垫圈内径检测装置课程设计.docx
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垫圈内径检测装置课程设计
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垫圈内径检测装置课程设计
机械原理课程设计
说明书
设计题目垫圈内经检测设计
学院_____汽车与交通学院__
专业班级______车辆142班_____
姓名________郭彭辉_______
学号______2____
指导教师________赵健______
青岛理工大学
二零一六年七月二日
一、设计题目及其要求………………………………………………3
二、功能分解…………………………………………………………3
三、运动方案简介……………………………………………………4
四、机构设计…………………………………………………………5
传动机构设计…………………………………………………5
压杆运动机构设计……………………………………………8
止动销运动机构设计…………………………………………11
五、机构组合立体图…………………………………………………15
六、运动过程解析……………………………………………………16
七、方案评价…………………………………………………………17
八、方案评定及选择…………………………………………………18
九、系统评价及总结…………………………………………………19
十、参考书目…………………………………………………………19
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、功能分解
（1）传送零件传动机构间歇的将工件送到检测的位置。
（2）使零件停止运动在传送零件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。
（3）检测内径
压杆下来检测内径是否符合要求。
在内径检测结束之后，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，如此一直反复进行。
三、运动方案简介
垫圈内径检测装置，用以下4个机构结合搭配组成：
传动构设计，压杆运动机构设计，止动销运动机构设计，微动开关运动机构设计。
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
16
1440
5
B
12
13
20
2
1440
6
C
20
21
30
3
1440
8
D
20
21
37
3
960
8
E
30
31
56
4
960
10
决定采用方案C
C
20
21
37
3
1440
8
周期T=8s，角速度ω=2π/T=rad/s.
在一个周期内，满足要求，各个机构的运动情况：
传动机构
压杆运动机构
止动销运动机构
微动开关运动机构
0~2s
0~1s
传送工件
停在最高点
停在最高点
停在最左边
1~
下降
~2s
停在最低点
2~
停
下降
停在最低点
停在最左边
~
~
停
检测
停在最低点
右移
~
检测
~
左移
~8s
停
上升
上升
停
四结构设计
传动机构设计
传动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。
在设计传动机构的时候我们考虑了两种方法，一种是平面连杆机构，一种是带轮传动，但是平面连杆机构连续性不好，加料位置必须固定，而且用的杆件较多，容易产生冲击。
而带轮传动具有功率范围大、传动效率高而且可以实现连续话的批量生产，有利于提高经济效益。
所以传动机构我们选用带轮传动。
即为
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8s，因此推料机构的齿轮系的传动比需为192：
1，这要由多级齿轮传动来实现
上图为推料机构的齿轮系简图。
为使达到传动比i14=192/1。
应有：
z1=z2’=z3’=10,
z2=z3=40,
z4=120；
传动比i14=z2z3z4/z1z2’z3’=40*40*120/103=192/1
考虑到推料机构具有的运动规律特征是送料——停止——送料，我们决定使用槽轮机构来达到间歇式运动的目的。
电动机
输出齿轮
皮带轮
检测周期
周期
1/24s
8s
32s
8s
由于是检测机构，所以传动齿轮模数不宜过大，初定模数m=3
d1=d2’=d3’=30mm
d2=d3=120mm
d4=360mm
