自动进料夹紧装置设计机械原理设计.doc

1、目录一、课程设计任务书- 1 -1.1 工作原理及工艺动作过程- 1 -1.2 设计要求- 1 -1.3 主要技术参数要求- 1 -1.4 课程设计任务要求- 1 -二、执行机构方案设计- 2 -2.1 电动机选择- 2 -2.2步进送料机构- 2 -2.2.1进料机构为齿轮齿条间歇机构- 2 -2.2.2进料机构为外啮合槽轮间歇机构- 3 -2.2.3进料机构为不完全齿轮间歇机构- 4 -2.2.4进料间歇机构的选择：- 4 -2.3 夹紧机构- 5 -2.3.1 夹紧装置为曲柄滑块机构- 5 -2.3.2 夹紧装置为凸轮滑块机构- 5 -2.4 机构总体运动简图- 6 -2.4.1 机构总

2、体结构简图- 6 -2.4.2 机构总体运动方案流程图- 7 -三、机械系统运动循环图- 8 -3.1外啮合槽轮进料机构运动循环简图- 8 -3.2对心滚子推杆凸轮夹紧装置运动循环简图- 8 -四、槽轮机构尺寸确定及运动学分析- 9 -4.1六槽轮机构主要尺寸确定- 9 -4.2六槽槽轮机构运动学分析- 11 -五、夹紧机构尺寸确定及运动学分析- 12 -5.1 夹紧装置：对心滚子推杆凸轮机构尺寸的确定- 12 -5.2 对心滚子推杆凸轮机构各参数值的程序编写及图像- 14 -六、轮系尺寸确定- 19 -6.1轮系尺寸确定- 19 -6.2轮系中轮r3尺寸确定- 20 -七、课程设计总结- 2

3、1 -7.1方案设计小结- 21 -7.2运动结果分析和问题分析- 21 -7.3课程设计感想- 22 -八、参考文献- 22 -附录：solidworks仿真动画- 23 - 23 -一、课程设计任务书1.1 工作原理及工艺动作过程 设计某自动机的自动进料夹紧装置。自动机为完成冲压工作需要自动单向步进进料，料被送到工位后需要自动夹紧。夹紧后机器进行冲压工作，冲压一次时间约为3s（其中0.5停留）。料可放在托架上，随托架在导轨上间隙移动。 1.2 设计要求 1、进料机构、夹紧机构的动作与冲压工作时间配合协调。 2、送料机构进行自动单向步进进料，要求步进距离准确和送料平稳。3、由于料尺寸较大，要

4、考虑整个机构的刚度和运动的平稳性。1.3 主要技术参数要求1、 每分钟步进次数为10次； 2、 步进距离为900 mm； 3、 料及托架的重量约为30 kg。1.4 课程设计任务要求1、根据各执行件的动作要求及其工作时间拟定运动循环图；2、进行执行机构即进料机构、夹紧机构的选型；3、机械运动方案的评价和确定，并进行执行机构运动学尺寸计算和必要的运动分析；4、按选定的电机和执行机构的运动参数拟定机械传动方案，进行传动机构运动学尺寸计算；5、画出机械运动方案简图； 6、编制设计说明书；7、进一步工作：执行机构的动画演示等。二、执行机构方案设计2.1 电动机选择选用6极电机为1000r/min，机构

5、的运动周期为6s,故要求设计的轮系的减速比为100。2.2步进送料机构送料机构进行自动单向步进进料且随着托架在导轨上进行间歇运动，故采用间歇机构。2.2.1进料机构为齿轮齿条间歇机构在初定执行机构方案时，我们所选的间歇运动执行机构为不完全齿轮和齿条机构，其简图如图 图2.2.1：齿轮齿条机构其中齿轮齿条传动有以下优点： 1、传递动力大扭矩高的特点。齿轮传动用来传递任意两轴间的运动和动力，其圆周速度可达到300m/s，传递功率可达105KW，直径可从不到1mm到150m以上。2、使用寿命长，工作平稳，能保证恒定的传动比，能传递任意夹角两轴间的运动。可行性分析：考虑到工件是通过传送带传动，无法实现

