垫圈内径检测装置说明书.docx
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垫圈内径检测装置说明书
机械原理课程设计
题目：
垫圈内径检测装置
指导老师：
曾小惠
组员：
孙振国072121班（）
万志强072121班（）
宋治苇072121班（）
学院：
机械与电子信息学院
2014年6月
一、设计题目及其要求…………………………………….……….2
二、题目分析………………………………………………...……...3
三、运动方案简介………………………………………………..…4
3.1垫圈检测装置功能原理方案……………………………..4
3.2拟定机构的运动形式和运动循环图………………………7
3.3执行机构选型……………………………………………..8
四、总体立体结构图…………………………………………..……15
五、机械传动系统方案的拟定………………………………….16
六、5.1、推料机构设计……………………………………….……16
5.2压杆运动机构设计……………………………………….…18
5.3止动销运动机构设计………………………………..….……23
六、总机械运动方案评价…………………………………………….26
七、设计小结………………………………………………………….26
八、个人小结………………………………………………………….26
九、参考书目………………………………………………………….27
十、附录.................................................................................................
一、设计题目及其要求
设计垫圈内径检测装置，检测钢制垫圈内径是否在公差允许范围内。
被检测的工件由推料机构送入后沿一条倾斜的进给滑道连续进给，直到最前边的工件被止动机构控制的止动销挡住而停止。
然后，升降机构使装有微动开关的压杆探头下落，检测探头进入工件的内孔。
此时，止动销离开进给滑道，以便让工件浮动。
检测的工作过程如图所示。
当所测工件的内径尺寸符合公差要求时（图a），微动开关的触头进入压杆的环形槽，微动开关断开，发出信号给控制系统（图中未给出），在压杆离开工件后，把工件送入合格品槽。
如工件内径尺寸小于合格的最小直径时（图b），压杆的探头进入内孔深度不够，微动开关闭合，发出信号给控制系统，使工件进入废品槽。
如工件内径尺寸大于允许的最大直径时（图c），微动开关仍闭合，控制系统将工件送入另一废品槽。
1—工件2—带探头的压杆3—微动开关
a）内径尺寸合格b）内径尺寸太小c）内径尺寸太大
二、题目分析
垫圈内径检测装置，主要的运动过程为：
传动机构间歇的将工件送到检测的位置。
在传送的过程中将被止动销挡住刚好到所需检测的内径圆孔到压杆将要下来的地方，然后压杆下来检测内径是否符合要求。
在压杆下来检测的时间里，微动开关向右移动检测垫圈内径是否符合要求。
微动开关检测完后向左移动，回到其原来所在的位置。
接下来，压杆和止动销一起上升回到其原来的地方。
传动机构将已检测的工件送走，并将下一个将被检测的工件送到检测处。
三、运动方案简介
垫圈内径检测装置，用以下3个机构结合搭配组成：
传动机构设计，压杆运动机构设计，止动销运动机构设计。
题目所给的设计数据：
平垫圈内径检测装置设计数据：
方案号
被测钢制平垫圈尺寸
电动机转速
r/min
每次检测时间
s
公称尺寸mm
内径
mm
外径
mm
厚度
mm
A
8
8.4
16
1.6
1440
5
B
12
13
20
2
1440
6
C
16
21
30
3
1440
8
D
20
21
37
3
960
8
E
30
31
56
4
960
8
经小组三人讨论，结合我们设计的理念与思路（挑战高难度、高精密性），为使机构的使用性能符合要求，适合本设计，我们采用方案A.
A
8
8.4
16
1.6
1440
5
周期T=5s，角速度ω=2π/T=1.257rad/s.
