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摘 要
步進輸送機是一種能間歇地輸送工件并使其間距始終保持穩(wěn)定步長的傳送機械。傳統(tǒng)輸送機通過電動機采用普通減速器多級變速實現(xiàn)，傳動裝置結(jié)構(gòu)尺寸大。為了使裝置結(jié)構(gòu)緊湊，傳動效率高，本文完成了采用二級圓柱減速器為傳動系的步進輸送機的設計與研究。
介紹了現(xiàn)有工件輸送機的類型、發(fā)展趨勢和研究本課題的目的、意義，分析了輸送機國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀。在完成對工作機構(gòu)的設計、確定電動機的類型的情況下，建立了兩種傳動系減速方案，通過方案對比，擇優(yōu)選擇出采用二級圓柱齒輪減速器的步進輸送機傳動方案，并對此方案的可行性進行了分析。進行了工件步進輸送機的總體結(jié)構(gòu)設計，并詳細繪制了關鍵零件的工作圖。同時運用計算機輔助軟件對工作機構(gòu)及傳動系進行運動仿真分析，為進一步改進傳動結(jié)構(gòu)提供理論依據(jù)。
關鍵詞：步進式工件運輸機；電動機；設計；仿真
ABSTRACT
A stepping conveyor can transport the workpiece to intermittently spacing remain stable mechanical transmission step. By conventional conveyor motor using ordinary multi-speed reducer to realize large transmission structure size. To make the device compact, high transmission efficiency, design and research paper completed the drivetrain stepping conveyor using two cylindrical reducer is.
Describes the type of an existing workpiece conveyor, trends and research purpose of this study, the significance analysis of the research status of the conveyor and abroad. In the case of the completion of the work organization design, determine the type of motor, gear transmission system established two programs by comparing the program, choose the best out using two cylindrical gear reducer drive stepper conveyor solutions and this feasibility of the program are analyzed. The overall structural design artifacts were stepping conveyor and detailed mapping of the key parts of the working drawings. While the use of computer-aided software working bodies and driveline motion simulation analysis, to provide a theoretical basis for the further improvement of the transmission structure.
KEYWORDS: workpiece stepping conveyor; motor; design; simulation
iv
目 錄
摘 要 i
ABSTRACT ii
目 錄 iii
1 緒論 1
1.1 引言 1
1.2 運輸機的類型及特性介紹 1
1.2.1 工件運輸機的分類 1
1.2.2 步進式工件運輸機的工作原理 3
1.2.3 輸送機的發(fā)展趨勢 3
1.3 研究的目的和意義 4
1.4 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 4
1.5 主要研究內(nèi)容 5
1.5.1 設計任務 5
2 運輸機方案設計 6
2.1 方案比較 6
2.2 工作機構(gòu)的設計與分析 7
2.2.1 工作機構(gòu)型式的選擇 7
2.2.2 平面曲柄搖桿機構(gòu) 8
2.2.3 平面四連桿機構(gòu)有曲柄的條件 8
2.3 連桿設計內(nèi)容 9
2.3.1 搖桿的擺角初選 9
2.3.2 鉸點位置和曲柄長度的設計 9
2.3.3 曲柄搖桿機構(gòu)的設計 9
2.3.4 機構(gòu)的速度分析 11
2.4 選擇電動機 12
2.4.1 選擇電動機的類型 12
