机械原理课程设计15吨压片机设计.doc

机械原理课程设计题目：15吨压片机设计学院：机电工程学院专业：机械设计制造及其自动化（卓越）学号：姓名：目录绪论.1第一章课程设计题目1.1设计题目15吨压片机设计.21.2原始数据及设计要求.21.3设计任务.3第二章课程设计题目分析2.1 工艺动作分解.42.2 由工艺动作分解画出各部件的循环图.5第三章主要执行构件的设计3.1主要执行机构方案设计.63.2构件组合方案设计.93.3主要执行构件的尺寸设计.11第四章传动系统的方案设计和计算4.1电机功率验证.154.2各传动机构的优缺点对比.154.3传动比分配及各齿轮齿数确定.194.4机器不稳定系数的调节.20第五章运动分析仿真及设计体会第六章参考文献- 24 -绪论随着科学技术日新月异和工业生产的飞跃发展，国家各个部门迫切需要各种各样的性能优良的机械产品。其中，机械的设计环节是决定产品性能、质量、水平、市场竞争能力和经济效益的重要环节。一个产品的设计包括机械设备的功能分析、工作原理方案设计和机械运动方案设计，加工条件，加工成本等。如果涉及存在问题，那么很可能造成机械产品灾难性的破坏。因此学生进行机械原理设计能力的实践是设计出优良产品的必要前提和保障。也是提升学生动手能力的一种方式。机械原理课程设计是在我们学习了机械原理之后的实践项目，通过老师和书本的传授，我们了解了机构的结构，掌握了机构的简化方式与运动规律。伟大的领袖邓小平说过，我们要理论与实践相结合，这便是课程设计的目的所在。第一章课程设计题目1.1设计题目15吨压片机设计1.功能总要求：将干粉料压制成圆形片胚2.工作原理及工艺动作分解15吨压片机的工作原理及工艺动作分解如下图1.所示。移动粉筛3至模具1的型腔上方等待装料，并将上一循环已成型的工件2推出(卸料)；然后粉筛振动，将粉料筛入型腔；下冲头5下沉一定深度，以防止上冲头4向下压制时将粉料扑出；然后上冲头向下，下冲头向上加压，并在一定时间内保持一定的压力；而后上冲头快速退出，下冲头随着将成型工件推出型腔。图1-11.2原始数据及设计要求1.被压工件的外形是直径34mm，厚度5mm的圆形片坯。2.冲头压力为15吨(150000N)。3.生产率为每分钟25片。4.驱动电机的功率为2.2KW，940r/min。5.各执行构件的运动参数为：(1)上冲头行程为90100mm；(2)下冲头5先下沉3mm，然后上升8mm后停歇(保压)，继而上升16mm后停歇，等粉筛将片坯推离冲头后下移21mm；(3)粉筛3在模具1的上方往复振动筛料，然后向左退回，待坯料成形并被推出型腔后，粉筛复在台面上右移约4550mm推卸成形片坯。5.机器运转不均匀系数为10%。1.3设计任务1.按工艺动作过程拟定机构运动循环图2.按选定的电动机和执行机构的运动参数进行机械传动方案的拟定。3.对传动机构和执行机构进行运动尺寸设计4.对机构进行运动分析或仿真。5.画出最终方案的机构运动简图。注意：n 执行构件设计（例如平面连杆机构设计、凸轮机构设计等）n 传动机构设计（例如轮系设计、齿轮机构设计等）n 绘制机构运动简图（A3图纸，需要按照所设计的尺寸绘制，关键尺寸须标注）n 执行构件运动分析（位置、速度、加速度等），绘制分析图（A3图纸）n 凸轮轮廓曲线绘制（A3图纸，需要按照所设计的尺寸绘制，关键轮廓尺寸须标注）n 从CAD文件中截取机构运动简图、机构分析图、凸轮轮廓曲线图插入说明书中n 对课程设计做一个简要的总结n 课程设计说明书打印版（约5000字），具体格式参考毕业设计说明书撰写格式；n 图纸（机构运动简图、运动分析图、凸轮轮廓图），A3打印，图纸要有图框和标题栏，图纸中的图线、字体、标注等遵循制图标准。第二章课程设计题目分析2.1工艺动作分解1.如下图2-1(1)所示，料筛在磨具上方振动降粉料注入直径为34mm，深度为21mm的筒形型腔，然后向左退出一定的距离。2.如下图2-1(2)所示，下冲头下沉3mm，以防冲头进入型腔时把粉料扑出。3.