產(chǎn)品包裝生產(chǎn)線設(shè)計方案

產(chǎn)品包裝生產(chǎn)線 設(shè)計方案 1. 題目要求 如圖 1 所示，輸送線 1 上為小包裝產(chǎn)品，其尺寸為長 *寬 *高 =600*200*200 采取步進(jìn)式輸送方式，送第一包和第二包產(chǎn)品至托盤 A 上（托盤 A 上平面與輸送線 1 的上平面同高）后，每送一包產(chǎn)品托盤 A 下降 200第三包產(chǎn)品送到以后，托盤 A 上升 400后，把產(chǎn)品推入輸送線 2。原動機轉(zhuǎn)速為 1430品輸送量分三檔可調(diào)，每分鐘向輸送線 2 分別輸送 9、 18、 24 件小包裝產(chǎn)品。 圖 1 產(chǎn)品包裝生產(chǎn)線（方案 4）功能簡圖 2. 題目解答 （ 1） 工藝動作分析 由題目可以看出，產(chǎn)品包裝線共由 3 個執(zhí)行機構(gòu)組成。其中，控制產(chǎn)品在輸送線 1上作步進(jìn)運動的是執(zhí)行機構(gòu) 1，在 A 處控制產(chǎn)品 上升、下降的是執(zhí)行機構(gòu) 2，在 A 處把產(chǎn)品推到輸入線 2 的是執(zhí)行機構(gòu) 3，三個執(zhí)行構(gòu)件的運動協(xié)調(diào)關(guān)系如圖 2 所示。 下圖中 的工作周期， 執(zhí)行構(gòu)件 2 的工作周期， 工作周期， 執(zhí)行構(gòu)件 3 的動作周期。由圖 2 可以看出，執(zhí)行構(gòu)件 1 是作連續(xù)往復(fù)移動的，而執(zhí)行構(gòu)件 2 則有一個間歇往復(fù)運動，執(zhí)行構(gòu)件 3 作一個間歇往復(fù)運動。三個執(zhí)行構(gòu)件的工作周期關(guān)系為： 3 1 執(zhí)行構(gòu)件 運動情況 執(zhí)行 進(jìn) 退 進(jìn) 退 進(jìn) 退 進(jìn) 構(gòu)件1 執(zhí)行構(gòu)件2 休 降 休 降 休 升 休 休 執(zhí)行構(gòu)件3 停 進(jìn) 退 停 2 產(chǎn)品包裝生產(chǎn)線運動循環(huán)圖 （ 2） 運動功能分析及運動功能系統(tǒng)圖 根據(jù)前面的分析可知，驅(qū)動執(zhí)行構(gòu)件 1 工作的執(zhí)行機構(gòu)應(yīng)該具有運動功能如圖 3 所示。該運動功能把一個連續(xù)的單向轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)換為連續(xù)的往復(fù)移動，主動件每轉(zhuǎn)動一周，從動件（執(zhí)行構(gòu)件 1）往復(fù)運動一次，主動件的轉(zhuǎn)速分別為 9、 18、 24 9、 18、 24 3 執(zhí)行構(gòu)件 1 的運動功能 由于電動機轉(zhuǎn)速為 1430了在執(zhí)行機構(gòu) 1 的主動件上分別得到 12、 18、 26 由電動機到執(zhí)行機構(gòu) 1 之間的傳動比 種分別為： = = = 傳動比由定傳動比 變傳動比 足以下關(guān)系式： ic*ic*ic*種傳動比中 大， 小。由于定傳動比 常數(shù)，因此 3 種傳動比中 大， 采用滑移齒輪變速，其最大傳動比最好不要大于 4，即： 則有： 定傳動比的其他值為： = = 是，有級變速單元如圖 4： i = 4, 圖 4 有級變速運動功能單元 為保證系統(tǒng)過載時不至于損壞，在電動機和傳動系統(tǒng)之間加一個過載保護(hù)環(huán)節(jié)。