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1、機械課程設計 目 錄 一 課程設計書 二 設計要求 三 設計步驟 1. 搖樂床總體設計方案 2. 電動機的選擇與固定 3. 齒輪的設計 4. 滑動軸承與傳動軸的設計 5. 鍵

2、聯(lián)接設計 6. 箱體結(jié)構的設計 7.連接桿與萬向節(jié)的設計 8.夾緊旋鈕的設計的設計 9.螺栓與螺釘?shù)脑O計 10.電子控制部分整體設計 四 設計小結(jié) 五 參考資料 一. 課程設計書 設計一基于機

3、械創(chuàng)新設計大賽的家用機械的智能搖床裝置，該裝置能自動感知嬰兒的哭聲，并自動搖擺來促進嬰兒的睡眠，還能播放音樂，有效地促進嬰兒的睡眠。該機構包含機械設計部分與電子控制部分。 二. 設計要求 1.搖樂床CAD裝配圖與PRO/E三維圖各一張(A1)。 2.CAD繪制軸、滑動軸承座、齒輪、萬向節(jié)、蓋殼、連桿等零件圖各一張(A3)。 3.機構運動簡圖一張 4.設計說明書一份。 三. 設計步驟 1.搖樂床總體設計方案 2.電動機的選擇與固定

4、 3. 齒輪的設計 4. 滑動軸承與傳動軸的設計 5. 鍵聯(lián)接設計 6. 箱體結(jié)構的設計 7.連接桿與萬向節(jié)的設計 8.夾緊旋鈕的設計的設計 9.螺栓與螺釘?shù)脑O計 10.電子控制部分整體設計 1.搖樂床設計方案: 1.

5、 組成：傳動裝置由電機、齒輪減速器、連桿、夾具組成。 3. 確定傳動方案：考慮到電機減速，傳遞小功率，連桿與床間用夾具固定。 其傳動方案如下： 2. 電動機與其驅(qū)動器的選擇 為了實現(xiàn)搖動床時的左右擺動，以及便于單片機的控制，選用兩相四線制步進電機。 步進電機是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機構。即：當步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度（及步進角）可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時您可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的。 一、步進電

6、機最大特點是： 1、它是通過輸入脈沖信號來進行控制的。 2、電機的總轉(zhuǎn)動角度由輸入脈沖數(shù)決定。 3、電機的轉(zhuǎn)速由脈沖信號頻率決定。 二.模型分析 實測數(shù)據(jù)： 嬰兒床體積95*54*59 總重量20㎏ = 嬰兒重量5㎏+ 床重15㎏ 建立受力模型： 設F1到中心的偏移距離為5㎝ 產(chǎn)生阻力矩為M1=F1L1=2059.8=980N㎝ 連桿力矩M2=M1 取斜長為L2=65㎝ 所以M2=F2L2 所以F2=15N 設計的搖桿長度為L3=10㎝ ，中間力矩為M3=F2L3=150N㎝=15.3㎏㎝

7、 電機的靜力矩M>M3=15.3kgcm。 三..電機的轉(zhuǎn)速選取 做為嬰兒的搖動產(chǎn)品，搖動要盡可能的輕柔，搖動也要盡可能的舒緩。從人體功能學的角度來講，搖動的頻率要小于50次/分鐘，搖動的幅度需要在5-20CM之間，搖動的功率要小于1W，這樣的搖動產(chǎn)品才能盡量讓嬰兒感覺到搖動的快樂，又不至于受到搖動的損傷。 基于以上選取： 頻率：30次/分鐘 幅度：10CM 步進電機為兩相四線，一拍的轉(zhuǎn)動角度為1.8度，采用8拍（出于對力矩、平穩(wěn)、噪音及減少角度等方面考慮。往往采用八拍工作方式)制，就是188=14.4度，為一個整拍。設計

