机械原理课程设计全自动黑板擦方案一xin.doc

机械原理课程设计Ice Cream目录一、摘要2二、设计题目及任务32.1设计题目32.2设计任务42.3任务分配5三、运动方案的设计53.1整体运动方案设计53.2毛刷伸长机构设计63.3齿轮齿条传动机构设计7四、机构尺寸参数确定94.1毛刷伸长机构确定94.1.1曲柄滑块机构基本尺寸确定：94.2齿轮齿条及传动机构参数及尺寸确定10五、运动分析115.1整体运动方案结构简图115.2曲柄滑块机构运动分析135.2.1位移分析135.2.2 速度分析145.2.3 加速度分析145.2.4曲柄滑块机构的速度仿真145.3变位齿轮设计18六、除尘方案的设计与分析及方案确定246.1除尘机构方案设计246.2除尘方案确定及基本参数确定26七、设计小结28八、附录33九、参考文献44一、摘要众一直所周知，黑板是我们在学习过程中必不可少的日常教具之一，从小学到大学，我们的学习一直与黑板相伴，这样就离不开另外两样工具，黑板擦和粉笔。而一般我们平时所使用的黑板擦不但费时费力还会造成粉尘污染，危害我们的健康。于是根据时代的要求，全自动无尘黑板擦诞生了。市面上现在也有自动无尘黑板擦，但是都存在一定的局限性和缺点，因此，我们针对这一现象，用我们的想法和创意设计了一款全自动无尘黑板擦，从而改善教学质量。二、设计题目及任务2.1设计题目 全自动无尘黑板擦是利用毛刷的高速旋转从而与黑板产生摩擦，擦除黑板上的板书；同时，利用齿轮与齿条机构实现毛刷的前行，从而使整个黑板擦除干净；为了达到无尘的效果，利用高压静电产生的电场力和小型风扇产生的吸力，将粉尘吸附在清灰网格栅上，完成黑板的擦除之后，撤去电力，使粉尘因重力作用自由下落，落入粉尘收集盒。工作流程图：见图2-1（a）、2-1（b）毛刷开始工作粉尘收集关闭电源打开电源除尘装置开始工作 图2-1（a） 毛刷初始状态杆1处于最短状态 杆1开始伸长，杆4开始收缩 杆1继续伸长。杆4继续收缩 杆1最长状态，杆4最短状态图2-1（b）机构工作流程图2.2设计任务（1） 全自动无尘黑板擦的传动机构的设计，毛刷擦除机构的设计，毛刷伸长机构的设计以及无尘机构的设计；（2） 分析全自动无尘黑板擦各个机构的运动过程和功能；（3） 确定设计方案并画出其运动简图，进行运动分析，画出运动循环图；（4） 对方案确定的机构进行相关数据的计算，matlab编程画图， 以及solidworks三维制图；（5） 课程设计的心得以及总结；（6） 整体报告的编写。2.3任务分配 彭堙寅：传动机构方案的设计与分析，方案的运动分析，matlab编程计算相关数据及画图，课程设计心得； 何壮:毛刷伸长机构的设计分析与改进，机构的运动简图，matlab编程计算相关数据及画图，变位齿轮设计，课程设计心得； 安祖煜：毛刷擦除机构方案的设计及分析，毛刷伸长机构方案的设计及分析，机构运动简图，课程设计心得； 杭雨婷：除尘方案的设计与分析，运动循环图的绘制，凸轮机构整理，课程设计心得以及总结，变位齿轮设计，报告的编写。三、运动方案的设计3.1整体运动方案设计 3.1.1基本设计原理1）动力传输机构带动齿轮，从而利用齿轮带动毛刷的高速旋转，通过刷毛与黑板之间的摩擦从而使黑板擦除干净；2）利用静电或者离心式风机对粉尘产生吸力，将粉尘聚集，防止产生粉尘污染。3.1.2设计要求1) 擦除面积：黑板面积（长*宽）3m*1m，一次性擦除完成；2) 擦除速度：毛刷转速：10r/s（可根据实际情况而定）毛刷前进速度：1m/s（可根据实际情况而定）末端毛刷速度：62.7-62.9m/s（可根据实际情况而定）毛刷中点速度：31.4-31.5m/s（可根据实际情况而定）3) 毛刷运动条件：黑板上部空间能满足毛刷转动所需空间4) 保证毛刷对同一点进行多次清理，保证清理干净程度，同时保证效率，几秒内便可完成清理。5) 除尘效果：肉眼所见粉尘很少。3.2毛刷伸长机构设计方案设计：曲柄滑块机构+电路控制 毛刷是由两个刷杆组成，通过内嵌的方式实现毛刷的可自动伸长功能,并且有曲柄滑块机构连接，通过单片机控制毛刷的伸长和收缩，以此防止黑板上部空间不能满足毛刷所需要的运动空间（即黑板上部空间不够高）,在擦除的过程中,四个可自动伸缩的刷杆应实现有规律的伸缩变换。