机电一体化方向综合课程设计说明书.doc

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1、 机电一体化方向综合课程设计说明书 学 院 嘉兴学院机电工程学院 专 业 机械设计制造及其自动化 班 级 机械101 指导教师 胡红生 李伟荣 学生姓名 _ 潘赞赞 胡文聪 吴灵艳 日 期 2013.12.03 一、绪论 1.1家用自动发牌机国内研究现状31.2家用自动发牌机的研究目标与意义3二、机电一体化系统总体方案设计3三、机电一体化系统机械本体各部分设计43.1直齿锥齿的设计43.2圆柱齿轮的设计93.3轴的设计123.3.1基座上的轴的尺寸设计123.3.2转盘上的轴的尺寸设计153.4 轴承的设计173.4.1 基座上轴承的设计173.4.2 转盘上轴承的设计183.5 基座的设计1

2、83.6 转盘的设计183.7储牌机构的设计18四、机电一体化系统伺服驱动部分设计与校正194.1 发牌直流电机的选择194.2 基座直流电机的选择20五、 传感与检测部分设计205.1红外感应光电开关原理205.2漫反射光电开关20六、PLC控制部分设计226.1 PLC的选择226.2 软件流程图的设计236.3 接触器的选择236.3.1直流接触器的选用方式236.4PLC程序图246.5 PLC硬件接线图24七 能源的选择25八、 .参考文献25一、绪论1.1家用自动发牌机国内研究现状随着时代的发展，我们的生活水平普遍有了很大提高，科技发展，作为一项重要的国家发展战略，逐渐取得了重大进

3、步。在过去的几十年里，科技发展多数都着重于社会建设、军事、工业等方面。在人们对生活质量有了更大要求的时代，我们的社会将越来越需要“科技服务于生活”。目前我们在家庭清洁、家具、家庭装饰等方面都已经有了很多突破，家居生活用品的科技上升空间越来越少，而家庭娱乐却存在着许多空白。目前的与家庭娱乐有关的科技产品都有各自的限制，如家庭机器人，原理复杂、开发成本过高，虽然投入大并且已经发展多年但是娱乐效果很有限；健身器、跳舞毯，由于适用年龄层很低，在家庭中并不普遍，而且不够耐用；家庭影院、智能家电等，也都价格高昂，并非所有家庭都能拥有的。从经济、技术上，我们国家与发达国家有着不小差距，因此在家庭娱乐上依然处

4、于落后状态。综合起来，现在国内市场上缺乏适合家庭的实用、低廉、娱乐效果明显的产品。1.2家用自动发牌机的研究目标与意义在我们国家，最常见，最方便的家庭游戏便是纸牌游戏了。针对我国家庭普遍都会参与并热衷的游戏纸牌。我们团队特地设计并制作了机械式家用发牌机，尽管现在市场上已经有了类似产品，目前，我们了解到，全自动发牌机和全自动麻将机类似,都是为了降低人的工作强度而产生的一种工具.发牌机主要由储牌室、分牌室、识牌装置、拨牌机构、传牌机构、分牌机构、牌套传送机构和控制电路组成，其中识牌装置主要由摄像头和照亮灯组成；本实用新型基于计算机图像识别技术，对要识别的扑克牌无特别要求，能够把识别出的扑克牌按预定

5、要求迅速准确地发放到指定位置，以实现高可靠性、高效率的发牌；自动推入和推出牌套盒，实现了真正意义上的连续自动发牌。但普遍成本高，机构复杂，所受的限制较多，是专为赌场或棋牌社设计的，不适合家庭使用。除此之外，现今还出现了多种新型的纸牌和玩法，如：“斗地主”需要三人参与，则许多设置为四人的发牌机不能适应；“打滚子”需要使用四副纸牌，部分发牌机储存空间不够，或者发牌速度不够，而人们玩时，在发牌上就会消耗很多时间；“三国杀”是一款需要2至10人参与的游戏，且是一次取一张，既对发牌的对象人数有灵活度的要求，有对发牌次数有要求，如果只发明一次发一张的发牌机就是没有实际意义的了。根据对各方面的思考，我们从使

