機械設計課程設計家用機械的智能搖床裝置

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1、機械課程設計 目 錄 一 課程設計書 二 設計要求 三 設計步驟 1. 搖樂床總體設計方案 2. 電動機的選擇與固定 3. 齒輪的設計 4. 滑動軸承與傳動軸的設計 5. 鍵

2、聯(lián)接設計 6. 箱體結構的設計 7.連接桿與萬向節(jié)的設計 8.夾緊旋鈕的設計的設計 9.螺栓與螺釘?shù)脑O計 10.電子控制部分整體設計 四 設計小結 五 參考資料 一. 課程設計書 設計一基于機

3、械創(chuàng)新設計大賽的家用機械的智能搖床裝置，該裝置能自動感知嬰兒的哭聲，并自動搖擺來促進嬰兒的睡眠，還能播放音樂，有效地促進嬰兒的睡眠。該機構包含機械設計部分與電子控制部分。 二. 設計要求 1.搖樂床CAD裝配圖與PRO/E三維圖各一張(A1)。 2.CAD繪制軸、滑動軸承座、齒輪、萬向節(jié)、蓋殼、連桿等零件圖各一張(A3)。 3.機構運動簡圖一張 4.設計說明書一份。 三. 設計步驟 1.搖樂床總體設計方案 2.電動機的選擇與固定

4、 3. 齒輪的設計 4. 滑動軸承與傳動軸的設計 5. 鍵聯(lián)接設計 6. 箱體結構的設計 7.連接桿與萬向節(jié)的設計 8.夾緊旋鈕的設計的設計 9.螺栓與螺釘?shù)脑O計 10.電子控制部分整體設計 1.搖樂床設計方案: 1.

5、 組成：傳動裝置由電機、齒輪減速器、連桿、夾具組成。 3. 確定傳動方案：考慮到電機減速，傳遞小功率，連桿與床間用夾具固定。 其傳動方案如下： 2. 電動機與其驅動器的選擇 為了實現(xiàn)搖動床時的左右擺動，以及便于單片機的控制，選用兩相四線制步進電機。 步進電機是一種將電脈沖轉化為角位移的執(zhí)行機構。即：當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度（及步進角）可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時您可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的。 一、步進電

6、機最大特點是： 1、它是通過輸入脈沖信號來進行控制的。 2、電機的總轉動角度由輸入脈沖數(shù)決定。 3、電機的轉速由脈沖信號頻率決定。 二.模型分析 實測數(shù)據(jù)： 嬰兒床體積95*54*59 總重量20㎏ = 嬰兒重量5㎏+ 床重15㎏ 建立受力模型： 設F1到中心的偏移距離為5㎝ 產生阻力矩為M1=F1L1=2059.8=980N㎝ 連桿力矩M2=M1 取斜長為L2=65㎝ 所以M2=F2L2 所以F2=15N 設計的搖桿長度為L3=10㎝ ，中間力矩為M3=F2L3=150N㎝=15.3㎏㎝

7、 電機的靜力矩M>M3=15.3kgcm。 三..電機的轉速選取 做為嬰兒的搖動產品，搖動要盡可能的輕柔，搖動也要盡可能的舒緩。從人體功能學的角度來講，搖動的頻率要小于50次/分鐘，搖動的幅度需要在5-20CM之間，搖動的功率要小于1W，這樣的搖動產品才能盡量讓嬰兒感覺到搖動的快樂，又不至于受到搖動的損傷。 基于以上選?。? 頻率：30次/分鐘 幅度：10CM 步進電機為兩相四線，一拍的轉動角度為1.8度，采用8拍（出于對力矩、平穩(wěn)、噪音及減少角度等方面考慮。往往采用八拍工作方式)制，就是188=14.4度，為一個整拍。設計

8、取的桿長為10CM ，需要轉過120度左右，才能達到10CM的幅度，12014.4=8.3 ，可以取為10，即10個整拍，左右各5個整拍。而來回一次需20個整拍，頻率為30次/分鐘，一分鐘2030=600個整拍，，用一齒輪結構減速，轉換成電機轉速應為40r/min. 綜上：負載選取57BYGH802-5 其靜力矩為16㎏㎝ 。其余具體參數(shù)見 四．電機驅動器的選擇 鑒于使用單片機智能控制，故要求用低功率、低電壓去控制相對較高的電壓，故驅動裝置要能隔離高低電壓，不使單片機燒壞，同時又能

