自动打印机机械设计.doc

荆楚理工学院课程设计成果 学院： 机械工程学院 班 级： 11级机制三班 学生姓名： 学 号： 设计地点（单位）： A1-101 设计题目： 自动打印机设计 完成日期： 2015 年 1 月 6 日 指导教师评语： _ 成绩（五级记分制）： 教师签名： 目录课程设计任务书1前言2第一部分 机构设计 1.1自动打印机的功能和设计要求3 1.1.1 产品数据设计3 1.2 原动机的选择3 1.3 功能原理图及其解释5 1.4 功能分解6 1.5传动机构的选择和传动路线图确定71.5.1传动结构的选择与比较71.5.2传动比的计算91.6 执行结构的选择与比较1.6.1各送料结构备选方案比较与选择101.6.2各定位结构备选方案比较与选择12 1.6.3各打印结构备选方案比较与选择13 1.6.4各输出结构备选方案比较与选择151.7结构系统运动转换功能图及形态学矩阵表的绘制16 1.7.1机构系统运动转换功能图17 1.7.2形态学矩阵表171.8机械系统运动方案简图171.9根据工艺动作顺序和协调要求拟定运动循环图181.9.1运动循环表181.9.2运动循环图19 第二部分 机构尺寸计算与确定192.1送料机构的尺寸与计算202.2打印机构的尺寸与计算202.3曲柄滑块机构基本尺寸的确定20总体安装图21课程设计总结22 参考文献及编号23 自动打印机设计方案与分析 1、工作原理及工艺动作过程 对于包装好的纸盒上，为了商品某种需要而打印一种记号。它的动作主要有三个:送料到达打印工位;然后打印记号;最后将产品输出。 2、 原始数据及设计要求 1）纸盒尺寸，长10015O mm、宽70100 mm、高305O mm。 2）产品重量，约510N。 3）自动打印机的生产率，80次/min。 4）要求机构的结构简单紧凑、运动灵活可靠、易于加工制造。 3、 设计方案提示 1）从结构简化考虑将送料 - 夹紧机构合为一体，可以采用凸轮机构或有一定停歇运动的连杆机构。 2）打印机构可以采用平面连杆机构或凸轮机构。 3）输出机构可以采用连杆机构或凸轮机构。 4）由于定位夹紧时在送料方向有一挡块，从结构简化考虑，输出运动可与送料运动的方向互相垂直。如何使三个执行机构的原动件在一根主轴上是需要认真考虑的。 4、设计任务 1）按工艺动作要求拟定运动循环图。 2）进行送料夹紧机构、打印机构和输出机构的机构选型。 3）机械运动方案的评定和选择。 4）按选定的电动机和执行机构的运动参数拟定机械传动方案。 5）画出机械运动方案简图。 6）对传动机构和执行机构进行运动尺寸计算。 7）制作机构运动模拟动画图，并配音演示。时长为三分钟左右。8）按照格式要求，完成设计说明书一份，（打印稿）。草稿同时上交。9）完成时间2014.9.252014.11.25 前言 随着科学技术的发展，工业生产水平的不断发展和人们生活条件的不断改善，消费者的价值观念变化很快，市场需求出现多样化的特征，机械产品的种类日益增多，同时这些机械产品的寿命周期也相应缩短，企业为了赢得市场，必须不断开发符合市场需求的产品。新产品的开发包括产品的设计与制造，其中设计是产品开发的第一步，是决定产品的性能、质量、水平、市场竞争力和经济效益的最主要因素。机械产品的设计是对产品的功能、工作原理、系统运动方案、机构的运动与动力设计、机构的结构尺寸、力和能量的传递方式、各个零件的材料和形状尺寸、润滑方法等进行构思分析与计算，并将其转化为具体的描述以作为制造依据的工作过程。其中机械产品的功能、工作原理、系统运动方案、机构的运动与动力设计、机构的结构尺寸、力和能量的传递方式等设计内容是机械原理课程的教学内容。机械原理课程设计是机械原理课程的一个重要实践性教学环节同时又是机械类专业人才培养计划中的一个相对独立的设计实践，在培养学生的机械综合设计能力及创新意识与能力方面起到十分重要的作用。