机械原理课程设计粉料压片成形机.doc

课 程 设 计（ 课 程 实 习 ）机械设计与制造主体实践(一) 院（系、部）： 机 械 工 程 学 院 姓 名： 同组成员： 班 级： 指导教师签名： 目 录一、设计题目 3 （一）设计题目 3 （二）设计要求 3(三) 设计任务 4二、方案分析与设计 4（一）执行机构的选择与分析 41、循环图的分析确定 42、运动方案的拟定与选择 63、机构的运动分析与设计 10(1)上冲头设计 10(2)下冲头设计 16(3)料筛设计 19（二）电动机的选择 21（三）传动机构的选择与减速器的设计 22（四）飞轮的设计 23（五）心得体会 25（六）参考文献 26机械原理课程设计 粉料压片成形机一、设计题目（一）设计题目1、设计题目及原始数据设计自动压片成形机，将具有一定湿度的粉状原料（如陶瓷干粉、药粉）定量送入压形位置，经压制成形后脱离该位置。机器的整个工作过程（送料、压形、脱离）均自动完成。该机器可以压制陶瓷圆形片坯、药剂（片）等。数据见表1。表1 压片成形机设计数据方案号电动机转速r/min生产率片/min成品尺寸（d）mm，mm冲头压力kNM冲/kgM杆/kgA135060242060,000 0.10125B970306035120,0000.0824102、压片成形机的工艺动作（1）干粉料均匀筛入圆筒形型腔（图1a）。（2）下冲头下沉3mm，预防上冲头进入型腔时粉料扑出（图1b）。（3）上、下冲头同时加压（图1c），并保持一段时间。（4）上冲头退出，下冲头随后顶出压好的片坯（图1d）。（5）料筛推出片坯（图1e）图1（二）设计要求1、上冲头完成往复直移运动（铅垂上下），下移至终点后有短时间的停歇，起保压作用，保压时间为0.4秒左右。因冲头上升后要留有料筛进入的空间，故冲头行程为90100mm。因冲头压力较大，因而加压机构应有增力功能。2、 下冲头先下沉3mm，然后上升8mm，加压后停歇保压，继而上升16mm，将成型片坯顶到与台面平齐后停歇，待料筛将片坯推离冲头后，再下移21mm，到待料位置。3、 料筛在模具型腔上方往复筛料，然后退回。待批料成型并被推出型腔后，料筛在台面上右移约4550mm，推卸片坯。(三) 设计任务1、各执行机构应包括：实现上冲头运动的主加压机构、实现下冲头运动的辅助加压机构、实现料筛运动的上下料机构。满足上述运动可采用连杆机构、凸轮机构等。辅助加压机构可采用凸轮机构2、设计传动系统并确定其传动比分配，并在图纸上画出传动系统图；3、画出机器的运动方案简图与运动循环图。拟定运动循环图时，可执行构件的动作起止位置可根据具体情况重叠安排，但必须满足工艺上各个动作的配合，在时间和空间上不能出现“干涉”；4、设计机构；5、对机构进行运动设计,绘出运动线图。进行机构的动态静力分析，计算飞轮转动惯量；6、将机构做成三维模型，实现模拟运动；7、编写设计计算说明书。二、方案分析与设计（一）执行机构的选择与分析1、循环图的分析确定根据压片机的工艺动作可得各个机构的动作如下：上冲头：往复运动。下降压紧药片，保压0.4s，上升。下冲头：复杂的往复运动。首先下降3mm，接着上升8mm，保压0.4s，上升16mm，间歇一段时间后，下降21mm。再间歇一段时间。料筛：将料送出，筛料，返回，间歇一段时间后重复动作。由各个机构的动作可画出其运动循环图如图2所示：图2则其运动关系如表2所示：表2上冲头进休退下冲头休退进休进休退料筛退休进筛可将其运动表示为树状功能图：图32、运动方案的拟定与选择根据循环图及树状图，可得三个机构都做往复运动，且都有间歇运动。上冲头是主加压机构，故可选曲柄滑块机构，或六杆机构来实现增力。下冲头运动和筛料机构可用凸轮机构来实现其运动。筛料机构做往复运动，故可以使用曲柄滑块机构，也可用凸轮机构实现其运动。设计各个部分的机构如表3所示表3方案上冲头下冲头料筛1曲柄滑块机构平底凸轮机构曲柄滑块机构 2六杆机构滚子凸轮机构滚子凸轮机构上冲头方案：方案一：曲柄滑块机构方案二：六杆机构选择:选择方案二。理由：六杆机构将曲柄滑块的急回特性进一步扩大，同时使行程得到扩大，效率高。六杆机构接近死点位置所具有的传力特征来实现增力，比曲柄滑块的增力效果好，能够更好的实现加压。故选择六杆机构作为上冲头的加压机构。下冲头方案：方案一：平底凸轮机构方案二：滚子凸轮机构选择：选择方案二。理由：选择凸轮机构易实现下冲头复杂的运动。首先我们想到的是方案一，因为方案一的压力角为零，传力效果好，但当画出凸轮轮廓线时，有曲率半径小于零的地方，故方案一不可行，选择滚子凸轮机构。