机械原理课程设计_——步进输送机.

步进输送机设计计算说明

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学号：********

班级：车辆七班

指导老师：***

2012年6月

第1章问题的提出 (2)

1.1引言 (2)

1.2设计简介 (3)

1.2.1国内外步进机发展史 (3)

1.2.2工作原理 (6)

第2章设计要求与设计数据 (8)

2.1 设计要求 (8)

2.2 性能数据要求 (8)

2.3 设计用途 (8)

第3章设计方案 (9)

3.1 设计方案1 (9)

3.2 设计方案2 (9)

第4章机构尺度综合 (11)

4.1尺寸的得出 (11)

4.2机构尺寸计算结果 (11)

第5章机构运动分析 (13)

5.1步进输送机运动学方程 (13)

5.1.1 步行输送机初始状态 (13)

求解方程组，以求得BP和CP的长度值。 (15)

5.1.2步行输送机平动过程 (15)

5.2运动学分析结果 (21)

第6章机构动力分析 (22)

6.1步行输送机的动力学分析 (22)

6.1.1步行输送机的动力学方程 (22)

6.1.2步行输送机的动力学仿真图 (23)

6.2动力学分析结果 (26)

第7章结论 (28)

7.1方案特点 (28)

7.2设计方法特点 (28)

第8章收获与体会 (29)

第9章致谢 (30)

第1章问题的提出

1.1引言

输送机是在一定的线路上连续输送物料的物料搬运机械，又称连续输送机。输送机可进行水平、倾斜和垂直输送，也可组成空间输送线路，输送线路一般是固定的。输送机输送能力大，运距长，还可在输送过程中同时完成若干工艺操作，所以应用十分广泛。在现代的工业生产中，随处可见输送机的身影。应用它，可以将物料在一定的输送线上，从最初的供料点到最终的卸料点间形成一种物料的输送流程。它既可以进行碎散物料的输送，也可以进行成件物品的输送。除进行纯粹的物料输送外，还可以与各工业企业生产流程中的工艺过程的要求相配合，形成有节奏的流水作业运输线。所以输送设备广泛应用于现代化的各种工业企业中。

1.2设计简介

1.2.1国内外步进机发展史

在我国古代，作为灌溉的高转筒车和提水的翻车，是现代斗式提升机和刮板输送机的雏形；

在17世纪中，开始应用架空索道输送散状物料；

19世纪中叶，各种现代结构的输送机相继出现。1868年，在英国出现了带式输送机；

1887年，在美国出现了螺旋输送机；

1905年，在瑞士出现了钢带式输送机；1906年，在英国和德国出现了惯性输送机。

此后，输送机受到机械制造、电机、化工和冶金工业技术进步的影响，不断完善，逐步由完成车间内部的输送，发展到完成在企业内部、企业之间甚至城市之间的物料搬运，成为物料搬运系统机械化和自动化不可缺少的组成部分。

1.2.2工作原理

步进输送机是一种能间歇地输送工件，并使其间距始终保持稳定步长的传送机械。工件经过隔断板从料轮滑落到辊道上，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，滑架上位于最左侧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。由于推爪下装有压力弹簧，推爪返回时得以从工件底面滑过，

工件保持不动。当滑架再次向前推进时，该推爪早已复位并推动新工件前移，与此同时，该推爪前方的推爪也推动前工位的工件一齐向前再移动一个步长。如此周而复始，实现工件的步进式传输。显而易见，隔断板的插断运动必须与工件的移动协调，在时间和空间上相匹配。

第2章设计要求与设计数据

2.1 设计要求

加工过程要求若干个相同的被输送的工件间隔相等的距离a=300mm，在导轨上向左依次间歇移动，即每个零件耗时T1移动距离a后间歇时间T2，又耗时时间T1移动距离a后间歇时间T2……考虑到动停时间之比K=T1/T2之值比较特殊，受力较大，以及耐用性、成本、维修方便等因素，不宜采用槽轮、凸轮等高副机构直接实现上述要求，而应利用平面连杆机构轨迹曲线。

2.2 性能数据要求

图2-1 步进输送机模型图

根据上述所说的功能确定机械设计尺寸及要求如下：

1）输送平台距离地面的高度为80cm。

2）输送架上任一点的运动轨迹近似为虚线所示闭合曲线。.

