帶曲柄搖桿機(jī)構(gòu)步進(jìn)式工件輸送機(jī)的設(shè)計(jì)【全套含6張CAD圖紙+文檔】,全套含6張CAD圖紙+文檔,曲柄,搖桿,機(jī)構(gòu),步進(jìn),工件,輸送,設(shè)計(jì),全套,cad,圖紙,文檔 I 步進(jìn)式工件輸送機(jī)的設(shè)計(jì) 摘 要：輸送機(jī)的主要作用是在固定線路上連續(xù)輸送物料，它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輸送能力大、運(yùn)輸距 離長(zhǎng)、且造價(jià)低，并且可在輸送的同時(shí)完成若干工藝操作，可進(jìn)行水平、垂直、傾斜輸送，因此輸 送機(jī)被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、采礦、電站、冶金、港口以及 工業(yè)企業(yè)等。工件步進(jìn)輸送機(jī)一般來(lái)說(shuō)應(yīng) 具有電動(dòng)機(jī)、聯(lián)軸器、減速器、工作機(jī)構(gòu)、滑架、推爪、輥道和機(jī)架等部分。 本文首先調(diào)查分析了步進(jìn)式輸送機(jī)的現(xiàn)況及原理，通過(guò)對(duì)原理的分析提出了四種實(shí)現(xiàn)方案， 方案對(duì)比后確定采用普通電機(jī)減速后驅(qū)動(dòng)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，接著采用作圖法得出個(gè)桿件長(zhǎng)度，并 進(jìn)行校核，最后選定電機(jī)并對(duì)個(gè)傳動(dòng)裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)及校核。 關(guān)鍵詞：輸送機(jī)；連桿機(jī)構(gòu)；齒輪傳動(dòng) Stepping workpiece conveyor design Abstract: The main role of the conveyor is in the fixed-line continuous transportation of materials, simple structure, large transmission capacity, long distance transport, and low cost, and can be completed at the same time conveying a number of process operation, and can be horizontal, vertical, inclined transportation, so the conveyor is widely used in agriculture, mining, power plants, metallurgy, ports and industrial enterprises. Workpiece conveyor stepper motors in general should have, coupling, reducer, work organization, carriage, pawl, roller and rack components. This paper analyzes the current status of the investigation and the principle of stepper conveyor, through the analysis of the principles put forward four implementations, after the program determine the use of contrast drive crank rocker mechanism to achieve common after the motor decelerates, then have to adopt mapping out of a rod length, and checked, the final selection of a motor and gear design and verification. Keywords: Conveyor; Linkage; Gear II III IV V 目 錄 第 1 章 緒 論 ..................................................................................................................................................1 1.1 引言 ..................................................................................................................................................1 1.2 研究目的及意義 ....................................................................................................................................1 1.3 國(guó)內(nèi)外研究狀況 ....................................................................................................................................1 1.4 輸送機(jī)的發(fā)展趨勢(shì) ................................................................................................................................2 第 2 章 步進(jìn)式工件輸送機(jī)總體設(shè)計(jì) ............................................................................................................3 2.1 設(shè)計(jì)要求 ................................................................................................................................................3 2.2 方案設(shè)計(jì)與選擇 ....................................................................................................................................3 2.2.1 原理分析 .........................................................................................................................................3 2.2.2 方案設(shè)計(jì) .........................................................................................................................................4 