针后滚筒的变形及轴与轴承的要求都比对锡林的要求低。
(3)课题背景及现状
锡林、道夫辊筒的特殊性在于是用卷板机把钢板卷成圆筒并整体焊接起来的，用于梳棉机上的大直径锡林、道夫辊筒外圆要有很高的表面光洁度，辊筒的轴线与外圆要有高的同轴度，这就对辊筒的镗孔工序有很高的要求，而在一般的镗床上加工直径分别为1280mm和692mm的锡林辊筒和道夫辊筒不论是承载还是装夹都比较困难，对于生产批量很大(每年各3000件)的辊筒用现代化的加工中心则经济性和效益性较差，那么对于专门加工两种大直径辊筒的双头镗孔专机的需求也就显得格外必要。
就镗床专机来说，目前国内生产镗床专机的厂家很多，而且镗床专机类型也较多，但由于梳棉机上锡林辊筒和道夫辊筒直径较大这一特性，则相应地镗大直径辊筒的专机也有其特殊性，目前该类型专机只在纺织机械行业中使用的较多，如目前纺织机械行业用的镗锡林、道夫专机B-SPM。
下面对该专机与普通的机床作一对比分析：存大的两大不同之处为：(1)普通镗床专机的承载装置(镗床的工作台)和镗床的床身通常都是一体的，这是由加工零件尺寸的大小决定的，而镗锡林、道夫专机B-SPM的承载装置是和专机的床身独立的，该承载装置可以在固定的轨道上移动，这有利于大直径辊筒的装卸。(2)普通镗床专机的自定心装置即自定心夹紧机构的结构比较紧凑，夹紧行程小，定位精度高，对于小尺寸工件的自定心装置的设计来说比较容易实现；而对于镗锡林、道夫专机B-SPM的自定心装置就比较复杂，不但要满足能够加工锡林和道夫两不同直径的辊筒，而且定位夹紧件在空间距离较大。
2 零件的结构和加工工艺分析
图2-1，图2-2分别为梳棉机的主关件道夫辊筒、锡林辊筒的零件图，该类型零件主要由腹板、道夫筒体和道夫堵头结合件焊接而成的。
2.1 辊筒的加工工艺要求
(1)辊筒应具有足够的刚性，确保在重载作用下，弯曲变形不超过许用值。(2)辊筒表面应有足够的硬度，一般要求达到HRC以上，具有较强的耐腐蚀能力。镀层具有抗剥落能力，确保辊筒工作表面具有较好的耐磨性及耐腐蚀性。(3)辊筒工作表面应精细加工，以保证尺寸精度和表面粗糙度。粗糙度应在0.16以上，不能有气孔或沟纹。辊筒工作表面的壁厚要均匀，否则会使辊面温度不均匀，影响制品质量。(4)辊筒的材料应具有良好的导热性，通常采用冷硬铸铁，特殊情况采用铸钢或钼铬合金钢，无论是加热还是冷却，均能达到快速均匀。
() 因锡林与道夫辊筒直径较大，表面速度较高，所以，对辊筒的圆整度、辊筒与轴的同心度以及锡林滚筒的动平衡等要求较高。
(6) 为减小辊筒包卷齿条后的变形程度，FA201型梳棉机将锡林滚筒筒壁厚度加厚至125mm，筒体内壁有加高加宽的梯形筋以增加筒体的刚性。
(7) 锡林辊筒轴与两端堵头用螺栓夹紧结构，以提高锡林的安装精度。
2.2 辊筒的加工工艺流程
锡林钢板焊接结构或铸铁滚筒滚筒两端用堵头和裂口轴套将滚筒与轴连接在一起mm厚的钢板在卷板机上卷出圆筒的形状并焊接为圆筒，保证辊筒壁厚均匀→在圆筒内壁焊接梯形筋→将辊筒进行时效处理以减少残余应力→在辊筒的两端分别安装内嵌有裂口锥套的堵头→在辊筒两端分别固定一个盖板→在大直径辊筒双头镗孔专机(镗锡林、道夫专机B-SPM)上镗辊筒上与轴配合的内孔，并保证孔的同心度→在磨锡林、道夫专机C-SPM上磨辊筒的外圆，并保证辊筒外圆的光洁度、圆整度。
2.3 零件的工艺分析
与本设计课题相关的加工工序为在大直径辊筒双头镗孔专机上半精镗和精镗辊筒上与轴配合的内孔，该工序的上道工序为焊接时效处理后的堵头安装，下道工序为在磨锡林、道夫专机上磨辊筒的外圆并保证光洁度和圆整度。按照生产纲领给定的每年生产3000台梳棉机，则分别需要加工3000件锡林辊筒和3000件道夫辊筒，查机械制造技术中表14-3(生产类型的规范)可知中型机械的生产纲领为3000件/年的为大批生产。
若在普通的镗床上进行加工，当一端镗孔完成后进行调头会影响两孔的同轴度，镗孔的精度较低，而且也会大大增加加工的辅助时间，从而影响生产率增加。若在现代化的加工中心进行镗孔，虽然自动化提高但是大批量的零件会使加工中心得不到充分的使用而大大提高加工成本。综上分析，为使本道工序的生产率提高需要生产专门的机床进行大批量的加工锡林与道夫辊筒。
