机械原理课程设计自动叠衣机.docx
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机械原理课程设计自动叠衣机
中国地质大学（武汉）
2011年机械原理课程设计
—自动叠衣机构
设计：
07209302郑晋峰
指导老师：
曾小慧
一、设计原理及任务
设计目的及原理
设计目的：
该机构可以供给家庭叠衣服运用。
现代人的生活节奏越来越快，面对做不完的工作，面对没完没了的应酬，人们感觉非常的疲惫，更头疼的是还得抽出时间做家务，做清洁。
现代化对我们是非常的重要，洗干一体，榨汁机，豆浆机，面包机，洗碗机，我们就在这样的方便当中来缓解生活的压力，那么，人们同样希望有个机器能够代替他们去整理洗干的衣物所以我们从现代化机械发展和人们需求方面考虑的，就想设计一款能够整理衣物的机器。
运动过程设计：
电机的转动提供动力，引起主动件转动。
主动件引起整个机构运动，折叠板实现衣物折叠运动，整个机构以机械原理课本上的铰链四杆机构和导杆机构为主导来实现该机构的运动。
为了实现折叠板的运动是确定的运动，我们在最初的设计上进行了改进：
折叠板的转动铰链处装上复位弹簧使折叠板能够实现完全确定的运动。
该机构采用电力驱动，传动方式为：
电机-主轴转动-齿轮转动-工作部分的折叠运动。
设计任务
1．自动叠衣服机构包括连杆机构、导杆机构、齿轮机构三种常用机构。
2．设计各机构的相对位置和各构件的尺寸。
3.利用CAD画出各机构的运动方案简图，并用运动极限位置确定各机构运动最大行程或最大转角。
4.根据已知条件计算出各构件的尺寸，在soliworks上建模做模拟运动分析，检验运动是否能够满足预期的运动设想。
5．利用MATLAB对各个机构进行位移、速度、加速度分析，绘出运动曲线图。
6.齿轮机构的计算与设计。
根据传动比选择齿轮，根据齿宽确定各两齿轮的齿数，给出模数，进而确定齿轮的各个参数，绘制成表。
7．编写设计计算程序，运用MATLAB软件对函数关系进行绘图表达，最后输出图形，直观表达设计结果。
二、机构选型及其方案确定
总体结构设想
通过折衣服的动作可以知道，机器叠衣服时主要完成180度得转动即可实现，因此设想电机的转动提供动力，引起主动件转动。
主动件引起整个机构运动，最终折叠板实现衣物折叠运动，由此设计了执行机构和传动机构；执行机构由连杆机构和导杆机构组成；传动部分由齿轮系组成，但是为了协调动作的连续性齿轮1设计成不完全齿轮，下面介绍执行机构的和传动机构的选型。
执行机构方案
执行机构方案一
如图2—2所示，该方案主要利用了连杆机构在运动过程中存在的死点，通过死点来实现叠衣服的工作要求，实现了接近180度的转动，执行件的转动角度只能是接近180度，而且大于180度。
图2—1方案一机构简图
执行机构方案二
该方案是在执行件的转角处装了复位弹簧，通过复位弹簧的作用可使执行件转动180度时速度为零，并且反向运动，实现叠衣服的工作要求。
三维建模图以及机构见图如图2—2所示。
图2—2三维建模图以及机构见图
方案比较：
方案一是通过自身运动过程中的死点实现确定的运动但是执行件的转角大于180度，而叠衣板是需要做180度的转动，但是该种方案通过减小摆角使执行件的转动尽可能达到预期的运动效果但是永远不能达到理想的运动效果。
然而方案二是在上一种方案上进行了改进，在执行件的转角处装了复位弹簧，利用复位弹簧来达到理想的运动效果，复位弹簧，该种方案更能使机构作确定的运动，在《机械原理》课程设计中，我们选择第二种方案进行分析。
传动方案
从上面的机构示意图可知，执行机构的运动不能同时运动，必须将两个机构的运动错开，为此选择了间歇机构中的不完全齿轮机构来实现该种运动的要求，齿轮传动机构示意图如图2—3所示：
图2—3齿轮机构示意图
整体机构示意图
整体机构示意图如图2—4所示：
图2—4整体机构示意图
三、尺寸设计
齿轮传动设计
