學(xué) 院本科畢業(yè)設(shè)計題 目 手動補(bǔ)鞋機(jī)的設(shè)計 院 系 機(jī)械學(xué)院 專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計制造及其自動化 姓 名 學(xué) 號 學(xué)習(xí)年限 2011 年 9 月至 2015 年 6 月指導(dǎo)教師 職稱 副教授 申請學(xué)位 工學(xué) 學(xué)士學(xué)位 2015 年 5 月 28 日手動補(bǔ)鞋機(jī)的設(shè)計學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師：摘要： 本設(shè)計的主要內(nèi)容為:手動補(bǔ)鞋機(jī)。通過市場調(diào)研，熟悉手動補(bǔ)鞋機(jī)的結(jié)構(gòu)，查閱其說明書和使用說明書，對該型號的手動補(bǔ)鞋機(jī)進(jìn)行設(shè)計、計算、仿真。經(jīng)過原理設(shè)計、總裝設(shè)計和各個零件的設(shè)計，得到該補(bǔ)鞋機(jī)的總裝配體，然后對裝配體進(jìn)行運(yùn)動仿真。通過仿真手動補(bǔ)鞋機(jī)，就能很直觀的看出手動補(bǔ)鞋機(jī)的運(yùn)動原理。爆炸手動補(bǔ)鞋機(jī)的裝配體，可以很好的反應(yīng)出各部分的配合關(guān)系。關(guān)鍵詞：手動 補(bǔ)鞋機(jī) 設(shè)計 Design of The ManualCobbling MachineAuthor’s Name: Tutor:ABSTRACT: The manual cobbling machine is the main contents of this design. In order to design, calculate and simulate the machine, I made the market research, be familiar with the structure of patch shoes machine and also consult its specification. After the design of manual cobbling machine principles, assembly and various parts , then get a general assembly of the cobbling machine, then I can simulate the assembly. According to emulation the cobbling machine, we can study movement principle of the cobbling machine intuitive and manually. KEYWORDS:Manually Cobbling machine Design目 錄1 緒論 .11.1 簡述 11.2 本課題的研究目的和內(nèi)容 12 補(bǔ)鞋機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)原理的分析 .12.1 補(bǔ)鞋機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)原理的分析 12.2 自由度計算 43 補(bǔ)鞋機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計計算及分析 .53.1 補(bǔ)鞋機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計 53.2 補(bǔ)鞋機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)受力分析與計算 74 補(bǔ)鞋機(jī)主要機(jī)構(gòu)桿間的鉸接設(shè)計 104.1 機(jī)架與下針桿的鉸接設(shè)計與校核 .104.2 機(jī)架與壓腳桿的鉸接設(shè)計與校核 .114.3 主傳動軸的設(shè)計與校核 .115 補(bǔ)鞋機(jī)各驅(qū)動凸輪的輪廓設(shè)計 125.1 主運(yùn)動驅(qū)動凸輪輪廓的設(shè)計 .125.2 壓腳機(jī)構(gòu)驅(qū)動凸輪的輪廓設(shè)計 .145.3 送線機(jī)構(gòu)驅(qū)動凸輪的輪廓設(shè)計 .156 補(bǔ)鞋機(jī)各桿的輪廓設(shè)計 176.1 下針桿的輪廓設(shè)計 .176.2 壓腳桿輪廓的設(shè)計 .186.3 牽線桿輪廓的設(shè)計 .196.4 針桿的設(shè)計 206.5 連接件的設(shè)計 .216.6 機(jī)架的設(shè)計 .227 補(bǔ)鞋機(jī)的總裝設(shè)計 237.1 主運(yùn)動機(jī)構(gòu)的裝配 .237.2 壓腳機(jī)構(gòu)的裝配 .247.3 牽線機(jī)構(gòu)的裝配 .247.4 其他輔助零件的裝配 .247.5 總裝分析 .278 補(bǔ)鞋機(jī)的使用維護(hù)說明 278.1 補(bǔ)鞋機(jī)的使用與保養(yǎng) .278.2 補(bǔ)鞋機(jī)的故障與排除 .308.3 補(bǔ)鞋機(jī)的注意事項 .32總結(jié)與致謝 .33參考文獻(xiàn) .34附錄 .3501 緒論1.1 簡述手動補(bǔ)鞋機(jī)可以縫補(bǔ)各種大小的布鞋，皮鞋，膠鞋，旅行袋，雨衣等，分為平頭補(bǔ)鞋機(jī)和斜頭補(bǔ)鞋機(jī)，平頭補(bǔ)鞋機(jī)多適用于縫補(bǔ)旅游鞋，保暖鞋或鞋頭比較高、寬的鞋；而斜頭補(bǔ)鞋機(jī)機(jī)頭較高，適用于縫補(bǔ)皮鞋或者是鞋頭比較矮、尖的時裝鞋。手動補(bǔ)鞋機(jī)由驅(qū)動、傳動、縫補(bǔ)運(yùn)動、各種功能調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)以及機(jī)身等組成。其中驅(qū)動部分主要是由凸輪機(jī)構(gòu)組成，在手輪上通過機(jī)加工出圓環(huán)凹槽，下針桿的一端連接一小圓輥子，小圓輥子與離心圓環(huán)槽組成一個運(yùn)動副，搖動手輪，帶動下針桿運(yùn)動，下針桿的另一端連接針桿，從而帶動針桿上下運(yùn)動進(jìn)行縫補(bǔ)。手動補(bǔ)鞋機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)各種材料的縫補(bǔ)要求，工作效率高；它的結(jié)構(gòu)簡單可靠，維修調(diào)節(jié)比較方便，成本低廉，操作簡便，易攜帶，故得到廣泛的應(yīng)用。1.2 本課題的研究目的和內(nèi)容這次設(shè)計的主要內(nèi)容是研究市場上已有的 JA 型手動補(bǔ)鞋機(jī)，通過市場調(diào)查和收集資料，分析手動補(bǔ)鞋機(jī)的運(yùn)動原理、機(jī)械結(jié)構(gòu)，選取各結(jié)構(gòu)尺寸，完成三維建模、三維裝配圖、運(yùn)動仿真和主要零件圖。通過這次畢業(yè)設(shè)計，目的是培養(yǎng)理論聯(lián)系實際的設(shè)計思想，訓(xùn)練綜合運(yùn)用所學(xué)理論知識的能力，通過制定設(shè)計方案，掌握機(jī)械零件、機(jī)械傳動裝置的設(shè)計過程和方法，鞏固、加深和擴(kuò)展有關(guān)機(jī)械設(shè)計方面的知識，為走出學(xué)校走向社會工作崗位打下基礎(chǔ)。此次設(shè)計的主要內(nèi)容包括以下幾個方面：1.機(jī)械原理設(shè)計；2.設(shè)計并選擇各個零件；3.畫零件圖、總裝配圖、做動態(tài)仿真視頻；2 補(bǔ)鞋機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)原理的分析12.1 補(bǔ)鞋機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)原理的分析通過觀察市場上常見的補(bǔ)鞋機(jī)，熟悉了手動補(bǔ)鞋機(jī)主要由動力部分（凸輪推桿機(jī)構(gòu)）、傳動部分（連桿機(jī)構(gòu)）、執(zhí)行部分（走針運(yùn)動）、調(diào)節(jié)裝置（彈簧張緊裝置）和機(jī)身組成。市場上常見的補(bǔ)鞋機(jī)如圖 2-1 所示。圖 2-1 手動補(bǔ)鞋機(jī)示意圖1.