机械原理课程设计计算说明书(同济).docx

机械原理课程设计
计算说明书

设计题目 步进输送机

机械与能源工程 学院 机械 系
专业 机械设计制造及其自动化
组号
设计人
指导教师
完成日期 2014 年 6 月 8 日

同济大学
目 录
机械原理课程设计………………………………………………………………………………………………. 1
计算说明书………………………………………………………………………………………………………… 1
一、设计题目………………………………………………………………………………………………………..3
二、执行机构初始设计…………………………………………………………………………………………5
1．工艺动作分解和机构分解……………………………………………………………………………….5
2. 执行机构的选择及评价……………………………………………………………………………………..5
三、总体方案设计………………………………………………………………………………………………11
1.往复移动平台的尺寸设计计算…………………………………………………………………………11
2.四杆机构设计………………………………………………………………………………………………….15
3.凸轮设计…………………………………………………………………………………………………………..16
四、执行机构运动分析（图解法）…………………………………………………………………….18
五、心得体会…………………………………………………………………………………………………………34

一、设计题目
1. 设计题目：步进输送机运动简图设计
2. 工作原理及工艺动作简述：
步进输送机是一种间歇输送工件的传送机械，工件由料仓卸落到辊道上，滑架作往复直线运动。滑架正行程时，通过棘钩使工件向前运动，滑架返回时，棘钩的弹簧被压下，棘钩从工件下面滑过，工件不动，当滑架又向前运动时，棘钩又钩住下一工件向前运动，从而实现工件的步进传送，插板作带停歇的往复运动，可使工件保持一定的时间间隔卸落到辊道上。
3. 原始数据及设计要求
（1）输送步长：H=815mm。
（2）滑架工作行程平均速度：0.42m/s，行程速比系数：K=1.6。
（3）滑架导轨水平线至安装平面的高度在1100mm以下。
（4）电动机功率可选用1.1KW，1400r/min左右。
难点提示及注意事项
（1）本机主运动机构是做往复直线运动的步进输送机构，其执行构件是随滑架作往复直线运动的推爪（推爪可被辊道上的工件压下或由弹簧顶起复位）。辅助运动机构是插断机构，其执行构件是插板，两者的协调运动关系是：起始点工位上的工件被输送机构的推爪推出后，即可开启插板放下一个新工件，当输送机构的推爪返回原位准备再推进时，新工件早已在起始点就位，且插板也早已关闭。为保证推爪在推进工作前保持推程状态，输送机构的行程应大于工件输送步长20cm左右。工作循环图应据此协调关系设计，并自行确定若干需要的协调运动参数。
（2）步进输送机构与插断机构的主要设计参数有些已给定，有些需要计算或自行确定。比如，可按已知滑架行程，平均速度和行程速比系数确定曲柄转速；已知工件尺寸形状，可确定插板单向或双向的插入深度，据此并考虑机构的布局情况确定插断机构从动件的运动范围和运动规律。
（3）步进输送机构运动简图应进行多方案比较。工件的运送要求平稳并有较高的定位精度。进行方案评价时，侧重点应放在运动和动力功能质量方面（工件停止在工位上之前的速度变化应尽量平缓）。

二、执行机构设计
1．工艺动作分解和机构分解
步进输送机要求完成两个动作：
（1） 作往复直线运动的步进输送机构
（2） 插板的插断机构
2．执行机构的选择及评价
步进机构：
①
偏心轮为主动件，偏心轮转动带动外部轮平移，带动水平杆移动。
优点：设计简单，构件数较少，水平杆经由滑块拖动滑架往复运动，可保持传动较为平稳。
缺点：构件磨损较严重，在行程较大的机构中，构件的体积过大，不易进行快速回程运动。
构件及移动副：共有3个活动构件，4个平面低副。
自由度：F=3×3-2×4=1
运动说明：凸轮1为原动件，凸轮1转动带动焊接件2整体向左运动，同时滑块C在杆3上作上下滑动，由此再带动平台作作用滑动。

