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自动打印机机械原理设计说明书1电动机的选择电动机是机械系统中的驱动部分，它为系统提供能量或动力，并将能量转换为系统需要的运动形式转动，是机械系统中必不可少的，在机械系统方案中必须根据系统的特点、考虑和选择合适的电动机。对于驱动自动打印机工作的电动机的参数和性能的选择，我们应考虑到以下因素：考虑到现场能源的供应情况，有电源的情况下，应尽可能选择电力驱动，因为它的成本低，控制操作方便，机械活动范围广；考虑到原动件的机械特性和工作制度与工作机相匹配，电动机根据打印机在工作的频繁程度选取相应的工作制度（FC=15%60%）；打印机对电动机提出启动、过载、运转平稳性、调速和控制等方面的要求，需要保证打印头和加紧机构运转平稳；考虑到工作环境的因素，应防爆、防尘、防腐蚀；电动机应工作可靠、操作简单、维修方便；为了提高机械系统的经济效益，选择电动机应考虑经济成本，电动机的额定功率必须满足负载需要，但也不能过大。对电动机来说所选电动机功率过大造成功率因素过低也是不经济的。常用电动机的结构特性、优缺点及应用范围见表1.1表1.1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表1.2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652.12.12功能原理设计自动打印机的工作原理图如图2.1所示：图2.1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。3功能分解及工艺过程分解3.1功能分解为了实现在纸盒上自动打印记号的总功能，可将总功能分解为如下功能： 纸盒送到打印机的工位的功能； 纸盒在打印工位定位功能； 纸盒的打印功能； 纸盒打印后输出功能；其功能逻辑图如3.1所示：纸盒上自动打印记号总功能纸盒在打印工位定位功能纸盒的打印功能纸盒打印后输出功能送料功能定位功能打印功能输出功能纸盒送到打印机的工位的功能图3.13.2功能原理的工艺过程分解 纸盒送到打印机的工位的功能：用偏置曲柄滑块中滑块的往复移动，来实现送料的功能。如图3.2所示。图3.2 纸盒在打印工位定位功能：直动滚子推杆盘形凸轮机构的推杆的间歇往复移动，来实现定位功能。 纸盒的打印功能：通过凸轮机构的推杆的间歇往复移动，从而实现打印功能。 纸盒打印后输出功能：直动滚子推杆盘形凸轮机构的推杆的间歇往复移动，从而实现送出功能。图3.3能实现定位、打印和输出功能。图3.34根据工艺过程确定执行构件的运动形式1.由送料机构的工作原理和结构可知，它的执行构件是滑块，其执行构件做水平的往复移动。2.定位机构由凸轮和推杆组成，执行构件是推杆，此执行构件做的是连续的垂直方向的间歇往复移动。3.打印机构是由凸轮和推杆组成，其执行构件是推杆，此执行构件的动作是连续的在铅直方向的间歇往复移动。4.输出机构也即定位机构，由凸轮和推杆组成，执行构件是推杆，此执行构件做的是连续的垂直方向的间歇往复移动。5机构系统运动转换功能图根据执行构件的运动形式，绘制机械系统运动转换功能图如图5.1所示：减速3 减速4 送料杆的往复移动电动机运动分支 打印头间歇往复移动 减速1 减速2 运动分支 定位板间歇往复移动 输出板间歇往复移动图5.16根据执行构件的运动形式选择机构(1)送料机构执行构件运动形式：送料推杆的水平的往复移动。可选择机构：可选用凸轮机构，连杆机构，组合机构（如凸轮+连杆机构）等。(2)定位机构执行构件运动形式：定位推杆的垂直方向的间歇往复移动。可选择机构：可选用凸轮机构，连杆机构，组合机构（如凸轮+连杆机构）等。(3)打印机构执行构件运动形式：打印头的铅直方向的间歇往复移动。可选择机构：可选用凸轮机构，连杆机构，组合机构（如凸轮+连杆机构）等。(4)输出机构执行构件运动形式：输出机构也即定位机构，输出控制杆也即输出控制杆，作垂直方向的间歇往复移动。可选择机构：可选用凸轮机构，连杆机构，组合机构（如凸轮+连杆机构）等。7创建机械系统运动方案7.1传动装置的选择与比较机械系统中的传动装置是指把原动机输出的机械能传递给执行构件并兼实现能力量的分配、转速的改变和运动形式的改成等作用的中间装置。