6、用方法、发牌效果、家用功能上对现有发牌机进行了创新改进，解决了目前市场上针对家庭的发牌机的空缺问题。本发牌机发牌时不受限于所玩的牌的种类，不受限于参与人数，运用了机电结合，装有红外感应装置，操作和控制轻松简便。二、机电一体化系统总体方案设计参数：PLC型号的选择，两个直流电机型号的选择，轴承的设计，转轴（100*45mm）的设计,红外线传感器G18-3A30NA型号漫反射光电开关。机械本体：发牌机构和储牌机构。发牌机构能够发牌到玩家位置，储牌机构能够存放纸牌。传感检测装置:红外线传感器G18-3A30NA型号漫反射光电开关检测玩家位置能源部分:直流电源驱动与执行部分:直流电机。信息处理与控制部

7、分：PLC根据红外线光电开关的信号控制直流电机的转动，其中一个直流电机通过直齿锥齿带动齿轮轴转动，从而带动转盘转动，另外一个直流电机通过齿轮带动转轴转动实现发牌功能。三、机电一体化系统机械本体各部分设计3.1直齿锥齿的设计齿轮选用45号钢，调质处理，HB236，齿轮按 7等级精度制造计算项目计算和说明1.初步计算计算公式载荷系数K=1.5齿数比估算时的齿轮许用接触应力=几何尺寸估算结果47.86mm齿数取分锥角大端模数m=mm,取m=3mm大端分度圆直径外锥距R=mm齿宽系数取齿宽b=R=10.17mm,取b=10mm实际齿宽系数 =中点模数中点分度圆直径切向变位系数高位变位系数顶隙c=c*m

8、=0.2x3=0.6mm (c*=0.2)大端齿顶高mm大端齿根高mm齿全高齿根角齿顶角顶锥角50根锥角大端齿顶圆直径安装距冠顶距大端分度圆弧齿厚大端分度圆弦厚大端分度圆弦齿高当量齿数当量齿轮分度圆直径当量齿轮顶圆直径当量齿轮根圆直径当量齿轮传动中心距当量齿轮基圆齿距啮合线长度2.49端面重合度齿中部接触线长度mm齿中部接触线的投影长度齿面接触疲劳强度校核计算公式中点分度圆上的切向力=147.92N使用系数动载系数,查表349中图（a）齿向载荷分布系数查表349中表2取，有效工作齿宽，按式（3-15）端面载荷系数100N/mm,由表349中表3， 1.2节点区域系数中点区域系数=1.032弹性

9、系数表3-39中表4螺旋角系数直齿轮，锥齿轮系数由式（3-19），载荷分配系数由式（3-20），计算接触应力569.54N/mm许用接触应力实验齿轮的接触疲劳极限,表3-47中图（h)寿命系数,长期工作，取为无限寿命设计润滑油影响系数，表349中图（e)，工作硬化系数尺寸系数最小安全系数许用接触应力值1123 N/mm齿面接触强度校核结果4.齿根弯曲疲劳强度校核计算公式复合齿形系数重合度系数0.625锥齿轮系数载荷分配系数=1齿根弯曲应力计算值31.8 N/mm齿根许用弯曲应力齿根弯曲疲劳强度基本值= 630N/mm, 表3-50中图(d)寿命系数相对齿根圆角敏感系数相对齿根表面状况系数尺寸系

10、数表350中图（f）最小安全系数许用弯曲应力值齿根弯曲强度校核结果3.2圆柱齿轮的设计闭式齿轮选用：直齿圆柱硬齿面齿轮（1）选择材料及确定需用应力小齿轮选用45号钢，调质处理，HB236 大齿轮选用45号钢，正火处理，HB190由机械零件设计手册查得 （2） 确定各种参数齿轮按 9等级精度制造查机械设计基础教材中表113得：取K=1.3查机械设计基础教材中表114取：区域系数 ZH=2.5 弹性系数 ZE=188.0查机械设计基础教材中表116取：齿宽系数 由 （3）按齿面接触强度设计计算齿数取Z1=17，则Z2=172=34。故实际传动比模数 齿宽 ，取b2=40mm，b1=20mm按表4-

