机械原理课程设计之健身球分类机.doc

机械原理课程设计任务说明书设计题目：健身球自动检验分类机学院：班级：设计者： 学号： 指导教师：目录一、设计要求21-1、设计题目及原始数据21-2、设计方案提示21-3、设计任务21-4、功能要求3二、健身球检验分类机构整体方案的设计和选择32-1、送料机构32-2 、检测机构42-3、接料机构62-4、整体方案7三、健身球检验分类机工作原理73-1、健身球检验分类机的基本组成73-2、机械系统运动方案简图8四、 健身球检验分类机工作流程9五 、传动装置及轮系的设计95-1、电动机95-3、 皮带传送：105-4、齿轮系传动：115-5、直齿锥齿轮：11六、凸轮推杆滑块的设计136-1、凸轮推杆滑块136-2、凸轮的设计14七、方案分析与评价187-1、优点187-2、缺点187-3、改进18八、 总结18九、参考文献19十、附录20附录一、凸轮设计的MATLAB修正程序20一、设计要求1.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4046mm，要求分类机将健身球按直径的大小分为三类：第一类： 4042 ； 第二类：4244；第三类：4446。其他技术要求见下表：（本设计采用的是B方案）表1 健身球分类机设计数据表方案号电动机转速（r/min）生产率（检球速度）（个/min）A144020B96010C720152.设计方案提示健身球自动检验分类机是创造性较强的一个题目，可以有多种运动方案实现。一般的思路在于：1.球的尺寸控制可以靠三个不同直径的接料口实现。例如：第一个接料口直径为42mm，中间接料口直径为44mm，而第三个接料口直径稍大于46mm。使直径小于（等于）42mm的球直接落入第一个接料口，直径大于42mm的球先卡在第一个接料口，然后由送料机构将其推出滚向中间接料口。以此类推。2.球的尺寸控制还可由凸轮机构实现。3.此外，需要设计送料机构、接料机构、间歇机构等。可由曲柄滑块机构、槽轮机构等实现。3.设计任务1.健身球检验分类机一般至少包括凸轮机构，齿轮机构在内的三种机构；2.设计传动系统并确定其传动比分配，并在图纸上画出传动系统图；3.图纸上画出健身球检验分类机的机构运动方案简图和运动循环图；4.图纸上画凸轮机构设计图（包括位移曲线、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，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； 5.设计计算其中一对齿轮机构； 6.编写设计计算说明书； 7.可进一步完成：凸轮的数控加工，健身球检验分类机的计算机演示验证等。 4.功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4046mm，要求分类机将健身球按直径的大小分为三类。1. 40 mm第一类42 mm2. 42 mm 第二类44 mm3. 44 mm 第三类46 mm健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。送料机构在往复运动过程中，当送料机构在回行程中末端通过漏斗左边，漏斗中的球将落下一颗占据进料机构在漏斗下的位置，在去行程中机构将球推入检验斜槽中，检验斜槽由上往下直径分别为42mm、44mm、47mm，根据小球能通过而大球不能通过的原理，直径为42mm的将通过第一个孔，而直径为42-44mm的将停留在第一个孔处，通过第二个孔，直径为4446mm的球停留在第二个孔，而通过第三个孔。用检验机构来完成对所有球的检验和分离。二、健身球检验分类机构整体方案的设计和选择1.送料机构2.1送料机构的方案设计一：图 一 送料机构方案一方案一所采用的进料机构如图一所示。其主要有进料槽、曲柄滑块机构组成。当小球不断的从进料槽中进入时，运用曲柄滑块机构，用滑块间歇的让球进入，以不至于无法控制球的进入，最终球顺着左边的壁做自由落体运动,落在指定位置。2.2送料机构的方案设计二图 二 送料机构方案二方案二所采用的进料机构如图二所示。其主要有进料槽、凸轮机构组成。当小球不断的从进料槽中进入时，运用凸轮机构，用滑块间歇的让球进入，以不至于无法控制球的进入，最终球顺着左边的壁做自由落体运动,落在指定位置。2.3检测机构检测机构的设计方案一：图 三 检料机构方案一在此检料方案的设计中我用到如图三的原理图，当不同尺寸大小的健身球从落料孔进入检料机构后，运用曲柄滑块机构的推动健身球向右移动，依次经过直径大小由小到大的检料孔，直径最小的健身球在第一个检料孔就掉出检料机构，依次直径次之的，直径最大的，就这样一个滑块的一个推程就完成了健身球的分类。