机械创新设计说明书(压片机)

机械原理课程 机械创新设计说明书 设计名称：某物料压片机加压机构 院 系：机械工程系 专 业：机械设计制造及其自动化 班 级：机制 93/94 组 长： 组 员： 指导教师： 2011 年 06 月 07 日2011 年 06 月 17 日 目录 一、 前 言 3 二、 课程设计目 的 4 三、 压片机工作原理及工艺流 程 四、 设计要求及参 数 3-1 设计要求与部分参 数 3-2 设计提 示 五、 设计方 案 4-1 整体机构动作分 析 4-2 单元机构动作分 析 4-3 单元机构方案拟 定 4-4 机构整体系统方案拟 定 4-5 单元机构参数计 算 4-6 传动比设计及动力选 南京农业大学 3 取 4-7 系统综合方案评 价 六、 自我评价与总 结 七、 附 图 八、 参考书 目 前言 作为一名机械类专业学生，在今后学习和工作中总会遇到许多关于机械设 计和使用方法方面的问题。 现在世界各国间的竞争主要表现为综合和国力的竞争。要提高我国综合 国力，就要在一切生产部门实现生产的机械化和自动化，这就需要创造出大 量的、种类繁多的、新颖优良的机械来装备各行各业，为各行业的高速发展 创造有利条件。而任何新技术、新成果的获得，莫不依赖于机械工业的支持。 所以，机械工业是国家综合国力发展的基石。 为了满足各行各业和广大人民群众日益增长的新需求，就需要创造出越 来越多的新产品。现代机械工业对创造型人才的渴求与日俱增。当今世界正 经历着一场新的技术革命，新概念、新理论、新方法、新工艺不断出现，作 为向各行各业提供装备的机械工业也得到了迅猛发展。现代机械日益向高速、 重载、高精度、高效率、低噪声等方向发展，对机械行业的要求也越来越苛 刻。 本说明书采用图形与文字结合的方式对某物料压片机机进行设计解读。 二、课程设计目的 机械设计是一个逐步求精和细化的过程，随着设计过程的发展，产品结构 和参数将逐渐清晰和不断完善。设计方案是多解的，能够满足一定功能和要求 的设计方案不是唯一的，所以机械设计过程也是一个创新的过程。 机械设计根据使用要求对机械的工作原理、结构、运动方式、力和能量的 传递方式、各个零件的材料和形状尺寸以及润滑方式等进行构思、分析和计算， 并将其转化为制造依据。机械设计是机械产品生产的第一步，是决定机械产品 性能的最主要环节，整个过程蕴涵着创新和发明。 为了进一步掌握机械原理课程的理论知识，将课堂所学知识运用于实践， 理解和加深机械原理和设计方法，为今后专业课程的学习打一定基础，我们积 极参加了这次机械创新设计。 三、压片机工作原理及工艺流程 压片机是将陶瓷干粉或煤粉料压制成厚度为 5mm 的圆形片坯。其工艺流程 是： (1) 干粉料均匀筛入团筒形型腔(图 a)； (2) 下冲头下沉 3mm，预防上冲头进入型腔时将粉料扑出(图 b)； (3) 上、下冲头同时加压(图 c)，并保压一段时间； (4) 上冲头退出，下冲头随后顶出压好的片坯(图 d)； (5) 料筛推出片坯。 南京农业大学 5 其设计参数为：冲头压力150；生产率每分钟片；机器运转不均匀 系数；驱动电机可任选。 四、设计要求及参数 3-1 设计要求与部分参数 1. 上冲头、下冲头、送料筛的设计要求是： （1） 上冲头完成往复自移运动（铅锤上下） ，下移至终点后有短时间的停歇， 起保压作用，保压时间为 0.4S 左右。因冲头上升后要留有料筛进人的 空间，故冲头行程为 90100mm 。因冲头压力较大，因而加压机构应 有增力功能（图 a） ； （2） 下冲头先下沉 3 mm，然后上升 8 mm,加压后停歇保压，继而上升 16 mm ，将成形片坯顶到与台内平齐后停歇，待料筛将片坯推离冲头后，再 下移 21 mm ，到待料位置（图 b） ； （3）料筛在模具型腔上方往复振动筛料，然后向左退回。待批料成型并被推 出型腔后，料筛在台面上右移约 4550 mm ，推卸片坯（图 c） 。 上冲头、下冲头与送料筛的动作关系见表 3 表 3 动作关系 上冲头 进 退 送料筛 退 近休 进 远休 下冲头 退 近休 进 远休 2设计要求 （1） 压片成形机一般至少包括连杆机构、凸轮机构、齿轮机构在内的三种 机构。 （2） 画出机器的运动方案简图与运动循环图。拟定运动循环图时，执行构 件的动作起止位置可根据具体情况重叠安排，但必须满足工艺上各个 动作的配合，在时间和空间上不能出现干涉。 （3） 设计凸轮机构，自行确定运动规律，选择基圆半径，校核最大压力角 与最小曲率半径，计算凸轮廓线。 南京农业大学 7 （4） 设计计算齿轮机构。 （5） 对连杆机构进行运动设计。并进行连杆机构的运动分析，绘出运动线 图。如果是采用连杆机构作为下冲压机构，还应进行连杆机构的动态 静力分析，计算飞轮转动惯量。 （6） 编写 3000 字左右的设计计算说明书。 3-2 设计提示 （1） 各执行机构应包括：实现上冲头运动的主加压机构、实现下冲头运动 的辅助加压机构、实现料筛运动的上下料机构。各执行机构必须能满 足工艺上的运动要求，可以有多种不同型式的机构供选用。如连杆机 构。凸轮机构等。 （2） 由于压片成形机的工作压力较大，行程较短，一般采用肘杆式增力冲 压机构作为主体机构。它是由曲柄摇杆机构和摇杆滑块机构串接而成。 先设计摇杆滑块机构，为了保压，要求摇杆在铅垂位置的 范围内 滑块的位移量生成的位移量小于等于 0.4mm 。据此可得摇杆长度 0.41+cos2 2sin 22 式中： -摇杆滑块机构中连杆与摇杆长度之比，一般取 l 2 = 。根据上冲头的行程长度，即可得摇杆的另一极限位置，摇杆的摆角 以小于 60 度为宜。设计曲柄摇杆机构时，为了“增力” ，曲柄的回转 中心可在过摇杆活动铰链、垂直于摇杆铅垂位置的直线上适当选取， 以改善机构在冲头下极限位置附近的传力性能。根据摇杆的三个极限 位置（ 位置和另一极限位置） ，设定与之对应的曲柄三个位置，其 中两个对应于摇杆的两个极限位置，曲柄应在与连杆共线的位置，曲 柄另一个位置可根据保压时间来设定，因此可根据两连架杆的三组对 应位置来设计此机构。设计完成后，应检查曲柄存在条件，若不满足 要求，则重新选择曲柄回转中心。也可以在选择曲柄回转中心以后， 根据摇杆两极限位置时曲柄和连杆共线的条件，确定连杆和曲柄长度。 在检查摇杆在铅垂位置正负 2 度时，注意曲柄对应转角是否满足保压 时间要求。曲柄回转中心距摇杆铅垂位愈远，机构行程速比系数愈小， 冲头在下极限位置附近的位移变化愈小，但机构尺寸愈大。 （3） 辅助加压机构可采用凸轮机构，推杆运动线图可根据运动循环图确定。 设计时，要正确确定凸轮基圆半径。为了便于传动，可将筛料机构置 于主体机构曲柄同侧。整个机构系统采用同一电动机集中驱动。要注 意主体机构曲柄和凸轮机构起始位置间的相位关系，否则机器将不能 正常作。 （4） 可通过对主体机构进行运动分析以及冲头相对于曲柄转角的运动线图， 检查保压时间是否近似满足要求。 五、 设计方案 4-1 整体机构动作分析 此（机械系统）压片机作用是从外界获取动力和原料（粉料）将它们 加工成产品（5mm 厚的片坯） 。作用关系如下图所示。 压片机单元部分分解图： 其中筛料机构还有把成品片坯推出来的作用，整套传动系统可以让压 片机每个部分动作协调。 4-2 单元机构动作分析 （1） 上冲头：直线上下运动，最好具有急回特性，在下止点有停歇 或近似停歇。 （2） 下冲头：直线上下运动，行程较小，运动具有间歇性。 （3） 筛料机构：直线往复运动，具有“推”的动作。 （4） 传动机构：是其他机构动作协调，有减速作用。 4-3 单元机构方案拟定 南京农业大学 9 （1） 上冲头：机构具有增力功能，初步确定方案有如下几种： a1. b1. C1. （2） 下冲头：机构具有间歇运动，行程较小（24mm）,初步确定方案 有下面两种： a2 . b2. （3） 筛料机构：具有直线往复运动，且要有“推”的动作。初步方 案有： a3 b3 C3 4-4 机构整体系统方案拟定 综合考虑，实行上冲头运动的住加压机构、实现下冲头运动 的辅助加压机构、实现筛料运动的上下料机构。上冲头采用肘杆 式增力冲压机构，由曲柄摇杆机构和摇杆滑块机构串接而成，因 此，选用c1；下冲头要求运动精确，辅助加压，行程小，因此采 用a2，下部采用对心直动凸轮机构；筛料机构要求直线往复运动， 而且要有“推”的动作，因此采用凸轮机构容易实现，选c3。 系统运动简图综合: 综合运动协作关系： 4-5 单元机构参数计算 上冲头机构： 南京农业大学 11 要求摇杆在垂直位置2范围内滑块位移量0.4mm r(1- ) 0.4mmcos2 r 656.6mm 取摇杆摆角为40，滑块行程90mm，杆L3=L5。 