健身球检验分类机设计

*大学 1 / 36 2011计题目：健身球检验分类机 学院 系 指导老师： * 完成日期： * *大学 机械原理课程设计 说明书 * * * * *大学 2 / 36 2011录 一、设计题目 . 3 二、设计任务书 能要求 . 4 作原理以及工艺动作流程图 . 4 三、传动方案 . 5 四、主要执行结构方案设计 料机构 . 7 料机构 . 9 验机构 . 11 量分类 . 11 寸分类 . 11 感器 分类 . 14 料机构 . 15 态学矩阵 . 16 五、机械运动系统设计方案的拟定 . 17 六、方案的评价与选定 . 19 七、系统设计数据处理 体运动简图 . 21 动参数 . 21 作机构的运动协调设计 . 22 执行机构的设计 构 . 23 . 26 构 . 29 八、利用传感器设计分类系统 . 32 九、心得体会 . 35 十、附录 . 36 *大学 3 / 36 2011、设计题目 健身球检验分类机 题目 一、 设计题目及原始数据 设计健身球自动检验分类机，将不同直径尺寸的健身球（石料）按直径分类。检测后送入各自指定位置，整个工作过程（包括进料、送料、检测、接料）自动完成。 健身球直径范围为 40 46求 分类机将健身球按直径的大小分为三类：第一类： 40 42 ； 第二类： 42 44；第三类： 44 46。 其他技术要求见下表： 健身球分类机设计数据表 二、设计任务 轮机构在内的三种机构 ； 在图纸上画出传动系统图； 括位移曲线、凸轮廓线和从动件的初始位置）；要求确定运动规律，选择基圆半径，校核最大压力角与最小曲率半径，确定凸轮廓线。盘状凸轮用电算法设计，圆柱凸轮用图解法设计 ； 轮的数控加工，健身球检验分类机的计算机演示验证等 方案号 电动机转速（ r/ 生产率（检球速度）（个 / A 1440 20 B 960 10 C 720 15 *大学 4 / 36 2011、设计任务书 能要求 具体设计要求如下： 健身球检验分类机能够实现进球、送球、检测球、接球的一体化功能。健身球自动检验分类机，将不同直径尺寸的健身球（石料）按直径分类。 健身球直径范围为 40 46求分类机将健身球按直径的大小分为三类。 1. 40 一类 42 . 42 第二类 44 . 44 第三类 46 身球检验分类机由进料机构、送料机构、检验机构、接球机构以及电动机组成。由于考虑到健身球一直落下来，所以它要间歇，直线的送进。健身球不断的不间断输入特定的小槽内，滑块或偏心轮的间歇运动和健身球的检验分离功能。 作原理以及工艺动作流程图 定量进球 定量送球 持定量健身球，以直线、间歇的进球。 直线往复的运动。运用曲柄滑块机构使健身球能持续的进入工作台相对应的小槽内，使工作能持续稳定进行。 精确检验健身球 健身球间歇得掉下来，尺寸最小的进入较小的孔，较大的进入较大的孔 运用凸轮或不完全齿轮控制斜台的上下运动，使每种尺寸的球掉落到对应的通道中 接球装置 运用接球通道将分类掉下来球通过，然 后再用接球仪器讲球接住。 健身球检验分类机的工作系统 *大学 5 / 36 2011、传动方案 . 机器一般由原动机、传动装置和工作机三部分组成如图： 图 3 减速器 2 传动机构 3 电动机 根据设计要求，需要接料机构，送料机构及料斗控制系统的周期为 4s，即其转速n=15r/电动机的转速为 720r/ 所以传动比为 i= = =48 . 一级传动 齿轮传动的制造及安装精度要求高，价格较贵，且不宜用于传动距离过大的场合。 蜗杆传动的传动比大，承载能力较齿轮低，常布置在传动系统的高速级，以获得较小的结构尺寸；同时，摩擦力大，发热大。