半自动平压模切机机械原理课程设计

半自动平压模切机设计说明书

一、设计目的

通过本课程设计将学过的基础理论知识进行综合应用，着手设

计”半自动平压模切机”。通过对机构的选型、设计；对机械传动方

案、机械运动方案的选择和评价而培养结构设计，计算能力。熟悉一

般的机械装置设计过程。

二、工作原理及工艺动作过程

半自动平压模切机是印刷，包装行业压制纸盒、纸箱制品的专用

设备。它可以对各种规格的纸板、厚度在4mm一下的瓦楞纸板，以

及各种高级精细的印刷品进行压痕、切线、压凹凸。经过压痕、切线

的纸板，用手工或机械沿切线除去掉边料后，沿压出的压痕可折叠成

各种纸盒、纸箱，或制成凹凸的商标。

它的工艺动作主要有两个：一是将纸板走纸到位,

二是进行冲压模切。其具体工作动作顺序如下：

半自动平压模切机工艺动作顺序

三、运动循环图

（-）机构运动要求

（二）从机器的工艺动作可以看出，可以把整个机构运动的

运动分成两个部分，一是箱助运动，它可以用于完成

纸板的夹紧，走纸，松开等动作。对实现该运动的传动

机构要求做间歇运动；二是主运动，完成对纸板的压

切动作，要求装有模板的滑块做直线往复运动。其特

点是行程短，受载大。本机构要求行程是50毫米，最

大载荷是,工作速度是每小时压制3000张。另外,

主运动和辅运动要相互协调。

（三）运动示意图

由上述机构运动要求，绘制如下运动示意草图：

主轴

（三）各部件运动分析

1、主轴的选择和转角运算

为了计算和设计方便，选择变速箱的输出轴为运动分析主轴,

如上图所示。由原始数据和设计要求知，平血六杆机构的行程速比系

数K=L3,则极位夹角。并知该运动周期分为两部分，以156.5。

（156.5°=180°-23.5°）为界分为0°—-156.5°和156.5°

—360°两个过程。

2.模切机构的分析

当主轴转角为0。—156.5°,下模从行程最低点开始，在平面

六杆机构的带动下向上移动至预定模切位置，进行冲压模切；当主轴

转角为156.5°-360°,下模完成模切动作，快速急回运动至行程

最低点即下一周期起点。

3.走纸机构的分析

当主轴转角为0。--156.5°,特殊齿轮组（用于完成间歇运动）

没有啮合运动，链轮链条处于静止状态；当主轴转角为156.5°

—360°,特殊齿轮组轮齿参与啮合，带动链轮链条运动，进行走纸

运动。

4.夹紧装置的分析

当主轴转角为0°--156.5。，带动夹子的凸轮走过推程，远休止

和回程使刚性弹簧夹完成夹纸动作；当主轴转角为156.5。--360°,

凸轮处于近休止状态使刚性弹簧夹处于夹紧状态。

（四）综上所0°156.5°（图示位置）360°

述运动循环图

如下：

主轴转角

走纸机构停止运动

夹紧装置送料夹紧输入走纸

模切机构滑块上升（模切）滑块下降（回程）

四、送料、模切机构的选型

（-）送料机构的选型

供选机构类型

1.可选机构

机构

纸板的输送双列链轮传动皮带轮传动

纸板的停歇机构凸轮机构特殊齿轮组

纸板的固定刚性弹簧夹普通夹子

2.选型原因:

