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机械原理课程设计---糕点切片机

2019年11月12日字体:
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  机械原理课程设计---糕点切片机_工学_高等教育_教育专区。机械原理课程设计---糕点切片机   目录 一、设计要求…………………………………………………………………2 二、功能分解…………………………………………………………………3 三、运动转换…………………………………………………………………4 四、执行机构选择与比较…………………………………………………6 五、原动机……………………………………………………………………10 六、运动方案拟定……………………………………………………………10 七、传动机构…………………………………………………………………17 八 、 运 动 示 意 图 ………………………………………………………………19 九 、 运 动 循 环 图 ………………………………………………………………20 十、执行机构计算……………………………………………………………………21 十一、参考资料…………………………………………………………………25 十二、小结………………………………………………………………………26 一、设计要求 1.设计题目 糕点切片机 2.工作原理及工艺动作过程 糕点先成型(如长方体、圆柱体等)经切片后再烘干。糕点切片机要求实现两 个执行动作:糕点的直线间歇移动和切刀的往复运动。通过两者的动作配合进行 切片。改变直线间歇移动速度或每次间隔的输送距离,以满足糕点不同切片厚度 的需要。 3.原始数据及设计要求 1)糕点厚度。10~20 mm。 2)糕点切片长度(亦即切片的高)范围。5~80 mm。 3)切刀切片时最大作用距离(亦即切片的宽度方向)300 mm。 4)切刀工作节拍。40 次/min。 5)生产阻力很小。要求选用的机构简单、轻便、运动灵活可靠。 6)电动机可选用 0.55kW (或 0.75 kW)、1390 r/min。 4.设计方案提示 1)切削速度较大时,切片刀口会整齐平滑,因此切刀运动方案的选择很关键, 切口机构应力求简单适用、运动灵活和运动空间尺寸紧凑等。 2)直线间歇运动机构如何满足切片长度尺寸的变化要求,是需要认真考虑的。 调整机构必须简单可靠,操作方便。是采用调速方案,还是采用调距离方案,或 者采用其它调整方案,均应对方案进行定性的分析比较。 3)间歇运动机构必须与切刀运动机构工作协调,即全部送进运动应在切刀返回 过程中完成。需要注意的是,切口有一定的长度(即高度),输送运动必须在切刀 完全脱离切口后方能开始进行,但输送机构的返回运动则可与切刀的工作行程运 动在时间上有一段重叠,以利提高生产率,在设计机器工作循环图时,就应按上 述要求来选取间歇运动机构的设计参数。 5.设计任务 1)根据工艺动作顺序和协调要求拟定运动循环图; 2)进行间歇运动机构和切口机构的选型,实现上述动作要求; 3)机械运动方案的评定和选择; 4)根据选定的原动机和执行机构的运动参数拟定机械传动方案; 5)画出机械运动方案简图(机械运动示意图); 6)对机械传动系统和执行机构进行尺度设计。 二. 功能分解 功能分析法是系统设计中探寻功能原理方案的主要方法,这种方法将机械产 品的总功能分解成若干简单的功能元,对功能元求解,然后进行组合,往往可以 得到机械运动方案的多种解。糕点先成型(如长方体、圆柱体等)经切片后再烘干。 