8、取的桿長為10CM ，需要轉(zhuǎn)過120度左右，才能達到10CM的幅度，12014.4=8.3 ，可以取為10，即10個整拍，左右各5個整拍。而來回一次需20個整拍，頻率為30次/分鐘，一分鐘2030=600個整拍，，用一齒輪結(jié)構減速，轉(zhuǎn)換成電機轉(zhuǎn)速應為40r/min. 綜上：負載選取57BYGH802-5 其靜力矩為16㎏㎝ 。其余具體參數(shù)見 四．電機驅(qū)動器的選擇 鑒于使用單片機智能控制，故要求用低功率、低電壓去控制相對較高的電壓，故驅(qū)動裝置要能隔離高低電壓，不使單片機燒壞，同時又能

9、有效的驅(qū)動電機。 綜上考慮選用以L298N為主的驅(qū)動芯片，效果較佳，TLP521—4為光耦隔離芯片，即四路隔離 3. 齒輪的設計 選定齒輪材料、齒數(shù) 初選鋁合金作為齒輪材料，小齒輪齒數(shù)z1=36，大齒輪齒數(shù)z2=72 傳動比i=z2/z1=72/36=2 兩齒輪在工作中起到傳遞動力的作用，將電機軸提供的動力傳遞給輸出軸。查閱相關資料知，機械手臂在搖動嬰兒床是的理想轉(zhuǎn)速為20r/min，則電機軸轉(zhuǎn)速為40r/min，屬于較低轉(zhuǎn)速范圍，故不進行強度校核。 確定齒輪的幾何尺寸 小齒輪齒數(shù)z1=36，大齒輪齒數(shù)z2=72。 齒數(shù)比 i=z2/z1=72/36=2。

10、 模數(shù) m=1。 小齒輪分度圓直徑d1=mz1=136=36mm。 大齒輪分度圓直徑d2=mz2=172=72mm。 4. 滑動軸承與傳動軸的設計 滑動軸承的設計 結(jié)構設計（如圖） 滑動軸承1 滑動軸承2 通過對軸的設計和校核已知，軸在兩軸承處所受的支反力均很小， 即軸對軸承的壓力很小，通過計算可得軸承1、2處支反力 軸承1： 水平：RA=27.22N 豎直：RA’=9.91N 軸承2： 水平： RB=

11、17.22N 豎直： RB’ =6.27N 兩軸承處軸徑均為10mm，軸的轉(zhuǎn)速為20r/min，可求得軸與軸承接觸出的速度： 兩軸承處所受壓力均很小，線速度很低，故不需進行強度校核，且由于軸的材質(zhì)已定為鋁合金，只具有很小的摩擦，在如此低速輕載的工況下略不計。選用鋁合金材料即可滿足要求。 軸的設計和校核 1 確定軸的類型 根據(jù)軸的工作性質(zhì)，對軸的類型進行確定：按外形選用階梯軸；按照其在工作中的承載不同，確定為轉(zhuǎn)軸。 2 軸的設計 根據(jù)軸在工作中的性能要求，選用的軸

12、應滿足低速、輕質(zhì)和低載的特點，所以在對軸的工作能力進行設計時，重點放在結(jié)構設計和強度等方面。 （1） 軸的結(jié)構設計（如圖） （軸上零件的定位和固定詳見裝配圖） （2） 初選材料 為滿足低速、輕載和輕質(zhì)的條件，初選鋁合金2A13作為軸的材料，查機械手冊可得，該材料的的相關參數(shù)： （3）初定軸徑 根據(jù)各個零件的配合關系和結(jié)構的布置要求以及工藝性能，初步確定軸徑大小，和各段的長度（如上圖） 由左至右 3 強度校核 對軸進行強度校核，看其是否滿足工作要求

13、 （1）求兩齒輪上作用力的大小 1　 小齒輪分度圓直徑：d1=36 mm 2　 作用在齒輪上的轉(zhuǎn)矩：T=1600 Nmm 3　 求圓周力 Ft1=2T/d1=21600N.mm/36=88.89N 4　 求徑向力 Fr1=Fttanα=88.89tan200=32.35N 5　 小齒輪分度圓直徑：d2= 72mm 6　 作用在齒輪上的轉(zhuǎn)矩：T=1600N.mm 7　 求圓周力 Ft2=2T/d2=21600N.mm/72mm=44.44N 8　 求徑向力 Fr2=Fttan

