机械原理课程设计-自动粉墙机设计讲解

1、机械原理课程设计 设计题目： 自动粉墙机 学 院： 机电学院 班 级： 072092 专 业：机械设计制造及自动化 小组成员：李亚锋 周磊 张庆远 指导教师： 曾小慧 时 间： 2011 年 7 月 16 日 前言 设计背景： 随着社会不断进步，国民经济的发展的各个行业都迫切需要各种质量优、 性能好、效率高、能耗低、价格廉的机械产品。而且当前各个行业都实现了机械 化。当前，住房是人们的一大问题。社会不断在进步， 房的需求也不断加剧， 随之而来的就是耗时、 耗力的粉墙工作。 一面面巨大的墙现在都需要手工一点一 点的进行粉刷。这样不但耗费体力，而且耗费时间，同时粉墙质量不高，效率极 低。 鉴于当前

2、粉墙的种种缺点，我们组通过思考，准备设计一款全自动粉墙机， 该粉墙机能实现全自动化， 完全的代替手工，实现粉墙的机械化。 不但节省时间， 节省体力；而且还提高了工作质量，提高了工作效率。所以，自动粉墙机是完全 有必要被设计的。 设计目的 : 通过设计全自动粉墙机 ,目的在于解决当前繁杂的粉墙问题 , 让机械代替手 工, 实现机械化。提高工作效率，提高工作质量。此外，目的也在于巩固所学知 识，加强对机构的分析、 计算能力，了解机构的分析方法， 学会设计报告的撰写。 培养机械原理课程设计的能力。 设计中， 通过针对机械进行运动方案设计、 机器 功能分析、工艺动作过程确定、执行机构选择、机械运动方案

3、评定等的思考，可 以进一步巩固、 掌握并能初步运用机械原理的知识和理论， 掌握运动方案和机构 设计的思路和方法。 提高学生利用技术资料、 运算和绘图的能力。 而且能让学生 及早的树立工程设计的观点， 激发创新精神， 培养自学能力， 独立工作和创造能 力。通过编写设计报告，培养学生表达、归纳、总结和独立思考与分析能力。 II 目录 前言 II 目录 III 第一章：设计任务书 - 1 - 1.1 设计题目： - 1 - 1.2题目描述 : - 1 - 1.3主要技术参数： - 1 - 1.4 设计任务 - 1 - 第二章：运动方案选定 - 2 - 2.1 垂直度调节 - 2 - 2.1.1方案一

4、双摇杆机构： - 2 - 2.1.2方案二气液压传动： - 3 - 2.1.3方案三丝杠机构 - 4 - 2.2 抹浆机运动机构选择 - 5 - 2.2.1 方案一 曲柄滑块机构 - 5 - 2.2.2 方案二 直动滚子从动件圆柱凸轮 - 5 - 2.3 抹浆机的前后移动机构选择 - 6 - 2.3.1 方案一：槽轮机构 - 6 - 2.3.2 方案二：圆弧三边形等宽凸轮机构 - 7 - 2.4 竖直移动 - 8 - 2.4.1 方案一：卷扬机带动钢索 - 8 - 2.4.2 方案二：直齿轮传动 - 9 - 2.5 水平移动 - 10 - 2.6 抹浆机总体运动机构简图 - 11 - 第三章：

5、机械系统运动循环图 - 12 - 第四章：抹板运动及凸轮机构分析 - 14 - 4.1 凸轮运动规律 - 14 - 4.1.1 圆柱凸轮运动要求 - 14 - 4.1.2 凸轮各个阶段运动规律分析 - 14 - 4.2 圆柱凸轮轮廓曲线方程 - 15 - 4.2.1 主要参数： - 16 - 4.2.2 理论轮廓线、实际廓线方程 - 16 - 4.3 凸轮压力角计算 - 18 - 4.4 用 Matlab 对凸轮各参数分析结果 - 19 - 4.4.1 运动参数分析 - 19 - 4.4.2 凸轮实际轮廓线绘制 - 20 - 第五章：抹浆机运动传动分析与传动比计算 - 21 - 5.1 皮带传

6、动比 - 21 - 5.2 皮带的选择： - 23 - 5.3 齿轮传动比及参数 - 23 - 第六章：抹浆机前后运动及圆弧三边等宽凸轮机构分析 - 24 - 6.1 等宽凸轮机构轮廓对比 - 24 - III 6.1.1 偏心圆 - 24 - 6.1.2 凸多边形 - 24 - 6.1.3 圆弧三边形等宽凸轮 - 24 - 6.2 圆弧三边形等宽凸轮几何特征 - 24 - 6.2.1 圆弧三边形焦点与焦距 - 24 - 6.2.2 等尺寸性及名义直径 - 25 - 62.3 近圆率 e - 25 - 6.2.4 圆心角 - 26 - 6.3 圆弧三边形等宽凸轮机构分析 - 26 - 6.3.

