毕业设计（论文）-弹射式自动投石器的设计（全套图纸）.pdf

本科毕业设计 题题 目：目： 弹射式自动投石器的设计弹射式自动投石器的设计 英文题目：英文题目：Ejection type automatic throwing stone tools 学学 院：院： 机电工程学院机电工程学院 专专 业：业： 机械设计制造及其自动化机械设计制造及其自动化 姓姓 名：名： 学学 号：号： 指导教师：指导教师： 2016 年年 3 月月 30 日日 毕业设计独创性声明毕业设计独创性声明 该毕业设计是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。文 中除了特别加以标注和致谢的地方外， 不包含其他人或其他机构已经发表或撰 写过的研究成果。 其他同志对本研究的启发和所做的贡献均已在论文中作了明 确的声明并表示了谢意。 作者签名： 日期： 年 月 日 毕业设计使用授权声明毕业设计使用授权声明 本人完全了解青岛滨海学院有关保留、使用毕业设计的规定，即：学校有权 保留送交毕业设计的复印件，允许被查阅和借阅；学校可以公布全部或部分内容， 可以采用影印、缩印或其他复制手段保存该毕业设计。保密的毕业设计在解密后 遵守此规定。 作者签名： 导师签名： 日期： 年 月 日 I 摘摘 要要 本次设计的题目是“弹射式自动投石器的设计”，通过利用凸轮滚子推杆机 构的工作原理，来实现该投石器的常规目的。 该弹射式自动投石器主要有机架，投射机构，装填筒等部件组成，通过电机 驱动弹射式自动投石器主体部分旋转，其上面安装有传感器，当感应到了目标位 置，就会通过控制系统控制电机的旋转，然后在凸轮滚子推杆机构的作用下来进 行投射，通过此种结构设计，能够很准确地进行投射，完全实现了全自动化投射。 关键词：关键词：弹射式自动投石器 传感器 机构 投射 全套图纸，加全套图纸，加 153893706 II Abstract This design topic is the design of ejection type automatic sling, by using the principle of roller cam follower mechanism, to achieve the purpose of conventional sling. The ejection type automatic sling frame, projecting device, the filling tube parts, through the motor drive eject type automatic cast stone body rotation, the above installed a sensor, when the induction to the target location, you will pass the control system to control the motor rotation, then in roller cam push rod mechanism down project, through such kind of structure design, can very accurately projected, and the full realization of the automatic projection. Key words: ejection type automatic projection sensor body projection III 目目 录录 1 绪论 . 1 1.1 研究的目的和意义 . 1 1.2 研究的内容 . 1 1.3 国内外发展现状 . 2 2 弹射式自动投石器总体结构的设计 . 4 2.1 投射器的设计方案 . 4 2.2 投射部分的工作原理 . 6 3 机械传动部分的设计计算 . 8 3.1 电机的选型计算 . 8 3.2 凸轮滚子推杆机构的设计 . 11 3.2.1 凸轮伦廊曲线的设计 . 