機械原理課程設計自動疊衣機

1、中 國 地 質(zhì) 大 學 （武 漢）2011年機械原理課程設計自動疊衣機構(gòu)設計： 07209302 鄭晉峰曾小慧指導老師:設計原理及任務設計目的及原理設汁目的：該機構(gòu)可以供給家庭疊衣服運用?，F(xiàn)代人的生活石奏越來越快，而對做不完的工作， 而對沒完沒了的應酬，人們感覺非常的疲憊，更頭疼的是還得抽出時間做家務，做淸潔?，F(xiàn)代化對我 們是非常的重要，洗干一體，榨汁機，豆?jié){機，而包機，洗碗機，我們就在這樣的方便當中來緩解生 活的壓力，那么，人們同樣希望有個機器能夠代替他們?nèi)フ硐锤傻囊挛锼晕覀儚默F(xiàn)代化機械發(fā)展 和人們需求方而考慮的，就想設計一款能夠整理衣物的機器。運動過程設計：電機的轉(zhuǎn)動提供動力，引起主動

2、件轉(zhuǎn)動。主動件引起整個機構(gòu)運動，折疊板實現(xiàn) 衣物折疊運動，整個機構(gòu)以機械原理課本上的狡鏈四桿機構(gòu)和導桿機構(gòu)為主導來實現(xiàn)該機構(gòu)的運動。為了實現(xiàn)折疊板的運動是確左的運動，我們在最初的設計上進行了改進：折疊板的轉(zhuǎn)動鐵鏈處裝 上復位彈簧使折疊板能夠?qū)崿F(xiàn)完全確定的運動。該機構(gòu)采用電力驅(qū)動，傳動方式為：電機-主軸轉(zhuǎn)動-齒輪轉(zhuǎn)動-工作部分的折疊運動。設計任務1. 自動疊衣服機構(gòu)包括連桿機構(gòu)、導桿機構(gòu)、齒輪機構(gòu)三種常用機構(gòu)。2. 設計各機構(gòu)的相對位置和各構(gòu)件的尺寸。3. 利用CAD畫出各機構(gòu)的運動方案簡圖，并用運動極限位置確定各機構(gòu)運動最大行程或最大轉(zhuǎn)角。4. 根據(jù)已知條件計算出各構(gòu)件的尺寸，在soliwor

3、ks上建模做模擬運動分析，檢驗運動是否能夠滿足 預期的運動設想。5. 利用MATLAB對各個機構(gòu)進行位移、速度、加速度分析，繪出運動曲線圖。6. 齒輪機構(gòu)的計算與設計。根據(jù)傳動比選擇齒輪，根據(jù)齒寬確龍各兩齒輪的齒數(shù)，給出模數(shù)，進而確 左齒輪的各個參數(shù)，繪制成表。7. 編寫設il計算程序，運用MATLAB軟件對函數(shù)關(guān)系進行繪圖表達，最后輸出圖形，宜觀表達設計結(jié) 果。二、機構(gòu)選型及其方案確定總體結(jié)構(gòu)設想通過折衣服的動作可以知道，機器疊衣服時主要完成180度得轉(zhuǎn)動即可實現(xiàn)，因此設想電機的轉(zhuǎn) 動提供動力，引起主動件轉(zhuǎn)動。主動件引起整個機構(gòu)運動，最終折疊板實現(xiàn)衣物折疊運動，由此設計 了執(zhí)行機構(gòu)和傳動機構(gòu)

4、；執(zhí)行機構(gòu)由連桿機構(gòu)和導桿機構(gòu)組成：傳動部分由齒輪系組成，但是為了協(xié) 調(diào)動作的連續(xù)性齒輪1設計成不完全齒輪，下面介紹執(zhí)行機構(gòu)的和傳動機構(gòu)的選型。執(zhí)行機構(gòu)方案執(zhí)行機構(gòu)方案一如圖2-2所示，該方案主要利用了連桿機構(gòu)在運動過程中存在的死點，通過死點來實現(xiàn)疊衣 服的工作要求，實現(xiàn)了接近180度的轉(zhuǎn)動，執(zhí)行件的轉(zhuǎn)動角度只能是接近180度，而且大于180度。圖2-1方案一機構(gòu)簡圖執(zhí)行機構(gòu)方案二該方案是在執(zhí)行件的轉(zhuǎn)角處裝了復位彈簧，通過復位彈簧的作用可使執(zhí)行件轉(zhuǎn)動180度時速度 為零，并且反向運動，實現(xiàn)疊衣服的工作要求。三維建模圖以及機構(gòu)見圖如圖22所示。圖22三維建模圖以及機構(gòu)見圖方案比較：方案一是通過自

