健身球检验分类机..doc

JIANGXI AGRICULTURAL UNIVERSITY 机械原理课程设计

题目 :健身球检验分类机
学 院:工学院
姓 名:
学 号:
专 业:机械设计制造及其自动化 年 级:
指导教师:林金龙
二 0一二 年 六 月
目录
1 设计任务书 . ....................................................................................................................................... - 2 - 1.1 设计题目:健身球检验分类机 . ......................................................................................... - 2 - 1.2 初始条件 . ................................................................................................................................ - 2 - 1.3 设计任务 . ........................................... - 2 -
1.4 设计提示 . ................................................................................................................................ - 3 -
2 主运动机构的初步设计与选择 . .......................................... - 3 - 2.1 传动机构 . ................................................................................................................................ - 3 - 2.1.1 原动机的选择 . ....................................................................... - 3 - 2.1.2 一级传动的选择 . ......................................................................................................... - 3 - 2.1.3 减速器的设计 . ............................................................................................................. - 4 - 2.2 执行机构 . ................................................................................................................................ - 5 - 2.2.1 进料机构的设计 . ......................................................................................................... - 5 - 2.2.2 送料机构的设计 . ...... - 7 - 2.2.3 检测机构的设计 . ....................................................................................................... - 10 - 2.2.4 接料机构的设计 . ................................................... - 13 -
2.3 总体方案的综合拟定 . .......................................................................................................... - 13 -
3 系统设计与数据处理 . .............................................................................................. - 15 - 3.1 各机构配合关系 . .................................................................................................................. - 15 - 3.2 重要机构参数计算 . .............................................................................................................. - 15 - 3.2.1 凸轮机构的计算 . ....................................................................................................... - 15 - 3.2.2 凸轮压力角的校核 . ................................................................................................... - 16 -
3.2.2 曲柄滑块机构的计算 . .............................. - 18 -
4 最终系统运动方案 . ......................................................................................................................... - 19 -
5 参考文献 ............................................................................ - 20 -
6 心得体会 .......................................................................................................................................... - 20 -
1 设计任务书
1.1设计题目:健身球检验分类机
所设计健身球自动检验分类机, 是将不同直径尺寸的健身球 (石料 按直径分类。 检测后送入各自指定位置,整个工作过程(包括进料、送料、检测、接料自动完成。
1.2 初始条件
健身球直径范围为 Φ40~Φ46mm ,要求分类机将健身球按直径的大小分为三类。
1. Φ40≤第一类 ≤Φ42
2. Φ42≤第二类 ≤Φ44
3. Φ44≤第三类 ≤Φ46
其他技术要求见表 1:
表 1 健身球分类机设计数据

1.3 设计任务
(1 健身球检验分类机一般至少包括凸轮机构,齿轮机构和连杆机构在内的三种机 构。 至少设计出三种能 现该分类机运动形式要求的机构, 绘制所选机构的机构 示意图 (绘制在说明书上 , 比较其优缺点并最终选出一个自己认为最合适的机 构进行机构综合设计,绘制出其机构运动简图。
(2 设计传动系统并确定其传动比分配。
(3 图纸上画出健身球检验分类机的机构运动方案简图。
(4 图纸上画凸轮机构设计图 (包括位移曲线、 凸轮廓线和从动件的初始位置 ; 要 求确定运动规律,选择基圆半径,校核最大压力角与最小曲率半径,确定凸轮 廓线。
(5 设计计算其中一对齿轮机构。
(6 同一小组内,每人至少有一种与别人不一样的机构设计方案。
(7 以上所要求绘制的图形均绘制在一张一号图纸上。
(8 编写设计计算说明书(3页以上 。
1.4 设计提示
健身球自动检验分类机是创造性比较强的一个题目,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 ,第三个接料口直径稍大于 46mm 。使直径小于等于 42mm 的求直接落入第一个接料口,直接大于 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球的尺寸控制还可由凸轮机构实现。
(3此外,需要设计送料机构、接料机构、间歇机构等。可由曲柄滑块机构、草 轮机构等实现。
2 主运动机构的初步设计与选择
2.1 传动机构
2.1.1 原动机的选择
设计一台机器首先要根据机器的工作要求设计出合理的传动机构。依据本题的要 求对健身球进行检验分类,其执行机构大多是工作在轻载低速场合,所以选择功率适 中转速较低的电动机比较适合,对于本题提供的电动机数据我选择了 C 组电机,其转 速较低生产率适中,由上表可知,其转速为 720r/min ,生产率为 15个 /min。由此可 以确定机器的执行机构的周期为 T=60/15=4s/个,即其转速为 15r/min,进而传动机构 (减速器的传动比为 i=720/15=48。
2.1.2 一级传动的选择
根据机械原理所学内容及查阅资料,我了解到三种适合作为一级传动构件的性能
及特点如下。
齿轮传动的制造及安装精度要求高, 价格较贵, 且不宜用于传动距离过大的场合。 蜗杆传动的传动比大承载能力较齿轮低,常布置在传动系统的高速级,以获得 较小的结构尺寸;同时,摩擦力大,发热大。同时蜗杆传动在啮合处有相对滑动。当 滑动速度很大, 工作条件不够良好时, 会产生较严重的摩擦与磨损, 从而引起过分发 热,使润滑情况恶化, 因而摩擦损失较大,效率低。
带传动具有结构简单、传动平稳、传动距离远,选价低廉以及缓冲吸振等特点, 在近代机械中被广泛应用, 当原动机驱动主动轮时, 由于带与带轮间的摩擦 (或啮合 , 便拖动从动轮一起转动, 并传递一定动力,考虑到传动比偏大 , 考虑减小噪声、振动 等方面的要求时,最好选用带传动。
根据以上的分析比较,再结合本机器的工作条件可以得到,在此宜采用带传动。 带传动机构的运动简图如下:

