钢板翻转机结构设计

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1、机械原理课程设计设计说明书设计题目 钢板翻转机结构设计设计者：专业：机械设计制造及其自动化学号： 指导老师：南京农业大学工学院皿最44澀11 111仪1義一、设计题目二、设计目的1、使学生初步了解机械设计的全过程，得到根据功能需要拟定机械运动方案的训练，具备初步的机构选型、组合和确定运动方案的能力；2、以机械系统运动方案设计为切入点，把机械原理课程各章的理论和方法融会贯通起来，进一步巩固和加深学生所学的理论知识；3、使学生掌握机械运动法案涉及的内容、方法、步骤，并对动力分析与设计有一个较完整的概念；4、进一步提高学生运算、绘图以及运用计算机和技术资料的能力；5、通过编写说明书，培养学生表达、归

2、纳、总结的能力；6、培养学生综合运用所学知识，理论联系实际，独立思考与分析问题的能力和创新能力。三、设计任务针对某种简单机器（其工艺动作比较简单），按照给定的机械总功能要求，分 解功能，进行机构的选型与组合，涉及机械的运动方案；对运动方案进行对比. 评价和选择，画出机构运动简图，指定机构运动循环图；对选定方案中的机构 连杆机构.凸轮机构.齿轮机构.其他常用机构和组合机构等进行运动分析和尺度 综合；进行机械动力分析，设计飞轮。四、具体要求该机具有将钢板反转 180的功能，钢板翻转机的工作过程如下。当钢板 T 由轨道传送至左翻版W1后，W1开始顺时针方向转动。转至铅垂位置偏左10左 右时，与逆时针

3、方向转动的右翻版W2回合。接着，W1与W2 一同转至铅垂位置 偏右 10左右， W1 折回到水平位置。与此同时， W2 顺时针方向转动到水平位 置，从而完成钢板翻转任务 已知条件（1）原动件由旋转式电动机驱动；（2）每分钟翻钢板10次；（3）其他尺寸已经给出；（4）许用传动角【Y】=50五、设计方案1 方案 一：采取曲柄摇杆机构传动。（1）、曲柄摇杆机构的最佳选择 根据题目所给要求以及翻转机本身运动性质，翻转板相当于规定了摆角的摆 杆，因此联想到曲柄摇杆机构，现列举以下几种符合设计要求的曲柄摇杆机构如 图：其中B为曲柄，A为摆杆（翻转机构中为承载钢板的翻转板），现分析三种 机构的可行性，以得到

4、最优设计方案。图1虽是最简单的曲柄摇杆机构，但用它 作为设计方案显然有很大的不足，首先利用这种方案，会使翻转机的结构尺寸过 大，工作空间过大，结构不紧凑不便于安装。其次可操作性不强，危险性大。同样，图（ 2）机构结构过于复杂，且对其运动分析相对困难，机构所占整 个空间过大，不便于安装。与前两者比较。图（ 3）结构简单，紧凑，且计算分析相对容易，显然为最 佳方案。（2）机构组成：曲柄、滑块、摆杆、机架3）、工作原理：左侧和右侧翻板转动过程如图（5）、图（6）所示。整个过程，翻转板随着曲柄的圆周匀速转动而做变速摆动，摆动最大角度为 110度，由于左右两翻板要求在0C到OE区域内要完全配合，因此两翻

5、转板在0C 时两板相遇，到时 0E 两板分离，分离时左侧板的速度为零，右侧仍带有相应的 速度，继续顺时转动到OA，然后又继续摆到OC（OC），左侧板则快速返回至 OA,然后摆到OC与左侧板相遇。如此周期性地运动。（4）数据分析说明 根据机械原理教材第九章“平面连杆机构及其设计”的内容，设计如图（3） 的曲柄摇杆机构。通过SAM6.0软件可以绘出摆杆（翻转板）的“速度时间”图 如图（7）所示经计算可得，因为T=6s，曲柄角速度W=60rad/s，由图像可以分 析出图中的速度时间关系可以分成两段，每段函数都是轴对称图形。经仔细研究此方案，仍有大量不足。由于我们设计的翻转机在 OC 至 OE 这一

