1、Harbin Institute of Technology课程设计说明书（论文）课程名称： 机械原理课程设计 设计题目： 产品包装生产线（方案 4 ） 院 系： 机电工程学院 班 级： 设 计 者： 学 号： 指导教师： 陈照波 设计时间： 2013 年 7 月 1 日-7 月 7 日 哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学课程设计任务书姓 名： 院 （系）：机电工程学院专 业： 机械设计制造及其自动化 班 号：任务起至日期： 2013 年 7 月 1 日至 2013 年 7 月 7 日课程设计题目： 产品包装生产线 (方案 4)已知技术参数和设计要求：工作量：工作计划安排：同组设计者及分工：指导教师
2、签字_年 月 日 教研室主任意见：教研室主任签字_年 月 日*注：此任务书由课程设计指导教师填写哈尔滨工业大学课程设计说明书1. 题目要求如图 1 所示，输送线 1 上为小包装产品，其尺寸为长*宽*高=600*200*200 采取步进式输送方式，送第一包和第二包产品至托盘 A 上（托盘 A 上平面与输送线 1 的上平面同高）后，每送一包产品托盘 A 下降 200mm，当第三包产品送到以后，托盘 A 上升 400mm，然后，把产品推入输送线 2。原动机转速为 1430rpm，产品输送量分三档可调，每分钟向输送线 2 分别输送 9、18、24 件小包装产品。图 1 产品包装生产线（方案 4）功能简
3、图2. 题目解答（1） 工艺动作分析由题目可以看出，产品包装线共由 3 个执行机构组成。其中，控制产品在输送线1 上作步进运动的是执行机构 1，在 A 处控制产品上升、下降的是执行机构 2，在 A处把产品推到输入线 2 的是执行机构 3，三个执行构件的运动协调关系如图 2 所示。下图中 T1 为执行构件 1 的工作周期，T 2 是执行构件 2 的工作周期，T 3 是执行构件 3 的工作周期，T 3是执行构件 3 的动作周期。由图 2 可以看出，执行构件 1 是作连续往复移动的，而执行构件 2 则有一个间歇往复运动，执行构件 3 作一个间歇往复运动。三个执行构件的工作周期关系为：3T 1= T2
4、= T3。T2T1执行构件 运动情况执行构件1进 退 进 退 进 退 进执行构件2休 降 休 降 休 升 休 休执行构件3停 进 退 停T3哈尔滨工业大学课程设计说明书图 2 产品包装生产线运动循环图（2） 运动功能分析及运动功能系统图根据前面的分析可知，驱动执行构件 1 工作的执行机构应该具有运动功能如图 3 所示。该运动功能把一个连续的单向转动转换为连续的往复移动，主动件每转动一周，从动件（执行构件 1）往复运动一次，主动件的转速分别为 9、18、24 rpm。9、18、24 rpm图 3 执行构件 1 的运动功能由于电动机转速为 1430rpm，为了在执行机构 1 的主动件上分别得到 1
5、2、18、26 rpm的转速，则由电动机到执行机构 1 之间的传动比 iz 有 3 种分别为：iz1= = 158.8914309iz2= = 79.4444143018iz3= = 59.58143024总传动比由定传动比 ic 与变传动比 iv 组成，满足以下关系式：iz1 = ic*iv1iz2=ic*iv2iz3=ic*iv3三种传动比中 iz1 最大，i z3 最小。由于定传动比 ic 是常数，因此 3 种传动比中 iv1 最大，i v3最小。若采用滑移齿轮变速，其最大传动比最好不要大于 4，即：iv1=4则有：ic= = 39.72 1 1 故定传动比的其他值为：= = 2.002
6、 2 = = 1.503 3 于是，有级变速单元如图 4：i = 4, 2.0, 1.5图 4 有级变速运动功能单元为保证系统过载时不至于损坏，在电动机和传动系统之间加一个过载保护环节。过载保护哈尔滨工业大学课程设计说明书运动功能单元可采用带传动实现，这样，该运动功能单元不仅具有过载保护能力，还具有减速功能，如图 5 所示。i=2.5图 5 过载保护运动功能单元整个传动系统仅靠过载保护功能单元的减速功能不能实现全部定传动比，因此，在传动系统中还要另加减速运动功能单元，减速比为i = = 15.9 2.5减速运动功能单元如图 6 所示。i=15.9图 6 执行机构 1 的运动功能根据上述运动功能