其它工序的工艺分析：
(1)在辊筒两端分别安装有裂口锥套的堵头：采用这种锥套连接的目的是增大孔与轴的接触面，结构紧凑，拆卸方便，传动件的定心精度大大提高，传递转矩大，而一般的连接传递转矩较小而且会有间隙，装配时也会有问题。
(2)在辊筒内壁焊接梯形筋：焊接梯形筋的目的是在不加大辊筒厚度的条件下，增强辊筒筒体的刚度和强性，可克服辊筒壁厚差带来的应力不均造成的歪曲变形，同时也减轻重量，降低成本。
3 方案拟定
3.1 承载装置及自定心装置的设计要求
3.1.1 承载装置的设计要求
就承载装置来说，一般可分为与机床床身一体的承载装置和与床身独立的承载装置，对于镗孔专机加工对象尺寸较小的零件来说承载装置则为机床的工作台。相反地，对于镗床专机所加工对象尺寸较大时，为了减小机床床身的体积，则把承载装置与机床床身独立开来。因镗孔过程中镗削力会引起振动，因此承载装置应该有定位装置，而且该装置可以满足加工两种不同直径大辊筒的承载及定位，综上分析提出了镗锡林、道夫辊筒承载装置应该满足以下要求：
(1)承载装置应能够满足可同时承载锡林辊筒和道夫辊筒，因两辊筒直径不同故承载定位面应不同，定位方式为类似于V形槽定位。
(2)因辊筒重量较大，为了方便辊筒的装卸该承载装置应该可在固定的轨道上移动，且在指定的位置有锁紧装置将承载装置卡死。
(3)根据辊筒的重量尺寸来进行受力分析，计算出承载装置具有足够强度的外形尺寸及承载装置两支撑点间的跨度。
(4)为了确保承载装置的耐用性，还应该选择合适的材料和适当的热处理方式或表面处理来提高其耐磨性和硬度。
3.1.2 自定心装置的设计要求
生产实际中，在轴套类工件上铣键槽及在法兰盘类零件上钻孔等情况均应保证加工部位相对于工序基准对称，根据基准重合原则，应以工序基准即工件上的对称点(线、面)作为定位基准。同时并保证定位基准在整个夹紧过程中是固定不动的，即定心。由此可见，所谓定心夹紧机构，即能保证工件的对称点(线、面)在夹紧过程中始终处于固定准确位置的夹紧机构。
因工件定位面存在加工误差，若保证定位基准定心，其夹具定位元件必定可动，并且能随定位表面尺寸的变化相对定位基准作等距离的移近或退出，如三爪定心卡盘，这样才能起到良好的定心作用。故该种夹紧机构的定位元件与夹紧元件是合一的，且定位和夹紧动作同步进行，如此有利于缩短时间，提高效率。
但本课题中的双头镗孔专机的加工对象直径分别为1284mm和692mm，此情况下实现自定心功能就比较困难，而且自定心夹紧机构的结构不紧凑。综上分析对双头镗孔专机的自定心装置应解决的关键问题如下：
(1)因该镗床专机用于加工锡林和道夫两种直径的辊筒，故该自定心夹紧机构应满足两种不同直径的自定心夹紧，且为了减小道夫辊筒(小直径)自定心夹紧时的夹紧行程，应使定位夹紧件有两个极限位置。
(2)自定心原理可采用车床三爪卡盘自定心原理，但在加工大直径辊筒时三个定位夹紧件应位于一极限位置，加工道夫辊筒时位于另一极限位置。
(3)最关键的问题是该自定心夹紧机构结构不紧凑，为减小机床床身体积如何合理布置自定心装置同是实现自定心夹紧。
3.2 课题可行性分析
在已知镗床主轴高度、辊筒直径、承载装置受力分析的结果、承载装置的基本外形尺寸可初步确定。承载装置的外形结构可类比现有的镗锡林、道夫专机B-SPM的结构初步拟定方案，包括承载装置的材料选择、V形槽的外形尺寸、承载装置的长度和宽度，结合各计算参数进行精确的设计，当然这个过程可以进行适当的创新，比如锁紧卡死机构，承载装置的驱动形式。
该专机的自定心装置的设计实则是设计一套自定心夹紧机构，实现对锡林和道夫辊筒的自定心夹紧，解决这一问题就需要参阅大量的机床夹具设计手册，在掌握一定自定心夹紧机构知识的基础上进行机构的创新，可初步确定自定心夹紧机构的方案。但是关键的问题是如何利用结构相对紧凑的自定心机构实现对大直径辊筒的自定心夹紧，这就需要结合机床整体的设计、结构的布局、自定心夹紧的动力来源等进行设计。
3.3 方案的设计与对比分析
