包裝機推包機構設計【含圖紙】

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編 號 無錫太湖學院 畢 業(yè) 設 計 （ 論 文 ） 題目： 包裝機推包機構設計 信 機 系 機 械 工 程 及 自 動 化 專 業(yè) 學 號： 0923018 學生姓名： 周 洋 指導教師： 馮鮮（職稱：講師 ） （職稱：講師 ） 2013年5月25日 無錫太湖學院本科畢業(yè)設計（論文） 誠 信 承 諾 書 本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)設計（論文） 包裝機推包 機構設計 是本人在導師的指導下獨立進行研究所取得的成果， 其內(nèi)容除了在畢業(yè)設計（論文）中特別加以標注引用，表示致 謝的內(nèi)容外，本畢業(yè)設計（論文）不包含任何其他個人、集體 已發(fā)表或撰寫的成果作品。 班 級： 機械91 學 號： 0923018 作者姓名： 2013 年 5 月 25 日 無 錫 太 湖 學 院 信 機 系 機 械 工 程 及 自 動 化 專 業(yè) 畢 業(yè) 設 計 論 文 任 務 書 一、題目及專題： 1、題目 包裝機推包機構設計 2、專題 二、課題來源及選題依據(jù) 經(jīng)過考慮現(xiàn)在包裝機械的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢后, 為了更好地實現(xiàn)包裝 機械的自動化控制，改進推包機構的設計以提高生產(chǎn)效率而給定的。 三、本設計（論文或其他）應達到的要求： 1、方案設計，并確定傳動系統(tǒng)中各機構的運動尺寸和各構件尺寸。 2、機械部分設計。確定電動機的功率與轉速、對部分構件如齒輪進 行強度計算，并確定其尺寸。 3、進行推包及結構設計，繪制其裝配圖。 4、工作過程3D 演示。 5、單片機檢測下一個工件是否到位時，為防止一些干擾，要求感光 板低電平20毫秒后，才確認下一工件已經(jīng)到位。 6、設計說明書一份。 注：所有圖紙均要求計算機打印。 I 四、接受任務學生： 機械91 班 姓名 周 洋 五、開始及完成日期： 自2012年11月12日 至2013年5月25日 六、設計（論文）指導（或顧問）： 指導教師簽名 簽名 簽名 教 研 室 主 任 學科組組長研究所所 長簽名 系主任 簽名 2012年11月12日 II 摘 要 包裝機是一個產(chǎn)品生產(chǎn)和外包的機器的統(tǒng)稱，其主要功能是包裝各種產(chǎn)品，而包裝 機推包機構則是給包裝機提供包裝產(chǎn)品的機構，其主要功能就是從生產(chǎn)線將產(chǎn)品輸送到 包裝機的相應入口，推包機構的運動是一個按一定軌跡的循環(huán)往復運動。它推送物品到 達指定包裝工作臺，該機構取代了傳統(tǒng)的人工移動物品，改善了工作效率低的缺點。 本文所設計的推包機構，有回程一體的全自動化功能，其主要設計思路來自于對傳 統(tǒng)工藝的分解,然后按照相應功能的機構部件進行設計,對比,選定,以及優(yōu)化組合。綜合 利用凸輪的往復運動,齒輪的傳動運動，以及減速器的定值調(diào)速比的設定。再利用 Auto Cad 軟件強大繪圖功能,和 Word 的編輯功能,把設計方案圖文并茂,栩栩如生的展現(xiàn)出來。 在本系統(tǒng)中,用激光感應被包裝工件并通過單片機對推包機構進行控制。激光測得被推物 體確認到達后,由感光板上發(fā)出脈沖,通過89C51單片機及步進電動機驅(qū)動芯片 ULN2803對 步進電動機進行控制。同時被包裝工件的件數(shù)由 LED 顯示器顯示。對推包機構則采用偏 置滑塊機構與盤形凸輪機構的組合機構相結合。其中，偏置滑塊機構控制推頭的水平方 向上運動，凸輪機構則控制推頭垂直方向的運動。在本設計中，在推頭回程過程中不影 響下一個工件的到來，從而總體來講提高了效率。 關鍵詞：包裝機；推包機構；減速機；齒輪 III Abstract Packing machine is a machine of a production and outsourcing collectively, Its main function is the packaging of various products, However, the packaging machine push package body is the institutions of packaging products, packaging machine, Its main function is to transport products from the production line to the corresponding entry of the packaging machine, the agencys movement is a movement of the cycle by a certain trajectory. The agency push items arrived at the designated packing table, the agency replaces the traditional manual movable objects inefficiency. I designed the push package institution push package, return one of the fully automated,its main design ideas comes from the decomposition of traditional technology,then designed follow the corresponding function body parts, contrast, selected, and optimized. The use of the cam reciprocates, the movement of the gear drive, and the set value of the speed