糕点切片机—说明书.doc

(完整word版)糕点切片机—说明书

机械原理课程设计 说明书

设计题目 糕点切片机

机电工程学院机械设计制造

及其自动化 系（学院）

机制 专业本一 班

设 计 者 露露

指导老师 权权

2012年5月30日
目 录
一、选题背景 3
二、方案论证 3
1. 切刀往复运动及运动 4
方案选择： 5
方案一： 5
方案二： 5
方案选择与评定： 6
2．糕点间歇直线运动 7
方案选择 7
方案一： 7
方案二： 8
方案三： 8
间歇运动方案的选择与评定 9
方案一: 9
方案二 ： 9
方案三： 9
3.电机与减速 10
电机方案选择： 10
减速方案选择： 10
三．机构设计 10
1．切刀往复运动机构设计 11
2 . 糕点直线间歇运动结构设计 13
(一)皮带传达设计： 15
(二)齿轮系的设计: 15
四. 传动系统演示与三维图 17
五、总 结 18
六、心得体会 20
参 考 文 献 22

一、选题背景
我们班的同学过生日总喜欢买蛋糕回来大家一起庆祝,这个时候,切蛋糕的技术就显得非常重要了,因为假如前面切得大块了,后面的同学就吃不到了,然而前面切得太少的话,大家就吃得不够尽兴。
恰逢这次课程设计，我们想到了这个生活中的课题。很多蛋糕屋或者面包店里的糕点总是用手工切的，这样难免会出现切出来的大小不一致，在卖这些糕点的时候，大块的总被先买的客人抢了，剩下小块的客人看了又觉得物非所值，所以我们组决定帮同学们和商家们解决这个问题，选择了糕点切片机来作为我们的课题。让同学们以后不再为切蛋糕的事而“烦恼”，同时也可以使提高面包店的效率，让他们腾出人手来干别的，不要再为了切糕点而烦恼。
二、方案论证
1)设计任务
（一） 设计题目：糕点切片机
（二） 工作原理及工艺的动作过程
如结构示意图所示,电动机经皮带和齿轮系减速后，达到40转/分。再用棘轮机构连接一皮带组成糕点的进给机构，并满足间歇运动的要求。同时通过另外一组皮带轮带动曲柄滑块机构运动（滑块上带切刀），实现糕点的切片。间歇运动机构与切刀运动机构工作协调。由于每一次切的过程都一样,从而使每一片糕点的大小都一样。而通过改变进给的距离，可调整切片的厚度。
（三）机构的一些尺寸
1)糕点厚度：10~20mm。
2)糕点切片长度（亦即切片高）范围：5~80mm 。
3)切刀切片时最大作用距离（亦即切片宽度方向）：300mm。
4)切刀工作节拍：40次/min。
5)工作阻力很小。要求选用的机构简单、轻便、运动灵可靠。
6)电机可选用，功率0.55KW（或0.75KW）、1390r/min。

（四）主要设计要求是：
（1）通过调整进给的距离，达到切出不同厚度糕点的需要。
（2）要确保进给机构与切片机构协调工作，全部送进运动应在切刀返回 过程中完成，输送运动必须在切刀完全脱离切口后方能开始进行。
2）方案结构设计
切刀的往复直线移动可采用连杆机构、凸轮机构、齿轮齿条、组合机构等；
糕点的直线间歇运动可选择连杆机构、齿轮机构、凸轮机构、棘轮机构、槽轮机构等。
1. 切刀往复运动
切刀的往复直线移动可采用连杆机构、凸轮机构、齿轮齿条、组合机构等；
方案选择：
方案一：

