机械原理与机械设计专业课程设计.doc

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
学生姓名
课程名及课程号 构造设计(1) 0932A032
指引教师 丁卫
日期

模切机运动方案拟定及传动系统设计
---机械原理与机械设计课程设计阐明书

一、 半自动平压模切机（如下简称模切机）简介
1. 课题阐明
模切机是印刷、包装行业压制纸盒、纸箱等纸制品专用设备，该机可对各种规格纸板和厚度在6mm如下瓦楞纸板进行压痕、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精美凹凸商标和印刷品。
2. 原始参数和设计规定
1）纸张尺寸为250mm×250mm，由人工放入输送线上，双班制，每小时压制纸板3000 张；
2）模压行程H=50±0.5mm。回程平均速度是工作行程平均速度1.25倍。压力与模压行程关系如图1所示。模压产生阻力F=0.8×106 N，模压回程时不受力；
3）模具和滑块质量约为120Kg；
4）在最后加压5mm范畴内施压性能良好，即增力性好，且在5mm范畴内施压时间恰当长些；
5）工作台距离地面约1200mm;

6）规定构造简朴紧凑、节约动力、便于制造，使用寿命为十年。
二、 模切机运动方案拟定
1. 工艺动作分解
纸箱或纸盒压痕、切线、压凹凸，都要用凹模和凸模加压，为此纸板需定位、夹紧，再送到模压位置加压，之后将加压后纸板送走。因而，模切机工艺动作可分解为：控制夹紧装置张开、夹紧、送料和加压模切三个动作。
2. 送料机构选取
为了保证模压时相对位置精度，纸板在输送过程中，必要定位、夹紧。比较简朴而可靠办法是运用带有夹紧片双列链条，如图2所示。而链轮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（固定模块条数和间距L可依照整机尺寸拟定，与链轮中心距关于，普通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，推杆动作可用凸轮控制。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。同步在另一种工位上推杆推开夹紧片，工人再放入纸板，输送链再将切好纸板送至指定工位，由固定挡块9迫使夹紧片张开，纸板落到收纸台上。完毕一种工作循环。
3. 模切运动方案构思及筛选
一方面应考虑模切机加工办法，它在很大限度上将决定整机总体布置。运用所谓关联树法，按层次列出也许几种加压办法如图3所示。图中排出6种也许加压办法。通过度析可知，水平加压不利于纸板输送系统布置。而垂直加压中，当上下模具同步加压时，上下模不易对准。通过筛选后可有二种方案再作进一步对比分析，如果采用由上向下压，即下模固定，上模运动，则必然要占用工作台上面空间，这会干扰链条输送系统布置。而传动系统普通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，能有效地运用空间，且便于工人操作和输送纸板，在图2中上模4通过装配调节后固定不动，而使下模运动。

4. 传动系统运动方案构思及筛选
通过上述方案筛选，采用由下往上压方案，即执行构件作往复直线运动。普通原动机都采用水平布置电动机，因而在传动系统运动方案构思中，必要考虑如何把水平方向旋转运动经减速后变换为垂直方向往复直线运动。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功能，而满足这些规定机构组合可以有许各种，例如经齿轮减速后曲柄滑块机构，以及由曲柄滑块机构演变而成某些带滑块六杆机构都能满足上述规定。此外尚有经减速后直动推杆盘形凸轮机构、螺母作往复转动螺旋机构，以及齿轮作往复转动齿轮齿条机构等等，都是可供选取方案。
依照在相似施压距离5mm内，下压模移动所用时间越长越有利、传动角越大越好、成本越低越好、效率越高越好等原则，综合考虑选取带滑块六杆机构方案。