6、有效简捷的安装，安装进度要求较高；此外，齿轮齿条传动过程中会存在齿的磨损现象，在多次重复自动进料过程中会产生误差，难以达到较高的精度要求，故放弃齿轮齿条机构。2.2.2进料机构为外啮合槽轮间歇机构图2.2.2 外槽轮机构简图槽轮机构的结构简单，外形尺寸小，机械效率高，并能能平稳的、间歇的进行转位。外槽轮机构在圆销开始进入和退出径向槽时，角加速度有突变，故在此两瞬间有柔性冲击。而且槽轮的槽数z越大，柔性冲击越小。因而标志间歇运动特性的各参数，如主动拨盘每转一周槽轮停歇的次数、槽轮每转一周停歇的次数、每次运动转过的角度、槽轮每次运动停歇的时间长短等，允许调整的幅度较之其他机构大得多，故设计较为灵活

7、。2.2.3进料机构为不完全齿轮间歇机构图2.2.3 外槽轮机构简图不完全齿轮设计原理：在主动齿轮只做出一个或几个齿，根据运动时间3s和停歇时间0.5s的要求在从动轮上作出与主动轮相啮合的轮齿。其余部分为锁止圆弧。当两轮齿进入啮合时，与齿轮传动一样，无齿部分由锁止圆弧定位使从动轮静止。 特点以及可行性分析：不完全齿轮机构结构简单、制造容易、工作可靠，从动轮运动时间和静止时间可在较大范围内变化。但是从动轮在开始进入啮合与脱离啮合时有较大冲击，齿轮易受磨损故一般只用于低速，轻载场合。有标志间歇运动特性的各参数，如主动轮每转一周从动轮停歇的次数、从动轮每转一周停歇的次数、每次运动转过的角度、每次停歇

8、的时间长短等，调整的幅度多样，故设计比较灵活。2.2.4进料间歇机构的选择：有上述分析可知，间歇机构在后面两种方案中选择，经过对机构的时间配合问题的计算，得出只有六槽外槽轮机构的间歇运动的时间与自动夹紧机构的运动时间相配合，时间上调整幅度比较大，因此采用该槽轮机构。2.3 夹紧机构2.3.1 夹紧装置为曲柄滑块机构（如图2.3.1所示）图2.3.1 曲柄滑块机构 2.3.2 夹紧装置为凸轮滑块机构（如图2.3.2所示）图2.3.2 凸轮滑块机构机构可行性分析：方案一（图2.3.1）：通过电动机带动涡轮蜗杆运动，从而利用涡轮带动曲柄滑块机构运动实现对工件的夹紧。这样，整个机构结构简单并易于实现，

9、但是机构不够紧促，且传动不够精确。方案二（图2.3.2）：利用盘形沟槽状凸轮实现对工件的夹紧，与进料机构的往复运动相对应。此机构利用凸轮上的凹槽与置于槽中的推杆上的滚子使凸轮与推杆接触。与上一设计机构相比，此机构对工件的压力更大，机构结构更合理，实现滑块的直线传动。因此正式设计方案选用此机构。2.4 机构总体运动简图2.4.1 机构总体结构简图图2.4.1 机构总体简图2.4.2 机构总体运动方案流程图图2.4.2 机构总体运动方案流程图开始电动机运动（原动件，运动输出）齿轮系统（传动、变速）进料机构（外啮合槽轮间歇机构）冲压3s（0.5s停留）进料2s夹紧1s夹紧机构（对心滚子推杆凸轮机构）

10、回程（回程角60）近休止（近休止角60）远休止（远休止角180）升程（升程角60）锥齿传动传送带三、机械系统运动循环图3.1外啮合槽轮进料机构运动循环简图由题目要求，料随传送带做步进运动，由于每分钟步进十次，所以每6秒完成一次步进并冲压。由题目要求，冲压用时为3秒，故步进900mm就只用时3秒。由以上要求，可做得外啮合槽轮进料机构运动循环简图如下：图3.1 外啮合槽轮进料机构运动循环简图进料装置（外啮合槽轮机构）进料2s工件夹紧1s 冲压 3s3.2对心滚子推杆凸轮夹紧装置运动循环简图 夹紧装置与进料机构相配合，故按照进料装置的进料、压紧及冲压时间可确定凸轮机构的各行程夹角。由此做出对心滚子推

