擺動式固定凸輪與連桿機構(gòu)的設(shè)計

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1、湖南工業(yè)大學 擺動式固定凸輪與連 桿機構(gòu)的設(shè)計 姓名：xxx 學校：湖南工業(yè)大學 專業(yè)：機械設(shè)計制造及其自動化 班級：機設(shè)1002班 學號：xxxxxxxxxx 指導(dǎo)老師：賀兵 時間：2013年12月20日 湖南工業(yè)大學 耳錄 一、課程設(shè)計的目的 3 二、設(shè)計內(nèi)容與步驟 3 1、設(shè)計內(nèi)容 3 2、設(shè)計步驟 3 三、設(shè)計要求 3 四、設(shè)計指導(dǎo) 4 1、概述 4 2、基本參數(shù) 5 3、設(shè)計步聚 6 1）確定驅(qū)動方案 6 2）確定e 7 3）確定h 7 4）確定: 7 5）確定、 7 6）求算 bi

2、、b2 7 7）設(shè)計凸輪廊線 9 8）檢驗壓力角 12 五、結(jié)論 14 六、參考文獻 14 七、附圖 14 14 摘要 包裝設(shè)計課程設(shè)計是在完成機械設(shè)計課程學習后， 一次重要的實 踐性教學環(huán)節(jié)。是高等工科院校大多數(shù)專業(yè)學生第一次較全面的設(shè)計 能力訓練，也是對機械設(shè)計課程的全面復(fù)習和實踐。 其目的是培養(yǎng)理 論聯(lián)系實際的設(shè)計思想，訓練綜合運用機械設(shè)計和有關(guān)選修課程的理 論，結(jié)合生產(chǎn)實際分析和解決工程實際問題的能力，鞏固、加深和擴 展有關(guān)機械設(shè)計方面的知識。 本次設(shè)計的題目是直動式固定凸輪與連桿機構(gòu)的設(shè)計。 根據(jù)題目 要求和機械設(shè)計的特點作者做了以下幾個方面的工

3、作： ①根據(jù)有關(guān)參 數(shù)進行計算或編寫有關(guān)設(shè)計計算程序；②利用程序設(shè)計的方法輸出結(jié) 果并自動生成圖形；③畫出裝配圖及其主要零件圖；④完成設(shè)計計算 說明書。 、課程設(shè)計的目的 《包裝機械設(shè)計》課程設(shè)計是本課程各教學環(huán)節(jié)中重要的一環(huán) ，它讓學習者聯(lián) 系實際進一步深入理解、掌握所學的理論知識。其基本目的是： (1)培養(yǎng)理論聯(lián)系實際的設(shè)計思想，訓練綜合運用包裝機械和有關(guān)先修課程 的理論，結(jié)合生產(chǎn)實際分析和解決工程實際問題的能力， 鞏固、加深和擴展有關(guān) 包裝機械設(shè)計方面的知識。 (2)通過制訂設(shè)計方案，合理選擇裹包機中塊狀物品推送機構(gòu)和零件類型， 正確計算零件工作能力、確定尺寸和選擇材料，以及較

4、全面地考慮制造工藝、 使 用和維護等要求，之后進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，達到了解和掌握機械零件、包裝機械經(jīng)常 采用的機構(gòu)的設(shè)計過程和方法。 (3)進行設(shè)計基本技能的訓練。例如計算、繪圖、熟悉和運用設(shè)計資料(手 冊、圖冊、標準和規(guī)范等)以及使用經(jīng)驗數(shù)據(jù)、進行經(jīng)驗估算和處理數(shù)據(jù)的能力。 、設(shè)計內(nèi)容與步驟 (一)設(shè)計內(nèi)容 以裹包機中塊狀物品推送機構(gòu)的典型機構(gòu)一一固定凸輪與連桿組合機構(gòu)為 題。課程設(shè)計通常包括如下內(nèi)容：讀懂塊狀物品推送機構(gòu)典型機構(gòu)一一固定凸輪 與連桿組合機構(gòu)，了解設(shè)計題目要求；分析該塊狀物品推送機構(gòu)設(shè)計的可能方案； 具體計算和設(shè)計該方案中機構(gòu)的基本參數(shù)； 進行機體結(jié)構(gòu)及其附件的設(shè)計；繪制