三、 机构运动参数拟定
1. 原动机运动参数
1) 电机转速nc选取
原动机运动参数普通有转动和往复移动两种形式。普通机械中普遍使用Y系列三相异步交流感应电动机作为原动机，惯用转速有3000、1500、750、300rpm四种。转速愈低，电动机重量愈重，价格愈高。但整体总传动比则会小某些，反之总传动比会增长。因此合理地选取原动机转速是整机设计时不容忽视一种环节。结合本课题状况建议选用同步转速为1500rpm交流电动机。
2) 主轴转速与曲柄转速选取
本题规定曲柄转一圈，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重要工艺动作运动输出构件，其运动参数与运动形式关于。本题主执行构件是作往复运动，其运动参数重要是：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、施压时位移S=5mm和速度v等。
3. 链传动参数拟定
初选中心距a=30p，
取节距p=25.4，齿数Z依照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++=85
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=1.2s
对链轮有效转动时间
链轮角速度
4. 不完全齿轮参数拟定
由间歇规定可知，不完全齿轮积极轮齿轮区域为240°，占总区域2/3
传动比，齿数比
设不完全齿轮积极轮齿数Z=40，从动轮齿数Z=30
四、 机械传动系统拟定
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运动联系及运动速度，运动方向变换，使其满足预期工作规定。由原动机到主工作机构原动件之间运动联系，称主运动链，而由主运动链中某一构件引出运动链，普通称为辅助运动链。为了保证主运动链和辅助运动链协调配合运动，普通主工作机构原动件和辅助运动链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该级机构为主工作机构。为了使辅助运动链执行构件与主运动链执行机构有序地协调动作，它们原动件即曲柄16、凸轮14、不完全齿轮12安顿在同一根轴III上，如图6所示。

2. 运动链中各机构排列
普通总是把摩擦传动，带传动布置在高速级，而某些变换运动形式机构如凸轮机构，连杆机构以及间隙运动机构安排在运动链末端，接近执行构件，而齿轮机构普通用来变化运动速度，链传动因“多边形效应”易引起冲击，宜安排在低速级。
3. 传动比拟定
当已知主工作机构原动件转速nc=1500rpm，原动件额定转速nn=50rpm，
主运动链传动比为
减速箱内动机构是串联组合，则ic= i1×i2×i3
其中i1为电机初级带传动减速比，i2，i3分别是减速箱内一，二级齿轮减速比。
各级传动比分派，普通应考虑下述原则：
每级传动比应在该类传动机构推荐惯用范畴内选用。各级齿轮传动传动比，普通按递增顺序排列，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、 主体机构运动设计（或尺寸综合）
模切机主工作机构是一种原动件转速nc已知六杆机构（如图4所示）。它可视为两个四杆机构构成，即由曲柄摇杆机构ABCD和摇杆滑块机构DCE构成。设计时为简朴对称，取CD与CE杆长相等，其长度可依照工作台平面高度恰当选用。这样，摇杆最大摆角Ψ可以由滑块行程E1E2=H=50±0.5mm及CD及CE杆长由几何关系求得。至于曲柄摇杆机构尺寸综合，则可以依照速比系数K=1～1.2、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长度。图解法可参看《机械原理》教材。解析法阐明如下：
综合具备急回作用机构时，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长。参见图7。
其求解办法环节如下：
（1） 极位夹角
θ=180°•20°
（2） 摆角

（3） 曲柄AB

而
因此 解得a=67.66mm
（4） 机架AD长d
由于由几何关系得

由△AC1D得
即
因此 d==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取。
最后，还应依照 =42.80
及 =74.91
二、 主体机构运动分析
铰链四杆机构运动分析
在图8所示铰链四杆机构中，已知各杆长l1，l2，l3，l4以及原动件AB转角φ1和等角速度φ1=ω。规定拟定连杆2和摇杆3转角、角速度和角加速度。运动分析重要任务就是拟定别的构件角位移、角速度和角加速度计算式。
⑴位置分析
为简便起见，选用原动件固定铰链A为坐标原点，X轴与机架相连，从固定铰链点向外标出机架、连架杆和连杆向量。各转角规定自X轴逆时针度量为正，反之为负。由此拟定了各杆向量指向后，机构就构成了一种封闭向量多边形。可写出封闭向量多边形向量方程式。

