哈工大机械原理课程设计_产品包装生产线方案1

Harbin Institute of Technology 机械原理课程设计说明书 课程名称： 机械原理 设计题目： 产品包装生产线（方案 1） 院 系： 学院 班 级： XXXX 设 计 者： XX 学 号： XXXXX 指导教师： X XX 设计时间： 2012 年 7 月 2 日 7 月 8 哈尔滨工业大学机械原理课程设计说明书 2 哈尔滨工业大学 一、 绪论 机械原理课程设计是学生学完了机械原理课程后，在学习掌握了把具体机器抽象成机构运动简图的方法、从本质上搞清机构的运动原理、掌握了基本概念，学习掌握课程中的一些基本概念和基本方法，学习研究各种机构的设计方法之后进一步了解机械设计的教学环节，是是学习深化与升华的重要过程，是对学生综合素质与工程实践的能力培养。 我们应在指导教师指导下独立完成一项给定的设计任务，编写符合要求的设计说明书 ，并正确绘制有关图纸。在课程设计工作中，应综合运用机械原理课程的理论、知识与技能，分析与解决工程问题。 该课程设计是我们学完本课程之后的一项重要的实践，是我们步入社会的一次深刻的链接，考察了我们独立设计，计算，绘图和分析的能力，我们应学会依据技术课题任务，进行资料的调研、收集、加工与整理和正确使用工具书；培养我们掌握有关工程设计的程序、方法与技术规范，提高工程设计计算、图纸绘制、编写技术文件的能力；锻炼我们分析与解决工程实际问题的能力。 二、 设计题目 产品包装生产线使用功能描述 图中所示，输送线 1 上为小包装 产品，其尺寸为长 宽 高 =600 200 200，小包装产品送至 A 处达到 2 包时，被送到下一个工位进行包装。原动机转速为 1430rpm，每分钟向下一工位可以分别输送 14， 22，30 件小包装产品。 图 1 产品包装生产线（方案一）功能简图 三、 设计机械系统运动循环图 由设计题目可以看出，推动产品在输送线 1 上运动的 是执行构件 1，在 A 处把产品推到下一工位的是执行构件 2，这两个执行构件的运动协调关系如图 2 所示。 哈尔滨工业大学机械原理课程设计说明书 3 T1 T1 执行构件 运 动 情 况 执行构件 1 进 退 进 退 执行构件 2 停 止 进 退 T2 T2 图 2 生产包装线方案 1 运动循环图 图 2 中 T1 是执行构件 1 的工作周期， T2 是执行构件 2 的工作周期， T 2 是执行构件 2 的动作周期。因此，执行构件 1 是做连续往复运动，执行构件 2 是简谐运动，执行构件 2 的工作周期 T2 是执行构件 1的工作周期 T1 的 2 倍。执行构件 2 的动作周期 T 2则只有执行构件 1的工作周期 T1的二分之一左右，因此，执行构件 2 大多数时间是在停歇状态。 四、 设计机械系统运动功能系统图 根据分 析，驱动执行构件 1 工作的执行机构应该具有的运动功能如图 3 所示。运动功能单元把一个连续的单向传动转换为连续的往复运动，主动健美转动一周，从动件（执行构件 1）往复运动一次，主动件转速分别为 14,22,30 转 /分。 14,22,30rpm 图 3执行机构 1 的运动功能 由于电动机的转速为 1430 转 /分，为了在执行机构 1 的主动件上分别的到 14、 22、 30 转 /分的转速，则由电动机到执行机构 1 之间的总传动比 iz有 3 种，分别为 iz1=141430=102.14 iz2=221430=65.00 iz3=1301430=47.67 总传动比由定传动比 ic和变传动比 iv两部分构成，即 iz1=iciv1 iz2=iciv2 iz3=iciv3 3 种总传动比中 iz1 最大， iz3 最小。由于定传动比 ic是常数，因此， 3 种变传动比中 iv1 最大， iv3 最小。若采用滑移齿轮变速，其最大传动比最好不大于 4，即 iv1=4 哈尔滨工业大学机械原理课程设计说明书 4 于是定传动比为 ic= v1z1ii=4102.14=25.54 变传动比的其他值为 iv2= cz2ii=54.2565=2.55 iv3=cz3ii=54.2547.67=1.87 于是，传动系统的有级变速功能单元如图 4 所示。 