料筛方案：方案一：方案二：选择：选择方案二。理由：曲柄滑块机构能够实现料筛的往复运动，但不易实现料筛的间歇运动及筛料的过程。凸轮机构能够很好的实现料筛的间歇运动，且能够实现筛料的过程。故选用凸轮来控制料筛。总方案：根据以上分析可得最终方案如图4所示（六杆机构的曲柄与齿轮结合，由不完全齿轮实现机构的间歇）图43、机构的运动分析与设计六杆机构示意图1.上冲头设计六杆机构的计算设计数据：六杆机构已知的数据如表4，六杆机构的中心距x，构件3的上下极限位置角，1，滑块5的行程H，曲柄的转速n，则要求的为各杆的长度，以及的长度。表4X(mm)K()1()H(mm)DE/CDn(r/min)801.43090911.660数值计算第一步分析：曲柄滑块机构（1） 尺寸计算图5将杆3，杆4，滑块5拆下来分析，将图顺时针旋转90，如图5，以便于分析。并以C点为原点，滑块5的道路方向为x轴方向，垂直方向为y轴方向。对CDE分析： 由以上各式可求得： 对CDE分析： 由以上两式可求得： 且 由联立求得： （2）运动分析对于图中所示的曲柄滑块机构已知曲柄的转速n1=60 r/min，各从动构件的运动可由表5中所列公式求出。计算结果见附件一,结果画出的滑块的速度、加速度曲线如图6所示。此曲柄滑块机构为对心曲柄滑块机构，故无急回特性。当曲柄不是匀速转动的时候便有了急回特性。此时最大压力角为38,小于40,符合要求。表5 曲柄滑块机构运动分析连杆2滑块3转角：角速度：角加速度：其中：位移：速度：加速度：图6第二步分析：曲柄摇杆机构曲柄滑块机构的曲柄在六杆机构中只做摆动，即曲柄摇杆机构的摇杆。有上一步分析可得曲柄滑块中曲柄的长度，即曲柄摇杆中摇杆的长度。由已知数据中的其急回系数为K=1.4,计算可得其极位夹角为，则对曲柄摇杆的设计及为已知摇杆的长度、两个极限位置，以及四杆机构的极位夹角，求各杆的长度，则可用图解法进行分析并求解。如图7图7将图旋转180，即为六杆机构时的机构，如图8图8对此四杆机构进行运动分析，分析数据见附件二，分析的速度、加速度曲线如图9图9求得=23, =62, =123，Y=92。将此四杆机构在软件中计算得最大压力角为37，符合压力角的要求，故此机构成立。故可得23, =62, =123, =196，即六杆机构的各个尺寸已求出，可画出六杆机构的精确结构如图10。此六杆机构无间歇运动，可让曲柄由不完全齿轮带动，就实现其间歇运动(此齿轮的系数确定见附件三)。图10四杆机构的摇杆及曲柄滑块的曲柄，将曲柄滑块的曲柄位置改为四杆机构中摇杆的位置，将曲柄滑块的曲柄的速度改为四杆机构中摇杆的速度，可得出一组滑块的速度，加速度曲线，此速度与加速度曲线则为六杆机构中滑块的速度，加速度曲线，如图11。由图可得，滑块向下运动的速度小于回来时的速度，即实现了急回特性。图112.下冲头设计下冲头采用滚子凸轮机构完成其动作。根据循环图构造凸轮。若直接使用循环图中的位移曲线，则有较大的刚性冲击，使得运动时有较大的惯性力，从而有震动。为使凸轮工作时无突变的加速度，故计算时采用345多项式来计算位移。计算时所用公式如表6，用excel表格计算，计算数据中有确定其位移、速度、加速度曲线，凸轮的理论廓线、实际廓线，确定基圆半径，计算压力角。计算数据见附件二。其位移、速度、加速度曲线，及凸轮理论廓线、实际廓线，如图12所示表6 凸轮计算公式推程回程理论廓线：实际廓线：压力角：图123.料筛的设计料筛机构为滚子凸轮机构。为使其运动时没有冲击，也是用3-4-5多项式计算位移，筛料的过程中也为3-4-5多项式，计算公式与下冲头相同，见表，计算出的数据表格见附件三，其位移、速度、加速度及凸轮理论廓线、实际廓线如图13图13（二）电动机的选择1、正确选用电动机的基本原则：1）电动机的机械特性、启动、制动、调速及其它控制性能应满足机械特性和生产工艺过程的要求，电动机工作过程中对电源供电质量的影响（如电压波动、谢波干扰等），应在容许的范围内；2）按预定的工作制、冷却方法基辅在情况所确定的电动机功率，电动机的温升应在限定的范围内；3）根据环境条件、运行条件、安装方式、传动方式，选定电动机的结构、安装、防护形式，保证电动机可靠工作；4）综合考虑一次投资几运行费用，整个驱动系统经济、节能、合理、可靠和安全。2、常用电动机的结构特征1）Y系列三相异步电动机 该系列电机能防止水滴、灰尘、铁屑或其他杂物浸入电机内部，它是我国近年来研制成功的新型电动机。