哈工大机械课程设计--棒料输送线布料装置设计

1、课程设计说明书课程名称： 机械原理 设计题目：棒料输送线布料装置(方案2)院 系： 机电工程学院 班 级： 设 计 者： 学 号： 指导教师： 设计时间：2014年6月23日至29日 棒料输送线布料装置设计1. 设计题目:棒料输送线布料装置（方案2）如下图1所示棒料输送线布料装置的功能简图。料斗中分别装有直径35mm，长度150mm的钢料、铜料和铝料。在输送线上按照图2所示的规律布置棒料。原动机转速为1430rpm，每分钟布置棒料45,75,105块，分3档可以调节。由图1、2可以看出，该布料输送线装置有两个执行构件。执行构件1为推料滑块，将后方料斗中的最底层棒料推入输送线上相应的槽内。执行构

2、件2为输送线传动带，推动产品在输送线上运动。这两个运动的协调关系如图3所示。2. 工艺动作分析图3 棒料输送线布料系统运动循环图 由图3可以看出执行构件1和执行构2的总工作周期相等，即T。T1为执行构件1的运动周期，此时执行构件2停止不动。T2为执行构建2的运动周期，同时执行构件1停止不动。并且执行构件1的运动规律为，“推-回停”间歇的往复直线运动。执行构件2的运动为间歇直线移动。设定T1=T2=T/2，即运动时间和间歇时间相等。3. 运动功能分析3.1执行机构1功能分析驱动执行构件1工作的执行机构应具有的运动功能如下图所示。该运动功能单元将连续的单向转动转化为间歇的往复直线移动。经过转速配合

3、后，要求槽轮主动件（拨盘）每单向转动/2，从动件（执行构件1）往复运动1次。根据设计题目要求，执行构件1每次推入2块棒料，即主动件转动一周，推入4块棒料。为达到每分钟布置棒料45,75,105块的设计要求，主动件转动需分别达到11.25rpm、18.75rpm、26.25rpm。如下图4所示图4 执行机构1的运动功能从连续的单向转动转化为间歇的往复直线移动显然不能一步实现，需要多个构件形成执行机构1。先将连续的单向转动转化为间歇转动，由系统运动循环图可以看出执行构件1的间歇时间是工作周期的二分之一。因此间歇运动功能单元的运动系数=0.5。此时执行构件1的工作周期T1为执行构件1的工作周期T的二

4、分之一。如下图5所示图5 连续转动转化为间歇转动的运动功能单元为将该间歇转动构件每次转位时的转角转化为整周转动，间歇运动功能单元输出的运动应经过增速运动功能单元增速，设定提速四倍，即i=0.25。如下图6所示。 图6 转动增速运动功能单元最后将连续转动转化为往复移动。这样即可以实现执行构件1“推-回停”间歇的往复直线运动的运动规律。执行机构1的的运动功能就是把连续转动转化为间歇的往复直线运动。如下图7所示。 图7 执行机构1实际运动功能3.2 执行机构2功能分析驱动执行构件2工作的执行机构应具有的运动功能如下图所示。该运动单元将连续的单向转动转化为间歇的单向直线移动。主动件（槽轮拨盘）单向转动

5、一周，从动件（执行构件2）前进两次。根据设计题目要求，执行构件2每次移动400mm，即运送2块棒料。主动件转动一周，运送4块棒料。由工艺分析得，执行构件2与执行构件1工作周期相等，故主动件（槽轮拨盘）转速应该相等，即分别为11.25rpm、18.75rpm、26.25rpm。如下图8所示。 图8执行机构2运动功能 与3.1同理。需将连续的单向转动先转化为间歇转动，由系统运动循环图可以看出执行构件2的间歇时间同样是是工作周期的二分之一。因此间歇运动功能单元的运动系数=0.5。此时执行构件2的工作周期T2为执行构件2的工作周期T的二分之一。再将其转动部分转化为直线移动。由于执行构件2每次移动400

6、mm，若将间歇转动的从动件直接驱动传送带，回转半径太大。所以再添加一个增速运动功能单元，使其i=0.25。执行机构2的的运动功能就是把连续转动转化为间歇的单向直线移动。运动功能图如下图9所示 图9 执行机构2实际运动功能3.3 减速及有级变速系统原动机转速为1430rpm，为了达到所需的传动比要求和换挡功能，原动机与执行构件之间需要加上变速器。要求在执行构件的主动件上分别得到11.25，18.75，26.25rpm的转速，则该变速器总传动比i有3种，分别为i1=143011.25=127.1111i2=143018.75=76.2667i3=143026.25=54.4762总传动比由定传动比