5、裝配圖及零件工作圖；編寫計算說明書以及進行設(shè)計答辯。 (二)設(shè)計步驟： (1)設(shè)計準備 認真研究設(shè)計任務(wù)書，明確設(shè)計要求、條件、內(nèi)容和步驟；通過閱讀有關(guān)資 料、圖紙、參觀實物或模型、觀看電視教學片、掛圖以及推送機構(gòu)進行拆裝實驗 等，了解設(shè)計對象；復(fù)習有關(guān)課程內(nèi)容，熟悉零部件的設(shè)計方法和步驟；準備好 設(shè)計需要的圖書、資料和用具；擬定設(shè)計計劃等。 (2)推送機構(gòu)裝置的總體設(shè)計 決定推送機構(gòu)裝置的方案；選擇機構(gòu)的類型，計算機構(gòu)裝置的運動參數(shù)。 (3)裝配圖設(shè)計 計算和選擇機構(gòu)的參數(shù)；確定機體結(jié)構(gòu)和有關(guān)尺寸；繪制裝配圖草圖；選擇 計算軸承和進行支承結(jié)構(gòu)設(shè)計；進行機體結(jié)構(gòu)及其附件的設(shè)計；完

6、成裝配圖的其 他要求；審核圖紙。 (4)零件工作圖設(shè)計 (5)整理和編寫計算說明書 (6)設(shè)計總結(jié)和答辯 (三)、設(shè)計要求 在課程設(shè)計之前，準備好必要的設(shè)計手冊或參考資料， 以便在設(shè)計過程中逐 步去學習查閱資料。確定設(shè)計題目后，至少應(yīng)復(fù)習在課程中學過的相關(guān)內(nèi)容。 完 成本課程設(shè)計的具體要求如下： 1、設(shè)計說明書要全面反映設(shè)計思想、設(shè)計過程和結(jié)論性認識。其工藝設(shè)計要有 文字、計算、公式來源、參數(shù)選取的資料名稱或代號、圖表（草圖） 。說明書用 A4紙打印，約20頁左右，并裝訂成冊。 2、設(shè)計圖樣按“機械制圖”、“公差與配合”等國家標準完成。 3、零件圖按生產(chǎn)圖樣要求完成，零件的有關(guān)

7、精度和技術(shù)要求要有合理的標注或 說明。 設(shè)計過程中，提倡獨立思考、深入鉆研，主動地、創(chuàng)造性地進行設(shè)計，反對 不求甚解、照抄照搬或依賴老師。要求設(shè)計態(tài)度嚴肅認真、有錯必改，反對敷衍 塞責，容忍錯誤的存在。只有這樣，才能保證課程設(shè)計達到教學基本要求，在設(shè) 計思想、設(shè)計方法和設(shè)計技能等方面得到良好的訓練。 （四）、設(shè)計指導(dǎo) 裹包機所包裝的產(chǎn)品，絕大多數(shù)是單件或多件集合而成的塊狀物品。 包裝作 業(yè)線中前后機之間物品的輸送、換向、排列組合，及單機內(nèi)部的物品移動等，需 要用各種各樣的機構(gòu)或裝置完成。以下是幾種典型的推送塊狀物品的組合機構(gòu)一 一固定凸輪與連桿組合機構(gòu)。 1、概述 圖1所示，是該機

8、構(gòu)的結(jié)構(gòu)簡圖，用于香皂、糖果等裹包機中，將物品向上 推送較大距離。原動桿件 AB按順時針方向轉(zhuǎn)動，驅(qū)動較銷 C上的滾動軸承6在 固定槽凸輪4的槽內(nèi)運動，再通過連桿CD使推送桿（即滑塊）2按預(yù)定規(guī)律作 上下往復(fù)移動。這種直動從桿類型的固定凸輪與連桿組合機構(gòu)相當于連桿長度可 變的曲柄滑塊機構(gòu)，曲柄為 AB,滑塊為推送桿，連桿為BR在運動過程中連桿 BD的長度是變化的。 圖1擺動從動桿類型的固定凸輪和連桿組合的推送機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡圖 1—轉(zhuǎn)動軸 2—固定槽凸輪 3—曲柄 4—銷釘 5一連桿 6一連桿2 7一連桿3 8 一錢鏈 圖2擺動從動桿類型的固定凸輪與連桿組合機構(gòu)示意圖 圖