過載保護(hù)運動功能單元可采用帶傳動實現(xiàn)，這樣，該運動功能單元不僅具有過載保護(hù)能力，還具有減速功能，如圖 5 所示。 i= 5 過載保護(hù)運動功能單元 整個傳動系統(tǒng)僅靠過載保護(hù)功能單元的減速功能不能實現(xiàn)全部定傳動比，因此，在傳動系統(tǒng)中還要另加減速運動功能單元，減速比為 i = = 速運動功能單元如圖 6 所示。 i= 6 執(zhí)行機構(gòu) 1 的運動功能 根據(jù)上述運動功能分析，可以得到實現(xiàn)執(zhí)行構(gòu)件 1 運動的功能系統(tǒng)圖，如圖 7 所示。 1430 i= i=4, i= 7 實現(xiàn)執(zhí)行構(gòu)件 1 運動的運動功能系統(tǒng)圖 為了使用同一原動機驅(qū)動執(zhí)行構(gòu)件 2，應(yīng)該在圖 7 所示的運動功能系統(tǒng)圖加上個運動分支功能單元，使其能夠驅(qū)動分支執(zhí)行構(gòu)件 2，該運動分支功能單元如圖 8 所示。執(zhí)行構(gòu)件 2有一個間歇單向轉(zhuǎn)動。執(zhí)行構(gòu)件 3 有一個執(zhí)行運動，為間歇往復(fù)移動，其運動方向與執(zhí)行構(gòu)件 1 的運動方向垂直。為了使執(zhí)行構(gòu)件 2 和執(zhí)行構(gòu)件 3 的運動和執(zhí)行構(gòu)件 1 的運動保持正確的空間關(guān)系，可以加一個運動傳動方向轉(zhuǎn)換功能單元，同時該運動單元具有減速的作用，傳動比 i=3,如圖 9 所示。 圖 8 運動分支功能單元 1 i=3 圖 9 運動傳 動方向轉(zhuǎn)換的運動功能單元 經(jīng)過運動傳遞方向轉(zhuǎn)換功能單元輸出的運動需要分成兩個運動分支分別驅(qū)動執(zhí)行構(gòu)件執(zhí)行構(gòu)件 1 2 的運動和執(zhí)行構(gòu)件 3 的一個運動。因此，需要加一個運動分支功能分支單元，如圖 10 所示。 圖 10 運動分支功能單元 2 執(zhí)行構(gòu)件 2 的一個運動是間歇往復(fù)移動，可以通過一個運動單元將連續(xù)轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)換成間歇往復(fù)移動。如圖 11 所示。 圖 11 連續(xù)轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)換為間歇往復(fù)移動的運動功能單元 根據(jù)上述分析可以得出實現(xiàn)執(zhí)行構(gòu)件 1 和執(zhí)行構(gòu)件 2 運動功能的運動功能系統(tǒng)圖，如圖 12所示。 1430 i= i=4, i= 12 執(zhí)行構(gòu)件 1、 2 的運動功能系統(tǒng)圖 執(zhí)行構(gòu)件 3 需 要進(jìn)行間歇往復(fù)移動，為此，需要將連續(xù)轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)換為間歇轉(zhuǎn)動。由圖 2可以看出，執(zhí)行構(gòu)件 3 在一個工作周期內(nèi)，其間歇時間很長，運動時間很短。因此，需要采用一個間歇運動單元，再采用一個連續(xù)轉(zhuǎn)動的放大單元，其運動功能單元如圖 13 所示。 圖 13 間歇運動和連續(xù)轉(zhuǎn)動放大單元 然后，再把該運動功能單元輸出地運動轉(zhuǎn)換為往復(fù)移動，其運動功能單元如圖 14 所示。 圖 14 往復(fù)移動運動單元 根據(jù)上述分析，可以畫出整個系統(tǒng)的運動功能系統(tǒng)圖，如圖 15 所示。 