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步進(jìn)輸送機(jī)設(shè)計計算說明書 姓 名： 學(xué) 號：20091370 班 級：車輛七班 指導(dǎo)老師：何朝明 2012年6月 第1章 問題的提出 2 1.1引言 2 1.2設(shè)計簡介 3 1.2.1國內(nèi)外步進(jìn)機(jī)發(fā)展史 3 1.2.2工作原理 7 第2章 設(shè)計要求與設(shè)計數(shù)據(jù) 8 2.1 設(shè)計要求 8 2.2 性能數(shù)據(jù)要求 8 2.3 設(shè)計用途 9 第3章 設(shè)計方案 9 3.1 設(shè)計方案1 9 3.2 設(shè)計方案2 9 第4章 機(jī)構(gòu)尺度綜合 10 4.1尺寸的得出 10 4.2機(jī)構(gòu)尺寸計算結(jié)果 10 第5章 機(jī)構(gòu)運(yùn)動分析 11 5.1步進(jìn)輸送機(jī)運(yùn)動學(xué)方程 11 5.1.1 步行輸送機(jī)初始狀態(tài) 12 求解方程組，以求得BP和CP的長度值。 13 5.1.2步行輸送機(jī)平動過程 14 5.2運(yùn)動學(xué)分析結(jié)果 19 第6章 機(jī)構(gòu)動力分析 20 6.1步行輸送機(jī)的動力學(xué)分析 20 6.1.1步行輸送機(jī)的動力學(xué)方程 20 6.1.2步行輸送機(jī)的動力學(xué)仿真圖 21 6.2動力學(xué)分析結(jié)果 24 第7章 結(jié)論 26 7.1方案特點(diǎn) 26 7.2設(shè)計方法特點(diǎn) 26 第8章 收獲與體會 28 第9章 致謝 29 第1章 問題的提出 1.1引言 輸送機(jī)是在一定的線路上連續(xù)輸送物料的物料搬運(yùn)機(jī)械，又稱連續(xù)輸送機(jī)。輸送機(jī)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)輸送能力大，運(yùn)距長，還可在輸送過程中同時完成若干工藝操作，所以應(yīng)用十分廣泛。在現(xiàn)代的工業(yè)生產(chǎn)中，隨處可見輸送機(jī)的身影。應(yīng)用它，可以將物料在一定的輸送線上，從最初的供料點(diǎn)到最終的卸料點(diǎn)間形成一種物料的輸送流程。它既可以進(jìn)行碎散物料的輸送，也可以進(jìn)行成件物品的輸送。除進(jìn)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(yùn)輸線。所以輸送設(shè)備廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代化的各種工業(yè)企業(yè)中。 1.2設(shè)計簡介 1.2.1國內(nèi)外步進(jìn)機(jī)發(fā)展史 在我國古代，作為灌溉的高轉(zhuǎn)筒車和提水的翻車，是現(xiàn)代斗式提升機(jī)和刮板輸送機(jī)的雛形； 在17世紀(jì)中，開始應(yīng)用架空索道輸送散狀物料； 19世紀(jì)中葉，各種現(xiàn)代結(jié)構(gòu)的輸送機(jī)相繼出現(xiàn)。1868年，在英國出現(xiàn)了帶式輸送機(jī)； 1887年，在美國出現(xiàn)了螺旋輸送機(jī)； 1905年，在瑞士出現(xiàn)了鋼帶式輸送機(jī)； 1906年，在英國和德國出現(xiàn)了慣性輸送機(jī)。 此后，輸送機(jī)受到機(jī)械制造、電機(jī)、化工和冶金工業(yè)技術(shù)進(jìn)步的影響，不斷完善，逐步由完成車間內(nèi)部的輸送，發(fā)展到完成在企業(yè)內(nèi)部、企業(yè)之間甚至城市之間的物料搬運(yùn)，成為物料搬運(yùn)系統(tǒng)機(jī)械化和自動化不可缺少的組成部分。 1.2.2工作原理 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)定步長的傳送機(jī)械。