土壤表面整平装置.docx
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土壤表面整平装置
土壤表面整平装置设计
1绪论
1.1设计的目的
土壤表面处理装置是为平整光谱实验所需土壤样本而设计的。
传统的平整方法多采用平板刮平处理，这样会导致土壤表面产生条形刮痕以及高低不平的浪条，从而影响到土壤光谱实验的测量质量。
设计土壤表面处理装置以改善传统平整方法带来的诸多问题，让土壤样本表面更加平整、均匀，优化实验过程。
土壤表面处理装置设计指导思想是用细筛往复平动代替原来的刮板移动进行平整处理，增加升降机构使土壤能够多层平整，实现土壤表面的更平、更均匀。
掌握Pro/E的基本操作以及能熟练使用其来进行实体建模。
1.2设计的意义
通过本次设计，要养成一定的独立思考能力；学会正确运用标准和规范，注意一些尺寸的优先系列、标准化的查询与使用；学会合理安排时间，设计进度；要学会创新；设计中，要养成精益求精的学习精神和反对照抄照搬、容忍错误的态度。
2技术任务书（JR）
本装置主要是供试验室专用，实现对土壤进行逐层刮平，使土壤表面能达到优化处理。
其中已有的筛子网格直径为2，装置的行程为10～12mm，运动过程中要求保持工作台的平行度，受温度、湿度的影响较小。
2.1所要设计的主要机构
（1）螺旋升降机构的设计
（2）曲柄滑块机构的设计
（3）Pro/E进行三维建模
2.2所要解决的问题及解决问题的方法
2.2.1解决的问题
（1）动力输入方式；
（2）如何实现装置的水
（3）怎样实现装置在水平面上的交互运动；
（4）各机构间的尺寸配合；
（5）装置怎样实现上下升降运动；
（6）用Pro/E如何进行三维建模等。
2.2.2解决方法
（1）基于装置的实用性、简单性考虑，初步选定手动方式作为动力输入。
实验得出：
工作台移动频率180次/分钟，可以达到平整土壤的目的。
综合测验，摇柄的转速在60～100转/分钟，通过合理的传动机构完全可以达到平整要求；
（2）能够实现平动的机构有很多种，在选择对比中，选用了曲柄滑块机构作为实现工作台水平移动的传动机构。
曲柄滑块机构是一种通过连杆将曲柄的连续转动转变成滑块往复移动的机构，它在工程中广泛应用，如内燃机、往复式抽水机、空气压缩机和冲床等。
曲柄滑块机构是铰链四杆机构的演化形式，由若干刚性构件用低副（回转副、移动副）接而成的一种机构。
常用于将曲柄的回转运动变换为滑块的往复直线运动；或者将滑块的往复直线运动转换为曲柄的回转运动。
其主要优点是结构简单、制造容易、工作可靠，在工程实践中得到广泛的应用。
对曲柄滑块机构进行运动特性分析是当已知各构件尺寸参数、位置参数和原动件运动规律时，研究机构其余构件上各点的轨迹、位移、速度、加速度等，从而评价机构是否满足工作性能要求．机构是否发生运动干涉等。
（3）在装置中，通过不完全齿轮的间歇传动和导杆的导向作用，实现了工作台在水平面上的前后、左右交互作用。
不完全齿轮机构是由普通渐开线齿轮机构演化而成的一种间歇运动机构。
它与普通渐开线齿轮机构不同之处是轮齿不布满整个圆周,主动轮的等速连续转动转换为从动轮的间歇运动。
不完全齿轮机构应用广泛,与其它间隙机构相比,其动停时间比不受机构结构的限制,结构简单、制造方便,其缺点是从动轮在每次运动始末,速度均有突变,冲击较大,故一般用于低速、轻载的场合。
（4）通过传动机构，箱体及导轨的尺寸设计，最后设计连杆的长度，将整个机构的运动合理的安排在一起，达到装置的工作要求。
（5）装置升降部分采用丝杆升降机构。
丝杆升降机构结构简单、运动平稳。
