机械原理与机械设计课程设计

1、电:上渗大学机械原理与机械设计课程设计设计题目：半自动模切机运动方案拟定及传动系统设计学院机自学院专业机械工程 学 号结构设计（110932A032学生姓名课程名及课程号指导老师丁卫日期 叮叮小文库模切机运动方案拟定及传动系统设计一机械原理与机械设计课程设计说明书一、半自动平压模切机（以下简称模切机）简介1 .课题说明模切机是印刷、包装行业压制纸盒、纸箱等纸制品的专用设备，该机可对各种规格的纸 板和厚度在6m砚下的瓦楞纸板进行压痕、切线。 沿切线去掉边料后， 可折成各种纸盒、纸 箱或压制各种富有立体感的精美凹凸商标和印刷品。2 .原始参数和设计要求1）纸张尺寸为250mm x 250mm,由人

2、工放入输送线上， 双班制，每小时压制纸板 3000 张；2）模压行程 H=50 ± 0.5mm。回程的平均速度是工作行程平均速度的1.25倍。压力与模压行程的关系如图1所示。模压产生阻力 F=0.8X 106 N,模压回程时不受力；3）模具和滑块白质量约为 120Kg ;4）在最后加压的5mm范围内施压性能良好， 即增力性好，且在5mm范围内施压时间 适当长些；5）工作台距离地面约 1200mm;图2.平板漠切动怦示意图6）要求结构简单紧凑、节省动力、便于制造，使用寿命为十年。二、模切机运动方案的确定1 .工艺动作分解纸箱或纸盒的压痕、切线、压凹凸，都要用凹模和凸模加压，为此纸板需定

3、位、夹紧， 再送到模压位置加压，之后将加压后的纸板送走。因此，模切机的工艺动作可分解为：控制夹紧装置张开、夹紧、送料和加压模切三个动作。2 .送料机构的选择为了保证模压时的相对位置精度，纸板在输送过程中，必须定位、夹紧。比较简单而可靠的方法是利用带有夹紧片的双列链条， 如图2所示。而链轮的运动可由间隙运动机构 （如 不完全齿轮机构等）控制。两链条之间有固定模块 3 （固定模块的条数和间距 L可根据整机 尺寸确定，与链轮中心距有关，通常 L可取5条），其上装有夹紧片 8,当推杆7顶住夹紧片时，夹紧片张开，此时在工作台 10上，由人工放入纸板 6,当推杆7下降时，夹紧片8 靠弹力自动夹紧纸板， 推

4、杆的动作可用凸轮控制。 这样在间隙机构控制下输送链条带着纸板 移动距离L,在模切工位上停止移动，进行模切。同时在另一个工位上推杆推开夹紧片，工 人再放入纸板，输送链再将切好的纸板送至指定工位，由固定挡块9迫使夹紧片张开，纸板落到收纸台上。完成一个工作循环。3 .模切运动方案的构思及筛选首先应考虑模切机的加工方法，它在很大程度上将决定整机的总体布置。运用所谓关联树法，按层次列出可能的几种加压方法如图3所示。图中排出6种可能的加压方法。 通过分析可知，水平加压不利于纸板输送系统的布置。而垂直加压中，当上下模具同时加压时， 上下模不易对准。经过筛选后可有二种方案再作进一步的对比分析，如果采用由上向下

5、压， 即下模固定，上模运动，则必然要占用工作台上面的空间，这会干扰链条输送系统的布置。而传动系统一般又总是放在工作台下方。 这样从总体布置而言， 显得不很合理，故宜采用上 模固定，由下向上压，这样可使加压机构与传动系统都布置在工作台下方，能有效地利用空间，且便于工人操作和输送纸板， 在图2中上模4通过装配调整后固定不动， 而使下模运动。由左模向右模加压左右模同时加压由右模向左模加压由上模向下模加压上下模同时加压由下僮向上模加压4 .传动系统运动方案构思及筛选通过上述方案的筛选，采用由下往上压的方案，即执行构件作往复直线运动。一般原 动机都采用水平布置的电动机，因此在传动系统运动方案构思中，必须