11、杆凸轮夹紧机构的运动循环简图如下：图3.2 对心滚子推杆凸轮夹紧装置运动循环简图夹紧装置（对心滚子推杆凸轮机构）回程（进料状态）60近休止（进料状态）60升程（进行夹紧）60远休止（冲压状态）180四、槽轮机构尺寸确定及运动学分析4.1六槽轮机构主要尺寸确定由题意有其中每分钟步进次数为10次，则每次步进花费时间为6s即周期T=6s，其中槽轮机构充当进料间歇机构，且运动时间为2s则间歇时间为4s，动停比为1:2。槽轮机构的动停比k： k=(m(z-2)/(2z-m(z-2) 则可以确定m=1，z=6,其中m是圆销数，z为槽数。槽轮每循环运动时间：t1 = (z-2)/z 30/n1 其中n1为主

12、动拨盘转速 由上式解出n1=10，主动拨盘角速度1=2/T =1.047rad/s附槽轮其他主要参数：槽轮槽间角：2=2/z=2*180/6=60拨盘运动角：2=-2=120取中心距L=100mm，拨盘上圆销半径Rt=4mm圆销中心轨迹半径R=Lsin=100*sin30=50mm槽轮外径s= Lcos=100*cos30=86.60mm轮槽深度h有h s-(L-R-Rt)=40.6 取h=42mmd12(L-s)=26.8 mm d1=26 mmd22(L-R-Rt)=92 mm d2=86 mm槽轮轮叶齿顶厚度b=4mm 则锁止弧的半径Ro=R-b-Rt=42mm圆销中心轨迹半径R1与中心

13、距C的比 ： =R/C=sin( /z)=0.5由上述分析可得槽轮机构简图如下其中L=100mm，s=86.6mm，R=50mm，Rt=b=4mm，h=42mm， =30，=60槽轮间歇机构运动简图槽轮间歇机构配合SolidWorks仿真4.2六槽槽轮机构运动学分析有上述尺寸可得到以下关系Rsin=rxsinRcos+rxcos=L 消去rx并令R/L=得到tan=tan/(1-cos) 将上式对时间t求导有 令d/dt=2 ；2=(d)2/（dt)2可得2/1=(cos-)/(1-2cos+2) 2/(1)2=(2-1)sin/(1-2cos+2)2令x=，y=2/1,z=2/(1)2附MA

14、TLAB程序（角速度之比）：x=-1.5:1.5; %x单位为弧度y=0.5*(cos(x)-0.5)/(1-cos(x)+0.25); %外槽轮机构角速度与主动拨盘角速度之比plot(x,y) %输出图像槽轮机构中槽轮角速度与主动拨盘的角速度的比值随拨盘转角变化曲线如下图4.2 2/1随变化曲线图附MATLAB程序（角加速度与角速平方之比）：x=-1.5:1.5; %x的单位为弧度 z=-0.375*sin(x) /(1-cos(x)+0.25); %槽轮角加速度与主动拨盘角速度的平方的比值plot(x,z) 槽轮角加速度与主动拨盘角速度的平方的比值随主动拨盘转角变化的规律如下：图4.32/

15、（1）2随变化曲线图五、夹紧机构尺寸确定及运动学分析5.1 夹紧装置：对心滚子推杆凸轮机构尺寸的确定 5.1.1运动规律的确定：运动规律最大速度Vmax( hw/0)最大加速度amax(h w/0)最大跃jmax( hw/ 0)适用场合等速运动 1.00低速轻载等加速等减速 2.004.00中速轻载余弦加速度 1.574.93中低速重载正弦加速度 2.006.2839.5中高速轻载五次多项式 1.885.7760.0高速中速 由于夹紧装置为低速轻载，故按上表可知该凸轮机构应符合等速运动规律。5.1.2求理论廓线方程初步设计：凸轮的基圆半径为100mm，滚子半径为10mm。h=30mm。各行程角

16、度设计：由于自动进料装置的进料时间为2s，夹紧时间为1s，冲压时间为3s，故由此确定凸轮夹紧装置的回程及近休止时间为2s，推程时间为1s，远休止时间为3s，以此确定回程角为/3,近休止角为/3，升程角为/3，远休止角为。其中对心摆动滚子推杆盘形凸轮机构的理论廓线的坐标可表示为 x=(r0+s)sin y=(r0+s)cos 1）、推程阶段： s1=h 1/ 0 v=hw / 0 1 =0,/3；（0为升程角 ）2）、远休止阶段：s2=h v=0 2 =0,;3）、回程阶段： s3=h（1-1/0） v=-hw/0 3 =0,/3;（0为回程角） 4）、近休止阶段： s4=0 v=0 4 =0,

