机械原理课程设计(自动叠衣机)

1、中国地质大学（武汉）2011年机械原理课程设计自动叠衣机构设计： 07209302 郑晋峰180曾小慧指导老师:目录1一、设计原理及任务2设计目的及原理2i殳计任务2二、方案确定及其机构选型3总体结构设想3执行机构方案3执行机构方案一3执行机构方案二4传动方案4整体机构示意图5三、尺寸设计6齿轮传动设计6执行机构设计8四、执行机构运动分析 10四杆机构运动分析10导杆机构运动分析13五、设计评价17六、心得体会18七、参考文献20八、附录20附录一四连杆较链机构运动分析程序20附录二 导杆机构分析源程序 23设计原理及任务设计目的及原理设计目的：该机构可以供给家庭登衣服运用。现代人的生活节奏越

2、来越快，面对做不完 的工作，面对没完没了的应酬，人们感觉非常的疲惫，更头疼的是还得抽出时间做家务，做 清洁。现代化对我们是非常的重要，洗干一体，榨汁机，豆浆机，面包机，洗碗机，我们就 在这样的方便当中来馈解生活的压力，那么，人们同样希望有个机器能够代替他们去整理洗 干的衣物所以我们从现代化机械发展和人们需求方面考虑的，就想设计一款能够整理衣物的 机器。运动过程设计：电机的转动提供动力，引起主动件转动。主动件引起整个机构运动，折 登板实现衣物折殳运动，整个机构以机械原理课本上的佼链四杆机构和导杆机构为主导来实 现该机构的运动。为了实现折殳板的运动是确定的运动，我们在最初的设计上进行了改进：折登板

3、的转动 较链处装上复位弹簧使折叠板能够实现完全确定的运动。该机构采用电力驱动，传动方式为：电机-主轴转动-齿轮转动-工作部分的折殳运动。设计任务1 .自动受衣服机构包括连杆机构、导杆机构、齿轮机构三种常用机构。2 .设计各机构的相对位置和各构件的尺寸。3 .利用CAD画出各机构的运动方案简图，并用运动极限位先确定各机构运动最大行程或最 大转角。4 .根据已知条件计算出各构件的尺寸，在soliworks上建模做模拟运动分析，检脸运动是否 能够满足预期的运动设想。5 .利用MATLAB对各个机构进行位移、速度、加速度分析，绘出运动曲线图。6 .齿轮机构的计算与设计。根据传动比选择齿轮，根据齿宽确定

4、各两齿轮的齿数，给出模数， 进而确定齿轮的各个参数，绘制成表。7 .编写设计计算程序，运用MATLAB软件对函数关系进行绘图表达，最后输出图形，直观表 达设计结果。机构选型及其方案确定总体结构设想通过折衣服的动作可以知道，机器叠衣服时主要完成180度得转动即可实现，因此设想 电机的转动提供动力，引起主动件转动。主动件引起整个机构运动，最终折登板实现衣物折 电运动，由此设计了执行机构和传动机构；执行机构由连杆机构和导杆机构组成：传动部分 由齿轮系组成，但是为了协调动作的连续性齿轮1设计成不完全齿轮，下面介绍执行机构的 和传动机构的选型。执行机构方案执行机构方案一如图22所示，该方案主要利用了连杆

5、机构在运动过程中存在的死点，通过死点来 实现我衣服的工作要求，实现了接近180度的转动，执行件的转动角度只能是接近180度, 而且大于180度。图21方案一机构简图执行机构方案二该方案是在执行件的转角处装了复位弹黄，通过复位弹簧的作用可使执行件转动180 度时速度为零，并且反向运动，实现交衣服的工作要求。三维建模图以及机构见图如图2 2所示。图22三维建模图以及机构见图方案比较：方案一是通过自身运动过程中的死点实现确定的运动但是执行件的转角大于180 度，而食衣板是需要做180度的转动，但是该种方案通过减小摆角使执行件的转动尽可能达 到预期的运动效果但是永远不能达到理想的运动效果。然而方案二是

6、在上一种方案上进行 了改进，在执行件的转角处装了复位弹要，利用复位弹簧来达到理想的运动效果，复位弹簧， 该种方案更能使机构作确定的运动，在机械原理课程设计中，我们选择第二种方案进行 分析。传动方案从上面的机构示意图可知，执行机构的运动不能同时运动，必须将两个机构的运动错 开，为此选择了间歇机构中的不完全齿轮机构来实现该种运动的要求，齿轮传动机构示意图如图23所示:齿轮2图23齿轮机构示意图整体机构示意图整体机构示意图如图24所示:图24整体机构示意图齿轮3三、尺寸设计齿轮传动设计该部分是为了使整个机器能够合理的运动、协调机构间的运动，执行机构结构的整体=1,齿轮1的齿所在圆周的范围应该基本为对

