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1、机械原理课程设计说明书 设计题目：包装机推包机构运动简图与传动系统设计 学院：机电学院 专业：机械工程及其自动化 姓名： 学号： 小组成员： 指导老师： - 1 - 目录 一、设计题目 2 二、功能分解 3 三、运动转换 3 四、执行机构的选择与比较 3 五、原动机的选择 5 六、运动方案的拟定 6 七、传动机构 8 八、运动示意图 10 九、运动循环图 11 十、执行机构计算 12 十一、参考资料 14 十二、小结 15 - 2 - 一、设计题目 现需要设计某一包装机的推包机构，要求待包装的工件1（见图 1）先由输 送带送到推包机构的推头2 的前方，然后由该推头 2 将工件由 a 处推至 b
2、 处（包 装工作台），再进行包装。为了提高生产率，希望在推头2 结束回程（由 b 至 a） 时，下一个工件已送到推头2 的前方。这样推头2 就可以马上再开始推送工作。 这就要求推头 2 在回程时先退出包装工作台， 然后再低头，即从台面的下面回程。 因而就要求推头2 按图示的 abcdea 线路运动。即实现“平推水平退回下降 降位退回上升复位”的运动。 设计数据与要求： 要求每 5-6s 包装一个工件，且给定： L=100mm ，S=25mm，H=30mm。行程速比 系数 K在 1.2-1.5范围内选取，推包机由电动机推动。 在推头回程中， 除要求推头低位退回外， 还要求其回程速度高于工作行程的
3、 速度，以便缩短空回程的时间，提高工效。至于“cdea”部分的线路形状不作严 格要求。 图 1 推包机构执行构件运动要求 设计任务： 1 至少提出两种运动方案， 然后进行方案分析评比， 选出一种运动方案进 行设计； 2确定电动机的功率与转速； 3设计传动系统中各机构的运动尺寸，绘制推包机的机构运动简图； 4对输送工件的传动系统提出一种方案并进行设计； 5编写课程设计说明书。 - 3 - 二、功能分解 由运动示意图可知此机构可分解为俩个运动，凸轮机构控制运输爪的升降， 导杆机构控制往复运动， 俩者的配合及凸轮的设计可以达到abcde 的轨迹。如图 4.1 中 1、2 为主动件， 2、3、4 和
4、5 的导杆机构，可以完成a、b、c 间或 c、d 间的往复运动，1 的凸轮与 4 机构的平底接触， 可以使整个 4 机构上下往复运动， 从而有 abc 与 cd 间的高度差，通过设计凸轮的参数，配合导杆机构完成整个 abcde 的运动轨迹。 所以功能一：导杆机构实现a、b、c 或 d、e 间的往复运动 , 功能二：凸 轮机构实现 4 机构的上下往复运动 三、运动转换 运动转换即传动机构和执行机构之间的转换。在本方案中，只要为将凸轮的 转动转换为连杆的双向直线运动和上下运动。 在本案中，凸轮的 DBC 段为圆弧，在此段上凸轮转动时平底从动件高度不变， 前后移动，在 D点时工件在 a 处，在 BC
5、段某一处时在 b 处，在 C点时工件在 c 处，CE段时凸轮半径逐渐减小，平底从动件向下运动，工件开始下降，到E 点 时下降到 d 处，EF为圆弧段，凸轮转动时平底从动件上下不运动，做水平运动， 由 d 运动至 e，FD段凸轮半径逐渐增加，平底从动件向上运动，回到a 处。 四、执行机构的选择与比较 方案一 ：用偏置滑块机构与凸轮机构的组合机构，偏置滑块机构与往复移动凸轮 机构的组合（图2） 。在此方案中，偏置滑块机构可实现行程较大的往复直线运 动，且具有急回特性， 同时利用往复移动凸轮来实现推头的小行程低头运动的要 求，这时需要对心曲柄滑块机构将转动变换为移动凸轮的往复直线运动。 - 4 -