17、 /3;5）、推程段和回程段的压力角：= arctan|(ds/ d )/(r0+s)|取计算间隔为1，将以上各相应值带入坐标计算式计算理论轮廓线上各点的坐标值，在计算时应注意：在推程阶段 0=1，在回程阶段 0=1+2+3。5.1.3求工作廓线方程并确定凸轮轮廓（matlab程序设计） x=x-rcos y=y-r sin 其中： sin= (dx/d)/(dx/d)+(dy/d) cos=-(dy/d)/(dx/d)+(dy/d)5.2 对心滚子推杆凸轮机构各参数值的程序编写及图像根据以上凸轮实际轮廓线方程，编写绘制凸轮轮廓曲线的程序如下：5.2.1 凸轮夹紧机构位移图像编程：附MATLA

18、B源程序h=30;w=2*pi/3;theta1=pi/3;theta2=240*pi/180;theta3=300*pi/180;theta4=2*pi;j1=linspace(0,theta1,60);s1=h*j1/theta1;j2=linspace(theta1,theta2,180);s2=h;j3=linspace(theta2,theta3,60);s3=h-h*(j3-theta2)/(theta3-theta2);j4=linspace(theta3,theta4,60);s4=0;plot(j1,s1,j2,s2,j3,s3)grid on其图像如图5.2.1所示图5.2

19、.1 凸轮位移图像5.2.2凸轮夹紧机构速度图像编程：附MATLAB源程序h=30;w=2*pi/3;theta1=pi/3;theta2=240*pi/180;theta3=300*pi/180;theta4=2*pi;j1=linspace(0,theta1,60);v1=h*w/theta1;j2=linspace(theta1,theta2,180);v2=0;j3=linspace(theta2,theta3,60);v3=-h*w/(theta3-theta2);j4=linspace(theta3,theta4,60);v4=0;plot(j1,v1,r,j2,v2,r,j3,v

20、3,r) 其图像如图5.2.2所示图5.2.2 凸轮速度图像由程序图像可知，v1=60.000，v2=v3=0，v4=-60.0005.2.3凸轮轮廓图像编程：附MATLAB源程序 h=30;w=2*pi/3;theta1=pi/3;theta2=240*pi/180; theta3=300*pi/180;theta4=2*pi;j1=linspace(0,theta1,60);s1=h*j1/theta1;j2=linspace(theta1,theta2,180);s2=h;j3=linspace(theta2,theta3,60);s3=h-h*(j3-theta2)/(theta3-t

21、heta2);j4=linspace(theta3,theta4,60);s4=0;plot(j1,s1,j2,s2,j3,s3)grid onj1=linspace(0,theta1,60);v1=h*w/theta1;j2=linspace(theta1,theta2,180);v2=0;j3=linspace(theta2,theta3,60);v3=-h*w/(theta3-theta2);j4=linspace(theta3,theta4,60);v4=0;plot(j1,v1,j2,v2,j3,v3)grid onr0=70;x1=(r0+s1).*sin(j1);y1=(r0+s

22、1).*cos(j1);x2=(r0+s2).*sin(j2);y2=(r0+s2).*cos(j2);x3=(r0+s3).*sin(j3);y3=(r0+s3).*cos(j3);x4=(r0+s4).*sin(j4);y4=(r0+s4).*cos(j4);plot(x1,y1,x2,y2,x3,y3,x4,y4)grid ontitle(凸轮轮廓)其图像如图5.2.3所示图5.2.3 凸轮轮廓图5.2.4凸轮机构的压力角验算 压力角验算公式为：= arctan|(ds/ d )/(r0+s)|计算时将圆心角分为360份，计算间隔为1，在计算每间隔1取一个点并求出对应的压力角。应注意：在