工件經(jīng)過隔斷板從料輪滑落到輥道上，隔斷板作間歇往復(fù)直線運(yùn)動，工件按一定的時間間隔向下滑落。輸送滑架作往復(fù)直線運(yùn)動，工作行程時，滑架上位于最左側(cè)的推爪推動始點(diǎn)位置工件向前移動一個步長，當(dāng)滑架返回時，始點(diǎn)位置又從料輪接受了一個新工件。由于推爪下裝有壓力彈簧，推爪返回時得以從工件底面滑過，工件保持不動。當(dāng)滑架再次向前推進(jìn)時，該推爪早已復(fù)位并推動新工件前移，與此同時，該推爪前方的推爪也推動前工位的工件一齊向前再移動一個步長。如此周而復(fù)始，實(shí)現(xiàn)工件的步進(jìn)式傳輸。顯而易見，隔斷板的插斷運(yùn)動必須與工件的移動協(xié)調(diào)，在時間和空間上相匹配。 第2章 設(shè)計要求與設(shè)計數(shù)據(jù) 2.1 設(shè)計要求 加工過程要求若干個相同的被輸送的工件間隔相等的距離a=300mm，在導(dǎo)軌上向左依次間歇移動，即每個零件耗時T1移動距離a后間歇時間T2，又耗時時間T1移動距離a后間歇時間T2……考慮到動停時間之比K=T1/T2之值比較特殊，受力較大，以及耐用性、成本、維修方便等因素，不宜采用槽輪、凸輪等高副機(jī)構(gòu)直接實(shí)現(xiàn)上述要求，而應(yīng)利用平面連桿機(jī)構(gòu)軌跡曲線。 2.2 性能數(shù)據(jù)要求 圖2-1 步進(jìn)輸送機(jī)模型圖 根據(jù)上述所說的功能確定機(jī)械設(shè)計尺寸及要求如下： 1） 輸送平臺距離地面的高度為80cm。 2） 輸送架上任一點(diǎn)的運(yùn)動軌跡近似為虛線所示閉合曲線。. 3） 單次輸送距離在300mm左右。 4） 輸送架在一定范圍內(nèi)保持平動。 5） 軌跡曲線的CDE段的最高點(diǎn)低于直線段AB的距離至少為50mm。 2.3 設(shè)計用途 可以進(jìn)行產(chǎn)品生產(chǎn)線上的產(chǎn)品步進(jìn)輸送，而且步進(jìn)輸送有一段停頓的時間，在這段時間內(nèi)，可以對產(chǎn)品進(jìn)行加工處理。同時，步進(jìn)輸送運(yùn)動平穩(wěn)，動作一般不會太快，方便精密工件的加工生產(chǎn)。此種步進(jìn)輸送機(jī)，采用擋板推動，能產(chǎn)生較大的作用力，所以能適應(yīng)不同重量的工件輸送?？煽?，穩(wěn)定…… 第3章 設(shè)計方案 3.1 設(shè)計方案1 方案一采用凸輪機(jī)構(gòu)做為原動件，并通過采用局部自由度來減少構(gòu)件之間的摩擦，能夠?qū)崿F(xiàn)并適應(yīng)復(fù)雜的工作要求與條件，但是凸輪制造費(fèi)用高，承載能力有限，不可避免的會受到一些沖擊。 3.2 設(shè)計方案2 方案（2）：該方案完全采用連桿機(jī)構(gòu)，運(yùn)動連續(xù)，平穩(wěn)。由于構(gòu)件大部分是連桿，成本較低且維護(hù)，檢修都較為簡單。該機(jī)構(gòu)只有一個自由度，運(yùn)動易于控制。缺點(diǎn)是機(jī)構(gòu)的零件較多，較為復(fù)雜。 圖3-2 步進(jìn)輸送機(jī)設(shè)計方案2 通過兩個方案的比較分析，選擇方案（2）較好，比較適合設(shè)計要求。所以選擇方案（2）作為設(shè)計方案。 第4章 機(jī)構(gòu)尺度綜合 4.1尺寸的得出 根據(jù)設(shè)計要求，相同的被輸送工件間隔相等的距離為300mm，軌跡曲線的CDE段的最高點(diǎn)低于直線段AB的距離至少為50mm，以免零件停歇時受到輸送架的不應(yīng)有的回碰。 4.2機(jī)構(gòu)尺寸計算結(jié)果 圖4-1 輸送機(jī)機(jī)構(gòu)示意圖 采用作圖法求尺寸，如圖，一點(diǎn)A為坐標(biāo)（0,0）得坐標(biāo)如下圖： 對于AB的長度有式子： 對于BC杠有： 對于CE杠有： 對于CD杠有： 對于BD杠有： 設(shè)AB的轉(zhuǎn)速為w,則B點(diǎn)的運(yùn)動軌跡為 ， 由機(jī)架的尺度限制和尺寸限制，取AB長度為170mm , 根據(jù)運(yùn)動要求和規(guī)律，我們知道AB杠要實(shí)現(xiàn)完整的圓轉(zhuǎn)動，也就是說AB杠為曲柄，于是有。