2）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机构，这两种调速电动机为防护式，空气自冷，卧式安装，且无碳刷，集电环等滑动接触部件。3、确定原动机的功率其中，Pw为工作机要求的功率；为由电动机到工作机执行机构的总效率。工作机要求的功率w主要为执行构件在单位时间里克服工作阻力所作的功。在压片机中,主要为在单位时间里冲头冲压时克服工作阻力所作的功。则其中，r为冲头冲压时的工作阻力，主要发生在冲头下压的后半个行程中，且假定为线性变化，我们选择方案一，故行程结束时达到最大值60000N。为冲头的运动速度，可以通过得曲柄滑块机构的运动分析得到（见附件一）。由上式可以算得冲头在不同位置时，消耗的功率，列于表7。可见最大值为15.5千瓦左右。平均值为10千瓦左右,考虑机构中运动副的摩擦，参照电动机的技术数据选择160M4电机。输出功率11K,转速1350 r/min。表7FrvcPw 00.250020106666.6670.28362181890.81213333.330.3087638 4116.851200000.3255634 6511.26826666.670.3341589 8910.90433333.330.3346993 11156.643400000.3273508 13094.03246666.670.3123069 14574.32253333.330.2898106 15456.565600000.2529884 15179.304（三）传动机构的选择与减速器的设计1、传动机构的选择如何合理分配各级传动比，将直接影响传动装置的结构尺寸，重量，运行维护，造价及性能，这是设计过程中一个重要的问题，必须认真对待。通常，不同类型的传动机构具有不同的传动比合理范围，同一种传动机构用于高速级和低速级时也具有不同的传动比合理范围。因此，应使各级传动机构的传动比尽量在合理范围内。各种传动机构的传动比合理范围如表8：表8性能指标传动机构带传动链传动齿轮传动蜗杆传动功率P/kW小（=20）中(=100)中(最大达50)小(=50)单级传动比：常用值最大值2-4 52-563-5 810-4080传动效率 中中高较低许用线速度=25=406级精度直齿轮=18,非直齿=365级精度可达100滑动速度Vs=50综合上表，齿轮传动效率高最高，且许用线速度最大，故我们选择齿轮传动2、减速器的设计驱动电机的转速为1350r/min，冲压时曲柄的转速为60r/min，则机械传动系统的总传动比为：采用二级齿轮传动。齿轮的传动比常用值为35，在多级传动中，传动装置的总传动比是各级传动机构传动比的连乘积，即：i=i1*i2*i3*i4根据传动比从小到大的顺序，选择一级传动比为9:2，二级传动比为5:1。一级齿轮：取1202,9/22090二级齿轮：21751785（四）飞轮的设计压片时冲头工作阻力的变化（如表7所示），造成机器的速度波动，必须通过加飞轮的方法进行调节。将飞轮安在一级齿轮的小齿轮上。轴的转速n=1360r/min，不均匀系数 =0.1。1、 计算等效阻力矩粉料压片成形机的能量消耗，主要来自冲头冲压粉料时消耗的能量。因此，可以忽略其它执行机构，以及各构件惯性力的影响，只考虑冲头的工作阻力r。此时，机器的等效阻力矩为其中，为电动机的角速度；c为冲头往复直线运动的速度，滑块的速度可由六杆机构的运动分析中得到，Fr如表7中所示，则可画出其等效力矩曲线。等效力矩随等效构件转角的变化曲线如图14所示。其中横坐标为等效构件的转角，等效构件的转速为曲柄的22.5倍，所以等效力矩相对与等效构件的变化周期为T=50=157s。2、计算等效驱动力矩Md根据能量守恒的原理，驱动力矩在一个周期里所做的功等于阻力矩在一个周期里消耗的功。等效阻力矩消耗的功为等效阻力矩曲线下的面积，。由曲线积分可得阻力矩消耗的功为W=1036J,则Md=W/T=1036/2=165Nm。图143.计算最大盈亏功W其中，max，min分别为最大的赢功和最小的亏功，用积分的方法可得Wmax=256, Wmin=-467，可以算得W=256-（-256）=723J。4.计算飞轮的转动惯量JF5.确定飞轮的尺寸对于如图15所示的轮形飞轮，其转动惯量可用下式表示其中，D为飞轮轮缘的平均直径，m为飞轮的质量其中，为飞轮材质的密度。取=7800kg/m3(五)心得体会通过这次实践,我们将机械原理学的知识运用到实践中,充分的了解到了各个机构的作用以及如何充分并正确的利用机构。