机械设计课程设计家用机械的智能摇床装置

机械课程设计目 录一 课程设计书 二 设计要求 三 设计步骤 1. 摇乐床总体设计方案 2. 电动机的选择与固定 3. 齿轮的设计 4. 滑动轴承与传动轴的设计 5. 键联接设计 6. 箱体结构的设计 7.连接杆与万向节的设计 8.夹紧旋钮的设计的设计9.螺栓与螺钉的设计10.电子控制部分整体设计 四 设计小结 五 参考资料 一. 课程设计书 设计一基于机械创新设计大赛的家用机械的智能摇床装置，该装置能自动感知婴儿的哭声，并自动摇摆来促进婴儿的睡眠，还能播放音乐，有效地促进婴儿的睡眠。该机构包含机械设计部分与电子控制部分。二. 设计要求1.摇乐床CAD装配图与PRO/E三维图各一张(A1)。2.CAD绘制轴、滑动轴承座、齿轮、万向节、盖壳、连杆等零件图各一张(A3)。3.机构运动简图一张4.设计说明书一份。三. 设计步骤 1.摇乐床总体设计方案 2.电动机的选择与固定 3. 齿轮的设计 4. 滑动轴承与传动轴的设计 5. 键联接设计 6. 箱体结构的设计 7.连接杆与万向节的设计 8.夹紧旋钮的设计的设计 9.螺栓与螺钉的设计 10.电子控制部分整体设计 1.摇乐床设计方案:1. 组成：传动装置由电机、齿轮减速器、连杆、夹具组成。3. 确定传动方案：考虑到电机减速，传递小功率，连杆与床间用夹具固定。 其传动方案如下：2. 电动机与其驱动器的选择 为了实现摇动床时的左右摆动，以及便于单片机的控制，选用两相四线制步进电机。 步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。即：当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（及步进角）可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时您可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。一、步进电机最大特点是： 1、它是通过输入脉冲信号来进行控制的。 2、电机的总转动角度由输入脉冲数决定。 3、电机的转速由脉冲信号频率决定。 二.模型分析 实测数据： 婴儿床体积95*54*59 总重量20 = 婴儿重量5+ 床重15建立受力模型： 设F1到中心的偏移距离为5 产生阻力矩为M1=F1L1=2059.8=980N 连杆力矩M2=M1 取斜长为L2=65 所以M2=F2L2 所以F2=15N 设计的摇杆长度为L3=10 ，中间力矩为M3=F2L3=150N=15.3 电机的静力矩MM3=15.3kgcm。三.电机的转速选取 做为婴儿的摇动产品，摇动要尽可能的轻柔，摇动也要尽可能的舒缓。从人体功能学的角度来讲，摇动的频率要小于50次/分钟，摇动的幅度需要在5-20CM之间，摇动的功率要小于1W，这样的摇动产品才能尽量让婴儿感觉到摇动的快乐，又不至于受到摇动的损伤。 基于以上选取： 频率：30次/分钟 幅度：10CM步进电机为两相四线，一拍的转动角度为1.8度，采用8拍（出于对力矩、平稳、噪音及减少角度等方面考虑。往往采用八拍工作方式)制，就是188=14.4度，为一个整拍。设计取的杆长为10CM ，需要转过120度左右，才能达到10CM的幅度，12014.4=8.3 ，可以取为10，即10个整拍，左右各5个整拍。而来回一次需20个整拍，频率为30次/分钟，一分钟2030=600个整拍，用一齿轮结构减速，转换成电机转速应为40r/min. 综上：负载选取57BYGH802-5 其静力矩为16 。其余具体参数见四电机驱动器的选择 鉴于使用单片机智能控制，故要求用低功率、低电压去控制相对较高的电压，故驱动装置要能隔离高低电压，不使单片机烧坏，同时又能有效的驱动电机。 综上考虑选用以L298N为主的驱动芯片，效果较佳，TLP5214为光耦隔离芯片，即四路隔离3. 