ratio of the reducer. The use of the powerful drawing features Auto Cad software and Word editing features, design illustrated, lifelike. In this system, laser sensor packaging workpiece to push package institutions controlled by the microcontroller. Laser test object to be driven to confirm arrival, photosensitive plate pulses, stepper motor controlled by the 89C51 microcontroller and stepper motor driver chip ULN2803. The same time, the number of pieces of packaging workpiece by the LED display shows. Push institutions using the combined mechanism of the the bias slider mechanism and disc-shaped cam mechanism, among them, the bias slider mechanism controls the pusher in the horizontal direction movement,and the cam mechanism controls the pusher in the vertical direction movement. In this design,in the return process it does not affect the arrival of the next workpiece, and thus in general, to improve efficiency. Key words: packing machine; push institution; reducer;gear 目 錄 摘 要 ....................................................................III ABSTRACT ...................................................................IV 1 緒論 ......................................................................1 1.1 本課題的研究內(nèi)容和意義 ...................................................................................................1 1.2 國內(nèi)外的發(fā)展概況 ...............................................................................................................2 1.3 本課題應達到的要求 ...........................................................................................................3 2 機械部分的設計 ............................................................4 2.1 方案的選擇 ...........................................................................................................................4 2.2 凸輪及桿的設計 ................................................................................................................6 2.2.1 設計要求及計算 ...........................................................................................................7 2.2.2 校核各桿的壓桿穩(wěn)定性 ...............................................................................................9 2.2.3 校核各桿的強度 ...........................................................................................................9 2.2.4 校核凸輪的強度 ...........................................................................................................9 2.3 減速器概述 .........................................................................................................................10 2.4 電動機的選擇 .....................................................................................................................11 