但由于检料孔的孔口都是垂直于滑块的运动方向，所以在滑块推动健身球右移时可能会出现阻滞现象，还可能导致健身球从检料机构落入接料机构的速度太大而损坏健身球，因此我们没采用此方案。2.4检测机构的设计方案二：图 四 检料机构方案二在方案二的设计中我对方案一进行了改进得到如图四的原理图，为了使得健身球在检验时能顺利由竖直检料道滚入倾斜检料孔，而且不致给检后的健身球过大的速度进入接料装置，所以我们设计倾斜检料孔相对于竖直检料道的夹角为10度。三个不同倾斜检料孔的直径和方案一的大小一样，且由小到大布局。因此当不同尺寸大小的健身球从落料孔进入检料机构后，运用凸轮机构推动健身球向下移动，依次经过直径大小由小到大的倾斜检料孔，直径最小的健身球在第一个检料孔就掉出检料机构，依次直径次之的，直径最大的，就这样一个滑块的一个推程就完成了健身球的分类。在此方案中我们有效地避免了方案一中的缺陷，所以我们最终采用了此方案。2.5接料机构图 五 针对检料方案二的接料方案针对上面的检料方案二我们就设计了如图五所示的接料方案，运用此阶梯状的接料装置，可以很好的接到从三个不同的检料孔中滚出来的健身球，还可以避免由于健身球下落高度过大引起的健身球之间的相互碰坏。2.6整体方案图 六 最终的送料与检料方案系统图综合上面对不同的送料机构方案和对不同检料机构的方案的使用时的优缺点分析后我们最终选用如图六所示的健身球检验与分类的机械运动系统图。三、健身球检验分类机工作原理3.1健身球检验分类机的基本组成(1) 电动机 (2)减速器 （3)凸轮 (4)料槽 (5)检料箱体 (6)收集箱(7)皮带轮 (8)直齿锥 3.2机械系统运动方案简图图 七 健身球检验分类机运动方案简图1,2皮带轮 z3,z4,z5,z6直齿轮 z7，z8,z9,z10锥齿轮 4、 健身球检验分类机工作流程将待测健身球放入料槽中通过导管将料槽中的小球引入水平的导轨中电机通过变速器带动凸轮推杆1推动健身球健身球在凸轮推杆1推动的作用下由导轨进入检料装置口健身球由推杆2引入检料装置，并跟随推杆2缓慢向下移动，进入各自的合适的轨道中不同类型的健身球沿各自的轨道进入不同的收集箱中五 、传动装置及轮系的设计5.1电动机1、选择电机类型：发动机是机器中运动和动力的来源，其种类很多，有电动机、汽油机、柴油机、液压机、汽动马达等。电动机结构简单、工作可靠、控制方便、维护容易，一般机械上大多数是均采用电动机驱动。电动机已经是系列化了，通常由专门的工厂按标准系列成批或大量生产。机械设计中应根据工作的载荷、工作的要求、工作的环境、安装的要求及尺寸、重量有无特殊限制等条件，从产品目录中选择电动机的类型和结构形式、容量和转速，确定具体的型号。 2、选定电动机的容量：电动机的容量选得合适与否，对电动机的工作和经济性都有影响。当容量小于工作要求时，电动机不能保证工作装置的正常的工作，或使用电动机因长期的过载而过早损坏；容量过大则电动机的价格高，能量不能充分利用，且常常不在满载下运行，其效率和功率的因数都较低，造成浪费。3、因此本健身球检验分类机原动件采用转速为的交流电动机。5.2减速器图 八 减速装置本分类装置采用图八所示的减速器，由传送带和齿轮系构成的减速装置。其中一对齿轮的传动比是有限的，由于本装置需要较大的传动比，固采用轮系来实现。5.3皮带传送：图 九 皮带减速机构如图九所示为皮带减速机构，根据传动比的需要，本机构采用平带传动，能够使机械的效率保持在在0.95-0.98之间，且寿命比V带长。其基本原理是带轮1连接原动件转速为的交流电动机，皮带2连接齿轮系中的齿轮3，皮带1的半径为，皮带2的半径为，根据皮带传动原理有： = (1)皮带1与皮带2的转速与半径成反比： = (2)5.4齿轮系传动：如图八所示，带轮2与齿轮3同轴传动，齿轮3与齿轮4啮合传动，齿轮4与齿轮5同轴传动，齿轮5与齿轮6啮合传动，根据齿轮系传动原理有： (3)由上式可得：= (4)5.5直齿锥齿轮：图 十 锥齿轮啮合简图如图十所示，直齿轮6与直齿锥齿轮8同轴传动，直齿锥齿轮8与直齿锥齿轮9垂直啮合，直齿锥齿轮10与11垂直啮合，根据齿轮传动原理有：= (5)= (6) = （7）由凸轮7与直齿锥齿轮同轴传动有：= (8)根据提供的原动件转速为的交流电动机与课程设计要求，在的前提下，设计机器的生产率为10个/min,设计的凸轮滑块结构实现凸轮转动一圈完成一个健身球的检测，可以得到凸轮7的转速为：同时，齿轮6与齿轮7是同轴传动，故则根据公式(4)可以得出：因此由上两式可以得出:根据1比96的比例关系，我们选取适当的皮带轮半径和齿轮齿数故我们得出:,考虑到齿轮大小与传动的合理性，经过比较设计皮带传动结构与齿轮系传动结构的相应参数如表2、表3：表2 