②

优点：电动机输出动力，主动件做周转运动，带动摆杆在一定可控角度内作摆转运动，运转相对稳定，且保证了输送滑架的往复运动。摆杆摆动角度区间可根据需要制定，滑块保证了不存在过强的刚性冲击以及过大的力矩。
缺点：机构不具有明显的急回特性，所需传递力矩大。
构件及移动副：5个构件，A、B、C、D四个转动副，三个移动副，共7个低副无高副；
自由度:F=3×5－2×6—1×0=1；
运动说明：构件5为原动件，曲柄，曲柄转动带动构件4在构件3杆上滑动，摆杆3左右摆动在A点构成转动副因此构件2上下滑动同时可以带动平台1实现左右滑动。

③

优点：运行较平稳，无明显刚性冲击
缺点：需要弹簧提供较大的弹力，凸轮大小不易把握

构件及移动副：运动副A：转动副；运动副B：移动副；构件1凸轮；构件2开启门；构件3机架；2个低副，1个高副；

自由度：F=2*3-2*2-1=1；

运动说明:利用凸轮机构实现步进装置的往复运动，有凸轮转速控制平台移动速度。

送料机构：
①

原理说明：1.当凸轮转至远休止时，杆向下打开移动，使物体落下；
2.当凸轮转至近休止时，杆向上抬升移动，阻挡住物体。；
3.两侧悬挂重物保证凸轮时刻能与杆3接触
4.两侧为对称结构确保同步运转。
优点：结构比较简单，开关门动作迅速；
缺点: 杆最下方无法保持水平，受力为一点，承重有限。
（分析一侧）构件及移动副：3个构件，1个移动副，3个转动副，无高副；
自由度：F=3×3—2×4=1；
运动说明：电机同步转动，转向相反，两个凸轮A和C为主动件，如图时刻为近休止处，恰好打开送料口，当凸轮继续转动直到远休止，杆3左端抬升，送料口打开，当转过远休止时杆5在重物作用下始终保证与凸轮A接触。

②

优点：运动平稳，只需改变凸轮轮廓形状即可实现对运动的控制。
缺点：步进机构的凸轮尺寸需设计很大，实际不可行。
构件及移动副：运动副A：转动副；运动副B：移动副；构件1凸轮；构件2开启门；构件3机架；2个低副，1个高副；
自由度：F=2*3-2*2-1=1；
运动说明：利用凸轮机构实现步进装置的往复运动，有凸轮转速控制平台移动速度。凸轮A为原动件，远休止时压缩弹簧推动构件2向左滑动，实现送料机构运作开启。近休止时，弹簧伸长推动构件2向右滑动实现关闭送料口。

③

优点：主要通过对心直动滚子推杆盘形凸轮机构实现对下料的控制，当远休止时，两边滑块压缩弹簧下料口恰好完全打开，凸轮再转过一点小角度下料口在弹簧弹力的作用下开始关闭当到达近休止时已完全关闭。可通过调整凸轮形状以及滑块距离下料口的距离、弹簧劲度系数实现以上要求。整体无过强的刚冲击。

缺点：两侧滑块收到的摩擦力可能较大。滚子与凸轮接触为线接触，滚子易打滑。

构件及移动副：7个构件，转动副7个，移动副3个，共9个低副1个高副，其中滚子5带来局部自由度1个；

自由度：F=3×7—2×9—1—1=1

运动说明：凸轮E为原动件，当转至远休止时，推动滚子5向上，同时杆7向上运动使得杆3与杆4张角增大，1、2滑块同时向两侧滑动打开送料口，挡板恰不影响送料，当凸轮向近休止转动时，滑块1、2在弹簧的作用下向中心滑动，挤压杆3、4，使其夹角减小，同时杆7向下运动使滚子始终与凸轮接触，至近休止处，送料口完全被挡板挡住。
l 方案确定：
略。（按照题目要求方案进行设计）

