机械原理课程设计---糕点切片机.doc

目 录一、设计要求2 二、功能分解3 三、运动转换4 四、执行机构选择与比较6五、原动机10六、运动方案拟定10七、传动机构17八、运动示意图19九、运动循环图20十、执行机构计算21十一、参考资料25十二、小结26 一、设计要求 1设计题目糕点切片机2工作原理及工艺动作过程糕点先成型(如长方体、圆柱体等)经切片后再烘干。糕点切片机要求实现两个执行动作：糕点的直线间歇移动和切刀的往复运动。通过两者的动作配合进行切片。改变直线间歇移动速度或每次间隔的输送距离，以满足糕点不同切片厚度的需要。3原始数据及设计要求1)糕点厚度。1020 mm。2)糕点切片长度(亦即切片的高)范围。580 mm。3)切刀切片时最大作用距离(亦即切片的宽度方向)300 mm。4)切刀工作节拍。40次min。5)生产阻力很小。要求选用的机构简单、轻便、运动灵活可靠。6)电动机可选用0.55kw (或0.75 kw)、1390 rmin。4设计方案提示1)切削速度较大时，切片刀口会整齐平滑，因此切刀运动方案的选择很关键，切口机构应力求简单适用、运动灵活和运动空间尺寸紧凑等。2)直线间歇运动机构如何满足切片长度尺寸的变化要求，是需要认真考虑的。调整机构必须简单可靠，操作方便。是采用调速方案，还是采用调距离方案，或者采用其它调整方案，均应对方案进行定性的分析比较。3)间歇运动机构必须与切刀运动机构工作协调，即全部送进运动应在切刀返回过程中完成。需要注意的是，切口有一定的长度(即高度)，输送运动必须在切刀完全脱离切口后方能开始进行，但输送机构的返回运动则可与切刀的工作行程运动在时间上有一段重叠，以利提高生产率，在设计机器工作循环图时，就应按上述要求来选取间歇运动机构的设计参数。5设计任务1)根据工艺动作顺序和协调要求拟定运动循环图；2)进行间歇运动机构和切口机构的选型，实现上述动作要求；3)机械运动方案的评定和选择；4)根据选定的原动机和执行机构的运动参数拟定机械传动方案；5)画出机械运动方案简图(机械运动示意图)；6)对机械传动系统和执行机构进行尺度设计。二. 功能分解功能分析法是系统设计中探寻功能原理方案的主要方法，这种方法将机械产品的总功能分解成若干简单的功能元，对功能元求解，然后进行组合，往往可以得到机械运动方案的多种解。糕点先成型(如长方体、圆柱体等)经切片后再烘干。糕点切片机要求实现两个执行动作：糕点的直线间歇移动和切刀的往复运动。通过两者的动作配合进行切片。改变直线间歇移动速度或每次间隔的输送距离，以满足糕点不同切片厚度的需要。根据任务书中糕点切片机要求实现两个执行动作；糕点的直线间歇移动和切刀的往复运动的要求，作出糕点切片机的功能、工艺动作图如下： 图1 糕点切片机的功能、工艺动作图1. 糕点的直线间歇移动糕点的直线间歇运动可选择连杆机构、齿轮机构、凸轮机构、棘轮机构、槽轮机构等。2.切刀的往复运动切刀的往复直线移动可采用连杆机构、凸轮机构、齿轮齿条、组合机构等。三. 运动转换1.常见的运动形式一般来说，机器的某种工艺动作形式都对应着某种运动形式，机械执行机构常见的运动形式见下表2。表2 运动形式与表达符号2.同一种功能可选用不同的工作原理与不同的机构实现同一种功能可选用不同的工作原理，下表说明运动由转动换成移动等，可采用推拉原理、摩擦传动原理或流体传动原理实现，而且可分别采用不同机构，如凸轮机构、连杆机构、齿轮机构、气液压机构来满足功能要求。四执行机构选择与比较糕点的直线间歇移动1.