步进输送机课程设计.docx
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步进输送机课程设计
机械原理课程设计
设计计算说明书
设计题目:
步进输送机
学院:
理学院
专业:
机械电子工程
班级:
12
学号:
020841206
设计者:
程满
指导教师:
范奎
2011年5月26日
湖北民族学院
一、设计题目…………………………………………………………2
二设计简介……………………………………………………………3
2.1工作原理………………………………………………………3
2.2原始数据及设计要求…………………………………………4
2.3设计任务………………………………………………………5
三、运动方案的拟定……………………………………………………5
3.1步进输送机构…………………………………………………5
3.2下料机构(插断机构)………………………………………7
3.3运动方案的选定………………………………………………8
四、机构运动简图………………………………………………………8
五、运动分析……………………………………………………………11
5.1输送机构的运动分析………………………………………11
5.2插断机构(下料机构)的运动分析…………………………20
5.3飞轮的转动惯量的计算……………………………………23
六、机构运动循环图…………………………………………………24
七、减速机构的设计……………………………………………………24
八、设计总结……………………………………………………………25
九、参考文献……………………………………………………………25
一、设计题目:
步进输送机
二、设计简介
2.1工作原理
步进输送机是一种能间歇地输送工件,并使其间距始终保持稳定步长的传送机械。
图1为运动示意图,工件经过隔断板从料轮滑落到辊道上,隔断板作间歇往复直线运动,工件按一定的时间间隔向下滑落。
输送滑架作往复直线运动,工作行程时,滑架上位于最左侧的推爪推动始点位置工件向前移动一个步长,当滑架返回时,始点位置又从料轮接受了一个新工件。
由于推爪下装有压力弹簧,推爪返回时得以从工件底面滑过,工件保持不动。
当滑架再次向前推进时,该推爪早已复位并推动新工件前移,与此同时,该推爪前方的推爪也推动前工位的工件一齐向前再移动一个步长。
如此周而复始,实现工件的步进式传输。
显而易见,隔断板的插断运动必须与工件的移动协调,在时间和空间上相匹配。
图1步进输送机示意图
2.2原始数据及设计要求
(1)输送工件形状和尺寸如图1,工件质量60kg,输送步长H=840mm,允许误差±0.2mm。
(2)辊道上允许输送工件最多8件。
工件底面与辊道间的摩擦系数0.15(当量值),输送滑架质量为240kg,当量摩擦系数也为0.15。
(3)滑架工作行程平均速度为0.42m/s,要求保证输送速度尽可能均匀,行程速比系数K≥1.7。
(4)最大摆动件线质量为20kg/m,质心在杆长中点,绕质心线转动惯量为2kgּm2/m,其余构件质量与转动惯量忽略不计。
发动机到曲柄轴的传动系统的等效转动惯量(视曲柄为等效转动构件)近似取为2kgּm2。
。
(5)允许速度不均匀速度为[δ]=0.1。
(6)滑架导路水平线与安装平面高度允许在1100mm以下。
(7)电动机规格自选。
2.3设计任务
(1)根据工艺动作要求拟定运动循环图;
(2)进行插断机构、步进输送机构的选型;
(3)机械运动方案的评定和选择;
(4)根据选定的原动机和执行机构的运动参数拟定机械传动方案,分配传动比,并在报告上画出传动方案图;
(5)进行工件停止在工位上的惯性前冲量计算;
(6)对机械传动系统和执行机构进行运动尺寸计算;
(7)画出机械运动方案简图;
(8)编写设计计算说明书。
三、运动方案的拟定
3.1步进输送机构
步进输送机的主传动机构的原动件是曲柄;从动件为推爪(滑块),行程中有急回特性;机构应有较好的动力特性及在工作进程中速度要求较小且均匀。
要满足这些要求,用单一的四杆机构是难以实现的。
下面介绍拟定的几种方案。
图1-1
1.如上图1-1所示,牛头刨床的主传动机构采用导杆机构、连杆滑块机构组成的6杆机构。
采用导杆机构,滑块3与导杆之间的传动角