9、有效的驅動電機。 綜上考慮選用以L298N為主的驅動芯片，效果較佳，TLP521—4為光耦隔離芯片，即四路隔離 3. 齒輪的設計 選定齒輪材料、齒數(shù) 初選鋁合金作為齒輪材料，小齒輪齒數(shù)z1=36，大齒輪齒數(shù)z2=72 傳動比i=z2/z1=72/36=2 兩齒輪在工作中起到傳遞動力的作用，將電機軸提供的動力傳遞給輸出軸。查閱相關資料知，機械手臂在搖動嬰兒床是的理想轉速為20r/min，則電機軸轉速為40r/min，屬于較低轉速范圍，故不進行強度校核。 確定齒輪的幾何尺寸 小齒輪齒數(shù)z1=36，大齒輪齒數(shù)z2=72。 齒數(shù)比 i=z2/z1=72/36=2。

10、 模數(shù) m=1。 小齒輪分度圓直徑d1=mz1=136=36mm。 大齒輪分度圓直徑d2=mz2=172=72mm。 4. 滑動軸承與傳動軸的設計 滑動軸承的設計 結構設計（如圖） 滑動軸承1 滑動軸承2 通過對軸的設計和校核已知，軸在兩軸承處所受的支反力均很小， 即軸對軸承的壓力很小，通過計算可得軸承1、2處支反力 軸承1： 水平：RA=27.22N 豎直：RA’=9.91N 軸承2： 水平： RB=

11、17.22N 豎直： RB’ =6.27N 兩軸承處軸徑均為10mm，軸的轉速為20r/min，可求得軸與軸承接觸出的速度： 兩軸承處所受壓力均很小，線速度很低，故不需進行強度校核，且由于軸的材質已定為鋁合金，只具有很小的摩擦，在如此低速輕載的工況下略不計。選用鋁合金材料即可滿足要求。 軸的設計和校核 1 確定軸的類型 根據(jù)軸的工作性質，對軸的類型進行確定：按外形選用階梯軸；按照其在工作中的承載不同，確定為轉軸。 2 軸的設計 根據(jù)軸在工作中的性能要求，選用的軸

12、應滿足低速、輕質和低載的特點，所以在對軸的工作能力進行設計時，重點放在結構設計和強度等方面。 （1） 軸的結構設計（如圖） （軸上零件的定位和固定詳見裝配圖） （2） 初選材料 為滿足低速、輕載和輕質的條件，初選鋁合金2A13作為軸的材料，查機械手冊可得，該材料的的相關參數(shù)： （3）初定軸徑 根據(jù)各個零件的配合關系和結構的布置要求以及工藝性能，初步確定軸徑大小，和各段的長度（如上圖） 由左至右 3 強度校核 對軸進行強度校核，看其是否滿足工作要求

13、 （1）求兩齒輪上作用力的大小 1　 小齒輪分度圓直徑：d1=36 mm 2　 作用在齒輪上的轉矩：T=1600 Nmm 3　 求圓周力 Ft1=2T/d1=21600N.mm/36=88.89N 4　 求徑向力 Fr1=Fttanα=88.89tan200=32.35N 5　 小齒輪分度圓直徑：d2= 72mm 6　 作用在齒輪上的轉矩：T=1600N.mm 7　 求圓周力 Ft2=2T/d2=21600N.mm/72mm=44.44N 8　 求徑向力 Fr2=Fttan

14、α=44.44Ntan200=16.18N （2） 確定支反力 根據(jù)軸承支反力的作用點以及軸承和齒輪在軸上的安裝位置，建立力學模型。 水平面內的支反力： RA=Ft264104.5=27.22N RB= Ft2－RA=44.44N－27.22N=17.22N 豎直面內的支反力： RA’= Fr264104.5=16.18N64104.5=9.91N

15、RB’ =Fr2－RA’=16.18N－9.91N=6.27N （3）畫彎矩圖 水平面的彎矩： M水平=RA40.5=27.22N40.5=1102.41N.mm 垂直面的彎矩： M垂直= RA’40.5=9.91N40.5=401.36N.mm 合成彎矩： =1173.20N.mm 當量彎矩： 水平面內彎矩 1102.41N.mm 豎直面內彎矩 401.36N.

