燕山大学医用棉签制造机机械原理课程设计.docx
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燕山大学医用棉签制造机机械原理课程设计
机械原理课程设计
说明书
学院：
机械工程学院
2012年07月13日
前言
随着社会主义经济的发展，我国社会主义医疗卫生水平逐步建全，医用棉签作为一种常用的医用工具，在医用消毒，取样等许多方面具有不可取代的地位，由于医用棉签需求量较大，传统的手工卷制棉签无法满足日益增长的需求量，为了提高工效采用卷棉机代替手工卷制棉签。
医用棉签卷棉机是基于卷棉机而衍生出来的一种新的机械产品。
它的适用范围为医院，医疗卫生行业，因为它灵活便捷，高效成本低，占地小，正被广泛使用。
它的出现是使传统的手工制作变为现代机械加工，它的设计根据实际生产和预先的数据以传送装置为核心，经过科学的计算和分析，设计。
选择了一套医用棉签卷棉机的传动设备，并设计了进棉，剪棉，送签，卷棉等一系列装置。
目录
一.医用棉签功能简介·····························5
二.医用棉签的总体设计···························5
2.1原始数据及设计要求···························5
2.2设计方法·····································5
2.3机械运动的拟定·······························5
三.各工艺动作方案的分析··························7
3.1送棉机构·····································7
3.2压棉机构·····································7
3.3揪棉机构·····································8
3.4送签机构·····································9
3.5卷棉机构·····································9
四.各构件的尺寸计算·························12
4.1送棉凸轮的尺寸计算··························12
4.2压棉凸轮的尺寸计算··························12
4.3揪棉凸轮的尺寸计算··························15
4.4送签机构的尺寸计算··························15
4.5行星轮系的尺寸计算··························16
4.6挡板的尺寸·································17
4.7曲柄滑块机构的尺寸计算······················17
4.8工作台尺寸··································18
五．典型机构的运动分析和动力分析·············19
5.1凸轮···································19
5.2曲柄滑块机构···························20
六.电机的选择··································21
七.减速器的设计································22
八.运动循环图··································22
九.心得体会····································22
十.参考文献····································31
一.医用棉签功能简介
针对目前医用棉签使用量大、质量要求高、生产效率低以及不合格率高等问题，我组设计了一款医用棉签制造机。
该机器较大的提高了棉签的生产效率及合格率，而且成本较低，构造简单，满足了社会对医用棉签的需求。
该机器按照传统的手工制签过程分为送棉、压棉、揪棉、送签及卷棉等五个机构。
其中送棉、压棉及揪棉均采用凸轮机构；采用漏斗送签，行星轮系卷棉机构。
生产出高质量的医用棉签。
二.医用棉签的总体设计
2.1原始数据及设计要求
1）棉花。
条状脱脂棉，棉宽15-20mm，自然厚4-5mm
2）签杆。