補(bǔ)鞋機(jī)主運(yùn)動機(jī)構(gòu)主要由手輪、下針桿、針桿連桿、針桿等主要運(yùn)動構(gòu)件組成。其運(yùn)動原理為：手輪上面通過機(jī)加工開出一道離心圓環(huán)槽，下針桿的一端連接一小圓輥子，小圓輥子與離心圓環(huán)槽組成一個運(yùn)動副，這里可以看成一個凸輪運(yùn)動機(jī)構(gòu)，根據(jù)機(jī)械原理的運(yùn)動分析，這樣的一組機(jī)構(gòu)稱為凸輪推桿機(jī)構(gòu)。設(shè)計運(yùn)動路徑之后，是可以滿足補(bǔ)鞋機(jī)補(bǔ)鞋的運(yùn)動軌跡。而下針桿與針桿連桿、針桿則組成一組曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，這樣的兩組運(yùn)動機(jī)構(gòu)組成一個有機(jī)的整體。該機(jī)構(gòu)的驅(qū)動是通過驅(qū)動手輪來實現(xiàn)的。所以可以把手動補(bǔ)鞋機(jī)的主運(yùn)動機(jī)構(gòu)稱為凸輪驅(qū)動曲柄滑塊機(jī)構(gòu)。其他組件構(gòu)成的機(jī)械運(yùn)動機(jī)構(gòu)皆為輔助運(yùn)動機(jī)構(gòu)，以滿足主運(yùn)動扎針的要求。其主運(yùn)動機(jī)構(gòu)的運(yùn)動簡圖如圖 2-2 所示。 2圖 2-2 補(bǔ)鞋機(jī)主運(yùn)動機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖1-手輪；2-下針桿；3-機(jī)架支點(diǎn)；4-針桿連桿；5-針桿人手搖動手輪轉(zhuǎn)動，下針桿上小圓輥子在手輪的圓環(huán)槽里面做凸輪曲線運(yùn)動，下針桿為一曲柄轉(zhuǎn)動，針桿沿導(dǎo)向槽往復(fù)移動，就能實現(xiàn)扎針運(yùn)動，滿足補(bǔ)鞋的運(yùn)動機(jī)理。2.壓腳的運(yùn)動機(jī)構(gòu)也是一個凸輪驅(qū)動滑塊機(jī)構(gòu)，其驅(qū)動與主運(yùn)動驅(qū)動為同一驅(qū)動源。壓腳運(yùn)動機(jī)構(gòu)是由與手輪固定連接的小凸輪、壓腳桿組成。它的運(yùn)動簡圖如圖2-3 所示：圖 2-3 壓腳運(yùn)動機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖1-小凸輪；2-壓腳桿；3-機(jī)架支點(diǎn)壓腳機(jī)構(gòu)的主要功能是實現(xiàn)間歇性運(yùn)動，可以實現(xiàn)補(bǔ)鞋的進(jìn)給運(yùn)動。因此補(bǔ)鞋的進(jìn)給的實現(xiàn)是由壓腳壓住鞋板，當(dāng)針桿向上運(yùn)動回程的時候，將壓腳往外頂，然后壓腳轉(zhuǎn)動一個很小的角度，該轉(zhuǎn)動所產(chǎn)生的摩擦力將鞋子往前進(jìn)給 2-3mm，就可以實現(xiàn)補(bǔ)鞋運(yùn)動的進(jìn)給。333.送線機(jī)構(gòu)同樣也是一個由凸輪驅(qū)動的機(jī)構(gòu)，其驅(qū)動與主運(yùn)動驅(qū)動為同一驅(qū)動源。送線機(jī)構(gòu)是由小凸輪、跳線桿組成，其運(yùn)動機(jī)構(gòu)的運(yùn)動簡圖如圖 2-4 所示：圖 2-4 送線運(yùn)動機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖1-小凸輪；2-跳線桿；3-機(jī)架支點(diǎn)送線機(jī)構(gòu)的運(yùn)動，其主要作用是牽線，通過同一驅(qū)動源的驅(qū)動使下針運(yùn)動、壓腳運(yùn)動和線的進(jìn)給能夠同步合理的進(jìn)行。2.2 自由度計算平面機(jī)構(gòu)自由度的計算公式為：（1-1）HLPnF??231.補(bǔ)鞋機(jī)的主運(yùn)動機(jī)構(gòu)的運(yùn)動簡圖如上圖 2-2 所示，其中，活動構(gòu)件的數(shù)目為5，轉(zhuǎn)動副數(shù)目為 4，移動副數(shù)目為 1，高副為 1。但構(gòu)件 2 與凸輪 1 之間通過滾子實現(xiàn)滾動接觸，所以此處引入一個局部自由度，應(yīng)當(dāng)除去不計。這樣有n=4,PL=5，P H=1，由公式（1-1）得： 323?????HLPnF原動件數(shù)為 1原動件個數(shù)等于機(jī)構(gòu)自由度數(shù)目，所以所示的補(bǔ)鞋機(jī)主運(yùn)動結(jié)構(gòu)-凸輪驅(qū)動曲柄滑塊機(jī)構(gòu)具有確定的運(yùn)動。2.壓腳機(jī)構(gòu)運(yùn)動的運(yùn)動簡圖如圖 2-3 所示，其中，活動構(gòu)件數(shù)目為 2，低副數(shù)目為 2，高副數(shù)目為 1。這樣有 n=2,PL=2，P H=1，由公式（1-1）得： 312323??????nF4原動件數(shù)為 1原動件個數(shù)等于機(jī)構(gòu)自由度數(shù)目，所以所示的壓腳機(jī)構(gòu)運(yùn)動-凸輪驅(qū)動曲柄滑塊機(jī)構(gòu)具有確定的運(yùn)動。3.送線機(jī)構(gòu)運(yùn)動的運(yùn)動簡圖如圖 2-4 所示，其中，活動構(gòu)件數(shù)目為 2，低副數(shù)目為 2，高副數(shù)目為 1。這樣有 n=2,PL=2,PH=1，由公式（1-1）得： 原動件數(shù)為 1原動件個數(shù)等于機(jī)構(gòu)自由度數(shù)目，所以所示的送線機(jī)構(gòu)運(yùn)動具有確定的運(yùn)動。通過上述分析和計算，可以知道手動補(bǔ)鞋機(jī)的主運(yùn)動主要是由屬于同一個驅(qū)動源的三個凸輪分別驅(qū)動三根連桿，來實現(xiàn)手動補(bǔ)鞋機(jī)的補(bǔ)鞋過程。3 補(bǔ)鞋機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計計算及分析3.1 補(bǔ)鞋機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計3.1.1 補(bǔ)鞋機(jī)主運(yùn)動的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計補(bǔ)鞋機(jī)主運(yùn)動的機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖如圖 2-2 所示，根據(jù)補(bǔ)鞋機(jī)主運(yùn)動的運(yùn)動原理圖，可以初步繪出補(bǔ)鞋機(jī)主運(yùn)動的三維模型，如圖 3-1：圖 3-1 補(bǔ)鞋機(jī)主運(yùn)動機(jī)構(gòu)的三維模型1524323??????PnF51-機(jī)架；2-盤形溝槽凸輪；3-圓盤軸；4-滾動銷；5-下針桿；6-銷軸；7-連接件；8-針桿該三維模型是整個補(bǔ)鞋機(jī)機(jī)構(gòu)分離出來的一個部分，不包括壓腳機(jī)構(gòu)和其他輔助機(jī)構(gòu)，這為后面壓腳機(jī)構(gòu)和送線機(jī)構(gòu)的設(shè)計提供依據(jù)。3.1.2 補(bǔ)鞋機(jī)壓腳運(yùn)動的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計補(bǔ)鞋機(jī)壓腳運(yùn)動機(jī)構(gòu)的運(yùn)動簡圖如圖 2-3 所示，根據(jù)補(bǔ)鞋機(jī)壓腳運(yùn)動機(jī)構(gòu)的運(yùn)動簡圖，并且參考上述圖 3-1 所示的補(bǔ)鞋機(jī)主運(yùn)動的三維模型，初步設(shè)計補(bǔ)鞋機(jī)壓腳運(yùn)動的三維模型如圖 3-2 所示：圖 3-2 補(bǔ)鞋機(jī)壓腳運(yùn)動機(jī)構(gòu)的三維模型1-機(jī)架；2-盤形溝槽凸輪；3-滾動銷；4-下針桿；5-銷軸；6-連接件；7-針桿；8-圓盤軸；9-平底從動件盤形凸輪；10-壓腳桿手輪通過圓盤軸與機(jī)架連接，壓腳桿與機(jī)架通過轉(zhuǎn)動鉸鏈鉸接連接；針桿連桿與機(jī)架通過轉(zhuǎn)動鉸鏈鉸接連接；壓腳桿的復(fù)位通過壓腳桿拉簧的拉力來實現(xiàn)；針桿連桿的復(fù)位通過扎針調(diào)節(jié)拉簧的拉力實現(xiàn)。鉸鏈設(shè)計時，需注意各轉(zhuǎn)動鉸鏈的安全性設(shè)計，必需校核其強(qiáng)度。