于是根據(jù)運(yùn)動規(guī)律我們暫時取BC=400，則由不等式，可知，EC=400 再根據(jù)運(yùn)動規(guī)律，點(diǎn)在最高點(diǎn)時要實(shí)現(xiàn)平動一段距離，以將運(yùn)輸物品傳送， 對于D的運(yùn)動有 ，，對于其加速度也要考慮，有 ，在y軸方向有，于是結(jié)合AB與BC以及EC長度，我們可知BD=518 終上所述，對各個值取定后在soidworks上做圖模擬，最終對數(shù)據(jù)進(jìn)行修正后實(shí)現(xiàn)了要求的運(yùn)動，得到數(shù)據(jù)如下： 底板架的高度為——700mm 底板的長度為——1800mm 底板的寬度為——400mm 桿AB的長度為——170mm 桿BD的長度為——518mm 桿CE的長度為——400mm 桿CD的長度為——280mm 鉸鏈點(diǎn)距離O點(diǎn)的長度為——334mm 電機(jī)主軸距離O點(diǎn)的距離為——165mm BC=400MM 鉸鏈點(diǎn)E與E1之間的距離為——791mm 點(diǎn)D與D1間的距離為——791mm 點(diǎn)C1與D1之間的距離為——279.5mm 第5章 機(jī)構(gòu)運(yùn)動分析 5.1步進(jìn)輸送機(jī)運(yùn)動學(xué)方程 根據(jù)對步進(jìn)輸送機(jī)結(jié)構(gòu)的設(shè)計要求，對機(jī)構(gòu)的尺寸進(jìn)行分析，計算。機(jī)構(gòu)的運(yùn)動只要分為兩個階段，第一階段是輸送機(jī)的平動階段，即輸送機(jī)的工作階段，此時輸送機(jī)的擋板推動工件向左移動。第二階段是輸送機(jī)的向下回轉(zhuǎn)曲線運(yùn)動階段，此階段輸送機(jī)擋板向下運(yùn)動同時慢慢向后移動，最后再次回到原運(yùn)動平面，準(zhǔn)備開始第二次的重復(fù)運(yùn)動。 圖5-1 步進(jìn)輸送機(jī)運(yùn)動分析簡圖 5.1.1 步行輸送機(jī)初始狀態(tài) 圖5-3 輸送機(jī)運(yùn)動分析圖 設(shè)A點(diǎn)坐標(biāo)為(0,-182),D點(diǎn)的坐標(biāo)為（350，0），AB長為182，BC長為364，CD的長為420.設(shè)P點(diǎn)坐標(biāo)為，B點(diǎn)坐標(biāo)為 則B點(diǎn)的軌跡為 （5-1） 另設(shè)C點(diǎn)坐標(biāo)為則：C （5-2） 由設(shè)計要求得，在一段進(jìn)程中，P點(diǎn)做直線運(yùn)動，則在這段時間內(nèi)： （5-3） 通過CAD繪制結(jié)構(gòu)零件圖，可知當(dāng)=時，。 在此情況下， 則的中垂線方程為： （5-4） 分析可得圖5-3中中心圓的轉(zhuǎn)角，應(yīng)同圖5-2中的中垂線的夾角相等。 即 （5-5） ； 求解方程組，以求得BP和CP的長度值。 5.1.2步行輸送機(jī)平動過程 圖5-4 結(jié)構(gòu)示意圖 圖5-4 所示，各標(biāo)注點(diǎn)為機(jī)構(gòu)設(shè)計中的個鉸鏈點(diǎn)。其中桿AB為繞A點(diǎn)旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動件。A,E，E1點(diǎn)固結(jié)在機(jī)架上，D,D1點(diǎn)連接擋板。設(shè)個點(diǎn)的坐標(biāo)分別為：。同時設(shè)AB的角速度為，角加速度，為為桿件與水平面的夾角，各桿件的長度分別為：，為初始角。 根據(jù)桿件的運(yùn)動列出B點(diǎn)的運(yùn)動方程： （5-6） 其中，已知，初始角，桿長已知，所以，可以求出B點(diǎn)的坐標(biāo)。對式5-6分別進(jìn)行一次，二次求導(dǎo)，可得到B點(diǎn)的速度和加速度方程。 (5-7) （5-8） 圖5-5 點(diǎn)B的位置導(dǎo)出圖 圖5-6 點(diǎn)B的速度導(dǎo)出圖 圖5-7 點(diǎn)B的加速度導(dǎo)出圖 5-7和5-8式中只有速度和加速度是未知數(shù)，可以求出。