图 2-1 带传动
查阅资料得知 V 带传动比推荐值取2~4, 这里取 V 带轮传动比为 3。
2.1.3 减速器的设计
传动机构的主要部分即为减速器。由于带传动几经具有 i=3的传动比,而减速器 的输出连接的是执行机构的主轴,此主轴的后续传动部分仍可安置一定传动比,因此 设计减速器的传动比为 8。 如是减速器的输出轴的转速为 n=720/(3*8=30r/min。 而根
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据资料说明一般减速箱中传动比的分配公式:

设

,推出

, ,

这里取

,

,

, 。根据以上齿数验算 i=8.018,符合。
减速器齿轮连接简图如下:

图 2-2 齿轮连接
2.2 执行机构
2.2.1 进料机构的设计
要对健身球进行检验首先要接收送来的健身球,这就需要一个进料机构。依据健 身球的形体特征我首先设计两种进料机构。
方案 A1 如下图所示:

图 2-3 振动式管状进料机构
由于从外部送来的健身球有时会比较多,所以设计漏斗式接料斗以便在球较多时 暂时存储。另一方面的球在进料的过程中还很可能会出现卡在接料斗下端的情况,因 此设计振动式的进球管,它可以有效的拨动料斗里的小球以便不间断的进球。由于进 球管的作用还防止了小球在出球口处自动滚走的情况。除此之外此种机构还具有对球 的磨损小,方便与其他机构配合等优点。对于此机构的震动规律的控制机构,除图中 所示的凸轮机构外,还可以选择曲柄滑块机构。
方案 A2 如下图所示:
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图 2-4 槽式斜面进球机构
由槽轮控制推槽时动时停的间歇运动, 可 以有效得间隔每个球,并控制球下落的 速度为 15个 /min。 同时由于下段为斜面, 即可省略送料机构。 但是此机构没有防止球 卡在管口的功能,推槽对球的磨损也会比较大,且斜面对每个球下落的时间并不能精 确控制,会对选择机构的配合造成不好的影响。
2.2.2 送料机构的设计
健身球由进料机构送入后,需要一个往复移动的送料机构推动健身球落入将健身 球分类的机构之中。
方案 B1 如下图所示:
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图 2-5 送料 B1
利用几何锁合的凸轮机构推动推杆规律性的送球。凸轮机构可以准确控制推杆的 运动规律,但凸轮机构的制造难度大。
方案 B2 如下图所示:

图 2-6 送料 B2
利用对心曲柄滑块推球送料, 结构简单, 制造成本低, 但运动规律相对难以掌握。 方案 B3 如下图所示:
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图 2-7 送料 B3
利用带有弧形推板的带传动机构实现推球进料, 该结构简单, 制造安装都很简单, 但运动规律单一,无法通过机构的构形来实现对运动规律的控制。
方案 B4 如下图所示

:
图 2-8 送料 B3
利用两个不完全齿轮来推动齿条作往复移动实现推球送料, 该机构同方案 B3有类 之处,无法根据需要灵活控制齿条的推球的动作规律。
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2.2.3 检测机构的设计
方案 C1 如图所示:

