机械原理课程设计自动打印机(20210204073801)

1、设计任务书 原动机的选择5 传动机构的选择与比较7 执行机构的选择与比较9 机构系统运动方案的拟定与比较10 机构系统的运动循环图16 机构功能分解图与动作分解图20 机构的设计22 机构的运动简图26 必要的计算公式与有关调用子程序27 程序图33 参考文献 一、设计任务书 1 ) 、功能要求及工艺动动作分解 总功能要求 在产品上打印记号 工作原理及工艺动作分解 自动打印机系统的工作原理图及工艺动作如图（ 1）所示，该系统有 电机驱动主轴上的执行机构，完成打印任务。 首先是由送料曲柄滑块 机构 1 连续旋转运动，带动连杆 2 旋转，再经滑块 3 往复移动，把工件 6 送到指定的位置 而此时凸

2、轮 8已由远休止运动到近休止，摆杆 7 与凸 轮保持接触，并摆动一个角度 ?，从而带动摆杆 5 也转动 ? 角，到打印工 件所需位置 紧接着是打印印头动作完成打印。 （2）、原始数据和数据要求 实现送料，凸轮，打印头等运动机构由一个电动机带动，通过一系 列的减速机构，传动机构使该机构具有 80r/min 的 打印速度。 电动机功率P=0.8kw,转速n=980r/min.电机安放在整个装置的正 下位置。 根据打印产品的要求：长100-150mm宽70-100mm高30-50mm因此 须在此范围内满足要求设计如前一页图。 并且要求打印设计，满足产品的重量在 5-10N之间 曲柄滑块由最左端向右运

3、动过程中遇到如图（1）所示的送料桶中 落下的工件并把它推到指定的打印位置，其中滑块的两极限位置间距为 89mm。 印头摆角为4,印头工作行程与返回行程分别由凸轮的回程角 i=120o和升程角 o=70o决定。 （ 3） 、运动方案构思提示 1 实现送料机构 -夹紧功能的机构可以采用凸轮机构或有一定停歇时 间的连杆机构。当送料，夹紧机构的执行件将产品送到指定位置，执行机 构停止不动，维持推紧力，待打印机构执行件打印完之后被推走。最终我 们经过一系列方案的构思与分析，决定由一对心曲柄滑块来完成送料和出 料。滑块的两极限位置如下图（ 2），极限间距为 L. 实现打印功能的机构可以采用平面连杆机构或直

4、动（摆动）凸轮机 构。初步设计思路如下图（ 3）.凸轮 1转动带动杆 2从而带动杆 3摆动， 印头 4在摆下是动作完成打印。 实现出料动作的机构由送料机构来完成，当打印完第一个工件时， 曲柄旋转一周，又送来另一个工件，当第二个工件送到时把第一个工件推 出打印位置沿着出料带送出。 动力控制：自动打印机系统的三个执行机构都是有一台电动机控 制，因此实现三个分功能运动的机构必须联动，且其主要动作要协调。所 以首先要构思各个执行机构执行顺序，然后勾画出描述各机构动作协调配 合的运动循环图，最后按执行路线连成整机，力求结构简单，紧凑。初步 设计的传动如下图。 二、原动机的选择 （1）原动机的分类 a.

5、一次原动机 此类原动机是把自然界的能源直接转变为机械能， 因此陈伟一次原动机。属于此类原动机有柴油机、汽油机、汽轮机和燃气 轮机等。 b. 二次原动机 此类原动机是将发电机等变能机所产生的各种形 状的能量转变为机械能，因此称为二次原动机。属于此类原动机的有电动 机、液压马达、气动马达、汽缸、和液压缸等。 （2）选择原动机时应考虑的因素 必须考虑到现场能源供应情况。在有电源的条件下尽可能选择电 力驱动，因为它的成本低，操作控制方便，机械活动范围广，离电源远或 无电源时可考虑选择柴油机作为原动机。当有现成气源时（如铸造车间） 可选用气力驱动（气动马达和汽缸） 。 必须考虑到原动机的机械性能和工作制