6、考虑如何把水平方向的旋转运动经减速后变换为垂直方向的往复直线运动。亦就是说在考虑模切机运动方案构思时，需要有运动形式，运动方向和运动速度变换的功能，而满足这些要求的机构组合可以有许多种，例如经齿轮减速后的曲柄滑块机构，以及由曲柄滑块机构演变而成一些带滑块的六杆机构都能满足上述要求。此外还有经减速后的直动推杆盘形凸轮机构、螺母作往复转动的螺旋机构，以及齿轮作往复转动的齿轮齿条机构等等，都是可供选择的方案。根据在相同的施压距离 5mm内，下压模移动所用的时间越长越有利、传动角越大越好、成本越低越好、效率越高越好等原则，综合考虑选择带滑块的六杆机构方案。方案1s T /r.4 d71$ n 4白福清

7、亲机构由洪约六柠机构凸轮机构螺旋机构齿轮齿条机电增力性无强无一般无加压时间较短较长最长短较长传动角一级较小小-卜小小二级较大大大平稳性较平稳较平建有冲击较平稳较平稳磨损与 变形一般一般剧烈强一般效率高高较高低较高结为简单较简单筒单最复杂复杂加工与 装配易易较难难难成本最低低一般较高较高运动尺寸最小最大较小较大较大三、机构运动参数的确定1 .原动机的运动参数1）电机转速nc选择原动机的运动参数通常有转动和往复移动两种形式。一般机械中普遍使用Y系列三相异步交流感应电动机作为原动机，常用的转速有3000、1500、750、300rpm四种。转速愈低，电动机重量愈重，价格愈高。但整体的总传动比则会小一

8、些，反之总传动比会增加。所以合理地选择原动机的转速是整机设计时不容忽视的一个环节。结合本课题的情况建议选用同步转速为1500rpm的交流电动机。2）主轴转速与曲柄转速选择本题要求曲柄转一圈，下模往复一次，压出一块纸板，其所需时间为1.2秒，则曲柄的转速为 n=60/1.2=50rpm 。2 .主执行构件运动参数主执行构件是机构实现主要工艺动作的运动输出构件，其运动参数与运动形式有 关。本题的主执行构件是作往复运动，其运动参数主要是：行程H=50± 0.5mm,行程速比系数K=1.25、每分钟往复次数 Z=50次、施压时的位移 S=5mnf口速度v等。3 .链传动参数确定初选中心距a=

9、30p,取节距p=25.4,齿数Z根据优先选用链轮齿数系列及与链节数互质原则Z1=Z2=25 ,则链节数Lp0=2 -+-=85P ：2 v 21T / nB最大中心距a=p=762mm已知主轴转速为50rpm,设主轴转动一圈所需时间为t, t=60/50=1.2s2对链轮的有效转动时间t1 1 2 - 0.8s3链轮角速度 n2 - -60 530 37.5rpmt1 244 .不完全齿轮参数确定由间歇要求可知，不完全齿轮主动轮的齿轮区域为240° ,占总区域2/3一'nc504Z3传动比i2土 ",齿数比一一n237.5 3Z4设不完全齿轮主动轮齿数 Z=40,

10、从动轮齿数Z=30四、机械传动系统的拟定1 .主运动链和辅助运动链机械传动系统是解决原动机与各工作机构之间的运动联系及运动速度，运动方向的变换，使其满足预期的工作要求。 由原动机到主工作机构原动件之间的运动联系，称主运动链，而由主运动链中某一构件引出的运动链，通常称为辅助运动链。 为了保证主运动链和辅助运动链协调配合运动，通常主工作机构的原动件和辅助运动链的原动件都集中在同一根轴。本课题中使下压模作往复直线运动的该级机构为主工作机构。为了使辅助运动链的执行构件与主运动链的执行机构有序地协调动作，它们的原动件即曲柄16、凸轮14、不完全齿轮12安置在同一根轴III上，如图6所示。2 .运动链中各