同时蜗杆传动在啮合处有相对滑动。当滑动速度很大，工作条件不够良好时，会产生较严重的摩擦与磨损，从而引起过分发热，使润滑情况恶化，因而摩擦损失较大，效率低 。 带传动具有结构简单、传动平稳、选价 低廉以及缓冲吸振等特点，在近代机械中被广泛应用 ， 当原动机驱动主动轮时，由于带与带轮间的摩擦（或啮合），便拖动从动轮一起转动，并传递一定动力 ， 考虑到 传动比偏大 ,考虑减小噪声、振动等方面的要求时，最好选用带传动。 *大学 6 / 36 2011 3传动 根据以上的分析比较，再结合要求的工作条件可以得到，在此采用 带 传动。 . 减速箱的设计 带轮的传动比为 3，然后由减速器进行二次减速，其传动比为 8，减速箱的结构如下： 图 3速箱的输出轴的转速为 = = r/0r/ . 电动机转速为 ，减速箱输出转速为 30r/ . 经过带轮传动后，减速箱的输入转速为 240 r/ . 根据机械设计课程设计 V 带传动推荐值取 ,这里我们的 V 带轮传动比取 i 带 =3。 . 从电动机到减速箱输出的总传动比 i=24。 所以减速箱的传动比为 减 。 根据一般减速箱中传动比的分配公式： 设 推出 . 这里取 验算 *大学 7 / 36 2011、主要执行结构方案设计 料机构 方案 往返管式定向机构 量较大，这种机构可以使每次落下的球的数量控制在六个左右，从而减少对隔料器的冲击 图 4案 槽轮控制轮 1 的 时动时停的间歇运动，从而控制球下落的速度为 15 个 / 于轮 1 分隔的半径为 23所以球 的大小不一也不会对其造成影响，对球的磨损也小 可省略送料机构，但由于每个球下落的时间并不能精确控制，会对选择机构的配合造成不好的影响 图 4*大学 8 / 36 2011案 与上一个机构相比，杆前部的半径为 23所以对球外部的磨损也小；同时由于由曲柄连杆机 构控制活动的杆，送料的时间固定，更方便与选择机构配合 图 4案 送机构 图 4 进料槽 2 输送机构 进料机构由图 4示。它主要由进料槽 1 和输送机构 2 组成。当球从进料槽中不断的落下来时，进料槽的口宽大小要稍大于 46 过运用输送装置，利用它的逆时针转动，把球有序的输送进去，这样也不会卡在那里。 设计要求：进入槽的口宽大小应与小球的直径差不多，这既能使小球逐一的通过槽口，又防止小球相互挤造成卡住。 *大学 9 / 36 2011料机构 健身球由送料机构送入后，需要一个往复移动机构推动健身球落入将健身球分类的机构之中。 方案 轮机构 图 4 凸轮 2 弹簧 3 滑块 主要由凸轮、弹簧、滑块组成。 当凸轮由传动机构而作等速逆时针连续转动时，使弹簧一下伸长，一下收缩。推动构件 3，使之往下运动进而推动健身球，由于弹簧比较长，所以完成了推动小球的功能。当主动 凸轮转到回程时，构件 3 没有推力，受到弹簧 2 的弹力回到原处，那就完成了间歇得推动小球。 使用滑块的好处是可以更好的推动小球，使小球顺利过去。 *大学 10 / 36 2011案 柄滑块机构 图 4 4图 4示，曲柄滑块机构 =100mm,r=50=4s,e=0，当送料机构将健身球一个一个依次送入后，健身球将落入滑块顶端圆弧状的槽内，槽的前后有两块板，并装有弹簧，使球落入槽内稳定不落出。后板与一机构相连。此时曲柄滑块机构开始运动，向左滑动 2S 后到达图 4示位置，此时，健身球落入向下将球分类的机构之中，与后板相连的杆轻轻推动，此时在弹簧作用下后板与前板同时向前微动，球落入向下的使球分类的机构中。 *大学 11 / 36 2011验机构 量分类 小球的质量计算 按照题中所述，小球的材料为石料，直径范围为 4046 查资料可知，石料的密度约为 。