饼干切片机工作原理及使用.doc

饼干切片机工作原理及使用一、 一、 工程背景介绍通过一些机构在连续运动中实现一定的间歇，在工程实际中有着广泛的应用。比如轻工业中的送料机构，如糖果包装机，轧钢机等。在整个送料过程中，运动的过程是快速而且连续的， 要求在送料的时候，运动速度比较快，但是在将料送到工作台以后，要求又一段时间的停歇，以利用材料的加工。这种停歇应该是从动件运动中自然的一部分，否则，如果使用棘轮、棘爪等机构，在这种连续不断而且是快速的运动中是会造成很大的冲击，严重降低机械的使用寿命。这次实验，我们就是以实际中的一个机构为例，来讨论通过什么样的机构来实现上面的停歇运动。我们所选的机构在工程中的背景是在生产饼干的食品加工厂中的饼干切片机。其功能是将已经切成条状的饼干切成大小均匀的小块。具体工作过程如下：推板A向后退，B处推入饼干A将饼干推入C中，切成小片A将饼干推入C中，切成小片A返回图中的元件如下A：推板B：送料器C：切刀整个工作过程为：（1）送料器将已经在上一道工序中加工成条状的饼干推到切刀前面；（2）推板A推动饼干向前运动，然后与切刀共同作用，将饼干切为块状，块状饼干进入下一工序；（3）推板A回到起始位置；（4）推板A在起始位置停歇，等待下一批饼干送到；可将工作过程做成工作过程流程图如下：从饼干切片机的整个工作过程中，我们可以总结出完成这一工程背景所用的机构要满足以下要求：（1）运动形式要求整个机构的原动件时电机的转动，所以首先必须将电机的转动转化为推板A的直线运动。（2）运动规律要求在这个过程中，主要的运动是推板A的循环往复的直线运动和推片机构B的间歇直线给料运动。当A返回到一定位置的时候，B送料，这时A要等B完全把饼干送入工作区才可以回程切片。可以看出，这一运动的重点是推板A的间歇运动，即满足A在最左端的停滞时间必须恰到好处，可以使送货机有足够的时间将饼干送到推板前面而不发生运动干涉，又不会浪费时间。所以设法将A的间歇运动中的间歇时间调整到刚好与送货机不发生干涉使这一机构的最重要的一点。（3）运动冲程要求在批量生产中，一次能够切好的饼干的数量直接影响到经济效益，所以要求推板A有足够大的冲程，使得一次加工的饼干足够多。（4）机构空间要求由于这是一种轻工业机械，所以要求整个机构在保证工作质量的基础上，所占空间尽量减小。二原始机构（）机构设计【设计说明】前提假设：假设一整块饼干的长度为40mm，则推板A的推饼干的路程为60mm，使饼干向前推送的充分；此外，再加20mm的路程，作为工作的富余路程，推板A后撤得充分，以免和其他机构的运动干涉。这样，推板A的整体行程为80mm。假设饼干由B装入工作台的时间要1。5秒左右。切割饼干的时间为0。7秒左右。这要求推板A走完60mm的位移用0。7秒，走完剩下的20mm的位移用也用0。7秒（1。5秒的一半）。可以假设原动件转速为20rad/s。整个工作过程如下：机构简图图1设计思路：将推板A的运动变为滑块在轴上的运动。通过D的特殊运动轨迹来实现E的运动规律。通过让D经过一段类似以E为圆心圆弧，使E点基本不动，控制这段圆弧的长度，从而控制E点停留的时间。【机构说明】图中曲柄1为原动件，滑块E为从动件，E和饼干切片机中的机构A固联，在一根轴上滑动。那么，E的运动规律就是所要求的饼干机中A的运动规律。本机构由右边的曲柄滑块机构和左边的RRP双杆组组合而成。曲柄滑块机构RRP杆组【工作原理】如图，当曲柄1绕固定轴A回转时，连杆2、4所连接的滑块3、5做往复运动，各杆的长度为：其中取 在节点D的运动轨迹中，图示的DD部分近似为以E点的右极限位置为圆心，以DE的长度为半径的圆弧，当D点在该近似圆弧上运动时，滑块5几乎静止不动。【理论计算】使用MATLAB对上面的机构进行计算和仿真。首先，看D点的运动轨迹是否是满足我们的要求：从图中可以看出，DD一段的曲线可以近似为一段圆弧。其次，看从动件5的运动能否满足我们的要求。