6、度与工作机相匹配。例 如，挖掘机在工作中当遇到大阻力（如巨石、古树根根等）时，为保护整 个机械装置，它应能立即停止工作（称之为挖掘特性） ，所选原动机也必 须具有此特性。又如纺织机械上用的电动机应选用连续工作制，而起重机 械上用的电动机应根据该起重机工作的频繁程度选取相应的工作制度 （FC=15% 60%）。 E必须考虑工作机对原动机提出的启动、过载、运转平稳性、调速 和控制等方面的要求。如电力机车要求原动机启动力矩大、调速范围宽。 旦 必须考虑到环境工作因素。如防爆、防尘、防腐蚀等。例如，对 于食品机械必须考虑到不能污染食品以及便于清洗等要求。因此，在考虑 选择汽缸和油缸作为原动机时，应选择

7、汽缸，而油缸的漏油会污染食品。 （55必须考虑工作可靠，操作简便，维修方便。比如再单机集中驱动 和多机分别驱动之间，考虑到操作维修方便往往选择多机分别驱动为好。 56 为了提高机械系统的经济效益，必须考虑经济成本：包括初始成 本和运转维护成本。 此外，所选原动机的额定功率必须满足负载需要，但也不宜过大。 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。 （3）电机的选择 根据原动机的选择因素以及自动打印机的功能原理要求和设计要求， 需选择二次原动机运用电动机的转动输出带动机构运转。因电动机的运转 输出功率稳定、易控制、效率高、噪音小。初始成本低、运转费用低、维 修及维护方便、功率范

8、围广（0.3-1000KW）,符合原动机选择考虑因素、以 及自动打印机的功能原理和设计需求。故选用 n电=980r/min三相异步电动 机作为此设计系统的原动机。 三、传动机构的选择与比较 （1）、传动机构的选择原则 对小功率传动，应在满足工作性能的需要下。选择结构简单的传 动装置，尽可能降低初始费用。 对大功率传动。应优先考虑，传动的效率，节约能源。降低运转 费用和维修费用。 当执行机构要求变速时。若能与动力机调速比相适应可直接联接 或采用定传动比的传动装置。当执行机构要求变速范围大。用动力机调速 不能满足机械特性和经济性要求时，则应采用变传动比传动，除执行机构 要求连续变速者外，尽量采用有

9、级变速。 执行机构上载荷变化频繁，且可能出现过载，这时应加过载保护 装置。 主、从动轴要求同步时，应采用无滑动传动装置。 传动装置的选用必须与制造水平相适应。尽可能选用专业厂生产 的标准传动装置。如减速器、变速器和无级变速器等。 （2）、传动机构的选用 把原动机输出的速度降低或提高。以适应执行机构的需要。 用原动机进行调速不经济和不可能时，采用变速传动来满足执行 机构经常调速的要求。 把原动机输出的等速回转运动变为执行机构所要求的。其速度按 某种规律变化的回转或非回转运动。 把原动机输出的转矩变换为执行机构所需多大的转矩或力。 实现有一个或多个动力机驱动若干个速度相同或不相同的执行机 构。 由

10、于受机体外形、尺寸的限制、或为了安全和操作方便，执行机 构不宜与原动机直接联接时，也需要用传动装置来连接。 （3）、传动机构的选择 根据自动打印机的设计要求，选择齿轮传动。其机构如下图所示。 根据齿轮传动要求，设一级减速 n 减为 280r/min ，二级减速 n 为 80r/min 再由两皮带轮分别 传给曲柄滑块机构和凸轮机构。 由设计方案，各齿轮的模数 m=4齿轮1的中经为80mm,n=980r/min. i 12 =n 1/ n2=Z1/Z 2=20/70=2/7 由此得 Z2=280r/min. 而 Z3=20,Z4=70, 因此 i 34=n3/n 4=Z3/Z 4=20/70=2/

