弹射式自动投石器设计

摘要

本次设计的题目是“弹射式自动投石器的设计”，通过利用凸轮滚子推杆机构的工作原理，来实现该投石器的常规目的。

该弹射式自动投石器主要有机架，投射机构，装填筒等部件组成，通过电机驱动弹射式自动投石器主体部分旋转，其上面安装有传感器，当感应到了目标位置，就会通过控制系统控制电机的旋转，然后在凸轮滚子推杆机构的作用下来进行投射，通过此种结构设计，能够很准确地进行投射，完全实现了全自动化投射。

关键词：弹射式自动投石器传感器机构投射

Abstract

This design topic is the design of ejection type automatic sling, by using the principle of roller cam follower mechanism, to achieve the purpose of conventional sling.

The ejection type automatic sling frame, projecting device, the filling tube parts, through the motor drive eject type automatic cast stone body rotation, the above installed a sensor, when the induction to the target location, you will pass the control system to control the motor rotation, then in roller cam push rod mechanism down project, through such kind of structure design, can very accurately projected, and the full realization of the automatic projection.

Key words: ejection type automatic projection sensor body projection

目录

1 绪论 (1)

1.1研究的目的和意义 (1)

1.2研究的内容 (1)

1.3国内外发展现状 (2)

2 弹射式自动投石器总体结构的设计 (4)

2.1投射器的设计方案 (4)

2.2投射部分的工作原理 (6)

3 机械传动部分的设计计算 (8)

3.1电机的选型计算 (8)

3.2凸轮滚子推杆机构的设计 (11)

3.2.1凸轮伦廊曲线的设计 (12)

3.2.2 凸轮行程与压力角的设计 (14)

3.2.3 杆长的设计 (15)

3.3轴承的设计计算 (16)

3.4轴的设计 (16)

5 主要零件的强度分析与校核 (17)

5.1滚动轴承强度的校核计算................. 错误！未定义书签。

6 设计总结 (20)

结论 (21)

参考文献 (22)

致谢 (23)

1 绪论

1.1 研究的目的和意义

在古罗马时代，弹射式自动投石器等战争武器通常都设在离主战场较远的地方，利用人工对石头进行装填从而来进行投射。一般效率不高，并且对目标的命中率不准确，19世纪初出现了新型的弹射式自动投石器，1965年，德国人费伦斯发明了半自动的弹射式自动投石器，降低了人工的浪费。1981年费伦斯又创制出提供回转动力的弹射式自动投石器，扩大了弹射式自动投石器的应用范围。弹射式自动投石器的发明和发展，使得人类的武器实现了机械动力化的趋型。弹射式自动投石器几乎是古罗马时代唯一的先进的战争武器。

自古至今，无论从投石数量、质量、效益等各方面来衡量，此次设计的弹射式自动投石器，它已经远远超越了以往的传统的弹射式自动投石器，并成为各国争相发展的行业。1986年江苏的永赶公司实现了弹射式自动投石器的创新设计，并通过打入亚洲以及南美市场，取得了不错的成绩。从20世纪起，新型的弹射式自动投石器不断诞生，进入20世纪，出现各种实验应力分析方法，人们已能够通过机电的有机结合设计出智能化的弹射式自动投石器，相信在不久的将来，改机电一体化智能产品，将会得到越来越广阔的应用。为了实现投石器的自动化投石，从而来代替传统的人工投石来提供劳工效率，适应现代化机械工业高速发展的需要，所以在机械设备中它们的投石设备的生产也有着严格的要求。传统的弹射式自动投石器在没有自动投石设备而需要人工投石的情况下，投石效率低下，劳动强度大，所以设计一个专用的弹射式自动投石器势在必行。

通过对实际的生产设备进行考察，从而提出了弹射式自动投石器的结构组成、工作原理，拟定了弹射式自动投石器总的指导思想，得出了该新式弹射式自动投石器的优点是高效，经济且易维修的结论。

根据结合自身所学和本次所选课题的难易度，觉得无论是在知识层面还是在软件的运用技能上面，该课题很适合我，加之本课题来源于当今社会机械工业弹射式自动投石器的创新和更新换代基础之上，通过设计出弹射式自动投石器，从而来满足当今社会弹射式自动投石器不足的缺陷。