5、身運動過程中的死點實現(xiàn)確定的運動但是執(zhí)行件的轉(zhuǎn)角大于180度，而疊 衣板是需要做180度的轉(zhuǎn)動，但是該種方案通過減小擺角使執(zhí)行件的轉(zhuǎn)動盡可能達到預期的運動效果 但是永遠不能達到理想的運動效果。然而方案二是在上一種方案上進行了改進，在執(zhí)行件的轉(zhuǎn)角處 裝了復位彈簧，利用復位彈簧來達到理想的運動效果，復位彈簧，該種方案更能使機構(gòu)作確定的運動, 在機械原理課程設計中，我們選擇第二種方案進行分析。傳動方案從上而的機構(gòu)示意圖可知，執(zhí)行機構(gòu)的運動不能同時運動，必須將兩個機構(gòu)的運動錯開，為此選擇了間歇機構(gòu)中的不完全齒輪機構(gòu)來實現(xiàn)該種運動的要求，齒輪傳動機構(gòu)示意圖如圖2-3所示：齒輪2齒輪2圖23齒輪機構(gòu)示意圖

6、整體機構(gòu)示意整體機構(gòu)示意圖如圖24所示： 圖24整體機構(gòu)示意圖三、尺寸設計齒輪傳動設計該部分是為了使整個機器能夠合理的運動、協(xié)調(diào)機構(gòu)間的運動，執(zhí)行機構(gòu)結(jié)構(gòu)的整體基本為對稱結(jié)構(gòu)構(gòu)，如下圖3-1所示，但是原動件的運動方向相反，而且兩個原動件不能同時轉(zhuǎn)動，都是由 電機提供動力，我們設計了不完整齒輪輸岀動力，即齒輪1為不完整齒輪，當齒輪1與齒輪2嚙合時, 則齒輪1不會與齒輪2嚙合，同理齒輪1與齒輪2,嚙合時，則齒輪1不與齒輪2嚙合，齒輪2只是為 了改變齒輪1傳動齒輪2的方向，為了達到預期的效果完整齒輪的齒數(shù)比為% = 2、 % = 1,齒輪1的齒所在圓周的范囤應該小于整個圓周的1/2,傳動比接近于lo

7、由于不完整齒輪存 在剛性沖擊，需要在兩輪上加裝瞬時線附加桿，為了保證齒輪1的首齒輪能順利的進入嚙合狀態(tài)而不 與從動輪的齒頂相撞，需將首齒齒頂髙作適當?shù)南鳒p。圖3-1齒輪機構(gòu)結(jié)構(gòu)圖由前面根據(jù)承受載荷情況設立齒輪模數(shù)m = 3mm,選取壓力角為a = 20齒頂髙系數(shù) ha二1,頂隙系數(shù)c = 0.25,并且e = s ,則該直齒圓柱齒輪的幾何尺寸參數(shù)如下表31、 表32所示：齒輪1 表3-1林；計算數(shù)值名稱代;計算數(shù)值模數(shù)3mm壓力角齒數(shù)18分度圓直徑54mm齒頂高3mm齒根高齒全高齒頂圓直徑60mm齒根圓直徑基圓直徑齒距基圓齒距尺厚齒槽寬齒輪2 表32林；代t：計算數(shù)值名稱代;計算數(shù)值模數(shù)3mm

