健身球分选机构设计说明书

学院 专业 年级 学生姓名 学 号 指导教师 时 间 专业课课程设计说明书专业课课程设计说明书PAGEPAGE10目录TOC\o"1-1"\h\u摘要 1第一部分——机械运动方案的设计与分析决策 1第二部分——关键零件运动分析与动力学校核 13第三部分——动力控制设计（电气原理图） 17第四部分——设计小结 19参考文献 20摘要随着健身球（石料）在体育健身与康复训练中的广泛应用，其按直径分选的需求日益凸显。本设计针对Φ40mm至Φ46mm范围内的健身球，提出一种全机械式自动分选机构，能够实现进球、送料、分类与接球的连续作业。系统采用槽轮机构实现间歇送球，平顶盘型凸轮推动滑块进行直径检测与分选，通过齿轮减速系统整合传动，以单一动力源驱动全部动作，保证了分选过程的可靠性与流畅性。在方案实现过程中，采用SolidWorks进行三维建模与装配体设计，完成机构运动简图与系统装配图（三视图）的绘制；利用AutoCAD完成二维工程图与电气控制原理图的设计；并借助Abaqus对关键构件进行运动学与动力学仿真，分析其运动规律、绘制运动曲线图，并进行动力学计算与轻量化、敏捷化校核。通过多软件协同，实现了从概念设计、运动分析到结构绘制的全流程开发，确保了机构设计的合理性与可实施性。关键词：健身球分选机构；机构运动简图；装配图；动力学计算第一部分——机械运动方案的设计与分析决策课程设计内容课程任务设计健身球分选机构，将不同直径尺寸的健身球(石料)按直径分类。检测后送入各自指定位置，整个工作过程(包括进球、送球、分类及接球)自动完成。健身球直径范围为∅40~∅46mm，要求分类机将健身球按直径的大小分为三类。直径范围为∅40~∅设计要求1）至少提出两种系统整体方案的构思，进行方案分析评比（要有经济性、涉及安全及质量等社会责任的分析），以此为基础设计系统整体方案；2）确定系统中各机构的运动尺寸，绘制机构运动简图；3）对关键零件的运动规律分析并绘制其运动曲线图；4）关键零件的动力学计算及校核（除了常规设计外，应有机构轻最化、敏捷化的设计内容）；5）绘制系统装配图（三视图）；6）完成必要的动力控制设计（电气原理图）；7）编写课程设计说明书。系统方案设计与决策执行机构方案健身球分选机构的执行机构分为进料机构、送料机构、检料机构和接料机构。执行机构是该系统的核心部分，选择不同的执行机构方案带来的安全性、经济性和可行性各有区别。以下是执行机构的两种方案：方案一：此方案的进料机构外壁加装了震荡装置，进料口每次只能下一个原料球，能够顺利而方便的送料，使小球能顺利落下；送料机构由凸轮和连杆机构构成，凸轮连杆机构每运行一周，使一个石料进入检料机构；检料机构和接料机构分别为平顶盘形凸轮和直径大小不同的轨道，健身球在滑块的推动下被送入检球机构，在凸轮滑块的缓慢移动下，根据健身球的直径大小不同进入不同的轨道，即进入接料机构。优缺点：此方案结构简单可行，但是送料机构运行速度不稳定，导致石料进入检料机构的第一个轨道口可能卡住。下图是该方案的机构运动简图：图1方案一机构运动简图方案二：此方案以槽轮机构为送料机构，从电机经过减速机构，最后由蜗轮蜗杆机构带动槽轮机构的拨盘转动；平顶盘型凸轮为检球机构，进料机构外壁加装了震荡装置；健身球在槽轮的转动下被送入检料机构中，在凸轮推杆的滑块的缓慢移动下，根据健身球的直径不同进入不同轨道，即进入接料机构。对比：该方案中槽轮机构结构简单，制造容易，工作可靠，本身是一种有周期的间歇运动，运动平稳，石料送入的过程不会产生过大的向前的速度，这一速度可使石料进入各自的检料机构不会卡在道口。此外，该方案用槽轮机构作为送料机构代替用凸轮和连杆机构更具有经济性、更节省空间。