糕点切片机要求实现两个执行动作:糕点的直线间歇移动和切刀的往复运动。通 过两者的动作配合进行切片。改变直线间歇移动速度或每次间隔的输送距离,以 满足糕点不同切片厚度的需要。 根据任务书中糕点切片机要求实现两个执行动作;糕点的直线间歇移动和切 刀的往复运动的要求,作出糕点切片机的功能、工艺动作图如下: 图 1 糕点切片机的功能、工艺动作图 1. 糕点的直线间歇移动 糕点的直线间歇运动可选择连杆机构、齿轮机构、凸轮机构、棘轮机构、槽 轮机构等。 2..切刀的往复运动 切刀的往复直线移动可采用连杆机构、凸轮机构、齿轮齿条、组合机构等。 三. 运动转换 1.常见的运动形式 一般来说,机器的某种工艺动作形式都对应着某种运动形式,机械执行机构 常见的运动形式见下表 2。 表 2 运动形式与表达符号 2.同一种功能可选用不同的工作原理与不同的机构 实现同一种功能可选用不同的工作原理,下表说明运动由转动换成移动等, 可采用推拉原理、摩擦传动原理或流体传动原理实现,而且可分别采用不同机构, 如凸轮机构、连杆机构、齿轮机构、气液压机构来满足功能要求。 四.执行机构选择与比较 糕点的直线.棘轮机构 棘轮机构具有结构简单、制造方便、运动角可在工作过程中、并可在较大范 围内调整等特点而应用广泛,但运动角的调节是有级的、传动精度较差,且棘爪 在齿面滑行时引起噪音、冲击、齿尖易磨损而不宜用于高速。 为改善性能常采用多爪棘轮机构以得到较小的运动角而又不增加齿数,采用 带罩板的棘轮机构以调节运动角,采用浮动式棘轮机构来调节停歇时间,采用其 它机构与其组合改变动停时间比,可应用于各种场合。 1) 齿轮棘轮机构 2) 链轮棘轮机构 3) 连杆棘轮机构 2.槽轮机构 槽轮机构的结构简单、制造容易,工作可靠,机械效率高,但槽轮的运动角 大小不能调节,且在槽轮转动的始、末位置有冲击,不宜用于高速。为避免刚性 冲击,在圆销进入和退出径向槽的两个位置时要求径向槽中心线切于圆销中心的 运动圆周。为保证正常运转,要求槽轮槽数 z 不小于 2,圆销数 k 应小于 2z/(z-2)。当 k=1 时,槽轮运动时间少于静止时间,当 k=1、z=4 且槽、销都均布 时,动、停时间相等,k 再增加,运动时间则大于静止时间。若要求各次停歇时 间不等,可将圆销不均匀,若要求各运动时间也不等,则使各圆销中心的半径不 等、且各径向槽的长度和夹角也作相应改变。 当需要槽轮停歇时间短、传动较平稳、减少空间尺寸并使主、从动轮转向一 致时可采用内啮合槽轮机构。 槽轮机构一般用于转速不高的自动机械和轻工机械及仪表中,如电影放映机 中的送片机构、长图自动记录仪中的打印机构。也常与其他机构组合作为自动线 中的传送或转位机构。 1) 齿轮槽轮机构 3.凸轮机构 凸轮式间歇传动机构的结构简单、不仅可传递平行轴间还可传递交错轴间的 间歇运动。只要合理设计廓线、选择合适的运动规律,可使从动件运动平稳、减 少冲击、得到较好的运动特性,以适应高速运转的需要。但加工复杂、安装要求 严格。 凸轮式间歇机构广泛应用于轻工机械、冲压机械、高速自动机械中,作为分 度机构、转位机构、间歇式送料机构。更多的场合下与其他机构组合使用。 1) 蜗杆凸轮机构 2) 端面螺线) 连杆齿轮凸轮机构 4.不完全齿轮机构 不完全齿轮机构从动轮运动角的范围大,不像槽轮机构那么受限制。能灵活 设计,很容易实现一周中的多次不同动、停时间的间歇运动。但在进入啮合和退 出啮合时速度有突变,产生冲击,不宜用于高速传动。为改善传动性能、减少冲 击,可装置瞬心线附加板 L 和 K,在首齿啮合前,K、L 板先啮合,是从动轮从 静止状态逐渐加速置 w2;末齿脱离啮合后,又借助另一对 K、L 板逐渐减速。 