健身球自动检验分类机设计

1、目 录绪论 机械原理课程设计任务书.2 0.1 设计题目及原始数据.30.2 设计方案提示.30.3 设计任务.31、 设计要求.4 1.1功能要求.41.2工作原理.41.3工艺流程图.4二、机械系统的选择及比较.52.1电动机的选择及比较.52.2传动机构的选择及比较. 6 2.3执行机构的选择及比较.7三、绘制机构系统运动转换图和形态学距阵.11 3.1功能转换图.11 3.2.形态学矩阵.12四、健身球检验分类工作原理及工艺动作流程图.12 4.1健身球检验分类机工作流程.12 4.2机械系统运动方案简图.13 4.3健身球检验分类机的基本组成.13五、机器基本组成应用及尺寸设计.13

2、5.1电动机.135.2减速器.135.3传动装置.145.4凸轮推杆滑块.175.5检验装置与接料装置.195.6进料机构设计.195.7各机构的运动循环图.21六、偏置曲柄滑块的运动分析.216.1构件的基本尺寸.216.2连杆机构的运动分析流程图.226.3编写程序.237、 方案分析与评价.277.1优点.277.2缺点.277.3改进.27八、参考文献.28九、总结.29附录一.30附录二.31附录三.32附录四.33机械原理课程设计任务书1.1设计题目及原始数据设计健身球自动检验分类机，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、

3、检测、接料）自动完成。健身球直径范围为4046mm，要求分类机将健身球按直径的大小分为三类：第一类： 4042 ； 第二类：4244；第三类：4446。其他技术要求见下表：健身球分类机设计数据表方案号电动机转速（r/min）生产率（检球速度）（个/min）B96010 1.2设计方案提示健身球自动检验分类机是创造性较强的一个题目，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，而第三个接料口直径稍大于46mm。使直径小于（等于）42mm的球直接落入第一个接料口，直径大于42mm的球先卡在第一个接

4、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、槽轮机构等实现。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，齿轮机构在内的三种机构；2.设计传动系统并确定其传动比分配，并在图纸上画出传动系统图；3.图纸上画出健身球检验分类机的机构运动方案简图和运动循环图；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。盘状凸轮用电算法设计，圆柱凸轮用图解法设计；5.设计计算其中一对齿轮机构；

5、6.编写设计计算说明书；7.可进一步完成：凸轮的数控加工，健身球检验分类机的计算机演示验证等。1、 设计要求1.1功能要求具体设计要求如下：健身球检验分类机能够实现进球、送球、检测球、接球的一体化功能。健身球自动检验分类机，将不同直径尺寸的健身球（石料）按直径分类。健身球直径范围为4046mm，要求分类机将健身球按直径的大小分为三类。 1. 40 mm第一类42 mm 2. 42 mm 第二类44 mm 3. 44 mm 第三类46 mm1.2工作原理健身球检验分类机的工作原理是由进料机构、送料机构、检验机构、接料机构以及电动机组成。进料机构是持定量的健身球，以直线、间歇的运动过程进球；送料机

6、构是在往复直线运动过程中，运用曲柄滑块或者凸轮推杆是健身球能持续定量的进入工作台相对应的小槽内，让健身球每6秒钟进入一个，使工作持续稳定进行；检验机构是由上往下直径分别为42mm、44mm、47mm小槽，根据小球能通过而大球不能通过的原理，健身球先通过直径为40-42mm的第一个孔，如果不能滚入，则通过直径为42-44mm的第二个孔和直径为4446mm的第三个孔，依次类推，直至用检验机构来完成对所有球的检验和分离；接料机构是在运用接球通道将分类掉下来球通过滚槽进入指定的装置，然后再用接球仪器将球接住。1.3工艺流程图 健身球检验分类机的工作系统进料机构持定量健身球，以直线、间歇的进球运用曲柄滑