图2方案一机构运动简图因此，从总体看，方案二弥补了方案一的不足，所以最终选择方案二作为总体系统方案。电动机选择发动机是是机器中运动和动力的来源，其种类很多，有电动机、汽油机、液压机、气动马达等。电机结构简单、工作可靠、控制方便、维护容易。而健身球检验分类机属于工业批量生产中的应用，考虑实际场景，一般工厂用电220V以上，原动机易选用380V交流电动机，为减少噪音一般不用气动机，从整个设计方案考虑，要达到高产率且减少传动（减速）过程机构，宜采用转速较低的电动机。根据要求，我们这里采用的是转速为720r/min的交流电机，型号为YE3-100L1-8。传动（减速）机构方案常见的传动机构类型和特点等如下表：表1常见的传动机构对比传动类型特点寿命齿轮传动承载能力和速度范围大；传动比恒定，可获得较大传动比，外廓尺寸小，工作可靠，效率高。制造和安装精度要求高，精度低时，运转有噪音；无过载保护作用。取决于齿轮材料的接触和弯曲疲劳强度以及抗胶合与抗磨损能力蜗杆传动结构紧凑，单级传动能得到很大的传动比；传动平稳，无噪音；可制成自锁机构；传动比大，滑动速度低时效率低；制造精度要求高，刀具费用贵。制造精确，润滑良好，寿命较长；低速传动，磨损显著带传动轴间距离很大，工作平稳，噪音小，能缓和冲击，吸收振动；摩擦型带传动有过载保护作用；结构简单，成本低，安装要求不高；外廓尺寸较大；摩擦型带有滑动，不能用于分度链。带轮直径大，带的寿命长。普通V带寿命约3500-5000h链传动轴间距离很大；传动比恒定；链条组成件间形成油膜能吸振，工作可靠；作用在轴上的荷载小；运转的瞬时速度不均匀，高速时不如带传动平稳。与制造质量有关，一般寿命约5000-15000h由上述几种主要的传动装置相互比较可知，齿轮传动、带传动用于减速。此系统中，电机转速720r/min，规定生产效率（检球速度）为15个/min，所以传动比48/1，如果只采用齿轮传动，那么需要多对齿轮传动才能完成，经过计算，同时采用带传动、齿轮传动和蜗杆传动可以有效的节约材料，节省空间。因此减速器机构如下：图3方案一机构运动简图机构运动简图综上，系统的机构运动简图如下：图4健身球分选机构运动简图1,2—带轮3,4,5,6,13,14—直齿轮7,8—锥齿轮9,10—蜗轮蜗杆11,12—拨盘槽轮15—凸轮16—推杆17—槽料18—震荡器该机构优点：(1)设计结构简单，能耗低；(2)设计制造简单；(3)进料口震荡器，很大程度上减小健身球互卡的几率；(4)传送带靠摩擦力工作，传动平稳，能缓冲吸震，噪声小。可进一步加强：（1）可通过精确的调整震荡器的频率，从而减小噪音；（2）检料机构和接料机构道口采用润滑设计和防撞设计，减少石料与装置碰撞力，使健身球分选机构更加安全可靠。系统工作流程如下：将待测健身球放入料槽中将待测健身球放入料槽中通过导管将料槽中的小球在震荡器的作用下引入带通过导管将料槽中的小球在震荡器的作用下引入带槽轮电机通过电机通过减速机构带动蜗轮与拨盘转动，进而带动槽轮做间歇转动使健身球进行检料口健身球由滑块1引入检料装置，并跟随滑块1缓慢向下（健身球由滑块1引入检料装置，并跟随滑块1缓慢向下（4秒）移动，进入各自的合适的轨道中不同类型的健身球沿各自的轨道进入不同的收容装置中不同类型的健身球沿各自的轨道进入不同的收容装置中机构尺寸设计3.1进料机构与送料机构下图为进料机构，进料口直径48mm，每次最多只能允许一个健身球落下，送料采用槽轮机构。槽数Z越多，槽轮运动时间与停顿时间的比值越大，机器的生产效率越低。因此当采用槽轮机构来进行间歇分度时槽轮的槽数Z一般不宜太多，这里Z=4,圆柱销个数为1。