16、mm 合成彎矩圖 1173.20N.mm 當量彎矩圖 1267.60N.mm (4)校核計算 近似計算時，忽略鍵槽的影響，則抗彎截面系數(shù)： 計算應力 < 所以，軸的強度足夠。 5. 鍵聯(lián)接設計 平鍵聯(lián)接的強度校核 鍵的主要失效形式：壓潰、磨損(動聯(lián)接)、剪斷。 1)鍵類型的確定 根據(jù)鍵的連接特點和工作環(huán)境，選取平鍵A型作為設計

17、目標 1） 鍵的材料 根據(jù)其設計需要輕微沖擊的工作環(huán)境，選取 3）平鍵的強度計算 轉矩：T=1600 Nmm 軸直徑：d1=10mm d2=20mm 鍵工作長度: l1=L1-b1=7mm l2= L2-b2=3mm 鍵的截面尺寸b、h查表選取，長度L參照輪轂長度從標準中選取。如下表 鍵聯(lián)接的許用擠壓應力、許用壓力ＭＰa 如下表 擠壓應力: σp1 =Ft/S=T/(d1/2)(h1/2)l1

18、 =4T/d 1h1 l1[σp ]（MPa） 即 σp1=41600 Nmm/ 1037(mm3) =3.10（MPa）<<[σp ] 同理 σp1 =Ft/S=T/(d2/2)(h2/2)l2 =4T/d 2h2 l2[σp ]（MPa） 即 σp2=41600 Nmm/ 2033(mm3) =35.6（MPa）<<[σp ] 綜上，鍵的強度滿足要求 6.箱體結構設計 1.箱體的主要功能 (1)

19、支承并包容各種傳動零件，如齒輪、軸、軸承等，使它們能夠保持正常的運動關系和運動精度。箱體還可以儲存潤滑劑，實現(xiàn)各種運動零件的潤滑。 (2)安全保護和密封作用，使箱體內的零件不受外界環(huán)境的影響，又保護機器操作者的人生安全，并有一定的隔振、隔熱和隔音作用。 (3)使機器各部分分別由獨立的箱體組成，各成單元，便于加工、裝配、調整和修理。 (4)改善機器造型，協(xié)調機器各部分比例，使整機造型美觀。 2 設計的主要問題和設計要求 箱體設計首先要考慮箱體內零件的布置及與箱體外部零件的關系，如車床按兩頂尖要求等高，確定箱體的形狀和尺寸，此外還應考慮以下問題： （1）.滿足強度和剛度要求。

20、對受力很大的箱體零件，滿足強度是一個重要問題；但對于大多數(shù)箱體，評定性能的主要指標是剛度，因為箱體的剛度不僅影響傳動零件的正常工作，而且還影響部件的工作精度。 （2）.散熱性能和熱變形問題。箱體內零件摩擦發(fā)熱使?jié)櫥驼扯茸兓?，影響其潤滑性能；溫度升高使箱體產生熱變形，尤其是溫度不均勻分布的熱變形和熱應力，對箱體的精度和強度有很大的影響。 （3）.結構設計合理。如支點的安排、筋的布置、開孔位置和連接結構的設計等均要有利于提高箱體的強度和剛度。 （4）.工藝性好。包括毛坯制造、機械加工及熱處理、裝配調整、安裝固定、吊裝運輸、維護修理等各方面的工藝性。 （5）.造型好、質量小。 3

21、箱體形體設計 箱體的形狀和尺寸常由箱體內部零件及內部零件間的相互關系來決定，決定箱體結構尺寸和外觀造型的這一設計方法稱為"結構包容法"，當然還應考慮外部有關零件對箱體形狀和尺寸的要求。 箱體壁厚的設計多采用類比法，對同類產品進行比較，參照設計者的經(jīng)驗或設計手冊等資料提供的經(jīng)驗數(shù)據(jù)，確定壁厚、筋板和凸臺等的布置和結構參數(shù)。對于重要的箱體，可用計算機的有限元法計算箱體的剛度和強度，或用模型和實物進行應力或應變的測定，直接取得數(shù)據(jù)或作為計算結果的校核手段。 查閱有關手冊可知。 鑄造工程塑料 用于要求減小質量且載荷不太大的箱體。多數(shù)可通過熱處理進行強化，有足夠的強度和較好的

22、塑性。 4.箱體結構參數(shù)的選擇 (1) 壁厚 鑄鐵、鑄鋼和其它材料箱體的壁厚可以從表21-2中選取，表中N用下式計算： N=（2L+B+H）/3000 （mm） 式中L-鑄件長度（mm），L、B、H中，L為最大值； B-鑄件寬度（mm）； H-鑄件高度（mm）； 表21-2 鑄造箱體的壁厚 儀器儀表鑄造外殼的最小壁厚參考表21-3選取 (2)孔和凸臺 箱體內壁和外壁上位于同一軸線上的孔，從機加工角度要求，單件小批量生產時，應盡可能使孔的質量相等；成批大量生產時，外壁上的孔應大于內壁上的孔徑，這有利于刀具的進入和退出。箱體壁上的開孔會降低箱體的剛

