哈工大機械課程設計棒料輸送線設計方案二

1、哈爾濱工業(yè)大學課程設計說明書Harbin Institute of Technology課程設計說明書課程名稱： 機械原理 設計題目：棒料輸送線布料裝置(方案2)院 系： 機電工程學院 班 級： 設 計 者： 學 號： 指導教師： 陳照波 設計時間：2014年6月23日至29日 哈爾濱工業(yè)大學棒料輸送線布料裝置設計1. 設計題目:棒料輸送線布料裝置（方案2）如下圖1所示棒料輸送線布料裝置的功能簡圖。料斗中分別裝有直徑35mm，長度150mm的鋼料、銅料和鋁料。在輸送線上按照圖2所示的規(guī)律布置棒料。原動機轉速為1430rpm，每分鐘布置棒料45,75,105塊，分3檔可以調節(jié)。由圖1、2可以看出

2、，該布料輸送線裝置有兩個執(zhí)行構件。執(zhí)行構件1為推料滑塊，將后方料斗中的最底層棒料推入輸送線上相應的槽內。執(zhí)行構件2為輸送線傳動帶，推動產品在輸送線上運動。這兩個運動的協(xié)調關系如圖3所示。2. 工藝動作分析圖3 棒料輸送線布料系統(tǒng)運動循環(huán)圖 由圖3可以看出執(zhí)行構件1和執(zhí)行構2的總工作周期相等，即T。T1為執(zhí)行構件1的運動周期，此時執(zhí)行構件2停止不動。T2為執(zhí)行構建2的運動周期，同時執(zhí)行構件1停止不動。并且執(zhí)行構件1的運動規(guī)律為，“推-回?！遍g歇的往復直線運動。執(zhí)行構件2的運動為間歇直線移動。設定T1=T2=T/2，即運動時間和間歇時間相等。3. 運動功能分析3.1執(zhí)行機構1功能分析驅動執(zhí)行構件1

3、工作的執(zhí)行機構應具有的運動功能如下圖所示。該運動功能單元將連續(xù)的單向轉動轉化為間歇的往復直線移動。經過轉速配合后，要求槽輪主動件（撥盤）每單向轉動/2，從動件（執(zhí)行構件1）往復運動1次。根據(jù)設計題目要求，執(zhí)行構件1每次推入2塊棒料，即主動件轉動一周，推入4塊棒料。為達到每分鐘布置棒料45,75,105塊的設計要求，主動件轉動需分別達到11.25rpm、18.75rpm、26.25rpm。如下圖4所示圖4 執(zhí)行機構1的運動功能從連續(xù)的單向轉動轉化為間歇的往復直線移動顯然不能一步實現(xiàn)，需要多個構件形成執(zhí)行機構1。先將連續(xù)的單向轉動轉化為間歇轉動，由系統(tǒng)運動循環(huán)圖可以看出執(zhí)行構件1的間歇時間是工作周

4、期的二分之一。因此間歇運動功能單元的運動系數(shù)=0.5。此時執(zhí)行構件1的工作周期T1為執(zhí)行構件1的工作周期T的二分之一。如下圖5所示圖5 連續(xù)轉動轉化為間歇轉動的運動功能單元為將該間歇轉動構件每次轉位時的轉角轉化為整周轉動，間歇運動功能單元輸出的運動應經過增速運動功能單元增速，設定提速四倍，即i=0.25。如下圖6所示。 圖6 轉動增速運動功能單元最后將連續(xù)轉動轉化為往復移動。這樣即可以實現(xiàn)執(zhí)行構件1“推-回?！遍g歇的往復直線運動的運動規(guī)律。執(zhí)行機構1的的運動功能就是把連續(xù)轉動轉化為間歇的往復直線運動。如下圖7所示。 圖7 執(zhí)行機構1實際運動功能3.2 執(zhí)行機構2功能分析驅動執(zhí)行構件2工作的執(zhí)行