2.2.3 方案選定 .........................................................................................................................................4 第 3 章 連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) ....................................................................................................................................5 3.1 桿件尺寸設(shè)計(jì) ........................................................................................................................................5 3.1.1 搖桿的擺角初選 ............................................................................................................................5 3.1.2 鉸點(diǎn)位置和曲柄長(zhǎng)度的設(shè)計(jì) ........................................................................................................5 3.1.3 曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) ....................................................................................................................5 3.1.4 校核最小傳動(dòng)角 ............................................................................................................................6 3.2 運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力分析 ....................................................................................................................................6 3.2.1 運(yùn)動(dòng)分析 .........................................................................................................................................6 3.2.2 動(dòng)態(tài)靜力分析 .................................................................................................................................9 3.3 桿件形狀設(shè)計(jì) ......................................................................................................................................13 3.3.1 桿件的類型 ...................................................................................................................................13 3.3.2 鋼材和截面的選擇 .......................................................................................................................13 3.3.3 穩(wěn)定性的校核 ...............................................................................................................................14 3.4 桿件間的聯(lián)結(jié)設(shè)計(jì) ..............................................................................................................................14 3.4.1 剪切強(qiáng)度計(jì)算 ...............................................................................................................................14 3.4.2 擠壓強(qiáng)度計(jì)算 ...............................................................................................................................15 第 4 章 電動(dòng)機(jī)及聯(lián)軸器的選用 ..................................................................................................................16 4.1 選擇電動(dòng)機(jī)類型 ..................................................................................................................................16 4.1.1 選擇電動(dòng)機(jī)容量 ...........................................................................................................................16 4.1.2 確定電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 ...........................................................................................................................17 VI 4.2 電動(dòng)機(jī)型號(hào)的選擇 .............................................................................................................................17 4.3 聯(lián)軸器的選用 ......................................................................................................................................17 4.3.1 剛性聯(lián)軸器 ...................................................................................................................................18 4.3.2 撓性聯(lián)軸器 ...................................................................................................................................18 第 5 章 減速機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) ..............................................................................................................................20 5.1 總傳動(dòng)比 ..............................................................................................................................................20 5.2 分配傳動(dòng)比 ..........................................................................................................................................20 5.3 運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù)計(jì)算 ..........................................................................................................................20 5.3.1 各軸的轉(zhuǎn)速 ...................................................................................................................................20 5.3.2 各軸的輸入功率 ...........................................................................................................................20 5.3.3 各軸的輸入轉(zhuǎn)矩 ...........................................................................................................................21 5.3.4 整理列表 .......................................................................................................................................21 5.4 高速級(jí)齒輪的設(shè)計(jì) ..............................................................................................................................21 5.4.1 選精度等級(jí)、材料和齒數(shù) ...........................................................................................................21 5.4.2 按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì) ...........................................................................................................21 5.4.3 按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì) ...................................................................................................................23 5.4.4 幾何尺寸計(jì)算 ...............................................................................................................................24 5.5 低速級(jí)齒輪 ..........................................................................................................................................25 5.6 開(kāi)式齒輪 ..............................................................................................................................................25 5.7 軸系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ......................................................................................................................................26 5.7.1 高速軸的軸系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ...............................................................................................................26 5.7.2 中間軸的軸系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ...............................................................................................................29 