传统的弹射式自动投石器的产品图如下图1、图2所示：

图1

图2

1.2 研究的内容

投石器作为在古罗马战场上面常用的武器的一种，经历了很多结构上面的变化，本次设计主要针对弹射式自动投石器进行设计，从弹射式自动投石器的整体方案出发，然后具体细化出具体内部结构，其具体内部结构主要包括以下几个方面：

（1）通过网络和图书馆查找各种关于石头投射机的相关资料，对弹射式自动投石器进行方案的比较和预定。

（2）分析弹射式自动投石器的结构与参数。

（3）确定设计总体方案。

（4）确定具体设计方案。

（5）弹射式自动投石器的图纸的绘制。

（6）说明书的编写和整理。

1.3 国内外发展现状

我们在春秋战国时代，来自于李高的以前的资料，他数十年的废寝忘食建造了一个简单的弹射式自动投石器，开投石器的机械时代。李高更设计出多功能复合弹射式投石器，在这之后，秦国张良理以传动的弹射式投石器为基础，开发了一系列的弹射式投石器，如四连杆式，六连杆式等等弹射式投石器，查建中和其他人一起以凸轮机构为对象，共同钻研考虑怎样改良按压力引发的角度以及零部件的分理。总之，传统的对象加上科学的分析和先进的理论，使得弹射式投石器在国内的研究范围和深度得到了极大的丰富和发展。

何人最先取得此项专利已无可知晓，只了解到外国政治家在十七世纪末建造出了一部类似于弹射式投石器的机械，整体部分是用齿轮以及连接杆件机构组装，但是却没有做出实物来加以佐证.十九世纪初又有人运用齿轮以及连接杆件体系制造出类似的弹射式投石器，然而相关资料中并没有找到对这个作品的介绍，所以那个时候有关弹射式投石器的研究还仅能思组成以及运动起来的规律。同期，又有两位发明家麦吉以及弗兰科创作了首部彻底用计算机操纵的弹射式投石器。接下来几年有关此机器的设计被充分的融入了运行操纵理论。1979年席罗思在行进弹射式投石器里加入了操纵水平行走的仪器，同样在腿上加入了保持和校对偏向的装置。十九世纪末布朗、罗布特以及莎普恩斯研究了加入了液压部

件和直流电机的相应弹射式投石器。这都意味着人类对机械体系的认识已从简单的考虑迈入了整体操纵、计算机和高新科技的相互融汇贯通的康庄大道。

从广阔的视野、各种各样的活动，还有和学术报告、规范标准以及另外别的角度的的详细内容，我们得到了包含定位、性质以及应用弹射式投石器的大环境。弹射式投石器已发展到注重提高生产效率，成品质量稳定性。最近，超多的市场已经建立了弹射式投石器的商业用途，像弹射式投石器，它的应用已经渗透到家庭家居生活等。出色的弹射式投石器技术不仅实现创建一个新的市场，也为提高人们的生活水品做出了非常重要的贡献。在一个国家或地区有弹射式投石器具有普遍偏向的方式。今后，会更加流行正在蓬勃发展的弹射式投石器。OMG国标早就认可中介范例，ISO资质也授与了能减少劳动力的弹射式投石器。即使在大规模对土豆进行去皮的活动，这是越来越多的弹射式投石器的使用。根据弹射式投石器技术应用在通讯，家电，汽车，医疗设备和其他，弹射式投石器已被广泛认可。它是一种动力，看来像它会导致一个新的行业。弹射式投石器研发情况固然都在被上述所整理，然而这些仍然是显示出要把弹射式投石器推向消费者。欧美等发达国家成立有相应计划，本国也需求更好的战略，方能维持积极地有力发展。新服务弹射式投石器对于市场具有应用性很强的领域，比如孜孜不倦的创新产品、医疗项目、相关福利以及防不胜防的自然性或人为性灾难。在另一方面，虽然产自日本的工业弹射式投石器依然是行业里最好的，但其他国家都在奋起直追。在关于实际使用中，美国提出了很多观点。在美国有建立国家计划项目，欧洲也是，如Horizon2020，我们的国家也需要更好的政策，才能保持健康的发展前景。