三、总体方案设计
往复移动平台的尺寸设计计算：
参数：K=1.6，H=815mm。

=
由图可见行程为D1D2，
取定C点距离平台1200mm ，在允许范围内取A点距离C点的垂直距离为700mm。
由此算得曲柄的长度SAK=SAC=7000.3546=248.22mm。
摆杆CD的长度可由行程H=815mm计算得到
如上图所示 SCD=1148mm。
综上 SAC=700mm
曲柄 SAK=248.22mm，摆杆 SCD=1148mm
计算曲柄角速度：
已知平台工作行程平均速度为：v=0.42m/s，行程为H=815mm。
计算过程：
循环一周时间为：t=2H/v=3.88s。
凸轮角速度为：ω=θ/t=2π/3.88s=1.62rad/s。

平台运动规律图：
1.位移图

2.速度图

3.加速度图

四杆机构设计：

反转法设计四杆机构:
取AB杆长为1200mm，由计算可得，左右两挡板移动距离约为70mm,则根据挡板移动距离以及AB杆与CD杆的初始位置（AB1与垂直方向约成15°，DE1与垂直方向约成30°），可以得出AB杆在旋转α1=4°，α2=8°时，CD杆转过的角度为φ1=12°，φ2=24°。根据α1与α2定出AB杆的位置AB2与AB3，连接B2D,B3D，根据反转法，将其分别绕D点反转-φ1与-φ2角度，得到B2'与B3'，则B1,B2',B3'三点确定的圆的圆心即为C1点的位置，连接B1，C1，D，则AB1C1D即为所求的四杆机构。

凸轮设计：

由工件掉落与传输带的运动关系，绘制如下的运动循环图：
开关
静止
打开
静止
闭合
传送带
后退
前进
凸轮
0~14°
14°~127°
127°~247°
247°~360°

凸轮设计:

 计算工件整体掉落的时间：
 由于工件的高度h=110mm，得
由前面可知：ω=1.62rad/s
 ,∴工件开关打开并停留凸轮转过角度
  =13.92°≈14°

由讨论得凸轮运动的一个周期规律曲线

假定把凸轮一周以每份角度为20°划分，则可列表 :

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
凸轮转角δ（°）
0
20
40
60
80
100
120
134
154
174
194
214
234
>234
摆杆转角φ（°）
0
1
2
3
4
5
6
6
5
4
3
2
1
0

根据表中数据通过逆转法得出凸轮图形

四、执行机构运动分析
图解法：
魏程：0度，邢成：72度，刘纪远：144度，邓长发：216度，陈钰：288度；

魏程(φ=0°)：

已知杆AK角速度为:ω=1.62 rad/s
做平台运动v,a分析,即等价于分析D点在x轴方向的速度和加速度。

1.作机构运动简图

2.速度分析
取k点为动点，杆CD为动系。
对k点做速度分析：

大小 ωLAK ? ?
未知量只有两个，用作图法求解：

得： Ve=0 m/s
即： ωCD=0 rad/s
即： VD=0 m/s
得： 平台速度 V = VDX =0 m/s

3.加速度分析
取k点为动点，杆CD为动系。
对k点做加速度分析：
aa = ae + ar + ac
方向 //AK //AK ⊥CD 无
大小 ω2LAK ? ? 0

未知量只有两个，用作图法求解：

得 ae = aa = ω2LAK
得 D点加速度 aD= ae∙(LCDLCB) = 0.65m/s2
得 平台加速度 a= aDX = 0.61 m/s2
方向：水平向右。

邢成(φ=72°)：

刘纪远(φ=144°)：

当曲柄转过角度为144°时，如图所示：

34

1.做速度分析
根据已知条件，为求w2,速度分析应由C点开始，并取重合点C2和C1进行求解。由运动合成原理可知，重合点C2和C1有：

νC1=lAC×ω1=0.248×1.62=0.402m/s
式子中只有两个未知量，故可以用作图法求解。取速度比例尺μ1=0.01(m/s)/mm，并取点p作为速度图极点，作速度图如图所示：

于是得：
νc2=μ1×pc2=0.01×36.5=0.365m/s
ω2=νC2lBC=0.3650.918=0.398rad/s
再由重合点D2和D3求得滑架的速度，由运动的合成原理
大小 ？ ω2lBD ?

