钢板翻转机结构设计-机械创新设计说明书

机械原理课程设计设计说明书设计题目；钢板翻转机结构设计设计者：专业：机械设计制造及其自动化学号：指导老师：南京农业大学工学院2012-6-201目录一、设计题目---------------------------------2二、设计目的----------------------------------2三、设计任务----------------------------------2四、具体要求----------------------------------2五、运动方案设计------------------------------2方案一-----------------------------------2方案二------------------------------------5方案三------------------------------------11六、心得体会----------------------------------162一、设计题目钢板翻转机结构设计二、设计目的1、使学生初步了解机械设计的全过程，得到根据功能需要拟定机械运动方案的训练，具备初步的机构选型、组合和确定运动方案的能力；2、以机械系统运动方案设计为切入点，把机械原理课程各章的理论和方法融会贯通起来，进一步巩固和加深学生所学的理论知识；3、使学生掌握机械运动法案涉及的内容、方法、步骤，并对动力分析与设计有一个较完整的概念；4、进一步提高学生运算、绘图以及运用计算机和技术资料的能力；5、通过编写说明书，培养学生表达、归纳、总结的能力；6、培养学生综合运用所学知识，理论联系实际，独立思考与分析问题的能力和创新能力。三、设计任务针对某种简单机器（其工艺动作比较简单），按照给定的机械总功能要求，分解功能，进行机构的选型与组合，涉及机械的运动方案；对运动方案进行对比.评价和选择，画出机构运动简图，指定机构运动循环图；对选定方案中的机构—连杆机构.凸轮机构.齿轮机构.其他常用机构和组合机构等进行运动分析和尺度综合；进行机械动力分析，设计飞轮。四、具体要求该机具有将钢板反转180°的功能，钢板翻转机的工作过程如下。当钢板T由轨道传送至左翻版W1后，W1开始顺时针方向转动。转至铅垂位置偏左10°左右时，与逆时针方向转动的右翻版W2回合。接着，W1与W2一同转至铅垂位置偏右10°左右，W1折回到水平位置。与此同时，W2顺时针方向转动到水平位置，从而完成钢板翻转任务已知条件（1）原动件由旋转式电动机驱动；（2）每分钟翻钢板10次；（3）其他尺寸已经给出；（4）许用传动角【γ】=50°五、设计方案1方案一：采取曲柄摇杆机构传动。3（1）、曲柄摇杆机构的最佳选择根据题目所给要求以及翻转机本身运动性质，翻转板相当于规定了摆角的摆杆，因此联想到曲柄摇杆机构，现列举以下几种符合设计要求的曲柄摇杆机构如图：图（1）图（2）图（3）其中B为曲柄，A为摆杆（翻转机构中为承载钢板的翻转板），现分析三种机构的可行性，以得到最优设计方案。图1虽是最简单的曲柄摇杆机构，但用它作为设计方案显然有很大的不足，首先利用这种方案，会使翻转机的结构尺寸过大，工作空间过大，结构不紧凑不便于安装。其次可操作性不强，危险性大。同样，图（2）机构结构过于复杂，且对其运动分析相对困难，机构所占整个空间过大，不便于安装。与前两者比较。图（3）结构简单，紧凑，且计算分析相对容易，显然为最佳方案。4图(4)(2）机构组成：曲柄、滑块、摆杆、机架（3）、工作原理：左侧和右侧翻板转动过程如图（5）、图（6）所示。图5图6整个过程，翻转板随着曲柄的圆周匀速转动而做变速摆动，摆动最大角度为110度，由于左右两翻板要求在0C到OE区域内要完全配合，因此两翻转板在0C时两板相遇，到时0E两板分离，分离时左侧板的速度为零，右侧仍带有相应的速度，继续顺时转动到OA’,然后又继续摆到OC(OC’)，左侧板则快速返回至OA，然后摆到OC与左侧板相遇。