机械原理课程设计说明书最终版07.doc

机械原理课程设计机械原理课程设计说明书设计题目：冲压式蜂窝煤成型机专业 机械设计制造及其自动化班级 1班设 计 者 赵飞宇 指导教师 张荣2012年 6月2日摘要机械原理课程设计是我们进入大学以来，第一次较全面的机械设计的训练，是一个重要的实践性的教学环节。此次课程设计的目的在于，进一步巩固并灵活运用所学的相关知识，设计出符合工业生产要求的机器，培养我们独立解决工程实际问题的能力，使对机械运动方案设计，机构运动简图设计有一个完整的概念，并培养初步具有机构选型、组合、确定运动方案的能力，提高我们创造性思维、设计、计算、表达、运用和查找相关资料的多方面的能力，以及利用计算机辅助设计（CAD）解决工程实际问题的能力，以得到一次较为全面的机械设计实践经验。冲压式蜂窝煤成型机是我国城镇蜂窝煤（通常又称煤饼，在圆柱形饼状煤中冲出若干通孔）生产厂的主要生产设备，它将煤粉加入转盘上的模筒内，经冲头冲压成蜂窝煤。为了实现蜂窝煤冲压成型，冲压式蜂窝煤成型机必须完成以下几个动作：1） 煤粉加料；2） 冲头将蜂窝煤压制成型；3） 清除冲头和出煤盘的积屑的扫屑运动；4） 将在模筒内的冲压后的蜂窝煤脱模；5) 将冲压成型的蜂窝煤输送装箱。目录一、 设计题目简介p51.1设计目的p51.2设计功能p5 1.3设计要求p5二、执行机构的选型及评价p5 2.1功能分解p6 2.2方案的选择与分析p6 2.2.1冲压成型p6 2.2.2 工作盘的间歇转动p8 2.2.3 扫屑运动p9 2.2.4 脱模p112.3 执行机构成型p11三、机械传动系统的设计计算p123.1 带轮与齿轮的计算p133.2对心直动滚子推杆盘形凸轮机构计算.p143.3直动滚子推杆移动凸轮机构计算p143.4凸轮式间歇运动机构计算.p15四、 对心直动滚子推杆盘形凸轮推杆运动循环图.p15五、 各机构的选型.p165.1电动机的选型.p165.2主轴的选型.p165.3齿轮的选型.p165.4带轮的选型.p175.5所有凸轮机构.p17六、最终方案图p17七、课程设计感想p17八、相关资料p17一、设计题目简介1.1 设计目的机械原理课程设计是我们进入大学以来，第一次较全面的机械设计的训练，是一个重要的实践性的教学环节。此次课程设计的目的在于，进一步巩固并灵活运用所学的相关知识，设计出符合工业生产要求的机器，培养我们独立解决工程实际问题的能力，使对机械运动方案设计，机构运动简图设计有一个完整的概念，并培养初步具有机构选型、组合、确定运动方案的能力，提高我们创造性思维、设计、计算、表达、运用和查找相关资料的多方面的能力，以及利用计算机辅助设计（CAD）解决工程实际问题的能力，以得到一次较为全面的机械设计实践经验。1.2 设计功能冲压式蜂窝煤成型机是我国城镇蜂窝煤（通常又称煤饼，在圆柱形饼状煤中冲出若干通孔）生产厂的主要生产设备，它将煤粉加入转盘上的模筒内，经冲头冲压成蜂窝煤。为了实现蜂窝煤冲压成型，冲压式蜂窝煤成型机必须完成以下几个动作：1)煤粉加料；2)冲头将蜂窝煤压制成型；3)清除冲头和出煤盘的积屑的扫屑运动；4)将在模筒内的冲压后的蜂窝煤脱模；5)将冲压成型的蜂窝煤输送装箱。1.3 设计要求1） 蜂窝煤成型机的生产能力：30次/min ；2） 驱动电机：720 r/min3） 冲压成型时的生产阻力达到50000N；4） 为改善蜂窝煤成型机的质量，希望在冲压后有一短暂的保压时间；5） 由于冲头要产生较大压力，希望冲压机构具有增力功能，以增大有效力作用，减小原动机的功率。二、 执行机构的选型及评价2.1 功能分解由于需要设计的机器将会在一个周期的运动中执行许多动作，现将其分解为以下六个动作：（1） 加料：需要用漏斗利用煤粉自身所受的重力，让其自行加料（2） 冲压成型：要求冲头作上下往复运动，并且在其向下的行程中完成对煤粉的冲压（3） 扫屑运动：要求在冲头完成冲压运动之后向上回程的过程中，用扫屑工具对冲头和压头进行扫屑工作（4） 脱模：要求用压头对已经冲压成型的蜂窝煤脱模，使其离开工作盘进入输出轨道（5） 工作盘的间歇转动：要求工作盘在冲头冲压过程中停止转动，在冲头回程时转动（6） 输送：将已冲压好的蜂窝煤通过轨道运送到皮带运输机上，装箱在这六个功能中，由于加料和输送不需要考虑运动机构，较为简单，在此先不作考虑。