23、度，實驗證明，剛度的降低程度與孔的面積大小成正比。 在箱壁上與孔中心線垂直的端面處附加凸臺，可以增加箱體局部的剛度；同時可以減少加工面。當凸臺直徑D與孔徑d的比值D/d≤2和凸臺高度h與壁厚t的比值t/h≤2時，剛度增加較大；比值大于2以后，效果不明顯。如因設計需要，凸臺高度加大時，為了改善凸臺的局部剛度，可在適當位置增設局部加強筋。見圖21-8。 圖21-8 (3)連接和固定 箱體連接處的剛度主要是結合面的變形和位移，它包括結合面的接觸變形，連接螺釘?shù)淖冃魏瓦B接部位的局部變形。為了保證連接剛度，應注意以下幾個方面的問題： 1)重要結合面表面粗糙度值Ra應不大于3

24、.2um，接觸表面粗糙度值越小，則接觸剛度越好。 2)合理選擇聯(lián)結螺釘?shù)闹睆胶蛿?shù)量，保證結合面的預緊力。為了保證結合面之間的壓強，又不使螺釘直徑太大，結合面的實際接觸面積在允許范圍內盡可能減小。如圖19-9。 3)合理設計聯(lián)結部位的結構，聯(lián)結部位的結構及特點及應用見表21-5。 表21-5 通過計算，選取箱體材料為工程塑料，箱體厚度為5mm,在箱體四周分別開四個通孔，與底板連接方式為六角螺栓連接。如圖所示: 7.連接桿與萬向節(jié)的設計 連接桿設計與校核 (1)連接桿材料的選擇 考慮其工作環(huán)境與其工作性能，選擇普通鋁合金材料即可，預選材料5052

25、-H112 相關參數(shù) =175 MPa (2)連接桿設計 根據(jù)其工作環(huán)境與連接特點，設計如下圖所示 （3）強度校核 已知 轉矩：T=1600 Nmm 手臂：L=100mm 最易發(fā)生變形處面積為：S=lH=128mm2 所以： F=T/L=16N =F/S=0.125MPa<<=175 MPa 由F=16N可以判斷選用一般零件即可滿足設計要求，故手臂不做校核 綜上，連接件：連接桿與手臂均符合要求 萬向節(jié)選擇 結構

26、：由一個十字軸、兩個萬向節(jié)叉、四個滾針軸承組成；所有轉動副的回轉中心（軸線）交于一點O，兩軸間的夾角為α； 優(yōu)點：萬向節(jié)機構用于傳遞機構用于傳遞兩相交軸間的動力和運動，單萬向節(jié)當主動軸做勻速回轉運動時，從動軸做變速運動；當兩軸夾角發(fā)生變化時仍可繼續(xù)工作，傳動效率高，磨損小，實現(xiàn)多向轉動。 材料選擇：為了保證工作性能，選用45號鋼作材料，對于此機構要滿足的運動要求是完全滿足的 綜上，萬向節(jié)所選材料滿足要求 8.夾緊旋鈕的設計 1 確定夾緊旋鈕類型 根據(jù)螺栓工作性質和工作環(huán)境，選取普通

27、螺栓 2 螺栓的設計 根據(jù)螺栓工作性能要求，設計重點在螺栓預緊力 2） 螺栓的設計 旋鈕螺栓圖如下 2）螺栓材料選擇 預選材料5052-H112 3）強度校核 P0：預緊力 σs：屈服強度 P0＝σ0As σ0 =（0.5～0.7）σs P0=（0.5～0.7）58195=（5655～7917）N 鋁合金牌號 拉伸強度σ( MPa) 屈服強度σs( MPa) 5052-H112 175 195 5083-H112

28、 180 211 6061-T651 310 276 7050-T7451 510 455 7075-T651 572 503 2024-T351 470 325 木材的抗壓強度 順紋抗壓強度：即作用力的方向與木材纖維方向平形式的抗壓強度。（范圍在30~70Mpa之間） 橫紋

29、抗壓強度：即作用力與木材纖維垂直時的抗壓強度。 工程使用中，一般選用順紋方向作為主要受力方向。 木材抗壓計算 1）抗壓強度:[σbs]=（30~70Mpa） 受壓面積: A=878.54mm2 F[σbs]A=（30~70Mpa）878.54mm2 =26356.2~61497.8N 由旋鈕螺栓預緊力 P0=（5655～7917）N遠小于木材抗壓能力F(26356.2 ~61497.8N)可知所選零件可靠 10.電子控制部分整體設計 1. 整體電子控制流程圖：

