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机械原理课程设计专用精压机设计广东工业大学【推荐理由】当前机械原理课内作业的已知条件一般给出机构类型、原动件运动规律、从动件运动规律、工作阻力变化规律等详尽的信息，缺少方案设计的内容。学生不知道如何从简单抽象的用户需求分解出具体的设计要求，缺少完成真实项目所需要的基本能力训练，不利于培养学生的创新意识和创新能力。机械原理课程设计仅给出从动件的工作要求，要求学生设计从动件的具体运动规律、进行机构的类型设计、原动件类型选择及机构的运动、动力设计。学生以3-4人组成团队；组内讨论并确定设计方案，组内学生分工完成设计，团队设计方案各异；举行设计讨论会，教师点评；学生以各种方式查找参考资料，教师不提供。这种形式有利于培养学生的主动实践能力，团队合作精神，学生在自主实践中填补了机构方案设计方面的训练要求，为学生今后从事科研、工程技术工作打下基础。【案例说明】1、概述专用精压机用于特殊零件的压延加工，工艺动作是（参见图1）：上模以逐渐增加的速度接近坯料（行程h1），然后以匀速拉延成形（行程h2），上模继续下行将成品推出模腔（行程h3），上模快速返回；上模退出下模后，送料机构从侧面将新坯料送至待加工位置，完成一个工作循环。下模坯料下行上行压延h1h2h3上模 图1 专用精压机工艺动作已知条件：1）上模移动总行程为280mm，拉延行程置于总行程的中部，约80mm；2）坯料输送距离可调，最大调整行程20mm；3）制成品生产率不小于每分钟30件；4）上模质量约150公斤，平均压延阻力12000N，压延阻力平稳；5）拉延行程要求匀速运动，速度控制在0.1-0.2m/s内，上模运动的其余部分最大速度不大于1m/s；6）电机驱动，运转不均匀系数d=0.05。2、教学目标和能力要求教学目标：1） 学生经历从简单抽象的用户需求分解出具体的设计要求，进而进行方案设计的过程，增强机构方案设计能力。2） 学生经历从方案设计到动力分析的机构综合全过程，增强宏观把握设计过程的能力。3） 通过以设计为主线的训练，使学生增强对机械原理课程的基本知识、主要方法、基本技能的全面了解。能力要求：通过题目的训练，使学生的以下能力得到增强。1）独立获取项目相关信息的能力；2）数学、自然科学和工程学知识的应用能力；3）对工程问题进行建模以及求解的能力；4）根据需要和现实的约束设计一个机械系统的能力；5）在实践中运用现代工程工具的能力；5）团队协作和人际交流能力。3、设计任务1） 根据设计要求，设计上模的运动规律；2） 根据设计要求，设计坯料传送的运动规律；3） 设计上模和坯料输送的工作循环图；4） 提出若干整体方案，对比选出较好的方案；5） 对上模驱动机构进行运动分析和力分析，求出电机的功率、飞轮的转动惯量以及从电机到上模驱动机构原动件的速比。课程设计必须完成总体方案设计以及上模运动和动力设计的内容，对于有余力的小组，可继续完成坯料输送机构的运动和动力设计。【设计指导】分析设计任务，主要以上模的运动和动力设计为主线。设计步骤为：上模运动规律设计运动循环图设计总体方案设计选择电机，计算传动比上模机构设计上模运动分析上模动力分析方案评价。1、设计上模的运动规律满足设计要求的上模运动规律有无穷解，主要表现为运动循环时间间隔不同、行程速比系数不同、压延行程的速度不同、上模运动规律不同，设计的自由度很大。（1）确定运动循环时间间隔 为满足“制成品生产率不小于每分钟30件”的要求，机构运动循环时间间隔不大于2秒。（2）确定上模驱动机构的行程速比系数 为满足“上模快速返回”的设计要求，所确定的行程速比系数应大于1。（3）确定压延行程的速度为满足“压延运动段的速度控制在0.1-0.2m/s，其余段最大速度不大于1m/s”的要求，首先要根据机构运动循环时间间隔、上模驱动机构的行程速比系数等因素计算上模上行与下行的平均速度，如果上模下行平均速度远大于0.2m/s，或上行平均速度接近1m/s，速度要求将难以实现，需要重新确定循环时间或行程速比系数。在0.1-0.2m/s范围内确定压延行程的速度。（4）设计上模位移运动线图设上模驱机构原动件定轴转动，取坐标系S-d，其中d表示上模驱机构原动件的转角，S表示上模位移。根据行程速比系数在S-d图标出上模上、下行的行程对应驱动机构原动件的转角。确定压延行程（直线段）在S-d图中的位置。