自动切菜机课程设计说明书

课程名称：机械设计

设计题目：自动切菜机设计

院系：机械工程系

专业：机制一班

年级：2010级

姓名：刘元是

指导教师：温亚莲

西南交通大学峨眉校区

2013 年5月25日

一设计简介

随着自动化技术的发展，自动化技术已经广泛用于家庭生活的各个方面。采用自动化技术不仅可以把人从繁重的体力劳动、部分脑力劳动以及恶劣、危险的工作环境中解放出来，而且能扩展人的器官功能，极大地提高劳动生产率，增强人类认识世界和改造世界的能力。自动切菜机就能把人们从繁重的家务活动中解脱出来，给予人们更多地休息时间。让生活更美好。

二设计任务

（一）设计题目：自动切菜机

（二）工作设计及工艺的动作过程

电动机经皮带和齿轮系减速后，达到30转/分。再用棘轮机构连接一皮带组成菜品的进给机构，并满足间歇运动的要求。同时通过另外一组皮带轮带动曲柄滑块机构运动（滑块上带切刀），实现菜品的切割。间歇运动机构与切刀运动机构工作协调。由于每一次切的过程都一样,从而使每一片菜品的大小都一样。而通过改变进给的距离，可调整切片的厚度。

（三）机构的一些尺寸

1)菜品厚度：10~20mm。

2)菜品切片长度（即切片高）范围：5~20mm 。

3)切刀切片时最大作用距离（亦即切片宽度方向）：300mm。

4)切刀工作节拍：30次/min。

主要设计要求是：

（1）通过调整进给的距离，达到切出不同厚度菜品的需要。

（2）要确保进给机构与切片机构协调工作，全部送进运动应在切刀返回过程中完成，输送运动必须在切刀完全脱离切口后方能开始进行。

（四）电机的选择

在我国，电源频率为50赫，ns=60f/P（旋转磁场的转速＝交流频率/定子的极数）。所以三相交流电机中一对极电机的同步转速为3000转/分，三相交流电机中两对极电机的同步转速为1500转/分，余类推。异步电机转子转速与旋转磁场转速之差（称为转差）通常在10%以内。由于我们要求的电机的转速为150r/min。故不能选择交流异步电机。最后我们决定选用转速为150r/min，功率0.55KW的它励式直流电机。

