步进送料机

设计题目：步进送料机

专业班

设计者：

指导教师：

2010年12月20日

目录

第1章课程设计内容 (1)

1.1设计题目 (1)

1.2设计任务 (1)

1.3设计提示 (1)

第2章主要设计过程 (2)

第3章工作原理 (2)

3.1工作原理 (2)

3.2工艺参数的确定 (2)

3.3传动方案的比较 (3)

3.4动力源的选择及确定 (5)

3.5执行机构的选择及确定 (6)

第4章分结构分析 (7)

4.1直齿齿轮分析 (7)

4.1.1精度分析 (8)

4.1.2受力分析 (9)

4.1.3载荷分析 (10)

4.2 带传动分析 (11)

4.2.1 带传动受力分析 (12)

4.2.2 带传动的传动比 (12)

4.3.一级蜗杆蜗轮减速 (13)

4.3.1 计算总传动比和各级传动比的分配 (14)

4.3.2.计算传动装置的运动和动力参数 (15)

4.4轴的分析 (16)

第5章步进送料机结构简图 (16)

第6章运动循环图 (17)

第7章参考书籍 (18)

一、设计题目

设计某自动生产线的一部分——步进送料机。如图（3–1）所示，加工过程要求若干个相同的被输送的工件间隔相等的距离a，在导轨上向左依次间歇移动，即每个零件耗时t1移动距离a后间歇时间t2。考虑到动停时间之比K=t1/t2之值较特殊，以及耐用性、成本、维修方便等因素，不宜采用槽轮、凸轮等高副机构，而应设计平面连杆机构。

具体设计要求为：

1、电机驱动，即必须有曲柄。

2、输送架平动，其上任一点的运动轨迹近似为虚线所示闭合曲线（以下将该曲线简称为轨迹曲线）。

3、轨迹曲线的AB段为近似的水平直线段，其长度为a，允差±c（这段对应于

工件的移动）；轨迹曲线的CDE段的最高点低于直线段AB的距离至少为b，

以免零件停歇时受到输送架的不应有的回碰。有关数据见表1.1

4、在设计图中绘出机构的四个位置，AB段和CDE段各绘出两个位。需注明机构的全部几何尺寸。

方案号 a c b t1 t2

/mm /mm /mm /s /s

F 400 20 55 2 4

1.2设计任务

1. 步进送料机一般至少包括连杆机构和齿轮机构二种常用机构。

2. 设计传动系统并确定其传动比分配。

3. 图纸上画出步进送料机的机构运动方案简图和运动循环图。

4. 对平面连杆机构进行尺度综合，并进行运动分析；验证输出构件的轨迹是

否满足设计要求；求出机构中输出件的速度、加速度；画出机构运动线图。

5. 编写设计计算说明书。

1.3．设计提示

1. 由于设计要求构件实现轨迹复杂并且封闭的曲线，所以输出构件采用连杆

机构中的连杆比较合适。

2. 由于对输出构件的运动时间有严格的要求，可以在电机输出端先采用齿轮

机构进行减速。如果再加一级蜗杆蜗轮减速，会使机构的结构更加紧凑。

3. 由于输出构件尺寸较大，为提高整个机构的刚度和运动的平稳性，可以考

虑采用对称结构（虚约束）。

二、步进送料机的主要设计过程

三、工作原理

3.1工作原理

图5-1为一种步进送料机的原理图。电动机通过传动装置驱动滑架往复移动，工作行程时滑架上的推爪推动工件前移一个步长，当滑架返回时，由于推爪与轴间有扭簧，推爪得以从工件底面滑过，工件保持不动，当滑架再次向前推进时，推爪已复位，向前推动新的工件前移，前方推爪也推动前一工位的工件前移。其传动装置常使用减速器，有时也用其它传动装置。

3.2工艺参数的确定

图(3-1)