5、機構應具有的運動功能如下圖所示。該運動單元將連續(xù)的單向轉動轉化為間歇的單向直線移動。主動件（槽輪撥盤）單向轉動一周，從動件（執(zhí)行構件2）前進兩次。根據(jù)設計題目要求，執(zhí)行構件2每次移動400mm，即運送2塊棒料。主動件轉動一周，運送4塊棒料。由工藝分析得，執(zhí)行構件2與執(zhí)行構件1工作周期相等，故主動件（槽輪撥盤）轉速應該相等，即分別為11.25rpm、18.75rpm、26.25rpm。如下圖8所示。 圖8執(zhí)行機構2運動功能 與3.1同理。需將連續(xù)的單向轉動先轉化為間歇轉動，由系統(tǒng)運動循環(huán)圖可以看出執(zhí)行構件2的間歇時間同樣是是工作周期的二分之一。因此間歇運動功能單元的運動系數(shù)=0.5。此時執(zhí)行構件

6、2的工作周期T2為執(zhí)行構件2的工作周期T的二分之一。再將其轉動部分轉化為直線移動。由于執(zhí)行構件2每次移動400mm，若將間歇轉動的從動件直接驅動傳送帶，回轉半徑太大。所以再添加一個增速運動功能單元，使其i=0.25。執(zhí)行機構2的的運動功能就是把連續(xù)轉動轉化為間歇的單向直線移動。運動功能圖如下圖9所示 圖9 執(zhí)行機構2實際運動功能3.3 減速及有級變速系統(tǒng)原動機轉速為1430rpm，為了達到所需的傳動比要求和換擋功能，原動機與執(zhí)行構件之間需要加上變速器。要求在執(zhí)行構件的主動件上分別得到11.25，18.75，26.25rpm的轉速，則該變速器總傳動比i有3種，分別為i1=143011.25=12

7、7.1111i2=143018.75=76.2667i3=143026.25=54.4762總傳動比由定傳動比if和變傳動比iv兩部分組成： i1=ifiv1 i2=ifiv2 i3=ifiv3由于定傳動比if為常數(shù)，3種變傳動比中iv1最大，iv3最小。本設計采用滑移齒輪變速?；讫X輪傳動比最大應不大于4，即設iv1=4計算的定傳動比if=i1iv1=127.11114=31.7778可求得其他變傳動比iv2=i2if=76.266731.7778=2.4iv3=i3if=54.476231.7778=1.7143由此可得如下傳動系統(tǒng)有級變速功能單元圖10。圖10 有級變速運動功能單元 為了

8、保證系統(tǒng)過載時不至于損壞，需要在原動機和傳動系統(tǒng)之間加一個過載保護環(huán)節(jié)。過載保護運動功能單元采用帶傳動實現(xiàn)。同時實現(xiàn)減速和過載保護功能。如下圖11所示。圖11過載保護運動功能單元定軸傳動部分傳動比 if2.5=31.77782.5=12.71111 這部分傳動比由兩對圓柱齒輪和一對圓錐齒輪實現(xiàn)。添加這對圓錐齒輪是為了改變傳動平面，使變速器運動主平面與布料系統(tǒng)運動主平面垂直，避免尺寸布局上的影響。為了使三對齒輪的傳動比小于4，初步設定圓錐齒輪傳動比為2,另兩對圓柱齒輪，傳動比為i1=3.2, i2=2。圖12 定軸傳動部分3.4為滿足一個原動機驅動要求的執(zhí)構件1、2的連接 為了使用同一原動機驅動

9、執(zhí)行構件1和2，應該在減速功能單元之后加一運動分支功能單元。由于執(zhí)行構件1和2的主動件（槽輪撥盤）轉速相同，且定軸轉動部分之后已經達到主動件所需轉速，只需將已有轉速傳遞給兩個主動件即可，無需再變速。但是執(zhí)行構件1的運動主平面垂直于布料系統(tǒng)運動主平面，執(zhí)行構件2的運動主平面即布料系統(tǒng)運動主平面，二者互相垂直。因此運動分支功能單元之后需要用圓錐齒輪改變轉速傳遞平面。同時為了滿足空間布局的要求，使用兩個圓錐齒輪以改變布局方向。變速系統(tǒng)執(zhí)行構件驅動系統(tǒng)之間的連接系統(tǒng)功能如圖13所示。圖13 兩個執(zhí)行構建的連接3.5運動功能系統(tǒng)圖根據(jù)上述分析，可以畫出整個系統(tǒng)的運動功能圖圖14棒料輸送線布料裝置（方案2

