自动浇花器设计说明书...doc

西南交通大学 机械综合设计I设计说明书 设计题目：自动浇花器学生姓名： 学生学号：所在班级： 指导老师：刘光帅 2013年06月 目 录引言11选题背景21.1问题的提出21.2文献综述（即研究现状）21.3设计的技术要求及指标22机构选型32.1设计方案的提出32.1.1 传动方案.32.1.2 排水装置.42.2设计方案的确定53尺度综合63.1机构关键尺寸计算6 3.1.1 活塞部分的尺寸计算.6 3.1.2 凸轮部分的尺寸计算.6 3.1.3 电机部分的规格确定.6 3.1.4 定时器部分的规格确定.63.2机构关键尺寸优化74受力分析84.1机构动态静力描述84.2机构动态静力变化曲线描述105机构建模105.1机构运动简图及尺寸标注10 5.1.1 活塞部分的简图及尺寸标注.10 5.1.2 上壳部分的简图及尺寸标注.11 5.1.3 凸轮机构的简图及尺寸标注.115.2机构关键构件建模过程125.2.1 凸轮建模.125.2.2 标准件建模.17 5.2.2.1 活塞的建模.19 5.2.2.2 其他零件的建模.205.3机构总体装配过程215.3.1 机构总体的装配.215.3.2 爆炸视屏的制作.286机构仿真316.1机构仿真配置326.2机构仿真过程描述326.3仿真参数测量及分析326.4仿真中存在的不足337设计总结338收获及体会349致谢34引 言现代家庭中，为美化和改善居家环境，人们都喜欢养植和摆放一些盆景、花草等绿色植物。但在这个为生活而疲于奔命的人们，总会因为这样那样的原因，疏于对自己心爱的小植物的照顾。久而久之，盆景花草或许会因为干枯等原因而慢慢死亡。自动浇花器就是为时常不在家又喜欢养花的人们设计开发的。本文中的自动浇花器是基于机械原理、机械设计的基础知识，并参考现有的产品设计的一种节能又实用的小型器件。我们利用Solidworks、AutoCAD等软件建造机构的三维模型，根据参数的设定，分析做出实际机构的运动仿真。通过对本器件的设计及其建模、仿真中我们可以更深层次的理解机械原理的知识，更加熟悉对建模软件的操作。一、 选题背景 1.1 问题的提出现代生活中，随着人们生活水平的提高，人们对花卉、树木等绿色植物的喜爱和种植越来越多，然而以前对花木的浇灌、施肥等工作都需要靠人工来实现，由于现代生活节奏的加快，人们往往忙于工作而忘记定期、及时地为花卉补充水分及养料，或者由于放假回家而将花放在办公室等处没人管理导致花木枯死。水是植物生存、生长的最基本需要，因此，设计一种能够在无人管理的情况下的自动控制浇花系统，能够有效的防止花木在上述情况下的枯死。当今社会，科学技术飞速发展，半自动化、自动化和智能化的各种装置和系统渐渐地融入到人们的生活中。我们喜爱并且种植了的植物，在我们无暇管理的时候，得以补充充足的水分成为了可能。这其中就需要到人类发明的自动控制系统。一整套的自动控制系统，可能会用到很多领域的不同器件，但是，在众多自动控制系统器件中，控制核心却是其最基本、最重要和最决定性的，所以，人们在一直不断地开发更准、更快、更全面、更智能化的控制核心。利用机械原理的知识，设计并研发相关产品更是得到了人们的重视。而这个产品需要具备以下特点：1. 体积小，能够在阳台等空间较小的位置放置；2. 成本低，不能用太高端的技术和设备，使其成本远高于其自身利用价值；3. 耗能少，浇花装置不能损耗太多的电力等能源；4. 能够自动控制工作时间以及浇水量。本次综合设计中，全面顾忌到它的特性，设计出了一个完全符合其要求的自动浇花装置。1.2 文献综述（即研究现状） 自动浇花装置采用现代水利，配合有微电子技术、单片机原理以及机械原理等知识为基础研发的小型器件。而采用微电子技术、单片机原理制作的浇花装置虽美观，但是因技术要求稍高导致价格稍微昂贵，再加上电子产品的易损坏性，使得这种装置并不是那么的完美。而以机械原理为基础的相关产品，没有过高的技术要求，而且成本较低。