机械原理课程设计

1、 中国地质大学（武汉） 机械原理课程设计机械原理课程设计课设题目：铁板输送机构的设计 目录一、课题 1.1工作原理及工艺动作过程-2 1.2设计数据及设计要求-2 1.3课程设计任务要求-21.4设计提示-3二、输送方案的设计与电动机参数的确定 2.1方案一-3 2.2方案二-42.3方案三-62.4电动机与减速装置的选择-7三、机械系统运动循环图的绘制-7四、总体机构运动简图-7五、执行机构的参数确定 5.1齿轮系齿数的确定-85.2四杆机构杆长的确定-9六、机构的运动分析6.1数学模型的建立-126.2各构件的运动图像-13七、三维模型-17八、总结-参考文献-附录：源程序- 1第 页一、

2、课题：铁板输送机构的设计1.1工作原理及工艺动作过程： 将卷料展开并剪成一定长度铁板的剪板机，可以有两种剪断方式。一种方式是板料匀速连续送进，剪刀在和铁板同步（同速）前进的运动中剪断铁板，即飞剪机。另一种是将板料做定长度的间歇送进，在板料短暂的停歇时间内，剪刀在一定位置上将铁板剪断，本题要求做后一种剪断方式的机构方案设计。1.2设计数据及设计要求：(1) 原材料为成卷的板料。每次输送铁板长度为L1900或2200mm (设计时任选一种).(2) 每次输送铁板到达规定长度后，铁板稍停，以待剪板机构将其剪断。剪断工艺所需时间约为铁板输送周期的十五分之一。建议铁板停歇时间不超过剪断工艺时间的1.5倍

3、，以保证有较高的生产率。(3) 输送机构运转应平稳，振动和冲击应尽量小 (即要求输送机构从动件的加速度曲线连续无突变)。 1.3课程设计任务要求(1)根据设计要求，考虑1-2种系统运动方案，并对其传动性能进行初步分析比较，画出运动方案草图。经讨论比较后选定一种较佳运动方案。 (2) 对机构进行运动分析，绘出运动线图。 (3) 画出整个机构组合系统的机构运动方案简图和运动循环图。1.4设计提示 实现间歇运动大致有如下几种途径： (1)机构中运动构件暂时脱离运动链，使后续构件实现停歇。 (2)用构件上一点在圆弧段或直线段上运动，使与之相连的构件实现停歇； (3) 用两种运动的叠加，使机构实现间歇运

4、动；二、输送方案的设计与选择 2.1方案一 不完全圆盘机 图2-1 方案一图2-1所示机构的输送原理为：利用圆盘与铁板之间的摩擦力使铁板向前输送，并使圆盘在特定位置与铁板之间无接触，以致没有摩擦力而停止铁板的输送。根据题目可知，若设输送时间为t1，则剪板时间为t11/15，则停歇时间为1.5t11/15=0.1t1；若令一个工作周期为t，则输送时间为t1011，停歇时间为t111；可确定以下参数：（1） 停歇时间所占角度为36011=32.7（取30）（2）为了使剪切过程能够安全地进行，取其所占角度为25（3）输送时间所占角度为330（4）圆盘直径d=2200360330764mm首先此方案设

5、计有点低端，再者不完全圆盘机构在与铁板刚开始接触和分离时期，铁板运动的加速度会发生突变，运动过程不稳定，且圆盘与铁板未接触时（即剪切过程），不完全圆盘机构无法对铁板进行固定，故不考虑此方案。2.2方案二 不完全齿轮机构 图2-2 方案二根据方案一中的计算可知，不完全齿轮的停歇角度为36011=32.72故当不完全齿轮的停歇角度32.72，就满足设计条件任务要求，为便于计算，取=30，通过查阅书中有关不完全齿轮机构的资料可知，将不完全齿轮的齿数定为22，其中330对应齿数22，30对应锁止弧。 理论上完整齿数为22330360=24 表1查阅书中标准齿轮的模数表（如表1），选取模数m=6，故不完

6、全齿轮分度圆直径d=246=144mm，当两个不完全齿轮分度圆直径选取一样时，可得齿轮中心距为a=144mm。(注：根据实际工作情况，选择齿轮的内啮合或外啮合，内啮合可以减少所占用的空间)在不完全齿轮外面附加辊轮直径d=2200360330764mm，借助辊轮与铁板之间的摩擦力即可完成所需要的铁板输送要求。虽然图2-2中的不完全齿轮机构结构简单，制造容易，工作可靠，设计时从动轮的运动时间与静止时间的比例可在较大的范围内变化，但由于其在啮合传动中，首齿进入啮合及末齿退出啮合过程时，轮齿并非在实际啮合线上啮合，因而在此期间不能保证定传动比传动，且从动轮每次转动开始和终止时，角速度有突变，存在较大的