7、块或者凸轮推杆是健身球能持续定量的进入工作台相对应的小槽内，让健身球每6秒钟进入一个，使工作持续稳定进行接料机构检验机构健身球间歇得掉下来，尺寸不同球将通过不同的小槽精确检验，直至完成检验送料机构运用接球通道将分类掉下来球通过滚槽进入指定的装置二、机械系统的选择 机械系统通常由一般由原动机、传动装置和工作机（有时又称执行机构）三部分组成如图： 图211减速器 2联轴器 3电动机 2.1电动机的选择 2.1.1选择电动机类型 发动机是机器中运动和动力的来源，其种类很多，有电动机、汽油机、菜油机、液压机、汽动马达等。电动机结构简单、工作可靠、控制方便、维护容易，一般机械上大多数是均采用电动机驱动。

8、电动机已经是系列化了，通常由专门的工厂按标准系列成批或大量生产。机械设计中应根据工作的载荷、工作的要求、工作的环境、安装的要求及尺寸、重量有无特殊限制等条件，从产品目录中选择电动机的类型和结构形式、容量和转速，确定具体的型号。 2.1.2选定电动机的容量 电动机的容量选得合适与否，对电动机的工作和经济性都有影响。当容量小于工作要求时，电动机不能保证工作装置的正常的工作，或使用电动机因长期的过载而过早损坏；容量过大则电动机的价格高，能量不能充分利用，且常常不在满载下运行，其效率和功率的因数都较低，造成浪费。电机的容量的主要由电动机的运行时的发热情况决定，而发热又与其工作情况决定。 工作机所需工作

9、功率，应由机器工作阻力和运动参数计算得来的，可按下式计算： 其中：T工作机的阻力矩，； n工作机的转速，；传动装置的总效率组成传动装置的各部分运动副效率之积，即 其中： 分别为轴承、齿轮、斜齿轮的传动效率。经过综合考虑决定选用Y132M26型号电动机，它传动平稳，操作方便，效率高。 2.2传动机构的选择及比较 机械系统中的传动机构是把原动机输出的机械能传递给执行机构并实现能量的分配、转速的改变及运动形式的改变的中间装置。传动机构最常见的有齿轮传动、带传动、蜗杆传动等。他们的特点如表1特点寿命应用齿轮传动承载能力和速度范围大；传动比恒定，采用卫星传动可获得很大传动比，外廓尺寸小，工作可靠，效率高

10、。制造和安装精度要求高，精度低时，运转有噪音；无过载保护作用取决于齿轮材料的接触和弯曲疲劳强度以及抗胶合与抗磨损能力金属切削机床、汽车、起重运输机械、冶金矿山机械以及仪器等蜗杆传动结构紧凑，单级传动能得到很大的传动比；传动平稳，无噪音；可制成自锁机构；传动比大、滑动速度低时效率低；中、高速传动需用昂贵的减磨材料；制造精度要求高，刀具费用贵。制造精确，润滑良好，寿命较长；低速传动，磨损显著金属切削机床（特别是分度机构）、起重机、冶金矿山机械、焊接转胎等带传动轴间距范围大，工作平稳，噪音小，能缓和冲击，吸收振动；摩擦型带传动有过载保护作用；结构简单，成本低，安装要求不高；外廓尺寸较大；摩擦型带有滑

11、动，不能用于分度链；由于带的摩擦起电，不宜用于易燃易爆的地方；轴和轴承上的作用力很大，带的寿命较短带轮直径大，带的寿命长。普通V带 3500-5000h金属切削机床、锻压机床、输送机、通风机、农业机械和纺织机械链传动轴间距范围大；传动比恒定；链条组成件间形成油膜能吸振，对恶劣环境有一定的适应能力，工作可靠；作用在轴上的荷载小；运转的瞬时速度不均匀，高速时不如带传动平稳；链条工作时，特别是因磨损产生伸长以后，容易引起共振，因而需增设张紧和减振装置与制造质量有关5000-15000h农业机械、石油机械、矿山机械、运输机械和起重机械等 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

12、轮一起转动，并传递一定动力。带传动具有结构简单、传动平稳、选价低廉以及缓冲吸振等特点，在近代机械中被广泛应用。 图-带传动 图-链传动但是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。 根据以上的分析比较，考虑减小噪声、振动等方面的要求的工作条件可以得到，在此采用带传动。 2.3执行机构的选择及比较 2.3