6、图 2 偏置滑块机构与往复移动凸轮机构的组合 如果采用直动推杆盘形凸轮机构或摆动推杆盘形凸轮机构，可有另两种方案 （图 3、图 4） 。 图 3 偏置滑块机构与盘形凸轮机构的组合之一 图 4 偏置滑块机构与盘形 凸轮机构的组合之二 方案二 ：采用导杆机构与凸轮机构的组合机构 - 5 - 图 5、导杆机构与凸轮机构的组合机构 方案三 ：双凸轮机构与摇杆滑块机构的组合 五、原动机的选择 由题可知，选择的原动机为电动机，采取单机集中驱动的驱动方式。这种驱 动方式传动装置复杂，操作麻烦，功率较大，但价格便宜。电动机的尺寸较 大，输出刚度较硬，直流电动机可通过改变电阻等来进行调速，交流电动机 可通过变频
7、、 变极进行调速。 电动机通常是单向反转的， 在正常温度下使用， 电机采用风冷。使用电动机时，需考虑过载保护装置，以防烧坏电动机。电 - 6 - 动机噪声小，初始成本低，运转费用最低，维护要求最少，功率范围较广。 题目要求 5-6s 包装一个件，即要求曲柄和凸轮的转速为12r/min 考虑到转速 比较低，因此可选用低转速的电动机，查常用电动机规格，选用Y160L-8 型 电动机，其转速为720r/min, 功率为 7.5kW。 六、运动方案的拟定 方案一： 双凸轮机构与摇杆滑块机构的组合， （见图 2） 图 2 双凸轮机构与摇杆机构滑块机构的组合 方案一的运动分析和评价： 该机构由凸轮 1 和
8、凸轮 2，以及 5 个杆组成。机构一共具有7 个活动构件。 机构中的运动副有7 个转动副， 4 个移动副以及两个以点接触的高副。其中机构 的两个磙子存在两个虚约束。由此可知： 机构的自由度F=3n-2Pl+Ph-p =1 机构中有一个原动件， 原动件的个数等于该机构的自由度。所以，该机构 具有确定的运动。 在原动件凸轮 1 带动杆 3 会在一定的角度范围内摇动。 通过连 杆 4 推动杆 5 运动，然后连杆 6 在 5 的推动下带动推头做水平的往返运动，从而 实现能推动被包装件向前运动。 同时凸轮 2 在推头做回复运动的时候通过向上推 动杆 7，使连杆的推头端往下运动，从而实现推头在给定的轨迹中
9、运动。该机构 中除了有两个凸轮与从动间接触的两个高副外，所有的运动副都是低副。 在凸轮 与从动件的接触时， 凸轮会对从动件有较大的冲击， 为了减少凸轮对从动件冲击 的影响，在设计过程中把从动件设计成为滚动的从动件，可以间接增大机构的承 载能力。同时，凸轮是比较大的工件，强度比较高，不需要担心因为载荷的过大 而出现机构的断裂。 在整个机构的运转过程中， 原动件 1 是一个凸轮， 凸轮只是 使 3 在一定角度的往复摆动， 而对整个机构的分析可知， 机构的是设计上不存在 运转的死角，机构 - 7 - 可以正常的往复运行。 机构中存在两个凸轮， 不但会是机构本身的重量增加，而 且凸轮与其他构件的连接是
10、高副，而高副承载能力不高，不利于实现大的载荷。 而整个机构连接不够紧凑，占空间比较大。 方案二： 偏置滑块机构与盘形凸轮机构组合， （见图 3） 图 3 偏置滑块机构与盘形凸轮 机构的组合 方案二的运动分析和评价： 方案二的机构主要是由一个偏置滑块机构以及一个凸轮机构组合而成的。偏 置滑块机构主要是实现推头的往复的直线运动，从而实现推头在推包以及返回的 要求。而凸轮机构实现的是使推头在返程到达C点的时候能够按照给定的轨迹返 回而设计的。 这个组合机构的工作原理主要是通过电动机的转动从而带动曲柄2 的回转运动，曲柄在整周回转的同时带动连杆3 在一定的角度内摆动，而滑块4 在水平的方向实现往复的直
