Harbin Institute of Technology
课程设计说明书（论文）
课程名称： 机械原理
设计题目：产品包装生产线（方案9） 院 系：能源学院 班 级： 1102103 设 计 者： 陶船斯嘉 学 号： 1110200304 指导教师： 曲建俊 设计时间：2013年7月1日至7月7日
哈尔滨工业大学
1
目录
1.产品包装生产线使用功能描述 ........................................... 3 2.工艺方法分析 ....................................................................... 3 3.运动功能分析及运动功能系统图 ........................................ 3 4.系统运动方案拟定 ............................................................... 7 5.机械系统运动尺寸设计 ..................................................... 13 5.1 执行机构1的设计 ..................................................... 13 5.2 执行机构2设计 ......................................................... 13 5.3 执行机构3设计 ......................................................... 14
2
1. 产品包装生产线使用功能描述
如图1所示，输送线1上为小包装产品，其尺寸为长*宽*高=500*200*200，采取步进式输送方式，送第一包和第二包产品至托盘A上（托盘A上平面与输送线1的上平面同高）时，每送一包产品至托盘A上，托盘A下降200mm，第三包产品送到后，托盘A上升405mm、顺时针旋转90°，把产品推入输送线2，托盘A逆时针回转90°、下降5mm恢复到原始位置。原动机转速为1430rpm，产品输送量分三档可调，每分钟向输送线2分别输送6、12、18件小包装产品。
2. .工艺方法分析
图像可以看出，推动产品在输送线上运动的是执行构件1，A处的工作台面为执行构件2，在A处把产品推到下一工位的是执行构件3，这3个构件的运动协调关系如下图所示： 执行构件 运动情况 执行构件推第一个第二个件 第三个件 静止 1 件 执行构件静止 下降200 下降200 上升405 顺转静止 逆转下2 90° 90° 降5 执行构件静止 推动 静止 3 图中执行构件1在一个周期内将会推动3个小件，因此当每分钟输送6个件是，周期为30s ,于是我们这个机构循环一次用时为30s，在完整的30秒内，我们要实现的所有动作。根据传送需求及周期运动的规律，要求电动机经变速后，转速为2，4，6rpm。
3.运动功能分析及运动功能系统图
根据前面的分析可知，驱动执行构件1工作的执行机构应该具有运动功能如图3所示。该运动功能把一个连续的单向转动转换为连续的往复移动，主动件每转动一周，从动件（执行构件1）往复运动一次，主动件的转速分别为6、12、18 rpm。
3
6、12、18rpm
图3 执行机构1的运动功能
由于电动机转速为1430rpm，为了在执行机构1的主动件上分别得到6、12、18 rpm的转速，则由电动机到执行机构1之间的传动比iz有3种分别为：
iz1= = 238.333 iz2= = 119.166 iz3= = 79.4444
总传动比由定传动比ic与变传动比iv组成，满足以下关系式：
iz1iciv1iz2iciv2 iz3iciv3 三种传动比中iz1最大，iz3最小。由于定传动比ic是常数，因此3种传动比中iv1最大，iv3最小。若采用滑移齿轮变速，其最大传动比最好不要大于4，即：
iv14
则有：
ic=iz1/iv1=59.5825
故定传动比的其他值为：
Iv2=iz2/ic=2 Iv3=iz3/ic=1.33
于是，有级变速单元如图4：
i = 4, 2，1.33
图4 有级变速运动功能单元
为保证系统过载时不至于损坏，在电动机和传动系统之间加一个过载保护环节。过载保护运动功能单元可采用带传动实现，这样，该运动功能单元不仅具有过载保护能力，还具有减速功能，如图5所示。 i=2.5
图5 过载保护运动功能单元
整个传动系统仅靠过载保护功能单元的减速功能不能实现全部定传动比，因此，在传动系统中还要另加减速运动功能单元，减速比为
i=ic/2.5=23.833
4
减速运动功能单元如图6所示。
i=23.833 图6 执行机构1的运动功能
根据上述运动功能分析，可以得到实现执行构件1运动的功能系统图，如图7所示。
1430rpm i = 2.5 i = 4, 2,1.33 i = 23.833 执行构件1 图7 实现执行构件1运动的运动功能系统图