14、α=44.44Ntan200=16.18N （2） 確定支反力 根據(jù)軸承支反力的作用點以及軸承和齒輪在軸上的安裝位置，建立力學模型。 水平面內(nèi)的支反力： RA=Ft264104.5=27.22N RB= Ft2－RA=44.44N－27.22N=17.22N 豎直面內(nèi)的支反力： RA’= Fr264104.5=16.18N64104.5=9.91N

15、RB’ =Fr2－RA’=16.18N－9.91N=6.27N （3）畫彎矩圖 水平面的彎矩： M水平=RA40.5=27.22N40.5=1102.41N.mm 垂直面的彎矩： M垂直= RA’40.5=9.91N40.5=401.36N.mm 合成彎矩： =1173.20N.mm 當量彎矩： 水平面內(nèi)彎矩 1102.41N.mm 豎直面內(nèi)彎矩 401.36N.

16、mm 合成彎矩圖 1173.20N.mm 當量彎矩圖 1267.60N.mm (4)校核計算 近似計算時，忽略鍵槽的影響，則抗彎截面系數(shù)： 計算應力 < 所以，軸的強度足夠。 5. 鍵聯(lián)接設計 平鍵聯(lián)接的強度校核 鍵的主要失效形式：壓潰、磨損(動聯(lián)接)、剪斷。 1)鍵類型的確定 根據(jù)鍵的連接特點和工作環(huán)境，選取平鍵A型作為設計

17、目標 1） 鍵的材料 根據(jù)其設計需要輕微沖擊的工作環(huán)境，選取 3）平鍵的強度計算 轉(zhuǎn)矩：T=1600 Nmm 軸直徑：d1=10mm d2=20mm 鍵工作長度: l1=L1-b1=7mm l2= L2-b2=3mm 鍵的截面尺寸b、h查表選取，長度L參照輪轂長度從標準中選取。如下表 鍵聯(lián)接的許用擠壓應力、許用壓力ＭＰa 如下表 擠壓應力: σp1 =Ft/S=T/(d1/2)(h1/2)l1

18、 =4T/d 1h1 l1[σp ]（MPa） 即 σp1=41600 Nmm/ 1037(mm3) =3.10（MPa）<<[σp ] 同理 σp1 =Ft/S=T/(d2/2)(h2/2)l2 =4T/d 2h2 l2[σp ]（MPa） 即 σp2=41600 Nmm/ 2033(mm3) =35.6（MPa）<<[σp ] 綜上，鍵的強度滿足要求 6.箱體結(jié)構設計 1.箱體的主要功能 (1)

19、支承并包容各種傳動零件，如齒輪、軸、軸承等，使它們能夠保持正常的運動關系和運動精度。箱體還可以儲存潤滑劑，實現(xiàn)各種運動零件的潤滑。 (2)安全保護和密封作用，使箱體內(nèi)的零件不受外界環(huán)境的影響，又保護機器操作者的人生安全，并有一定的隔振、隔熱和隔音作用。 (3)使機器各部分分別由獨立的箱體組成，各成單元，便于加工、裝配、調(diào)整和修理。 (4)改善機器造型，協(xié)調(diào)機器各部分比例，使整機造型美觀。 2 設計的主要問題和設計要求 箱體設計首先要考慮箱體內(nèi)零件的布置及與箱體外部零件的關系，如車床按兩頂尖要求等高，確定箱體的形狀和尺寸，此外還應考慮以下問題： （1）.滿足強度和剛度要求。