2.3装置的总体设计
土壤表面处理装置由不完全齿轮传动机构，曲柄滑块机构，导轨机构和丝杆升降机构以及箱体五部分组成，通过各部分的协调工作，实现了工作台的前后交互运动及上下升降运动。
装置传动部分结构见图2.1。
图2.1装置部分传动机构
3设计计算说明书（SS）
螺旋升降机构的主要参数：
（1）底座的参数
（2）手轮的参数
（3）紧固件螺母的参数
（4）丝杠的参数
曲柄滑块的主要参数：
连杆的尺寸及角度
4螺旋升降机构的设计
利用丝杆机构实现工作台的上下运动，同时通过螺旋机构的自锁功能起到支承的作用。
螺旋传动主要用来将回转运动变为直线运动，同时进行能量和力的传递，或者调整零件的相互位置。
有时也用来将直线运动变为回转运动。
4.1螺旋传动机构的选择
根据螺纹副摩擦性质的不同，螺旋传动可分为滑动螺旋、滚动螺旋和静压螺旋。
在机器中，螺旋机构要求能够起到支承工作台的作用，而且机构要求简单、方便，综合考虑选用滑动螺旋传动，因为滑动螺旋结构简单，加工方便，易于自锁。
4.2滑动螺旋的结构和材料
4.2.1滑动螺旋结构
滑动螺旋的结构主要采用螺杆、螺母的固定和支承的结构型式。
对于短促螺杆可以利用螺母本身作为支承。
滑动螺旋采用的螺纹型式主要有梯形和锯齿形，传力和调整螺旋要求自锁时应采用单线螺纹。
4.2.2材料
螺杆的材料应具有高的强度和良好的加工性。
不经热处理的螺杆，一般可选用Q235、Y40Mn、45、50钢，重要的经热处理的螺杆可用65Mn、40Cr或20CrMnTi钢。
精密传动的螺杆可用9Mn2V、CrWMn、38CrMoAl钢等。
螺母材料除要求有足够的强度外，还要求在与螺杆材料旋合时摩擦系数小和耐磨。
常用的材料是铸锡青铜ZCuSn10P1、ZCuSn5Pb5Zn5；重载低速时用高强度铸造铝青铜ZCuAl10Fe3或铸造黄铜ZCuZn25Al6Fe3Mn3；重载时可用35钢或球墨铸铁；低速轻载时也可用耐磨铸铁。
尺寸大的螺母可用钢或铸铁制造，内部浇注青铜。
高速螺母可浇注巴氏合金。
本机器材料选用：
螺杆选用经热处理的65Mn、40Cr或20CrMnTi钢，能够达到支承作用的强度。
螺母选用耐磨铸铁。
4.3升降机构的设计
4.3.1底座的设计
底座铸造为佳。
尺寸：
高100mm，宽100mm。
设计以保证顶端圆面尺寸精度为主，其内径为42mm，高度为12mm。
4.3.2手轮的设计
手轮一般铸造即可。
直径为150mm，参照图3.1。
图4.1手轮
4.3.3紧固件螺母的选用
工作台与丝杆的连接，需要设计一紧固螺母，从而起到支撑工作台的作用，紧固螺母的下端面要有适当的大小，并且用螺钉将它与工作台联接，通过圆柱销及与丝杆螺纹配合，将它与丝杆定位连接。
4.3.4丝杆的尺寸参数
丝杆的设计方法与主轴相似，其支承轴径与丝杆的长径比都与主轴相同，不同的是丝杆上有一段螺纹，因此，还需考虑螺纹的牙形角、螺距、直径、、螺纹公差的设计。
（1）螺纹牙形的选择：
精密丝杆螺母传动，常用的螺纹有牙形角为60°的普通公制螺纹和牙形角为30°的梯形螺纹两种。
选择哪种螺纹，取决于传动精度、效率和制造工艺。
当丝杆螺母机构的载荷不大，螺纹间的摩擦力对工作影响不大，而要求小螺距时（螺距为0.5～1mm），可采用公制基本螺纹和公制细牙螺纹。
当载荷较大，螺距也较大时，宜用梯形螺纹。
梯形螺纹比三角形螺纹的传动效率高、强度大、螺距大（最小直径为10mm,最小螺距为2mm）。
螺距小时，制造困难，而且不能磨，故不易得到高精度丝杆
由于螺母的材料一般比丝杆的材料软，所以，磨损主要发生在螺母的螺纹表面.