与前两种产品相比，都可以实现相同的目的，然而后者更经济，因此受到了越来越多的关注和重视。但是就目前市场中基于机械原理设计的自动浇花装置存在很多很多的问题。因此这个领域的设计还是不够完善。我们小组就是看重这个领域的前景，再加上它现在的不完整性，提出并设计比较完美的方案，希望能够解决这种不完美的现状。1.3 设计的技术要求及指标本浇花装置机构简单明了，不依靠人工控制，尽量做到以下几个方面要求：1. 尽可能少的使用供电装置；2. 体积小、成本低、耗能少；3. 能够控制浇水量以及浇水的时间；4. 安装之后不用再人工控制，就能自动实现其功能。二、 机构选型 2.1 设计方案的提出2.1.1 传动方案方案一：连杆传动表2.1.1传动机构选型机构示意图说明连杆机构连杆的下端用轴与电动机连接，通过电动机的转动带动连杆运动然后带动连杆上端的杆向上运动，就这样上下往复运动带动活塞来回运动，实现吸水排水，这样就可以实现浇灌。但是因为用的是水，难免有泄漏，用连杆机构连杆和连杆结合处容易被水腐蚀以后容易失效，而且连杆传动，运动不稳定，本机构中，连杆有急回性。因为本机构中，所需行程不太大，所以连杆结构不好。其他其他有一些活塞，电机和盖子，因为觉得有些不好用，所以没深入考虑。方案二：凸轮传动表2.1.2传动机构选型机构示意图说明 凸轮机构电动机通过轴与凸轮相连，电机带动凸轮转动，然后通过凸轮上连杆上下运动使与之连接的活塞上下运动，来吸水和排水。实现浇灌。凸轮的优点就是只需设计适当的凸轮轮廓，便可使从动件得到任意的预期运动，而且结构简单、紧凑、设计方便，应用广泛。在本机构中，我们打算用滚子来连接直动件，减少了磨损，而且机构的行程不大，所以采用凸轮结构比较合适从表2.1.12.1.2中对比知道，传动机构采用凸轮传动方案。因为凸轮结构不但可以解决急回性问题，而且相比较连杆机构，凸轮机构的耐用性更强。与凸轮链接的移动副之间用小滚轮过度，这样既减少了摩擦力，又不影响机构的自由度。综上所述，我们采用凸轮机构作为核心传动装置。2.1.2 排水装置表2.1.3排水装置模型吸水排水装置本机构的原型就是发动机的气缸模型，但是在上面略有些改动以适应这里的功能，就是在顶端多加了一个气孔，防止活塞里面形成真空或者压强过大，从而导致水不能自然流入，造成吸水排水故障。对于吸水排水装置，我们采用气缸模型，如表2.1.3中，因为缸桶上接供水装置，也就是说该装置接近密封，这样在凸轮带动下的活塞做上下运动时，缸内的气压会发生变化，如果缸桶内气压过大就会导致水不能自然流入缸桶内，从而引起这个装置的故障。为了解决这一问题，我们在缸桶上方开了一个气孔，透过这个气孔，挂了一个密度比水小的小球，当活塞上移时，因为重力原因，小球下垂，使得缸桶内的气体通过小孔于外界相通，从而解决了缸桶内的气压高的问题。当活塞下移时，水就流入了缸桶内，小球会漂浮在水上，进而堵住了小孔，避免了水从气孔喷出的问题。2.2设计方案的确定 对于上述2.1章节的方案，我们进行了分析和整合，最终方案的草图如下：图2.1 浇花器草图如图2.1所示，进水孔连接在水龙头上，然后通过电机带动凸轮的转动，从而带动活塞上下移动，活塞上移时顶杆顶起小球1，从而使得水流入活塞缸中，活塞下移时，活塞缸中的水通过出水孔流进花盆内，从而达到预期效果。所以按照此构想，我们继续进行以后的工作，按照草图2.1所示进行建模和相关的计算。三、 尺度综合3.1 机构关键尺寸计算 3.1.1 活塞部分的尺寸计算首先假定活塞一个回程的排水量为200ml，并且假定顶杆的高度为40mm，那么顶杆的半径以及活塞的半径就由此确定：计算公式 V=pD2h-pd2h （3.1）由公式3.1计算得：D=40mm d=5mm 3.1.2 凸轮部分的尺寸计算根据活塞顶杆的高度，推断出凸轮的最远端和最近端的位置。由此得到凸轮的数据如下：计算公式： 推程： s=h21-cos(0) （ 0150） （3.2）回程： s=h21+cos(0，) （0150） （3.3）1.基圆半径：r0 =20mm 2. 行程：h=40mm3. 