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中国地质大学（武汉）机械原理课程设计设计说明书题目：自动进料夹紧装置 学院： 机械与电子信息学院 专业： 机械设计制造及其自动化组员： 班级： 072103 指导老师： 曾小慧 2012年7月9日目录第一章 设计任务书31.1设计题目31.2工作原理及工艺动作过程31.3设计要求31.4主要技术参数要求31.5课程设计任务要求4第二章 执行机构方案选型42.1 电机的选择42.2步进送料机构52.2.1方案一52.2.2方案二52.3夹紧机构72.3.1方案一72.3.2方案二82.4总体运动方案示意图10第三章 机械系统运动循环图.10第四章 间歇送料机构及运动分析11 4.1不完全齿轮设计方案114.2不完全齿轮参数计算13第5章 夹紧机构尺寸确定及运动分析.16 5.1凸轮机构设计.16 5.1.1运动规律确定.16 5.1.2求理论廓线方程.19 5.1.3求工作廓线方程.19 5.1.4凸轮轮廓绘制.19 5.2凸轮推杆运动分析.23第六章 轮系参数确定.25 6.1轮系参数确定.25第七章 计算结果分析27第八章 设计小结28参考资料：31 第一章 设计任务书 1.1设计题目本设计任务的设计题目为：自动进料夹紧装置 1.2工作原理及工艺动作过程设计某自动机的自动进料夹紧装置，某自动机为完成冲压工作需要自动单向步进进料。料被送到工位后需要自动夹紧。夹紧后机器进行冲压工作，冲压时间约为3秒（其中0.5秒停留）。料可放在托架上，随托架在导轨上间歇移动。1.3设计要求1、 进料机构、夹紧机构的动作与冲压工作时间配合协调。2、 送料机构进行自动单向步进进料，要求步进距离准确和送料平稳。3、 由于料尺寸较大，要考虑整个机构的刚度和运动的平稳性。1.4主要技术参数要求1、 每分钟步进次数为10次。2、 步进距离为900mm。3、 料及托架的重量约为30kg。 1.5课程设计任务要求1、 根据各执行件的动作要求、机器工作时间拟定运动循环图。2、 进行执行机构即进料机构、夹紧机构的选型。3、 机械运动方案的评价和确定，并进行执行机构运动学尺寸计算和必要的运动分析。4、 按选定的电机和执行机构的运动参数拟定机械传动方案，并进行传动机构运动学尺寸计算。5、 画出机械运动方案简图。6、 编制设计说明书。7、 进一步工作：执行机构的动画演示等。第二章 执行机构方案选型 2.1发动机选择最常见交流电动机有 2极 同步转速 3000r/min 4极 同步转速 1500r/min 6极 同步转速 1000r/min 8极 同步转速 750r/min 10极 同步转速 600r/min选择转速为1000r/min的电机，整个机构的运动周期为6s,故要求设计的轮系的减速比为100。2.2步进送料机构 送料机构进行自动单向步进进料且料随托架在导轨上间歇移动，故拟采用间歇机构。2.2.1方案一在初定执行机构方案时，我们所选的间歇运动执行机构为不完全齿轮和齿条机构，其简图如图 ： 图2.1齿条简图 齿轮齿条传动有以下优点：（1）传递动力大、效齿轮传动的特点。齿轮传动用来传递任意两轴间的运动和动力，其圆周速度可达到300m/s，传递功率可达105KW，齿轮直径可从不到1mm到150m以上。（2）寿命长，工作平稳，可靠性高；（3）能保证恒定的传动比，能传递任意夹角两轴间的运动但是考虑到工件是通过传送带传动，无法实现有效简捷的安装且安装进度要求较高，故放弃。2.2.2方案二相比于方案一我们又考虑采用不完全齿轮传动，其简图如下： 图2.2不完全齿轮简图原理：在主动齿轮只做出一个或几个齿，根据运动时间和停歇时间的要求在从动轮上作出与主动轮相啮合的轮齿。其余部分为锁止圆弧。当两轮齿进入啮合时，与齿轮传动一样，无齿部分由锁止圆弧定位使从动轮静止。 特点：不完全齿轮机构结构简单、制造容易、工作可靠，从动轮运动时间和静止时间可在较大范围内变化。但是从动轮在开始进入啮合与脱离啮合时有较大冲击，故一般只用于低速，轻载场合。从动轮上锁止弧的数目M、N；及锁止弧间的齿数、等均可在相当宽广的范围内自由选取。因而标志间歇运动特性的各参数，如主动轮每转一周从动轮停歇的次数、从动轮每转一周停歇的次数、每次运动转过的角度、每次停歇的时间长短等。 该方案设计简便、灵活，且能较好的实现间歇运动，传动平稳，故选择方案二。