健身球自动检验分类机.docx
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健身球自动检验分类机
一、设计题目及任务
1.1设计题目及原始数据
1.2设计方案提示
1.3设计任务
二、设计要求4
2.1功能要求4
2.2工作原理4
2.3工艺流程图4
三、机械系统的选择及比较5
3.1电动机的选择及比较5
3.2传动机构的选择及比较5
3.3执行机构的选择及比较7
四、健身球检验分类工作原理及工艺动作流程图12
4.1健身球检验分类机工作流程12
4.2机械系统运动方案简图13
4.3健身球检验分类机的基本组成13
五、机器基本组成应用及尺寸设计13
5.1电动机13
5.2减速器13
5.3传动装置14
5.4凸轮推杆滑块17
5.5检验装置与接料装置19
5.6进料机构设计20
5.7各机构的运动循环图21
六、偏置曲柄滑块的运动分析22
6.1构件的基本尺寸22
6.2连杆机构的运动分析流程图23
6.3编写程序24
七、方案分析与评价29
7.1优点29
7.2缺点29
7.3改进29
八、总结30
九、参考文献31
附录一32
附录二33
附录三36
附录四37
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一、设计题目及任务
1.1设计题目及原始数据
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：
第一类：
40≤ф≤42；第二类：
42<ф≤44；第三类：
44<ф≤46。
技术要求见下表：
表1技术要求参数
每分钟检球个数m/（个）电动机转速n/（r/min）
方案号
2-7461400
1.2设计方案提示
健身球自动检验分类机是创造性较强的一个题目，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：
第一个接料口直径为42mm，中间接料口直径为44mm，而第三个接料口直径稍大于46mm。
使直径小于（等于）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。
以此类推。
2.球的尺寸控制还可由凸轮机构实现。
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。
—2
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1.3设计任务
1.健身球检验分类机一般至少包括凸轮机构，齿轮机构在内的三种机构；
2.设计传动系统并确定其传动比分配，并在图纸上画出传动系统
图；
3.图纸上画出健身球检验分类机的机构运动方案简图和运动循
环图；
4.图纸上画凸轮机构设计图（包括位移曲线、凸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。
盘状凸轮用电算法设计，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.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。
二、设计要求
—3
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2.1功能要求
具体设计要求如下：
健身球检验分类机能够实现进球、送球、检测球、接球的一体化功能。
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。
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.ф40mm≤第一类≤ф42mm
2.ф42mm<第二类≤ф44mm
3.ф44mm<第三类≤ф46mm
2.2工作原理
健身球检验分类机的工作原理是由进料机构、送料机构、检验机构、接料机构以及电动机组成。
进料机构是持定量的健身球，以直线、间歇的运动过程进球；送料机构是在
往复直线运动过程中，运用曲柄滑块或者凸轮推杆是健身球能持续定量的进入工
作台相对应的小槽内，让健身球每6秒钟进入一个，使工作持续稳定进行；检验
机构是由上往下直径分别为42mm、44mm、47mm小槽，根据小球能通过而大
球不能通过的原理，健身球先通过直径为40-42mm的第一个孔，如果不能滚入，
则通过直径为42-44mm的第二个孔和直径为44—46mm的第三个孔，依次类推，
直至用检验机构来完成对所有球的检验和分离；接料机构是在运用接球通道将分
类掉下来球通过滚槽进入指定的装置，然后再用接球仪器将球接住。
2.3工艺流程图
进料机构
持定量健身球，以直线、间歇的进球
健
运用曲柄滑块或者凸轮推杆是健身
身
球
送料机构
球能持续定量的进入工作台相对应
检
的小槽内，让健身球每6秒钟进入
验
一个，使工作持续稳定进行
分
类
机
健身球间歇得掉下来，尺寸不同球将通
的
检验机构
工
过不同的小槽精确检验，直至完成检验
作