20、對受力很大的箱體零件，滿足強度是一個重要問題；但對于大多數(shù)箱體，評定性能的主要指標是剛度，因為箱體的剛度不僅影響傳動零件的正常工作，而且還影響部件的工作精度。 （2）.散熱性能和熱變形問題。箱體內(nèi)零件摩擦發(fā)熱使?jié)櫥驼扯茸兓绊懫錆櫥阅?；溫度升高使箱體產(chǎn)生熱變形，尤其是溫度不均勻分布的熱變形和熱應力，對箱體的精度和強度有很大的影響。 （3）.結(jié)構設計合理。如支點的安排、筋的布置、開孔位置和連接結(jié)構的設計等均要有利于提高箱體的強度和剛度。 （4）.工藝性好。包括毛坯制造、機械加工及熱處理、裝配調(diào)整、安裝固定、吊裝運輸、維護修理等各方面的工藝性。 （5）.造型好、質(zhì)量小。 3

21、箱體形體設計 箱體的形狀和尺寸常由箱體內(nèi)部零件及內(nèi)部零件間的相互關系來決定，決定箱體結(jié)構尺寸和外觀造型的這一設計方法稱為"結(jié)構包容法"，當然還應考慮外部有關零件對箱體形狀和尺寸的要求。 箱體壁厚的設計多采用類比法，對同類產(chǎn)品進行比較，參照設計者的經(jīng)驗或設計手冊等資料提供的經(jīng)驗數(shù)據(jù)，確定壁厚、筋板和凸臺等的布置和結(jié)構參數(shù)。對于重要的箱體，可用計算機的有限元法計算箱體的剛度和強度，或用模型和實物進行應力或應變的測定，直接取得數(shù)據(jù)或作為計算結(jié)果的校核手段。 查閱有關手冊可知。 鑄造工程塑料 用于要求減小質(zhì)量且載荷不太大的箱體。多數(shù)可通過熱處理進行強化，有足夠的強度和較好的

22、塑性。 4.箱體結(jié)構參數(shù)的選擇 (1) 壁厚 鑄鐵、鑄鋼和其它材料箱體的壁厚可以從表21-2中選取，表中N用下式計算： N=（2L+B+H）/3000 （mm） 式中L-鑄件長度（mm），L、B、H中，L為最大值； B-鑄件寬度（mm）； H-鑄件高度（mm）； 表21-2 鑄造箱體的壁厚 儀器儀表鑄造外殼的最小壁厚參考表21-3選取 (2)孔和凸臺 箱體內(nèi)壁和外壁上位于同一軸線上的孔，從機加工角度要求，單件小批量生產(chǎn)時，應盡可能使孔的質(zhì)量相等；成批大量生產(chǎn)時，外壁上的孔應大于內(nèi)壁上的孔徑，這有利于刀具的進入和退出。箱體壁上的開孔會降低箱體的剛

23、度，實驗證明，剛度的降低程度與孔的面積大小成正比。 在箱壁上與孔中心線垂直的端面處附加凸臺，可以增加箱體局部的剛度；同時可以減少加工面。當凸臺直徑D與孔徑d的比值D/d≤2和凸臺高度h與壁厚t的比值t/h≤2時，剛度增加較大；比值大于2以后，效果不明顯。如因設計需要，凸臺高度加大時，為了改善凸臺的局部剛度，可在適當位置增設局部加強筋。見圖21-8。 圖21-8 (3)連接和固定 箱體連接處的剛度主要是結(jié)合面的變形和位移，它包括結(jié)合面的接觸變形，連接螺釘?shù)淖冃魏瓦B接部位的局部變形。為了保證連接剛度，應注意以下幾個方面的問題： 1)重要結(jié)合面表面粗糙度值Ra應不大于3

