机械原理课程设计糕点切片机02).doc

机 械 原 理
设计说明书
糕点切片机

目　录

设计任务书…………………………………………………3
第1章.工作原理和工艺动作分解…………………………5
第2章.根据工艺动作和协调要求拟定运动循环图………6
第3章.执行机构选型………………………………………7
第4章.机械运动方案的选择和评定………………………8
第5章.机械传动系统的速比和变速机构…………………11
第6章.机构运动简图………………………………………12
第7章.糕点切片机构的尺度设计…………………………14
第8章.糕点切片机构速度与加速度分析（一个位置）…23
第9章.参考资料……………………………………………24
第10章.设计总结…………………………………………25

湖南工业大学
课程设计任务书
2011 —2012 学年第 2 学期

内
容
及
任
务

一、设计的任务与主要技术参数
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、运动灵活可靠。
6） 电机可选用，功率0.55KW（或0.75KW）、1390r/min。
二、设计工作量
要求：对设计任务课题进行工作原理和工艺动作分解，根据工艺动作和协调要求拟定运动循环图，进行执行机构选型，构思该机械运动方案，并进行的选择和评定，确定机械运动的总体方案，根据任务书中的技术参数，确定该机械传动系统的速比和变速机构，作出机构运动简图，对相关执行机构的具体尺度进行分析与设计。
要求有设计说明书一份，相关图纸一至两张。（有条件的要求用三维动画表述）。
进
度
安
排
起止日期
工作内容
6.4-6.5
构思该机械运动方案
6.6-6.8
运动分析及作图
6.9
整理说明书与答辩
主要
参考
资料
［1］ 朱理．机械原理［Ｍ］．北京：高等教育出版社，2008：15-200
［2］ 邹慧君．机械原理课程设计［Ｍ］．北京：高等教育出版社，2009：15-250

第1章 工作原理和工艺动作分解
糕点先成型（如长方体、圆柱体）等的薄片后再烘干。糕点切片机要求实现两个动作：
（1）糕点的直线间歇移动
（2）切刀的往复旋转运动
通过两者的动作配合进行切片，变直线间歇移动速度或每次间歇的输送距离，以满足糕点的不同切片厚度的需要。
2. 工艺动作顺序
因为糕点切片机要求实现两个执行动作：糕点的直线间歇运动和切刀的旋转运动。
所以电机启动后，切刀连续旋转，同时进行糕点的送进运动，当送进停止（糕点停止）后，切刀切割糕点，切割完成（切刀退出糕点），完成一次循环。
根据任务书的要求，该机械的应有的工艺过程是，机构应具有两个执行构件(一个直线间歇移动，一个往复旋转运动)。两个执行构件的运动形式为：
(1) 糕点的直线间歇移动
糕点移动一段时间后停歇，把糕点送到一定位置让切刀来切割，切割剩下的糕点接着重复间歇直线运动，所以糕点行程约为5—80mm若机构主动作一转完成一个运动循环，则糕点的直线间歇移动
图的形状大致如图1-1所示

图1-1糕点的直线间歇移动图

(2) 切刀的往复旋转，在锥齿轮的带动下，切刀始终做旋转运动，所以其位移线图大致如图1-2所示。

图1-2切刀的直线往复运动循环图

第2章 根据工艺动作和协调要求拟定运动循环图
拟定运动循环图的目的是确定各机构执行构件动作的先后顺序、相位，以利于设计、装配和调试。
糕点切片机机构主动件每转完成一个运动循环所以拟订运动循环图时，以该切刀的转角作为横坐标( 0°~ 360°)，以各机构执行构件的位移为纵坐标作出位移曲线。运动循环图的位移曲线主要着眼于运动的起迄位置，根据上述表述作出糕点切片机的运动循环图如图2-1所示。

图2-1 糕点切片机的运动循环图

第3章 执行机构选型
由上述分析可知，糕点切割机机构有两个动作：一为实现糕点传输的间歇直线运动，二为实现切刀切割糕点的旋转往复运动。此外，当各机构按运动循环图确定的相位关系安装以后应能作适当的调整，故在机构之间还需设置能调整相位的环节(也可能是机构)。
糕点切片机机构设计过程：
实现糕点切片运动机构应有下述几种基本运动功能：
1):切刀要完成每分钟40次往复旋转运动，所以机构的刀片旋转速度40r／min，以电动机作为原动力，则糕点压片机机构应有运动缩小的功能
2)：因切刀是往复运动，故机构要有运动交替的功能
3)：原动机的输出运动是转动，糕点传输直线运动，所以机构要有运动转换的功能
4)：因有切片阶段，所以机构切刀切片过程有较长的停歇或近似停歇的功能；
先取上述(1)、(2)、(3)三种必须具备的功能来组成机构方案。