自动机和半自动机中常用不完全齿轮机构作为工作台的间歇转位机构、进给 机构,还可作计数机构。常与其它机构组合应用。完全齿轮机构也常与其它组合 机构实现间歇转动。 1) 凸轮齿轮机构 2) 连杆齿轮机构 切刀的往复运动 1.连杆机构 1) 曲柄滑块机构 当曲柄整周回转使滑块往复移动。对心曲柄滑块机构的滑块最大行程为曲柄 长度的两倍,若增加曲柄长度,可增大行程。 偏置的曲柄滑块机构具有急回运动特性,当曲柄长度或偏距加大时,急回特 性显著,而连杆长度减小时,急回特性减缓。 2) 移动导杆机构 连杆为主动件,带动移动导杆相对固定滑块上下往复移动 3) 正弦机构 当曲柄以等速转动时,通过滑块使导杆上下移动,当曲柄转动角度为 0°或 180°时,为导杆的两极限位置,行程最大。 4) 正切机构 当摆动导杆为主动件时,通过滑块使杆往复运动。 5) 多杆机构 结构紧凑,以实现较复杂的运动规律。 6) 双偏心轮导杆机构 双偏心轮绕轴转动,通过连杆和弧形导杆及弧形导块驱动从动件沿水平 导路往复移动。 2.凸轮机构 一般凸轮为主动件,作连续的回转运动或平移运动,其轮廓曲线的形状取决 于从动件的运动规律。 凸轮机构结构简单、紧凑、设计方便,但由于主从动件之间为点、线接触, 易磨损,适用于运动规律复杂、传力不大的场合。 3.齿轮齿条机构 1) 带环形齿条的齿轮机构 当轮按某一方向连续回转与环形齿条各部分轮齿啮合,从而带动该齿条 左右往复运动。环形齿条的圆弧部分可保持其上、下直线部分与轮啮合的平滑过 渡。 2) 带不完全齿的双边齿条机构 当轮转动时,轮齿与构件上的双边齿条之一啮合,使其在固定导槽内沿 轴线) 齿轮针齿条机构 当轮等角速度转动时,齿条作往复直线运动。当轮轴位于槽的直线部分时, 齿条等速移动,位于圆弧部分时,轮从上面转移到下面,或从下面转 移到上面,齿条作变速移动。 4.楔块机构 当构件沿固定导轨做直线往复运动时,通过斜面驱动构件作往复水平移 动。 5.斜盘机构 当斜盘绕轴转动时,滑块作往复移动。由于采用球面运动副,机构运动 灵活。 6.组合机构 1) 凸轮连杆机构 一般凸轮为主动件,能够实现较复杂的运动规律。 2) 齿轮连杆机构 可以实现较复杂的运动规律。 3) 凸轮齿轮机构 凸轮为主动件,带动与扇形齿轮固接的摆动杆摆动,驱使齿条往复移动。 4) 齿轮凸轮连杆机构 当主动齿轮回转时,齿轮及凸轮转一周,另一齿轮转 61/60 周,摆杆及 滑杆作往复运动一次。由于两齿轮有相对转动,故两端面凸轮的接触点变化,使 圆柱凸轮随同端面凸轮作微小的轴向位移,改变滑杆往复行程始、末位置。当另 一齿轮转 60 周,齿轮转 61 周,两轮的相对位置及杆恢复到初始位置,一个运动 循环中,从动杆往复运动 60 次。 五.原动机 由于本系统所需要的动力不大,要求转速也不是很高,综合考虑下采用了如 下的电机: 电机型号:Y801-4。 Y: 异步电动机 801: 机座中心高 4:极数 使用条件 环境温度:随季节变化,但不超过 40 摄氏度 频 率:50Hz 电 压:380V 接 法:Y 接 工作方式:连续 电机参数 功 率:0.55KW 电 流:1.5A 转 速:1390r/min 效 率:73% 功率因数:0.76 六.运动方案拟定 糕点的直线间歇移动可选择连杆机构、齿轮机构、凸轮机构、棘轮机构、槽 轮机构等。 切刀的往复运动可采用连杆机构、凸轮机构、齿轮齿条、组合机构等; 1. 实现糕点直线间歇移动的机构 方案一: 如上图所示,为一齿式棘轮机构,利用它来实现糕点的直线间歇运动。 方案二: 如上图所示,为一不完全齿轮机构,可利用它加皮带轮来实现糕点的直线间 歇运动。 