2.4.2 選擇電動機的容量 12
2.5 傳動方案的選擇 12
2.5.1 選擇傳動形式 12
3 二級圓柱齒輪性能參數(shù)設計 14
3.1 設計高速級齒輪 14
3.1.1 按齒面接觸強度設計 14
3.1.2 按齒根彎曲強度設計 17
3.1.3 幾何尺寸計算 18
3.2 設計低速級齒輪 19
3.2.1 按齒面接觸疲勞強度設計 19
3.2.2 按齒根彎曲強度設計 21
3.2.3 幾何尺寸計算 22
3.2.4 驗算 23
3.3 中間軸設計及校核 23
4 步進式工件輸送機總體設計 27
5 步進式工件運輸機的三維設計及運動仿真 28
5.1 開式齒輪傳動零件實體造型 28
5.1.1 小齒輪實體設計 28
5.1.2 大齒輪實體設計 28
5.1.3 曲柄實體設計 29
5.1.4 鉸鏈支座實體設計 29
5.1.5 連桿實體設計 29
5.1.6 搖桿實體設計 29
5.2 開式齒輪傳動零件、四桿機構(gòu)裝配 29
5.3 運動仿真及分析 31
5.3.1 設置運動環(huán)境 31
5.3.2 進行運動仿真 33
5.3.3 獲取分析結(jié)果 33
5.3.4 分析運動仿真結(jié)果是否吻合 35
結(jié) 論 37
致 謝 38
參考文獻 39
1 緒論
1.1 引言
進入21世紀以來，隨著科學技術、工業(yè)生產(chǎn)水平的不斷發(fā)展和人們生活條件的不斷改善市場愈加需要各種各樣性能優(yōu)良、質(zhì)量可靠、價格低廉、效率高、能耗低的機械產(chǎn)品，而決定產(chǎn)品性能、質(zhì)量、水平、市場競爭能力和經(jīng)濟效益的重要環(huán)節(jié)是產(chǎn)品設計。
企業(yè)為了贏得市場，必須不斷開發(fā)符合市場需求的產(chǎn)品。新產(chǎn)品的設計與制造，其中設計是產(chǎn)品開發(fā)的第一步，是決定產(chǎn)品的性能、質(zhì)量、水平、市場競爭力和經(jīng)濟效益的最主要因素.機械原理課程設計結(jié)合一種簡單機器進行機器功能分析、工藝動作過程確定、執(zhí)行機構(gòu)選擇、機械運動方案評定、機構(gòu)尺度綜合、機構(gòu)運動方案設計等，使學生進一步鞏固、掌握并初步運用機械原理的知識和理論，對分析、運算、繪圖、文字表達及技術資料查詢等諸方面的獨立工作能力進行初步的訓練，培養(yǎng)理論與實際結(jié)合的能力，更為重要的是培養(yǎng)開發(fā)和創(chuàng)新能力。畢業(yè)論文設計在機械類專業(yè)學生的知識體系訓練中，具有不可替代的重要作用。
1.2 運輸機的類型及特性介紹
1.2.1 工件運輸機的分類
（1）輸送機一般按有無牽引件來進行分類：
1）具有牽引件的輸送機一般包括牽引件、承載構(gòu)件、驅(qū)動裝置、張緊裝置、改向裝置和支承件等。牽引件用以傳遞牽引力，可采用輸送帶、牽引鏈或鋼絲繩； 承載構(gòu)件用以承放物料，有料斗、托架或吊具等；驅(qū)動裝置給輸送機以動力，一般由電動機、減速器和制動器(停止器)等組成；張緊裝置一般有螺桿式和重錘式兩種，可使牽引件保持一定的張力和垂度，以保證輸送機正常運轉(zhuǎn)；支承件用以承托牽引件或承載構(gòu)件，可采用托輥、滾輪等。
具有牽引件的輸送機的結(jié)構(gòu)特點是：被運送物料裝在與牽引件連結(jié)在一起的承載構(gòu)件內(nèi)，或直接裝在牽引件(如輸送帶)上，牽引件繞過各滾筒或鏈輪首尾相連，形成包括運送物料的有載分支和不運送物料的無載分支的閉合環(huán)路，利用牽引件的連續(xù)運動輸送物料。
這類的輸送機種類繁多，主要有帶式輸送機、板式輸送機、小車式輸送機、自動扶梯、自動人行道、刮板輸送機、埋刮板輸送機、斗式輸送機、懸掛輸送機和架空索道等。
2）沒有牽引件的輸送機的結(jié)構(gòu)組成各不相同，用來輸送物料的工作構(gòu)件亦不相同。它們的結(jié)構(gòu)特點是：利用工作構(gòu)件的旋轉(zhuǎn)運動或往復運動，或利用介質(zhì)在管道中的流動使物料向前輸送。例如，輥子輸送機的工作構(gòu)件為一系列輥子，輥子作旋轉(zhuǎn)運動以輸送物料；螺旋輸送機的工作構(gòu)件為螺旋，螺旋在料槽中作旋轉(zhuǎn)運動以沿料槽推送物料；振動輸送機的工作構(gòu)件為料槽，料槽作往復運動以輸送置于其中的物料等。
（2）輸送機械按使用的用途分可以分為:
1）帶式輸送機由驅(qū)動裝置拉緊裝置輸送帶中部構(gòu)架和托輥組成輸送帶作為牽引和承載構(gòu)件，借以連續(xù)輸送散碎物料或成件品。帶式輸送機是一種摩擦驅(qū)動以連續(xù)方式運輸物料的機械。應用它，可以將物料在一定的輸送線上，從最初的供料點到最終的卸料點間形成一種物料的輸送流程。它既可以進行碎散物料的輸送，也可以進行成件物品的輸送。除進行純粹的物料輸送外，還可以與各工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)流程中的工藝過程的要求相配合，形成有節(jié)奏的流水作業(yè)運輸線。所以帶式輸送機廣泛應用于現(xiàn)代化的各種工業(yè)企業(yè)中。在礦山的井下巷道、礦井地面運輸系統(tǒng)、露天采礦場及選礦廠中，廣泛應用帶式輸送機。它用于水平運輸或傾斜運輸。