通过电路控制，每个刷子转过180之后开始向上转动时开始收缩，转过270时收缩到最短，开始伸长，转到360时伸到最长，随机保持180。毛刷运动循环图: 毛刷长度/mm1000 500 0 180 270 360 旋转角度/曲柄滑块机构完全可以实现可自动伸缩的功能，通过电控制模块可达到有规律的变换，实现在擦除时满足黑板上部空间的要求，所以选择这一机构。3.3齿轮齿条传动机构设计通过点击控制按钮驱动齿轮，使其在固定的齿条上滚动，以带动刷子向前滚动，实现擦除功能。简图：（图3-2-1）图3-3-1 齿轮齿条简图实物图：（图3-2-2） 图3-2-2 齿轮齿条实物图通过用电机驱动就可实现刷子的前进，这一安方案简洁可实行起来方便快捷。四、机构尺寸参数确定4.1毛刷伸长机构确定4.1.1曲柄滑块机构基本尺寸确定：尺寸确定：40下毛刷长500mm上毛刷长500mm曲柄长500mm连杆长500mm毛刷最长：970mm毛刷最短：517mm装配要求：刷毛装在下毛刷背面，及上毛刷背面中间20mm，这样刷毛不会影响毛刷的伸缩。（见图4-1-1）上毛刷（正反面实物图）: 下毛刷:曲柄滑块：曲柄：500mm，连杆：500mm，滑块做大行程：387mm曲柄：连杆：整体实物图：主要参数确定：（可根据实际情况更改）毛刷转速位移速度末端毛刷速度毛刷中点速度10r/s1m/s62.7-62.9m/s31.4-31.5m/s结论：这样的尺寸确定，装配要求和主要参数的确定可以保证对同一点进行多次清理，保证清理干净程度，同时保证效率，几秒内便可完成清理。4.2齿轮齿条及传动机构参数及尺寸确定1、齿轮基本参数确定：（图4-2-1）齿数*模数*齿顶高系数顶隙系数齿根圆角齿宽*压力角17齿2mm10.250.3830202、齿条基本参数确定模数*齿顶高系数顶隙系数齿宽*压力角2mm10.253020实物图： 图4-2-1 齿轮齿条实物图（3）原动机及传动系统初步确定电机功率要求：200W电机转速要求：10r/s传动比i: 电机齿轮同轴，1:1凸轮电机转速：10r/s上述参数是在三维建模的基础上确定的参数，具体的数据可根据实际情况确定，此外因为全自动无尘黑板擦的运动要求不是那么严格，在选择的时候考虑相关影响因素即可达到想要的要求五、运动分析5.1整体运动方案结构简图电动机位置小结：此方案没有复杂的电路控制，只需电机驱动即可完成全套动作，故障率低，易维修，但因为有四个凸轮而使得成本有所上升。5.2曲柄滑块机构运动分析曲柄滑块机构分析参考，具体实际要用的只是一部分，曲柄变为间歇的摆动：5.2.1位移分析图1 曲柄滑块机构运动简图如图1 所示， 设已知该机构的尺寸L1、L2和b 及主动件1 的角位移、角速度和角加速度， 试求连杆2 的角位移、角速度和角加速度及滑块3 的位移S、速度和加速度 。按图1 中四边形OABC 各矢量的方向， 有:分别取实部和虚部,并在b前加符号系数N,得：式中， 当偏距b 位于y 轴的正方向时，N=1 ， 反之N=1 。5.2.2 速度分析将式（1） 对时间求导， 得由此解得5.2.3 加速度分析将式（4） 对时间求导， 得由此解得5.2.4曲柄滑块机构的速度仿真已知： 曲柄滑块机构中， 曲柄长, 连杆长, 曲柄的角速度 =185rad/s 。曲柄滑块具有一个自由度， 仿真以为输入来计算和.图2 曲柄滑块运动简图建立如图所示的封闭矢量图，则曲柄滑块的闭环矢量方程为 将此方程分别分解到x 轴和y 轴坐标轴上， 得到将上式对时间求导， 有其中：是大小的变化率， 方程（12）写成矩阵形式为已知条件：曲柄的初始角加速度， 其他条件同上。将式（13 ） 对时间求导， 写成矩阵形式： Matlab建模分析（源程序见附录）：对心曲柄滑块机构偏置曲柄滑块机构 经测定，最小压力角：29曲柄滑块机构的速度加速度图可看出完全可以实现所需要的要求，其最小压力角为29度在传动过程中的冲击力很小并且传动轻快灵活无死点，所以选择曲柄滑块机构是可行的。5.3变位齿轮设计5.3.1不出现根切的最小变位系数加工小于17个齿的齿轮，又要避免根切，就要将齿条刀向远离轮坯轮心方向移动一段距离，使刀具齿顶线 位于理论啮合点之下。