机械原理健身球检验分类机课程设计.doc

西安工程大学课程设计

课程设计说明书

课程名称：
设计题目： 健身球自动检验分类机的设计
专 业： 班级：
学生姓名: 学 号:
指导教师:
日 期：

目 录
一、设计任务书…………………………………………………....…...…3
1.1功能要求及工艺动作分解提示…………………………………………..…..3
1.2 设计方案提示………………………………………………………………...3
二、健身球自动检验分类机方案设计…………...…………..………....…….3
2.1功能分解………………………………………………………………............4
2.2功能逻辑图........................................................................................................4
2.3方案设想……………………………………………………………………....4
2.4原动机及传动机构的选择……………...………………………….................6
2.4.1原动机的选择……………...…………………………..............................6
2.4.2传动机构的选择……………...…………………………..........................6
2.5执行机构的选择与比较...................................................................................7
2.5.1进料与送料................................................................................................8
2.5.2检验分类与按类存放...............................................................................10
三、机械系统运动方案的拟定与比较…………………...…………..............12
3.1根据工艺过程确定执行构件的运动形式 ……………...………….............12
3.2绘制机械系统运动转换功能图 ……………...……………………….........12
3.3根据执行构件的运动形式选择机构………………...………………...........12
3.4用形态学矩阵法创建机械系统的运动方案…………….……….................13
四、机械系统工作运动循环图……………………………...………...…........14
4.1根据工艺动作顺序和协调要求拟定运动循环图…………………..............14
五、机构的尺寸设计及运动分析…………………...………….....………….15
5.1凸轮机构的设计.............................................................................................15
5.2结果分析.........................................................................................................20
　 5.3减速装置的尺寸设计.....................................................................................20
六、机构运动总体方案图…………..…...…………………………..................24
　6.1运动方案简图.................................................................................................24
　 6.2健身球检验分类机工作原理.........................................................................25
6.2.1健身球检验分类机工作流程...........…………...…………………….....25
6.3健身球检测分类机分析与评价………........................................................26
七、总结...................................................................................................26
八、主要参考资料...................................................................................27

一、设计任务书
（1） 功能要求及工艺动作分解提示
1) 总功能要求
将不同直径的健身球按直径分类存放。
2) 工作原理及工艺动作分解提示
健身球自动分类机的功能是将不同直径的健身球（石料）按直径分类，并送到各指定位置。整个工作过程（包括进料、送料、分类、按类存放）自动完成。
（2） 原始数据和设计要求
健身球直径范围为ф40～ф46mm，要求分类机将健身球按直径的大小分为三类：第一类： 40≤ф≤42 ； 第二类：42<ф≤44；第三类：44<ф≤46。
生产率（分类速度）20个/min。
（3） 运动方案构思提示
健身球自动分类机可以有多种运动方案实现。一般的思路在于：
1) 球的尺寸控制可以靠三个不同直径的接料口实现。例如：第一个接料口直径为42mm，中间接料口直径为44mm，而第三个接料口直径稍大于46mm。使直径小于（等于）42mm的球直接落入第一个接料口，直径大于42mm的球先卡在第一个接料口，然后由送料机构将其推出滚向中间接料口。以此类推。
2) 送料机构、接料机构、间歇机构可由曲柄滑块机构、槽轮机构、凸轮机构等实现。
（4） 建议完成的设计工作量
1) 本题设计时间为两周。
2) 根据功能要求，确定工作原理和绘制系统功能图。
3) 按工艺动作过程拟定运动循环图。
4) 构思系统运动方案(至少二个以上)，进行方案评价，选出较优方案。
5) 对传动机构和执行机构进行运动尺寸设计。
6) 绘制系统机械运动方案简图。
7) 编写设计说明书。

二、健身球自动检验分类机方案设计
2.1功能分解
1.进料功能
2.送料功能
3.自动分类功能
4.按类存放功能
2.2功能逻辑图
图2.1

2.3方案设想
方案一
自动检验分类机的主要用途就是将不同直径大小的健身球分成三类，我们提出了如下图的运动装置:

图2.2

该方案将送料机构与检料机构中的滑块运动统一起来，在上滑块将球推出的同时下滑块上边缘也正好抵达料道1的口缘处，向下运动时对球进行检测分类。但考虑到球在检料机构通道中向下运动至靠近料道时，有可能球会卡在料道口而不能进行正常分类。以及检料机构滑块间歇时间不易控制，所以我们放弃这一方案，选用改进的方案二。

方案二
运动方案图:

图2.3
2.4原动机及传动机构的选择
2.4.1原动机的选择 表一：
型号
电流
转速
效率
功率因数
电压
Y112-M4
8.8
1440r/min
84.5%
0.82
380v

2.4.2传动机构的选择
机械系统中的传动机构是把原动机输出的机械能传递给执行机构并实现能量的分配、转速的改变及运动形式的改变的中间装置。传动机构最常见的有齿轮传动、带传动、蜗杆传动等。他们的特点如表2：

表二：

特点
寿命
应用
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
金属切削机床、汽车、起重运输机械、冶金矿山机械以及仪器等
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；中、高速传动需用昂贵的减磨材料；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
金属切削机床（特别是分度机构）、起重机、冶金矿山机械、焊接转胎等
带传动
轴间距范围大，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；由于带的摩擦起电，不宜用于易燃易爆的地方；轴和轴承上的作用力很大，带的寿命较短
带轮直径大，带的寿命长。普通V带 3500-5000h
金属切削机床、锻压机床、输送机、通风机、农业机械和纺织机械
链传动
轴间距范围大；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；链条工作时，特别是因磨损产生伸长以后，容易引起共振，因而需增设张紧和减振装置
与制造质量有关
5000-15000h
农业机械、石油机械、矿山机械、运输机械和起重机械等
由上诉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，故选用带传动和齿轮传动, 齿轮传动效率高，工作可靠、传动精确。

2.5执行机构的选择与比较
2.5.1进料与送料
（1） 进料机构

图2.4
如上图所示为漏斗状进料机构，槽体上安装有一个振荡器,槽体高度h，可根据待测球数量适度调整。槽壁的倾斜角度为α，其对槽体和健身球的受力情况有较大的影响。如果α角度过大，则健身球整体向下的压力不足，影响了传递的连续性；如果α角度过小，则球之间互相压力增大，健身球流动性下降。所以，。我们取 α=35°
对于导管直径d，为了保证良好的流动性d应该大于最大球的直径，并保证的盈余空间；但也不宜过大，过大尺寸的直径d容易造成球体之间的相互摩擦力增加，造成导管的堵塞。
考虑到待测球在漏口堵塞情况，设置了如下图所示的振荡器装置：

　　为了防止料槽中，健身球堵塞，本装置使用了如上图所示的解卡振荡器。本振荡器使用电动机2来带动偏心轮1转动，由于偏心轮质心偏离转动中心，因此产生振动的效果。把解卡振荡器安装于料槽壁上带动料槽振动，使料槽中健身球的流动性得到加强，很大程度的减小了健身球被卡住的几率。

（2）送料机构
方案一、四连杆机构

图2.6

方案二、对心凸轮滑块机构

以上两种方案各有特色，两者都同样能玩成工作任务，但前者有急回特性，有冲击，而后者若采用摆线或五次多项式运动规律，则可避免冲击，并且结构更为简单，便于设计，杆件少，功能损失更少，能出色地完成认务，所以选用后者，即对心凸轮滑块机构。

2.5.2检验分类与按类存放

（1） 检验分类机构

方案一：

图2.8

　　方案二：

图2.9
从理论上来讲，以上两种方案都可以实现健身球自动检验分类的功能，但是，前面我们已经提到，实际上方案一在料道1处，直径在φ44及以上的健身球会卡住，而无法实现分类，故选方案二。

在方案二的检料箱体中，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依次设置，小球先检测，接着检测中球，大球直接滚出，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为：
β=10°
料道相应尺寸大小如表三：

料道1
料道2
料道3
料道直径（mm）
　　44
　　46
　　48

设置滑块轨道有关尺寸为：
　其中，是滑块１的行程，　　　　　　　
　mm　mm
另外，在滑块2的前端，留有在的距离，因为考虑到健身球的形状以及其重力作用，其能够按照预想的路程进行检料。