2）螺旋輸送機俗稱絞龍，適用于顆粒或粉狀物料的水平輸送，傾斜輸送，垂直輸送等形式。輸送距離根據(jù)畸形不同而不同，一般從2米到70米[1]。輸送原理：旋轉(zhuǎn)的螺旋葉片將物料推移而進行螺旋輸送機輸送。使物料不與 螺旋輸送機葉片一起旋轉(zhuǎn)的力是物料自身重量和螺旋輸送機機殼對物料的摩擦阻力。結(jié)構(gòu)特點：螺旋輸送機旋轉(zhuǎn)軸上焊有螺旋葉片，葉片的面型根據(jù)輸送物料的不同有實體面型、帶式面型、葉片面型等型式。螺旋輸送機的螺旋軸在物料運動方向的終端有止推軸承以隨物料給螺旋的軸向反力，在機長較長時，應加中間吊掛軸承。雙螺旋輸送機就是有兩根分別焊有旋轉(zhuǎn)葉片的旋轉(zhuǎn)軸的螺旋輸送機。說白了，就是把兩個螺旋輸送機有機的結(jié)合在一起，組成一臺螺旋輸送機。 螺旋輸送機旋轉(zhuǎn)軸的旋向，決定了物料的輸送方向，但一般螺旋輸送機在設計時都是按照單項輸送來設計旋轉(zhuǎn)葉片的。當反向輸送時，會大大降低輸送機的使用壽命。
3）斗式提升機 利用均勻固接于無端牽引構(gòu)件上的一系列料斗，豎向提升物料的連續(xù)輸送機械。斗式提升機具有輸送量大，提升高度高，運行平穩(wěn)可靠，壽命長顯著優(yōu)點，本提升機適于輸送粉狀，粒狀及小塊狀的無磨琢性及磨琢性小的物料，如：煤、水泥、石塊、砂、粘土、礦石等，由于提升機的牽引機構(gòu)是環(huán)行鏈條，因此允許輸送溫度較高的材料(物料溫度不超過250℃)。一般輸送高度最高可達40米。
1.2.2 步進式工件運輸機的工作原理
步進式工件輸送機用于間歇的傳送工件，如圖1.1所示，電動機通過傳動裝置、工作機構(gòu)驅(qū)動滑架往復移動。工作行程時，滑架上的推爪推動工件前移一個步長，當滑架返回時，由于推爪與軸間裝有扭簧，因此推爪從工件底面滑過，工件保持不動。當滑架再次向前推進是，推爪已復位，并推動新的工件前移，前方推爪也推動前一工位的工件前移。
圖1.1 步進式工件運輸機
傳統(tǒng)輸送機通過電動機采用普通減速器多級變速實現(xiàn)，傳動裝置結(jié)構(gòu)尺寸大。由此可設想設計一套采用二級圓柱齒輪減速器為傳動系的工件步進輸送機。
1.2.3 輸送機的發(fā)展趨勢
（1） 繼續(xù)向大型化發(fā)展、大型化包括大輸送能力、大單機長度和大輸送傾角等幾個方面。水力輸送裝置的長度已達440公里以上。帶式輸送機的單機長度已近15公里，并已出現(xiàn)由若干臺組成聯(lián)系甲乙兩地的"帶式輸送道"。不少國家正在探索長距離、大運量連續(xù)輸送物料的更完善的輸送機結(jié)構(gòu)。
（2） 擴大輸送機的使用范圍。 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、粘性的物料的輸送機。
（3） 使輸送機的構(gòu)造滿足物料搬運系統(tǒng)自動化控制對單機提出的要求。 如郵局 所用的自動分揀包裹的小車式輸送機應能滿足分揀動作的要求等。
（4） 降低能量消耗以節(jié)約能源，已成為輸送技術領域內(nèi)科研工作的一個重要方面。已將1噸物料輸送1公里所消耗的能量作為輸送機選型的重要指標之一。
（5） 減少各種輸送機在作業(yè)時所產(chǎn)生的粉塵、噪聲和排放的廢氣。
1.3 研究的目的和意義
通過對研究本課題，不僅可以使我對工件輸送機總體結(jié)構(gòu)有宏觀把握，而且對二級齒輪傳動減速器有了深入的了解，掌握其工作原理，提高自己對機械設計的了解，在設計的過程中我肯定會遇到大量的問題。如減速器的結(jié)構(gòu)問題，中間的大量的數(shù)據(jù)計算，不過我會通過查閱資料或詢問老師來解決，提高自己解決困難的能力。而且了解其優(yōu)點，在自己的設計工作中充分地發(fā)揮其優(yōu)點，把其缺點降低到最低的限度，從而設計出性能優(yōu)良的齒輪輪傳動裝置。這次畢業(yè)設計一定會對我今后的學習工作起到巨大的作用。
1.4 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
步進式輸送機其核心部分之一就是減速器，傳統(tǒng)輸送機通過電動機采用普通減速器多級變速實現(xiàn)，傳動裝置結(jié)構(gòu)尺寸大，若采用行星齒輪減速器，則可使輸送機結(jié)構(gòu)緊湊，傳動效率高。因此對減速器的選擇是設計步進輸送機的關鍵。
齒輪傳動在我國已有了許多年的發(fā)展史，很早就有了應用。然而，自20世紀60年代以來，我國才開始對齒輪傳動進行了較深入、系統(tǒng)的研究和試制工作。無論是在設計理論方面，還是在試制和應用實踐方面，均取得了較大的成就，并獲得了許多的研究成果。近20多年來，尤其是我國改革開放以來，隨著我國科學技術水平的進步和發(fā)展，我國已從世界上許多工業(yè)發(fā)達國家引進了大量先進的機械設備和技術，經(jīng)過我國機械科技人員不斷積極的吸收和消化，與時俱進，開拓創(chuàng)新地努力奮進，使我國的行星傳動技術有了迅速的發(fā)展。
世界上一些工業(yè)發(fā)達國家，如日本、德國、英國、美國和俄羅斯等，對齒輪傳動的應用，生產(chǎn)和研究都十分重視，在結(jié)構(gòu)優(yōu)化、傳動性能，傳動功率、轉(zhuǎn)矩和速度等方面均處于領先地位。