7、称结构构，如下图31所示，但是原动件的运动方向相反，而且两个原动件不能 同时转动，都是由电机提供动力，我们设计了不完整齿轮揄出动力，即齿轮1为不完整齿轮， 当齿轮1与齿轮2啮合时，则齿轮1不会与齿轮2'啮合，同理齿轮1与齿轮2'啮合时，则 齿轮1不与齿轮2啮合，齿轮2只是为了改变齿轮1传动齿轮2的方向，为了达到预期的效 果完整齿轮的齿数比为 % = 2小于整个圆周的1/2,传动比接近于1。由于不完整齿轮存在刚性冲击，需要在两轮上加装瞬时线附加杆，为了保证齿轮1的首齿轮能顺利的进入啮合状态而不与从动轮的齿顶相撞, 需将首齿齿顶高作适当的削减。图31齿轮机构结构图由前面根据承受载荷

8、情况设定齿轮模数3?加，选取压力角为a = 2(1,齿顶高系数万二1,顶隙系数c = 0.25,并且 e = $ ,则该直齿圆柱齿轮的几何尺寸参数如下表31、表32所示:齿轮1 表31名称代号计算数值名称代号计算数值模数m3 inn压力角OC20°齿数18分度圆直径d54mm齿顶高ha3mn齿根高hf齿全高h齿顶圆直径da60mm齿根圆直径df基圆直径db告距P37r基圆齿距Pb2.8万尺厚S1.5%齿槽宽e1.5%齿轮2 表32名称代号计算数值名称代号计算数值模数m3mn压力角CC20°齿数N36分度圆直径d108mm齿顶高h.3 inn齿根高hf齿全高h齿顶圆直径da1

9、14mm齿根圆直径df基圆直径db告距P3允基圆齿距Pb2.8万尺厚S1.5%齿槽宽e1.5%这部分由于时间的限制，只是做了一部分的脸算，可能还存在一定的问题，我们将会在以后的学习中进一步完毒。执行机构设计<1>设计目标：曲柄带动摇杆转动，摇杆再作为导杆机构的主动件带动执行件转动，执行件 实现180度的转动，摇杆摆角为60度。<2>机构划分：根据我们的初步方案，通过三维建模（如图3-3）可知，执行机构可以划分 为四连杆技链机构（如图34）和导杆机构（如图35）,<3>尺寸确定：由于一般情况衣服的宽度为600rnn900mm,如果我衣服机要想把衣服会整齐，整个

10、机 器中间不运动部分的宽度为360m,运动的折衣服板的宽度分别为250mm,由于整个机构又对 称，由此可知，机架的长度应该小于180mm,在这里首先将其初值定为170m,即机架AE=170mm,执行件的长度应该小于250mm,如果执行件的长度太短的话，根据杠杆原理的执 行件太短不合理，而且机架EC的距离应该大于摇杆的长度，根据上述确定执行件的长度为200mm，即0D=200mm,首先设定摇杆的理想摆角为60 ,各个杆的尺寸可以根据机械原理按预定的运动规律设计四杆机构的方法来设计，运用解析法来设计,B'图35建立数学模型如图35所示：当摇杆ED处于左极限位置时，有几何关系可的:OE =

11、OD tan a吁也 sin"ED=OE+ODd， ae2 + ecm2-acm2-cos& =3 2xAExECMAC'=A8'+8'C(31)(32)(3-3)(3-4)(35)当摇杆处于右极限位道时，有几何关系可得:*-cosq =。/ +松一心2xC'ExAE(36)AC=BC-AB (37)通过上面初步确定的尺寸以及上述数学关系式计算处执行机构中各构件的长度，接着验算此 时的机构能否满足运动规律的要求以及锐链四杆机构有曲柄的要求和参数要求，由此得曲柄 的长度l1=80mm,连杆的长度l2=350m,摇杆的长度l3=320mm,摆角为度

