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机械原理课程设计说明书 步进机 学院：机械与能源工程学院 专业：机械设计制造及其自动化 班级：机械x班 设计者：第x组 组长：xxx 组员：xx xxx xx 辅导老师：李小江同济大学2014年6月目录第一部分 结构分析及设计第一章 课程设计的内容3一、设计题目 二、设计的要求及原始数据第二章 方案设计4 一、机构分析二、三种方案原理分析 第二部分 运动分析及尺寸计算第三章 机构的尺寸计算8 一、 杆件计算 二、 运动循环图的确定三、凸轮设计第四章 不同角度机构的运动状态及分析17 第五章 运动状态曲线分析29第六章 心得体会33 第七章 参考文献33 第一部分 结构分析及设计第一章 课程设计的内容一、设计题目如图1所示，工件由料仓卸落到辊道上，滑架作往复直线运动。滑架的正行程时，通过棘钩使工件向前运动；滑架返回时，棘钩的弹簧被压下，棘钩从工件下面滑过，工件不动。当滑架又向前运动时，棘钩又钩住下一个工件向前运动，从而实现工件的步进传送，插板作带停歇的往复运动，可使工件保持一定的时间间隔卸落到辊道上。二、设计要求及其原始数据（1）输送工件的形状和尺寸如图所示，输送步长h=815mm。 滑架工作行程平均速度为0.42m/s.要求保证输送速度尽可能均匀，行程速比系数k值为1.7左右。 （2）滑架导轨水平线至安装平面的高度在1100mm一下。 （3）电动机功率可选用1.1kw，1400r/min左右（y90s-4）。 （4）为保证推爪在推动工件前保持推程状态，输送机构的行程应大于工件输送步长20mm左右。第二章 方案设计一、机构分析1.间歇运动 教材中使用的是凸轮实现间隙运动，我们认为也可以使用其他机构，如不完全齿轮、等实现。但需要考虑其受力情况，不能存在过强的刚性冲击和过大的力矩。 2.滑架的往复运动 实现往复运动的机构有很多，我们考虑可以使用曲柄导杆杆机构来实现往复运动，但要考虑曲柄导杆杆机构的急回运动，行程速比系数需要在规定的区间内。 3.控制下料机构 教材中使用连杆机构实现，我们认为也可以使用转盘或辐轮机构来实现。4，运动循环图（具体分析见运动分析及尺寸计算部分）二、三种方案工作原理分析方案一：凸轮作为主动件，以图示位置为00位置，通过设计凸轮的形状，使从900到2700的时候滚子向右推进，经过连杆，摇块，把机床推往左边；当从2700到900时候，滚子和凸轮小端接触，弹簧弹力使滚子左移，进而使急回机构回复至右边。通过设计凸轮的廓线，来满足行程速比。下方的曲柄与凸轮同轴并且固定在一起，杆8,9,10和杆11,12,13分别构成两个四杆机构，通过设计各杆长，使以水平位置为00，从900转向2700过程中，两开关之间的齿轮作逆时针的转动，此时开关上开下关，接住掉下来的工件；从2700转一周回到900过程，齿轮作顺时针转动，开关上关下开，工件从下边出口掉落，从机床运走。齿轮的设计具有间歇功能，即与齿条的啮合有间歇的时段，齿轮上有标明转动的角度，当啮合完毕之后并不会马上进入下一段啮合。由于设计中有上下两个门，配合开合，可以防止多个下落。方案二：原动件d轮转动：一方面通过链传动带动上方大轮f，再向下，带动两副锥齿轮实现换向，最后使两铁盘3,4（见放大图和立体图）转动，完成下料机构另一方面杆dc与原动件固结在一起，带动杆ac经过铰支座b转动，在a处由套筒联结送料带，完成带有急回特性的送料机构。构件3，4为双层盘状结构（见图3-2），在行进过程中，首先上层打开，下层关闭，料块落下，被下层接住；接着下层打开，上层截止其余料块落下，如此循环，有效防止了一次落下多个料块的情况发生。方案三：本机构采取曲柄导杆机构来满足急回特性，本机构最大摆角为2；首先，我们可以通过改变cd及be的杆长来调整行程h的大小，以达到设计要求；其次，行程速比系数可以通过改变ab的杆长来实现具体过程：首先cd由竖直位置旋转90+ (即杆cd垂直于杆ba），平台行程为h/2；然后cd再旋转90-，平台回到原位，左边为对称过程。本机构采取链传动，保证其传动比。当动力由原动机传动到辐轮1及辐轮2时，辐轮的一根辐条顶住即将下落的工件，和它相邻的另一根辐条顶住上面的工件。当辐轮运动到一定角度后，工件落下，由于上面的工件被其他辐轮支撑，如此循环往复，可以保证工件单个下落，并且由于辐轮的运动和配合具有连续性，因此可以防止下落时的冲击。