系
统
接料机构
运用接球通道将分类掉下来球通过
滚槽进入指定的装置
三、机械系统的选择
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机械系统通常由一般由原动机、传动装置和工作机（有时又称执行机构）
三部分组成如图２－１：
图2—1
1—减速器2—联轴器3—电动机
3.1电动机的选择
本健身球检验分类机原动件采用转速为1400r/min的交流电动机。
3.2传动机构的选择及比较
机械系统中的传动机构是把原动机输出的机械能传递给执行机构并实现
能量的分配、转速的改变及运动形式的改变的中间装置。
传动机构最常见的有齿轮传动、带传动、蜗杆传动等。
但是齿轮传动的制造及安装精度要求高，价格较贵，且不宜用于传动距离过大的场合。
蜗杆传动的传动比大，承载能力较齿轮低，常布置在传动系统的高速级，以获得较小的结构尺寸；同时，摩擦力大，发热大。
同时蜗杆传动在啮合处有相对滑动。
当滑动速度很大，工作条件不够良好时，会产生较严重的摩擦与磨损，从而引起过分发热，使润滑情况恶化，因而摩擦损失较大，效率低。
根据以上的分析比较，考虑减小噪声、振动等方面的要求的工作条件可以得到，在此采用带传动。
3.3执行机构的选择及比较
3.3.1送料机构
偏置曲柄滑块机构
所采用的进料机构如图3—1所示。
当小球不断的从进料槽中进入时，运用
偏置曲柄滑块机构，用滑块间歇的让球进入，以不至于无法控制球的进入，最终
球顺着右边的壁做自由落体运动,落在指定位置。
，
设计优点：
有急回特性，球的正下方有一个微小的凹槽，使球下落在槽内不
会自行滑动，且滑块将球推出后，滑块的后半部分能够堵住进料口，不会使球往
—5
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下落。
特点：
机构比较简单，比较容易设计制造。
并且其具有急回特性，回程时间较少，更能提高健身球检验装置的效率。
1——进料槽2——对心滑块机构
图3-1运动简图
3.3.2检料和接料机构
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。
特点：
衔接紧凑。
滑块1和滑块2之间实现统一一致。
效率高。
通过滑块2将健身球拖住，进行较正确，较精确地分类。
控制性好。
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。
图3-2运动简图
1——检料机构2——接料机构
综上考虑，在设计健身球检验装置的同时，我们还需要进行46个/min效
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率和整个装置的自然衔接的实现。
因而，检料机构需要较强的灵活性和很好的
间歇循环。
同时，还需要进行送料机构和检料机构的衔接。
所以，我们选择了
如图作为检料和接料机构。
四、健身球检验分类机工作原理及工艺动作流程图
4.1健身球检验分类机工作流程
将待测健身球放入料槽中
通过导管将料槽中的小球引入带凹槽的导轨中
电机通过变速器带动滑块1推动健身球
健身球在滑块1推动的作用下由导轨进入检料装置口
健身球由滑块2引入检料装置，并跟随滑块2缓慢向下移动，进入各自的合适的轨道中
不同类型的健身球沿各自的轨道进入不同的收集箱中
图4-1检验分类机工作流程图
4.2机械系统运动方案简图（大图见附录四）
—7
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图4—2健身球检验分类机运动方案简图
1,2——皮带轮3,4,5,6——直齿轮7，11——凸轮8,9,10——锥齿轮
12——连杆13——推杆14——滑轮15——料槽
五、机器基本组成应用与尺寸设计
5.1电动机
本健身球检验分类机原动件采用转速为1400r/min的交流电动机。
5.2减速器
—8
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图5-1减速装置
本分类装置采用图5-1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。
5.3传动装置
皮带传送
图5-2皮带减速机构
如图5-2所示为皮带减速机构，根据传动比的需要，本机构采用平带传动，够使机械的效率保持在在0.98--0.98之间，且寿命比V带长。
其基本原理是带
轮1连接原动件转速为n0960r/min的交流电动机，皮带2连接齿轮系中的齿
轮3，皮带1的半径为r1，皮带2的半径为r2，根据皮带传动原理有：
n1=n0
（1）
皮带1与皮带2的转速与半径成反比：
—9
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n1
=r2
（2）
n2
r1
齿轮系传动：
如图5-3所示，带轮2与齿轮3同轴传动，齿轮3与齿轮4啮合传动，齿轮4与齿轮5同轴传动，齿轮5与齿轮6啮合传动，齿轮6与直齿锥同轴连接，根
据齿轮系传动原理有：
n2n3
n3z4