按计算公式 由此可得： 方案 心分类 由于三种球的质量不同，在同样的转速下绕同一圆心作圆周运动的半径不同，由此可以在一个圆盘上不同半径处开三个孔，与此半径的球的大小相对应，从而当圆盘以一定速度做圆周运动时，不同半径的小球就会落入不同的孔中。 寸分类 方案 为了节约空间，让行程更有效，我们初步构想的一个方案是将小球的行程通道构想为一个圆盘，示意图如下（俯视图）： 小球通过送料机构，由圆盘的一边沿送入圆盘通道。外圆盘固定，内圆筒带动等间距相隔的档板作圆周运动。所以，健身球跟着挡板在圆周通道内作圆周运动。三个接料口开在圆周通道内，因此小球可以依次通过三个接料口。 图 4*大学 12 / 36 2011案 方案 4 图 4球由送料机构送入通道后到达 接料块 上方，通过凸轮（图 4不完全齿轮（图 4制 接料块上下的周期运动，由于 由上至下的第一个通道宽度设计为 42二个通道宽度设计为 44三个通道宽度设计为 47小球在跟着接料块由上到下的过程中由于斜面的不稳定性自主的掉入能够通过的通道，从而达到分类的效果 。 凸轮机构应该是完成这种运动要求时，最容易想到的机构之一。但考虑到行程为140示凸轮的最小半径处与最远端的距离至少为 140还需要考虑到凸轮需拥有一定的基圆半径，使得所需凸轮所占空间较大，不适合轮廓线的精密加工。因此凸轮不是较好的选择。 *大学 13 / 36 2011案 图 4过图书馆资料的搜集和查阅，特别是受到机械原理创新设计（年月 华中科技大学）第三章机构运动功能的介绍，有关该机构装置的构型如上图所示。小球通过料斗的过渡以一定速度进入通道，若小球的直径比滚道口的口高小，则该小球将顺利通过滚道口，进入右侧的接料筒。若小球的走径比滚道的口高大，在该速度下小球撞击滚道口碰撞装置。碰撞装置的偏移使得隔档片弹开，让小球由下方的通道滚入接料筒。 为了表示方便，这里的装置图只画出了分两类健身球的情况。将健身球分为三类的情况，也可相似得出，只需将左侧的接料筒得到的健身再滑出 经过一次类似的装置即可。 缺点 、在接料口一次放入多球的情况下，会有很多球同时滚进通道，使得机构无法一一将这些小球分类。 、在隔档片由于碰撞装置的偏移弹开以后，难以得出设计方法使其快速自动回复到原来的状态。 、由于并未用到电动机，机构的运作完全依靠小球自身重力，随机性较大，无法保证装置能够持续稳定准确的完成健身球的分类工作。 *大学 14 / 36 2011 传感器 方案 图 4称重传感器对质量进行判断，然后发出相应的电脉冲，通过不同的电脉冲来控制控制电机的转动，再经由一系列的机械构造达到分类的目的。 该方案利用不同类型健身球的重量差异，通过称重传感器控制步进电机，从而实现健身球的分类。 如图 4示，送料机构将小球送至称重传感器，在传感器接受重量信号后将相应的电信号传至步进电机，电机状态的改变，带动滚珠螺旋机构使得接料筒左右移动接住上方掉下来的小球。 这里送料机构以机料筒的运动均由普通电动机带动。而滚珠螺旋机构则单独由步进电机带动。 *大学 15 / 36 2011料机构 方案 由于需要分类的物体为球形，即可利用其自身的重力滚入接料机构， 而且竖置的通道容易卡球， 故设计了此种斜向的通道 ，便于球的下落。 由上至下的第一个通道宽度设计为 42二个通道宽度设计为 44三个通道宽度设计为 47 图 4案 图 4案 三个相同的槽组成。它们可以把分类好的球接在不同的槽里面，这种方案能稳稳的接住球，防止球弹到外面去。 *大学 16 / 36 2011态学矩阵 功能元 功能元的分解 1 2 3 4 5 动力源 电 动 机油机 油机 压机 动马达 速 蜗杆传动传动 传动 轮传动 料机构 进料机构 料机构 料机构 料机构 料机构 凸轮机构柄 滑块机构 验机构 进料检验槽 料检验槽 33料检验槽 感器分类 料机构 接料机构料机构 =5*4*4*2*6*2=1920 其中较为理想的是 F=3*(3)*31 *大学 17 / 36 2011、机械运动系统设计方案的拟定 方案 a： 图 5*大学 18 / 36 2011案 b： 图 5案 c： 图 5*大学 19 / 36 2011、方案的评价与选定 评价方案 (1) 序号 评价项目 评价等级 评价尺度（评价分数） 1 功能目标完成情况 很好 好 较好 不太好 不好 10 8 5 3 0 2 工作原理的先进性 先进 较先进 一般 落后 10 8 4 0 3 系统的工作效率 高 较高 一般 低 10 8 4 0 4 系统机械传动的精度 高 较高 一般 低 10 8 4 0 5 系统的复杂程度 简单 较复杂 复杂 10 5 0 6 系统方案的可靠性 可靠 较可靠 一般 不可靠 10 8 4 0 7 系统方案的新颖性 新颖 较新颖 一般 不新颖 10 8 4 0 8 系统方案的实用性 实用 一般 不实用 10 5 0 *大学 20 / 36 2011 系统方案的经济成本 低 较低 高 较高 10 8 4 0 10 系统方案的环保问题 好 较好 不好 10 5 0 方案评价（ 2） “ ”： “很好 ”， “ ”： “好 ”， “ ”： “不好 ”。 方案评价标准 方案 a 方案 b 方案 c 成本低 + + + 便于加工 + + + 结构简单 + + + 便于方便 + + + 操作方便 + + + 总计 11 个 “ +”， 9 个“ +” 7 个“ +” 由以上两表的方案评价得分可以看出方案，在机械的设计中方案的选择显得至关重要，由表中可以看出方案的功能目标完成情况 ，系统的复杂程度都还比较成功。但是在个个部分的安装、配合方面还存在一定的问题。 综上所评方案 a 为最佳方案。 项目 方案 累计得分 a 9 8 8 8 8 9 9 6 6 10 81 b 8 8 8 8 5 10 8 4 5 10 74 C 7 6 7 5 7 8 7 6 7 10 70 *大学 21 / 36 2011、系统设计数据处理 方案 a： 体运动简图 图 7动参数 、 电动机转速及生产率的选择 根据题目要求，我们选择电动机的转速为 720r/s，生产率为 15 个 / 、执行件曲柄或齿轮的转速 根据前面的讨论已知，对健身球进行分类的生产率为 15 个 /以方案中各机构的运动循环周期 T=4s。由于本方案设计中各机构的周期均为 4s，则各曲柄转速均为 、 小球的质量计算 按照题中所述，小球的材料为石料，直径范围为 4046 查资料可知，石料的密度约为 。按计算公式 有 *大学 22 / 36 2011作机构的运动协调设计 如运动简图所示，送料机构为一曲柄滑块机构。滑块末端的小勾槽将小球送至最右端时，接料机构顶端的接料块应该已经运动到最上方。 至于料筒装置的凸轮及杠杆仅为控制健身小球的下落量（原因在之后的料斗装置部分会详细阐述），并不需与送料机构和接料机构协调配合。 运动循环图的绘制 图 7里选用送料曲柄滑块机构的曲柄为定标件。当该曲柄与水平夹角为度，即滑块处在最右端的时候，接料机构 的顶端应到达它的上方位置极限。 这里接料机构与送料机构位移运动规律曲线的得来会在之后的相应部分进行进一步的说明。 *大学 23 / 36 2011执行机构的设计 为保证下落的球个数为六个左右，进料筒的长度设计为 283的直径为 48便最大直径为 46 图 7方的接料部分开口直径为140有利于稳定得接住球，并起到一定的缓冲作用，同样可以在下方长筒内的球较多时暂时起到贮球的作用，筒内直径同样为 48便球的下落 。 