如上图所示，为一直动导杆机构，可利用杆3的往复运动来实现切刀的上下往复运动。
方案二：

如上图所示，为一几何封闭凸轮机构。可利用构件1绕A点做偏心转动来实现切刀的往复运动。
方案三：

如上图所示，为一偏执曲柄滑块机构，可利用它实现切刀的往复运动。
方案选择与评定：
方案一：动副均为低副，两运动副元素为面连接，压强较小，可承受较大的载荷，且几何形状简单，便于加工。而且连杆上各点的轨迹是各种不同形状的曲线，气形状随着各构件相对长度的改变而改变，从而可以得到形式众多的连杆曲线，可以这些曲线来满足不同曲线的设计要求。
此机构虽有上下往复运动，但她并没有急回运动特性。不能够实现切刀下切速度慢而收回速度快的特性，也不能够很好的缩短空程的时间，影响效率。
方案二：只要适当的设计出凸轮的轮廓曲线，就可以使推杆得到各种预期的运动规律，而且机构简单紧凑，可承重较大，运动平稳。
但是凸轮廓线与推杆之间为点、线接触，易磨损。而且没有急回特性，不能够实现切刀下切速度慢而收回速度快的特性，也不能够很好的缩短空程的时间，影响效率。
方案三：此机构急回特性。结构简单。具有连杆机构的共同优点，可承受较大的载荷，运动副元素的几何形状简单。改变个机构件的相对长度来使从动件得到预期的运动规律。
此机构具有连杆机构的共同缺点，机械效率降低，这是连杆机构所不能避免的。
我们开始构思方案时,考虑到在以后的生活和生产中,自动化是必然的趋势，因此设计的机构要尽量满足自动化的要求。此机构的运作是切糕点与送糕点,切的时候糕点不能动,没有切的时候,糕点要运动并前进一定的距离到达指定位置.为了实现切的动作,我们开始采用凸轮机构,来实现刀的往复运动,用凸轮可以很好的控制刀的运动,实现最优的运动轨迹,可是凸轮的设计和制造比较复杂，且不能传递较大的力,而且切糕点也不需要那么高的精度。于是我们考虑用曲柄滑块机构,曲柄滑块机构一样可以实现刀的往复运动,可传递较大的力,能足我们的需要, 而且其机构简单，加工制造方便，能减少生产成本，于是我们确定用曲柄滑块机构。
2．糕点间歇直线运动
糕点的直线间歇运动可选择齿轮机构、凸轮机构、棘轮机构、槽轮机构等。
方案选择
方案一：

如上图所示，为一齿式棘轮机构，利用它来实现糕点的直线间歇运动。
方案二：

如上图所示，为一不完全齿轮机构，可利用它加皮带轮来实现糕点的直线间歇运动。
方案三：

如上图所示，为槽轮机构，可利用它加皮带轮来实现糕点的直线间歇运动。

间歇运动方案的选择与评定
方案一:
齿式棘轮机构结构简单，制造方便；动与停的时间比可通过选择合适的驱动机构实现。该机构的缺点是动程只能作有级调节；噪音、冲击和磨损较大，故不宜用于高速。
糕点的直线间歇运动是在较低的速度下运动的，所以该机构适合于本系统。
方案二 ：
不完全齿轮机构设计灵活、从动轮的运动角范围大，很容易实现一个周期中的多次动、停时间不等的间歇运动。但加工复杂；在进入和退出啮合时速度有突变，引起刚性冲击，不宜用于高速转动；主、从动轮不能互换。
在本系统中没有必要采用如此加工如此复杂的机构。

方案三：
槽轮机构可将主动拨盘的连续转动变换为槽轮的间歇转动。并具有结构简单、尺寸小、机械效率高、能较平稳地间歇转位等特点。
但是每次间歇的时间长度一定，很难满足本系统中改变所切糕片长度的功能。

对于蛋糕的传送, 既要满足间歇运动的要求,又能通过改变进给距离而切出不同厚度的糕点。我们刚开始试用了槽轮机构,但我们的糕点切片机要求可以改变所切糕点长度的,如用槽轮机构的话, 很难实现改变切片的长度,我们想到用齿轮组减速器改变速度来实现。用许多齿轮来改变速度很复杂且不太方便操作,于是我们否定了这个方案。经过查资料后，我们选择了棘轮机构。用棘轮机构可以方便的实现改变切片的长度。且棘轮机构设计加工简单，改变切片的长度时操作方便。所以机构的总体方案就这么大概的定下来了。
3.电机与减速
电机方案选择：
由于本系统所需要的动力不大，要求转速也不是很高，综合考虑下采用了功率0.55KW（或0.75KW）、1390r/min的电机。
减速方案选择：
减速机构要将电机的1390r/min降为40r/min。可采用的机构为涡轮蜗杆机构以及皮带—齿轮机构。
涡轮蜗杆机构只能在一定的距离里面产生较大的传动比（蜗轮轴心确定，蜗杆向前送进），所以不适宜用于连续不停转动，而且蜗轮从侧面看与齿轮不同的是其中间位置有一定弧度的下凹，对加工而言会产生一定的难度。而且相对齿轮而言，涡轮蜗杆啮合轮齿间的相对滑动速度过大，使得摩擦损耗较大，因而传动效率过低，易出现发热和温度过高的现象，磨损也叫严重，会降低整体的使用寿命，而且成本较高，因此我们采用多个齿轮传动来替代蜗轮蜗杆的设计。
三．机构设计
糕点切片机主要有两方面的要求，切刀的往复运动以切糕点，糕点还要有一个直线的间歇运动用来控制所切糕点的长度。
1．切刀往复运动机构设计