即因此，用标准齿条刀切制少于最小齿数齿轮不出现根切的最小变位系数要进行讨论 ：PB刀QNO讨论：当 时， 当 时， 为了避免根切，刀具应向远离轮坯轮心方向移动不少于 距离 这时，齿轮的分度圆与齿条刀的中线相离。当 时， 只从不根切的角度看，刀具可向轮坯轮心方向移动，距离不超过。这时，分度圆与中线相交。5.3.2变位齿轮尺寸计算1)、与标准齿轮相比没有变化的尺寸和参数2)、与标准齿轮相比变化的尺寸Matlab建模分析（源程序见附录）：渐开线齿轮的仿真模拟图：（自定义模数m=10,z1=10,z2=19两种）下面是根切与不根切详细图：Z1=10产生明显根切 Z2=19不发生根切如果在实际中要用到变位齿轮我们也可以建立模型来算出齿轮各个参数（源程序见附录）：取定z=8通过上述仿真我们知道了渐开线齿轮的形成过程，及发生根切的条件，当齿数小于17时将发生根切，配合时就要用到变位系数等相关参数，在齿轮齿条的选择过程中可能用到变位齿轮，上述建模仿真分析将为我们提供很大的方便及参考价值。六、除尘方案的设计与分析及方案确定6.1除尘机构方案设计方案一：离心式风机吸尘（类似于吸尘器）图5-1-1工作原理：由电机带动叶轮旋转，叶轮中的叶片迫使气体旋转，对气体做功，使其能量增加，气体在离心力的作用下，向叶轮四周甩出，通过涡型机壳将速度能转换成压力能，当叶轮内的气体排出后，叶轮内的压力低于进风管内压力，新的气体在压力差的作用下吸入叶轮，气体就连续不断的从泵内排出。优点：吸尘效果好缺点：耗能高，噪音大，设备复杂方案二：静电除尘工作原理：含有粉尘颗粒的气体，在接有高压直流电源的阴极线(又称电晕极)和接地的阳极板之间所形成的高压电场通过时，由于阴极发生电晕放电、气体被电离，此时，带负电的气体离子，在电场力的作用下，向阳板运动，在运动中与粉尘颗粒相碰，则使尘粒荷以负电，荷电后的尘粒在电场力的作用下，亦向阳极运动，到达阳极后，放出所带的电子，尘粒则沉积于阳极板上，空气排出。优点: (1)除尘效率高；（2）可以净化较大气量；（3）能够除去的粒子粒径范围较宽；（4）结构简单，气流速度低，压力损失小；缺点：设备比较复杂，要求设备调运和安装以及维护管理水平高。 对粉尘比电阻有一定要求，所以对粉尘有一定的选择性，不能使所有粉尘都的获得很高的净化效率。 受气体温、温度等的操作条件影响较大。综合以上两种方案的优缺点最终决定选择：静电除尘+风扇吸尘6.2除尘方案确定及基本参数确定最终方案：静电除尘+风扇吸尘该方案结合了静电吸尘的优势，并且弥补了静电吸尘对灰尘的选择和对环境的要求的缺点。风扇可以通过空气的压力差帮助静电除尘装置吸附粉尘，同时，风扇的噪音较小，功耗较低。符合低耗环保的观点。静电电压：36V1、 静电除尘电路图：静电吸尘高压静电直流电源交流电源整流电路：2、吸尘装置：由外园框架和具有正六边形蜂窝结构的清灰网格栅组成。3、收集粉尘装置（可拆卸）：当擦干净一次黑板之后，断开静电除尘装置的电源，粉尘脱离高压静电网，落入粉尘收集盒中，定期清理粉尘收集盒就即可。 七、设计小结八、附录1、曲柄滑块运动状态分析程序：%住程序slider_crank_main文件%输入已经知道的数据clear;l1=input( 输入曲柄的长度 l1=);l2=input( 输入连杆的长度 l2=);e=input( 输入滑块轴心偏心距 e=);hd=pi/180;du=180/pi;omega1=10; alpha1=0;%调用子函数slider_ank计算曲柄滑块机构位移，速度，加速度for n1=1:720 theta1(n1)=(n1-1)*hd; theta2(n1),s3(n1),omega2(n1),v3(n1),alpha2(n1),a3(n1)=slider_crank. (theta1(n1),omega1,alpha1,l1,l2,e);end%位移，速度，加速度和曲柄滑块机构图形输出figure(l1);n1=1:720;subplot(2,2,1); %绘制位移图 