图 2-9 检测 C1
设计一个断面为梯形的倾斜轨道,在轨道的底部从上往下连续的开出宽度为 42mm 、 44mm 、 46mm 的出球口,当球从轨道上滑下时,由于直径的不同它们会分布在不 同的高度上并自动在不同的出球口滑落进入接球机构。 例如, 直径 43mm 的球由于直径 大于宽度 42会顺利滚过第一层球口, 进入第二层球口时由于重力作用会自动从出球口 落下进入接球机构,如此便进行了分类。此机构的优点是利用了球的重力作用合理选 用斜轨道无需对小球进行控制便能自动分类。缺点是小球有可能会卡在轨道里。 方案 C2 如图所示:

图 2-10检测机构 C2 俯视图
设计一个圆盘式检测机构, 将一个圆盘分为四部分, 分别作为进球机构, 42mm 检测通道, 44mm 检测通道, 46mm 检测通道,且每个通达都有一个推球板,共四个 推球板,一起固结在中心轴上,中心轴有由圆盘下面安装的棘轮机构驱动。当小 球进入后推板在棘轮的带动下转动,将小球推进第一个检测通道,若小球的直径 小于检测通道的宽度则小球将从通道掉进接球机构,进行完分类,若小球直径大 于通道宽度则推板将再次推动小球进入下一个通道。 此机构与方案 C1有相似之处, 但由于有动力驱动,可以防止球卡在通道的情况。推板的驱动机构棘轮如下图所 示。

图
2-11 检测机构 C2 棘轮
方案

C3
图 2-12 检测机构 C3
通过图书馆资料的搜集和查阅,特别是受到《机械原理创新设计》 (2008年6月 华中科技大学第三章机构运动功能的启示,设计出一种碰撞式的检测机 构如上图所示。小球通过料斗的过渡以一定速度进入通道,若小球的直径比滚道 口的口高小,则该小球将顺利通过滚道口,进入右侧的接料筒。若小球的直径比 滚道的口高大,在该速度下小球撞击滚道口碰撞装置碰撞装置的偏移使得隔档 片弹开,让小球由下方的通道滚入接料筒。为了表示方便,这里的装置图只画出 了分两类健身球的情况。将健身球分为三类的情况,也可相似得出,只需将左侧 的接料筒得到的健身再滑出经过一次类似的装置即可。此机构也没有动力驱动, 所以要求从一定的高度滑下,因此机构占用空间较大,且随机性较大,无法保证 装置能够持续稳定准确的完成健身球的分类工作。另外机构需要较高的精密度, 制造安装相对麻烦。
2.2.4 接料机构的设计
对于接料机构,主要是要平稳的接住小球,减小对小球的损伤。根据这方面 的要求,设计方案如下。
方案 D1 如图所示:

图 2-13 接料 D1
设计如上图的接料机构,让小球从一个倾斜的滑道上平稳滑下,以防止小球 下落时因冲击而受到损伤。然后进入一个底部装有减震弹簧的接料箱,由于弹簧 的作用将箱底托起,可以减小小球的下落高度并且有缓冲作用,也是为避免撞击 对小球的损伤,当小球数量增多时,由于重量增加弹簧收缩量增大箱底自然下沉, 又可以增大箱子的容量。
2.3 总体方案的综合拟定
在以上传动机构和执行机构所提出的各种方案中,它们有各自的优缺点,要 设计出一台性能优良的机器,需要对以上各种方案进行评价最后综合出一个最优 的系统总方案。针对每个方案在:功能目标完成情况,系统方案的可靠性 ,系统 方案的实用性 , 系统的工作效率 , 系统机械传动的精度 , 系统方案的经济成本, 系统的复杂程度 ,工作原理的先进性等方面的综合考虑。最终提出系统总方案如
下:
表 1 系统方案的选择
综合之后的系统总图如下:

图 2-14 系统总图
图中从减速器到进球和送球机构都采用传动比 i=2齿轮传动。从减速器到连 接棘轮的曲柄摇杆机构的距离较远且转动平面互相垂直,因此先用带传动,而后 采用轴角为 90圆锥齿轮啮合传动,传动比为 1。在接料机构中由于三个接球机构 分布较集中全部画出比较混乱,因此图中只画出了其中一个。