（2） 按类存放装置

如下图所示：

图2.10

三、机械系统运动方案的拟定与比较
3.1根据工艺过程确定执行构件的运动形式
1. 送料功能的执行构件是滑块1，它作间歇往复直线运动；
2. 检验分类功能的执行构件是滑块2和滑块3，它们都作间歇往复直线运动。
3.2绘制机械系统运动转换功能图
根据执行构件的运动形式，绘制机械系统转换功能图：

3.3根据执行构件的运动形式选择机构
（1） 送料滑块1的间歇往复移动，可选凸轮机构，连杆机构，凸轮+连杆机构等。
（2） 分类滑块2的间歇往复运动，可选凸轮机构，连杆机构，凸轮+连杆机构等。
（3）分类滑块3的间歇往复运动，可选凸轮机构，连杆机构，凸轮+连杆机构等。

3.4用形态学矩阵法创建机械系统的运动方案

根据机械系统运动转换功能图可构成形态学矩阵。由表所示的形态学矩阵可求出保健球自动检验分类机系统运动方案数为：

N=3x3x3x3x3x3=729

可由给定的条件，各机构的相容性，各机构的空间布置，类似产品的借鉴和设计者的经验等，从中选出若干个较为实际可行的方案，然后从选出的若干个方案中用评价方法选出最优方案。

图3.2
图示实线连接的即为设计的最佳方案。

四、 机械系统工作运动循环图
4.1根据工艺动作顺序和协调要求拟定运动循环图

　　机械系统运动方案有３个执行构件需要进行运动协调设计，它们是送料机构（滑块１），检验分类机构（滑块２和滑块３），在运动循环图中，分别用送料，分类Ⅰ，分类Ⅱ来表示。横坐标表示分配轴的转角，送料的纵坐标表示送料滑块１的运动（由右向左为正），分类Ⅰ的纵坐标表示滑块２的运动（由下向上为正），分类Ⅱ的纵坐标表示滑块３的运动（由下向上为正）。

如下图所示：

图4.1
表四：

执行阶段
运动阶段
运动时间(s)
分配转角(°)

送料阶段
送料
远休
回程
近休
　　0.75s
　　0.5s
　　0.75s
　　 １s
　　　90°
　　　60°
　　　90°
　　　120°

分类Ⅰ阶段
近休
升程
远休
回程
　　 １s
　　0.75s
　　0.5s
　　0.75s
　　　120°
　　　90°
　　　60°
　　　90°

分类Ⅱ阶段
送料
远休
回程
近休
　　0.75s
　　0.5s
　 0.75s
　　 １s
　　　90°
　　　60°
　　　90°
　　　120°

五、机构的尺寸设计及运动分析
5.1凸轮机构的设计
（１） 送料凸轮和分类Ⅱ凸轮的设计

图5.1

图5.2

调试结果：

（２） 分类Ⅰ凸轮的设计

图5.3

图5.4

5.2结果分析
根据实践经验，在推程时，许用压力角的值对于移动从动件，=30°～38°。在回程时，对于力封闭的凸轮，由于这时使从动件运动的是封闭力，不存在自锁的问题，故可采用较大的压力角，通常取=70°～80°。并且，最大压力角因此，我们取=30°，＇=70°。从上面的调试结果可知，升程<=30°，回程最大压力角=70°，且无运动失真现象，故满足设计要求。

5.3减速装置的尺寸设计

图5.5
本分类装置采用上图所示的减速器，由传送带和齿轮系构成的减速装置。其中一对齿轮的传动比是有限的，由于本装置需要较大的传动比，固采用轮系来实现。

（１）皮带传送：

图5.6
如图所示为皮带减速机构，带轮1连接原动件转速为=1440r/min的交流电动机，皮带2连接齿轮系中的齿轮1，皮带1的半径为，皮带2的半径为，根据皮带传动原理有：
= (1)
皮带1与皮带2的转速与半径成反比：
= (2)
（２）齿轮系传动：
如图5.5所示，带轮2与齿轮1同轴传动，齿轮1与齿轮2啮合传动，齿轮2与齿轮3同轴传动，齿轮3与齿轮4啮合传动，齿轮4与直齿锥同轴连接，根据齿轮系传动原理有：
(3)
由上式可得：
　　　　　　　　　　　　　　　 (4)
（３）直齿锥齿轮：

