机械原理课程设计(步进送料机设计说明)终稿.doc

机械原理课程设计

步进送料机
设计说明书

前言

进入21世纪以来， 随着科学技术、工业生产水平的不断发展和人们生活条件的不断改善市场愈加需要各种各样性能优良、质量可靠、价格低廉、效率高、能耗低的机械产品，而决定产品性能、质量、水平、市场竞争能力和经济效益的重要环节是产品设计。机械产品设计中，首要任务是进行机械运动方案的设计和构思、各种传动机构和执行机构的选用和创新设计。这要求设计者综合应用各类典型机构的结构组成、运动原理、工作特点、设计方法及其在系统中的作用等知识，根据使用要求和功能分析，选择合理的工艺动作过程，选用或创新机构型式并巧妙地组合成新的机械运动方案，从而设计出结构简单、制造方便、性能优良、工作可靠、实用性强的机械产品。

企业为了赢得市场，必须不断开发符合市场需求的产品。新产品的设计与制造，其中设计是产品开发的第一步，是决定产品的性能、质量、水平、市场竞争力和经济效益的最主要因素.机械原理课程设计结合一种简单机器进行机器功能分析、工艺动作过程确定、执行机构选择、机械运动方案评定、机构尺度综合、机构运动方案设计等，使学生进一步巩固、掌握并初步运用机械原理的知识和理论，对分析、运算、绘图、文字表达及技术资料查询等诸方面的独立工作能力进行初步的训练，培养理论与实际结合的能力，更为重要的是培养开发和创新能力。因此，机械原理课程设计在机械类专业学生的知识体系训练中，具有不可替代的重要作用。

本次我设计的是步进送料机，以小见大，设计并不是门简单的课程，它需要我们理性的思维和丰富的空间想象能力。我们可以通过对步进送料机的设计进一步了解机械原理课程设计的流程，为我们今后的设计课程奠定了基础。

目录
前言 ……………………………………………………………………1

第1章 课程设计内容 …………………………………3
1.1设计题目……………………………………………………3
1.2设计任务……………………………………………………4
1.3设计提示……………………………………………………4
第2章 设计思路……………………………………4
2.1连杆机构的特点……………………………………………4
2.2齿轮机构的特点……………………………………………5
第3章 工作原理……………………………… ……6
3.1 传动机构:常用传动机构的基本特征………………………6
3.2 传动机构的选择与比较…………………………………… 7
3.3 执行机构的选择与比较…………………………………… 8
3.4 机构运动简图……………………………………………… 10
第4章 运动循环图 ……………………………………11
第5章 构件的运动分析及尺寸的确定……………11
第6章 机构运转的整体流程……………………… 15
第7章 机构的整体简图…………………………… 16
第8章 小结………………………………………… 18
第9章 致谢………………………………………… 19
第10章 参考文献…………………………………… 20
第11章 附录………………………………………… 21

1 课程设计 步进送料机

1.1．设计题目
设计某自动生产线的一部分——步进送料机。如图25所示，加工过程要求若干个相同的被输送的工件间隔相等的距离a，在导轨上向左依次间歇移动，即每个零件耗时t1移动距离a后间歇时间t2。考虑到动停时间之比K=t1/t2之值较特殊，以及耐用性、成本、维修方便等因素，不宜采用槽轮、凸轮等高副机构，而应设计平面连杆机构。

图 1 步进送料机

具体设计要求为：
1、电机驱动，即必须有曲柄。
2、输送架平动，其上任一点的运动轨迹近似为虚线所示闭合曲线（以下将该曲线简称为轨迹曲线）。
3、轨迹曲线的AB段为近似的水平直线段，其长度为a，允差±c（这段对应于工件的移动）；轨迹曲线的CDE段的最高点低于直线段AB的距离至少为b，以免零件停歇时受到输送架的不应有的回碰。有关数据见表1.1

表1.1 设计数据

方案号 a c b t1 t2
/mm /mm /mm /s /s

F 400 20 55 2 4

1.2设计任务
1. 步进送料机一般至少包括连杆机构和齿轮机构二种常用机构。
2. 设计传动系统并确定其传动比分配。
3. 图纸上画出步进送料机的机构运动方案简图和运动循环图。
4. 对平面连杆机构进行尺度综合，并进行运动分析；验证输出构件的轨迹是否满足设计要求；求出机构中输出件的速度、加速度；画出机构运动线图。
5. 编写设计计算说明书。
1.3．设计提示
1. 由于设计要求构件实现轨迹复杂并且封闭的曲线，所以输出构件采用连杆机构中的连杆比较合适。
2. 由于对输出构件的运动时间有严格的要求，可以在电机输出端先采用齿轮机构进行减速。如果再加一级蜗杆蜗轮减速，会使机构的结构更加紧凑。
3. 由于输出构件尺寸较大，为提高整个机构的刚度和运动的平稳性，可以考虑采用对称结构（虚约束）。
2 设计思路