2.4.1 初步確定負載推力 .....................................................................................................11 2.4.2 電動機選擇步驟 .........................................................................................................12 2.4.3 確定傳動裝置的總傳動比及其分配 .........................................................................14 2.4.4 計算傳動裝置的運動及動力參數(shù) .............................................................................14 2.5 齒輪的設計 .........................................................................................................................14 2.5.1 齒輪傳動特點與分類 .................................................................................................14 2.5.2 齒輪傳動的主要參數(shù)與基本要求 .............................................................................14 2.5.3 齒輪組的設計與強度校核 .........................................................................................15 2.6 軸的設計 .............................................................................................................................19 2.6.1 軸的分類 .....................................................................................................................19 2.6.2 軸的材料 .....................................................................................................................19 2.6.3 軸的結構設計 .............................................................................................................20 I 2.6.4 低速軸的設計與計算 .................................................................................................21 2.6.5 高速軸的設計與計算 .................................................................................................25 2.6.6 選擇和校驗鍵聯(lián)接 .....................................................................................................26 2.7 軸承的選用 .........................................................................................................................26 2.7.1 軸承種類的選擇 .........................................................................................................26 2.7.2 深溝球軸承結構 .........................................................................................................26 2.8 聯(lián)軸器的選擇 .....................................................................................................................27 2.8.1 聯(lián)軸器的功用 .............................................................................................................27 2.8.2 聯(lián)軸器的類型特點 .....................................................................................................27 2.8.3 聯(lián)軸器的選用 .............................................................................................................28 