步进式工件输送机设计（完整全套）（含6张CAD图纸）
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步进式工件输送机的设计 摘 要：在如今这个科学技术高度发达的时代，生产效率在各个行业中的地位都是最重要的。在生产生活中人们发现了众多可以提高生产效率的方法，其中流水线生产的发明是一个质的飞跃，而工件的步进输送则是流水线生产的灵魂，因此形形色色的工件输送机就应运而生了。我设计的步进式工件输送机主要做的是主要传动装置部件的设计，最终要求是传动机构中各个零部件能很好地配合，达到高效率输送工件的目的。该设计的研究内容有设计连杆机构的尺寸以及计算齿轮传动的各项主要参数等，对主要研究部分的部件进行了选型，设计，校核。关键词：输送机；连杆机构；齿轮传动 The design on workpiece conveyor Abstract: In science and technology is highlydeveloped today,the production efficiencyis very importantin each industry,an important factorandefficiency ofconveyingworkpieceis alsoimproving the production efficiency,so that the workpiececonveyoris more andmore bigrolein production,enterprisesin the production processof the workpiececonveying machinerequirements become more and more high.This designis mainly devoted tothe mainpart of the transmissiondevice,the requirements of variouscomponents ofthe transmission mechanismwith a good,can control thetransmissiondistance and speed,andsave investmentandcontrol has theadjustment is relativelygood.The main research contentsof this design is the design ofconnecting rod structuresize andmainparametersof gear transmission,the main researchpart of thecomponents of theselection,design andcalibration. Key words: conveyor；linkage mechanism；gear transmission1 前言 1.1 研究目的及意义输送机是可以在固定线路上连续输送物料的机械，一般情况下它的特点是结构简单、工作效率高、造价低，有的甚至可以在输送工件的同时对工件进行一系列工艺操作，因此工件输送机在各行各业中都被广泛的应用着。而我设计的这款步进式工件输送机与传统的工件输送机最大的不同就是它并非一直处于连续不断的输送状态，而是将工件输送一段距离之后停下来，等待几秒之后在继续将工件往前输送，他的意义在于那停顿的几秒可以对工件进行加工或是包装之类的处理，使其达到流水线生产，自动化生产的目的，提高了生产效率。在如今这个效益至上的时代，实现在流水线生产或自动化生产上实现进料出料自动化，大大提高了生产效率，减少人工成本，实现高效生产。所以我设计的工件输送机是典型的理论与实践结合的应用。1.2国内外研究状况步进式工件输送机在国外的发展已十分成熟，尤其是在一些发达国家如美国，德国，日本，英国，俄罗斯等。这些国家已实现，高负载输送，高速度输送，高倾角输送的技术。此外还有一些新型的输送机，可实现检测筛选功能，空间转弯输送，有的甚至结合机械手在输送的同时。但无外乎两个方面，一是功能多元化，另一方面则是加强其输送能力。这两方面也是工件输送机的主要研究方向。在我国，工件输送机的研发和使用与发达国家差距并不大，我国自主研发的生产制造的输送机的类型较多；最近几年，在国家一个专门针对输送机的项目“国家一条龙日产万吨综采设备”的指导和扶持下，我国输送机技术飞速发展。其中也出现了一些新型输送机，由PLC控制的自动输送机，有液压驱动调速的输送机。1出了在增强输送机能力方面，理他一些方面也是输送机研究的方向，例如低能耗，低噪声，专门用来输送易燃易爆物品的输送机还有在特定环境中工作的输送机，如高温环境，有毒环境，粉尘环境等。