3.3.1 承载装置方案设计
方案一
该方案采用两导轨和四轮子的运动方式，该承载装置的宽度由锡林、道夫辊筒的宽度决定，具体尺寸为1020mm，采用的定位方式为类似V形定位块定位，一侧为斜边，另一侧为直边，此定位方式限制辊筒的四个自由度，如图3-1所示为承载装置的总体结构图及辊筒的部分定位尺寸。
驱动方案如下：
(1)采用电动机轴端的齿轮与驱动轴上的齿轮配合进行传动，如图3-2所示，电动机的种类可选用普通的三相异步电动机，如采用Y系列电动机来实现匀速的运动，此情况可采用卡死锁紧装置来确保镗孔时的镗削力使装置偏离原位置。也可以采用伺服电动机，根据给定的脉冲信号来控制伺服电动机的启动、停止，由于伺服电动机本身的自锁功能可以避免在镗孔时装置移动而使辊筒中心与镗床主轴中心偏移。
(2)采用丝杠螺母传动，通过联轴器将电动机的轴端与丝杠轴端联接起来，电动机固定在承载装置端部的底板上。
(3)采用链传动，驱动轴上安装链轮，电动机的轴端也安装链轮，以此进行传动。
方案二
该方案对锡林辊筒与道夫辊筒的定位均采用V形面的定位，两侧均为斜面进行定位该方案的定位装置图如图3-3所示。
驱动方案仍可以采用方案一中所述的齿轮轴驱动、丝杠螺母传动与链轮传动。
方案三
采用一V形装置可以同时对两不同直径的辊筒进行定位，以固定在承载支架上的大V形块来对锡林辊筒进行定位，如图3-4所示，当对道夫辊筒(直径为692mm)进行定位时可以加活动的V形块，该活动V形块的结构尺寸刚好可以对道夫辊筒进行定位，结构图如图3-5所示。
在此方案中的驱动方案也可以选择方案一中的三个方案。
3.3.2 承载装置方案的对比分析
承载方案的对比分析：
方案一：采用V形定位块的原理进行定位，而又不局限于V形块的设计，整个承载支架及箱体均采用钢板焊接而成，或者采用型钢焊接而成，在制造承载箱体时较方便。
方案二：对两辊筒均采用V形装置定位，采用这种定位方式的原因是V形定位的最大特点是：工件上用作定位基面的外圆柱面，不论是否经过加工与否或精度的高低，也不论是圆柱面或是圆弧面，它们在V形装置上定位时，其定位基准始终处于V形装置两工作斜面的对称面上，即对中性很好。而且还适用于阶梯轴及曲轴的定位，并且装卸工件很方便。
方案三：该方案分别对需要定位的大直径锡林辊筒与道夫辊筒设计V形块来定位，而且小V形块为可固定可拆卸的装置，当对锡林辊筒进行定位时活动V形块拆卸，当对道夫辊筒进行定位时将小V形块的外表面与大V形块的内表面进行贴合即可。
方案一与方案二相比，虽然方案二比方案一具有定位的对中性好这一优势，但是从承载装置箱体制造工艺角度来考虑，方案一中的矩形箱体要比方案二中的斜面箱体容易加工或者焊接，而且方案二中的V形面定位使辊筒的重量作用在斜面上的力较大，这对箱体的强度与刚度有较高的要求，相同经济条件下，方案一中的承载装置更不容易变形，使用寿命更长。
方案一与方案三相比，方案三对两辊筒也均采用V形面定位，定位的对中性较好，而且整体结构相对方案一来说更加紧凑，但是从此方案的施行角度考虑，在对道夫辊筒进行定位时，小V形块外表面与大V形块的内表面进行配合时配合要求比较高，使用一段时间后由于大V形块内表面的变形量会使配合精度较低。
方案二与方案三相比，方案三比方案二结构紧凑，方案二的箱体结构较复杂，此两种方案采用的V形面定位对定位装置的材料要求较高，若采用方案一中的钢板焊接而成会影响承载装置的性能。
驱动方案的对比分析：
本课题承载装置设计部分驱动方式的备选方案有如下三种：链传动、丝杠螺母传动、齿轮传动。
(1)链传动：链传动主要用在要求工作可靠，两轴相距较远，低速重载，工作环境恶劣及其他不宜采用齿轮传动的场合，与齿轮传动相比，链传动的制造与安装精度要求较低，在远距离传动时，其结构比齿轮传动轻便得多。
链传动的主要缺点：链传动只能实现平行轴间链轮的同向传动；运转时不能保持恒定的瞬时传动比；磨损后易发生跳齿；工作时有噪声；不宜用在载荷变化很大、高速和急速反向的传动中。