右边的齿轮每转动一周，槽轮转动1/4周，皮带在这2秒的时间内将待测工件传送到检测位置，然后停留6s，等待检测完毕后将已检测的工件送走，并把新的工件传送过来，如此重复。
压杆运动机构设计
在设计压杆机构的时候，通过对压杆运动机构的运动规律进行观察，发现用凸轮连杆机构比较简洁。
在凸轮用什么运动机构的问题上，考虑到此装置是进行检测的装置，所以对零件的冲击要尽量小，所以决定采用5次多项式运动规律的凸轮。
推杆运动规律的计算过程：
周期：
T=8s；
基圆半径=15mm；
推程：
h=6mm；
推程运动角：
δ0=3π/8；
回程运动角：
δ‘0=3π/8；
远修止角=π/2；
近修止角=3π/4；
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=0，C3=10h/δ03，C4=-15h/δ04，C5=6h/δ05
位移：
s=h-10hδ3/δ30+15hδ4/δ40-6hδ5/δ50；
速度：
v=πhδ2/δ30-15πhδ3/δ40+πhδ4/δ50；
加速度：
a=π2hδ/δπ2hδ2/δ40+π2hδ3/δ50；
通过计算得到下表结果：
δ
0
3π/80
6π/80
9π/80
12π/80
15π/80
18π/80
21π/80
24π/80
27π/80
30π/80
s
v
δ
0
3π/160
6π/160
9π/160
12π/160
15π/160
18π/160
21π/160
24π/160
27π/160
30π/160
a
δ
33π/160
36π/160
39π/160
42π/160
45π/160
48π/160
51π/160
54π/160
57π/160
60π/160
a
0~2π位移和角度的曲线图：
0~3π/8速度和角度关系的曲线图：
0~3π/8加速度和角度关系图：
凸轮简图：
止动销运动机构设计
在止动销运动机构的设计上，我们也有两种方法，第一种是通过杠杆和凸轮的集合，来实现其运动规律，还有一种是和上面压杆机构的设计思路一样，采用对心直动滚子推杆盘形凸轮机构。
考虑到机构设计的简洁性和经济性，决定采用方案二，即对心直动滚子推杆盘形凸轮机构。
凸轮在周期为8秒的一个周期内的运动规律为
0~1s
1s~
~
~8s
停
下降
停
上升
在凸轮选择什么样的运动规律上，止动销对机构的冲击力不用像压杆机构那样高的要求，但是也要避免承受过大的冲击路，所以我们决定采用二项式运动规律；
s=c0+c1δ+c2δ2
v=ds/dt=c1ω+2c2ωδ
a=dv/dt=2c2ω2
（1）在0~1s，凸轮在远休过程，远休止角σ01=π/4（0~π/4）。
（2）在1s~，凸轮为回程过程，回程运动角σ‘0=π/8
（π/4~3π/8）
①在等加速回程段：
（π/4~5π/16）
S=h-2hδ2/δ’20=6-2*6δ2/（π/8）2=δ2
V=-4hωδ/δ’20=-4*6*δ/（π/8）2=δ
a=-4hω2/δ’20=-4*6*2/（π/8）2=-96
（δ=0~δ’0/2）
②等减速回程：
（5π/16~3π/8）
S=2h（δ’0-δ）2/δ’20=2*6（π/8-δ）2/（π/8）2=（π/8-δ）2
V=-4hω（δ’0-δ）/δ’20=-4*6*（π/8-δ）/（π/8）2
=（π/8-δ）
a=4hω2/δ’20=4*6*（2π/T）/（π/8）2=96
（σ=σ’/2-σ’）
3）~凸轮为近休过程，近休止角σ02=5π/4
（3π/8~13π/8）
（4）~8s凸轮为推程过程，推程角σ‘0=3π/8
（13π/8~2π）
①等加速推程：
（13π/8~29π/16）
S=2hδ2/δ20=2*6δ2/（3π/8）2=δ2
V=4hωδ/δ20=4*6*δ/（3π/8）2=δ
a=4hω2/δ20=4*6*2/（3π/8）2=
（δ=0~δ0/2）
②等减速推程：
（29π/16~2π）
S=h-2h（δ0-δ）2/δ20=6-2*6（3π/16-δ）2/（3π/16）2
=（3π/16-δ）
V=4hω（δ0-δ）/δ20=4*6*（3π/16-δ）/（3π/16）2
=（3π/16-δ）
a=-4hω2/δ20=
（δ=δ0/2~δ0）
在一个周期内，止动销上升高度与凸轮转过角速度的关系：
一个周期内，止动销的速度与凸轮转过角速度的关系：
一个周期内，止动销的加速度与凸轮转过角速度的关系：
凸轮简图
五立体结构图
六、运动过程解析
