自動澆花器設計說明書

西南交通大學機械綜合設計 I 設計說明書 設計題目：自動澆花器學生姓名：學生學號：所在班級：指導老師：劉光帥2013 年 06 月目錄引言………………………11 選題背景 21.1 問題的提出 21.2 文獻綜述（即研究現(xiàn)狀） 21.3 設計的技術要求及指標 22 機構選型 32.1 設計方案的提出 32.1.1傳動方案…………………..……..32.1.2排水裝置…………………..……..42.2 設計方案的確定 53 尺度綜合 63.1 機構關鍵尺寸計算 63.1.1活塞部分的尺寸計算…………………..…………63.1.2凸輪部分的尺寸計算……..………63.1.3電機部分的規(guī)格確定……..………63.1.4定時器部分的規(guī)格確定……..……63.2 機構關鍵尺寸優(yōu)化 74 受力分析 84.1 機構動態(tài)靜力描述 84.2 機構動態(tài)靜力變化曲線描述 105 機構建模 105.1 機構運動簡圖及尺寸標注 105.1.1活塞部分的簡圖及尺寸標注……………....…...105.1.2上殼部分的簡圖及尺寸標注……………..……..115.1.3凸輪機構的簡圖及尺寸標注……………..……..115.2 機構關鍵構件建模過程 125.2.1凸輪建?！?……..….125.2.2標準件建模……………..…….….17活塞的建?！?..19其他零件的建?！?..205.3 機構總體裝配過程 215.3.1機構總體的裝配……………..……21爆炸視屏的制作…………………..286 機構仿真 316.1 機構仿真配置 326.2 機構仿真過程描述 326.3 仿真參數(shù)測量及分析 326.4 仿真中存在的不足 337 設計總結 338 收獲及體會 349 致謝 34引言現(xiàn)代家庭中，為美化和改善居家環(huán)境，人們都喜歡養(yǎng)植和擺放一些盆景、花草等綠色植物。但在這個為生活而疲于奔命的人們，總會因為這樣那樣的原因，疏于對自己心愛的小植物的照顧。久而久之，盆景花草或許會因為干枯等原因而慢慢死亡。自動澆花器就是為時常不在家又喜歡養(yǎng)花的人們設計開發(fā)的。本文中的自動澆花器是基于機械原理、機械設計的基礎知識，并參考現(xiàn)有的產品設計的一種節(jié)能又實用的小型器件。我們利用Solidworks、AutoCAD等軟件建造機構的三維模型，根據(jù)參數(shù)的設定，分析做出實際機構的運動仿真。通過對本器件的設計及其建模、仿真中我們可以更深層次的理解機械原理的知識，更加熟悉對建模軟件的操作。一、選題背景1.1問題的提出現(xiàn)代生活中，隨著人們生活水平的提高，人們對花卉、樹木等綠色植物的喜愛和種植越來越多，然而以前對花木的澆灌、施肥等工作都需要靠人工來實現(xiàn)，由于現(xiàn)代生活節(jié)奏的加快，人們往往忙于工作而忘記定期、及時地為花卉補充水分及養(yǎng)料，或者由于放假回家而將花放在辦公室等處沒人管理導致花木枯死。水是植物生存、生長的最基本需要，因此，設計一種能夠在無人管理的情況下的自動控制澆花系統(tǒng)，能夠有效的防止花木在上述情況下的枯死。當今社會，科學技術飛速發(fā)展，半自動化、自動化和智能化的各種裝置和系統(tǒng)漸漸地融入到人們的生活中。我們喜愛并且種植了的植物，在我們無暇管理的時候，得以補充充足的水分成為了可能。這其中就需要到人類發(fā)明的自動控制系統(tǒng)。一整套的自動控制系統(tǒng)，可能會用到很多領域的不同器件，但是，在眾多自動控制系統(tǒng)器件中，控制核心卻是其最基本、最重要和最決定性的，所以，人們在一直不斷地開發(fā)更準、更快、更全面、更智能化的控制核心。利用機械原理的知識，設計并研發(fā)相關產品更是得到了人們的重視。