10、）的運動功能系統(tǒng)圖4. 機械系統(tǒng)運動方案 根據(jù)運動功能系統(tǒng)圖，選擇適當?shù)臋C構替代運動功能系統(tǒng)圖的各個運動功能單元，便可擬定出機械系統(tǒng)運動方案。 圖14中的運動功能單元1是原動機，轉速1430rpm。 圖15 電動機替代運動功能單元1圖14中運動功能單元2是過載保護功能單元兼減速功能，采用帶傳動替代，如圖 圖16帶傳動替代運動功能單元2圖14中運動功能單元3是有級變速功能，采用三對滑移齒輪替代，如圖 圖17 滑移齒輪替代運動功能單元3圖14中運動功能4和5是減速功能，采用2級齒輪傳動和一對圓錐齒輪替代，如圖。 圖18 2級齒輪傳動替代運動功能單元4圖19 圓錐齒輪傳動替代運動功能單元5圖14中運

11、動功能單元6、7、11是運動分支功能單元。在變速系統(tǒng)輸出軸上添加兩個相同的齒輪，與軸固聯(lián)。各用一個圓錐齒輪改變轉速傳遞平面，如圖圖20 兩對圓錐齒輪傳動替代運動功能單元6、7、11圖14中運動功能單元8是把連續(xù)轉動轉換為間歇轉動的運動功能單元，采用槽輪機構替代。該運動功能單元的運動系數(shù)=0.5。根據(jù)槽輪機構運動系數(shù)的計算公式=kz-22z，最后確定銷釘個數(shù)k=2，槽輪的徑向槽數(shù)z=4。圖21槽輪機構替代運動功能單元8圖14中運動功能單元9是增速運動功能單元，采用一對圓柱齒輪傳動代替，其中一個齒輪與槽輪同軸，角速度相同，另一個齒輪作為運動功能單元10的運動輸入，如圖。槽輪軸圖22一對定軸齒輪傳動

12、替代運動功能單元9圖14中運動功能單元10是把連續(xù)轉動轉化為連續(xù)往復移動的運動功能單元，采用曲柄滑塊機構替代。其中圓錐齒輪傳動的主動輪與曲柄固聯(lián)如圖圖23曲柄滑塊機構替代運動功能10 此處曲柄滑塊機構需實現(xiàn)同時推動三塊料的功能，則需要增添擴展機構。以如圖24所示支架，帶動三個滑塊，使它們與原機構中滑塊運動規(guī)律相同。（該圖為俯視圖）。圖24 曲柄滑塊機構的擴展機構 執(zhí)行構件1圖14中運動功能單元12與運動功能單元8相同。采用k=2，z=4的槽輪機構代替。圖25槽輪機構替代運動功能單元12 圖14中運動功能單元13是增速運動功能單元，仍采用一對圓柱齒輪傳動。其中一個齒輪與運動功能單元12中的槽輪同

13、軸，角速度相同，另一個作為運動功能單元14的運動輸入。槽輪軸圖26 一對定軸齒輪傳動代替運動功能13圖14中運動功能單元14是把連續(xù)轉動轉換為單向直線移動的運動功能單元。采用一個圓柱齒輪直接帶動傳送帶。該齒輪線速度等于傳送動所需前進速度。角速度等于運動輸入齒輪角速度。圖27 帶傳動替代運動功能單元14根據(jù)上述分析，把各個運動功能的替代機構依次連接起來，即到棒料輸送線布料裝置（方案9）方案機械運動簡圖，如圖28ABB向A向A向 B向圖28棒料輸送線布料裝置（方案9）的機械運動簡圖5. 機械系統(tǒng)尺寸設計5.1執(zhí)行機構1的設計執(zhí)行機構1驅動執(zhí)行構件1運動。執(zhí)行機構1由槽輪機構19、20，一對圓柱齒輪

14、21、22，曲柄23，連桿24和滑塊25組成。此機構中槽輪機構，撥盤19轉180°，槽輪20轉90°，運動系數(shù)為0.5(詳見齒輪傳動設計)。圓柱齒輪21、22傳動比為0.25（詳見齒輪傳動設計），即槽輪轉90°，圓柱齒輪22轉360°。由設計題目要求，根據(jù)棒料長度150mm，為留出空間余量，設定滑塊的行程為200mm。先確定幾何關系，如圖29中C1、C2為曲柄滑塊機構的兩個極限位置AC1=AB+BC AC2=BC-AB曲柄滑塊機構是一種具有急回運動特性的機構，設在工作中該機構的行程速比系數(shù)為K=1.4 則，該機構的極位夾角為=K-1K+1180°