6、区域内，对两板的角速度的精确程度很高且必须在同一时刻两板角速度同步，但 曲柄摇杆机构有其自身的局限性，若不加其他任何结构(比如凸轮)，则其摆杆 的角速度不可人为地随意更改。这就导致了两板在OC至OE区域内，它们的配合 很不协调。由图像可以看出速度对称，令左侧板的角速度为W1,右侧为W2。在 OC至OD区域内WlW2,0D处Wl=W2,0D至0E区域内W1W2,所以在两板相遇后的 前10内，两板会发生碰撞，转到0D后两板又将有分离的趋势。此结构一方面 会导致机构本身的损坏，另一方面钢板可能会在这个过程掉落。所以在这段区域 内该机构没有达到设计的要求。(6) 解决不足经以上分析可以看出，单纯地用曲

7、柄摇杆机构无法使两板在OC至OD区域内 保持相同角速度转动即满足不了特定的运动规律。因此我们可以考虑，使左侧的 结构保持不变，右侧利用内凸轮机构，来改变翻转板的角速度，使之与左侧的板 在OC至OD区域内对应。具体地说明见方案二。(7) 总结此方案虽然在两板运动配合上不合理，但它是后续研究方案的基础，后续 方案是借鉴此方案加以创新、修改、设计而成。有很大的参考价值。2、方案二：凸轮与曲柄摇杆组合机构。(1)机构简图注：1：主动件 3：滑块 4：左翻板 5：辊道 6：齿轮 7：右翻板 8：推杆 9：滚子 10：凸轮 11：固定铰支座说明：6 和 7 固定连接，8 的左端通过齿条与 6 连接，4 左

8、右两部分的夹角为140 6与 11 同轴，为便于读者观察，将二者错开放置(2)工作原理程中，7在8、9、10的配合带动下从水平位置转到铅垂位置左10的位置3,此过程4单独工作， 7为空行程；4与7同时达到左配合极限时，二者以同样的角速度转过 20达到铅直位置右 10的位置 4，此过程为二者的配合过程；此 后， 4径直返回初始位置及水平位置下10的位置1， 7托送钢板返回其初始位置及水平位置及位置 5。此外，为了使7到达铅直位置右10的位置4时的角速度与4相同， 4需要 提前转过一个小角度5到达位置 2，再返回，以保证7 有足够时间加速到与4相同的角速度。a 机构尺寸及运动参数的确定根据设计要求

9、，机构运动周期为6s,所以，图一中两个原动件1、6的角 速度为60/s。各杆件尺寸:如图一，1为300mm,4的上半部分为600mm，6的半径为50mm,9 的半径为 10mm，(3) 曲柄摇杆机构运动分析:a、曲柄摇杆机构的起始运动位置，如图三:=-35。，1C、两翻板配合左极限位置，如图五:15e110此时，b = arcsin 2 sin 35 l1d、曲柄摇杆在任意位置,口图六:+O角）,叭-150-arcsin sin35, Y3 二 30。0图滑块相对于翻板P的相对va1 2速度v和翻板P的牵连速度：合成，即re/此时，对D点处滑块进行速度分解，D的纟-V+亍，速度矢量三角形如图七

10、:e r此时，OD的角速度就等于翻板P的角速度，即3=ep2 12l - 2l l cos 6了 y =,Jl2 +12 - 211 cos61 2 1 2P 二90-y - 6 1 sin(Y +6) = oipV;12 +12-211 cos6V 1 2 1 2I 6 =t-35,t G (0,6)（4）用 SAM6.0 进行运动仿真 根据上式可以确定翻板的角速度，经 SAM 仿真验证正确。 其结构简图如图八：翻板末端速度图像如图九：凸轮四个过程角度分配为：近休止角：60，推程角：150，远休止角：60回程角： 90。推程采用正弦运动规律，回程的配合过程根据 的表达式确定， p其余部分采用

11、余弦运动规律。其运动速度图如图十一：3、方案三 ：采取凸轮传动。（1）机构简图（实际比例中齿轮部分比凸轮部分大，此处为了突出重点设计部分凸轮的结构所以采取了此比例图示;动力输入部分未画出）（2）机构组成 主要构件包括：凸轮、齿条推杆、齿轮。实际装配时，两个凸轮机构分别位 于传送带的两侧，所以不存在相互碰撞问题。（3）工作原理 左侧翻板转动过程图示如下：ri.ot） JL1/，卓七个过程：静止阶段a-a加速阶段a-b匀速阶段b-c减速阶段c-d加速阶段d-c匀速阶段c-b减速阶段b-a 右侧翻板配合左侧翻板过程为：当左侧翻板运动到与竖直方向偏左夹角为40时，右侧翻板运动到与竖直方向偏左夹角为25

