机械原理课程设计
说明书
设计题目 健身球检验分类机
2009年1月4日
目 录
一、题目………………………………………………………………… 2
二、设计题目及任务…………………………………………………….2
2.1 设计题目……………………………………………………………………. 2
2.2 设计任务……………………………………………………………………. 2
2.3 设计提示.…………………...………………………………………. ………2
三、健身球检验分类机方案设计. …………...…………………………...……3
3.1方案设想…………………………………………………………………….. 3
3.2健身球检验分类机工作原理...……... ……………………...………………. 4
3.2.1 运动方案简图 …………...…………………………...………………4
3.2.2健身球检验分类机的基本组成 ……………...………………………5
3.2.3健身球检验分类机工作流程 ……………...…………………………5
3.3机器基本组成应用与尺寸设计…………………...………………………... 5
3.3.1电动机 ……………...…………………………...……………………. 6
3.3.2减速器 ……………...…………………………...……………………. 6
3.3.3凸轮滑块与料槽、检料装置………………...…………………………9
3.3.4进料推杆滑块与检料推杆滑块的协调………………. ………. ……. 14
四、方案分析与评价……………………………………...……………………. 14
4.1优点…………………...…………………………...……………………….. 14
4.2缺点…………………...…………………………...……………………….. 15
4.3改进…………………...…………………………...……………………….. 15
五、参考文献…………………...…………………………...……………………15
六、健身球检验分类机装配简图………….. …...…………………………...16
一、题目：健身球检验分类机
二、设计题目及任务
2.1设计题目
设计健身球自动检验分类机，将不同直径尺寸的健身球（石料）按直径分类。检测后送入各自指定位置，整个工作过程（包括进料、送料、检测、接料）自动完成。
健身球直径范围为ф40～ф46mm ，要求分类机将健身球按直径的大小分为三类。
1. ф40≤第一类≤ф42
2. ф42
3. ф44
技术要求见下表
表1 技术要求参数
方案号 电动机转速生产率（检球速度）/(个/min )
/(r /min)
E 960 15
2.2设计任务
(1)健身球检验分类机一般至少包括凸轮机构、齿轮机构在类的三种机构。
(2)设计传动系统并确定其传动比分配。
(3)绘制健身球检验分类机的机构运动方案简图和运动循环图。
(4)绘制凸轮机构设计图（包括位移曲线、凸轮轮廓线和从动件的初始位置）。要求确定运动规律，选择基圆半径，校核最大压力角与最小曲率半径，确定凸轮廓线。盘状凸轮解析法设计，圆柱凸轮用图解法设计。
(5)设计计算其中一对齿轮机构。
(6)编写设计计算说明书。
(7)学生可进一步完成：凸轮的数控加工、健身球检验分类机的 计算机演示验证等。
2.3设计提示
健身球检测分类机是创造性较强的题目，可以有多种运动方案实现。一般的思路在于：
(1)球的尺寸控制可以靠三个不同直径的接料口实现。例如：第一个接料口的之间直径为42mm ，中间接料口的直径为44mm ，而第三个接料口的直径稍大于46mm 。使直径小于42mm 的球直接落入第一个接料口，直径大于42mm 的球先卡在第一个接料口，然后由送料机构将其推出滚向中间接料口，依此类推。
(2)球的尺寸控制还可以用凸轮机构实现。
(3)此外，需要设计送料机构、接料机构、间歇机构等，可由曲柄滑块机构、槽轮机构等实现。
三、健身球检验分类机方案设计
3.1方案设想
方案一
我们认为此检验分类机的主要用途就是将不同直径大小的健身球分成三类，
同时我们还得考虑到健身球是石料所做，故我们在检验分类的同时应注意到避免健身球损坏。我们提出了如下图的装置运动。
图1 方案一运动简图
经分析，我们认为此方案接料装置的速度不易于控制，故我们放弃此方案，寻找便于控制的检料装置，如方案二。
方案二
我们将检料机构进行了改进，设计成可变动的检测机构，初步设想装置如下图：
图2方案二运动简图