2.8.4 聯(lián)軸器材料 .................................................................................................................28 3 控制部分的設計 ...........................................................29 3.1 控制系統(tǒng)的功能與設計要求 .............................................................................................29 3.2 系統(tǒng)總體方案的設計 .........................................................................................................29 3.3 控制原理圖 .........................................................................................................................32 4 結論與展望 ...............................................................33 4.1 結論 .....................................................................................................................................33 4.2 不足之處及未來展望 .........................................................................................................33 致 謝 .....................................................................34 參考文獻 ...................................................................35 無錫太湖學院學士學位論文 0 1 緒論 包裝機械是指能完成全部或部分包裝過程的機器。作用是給有關行業(yè)提供必要的技 術裝備，以完成所要求的產(chǎn)品包裝工藝過程。包裝機械是使產(chǎn)品包裝實現(xiàn)機械化、自動 化的根本保證，因此包裝機械在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中起著相當重要的作用。機械包裝的生產(chǎn) 能力往往比手工包裝提高幾倍、十幾倍甚至幾十倍，無疑這將會更好地適應市場的實際 需要，合理安排勞動力，為社會多創(chuàng)造財富。 現(xiàn)代包裝機械所能完成的工作已遠遠超出 了簡單地模仿人的動作，甚至可以說在很多場合用巧妙的機械方法包裝出來的成品,不論 在式樣、質(zhì)地或精度等方面，大都是手工操作無法勝任和媲美的。隨著商品的多樣化， 這一點越來越引起了人們的重視。有些產(chǎn)品的衛(wèi)生要求很嚴格，如藥品、食品等，采用 機械包裝，避免了人手和藥品、食品的直接接觸，減少了對產(chǎn)品的污染。同時由于機械 包裝速度快，食品、藥品在空氣中停留時間短，從而減少了污染機會，有利于食品和藥 品的衛(wèi)生和金屬制品的防銹防蝕。 另外，由于包裝機械的計量精度高，產(chǎn)品包裝的外形 美觀、整齊、統(tǒng)一、封口嚴密，從而提高了產(chǎn)品包裝的質(zhì)量，提高了產(chǎn)品銷售的競爭力， 可獲得較高的經(jīng)濟效益。采用真空、換氣、無菌等包裝機械，可使食品和飲料等流通范 圍更加廣泛，延長食品的保質(zhì)期。采用自動包裝生產(chǎn)線，產(chǎn)品和包裝材料的供給是比較 集中的，各包裝工序安排比較緊湊，節(jié)約了包裝的場地和倉儲面積，并改善了后道包裝 工序的工藝條件。 包裝機械的特點 包裝機械即具有一般自動化機械的共性，也具有自身的特性，主要 有如下特點： (1) 大多數(shù)包裝機械結構復雜，運動速度快，動作精度高。為了滿足性能要求，對零 部件的剛度和表面質(zhì)量等都具有較高的要求。 (2) 用于食品和藥品的包裝機械要便于清洗，與食品和藥品接觸的部位要用不銹鋼或 經(jīng)過化學處理的無毒材料制成。 (3) 進行包裝時作用力一般都較小，所以包裝機械的電動機功率較小。 (4) 包裝機械一般都采用無級變速裝置，以便靈活調(diào)整包裝速度、調(diào)節(jié)包裝機的生產(chǎn) 能力。因為影響包裝質(zhì)量很多，諸如包裝機的工作狀態(tài)、包裝材料和包裝物的質(zhì)量等。 所以，為了便于機器的調(diào)整，滿足質(zhì)量和生產(chǎn)能力的需要，往往把包裝機設計成無級可 調(diào)的，即采用無級變速裝置。 (5) 包裝機械是特殊類型的專業(yè)機械，種類繁多，生產(chǎn)數(shù)量有限。為便于制造和維修， 減少投資設備，在各種包裝機的設計中應注意標準化、通用性及多功能性 1。 1.1 本課題的研究內(nèi)容和意義 研究內(nèi)容：(1) 方案設計。并確定傳動系統(tǒng)中各機構的運動尺寸和各構件尺寸。 (2) 機械部分設計。確定電動機的功率與轉速，并確定其尺寸。 (3) 進行推包及結構設計。繪制其裝配圖。 意義：迄今,一些科學技術發(fā)達的國家,在食品、醫(yī)藥、輕工、化工、紡織、電子、 儀表和兵器等工業(yè)部門,已經(jīng)程度不同地形成了由原料處理、中間加工和產(chǎn)品包裝三大基 本環(huán)節(jié)所組成的包裝連續(xù)化和自動化的生產(chǎn)過程,有的還將包裝材料加工、包裝容器成型 包裝機推包機構設計 1 及包裝成品儲存系統(tǒng)都聯(lián)系起來組成高效率的流水作業(yè)線。