機械原理課程設計-步進輸送機.doc

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步進輸送機設計計算說明書 姓 名： 學 號：20091370 班 級：車輛七班 指導老師：何朝明 2012年6月 第1章 問題的提出 2 1.1引言 2 1.2設計簡介 3 1.2.1國內外步進機發(fā)展史 3 1.2.2工作原理 7 第2章 設計要求與設計數據 8 2.1 設計要求 8 2.2 性能數據要求 8 2.3 設計用途 9 第3章 設計方案 9 3.1 設計方案1 9 3.2 設計方案2 9 第4章 機構尺度綜合 10 4.1尺寸的得出 10 4.2機構尺寸計算結果 10 第5章 機構運動分析 11 5.1步進輸送機運動學方程 11 5.1.1 步行輸送機初始狀態(tài) 12 求解方程組，以求得BP和CP的長度值。 13 5.1.2步行輸送機平動過程 14 5.2運動學分析結果 19 第6章 機構動力分析 20 6.1步行輸送機的動力學分析 20 6.1.1步行輸送機的動力學方程 20 6.1.2步行輸送機的動力學仿真圖 21 6.2動力學分析結果 24 第7章 結論 26 7.1方案特點 26 7.2設計方法特點 26 第8章 收獲與體會 28 第9章 致謝 29 第1章 問題的提出 1.1引言 輸送機是在一定的線路上連續(xù)輸送物料的物料搬運機械，又稱連續(xù)輸送機。輸送機可進行水平、傾斜和垂直輸送，也可組成空間輸送線路，輸送線路一般是固定的。輸送機輸送能力大，運距長，還可在輸送過程中同時完成若干工藝操作，所以應用十分廣泛。在現代的工業(yè)生產中，隨處可見輸送機的身影。應用它，可以將物料在一定的輸送線上，從最初的供料點到最終的卸料點間形成一種物料的輸送流程。它既可以進行碎散物料的輸送，也可以進行成件物品的輸送。除進行純粹的物料輸送外，還可以與各工業(yè)企業(yè)生產流程中的工藝過程的要求相配合，形成有節(jié)奏的流水作業(yè)運輸線。所以輸送設備廣泛應用于現代化的各種工業(yè)企業(yè)中。 1.2設計簡介 1.2.1國內外步進機發(fā)展史 在我國古代，作為灌溉的高轉筒車和提水的翻車，是現代斗式提升機和刮板輸送機的雛形； 在17世紀中，開始應用架空索道輸送散狀物料； 19世紀中葉，各種現代結構的輸送機相繼出現。1868年，在英國出現了帶式輸送機； 1887年，在美國出現了螺旋輸送機； 1905年，在瑞士出現了鋼帶式輸送機； 1906年，在英國和德國出現了慣性輸送機。 此后，輸送機受到機械制造、電機、化工和冶金工業(yè)技術進步的影響，不斷完善，逐步由完成車間內部的輸送，發(fā)展到完成在企業(yè)內部、企業(yè)之間甚至城市之間的物料搬運，成為物料搬運系統(tǒng)機械化和自動化不可缺少的組成部分。 1.2.2工作原理 步進輸送機是一種能間歇地輸送工件，并使其間距始終保持穩(wěn)定步長的傳送機械。工件經過隔斷板從料輪滑落到輥道上，隔斷板作間歇往復直線運動，工件按一定的時間間隔向下滑落。輸送滑架作往復直線運動，工作行程時，滑架上位于最左側的推爪推動始點位置工件向前移動一個步長，當滑架返回時，始點位置又從料輪接受了一個新工件。由于推爪下裝有壓力彈簧，推爪返回時得以從工件底面滑過，工件保持不動。當滑架再次向前推進時，該推爪早已復位并推動新工件前移，與此同時，該推爪前方的推爪也推動前工位的工件一齊向前再移動一個步長。如此周而復始，實現工件的步進式傳輸。顯而易見，隔斷板的插斷運動必須與工件的移動協調，在時間和空間上相匹配。 