12 3.2.2 凸轮行程与压力角的设计 . 14 3.2.3 杆长的设计 . 16 3.3 轴承的设计计算 . 17 3.4 轴的设计 . 18 5 主要零件的强度分析与校核 . 19 5.1 滚动轴承强度的校核计算 . 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 5.2 机架强度的校核计算 . 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 6 设计总结 . 23 结 论 . 24 参考文献 . 25 致 谢 . 26 青岛滨海学院机械设计制造及其自动化专业毕业设计 1 1 绪论 1.1 研究的目的和意义 在古罗马时代， 弹射式自动投石器等战争武器通常都设在离主战场较远的地 方，利用人工对石头进行装填从而来进行投射。一般效率不高，并且对目标的命 中率不准确，19 世纪初出现了新型的弹射式自动投石器，1965 年，德国人费伦 斯发明了半自动的弹射式自动投石器，降低了人工的浪费。1981 年费伦斯又创 制出提供回转动力的弹射式自动投石器，扩大了弹射式自动投石器的应用范围。 弹射式自动投石器的发明和发展，使得人类的武器实现了机械动力化的趋型。弹 射式自动投石器几乎是古罗马时代唯一的先进的战争武器。 自古至今，无论从投石数量、质量、效益等各方面来衡量，此次设计的弹射 式自动投石器，它已经远远超越了以往的传统的弹射式自动投石器，并成为各国 争相发展的行业。1986 年江苏的永赶公司实现了弹射式自动投石器的创新设计， 并通过打入亚洲以及南美市场，取得了不错的成绩。从 20 世纪起，新型的弹射 式自动投石器不断诞生，进入 20 世纪，出现各种实验应力分析方法，人们已能 够通过机电的有机结合设计出智能化的弹射式自动投石器，相信在不久的将来， 改机电一体化智能产品，将会得到越来越广阔的应用。为了实现投石器的自动化 投石， 从而来代替传统的人工投石来提供劳工效率，适应现代化机械工业高速发 展的需要，所以在机械设备中它们的投石设备的生产也有着严格的要求。传统的 弹射式自动投石器在没有自动投石设备而需要人工投石的情况下，投石效率低 下，劳动强度大，所以设计一个专用的弹射式自动投石器势在必行。 通过对实际的生产设备进行考察，从而提出了弹射式自动投石器的结构组 成、工作原理，拟定了弹射式自动投石器总的指导思想，得出了该新式弹射式自 动投石器的优点是高效，经济且易维修的结论。 根据结合自身所学和本次所选课题的难易度， 觉得无论是在知识层面还是在 软件的运用技能上面，该课题很适合我，加之本课题来源于当今社会机械工业弹 射式自动投石器的创新和更新换代基础之上，通过设计出弹射式自动投石器，从 而来满足当今社会弹射式自动投石器不足的缺陷。 传统的弹射式自动投石器的产品图如下图 1、图 2 所示： 青岛滨海学院机械设计制造及其自动化专业毕业设计 2 图 1 图 2 青岛滨海学院机械设计制造及其自动化专业毕业设计 3 1.2 研究的内容 投石器作为在古罗马战场上面常用的武器的一种， 经历了很多结构上面的变 化， 本次设计主要针对弹射式自动投石器进行设计，从弹射式自动投石器的整体 方案出发，然后具体细化出具体内部结构，其具体内部结构主要包括以下几个方 面： （1）通过网络和图书馆查找各种关于石头投射机的相关资料，对弹射式自动投 石器进行方案的比较和预定。 （2）分析弹射式自动投石器的结构与参数。 （3）确定设计总体方案。 （4）确定具体设计方案。 （5）弹射式自动投石器的图纸的绘制。 （6）说明书的编写和整理。 1.3 国内外发展现状 我们在春秋战国时代，来自于李高的以前的资料，他数十年的废寝忘食建造 了一个简单的弹射式自动投石器，开投石器的机械时代。李高更设计出多功能复 合弹射式投石器，在这之后，秦国张良理以传动的弹射式投石器为基础，开发了 一系列的弹射式投石器，如四连杆式，六连杆式等等弹射式投石器，查建中和其 他人一起以凸轮机构为对象， 共同钻研考虑怎样改良按压力引发的角度以及零部 件的分理。总之，传统的对象加上科学的分析和先进的理论，使得弹射式投石器 在国内的研究范围和深度得到了极大的丰富和发展。 