11、机构的排列通常总是把摩擦传动，带传动布置在高速级，而一些变换运动形式的机构如凸轮机构,连杆机构以及间隙运动机构安排在运动链的末端,靠近执行构件，而齿轮机构一般用来改变运动的速度，链传动因“多边形效应”3.传动比的确定当已知主工作机构的原动件转速易引起冲击，宜安排在低速级。nc=1500rpm ,原动件的额定转速 nn=50rpm ,主运动链的传动比为ic nnc50150030减速箱内动机构是串联组合，则 其中i1为电机初级带传动减速比,ic= i1i2,X i2 X i3i3分别是减速箱内一，二级齿轮减速比。各级传动比的分配，一般应考虑下述原则：每级传动比应在该类传动机构推荐的常用范围内选取

12、。各级齿轮传动的传动比，一般按递增的次序排列，即从高速级到低速级，传动比遂级放大。这可使机构较为紧凑，系统的等效转动惯量减小，系统传动精度较高。综上所述，可取 i1=1/2, i2=1/3 , i3=1/5。五、主体机构运动设计、运动分析和力分析一、主体机构的运动设计(或尺寸综合)模切机的主工作机构是一个原动件转速nc已知的六杆机构(如图4所示)。它可视为两个四杆机构组成，即由曲柄摇杆机构 ABCD和摇杆滑块机构 DCE组成。设计时为简单对称， 取CD与CE杆长相等，其长度可根据工作台平面高度适当选取。这样，摇杆最大摆角 W可以由滑块行程 E1E2=H=50 土 0.5mm及CD及CE杆长由几

13、何关系求得。至于曲柄摇杆机构的 尺寸综合，则可以根据速比系数K=11.2、摇杆CD长及曲柄AB长应用图解法及解析法求连杆BC及机架AD的长度。图解法可参看机械原理教材。解析法说明如下：综合具有急回作用的机构时，给定行程速比系数 K=1.25 ,摇杆CD和推杆长c=500mm、DF=475mm, BC=b=245mm ,求杆 AB=a、BC、AD=d 的长。参见图 7。其求解方法步骤如下：1.25 19 =180° ?石5120° 摆角2c 2c cos 5022c - 502 * arccos18.192c(3)曲柄ABAC2 AC2 2AC1AC2cosC1C2而AC1所

14、以2ab a, AC2 b a, C1C2 2csin 22c 2 sin 2(/ 2) b2( 1 - cos )1 cos解得 a=67.66mm(1)极位夹角16(4) 机架AD长d因为由几何关系得(ba) sincos 22c sin 一2(b a)sin1 2 (-) arccos()-222csin 2由ACiD 得AD2 AC2 GD2 2AC GDcosI222即 d (b a) c 2(b a)ccos 1所以 d= (b a)2 c2 2(b a)ccos 1=428.57则求b, d可编程序用计算机计算。主体机构运动设计亦可用图解法，设计时由学生自己选择。222一 、-b

15、 c (d a) 最后，还应根据min arccosf) =42.802bc222b c (da).及m arccosf-3) =74.912bc二、主体机构运动分析钱链四杆机构的运动分析在图8所示的钱链四杆机构中，已知各杆长 l1, l2, l3, 14以及原动件AB的转角()1和 等角速度()1 = 3。要求确定连杆2和摇杆3的转角、角速度和角加速度。运动分析的主要任务就是确定其余构件的角位移、角速度和角加速度的计算式。位置分析为简便起见，选取原动件固定镀链A为坐标原点，X轴与机架相连，从固定钱链点向外标出机架、 连架杆和连杆的向量。各转角规定自X轴逆时针度量为正，反之为负。由此确定了各杆

16、向量的指向后， 机构就组成了一个封闭向量多边形。可写出封闭向 量多边形的向量方程式。l1 l2 l3 l4矢量 l lle l(i cos jsin )分别向X轴和Y轴投影得：11 cos 112 cos 2 l 3 cos 314l1 sin 1 l2 sin 2 l3 sin 3/C(I- 1)由：、校进区tfUl同胞工荀中析虫l 2 cos 2 l 3 COS 3 l 4 l 1 cos 112 sin 2 l3 sin 3 l1 sin 1其中未知数为0 2, 0 3,消去。2求0 3,两边平方并求和有：222l2 (l4 13cos3 11cos 1)(l3sin 3 l1sin 1