1.5 主要研究內(nèi)容
1.5.1 設計任務
工件步進輸送機用于間歇地輸送工件，到達預定位置。傳統(tǒng)輸送機通過電動機采用普通減速器多級變速實現(xiàn)，傳動裝置結(jié)構(gòu)尺寸大。
主要任務：設計一套采用行星減速器為傳動系的工件步進輸送機。
主要參數(shù)：工件輸送時滑架受到的工作阻力Fr=2800N，滑架寬度為，高度，步長，往復次數(shù)，行程速比系數(shù)，四桿機構(gòu)擺角，最小傳動角rmin ≥，工作機構(gòu)效率為0.95。
2 運輸機方案設計
2.1 方案比較
經(jīng)過反復調(diào)查研究，查閱相關資料，我們根據(jù)工件傳輸機的工作狀況的要求，提出了以下四種方案：
方案一：直接用帶傳動和步進電動機來實現(xiàn)滑架的往返運動，通過步進電動機的正反轉(zhuǎn)控制往返運動，通過單片機控制驅(qū)動電路來設置相關的運動參數(shù)。
方案二：運用齒輪齒條和步進電動機來實現(xiàn)滑架的往復運動，通過步進電機的正反轉(zhuǎn)，齒條固定在滑架上，利用齒輪齒條間的傳動來實現(xiàn)滑架的往返運動。
方案三：采用液壓凸輪機構(gòu)為主，以達到設計要求。本方案采用液壓動力裝置以推動擋板左右往復運動。再采用凸輪機構(gòu)推動擋板做上下的往復運動。該機構(gòu)由液壓機構(gòu)和凸輪機構(gòu)相互配合，使擋板做曲線運動。
方案四：運用連桿機構(gòu)，減速機，普通電動機。通過普通電動機可以獲得運動所需要的動力，減速機調(diào)整相應的速度和節(jié)奏，連桿機構(gòu)實現(xiàn)不同的速度比，節(jié)奏，步長和滑架的運動軌跡。
經(jīng)過可行性調(diào)研，我們發(fā)現(xiàn)方案一中步進電機的功率和工作狀況要求中的中度沖擊問題對步進電機的影響不能很好的解決，而且步進電機擁有一個很明顯的優(yōu)點，就是它有精確的正反轉(zhuǎn)功能，因為步進電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)化為角位移，或線位移的開環(huán)控制元件，在非超載的情況下，電機的轉(zhuǎn)速，停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載的變化而影響，即給電機加一個脈沖信號,電機則轉(zhuǎn)過一個步距角，這一線性關系的存在，加上步進電機只有同期性的誤差而無累積誤差等特點，使得在速度控制領域用步進電機來控制變的非常簡單，而且低速精度高。雖然如今步進電機已經(jīng)被廣泛地應用，但步進電機并不能象普通的直流電機，交流電機在常規(guī)條件下使用。它必須由雙環(huán)形脈沖信號、功率驅(qū)動電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。方案二也存在類似的問題，方案三機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，構(gòu)造也較為普通，且運行時噪聲低。運動行程十分明了，缺點是該機構(gòu)有兩個自由度，所以運動難遇控制，不夠平穩(wěn)。而且液壓機構(gòu)成本太高，且維護檢修復雜。而方案四對于方案一方案二的問題有了很好的實現(xiàn)，而且普通電動機容易選擇，減速機和連桿機構(gòu)，結(jié)構(gòu)可靠，穩(wěn)定性高,可以承受一定的沖擊，所以此方案較合理。
在整個設計過程中，連桿機構(gòu)的設計和分析應是本課題的重點，運用機械設計和機械原理的相關內(nèi)容來設計，設計的主要內(nèi)容應包括工作機構(gòu)和傳動系統(tǒng)的運動分析，連桿機構(gòu)的運動和動力分析，減速機及電機的選擇設計。本課題的難點是連桿機構(gòu)的分析和動力運動的分析。
2.2 工作機構(gòu)的設計與分析
該步進輸送機通過工作機構(gòu)驅(qū)動滑架往復移動，要求工作機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單緊湊，制造方便，成本較低。
2.2.1 工作機構(gòu)型式的選擇
主要機構(gòu)確定為曲柄搖桿機構(gòu)，如圖2.1所示。其中曲柄1連接的是減速器的輸出軸，作整周回轉(zhuǎn)，搖桿3做擺動控制推爪水平運動。
該機構(gòu)的優(yōu)缺點：運動副都是低副，因此運動副元素都是面接觸，壓強較小，可承受較大的載荷，有利于潤滑，故磨損較?。淮送?，運動副元素的幾何形狀都比較簡單，便于加工制造；易獲得較高的精度，還可以改變各構(gòu)件的相對長度使從動件得到不同的運動規(guī)律。缺點是傳遞路線較長，易產(chǎn)生較大的誤差積累，同時也使機械效率降低，不利于高速運動。
圖2.1 曲柄搖桿機構(gòu)
2.2.2 平面曲柄搖桿機構(gòu)
在鉸鏈四連桿機構(gòu)中，若兩個連架桿中一個為搖桿，另一個為曲柄，那么這個四桿機構(gòu)稱為曲柄搖桿機構(gòu)。在曲柄搖桿機構(gòu)中，當曲柄為原動件，搖桿為從動件時，可以把曲柄的連續(xù)轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)變?yōu)閾u桿的往復擺動，此種機構(gòu)應用比較廣泛。