何人最先取得此项专利已无可知晓， 只了解到外国政治家在十七世纪末建造 出了一部类似于弹射式投石器的机械，整体部分是用齿轮以及连接杆件机构组 装，但是却没有做出实物来加以佐证.十九世纪初又有人运用齿轮以及连接杆件 体系制造出类似的弹射式投石器，然而相关资料中并没有找到对这个作品的介 绍，所以那个时候有关弹射式投石器的研究还仅能思组成以及运动起来的规律。 同期， 又有两位发明家麦吉以及弗兰科创作了首部彻底用计算机操纵的弹射式投 石器。接下来几年有关此机器的设计被充分的融入了运行操纵理论。1979 年席 罗思在行进弹射式投石器里加入了操纵水平行走的仪器， 同样在腿上加入了保持 和校对偏向的装置。十九世纪末布朗、罗布特以及莎普恩斯研究了加入了液压部 青岛滨海学院机械设计制造及其自动化专业毕业设计 4 件和直流电机的相应弹射式投石器。 这都意味着人类对机械体系的认识已从简单 的考虑迈入了整体操纵、计算机和高新科技的相互融汇贯通的康庄大道。 从广阔的视野、各种各样的活动，还有和学术报告、规范标准以及另外别的 角度的的详细内容， 我们得到了包含定位、 性质以及应用弹射式投石器的大环境。 弹射式投石器已发展到注重提高生产效率，成品质量稳定性。最近，超多的市场 已经建立了弹射式投石器的商业用途，像弹射式投石器，它的应用已经渗透到家 庭家居生活等。出色的弹射式投石器技术不仅实现创建一个新的市场，也为提高 人们的生活水品做出了非常重要的贡献。 在一个国家或地区有弹射式投石器具有 普遍偏向的方式。今后，会更加流行正在蓬勃发展的弹射式投石器。OMG 国标 早就认可中介范例，ISO 资质也授与了能减少劳动力的弹射式投石器。即使在大 规模对土豆进行去皮的活动，这是越来越多的弹射式投石器的使用。根据弹射式 投石器技术应用在通讯，家电，汽车，医疗设备和其他，弹射式投石器已被广泛 认可。它是一种动力，看来像它会导致一个新的行业。弹射式投石器研发情况固 然都在被上述所整理，然而这些仍然是显示出要把弹射式投石器推向消费者。欧 美等发达国家成立有相应计划，本国也需求更好的战略，方能维持积极地有力发 展。 新服务弹射式投石器对于市场具有应用性很强的领域，比如孜孜不倦的创新 产品、医疗项目、相关福利以及防不胜防的自然性或人为性灾难。在另一方面， 虽然产自日本的工业弹射式投石器依然是行业里最好的， 但其他国家都在奋起直 追。在关于实际使用中，美国提出了很多观点。在美国有建立国家计划项目，欧 洲也是，如 Horizon2020，我们的国家也需要更好的政策，才能保持健康的发展 前景。 2 弹射式自动投石器总体结构的设计 本次设计的弹射式自动投石器具体依据为在一个长宽为150 x80cm的桌上机 构从原点(0,0)开始面朝 y 轴正向，顺时针匀速旋转，在确认目标后将球发射到圆 柱形纸杯容器中。 2.1 投射器的设计方案 本次设计的弹射式自动投石器主要有机架，投射机构，装填筒等部件组成， 通过电机驱动弹射式自动投石器主体部分旋转，其上面安装有传感器，当感应到 了目标位置，就会通过控制系统控制电机的旋转，然后在凸轮滚子推杆机构的作 青岛滨海学院机械设计制造及其自动化专业毕业设计 5 用下来进行投射，通过此种结构设计，能够很准确地进行投射，完全实现了全自 动化投射。弹射式自动投石器的方案简图如下图 3 所示： 图 3 2.2 投射部分的工作原理 该弹射式自动投石器主要是运用凸轮滚子推杆机构的推杆在弹簧力的作用 下往复运动来实现自动投石的功能，本次设计主要是利用凸轮滚子推杆作用，当 人们把石头放在投石器的装填筒的位置的时候，电机带动凸轮滚子推杆机构运 动， 通过传感器反馈信号给控制系统来控制电机的转速，也就是控制凸轮机构的 转动圈数，从而将石头投到预定的位置，过程中采用传感器感应投射点。通常采 用的传感器是采用位置传感器，此种类型的传感器能够很精准地感应到目标位 置， 然后通过反馈信号给中控系统，控制系统发出信号控制电机的转动从而来实 现凸轮滚子推杆机构的动作，从而来实现石头的自动投射。 