1.3设计要求：输送机工作阻力：=4000N步长:S=300mm每分钟往反次数：N=30次行程速比系数：K=1.4高度：H=800mm滑架宽度为：250mm阻力Fr为常数，载荷有中等冲击，每天二班制工作，使用折旧期为5年，工作机构效率为0.95，三相交流电源，工作环境室内，用于小批量生产。1.4 方案选择方案一：步进电机作驱动元件，齿轮传动做传动系统，通过控制步进电机的正反转来实现推爪的前进与后退。方案二：步进电机做驱动元件，带轮传动做传动系统，通过控制步进电机的正反转来实现推爪的前进与后退。方案三：用液压动力装置与凸轮配合，实现推爪的左右往复运动。方案四：用普通电机做驱动元件，减速机来控制速度和节奏，曲柄连杆机构来实现推爪的左右往复运动通过查阅相关资料和计算，我最终选择了方案四：电动机做驱动元件，由减速器控制速度和节奏，用连杆机构来实现不同的步长、速度比和滑架的运动轨迹。2方案图入下：1.机架 2.连杆机构 3.滑架 4.推爪 5.减速机构 6.滚筒1.Rack 2.Connecting Rod 3.Sliding Frame 4.The Thrust Claw 5Retarder 6.Roller工件输送机结构图 Workpiece Conveyor 在步进输送机工作时，电动机工作，通过联轴器和轴，将动力传递到减速机，经减速机变速后，以较慢的速度使连杆机构工作，连杆机构最后再驱使滑架作左右往复运动。滑架上装有推爪，推爪将放在滑架上的工件往前推，每次往前进一个步长。然后滑架返回，此时利用安装在推爪和轴之间的扭簧可以使推爪从工件下返回而不移动工件，而此时，前方的推爪也回到了原先的位置，它可以再次推动工件往前移一个步长。这就是这台步进式工件输送机的工作原理。经过可行性调研，此方案较合理。在设计过程中，减速器和连杆的设计是本设计的重点，运用机械原理和机械设计的相关内容，设计的主要内容包括工作机构和传动系统的运动分析，连杆机构的运动和动力分析，减速器的设计，减速器零件的制造以及相关工艺流程。本课题的难点是连杆尺寸的分析和动力运动的分析，减速器的各轴和齿轮的计算设计。22 连杆机构的设计2.1 连杆机构的定义及特点连杆机构是日常生活最经常使用的机构，如自动开关门，折叠伞，汽车后备箱等方面，都是连杆机构。连杆机构的定义：(1)原动件与从动件之间由一根中间杆相连，中间杆被称为连杆。所以这一类机构都被称为连杆机构。(2)连杆机构的运动副大多数是底副，所以连杆机构也被称为低副机构。2连杆机构的特点：(1) 连杆机构中构件与构件以低副连接，而底副是面面接触的，与点接触相或线接触比较在相同压力下压强较小，所以能传递的力也大了很多。除此之外，底副的几何形状一般都比较简单，加工方便也成了底副的一个优势。(2) 连杆机构的运动具有多样性。连杆机构中有绕定轴转动的曲柄、绕定轴往复摆动的摇杆，有作平面一般运动的连杆、作往复直线移动的滑块等，在实际工作中可以通过固定其中一个杆件来达到其想要的运动，这使得连杆机构在实践生产工作中具有极高。(3) 再不改变主动件运动的条件下，只要改变连杆机构中各杆件的相对尺寸，就可以使从动件实现不同的运动规律和运动要求。(4) 连杆曲线具有多样性。连杆机构中的连杆，可以看作是在所有方向上无限扩展的一个平面，该平面称为连杆平面。在机构的运动过程中，固接在连杆平面上的各点，将描绘出各种不同形状的曲线，这些曲线称为连杆曲线。(5) 在连杆机构的运动过程中，一些构件（如连杆）的质心在作变速运动，由此产生的惯性力不好平衡，因而会增加机构的动载荷，使机构产生强迫振动。所以连杆机构一般不适于用在高速场合。(6) 连杆机构中运动的传递要经过中间构件，而各构件的尺寸不可能做得绝对准确，再加上运动副间的间隙，故运动传递的累积误差比较大。32.2 平面曲柄摇杆机构有四根连杆和铰链组成的连杆机构被称为铰链四连杆机构，其中如果两个连架杆中原动件被称为曲柄，从动件被称为摇杆，并且在工作时，如果曲柄转动，摇杆则会按照固定的路线作往复摆动，那么这个四连杆机构则被称为曲柄摇杆机构。曲柄摇杆机构的应用十分广泛，在这里我将应用到它作为步进式工件输送机的传递机构。2.3 平面四连杆机构有曲柄的条件(1)杆长条件：平面四连杆机构的最短杆和最长杆的长度之和小于或者等于其余两杆长度之和。(2)铰链四杆机构中，如果某个转动副能够成为整转副，则它所连接的两个构件中，必有一个为最短杆，并且四个构件的长度关系满足杆长之和条件。(3)在有整装副存在的铰链四杆机构中，最短杆两端的转动副均为整转副。此时，如果取最短杆为机架，则得到双曲柄机构；若取最短杆的任何一个相连构件为机架，则得到曲柄摇杆机构；如果取最短杆对面构件为机架，则得到双摇杆机构。(4)如果四杆机构不满足杆长之和条件，则不论选取哪个构件为机架，所得到机构均为双摇杆机构。综上所述：平面四杆机构中曲柄存在的条件是四个杆的长度关系，谁做机架决定是否会存在曲柄1。