7、1 主要参数 - 26 - 6.3.2 运动方程 - 26 - 6.3.3 运动分析 - 28 - 6.3. 4 matlab 对三边形凸轮分析结果 - 29 - 6.4 小结 - 30 - 第七章 行星轮系凸轮减速机构 - 30 - 第八章槽轮机构 - 31 - 第九章设计评价 - 35 - 第十章设计小结 - 35 - 参考文献 - 37 - 附录 - 37 - IV 第一章：设计任务书 1.1 设计题目： 自动粉墙机 1.2 题目描述 : 此粉墙机主要由三部分组成， 机体位移装置， 粉墙装置 （以下称为抹浆机）， 以及电子控制装置。 电子控制装置主要负责各部分运动的协调， 这里不做重点解

8、释。 机体位置部 分主要功能是使抹浆机可以在墙面上下以及左右的移动。 要实现抹墙的连续性要 求机架能实现水平运动。左右运动由电机控制机体下方的轮子实现； 抹浆机是整个机器的核心， 它由装混凝土的料斗、 搅拌并给混凝土施压的绞 龙，以及往复运动的抹片组成。 抹浆机要求能实现抹灰运动， 首先要将水泥打到 墙上，然后由抹板进行抹平。 为防止将已抹好的墙弄坏和调节抹灰厚度， 抹浆机 也要实现前后的进退运动。 1.3 主要技术参数： 转扬机 长宽高 =1000600 600 （mm） 抹浆机 长宽高 =1000600 600（mm） 竖直导杆最大高度： 5m 电机 Y90L 功率 1.1KW 转速 10

9、00r/min 绞龙转速 500r/min 抹片长宽 =800100 抹片行程： 100 mm 抹片运动周期： 0.5s 抹浆机上升速度： 0.1m/s 抹浆机下降速度： 0.15m/s 机体水平移动速度： 0.3m/s 1.4 设计任务 1. 根据各个执行件的运动规律拟定运动循环图。 2对各个运动方案进行分析选定，确定最终运动放慢 3设计传动系统并确定其传动比分配。 4. 画出粉墙机运动方案简图，并用运动循环图分配各机构运动节拍。 5凸轮的设计计算。按凸轮机构的工作要求选择从动件的运动规律，确定基圆 半径，校核最大压力角与最小曲率半径。 对盘状凸轮要用电算法计算出理论廓线、 实际廓线值。画出

10、从动件运动规律线图及凸轮廓线图 6. 连杆机构的设计计算。 7. 齿轮机构的设计计算。 8编写设计计算说明书。 第二章：运动方案选定 2.1 垂直度调节 在抹浆机进行抹灰时， 由于墙面不一定与地面垂直， 或地面不一定水平， 如 果抹浆机进行垂直抹灰将导致抹灰失败或抹灰厚度不均， 所以在抹灰时对垂直度 有要求，所以要实现对垂直度的调节。 2.1.1 方案一 双摇杆机构： 设计刚开始时对于垂直度调节我们进行了如下的设想与比较。 首先我们想到 用双摇杆机构实现抹浆机与墙面垂直度的调节。即用如图（ 2.1.1 ）所示机构实 现。 - 2 - 图（ 2.1.1 ）双摇杆机构 评定： 该机构可以实现墙壁与

11、抹浆机的任意角度调节， 通过原动件不转动能带动摇 杆左右摆动。 是实现该功能的首选机构。 但是，墙壁与抹浆机的垂直度只在较小 的角度范围内变化， 用电动机带动原动件运动从而使摇杆左右摆动时， 摇杆的位 置不易调节，而且难以实现微调。 垂直度的调节会因使用该机构变成一个很复杂 的操作。故双摇杆机构不适合实现该功能。 2.1.2 方案二 气液压传动： 垂直度调节我们还考虑到用气压或液压传动来进行调节。如图（ 2.1.2 ） 所示： 图（ 2.1.2 ）气压传动机构简图 评定： 由于空气的可压缩比使工作速度不易稳定、外界变化对速度影响较大，也难 于准确地控制与调节工作速度 。和双摇杆机构一样难以对垂