3 系统设计与数据处理
3.1 各机构配合关系
根据体统总图整个机器系统四个动作的自动完成所需的协调配合关系如下:表 2 动作关系

3.2 重要机构参数计算
3.2.1 凸轮机构的计算
系统中凸轮机构设计的一个重要目的是推动进球口上下运动, 防止小球卡在 料斗里。因此凸轮的运动规律需要有一定的柔性冲击比较好,同时考虑到要与对 心曲柄滑块机构配合,因此选择推程和回程皆为简谐运动规律且无近休程。综合 考虑运动关系与配合关系确定凸轮从动件位移曲线图如下:

如上图所示,设计出凸轮的行程为 50mm ,推程角和回程角均为 100, 远休止角为 160,无近休程。推程和回程均为简谐运动规律。结合与凸轮相 连接的其它构件尺寸并从凸轮传动性能考虑,拟定凸轮基圆半径为 60mm 。由 从动件位移曲线图及基圆半径做出凸轮轮廓图如下:

图 3-1 凸轮轮廓
3.2.2 凸轮压力角的校核
根据以上凸轮的轮廓曲线,及载重场合。确定凸轮宜采用尖底从动件。 通过查阅资料了解到尖底从动件凸轮机构的压力角许用值 []=30. 如下图所 示。

s e r e t s s
s e OP +-=+=2200d /d tan m m α 由以上公式可以计算出凸轮的最小压力角, 但过程复杂, 在通过对以上
公式的变形以后用图解法校核。 有上面的公式及凸轮运动规律的

由此作出图形如下:

由图可知,基圆恰好已经包围 L1,L2,L3三条直线所夹得阴影部分,说 明最大压力角符合要求。且基圆半径接近最小的基圆半径。
3.2.2 曲柄滑块机构的计算

图 3-2 滑块位移图像
设计滑块的位移量为 150mm ,所以曲柄的长度为 75mm 。
3.2.3 齿轮的计算
在系统中所有齿轮包括圆锥齿轮的模数取为 2.5。由于每对啮合此轮的 传动比及齿数在上文中均以确定出来了, 此处我选择系统总图中 Z3齿轮的尺 寸计算 , 并计算 Z3和 Z4的啮合尺寸,其他齿轮不一一计算。
齿数 Z3=19
由 d=mz得
分度圆直径 d=47.5mm
由

=m 得
齿顶高 =2.5mm
由

=(+m 得
齿根高 =3.125mm
齿顶圆直径 =52.5mm
齿根圆直径 =41.25mm
齿距 p=∏ m 7.854mm
Z3和 Z4啮合的尺寸计算,设两齿轮均为标准齿轮并为标准安装,啮合 角等于压力角为 20,所以啮合中心距 a=(+=(+=85
4 最终系统运动方案
通过以上计算, 对个构件的外形尺寸进行了确定之后, 会发现个别地方 需要根据构件的尺寸进行相应的改进。比如在确定凸轮的轮廓曲线后,需要 对从动件的构形进行改进,对于本系统的凸轮机构由于外形的特殊性适合采 用尖底或滚子从动件凸轮机构。构件尺寸的确定之后对于运动机构的配合协 调也更明了准确。
所以,最终系统运动方案简图如下:

图 3-3 最终系统总图 系统有配合关系的机构的直角坐标式的运动循环图如下： 图 4-1 与运动循环图 5 参考文献 [1] 彭文生、 李智明等主编.机械设计.北京:高等教育出版社,2002 年 8 月 [2] 机械原理创新设计. 华中科技大学出版社, 2008 年 6 月 [3] 郑文纬、吴克坚等主编.机械原理.北京:高等教育出版社,1997 年 7 月 6 心得体会 这次的课程设计对于我来说真是受益匪浅。 我体会到做设计最需要的是 耐心和实干，我学会了如何利用我们所学知识去解决实际问题，这正是我们 学习的最终目的，我们要用我们的智慧去创造更多美好的生活。在做设计说 - 20 -
明书的过程中我基本上学会和温习了一些电脑软件，例如编辑文档的 office 和 CAD 软件，我觉得为了解决问题去学习的过程让我知道如何活用自己在课 堂上的所学知识。同时在设计过程遇到的困难，让我深刻体会到自己知识的 匮乏，能力的不足，所以在今后的学习过程中一定要刻苦认真，脚踏实地， 一点一滴的都要理解的清清楚楚，决不能好高骛远，只做表面功夫。 - 21 -