11、线运动，从而带动连着推头的杆运动， 完成对被包装 件的推送过程。 在推头空载返回的过程中， 推头到达 C点时，凸轮的转动进入推 程阶段，使从动杆往上运动，这时在杆5 和杆 6 连接的转动副就成为一个支点， 使杆 6 的推头端在从动件的8 的推动下向下运动， 从而使推头的返程阶段按着给 定的轨迹返回。 这个机构在设计方面， 凸轮与从动见的连接采取滚动从动件，而 且凸轮是槽型的凸轮， 这样不但能够让从动件与凸轮之间的连接更加紧凑，而且 因为采用了滚动 从动件，能使减轻凸轮对它的冲击， 从而提高了承载能力。 而采用的偏置滑块机 构能够实现滑块具有急回特性， 使其回程速度高于工作行程速度，以便缩短空回
12、 程的时间， 提高工作效率。 但此机构的使用的是槽型凸轮，槽型凸轮结构比较复 杂，加工难度大，因此成本会比较高。 方案三： 偏置滑块机构与往复移动凸轮机构的组合，（见图4） - 8 - 图 4 偏置滑块机构与往复移动凸轮机构的组合 方案三的运动分析和评价： 用偏置滑块机构与凸轮机构的组合机构，偏置滑块机构与往复移动凸轮机构 的组合（图 4） 。此方案通过曲柄1 带动连杆 2 使滑块 4 实现在水平方向上的往 复直线运动，在回程时，当推头到达C 点，在往复移动凸轮机构中的磙子会在 槽内相右上方运动， 从而使杆 7 的推头端在偏置滑块和往复移动凸轮的共同作用 下沿着给定的轨迹返回。 在此方案中，
13、偏置滑块机构可实现行程较大的往复直线 运动，且具有急回特性， 同时利用往复移动凸轮来实现推头的小行程低头运动的 要求， 这时需要对心曲柄滑块机构将转动变换为移动凸轮的往复直线运动。但是， 此机构所占的空间很大， 切机构多依杆件为主， 结构并不紧凑，抗破坏能力较差， 对于较大载荷时对杆件的刚度和强度要求较高。会使的机构的有效空间白白浪 费。 并且由于四连杆机构的运动规率并不能按照所要求的运动精确的运行只能以 近似的规律进行运动。 综合对三种方案的分析， 方案二结构相对不是太复杂， 而且能满足题目的要 求，最终我选择方案二。 七、传动机构 系统的输入输出传动比 12 5 1260iii 720 6
14、0 12 i，即要求设计出一个传 动比60i的减速器，使输出能达到要求的转速。 其传动系统设计如下图：电动机连接一个直径为10 的皮带轮 2，经过皮带 的传 动 传 到安 装在 二级 减速 器 的 输入 段，这 段 皮带传 动的 传 动比 为 1 50 5 10 i，此时转速为 720 144 /min 5 r。 从皮带轮 1 输入到一个二级减速器， 为了带到要求的传动比， 设计齿轮齿数 - 9 - 为， 1 15Z, 2 60Z, 3 15Z, 4 45Z。 验算二级减速器其传动比 24 2 13 6045 12 15 15 ZZ i ZZ 整个传动系统的传动比 12 5 1260iii 则
15、电动机转速经过此传动系统减速后能满足题目要求推包机构主动件的转 速。 - 10 - 八、运动示意图 - 11 - 九、运动循环图 运动循环图 曲柄导杆机构控制水平向左控制水平向右 凸轮机构高度不变控制向下 运动 高度不 变 控制 向上 运动 - 12 - 十、执行机构计算 1、偏置滑块机构的设计 由题目给定的数据L=100mm 行程速比系数 K在 1.2-1.5范围内选取 可由曲柄滑块机构的极位夹角公式 1180 1 k k k=1.2-1.5 其极位夹角的取值范围为16.36 36 在这范围内取极位夹角为25。 滑块的行程题目给出S=100mm 偏置距离 e 选取 40mm 用图解法求出各杆