磨损计算方法，通常是采用限制螺纹表面的压强。
就是使螺纹工作表面的压强P小于等于其许用压强[P]。
计算时，将螺母的螺纹牙看成是盘旋绕在圆柱表面上的长条，展开后的一圈螺纹牙如图5-26所示。
设作用于螺纹上的总轴向为F，则每圈螺纹牙所承受的轴向力为F/2,其校核公式为
P=F/πd2hZ≤[P]
式中F——作用于螺纹上的总轴向力（N）;
d2——螺纹中径（mm）;
h——螺纹的工作高度（mm）；
Z——参加接触的螺纹的螺纹圈数，Z=H/t;
t——螺距（mm）;
[P]——许用压强（N/mm2）
令ψ=H/d2,并代入上式，得
d2=（Ft/πhΨ[P]）1/2≈0.56（Ft/hΨ[P]）1/2（mm）
对梯形螺纹，因h=0.5t,所以有
d2≥0.8（F/Ψ[P]）1/2（mm）
式中，对整体式螺母，取ψ=1.2～1.5;对开式螺母，取ψ=2.5～3.5。
（2）丝杆直径的选择：
采用类比法进行设计，参考同类型设备的丝杆直径，并按所设计的设备具体情况确定。
或者按结构设计的需要，先确定丝杆总长度L,再按长径比关系确定丝杆直径d,通常L/d<30。
对于电子精密机械设备，一般移动距离较短，通常取L=（15～20）d。
选择丝杆的直径为10mm，长度L为80mm。
5曲柄滑块机构的设计
所要设计的装置，动力输入为手柄，动力传动机构为齿轮传动，将动力传给工作台，就需要选择合适的中间机构，考虑机构的简单特性前提，首先选用连杆机构作为中间传动机构。
5.1连杆机构及其传动特点
连杆机构的应用十分的广泛，它不仅在众多工农业机械和工程机械中得到广泛应用，而且诸如人造卫星太阳能板的展开机构、机械手的传动机构、折叠伞的收放机构及人体的假肢等都用到连杆机构。
连杆机构是由刚性构件用传动副和移动副联接而成，各构件间互作平面平行运动。
5.1.1连杆机构的传动特点
（1）连杆机构中的运动副一般均为低副。
其运动副元素为面接触，压力较小，润滑好，摩擦小，加工制造容易，且连杆机构中的低副一般是几何封闭，对保证工作的可靠性有利。
（2）在连杆机构中，在原动件的运动规律不变的条件下，可用改变各构件的相对长度来使从动件得到不同的运动规律。
（3）在连杆机构中，连杆上各点的轨迹是各种不同形状的曲线，其形状随着各杆件相对长度的改变而改变，故连杆曲线的形式多样，可用来满足一些特定工作的需要。
利用连杆机构还可很方便的达到改变运动的传递方向、扩大行程、实现增力和远距离传动等目的。
连杆机构也存在以下一些缺点：
（1）由于连杆机构的运动必须经过中间构件进行传递，因而传动路线较长，易产生较大的误差累积，同时也使机械效率降低。
（2）在连杆机构运动中，连杆及滑块所产生的惯性力难以用一般的平衡方法消除，因而连杆机构不宜用于高速运动。
此外，虽然可以利用连杆机构来满足一些运动规律和运动轨迹的设计要求，但其设计十分的繁难。
近年来，对连杆机构的研究和设计方法都有了很大的进展。
5.1.2连杆机构的型式及设计原理
（1）连杆机构中，其构件多呈杆状，常根据其杆数而命名。
其中，平面四杆机构不仅应用特别广泛，而且常是多杆机构的基础。
而铰链四杆机构是平面四杆机构的基础，其它型式的四杆机构可以认为是它的演化型式。
（2）在装置的设计中齿轮传动实现的是圆周运动，因此着重考虑四杆机构中的曲柄部分及其实现条件。