如此周期性地运动。(4)数据分析说明根据机械原理教材第九章“平面连杆机构及其设计”的内容，设计如图（3）的曲柄摇杆机构。通过SAM6.0软件可以绘出摆杆（翻转板）的“速度-时间”图如图（7）所示.经计算可得，因为T=6s，曲柄角速度W=60rad/s,由图像可以分析出图中的速度时间关系可以分成两段，每段函数都是轴对称图形。5图7(5)分析方案存在的缺陷：经仔细研究此方案，仍有大量不足。由于我们设计的翻转机在OC至OE这一区域内，对两板的角速度的精确程度很高且必须在同一时刻两板角速度同步，但曲柄摇杆机构有其自身的局限性，若不加其他任何结构（比如凸轮），则其摆杆的角速度不可人为地随意更改。这就导致了两板在OC至OE区域内，它们的配合很不协调。由图像可以看出速度对称，令左侧板的角速度为W1,右侧为W2。在OC至OD区域内W1W2,0D处W1=W2,0D至0E区域内W1W2，所以在两板相遇后的前10°内，两板会发生碰撞，转到0D后两板又将有分离的趋势。此结构一方面会导致机构本身的损坏，另一方面钢板可能会在这个过程掉落。所以在这段区域内该机构没有达到设计的要求。(6)解决不足经以上分析可以看出，单纯地用曲柄摇杆机构无法使两板在OC至OD区域内保持相同角速度转动即满足不了特定的运动规律。因此我们可以考虑，使左侧的结构保持不变，右侧利用内凸轮机构，来改变翻转板的角速度，使之与左侧的板在OC至OD区域内对应。具体地说明见方案二。(7)总结此方案虽然在两板运动配合上不合理，但它是后续研究方案的基础，后续方案是借鉴此方案加以创新、修改、设计而成。有很大的参考价值。2、方案二：凸轮与曲柄摇杆组合机构。6(1)机构简图图一注：1：主动件3：滑块4：左翻板5：辊道6：齿轮7：右翻板8：推杆9：滚子10：凸轮11：固定铰支座说明：6和7固定连接，8的左端通过齿条与6连接，4左右两部分的夹角为1406与11同轴，为便于读者观察，将二者错开放置(2)工作原理图二如图一，原动件1做匀速圆周运动，通过曲柄滑块带动4做往复摆动；如图二，当4的上半部分从水平线下10°的位置1转到铅垂线左10°的位置3的过程中，7在8、9、10的配合带动下从水平位置转到铅垂位置左10°的位置3，此过程4单独工作，7为空行程；4与7同时达到左配合极限时，二者以同样的角速度转过20°达到铅直位置右10°的位置4，此过程为二者的配合过程；此后，4径直返回初始位置及水平位置下10°的位置1，7托送钢板返回其初始位置及水平位置及位置5。此外，为了使7到达铅直位置右10°的位置4时的角速度与4相同，4需要提前转过一个小角度5°到达位置2，再返回，以保证7有足够时间加速到与47相同的角速度。a机构尺寸及运动参数的确定根据设计要求，机构运动周期为6s，所以，图一中两个原动件1、6的角速度为60°∕s。各杆件尺寸：如图一，1为300mm,4的上半部分为600mm，6的半径为50mm,9的半径为10mm，(3)曲柄摇杆机构运动分析：a、曲柄摇杆机构的起始运动位置，如图三：图三规定：、角在OO'上方为负值，在下方为正值。此时，由几何关系知：1=35-，-551b、曲柄摇杆机构的终止位置，如图四：图四此时，553522，AB8c、两翻板配合左极限位置，如图五：图五此时，35sinarcsin12ll（取钝角），,35sinarcsin-150123ll303d、曲柄摇杆在任意位置，如图六：图六此时，对D点处滑块进行速度分解，D的绝对速度av由滑块相对于翻板P的相对速度rv和翻板P的牵连速度ev合成，即reavvv，速度矢量三角形如图七：1l2lP9图七此时，OD的角速度就等于翻板P的角速度，即pecos2-cos2-212221212lllllll--90cos2-sin21222110plllll）（35-t，)6,0(t（4）用SAM6.0进行运动仿真根据上式可以确定翻板的角速度，经SAM仿真验证正确。