始终为
o,且适当确定构件尺寸,可以保证机构工作行程速度较低并且均匀,而空回行程速度较高,满足急回特性要求。
适当确定推爪的导路位置,可以使压力角
尽量小。
2、如图1-2所示,步进输送机的主传动机构采用凸轮机构和摇杆滑块机构。
适当选择凸轮运动规律,设计出凸轮廓线,可以实现刨头的工作行程速度较低,而返回行程速度较高的急回特性;在推爪往复运动的过程中,避免加减速度的突变发生(采用正弦加速度运动规
律)。
3、如图1-3所示,步进输送机主传动机构采用曲柄导杆机构机构。
导杆做往复摆动其速度有点波动,并且也具有急回特性。
图1-2图1-3
4、如图1-4所示,步进输送机的主传动机构采用曲柄摇杆机构和摇杆滑块机构。
曲柄摇杆机构可以满足工作进给时推爪的速度较低,在运动过程中曲柄摇杆机构的从动件摇杆3的压力角
是变化的。
3.2下料机构(插断机构)
一种方案是采用齿轮与齿条的配合(图2-1)。
(图2-1)
而另一种方案是采用从动件盘形凸轮与摇杆机构的组合图(2-2),利
用弹簧的弹力使滚子从动件始终紧靠在凸轮上
图2-2
3.3运动方案的选定
经过小组讨论最终确定选输送机构的方案1和插断机构的方案2作为此次课程设计所要求的运动方案。
四、机构运动简图
运动简图
1.初始状态
2.工件输送阶段
3.工件到达工位点
4.输送架回程及下料阶段
五、运动分析
5.1输送机构的运动分析
图5.1.1
1.要求条件:
输送滑架输送步长S=840mm+20mm=860mm,滑架工作行程的平均速度为0.42m/s,输送速度尽可能均匀,行程速比系数K≥1.7。
2.制定参数:
令K=2,推爪(滑块)的导路X-X在导杆运动弧长的平分线上。
极为夹角θ=180°×(K-1)/(K+1)=60°,即∠O2O4A=30°。
由输送架工作行程平均速度0.42m/s,且输送步长S=860mm可得导杆O4B的长度O4B=860mm。
工作进程的时间t1=0.86m/0.42m/s=2.0476s
回程时间t2=t1/2=1.0238s,有Wt=θ知W=2.0457rad/s。
转速n=60W/(2*3.14)=19.5r/min。
由∠O2O4A=30°知O2A=O2O4/2,
又X-X在导路所在弧长的平分线上,取H约为(860+860*cos30°)/2即令H=802mm。
又要求工作过程中传动平稳,速度均匀,即BC杆的传动角γ越大越好。
最大的传动角γ=90°-arcsin[(860-860*cos30°)/BC]。
为保证机构的传力效果,应使传动角的最小值γmin大于或等于其许用值[γ],即γmin≥[γ]。
一般机械中,推荐[γ]=40°-50°。
取BC=200mm,γ=74.38°。
推爪形状如下图:
尺寸如上图所示,单位:
cm
由上述结论,确定输送架运动的6杆机构的长度分别为:
BC=200mmO4B=860mmO2O4=500mmO2A=250mm。
3.用相对运动图解法做平面机构的运动分析
将曲柄端点的运动轨迹的圆周12等份,初始位置为1如上图5.1.1
例如计算滑块处于位置8时机构的速度、加速度。
1、求C点的速度:
⑴确定构件3上A点的速度:
构件2与构件3用转动副A相联,所以υA3=υA2
而υA2=
=0.51m/s
⑵求
的速度:
υA4=υA3+υA4A3
方向:
⊥BO4⊥AO2∥BO4
大小:
?
?
用图解法求解如图1:
、
式中υA3、υA4表示构件3和构件4上A点的绝对速度,υA4A3表示构件4上A点相对于构件3上A点的速度,其方向平行于线段BO4,大小未知;构件4上A点的速度方向垂直于线段BO4,大小未知。
在图上任取一点P,作υA3的方向线pO3,方向垂直于AO2,指向与ω2的方向一致,长度等于υA3/μv,(其中μv为速度比例尺)。
过点p作直线垂直于
BO4代表υA4的方向线,再过O3作直线平行于线段BO4代表υA4A3的方向线这两条直线的交点为O4,则矢量pO4和O3O4分别代υA4和υA4A3。
易知PO3、PO4同向,由速度多边形PO3O4得:
υA4=0.51m/s
υA4A3=0
3求BO4的角速度
:
=VA4/
=0.68rad/s
VB=
BO4=0.59m/s
⑷求C点的速度υc:
υc=υB+υCB
方向:
∥X-X⊥BO4⊥BC
大小:
?