3.1垫圈检测装置功能原理方案的确定
方案一：
图1
用杆件机构来作为传动构件，以实现检测。
优点：
机器的结构较简单，操作方便
缺点：
摩擦损耗太大，检测的精确程度会使用时间的增加而减小，且不能实现大批量化的检测。
图2
用凸轮和步进送料机构作为压杆传动和推料机构的传动件。
优点：
能很好的完成检测的相关要求，且能实现批量化的检测，精度也比较高。
缺点：
机构比较复杂，特别是凸轮，而且同样也存在摩擦。
方案三
图3
利用杠杆放大原理来作为压杆传动机构的传动件。
优点：
效率比较高，能实现检测要求，结构比方案2要稍微简单些。
缺点：
没有解决止推销的问题。
最终方案（方案四）：
图4
结合以上三个方案，我们定出最终方案如左图所示。
推料机构、止推销传动机构、压杆探头传动机构都采用了比较好的方案，能保证垫圈内径检测仪有条不紊的完成批量化检测的要求，而且检测的精确性和耐用性也得到了保障。
缺点是，制造起来比较复杂。
考虑到检测的准确性，检测机构的耐用性，以及批量化检测等要求，我们采用了方案4作为最终方案。
3.2拟定机构的运动形式和运动循环图
本垫圈内径检测装置中采用了三个执行构件：
推料机构、控制止推销的止动机构，压杆升降机构。
推料机构采用的是带轮传动，以实现检测的批量化进行，提高效益；压杆升降机构的传动机构采用的是凸轮，经过计算可精确计算出近休止和远休止的角度以及相应半径；控制止推销的止动机构采用的外槽轮结合齿轮，这样能很好的实现止推销的间歇运动以及和送料机构和压杆升降机构的配合，以保证检测能有条不紊、高效快速、精度较高的进行。
在一个周期（5s）内，为满足要求，各个机构的运动情况：
送料机构
工作行程
间歇停止时间
止动机构
止动销上升
止动销停止
止动销下降
压杆升降机构
压杆停止
压感下降
压杆上升
压杆停止
即在一个周期5s内，近休止占用时间为2s，近休止的前1s用于推杆推出检测完成后的垫圈去相应的槽内（合格槽、废品槽、返工槽），后1s用于稳定带轮运来的待测垫圈；推程、远休止及回程用于垫圈的检测。
3.3执行机构选型
三个执行机构按照其使用要求我们也各提出了一些方案，下面按照相应的工艺进行执行机构选型。
推料机构选型
方案一
图5
评价：
由四杆机构的连杆曲线来实现送料的间歇运动。
优点：
调节曲柄的回转中心的高度可调节步长。
缺点：
杆件较多，运动时易产生冲击，且需加物料位置固定装置。
方案二：
图6
评价：
优点：
使用带轮绕中心的联系传动可以实现待测垫圈的连续输入，以实现批量生产。
缺点：
皮带与皮带轮之间会打滑。
方案三：
图7
评价：
用曲柄滑块作为送料机构，已实现传送。
优点：
原理简单，制造工艺简单。
缺点：
运动过程冲击大。
止推销传动机构选型
方案一：
图8
评价：
优点：
能很好地实现止推销的间歇传动，并且能往复传动，还能通过调节曲柄的长度来调节运动情况。
缺点：
棘轮的制造工艺比较复杂，且摩擦较大，效率不高。
方案二：
图9
评价：
用外槽轮作为止推销间歇运动传动构件。
优点：
机构简单，制造工艺简单，间歇运动精确，且是往复间歇运动。
缺点：
摩擦较大。
压杆升降机构（检测台机构）选型
方案一：
图10
评价：
利用凸轮的连续回转来实现检测台的上下往复运动，凸轮近休止时，检测台停留在最低点，远休止时，检测台被推倒最高处。
优点：
结构简单。
缺点：
由于行程较大，很大程度加大了凸轮尺寸，不利于制造，且凸轮磨损较大。
方案二：
图11
评价：
利用了杠杆放大原理，将凸轮行程减小，减小了凸轮尺寸。
优点：
凸轮尺寸小，便与制造。
缺点：
机构比较复杂，成本较高。
方案三：
图12
评价：
优点：
曲柄滑块机构制造简单。
缺点：
传动平稳性不高，精度不高。
3.4机械运动方案的选择