3.1.3 補(bǔ)鞋機(jī)送線運(yùn)動的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計6補(bǔ)鞋機(jī)送線運(yùn)動機(jī)構(gòu)的運(yùn)動簡圖如上圖 2-4 所示，主要由小凸輪、跳線桿組成，結(jié)構(gòu)比較簡單，與主運(yùn)動、壓腳進(jìn)給運(yùn)動屬于同一個驅(qū)動源，所以送線運(yùn)動機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計可以依據(jù)主運(yùn)動、壓腳機(jī)構(gòu)運(yùn)動的結(jié)構(gòu)設(shè)計，來設(shè)計送線運(yùn)動機(jī)構(gòu)。3.1.4 補(bǔ)鞋機(jī)各部分機(jī)構(gòu)的組合機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計將上述補(bǔ)鞋機(jī)的主運(yùn)動結(jié)構(gòu)、壓腳進(jìn)給結(jié)構(gòu)、送線運(yùn)動結(jié)構(gòu)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計集成，就可以設(shè)計出一款完善的補(bǔ)鞋機(jī)。需要注意的是：主運(yùn)動、壓腳進(jìn)給運(yùn)動、送線運(yùn)動這三個運(yùn)動的驅(qū)動源是相同的，即手輪和兩個小凸輪都是通過同一個軸來固定在機(jī)架上，通過搖動手輪來實現(xiàn)轉(zhuǎn)動。下針桿和跳線桿在機(jī)架上的固定也是通過同一根軸來固定，因此在這兩個地方都是鉸鏈連接，所以設(shè)計是須考慮軸的強(qiáng)度。3.2 補(bǔ)鞋機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)受力分析與計算1.補(bǔ)鞋機(jī)主運(yùn)動機(jī)構(gòu)的受力分析及計算因為在下針時，針要與底板平面垂直，才能正確的進(jìn)行縫補(bǔ)，所以使針桿與梭托平面垂直。補(bǔ)鞋機(jī)的主運(yùn)動-下針機(jī)構(gòu)的受力圖如圖 3-4 所示：圖 3-4 補(bǔ)鞋機(jī)主運(yùn)動下針機(jī)構(gòu)受力圖在圖 3-4 所示的受力圖中，B 為固定鉸鏈支座，作用在 A 上的力 F 使針桿 C 向下移動，假設(shè)針桿 C 與支座 D 為光滑接觸，各桿重量均不計。有已知針粗 1mm，布料厚3mm，支座 D 的最大支承反力約為 240N。7（1）首先，取針桿 C 為研究對象。針桿 C 的受力圖如圖 3-5（a）所示，它受三個力 FAC’,FD,FN作用，并組成平面共點(diǎn)力系。圖 3-5（a) 針桿 C 的受力圖圖 3-5（b) 封閉力三角形應(yīng)用平衡的幾何條件，作出封閉力三角形，如圖 3-5（b)所示。根據(jù)圖 3-5(b)可以得出針桿 C 所受最大力 FAC’的大小為： NFDA24815cos0' ???（2）其次，取桿 AB 為研究對象。桿 AB 的受力圖如圖 3-5（c)所示，其中 Fax 與Fbx 互為作用力和反作用力；Fay 與 Fby 互為作用力和反作用力。8圖 3-5（c) 桿 AB 受力圖應(yīng)用平衡的幾何條件，作出封閉力三角形，如圖 3-5（d)所示：圖 3-5（d) 封閉力三角形由于此封閉三角形與圖 3-4 中的三角形 AEC 相似，故有關(guān)系式：式 3-1ACFacExay?在△AEC 中，AC=40mm，EC=35mm，∠ACE=15°，可以求出 AE=10mm，將它們代入式 3-1 可得： NECAFacy217??ax6由于 Fax 與 Fbx 互為作用力和反作用力，F(xiàn)ay 與 Fby 互為作用力和反作用力9，所以 Fbx=62N,方向與 Fax 相反；F by=217N,方向與 Fay 相反。2.補(bǔ)鞋機(jī)壓腳運(yùn)動機(jī)構(gòu)的受力分析及計算補(bǔ)鞋機(jī)壓腳運(yùn)動機(jī)構(gòu)的受力圖如圖 3-6 所示：圖 3-6 壓腳運(yùn)動機(jī)構(gòu)受力圖由圖 3-5（b) 封閉力三角形，可以得出： NFacn6415si???所以支座 A 所受的力為：F AX=64N,FAY=240N.4 補(bǔ)鞋機(jī)主要機(jī)構(gòu)桿間的鉸接設(shè)計4.1 機(jī)架與下針桿的鉸接設(shè)計與校核機(jī)架與下針桿鉸接處對材料的作用力為剪切力，選擇連接件為銷軸。查《機(jī)械手冊》選擇銷軸的材料為 45 號鋼，熱處理為調(diào)質(zhì)處理，熱處理后銷軸的硬度為 40-50HRC。通過查《機(jī)械設(shè)計手冊》選 d=8mm 的銷軸。又查表 5-3-2，得：， ，又有銷軸強(qiáng)度計算公式：MPab150~2?? MPabp 105~9)7.06(????公式（4-1）][2pSAF??根據(jù)前面 3-2-2 節(jié)所述，可以知道鉸接處所受力為 F=62N,Fby=217N,求得其合力為 ，根據(jù)公式（4-1）得：NFR621764???10pMPadFA?????242符合強(qiáng)度要求。4.2 機(jī)架與壓腳桿的鉸接設(shè)計與校核機(jī)架與壓腳桿處的鉸接與機(jī)架與下針桿的鉸接相同，取銷軸 d=10mm.4.3 主傳動軸的設(shè)計與校核查《機(jī)械設(shè)計手冊》表 6-1-1，選擇軸的材料為 45 鋼，熱處理為調(diào)質(zhì)處理，抗拉強(qiáng)度 ，屈服強(qiáng)度 ，彎曲疲勞強(qiáng)度 ，扭轉(zhuǎn)MPab650??MPas360??MPa2701???疲勞強(qiáng)度 。查表 6-1-21 得軸的許用彎曲應(yīng)力為 。1?? p軸的軸向定位為圓螺母，軸定周向定位為平鍵。1.計算軸徑：根據(jù)公式 可計算軸徑。368.21pd??其中：M=F mNl ???096.1.7則 Mdp.268.213??取 d=12mm。2.軸的校核：安全系數(shù)校核公式： ，查表 6-1-27 得，S p=1.8-2.5.pss???2??= ,mbkss???????1 42.035.291.057???????mks?????1 0.325.89.0????其中： -只考慮彎矩作用時的安全系數(shù)；?s11-按疲勞強(qiáng)度計算的許用安全系數(shù)，見表 6-1-27；ps對稱循環(huán)應(yīng)力下的材料彎曲疲勞強(qiáng)度極限，MPa，見表 6-1-1；?1?-對稱循環(huán)應(yīng)力下的材料彎曲扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度極限，MPa ，見表 6-1-1；?彎曲和扭轉(zhuǎn)時的有效應(yīng)力集中系數(shù)，見表 6-1-31~6-1-33:；?k,β-表面質(zhì)量系數(shù)，一般用表 6-1-37；-只考慮扭轉(zhuǎn)作用時的安全系數(shù)；?s彎曲和扭轉(zhuǎn)時的尺寸影響系數(shù)，見表 6-1-35；???,材料拉伸和扭轉(zhuǎn)的平均應(yīng)力折算系數(shù)，見表 6-1-34；??彎曲應(yīng)力的應(yīng)力幅和平均應(yīng)力，MPa，見表 6-1-26；ma,扭轉(zhuǎn)應(yīng)力的應(yīng)力幅和平均應(yīng)力，MPa，見表 6-1-26??則安全系數(shù)為： 25.01.3.042.22 ????????ss所以軸徑為 12mm.5 補(bǔ)鞋機(jī)各驅(qū)動凸輪的輪廓設(shè)計5.1 主運(yùn)動驅(qū)動凸輪輪廓的設(shè)計主運(yùn)動驅(qū)動手輪為滾子從動件盤形溝槽凸輪，所驅(qū)動的從動件為下針桿，從動件的運(yùn)動為上下往復(fù)運(yùn)動，運(yùn)動曲線如圖 5-1 所示：圖 5-1 下針桿運(yùn)動曲線12根據(jù)所給的從動件運(yùn)動曲線，通過作圖法可以畫出凸輪的輪廓曲線。依據(jù)市場上現(xiàn)有的手搖式補(bǔ)鞋機(jī)的結(jié)構(gòu)尺寸，和操作習(xí)慣，可以把溝槽凸輪的外徑設(shè)置為176mm，厚度為 15mm。