糕点切片创新设计课程说明书汇总.docx
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糕点切片创新设计课程说明书汇总
目录
一设计任务……………………………………………………………………2
二机械系统运动方案设计的构思……………………………………………3
三机构运动方案的评定和选择………………………………………………6
四根据工艺动作和协调要求拟定运动循环图………………………………7
五传动系统设计………………………………………………………………7
六执行系统设计………………………………………………………………10
七方案评价……………………………………………………………………16
八参考资料……………………………………………………………………16
九创新设计心得………………………………………………………………16
一设计任务
1工作原理及工艺动作过程
糕点先成型(如长方体、圆柱体等)经切片后再烘干。
糕点切片机要求实现两个执行动作:
糕点的直线间歇移动和切刀的往复运动。
通过两者的动作配合进行切片。
改变直线间歇移动速度或每次间隔的输送距离,以满足糕点不同切片厚度的需要。
2设计任务
1)根据工艺动作顺序和协调要求拟定运动循环图;
2)进行间歇运动机构和切口机构的选型,实现上述动作要求;
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;
5)画出机械运动方案简图(机械运动示意图);
6)对机械传动系统和执行机构进行尺度设计。
3原始数据及设计要求
1)糕点厚度10~20mm;
2)糕点切片长度(亦即切片的高)范围。
5~80mm;
3)切刀切片时最大作用距离(亦即切片的宽度方向)300mm;
4)切刀工作节拍40次/min;
5)电动机可选用0.55kW(或0.75kW)、1390r/min;
6)生产阻力很小,要求选用的机构简单、轻便、运动灵活可靠。
主要设计要求是:
(1)通过调整进给的距离,达到切出不同厚度糕点的需要。
(2)要确保进给机构与切片机构协调工作,全部送进运动应在切刀返回过程中完成,输送运动必须在切刀完全脱离切口后方能开始进行。
二机械系统运动方案设计的构思
切刀的往复直线移动可采用连杆机构、凸轮机构、齿轮齿条、组合机构等;
糕点的直线间歇运动可选择连杆机构、齿轮机构、凸轮机构、棘轮机构、槽轮机构等。
方案一:
凸轮连杆机构——从动件在某一侧极限位置停歇的间歇移动机构;
1、机构组成
图一所示机构由凸轮机构和连杆机构所组成。
固定在凸轮4在a角的范围内沟槽是一段凹圆弧,以圆弧的半径r为连杆5的杆长,圆心为滑块1与连杆5的铰链中心。
2、工作原理
主动导杆3匀速转动,带动同时也在凸轮沟槽中运动的滚子2,通过连杆5使滑块1作往复移动。
当导杆3在a角范围内转动时,滑块一在左极限位置停歇,从而实现单侧停歇的间歇移动。
3、机构的优缺点
1)优点:
连杆部分运动副均为低副,底副的两运动副元素为面接触,压强较小,可承受较大的载荷,并且有利于润滑,运动副元素的几何形状较简单,便于加工制造。
当原动件的运动规律不变,可用改变各构件的相对长度来使从动件得到不同的运动规律。
连杆上各点的轨迹是各种不同形状的曲线,其形状还随着各构件相对长度的改变而改变,从而可以得到形式众多的连杆曲线,我们可以利用这些曲线来满足不同曲线的设计要求。
2)缺点:
连杆机构的运动必须经过中间构件进行传递,传递路线较长,易产生较大的误差累计,使机械效率降低。
不能够实现切刀下切速度慢而收回速度快的特性,也不能够很好的缩短空程的时间,影响效率。