首先被检测垫圈由皮带组成的送料机构送入轨道1，然后在送到轨道末端的时候，沿倾斜轨道下滑，当达到位置3时，由于挡板的阻挡作用，使垫圈停止运动，在3处，其在正中间沿轨道方向有一部分是空的，在其正下方有一个“十字架”的机构，因为“十字架”机构的轴与槽轮机构的轴连接在了一起，所以运动周期也是8秒，因此可以使零件在一个周期8秒中的前2秒被“十字架”拨到斜道4然后下滑，然后落到传送带5上面，当垫圈滑到传送带5时候，被止动销装置6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），控制系统控制Ⅰ杆向左Ⅱ杆向右，然后工件便进入“合格品”轨道，然后落到相应的槽内；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，控制系统控制Ⅰ杆向右Ⅱ杆向右，然后工件进入“内径小”的轨道，然后落到相应的槽内。
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，控制系统将控制Ⅰ杆向左Ⅱ杆向左，然后工件进入“内径大”轨道，最后落入了相应的槽内。
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
七、方案评价
经过方案的修改及完善，使系统更好的实现了其功能。
现在简述方案中的机构选用。
首先从电动机出来以后，连接俩个减速箱子，右侧的先经过送料机构的主动轮子，为送料机构提供动力。
然后为把动力传送到与其垂直的轴上（即与凸轮相连的轴），利用了俩组圆锥齿轮传动，然后俩个凸轮便开始连续运转，通过其轮廓线的不同从而实现了止动销和压杆机构的精准的配合，而且此处作为本机构的核心，压杆检测机构在检测垫圈的时候是放进去的，而不是从下面压进去的，这样就可以提高检测精度。
从电动机出来以后，左侧的减速箱与槽轮机构连接在了一起，然后通过槽轮机构的另一端轴输出，后经过一个“十字架”机构之后与一个皮带传动的主动轮连接在一起，以此实现间歇传动，然后传送带把已测零件送到斜滑道8。
在位置3处有一个十字架的机构，此装置起的主要作用是为了精准的为每个周期提供一个零件，在一个周期槽轮机构转过的前2秒钟内，按照一般设定垫圈应该被放在间歇传动装置上，由其实现运送，但是通过“十字架”机构可以使在位置3处的垫片被拨到4位置的滑道上面，然后滑下（可以预先设定其滑下的位置跟止动销下来的地方相差不是太大），从本机构中可以知道，“十字架”机构转动90度就是2秒钟的时间，因此必须在2秒的时间内保证垫圈内够到达间歇传动带上5上，在十字架拨的过程中，其转动小于90度的时候垫圈已经与“十字架”脱离了接触，即将沿倾斜滑道下落，设此过程的时间是t1，要使在2秒的时候待测垫圈已经到达间歇传送带上，所以在倾斜滑道上的时间要稍微小于（2-t1）秒，在倾斜滑道上的时间控制可以通过调节滑道的摩擦系数，倾斜角度等来调节。
而且在设计过程中我们尽量本着节约空间，减少机构数量，经济等原则，使一轴多用，通过设计倾斜滑道来减少能耗，使用“十字架”机构来减少机构的使用量，通过一个星期的修改，终于使机构更加完善。
八、方案评定及选择
方案一（参见15页）
方案二
方案三
最终方案评定及选择（详见七）
九、系统评价及总结
综合评价该检测装置，该装置主要由止动销、压杆、传动机构配合完成，符合每8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，传动机构能进行连续传递，可以实现批量化生产，总的来说该设计符合技术要求。
这个已经是第二次我们做课程设计上一次课程设计着重考察我们的做图能力，而此次设计主要考察我们对机构的综合应用，我们的课题是对垫圈内径检测装置的设计，这是一个检测仪，它的工作原理理解起来并不难，只是在各个机构的选用及配合上我们花费了很多时间，尤其是压杆机构和止动销几个的配合问题，这俩个装置之间的配合可以说是整个装置的核心部分，所以我们着重研究了这个问题。
在机构选用问题上，我们经过多方面的考虑，分别选出了最优机构。
比如说压杆机构的选用上，我们觉得所选方案就很不错，因为所选的运动机构使探头在检测零件时，探头‘放’进去的，而不是将其压进去的，而且运用五次多项式运动规律，对零件的冲击减少到了最小。
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，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。
十、参考书目
1.《机械原理》（第七版）孙桓陈作模葛文杰主编
高等教育出版社
2，《机械原理课程设计指导书》裘建新主编高等教育出版社
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