由于進(jìn)針桿和手輪之間通過滾子來傳遞運(yùn)動，所以設(shè)置手輪上的曲線凹槽深度為 10mm，寬度為 13mm，查《機(jī)械設(shè)計課程設(shè)計》得到凸輪的公差和配合，繪出凸輪的二維圖，如圖 5-2 所示：圖 5-2 盤形溝槽凸輪的二維圖通過 SolidWorks 軟件作圖，可以得到凸輪的三維模型如圖 5-3 所示。13圖 5-2 滾子從動件盤形溝槽凸輪5.2 壓腳機(jī)構(gòu)驅(qū)動凸輪的輪廓設(shè)計壓腳機(jī)構(gòu)的驅(qū)動凸輪為擺動從動件盤形凸輪，該凸輪由主運(yùn)動的驅(qū)動源-手輪驅(qū)動，通過壓腳桿的上下擺動，來帶動壓腳上下往復(fù)運(yùn)動。其運(yùn)動曲線如圖 5-4 所示：圖 5-4 壓腳桿運(yùn)動曲線通過作圖法可以得出該凸輪的輪廓曲線，設(shè)計其厚度為 14mm，查《機(jī)械設(shè)計課程設(shè)計》得到凸輪的公差和配合，繪出凸輪的二維圖，如圖 5-5 所示：14圖 5-5 平底從動件盤形凸輪 1 的二維圖然后再生成三維模型，如圖 5-6 所示：圖 5-6 平底從動件盤形凸輪 15.3 送線機(jī)構(gòu)驅(qū)動凸輪的輪廓設(shè)計15送線機(jī)構(gòu)的驅(qū)動凸輪與主運(yùn)動機(jī)構(gòu)、壓腳運(yùn)動機(jī)構(gòu)的驅(qū)動凸輪屬同一驅(qū)動源，在同一根軸上，所以可以根據(jù)上述兩個凸輪的設(shè)計來設(shè)計該凸輪。其運(yùn)動曲線如圖 5-7所示：圖 5-7 牽線桿運(yùn)動曲線由于送線機(jī)構(gòu)驅(qū)動凸輪與壓腳機(jī)構(gòu)驅(qū)動凸輪在機(jī)架的同一邊，可設(shè)計該凸輪的厚度為 14mm，查《機(jī)械設(shè)計課程設(shè)計》得到凸輪的公差和配合，繪出凸輪的二維圖，如圖 5-8 所示：圖 5-8 平底從動件盤形凸輪 2 的二維圖16圖 5-9 平底從動件盤形凸輪 26 補(bǔ)鞋機(jī)各桿的輪廓設(shè)計按實際工作要求及各個鉸鏈連接點(diǎn)的距離設(shè)置補(bǔ)鞋機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)，該參數(shù)設(shè)置依據(jù)市場上現(xiàn)有的手搖式補(bǔ)鞋機(jī)的結(jié)構(gòu)尺寸，和操作習(xí)慣，稍加改動，符合人體工程學(xué)，人操作方便，便于工人師傅操作，進(jìn)行補(bǔ)鞋作業(yè)即可。初始設(shè)置各桿件的尺寸參數(shù)如下：下針桿長度為 280mm，針桿連桿的長度為 40mm，針桿長度為 120mm，壓腳桿的長度為 306mm，壓腳長度為 135mm，牽線桿的長度為 303mm。6.1 下針桿的輪廓設(shè)計下針桿靠銷軸與機(jī)架定位，所以在下針桿上首先要設(shè)計出與銷配合的孔 ；其8?次下針桿要通過滾動銷隨著盤形溝槽凸輪的凸輪輪廓運(yùn)動，在靠近溝槽凸輪的那端設(shè)計與滾動銷配合的孔 ；另一端要與連接件連接，設(shè)計孔 ；又考慮到下針桿在9?8運(yùn)動時，不能與機(jī)架太過靠近，故在靠近機(jī)架的一側(cè)設(shè)計凸臺，以防磕碰。根據(jù)上述思路，查《機(jī)械設(shè)計課程設(shè)計》可以得到各尺寸的公差和配合，可以設(shè)計出下針桿的二維，如下圖示：17圖 6-1 下針桿二維圖利用 SolidWorks 軟件可生成下針桿的三維模型：圖 6-2 下針桿模型6.2 壓腳桿輪廓的設(shè)計壓腳桿同樣靠銷軸與機(jī)架定位，所以壓腳桿中要設(shè)計一個孔 與銷軸配合，壓8?腳桿為平底從動件盤形凸輪 1 的從動件，根據(jù)凸輪厚度設(shè)計壓腳桿寬 14mm，；考慮到壓腳與針桿要配合運(yùn)動，在和針桿的同一側(cè)要設(shè)計圓環(huán)，便于針桿通過；設(shè)計壓腳長 135；由于壓腳桿與平底從動件盤形凸輪 1 組成一個機(jī)構(gòu)，因此壓腳桿要設(shè)計合理的彎度。根據(jù)以上思路，查《機(jī)械設(shè)計課程設(shè)計》可以得到各尺寸的公差和配合,可以設(shè)計出壓腳桿的二維，如下圖所示:18圖 6-3 壓腳桿的二維圖利用 SolidWorks 軟件可生成下針桿的三維模型：圖 6-4 壓腳桿模型6.3 牽線桿輪廓的設(shè)計牽線桿與下針桿、壓腳桿設(shè)計的基本思路相同，不同的是牽線桿要有搭線的地方，搭線處設(shè)計長度為 5mm。查《機(jī)械設(shè)計課程設(shè)計》可以得到各尺寸的公差和配合,可以設(shè)計出壓腳桿的二維，如下圖所示:19圖 6-5 牽線桿二維圖利用 SolidWorks 軟件可生成下針桿的三維模型：圖 6-6 牽線桿模型6.4 針桿的設(shè)計針桿設(shè)計主要要考慮長度和直徑，設(shè)計出針桿的三維圖如下：20圖 6-7 針桿模型6.5 連接件的設(shè)計連接件的作用是連接下針桿和針桿的，所以連接件的設(shè)計要同時考慮下針桿和針桿，設(shè)計出連接件的二維圖如下所示：21圖 6-8 連接件的二維圖利用 SolidWorks 軟件可生成下針桿的三維模型：圖 6-9 連接件模型6.6 機(jī)架的設(shè)計機(jī)架的設(shè)計要根據(jù)上述主要零件的安裝位置，配合和公差來設(shè)計。機(jī)架主要包括以下幾部分：腳座、底板、支架等?？紤]到零件安裝上后，機(jī)架要承受的重量，運(yùn)動時要承受的力，將機(jī)架設(shè)計為焊接件，即將支架、底板、腳座焊接到一起。查《機(jī)械設(shè)計課程設(shè)計》可以得到各尺寸的公差和配合,得出機(jī)架的二維圖：22圖 6-10 機(jī)架二維圖利用 SolidWorks 軟件可生成下針桿的三維模型：圖 6-11 機(jī)架模型7 補(bǔ)鞋機(jī)的總裝設(shè)計經(jīng)過上述章節(jié)對手動補(bǔ)鞋機(jī)中各個主要零件的設(shè)計、建模，可以利用SolidWorks 對手動補(bǔ)鞋機(jī)進(jìn)行整體裝配。在進(jìn)行總體裝配時，要充分考慮各個零件之間的配合關(guān)系，這樣才能裝配起來并進(jìn)行仿真。裝配時，先在軟件中新建裝配體，然后插入支架，隨后的零件都要在支架的基礎(chǔ)上進(jìn)行裝配。接下來，裝配主運(yùn)動機(jī)構(gòu)、壓腳機(jī)構(gòu)、牽線機(jī)構(gòu)及其他輔助零件。7.1 主運(yùn)動機(jī)構(gòu)的裝配23主運(yùn)動機(jī)構(gòu)的零件包括盤形溝槽凸輪、滾動銷、下針桿，連接件、連接軸和針桿組成。1.單擊“插入”命令：插入盤形溝槽凸輪、手柄、下針桿、連接件、針桿。2.單擊“配合”命令：選擇凸輪的中心孔與支架上要裝位置的孔，配合為同軸心；選擇下針桿的轉(zhuǎn)動中心與支架上對應(yīng)位置的孔，配合為同軸心。選擇連接件與下針桿，進(jìn)行孔的同軸心配合；選擇連接軸和連接件的另一孔進(jìn)行同軸心配合。因為凸輪和支架支架不是直接接觸，所以要裝配套筒，與凸輪同軸心，套筒一面與凸輪重合，另一面與支架重合。這樣主運(yùn)動機(jī)構(gòu)的位置就確定了。3.配合盤形溝槽凸輪和滾動銷：選擇“機(jī)械配合”中的“凸輪配合”，其中從動件為滾動銷的軸面。4.針桿的配合：由于針桿在運(yùn)動是要與支架的底平面垂直，故在裝配針桿時，要使針桿與支架上的針筒同軸心，才能實現(xiàn)運(yùn)動。7.2 壓腳機(jī)構(gòu)的裝配壓腳機(jī)構(gòu)的零件包括平底從動件盤形凸輪 1、壓腳桿組成。1.壓腳桿的裝配方法與下針桿相同。2.由于平底從動件盤形凸輪 1 與盤形溝槽凸輪的驅(qū)動源是同一個，所以平底從動件盤形凸輪 1 與盤形溝槽凸輪的配合為同軸心。3.平底從動件盤形凸輪 1 和壓腳桿的配合：選擇“機(jī)械配合”中的“凸輪配合”，其中從動件為壓腳桿的一個平面。7.3 牽線機(jī)構(gòu)的裝配牽線機(jī)構(gòu)的零件主要包括平底從動件盤形凸輪 2、牽線桿組成。其裝配方法與壓腳機(jī)構(gòu)的相同，故不再贅述。7.4 其他輔助零件的裝配輔助零件主要包括：圓盤軸、中心軸、兩個銷軸、墊片、螺母組成。241.圓盤軸的配合：驅(qū)動通過圓盤軸傳動，所以圓盤軸與三個凸輪同軸心，與圓盤溝圓盤軸的配合：驅(qū)動通過圓盤軸傳動，所以圓盤軸與三個凸輪同軸心，與圓盤溝槽凸輪通過鍵固定。2.墊片的配合：墊片與圓盤軸同軸心，一面與溝槽凸輪重合。3.螺母的配合：螺母與墊片同軸心，一面與墊片重合。