以上三个机构分别有三种，两种，三种方案，本可以组织成为18种机械运动方案。
从这18种方案中本着符合设计条件，各机构之间的相容性以及机构尽可能简单的原则，择优选用推料机构方案2、止推销传动机构方案2、压杆升降机构方案2组成垫圈内径检测装置的机械运动方案。
垫圈内径检测装置运动方案
送料机构方案：
图13
评价：
优点：
使用带轮绕中心的联系传动可以实现待测垫圈的连续输入，以实现批量生产。
缺点：
皮带与皮带轮之间会打滑。
止推销传动机构方案：
图14
评价：
用外槽轮作为止推销间歇运动传动构件。
优点：
机构简单，制造工艺简单，间歇运动精确，且是往复间歇运动。
缺点：
摩擦较大。
槽轮的尺寸设计如下：
其中如图所示
（1）拨动杆转动半径R和槽轮半径S
R=Lsinπ/Z=100sinπ/6=50*1
S=Lsinπ/Z=100sinπ/6=86.602*2
（2）槽轮深度h
槽轮的深度h应满足拨杆处于垂直位置时柱销不能碰槽底，根据拨杆转到垂直位置时的几何关系得到：
h≥（S+R-L）+r+a=L（sinπ/z+cosπ/z-1）+r+a*3
式中：
r——拨动杆圆销半径，一般取r≈R/6;
A——槽轮槽底与拨销所成的间隙，一般取a=3~5;
h=86.602+50-100+50/6+5=49,935≈50*4
（3）所止弧半径A
所止弧半径A的确定，应使得槽轮槽端的最小宽度b=3~5mm左右，即
A=R-r-（3~5），A=50-50/6-5=36.667*5
（4）y一般取槽轮厚度B=10~20mm,在这里取B=20mm.
槽轮机构的运动系数及运动特性
（1）槽轮机构的运动系数k
k=td/t*6
td——槽轮2的运动时间；
t——主动拨盘运动一周的总时间；
k=td/t=2α1/2π=（π-2ψ2）/2π=（π-（2π/z））/2π=1/2-1/6=1/3*7
（2）槽轮机构的运动特性
设拨盘和槽轮的位置分别用α和ψ来表示，并规定α和ψ在进入区为负，在远销离开区为正。
设圆销至槽轮回转中心的距离为rx，如图所示位置时，有：
Rsinα=rxsinψ*8
Rcosα+rxcosψ=L*9
消去rx，并令R/L=λ,去倒数可得到：
ω2/ω1=λ（cosα-λ）/（1-2λcosα+λ^2）*10
α2/ω1=λ（λ^2-1）sinα/（1-2λcosα+λ^2）^2*11
通过MATLAB模拟，由*10、*11知：
当拨盘的角速度ω1一定时，槽轮的角速度和角加速度的变化取决于槽轮的槽数z。
（程序见附录1）
图15
由图10可知，当圆销开始进入和推出径向槽时，由于角加速度有突变，故存在柔性冲击。
当z=4时，角速度突变比较缓和，柔性冲击较小。
所以我们使用四齿的。
检测台往复运动方案：
图15
评价：
利用了杠杆放大原理，将凸轮行程减小，减小了凸轮尺寸。
优点：
凸轮尺寸小，便与制造。
缺点：
机构比较复杂，成本较高。
控制压杆的凸轮设计：
采用5次多项式运动规律的凸轮,以防止产生刚性冲击和柔性冲击。
以下是推杆回程的计算过程：
周期：
T=5s；
基圆半径=50mm；
推程：
44.4mm
推程运动角：
δ0=4π/15；
回程运动角：
δ‘0=4π/15；
远修止角=π2/3；
近修止角=π4/5；
计算公式：
s=C0+C1δ2+C3δ3+C4δ4+C5δ5；
v=C1w+2C2w+3C3wδ2+4C4wδ3+5C5wδ4；
a=2C2w2+6C3w2δ+12C4w2δ2+20C5w2δ3；
在始点处：
δ=0，s=0,v=0,a=0；
在终点处：
δ=δ0,s=h,v=0,a=0；
分别代入方程得到：
C0=C1=C2=0C3=10h/δ03C4=-15h/δ04C5=6h/δ05
位移：