2.2 方案的选择与分析2.2.1 冲压成型 方案1（偏置曲柄滑块机构） 方案2 （偏心轮机构） 方案3 （对心直动滚子推杆盘形凸轮机构） 方案 指标曲柄滑块机构偏心轮机构对心直动滚子推杆盘形凸轮机构运动速度快 中速 中速动力性能 一般 一般 取决于凸轮形状 承载能力 高 较低 较低综上所述，方案1制作方便，结构简单，易于调节，有急回性能，但速度过快，而且有冲击，在冲压后没有一段保压的时间。方案2制作方便，但综合性能一般，承载能力不高，也没有保压时间。方案三动力性能较好，而且速度不快，可以设计恰当的图轮廓线使得其具有一段保压时间，缺点是承载能力不强。不过考虑到冲压式蜂窝煤成型机的冲头对承载能力要求并不高，所以优先选择方案2、3。2.2.2 工作盘的间歇转动 方案1 （单销四槽轮机构） 方案2 （棘轮机构） 方案3 （凸轮式间歇运动机构） 方案指标单销四槽轮机构棘轮机构凸轮式间歇运动机构运动速度较慢 取决于棘爪 适中动力性能 较好 一般 较好机械效率 较好 一般 好承载能力 较好 较好 好综上所述，单销四槽轮机构各项综合性能都不错，能平稳地、间歇地进行转位，虽然它工作的时候有柔性冲击，可是由于工作盘的运动并不是高速运动，所以可以忽略它的影响，是使得工作盘作间歇转动的十分好的选择。棘轮机构简谐运动太过频繁，工作室有较大的冲击和噪声，而且运动精度较差，不利于其与冲头配合工作。凸轮式间歇运动机构是最为理想的使工作盘作间歇转动的选择，它动载荷小，无刚性冲击和柔性冲击，定位精度高，机构结构紧凑，很容易与冲头配合工作，但是其加工精度高，对装配、调整要求严格。在不考虑制作成本的条件下，优先选择方案1、3。2.2.3 扫屑运动 方案1 （滑块摇杆机构） 方案2 （直动滚子推杆移动凸轮机构） 方案指标滑块摇杆机构直动滚子推杆移动凸轮机构运动速度 较快 适中噪声 适中 较小动力性能 一般 一般承载能力 较高 较低综上所述，滑块摇杆机构制造简便，承载能力较高，但是运动速度较快，滑块与机架滑动摩擦，噪声大，而且摆动的原动件不易生成。移动凸轮机构运动速度适中，由于是低副接触，加上推杆上装有滚子，摩擦小，噪声小，而且扫屑机构对承载能力没有过高的要求，所以优先选择方案2。2.2.4 脱模为了节省空间，减少传动中造成的机械效率的损耗，脱模机构将与冲压成型机构合为一个机构，当冲头冲压某一个蜂窝煤的同时，脱模机构将其相邻的已经冲压好的蜂窝煤从工作盘冲压到预定的轨道上，完成脱模过程。2.3 执行机构成型方案一：冲压成型机构为偏心轮机构工作盘的间歇转动为单销四槽轮机构扫屑机构为移动凸轮机构 此方案的优点在于，各构件的加工较为简单，在进行传动计算时比较容易，对槽轮进行相关的设计计算可得到预想的间歇运动规律。所有的运动副均为低副，承载能力高，不容易造成构件之间的错位。齿轮均采用外啮合圆柱齿轮，也不容易发生偏移，机械效率较高。但是冲压成型机构采用的是偏心轮机构，无法在完成一次冲压后形成一段保压时间。方案二:冲压成型机构为对心直动滚子推杆盘形凸轮机构工作盘的间歇转动为凸轮式间歇运动机构扫屑机构为移动凸轮机构此方案的优点在于，各构件的加工较为简单，在进行传动计算时比较容易，对凸轮式间歇运动机构进行相关的尺寸计算可得到预想的间歇运动规律。齿轮均采用外啮合圆柱齿轮，也不容易发生偏移，机械效率较高。凸轮式间歇运动机构的动载荷小，无刚性冲击和柔性冲击，定位精度高，机构结构紧凑，很容易与冲头配合工作，最重要的是冲压成型机构采用对心直动滚子推杆盘形凸轮机构，可以做到在一次冲压后有一段的保压时间，使得煤粉完全被冲压成高质量的蜂窝煤。缺点是凸轮属于高副机构，承载能力有限，但是冲压成型机构本身对承载能力并没有过高的要求，所以影响可忽略不计。最终，经过各方面的权衡，我们小组决定将方案二作为最终的执行方案。三、 机械传动系统的设计计算 所选方案二的传动过程为：原动件为Y型三相异步电动机，通过带传动将动力传递到直齿圆柱齿轮3上，通过一次外啮合传递到另外一个直齿圆柱齿轮4上，至此，动力传递到了主轴上。主轴的中点处有一个凸轮式间歇运动机构的主动凸轮5，它将动力再传递给在它上方的从动盘，从动盘与工作盘6同轴，从而带动工作盘作间歇运动。另外，主轴的末端加装一个直齿圆柱齿轮7，它与另外一个直齿圆柱齿轮8外啮合，将对心直动滚子推杆盘形凸轮机构9与直齿圆柱齿轮齿轮8同轴安装。凸轮推杆10推动位于它上方的移动凸轮机构的推杆，使得冲头和扫屑装置开始运动。