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摘要：隨著社會經(jīng)濟和辦公設備的發(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。此打孔機輕便耐用，適合政府、學校、印刷、銀行、圖文店等使用，結(jié)構緊湊合理、外形簡潔美觀、安裝調(diào)試方便、自動化程度高。
本設計依據(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，查閱國內(nèi)外的多功能自動打孔機的相關資料，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)構方案論證分析，確定設計方案，設計多功能自動打孔機的結(jié)構參數(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)構的設計和計算。
關鍵詞：輕便；緊湊；美觀；自動化
Abstract: With the development of social economy and office equipment, multi-function automatic drilling machine has been widely used in foreign advanced international, and gradually enter the domestic market, and users of the multi-function automatic drilling machine performance continue to put forward new The request. This punch is light and durable, suitable for government, schools, printing, banking, graphic shops and other use, compact and reasonable, simple and beautiful appearance, easy installation and commissioning, high degree of automation.
The design based on the foreign market has been the number of multi-function automatic drilling machine and dimensions, combined with domestic and foreign has been put into use and the user reflects the multi-function automatic drilling machine structure, access to domestic and international multi-function automatic drilling machine The structure of the multi-function automatic drilling machine is analyzed, the design scheme of the multi-function automatic drilling machine is analyzed and the design parameters are designed and the structural parameters, driving system and drilling of the multi-function automatic drilling machine are designed. Hole cutter. The main contents include: the calculation and selection of multi-function automatic drilling machine, the selection of the reduction ratio of the transmission system, the design and calculation of the transmission structure.
Keywords: lightweight compact beautiful automation
學號:20131485
開題報告
多功能功能打孔機設計
二級學院: 機械工程學院
教 學 系： 機械與包裝工程系
專業(yè)班級: 機械設計制造及其自動化13-3
學生姓名: 郭加發(fā)
指導教師: 李連進
2017年3月
1. 論文結(jié)構
1.1 總體結(jié)構的設想
論文的總體結(jié)構將做如下安排：
1.綜述目前打孔機行業(yè)中打孔機及其相關產(chǎn)品的技術的基礎理論研究與應用研究狀況、打孔機及其相關產(chǎn)品的現(xiàn)狀、市場上打孔機所采取的主要形式等。
2.總結(jié)市場上主要打孔機產(chǎn)品的結(jié)構特征和特點。
3.研究打孔機及其相關產(chǎn)品在設計過程中步驟，主要結(jié)構設計、傳動系統(tǒng)設計、電動機功率選擇、傳動比計算、結(jié)構強度校核和尺寸計算。
1.2 主要解決的問題
1．市場上打孔機及其相關產(chǎn)品的結(jié)構特，材料的選擇，校核以及電動機的選擇。
2．分析打孔機及其電子產(chǎn)品環(huán)境的適應性，研究和調(diào)查打孔機產(chǎn)品的市場
3. 進行打孔機產(chǎn)品設計方案分析和具體結(jié)構設計。
1．3 主要工作
1.分析打孔機及其相關產(chǎn)品的流通環(huán)境，調(diào)查市場上打孔機及其相關產(chǎn)品的行情。
2.研究各種材料的性能和使用條件，在性能和價格對比分析的基礎上，選擇適當?shù)牟牧稀?