我们认为该方案的正好弥补了方案一的不足，方便而简单地对健身球进行检测，同时也能够将送料机构里的滑块与检测机构里的滑块统一起来运动。在上滑块将球抵出的同时下滑块上边缘也正好抵达料道1的口缘处，向下运动时对球进行检测分类。
3.2健身球检验分类机工作原理
3.2.1运动方案简图
图3 健身球检验分类机运动方案简图
1,2,3,4—直齿轮 5，6—锥齿轮 7，8—凸轮 9—弹簧 10—振荡器
11—料槽 12，13—带轮 14，15—推杆
3.2.2健身球检验分类机的基本组成(详见附图)
(1)电动机
(2)减速器
(3)凸轮滑块
(4)料槽
(5)振荡器
(6)检料箱体
(7)收集箱
(8)皮带轮
(9)直齿锥
3.2.3健身球检验分类机工作流程
图4 检验分类机工作流程图
3.3机器基本组成应用与尺寸设计
3.3.1电动机
本健身球检验分类机原动件采用转速为960r /min 的交流电动机。
3.3.2减速器
图5 减速装置
本分类装置采用图5所示的减速器，由传送带和齿轮系构成的减速装置。其中一对齿轮的传动比是有限的，由于本装置需要较大的传动比，固采用轮系来实现。
(一) 皮带传送：
图6 皮带减速机构
如图6所示为皮带减速机构，带轮1连接原动件转速为n 0 960r /min 的交流电动机，皮带2连接齿轮系中的齿轮1，皮带1的半径为r 1，皮带2的半径为r 2，根据皮带传动原理有：
n r 1=n 0 (1)
皮带1与皮带2的转速与半径成反比：
n r 1r 2= (2) n r 2r 1
(二) 齿轮系传动：
如图5所示，带轮2与齿轮1同轴传动，齿轮1与齿轮2啮合传动，齿轮2与齿轮3同轴传动，齿轮3与齿轮4啮合传动，齿轮4与直齿锥同轴连接，根据齿轮系传动原理有：
⎧n z 1=n r 2⎪n ⎪z 2=z 1
⎪n z 1z 2 (3) ⎨n =n z 2⎪z 3
⎪n z 4z 3=⎪n ⎩z 3z 4
由上式可得：
n z 4=n 0r 1z 1z 3 (4) r 2z 2z 4
(三) 直齿锥齿轮：
图7 锥齿轮啮合简图
如图7所示，直齿轮4与直齿锥齿轮5、凸轮7（见图7）同轴传动，直齿锥齿轮5与直齿锥齿轮6垂直啮合，直齿锥齿轮6与凸轮8同轴连接（见附图），根据齿轮传动原理有：
n z 5=n z 4 (5)
n z 6=n z 5 (6)
由凸轮8与直齿锥齿轮同轴传动有：
n 8=n z 6 (7)
根据提供的原动件转速为n 0=960r /min 的交流电动机与课程设计要求，在
设计机器的生产率为15个/min,设计的凸轮滑块结构实现凸轮转动n 0的前提下，
一圈完成一个健身球的检测（3.3.3），可以得到凸轮8的转速为：
n 8=n 7=15r /min =15ππ=rad /s 302
同时，齿轮4与齿轮7是同轴传动，故
n z 4=n 7=π
2rad /s
则
n 0=960r /min =960π=32πrad /s 30
根据公式(4)可以得出：
n z 4=r 1z 1z 3r z z n 0=32113πrad /s r 2z 2z 4r 2z 2z 4
因此由上两式可以得出:
r 1z 1z 31 =r 2z 2z 464
根据1比64的比例关系，我们选取适当的皮带轮半径和齿轮齿数
r 1z 1z 31111=⨯⨯= r 2z 2z 482464
故我们得出:
r 2=8r 1, z 2=2z 1, z 4=4z 3
考虑到齿轮大小与传动的合理性，经过比较设计皮带传动结构与齿轮系传动结构的相应参数如表2、表3：
表2 皮带轮参数
皮带轮半径（mm ） 带轮1 100 表3 各齿轮参数
齿轮1
带轮2 800 模数(mm) 压力角(°) 齿数(个) 直径(mm) 分锥角(°) 5 20 20 100 /
齿轮2
齿轮3
齿轮4
直齿锥5，6 5 5 5 5 20 20 20 20 40 20 80 40 200 100 400 200 / / / 90 一对齿轮与一对直齿锥齿轮啮合如图8所示：
图8 直齿轮、锥齿轮啮合简图
3.3.3凸轮推杆滑块与料槽、检料装置
(一) 凸轮推杆滑块与检料装置、收集箱：
(1)凸轮推杆滑块
图9 检料装置运动图
如图9所示，齿轮4与凸轮7同轴传动，凸轮7与杆1、滑块1形成凸轮滑块传动机构。凸轮尺寸的设计基于该机构从动件的运动规律，由于凸轮7与凸轮8的转速相同，设计滑块2将待测球推入检测装置的同时，滑块1在h 1的高度接
入待测球进入相应尺寸料道，建立滑块1与滑块2的同步运动机制，根据检料装置的尺寸设计（见表4），可建立滑块1与滑块2的运动规律图：