s=10hδ3/δ30-15hδ4/δ40+6hδ5/δ50；
速度：
v=12πhδ2/δ30-24πhδ3/δ40+12πhδ4/δ50；
加速度：
a=48π2hδ/5δ30-144π2hδ2/5δ40+96π2hδ3/5δ50；
Matlab分析：
图16
图17
升降台运动分析（Matlab）
图18
图19
图20
四、立体结构图
垫圈内径检测装置轴测图
图21
五、机械传动系统方案的拟定
压杆升降机构
5.1、推料机构设计
推料机构是整个装置中负责将待检测的工件传送到检测位置的机构。
它需要在运动规律上和控制止动销的止动机构和压杆升降机构相互配合才能完成此装置的工作要求。
为了使工作周期易于控制，我们决定由皮带轮传动来达到运送工件的目的，且其可以循环往复无间断的来进给垫圈。
机构由齿轮来传动，因为其功率范围大、传动效率高的特点正好符合我们的需要。
从所给的设计数据中我们得知：
原动件的转动周期为1/24s，而检测周期为5s，因此推料机构的齿轮系的传动比需为120：
1，这要由多级齿轮传动来实现。
图22
如上图为推料机构的齿轮系轴测图。
下为推料机构齿轮系简图
图23
其中：
z1=z2’=z3’=18
z2=54
z3=72
z4=90
z4’=34
z5=68
传动比i15=z2z3z4z5/z1z2’z3’z4’=54*72*90*68/18*18*18*34=120/1
5.2、压杆升降机构设计
压杆升降机构轴测图
图24
压杆升降（检测台）机构运动方案示意图
图25
SolidWorks设计的凸轮：
图26图27
止推销运动机构轴测图
如上图所示，发动机带动齿轮传动，再借助带轮传动外槽轮，外槽轮再经由齿轮传动止推销，最终实现止推销的间歇运动。
止推销传动比计算如下：
如上图：
z1=z2’=z3’=18
z2=54
z3=72
z4=90
z5=36
z6=18
带轮主被动传动比是1:
2，外槽轮主被动传动比是1:
4
传动比i16=（z2z3z4z6/z1z2’z3’z5）*2/1*4/1=240/1
六、总机械运动方案评价
经小组的一起努力，机械运动方案最终敲定，并建模、装配、试运行。
过程中不免有疑惑、坎坷，综合评价该检测装置，该装置止动销、压杆、推料机构精确地配合运动，符合每5秒检测一个垫圈的技术要求，检测的探头对工件的冲击较小，总的来说该设计符合技术要求。
可能我们想的还不够仔细，或许会有更好的方案，希望老师能加以斧正。
七、设计小结
这次的课程设计完成了，经过了十几天的分析、计算和绘制，经过了团队合作和各自的思考，经过了无从下手和有所领悟，课程设计总算完成了。
这是分工协作的的成果：
孙振国负责传动机构的配合，万志强负责零件的建模，宋治苇负责说明书的制作。
然而我们并不是等到各个部分的设计完成之后再将其合并汇总，交流和讨论贯穿了设计的整个过程。
在这次课程设计中找到的问题和经验，成为了我们走向外门世界的路上的鹅卵石，使原本崎岖不平的道路变得饶有兴致。
在未来的学习当中，我们仍需要保持住现在这份热情，将困难熔进身体，使之成为自己与外界抗衡的资本。
八、个人小结
经过这么多天的努力，我们机械原理课程设计的垫圈内径检测装置终于完成了。
可以说，一路走来，我们风雨兼程，期间我们遇到过难题，有过分歧，可最终我们坚持了下来，取得了成功！
体会有很多，向老师做以下汇报
1.经过这次课程设计，我深深地感到团队合作的重要性，由于面临期末考试和六级考试，不得不说时间很紧张，如此浩瀚的工作量在短时间内由一个人完成几乎是不可能的。
在合理的分工后，我们又有很多协作，遇到问题大家一起商量，当想出一个好方案后那种喜悦的心情我们一起分享！
2.完成这次课程设计使我深深的感受到了团队的力量以及机械的魅力。