5.7.3 低速軸的軸系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ...............................................................................................................31 5.8 減速器箱體的設(shè)計(jì) ..............................................................................................................................33 5.9 潤(rùn)滑與密封 ..........................................................................................................................................34 5.9.1 潤(rùn)滑方式的選擇 ...........................................................................................................................34 5.9.2 密封方式的選擇 ...........................................................................................................................34 5.9.3 潤(rùn)滑油的選擇 ...............................................................................................................................34 總 結(jié) ..............................................................................................................................................................35 參考文獻(xiàn) ........................................................................................................................................................36 致 謝 ..............................................................................................................................................................37 1 第 1 章 緒 論 1.1 引言 隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，我國(guó)傳送裝置制造行業(yè)有了長(zhǎng)足的進(jìn)步。傳送裝置的成套性，自動(dòng)化程 度，定位精度和整體質(zhì)量都明顯提高，其應(yīng)用范圍正逐步擴(kuò)大。輸送機(jī)是在一定線路上連續(xù)輸送物 料的物料搬運(yùn)機(jī)械，又稱連續(xù)輸送機(jī)。它可進(jìn)行水平、傾斜和垂直輸送，也可組成空間輸送線路， 輸送線路一般是固定的。輸送機(jī)輸送能力達(dá)，運(yùn)距長(zhǎng)，還可在輸送過(guò)程中同時(shí)完成若干工藝操作， 所以應(yīng)用十分廣泛。工件步進(jìn)輸送機(jī)用于間歇地輸送工件，到達(dá)預(yù)定位置。 工件步進(jìn)輸送機(jī)一般來(lái)說(shuō)應(yīng)具有電動(dòng)機(jī)、聯(lián)軸器、減速器、工作機(jī)構(gòu)、滑架、推爪、輥道和機(jī) 架等部分，其中減速器是工件步進(jìn)輸送機(jī)最關(guān)鍵的傳動(dòng)裝置之一。它在傳送工件的過(guò)程中不僅擔(dān)負(fù) 著減速及增加轉(zhuǎn)矩的功能，同時(shí)也降低了負(fù)載的慣量，是步進(jìn)式輸送機(jī)的核心部件之一。 1.2 研究目的及意義 輸送機(jī)是可以在固定線路上連續(xù)輸送物料的機(jī)械，一般情況下它的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作效率 高、造價(jià)低，有的甚至可以在輸送工件的同時(shí)對(duì)工件進(jìn)行一系列工藝操作，因此工件輸送機(jī)在各行 各業(yè)中都被廣泛的應(yīng)用著。 而我設(shè)計(jì)的這款步進(jìn)式工件輸送機(jī)與傳統(tǒng)的工件輸送機(jī)最大的不同就是它并非一直處于連續(xù)不 斷的輸送狀態(tài)，而是將工件輸送一段距離之后停下來(lái)，等待幾秒之后在繼續(xù)將工件往前輸送，他的 意義在于那停頓的幾秒可以對(duì)工件進(jìn)行加工或是包裝之類的處理，使其達(dá)到流水線生產(chǎn)，自動(dòng)化生 產(chǎn)的目的，提高了生產(chǎn)效率。 在如今這個(gè)效益至上的時(shí)代，實(shí)現(xiàn)在流水線生產(chǎn)或自動(dòng)化生產(chǎn)上實(shí)現(xiàn)進(jìn)料出料自動(dòng)化，大大提 高了生產(chǎn)效率，減少人工成本，實(shí)現(xiàn)高效生產(chǎn)。所以我設(shè)計(jì)的工件輸送機(jī)是典型的理論與實(shí)踐結(jié)合 的應(yīng)用。 1.3 國(guó)內(nèi)外研究狀況 步進(jìn)式工件輸送機(jī)在國(guó)外的發(fā)展已十分成熟，尤其是在一些發(fā)達(dá)國(guó)家如美國(guó)，德國(guó)，日本，英 國(guó)，俄羅斯等。這些國(guó)家已實(shí)現(xiàn)，高負(fù)載輸送，高速度輸送，高傾角輸送的技術(shù)。此外還有一些新 型的輸送機(jī)，可實(shí)現(xiàn)檢測(cè)篩選功能，空間轉(zhuǎn)彎輸送，有的甚至結(jié)合機(jī)械手在輸送的同時(shí)。但無(wú)外乎 兩個(gè)方面，一是功能多元化，另一方面則是加強(qiáng)其輸送能力。這兩方面也是工件輸送機(jī)的主要研究 方向。 在我國(guó)，工件輸送機(jī)的研發(fā)和使用與發(fā)達(dá)國(guó)家差距并不大，我國(guó)自主研發(fā)的生產(chǎn)制造的輸送機(jī) 的類型較多；最近幾年，在國(guó)家一個(gè)專門(mén)針對(duì)輸送機(jī)的項(xiàng)目“國(guó)家一條龍日產(chǎn)萬(wàn)噸綜采設(shè) 備 ”的指導(dǎo)和扶持下，我國(guó)輸送機(jī)技術(shù)飛速發(fā)展。其中也出現(xiàn)了一些新型輸送機(jī)，由 PLC 控制的 自動(dòng)輸送機(jī)，有液壓驅(qū)動(dòng)調(diào)速的輸送機(jī)。1 出了在增強(qiáng)輸送機(jī)能力方面，理他一些方面也是輸送機(jī)研究的方向，例如低能耗，低噪聲，專 2 門(mén)用來(lái)輸送易燃易爆物品的輸送機(jī)還有在特定環(huán)境中工作的輸送機(jī)，如高溫環(huán)境，有毒環(huán)境，粉塵 環(huán)境等。 