如图所示：图5进料和送料机构运动尺寸健身球介于左侧槽轮和右侧挡板之间，当槽轮转动时，健身球随着槽轮向下运动，当槽轮间歇时，下一个健身球被卡在槽轮和挡板之间，当槽轮再次转动时，第二个健身球则被送进检测机构中。如此往复，则完成送料。3.2检料机构（1）凸轮推杆滑块图6凸轮推杆滑块如图6所示，齿轮13与凸轮15同轴传动，凸轮15与杆、滑块形成凸轮滑块传动机构。凸轮尺寸的设计基于该机构从动件的运动规律。由于凸轮15与槽轮12的转速相同，槽轮将待测球转入检测装置的同时，滑块在的高度接入待测球进入相应尺寸料道，因此要建立滑块与槽轮的同步运动机制。设计该凸轮的基圆半径设置滑块轨道有关尺寸为：在检料箱体中，滑块的轨道中设有待测球出口料道1、料道2、料道3，料道顺序为尺寸从小到大往下设置，小球先检测，接着检测中球，大球最后检测，料道尺寸设计稍大于，为了使球能够快速稳定地经过料道尺寸检测，设计轨道与水平夹角=30°根据课题设计要求设计检料装置的尺寸如下表2，表3检料装置料道尺寸料道1料道2料道3料道直径（mm）4244473.3减速装置机构电动机：根据要求，我们采用的是转速为720r/min的交流电机，型号为YE3-100L1-8。传动（减速）机构此分类机采用如图7所示的减速器，由传送带、齿轮系和蜗杆蜗轮构成的减速装置。图7传动（减速）机构传动比分配电机转速720r/min，规定生产效率（检球速度）为15个/min，所以总传动比为。从减速机构到槽轮和凸轮的执行机构，传动路径有两条。传动路径一：电机→一对带轮→两对齿轮→一对直齿锥齿轮→蜗轮蜗杆→槽轮机构传动路径二：电机→一对带轮→两对齿轮→凸轮机构要确保凸轮与槽轮的同步运动，拨盘转动一周使槽轮转动四分之一进行送料，凸轮转动一周进行检料，使石料平稳分拣。因此传动到执行机构拨盘和凸轮的传动比需一致。根据1比48的比例关系，我们选取适当的带轮半径、齿轮齿数、蜗轮的齿数和蜗杆的螺旋槽数。传动路径一：；传动路径二：。设计带轮、齿轮、蜗杆蜗轮尺寸如下表：表4皮带轮参数带轮1带轮2带轮半径（mm）100400表5各齿轮参数——模数（mm）压力角（°）齿数（个）分度圆直径（mm）分锥齿轮352020100/齿轮452060300/齿轮552020100/齿轮652080400/锥齿轮7,85204020090齿轮1452020100/齿轮1352080400/蜗轮蜗杆9，1052020100/基本参数以第一对齿轮3和4为例：名称符号结果齿顶高hada=5齿根高hfhf=6.25分度圆直径dd1=100mm,d2=400mm齿顶圆直径dada1=110,da2=410齿根圆直径dfdf1=87.5,df2=392.5基圆直径dbdb1=93.97,db2=375.88齿距pP=15.7齿厚sS=7.85中心距aa=250最终用solidworks完成的装配体：第二部分——关键零件运动分析与动力学校核关键零件运动分析槽轮机构图8槽轮机构由，z=4可得K=1/4。因为规定生产效率（检球速度）为15个/min。此拨盘转速为，转一周的时间为4s,角速度为。所以凸轮角速度也为。槽轮的运动规律图如下：图9槽轮运动规律图凸轮滑块机构图10凸轮滑块机构由于凸轮15与拨盘11的转速相同，设计槽轮将待测球推入检测装置的同时，滑块在的高度接入待测球进入相应尺寸料道，可建立滑块的运动规律图：滑块的运动规律如图11所示：图11滑块运动规律图根据需要，设计推杆与回转中心偏距e=0mm，设计基圆直径r0。所以设计r0=100mm。校核最大压力角得，所以满足条件由此设计该凸轮的基圆半径与到：凸轮计算：则凸轮进程运动图如图12所示：图12凸轮进程运动图按对心平板直动从动件盘形凸轮作出廓线—理论廓线。