7、冲击，对机构有较大的磨损，不满足题目中的运送平稳，振动、冲击尽量小，故不考虑此方案。2.3方案三 齿轮连杆机构 图2-3 方案三 通过前两个方案的分析可知，要使机构不发生速度、加速度的突变，不能单一的选取一种间歇运动机构，需要采用组合机构来完成上述间歇运动要求。图2-3中2-3-4-H是一个自由度为2的差动轮系，内齿轮4和辊轮输送机构4一起作为输出构件。当构件2或3做匀速运动输入时，另一构件H作连续非匀速运动输入，则总可以使构件4在某段时间的角速度为零。此方案无突变情况发生（由后面的运动分析图可知），传动性能稳定，并且还能对铁板起到固定作用，防止运送和剪切过程中铁板滑动，故最后选择采用此方案完

8、成铁板输送的任务。2.4电动机与减速装置的选择根据课题要求可知，剪切过程需要一定的时间，且其占输送时间的十五分之一，则原动件的转速要取较小值，故应该选择转速较低的电动机，查阅相关资料，选取额定电压为380V，额定转速为750r/min的三相异步电动机，为满足剪切所需的要求，添加两组传动比i=5:1的减速齿轮（齿数取10、50，模数取5），则最终传到原动件的转速为3r/min，原动件的角速度1=/10，停歇时间为1.8s，剪切时间为1.2s。3、 机械系统运动循环图的绘制 表2 时间 18.2s 1.8s 滚轮 输送铁板停止输送剪板机 停止剪切停止 时间 18.5s1.2s0.3s四、总体机构运

9、动示意图 （注：总体机构运动图见附页） 图4-1 总体机构运动示意图五、执行机构的参数确定 5.1齿轮系齿数的确定如图4-1所示，齿轮1和杆AB固结在一起，杆CD与系杆H是一个构件。在主动曲柄AB（齿轮1）等速转动一周的时间内，从动齿轮4按下述规律运动：当曲柄开始转过1=30时，齿轮4停歇不动，以等待剪切机构将铁板剪断；在主动曲柄转过一周中其余的角度时，输出构件4转过240，这时刚好将铁板输送到所要求的长度。且为了提高传动的效率，要求四杆机构的最小传动角min ,可以取 =40（查阅机械原理第八版P134可知：min 4050，机构传力性能比较好）。在齿轮2、3、4及系杆H组成的差动轮系中 i

10、24H=(2-H)/(4-H)=- z2/z4 -在齿轮1、2组成的定轴轮系中： i12=1/2=- z2/z1-联立可得： 4=(1+ z2/z4)*H+1*z1/z4 -将式两边同乘以时间可得:： 4=(1+ z2/z4)* H+1*z1/z4 -由式可知：齿轮4的输出运动为构件1和系杆H的合运动，欲使主动齿轮1从某瞬时开始转过1=30过程中构件4能产生停歇，则应令4=0，可得：H=-z1/ (z2+z4)* 1-由式可知：该组合机构中四杆机构的主、从动杆之间的传动关系，欲使从动齿轮4能实现停歇，就必须设计出一个能满足式的曲柄摇杆机构。设主动轮1转一周的时间为T，将上式两边积分后得： 又

11、则4=1*z1/z4若要求齿轮1转一周时，齿轮4转4=300，送料2200mm，则有：z1/z4=4/1=240360=2/3，取z1=40，则z4=60；取定轴传动齿轮1、3的传动比为i=1.33，则z2=30；由同轴条件得：z4=(z2+ 2z3), 则z3=15；查标准齿轮模数表（表1）后，根据运动要求及实际尺寸取m=5，则：D1=m* z1=540=200mm D2=m* z2=530=150mm D3=m* z3=515=75mm D4=m* z4=560=300mm又d300360=2200mm，则辊轮直径d=2200360330764mm5.2四杆机构杆长的确定采用课本(1)上机

12、构倒置的方法。如图5-1所示，先根据齿轮1、2的直径定出机架AD的长度d= m(D1 +D2)/2=175mm 从而确定铰链A、D的位置。 由式可知：H=4 /91选取原动件AB的长度25mm，取AB与机架AD的初始夹角1为30，然后分别让AB依次逆时针分别转过两个转角18、54，定出其第二、第三位置AB2、AB3，为了求得铰链C的位置，连接B2D、B3D，根据反转法原理，将其分别绕D点逆时针反转两个8、24，从而得到两点B2、B3，则B、B2、B3三点确定的圆的圆心即为所求铰链C的位置，即可得到各杆件的长度。具体的设计图形如下： 图5-1 连杆设计图由图5-1可知，各杆件的具体尺寸为 AB=