⑴对于纸板的输送构件，选用双列链轮传动：

a、相对皮带传动而言，双列链轮传动精度较高，有利于纸板的精

确走纸定位；

b、适合于本机构的远距离传递；

c、本机构在长时间传输、模切时摩擦大，易发热，而双列链轮传

动机构适合于长时间在此恶劣环境下工作。

另外，使用皮带轮传动其易打滑，易变形，传输精度低，传递

效率低。

（2）对于纸板的停歇，选用特殊齿轮组：

a、相对凸轮机构相比而言，特殊齿轮组制造容易，工作可

靠。

b、特殊齿轮组在设计时，易实现从动件的运动时间和静止时间

的比例在较大范围内调节，适用范围广。

c、特殊齿轮组在工作时由于面接触且是间歇运转，因此不易磨

损，使用寿命长。

另外凸轮机构制造加工困难，易磨损。

⑶对于纸板的固定，选用刚性弹簧夹：

a、在走纸时，相对普通夹子而言，由于刚性弹簧力的作用，可以

自动的将纸板夹紧，并准确平稳的走纸；

b、在夹紧和松开纸板时\运用凸轮机构和刚性弹簧的配合使用,

能准确、方便、自动的实现纸板的夹紧和松开动作。

另外，使用普通夹子较难实现纸板的自动夹紧和松开的工艺动作

以及平稳走纸的目的。

3、最终选型：纸板的输送选用双列链轮传动；纸板的停歇殊齿轮

组选用特；纸板的固选用刚性弹簧夹。

（二）模切冲压机构的选型

供选机构

1.可选

机构

机构

急回机构直动推杆凸轮机构平面六杆曲柄滑块机构

2送型原£31

a、相对凸轮机构而言，连杆机构的运动副一般均为低副，其运动

副元素为面接触，压力较小，润滑好，磨损小，则承载能力较大，有

利于实现增力效果。

b、连杆机构的设计、加工制造容易，经济性好，且低副一般为几

何封闭，工作的可靠性好。

3、c、在满足运动要求的条件下，连杆机构可以灵活改变各杆件

的相对长度来调节运动规律，适用性强。

另外，凸轮机构增力效果差，设计加工制造困难，适用性差。

最终选型：平面六杆曲柄滑块机构。

五、机械运动方案的评定和选择

由上述运动循环图及题设要求可知，“半自动平压模切机”主要

分为三大部分：动力传动机构；走纸机构；冲压模切机构。其中动力

传动机构又分为动力传递机构和变速转向机构。走纸机构分为：纸板

的输送机构，纸板的停歇机构和纸板的固定机构。冲压模切机构为急

回机构。

备选机构列表：

机构供选机构类型

纸板的输送双列链轮传动皮带轮传却

纸板的停歇机构凸轮机构特殊齿轮组

纸板的固定刚性弹簧夹普通夹子

急回机构直动推杆凸轮机构平面六杆曲柄滑块机构

动力传递机构联轴器V形带

变速转向机构圆柱齿轮传动机构单级蜗杆传动机构锥-圆柱齿轮传动机构

由上述备选机构可得32种备选机械运动方案，从中选出3种典

型可行方案如下:

方案A:双列链轮传动--特殊齿轮组--刚性弹簧夹■一平面六杆

曲柄滑块机构--V形带--圆柱齿轮传动机构

方案B:双列链轮传动一一凸轮机构--刚性弹簧夹一•直动推杆凸

轮机构--联轴器--锥-圆柱齿轮传动机构

方案C:皮带轮传动一.凸轮机构一.普通夹子一.直动杆凸轮机构――

联轴器——单级蜗杆传动机构

典型可行方案评定

方案A：

1.不意图

2.分析与评定

⑴机械功能的实现质量

由于V形带和齿轮的组合传动，功率损失小，机械效率高，可靠

性高；平面六杆曲柄滑块机构能够承受很大的生产阻力，增力效果好,

可以平稳的完成模切任务；使用刚性弹簧夹自动的实现纸板的夹紧与

松开动作，并运用特殊齿轮组完成走纸的间歇运动和准确的定位,以

实现与冲压模切的协调配合。

(2)机械的运动分析

在同一传动机构的带动下，特殊齿轮和双列链轮机构共同完成

走纸的准确定位，运动精度高，并且能和冲压模切运动很好的配合完

成要求动作工艺。

(3)机械动力分析

平面六杆曲柄滑块机构有良好的力学性能，在飞轮的调节下,能

大大的降低因短时间承受很大生产阻力而带来的冲击震动；整个机构

(特别是六杆机构和特殊齿轮组)具有很好的耐磨性能，可以长时间

安全、稳定的工作。

⑷机械结构合理性

该机构各构件结构简单紧凑，尺寸设计简单，机构重量适中。

⑸机械经济性

平面六杆曲柄滑块机构设计，加工制造简单，使用寿命长，维修

容易，经济成木低，虽然特殊齿轮组设计加工难度较大，成木偏高,

但与其他等效备选机构相比，其能更好的实现工作要求，以带来更大

的经济效益。

方案B：

1、示意图

回2.分析与评定

⑴机械功能的实现质量

相较于方案A的V形带，联轴器的传递效率虽然高，但是减速效

果差；采用直动推杆凸轮机构难承受很大的生产阻力，不能很好的完

成冲压模切功能；运用凸轮机构带动走纸机构间歇运动，由于长时间

工作而磨损变形，会造成走纸机构无法准确定位。虽然能实现总体功

能要求，但实现的质量较差。

⑵机械运动分析

凸轮的长期间歇运动导致微小误差积累，从而引起走纸定位的

准确性下降，最终引起各执行机构间的配合运动失调。

(3)机械动力分析

直动推杆凸轮机构难以承受很大的生产阻力，不便长期在重载

条件下工作，不能很好的满足冲压模切的力学要求；该方案中的凸轮

机构(包括机构中的两个凸轮机构)耐磨性差。

(4)机械结构合理性

该机构结构简单紧凑，但由于凸轮机构的使用，造成整体机构的

尺寸很重量都较大。

⑸机械经济性

由于凸轮机构和锥圆柱齿轮的设计、加工制造较难，用料较大,

维修不易，故而生产和维修经济成本均较高。

方案C：

1.示意图

(1)回2.分析与评定

(2)机械功能的实现质量

⑶相对于方案B,皮带传送很难实现走纸的准确定位；普通夹子

不便于纸板的自动化夹紧和松开，需要相应辅助手段较多；采

用蜗杆减速器，结构紧凑，环境适应好，但传动效率低，不适

宜于连续长期工作。总体上机械功能的实现质量很差。

⑷机械运动分析

⑸皮带传送易磨损、打滑，走纸运动的精度低，又因很难实现准

确定位与冲压模切的协调性差。

(6)机械动力分析

(7)直动推杆凸轮机构难以承受很大的生产阻力，不便长期在重

载条件下工作，不能很好的满足冲压模切的力学要求；该方案

中的凸轮机构(包括机构中的两个凸轮机构)和平带耐磨性

差。

⑻机械机构合理性

⑼该机构结构简单紧凑，但由于凸轮机构的使用，造成整体机

构的尺寸很重量都较大。

(10)机械机构经济性

由于普通夹子的使用，降低了生产成本，但由于其易磨损，维修

成本大，又由于凸轮机构和蜗杆机构的存在，经济成本还是很大。

综上所述，从机械功能的实现质量、机械运动分析、机械动力分

析、机械结构合理性、机械经济性等各方面综合考虑，方案A各方面

性能均优，故选择其为最优方案。

六、电动机的选型

1.类型和结构形式：三相异步笼型交流电动机，封闭式，380V,Y

型；

2、功率:团

=5.897kw

（错误!未找到引用源。一功率、错误!未找到引用源。一生产阻力、

s—有效模切行程、已-周期、k—行程速比系数）

错误味找到引用源。

（团分别为皮带，轴承和齿轮的效率）

故错误!未找到引用源。kw错误!未找到引用源。

3.转速:团

（错误!未找到引用源。错误床找到引用源。=8~40分

别为皮带和减速器的传动比）则错误!未找到引用源。

转速r/min传动比

4.电

动机

重量参考价

型号总传减速

方案同步满载N格（元）V带

(kw)动比器

选型

方案

1Y160M1-111300029301170135058.62.820.93

2Y160M-411150014601230180029.22.511.68

3Y160L-61110009701470160019.429.7

满我时起动电流起动转矩最大转矩

(kw)额定电流额定转矩额定转矩

述4点，

最终选转速电流效率功率

r/min(380V)%因数

型为：

型号

Y160M1-111293020.887.20.887.02.02.2

安装尺寸外形尺寸

安装尺(mm)(mm)