7、if和变传动比iv两部分组成： i1=ifiv1 i2=ifiv2 i3=ifiv3由于定传动比if为常数，3种变传动比中iv1最大，iv3最小。本设计采用滑移齿轮变速。滑移齿轮传动比最大应不大于4，即设iv1=4计算的定传动比if=i1iv1=127.11114=31.7778可求得其他变传动比iv2=i2if=76.266731.7778=2.4iv3=i3if=54.476231.7778=1.7143由此可得如下传动系统有级变速功能单元图10。图10 有级变速运动功能单元 为了保证系统过载时不至于损坏，需要在原动机和传动系统之间加一个过载保护环节。过载保护运动功能单元采用带传动实现。同

8、时实现减速和过载保护功能。如下图11所示。图11过载保护运动功能单元定轴传动部分传动比 if2.5=31.77782.5=12.71111 这部分传动比由两对圆柱齿轮和一对圆锥齿轮实现。添加这对圆锥齿轮是为了改变传动平面，使变速器运动主平面与布料系统运动主平面垂直，避免尺寸布局上的影响。为了使三对齿轮的传动比小于4，初步设定圆锥齿轮传动比为2,另两对圆柱齿轮，传动比为i1=3.2, i2=2。图12 定轴传动部分3.4为满足一个原动机驱动要求的执构件1、2的连接 为了使用同一原动机驱动执行构件1和2，应该在减速功能单元之后加一运动分支功能单元。由于执行构件1和2的主动件（槽轮拨盘）转速相同，且

9、定轴转动部分之后已经达到主动件所需转速，只需将已有转速传递给两个主动件即可，无需再变速。但是执行构件1的运动主平面垂直于布料系统运动主平面，执行构件2的运动主平面即布料系统运动主平面，二者互相垂直。因此运动分支功能单元之后需要用圆锥齿轮改变转速传递平面。同时为了满足空间布局的要求，使用两个圆锥齿轮以改变布局方向。变速系统执行构件驱动系统之间的连接系统功能如图13所示。图13 两个执行构建的连接3.5运动功能系统图根据上述分析，可以画出整个系统的运动功能图图14棒料输送线布料装置（方案2）的运动功能系统图4. 机械系统运动方案 根据运动功能系统图，选择适当的机构替代运动功能系统图的各个运动功能单

10、元，便可拟定出机械系统运动方案。 图14中的运动功能单元1是原动机，转速1430rpm。 图15 电动机替代运动功能单元1图14中运动功能单元2是过载保护功能单元兼减速功能，采用带传动替代，如图 图16带传动替代运动功能单元2图14中运动功能单元3是有级变速功能，采用三对滑移齿轮替代，如图 图17 滑移齿轮替代运动功能单元3图14中运动功能4和5是减速功能，采用2级齿轮传动和一对圆锥齿轮替代，如图。 图18 2级齿轮传动替代运动功能单元4图19 圆锥齿轮传动替代运动功能单元5图14中运动功能单元6、7、11是运动分支功能单元。在变速系统输出轴上添加两个相同的齿轮，与轴固联。各用一个圆锥齿轮改变

11、转速传递平面，如图图20 两对圆锥齿轮传动替代运动功能单元6、7、11图14中运动功能单元8是把连续转动转换为间歇转动的运动功能单元，采用槽轮机构替代。该运动功能单元的运动系数=0.5。根据槽轮机构运动系数的计算公式=kz-22z，最后确定销钉个数k=2，槽轮的径向槽数z=4。图21槽轮机构替代运动功能单元8图14中运动功能单元9是增速运动功能单元，采用一对圆柱齿轮传动代替，其中一个齿轮与槽轮同轴，角速度相同，另一个齿轮作为运动功能单元10的运动输入，如图。槽轮轴图22一对定轴齿轮传动替代运动功能单元9图14中运动功能单元10是把连续转动转化为连续往复移动的运动功能单元，采用曲柄滑块机构替代。

12、其中圆锥齿轮传动的主动轮与曲柄固联如图图23曲柄滑块机构替代运动功能10 此处曲柄滑块机构需实现同时推动三块料的功能，则需要增添扩展机构。以如图24所示支架，带动三个滑块，使它们与原机构中滑块运动规律相同。（该图为俯视图）。图24 曲柄滑块机构的扩展机构 执行构件1图14中运动功能单元12与运动功能单元8相同。采用k=2，z=4的槽轮机构代替。图25槽轮机构替代运动功能单元12 图14中运动功能单元13是增速运动功能单元，仍采用一对圆柱齿轮传动。其中一个齿轮与运动功能单元12中的槽轮同轴，角速度相同，另一个作为运动功能单元14的运动输入。槽轮轴图26 一对定轴齿轮传动代替运动功能13图14中运