三机械系统运动方案选择

切刀的往复直线移动可采用连杆机构、凸轮机构、齿轮齿条、组合机构等；

菜品的直线间歇运动可选择连杆机构、齿轮机构、凸轮机构、棘轮机构、槽轮机构等。

1、实现切刀往复运动的机构

方案一：

如上图所示，可利用最短杆的圆周运动来实现切刀的上下往复运动。

此连杆机构的优点：

1.运动副为低副，低副的两运动副位面接触，压强较小，可以承受

较大的载荷，并且有利于润滑，运动副的集合形状比较简单，便于加工制造。

2.当原动件运动规律不变时，可以改变各构件的长度从而使从动件

得到不同的运动规律。

3.连杆上各点的轨迹是不同形状的曲线，其形状还随着各构件相对

长度的改变而改变，从而得到形式众多的连杆曲线，我们可以利用这些曲线来满足不同曲线的设计要求。

吃连杆结构的缺点：

1.连杆机构的运动必须经过中间构件进行传递，传递路程较长，易

产生较大的误差累计，使机械效率较低。

2.此机构虽然有上下往复运动，但它没有急回运动特性。不能够实

现切刀下切速度慢而收回速度快的特性，也不能够很好的缩短空程的时间，影响效率。故放弃。

方案二：

如下图所示，该机构为封闭的凸轮机构。可利用凸轮的转动来实现切刀的往复运动。

此几何凸轮机构的优点：

1.只要适当的设计出凸轮的轮廓曲线，就可以使推杆得到各种

预期的运动规律，而且机构简单紧凑。

2.凸轮机构可承重较大，运动平稳。

此机构的缺点：

1.图轮廓线与推杆之间为点、线接触，易磨损。

2.没有急回运动特性，不能够实现切刀下切速度快二上提速度

快的特性。不能够很好的缩短空程的时间，影响效率，因此

舍弃该方案。

方案三

如下图所示，该机构为偏执曲柄滑块机构，可以利用它实现切刀的往复运动。

此曲柄滑块机构的优点：

1.由于偏执滑块机构具有偏心距，所以该机构具有很好的急回运动

特性。

2.该机构较为简单，可根据已经给定的尺寸要求设计出机构各连杆

的长度。

3.此机构为连杆机构，可以承受较大的载荷，并且有利于润滑，运

动副几何结构比较简单，便于加工制造。改变各构件的相对长度来使从动件得到预期的运动规律。

综上所述，选择方案三是一个比较不错的选择。

令该偏执滑块机构的偏距e=10mm。此机构主要是执行切刀的上下往复运动。由于所切的菜品厚度最大为30mm，所以切刀在30mm之上运动时，菜品才能运动。为了给菜品足够的传送时间，设计切刀的行程为2倍菜品的最大厚度，即为C1C2长度等于60mm。设刀片高为40mm，刀片不能回缩到滑块轨道上，所以滑块长度应大于C1C2，取滑块长度为65mm。可以令曲柄AB长度为25mm，BC长度为60mm。

极为夹角为：

cos a=[（BC-AB）2+(AB+BC)2-C1C22]/2(BC-AB)*(AB+BC)

=0.815

a=arc cos0.815=35.4o

综上：

曲柄长25mm；

连杆长60mm；

偏距10mm；

刀片高40mm；

刀片所在滑块长65mm；

极位夹角a=35.4o；

2.实现菜品直线间歇运动的机构

方案一：

如下图所示，为一连杆步进输送机构，可实现直线间歇移动。

此连杆机构的优点：

1.此机构能够完全实现直线间歇移动。

2.如果连杆的尺寸角度设计得当，此机构具有传递平稳，运动精

确的优点。

此连杆机构的缺点：

1.连杆BCD运动的轨迹是一个完全不规则的曲线,再设计连杆机

构ABCDE时，要想使连杆和挂钩接触的部分的运动曲线近似为直线，机构中每个连杆的长度的定位都比较困难。不容易计算得出最终的尺寸和方位。舍弃该方案。

方案二：

如下图，该方案采用槽轮机构

此机构的优点：

1.对于菜品的传送，槽轮机构能够完全实现直线间歇运动。

2.槽轮机构也比较实用，容易计算，运动也比较精确。

该槽轮机构的缺点：

如果使用槽轮机构的话，则很难改变被切菜品的厚度，如果中间搭配齿轮减速器来改变速度的话又显得复杂。故舍弃该方案。

方案三：

如下图，选择棘轮机构：

该棘轮机构的优点有：

棘轮机构的结构简单，外形尺寸小，其机械效率高，并能较为平稳地，间歇地进行转位，能实现菜品厚度的调节，故采用此机构。

棘轮机构主要是执行菜品的进给运动,每一次的运动距离就是所切菜品的长度。为了更好的控制和改变这个长度,设棘轮每转动一定角度,菜品运动20mm,设棘轮共有24个齿,既每齿代表15度。于是一共有四档,即20,40,60,80mm,也就是说棘轮转动15,30,45,60度。对于棘轮的转动,设计一个曲柄摇杆机构推动棘轮旋转。于是棘轮的旋转角度

就可以转化为摇杆的摆角。即15,30,45,60度。在棘轮外加装一个棘轮罩，用以遮盖摇杆摆角范围内棘轮上的一部分齿。这样，当摇杆顺时针摇动时，棘爪先在罩上滑动，然后才嵌入棘轮的齿槽中推动其转动。被罩遮住的齿越多，则棘轮每次转动的角度就越小。棘轮罩设置四个转角分别为15，30，45，60度。设有槽的圆盘直径为150mm,棘轮半径为100mm,在摇杆上装一个棘爪, 棘爪推动棘轮旋转,棘轮上再固定一个皮带轮用以带动皮带旋转。其尺寸为:

棘轮半径100mm;

棘轮齿数24个;

设曲柄和摇杆与地面两定点的距离为175mm，摇杆的最大摆角为75°。摇杆长度为200。设曲柄长为x，连杆长为y。可得方程：cosA= [ 1752+1002-（x+y）2]/2*175*100；

cosB= [ 1752+1002-（y-x）2]/2*175*100；

B=75°；

解得：x=50；y=210；

所以有曲柄摇杆机构尺寸:

曲柄长50mm;

连杆长210mm;

摇杆长200mm;

依据零件尺寸，作图计算得出：

推动棘轮的曲柄摇杆机构的行程速比系数为：k=1；又工作周期为2秒，则摇杆推程时间为：1秒，回程时间为：1秒。

因此，切刀在1秒的时间内不能接触菜品（最大厚度为20mm）,而在1秒的时间里切刀应完成切菜品的动作并离开菜品表面。即切刀在菜品外运动的时间应大于1秒．据此验证切刀的曲柄滑块机构的尺寸。计算得切刀在20mm以上的高度运动时间大于1秒，所以满足设计要求。

四减速系统设计

该切菜机机构原动件为一高速电机，其转速为150r/min，但是我们

需要的转速为30r/min，所以需要减速装置。因机器对主轴转速精度

要求不高。第一级用皮带传动，第二级用齿轮传动。皮带传动有良好

的挠性和弹性；能吸震和缓冲，传动平稳噪声小；有过载保护功能，

当过载时轮缘打滑，防止其它的机件损坏；且成本较低。齿轮传动精

确、传动效率高,且减速比不是很大，考虑减速装置的重量和体积则第二级减速采用单级圆柱齿轮减速比较适宜。第一级降速用皮带轮减为50r/min。第二级是用齿轮减速到30r/min。两减速传动机构设计分析如下：

1皮带轮设计：

皮带轮传动主要是采用两个半径不相同的皮带轮实现。由于皮带上线速度相等可知：

r1*w1=r2*w2；

r1*n1=r2*n2；

150*r1=50*r2；

r1/r2=50/150

可以使电机上皮带轮的半径大小为r1=30mm；另一端皮带轮半径大小为r2=90mm。传动比i=150/50=3。

皮带轮的选择：

皮带轮，属于盘毂类零件，一般相对尺寸比较大，制造工艺上一般以铸造、锻造为主。一般尺寸较大的设计为用铸造的方法，材料一般都

是铸铁，很少用铸钢；一般尺寸较小的，可以设计为锻造，材料为钢。因为该切菜机的功率不高，需要皮带轮传动的力矩不大。

结构：承载层为绳芯或胶帘布，楔角为40°，相对高度近似为0.7梯形截面环形带有包布式和切边式两种。

特点：当量摩擦系数大，工作面与轮槽粘附性好，允许包角小、传动比大、预紧力小、绳芯结构带体较柔软，曲挠疲劳性好。

应用：速度<25～30m/s、功率<700kW、传动比≤10轴间距小的传动。

结构：承载层为绳芯，楔角为40°，相对高度近似为0.9梯形截面环形带有包布式和切边式两种。

特点：除具有普通V带的特点外，能承受较大的预紧力，允许速度的曲挠次数高，传动功率大，耐热性好。

应用：大功率结构紧凑的传动。

最后我们决定选择普通V带轮。

2齿轮系的设计：

经皮带轮减速后的转速为50r/min，而我们需要的转速是30r/min。因此还需要齿轮降速。

选择齿轮参数如下：

i=z2/z1=5/3

齿距p1=mπ=5π=15.7mm=p2

齿厚s1=mπ/2=2.5π=7.85mm=s2

齿槽宽e1=mπ/2=2.5π=7.85mm=e2

基圆db1=d1*cosα=d1*cos20°=90*cos20°=84.6 mm db2=d2*cosα=d2*cos20°=150*cos20=140.1mm

齿顶高ha1=(ha* ) *m=5mm=ha2

顶隙C1=(c*)*m=1.25mm=C2

齿根高hf1=ha1+c1=5.25mm=hf2

齿顶圆da1=d1+2ha=100mm da2=d2+2ha=160mm

齿根圆df1=d1-2hf =84.75mm df2=d2-2hf =144.75mm

全齿高h1=ha+hf1=10.25mm h2=ha+hf2=10.25mm

中心距a=(d1+d2)/2=m/2(Z1+Z2)=240mm

五传动系统演示