机械原理课程设计_——步进输送机.doc

1、步进输送机设计计算说明书姓 名：学 号：20091370班 级：车辆七班指导老师：何朝明2012 年 6 月1第 1 章 问题的提出 21.1 引言 .21.2 设计简介 31.2.1 国内外步进机发展史 .31.2.2 工作原理 .7第 2 章 设计要求与设计数据 82.1 设计要求 82.2 性能数据要求 82.3 设计用途 9第 3 章 设计方案 93.1 设计方案 1.93.2 设计方案 2.9第 4 章 机构尺度综合 104.1 尺寸的得出 .104.2 机构尺寸计算结果 .10第 5 章 机构运动分析 115.1 步进输送机运动学方程 .115.1.1 步行输送机初始状态 12求解

2、方程组，以求得 BP 和 CP 的长度值。 135.1.2 步行输送机平动过程 .145.2 运动学分析结果 .19第 6 章 机构动力分析 206.1 步行输送机的动力学分析 206.1.1 步行输送机的动力学方程 .206.1.2 步行输送机的动力学仿真图 .216.2 动力学分析结果 24第 7 章 结论 267.1 方案特点 .267.2 设计方法特点 .26第 8 章 收获与体会 28第 9 章 致谢 292第 1 章 问题的提出1.1 引言输 送 机 是 在 一 定 的 线 路 上 连 续 输 送 物 料 的 物 料 搬 运 机 械 ， 又 称 连 续 输 送机 。 输 送 机 可

3、 进 行 水 平 、 倾 斜 和 垂 直 输 送 ， 也 可 组 成 空 间 输 送 线 路 ， 输 送 线路 一 般 是 固 定 的 。 输 送 机 输 送 能 力 大 ， 运 距 长 ， 还 可 在 输 送 过 程 中 同 时 完 成若 干 工 艺 操 作 ， 所 以 应 用 十 分 广 泛 。 在 现 代 的 工 业 生 产 中 ， 随 处 可 见 输 送机 的 身 影 。 应 用 它 ， 可 以 将 物 料 在 一 定 的 输 送 线 上 ， 从 最 初 的 供 料 点 到 最 终的 卸 料 点 间 形 成 一 种 物 料 的 输 送 流 程 。 它 既 可 以 进 行 碎 散 物 料

4、 的 输 送 ， 也 可以 进 行 成 件 物 品 的 输 送 。 除 进 行 纯 粹 的 物 料 输 送 外 ， 还 可 以 与 各 工 业 企 业 生产 流 程 中 的 工 艺 过 程 的 要 求 相 配 合 ， 形 成 有 节 奏 的 流 水 作 业 运 输 线 。 所 以 输送 设 备 广 泛 应 用 于 现 代 化 的 各 种 工 业 企 业 中 。31.2 设计简介1.2.1 国内外步进机发展史在 我 国 古 代 ， 作 为 灌 溉 的 高 转 筒 车 和 提 水 的 翻 车 ， 是 现 代 斗 式 提 升 机 和刮 板 输 送 机 的 雏 形 ；在 17 世 纪 中 ， 开 始

5、应 用 架 空 索 道 输 送 散 状 物 料 ；419 世 纪 中 叶 ， 各 种 现 代 结 构 的 输 送 机 相 继 出 现 。 1868 年 ， 在 英 国 出 现了 带 式 输 送 机 ；51887 年 ， 在 美 国 出 现 了 螺 旋 输 送 机 ；1905 年 ， 在 瑞 士 出 现 了 钢 带 式 输 送 机 ；1906 年 ， 在 英 国 和 德 国 出 现 了 惯 性 输 送 机 。6此 后 ， 输 送 机 受 到 机 械 制 造 、 电 机 、 化 工 和 冶 金 工 业 技 术 进 步 的 影 响 ，不 断 完 善 ， 逐 步 由 完 成 车 间 内 部 的 输 送