9、2所示是擺動從動桿型固定凸輪與連桿組合機構(gòu)簡圖。 它相當于連桿長度 可變的曲柄搖桿機構(gòu)，原動件為曲柄AB,從動件為搖桿DE連桿BD長是變化的， 其值由桿件BG CD的長度和它們的夾角（由凸輪確定）決定。 以上兩圖所示推送機構(gòu)，除了從動桿的運動形式不同之外，還有一個重要差 別：前者是曲柄AB推著桿件BC運動，桿件BC承受壓力；后者是曲柄 AB拉著 BC桿運動，桿件BC承受拉力。這是兩種不同的驅(qū)動方案。當然，無論是前者還 是后者，都可以在兩種驅(qū)動方案中任意選擇， 本題我們選擇擺從動桿類型的固定 凸輪和連桿組合機構(gòu)。 2、基本參數(shù) 為研究方便，特規(guī)定：以曲柄回轉(zhuǎn)中心 A為坐標的原點，并作x、y

10、軸。對 于直動從動類型（見圖1所示），y軸與從動桿的運動方向平行；對于擺動從動 桿類型（見圖3所示）y軸與錢銷D的兩個運動極限位置之連線 D0D平行。考慮 到曲柄有兩種轉(zhuǎn)向，又規(guī)定y軸的正軸逆著曲柄轉(zhuǎn)向旋轉(zhuǎn)900后所得軸為x軸的 正軸，于是，前者x軸的正扉向右，而手者則向左。 基本參數(shù)有： e—y軸與D0D線的間距，簡稱偏心距； h一錢銷D至x軸的最小距離； a一曲柄AB長； bi、七一桿件BC CD長； 6—從動桿升程運動起始時刻的曲柄位置 AB和y軸負軸的夾角，6=180 — / B0AY 錢銷B和D的距離用b表示，b=BD它的最大值和最小值分別用 bmax、bmin 表

11、示。 已知參數(shù): 從動桿的行程 *1 *3 升程和降程的運動規(guī)律 60o 140 二 0 二 120 二 100 二 降程按余弦加速度運動 表1初始參數(shù)表 固定凸輪與連桿組合機構(gòu)的特點是，從動桿的運動可以像凸輪機構(gòu)的從動桿 那樣實現(xiàn)停留和按照定規(guī)律（如五次多項式）運動。從動桿的行程、動停時間、 運動速度由工藝要求預(yù)先給定。這樣，當參數(shù) e、h、a、6 ,確定后，每一運 動時刻的b值及bmax、bmin值也隨之確定。顯然，bl、b2應(yīng)滿足下式 bi b2 = bmax b2 - bl = bmin 因此，應(yīng)根據(jù)從動桿的運動規(guī)律和確定的 （1） c

12、、h、Ct、6、l 值，先計算出 bmax、 bmin,然后用下式求算 ，, 1 ,, bi =二(bmax 2 ，- 1 ,, b2 = -(bmax 2 bi b2 值: 一 bmin ) bmin ) (2) 3、設(shè)計步聚 1）確定驅(qū)動方案 它對凸輪的壓力角機構(gòu)的傳動效率影響較大。 應(yīng)根據(jù)運動要求確定之。用下 列符號表示運動要求： 中m一為擺動總行程； 平1一升程運動對應(yīng)的曲柄轉(zhuǎn)角； 平2一最高位置停留對應(yīng)的曲柄轉(zhuǎn)角； 中3 一降程運動對應(yīng)的曲柄轉(zhuǎn)角； 中4 一最低位置停留對應(yīng)的曲柄轉(zhuǎn)角； Q十中2十%十中4=360,當中1 >93時，先用曲