医院通用签杆，直径约3mm，杆长约70mm，卷棉部分约30-32mm。
3）生产率。
每分钟卷75支，每支卷取棉块长约30-32mm。
4）卷棉签机体积要小，重量轻，工作可靠，外形美观，成本低，卷出的棉签松紧适度。
2.2设计方法
用机器制棉签时，依照手工方式进行动作分解，可粗分为：
定量送棉、压棉、揪棉、送签和卷棉等工艺动作。
分析各工艺动作用何种
机构完成工作。
2.3机械运动的拟定
为达到其工艺动作要求，采用的分解动作机构及其工作原理如下:
1）送棉
将条状棉通过机构定时、适量送入压棉、揪棉机构。
输送的对象是柔软的棉花，如果采用直线送进方式，则送棉机构必须有持棉和直线、间歇、定长送进等功能。
持棉的方式可用带刺构件走直线轨迹定时把棉条拉向前进，走非直线段时从棉条中退出；也可采用两滚轮压紧棉条、对滚送进等方式。
前者在带刺构件脱出时，要把棉条压住；后者要实现间歇送进，需与间歇运动机构，如棘轮机构、槽轮机构或不完全齿轮机构等连接。
2）压棉
通过施加压力将蓬松的棉条挤压成规定尺寸。
因为其工艺流程要求其具有间歇性，因此可采用凸轮机构、曲柄机构等间歇性机构通过压块等实现压棉过程。
3）揪棉
用机器实现这个动作时，需要与压棉动作配合，可将条状棉原
料端压紧在固定面上，然后另一端既实现压紧又实现拉扯动作，前者称为压棉动作，后者称为揪棉动作。
为了方便揪棉动作的完成，可在压块两端侧各加一约2mm的刀刃，配合揪棉机构是棉条在规定位置断开，保证棉条的长度和紧实程度。
4）送签
当揪好的棉条送入卷棉机构中时，送签机构将单个签体送入指定位置，以进行卷棉处理。
送签机构选用漏斗送签，经带槽圆轮送到指定位置。
要使一堆签杆分成一根一根送至确定位置，采用一漏斗均匀送出签杆，为防止漏斗内签杆相互挤卡住，所以可适当使漏斗振动，或用其它方法使漏斗内签杆获得松动的机会，从而使签杆能顺利地漏出漏斗口。
为与行星轮系的卷棉机构配合，在落签位置加一推杆，将棉签推入行星轮孔处。
5）卷棉
当棉条和棉签送到相对位置时，通过棉签的自转将棉条卷起。
棉签的自转可通过相对摩擦引起或将棉签固定在行星轮上使其自转。
三.各工艺动作方案的分析
3.1送棉机构
条状棉通过双滚轮送入轨道，双滚轮为1/4圆周主动凸轮与圆盘组成。
凸轮连续转动，但与圆盘仅有1/4的接触面，所以机构可以将电机的连续运动转化为间歇运动，且具有较高的机械效率以产生间隙运动。
两轮间留有间隙以使棉条在摩擦力作用下送入，实现定比定量送棉
优点：
机构可将电机的连续转动化为间歇性运动。
1.凸轮2.圆盘
3.2压棉机构
凸轮做主动轮实现间歇压棉。
优点：
能实现间歇式压棉动作，时间容易控制。
1.凸轮（主动件）2.弹簧3.推动推杆4.棉条
3.3揪棉机构
该揪棉机构需要与压棉机构相互配合工作，在压棉状态下，揪棉机构中1/4圆周凸轮与凸轮2接触滚动实现揪棉。
优点：
能压紧棉条，便于揪棉。
1.1/4圆周凸轮2.凸轮
曲柄机构下压紧剪刃，切断棉条，实现揪棉。
缺点：
剪下的棉条不够松软，很难被棉签卷起。
3.4送签机构
漏斗口限制签杆只能一根一根地通过，再由漏斗口下的输送构件卷轮将签杆一根一根地送走。
1.漏斗2.棉签送给轮3.挡环
优点：
具有确定性，卷棉稳定。
3.5卷棉机构
通过行星轮系的行星轮和棉签固定实现棉签的自转和公转，来完成卷棉动作。
优点：
动作有确定性，卷棉稳定。
缺点：
结构复杂，配合要求高。
注：
在总体方案上，为方便送签机构与卷棉机构的连接配合，增加一曲柄滑块机构，其目的是将棉签推进行星轮中，使其和行星轮一起自转卷棉。
送签卷棉装配图如下图所示：
左视图:
轴测图：
等轴测图：
四．各构件的尺寸计算
4.1送棉机构凸轮的尺寸计算
因为棉宽为15-20mm，所以凸轮一的厚度为20mm。
通过1/4凸轮与圆轮摩擦传动达到送棉的目的，所以有
π/2×r=30（5-1）
得r=60/π=19.11mm（将半径定为20mm）
注：
r为1/4凸轮出的半径，3/4处半径为15mm
假设周期是0.8s可得公式
1×V=2πr（5-2）
得V=150mm/sω=7.85rad/s
4.2压棉机构凸轮的尺寸计算
设定凸轮二压棉0.4s，结合凸轮一的运动情况，得到凸轮二的推程、回程及近休止时间共为0.4s，其周期为0.8s。
经分析推杆的移动过程，设定凸轮二的近休止角δ1为60度，推程运动角δ2及回程运动角δ3皆为60度，远休止角δ4为180度。
推程h为50mm.