13、动功能单元14是把连续转动转换为单向直线移动的运动功能单元。采用一个圆柱齿轮直接带动传送带。该齿轮线速度等于传送动所需前进速度。角速度等于运动输入齿轮角速度。图27 带传动替代运动功能单元14根据上述分析，把各个运动功能的替代机构依次连接起来，即到棒料输送线布料装置（方案9）方案机械运动简图，如图28ABB向A向A向 B向图28棒料输送线布料装置（方案9）的机械运动简图5. 机械系统尺寸设计5.1执行机构1的设计执行机构1驱动执行构件1运动。执行机构1由槽轮机构19、20，一对圆柱齿轮21、22，曲柄23，连杆24和滑块25组成。此机构中槽轮机构，拨盘19转180°，槽轮20转90&

14、#176;，运动系数为0.5(详见齿轮传动设计)。圆柱齿轮21、22传动比为0.25（详见齿轮传动设计），即槽轮转90°，圆柱齿轮22转360°。由设计题目要求，根据棒料长度150mm，为留出空间余量，设定滑块的行程为200mm。先确定几何关系，如图29中C1、C2为曲柄滑块机构的两个极限位置AC1=AB+BC AC2=BC-AB曲柄滑块机构是一种具有急回运动特性的机构，设在工作中该机构的行程速比系数为K=1.4 则，该机构的极位夹角为=K-1K+1180°=30° 图29 曲柄滑块机构示意图在 AC2C1中应用余弦定理 cos=AC22+AC12-C2

15、C122AC1×AC2根据曲柄存在条件,需满足 AC+e<BC计算初步确定 AB=93mm BC=183mm e=63mm要求最小传动角大于40°,C2位置出现最小传动角minmin=90°-arcsineAC2=46.36°>40°所选尺寸满足机构的传动要求。5.2执行机构2的设计执行机构2驱动执行构件2运动。执行机构2由槽轮机构28、29，一对圆柱齿轮30、31，带传动32、33组成。此机构中槽轮机构，拨盘28转180°，槽轮29转90°，运动系数为0.5（详见槽轮机构设计5.3）。圆柱齿轮30、31传动比为

16、0.25，即槽轮转90°，圆柱齿轮31转360°。圆柱齿轮32与31同轴，角速度相同，棒料传送带与齿轮32线速度相同（详见齿轮传动设计）。5.3槽轮机构设计 槽轮机构19、20与槽轮机构28、29完全相同，为满足运动系数=0.5，根据公式=jz-22z确定拨盘圆销数j=2，槽轮槽数z=4，如图图30 槽轮机构示意图槽轮槽间角2=360°z=360°4=90°槽轮每次转位时拨盘的转角2=180°-2=90°设定中心距 a=100mm拨盘圆销回转半径 =ra=sin=sin45°=0.7071r=a=70.711mm槽

17、轮半径 =Ra=cos=0.7071R=a=70.711mm锁止弧张角 =21j+1z-12=90°圆销半径 rAr6=70.711÷6=11.78mm=12mm槽轮槽深 h>(+-1)×100+12=53.42mm锁止弧半径 rs<r-rA=58.7mm 取rs=48mm。5.4滑移齿轮传动设计5.4.1齿数确定齿轮5,6,7,8,9,10组成滑移齿轮有级变速运动功能单元，其齿数分别为z5、z6、z7、z8、z9、z10由3.3中计算得三对齿轮所需传动比如下iv1=4.00iv2=2.40iv3=1.7143最小不根切齿数为17，且一对齿轮齿数最好是

18、质数比。6个齿轮中，齿轮9尺寸最小，取z9=18。根据iv1=z9z10=4，z10取71。其齿数和为z9+z10=89。实际传动比iv1=7118=3.9444。另外两对啮合齿轮的齿数和应该大致相同。z7+z889z5+z689取 z7=26z8=62 （变位以配凑中心距） z5=33z6=56为满足最后转速要求，取z9=18z10=71 ； z7=26z8=62 ； z5=33z6=56实际传动比 iv1=z9z10=4 ； iv2=6226=2.3846 ； iv3=5633=1.6975.4.2模数及中心距确定 三对齿轮齿数和相同，模数相等m=2mm,则中心距相等 z9+z10=z5+