矢量
分别向X轴和Y轴投影得：

其中未知数为θ2，θ3，消去θ2求θ3，两边平方并求和有：

令：

得： (4)
令，则有，
；

即 （其中M=+1或M=-1）
则得：
依照装配条件，拟定M符号“+”或“-”。
同理，消去θ3，可求解θ2，其中令：

得：

⑵速度分析
对⑵式两边求导，其中

解方程组得
⑶加速度分析
对(10)式再一次求导
(12)
解方程组得：

三、 主体机构动力分析及飞轮设计
飞轮转动惯量计算
由前可知，平压模切机设计时必要考虑速度波动调节问题。由于，平压模切机负荷特点是短期高峰载荷和较长期空载互相交替。如果按照工作行程所需功率来选用电动机，规定功率会很大。而用大功率电动机，又只是在很短工作行程时间内满负荷，大某些时间负荷很小，这样就会导致挥霍，且速度波动很大，导致不良效果。为解决此矛盾，须考虑安装飞轮，使主轴角速度较为均匀，同步使冲压模在不受负载时通过传动机构吸取多余能量，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功率。
飞轮转动惯量可运用如下近似公式计算

式中---最大盈亏功
---安装飞轮之轴平均角速度（普通装在主轴上）
n---安装飞轮之轴转速
---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）
已知在一种工作周期内，主体机构推杆做两次推程运动，但只有一次做功，做功位移S=5mm

又因运转速度作周期性波动机器，稳定运动时一种周期内等效驱动力矩所做功等于等效阻抗力矩所作功，对电动机作原动机机械，其驱动力矩可视为常数，可得

因而可得等效驱动力矩。则进而可绘图求得最大盈亏功
曲柄夹角

可得飞轮转动惯量为

一、
二、
三、
四、
六、 运动构造简图（见附件）
七、 机构工作循环图
各执行机构动作有顺序规定机械系统，在一种工作周期中，各执行构件运动要互相协调配合，才干共同完毕生产任务。表达机械在一种工作循环中，各执行构件运动互相配合关系图形称工作循环图（或称运动循环图）。设计工作循环图时，应先选取主工作机构执行构件作为定标件，以其起点作为基准，用它转角(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先后顺序及相位。工作循环图普通有直线式、圆击式、直角坐标式三种。此阐明书选取直角坐标式。
在设计本课题工作循环图时要注意如下几点：
⑴依照题设，下压模向上移动最后5㎜是下压模施压区间，相应原动件转角为Φ1，Φ2。（Φ2-Φ1）愈大，施压效果越好，这是模切机运动设计应追求重要目的。而Φ2和Φ1数值则由运动分析后拟定。
⑵为了保证纸板处在静止状态下模切，应使输送链比Φ1角提前10°停止，并滞后Φ2角10°开始转动。
⑶在夹紧工位上，应保证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，要保证有足够时间将纸板送入夹紧片。由运动分析后可得，，取，，输送链开始停止时角度可取，开始转动时角度可取。