推程运动角： 0=135。 4.远休止：s=60mm5. 远休止角：10。 6. 回程运动角：0，=135。7. 近休止：s=20mm 8. 近休止角：50。 3.1.3 电机部分规格确定：由于电机部分不是我们设计的关键，所以我们采用市场现有的减速电机，根据浇花器固有的特性，因此我们选用规格参数较少的电机。其具体型号如下所示:表3.1 减速电机的参数型号电流空载参数最大功率转速电流转速电流扭矩输出功率VrpmArpmAmNmkgcmW36GP555-12524250.14200.569319.51.953.1.4 定时器部分规格确定：根据减速电机的型号，由此确定定时器的规格型号以及具体参数。我们选用JXH-1 循环定时控制器,其具体参数如下所示1. 工作电压： 24vdc2. 时间设定范围：1 秒23 小时 59 分 59 秒3. 工作温度： -20 度 +60 度4、工作模式：单次定时开、单次定时关、循环定时 5、相对湿度95% 6、计时误差 : 1 秒 / 天 7输出控制功率：3000w3.2 机构关键尺寸优化 根据草图再加以适当的外形处理，完成建模并且制作动态图的时候不难发现，活塞在凸轮的作用下做上下运动的时候，因为其他受力的原因，还可能自身发生转动。而自身的转动并不是我们预期的效果，并且会影响活塞和凸轮之间的配合。为了解决这一问题，如图3.1和图3.2所示，我们再外壳上加了一个小杆，并且在活塞杆上挖了一个深槽。图3.1、图3.2这样，活塞固定杆不会影响活塞的上下移动，并且还能阻止活塞自身的转动。有效的解决了机构运动中不稳定的问题。四：受力分析 4.1 机构静力描述：图 4.1图 4.2图 4.3凸轮受力分析如图4.1，凸轮作为主动件，在凸轮与杆的接触处，在垂直相切的公法线处，有两个力，F12=F12 ，F12和F12是一对平衡力，从图2中可以看出，F12分解以后，在水平和竖直会得到两个分力，恰好可以平衡杆上和活塞杆固定装置上的力，F12分解成F12x和F12y，F12x=F3，F12y=F2,比较图4.1和图4.3，F3=F3= F12x, F2和 F2是一对平衡力，F3和F3也是一对平衡力。4.2机构动态静力变化曲线描述我们选取凸轮进行动态静力变化曲线的描述，这里为了方便起见，选取从动件加速度进行分析，具体分析过程见6.3中仿真参数测量及分析。五：机构运动简图及其尺寸标注：5.1.1 活塞部分的简图及其尺寸标注活塞部分比较简单，做了主视图和左视图，活塞的结构就能够完整表现出来。具体见图5.1.1.1和图5.1.1.2图5.1.15.1.2 上壳部分的简图及其尺寸标注 图5.1.2 5.1.3凸轮机构简图及其部分尺寸标注：活塞部分的尺寸标注见图5.1.1，而下图5.1.3主要是凸轮与活塞配合起来的机构。主要标注了凸轮的相关尺寸。图5.1.3 凸轮机构简图5.2 机构关键构建建模过程 5.2.1 凸轮建模：通过前面的计算可以知道凸轮的以下数据：1.基圆半径：r0 =20mm 2. 行程：h=40mm3. 推程运动角： 0=135。 4.远休止：s=60mm5. 远休止角：10。 6. 回程运动角：0，=135。7. 近休止：s=20mm 8. 近休止角：50。 公式：推程：s=h21-cos(0) （ 0150） 式（5.1）回程：s=h21+cos(0，) （0150） 式（5.2）图5.2.1.1如图，建立直角坐标系，以基圆中心为半径，推程开始点位于x轴上；按逆时针方向，所求点与x轴呈角。利用反转法可得公式：推程：x=r0+h21-cos0cosy=r0+h21-cos0sin 01500150 式（5.3）远休止：x=（r0+40）cosy=（r0+40）sin （150160） 式（5.4）回程：x=r0+h21+cos0，cosy=r0+h21+cos0，sin 1603100150 式（5.5）近休止：x=r0cosy=r0sin （310360） 式（5.6）首先，我们进行对推程的处理，我们在excle中按每一个角度来分行，即150行，并按如图建表：图 5.2.1.2用公式把角度化为弧度，并输入求X的公式：图 5.2.1.3输入求Y的公式：图 5.2.1.4新建一个工作区，按同样的方法分别求得远休止，回程，进休止的各点的（x y z）值：远休止 (10个点) ：图 5.2.1.5 回程 (150个点) ：图 5.2.1.6进休止 (50个点) ：图5.2.1.7新建*.txt”一个格式的文本，按度数顺序分别把四个工作区的各个点的(x y z)值复制到此文本。