而這個產品需要具備以下特點：體積小，能夠在陽臺等空間較小的位置放置；成本低，不能用太高端的技術和設備，使其成本遠高于其自身利用價值；耗能少，澆花裝置不能損耗太多的電力等能源；能夠自動控制工作時間以及澆水量。本次綜合設計中，全面顧忌到它的特性，設計出了一個完全符合其要求的自動澆花裝置。1.2文獻綜述（即研究現(xiàn)狀）自動澆花裝置采用現(xiàn)代水利，配合有微電子技術、單片機原理以及機械原理等知識為基礎研發(fā)的小型器件。而采用微電子技術、單片機原理制作的澆花裝置雖美觀，但是因技術要求稍高導致價格稍微昂貴，再加上電子產品的易損壞性，使得這種裝置并不是那么的完美。而以機械原理為基礎的相關產品，沒有過高的技術要求，而且成本較低。與前兩種產品相比，都可以實現(xiàn)相同的目的，然而后者更經(jīng)濟，因此受到了越來越多的關注和重視。但是就目前市場中基于機械原理設計的自動澆花裝置存在很多很多的問題。因此這個領域的設計還是不夠完善。我們小組就是看重這個領域的前景，再加上它現(xiàn)在的不完整性，提出并設計比較完美的方案，希望能夠解決這種不完美的現(xiàn)狀。1.3設計的技術要求及指標本澆花裝置機構簡單明了，不依靠人工控制，盡量做到以下幾個方面要求：盡可能少的使用供電裝置；體積小、成本低、耗能少；能夠控制澆水量以及澆水的時間；安裝之后不用再人工控制，就能自動實現(xiàn)其功能。二、 機構選型2.1 設計方案的提出傳動方案方案一：連桿傳動表傳動機構選型機構示意圖說明連桿機構連桿的下端用軸與電動機連接，通過電動機的轉動帶動連桿運動然后帶動連桿上端的桿向上運動，就這樣上下往復運動帶動活塞來回運動，實現(xiàn)吸水排水，這樣就可以實現(xiàn)澆灌。但是因為用的是水，難免有泄漏，用連桿機構連桿和連桿結合處容易被水腐蝕以后容易失效，而且連桿傳動，運動不穩(wěn)定，本機構中，連桿有急回性。因為本機構中，所需行程不太大，所以連桿結構不好。其他其他有一些活塞，電機和蓋子，因為覺得有些不好用，所以沒深入考慮。方案二：凸輪傳動表傳動機構選型機構示意圖說明凸輪機構電動機通過軸與凸輪相連，電機帶動凸輪轉動，然后通過凸輪上連桿上下運動使與之連接的活塞上下運動，來吸水和排水。實現(xiàn)澆灌。凸輪的優(yōu)點就是只需設計適當?shù)耐馆嗇喞?，便可使從動件得到任意的預期運動，而且結構簡單、緊湊、設計方便，應用廣泛。在本機構中，我們打算用滾子來連接直動件，減少了磨損，而且機構的行程不大，所以采用凸輪結構比較合適從表中對比知道，傳動機構采用凸輪傳動方案。因為凸輪結構不但可以解決急回性問題，而且相比較連桿機構，凸輪機構的耐用性更強。與凸輪鏈接的移動副之間用小滾輪過度，這樣既減少了摩擦力，又不影響機構的自由度。綜上所述，我們采用凸輪機構作為核心傳動裝置。2.1.2排水裝置表排水裝置模型吸水排水裝置本機構的原型就是發(fā)動機的氣缸模型，但是在上面略有些改動以適應這里的功能，就是在頂端多加了一個氣孔，防止活塞里面形成真空或者壓強過大，從而導致水不能自然流入，造成吸水排水故障。對于吸水排水裝置，我們采用氣缸模型，如表2.1.3中，因為缸桶上接供水裝置，也就是說該裝置接近密封，這樣在凸輪帶動下的活塞做上下運動時，缸內的氣壓會發(fā)生變化，如果缸桶內氣壓過大就會導致水不能自然流入缸桶內，從而引起這個裝置的故障。為了解決這一問題，我們在缸桶上方開了一個氣孔，透過這個氣孔，掛了一個密度比水小的小球，當活塞上移時，因為重力原因，小球下垂，使得缸桶內的氣體通過小孔于外界相通，從而解決了缸桶內的氣壓高的問題。當活塞下移時，水就流入了缸桶內，小球會漂浮在水上，進而堵住了小孔，避免了水從氣孔噴出的問題。2.2設計方案的確定對于上述2.1章節(jié)的方案，我們進行了分析和整合，最終方案的草圖如下：圖2.1澆花器草圖如圖2.1所示，進水孔連接在水龍頭上，然后通過電機帶動凸輪的轉動，從而帶動活塞上下移動，活塞上移時頂桿頂起小球1，從而使得水流入活塞缸中，活塞下移時，活塞缸中的水通過出水孔流進花盆內，從而達到預期效果。