16、的长度如下： （见图 5） 由已知滑块的工作行程为100mm ，作 BB 为 100mm ，过点 B作 BB 所在水平 面的垂线 BP ，过点 B作直线作直线BP交于点 P，并使BPB=25。然后过 B、B、P三点作圆。因为已知偏距e=40mm, 所以作直线平行于直线BB ，向下 平移 40mm ，与圆 O 交于一点 O ，则 O点为曲柄的支点，连接OB 、OB ， - 13 - 则 OB-OB =2a OB+OB=2b 从图中量取得： AB=151.32mm AB =61.86mm 则可知曲柄滑块机构的：曲柄 a=44.73mm 连杆 b=106.59mm 到此，机构组合的曲柄滑块机构设计完
17、毕。 2、直动滚子从动件盘形凸轮轮廓设计 用作图法求出凸轮的推程角，远休止角，回程角，近休止角。 （见下图） 因为题目要求在推头在返程阶段到达离最大推程距离为25mm 时， 要求推头从 按照给定的轨迹，从下方返回到起点。因此可利用偏置滑块机构，滑块在返 回阶段离最大推程为25mm 的地方作出其曲柄， 连杆和滑块的位置， 以通过量 取曲柄的转动的角度而确定凸轮近休止角的角度，以及推程角，回程角。 具体做法如下： 1）先在离点 B为 25mm 的地方作点 B； 2）过点 B作直线 AB交圆 O于点 A，并使 AB=AB ； 3）连接 OA ，则 OA ，AB为曲柄以及连杆在当滑块离最大推 程距离为
18、 25mm 时的位置。 因为题目要求推头的轨迹在abc 段内实现平推运动，因此即凸轮近休止角应 为曲柄由 A转动到 A的角度，从图上量取，254A OA，即凸轮的 近休止角为 127 90 sA OA。因为题目对推头在返程cdea 段的具体线 路形状不作严格要求，所以可以选定推程角，远休止角，回程角的大小。 选定推程角为 7 18 o，回程角 19 90 s远休止角 9 o。 - 14 - 因为题目要求推头回程向下的距离为30mm ，因此从动件的行程h=30mm 。 由选定条件近休止角为 127 90 s推程角为 7 18 o回程角 19 90 s远休止角 9 o，h=30mm ，基圆半径 0
19、 50rmm, 从动杆长度为 40mm ，滚子半径5 r rmm 。 十一、参考资料 1、 机械原理教程（第二版） 申永胜主编，北京：清华大学出版社，2005 2、 机械原理辅导与习题 （第二版） 申永胜主编， 北京：清华大学出版社， 2006 3、机械原理课程设计手册邹慧君主编，北京：高等教育出版社，1998 4、 机械设计手册机械传动成大先主编，北京：北京工业出版社，2004 5、 机械原理课程设计陆凤仪主编，机械工业出版社，2002 - 15 - 十二、小结 通过这次课程设计，我有了很多收获。首先，通过这一次的课程设计，我进 一步巩固和加深了所学的基本理论、基本概念和基本知识， 培养了自己分析和解 决与本课程有关的具体机械所涉及的实际问题的能力。对平面连杆机构和凸轮机 构有了更加深刻的理解，为后续课程的学习奠定了坚实的基础。 其次通过这次课程设计， 我学会了怎样去研究设计一个从来没接触过的机械 机构。学会了一步一步地去了解一个没接触过的机构的运动规律，运动要求， 根 据要求设计出一个符合要求的运动机构。这都将为我以后参加工作实践有很大的 帮助。非常有成就感， 培养了很深的学习兴趣。 这样的课程设计能提高我们的自 主设计能力，培养自己的创新能力。 这次课程设计我投入了不少时间和精力，我觉得这是完全值得的。 因为感觉 通过这次课程设计我独立思考能力得到了进一步的加强。