第2章 設計要求與設計數據 2.1 設計要求 加工過程要求若干個相同的被輸送的工件間隔相等的距離a=300mm，在導軌上向左依次間歇移動，即每個零件耗時T1移動距離a后間歇時間T2，又耗時時間T1移動距離a后間歇時間T2……考慮到動停時間之比K=T1/T2之值比較特殊，受力較大，以及耐用性、成本、維修方便等因素，不宜采用槽輪、凸輪等高副機構直接實現上述要求，而應利用平面連桿機構軌跡曲線。 2.2 性能數據要求 圖2-1 步進輸送機模型圖 根據上述所說的功能確定機械設計尺寸及要求如下： 1） 輸送平臺距離地面的高度為80cm。 2） 輸送架上任一點的運動軌跡近似為虛線所示閉合曲線。. 3） 單次輸送距離在300mm左右。 4） 輸送架在一定范圍內保持平動。 5） 軌跡曲線的CDE段的最高點低于直線段AB的距離至少為50mm。 2.3 設計用途 可以進行產品生產線上的產品步進輸送，而且步進輸送有一段停頓的時間，在這段時間內，可以對產品進行加工處理。同時，步進輸送運動平穩(wěn)，動作一般不會太快，方便精密工件的加工生產。此種步進輸送機，采用擋板推動，能產生較大的作用力，所以能適應不同重量的工件輸送?？煽?，穩(wěn)定…… 第3章 設計方案 3.1 設計方案1 方案一采用凸輪機構做為原動件，并通過采用局部自由度來減少構件之間的摩擦，能夠實現并適應復雜的工作要求與條件，但是凸輪制造費用高，承載能力有限，不可避免的會受到一些沖擊。 3.2 設計方案2 方案（2）：該方案完全采用連桿機構，運動連續(xù)，平穩(wěn)。由于構件大部分是連桿，成本較低且維護，檢修都較為簡單。該機構只有一個自由度，運動易于控制。缺點是機構的零件較多，較為復雜。 圖3-2 步進輸送機設計方案2 通過兩個方案的比較分析，選擇方案（2）較好，比較適合設計要求。所以選擇方案（2）作為設計方案。 第4章 機構尺度綜合 4.1尺寸的得出 根據設計要求，相同的被輸送工件間隔相等的距離為300mm，軌跡曲線的CDE段的最高點低于直線段AB的距離至少為50mm，以免零件停歇時受到輸送架的不應有的回碰。 4.2機構尺寸計算結果 圖4-1 輸送機機構示意圖 采用作圖法求尺寸，如圖，一點A為坐標（0,0）得坐標如下圖： 對于AB的長度有式子： 對于BC杠有： 對于CE杠有： 對于CD杠有： 對于BD杠有： 設AB的轉速為w,則B點的運動軌跡為 ， 由機架的尺度限制和尺寸限制，取AB長度為170mm , 根據運動要求和規(guī)律，我們知道AB杠要實現完整的圓轉動，也就是說AB杠為曲柄，于是有。于是根據運動規(guī)律我們暫時取BC=400，則由不等式，可知，EC=400 再根據運動規(guī)律，點在最高點時要實現平動一段距離，以將運輸物品傳送， 對于D的運動有 ，，對于其加速度也要考慮，有 ，在y軸方向有，于是結合AB與BC以及EC長度，我們可知BD=518 終上所述，對各個值取定后在soidworks上做圖模擬，最終對數據進行修正后實現了要求的運動，得到數據如下： 底板架的高度為——700mm 底板的長度為——1800mm 底板的寬度為——400mm 桿AB的長度為——170mm 桿BD的長度為——518mm 桿CE的長度為——400mm 桿CD的長度為——280mm 鉸鏈點距離O點的長度為——334mm 電機主軸距離O點的距離為——165mm BC=400MM 鉸鏈點E與E1之間的距離為——791mm 點D與D1間的距離為——791mm 點C1與D1之間的距離為——279.5mm 第5章 機構運動分析 5.1步進輸送機運動學方程 根據對步進輸送機結構的設計要求，對機構的尺寸進行分析，計算。機構的運動只要分為兩個階段，第一階段是輸送機的平動階段，即輸送機的工作階段，此時輸送機的擋板推動工件向左移動。