棘轮机构棘轮机构具有结构简单、制造方便、运动角可在工作过程中、并可在较大范围内调整等特点而应用广泛，但运动角的调节是有级的、传动精度较差，且棘爪在齿面滑行时引起噪音、冲击、齿尖易磨损而不宜用于高速。为改善性能常采用多爪棘轮机构以得到较小的运动角而又不增加齿数，采用带罩板的棘轮机构以调节运动角，采用浮动式棘轮机构来调节停歇时间，采用其它机构与其组合改变动停时间比，可应用于各种场合。1） 齿轮棘轮机构2） 链轮棘轮机构3） 连杆棘轮机构2.槽轮机构槽轮机构的结构简单、制造容易，工作可靠，机械效率高，但槽轮的运动角大小不能调节，且在槽轮转动的始、末位置有冲击，不宜用于高速。为避免刚性冲击，在圆销进入和退出径向槽的两个位置时要求径向槽中心线切于圆销中心的运动圆周。为保证正常运转，要求槽轮槽数z不小于2，圆销数k应小于2z/(z-2)。当k=1时，槽轮运动时间少于静止时间，当k=1、z=4且槽、销都均布时，动、停时间相等，k再增加，运动时间则大于静止时间。若要求各次停歇时间不等，可将圆销不均匀，若要求各运动时间也不等，则使各圆销中心的半径不等、且各径向槽的长度和夹角也作相应改变。当需要槽轮停歇时间短、传动较平稳、减少空间尺寸并使主、从动轮转向一致时可采用内啮合槽轮机构。槽轮机构一般用于转速不高的自动机械和轻工机械及仪表中，如电影放映机中的送片机构、长图自动记录仪中的打印机构。也常与其他机构组合作为自动线中的传送或转位机构。1） 齿轮槽轮机构3.凸轮机构凸轮式间歇传动机构的结构简单、不仅可传递平行轴间还可传递交错轴间的间歇运动。只要合理设计廓线、选择合适的运动规律，可使从动件运动平稳、减少冲击、得到较好的运动特性，以适应高速运转的需要。但加工复杂、安装要求严格。凸轮式间歇机构广泛应用于轻工机械、冲压机械、高速自动机械中，作为分度机构、转位机构、间歇式送料机构。更多的场合下与其他机构组合使用。1） 蜗杆凸轮机构2） 端面螺线凸轮3） 连杆齿轮凸轮机构4.不完全齿轮机构不完全齿轮机构从动轮运动角的范围大，不像槽轮机构那么受限制。能灵活设计，很容易实现一周中的多次不同动、停时间的间歇运动。但在进入啮合和退出啮合时速度有突变，产生冲击，不宜用于高速传动。为改善传动性能、减少冲击，可装置瞬心线附加板l和k，在首齿啮合前，k、l板先啮合，是从动轮从静止状态逐渐加速置w2；末齿脱离啮合后，又借助另一对k、l板逐渐减速。自动机和半自动机中常用不完全齿轮机构作为工作台的间歇转位机构、进给机构，还可作计数机构。常与其它机构组合应用。完全齿轮机构也常与其它组合机构实现间歇转动。1） 凸轮齿轮机构2） 连杆齿轮机构切刀的往复运动1.连杆机构1） 曲柄滑块机构当曲柄整周回转使滑块往复移动。对心曲柄滑块机构的滑块最大行程为曲柄长度的两倍，若增加曲柄长度，可增大行程。偏置的曲柄滑块机构具有急回运动特性，当曲柄长度或偏距加大时，急回特性显著，而连杆长度减小时，急回特性减缓。2） 移动导杆机构 连杆为主动件，带动移动导杆相对固定滑块上下往复移动3） 正弦机构当曲柄以等速转动时，通过滑块使导杆上下移动，当曲柄转动角度为0或180时，为导杆的两极限位置，行程最大。4） 正切机构 当摆动导杆为主动件时，通过滑块使杆往复运动。5） 多杆机构 结构紧凑，以实现较复杂的运动规律。6） 双偏心轮导杆机构 双偏心轮绕轴转动，通过连杆和弧形导杆及弧形导块驱动从动件沿水平导路往复移动。2.凸轮机构一般凸轮为主动件，作连续的回转运动或平移运动，其轮廓曲线的形状取决于从动件的运动规律。