13、柄AB拉著桿件BC運動的方 案；當Q 時，應(yīng)選用曲柄AB推著BC桿運動的方案。平1 =平3時，可任選其 中一種方案。因為Q >93用曲柄AB拉著桿件BC運動的方案 2）、確定l 擺動從動桿長l由執(zhí)行構(gòu)件所完成的推送物品要求而定。擺動從動桿支點 E 位置對傳動效率也有較大影響，應(yīng)選用 xE>e的方案，xE為支點E的x軸坐標。 取 l=120mm 32）確定e 〔in 1 6。： 擺動從動桿，取 e=0?0.4lsin 旨=0.3 --- …?一 二18mm 4）確定h 從結(jié)構(gòu)緊湊和減小凸輪壓力角考慮， 應(yīng)將h值取小些。但h值愈小，對從動 桿驅(qū)動力的壓力角也愈大。h>2lsin —=

14、 =l=120mm 5）確定a 若a值過小，會使凸輪壓力角明顯增大，甚至不能實現(xiàn)預(yù)期運動 Uf a=1.2 ?1.8lsin 寸=1.5乂 120 X sitt300 二 90mm 6）確定5 其值對凸輪的壓力角影響極大，6過小，尤其是過大，會使壓力角急劇增加。 在前述參數(shù)確定后，最好將6優(yōu)化，目標函數(shù)為 am（、）> am min 式中aim為凸輪的最大壓力角。先試取==200 7）求算 bi、b2 須先求算bmax、bmin （1）擺動從動桿類型 搖桿運動分為升程（中=0?邛1）、最高位置停留（邛二中i?邛i +中2）、降程 （平=平1+平2?中1+平2+邛3）、最低位

15、置停留（邛二平1 +邛2+邛3?360 ）四個階段求 算 B的坐標為 xb =asin（6 + 中）: > \ 3 / yB = —acos。+ 中）， 錢銷D的坐標為 「 川 m 2 m 2 (4) W 5 yD = h 2l sin —cos- 2 ?中.匕 xd = e 二21 sin — sin — 2 式中山——從動桿的角位移 xd式的正負運算符號取決于支點 E的位置。 當 xee 時取“一”。 b、 bmax、 bmin o b值為 2 "2 b= . （Xb -xd） （yB - 丫口） （5） 將式（3

16、）、（4）代入式（5）,求算bnax、bmin,然后用式（2）算得bl、bz。 因此，應(yīng)根據(jù)從動桿的運動規(guī)律和確定的 e , h , a值，先計算出bmax, bmin , 利用MATLAB^用軟件進行編程繪圖，見圖。 fa1=140*pi/180;fa2=0;fa3=120*pi/180;fa4=100*pi/180; a=90;sita=20*pi/180;e=18; l=120;h=120; fim=60*pi/180; faO1=0:0.001:fa1; fi=fim*sin((fa01/fa1)*(pi/2)); xb=a.*sin(sita+fa01); yb=-

17、a.*cos(sita+fa01); xd=e-2*l.*sin(fi/2).*sin(fim-fi) /2)； yd=h+2*l.*sin(fi/2).*cos((fim-fi) /2)； b01=sqrt((xb-xd).A2+(yb-yd).A2); fa02=fa2+fa1:0.001:fa3+fa2+fa1; fi= fim*(1+cos(pi*(fa02-fa1-fa2)/fa3))/2; xb=a.*sin(sita+fa02); yb=-a.*cos(sita+fa02); xd=e-2*l.*sinfi/2).*sin((fimfi)/2); yd=

18、h+2*l.*sin(fi/2).*cos(fim-fi)/2); b02=sqrt((xb-xd).A2+(yb-yd).A2); plot(fa01,b01,fa02,b02); BD跟邛的角度關(guān)系曲線圖 可以很方便地得至1J : bmax = 237.2219 mm , bmin =118.2678mm bl =59.4770 mm , b2 =177.7449 mm 8）設(shè)計凸輪廊線 xb xd (6) 固定凸輪的理論廊線就是滾子中心 C的運動軌跡線，根據(jù)較銷B、D的位置 及4、b2值可確定C的位置。令較銷B , D的連線B D與D0 D1線（或y軸）的 夾

19、角為日，B D與CD的夾角為B,則： xb xd □ - arcsin = arctan b b2 b； - b12 2bb2 顯然，xB > x D 時8為正值，反之則為負值，而B始終為正值。錢銷C的坐 標為： Xc =Xd +b2Sin(e P)] ⑶ Nc = b2 cose - -) 該式運算符號“ + ”和“一”的確定原則是：令b = bmax時的中為心， =bmin時的小為m ,在e=m?m區(qū)間，取“-”號;在e=0?m和 360區(qū)間，取“ + ”。 運用MATLA耐用軟件編程畫出C點的軌跡坐標即得到凸輪的輪廓曲線，程 序如下： famax=0.811