如下图2-1(3)所示，上冲头进入型腔3mm处。4.如下图2-1(4)所示，上、下冲头同时加150000N的压力压，各移动了8mm，此时保持一定的时间。5.如下图2-1(5)所示，上冲头快速退回，移动90mm，下冲头随着将成型工件推出型腔。6.如下图2-1(6)所示，待上冲头回到距离筒形79mm处，下冲头将成型工件推出后，粉筛向右移动45mm推走筛片，接着粉筛振动，继续下一个循环。图2-12.2由工艺动作分解画出各部件的循环图由上面的动作分解可以看出，由电机出发到工件成型主要由三部分构成，因此机构的运动可以分成三部分，即上冲头部分、下冲头部分和料筛部分。循环图如图2-2：图2-2其中：1.一个循环周期T=60s/25=2.4s，一个周期2.4s亦可以看成转一圈，即转过360，粉筛、上冲头的平均速度大小设为相等。2.上、下冲头以各自的位移最低点为零点，粉筛以位移最左点为零点。3.运动开始，粉筛位移从0经过0.3s后到达45mm处后开始振动，经过0.6s后振动结束，再经过0.3s粉筛到达最左点上，粉筛保持不动直到下个循环开始。4.下冲头在21mm处保持静止0.3s，0.42s后下冲头下降到3mm处，而后保持静止1.2s，后下降到零点处，1.446s时下冲头开始上升至8mm处，保持一段时间，2.31S时上升，2.4s至24mm处把成型件推出。5.上冲头在静止一段时间后开始下降,到距离零点8mm处，开始接触到粉料，此时下冲头在零点处，继续下降到达零点，保压一段时间后，快速上升，急回效果。第三章主要执行构件的设计3.1主要执行机构方案设计1.上冲头(1)方案一：如图3-1所示，杆1带动杆2运动，杆2带动杆4运动，杆带动上冲头运动。此方案保压效果不好，急回效果难以实现，无法满足运动要求，且此方案需要滑块处摩擦较严重，需要大量的润滑液，维护困难。故此方案不合理。自由度计算：n=5，Pl=7，Ph=0，所以F=5x3-7x2=1图3-1(2)方案二：如图3-2所示，此方案杆1为原动件，使用曲柄摇杆机构，结构较为简单，但其不能满足保压要求，且无急回效果，无法满足题目要求，故此方案不合理。自由度计算：n=3，Pl=4，Ph=0，所以F=3x3-4x2=1图3-2(3)方案三：如图3-3所示，此方案使用曲柄摇杆机构和摇杆滑块串接而成，杆1既可以使用杆结构，也可以使用凸轮结构，结构比较简单，此方案能满足保压效果，也能满足上冲头预定行程要求，故此方案可行。自由度计算：N=5，Pl=7，Ph=0，所以F=5x3-7x2=1图3-32.下冲头如图3-4所示,采用凸轮机构实现冲头的规律运动，结构简单，易维护，容易实现行程要求。自由度计算：n=2，Pl=2,，Ph=1，所以F=2x3-2x2-1=1图3-43.粉筛如图3-5所示，为凸轮连杆机构，杆2与机架有弹簧相连实现自动回位，凸轮一部分设计成齿状，结构简单，符合运动要求，且有振动效果。自由度F=2x3-2x2-1=1图3-53.2构件组合方案设计综上所述得知，组合方案有3种，如下：方案一：图3-6方案二：图3-7方案三：图3-8由前面分析知，相比之下方案三是最合理的。3.3主要执行构件的尺寸设计各主要构件行程表构件上冲头下冲头粉筛行程/mm10024451. 上冲头机构设计为方便计算，设1为摇杆结构，杆3和杆4长度相等，上冲头到达最低点时，杆1和杆2平齐。由尺寸图3-9可知h=(l3+l4)-(l3+l4)cos=100由于摆角不宜太大，因此设l3、l4的摆角为30，则由上式计算得：l3=l4=373mm。L1+l2=(l2-l1)cos+l3sin（1）(l2-l1)sin=h/2=50 （2）由于l3、l4尺寸已经确定，因此上面（1）（2）式中还有三个未知数，l1、l2满足所对应的曲柄摇杆机构条件即可。 图3-9因此,设=10,则经计算得:l1=90mm,l2=380mm,l5100mm，为节省材料，因此设l5=120mm。2.下冲头机构设计此机构较为简单，由于对心，凸轮的行程即为下冲头行程。