11、1 取m=1.5，实际的d1zm=171.5mm=26mm，d2341.5mm=52mm中心距 =38.5mm（4）验算齿轮弯曲强度 齿形系数YFa1=2.56，YSa1=1.63 YFa2=2.24，YSa2=1.76由式（11-5） ，安全。齿轮结构设计：齿顶圆直径da 齿全高h（c=0.25）齿厚S计算及说明开式齿轮选用：斜齿圆柱硬齿面齿轮小齿轮：40Cr 表面淬火 硬度4855HBC， 大齿轮：40Cr 表面淬火 硬度4855HBC， 对于一般工业用齿轮，采用一般可靠度计算取最小安全系数：=1.0，=1.25；因此 （1） 小齿轮上的转矩（2）（3） 确定各种参数齿轮按 9等级精度制造

12、K=1.5 （4） 按齿轮弯曲强度设计计算 查机械设计基础教材图118得 图119得 因为：故：对小齿轮进行弯曲强度计算法向模数： 由机械设计基础教材表41：取（5） 验算齿面接触强度 故安全（6） 计算齿轮圆周速度v并选择齿轮精度查表取齿轮等级为9 级制造精度是合宜的。3.3轴的设计3.3.1基座上的轴的尺寸设计 1、电动机轴的材料选择、热处理方式，许用应力的确定。 选择45钢正火。硬度达到170217HBS,抗拉强度=600MPa，屈服强度=355MPa。=55MPa2、 初步计算各轴段直径 （1）按下列公式初步计算出轴的直径，输出轴的功率P和扭矩T P=3.12x0.95x0.95=2.

13、8 W n=14 r/min T=9550P/n=1.91N.m最小直径计算（查机械设计基础教材表142 取 =110）选择标准直径 d=20mm3、计算轴各段长度 （1）计算 , 强度校核部分具体步骤如下：(1) 计算齿轮受力圆周力：径向力： 轴向力：（4）按许用应力校核轴的弯曲强度1) 轴的受力简图 （图A）（L =107mm）2) 作弯矩图水平弯矩（图B）=1071N垂直弯矩（图D）3) 求合成弯矩，作出合成弯矩图（图E）4) 作扭矩图（图F）C点左 C点右 5) 作危险截面当量弯矩图（图H）该轴单项工作，转矩产生的弯曲应力按脉动循环应力考虑，取=0.59 6) 校核危险截面轴径45号优

14、质碳素钢调质处理时，查机械设计基础教材111 剖面的轴径 故：强度足够图：轴受力简图校核分析3.3.2转盘上的轴的尺寸设计 1、电动机轴的材料选择、热处理方式，许用应力的确定。 选择45钢正火。硬度达到170217HBS,抗拉强度=600MPa，屈服强度=355MPa。=55MPa2、 初步计算各轴段直径 （1）按下列公式初步计算出轴的直径，输出轴的功率P和扭矩T P=3.12x0.95x0.95=2.8 W n=21 r/min T=9550P/n=1.4N.m最小直径计算（查机械设计基础教材表142 取 =110）选择标准直径 d=40mm 3、计算轴各段长度 （1）计算 L=100强度校

15、核部分具体步骤如下：(1) 计算齿轮受力圆周力：径向力： 轴向力：因为是直齿轮，所以（4）按许用应力校核轴的弯曲强度1) 轴的受力简图 （图A）（L =120m）2) 作弯矩图水平弯矩（图B）垂直弯矩（图C）3) 求合成弯矩，作出合成弯矩图（图D）4) 作扭矩图（图E）5) 校核危险截面轴径该轴单项工作，转矩产生的弯曲应力按脉动循环应力考虑，取=0.59 45号优质碳素钢调质处理时，查机械设计基础教材111 剖面的轴径 故：强度足够图：轴受力简图校核分析为了能够带动纸牌，在轴的外面包裹一层厚度为5MM,长度与轴相同的橡胶。3.4 轴承的设计3.4.1 基座上轴承的设计根据轴径值查机械制图教材3