12、直度进行微调。 但是， 对于这一缺点， 液压传动可以进行弥补， 所以可以综合气压和液压的优点， 采用 气液联合传动装置，利用气压传动灵敏、反应迅速的特点把气压用于控制部分， 而利用液压工作乎稳、可产生较大动力的特点把液压用于驱动部分，这样，服综合应用了气动、液压两者的优点，又避免了两者的某些缺点。这样完全可以实现 该功能的调节。 但是气液联合传动装置制造成本高， 设计复杂， 使用不方便。自动粉墙机中 使用时只起到调节垂直度的作用， 这样不但增加了机器的制造成本而且优点大材 小用。所以不是的和采用该机构。 2.1.3 方案三 丝杠机构 丝杠机构如图 (2.1.3) 图(2.1.3) 丝杠调节垂直

13、度运动简图 评定： 丝杠机构的具有调节灵敏度高，产生的力矩大，结构设计简单，成本低，并 且可以实现自锁，从而避免因为墙面的反作用力难以达到调节的精度。 综合考虑各种机构后， 我们选用了丝杠来进行调节。在简单的机构，低廉的 成本下，不但可以实现任意角度的调节，而且可以实现角度的微调 2.2 抹浆机运动机构选择 抹浆机主要功能是将水泥打到墙上， 然后由抹板进行抹平， 将水泥打到墙上 主要通过铰轮不断搅动将水泥往墙上压， 然后抹板来回运动， 给墙一定的压力将 抹到墙上的水泥抹平。所以核心运动是要实现抹板的往返运动。 2.2.1 方案一 曲柄滑块机构 抹浆机要求实现抹板的左右移动和铰轮的旋转运动。 们

14、初步设想可以用曲柄滑块机构实现，如图（ 2.2.1 ） 对于抹板的左右移动我 图（ 2.2.1 ）曲柄滑块机构 评定： 该机构可以实现抹板的左右移动， 可以实现抹板的预期运动规律， 但是在运 动的始末，加速度和速度有较大突变，会降低机构的使用寿命，磨损较大。曲柄 滑块机构实现从动件的直线运动很简单， 但是要求其耐磨性较高， 且平面度较高。 2.2.2 方案二 直动滚子从动件圆柱凸轮 在凸轮机构中， 从动件加速度按余弦运动规律， 避免了刚性冲击，同时能实 现抹板的预期运动规律。机构简图如图（ 2.2.2 ）所示： 图（ 2.2.2 ）圆柱凸轮机构简图 综合考虑，我们选用直动滚子从动件圆柱凸轮来实

15、现抹板的左右运动 2.3 抹浆机的前后移动机构选择 抹浆机向上抹灰时将水泥抹平， 完成了抹灰运动后需要将抹浆机降下再重新 进行抹灰运动， 如果抹浆机按原路返回势必会将抹好的墙弄坏， 所以要将抹浆机 退出，使它离墙有一段距离然后再退回来， 其次抹灰的厚度不一样， 需要根据实 际要求调节，所以要求抹浆机能够前后移动。 2.3.1 方案一：槽轮机构 在调节抹浆机前后移动机构的选择中， 我们考虑用槽轮机构实现， 其机构简图如 图（ 2.3.1 ）所示： 图（ 2.3.1 ）槽轮机构 槽轮机构作间歇运动， 能够实现所需运动特性要求， 达到自动化的要求设计。 但是槽轮机构在圆销开始进入和退出颈项槽时， 由

16、于角加速度有突变， 在两瞬时 有柔性冲击，而且槽轮的槽数越少，柔性冲击越大，产生的噪声也越大。 在题目要求中， 要求抹浆机实现离墙的前后运动， 做平行直线移动。 该机构 难以输出预期的运动。因此该机构不适合该机器的这个运动规律。 2.3.2 方案二：圆弧三边形等宽凸轮机构 在槽轮机构分析失败后， 我们选择使用圆弧三边形等宽凸轮机构来实现抹浆机沿 墙的前后移动。其机构简图如图 （ 2.3.2 ）所示： 图(2.3.2) 圆弧的三边形等宽凸轮机构简图 评定： 该机构可以实现抹浆机的前后移动， 可以实现抹浆机的预期运动规律， 采用 几何封闭凸轮， 机构有确定的运动路径， 压力角处处为零， 当该机构运

