机械原理课程设计
1. 设计简介
1.1 题目与参与者
1.1.1 题目
- 步进输送机构设计
1.1.2 参与者
- 组长：严鑫伟
- 组员：陈超、张双庆、李亚南、任苏宁
- 所在学院：机械工程学院
- 专业、班级：机械设计制造及其自动化、机械2203
- 完成日期：2024年5月21日
1.2 设计简介及运动要求
1.2.1 设计简介
- 步进输送机构是一种基于步进电机驱动的物料输送系统。
- 该机构能间歇地输送工件，并使其间距始终保持稳定步长。
- 特点是具有高精度、高速度和高可靠性，广泛应用于工业自动化生产线中。
1.2.2 运动要求
- 工件移动控制：精确移动，确保按照正常工艺进行。
- 控制系统需具备高度自动化和智能化，能实时监控工件并调整。
- 支持多种工作模式，适应不同要求。
- 保持输送速度稳定性，能根据实际要求调整速度。
- 行程速度比要求：符合要求，能灵活调整。
- 摆动件质量要求：达到标准，安装规范，避免故障。
- 传动系统效率：高传动效率，减少能量损失。
- 导路水平设计：考虑工件特性和流程。
- 电动机规格选择：考虑机构运行和负载。
1.3 机构整体运动分析
1.3.1 机构组成与结构
- 步进输送机构由电机、减速器、驱动轮、输送带、支撑结构以及控制系统等组成。
1.3.2 运动原理
- 基于电机驱动和输送带的传动。
- 电机在控制系统的指挥下，以一定的速度和方向旋转，经过减速器减速后，将动力传递给驱动轮。
- 驱动轮带动输送带进行步进式运动，从而实现物料或者产品的输送。
1.3.3 实际运动过程
- 工件经过隔断板从料轮滑落到轨道上，隔断板作间歇往复直线运动，工件按一定的时间间隔向下滑落。
- 输送滑架作往复直线运动，工作行程时，滑架上位于最左边的推爪推动始点位置工件向前移动一个步长。
- 当滑架返回时，始点位置又从料轮接受了一个新工件。
- 推爪下装有压力弹簧，推爪返回时能够从工件底面滑过，工件保持不动。
- 滑架再次向前推进时，推爪推动新工件前移，同时推爪前方的推爪也推动前工位的工件一齐向前移动一个步长。
- 如此周而复始，实现工件的步进式运输。
2. 步进输送机构方案的拟定
2.1 方案一：双点悬挂式步进输送机构
2.1.1 方案简图
2.1.2 简图分析与计算
- 原动件n=7
- 低副PL=10
- 高副PH=0
- F=3n-2PL-PH=1
- 存在一处局部自由度，故该方案有确定的运动。
2.1.3 方案分析
- 结构简单，易于操作。
- 物料适应性差，对于形状不规则尺寸差异较大的可能就无法有效地完成输送任务。
2.2 方案二：双轮式步进输送机构
2.2.1 方案简图
2.2.2 简图分析与计算
- 原动件n=7
- 低副PL=10
- 高副PH=0
- F=3n-2PL-PH=1
- 存在一处局部自由度，故该方案有确定的运动。
2.2.3 方案分析
- 能精确控制每一步的移动距离，实现物料的高效输送。
- 机构复杂，成本高，操作复杂。
2.3 方案三：单点垂吊式步进输送机构
2.3.1 方案简图
2.3.2 简图分析与计算
- 原动件n=5
- 低副PL=7
- 高副PH=0
- F=3n-2PL-PH=1
- 存在一处局部自由度，故该方案有确定的运动。
2.3.3 方案分析
- 机构简单，维护成本较低。
- 操作简便易于掌握。
- 启动和停止速度较慢。
3. 方案的分析与评定
3.1 方案比较
3.1 方案比较
- 三个方案所运用的原理都是相同的，但在日常生活的正常使用中，不同的运动构造可能会对物品造成不一样的影响。
- 方案一能够完成正常的步进运输，但在需要详细分类的物品运输中，可能造成物品混杂在一起；或者对易碎物品的运输，相撞可能会造成损失。
- 方案二拥有占地空间小，易于安放和拆解，同时能够随时调整机器的方向，使物品到达指定地点。