所以按照此構想，我們繼續(xù)進行以后的工作，按照草圖2.1所示進行建模和相關的計算。三、尺度綜合3.1機構關鍵尺寸計算活塞部分的尺寸計算首先假定活塞一個回程的排水量為200ml，并且假定頂桿的高度為40mm，那么頂桿的半徑以及活塞的半徑就由此確定：計算公式V=D2×h-d2×h（3.1）由公式3.1計算得：D=40mmd=5mm3.1.2凸輪部分的尺寸計算根據(jù)活塞頂桿的高度，推斷出凸輪的最遠端和最近端的位置。由此得到凸輪的數(shù)據(jù)如下：計算公式：推程：s=h2[1-cos?(π回程：s=h2[1+cos?(πδ01.基圓半徑：r0=20mm2.行程：h=40mm3.推程運動角：δ4.遠休止：s=60mm5.遠休止角：10。6.回程運動角：δ07.近休止：s=20mm8.近休止角：50。。3.1.3電機部分規(guī)格確定：由于電機部分不是我們設計的關鍵，所以我們采用市場現(xiàn)有的減速電機，根據(jù)澆花器固有的特性，因此我們選用規(guī)格參數(shù)較少的電機。其具體型號如下所示:表3.1減速電機的參數(shù)型號電流空載參數(shù)最大功率轉速電流轉速電流扭矩輸出功率VrpmArpmAmN·mkg·cmW36GP555-12524250.14200.569319.51.953.1.4定時器部分規(guī)格確定：根據(jù)減速電機的型號，由此確定定時器的規(guī)格型號以及具體參數(shù)。我們選用JXH-1循環(huán)定時控制器,其具體參數(shù)如下所示1.工作電壓：24vdc2.時間設定范圍：1秒～23小時59分59秒3.工作溫度：-20度～+60度

4、工作模式：單次定時開、單次定時關、循環(huán)定時

5、相對濕度＜95%

6、計時誤差:±1秒/天

7．輸出控制功率：3000w3.2機構關鍵尺寸優(yōu)化根據(jù)草圖再加以適當?shù)耐庑翁幚恚瓿山２⑶抑谱鲃討B(tài)圖的時候不難發(fā)現(xiàn)，活塞在凸輪的作用下做上下運動的時候，因為其他受力的原因，還可能自身發(fā)生轉動。而自身的轉動并不是我們預期的效果，并且會影響活塞和凸輪之間的配合。為了解決這一問題，如圖3.1和圖3.2所示，我們再外殼上加了一個小桿，并且在活塞桿上挖了一個深槽。圖3.1、圖3.2這樣，活塞固定桿不會影響活塞的上下移動，并且還能阻止活塞自身的轉動。有效的解決了機構運動中不穩(wěn)定的問題。四：受力分析4.1機構靜力描述：圖4.1圖4.2圖4.3凸輪受力分析如圖4.1，凸輪作為主動件，在凸輪與桿的接觸處，在垂直相切的公法線處，有兩個力，F(xiàn)12=F‘12，F(xiàn)12和F‘12是一對平衡力，從圖2中可以看出，F(xiàn)‘12分解以后，在水平和豎直會得到兩個分力，恰好可以平衡桿上和活塞桿固定裝置上的力，F(xiàn)‘12分解成F‘12x和F‘12y，F(xiàn)‘12x=F‘3，F(xiàn)‘12y=F2,比較圖4.1和圖4.3，F(xiàn)3=F‘3=F‘12x,F2和F’2是一對平衡力，F(xiàn)3和F‘3也是一對平衡力。4.2機構動態(tài)靜力變化曲線描述我們選取凸輪進行動態(tài)靜力變化曲線的描述，這里為了方便起見，選取從動件加速度進行分析，具體分析過程見6.3中仿真參數(shù)測量及分析。五：機構運動簡圖及其尺寸標注：5.1.1活塞部分的簡圖及其尺寸標注5.1.2上殼部分的簡圖及其尺寸標注圖5.1.2凸輪機構簡圖及其部分尺寸標注：活塞部分的尺寸標注見圖5.1.1，而下圖5.1.3主要是凸輪與活塞配合起來的機構。主要標注了凸輪的相關尺寸。圖5.1.3凸輪機構簡圖5.2機構關鍵構建建模過程5.2.1凸輪建模：通過前面的計算可以知道凸輪的以下數(shù)據(jù)：1.