7.1.1 传动装置的类型及特点常见的机械传动装置有带传动、齿轮传动、链传动，其特点和性能如表7.1所示：表7.1类别带传动齿轮传动链传动特点轴间距范围大，工作平稳，噪声小，能缓和冲击，吸收震动；摩擦性带传动有过载保护作用；结构简单，成本低，安装要求不高；外廓尺寸较大；摩擦型带有滑动，不能用于分度链，由于带的摩擦起点，不已用于易燃易爆的地方；轴和轴承上的作用力大，带的寿命比较短承载能力和速度范围大；传动比恒定，采用行星传动可获得很大的传动比，外廓尺寸小，工作可靠，效率高制造和安装精度要求高，精度低时，运转有噪音；无过载保护作用轴间距范围大；传动比恒定，链条组成件间形成的油膜能吸震，对恶劣环境有一定的适应能力，工作可靠；作用在轴上的载荷小；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效率平带0.94-0.98V带0.90-0.94同步带0.96-0.98与速度和制造精度有关圆柱齿轮直齿 0.95-0.98斜齿和螺旋齿 0.96-0.99圆锥齿轮直齿 0.95-0.98曲线齿 0.96-0.98滚子链v10m/s 0.92_0.96单级传动比i受小带轮的包角和外廓尺寸的限制平带 =45V带 =710同步带 =10受结构尺寸的限制一般 =10受小链轮包角的限制通常，=8工作条件良好可达10寿命带轮直径大，带的寿命长取决于轮齿材料的接触和弯曲强度以及抗胶合与抗磨损能力与制造质量有关500015000h7.1.2 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。（5）因为电机转速是960r/min，生产率是80个/ min，所以传动比是12：1。带传动（减速1）传动比为3，减速2传动比为4，减速3传动比为4，减速4传动比为3。7.2机械系统运动方案的拟定与优选7.2.1 备选方案(1)送料机构送料备选方案一：（图7.1）图7.1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。送料备选方案二：（图7.2）图7.2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。送料备选方案三：（图7.3）图7.3 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，该机构可在曲柄长度一定的情况下，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。 (2)定位机构定位备选方案一：（图7.4）图7.4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7.5）图7.5机构特点：此方案采用曲柄滑块机构，通过偏心1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。定位备选方案三：（图7.6）图7.6机构特点：此方案采用凸轮+连杆机构，通过将凸轮的旋转运动转换成定位杆的垂直方向的往复运动，从而实现对工件进行定位的目的。优点：机构简单，便于制造，节约成本。由于凸轮的近休和远休位置，可以在定位时停留一段时间，保证了打印的精度，避免了打印时物块移动导致的打印不清晰或打印不明显的现象。缺点：这样的凸轮制造难度较大，而且易磨损，容易损坏凸轮，需经常更换，也就增加了成本。凸轮的行程较大时，才能保证打印头远离工件一定的距离。(3)打印机构打印备选方案一：（图7.7）图7.7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。打印备选方案二：（图7.8）图7.8机构特点：此机构由推杆滚子凸轮、弹簧和连杆等构成。在此机构中，通过凸轮+连杆机构将转轴的旋转运动转换成连杆的往复摆动，从而实现打印功能。优点：机构传动路线较短，打印时可以产生一定的间歇，打印更清晰准确；通过主轴即可带动打印，改变凸轮廓线即可改变打印时间，易于控制；加工简单。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，打印时距离工件较小，形成较大时，凸轮尺寸较大，占用空间较多。打印头下部需装有重物，使打印头垂直打印，否则打印时会出现摩擦痕迹。尺寸计算时有一定困难。打印备选方案三：（图7.9）图7.9机构特点：此方案采用凸轮连杆机构，将凸轮的旋转运动转换成打印杆的垂直方向的往复运动，从而实现对机构进行打印的目的。优点：机构简单，便于制造，节约成本。由于凸轮的近休和远休位置，可以在打印时停留一段时间，保证了打印的清晰度，避免了打印时一闪而过的打印不清晰或打印不明显的现象。这样的凸轮制造难度过不大，且不易磨损，也就不需要高强度的合金，节约了成本。凸轮的行程不用很大，就能保证打印头远离工件一定的距离。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。(4)输出机构输出备选方案一：见定位机构方案一：第20页 图7.4。输出备选方案二：（图7.10）图7.10机构特点：此方案的输出采用传送带和棘轮机构，利用传送带的传送作用，将物块自动打印后送出。优点：机构连续性强，传送稳定。缺点：由于包装盒是由人工摆放的，对摆放位置的要求较高，而且由于是人工摆放，包装盒的位置浮动较大。印章的位置的浮动性也较大，打印时不能存在一定的间歇，易出现打印拉痕。另外槽轮不是很好加工，切运行时有一定的刚性冲击。输出备选方案三：（图7.11）图7.11机构特点：此方案的输出采用凸轮+连杆机构，通过将凸轮的旋转运动转换成连杆的旋转摆动，来实现输出的目的。优点：机构传动路线短，输出的速度相对较快。