糕点切片机课程设计.docx
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糕点切片机课程设计
一、设计任务和要求
（一）设计题目：
糕点切片机
（二）设计任务
试设计一机构实现糕点的切片，切片厚度可调整。
（三）设计要求
机构的一些尺寸：
糕点规格：
长20~80mm;
宽<300mm;
高10~20mm;
切到工作节拍：
40次/分
主要设计要求是：
（1）通过调整进给的距离，达到切出不同厚度糕点的需要。
（2）要确保进给机构与切片机构协调工作，全部送进运动应在切刀返回过程中完成，输送运动必须在切刀完全脱离切口后方能开始进行。
二、设计方案
切刀的往复直线移动可采用连杆机构、凸轮机构、齿轮齿条、组合机构等；
糕点的直线间歇运动可选择连杆机构、齿轮机构、凸轮机构、棘轮机构、槽轮机构等。
1、实现切刀往复运动的机构
方案一：
如上图所示，为一直动导杆机构，可利用杆3的往复运动来实现切刀的上下往复运动。
方案二：
如上图所示，为一几何封闭凸轮机构。
可利用构件1绕A点做偏心转动来实现切刀的往复运动。
方案三：
如上图所示，为一偏执曲柄滑块机构，可利用它实现切刀的往复运动。
机构运动方案的选择和评定
方案一：
动副均为低副，两运动副元素为面连接，压强较小，可承受较大的载荷，且几何形状简单，便于加工。
而且连杆上各点的轨迹是各种不同形状的曲线，气形状随着各构件相对长度的改变而改变，从而可以得到形式众多的连杆曲线，可以这些曲线来满足不同曲线的设计要求。
此机构虽有上下往复运动，但她并没有机会运动特性。
不能够实现切刀下切速度慢而收回速度快的特性，也不能够很好的缩短空程的时间，影响效率。
方案二：
只要适当的设计出凸轮的轮廓曲线，就可以使推杆得到各种预期的运动规律，而且机构简单紧凑，可承重较大，运动平稳。
但是凸轮廓线与推杆之间为点、线接触，易磨损。
切没有急回特性，不能够实现切刀下切速度慢而收回速度快的特性，也不能够很好的缩短空程的时间，影响效率。
方案三：
此机构急回特性。
结构简单。
具有连杆机构的共同优点，可承受较大的载荷，运动副元素的几何形状简单。
改变个机构件的相对长度来使从动件得到预期的运动规律。
此机构具有连杆机构的共同缺点，机械效率降低，这是连杆机构所不能避免的。
方案设计的创新改进措施:
1.开始构思方案时,考虑到在以后的生活和生产中,自动化是必然的趋势，因此设计的机构要尽量满足自动化的要求。
此机构的运作是切糕点与送糕点,切的时候糕点不能动,没有切的时候,糕点要运动并前进一定的距离到达指定位置.为了实现切的动作,开始想到采用凸轮机构,来实现刀的往复运动,用凸轮可以很好的控制刀的运动,实现最优的运动轨迹,可是凸轮的设计和制造比较复杂，且不能传递较大的力,而且切糕点也不需要那么高的精度。
于是考虑用曲柄滑块机构,曲柄滑块机构一样可以实现刀的往复运动,可传递较大的力,能满足设计要求,而且其机构简单，加工制造方便，能减少生产成本，于是确定用曲柄滑块机构。
2.对于蛋糕的传送,既要满足间歇运动的要求,又能通过改变进给距离而切出不同厚度的糕点。
刚开始试想用了槽轮机构,但糕点切片机要求可以改变所切糕点长度的,如用槽轮机构的话,很难实现改变切片的长度,想到用齿轮组减速器改变速度来实现。
用许多齿轮来改变速度很复杂且不太方便操作,于是否定了这个方案。
经过查资料后，决定选择了棘轮机构。
用棘轮机构可以方便的实现改变切片的长度。
且棘轮机构设计加工简单，改变切片的长度时操作方便。
三、机构运动简图
四、机器的工作原理
糕点先成型（如长方体、圆柱体等）经切片后再烘干。
糕点切片机要求实现两个动作：
（a）糕点的直线间歇移动
（b）切刀的往复运动