设计上模其余时间的运动规律。选取上模位移运动线图上较陡峭的位置做切线，检查这些位置切线的斜率（代表运动速度），看是否满足“其余段最大速度不大于1m/s” 的要求；如果不满足，重新设计上模位移运动线图。2、设计坯料传送的运动规律送料动作发生在上模完全位于下模上方的时间内，根据已经确定的上模运动规律，可以定出送料机构的运动时间。坯料传送过程的运动规律设计参考上模位移线图的设计方法。3、工作循环图设计根据工艺动作的要求、上模运动规律和坯料传送运动规律，设计机构的工作循环图。4、总体方案设计与选择1）选择机构类型对应上模的设计要求和运动规律，可以设计出若干满足要求的上模驱动机构，如图2(a)、(b)。同理可以设计多个满足要求的送料机构。2）确定压延动作与送料动作的协调方式上模的运动与送料机构的运动关联可以通过触发行程开关等电控制方式实现，也可以通过机构耦合的方式实现，如图3。(a) (b) A B C D 图2 机构类型选择图3 机械耦合方式3）总体方案的对比与选择要求学生自己查找资料，总结出评价设计方案的若干判据，结合所提出的设计方案进行对比选择。该环节安排举行设计讨论会，学生派出代表演讲评述本组的方案，教师点评。5、选择电机，确定总传动比根据平均压延阻力和压延行程以及运动循环时间间隔，可以计算1）压延一次消耗的功 A=Fh，F为压延阻力，h为压延行程2）压延消耗的功率 =A/T，其中T为运动循环周期3）电机的输出功率k/，其中系数k大于1是考虑送料机构消耗的功率，大小按照实际方案确定；是从电机到最终执行构件之间传动装置的效率，根据实际方案按照各级传动的效率以及机构串、并联的方式计算得到。4）选择电动机电动机额定功率应大于所需功率；同步转速的选择影响传动比大小，要视具体方案需要来选择。5）确定传动装置的传动比传动装置指从电机输出轴到上模驱动机构原动件之间的部分。传动装置的传动比i=N /n，其中N为电机满载转速，n为上模驱动机构原动件的转速。6）确定从电机到执行机构原动件之间的传动装置类型，检验第3）步传动效率所取的数值，需要时做调整。6、上模驱动机构设计视不同的设计方案，上模驱动机构可以采用凸轮机构、连杆机构或组合机构。不同的机构有不同的设计方法，可以根据课本或其他参考资料进行设计。初步设计完成后，要对设计结果进行分析，确定是否需要修改或重新进行设计。7、上模驱动机构运动分析采用课本或其他资料关于机构各构件位移、速度、加速度分析的方法，对上模驱动机构进行运动分析。8、上模驱动机构动力分析1）采用课本或其他资料关于机构动力分析的方法，对上模驱动机构进行动力分析，得到以上模驱动机构原动件为等效构件时的阻力矩线图。2）视所采用的不同的动力分析方法，对阻力矩线图进行数值积分或图解积分，得到一个运动循环阻力做的功。9、送料机构的运动分析与动力分析参考上模运动分析和动力分析的方法。10、飞轮转动惯量设计1）根据不同方案的耦合方式，合并上模驱动机构和送料机构的阻力矩线图。2）计算一个运动循环阻力做的总功。3）检查所选电机是否满足工作要求，需要时做调整。4）绘制系统盈亏功线图。5）计算确定以电机轴为等效构件的飞轮转动惯量。11、设计总结要求学生自己查找资料，总结出若干判据，结合本组完成的设计进行评述。该环节安排举行讨论会，学生派出代表演讲，教师点评。【设计报告示范】封面（设计题目，设计小组成员班级、姓名、学号，指导教师，设计完成日期）目录（略）1、前言（设计对象的用途、功能、基本原理、设计的原始数据和要求、具体设计任务、小组分工，设计方法和步骤简述）2、设计内容2.1设计上模的运动规律（1）确定运动循环时间间隔为满足“制成品生产率不小于每分钟30件”的要求，确定机构运动循环时间间隔为2秒。（2）确定上模驱动机构的行程速比系数 为满足“上模快速返回”的设计要求，确定行程速比系数K=1.25。（3）确定压延行程的速度上模下行的行程对应时间为2（1.25/2.25）=1.1秒；下行平均速度为0.28/1.1=0.255米/秒；上行平均速度为0.28/(2-1.1)=0.31米/秒；研究计算结果，上行平均速度较小，实现“最大速度不大于1m/s”的要求有足够余地；下行平均速度稍大于拉延要求的速度范围，可以实现所规定的拉延速度；因此，前面选择的“机构运动循环时间间隔为2秒，行程速比系数为1.25”可行。