2.3夹紧机构2.3.1方案一我们最初的夹紧机构的方案是采用四杆机构，利用四杆机构的死点来进行对料的夹紧，但是，在经过我们的讨论分析，发现该机构并不能实现预期的功能，并且，该机构还必须配合使用一个曲柄滑块机构才可实现四杆机构的夹紧放松的功能。该机构的简图如图2.3： 图2.3夹紧机构简图 如果要实现夹紧机构的夹紧、放松的间歇配合，要加上一个曲柄滑块机构，其简图如图2.3.2：图2.4曲柄滑块机构简图通过论证，该机构不能满足设计对运动的要求，连杆的运动具有不确定性，所以放弃该机构。2.3.2方案二该方案的夹紧机构我们选了凸轮机构，因为凸轮机构能实现任意预期的运动规律，有很好的间歇运动性能，进过反复的讨论，我们达成一致意见，决定选对心直动滚子从动件凸轮机构。其简图如图2.5：图2.5 凸轮机构简图利用凸轮机构的间歇运动来配合料的间歇步进是可以实现的。凸轮的推杆固连着夹紧部分，凸轮带动夹紧部分进行间歇的夹紧与放松，以达到在工作位进行冲压的目的。夹紧部分的简图如图2.6，图示是在夹紧状态时的简图。图2.6 夹紧装置简图从动件往复运动将工件放在传送带上向前推进移动从动件不完全齿轮机构送料 2.4总体运动方案示意图 滑块往复运动夹紧摆动从动件凸轮机构夹具夹紧或松开 总体运动方案机构简图如图2.7： 图2.7总体运动方案机构简图第3章 机械系统运动循环图 由题目要求，料随传送带做步进运动，由于每分钟步进十次，所以每6秒完成一次步进并冲压。由题目要求，冲压用时为3秒，故步进900mm就只用时3秒。由以上要求，作机械系统运动循环图3.1：图3.1 机械系统运动循环图第4章 间歇送料不完全齿轮机构及运动分析 4.1不完全齿轮设计方案 为满足配题目要求和配合加紧装置的的实现，则不完全齿轮的工作时间为2s，停歇时间为4s 则可的kt=1/6 又为满足每分钟步进十次的要求可得 M=1 N=6 m=2K Z2 Z2=(Z2+K)NZ1=Z2+1Z1=M/kt(Z1+K-1)处 理11234 5121824303623456 6 9 12 15 18Z217,停算同理同理同理F1*过小 淘汰21234182430362345 9 12 15 18Z217,停算同理同理F1*=0.73123456243036424854234567 12 15 18 21 24 27Z217,停算同理F1*过大舍弃F1*过大舍弃F1*过大舍弃F1*=1412. 3036.23. 15 18 .Z217,停算F1*过大舍弃. 方案KZ1Z2Z1Z2F1E（%）一25418360.73%二37627540.99770.22% 整理方案按上表比较可得： 方案二更加符合设计要求故选方案二为最终方案。则由上表可计算这对不完全齿轮的几何尺寸. 4.2不完全齿轮参数计算节圆半径r=1/2mZ 则主动轮=27 从动轮=54齿顶圆半径ra=1/2m(Z+2) 则主动轮=29 从动轮=56中心距A=1/2m(Z1+Z2)=81 由上示公式可得=0.011571243 =0.044250197 齿入角有上表并带入数据可得1=13.05189519 1=3.695042944 则1=16.74693813同理齿出角 2=24.7785311 2=3.33333383 2=21.44541928综上几何参数主动轮从动轮节圆半径2754齿顶圆半径2956齿根圆半径25.551.5中心距 81齿距 6.2831853齿入角 16.74693813齿出角 21.44541928第五章 夹紧机构尺寸确定及运动分析5.1凸轮机构设计5.1.1运动规律确定 由于凸轮是控制夹紧机构的，而夹紧装置是低速轻载，故采用等速运动规律。选择依据如下：运动规律最大速度 Vmax(hw/0)最大加速度Amax(hw/0)最大跃jmax(hw/0)适用场合等速运动1.00低速轻载等加速等减速2.004.00中速轻载余弦加速度1.574.93中低速重载正弦加速度2.006.2839.5中高速轻载五次多项式1.885.7760.0高速中速5.1.2求理轮廓线方程初步设计：凸轮的基圆半径为100mm，滚子半径为10mm（凸轮半径与凸轮机构的压力角有关，凸轮半径确定后，压力角必须小于许用值）。h=40mm，e=0。