一根筷子轻轻被折断，十双筷子牢牢抱成团。
在设计过程中，我们遇到了种种困难，但是我们凭借着强大的凝聚力和智慧的头脑一一将困难给打倒，这种喜悦之情是独一无二的。
在此，我要谢谢我的队友们和老师。
在你们的帮助下，才能让这次课程设计进行下去，才能体会到团队和机械的魅力。
3.十几天的机械原理课程设计结束了，在这次实践的过程中学到了一些除技能以外的其他东西,领略到了别人在处理专业技能问题时显示出的优秀品质,更深切的体会到人与人之间的那种相互协调合作的机制,最重要的还是自己对一些问题的看法产生了良性的变化.
最后，我真诚地感谢我们的各位指导老师，你们辛苦了，预祝你们有一个愉悦的暑假！
九、参考书目
1.《机械原理》（第六版）孙桓陈作模主编高等教育出版社
2.《机械原理》（第七版）孙桓陈作模葛文杰主编
高等教育出版社
3.《机械原理课程设计指导书》曾小惠王玉丹中国地质大学出版社
十、附录：
Matlab程序
1.五次多项式运动规律凸轮理论轮廓图程序：
h=9;
w=pi/3;
theta1=pi/3;
theta2=5*pi/6;
theta3=5*pi/3;
theta4=2*pi;
j1=linspace（0,theta1,60）;
s1=0;
j2=linspace（theta1,theta2,70）;
s2=80*h*（j2-pi/3）.^3/（pi*pi*pi）-240*h*（j2-pi/3）.^4/（pi*pi*pi*pi）+192*h*（j2-pi/3）.^5/（pi*pi*pi*pi*pi）;
j3=linspace（theta2,theta3,130）;
s3=9;
j4=linspace（theta3,theta4,60）;
s4=h-270*h*（j4-5*pi/3）.^3/（pi*pi*pi）+1215*h*（j4-5*pi/3）.^4/（pi*pi*pi*pi）-1458*h*（j4-5*pi/3）.^5/（pi*pi*pi*pi*pi）;
plot（j1,s1,j2,s2,j3,s3,j4,s4）;%
gridon
j1=linspace（0,theta1,60）;
v1=pi/54;
j2=linspace（theta1,theta2,70）;
v2=240*h*w*（j2-pi/3）.^2/（pi*pi*pi）-960*h*w*（j2-pi/3）.^3/（pi*pi*pi*pi）+960*h*w*（j2-pi/3）.^4/（pi*pi*pi*pi*pi）;
j3=linspace（theta2,theta3,130）;
v3=pi/81;
j4=linspace（theta3,theta4,60）;
v4=-810*h*w*（j4-5*pi/3）.^2/（pi*pi*pi）+4860*h*w*（j4-5*pi/3）.^3/（pi*pi*pi*pi）-7290*h*w*（j4-5*pi/3）.^4/（pi*pi*pi*pi*pi）;
plot（j1,v1,j2,v2,j3,v3,j4,v4）;%
gridon
r0=18;
x1=（r0+s1）.*sin（j1）;
y1=（r0+s1）.*cos（j1）;
x2=（r0+s2）.*sin（j2）;
y2=（r0+s2）.*cos（j2）;
x3=（r0+s3）.*sin（j3）;
y3=（r0+s3）.*cos（j3）;
x4=（r0+s4）.*sin（j4）;
y4=（r0+s4）.*cos（j4）;
plot（x1,y1,x2,y2,x3,y3,x4,y4）;%
gridon
title（'压杆升降机构凸轮轮廓'）
2.五次多项式运动规律压力角程序
h=9;
w=pi/3;
r0=36;
theta1=pi/3;