(2)齿轮传动：齿轮传动是使用最多的机械传动，齿轮传动具有以下主工特点：齿轮传动效率高；结构紧凑；设计制造正确合理、使用维护良好的齿轮传动工作可靠、使用寿命长；传动比稳定。但是齿轮传动的制造及安装精度要求高，价格较贵，且不宜用于传动距离过大的场合。
(3)丝杠螺母传动：丝杠螺母传动属于螺旋传动的一种，是通过螺杆和螺母的旋合传递运动和动力，它主要是将旋转运动变成直线运动，以较小的转矩得到很大的推力。该传动类型的特点为：结构简单，加工方便；易于自锁；运转平稳；但也有以下缺点：摩擦阻力大，传动效率低(通常为30%～60%)；低速或微调时可能出现爬行；螺纹有侧向间隙，反向时有空行程，定位精度和轴向刚度较差；磨损快。
结合本课题承载装置的设计进行分析，因该承载装置的整体尺寸较大，若采用丝杠传动，则丝杠的长度为2000mm左右，这就使得丝杠的轴向刚度较差，而且传动效率较低。但此传动方案可以实现整个承载装置的自锁。链传动与齿轮传动的对比：虽然链传动比齿轮传动轻便得多，但本装置要求传动平稳和恒定的瞬时传动比。采用链传动或齿轮传动时，必须采用驱动轴，而丝杠传动就不需要。
3.3.3 自定心装置方案设计
本方案原理与车床三爪卡盘自定心原理相似，即三个定位件同时运动，同时与工件外圆接触，这样便可达到自定心的目的。但由于该镗床专机加工对象的特殊性，使得自定心装置的结构较复杂，而且空间距离较大，这就使得该自定心夹紧机构的安装较困难。经过分析采用连杆机构实现三个定位件的同时运动。该连杆机构的结构图如图3-6所示。
而定位夹紧件的旋转运动和进给运动形式分如下三种方案：
方案一
该方案采用三个旋转轴分别由三个液压缸作为进给原动机，而三个旋转轴的旋转运动由一个倾斜放置的液压缸作原动机，该方案的结构图如图3-7所示
该装置中在上图液压缸加压过程，三个回转轴同时旋转，同时三个回转轴的后端进给液压缸推动与旋转柄配合的轴进给，使三个滚子与所加工的辊筒外圆相接触，从而起到自定心夹紧的作用。
方案二
方案一中的三个旋转轴的运动是分别由液压缸驱动的，每个旋转轴的进给运动都是独立的。方案二采用的则是将三个旋转轴固定在箱体上，而箱体则可以在矩形的导轨上滑动，此方案中只需要一个液压缸推动箱体运动便可以实现使三个回转轴同时向前运动的目的。这不仅实现了旋转轴旋转的同步运动，也实现了三根轴进给的同步运动。另外，考虑到自定心装置中液压缸泄压后旋转柄和滚子在重力作用下会使轴自转，因此要考虑旋转柄的限位，查机械设计手册新版第2卷可利用扭杆弹簧来实现。该整体方案的结构图如图3-8所示。
方案三
在方案一中采用的是三个回转轴分别有原动机并独立运动，方案二中采用三轴固定在箱体上同时运动的方式，而本方案则采用只有一个回转轴有进给运动，而另两个回转轴在轴向上是固定的，即只有回转运动而无进给运动。其方案的结构图如图3-9所示，旋转柄1只可以在内外花键的配合下旋转，而没有轴向的移动，旋转柄3(图中未标出)与旋转柄1相同。当承载装置载着工件锡林或道夫辊筒向主轴靠近时，旋转柄2是缩进去的，辊筒停下时旋转柄2在液压缸的作用下轴向移动，最后再旋转自定心夹紧。
3.3.4 自定心装置方案的对比分析
方案一：本方案中分别用液压缸控制旋转轴的进给运动，各轴的运动轴的运动情况不受其它两轴工作的影响，独立工作性能较好；承载轴的箱体是固定的，在镗孔时系统的刚性好，强度高；单个旋转轴进给速度快。
方案二：本方案将三个旋转轴固定在带导轨的可移动板上，只需要一个液压缸就可以使三个旋转轴同时运动，这保证了自定心夹紧原理中的夹紧件的同步运动；采用的内外花键配合使轴旋转，因矩形花键在轴与毂孔上直接而均匀地制出较多齿与槽，故连接时受力较均匀；内外花键的齿数较多故可承受较大的载荷；进给时内外花键的导向性好。
方案三：方案三是在方案一的基础上提出的，将三个旋转柄分别进给改为只有一个轴具有进给运动，此方案只适用于承载装置单方向移动到主轴位置时。
方案一与方案二相比，方案一中的三个旋转轴的进给互不影响更具有灵活性，并且承载轴的板是固定的，在夹紧镗孔的过程中方案一比方案二中可移动的板刚度要好。而方案二中采用整体式移动，能保证三轴进给的同步性，采用的矩形花键配合使承受载荷能力高，进给时导向性好，但可移动板的刚性不高。