通过课程设计这一环节使学生更好的掌握和加深理解本课程的基本理论和方法进一步提高学生查阅技术资料，绘制工程图和应用计算机的能力。在课程设计中要重视培养学生创新设计的能力。我们将从机构的运动学以及机器的动力学入手,研究机构运动的确定性和可能性,并进一步讨论的组成原理.,从几何的观点来研究机构各点的轨迹、位移、速度和加速度的求法,以及按已知条件来设计新的机构的方法。第一部分 机构设计1.1自动打印机的功能和设计要求 如图1-1.1所示为学院打印的纸盒，上方所示为自动打印机印头，其功能是在纸盒打印上所要求的印记，并实现自动打印生产功能。1.1.1产品数据设计 1. 打印印头如图1-1.1所示； 2. 所要打印的产品质量为510N； 3. 自动打印机的生产率为80件/min； 4. 产品数据参数如下：长*宽*高=100*80*50； 5.要求的机构简单紧凑、运动灵活可靠、易于制造加工1.2 原动机的选择 类型名称机构特征优缺点及应用范围一般异步电动机Y系列三相异步电动机该系列电动机能防止水滴，灰尘，铁屑或其他杂物侵入电机内部，它是我国近年来研制成功的节能型电动机运行可靠寿命长，使用维护方便，性能优良，体积小，质量轻，转动惯量小，用料省等 适用于不含易燃，易爆或腐蚀性气体的场所和无特殊性能要求的机械上，如：金属切削机床，水泵，鼓风机，运输机械，矿山机械，搅拌机，农业机械，食品机械等YZ,YZR系列起重及冶金用三相异步电动机采用封闭式外部风冷机构具有较高的机械强度及过载能力，能承受经常的机械冲击及振动，转动惯量小，过载能力大，适用于经常快速启动及逆转，电气及机械制动的场合，还适用于有过负荷，有显著振动和冲击的设备，如：各种形式的起重，牵引机械及冶金设备的电力拖动变速异步电动机YD系列变极多速三相异步电动机是取代JD系列变级多速三相异步电动机的更新换代产品，其机械结构与Y系列相同具有双速，三速，四速三种调整范围，转速可逐级调节，适用于各式万能和专用金属切削机床，木工机床以及起重传动设备等需要多级调速传动的装置，还可驱动高频发电机，借以改变高频电动机的转速防爆异步电动机YB、JA系列防爆异步电机结构与Y系列相似，为了满足防暴，适当加固具有运行可靠，使用安全，寿命长，维修方便，性能优良，重量轻，体积小，转动惯量小和用料省等优点。适用于具有爆炸危险性混合物的场所电磁调速三相异步电动机YCD电磁调速三相异步电动机有组合式和整体式两种结构。这两种调速电动机均为防护式，空气自冷，卧式安装，且无碳刷，集电环等滑动接触部件具有结构简单，可靠，速度调节均匀平滑，无失控区，使用维护方便等优点。对于启动力矩高，惯性大的负载有缓冲启动的作用，同时有防止过载等保护作用。适用于恒转矩负载的速度调节和张力控制的场合。更适用于鼓风机和泵类负载场合。它广泛用于纺织，印染，水泥，造纸，印刷，食品，冶金，橡胶，塑料，制糖，搅拌，鼓风，水泵，纤维，线缆等工业部门，作动力，传输，自控用等直流电动机 Z4系列直流电动机采用多角形结构，空间利用率高。定子磁扼为叠片式，磁极安装有准确定位，因而换向良好具有运行可靠，技术经济指标较高，用料省，体积小，质量轻，性能好，工艺先进合理，广泛用于金属切削机床和造纸，水泥，钢铁，染织等部门控制电机BF系列步进电动机步进电动机的机械角位移与脉冲数量严格成正比，以改变脉冲频率实现调速BF系列步进电动机具有定位精度高，同步运行特性好，调速范围宽，能快速启动，反转和定位等特点，广泛应用于数控机床，计算机外围设备，各种自动控制装置，自动调节仪表装置中作执行和驱动元件SL系列交流伺服电机SL系列交流伺服电机为鼠笼转子式两相伺服电动机其功用是将电信号转变为轴上的机械转矩。它具有良好的可控性，启动和制动迅速，无自转现象，电机运行平稳。转速随转矩的增加而均匀下降。本系列伺服电动机广泛用于自动控制随动系统和计算机技术装置中作执行元件SZ系列直流伺服电机SL系列直流伺服电机系电磁式直流伺服电机它具有机械特性，调节特性线性度好。调速范围广，启动转矩大等优点。