8、壓力角齒數(shù)36分度圓直徑108mm齒頂高3mm齒根高齒全高齒頂圓直徑114mm齒根圓直徑基圓直徑齒距基圓齒距尺厚齒槽寬這部分由于時間的限制，只是做了一部分的驗算，可能還存在一左的問題，我們將會在以后的學 習中進一步完善。執(zhí)行機構(gòu)設計設計目標：曲柄帶動搖桿轉(zhuǎn)動，搖桿再作為導桿機構(gòu)的主動件帶動執(zhí)行件轉(zhuǎn)動，執(zhí)行件實現(xiàn)180 度的轉(zhuǎn)動，搖桿擺角為60度。機構(gòu)劃分：根據(jù)我們的初步方案，通過三維建模（如圖3-3）可知，執(zhí)行機構(gòu)可以劃分為四連桿 較鏈機構(gòu)（如圖34）和導桿機構(gòu)（如圖35）。圖34導桿機構(gòu)尺寸確左:由于一般情況衣服的寬度為600mm900mm,如果疊衣服機要想把衣服疊整齊，整個機器中間不運動部

9、分的寬度為360mm,運動的折衣服板的寬度分別為250mm,由于整個機構(gòu)又對稱，由此可知，機 架的長度應該小于180mm,在這里首先將英初值左為170mm,即機架AE二170mm,執(zhí)行件的長度應該小 于250mm,如果執(zhí)行件的長度太短的話，根據(jù)杠桿原理的執(zhí)行件太短不合理，而且機架EC的距離應 該大于搖桿的長度，根據(jù)上述確左執(zhí)行件的長度為200mm, K卩0D二200nmi首先設立搖桿的理想擺角為ZDETT=60 , %個桿的尺寸可以根據(jù)機械原理按預左的運動規(guī)律設訃四桿機構(gòu)的方法來設計, 運用解析法來設汁。圖35建立數(shù)學模型如圖3-5所示:當搖桿ED處于左極限位置時，有幾何關(guān)系可的:(31)ED

10、=sinED = OE+OD(32)(33)-cosQ =AE2+ECa-ACa2xAExECu(34)(35)當搖桿處于右極限位置時，有幾何關(guān)系可得:ce2+ae2-ac22xCExAE-(36)AC=BC-AB(37)通過上而初步確泄的尺寸以及上述數(shù)學關(guān)系式計算處執(zhí)行機構(gòu)中各構(gòu)件的長度，接著驗算此時的機構(gòu) 能否滿足運動規(guī)律的要求以及較鏈四桿機構(gòu)有曲柄的要求和參數(shù)要求，由此得曲柄的長度11二80mm, 連桿的長度12二350mm,搖桿的長度13二320mm,擺角為度，最終確立鐵鏈四桿機構(gòu)為曲柄搖桿機構(gòu)。叱少；律二。沏97得/403=0 得 q =903.AE2 + AC 2-C E2cos

11、8、=:2xAExAC極為夾角為&二qq二50根據(jù)0 =180 (K-l) /(K+1)得速比系數(shù)K=.U!執(zhí)行機構(gòu)運動分析桿機構(gòu)運動分析圖41 四桿機構(gòu)建立數(shù)學模型封閉桿矢量圖如圖41所示，由封閉圖形ABCDA可寫岀機構(gòu)各桿矢所構(gòu)成的封閉矢量方程L+L（4-1）位置分析：（假泄二10r/s）(42)水平方向:/COS& +12 cos 02 = l3 cos +/4豎直方向：/ sill q +12 sin 32 = l3 sin 03由于該式是一個非線性方程組，直接求比較困難，在這里借助集合方法進行求解，如圖41所示:2、速度分析（4一2）式對時間t求導數(shù)）:lxax cos q + l2

12、co2 cos = lycoy cos 命-12 sin I3 sin Q Y3 tcosQ -/3COS&3 丿(知“cosq 丿(43)(44)(45)解上式即可求的二個角速度02、53、加速度分析將（4-2）式對時間（求二次導數(shù)，可得加速度關(guān)系表達式-/2 sin 02l2 cos&/3sin3 V-l3COS03)一 eJi cos01 g人 cos Vco2 -co2l2 s in 02 cojx s in Q 人馬cos%、l則sin q丿(46)解上式即可求得兩個角加速度a?、%經(jīng)過mat lab編程可求得&、0 、如、Ct、程序以及運行所得數(shù)據(jù)見附錄程序運行后所得運動線圖如下圖

