驱动直线步进机械设备的槽轮机构设计(6)

目 录

1 驱动直线步进机械设备的槽轮机构设计（6） ................................... 1

1.1 设计题目 ............................................................ 1 1.2 设计任务 ............................................................ 1

1.2.1 设计参数 ....................................................... 1 1.2.2 设计内容 ....................................................... 1 1.2.3 设计要求 ....................................................... 1 1.2.4 设计任务 ....................................................... 2 1.2.5 设计资料 ....................................................... 2

2 槽轮机构运动分析 .......................................................... 2

2.1 槽轮机构运动特性分析 ................................................ 2 2.2 动静比的计算 ........................................................ 5 3 槽轮机构的动力学计算 ...................................................... 7

3.1 驱动直线步进机械设备扭矩的计算 ...................................... 7 3.2 驱动功率的计算 ...................................................... 8 3.3 轴的强度校核 ........................................................ 9 4 槽轮机构结构尺寸设计 ..................................................... 11

4.1 槽轮主要结构尺寸计算 ............................................... 11 4.2 槽轮机构结构型式 ................................................... 12 4.3 轴的结构尺寸设计 ................................................... 13

4.3.1 槽轮轴的尺寸设计 .............................................. 13 4.3.2 曲柄轴的尺寸设计 .............................................. 14 4.4 轴承及键的选择 ..................................................... 14

4.4.1 轴承的选择 .................................................... 14 4.4.2 键的选取 ...................................................... 14

5 设计体会及以后的改进意见 ................................................. 15 参 考 文 献 ................................................................ 16

I

1 驱动直线步进机械设备的槽轮机构设计（6）

1.1 设计题目：驱动直线步进机械设备的槽轮机构设计（6）

一个外啮合6槽槽轮机构，带动一水平循环的传送带设备做步进运动。 1.2 设计任务 1.2.1 设计参数

（1）传送带上有40辆小车，每辆小车重20kg，小车与导轨间的摩擦系数为f=0.2； （2）间歇移动的距离为H=200mm； （3）运动-停歇的周期时间为10s； （3）槽轮机构的传动效率为0.9；

（4）槽轮轴立式安装，工作台通过一组轴承与机架相连。 1.2.2 设计内容

（1）根据要求，确定工作台的静止和转位时间； （2）计算主动拨销的转速；

（3）计算槽轮轴上的最大扭矩和平均扭矩；

（4）对槽轮进行运动学分析。列出槽轮的角位移、角速度和角加速度的方程，并做出相应的曲线图。

（5）对槽轮进行受力分析。计算转臂轴上需要的最大驱动力矩和平均功率，确定驱动电机的功率；求出拨销和转臂之间的最大反力，校核转臂轴直径和槽轮轴直径是否满足强度和刚度要求。 1.2.3 设计要求

课程设计是一必修的实践性教学环节，所有学生必须重视、认真对待，必须独立按时完成课程设计任务，遵守设计纪律，严禁雷同、抄袭。

图纸要求：使用计算机软件绘图，注意装配图、零件图的标注内容及格式，要求标注完整、规范，结构合理。

说明书要求：按照陕西科技大学课程设计的格式规范，内容详实，分析合理，计算又据，数据可靠。

1

1.2.4 设计任务

（1）槽轮机构及其转臂组件的装配图（含箱体，工作台）。 （2）槽轮机构的详细图纸（包含组件图和零件图）。 （3）图纸量最少为1张装配图和3张零件图。 1.2.5 设计资料

（1）课程设计说明书（统一左侧装订） （2）相关设计图纸（总计不少于4张）

（3）陕西科技大学课程设计评分表（网上下载，不同说明书装订在一起，填写完整的设计题目，姓名等相关资料，并注意评分表下面的日期为2012年）

2 槽轮机构运动分析

2.1 槽轮机构运动特性分析

从结构原理上分析，槽轮机构实际上是曲柄导杆机构的一种变型。在槽轮机构运动过程的任一瞬时，如图2-1所示，槽轮的转角和曲柄的转角之间的几何关系为

图2-1 槽轮机构运动特性计算图

tan??ABO2B?rsin?l?rcos?