7、分析，可以得到实现执行构件 1 运动的功能系统图，如图 7 所示。1430rpm i=2.5 i=4,2.0,1.5 i=15.9图 7 实现执行构件 1 运动的运动功能系统图为了使用同一原动机驱动执行构件 2，应该在图 7 所示的运动功能系统图加上个运动分支功能单元，使其能够驱动分支执行构件 2，该运动分支功能单元如图 8 所示。执行构件 2 有一个间歇单向转动。执行构件 3 有一个执行运动，为间歇往复移动，其运动方向与执行构件 1 的运动方向垂直。为了使执行构件 2 和执行构件 3 的运动和执行构件 1 的运动保持正确的空间关系，可以加一个运动传动方向转换功能单元，同时该运动单元具有减速的
8、作用，传动比 i=3,如图 9 所示。图 8 运动分支功能单元 1i=3图 9 运动传动方向转换的运动功能单元经过运动传递方向转换功能单元输出的运动需要分成两个运动分支分别驱动执行构件2 的运动和执行构件 3 的一个运动。因此，需要加一个运动分支功能分支单元，如图 10 所示。执行构件 1哈尔滨工业大学课程设计说明书图 10 运动分支功能单元 2执行构件 2 的一个运动是间歇往复移动，可以通过一个运动单元将连续转动转换成间歇往复移动。如图 11 所示。图 11 连续转动转换为间歇往复移动的运动功能单元根据上述分析可以得出实现执行构件 1 和执行构件 2 运动功能的运动功能系统图，如图 12所示
9、。1430rpm i=2.5 i=4,2.0,1.5 i=15.9图 12 执行构件 1、2 的运动功能系统图执行构件 3 需要进行间歇往复移动，为此，需要将连续转动转换为间歇转动。由图 2可以看出，执行构件 3 在一个工作周期内，其间歇时间很长，运动时间很短。因此，需要采用一个间歇运动单元，再采用一个连续转动的放大单元，其运动功能单元如图 13 所示。图 13 间歇运动和连续转动放大单元然后，再把该运动功能单元输出地运动转换为往复移动，其运动功能单元如图 14 所示。图 14 往复移动运动单元根据上述分析，可以画出整个系统的运动功能系统图，如图 15 所示。执行构件 1执行构件 2哈尔滨工业
10、大学课程设计说明书图 15 产品包装生产线运动功能系统图（3） 系统运动方案拟定根据图 15 所示的运动功能系统图,选择适当的机构替代运动功能系统图中的各个运动功能单元,便可拟定出机械系统运动方案。图 15 中的运动功能单元 1 是原动机。根据产品包装生产线的工作要求，可以选择电动机作为原动机。如图 16 所示。图 16 电动机替代运动功能单元 1图 15 中的运动功能单元 2 是过载保护单元兼具减速功能，可以选择带传动实现，如图17 所示。图 17 带传动替代运动单元 2图 15 中的运动功能单元 3 是有级变速功能单元，可以选择滑移齿轮变速传动替代，如1 2 3 45 67 8 9执行构件
11、 1执行构件 2执行构件 310 11 121430rpm12哈尔滨工业大学课程设计说明书图 18 所示。图 18 滑移齿轮替代运动功能单元 3图 15 中的运动功能单元 4 是减速功能，可以选择 2 级齿轮传动代替，如图 19 所示。图 19 2 级齿轮传动替代运动功能单元 4图 15 中运动功能单元 5 是运动分支功能单元，可以用运动功能单元 7 锥齿轮传动的主动轮、运动功能单元 6 导杆滑块结构的曲柄与运动功能单元 4 的运动输出齿轮固连替代，如图 20 所示。图 20 2 个运动功能单元的主动件固联替代运动功能单元 5i = 4, 2.0,1.53i = 14.345哈尔滨工业大学课程