24、.2um，接觸表面粗糙度值越小，則接觸剛度越好。 2)合理選擇聯(lián)結(jié)螺釘?shù)闹睆胶蛿?shù)量，保證結(jié)合面的預緊力。為了保證結(jié)合面之間的壓強，又不使螺釘直徑太大，結(jié)合面的實際接觸面積在允許范圍內(nèi)盡可能減小。如圖19-9。 3)合理設計聯(lián)結(jié)部位的結(jié)構，聯(lián)結(jié)部位的結(jié)構及特點及應用見表21-5。 表21-5 通過計算，選取箱體材料為工程塑料，箱體厚度為5mm,在箱體四周分別開四個通孔，與底板連接方式為六角螺栓連接。如圖所示: 7.連接桿與萬向節(jié)的設計 連接桿設計與校核 (1)連接桿材料的選擇 考慮其工作環(huán)境與其工作性能，選擇普通鋁合金材料即可，預選材料5052

25、-H112 相關參數(shù) =175 MPa (2)連接桿設計 根據(jù)其工作環(huán)境與連接特點，設計如下圖所示 （3）強度校核 已知 轉(zhuǎn)矩：T=1600 Nmm 手臂：L=100mm 最易發(fā)生變形處面積為：S=lH=128mm2 所以： F=T/L=16N =F/S=0.125MPa<<=175 MPa 由F=16N可以判斷選用一般零件即可滿足設計要求，故手臂不做校核 綜上，連接件：連接桿與手臂均符合要求 萬向節(jié)選擇 結(jié)構

26、：由一個十字軸、兩個萬向節(jié)叉、四個滾針軸承組成；所有轉(zhuǎn)動副的回轉(zhuǎn)中心（軸線）交于一點O，兩軸間的夾角為α； 優(yōu)點：萬向節(jié)機構用于傳遞機構用于傳遞兩相交軸間的動力和運動，單萬向節(jié)當主動軸做勻速回轉(zhuǎn)運動時，從動軸做變速運動；當兩軸夾角發(fā)生變化時仍可繼續(xù)工作，傳動效率高，磨損小，實現(xiàn)多向轉(zhuǎn)動。 材料選擇：為了保證工作性能，選用45號鋼作材料，對于此機構要滿足的運動要求是完全滿足的 綜上，萬向節(jié)所選材料滿足要求 8.夾緊旋鈕的設計 1 確定夾緊旋鈕類型 根據(jù)螺栓工作性質(zhì)和工作環(huán)境，選取普通

27、螺栓 2 螺栓的設計 根據(jù)螺栓工作性能要求，設計重點在螺栓預緊力 2） 螺栓的設計 旋鈕螺栓圖如下 2）螺栓材料選擇 預選材料5052-H112 3）強度校核 P0：預緊力 σs：屈服強度 P0＝σ0As σ0 =（0.5～0.7）σs P0=（0.5～0.7）58195=（5655～7917）N 鋁合金牌號 拉伸強度σ( MPa) 屈服強度σs( MPa) 5052-H112 175 195 5083-H112

28、 180 211 6061-T651 310 276 7050-T7451 510 455 7075-T651 572 503 2024-T351 470 325 木材的抗壓強度 順紋抗壓強度：即作用力的方向與木材纖維方向平形式的抗壓強度。（范圍在30~70Mpa之間） 橫紋

29、抗壓強度：即作用力與木材纖維垂直時的抗壓強度。 工程使用中，一般選用順紋方向作為主要受力方向。 木材抗壓計算 1）抗壓強度:[σbs]=（30~70Mpa） 受壓面積: A=878.54mm2 F[σbs]A=（30~70Mpa）878.54mm2 =26356.2~61497.8N 由旋鈕螺栓預緊力 P0=（5655～7917）N遠小于木材抗壓能力F(26356.2 ~61497.8N)可知所選零件可靠 10.電子控制部分整體設計 1. 整體電子控制流程圖：

30、 STC90C51 單片機 音樂 無線按 鍵遙控 聲音 感應 步進 電機 按鍵遙控有四種模式： a>開關模式：此模式控制整體的轉(zhuǎn)停； b>聲音感應模式：聲音傳感器檢測到嬰兒哭聲后，發(fā)送信號給單片機，單片機及時控制床的搖擺； c>定時模式：設定時間為25分鐘，即床會自動擺動25分鐘； d>音樂模式：播放音樂，促進嬰兒睡眠。 2. 電機的控制： 步進電機為兩相四線，即有四個輸入端口，具體控制為：將IN1，IN2和IN3，IN4