方案一与方案三相比，方案三只适用于承载装置单向运动的场合，具有局限性。
3.4 方案的选择确定
承载装置的方案选择:
通过承载装置三个方案的设计及各方案的对比分析，分析出了各方案的优缺点，并结合承载装置的使用情况等确定方案一为最佳方案，即采用齿轮传动的驱动方式，定位形式采用直面与斜面定位的方式。
自定心装置的方案选择:
综合上文对自定心装置的设计及三个方案的对比分析，确定方案二为最佳方案，即采用三个旋转轴固定在带矩形导轨的可移动板上，一个液压缸作进给原动机，另一个液压缸作旋转运动原动机；采用矩形花键传递转矩并且起很好的导向作用；采用扭杆弹簧对旋转柄进行限位。
4 理论计算及关键零部件的校核
4.1 理论计算
4.1.1 电动机的选择
(1)电动机类型的选择：
因该承载装置采用齿轮传动，而齿轮仅有二级齿轮，若采用一般的三相异步电动机驱动，因三相异步电动机转速较高，故驱动轴的转速会很高，不适于重载装置的传动，因而考虑到采用齿轮减速电动机，选择转速(120～200r/min)的电机传动。
齿轮减速电动机，在传递动力与运动的机构中应用范围非常广泛，它利用齿轮的速度转换器将电机的回转数减速到所要的回转数并得到较大转矩的机构减速电动机，(2)电动机功率计算：
因承载装置承载着锡林辊筒，故运动时速度不能太高，初步取定电动机转速为0.2～0.3m/s，齿轮模数与齿数确定后再进行确定。因驱动轴上安装齿轮处轴径为D=45mm，故采用模数m=2，齿数Z=48的齿轮，与之相配合的齿轮模数m=2，齿数Z=18，由传动比公式
知=45r/min.
由齿轮分度圆直径公式：d=mz
齿轮线速度公式：
知v=0.226m/s.
估算承载装置的质量：支撑件质量
已知，，故=260Kg
承载箱体质量：约为160Kg
承载装置的总质量
已知=450Kg，=250Kg 故=1120Kg
导轨材料为45钢，导轨表面的摩擦因数=0.15
由功率计算公式 经计算电动机功率应选取0.75Kw。
4.1.2 液压缸的选择
(1)选择液压缸：
该旋转液压缸的主要功能是实现自定心装置连杆机构的小角度旋转，虽然旋转运动可以由电动机驱动，但考虑到镗孔的全过程定心装置的夹紧力始终要保持着，这就体现出了液压传动与控制的优点：与其他传动方式相比，传递功率相同时，液压装置的重量轻，体积紧凑；传动工作平稳系统容易实现缓冲吸振，并能自动防止过载；
(2)液压缸类型的选择：
液压缸种类很多，可分为单作用液压缸，双作用液压缸及组合液压缸等，虽然本装置中的运动为单向运动，但为了确保液压缸在泄压后活塞杆能够回复到原位，则需要考虑采用双向液压驱动的液压缸，故在双作用液压缸中进行选择。双作用液压缸分为单活塞杆液压缸、双活塞杆液压缸和伸缩式液压缸，通过对三种双作用液压缸的性能及使用场合的分析知，只有单活塞杆液压缸适用于此装置，此类型液压缸为单边有杆，两向液压驱动，两向推力和速度不等。因该连杆机构的运动不需要实现较大的运动速度和往返相等的速度，故不需要采用差动连接。
(3)液压缸主要参数的选定：
包括缸筒内径，活塞杆直径，活塞行程和公称压力
查机械设计手册第五版单行本液压传动之21-30表21-2-11可知，一般机床、压铸机的压力范围为7Mpa以内，对于一般的工程机械并且系统要求不是很高时采用中压等级为7～21Mpa。查手册知液压缸缸筒内径尺寸系列为：8、10、12、16、20、25、32、40等，活塞杆外径尺寸系列为：4、5、6、8、10、12、14、16、18、20、22、25、28、32等，气缸的行程参数系列为：25、40、50、63、80、90、100、110、125、140、160、180、200等，液压缸气缸活塞杆螺纹尺寸系列为：M14×1.5、M16×1.5、M18×1.5、M20×1.5、M22×1.5等。查该手册表21-6-30，液压缸的标准系列与产品选择液压缸，与生产实际相联系，则选用工作压力为16Mpa的工程用液压缸。
选择液压缸的技术性能参数为：
