块状物品推送机机械原理课程设计.docx

机械原理课程设计说明书
设计题目: 块状物品推送机的机构综合与结构设计
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一、 设计题目 2
二、设计数据与要求 2
三、设计任务 3
四、方案设计 4
1.凸轮连杆组合机构 4
2.凸轮机构 5
3.连杆机构 6
4.凸轮齿轮组合机构 7
五、方案尺寸数据及发动机参数 7
六、运动分析 8
1.位移分析 8
2.速度分析 9
3.加速度分析 10
七、飞轮设计 11
八、个人总结 11

一、 设计题目
在自动包裹机的包装作业过程中，经常需要将物品从前一工序转送到下一工序。现要求设计一用于糖果、香皂等包裹机中的物品推送机，将块状物品从一位置向上推送到所需的另一位置，如图所示。
二、设计数据与要求
1. 向上推送距离H=120mm，生产率为每分钟推送物品120件。
2. 推送机的原动机为同步转速为3000转/分的三相交流电动机，通过减速装置带动执行机构主动件等速转动。
3. 由物品处于最低位置时开始，当执行机构主动件转过1500时，推杆从最低位置运动到最高位置；当主动件再转过1200时，推杆从最高位置又回到最低位置；最后当主动件再转过900时，推杆在最低位置停留不动。
4. 设推杆在上升运动过程中，推杆所受的物品重力和摩擦力为常数，其值为500N；设推杆在下降运动过程中，推杆所受的摩擦力为常数，其值为100N。
5. 使用寿命10年，每年300工作日，每日工作16小时。
6. 在满足行程的条件下，要求推送机的效率高（推程最大压力角小于350），结构紧凑，振动噪声小。
三、设计任务
1. 至少提出三种运动方案，然后进行方案分析评比，选出一种运动方案进行机构综合。
2. 确定电动机的功率与满载转速。
3. 设计传动系统中各机构的运动尺寸，绘制推送机的机构运动简图。
4. 在假设电动机等速运动的条件下，绘制推杆在一个运动周期中位移、速度和加速度变化曲线。
5. 如果希望执行机构主动件的速度波动系数小于3%，求应在执行机构主动件轴上加多大转动惯量的飞轮。
6. 进行推送机减速系统的结构设计，绘制其装配图和两张零件图。
7. 编写课程设计说明书。
四、方案设计
1.凸轮连杆组合机构

凸轮－连杆组合机构也可以实现行程放大功能，在水平面得推送任务中，优势较明显，但在垂直面中就会与机架产生摩擦，加上凸轮与摆杆和摆杆与齿条的摩擦，积累起来，摩擦会很大，然后就是其结构较为复杂，非标准件较多，加工难度比较大，从而生产成本也比较大，连杆机构上端加工难度大，而且选材时，难以找到合适的材料，使其既能满足强度刚度条件又廉价，因此不宜选择该机构来实现我们的设计目的。
2.凸轮机构

方案结构简单紧凑，噪音小，运用蜗轮蜗杆传递动力，采用了带传动，凸轮机构回转运动，易于完成小范围内的物料推送任务，效率较高并且运动精确稳定效应迅速，可使推杆有确定的运动，完全符合设计目标。
3.连杆机构

利用等价的平面连杆机构实现机构的推送任务，几何封闭，传送稳定性高，通过设计合适的杆长可以实现预期的运动，当以AB杆作为原动件时，运动传到推杆K产生一定的增力效果，但是此机构由于运用了很多杆件，进行了多次中间传力，会导致机械效率的降低和误差的积累，而且连杆及滑块产生的惯性力难以平衡加以消除，因此在高速推送任务中，不宜采用此机构。
4.凸轮齿轮组合机构