2.2.3 平面四連桿機構(gòu)有曲柄的條件
（1）桿長之和條件：平面四桿機構(gòu)的最短桿和最長桿的長度之和小于或者等于其余兩桿長度之和。
（2）在鉸鏈四桿機構(gòu)中，如果某個轉(zhuǎn)動副能夠成為整轉(zhuǎn)副，則它所連接的兩個構(gòu)件中，必有一個為最短桿，并且四個構(gòu)件的長度關系滿足桿長之和條件。
（3）在有整轉(zhuǎn)副存在的鉸鏈四桿機構(gòu)中，最短桿兩端的轉(zhuǎn)動副均為整轉(zhuǎn)副。此時，如果取最短桿為機架，則得到雙曲柄機構(gòu)；若取最短桿的任何一個相連構(gòu)件為機架，則得到曲柄搖桿機構(gòu)；如果取最短桿對面構(gòu)件為機架，則得到雙搖桿機構(gòu)。
（4）如果四桿機構(gòu)不滿足桿長之和條件，則不論選取哪個構(gòu)件為機架，所得到機構(gòu)均為雙搖桿機構(gòu)。
綜上所述：平面四桿機構(gòu)中曲柄存在的條件是四個桿的長度關系，誰做機架決定是否會存在曲柄。
2.3 連桿設計內(nèi)容
輸送機的工作阻力，步長，往復次數(shù) 次/分，行程速比系數(shù)，高度。輸送時滑架受到的阻力視為常數(shù)，滑架寬度為250mm，用于小批量生產(chǎn)。
2.3.1 搖桿的擺角初選
根據(jù)設計的常識一般初選擺角為左右,再由步長定搖桿長度,一般取 , 。
2.3.2 鉸點位置和曲柄長度的設計
根據(jù)行程速比和傳動角要求鉸點A的位置及曲柄連桿長度。根據(jù)所給條件以及現(xiàn)場的要求，和行程速比系數(shù)K，在設計四連桿時，可利用機構(gòu)在極位時的幾何關系，再運用其它輔助條件進行設計。
2.3.3 曲柄搖桿機構(gòu)的設計
通過擺角及行程速比系數(shù)和搖桿長度來設計該機構(gòu)。首先按公式 ，(K-1)/(K+1)算出極位夾角為。
然后任取一點D,再用此點為頂點作等腰三角形，使兩腰的長度等于CD, 。使，再作，與的交點P。作的外接圓,那么圓弧上任一點A到和的連線所形成的夾角都等于極位夾角,所以曲柄的軸心應在這個圓弧上。
設曲柄的長度為a,連桿的長度為b，那么，, ，所以a=(-)/2于是以A為圓心,以為為半徑作圓弧交于點E,則得出a=/2,b=/2。設計時應注意,曲柄的軸心A不能選在弧段上,否則機構(gòu)將不能滿足運動連續(xù)性的要求。
根據(jù)上面的方法可以算出平面四連桿機構(gòu)的桿長分別為a=125mm，b=395mm，c=390mm，d=390mm。
圖2.2機構(gòu)運動簡圖
因鉸鏈A的高度為自己確定，則需驗證最小傳動角是否滿足題意，如圖2.3所示，在AUTOcad上作圖，當A、B、D三點共線時，此機構(gòu)傳動角最小。
經(jīng)驗證，，滿足要求。
曲柄隨減速器輸出軸作勻速圓周運動，驅(qū)動連桿，搖桿以固定鉸鏈為圓心，自由端運動至右極限位置，輸送爪將工件送至待加工位置，搖桿再向左運動至左極限位置，成為一個工作循環(huán)，機構(gòu)可在預定時間將工件送至待加工位置?？傮w來講，該傳動方案滿足工作機的性能要求，適應工作條件，工作可靠，此外結(jié)構(gòu)簡單，尺寸緊湊，成本低，效率較高。
圖2.3機構(gòu)運動簡圖
2.3.4 機構(gòu)的速度分析
由往復次數(shù)N及步長可求得工件平均速度=3602/（60/65）=780mm/s。
由速度矢量圖可知搖桿運動到豎直位置時==780mm/s，則=0.6=468mm/s。
又=+，用圖解法作速度矢量圖，如圖2.1.3所示，得=469mm/s。
又 得曲柄AB的轉(zhuǎn)速=3.55rad/s 。
則減速器輸出軸轉(zhuǎn)速n出=ω/2π=0.474r/s=50.46r/min。
圖2.4 速度矢量圖
2.4 選擇電動機
2.4.1 選擇電動機的類型
按工作要求和條件，選用三相籠形異步電動機，封閉式結(jié)構(gòu)，電壓380V，Y型。
2.4.2 選擇電動機的容量
電動機所需工作功率 Pd=Pw/η總
Pw=Fv/1000 則 Pd=Fv/（1000η總）= Fv/（η1η2）。
其中η1為工作機構(gòu)效率0.95，η2為減速器效率0.8。
則。
查《機械設計簡明手冊》表10-8 可選擇電動機型號為Y112M-4，額定功率為4KW，轉(zhuǎn)速1440r/min。
2.5 傳動方案的選擇
2.5.1 選擇傳動形式
由電動機輸入軸轉(zhuǎn)速n入=1440r/min，n出=28.42r/min
則總傳動比=1440/28.42=33.03
根據(jù)此傳動比，查《機械設計簡明手冊》可選用二級展開式圓柱齒輪減速器，如圖2.5所示，其傳動比范圍i=8～60。
圖2.5二級展開式圓柱齒輪減速器運動簡圖
圓柱齒輪減速機。它的第一印象就是結(jié)構(gòu)簡單，修理非常方便，而且從價格的因素考慮，它比較便宜，肯定容易獲得更多的客戶，而且圓柱齒輪減速機用起來很穩(wěn)定的，不容易出現(xiàn)什么故障，這也給大家?guī)砹朔奖悖驗橐慌_機器如果兩三天就出現(xiàn)一個故障，會給大家?guī)砗艽蟮穆闊?