17、)222l4 l3 l1 21314c0sl 21113cos 1cos 2 21113sin 1sin 3 21114cos222221113sin 1 sin 321113cos1 21314 cos3 12 11 13 14 21114cos1令：A 21113sin 1B 21113cos1 2131421311cos1 14C 12 112 13 21114 cos 1得：Asin 3 Bcos3 C 0(4)人。“2X1 X2令 X tg ,则有 sin 3-,cos 3521 x21 XA -xy B 1X C 0； C Bx2 2Ax B C 01 x21 x2A A2 B2

18、C2A M,A2 B2 C2x C BC B即 tg -A M . A2B2 C2C B(其中 M=+1 或 M=-1)则得:2arctgA M . A2B2 C2C B根据装配条件，确定 M的符号“ +”或“-”。同理，消去。3,可求解。2,其中令：D21112 sin 1E 21112 cos 121214212 11 cos 114F112 11 12 13221114 cos 1得:2arctgD M D2 E2 F2F E速度分析对式两边求导，其中22,3311 1 sin11 1 cos2 sin 22 cos 213 3 sin 313 3 cosi1i sin解方程组得12 s

19、in111 sin13 sin加速度分析又（10）式再一次求导11 1 sin 111 1 cos 111112121cossin2 sin 22 cos 22222cossin3 sin 33 cos 32323cossin3 (12)3解方程组得:1211cos2.212 cos3213I2 sin2.1 1i cos 123232I2I2 123 13 cos 3213 sin 32主体机构的动力分析及飞轮设计飞轮转动惯量计算因为，平压模切机负荷的特由前可知，平压模切机设计时必须考虑速度波动调节问题。点是短期的高峰载荷和较长期的空载互相交替。如果按照I作行程所需的功率来选用电动机，要求的

20、功率会很大。 而用大功率的电动机，又只是在很短工作行程时间内满负荷，大部分时间负荷很小，这样就会造成浪费，且速度波动很大，造成不良的效果。为解决此矛盾，须考虑安装飞轮，使主轴的角速度较为均匀，同时使冲压模在不受负载时通过传动机构吸收 多余的能量，而冲压模在工作行程时，释放能量，从而大大减少电动机所需的功率。飞轮的转动惯量可利用以下近似公式计算Wmax2 m900 Wmax式中 Wmax -最大盈亏功 iaxm-安装飞轮之轴的平均角速度（一般装在主轴上）n-安装飞轮之轴的转速-机械运动转时许用不均匀系数（冲压机械取1/7 1/10 ,此处取 0.12 ）已知在一个工作周期内，主体机构推杆做两次推

21、程运图11、等地疑动力定月尊.如TlJi更、二期动，但只有一次做功，做功位移S=5mm163WerMerd F S 0.8 10 5 104000J2又因运转速度作周期性波动的机器，稳定运动时一个周期内等效驱动力矩所做的功等于 等效阻抗力矩所作的功，对电动机作原动机的机械，其驱动力矩可视为常数，可得WedMed 2WerMedWer2T40002636.62因此可得等效驱动力矩。则进而可绘图求得最大盈亏功曲柄夹角2 -1150WmaxWObehWfgdMed2636. 6221511802333. 33J可得飞轮转动惯量为900 Wax2709.25kg mf900 2333.33_22502

22、20.12六、运动结构简图（见附件）七、机构的工作循环图各执行机构的动作有顺序要求的机械系统，在一个工作周期中，各执行构件的运动要相互协调配合，才能共同完成生产任务。表示机械在一个工作循环中，各执行构件运动相互配 合关系的图形称工作循环图（或称运动循环图）。设计工作循环图时，应先选择主工作机构的执行构件作为定标件，以其起点作为基准，用它的转角（或时间）作为横坐标。各执行构件为纵坐标用于表出各执行机构运动的先后次序及相位。工作循环图通常有直线式、圆击式、 直角坐标式三种。此说明书选择直角坐标式。在设计本课题的工作循环图时要注意以下几点：根据题设，下压模向上移动最后 5 mm是下压模的施压区间，