n4z3
n4n5
n5z6
n6z5
由上式可得：
（3）
n6
=n0r1z3z5
（4）
r2z4z6
直齿锥齿轮：
图5-4锥齿轮啮合简图
如图5-4所示，直齿轮
6与直齿锥齿轮8、凸轮7（见图3-9）同轴传动，
直齿锥齿轮8与直齿锥齿轮
9垂直啮合，直齿锥齿轮
10与凸轮11同轴连接（见
附图），根据齿轮传动原理有：
n6=n8
（5）
n8=n9
（6）
n9=n10=n11
（7）
—10
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由凸轮7与直齿锥齿轮同轴传动有：
n7=n6（8）
根据提供的原动件转速为n0960r/min的交流电动机与课程设计要求，在
n0的前提下，设计机器的生产率为10个/min,设计的凸轮滑块结构实现凸轮转动
一圈完成一个健身球的检测（3.3.3），可以得到凸轮7的转速为：
n7
10
rad/s
10r/min
30
3
同时，齿轮4与齿轮7是同轴传动，故
n6
n7
rad
/s
3
则
n0
960
32rad/s
960r/min
30
根据公式（4）可以得出：
n6
r1z3z5
n032
r1z3z5rad/s
r2z4z6
r2z4z6
因此由上两式可以得出:
r1z3z5
1
r2z4z6
96
根据1比96的比例关系，我们选取适当的皮带轮半径和齿轮齿数
r1z3z51111
r2z4z628696
故我们得出:
r22r1,z48z3,z66z5
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
带轮1
带轮2
皮带轮直径（mm）
100
200
表3
各齿轮参数
—11
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模数（mm）
压力角（°）
齿数（个）
直径（mm）
分锥角（°）
齿轮3
2
20
20
40
/
齿轮4
2
20
160
320
/
齿轮5
2
20
20
40
/
齿轮6
2
20
120
240
/
直齿锥
2
20
80
160
90
8,9,10,11
一对齿轮与一对直齿锥齿轮啮合如图5-5
所示：
图5-5直齿轮、锥齿轮啮合简图
5.4凸轮机构
5.4.1凸轮机构
如图5-6所示，齿轮6与凸轮7同轴传动，凸轮7与杆13、滑块2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11的转速相同，设计滑块1将待测球推入检测装置的同时，滑块2在的
h1
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，检料装置的尺寸设计（见表4）。
—12
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图5-6
检料装置运动图
表4
检料装置料道尺寸
料道1
料道2
料道3
料道直径（mm）
42
44
47
凸轮运动带动滑块2向上升，经过大孔（47mm）中孔（44mm）及两层隔板（2mm），最终到达小孔（42mm）端口处时进行休止，总升程h1=96.4mm；
滑块接住球后进行回程，经过中孔（44mm）及一层隔板（2mm）到达中孔底端口处再次进行休止，此时滑块的运动位移为h2=49.7mm；h3为隔板厚度，取2mm，预留量为0.7mm；
杆长自定义为120mm，大于通道长。
根据凸轮运动规律，可以得到以下数据：
设置滑块轨道有关尺寸为：
h196.4mm
h249.7mm
h32mm
杆长为120mm
—13
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5.4.2凸轮的设计
凸轮基圆半径r0，角速度ω，设计该凸轮轮廓曲线。
由齿轮4与凸轮7同轴
传动有：
ω=rad/s
3
设计该凸轮的基圆半径r0，偏距e：
r080mme=30mm
滚子半径Rt=10mm
凸轮的各参数如图5-7所示（见附表一）
其动画演示如图5-9所示（见附录二）
根据凸轮的各参数以及运动循环和推程、回程规律，可得凸轮的运动分段如图
5-10（见附表二）
5.5检验装置与接料装置
图5-11检料装置图
—14
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在检料箱体中，滑块2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：
=10
5.6进料机构设计
5.6.1偏置曲柄滑块
图5-12进料机构简图
如图5-12所示，曲柄与直齿锥齿轮11同轴传动，直齿11与凸轮7具有相同的转速。
A到C的垂直距离为150mm，滑块的行程为C1C2=240mm，A点铰链固定后，AC1=188mm,AC2=384,根据公式得
AB=（AC2-AC1）/2=97.86mmBC=（AC2+AC1）/2=286.2mm
行程速比系数为K=1.4，根据公式得
极位夹角为θ=180度x（K-1）/（K+1）=30度。
5.6.2料槽装置