该部分是为了使整个机器能够合理的运动、协调机构间的运动，执行机构结构的整体基本为对称结构构，如下图3—1所示，但是原动件的运动方向相反，而且两个原动件不能同时转动，都是由电机提供动力，我们设计了不完整齿轮输出动力，即齿轮1为不完整齿轮，当齿轮1与齿轮2啮合时，则齿轮1不会与齿轮2'啮合，同理齿轮1与齿轮2'啮合时，则齿轮1不与齿轮2啮合，齿轮2只是为了改变齿轮1传动齿轮2的方向，为了达到预期的效果完整齿轮的齿数比为
、
、
齿轮1的齿所在圆周的范围应该小于整个圆周的1/2，传动比接近于1。
由于不完整齿轮存在刚性冲击，需要在两轮上加装瞬时线附加杆，为了保证齿轮1的首齿轮能顺利的进入啮合状态而不与从动轮的齿顶相撞，需将首齿齿顶高作适当的削减。
图3—1齿轮机构结构图
由前面根据承受载荷情况设定齿轮模数
，选取压力角为
，齿顶高系数
，顶隙系数
，并且
，则该直齿圆柱齿轮的几何尺寸参数如下表3—1、表3—2所示：
齿轮1表3—1
名称
代号
计算数值
名称
代号
计算数值
模数
3mm
压力角
齿数
18
分度圆直径
54mm
齿顶高
3mm
齿根高
齿全高
齿顶圆直径
60mm
齿根圆直径
基圆直径
齿距
基圆齿距
尺厚
齿槽宽
齿轮2表3—2
名称
代号
计算数值
名称
代号
计算数值
模数
3mm
压力角
齿数
36
分度圆直径
108mm
齿顶高
3mm
齿根高
齿全高
齿顶圆直径
114mm
齿根圆直径
基圆直径
齿距
基圆齿距
尺厚
齿槽宽
这部分由于时间的限制，只是做了一部分的验算，可能还存在一定的问题，我们将会在以后的学习中进一步完善。
执行机构设计
<1>设计目标：
曲柄带动摇杆转动，摇杆再作为导杆机构的主动件带动执行件转动，执行件实现180度的转动，摇杆摆角为60度。
<2>机构划分：
根据我们的初步方案，通过三维建模（如图3-3）可知，执行机构可以划分为四连杆铰链机构（如图3—4）和导杆机构（如图3—5）。
图3—2
图3—3铰链四杆机构图3—4导杆机构
<3>尺寸确定：
由于一般情况衣服的宽度为600mm——900mm,如果叠衣服机要想把衣服叠整齐，整个机器中间不运动部分的宽度为360mm,运动的折衣服板的宽度分别为250mm,由于整个机构又对称，由此可知，机架的长度应该小于180mm，在这里首先将其初值定为170mm,即机架AE=170mm，执行件的长度应该小于250mm，如果执行件的长度太短的话，根据杠杆原理的执行件太短不合理，而且机架EC的距离应该大于摇杆的长度，根据上述确定执行件的长度为200mm,即OD=200mm，首先设定摇杆的理想摆角为
，各个杆的尺寸可以根据《机械原理》按预定的运动规律设计四杆机构的方法来设计，运用解析法来设计。
图3—5
建立数学模型如图3—5所示：
当摇杆ED处于左极限位置时，有几何关系可的：
..............................（3—1）
..............................（3—2）
..............................（3—3）
..............................（3—4）
..............................（3—5）
当摇杆处于右极限位置时，有几何关系可得：
_..............................（3—6）
..............................（3—7）
通过上面初步确定的尺寸以及上述数学关系式计算处执行机构中各构件的长度，接着验算此时的机构能否满足运动规律的要求以及铰链四杆机构有曲柄的要求和参数要求，由此得曲柄的长度l1=80mm，连杆的长度l2=350mm,摇杆的长度l3=320mm,摆角为度，最终确定铰链四杆机构为曲柄摇杆机构。
得
得
极为夹角为
=
=
根据θ=180°（K-1）/（K+1）得速比系数K=.