从上面图像中我们可以看出：在DD这一段，滑块只在很小的范围内运动，基本可以认为是静止不动的，这一段时间可以理解为推板A运动中的间歇时间。当原动件角速度为20rad/s时，这段时间大约为1。5秒，可以看出，与我们的假设符合得很好。在间歇以后，推片进入工作，开始向前推饼干。从位移曲线上可以看出，在整个运动周期里， 如果以D-D线为界，其上为富余路程，其下为工作冲程的话，间歇式很明显的。即整个运动过程周期为3。14秒，间歇占了大约1。5秒，运动了大约1。6秒。这很好的满足了工程背景中的要求。推板的进退平均速度都是比较块的，且停留间歇时间足够长。让送料器有足够的时间将下一批饼干送到工作台上。下面是从动件的速度图像：对滑块A工作时将饼干推向切刀的整个行程进行分析。考虑到加工的对象，饼干本身比较脆，所以在将饼干推向切刀时饼干的速度不宜过小，不然的话会将饼干挤碎，影响产品质量。另外，在工作冲程的后半程，滑块A的速度不宜过大，以免与前面的切刀相撞，发生事故。从滑块的速度时间图像中，可以看出，当滑块处于间歇时间时，其速度很小，在零附近波动。而且在整个周期中，滑块的速度变化比较平稳，没有很大的跳动，这会使其工作起来比较顺畅。另外，在间歇后，当滑块开始工作，即开始将饼干推向切刀时，其速度开始增大，这也满足了在工作冲程前一半时速度要求较大的条件。而在冲程的后半程，速度开始减小，这一点正符合在冲程后半程速度要求。()机构搭接【搭接装置】机构组合创新实验台，工具箱【搭接步骤】1 1 根据设计方案，选择各种构件；2 2 对机构进行搭接；3 3 在确保所搭接的机构不会发生干涉（用手带动机构做整周运动，保证不发生干涉）和摩擦后，将所有的螺栓固定好，并检查所有的联接是否正确、稳固；4 4 加入电机带动机构运转【构件说明】图中的1，2，3，4，5分别对应于结构简图中的1，2，3，4，5。【机构运动状态】右极限位置实现间歇运动，只是单侧停歇。下图为执行件从右向左运动。左极限位置：三替代机构（）替代机构的设计思路首先，实现所要求运动特性的机构从大的方面主要有两类：闭式链，开式链。开式链就是用机械手实现运动特性，而闭式链则又包括简单机构中的连杆机构，凸轮机构，组合机构中的凸轮连杆式组合和齿轮连杆式组合，还有一些有运动特色的机构例如，间歇机构，挠性传动机构，摩擦传动机构和液压，气动机构。其次，饼干机的工作特性要求其推板在去程和回程之间要有一定的间歇时间，因此转化为机构的运动特性要求所设计的机构要有单侧停歇的运动特性。我们的第一个方案即前面提到的，是利用右边的曲柄滑块机构连杆上的一个合适的固结点的右侧的曲率比较大的圆弧，通过左侧的连杆滑块的连接间接实现左侧滑块的右侧间歇运动特性。 从实现间歇运动的闭式链机构主要有两种，直接间歇运动机构和间接间歇运动机构。直接间歇机构主要包括：棘轮机构，槽轮机构，凸轮间歇机构，不完全齿间歇机构。而间接间歇运动机构主要有：连杆机构，导槽机构，组合机构例如四杆机构，凸轮连杆机构，齿轮连杆机构。我们可以利用这些机构上某些固结点的运动特性，再连接一些执行机构，从而实现间歇运动。由于棘轮机构和槽轮机构的间歇运动特点是双向停歇，而且有的是只有去程没有回程，把旋转间歇运动转化为直线间歇运动比较困难，因此虽然理论上可以设计出来，但是由于所学有限，没有考虑。考虑替代机构可以为以下几种：凸轮机构利用移动凸轮的轮廓线实现单侧间歇利用转动凸轮的轮廓线实现单侧停歇利用圆柱凸轮的轮廓线实现间歇运动不完全齿间歇机构由于不完全齿间歇机构是实际搭接的替代机构在这里就不在冗述。连杆机构连杆BC上的E点实现特定轨迹间接实现间歇运动 凸轮连杆机构C点实现特定轨迹间接实现间歇齿轮连杆机构A点实现特定轨迹间接实现间歇运动 6 6 导槽机构其机构还可以变种为CD导槽做成特定形状，使M导杆实现单侧间歇直线运动。导槽机构的实质其实就是凸轮机构，只是形式不同。 最后，考虑到搭接机构能否在实验台上实现，我们采取了以下几种替代机构，其中有2种是可以用电机带动正常运行的，由于实验台条件和时间所限，其他两种机构只是搭接出来，但是并不能实现预定运动，只起示意作用。