此机构主要是执行切刀的上下往复运动。由于所切糕点的厚度最大为20mm,所以切刀在20mm之上运动时,糕点才能运动。为了给糕点足够的传送时间,设计刀的行程为60mm,即曲柄长30mm；刀的高度设为37mm。考虑到卫生问题,刀不能缩到滑块的轨道里去,所以设计滑块的长度为65mm；又设计连接杆的长度为60mm。这样曲柄滑块机构的高度比较高,所以采用皮带传动。又切刀应能刚好切断糕点,综合曲柄滑块和棘轮机构的尺寸,我们得出曲柄滑块机构和棘轮机构轴心距为400mm。
所以曲柄滑块机构的尺寸为:
曲柄长30mm;
连接杆长60mm;
滑块长65mm;
刀片高37mm;
曲柄滑块机构和棘轮机构轴心距为400mm。
刀具往复运动
切刀每分钟得完成切割40次的工作节拍。所以连接曲柄的齿轮的转速为40次/min，切刀做竖直面内的往复直线运动，当其往下运动到与最低点相距约5mm至80mm（这是糕点的厚度）时开始切割糕点，此时糕点静止不动，切割完毕切刀往上运动到距离最低点约80mm时糕点运动起来，把切好的糕点片带走并把糕点送进待切，切刀继续往上运动，直到最高点，之后再往下运动，直到最低点相距约5mm至80mm（这是糕点的厚度）时又开始切割糕点，此时糕点又静止。如此往复循环。下图是刀具的位移运动图（两个周期）：
切刀线性位移、速度和加速度图

分析:

2.糕点直线间歇运动结构设计

棘轮机构主要是执行糕点的进给运动,每一次的运动距离就是所切糕点的长度。为了更好的控制和改变这个长度,设棘轮每转动一定角度,糕点运动20mm,设棘轮共有24个齿,既每齿代表15度。于是一共有四档,即20,40,60,80mm,也就是说棘轮转动15,30,45,60度。对于棘轮的转动,设计一个曲柄摇杆机构推动棘轮旋转。于是棘轮的旋转角度就可以转化为摇杆的摆角。即15,30,45,60度。在棘轮外加装一个棘轮罩，用以遮盖摇杆摆角范围内棘轮上的一部分齿。这样，当摇杆顺时针摇动时，棘爪先在罩上滑动，然后才嵌入棘轮的齿槽中推动其转动。被罩遮住的齿越多，则棘轮每次转动的角度就越小。棘轮罩设置四个转角分别为15，30，45，60度。设有槽的圆盘直径为150mm,棘轮半径为100mm,在摇杆上装一个棘爪, 棘爪推动棘轮旋转,棘轮上再固定一个皮带轮用以带动皮带旋转。由运动距离可以得出皮带轮的直径为153mm, 这样棘轮机构就设计完了。
其尺寸为:
曲柄摇杆机构:
曲柄长50mm;
连杆长210mm;
摇杆长200mm;
棘轮半径86mm;
棘轮齿数24个;
皮带轮直径153mm;
整个机器的关键就在于切刀运动与糕点传送运动之间的协调,因此需要详细计算．
依据零件尺寸，作图计算得出：
推动棘轮的曲柄摇杆机构的行程速比系数为：k=1；又工作周期为1.5秒，则摇杆推程时间为：0.75秒，回程时间为：0.75秒．
因此，切刀在0.75秒的时间内不能接触糕点（最大厚度为20mm）,而在0.75秒的时间里切刀应完成切糕点的动作并离开糕点表面．即切刀在糕点外运动的时间应大于0.75秒．据此验证切刀的曲柄滑块机构的尺寸．计算得切刀在20mm以上的高度运动时间为1秒，满足设计要求．
棘轮棘爪的运动图解

3.减速机构设计

减速皮带轮 减速齿轮 送料皮带轮
本机构原动件为一高速电机,其转速为1390 r/min,但我们所需要的转速是40r/min,所以要减速。对于减速装置我们采用皮带加齿轮的方法。第一级降速是用皮带减速,减为240r/min。第二级是用齿轮减为40r/min。两传动机构设计分析如下:
(一)皮带传达设计：
皮带传动设计主要是采用两个半径不相同的皮带轮实现。由于皮带上线速度相等，由r1*v1=r2*v2，
1390*r1=240*r2；
r1 /r2=24/139.
由此可见算出电机上皮带轮直径大小r1=36mm；另一端皮带轮半径大小r2=220mm。传动比i=139/24.
(二)齿轮系的设计:
经皮带减速后的转速为240r/min,而我们所要的转速40r/min。因此还需要的传动比为6/1,选用的齿轮为标准齿轮。
直齿轮参数表
名称
齿数
模数
分度圆
齿轮z1
25
4mm
100mm
齿轮z2
50
4mm
200mm
齿轮z2'
25
4mm
100mm
齿轮z3
75
4mm
300mm
传动比 i=6/1。
四．传动系统演示与三维图
1.传动系统演示
电
动
机
皮
带
传
动
齿
轮
减
速
传
动
棘
轮
传
动
皮
带
传
动