2.4 连杆设计内容2.4.1 摇杆的摆角初选根据机械设计所学，一般摇杆机构的摆角为40-50左右,然后通过步进式工件输送机每次工作的步长确定摇杆长度,一般取 , 3。2.4.2 铰点位置和曲柄长度的设计通过之前的条件行程速比系数和要求传动角大小可以计算出绞点A、曲柄和连杆的长度。再通过行程速比系数计算出曲柄摇杆机构在极位的各项参数。最后根据环境条件等设计出完整的曲柄摇杆机构，机构运动示意如图。2.4.3 曲柄摇杆机构的设计根据公式，以及行程速比系数K=1.4，得到极位夹角。然后取一点D,以D为顶点作等腰三角形,两腰分别为DC1、DC2，并且DC1、DC2的长度等于DC，设。作使，再作, 与的交点P。作的外接圆,那么圆弧上任一点A到和的连线所形成的夹角都等于极位夹角 ，所以曲柄的轴心A应在这个圆弧上。设曲柄的长度为a，连杆的长度为b，那么， =，所以a=(-)/2于是以A为圆心，以为为半径作圆弧交于点E，则得出a=/2,b=-/2。但设计时要注意，曲柄的轴心A不能选在弧段上，否则机构将不能连续工作。根据上面公式算出这个四连杆机构的杆长分别为a=115mm，b=385mm，c=380mm，d=380mm。图2 机构的运动示意图Fig.2 Kinematic diagram of mechanism2.4.4 校核最小传动角在曲柄摇杆机构运动的时候，传动角的大小是在不断变化的，但传动角并非没有要求，一般情况下确保传动角即可，而传动力矩较大时，应使传动角。在一些受力相对较小或是使用次数相对较少的环境中，允许连杆机构的传动角小一些，但是绝对不能发生自锁。计算最小传动角如下: 式(1)根据计算结果发现曲柄摇杆机构中各个赶场满足最小传动角要求。因此可以定出该要求设计的机构的总体尺寸，即，,。3 机构的运动和动力分析3.1 概述在理论力学中分析速度和加速度最常用到的方法是矢量图法，运用矢量图法可以直观的对速度和加速度进行分析求解，而矢量图法的基本原理就是力的合成与分解，要用矢量图法求解速度和加速度首先要列出矢量方程，然后再画出速度分析图和加速度分析图。3.2 用矢量方程图解法作平面连杆机构的速度和加速度分析首先先在连杆机构上找一个速度和加速度都已知的点，用这个点作为已知量来再利用图解法来依次求解与该构件相连的其他构件上的点的速度和加速度。要分析连杆机构的速度和加速度首先要画出连杆机构的运动简图，再根据图解法来分析这个连杆机构的运动情况，具体步骤如下： 3.2.1 绘制机构运动简图首先选取合适的比例尺画出机构的运动简图，一般比例尺的大小为 (m/mm)，然后根据相应的比例画出曲柄摇杆机构的运动简图。3.2.2 作速度分析由用矢量方程图解法作平面连杆机构的速度分析可知，速度求解的步骤应依次求出相应各点的速度和杆件的角速度。6图3 速度分析图Fig.3 Velocity diagram1）求 式(2)方向：，指向与的转向一致。2）求，B、C在连杆机构中的同一杆件上，所以可以得到以下方程 = + 方向 大小 及方向已知，大小未知，用图解法可以求出、的大小。根据速度分析图，将点看P作该连杆机构速度多边行的极点，并作代表，然后用速度比例尺算出。再分别以B，P为垂足作垂直于BC，CD的直线bc、pc，代表，的方向线，两线交于点C，并且由矢量，分别代表和，最终求的。 式(3)3）求 ，由图可知点E和点C都在同一杆件上，所以点E和点C的角速度的是相同的，得到和的关系如下4）求 = + 方向 大小 式(4)于是有 式(5) 式(6) 式(7)3.2.3 作加速度分析算加速度的方法去算速度的方法相同，也是用图解法来计算，先画出加速度分析图，然候在图上找一个速度和方向都已知的点，先依次求出，。然后再求解，1)求 因为曲柄作等速回转，所以没有切向加速度。 式(8)方向：BA. 2）求 由图上分析得到点C与点B、点D的相对运动关系 = + = + + 方向CDCDBA CB CB 大小 式中和的方向都已知但是大小未知，根据图解法求出大小。图4 加速度分析图Fig.4 Acceleration analysis diagram根据加速度分析图，将点看作是连杆机构加速度多边形的极点，并作代表，根据加速度比例尺算出 ，再根据相信的比例画出，其中代表，其大小为 式(9)3）求 由于点E、点C在连杆机构的统一杆件上，因此可以得到 式(10)4）求 根据点E和点F在连杆机构中的相对运动关系列出下式+方向 FE FE 大小水平向右 由上式可发现式中的方向和的大小未知，用作图法求解。 式(11)5）求，。由连杆机构杆件的加速度和长度计算出角加速度 逆时针 式(12) 顺时针 式(13) 顺时针 式(14)3.3 用矢量方程图解法作平面连杆机构的动态静力分析3.3.1 对机构进行运动分析 根据对连杆机构计算选出的长度比例尺，速度比例尺，加速度比例尺画出机构简图和速度多边形。