12、设计说明书图 15 中的运动功能单元 6 将连续传动转换为往复移动，可以选择导杆滑块机构替代，如图 21 所示。图 21 导杆滑块机构替代运动功能单元 6图 15 中的运动功能单元 7 是运动传递方向转换功能和减速运动功能单元，可以用圆锥齿轮传动替代，如图 22 所示。图 22 圆锥齿轮传动替代减速运动功能单元 7运动单元 8 的类型与运动单元 5 相同。图 15 中运动功能单元 9 将连续传动转换为间歇往复移动，可以选用凸轮机构固联来完成要求。如图 23 所示。图 23 凸轮机构固联替代功能单元 9图 15 中运动功能单元 10 是把连续转动转换为间歇转动的运动功能单元，可以用槽轮机构替代。
13、该运动功能单元的运动系数为67i=39哈尔滨工业大学课程设计说明书=0.25由槽轮机构运动系数的计算公式有：=22式中，Z槽轮的径向槽数。则，槽轮的径向槽数为：= 212= 2120.25=4该槽轮机构如下图所示。图 24 用槽轮传动替代运动功能单元 10图 15 中的运动功能单元 11 是运动放大功能单元，把运动功能单元 10 中槽轮在一个工作周期中输出的 1/4 周的转动转换为一周的运动，用圆柱齿轮机构替代，其传动比为i=1/4。圆柱齿轮传动如图 25 所示。i=0.25图 25 用圆柱齿轮传动替代运动功能单元 11图 15 中运动功能单元 12 是把连续转动转换为连续往复移动的运动功能单
14、元，可以用曲柄滑块机构替代，如图所示。1011哈尔滨工业大学课程设计说明书图 26 用曲柄滑块机构替代运动功能单元 12根据上述分析，按照图 15 各个运动单元连接顺序把个运动功能单元的替代机构一次连接便形成了产品包装生产线（方案 4）的运动方案简图，如图所示。(a)(b)12哈尔滨工业大学课程设计说明书(c)图 27 产品包装生产线（方案 4）的运动方案简图（4） 系统运动方案设计1） 执行机构 1 的设计该执行机构是曲柄滑块机构，由曲柄，滑块，导杆，连杆和滑枕组成。其中大滑块的行程 h=480mm,现对机构进行参数计算。该机构具有急回特性，在导杆与曲柄的轨迹圆相切时候，从动件处于两个极限位
15、置，此时导杆的末端分别位于 C1和 C2位置。取定 C1C2的长度，使其满足：h1利用平行四边形的特点，由下图可知滑块移动的距离 E1E2= C1C2=h，这样就利用了机构急回运动特性，使滑块移动了指定的位移。设极位夹角为 ，显然导杆 21 的摆角就是 ，取机构的行程速比系数 K=1.4，由此可得极位夹角和导杆 21 的长度。 0183/297.sinkhlm哈尔滨工业大学课程设计说明书图 28 导杆滑块机构设计先随意选定一点为 D，以 D 为圆心，l 为半径做圆。再过 D 作竖直线，以之为基础线，左右各作射线，与之夹角 15，交圆与 C1和 C2点。则弧 C1C2即为导杆顶部转过的弧线，当导
16、轨从 C1D 摆到 C2D 的时候，摆角为 30。接着取最高点为 C,在 C 和 C1之间做平行于 C1C2的直线 m，该线为滑枕 21 的导路，距离 D 点的距离为cos2ls在 C1点有机构最大压力角，设导杆 21 的长度为 l1，最大压力角的正弦等于1max2cossinl要求最大压力角小于 100，所以有 01maxsincos5297.6891.22inl ml1越大，压力角越小，取 l1=200400mm。则取 l=300mm1曲柄 15 的回转中心在过 D 点的竖直线上，曲柄越长，曲柄受力越小，可选 lA32取 AD=600mm，据此可以得到曲柄 19 的长度2=2=60015=
17、155.32） 执行机构 2 的设计哈尔滨工业大学课程设计说明书如图 27（b）所示，执行机构 2 的运动是将连续传动转换为间歇往复移动，可以选用齿轮传动和直动平底从动件盘形凸轮机构固联来共同完成要求。凸轮机构在一个工作周期的运动为凸轮 24：第一次远休止角 80 ，第一次回程运动角 40，第二次休止角 80，第二次回程运动角 40,近休止角 80，推程运动角 30 ，远休止角 10 。从动件推程 50mm，推回程 均采用无冲击的正弦加速度方式。得到如下表格：角度范围 S049 5049 23+ sin(9)160180 12.5 23 109 25109 43+ sin(9)240180 1