此次实践中，在方案的选择中，我们用到了凸轮机构，曲柄滑块机构，并应用了以前没有接触过的机构六杆机构。以前在机械原理课上所学的只是理论的知识，并没有深刻的去了解每一个机构。而做方案的选择时，需要去查资料了解每一个资料的功能及缺陷，以确定比较好的方案。在查资料的时候，能够学到许多以前没有接触到的机构，并了解各个机构的突出功能及应用方向。六杆机构就是在查资料的时候找到的。虽然在课上没有接触到过，不知道怎么去计算，但我们还是选择去尝试，希望尽量将机构做到最好。我们的机构共分成三个部分，两个凸轮，一个六杆机构。在此过程中，我负责算六杆机构。在一开始接触到六杆机构的时候，比较陌生，不知道从何入手。同过查阅资料，找到了合适的计算方法。然而在计算的过程中，出现了好多问题。首先是我们的六杆机构与资料中的六杆机构略有不同，需要转化以后才能计算；其次，是六杆机构的数据不足，有些数据需要自己去假设，若假设不当，最后设计出的六杆机构会有死点，或者不存在。在这个过程中，通过对各个数据的多次假设，计算出了最合适的方案。同组的其他两个成员计算凸轮的时候，遇到了选择计算方式以及怎么转换的问题。经过我们的讨论，选择了345多项式来计算。接下来就是电动机的选择及减速器的设计，这些我们在机械原理中并没相关的内容，这些就需要由资料并参考老师给的模板来计算得到。飞轮我们已经不再陌生，在机械原理课中，飞轮是重要的一课，但实践与做题有着很大的差别，在做题时，等效阻力矩等等一些数据都是题目给的，而实际的时候这些图以及数据都需要自己算。将机构设计好以后，用working model做了模拟。以前的时候对这个软件并没有什么了解，当设计结束的时候，知道了其功能及怎么用。在整个过程中，我深刻体会到了自学的作用以及学会查资料的重要性。在整个过程中，查资料占了我们大部分的时间，但在查资料的过程中，我们收获了许多。同时团体合作也十分重要。团结是一个小组工作的核心，只有团结合作，合理分工，才能把这个任务做好。(六)参考文献1毛炳秋.机械设计课程设计M.北京：电子工业出版社，2011.2 邹慧君殷鸿梁.间歇运动机构设计与应用创新M. 北京：机械工业出版社，2008.3 王霄刘会霞. UG NX 5.0高级设计实例教程M.北京：化学工业出版社，2009.4冯立艳.机械原理M. 北京：机械工业出版社，2012.5袁祖强.机械设计基础M.北京：北京航空航天大学出版社，2011.6安琦.机械设计课程设计M.上海：华东理工大学出版社，2012.附件一曲柄滑块机构运动分析结果(。)2(。)2(rad/s)2XC(mm)vc(mm/s)ac(mm/s2)00-3.9109603181533.0977737.7710-6.20506-3.87424-1.63192314.99831510.6687744.37820-12.2918-3.76133-3.08254306.14941444.4787761.32230-18.133-3.56399-4.15978291.9211338.0227780.60640-23.5846-3.26903-4.66542273.08561197.9717791.61450-28.4781-2.85998-4.43705250.70391036.0867786.48860-32.6194-2.32168-3.44976226.0848873.37487767.25670-35.7967-1.64916-1.96129200.7016746.44267747.31380-37.8062-0.85956-0.57324176.0425703.91327738.58690-38.495200153.4014766.54867737.77100-37.80620.859564-0.57324133.6723898.5217738.586110-35.79671.649158-1.96129117.24871049.7257747.313120-32.61942.321681-3.44976104.08481189.1797767.256130-28.47812.859978-4.4370593.863721304.3347786.488140-23.58463.269032-4.6654286.170781392.987791.614150-18.1333.563993-4.1597880.610841457.2597780.606160-12.29183.761326-3.0825476