11、7 所以 n4=n3*2/7=280*2/7=80r/min. 经过以上减速后即可得到最终期望 转速 n=80r/min. (4) 传动机构的比较 由于齿轮传动相对于带轮传动来说，齿轮机构的结构紧凑，且能满 足设计要求。所以在一级、二级传动应用齿轮传动平稳，不会打滑能够保 证传动的速度精度。 在减速完成后， 应用带轮对传动的精度影响不是很大， 且能够满足长距离传动，因此在减速后应用带轮传动简化结构，设计原则 要求。 四、执行机构的选择与比较 每一台机器都是按照某一需要的设计的，所以它们必须具有满足需要 的功能。这些功能是通过机械系统中与工作对象相关的构件的运动表现出 来的。这些构件称为执行构件

12、，有时也称为输出构件。在自动打印机的设 计中，所采用的执行机构是凸轮机构。通过传动机构的带动，自动打印机 的压头要有往复运动。因为凸轮机构与其它机构相比易实现往复运动，而 且结构简单，所以宜选择凸轮机构。在选择压头与压杆的连接方式时，我 们用弹簧与铰链与压头连接，这样既保证了压头始终竖直向下，而且也保 证了机构的最简单，同时弹簧的使用，可以减少冲击，保护产品和压头不 被压坏。 在选择产品的出料和固定方式时，我们选择通过产品之间的挤推来把 产品推向斜面，使产品在重力的作用下通过斜面下滑，达到出料的目的 这样使机构尽量简单化；在斜面与工作台之间用一小段凸起的圆弧过渡， 这个凸起与压头的水平距离保持

13、一定，这样既可阻止产品由于惯性超过指 定位置，起到定位产品的作用，又不会堵塞产品，从而使产品通过圆弧能 光滑顺利地从工作台上滑到斜面上，从而达到与出料地连接。 五、机械系统运动方案的拟定与比较 1、机械系统运动方案的构思与拟定原则 （1）机械系统尽可能简单 （2）尽量缩小机构尺寸 （3）机械系统应具有良好的人机性能 （4）机构应具有较好的动力特性 2、系统运动方案的拟定及工作原理 图1 方案一：送料机构如图所示。如图 1所示，当压头向上升起的时 候，曲柄滑块机构在电机的传动下正向右送料到压头正下方；压头下降的 时候，曲柄滑块机构的活塞向左运动，避免了活塞与压头产生干涉。为了 能适应不同产品的长

14、度，我们设计的时候，在曲柄 GF的G端设计了槽a, 只要调节铰链G在槽的固结位置，然后与连杆 GH铰接，这样就可以调节 GF和 GH杆的总长，从而可以把不同长度的产品推到压头的正下方位置， 即适应了不同长度产品的打印。压杆的往复运动由凸轮的回转运动来实 现,如图 1 所示。电机通过齿轮机构和带传动机构带动凸轮回转,从而使 得压杆的往复压下和上升的运动,同时压头随着压杆往复运动。压杆 CD 与摆杆AC间是通过铰链固定的，这个固定的位置可以在 CD杆上一定的距 离内变化，只要调整CD杆与AC杆的铰接位置，就能保证适应不同高度的 盒子的打印，与送料机构的曲柄滑块机构相似。压头与 CD杆的连接方式 为

15、：在压头与CD间铰接一个弹簧，两个铰链的使用，保证了压头在重力 作用下始终向下，这样在打印产品时，不会把印打偏，而且为了能把打在 盒子上的印打的更明显，我们设计的时候，让压头压下的深度低于盒子顶 部2mm这时弹簧受压收缩，起到了缓冲的作用，同时也把印记打印的更 明显。 图2 方案二：曲柄滑块机构的原理和方案一的曲柄滑块机构的原理相似， 如图2。通过一个可滑动的槽a和铰链在曲柄GH上的固结位置就可以调节 曲柄GH和连杆HI的总长度，从而适应不同长度产品的打印。而压头与压 杆CD固结，压头的往复运动是通过压杆 CD与凸轮机构的连接来实现的， 如图2。电机的回转运动通过齿轮L、K J和带传动机构减速