12、，最终确定较链四 杆机构为曲柄摇杆机构。得 M =cos a=人尸+4。2一。七22xAExAC=0 得4 =903图41 四杆机构极为夹角为6 = 44二50根据8=180° (K-1) /(K+1)得速比系数K三四、执行机构运动分析四杆机构运动分析建立数学模型封闭杆矢量图如图41所示，由封闭图形ABCDA可写出机构各杆矢所构成的封闭矢量方程(4-1)1、位置分析：(假定q二10r/s)水平方向：/1Cos4+/)cos& =/*cos&+(42)>竖直方向：/)sin 0x +l2 sin 02 = /3 sin 6、由于该式是一个非线性方程组，直接求比较困

13、难，在这里借助集合方法进行求解，如图41所示： 、-一2“4 COS 41外=arcs in|y sin 彳(43)=arccos =->23a=4-外-我八 .(Asin8 -/ sin.仇=arcsui ;!LI k )2、速度分析(4一2)式对时间t求导数)：(44)lxCOx COS q + l2CO2 COS a = 13G3 cos 伙、Ah(D sin q + l2co2 sin 02 = 13g sin 0y(45)'-(sin。，& sin” 丫 j(sin，1 'J cos% -AcosqUJ 汽fcos%解上式即可求的二个角速度g2、e。3、

14、加速度分析将(42)式对时间t求二次导数，可得加速度关系表达式cosq、coxl sin 4(46)-/2 sin 02 ，3 sin a Ya?'/cosC? -Acos&r 人 氏,cos% 例八 cos，?g、 一4 sin % gh sin 6、人 g)解上式即可求得两个角加速度2?、2?。经过matlab编程可求得、6、%、例 、%、4程序以及运行所得数据见附录程序运行后所得运动线图如下困所示:图42角位移图像图43角速度图像xgurc 1图44角加速度图像由图42、图43、图44可知，角位移和角速度的运动过程基本达到了预想的要求 的，但是，连杆和摇杆的角加速度会发生

15、突变，但变化是慢慢的，则存在柔性冲击，虽然在 运动过程速度并不会很高再加之变化是很慢的，也就是运动基本合理。导杆机构运动分析图45 导杆机构图封闭杆矢量图如图45所示，由封闭图形ABCA可写出机构各杆矢所构成的封闭矢量方程:,7 =4+互1、位正分析将(47)式投影到坐标轴上可得： 、COS a = sc cos3>乙 + 4 sin a = sc sin 8、J由几何关系的：A Q J 】7 cos4 1q =4-arcsul sc = J，； +，? + 2,617 sin -2、速度分析(47)(48)(49)将(48)式对时间t求一次导数，得速度关系(410)16g cos 05

16、 = vc sin + sccoy cos 又-(4 sin q = vc cos a 一sccoy sin ” 若用矩阵形式来表示，则上式可写为：'cosq、sin 4(sing V%、(cosg 1.明sina '=CO-iS(. "osej(411)解上式即可求得滑块相对导杆的速度为0和执行件的角速度多3、将(48)式对时间t求二次导数，可得加速度关系表达式:cos3 /6 sin 05、sin4 /6cosJa5>'-gsin4gcosaco5lbcos05 Y uj的6 sin «4对，一例 cos6j + CD.Sr1_gsingj

17、(412)解上式即可求得滑块相对导杆的线加速度与和执行件的加速度内经过mat lab编程可求得&、s,、多、% 、%、cic程序以及运行所得数据见附录程序运行后所得运动线图如下图所示:图46 角位移图像角位移线图说明：此运动线图表示的是执行件运动时的角位移线图，横坐标为导杆与水平位 置所成的角，即名，"的范围为60度到120度之间，此后执行件一直在做往复运动，而且 导杆也在摆动，摆角为60度，此线图说明了执行件的运动基本满足了我们设计的需要°图4-7角速度图像cure I口回区IZilo'l. aw Lnsfirt tools Rlrt &p 比;n

18、dcw b(ftlp口 ¥ 口多R或氢争®点日口图48角加速度图像图46、图47、图48表示的是执行件的运动线图，印折衣板的运动线图，由图 可知折衣板的角位移运动线图基本满足了我们设计的需求，折衣板的角速度线图可知，折衣 板运动的速度也满足我们的设计需求，但是，有图48角加速度线图可知，折衣板的龟加 速度会发生突变，但变化是嫌慢的，则折衣板在运动过程中存在柔性冲击，虽然在运动过程 速度并不会很高再加之变化是很慢的，因此折衣板的运动基本合理。五、设计评价设计的优点：<1>人们对于衣服这种软材料物品整理，暂时还认为不能,用简单的机器代替人工，但是 我们想了而且也尝试