（4）设计上模位移运动线图设上模驱机构原动件定轴转动，取坐标系S-d，其中d表示上模驱机构原动件的转角，S表示上模位移，坐标原点取在上模位于最高点处，S正方向与上模下行方向相同。根据行程速比系数确定上模下行的行程对应驱动机构原动件转角200度，上行的行程对应原动件转角160度。考虑上料空间，确定拉延运动始于S=130mm、原动件转角60度，止于S=210mm、原动件转角150度，占原动件转角90度，对应时间0.5秒，见图4；得到拉延速度(米/秒)，满足题目要求。根据圆滑过渡的原则设计上模其余时间的运动规律，见图4。d S360(2秒)200 6015090(0.5秒)2801300210图4 上模运动规律选取上模位移运动线图上较陡峭的位置做切线，见图4。计算得到最大速度为0.56m/s，小于1m/s。2.2工作循环图设计根据工艺动作的要求和上模运动规律，设计机构的工作循环图。图5是以上模驱动机构的原动件转角为基准的机构工作循环图。360上模送料爪20050下行上行停止送料送料3000图5 工作循环图2.3总体方案设计与选择（所考虑的若干总体方案的机构简图、进行对比分析的依据、最终方案的机构简图）2.4选择电机，确定总传动比1）压延一次消耗的功 A=120000.08=960(J)2）压延消耗的功率 =A/2=480(J/s)，考虑上模驱动机构的效率（取0.8），扩大为480/0.8=600(J/s)。3）初步计算电机的输出功率k/=1.2*0.6/0.8=0.9(kW)，其中系数k取1.2是考虑送料机构消耗的功率；取0.8是从电机到执行构件之间传动装置的效率。4）选择电动机选择Y90S-4电动机，额定功率1.1kW，同步转速1500r/min，满载转速1400r/min。5）确定传动装置的传动比由于上模驱动机构原动件的转速为30r/min，传动装置的总传动比 i=1400/30=46.67。6）采用带传动加两级齿轮传动，效率=带*2齿轮*2轴承=0.87*0.982*0.992=0.82，与第3）步传动效率所取的数值很接近，无需修改。2.5上模驱动机构设计根据2.3节的分析，采用凸轮连杆机构为上模驱动机构。取AB=150mm，BC=150mm，CD=480mm，A到上模上止点的距离为400mm，把原动件360度转角等分72份，间隔5度（对应时间间隔1/36秒），原动件AB逆时针方向转动，起始位置为X轴反向，设计原理见图6。设计过程（参见附录2）如下：1）绘制上模位移线图；2）以相等的数目等分上模位移线图和原动件AB一个运动循环的角度。3）以B的一个位置为圆心，BC的长度为半径做弧b-b；根据上模位移线图确定D点对应B点的位置，以D为中心，CD的长度为半径做弧d-d；两弧相交得凸轮廓线上的对应点C。4）选取B的另一个位置，重复第3）步，得到凸轮廓线上另一个C点，直到凸轮轮廓设计完毕。A B C D 1 2 3 4 5 对应位置 bbdXYd图6 设计原理设计结果见图7(a)。图中凸轮廓线下方某段曲线的曲率半径较小，经修改后采用的凸轮廓线如图7(b)，允许的最大滚子半径为20mm。(a)(b)图7 凸轮理论廓线2.6上模驱动机构运动分析采用修改后的凸轮理论廓线，上模的位移线图见图8。采用数值微分方法，借助excell软件进行计算，上模运动分析结果见图8。图8 上模运动分析2.7上模驱动机构动力分析上模重力G=1500(N)与坐标正向一致，压延阻力F=12000(N)与坐标正向相反，惯性力(N)。此三个力的合力见图9图9 上模重力、压延阻力和惯性力的变化忽略摩擦（摩擦力的影响通过效率给于考虑），取BC和CD两杆研究（见图10），两杆均为二力杆。D点受水平方向的力可以从图9得到，根据这个力可以求得CD杆的内力RCD=R/cosa。C点受到凸轮的约束反力，沿接触点法线方向。过C做凸轮廓线的法线n-n，再做平行于BC的直线与CD和n-n相交于E和F。CEF构成力三角形，BC杆的内力RBC=RCDEF/CE。采用autoCAD软件提供的角度、长度计算功能可以很准确地计算出RBC，求解的过程见附录3。DCBnnFEaAh图10 受力分析原动件AB所受阻力矩的大小M=RBCh，h是A点到BC杆的距离，见图10。求得的阻力矩变化规律见图11，阻力矩逆时针为正。对阻力矩进行数值积分，得到一个工作循环阻力做的功为980焦耳，见图12。图11 阻力矩变化规律图12 一个工作循环阻力做功的变化规律设驱动力矩