ω4lO4B ?
速度图见图2:
式中υc、υB表示点的绝对速度。
υCB表示点C相对点B的相对速度其方向垂直于构件CB,大小未知,点C的速度方向平行于X-X,大小未知,图上任取一点p作代表υB的矢量pb其方向垂直于BO4指向于
转向相反,长度等于
(
为速度比例尺)。
过点p作直线平行于X-X,代表υc的方向线,再点b作直线垂直于BC代表υCB的方向线,这两方向线的交点为C则矢量pc和bc便代表υc、υCB
则C点的速度为:
υc=0.58m/s,υCB=0。
加速度也可按相对图解法计算。
4.编制程序计算各点的速度,加速度,位置。
1)主程序源代码如下
#include"stdio.h"/*包含头文件*/
#include"stdlib.h"
#include"math.h"
constdoublePI=3.14159;/*圆周率*/
/*全局变量*/
doubleL[10];/*存储杆长*/
doubleX[10],Y[10];/*存储各点x,y坐标*/
doubleV[10],U[10];/*存储各点x,y方向速度分量*/
doubleA[10],B[10];/*存储各点x,y方向加速度分量*/
doubleF[10],W[10],E[10];/*存储各杆转
角,角速度,角加速度*/
doubleS[10],C[10];/*中间计算变量*/
/*计算主程序*/
voidmain()
{
intii,Index,iFlag;
doublep1,F9,Res[3],N1;
p1=PI/180;
L[1]=250;[2]=0;L[3]=860;L[4]=0;N1=117.2;
/*初始参数*/
X[1]=0;Y[1]=500;X4]=0;Y[4]=0;
printf("L
(1)=60,L
(2)=0,L(3)=200,L(4)=0,W
(1)=30
E
(1)=0\n");
printf("F
(1)Deg,F(3)Deg,W(4)/s,SmmVm/s
Am/S^2\n");
/
W[1]=N1*PI/30;
for(ii=0;ii<=12;ii++)
{
F[1]=ii*30*p1;
F9=0;
Mcrank(1,1,1,2,F9);
iFlag=Mrpr(2,3,4,2,2,4,3,1,Res)
;
if(iFlag==1)
printf("%10.2f,%10.2f,%10.2f,%10.2f,%10.2f,%10.
2f,%10.2f\n",
F[1]/p1,F[3]/p1,W[3],E[3],Res[0],Res[1]/10
00,Res[2]/1000);
else
printf("Becauseofwrongdata,theCaculation
failed!
\n");
}
}
计算结果:
L
(1)=250mmL
(2)=0L(3)=900mmL(4)=0W
(1)=2.0457rad/sE
(1)=0
F
(1)Deg
F(4)Deg
W(4)rad/s
Smm
Vm/s
am/S^2
0
63.43
0.41
559.02
0.46
-0.38
30
70.89
0.59
661.44
0.34
-0.57
60
80.10
0.66
727.33
0.00
-0.70
90
90.00
0.68
750.00
0.00
-0.70
120
99.90
0.66
727.33
-0.18
-0.67
150
109.11
0.59
661.44
-0.34
-0.57
180
116.56
0.41
559.02
-0.46
-0.38
210
120.00
0.00
433.01
-0.51
-0.00
240
113.79
-0.98
309.83
-0.41
0.92
270
90.00
-2.05
250.00
-0.00
2.10
300
66.21
-0.98
309.83
0.41
0.92
330
60.00
-0.00
433.01
0.51
0.00
360
63.43
0.41
559.02
0.46
-0.38
L
(1)表示曲柄的长度,
L(3)表示导杆的长度,
W
(1)表示曲柄的转速,
F
(1)表示曲柄转过的角度,
F(4)表示导杆的转角,
W(4)表示导杆的角速度,
S表示滑块在导杆上的位移,
V 表示滑块沿导杆的滑动,
A表示滑块的沿导杆的加速度。