16、，同时使凸 轮回转，凸轮回转使凸轮机构的摆杆 AC摆动，摆杆AC的摆动通过移动副 和转动副的连接使压杆CD在移动副的约束下做上下往复运动，从而实现 压头上下往复打印产品。同时，转动副 C在压杆CD上的固结位置是可以 上下在一定范围内调节的，只要调节 C在压杆CD上的位置，就能适应不 同高度产品的打印，和曲柄滑块机构的原理相似。 图5 方案三：这个机构设计的时候是按照产品是在另外一个有传动机构传 送到曲柄滑块机构的工作行程范围内。如图 3、4 所示，此机构负责送料 的曲柄滑块机构、负责打印的凸轮机构和负责出料的凸轮机构是通过电机 的分配轴的带传动实现的。当压头上升时，曲柄滑块机构把从两外一个传

17、动机构传送过来的产品推向压头的正下方，压头的正下方是一个能容纳产 品的方形槽，这个方形的槽起到了定位的作用，使得产品能在压头正下方 固定，从而使打印的时候不会太偏。槽的底部是两块可以转动的版PN和 KJ,这两快板分别在铰链N和K通过连杆NL和KG分别与T形杆ML和 GF在L和G处铰接，LL和GG是垂直于纸面固结于L点和G点的两 根等长平行杆件，俯视图如图5,这样在槽的正下方是空的空间。而T形 杆在对称凸轮H回转作用和移动副约束的作用下，做完全对称的左右往复 运动，这样就使得槽的底板 PN和KJ在转动副P和J的约束下做开启和闭 合的摆动。当凸轮近休的时候，底板 PN和KJ闭合，由于凸轮的近休，使

18、 得底板PN和KJ闭合一段时间，在这段时间内，工作台上完成把产品送到 槽里并完成打印。当打印结束后，底板 PN和KJ对称的打开，从而使产品 能顺利的掉出槽， 掉到另外的回收机构， 这就完成了一个循环。 此方案中， 凸轮机构和压头、压杆的连接以及曲柄滑块机构的设计与方案一的相同。 3、运动方案的比较 首先，方案一与方案二比较是压杆和压头的连接方式和压杆和凸轮机 构的连接方式的不同。方案一结构简单，靠压头的重力作用使压头始终竖 直向下；而且方案一在压头和压杆之间连接时用了弹簧，这样能保证压头 在打印时可以起到缓冲作用，不至于压头和产品被压坏，因此机构工作时 各个机构承受的冲击载荷较方案二小，因此传

19、动特性好。方案一与方案二 相比宜选取方案一。 其次，方案一与方案三比较。方案一采用一个浅浅的槽实现定位，然 后靠产品的挤推使产滑动到斜面，从而产品在自重的作用下，滑到下一个 机构，从而达到出料的目的；而方案三采用的是一个底板可以开关的槽， 槽起到了定位的作用；通过对称凸轮的回转，使得底板开关，这样达到出 料的目的。方案一与方案三相比，机构简单，执行机构少，这样就易于实 现机构的传动，而且方案一的结构简单，可以减少功率损耗，降低成本， 因此宜采用方案一。 综上所述，系统机构宜采用方案一为最终方案。 六、机械系统的运动循环图 机械系统的工作方式分为两大类：一类是机械系统各执行机构的运动 没有周期性

20、，执行构件的运动常因工作条件不同而随时改变。另一类是机 械系统各执行机构的运动是周期性地重复着，每经过一定的时间间隔完成 一个运动循环。生产中的大部分机械系统都是这种有周期性运动循环的机 器。机械系统运动循环图就是用来描述机械系统各执行构件之间运动协调 配合关系的图（通常又称工作循环图）。该图将各执行构件在一个循环中 的运动状态按同一时间（或分配轴的转角）比例尺，并以某一主要执行构 件的运动起点为基准绘制在一起的总图。机械运动循环图能很清楚地表示 各执行机构循环的相对动作顺序，因此，它是设计机器时首先要研究和绘 制的图纸，也是以后机器设计、安装、调试的依据。 形 绘制方法 特点 式 直 线式