大量事實表明,實現(xiàn)包裝的機 械化和自動化,尤其是實現(xiàn)具有高度靈活性(或稱柔性)的自動包裝線,不僅體現(xiàn)了現(xiàn)代生 產(chǎn)的發(fā)展方向,同時也可以獲得巨大的經(jīng)濟效益 2。 (1) 能增加花色品種,改善產(chǎn)品質(zhì)量,加強市場競爭能力 (2) 能改善勞動條件,避免污染危害環(huán)境 (3) 能節(jié)約原材料,減少浪費,降低成本 (4) 能提高生產(chǎn)效率,加速產(chǎn)品的不斷更新 1.2 國內(nèi)外的發(fā)展概況 90年代以來，包裝機械工業(yè)每年平均以20%30%的速度增長，發(fā)展速度高于整個包 裝工業(yè)平均增長速度的15%17%，比傳統(tǒng)的機械工業(yè)平均增長4.7個百分點。包裝機械工 業(yè)已經(jīng)成為我國國民經(jīng)濟發(fā)展中不可缺少的新興行業(yè)。我國目前從事包裝機械生產(chǎn)的企 業(yè)約有1500多家，其中具有一定規(guī)模的企業(yè)近400家。產(chǎn)品有40類，2700多種，其中有一 批既能滿足國內(nèi)市場需要，又能參與國際市場競爭的優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品。我國包裝機械行業(yè)近些 年取得了相當顯著的成績，但與國外產(chǎn)品相比仍存在20年左右的差距。 3 國外包裝機械水平高的國家主要是美國、日本、德國。美國的包裝工業(yè)發(fā)展較早,門 類齊全,基礎扎實,水平很高。僅就包裝機械制造業(yè)而論,實力相當雄厚,其品種與總產(chǎn)值 均居世界首位。由于國內(nèi)已實現(xiàn)了工業(yè)現(xiàn)代化,自選市場蓬勃興起,客觀上要求包裝機械 沿著自動化方向發(fā)展,并將電子計算機及其他有關新技術廣泛應用于生產(chǎn)過程。日本已建 立起獨立的包裝工業(yè)體系,其包裝工業(yè)總產(chǎn)值約為美國的一半而躍居世界的第二位。日本 擁有一批規(guī)模不大的包裝機械制造廠,側重于開發(fā)中小型、半自動的包裝機及配套設備, 其技術水平好多已進入國際的先進行列。由政府資助的日本包裝技術協(xié)會主要搞技術情 報交流。另外設有日本包裝機械工業(yè)協(xié)會,它乃是本行業(yè)的全部業(yè)務活動中心。而德國的 包裝機械在設計、制造及技術性能等方面則居于領先地位。德國包裝機械的77為出口。 中國是德國包裝機械的主要出口國。最著名的是克朗斯公司(KRONES)，2002年銷售額達 到20億歐元，中國知名的啤酒企業(yè)都進口過他們的設備 4。最近幾年德國設備表現(xiàn)出如下 特點： (1) 工藝流程自動化程度越來越高。 (2) 提高生產(chǎn)效率，降低工藝流程成本，最大限度地滿足生產(chǎn)要求。 (3) 適應產(chǎn)品變化，設計具有好的柔性和靈活性。 (4) 成套供應能力強。 (5) 包裝機械設計普遍使用仿真設計技術。 我國包裝機械行業(yè)存在的問題：研發(fā)經(jīng)費少，技術力量薄弱。低水平重復太多。行 業(yè)科技力量不足。國際貿(mào)易人員匱乏。應變能力不強。 我國包裝機械行業(yè)發(fā)展的新趨勢： (1) 生產(chǎn)效率化。機械功能多元化。結構設計標準化、模塊化?？刂浦悄芑?。 (2) 資源的高利用化 (3) 產(chǎn)品節(jié)能化 無錫太湖學院學士學位論文 2 (4) 新技術實用化 (5) 大力加強科研、開發(fā)能力 我國裝機械既面臨著國外先進產(chǎn)品的挑戰(zhàn)和競爭，同時也面臨著巨大的國內(nèi)外市場 和較好的發(fā)展機遇。進入21世紀，我國國民經(jīng)濟整體水平和綜合國力又邁上了一個新的 臺階，國際國內(nèi)的環(huán)境都為我國經(jīng)濟的進一步發(fā)展提供良好的機遇 5。 1.3 本課題應達到的要求 運動控制技術在國內(nèi)的發(fā)展特別快，但是在膠帶機包裝機械行業(yè)的發(fā)展動力卻顯得 上升乏力。運動控制產(chǎn)品及技術在包裝機械上的作用主要是達到精確的位置控制和嚴格 的速度同步的要求，主要用在裝卸、輸送、打標、碼垛、卸垛等工序。運動控制技術是 區(qū)別高、中、低端膠帶機包裝機械的關鍵因素之一，也是中國包裝機械升級的技術支撐。 因此，需要對包裝機的推包機構的運動方式做設計改善。經(jīng)過考慮現(xiàn)在包裝機械的現(xiàn)狀 及發(fā)展趨勢后, 為了更好地實現(xiàn)包裝機械的自動化控制，改進推包機構的設計以提高生 產(chǎn)效率而給定的。 推包機構能夠?qū)崿F(xiàn)推送，回程全自動一體化的一個機構。它由推刨機構，回程機構 以及電動機組成?，F(xiàn)需要設計某一包裝機的推包機構，要求待包裝的工件先由輸送帶送 到推包機構的推頭的前方，然后由該推頭將工件由推至包裝工作臺，再進行包裝。為了 提高生產(chǎn)率，希望在推頭結束回程時，下一個工件已送到推頭的前方。這樣推頭就可以 馬上再開始推送工作。這就要求推頭在回程時先退出包裝工作臺，然后再低頭，即從臺 面的下面回程。因而就要求推頭實現(xiàn)“平推水平退回下降降位退回上升復位” 的運動。 我的設計是每5-6s 包裝一個工件，且假定：滑塊移動距離 L=400mm, 推頭在返程階 段到達離最大推程距離 S=100mm, 推頭回程向下的距離 H=50mm。行程速比系數(shù) K 在 1.2-1.5范圍內(nèi)選取，推包機由電動機推動。在推頭回程中，除要求推頭低位退回外，還要 求其回程速度高于工作行程的速度，以便縮短空回程的時間，提高工效。 包裝機推包機構設計 3 2 機械部分的設計 2.1 方案的選擇 實現(xiàn)改推包機構可以使用偏置滑塊機構、往復移動凸輪機構、盤形凸輪機構、導桿 機構、凸輪機構機構、雙凸輪機構、搖桿機構滑塊機構及組合機構。 方案一：雙凸輪機構與搖桿滑塊機構的組合 圖2-1 方案一的運動簡圖 方案一的運動分析和評價： 該機構由凸輪1和凸輪2，以及5個桿組成。