(1)下冲头机构凸轮设计说明：为了避免振动和冲击，使机构能稳定运作，取从动件在转折处以适当的圆弧过渡。角度/045456363180180183183217217224224347347360行程/mm242433300088824(2)杆2尺寸设计较宽松，符合总体要求即可，因此设杆2长度为50mm。3.粉筛机构设计此机构较为简单，由于对心，凸轮的行程即为下冲头行程。(1)粉筛机构凸轮设计说明：为了达到振动的目的，避免过大的冲击，使机构能稳定运作，取从动件在转折处以一定半径的圆弧过渡角度/04545135135180180360行程/mm04545（振动状态）4500(2)杆2尺寸设计较宽松，符合总体要求即可，因此设杆2长度为100mm。各机构杆长长度表机构杆1杆2杆3杆4杆5上冲头机构90380373373120下冲头机构50粉筛机构100第四章传动系统的方案设计和计算4.1电机功率验证一个周期的时间：T=60s/25=2.4s若忽略摩擦力，则一个周期所消耗的功几乎消耗在压制阶段，所以一个周期内所消耗的功为：W=Fs=150000x(21-5)10-31/2=1200J （压制阶段压力近似与距离成正比）所以一个周期内的功率：P平均=W/T=1200J/2.4s=500W由于现实中存在这不可避免的摩擦力，以及传动效率小于1以及实际中其他的一些输出等，所以实际平均功率设为计算的平均功率的2倍，即：P总平=12P平均=2x50W=1000WP电机一个周期内所消耗的总功为：W总=P总平T=1000Wx2.4s=2400J电机的功率是能够满足要求的。4.2各传动机构的优缺点对比1.齿轮传动机构齿轮传动是一种啮合传动，可以分为两轴平行的齿轮机构和两轴不平行的齿轮机构。主要优点：(1)传递运动可靠，瞬时传动比恒定。(2)适用的载荷和速度范围大。(3)使用效率高，寿命长，结构紧凑，外尺寸小。(4)可传递空间任意配置的两轴之间的运动。主要缺点：(1)螺旋传动、带传动相比，振动和噪声大，不可无级调速。(2)传动轴之间距离不可过大。(3)加工复杂，制造成本高。2.链传动机构链传动主要由主、从动链轮、链条组成。主要优点：(1)与带传动相比平均传动比准确，传动功率大，轮廓尺寸小。(2)与齿轮传动相比，传动中心距大。(3)能在低速重在、高温环境恶略条件下工作。(4)效率高，最大可达0.99。主要缺点：(1)不能保持恒定的瞬时传动比。(2)链单位长度重量大，引起噪声。急速反向性能差，不能由于高速。3.带传动机构：带传动传动是利用胶带与带轮间的摩擦传递运动和力。带传动机构中所采用的带可分为：平带、三角带、圆形带和齿形带。平带传动由开口式传动、交叉式传动和半交叉式三种。传动比：i=n2/n1=d1/d2主要优点：(1)运动平稳无噪声，可以缓冲冲击和吸振。(2)结构简单，传动距离远。(3)制造和安装简单，维护方便，不需润滑。(4)过载打滑，可起保护作用。主要缺点：外尺寸大，效率低，寿命短，传动精度不高。4.蜗轮蜗杆传动机构蜗轮蜗杆机构常用来传递两交错轴之间的运动和动力。蜗轮与蜗杆在其中间平面内相当于齿轮与齿条,蜗杆又与螺杆形状相似。主要优点：(1)可以得到很大的传动比，比交错轴斜齿轮机构紧凑。(2)两轮啮合齿面间为线接触，其承载能力大大高于交错轴斜齿轮机构。(3)蜗杆传动相当于螺旋传动，为多齿啮合传动，故传动平稳、噪音很小。(2)具有自锁性。当蜗杆的导程角小于啮合轮齿间的当量摩擦角时，机构具有自锁性，可实现反向自锁，即只能由蜗杆带动蜗轮，而不能由蜗轮带动蜗杆。如在起重机械中使用的自锁蜗杆机构，其反向自锁性可起安全保护作用。主要缺点：(1)传动效率较低，磨损较严重。蜗轮蜗杆啮合传动时，啮合轮齿间的相对滑动速度大，故摩擦损耗大、效率低。另一方面，相对滑动速度大使齿面磨损严重、发热严重，为了散热和减小磨损，常采用价格较为昂贵的减摩性与抗磨性较好的材料及良好的润滑装置，因而成本较高。(2)蜗杆轴向力较大。综合比较各个传动机构的优缺点，结合压片机设计要求（传动比要求稳定），由于齿轮传动比可靠，所以所有传动以齿轮实现。