该凸轮机构的理论廓线的坐标可表示为： x=(r0+s)sin y=(r0+s)cos推程阶段: s1=h*1/0 v=hw/0 10,/4远休止阶段： s2=h v=0 2/4,13/24回程阶段： s3=h(1-1/0) v=-hw/0 313/24,4/3近休止阶段： s4=0 v=0 44/3,2压力角：5.1.3求工作廓线方程 x=x-rcos y=y-rsin其中： sin=(dx/d)/(dx/d)+(dy/d) cos=-(dy/d)/(dx/d)+(dy/d)5.1.4凸轮轮廓设计根据凸轮实际轮廓线方程，编制绘制凸轮轮廓曲线的程序如下：h=40;w=pi/3;theta1=pi/4;theta2=13*pi/12;theta3=4*pi/3;theta4=2*pi;j1=linspace(0,theta1,45);s1=h*j1/theta1;j2=linspace(theta1,theta2,150);s2=h;j3=linspace(theta2,theta3,45);s3=h-h*(j3-theta2)/(theta3-theta2);j4=linspace(theta3,theta4,120);s4=0;plot(j1,s1,j2,s2,j3,s3);grid onj1=linspace(0,theta1,72);v1=h*w/theta1;j2=linspace(theta1,theta2,96);v2=0;j3=linspace(theta2,theta3,72);v3=-h*w/(theta3-theta2);j4=linspace(theta3,theta4,120);v4=0;plot(j1,v1,j2,v2,j3,v3);grid onr0=130;x1=(r0+s1).*sin(j1);y1=(r0+s1).*cos(j1);x2=(r0+s2).*sin(j2);y2=(r0+s2).*cos(j2);x3=(r0+s3).*sin(j3);y3=(r0+s3).*cos(j3);x4=(r0+s4).*sin(j4);y4=(r0+s4).*cos(j4);plot(x1,y1,x2,y2,x3,y3,x4,y4);grid ontitle(凸轮轮廓)用matlab绘制，轮廓如图所示：5.1.5压力角验算压力角公式： ds/d=v/w求压力角的程序如下:求压力角的程序如下:h=40;w=pi/3;r0=130;theta1=pi/4;theta2=13*pi/12;theta3=4*pi/3;theta4=2*pi; m1=linspace(0,theta1,72);s1=h*m1/theta1;v1=h*w/theta1;a1=atan(v1./(w*(r0+s1); m2=linspace(theta1,theta2,96)s2=h;v2=0;a2=0; m3=linspace(theta2,theta3,72);s3=h-h*(m3-theta2)/(theta3-theta2);v3=-h*w/(theta3-theta2);a3=atan(v3./(w*(r0+s3); m4=linspace(theta3,theta4,120);s4=0;v4=0;a4=0;plot(m1,a1,m2,a2,m3,a3,m4,a4)grid ontitle(夹紧凸轮推杆压力角图)用matlab绘制，起图像如图所示：有程序运算结果得，压力角最大为0.37/180=21.20。由于直动推杆压力角许用值取为30，则，满足设计要求。5.2凸轮推杆运动分析5.2.1夹紧凸轮推杆位移的程序如下：h=40;w=pi/3;theta1=pi/4;theta2=13*pi/12;theta3=4*pi/3;theta4=2*pi;j1=linspace(0,theta1,45);s1=h*j1/theta1;j2=linspace(theta1,theta2,150);s2=h;j3=linspace(theta2,theta3,45);s3=h-h*(j3-theta2)/(theta3-theta2);j4=linspace(theta3,theta4,120);s4=0;t1=j1./w;t2=j2./w;t3=j3./w;t4=j4./w;plot(t1,s1,t2,s2,t3,s3,t4,s4);grid ontitle(凸轮推杆位移图) 其图像如图所示： 