通过两者的动作配合进行切片。
改变直线间歇移动速度或每次间歇的输送距离，以满足糕点的不同切片厚度的需要。
如机构运动简图所示,电动机经皮带和齿轮系减速后，达到40转/分。
再用棘轮机构连接一皮带组成糕点的进给机构，并满足间歇运动的要求，且在棘轮外加装一个棘轮罩，用以遮盖摇杆摆角范围内的一部分棘齿。
这样，当摇杆顺时针摆动时，棘爪先在罩上滑动，然后才嵌入棘轮的齿间来推动棘轮转动。
被罩遮住的齿数越多，棘轮每次转过的角度就越小，从而改变进给的距离。
同时通过另外一组皮带轮带动曲柄滑块机构运动（滑块上带切刀），实现糕点的切片。
间歇运动机构与切刀运动机构工作协调。
由于每一次切的过程都一样,从而使每一片糕点的大小都一样。
而通过改变进给的距离，可调整切片的厚度。
五、有关参数计算
（一）减速系统设计
电动机选用功率0.55KW,其转速为1390r/min,但所需要的转速是40r/min,所以要减速。
对于减速装置则采用皮带加齿轮的方法。
第一级降速是用皮带减速,减为240r/min。
第二级是用齿轮减为40r/min。
两传动机构设计分析如下：
1、皮带传达设计：
皮带传动设计主要是采用两个半径不相同的皮带轮实现。
由于皮带上线速度相等，由R动*ω动=R皮*ω皮，
1390*R动=240*R皮；
R动/R皮=24/139；
因此选R动=24mm，R皮=139mm，由此可见算出电动机上皮带轮直径大小D动=48mm；另一端皮带轮直径大小D皮=278mm。
传动比i=139/24.
2、齿轮系的设计
经皮带减速后的转速为240r/min,而所要的转速是40r/min。
因此还需要的传动比为i=ω动/ω皮=240/40=6/1,选用的齿轮参数如下图所示：
名称
齿轮12
齿轮22
齿轮32
齿轮42
齿数z
25
50
25
75
模数m（mm）
6
6
6
6
分度圆d（mm）
150
300
150
450
齿顶高系数ha’
1
1
1
1
顶隙系数c’
0.25
0.25
0.25
0.25
传动比i=z22*z42/（z12*z32）=6/1；自由度F=3*3-2*3-2=1.
（二）执行系统机构设计
1、曲柄滑块机构设计：
此机构主要是执行切刀的上下往复运动,其自由度F为1=3*3-2*4。
由于所切糕点的厚度最大为20mm,所以切刀在20mm之上运动时,糕点才能运动。
为了给糕点足够的传送时间,设计刀的行程为60mm,即曲柄长30mm；刀的高度设为35mm。
考虑到卫生问题,刀不能缩到滑块的轨道里去,所以设计滑块的长度为94mm,使刀片刚刚好在轨道口外面；又设计连接杆的长度为80mm。
这样曲柄滑块机构的高度比较高,所以采用皮带传动。
又切刀应能刚好切断糕点,综合曲柄滑块和棘轮机构的尺寸,我们得出曲柄滑块机构和棘轮机构轴心距为257mm。
所以曲柄滑块机构的尺寸为:
曲柄长30mm;连接杆长80mm;滑块长94mm;刀片高35mm;皮带轮的半径为25mm皮带长1.5m;曲柄滑块机构和棘轮机构轴心距为257mm。
当曲柄滑块机构运动到OA1B1时，C1点为机构运动的最高点；当曲柄滑块机构运动到OA2B2时，C2点为刀片刚好接触到糕点；当曲柄滑块机构运动到OAB时，C点为机构运动的最低点，即刚好切断糕点，并准备开始往上运动。
因皮带轮的转速为40次/min，因此曲柄滑块机构的周期T为1.5s=60/40s。
∠A2OA为曲柄滑块机构切糕点的时间，经过计算∠A2OA=71°，因此曲柄滑块机构切糕点的时间t为0.3s=（71°/360°）*1.5s,所以曲柄滑块机构没有且糕点的时间t为1.2s=1.5-0.3s。
当曲柄滑块机构运动到B2时，速度和加速度分析如下图所示：
2、棘轮机构设计：