1.4 輸送機(jī)的發(fā)展趨勢(shì) （1） 繼續(xù)向大型化發(fā)展。大型化包括大輸送能力、大單機(jī)長(zhǎng)度和大輸送傾角等幾個(gè)方面。水 力輸送裝置的長(zhǎng)度已達(dá) 440 公里以上。帶式輸送機(jī)的單機(jī)長(zhǎng)度已近 15 公里，并已出現(xiàn)由若干臺(tái)組 成聯(lián)系甲乙兩地的帶式輸送道 。不少國(guó)家正在探索長(zhǎng)距離、大運(yùn)量連續(xù)輸送物料的更完善的輸送 機(jī)結(jié)構(gòu)。 （2） 擴(kuò)大輸送機(jī)的使用范圍。 發(fā)展能在高溫、低溫條件下、有腐蝕性、放射性、易燃性物 質(zhì)的環(huán)境中工作的，以及能輸送熾熱、易爆、易結(jié)團(tuán)、粘性的物料的輸送機(jī)。 （3） 使輸送機(jī)的構(gòu)造滿足物料搬運(yùn)系統(tǒng)自動(dòng)化控制對(duì)單機(jī)提出的要求。 如郵局 所用的自動(dòng) 分揀包裹的小車式輸送機(jī)應(yīng)能滿足分揀動(dòng)作的要求等。 （4） 降低能量消耗以節(jié)約能源，已成為輸送技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)科研工作的一個(gè)重要方面。已將 1 噸 物料輸送 1 公里所消耗的能量作為輸送機(jī)選型的重要指標(biāo)之一。 （5） 減少各種輸送機(jī)在作業(yè)時(shí)所產(chǎn)生的粉塵、噪聲和排放的廢氣。 3 第 2 章 步進(jìn)式工件輸送機(jī)總體設(shè)計(jì) 2.1 設(shè)計(jì)要求 輸送機(jī)工作阻力： =4000NrF 步長(zhǎng)：S=300mm 每分鐘往返次數(shù)：N=30 次 行程速比系數(shù)：K=1.4 高度：H=800mm 滑架寬度為：250mm 阻力 Fr 為常數(shù)，載荷有中等沖擊，每天二班制工作，使用折舊期為 5 年，工作機(jī)構(gòu)效率為 0.95，三相交流電源，工作環(huán)境室內(nèi)，用于小批量生產(chǎn)。 2.2 方案設(shè)計(jì)與選擇 2.2.1 原理分析 步進(jìn)輸送機(jī)是一種能間歇地輸送工件并使其間距始終保持穩(wěn)定步長(zhǎng)的傳送機(jī)械。工件經(jīng)過(guò)隔斷 板從料輪滑落到輥道上，隔斷板做間歇往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，工件按一定的時(shí)間間隔向下滑落。輸送滑架 作往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，工作行程時(shí)，滑架上位于最左側(cè)的推抓推動(dòng)始點(diǎn)位置工件向前移動(dòng)一個(gè)步長(zhǎng)，當(dāng) 滑架返回時(shí)，始點(diǎn)位置又從料輪處接受了一個(gè)新工件。推爪下裝有壓力彈簧，推爪返回時(shí)得以從工 件底面滑過(guò)，工件保持不動(dòng)。當(dāng)滑架再次向前推進(jìn)時(shí)，該推爪以復(fù)位并推動(dòng)新工件前移，與此同時(shí)， 該推爪前方的推爪也推動(dòng)前工位的工件一起向前再移動(dòng)一個(gè)步長(zhǎng)。如此周而復(fù)始，實(shí)現(xiàn)工件的步進(jìn) 式傳輸。 步進(jìn)式工件輸送機(jī)用于間歇的傳送工件，如圖 1.1 所示，電動(dòng)機(jī)通過(guò)傳動(dòng)裝置、工作機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng) 滑架往復(fù)移動(dòng)。工作行程時(shí)，滑架上的推爪推動(dòng)工件前移一個(gè)步長(zhǎng)，當(dāng)滑架返回時(shí)，由于推爪與軸 間裝有扭簧，因此推爪從工件底面滑過(guò)，工件保持不動(dòng)。當(dāng)滑架再次向前推進(jìn)是，推爪已復(fù)位，并 推動(dòng)新的工件前移，前方推爪也推動(dòng)前一工位的工件前移。 圖 1.1 工件步進(jìn)輸送機(jī) 4 2.2.2 方案設(shè)計(jì) 根據(jù)這些原理選定可通過(guò)如下四種方案實(shí)現(xiàn)： 方案一：步進(jìn)電機(jī)作驅(qū)動(dòng)元件，齒輪傳動(dòng)做傳動(dòng)系統(tǒng)，通過(guò)控制步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)推爪 的前進(jìn)與后退。 方案二：步進(jìn)電機(jī)做驅(qū)動(dòng)元件，帶輪傳動(dòng)做傳動(dòng)系統(tǒng)，通過(guò)控制步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)推爪 的前進(jìn)與后退。 方案三：用液壓動(dòng)力裝置與凸輪配合，實(shí)現(xiàn)推爪的左右往復(fù)運(yùn)動(dòng)。 方案四：用普通電機(jī)做驅(qū)動(dòng)元件，減速機(jī)來(lái)控制速度和節(jié)奏，曲柄連桿機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)推爪的左右 往復(fù)運(yùn)動(dòng) 2.2.3 方案選定 通過(guò)查閱相關(guān)資料和計(jì)算，我最終選擇了方案四：電動(dòng)機(jī)做驅(qū)動(dòng)元件，由減速器控制速度和節(jié) 奏，用連桿機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的步長(zhǎng)、速度比和滑架的運(yùn)動(dòng)軌跡。2 方案圖入下： 在步進(jìn)輸送機(jī)工作時(shí)，電動(dòng)機(jī)工作，通過(guò)聯(lián)軸器和軸，將動(dòng)力傳遞到減速機(jī)，經(jīng)減速機(jī)變速后， 以較慢的速度使連桿機(jī)構(gòu)工作，連桿機(jī)構(gòu)最后再驅(qū)使滑架作左右往復(fù)運(yùn)動(dòng)?；苌涎b有推爪，推爪 將放在滑架上的工件往前推，每次往前進(jìn)一個(gè)步長(zhǎng)。然后滑架返回，此時(shí)利用安裝在推爪和軸之間 的扭簧可以使推爪從工件下返回而不移動(dòng)工件，而此時(shí)，前方的推爪也回到了原先的位置，它可以 再次推動(dòng)工件往前移一個(gè)步長(zhǎng)。這就是這臺(tái)步進(jìn)式工件輸送機(jī)的工作原理。 經(jīng)過(guò)可行性調(diào)研，此方案較合理。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，減速器和連桿的設(shè)計(jì)是本設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，運(yùn)用 機(jī)械原理和機(jī)械設(shè)計(jì)的相關(guān)內(nèi)容，設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容包括工作機(jī)構(gòu)和傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)分析，連桿機(jī)構(gòu) 的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力分析，減速器的設(shè)計(jì)，減速器零件的制造以及相關(guān)工藝流程。