.864431500.3697761.322170-6.205063.874244-1.6319274.705171525.0647744.37818003.9109620741533.0977737.771906.2050593.8742441.63192374.705171525.0647744.37820012.291773.7613263.08254376.864431500.3697761.32221018.133043.5639934.15977880.610841457.2597780.60622023.584593.2690324.66542486.170781392.987791.61423028.478152.8599784.43705593.863721304.3347786.48824032.619442.3216813.449756104.08481189.1797767.25625035.796681.6491581.961285117.24871049.7257747.31326037.80620.8595640.573239133.6723898.5217738.58627038.4951900153.4014766.54867737.7728037.8062-0.859560.573239176.0425703.91327738.58629035.79668-1.649161.961285200.7016746.44267747.31330032.61944-2.321683.449756226.0848873.37487767.25631028.47815-2.859984.437055250.70391036.0867786.48832023.58459-3.269034.665424273.08561197.9717791.61433018.13304-3.563994.159778291.9211338.0227780.60634012.29177-3.761333.082543306.14941444.4787761.3223506.205059-3.874241.631923314.99831510.6687744.3783600-3.9109603181533.0977737.77附件二四杆机构的运动分析结果(。)2(。)3(。)XC（mm）YC（mm）VC（mm/s)AC(mm/s2)0-28.426189.2505378.40421-29.9896163.1703453.974210-32.575187.9988575.73982-29.9256131.7794490.423320-36.658586.3117672.15206-29.747396.69375504.53330-40.473284.2812767.8433-29.392859.01827490.894440-43.801682.0321463.08866-28.822219.96482446.270550-46.442379.7049358.19647-28.035919.2328371.896960-48.242577.4337853.45672-27.077557.25109275.450870-49.121575.3270849.0973-26.021392.88662172.373980-49.075173.4574645.26328-24.9502124.983494.4988390-48.163371.8625142.02161-23.9381152.519102.0156100-46.488970.5526539.38125-23.0396174.646151.2674110-44.176469.5212237.31703-22.2898190.7288185.5503120-41.355768.7533335.78918-21.7075200.3699195.7213130-38.153668.2320234.75643-21.3006203.4274186.6471140-34.688467.9418934.1833-21.07200.0281172.1591150-31.069967.8709634.04335-21.0132190.5811172.6755160-27.399168.0110934.31988-21.1253175.7962199.9885170-23.770368.3576935.