5.2.2夹紧凸轮推杆速度的程序如下：h=40;w=pi/3;theta1=pi/4;theta2=13*pi/12;theta3=4*pi/3;theta4=2*pi;j1=linspace(0,theta1,45);v1=h*w/theta1;j2=linspace(theta1,theta2,150);v2=0;j3=linspace(theta2,theta3,45);v3=-h*w/(theta3-theta2);j4=linspace(theta3,theta4,120);v4=0;t1=j1./w;t2=j2./w;t3=j3./w;t4=j4./w;plot(t1,v1,t2,v2,t3,v3,t4,v4)grid ontitle(凸轮推杆速度图)其图像如图所示： 第六章 轮系尺寸确定6.1轮系尺寸确定已知电机转速为1000r/min 7=1=1.05rad/s即不完全齿轮和凸轮机构在时间上同步的。取m5=m6=4 mm z5=z6=20 于是计算得d5=d6=80 mm故1=1=5取z1=50 z5=50 m1=m5=4 mm d1=200 mm =d5取z4=20 m4= 4 d4=80 mm i41=4/1=z1/z4 所以4=2.62rad/s n4=25 r/min=n4又因i4H=1-z8z9/z4z8=n4/nH计算得z8z9/z4z8=39/40 i4H=1-39/40=1/40所以取z8=20 z4=20 z9=39 z8=40 m8=m4=m9=m8=4 mm可以确定：d8=80 mm d4=80 mm d9=156 mm d8=160 mm其他传动轮系尺寸的确定：z3=20 z2=120 m3=m2=2 mm 得d3=40 mm d2=240 mm r3尺寸确定s=Ldt=900 vL=r3*3=r3*3i23=1/6=2/3 vL=62r3其中齿轮2与不完全齿轮在其配合过程中（t=2s）2=1=1.05rad/s所以s=vL*t=62r3*t=900 计算得r3=143mm第7章 计算结果分析时间配合：我们在设计时做了时间上的分配，送料2秒，夹紧1秒，冲压3秒。送料完成后（计时为0），凸轮推程开始，0.75秒时，冲压开始，推杆进入远休止区，3.25秒时，冲压下降完毕，压头上升，凸轮回程（冲压继续停留0.5秒），0.75秒此时已过，4秒，回程完毕，凸轮进入近休止区，履带开始送料，经过2秒，送料完成，此时凸轮近休止过程完毕，推程开始，进入下一个循环。第八章 设计小结通过这段时间的机械原理课程设计，我们感觉受益匪浅，不仅在学问方面有所提高，而且在动手能力方面更得到了提高。 我们这次设计的题目是：自动进料夹紧装置。主要是确定机械传动的方案，通过减速机构到不完全齿轮机构带动传送带间歇运动，带动料间歇步进；同时减速机构还带动凸轮机构的运动，凸轮机构的间歇运动带动夹紧部分进行间歇性的夹紧与放松，从而使冲压机构在工作台上进行对料的冲压。这次设计课程不仅让我们加深了对机械原理理论课程的理解和认识，更培养了我用理论知识去解决实际问题的能力。也许我的这种方案不是很好的方案，但它解决了料的自动进给与夹紧，之后冲压的问题。作为初次接触设计的我们，可能对问题的研究还不是很完美，但我们对未来的设计充满了信心。我希望学校多开设这类的设计课程，不仅帮助我们理解理论知识，更重要的是让我们学会用理论知识解决实际问题，帮助我们把理论知识转化成一种能力，让我们更容易解决问题。我们觉得我们在此次课程设计中，得到了很大的锻炼：1.巩固理论知识，并应用于解决实际工程问题，能把理论知识与实际结合起来；2.建立机械传动系统方案设计、机构设计与分析概念；3.进行计算、绘图、正确应用设计资料、手册、标准和规范以及使用经验数据的能力训练。本次课程设计的任务分配为：赵赟劼主要负责机构尺寸的计算，轮系的计算和尺寸的确定，并运用matlab7.0进行相关图形的绘制；姚怡更主要负责撰写课程设计说明书，绘制机构运动简图、机构简图以及三维模型的绘制。对于总体运动方案，是由两人首先分别构思进而共同商榷而确定的。赵赟劼：在这将近十天的课程设计过程中，我经历了从构思，挑选方案，到画结构草图，再到对各机构受力分析及尺寸确定的一个反复比较计算的枯燥过程，但这反复修改反复比较也是一个反复学习的过程，让我明白书本上看似简单的公式，在实际运用于设计中时，并不与想象中的简单，总会出现这样或那样的错误或者两个结果的冲突。只有反复的演算比较，才能得到最佳的结果。同时我也发现了自己学习上的一些不足，在软件的