13、.1送料机构 方案一：凸轮机构 方案一：所采用的进料机构如图31所示。其主要有进料槽、凸轮机构组成。当小球不断的从进料槽中进入时，运用凸轮机构，用滑块间歇的让球进入，以不至于无法控制球的进入，最终球顺着右边的壁做自由落体运动,落在指定位置。设计要求：凸轮顶端处应稍微有点凹朝,以免最下面的球在上面的球的压力下直接冲出工作台,造成球进入速度不受限制。1进料槽 2凸轮机构 图3-1 方案一运动简图 方案二：偏置曲柄滑块机构方案二：所采用的进料机构如图32所示。功能和方案一一样，只是送料机构改变，将凸轮换成偏置曲柄滑块机构。设计要求：有急回特性，球的正下方有一个微小的凹槽，使球下落在槽内不会自行滑动，

14、且滑块将球推出后，滑块的后半部分能够堵住进料口，不会使球往下落。1进料槽 2对心滑块机构图3-2方案二运动简图 方案的选择两种方案都能很好的完成规定的运动，对于凸轮机构，它可以是推杆得到各种预期的运动规律，而且相应快速，机构简单紧凑，但是易磨损，制造较困难。对于连杆机构，它压力较小，承载能力较大，润滑好，磨损小，加工制造容易，对保证工作的可靠性有利。经综合考虑，我们选择了方案二作为送料机构。 2.3.2 检料和接料机构方案一 我们认为此检验分类机的主要用途就是将不同直径大小的健身球分成三类，同时我们还得考虑到健身球是石料所做，故我们提出了如下的方案。 图3-3 方案一运动简图 1检料机构 2接

15、料机构经分析，我们认为此方案接料机构的速度不易于控制，而且球从工作台掉下容易碰撞、损坏。故我们放弃此方案，寻找便于控制的检料机构。 方案二 图3-4方案二运动简图1检料机构 2接料机构此方案是直径为42毫米的球落入第一个洞中，当大于此直径的球来时，凸轮1将其推入第二个洞中，如果还不能落入第二个洞中，则凸轮2将其推入第三个洞中。经分析，此方案会出现卡死现象，因为球的直径悬殊不是很到，当球在第一个洞中时，推杆无法推动球，出现卡死。经过综合考虑，我们设计出方案三。方案三我们认为该方案的正好弥补了以上方案的不足，方便而简单地对健身球进行检测，同时也能够将送料机构里的滑块与检测机构里的滑块统一起来运动。

16、在上滑块将球抵出的同时下滑块上边缘也正好抵达料道1的口缘处，向下运动时对球进行检测分类。图3-5方案三运动简图1检料机构 2接料机构 综上考虑，我们选择了方案三作为检料和接料机构。三、绘制机构系统运动转换功能图和形态学矩阵 3.1功能转换图 根据执行构件的运动形式，绘制机械系统运动转换功能图如图3-7所示图3-7 功能转换图3.2形态学矩阵图根据机械系统运动转换功能图可构成形态学矩阵，由下表所示的形态学矩阵可求出检验分类机系统的运动方案数为： N = 33333= 243图3-8 形态学矩阵图可由给定的条件，各机构的相容性，各机构的空间布置，类似产品的借鉴和设计者的经验等，从中选出若干个较为实

17、际可行的方案，然后从选出的若干个方案中用评价方法选出最优方案。4、 健身球检验分类机工作原理及工艺动作流程图 将待测健身球放入料槽中4.1健身球检验分类机工作流程通过导管将料槽中的小球引入带凹槽的导轨中电机通过变速器带动滑块1推动健身球健身球在滑块1推动的作用下由导轨进入检料装置口健身球由滑块2引入检料装置，并跟随滑块2缓慢向下移动，进入各自的合适的轨道中不同类型的健身球沿各自的轨道进入不同的收集箱中 图4-1 检验分类机工作流程图 4.2机械系统运动方案简图（大图见附录四）图42健身球检验分类机运动方案简图1,2皮带轮 3,4,5,6直齿轮 7凸轮 8,9,10,11锥齿轮 12连杆 13推