3.確定結(jié)構設計方案，進行結(jié)構設計。
4.分析產(chǎn)品的載荷。
5.設計打孔機的結(jié)構尺寸。
2. 文獻綜述
2.1打孔機的發(fā)展趨勢
隨著自動化技術和網(wǎng)絡技術的發(fā)展應用，自動打孔機向無人值守和遠程控制發(fā)展。在加工過程中，加工工具頭不鋒利時，機器就會即時報警，通知更換工具。一個孔加工完畢，自動鉆盤會根據(jù)原先設定的程序轉(zhuǎn)動一定角度，把下一個加工孔位置對準加工頭，重新開始加工。待整個轉(zhuǎn)盤全部加工完畢，一次加工流程就完成。取下加工好的材料。
自動打孔機是適應制造業(yè)應用自動化設備替代人工的趨勢而發(fā)展起來的，是用來解決傳統(tǒng)打孔、鉆孔、擴孔、銑孔等加工環(huán)節(jié)中的人工打孔問題。根據(jù)加工的尺寸大小，加工孔的數(shù)量，加工孔位置數(shù)據(jù)等制作固定夾具。把夾具和自動轉(zhuǎn)盤擰緊固定。
自動打孔機是由加工工作臺，控制電腦、旋轉(zhuǎn)電機、振動電機、加工工具頭、氣動裝置、自動轉(zhuǎn)盤、固定夾具等組成。自動打孔機是由電機帶動在金屬材料上加工出來的自動化設備。在加工過程中，如果遇到卡料，缺料，機器會馬上報警，并停止工作，等待處理。
折疊
2.2打孔機的優(yōu)點
1、精確度高：在識別范圍內(nèi)攝像頭自動找圖，電腦分析，控制運動。
2、速度快捷：攝像頭反映時間短，圖形一找到即可控制圖形位置沖孔。
3、功能強大：采樣圖可保存，再用可直接調(diào)用。電腦系統(tǒng)，軟件可實時升級。
4、品質(zhì)保證：調(diào)壓閥、汽缸、電磁閥、軌道等主要零部件均采用進口，確保使用壽命。
5、操作簡單：人機界面，直接在觸摸屏上設定工作模式。
6、識別度高：特殊光源能自動識別高反光，高黑度等材料的定位孔圖，對殘缺圖形可 自動補償識別。
2.3 大致工作流程
1、 根據(jù)加工的尺寸大小，加工孔的數(shù)量，加工孔的尺寸，加工孔位置數(shù)據(jù)等制作固定夾具。把夾具和自動轉(zhuǎn)盤緊固。
2、 在控制電腦內(nèi)設定好加工數(shù)據(jù)。?
3、 把需加工的材料固定在自動轉(zhuǎn)盤上。
4、 啟動機器，機器根據(jù)電腦指令和加工數(shù)據(jù)一次性完成打孔、鉆孔、銑孔、通孔、盲孔、多孔、高低孔等加工程序。
5、 一個孔加工完畢，自動鉆盤會根據(jù)設定的程序轉(zhuǎn)動一定角度，把下一個加工孔位置對準加工頭，重新開始加工。待整個轉(zhuǎn)盤全部加工完畢，一次加工流程就完成。取下加工好的材料。重新裝料?！?
6、 加工過程中，遇到卡料，缺料，機器會馬上報警，并停止工作，等待處理。
7、 加工過程中，加工工具頭不鋒利時，機器也會即時報警，通知更換工具。
2.4 自動打孔機主要用途
多功能自動打孔機是適應制造業(yè)應用自動化設備替代人工勞動的趨勢而發(fā)展起來的，用來解決辦公室內(nèi)圖紙和文件等的人手打孔問題。
多功能自動打孔機由電機帶動在紙張上加工出孔的辦公自動化設備。機器由工作臺、旋轉(zhuǎn)電機、工具頭、固定夾具等組成。
2.5 現(xiàn)有自動打孔機的種類和功能
按類別分:珍珠打孔機、激光打孔機、?自動打孔機?、電動打孔機 、 手動打孔機、膠袋打孔機、氣動打孔機、無紡布打孔機。
按孔數(shù)分:單孔打孔機 、 2孔打孔機 、 3孔打孔機、 4孔打孔機
打孔機配件:沖刀墊片 、 沖刀 、 打孔針 、 打孔墊 、 打孔器
適應制造業(yè)應用自動化設備替代人工勞動的趨勢而發(fā)展起來的，用來解決辦公室內(nèi)圖紙和文件等的人手打孔問題。
2.6自動打孔機的設計方法及理論
本設計依據(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，查閱國內(nèi)外的多功能自動打孔機的相關資料，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)構方案論證分析，確定設計方案，設計多功能自動打孔機的結(jié)構參數(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)構的設計和計算，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。