凸轮机构结构简单、紧凑、设计方便，但由于主从动件之间为点、线接触，易磨损，适用于运动规律复杂、传力不大的场合。3.齿轮齿条机构1） 带环形齿条的齿轮机构 当轮按某一方向连续回转与环形齿条各部分轮齿啮合，从而带动该齿条左右往复运动。环形齿条的圆弧部分可保持其上、下直线部分与轮啮合的平滑过渡。2） 带不完全齿的双边齿条机构 当轮转动时，轮齿与构件上的双边齿条之一啮合，使其在固定导槽内沿轴线左右移动。3） 齿轮针齿条机构当轮等角速度转动时，齿条作往复直线运动。当轮轴位于槽的直线部分时，齿条等速移动，位于圆弧部分时，轮从上面转移到下面，或从下面转移到上面，齿条作变速移动。4.楔块机构 当构件沿固定导轨做直线往复运动时，通过斜面驱动构件作往复水平移动。5.斜盘机构 当斜盘绕轴转动时，滑块作往复移动。由于采用球面运动副，机构运动灵活。6.组合机构1） 凸轮连杆机构 一般凸轮为主动件，能够实现较复杂的运动规律。2） 齿轮连杆机构 可以实现较复杂的运动规律。3） 凸轮齿轮机构凸轮为主动件，带动与扇形齿轮固接的摆动杆摆动，驱使齿条往复移动。4） 齿轮凸轮连杆机构 当主动齿轮回转时，齿轮及凸轮转一周，另一齿轮转61/60周，摆杆及滑杆作往复运动一次。由于两齿轮有相对转动，故两端面凸轮的接触点变化，使圆柱凸轮随同端面凸轮作微小的轴向位移，改变滑杆往复行程始、末位置。当另一齿轮转60周，齿轮转61周，两轮的相对位置及杆恢复到初始位置，一个运动循环中，从动杆往复运动60次。五原动机由于本系统所需要的动力不大，要求转速也不是很高，综合考虑下采用了如下的电机：电机型号：y801-4。y: 异步电动机801： 机座中心高4：极数使用条件 环境温度：随季节变化，但不超过40摄氏度 频 率：50hz 电 压：380v 接 法：y接 工作方式：连续电机参数 功 率：0.55kw 电 流：1.5a 转 速：1390r/min 效 率：73% 功率因数：0.76六运动方案拟定 糕点的直线间歇移动可选择连杆机构、齿轮机构、凸轮机构、棘轮机构、槽轮机构等。切刀的往复运动可采用连杆机构、凸轮机构、齿轮齿条、组合机构等；1. 实现糕点直线间歇移动的机构方案一： 如上图所示，为一齿式棘轮机构，利用它来实现糕点的直线间歇运动。方案二： 如上图所示，为一不完全齿轮机构，可利用它加皮带轮来实现糕点的直线间歇运动。方案三：如上图所示，为槽轮机构，可利用它加皮带轮来实现糕点的直线间歇运动。方案选择与评定方案一：齿式棘轮机构结构简单，制造方便；动与停的时间比可通过选择合适的驱动机构实现。该机构的缺点是动程只能作有级调节；噪音、冲击和磨损较大，故不宜用于高速。糕点的直线间歇运动是在较低的速度下运动的，所以该机构适合于本系统。方案二：不完全齿轮机构设计灵活、从动轮的运动角范围大，很容易实现一个周期中的多次动、停时间不等的间歇运动。但加工复杂；在进入和退出啮合时速度有突变，引起刚性冲击，不宜用于高速转动；主、从动轮不能互换。在本系统中没有必要采用加工如此复杂的机构。方案三：槽轮机构可将主动盘的连续转动变换为槽轮的间歇转动。并具有结构简单、尺寸小、机械效率高、能较平稳地间歇转位等特点。但是每次间歇的时间长度一定，很难满足本系统中改变所切糕片长度的功能。方案设计的创新改进措施:对于蛋糕的传送, 既要满足间歇运动的要求,又能通过改变进给距离而切出不同厚度的糕点。刚开始试用了槽轮机构,但糕点切片机要求可以改变所切糕点长度的,如用槽轮机构的话, 很难实现改变切片的长度,想到用齿轮组减速器改变速度来实现。用许多齿轮来改变速度很复杂且不太方便操作,于是我们否定了这个方案。