图 7*大学 24 / 36 2011 1）料斗控制机构的动力传递 料斗控制机构由凸轮和杠杆配合控制，所需运动为凸轮的转动。其转速为 15r/动 轴的位置较近，为了节省空间，使得整个设计更加紧凑，采用一对相同齿数的齿轮进行 动力 传递，机构更加简单 。 （ 2）料斗控制机构的凸轮计算 由于本设计有一定的同步要求，但是不是十分严格，故鉴于加工方便，节省资金，凸轮采用余弦加速度运动规律，其推程时运动方程为 S=h1- /2 V= a= 回程时运动方程为 S=h1+ /2 V= a= 凸轮基圆半径 40子半径 10升程为 15期为 4S，升程角 150 ,高程角60 ，回程角 150 ，低程角 0 ，由 轮插件得数据如下 表 7*大学 25 / 36 2011轮机构的位移曲线 图 7轮机构的设计图图 7轮基圆半径 40子半径 10升程为 15期为 4S，升程角 150 ,高程角 60 ，回程角 150 ，低程角 0 ，由滚子经杠杆转化后可使送料机构升高 60送料机构达到平稳送球的作用，并能适当减轻曲柄滑块机构所承受的重力。 *大学 26 / 36 2011 送料机构 （ 1）动力传递 送料机构由曲柄滑块机构控制，所需运动是曲柄的转动，其转速为 15r/于轴与轴 的空间位置较大，同时需要平稳的传动，故采用带轮传动，传递输出轴 的转速为 30r/以，带轮的传动比为 2，以满足原动件的 运动要求。 （ 2）曲柄滑块机构的计算 图 7图 7示，曲柄滑块机构 =100mm,r=50=4s,e=0，当送料机构将健身球一个一个依次送入后，健身球将落入滑块顶端圆弧状的槽内，槽的前后有两块板，并装有弹簧，使球落入槽内稳定不落出。后板与一机构相连。此时曲柄滑块机构开始运动，向左滑动 2S 后到达如下图所示位置，此时，健身球落入向下将球分类的机构之中。 图 7滑块到达上述位置时，与后板相连的杆轻轻推动，此时在弹簧作用下后板与前板同时向前微动，球落入向下的使球分类的机构中。 *大学 27 / 36 2011用 们可以得出滑块的位移图像，速度图像，以及加速度图像，如下图（具体程序指令见附录） 滑块位移图像 ： 图 7*大学 28 / 36 2011块速度图像 ： 图 7 7以上三图可知，滑块的最大速度约为 14mm/s，最大加速度约为 。均为较小数值同，符合要求。 *大学 29 / 36 2011 接料机构 （ 1） . 动力传递 减速箱出来以后的轴上不仅安装有一皮带轮，在皮带轮的后更有一齿轮将轴的转动传递给轴，进而带动接料机构的运动。 接 料机构的运动是由不完全齿轮的转动，所需转速为 15r/力由转速箱输出后通过一对传动比为 2 的齿轮传递给不完全齿轮，不仅满足了不完全齿轮的转动要求，并且结构简单，紧凑。 （ 2） . 滑道角度设计 滑道方向与竖直方向的夹角为 ，如图中所示。在接球执行块将小球往下送的过程中，为使直径比通道宽度小的小球尽快落入通道以内，而不因为斜落所需时间过长而使得符合直径要求的小球不能及时落入相应通道，我们需要对 角进行设计。 以小球的球心进入通道算做小球也滚入通道，则如下图所示球心滑过的距离为 S。对于特定的小球， R 是一定 的，所以 。而根据物理知识，若不考虑滚动摩擦， 小球沿斜道的加速度为 。所以有 整理后有， ，欲使 t 更小， 需达到最大值 1。即 取 。 当 取定 的时候计算下落时间。 由于下落的时间较短，故一般的设计即能满足其下落要求。 （ 3） . 