广泛用于自动控制系统中作执行元件，亦可作驱动元件表1.2-1根据各种电动机特点和应用范围，以及设计的自动打印机的结构特点，工作环境等各方面的综合因素，我们选择的电动机及其参数如下表1.2-2型号功率/kw电流/A转速/(r/min)满载效率/%功率因数/(cos/)Y2-132S-637.496081.00.76堵转电流/实际电流堵转转矩/额定转矩最大转矩/额定转矩652.12.1表1.2-21.3. 功能原理设计 自动打印机的工作原理图如图1.3-1所示 图1.3-1此系统有送料机构1、定位机构、打印机构3-4-5-6、纸盒输出机构和减速传动机构等组成。由电动机驱动主轴上的几个执行机构完成送料、定位、打印和送出的任务。电动机输出的转速经过减速机构将轴的转速减到主轴上执行机构需要的转速再将轴的旋转运动通过不同的机构转换成各个执行构件所需的运动。如通过曲柄滑块机构将转轴的旋转运动转换成曲柄滑块中滑块的往复移动从而达到送料的功能通过直动滚子推杆盘形凸轮机构将转轴的旋转运动转换成推杆的间歇往复移动从而实现定位和送出两个功能通过凸轮机构将转轴的旋转运动转换成推杆的间歇往复移动从而实现打印功能自动打印机的打印功能就是通过这些机构完成的。1.4 功能分解 为实现将图1-1.1所示的产品上打印出所需印记，可将总功能分解为如下分功能： 1.自动送料功能 2.自动定位功能 3.自动打印功能 4.产品自动输出功能1.5传动机构的选择与比较以及传动比的计算和传动路线图1.5.1 传动机构的选择与比较 机械系统中传动机构是由原动机输出的机械能动、传递给执行机构并实现能量的分配，转速的改变和运动形式的改变等作用的中间装置。传动机构常见的有齿轮传动机构，摩擦传动机构，带传动机构，蜗杆传动等；他们的特点如表1-5.1：特点寿命应用 齿轮传动可以用来传递空间任意两轴之间的运动和力，而且传动准确，平衡，稳定，机械效率高取决于齿轮材料的接触和弯曲疲劳强度以及抗胶合与抗磨损的能力金属切削机床、汽车、起重运输机械，冶金矿山机械、以及仪器等 摩擦传动机构简单，而且实现无级变速传动，同时，当过载时，由于两轮间可发生滑动，因而不致造成机器的损坏.最大缺点是传动不准确，两轮子、容易疲劳破坏，而且传动的机械效率也比较低使用寿命较低金属切削机床、农业机械和纺织机械、冶金矿山机械 带传动机构简单，传动平稳，造价低廉以及缓冲吸震等，可用于传递距离较远的两轴间的运动，且与摩擦轮转动一样也有过载保安性。带轮直径大，带的寿命长金属切削机床、锻压机床、输送机、通风机、农业机械和纺织机械蜗杆传动结构紧凑，单级传动能得到很大的传动比，传动平稳，无噪音；可制成自锁机构，传动比大，滑动速度低是效率低；中、高速传动需要昂贵的减磨材料；制造精度要求高，刀具费用贵制造精确，润滑良好，寿命较长，低速传动，磨损显著金属切削机床，起重机，冶金矿山机械，焊接转胎等 表1.5.1-1 1.5.1.1 确定传动方案及确定原因 最终选择传动装置：带传动、齿轮传动，其中减速1为带传动，其余减速机构为齿轮传动。 原因： 1、链传动运转的瞬时速度不平均，高速时不如带传动平稳，齿形键较好链条工作时，特别是因磨损产生伸长以后，容易引起共振，因而需增设张紧和减震装置。故不用此传动。 2、送料定位打印输出，各原动件存在一定的距离，用齿轮带传动，可以保证传递运动的精确性，而且可以满足各原动件之间的定位要求。 3、选择齿轮作为减速元件，理由是传动准确、平稳、承载能力和速度范围大传动比恒定、外廓尺寸小、工作可靠、传动效率高。 4、选择带传动作为减速装置，是因为其轴间距范围大、工作平稳、噪声小能缓和冲击、吸收震动、结构简单、成本低、安装要求不高，摩擦性带传动又有过载保护作用。但其外廓尺寸较大，故可用于初级减速。 