執(zhí)行構(gòu)件 1 執(zhí)行構(gòu)件 2 圖 15 產(chǎn)品包裝生產(chǎn)線運動功能系統(tǒng)圖 （ 3） 系統(tǒng)運動方案擬定 根據(jù)圖 15所示的運動功能系統(tǒng)圖 ,選擇適當(dāng)?shù)臋C構(gòu)替代運動功能系統(tǒng)圖中的各個運動功能單元 ,便可擬定出機械系統(tǒng)運動方案。 圖 15 中的運動功能單元 1 是原動機。根據(jù)產(chǎn)品包裝生產(chǎn)線的工作要求，可以選擇電動機作為原動機。如圖 16 所示。 圖 16 電動機替代運動功能單元 1 圖 15 中的運動功能單元 2 是過載保護(hù)單元兼具減速功能，可以選擇帶傳動實現(xiàn)，如圖17 所示。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 執(zhí)行構(gòu)件 1 執(zhí)行構(gòu)件 2 執(zhí)行構(gòu)件 3 10 11 12 1430 2 圖 17 帶傳動替代運動單元 2 圖 15 中的運動功能單元 3 是有級變速功能單元，可以選擇滑移齒輪變速傳動替代，如圖 18 所示。 圖 18 滑移齒輪替代運動功能單元 3 圖 15 中的運動功能單元 4 是減速功能，可以選擇 2 級齒輪傳動代替，如圖 19 所示。 圖 19 2 級齒輪傳動替代運動功能單元 4 圖 15 中運動功能單元 5 是運動分支功能單元，可以用運動功能單元 7 錐齒輪傳動的主動輪、運動功能單元 6 導(dǎo)桿滑塊結(jié)構(gòu)的曲柄與運動功能單元 4 的運動輸出齒輪固連替代，如圖 20 所示。 圖 20 2 個運動功能單元的主動件固聯(lián)替代運動功能單元 5 i = 4, i = 5 圖 15 中的運動功能單元 6 將連續(xù)傳動轉(zhuǎn)換為往復(fù)移動，可以選擇導(dǎo)桿滑塊機構(gòu)替代，如圖 21 所示。 圖 21 導(dǎo)桿滑塊機構(gòu)替代運動功能單元 6 圖 15 中的運動功能單元 7 是運動傳遞方向轉(zhuǎn)換功能和減速運動功能單元，可以用圓錐齒輪傳動替代，如圖 22 所示。 圖 22 圓錐齒輪傳動替代減速運動功能單元 7 運動單元 8 的類型與運動單元 5 相同。 圖 15 中運動功能單元 9 將連續(xù)傳動轉(zhuǎn)換為間歇往復(fù)移動，可以選用凸輪機構(gòu)固聯(lián)來完成要求。如圖 23 所示。 圖 23 凸輪機構(gòu)固聯(lián)替代功能單元 9 6 7 i=3 9 圖 15 中運動功能單元 10 是把連續(xù)轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)換為間歇轉(zhuǎn)動的運動功能單元，可以用槽輪機構(gòu)替代。該運動功能單元的運動系數(shù)為 由槽輪機構(gòu)運動系數(shù)的計算公式有： 式中， Z 槽輪的徑向槽數(shù)。 則，槽輪的徑向槽數(shù)為： 該槽輪機構(gòu)如下圖所示。 圖 24 用槽輪傳動替代運動功能單元 10 圖 15 中的運動功能單元 11 是運動放大功能單元，把運動功能單元 10 中槽輪在一個工作周期中輸出的 1/4 周的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)換為一周的運動，用圓柱齒輪機構(gòu)替代，其傳動比為 i=1/4。圓柱齒輪傳動如圖 25 所示。 i= 25 用圓柱齒輪傳動 替代運動功能單元 11 圖 15 中運動功能單元 12 是把連續(xù)轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)換為連續(xù)往復(fù)移動 的運動功能單元，可以用曲柄滑塊機構(gòu)替代，如圖所示。 