16、26附录C101深沟球轴承各部分尺寸，选择6207（GB/T276-1994）型深沟球轴承1个。各部分尺寸如下表：轴承代号尺寸/mmdDB6005254712寿命计划：要求轴承寿命：（工作5年，按每年工作300天，每天工作4小时，）L=计算选用轴承寿命 查机械零件设计手册P810表311-12 基本额定动负荷 动载荷系数 当量动载荷 温度系数 载荷系数 对球轴承寿命系数轴承寿命合格3.4.2 转盘上轴承的设计根据轴径值查机械制图教材326附录C101深沟球轴承各部分尺寸，选择6207（GB/T276-1994）型深沟球轴承2个。各部分尺寸如下表：轴承代号尺寸/mmdDB600010268寿命计

17、划：要求轴承寿命：（工作5年，按每年工作300天，每天工作4小时，）L=计算选用轴承寿命 查机械零件设计手册P810表311-12 基本额定动负荷 动载荷系数 当量动载荷 温度系数 载荷系数 对球轴承寿命系数3.5 基座的设计基座材料为塑料，是一个直径为400mm,高24mm的圆盘。3.6 转盘的设计 转盘材料为塑料，是一个直径为300mm,高为20mm的圆盘。3.7储牌机构的设计储牌机构材料为塑料，形状如下图所示四、机电一体化系统伺服驱动部分设计与校正4.1 发牌直流电机的选择根据所需启动力矩和转速我们选择ZGA37RH直流电机，电机具体参数如下表所示电压12V马达型号37H减速比1/60齿

18、轮箱长度26.5mm空载转速60Rpm额定转速42Rpm额定力矩10.7Kg.mm额定电流0.93A4.2 基座直流电机的选择根据所需启动转矩和转速我们选择ZGA37RH直流电机，电机具体参数如下表所示电压12V马达型号48H减速比1/39齿轮箱长度25.5mm空载转速100Rpm额定转速85Rpm额定力矩9.5Kg.cm额定电流1.36 A五、 传感与检测部分设计5.1红外感应光电开关原理光电开关（光电传感器）是光电接近开关的简称，它是利用被检测物对光束的遮挡或反射，由同步回路选通电路，从而检测物体有无的。物体不限于金属，所有能反射光线的物体均可被检测。光电开关将输入电流在发射器上转换为光信

19、号射出，接收器再根据接收到的光线的强弱或有无对目标物体进行探测。多数光电开关选用的是波长接近可见光的红外线光波型。图8是漫反射光电开关外观图。5.2漫反射光电开关漫反射光电开关是一种集发射器和接收器于一体的传感器，当有被检测物体经过时，将光电开关发射器发射的足够量的光线反射到接收器，于是光电开关就产生了开关信号。当被检测物体的表面光亮或其反光率极高时，漫反射式的光电开关是首选的检测模式。（人手掌心的反射率75%）图7 光电开关原理图本发牌机采用G18-3A30NA型号漫反射光电开关，范围为0-30cm，如图8所示 。图8 本组使用的G18-3A30NA型号漫反射光电开关(常开型)图9 漫反射开

20、关工作原理图六、PLC控制部分设计6.1 PLC的选择我们选择FX2N-32MR-D编程控制器。工作电压：直流电源24VFX2N 系列编程控制器 控制规模：16256点 内置8K容量的RAM存储器，最大可以扩展到16K CPU运算处理速度0.08S/基本指令 在FX2N系列右侧可连接输入输出扩展模块和特殊功能模块 基本单元内置2轴独立最高20kHz定位功能(晶体管输出型）FX2N具备如下特点：最大范围的包容了标准特点、程式执行更快、全面补充了通信功能、适合世界各国不同的电源以及满足单个需要的大量特殊功能模块，它可以为你的工厂自动化应用提供最大的灵活性和控制能力。控制规模：16256点（基本单元