4.3传动比分配及各齿轮齿数确定设上冲头机构摇杆转速、齿数分别为n上、Z上，下冲头机构凸轮转速、齿数分别为n下、Z下，粉筛机构凸轮转速、齿数分别为n粉、Z粉。则两个凸轮及摇杆的转速均为：n上=n下=n粉=25r/min由题目知：电机转速为：n电机=940r/min所以总传动比为：i总=940/25=37.6由于传动比过大，所以宜采用分级传动的方案，如图4-1为一减速器简图图4-1设从减速器看来后即可达到1/2个工作周期的转速，即：n4=1/2n上=1/2n下=1/2n粉Z上=Z下=Z粉所以i总=Z2/Z1Z3/Z2Z上/Z4=37.6设i12=4，i23=4.7，设Z1=10，则Z2=40，设Z2=10，则Z3=47，设Z4=20。则Z4=1/2Z上=1/2Z下=1/2Z粉各级传动比表I级传动II级传动III级传动总传动传动比44.7237.6各齿轮齿数表齿轮构件齿轮1齿轮2齿轮2齿轮3齿数10401047齿轮构件齿轮4上冲头机构连接摇杆的齿轮下冲头机构连接凸轮的齿轮粉筛机构连接粉筛的齿轮齿数204040404.4机器不稳定系数的调节机械动能的增量为：E=Wd()-Wr()速度不均匀系数为：=(max-min)/m由题目要求知:=0.1机器的速度不均匀系数不得超过允许值，即：=0.1因此，为了满足题目要求，现设计一个具有很大转动惯量的回转构件飞轮安装在电机转动轴上，以调节机械的周期性运动波动。计算最大盈亏功：Wmax=Emax-Emin由上面验证发动机功率可知：在此处键入公式。WmaxW=1200J所以飞轮的等效转动惯量的近似计算有：JF900Wmax/(2n电机2)JF900x1200/(29402x0.1)计算得：JF =1.24kgm2飞轮尺寸的确定：求得飞轮的转动惯量以后，就可以确定飞轮的尺寸。设计时是以最少的材料获得最大的转动惯量JF,即应把质量集中在轮缘上，故飞轮常做成图4-2所示的形状。与轮缘相比，轮辐及轮毂的转动惯量较小可忽略不计。图4-2轮缘的转动惯量近似为：JF =1.24kgm2GAD2/(4g)式中，GA为轮缘的重量，D为自定半径。飞轮的平均半径D（m），轮缘宽度b（m），材料单位体积的重量（N/m3)。飞轮轮缘的重量GA=4gJF/D2=DHb取=80000N/m3，D=0.200m，b=0.242m，H=0.100m第五章 运动分析仿真及设计体会1.运动分析仿真下图为上冲头的运动分析图，包括线位移、线速度、线加速度。说明：由于篇幅有限，在此只作上冲头机构分析，由于杆长尺寸为大概尺寸，所以仿真出来也有一定的误差。2.设计体会课程设计已经接近尾声，通过一周的奋战课程设计终于完成了。机械原理课程设计时机械课程中一个重要的实践环节，是我们专业课程知识的实践训练，是我们迈向社会，从事所关专业工作必不可少的一个部分，通过这一周的时间里，使我各方面都得到了锻炼。这次课程设计工作量比较大，所涉及的内容比较多，课程设计安排时间为一周，而且是一个人独立完成，做起来非常棘手，说实话，此次课程设计真的有点累，刚开始不知道怎么入手，然而当我看着这二十多页的设计说明书的时候，一种成功的喜悦油然而生，顿时心情舒畅。很多人觉得一周的时间根本是不够的，但是我认为能力是能逼出来的，效率是能练出来的，这个相当于我们的一次挑战吧。作为机械设计制造及其自动化专业的一名学生，我觉得这个课程设计对提高学生各方面的能力是非常重要的。我们在课堂上掌握的大多是专业基础理论方面的内容，而不知道如何面对现实中的机械设计，不知道如何才能把我们所学的专业知识运用到实际的机械设计中去，而这个课程设计正是给我们提供了一个这样的实践平台。此外，通过这次课程设计使我学习到了另外的东西，比如设计中药如何如何去查找资料，做事情需要脚踏实地，设计需要耐心和恒心等。总的来说，这次课程设计使我明白了作为一个设计者的设计过程，设计的快乐，设计的辛酸。第七章参考文献 1机械原理（第七版） 孙桓 陈作模 葛文杰主编高等教育出版社，2006.5