齿轮的设计 选定齿轮材料、齿数 初选铝合金作为齿轮材料，小齿轮齿数z1=36，大齿轮齿数z2=72传动比i=z2/z1=72/36=2两齿轮在工作中起到传递动力的作用，将电机轴提供的动力传递给输出轴。查阅相关资料知，机械手臂在摇动婴儿床是的理想转速为20r/min，则电机轴转速为40r/min，属于较低转速范围，故不进行强度校核。确定齿轮的几何尺寸小齿轮齿数z1=36，大齿轮齿数z2=72。齿数比 i=z2/z1=72/36=2。模数 m=1。小齿轮分度圆直径d1=mz1=136=36mm。大齿轮分度圆直径d2=mz2=172=72mm。4. 滑动轴承与传动轴的设计滑动轴承的设计 结构设计（如图） 滑动轴承1 滑动轴承2 通过对轴的设计和校核已知，轴在两轴承处所受的支反力均很小， 即轴对轴承的压力很小，通过计算可得轴承1、2处支反力轴承1： 水平：RA=27.22N 竖直：RA=9.91N 轴承2： 水平： RB=17.22N 竖直： RB =6.27N 两轴承处轴径均为10mm，轴的转速为20r/min，可求得轴与轴承接触出的速度： 两轴承处所受压力均很小，线速度很低，故不需进行强度校核，且由于轴的材质已定为铝合金，只具有很小的摩擦，在如此低速轻载的工况下略不计。选用铝合金材料即可满足要求。 轴的设计和校核 1 确定轴的类型根据轴的工作性质，对轴的类型进行确定：按外形选用阶梯轴；按照其在工作中的承载不同，确定为转轴。 2 轴的设计根据轴在工作中的性能要求，选用的轴应满足低速、轻质和低载的特点，所以在对轴的工作能力进行设计时，重点放在结构设计和强度等方面。（1） 轴的结构设计（如图） （轴上零件的定位和固定详见装配图） （2） 初选材料 为满足低速、轻载和轻质的条件，初选铝合金2A13作为轴的材料，查机械手册可得，该材料的的相关参数： （3）初定轴径 根据各个零件的配合关系和结构的布置要求以及工艺性能，初步确定轴径大小，和各段的长度（如上图） 由左至右 3 强度校核 对轴进行强度校核，看其是否满足工作要求 （1）求两齿轮上作用力的大小1 小齿轮分度圆直径：d1=36 mm2 作用在齿轮上的转矩：T=1600 Nmm3 求圆周力 Ft1=2T/d1=21600N.mm/36=88.89N4 求径向力 Fr1=Fttan=88.89tan200=32.35N5 小齿轮分度圆直径：d2= 72mm6 作用在齿轮上的转矩：T=1600N.mm7 求圆周力 Ft2=2T/d2=21600N.mm/72mm=44.44N8 求径向力 Fr2=Fttan=44.44Ntan200=16.18N（2） 确定支反力 根据轴承支反力的作用点以及轴承和齿轮在轴上的安装位置，建立力学模型。水平面内的支反力： RA=Ft264104.5=27.22N RB= Ft2RA=44.44N27.22N=17.22N 竖直面内的支反力： RA= Fr264104.5=16.18N64104.5=9.91N RB =Fr2RA=16.18N9.91N=6.27N （3）画弯矩图 水平面的弯矩： M水平=RA40.5=27.22N40.5=1102.41N.mm 垂直面的弯矩： M垂直= RA40.5=9.91N40.5=401.36N.mm 合成弯矩： =1173.20N.mm 当量弯矩： 水平面内弯矩 1102.41N.mm 竖直面内弯矩 401.36N.mm 合成弯矩图 1173.20N.mm 当量弯矩图 1267.60N.mm(4)校核计算 近似计算时，忽略键槽的影响，则抗弯截面系数： 计算应力 所以，轴的强度足够。 5. 键联接设计平键联接的强度校核 键的主要失效形式：压溃、磨损(动联接)、剪断。1)键类型的确定根据键的连接特点和工作环境，选取平键A型作为设计目标1） 键的材料 根据其设计需要轻微冲击的工作环境，选取 3）平键的强度计算 转矩：T=1600 Nmm 轴直径：d1=10mm d2=20mm 键工作长度: l1=L1-b1=7mm l2= L2-b2=3mm 键的截面尺寸b、h查表选取，长度L参照轮毂长度从标准中选取。