本課題的難點(diǎn)是連桿尺 寸的分析和動(dòng)力運(yùn)動(dòng)的分析，減速器的各軸和齒輪的計(jì)算設(shè)計(jì)。2 5 第 3 章 連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 3.1 桿件尺寸設(shè)計(jì) 3.1.1 搖桿的擺角初選 根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)所學(xué)，一般搖桿機(jī)構(gòu)的擺角為 40-50左右,然后通過(guò)步進(jìn)式工件輸送機(jī)每次工 作的步長(zhǎng)確定搖桿長(zhǎng)度,一般取 , 3。0.67CDEDLL0.23FEDL 3.1.2 鉸點(diǎn)位置和曲柄長(zhǎng)度的設(shè)計(jì) 通過(guò)之前的條件行程速比系數(shù)和要求傳動(dòng)角大小可以計(jì)算出絞點(diǎn) A、曲柄和連桿的長(zhǎng)度。再通 過(guò)行程速比系數(shù)計(jì)算出曲柄搖桿機(jī)構(gòu)在極位的各項(xiàng)參數(shù)。最后根據(jù)環(huán)境條件等設(shè)計(jì)出完整的曲柄搖 桿機(jī)構(gòu)，機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)示意如圖。 3.1.3 曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 根據(jù)公式 ，以及行程速比系數(shù) K=1.4，得到極位夾角 。然后180/1K 30 取一點(diǎn) D,以 D 為頂點(diǎn)作等腰三角形,兩腰分別為 DC1、DC2 ，并且 DC1、DC2 的長(zhǎng)度等于 DC，設(shè) 。作 使 ，再作 , 與12C2N21906C2CM121CN 的交點(diǎn) P。作 的外接圓 ,那么圓弧 上任一點(diǎn) A 到 和 的連線所形成的夾角12P 都等于極位夾角 ，所以曲柄的軸心 A 應(yīng)在這個(gè)圓弧上。設(shè)曲柄的長(zhǎng)度為 a，連桿的長(zhǎng)12A 度為 b，那么 ， = ，所以 a=( - )/2 于是以 A 為圓心，以為 為半1ba2Aba12 2 徑作圓弧交 于點(diǎn) E，則得出 a= /2,b= - /2。但設(shè)計(jì)時(shí)要注意，曲柄的軸心 A 不能選1E 在弧段上，否則機(jī)構(gòu)將不能連續(xù)工作。根據(jù)上面公式算出這個(gè)四連桿機(jī)構(gòu)的桿長(zhǎng)分別為 a=95.7mm，b=295.7mm ，c=295.7mm，d=259mm。 圖 2 機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)示意圖 6 3.1.4 校核最小傳動(dòng)角 在曲柄搖桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，傳動(dòng)角的大小是在不斷變化的，但傳動(dòng)角并非沒(méi)有要求，一般情 況下確保傳動(dòng)角 即可，而傳動(dòng)力矩較大時(shí)，應(yīng)使傳動(dòng)角 。在一些受力相對(duì)較min40 min50 小或是使用次數(shù)相對(duì)較少的環(huán)境中，允許連桿機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)角小一些，但是絕對(duì)不能發(fā)生自鎖。 計(jì)算最小傳動(dòng)角如下: 式(1) 2222()37580(3915)=arcosarcos4.bcd40 根據(jù)計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中各個(gè)趕場(chǎng)滿足最小傳動(dòng)角要求。因此可以定出該要求設(shè)計(jì)的 機(jī)構(gòu)的總體尺寸，即 ， , ,95.7ABLam295.7BCLbm 295.7CDLcm , , 。2Dd 36DE3.EF 3.2 運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力分析 3.2.1 運(yùn)動(dòng)分析 在理論力學(xué)中分析速度和加速度最常用到的方法是矢量圖法，運(yùn)用矢量圖法可以直觀的對(duì)速度 和加速度進(jìn)行分析求解，而矢量圖法的基本原理就是力的合成與分解，要用矢量圖法求解速度和加 速度首先要列出矢量方程，然后再畫(huà)出速度分析圖和加速度分析圖。 （1）用矢量方程圖解法作平面連桿機(jī)構(gòu)的速度和加速度分析 首先先在連桿機(jī)構(gòu)上找一個(gè)速度和加速度都已知的點(diǎn)，用這個(gè)點(diǎn)作為已知量來(lái)再利用圖解法來(lái) 依次求解與該構(gòu)件相連的其他構(gòu)件上的點(diǎn)的速度和加速度。 要分析連桿機(jī)構(gòu)的速度和加速度首先要畫(huà)出連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖，再根據(jù)圖解法來(lái)分析這個(gè)連 桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)情況，具體步驟如下： （2）繪制機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖 首先選取合適的比例尺畫(huà)出機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖，一般比例尺的大小為 (m/mm)，然LAB 后根據(jù)相應(yīng)的比例畫(huà)出曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖。 （3）作速度分析 由用矢量方程圖解法作平面連桿機(jī)構(gòu)的速度分析可知，速度求解的步驟應(yīng)依次求出相應(yīng)各點(diǎn)的 速度和桿件的角速度。6 圖 3 速度分析圖 7 1）求 Bv 式(2) 3016.5/.57/ALmradsms 方向： ，指向與 的轉(zhuǎn)向一致。1 2）求 ，B 、C 在連桿機(jī)構(gòu)中的同一桿件上，所以可以得到以下方程v = + Cv BvCBv 方向 DA 大小 及 方向已知，大小未知，用圖解法可以求出 、 的大小。Cv B CvB 根據(jù)速度分析圖，將點(diǎn)看 P 作該連桿機(jī)構(gòu)速度多邊行的極點(diǎn)，并作 代表 ，然后用速度pb Bv 比例尺算出 。再分別以 B，P 為垂足作垂 0.57/2/().28(/)msVBpbssm 直于 BC，CD 的直線 bc、pc，代表 ， 的方向線，兩線交于點(diǎn) C，并且由矢量 ， 分別CBv cb 代表 和 ，最終求的 。Cv B 式(3) 0.572/1(/)0.6375/Vpcmsmsms 3）求 ，由圖可知點(diǎn) E 和點(diǎn) C 都在同一桿件上，所以點(diǎn) E 和點(diǎn) C 的角速度的是相同的，得Ev 到 和 的關(guān)系如下 C 0.126/ECDvLms 4）求 Fv = + Fv EvFEv 方向 / 大小 式(4) 于是有 式(5) 0.28452 3/./CBVbcLradsrads 式(6) .103 86DCp 8 式(7) 0.2854 1/.40/VEFpfLradsrads （4）作加速度分析 算加速度的方法去算速度的方法相同，也是用圖解法來(lái)計(jì)算，先畫(huà)出加速度分析圖，然候在圖 上找一個(gè)速度和方向都已知的點(diǎn)，先依次求出 ， ， ， 。