??????? 但是圓柱齒輪減速機雖然有這么多的優(yōu)點，并不代表它沒有一絲缺點，事實上，它還是有一些缺點的，比如它一個缺點就是體積是比較大的，所以造成它的占地面積也比較大，因此齒面膠合這個事就很容易在這個減速機上面出現(xiàn)。購買減速機就應該比較綜合的考慮所有的因素，然后做出一個相對合理的決定。
3 二級圓柱齒輪性能參數(shù)設計
3.1 設計高速級齒輪
（1）確定齒輪類型．兩齒輪均為標準圓柱斜齒輪。
（2）材料選擇。由機械設計表10—1選擇小齒輪材料為45鋼（調(diào)質(zhì)），硬度為240HBS，大齒輪材料為45鋼(正火)，硬度為200HBS，二者材料硬度差為40HBS。
（3）運輸機為一般工作機器，速度不高，故選用7級精度(GB 10095—88)。
（4）選小齒輪齒數(shù)=24，大齒輪齒數(shù)＝＝4.331×24=103.944,取=103。
5)選取螺旋角。初選螺旋角，左旋。
3.1.1 按齒面接觸強度設計
按《機械設計》式（10－21）試算，即
（1）確定公式內(nèi)的各計算數(shù)值
1）試選
2）由圖10－30，選取區(qū)域系數(shù)
3）由圖10－26查得
4）計算小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩
5）由《機械設計》表10－7選取齒寬系數(shù)
6）由《機械設計》表10－6查得材料的彈性影響系數(shù)
7）由《機械設計》圖10－21ｄ按齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞強度極限，大齒輪的接觸疲勞強度極限
8）由式10－13計算應力循環(huán)次數(shù)
9） 由圖10－19查得接觸疲勞強度壽命系數(shù)
10）計算接觸疲勞強度許用應力
取失效概率為1%，安全系數(shù)為S=1，由《機械設計》式10－12得
（2）計算
1）試算小齒輪分度圓直徑，由計算公式得
2）計算圓周速度
3）計算齒寬b及模數(shù)
4）計算縱向重合度
5）計算載荷系數(shù)K
已知使用系數(shù)
根據(jù)，7級精度，由《機械設計》圖10－8查得動載荷系數(shù)
由《機械設計》表10－4查得
由《機械設計》圖10－13查得
假定，由《機械設計》表10－3查得
故載荷系數(shù)
6）按實際的載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑，由式10－10a得
7）由《機械設計》圖10－19曲線1查得接觸疲勞強度壽命系數(shù)，
8）計算接觸疲勞強度許用應力
取失效概率為1%，安全系數(shù)為S=1，由《機械設計》式10－12得
（2）計算
1）試算小齒輪分度圓直徑，代入中的較小值
2）計算圓周速度v
3）計算齒寬b
4）計算齒寬與齒高之比
5）計算載荷系數(shù)K
根據(jù)，7級精度，由《機械設計》圖10－8查得動載荷系數(shù)
假設，由表10－3查得
由《機械設計》表10－2查得使用系數(shù).25
由《機械設計》圖10－13查得
故載荷系數(shù)
6）按實際的載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑，由式10－10a得
7）計算模數(shù)m
3.1.2 按齒根彎曲強度設計
由《機械設計》式10－5得彎曲強度的設計公式為
（1）確定公式內(nèi)的計算數(shù)值
1）由《機械設計》圖10－20c查得
小齒輪的彎曲疲勞強度極限
大齒輪的彎曲疲勞強度極限
2）由《機械設計》圖10－18查得彎曲疲勞壽命系數(shù)
，
3）計算彎曲疲勞許用應力
取失效概率為1%，安全系數(shù)為S=1.4，由式10－12得
4）計算載荷系數(shù)
5）查取齒形系數(shù)
由《機械設計》表10－5查得，
6）取應力校正系數(shù)
由《機械設計》表10－5查得
7）計算大小齒輪的，并比較
大齒輪的數(shù)據(jù)。
8）設計計算
對比計算結(jié)果，由齒面接觸疲勞強度計算的模數(shù)ｍ大于由齒根彎曲疲勞強度計算的模數(shù)，可取有彎曲強度算得的模數(shù)2.33，并就近圓整為標準值。但為了同時滿足接觸疲勞強度，須按接觸疲勞強度算得的分度圓直徑來計算應有的齒數(shù)。于是有，取。
大齒輪齒數(shù) 取。
3.1.3 幾何尺寸計算
（1）計算分度圓直徑
（2）計算齒根圓直徑
（3）計算中心距
將中心距圓整后取。
（4）計算齒寬
取
（5）驗算
合適。
3.2 設計低速級齒輪
（1）確定齒輪類型．兩齒輪均為標準圓柱直齒輪。
（2）材料選擇。小齒輪材料為40Cr（調(diào)質(zhì)），硬度為280HBS，大齒輪材料為45鋼（調(diào)質(zhì)），硬度為240HBS，二者材料硬度差為40HBS。
（3）運輸機為一般工作機器，速度不高，故選用7級精度。
（4） 選小齒輪齒數(shù)＝24，大齒輪齒數(shù)＝＝3.332×24=79.968，取=80
3.2.1 按齒面接觸疲勞強度設計
由《機械設計》設計計算公式10－9a進行試算，即
（1）確定公式各計算數(shù)值
1）試選載荷系數(shù)
2）計算小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩
3）由機械設計表10－7選取齒寬系數(shù)
4）由表10—6查得材料的彈性影響系數(shù)
5）由圖10—21d按齒面硬度查得
小齒輪的接觸疲勞強度極限
大齒輪的接觸疲勞強度極限