3）单次输送距离在300mm左右。

4）输送架在一定范围内保持平动。

5）轨迹曲线的CDE段的最高点低于直线段AB的距离至少为50mm。

2.3 设计用途

可以进行产品生产线上的产品步进输送，而且步进输送有一段停顿的时间，在这段时间内，可以对产品进行加工处理。同时，步进输送运动平稳，动作一般不会太快，方便精密工件的加工生产。此种步进输送机，采用挡板推动，能产生较大的作用力，所以能适应不同重量的工件输送。可靠，稳定……

第3章设计方案

3.1 设计方案1

方案一采用凸轮机构做为原动件，并通过采用局部自由度来减少构件之间的摩擦，能够实现并适应复杂的工作要求与条件，但是凸轮制造费用高，承载能力有限，不可避免的会受到一些冲击。

3.2 设计方案2

方案（2）：该方案完全采用连杆机构，运动连续，平稳。由于构件大部分是连杆，成本较低且维护，检修都较为简单。该机构只有一个自由度，运动易于控制。缺点是机构的零件较多，较为复杂。

图3-2 步进输送机设计方案2

通过两个方案的比较分析，选择方案（2）较好，比较适合设计要求。所以选择方案（2）作为设计方案。

第4章机构尺度综合

4.1尺寸的得出

根据设计要求，相同的被输送工件间隔相等的距离为300mm，轨迹曲线的CDE段的最高点低于直线段AB的距离至少为50mm，以免零件停歇时受到输送架的不应有的回碰。

4.2机构尺寸计算结果

图4-1 输送机机构示意图

采用作图法求尺寸，如图，一点A为坐标（0,0）得坐标如下图：

对于AB 的长度有式子：ab a b a b l y y x =+22)-()-(x

对于BC 杠有：2

22)-()-x bc c b c b l y y x =+（

对于CE 杠有：22c 2e c )-y x -x ce e l y =+（）（ 对于CD 杠有：222)-()-cd d c d c l y y x x =+（ 对于BD 杠有：22d 2)-(y )-bd b b d l y x x =+（

设AB 的转速为w,则B 点的运动轨迹为wt l x ab B cos = ，wt l y ab B cos = 由机架的尺度限制和尺寸限制，取AB 长度为170mm ,

根据运动要求和规律，我们知道AB 杠要实现完整的圆转动，也就是说AB 杠为曲柄，于是有ce bc ae ab l l l l +≤+。于是根据运动规律我们暂时取BC=400，则由不等式，可知，EC=400

再根据运动规律，点在最高点时要实现平动一段距离，以将运输物品传送，

对于D 的运动有dt dx D xD =V ，dt

dy

D yD =V ，对于其加速度也要考虑，有

dt x d xD

2a = ，在y 轴方向有dt

y

d D 2y a =，于是结合AB 与BC 以及EC 长度，我们可知BD=518

终上所述，对各个值取定后在soidworks 上做图模拟，最终对数据进行修正后实现了要求的运动，得到数据如下：

底板架的高度为——700mm 底板的长度为——1800mm 底板的宽度为——400mm 杆AB 的长度为——170mm 杆BD 的长度为——518mm 杆CE 的长度为——400mm

杆CD 的长度为——280mm 铰链点距离O 点的长度为——334mm 电机主轴距离O 点的距离为——165mm BC=400MM 铰链点E 与E1之间的距离为——791mm

点D 与D1间的距离为——791mm 点C1与D1之间的距离为——279.5mm

第5章机构运动分析

5.1步进输送机运动学方程

根据对步进输送机结构的设计要求，对机构的尺寸进行分析，计算。机构的运动只要分为两个阶段，第一阶段是输送机的平动阶段，即输送机的工作阶段，此时输送机的挡板推动工件向左移动。第二阶段是输送机的向下回转曲线运动阶段，此阶段输送机挡板向下运动同时慢慢向后移动，最后再次回到原运动平面，准备开始第二次的重复运动。

图5-1 步进输送机运动分析简图

5.1.1 步行输送机初始状态

图5-3 输送机运动分析图

设A 点坐标为(0,-182),D 点的坐标为（350，0），AB 长为182，BC 长为364，CD 的长为420.设P 点坐标为()