15、;=30° 圖29 曲柄滑塊機構示意圖在 AC2C1中應用余弦定理 cos=AC22+AC12-C2C122AC1×AC2根據(jù)曲柄存在條件,需滿足 AC+e<BC計算初步確定 AB=93mm BC=183mm e=63mm要求最小傳動角大于40°,C2位置出現(xiàn)最小傳動角minmin=90°-arcsineAC2=46.36°>40°所選尺寸滿足機構的傳動要求。5.2執(zhí)行機構2的設計執(zhí)行機構2驅動執(zhí)行構件2運動。執(zhí)行機構2由槽輪機構28、29，一對圓柱齒輪30、31，帶傳動32、33組成。此機構中槽輪機構，撥盤28轉180&

16、#176;，槽輪29轉90°，運動系數(shù)為0.5（詳見槽輪機構設計5.3）。圓柱齒輪30、31傳動比為0.25，即槽輪轉90°，圓柱齒輪31轉360°。圓柱齒輪32與31同軸，角速度相同，棒料傳送帶與齒輪32線速度相同（詳見齒輪傳動設計）。5.3槽輪機構設計 槽輪機構19、20與槽輪機構28、29完全相同，為滿足運動系數(shù)=0.5，根據(jù)公式=jz-22z確定撥盤圓銷數(shù)j=2，槽輪槽數(shù)z=4，如圖圖30 槽輪機構示意圖槽輪槽間角2=360°z=360°4=90°槽輪每次轉位時撥盤的轉角2=180°-2=90°設定中心距

17、a=100mm撥盤圓銷回轉半徑 =ra=sin=sin45°=0.7071r=a=70.711mm槽輪半徑 =Ra=cos=0.7071R=a=70.711mm鎖止弧張角 =21j+1z-12=90°圓銷半徑 rAr6=70.711÷6=11.78mm=12mm槽輪槽深 h>(+-1)×100+12=53.42mm鎖止弧半徑 rs<r-rA=58.7mm 取rs=48mm。5.4滑移齒輪傳動設計5.4.1齒數(shù)確定齒輪5,6,7,8,9,10組成滑移齒輪有級變速運動功能單元，其齒數(shù)分別為z5、z6、z7、z8、z9、z10由3.3中計算得三對齒

18、輪所需傳動比如下iv1=4.00iv2=2.40iv3=1.7143最小不根切齒數(shù)為17，且一對齒輪齒數(shù)最好是質數(shù)比。6個齒輪中，齒輪9尺寸最小，取z9=18。根據(jù)iv1=z9z10=4，z10取71。其齒數(shù)和為z9+z10=89。實際傳動比iv1=7118=3.9444。另外兩對嚙合齒輪的齒數(shù)和應該大致相同。z7+z889z5+z689取 z7=26z8=62 （變位以配湊中心距） z5=33z6=56為滿足最后轉速要求，取z9=18z10=71 ； z7=26z8=62 ； z5=33z6=56實際傳動比 iv1=z9z10=4 ； iv2=6226=2.3846 ； iv3=5633=1

19、.6975.4.2模數(shù)及中心距確定 三對齒輪齒數(shù)和相同，模數(shù)相等m=2mm,則中心距相等 z9+z10=z5+z6=89中心距 a=89*m/2=89mmz7、z8齒輪采用變位齒輪，由于a=(z7+z8)m/2=88,a'=89,故=arcos(acos20°/a')=21.70°故變位系數(shù)和x7+x8=（inva'-inv20°）（z7+z8）/(2*tan20°)=0.521，取x7=0.45,x8=0.07.另兩對齒輪都是標準齒輪傳動，其幾何尺寸可按標準齒輪計算。5.5固定齒輪傳動設計5.5.1圓柱齒輪傳動設計齒輪11、12

20、、13、14實現(xiàn)減速運動功能，實現(xiàn)傳動比為6.356。可根據(jù)i1*i2=12.711，齒輪11、13取z11=22， z12=21，則 z11=22z12=69 ， z13=21z14=43m取2mm，則中心距 a2=（22+69）m/2=91mm a3=（21+43）m/2=64mm此二級齒輪傳動是標準齒輪傳動，其幾何尺寸可按標準齒輪計算。齒輪21與22，齒輪30與31傳動比都為0.25,實現(xiàn)增速運動功能。齒輪22和31為小齒輪，取最小不根切齒數(shù)17。由于i=0.25是為了保證槽輪的轉角90°擴大四倍后，完成齒輪22和31的完整周期。所以應該保證齒數(shù)比為4:1。取 z21=z30=