（）替代机构一【机构简图】【机构说明】有四杆机构和RRP杆组构成四杆机构RRP双杆组【设计思路】使用四杆机构，实现和原方案中DD相似的运动曲线，从而实现从动件同样的运动规律。而本题中实现四杆机构的特殊运动规律用的是“连杆曲线图谱法”，也就是通过查图谱，找到类似的曲线，然后按照一定的比例，将相应的四杆机构放大。机构中各个参数如图所示。【机构实现】机构的具体运动情况见附件。【机构运动分析】用计算机对上述机构进行计算仿真得到D点的运动曲线如下所示：DD得到E点的位移曲线如下所示：EE可以看出，D的图像也是有一段近似为圆弧（由于坐标轴选择的原因，和原方案的方位正好相反）。从E的位移图像中可以看出，这一段圆弧使滑块在极限位置处只有小幅的波动，基本实现了间歇运动。而且，EE的宽度以及冲程的长短可以根据实际的需要在进行调整。这个机构的急回特征还是比较明显的。返回的行程时间明显短于工作行程的时间，有利于提高生产效率。下面是E点的速度图像：从速度图像中可以看出，速度有较大的波动，这导致机械之间的碰撞较多，这个系统的效率降低。这个机构的机械性能并不好。分析速度变化比较大的地方是因为在停歇处推板不是完全的静止，而是用一个很小的去程和回程来代替，由于尺寸的选择不是很理想，比原机构的波动要大一些，肉眼可以观察得到，因此在实际工程应用中，由于各个构件之间的装配不是理想状态，会有一定的间隙，这样不但会对装配水平的要求提高，而且工作过程不能太快以免加剧本身波动带来的一些弊端如：噪声，机械速度波动等。从加速度也可以看出停歇阶段的加速度变化比较大，但是在工作的时侯加速度的变化还是比较平缓的而且其值不大，因此不会在切削饼干的时侯，出现饼干断裂的情况，有利于提高饼干的切削质量。【和原设计方案的比较】这两种机构从原理上说，都是通过实现特殊的运动曲线，进而实现特殊的运动规律。但是原来的机构有两个滑块，也就是两个从动件，这样那个没有用到的滑块就多占用了空间同时消耗了大量的能量，这造成了整个系统的效率低下。现在的机构只有一个从动件，在一定程度上避免了原方案的缺点。而且，原方案中的机构都在一条水平线附近运动，使得整个系统长度增大，不利于实际中的布置。而现在的方案在水平和垂直方向上都有布置，比较匀称，也利于现实中的安装。（）替代机构二【机构简图】【设计思路】分析机构的应用背景，主要是要求从动件在一定位置以后，能够待一段时间，在这段时间内，不会和其他正在工作的机构发生冲突，因此推板不一定要处于静止状态。这就放松了对机构的要求，但是这就要求机构的运动空间更大一些。在设计四杆机构的时候可以有更大的自由度。因此我们想到了不对心的曲柄滑块机构。为什么会想到它呢？因为如果我们舍弃了停歇这个优点，这就意味着我们要增加工作空间来代替停歇。而从原始机构的位移曲线图来看，虽然有急回特性，但是它的急回特性不太明显，而采用不对心的曲柄滑块机构虽然没有停歇特性，但是急回特性很明显（从下面的理论计算可以看出），这在一定程度上弥补了舍弃停歇运动而带来的机构体积的增大。【机构说明】这个机构是由一个四杆机构和一个RRP杆组组成的。如下所示：【机构的实现】机构实际的运动状况见附件。【机构运动分析】从动件的运动图线如下：推饼干停留从图中可以看出，推板推饼干的行程和停留的时间各占了运动周期的一半，这就为将饼干放入工作台准备了充分的时间。但是，在这段时间里，推板仍然经过了很长的一段位移。这就要求增大工作台的面积。造成了材料和能源的浪费，也加大了磨损。从动件的速度曲线如下：后撤推进对应上面的位移图像，可以看出，推板在推饼干时，速度的变化是比较缓慢的，这就保证了切饼干的稳定进行，同时，后撤时，速度增大的比较快，缩短了后撤的时间，可以使饼干更早的进入工作台，从而节省了时间。而且，由于这个机构有较大的灵活性，可以根据实际的需要，进一步调整杆长，角度等参数，改善机构的急回特性。增大推饼干的时间，减小饼干后撤的时间。【与原方案比较】和原方案比较，这个机构简单，易于实现。