19、的做了：<2>该方案运用了比较的简单的机构来实现动作要求。设计的缺点:<1> 在齿轮传动机构中运用了不完全齿轮，不完全齿轮的首齿轮进行啮合时存在刚性 冲击。<2>该机构最后是否能实现我们预想的殳衣服的效果是不能够确定的。设计的改进：由于该机构实现折衣服的预想，还需要人提供帮助，在此机构完全设计好后，将在该 机构上进行改进，实现不需要人提供帮助就能实现折衣服的预想，即实现衣服洗后的晾、际、 整理都能通过该自动登衣服机实现，而且该自动受衣服机可以当作衣柜使用，这是我们整个 机器的设想，并且将在我们以后的设计中实现。六、心得体会从机械创新设计大赛的主题出来，到确定

20、选题，到现在的课程设计，真的使我受益匪浅， 感受颇深在机械原理课程设计之前就说我们这次的课程设计可以根据机械创新设计大赛的 主题进行选题，所以我们一直关注机械创新设计大赛的主题公布，主题出来以后我们就开始 组队进行选题，我们定了一个月的选题时间，最终从我们的众多想法中选出两个想法做机械 原理课程设计，一个是多功能娱乐合作车和自动登衣机。在设计过程中我们遇到了很多困难，但是通过我们小组成员的共同努力，终于完成了一 部分设计，得到了相应的尺寸、运动分析等等，对机构大体上有了一个把握，也算是取得了 一些成绩吧。虽然如此，由于我们相关经脸的缺乏，此设计还存在很多的问题和不合理的因 素，例如，一些构件的

21、加速度有突变，即在机构运转过程中存在柔性冲击，等等。我相信， 有了这次课程设计的一些经验和体会，我们在以后的学习过程中不断完善我们的设计将会更 加得心应手！这次课程设计，不仅是我们对机械原理课程知识的综合运用，同时也是对我们其他 各方面知识的综合考察。因为它不仅要求我们能熟练地应用matlab软件进行编程计算，而且 还需要我们学会应用CAD、solidworks等作图工具进行绘图。通过这么长时间的课程设计， 我们对机械原理有了更深一层的认识，而且我们在这次实践中边学边用、摸索前进，不断的 改进完善设计，同时也清晰地认识到只有认真的掌握好理论知识，同时在不断的在实践中运 用这些知识，才能牢固的掌

22、握这些知识，从而提高自身的能力。课程设计是培养学生综合运用所学知识，发现，提出，分析和解决实际问题，修炼实践能 力的重要环节，是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程.回顾起此次对此机构的设 计，至今我仍感慨颇多，的确，从选题到定稿，从理论到实践，在这一个多星期的日子里， 可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的 知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次课程设计使我懂得了理论与 实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合 起来，从理论中得出结论，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程

23、 中遇到问题，可以说得是困难更重，这毕竟第一次做的，难免会遇到过各种各样的问题，同 时在设计的过程中发现了自己的很多的不足，自己知识的很多漏洞，对以前所学过的知识理 解得不够深刻，掌握得不够牢固，比如，对矩阵法、解析法进行运动分析还是不怎么了解， 看到了自己基础知识还是不够扎实，实践经脸还是比较缺乏，理论联系实际的能力还待急需 提高。通过这次课程设计之后，一定把以前所学过的知识重新温故0在这个过程中，曾经因 为实践经验的缺乏失落过，也曾经因对mat lab调试成功而热情高涨，生活就是这样，汗水 预示着结果也见证着收获。虽然这只是一次的较简单的课程设计，可是也耗费了我们不少的 心血。无论如何，就

24、当它是一次机械原理的复习课吧！为以后的设计生涯埋下伏笔！通过这次的课程设计，不但知识上的有了重要收获，精神上的丰收更加可喜。让我们知 道了学无止境的道理,我们每一个人永远不能满足于现有的成就，人生就像在爬山，一座山 峰的后面还有更高的山峰在等着你。挫折是一份财富，经历是一份拥有,这次课程设计必将 成为我大学旅途上一个非常美好的回忆七、参考文献1机械设计手册编委会.机械设计手册.北京：机械工业出版社，2004.2王巍.机械制图.北京：高等教育出版社,2006.3孙桓，陈作模，葛文杰.机械原理（第七版）.北京：高等教育出版社，2006.4曲秀全.基于MATLAB/Simul ink平面连杆机构的动