2

令??rl，把它代入上式，得

??arctan?sin?1??cos? （2-1）

将上式对时间t逐次求导，即得槽轮运动的角速度和角加速度为。

??d?dt??(cos???)1?2?cos???2??0

（2-2）

d?dt22

????(??1)sin?(1?2?cos???)222??0

2 (2-3)

式中?为曲柄转角

若满足槽轮机构运动平稳无冲击的要求，则拨销在进入退出槽轮的速度和加速度为最小值。于是，由式（2-2），得

?(cos?0??)1?2?cos?0??2???k???0?0

式中?k为拨销进入槽轮时的角速度，

?0为相应于?k时的曲柄转角。即

cos?0???0cos?0???rl（2-4）

所以当曲柄拨销在垂直角r?O2A进入时可以避免第一冲击，此时槽轮的角加速度由式（2-3）可得，

?(??1)sin?0(1?2?cos?0??)222???k???02

式中?(rad/s2)为拨销进入槽轮时的角加速度， 将??cos?0代入上式可得

?k?cot?0??0

3

2

可见，曲柄销进入槽轮时存在角速度产生的第二冲击。

由图2-1知，槽轮机构角速度变化曲线是对称于??0位置的，在??0时?达最大值。

0这对其他槽数的槽轮机构也都成立。只要用??0带入式（2-2），即可求得槽轮的最大角

速度为

?max??1???0 （2-5）

槽轮角速度最大值并不发生在位置。对它求一次倒数并令它等于零得

2?cos??(1??)cos??4??022

22?max?1??2?arccos??()?4????()?2?4???1?? （2-6）

角速度分析，?=0.5

0° 10° 1

角加速度分析

??02??o=

?(cos???)1?2?cos???2

70°

80°

90° -0.2

20° 0.71

30° 40° 50° 60° 0.477 0.275 0.118

0

0.915 -0.087 -0.015

=

????1?sin?2?1?2?cos????22

0

10°

20°

30°

40°

50° -0.8

60°

70°

80°

90°

0 -0.929 -1.335 -1.272 -1.029 -0.577 -0.428 -0.319 -0.246

4

图2-2 角速度变化曲线

图2-3 角加速度变化曲线

2.2 动静比的计算

设槽轮有z个均匀分布的径向槽，槽轮每一次转动过程的转角为2?0主动件相应的转角为2?0。由此得槽轮的转角?0(rad/s)

???z0 （2-7）

槽数为6，代入公式得，

?0??z??6

曲柄的转角?0（即转臂或拨销盘的转角）

5

?0??(12?1z) （2-8）

槽数为6，代入公式，得

?0??3

将值代入下式

cos?0???rl?12

??tg?z.?02

?max??(1??)1?2???2??0??1????0??0

设槽轮在一个循环周期中的运动时间为td静止时间为tj，曲柄销转一周的时间为T。

tdT??0? （2-9）

tjT?2??2?02??1??0?

将式?0??(?)代入以上两式，得

2z11tdT?12?1ZT3?12?16?13

td??103s

6

tjT?12?1Z?12?16?23

tj?2T3z-2?203s

?12kt?tdtj?z?2?6?26?2

n0??601060T

?6(r/min)?0??6?30?n030

?0.2?(rad/s)3 槽轮机构的动力学计算

3.1 驱动直线步进机械设备扭矩的计算

在传送带上，这种机械设备一般都在低速情况下工作，计算扭矩时，通常可忽略惯性力矩而仅考虑摩擦阻力矩。由功率相等原理有：

Fdh?M2d?0 (3-1)

式中 F----机械设备的生产阻力，如传送带与支撑导轨间的摩擦力（N） dh----机械设备的微小位移量（m） M2---槽轮轴上的平均扭动转矩（N?M） d?---槽轮的微小转角（rad）

?H0Fdh??2?00M2d?0

FH?2M2?0

M2?FH2?

0

(3-2)

7

式中 H——机械设备的最大步进位移量（m） 2?0——槽轮的槽间角（rad） 将 f=0.2 N=40 m=20kg代入上式

F= Nmgf=40?20?9.8?0.2=1568 N

M2?1568?0.2?313.61.05?299.47N?m

2??6M2为槽轮轴上平均驱动转矩，

主动拨销盘支承轴上的扭矩Mc为：

M?c?M2(?)10? 式中 Mc——拨销盘支撑轴上的扭矩 ω—— 槽轮转动的角速度 ω0——拨销盘转动的角速度 ?——槽轮机构的传动效率 将式（3-2）代入上式并按最大扭矩计算得