最后得到手動補(bǔ)鞋機(jī)的裝配圖，如下圖示：圖 7-1 手動補(bǔ)鞋機(jī)裝配體由裝配體可以生成手動補(bǔ)鞋機(jī)的裝配圖，如圖所示： 學(xué) 院本科畢業(yè)設(shè)計題 目 手動補(bǔ)鞋機(jī)的設(shè)計 院 系 機(jī)械學(xué)院 專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計制造及其自動化 姓 名 學(xué) 號 學(xué)習(xí)年限 2011 年 9 月至 2015 年 6 月指導(dǎo)教師 職稱 副教授 申請學(xué)位 工學(xué) 學(xué)士學(xué)位 2015 年 5 月 28 日手動補(bǔ)鞋機(jī)的設(shè)計學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師：摘要： 本設(shè)計的主要內(nèi)容為:手動補(bǔ)鞋機(jī)。通過市場調(diào)研，熟悉手動補(bǔ)鞋機(jī)的結(jié)構(gòu)，查閱其說明書和使用說明書，對該型號的手動補(bǔ)鞋機(jī)進(jìn)行設(shè)計、計算、仿真。經(jīng)過原理設(shè)計、總裝設(shè)計和各個零件的設(shè)計，得到該補(bǔ)鞋機(jī)的總裝配體，然后對裝配體進(jìn)行運(yùn)動仿真。通過仿真手動補(bǔ)鞋機(jī)，就能很直觀的看出手動補(bǔ)鞋機(jī)的運(yùn)動原理。爆炸手動補(bǔ)鞋機(jī)的裝配體，可以很好的反應(yīng)出各部分的配合關(guān)系。關(guān)鍵詞：手動 補(bǔ)鞋機(jī) 設(shè)計 Design of The ManualCobbling MachineAuthor’s Name: Tutor:ABSTRACT: The manual cobbling machine is the main contents of this design. In order to design, calculate and simulate the machine, I made the market research, be familiar with the structure of patch shoes machine and also consult its specification. After the design of manual cobbling machine principles, assembly and various parts , then get a general assembly of the cobbling machine, then I can simulate the assembly. According to emulation the cobbling machine, we can study movement principle of the cobbling machine intuitive and manually. KEYWORDS:Manually Cobbling machine Design目 錄1 緒論 .11.1 簡述 11.2 本課題的研究目的和內(nèi)容 12 補(bǔ)鞋機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)原理的分析 .12.1 補(bǔ)鞋機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)原理的分析 12.2 自由度計算 43 補(bǔ)鞋機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計計算及分析 .53.1 補(bǔ)鞋機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計 53.2 補(bǔ)鞋機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)受力分析與計算 74 補(bǔ)鞋機(jī)主要機(jī)構(gòu)桿間的鉸接設(shè)計 104.1 機(jī)架與下針桿的鉸接設(shè)計與校核 .104.2 機(jī)架與壓腳桿的鉸接設(shè)計與校核 .114.3 主傳動軸的設(shè)計與校核 .115 補(bǔ)鞋機(jī)各驅(qū)動凸輪的輪廓設(shè)計 125.1 主運(yùn)動驅(qū)動凸輪輪廓的設(shè)計 .125.2 壓腳機(jī)構(gòu)驅(qū)動凸輪的輪廓設(shè)計 .145.3 送線機(jī)構(gòu)驅(qū)動凸輪的輪廓設(shè)計 .156 補(bǔ)鞋機(jī)各桿的輪廓設(shè)計 176.1 下針桿的輪廓設(shè)計 .176.2 壓腳桿輪廓的設(shè)計 .186.3 牽線桿輪廓的設(shè)計 .196.4 針桿的設(shè)計 206.5 連接件的設(shè)計 .216.6 機(jī)架的設(shè)計 .227 補(bǔ)鞋機(jī)的總裝設(shè)計 237.1 主運(yùn)動機(jī)構(gòu)的裝配 .237.2 壓腳機(jī)構(gòu)的裝配 .247.3 牽線機(jī)構(gòu)的裝配 .247.4 其他輔助零件的裝配 .247.5 總裝分析 .278 補(bǔ)鞋機(jī)的使用維護(hù)說明 278.1 補(bǔ)鞋機(jī)的使用與保養(yǎng) .278.2 補(bǔ)鞋機(jī)的故障與排除 .308.3 補(bǔ)鞋機(jī)的注意事項 .32總結(jié)與致謝 .33參考文獻(xiàn) .34附錄 .3501 緒論1.1 簡述手動補(bǔ)鞋機(jī)可以縫補(bǔ)各種大小的布鞋，皮鞋，膠鞋，旅行袋，雨衣等，分為平頭補(bǔ)鞋機(jī)和斜頭補(bǔ)鞋機(jī)，平頭補(bǔ)鞋機(jī)多適用于縫補(bǔ)旅游鞋，保暖鞋或鞋頭比較高、寬的鞋；而斜頭補(bǔ)鞋機(jī)機(jī)頭較高，適用于縫補(bǔ)皮鞋或者是鞋頭比較矮、尖的時裝鞋。手動補(bǔ)鞋機(jī)由驅(qū)動、傳動、縫補(bǔ)運(yùn)動、各種功能調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)以及機(jī)身等組成。其中驅(qū)動部分主要是由凸輪機(jī)構(gòu)組成，在手輪上通過機(jī)加工出圓環(huán)凹槽，下針桿的一端連接一小圓輥子，小圓輥子與離心圓環(huán)槽組成一個運(yùn)動副，搖動手輪，帶動下針桿運(yùn)動，下針桿的另一端連接針桿，從而帶動針桿上下運(yùn)動進(jìn)行縫補(bǔ)。手動補(bǔ)鞋機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)各種材料的縫補(bǔ)要求，工作效率高；它的結(jié)構(gòu)簡單可靠，維修調(diào)節(jié)比較方便，成本低廉，操作簡便，易攜帶，故得到廣泛的應(yīng)用。1.2 本課題的研究目的和內(nèi)容這次設(shè)計的主要內(nèi)容是研究市場上已有的 JA 型手動補(bǔ)鞋機(jī)，通過市場調(diào)查和收集資料，分析手動補(bǔ)鞋機(jī)的運(yùn)動原理、機(jī)械結(jié)構(gòu)，選取各結(jié)構(gòu)尺寸，完成三維建模、三維裝配圖、運(yùn)動仿真和主要零件圖。通過這次畢業(yè)設(shè)計，目的是培養(yǎng)理論聯(lián)系實際的設(shè)計思想，訓(xùn)練綜合運(yùn)用所學(xué)理論知識的能力，通過制定設(shè)計方案，掌握機(jī)械零件、機(jī)械傳動裝置的設(shè)計過程和方法，鞏固、加深和擴(kuò)展有關(guān)機(jī)械設(shè)計方面的知識，為走出學(xué)校走向社會工作崗位打下基礎(chǔ)。此次設(shè)計的主要內(nèi)容包括以下幾個方面：1.機(jī)械原理設(shè)計；2.設(shè)計并選擇各個零件；3.畫零件圖、總裝配圖、做動態(tài)仿真視頻；2 補(bǔ)鞋機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)原理的分析12.1 補(bǔ)鞋機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)原理的分析通過觀察市場上常見的補(bǔ)鞋機(jī)，熟悉了手動補(bǔ)鞋機(jī)主要由動力部分（凸輪推桿機(jī)構(gòu)）、傳動部分（連桿機(jī)構(gòu)）、執(zhí)行部分（走針運(yùn)動）、調(diào)節(jié)裝置（彈簧張緊裝置）和機(jī)身組成。市場上常見的補(bǔ)鞋機(jī)如圖 2-1 所示。圖 2-1 手動補(bǔ)鞋機(jī)示意圖1.