12、。，此时其速度为零并开始加 速，方向为顺时针方向。两者同时到达与竖直方向偏左夹角为10的地方，且速 度相等，并开始共同走过20的夹角，之后右侧翻板继续匀速运动，而左侧翻板 减速。右侧翻板运动图如下:共八个阶段：静止阶段a-a加速阶段a-b匀速阶段b-c减速阶段c-d静 止阶段d-d加速阶段d-c匀速阶段c-b减速阶段b-a(4) 数据计算说明 根据机械原理教材第九章凸轮机构及其设计可知把推杆的等速运动规律在其行 程两端与正弦加速度运动规律组合起来可获得性能较好的组合运动规律，本方案 主要采用此种组合运动规律，此运动基本运动图如下： 在图中，设两修正区段凸轮的转角分别为5和5 ,12推杆相应的位

13、移分别为h和h，由图可见，其运动曲12线由三段组成，第一段为正弦加速度区段，其运动方 程为(式 1)s = h (5/5 ) - sin(兀5/5 )兀1 1 1v = h 1- cos(兀5/5 )51 1 1a = Kh 2 sin(兀5/5 )5 21 1 15 (0, 5 )1第二段为等速运动区段，其运动方程为(式 2)s = h + (h-h -h )(5 -5 )/(5 -5 -5 )1 1 2 1 0 1 2v = (h-h -h )3/(5 -5 -5 )1 2 0 1 2 a=05 e (5 , 5 - 5 )1 0 2第三段为正弦加速度减速区段，其运动方程为(式 3)s =

14、 h-h (5 -5)/5 + h sin兀(5 -5) /5 兀2 0 2 2 0 2v = h 5 - h cos兀(5 - 5 )/5 /52 2 2 0 2 2a = -h 2兀 sin兀(5 - 5 )/5 /5 22 0 2 25 e(5 -5 ,5 )0 2 0根据组合运动原则，要保证两段运动规律在衔接点上的运动参数的连续，令在5 = 1时，式1和式2中的v相等，可得2h /8 二(h-h -h )/(5 -5 -5 )1 1 1 2 0 1 2再令5=5 -5时，式2和式3中的v相等，可得022h /5 =(h-h -h )/(5 -5 -5 )2 2 1 2 0 1 2联解上

15、两式可得h =5 h/(25 -5 -5 )1 1 0 1 2h = 5 h/(25 -5 -5 )2 2 0 1 2所以在求解时先选定两修正段的凸轮转角5 和5 。由齿轮传动图12可知s =0 x r, As = A0 x r，式中s为齿条，即推杆的移动距离，0为翻板转动的角 度。左侧凸轮推杆的位移变化图如下其中只有上面介绍的正弦加速和等速运动。经代入计算和实际传动考虑得到当取5 =30 = 5，h = h =少时满足该传动要求。此时加速阶段结束时使速度达到1 2 1 2 12兀r 兀兀 兀rV = hi1-COS(K5/5i)/5i = 12 X 3 X1-C0SK/6 = 3，即匀速运动

16、阶段速度。由于 要求每分钟翻转 10次，所以凸轮翻转周期为 6秒。由图可知每个加速、减速阶 段时间为0.5秒，每个匀速运动阶段运动的时间为 1.5秒，所以匀速阶段行程为s二vX t Jr X 1.5 =皿，转化到翻板即转角0二s/r Jr /r二兀，即凸轮转动-时,1 3 2 1 1 2 2 2翻板也转动了-。同时由图可知加速、减速阶段凸轮转角为叟，翻板转角为二。2 6 12从而得出上图左侧凸轮5和s轴的详细数值，如图所示。同时每一段的计算方程 可以套用式1、 2、 3 表示.右侧凸轮推杆的位移变化图如下为基准，如下图。同理，可以得出各个特殊点的数值所示。对于凸轮的画法，根据s-5图可以用反转