13、所示：圖42角位移圖像圖4一3角速度圖像圖4一4角加速度圖像由圖42、圖43、圖44可知，角位移和角速度的運動過程基本達到了預想的要求的，但是, 連桿和搖桿的角加速度會發(fā)生突變，但變化是緩慢的，則存在柔性沖擊，雖然在運動過程速度并不會 很髙再加之變化是很慢的，也就是運動基本合理。導桿機構(gòu)運動分析圖45 導桿機構(gòu)圖封閉桿矢量圖如圖45所示，由封閉圖形ABCA可寫出機構(gòu)各桿矢所構(gòu)成的封閉矢量方程:(47)1、位置分析將（47）式投影到坐標軸上可得:由幾何關(guān)系的:2、速度分析(48)(49)將（4-8）式對時間t求一次導數(shù)，得速度關(guān)系/6y6 cos = vc sin + sc（o5 co” 若用矩

14、陣形式來表示，則上式可寫為：A(410)cosg /6 sin 05、/ vcsing、 sin 0-/6cos丿g丿=LCosq 丿(411)解上式即可求得滑塊相對導桿的速度為耳和執(zhí)行件的角速度砂3、將（48）式對時間t求二次導數(shù)，可得加速度關(guān)系表達式:cosg sing+ COySc-gsinq d.cosQ 丫陀、 i g cosg 6?5/6 sin Q 人馬丿(/ sinQ)畑+叫cos&J/6 sin 05 丫代/6cos5X5_gcos&3、，-馬sin$丿(412)解上式即可求得滑塊相對導桿的線加速度5和執(zhí)行件的加速度q經(jīng)過matlab編程可求得&5、Sc、0、a、氐程序以及運

15、行所得數(shù)據(jù)見附錄程序運行后所得運動線圖如下圖所示：圖46 角位移圖像角位移線圖說明：此運動線圖表示的是執(zhí)行件運動時的角位移線圖，橫坐標為導桿與水平位置所成的 角，即2的范圍為60度到120度之間，此后執(zhí)行件一直在做往復運動，而且導桿也在擺動，擺 角為60度，此線圖說明了執(zhí)行件的運動基本滿足了我們設計的需要。圖4-7角速度圖像圖4一8角加速度圖像圖46、圖47、圖48表示的是執(zhí)行件的運動線圖，即折衣板的運動線圖，由圖可知折衣 板的角位移運動線圖基本滿足了我們設計的需求，折衣板的角速度線圖可知，折衣板運動的速度也滿 足我們的設計需求，但是，有圖48角加速度線圖可知，折衣板的角加速度會發(fā)生突變，但變

16、化是 緩慢的，則折衣板在運動過程中存在柔性沖擊，雖然在運動過程速度并不會很髙再加之變化是很慢的, 因此折衣板的運動基本合理。五、設計評價設計的優(yōu)點：人們對于衣服這種軟材料物品整理，暫時還認為不能用簡單的機器代替人工，但是我們想了 而且也嘗試的做了：該方案運用了比較的簡單的機構(gòu)來實現(xiàn)動作要求。設計的缺點：在齒輪傳動機構(gòu)中運用了不完全齒輪，不完全齒輪的首齒輪進行嚙合時存在剛性沖擊。該機構(gòu)最后是否能實現(xiàn)我們預想的疊衣服的效果是不能夠確定的。設計的改進：由于該機構(gòu)實現(xiàn)折衣服的預想，還需要人提供幫助，在此機構(gòu)完全設計好后，將在該機構(gòu)上進 行改進，實現(xiàn)不需要人提供幫助就能實現(xiàn)折衣服的預想，即實現(xiàn)衣服洗后的

17、晾、曬、整理都能通過該 自動疊衣服機實現(xiàn)，而且該自動疊衣服機可以當作衣柜使用，這是我們整個機器的設想，并且將在我 們以后的設計中實現(xiàn)。六、心得體會從機械創(chuàng)新設計大賽的主題岀來，到確定選題，到現(xiàn)在的課程設計，貞.的使我受益匪淺，感受頗 深。在機械原理課程設計之前就說我們這次的課程設汁可以根拯機械創(chuàng)新設汁大賽的主題進行選題， 所以我們一宜關(guān)注機械創(chuàng)新設訃大賽的主題公布，主題出來以后我們就開始組隊進行選題，我們左了 一個月的選題時間，最終從我們的眾多想法中選出兩個想法做機械原理課程設計，一個是多功能娛樂 合作車和自動疊衣機。在設計過程中我們遇到了很多困難，但是通過我們小組成員的共同努力，終于完成了一