第4章 机械运动方案的选择和评定
方案一：
采用机构:
切刀往复运动：曲柄滑块切刀运动机构
糕点间歇运动：槽轮糕点运动机构

方案一的简图
切刀的往复运动我们用曲柄滑块机构实现，刀装在滑块上当曲柄进行圆周运动可以带动刀的往复运动，另外，采用图示的偏置曲柄滑块机构有急回运动特性，可使刀在向下运动即切糕点时速度加快，从而使切口光滑。
糕点的间歇运动我们采用槽轮实现。
当滑块向上运动即刀向上运动时，槽轮运动带动糕点的移动，当滑块向下运动即刀向下运动时，槽轮静止即糕点静止，进行切割。
方案Ⅱ：
切刀往复运动：齿轮—曲柄导杆机构
糕点间歇运动：不完全齿轮机构

切刀
直齿轮
锥齿轮

切刀机构
方案二的简图
切刀的往复运动我们采用摆动导杆机构和齿轮机构实现，利用导杆机构使摇杆产生一定角度的摆动，控制导杆机构的尺寸，可使刀的摆角达到一定角度，产生一定的齿轮啮合比，可以在此安装刀具使其来回往复切割。并且由于无论糕点的高低，其放置位置总是与刀切入时刀刃所在的直线存在一定夹角，存在应力集中现象，便于切片过程的实现。
糕点输送的机构我们采用不完全齿轮机构，在非啮合区，糕点静止，切刀开始切割；进入啮合区，输送带带动糕点输送，切刀停止切割。
但此机构中刀的运动具有急回运动特性，为了满足糕点厚度的均匀，我们必须考虑到来改变机构的自由度的数目，结构过于复杂，较难制造和计算。
方案Ⅲ：
切刀往复运动：齿轮机构
糕点间歇运动：槽轮机构

方案三的简图
对于此结构我们选刀的运动为连续旋转，而且采用两把刀的情况，这样的话系统的效率将会得到很大的提高，并且由于无论糕点的高低，其放置位置总是与刀切入时刀刃所在的直线存在一定夹角，存在应力集中现象，便于切片过程的实现。此机构采用多个齿轮连接，传动稳定，传动比可靠，同时整个系统机构设计简单，易于制造。
我们采用槽轮机构来完成糕点的间歇运动，在带动刀的齿轮旋转一周的过程中，拨盘旋转四周，来完成糕点的切割动作。
对于糕点的厚度，因槽轮的运动确定，采用改变摩擦轮的直径来改变糕点的输送距离达到改变糕点切片的厚度。
槽轮机构的结构简单，外形尺寸较小，其机械效率高，并能较平稳地、间歇地进行转位。
综合比较三个方案的优劣，方案三为我们所选的最终方案。

第5章.机械传动系统的速比和变速机构
通过原始数据：
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、运动灵活可靠。
6）电机可选用，功率0.55KW（或0.75KW）、1390r/min。
可以得出：
机构总传动比为：i总=1390/20=69.5。
周期：T=60/20=3s
故需采用三级减速，选带传动减速和齿轮减速。
传动比的分配：带传动的传动比为i=n1/n2≤10；锥齿轮传动的传动比为1~15;直齿轮的传动比为1~10；
故我们选择带传动的传动比为i1=6.95，第二级齿轮传动比i2=2.5则第三级中锥齿轮的传动比i3=i总/i1/i2 =4，直齿轮的传动比i4=i3=4。

第6章 机构运动简图
综合本组鲍齐友、唐维明、吴君峰同学的机构选型，做出切片机的总体机构运动简图，如图6-1所示
图6-1切片机的总体机构运动简图
序号
名称
1
电动机
2
同步带
3
直齿轮
4
直齿轮
5
锥齿轮
6
锥齿轮
7
锥齿轮
8
锥齿轮
9
直齿轮
10
主动拨盘
11
直齿轮
12
从动槽轮
13
切刀
14
摩擦轮