21、将机械在一个运 动循环中个执行构件 运动的起止时间和先 后顺序，按比例绘制在 直线坐标轴上 绘制方法简单，能清楚地表示 出一个运动循环内，各执行构件运 动的相互顺序和时间关系；直观性 差，不能表示各执行构件的运动规 律 同 心圆式 将机械在一个运 动循环中各执行构件 运动的起止时间和先 后顺序，按比例绘制在 圆形坐标上 能比较直观地表示各执行构件 的运动在分配轴上所处的相位，便 于各机构的设计、安装和调试；执 行构件太多时，由于同心圆太多看 起来不清楚，也不能表示各执行构 件的运动规律 直 角坐标 用横坐标表示机 械主轴或分配轴转角， 以纵坐标表示各执行 构件的角位移或线位 移 能清楚表示各种

22、执行构件动作 的先后顺序，而且能表示出各执行 构件在个区间的运动规律（为了简 明起见，通常用线性运动规律）。有 利于指导各执行机构的几何尺寸设 计 图6 如图6所示，当活塞I向右运动的时候，完成送料到压头的下方， 凸轮近休，压头压下完成打印。当活塞向左移动的时候，凸轮远休，压头 升起。从而继续下一个循环。机构运动循环图如图 7。 图7 如图7所示，分配轴为0时，曲柄滑块位于最左端，凸轮远休；当 分配轴转到80时，凸轮开始回程，而此时曲柄滑块机构正在送料。当分 配轴转到180的时候，曲柄滑块机构完成送料，把产品送到了压头的正 下方的位置，而此时凸轮并没有达到近休，即还没有开始打印，而是延迟 20

23、的时间，即当分配轴转到200的时候，曲柄滑块已经向左退回，压 头开始近休，即开始打印。当分配轴转到 300的时候，凸轮开始升程，压头完成打印开始上升，曲柄滑块继 续向左退回。当分配轴转到360。的时候，曲柄滑块机构和凸轮记过回到 起始位置。当分配轴继续回转时，凸轮机构和曲柄滑块机构配合完成下一 个循环。这样就可以连续的打印产品。 七、机构的功能分解图与动作分解图 1、机构的功能分解 （1）滑块的功能 工作行程 滑块的工作行程完成送料功能（如下图） （2）印头的功能 印头的工作行程完成打印功能（如下图） 工作行程 （3）出料槽的功能 靠下一待印工件将已印好工件挤入出料槽送出（如下图） 2、功能分

24、解图如下 3、动作分解图 动作分解图如下图所示 八、机构的设计 1、送料机构的设计 拟用对心曲柄滑块机构和送料筒实现送料功能，同时用待印工件将已 印好工件挤入出料槽。 根据设计要求，曲柄滑块有两个极限位置，分别为最左和最右，当滑 块滑块运行到右边极限位置时，完成一次送料，即将工件推至打印位置等 待打印。滑块退回至左边极限位置，准备完成下一次送料，并挤走已打印 好的工件，实现出料。由于滑块的高度与长度，限制了在一次送料时其它 待印工件进入送料槽。 考虑到工件的最大尺寸为150X 100X 50,最小尺寸为100X 50X 30, 以及整个机构的功能要求，确定机构尺寸如下图所示。 计算方法： 拟定

25、A点到送料筒的距离为300mm滑块长度为200mm高为30mm 宽度为100mm A点与C点水平，C点距滑块左端15mm送料筒的截面大 小为 152X 101。当滑块处于左边极限位置时, 滑块右端距送料筒左端距离 为26mm当滑块处于右边极限位置时，C点位于A点右边300mn处。由曲 柄滑块机构两极限位置可得： AB+BC=300mm BC-AB=300-26-185=89mm 所以 AB=105.5mm BC=194.5mm 由于工件尺寸可变,拟在曲柄上加以可移动铰链,通过人为改变曲柄 的长度来实现对不同尺寸工件的送料，即 AB的变化范围为80.5mm- 105.5mm.当AB=105.5m