方案三: 如上图所示,为槽轮机构,可利用它加皮带轮来实现糕点的直线间歇运动。 方案选择与评定 方案一: 齿式棘轮机构结构简单,制造方便;动与停的时间比可通过选择合适的驱动 机构实现。该机构的缺点是动程只能作有级调节;噪音、冲击和磨损较大,故不 宜用于高速。 糕点的直线间歇运动是在较低的速度下运动的,所以该机构适合于本系统。 方案二: 不完全齿轮机构设计灵活、从动轮的运动角范围大,很容易实现一个周期中 的多次动、停时间不等的间歇运动。但加工复杂;在进入和退出啮合时速度有突 变,引起刚性冲击,不宜用于高速转动;主、从动轮不能互换。 在本系统中没有必要采用加工如此复杂的机构。 方案三: 槽轮机构可将主动盘的连续转动变换为槽轮的间歇转动。并具有结构简单、 尺寸小、机械效率高、能较平稳地间歇转位等特点。但是每次间歇的时间长度一 定,很难满足本系统中改变所切糕片长度的功能。 方案设计的创新改进措施: 对于蛋糕的传送, 既要满足间歇运动的要求,又能通过改变进给距离而切出 不同厚度的糕点。刚开始试用了槽轮机构,但糕点切片机要求可以改变所切糕点 长度的,如用槽轮机构的话, 很难实现改变切片的长度,想到用齿轮组减速器改变 速度来实现。用许多齿轮来改变速度很复杂且不太方便操作,于是我们否定了这 个方案。经过查资料后,选择了棘轮机构。用棘轮机构可以方便的实现改变切片 的长度。且棘轮机构设计加工简单,改变切片的长度时操作方便。所以机构的总 体方案就这么大概的定下来了。 2. 实现切刀往复运动的机构 方案一: 如上图所示,为一直动导杆机构,可利用杆 3 的往复运动来实现切刀的上下往复运动。 方案二: 如上图所示,为一几何封闭凸轮机构。可利用构件 1 绕 A 点做偏心转动来 实现切刀的往复运动。 方案三: 如上图所示,为一偏执曲柄滑块机构,可利用它实现切刀的往复运动。 方案选择与评定: 方案一:运动副均为低副,两运动副为面连接,压强较小,可承受较大的载 荷,且几何形状简单,便于加工。而且连杆上各点的轨迹是各种不同形状的曲线, 气形状随着各构件相对长度的改变而改变,从而可以得到形式众多的连杆曲线, 可以这些曲线来满足不同曲线的设计要求。 此机构虽有上下往复运动,但它并没有急回运动特性。不能够实现切刀下切 速度慢而收回速度快的特性,也不能够很好的缩短空程的时间,影响效率。 方案二:只要适当的设计出凸轮的轮廓曲线,就可以使推杆得到各种预期的 运动规律,而且机构简单紧凑,可承重较大,运动平稳。 但是凸轮轮廓线与推杆之间为点、线接触,易磨损。而且没有急回特性,不 能够实现切刀下切速度慢而收回速度快的特性,也不能够很好的缩短空程的时 间,影响效率。 方案三:此机构有急回特性。结构简单。具有连杆机构的共同优点,可承受 较大的载荷,运动副的几何形状简单。改变各构件的相对长度来使从动件得到预 期的运动规律。 此机构具有连杆机构的共同缺点,机械效率降低,这是连杆机构所不能避免 的。 方案设计的创新改进措施: 开始构思方案时,考虑到在以后的生活和生产中,自动化是必然的趋势,因此 设计的机构要尽量满足自动化的要求。此机构的运作是切糕点与送糕点,切的时 候糕点不能动,没有切的时候,糕点要运动并前进一定的距离到达指定位置.为了 实现切的动作,开始时采用凸轮机构,来实现刀的往复运动,用凸轮可以很好的控 制刀的运动,实现最优的运动轨迹,可是凸轮的设计和制造比较复杂,且不能传递 较大的力,而且切糕点也不需要那么高的精度。于是考虑用曲柄滑块机构,曲柄滑 块机构一样可以实现刀的往复运动,可传递较大的力,能满足需要, 而且其机构简 单,加工制造方便,能减少生产成本,于是确定用曲柄滑块机构。 3.