AX,H1,H2=plotyy(theta1*du,theta2*du,theta1*du,s3);set(get(AX(1),ylabel),String,连杆角位移/circ)set(get(AX(2),ylabel),String,滑块位移/mm)title(位移线图);xlabel(曲柄转角theta_1/circ)grid on; subplot(2,2,2); %绘制速度图 AX,H1,H2=plotyy(theta1*du,omega2,theta1*du,v3);set(get(AX(2),ylabel),String,滑块速度/mmcdots-1)title(速度线图);xlabel(曲柄转角theta_1/circ)ylabel(连杆角速度/radcdots-1)grid on; subplot(2,2,3); %绘制加速度图 AX,H1,H2=plotyy(theta1*du,alpha2,theta1*du,a3);set(get(AX(2),ylabel),String,滑块加速度/mmcdots-2)title(加速度线图);xlabel(曲柄转角theta_1/circ)ylabel(连杆加速度/radcdots-2)grid on; subplot(2,2,4);%绘曲柄滑块机构图x(1)=0;y(1)=0;x(2)=l1*cos(70*hd);y(2)=l1*sin(70*hd);x(3)=s3(70);y(3)=e;x(4)=s3(70);y(4)=0;x(5)=0;y(5)=0;x(6)=x(3)-40;y(6)=y(3)+10;x(7)=x(3)+40;y(7)=y(3)+10;x(8)=x(3)+40;y(8)=y(3)-10;x(9)=x(3)-40;y(9)=y(3)-10;x(10)=x(3)-40;y(10)=y(3)+10; i=1:5;plot(x(i),y(i);grid on;hold on;i=6:10;plot(x(i),y(i);title(曲柄滑块机构);grid on;hold on;xlabel(mm);ylabel(mm)axis(-50 400 -20 200);plot(x(1),y(1),o);plot(x(2),y(2),o);plot(x(3),y(3),o);%子函数slider_crank文件 functiontheta2,s3,omega2,v3,alpha2,a3=slider_crank(theta1,omega1,alpha1,l1,l2,e) %计算连杆2的角位移和滑块3的线位移 theta2=asin(e-l1*sin(theta1)/l2); s3=l1*cos(theta1)+l2*cos(theta2); %计算连杆2的角为速度和滑块的线速度 A=-l1*sin(theta1),1;-2*cos(theta2),0; B=-l1*sin(theta1);l1*cos(theta1); omega=A(omega1*B); omega2=omega(1); v3=omega(2); %计算连杆2的角加速度和滑块3的线加速度 At=omega2*l2*cos(theta2),0; omega2*l2*sin(theta2),0; Bt=-omega1*l1*cos(theta1); -omega1*l1*sin(theta1); alpha=A(-At*omega+alpha1*B+omega1*Bt); alpha2=alpha(1); a3=alpha(2);for n1=1:5:360 j=j+1; clf; % x(1)=0; y(1)=0; x(2)=l1*cos(n1*hd); y(2)=l1*sin(n1*hd); x(3)=s3(n1); y(3)=e; x(4)=(l1+l2+50); y(4)=0; x(5)=0; y(5)=0; x(6)=x(3)-40; y(6)=y(3)+10; x(7)=x(3)+40; y(7)=y(3)+10; x(8)=x(3)+40; y(8)=y(3)-10; x(9)=x(3)-40; y(9)=y(3)-10; x(10)=x(3)-40; y(10)=y(3)+10; % i=1:3; plot(x(i),y(i); grid