機構一共具有7個活動構件。機構中的運 動副有7個轉動副，4個移動副以及兩個以點接觸的高副。其中機構的兩個磙子存在兩個 虛約束。由此可知：機構的自由度： Error! No bookmark name 1P-2-N3h1F given. 機構中有一個原動件，原動件的個數(shù)等于該機構的自由度。所以，該機構具有確定 的運動。在凸輪1帶動桿3會在一定的角度范圍內(nèi)搖動。通過連桿4推動桿5運動，然后連 桿6在5的推動下帶動推頭做水平的往返運動，從而實現(xiàn)能推動被包裝件向前運動。同時 凸輪2在推頭做回復運動的時候通過向上推動桿7，使連桿的推頭端往下運動，從而實現(xiàn) 推頭在給定的軌跡中運動。該機構中除了有兩個凸輪與從動件接觸的兩個高副外，所有 的運動副都是低副。在凸輪與從動件的接觸時，凸輪會對從動件有較大的沖擊，為了減 少凸輪對從動件沖擊的影響，在設計過程中把從動件設計成為滾動的從動件，可以間接 增大機構的承載能力。同時，凸輪是比較大的工件，強度比較高，不需要擔心因為載荷 的過大而出現(xiàn)機構的斷裂。在整個機構的運轉過程中，原動件1是一個凸輪，凸輪只是使 3在一定角度的往復擺動，而對整個機構的分析可知，機構的是設計上不存在運轉的死角， 機構可以正常的往復運行。機構中存在兩個凸輪，不但會是機構本身的重量增加，而且 凸輪與其他構件的連接是高副，而高副承載能力不高，不利于實現(xiàn)大的載荷。 而整個機 構連接不夠緊湊，占空間比較大。 無錫太湖學院學士學位論文 4 方案二：偏執(zhí)滑塊機構與盤形凸輪機構組合 圖2-2 方案二的運動簡圖 方案二的運動分析和評價： 方案二的機構主要是由一個偏置滑塊機構以及一個凸輪機構組合而成的。偏置滑塊 機構主要是實現(xiàn)推頭的往復的直線運動，從而實現(xiàn)推頭在推包以及返回的要求。而凸輪 機構實現(xiàn)的是使推頭在返程到達 C 點的時候能夠按照給定的軌跡返回而設計的。這個組 合機構的工作原理主要是通過電動機的轉動從而帶動曲柄2的回轉運動，曲柄在整周回轉 的同時帶動連桿3在一定的角度內(nèi)擺動，而滑塊4在水平的方向?qū)崿F(xiàn)往復的直線運動，從 而帶動連著推頭的桿運動，完成對被包裝件的推送過程。在推頭空載返回的過程中，推 頭到達 C 點時，凸輪的轉動進入推程階段，使從動桿往上運動，這時在桿5和桿6連接的 轉動副就成為一個支點，使桿6的推頭端在從動件的8的推動下向下運動，從而使推頭的 返程階段按著給定的軌跡返回。這個機構在設計方面，凸輪與從動見的連接采取滾動從 動件，而且凸輪是槽型的凸輪，這樣不但能夠讓從動件與凸輪之間的連接更加緊湊，而 且因為采用了滾動從動件，能使減輕凸輪對它的沖擊，從而提高了承載能力。而采用的 偏置滑塊機構能夠?qū)崿F(xiàn)滑塊具有急回特性，使其回程速度高于工作行程速度，以便縮短 空回程的時間，提高工作效率。但此機構的使用的是槽型凸輪，槽型凸輪結構比較復雜， 加工難度大，因此成本會比較高。 方案三：偏置滑塊機構與往復移動凸輪機構的組合 包裝機推包機構設計 5 圖2-3 方案三的運動簡圖 方案三的運動分析和評價： 用偏置滑塊機構與凸輪機構的組合機構，偏置滑塊機構與往復移動凸輪機構的組合 （圖4） 。此方案通過曲柄1帶動連桿2使滑塊4實現(xiàn)在水平方向上的往復直線運動，在回程 時，當推頭到達 C 點，在往復移動凸輪機構中的磙子會在槽內(nèi)相右上方運動，從而使桿7 的推頭端在偏置滑塊和往復移動凸輪的共同作用下沿著給定的軌跡返回。在此方案中， 偏置滑塊機構可實現(xiàn)行程較大的往復直線運動，且具有急回特性，同時利用往復移動凸 輪來實現(xiàn)推頭的小行程低頭運動的要求，這時需要對心曲柄滑塊機構將轉動變換為移動 凸輪的往復直線運動。但是，此機構所占的空間很大，切機構多依桿件為主，結構并不 緊湊，抗破壞能力較差，對于較大載荷時對桿件的剛度和強度要求較高。 會使的機構的 有效空間白白浪費。并且由于四連桿機構的運動規(guī)率并不能按照所要求的運動精確的運 行只能以近似的規(guī)律進行運動。 綜合對三種方案的分析，方案二結構相對不是太復雜，而且能滿足題目的要求，最 終我選擇方案二。 2.2 凸輪及桿的設計 凸輪機構由凸輪、從動件或從動件系統(tǒng)和機架組成，凸輪通過直接接觸將預定的運 動傳給從動件。凸輪機構具有結構簡單，可以準確實現(xiàn)要求的運動規(guī)律等優(yōu)點。只要適 當?shù)卦O計凸輪的輪廓曲線，就可以使推桿得到各種預期的運動規(guī)律。在各種機械，特別 是自動機械和自動控制裝置中，廣泛地應用著各種形式的凸輪機構。凸輪機構之所以能 在各種自動機械中獲得廣泛的應用，是因為它兼有傳動、導引及控制機構的各種功能。 當凸輪機構用于傳動機構時，可以產(chǎn)生復雜的運動規(guī)律，包括變速范圍較大的非等速運 動，以及暫時停留或各種步進運動；凸輪機構也適宜于用作導引機構，使工作部件產(chǎn)生 復雜的軌跡或平面運動；當凸輪機構用作控制機構時，可以控制執(zhí)行機構的自動工作循 環(huán)。因此凸輪機構的設計和制造方法對現(xiàn)代制造業(yè)具有重要的意義。 凸輪是一個具有曲線輪廓或凹槽的構件。一般可分為三類： 盤形凸輪：凸輪為繞固定軸線轉動且有變化直徑的盤形構件； 移動凸輪：凸輪相對機架作直線移動； 圓柱凸輪：凸輪是圓柱體，可以看成是將移動凸輪卷成一圓柱體。 按從動件的形狀分類； 頂尖式從動件； 滾子式從動件； 平底式從動件； 曲底式從動件。 按從動件的運動形式分類： 直動從動件。 擺動從動件； 按凸輪與從動件維持運動副接觸的方式分類： 力封閉方式。 無錫太湖學院學士學位論文 6 幾何形封閉方式。 膠印機中應用最多的是盤形凸輪、滾子式從動桿凸輪。 2.2.1 設計要求及計算 2.2.1.1 偏置滑塊機構的設計 行程速比系數(shù) K 在1.2-1.5范圍內(nèi)選取 可由機械原理 6曲柄滑塊機構的極位夾角公式 180k k=1.2-1.5 其極位夾角 的取值范圍為6.3 在這范圍內(nèi)取極位夾角為 30 滑塊的行程 L=400 mm 偏置距離 e 選取240 mm 用圖解法求出各桿的長度如下：（見圖2-4） 由已知滑塊的工作行程為400mm，作 BB 為400mm，過點 B 作 BB所在水平面的垂 線 BP，過點 B作直線 BP 交于點 P，并使 = 。