实现减速的机构 减速机构要将电机的 1390r/min 降为 40r/min。可采用的机构为涡轮蜗杆机 构以及皮带—齿轮机构。 涡轮蜗杆机构只能在一定的距离里面产生较大的传动比(蜗轮轴心确定, 蜗杆向前送进),所以不适宜用于连续不停转动,而且蜗轮从侧面看与齿轮不同 的是其中间位置有一定弧度的下凹,对加工而言会产生一定的难度。而且相对齿 轮而言,涡轮蜗杆啮合轮齿间的相对滑动速度过大,使得摩擦损耗较大,因而传 动效率过低,易出现发热和温度过高的现象,磨损也叫严重,会降低整体的使用 寿命,而且成本较高,因此采用多个齿轮传动来替代蜗轮蜗杆的设计。 七.传动机构 1.实现传动的机构: 1)皮带传动 皮带传动能起缓冲和吸振作用,可使传动平稳,噪声小。过载时,带在轮面 上打滑,可以防止损坏其他零件,起安全保护作用。适用于两轴中心距较大的场 合。结构简单,容易制造,维护方便,成本低廉,但是因为皮带传动受摩擦力和 带的弹性交形的影响,所以不能保证准确的传动比,效率较低。 2)齿轮传动 齿轮传动能保证恒定的瞬时传动比,传递运动准确可靠,传递功率的范围比 较宽,可以从很小的功率直到几万马力经过磨齿的齿轮传动圆周速度可达 100 米/秒;机械传动效率比较高,一般圆柱齿轮传动效率可达 98%以上,而且使 用寿命也较长。齿轮机构的结构紧凑,体积比较小。但是传动噪音比较大,对冲 击比较放敏感,不宜用在轴线距离较大的部件上。齿轮制造精度要求比较高,不 能缓冲,高速传动精度不够是有噪音,无过载保护,相应的成本也比较高 3)链传动 传动比固定不变,结构比带传动紧凑。不需要太大的张紧力,因而不会给予 轴承增加额外的载荷而且载荷能均匀地分布于轴销与住轴套间的所有接触面积 上。它能低速传递较大的裁荷并能使一个主动轴向时带动几个从动轴,其轴距的 变化范围比齿轮传动大。但是瞬时速度不均匀,高速不如带传动平稳,在震动冲 击负荷下寿命大为缩短。轴距的变化范围不宜过大,一般不超过5~6 米,它 在—般应用于中距离传动。 2.传动机构的选定 鉴于以上各种传动机构的优缺点及糕点切片机的结构原理和特点,我们最终 选择皮带传动和齿轮减速传动。 3.传动系统演示 齿 皮 电 轮 带 动 减 传 机 速 动 传 动 棘 传 轮 送 传 履 动 带 皮 带 刀 传 具 动 八,运动示意图 九.运动循环图 切刀的直线往复运动循环图 糕点的直线间歇运动循环图 十.执行机构计算 棘轮和曲柄摇杆机构的设计: 棘轮机构主要是执行糕点的进给运动,每一次的运动距离就是所切糕点 的长度。为了更好的控制和改变这个长度,设棘轮每转动一定角度,糕点运动 20mm,设棘轮共有 24 个齿,即每齿代表 15 度。于是一共有四档,即 20、40、 60、80mm,也就是说棘轮转动 15、30、45、60 度。对于棘轮的转动,设计一个 曲柄摇杆机构推动棘轮旋转。于是棘轮的旋转角度就可以转化为摇杆的摆角。即 15、30、45、60 度。在棘轮外加装一个棘轮罩,用以遮盖摇杆摆角范围内棘轮 上的一部分齿。这样,当摇杆顺时针摇动时,棘爪先在罩上滑动,然后才嵌入棘 轮的齿槽中推动其转动。被罩遮住的齿越多,则棘轮每次转动的角度就越小。棘 轮罩设置四个转角分别为 15、30、45、60 度。设有槽的圆盘直径为 150mm,棘 轮半径为 100mm,在摇杆上装一个棘爪,棘爪推动棘轮旋转,棘轮上再固定一个 皮带轮用以带动皮带旋转。由运动距离可以得出皮带轮的直径为 153mm,这样 棘轮机构就设计完了。 其尺寸为: 曲柄摇杆机构: 曲柄长 50mm; 连杆长 210mm; 摇杆长 200mm; 棘轮半径 86mm; 棘轮齿数 24 个; 皮带轮直径 153mm; 整个机器的关键就在于切刀运动与糕点传送运动之间的协调,因此需要详 细计算。 