a=300mm b=20mm c=50mm 1t =1s 2t =2s

其中 a 为AB 段长度 允公差 c b 为轨迹曲线的CDE 段的最高点低于直线段

AB 的距离 每个零件耗时1t 移动距离a 后间歇时间2t K ＝12

t

t =1/2

3.3传动方案的比较

传动机构：

齿轮传动：优点传动比准确，外廓尺寸小，功率高，寿命长，功率及速度范围广，适宜于短距离。缺点制造精度要求高。主要用于传动。

带传动：优点中心距变化范围广，可用于长距离传动，可吸振，能起到缓冲及过载保护。缺点有打滑现象，轴上受力较大。常用于传动链的高速端。

连杆传动：优点适用于宽广的载荷范围，可实现不同的运动轨迹，可用于急回、增力，加大或缩晓行程。缺点设计复杂，不宜高速度运动。既可为传动机构又可做为执行机构。

凸轮机构：优点能实现各种运动规律，机构紧凑。 缺点易磨损，主要用于运动的传递。主要用于执行机构。

鉴于传动机构的特点，我们小组提出了四种方案：

方案1：采用凸轮摇杆机构

该凸轮机构虽然能实现工件的移动，但不满足设计要求的输送爪的运动轨迹，所以该方案舍弃。

方案3：采用齿轮与齿条的配合

3.4动力源的选择

机械设备中应用的动力源主要是电、液、气动装置。因此原动机有电动机、液压马达、气压马达、直线油缸及气缸等.电动机应用最广泛.。根据实际要求可

适当变换，根据本地区实际情况采用电动机

1）选择电动机的类型

按工作要求和条件选取Y 系列一般用途全封闭自扇冷鼠笼型三相异步电动机。

2）选择电动机容量

电动机输出功率： a w

P d P η=kw

工作机所需的功率： kw FV

P w 1000

=

所以 a

FV

d P η1000=kw

由电动机至工作机之间的总效率：

5434

21ηηηηηηη=a

其中1η 2η 3η 4η 5η 6η分别为联轴器，轴承，窝杆，齿轮，链

和卷筒的传动效率。

查表可知1η=0.99（弹性链轴器）2μ=0.98（滚子轴承）3η=0.73单

头窝杆）4η=0.90铸造的开式齿轮传动）5μ=0.96（滚子链）6η=0.96（卷筒） 所以：55.096.096.090.073.098.099.04==x x x x x a η p=1420

28.9/min 49.1

m w n i r n === 3）确定电动机转速

卷

筒轴的工作转速为

60*100060*1000*0.9

49.1*350

V nw D ππ=

==r\min

在这个范围内的电动机的同步转速有1000r/min 和

1500r/min,2800r/min.三种传动比方案，综合考虑电动机和传动装置的情况来确定最后的转速，为降低电动机的重量和成本，可以选择同步转速1500r/min 。根据同步转速查表10-100确定电动机的型号为Y90L1-4。

3.5执行机构的确定

方案1：带传动：

四、部分结构解析

4.1 直齿齿轮分析

我们都知道齿轮传动是应用极为广泛的传动形式之一。其主要特点时：能够传递任意两轴间的运动和动力，传动平稳、可靠，效率高，

寿命长，结构紧凑，传动速度和功率范围广。但是，齿轮需要专门设备制造，加工精度和安装精度较高，且不适宜远距离传动。本设计中的变速

图（4-1）

在此，我们进行有关变速箱3中齿轮的各项分析。包括精度、受力、载荷、齿面接触疲劳强度、齿根弯曲疲劳强度等。

4.1.1精度分析

我们都知道齿轮传动的工作性能、承载能力及使用寿命都与齿轮的制作精度有关，精度过低将影响齿轮传动的质量和寿命，而且精度过高又会增加制造成本。因此在设计齿轮传动时，应根据工作情况合理选择齿轮的精度。

国家标准《渐开线圆柱齿轮精度》和《锥齿轮精度》中规定，将影响齿轮传动的各项精度指标分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三个公差组。各公差组对传动性能的影响如下。

（1）第Ⅰ公差组精度等级用于限制齿轮在一转内其会转角误差不得超过某一限度，以保证运动传递的准确性。

（2）第Ⅱ公差组精度等级用于限制传动时瞬时传动比的变化不得超过某一限度，以减少冲击、震动和噪声，使运动传递平稳。

（3）第Ⅲ公差组精度等级用于保证相啮合的两齿面接触良好，载荷分布均匀。

标准中还规定齿轮精度分为12个等级，第一级最高，第12级最低。一般机械中常用的精度等级为6～9级。

齿轮的精度等级应根据传动的用途、使用条件、传动的功率、圆周速度及其他技术要求规定。选择时，先根据齿轮的圆周速度确定第Ⅱ公差组的精度等级（见表4-1），第I公差组精度等级可比第Ⅱ公