如下表键联接的许用挤压应力、许用压力a 如下表 挤压应力: p1 =Ft/S=T/(d1/2)(h1/2)l1 =4T/d 1h1 l1p （MPa） 即 p1=41600 Nmm/ 1037(mm3) =3.10（MPa）p 同理 p1 =Ft/S=T/(d2/2)(h2/2)l2 =4T/d 2h2 l2p （MPa） 即 p2=41600 Nmm/ 2033(mm3) =35.6（MPa）p 综上，键的强度满足要求6.箱体结构设计1.箱体的主要功能 (1)支承并包容各种传动零件，如齿轮、轴、轴承等，使它们能够保持正常的运动关系和运动精度。箱体还可以储存润滑剂，实现各种运动零件的润滑。 (2)安全保护和密封作用，使箱体内的零件不受外界环境的影响，又保护机器操作者的人生安全，并有一定的隔振、隔热和隔音作用。 (3)使机器各部分分别由独立的箱体组成，各成单元，便于加工、装配、调整和修理。 (4)改善机器造型，协调机器各部分比例，使整机造型美观。2 设计的主要问题和设计要求 箱体设计首先要考虑箱体内零件的布置及与箱体外部零件的关系，如车床按两顶尖要求等高，确定箱体的形状和尺寸，此外还应考虑以下问题： （1）.满足强度和刚度要求。对受力很大的箱体零件，满足强度是一个重要问题；但对于大多数箱体，评定性能的主要指标是刚度，因为箱体的刚度不仅影响传动零件的正常工作，而且还影响部件的工作精度。 （2）.散热性能和热变形问题。箱体内零件摩擦发热使润滑油粘度变化，影响其润滑性能；温度升高使箱体产生热变形，尤其是温度不均匀分布的热变形和热应力，对箱体的精度和强度有很大的影响。 （3）.结构设计合理。如支点的安排、筋的布置、开孔位置和连接结构的设计等均要有利于提高箱体的强度和刚度。 （4）.工艺性好。包括毛坯制造、机械加工及热处理、装配调整、安装固定、吊装运输、维护修理等各方面的工艺性。 （5）.造型好、质量小。3箱体形体设计 箱体的形状和尺寸常由箱体内部零件及内部零件间的相互关系来决定，决定箱体结构尺寸和外观造型的这一设计方法称为结构包容法，当然还应考虑外部有关零件对箱体形状和尺寸的要求。 箱体壁厚的设计多采用类比法，对同类产品进行比较，参照设计者的经验或设计手册等资料提供的经验数据，确定壁厚、筋板和凸台等的布置和结构参数。对于重要的箱体，可用计算机的有限元法计算箱体的刚度和强度，或用模型和实物进行应力或应变的测定，直接取得数据或作为计算结果的校核手段。 查阅有关手册可知。 铸造工程塑料 用于要求减小质量且载荷不太大的箱体。多数可通过热处理进行强化，有足够的强度和较好的塑性。 4.箱体结构参数的选择 (1) 壁厚 铸铁、铸钢和其它材料箱体的壁厚可以从表21-2中选取，表中N用下式计算： N=（2L+B+H）/3000 （mm） 式中L-铸件长度（mm），L、B、H中，L为最大值； B-铸件宽度（mm）； H-铸件高度（mm）； 表21-2 铸造箱体的壁厚 仪器仪表铸造外壳的最小壁厚参考表21-3选取 (2)孔和凸台 箱体内壁和外壁上位于同一轴线上的孔，从机加工角度要求，单件小批量生产时，应尽可能使孔的质量相等；成批大量生产时，外壁上的孔应大于内壁上的孔径，这有利于刀具的进入和退出。箱体壁上的开孔会降低箱体的刚度，实验证明，刚度的降低程度与孔的面积大小成正比。 在箱壁上与孔中心线垂直的端面处附加凸台，可以增加箱体局部的刚度；同时可以减少加工面。当凸台直径D与孔径d的比值D/d2和凸台高度h与壁厚t的比值t/h2时，刚度增加较大；比值大于2以后，效果不明显。如因设计需要，凸台高度加大时，为了改善凸台的局部刚度，可在适当位置增设局部加强筋。见图21-8。 图21-8(3)连接和固定 箱体连接处的刚度主要是结合面的变形和位移，它包括结合面的接触变形，连接螺钉的变形和连接部位的局部变形。为了保证连接刚度，应注意以下几个方面的问题： 1)重要结合面表面粗糙度值Ra应不大于3.2um，接触表面粗糙度值越小，则接触刚度越好。 