6）由《機械設計》式10—13計算應力循環(huán)次數(shù)
7）由《機械設計》圖10－19曲線1查得接觸疲勞強度壽命系數(shù)，
8）計算接觸疲勞強度許用應力
取失效概率為1%，安全系數(shù)為S=1，由式《機械設計》10－12得
（2）計算
1）試算小齒輪分度圓直徑，代入中的較小值
2）計算圓周速度v
3）計算齒寬b
4）計算齒寬與齒高之比 b／h
5）計算載荷系數(shù)K
根據(jù)，7級精度，由圖10－8查得動載荷系數(shù)
假設，由《機械設計》表10－3查得
由《機械設計》表10－2查得使用系數(shù).25
由《機械設計》表10－4查得
由圖10－13查得
故載荷系數(shù)
6）按實際的載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑，由式10－10a得
7）計算模數(shù)
3.2.2 按齒根彎曲強度設計
由《機械設計》式10－5得彎曲強度的設計公式為
（1）確定公式內(nèi)的計算數(shù)值
1）由《機械設計》圖10－20c查得
小齒輪的彎曲疲勞強度極限
大齒輪的彎曲疲勞強度極限
2）由《機械設計》圖10－18查得彎曲疲勞壽命系數(shù)
，
3）計算彎曲疲勞許用應力
取失效概率為1%，安全系數(shù)為S=1.4，由式10－12得
4）計算載荷系數(shù)
5）查取齒形系數(shù)
由《機械設計》表10－5查得，
6）取應力校正系數(shù)
由《機械設計》表10－5查得
7）計算大小齒輪的，并比較
大齒輪的數(shù)據(jù)
（2）設計計算
對比計算結(jié)果，由齒面接觸疲勞強度計算的模數(shù)ｍ大于由齒根彎曲疲勞強度計算的模數(shù)，可取有彎曲強度算得的模數(shù)2.33，并就近圓整為標準值ｍ＝2.5ｍｍ。但為了同時滿足接觸疲勞強度，須按接觸疲勞強度算得的分度圓直徑來計算應有的齒數(shù)。于是有，取
大齒輪齒數(shù) 取
3.2.3 幾何尺寸計算
（1）計算分度圓直徑
（2）計算齒根圓直徑
（3）計算中心距
將中心距圓整后取。
（4）計算齒寬
取
3.2.4 驗算
合適
3.3 中間軸設計及校核
（1）中間軸上的功率
轉(zhuǎn)矩
（2）求作用在齒輪上的力
高速大齒輪:
低速小齒輪:
（3）初定軸的最小直徑 選軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理。
根據(jù)表《機械設計》15－3，取，于是由式15－2初步估算軸的最小直徑
中間軸上有兩個鍵槽，最小軸徑應增大10%~15%，取增大12%得，圓整的。這是安裝軸承處軸的最小直徑
(4）根據(jù)軸向定位的要求確定軸的各段直徑和長度
1)初選型號6207的深溝球軸承 參數(shù)如下
，，，基本額定動載荷 基本額定靜載荷，故。軸段1和5的長度相同,故取。
2)軸段2上安裝高速級大齒輪,為便于齒輪的安裝,應略大與,可取。齒輪左端用套筒固定,為使套筒端面頂在齒輪左端面上,即靠就近軸段2的長度應比齒輪轂長略短,若轂長與齒寬相同,已知齒寬，取。大齒輪右端用軸肩固定,由此可確定軸段3的直徑, 軸肩高度,取 ，。
3）軸段4上安裝低速級小齒輪,為便于齒輪的安裝, 應略大與,可取。齒輪右端用套筒固定,為使套筒端面頂在齒輪右端面上,即靠緊,軸段4的長度應比齒輪轂長略短,若轂長與齒寬相同,已知齒寬，取。
取齒輪齒寬中間為力作用點,則可得, ，
4）參考《機械設計》表15－2，取軸端為，各軸肩處的圓角半徑見圖3.1。
圖3.1 中間軸的結(jié)構(gòu)布置簡圖
（5）軸的受力分析、彎距的計算
1）計算支承反力：
在水平面上 ：
在垂直面上：
2）計算彎矩
在水平面上：
在垂直面上：
故
（4）作彎矩和扭矩圖3.2
圖3.2彎矩和扭矩圖
（5）按彎扭合成應力校核軸的強度
由合成彎矩圖和轉(zhuǎn)矩圖知的處當量彎矩最大，并且有較多的應力集中危險截面，
由《機械設計》表5-1查得
，校核安全。
4 步進式工件輸送機總體設計
經(jīng)分析及查閱相關資料，設計的輸送機系統(tǒng)包括機架、六桿機構(gòu)、滑架、電動機、聯(lián)軸器及上文設計的二級圓柱齒輪減速器。
行星減速器總體長度、寬度及高度已設計出，容易繪制。
電動機型號為Y112-M4已確定，其安裝尺寸按照國家標準繪制。
聯(lián)軸器根據(jù)電動機軸直徑及減速器輸入軸直徑選用彈性套柱銷聯(lián)軸器TL3，軸孔直徑分別為28mm和20mm，為標準件，按照國標繪制。
六桿機構(gòu)各桿長以確定，各桿之間通過銷釘連接，連接處應加銅套，EF桿與推爪鉸鏈連接，驅(qū)動滑架往復移動，滑架寬250mm。
具體結(jié)構(gòu)尺寸可參見步進輸送機裝配總圖。
5 步進式工件運輸機的三維設計及運動仿真
在對步進輸送機完成二維圖繪制后，我們可以對其傳動零件進行三維造型，再與工作機構(gòu)裝配起來進行運動仿真分析。
5.1 開式齒輪傳動零件實體造型
5.1.1 小齒輪實體設計（圖5.1）
圖5.1開式小齒輪 圖5.2 開式大齒輪
根據(jù)零件圖用Pro/Engineer進行三維實體造型，其中齒輪部分可先在caxa上調(diào)用漸開線齒廓曲線，然后在Pro/E里調(diào)入并拉伸至齒寬即可。其余各段可用“旋轉(zhuǎn)”特征造型。
5.1.2 大齒輪實體設計（圖5.2）
大齒輪的模數(shù)。
5.1.3 曲柄實體設計（圖5.3）
圖5.3 曲柄 圖5.4 鉸鏈支座
5.1.4 鉸鏈支座實體設計（圖5.4）
鉸鏈支座與底架固定在一起，裝配時作為機架。