18、2.5 43 169 0169 3518- sin(12- )16003+300 25 19293518 2 50停 0.22T2 向下 200mm（0.11T 2） 停 0.22T2向下200mm（0.11T 2）停 0.22T2 向下400mm（0.083T 2）休止（0.028T 2）哈尔滨工业大学课程设计说明书图 29 凸轮运动的位移图根据凸轮的从动件运动规律，我们可以利用解析法设计出凸轮的轮廓。具体设计流程：做出 -s 图像，利用压力角的要求可以做出凸轮的基圆和偏距，这样，可以利用解析法求出凸轮的形状。由于电动机的转向是可以调整的，往右边看凸轮是顺时针转动的。取凸轮偏距为 0，即设计
19、成对心的滚子凸轮机构。图 30 凸轮 图经查表许用压力角采用 40确定凸轮的基圆为 353.17mm，滚子半径采用 20mm 的轴承。哈尔滨工业大学课程设计说明书理论轮廓坐标方程：=( +s)cos+ecos；0y=( +s)sin-esin ；0带上滚子半径的实际轮廓半径，滚子是在实际轮廓外部。实际轮廓坐标：X=x- ；()2+()2Y=y+ ； ()2+()2理论轮廓和实际轮廓图如下图所示：图 31 凸轮的理论轮廓和实际轮廓图3） 执行机构 3 的设计哈尔滨工业大学课程设计说明书图 32 执行机构 3执行机构 3 驱动构件 2 运动，由图可知，执行构件 3 由曲柄 27，连杆 29 和滑块
20、 30 组成。由题可知，滑块 30 的行程是： =600则曲柄的长度可以确定为34=12=300连杆 29 的长度与许用压力角有关，即:sin=3435一般 ，有 30则， =600mm3534sin4） 槽轮机构设计1. 确定槽轮槽数在拨盘圆销数 k=1 时，槽轮槽数 z=4。2. 槽轮槽间角2=360=903. 槽轮每次转位时拨盘的转角 2=180-2 =904. 中心距槽轮机构的中心距应该根据具体结构确定，在结构尚不确定的情况下暂定为a=150mm5. 拨盘圆销的回转半径= =0.7071r=*a=0.7071*150=106.065 mm6. 槽轮半径= =0.7071R=*a=0.7
21、071*150=106.065 mm7. 锁止弧张角=360 -2=270哈尔滨工业大学课程设计说明书8. 圆销半径mm6=106.0656 =17.6675圆整： mm=189. 槽轮槽深 h(+ -1)*a+ =80.13 mm10. 锁止弧半径mm=88.065 取 mm=755） 齿轮机构设计滑移齿轮传动设计 确定齿轮齿数如图 18 中齿轮 5，6，7，8，9，10 组成了滑移齿轮有级变速单元，其齿数分别为z5， z6 ，z 7 ， z8 ，z 9 ，z 10。由前面分析可知，iv1=4= = 2.02 2 = = 1.53 3 按最小不根切齿数取 z9=17，则 z10= iv1 z
22、9=4*17=68为了改善传动性能应使相互啮合的齿轮齿数互为质数，取 z10= 69。其齿数和为 z9+ z10=17+69=86，另外两对啮合齿轮的齿数和应大致相同，即z7+ z886，z 5+ z686= = 2.02 8677, =86- =577 298 7为了更接近所要求的传动比，可取 ， =57，7=298同理可取 ，5=34 6=51 计算齿轮几何尺寸取模数 m=2 mm，则 5，6， 9，10 这两对齿轮的标准中心距相同a=2(5+6)=2(9+10)=86这两对齿轮为标准齿轮，其几何尺寸可按标准齿轮计算。由上面知齿轮 7,8 的齿数和比 9,10 的齿数和小，为了使齿轮 5,
23、6 的实际中心距与齿轮 7,8 的标准中心距相同，齿轮 5,6 应采用正变位。齿轮 5,6 为正传动，其几何尺寸按变位齿轮计算。圆柱齿轮传动设计由图可知，齿轮 11、12、13、14 实现运动功能单元 4 的减速功能，它所实现的传动比为 15.89。由于齿轮 11、12、13、14 是 2 级齿轮传动，这 2 级齿轮传动的传动比可如此确定哈尔滨工业大学课程设计说明书，11=13=17于是 12=14=3.452111 68为使传动比更接近于运动功能单元 4 的传动比 11.9167，取11=1712=69 13=1714=67取模数 m=2 mm，按标准齿轮计算。由图 34-（b）可知，齿轮