运动特性分析 该健身球分类机的生产率为 15 个 /因此所有机构的循环周期为 4 S。对于接料机构来说，即要求接料块做 4 S 一个循环的往复运动。而在接料块将球自上向下送的过程，需要使得符合通道宽度要求的小球落入相应的通道，接料块自上向下运动的速度应当相对缓慢。而当球处理完成，接料块空载返回的时候，需其尽量快速。 （ 4） . 接料块执行机构的计算 1） . 行程要求 为尽可能的缩短该往返运动的行程，将该行程设计为从最下方通道的下边沿处至最上方通道的下边沿偏上。若将通道与通道之间的切向距离设计为 4行程 L 大约为 最后完成的 行程需略大于该值。 *大学 30 / 36 2011） . 时间要求 循环周期为 4 S，上下运动速度不一至。初定向下运动的过程时间设计为 3 S，因此向上急回运动的时间为 1 S 。 3） . 工作说明 不完全齿轮 1 做逆时针转动时，与齿条 3 啮合，从而带动齿条向下缓慢移动。当不完全齿轮 1 有齿部分与齿条脱开时，不完全齿轮 2 的有齿部分开始与齿条啮合，并带动齿条向上快速移动。这样就实现了齿条带动接料块，从而完成整个接料过程。 图 7） . 不完全齿轮的设计 这里初定齿条上下往返运动的单向行程为 143齿条与不完全齿轮进行标准设计与安装，则有以下参数已定。 压力角 周期 T 4 S 行程 L 143 图 7示， 1 号与 2 号齿轮的周期均为 4 S，又按照前面的叙述， 1 号齿轮与齿条的啮合时间为 3 S ， 2 号啮合时间为 1 S 。所以若 1,2 号齿轮均匀速转动，则可知 1 号不完全齿轮的有齿部分布满四分之三圆周，而 2 号不完全齿轮的有齿部分布满四分之一圆周。 初定 1 号齿轮的整周齿数为 20 齿。若 1 号齿轮的分度圆半径为 r ， 有 推知 r 为 30 而 2 号齿轮的分度圆半径为 R，有 推知 R 为 90 其中 R 与 r 的比例为 3： 1 。这个比例是不可变更的，因为只有这样才能满足时间要求。 另由 r 可取， m=3该模数也刚好符合国家标准。 重算行程 L。 *大学 31 / 36 2011行程大于略大于初定值 140合设计要求。 齿条速度计算 往复移动的行程速比系数为 。 *大学 32 / 36 2011、利用传感器设计分类系统 方案 b: 一设计目的：利用传感器及控制系统对所提供的三类健身球进行分类（健身球规格参见设计要求） 二设计思路：利用传感器对健身球进行检测，取得不同的信号值，并将信号发送给伺服系统，带动其他构件对健身球进行分类。 三模块组成： 1. 传感器 2. 控制系统 3. 环形分配器 4. 功率放大器 5. 伺服电机 6. 伺服传动系统 7. 工作平台 系统原理图： 图 8四 各模块选定： 1. 传感器 利用不同类别的健身球的特点进行分类，有两种较好选择，即光电门传感器和称重传感器。（ 1）光电门传感器：当健身球经输送装置到达光电门位置遮住光门知道 健身球离开，通过时间与速度计算得出球的直径，并将此转换成信号控制伺服电机。（ 2）称重传感器，利用不同类健身球重量的不同进行分类，并将信号传递至控制系统，控制伺服电机。 考虑到光电门传感器对输系统要求很高（因为要输送系统保持匀速，并需测量输送系统速度），并且易受外部环境干扰，故选择称重传感器作为本方案的传感系统。 传感器资料：电容式称重传感器，通过在一块特种钢上打的圆孔的内壁上贴绝缘体和铜箔，形成一排平板电容，当圆孔受荷重变形时，电容值将改变，并且电容改变量将正比于被测平均荷重。原理图如下： *大学 33 / 36 2011 8伺服电机的选择， 选择步进电机作为伺服电机。因为步进电机的角位移量和输入脉冲的个