10 11 圖 26 用 曲柄滑塊機構(gòu)替代運動功能單元 12 根據(jù)上述分析，按照圖 15 各個運動單元連接順序把個運動功能單元的替代機構(gòu)一次連接便形成了產(chǎn)品包裝生產(chǎn)線（方案 4）的運動方案簡圖，如圖所示。 (a) (b) 12 (c) 圖 27 產(chǎn)品包裝生產(chǎn)線（方案 4）的運動方案簡圖 （ 4） 系統(tǒng)運動方案設(shè)計 1） 執(zhí)行機構(gòu) 1 的設(shè)計 該執(zhí)行機構(gòu)是曲柄滑塊機構(gòu)，由曲柄，滑塊，導(dǎo)桿，連桿和滑枕組成。其中大滑塊的行程 h=480對機構(gòu)進(jìn)行參數(shù)計算。 該機構(gòu)具有急回特性，在導(dǎo)桿與曲柄的軌跡圓相切時候，從動件處于兩個極限位置，此時導(dǎo)桿的末端分別位于 2位置。取定 其滿足： 21 利用平行四邊形的特點，由下圖可知滑塊移動的距離 h，這樣就利用了機構(gòu)急回運動特性，使滑塊移動了指定的位移。 設(shè)極位夾角為，顯然導(dǎo)桿 21的擺角就是，取機構(gòu)的行程速比系數(shù) K=此可得極位夾角和導(dǎo)桿 21的長度。 001 1 8 0 3 01/29 2 7 . 2 8 9s i m m 圖 28 導(dǎo)桿滑塊機構(gòu)設(shè)計 先隨意選定一點為 D，以 D 為圓心， l 為半徑做圓。再過 D 作豎直線，以之為基礎(chǔ)線，左右各作射線，與之夾角 15，交圓與 2點。則弧 導(dǎo)軌從 到 時候，擺角為 30。接著取最高點為 C,在 C 和 1m，該線為滑枕 21 的導(dǎo)路，距離 c o s 22 在 導(dǎo)桿 21 的長度為 大壓力角的正弦等于 1m a x 22c o ss 要求最大壓力角小于 100，所以有 01 0m a xs i n 1 c o s 1 529 2 7 . 6 8 9 9 1 . 0 22 s i n 2 s i n 1 0m m 力角越小，取 00400取 l=300柄 15 的回轉(zhuǎn)中心在過 柄越長，曲柄受力越小，可選 221 取 00此可以得到曲柄 19的長度 2） 執(zhí)行機構(gòu) 2 的設(shè)計 如圖 27（ b）所示，執(zhí)行機構(gòu) 2 的運動是將連續(xù)傳動轉(zhuǎn)換為間歇往復(fù)移動，可以選用齒 輪傳動和直動平底從動件盤形凸輪機構(gòu)固聯(lián)來共同完成要求。 凸輪機構(gòu)在一個工作周期的運動為 凸輪 24：第一次遠(yuǎn)休止角 80，第一次回程運動角 40，第二次休止角 80，第二次回程運動角 40 ,近休止角 80，推程運動角 30，遠(yuǎn)休止角 10。從動件推程 50回程均采用無沖擊的正弦加速度方式。得到如下表格： 角度范圍 S 0 50 + ) + ) 0 2 50 停 下 200 停 下 200 停 下 400 休止（ 圖 29 凸輪運動的位移圖 根據(jù)凸輪的從動件運動規(guī)律，我們可以利用解析法設(shè)計出凸輪的輪廓。具體設(shè)計流程： 做出 像，利用壓力角的要求可以做出凸輪的基圓和偏距，這樣，可以利用解析法求出凸輪的形狀。由于電動機的轉(zhuǎn)向是可以調(diào)整的，往右邊看凸輪是順時針轉(zhuǎn)動的。取凸輪偏距為0，即設(shè)計成對心的滾子凸輪機構(gòu)。 圖 30 凸輪圖 經(jīng)查表許用壓力角采用 40確定凸輪的基圓為 子半徑采用 20軸承。 理論輪廓坐標(biāo)方程： =(+s) y=(+s) 帶上滾子半徑的實際輪廓半徑，滾子是在實際輪廓外部。 