机械结构与传动设计-糕点切片机

机械结构与传动课程设计说明书设计题目： 糕点切片机 设计日期 2019年5月25日至2019年6月 23 日糕点切片机的设计目录课程设计任务书21. 工作原理和工艺动作分解42. 根据工艺动作和协调要求拟定运动循环图53. 执行机构选型64. 机械运动方案的评定和判断75. 减速系统设计106. 执行系统机构设计127. 机械运动简图158.机构运动分析159.三维视图2010.参考资料2111.设计总结21课程设计任务书一、工作原理及工艺动作过程简介糕点的加工过程是先成型（如长方形、圆柱形等）、经切片后再烘干。糕点切片机要求实 现两个工艺动作：糕点的直线间歇移动和切片的往复运动。通过两个动作的配合进行切片。 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的不同切片厚度的需要。 二、原始数据及设计要求糕点尺寸：长度：200mm， 厚度：580mm， 宽度：10、20、30mm（可调）工作条件：载荷有轻微冲击，一班制使用期限：十年，大修期为三年生产批量：小批量生产（少于十台）动力来源：电力，三相交流（220V/380V）转速允许误差：5%切刀工作节拍48次 /min ；生产阻力很小，要求选用的机构简单、轻便、运动灵活可靠 电动机可以选用 0.75kW、 1390r/min 。 三、设计任务1、执行部分机构设计（1）分析切刀、输送机构的方案（2）拟定执行机构方案，画出总体机构方案示意图（3）画出执行机构运动循环图（4）执行机构尺寸设计，画出总体机构方案图，并标明主要尺寸（5）画出执行机构运动简图（6）对执行机构进行运动分析2、编写课程设计说明书1执行机构方案图及机构运动简图一张（A2）2机构运动分析程序及结果3课程设计说明书一份1. 工作原理和工艺动作分解（一）糕点切片机要求实现两个执行动作：1、糕点的直线间歇移动2、切刀的往复运动（二）通过两者的动作配合进行切片1、糕点的直线间歇移动糕点的直线间歇移动，是为了保证切刀在切糕点时，糕点是静止的，这样切出的糕点才符合要求。另外，糕点的直线间歇移动的快慢，决定了被切出的糕点的厚度大小。糕点在停歇后，如果移动的快，糕点的厚度就相对大一些；否则，反之。2、 切刀的往复运动切刀的往复运动，这是切刀所必须的运动，如果只有一次运动，这样就只能 切一次。同时，切刀的往复运动的时间和高度都必须控制。切刀切下和收起的总时间必须小于糕点的间歇时间；切刀的最低高度必须高于糕点的最大高度。2. 根据工艺动作和协调要求拟定运动循环图刀具往复运动切刀每分钟得完成切割48 次的工作节拍。所以连接曲柄的齿轮的转速为48次/min ，切刀做竖直面内的往复直线运动，当其往下运动到与最低点相距约5mm至 80mm（这是糕点的厚度）时开始切割糕点，此时糕点静止不动，切 割完毕切刀往上运动到距离最低点约80mm时糕点运动起来，把切好的糕点片 带走并把糕点送进待切，切刀继续往上运动，直到最高点，之后再往下运动，直到最低点相距约5mm至 80mm（这是糕点的厚度）时又开始切割糕点，此时 糕点又静止。如此往复循环。下图是刀具的位移运动图（两个周期）：3. 执行机构选型如结构示意图所示 , 电动机经皮带和齿轮系减速后，达到48转/ 分。再用棘轮机构连接一皮带组成糕点的进给机构，并满足间歇运动的要求。同时通过 另外一组皮带轮带动曲柄滑块机构运动（滑块上带切刀），实现糕点的切片。间歇运动机构与切刀运动机构工作协调。由于每一次切的过程都一样, 从而使每一片糕点的大小都一样。而通过改变进给的距离，可调整切片的厚度。4. 机械运动方案的评定和判断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；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。1.实现切刀往复运动的机构如上图所示，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。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。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。方案一：动副均为低副，两运动副元素为面连接，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，但她并没 有机会运动特性。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。但是凸轮廓线与推杆之间为点、线接触，易磨损。切没有急回特性，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，运动副元素的几何形状简单。改变个机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:1. 我们开始构思方案时，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，我们开始采用凸轮机构，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。于是我们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，能足我们的需要，而且其机构简单，加工制造方便，能减少生产成本，于是我们确定用曲柄滑块机构。2. 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。我们刚开始试用了槽轮机构,但我们的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，我们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，我们选择了棘轮机构。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。5. 减速系统设计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48r/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48r/min，两传动机构设计分析如下 :( 一)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。由于皮带上线速度相等，由r1*v1=r2*v2， 1390*r1=240*r2 ；r1 /r2=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传动比r2=220mm。 i=139/24.( 二)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48r/min 。因此还需要的传动比为5/1, 选用的齿轮为标准齿轮。传动比i=5/16. 执行系统机构设计执行机构分两个，第一个为曲柄滑块机构，第二个为棘轮机构，现分别介绍如下：( 一) 曲柄滑块机构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80mm,所以切刀在80mm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120mm，即曲柄长60mm，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125mm；又设计连接杆的长度为90mm。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369mm。所以曲柄滑块机构的尺寸为:60mm；曲柄长60mm；连接杆长90mm；滑块长125mm；刀片高 37mm；皮带长 1.63m曲柄滑块机构和棘轮机构轴心距为369mm。( 二) 棘轮机构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10m m设, 棘轮共有 24 个齿, 既每齿代表 15 度。于是一共有四档 , 即 10、20、30mm, 也就是说棘轮转动30、60、90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30、60、90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30、60、90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 100mm;棘轮齿数 24 个; 皮带轮直径 153mm; 皮带长 1.5m。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3秒，则摇杆推程时间为：1.5 秒，回程时间为： 1.5秒。因此，切刀在1.5秒的时间内不能接触糕点（最大厚度为80mm）, 而在1.5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1.5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3秒，满足设计要求。7. 机械运动简图8.机构运动分析对本糕点切片机，主要进行曲柄滑块机构的机构运动分析。我们分别采用解析法进行运动分析。1、解析法（1） 根据曲柄滑块机构的尺寸在中画出机构运动简图如下图。以节点1处的机架为原点，水平向右方向为x方向，垂直向上为y方向。 构件1为主动件曲柄，逆时针转动，其角速度为=50260=5.236rad/s（2） 我们进行运动模拟，并绘制出节点3和节点4的位置、速度、加速度曲线。曲柄滑块机构 节点3的位移曲线如下，横轴为曲柄的转角（单位：），纵轴为位置（单位：mm），曲线1为节点3的横坐标，曲线2为节点3的纵坐标。节点3的速度曲线如下，横轴为曲柄的转角（单位：），纵轴为节点3速度（单位：mm/s），其中曲线1为节点3的水平方向速度，曲线2为节点3的垂直方向速度。节点3的加速度曲线如下，横轴为曲柄的转角（单位：），纵轴为节点3加速度（单位：mm/s2），其中曲线1为节点3的水平方向加速度，曲线2为节点3的垂直方向加速度。节点4的位移曲线如下，横轴为曲柄的转角（单