然后過 B、B 、P 三點作圓。B30 因為已知偏距 e=240mm,所以作直線平行于直線 BB，向下平移240mm，與圓 O交于一點 O，則 O 點為曲柄的支點，連接 OB、OB ，則 OB-OB=2a，OB+OB=2b。 從圖中量取得： OB=632.11mm OB=302.89mm 則可知曲柄滑塊機構的：曲柄 a=164.61mm 連桿 b=467.5mm 圖2-4 連桿的運動簡圖 2.2.1.2 直動滾子從動件盤形凸輪輪廓設計 用作圖法求出凸輪的推程角，遠休止角，回程角，近休止角。 （見下圖） 在推頭在返程階段到達離最大推程距離為 S=100mm 時，要求推頭從按照給定的軌跡， 從下方返回到起點。因此可利用偏置滑塊機構，滑塊在返回階段離最大推程為100mm 的 包裝機推包機構設計 7 地方作出其曲柄，連桿和滑塊的位置，以通過量取曲柄的轉動的角度而確定凸輪近休止 角的角度，以及推程角，回程角。具體做法如下： (1) 先在離點 B 為100mm 的地方作點 B； (2) 過點 B作直線 AB交圓 O 于點 A，并使 AB=AB； (3) 連接 OA，則 OA ，AB為曲柄以及連桿在當滑塊離最大推程距離為100mm 時的位置。因為要求推頭的軌跡在 abc 段內(nèi)實現(xiàn)平推運動，因此即凸輪近休止角應為曲柄 由 A轉動到 A的角度，從圖上量取， ，即凸輪的近休止角為261A 。因為題目對推頭在返程 cdea 段的具體線路形狀不作嚴格要求，所18026sOA 以可以選定推程角，遠休止角，回程角的大小。 現(xiàn)選定推程角為 ，回程角 ，遠休止角 。6o6s18039o 圖2-5 連桿的運動簡圖 推頭回程向下的距離為30mm，因此從動件的行程 H=30mm。 由選定條件近休止角為 推程角為 回程角為 遠休止角為18026s6o6s ，h=50mm，基圓半徑為 =60mm,從動桿長度為120mm，滾子半徑為18039or =10mm。參考文獻連桿機構設計 7畫法幾何及機械制圖 8后，通過 CAD 軟件r 畫出凸輪輪廓線及機構簡圖如下圖： 無錫太湖學院學士學位論文 8 圖2-6 凸輪的外形 2.2.2 校核各桿的壓桿穩(wěn)定性 校核各桿中最長桿即可，若最長桿滿足抗彎強度要求，則其他桿更滿足強度要求。 各桿中最長桿是 =467mm，規(guī)定壓桿的穩(wěn)定安全因數(shù)為 =10，由材料力學 9 P2931Lstn 頁公式 壓桿的臨界力為 =crF 2EIL 鋼的材料 E=210GPa，I= = = ，則46D40.186 = = =6678.8NcrF 2EIL98210.3 n= =6678.8/3.29=2030 ,所以所設計的各桿滿足抗彎強度的要求。r stn 2.2.3 校核各桿的強度 各推桿采用圓形截面, D 取為10mm,用45鋼,由機械設計課程設計指導書 10 表 2-7 P25查得45鋼的抗拉強度 =600MPa, =355 MPa，bs 由材料力學 9公式（2.12）P 29 A=d 2/4F/ 代入數(shù)據(jù)求得 d0.810 -4m 所以所選桿的直徑滿足要求。 2.2.4 校核凸輪的強度 由機械設計 11表8.3 P150選取凸輪的材料選為45鋼，調(diào)質(zhì) 220260HBS， =2HBS+70MPa，與其對應的推桿表面淬火4045HRC。由機械設計 11 limH P152頁公式 189.()nHPTcFLr 式中： ，凸輪的法向壓力，本設計中，由設計數(shù)據(jù)知凸輪上所承受的所有物重約n 包裝機推包機構設計 9 為6N，考慮其他因素如導桿上下滑動時摩擦等，取 Fn=20N； ：凸輪實際輪廓上接觸點處的曲率半徑， =80mm;c c rr:滾子半徑，10mm ：從動件接觸端滾子與凸輪的接觸寬度， 20mm;L limHNRPZS :凸輪副材料接觸疲勞強度極限應力，取 =72MPa；li limH ：壽命系數(shù)，取為1；N ：表面粗糙度系數(shù)，取 =1；RZRZ ：安全系數(shù)，取 =1.1;HSHS =65.45 MPa;limNRP 代入數(shù)據(jù)可得： H=63.66 MPa40)的減速器。單級減速器的傳動比如果過大，則其外廓尺寸將很大。二級和 電動機 聯(lián)軸器 高速軸 低速軸 無錫太湖學院學士學位論文 10 二級以上圓柱齒輪減速器的傳動布置形式有展開式、分流式和同軸式等數(shù)種。展開式最 簡單，但由于齒輪兩側的軸承不是對稱布置，因而將使載荷沿齒寬分布不均勻，且使兩 邊的軸承受力不等。為此，在設計這種減速器時應注意：1)軸的剛度宜取大些；2)轉矩應 從離齒輪遠的軸端輸入，以減輕載荷沿齒寬分布的不均勻；3)采用斜齒輪布置，而且受載 大的低速級又正好位于兩軸承中間，所以載荷沿齒寬的分布情況顯然比展開好。這種減 速器的高速級齒輪常采用斜齒，一側為左旋，另一側為右旋，軸向力能互相抵消。為了 使左右兩對斜齒輪能自動調(diào)整以便傳遞相等的載荷，其中較輕的齠輪軸在軸向應能作小 量游動。同軸式減速器輸入軸和輸出軸位于同一軸線上，故箱體長度較短。但這種減速 器的軸向尺寸較大。 圓柱齒輪減速器在所有減速器中應用最廣。它傳遞功率的范圍可從很小至40 000kW，圓周速度也可從很低至60m/s-70m/s，甚至高達150m/s。傳動功率很大的減速器 最好采用雙驅(qū)動式或中心驅(qū)動式。這兩種布置方式可由兩對齒輪副分擔載荷，有利于改 善受力狀況和降低傳動尺寸。設計雙驅(qū)動式或中心驅(qū)動式齒輪傳動時，應設法采取自動 平衡裝置使各對齒輪副的載荷能得到均勻分配，例如采用滑動軸承和彈性支承。 圓柱齒輪減速器有漸開線齒形和圓弧齒形兩大類。除齒形不同外，減速器結構基本 相同。傳動功率和傳動比相同時，圓弧齒輪減速器在長度方向的尺寸要比漸開線齒輪減 速器約30。 (2) 圓錐齒輪減速器 它用于輸入軸和輸出軸位置布置成相交的場合。二級和二級以上的圓錐齒輪減速器 常由圓錐齒輪傳動和圓柱齒輪傳動組成，所以有時又稱圓錐圓柱齒輪減速器。