2 弹射式自动投石器总体结构的设计

2.1投射器的设计方案

本次设计的弹射式自动投石器主要有机架，投射机构，装填筒等部件组成，通过电机驱动弹射式自动投石器主体部分旋转，其上面安装有传感器，当感应到了目标位置，就会通过控制系统控制电机的旋转，然后在凸轮滚子推杆机构的作用下来进行投射，通过此种结构设计，能够很准确地进行投射，完全实现了全自动化投射。弹射式自动投石器的方案简图如下图3所示：

图3

2.2投射部分的工作原理

主要是利用凸轮滚子推杆作用，当人们把石头放在投石器的装填筒的位置的时候，电机带动凸轮滚子推杆机构运动，通过传感器反馈信号给控制系统来控制电机的转速，也就是控制凸轮机构的转动圈数，从而将石头投到预定的位置，过程中采用传感器感应投射点。

3 机械传动部分的设计计算

3.1电机的选型计算

已知凸轮机构，以及传动轴，轴承以及其他零部件的总重量50KG,其他重量（假设放入的石头的总重量为10KG），我们取总重量为60Kg，凸轮转动速度为1~2r/min。即：

=

=

N

X

60=

10

G600

mg

具体的电机设计计算如下:

1、确定运行时间

本次设计加速时间01(t -t )60=Vl l

Vl 负载速度（m/min ）

有速度可知每秒上升50mm ，

0.0331.2=1.2360

=-÷l s

电机转速 电机=Vl n PB

2400/min 0.005

电机===Vl n r PB

3.负载转矩

0.3102000.005 1.73.220.9

???===?B gMP TL N m μπηπ

式中：

4.电机转矩

启动转矩

12()2636.9(0.00032) 1.25.6060 1.2

+?+===?S NM JM JL JM T N m t ππ

必须转矩() 2.36.=+=TM TL TS S N m

S 为安全系数，这里取1.0。

根据以上得出数据，我们选用电机型号为92BL-4020L1，此电机厂家为机电产品。根据计算和特性曲线以及电机基本参数表，我们选用电机型号为92BL-4020L1，电机额定功率为 1.5KW ，额定转矩为13.85N.m ，最大转矩为16.01N.m ，额定转速为 3000r/min 。

3.2 凸轮滚子推杆机构的设计

3.2.1凸轮伦廊曲线的设计

1) 取基圆半径r=90mm，由表4.2摆动从动件凸轮理论廓线的坐标作图得凸

轮理论伦廊的坐标值。

表5.5.1 摆动从动件凸轮理论廓线的坐标

X(mm) 174.01 283.27 293.52 170 61.37 95.28 Y(mm) -101.64 -56.77 74.7 154.69 60.71 -30.37

1）取基圆半径r=72mm，由表5.5.2移动从动件凸轮理论廓线的坐标作图得凸轮如图4。

当移动件的导路中心线通过凸轮回转中心时，称为对心移动从动件凸轮机构，已知凸轮的基圆半径rb及凸轮以等角速度ω1顺时针回转，绘出该凸轮的轮廓曲线。

设已知凸轮的基圆半径为rb，从动件轴线偏于凸轮轴心的左侧，偏距为e，凸轮以等角速度ω顺时针方向转动，用作图法设计凸轮的轮廓曲线，并求出凸轮从动件在各个转角的坐标绝对值如下表所示。作图方法如下：

(1)选取适当的比例尺，按给定的从动件的运动规律绘出位移线图，将位移

线图分成若干等分，得横坐标轴上各点1、2、3、…等。过等分点作垂线得从动件在各对应位置时的位移11'、22'、33'、…等。

(2)取与位移图相同的比例尺，以任一点O为圆心，rb为半径画基圆。自OA0开

始，将基圆圆周沿(－ω1)方向作与图对应的转角等分，得A'1、A'2、A'3、…点。

连接OA'1、OA'2、OA'3、…，它们就是反转后从动件导路的各个位置。

(3)自基圆开始，沿径向线OA'1、OA'2、OA'3、…分别向外量取从动件的相应位

移，即X1＝X1、Y＝Y1、Z＝Z1、…，

(4)用光滑曲线连接A0、A1、A2、A3、…各点，即得所求的凸轮轮廓曲线。可

求得凸轮运转到标。

180

,

,

60?