式中有两个未知量，作图法求解，如图所示

νD2=ω2×lBD=0.398×1.148=0.457m/s
νD3=μ1×pd3=0.451m/s
方向：水平向右

2.加速度分析
从C点开始，点C2的加速度由两构件上重合点间的加速度关系可知：

aC2n=lBC×ω22=0.918×0.3982=0.145m/s2
aC1n=lAC×ω12=0.248×1.622=0.651m/s2
aC2C1k=2×ω1×νC1C2=0.544m/s2

式中有两个未知量，μ2=0.01(m/s2)/mm用图解法求解，如图所示：

aC2t=μ2×C2nC2t=0.44m/s2
α2=aC2tlBC=0.479rad/s2

再由重合点D2和D3滑架的加速度，加速度合成方程如下：

式中有两个未知量，作加速度矢量图，如图所示：

aD2n=lBD×ω22=0.182m/s2
aD2t=lBD×α2=0.55m/s2
aD3=0.57m/s2
方向：水平向左

邓长发(φ=216°)：
由前面我们小组算的往复移动平台尺寸计算里面的一些数据： 来计算
我是负责的 如图所示 当曲柄转到时 曲柄的位置如图所示

1，速度分析 由已知和所求可知分析由1,2两构件的重合点B开始分析

由图解法
方向顺时针
图画的反方向的
由2,3两构件重合点D计算滑架的速度

图解法

2，加速度分析

式中为科氏加速度

其方向为相对速度vc2c2绕牵连构件1的角速度w1的方向转过90°之后的方向即垂直于BC。
式中有两个未知量，用图解法求解，如图所示：
杆2的切向加速度为1.526mm/.....
再由重合点D2和D3滑架的加速度,以D3为参考对象，加速度合成方程如下：

式中有两个未知量，作加速度矢量图，如图所示：

方向：水平向左

陈钰(φ=288°)：
（1） 速度
分析K点,取重合点K计算

又算得vk2 = 401.31 mm/s
Vk2k1 = 25.74 mm/s
∴ω2=vk2/lAK=1.61 rad/s
再由

速度方向：水平向右

（2）加速度

科氏加速度：

再由重合点D得加速度方程

加速度方向：水平向右

五、心得体会
通过这次步进机的设计，我第一次感受到了机械学科深藏在内部的奇妙——看似简单的机构，却有如此复杂的设计和计算过程。这使我更加深刻的认识到了把握细节，一丝不苟对于设计机械的重要性。 --魏程

经过这次步进机的设计，我们认为设计机构时最基本的原则便是优化，即使用最简单的的设计方案来达到设计所要求的精确的结果。而在设计的过程中必须要根据机械原理的要求来进行设计，微小的差错可能会导致机构无法正常运行。 --刘纪远

机械原理课设使我们小组人员交流更多，问题一起解决，复习了机械原理的一些知识，回思了一下上学期机械原理只及格的原因。另在上台展示过程中使我们各组看到了各组的优缺点，及时发现自己的问题。虽然这门课没有考试，但是对这门课的专注和付出没有减少。
--邓长发

机械原理课设的课程即将结束，在本学期李老师的严格要求下，我收获了许多。首先是学会合理规划完成任务，其次是团队合作，互相学习，再者在设计过程中也将知识运用和提高。课设让我感受到了设计的不易和艰辛，但更多的是成就感。 --邢成

设计初期，我们对设计对象的结构关系和参数表达是模糊的，许多细节在一开始不是很清楚，随着设计过程的深入，这些关系才逐渐清楚起来；过程中每个成员由反复的思考得出方案，再经过细致的讨论明确要点，一步一步通过认真的配合，精细的分工合作才得以完成整个装置的设计。每次讨论都能给我非常大的收获。 --陈钰