17、动到一个 工作位置后， 将不会受到外力的影响， 对原动件没有反力， 可以很好的控制位置 的精度。但是它难以所需的间歇运动。 综合考虑后，我们选择用圆弧三边形等宽凸轮机构与槽轮机构相结合，这样 既能实现直线运动又能实现间歇运动，满足我们所需要的功能。 2.4 竖直移动 2.4.1 方案一：卷扬机带动钢索 如图 (2.4.1) 所示: 如图(2.4.1) 评定： 抹墙机的上升由卷扬机卷进钢索，缩短钢索的长度来实现，而下降则依靠 自身重力作为动力实现。该方案具有结构简单，成本低廉，操作灵活等特点。但 由于钢索易于磨损，寿命较低。 2.4.2 方案二：直齿轮传动 如图 (2.4.2), 直齿轮传动简图

18、 : 如图 (2.4.2) 直齿轮传动 评定： 采用直尺传动来控制抹墙机的上下运动具有传动平稳，整个过程易于控制， 齿轮设计具有标准化，易于生产，寿命长等的特点，但整个导轨加上一直齿轮， 使机体重量大大增加，且成本较上一方案大幅度提高。 综上所述， 考虑到整机的方便可移动性以及降低成本以向市场推广， 我们选择了 第一个方案，即卷扬机带动钢索。 2.5 水平移动 实现机体水平移动采用如图 (2.5.1) 所示机构来实现 , 如图所示 : - 10 - 图(2.5.1) 该机构主要作用是实现抹墙机的水平移动。 2.6 抹浆机总体运动机构简图 抹浆机机构运动由电机控制，其运动机构简图如图( 2.6.

19、1 )所示： - 11 - 图（2.6.1）抹浆机运动机构简图 第三章：机械系统运动循环图 由题目要求可知， 自动粉墙机运动主要包括机体沿墙壁的左右运动， 抹浆机 沿墙的前后运动， 抹浆机沿导杆的上下运动， 导杆与墙的垂直度调节及抹浆机的 抹灰运动。 其中前四种运动主要根据实际抹灰时的要求进行调节， 具体数据都根 据粉刷墙壁时进行具体操作。 运动循环图：以一个工作周期为参考，如图（ 3.1 ）所示： - 12 - 图（3.1 ） 运动循环图 A粉墙机水平移动 B抹灰机竖直移动 C抹灰机进退运动 D抹灰机工作方式 粉墙机的核心部分抹浆机， 它的抹灰运动要求抹板每秒粉刷两次， 圆柱 凸轮的转速为

20、120r/min 。铰轮的转速为 500r/min 。所以抹浆机的运动循环图如 图（3.2 ）所示： - 13 - 图（3.2 ）抹浆机运动循环图 第四章：抹板运动及凸轮机构分析 4.1 凸轮运动规律 4.1.1 圆柱凸轮运动要求 凸轮运动要求如表（ 4.1.1 ）所示： 凸轮转角 （） 05 5175 175 185 185 355 355 360 运动规律 近休 推程 远休 回程 近休 表（ 4.1.1 ） 凸轮运动规律 在近休段，抹板运动速度及加速度都为 0； 在推程段， 抹板运动速度线图满足正弦曲线， 按照余弦加速度规律进行运动； 在远休阶段，抹板速度与加速度都为 0； 在回程阶段，

21、抹板运动速度线图满足正弦曲线， 按余弦加速度规律进行运动。 4.1.2 凸轮各个阶段运动规律分析 从动件在各个运动阶段的位移、速度、加速度变化规律如下所示： 0 5s=0 v=0 a=0 ； - 14 - 5 175 h s 2 1 cos 5 2h v 2h s i n 5 22 a h2 cos5 a 2 2 cos5 175 185 s=h v=0 a=0 185 355 h s 1 cos 185 2 2h v2h s i n 1 8 5 2h 2 a 2 cos 185 22 355 180 时，式（4.2.6）中坐标 z 为： - 17 - rR z Rsin 由式（ 4.2.6）

22、可以看出实际轮廓曲线有两条，上式取 +时为图中的曲线 a，取 时为图中的曲线 c。 4.3 凸轮压力角计算 将凸轮展开成平面图，给凸轮一个反向速度 V1，此时假设凸轮不动， 过平均圆柱半径 rm 处的滚子中心 B作凸轮理论廓线的法线 n一n与从动件速度 VB 的夹角即为直动从动件圆柱凸轮机构的压力角，如图（ 4.3.1 ）所示，该角也等 于凸轮理论廓线在 B点切线 t 一t 与凸轮线速度厦 V1的夹角。如图（ 4.3.1 ）所示： 图（ 4.3.1 ） 压力角计算图 由图可知， 力角为: 直动从动件圆柱凸轮机构的压 ds 1 tan （4.3.1） d rm 其最大压力角及其位置有 - 18