23、推程阶段 0=1，在回程阶段 0=1+2+3。凸轮压力角验算编程：附MATLAB源程序h=30;w=2*pi/3;r0=70;theta1=pi/3;theta2=240*pi/180;theta3=300*pi/180;theta4=2*pi;%推程阶段：m1=linspace(0,theta1,60);s1=h*m1/theta1;v1=h*w/theta1;a1=atan(v1./(w*(r0+s1);%远休止阶段：m2=linspace(theta1,theta2,180);s2=h;v2=0;a2=0;%回程阶段：m3=linspace(theta2,theta3,60);s3=h-

24、h*(m3-theta2)/(theta3-theta2);v3=-h*w/(theta3-theta2);a3=atan(v3./(w*(r0+s3);%近休止阶段：m4=linspace(theta3,theta4,60);s4=0;v4=0;a4=0;plot(m1,a1,r,m2,a2,r,m3,a3,r,m4,a4,r)grid ontitle(夹紧凸轮推杆压力角图)其图像如图5.2.4所示图5.2.4 凸轮机构压力角验算图凸轮部分压力角真值表由编程结果可知，凸轮的最大压力角为：0.3885/*180=22.259 而制动推杆的压力角许用值为30，满足设计要求。六、轮系尺寸确定6.1

25、轮系尺寸确定行星轮系尺寸确定：已知电机转速为nH =1000r/min 7=1=1.05rad/s即槽轮机构和凸轮机构在时间上同步的。4=1.86 rad/s i4H=1-z8z9/z4z8=n4/nHn4=17.5 r/min=n4 z8z9/z4z8=39/40 i4H=1-39/40=1/40取z8=20 z4=20 z9=39 z8=40 m8=m4=m9=m8=4 mm即 d8=80 mm d4=80 mm d9=156 mm d8=160 mm其他传动轮系尺寸的确定：z3=20 z2=120 m3=m2=2 mm 得d3=60 mm d2=240 mm a32=150 mm1=1=

26、1.05 rad/s 取m5=m6=4 mmz5=z6=20 计算得d5=d6=80 mmi41=4/1=z1/z4 i45=4/5=z5/z4 其中z1/z5=35/26取z1=35 z5=26 m1=m4=m5=4 mm d1=140 mm d5=104 mm取z4=20 d4=80 mm 4=1.86 rad/s6.2轮系中轮r3尺寸确定t的范围是0td时有，的范围是12时有s=vLdt vL=r3*3=r3*3i23=1/6=2/3 vL=62r3s=63r3dt=6r3 2/1d 由此可以求出r3.r3的计算（附MATLAB源程序） a=-pi/3:pi/360:pi/3; y1=2

27、*cos(a)-1./5-4*cos(a); z=cumsum(y1)*pi/360; plot(a,y1,-r,a,z,-g)当a=pi/3时，z=1.05,可求得r3=143 mm.轮r3变化规律图如图6.1：程序中a表示主动拨盘的转角，y1表示轮角速度与主动拨盘的角速度的比值，Z表示槽轮角速度与主动拨盘的角速度的比值对主动拨盘的转角的积分函数。红线表示槽轮角速度与主动拨盘的角速度的比值随主动拨盘的转角变化的规律；绿线表示槽轮角速度与主动拨盘的角速度的比值对主动拨盘的转角的积分曲线。七、课程设计总结 7.1方案设计小结 在整个系统运用到了对心滚子推杆盘形凸轮机、槽轮机构等常用机构，完成了从

28、零件的自动步进进料，最后夹紧的功能。 齿轮传动部分：该装置选用1000r/s的交流电动机，利用齿轮进行两级减速，将主轴的转速降到20r/s，减速比为50。自动进料机构部分：通过齿轮系的减速，主动拨盘的转速为20r/s，通过主轴拨盘带动槽轮机构进行间歇运动，进而由槽轮机构的间歇移动带动传送带的运动，实现自动步进进料。夹紧和定位部分：同样利用两个锥齿轮实现和电机之间的传动比，对心滚子推杆盘形凸轮机构实现同步加紧和定位，即升程、远休止、返程、近休止步调一致。7.2运动结果分析和问题分析我们在设计时做了时间上的分配，送料2秒，夹紧1秒，冲压3秒（停留0.5s）。送料完成后（计时为0），凸轮推程开始，0