120

?

?凸轮从

?

?

?

300

X,

Y

时Z

三个方向的点的绝对坐

,

360

240

,

,

,

动件在不同的转角通过作图法作出的数值绝对坐标分别如下：

转角(°) 60°120°180°240°300°360°

X(mm) 24.67 53.41 180 260.56 265.74 180

Y(mm) 89.68 -73.09 -120.63 -46.51 49.50 197.28 （注意:转角60,120等等是常数值）

已知摆杆的长度L，摆杆运动规律φ=φ(δ)。先由上述方法确定基圆r0以及中心距a。然后作出滚子中心B点的理论轮廓曲线，曲线方程如下：

已知基圆半径R=90，X=a·sinδ-L·sin(δ+φ+φ0) Y=a·cosδ-L·cos(δ+φ+φ0) 利用EB绘出理论廓线后，再确定滚子半径rr 的数值，然后做它的等距线，则为此凸轮的实际轮廓曲线。有了凸轮廓

形曲线之后，再进行其结构设计及尺寸标注等工作就完成了凸轮设计。

3.3.2凸轮压力角与行程的设计

已知凸轮最大基圆半径Ob=Oc=163mm,最小基圆半径Oa=90mm,根据凸轮行程计算公式ST=最大基圆半径-最小基圆半径

=Ob-Oc=163-90=73mm 。

根据公式，我们知道，凸轮的压力角a 与凸轮基圆半径R 的关系是相

对的，R 越大，压力角a 越小，根据公式

S S e w v tga +±=0/可知，a 与凸轮的角速度的关系成反比，已知凸轮的角速度v=0.46R/M ，偏心距S0=0，S 为

偏心距系数，这里取S=20，则有：?=±=2332/46.0a tga 求得；

3.2.3 杆长的设计

假设推杆长度L=900，摆杆长度l1=700，根据下列条件可知：

(1)为满足传动角的一定要求，设计l1和l2在两个特殊位置（推头位移最大和最小时）

所形成的这一夹角值在一定范围内。

(2)杆长l4由于与中心具的距离和基圆大小有关，而基圆半径不宜过大，但基圆 半径的

大小又和压力角有关，由此设计l4长度。

(3)杆长l3对另一个凸轮的基圆有一定影响，同样为保证压力角在许可范围内，由此设

计长度l3。

杆长计算：

已知，。。51

2,1291==??，则有： 由此可以得出：L=900mm ， l1=700mm ， l3=600mm ， l4=135mm ，

ψ1=133°， ψ2=26°， ψ3=47°，

E=200mm ， F=140mm

3.3轴承的设计计算

滚动轴承为双列圆锥滚子轴承350324B ，由文献[2]表242.39-得862=r C KN ，

1490=or C KN ，83.0=e ，8.01=Y 。

3.3.2寿命验算

轴承所受支反力合力

2

2sin 2sin 2;

11cos 1cos 11

1M L l M L l M L l =+=+=+????2

51sin 51sin 2;

1129cos 129cos 11

1M L l M L l M L l =+=+=+

74.150502.136813.6292222=+=+=BZ BY B R R R N （4.1）

对于双列圆锥滚子轴承，派生轴向力互相抵消。

0=Ba F ，57.712==a Ca F F N

由文献[2]表242.39-得， e R F B

Ba <， 74.150508.074.15051=?+=+=Ba B Br F Y R P N （4.2）

按轴承B 的受力大小验算 93

103661078.474.15051086255660106010?=???? ????=???? ??=εBr h P C n L h （4.3） 91078.4?=h L h=51046.5?年