图13凸轮廓线设计图凸轮15与杆、滑块构成凸轮滑块传动机构，在凸轮15的带动下，滑块由于杆的约束做图11所示的运动，设计滑块为金属滑块，在重力的作用下，保证凸轮回程的同时滑块与杆一同下降，回到起点。动力学校核（1）选取输入轴进行强度校核已知高速级小齿轮的平均分度圆直径为：dm1=66.3mm，则圆周力:F径向力:F轴向力：FFae=Fa1=111.23N根据30208圆锥滚子查手册得压力中心a=16.9mm。小锥齿轮齿宽中点距离齿轮端面M由齿轮结构确定，由于齿轮直径较小，采用实心式，取M≈18轴承压力中心到第一段轴支点距离：l两轴承受力中心距离:l轴承压力中心到齿轮支点距离:l计算轴的反支力①水平支反力FF②垂直支反力FF计算轴的弯矩，并做弯矩图截面C处的水平弯矩M截面C处的垂直弯矩M截面D处的垂直弯矩M分别作水平面的弯矩图（图b）和垂直面弯矩图（图c）截面C处的合成弯矩M截面D处的合成弯矩M作合成弯矩图（图d）T=30930N作转矩图（图e）图14转矩图校核轴的强度因C左侧弯矩大，且作用有转矩，故C左侧为危险剖面抗弯截面系数为W=抗扭截面系数为W最大弯曲应力为σ剪切应力为τ按弯扭合成强度进行校核计算，对于单向传动的转轴，转矩按脉动循环处理，故取折合系数α=0.6，则当量应力为σ查《机械设计课程设计》表10-8得45(调质)处理，抗拉强度极限σB=640MPa，则轴的许用弯曲应力[σ-1b]=60MPa，σca<[σ-1b]，所以强度满足要求。选取一对齿轮（齿轮3、4）进行强度校核这里采用solidworks和abaqus进行仿真校核:①首先将solidworks齿轮装配体保存为.xmt格式，导入abaqus：图15保存与导入②进行材料属性设计与赋予：图16设置steel材料属性，并赋予截面③设置分析步和相互作用：图17左图为设置分析步，右图为设置相互作用（耦合与接触）④边界条件设置和参数更改：图18分别对小齿轮和大齿轮进行边界条件设置⑤划分网格：图19网格类型为C34D⑥提交作业与看查结果：图20作业提交与等待由于运算时间太长，下面截取运算了3个多小时之后的云图结构：图21三小时后的运算结果⑦总结：由于齿轮啮合的网格划分太细，比例缩放系数设置为了1000（越小越仿真越精确，运算越慢）以及电脑的运行能力不够等原因，没能得到动画化的仿真图（运行了一天也没结束）。因此可能需要对网格进行其他类型的划分，提高一到两个比例缩放系数的数量级。第三部分——动力控制设计（电气原理图）课程要求健身球分选机构采用单一动力源驱动，电动机通过传动系统带动各执行机构协调工作。为实现系统的启停控制、运行状态指示与安全保护，需要设计一套简单可靠的电控系统。系统采用三相交流电源供电，控制回路电压为220V，符合工业现场常规用电标准。主电路设计通常规定，电动机容量在10kW以下的三相异步电动机可采用直接启动。而型号为YE3-100L1-8的三相异步电动机的额定功率通常在2.2kW以下，符合直接启动的条件。因此主电路设计如下图：图14主电路如图14所示为三相笼型异步电动机的直接启动、自由停车的控制线路，它是一个最简单的常用控制线路。其中，主电路由断路器QF起过载保护、短路保护和自动控制作用、熔断器FU对主电路进行短路保护、接触器KM的主触头控制电动机启动、运行和停止，热继电器FR用作过载保护。控制电路设计控制电路采用220V电压，直接从L1、零线N获取220V（也可以通过变压器将380V降压）。控制电路的核心功能是实现电机的启动、停止与自锁。并且课程设计内容不需要电机能够正反转和调速，因此采用了点动和长动控制电