第二階段是輸送機的向下回轉曲線運動階段，此階段輸送機擋板向下運動同時慢慢向后移動，最后再次回到原運動平面，準備開始第二次的重復運動。 圖5-1 步進輸送機運動分析簡圖 5.1.1 步行輸送機初始狀態(tài) 圖5-3 輸送機運動分析圖 設A點坐標為(0,-182),D點的坐標為（350，0），AB長為182，BC長為364，CD的長為420.設P點坐標為，B點坐標為 則B點的軌跡為 （5-1） 另設C點坐標為則：C （5-2） 由設計要求得，在一段進程中，P點做直線運動，則在這段時間內： （5-3） 通過CAD繪制結構零件圖，可知當=時，。 在此情況下， 則的中垂線方程為： （5-4） 分析可得圖5-3中中心圓的轉角，應同圖5-2中的中垂線的夾角相等。 即 （5-5） ； 求解方程組，以求得BP和CP的長度值。 5.1.2步行輸送機平動過程 圖5-4 結構示意圖 圖5-4 所示，各標注點為機構設計中的個鉸鏈點。其中桿AB為繞A點旋轉的驅動件。A,E，E1點固結在機架上，D,D1點連接擋板。設個點的坐標分別為：。同時設AB的角速度為，角加速度，為為桿件與水平面的夾角，各桿件的長度分別為：，為初始角。 根據桿件的運動列出B點的運動方程： （5-6） 其中，已知，初始角，桿長已知，所以，可以求出B點的坐標。對式5-6分別進行一次，二次求導，可得到B點的速度和加速度方程。 (5-7) （5-8） 圖5-5 點B的位置導出圖 圖5-6 點B的速度導出圖 圖5-7 點B的加速度導出圖 5-7和5-8式中只有速度和加速度是未知數，可以求出。同理，可以列出C,D,E點的位置，速度，加速度方程： （5-9） （5-10） （5-11） (5-12) （5-13） 圖5-8 點C的位置導出圖 圖5-9 點C的速度導出圖 圖5-10 點C的加速度導出圖 圖5-11 點D的位置導出圖 (5-14) （5-15） 圖5-12 點D的速度導出圖 圖5-13 點D的加速度導出圖 5.2運動學分析結果 B1，C1,D1,E1點的速度，加速度與點B，C,D,E點對應相等，所以不再計算。 擋板機構先進行300mm左右的平動，然后下行，同時逐步后退，再上升到原平面，這樣完成一次周期運動。整個運動過程，AB桿繞A點運動，作為驅動，BCD構成的三角形桿組在A，E的制約下運動，使得D點在一個運動周期內有一段時間做直線運動。從soildworks的仿真可以看出，該機構運動平穩(wěn)，速度變化也較平緩，可以滿足各種設計要求。 第6章 機構動力分析 6.1步行輸送機的動力學分析 對該機構進行動力學分析，根據動力學分析簡圖以及各桿件的受力情況列出動力學方程，用soildworks軟件進行模擬仿真，檢測機構在運動過程中的受力情況，看這個機構是否正確。 該機構的傳動角主要考察各個連桿之間的傳動角是否瞞住要求，如果傳動角太小的話，傳動效率會降低很多。如果所有的傳動角都滿足傳動角的要求，才能穩(wěn)定工作。 6.1.1步行輸送機的動力學方程 圖6-1 步進輸送機示意圖 對于BC杠，在x方向受到AB，DC對它的力，還有本身運動存在的力；在y方向受到AB，DC對它的力。從轉矩角度考慮，由x與y方向各桿件對它的分力所產生的力矩可得，因此BC桿件動力學方程有： (6-1) 對于BD桿件，在x方向受到來自AB，DC對它作用的力；同時在y方向，也受到來自AB，DC對它的力作用。