第二部分 运动分析及尺寸计算第三章 机构的尺寸计算一、杆长计算1确定杆dc的摆角由k=1.7得360-babbab=1.7所以bab=133.3，所以d1cd1=46.72确定导杆长度ldc由d1d2=h=815mm，为了保证推爪在回程时运动到工件之前，保证推爪能推到工件，所以输送机构的的行程应大于工件的输送步长，这里取参考值20mm，即h=835mm。得：ldc=h2cosbab2=1054.0mm，圆整为1054mm。3确定其他杆长因为根据经验a点平分c点到急回平台的距离。又因为滑架导杆水平线至安装平面的高度在1100mm以下。所以可取ac=450mm因为lab=laccos(bab2)=178.4mm,就近圆整为178mm。4确定时间相关量由行程平均速度为0.42m/s。得t=2hv=20.8350.42=3.98s,所以原动件转速n=603.98=15.09r/min. =2t=23.98=1.58r/s5确定杆3,4,5,6,7的长度取l3=240mm， l4= 1500mm，且杆3和杆4相互成80度角，且a点距急回平台8的距离为550mm，根据工件尺寸，取插断机构长度为130mm。ae=300mm，且ae保持水平。l7= 150mm。作图法求得杆5的长度l5=1187.95mm，圆整为1188mm。杆6的长度l6=236.96mm，圆整为237mm。机构反转法解题过程说明及作图如下：如图所示杆eg1、eg2分别为该曲柄摇杆机构的摇杆的两个极限位置，这两个极限位置是由左边截断机构的长度为130mm，通过作图法来确定（如图上所示），且确定摆角 =8，同理，由右边截断机构长130mm做出曲柄ih的两个极限位置ih1,ih2并对应夹角为1。并且eg1,eg2分别和ih1,ih2对应。由机构反转法，将杆eg1连同杆ih1一起绕点i翻转1，即使杆ih1与杆ih2重合。此时g1点，旋转到图示g1点，由机构反转法得，做g1g2的中垂线，与杆ih2交于一点，即为h2点，ih2的长度，即为曲柄ih的长度，链接g1,h1即可得杆g1h1，整个过程用autocad作图，测得各杆长度如上。6,确定开门时间为了使工件有足够的时间下落，且保证单件下落，根据工件的形状尺寸，以及工件做自由落体运动得:开门持续时间t满座20.05g t20.08g,即0.1st0.126sd1cd1=46.7ldc=1054mm ac=450mmlab=178mmn=15.09r=1.58r/sl3=240mm l4=1500mml5=1188mml6=237mml7=150mmae=300mm二、工作循环图的确定由以上确定的数据来确定工作循环图。由数据知，要使系统正常工作，必须使急回机构已经右进到最够远的位置，以防止下落的工件落到前一个工件上。具体角度由作图法解得如下：由工件横向长度最大尺寸为270mm，再加上增加的参考值20mm，因此，当d1点的水平向右位移为290mm时，满足工件下落后不干涉。机构返回时的极限位置也是同一位置，所以用autocad做出左图，并测得相关数据如下：bab1=88，bab3=56，对应钝角为304，bab2=133，对应钝角为227因此可选择在对应轴转角88304之间开门，不会产生干涉。本题选择在100时开门，在170门完全打开，并且在开门持续轴转角到180时，开始关门，在250时关门完毕。所以的工作循环图如下：三、凸轮计算由以上计算，在时间t内凸轮转过的角度9.0511.4由对应的工作循环图，得开门持续的时间转过的角度取=10相应的时间t=0.11s.据此来设计凸轮。为实现凸轮运动无刚性冲击，故使摆杆的角位移按正玄规律变化。摆杆角位移变化如下图：图中摆杆处于推程阶段的曲线为类正选曲线，曲线方程为：=4sin(187-90)方程中和分别表示摆杆角位移和凸轮转角，单位为度的取值范围为（105175），方程的幅值为8度，可看机构反转法部分分析，由此求得角加速度a=-129649sin(187-90),单位：/s2由此方程得，凸轮有柔性冲击，无刚性冲击，适合中高速轻载场合。由摆杆角位移曲线，用解析法得凸轮在推程阶段的理论廓线的参数方程方程为：x=300*sin()-240*sin(+0) (1)y=300*cos()-240*cos(+0) (2)和分别表示摆杆角位移和凸轮转角，单位为度的取值范围为（105175），其中0为摆杆的初始位置角，本题中0=cos-1ae2+l32-r22ael3=(3002+2402=30.65，把方程 =4sin(187-90)带入上面(1)(2)两式，即可得x,y关于的参数方程，将此参数方程，带入solidworks方程式曲线命令中，得到凸轮的理论廓线如(图1)，使用solidworks曲率显示命令，图中辐射的短线即是曲率的直观显示。