25、态仿真,哈尔滨工业大学出版社.5郭仁生.机械工程设计分析和MATLAB应用（第二版）,机械工业出版社.6李滨城，徐超.机械原理MATLAB辅助分析.北京：化学工业出版社.7濮良贵，纪名刚.机械设计（第八版）.高等教育出版社.8二代龙震工作室.sol idworks2008实训教程,人民邮电出版社.2008.9周品.何正风.MATLAB数值分析,北京：机械工业出版社.200910高会生.李新叶.胡志奇译.MATLAB原理与工程应用（第二版）.北京：电子工业出版社.200611张春林.机械创新设计（第二版）.北京：北京理工大学.12楼顺天，姚若玉，沈俊霞.MATLAB程序设计语言（第二版）,西安：

26、西安电子科技 大学出版社.八、附录附录一四连杆银链机构运动分析程序$1 ,揄入已知数据11=80；12=350；13=320;14=170；k=0;hd=pi/180；du=180/pi;w1=10;a1=0;"zeros (10, 36);版设定义矩阵for i=1:10:360胱蜜嬲澈胱计算角位移皴那需需嬲那th1=i*pi/180;L=sqrt (I4*I4+11*11-2*11*l4*cos(th1);phi =asin(l 1 /L)*sin(th1);beta=acos(-I2*I2+I3*I3+L*L)/(2*I3*L);if beta<0beta=beta+pi

27、;endth3=pi-phi-beta;th2=as in(l3*s in (th3)-11*sin(th1)/l2);激厥%舟嬲嬲联计算角速度嬲嬲需需嬲僦A=-I2*sin(th2) I3*sin(th3);12*cos(th2) -13*cos(th3);B=w1*11*s i n(th1);-l1*cos(th1);C=inv(A) *B；w2=C(1,1);w3=C(2,1);部舟犒舟嬲胱计并角加速度那蹴需嬲部D=-I2*sin(th2) I3*sin(th3);12*cos(th2) -13*cos(th3);E=w1"2*11 *cos (th1);sin (th1) +

28、 12*cos (th2)-13*cos (th3);12*sin(th2)-13*s in (th3)*w2'2;w3"2;F=inv(D)*E;th1=th1*du;th2=th2*du;th3=th3*du;k=k+1;澈嚼嬲澈输出求的值皴嬲需犒嬲幽m(:,k) = th1 L phi beta th3 th2 C(1,1) C(2, 1) F(1,1) F(2,1);endmfigured);plot (m(1, :), m(6, :), m(1, :), m(5,:)titleC角位移线图)xlabel ('th1')ylabel Cth3 th2&

29、#39;)gridfigure(2);plot (m(1, :), m(7,:),m(8,:)title('角速度线图)xlabel ('th1 1)ylabel Cw2 w3")gridfigure (3);plot(m(1, :),m(9,:),m(10,:)titleC角加速度线图)xlabel ('th1')ylabel Ca2 a31)grid程序运行所得数据如下所示：Co Iumns 1 through 6Co Iumns 7 through 12Columns 13 through 18Co Iumns 25 through 30附录二

30、导杆机构分析源程序气1.输入已知数据11=80;12=350;13=320;14=170;15=550;那导杆长度16=200; 那曲祸长度 17=350; %lo2o3 长度 k=0;hd=pi/180;du=180/pi;w1=10;m=zeros (16, 360);犒与定义矩阵for i=1:10:360部舟犒舟躺澈犒执行件的角位移以及滑块的位移与胱犒嬲船魏厥th1=i*pi/180;L=sqrt (14*14+11*11-2*11*l4*cos(th1);phi=asin(l 1 /L)*sin(th1);beta=acos(-l2*l2+l3*l3+L*L)/(2*I3*L); i

31、f beta<0 beta=beta+pi;endth3=pi-phi-beta;th2=asin(l3*sin(th3)-l1*sin(th1)/l2);A=-I2*sin(th2) I3*sin(th3);12*cos(th2) -13*cos(th3);B=w1*l1*sin(th1) ;-l1*cos(th1);w2=C(1,1);w3=C(2,1);Dt=-I2*sin(th2) 13*s i n (th3);12*cos(th2) -13*cos(th3); Et=w1'2*l1*cos(thl);sin(th1) + l2*cos(th2)-13*cos(th3);12*s in(th2)-13*s in(th3)*w2'2;w3"2;Ft=inv (D)*E; a3=Ft (2,1) X=(l7*cos(th3)/I6); th5=th3-asin(x); s5=sqrt(16-2+17-2+2*I6*l7*sin(th5); 糊戏犒嬲澈%需计算速度及滑块的速度澈胱犒部嬲需D= cos (th3) 16*