半自动平压模切机机械原理课程设计

平压模切机设计说明书

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

择与评价而培养结构设计，计算能力。熟悉通常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。它能

够对各类规格的纸板、厚度在4mm一下的瓦楞纸板，与各类高级精细的印刷品进

行压痕、切线、压凹凸。通过压痕、切线的纸板，用手工或者机械沿切线除去掉

印

刷

纸

板

（一）机构运动要求

从机器的工艺动作能够看出，能够把整个机构运动的运动分成两个部分，

一是辅助运动，它能够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2义10$N,工作速度是每小时压制3000张。另外，主运

动与辅运动要相互协调。

（二）运动ZK意图

由上述机构运动要求，绘制如下运动示意草苗:

夹紧装置

△

主轴

（三）各部件运动分析

1、主轴的选择与转角运算

为了计算与设计方便，选择变速箱的输出轴为运动分析主轴，如上图所示。

由原始数据与设计要求知，平面六杆机构的行程速比系数K=1.3,则极位夹角

6--235并知该运动周期分为两部分，以156.5°

K4>1

（156.5°=180°-23.5°）为界分为0°-—156.5°与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，远休止与回程使

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）综上所述运动循环图如下:

主轴转角00156.5°（图示位置）

350°

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）

见送料、模切机构的选型

（一）送料机构的选型

1、可选机构

机构供选机构类型

纸板的输送双列链轮传动皮带轮传动

纸板的停歇机凸轮机构特殊齿轮组

构

纸板的固定刚性弹簧夹普通夹子

2、选型原因：

⑴关于纸板的输送构件，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

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。

⑵关于纸板的停歇，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与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。

（3）关于纸板的固定，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，能够自动的将

纸板夹紧，并准确平稳的走纸；

b、在夹紧与松开纸板时，运用凸轮机构与冈！性弹簧的配合使用，能准确、

方便、自动的实现纸板的夹紧与松开动作。

另外，使用普通夹子较难实现纸板的自动夹紧与松开的工艺动作与平稳走纸

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

1、可选机构

机构供选力近构

急回机构直动推杆凸轮机构平面六杆曲柄滑块机构

2、选型原因：

a、相对凸轮机构而言，连杆机构的运动副通常均为低副，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，且低副通常为几何封闭，

工作的可靠性好。

c、在满足运动要求的条件下，连杆机构能够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，设计加工制造因难，适用性差。

3、最终选型：平面六杆曲柄滑块机构。

五、机械运动方案的评定与选择

由上述运动循环图及题设要求可知，“半自动平压模切机”要紧分为三大部

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

递机构与变速转向机构。走纸机构分为：纸板的输送机构，纸板的停歇机构与纸

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动

纸板的停歇机凸轮机构特殊齿轮组

构

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锥一圆柱齿轮传动

构机构

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:双列链轮传动一一特殊齿轮组一一刚性弹簧夹一一平面六杆曲柄滑

块机构----V形带---圆柱齿轮传动机构

方案B:双列链轮传动----凸轮机构一--刚性弹簧夹一--直动推杆凸轮机构

----联轴器---锥一圆柱齿轮传动机构

方案C:皮带轮传动一一凸轮机构一一普通夹子一一直动杆凸轮机构一一

联轴器--一单级蜗杆传动机构

典型可行方案评定

方案A:

1、小意图

刚性弹簧夹

2、分析与评定

(1)机械功能的实现质量

由于V形带与齿轮的组合传动，功率缺失小，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，能够平稳的完成模切

任务；使用刚性弹簧夹自动的实现纸板的夹紧与松开动作，并运用特殊齿轮阻完

成走纸的间歇运动与准确的定位，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，特殊齿轮与双列链轮机构共同完成走纸的准确定

位，运动精度高;同时能与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(特别是六杆机构与特

殊齿轮组)具有很好的耐磨性能，能够长时间安全、稳固的工作。

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

成本低，尽管特殊齿轮组设计加，难发较大，成本偏高，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、不意图

2、分析与评定

(1)机械功能的实现质量

相较于方案A的V形带，联轴器的传递效率尽管高，但是减速效果差；使用

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。尽管能实现总体功能要求，但实现的质量较差。

(2)机械运动分析

凸轮的长期间歇运动导致微小误差积存，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(包含机构中的两个

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。

(5)机械经济性

由于凸轮机构与锥圆柱齿轮的设计、加工制造较难，用料较大，维修不易，

故而生产与维修经济成木均较高。

方案C:

1、不意图

2、分析与评定

(1)机械功能的实现质量

相关于方案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

自动化夹紧与松开，需要相应辅助手段较多；使用蜗杆减速器，结构紧凑，环境

习惯好，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。

(2)机械运动分析

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。

(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(包含机构中的两个

凸轮机构)与平带耐磨性差。

(4)机械机构合理性

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。

(5)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

由于凸轮机构与蜗杆机构的存在，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、类型与结构形式：三相异步笼型交流电动机，封闭式，380V,Y型;

2、功率：匕・4・2,匕・2X10’X总％,

=5.897kw

（PW—功率、住一生产阻力、A有效模切行程、J周期、k—行程

速比系数）

n=Hi・n经•空二0.96义0.983X0.972=0.85

dn2,n3分别为皮带，轴承与齿轮的效率）

故匕・葛・&*PN=11kw

3、转速：7=»•=三兴=50士i=ii-i2=16〜160

（ii=2〜4i2=8-40分别为皮带与减速器的传动比）则

na=nn4=800-8000r/min

4、电动机方案选型

转速r/min传动比

总

参考价

传

P重量

方案型号格动减速

同步满载NV带

(kw)（元）比器

Y160M1-58.

1130002930117013502.820.93

116

29.

2Y160M-411150014601230180022.511.68

19.

3Y160L-611100097014701600429.7

综上所述4点，最终诜型为:

满载时起动电起动转最大转

型号P转速电流效率功率流额定矩额定矩额定

(kw)r/nin(380V)%因数电流转矩转矩

Y160M1-

111293020.887.20.887.02.02.2

安装尺寸:

安装尺寸（mm）外形尺寸（mm）

型号

ABCDEFGHKABACADHDL

Y160M1-25211011163333263860

42123715

14080o05555

七、机械传动设计

（一）传动比的分配

1、总传动比：i=4=

Bw

2、分配传动比：i=j（i分别为皮带与减速器

传动比），为使V型带传动外廓尺寸不至过大，初步取ii=28,则

G■—■20.93

□L—

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i2=5.70,则14»«X67

（二）齿轮组的设计

根据（一）中传动比的分配设计与整体尺寸综合考虑，查圆柱齿轮标准模

数系列表（GB/T1357—1987）得：

⑴、ml=2al=l13mmzl=20z2=zl-i3=2O5.7O=l14

(2)m2=3a2=139.5mmzl=20z2=zl44=203.67=73

⑶、m3=0.5a3=27.5mmzl=60z2二zl•I*=60X——^——=50

(4)m4=6a4=180mmz=30由上・！1■丝2o.435福z，43

—t1.2

（三）链轮、链条的设计

根据上述整体尺寸，初步设计链轮直径为300mm，查短节距传动用精密滚子

链的基本参数与要紧尺寸（GB/T1243—1997）得：

齿数z=25,其直径为d=3O3.989mm

则链条的节数n二，二"丁77.55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）轴承与键的设计

根据上述齿轮模数m与齿数z,求得相应直径d=mz,与轴的转速（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

基本额定载

轴轴承尺寸/nun安装尺寸/nm

荷/kN(r•min-1)代

代

号

号dDB脂油

「mtnC.CordammDammr*m

I轴1535115.67.653.721800220062020320.6

002

II4585191.131.520.57000900062052781

轴9

III5090201.123.26700850062157831

35.0

轴0

IV3580211.533.419.28000950063044711.5

轴07

V轴6512231.557.240.05000630062174ill1.5

03

VI1535115.67.653.721800220062020320.6

002

同上述，杏普通平键（GB/T1096-T990）得

镉的勺公称尺寸键槽尺寸

轴代号ti

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

公称公差公称公差

I轴5510~563.0+0.12.3+0.1

II轴14930~1605.5+0.23.8+0.2

III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-di+2a・sina+(兀-a)