故放弃。
4、各执行机构的设计
1)曲柄滑块机构
此机构主要是执行切刀的上下往复运动。
由于所切糕点的厚度最大为20mm,所以切刀在20mm之上运动时,糕点才能运动。
为了给糕点足够的传送时间,设计刀的行程为90mm,即曲柄长45mm。
2)棘轮机构、曲柄摇杆机构
已知棘轮机构的半径R
曲柄长:
64mm
连杆长:
112.46mm
连架杆:
76mm
机架长:
108.49mm
5、设计过程
根据曲柄滑块的摇杆摆角范围14度——229度,所设计的曲柄摇杆机构范围为14度——229度即能满足设计要求,我们利用杆与机构的运动关系及借助计算机VB程序辅助计算得到曲柄长64mm,连杆长112.46mm,连架杆76mm,机架长108.49mm。
6、齿轮系的设计
经皮带减速后的转速为240r/min,而我们所要的转速为40r/min。
因此还需要的传动比为6/1,选用的齿轮为标准齿轮:
m=4mm,z1=25,z2=50,z2'=25,z3=75,传动比i=6/1。
方案二:
1、机构组成
皮带齿轮减速机构,曲柄滑块切片机构,摩擦轮送料机构。
2、工作原理
1)通过皮带齿轮减速机构将1390r/min的电动机减速到40r/min。
2通过曲柄滑块机构实现刀具的往复运动(曲柄转动一周通过连杆带动滑块实现一个行程为80的来回运动)。
3)通过摩擦轮实现单向间歇移动(凸轮主轴顺时针转动,轮上的突出圆弧廓线与工件接触时,2,3轮对滚,轮间的摩擦力使工件1左移送进。
当轮2的廓线与工件脱离接触后,工件则静止。
轮2转动一周,工件完成一个周期的送进和停歇动作)。
3、该机构优缺点
皮带齿轮减速机构可以实现较长距离的运动传送,切刀的往复移动所采用的曲柄滑块机构杆机构具有急回特性,可使刀在向下运动及切糕时速度加快,从而使切口光滑。
同时该机构可承受较大载荷,运动副元素的几何形状简单。
改变个机构件的相对长度来使从动件得到预期的运动规律。
此机构具有连杆机构的共同缺点,机械效率降低,这是连杆机构所不能避免的。
糕点的直线间歇移动采用了摩擦轮机构,这是步进式的单向送进机构,适合与板条形状工件输送,且机构设计简单,成本低,但很难实现改变切片的长度。
方案三:
1、机构组成
皮带齿轮机构,曲柄滑块机构,棘轮机构,曲柄摇杆机构。
2、工作原理
1)通过皮带齿轮减速机构将1390r/min的电动机减速到40r/min。
2)通过偏置的曲柄滑块机构实现刀具的往复运动,从而实现糕点的切割。
3)通过皮带轮的旋转带动曲柄的摆动,进而是摇杆往复摆动一定角度,随而推动棘轮摆动,由于皮带轮和棘轮以共同角速度转动,继而使传送带向前移动10mm~20mm。
3、机构优缺点
该机构能实现间歇直线运动,并能通过调节遮板来调节传送带的前进距离。
缺点是该机构的磨损较大,应采用铸铁铸造完成。
三机构运动方案的评定和选择
方案一:
动副均为低副,两运动副元素为面连接,压强较小,可承受较大的载荷,且几何形状简单,便于加工。
而且连杆上各点的轨迹是各种不同形状的曲线,气形状随着各构件相对长度的改变而改变,从而可以得到形式众多的连杆曲线,可以这些曲线来满足不同曲线的设计要求。
此机构虽有上下往复运动,但她并没有机会运动特性。
不能够实现切刀下切速度慢而收回速度快的特性,也不能够很好的缩短空程的时间,影响效率。
方案二:
只要适当的设计出凸轮的轮廓曲线,就可以使推杆得到各种预期的运动规律,而且机构简单紧凑,可承重较大,运动平稳。
但是凸轮廓线与推杆之间为点、线接触,易磨损。
切没有急回特性,不能够实现切刀下切速度慢而收回速度快的特性,也不能够很好的缩短空程的时间,影响效率。
方案三:
此机构急回特性。