为了使用同一原动机驱动执行构件2，应该在图7所示的运动功能系统图加上1个运动分支功能单元，使其能够驱动分支执行构件2，该运动分支功能单元如图8所示。执行构件2有两个执行运动，一个是间歇往复移动，另一个是间歇往复转动。执行构件3有一个执行运动，为间歇往复移动，其运动方向与执行构件1的运动方向垂直。为了使执行构件2和执行构件3的运动和执行构件1的运动保持正确的空间关系，可以加一个运动传动方向转换功能单元，如图9所示。
图8 运动分支功能单元
i=2
图9 运动传动方向转换的运动功能单元
经过运动传递方向转换功能单元输出的运动需要分成三个运动分支分别驱动执行构件2的2个运动和执行构件3的一个运动。因此，需要加一个运动分支功能分支单元，如图10所示。
图10 运动分支功能单元
执行构件2的一个运动是间歇往复移动，考虑采用两个运动单元，将连续转
动转换成间歇单向转动，再转换成间歇往复移动
图11 连续转动转换为间歇往复移动的运动功能单元
5
执行构件2的另一个运动是间歇往复转动，且其运动平面与第一个运动的运动平面垂直，因此，可以选用运动传递方向转换功能单元，如图12所示。
图12运动传动方向转换的运动功能单元
经过运动传递方向转换功能单元后的运动，可以通过另一个运动功能单元把连续转动转换为间歇往复移动动，如图13所示。
图13 连续转动转换为间歇往复运动功能单元
将运动转换为间歇往复移动之后，可通过另一运动功能单元将间歇往复移动转换为间歇单向转动，如图14所示。
图14 往复运动转换为间歇单向转动功能单元
执行构件3需要进行间歇往复移动，为此，需要将连续转动转换为间歇转动。由图2可以看出，执行构件3在一个工作周期内，其间歇时间很长，运动时间很短。因此，需要采用一个间歇运动单元，再采用一个运连续转动的放大单元，其运动功能单元如图16所示。
然后，再把该运动功能单元输出地运动转换为往复移动，其运动功能单元如图17所示。
i = 1/2.5
图16间歇运动功能单元和运动放大功能单元
图17将连续转动转换为往复移动的功能单元
根据上述分析，可以画出整个系统的运动功能系统图，如图18所示。 1430rpm i = 2.5 i = 4, 2，1.33 i =23.833
6
图18 产品包装生产线（方案7）的运动功能系统图
执行构件3
4.系统运动方案拟定
根据图18所示的运动功能系统图,选择适当的机构替代运动功能系统图中的各个运动功能单元,便可拟定出机械系统运动方案。
图18中的运动功能单元1是原动机。根据产品包装生产线的工作要求，可以选择电动机作为原动机。如图19所示。
7
1430rpm
1
图19 电动机替代运动功能单元1
图18中的运动功能单元2是过载保护单元兼具减速功能，可以选择带传动实现，如图20所示。 2
图20
图18中的运动功能单元3是有级变速功能单元，可以选择滑移齿轮变速传动替代，如图21所示。
i = 4, 2,1.33
3
图21 滑移齿轮变速替代运动功能单元3
图18中的运动功能单元4是减速功能，可以选择2级齿轮传动代替，如图22所示。 i =23.833
4
图22 2级齿轮传动替代运动功能单元4
图18中的运动功能单元6将连续传动转换为往复摆动，可以选择导杆滑块机构替代，如图23所示。
8
6
图23 导杆滑块机构替代运动功能单元6
图18中的运动功能单元7是运动传递方向转换功能和减速运动功能单元，可以用圆锥齿轮传动替代，如图24所示。
i i=2
图24 圆锥齿轮传动替代减速运动功能单元7
7
图18中运动功能单元5是运动分支功能单元，可以用运动功能单元7锥齿轮传动的主动轮、运动功能单元6导杆滑块结构的曲柄与运动功能单元4的运动输出齿轮固连替代，如图25所示。
图25 2个运动功能单元的主动件固联替代运动功能单元5
图18中运动功能单元9将连续传动转换为间歇往复移动，可以选用凸轮机构固联来完成要求。如图26所示。
9
9
图26凸轮机构固联替代功能单元9
图18中运动功能单元10是运动传递方向转换功能，可以用圆锥齿轮传动代替，如图27所示。 i=1
图27 圆锥齿轮传动机构代替运动功能单元10
图18中运动功能单元11和运动功能单元12是把连续转动转换为间歇转动的运动功能单元，由运动循环图可知该运动功能单元在一个工作周期之内有两次停歇和两次转动，于是可以用凸轮机构代替运动功能11，用齿轮齿条机构代替该运动功能单元12，如图 28所示。 11 12
图28 用凸轮机构和齿轮齿条机构替代运动功能单元11、12
图18中运动功能单元8是运动分支功能单元，可以用运动功能单元9、运动功能单元10锥齿轮传动的主动轮、运动功能单元13齿轮传动的主动轮与运动功能单元7的运动输出齿轮固联代替，如图29所示。
8
图29 3个运动功能单元的主动件固联替代运动功能单元8
图18中运动功能单元13是将连续转动转换为间歇转动的运动功能单元，可以选择槽轮传动代替，该运动功能单元的运动系数为
10
由槽轮机构运动系数的计算公式有：
式中，
Z——槽轮的径向槽数。 则，槽轮的径向槽数为：
该槽轮机构如图31所示。
图31用槽轮机构替代运动功能单元13
图18中的运动功能单元14是运动放大功能单元，把运动功能单元13中槽轮在一个工作周期中输出的1/4周的转动转换为一周的运动，用圆柱齿轮机构替代，其传动比为i=1/4。该运动功能单元的运动系数为i=5。 圆柱齿轮传动如图31所示。
图31 用圆柱齿轮传动替代运动功能单元14