30、 STC90C51 單片機 音樂 無線按 鍵遙控 聲音 感應 步進 電機 按鍵遙控有四種模式： a>開關模式：此模式控制整體的轉停； b>聲音感應模式：聲音傳感器檢測到嬰兒哭聲后，發(fā)送信號給單片機，單片機及時控制床的搖擺； c>定時模式：設定時間為25分鐘，即床會自動擺動25分鐘； d>音樂模式：播放音樂，促進嬰兒睡眠。 2. 電機的控制： 步進電機為兩相四線，即有四個輸入端口，具體控制為：將IN1，IN2和IN3，IN4

31、兩對引腳分別接入單片機的某個端口，輸出連續(xù)的脈沖信號。信號頻率決定了電機的轉速。改變繞組脈沖信號的順序即可實現(xiàn)正反轉。 兩相四拍工作模式時序圖： 步進電機 信號輸入 第一步 第二步 第三步 第四步 返回第一步 步進電機 信號輸入 第一步 第二步 第三步 第四步 返回第一步 正轉 IN1 0 1 1 1 返回 IN2 1 0 1 1 返回 IN3 1 1 0 1 返回 IN4 1 1 1 0 返回 反轉 IN1 1 1 1 0 返回 IN2 1 1 0 1 返回 IN3 1 0 1 1

32、 返回 IN4 0 1 1 1 返回 (1)控制換相順序 1、通電換相這一過程稱為脈沖分配。 例如： 1、 兩相四線步進電機的四拍工作方式，其各相通電順序為： (A-B-A’－B’)依次循環(huán) (通電控制脈沖必須嚴格按照這一順序分別控制A,B相的通斷。) 2、兩相四線步進電機的八拍工作方式，其各相通電順序為: (A－AB－B－BA’－A’－A’B’-B’－B’A)依次循環(huán)。(出于對力矩、平穩(wěn)、噪音及減少角度等方面考慮。往往采用八拍工作方式) (2)控制步

33、進電機的轉向 如果給定工作方式正序換相通電，步進電機正轉，如果按反序通電換相，則電機就反轉。如：正轉通電順序是：（A-B-A’－B’ 依次循環(huán)。）則反轉的通電順序是：（B‘-A’-B－A依次循環(huán)。） (3)控制步進電機的速度 如果給步進電機發(fā)一個控制脈沖，它就轉一步，再發(fā)一個脈沖，它會再轉一步。兩個脈沖的間隔越短，步進電機就轉得越快。調整單片機發(fā)出的脈沖頻率，就可以對步進電機進行調速。（注意：如果脈沖頻率的速度大于了電機的反應速度，那么步進電機將會出現(xiàn)失步現(xiàn)象）。 2. 聲音感應模塊 設計如圖： LM393 放大器 單片機 麥克風

34、 傳感器 麥克風 傳感器 使用高靈敏的電容式極柱體麥克風傳感器 模塊有1個輸出： DO，當聲音強度到達某個閥值時，輸出高低電平信號，閥值-靈敏度可以通過電位器調節(jié) 模塊特點： 1、尺寸小，36mm X 16mm 2、可以使用3-5.5v直流電源供電 3、極柱體麥克風，靈敏度高 3. 無線遙控模塊 無線發(fā)射裝置： 為一個手持遙控器，配置12v電池，上面有四個按鍵為A、B、C、D，通過無線傳送到

35、接收模塊，A、B、C、D對應4種工作模式。 無線接收裝置： 采用PT2262/2272芯片構架電路，也是一種CMOS工藝制造的低功耗低價位通用編解碼電路 工作頻率：315M 工作電壓：DC5V 工作原理：超再生 調制方式：ASK 遙控距離：20～50米 接收模塊的七根引腳分別為D3、D2、D1、D0、GND、VT、VCC，其中VCC為DC5V的供電端，GND為接地端，VT端為解碼有效輸出端，只要發(fā)射器的數(shù)據(jù)碼有輸出，VT都能同步輸出高電平；D3、D2、D1、D0是2262解碼芯片的四位數(shù)據(jù)輸出端，有信號時能輸出5V左右的高電平，驅動電流約2mA，與發(fā)射器的四位數(shù)據(jù)碼輸出一一對應。 24