图5.2.1.8打开solidworks，新建零件图，点击 按钮，选择打开“曲线文件”工作区，图 5.2.1.9点击“游览”按钮插入之前的“*.txt”文本：图 5.2.1.10点确定，即生成曲线：图 5.2.1.11在前视基准面新建一个草图，通过将曲线转化为草图，通过拉伸生成凸轮原件。图5.2.1.12 挖孔后得以下凸轮： 最后处理得：图 5.2.1.135.2.2标准件建模Solidworks 的 Toolbox 插件中提供了上百万种标准件，所以使用 Toolbox 插件可以快速的生成标准件，如齿轮、轴承、螺栓、销钉等等。本次建模使用 Toolbox 生成了除电机、齿轮以外的几乎所有标准件。电机模型来自网络上的零件库。如设计螺栓时，首先还是装入 Toolbox 插件，在这里一起装入“Solidworks Toolbox Browser”。图5.2.2.1在Solidworks 右边的设计库中依次展开“Toolbox”、“GB”、“螺栓和螺钉”、“六角头型螺栓”，如图 5.2.29a，然后在选好型号的螺栓上点击鼠标右键，选择生成零件，然后在左边“ProtertyManager”中设置参数，如图 5.2.29b，然后确定，生成零件后另存为。图 5.2.2.25.2.2.1活塞的建模按照设计尺寸绘制草图，进行拉伸，切除等操作后，得到了活塞的基本形态。图5.2.2.3通过新建草图和拉伸，切除，得到滚轮安放槽。图5.2.2.4通过同样的方法得到轴孔和固定槽。图5.2.2.5最后设置圆角。5.2.2.2其他零件的建模其他零件都是通过图 所示的草图工作区先绘制草图，然后在图 所示的实体建模工作区进行各种实体操作。通过在实体上新建草图和实体来构建较复杂的实体模型。图5.2.2.6图5.2.2.75.3机构总体装配过程：在Solidworks 中，装配要先新建装配体，然后点击装配体工具栏上的“插入零部件按钮”插入零件，如果是打开的零件，就会自动出现在左边的特征管理器中，如果需要的零件没有打开，则点击下边的“浏览”按钮，从弹出的窗口中选取想要的零件，然后确定，用鼠标把零件放置在想要的位置，这就是零件装入的过程，如图 5.3.1 所示。按此方法一次装入各种零件，也可以通过复制粘贴在装配体中插入更多的相同零件。图5.3.1在 Solidworks 中，零件的装配是通过选取实体上的“点”、“线”、“面”，再加上相应的配合关系来实现装配的。各种配合关系如图 5.3.2图5.3.2在此次装配中需要注意的是： (1)机械配合中的“凸轮”配合只能用来配合盘形凸轮和直动凸轮，不能用来配合圆柱凸轮，并且要配合的凸轮曲面各段曲面之间必须相切。 (2)本次装配中使用的其他配合均为标准配合，使用简单，但是同样需要注意的是方向的选择。在装配过程中是不允许过定义的，这点尤为重要。5.3.1 机构总体装配过程电机部分 图5.3.1.1图5.3.1.2下壳部分：图5.3.1.3图5.3.1.4活塞部分： 图5.3.1.5图5.3.1.6上壳部分：图5.3.1.7图5.3.1.8凸轮传动机构部分：图5.3.1.9图5.3.1.10材料清单表5.1项目号零件名材料数量1下壳体塑料12电机架13电机15联轴器16凸轮轴17键18中壳体19活塞110活塞滚轮111凸轮112联轴钉213滚轮销114小球115小球销116上壳体117大球118电机盖螺钉219电机盖120电机壳螺钉421电机盖螺帽222中壳螺钉423中壳螺帽424上壳螺钉45.3.2 爆炸视屏制作在装配体中，点击工具栏上的“爆炸视图”按钮。