因為圓 錐齒輪常常是懸臂裝在軸端的，為了使它受力小些，常將圓錐面崧，作為，高速極：山 手面錐齒輪的精加工比較困難，允許圓周速度又較低，因此圓錐齒輪減速器的應用不如 圓柱齒輪減速器廣。 (3) 蝸桿減速器 主要用于傳動比較大(j10)的場合。通常說蝸桿傳動結構緊湊、輪廓尺寸小，這只是 對傳減速器的傳動比較大的蝸桿減速器才是正確的，當傳動比并不很大時，此優(yōu)點并不 顯著。由于效率較低，蝸桿減速器不宜用在大功率傳動的場合。 蝸桿減速器主要有蝸桿在上和蝸桿在下兩種不同形式。蝸桿圓周速度小于4m/s 時最 好采用蝸桿在下式，這時，在嚙合處能得到良好的潤滑和冷卻條件。但蝸桿圓周速度大 于4m/s 時，為避免攪油太甚、發(fā)熱過多，最好采用蝸桿在上式。 (4) 齒輪-蝸桿減速器 它有齒輪傳動在高速級和蝸桿傳動在高速級兩種布置形式。前者結構較緊湊，后者 效率較高。 通過比較，我們選定圓柱齒輪減速器。 2.4 電動機的選擇 2.4.1 初步確定負載推力 假設物體重是20kg，摩擦系數(shù)為0.5，則外力為100N。 穩(wěn)定運轉下凸輪主軸所需功率： 包裝機推包機構設計 11 kwFVP017.95.61098.5610凸 凸輪主軸轉速為：12r/min 凸輪主軸上的轉矩： mNn53.12907.95凸凸 初選聯(lián)軸器為彈性柱銷聯(lián)軸器和凸緣聯(lián)軸器，滾動軸承為滾子軸承，傳動齒輪為閉 式軟齒面圓柱齒輪，因其速度不高，選用7級精度(GB10095-88)，則機械傳動和摩擦副的 效率分別如下： 彈性柱銷聯(lián)軸器： = 0.991 滾子軸承： = 0.982 閉式圓柱齒輪（7級）： = 0.983 所以，電動機至工件主軸之間的總效率為： = 0.990.980.980.980.980.98總 = 0.877 所以電動機所需功率為 kwPd02.87.1總凸 合理的選擇電動機是正確使用的先決條件。選擇恰當，電動機就能安全、經(jīng)濟，選 擇得不合適，輕者造成浪費，重者燒毀電動機。選擇電動機的內(nèi)容包括很多，例如電壓、 頻率、功率、轉速、啟動轉矩、防護形式、結構形式等，但是結合農(nóng)村具體情況，需要 選擇的通常只是功率、轉速、防護形式等幾項比較重要的內(nèi)容，因此在這里介紹一下電 動機的選擇方法及使用。 2.4.2 電動機選擇步驟 電動機的選擇一般遵循以下三個步驟： 2.4.2.1 型號的選擇 電動機的型號很多，通常選用異步電動機。從類型上可分為鼠籠式與繞線式異步電 動機兩種。常用鼠籠式的有 J、J2、JO、JO2、JO3系列的小型異步電動機和 JS、JSQ 系列 中型異步電動機。繞線式的有 JR、JR O2系列小型繞線式異步電動機和 JRQ 系列中型繞 線式異步電動機。 從電動機的防護形式上又可分為以下幾種： (1) 防護式。這種電動機的外殼有通風孔，能防止水滴、鐵屑等物從上面或垂直方向 成45 以內(nèi)掉進電動機內(nèi)部，但是灰塵潮氣還是能侵入電動機內(nèi)部，它的通風性能比較好， 價格也比較便宜，在干燥、灰塵不多的地方可以采用。 “J”系列電動機就屬于這種防護形式。 (2) 封閉式。這種電動機的轉子，定子繞組等都裝在一個封閉的機殼內(nèi)，能防止灰塵、 無錫太湖學院學士學位論文 12 鐵屑或其它雜物侵入電動機內(nèi)部，但它的密封不很嚴密，所以還不能在水中工作， “JO”系 列電動機屬于這種防護形式。在農(nóng)村塵土飛揚、水花四濺的地方（如農(nóng)副業(yè)加工機械和 水泵）廣泛地使用這種電動機。 (3) 密封式。這種電動機的整個機體都嚴密的密封起來，可以浸沒在水里工作，農(nóng)村 的電動潛水泵就需要這種電動機。 實際上，農(nóng)村用來帶動水泵、機磨、脫粒機、扎花機和粉碎機等農(nóng)業(yè)機械的小型電 動機大多選用 JO、JO2系列電動機。 在特殊場合可選用一些特殊用途的電動機。如 JBS 系列小型三相防爆異步電動機， JQS 系列井用潛水泵三相異步電動機以及 DM2系列深井泵用三相異步電動機 12。 2.4.2.2 功率的選擇 一般機械都注明應配套使用的電動機功率，更換或配套時十分方便，有的農(nóng)業(yè)機械 注明本機的機械功率，可把電動機功率選得比它大10%即可（指直接傳動） 。一些自制簡 易農(nóng)機具，我們可以憑經(jīng)驗粗選一臺電動機進行試驗，用測得的電功率來選擇電動機功 率。 電動機的功率不能選擇過小，否則難于啟動或者勉強啟動，使運轉電流超過電動機 的額定電流，導致電動機過熱以致燒損。電動機的功率也不能選擇太大，否則不但浪費 投資，而且電動機在低負荷下運行，其功率和功率因數(shù)都不高，造成功率浪費。 選擇電動機功率時，還要兼顧變壓器容量的大小，一般來說，直接啟動的最大一臺 鼠籠式電動機，功率不宜超過變壓器容量的1/3。 2.4.2.3 轉速的選擇 選擇電動機的轉速，應盡量與工作機械需要的轉速相同，采用直接傳動，這樣既可 以避免傳動損失，又可以節(jié)省占地面積。若一時難以買到合適轉速的電動機，可用皮帶 傳動進行變速，但其傳動比不宜大于3。異步電動機旋轉磁場的轉速（同步轉速）有 3000r/min、1500r/min、1000r/min、750r/min 等。異步電動機的轉速一般要低2%5%， 在功率相同的情況下，電動機轉速越低體積越大，價格也越高，而且功率因數(shù)與效率較 低；高轉速電動機也有它的缺點，它的啟動轉矩較小而啟動電流大，拖動低轉速的農(nóng)業(yè) 機械時傳動不方便，同時轉速高的電動機軸承容易磨損。 我的設計是5s 左右包裝一個工件，即要求曲柄和凸輪的轉速為 12r/min 考慮到轉速比 較低，因此可選用低轉速的電動機，在機械設計課程設計指導書 10中查常用電動機 規(guī)格，根據(jù)負載阻力或阻力矩、傳動比和傳動效率推算步進電動機的負載轉矩，按0.30.5 倍負載轉矩選擇步進電動機的最大靜轉矩。一般傳動比不宜過大，在此取 i=2.5，則電動 機軸的轉速為30r/min。由步進電機在制袋式包裝機械運動控制中的應用 13初先電動 機的型號為55BF001，其參數(shù)如下： 表2-1 電機的選取 電機型號 相數(shù) 步距角/度 電壓 /V 相電流/A 最大靜轉矩 /N*m(kgf*cm ) 最高空載啟動