26、nB寸打印最小工件。 2、打印机构的设计 拟用凸轮机构驱动印头上下运动，实现打印功能。 考虑到工件的最大尺寸为150X 100X 50,最小尺寸为100X 50X 30, 以及整个机构的功能要求，确定机构尺寸如下图所示。 由于工件大小可变，拟在 G点处螺栓连接连接GH杆与GF杆，来实现 GH杆的长度可调，从而满足对不同大小工件的打印需要。设计当 GH杆长 为30mm时寸打印最小工件。 3、出料机构的设计 拟用待印工件挤出已印工件，所有工件在出料槽内滑动。考虑到工件 的最大尺寸为150X 100X 50,最小尺寸为100X 50X 30,以及整个机构的 功能要求，所以底板用两部分组成，彼此位置可

27、调以满足对不同大工件的 定位于出料要求。 为了方便定位，在A处加一凸起，如下图所示 九、机构的运动简图 机构的运动简图与布局如下图所示 十、必要的计算公式与有关调用的子程序 Private Sub Command1_Click() Dim b(6), c(6), d(3), t As String pai = Atn(1#) * 4 / 180 For fi = 0 To 360 Step 10 Fi1 = fi * pai Call 单杆运动分析子程序 (0, 0, 0, 0, 0, 0, 0.1055, 0, Fi1, 8.378, 0, _ xB, yB, vBx, vBy, aBx,

28、aBy) Call RRP 运动分析子程序 (1, xB, yB, vBx, vBy, aBx, aBy, 0, 0, 0, 0, 0, 0, _ 0.195, 0, 0, 0, xC, yC, vCx, vCy, aCx, aCy, fi2, omega2, t = t + epsilon2(rad/S)= + Str(epsilon2) + vbCrLf epsilon2, sr, vsr, asr) t = t + Fi1= t = t + xC(m)= t = t + vC(m/S)= t = t + aC(m/S2)= t = t + omega1(rad/S)= t = t + o

29、mega2(rad/S)= t = t + epsilon1(rad/S)= + Str(fi) + vbCrLf + Str(xC) + vbCrLf + Str(vCx) + vbCrLf + Str(aCx) + vbCrLf + Str(omega1) + vbCrLf + Str(omega2) + vbCrLf + Str(epsilon1) + vbCrLf t = t + vbCrLf Next fi Text1.Text = t End Sub Sub 单杆运动分析子程序 (xA, yA, vAx, vAy, aAx, aAy, S, theta, fi, omega, ep

30、silon, _ xm, ym, vmx, vmy, amx, amy) xm = xA + S * Cos(fi + theta) ym = yA + S * Sin(fi + theta) vmx = vAx - S * omega * Sin(fi + theta) vmy = vAy + S * omega * Cos(fi + theta) amx= aAx - S * epsilon * Sin(fi + theta) - S * omegaA 2 * Cos(fi + theta) amy= aAy + S * epsilon * Cos(fi + theta) - S * om

31、egaA 2 * Sin(fi + theta) End Sub Sub RRP运动分析子程序(m, xB, yB, vBx, vBy, aBx, aBy, xP, yP, vPx, vPy, aPx, aPy, _ L2, fi3, omega3, epsilon3, xC, yC, vCx, vCy, _ aCx,aCy, fi2, omega2, epsilon2, sr, vsr, asr) Dim pi, d2, e, F, yCB, xCB, E1, F1, Q, E2, F2 pi = Atn(1#) * 4 d2 = (xB - xP)八 2 + (yB - yP)八 2) e

32、 = 2 * (xP - xB) * Cos(fi3) + 2 * (yP - yB) * Sin(fi3) F = d2 - L2 八 2 If e 八 2 0 Then fi = pi / 2 ElseIf y21 = 0 Then MsgBox B 、D 两点重合，不能确定 Else: fi = 3 * pi / 2 End If Else If x21 = 0 Then fi = Atn(y21 / x21) Else: fi = Atn(y21 / x21) + 2 * pi End If End If End Sub Private Sub Command2_Click() Dim b(6), c(6), d(3),