在使用显示最小半径命令，得半径r=89.61mm的圆是相应的最小曲率半径圆，由对曲率半径的分析得，摆杆凸轮滚子半径r=4mmr=89.61mm时不会产生尖点和失真情况。所以确定滚子半径r=4mm，把理论廓线向内偏移4mm即得实际廓线，将solidworks实际廓线草图保存为.dwg格式，用autocad打开，得实际廓线如(图2)。（图1）（图2）凸轮具体尺寸如下：摆杆长度l3=240mm;轴心距ae=300mm；基圆半径r0=150mm；滚子半径r=4mm；最大半径rmax=183.46mm，圆整为183.5mm；推程角为70；回程角为70；远休止角为10；近休止角为210。第四章 机构不同角度的运动状态及分析（0状态分析）a,求速度： v87=w*ab=1.58*0.178=0.281(m/s) vb2 = vb7 + vb2b7 cd ab cd? 0.281 ?所以，vb2=0, w2=0, vd2=0vd8 = vd2 + vd2d8 d8 dc d8 ? 0 ?所以，vd8=0， 即速度为0b,求加速度：ab2t + ab2n = ab7 + ab7b2r + ab7b2kbc ba bc ? 0 w2*ab ? 0所以，ab2=ab2t=1.582*0.178=0.444 m/s2 因为为0,acb=(杆dc摆角) / 2=46.7 / 2=23.35bc=ac*cos23.35=0.41m所以,ad2t=(ab2/bc)*dc=(0.444/0.41)*1.054=1.14 m/s2ad8t + ad8n = ad2t + ad2n + ad2d8r + ad2d8kd8 bc d8 ? 0 1.14 0 ? 0所以,ad8=ad2t*cos23.35=1.14*cos23.35=1.05 m/s2（90状态分析）截断机构 凸轮在转过90处接触点为r=150 圆弧，不产生相互作用，故杆3静止不动，所以杆4,5,6,7等也均为静止，此时杆3、4、5、6、7 ：无速度；无加速度；机构为截断停止状态。 急回机构已知杆cd摆角为46.7半角acb=23.35由杆长计算知ab=178mm, ac=450mm, cd=1054mm构成直角bc=ac2 - ab2 = 413mmcb1=ab2+(cb+ba)2 =617解三角形得到pcb=16.77。 acb1=6.58。对位移的分析：杆ab转角为90。，杆cd转角为16.77。，如图点d划过的弧长：|dd1|=|cd|xpcb=308.5水平滑架距离：|cd|x sinpcb=304.1 以中心点为坐标原点的位移坐标系中x滑架位移=304.1-h/2=304.1-835/2= -113.4mm划过308.5mm。对速度的分析：原动件nab=15r/min，化为角速度ab=15x2/60=1.57 rad/s点b1速度vb1=r=1.57x178=279.6mm/s对于在cd上的动点b1，将其速度分解为切向速度vb1和法向速度vb1n。已知合速度vb1=279.6mm/s，如图速度三角形夹角16.77。vb1=vb1 cos16.77=267.8mm/s，vb1n= vb1sin16.77=80.7mm/s通过杆cd角速度可求点d速度。cd=vb1/cb1=267.8/617=0.43 rad/svd=cd xcd=0.43x1054=457 mm/s由图中夹角16.77可求得点d带动滑架的速度：v滑架=vd x cos16.77。=438 mm/s对加速度的分析：根据加速度合成定理，对b1点求加速度aa=ae+ar+ac分别求牵连、相对、柯西加速度：ae=ab2 x r=1.572x178=438.8 方向由b指向aar=vr2/rbc=80.72/617=10.56 方向由b指向cac=2evr =2x1.57x80.7=-253.4 方向垂直cd指向右对水平方向投影，由aa速度的向量合成得到aa水平=-accos6.58+aesin23.35+arsin6.58=251.73+173.92+1.21=76.6mm/s2由杆cd上加速度的比例关系可求得：ad=abx1054/617=131mm/s2滑架水平加速度1.31m/s2（180状态分析）（a）（b）（c）（1）作位移分析机构运动简图按比例1:1绘制，并且以c点为坐标原点，水平向右，为x轴正方向，竖直向上，为y轴正方向，一下分析中，坐标系于此相同，因此从图上测得此时d点水平位移：x=319m（2）作速度分析机构运动简图如图a所示，已知b3点的速度vb3=vb1=1lab=1.580.178=0.281m/s其方向垂直于ab，指向于1的转向一致。 