寸：ABCDEFGHKABACADHDL

型号

Y160M1-125421010842110123716015330335265385605

七、机械传动设计

(-)传动比的分配

1、总传动比：团

分配传动比：团(团分别为皮带和减速器

传动比)，为使V型带传动外廓尺寸不至过大，初步取团则

错误!未找到引用源。

同理，按展开式考虑润滑条件，为使两级大齿轮直径相近，由展

开式曲线，查得0=5.70,则团

(二)齿轮组的设计

根据(一)中传动比的分配设计以及整体尺寸综合考虑，查圆柱齿

轮标准模数系列表(GB/T1357—1987)得：

(1)、ml=2al=113mmzl=20z2=zLi3=20错误!未找到引

用源。5.70=114

(2)、m2=3a2=139.5mmzl=20z2=zl-i4=20错误!未找到引

用源。3.67=73

(3)^m3=0.5a3=27.5mmzl=60z2=zl-K=60错误!未找到引

用源。=50

(4)^m4=6a4=180mmz=30由错误!未找到引用源。

=0.435得z'=13

(三)链轮、链条的设计

依据上述整体尺寸，初步设计链轮直径为300mm,查短节距传

动用精密滚子链的基本参数与主要尺寸(GB/T1243-1997)得：

齿数z=25,其直径为d=303.989mm

见链条的节数团即链条为：

24A-1-78GB/T1243-1997

(s为链轮中心距s=1000mmp为节距p=38.1mm)

(四)轴承和键的设计

根据上述齿轮模数m和齿数z,求得相应直径”mz,以及轴的转速

(见第九章第一节：轴的参数)等查深沟球轴承(GB/T276-1994)得

下表:

极限转速(「错

基本额定载荷

轴轴承尺寸/mm误!未找到引安装尺寸/mm

/kN

代用源。)代号

号dDB脂油

rnunG©udammD

1轴1535115.67.653.721800022000620220320.6

II轴4585191.131.520.570009000620952781

川轴5090201.135.023.267008500621057831

IV轴35800211.533.419.280009500630744711.5

V轴65120231.557.240.0500063006213741111.5

VI轴1535115.67.653.721800022000620220320.6

键的公称尺寸键槽尺寸

同上

t

述，查

普通平

键

(GB/

b(h9)h(hll)L(hl4)

T公称公差公称公差

1096-

1990)

得

轴代号

1轴5510~563.0+0.12.3+0.1

II轴14930~1605.5+0.23.8+0.2

ill轴161045~1806.0+0.24.3+0.2

IV轴10822~1105.0+0.23.3+0.2

V轴201256~2207.5+0.24.9+0.2

VI轴6614-703.502.80

(五)V形带的设计

由上图得：

皮带的长度l=a•错误!未找到引用源。+2a・sina+(TT-a)错误!未找

到引用源。

其中cosa二错误!未找到引用源。错误!未找到引用源。

故皮带A:团团a=800mm则a=1.4005l=2517.785mm查普

通V带的基准

(GB/T11544-1997)得

此皮带型号为:A2500GB/T11544-1997

皮带B:团团a=295.68mm贝！)a=1.518l=1111.315mm

查表得

此皮带型号为:A1120GB/T11544-1997

皮带C:团团a=1016.07mm则a=1.5549l=2551.505mm

查表得

此皮带型号为:A2500GB/T11544-1997

（六）刚性弹簧夹及其配合凸轮的设计

a刚性弹簧夹及其配合凸轮的尺寸如上，按设计要求配合凸轮只需完成在规定

时间内将夹子顶开和松弛两个动作，故采用匀速运动规律即可满足运动要求。虽然受刚

性冲击，但是作用力很小，运动要求简单，所以可以满足设计要求.故可得，推杆的位移

曲线图如下：

其中错误!未找到引用源。

（回为模块上升时间,t为周期）

凸轮角速度为

团,转速:团

（七）平面六杆滑块机构设计

AB=b-a,BC=e,CD=c,AD=d,CG=f,AC=a+b

由设计要求可得极位夹角。二错误！未找到引用源。

H=50mm

在丛BC和位CD中，由余弦定理得:

c2(l-cos(p)=a2(l+cos9)+b2(1—cos0)