四、执行机构运动分析
四杆机构运动分析
图4—1四杆机构
建立数学模型
封闭杆矢量图如图4—1所示，由封闭图形ABCDA可写出机构各杆矢所构成的封闭矢量方程
（4—1）
1、位置分析：
（假定
=10r/s）
水平方向：
（4—2）
竖直方向：
由于该式是一个非线性方程组，直接求比较困难，在这里借助集合方法进行求解，如图4—1所示：
（4—3）
2、速度分析（（4—2）式对时间t求导数）：
（4—4）
（4—5）
解上式即可求的二个角速度
、
。
3、加速度分析
将（4—2）式对时间t求二次导数，可得加速度关系表达式
（4—6）
解上式即可求得两个角加速度
、
。
经过matlab编程可求得
、
、
、
、
、
程序以及运行所得数据见附录
程序运行后所得运动线图如下图所示：
图4—2角位移图像
图4—3角速度图像
图4—4角加速度图像
由图4—2、图4—3、图4—4可知，角位移和角速度的运动过程基本达到了预想的要求的，但是，连杆和摇杆的角加速度会发生突变，但变化是缓慢的，则存在柔性冲击，虽然在运动过程速度并不会很高再加之变化是很慢的，也就是运动基本合理。
导杆机构运动分析
图4—5导杆机构图
封闭杆矢量图如图4—5所示，由封闭图形ABCA可写出机构各杆矢所构成的封闭矢量方程：
（4—7）
1、位置分析
将（4—7）式投影到坐标轴上可得：
（4—8）
由几何关系的：
（4—9）
2、速度分析
将（4—8）式对时间t求一次导数，得速度关系
（4—10）
若用矩阵形式来表示，则上式可写为:
（4—11）
解上式即可求得滑块相对导杆的速度为
和执行件的角速度
3、将（4—8）式对时间t求二次导数，可得加速度关系表达式:
（4—12）
解上式即可求得滑块相对导杆的线加速度
和执行件的加速度
经过matlab编程可求得
、
、
、
、
、
程序以及运行所得数据见附录
程序运行后所得运动线图如下图所示：
图4—6角位移图像
角位移线图说明：
此运动线图表示的是执行件运动时的角位移线图，横坐标为导杆与水平位置所成的角，即
，
的范围为60度到120度之间，此后执行件一直在做往复运动，而且导杆也在摆动，摆角为60度，此线图说明了执行件的运动基本满足了我们设计的需要。
图4-7角速度图像
图4—8角加速度图像
图4—6、图4—7、图4—8表示的是执行件的运动线图，即折衣板的运动线图，由图可知折衣板的角位移运动线图基本满足了我们设计的需求，折衣板的角速度线图可知，折衣板运动的速度也满足我们的设计需求，但是，有图4—8角加速度线图可知，折衣板的角加速度会发生突变，但变化是缓慢的，则折衣板在运动过程中存在柔性冲击，虽然在运动过程速度并不会很高再加之变化是很慢的，因此折衣板的运动基本合理。
5、设计评价
设计的优点：
<1>人们对于衣服这种软材料物品整理，暂时还认为不能用简单的机器代替人工，但是我们想了而且也尝试的做了；
<2>该方案运用了比较的简单的机构来实现动作要求。
设计的缺点：
<1>在齿轮传动机构中运用了不完全齿轮，不完全齿轮的首齿轮进行啮合时存在刚性冲击。
<2>该机构最后是否能实现我们预想的叠衣服的效果是不能够确定的。
设计的改进：
由于该机构实现折衣服的预想，还需要人提供帮助，在此机构完全设计好后，将在该机构上进行改进，实现不需要人提供帮助就能实现折衣服的预想，即实现衣服洗后的晾、晒、整理都能通过该自动叠衣服机实现，而且该自动叠衣服机可以当作衣柜使用，这是我们整个机器的设想，并且将在我们以后的设计中实现。
六、心得体会
从机械创新设计大赛的主题出来，到确定选题，到现在的课程设计，真的使我受益匪浅，感受颇深。
在机械原理课程设计之前就说我们这次的课程设计可以根据机械创新设计大赛的主题进行选题，所以我们一直关注机械创新设计大赛的主题公布，主题出来以后我们就开始组队进行选题，我们定了一个月的选题时间，最终从我们的众多想法中选出两个想法做机械原理课程设计，一个是多功能娱乐合作车和自动叠衣机。