20、; famin=3.482;b1=52.0708;b2=178.1895; fa1=140*pi/180;fa2=0*pi/180;fa3=120*pi/180;fa4=100*pi/180;fim=60*pi/1 80; a=90;sita=20*pi/180;e=18; l=120;h=120; fa01=0:0.002:famax; fi=fim*sin((fa01/fa1)*(pi/2)); xb=a.*sin(sita+fa01); yb=-a.*cos(sita+fa01); xd=e-2*l.*sin(fi/2).*sin((fim-fi)/2); yd=h+

21、2*l.*sin(fi/2).*cos(fim-fi)/2); b=sqrt((xb-xd).A2+(yb-yd).A2); theta1=asin((xb-xd)./b); beta1=acos((b.A2+b2 A2-b1.A2)./(2*b.*b2)); xc=xd+b2*sin(theta1+beta1); yc=yd-b2*cos(theta1+beta1); plot(xc,yc);hold on; fa02=famax+0.002:0.002:fa1; fi=fim*sin((fa02/fa1)*(pi/2)); xb=a.*sin(sita+fa02); y

22、b=-a.*cos(sita+fa02); xd=e-2*l.*sin(fi/2).*sin((fim-fi)/2); yd=h+2*l.*sin(fi/2).*cos(fim-fi)/2); b=sqrt((xb-xd).A2+(yb-yd).A2); theta2=asin((xb-xd)./b); beta2=acos((b.A2+b2 A2-b1.A2)./(2*b.*b2)); xc=xd+b2*sin(theta2-beta2); yc=yd-b2*cos(theta2-beta2); plot(xc,yc);hold on; fa03=fa2+fa1:0.002

23、:famin; fi= fim*(1+cos(pi*(fa03-fa1-fa2)/fa3))/2; xb=a.*sin(sita+fa03); yb=-a.*cos(sita+fa03); xd=e-2*l.*sinfi/2).*sin((fimfi)/2); yd=h+2*l.*sin(fi/2).*cos(fim-fi)/2); b=sqrt((xb-xd).A2+(yb-yd).A2); theta=asin((xb-xd)./b); beta3=acos((b.A2+b2 A2-b1.A2)./(2*b.*b2)); xc=xd+b2*sin(theta-beta3);

24、 yc=yd-b2*cos(theta-beta3); plot(xc,yc);hold on; fa04=famin:0.002:fa1+fa2+fa3; fi= fim*(1+cos(pi*(fa04-fa1-fa2)/fa3))/2; xb=a.*sin(sita+fa04); yb=-a.*cos(sita+fa04); xd=e-2*l.*sin(fi/2).*sin((fim-fi)/2); yd=h+2*l.*sin(fi/2).*cos(fim-fi)/2); b=sqrt((xb-xd).A2+(yb-yd).A2); theta=asin((xb-xd)

25、./b); beta4=acos((b.A2+b2 A2-b1.A2)./(2*b.*b2)); xc=xd+b2*sin(theta+beta4); yc=yd-b2*cos(theta+beta4); plot(xc,yc);hold on; fa05=fa1+fa2+fa3:0.002:2*pi; fi= 0; xb=a.*sin(sita+fa05); yb=-a.*cos(sita+fa05); xd=e-2*l.*sin(fi/2).*sin((fim-fi)/2); yd=h+2*l.*sin(fi/2).*cos(fim-fi)/2); b=sqrt((x

26、b-xd).A2+(yb-yd).A2); theta=asin((xb-xd)./b); beta5=acos((b.A2+b2 A2-b1.A2)./(2*b.*b2)); xc=xd+b2*sin(theta+beta5); yc=yd-b2*cos(theta+beta5); plot(xc,yc);hold on; 9)檢驗壓力角 凸輪機構(gòu)設(shè)計中，初始參數(shù)選擇不當會導(dǎo)致凸輪輪廓設(shè)計不合理 ，從而導(dǎo)致 從動件運動不能按預(yù)定規(guī)律進行，或者運行中動力學性能欠佳。 (1)凸輪的壓力角a1 參閱圖2, a1為PC和VC的夾角。Pc為驅(qū)動校銷運動的力(不考慮摩擦力)，B