23、- ds 1 tan max d max rm (4.3.2) 式中 rm为圆柱凸轮的平均圆柱半径。 直动从动件圆柱凸轮机构运转时， 一般应满 足最大压力角 : max 许）。 该凸轮从动件运动规律为： 05 s=0 ds 0 d 5 175 s h2 1 cos 5 ds h d 2 cos 5 175 185 s=h ds 0 d 185 355 h s 1 cos 185 2 ds h 2 cos 5 355 =0 v=-c*w*sin(2*pi/3-fi); a=c*w2*cos(2*pi/3-fi); b(i,:)=fi s v a; end i=i+1; end 输出加速度 %输出

24、运动参数 凸轮转角 输出位移 输出速度 b(:,1) b(:,2) b(:,3) b(:,4) %输出运动参数图 subplot(3,1,1); plot(b(:,1),b(:,2) subplot(3,1,2); plot(b(:,1),b(:,3) subplot(3,1,3); plot(b(:,1),b(:,4) - 46 - 凸轮转角 输出位移 输出速度 输出加速度 0.0500 6.2337 0.0302 0.0632 0.1000 6.2553 0.0604 0.0630 0.1500 6.2913 0.0904 0.0626 0.2000 6.3416 0.1201 0.062

25、1 0.2500 6.4060 0.1496 0.0613 0.3000 6.4844 0.1787 0.0605 0.3500 6.5765 0.2073 0.0595 0.4000 6.6823 0.2354 0.0583 0.4500 6.8013 0.2630 0.0570 0.5000 6.9333 0.2899 0.0556 0.5500 7.0745 0.2884 -0.0556 0.6000 7.2058 0.2615 -0.0571 0.6500 7.3240 0.2339 -0.0584 0.7000 7.4290 0.2057 -0.0595 0 6.2265 0 0.0

26、633 - 47 - 0.7500 7.5204 0.1771 -0.0605 0.8000 7.5980 0.1479 -0.0614 0.8500 7.6616 0.1185 -0.0621 0.9000 7.7111 0.0887 -0.0626 0.9500 7.7463 0.0587 -0.0630 1.0000 7.7671 0.0285 -0.0632 1.0500 7.7735 -0.0017 -0.0633 1.1000 7.7655 -0.0319 -0.0632 1.1500 7.7430 -0.0620 -0.0630 1.2000 7.7062 -0.0920 -0.

27、0626 1.2500 7.6552 -0.1218 -0.0620 1.3000 7.5900 -0.1512 -0.0613 1.3500 7.5108 -0.1803 -0.0604 1.4000 7.4179 -0.2089 -0.0594 1.4500 7.3114 -0.2370 -0.0582 1.5000 7.1917 -0.2645 -0.0569 1.5500 7.0589 -0.2913 -0.0555 1.6000 6.9178 -0.2869 0.0557 1.6500 6.7873 -0.2599 0.0572 1.7000 6.6697 -0.2323 0.058

28、5 1.7500 6.5655 -0.2041 0.0596 1.8000 6.4749 -0.1754 0.0606 1.8500 6.3981 -0.1463 0.0614 1.9000 6.3352 -0.1168 0.0621 1.9500 6.2866 -0.0870 0.0627 2.0000 6.2522 -0.0570 0.0630 2.0500 6.2322 -0.0268 0.0633 三 槽轮机构源程序及数据结果 %- 2011/7/12 9:35 -% %槽轮机构运动分析 dr=pi/180; % 弧度与角度的转换系数 z=6; % 槽轮的槽数 f1=pi/z; % 槽

29、间半角 f2=pi/2-f1; % 销轮运动半角 lmd=sin(f1); % 曲柄与机架长度之比 ct=-f2/dr; % 循环初值 bc=5; % 步长 ce=f2/dr; % 循环终值 i=1; % 矩阵行数计数 for f=ct:bc:ce % 计算槽轮角位移、正比角速度、正比角加速度 jwy=atan(lmd*sin(f*dr)/(1-lmd*cos(f*dr); % 角位移计算式 jsd=lmd*(cos(f*dr)-lmd)/(1-2*lmd*cos(f*dr)+lmd2); % 角速度计算式 jjsd=lmd*(lmd2-1)*sin(f*dr)/(1-2*lmd*cos(f*dr)+lmd2)2; % 角加速度计 - 48 - 算式 c(i,:)=f jwy/dr jsd jjsd; % 矩阵第 i 行各列 i=i+1; end