on; hold on; i=4:5; plot(x(i),y(i); i=6:10; plot(x(i),y(i); plot(x(1),y(1),o); plot(x(2),y(2),o); plot(x(3),y(3),o); xlabel(mm); ylabel(mm) axis(-250 550 -270 250); m(j)=getframe;endmovie(m)2、对心曲柄滑块机构的尺度确定及误差分析：disp * 曲柄滑块机构的等影响法精度综合 *N=input( 输入机构运动精度影响尺度数目 N=);H=input( 输入滑块的行程的均值（mm） H=);P=input( 输入曲柄滑块轴心至滑销最远距离(mm) P=);DH=input( 输入滑块位置允许误差（mm) DH=);disp 计算结果 R=H/2;fprintf( 曲柄的长度的均值 R=%3.3f mmn,R)L=P-R;fprintf( 连杆的长度的均值 L=%3.3 mmn,L)theta=0:10:360;hd=theta.*pi/180;% 计算曲柄长度和滑块长度的影响系数（偏导数的最大绝对值）CR=1-cos(hd);CL=0.5.*sin(hd).2;CRm=max(abs(1-cos(hd);CLm=max(abs(0.5.*sin(hd).2);fprintf( 曲柄长度影响系数的最大绝对值 CRm=%3.6fn,CRm)fprintf( 连杆长度影响系数的最大绝对值 CLm=%3.6fn,CLm)%计算曲柄长度和滑块长度的最大允许偏差DRm=DH/sqrt(N)/CRm;DLm=DH/sqrt(N)/CLm;fprintf( 曲柄长度允许的最大偏差 DRm=%3.6f mmn,DRm)fprintf( 连杆长度允许的最大偏差 DLm=%3.6f mmn,DLm)plot(theta,CR,r)hold;gtext(曲柄长度的影响系数曲线)title(bf 机构尺度影响系数线图)xlabel(bf 曲柄转角theta(）)ylabel(bf 尺度影响系数)plot(theta,CL,k)gtext(连杆长度影响曲线)grid on3、齿轮仿真：clearhd=pi/180;clear;m=input(请输入渐开线齿轮模数m=);z=input(请输入渐开线齿轮齿数z=);phi0=20;x=0;x0=0;y0=0;r=m*z/2;hd=pi/180;du=180/pi;p=pi*m;s=2.5*m*tan(phi0*hd);h=(2*s+p)/4;c=x0-2*p-h;%2.计算齿条刀具上20个特征点在初始位置的坐标值，并存入数组x1,y1x1(1,1)=c; y1(1,1)=-(r+(1.25+x)*m)+y0;x1(2,1)=x1(1,1)+s;y1(2,1)=y1(1,1)+2.5*m;x1(3,1)=x1(2,1)+(p/2-s);y1(3,1)=y1(2,1);x1(4,1)=x1(3,1)+s;y1(4,1)=y1(3,1)-2.5*m;for i=5:20 x1(i,1)=x1(i-4,1)+p; y1(i,1)=y1(i-4,1);end%3.计算齿条刀具向左侧平移和旋转后的坐标值，并存入数组x2,y2j=0;for d_phi=0:(6*hd):4.398226/2; j=j+1; for i=1:20; x1(i,j)=x1(i,1)-r*d_phi; y1(i,j)=y1(i,1); s2=y1(i,j)-y0; s1=x1(i,j)-x0; r1(i,j)=sqrt(s1)2+(s2)2); phi(i,j)=atan(s1/s2); x2(i,j)=r1(i,j)*sin(phi(i,j)-d_phi)+x0; y2(i,j)=r1(i,j)*cos(phi(i,j)-d_phi)+y0; endend%4.计算齿条刀具向右侧平移和旋转后的坐标值，继续存入数组x2，y2for d_phi=0:-(6*hd):-4.398226/2; j=j+1; for