24、32、33 实现运动功能单元 15 的放大功能，它所实现的传动比为 可按最小不根切齿数确定，即0.25 37=17则齿轮 36 的齿数为 17/i=68齿轮 36、37 的几何尺寸，取模数 m=2 mm，按标准齿轮计算。如图所示，齿轮是为了实现凸轮输出的传动比的扩大，26,27,28 总传动比为 8，,齿轮按不根切的最小齿数算，即 =17，则齿轮 27 的齿数为 17，又让总 =12 z26 z27=,=4，则 =4*17=68。2 z28齿轮的几何尺寸，取模数 m=2 mm，按标准齿轮计算。由图 34-（a）可知，齿轮 29,30 图 18 中的运动功能单元 12 减速运动功能，其传动比为
25、6，则29=1730=102各个齿轮的具体参数如下:序号 项目 代号 齿轮 5,6 齿轮 7,8齿轮9,10（11,12）齿轮 13,14齿轮 z 34 29 17 171 齿数 齿轮 51 57 69 672 模数 2 2 2 23 压力角 20 20 20 204 齿顶高系数 1 1 1 15 顶隙系数 0.25 0.25 0.25 0.256 标准中心距 85 86 86 847 实际中心距 86 86 86 848 啮合角 21.76 20 20 20齿轮 1 0.4 0 0 09 变位系数 齿轮 20.12 0 0 0齿轮 2.76 2 2 210 齿顶高齿轮 2.2 2 2 211
26、 齿根高 齿轮 1.7 2.5 2.5 25哈尔滨工业大学课程设计说明书齿轮 2.25 2.5 2.5 2.5齿轮 68 58 34 3412分度圆直径齿轮 102 114 138 134齿顶圆直径 齿轮 73.51 62 38 3813 齿轮 106.4 118 142 138齿轮 64.6 53 29 2914齿根圆直径齿轮 97.49 109 133 129齿轮 29.63 28.47 32.78 32.7815齿顶圆压力角齿轮 25.73 24.79 24.046 24.1516 重合度 1.59 1.71 1.66 1.66序号 项目 代号 齿轮 32,33(26,27) 齿轮 29
27、,30齿轮 5 17 171 齿数 齿轮 6 68 512 模数 2 23 压力角 20 204 齿顶高系数 1 15 顶隙系数 0.25 0.256 标准中心距 85 687 实际中心距 85 688 啮合角 20 20齿轮 1 0 09 变位系数 齿轮 20 0齿轮 2 210 齿顶高齿轮 2 2齿轮 2.5 2.511 齿根高齿轮 2.5 2.5齿轮 34 3412分度圆直径齿轮 136 102齿顶圆直径 齿轮 38 38哈尔滨工业大学课程设计说明书13 齿轮 140 106齿轮 29 2914齿根圆直径齿轮 131 97齿轮 32.78 32.7815齿顶圆压力角齿轮 24.10 25
28、.2716 重合度 1.67 1.64圆锥齿轮传动设计由图 34-（a）可知，圆锥齿轮 16、17 实现图 18 中的运动功能单元 7 的减速运动功能，它所实现的传动比为 3，两圆锥的齿轮的轴交角为=90圆锥齿轮 17 的分度圆锥角为 17=tan11716=71.57圆锥齿轮 16 的分度圆锥角为 16= 17=18.43圆锥齿轮的最小不根切当量齿数为 =17圆锥齿轮 16 的齿数可按最小不根切齿数确定，即 16= cos 16 16则圆锥齿轮 17 的齿数为 ，17=316=48齿轮 16、17 的几何尺寸，取模数 m=2 mm，按标准直齿锥齿轮传动计算,其计算结果如下表所示。序号 项目
29、代号 计算公式及计算结果齿轮 16 16 161 齿数 齿轮 17 17482 模数 33 压力角 204 齿顶高系数 15 顶隙系数 0.25齿轮 15 15 7115=(15/16)=.576 分度圆锥角齿轮 16 16 18.4316=9015=齿轮 15 15 48.000mm15=15=7 分度圆直径 齿轮 16 16144.000mm16=16=8 锥距 75.89=12152+162=哈尔滨工业大学课程设计说明书5mm齿轮 15 15 3.000mm15=9 齿顶高齿轮 16 16 3.000mm16=齿轮 15 15 3.7515=(+)=00mm10 齿根高齿轮 16 16