19、z6=89中心距 a=89*m/2=89mmz7、z8齿轮采用变位齿轮，由于a=(z7+z8)m/2=88,a'=89,故=arcos(acos20°/a')=21.70°故变位系数和x7+x8=（inva'-inv20°）（z7+z8）/(2*tan20°)=0.521，取x7=0.45,x8=0.07.另两对齿轮都是标准齿轮传动，其几何尺寸可按标准齿轮计算。5.5固定齿轮传动设计5.5.1圆柱齿轮传动设计齿轮11、12、13、14实现减速运动功能，实现传动比为6.356。可根据i1*i2=12.711，齿轮11、13取z11=

20、22， z12=21，则 z11=22z12=69 ， z13=21z14=43m取2mm，则中心距 a2=（22+69）m/2=91mm a3=（21+43）m/2=64mm此二级齿轮传动是标准齿轮传动，其几何尺寸可按标准齿轮计算。齿轮21与22，齿轮30与31传动比都为0.25,实现增速运动功能。齿轮22和31为小齿轮，取最小不根切齿数17。由于i=0.25是为了保证槽轮的转角90°扩大四倍后，完成齿轮22和31的完整周期。所以应该保证齿数比为4:1。取 z21=z30=68z22=z31=17仍取m=2mm，则中心距 a=（68+17）m/2=85mm这两对齿轮传动是标准齿轮传

21、动，其几何尺寸可按标准齿轮计算。5.5.2圆锥齿轮传动设计圆锥齿轮15、16实现运动功能单元5的减速功能，实现传动比i=2，两圆锥齿轮的轴交角为90°。齿轮16的分度圆锥角 16=arctanz16z15=arctan2=63.435°齿轮15的分度圆锥角 15=90°-16=26.565°锥齿轮的最小不根切当量齿数为Zvmin=17齿轮15的齿数按最小不根切齿数确定Z15= Zvmincos1515齿轮16的齿数为Z16=2 Z15=30取模数m=2mm，几何尺寸按标准直齿圆锥齿轮计算。圆锥齿轮17和18、26和27实现运动分支功能单元之后改变转速传递

22、平面的功能，传动比均为1。这四个齿轮与圆锥齿轮16齿数完全相同。但是分度圆锥角不同，详见齿轮参数表。带轮2和4直径比为1:2.5，实现带传动比i=2.5。取d2=34mm，d4=85mm，带轮32与传送带33线速度相同，转动一周，传送带前进400mm，则d32=400mm127.32mm由上述分析可得图28中各齿轮齿数（模数m=2）情况如下表编号567（变位）8（变位）91011齿数33562662187122编号12131421223031齿数69214368176817变位系数：x7=0.45,x8=0.07。表1 圆柱齿轮齿数情况表编号151617182627齿数153030303030

23、分度圆锥角26.565°63.435° 45° 45° 45° 45°表2 圆锥齿轮齿数及圆锥角情况表 曲柄滑块机构参数如下表3所示。曲柄AB93mm连杆BC183mm滑块位移偏置距离e63mm滑块行程h200mm行程速度变化系数K1.4表3 曲柄滑块机构参数表槽轮参数如下表4所示 槽间角45°槽轮半径R70.71拨盘角45°锁止弧张角90°中心矩a100mm圆销半径rA12mm、0.7071槽轮槽深h53.42mm拨盘回转半径r70.71锁止弧半径rs48mm表4 槽轮参数表6. 运动分析6.1 转向分

24、析如图所示箭头为系统各部分转向关系。AA向图31 机械运动方向关系示意图6.2初始位置确定由图三运动循环图可知，执行机构1、2的步调相反，从而当驱动执行机构1的槽轮转动时，驱动执行机构2的槽轮应处于停止阶段，又因为转向相反，在图中表现为起始位置拨盘方向平行，如下所示：执行机构1图32 执行机构1 初始位置示意图执行机构2图33 执行机构2初始位置示意图6.3时序分析设启动后，执行构件1先开始运动，执行构件2保持不动。拨盘19顺时针转动（装置左侧向右看）时的初始位置处于槽轮由停变动的分界位置，因此拨盘19与水平轴的夹角为45°。此时曲柄滑块机构中，滑块位于离传送带最远的极限位置，曲柄与连杆重合，曲柄与水平轴夹角为43°。拨盘19的一个圆销开始进入槽轮20的一个槽内，带动槽轮20逆时针转动。槽轮20转动90°后，圆销从槽内退出。这个过程中，齿轮22带动曲柄顺时针旋转1周，滑块完成一次推料。在拨盘19转过下一个90°的过程中，槽轮不动。此为一个工作周期。拨盘28逆时针转动时的初始位置处于槽轮由动变停的分界位置，因此拨盘28与水平轴的夹角为45°。启动后拨盘28转动90°，这个过程中，槽轮29不动，传送带不动。在拨盘28转动下一个90°时，槽轮顺时针旋转90°