由于从动件滑块的运动和四杆机构的运动在固定转动副连线的两侧，所以不会发生运动干涉。杆件的布置更加自由，杆长等的调整也更加灵活，在实际中实现的时候更加方便。由于只有一个从动件，效率也比原方案高。但是，这种方案是通过增大从动件在工作所需要的位移以外的移动的距离，从而造成等待时间，这样就增大了工作台的长度。（）其它替代方案【设计思路】上面的方案都是通过特殊的运动曲线来实现特殊的运动规律。我们也可以通过其他方式直接实现特殊的运动规律。说明：由于条件的限制，我们只是搭接出类似的机构，象征性的表示一下。【用齿轮机构实现间歇运动】利用不完全齿轮机构实现间歇机构:机构组成:齿轮1(全齿) 齿轮2(不完全齿) 齿条工作原理:齿轮2连续逆时针转动，啮合齿条向右运动，当全齿与齿条分离时，过了一段时间又与齿轮1啮合，这段时间齿条间歇不动，然后齿轮1顺时针转动，啮合齿条向左运动。由于这时的不完全齿再转过很小角度就可以和齿条啮合，从而实现机构只在右侧停歇。工作特性:1. 1. 停歇时间可以根据不完全齿的参数进行精确调整。2. 2. 工作行程由齿轮分度圆半径决定，因此当要求较大的行程的时侯，机构要占据比较大的空间3. 3. 构件加工复杂4. 4. 在进入和退出啮合时的速度有突变，引起刚性冲击，不宜用于高速传动。【用凸轮机构实现间歇运动】工作原理：利用凸轮将从动件向前顶出，利用弹簧将从动件拉回。通过控制凸轮的轮廓线，能够准确实现所要求的运动规律。机构说明：以上只是一种方案的示意。显然，在实际中不可能制造这么大的凸轮。但是我们可以通过其他机构将凸轮的运动放大。但这不是本文关注的内容，故不再累述。【与原方案比较】这两种方案都只是构想，直接实现的话比较困难。齿轮机构虽然可以有效的实现间歇运动，但很难满足工作所需要的行程。如果要做到这一点，就需要齿轮有很多的齿数，同时要求齿轮的半径很大。同样，如果直接用凸轮实现所需要的行程的话，也要求凸轮的半径很大。这是不现实的。四装配方法由于实验室提供的器件都是标准的，搭接过程中地方都需要发挥我们的创造性。下面介绍的就是每一部分的实现方式。（原动件）在设计时，原动件是用电机带动的杆件，在我们所搭接的机构中，原动件一般都是长度较小的曲柄。但是由于在实验台上的杆件没有键槽，所以无法直接用杆件作原动件。我们组用的方法是用上面带有螺孔的齿轮代替杆件作原动件。如下图，齿轮的中心到与齿轮相连的螺钉的距离为原动件杆长60mm。另外，由于实验台的仪器问题，在做原机构搭接时，与原动件齿轮相连的方形滑块总是不能固定在滑轨上，即当机构对原动件的作用力较大时，原动件就会沿着滑轨在受力方向上移动。为了解决这一问题，我们组在实验指导老师的提示下在原动件后面又加了一对固定在机架上的螺钉螺母，形成一个“障碍”，以防止原动件在这一方向上滑动。另外，在搭接第二个替代机构时，考虑到实验台中的电机转速比较快，但是，输出的转矩太小。如果直接带动原动件的话，可能无法带动起这个机构来，或者使机构运动的过快，不不便于观察机构的运动，甚至会由于构件间的冲击太大造成这个机构散架。因此，我们增加了一个减速器。用电机带动一个小齿轮转动，在用小齿轮带动作为原动件的大齿轮转动。这样，尽管小齿轮转速高一些，但是大齿轮的速度不会太大，而且小齿轮可以给大齿轮较大的转动力矩。小齿轮的大小，尺寸可以根据实际的需要选择。特殊长度杆件的实现由于实验室中给出的杆件都是标准长度，为了实现设计中要求的特殊杆长，如图所示，我们采用了图示的方法，首先将两个螺钉固定在选好的位置的左右，然后将这两个螺钉用螺母固定死，再在中间用一个较长的螺钉将这一点固定，相当于用两个固定点夹住铰链的方法。在实验过程中，我们发现这种方法所得到的效果还是比较理想的，首先中间的铰链可以较自由的左右转动，其次这种装置一般情况下不会发生干涉，但必须注意要选好中间的螺钉和两边的螺钉的长度和垫片的厚度。另外，在搭接替代机构一时，由于替代机构以是利用四杆机构实现复杂轨迹原理设计出来的，所以其对于杆件的长度要求是很高的。在设计时我们尽量将杆件的长度设计