在轉矩方面，在各個方向受到的力現對于坐標值所產生的力矩如下： (6-2) 對于CD杠，在x方向受到BD，BC桿件對它所產生的力作用，同時在y方向，也會受到BD和BC對它所產生的分力；在各個方向的分力作用下會產生現對于xy坐標系的力矩，由此得到如下式子： 6.1.2步行輸送機的動力學仿真圖 圖6-2 點B的徑向力分析導出圖 圖6-3 點B的徑向力矩分析導出圖 圖6-4 點C的徑向力分析導出圖 圖6-5 點C的徑向力矩分析導出圖 圖6-6 點D的徑向力分析導出圖 圖6-7 點D的徑向力矩分析導出圖 6.2動力學分析結果 通過上面的soildworks的動力學仿真導出圖可以知道，各個鉸鏈點的受力情況都呈現了一個比較穩(wěn)定的變化規(guī)律，而且在工件的輸送過程中，機構的受力平穩(wěn)，桿件的力矩變化也比較穩(wěn)定。符合機構的動力學受力條件。只要合適的選擇機構構件的材料，并且精確制造各個構件，就可以很好的滿足機構的工作要求了。 第7章 結論 7.1方案特點 本次步進輸送機的主要特點：一、采用了連桿機構來完成機構的設計，二、采用電動機作為機構的動力裝置。主要優(yōu)點是：架構簡單，動力強勁，很好的保護了電動機，負載能力強，連桿組的結構可以很好的保證擋板可以進行一段水平運動。在運動過程中，擋板能夠適時的退到平臺以下，可以保證步進輸送機的平穩(wěn)輸送貨物。機構采用桿組結構，鏈接安全可靠，維護方便可以大量節(jié)約成本。而其它幾種方案，要么成本太高，要么結構不夠穩(wěn)定。都有各自的缺陷?？梢哉f這個設計是用簡單的方法實現了復雜的運動過程，并且操作運用都較為簡單、 7.2設計方法特點 本次設計采用的是CAD畫平面圖定坐標尺寸，然后使用PRO/E仿真，得出運動學仿真結果，隨后列出運動方程。使用CAD作圖的好處是精確度比較高，修改方便，并且操作流程規(guī)范化，每個圖紙都有存根，方便以后的查看和修改。使用soildworks仿真的話效果比較逼真，操作比較簡便實用，形象化，并可導出個點的運動速度、加速度和位移等，為設計節(jié)省了大量的時間和工作。 第8章 收獲與體會 在本次機械綜合設計中，接觸了很多以前都沒有接觸過的軟件，如，soildworks，PRO/E，ADAMS、CATIA等，在同學們的互相幫助與學習下，初步學會了他們的使用方法，也通過借閱大量課外書籍和互聯網了解了輸送機設計方面的很多知識以及輸送機發(fā)展歷史的認識，在這一過程中我看到了機械對于生活、工作、勞動、社會發(fā)展的至關重要性，為人類的進步提供了強有力的保證和力量。再次也認識到自己所從事的行業(yè)是多么重要與精妙。 在閱讀書籍和上網收集信息中，我看到了很多先進的設計理念，心中對設計者精妙的的設計和計算感到欽佩，并在學習中結合本次設計工作的一些實際情況，并且運用用自己平時學到的知識和課外知識相結合得到了自己的設計方法，完成了這次課程的設計，心中倍受鼓舞。 在這過程中，收獲了很多實踐相關的知識和經驗，并且提高了自己在學習和設計工作中的信心，對自己在機械設計方面的能力有了很大的提高，為以后的學習工作我想都會有很大的幫助。 在學到很多專業(yè)知識的同時，我也更加明白了怎么樣才能與周圍的同學交流各自的想法，增強了自己團隊合作的能力，并與同學之間取長補短，相互幫助，相互學習。 第9章 致謝 在這一個機械設計的過程中，首先發(fā)現了自己很多不足，自己的能力在很大層面上還是欠缺，在設計中遇到了這樣那樣的問題，這些問題僅僅依靠我一個人是不可能解決的，但是幸好我得到了指導老師的指導與教育，和同學們在對我作圖還有模擬運動上的幫助，以及上屆學長的一些建議。沒有老師和同學學長的幫助我肯定無法獨立完成這一個工作，感謝在本次設計中所有幫助和指導過我的老師及同學，特別感謝指導老師的指導，以及各位同學對本人在各種應用軟件中的幫助和在機構設計中所提出的意見。 參考文獻 [1] 邢俊文. 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