3. 參考文獻
[1]機械設計手冊編委會，機械設計手冊，機械工業(yè)出版社，2004。
[2]陳成、韓溧君，新型便攜式辦公用品——打孔機的設計[J]，機械工程與自動化，2013，（2）,97-98。
[3]王海峰、李東亞、龔奧、儲天舒，基于慧魚模型報刊自動打孔機的設計[J]，機電工程技術，2015，44（3），68-70。
[4]李銳鋒、姚立綱、何家瑩、紀文套，紙花盆多孔自動打孔機機構設計[J]，機械傳動，2016，40（3），56-61。
[5]張志耀、楊衛(wèi)、王海珍，高速沖孔單元設計[J]，電子工業(yè)專用設備，2015，（5），46-49。
[6]田萍，數(shù)控機床加工工藝及設備[M]，北京：機械工業(yè)出版社，2009。
[7]GB/T16675.1—1996 技術制圖 簡化表示法 第1部分:圖樣畫法
[8]GB/T16675.2—1996 技術制圖 簡化表示法 第2部分:尺寸注法
[9]GB4458.5—1984 機械制圖 尺寸公差與配合注法
5
目錄
摘要 I
Abstract I
1 概述 1
1.1 設計的目的和意義 1
1.2 市場現(xiàn)有的打孔機存在的問題和改進方案 1
1.2.1 存在的問題 1
1.2.2 改進方案 2
1.3 內(nèi)容及要求 2
1.3.1 內(nèi)容 2
1.3.2 技術要求 2
1.4 設計思路 3
1.4.1 課題要求 3
1.4.2 總體設計方案 3
2 打孔裝置的結(jié)構設計 4
2.1 刀具的設計 4
2.2 刀柄的設計 4
2.3 刀具與底板孔間隙 5
2.4 底板的設計 5
2.5 刀具和底座相關零件的配合 5
2.6 上支撐板的設計 6
3 傳動部分的設計 7
3.1 傳動方案的設計 7
3.2 凸輪的設計 7
3.2.1 概述 7
3.2.2 基圓以及方程的計算 8
3.2.3 繪制推桿的位移圖線 9
3.2.4 用反轉(zhuǎn)法設計圖輪廓線 10
3.2.5 壓力角是否滿足許用壓力角的要求 12
4. 聯(lián)軸器的設計 13
4.1 動力機的機械特性 13
4.2 載荷類別 13
4.3 許用轉(zhuǎn)速 13
4.4 聯(lián)軸器所聯(lián)兩軸相對位移 14
4.5 轉(zhuǎn)矩 14
5 步進電機的選擇 15
5.1 概述 15
5.2 轉(zhuǎn)矩 17
5.3 轉(zhuǎn)動慣量 18
5.4 步距角 18
5.5 確定電機型號 18
6 結(jié)論 20
參考文獻 21
致謝 25
附錄 22
世界最新機械設計理念
來源:中國科技期刊
摘要:根據(jù)目前國內(nèi)外設計學者進行機械產(chǎn)品設計時的主要思維特點，將產(chǎn)品方案的設計方法概括為系統(tǒng)化、結(jié)構模塊化、基于產(chǎn)品特征知識和智能。這幾種方法的特點及其相互間的有機聯(lián)系，提出產(chǎn)品方案設計計算機實現(xiàn)的努力方向。
關鍵詞：機械產(chǎn)品方案設計方法發(fā)展趨勢
設計文件是將語義設計網(wǎng)作為設計工具，在其開發(fā)的活性語義設計網(wǎng)ASK中，采用結(jié)點和線條組成的網(wǎng)絡描述設計，結(jié)點表示元件化的單元(如設計任務、功能、構件或加工設備等)，線條用以調(diào)整和定義結(jié)點間不同的語義關系，由此為設計過程中的所有活動和結(jié)果預先建立模型，使早期設計要求的定義到每一個結(jié)構的具體描述均可由關系間的定義表達，實現(xiàn)了計算機輔助設計過程由抽象到具體的飛躍。
系統(tǒng)化設計方法
系統(tǒng)化設計方法的主要特點是：將設計看成由若干個設計要素組成的一個系統(tǒng)，每個設計要素具有獨立性，各個要素間存在著有機的聯(lián)系，并具有層次性，所有的設計要素結(jié)合后，即可實現(xiàn)設計系統(tǒng)所需完成的任務。