青岛滨海学院机械设计制造及其自动化专业毕业设计 6 3 机械传动部分的设计计算 3.1 电机的选型计算 已知凸轮机构，以及传动轴，轴承以及其他零部件的总重量 50KG,其他 重量（假设放入的石头的总重量为 10KG），我们取总重量为 60Kg，凸轮转动速 度为 12r/min（查相关资料选取标准转速）。即： NXmgG6001060=；g=9.8n/kg,在这里我们选取 g=10n/kg； 具体的电机设计计算如下: 1、确定运行时间 本次设计加速时间 01 (t - t ) 60 = Vl l Vl负载速度（m/min） 有速度可知每秒上升 50mm， 0.033 1.2=1.2 360 = ls 电机转速 电机 = Vl n PB 2 400 /min 0.005 电机 = Vl nr PB 3.负载转矩 0.3 10 200 0.005 1.73 . 220.9 = B gMP TLN m 式中： 4.电机转矩 启动转矩 1 2()2636.9(0.00032) 1.25 . 6060 1.2 + = S NM JMJLJM TN m t 青岛滨海学院机械设计制造及其自动化专业毕业设计 7 必须转矩 ()2.36 .=+=TMTL TS SNm S 为安全系数，这里取 1.0。 根据以上得出数据，我们选用电机型号为 92BL-4020L1，此电机厂家为机电 产品。根据计算和特性曲线以及电机基本参数表，我们选用电机型号为 92BL-4020L1，电机额定功率为 1.5KW，额定转矩为 13.85N.m，最大转矩为 16.01N.m，额定转速为 3000r/min。 3.2 凸轮滚子推杆机构的设计 3.2.1 凸轮伦廊曲线的设计 1) 取基圆半径 r=90mm，由表 4.2 摆动从动件凸轮理论廓线的坐标作图得凸 轮理论伦廊的坐标值。 表 5.5.1 摆动从动件凸轮理论廓线的坐标 转角() 60 120 180 240 300 360 X(mm) 174.01 283.27 293.52 170 61.37 95.28 Y(mm) -101.64 -56.77 74.7 154.69 60.71 -30.37 1）取基圆半径 r=72mm， 由表 5.5.2 移动从动件凸轮理论廓线的坐 标作图得凸轮如图 4。 青岛滨海学院机械设计制造及其自动化专业毕业设计 8 当移动件的导路中心线通过凸轮回转中心时， 称为对心移动从动件凸轮机构， 已知凸轮的基圆半径 rb 及凸轮以等角速度1 顺时针回转， 绘出该凸轮的轮廓曲 线。 设已知凸轮的基圆半径为 rb，从动件轴线偏于凸轮轴心的左侧，偏距为 e， 凸轮以等角速度顺时针方向转动，用作图法设计凸轮的轮廓曲线，并求出凸轮 从动件在各个转角的坐标绝对值如下表所示。作图方法如下： (1)选取适当的比例尺，按给定的从动件的运动规律绘出位移线图，将位移 线图分成若干等分，得横坐标轴上各点 1、2、3、等。过等分点作垂线得从动 件在各对应位置时的位移 11、22、33、等。 (2)取与位移图相同的比例尺，以任一点 O 为圆心，rb 为半径画基圆。自 OA0 开 始，将基圆圆周沿(1)方向作与图对应的转角等分，得 A1、A2、A3、点。 连接 OA1、OA2、OA3、，它们就是反转后从动件导路的各个位置。 (3)自基圆开始，沿径向线 OA1、OA2、OA3、分别向外量取从动件的相应位 移，即 X1X1、YY1、ZZ1、， (4)用光滑曲线连接 A0、A1、A2、A3、各点，即得所求的凸轮轮廓曲线。可 青岛滨海学院机械设计制造及其自动化专业毕业设计 9 求得凸轮运转到标。三个方向的点的绝对坐时ZYX,360,300,240,180,120,60凸轮从 动件在不同的转角通过作图法作出的数值绝对坐标分别如下： 转角() 60 120 180 240 300 360 X(mm) 24.67 53.41 180 260.56 265.74 180 Y(mm) 89.68 -73.09 -120.63 -46.51 49.50 197.28 （注意:转角 60,120 等等是常数值） 已知摆杆的长度 L，摆杆运动规律=()。先由上述方法确定基 圆 r0 以及中心距 a。