同理，可以列出C,D,E點(diǎn)的位置，速度，加速度方程： （5-9） （5-10） （5-11） (5-12) （5-13） 圖5-8 點(diǎn)C的位置導(dǎo)出圖 圖5-9 點(diǎn)C的速度導(dǎo)出圖 圖5-10 點(diǎn)C的加速度導(dǎo)出圖 圖5-11 點(diǎn)D的位置導(dǎo)出圖 (5-14) （5-15） 圖5-12 點(diǎn)D的速度導(dǎo)出圖 圖5-13 點(diǎn)D的加速度導(dǎo)出圖 5.2運(yùn)動學(xué)分析結(jié)果 B1，C1,D1,E1點(diǎn)的速度，加速度與點(diǎn)B，C,D,E點(diǎn)對應(yīng)相等，所以不再計算。 擋板機(jī)構(gòu)先進(jìn)行300mm左右的平動，然后下行，同時逐步后退，再上升到原平面，這樣完成一次周期運(yùn)動。整個運(yùn)動過程，AB桿繞A點(diǎn)運(yùn)動，作為驅(qū)動，BCD構(gòu)成的三角形桿組在A，E的制約下運(yùn)動，使得D點(diǎn)在一個運(yùn)動周期內(nèi)有一段時間做直線運(yùn)動。從soildworks的仿真可以看出，該機(jī)構(gòu)運(yùn)動平穩(wěn)，速度變化也較平緩，可以滿足各種設(shè)計要求。 第6章 機(jī)構(gòu)動力分析 6.1步行輸送機(jī)的動力學(xué)分析 對該機(jī)構(gòu)進(jìn)行動力學(xué)分析，根據(jù)動力學(xué)分析簡圖以及各桿件的受力情況列出動力學(xué)方程，用soildworks軟件進(jìn)行模擬仿真，檢測機(jī)構(gòu)在運(yùn)動過程中的受力情況，看這個機(jī)構(gòu)是否正確。 該機(jī)構(gòu)的傳動角主要考察各個連桿之間的傳動角是否瞞住要求，如果傳動角太小的話，傳動效率會降低很多。如果所有的傳動角都滿足傳動角的要求，才能穩(wěn)定工作。 6.1.1步行輸送機(jī)的動力學(xué)方程 圖6-1 步進(jìn)輸送機(jī)示意圖 對于BC杠，在x方向受到AB，DC對它的力，還有本身運(yùn)動存在的力；在y方向受到AB，DC對它的力。從轉(zhuǎn)矩角度考慮，由x與y方向各桿件對它的分力所產(chǎn)生的力矩可得，因此BC桿件動力學(xué)方程有： (6-1) 對于BD桿件，在x方向受到來自AB，DC對它作用的力；同時在y方向，也受到來自AB，DC對它的力作用。在轉(zhuǎn)矩方面，在各個方向受到的力現(xiàn)對于坐標(biāo)值所產(chǎn)生的力矩如下： (6-2) 對于CD杠，在x方向受到BD，BC桿件對它所產(chǎn)生的力作用，同時在y方向，也會受到BD和BC對它所產(chǎn)生的分力；在各個方向的分力作用下會產(chǎn)生現(xiàn)對于xy坐標(biāo)系的力矩，由此得到如下式子： 6.1.2步行輸送機(jī)的動力學(xué)仿真圖 圖6-2 點(diǎn)B的徑向力分析導(dǎo)出圖 圖6-3 點(diǎn)B的徑向力矩分析導(dǎo)出圖 圖6-4 點(diǎn)C的徑向力分析導(dǎo)出圖 圖6-5 點(diǎn)C的徑向力矩分析導(dǎo)出圖 圖6-6 點(diǎn)D的徑向力分析導(dǎo)出圖 圖6-7 點(diǎn)D的徑向力矩分析導(dǎo)出圖 6.2動力學(xué)分析結(jié)果 通過上面的soildworks的動力學(xué)仿真導(dǎo)出圖可以知道，各個鉸鏈點(diǎn)的受力情況都呈現(xiàn)了一個比較穩(wěn)定的變化規(guī)律，而且在工件的輸送過程中，機(jī)構(gòu)的受力平穩(wěn)，桿件的力矩變化也比較穩(wěn)定。符合機(jī)構(gòu)的動力學(xué)受力條件。只要合適的選擇機(jī)構(gòu)構(gòu)件的材料，并且精確制造各個構(gòu)件，就可以很好的滿足機(jī)構(gòu)的工作要求了。 第7章 結(jié)論 7.1方案特點(diǎn) 本次步進(jìn)輸送機(jī)的主要特點(diǎn)：一、采用了連桿機(jī)構(gòu)來完成機(jī)構(gòu)的設(shè)計，二、采用電動機(jī)作為機(jī)構(gòu)的動力裝置。