i=4,2.55,1.87 图 4有级变速运 动功能单元 为了保证系统过载时不至于损坏，在电动机和传动系统之间加一个过载保护环节。过载保护运动功能单元可采用带传动实现，这样，该运动功能单元不仅具有过载保护功能还具有减速功能，如图 5 所示。 i=2.5 图 5 过载保护运动功能单元 整个传动系统仅靠过载保护运动功能单元不能实现其全部定传动比，因此，在传动系统中还要另加减速运动功能单元，其减速比为 i= ic/2.5=25.54/2.5=10.22 减速运动功能单元如图 6 所示。 i=10.22 图 6 减速运动功能单 元 根据上述运动功能分析，可以得到实现执行构件 1 运动的运动功能系统图，如图 7 所示。 为了使用统一原动机驱动执行构件 2，应该在图 8 所示的运动功能系统图中加一运动分支功能单元，其运动分支驱动执行构件 2，该运动分支功能单元如图 7 所示。由于执行构件 2 的工作周期 T2是执行构件 1 的工作周期 T1的 2 倍，也就是说，运动分支在驱动执行构件 2 之前应该减速，使其转速等于执行机构 1 的主动件转速的一半 ；由于执行构件 2 与执行构件 1 的运动平面相互垂直，因此，该减速运动功能单元如图 9所示。 哈尔滨工业大学机械原理课程设计说明书 5 1430rpm i=2.5 i=4,2.55,1.87 i=10.22 图 7 实现执行构件 1运动的运动功能系统图 图 8 运动分支功能单元 图 9减速运动功能单元 由于执行构件 2 是间歇运动，且由图 1 可以看出执行构件 2 的间歇时间是工作周期 T2的 3/4，即其运动时间是其工作周期 T2的 1/4。因此，间歇运动功能单元的运动系数为 =41间歇运动功能单元如图 10 所示 =0.25 图 10 间歇运动功能单元 由于 执行构件 2 的动作周期 T 2是执行构件 1 的工作周期 T1的一半，因此，驱动执行构件 2 的驱动机构 2 的主动件的转速应该是驱动执行构件 1 的驱动机构 1 的主动件的转速的 2 倍左右。所以，间歇运动功能单元输出的运动应经过增速运动功能单元增速，如图 11 所示。 i=0.25 图 11 增速运动功能单元 增速运动功能单元输出的运动驱动执行机构 2 实现执行构件 2 的运动功能。由于执行构件 2 做往复直线运动，因此，执行构件 2 的运动功能是把连续转动转换为往复直线运动，如图 12 所示。 图 12执行机构 2 的运动功能单元 执行构件1 哈尔滨工业大学机械原理课程设计说明书 6 根据上述分析，可以画出整个系统的运动功能系统图，如图 13 所示。 1430rpm i=2.5 i=4， 2.55， 1.87 i=10.22 1 2 3 4 5 6 i=2 =0.25 i=0.25 7 8 9 图 13 产品包装生产线方案 1的运动功能系统图 五、选定电动机转速、拟定机械系统运动方案 根据图 13 所示的运动功能系统图，选择适当的机构替代运动功能系统图中的各个运动功能单元，便可拟定出机械系统运动方案。 图 13 中的运动功能 单元 1 是原动机。根据产品包装生产线的工作要求，可以选择电动机作为原动机，如图 14 所示。 图 14 电动机替代运动功能单元 1 图 13 中的运动功能单元 2 是过载保护功能单元兼具减速功能，可以选择带传动代替，如图 15 所示。 i=2.5 10 1430rpm 执行构件1 执行构件 2 哈尔滨工业大学机械原理课程设计说明书 7 图 15 皮带传动替代运动功能单元 2 图 13 中的运动功能单元 3 是有级变速功能，可以选择滑移齿轮变速传动代替，如图 16 所示。 i=4， 2.55， 1.87 图 16 滑移齿轮变速替代运动功能单元 3 图 13 中的运动功能单元 4 是减速功能，可以选择行星齿轮传动代替，如图 17 所示。 图 17行星齿轮传动替代运动功能单元 4 图 13 中的运动功能单元 5 是运动分支功能单元，可以用圆锥齿轮传动的主动轮与导杆滑块机构的曲柄固连替代。如图 18 所示。 