差组精度等级低一级或同级，第Ⅲ公差组精度等级不能低于第Ⅱ公差组精度等级。

在此，根据我们的设计“步进送料机”的特点：齿轮强度高、转速低、传动稳，应选取精度等级为9级、圆周速度为≤3的齿轮。

4.1.2 受力分析

图4-2（a）所示为一对标准直齿轮圆柱齿轮在标准中心距安装条件下的受力情况。在分析齿轮传动受力时，用齿宽中点的集中力代替沿齿宽的分布力，并忽略摩擦力。当转矩T1由主动轮1传递给齿轮2时，齿轮间的作用力是沿着啮合线作用在齿面上的，此力的方向即为齿面在该点的法线方向，故称为法向力F n。为了便于分析，在节点处将F n分解为两个互相垂直的力，图4-2（b）表示出作用于齿轮1上的法向力F n的分解情况：与分度圆相切的圆周力F t和沿半径方向作用的径向力F r。

(a)(b)

图4-2 直齿圆柱齿轮传动的作用力

1

1

2tan cos t r t t

n T F N d F F N F F N αα?=

???

=???

=??

圆周力

径向力法向力 （4-1）

式中： T 1为主动轮传递的转矩，即()6

111=9.5510P /n N mm T ?

其中， P 1为主动齿轮传递的功率（kW ），n 1为主动齿轮的转速（r/min ）； d 1为主动齿轮的分度圆直径500（mm ）；α为分度圆的压力角30度。 解得：Ft=38200N Fr=22055N Fn=44110N

作用在主动轮和从动轮上的各对力等值反向。各分力的方向为：①主动轮上的圆周力F t 1是阻力，它与主动轮的回转方向相反；从动轮上的圆周力是F t 2驱动力，它与从动轮的回转方向相同；②两齿轮的径向力F r1、F r2分别指向各自的轮心。

4.1.3 载荷分析

按式（4-1）计算的F t 、F r 和F n 均是作用在齿轮上的名义载荷。在实际工作中，还有考虑多方面因素的影响，①由于原动机或工作机的工作特性不同，其振动和冲击也不相同；②由于齿轮的制造误差，两齿轮啮合的基圆不会完全接触，使得瞬时速度比变化而产生动载荷；③由于齿轮安装时的误差，或轴因受弯矩产生弯曲变形、受转矩产生扭转变形等原因，使得载荷沿齿宽方向分布不均匀，如图（4-3）。当齿轮相对轴承不对称布置，或载荷集中现象严重时，综合考虑轴弯曲和扭转变形的影响。非对称布置时，齿轮远离转矩输入端会使载荷分布不均匀现象得以缓和。

图（4-3）齿轮载荷沿齿宽分布不均匀性

考虑以上因素，应将名义载荷乘以阻碍和系数，修正为计算载荷。进行齿轮的强度计算时，按计算载荷进行设计，与法向力对应的计算

载荷为

式中：K为载荷系数，按表4-2选取。

表(4-2) 载荷系数K

工作机械的载荷特性

原动机

均匀中等冲击较大冲击电动机 1.0～1.2 1.2～1.6 1.6～1.8

4.2 带传动分析

4.2.1带传动受力分析

由于带传动以初拉力F0张紧地套在两个带轮上，在F0的作用下，带与带轮

的接触面上产生正压力。未工作时，带两边的拉力相等，且都等于F0，如图（4-4）。当工作时，主动轮对带的摩擦力F f与带的运动方向相反。所以主动边（即下边）被拉紧，拉力又F0增加到F1；从动边（即上边）被放松，拉力由F0减少到F2，

如图（4-5）。此时，即形成了紧边和松边。其中，F1称为紧边拉力，F2称为松边

拉力。如果近似认为带在工作时的总长度不变，则带的紧边拉力的增加量应等于

松边拉力的减少量，即

F

- F0 = F0 - F2

1

或

F

+ F2 = 2F0

1

图（4-4）

图（4-5）

在图（4-5）中，取绕在主动轮上的带为分离体，若主动轮的直径为D 2,按力矩平衡条件可得

带传动传递的功率为

由以上的式子可知，若带的速V 不变，传递的功率P 取决于带与带轮之间的摩擦力F f 。当初压力F 0一定且其他条件不变时，摩擦力F f 有一个极限值，这就是带所能传递的最大有效拉力。当摩擦力达到极限时，带的紧边拉力F 1与松边拉力F 2的关系可用摩擦的Eluter 公式表示，即：

式中： e ———— 自然数的底，e 约等于2.718；

? ———— 摩擦因数（对于V 带，用当量摩擦因数?v ）；

α 1 ———— 带与小带轮接触所对的圆心角，称为包角，单位为：rad 。

由图（4-4），可得带在带轮上的包角为

21

121

2-18060-18060o o o o D D a

D D

a

αα≈-?