5.用solidworks仿真绘制速度、加速度、位移曲线。
推爪(滑块)的速度曲线
推爪(滑块)的加速度曲线
推爪(滑块)的位移曲线
5.2插断机构(下料机构)的运动分析
1.凸轮的设计
凸轮的远休止角Φ=40°,近休止角Φ=240°,推程运动角Φ=40°,回程运动角Φ=40°。
凸轮轮廓的最大圆半径(远休止部分),最小圆半径(近休止部分)即基圆半径r0=120mm。
凸轮的回程、推程轮廓采用五次多项式运动规律的曲线过渡。
因为五次运动规律的曲线既不存在刚性冲击也不存在柔性冲击,运动平稳性好。
2.摆动滚子从动件的滚子在凸轮上的位移曲线为:
滚子在凸轮上的速度曲线为:
加速度曲线为:
3.凸轮的压力角计算
摆动滚子从动件凸轮机构压力角的计算公式:
tanα=[a*cos(Ψ+Ψ0)-l(1-dΨ/dθ)]/[a*sin(Ψ+Ψ0)]
a表示机架之间的距离
l表示摆杆的长度,Ψ0表示摆杆的初始的摆角。
Ψ=h[(10*θ3/Φ3)-(15*θ4/Φ4)-(6*θ5/Φ5)]是表示摆杆的摆角,其中Φ是推程运动角,θ是凸轮的转角。
用matlab可以算出凸轮机构的最大压力角αmax=28.12°,满足摆动从动件许用压力角[α]=30°~50°
先建立m函数
Functionf=myfun(x)
f=0.5*cosd(14.28+0.040*(10*x^3/(40^3)-15*x^4/(40^3)+6*x^5/(40^3)))-0.420*(1-0.040*117.2*(30*x^2/(40^3)-60*x^3/(40^3)+30*x^4/(40^5)))/0.500/(sind(14.28+0.040*(10*x^3/(40^3)-15*x^4/(40^3)+6*x^5/(40^3))));
再在matlab程序中输入x=fminbnd(@myfun,0,40)
4.凸轮曲率半径的校核
运动仿真时有滚子的位移曲线知五次曲线的曲率半径满足要求。
5.3飞轮的转动惯量的计算
等效驱动力矩Md为常数,在一个运转周期内做的功等于该周期内运动机构运动所需要的功。
2π*Md=8*(1/2m1v2)+m1gμ1+2m2gμ2+8*(1/2m2v2)
Md=115.4465Nm
安装在曲柄轴上的转动惯量为:
Jf=(Emax-Emin)/(δ*ω22)
而Emax-Emin=61.74J
要求的速度不均匀系数[δ]=0.1,ω2=2.0457rad/s。
Jf=147.5308kgm2
若安装在曲柄上的飞轮转动惯量过大,也可以把飞轮安装在电动机于曲柄轴之间的变速机构的轴上。
5.4工件停止在工位上的前冲量
冲量F*t=mv=60*0.15=9N·s
六、机构运动循环图
七、减速机构的设计
减速机构采用三级减速。
电动机的转速为1400r/min,减速机机构的一级传动采用皮带传动,二级、三级减速都采用齿轮传动。
设定每级传动的传动效率都为1,即η1=η2=η3=η4=η5=η6=1。
皮带轮的传动比i12=3;
齿轮减速的一级传动比i34=4,二级传动比i34=6.14。
总传动比i=i12*i34*i34=73.68
执行机构(曲柄)的转速n=(1/i)*1400r/min=19.54r/min,曲柄的角速度w=2.0457rad/s。
八、设计总结
在这次课程设计中,我看到了我们班同学团结互助的精神,也看到了同学们刻苦钻研的学习精神。
课程设计是对我们思维能力的一种锻炼,也是理论与实践结合的一次过渡,同学们兴趣浓厚,并有着创新的意识。
同时通过本次课程设计,在完成设计任务的同时能够进一步理解和巩固所学课程内容,并将所学知识综合运用到实际设计中,不仅加强了学习更锻炼了实际操作能力和设计经验。
在设计计算过程中,通过组内的讨论和交流,加深了对基础知识的理解;在老师的细心指导下,让我们了解到更多的机械实际设计方面的知识,开阔了视野。
通过这次课程设计,我才发现理论知识的重要性,好的设计是建立在塌实的理论知识之上的。
九、参考文献
1、《机械原理》高等教育出版社孙桓等主编(第七版)2006
2、《机械原理课程设计》科学出版社,王淑仁主编2006
3、《机械原理课程设计手册》高等教育出版社,邹慧君主编2007
4、其它机械原理课程设计书籍和有关机械方案设计手册
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