Mcmax?12fWH?max?0?0??1?0.2?40?20?9.8?0.212?6?0.9?332.74

3.2 驱动功率的计算 槽轮轴上所需的最大功率为

P2?n01?M2??max?M9549?0.19(kw) 主动转臂轴上所需的驱动最大功率为

8

(3-3)

3-4）

（

P2?Mcmax??0?Mcmax?n09549?332.74?69549?0.21(kw) （3-5）

转臂轴上需要的平均功率为

M?McmaxckM （3-6）

查自动机械设计表7-2知：Z=6时，

km?2.07

?0.1(kw)

Mc?McmaxkM?0.212.07如果由电动机来驱动单个槽轮机构，则电机的额定功率乘以过载系数一定要大于槽轮机构的最大功率。上式求出的P2需除以过载系数后后选择驱动电机的额定功率，此时选电机的过载系数为1.8，则

_N?P1.8?0.211.8?0.12(kw)

我国普通电机的过载系数为1.8~2，由表可以看出，z≤6的槽轮机构其比例系数大于电机的过载系数，所以在设计槽数较少的槽轮机构时，选择电机的额定功率应适当的大于他的平均功率。即选用电机的功率为

N?P2?(1?20%)?0.12?1.2?0.144(kw)

选取小功率电动机，选择YC系列功率为0.25kW 转速1400r/min此时通过用无级降速器降到6r/min。 3.3 轴的强度校核

轴受弯矩不大，所以按扭转强度条件计算，轴的扭转强度为

9550000?0.2d3Pn?[?]T?T?TWT (3-7)

式中

?T—扭转切应力，MPa； T—轴所受的扭矩，N?m；

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5 设计体会及以后的改进意见

本次的课程设计也是大学生涯的最后一次课程设计，通过本次的课程设计，使我对原先学习过的知识进行了一次系统的温故，把原先所学的知识进行了一次综合。以前没接触过的槽轮机构，在这次课程设计中，通过查阅资料，对其结构，工作原理，有了一定了解。了解到当其他条件相同时，槽数越少，加速度越大，惯性冲级越强烈，磨损越严重，精度保持性越差。

外槽轮机构虽然结构结构简单和制造安装方便，但运动性能不够理想，而且调节性能差，因此限制了他的运动速度。虽然可以通过增加槽轮槽数来改善槽轮机构的运动特性，但槽数增加动静比变大，生产率降低。为此可以利用具有规律性变速回转特性的机构，带动槽轮机构的主动件做变速连续回转运动，通过合理设计，使槽轮获得动力特性性能良好的步进输出运动。也可以通过改变主动拨销回转半径，来改变特性。

这次课程设计，使我从中学到了很多很容易被忽视的问题、知识点，课堂上也有部分知识不太清楚，因此不得不边学边用，时刻巩固所学知识，甚至还培养了自己的耐心、细心、专心的性格。尤其是这次课程设计在即将到来的毕业设计之前，这对于明年的毕业设计肯定有莫大的帮助。课程设计不仅是对前面所学知识的一种检验，而且也是对自己能力的一种磨练。通过这次课程设计使我明白了自己原来知识还比较欠缺，自己要学习的东西还太多。有些东西以为学会了，但真正到用的时候才发现自己真的是捉襟见肘，所以我认为只有将学到的东西应用到实践中去才达到受教育的目的。通过这次课程设计，我也明白了学习是一个长期积累的过程，在以后的工作、生活中都应该不断的学习，努力提高自己知识和综合素质。

在本次设计中，得到xxx老师指导帮助，在此表示感谢！本次设计还有不足，希望老师批评指正，特此致敬！

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参 考 文 献

[1] 尚久浩,张淳主编.自动机械设计.北京:中国轻工业出版社，2010

[2] 西北工业大学机械原理及机械零件教研室编，濮良贵，纪名刚主编.机械设计.第七版. 北京：高等教育出版社，2005

[3] 周开勒主编.机械零件手册.第五版.北京：高等教育出版社，2009

[4] 朱龙根主编.简明机械零件设计手册.第二版.北京：机械工业出版社，2005.6 [5] 成大先主编.机械设计图册.第二卷.北京：化学工业出版社，2000

[6] 机械工程师手册第二版编辑委员会编.机械工程师手册.第二版.北京：机械工业出版社，2000,5

[7] 骆素君，朱诗顺主编.机械课程设计简明手册.第二版.北京：化学工业出版社，2011.5

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