缺点：机构的杆件形状较为复杂，计算较为困难，易出现打印位置不水平，使打印出现偏差。杆件需要完全的刚性，连接时也需要较紧，不能有错位。杆件的分布设置难度较大，杆件的强度要求也较大。7.2.2 确定最终传动方案及确定原因最终方案：（图7.12）图7.12选择原因：1）齿轮传动机构较为稳定，传动比稳定。2）打印处印章升程较小，根据杠杆原理采用凸轮机构连接杆组较为合适。3) 送料处用偏置曲柄滑块机构有急回特性，曲柄的回转中心位于滑块导路上方，这样可以实现，快速送料，慢速返回的性能，且能保证送料行程的距离。当滑块把纸盒送到工位之前滑块的运动速度是逐渐减小的而且送到工位时的瞬时速度为零，从而减少了机械冲击对纸盒损害。4) 用凸轮机构连接三角形推块，可同时实现输出物料和固定当前打印物料，节省空间，简化机构.5）机构简单成本较低且易于装配。7.3机构系统运动方案转换功能表（如表7.2所示）表7.2功能元功能元解（匹配机构）123减速1带传动齿轮传动链传动减速2带传动齿轮传动链传动减速3带传动齿轮传动链传动减速4带传动齿轮传动链传动送料杆往复运动凸轮机构连杆机构凸轮+连杆组合机构定位板间歇往复运动凸轮机构连杆机构凸轮+连杆组合机构打印头间歇往复运动凸轮机构连杆机构凸轮+连杆组合机构输出板间歇往复运动凸轮机构传送带+棘轮机构凸轮+连杆组合机构8 尺寸参数计算并创建机械系统运动方案8.1尺寸参数计算8.1.1 打印纸盒易于计算，我们所选择的打印的纸盒参数为：纸盒长120mm,宽80mm，高40mm8.1.2 传动装置参数所选取的齿轮传动的齿轮均为渐开线标准齿轮，其模数m=3，压力角，齿顶高系数，标准直齿圆柱齿轮的顶隙系数，锥齿轮的顶隙系数。减速1为皮带轮传动，主动轮直径为130mm，从动齿轮的直径为390mm，传动比为3。减速2为标准直齿圆柱齿轮啮合，主动轮齿数为18，从动齿轮的齿数为72，传动比为4。减速3为标准直齿圆柱齿轮啮合，主动轮齿数为18，从动齿轮的齿数为72，传动比为4。减速4为标准直齿圆柱齿轮啮合，主动轮齿数为18，从动齿轮的齿数为54，传动比为3。送料机构采用锥齿轮，啮合齿数均为36齿。8.1.3 送料机构：曲柄滑块尺寸确定：在本机构中设置行程速比系数K=2，偏距e=50mm，滑块行程为120mnm。由公式可以求得，该曲柄滑块的极位夹角，用作图法求出曲柄AB，连杆BC的长度，其作图方法如图所示：图8.1步骤一：如图8.1，作出行程长=120mm，作的垂直平分线，以的长为半径画圆，与垂直平分线交于点D，作D的外接圆，则在圆上的任意对应角为图8.2步骤二：如图8.2所示，过点作与距离为50mm的直线与圆交于点A，连接、,以A为圆心，为半径交于点E。图8.3步骤三：如图8.3所示，作的垂直平分线，量取1/2的长度，以A为圆心画圆，交于点，交的延长线于点。图8.4步骤四：如图8.4所示，量取的长度即为连杆BC的长度，的长度即为曲柄AB的长度。AB=43mm,BC=94mm。因送料机构为曲柄滑块机构，从动齿轮充当曲柄，所以从动锥齿轮的直径不少于86mm,即从动锥齿轮的齿数不可少于2936,故所选的齿数合适。8.1.4 打印机构：凸轮机构 根据生产效率得出80次/ min，主轴转速为8.37rad/s。打印凸轮的行程可任意设定，不可太大，否则将增加成本，本设计中取H=10mm,基圆半径为20mm,偏心距e=0，近休角为180度，推程角为60度，远休角为60度，回程角为60度。用电脑模拟凸轮图形见附图1、附图2、附图3。8.1.5 定位机构（输出机构）：凸轮机构输出时，纸盒推至一半以上将发生倾斜，如图8.5所示：图8.5假设定位时，定位档杆只挡到纸盒的一半位置，即20mm,则输出时，由于倾斜做用，挡板需要上升的距离为mm,故打印凸轮的行程需很大，凸轮的行程不少于51mm,本设计中取H=60mm。因基圆半径增大，可见小压力角，从而改善机构的传动机构的传力特性，但系事机构的尺寸也会增大，故取此凸轮的基圆半径为60mm,偏心距e=0，近休角为60度，推程角为30度，远休角为210度，回程角为60度。用电脑模拟凸轮图形见附图4、附图5、附图6。8.2机械系统运动方案运动方案图平面图如附图7所示。运动方案图三维图如附图8、附图9所示。9拟定运动循环图及运动分析9.1运动循环表（表9.1）表9.1送料送料退回定位向下 停停 向上打印停向下 停 向上 停输出推出 停停 推出9.2 运动循环图（图9.1）图9.1对应时间表如表9.2所示：表9.2执行构件动作时间/s分配轴转角送料机构推程回程定位机构初始位置停歇推程定位停歇回程打印机构初始位置停歇推程打印停歇回程结束位置停歇输出机构输出停歇回程停止推程9.3运动分析：送料机构 送料机构的位移分析见附图10，速度分析见附图11，加速度分析见附图12。附录：附图1：打印凸轮凸轮类型附图2：打印凸轮运动分段附图3：打印凸轮轮廓线附图4：定位凸轮凸轮类型附图5：定位凸轮运动分段附图6：定位凸轮轮廓线附图7：设计方案平面图附图8：设计方案三维图1附图9：设计方案三维图2附图10：位移分析附图11：速度分析