其结构简图如图八：图八avevrv10翻板末端速度图像如图九：图九凸轮尺寸设计构件6、7、8的配合关系如图十：图十凸轮四个过程角度分配为：近休止角：60°，推程角：150°，远休止角：60°，回程角：90°。推程采用正弦运动规律，回程的配合过程根据p的表达式确定，其余部分采用余弦运动规律。其运动速度图如图十一：11图十一其中：a=210°，b=270°，c=300°，e=360°，1805100h0r=91.58mm应用凸轮设计的反转法，根据图十一绘出凸轮的轮廓形状。如图十二：图十二3、方案三：采取凸轮传动。（1）机构简图(实际比例中齿轮部分比凸轮部分大，此处为了突出重点设计部分凸轮的结构所以采取了此比例图示;动力输入部分未画出)12（2）机构组成主要构件包括：凸轮、齿条推杆、齿轮。实际装配时，两个凸轮机构分别位于传送带的两侧，所以不存在相互碰撞问题。（3）工作原理左侧翻板转动过程图示如下：共七个过程：①静止阶段a-a②加速阶段a-b③匀速阶段b-c④减速阶段c-d⑤加速阶段d-c⑥匀速阶段c-b⑦减速阶段b-a右侧翻板配合左侧翻板过程为：当左侧翻板运动到与竖直方向偏左夹角为40时，右侧翻板运动到与竖直方向偏左夹角为25，此时其速度为零并开始加速，方向为顺时针方向。两者同时到达与竖直方向偏左夹角为10的地方，且速度相等，并开始共同走过20的夹角，之后右侧翻板继续匀速运动，而左侧翻板减速。右侧翻板运动图如下:13共八个阶段：①静止阶段a-a②加速阶段a-b③匀速阶段b-c④减速阶段c-d⑤静止阶段d-d⑥加速阶段d-c⑦匀速阶段c-b⑧减速阶段b-a（4）数据计算说明根据机械原理教材第九章凸轮机构及其设计可知把推杆的等速运动规律在其行程两端与正弦加速度运动规律组合起来可获得性能较好的组合运动规律，本方案主要采用此种组合运动规律，此运动基本运动图如下：在图中，设两修正区段凸轮的转角分别为1和2，推杆相应的位移分别为1h和2h，由图可见，其运动曲线由三段组成，第一段为正弦加速度区段，其运动方程为（式1）），（1211211111110)/(sin)]/(cos-1[hv])/(sin-)/[(shah第二段为等速运动区段，其运动方程为（式2）)-,(0a)--/()h-h-(h)--)/(-)(h-h-(hs201210212101211vh第三段为正弦加速度减速区段，其运动方程为（式3）),-(]/)/-([sin-]/)/-([cos-/hv]]//-sin[h)/-[(-s020222022220222202202hahhh）（根据组合运动原则，要保证两段运动规律在衔接点上的运动参数的连续，令在141时，式1和式2中的v相等，可得)--)/(h-h-(h/2h2102111再令20-时，式2和式3中的v相等，可得)--)/(h-h-(h/2h2102122联解上两式可得)--/(2h)--/(2h2102221011hh所以在求解时先选定两修正段的凸轮转角1和2。由齿轮传动图可知rrs,s，式中s为齿条，即推杆的移动距离，为翻板转动的角度。左侧凸轮推杆的位移变化图如下其中只有上面介绍的正弦加速和等速运动。经代入计算和实际传动考虑得到当取1=30=2，12h21rh时满足该传动要求。此时加速阶段结束时使速度达到36]/cos-[1312)]//cos(-[1v111rrh，即匀速运动阶段速度。由于要求每分钟翻转10次，所以凸轮翻转周期为6秒。由图可知每个加速、减速阶段时间为0.5秒，每个匀速运动阶段运动的时间为1.5秒，所以匀