補(bǔ)鞋機(jī)主運(yùn)動機(jī)構(gòu)主要由手輪、下針桿、針桿連桿、針桿等主要運(yùn)動構(gòu)件組成。其運(yùn)動原理為：手輪上面通過機(jī)加工開出一道離心圓環(huán)槽，下針桿的一端連接一小圓輥子，小圓輥子與離心圓環(huán)槽組成一個運(yùn)動副，這里可以看成一個凸輪運(yùn)動機(jī)構(gòu)，根據(jù)機(jī)械原理的運(yùn)動分析，這樣的一組機(jī)構(gòu)稱為凸輪推桿機(jī)構(gòu)。設(shè)計運(yùn)動路徑之后，是可以滿足補(bǔ)鞋機(jī)補(bǔ)鞋的運(yùn)動軌跡。而下針桿與針桿連桿、針桿則組成一組曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，這樣的兩組運(yùn)動機(jī)構(gòu)組成一個有機(jī)的整體。該機(jī)構(gòu)的驅(qū)動是通過驅(qū)動手輪來實現(xiàn)的。所以可以把手動補(bǔ)鞋機(jī)的主運(yùn)動機(jī)構(gòu)稱為凸輪驅(qū)動曲柄滑塊機(jī)構(gòu)。其他組件構(gòu)成的機(jī)械運(yùn)動機(jī)構(gòu)皆為輔助運(yùn)動機(jī)構(gòu)，以滿足主運(yùn)動扎針的要求。其主運(yùn)動機(jī)構(gòu)的運(yùn)動簡圖如圖 2-2 所示。 2圖 2-2 補(bǔ)鞋機(jī)主運(yùn)動機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖1-手輪；2-下針桿；3-機(jī)架支點(diǎn)；4-針桿連桿；5-針桿人手搖動手輪轉(zhuǎn)動，下針桿上小圓輥子在手輪的圓環(huán)槽里面做凸輪曲線運(yùn)動，下針桿為一曲柄轉(zhuǎn)動，針桿沿導(dǎo)向槽往復(fù)移動，就能實現(xiàn)扎針運(yùn)動，滿足補(bǔ)鞋的運(yùn)動機(jī)理。2.壓腳的運(yùn)動機(jī)構(gòu)也是一個凸輪驅(qū)動滑塊機(jī)構(gòu)，其驅(qū)動與主運(yùn)動驅(qū)動為同一驅(qū)動源。壓腳運(yùn)動機(jī)構(gòu)是由與手輪固定連接的小凸輪、壓腳桿組成。它的運(yùn)動簡圖如圖2-3 所示：圖 2-3 壓腳運(yùn)動機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖1-小凸輪；2-壓腳桿；3-機(jī)架支點(diǎn)壓腳機(jī)構(gòu)的主要功能是實現(xiàn)間歇性運(yùn)動，可以實現(xiàn)補(bǔ)鞋的進(jìn)給運(yùn)動。因此補(bǔ)鞋的進(jìn)給的實現(xiàn)是由壓腳壓住鞋板，當(dāng)針桿向上運(yùn)動回程的時候，將壓腳往外頂，然后壓腳轉(zhuǎn)動一個很小的角度，該轉(zhuǎn)動所產(chǎn)生的摩擦力將鞋子往前進(jìn)給 2-3mm，就可以實現(xiàn)補(bǔ)鞋運(yùn)動的進(jìn)給。333.送線機(jī)構(gòu)同樣也是一個由凸輪驅(qū)動的機(jī)構(gòu)，其驅(qū)動與主運(yùn)動驅(qū)動為同一驅(qū)動源。送線機(jī)構(gòu)是由小凸輪、跳線桿組成，其運(yùn)動機(jī)構(gòu)的運(yùn)動簡圖如圖 2-4 所示：圖 2-4 送線運(yùn)動機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖1-小凸輪；2-跳線桿；3-機(jī)架支點(diǎn)送線機(jī)構(gòu)的運(yùn)動，其主要作用是牽線，通過同一驅(qū)動源的驅(qū)動使下針運(yùn)動、壓腳運(yùn)動和線的進(jìn)給能夠同步合理的進(jìn)行。2.2 自由度計算平面機(jī)構(gòu)自由度的計算公式為：（1-1）HLPnF??231.補(bǔ)鞋機(jī)的主運(yùn)動機(jī)構(gòu)的運(yùn)動簡圖如上圖 2-2 所示，其中，活動構(gòu)件的數(shù)目為5，轉(zhuǎn)動副數(shù)目為 4，移動副數(shù)目為 1，高副為 1。但構(gòu)件 2 與凸輪 1 之間通過滾子實現(xiàn)滾動接觸，所以此處引入一個局部自由度，應(yīng)當(dāng)除去不計。這樣有n=4,PL=5，P H=1，由公式（1-1）得： 323?????HLPnF原動件數(shù)為 1原動件個數(shù)等于機(jī)構(gòu)自由度數(shù)目，所以所示的補(bǔ)鞋機(jī)主運(yùn)動結(jié)構(gòu)-凸輪驅(qū)動曲柄滑塊機(jī)構(gòu)具有確定的運(yùn)動。2.壓腳機(jī)構(gòu)運(yùn)動的運(yùn)動簡圖如圖 2-3 所示，其中，活動構(gòu)件數(shù)目為 2，低副數(shù)目為 2，高副數(shù)目為 1。這樣有 n=2,PL=2，P H=1，由公式（1-1）得： 312323??????nF4原動件數(shù)為 1原動件個數(shù)等于機(jī)構(gòu)自由度數(shù)目，所以所示的壓腳機(jī)構(gòu)運(yùn)動-凸輪驅(qū)動曲柄滑塊機(jī)構(gòu)具有確定的運(yùn)動。3.送線機(jī)構(gòu)運(yùn)動的運(yùn)動簡圖如圖 2-4 所示，其中，活動構(gòu)件數(shù)目為 2，低副數(shù)目為 2，高副數(shù)目為 1。這樣有 n=2,PL=2,PH=1，由公式（1-1）得： 原動件數(shù)為 1原動件個數(shù)等于機(jī)構(gòu)自由度數(shù)目，所以所示的送線機(jī)構(gòu)運(yùn)動具有確定的運(yùn)動。通過上述分析和計算，可以知道手動補(bǔ)鞋機(jī)的主運(yùn)動主要是由屬于同一個驅(qū)動源的三個凸輪分別驅(qū)動三根連桿，來實現(xiàn)手動補(bǔ)鞋機(jī)的補(bǔ)鞋過程。3 補(bǔ)鞋機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計計算及分析3.1 補(bǔ)鞋機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計3.1.1 補(bǔ)鞋機(jī)主運(yùn)動的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計補(bǔ)鞋機(jī)主運(yùn)動的機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖如圖 2-2 所示，根據(jù)補(bǔ)鞋機(jī)主運(yùn)動的運(yùn)動原理圖，可以初步繪出補(bǔ)鞋機(jī)主運(yùn)動的三維模型，如圖 3-1：圖 3-1 補(bǔ)鞋機(jī)主運(yùn)動機(jī)構(gòu)的三維模型1524323??????PnF51-機(jī)架；2-盤形溝槽凸輪；3-圓盤軸；4-滾動銷；5-下針桿；6-銷軸；7-連接件；8-針桿該三維模型是整個補(bǔ)鞋機(jī)機(jī)構(gòu)分離出來的一個部分，不包括壓腳機(jī)構(gòu)和其他輔助機(jī)構(gòu)，這為后面壓腳機(jī)構(gòu)和送線機(jī)構(gòu)的設(shè)計提供依據(jù)。3.1.2 補(bǔ)鞋機(jī)壓腳運(yùn)動的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計補(bǔ)鞋機(jī)壓腳運(yùn)動機(jī)構(gòu)的運(yùn)動簡圖如圖 2-3 所示，根據(jù)補(bǔ)鞋機(jī)壓腳運(yùn)動機(jī)構(gòu)的運(yùn)動簡圖，并且參考上述圖 3-1 所示的補(bǔ)鞋機(jī)主運(yùn)動的三維模型，初步設(shè)計補(bǔ)鞋機(jī)壓腳運(yùn)動的三維模型如圖 3-2 所示：圖 3-2 補(bǔ)鞋機(jī)壓腳運(yùn)動機(jī)構(gòu)的三維模型1-機(jī)架；2-盤形溝槽凸輪；3-滾動銷；4-下針桿；5-銷軸；6-連接件；7-針桿；8-圓盤軸；9-平底從動件盤形凸輪；10-壓腳桿手輪通過圓盤軸與機(jī)架連接，壓腳桿與機(jī)架通過轉(zhuǎn)動鉸鏈鉸接連接；針桿連桿與機(jī)架通過轉(zhuǎn)動鉸鏈鉸接連接；壓腳桿的復(fù)位通過壓腳桿拉簧的拉力來實現(xiàn)；針桿連桿的復(fù)位通過扎針調(diào)節(jié)拉簧的拉力實現(xiàn)。鉸鏈設(shè)計時，需注意各轉(zhuǎn)動鉸鏈的安全性設(shè)計，必需校核其強(qiáng)度。