6、 ， 发 展 到 完 成 在 企 业 内 部 、 企 业 之 间甚 至 城 市 之 间 的 物 料 搬 运 ， 成 为 物 料 搬 运 系 统 机 械 化 和 自 动 化 不 可 缺 少 的 组成 部 分 。1.2.2 工作原理步进输送机是一种能间歇地输送工件，并使其间距始终保持稳定步长的传送机械。工件经过隔断板从料轮滑落到辊道上，隔断板作间歇往复直线运动，工件按一定的时间间隔向下滑落。输送滑架作往复直线运动，工作行程时，滑架上位于最左侧的推爪推动始点位置工件向前移动一个步长，当滑架返回时，始点位置又从料轮接受了一个新工件。由于推爪下装有压力弹簧，推爪返回时得以从工7件底面滑过，工件保持不动。

7、当滑架再次向前推进时，该推爪早已复位并推动新工件前移，与此同时，该推爪前方的推爪也推动前工位的工件一齐向前再移动一个步长。如此周而复始，实现工件的步进式传输。显而易见，隔断板的插断运动必须与工件的移动协调，在时间和空间上相匹配。8第 2 章 设计要求与设计数据2.1 设计要求加工过程要求若干个相同的被输送的工件间隔相等的距离 a=300mm，在导轨上向左依次间歇移动，即每个零件耗时 T1 移动距离 a 后间歇时间 T2，又耗时时间 T1 移动距离 a 后间歇时间 T2考虑到动停时间之比 K=T1/T2 之值比较特殊，受力较大，以及耐用性、成本、维修方便等因素，不宜采用槽轮、凸轮等高副机构直接实

8、现上述要求，而应利用平面连杆机构轨迹曲线。2.2 性能数据要求图 2-1 步进输送机模型图根据上述所说的功能确定机械设计尺寸及要求如下：1） 输送平台距离地面的高度为 80cm。2） 输送架上任一点的运动轨迹近似为虚线所示闭合曲线。.3） 单次输送距离在 300mm 左右。4） 输送架在一定范围内保持平动。5） 轨迹曲线的 CDE 段的最高点低于直线段 AB 的距离至少为 50mm。2.3 设计用途可以进行产品生产线上的产品步进输送，而且步进输送有一段停顿的时间，在这段时间内，可以对产品进行加工处理。同时，步进输送运动平稳，动作一般不会太快，方便精密工件的加工生产。此种步进输送机，采用挡板推动

9、，能产生较大的作用力，所以能适应不同重量的工件输送。可靠，稳定9第 3 章 设计方案3.1 设计方案 1方案一采用凸轮机构做为原动件，并通过采用局部自由度来减少构件之间的摩擦，能够实现并适应复杂的工作要求与条件，但是凸轮制造费用高，承载能力有限，不可避免的会受到一些冲击。3.2 设计方案 2方案（2）：该方案完全采用连杆机构，运动连续，平稳。由于构件大部分是连杆，成本较低且维护，检修都较为简单。该机构只有一个自由度，运动易于控制。缺点是机构的零件较多，较为复杂。10图 3-2 步进输送机设计方案 2通过两个方案的比较分析，选择方案（2）较好，比较适合设计要求。所以选择方案（2）作为设计方案。1

10、1第 4 章 机构尺度综合4.1 尺寸的得出根据设计要求，相同的被输送工件间隔相等的距离为 300mm，轨迹曲线的CDE 段的最高点低于直线段 AB 的距离至少为 50mm，以免零件停歇时受到输送架的不应有的回碰。4.2 机构尺寸计算结果图 4-1 输送机机构示意图采用作图法求尺寸，如图，一点 A 为坐标（0,0）得坐标如下图：12对于 AB 的长度有式子： abbablyx22)-()-(对于 BC 杠有： 2)-xccbly（对于 CE 杠有： 2ce)-e（）（对于 CD 杠有： 2()-cddclyx（对于 BD 杠有： 2)-bb（设 AB 的转速为 w,则 B 点的运动轨迹为 ，w

11、tlxabBcoswtlyabBcos由机架的尺度限制和尺寸限制，取 AB 长度为 170mm ,根据运动要求和规律，我们知道 AB 杠要实现完整的圆转动，也就是说 AB杠为曲柄，于是有 。于是根据运动规律我们暂时取 BC=400，则cebaebll由不等式，可知，EC=400再根据运动规律，点在最高点时要实现平动一段距离，以将运输物品传送，对于 D 的运动有 ， ，对于其加速度也要考虑，有dtxDVdtyD，在 y 轴方向有 ，于是结合 AB 与 BC 以及 EC 长度，dtxx2at2ya我们可知 BD=518终上所述，对各个值取定后在 soidworks 上做图模拟，最终对数据进行修正后

