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江西農業(yè)大學 工學院 機械原理課程設計 課程題目 健身球檢測分類機 專 業(yè) 機械制造及自動化 姓 名 學 號 班 級 指導老師 康麗春 目錄 1 設計要求 3 2 各機構方案比較 選擇 3 2 1 進料機構 4 2 2 送料機構 4 方案 1 曲柄滑塊機構 4 方案 2 凸輪滑塊機構 4 方案 3 四桿機構 5 2 21 送料機構方案分析 比較 5 2 22 送料機構方案確定 5 2 3 檢測機構 5 方案 1 凸輪 滑道機構 5 方案 2 槽輪 轉盤機構 半圓形環(huán)狀管道 6 2 31 檢測機構方案分析 比較 6 2 32 檢測機構方案確定 7 2 4 接料機構 7 方案 1 四分之一圓管 7 方案 2 機械手 7 2 41 接料機構方案分析 比較 8 2 42 檢測機構方案確定 8 2 5 最終機構方案的組合 8 3 機構運動循環(huán)圖 8 4 工作原理 9 5 傳動系統(tǒng)的設計計算 10 5 1 減速裝置的設計計算 10 5 2 槽輪機構的設計計算 12 5 3 凸輪機構的設計計算 13 5 4 曲柄滑塊機構的設計計算 17 6 機構運動簡圖 18 7 致謝 19 8 參考文獻 20 1 設計要求 健身球自動檢驗分類機 將不同直徑尺寸的健身球 石料 按直 徑分類 檢測后送入各自指定位置 整個工作過程 包括進料 送 料 檢測 接料 自動完成 健身球直徑范圍為 40 46mm 要求分類機將健身球按直徑 的大小分為三類 1 40 第一類 42 2 42 第二類 44 3 44 第三類 46 方案選擇 電動機轉速 r min 960 生產率 檢球速度 個 min 20 工作情況分析 2 各機構方案比較 選擇 2 1 進料機構 2 2 送料機構 方案 1 曲柄滑塊機構 方案 2 凸輪滑塊機構 方案 3 四桿機構 2 21 送料機構方案分析 比較 方案 1 機構為低副面接觸使得接觸面單位面積所受壓力較小 接觸 面便于潤滑 制造方便且精度高 能實現(xiàn)小球的逐個進料 滑塊在 運動的過程中 料斗里的球對滑塊有正向的壓力 故滑塊的速度不 宜過快 否則滑塊的磨損較嚴重 方案 2 凸輪機構可使從動件得到精確的預期運動 且結構簡單 緊湊 設計方便 能實現(xiàn)小球精確的進料 但凸輪的加工制造困難 成本高 行程不宜過大 而且為高副接觸易磨損 方案 3 能滿足工作要求 要實現(xiàn)小球的精確進料需要嚴格的數(shù)學計 算 桿件的形狀復雜 設計難度大 2 22 送料機構方案確定 綜合各方因素考量后 確定為方案 1 2 3 檢測機構 方案 1 凸輪 滑道機構 方案 2 槽輪 轉盤機構 半圓形環(huán)狀管道 2 31 檢測機構方案分析 比較 方案 1 該機構比較簡潔 但是并不能滿足任務要求 因為健身 球的直徑相差不大 機器運轉過程中會產生震動 容易使直徑稍大 的球容易卡入小直徑的滑道 當凸輪在推程工作的時候需要較大的 推力 并且會使得小球和滑道的接觸表面嚴重受損 使得工作不可 靠 最終會喪失分球機構的精度 并且此機構要求凸輪的從動件行 程較大 使得凸輪的外形尺寸變大 笨重 不緊湊 方案 2 用槽輪機構帶動撥料轉盤 球在撥料轉盤停歇的時間里 實現(xiàn)找正位置 檢測 下落等過程 但是當直徑較大的球在直徑較 小的空上方時 因為球的直徑相差不大 球會卡在孔里 使得撥片 無法推動小球到下一個孔進行檢測 則需要推出機構將卡在空中的 小球推出 2 32 檢測機構方案確定 綜合考慮 選擇方案 2 在半圓形環(huán)狀滑道的下方用凸輪驅動 一頂出機構 以實現(xiàn)任務要求 因為球只可能卡在直徑為 42 或 44 的孔 故只需要在 42 和 44 孔下方加入球的頂出機構即可 考慮到凸輪的設計制造比較復雜 同時兩頂出機構要求的動作完全 同步 