23、对应原动件的转角为 1, 2。（2-1）愈大，施压效果越好，这是模切机运动设计应追求的主要目标。而 2和1 的数值则由运动分析后确定。为了保证纸板处于静止状态下模切，应使输送链比1角提前10。停止，并滞后 2角10°开始转动。在夹紧工位上，应确保输送链轮停止转动后，推杆7 （参阅图2）才升至最高位，顶动夹紧片松开，输送链轮2重新转动前，推杆7应迅速下降，使夹紧片夹紧纸板。 在此期间， 要保证有足够的时间将纸板送入夹紧片。由运动分析后可得，取1 130 , 2 281 ,输送链开始停止时的角度可取1 120 ,开始转动时的角度可取2 290 。八、C语言程序运行结果#include&l

24、t;stdio.h>#include<math.h>#define N 360#define pi 3.14159265int main() int i,m;double a,b,c,d,e,f,g;double n,speed1,zita0,acce1,zita;double zita1N,zita2N,zita3N;double speed2N,speed3N,acce2N,acce3N; double 11,12,13,14;double zita4N,zita5N,s4N,acce4N,v4N,o4N;11=67.66;12=245;13=500;14=428.57;

25、n=3000/60;zita0=0;g=0;speed1=pi*n/30;zita0=zita0*pi/180;m=1;zita=2*pi-0.5*pi+acos(l3*l3+l4*l4- (l2-l1)*(l2-l1)/(2*l3*l4);for(i=0;i<N;i+) zita1i=zita0+2*i*pi/N; a=2*l1*l3*sin(zita1i)-2*l3*l4*sin(zita); b=2*l1*l3*cos(zita1i)-2*l3*l4*cos(zita);C=l2*l2-l1*l1-l3*l3-l4*l4+2*l1*l4*cos(zita1i-zita); zita

26、3i=2*atan2(-a+m*sqrt(a*a+b*b-c*c),c-b); f=l1*l1+l2*l2+l4*l4-l3*l3-2*l1*l4*cos(zita1i-zita); d=2*l1*l2*sin(zita1i)-2*l2*l4*sin(zita); e=2*l1*l2*cos(zita1i)-2*l2*l4*cos(zita); zita2i=2*atan2(-d+m*sqrt(d*d+e*e-f*f),f-e);speed2i=-(speed1*l1*sin(zita1i-zita3iD)/(l2*sin(zita2i-zita3i); speed3i=(speed1*l1*

27、sin(zita1i-zita2i)/(l3*sin(zita3i-zita2i); acce2i=(-speed1*speed1*l1*cos(zita1i-zita3i)-speed2i*speed2i*l2*c os(zita2i-zita3i)+speed3i*speed3i*l3)/(l2*sin(zita2i-zita3i);acce3i=(speed1*speed1*l1*cos(zita1i-zita2i)-speed3i*speed3i*l3*co s(zita3i-zita2i)+speed2i*speed2i*l2)/(l3*sin(zita3i-zita2i);zita

28、4i=zita3i-pi/2;s4i=l3*cos(zita4i)+m*sqrt(l3*l3-(l3*sin(zita4i)-g)*(l3*sin(zita4i)-g); zita5i=atan2(g-l3*sin(zita4i),s4i-l3*cos(zita4i);o4i=-(l3*speed3i*cos(zita4i)/(l3*cos(zita5i); v4i=(l3*speed3i*sin(zita5i-zita4i)/(cos(zita5i);acce4i=(l3*(acce3i*sin(zita5i-zita4i)-speed3i*speed3i*cos(zita5i- zita4i)-l3*o4i*o4i)/(cos(zita5i);if(fabs(s4i-995)<1)printf("zi