18、部分設計, 得到了相應的尺寸、運動分析等等，對機構(gòu)大體上有了一個把握，也算是取得了一些成績吧。雖然如 此，由于我們相關(guān)經(jīng)驗的缺乏，此設計還存在很多的問題和不合理的因素，例如，一些構(gòu)件的加速度 有突變，即在機構(gòu)運轉(zhuǎn)過程中存在柔性沖擊，等等。我相信，有了這次課程設計的一些經(jīng)驗和體會， 我們在以后的學習過程中不斷完善我們的設汁將會更加得心應手！這次課程設汁，不僅是我們對機械原理課程知識的綜合運用，同時也是對我們其他務方而知 識的綜合考察。因為它不僅要求我們能熟練地應用mat lab軟件進行編程計算，而且還需要我們學會應 用CAD、solidworks等作圖工具進行繪圖。通過這么長時間的課程設計，我們

19、對機械原理有了更深一 層的認識，而且我們在這次實踐中邊學邊用、摸索前進，不斷的改進完善設計，同時也淸晰地認識到 只有認真的掌握好理論知識，同時在不斷的在實踐中運用這些知識，才能牢固的掌握這些知識，從而 提髙自身的能力。課程設計是培養(yǎng)學生綜合運用所學知識，發(fā)現(xiàn)，提出，分析和解決實際問題,鍛煉實踐能力的重要 環(huán)節(jié),是對學生實際工作能力的具體訓練和考察過程.回顧起此次對此機構(gòu)的設計，至今我仍感慨頗 多，的確，從選題到肚稿，從理論到實踐，在這一個多星期的日子里，可以說得是苦多于甜，但是可 以學到很多很多的的東西，同時不僅可以鞏固了以前所學過的知識，而且學到了很多在書本上所沒有 學到過的知識。通過這次課

20、程設計使我懂得了理論與實際相結(jié)合是很重要的，只有理論知識是遠遠不 夠的，只有把所學的理論知識與實踐相結(jié)合起來，從理論中得岀結(jié)論，從而提髙自己的實際動手能力 和獨立思考的能力。在設計的過程中遇到問題，可以說得是困難重重，這畢竟第一次做的，難免會遇 到過各種各樣的問題，同時在設計的過程中發(fā)現(xiàn)了自己的很多的不足，自己知識的很多漏洞，對以前 所學過的知識理解得不夠深刻，掌握得不夠牢固，比如，對矩陣法、解析法進行運動分析還是不怎么 了解，看到了自己基礎(chǔ)知識還是不夠扎實，實踐經(jīng)驗還是比較缺乏，理論聯(lián)系實際的能力還待急 需提高。通過這次課程設訃之后，一左把以前所學過的知識重新溫故。任這個過程中，曾經(jīng)因為實踐

21、 經(jīng)驗的缺乏失落過，也曾經(jīng)因?qū)at lab調(diào)試成功而熱情髙漲。生活就是這樣，汗水預示著結(jié)果也見 證著收獲。雖然這只是一次的較簡單的課程設訃，可是也耗費了我們不少的心血。無論如何，就當它 是一次機械原理的復習課吧！為以后的設計生涯埋下伏筆！通過這次的課程設計，不但知識上的有了重要收獲，精神上的豐收更加可喜。讓我們知道了學無 止境的道理。我們每一個人永遠不能滿足于現(xiàn)有的成就，人生就像在爬山，一座山峰的后而還有更高 的山峰在等著你。挫折是一份財富，經(jīng)歷是一份擁有。這次課程設計必將成為我大學旅途上一個非常 美好的回憶七、參考文獻1 機械設計手冊編委會機械設計手冊.北京：機械工業(yè)岀版社，2004.2

22、王巍.機械制圖.北京：高等教冇出版社.2006.3 孫桓，陳作模，葛文杰.機械原理（第七版）北京：髙等教冇岀版社，2006.4 曲秀全.基于MATLAB/Simulink平而連桿機構(gòu)的動態(tài)仿貞.哈爾濱工業(yè)大學岀版社.5 郭仁生.機械工程設計分析和MATLAB應用（第二版）.機械工業(yè)岀版社.6 李濱城，徐超.機械原理MATLAB輔助分析.北京：化學工業(yè)出版社.7 濮良貴,紀名剛.機械設計（第八版）.高等教育出版社.8 二代龍震工作室.solidworks2008實訓教程.人民郵電出版社.2008. 周品何正H. MATLAB數(shù)值分析.北京：機械工業(yè)出版社.200910 髙會生.李新葉.胡志奇譯.