选取零件或零件组通过拖动三维坐标的轴分别进行 x、y、z 方向的平移。爆炸视频是以爆炸步骤为根据的，因此爆炸步骤的顺序十分重要，最好是实际拆装零件的顺序。图5.3.2.1选择“运动算例”按钮。图5.3.2.2点击按钮。图5.3.2.3选“爆炸”选项。点“下一步”。图5.3.2.4选定参数，点击“完成”。再次打开工作界面。图5.3.2.5选定参数，点击完成,图5.3.2.6设置好以后，保存动画。六：机构运动仿真6.1 机构仿真配置：机构的运动仿真的配置、参数测量主要是通过 Motion 分析中的测量功能，进行 Motion 分析之后，可以很方便的得到（角）位移、（角）速度、（角）加速度，力、力矩等各种所需参数。在电机轴上配置一个马达，数据如图所示。图6.1.1通过拉伸第一横的键码，设置时间为10秒图6.1.2通过新建键码来设置02s 的时间使3个外壳组件逐渐显示，先把帧调在 0s 处将该组件通过鼠标右键透明，然后把帧调到2s 处用同样的方法将其显示，这样即可达到目的。然后在4秒处设置隐藏属性。图6.1.3配置完成后，保存为视屏。6.2 仿真过程描述：在仿真配置完成后，只需点击“运动算例”工具栏上的“计算”按钮开始计算，然后软件会自动计算结果，在这个过程中，窗口中的模型会按配置好的关系运动，此过程时间较长，计算完成后可以点击“运动算例”工具栏上的“结果和图解”按钮来获取想要的参数。具体仿真过程见视屏“动画仿真”。6.3 仿真参数测量及分析在 Solidworks 中仿真参数测量方法为在 Motion 分析后，点击“运动算例”工具栏上的“结果和图解”按钮，然后设置需要的参数，确认后就会生成曲线。图6.3.1凸轮从动件的仿真参数测量及分析从动件的速度时间曲线图图6.3.2从动件的位移时间曲线图图6.3.3从动件加速度时间曲线图图6.3.4从从动件的速度和从动件的位移可以看出从动件的位移和速度都不存在突变，且变化缓慢，有明显的远休止和进休止，满足设计要求。从动件加速度波动较大，所以受到的冲击波动也大。6.4 仿真中存在的不足1、仿真时，设置零件的表面接触是应该考虑摩擦以及弹性系数等，但是在有些地方仿真时如果考虑摩擦及弹性系数，就会出现运算错误，是仿真不能进行下去，所以 只好在凸轮仿真时不考虑摩擦及弹性系数的影响，这可能是由于结构上设计的有问题，或者对软件不够熟悉造成的。2、仿真时，由于客观原因，不能模拟重力，水的冲击力以及活塞和缸桶之间的摩擦力对机构造成的影响，所以我们没能进行力的仿真。这或许也是因为我们学艺不精，对软件不够熟悉的原因。七、设计总结：首先、本次设计的自动浇花器基本达到了要求。连接好装备，设定好时间，基本可以实现自动浇花，而无需人们再去费心照顾自己的盆景等植物。有了这套装置，忙碌的人们无需多费心去照顾自家的小植物，它依然能够为居家美化环境，吸收二氧化碳做出贡献而这些，真是我们精心设计此装置的初衷所在。其次、在此设计中，美中不足的地方时没有加入定时器，但是这不是此装置的重中之重。此装置的核心是利用凸轮传动机构，而这，在我们小组的精心讨论中，不管从方案的确定，还是传动机构装置，甚至投入到实际应用中的气压问题，都得到了比较完美的解决。而定时器的问题，只需要在市场中买到3.1.4章节中提到的定时器，连接在机构中就可以了。再次、机构中还缺少研究的就是：如果进水口接在水龙头上，那时不同楼层的水压不同，因此对此装置造成不同的影响会不同。因为一些客观原因，我们无法测出最适宜此装备的具体水压该为多少，所以这个方面的问题还有待以后的学习生活中去研究。总之，这次的设计虽然达到了我们预期的效果，但是还是存在一些小问题，我们会保留着这些问题，以便在以后的学习中能够继续研究，并加以解决，让我们小组的设计方案更加完善八 收获及体会：通过本次课程设计不仅对所学机械原理、机械设计、机械制图、工程材料、材料力学等知识进行了复习巩固，而且综合的运用了这些知识解决实际的一些问题，同时也学到了很多新的东西，收获很多。