基圓半徑：r0=20mm2.行程：h=40mm3.推程運動角：δ4.遠休止：s=60mm5.遠休止角：10。6.回程運動角：δ07.近休止：s=20mm8.近休止角：50。。公式：推程：s=h2[1-cos?(π回程：s=h2[1+cos?(π圖如圖，建立直角坐標系，以基圓中心為半徑，推程開始點位于x軸上；按逆時針方向，所求點與x軸呈θ角。圖利用反轉法可得公式：推程：x=r0+遠休止：x=（r0+回程：x=r0+h近休止：x=r0cosθ首先，我們進行對推程的處理，我們在excle中按每一個角度來分行，即150行，并按如圖建表：圖用公式把角度化為弧度，并輸入求X的公式：圖輸入求Y的公式：圖新建一個工作區(qū)，按同樣的方法分別求得遠休止，回程，進休止的各點的（xyz）值：遠休止(10個點)：圖回程(150個點)：圖進休止(50個點)：圖新建*.txt”一個格式的文本，按度數(shù)順序分別把四個工作區(qū)的各個點的(xyz)值復制到此文本。圖打開solidworks，新建零件圖，點擊按鈕，選擇打開“曲線文件”工作區(qū)，圖點擊“游覽”按鈕插入之前的“*.txt”文本：圖點確定，即生成曲線：圖5.在前視基準面新建一個草圖，通過將曲線轉化為草圖，通過拉伸生成凸輪原件。圖挖孔后得以下凸輪：最后處理得：圖標準件建模Solidworks的Toolbox插件中提供了上百萬種標準件，所以使用Toolbox插件可以快速的生成標準件，如齒輪、軸承、螺栓、銷釘?shù)鹊?。本次建模使用Toolbox生成了除電機、齒輪以外的幾乎所有標準件。電機模型來自網(wǎng)絡上的零件庫。如設計螺栓時，首先還是裝入Toolbox插件，在這里一起裝入“SolidworksToolboxBrowser”。在Solidworks右邊的設計庫中依次展開“Toolbox”、“GB”、“螺栓和螺釘”、“六角頭型螺栓”，如圖5.2.29a，然后在選好型號的螺栓上點擊鼠標右鍵，選擇生成零件，然后在左邊“ProtertyManager”中設置參數(shù)，如圖5.2.29b，然后確定，生成零件后另存為。活塞的建模按照設計尺寸繪制草圖，進行拉伸，切除等操作后，得到了活塞的基本形態(tài)。通過新建草圖和拉伸，切除，得到滾輪安放槽。通過同樣的方法得到軸孔和固定槽。最后設置圓角。其他零件的建模其他零件都是通過圖所示的草圖工作區(qū)先繪制草圖，然后在圖所示的實體建模工作區(qū)進行各種實體操作。通過在實體上新建草圖和實體來構建較復雜的實體模型。5.3機構總體裝配過程：在Solidworks中，裝配要先新建裝配體，然后點擊裝配體工具欄上的“插入零部件按鈕”插入零件，如果是打開的零件，就會自動出現(xiàn)在左邊的特征管理器中，如果需要的零件沒有打開，則點擊下邊的“瀏覽”按鈕，從彈出的窗口中選取想要的零件，然后確定，用鼠標把零件放置在想要的位置，這就是零件裝入的過程，如圖所示。按此方法一次裝入各種零件，也可以通過復制粘貼在裝配體中插入更多的相同零件。在Solidworks中，零件的裝配是通過選取實體上的“點”、“線”、“面”，再加上相應的配合關系來實現(xiàn)裝配的。各種配合關系如圖在此次裝配中需要注意的是：(1)機械配合中的“凸輪”配合只能用來配合盤形凸輪和直動凸輪，不能用來配合圓柱凸輪，并且要配合的凸輪曲面各段曲面之間必須相切。(2)本次裝配中使用的其他配合均為標準配合，使用簡單，但是同樣需要注意的是方向的選擇。在裝配過程中是不允許過定義的，這點尤為重要。5.3.1機構總體裝配過程電機部分圖圖下殼部分：圖圖活塞部分：圖圖上殼部分：圖圖凸輪傳動機構部分：圖圖材料清單表5.1項目號零件名材料數(shù)量1下殼體塑料12電機架13電機15聯(lián)軸器16凸輪軸17鍵18中殼體19活塞110活塞滾輪111凸輪112聯(lián)軸釘213滾輪銷114小球115小球銷116上殼體117大球118電機蓋螺釘219電機蓋120電機殼螺釘421電機蓋螺帽222中殼螺釘423中殼螺帽424上殼螺釘45.3.2爆炸視屏制作在裝配體中，點擊工具欄上的“爆炸視圖”按鈕。