d2

其中cosa=

d2=dii

故皮带A:di=150mmd2=di•i=15()x2.8=420mm

a=800mm则Q=1.40051=2517.785mm查普通V带的基准

(GB/T11544-1997)W

此皮带型号为：A2500GBfT11544-1997

皮带B:di=150mmd2=dx•i=150xl.2=180.658mm

a=295.68mm则a=1.5181=1111.315mm查表得

此皮带型号为：A112OGBfT11544-1997

皮带Cd】=150mmd2=dx•i=150x1.2=180.658mm

a=1016.07mm则a=1.55491=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

刚性弹簧夹及其配合凸轮的尺寸如JL,按设订要求配合凸轮只需完成在

规定时间内将夹子顶开与松弛两个动作，故使用匀速运动规律即可满足运动

要求。尽管受刚性冲击，但是作用力很小，运动要求简单，因此能够满足设

计要求。故可得，推杆的位移曲线图如下：

/mm

10

050.85152.55203.4360公

其中

hx360--2^X36(r-2034<

（G为模块上升时间，t为周期）

四轮角速度为

・二；，转速：a

(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e詈XlWMkH=50mm

在aABC与△BCD中，由余弦定理得:

c2(l-cos(p)=a2(l+cos0)+b2(1-cosO)

同理，在4BDF与△CDG中分别可得:

(UH)Y

cosm.a…-cosg>«则...............................

FJe4Fmm

p

6=小「6

在△ABC中，得

小♦(■♦。)・(j)

P=90,—?p-<1故

d=J(..b)，.d-Z(b.a)・c・o»p

另外杆a为曲柄的条件为：

(1)在a、b、c、d四杆中，a为最小，c为最大：

(2)a+c<b+d

根据以上分析，可取l=500mmc=400mm仁300mm带入以上公式可得

a2xl.917+b2x0.083=480考虑a为曲柄的条件，可得各杆长

a=15mmb=36.2mmc=400mmd=387.9mnif=3(X)mml=5(X)mm

八、机构运动简图

附：特殊齿轮组(4)的简图

九、传动与执行机构运动尺寸计算

(一)轴的参数

(1)各轴转速

I.01■孑――――1016.43r/niin

ii.

in.111n■?■些??■S0.02r/«ii

(2)各轴输入功率

P=Pa-r|i=6.938x0.96=6.66kw

P=Pp2F3=6.66X0.98X().97=6.33kw

Pm=Pr-n2朋=6.33x0.98x0.97=6.02kw

输出功率：

Pi=P,r|z=6.53kwP=Pnnz=6.20kw

Pm=PmT2=5.90kw

(2)各轴输入转矩：

p6938

9550x^-w9550x1——N2X61Nn

n„2930

T=Ta-ii-r|i=60.79

Tn=Tii3-2-N3=329.36N・m

Tm=Tn“4q2,73=1149.04Nni

输出转矩：

Ti-nz=59.57N-m

T=Tn・r|z=322.77N-m

Tm=Tm-r)z=l126.06N-m

由上述各项得:

功率P(kw)转矩T(N-m)

转速n传动比效率

轴名

r/min

输入输出输入输出in

电动机

6.93822.612930

轴2.80.96

I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

50.85152.55203.4360

(三)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：

(1)各杆件角速度图

杆件b

杆件f

V(s

杆件C

3()

(2)各杆件角加速度图

杆件b

篓

Z3

M—

杆件f

杆件c

(3)各杆件质心速度图

杆件a

-Y(mm/~Y(nun/

fb

杆

(

线图

动曲

滑块运

(4)

心位置

滑块质

387

滑块质心速度

滑块质心加速度

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Wmax,由图得

v=-0.127m/s,W2=0.1897rad/s,W5=0.2058rad/s,O7=-0.3437rad/s,V2=-0.

0269m/s,V2=-0.051m/s,v5=-0.024m/s,v7=-0.088m/s.

在0.66s时，等效构件的角速度可近似为％=50r/min=5.233侬1/a由图

v=-0.094m/s,03=1.0772rad/s,WO5=-0.1221rad/s,W7=-0.2224rad/s,

V2=0.0168m/s,V3=0.031m/s,V5=0.0165m/s,V7=0.0598m/s.

在L05秒时；等效构件有最小角速度Wmin,由图得

v=0m/s,w3=-2.4095rad/s,Ws=-0.0174rad/s,w7=-0.0470rad/s,

V2=0.02829m/s,V2=0.029m/s,v5=0.011m/s,V7=0.000159m/s.

选杆件材料为优质碳素结构钢，其密度产7.85乂1叫旧又取杆件的

截面直径d=50mm,且转动惯量J。FT2

再根据运动方程式：