2.1连杆机构的特点：
1） 其运动副元素为面接触，压力较小，承载能力较大，润滑好，磨损小，加工制造容易，且连杆机构中的低副一般是几何封闭，对保证机构的可靠性有利。
2） 在连杆机构中，在原动件的运动规律不变的条件下，可用改变各机构的相对长度来使从动件得到不同的运动规律。
3） 在连杆机构中，在连杆上各点的轨迹是各种不同的形状的曲线，其形状随着各构件的相对长度的改变而改变，故连杆曲线的形式多样，可用来满足一些特定的工作需要。
利用连杆机构还可以很方便地改变运动的传递方向，扩大行程，实现增力和远距离传动等目的

图2.1 连杆机构
2.2齿轮机构的特点：
齿轮机构是在各种机构中应用最为广泛的一种传动机构。它依靠轮齿齿廓直接接触来传递空间任意两轴间的运动和动力，并具有传递功率范围大，传动功率高，传动比准确，使用寿命长，工作可靠等优点。

图2.2 齿轮机构
考虑到动停时间之比K=t1/t2之值较特殊，以及耐用性、成本、维修方便等因素，不宜采用槽轮、凸轮等高副机构，故采用应平面连杆机构和齿轮机构。

3 工作原理

功能要求：加工过程要求若干个相同的被输送的工件间隔相等的距离a，在导轨上向左依次间歇移动，即每个零件耗时t1=2s移动距离a=400mm后间歇时间t2=4s
功能原理：步进送料机的工作原理分解如图4所示，

该系统由电动机驱动，通过带蜗杆减速将运动传给齿轮，再由各级齿轮进行减速使其转速符合要求。最后利用齿轮和连杆将运动传给输送架。
原动机的选择：经过计算与讨论，最终我们选择转速为960r/min的电动机，因为经过比较在此转速下的电动机能够充分满足动力要求而且不会造成机器的浪费。

图3.1工作原理分解图

3.1传动机构：
齿轮传动：优点传动比准确，外廓尺寸小，功率高，寿命长，功率及速度范围广，适宜于短距离。
缺点制造精度要求高。
主要用于传动。
带传动：优点中心距变化范围广，可用于长距离传动，可吸振，能起到缓冲及过载保护。
缺点有打滑现象，轴上受力较大。
常用于传动链的高速端。
连杆传动：优点适用于宽广的载荷范围，可实现不同的运动轨迹，可用于急回、增力，加大或缩晓行程。
缺点设计复杂，不宜高速度运动。
既可为传动机构又可做为执行机构。
凸轮机构：优点能实现各种运动规律，机构紧凑。
缺点易磨损，主要用于运动的传递。
主要用于执行机构。

3.2传动机构的选择与比较：
鉴于传动机构的特点，我们小组提出了四种方案：
方案1：采用凸轮摇杆机构

图3.2 凸轮摇杆机构
此机构虽然能够满足运动轨迹的要求，但由于该机构有凸轮机构，导致在机构的运动路线的计算时非常复杂，而且凸轮机构易磨损，机构的平衡性不好，导致在机构运动时，产生很大的噪声，而且构件会损坏的非常快，所以舍弃这个方案。
方案2：采用从动件圆柱凸轮机构

图3.3从动圆柱凸轮机构
该凸轮机构虽然能实现工件的移动，但不满足设计要求的输送爪的运动轨迹，所以该方案舍弃。
方案3：采用齿轮与齿条的配合

图3.4 齿轮与齿条配合
该机构虽然能实现工件在工作台上的间歇运动，也能满足设计要求的时间间隔，但该机构的
传送装置为环状的传送带，不满足得及要求的曲线，所以该方案舍弃。

方案4：采用齿轮连杆机构

图3.5 齿轮连杆机构

经过激烈的讨论与研究，我们最终采用方案四。

3．3执行机构的选择与比较：

方案1：带传动：
图3.6 带传动图示

方案2：机械爪

图3.7 机械爪

经过慎重考虑与比较，最终我们选择了方案2。

3.4机械运动简图

：

图3.8 机械运动简图

4运动循环图
以连杆a的转角位横坐标，绘制如下的运动循环图：

图4.1 运动循环图

5 构件的运动分析及尺寸的确定

因为执行构件（即输出构件）要满足如下的运动轨迹，所以运动构件必须要满足如图的运动路径。

图5.1运动轨迹

由连杆曲线图谱可查得

图5.2 连杆曲线图谱
满足该路径的四连杆机构为

图5.3 四连杆机构
由图谱所给定的参数可查得，杆a,b,b’,c,d的长度比例为：1：5：2.5：4：3
a杆与该机构的平动轨迹的长度比为1：5.
因为输出机构要满足题目要求的轨迹，
表2
方案号 a c b t1 t2
/mm /mm /mm /s /s