液压缸缸径：D=40mm；活塞杆直径：d=22mm；速度比：= 1.46；推力：F=20100N；拉力：F=14020N；最大行程：=400mm. 活塞杆螺纹尺寸：M22×1.5。
(4)液压缸的安装方式：
液压缸的安装方式很多，有如下向种：
法兰型安装：头部法兰型、尾部法兰型；
销轴型安装：头部销轴型、中间销轴型、尾部销轴型；
耳环型安装，底座型安装(脚架安装)，球头安装。
根据自定心装置在机床箱体上的安装方式和安装位置来选择合适的安装方式，此处液压缸的安装采用底座安装，该类型安装方式属承受重型负载的安装方式。
该液压缸的型号为：HSG·L-40/22·E-501-400·
(5)液压缸主要技术性能参数的计算：包括验证允许最高压力p，流量Q和行程时间。
压力P：经估算锡林辊筒和道夫辊筒的质量分别约为450Kg和250Kg，液压缸所承受的最大载荷为当自定心装置夹紧辊筒时使辊筒刚好脱离承载面，此时液压缸所承受的最大载荷为4500N。由油液作用在单位面积上的压强公式
知:压力p是由载荷F的存在需产生的，在同一个活塞的有效工作面积上，载荷越大，克服载荷所需要的压力就越大。如果活塞的有效工作面积一定，油液压力越大，活塞产生的作用力就越大。额定压力是液压缸能用以长期工作的压力，应符合或接近规定的数值，对于中压等级必须符合>2.5～16MPa。因所选液压缸内径为d=40mm，故由
符合中压等级的压力范围。
流量Q：因活塞的最低运动速度受活塞与活塞密封件摩擦力和加工精度的影响，不能太低，以免产生爬行，一般>0.1～0.2m/min。考虑到生产实际中用于夹紧装置的液压缸因需要平稳地夹紧，故速度也不能太高，现取液压缸速度为v=0.5m/min。单位时间内油液通过缸筒有效截面积的体积为
由于
则
对于单活塞杆液压缸
活塞杆伸出时：
活塞杆缩回时：
V：液压缸活塞一次行程中所消耗的油液体积，L；
t：液压缸活塞一次行程所需时间，min；
D：液压缸内径，m；
d：活塞杆直径，m；
v：活塞杆运动速度，m/min；
：液压缸的容积效率，当活塞密封圏为弹性密封材料时=1，当活塞密封圏为金属环时=0.98，代入数值即可求解。
行程时间t：活塞在缸体内完成全部行程所需要的时间
活塞杆伸出时：
活塞杆缩回时：
S：活塞行程，m；Q：流量，L/min；
上述时间的计算公式只适用于长行程或活塞速度较低的情况，对于短行程、高速度时的行程时间，除与流量有关，还与负载、惯量、阻力等有直接关系，可参见有关文献。
4.1.3 连杆机构的计算
该连杆机构的简图如图4-1所示
该机构由原动机液压缸驱动，ABC构件为原动件，该机构共有五个活动构件，故该机构为六杆机构，该机构活动构件数n=5，低副数=7，高副数=0由计算自由度的公式
知：该机构的自由度为1，与原动件数目相等，故该机构有确定的运动。
下面将该六杆机构进行杆组拆分，可拆分为原动件和两个二级杆组，如图4-2所示。
上述原动件的自由度为1，两个二级杆组的自由度均为0。
因平面六杆机构是由平面铰链四杆机构演化而来的，故可将该六杆机构分开两个四杆机构进行杆长条件的验证：
将ABC杆，CD杆，DEF杆和机架看作平面铰链四杆机构进行杆长条件的验证，
因AEH为等边三角形，AE=EH=AH=998，CD连杆长为1000mm，DE=AC=325，故所取四杆机构满足杆长条件。将DEF杆，FG杆、HG杆及机架看作四杆机构进行杆长条件的验证，也满足杆长条件。
在本课题中自定心装置夹紧工件时并不需要连杆作整周运动，因满足杆长条件的机构具有整转副，故本方案在不满足杆长条件的情况下，只需要控制原动件旋转很小的角度便可实现三个滚子定位件自定心夹紧工件。
4.1.4 自定心装置中扭杆弹簧的计算
在本课题设计的自定心装置中用到了扭杆弹簧进行限位，扭杆弹簧经常和转臂合在一起使用，在此情形下，转臂受力点垂直方向的弹簧刚度随转臂的安装角度和转角变化。扭杆和转臂的结构图如图4-3所示
按图示机构则有下列计算式：
扭杆所受转矩为
扭杆弹簧的刚度，扭转T作用下的扭转角，将此关系式代入(4-7)
得到
式中 —计算系数，
—作用于转臂端部垂直方向的载荷(N)；
—转臂的长度(mm)