18、杆 14滑轮 15料槽 4.3健身球检验分类机的基本组成(1)电动机 (2)减速器 （3)曲柄滑块(4)料槽 (5)检料箱体 (6)收集箱(7)皮带轮 (8)直齿锥 （9）凸轮五、机器基本组成应用与尺寸设计 5.1电动机 本健身球检验分类机原动件采用转速为的交流电动机。 5.2减速器图5-1 减速装置本分类装置采用图5-1所示的减速器，由传送带和齿轮系构成的减速装置。其中一对齿轮的传动比是有限的，由于本装置需要较大的传动比，固采用轮系来实现。5.3传动装置皮带传送 图5-2皮带减速机构如图5-2所示为皮带减速机构，根据传动比的需要，本机构采用平带传动，够使机械的效率保持在在0.98-0.98之

19、间，且寿命比V带长。其基本原理是带轮1连接原动件转速为的交流电动机，皮带2连接齿轮系中的齿轮3，皮带1的半径为，皮带2的半径为，根据皮带传动原理有：= (1)皮带1与皮带2的转速与半径成反比：= (2) 齿轮系传动：如图5-3所示，带轮2与齿轮3同轴传动，齿轮3与齿轮4啮合传动，齿轮4与齿轮5同轴传动，齿轮5与齿轮6啮合传动，齿轮6与直齿锥同轴连接，根据齿轮系传动原理有： (3)由上式可得：= (4) 直齿锥齿轮：图5-4 锥齿轮啮合简图如图5-4所示，直齿轮6与直齿锥齿轮8、凸轮7（见图3-9）同轴传动，直齿锥齿轮8与直齿锥齿轮9垂直啮合，直齿锥齿轮10与凸轮11同轴连接（见附图），根据齿轮

20、传动原理有：= (5)= (6) = （7）由凸轮7与直齿锥齿轮同轴传动有：= (8)根据提供的原动件转速为的交流电动机与课程设计要求，在的前提下，设计机器的生产率为10个/min,设计的凸轮滑块结构实现凸轮转动一圈完成一个健身球的检测（3.3.3），可以得到凸轮7的转速为：同时，齿轮4与齿轮7是同轴传动，故则根据公式(4)可以得出：因此由上两式可以得出:根据1比96的比例关系，我们选取适当的皮带轮半径和齿轮齿数故我们得出:,考虑到齿轮大小与传动的合理性，经过比较设计皮带传动结构与齿轮系传动结构的相应参数如表2、表3：表2 皮带轮参数带轮1带轮2皮带轮直径（mm）100200表3 各齿轮参数模

21、数(mm)压力角()齿数(个)直径(mm)分锥角()齿轮32202040/齿轮4220160320/齿轮52202040/齿轮6220120240/直齿锥8,9,10,112208016090一对齿轮与一对直齿锥齿轮啮合如图5-5所示： 图5-5直齿轮、锥齿轮啮合简图 5.4 凸轮推杆滑块 5.4.1凸轮推杆滑块如图5-6所示，齿轮6与凸轮7同轴传动，凸轮7与杆13、滑块2形成凸轮滑块传动机构。凸轮尺寸的设计基于该机构从动件的运动规律，由于凸轮7与凸轮11的转速相同，设计滑块1将待测球推入检测装置的同时，滑块2在的高度接入待测球进入相应尺寸料道，建立滑块1与滑块2的同步运动机制，检料装置的尺寸

22、设计（见表4）。图5-6 检料装置运动图 表4 检料装置料道尺寸料道1料道2料道3料道直径（mm）424447设置滑块轨道有关尺寸为： 杆长为 5.4.2凸轮的设计凸轮基圆半径，角速度，设计该凸轮轮廓曲线。由齿轮4与凸轮7同轴传动有： =设计该凸轮的基圆半径，偏距e： e=30mm 滚子半径 Rt=10mm凸轮的各参数如图5-7所示(见附表一)其动画演示如图5-9所示（见附录二）根据凸轮的各参数以及运动循环和推程、回程规律，可得凸轮的运动分段如图5-10（见附表二） 5.5检验装置与接料装置图5-11 检料装置图在检料箱体中，滑块2的轨道中设有待测球出口料道1、料道2、料道3，料道顺序为尺寸从