- 方案三相比于前面两个方案，更具有实用性，不仅所占空间小，运动速度更可控，对于一些特殊物品也能够很好的运输，起到对物品的一个保护作用。
3.2 最终方案选择
3.2 最终方案选择
- 通过小组讨论对比与简单验证计算，综合考虑到机构的性能、成本、结构分析等因素候，最终选择了方案三。
4. 步进输送机构整体设计
4.1 步进输送机构的运动设计
4.1.1 整体运动轨迹图
4.1.2 运动轨迹详细分析
- 杆GE的运动轨迹
- 三角形EBF的运动轨迹
- 三角形ABC的运动轨迹
- 杆CD的运动轨迹
- 杆FD中心点的运动轨迹
- 整体运动轨迹图
4.2 步进输送机构的尺寸设计
4.2.1 尺寸设计原理
- 设物品所在的托盘小格长度为20CM，则杆FD长度为40CM。
- 结合运动轨迹和多次在CAD及SOLIDWORKS上尝试及更改，得出最终尺寸。
- FD始终在同一平面上，C点绕A点做半径为11.57CM的圆周运动，CD段长度则为37CM。
- B点绕A点做半径为5.4CM的圆周运动，结合三角形ABC，则BC段长度为10.27CM。
- GE杆中E点绕G点做一小段半径为20.31CM角度为的圆弧运动，结合三角形EBF，杆BE的长度为12.33CM。
4.3 步进输送机构的材质选取
4.3.1 材质选取原则
- 安全经济轻便坚硬。
- 从动机构和驱动机构的重量已经足够沉重，在其他地方要减轻重量。
- 托盘的硬度和承重总量，避免在机器工作时托盘断裂。
4.3.2 托盘材料
- 选取不锈钢材料作为托盘的材料。
- 不锈钢具有良好的耐腐蚀性和耐磨损性，含铬不锈钢还集机械强度和高延伸性于一身。
4.3.3 从动机构材料
- 从动机构选用45
#钢作为齿轮和轴的材料。
- 45
#钢是优质碳素结构钢，具有良好的综合力学性能。
5. 参考文献
5.1 参考文献列表
5.1 参考文献列表
- 《步进电机的精确控制方法研究》 刘宝志 山东大学出版社 2010
- 《机械原理与设计》 邹慧君 北京：高等教育出版社 2009
6. 设计总结
6.1 设计过程概述
6.1 设计过程概述
- 明确目标并设定要求，为后续设计和工作提供方向。
- 列出了几种方案并进行集中讨论，进行方案的优化。
- 确定最终方案后，进行具体的实施工作，包括计算自由度，机构运动分析，绘画动图等。
- 将方案呈现于大家面前。
6.2 设计挑战与解决方案
6.2 设计挑战与解决方案
- 如何在满足基本要求之下，把机构做的简洁明了，做的简单实用。
- 通过多次方案讨论和实践验证，找到了合适的方案。
- 遇到专业技术上和工艺上的问题，通过查阅互联网和书籍，克服了这一关键问题。
6.3 团队协作与个人收获
6.3 团队协作与个人收获
- 团队成员积极合作交流，共同寻找解决方法和最优办法。
- 根据每个人的特长和优势进行了合理的安排，确保设计的顺利进行。
- 每个人都能感受到团队的合作感和设计完成的满足感。
6.4 不足与展望
6.4 不足与展望
- 极度缺乏专业知识，很多深入的知识都是靠互联网和书籍上得来。
- 对于设计十分的保守，不能大胆地去创新只能循规蹈矩。
- 对于一些网络上难以找到的地方也只能不了了事。
6.5 总结
6.5 总结
- 通过这次设计，我们收获了丰富的知识，了解到了深入这个领域的专业知识。
- 收获了很多宝贵的经验和教训，认识到了设计的专业性和重要性。
- 认识到了团队合作的重要性，学会了和他人进行有效的沟通来更好地完成设计任务。
- 认识到了凡事都要用心对待，认真用心的做事是真的很酷！
总而言之，这次的设计让我们懂得了许多，给还是大学生的我们积累了许多宝贵的经验，让我们得到了充分的锻炼。今后的学习，我们也一定会像这样去面对接下来的学习，会更加努力热情的面对接下来的挑战，做一个勇敢面对，勇于创新的大学生。