13、25mm BC=184.07mm CD=61.57m AD=175mm ABBC=25+184.07=209.07mm，ADCD=175+61.57=236.57mmABADBCCD满足杆长要求，且AB为最短杆，则满足AB是曲柄的条件。根据作图法可知：最小传动角出现在主动曲柄与机架共线的位置，1=arccos(BC2CD2(AD+AB)2) / (2BCCD) =arccos(184.07261.572(175+25)2) (2184.0761.57) =84.112=arccos(BC2CD2(ADAB)2) / (2BCCD) =arccos(184.07261.572(17525)2)

14、(2184.0761.57) =47.98则最小传动角min=47.9840，满足传动角的要求，且机构传力性能比较好。6、 机构的运动分析 图6-1 数学模型图6.1数学模型的建立由图6-1可知： 写成投影方程可得： L1cos1L2cos2L4L3cos3 L1sin1L2sin2L3sin3上式为非线性方程组，要先借用几何法解出表达式，再画2、3随1变化的图像，具体解法如下：连接图6-1中BD,在ABD中：在CBD中：在BDA中：则：2=2-在BCD中：则：3=2-将以上位移方程式分别对时间求一次、二次导数，并写成矩阵形式，即可求得关于角速度和加速度方程式：第一次求导： w1L1sin1w

15、2L2sin2w3L3sin3 w1L1cos1w2L2cos2w3L3cos3 -L2sin2 L3sin3 w2 sin1 -L2cos2 L3cos3 w3 w1L1 cos1 第二次求导：w12L1cos12L2sin2w22L2cos23L3sin3w32L3cos3-w12L1sin12L2cos2w22L2sin23L3cos3w32L3sin3 -L2sin2 L3sin3 2 w12L1cos1w22L2cos2w32L3cos3 -L2cos2 L3cos3 3 w32L3sin3-w22L2sin2w12L1sin1 6.2各构件的运动图像 根据6.2中计算的数学表达式，

16、用matlab进行编程后（程序见附录），即可求出连杆机构的各参数随原动件的运动图像。 1、转角变化图像： 连杆2的转角随原动件(杆1)的变化图像 连杆3的转角随原动件(杆1)的变化图像2、角速度变化图像： 连杆2的角速度随原动件(杆1)的变化图像 连杆3（系杆H）的角速度随原动件(杆1)的变化图像 3、角加速度变化图像： 连杆2的角加速度随原动件(杆1)的变化图像 连杆3（系杆H）的角加速度随原动件(杆1)的变化图像4、所有图像的汇总： 从Matlab编程绘出的运动分析图像可以看出，系杆H(连杆3)角速度、角加速度都没有发生突变，整个运动过程平稳，满足了设计要求。七、三维模型 基于SolidW

17、orks软件，建立了图4-1中各机构的零件模型，如图7-1、7-2、7-3所示，再将这些零件进行装配，可得图7-4所示的总体机构的三维模型。 图7-1 电机模型 图7-2 齿轮模型 图7-3 连杆及轴模型 图7-4 总体机构的三维模型 八、总结参考文献附录：源程序%定义已知变量值l1=25;l2=184.07;l3=61.57;l4=175;omega_1=pi/10;hhd=pi/180; %hhd代表化弧度hjd=180/pi; %hjd代表化角度 for n1=1:360theta_1(n1)=(n1-1)*hhd;L=l12+l42-2*l1*l4*cos(theta_1(n1); %

18、BD长度的平方用L表示l=L(1/2); %BD的长度用l表示delta_1=acos(l22+L-l32)/(2*l2*l); %delta_1表示CBDdelta_2=acos(L+l42-l12)/(2*l*l4); %delta_2表示BDA%计算连杆2的转角theta_2(n1)=2*pi-delta_1-delta_2; delta_3=acos(l22+l32-L)/(2*l2*l3); %delta_3表示BCD%计算连杆3的转角theta_3(n1)=theta_2(n1)-delta_3; %计算连杆2、连杆3的角速度A=-l2*sin(theta_2(n1) l3*sin

19、(theta_3(n1);-l2*cos(theta_2(n1) l3*cos(theta_3(n1);B=omega_1*l1*sin(theta_1(n1);cos(theta_1(n1);X=AB;omega_2(n1)=X(1);omega_3(n1)=X(2); %计算连杆2的角加速度和滑块3的线加速度C=-l2*sin(theta_2(n1) l3*sin(theta_3(n1);-l2*cos(theta_2(n1) l3*cos(theta_3(n1);D=omega_12*l1*cos(theta_1(n1);-sin(theta_1(n1);E=omega_2(n1)2*l2*cos(theta_2(n1);-sin(theta_2(n1);F=omega_3(n1)2*l3*-cos(theta_3(n1);sin(theta_3(n1);Y=C(D+E+F);alpha_2(n1)=Y(1);alpha_3(n1)=Y(2); end%画图subplot(2,3,1)plot(theta_1*hjd,theta_2*hjd)title(连杆2转角随theta_1变化的图像);xlabel(曲柄1转角 th