由于投石器的运转平稳，必须选择较大寿命的轴承，轴承能达到所计算的寿

命。

经审核后，此轴承合格。

3.4轴的设计

估算轴径d ，选材料为45钢，B σ=650 MPa ，S σ=360MPa 。取C=112，则 轴的最小直径

d ≥40184

337.0112][2.01055.93336===?n P C n P T τ mm 该轴特点是：上端连接旋转台，下端敲入轴承，中间是齿轮传动。所以用两个轴承来支撑，设计轴的结构图如下：

同上，该轴无须进行强度计算，只须齿轮部分满足传动要求，而此项计算已在设计齿轮传动时校核过。

4 弹射式自动投石器中主要零件的强度分析与校核

4.1滚动轴承强度的校核计算

本次弹射式自动投石器的设计选取的轴承是深沟球轴承，具体的滚动轴承的选取过程如下：

（1）滚动轴承的选择

滚动轴承为深沟球轴承6205，751=r C KN ，1360=or C KN ，

95.0=e ，87.01=Y 。 （2）寿命验算

轴承所受支反力合力 3.124015.126524.7622222=+=+=BZ BY

B R R R N; 对于深沟球轴承，派生轴向力互相抵消。

0=Ba F ，975==a Ca F F N;

得 e B

R Ba F <； 124195.087.03.12401=+=+=x F Y R P Ba B Br N ；

按轴承B 的受力大小验算: 93

103661036.974.15051086255660106010?=???? ????=???? ??=εBr h P C n L h; 91036.9?=h L h=51034.2?年;

所以此轴承合格。

5 设计总结

在最近的一段时间的毕业设计，使我们充分把握的设计方法和步骤，不仅复习所学的知识，而且还获得新的经验与启示，在各种软件的使用找到的资料或图纸设计，会遇到不清楚的作业，老师和学生都能给予及时的指导，确保设计进度，

本文所设计的是20吨啤酒瓶洗瓶机的优化设计，通过初期的定题，查资料和开始正式做毕设，让我系统地了解到了所学知识的重要性，从而让我更加深刻地体会到做一门学问不易，需要不断钻研，不断进取才可要做的好，总之，本设计完成了老师和同学的帮助下，在大学研究的最感谢帮助过我的老师和同学，是大家的帮助才使我的论文得以通过。通过此次设计，又一次提升了运用三维软件的水平，并吸收了不少经验，总结为一下几点。

有零件图纸作图与空想设计作图不同，零件尺寸已经给出，作图时先不考虑尺寸是否真的合适，根据尺寸作出零件的三维图，但到装配时必须要考虑尺寸是否合适，由于AutoCAD图纸效果不好，导致尺寸会有出错，甚至有出现欠定义尺寸，所以，此时必须通过配合后在衡量尺寸，再进行修改，直到满足配合要求。工具集的确方便了作图，通过选择零件类型，输入数据，就能生成出标准零件，但有时需要用到的零件在工具集上也未必能找到，所以此时要随机应变，运用其他零件代替并通过修改或添加零件使其满足要求。

作三维图时要灵活变通，解决问题的方法总比问题多，当一种方法不能正常作图时，试试另一种方法，这不但能完成零件制作，同时也可以培养出更好的作图思路，和打破规矩的新想法。

规则的零件，要学会使用一些能够节省时间的命令，如镜向，阵列等，“能省则省”。

关于装配，曾经带给我很大的阻碍，花了很多时间才弄清原因所在。在一可活动子装配体上，即使活动范围会产生干涉，也不能对其设定活动范围，如高级配合里的距离范围，和角度范围，即使在该活动范围并不影响父配体，也不可设定。因为一旦设定范围后，在父装配体上会将子装配体视为完全定义的模型，这样会对子装配体之间的配合产生矛盾，将不能完成装配。

看懂图是作图的首要任务，看图就是了解零件的工具，没有工具则无法制出零件，所以画图不能急于下笔，想透了零件的结构，想透图中的虚实线，这才是高效作图的重中之重。进行零件建模前，一般应进行深入的特征分析，搞清零件是由那几个特征组成，明确各个特征的形状，他们之间的相对位置和表面连接关系，然后按照特征的主次关系，按一定的顺序进行建模。一个复杂的零件，可能是许多个简单特征经过相互之间的叠加、切除或相交组成。所以零件建模时，特