theta2=5*pi/6;
theta3=5*pi/3;
theta4=2*pi;
%近休止阶段
j1=linspace（0,theta1,60）;
s1=0;
v1=pi/54;
a1=atan（v1./（w*（r0+s1）））;
%推程阶段
j2=linspace（theta1,theta2,70）;
s2=80*h*（j2-pi/3）.^3/（pi*pi*pi）-240*h*（j2-pi/3）.^4/（pi*pi*pi*pi）+192*h*（j2-pi/3）.^5/（pi*pi*pi*pi*pi）;
v2=240*h*w*（j2-pi/3）.^2/（pi*pi*pi）-960*h*w*（j2-pi/3）.^3/（pi*pi*pi*pi）+960*h*w*（j2-pi/3）.^4/（pi*pi*pi*pi*pi）;
a2=atan（v2./（w*（r0+s2）））;
%远休止阶段
j3=linspace（theta2,theta3,130）;
s3=9;
v3=pi/81;
a3=atan（v3./（w*（r0+s3）））;
%回程阶段
j4=linspace（theta3,theta4,60）;
s4=h-270*h*（j4-5*pi/3）.^3/（pi*pi*pi）+1215*h*（j4-5*pi/3）.^4/（pi*pi*pi*pi）-1458*h*（j4-5*pi/3）.^5/（pi*pi*pi*pi*pi）;
v4=-810*h*w*（j4-5*pi/3）.^2/（pi*pi*pi）+4860*h*w*（j4-5*pi/3）.^3/（pi*pi*pi*pi）-7290*h*w*（j4-5*pi/3）.^4/（pi*pi*pi*pi*pi）;
a4=atan（v4./（w*（r0+s4）））;
plot（j1,a1,j2,a2,j3,a3,j4,a4）;%
gridon
title（'压杆升降机构压力角图'）
3.升降台五次多项式运动规律位移图程序
h=9;
w=pi/3;
theta1=pi/3;
theta2=5*pi/6;
theta3=5*pi/3;
theta4=2*pi;
j1=linspace（0,theta1,60）;
s1=0;
j2=linspace（theta1,theta2,70）;
s2=80*h*（j2-pi/3）.^3/（pi*pi*pi）-240*h*（j2-pi/3）.^4/（pi*pi*pi*pi）+192*h*（j2-pi/3）.^5/（pi*pi*pi*pi*pi）;
j3=linspace（theta2,theta3,130）;
s3=9;
j4=linspace（theta3,theta4,60）;
s4=h-270*h*（j4-5*pi/3）.^3/（pi*pi*pi）+1215*h*（j4-5*pi/3）.^4/（pi*pi*pi*pi）-1458*h*（j4-5*pi/3）.^5/（pi*pi*pi*pi*pi）;
plot（j1,s1,j2,s2,j3,s3,j4,s4）;%
gridon
title（'五阶多项式运动位移图'）;%
4.升降台五次多项式运动规律速度图程序
h=9;
w=pi/3;
theta1=pi/3;
theta2=5*pi/6;
theta3=5*pi/3;
theta4=2*pi;
j1=linspace（0,theta1,60）;
v1=pi/54;
j2=linspace（theta1,theta2,70）;
v2=240*h*w*（j2-pi/3）.^2/（pi*pi*pi）-960*h*w*（j2-pi/3
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