图18中运动功能单元15是把连续转动转换为连续往复移动的运动功能单元，可以用曲柄滑块机构替代，如图32所示。 15
图 32用曲柄滑块机构替代运动功能单元15
根据上述分析，按照图18各个运动单元连接顺序把个运动功能单元的替代机构一次连
11
接便形成了产品包装生产线（方案8）的运动方案简图，如图33所示。
（a）
（b）
（c）图33产品包装生产线（方案9）的运动方案简图
12
5.机械系统运动尺寸设计 （1）执行机构1的设计
该执行机构是曲柄滑块机构，滑块行程l=500mm，该机具有急回特性，可令极位夹角为30°则行程速比系数k=(180+30)/(180-30)=1.4由几何关系知，极位夹角也是导杆捏角。
α=β C1D=C2D=250/(sin15)=965.93mm
令AD=485mm 则AB=AD sin15°=485sin15°=125 下面确定C1C的长，首先使C1C垂直于C1D，使压力为0，此时在C处，滑块有最大压力角15°
C1D-C1Dcos15°=965.93*(1-cos15°)=32.91mm
所以C1C≧32.91/(sin15°)=127.16mm保证压力角≦15° 此时可令C1C=200mm 减小压力
图35 导杆滑块机构设计
（2）执行机构2的设计
执行机构2由两个运动复合而成，其中一个为连续转动转换为往复运动，可由凸轮26和齿轮齿条27 28实现，另一个运动是将连续运动转换为间歇运动，可用平底直动从动件盘形凸轮机构实现，下面进行各部分的设计：
首先动力由16向17传入，并实现减数，为实现构件1与构件2的空间工作协调关系，使Z17/Z16=3即16转一圈17转1/3圈。
凸轮29的设计：功能 实现构件2往复移动送料的要求，依据如下： 构件1中，曲柄滑块具有急回特性：进程所用圈数为150/360=5/12，所以此时凸轮休止1/3 * 5/12=5/36圈，退程7/12圈，所以，凸轮回程为7/36圈，同理可得接下来休5/36回7/36圈，休5/36圈，但接下来升405mm，所以可用1/18圈，用1/24圈转90°，用1/24圈逆转90°，用1/72圈下降5mm。
由以上分析可得运动参数为：
驱动执行构件的主动件每转动一周，从动件往复运动一次，主动件转数分别为6 12 18 rpm
13
由电动机转速为1430rpm，为得相应转速 I1=1430/6=238.33 I2=1430/12=119.17 I3=1430/18=79.44 I1 I2 I3为总传动比
由I1最大，滑移齿轮的传动比一般不能超过4，所以令 Ir1=4
设定传动比为Is，则Is=I1/Ir1=238.33/4=59.58 所以Ir2=I2/Is=119.17/59.58=2 Ir3=79.44/59.58=1.333 传动比可取I’=2.5
减速机构 I=Is/I’=59.58/2.5=23.83 定向传动比Ic=23.831/3=2.878<4
可取定轴尺寸为Z12=Z38=Z14=49 Z11=Z13=Z37=17 可得Is=2.5*(19/17)3=59.866 模数m=2
实际输出转速设为n1 n2 n3 Ir1=4 可取Z5=17 Z6=67
Ir2=2 取Z7=27 Z8=55 Ir3=1.333 取Z9=37 Z10=49
模数吗m=2 可取实际中心距a=1/2 * 2 * (Z9+Z10)=86 另外两对齿轮采用正变位
实际输出转速 n1=1430*17/(59.866*67)=6.06rpm n2=1430*27/(59.866*55)=11.73rpm n3=1430*37/(59.866*49)=18.04rpm
16 17 为圆锥齿轮，传动比为3 不产生根切的当量齿轮数Zr=17 所以，Z=Zrcos6=15.97 可取Z16=17 Z17=50
模数m=2 此时的当量齿数为Zr16=Z16/cos20=18.09 Zr17=Z17/cos20=5302
回程休止角1： 5/36 * 360 = 50°
回程运动角1： 7/36 * 360 = 70°回程为200mm 回程休止角2： 5/36 * 360 = 50
回程运动角2： 7/36 * 360 = 70 回程为200mm 实现下降
近休止角： 5/36 *360 = 50
推程运动角： 1/18 *360 = 20 升程为405mm 实现上升405mm
远休止角： 3*(1/24)*360 = 45 回程运动角： 1/72 * 360 = 5 回程为 5mm 实现下降5mm
此时可使22.23.24.25实现传动比为1:8，即可以实现凸轮29转1/24圈，凸轮26转1/3圈，1/3推1/3停1/3回，实现旋转90°即保证齿轮与齿条的齿数为4:1即可，可选17 . 67
凸轮参数设计： 推程运动角120 推程3*17=51mm 运动休止角120
回程运动角12 回程51mm
14
定齿选模数3
（3）执行机构3的设计
执行机构3的功能是将一个间歇运动转为一个连续周期的往复移动，故可用不完全齿轮和定轴标准齿轮和曲柄滑块机构来实现，在凸轮转动的17/18圈中，拜师曲柄滑块静止，可设不完全齿数为6，Z31=18 Z12=50 Z33=17则在1/18圈中，运动一周刚好实现，假想吃论述为6*18=108个，模数为3。
15