连杆机构中，在连杆架中，能作整周回转者称为曲柄。
四杆机构有曲柄的条件为：
a各杆长度应满足杆长条件。
即：
最短杆长度+最长杆长度≤其余两杆长度之和
b其最短杆为连架或机架。
因此，在设计中曲柄条件是各杆长度设计的前提条件。
（3）根据机械的用途和性能要求的不同，对连杆机构的设计要求也是多种多样的，但必须考虑一下的三个问题：
a满足预定连杆位置要求；
b满足预定的运动规律要求；
c满足预定的轨迹要求。
因此，在满足曲柄条件的同时还应综合考虑箱体及导轨的高度、轴的位置，从而合理的安排设计连杆的位置及长度。
5.2曲柄滑块机构的选用及连杆设计
5.2.1曲柄滑块机构的选用
（1）.在装置的设计中，工作台要求能够作平行直线的往复运动，即将圆周运动副转化为移动副。
为了满足这种要求，同时满足能够传动齿轮的圆周运动，考虑到的机构初步选定为曲柄摇杆机构和曲柄滑块机构。
比较其优缺点：
曲柄摇杆机构：
a曲柄作匀速转动时，摇杆作往复变速摆动；
b摇杆的摆角由各杆的长度决定；
c机构用于将主动曲柄的匀速转动转化为从动摇杆具有急回运动特性的摆动；用于将摇杆的摆动范围来满足设计要求轨迹。
曲柄滑块机构：
a曲柄等速转动时，滑块沿导路作往复的运动；
b滑块的行程由杆的长度和杆的安装位置决定；
c当曲柄为主动时，机构无死点；当滑块为主动时，连杆与从动曲柄共线时，机构处于死点位置；
d机构用于将曲柄的等速转动转化为滑块具有急回特性的往复移动；还可与其他机构组合成各种用途的多杆机构
综合比较考虑，选用曲柄滑块机构较为符合该装置的设计要求。
曲柄滑块机构更加便于满足工作台的往复直线运动；便于安排各杆的位置及长度，以便与齿轮传动相结合。
（2）六杆增力机构的选用
为了增加连杆对导轨（滑块）的拉动作用力，采用六杆增力机构，既实现了曲柄滑块四杆机构的功能，又在其功能基础上增加了对导轨的拉动力，而且连杆更加符合位置要求。
这样的六杆机构中，各杆的位置关系更加适合本装置的位置要求，而且
主动件为齿轮传动，只要将各杆的长度设计合理，即可满足曲柄条件。
滑块可带动工作台实现水平面上的直线往复运动。
5.2.2连杆的设计计算
初步确定结构后，开始确定各杆的长度。
（1）初定各干长度
初定依据：
要求满足曲柄条件；满足滑块的行程；箱体高度、导轨高度决定杆长的
小值；两个定位支架间距离。
a初定尺寸大小：
杆1，L1=40mm；杆2，L2=90mm；杆3，L3=160mm；杆4，L4=80mm。
b作图法计算杆长：
c导轨的运动行程为：
12～30mm
（2）确定杆长的合适值
采用作图法对连杆的长度进行设计。
L1=30mm
L2=100mm
L3=160mm，节点140mm
L4=50mm。
6.Pro/E的发展历程及其应用领域
6.1Pro/E的发展历程
Pro/ENGINEEI是1988年美国参数技术公司出品的大型三维设计类综合软件，发展到今天已是世界上最为普及的CAX软件，基本上成为了三维CAX的一个标准平台，它具有基于特征.全参数全相关单一数据库等特点，是一套全面覆盖由设计至生产的机械自动化软件。
它自推出以来，由于其强大的功能，很快得到业内人士的普遍欢迎，并迅速成为当今世界最流行的CAX软件之一。