凸轮－齿轮组合机构，可以将摆动从动件的摆动转化为齿轮齿条机构的齿条直线往复运动。当扇形齿轮的分度圆半径大于摆杆长度时，可以加大齿条的位移量。但是比较难设计，不好实现。
经过比较，选定方案2。
五、方案尺寸数据及发动机参数
经程序运算和查询相关资料，最终尺寸确定为 凸轮基圆半径r0=100mm, 推程h=120mm，滚子半径rb=20mm；经附录程序运算，得推程最大压力角为29.8度，符合要求。
蜗杆m=4，头数为一，分度圆直径d=40mm；右旋；
蜗轮m=4，齿数25，分度圆直径d=100mm ；
V带基准长度250；
带轮1基准直径=50，外径=52.2； 槽型为 Y；
带轮2基准直径=20，外径=23.2 槽型为 Y；
电动机效率η1 =80% 单头蜗杆传动效率η2= 75%
V带传送效率η3=85% 凸轮传动效率η4= 95%
移动副传动效率η5= 95%
电动机型号选为YD100L-6/4/2型三项异步电机，此电动机额定功率为1.8KW，工作电压为380V，额定电流为4.8A，额定转速为3000r/min,转子转动惯量为0.0014Kg*。计算可知,在一个工作周期T=0.5s中，
阻力功w=（500*120+100*120）*0.001=0.072 J；
阻力功率p1=w/T=0.144J/s，
机构总效率η=η1*η2*η3*η4*η5=0.3826；
机构驱动力功率p2=p1/η=0. 3764 J/s=1.36kw
六、运动分析
1.位移分析

其中=150°，=270°

由曲线可知，在一个周期内推杆位移先增加（0°-150°）后减小(150°-270°)后不变(270°-360°)，符合推杆先上升后下降再停顿。
2.速度分析

其中=150°，=270°

凸轮的推程（0°-150°）选择的是等加速等减速运动规律，由上图可知在150°之前，无速度突变即无刚性冲击，推杆速度先均匀增大后均匀较小至零。回程时（150°-270°）选择的是五次多项式运动规律，先增加后减小至零，曲线完全符合，无速度突变亦即无刚性冲击。近休时（270°-360°）,速度为零，无刚性冲击。
3.加速度分析

其中=150°，=270°

凸轮的推程（0°-150°）选择的是等加速等减速运动规律，在开始时（0°）、（75°-80°）、（150°）加速度有突变，但是突变有限，因而引起的冲击较小，故只存在柔性冲击。回程时（150°-270°）选择的是五次多项式运动规律，由曲线可知加速度无突变，即无柔性冲击。
启动电机，通过带传动涡轮蜗杆传动减速并带动凸轮转动，凸轮推动推杆运动。最初150度，凸轮从最低点运动到最高点作推程运动时，推杆推送物品作上升运动，同时压缩弹簧。接下来120度，凸轮从最高点作回程运动时，推杆在自身重力和弹簧弹力的作用下作下降运动。最后的的90度推杆在最低位置静止不动。电动机不断地提供电能带动整个装置的传动，完成构件上下往复运动，把一个物品从一个位置推送到另一个位置。
七、飞轮设计
由五可得△Wmax=0.1162J
Wm=w=4*Π；
Jf=△Wmax/([δ]*Wm*Wm)-Je=0.0232 Kg*；
八、个人总结
实际操作永远不会像想象的那样简单。在平常的学习中，尽管自己不承认，但多多少少还是存在眼高手低的情况。这次的课程设计就给了自己当头一棒，刚开始的时候完全不懂。通过在网上查找资料，到图书馆借书才逐渐理清头绪。这次课程设计对对机械原理的掌握要求非常高，而且不仅仅如此，它还需要我们学习CAD、C语言、ADAMS、MATLAB等软件，是一次对综合能力的考察。虽然这次的课程设计完成了，但是借鉴了不少前辈的经验，自己还有很多地方需要努力，而这也许才是这次课程设计最重要的收获。
最后要感谢我的队友的大力帮助以及老师的辛勤教导。