第7章 糕点切片机构的尺度设计
（同组的唐維明同学做送料机构、下冲头机构运动）
1）.对渐开线标准直齿圆柱齿轮3、4的设计
用标准齿轮传动设计简单，使用方便，互换性好。根据其不发生根切的最小齿数zmin=2ha*/sin²ɑ=17和传动比i34=i2=2.5要求，拟定直齿轮3、4的参数。
标准渐开线直齿轮3、4主要参数设计
a.初选中心距：取初始标准安装中心距a=65mm
b.模数、传动比及中心距确定：
在一般动力传动中，模数m不应小于2mm。
取第一系列模数m=2mm。
齿轮8、9的传动比i34=u1=z4/z3=2.5
则由中心距公式a=(z4+z3)m/2，得齿数z8=18.57,z2=46.43
取整后取z3=18,z4=45
则实际标准安装中心距为a=(z3+z4)m/2=63mm
则齿轮1、2的实际传动比 i12=u2= z4/z3=45/18=2.5
可得标准支持圆柱齿轮3、4的参数结果如下：
ha*=1，c*=0.25
模数：m3=m4=2mm。
啮合角：α=20°
齿顶高：ha3=ha4=ha*m=2mm
齿根高：hf3=hf4=(ha*+c*)m=2.5mm
齿顶圆直径：da3=(z3+2ha*)m=40mm da4=94mm
齿根圆直径：df3=(z3-2ha*-2c*)m=31mm df4=85mm
基圆直径：db3=d3cosα=33.83mm db4=84.57mm
齿距：p=πm=6.28mm
基圆齿距：pb=pcosα=5.90mm
齿厚：s=πm/2=3.14mm
齿槽宽：e=πm/2=3.14mm
标准中心距：a=m(z3+z4)/2=63mm
r3=mz3/2=18mm
r4=mz4/2=45mm
ra3=r3+ha*m=20mm
ra4=r4+ha*m=47mm
αa3=arc cos(r3cosα/ra3)=arccos(18cos20°/20)=32.25°
αa4=arc cos(r4cosα/ra4)=arccos(45cos20°/47)=25.88°
故两齿轮的重合度：
ξα=[z3(tanαa3-tanα)+ z4(tanαa4-tanα)]/2π
=[18(tan32.25°-tan20°)+ 45(tan25.88°-tan20°)]/2π
=1.63>1,
故所选齿轮满足要求。
2）.直齿锥齿轮5、6、7、8的设计
本设计采用直齿锥齿轮传动，一方面起到了换向的作用，另一方面，锥齿轮传动具有以下主要特点：1、齿形简单，制造容易，成本较低。2、承载能力较低。3 .轴向力较小，且方向离开锥顶。