然后再求解 ， ，B CEFa234 1)求 因?yàn)榍?作等速回轉(zhuǎn)，所以沒(méi)有切向加速度。Ba ABL 式(8) 2223016.5()/.8/nAmss 方向：BA. 2）求 由圖上分析得到點(diǎn) C 與點(diǎn) B、點(diǎn) D 的相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系Ca = + = + + nDataBnCBatCB 方向CDCDBA CB CB 大小 23l2l 式中 和 的方向都已知但是大小未知，根據(jù)圖解法求出大小。 。 tCDatB 圖 4 加速度分析圖 根據(jù)加速度分析圖，將點(diǎn) 看作是連桿機(jī)構(gòu)加速度多邊形的極點(diǎn)，并作 代表 ，根據(jù)加p pb Ba 速度比例尺算出 ，再根據(jù)相信a 22 20.8//(/).014(/)msBbs sm 的比例畫(huà)出 ，其中 代表 ，其大小為pc Ca 式(9) 22 2/0.14(/)15./Cams 3）求 由于點(diǎn) E、點(diǎn) C 在連桿機(jī)構(gòu)的統(tǒng)一桿件 上，因此可以得到E DEL 式(10) 225038./.06/DCLsms 4）求 根據(jù)點(diǎn) E 和點(diǎn) F 在連桿機(jī)構(gòu)中的相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系列出下式Fa + +Ea nFEatFEa 方向 FE FE 9 大小水平向右 24EFl 由上式可發(fā)現(xiàn)式中 的方向和 的大小未知，用作圖法求解。Fa tFE 式(11) 22 2/0.14(/)180.3/Fapfmssmms 5）求 ， ， 。由連桿機(jī)構(gòu)桿件的加速度和長(zhǎng)度計(jì)算出角加速度234 逆時(shí)針 式(12) 220.14385.7/tCBaancL rads 順時(shí)針 式(13) 3.30tDaC 順時(shí)針 式(14) 4 2263.1448./taEFEncaL rs 3.2.2 動(dòng)態(tài)靜力分析 （1）對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析 根據(jù)對(duì)連桿機(jī)構(gòu)計(jì)算選出的長(zhǎng)度比例尺 ，速度比例尺 ，加速度比例尺 畫(huà)出機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖Iva 和速度多邊形。 （2）確定各構(gòu)件的慣性力和慣性力偶矩 一般情況下，設(shè)計(jì)一臺(tái)新機(jī)器最重要的是確定機(jī)器中每個(gè)小零件的尺寸，而在確定小零件尺寸 首先要對(duì)各個(gè)進(jìn)行受力靜力分析，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算和強(qiáng)度校核，最后才能確定各部件的大小尺寸。 （a）計(jì)算各桿的質(zhì)量及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 因?yàn)椴竭M(jìn)式工件輸送機(jī)中大多數(shù)桿件都承受拉力或壓力，所以對(duì)材料的力學(xué)性能要求較高，因 此我首選 45 號(hào)鋼作為設(shè)計(jì)的材料。 通過(guò)查詢鋼材密度表得到 45 號(hào)鋼的密度為 。 37.810/kgm 根據(jù)質(zhì)量 ， 24dmlkg 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 12J 計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表 1 表 1 桿件質(zhì)量特性表 桿件 長(zhǎng)度 mm 直徑 mm 質(zhì)量 kg 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 kg 2mABL 115 100 7.045 37.610C 385 50 5.896 28DEL 550 80 21.564 354.9 10 EFL180 80 7.057 319.05 根據(jù)機(jī)構(gòu)示意圖發(fā)現(xiàn)在連桿機(jī)構(gòu)中，各桿件除了 BC 桿外，其余各桿的慣性力都在機(jī)架上，所 以可以忽略不計(jì)。BC 桿的慣性力及慣性力偶矩為： 式 225.8960.14(/)150.976BCBCaPmpskgmsN （15） 式 3 3240.1222 85//7.8.tBSSBSaBCMJLJncL m (16) 把慣性力 和慣性力偶 合并成一個(gè)總慣性力 ，但合成后的總慣性力與質(zhì)心并不在CPBCMBCP 一個(gè)點(diǎn)上， 與質(zhì)心的距離 ， Bh 36.7109/.56.3hM 式(17) （3）機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)靜力分析 在進(jìn)行動(dòng)態(tài)靜力分析時(shí)一般先將慣性力作為外力來(lái)分析，然后逐個(gè)分析桿件的受力情況。 分析桿件 EF 的受力情況 圖 5 桿 EF 受力分析 由于整個(gè)桿件受力平衡，因此可以得到 ，列出方程0F34454nnGrRFR 方向EF EF EF EF 大小 上式中未知量有 、 、 、 ，其中可以先求出的是 和34 n54n 34R5 F 點(diǎn)取力矩 0FM 式(18)43GhR 340618Nm341 11 E 點(diǎn)取力矩 式(19)0EM5430612NmRhNm5478 根據(jù)上面求出的 和 畫(huà)出桿件 BC 的受力情況34 5 圖 6 桿 BC 力的分析 從圖上測(cè)量得到 54360RN34280R （b）對(duì)桿件 ED 和 CB 進(jìn)行受力分析 圖 7 桿 2、3 的受力分析4353210nnIRGRPR 方向DE DE BC BC 大小 在方程中， 、 、 、 都是未知量，其中可以直接求出的是 和 ，再根35 n12n 53R12 據(jù)這兩個(gè)量來(lái)求得其他兩個(gè)量。 B 點(diǎn)力矩 0BM 式(20)435322GIRhhP 53101908471680.23NmNmNm 53 E 點(diǎn)力矩 0E 12 式(21)1253223IGRhPhh 47150.6207821092mNNmNm12 其負(fù)號(hào)說(shuō)明 的方向與原來(lái)假設(shè)方向相反。12 然后根據(jù)上面計(jì)算出的 和 畫(huà)出力的矢量合成圖。53R 12 圖 8 力的矢量合成圖 從圖上測(cè)量得到 536RN1207 （c）根據(jù)上述求出的值再分析桿件 CB 的受力情況 設(shè)點(diǎn) M 為 CB 桿的中點(diǎn)，對(duì)點(diǎn) M 取矩 G 式(22)32122EGBIhPh 345RN 圖 9 對(duì)桿件 CB 的受力分析 在畫(huà)出桿件 CB 的力矢量圖 13 圖 10 連桿 CB 的力矢量圖 從上圖測(cè)量得到 321408RN （d）計(jì)算連桿機(jī)構(gòu)的平衡力 對(duì)桿件 1 進(jìn)行受力分析 圖 11 連桿 1 的機(jī)構(gòu)的平衡圖 取 式(23)0AM211GpABRhFl 17286505PNmm710PFN 3.3 桿件形狀設(shè)計(jì) 在前面我已經(jīng)把連桿機(jī)構(gòu)中所有桿件的受力情況都分析好了，然后要根據(jù)受力情況和工作環(huán)境 來(lái)算出桿件的截面。 