依据零件尺寸,作图计算得出: 推动棘轮的曲柄摇杆机构的行程速比系数为:k=1;又工作周期为 1.5 秒, 则摇杆推程时间为:0.75 秒,回程时间为:0.75 秒。 因此,切刀在 0.75 秒的时间内不能接触糕点(最大厚度为 20mm),而在 0.75 秒的时间里切刀应完成切糕点的动作并离开糕点表面。即切刀在糕点外运动的时 间应大于 0.75 秒。据此验证切刀的曲柄滑块机构的尺寸。计算得切刀在 20mm 以上的高度运动时间为 1 秒,满足设计要求。 曲柄滑块机构(刀具)的设计: 此机构主要是执行切刀的上下往复运动。由于所切糕点的厚度最大为 20mm,所以切刀在 20mm 之上运动时,糕点才能运动。为了给糕点足够的传送 时间,设计刀的行程为 60mm,即曲柄长 30mm;刀的高度设为 37mm。考虑到 卫生问题,刀不能缩到滑块的轨道里去,所以设计滑块的长度为 65mm;又设计连 接杆的长度为 60mm。这样曲柄滑块机构的高度比较高,所以采用皮带传动。又 切刀应能刚好切断糕点,综合曲柄滑块和棘轮机构的尺寸,我们得出曲柄滑块机 构和棘轮机构轴心距为 400mm。 所以曲柄滑块机构的尺寸为: 曲柄长 30mm; 连接杆长 60mm; 滑块长 65mm; 刀片高 37mm; 曲柄滑块机构和棘轮机构轴心距为 400mm。 齿轮皮带减速系统设计 减速皮带轮 减速齿轮 送料皮带轮 本机构原动件为一高速电机,其转速为 1390 r/min,但我们所需要的转速是 40r/min,所以要减速。对于减速装置我们采用皮带加齿轮的方法。第一级降速 是用皮带减速,减为 240r/min。第二级是用齿轮减为 40r/min。两传动机构设计 分析如下: 1.皮带传达设计: 皮带传动设计主要是采用两个半径不相同的皮带轮实现。由于皮带上线=24/139。 由此可见算出电机上皮带轮直径大小 r1=36mm;另一端皮带轮半径大小 r2=220mm。传动比 i=139/24。 2.齿轮系的设计: 经皮带减速后的转速为 240r/min,而我们所要的转速 40r/min。因此还需要 的传动比为 6/1,选用的齿轮为标准齿轮。 名称 齿轮 z1 齿轮 z2 齿轮 z2 齿轮 z3 直齿轮参数表 齿数 模数 25 4mm 50 4mm 25 4mm 75 4mm 传动比 i=6/1。 分度圆 100mm 200mm 100mm 300mm 十一.参考资料 《机械原理教程》 《机械原理课程设计手册》 清华大学 高等教育 申永胜 邹慧君 十二.小结 经过几天的努力,机械原理课程设计就要结束了。回顾这些天的劳动,我收 获颇丰,所完成的不仅仅是一个课程设计,对课本知识的理解也加深了许多。 刚开始,我认为这个课程设计题目很简单,根本没有把它当回事,可开头的 传动轮选择就给我上了一课。我本来认为传动只负责把糕点从一端传到另一端就 好了,可在我们讨论的时候才发现错了。这个不仅要考虑糕点的传动,还要考虑 糕点的切的动作。后来我们就仔细的看书,分析讨论,发觉也不是很难,只要认 真学,大胆做,还是可以做好的 这次课程设计,我们主要收获了: 1. 增加对课本的理解。这次课程设计,从方案的选择到确定与计算过程中, 我们翻了很多遍书,加深了课本知识的理解。 2 增加了对本专业的兴趣。看到自己能亲自动手解决自己身边的一些小问题 的时候,对本专业的知识的应用也有了实际经验,大大培养了对机械专业的兴趣。 兴趣是最好的老师,也为我们学好专业知识加大了动力

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