,p p x y ，B 点坐标为(),b b x y

则B 点的轨迹为

cos sin b b

x AB y AB α

α=⎧⎨=⎩ （5-1）

另设C 点坐标为(),c c x y 则：()()()22222

c b

c b c

d c x x y y BC x x y DC

⎧-+-=⎪⎨-+=⎪⎩⇒C (),c c x y （5-2）

由设计要求得，在一段进程中，P 点做直线运动，则在这段时间内：'p

p y y =

()()()()22

22p b

p b p c p c x x y y BP x x y y PC ⎧-+-=⎪⎨⎪-+-=⎩

（5-3）

通过CAD 绘制结构零件图，可知当α=,6

3

π

π

-

-

时，'p p y y =。

在此情况下，()12132,19.5, 6.5,24.2582B B ⎛⎫-- ⎪ ⎪⎝⎭

则1122,B C B C 的中垂线方程为：

()()()()()()()()22

221111222

2'''2222c

c p p c c p p x x kx b y x x kx b y x x kx b y x x kx b y ⎧-++-=-++-⎪⎨⎪-++-=-++-⎩

（5-4）

分析可得图5-3中中心圆的转角，应同图5-2中1122,B C B C 的中垂线的夹角相等。

即12

''12

arctan arctan arctan arctan k k k k ωω=-⎧⎨=-⎩ （5-5）

1122

1211,b c b c k k k k --==

；12'

'

1

2

12,p p p

p

y y y y k k x x x x --=

=

--

求解方程组，以求得BP 和CP 的长度值。

5.1.2步行输送机平动过程

图5-4 结构示意图

图5-4 所示，各标注点为机构设计中的个铰链点。其中杆AB 为绕A 点旋转的驱动件。A,E ，E1点固结在机架上，D,D1点连接挡板。设个点的坐标分别

为：()()()()(),,,,,A A B B C C D D E E x y x y x y x y x y 、、、、。同时设AB 的角速度为AB ω，角加速度1α，为,,,,AB BC CD BD CE ϕϕϕϕϕ为杆件与水平面的夹角，各杆件的长度分别为：

1,,,,,AB BC CE BD CD CC l l l l l l ，AB ϕ为初始角。

根据杆件的运动列出B 点的运动方程：

cos sin B A AB AB

B A AB AB

x x l y y l ϕϕ=+⎧⎨

=+⎩

（5-6）

其中，(),A A x y 已知，初始角AB ϕ，杆长AB l 已知，所以，可以求出B 点的坐标。对式5-6分别进行一次，二次求导，可得到B 点的速度和加速度方程。

sin cos Bx AB AB AB By AB AB AB

v l v l ωϕωϕ=⎧⎪⎨=⎪⎩

(5-7)

2121cos sin sin cos Bx AB AB AB AB AB By AB AB AB AB AB

a l l a l l ωϕαϕωϕαϕ⎧=-⎪⎨=+⎪⎩

（5-8）

图5-5 点B 的位置导出图

图5-6 点B 的速度导出图

图5-7 点B 的加速度导出图

5-7和5-8式中只有速度和加速度是未知数，可以求出。同理，可以列出C,D,E 点的位置，速度，加速度方程：

cos sin C B BC BC C B BC BC

x x l y y l ϕϕ=+⎧⎨

=+⎩

（5-9）

cos sin D B BD BD D B BD BD

x x l y y l ϕϕ=+⎧⎨

=+⎩

（5-10）

()()()()222222

E C

E C EC D C

D C DC x x y y l x x y y l ⎧-+-=⎪⎨-+-=⎪⎩

（5-11）

sin cos Cx BC BC BC Cy BC BC BC

v l v l ωϕωϕ=⎧⎪⎨=⎪⎩

(5-12)

2222cos sin sin cos Cx BC BC BC BC BC Cy BC BC BC BC BC

a l l a l l ωϕαϕωϕαϕ⎧=-⎪⎨=+⎪⎩

（5-13）

图5-8 点C 的位置导出图

图5-9 点C的速度导出图

图5-10 点C的加速度导出图