系統(tǒng)化設計思想于70年代由德國學者Pahl和Beitz教授提出，他們以系統(tǒng)理論為基礎，制訂了設計的一般模式，倡導設計工作應具備條理性。德國工程師協(xié)會在這一設計思想的基礎上，制訂出標準VDI2221技術系統(tǒng)和產(chǎn)品的開發(fā)設計方法。
1. 將用戶需求作為產(chǎn)品功能特征構思、結(jié)構設計和零件設計、工藝規(guī)劃、作業(yè)控制等的基礎，從產(chǎn)品開發(fā)的宏觀過程出發(fā)，利用質(zhì)量功能布置方法，系統(tǒng)地將用戶需求信息合理而有效地轉(zhuǎn)換為產(chǎn)品開發(fā)各階段的技術目標和作業(yè)控制規(guī)程的方法。
2. 將產(chǎn)品看作有機體層次上的生命系統(tǒng)，并借助于生命系統(tǒng)理論，把產(chǎn)品的設計過程劃分成功能需求層次、實現(xiàn)功能要求的概念層次和產(chǎn)品的具體設計層次。同時采用了生命系統(tǒng)圖符抽象地表達產(chǎn)品的功能要求，形成產(chǎn)品功能系統(tǒng)結(jié)構。
3. 將機械設計中系統(tǒng)科學的應用歸納為兩個基本問題：一是把要設計的產(chǎn)品作為一個系統(tǒng)處理，最佳地確定其組成部分（單元）及其相互關系；二是將產(chǎn)品設計過程看成一個系統(tǒng)，根據(jù)設計目標，正確、合理地確定設計中各個方面的工作和各個不同的設計階段。
由于每個設計者研究問題的角度以及考慮問題的側(cè)重點不同，進行方案設計時采用的具體研究方法亦存在差異。下面介紹一些具有代表性的系統(tǒng)化設計方法。
4. 設計元素法
用五個設計元素（功能、效應、效應載體、形狀元素和表面參數(shù)）描述“產(chǎn)品解”，認為一個產(chǎn)品的五個設計元素值確定之后，產(chǎn)品的所有特征和特征值即已確定。我國亦有設計學者采用了類似方法描述產(chǎn)品的原理解。
5. 圖形建模法
研制的“設計分析和引導系統(tǒng)”KALEIT，用層次清楚的圖形描述出產(chǎn)品的功能結(jié)構及其相關的抽象信息，實現(xiàn)了系統(tǒng)結(jié)構、功能關系的圖形化建模，以及功能層之間的聯(lián)接。
將設計劃分成輔助方法和信息交換兩個方面，利用Nijssen信息分析方法可以采用圖形符號、具有內(nèi)容豐富的語義模型結(jié)構、可以描述集成條件、可以劃分約束類型、可以實現(xiàn)關系間的任意結(jié)合等特點，將設計方法解與信息技術進行集成，實現(xiàn)了設計過程中不同抽象層間信息關系的圖形化建模。
6. “構思”—“設計”法
將產(chǎn)品的方案設計分成“構思”和“設計”兩個階段?！皹嬎肌彪A段的任務是尋求、選擇和組合滿足設計任務要求的原理解。“設計”階段的工作則是具體實現(xiàn)構思階段的原理解。
將方案的“構思”具體描述為：根據(jù)合適的功能結(jié)構，尋求滿足設計任務要求的原理解。即功能結(jié)構中的分功能由“結(jié)構元素”實現(xiàn)，并將“結(jié)構元素”間的物理聯(lián)接定義為“功能載體”，“功能載體”和“結(jié)構元素”間的相互作用又形成了功能示意圖(機械運動簡圖)。方案的“設計”是根據(jù)功能示意圖，先定性地描述所有的“功能載體”和“結(jié)構元素”，再定量地描述所有“結(jié)構元素”和聯(lián)接件(“功能載體”)的形狀及位置，得到結(jié)構示意圖。Roper，H.利用圖論理論，借助于由他定義的“總設計單元(GE)”、“結(jié)構元素(KE)”、“功能結(jié)構元素(FKE)”、“聯(lián)接結(jié)構元素(VKE)”、“結(jié)構零件(KT)”、“結(jié)構元素零件(KET)”等概念，以及描述結(jié)構元素尺寸、位置和傳動參數(shù)間相互關系的若干種簡圖，把設計專家憑直覺設計的方法做了形式化的描述，形成了有效地應用現(xiàn)有知識的方法，并將其應用于“構思”和“設計”階段。
7. 鍵合圖法
將組成系統(tǒng)元件的功能分成產(chǎn)生能量、消耗能量、轉(zhuǎn)變能量形式、傳遞能量等各種類型，并借用鍵合圖表達元件的功能解，希望將基于功能的模型與鍵合圖結(jié)合，實現(xiàn)功能結(jié)構的自動生成和功能結(jié)構與鍵合圖之間的自動轉(zhuǎn)換，尋求由鍵合圖產(chǎn)生多個設計方案的方法。