12、实现了要求的运动，得到数据如下：底板架的高度为700mm 底板的长度为1800mm底板的宽度为400mm 杆 AB 的长度为170mm杆 BD 的长度为518mm 杆 CE 的长度为400mm杆 CD 的长度为280mm 铰链点距离 O 点的长度为334mm电机主轴距离 O 点的距离为165mm BC=400MM铰链点 E 与 E1 之间的距离为791mm点 D 与 D1 间的距离为791mm 点 C1 与 D1 之间的距离为279.5mm13第 5 章 机构运动分析5.1 步进输送机运动学方程根据对步进输送机结构的设计要求，对机构的尺寸进行分析，计算。机构的运动只要分为两个阶段，第一阶段是输

13、送机的平动阶段，即输送机的工作阶段，此时输送机的挡板推动工件向左移动。第二阶段是输送机的向下回转曲线运动阶段，此阶段输送机挡板向下运动同时慢慢向后移动，最后再次回到原运动平面，准备开始第二次的重复运动。图 5-1 步进输送机运动分析简图5.1.1 步行输送机初始状态14图 5-3 输送机运动分析图设 A 点坐标为(0,-182),D 点的坐标为（350，0） ，AB 长为 182，BC 长为364，CD 的长为 420.设 P 点坐标为 ，B 点坐标为,pxy,bxy则 B 点的轨迹为 cosinbxAy（5-1）另设 C 点坐标为 则： C ,cxy22cbcbdxyBD,cxy（5-2）由

14、设计要求得，在一段进程中，P 点做直线运动，则在这段时间内：py22bpbpccxyBPC（5-3）通过 CAD 绘制结构零件图，可知当 = 时， 。,63py在此情况下， 1232,9.5,.,4.58BB15则 的中垂线方程为：12,BC22211112 22ccppxkxbyxkxby（5-4）分析可得图 5-3 中中心圆的转角，应同图 5-2 中 的中垂线的夹角12,BC相等。即 12 arctnarctnkk（5-5）；121,bcbckk12 ,ppyykkxx求解方程组，以求得 BP 和 CP 的长度值。5.1.2 步行输送机平动过程图 5-4 结构示意图16图 5-4 所示，各

15、标注点为机构设计中的个铰链点。其中杆 AB 为绕 A 点旋转的驱动件。A,E，E1 点固结在机架上， D,D1 点连接挡板。设个点的坐标分别为： 。同时设 AB 的角速度为 ，,ABCDExyxyxy、 、 、 、 B角加速度 ，为 为杆件与水平面的夹角，各杆件的长度分1ABC别为： ， 为初始角。1,ABCEBDClllA根据杆件的运动列出 B 点的运动方程：cosinBAABBxly（5-6）其中， 已知，初始角 ，杆长 已知，所以，可以求出 B 点的坐,AxABABl标。对式 5-6 分别进行一次，二次求导，可得到 B 点的速度和加速度方程。sincoBxABAByvl(5-7)21ss

16、inincoBxABABAByall（5-8）dongtai:weizhiA (度 )35.8544934885.85449348135.8544935185.8544935235.8544935285.8544935335.8544935385.8544935435.8544935485.85449350 5 10 15 20 25时 间 (秒 )测量图 5-5 点 B 的位置导出图17dongtai:suduB (deg/sec)10.1640501715.1640501720.1640501725.1640501730.1640501735.1640501740.164050170 5

17、10 15 20 25时 间 (秒 )测量图 5-6 点 B 的速度导出图dongtai:jiasuduB (deg/sec2)-5.314999046-3.314999046-1.3149990460.6850009542.6850009544.6850009546.6850009548.68500095410.685000950 5 10 15 20 25时 间 (秒 )测量图 5-7 点 B 的加速度导出图5-7 和 5-8 式中只有速度和加速度是未知数，可以求出。同理，可以列出C,D,E 点的位置，速度，加速度方程：cosinCBCBCxly（5-9）18cosinDBDBDxly（5