在设计过程中我们遇到了很多困难，但是通过我们小组成员的共同努力，终于完成了一部分设计，得到了相应的尺寸、运动分析等等，对机构大体上有了一个把握，也算是取得了一些成绩吧。
虽然如此，由于我们相关经验的缺乏，此设计还存在很多的问题和不合理的因素，例如，一些构件的加速度有突变，即在机构运转过程中存在柔性冲击，等等。
我相信，有了这次课程设计的一些经验和体会，我们在以后的学习过程中不断完善我们的设计将会更加得心应手！
这次课程设计，不仅是我们对《机械原理》课程知识的综合运用，同时也是对我们其他各方面知识的综合考察。
因为它不仅要求我们能熟练地应用matlab软件进行编程计算,而且还需要我们学会应用CAD、solidworks等作图工具进行绘图。
通过这么长时间的课程设计，我们对机械原理有了更深一层的认识，而且我们在这次实践中边学边用、摸索前进，不断的改进完善设计，同时也清晰地认识到只有认真的掌握好理论知识，同时在不断的在实践中运用这些知识，才能牢固的掌握这些知识，从而提高自身的能力。
课程设计是培养学生综合运用所学知识,发现,提出,分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程.回顾起此次对此机构的设计，至今我仍感慨颇多，的确，从选题到定稿，从理论到实践，在这一个多星期的日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。
通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。
在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，这毕竟第一次做的，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的很多的不足，自己知识的很多漏洞，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固，比如，对矩阵法、解析法进行运动分析还是不怎么了解,……看到了自己基础知识还是不够扎实，实践经验还是比较缺乏，理论联系实际的能力还待急需提高。
通过这次课程设计之后，一定把以前所学过的知识重新温故。
在这个过程中，曾经因为实践经验的缺乏失落过，也曾经因对matlab调试成功而热情高涨。
生活就是这样，汗水预示着结果也见证着收获。
虽然这只是一次的较简单的课程设计，可是也耗费了我们不少的心血。
无论如何，就当它是一次机械原理的复习课吧！
为以后的设计生涯埋下伏笔！
通过这次的课程设计，不但知识上的有了重要收获，精神上的丰收更加可喜。
让我们知道了学无止境的道理。
我们每一个人永远不能满足于现有的成就，人生就像在爬山，一座山峰的后面还有更高的山峰在等着你。
挫折是一份财富，经历是一份拥有。
这次课程设计必将成为我大学旅途上一个非常美好的回忆
七、参考文献
[1]机械设计手册编委会.机械设计手册.北京：
机械工业出版社，2004.
[2]王巍.机械制图.北京：
高等教育出版社.2006.
[3]孙桓，陈作模，葛文杰.机械原理（第七版）.北京：
高等教育出版社，2006.
[4]曲秀全.基于MATLAB/Simulink平面连杆机构的动态仿真.哈尔滨工业大学出版社.
[5]郭仁生.机械工程设计分析和MATLAB应用（第二版）.机械工业出版社.
[6]李滨城，徐超.机械原理MATLAB辅助分析.北京：
化学工业出版社.
[7]濮良贵，纪名刚.机械设计（第八版）.高等教育出版社.
[8]二代龙震工作室.solidworks2008实训教程.人民邮电出版社.2008.
[9]周品.何正风.MATLAB数值分析.北京：
机械工业出版社.2009
[10]高会生.李新叶.胡志奇译.MATLAB原理与工程应用（第二版）.北京：
电子工业出版社.2006
[11]张春林.机械创新设计（第二版）.北京：
北京理工大学.
[12]楼顺天，姚若玉，沈俊霞.MATLAB程序设计语言（第二版）.西安：
西安电子科技大学出版社.