①棘轮的几何尺寸
棘轮参数
取值
齿数z
24
模数m（mm）
5
顶圆直径da（mm）
100
齿间距p（mm）
15.7
齿高h（mm）
3.75
齿顶弦长a（mm）
5
棘爪工作面长度a1（mm）
3
齿偏角α（度）
20°
棘轮宽b（mm）
10
棘爪长度L（mm）
31.4
棘爪斜高h1、齿斜高h’
h1=h’≈h/cosα=3.99
棘轮齿根圆角半径rf（mm）
rf=1.5
棘爪尖端圆角半径r1（mm）
r1=2
棘轮机构主要是执行糕点的进给运动,每一次的运动距离就是所切糕点的长度。
为了更好的控制和改变这个长度,设棘轮每转动一定角度,糕点运动20mm,设棘轮共有24个齿,既每齿代表15度。
于是一共有四档,即20,40,60,80mm,也就是说棘轮转动15,30,45,60度。
对于棘轮的转动,设计一个曲柄摇杆机构推动棘轮旋转。
于是棘轮的旋转角度就可以转化为摇杆的摆角。
即15,30,45,60度。
在棘轮外加装一个棘轮罩，用以遮盖摇杆摆角范围内棘轮上的一部分齿。
这样，当摇杆顺时针摇动时，棘爪先在罩上滑动，然后才嵌入棘轮的齿槽中推动其转动。
被罩遮住的齿越多，则棘轮每次转动的角度就越小。
棘轮罩设置四个转角分别为15，30，45，60度。
在摇杆上装一个棘爪,棘爪推动棘轮旋转,棘轮上再固定一个皮带轮用以带动皮带旋转。
由运动距离可以得出皮带轮的直径为50mm,皮带长1.0m，这样棘轮就设计完了。
2曲柄摇杆机构的几何参数
摆角ψ为60°，取O5B1的长度为100mm，K为2，则极位夹角θ为30°=180°/（1+k）
作∠B1B1’P，使∠B1B1’P=90°，∠B1’B1P=90°-θ=60°,∠B1PB1’=30°.作rt∆B1B1’P的外接圆,则圆弧B1PB1’上任一点O4至B1和B1’的连线的夹角都等于极位夹角θ，所以曲柄轴心O4应在此圆弧上，有附加条件和连续传动条件，确定O4点，则曲柄，连杆长度：
O4B1=b+a;O4B1’=b-a.求出b=150mm,a=30mm.因此曲柄摇杆机构的尺寸如下：
曲柄长：
30mm；连杆长：
150mm；摇杆长：
100mm;机架：
100mm.
自由度F=3*3-2*4=1。
推动棘轮的曲柄摇杆机构的行程速比系数为：
k=2；又工作周期为1.5秒，则摇杆推程时间为：
0.75秒，回程时间为：
0.75秒。
因此，切刀在0.75秒的时间内不能接触糕点（最大厚度为20mm）,而在0.75秒的时间里切刀应完成切糕点的动作并离开糕点表面，即切刀在糕点外运动的时间应大于0.75秒。
据此验证切刀的曲柄滑块机构的尺寸，计算得切刀在20mm以上的高度运动时间为1.2秒，满足设计要求。
六、设计小结
机械原理课程设计是我们机械类专业学生第一次较全面的机械设计训练，是机械原理和机械设计课程重要的综合性与实践性环节。
（1）通过这次机械原理课程的设计，综合运用了机械原理课程和其他有关先修课程的理论，结合生产实际知识，培养分析和解决一般工程实际问题的能力，并使所学知识得到进一步巩固、深化和扩展。
（2）学习机械设计的一般方法，掌握通用机械零件、机械传动装置或简单机械的设计原理和过程。
（3）进行机械设计基本技能的训练，如计算、绘图、熟悉和运用设计资料（手册、图册、标准和规范等）以及使用经验数据，进行经验估算和数据处理等。
（4）同时也是自己意识到了我们所存在的不足与缺点，在以后的学习、生活和工作中，我们会积极改正。
参考资料
（1）《机械设计课程设计手册》吴宗泽罗圣国主编高等教育出版社
（2）《机械原理》（第七版）孙桓陈作模葛文杰主编高等教育出版社
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