18、-10 ）22ECECECDDDxyl（5-11 ）sincoCxBCBCyvl(5-12)2 2cossinincoCxBCBCBCyal l（5-13 ）dongtai:weizhiC (度 )32.177107742.177107752.177107762.177107772.177107782.177107792.1771077102.17710770 5 10 15 20 25时 间 (秒 )测量图 5-8 点 C 的位置导出图19dongtai:suduC (deg/sec)-9.839501135-4.8395011350.1604988655.16049886510.16049

19、88715.1604988720.160498870 5 10 15 20 25时 间 (秒 )测量图 5-9 点 C 的速度导出图dongtai:jiasuduC (deg/sec2)-5.340415285-3.340415285-1.3404152850.6595847152.6595847154.6595847156.6595847158.65958471510.659584720 5 10 15 20 25时 间 (秒 )测量图 5-10 点 C 的加速度导出图20dongtai:weizhiD (度 )137.2662209137.2662209137.2662209137.266

20、2209137.2662209137.2662209137.2662209137.26622090 5 10 15 20 25时 间 (秒 )测量图 5-11 点 D 的位置导出图sincoDxBDBy Dvl(5-14)2 3cossinincoDxBDBDBDyal l（5-15 ）dongtai:suduD (deg/sec)-9.839501135-4.8395011350.1604988655.16049886510.1604988715.1604988720.160498870 5 10 15 20 25时 间 (秒 )测量21图 5-12 点 D 的速度导出图dongtai:ji

21、asuduD (deg/sec2)-5.340415285-3.340415285-1.3404152850.6595847152.6595847154.6595847156.6595847158.65958471510.659584720 5 10 15 20 25时 间 (秒 )测量图 5-13 点 D 的加速度导出图5.2 运动学分析结果B1，C1,D1,E1 点的速度，加速度与点 B，C,D,E 点对应相等，所以不再计算。挡板机构先进行 300mm 左右的平动，然后下行，同时逐步后退，再上升到原平面，这样完成一次周期运动。整个运动过程，AB 杆绕 A 点运动，作为驱动，BCD 构成的三

22、角形杆组在 A，E 的制约下运动，使得 D 点在一个运动周期内有一段时间做直线运动。从 soildworks 的仿真可以看出，该机构运动平稳，速度变化也较平缓，可以满足各种设计要求。22第 6 章 机构动力分析6.1 步行输送机的动力学分析对该机构进行动力学分析，根据动力学分析简图以及各杆件的受力情况列出动力学方程，用 soildworks 软件进行模拟仿真，检测机构在运动过程中的受力情况，看这个机构是否正确。该机构的传动角主要考察各个连杆之间的传动角是否瞒住要求，如果传动角太小的话，传动效率会降低很多。如果所有的传动角都满足传动角的要求，才能稳定工作。6.1.1 步行输送机的动力学方程图 6

23、-1 步进输送机示意图对于 BC 杠，在 x 方向受到 AB，DC 对它的力，还有本身运动存在的力；在 y 方向受到 AB，DC 对它的力。从转矩角度考虑，由 x 与 y 方向各杆件对它的分力所产生的力矩可得，因此 BC 杆件动力学方程有：3 30()()()()0ABxDCxBxCyyyBYSBCYDBCXSBDCXBFlTXFXFYFY(6-1)23对于 BD 杆件，在 x 方向受到来自 AB，DC 对它作用的力；同时在 y 方向，也受到来自 AB，DC 对它的力作用。在转矩方面，在各个方向受到的力现对于坐标值所产生的力矩如下： 3 30()()()()0ABxDBxDyyYSDBYBDX

24、SBDXCBFlTXFXFYFY(6-2)对于 CD 杠，在 x 方向受到 BD，BC 杆件对它所产生的力作用，同时在 y方向，也会受到 BD 和 BC 对它所产生的分力；在各个方向的分力作用下会产生现对于 xy 坐标系的力矩，由此得到如下式子： 7 70:()()()()0BDxCxDxCyyySCBDyCDxSCBDxCFlTXFXFYFY6.1.2 步行输送机的动力学仿真图AnalysisDefinition1:liB (in lbm / sec2)4.25242E+129.25242E+121.42524E+131.92524E+132.42524E+132.92524E+130 5