图5.7
如图5.5 所示，直齿轮4与直齿锥齿轮5、凸轮7、凸轮8同轴传动，直齿锥齿轮5与直齿锥齿轮6垂直啮合，直齿锥齿轮6与凸轮9同轴连接，根据齿轮传动原理有：
= (5)
= (6)
由凸轮9与直齿锥齿轮同轴传动有：
(7)
根据提供的原动件转速为=1440r/min的交流电动机与课程设计要求，在的前提下，设计机器的生产率为20个/min,设计的凸轮滑块结构实现凸轮转动一圈完成一个健身球的检测，可以得到凸轮9的转速为：

同时，齿轮4与凸轮7和凸轮8是同轴传动，故

则

根据公式(4)可以得出：

因此由上两式可以得出:

根据1比72的比例关系，我们选取适当的皮带轮半径和齿轮齿数

故我们得出:
,,
考虑到齿轮大小与传动的合理性，经过比较设计皮带传动结构与齿轮系传动结构的相应参数如下：
表五：皮带轮参数

带轮1
带轮2
皮带轮半径（mm）
30
240

表六： 各齿轮参数

模数(mm)
压力角(°)
齿数(个)
直径(mm)
分锥角(°)
齿轮1
3
20
20
60
/
齿轮2
3
20
60
180
/
齿轮3
3
20
20
60
/
齿轮4
3
20
60
180
/
直齿锥5，6
3
20
40
120
90
六、机构运动总体方案图
6.1运动方案简图：

注：1,2,3,4—直齿轮 5，6—锥齿轮 7，8，9—凸轮 　10—弹簧 11—推杆　　　　　
12—振荡器　13—进料槽 14—料槽15，16—推杆　17，18，19—收集箱

6.2健身球检验分类机工作原理
　6.2.1健身球检验分类机工作流程

将待测健身球放入料槽中

料槽中的小球在
振荡器的作用下滚入带凹槽的导轨中

电机通过变速器带动凸轮滑块9推动健身球

健身球在滑块1推动的作用下
由导轨进入第一个检料装置口

直径大于42mm的健身球被滑块2顶出由导轨滚入第二个检料装置口

直径大于44mm的健身球被滑块3顶出进入导轨

不同类型的健身球沿各自的轨道进入不同的收集箱中

6.3健身球检测分类机分析与评价
（1）优点
1)设计结构简单，能耗低；
2)设计制造简单；
3)使用解卡振荡器，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，噪声小。
（2）缺点
1)由于机构简单，故精确度不高；
2)振荡器的使用加剧了健身球之间的相互碰撞，同时使机械运转的噪音加大；
3)不适用于高速分类。
（3）改进
1)可通过精确的调整解卡振荡器的频率，从而减小噪音；
2)使用摩擦系数较小的导轨，提高选择精度。
七、总结
机械原理课程设计马上就要结束了，虽然只有两个星期的时间，但是在这次课程设计过程中我们学到了不少东西，得到了很好的锻炼。它不仅使我们平时所学的一些理论知识运用到了实际，培养了我们运用所学的基本理论和方法去发现、分析和解决工程实际问题的能力，而且，还使我们加深了对各类机械机构的认识，学会了利用程序分析设计各类凸轮机构，用VB软件对机构杆件的运动进行调试和分析，真正做到了学以致用，并且提高了我们对CAD画图，Word文档排版编辑的能力以及诸多方面的能力，这次设计是个综合性设计。在这次课程设计的过程中，我们真正体会到了设计工作的严谨性和自己很多方面知识的不足。刚开始，我们根本无从下手，好在有老师的耐心讲解和指导，我们才结合自己平时的理论基础，一步一步地完成了这次课程设计。同时，这次设计更好地锻炼了我们在处理问题时的团队协调合作能力，培养了我们的团队精神，对具体任务的分工协作精神。总之，在这次课程设计过程中，我们受益匪浅。我们相信通过越来越多的实践体验，我们一定能更好地掌握机械专业各方面的知识。
八、主要参考资料
1、孙桓，陈作模，葛文杰编著，《机械原理》，北京高等教育出版社，2006.5。
2、牛鸣岐，王保民，王振甫编著，《机械原理课程设计手册》，重庆大学出版社，2001.11。

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