3.1.3 補(bǔ)鞋機(jī)送線運(yùn)動的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計6補(bǔ)鞋機(jī)送線運(yùn)動機(jī)構(gòu)的運(yùn)動簡圖如上圖 2-4 所示，主要由小凸輪、跳線桿組成，結(jié)構(gòu)比較簡單，與主運(yùn)動、壓腳進(jìn)給運(yùn)動屬于同一個驅(qū)動源，所以送線運(yùn)動機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計可以依據(jù)主運(yùn)動、壓腳機(jī)構(gòu)運(yùn)動的結(jié)構(gòu)設(shè)計，來設(shè)計送線運(yùn)動機(jī)構(gòu)。3.1.4 補(bǔ)鞋機(jī)各部分機(jī)構(gòu)的組合機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計將上述補(bǔ)鞋機(jī)的主運(yùn)動結(jié)構(gòu)、壓腳進(jìn)給結(jié)構(gòu)、送線運(yùn)動結(jié)構(gòu)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計集成，就可以設(shè)計出一款完善的補(bǔ)鞋機(jī)。需要注意的是：主運(yùn)動、壓腳進(jìn)給運(yùn)動、送線運(yùn)動這三個運(yùn)動的驅(qū)動源是相同的，即手輪和兩個小凸輪都是通過同一個軸來固定在機(jī)架上，通過搖動手輪來實現(xiàn)轉(zhuǎn)動。下針桿和跳線桿在機(jī)架上的固定也是通過同一根軸來固定，因此在這兩個地方都是鉸鏈連接，所以設(shè)計是須考慮軸的強(qiáng)度。3.2 補(bǔ)鞋機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)受力分析與計算1.補(bǔ)鞋機(jī)主運(yùn)動機(jī)構(gòu)的受力分析及計算因為在下針時，針要與底板平面垂直，才能正確的進(jìn)行縫補(bǔ)，所以使針桿與梭托平面垂直。補(bǔ)鞋機(jī)的主運(yùn)動-下針機(jī)構(gòu)的受力圖如圖 3-4 所示：圖 3-4 補(bǔ)鞋機(jī)主運(yùn)動下針機(jī)構(gòu)受力圖在圖 3-4 所示的受力圖中，B 為固定鉸鏈支座，作用在 A 上的力 F 使針桿 C 向下移動，假設(shè)針桿 C 與支座 D 為光滑接觸，各桿重量均不計。有已知針粗 1mm，布料厚3mm，支座 D 的最大支承反力約為 240N。7（1）首先，取針桿 C 為研究對象。針桿 C 的受力圖如圖 3-5（a）所示，它受三個力 FAC’,FD,FN作用，并組成平面共點(diǎn)力系。圖 3-5（a) 針桿 C 的受力圖圖 3-5（b) 封閉力三角形應(yīng)用平衡的幾何條件，作出封閉力三角形，如圖 3-5（b)所示。根據(jù)圖 3-5(b)可以得出針桿 C 所受最大力 FAC’的大小為： NFDA24815cos0' ???（2）其次，取桿 AB 為研究對象。桿 AB 的受力圖如圖 3-5（c)所示，其中 Fax 與Fbx 互為作用力和反作用力；Fay 與 Fby 互為作用力和反作用力。8圖 3-5（c) 桿 AB 受力圖應(yīng)用平衡的幾何條件，作出封閉力三角形，如圖 3-5（d)所示：圖 3-5（d) 封閉力三角形由于此封閉三角形與圖 3-4 中的三角形 AEC 相似，故有關(guān)系式：式 3-1ACFacExay?在△AEC 中，AC=40mm，EC=35mm，∠ACE=15°，可以求出 AE=10mm，將它們代入式 3-1 可得： NECAFacy217??ax6由于 Fax 與 Fbx 互為作用力和反作用力，F(xiàn)ay 與 Fby 互為作用力和反作用力9，所以 Fbx=62N,方向與 Fax 相反；F by=217N,方向與 Fay 相反。2.補(bǔ)鞋機(jī)壓腳運(yùn)動機(jī)構(gòu)的受力分析及計算補(bǔ)鞋機(jī)壓腳運(yùn)動機(jī)構(gòu)的受力圖如圖 3-6 所示：圖 3-6 壓腳運(yùn)動機(jī)構(gòu)受力圖由圖 3-5（b) 封閉力三角形，可以得出： NFacn6415si???所以支座 A 所受的力為：F AX=64N,FAY=240N.4 補(bǔ)鞋機(jī)主要機(jī)構(gòu)桿間的鉸接設(shè)計4.1 機(jī)架與下針桿的鉸接設(shè)計與校核機(jī)架與下針桿鉸接處對材料的作用力為剪切力，選擇連接件為銷軸。查《機(jī)械手冊》選擇銷軸的材料為 45 號鋼，熱處理為調(diào)質(zhì)處理，熱處理后銷軸的硬度為 40-50HRC。通過查《機(jī)械設(shè)計手冊》選 d=8mm 的銷軸。又查表 5-3-2，得：， ，又有銷軸強(qiáng)度計算公式：MPab150~2?? MPabp 105~9)7.06(????公式（4-1）][2pSAF??根據(jù)前面 3-2-2 節(jié)所述，可以知道鉸接處所受力為 F=62N,Fby=217N,求得其合力為 ，根據(jù)公式（4-1）得：NFR621764???10pMPadFA?????242符合強(qiáng)度要求。4.2 機(jī)架與壓腳桿的鉸接設(shè)計與校核機(jī)架與壓腳桿處的鉸接與機(jī)架與下針桿的鉸接相同，取銷軸 d=10mm.4.3 主傳動軸的設(shè)計與校核查《機(jī)械設(shè)計手冊》表 6-1-1，選擇軸的材料為 45 鋼，熱處理為調(diào)質(zhì)處理，抗拉強(qiáng)度 ，屈服強(qiáng)度 ，彎曲疲勞強(qiáng)度 ，扭轉(zhuǎn)MPab650??MPas360??MPa2701???疲勞強(qiáng)度 。查表 6-1-21 得軸的許用彎曲應(yīng)力為 。1?? p軸的軸向定位為圓螺母，軸定周向定位為平鍵。1.計算軸徑：根據(jù)公式 可計算軸徑。368.21pd??其中：M=F mNl ???096.1.7則 Mdp.268.213??取 d=12mm。2.軸的校核：安全系數(shù)校核公式： ，查表 6-1-27 得，S p=1.8-2.5.pss???2??= ,mbkss???????1 42.035.291.057???????mks?????1 0.325.89.0????其中： -只考慮彎矩作用時的安全系數(shù)；?s11-按疲勞強(qiáng)度計算的許用安全系數(shù)，見表 6-1-27；ps對稱循環(huán)應(yīng)力下的材料彎曲疲勞強(qiáng)度極限，MPa，見表 6-1-1；?1?-對稱循環(huán)應(yīng)力下的材料彎曲扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度極限，MPa ，見表 6-1-1；?彎曲和扭轉(zhuǎn)時的有效應(yīng)力集中系數(shù)，見表 6-1-31~6-1-33:；?k,β-表面質(zhì)量系數(shù)，一般用表 6-1-37；-只考慮扭轉(zhuǎn)作用時的安全系數(shù)；?s彎曲和扭轉(zhuǎn)時的尺寸影響系數(shù)，見表 6-1-35；???,材料拉伸和扭轉(zhuǎn)的平均應(yīng)力折算系數(shù)，見表 6-1-34；??彎曲應(yīng)力的應(yīng)力幅和平均應(yīng)力，MPa，見表 6-1-26；ma,扭轉(zhuǎn)應(yīng)力的應(yīng)力幅和平均應(yīng)力，MPa，見表 6-1-26??則安全系數(shù)為： 25.01.3.042.22 ????????ss所以軸徑為 12mm.5 補(bǔ)鞋機(jī)各驅(qū)動凸輪的輪廓設(shè)計5.1 主運(yùn)動驅(qū)動凸輪輪廓的設(shè)計主運(yùn)動驅(qū)動手輪為滾子從動件盤形溝槽凸輪，所驅(qū)動的從動件為下針桿，從動件的運(yùn)動為上下往復(fù)運(yùn)動，運(yùn)動曲線如圖 5-1 所示：圖 5-1 下針桿運(yùn)動曲線12根據(jù)所給的從動件運(yùn)動曲線，通過作圖法可以畫出凸輪的輪廓曲線。依據(jù)市場上現(xiàn)有的手搖式補(bǔ)鞋機(jī)的結(jié)構(gòu)尺寸，和操作習(xí)慣，可以把溝槽凸輪的外徑設(shè)置為176mm，厚度為 15mm。