23、小到大往下设置，小球先检测，接着检测中球，大球最后检测，料道尺寸设计稍大于，为了使球能够快速稳定地经过料道尺寸检测，设计轨道与水平夹角为：= 5.6进料机构设计 5.6.1偏置曲柄滑块图5-12 进料机构简图如图5-12所示，曲柄与直齿锥齿轮11同轴传动，直齿11与凸轮7具有相同的转速。A到C的垂直距离为150mm，滑块的行程为C1C2=240mm，A点铰链固定后，AC1=188mm,AC2=384,根据公式得 AB=(AC2-AC1)/2=97.86mm BC=(AC2+AC1)/2=286.2mm行程速比系数为K=1.4，根据公式得 极位夹角为=180度x（K-1）/(K+1)=30度。5

24、.6.2料槽装置 图5-13 料槽装置简图如图513所示为料槽结构，其中槽体的高度可根据待测球数量适度调整。其中槽壁的倾斜角度对槽体和健身球的受力情况有较大的影响。如果角度过大，则健身球整体向下的压力不足，影响了传递的连续性；如果角度过小，则球之间互相压力增大，健身球流动性下降。所以，。5.7各机构的运动循环图图5-14运动循环图六、偏置曲柄滑块的运动分析 6.1 构件的基本尺寸图6-1图6-2建立如图所示的坐标系，将图6-1的四杆机构分解为原动件和一个二级杆组（RRP），如图6-2所示。已知L1=0.09786m,L2=0.2862m,曲柄的转向如图所示，=1.r/s。 6.2连杆机构的运动

25、分析流程图开始输入已知数据j1=0j1=j1+Dj调用单杆运动分析子程序,计算B点的位置、速度、加速度调用RRP杆组运动分析子程序,计算E点的位置、速度、加速度及杆4的角速度、角加速度否j1360?是停输出计算结果图6-3 6.3 编写程序Private Sub Command1_Click()Dim b(6), c(6), d(3), t As String pai = Atn(1#) * 4 / 180 For fi = 0 To 360 Step 10 Fi1 = fi * pai Call 单杆运动分析子程序(0, 0, 0, 0, 0, 0, 0.09786, 0, Fi1, 1.,

26、 0, _ xB, yB, vBx, vBy, aBx, aBy) Call RRP运动分析子程序(1, xB, yB, vBx, vBy, aBx, aBy, 0, 0.15, 0, 0, 0, 0, _ 0.2862, 0, 0, 0, xC, yC, vCx, vCy, aCx, aCy, fi4, omega4, epsilon4, sr, vsr, asr) t = t + Fi1= + Str(fi) + vbCrLf t = t + xC(m)= + Str(xC) + vbCrLf t = t + vC(m/S)= + Str(vCx) + vbCrLf t = t + aC(

27、m/S2)= + Str(aCx) + vbCrLf t = t + omega4(rad/S)= + Str(omega4) + vbCrLf t = t + epsilon4(rad/S)= + Str(epsilon4) + vbCrLf t = t + vbCrLf Next fi Text1.Text = t End Sub Sub 单杆运动分析子程序(xA, yA, vAx, vAy, aAx, aAy, S, theta, fi, omega, epsilon, _ xm, ym, vmx, vmy, amx, amy) xm = xA + S * Cos(fi + theta)

28、 ym = yA + S * Sin(fi + theta) vmx = vAx - S * omega * Sin(fi + theta) vmy = vAy + S * omega * Cos(fi + theta) amx = aAx - S * epsilon * Sin(fi + theta) - S * omega 2 * Cos(fi + theta) amy = aAy + S * epsilon * Cos(fi + theta) - S * omega 2 * Sin(fi + theta) End Sub Sub RRP运动分析子程序(m, xB, yB, vBx, vB