00506-21.3995156.7231244.5929180-20.271168.9088836.09802-21.8271134.846289.6799190-16.983469.66437.60197-22.3958112.3258322.6337200-13.982370.6219439.5204-23.088792.54101336.0844210-11.335271.7789441.85254-23.882680.67871327.286220-9.0995573.126444.58813-24.747681.86726298.0783230-7.3211674.6487747.70227-25.647295.77129255.3221240-6.0330676.3219151.15107-26.54117.2674211.0954250-5.2554478.1122954.8687-27.3835141.7438180.0986260-4.9969379.9769858.76665-28.138166.3125169.6033270-5.2569281.864462.73501-28.7722189.0814170.8526280-6.0283683.7156466.64552-29.2669208.632170.3768290-7.3001985.4659870.35579-29.6182223.8213164.0473300-9.0589487.0466473.71419-29.838233.7388160.2414310-11.288988.3866976.56523-29.9516237.7149174.7426320-13.970489.4155378.75551-29.9937235.338214.9832330-17.0766-89.933780.14111-29.9999226.461273.454340-20.567-89.719480.59743-29.9985211.1969338.6513350-24.3805-89.984780.03249-30189.9051401.2555360-28.426189.2505378.40421-29.9896163.1703453.9742附件三已知NZ1Z2MHA2*2T1484842016.2831851分析2a22KP2HA1*16.260225.563860.883.57072122.57.50.525729K3GHAa1PaPP11p-51.02280.422.438791.24802722.438791.512.89889a1Z2PZ1PTFTD16.7411.140-2-0.39270.0656840.934316K1C2R0.0703021920.020833166.937附件四下冲头凸轮计算数据(。)s（mm）v(mm/s)a(mm/s2)rmin(。)Rrmax)03003050103003050203003050303003050403003050503003050512.9743 -33.4149 -3403.6136 3.3636 5.7328 49.9743 522.8262 -105.6076 -4538.1515 17.2047 17.6497 49.8262 532.5108 -181.9256 -3970.8826 31.9957 28.8723 49.5108 542.0477 -237.6171 -2269.0757 43.0220 36.0022 49.0477 551.5000 -257.8310 0.0000 47.4037 38.5478 48.5000 560.9523 -237.6171 2269.0757 44.1173 36.5836 47.9523 570.4892 -181.9256 3970.8826 34.0172 29.8332 47.4892 580.1738 -105.6076 4538.1515 19.8572 18.5206 47.1738 590.0257 -33.4149 3403.6136 6.3122 6.0682 47.0257 600.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 47.0000 610.0685 33.4149 3403.6136 6.2694 6.0631 47.0685 620.4634 10