3.1 带轮与齿轮的计算设电动机的转速为n=720r/min则因为电动机的转子轴的末端连接着带轮1，则：n1=n=720r/min带轮1与带轮2由带传动的传动比i12=n1/n2=r2/r1得： n2=n1*r1/r2设r1=200mm r2=600mm ，则n2=240r/min带轮2与齿轮3同轴，n2=n3=240r/min齿轮3与齿轮4外啮合，传动比i34=n3/n4=r4/r3=z4/z3 n4=n3*r4/r3由于工作效率要求每分钟需生产30个蜂窝煤，而所设计的凸轮式间歇运动机构的柱销数为6，也就是说，主动凸轮转一圈，从动盘转1/6圈。所以n4=30r/min因此，r3/r4=1/8。取r3=62.5mm r4=500mm主动凸轮5每转1圈，从动盘转1/6圈，而盘形凸轮9每转1圈，冲头从在冲前一块蜂窝煤到冲下一块蜂窝煤。也就是说，主轴的转速应该与凸轮的转速相同。n8=n9=30r/min 。设r7=r8=100mm 。3.2 对心直动滚子推杆盘形凸轮机构计算对于对心直动滚子推杆盘形凸轮机构，要求其具有近休止角与远休止角，以保证冲头有保压时间。具体参数如下：0=120 01=60 0=120 02=60 h=1*10 mm选用的凸轮为带内凹槽的滚子凸轮，增加机构的稳定性。滚子的半径为r1=4mm 。为了保证凸轮机构运动的平稳性，加上此处对是否重载不作要求，因此选择二次多项式运动规律，并且设在加速段和减速段凸轮的运动角及推杆的行程各占一半，此时推杆等加速推程段的运动方程为：s=2h/0 (00/2)推杆在等减速推程段的运动方程为： s=h-2h(0-) /0 (0/20)由所要求的参数得，推杆在一个周期内，推程段与回程段的运动规律一模一样，因此只需要计算推程段的理论凸轮廓线即可，回程段和近休止段的理论凸轮廓线可以根据对称性原理求得。设凸轮的基圆半径r0=200mm 推程加速段：凸轮转角0 20 40 60位移 0 55.6 222.2 500推程减速段：凸轮转角 60 80 100120位移 500 777.8 944.5 1000所作凸轮如图纸一。3.3直动滚子推杆移动凸轮机构计算设当盘形凸轮机构的推杆在最低位置时，扫屑装置与冲头的距离为l1=500mm ，而由已 知条件，l2=1000mm 。则由三角函数关系，=arctan( l1/l2 )=26.6 。则根据条件，设计移动凸轮的两条直角边分别为1200mm和600mm 。3.4 凸轮式间歇运动机构计算 设主动凸轮的底圆半径R1=5mm ，则底圆周长为C=2R1=31.4mm ，从动盘内圆半径R2=8mm ，圆柱销半径r=2mm ,则=/z2 =30。b = 2R2sin d = 4mm 凸轮曲线的升程：h = l = 2R2sin= 8mm设工作台的直径为1m，我国蜂窝煤的尺寸为直径96mm到160mm，所以将工作台上的孔洞设为直径100mm 。详细设计图见图纸二。四、对心直动滚子推杆盘形凸轮推杆运动循环图对心直动滚子推杆盘形凸轮的推杆在推程段与回程段均遵循二次多项式运动规律，其在一个周期内的运动循环图如图所示。可见，在某些时刻机构会有柔性冲击，但是此处为轻载，因此不作考虑，此方案还是令我们小组赶到满意的。五、各机构的选型5.1 电动机的选型此处电动机采用Y160M28型三相异步电动机。5.2 主轴的选型主轴选择材料为45钢，长度为2m。5.3 齿轮的选型对齿轮3，选择模数为10mm ，压力角为20,变位系数为0.36的正变位齿轮。对齿轮4，选择模数为10mm ，压力角为20，齿顶高系数为1.，顶隙系数为0.25的标准齿轮。对齿轮7、8，选择模数为10mm ，压力角为20，齿顶高系数为1.，顶隙系数为0.25的标准齿轮。所有齿轮的材料均选用40Cr 。5.4 带轮的选型带轮的材料选用灰口铸铁，牌号为HT250 。两轮的垂直高度差为2.5m 。5.5 所有凸轮机构图示所有的凸轮机构，包括凸轮、滚子、推杆，材料均选用45钢。图示其它所有结构，包括支架，均采用45钢。六、最终方案图详见图纸三。七、课程设计感想经过为期两个多星期的机械原理课程设计，让我对机械原理，乃至机械设计制造及其自动化这门专业都有了新的认识。在这此课程设计的过程中，我作为组长，主要负责对整体设计框架的确定，分配不同的任务给组员，参与所有步骤的设计以及指导组员