2)合理选择联结螺钉的直径和数量，保证结合面的预紧力。为了保证结合面之间的压强，又不使螺钉直径太大，结合面的实际接触面积在允许范围内尽可能减小。如图19-9。 3)合理设计联结部位的结构，联结部位的结构及特点及应用见表21-5。 表21-5 通过计算，选取箱体材料为工程塑料，箱体厚度为5mm,在箱体四周分别开四个通孔，与底板连接方式为六角螺栓连接。如图所示:7.连接杆与万向节的设计连接杆设计与校核(1)连接杆材料的选择考虑其工作环境与其工作性能，选择普通铝合金材料即可，预选材料5052-H112 相关参数 =175 MPa(2)连接杆设计 根据其工作环境与连接特点，设计如下图所示 （3）强度校核 已知 转矩：T=1600 Nmm 手臂：L=100mm 最易发生变形处面积为：S=lH=128mm2 所以： F=T/L=16N =F/S=0.125MPa开关模式：此模式控制整体的转停； b声音感应模式：声音传感器检测到婴儿哭声后，发送信号给单片机，单片机及时控制床的摇摆； c定时模式：设定时间为25分钟，即床会自动摆动25分钟； d音乐模式：播放音乐，促进婴儿睡眠。2. 电机的控制： 步进电机为两相四线，即有四个输入端口，具体控制为：将IN1，IN2和IN3，IN4两对引脚分别接入单片机的某个端口，输出连续的脉冲信号。信号频率决定了电机的转速。改变绕组脉冲信号的顺序即可实现正反转。两相四拍工作模式时序图：步进电机信号输入第一步第二步第三步第四步返回第一步步进电机信号输入第一步第二步第三步第四步返回第一步正转IN10111返回IN21011返回IN31101返回IN41110返回反转IN11110返回IN21101返回IN31011返回IN40111返回(1)控制换相顺序1、通电换相这一过程称为脉冲分配。例如：1、 两相四线步进电机的四拍工作方式，其各相通电顺序为： (A-B-AB)依次循环 (通电控制脉冲必须严格按照这一顺序分别控制A,B相的通断。)2、两相四线步进电机的八拍工作方式，其各相通电顺序为: (AABBBAAAB-BBA)依次循环。(出于对力矩、平稳、噪音及减少角度等方面考虑。往往采用八拍工作方式)(2)控制步进电机的转向 如果给定工作方式正序换相通电，步进电机正转，如果按反序通电换相，则电机就反转。如：正转通电顺序是：（A-B-AB 依次循环。）则反转的通电顺序是：（B-A-BA依次循环。）(3)控制步进电机的速度 如果给步进电机发一个控制脉冲，它就转一步，再发一个脉冲，它会再转一步。两个脉冲的间隔越短，步进电机就转得越快。调整单片机发出的脉冲频率，就可以对步进电机进行调速。（注意：如果脉冲频率的速度大于了电机的反应速度，那么步进电机将会出现失步现象）。2. 声音感应模块 设计如图： LM393 放大器 单片机 麦克风 传感器 麦克风 传感器 使用高灵敏的电容式极柱体麦克风传感器 模块有1个输出： DO，当声音强度到达某个阀值时，输出高低电平信号，阀值-灵敏度可以通过电位器调节 模块特点： 1、尺寸小，36mm X 16mm 2、可以使用3-5.5v直流电源供电 3、极柱体麦克风，灵敏度高3. 无线遥控模块 无线发射装置： 为一个手持遥控器，配置12v电池，上面有四个按键为A、B、C、D，通过无线传送到接收模块，A、B、C、D对应4种工作模式。无线接收装置：采用PT2262/2272芯片构架电路，也是一种CMOS工艺制造的低功耗低价位通用编解码电路 工作频率：315M 工作电压：DC5V 工作原理：超再生 调制方式：ASK 遥控距离：2050米 接收模块的七根引脚分别为D3、D2、D1、D0、GND、VT、VCC，其中VCC为DC5V的供电端，GND为接地端，VT端为解码有效输出端，只要发射器的数据码有输出，VT都能同步输出高电平；D3、D2、D1、D0是2262解码芯片的四位数据输出端，有信号时能输出5V左右的高电平，驱动电流约2mA，与发射器的四位数据码输出一一对应。24