下模块
六杆机构

上升

（加压）

下降

送纸机构

链轮机构
转动

·

（约120°）

停止
转动

（约290°）

夹紧机构

凸轮机构

停止

上升

停止
360°
0° Ψ1=130° Ψ1=280°
八、 C语言程序运营成果
#include<stdio.h>
#include<math.h>
#define N 360
#define pi 3.14159265
int main()
{ int i,m;
double a,b,c,d,e,f,g;
double n,speed1,zita0,acce1,zita;
double zita1[N],zita2[N],zita3[N];
double speed2[N],speed3[N],acce2[N],acce3[N];
double l1,l2,l3,l4;
double zita4[N],zita5[N],s4[N],acce4[N],v4[N],o4[N];
l1=67.66;l2=245;l3=500;l4=428.57;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++)
{zita1[i]=zita0+2*i*pi/N;
a=2*l1*l3*sin(zita1[i])-2*l3*l4*sin(zita);
b=2*l1*l3*cos(zita1[i])-2*l3*l4*cos(zita);
c=l2*l2-l1*l1-l3*l3-l4*l4+2*l1*l4*cos(zita1[i]-zita);
zita3[i]=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(zita1[i]-zita);
d=2*l1*l2*sin(zita1[i])-2*l2*l4*sin(zita);
e=2*l1*l2*cos(zita1[i])-2*l2*l4*cos(zita);
zita2[i]=2*atan2(-d+m*sqrt(d*d+e*e-f*f),f-e);
speed2[i]=-(speed1*l1*sin(zita1[i]-zita3[i]))/(l2*sin(zita2[i]-zita3[i]));
speed3[i]=(speed1*l1*sin(zita1[i]-zita2[i]))/(l3*sin(zita3[i]-zita2[i]));
acce2[i]=(-speed1*speed1*l1*cos(zita1[i]-zita3[i])-speed2[i]*speed2[i]*l2*cos(zita2[i]-zita3[i])+speed3[i]*speed3[i]*l3)/(l2*sin(zita2[i]-zita3[i]));
acce3[i]=(speed1*speed1*l1*cos(zita1[i]-zita2[i])-speed3[i]*speed3[i]*l3*cos(zita3[i]-zita2[i])+speed2[i]*speed2[i]*l2)/(l3*sin(zita3[i]-zita2[i]));
zita4[i]=zita3[i]-pi/2;
s4[i]=l3*cos(zita4[i])+m*sqrt(l3*l3-(l3*sin(zita4[i])-g)*(l3*sin(zita4[i])-g));
zita5[i]=atan2(g-l3*sin(zita4[i]),s4[i]-l3*cos(zita4[i]));
o4[i]=-(l3*speed3[i]*cos(zita4[i]))/(l3*cos(zita5[i]));
v4[i]=(l3*speed3[i]*sin(zita5[i]-zita4[i]))/(cos(zita5[i]));
acce4[i]=(l3*(acce3[i]*sin(zita5[i]-zita4[i])-speed3[i]*speed3[i]*cos(zita5[i]-zita4[i]))-l3*o4[i]*o4[i])/(cos(zita5[i]));
if(fabs(s4[i]-995)<1)
printf("zita=%f\n",zita1[i]*180/pi);}
printf("No. zita s v acce \n");
for(i=0;i<N;i++)
{zita1[i]=zita1[i]*180/pi;
printf("%3d %10.2f %10.2f %10.2f %10.2f\n",i,zita1[i],s4[i],v4[i],acce4[i]);
}}
0
951.79
-80.14
1775.96
10
950.12
-20.3
1780.09
20
950.41
36.52
1603.38
30
952.46
85.22
1303.32
40
955.96
122.69
938.78
50
960.5
147.66
560.73
60
965.67
160.36
208.32
70
971.07
162.13
-92.01
80
976.38
154.97
-325.55
90
981.33
141.22
-487.57
100
985.75
123.23
-581.13
110
989.52
103.15
-614.76
120
992.62
82.78
-600.18
130
995.05
63.53
-550.25
140
996.88
46.36
-477.33
150
998.17
31.84
-392.18
160
999.03
20.25
-303.48
170
999.56
11.58
-217.87
180
999.84
5.63
-140.41
190
999.96
2.08
-75.36
200
1000
0.42
-27.26
210
1000
0.01
-1.99
220
1000
-0.06
-7.92
230
999.99
-0.99
-56.47
240
999.91
-4.45
-161.19
250
999.64
-12.49
-333.44
260
999
-27.43
-572.76
270
997.71
-51.14
-852.11
280
995.48
-83.96
-1105.33
290
992.04
-123.42
-1232.37
300
987.25
-163.6
-1135.03
310
981.22
-196.1
-771.31
320
974.35
-212.58
-190.24
330
967.29
-207.75
483.03
340
960.75
-181
1101.38
350
955.42
-136.23
1550.52