≈+?

整理后，可得出带所能传递的最大有效拉力F emax 为

由以上公式可知最大有效拉力F emax 与初拉力F 0，包角α和摩擦因数?有关。

4.2.2带传动的传动比

任何传动构件都牵涉到传动比的问题，带动轮也不例外，但由于带动轮中

带是柔性的而不是刚性的，而且是依靠其与摩擦力来进行传动的，所以又具有一定特殊性，通常都会牵涉到带的弹性滑动和打滑问题，下面对其进行适当的分析。 带是弹性体。在传动过程中，由于受拉力而产生弹性变形，但由于紧边和送边的拉力不同，因而弹性变形也不同。

如图（4-6）所示，当紧边在A 1点上绕上主动轮转动时，其所受的拉应力为

F 1，此时带的线速度V 和主动轮的圆周速度V 1相等。在带由A 1到B 1点的过程中带所受到的拉力由F 1逐渐降到F 2，带的弹性变形也就随之逐渐变小，因而带沿带轮传动是一边绕进，一边后缩，所以带的速度便逐渐过度到低于主动轮的圆周速度V 1。这就说明带在绕主动轮边缘的过程中，带与主动轮边缘发生了相对滑动。同理，相对滑动也发生在从动轮上，但情况恰恰相反，带在绕过从动轮时，拉力由F 2增加到F 1，带的弹性变形也就随之逐渐变大，因而带沿带轮传动是一边绕进，一边伸长，所以带的速度便逐渐过度到高于从动轮的圆周速度V 2，亦即带与从动轮间也发生了相对滑动。这就是带传动正常工作时固有的特性，也是不可避免的。

弹性滑动引起的后果是：从动轮的圆周运动产生了速度损失；降低了传动效率增加了带的磨损，使带的温度升高，减少了带的寿命；

图（4-6）

其降低率用滑动率ε表示，即

1212

11

100%100%d d d d d v v v d ε--=?=? 所以，带传动的传动比为

12

21(1-)

n D i n D ε=

= 带传动的滑动率一般为ε=0.01～0.02。由于ε数值较小，对运动的准确性要

求不高时，可忽略。在本设计中我们采用ε=0.01时较合适.。

i=30/(15*0.01)=200

4.3.一级蜗杆蜗轮减速

根据需要设计单级蜗杆减速器，传动路线为：电机——连轴器——减速器——连轴器——步式传送机如图（4-7）。根据生产设计要求可知，该蜗杆减速器采用蜗杆下置式如图（4-8），采用此布置结构，由于蜗杆在蜗轮的下边，啮合处的冷却和润滑均较好。蜗轮及蜗轮轴利用平键作轴向固定。蜗杆及蜗轮轴均采用圆锥滚子轴承，承受径向载荷和轴向载荷的复合作用，为防止轴外伸段箱内

润滑油漏失以及外界灰尘，异物侵入箱内，在轴承盖中装有密封元件

该减速器的结构包括电动机、蜗轮蜗杆传动装置、蜗轮轴、箱体、滚动轴承、检查孔与定位销等附件、以及其他标准件等。

图（4-7）

图（4-8）

根据《机械设计基础》中查的蜗杆的传动比在一般的动力传动中；i=60~600，电动机的转速的范围因为

N=(20~80)*n=（20~80）x49.1=982~3928r/min

4.3.1 计算总传动比和各级传动比的分配 1.计算总传动比：

1400

528.302.21

m a n i n ==

= 2.各级传动比的分配

由于为蜗杆传动，传动比都集中在蜗杆上，其他不分配传动比。

4.3.2. 计算传动装置的运动和动力参数 蜗杆蜗轮的转速：

蜗杆转速和电动机的额定转速相同 蜗轮转速：min /67.633

.221420

r n ==

滚筒的转速和蜗轮的转速相同

4.4 轴的分析

轴是组成机器的重要零件之一，其功能主要是用来支撑做回转运动的零件，如齿轮、涡轮、带轮、链轮、凸轮等，并传递运动和动力，承受弯矩和转矩。

一般轴的常用材料很多，选择时应主要考虑以下几项因素：轴的强度、刚度及耐磨性要求；热处理方法；工艺要求；来源和价格等。在此，经我们组讨论结果，选用含碳量0.35%～0.5%的优质碳素钢，尤其是45号钢的应用，另外我们也选用了Q235A 普通碳素钢作为备用。

五、 步进送料机结构简图

图(5-1)