结构简单。
具有连杆机构的共同优点,同时
此机构具有连杆机构的共同缺点,机械效率降低,这是连杆机构所不能避免的。
最终方案确定:
1、设计的机构要尽量满足自动化的要求。
为了实现切的动作,我们开始采用凸轮机构,来实现刀的往复运动,用凸轮可以很好的控制刀的运动,实现最优的运动轨迹,可是凸轮的设计和制造比较复杂,且不能传递较大的力,而且切糕点也不需要那么高的精度。
于是我们考虑用曲柄滑块机构,曲柄滑块机构一样可以实现刀的往复运动,可传递较大的力,能足我们的需要,而且其机构简单,加工制造方便,能减少生产成本,于是我们确定用曲柄滑块机构。
2、对于蛋糕的传送,既要满足间歇运动的要求,又能通过改变进给距离而切出不同厚度的糕点。
经过查资料后,我们选择了棘轮机构。
用棘轮机构可以方便的实现改变切片的长度。
且棘轮机构设计加工简单,改变切片的长度时操作方便。
四根据工艺动作和协调要求拟定运动循环图
1、刀具往复运动
切刀每分钟得完成切割40次的工作节拍。
所以连接曲柄的齿轮的转速为40次/min,切刀做竖直面内的往复直线运动,当其往下运动到与最低点相距约5mm至80mm(这是糕点的厚度)时开始切割糕点,此时糕点静止不动,切割完毕切刀往上运动到距离最低点约80mm时糕点运动起来,把切好的糕点片带走并把糕点送进待切,切刀继续往上运动,直到最高点,之后再往下运动,直到最低点相距约5mm至80mm(这是糕点的厚度)时又开始切割糕点,此时糕点又静止。
如此往复循环。
下图是刀具的位移运动图(两个周期):
五:
棘轮的设计
棘轮机构主要是执行糕点的进给运动,每一次的运动距离就是所切糕点的长度。
为了更好的控制和改变这个长度,设棘轮每转动30度,糕点运动10mm,设棘轮共有12个齿,既每齿代表30度。
棘轮外设有遮板,转动遮板的位置可控制棘轮所摆动的角度。
于是一共有两个档,即10mm,20mm。
即棘轮每转动30度,60度。
传送带向前移动10mm,20mm。
对于棘轮的转动,设计一个曲柄摇杆机构推动棘轮旋转。
摇杆上装一个棘爪,棘爪推动棘轮旋转,棘轮上再固定一个皮带轮,用以带动皮带旋转。
棘轮的尺寸确定:
m=5,Z=12,齿顶圆d=60mm,齿根圆d=60-0.75x5=56.25mm
皮带轮的尺寸确定:
皮带轮直径D=60mm
曲柄摇杆机构的设计:
曲柄滑块机构(刀具)的设计
齿轮皮带减速系统设计
减速皮带轮减速齿轮送料皮带轮
本机构原动件为一高速电机,其转速为1390r/min,但我们所需要的转速是40r/min,所以要减速。
对于减速装置我们采用皮带加齿轮的方法。
第一级降速是用皮带减速,减为240r/min。
第二级是用齿轮减为40r/min。
两传动机构设计分析如下:
(一)皮带传达设计
皮带传动设计主要是采用两个半径不相同的皮带轮实现。
由于皮带上线速度相等,由r1*v1=r2*v2,
1390*r1=240*r2
r1/r2=24/139
由此可见算出电机上皮带轮直径大小r1=36mm;另一端皮带轮半径大小r2=220mm。
传动比i=139/24。
(二)齿轮系的设计
经皮带减速后的转速为240r/min,而我们所要的转速40r/min。
因此还需要的传动比为6/1,选用的齿轮为标准齿轮。
直齿轮参数表
名称
齿数
模数
分度圆
齿轮z1
25
4mm
100mm
齿轮z2
50
4mm
200mm
齿轮z2'
25
4mm
100mm
齿轮z3
75
4mm
300mm
传动比i=6/1。
六执行系统机构设计
执行机构分两个,第一个为曲柄滑块机构,第二个为棘轮机构,现分别介绍如下:
(一)曲柄滑块机构(带切刀)
此机构主要是执行切刀的上下往复运动。