参考文献：
《机械原理》 第七版 高等教育出版社 孙恒
《机械原理课程设计指导》北京航空航天大学出版社 张晓玲
《机械原理课程设计》高等教育出版社 裘建新
《机械原理创新设计》华中科技大学出版社 强建国
《ADAMS 2005 机械设计高级应用实例》机械工业出版社 郑凯
凸轮部分代码：
#include<stdio.h>
#include<math.h>
#include<stdlib.h>
#define PI 3.141592653
double fact[72][2];
double theory[72][2];
int ang1=150,ang2=270,ang3=360;
double h=120, rb=60,b=2;
double A1=30*PI/180, A2=70*PI/180;
double P=13,e=0;
double So,r=18;
double S(int I)
{
double s;
double A;
double B;
if(I<=ang1/2)
{
A=I*PI/180;
B=ang1*PI/180;
s=2*h*pow(A/B,2);
}
else if((I>ang1/2)&&(I<=ang1))
{
A=I*PI/180;
B=ang1*PI/180;
s=h-2*h*pow((B-A)/B,2);
}
else if(I<=ang2)
{
A=(I-ang1)*PI/180;
B=(ang2-ang1)*PI/180;
s=h-(10*h*pow(A/B,3)-15*h*pow(A/B,4)+6*h*pow(A/B,5));
}
else s=0;
return(s);
}
double ds(int Q)
{
double A,B,C;
if(Q<=ang1/2)
{
A=Q*PI/180;
B=ang1*PI/180;
C=4*h*A/(B*B);
}
else if((Q>ang1/2)&&(Q<=ang1))
{
A=Q*PI/180;
B=ang1*PI/180;
C=4*h*(B-A)/(B*B);
}
else if(Q<=ang2)
{
A=(Q-ang1)*PI/180;
B=(ang2-ang1)*PI/180;
C=-30*h*A*A/pow(B,3)+60*h*pow(A,3)/pow(B,4)-30*h*pow(A,4)/pow(B,5);
}
else C=0;
return C;
}
double dss(int B3)
{
double A,B,C;
if(B3<=ang1/2)
{
A=B3*PI/180;
C=ang1*PI/180;
B=4*h/(C*C);
}
else if(B3>ang1/2&&B3<=ang1)
{
A=B3*PI/180;
C=ang1*PI/180;
B=-4*h/(C*C);
}
else if(B3<=ang2)
{
A=(B3-ang1)*PI/180;
C=(ang2-ang1)*PI/180;
B=-60*h* A/pow(C,3)+180*h*A*A/pow(C,4)-120*h*pow(A,3)/pow(C,5);
}
else B=0;
return(B);
}
void xy(int ang)
{
double A,B,C,E,F,dx,dy;
A=ang*PI/180;
B=S(ang);
C=ds(ang);
dx=(So+B)*cos(A)+sin(A)*C-e*sin(A);
dy=-sin(A)*(So+B)+C*cos(A)-e*cos(A);
E=r*dy/sqrt(dx*dx+dy*dy);
F=r*dx/sqrt(dx*dx+dy*dy);
theory[ang/5][0]=(So+B)*sin(A)+e*cos(A);
theory[ang/5][1]=(So+B)*cos(A)-e*sin(A);
fact[ang/5][0]=theory[ang/5][0]-E;
fact[ang/5][1]=theory[ang/5][1]+F;
}
double a(int B1)/*****求解压力角****/
{
double A,B;
A=sqrt((ds(B1)-e)*(ds(B1)-e));
B=S(B1);
return atan(A/(B+So));
}
double p(int B2)
{
double dx,dy,dxx,dyy;
double A,B,C,D,E;
A=B2*PI/180;
B=ds(B2);
C=S(B2);
D=dss(B2);
dx=(So+C)*cos(A)+sin(A)*B-e*sin(A);
dy=-sin(A)*(So+C)+B*cos(A)-e*cos(A);
dxx=-(C+So)*sin(A)+cos(A)*B+D*sin(A)-e*cos(A);
dyy=-cos(A)*(So+C)-B*sin(A)+D*cos(A)-sin(A)*B+e*sin(A);
E=sqrt(pow(dx*dx+dy*dy,3))/sqrt(pow((dx*dyy-dxx*dy),2));
return(E);
}