提倡在產(chǎn)品功能分析的基礎上，將產(chǎn)品分解成具有某種功能的一個或幾個模塊化的基本結(jié)構，通過選擇和組合這些模塊化基本結(jié)構組建成不同的產(chǎn)品。這些基本結(jié)構可以是零件、部件，甚至是一個系統(tǒng)。
本結(jié)構應該具有標準化的接口(聯(lián)接和配合部)，并且是系列化、通用化、集成化、層次化、靈便化、經(jīng)濟化，具有互換性、相容性和相關性。我國結(jié)合軟件構件技術和CAD技術，將變形設計與組合設計相結(jié)合，根據(jù)分級模塊化原理，將加工中心機床由大到小分為產(chǎn)品級、部件級、組件級和元件級，并利用專家知識和CAD技術將它們組合成不同品種、不同規(guī)格的功能模塊，再由這些功能模塊組合成不同的加工中心總體方案。
以設計為目錄作為選擇變異機械結(jié)構的工具，提出將設計的解元素進行完整的、結(jié)構化的編排，形成解集設計目錄。并在解集設計目錄中列出評論每一個解的附加信息，非常有利于設計工程師選擇解元素。
網(wǎng)絡技術的蓬勃發(fā)展，異地協(xié)同設計與制造，以及從用戶對產(chǎn)品的功能需求→設計→加工→裝配→成品這一并行工程的實現(xiàn)成為可能。但是，達到這些目標的重要前提條件之一，就是實現(xiàn)產(chǎn)品方案設計效果的三維可視化。為此，不僅三維圖形軟件、智能化設計軟件愈來愈多地應用于產(chǎn)品的方案設計中，虛擬現(xiàn)實技術以及多媒體、超媒體工具也在產(chǎn)品的方案設計中初露鋒芒。目前，德國等發(fā)達國家正著力于研究超媒體技術、產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換標準STEP，以及標準虛擬現(xiàn)實造型語言上基于虛擬環(huán)境的標準交換格式)在產(chǎn)品設計中的應用。
機械產(chǎn)品的方案設計正朝著計算機輔助實現(xiàn)、智能化設計和滿足異地協(xié)同設計制造需求的方向邁進，由于產(chǎn)品方案設計計算機實現(xiàn)方法的研究起步較晚，目前還沒有成熟的、能夠達到上述目標的方案設計工具軟件。作者認為，綜合運用文中四種類型設計方法是達到這一目標有效途徑。雖然這些方法的綜合運用涉及的領域較多，不僅與機械設計的領域知識有關，而且還涉及到系統(tǒng)工程理論、人工智能理論、計算機軟硬件工程、網(wǎng)絡技術等各方面的領域知識，但仍然是產(chǎn)品方案設計必須努力的方向。國外在這方面的研究已初見成效，我國設計學者也已意識到CAD技術與國際交流合作的重要性，及其應當采取的措施。
基于產(chǎn)品特征知識設計方法的主要特點是：用計算機能夠識別的語言描述產(chǎn)品的特征及其設計領域?qū)＜业闹R和經(jīng)驗，建立相應的知識庫及推理機，再利用已存儲的領域知識和建立的推理機制實現(xiàn)計算機輔助產(chǎn)品的方案設計。
機械系統(tǒng)的方案設計主要是依據(jù)產(chǎn)品所具有的特征，以及設計領域?qū)＜业闹R和經(jīng)驗進行推量和決策，完成機構的型、數(shù)綜合。欲實現(xiàn)這一階段的計算機輔助設計，必須研究知識的自動獲取、表達、集成、協(xié)調(diào)、管理和使用。為此，國內(nèi)外設計學者針對機械系統(tǒng)方案設計知識的自動化處理做了大量的研究工作，采用的方法可歸納為下述幾種。
1 概述
1.1 設計的目的和意義
隨著社會經(jīng)濟和辦公設備的發(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，查閱國內(nèi)外的多功能自動打孔機的相關資料，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)構方案論證分析，確定設計方案，設計多功能自動打孔機的結(jié)構參數(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)構的設計和計算，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。