F 400 20 55 2 4

即平动轨迹要求长度为400mm，根据查表来的比例数据可得各个杆的长度为：
表3
杆号 a b b’ c d

杆长（mm) 80 400 200 320 240
蜗杆的参数确定：
由蜗杆的分度圆直径预期模数的匹配标准系列可知：
模数为2的时候，分度圆直径可选为22.4。
表4
主要参数 齿数z1 模数 压力角 分度圆直径

数值 1 2 20 22.4
涡轮2,3的参数的确定
表5
主要参数 齿数z1 模数 压力角 分度圆直径

数值 60 2 20 120

由以上参数可知该减速机构的传动比为z2/z1=60
齿轮的参数与尺寸
由方案可知：
输出构件每分钟循环运动的次数为：60/（2+4）=10次
根据齿轮的标准模数系列表：

表6
第1系列

1 1.25 1.5 2 2.5 3 4 5 6 8
10 12 16 20 25 32 40 50

第2系列

1.75 2.25 2.75 （325） 3.5 （3.75） 4.5
5.5 （6.5） 7 9 (11) 14 18 22 28
36 45

可得
由于6,7齿轮与涡轮2,3连在同一轴上，所以这两个齿轮的转速w与涡轮的转速一致。
齿轮1与4,,6与7为对称齿轮，两两完全相同，所以
该直齿圆柱齿轮组的参数为

表7
主要参数 齿数 模数 压力角 分度圆直径
齿轮1，4 80 1 20 80
齿轮6，7 50 1 20 50

动力由6,7齿轮传动到1,4齿轮上，传动比为80/50=1.6
所以齿轮1,4的转速w为

W=960r/min/60/1.6=10r/min

即在一分钟内，齿轮1和4转动10周，所以连杆a也转动10周，即该连杆机构循环运动10周，等于设计要求的转速。故该传动系的设计是合理且符合要求的。

6 机构运转的整体流程：

执行构件输送爪运动
连杆b,c转动
连杆a转动
齿轮1,2
齿轮6,7
涡轮2，3转动
电动机转动
蜗杆转动

图6.1机械运转的整体流程

7 机构的整体简图

图7.1 机械整体简图

图中1,4,6,7为四个齿轮，2,3为两个涡轮，2为蜗杆，3和7装在同一轴上，2和6装在同一轴上。

其中执行机构的运动轨迹为下图

图7.2 运动轨迹图
此轨迹与设计要求的轨迹一致，符合要求。可以作为执行机构的运动轨迹。

小结

我们的这个设计运用平面连杆机构、齿轮机构以及涡轮蜗杆减速机构的联合。这些组合机构很好的完成了设计的轨迹要求。为了解决对输出构件对时间和频率的要求，我们在电动机后加置了减速蜗杆机构，该机构的引入，解决了电动机转速与输出构件运动频率差值过大的问题。为了克服输出构件运动的不平稳性，提高整个机构的刚度和运动的平稳性，我们采用了使用对称结构，大大增加了机构的运转效率和稳定性。

致谢

本次设计由张涵老师精心指导审阅，引导我们整理出设计思路，指出多出不当之处，全程辅导我们完成本次设计。在这里，特别向张老师致谢。

参考文献

【1】 裘建新（主编）机械原理课程设计指导书·高等教育出版社2007年 11月
【2】 李学荣，朱桥等（编制）连杆曲线图谱（第一版）重庆出版社1993年4月
【3】 孙桓，陈作模，葛文杰（主编）机械原理（第七版），西北工业大学机械原理及机械零件教研室编 高等教育出版社2006年5月
【4】 张卫国 饶芳(主编)―机械设计基础篇华中·科技大学出版社2006·9
【5】 王为 汪建晓(主编)吴昌林(主审)―机械设计·华中科技大学出版社2007·2
【6】 宋昭祥(主编)―机械制造基础·机械工业出版1998·10
【7】 张定华(主编)―工程力学·高等教育出版社2003
【8】 陆金贵(主编)―凸轮制造技术·机械工业出版1996
【9】 张策 (主编)―机械原理与机械设计·机械工业出版2004
【10】 黄纯颖(主编)―工程设计方法·中国科学技术大学出版社1999
【11】吴宗泽(主编)―高等机械零件·清华大学出版社1998