31、兩對引腳分別接入單片機的某個端口，輸出連續(xù)的脈沖信號。信號頻率決定了電機的轉(zhuǎn)速。改變繞組脈沖信號的順序即可實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)。 兩相四拍工作模式時序圖： 步進電機 信號輸入 第一步 第二步 第三步 第四步 返回第一步 步進電機 信號輸入 第一步 第二步 第三步 第四步 返回第一步 正轉(zhuǎn) IN1 0 1 1 1 返回 IN2 1 0 1 1 返回 IN3 1 1 0 1 返回 IN4 1 1 1 0 返回 反轉(zhuǎn) IN1 1 1 1 0 返回 IN2 1 1 0 1 返回 IN3 1 0 1 1

32、 返回 IN4 0 1 1 1 返回 (1)控制換相順序 1、通電換相這一過程稱為脈沖分配。 例如： 1、 兩相四線步進電機的四拍工作方式，其各相通電順序為： (A-B-A’－B’)依次循環(huán) (通電控制脈沖必須嚴格按照這一順序分別控制A,B相的通斷。) 2、兩相四線步進電機的八拍工作方式，其各相通電順序為: (A－AB－B－BA’－A’－A’B’-B’－B’A)依次循環(huán)。(出于對力矩、平穩(wěn)、噪音及減少角度等方面考慮。往往采用八拍工作方式) (2)控制步

33、進電機的轉(zhuǎn)向 如果給定工作方式正序換相通電，步進電機正轉(zhuǎn)，如果按反序通電換相，則電機就反轉(zhuǎn)。如：正轉(zhuǎn)通電順序是：（A-B-A’－B’ 依次循環(huán)。）則反轉(zhuǎn)的通電順序是：（B‘-A’-B－A依次循環(huán)。） (3)控制步進電機的速度 如果給步進電機發(fā)一個控制脈沖，它就轉(zhuǎn)一步，再發(fā)一個脈沖，它會再轉(zhuǎn)一步。兩個脈沖的間隔越短，步進電機就轉(zhuǎn)得越快。調(diào)整單片機發(fā)出的脈沖頻率，就可以對步進電機進行調(diào)速。（注意：如果脈沖頻率的速度大于了電機的反應速度，那么步進電機將會出現(xiàn)失步現(xiàn)象）。 2. 聲音感應模塊 設計如圖： LM393 放大器 單片機 麥克風

34、 傳感器 麥克風 傳感器 使用高靈敏的電容式極柱體麥克風傳感器 模塊有1個輸出： DO，當聲音強度到達某個閥值時，輸出高低電平信號，閥值-靈敏度可以通過電位器調(diào)節(jié) 模塊特點： 1、尺寸小，36mm X 16mm 2、可以使用3-5.5v直流電源供電 3、極柱體麥克風，靈敏度高 3. 無線遙控模塊 無線發(fā)射裝置： 為一個手持遙控器，配置12v電池，上面有四個按鍵為A、B、C、D，通過無線傳送到

35、接收模塊，A、B、C、D對應4種工作模式。 無線接收裝置： 采用PT2262/2272芯片構架電路，也是一種CMOS工藝制造的低功耗低價位通用編解碼電路 工作頻率：315M 工作電壓：DC5V 工作原理：超再生 調(diào)制方式：ASK 遙控距離：20～50米 接收模塊的七根引腳分別為D3、D2、D1、D0、GND、VT、VCC，其中VCC為DC5V的供電端，GND為接地端，VT端為解碼有效輸出端，只要發(fā)射器的數(shù)據(jù)碼有輸出，VT都能同步輸出高電平；D3、D2、D1、D0是2262解碼芯片的四位數(shù)據(jù)輸出端，有信號時能輸出5V左右的高電平，驅(qū)動電流約2mA，與發(fā)射器的四位數(shù)據(jù)碼輸出一一對應。 24