传
送
履
带
刀
具

2.三维图

五、总 结
如结构示意图所示,电动机经皮带和齿轮系减速后，达到40转/分。再用棘轮机构连接一皮带组成糕点的进给机构，并满足间歇运动的要求。同时通过另外一组皮带轮带动曲柄滑块机构运动（滑块上带切刀），实现糕点的切片。间歇运动机构与切刀运动机构工作协调。由于每一次切的过程都一样,从而使每一片糕点的大小都一样。而通过改变进给的距离，可调整切片的厚度。

机构尺寸
曲柄滑块机构的尺寸为: 曲柄长30mm; 连接杆长60mm;
滑块长65mm; 刀片高37mm; 曲柄滑块机构和棘轮机构轴心距为400mm。
曲柄摇杆机构: 曲柄长50mm; 连杆长210mm;
摇杆长200mm; 棘轮半径86mm; 棘轮齿数24个;
皮带轮直径153mm 减速机构： 电机上皮带轮直径大小r1=36mm；
另一端皮带轮半径大小r2=220mm。 传动比i=139/24.
齿轮
齿轮z2
50
4mm
200mm
名称
齿数
模数
分度圆
齿轮z1
25
4mm
100mm
齿轮z2'
25
4mm
100mm
齿轮z3
75
4mm
300mm
六、心得体会
两个星期的机械原理课程设计眨眼间就过去了。从上培训课的时候的一无所知，无所适从，到挑灯夜战，博览群书，从课设题目的艰难选择，到机构的一步步完善，这两个星期见证了我的汗水与成长。
任务安排下来，有的组队，有的独自完成，大家议论纷纷，一开始大家都拿不出一个好的方案。方案不是太过于复杂，以我们现有的水平做不出来就是太过于简单，感觉很多人都做过。到此时，我们才发现，生活中一些我们看起来很简单的产品，设计起来都是那么的复杂与困难。要考虑产品使用时候的各种参数，产品的实用性，产品的便携性，产品的美观，产品的稳定性等等我们平时忽略了的问题。我经过查阅各种资料以及综合考虑了各种因素，最后从几个候选课题中选择了这个糕点切片器，他是两个机构（往复运动与间歇运动）的配合，与我们的课程设计比较贴近，而且这两种运动的选择方案均很多，可以实现的机构许多，增加了我们实际开发中对于既定方案如何选择机构，以及机构间的配合的能力。
选择好课题后，我规定好时间，分配好各个阶段的任务，一步一步得确定产品中各个机构的各种实际参数，电机的功率，转速的选择，减速机构的选择，齿轮的参数的确定，两种主运动机构方案的筛选与他们运动特性的参数的计算，这都是我在一步一步的成长所走过的轨迹。最后，三维零件的建模，零件的装配到动画，看着自己的想法跃然出现在自己眼前，一种欣慰感油然而生 。
这次课程设计，我们主要收获了：
1. 增加了查阅资料的能力。上网，图书馆，课本，甚至一些学长都是我们获得信息的源泉，通过这次课程设计，我们查阅资料的能力大大增加了，遇到了问题的时候，我们懂得了从哪儿获得的相关的解决方案。
2. 增加对课本的理解。这次课程设计，从方案的选择到确定与计算过程中，我翻了很多遍书，将其运用到了实际开发中，加深了课本知识的理解。
3. 增加了对本专业的兴趣。看到自己能亲自动手解决自己身边的一些小问题的时候，对本专业的知识的应用也有了实际经验，大大培养了对机械专业的兴趣。兴趣是最好的老师，也为我们学好专业知识加大了动力。
4. 让我体会到了我们有太多太多的不懂，有太多太多的东西要学，大学时间很是宝贵，时间不等人，一晃就快过去两年啦，想想自己什么都没学到，通过这次课程设计让我重新认识了自己，认识到自己的不足，我相信在今后的学习肯定有很大的提高。
5. 还有就是不懂就要去问，就得去学，没有什么会不劳而获，一分耕耘一分收获，所以只有自己努力，自己付出才会有结果，有收获，才会成功。
参考文献
[1]《机械原理课程设计指导书》 裘建新主编 高等教育出版社。
[2]《机械原理课程设计手册》 牛鸣岐等主编 重庆大学出版社。
[3]《机械基础综合课程设计》 孔凌嘉等主编 北京理工大学出版社。
[4]《机械原理》课本 张春林主编 高等教育出版社。
[5]《机械设计》课本 谭庆昌 赵洪志主编 高等教育出版社。
[5]《非标准机械设计手册》岑军健主编 国防工业出版社。

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