八、附录
附录一四连杆铰链机构运动分析程序
%1.输入已知数据
l1=80;
l2=350;
l3=320;
l4=170;
k=0;
hd=pi/180;
du=180/pi;
w1=10;
a1=0;
m=zeros（10,36）;%%%定义矩阵
fori=1:
10:
360
%%%%%%%%%%%%计算角位移%%%%%%%%%%%%
th1=i*pi/180;
L=sqrt（l4*l4+l1*l1-2*l1*l4*cos（th1））;
phi=asin（（l1/L）*sin（th1））;
beta=acos（（-l2*l2+l3*l3+L*L）/（2*l3*L））;
ifbeta<0
beta=beta+pi;
end
th3=pi-phi-beta;
th2=asin（（l3*sin（th3）-l1*sin（th1））/l2）;
%%%%%%%%%%%%计算角速度%%%%%%%%%%%%
A=[-l2*sin（th2）l3*sin（th3）;
l2*cos（th2）-l3*cos（th3）];
B=w1*[l1*sin（th1）;-l1*cos（th1）];
C=inv（A）*B;
w2=C（1,1）;
w3=C（2,1）;
%%%%%%%%%%%%计算角加速度%%%%%%%%%%%%
D=[-l2*sin（th2）l3*sin（th3）;
l2*cos（th2）-l3*cos（th3）];
E=w1^2*l1*[cos（th1）;sin（th1）]+[l2*cos（th2）-l3*cos（th3）;l2*sin（th2）-l3*sin（th3）]*[w2^2;w3^2];
F=inv（D）*E;
th1=th1*du;
th2=th2*du;
th3=th3*du;
k=k+1;
%%%%%%%%%%%%输出求的值%%%%%%%%%%%%
m（:
k）=[th1Lphibetath3th2C（1,1）C（2,1）F（1,1）F（2,1）];
end
m
figure
（1）;
plot（m（1,:
）,m（6,:
）,m（1,:
）,m（5,:
））
title（'角位移线图'）
xlabel（'th1'）
ylabel（'th3th2'）
grid
figure
（2）;
plot（m（1,:
）,m（7,:
）,m（1,:
）,m（8,:
））
title（'角速度线图'）
xlabel（'th1'）
ylabel（'w2w3'）
grid
figure（3）;
plot（m（1,:
）,m（9,:
）,m（1,:
）,m（10,:
））
title（'角加速度线图'）
xlabel（'th1'）
ylabel（'a2a3'）
grid
程序运行所得数据如下所示：
Columns1through6
Columns7through12
Columns13through18
Columns25through30
附录二导杆机构分析源程序
%1.输入已知数据
l1=80;
l2=350;
l3=320;
l4=170;
l5=550;%%导杆长度
l6=200;%%曲柄长度
l7=350;%%lo2o3长度
k=0;
hd=pi/180;
du=180/pi;
w1=10;
m=zeros（16,360）;%%%定义矩阵
fori=1:
10:
360
%%%%%%%%%%%%执行件的角位移以及滑块的位移%%%%%%%%%%%%
th1=i*pi/180;
L=sqrt（l4*l4+l1*l1-2*l1*l4*cos（th1））;
phi=asin（（l1/L）*sin（th1））;
beta=acos（（-l2*l2+l3*l3+L*L）/（2*l3*L））;
ifbeta<0
beta=beta+pi;
end
th3=pi-phi-beta;
th2=asin（（l3*sin（th3）-l1*sin（th1））/l2）;
A=[-l2*sin（th2）l3*sin（th3）;
l2*cos（th2）-l3*cos（th3）];
B=w1*[l1*sin（th1）;-l1*cos（th1）];
w2=C（1,1）;
w3=C（2,1）;
Dt=[-l2*sin（th2）l3*sin（th3）;
l2*cos（th2）-l3*cos（th3）];
Et=w1^2*l1*[cos（th1）;sin（th1）]+[l2*cos（th2）-l3*cos（th3）;l2*sin（th2）-l3*sin（th3）]*[w2^2;w3^2];
Ft=inv（D）*E;
a3=Ft（2,1）
x=（l7*cos（th3）/l6）;
th5=th3-asin（x）;
s5=sqrt（l6^2+l7^2+2*l6*l7*sin（th5））;
%%%%%%%%%%%%计算速度及滑块的速度%%%%%%%%%%%%
D=[cos（th3）l6*sin（th5）;
sin（th3）-l6*cos（th5）];
E=w3*[s5*sin（th3）;-s5*cos（th3）];
F=inv（D）*E;
v3=F（1,1）;
w5=F（2,1）;
%%%%%%%%%%%%计算角加速度和滑块的加速度%%%%%%%%%%%%
G=（a3*s5+w3*v3）*[-sin（th3）;cos（th3）]+w3*s5*[-w3*cos（th3）;-sin（th3）]-[-w3*sin（th3）w5*l6*cos（th5）;w3*cos（th5）w5*l6*sin（th5）]*[v3;w5];
H=[cos（th3）l6*sin（th5）;sin（th3）l6*cos（th5）];
I=inv（H）*G;
th1=th1*du;
th2=th2*du;
th3=th3*du;
th5=th5*du;
k=k+1;
m（:
k）=[th1Lphibetath3th2C（1,1）C（2,1）Ft（1,1）Ft（2,1）th5s5F（1,1）F（
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