目前，Pro/ENGINEER已经成为易学易用的百万级CAX应用软件，并风靡欧美日中等地区。
在中国，自20世纪90年代中期，许多大型企业开始选用Pro/ENGINEER，发展至今，已经拥有相当大的用户群。
同时，国内许多大学也纷纷选用Pro/ENGINEER作为其研究开发的基础软件平台。
Pro/ENGINEER还提供了目前所能达到的最全面集成最紧密的产品开发环境。
它的技术特点包括参数化设计特征单一数据库。
Pro/ENGINEER广泛应用于电子机械模具工业设计汽车航空航天家电玩具等行业，是一个全方位的三维产品开发软件，它集零件设计产品装配模具开发NC加工钣金件设计铸造件设计造型设计逆向工程自动测量机械模拟压力分析产品数据等功能于一体。
它主要有6大主要模块工业设计模块机械设计模块功能仿真模块制造模块数据管理模块数据交换模块。
6.2Pro/E的应用领域
6.2.1创建二维草图
二维草图是指绘制2D平面图形，它是构建实体的基本元素，是作为设计时的定位参考。
创建二位草图可以说是构建实体模型中一个最基本且极其重要的阶段。
Pro/E中最常用的特征包括基本建模特征.基准特征.放置特征.高级建模特征.曲面特征。
基本建模特征包括拉伸特征.旋转特征.扫描特征.混合特征；基准特征包括基准平面.基准轴.基准点.坐标系.基准曲面；放置特征包括孔特征.圆角特.征倒角特征.抽壳特征.筋特征.修饰特征.抜模特征；高级建模特征包括可变剖面扫描特征.扫描混合特征.螺旋扫描特征。
升降机构的三维建模过程中所用到的特征有：
拉伸特征.旋转特征.扫描特征.基准平面.基准轴.基准点.孔特征.圆角特.征倒角特征.抽壳特征.筋特征.修饰特征.螺旋扫描特征。
另外，还有特征复制中的镜像和阵列。
6.2.2三维实体建模
Pro/ENGINEER无论在功能模块方面还是在三维实体建模方面，同其他的CAD软件相比应该说都具有一定的优势。
它先进的建模环境简化了设计过程，使用户能够关注与产品开发，并使产品设计更具创造性。
三维实体建模的基本特征有拉伸,旋转,扫描,混合。
三维零件的创建是以零件的特征为基础的.首先创建一个二维草图，再添加一系列零件特征，即可完成三维零件的创建。
如果将三维零件配合到一起，即可构成玩一个整的产品。
零件装配
在完成单个零件创建后，使用零件装配模块可以将多个零件进行安装配合，从而生成复杂的组件.部件。
在装配过程中，可以检验零件设计是否合理，组成装配的零件之间是否有干涉情况的发生，零件与零件之间的相对位置如何，使用何种关系对未知进行约束。
在装配过程中，已经存在的或者是首先被创建的零件是父零件，后调入的零件位子零件，在进行零件装配时，必须合理选择第一个零件，它应该是整个装配体中最为关键的零件，在以后的装配过程中它也是最不会被删除的零件.
在升降机构中主要有四个零件图，底座，手轮，丝杠，螺栓。
装配时，先以底座为父零件，手轮为父零件，后以其装配体为父零件，丝杠为子零件，最后一整个装配体为父零件，螺栓为子零件。
6.2.3零件的渲染
通过设置零件的颜色与外观，并对零件进行渲染可以使设计的零件更为逼真，创建出更具真实感的图形。
6.2.4装配体的分解
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