然后作出滚子中心 B 点的理论轮廓曲线，曲线 方程如下： 已知基圆半径 R=90，X=asin-Lsin(+0) Y=acos -Lcos(+0) 利用 EB 绘出理论廓线后，再确定滚子半径 rr 的数值，然后做它的等距线，则为此凸轮的实际轮廓曲线。有了凸轮廓 形曲线之后，再进行其结构设计及尺寸标注等工作就完成了凸轮设计。 青岛滨海学院机械设计制造及其自动化专业毕业设计 10 3.3.2 凸轮压力角与行程的设计 已知凸轮最大基圆半径 Ob=Oc=163mm,最小基圆半径 Oa=90mm,根 据凸轮行程计算公式 ST=最大基圆半径-最小基圆半径 =Ob-Oc=163-90=73mm。 根据公式，我们知道，凸轮的压力角 a 与凸轮基圆半径 R 的关系是相 对的，R 越大，压力角 a 越小，根据公式 SS ewv tga + = 0 / 可知，a 与凸轮的角 速度的关系成反比，已知凸轮的角速度 v=0.46R/M，偏心距 S0=0，S 为 偏心距系数，这里取 S=20，则有： = =23 3 32/46 . 0 atga求得 ； 3.2.3 杆长的设计 假设推杆长度 L=900，摆杆长度 l1=700，根据下列条件可知： (1)为满足传动角的一定要求，设计 l1 和 l2 在两个特殊位置（推头位移最大和最小时） 所形成的这一夹角值在一定范围内。 (2)杆长 l4 由于与中心具的距离和基圆大小有关， 而基圆半径不宜过大，但基圆 半径的 大小又和压力角有关，由此设计 l4 长度。 (3)杆长 l3 对另一个凸轮的基圆有一定影响，同样为保证压力角在许可范围内，由此设 计长度 l3。 杆长计算： 青岛滨海学院机械设计制造及其自动化专业毕业设计 11 已知， 。 512,1291=，则有： 由此可以得出：L=900mm， l1=700mm， l3=600mm， l4=135mm， 1=133， 2=26， 3=47， E=200mm， F=140mm 3.3 轴承的设计计算 滚动轴承为双列圆锥滚子轴承350324B， 由文献2表242 .39得862= r CKN， 1490= or CKN，83. 0=e，8 . 0 1 =Y。 3.3.2 寿命验算 轴承所受支反力合力 74.150502.136813.629 2222 =+=+= BZBYB RRRN （4.1） 对于双列圆锥滚子轴承，派生轴向力互相抵消。 0= Ba F，57.712= aCa FFN 由文献2表242 .39得， e R F B Ba ， 74.150508 . 074.1505 1 =+=+= BaBBr FYRPN （4.2） 按轴承 B 的受力大小验算 22 sin2sin 2 ; 11 cos 1 cos 1 1 1 MLl MLl MLl =+ =+ =+ 2 51sin51sin 2 ; 1 129cos129cos 1 1 1 MLl MLl MLl =+ =+ =+ 青岛滨海学院机械设计制造及其自动化专业毕业设计 12 9 3 10 366 1078 . 4 74.1505 10862 55660 10 60 10 = = = Br h P C n Lh （4.3） 9 1078 . 4 = h Lh= 5 1046 . 5 年 由于投石器的运转平稳，必须选择较大寿命的轴承，轴承能达到所计算的寿 命。 经审核后，此轴承合格。 3.4 轴的设计 估算轴径d，选材料为 45 钢， B =650 MPa， S =360MPa。取 C=112，则 轴的最小直径 d40 184 337 . 0 112 2 . 0 1055 . 9 33 3 6 = n P C n P T mm 该轴特点是：上端连接旋转台，下端敲入轴承，中间是齿轮传动。所以用两 个轴承来支撑，设计轴的结构图如下： 同上，该轴无须进行强度计算，只须齿轮部分满足传动要求，而此项计算已 在设计齿轮传动时校核过。 4 弹射式自动投石器中主要零件的强度分析与校核 4.1 滚动轴承强度的校核计算 本次弹射式自动投石器的设计选取的轴承是深沟球轴承，具体的滚动轴承 的选取过程如下： （1）滚动轴