重合点b3及b2有vb2=vb3+vb2b3方向：cd ab /dc （1）大小：? p ?式（1）中仅有两个未知量，故可用作图法求解。v=0.001（m/s）/mm其中v为速度比例尺，并去p点作为速度图极点，作其速度图如图（b）所示，于是得vb2=vpb2=0.001216=0.216m/s3=2=vb2lbc=0.2160.547=0.395r/svb2b3=vb3b2=0.001180=0.180m/s所以得 vd2=vb2lcdlcb=0.18010540.547=0.347m/s（3）作加速度分析加速度分析的步骤与速度分析相同，也应从b点开始，且已知b点仅有法向加速度，即 ab3=ab1=ab2n=12lab=1.5820.178=0.444m/s2ab2n=32lcb=0.39520.547=0.085m/s2点b2的加速度ab2由两构件上重合点间的加速度关系可知，有ab2=ab2n+ab2t=ab3+ab2b3k+ab2b3r方向：bc bc ba bc /bc大小：p ？ p p ？ （2）式（2）中ab2b3k为b2点相对于b3点的科氏加速度，其大小为ab2b3k=23vb2b3=20.3950.180=0.142m/s2其方向为将相对速度vb2b3沿牵连构件3的角速度3的方向转过90之后的方向。式（2）中仅有两个未知量，故可用作图法求解。选取加速度比例尺a=0.001(m/s2)/mmm,并取p点为加速度极点，按式（2）依次作其加速度图如图（c）所示，于是得ab2=alpt=0.001172=0.172m/s2由题意得ad2=ab2ldclbc=0.1721054547=0.331m/s2（270状态分析）（1） 作位移分析机构运动简图按比例1:1绘制，并且以c点为坐标原点，水平向右，为x轴正方向，竖直向上，为y轴正方向，一下分析中，坐标系于此相同，因此从图上测得此时d点水平位移：x=0.253m（2）作速度分析机构运动简图如图a所示，根据已知条件，速度分析应由b点开始，并选取重合点b2及b3进行求解。已知b3点的速度vb3=vb1=1lab=1.580.178=0.281m/s其方向垂直于ab，指向于1的转向一致。 为求vd2，则需求2，欲求2，则先求vb2。因构件3与构件2构成移动副，故可由两构件上重合点的速度关系来求解。由运动合成原理可知，重合点b3及b2有vb2=vb3+vb2b3方向：cd ab /dc （1）大小：? p ?式（1）中仅有两个未知量，故可用作图法求解。v=0.001（m/s）/mm其中v为速度比例尺，并去p点作为速度图极点，作其速度图如图（b）所示，于是得vb2=vpb2=0.001225=0.225m/s3=2=vb2lbc=vpb2bc=0.0012250.295=0.763r/svb2b3=vb3b2=0.001171=0.171m/s所以得 vd2=vb2lcdlcb=0.2251054295=0.805m/s把vd2分解为vd2x和vd2y，根据所作图形，可得vd2x=-0.781m/s， vd2y=0.194m/s（3）作加速度分析加速度分析的步骤与速度分析相同，也应从b点开始，且已知b点仅有法向加速度，即ab3=ab1=ab2n=12lab=1.5820.178=0.444m/s2点b2的加速度ab2由两构件上重合点间的加速度关系可知，有ab2=ab2n+ab2t=ab3+ab2b3k+ab2b3r方向：bc bc ba bc /bc大小：p ？ p p ？ （2）式（2）中ab2b3k为b2点相对于b3点的科氏加速度，其大小为ab2b3k=23vb2b3=20.7630.171=0.261m/s2其方向为将相对速度vb2b3沿牵连构件3的角速度3的方向转过90之后的方向。而ab3=12lab=1.5820.178=0.444m/s2ab2n=32lcb=0.76320.295=0.172m/s2式（2）中仅有两个未知量，故可用作图法求解。选取加速度比例尺a=0.001(m/s2)/mmm,并取p点为加速度极点，按式（2）依次作其加速度图如图（c）所示，于是得ab2=alpb2=0.001557=0.557m/s2ab2t=alnb2=0.001529=0.529m/s2ab2b3r=alkb2=0.001526=0.526m/s2由2杆角加速度 2=ab2tlbc=0.5290.295=1.79r/s2由题意得ad2=ab2ldclbc=0.5571054295=1.991m/s2根据作图法分解得 ad2x=-1.986m/s2 , a