所以將兩個頂出機構連在一個機架上 用一個凸輪驅動 頂出裝置機構簡圖 2 4 接料機構 方案 1 四分之一圓管 方案 2 機械手 2 41 接料機構方案分析 比較 方案 1 機構簡單 能實現(xiàn)將小球的垂直方向的運動轉換成水平方 向的運動 減少了小球接料時的沖擊 能與分檢機構實現(xiàn)較好的銜 接 不需要動力的輸入 減少了原動機的負荷 方案 2 雖然能實現(xiàn)任務要求 但是機構復雜 中間實現(xiàn)機械手開 合的凸輪設計制造復雜 2 42 檢測機構方案確定 綜合各方因素考量后 確定為方案 2 2 5 最終機構方案的組合 3 機構運動循環(huán)圖 4 工作原理 工作初始狀態(tài)時 送料機構的曲柄滑塊位移大小為 0 等待送 料 頂出裝置的凸輪在近休程的初始位置 檢測機構的槽輪機構的 撥盤置于空行程的開始位置 當啟動電源時 送料機構在一秒鐘后 將球推出 然后經過 2s 空回程到原初始位置 小球經過大概 0 5s 的 時間 進入撥料轉盤 因撥料轉盤和槽輪機構是固連的 所以在啟 動電源后的 2 25s 時間內都是禁止的 能夠保證小球準確進入撥料轉 盤 在接通電源 1 25s 后 頂出裝置開始動作 并在 1s 鐘之內將頂 塊推置檢測裝置的直徑為 42 和直徑為 44 的檢測小孔下 將非對應 檢測小孔直徑的小球頂出 并保持此位置 0 125s 以保證下一步 撥料轉盤能順利推動小球 小球剛被頂出時 槽輪機構的撥盤經過 2 25s 空行程后開始進入槽輪嚙合 帶動撥料轉盤轉動 90 度 并且 經過 0 125s 順利將小球撥離未成功檢測的小孔 此時頂出機構經過 0 625s 空回程回到初始位置 撥料轉盤再經 0 625s 將小球送入下一 個檢測孔進行檢測 經過最大孔的轉料撥盤回轉 90 度后進入接料的 位置 此時撥料轉盤共耗時 3s 頂出機構也共耗時 3s 送料機構也 耗時 3s 并且所有機構回到原初始位置 準備進行下一個循環(huán)的工 作 5 傳動系統(tǒng)的設計計算 5 1 減速裝置的設計計算 因電動機轉速 r min 960 生產率 檢球速度 個 min 20 健身球的分檢裝置中槽輪機構中撥盤每轉一周檢測出 1 個球 而生 產率為 20 個每分鐘 所以撥盤的轉速為 20r min 由運動循環(huán)圖可知 因要關聯(lián)到送料機構及頂出機構的同步工作 所以此三機構的轉速均為 20r min 故減速器的減速比為 i 960 20 48 因傳動比不是很大 選擇使用定軸輪系 三級減速 查找相關資料 后 設計出的傳動簡圖為 各齒輪的齒數(shù)為 Z1 20 Z2 60 Z3 20 Z4 80 Z5 20 Z6 80 各級減速機構的減速比 3121 ii 434 ii4565 ii 85634126 ii 實現(xiàn)了整個減速裝置的減速比為 48 的要求 為了制造的方便以及齒 輪能正確嚙合 查找相關國標 該減速裝置所用到的齒輪模數(shù)均為 m 2 齒輪 1 和齒輪 2 的傳動設計計算如下 兩輪均設計為標準齒輪 模數(shù) m 2 壓力角 齒寬 b 2002 齒輪 1 齒輪 2 分度圓直 徑 40201 mzd 1206022 mzd 齒頂高 1haa 齒根高 5 225 0 mchaf 齒頂圓直 徑 421aad 1422aahd 齒根圓直 徑 3511 ff 3522 ff 基圓直徑 59 37cos1 db 76 12cos2 db 中心距 80211 a 重合度 1 2 11costantatnta mrrbb 2 0113 21cos abr 3 0224 58 ab 聯(lián)立 1 2 3 得出 67 1 5 2 槽輪機構的設計計算 要滿足設計動力傳動要求 所需的槽輪機構為四槽外槽輪機構 槽輪的四槽均勻分布 撥盤的轉速 N1 20r min 所以撥盤的轉動周 期 T1 3s 槽輪的轉動周期 T 12s 槽輪的分度轉位時間 tf 