滑块1、2的运动规律如图10所示：
图10 从动件运动规律图
基圆半径r 0，角速度ω，从动件的运动规律如图10，设计该凸轮轮廓曲线。由齿轮4与凸轮7同轴传动有：
ω=n z 4ππ=rad /s 303
设计该凸轮的基圆半径r 0与t 1到t 4：
r 0=100mm t 1=0. 75s t 2=1. 5s t 3=5. 25s t 4=6s
则凸轮进程运动图如图11所示：
图11 凸轮进程运动图
按对心平板直动从动件盘形凸轮作出廓线—理论廓线。
图12 图轮廓线设计图
凸轮7与杆
1、滑块1构成凸轮滑块传动机构，在凸轮7
的带动下，滑块1由于杆1的约束做图
9所示的运动，设计滑块1为金属滑块，在重力的作用下，保证凸轮回程的同时滑块与杆一同下降，回到起点。
(2)检料装置与收集箱
图13 检料装置图
在检料箱体中，滑块1的轨道中设有待测球出口料道1、料道2、料道3，料道顺序为尺寸从小到大往下设置，小球先检测，接着检测中球，大球最后检测，料道尺寸设计稍大于46mm ，为了使球能够快速稳定地经过料道尺寸检测，设计轨道与水平夹角为：
α=30︒
根据课题设计要求可设置相应尺寸大小如表4：
表4 检料装置料道尺寸
料道直径（mm ）
设置滑块轨道有关尺寸为： 料道1 42 料道2 44 料道3 47
h 1=125mm h 2=64. 3mm h 3=10mm h 4=20mm
(二) 进料机构设计：
(1)凸轮推杆滑块
图14 进料机构简图
如图14所示，凸轮8与直齿锥齿轮6同轴传动，凸轮8与凸轮7具有相同的转速，由于设计滑块1与滑块2同步进程机制，所以凸轮8与凸轮7尺寸相同，滑块1与滑块2的运动规律也相同，运动规律如图10所示。
所以
l 1=h 1=125mm l 2=h 2=64. 3mm
为了防止滑块与料槽底部产生摩擦，设置其上平面与料槽底部2~3mm 的距离。
凸轮8与滑块2、杆2构成凸轮滑块机构，由于滑块水平滑动，设置如图12所示的弹簧回程机制。
在进料机构的表平面，为了防止健身球掉下时偏离送料路线，所以我们在平面表面设置了如下图15的弧形凹槽，其半径约为2~3mm 。同时，我们在平面以及滑块1、2的表面铺设一层表面具有一定光滑性的海棉，以防止健身球损坏。
图15 进料机构表面图
(2)料槽装置
图16 料槽装置简图
如图16所示为料槽结构，其中槽体的高度h 可根据待测球数量适度调整。其中槽壁的倾斜角度α对槽体和健身球的受力情况有较大的影响。如果α角度过大，则健身球整体向下的压力不足，影响了传递的连续性；如果α角度过小，则
球之间互相压力增大，健身球流动性下降。所以，30︒
对于导管直径d ，为了保证良好的流动性d 应该大于最大球的直径，并保证1~2mm 的盈余空间；但也不宜过大，过大尺寸的直径d 容易造成球体之间的相互摩擦力增加，造成导管的堵塞。
考虑到待测球在漏口堵塞情况，设置了如图17的振荡器装置：
图17 振荡器简图
为了防止料槽中，健身球堵塞，本装置使用了如图15所示的解卡振荡器。本振荡器使用电动机2来带动偏心轮1转动，由于偏心轮质心偏离转动中心，因此产生振动的效果。把解卡振荡器安装于料槽壁上带动料槽振动，使料槽中健身球的流动性得到加强，很大程度的减小了健身球被卡住的几率。
3.3.4进料推杆滑块与检料推杆滑块的协调
为了能够保证进料机构在将健身球送出的同时，检料正好接住健身球，我们就将进料推杆滑块与检料推杆滑块的进程协调统一起来，如下示意图所示：
图18 进料推杆滑块与检料推杆滑块协调进程示意图
如图中所示意，进程s 1与进程s 2要求相等，即：
s 1 s 2
另外，在滑块2的前端，我们认为可以留有在0~10mm 范围内的距离差距，因为考虑到健身球的形状以及其重力作用，其能够按照预想的路程进行检料。 为了避免因运动而逐渐产生更大的误差，我们预先设计两各凸轮滑块的初始位置分别在料道1下口缘和右平面最左端，即A 、B 两处。
四、健身球检测分类机分析与评价
4.1 优点
(1)设计结构简单，能耗低；
(2)设计制造简单；
(3)使用解卡振荡器，很大程度上减小健身球互卡的几率；
(4)传送带靠摩擦力工作，传动平稳，能缓冲吸震，噪声小。
4.2 缺点
(1)由于机械机构简单，故精确度不高；
(2)振荡器的时候加剧了健身球之间的相互碰撞，同时使机械运转的噪音加大；
(3)不适合用于高速分类。
4.3改进
(1)可通过精确的调整解卡振荡器的频率，从而减小噪音；
(2)使用摩擦系数较小的导轨，提高选择精度。