29、y, aBx, aBy, xP, yP, vPx, vPy, aPx, aPy, _ L2, fi3, omega3, epsilon3, xC, yC, vCx, vCy, _ aCx, aCy, fi2, omega2, epsilon2, sr, vsr, asr) Dim pi, d2, e, F, yCB, xCB, E1, F1, Q, E2, F2 pi = Atn(1#) * 4 d2 = (xB - xP) 2 + (yB - yP) 2) e = 2 * (xP - xB) * Cos(fi3) + 2 * (yP - yB) * Sin(fi3) F = d2 - L2

30、2 If e 2 L2 + L3 Or d 0 Thengam = Atn(sa / ca)Else: gam = Atn(sa / ca) + piEnd IfIf m = 1 Thenfi2 = delta + gamElse: fi2 = delta - gamEnd IfxC = xB + L2 * Cos(fi2)yC = yB + L2 * Sin(fi2)yCD = yC - yDxCD = xC - xDIf xCD 0 Thenfi3 = Atn(yCD / xCD)ElseIf yCD = 0 Thenfi3 = Atn(yCD / xCD) + piElse: fi3 =

31、 Atn(yCD / xCD) - piEnd Ife = (vDx - vBx) * xCD + (vDy - vBy) * yCDF = (vDx - vBx) * (xC - xB) + (vDy - vBy) * (yC - yB)Q = yCD * (xC - xB) - (yC - yB) * xCDomega2 = e / Qomega3 = F / QvCx = vBx - omega2 * (yC - yB)vCy = vBy + omega2 * (xC - xB)EA = aDx - aBx + omega2 2 * (xC - xB) - omega3 2 * xCDF

32、A = aDy - aBy + omega2 2 * (yC - yB) - omega3 2 * yCDepsilon2 = (EA * xCD + FA * yCD) / Qepsilon3 = (EA * (xC - xB) + FA * (yC - yB) / QaCx = aBx - omega2 2 * (xC - xB) - epsilon2 * (yC - yB)aCy = aBy - omega2 2 * (yC - yB) + epsilon2 * (xC - xB)n1: End Sub Sub atn1(x1, y1, x2, y2, fi) Dim pi, y21,

33、x21pi = Atn(1#) * 4y21 = y2 - y1x21 = x2 - x1If x21 = 0 Then 判断BD线段与x轴的夹角 If y21 0 Then fi = pi / 2 ElseIf y21 = 0 Then MsgBox B、D两点重合，不能确定 Else: fi = 3 * pi / 2 End If Else If x21 = 0 Then fi = Atn(y21 / x21) Else: fi = Atn(y21 / x21) + 2 * pi End IfEnd IfEnd SubPrivate Sub Command2_Click()Dim b(6)

34、, c(6), d(3), xC1(360), vCx1(360), aCx1(360) pai = Atn(1#) * 4 / 180 Picture1.Print 红色线条表位移 蓝色线条表速度 绿色线条表加速度 Picture1.Print 机制081 郑强 For fi = 0 To 360 Step 10 Fi1 = fi * pai Call 单杆运动分析子程序(0, 0, 0, 0, 0, 0, 0.09786, 0, Fi1, 1., 0, _ xB, yB, vBx, vBy, aBx, aBy) Call RRP运动分析子程序(1, xB, yB, vBx, vBy, aB

35、x, aBy, 0, 0.15, 0, 0, 0, 0, _ 0.2862, 0, 0, 0, xC, yC, vCx, vCy, aCx, aCy, fi4, omega4, epsilon4, sr, vsr, asr) xC1(fi) = xC vCx1(fi) = vCx aCx1(fi) = aCx Next fi ForeColor = QBColor(0) Picture1.Scale (-10, 100)-(370, -100) Picture1.Line (0, 0)-(360, 0), ForeColor Picture1.Line (0, -100)-(0, 100), ForeColor ForeColor = QBColor(4) Picture1.PSet (0, xC1(0) * 10) For fi = 0 To 360 Step 10 Pic