由于進(jìn)針桿和手輪之間通過滾子來傳遞運(yùn)動，所以設(shè)置手輪上的曲線凹槽深度為 10mm，寬度為 13mm，查《機(jī)械設(shè)計課程設(shè)計》得到凸輪的公差和配合，繪出凸輪的二維圖，如圖 5-2 所示：圖 5-2 盤形溝槽凸輪的二維圖通過 SolidWorks 軟件作圖，可以得到凸輪的三維模型如圖 5-3 所示。13圖 5-2 滾子從動件盤形溝槽凸輪5.2 壓腳機(jī)構(gòu)驅(qū)動凸輪的輪廓設(shè)計壓腳機(jī)構(gòu)的驅(qū)動凸輪為擺動從動件盤形凸輪，該凸輪由主運(yùn)動的驅(qū)動源-手輪驅(qū)動，通過壓腳桿的上下擺動，來帶動壓腳上下往復(fù)運(yùn)動。其運(yùn)動曲線如圖 5-4 所示：圖 5-4 壓腳桿運(yùn)動曲線通過作圖法可以得出該凸輪的輪廓曲線，設(shè)計其厚度為 14mm，查《機(jī)械設(shè)計課程設(shè)計》得到凸輪的公差和配合，繪出凸輪的二維圖，如圖 5-5 所示：14圖 5-5 平底從動件盤形凸輪 1 的二維圖然后再生成三維模型，如圖 5-6 所示：圖 5-6 平底從動件盤形凸輪 15.3 送線機(jī)構(gòu)驅(qū)動凸輪的輪廓設(shè)計15送線機(jī)構(gòu)的驅(qū)動凸輪與主運(yùn)動機(jī)構(gòu)、壓腳運(yùn)動機(jī)構(gòu)的驅(qū)動凸輪屬同一驅(qū)動源，在同一根軸上，所以可以根據(jù)上述兩個凸輪的設(shè)計來設(shè)計該凸輪。其運(yùn)動曲線如圖 5-7所示：圖 5-7 牽線桿運(yùn)動曲線由于送線機(jī)構(gòu)驅(qū)動凸輪與壓腳機(jī)構(gòu)驅(qū)動凸輪在機(jī)架的同一邊，可設(shè)計該凸輪的厚度為 14mm，查《機(jī)械設(shè)計課程設(shè)計》得到凸輪的公差和配合，繪出凸輪的二維圖，如圖 5-8 所示：圖 5-8 平底從動件盤形凸輪 2 的二維圖16圖 5-9 平底從動件盤形凸輪 26 補(bǔ)鞋機(jī)各桿的輪廓設(shè)計按實際工作要求及各個鉸鏈連接點(diǎn)的距離設(shè)置補(bǔ)鞋機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)，該參數(shù)設(shè)置依據(jù)市場上現(xiàn)有的手搖式補(bǔ)鞋機(jī)的結(jié)構(gòu)尺寸，和操作習(xí)慣，稍加改動，符合人體工程學(xué)，人操作方便，便于工人師傅操作，進(jìn)行補(bǔ)鞋作業(yè)即可。初始設(shè)置各桿件的尺寸參數(shù)如下：下針桿長度為 280mm，針桿連桿的長度為 40mm，針桿長度為 120mm，壓腳桿的長度為 306mm，壓腳長度為 135mm，牽線桿的長度為 303mm。6.1 下針桿的輪廓設(shè)計下針桿靠銷軸與機(jī)架定位，所以在下針桿上首先要設(shè)計出與銷配合的孔 ；其8?次下針桿要通過滾動銷隨著盤形溝槽凸輪的凸輪輪廓運(yùn)動，在靠近溝槽凸輪的那端設(shè)計與滾動銷配合的孔 ；另一端要與連接件連接，設(shè)計孔 ；又考慮到下針桿在9?8運(yùn)動時，不能與機(jī)架太過靠近，故在靠近機(jī)架的一側(cè)設(shè)計凸臺，以防磕碰。根據(jù)上述思路，查《機(jī)械設(shè)計課程設(shè)計》可以得到各尺寸的公差和配合，可以設(shè)計出下針桿的二維，如下圖示：17圖 6-1 下針桿二維圖利用 SolidWorks 軟件可生成下針桿的三維模型：圖 6-2 下針桿模型6.2 壓腳桿輪廓的設(shè)計壓腳桿同樣靠銷軸與機(jī)架定位，所以壓腳桿中要設(shè)計一個孔 與銷軸配合，壓8?腳桿為平底從動件盤形凸輪 1 的從動件，根據(jù)凸輪厚度設(shè)計壓腳桿寬 14mm，；考慮到壓腳與針桿要配合運(yùn)動，在和針桿的同一側(cè)要設(shè)計圓環(huán)，便于針桿通過；設(shè)計壓腳長 135；由于壓腳桿與平底從動件盤形凸輪 1 組成一個機(jī)構(gòu)，因此壓腳桿要設(shè)計合理的彎度。根據(jù)以上思路，查《機(jī)械設(shè)計課程設(shè)計》可以得到各尺寸的公差和配合,可以設(shè)計出壓腳桿的二維，如下圖所示:18圖 6-3 壓腳桿的二維圖利用 SolidWorks 軟件可生成下針桿的三維模型：圖 6-4 壓腳桿模型6.3 牽線桿輪廓的設(shè)計牽線桿與下針桿、壓腳桿設(shè)計的基本思路相同，不同的是牽線桿要有搭線的地方，搭線處設(shè)計長度為 5mm。查《機(jī)械設(shè)計課程設(shè)計》可以得到各尺寸的公差和配合,可以設(shè)計出壓腳桿的二維，如下圖所示:19圖 6-5 牽線桿二維圖利用 SolidWorks 軟件可生成下針桿的三維模型：圖 6-6 牽線桿模型6.4 針桿的設(shè)計針桿設(shè)計主要要考慮長度和直徑，設(shè)計出針桿的三維圖如下：20圖 6-7 針桿模型6.5 連接件的設(shè)計連接件的作用是連接下針桿和針桿的，所以連接件的設(shè)計要同時考慮下針桿和針桿，設(shè)計出連接件的二維圖如下所示：21圖 6-8 連接件的二維圖利用 SolidWorks 軟件可生成下針桿的三維模型：圖 6-9 連接件模型6.6 機(jī)架的設(shè)計機(jī)架的設(shè)計要根據(jù)上述主要零件的安裝位置，配合和公差來設(shè)計。機(jī)架主要包括以下幾部分：腳座、底板、支架等?？紤]到零件安裝上后，機(jī)架要承受的重量，運(yùn)動時要承受的力，將機(jī)架設(shè)計為焊接件，即將支架、底板、腳座焊接到一起。查《機(jī)械設(shè)計課程設(shè)計》可以得到各尺寸的公差和配合,得出機(jī)架的二維圖：22圖 6-10 機(jī)架二維圖利用 SolidWorks 軟件可生成下針桿的三維模型：圖 6-11 機(jī)架模型7 補(bǔ)鞋機(jī)的總裝設(shè)計經(jīng)過上述章節(jié)對手動補(bǔ)鞋機(jī)中各個主要零件的設(shè)計、建模，可以利用SolidWorks 對手動補(bǔ)鞋機(jī)進(jìn)行整體裝配。在進(jìn)行總體裝配時，要充分考慮各個零件之間的配合關(guān)系，這樣才能裝配起來并進(jìn)行仿真。裝配時，先在軟件中新建裝配體，然后插入支架，隨后的零件都要在支架的基礎(chǔ)上進(jìn)行裝配。接下來，裝配主運(yùn)動機(jī)構(gòu)、壓腳機(jī)構(gòu)、牽線機(jī)構(gòu)及其他輔助零件。7.1 主運(yùn)動機(jī)構(gòu)的裝配23主運(yùn)動機(jī)構(gòu)的零件包括盤形溝槽凸輪、滾動銷、下針桿，連接件、連接軸和針桿組成。1.單擊“插入”命令：插入盤形溝槽凸輪、手柄、下針桿、連接件、針桿。2.單擊“配合”命令：選擇凸輪的中心孔與支架上要裝位置的孔，配合為同軸心；選擇下針桿的轉(zhuǎn)動中心與支架上對應(yīng)位置的孔，配合為同軸心。選擇連接件與下針桿，進(jìn)行孔的同軸心配合；選擇連接軸和連接件的另一孔進(jìn)行同軸心配合。因為凸輪和支架支架不是直接接觸，所以要裝配套筒，與凸輪同軸心，套筒一面與凸輪重合，另一面與支架重合。這樣主運(yùn)動機(jī)構(gòu)的位置就確定了。3.配合盤形溝槽凸輪和滾動銷：選擇“機(jī)械配合”中的“凸輪配合”，其中從動件為滾動銷的軸面。4.針桿的配合：由于針桿在運(yùn)動是要與支架的底平面垂直，故在裝配針桿時，要使針桿與支架上的針筒同軸心，才能實現(xiàn)運(yùn)動。7.2 壓腳機(jī)構(gòu)的裝配壓腳機(jī)構(gòu)的零件包括平底從動件盤形凸輪 1、壓腳桿組成。1.壓腳桿的裝配方法與下針桿相同。2.由于平底從動件盤形凸輪 1 與盤形溝槽凸輪的驅(qū)動源是同一個，所以平底從動件盤形凸輪 1 與盤形溝槽凸輪的配合為同軸心。3.平底從動件盤形凸輪 1 和壓腳桿的配合：選擇“機(jī)械配合”中的“凸輪配合”，其中從動件為壓腳桿的一個平面。7.3 牽線機(jī)構(gòu)的裝配牽線機(jī)構(gòu)的零件主要包括平底從動件盤形凸輪 2、牽線桿組成。其裝配方法與壓腳機(jī)構(gòu)的相同，故不再贅述。7.4 其他輔助零件的裝配輔助零件主要包括：圓盤軸、中心軸、兩個銷軸、墊片、螺母組成。241.圓盤軸的配合：驅(qū)動通過圓盤軸傳動，所以圓盤軸與三個凸輪同軸心，與圓盤溝圓盤軸的配合：驅(qū)動通過圓盤軸傳動，所以圓盤軸與三個凸輪同軸心，與圓盤溝槽凸輪通過鍵固定。2.墊片的配合：墊片與圓盤軸同軸心，一面與溝槽凸輪重合。3.螺母的配合：螺母與墊片同軸心，一面與墊片重合。最后得到手動補(bǔ)鞋機(jī)的裝配圖，如下圖示：圖 7-1 手動補(bǔ)鞋機(jī)裝配體由裝配體可以生成手動補(bǔ)鞋機(jī)的裝配圖，如圖所示：