同理，在使DF和及DG中分别可得：

cos错误!未找到引用源。cos错误!未找到引用源。则

错误!未找到引用源。

在丛BC中，得

错误!未找到引用源。290。--错误!未找到引用源。

故d二错误!未找到引用源。

(1)另外杆a为曲柄的条件为：

(2)在a、b、c、d四杆中,a为最小,c为最大；

(3)a+cWb+d

根据以上分析，可取l=500mmc=400mmf=300mm带入以

上公式可得

0=480考虑a为曲柄的条件，可得各杆长

a=15mmb=36.2mmc=400mmd=387.9mmf=300mm

l=500mm

八、机构运动简图

0附：特殊齿轮组(4〕的简图

九、传动和执行机构运动尺寸计算

(-)轴的参数

(1)各轴转速

1.0

...11.0

III.错误!未找到引用源。r/min

(2)各轴输入功率

错误!未找到引用源。

错误!未找到引用源。

错误!未找到引用源。

输出功率：

错误!未找到引用源。错误味找到引用源。

错误!未找到引用源。

各轴输入转矩：

Pd6.938

Td=9550X—=9550X——N-m=22.61N・m

dnm2930

错误!未找到引用源。

错误!未找到引用源。

错误!未找到引用源。

输出转矩：

错误!未找到引用源。

错误!未找到引用源。

错误!未找到引用源。

转矩T（错误!未找到

由上述功率P(kw)

引用源。）

各项转速n传动比效率

r/mini

输入输出输入输出n

得：

轴名

电动机轴6.93822.612930

2.80.96

1轴6.666.5360.7959.571046.43

5.700.95

II轴6.336.20329.36322.77183.58

3.670.95

III轴6.025.901149.041126.0650.02

（二）凸轮运动曲线图

52.55203.4360

；*

（四）平面六杆曲柄滑块机构运动曲线图

通过SolidWorks中COSMOSMotion三维实体仿真模拟获得各机构杆件

运动草图如下:

图

速度

件角

各杆

(1)

杆

杆

杆件C

（2）各杆件角加速度图

杆件b

672

8

1203

-265

-733

-1202

0.000.120.240.360.480.600.720.840.961.081.20

/V>(9e

杆件f

电

w

)

z

—

密

更

以

杆件c

⑤

雪

Z)

—

反

更

以

（3）各杆件质心速度图

杆件a

/

£

>

1

套

书

m

杆件b

/V>(9e

杆件f

杆

(4)滑块运动曲线图

滑块质心位置

QQ2QQQQQ961^

004860728408,20

滑块质心速度

/V>(se

滑块质心加速度

982

垓

E487

>-8

-503

—

总

艮

虫

m

-997

0.000.120.240.360.480.600.720.840.961.081.20

/V>(se

十、飞轮设计

根据平面六杆机构的运动曲线图，可知：

在0.12秒时，等效构件（零件2.1）有最大角速度团，由图得

v=-O.127m/s,[3=O.1897rad/s/0=O.2O58rad/s,[2]=-O.3437rad/s/[?]=-O.O269m/s

用=-0.051m/sE=-0.024m/sE=-0.088m/s.

在0.66s时，等效构件的角速度可近似为即50r/min=5.233rad/s,由图

v=-0.094m/s,[?]=1.0772rad/s/[2]=-0.1221racl/s/[?l=-0.2224rad/s,

错误!未找到引用源。=0Q168m/s,错误!未找到引用源。=O.O31m/s,错

误!未找到引用源。=0.0165m/s,错误!未找到引用源。=0.0598m/s.

在1.05秒时，等效构件有最小角速度团由图得

v=Om/s/0=-2.4O95rad/s,[a=-O.O174rad/s/l3=-O.O47Orad/s/

错误!未找到引用源。=0.02829m/s,错误!未找到引用源。=0.029m/s,

错误!未找到引用源。=0.011m/s,错误味找到引用源。=0.000159m/s.

选杆件材料为优质碳素结构钢，其密度P=7.85E]kg/团又取杆件的

截面直径d=50mm,且转动惯量阴m(3

再根据运动方程式错误!未找到