主要優(yōu)點(diǎn)是：架構(gòu)簡單，動力強(qiáng)勁，很好的保護(hù)了電動機(jī)，負(fù)載能力強(qiáng)，連桿組的結(jié)構(gòu)可以很好的保證擋板可以進(jìn)行一段水平運(yùn)動。在運(yùn)動過程中，擋板能夠適時的退到平臺以下，可以保證步進(jìn)輸送機(jī)的平穩(wěn)輸送貨物。機(jī)構(gòu)采用桿組結(jié)構(gòu)，鏈接安全可靠，維護(hù)方便可以大量節(jié)約成本。而其它幾種方案，要么成本太高，要么結(jié)構(gòu)不夠穩(wěn)定。都有各自的缺陷。可以說這個設(shè)計是用簡單的方法實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜的運(yùn)動過程，并且操作運(yùn)用都較為簡單、 7.2設(shè)計方法特點(diǎn) 本次設(shè)計采用的是CAD畫平面圖定坐標(biāo)尺寸，然后使用PRO/E仿真，得出運(yùn)動學(xué)仿真結(jié)果，隨后列出運(yùn)動方程。使用CAD作圖的好處是精確度比較高，修改方便，并且操作流程規(guī)范化，每個圖紙都有存根，方便以后的查看和修改。使用soildworks仿真的話效果比較逼真，操作比較簡便實(shí)用，形象化，并可導(dǎo)出個點(diǎn)的運(yùn)動速度、加速度和位移等，為設(shè)計節(jié)省了大量的時間和工作。 第8章 收獲與體會 在本次機(jī)械綜合設(shè)計中，接觸了很多以前都沒有接觸過的軟件，如，soildworks，PRO/E，ADAMS、CATIA等，在同學(xué)們的互相幫助與學(xué)習(xí)下，初步學(xué)會了他們的使用方法，也通過借閱大量課外書籍和互聯(lián)網(wǎng)了解了輸送機(jī)設(shè)計方面的很多知識以及輸送機(jī)發(fā)展歷史的認(rèn)識，在這一過程中我看到了機(jī)械對于生活、工作、勞動、社會發(fā)展的至關(guān)重要性，為人類的進(jìn)步提供了強(qiáng)有力的保證和力量。再次也認(rèn)識到自己所從事的行業(yè)是多么重要與精妙。 在閱讀書籍和上網(wǎng)收集信息中，我看到了很多先進(jìn)的設(shè)計理念，心中對設(shè)計者精妙的的設(shè)計和計算感到欽佩，并在學(xué)習(xí)中結(jié)合本次設(shè)計工作的一些實(shí)際情況，并且運(yùn)用用自己平時學(xué)到的知識和課外知識相結(jié)合得到了自己的設(shè)計方法，完成了這次課程的設(shè)計，心中倍受鼓舞。 在這過程中，收獲了很多實(shí)踐相關(guān)的知識和經(jīng)驗(yàn)，并且提高了自己在學(xué)習(xí)和設(shè)計工作中的信心，對自己在機(jī)械設(shè)計方面的能力有了很大的提高，為以后的學(xué)習(xí)工作我想都會有很大的幫助。 在學(xué)到很多專業(yè)知識的同時，我也更加明白了怎么樣才能與周圍的同學(xué)交流各自的想法，增強(qiáng)了自己團(tuán)隊合作的能力，并與同學(xué)之間取長補(bǔ)短，相互幫助，相互學(xué)習(xí)。 第9章 致謝 在這一個機(jī)械設(shè)計的過程中，首先發(fā)現(xiàn)了自己很多不足，自己的能力在很大層面上還是欠缺，在設(shè)計中遇到了這樣那樣的問題，這些問題僅僅依靠我一個人是不可能解決的，但是幸好我得到了指導(dǎo)老師的指導(dǎo)與教育，和同學(xué)們在對我作圖還有模擬運(yùn)動上的幫助，以及上屆學(xué)長的一些建議。沒有老師和同學(xué)學(xué)長的幫助我肯定無法獨(dú)立完成這一個工作，感謝在本次設(shè)計中所有幫助和指導(dǎo)過我的老師及同學(xué)，特別感謝指導(dǎo)老師的指導(dǎo)，以及各位同學(xué)對本人在各種應(yīng)用軟件中的幫助和在機(jī)構(gòu)設(shè)計中所提出的意見。 參考文獻(xiàn) [1] 邢俊文. 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