//计算数据并写入文件
void main()
{ FILE *fp;
int i;
int k,h,l;
double angle1max=0,angle2max=0,pmin=1000;
if((fp=fopen("f:\\sanying","w"))==NULL)
{
printf("Cann't open this file.\n");
exit(0);
}
fprintf(fp,"\n The Kinematic Parameters of Point 4\n");
fprintf(fp," x y x' y' ");
for(;i!=360;)
{
rb=rb+b;
So=sqrt(rb*rb-e*e);
for(i=0;i<=ang1;i=i+5)
{
if(a(i)>A1||p(i)<P)
break;
}
if(ang1+5-i)continue;
for(i=ang1+5;i<=ang2;i=i+5)
{
if(a(i)>A2||p(i)<P)
break;
}
if(ang2+5-i)continue;
for(i=ang2+5;i<360;i=i+5)
{
if(p(i)<P)
break;
}
}
for(i=0;i<360;i=i+5)
{
xy(i);
}
for(i=0;i<=ang1;i=i+5)
{
if(angle1max<a(i))
{
angle1max=a(i);
k=i;
}
if(pmin>p(i))
{
pmin=p(i);
h=i;
}
}
for(i=ang1;i<=ang2;i=i+5)
{
if(angle2max<a(i))
{
angle2max=a(i);
l=i;
}
if(pmin>p(i))
{
pmin=p(i);
h=i;
}
}
for(i=0;i<72;i++)
{
fprintf(fp,"\n");

{
fprintf(fp,"%12.3f\t%12.3f\t%12.3f\t%12.3f\t ",theory[i][0],theory[i][1],fact[i][0],fact[i][1]);
}
}
fclose(fp);

printf(" 理论坐标(x,y) ");printf("实际坐标(x,y)");printf("\n");
for(i=0;i<72;i++)
{
printf("%f ",theory[i][0]);
printf(" ");
printf("%f ",theory[i][1]);
printf(" ");
printf("%f ",fact[i][0]);
printf(" ");
printf("%f ",fact[i][1]);
printf("\n");
}
printf("基圆半径是:%f\n",rb);
printf("推程最大压力角是:%f\n",angle1max*180/PI);
printf("此时角度是是:%d\n",k);
printf("回程最大压力角是:%f\n",angle2max*180/PI);
printf("此时角度是是:%d\n",l);
printf("最小曲率半径是:%f\n",pmin);
printf("此时角度是:%d\n",h);
推杆运动学分析部分代码：
#include<stdio.h>
#include<math.h>
#include<stdlib.h>
#define PI 3.141592653
void main()
{
double h=120;
int ang1=150,ang2=270,ang3=360;
double s[72],v[72],a[72];
double A ,B; int i;
for(i=0;i<ang1;i+=5)
{
if(i<=ang1/2)

{A=i*PI/180;
B=ang1*PI/180;
s[i/5]=2*h*pow(A/B,2);
v[i/5]=4*h*A/(B*B);
a[i/5]=4*h/(B*B);
}
else {
A=i*PI/180;
B=ang1*PI/180;
s[i/5]=h-2*h*pow((B-A)/B,2);
v[i/5]=4*h*(B-A)/(B*B);
a[i/5]=-4*h/(B*B);
}
}
for(i=ang1;i<ang2;i+=5)
{
A=(i-ang1)*PI/180;
B=(ang2-ang1)*PI/180;
s[i/5]=h-(10*h*pow(A/B,3)-15*h*pow(A/B,4)+6*h*pow(A/B,5));
v[i/5]=-30*h*A*A/(B*B*B)+60*h*A*A*A/(B*B*B*B)-30*h*A*A*A*A/(B*B*B*B*B);
a[i/5]=-60*h*A/(B*B*B)+180*h*A*A/(B*B*B*B)-120*h*A*A*A/(B*B*B*B*B);
}
for(i=ang2;i<ang3;i+=5)
{
s[i/5]=0;
v[i/5]=0;
a[i/5]=0;
}for(i=0;i<72;i++)
printf("%f %f %f\n",s[i],v[i]*4*PI,a[i]*4*PI);
}