實際輪廓坐標(biāo)： X= ； Y=y+ ； 理論輪廓和實際輪廓圖如下圖所示： 圖 31 凸輪的理論輪廓和實際輪廓圖 3） 執(zhí)行機構(gòu) 3 的設(shè)計 圖 32 執(zhí)行機構(gòu) 3 執(zhí)行機構(gòu) 3 驅(qū)動構(gòu)件 2 運動，由圖可知，執(zhí)行構(gòu)件 3 由曲柄 27，連桿 29 和滑塊 30 組成。 由題可知，滑塊 30 的行程是： 則曲柄的長度可以確定為 連桿 29 的長度與許用壓力角有關(guān)，即 : 一般， 則， =600） 槽輪機構(gòu)設(shè)計 1. 確定槽輪槽數(shù) 在撥盤圓銷數(shù) k=1 時，槽輪槽數(shù) z=4。 2. 槽輪槽間角 2 = 3. 槽輪每次轉(zhuǎn)位時撥盤的轉(zhuǎn)角 2 =180 90 4. 中心距 槽輪機構(gòu)的中心距應(yīng)該根據(jù)具體結(jié)構(gòu)確定，在結(jié)構(gòu)尚不確定的情況下暫定為a=150. 撥盤圓銷的回轉(zhuǎn)半徑 = r= *a=50=. 槽輪半徑 = R= *a=50=. 鎖止弧張角 =360 270 8. 圓銷半徑 整： . 槽輪槽深 h( + a+=0. 鎖止弧半徑 ） 齒輪機構(gòu)設(shè)計 滑移齒輪傳動設(shè)計 確定齒輪齒數(shù) 如圖 18 中齒輪 5， 6， 7， 8， 9， 10 組成了滑移齒輪有級變速單元，其齒數(shù)分別為 前面分析可知， = = 最小不根切齒數(shù)取 7，則 *17=68 為了改善傳動性能應(yīng)使相互嚙合的齒輪齒數(shù)互為質(zhì)數(shù)，取 69。 其齒數(shù)和為 7+69=86， 另外兩對嚙合齒輪的齒數(shù)和應(yīng)大致相同，即 86， 86 = =86-=57 為了更接近所要求的傳動比，可取， =57， 同理可取 ， 計算齒輪幾何尺寸 取模數(shù) m=2 5， 6， 9， 10 這兩對齒輪的標(biāo)準(zhǔn)中心距相同 a= 這兩對齒輪為標(biāo)準(zhǔn)齒輪，其幾何尺寸可按標(biāo)準(zhǔn)齒輪計算。 由上面知齒輪 7,8 的齒數(shù)和比 9,10 的齒數(shù)和小，為了使齒輪 5,6 的實際中心距與齒輪 7,8 的標(biāo)準(zhǔn)中心距相同，齒輪 5,6 應(yīng)采用正變位。齒輪 5,6 為正傳動，其幾何尺寸按變位齒輪計算。 圓柱齒輪傳動設(shè)計 由圖可知，齒輪 11、 12、 13、 14 實現(xiàn)運動功能單元 4 的減速功能，它 所實現(xiàn)的傳動比為 于齒輪 11、 12、 13、 14 是 2 級齒輪傳動，這 2 級齒輪傳動的傳動比可如此確定 ， 于是 為使傳動比更接近于運動功能單元 4 的傳動比 取模數(shù) m=2 標(biāo)準(zhǔn)齒輪計算。 由圖 34-（ b）可知，齒輪 32、 33 實現(xiàn)運動功能單元 15 的放大功能，它所實現(xiàn)的傳動比為可按最小不根切齒數(shù)確定，即 則齒輪 36 的齒數(shù)為 17/i=68 齒輪 36、 37 的幾何尺寸，取模數(shù) m=2 標(biāo)準(zhǔn)齒輪計算。 如圖所示，齒輪是為了實現(xiàn)凸輪輸出的傳動比的擴大， 26,27,28 總傳動比為 8， ,齒輪按不根切的最小齒數(shù)算，即 =17，則齒輪 27 的齒數(shù)為 17，又讓 ,=4，則 =4*17=68。 齒輪的幾何尺寸，取模數(shù) m=2 標(biāo)準(zhǔn)齒輪計算。 