对于锥齿轮5和6的传动，其传动比为i56=4，对于锥齿轮，其不发生根切的最少齿数为zmin=2ha*×cosδ/sin2a，通常小齿轮的齿数为z=16~30，在此，根据结构强度的要求：
初选锥齿轮5的分度圆直径为36，按照模数第一系列标准选取m=2，则可得 锥齿轮5的齿数z5=36/2=18，则锥齿轮6的齿数为z6= i56×z5=72。则其他相关参数计算如下：
ha*=1，c*=0.25，
分锥角：δ5=arctan(z5/z6)=14°
δ6=90°-δ5=76°
齿顶高：ha=ha*m=2mm
齿根高：hf=(ha*+c*)m=2.5mm
分度圆直径：d5=m5z5=36mm d6=m6z6=144mm
齿顶圆直径：da5=d5+2hacosδ5=39.88mm
da6=d6+2hacosδ6=144.97mm
齿根圆直径：df5=d5-2hfcosδ5=31.15mm
df6=d6-2hfcosδ6=142.79mm
锥距：R=m(z52+z62)1/2/2=74.22mm
齿根脚：tanθf=hf/R=0.0337
顶锥角：δa5=δ5+θf=15.93° δa6=δ6+θf=77.93°
根锥角：δa5=δ5-θf=12.07° δa6=δ6-θf=74.07°
顶隙：c=c*m=0.25
分度圆齿厚：s=πm/2=3.14
当量齿数：zv5=z5/cosδ5=18.55 zv6=z6/cosδ6=297.62
齿宽：B≤R/3=[24.74]=24
αva5=arccos=31.98°
αva6=arccos=21.03°
端面重合度：ξα=[zv5(tanαva5-tanα)+ zv6(tanαva6-tanα)]/2π=1.54>1
故直齿锥齿轮5、6满足传动要求。
对于锥齿轮7和8，我们以上面同样的方法可以得到其相关数据。
初选直齿锥齿轮7的分度圆直径为100mm，7、8的传动比为i=1，按照第一系列标准选择直齿锥齿轮7和8的模数均为4，z7=100/4=25，z8=z5×i=25。
分锥角：δ7=arctan(z7/z8)=45°
δ8=90°-δ7=45°
齿顶高：ha=ha*m=4mm
齿根高：hf=(ha*+c*)m=5mm
分度圆直径：d7=m7z7=100mm d8=m8z8=100mm
齿顶圆直径：da7= da8=d7+2hacosδ7=101.414mm
齿根圆直径：da7= da8=d7-2hfcosδ7=98.23mm
锥距：R=m(z72+z82)1/2/2=70.71mm
齿根脚：tanθf=hf/R=0.07071mm
顶锥角：δa7=δa8=δ7+θf=49.045°
根锥角：δa7=δa8=δ7-θf=40.96°
顶隙：c=c*m=1 mm
分度圆齿厚：s=πm/2=6.28mm
当量齿数：zv7= zv8=z7/cosδ7=35.36
齿宽：B≤R/3=[23.57]=23mm
αva7=αva8=arccos=25.08°
端面重合度：ξα=[zv7(tanαva7-tanα)+ zv8(tanαva8-tanα)]/2π=1.17>1
故所选直齿锥齿轮5、6满足传动要求。
序号
模数m
齿数z
锥齿轮5
2
18
锥齿轮6
2
72
锥齿轮7
4
25
锥齿轮8
4
25
3）.对渐开线标准直齿圆柱齿轮9、11的设计
用标准齿轮传动设计简单，使用方便，互换性好。根据其不发生根切的最小齿数zmin=2ha*/sin²ɑ=17和传动比i89=i总/i1=10要求，拟定直齿轮9、11的参数。
标准渐开线直齿轮9、11主要参数设计
a.初选中心距：取初始标准安装中心距a=140mm
b.模数、传动比及中心距确定：
按经验公式，m=(0.016︿0.0315)a=(0.016︿0.0315)×140=2.24︿4.41
根据《机械原理》第7章表7.2中取第一系列模数m=3mm。
齿轮9、11的传动比i=u1=z11/z9=4
则由中心距公式a=(z11+z9)m/2，得齿数z9=18.67,z11=74.67
经取整后取z9=18,z11=72
则实际标准安装中心距为a=(z9+z11)m/2=135mm
可得标准直齿圆柱齿轮8、9的参数结果如下：
模数：m9=m11=3mm。
啮合角：α=20°
齿顶高：ha9=ha11=ha*m=3mm
齿根高：hf9=hf11=(ha*+c*)m=3.75mm
齿顶圆直径：da9=(z9+2ha*)m=60mm da11=222mm
齿根圆直径：df9=(z9-2ha*-2c*)m=46.5mm df11=208.5mm
基圆直径：db9=d9cosα=50.74mm db9=202.97mm
齿距：p=πm=9.42mm
基圆齿距：pb=pcosα=8.85mm
齿厚：s=πm/2=4.71mm
齿槽宽：e=πm/2=4.71mm
标准中心距：a=m(z11+z9)/2=135mm
r9=mz9/2=27mm
r11=mz11/2=108mm
ra9=r9+ha*m=30mm
ra11=r11+ha*m=111mm
αa9=arc cos(r9cosα/ra9)=arccos(27cos20°/30)=32.25°
αa11=arc cos(r11cosα/ra11)=arccos(108cos20°/111)=23.89°
故两齿轮的重合度：
ξα=[z9(tanαa9-tanα)+ z11(tanαa11-tanα)]/2π
=[18(tan32.25°-tan20°)+ 72(tan23.89°-tan20°)]/2π
=1.67>1,
故所选齿轮满足要求。
4）.对刀长的设计
由已知条件糕点切片长度（亦即切片高）范围：5~80mm及切刀切片时最大作用距离（亦即切片宽度方向）：300mm得知：根据运动循环图作得刀切割的示意图，得输送带与锥齿轮8之间的距离为92mm>80mm,不至蛋糕与锥齿轮8发生干涉，由于刀是做圆周运动，通过CAD作图可以得到：刀长L≥156.77mm，糕点的最大宽度为300mm，刀切割过的角度为135°。