30、3.7516=(+)=0mm齿轮 15 15 215=15+49.90mm1515=11 齿顶圆直径齿轮 16 16 216=16+149.69mm1616=齿轮 15 1515=1521515=45.63mm12 齿根圆直径齿轮 16 1616=1621616=136.885mm齿轮 15 15 50.61015=1515=13 当量齿数齿轮 16 16 151.78516=1616=齿轮 15 1515=arccos(1515+215)=39.1914当量齿轮齿顶圆压力角齿轮 16 1616=arccos(1616+216)=27.52615 重合度 =15(15 )+16(16 )/2=
31、3.1956） 传送带设计传动带选用平带的开口传动，根据传动比 ，可定带轮的直径为5.2i哈尔滨工业大学课程设计说明书 md150627） 运动方案执行构件的运动时序分析1. 曲柄 19 的初始位置如图 33 所示，曲柄 19 顺时针转动时的初始位置由角 确定。由于该曲柄导杆 15机构的极位夹角 =30，因此，当导杆 21 处于左侧极限位置时，曲柄 19 与水平轴的夹角 。 15=15图 33 系统运动示意图2. 凸轮的初始位置如图 34 可知凸轮为顺时针转动。其初始位移应为 100mm。下图中，左图为连接示意图，右图为凸轮的轮廓图。图 34 凸轮转动方向示意图3. 曲柄 27 的初始位置如图
32、 35 所示，曲柄 27 逆时针转动时的初始位置由角 确定。滑块 30 的起始极 38限位置在左侧，因此，曲柄 27 与水平轴的夹角 。 38=120哈尔滨工业大学课程设计说明书图 35 槽轮机构运动示意图4. 拨盘 34 的起始位置如图 35 所示，拨盘 33 逆时针转动时的初始位置由角 确定，拨盘 33 逆时 34针转动时的初始位置处于槽轮由动变停的分界位置，因此，拨盘 33 与水平轴的夹角 34=35（5） 设计课题运动方案分析推料的曲柄滑块机构的位移，速度以及加速度随角度的变化如图所示：下面三个图依次是滑块的位移，速度，加速度随时间的变化曲线：本题中，有三种送料方式，由原动机转速为 1
33、430rpm，产品输送量分三档可调，每分钟向输送线 2 分别输送 9、18、24 件小包装产品。则输出的转速为则输出的角速度为 0.942rad/s，同理另外两种的角速度分别14302.5415.9=9,为 1.885rad/s， 2.513rad/s，经过的减速以及中间一系列的传动后曲柄 19 的角速度依次为:0.628rad/s,1.26 rad/s,1.67rad/s,则图形曲线与上图大致相同，这里仅仅贴出当角速度为0.628rad/s 时的图：哈尔滨工业大学课程设计说明书下面分析凸轮的位移速度，加速度的变化曲线：位移：速度：哈尔滨工业大学课程设计说明书加速度：以曲柄 19 的角速度为
34、2.541rad/s 时为例，画出滑枕 20 的加速度，速度以及位移随曲柄运动的角度的变化曲线如下图所示哈尔滨工业大学课程设计说明书以曲柄 19 的角速度为 2.541rad/s 时为例，画出滑枕 20 的加速度，速度以及位移随时间的变化曲线如下图所示：该机械系统的机构运动循环图如图 36 所示各构件的时序情况与运动情况哈尔滨工业大学课程设计说明书1 2 3 420 进 退 进 退 进 退 进 退执行构件 119 1515+ 21015+ 36015+ 210 15 +360 15+21015+210 15+210角度0 80 120 200240 320350执行构件24 运动休止 下降200mm休止 下降200mm休止 上升400mm26 35 80 32026 槽轮转动 休止 槽轮转动休止37 曲柄转动 休止 曲柄转动休止执行构件 330 推+回 休止 推料+回程休止图 36 机械系统机构运动循环图