经过查资料后，选择了棘轮机构。用棘轮机构可以方便的实现改变切片的长度。且棘轮机构设计加工简单，改变切片的长度时操作方便。所以机构的总体方案就这么大概的定下来了。2. 实现切刀往复运动的机构方案一： 如上图所示，为一直动导杆机构，可利用杆3的往复运动来实现切刀的上下往复运动。方案二： 如上图所示，为一几何封闭凸轮机构。可利用构件1绕a点做偏心转动来实现切刀的往复运动。方案三： 如上图所示，为一偏执曲柄滑块机构，可利用它实现切刀的往复运动。方案选择与评定：方案一：运动副均为低副，两运动副为面连接，压强较小，可承受较大的载荷，且几何形状简单，便于加工。而且连杆上各点的轨迹是各种不同形状的曲线，气形状随着各构件相对长度的改变而改变，从而可以得到形式众多的连杆曲线，可以这些曲线来满足不同曲线的设计要求。此机构虽有上下往复运动，但它并没有急回运动特性。不能够实现切刀下切速度慢而收回速度快的特性，也不能够很好的缩短空程的时间，影响效率。方案二：只要适当的设计出凸轮的轮廓曲线，就可以使推杆得到各种预期的运动规律，而且机构简单紧凑，可承重较大，运动平稳。但是凸轮轮廓线与推杆之间为点、线接触，易磨损。而且没有急回特性，不能够实现切刀下切速度慢而收回速度快的特性，也不能够很好的缩短空程的时间，影响效率。方案三：此机构有急回特性。结构简单。具有连杆机构的共同优点，可承受较大的载荷，运动副的几何形状简单。改变各构件的相对长度来使从动件得到预期的运动规律。此机构具有连杆机构的共同缺点，机械效率降低，这是连杆机构所不能避免的。方案设计的创新改进措施:开始构思方案时,考虑到在以后的生活和生产中,自动化是必然的趋势，因此设计的机构要尽量满足自动化的要求。此机构的运作是切糕点与送糕点,切的时候糕点不能动,没有切的时候,糕点要运动并前进一定的距离到达指定位置.为了实现切的动作,开始时采用凸轮机构,来实现刀的往复运动,用凸轮可以很好的控制刀的运动,实现最优的运动轨迹,可是凸轮的设计和制造比较复杂，且不能传递较大的力,而且切糕点也不需要那么高的精度。于是考虑用曲柄滑块机构,曲柄滑块机构一样可以实现刀的往复运动,可传递较大的力,能满足需要, 而且其机构简单，加工制造方便，能减少生产成本，于是确定用曲柄滑块机构。3.实现减速的机构 减速机构要将电机的1390r/min降为40r/min。可采用的机构为涡轮蜗杆机构以及皮带齿轮机构。 涡轮蜗杆机构只能在一定的距离里面产生较大的传动比（蜗轮轴心确定，蜗杆向前送进），所以不适宜用于连续不停转动，而且蜗轮从侧面看与齿轮不同的是其中间位置有一定弧度的下凹，对加工而言会产生一定的难度。而且相对齿轮而言，涡轮蜗杆啮合轮齿间的相对滑动速度过大，使得摩擦损耗较大，因而传动效率过低，易出现发热和温度过高的现象，磨损也叫严重，会降低整体的使用寿命，而且成本较高，因此采用多个齿轮传动来替代蜗轮蜗杆的设计。七传动机构1.实现传动的机构：1） 皮带传动皮带传动能起缓冲和吸振作用，可使传动平稳，噪声小。过载时，带在轮面上打滑，可以防止损坏其他零件，起安全保护作用。适用于两轴中心距较大的场合。结构简单，容易制造，维护方便，成本低廉，但是因为皮带传动受摩擦力和带的弹性交形的影响，所以不能保证准确的传动比，效率较低。2）齿轮传动齿轮传动能保证恒定的瞬时传动比，传递运动准确可靠，传递功率的范围比较宽，可以从很小的功率直到几万马力经过磨齿的齿轮传动圆周速度可达100米秒；机械传动效率比较高，一般圆柱齿轮传动效率可达98以上，而且使用寿命也较长。齿轮机构的结构紧凑，体积比较小。