征的生成顺序十分重要，不同的建模过程虽然可以构造出同样的实体零件，但其造型过程及实体的构型结构却直接影响到实体模型的稳定性、可修改性、可理解性及实体模型的应用。

尤其在二维图纸上，我们能看到的只是零件的平面图，而内部特征则以虚线给予表示，另外还有零件的相贯线，这表示了各个特征相交时出现线段。在零件的草图绘制过程中，必须要选好第一个草绘平面，这很关键，这个平面决定了往后建模的所用到的命令，简单的说，一个圆柱可以作一个圆形然后拉伸，也可以作一个长方体旋转，虽然他们的结果都一样，但所用的草绘平面和命令就截然不同。如果我们要的是一条轴，那我们就应该选择第二种方法为好了。

由于此设计的零件都是比较规则的零件，所用到的命令大部分是拉伸命令和旋转命令，而且很多零件都是拥有对称关系，所以为了节省时间，提高效率，经常会用到镜向特征命令。

一张完整的工程图应具备以下4方面的内容。

一组视图：用一组视图（其中包括视图、剖视图、断面图、局部放大图）确、完整、清晰地表达零件各部分的结构形状。

尺寸：确定零件各部分形状的大小和位置

技术要求：表明零件在制造和检验是应达到的一些要求，如表面粗糙度、尺寸公差、形位公差、材料热处理方式和指标等。

标题栏：注明零件名称、材料、数量、图样比例以及图号等内容。

单击【新建文件】图标，系统显示新建Pro/e文件对话框，双击该对话框中得装配体选项，即可进入装配体工作模式。

调入第一个零件模型并放置在装配体的原点处，即零件原点与装配体原点重合。调入一个与第一个零件模型有装配关系的零件模型。分析两个零件之间的装配约束关系，然后选取相应的约束选项进行零件操作。

到如今，毕业设计总算接近尾声了，通过这次对于土豆去皮机的设计，使我们充分把握的设计方法和步骤，不仅复习所学的知识，而且还获得新的经验与启示，让我收益颇多。特别是针对机械的机构设计这部分，我感触最深。对于次次设计的土豆去皮机，主要的传动的机构是凸轮滚子推杆传动，针对这个机构的设计，我花费了较多时间和精力，通过查找相关的凸轮滚子推杆传动的设计资料以及弹射式自动投石器的相关问题来确定各个设计参数，以及凸轮的内孔的设计，直到最后凸轮的强度校核部分。经过这个过程的学习和设计，让我印象尤为深刻。

在以后的工作中，我相信我还会遇到很多类似的问题，但是有了这次的学习和设计经历，我想我已经初步具备了设计一个机械设备的能力，我已经做好了准备，在以后的工作中，边工作边学习，争取在工作中提高，在工作中学习，争取做一个对于社会，对家庭有用的人。

岁月如流水，通过本次的设计，让我很有感概，在具体的研究设计过程中，XXX老师，XXX老师，XXX同学，XX同学，XXX同学，XXX 同学也在平日的学习与生活中提供了无私与周到的帮助，充分用他们的工作热情感染着我，鼓励着我，让我少走了很多弯路，再次一并致谢！

另外也感谢我的父母，朋友和同学们的帮助。在做设计感觉受挫，枯燥与迷茫时，是他们在悉心的为我释放压力，鼓励我不要气馁，勇敢面对。每周一次和父母的通话，与朋友和同学的长谈后都使我精神放松，斗志倍增，以饱满的热情重新投入到工作中去，感谢他们，正是他们的不懈支持和充分理解才能使我顺利完成毕业设计。

最后，感谢学校各位领导与老师给了我在大学学习生活三年以及参加这次毕业设计的宝贵的锻炼机会，它使我深刻认识到在知识的汪洋大海面前我是多么无知和微不足道。这是一个最好的时代，也是尊重知识，充分学习知识，掌握知识的时代。只有持续的不间断地学习，才不会在激烈的竞争中落后于别人，也才能用自己的真才实学为社会做出自己应有的贡献。知识是无止境的，无价的，我愿在求真的道路上下而求索！

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