21、68z22=z31=17仍取m=2mm，則中心距 a=（68+17）m/2=85mm這兩對齒輪傳動是標準齒輪傳動，其幾何尺寸可按標準齒輪計算。5.5.2圓錐齒輪傳動設計圓錐齒輪15、16實現(xiàn)運動功能單元5的減速功能，實現(xiàn)傳動比i=2，兩圓錐齒輪的軸交角為90°。齒輪16的分度圓錐角 16=arctanz16z15=arctan2=63.435°齒輪15的分度圓錐角 15=90°-16=26.565°錐齒輪的最小不根切當量齒數(shù)為Zvmin=17齒輪15的齒數(shù)按最小不根切齒數(shù)確定Z15= Zvmincos1515齒輪16的齒數(shù)為Z16=2 Z15=30取模數(shù)

22、m=2mm，幾何尺寸按標準直齒圓錐齒輪計算。圓錐齒輪17和18、26和27實現(xiàn)運動分支功能單元之后改變轉速傳遞平面的功能，傳動比均為1。這四個齒輪與圓錐齒輪16齒數(shù)完全相同。但是分度圓錐角不同，詳見齒輪參數(shù)表。帶輪2和4直徑比為1:2.5，實現(xiàn)帶傳動比i=2.5。取d2=34mm，d4=85mm，帶輪32與傳送帶33線速度相同，轉動一周，傳送帶前進400mm，則d32=400mm127.32mm由上述分析可得圖28中各齒輪齒數(shù)（模數(shù)m=2）情況如下表編號567（變位）8（變位）91011齒數(shù)33562662187122編號12131421223031齒數(shù)69214368176817變位系數(shù)：x

23、7=0.45,x8=0.07。表1 圓柱齒輪齒數(shù)情況表編號151617182627齒數(shù)153030303030分度圓錐角26.565°63.435° 45° 45° 45° 45°表2 圓錐齒輪齒數(shù)及圓錐角情況表 曲柄滑塊機構參數(shù)如下表3所示。曲柄AB93mm連桿BC183mm滑塊位移偏置距離e63mm滑塊行程h200mm行程速度變化系數(shù)K1.4表3 曲柄滑塊機構參數(shù)表槽輪參數(shù)如下表4所示 槽間角45°槽輪半徑R70.71撥盤角45°鎖止弧張角90°中心矩a100mm圓銷半徑rA12mm、0.7071槽輪

24、槽深h53.42mm撥盤回轉半徑r70.71鎖止弧半徑rs48mm表4 槽輪參數(shù)表6. 運動分析6.1 轉向分析如圖所示箭頭為系統(tǒng)各部分轉向關系。AA向圖31 機械運動方向關系示意圖6.2初始位置確定由圖三運動循環(huán)圖可知，執(zhí)行機構1、2的步調相反，從而當驅動執(zhí)行機構1的槽輪轉動時，驅動執(zhí)行機構2的槽輪應處于停止階段，又因為轉向相反，在圖中表現(xiàn)為起始位置撥盤方向平行，如下所示：執(zhí)行機構1圖32 執(zhí)行機構1 初始位置示意圖執(zhí)行機構2圖33 執(zhí)行機構2初始位置示意圖6.3時序分析設啟動后，執(zhí)行構件1先開始運動，執(zhí)行構件2保持不動。撥盤19順時針轉動（裝置左側向右看）時的初始位置處于槽輪由停變動的分界

25、位置，因此撥盤19與水平軸的夾角為45°。此時曲柄滑塊機構中，滑塊位于離傳送帶最遠的極限位置，曲柄與連桿重合，曲柄與水平軸夾角為43°。撥盤19的一個圓銷開始進入槽輪20的一個槽內，帶動槽輪20逆時針轉動。槽輪20轉動90°后，圓銷從槽內退出。這個過程中，齒輪22帶動曲柄順時針旋轉1周，滑塊完成一次推料。在撥盤19轉過下一個90°的過程中，槽輪不動。此為一個工作周期。撥盤28逆時針轉動時的初始位置處于槽輪由動變停的分界位置，因此撥盤28與水平軸的夾角為45°。啟動后撥盤28轉動90°，這個過程中，槽輪29不動，傳送帶不動。在撥盤28轉動下一個90°時，槽輪順時針旋轉90