由圖 34-（ a）可知，齒輪 29,30 圖 18 中的運動功能單元 12 減速運動功能，其傳動比為 6，則 各個齒輪的具體參數(shù)如下 : 序號 項目 代號 齒輪 5,6 齒輪 7,8 齒輪 9,10（ 11,12） 齒輪 13,14 1 齒數(shù) 齒輪 z 34 29 17 17 齒輪 51 57 69 67 2 模數(shù) 2 2 2 2 3 壓力角 20 20 20 20 4 齒頂高系數(shù) 1 1 1 1 5 頂隙系數(shù) 標(biāo)準(zhǔn)中心距 85 86 86 84 7 實際中心距 86 86 86 84 8 嚙合角 0 20 20 9 變位系數(shù) 齒輪 0 0 齒輪 0 0 10 齒頂高 齒輪 2 2 齒輪 2 2 11 齒根高 齒輪 5 齒輪 2 分度圓直徑 齒輪 68 58 34 34 齒輪 102 114 138 134 13 齒頂圓直徑 齒輪 2 38 38 齒輪 18 142 138 14 齒根圓直徑 齒輪 3 29 29 齒輪 09 133 129 15 齒頂圓壓力角 齒輪 輪 6 重合度 號 項目 代號 齒輪 32,33(26,27) 齒輪 29,30 1 齒數(shù) 齒輪 5 17 17 齒輪 6 68 51 2 模數(shù) 2 2 3 壓力角 20 20 4 齒頂高系數(shù) 1 1 5 頂隙系數(shù) 6 標(biāo)準(zhǔn)中心距 85 68 7 實際中心距 85 68 8 嚙合角 20 20 9 變位系數(shù) 齒輪 0 0 齒輪 0 0 10 齒頂高 齒輪 2 2 齒輪 2 2 11 齒根高 齒輪 輪 2 分度圓直徑 齒輪 34 34 齒輪 136 102 13 齒頂圓直徑 齒輪 38 38 齒輪 140 106 14 齒根圓直徑 齒輪 29 29 齒輪 131 97 15 齒頂圓壓力角 齒輪 輪 6 重合度 錐齒輪傳動設(shè)計 由圖 34-（ a）可知，圓錐齒輪 16、 17 實現(xiàn)圖 18 中的運動功能單元 7 的減速運動功能，它所實現(xiàn)的傳動比為 3，兩圓錐的齒輪的軸交角為 =90 圓錐齒輪 17 的分度圓錐角為 圓錐齒輪 16 的分度圓錐角為 圓錐齒輪的最小不根切當(dāng)量齒數(shù)為 圓錐齒輪 16 的齒數(shù)可按最小不根切齒數(shù)確定，即 則圓錐齒輪 17 的齒數(shù)為， 齒輪 16、 17 的幾何尺寸，取模數(shù) m=2 標(biāo)準(zhǔn)直齒錐齒輪傳動計算 ,其計算結(jié)果如下表所示。 序號 項目 代號 計算公式及計算結(jié)果 1 齒數(shù) 齒輪 16 16 齒輪 17 48 2 模數(shù) 3 3 壓力角 20 4 齒頂高系數(shù) 1 5 頂隙系數(shù) 分度圓錐角 齒輪 15 齒輪 16 7 分度圓直徑 齒輪 15 輪 16 錐距 齒頂高 齒輪 15 輪 16 0 齒根高 齒輪 15 輪 16 1 齒頂圓直徑 齒輪 15 輪 16 2 齒根圓直徑 齒輪 15 輪 16 3 當(dāng)量齒數(shù) 齒輪 15 輪 16 4 當(dāng)量齒輪 齒頂圓壓力角 齒輪 15 =輪 16 5 重合度 /2 =） 傳送帶設(shè)計 傳動帶選用平帶的開口傳動，根據(jù)傳動比 5.2i ，可定帶輪的直徑為 7） 運動方案執(zhí)行構(gòu)件的運動時序分析 1. 曲柄 19 的初始位置 如圖 33 所示，曲柄 19 順時針轉(zhuǎn)動時的初始位置由角確定。由于該曲柄導(dǎo)桿機構(gòu)的極位夾角 =30，因此，當(dāng)導(dǎo)桿 21 處于左側(cè)極限位置時，曲柄 19 與水平軸的夾角。 圖 33 系統(tǒng)運動示意圖 2. 凸輪的初始位置 如圖 34 可知凸輪為順時針轉(zhuǎn)動。其初始位移應(yīng)為 100圖中，左圖為連接