皮带轮参数带轮1带轮2皮带轮直径（mm）100200表3 各齿轮参数模数(mm)压力角()齿数(个)直径(mm)分锥角()齿轮32202040/齿轮4220160320/齿轮52202040/齿轮6220120240/直齿锥8,9,10,112208016090六、凸轮推杆滑块的设计6.1凸轮推杆滑块由题目的设计要求以及我们的设计方案，我们的方案中的送料部分和检料部分用到的凸轮尺寸和规格一样且运动规律一样，所以我们就只需要设计和计算出其中一个就行，但其中滑块1和滑块2的规格和形状不相同，滑块为长方体滑块2为梯形体，具体的凸轮滑块的设计如图十一所示，齿轮6与凸轮7同轴传动，凸轮7与杆13、滑块2形成凸轮滑块传动机构。凸轮尺寸的设计基于该机构从动件的运动规律，由于凸轮7与锥齿轮11的转速相同，设计滑块1将待测球推入检测装置的同时，滑块2在的高度接入待测球进入相应尺寸料道，建立滑块1与滑块2的同步运动机制，当滑块2位于最低点时，滑块1位于最右端。检料装置的尺寸设计（见表4）。图 十一 检料装置运动图表4 检料装置料道尺寸料道1料道2料道3料道直径（mm）424447设置滑块轨道有关尺寸为： 杆长为6.2凸轮的设计凸轮基圆半径，角速度，设计该凸轮轮廓曲线。由齿轮6与凸轮7同轴传动有： =设计该凸轮的基圆半径，最大推程： 凸轮运动规律要求按题目的设计要求给出凸轮转角与推杆行程的对应关系表如表5和表6：表5 凸轮转角与推杆行程的对应数值凸轮转角凸轮的径向半径10100.9720 103.9130 108.8040 115.6450 124.4460 135.2070 147.9180 162.0890174.80100185.55110194.35120201.20130206.08140209.02150210.00160210.00170210.00180210.00190 208.79200205.24210199.49220191.80230182.50240171.99250160.74260149.25270138.00280127.50290118.19300110.50310104.75320101.20330100.00340100.00350100.00360100.00 表 6 凸轮运动规律要求凸轮转轴角0150150180180 300 300360送料推程远休止回程近休止检料推程远休止回程近休止根据题目设计要求的运动规律和参数要求我们建立如图十一所示的凸轮转角和推杆位移之间的关系。图 十二 凸轮转角与推杆行程关系图 根据所要求的凸轮的运动规律要求以及运动参数我们设计并用CAD软件绘制了题目所要求的凸轮如图十三所示：基圆廓线图 十三 凸轮轮廓设计的CAD图 由于在上面的运动凸轮设计时使用的是等速运动规律，由所学知识易知在凸轮的运动时存在严重的刚性冲击，对凸轮以及整个健身球检验分类机的使用寿命都有严重的减少。所以我们对此用MATLAB软件对上面的运动规律作出修正，在推程时用等加速运动规律，回程时采用余弦运动规律，相关的程序代码见附录一，修正后得到如图十四所示：图 十四 用MATLAB软件修正后的凸轮设计图七、方案分析与评价7.1优点(1)设计结构简单，能耗低；(2)设计制造简单；(3)减小了健身球之间的相互碰撞；(4)传送带靠摩擦力工作，传动平稳，能缓冲吸震，噪声小。7.2缺点(1)由于机械机构简单，故精确度不高；(2)不适合用于高速分类。 （3）进料装置上可能产生互卡。7.3改进(1)可选用棘轮或槽轮而能更好地控制运动的间歇性。(2)使用摩擦系数较小的导轨，提高选择精度。八、 总结经过一个月的时间，我觉得能做这样的课程设计是十分有意义。在这次实践的过程中学到了一些除技能以外的其他东西,领略到了别人在处理专业技能问题时显示出的优秀品质,更深切的体会到人与人之间的那种相互协调合作的机制,团结合作的重要性，最重要的还是自己对一些问题的看法产生了良性的变化. 在社会这样一个大群体里面,沟通自然是为人处世的基本,如何协调彼此的关系值得我们去深思和体会.在设计的过程中，虽然我们会产生不同的意见，发生一些争执，但我们不会因此而抱怨，而是把我们小组的意见综合分析，最后得出最好的方案。这次设计，我们小组都很努力，每个人都尽到了自己的最大努力，不理解的地方就相互讨论，都不能理解的我们就向老师请教。在这次设计中。我们也要非常的感谢老师的帮助，虽然天气闷热，但还是坚持给我们辅导，给我们讲解我们不理解的地方。 作为一名专业学生掌握一门或几门制图软件同样是必不可少的，本次课程设计主要用 auto CAD制图。用CAD制图方便简洁，易修改，速度快，我们的设计，大部分尺寸都是在CAD上设计出来的。