本設計要求多功能自動打孔機的結(jié)構緊湊合理、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，并設計有定位標尺，可調(diào)節(jié)打孔間距等優(yōu)化設計
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，在本設計中對現(xiàn)有的打孔機進行了設計改進。
（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）打孔機的整體設計；
（2）打孔機的結(jié)構設計；
（3）傳動系統(tǒng)的設計；
（4）動力系統(tǒng)的設計；
（5）凸輪的設計；
（6）軸承的計算選擇；；
（7）基座的設計；
1.3.2 技術要求
根據(jù)課題要求本設計的技術要求如下：
（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。
采取設計步驟：
（1）打孔部分。設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)的設計。包括點擊的選擇計算，凸輪的設計計算；
（3）軸承的選擇計算；
（4）機體機架的設計；
（5）各種標準件的設計；
1.4.2 總體設計方案
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)構設計
2.1 刀具的設計
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 底板的設計
為了保證刀具和地板孔的配合精度，將地板孔設計在底板上，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，在其上部設置加強筋。
3 傳動部分的設計
3.1 傳動方案的設計
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 凸輪的設計
3.2.1 概述
凸輪機構是由具有曲線輪廓或凹槽的構件，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。雖然凸輪機構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)律來設計凸輪的輪廓曲線就可以了。 凸輪機構廣泛應用于各種自動機械、儀器和操縱控制裝置。凸輪機構之所以得到如此廣泛的應用，主要是由于凸輪機構可以實現(xiàn)各種復雜的運動要求，而且結(jié)構簡單、緊湊。
凸輪結(jié)構的特點：
1、只需改變凸輪廓線，就可以得到復雜的運動規(guī)律；
2、設計方法簡便；
3、構件少、結(jié)構緊湊；
4、與其它機構組合可以得到很復雜的運動規(guī)律；
5、凸輪機構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。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。凸輪機構是由凸輪、從動件和機架這三個基本構件所組成的一種高副機構。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。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。凸輪機構結(jié)構緊湊，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。但凸輪機構易磨損，有噪聲，高速凸輪的設計比較復雜，制造要求較高。
3.2.2 基圓以及方程的計算
設：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
用圖解法設計此盤形凸輪機構，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）設計的打孔機通過了改進和完善，滿足了所需要的技術要求；
（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)；