故拟定刀的长度L=160mm＞156.77mm,满足使用条件。
5）.对槽轮机构的设计和计算

由机械系统图，我们根据前面的齿轮设计得到槽轮的相关数据：
槽数：Z=4
根据结构简图及各构件尺寸得槽轮中心距，并将摩擦轮尺寸考虑进去得：
L>18+40+100+92-135=115mm 取L=130mm；
从动轮运动角：2β=360°/Z=90°
主动轮运动角：2α=360°－2β=90°
从动轮轴心到槽口长度：O2A=Lcosβ=91.92mm
主动曲柄长度：R1=O1A=Lsinβ=91.92mm
滚子半径：r3≈R1/6=91.92/6=15.32mm,取15mm
锁止弧半径：RH≤O1A-r3-h=91.92-15-（0.6~0.8）×15
=64.92mm~67.92mm，取65mm
主动轮上锁止弧所占角度，以O1A为起始线两边各α角中无锁止弧。
槽轮上槽口至槽底深：LS=O2A-(L-O1A)+r3+△
=91.92-（130-91.92）+15+△
=（68.84+△）mm，式中△是预留的间隙。
周期T=3s
从动轮运动时间：td=α×T/π=(1/2-1/Z)T=T/4=0.75s
从动轮停歇时间：tj=T-td=2.25s
6）.采用三种摩擦轮满足三种切片厚度，根据槽轮设计摩擦轮的半径大小
由条件得：档位1：π×r1/2=10mm，得r1=6.37mm
档位2：π×r2/2=15mm，得r2=9.55mm
档位3：π×r3/2=20mm，得r3=12.74mm
其中r1、r2、r3分别为三个档位的摩擦轮的半径。

第8章 糕点切片机构速度与加速度分析
刀尖速度分析：
v=w*r=0.335m/s.

刀尖的加速度分析：
刀尖的切向加速度为0;
法向加速度为:
a=v*w=0.702m/s2.

第9章 参考资料
［1］ 朱理．机械原理．北京：高等教育出版社，2011.
［2］ 邹慧君，张青．机械原理课程设计．北京：高等教育出版社，2010.

第10章 设计总结
机械原理是机械类专业里的基础学科，也是非常重要的一门课程，学好它对于以后的学习和工作都会有很大的帮助。而机械原理课程设计是检验机械原理学习好坏的一个重要途径，也是机械原理和机械设计重要衔接点和连接处，这次的课程设计是我第一次较全面的机械设计训练，。　　
通过运用机械原理和其他相关知识，我进行了糕点切片机的机械原理课程的设计，我对于机械有了更深的认识同时也培养了一些解决实际问题的能力，并将所学知识进一步巩固。并对一些软件如CAD、ProE、Word有了更深的认识和掌握，同时也感受到团队的重要性，团队成员的协作对于课程设计的完成有很大的帮助。但是同时通过这次课程也暴露出了我的很多问题，对于方案的制定缺乏创新性，对于一些基础知识的掌握仍然有所欠缺，对于一些软件的熟练程度仍然不够，对于问题仍然缺乏一些个人的独到见解，仍然缺乏实践能力。有问题就要解决，就要去寻求解决的办法，我要在以后的学习过程中努力克服这些问题，争取把专业学的更好。
这次的机械原理课程设计使我对所学的专业有了更深的认识，同时也检验了我的前一阶段的学习成果，有好的一面，也暴露了一些问题，好的要保持，而重点应该在问题上，要在以后的学习过程中寻求解决问题的方法，努力使自己的专业知识能够更加的牢固，同时也要提升自己的综合能力。
　　这次课程设计，也增加了对本专业的兴趣。看到自己能亲自动手解决遇到的问题的时候，对本专业的知识的应用也有了实际的设计操作，大大的培养了对机械专业的兴趣。兴趣是最好的老师，同时也为我们学好专业知识加大了动力。