3.3.1 桿件的類型 曲柄搖桿機(jī)構(gòu)在步進(jìn)式工件輸送機(jī)中每個(gè)桿件都只收到拉力或壓力，因此曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中的桿 件都屬于拉壓桿。 3.3.2 鋼材和截面的選擇 1）拉壓桿在手里是主要受到軸向力的作用，因此相對(duì)的力學(xué)性能要求較高，通過(guò)對(duì)比鋼材的 力學(xué)性能，最后確定的材料為 45 號(hào)鋼，45 號(hào)鋼的各項(xiàng)力學(xué)性能如下 45 號(hào)鋼力學(xué)性能BMPaSa5%3/kgmEGPa 45 號(hào)鋼 600 350 16 7800 206 2）選擇截面尺寸 在之前我已經(jīng)計(jì)算出了曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中各個(gè)桿件受到的力，根據(jù)理論力學(xué)和材料力學(xué)所學(xué)即可 求出桿件的最小橫截面積，計(jì)算公式如下 式(24) maxNA 許用應(yīng)力 S 安全系數(shù) S 必須大于 1，取 1.3 14 為極限屈服系數(shù)，查詢機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)得到 45 號(hào)鋼的極限屈服系數(shù)為 350MPa 3501.269MPaS 為方便計(jì)算，先假設(shè)連桿 CB 的截面是圓形的，直徑為 式(25) 41072423.69.Ndm 從制造方面和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定等因素考慮，基于制造困難和穩(wěn)定性的考慮取 為初選參數(shù)2d 3.3.3 穩(wěn)定性的校核 在曲柄連桿機(jī)構(gòu)中，作用在桿件上的力過(guò)大時(shí)，桿件可能會(huì)出現(xiàn)失穩(wěn)的現(xiàn)象。失穩(wěn)的具體表現(xiàn) 就是桿件發(fā)生變形彎曲.一旦發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象，輸送機(jī)將發(fā)生重大的工作誤差，甚至癱瘓。因此機(jī)器 工作時(shí)，必須要避免失穩(wěn)的發(fā)生。下面就來(lái)計(jì)算桿件的穩(wěn)定性。 圖 12 軸銷受力示意圖 1）臨界載荷的計(jì)算 曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中的桿件可以看作是鉸支壓桿，在之前的理論力學(xué)和材料力學(xué)中學(xué)過(guò)鉸支壓桿臨 界載荷的計(jì)算。 式(32) 24343342206156478EdEdcrl lP KN 2）穩(wěn)定性校核 查表得到 45 號(hào)鋼的屈服應(yīng)力 ，再算出桿件所能承受的最大軸向壓應(yīng)力。sMPa 式(33) 225034468SdS KN 鉸支壓桿在受到軸向壓力而不失穩(wěn)的條件是受到的最大軸向壓應(yīng)力 P 不能大于Pst，計(jì)算公式 如下 式(34) crstPstn 代表穩(wěn)定安全系數(shù)； 代表穩(wěn)定許用壓力t stP 步進(jìn)式工件輸送機(jī)在工作時(shí)，桿件受到的沖擊屬于中等沖擊，因此 取 4 stn 式(35) 428150107KNP 根據(jù)上述計(jì)算，桿件的最大承受壓力已經(jīng)確定。 15 3.4 桿件間的聯(lián)結(jié)設(shè)計(jì) 在一般情況下，兩根桿件相連一般采用銷軸連接，螺栓連接等方式。在步進(jìn)式工件輸送機(jī)的設(shè) 計(jì)中，我同樣采用銷軸連接的方式來(lái)用作曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中的各拉壓桿之間的連接。 3.4.1 剪切強(qiáng)度計(jì)算 銷軸連接受力情況如下圖所示，從圖中可以發(fā)現(xiàn)銷軸在連接處主要受到的力是剪切力。理論力 學(xué)和材料力學(xué)中剪切力的計(jì)算通常是將剪切力看作是均勻分布的。在銷軸的剪切面上的作用的剪應(yīng) 力不允許超過(guò)許用剪應(yīng)力 即 式(26) QAP4Pd 許用剪切應(yīng)力 的計(jì)算如下 式(27) 401MaS 式(28) 2250441962dMPaPKN 3.4.2 擠壓強(qiáng)度計(jì)算 當(dāng)銷軸用于桿件之間的連接時(shí)，銷軸受到兩個(gè)桿件同誰(shuí)對(duì)他反向且不在同一直線上的拉力，對(duì) 這個(gè)拉力分析可發(fā)現(xiàn)這個(gè)拉力實(shí)際是作用在銷軸表面的擠壓應(yīng)力。這個(gè)擠壓應(yīng)力過(guò)大時(shí)會(huì)是銷軸發(fā) 生形變，甚至斷裂。因此這個(gè)銷軸受到的擠壓應(yīng)力不得超過(guò)銷軸所能承受的最大擠壓應(yīng)力。一般情 況下，銷軸受到的最大擠壓應(yīng)力 在銷軸表面的中間部分。擠壓應(yīng)力為 ，銷軸、孔的直徑為bsbsF d ，耳片的厚度為 t ，最大擠壓應(yīng)力 與所受擠壓應(yīng)力 、銷軸，孔的直徑 d 及耳片厚度 t 的bs 關(guān)系如下式: 式(29) bFsTd Td 表示銷軸表面與孔接觸部分的徑向投影。 當(dāng)最大擠壓應(yīng)力 超過(guò)銷軸的許用壓應(yīng)力 時(shí)，銷軸就會(huì)被破壞。因此為了防止銷軸被bs bs 破壞，必須要求 式(30)bss 的值由銷軸的極限壓應(yīng)力和安全系數(shù)相除得到。b 桿件連接處的許用載荷 式(31)=40360bsPtdKN 16 第 4 章 電動(dòng)機(jī)及聯(lián)軸器的選用 4.1 選擇電動(dòng)機(jī)類型 電動(dòng)機(jī)的類型根據(jù)動(dòng)力源和工作要求選用 Y 系列全封閉自扇冷式籠型三相異步電動(dòng)機(jī)，電壓 380V。 4.1.1 選擇電動(dòng)機(jī)容量 送料機(jī)在工作時(shí)的阻力為 4000N，對(duì)送料機(jī)構(gòu)進(jìn)行受力分析如下圖： 圖 4 有如下方程成了： m7.59F=Mcos41cos486.952.30N213 計(jì)算得： 根據(jù)設(shè)計(jì)要求送料機(jī)每分鐘往返次數(shù)：N=30 次，則曲柄盤(pán)轉(zhuǎn)速 n=30r/min。 17 平面連桿送料機(jī)構(gòu)工作所需功率： kW56.2 950nMwP 電動(dòng)機(jī)所需工作功率 （kW）為：d d 傳動(dòng)裝置的總效率為： 231 按機(jī)械課程設(shè)計(jì)手冊(cè)表 2-5 確定各部分效率為:聯(lián)軸器效率 ，滾動(dòng)軸承效率（一9.01 對(duì)） ，共五對(duì)。閉式齒輪傳動(dòng)效率 ，開(kāi)式齒輪傳動(dòng)效率 代入得：9.0298.037.47.9.08.25 所需電動(dòng)機(jī)功率為 kWpwd 4.2.56 電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速根據(jù)