29、.75秒时，冲压开始，推杆进入远休止区，3.25秒时，冲压下降完毕，压头上升，凸轮回程（冲压继续停留0.5秒），0.75秒此时已过，4秒，回程完毕，凸轮进入近休止区，履带开始送料，经过2秒，送料完成，此时凸轮近休止过程完毕，推程开始，进入下一个循环。合理配置槽轮机构和凸轮机构的初相位（根据具体情况而定），还应该设置一些时间补偿点。运动过程并不是绝对精准，有一定的误差存在，参照上述2/1和2/（1）2的运动规律，选适合的拨盘初始转角，推荐（-4545），此时运动最为平稳。由于凸轮均采用直动推杆，定位装置的推杆是横向放置，该设计中没有考虑到摩擦的影响；另外每个部分（齿轮系、送料、夹紧和定位）都是分

30、开设计，各个部件之间的配合并非很完善。自动进料机构采用的是槽轮机构，由于槽轮机构运动过程中存在柔性冲击，故而在使用过程中，槽轮机构容易磨损受损害，故而存在缺陷和不足。7.3课程设计感想 当我们拿到此次设计课题时，我们曾有很多想法，而且似乎都行得通。然而，当我们进行理论分析时，却发现有很多地方是很难实现的。这让我们明白机械设计绝不同于艺术设计，它需要很严格的理论依据和严密的推算、分析。另外，课程设计涉及到很多课程的知识，理论力学、机械原理等课程以及CAD、MATLAB以及SolidWorks软件的使用等。 此次课程设计，融汇了本学期所学的机械原理这门课程的知识并将其综合运用到实际中，此外对于机械

31、设计也有了初步的认识。这次课程设计，我们虽然感觉很累，但在这整个过程中，我们在实践中摸索成长，同时也更加清晰地认识到只有认真地掌握好理论知识，在实际应用才能够得心应手。更重要的是，此次课程设计然我们明白，机械博大精深，想要在这个行业有所成就，我们还需更加努力，任重而道远。通过这段时间的机械原理课程设计，我们感觉受益匪浅，不仅在学问方面有所提高，而且在动手能力方面更得到了提高。我们这次设计的题目是：自动进料夹紧装置。主要是确定机械传动的方案，通过减速机构到槽轮机构带动传送带间歇运动，实现料的间歇步进（步进距离为900mm）；同时减速机构还带动凸轮机构的运动，凸轮机构的运动实现夹紧与放松，从而使冲

32、压机构在工作台上进行对料的冲压，可以很好地使进料、夹紧和冲压三者良好配合。作为初次接触设计的我们，可能对如何良好的配合在一起研究的并不是很完美，但我们对未来的设计充满了信心。不仅帮助我们理解理论知识，更重要的是让我们学会用理论知识解决实际问题，帮助我们把理论知识转化成一种能力，让我们更容易解决问题。我们觉得我们在此次课程设计中，得到了很大的锻炼：1.巩固理论知识，并应用于解决实际工程问题，能把理论知识与实际结合起来；2.建立机械传动系统方案设计、机构设计与分析概念；3.进行计算、绘图、正确应用设计资料、手册、标准和规范以及使用经验数据的能力训练。八、参考文献【1】 曾小慧 王玉丹 路桂英 机械

33、原理课程设计指导书 【2】 孙桓 陈作模 葛文杰 机械原理（第七版） 高等教育出版社，2006（12）【3】 曲秀全.基于MATLAB/Simulink平面连杆机构的动态仿真.黑龙江：哈尔滨工业大学出版社，2007【4】 高会生，李新叶，胡志奇译.MATLAB原理与工程应用.2版.北京：电子工业出版社，2006【5】 贺超英.MATLAB应用与实验教程.北京：电子工业出版社，2010【6】 王宏.MATLAB7.0及其在信号处理中的应用.北京：清华大学出版社，2004【7】 李团结，贾建援，胡雪梅.机械工程中两类非线性方程组的完全解.西安电子科技大学学报（自然科学版）2005年2月，第32卷，第1期【8】 董长虹，余海啸.MATLAB接口技术与应用.北京：国防工业出版社，2004【9】 周品，何正风.MATLAB数值分析.北京：机械工业出版社，2009【10】 李瑞琴，乔峰丽.机械原理课程设计.北京：电子工业出版社，2010【11】 戴娟.机械原理课程设计指导书.北京：高等教育出版社，2011附录：solidworks仿真动画