選取零件或零件組通過拖動三維坐標的軸分別進行x、y、z方向的平移。爆炸視頻是以爆炸步驟為根據(jù)的，因此爆炸步驟的順序十分重要，最好是實際拆裝零件的順序。圖選擇“運動算例”按鈕。點擊按鈕。選“爆炸”選項。點“下一步”。選定參數(shù)，點擊“完成”。再次打開工作界面。選定參數(shù)，點擊完成,設置好以后，保存動畫。六：機構運動仿真6.1機構仿真配置：機構的運動仿真的配置、參數(shù)測量主要是通過Motion分析中的測量功能，進行Motion分析之后，可以很方便的得到（角）位移、（角）速度、（角）加速度，力、力矩等各種所需參數(shù)。在電機軸上配置一個馬達，數(shù)據(jù)如圖所示。通過拉伸第一橫的鍵碼，設置時間為10秒通過新建鍵碼來設置0~2s的時間使3個外殼組件逐漸顯示，先把幀調在0s處將該組件通過鼠標右鍵透明，然后把幀調到2s處用同樣的方法將其顯示，這樣即可達到目的。然后在4秒處設置隱藏屬性。配置完成后，保存為視屏。6.2仿真過程描述：在仿真配置完成后，只需點擊“運動算例”工具欄上的“計算”按鈕開始計算，然后軟件會自動計算結果，在這個過程中，窗口中的模型會按配置好的關系運動，此過程時間較長，計算完成后可以點擊“運動算例”工具欄上的“結果和圖解”按鈕來獲取想要的參數(shù)。具體仿真過程見視屏“動畫仿真”。6.3仿真參數(shù)測量及分析在Solidworks中仿真參數(shù)測量方法為在Motion分析后，點擊“運動算例”工具欄上的“結果和圖解”按鈕，然后設置需要的參數(shù)，確認后就會生成曲線。凸輪從動件的仿真參數(shù)測量及分析從動件的速度—時間曲線圖圖6.3.2從動件的位移—時間曲線圖圖6.3.3從動件加速度—時間曲線圖圖6.3.4從從動件的速度和從動件的位移可以看出從動件的位移和速度都不存在突變，且變化緩慢，有明顯的遠休止和進休止，滿足設計要求。從動件加速度波動較大，所以受到的沖擊波動也大。6.4仿真中存在的不足1、仿真時，設置零件的表面接觸是應該考慮摩擦以及彈性系數(shù)等，但是在有些地方仿真時如果考慮摩擦及彈性系數(shù)，就會出現(xiàn)運算錯誤，是仿真不能進行下去，所以只好在凸輪仿真時不考慮摩擦及彈性系數(shù)的影響，這可能是由于結構上設計的有問題，或者對軟件不夠熟悉造成的。2、仿真時，由于客觀原因，不能模擬重力，水的沖擊力以及活塞和缸桶之間的摩擦力對機構造成的影響，所以我們沒能進行力的仿真。這或許也是因為我們學藝不精，對軟件不夠熟悉的原因。七、設計總結：首先、本次設計的自動澆花器基本達到了要求。連接好裝備，設定好時間，基本可以實現(xiàn)自動澆花，而無需人們再去費心照顧自己的盆景等植物。有了這套裝置，忙碌的人們無需多費心去照顧自家的小植物，它依然能夠為居家美化環(huán)境，吸收二氧化碳做出貢獻……而這些，真是我們精心設計此裝置的初衷所在。其次、在此設計中，美中不足的地方時沒有加入定時器，但是這不是此裝置的重中之重。此裝置的核心是利用凸輪傳動機構，而這，在我們小組的精心討論中，不管從方案的確定，還是傳動機構裝置，甚至投入到實際應用中的氣壓問題，都得到了比較完美的解決。而定時器的問題，只需要在市場中買到3.1.4章節(jié)中提到的定時器，連接在機構中就可以了。再次、機構中還缺少研究的就是：如果進水口接在水龍頭上，那時不同樓層的水壓不同，因此對此裝置造成不同的影響會不同。因為一些客觀原因，我們無法測出最適宜此裝備的具體水壓該為多少，所以這個方面的問題還有待以后的學習生活中去研究。總之，這次的設計雖然達到了我們預期的效果，但是還是存在一些小問題，我們會保留著這些問題，以便在以后的學