25、10 15 20 25时 间 (秒 )测量图 6-2 点 B 的径向力分析导出图24AnalysisDefinition1:lijuB (in lbm / sec2)4.25242E+129.25242E+121.42524E+131.92524E+132.42524E+132.92524E+130 5 10 15 20 25时 间 (秒 )测量图 6-3 点 B 的径向力矩分析导出图AnalysisDefinition1:liC (in lbm / sec2)1.49333E+131.59333E+131.69333E+131.79333E+131.89333E+131.99333E+132

26、.09333E+132.19333E+132.29333E+132.39333E+132.49333E+130 5 10 15 20 25时 间 (秒 )测量图 6-4 点 C 的径向力分析导出图25AnalysisDefinition1:lijuC (in lbm / sec2)1.38683E+131.88683E+132.38683E+132.88683E+133.38683E+133.88683E+130 5 10 15 20 25时 间 (秒 )测量图 6-5 点 C 的径向力矩分析导出图AnalysisDefinition1:liD (in lbm / sec2)8.71322E+

27、121.87132E+132.87132E+133.87132E+134.87132E+135.87132E+136.87132E+137.87132E+138.87132E+139.87132E+131.08713E+140 5 10 15 20 25时 间 (秒 )测量图 6-6 点 D 的径向力分析导出图26AnalysisDefinition1:lijuD (in lbm / sec2)8.71322E+121.87132E+132.87132E+133.87132E+134.87132E+135.87132E+136.87132E+137.87132E+138.87132E+139.

28、87132E+131.08713E+140 5 10 15 20 25时 间 (秒 )测量图 6-7 点 D 的径向力矩分析导出图6.2 动力学分析结果通过上面的 soildworks 的动力学仿真导出图可以知道，各个铰链点的受力情况都呈现了一个比较稳定的变化规律，而且在工件的输送过程中，机构的受力平稳，杆件的力矩变化也比较稳定。符合机构的动力学受力条件。只要合适的选择机构构件的材料，并且精确制造各个构件，就可以很好的满足机构的工作要求了。2728第 7 章 结论7.1 方案特点本次步进输送机的主要特点：一、采用了连杆机构来完成机构的设计，二、采用电动机作为机构的动力装置。主要优点是：架构简单

29、，动力强劲，很好的保护了电动机，负载能力强，连杆组的结构可以很好的保证挡板可以进行一段水平运动。在运动过程中，挡板能够适时的退到平台以下，可以保证步进输送机的平稳输送货物。机构采用杆组结构，链接安全可靠，维护方便可以大量节约成本。而其它几种方案，要么成本太高，要么结构不够稳定。都有各自的缺陷。可以说这个设计是用简单的方法实现了复杂的运动过程，并且操作运用都较为简单、7.2 设计方法特点本次设计采用的是 CAD 画平面图定坐标尺寸，然后使用 PRO/E 仿真，得出运动学仿真结果，随后列出运动方程。使用 CAD 作图的好处是精确度比较高，修改方便，并且操作流程规范化，每个图纸都有存根，方便以后的查

30、看和修改。使用 soildworks 仿真的话效果比较逼真，操作比较简便实用，形象化，并可导出个点的运动速度、加速度和位移等，为设计节省了大量的时间和工作。29第 8 章 收获与体会在本次机械综合设计中，接触了很多以前都没有接触过的软件，如，soildworks，PRO/E ，ADAMS、CATIA 等，在同学们的互相帮助与学习下，初步学会了他们的使用方法，也通过借阅大量课外书籍和互联网了解了输送机设计方面的很多知识以及输送机发展历史的认识，在这一过程中我看到了机械对于生活、工作、劳动、社会发展的至关重要性，为人类的进步提供了强有力的保证和力量。再次也认识到自己所从事的行业是多么重要与精妙。在阅读书籍和上网收集信息中，我看到了很多先进的设计理念，心中对设计者精妙的的设计和计算感到钦佩，并在学习中结合本次设计工作的一些实际情况，并且运用用自己平时学到的知识和课外知识相结合得到了自己的设计方法，完成了这次课程的设计，心中倍受鼓舞。在这过程中，收获了很多实践相关的知识和经验，并且提高了自己在学习和设计工作中的信心，对自己在机械设计方面的能力有了很大的提高，为以后的学习工作我想都会有很大的帮助。在学到很多专业知识的同时，我也更加明白了怎么样才能与周围的同学交流各自的想法，增强了自己团队合作的能力，并与同学之间取长补短，相互帮助，相互学习。