27、C 重合，Vc為錢鏈C的運動方向，，與C點的凸輪廊線切線重合。用 Ki、K2分別表 示PC Vc的斜率，則 (9) Ki = Xc - Xb K2 dxc dxc - d (10) (11) a1 = arctg K2 - K1 1 + K1K2 計算式&時需求函數(shù)yc(xc)或ycT), xcT)的一階導(dǎo)數(shù)，這些函數(shù)很難用 顯性方程表示，求解一階導(dǎo)數(shù)更加繁瑣，因此本文利用MA TL AB方便的向量運算 功能來求解K2 。將凸輪細分為若干個點，第i點的斜率可采用式(12)來求解。 (12) K2(i)^c(i-1)-yc(i M) xc(i -1)-

28、Xc(i 1) 在MATLAB^用程序中對式(12)進行求解，如下: For i=2:length(fa)-1 %fa 凸輪某一段的轉(zhuǎn)角 K2 (i )=( yc (i-1))- yc (i+1)/( Xc (i-1))- Xc (i+1) end 應(yīng)保證ai的最大值不超過許用值，即am M (&)?？扇?aj = 45o通過計算得 到該機構(gòu)的aim = 43. 6648 0 < 45 0 ,設(shè)計合理。 (2)從動桿的壓力角a? a2為CD桿對較銷D的驅(qū)動力(不考慮摩擦力)與 D的運動方向的夾角。對 于直動從動桿，顯然 6 =|6 P| (13) 對于ab拉動bc的驅(qū)動方案

29、，在平=^m?中m區(qū)間取“一”號，其它區(qū)間取 “+”號。應(yīng)使a2的最大值a2max ^2]o擺動從動桿(a2) =45 0通過計算得 到該機構(gòu)的 a2max = 20.0170 M 45 通過對壓力角的檢驗可知，以上參數(shù)的設(shè)計合理。 六、結(jié)論 1)運用MATLAB^用軟件的編程功能，運用MATLAB?序?qū)崿F(xiàn)了凸輪連桿機 構(gòu)的計算機輔助設(shè)計計算，得到了連桿的長度和凸輪曲線的軌跡，方便地檢驗了 凸輪壓力角和從動桿壓力角，并分析了關(guān)鍵參數(shù)6值與壓力角的關(guān)系，最后找到 最優(yōu)方案，從而提高了機構(gòu)的動力性能。 2)借用MATLAB單的數(shù)組計算功能，提出了凸輪壓力角有效的計算方法。 七、參考文

30、獻 ［1］許林成 彭國勛.包裝機械［M］.長沙：湖南大學出版社，1989 . ［2］許林成.包裝機械設(shè)計與原理［M］.上海：上?？茖W技術(shù)出版社，1988 . ［3］孫智慧 晏祖根.包裝機械概論［M］.北京：印刷工業(yè)出版社，2012,(7). ［4］肖乾周新建.凸輪機構(gòu)的計算機輔助設(shè)計與運動仿真分析［J］華東交通大學 學報,2006 ,23 (4) :103 - 105 . ［5］周開利 鄧春暉.MATLA廊用教程［M］.北京：北京大學出版社，2007,3 ［6］張義智 郭連考.給紙機遞紙吸嘴機構(gòu)共腕凸輪設(shè)計［J］.包裝工程,2007 ,28 ⑴：104 - 105 . ［7］王家文 王皓 劉海.MATLAB7.0編程基礎(chǔ)［M ］.北京：機械工業(yè)出版社,2005 . ［8］孫智慧 高德.包裝機械［M］.北京：中國輕工業(yè)出版社,2010,(1). ［9］劉筱霞.包裝機械［M］.北京：化學工業(yè)出版社,2007,(1). ［10］高德.包裝機械設(shè)計［M］.北京：化學工業(yè)出版社,2005,(8). ［11］劉月花 郭諄欽.機械設(shè)計基礎(chǔ)［M］.長春：東北師范大學出版社，2010, (3). 八、附圖