5.1.5 連桿實體設計（圖5.5）
圖5.5 連桿 圖5.6 搖桿
連桿與曲柄相連接。
5.1.6 搖桿實體設計(圖5.6)
搖桿與鉸鏈支座相連接。
5.2 開式齒輪傳動零件、四桿機構(gòu)裝配
裝配順序為：底架、軸承座、軸承、小齒輪、輸入軸、鍵、軸承端蓋、開式大齒輪、輸出軸、鍵、曲柄、連桿、搖桿、與工件鉸鏈連接的桿。
其中搖桿與底架架均為固定位置約束，滑塊與機架采用滑動桿連接，其余均為軸銷連接。裝配完成后如圖6.7所示。
圖5.7傳動系與工作機構(gòu)實體視圖
可生成爆炸視圖（圖5.8）
圖5.8 傳動系爆炸視圖
5.3 運動仿真及分析
5.3.1 設置運動環(huán)境
在裝配模型環(huán)境下裝配完成后，點擊菜單欄“應用程序”后的“機構(gòu)”，進入機構(gòu)環(huán)境。
接下來是齒輪副設置。單擊齒輪副設置選項，彈出圖5.9所示齒輪副對話框。設置運動軸，點擊箭頭，選擇齒輪軸，輸入齒輪1節(jié)圓直徑36mm，再點擊齒輪2標簽，同樣填入?yún)?shù)，選擇齒輪軸線，然后單擊“應用”，“確定”。
圖5.9設置齒輪副
這樣第一組齒輪副就設置完成了，同樣方法可以設置第二組、第三組齒輪副。接著，設置伺服電動機。點擊伺服電動機圖標，彈出伺服電動機對話框。如圖
如圖5.10所示
圖5.10設置電動機
在“類型”標簽中點擊運動軸，選擇齒輪軸軸線，然后點擊“輪廓”標簽，如圖5.11所示。
圖5.11定義伺服電動機
在“規(guī)范”中選擇速度，因為電動機轉(zhuǎn)速為1440r/min，填入后點擊確定，則運動環(huán)境設置完成。
5.3.2 進行運動仿真
點擊“機構(gòu)分析”圖標，按照默認設置“運動學”分析，設置運動初始位置為搖桿左極限位置，并單擊“運行”按鈕做動態(tài)仿真。
5.3.3 獲取分析結(jié)果
點擊“測量”圖標，如圖5.12所示
單擊“創(chuàng)建新測量”按鈕，依次選擇輸入軸、輸出軸為“主體”進行“角速度”測量，點擊“分別繪制測量圖形”，單擊“生成圖線”圖標可得圖5.13所示曲線。
圖5.12測量結(jié)果分析驗證
圖5.13輸入軸軸伸直徑一點運動學圖線
同理可創(chuàng)建新測量，選定工件上一點，依次創(chuàng)建“位移”“速度”“加速度”生成運動學圖線如圖5.14所示。
圖5.14 工件運動學圖線
5.3.4 分析運動仿真結(jié)果是否吻合
由圖線可知，輸入軸轉(zhuǎn)速r/min；輸出軸轉(zhuǎn)速r/min，與計算結(jié)果相同。而工件上的速度是變化的，工件往復一次為2.2s，其在0.5~0.6s之間速度大小為500mm/s左右，與計算得的結(jié)果493mm/s接近，在誤差允許范圍內(nèi)，可以用中點平均速度來計算。工件的加速度在左右兩極限位置時是最大的，中間位置逐漸減小。
通過計算機輔助進行運動仿真，從而檢查機械的運動是否達到設計的要求，也可直接分析各運動副與構(gòu)件在某一時刻的位置、運動量及各運動副之間相互運動關系，關鍵部件的受力情況，從而可以將整機設計中可能存在的問題消除在萌芽狀態(tài)，并大大縮短機械產(chǎn)品的更新周期。
38
結(jié) 論
在為期四個月的畢業(yè)設計過程中，我學到了很多東西，遇到了很多問題，但通過努力，各個擊破，我想畢業(yè)設計的過程就是不斷發(fā)現(xiàn)問題與解決問題的過程，畢業(yè)設計培養(yǎng)了我們解決問題的能力。
本次畢業(yè)設計主要是根據(jù)現(xiàn)有的設計標準進行仿形設計，嚴格按照設計標準進行設計計算。從這次畢業(yè)設計中，我受益匪淺。
通過運用大學四年所學基礎專業(yè)課程，綜合機械設計方法進行獨立設計訓練，比以往所做的課程設計難度加大，使所學知識得以鞏固。加深和拓展。
學習和掌握了通用機械零件、部件、機械傳動及一般機械的基本設計方法和步驟，培養(yǎng)了工程設計能力和分析、解決問題的能力。
各種各樣的機械設備一般都要實現(xiàn)生產(chǎn)工藝過程和操作過程的自動化，這就要求進行各種機構(gòu)的創(chuàng)新設計和常見機構(gòu)的組合應用，因此機械設計方面的畢業(yè)設計對于培養(yǎng)學生對機械運動機構(gòu)的構(gòu)思和設計能力起至關重要作用。
提高了計算、繪圖、運用設計資料（機械設計手冊、圖冊等）進行經(jīng)驗估算及運用計算機輔助軟件進行實體造型、運動仿真的能力。
時間過得很快，畢業(yè)設計很快就要結(jié)束了，它是大學四年所學知識的綜合運用，相信以后在工作中也會遇到很多類似問題，但有了畢業(yè)設計能力的基礎，我們會更好更快的解決實際問題。
致 謝
本畢業(yè)設計（論文）的工作是在王燕老師的悉心指導下完成的，王燕老師嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度和科學的工作方法給了我極大的幫助和影響。在此衷心感謝四年來王艷老師對我的關心和指導。
王燕老師悉心指導我們完成了畢業(yè)設計（論文），在學習上和生活上都給予了我很大的關心和幫助，在此向王燕老師表示衷心的謝意。
李克旺老師對于我的畢業(yè)設計（論文）都提出了許多的寶貴意見，在此表示衷心的感謝。
在撰寫畢業(yè)設計（論文）期間，岳文廣 、張彬等同學對我畢業(yè)設計（論文）中的幫助，研究工作給予了熱情幫助，在此向他們表達我的感激之情。
另外也感謝爸爸 ，他們的理解和支持使我能夠在學校專心完成我的學業(yè)。
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