1 4 3 0 75s 停歇的時間 td 3 0 75 2 25 因為槽輪的四槽均勻分布 兩槽之間的夾角為 90 取撥盤與槽輪餓中心距 L 100mm 撥桿圓銷半徑 r1 8mm 槽輪在槽口 處厚度 b 5mm 由幾何關系可知 圓銷中心的軌跡半徑 R L sin45 70 71mm 槽輪的外圓半徑 R2 45sini8L 71 15mm 槽輪槽的深度 h R L R r 49 42mm 撥盤的半徑 R3 R r b 57 71mm 槽輪機構原理圖為 5 3 凸輪機構的設計計算 考慮到工作時頂出機構為輕載 凸輪的工況及裝配時的尺寸要 求 決定采用平頂從動件 因凸輪與平底的接觸面易于形成油膜 潤滑效果較好 在不計摩擦時凸輪對從動件的作用力始終垂直于從 件的平底 故受力平衡傳動效率高 且壓力角為零 參考運動循環(huán)圖 及考慮凸輪的工況后得出以下參數(shù) 凸輪的推程為 h 25 7 凸輪的推程和回程均采用柔性沖擊的余弦運動規(guī)律 cos12hs 凸輪的基圓半徑為 r 70 推程角 o120 遠休程角 015 s 回程角 0 75 近休程角5 s 平頂從動件實際輪廓曲線解析式為 sin cos drX co in Y 將以上參數(shù)輸入計算機 經 CREO1 0 編輯后得出凸輪實際輪廓曲線 如下 a 圖所示為凸輪實際輪廓曲線 圖 b 為凸輪實際輪廓線 和從動件的初始位置 a b 將其輪廓曲線進行曲率分析后得出 最小曲率半徑為 4320 1min 最大曲率半徑為 68ax 分析結果下圖所示 經 CREO1 0 對凸輪平頂從動件進行運動學分析后得出的 位移曲線 圖 速度曲線圖 及加速度曲線圖 分別如下所示 5 4 曲柄滑塊機構的設計計算 曲柄滑塊機構作為進料機構 參考運動循環(huán)圖可得出 當檢測 機構每隔 3S 中檢測一個小球后 送料機構也必須每隔 3S 中送進一 個小球 為了減少小球在滑道的運動時間 采用具有急回特性的曲柄滑塊機 構 其工進為快行程 其各參數(shù)需滿足 bea aL 2cos2 其中極位夾角為 偏心距為 e3 曲柄為 a 連桿為 b 行程為 L 綜合考慮后決定工進時間為 1s 慢行程為 2s 為保證小球能準確推 出參考機構運動簡圖可得 L 68 所以工進時曲柄轉角為 120 回程轉角為 240 得極位夾角 06 故其急回特性 260180 K 經計算取曲柄 a 30 連桿 b 43 86 偏心距 e 13 能夠滿足上述機構要 求 校核行程的位移曲線圖如下 6 機構運動簡圖 7 致謝 整個課程檢驗了我們平時學習的效果 同樣也融入了學以致用 的原則 開始拿到課程設計題目根本不知道如何下手 周圍的同學 朋友給了我不少幫助 自己才逐漸弄清方向 做課程設計的這一段 時間 讓我明白合作的重要性 大家集思廣益對一個問題總能給出 多種解決的辦法 從中進行適當?shù)暮Y選與整合從而得出最優(yōu)解 在 這個過程里我們又將所學到的知識強化了 能夠完成這份課程設計 我要衷心的感謝我們小組的每一位成 員 還有王一達同學給了我許多很好的設計理念 雖然這份課程設 計還存在這樣或那樣的問題 但是當我們就一個問題需要解決的時 候 不管問題有多么的繁瑣 我們小組的每一位成員都想盡辦法取 解決它 都從各個方面提出自己解決問題的辦法 常常為了一個問 題的數(shù)據計算而熬夜 當對設計方案進行優(yōu)化時 我們都盡可能的 考慮到每一個工作的細節(jié) 讓設計和方案盡可能的完美 8 參考文獻 1 呂庸厚 沈愛紅 組合機構設計與應用創(chuàng)新 機械工業(yè)出版社 2008 2 鄒慧君 殷鴻梁 間歇運動機構設計與應用創(chuàng)新 機械工業(yè)出版 社 2008 3 華大年 華志宏 連桿機構設計與應用創(chuàng)新 機械工業(yè)出版社 2008 4 鄒慧君 機構系統(tǒng)設計與應用創(chuàng)新 機械工業(yè)出版社 2008