21、：16/32/48/64/80/128点）特点：1、集成型高性能。CPU、电源、输入输出三为一体。对6种基本单元，可以以最小8点为单元连接输入输出扩展设备，最大可以扩展输入输出256点。2、高速运算基本指令：0.08s/指令应用指令:1.52数100s/指令3、安心、宽裕的存储器规格内置8000步RAM存贮器安装存储盒后，最大可以扩展到16000步。4、丰富的软元件范围辅助继电器：3072点，定时器：256点，计数：235点数据寄存器；8000点5、除了具有输入输出16256点的一般速途，还有模拟量控制、定位控制等特殊控制。6.2 软件流程图的设计6.3 接触器的选择6.3.1直流接触器的选用

22、方式1选择直流接触器的类型 直流负载、一般负载。2直流接触器主触头的额定电流 直流接触器主触头的额定电流可根据经验公式计算 IN主触头PN电机/(11.4)UN电机。3主触头的额定电压为24V。4线圈额定电压的选择 24V根据以上要求，我们选择MZJ-200A直流接触器DC24V。6.4PLC程序图6.5 PLC硬件接线图七 能源的选择由于PLC输出端连接直流电机，所以需要直流开关电源提供稳定的电压，进过比较我们选择了S-35-24 直流开关电源直流开关电源就是用通过电路控制开关管进行高速的导通与截止将直流电转化为高频率的交流电提供给变压器进行变压，从而产生所需要的一组或多组电压.八、 参考文

23、献1 尹志强 .机电一体化系统设计课程设计指导书 M. 北京：机械工业出版社, 2007. 2 于骏一，邹青. 机械设计制造基础 M. 北京：机械工业出版社, 2004.3 濮良贵. 机械设计 M. 7版. 北京:教育出版社， 2001. 4 张建民. 机电一体化设计 M. 2版. 北京:教育出版社， 2001.5 杨帮文. 现代新潮传感器应用手册 M. 北京：机械工业出版社, 2006.九、总结经过紧张而辛苦的三周的课程设计结束了，看着我们三人小组的的设计。即高兴又担忧，高兴的是自己的设计终于完成啦，担忧的是自己的设计存在很多的不足。课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，是我们迈向社

24、会，从事职业工作前一个必不少的过程“千里之行始于足下”，通过这次课程设计，我深深体会到这句千古名言的真正含义今天认真的进行课程设计，学会脚踏实地迈开这一步，就是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础在这次实践的过程中学到了一些除技能以外的其他东西,领略到了别人在处理专业技能问题时显示出的优秀品质,更深切的体会到人与人之间的那种相互协调合作的机制,最重要的还是自己对一些问题的看法产生了良性的变化. 在社会这样一个大群体里面,沟通自然是为人处世的基本,如何协调彼此的关系值得我们去深思和体会.在实习设计当中依靠与被依靠对我的触及很大,有些人很有责任感,把这样一种事情当成是自己的重要任务,并为之

25、付出了很大的努力,不断的思考自己所遇到的问题.而有些人则不以为然,总觉得自己的弱势.其实在生活中这样的事情也是很多的,当我们面对很多问题的时候所采取的具体行动也是不同的,这当然也会影响我们的结果.很多时候问题的出现所期待我们的是一种解决问题的心态,而不是看我们过去的能力到底有多强,那是一种态度的端正和目的的明确,只有这样把自己身置于具体的问题之中,我们才能更好的解决问题. 在这种相互协调合作的过程中,口角的斗争在所难免,关键是我们如何的处理遇到的分歧,而不是一味的计较和埋怨.这不仅仅是在类似于这样的协调当中,生活中的很多事情都需要我们有这样的处理能力,面对分歧大家要消除误解,相互理解,增进了解,达到谅解.也许很多问题没有想象中的那么复杂,关键还是看我们的心态,那种处理和解决分歧的心态,因为毕竟我们的出发点都是很好的。在此非常感谢胡老师与李老师对我们的细心指导。总的来说，这次课程设计不仅在专业知识上有所收获，在团队合作方面也有很大的收获。在整个设计中我懂得了许多东西，也培养了我独立工作的能力，树立了对自己工作能力的信心，相信会对今后的学习工作生活有非常重要的影响。