3.3.2 确定各构件的惯性力和惯性力偶矩一般情况下，设计一台新机器最重要的是确定机器中每个小零件的尺寸，而在确定小零件尺寸首先要对各个进行受力静力分析，转动惯量计算和强度校核，最后才能确定各部件的大小尺寸。（1）计算各杆的质量及转动惯量因为步进式工件输送机中大多数杆件都承受拉力或压力，所以对材料的力学性能要求较高，因此我首选45号钢作为设计的材料。通过查询钢材密度表得到45号钢的密度为。根据质量，转动惯量计算结果见表1表1 杆件质量特性表Table 1 Rod quality characteristics table杆件长度mm直径mm质量kg转动惯量kg 1151007.045 385505.896 5508021.564 180807.057 根据机构示意图发现在连杆机构中，各杆件除了BC杆外，其余各杆的惯性力都在机架上，所以可以忽略不计。BC杆的惯性力及惯性力偶矩为： 式（15） 式(16)把惯性力和惯性力偶合并成一个总惯性力，但合成后的总惯性力与质心并不在一个点上，与质心的距离， 式(17)3.3.3 机构的动态静力分析在进行动态静力分析时一般先将惯性力作为外力来分析，然后逐个分析杆件的受力情况。1) 分析杆件EF的受力情况图5 杆EF受力分析Fig.BC Stress analysis由于整个杆件受力平衡，因此可以得到，列出方程 方向EF EF EF EF大小 上式中未知量有、，其中可以先求出的是和F点取力矩 式(18)E点取力矩s 式(19)根据上面求出的和画出杆件BC的受力情况图6 杆BC力的分析Fig.6 Stress analysis of rod BC从图上测量得到 2）对杆件ED和CB进行受力分析图7 杆2、3的受力分析Fig.7 Stress analysis of rod 2 and 3 方向DE DE BC BC 大小在方程中，、都是未知量，其中可以直接求出的是和，再根据这两个量来求得其他两个量。B点力矩 式(20) E点力矩 式(21) 其负号说明的方向与原来假设方向相反。然后根据上面计算出的和画出力的矢量合成图。图8 力的矢量合成图Fig.8 Stress analysis of rod 8从图上测量得到 3）根据上述求出的值再分析杆件CB的受力情况设点M为CB杆的中点，对点M取矩 式(22)图9 对杆件CB的受力分析Fig.9 Stress analysis of rod CB在画出杆件CB的力矢量图图10 连杆CB的力矢量图Fig.10 Stress vector of rod CB从上图测量得到4）计算连杆机构的平衡力对杆件1进行受力分析图11 连杆1的机构的平衡图Fig.11 Mechanisms equilibrium diagram of rod 1取 式(23) 4 杆件的设计在前面我已经把连杆机构中所有杆件的受力情况都分析好了，然后要根据受力情况和工作环境来算出杆件的截面。4.1 杆件的类型曲柄摇杆机构在步进式工件输送机中每个杆件都只收到拉力或压力，因此曲柄摇杆机构中的杆件都属于拉压杆。4.2 钢材和截面的选择1）拉压杆在手里是主要受到轴向力的作用，因此相对的力学性能要求较高，通过对比钢材的力学性能，最后确定的材料为45号钢，45号钢的各项力学性能如下45号钢力学性能Rod material quality 45coefficient45号钢6003501678002062）选择截面尺寸在之前我已经计算出了曲柄摇杆机构中各个杆件受到的力，根据理论力学和材料力学所学即可求出杆件的最小横截面积，计算公式如下 式(24)许用应力安全系数S必须大于1，取1.3为极限屈服系数，查询机械设计手册得到45号钢的极限屈服系数为350MPa 为方便计算，先假设连杆CB的截面是圆形的，直径为 式(25)从制造方面和结构稳定等因素考虑，基于制造困难和稳定性的考虑取为初选参数4.3 杆件间的联结在一般情况下，两根杆件相连一般采用销轴连接，螺栓连接等方式。在步进式工件输送机的设计中，我同样采用销轴连接的方式来用作曲柄摇杆机构中的各拉压杆之间的连接。4.3.1 剪切强度计算销轴连接受力情况如下图所示，从图中可以发现销轴在连接处主要受到的力是剪切力。理论力学和材料力学中剪切力的计算通常是将剪切力看作是均匀分布的。在销轴的剪切面上的作用的剪应力不允许超过许用剪应力 即 式(26)许用剪切应力的计算如下 式(27) 式(28)4.3.2 挤压强度计算当销轴用于杆件之间的连接时，销轴受到两个杆件同谁对他反向且不在同一直线上的拉力，对这个拉力分析可发现这个拉力实际是作用在销轴表面的挤压应力。这个挤压应力过大时会是销轴发生形变，甚至断裂。因此这个销轴受到的挤压应力不
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