由于所切糕点的厚度最大为20mm,所以切刀在20mm之上运动时,糕点才能运动。
为了给糕点足够的传送时间,设计刀的行程为60mm,即曲柄长30mm;刀的高度设为37mm。
考虑到卫生问题,刀不能缩到滑块的轨道里去,所以设计滑块的长度为65mm;又设计连接杆的长度为60mm。
这样曲柄滑块机构的高度比较高,所以采用皮带传动。
又切刀应能刚好切断糕点,综合曲柄滑块和棘轮机构的尺寸,我们得出曲柄滑块机构和棘轮机构轴心距为269mm。
所以曲柄滑块机构的尺寸为:
曲柄长30mm;
连接杆长60mm;
滑块长65mm;
刀片高37mm;
皮带长1.63m
曲柄滑块机构和棘轮机构轴心距为269mm。
(二)棘轮机构
棘轮机构主要是执行糕点的进给运动,每一次的运动距离就是所切糕点的长度。
为了更好的控制和改变这个长度,设棘轮每转动一定角度,糕点运动20mm,设棘轮共有24个齿,既每齿代表15度。
于是一共有四档,即20,40,60,80mm,也就是说棘轮转动15,30,45,60度。
对于棘轮的转动,设计一个曲柄摇杆机构推动棘轮旋转。
于是棘轮的旋转角度就可以转化为摇杆的摆角。
即15,30,45,60度。
在棘轮外加装一个棘轮罩,用以遮盖摇杆摆角范围内棘轮上的一部分齿。
这样,当摇杆顺时针摇动时,棘爪先在罩上滑动,然后才嵌入棘轮的齿槽中推动其转动。
被罩遮住的齿越多,则棘轮每次转动的角度就越小。
棘轮罩设置四个转角分别为15,30,45,60度。
设有槽的圆盘直径为150mm,棘轮半径为100mm,在摇杆上装一个棘爪,棘爪推动棘轮旋转,棘轮上再固定一个皮带轮用以带动皮带旋转。
由运动距离可以得出皮带轮的直径为153mm,这样棘轮机构就设计完了。
其尺寸为:
曲柄摇杆机构:
曲柄长50mm;
连杆长210mm;
摇杆长200mm;
棘轮半径86mm;
棘轮齿数24个;
皮带轮直径153mm;
皮带长1.5m。
整个机器的关键就在于切刀运动与糕点传送运动之间的协调,因此需要详细计算。
依据零件尺寸,作图计算得出:
推动棘轮的曲柄摇杆机构的行程速比系数为:
k=1;又工作周期为1.5秒,则摇杆推程时间为:
0.75秒;回程时间为:
0.75秒。
因此,切刀在0.75秒的时间内不能接触糕点(最大厚度为20mm),而在0.75秒的时间里切刀应完成切糕点的动作并离开糕点表面。
即切刀在糕点外运动的时间应大于0.75秒。
据此验证切刀的曲柄滑块机构的尺寸。
计算得切刀在20mm以上的高度运动时间为1秒,满足设计要求。
七传动系统演示
八主要参考资料
1、孙恒主编,机械原理,西北工业大学,2006
2、邹慧君张青主编,机械原理课程设计手册,2005
九创新设计心得
两个星期的机械原理课程设计就要结束了,回顾这些天的为课程设计所作出的种种努力,我收获颇丰。
不仅在规定的时间完成了老师不止的任务,同时对于专业知识的掌握也更加牢固了。
刚开始,我认为这个课程设计题目很简单,根本没有把它当回事,可开头的传动轮选择就给我上了一课。
我本来认为传动只负责把糕点从一端传到另一端就好了,可在我们讨论的时候才发现错了。
这个不仅要考虑糕点的传动,还要考虑糕点的切的动作。
随即,便将考虑的种种可能记录下来写成方案,最终经过几天的奋战才将方案确定下来。
过程是辛苦的,但结果是甜蜜的,我们的课程设计终于按时完成了。
这次课程设计,使我受益良多:
对课本知识掌握的还不牢靠,还要更深一层的理解;在学习知识的同时,要注意知识和实际的结合,切记学死知识,那样就是学好了,将来也时无用。
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