—转臂端部力作用点到水平线的距离(mm)
—载荷作用时转臂中心线和水平线的夹角(rad)
—无载荷时转臂中心线和水平线的夹角(rad)，和在图示位置时取正值。
沿载荷方向的弹簧刚度为
式中 —计算系数，
取弹簧的变形量，参见图4-4，则
式中 —计算系数，
静变形量和弹簧自振频率间还具有关系
式中 —重力加速度，；
—自振频率(HZ)
以上公式中的计算系数、、都是和的函数。
根据工作载荷F，转臂长度，常用工作载荷作用点与水平位置的距离，最大变形时，工作载荷下扭杆的自振频率来给出扭杆的扭转刚度、转臂的最大变形时的夹角、扭杆的最大扭转角和最大扭矩，最后确定扭杆的直径和长度。公式分别为和，为许用应力取850Mpa，
4.2 关键零部件的校核
4.2.1 承载装置驱动轴的校核
(1)选择轴的材料：
选取45钢调质，硬度230HBS，强度极限=640Mpa，屈服极限=355Mpa，弯曲疲劳极限=275Mpa，剪切疲劳极限=155Mpa，对称循环变应力时的许用应力=60Mpa。
(2)估算轴的最小直径
查机械设计表15-3，取103.则该驱动轴的最小直径：
因轴段上有键槽，故需将轴径增加7%，取轴端直径30mm.
(3)驱动轴上载荷的计算
辊筒质量的估算：
道夫辊筒筒体质量：因辊筒材料为Q235，该钢的密度为7.85g/，道夫辊筒的尺寸为：D=692mm，d=667mm，h=1020mm,
由公式
可知道夫辊筒筒体的质量=213.5Kg
锡林辊筒筒体质量：材料与道夫辊筒相同，尺寸参数为：D=1284mm，d=1260mm，h=1020mm，由质量公式可计算出锡林辊筒筒体质量为=383.76Kg.
道夫辊筒与锡林辊筒两端堵头质量计算：堵头的尺寸参数为D=150mm，d=85mm，h=81mm，由此可估算堵头的质量为7.62Kg.
再考虑到锡林与道夫辊筒内壁的梯形筋的质量，将道夫辊筒的质量估算为250Kg，将锡林辊筒的质量估算为450Kg。
校核承载装置在最大限度承载时驱动轴的强度是否满足要求，此时承载装置承受载荷为7000N，再考虑支撑件和承载箱体的质量共420Kg，故驱动轴与从动轴承受的载荷为11200N。为方便计算将载荷平分到两端轴上，故驱动轴所受载荷为5600N。
电动机功率为0.75Kw，齿轮传递效率为=0.97，故驱动轴的功率为=0.7275Kw。由转矩公式：
知
计算齿轮的圆周力与径向力，将分解为、，计算公式为：
将d=45mm，代入公式计算得：=(N)，=(N)
因该驱动轴的两支撑为活动铰链(可动铰支座)，水平面内的不对轴产生矩，该力是轴的驱动力，故不在弯矩图中表达。
驱动轴结构简图及受力简图分别如图4-5所示
因驱动轴所受辊筒载荷为5600N，为便于计算，可取，，，均相等且为1400N。受力分析知N
对B点取矩有：
解方程有：=4000N，=4000N。
根据计算出的力绘出该轴的剪力图，计算各点弯矩并画出简图如上所示。
由上述弯矩图可知该轴的危险截面为中间齿轮截面，在截面上扭矩和合成弯矩分别为=150 Nm，=494.6 Nm
按第三强度理论进行校核：由材料力学公式
抗弯截面系数
将数值代入公式有：
因该轴上的最大切应力值小于许用应力，且该轴的强度仍有弹性，故该轴的强度符合要求。
4.2.2 键联接的选择与校核
驱动轴与齿轮用普通平键的选择和强度校核
(1)选用圆头普通平键(A型)
按轴径d=45mm及轮毂长l=24mm，查机械设计课程设计表15-20，选键14×9 GB 1096-79
(2)强度校核：
键的材料选用45钢，查机械设计表6-2知，许用应力=100～120Mpa，键的工作长度为l=L-b/2=17mm，k=h/2=4.5mm，按机械设计公式6-2
知 ，
故该键的联接强度满足要求。
4.2.3 轴承的校核
选择承载装置从动轮上的轴承进行校核，
对从动轴上的轴承进行校核，因该轴上轴承无轴向力，故选用深沟球轴承，其型号为：6008。轴承6008的基本额定动载荷=17.0KN，基本额定静载荷为=11.8KN，基本尺寸为。因该轴上轴承无轴向载荷，故径向动载荷系数=1，轴向动载荷系数=0.