—15
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图5-13料槽装置简图
如图5—13所示为料槽结构，其中槽体的高度可根据待测球数量适度调整。
其中槽壁的倾斜角度对槽体和健身球的受力情况有较大的影响。
如果角度过
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
45。
5.7各机构的运动循环图
图5-14运动循环图
当滑块1将健身球刚好推入检料机构时，凸轮经过一个推程将滑块2推至料道1
位置，接住健身球。
然后，在这个位置进行0.5s的休止，使合适的健身球能够
进入料道1.不符合的健身球跟随滑块向下进行1s的回程运动，在料道再进行一
—16
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个0.5s的休止，使合适的小球进入下一个料道。
凸轮继续回程1.5s，使最大的小球进入最后一个料道。
在完成0.5s的休止后，小球滚入料道，然后完成整个过程后，凸轮将送滑块进入下一个循环。
六、偏置曲柄滑块的运动分析
6.1构件的基本尺寸
图6-1
运动分析示例曲线图如图6-4（见附表三）
—17
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七、方案分析与评价
7.1优点
（1）设计结构简单，能耗低；
（2）设计制造简单；
（3）减小了健身球之间的相互碰撞；
（4）传送带靠摩擦力工作，传动平稳，能缓冲吸震，噪声小。
7.2缺点
（1）由于机械机构简单，故精确度不高；
（2）不适合用于高速分类。
（3）进料装置上可能产生互卡。
7.3改进
（1）可使用振荡器，减小进料装置的互卡，但要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。
—18
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八、总结
经过一个周的课程设计是我深刻地体会到首次设计的艰辛。
课程设计的每一天，我从实践的过程中学到了一些理论无法学到的技能,领略到了处理专业技能问题的技巧,更深切的体会到人与人之间的那种相互协调合作的重要性，最重要的还是自己对一些问题的看法产生了良性的变化。
认识到在以后的工作学习中，动手能力是尤其的重要，只有那样才能会有更大的收获。
作为一名机械专业的学生，掌握一门或几门制图软件同样是必不可少的，在本次课程设计中，我学会了使用AutoCAD、PRO-E等三维制图软件。
用CAD制图方便简洁，易修改，速度快，我们的设计，平面图都是用CAD做出来的。
另外我们还用了凸轮设计软件和VB编程，这些对我们来说都是陌生的，我们在这过程中一边学习，一边应用。
这也是我作本次课程设计的第二大收获。
机械学作为一门传统的基础学科，内容丰富，涉及面广。
在新的历史条件下，机械学与电子电气、液压等多种学科，联系更为紧密，它的综合性更强。
所以我
们要学的还有很多，在日后要多关注这些方面的知识。
通过这次的设计，使我欲望最强的就是要先学好画图。
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最后真诚得感谢戴老师在寒冷的气候中过来真诚地指导我们，让我们学到一些操作知识，培养我们自己的动手能力！
九、参考文献
【1】孙恒，陈作模，葛文杰.机械原理【M】.7版，高等教育出版社，2009.
【2】牛呤岐，王保民，王振甫.机械原理课程设计手册，重庆大学出版社2006.
【3】吴建蓉.工程力学与机械设计设计基础.北京：
电子工业出版社，2007.
【4】裘建新.机械原理课程设计指导书.5版.北京：
高等教育出版社，2008.
【5】陆凤仪.机械原理课程设计.北京：
机械工业出版社，2002.
【6】哈尔滨工业大学理论力学教研组编.理论力学（第五版）.
—20
精选文档
北京：
高等教育出版社.1993
【7】陈秀宁.机械设计课程设计.浙江：
浙江大学出版社.1995
【8】王知行,刘延荣主编的《机械原理》.北京:
高等教育出版社,2000
附录一
凸轮类型
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凸轮的参数
附录二
—22
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凸轮动画演示
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凸轮运动分段图
结果计算
凸轮每点状态
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附表三
图6-4运动分析示例截图
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附表四
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