运动输出 运动输入 运动输出 运动输出 运 动输入 5 运动输出 图 18 2 运动功能单元的主动件固联替代运动功能单元 5 哈尔滨工业大学机械原理课程设计说明书 8 图 13 中的运动功能单元 6 是把连续转动转换为连续往复摆动，可以选择导杆滑块机构替代，如图 19 所示。 图 19 导杆滑块机构替代运动功能单元 6 图 13 中的运动功 能单元 7 是减速功能，且其运动输入轴与运动输出轴相互垂直，可以用锥齿轮替代，如图 20 所示。 i=2 图 20圆锥齿轮传动替代运动功能单元 7 图 13 中运动功能单元 8 是把连续转动转换为间歇转动的运动功能单元，可以用槽轮机构替代。该运动功能单元的运动系数为 =0.25， 根据槽轮机构运动系数的计算公式 = (Z-2)/2Z 式中 Z-槽轮径向槽数。 于是槽轮的径向槽数为 Z=2/(1-2 ) =2/(1-2*0.25)=4 该槽轮机构如图 21 所示。 图 21 槽轮机构替代连续转动转换为间歇转动的运动功能单元 8 图 13 中的运动功能单元 9 是增速运动功能单元，可以用圆柱齿轮传动替代，如图 22 所示。 图 22 圆柱齿轮传动替代增速运动功能单元 9 哈尔滨工业大学机械原理课程设计说明书 9 图 13 中的运动功能单元 10 是把连续转动转换 为连续往复移动的运动功能单元，可以用正弦机构替代，如图 23 所示。 图 23 正弦机构替代连续转动转化为间隙转动的运动功能单元 10 根据以上分析，按照图 13 各个运动功能单元连接的顺序把各个运动功能单元的替代机构以此链接便形成了产品包装生产线的运动方案简图，如图 24 所示（见 A3 图纸）。 六、系统运动方案设计 （确定机械系统传动部分运动尺寸、执行机构运动尺寸并对机械系统进行运动分析） 1. 执行机构 1的设计 执行机构 1 驱动执行构件 1 运动，由图 25 可知，执行机构 1 由曲柄 14，滑块 17，导杆 18，连杆 19和滑枕 20 组成。由 设计题目知，滑枕 20 的行程为 h=480mm 滑枕 20 的行程由导杆 18 的摆动实现。曲柄导杆机构是一种具有急回运动特性的机构，设在工作中该机构的行程速比系数为 K=1.4 则该机构的级位夹角为 =(K-1)/(K+1) *1800=0.4/2.4*1800=300 导杆 18 的摆角为 = =300 由此可得导杆 18 的长度为 l=错误 !未找到引用源。 如图 25 所示，作直线，在此直线上确定两点 C1、 C2，其距离为 C1 C2=h 作线段 C1 C2的中垂线，并以 C1为圆心，以导杆长度 l 的为半径做 圆弧交线段 C1 C2的中垂线于点 D，该点为导杆 18 的摆转中心。当导杆由位置 C1D 摆到位置 C2D 时，其摆角为，其轨迹为 C1C C2。该轨迹的最高点为 C ，最低点为 C1，在最高点和最低点之间做平行于 C1 C2的中线 ，该线为滑枕 20 的导路，距点 D 的距离为 S=错误 !未找到引用源。 图 25 导杆滑块机构设计 哈尔滨工业大学机械原理课程设计说明书 10 连杆 20 的长度 l1可以按照许用压力角在考虑结构来确定。执行机构在工作过程中其最大压力角为 sin max= 错误 !未找到引用源。 由此式可以看出，连杆 19 的长度 l1越大，最大压力角 max越小。若要求 max 10 则 l1 错误 !未找到引用源。 考虑到结构问题，可以选 l1=200-400mm 曲柄 14 的回转中心点 A 应该选在线段 C1C2的中垂线上，且 AD=1/2l-2/3l AD 的取值越大，曲柄的受力越小。考虑到结构因素，可以选 AD=500mm 据此可以得到曲柄 14 的长度 l2=ADsin /2=500*sin150=129.41mm 2.执行机构 2 设计 执行机构 2 驱动 执行构件 2 运动，由结构简图可知，执行机构 2 由曲柄 27，推杆 28，滑块 29，滑槽 30组成。 由设计题目可知，推杆 28 的行程为 h=420mm 由此可以确定该机构曲柄的长度 l1=h/2=210mm 由曲柄运动可知滑槽最小长度 L2=2l1=420mm 执行机构 2 如图 26 所示。 图 26.正弦机构设计 3.