计算轴承当量动载荷，查机械设计表13-6，取轴承的载荷系数=1.5
故当量动载荷为(N)
轴承的额定寿命
查机械设计表13-4，取温度系数=1，则轴承计算的额定寿命为：
(h)
若按大修期为八年，在大修时更换轴承，按每年300天，每天8小时运转，则轴承的预期寿命为=19200(h)，故所选轴承满足要求。
结论
本篇论文在课题分析的基础上分别对承载装置的设计和自定心装置的设计提出了三个不同的方案，并根据生产实际情况、加工工艺、方案可行性及经济性对方案进行对比分析，提出了承载装置和自定心装置的设计方案。同时，对本方案设计中用到的电动机、液压缸通过理论计算进行合理地选择，对自定心装置中的连杆机构进行机构运动确定性的验证，最后对本设计中的主关件驱动轴进行强度校核。
1、本设计的优点及创新点
(1)在承载装置方案设计中用到齿轮减速电动机进行驱动，而且此类型电机具有自锁功能，在镗孔过程中可防止承载装置在外力作用下滑移。
(2)承载装置的定位方式采用类V形面定位，即起到了很好的定位作用，也避免了普通V形面定位件强度不足引起的变形现象。
(3)自定心装置采用液压缸驱动连杆机构实现三个旋转轴同时进给运动和旋转运动以夹紧辊筒的目的，夹紧行程小，夹持平稳。
(4)自定心装置中采用的内处花键即起到传递扭矩的作用，也起到很好的导向作用；夹紧件的限位方式采用扭杆弹簧，也是本设计的创新点之一。
2.本设计中存在的问题及分析
虽然完成了承载装置与自定心装置的结构方案设计，但本方案也存在问题，下面对存大的问题进行分析并提出改进的方向如下：
(1)承载装置中的驱动轴同时驱动两个轮子，这使得驱动轴的长度过大，虽经校核满足强度要求，但生产实际中较长的轴不易加工，而且要保证长轴的同轴度就很困难。
改进方向：可以将长的驱运轴一分为二，分别用两个相同的电动机进行驱动，这不仅降低了生产成本，也便于轴的安装。
(2)在自定心装置方案中，将三个旋转轴固定在可移动的箱体上，在夹紧机构夹紧辊筒时该可移动板的刚性不高。
参考文献
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[12] 赵则祥主编.公差配合与质量控制.开封：河南大学出版社，1999.3
附录
图1 承载装置三维建模外观
图2 承载装置与自定心装置总装外观图
32
图2-1 道夫辊筒结构图
图2-2 锡林辊筒结构图
图3-1 承载装置结构设计方案一
图3-2 承载装置驱动方式
图3-3 承载装置结构设计方案二
图3-4 承载装置结构设计方案三
图3-5 承载装置结构设计方案三
图3-6 六杆机构结构图
图3-7 自定心装置方案一
图3-8 自定心装置方案二
图3-9 自定心装置方案三
(4-1)
(4-2)
(4-3)
(4-4)
(4-5)
图4-1 六杆机构运动简图
(4-6)
图4-2 六杆机构杆组拆分图
图4-3 扭杆弹簧机构图
(4-7)
(4-8)
(4-9)
图4-4 静变形量
(4-10)
(4-11)
(4-12)
(4-13)
(4-14)
(4-15)
Nm
图4-5 驱动轴受力分析图
(4-16)
(4-17)
(4-18)
(4-19)
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