1.5.2 传动比的计算各齿轮的参数如表1-5.2所示：齿轮名称模数（mm）压力角（度）齿数（个）直齿轮Z132018直齿轮Z232090直齿轮Z332090直齿轮Z432090锥齿轮Z532090锥齿轮Z632090表1.5.2-1传动比相关计算如下所示：由于生产率为80件/min,电机的转速为960r/min，则；总传动比为i总=n电/n输出=12； 送料机构和打印机构的减速： 一级减速（皮带减速）i1=240/100=2.4 二级减速（齿轮减速）i2=Z2/Z1=90/18=5输出机构(曲柄滑块机构）的减速： 一级减速（皮带减速）:i1=240/100=2.4 二级减速（齿轮减速）i2=Z2/Z1=90/18=51.6 执行结构的选择与比较1.6.1送料机构 送料备选方案一：图1.6.1-1图1.6.1-1机构特点：此方案采取的是凸轮机构，通过凸轮的旋转运动转化为滚子推杆的往复直线运动，从而达到间歇送料的目的。 优点：凸轮的使用容易实现预期的运动规律，凸轮有一定的间歇，可以实现间歇送料。机构也较为简单、便与制造、成本较低。 缺点：打印时占用空间较大，也需弹簧拉伸作用使滚子推杆紧贴凸轮运动。凸轮的行程不大时，送料时推动工件距离较短，形成较大时，凸轮尺寸较大，占用空间较多。尺寸计算时有一定困难。送料机构所需的空间较大，造成经济上的浪费.送料备选方案二：图1.6.1-2图1.6.1-2机构特点：此方案采用曲柄滑块机构，当曲柄等速转动时，从动件变速往复摆动，该机构可在曲长度一定的情况下，使执行构件滑块获得较大的行程。通过将轴的旋转运动转换成滑块的有急回特性的往复移动，可实现间歇送料的功能。 优点：均为低副，其运动副元素为面接触，压力较小、承载能力较大、润滑好、磨损小、加工制造容易，且连杆机构中的低副一般是几何封闭，对保证工作的可靠有利。此机构中滑块在两个极限位置时其瞬时速度为零，避免了当把纸盒送到工位出产生机械上的冲击，从而避免了对纸盒的损害。此机构被设置成偏置的，能实现快进慢回或慢进快回的运动特性。此设计中我们选择快进慢回的运动特性。 缺点：机构的类型数据需精确，不然会对纸盒产生冲击。送料备选方案三：图1.6.1-3图1.6.1-3机构特点：此方案采用凸轮机构+摇杆滑块机构，当凸轮的旋转时，推杆将绕支架摆动，从而带动滑块在来回运摆动。通过将凸轮的旋转运动转换成滑块的有急回运动的间歇往复运动来实现间歇送料的目的。优点：凸轮的使用容易实现预期的运动规律，滑块急回运动不明显，对纸盒的冲击小。缺点：凸轮的旋转运动导致摇杆的摆动角度较小，滑块行程较短，对纸盒的撞击速度不大，极易导致不能使纸盒送到预订的打印工位，工作效率低。1.6.2定位机构 定位备选方案一：图1.6.2-1图1.6.2-1机构特点：此方案通过上置的凸轮机构，推动滚子导杆，控制定位杆的伸出或缩进，从而控制物块运动或静止。 优点：凸轮机构可以实现各种复杂的运动要求，而且结构简单、紧凑。易于控制，导杆的长度可以自由设定，凸轮的行程不致太大，便于加工制造。还可以控制输出，作为输出机构。 缺点：需要弹簧的拉伸才能保证推杆紧贴凸轮运动，有一定的能量损失。定位备选方案二：图1.6.2-2 图1.6.2-2机构特点：此方案采用曲柄滑块机构，通过偏心轮将转轴的旋转运动转换成杆件的往复移动从而达到定位的目的。 优点：均为低副，其运动副元素为面接触，压力较小、承载能力较大、润滑好、磨损小、加工制造容易，且连杆机构中的低副一般是几何封闭，对保证工作的可靠有利。 缺点：定位是一直运动的，不能产生间歇，执行打印工作时，挡板的运动与纸盒之间产生摩擦，使纸盒打印出现偏差。连杆机构的运动必须经过中间构件进行传递，因而传动路线较长易产生较大的误差积累，同时也使效率降低。1.6.3打印机构 打印备选方案一：图1.6.3-1图1.6.3-1机构特点：采用曲柄滑块机构，将轴的旋转运动转换成了滑块的往复运动，滑块的往复运动即可实现打印工作。 优点：机构简单，便于制造，成本较少。结构紧凑，打印位置相对精确。 缺点：结构占用空间较大，滑块在导轨中运动，打印时需脱离导轨，同时又不可偏离导轨过多，以防发生脱离导轨运动，导致工作错误，这就要求具有较好的计算数据。