23、MATLAB原理與工程應用（第二版）.北京：電子工業(yè)出版社.200611 張春林機械創(chuàng)新設計（第二版）.北京：北京理工大學.12 樓順天，姚若玉，沈俊霞.MATLAB程序設計語言（第二版）.四安：西安電子科技 大學出版社.八、附錄附錄一U!連桿鉉鏈機構(gòu)運動分析程序%1 輸入已知數(shù)據(jù)11=80;12=350;13=320;14=170;k=0;hd=pi/180;du=180/pi;wl = 10;a 1=0;m=zeros(1036);%zk 義矩陣for i=l:10:360% 汁算角位移 %thl=i*pi/180;L=sqrt(14*14+ll *11 -2*11 *!4*cos(th

24、1);phi=asin(l 1/L)*sin(th 1);beta=acos(42*12+13*13+L*L)/(2*13*L);if beta0beta=beta+pi;endth3=pi-phi-beta;th2=asin(13*sin(th3)-l 1 *sin(th 1 )/12);角速度 %A=-12*sin(th2) 13*sin(th3);12*cos(th2) -13*cos(th3);B=w 1*(11 *sin(th 1 );-ll *cos(th 1);C=inv(A)*B;w2=C(lJ);w3=C(2,l);% 訃算角加速度 %D=-12*sin(th2) 13*si

25、n(th3);12*cos(th2) -13*cos(th3);E=w 1 A2*ll *cos(thl );sin(lh 1 )+12*cos(th2) -I3*cos(th3);12*sin(th2) -13*sin(th3)*w2A2;w3A2;F=inv(D)*E;thl=thl*du;th2=th2*du;th3=th3*du;k=k+l;岀求的(a%m(:,k)=(thl L phi beta th3 th2 C(l,l) C(2J) F(1J) F(2J);endmfigured);plot(m( 1 ,:),m(6,:).m( 1 ,:),m(5,:) ti啦角位移線ST) x

26、labcl(Yhl)ylabel(*th3 th2r)gridfigure(2);plot(m( 1 ,:),m(7,:).m( 1 ,:),m(&:) tiHeC角速度線圖)xlabclCthl)ylabcl(W2 w3r)gridfigure(3);plot(m( 1 ,:),m(9,:),m( 1 ,:),m( 10,:)titlef角加速度線圖)xlabclCthl)ylabel(ra2 a3)grid程序運行所得數(shù)據(jù)如下所示：Columns 1 through 6Columns 7 through 12Columns 13 through 18Columns 25 through 3

27、0附錄二導桿機構(gòu)分析源程序%1輸入已知數(shù)據(jù)11=80;12=350;13=320;14=170;15=550; %導桿長度16=200; %曲柄長度17=350; %lo2o3 長度k=0;hd=pi/180;du=180/pi;wl = 10;m=zeros( 16360);% 定義矩陣for i=l:10:360%執(zhí)行件的角位移以及滑塊的位移%thl=i*pi/180;L=sqrt(14*14+ll *11 -2*11 *14*cos(th 1);phi=asin(l 1/L)*sin(th 1);beta=acos(-12*12+13*13+L*L)/(2*13*L);if beta0b

28、eta=beta+pi;endth3=pi-phi-bcta;th2=asin(13*sin(th3)-l 1 *sin(th 1 )/12);A=-12*sin(th2) 13*sin(th3);12*cos(th2) -I3*cos(th3);B=w 1*(11 *sin(th 1 );-ll *cos(th 1);w2=C(lJ);w3=C(2,l);Dt=-12*sin(th2) 13*sin(th3);12*cos(th2) -13*cos(th3);Et=w 1 A2*l 1 *cos(th 1 );sin(th 1 )+12*cos(th2) -13*cos(th3);12*sin(th2) -13*sin(th3)*w2A2;w3A2J;Ft=inv(D)*E;a3=Ft(2J)x=(17*cos(th3)/16);th5=th3-asin(