另外我们还用matlab软件编程，这些对我们来说都是陌生的，我们在这过程中一边学习，一边应用。这也是我作本次课程设计的第二大收获。总之，这次设计对我们来说是非常有意义的，对我们今后的学习也是有帮助的。整个设计我们基本上还满意，由于水平有限，难免会有错误，还望老师批评指正。 九、参考文献【1】孙恒，陈作模，葛文杰 . 机械原理M. 7版，高等教育出版社. 2009.【2】牛呤岐，王保民，王振甫 . 机械原理课程设计手册，重庆大学出版社. 2006.【3】彭国勋，肖正扬 . 自动机械的凸轮机构设计M. 北京：机械工业出版社.1990.【4】许洪基等 . 齿轮手册：上册M. 北京：机械工业出版社. 2000.【5】张春红，曲继芳.机械创新设计M. 北京：机械工业出版社. 2001.【7】王淑仁.机械原理课程设计. 科学出版社. 2006.十、附录附录一、凸轮设计的MATLAB修正程序clear;clc;rb=100;rt=0;e=0;h=110;ft=150;fs=30;fh=150;alp=30;fprintf(1, 基圆半径 rb=%3.4f mmn,rb)fprintf(1, 滚子半径 rt=%3.4f mmn,rt)fprintf(1, 推杆偏距 e=%3.4f mmn,e)fprintf(1, 推程升程 h=%3.4f mmn,h)fprintf(1, 推程运动角 ft=%3.4f mmn,ft)fprintf(1, 远休止角 fs=%3.4f mmn,fs)fprintf(1, 回程运动角 fh=%3.4f mmn,fh)fprintf(1, 推程许用压力角 alp=%3.4f mmn,alp)hd=pi/180;du=180/pi;se=sqrt(rb2-e2);d1=ft+fs;d2=ft+fs+fh;disp disp 计算过程和输出结果disp 1- 计算凸轮的理论廓线的压力角和曲率半径disp 1-1 推程（等加速/等减速运动）s=zeros(ft);ds=zeros(ft);d2s=zeros(ft);at=zeros(ft);atd=zeros(ft);pt=zeros(ft);for f=1:ft if fatm atm=atd(f); end end fprintf(1,最大压力角 atm=%3.4f 度n,atm) for f=1:ft if abs(atd(f)-atm)alp fprintf(1,凸轮推程压力角超出许用压力角，需增大基圆半径！n) end ptn=rb+h; for f=1:ft if pt(f)ptn ptn=pt(f); end end fprintf(1,轮廓最小曲率半径 ptn=%3.4fmmn,ptn) for f=1:ft if abs(pt(f)-ptn)0.1 ftn=f;break end end fprintf(1,对应位置角 ftn=%3.4f度n,ftn) if ptnahm ahm=ahd(f); end end fprintf(1,最大压力角 ahm=%3.4f 度n,ahm) for f=d1:d2 if abs(ahd(f)-ahm)alf% fpintf(1,凸轮推程压力角超出许用压力角，需增大基圆半径！n)% end phn=rb+h; for f=d1:d2 if ph(f)phn phn=ph(f); end end fprintf(1,轮廓最小曲率半径 phn=%3.4fmmn,phn) for f=d1:d2 if abs(ph(f)-phn)0.1 fhn=f;break end end fprintf(1,对应位置角 ftn=%3.4f度n,ftn) if phnrt+5 fprintf(1,凸轮推程压力角小于许用压力角，需增大基圆半径或减小滚子半径！n) end disp 2- 计算凸轮理论轮廓和实际廓线的直角坐标 n=360; s=zeros(n);ds=zeros(n);r=zeros(n);rp=zeros(n); x=zeros(n);y=zeros(n);dx=zeros(n);dy=zeros(n); xx=zeros(n);yy=zeros(n);xp=zeros(n);yp=zeros(n); xxp=zeros(n);yyp=zeros(n); for f=1:n if fft/2 & fft & fd1 & fd2 & f=n s=0; ds=0; end xx(f)=(se+s)*sin(f*hd)+e*cos(f*hd);x=xx(f); yy(f)=(se+s)*cos(f*hd)-e*sin(f*hd);y=yy(f); dx(f)=(ds-e)*sin(f*hd)+(se+s)*co