滑块在导轨中有摩擦力的作用，会损失一部分的能量。此方案进行打印相对困难，需要综合的实验。备选方案二：凸轮连杆机构图1.6.3-2 功能：将凸轮的连续往复转动转换为印头的上下往复移动，从而实现打印功能。 优点：机构简单，便于制造，节约成本。 缺点：印章时由于惯性原因以及送料及定位都采用同一凸轮，导致定位不准确。另外这样的凸轮制造难度过大，而且易磨损，为保证一定的耐磨性就需要高强度的合金，也就增加了成本。备选方案三：凸轮对心推杆机构图1.6.3-3 功能：将凸轮的往复转动转换为印头的上下往复移动，从而实现打印功能。 优点：机构简单，便于制造，节约成本。 缺点：印章时由于惯性原因以及送料及定位都采用同一凸轮，导致定位不准确。另外这样的凸轮制造难度过大，而且易磨损，为保证一定的耐磨性就需要高强度的合金，也就增加了成本。1.6.4 输出机构的选择与比较备选方案一：皮带传动机构图1.6.4-1功能：利用皮带的和货物的摩擦带动货物实现输出。优点：定位准确，皮带传输设计简单成本低缺点：配合要求相对较高，并且对送料装置的摆放与类型的选择造成一定的麻烦，很难实现批量的生产，人工操作的参与性占了很大一部分。将导致效率不高。备选方案二：槽轮机构图1.6.4-2功能：将主动拔盘的连续转动转换为槽轮的时动时停的间隙运动。优点：由于槽轮的间隙运动，印章效果好，机构连续性强。缺点：由于包装盒是由人工摆放的，对摆放位置要求较高，而且由于是人工摆放的，包装盒的位置浮动较大。印章的位置的浮动性较大。另外槽轮不是很好加工，切运动时有一定的刚性冲击。1.7 结构系统运动转换功能图及形态学矩阵表的绘制 1.7.1机构系统运动转换功能图图1.7.1-11.7.2 形态学矩阵表：表1.7.2-11.8 机械系统运动方案（1） 转速为960r/min的电动机经皮带传动至轴1，轴1带动齿轮转动，然后通过齿轮传动传到轴2，轴2带动凸轮转动，通过凸轮的转动实现推杆（打印机构）的上下往复运动。（2） 轴2带动齿轮2转动，通过齿轮啮合带动轴3转动，轴3带动皮带轮转动，然后通过皮带轮传动带动曲柄滑块（输出机构）转动，从而实现滑块的往复运动。（3） 轴3通过齿轮啮合带动轴4运动，再通过齿轮啮合带动轴5转动，轴5带动凸轮运动，从而实现推杆（送料机构）的往复运动。这样就实现了送料，打印，输出的连续运动的过程。1.9根据工艺动作顺序和协调要求拟定运动循环图1.9.1 运动循环表执行阶段运动阶段运动时间（s）分配角度（）送料阶段送料0.1572停止0.148回程0.25120停止0.25120打印阶段向下0.296停止0.0524向上0.25120停止0.25120输出阶段无输出0.5240输出0.25120表1.9.1-11.9.2 运动循环图 图1.9.2-1 第二部分 机构尺寸计算与确定 2.1 送料机构的尺寸与计算 送料机构为凸轮通过直动滚子推杆带动滑块完成自动送料功能，根据整体安装的协调性，因为要打印的物料的长、宽、高为：100mm80mm50mm，要实现送料和下料时该机构能够协调，下料时物料长100，推到工作位再走100，为保证下料不会出现错误，所以再增加20的距离，因此凸轮的推程选220mm，基圆半径选择240mm。再通过凸轮做远休运动从而完成加紧功能：凸轮基圆半径（mm）滚子半径（mm）自动推杆杆长（包括推头厚度）（mm）推杆行程（即凸轮机构升程）（mm）24052502202.2 打印机构的尺寸与计算 打印机构为凸轮通过直动滚子推杆带动印头完成自动打印功能，由于凸轮主要用于带动打印头的运动，而物料的长、宽、高为：100mm80mm50mm，参考可取推杆行程h=220mm。凸轮基圆半径（mm）滚子半径（mm）自动推杆杆长（包括推头厚度）（mm）推杆行程（即凸轮机构升程）（mm）24053422202.3 曲柄滑块机构基本尺寸的确定曲柄滑块机构相关参数确定步骤： 第一步：通过对送料机构和打印