槽轮机构设计 1) 确定槽轮槽数 在拨盘圆销数 k=1 时，槽轮槽数 z=4，该槽轮的各尺寸关系如图 27 所示 槽轮图 哈尔滨工业大学机械原理课程设计说明书 11 图 27 槽轮机构几何尺寸关系 2) 槽轮槽间角 由图 27 可知槽轮的槽间角为 2 =3600/z=3600/4=900 3) 槽轮每次转位时拨盘的转角 2 =1800-2 =900 4) 中心距 槽轮机构的中心距应该根据具体结构确定，在结构尚不明确的情况下暂定为 a=150mm 5) 拨盘圆销回转半径 错误 !未找到引用源。 错误 !未找到引用源。 6) 槽轮半径 错误 !未找到引用源。 =0.7071 R= a=0.7071*150=106.065 7) 锁止弧张角 =3600-2 =3600-900=2700 8) 圆销半径 rA r/6=106.065/6=17.6675mm 圆整 RA=18mm 9) 槽轮槽深 h( + -1)a+rA=(0.7071+0.7071-1)*150+18=80.13mm 10) 锁止弧半径 rSr-rA=106.065-18=88.065mm 取 RS=80mm 4、滑移齿轮传动设计 1) 确定齿轮齿数 结构简图中齿轮 5、 6、 7、 8、 9、 10 组成了滑移齿轮有级变速运动功能单元，其齿数分别为 z5、 z6、 z7、z8、 z9、 z10。由前面的分析可知 Iv1=Z10/Z9=4 Iv2=Z8/Z7=2.55 Iv3=Z6/Z5=1.87 按最小不跟切齿数取 z9= 17 则 z10=iv1z9=4*17=68 为了改善传动性能应使相互啮合的齿轮齿数互为质数，于是可取 z10=69 其齿数和为 哈尔滨工业大学机械原理课程设计说明书 12 z9+z10=17+69=86 可取 z9= 17 z10=69 另外两对啮合齿轮的齿数和应该大致相同 Z7+Z8 86 Z5+Z6 86 Iv2=(86-Z7)/Z7=86/Z7-1=2.55 Z7=86/(1+iv2)=86/(1+2.55) 24 Z8=86-Z7=86-24=62 为了更接近于所要求的传动比，可取 Z7=24 Z8=61 Z5+Z6 86 Iv3=(86-Z5)/Z5=86/Z5-1=1.87 Z5=86/(1+iv3)=86/(1+1.87) 30 Z6=86-Z5=86-30=56 可取 Z5=30 Z6=56 2) 计算齿轮几何尺寸 由式 55 和 66 可知，齿轮 9、 10 的齿数和齿轮 5、 6的齿数和相等，即 z9+z10=z5+z6=86 若取齿轮模数为 m=2mm，则这两对齿轮的标准中心 距相同 a=m(Z9+Z10)/2=m(Z5+Z6)/2=86mm 这两对齿轮互为标准传动，其几何尺寸可按标准齿轮计算。 由式 61 可知，齿轮 7、 8 的齿数和比齿轮 5、 6 的齿数和小，即 z7+z8 86 为了使齿轮 7、 8 的实际中心距与齿轮 5、 6 的标准中心距相同，齿轮 7、 8 需要正变位，齿轮 7、 8 为正传动，其几何尺寸按变位齿轮计算。 总变位系数 X =2mm 5、齿轮传动设计 1）圆柱齿轮传动设计 由结构简图可知，齿轮 11、 12、 13 实现图 16 中的运动功能 4 的减速运动功能 ，他所实现的传动比为 10.22。由于齿轮 11、 12、 13 构成行星轮系，因此，齿数可如此分配： IH11,12=(n11-nH)/(n12-nH)=-Z12/Z11 而 n12=0 故 : IH11,12=-n11/nH+1=-10.22+1=9.22 Z12/Z11=9.22 哈尔滨工业大学机械原理课程设计说明书 13 齿轮 11， 12 可按最小不根切齿数设计 即： Z11=17 所以： Z12=9.22*17=157 由中心距匹配可确定： Z12= Z11+2 Z13 Z13=70 取模数 m=3 可求出三齿轮直径为： d11=51mm d12=471mm d13=210mm 由结构简图可知，齿轮 25、 26 实现图 21 中的运动功能 9 的增速运动功能，它所实现的传动比为 0.25.齿轮 26 可按最小不根切齿数确定，即 26 17z 齿轮 25 的齿数为 2625 17 680 . 2 5 0 . 2 5zz 齿轮 25、 26 的