根据从动件运动规律特性比较，属于中速轻载，选择等加速等减速运动规律，其运动方程式如下：
1）推程等加速段：
S=2hδ×δ／（δ2×δ2）
V=4hωδ/（δ2×δ2）
a=4hω×ω/（δ2×δ2）
2）推程等减速段：
S=h-2h（δ2-δ）×（δ2-δ）/（δ2×δ2）
V=4hω（δ2-δ）/（δ2×δ2）
a=-4hω×ω/（δ2×δ2）
同理可得回程阶段从动件等加速等减速运动方程式为
S=h-2h（δ×δ）/（δ3×δ3）
V=-4hωδ/（δ3×δ3）（等加速阶段）
a=4hω×ω/（δ3×δ3）
S=2h（δ3-δ）×（δ3-δ）／（δ3×δ3）
V=4hω（δ3-δ）/（δ3×δ3）（等加速阶段）
a=4hω×ω/（δ3×δ3）
图解法设计：
S与δ的关系如下表所示：
δ
0
6
12
18
24
30
36
42
48
54
60
S
0
1
4
9
16
25
34
41
46
49
50
S与δ曲线
4.3揪棉凸轮的尺寸计算
为使揪下的棉条送入后面的卷棉机构，所以揪棉机构凸起部分将运行0.2s，凸轮的整个周期为0.8s，所以凸起部分为1/4圆周。
4.4送签机构的尺寸计算
因为漏斗要实现棉签的单个分离，所以漏斗口为宜细长矩形。
其宽为3.5mm，厚度为72mm。
下端圆轮开一个宽为3.5mm,厚为80mm的槽。
圆轮的转动周期由前面机构推算出T=0.8s。
因其要与后行星轮系配合其半径计算为85mm。
4.5行星轮系的尺寸计算
齿轮厚度均为40mm行星架的周期为0.8s
其中ha*=1,c*=0.25
表5-1齿轮数据
模数
m
齿数
z
半径
r
齿顶高ha
齿根高hf
齿距
p
齿厚
S
齿槽厚e
小太阳轮
2
70
70
2
2.5
6.28
3.14
3.14
大太阳轮
2
100
100
2
2.5
6.28
3.14
3.14
行星轮
2
15
15
2
2.5
6.28
3.14
3.14
小太阳轮大太阳轮行星轮
4.6挡板的尺寸
通过之前送棉机构将棉条送至挡板的工作台上，工作台上留出一个3.5*25mm的孔供固定于行星轮上的棉签头通过，保证棉条可以固定于棉签头。
挡板内圆半径86.5mm，恰于棉签相切，棉条贴于内圆表面随行星轮上的棉签滑动，完成卷棉。
4.7曲柄滑块机构的尺寸计算
有曲柄条件a≤b。
已知参数H=70mm,e=0。
用解析法设计曲柄滑块机构。
以知参数φ1=0°,x1=115,
φ2=180°,x2=45。
（X-acosφ）2+（e+asinφ）2=b2;
（1）
将φ1=0°,x1=115；
φ2=180°,x2=45；
带入
（1）得a=35,b=80.
求得最小传动角γ=68°≥40°，符合传动要求。
由生产效率75/min,可得T=0.8s，w=2.5π。
滑块与推杆通过转动轴承相连，以保证推杆一端始终在行星架的棉签槽内并随同行星架的转动在槽内做往复运动，完成将签杆由槽推入行星轮中。
4.8工作台尺寸
工作台长120mm，宽30mm，台面上开一个20*6mm的孔，和一个20*3mm的半孔，以便送棉机构和揪棉机构实现送棉和揪棉。
五．典型机构的运动分析和动力分析
5.1凸轮
凸轮的S与δ曲线
s-t曲线
5.2曲柄滑块机构
速度瞬心法作机构的速度,加速度分析：
Vc=Vb+Vcb
方向：
∥AC⊥AB⊥BC
大小：
?
w*AB?
ac=ab+acb
方向：
∥AC∥AB∥BC
大小：
?
w*w*AB?
软件分析：
图6-3
六.电机的选择
由于该医用卷棉机功率小、载荷低、体积和转速也很小，所以选择的电动机功率和转速都不宜过大。
故选择Y系列（IP44）封闭式三相感应电动机Y90S—6，其额定功率P=0.75KW，满载时转速n=910
。
七.减速器的设计
该棉签卷棉机生产效率初步定为75根/min,即驱动轴转速为75
，因为选电动机满载时转速n=910
，所以所设计的减速器的传动比i=910/75=12.1，因此设计传动比为12，二级圆柱直齿轮减速器。
八.运动循环图
卷棉
送签
装配图如下图所示：
主视图：
左视图：
三维等轴测图：
说明：
途中红色零件为主动件，绿色零件为从动件，灰色部分为机架。
九.心得体会
十.参考文献
《机械设计手册》轮系、齿轮传动------机械设计委员会
《间歇运动结构设计与应用创新》-----邹慧君殷鸿梁
《机械原理》———安子军主编
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