2L(1- )= 90mmcos40 L3= L5 = 192.3mm 据几何关系：L4= L3 = 229.2mmtan50 取和上冲头一体的杆L6=200mm 取h1=300mm, 1、2、34组成的曲柄摇杆机构，要求L3摆角为40 两个极限位置方程： 12+32+42=(21)2 cos130=12+32+42(2+1)22132+42 1= 59.72=483.4 下冲头机构： 对心直动凸轮机构，其运动线图： A、B、C、D、E、F、G、H各处采用正弦修正，以保证无刚性冲击。 正弦加速运动规律推程方程为 s=h(/ 0)-sin(2/ 0)/(2) =h1-cos(2/ 0)/ 0 a=2h 2sin(2/ 0)/ 02 回程时的运动方程为： s=h1-(/ 0)+sin(2/ 0)/(2) =hcos(2/ 0)/ 0 a=-2h 2sin(2/ 0)/ 02 取CD段分析： h1修正区段：将h=2*h 1 ； 0=2 1带入上述三式，得到： S=h1(/ 1)-sin(/ 1)/ =h 11-cos(/ 1)/ 1 a=h 1 2sin(/ 1)/ 12 式中(0, 1) (h-h1-h2)区段为等速运动区段，其运动方程为： S=h1+(h-h1-h2)(- 1)/( 0- 1- 2) =(h-h 1-h2)/( 0- 1- 2) a=0 式中( 1 , 0- 2) h2区段为正弦加速度减速区段，其运动方程为： s=h-h2( 0-)/+h 2sin( 0-)/ 2/ =h 2/ 2-h2cos( 0-)/ 2)/ 2 a=-h2 2sin( 0-)/ 2)/ 22 式中( 0- 2, 0) 令= 1 ，则 = 得到 南京农业大学 13 2h1/ 1=(h-h1-h2)/( 0- 1- 2) 令= 0- 2 ，则 = 得到 2h2/ 2=(h-h1-h2)/( 0- 1- 2) 联立方程，得到 h1= 1h/(2 0- 1- 2) h2= 2h/(2 0- 1- 2) 取 1= 2=/12 ，又知 0=/6+/12=/4，h=8mm ， 进而求解得到：h1=h2=2mm 凸轮基圆半径取80mm,由其修正后的运动线图作为驱动尺寸，绘得凸轮 如下： 筛料机构： 也是对心直动凸轮机构，几何封闭。运动线图如下： 各个折点处用二次多项式运动规律修正，凸轮基圆半径取100mm,已修 正后的运动线图作为驱动尺寸，绘得其形状为： 4-6 传动比设计及动力选取 驱动电机选择：转速1450(r/min)，功率：6KW. 每分钟生产25片，目标曲柄、凸轮转速为25r/min. 减速目标：1450r/min25r/min. 总=58 齿轮模数m=4 ，压力角 =20. 传动系统直齿轮,锥齿轮，蜗杆部分参数： 南京农业大学 15 名称参数 齿数 Z 模数 m(mm) 分度圆直径 d(mm) 基圆直径 db 转速 r/min 1 蜗轮轮 20 25 2 锥齿轮 58 4 232 500 3 锥齿轮 20 4 80 1450 4 直齿轮 87 4 348 327.0 500 5 锥齿轮 25 4 100 500 6 直齿轮 30 4 120 112.8 1450 7 锥齿轮 25 4 100 500 8 蜗杆 4 50 500 9 蜗轮 20 25 10 蜗杆 4 50 500 11 蜗轮 20 25 12 蜗杆 4 50 500 4-7 系统综合方案评价 系统功能：实现了目标运动功能，能自动完成生产活动； 运动性能：精确传动比，实现精确周期性动作，凸轮摇杆等基圆 较大，而且运动速度不是很快，系统运行平稳； 工作性能：达到目标生产速率； 动力性能：6kw电动机驱动，动力满足要求； 系统整体结构：比较紧凑； 经济性：用到两对锥齿轮，三对蜗轮蜗杆，加工成本可能会高。 六、 自我评价与总 结 通过此次机械创新设计，我进一步加深了对机械原理的理解， 也知道了课本和现实实践的差距。 “纸上得来终觉浅，绝知此事要躬 行。 ”在教室课堂上根本发现不了太多问题，只有实践中才会发现问 题。 这次机械创新设计，我收获了很多。从设计选题，初步构思到 动手精确绘图这个过程中，我学会了细心与耐心。综合各科所学知 识，运用计算机对设计数据进行模拟仿真，运用计算机辅助设计制 造软件对设计零件进行精确绘制。最后设计说明书的编写，让我的 计算机操作水平进一步提高。当然，在这个设计过程中也发现了很 多问题，感觉到自己所学知识的局限性，这也明确今后专业课学习 的方向。 我们小组共4名同学，都积极参加设计工作，一起讨论，确定方 案并进行计算，都为设计成果做出了贡献。