17、法画出凸轮，同时可以用计算机根据方 程式精确描出轨迹图，得到比较精准的凸轮。附加说明： 左右翻板配合处的计算：由于要在竖直位置偏左10。时两翻板速度相同，以左边安装时，左侧凸轮在a位置，且让 凸轮已经走完近休止处于开始加速阶 段，右侧凸轮位于b位置。运动时，左 侧凸轮开始加速，之后匀速，当到达 c 位置时，所用时间为t 二 0.5 + 40。/90x 1.5 二 1.16666，右 侧翻板则在这1.16666 秒时间内保持静 止在 b 位置，当左侧翻板到达 c 时，右侧翻板开始加速，其加速 0.5 秒转过15。到达d位置时，左侧翻板正好匀速0.5秒转过30。也到达d位置。此后两者速度 相同直到

18、与竖直位置偏右10。，然后左翻板减速，右翻板继续匀速，两者分离。 左右两侧翻板的极限位置均在水平线以下5。,以便使得钢板自传送带传来之后 可以顺利被送到翻板上，对于右边则是使钢板能够顺利滑下。另外两个翻板在各 自极限位置时有一个停顿，即凸轮的休止阶段，同样是为了保证钢板有足够的时 间滑上或滑下翻板。 凸轮结构承力方面存在缺陷，即不能承受过大的力，所以此结构适用于质量较 小的钢板翻转。 动力输入选择一个电动机两个输出端方式，此方式便于保证两翻板的运动步调 始终保持一致。因为此机构对配合要求较高，若采用两个电机分别输入可能存在 转速不同等问题，使配合错位。由于凸轮要求转动周期为6s,即每分钟10转

19、， 转速较小，而电动机一半输出转速很大，所以基本动力输入结构可以采用类似以左侧齿轮系传动比为i二i = i i i i =，右侧齿轮系传动比为15 12 23 34 45 Z Z Z Z51 23 4i1HZZ=1 iH = 1- 2 313Z1Z 1 2，两者都可以通过控制齿轮数和齿数得到较大的传动比。在输出端分别与两凸轮相连。六、心得体会“设计绝对不是一帆风顺的”这是我对本次机械创新实习最大的体会，记得刚 开始实习的那一天，老师叫我们选课题，当时我什么都不懂，也不知道怎么选， 选了之后也不知道怎么去设计。但经我们小组几番讨论之后，选了这个难度较大 的题目。想挑战一下自己的能力。第二天，我们

20、小组就开始研究各种方案，才发现我们的选题，比想象中的 要难很多，因为它对两翻转板的运动要求极高，并且还有一段区域要求两板运动 规律完全同步，当时我们就愣住了，老是在那里停止不前，每天都在教室里进行 激烈讨论，但没有实质性的进展。前三天我们的讨论都只局限于曲柄摇杆机构应 用（方案一），可能是讨论多了吧，突然脑子里出来灵感，想着用曲柄摇杆机构 和凸轮机构的相互配合，来完成特定的运动规律（方案二），以后面简化成全部 用凸轮机构实现相应的运动规律要求（方案三）。其他组都已经在写说明书了， 我们还在一起不停地讨论。记过激烈的讨论分析，我们最终确定出了几种合理的方案，最后我们分工 将讨论方案全部写下来，这

21、个过程充满艰辛和乐趣，虽然有时我们组在讨论时候 会频繁地发生争执，但我觉得这些争执对最终的设计结果是有帮助的，因为是意 见不同，或是方案不合理才会争执，所以每次争执过后，我们的设计方案就会有 很大的改进。同时也让感觉到了团队合作的重要性。毕竟一个人的能力、精力有限，对 于一个设计方案不可能一个人想得面面俱到，即使能想到那也需要时间。并且通过实习我又一次将课本上的理论知识联系起来运用到实践中去。我 们大部分时间是用来学习课本文化知识，真正将自己所学的知识运用到生活中去 的经历很少。因此我认为这样的设计活动是有利于大学生成长。机械原理创新设 计是对我们创新意识的一次挑战。创新是设计的灵魂，通过自己动手，我学会了： 在参考前人整理综合出来的设计方案时，要积极思考，从细节着手，结合经济性， 安全性，实用性考虑，进行优化创新，这样才能真正做到自我学习的进步。初步 了解设计工作基本方法。总之，这次实践让我受益匪浅，衷心感谢学校和老师给我这次锻炼机会。以及我们组各个的成员相互合作。