但是传动噪音比较大，对冲击比较放敏感，不宜用在轴线距离较大的部件上。齿轮制造精度要求比较高，不能缓冲，高速传动精度不够是有噪音，无过载保护，相应的成本也比较高3）链传动传动比固定不变，结构比带传动紧凑。不需要太大的张紧力，因而不会给予轴承增加额外的载荷而且载荷能均匀地分布于轴销与住轴套间的所有接触面积上。它能低速传递较大的裁荷并能使一个主动轴向时带动几个从动轴，其轴距的变化范围比齿轮传动大。但是瞬时速度不均匀，高速不如带传动平稳，在震动冲击负荷下寿命大为缩短。轴距的变化范围不宜过大，一般不超过米，它在般应用于中距离传动。2.传动机构的选定鉴于以上各种传动机构的优缺点及糕点切片机的结构原理和特点，我们最终选择皮带传动和齿轮减速传动。3.传动系统演示电动机皮带传动齿轮减速传动棘轮传动皮带传动传送履带刀具八，运动示意图九运动循环图切刀的直线往复运动循环图糕点的直线间歇运动循环图十执行机构计算棘轮和曲柄摇杆机构的设计： 棘轮机构主要是执行糕点的进给运动，每一次的运动距离就是所切糕点的长度。为了更好的控制和改变这个长度，设棘轮每转动一定角度，糕点运动20mm，设棘轮共有24个齿，即每齿代表15度。于是一共有四档，即20、40、60、80mm，也就是说棘轮转动15、30、45、60度。对于棘轮的转动，设计一个曲柄摇杆机构推动棘轮旋转。于是棘轮的旋转角度就可以转化为摇杆的摆角。即15、30、45、60度。在棘轮外加装一个棘轮罩，用以遮盖摇杆摆角范围内棘轮上的一部分齿。这样，当摇杆顺时针摇动时，棘爪先在罩上滑动，然后才嵌入棘轮的齿槽中推动其转动。被罩遮住的齿越多，则棘轮每次转动的角度就越小。棘轮罩设置四个转角分别为15、30、45、60度。设有槽的圆盘直径为150mm，棘轮半径为100mm，在摇杆上装一个棘爪，棘爪推动棘轮旋转,棘轮上再固定一个皮带轮用以带动皮带旋转。由运动距离可以得出皮带轮的直径为153mm，这样棘轮机构就设计完了。其尺寸为：曲柄摇杆机构：曲柄长50mm；连杆长210mm； 摇杆长200mm；棘轮半径86mm；棘轮齿数24个；皮带轮直径153mm；整个机器的关键就在于切刀运动与糕点传送运动之间的协调，因此需要详细计算。依据零件尺寸，作图计算得出：推动棘轮的曲柄摇杆机构的行程速比系数为：k=1；又工作周期为1.5秒，则摇杆推程时间为：0.75秒，回程时间为：0.75秒。因此，切刀在0.75秒的时间内不能接触糕点（最大厚度为20mm），而在0.75秒的时间里切刀应完成切糕点的动作并离开糕点表面。即切刀在糕点外运动的时间应大于0.75秒。据此验证切刀的曲柄滑块机构的尺寸。计算得切刀在20mm以上的高度运动时间为1秒，满足设计要求。曲柄滑块机构（刀具）的设计：此机构主要是执行切刀的上下往复运动。由于所切糕点的厚度最大为20mm，所以切刀在20mm之上运动时，糕点才能运动。为了给糕点足够的传送时间，设计刀的行程为60mm，即曲柄长30mm；刀的高度设为37mm。考虑到卫生问题,刀不能缩到滑块的轨道里去,所以设计滑块的长度为65mm；又设计连接杆的长度为60mm。这样曲柄滑块机构的高度比较高，所以采用皮带传动。又切刀应能刚好切断糕点，综合曲柄滑块和棘轮机构的尺寸，我们得出曲柄滑块机构和棘轮机构轴心距为400mm。所以曲柄滑块机构的尺寸为： 曲柄长30mm； 连接杆长60mm；滑块长65mm； 刀片高37mm； 曲柄滑块机构和棘轮机构轴心距为400mm。齿轮皮带减速系统设计减速皮带轮 减速齿轮 送料皮带轮本机构原动件为一高速电机，其转速为13