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机械基础课程综合设计任务书之二

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2020年4月19日
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机械基础课程综合设计任务书之二

一、设计题目
平台印刷机

二、工作原理与结构组成
平台印刷机的工作原理是将版台上铅版凸出的痕迹借助油墨印到纸张上，以实现印刷的一种印刷机械。平台印刷机的工艺动作由输纸、着墨（即将油墨均匀涂在嵌于版台上的铅版上）、压印、收纸等四部分组成。
如图1，平台印刷机的压印动作是在卷有纸张的滚筒与嵌有铅版的版台之间进行的。整部机器各机构的运动均由同一原动机驱动。运动由电动机经过一减速装置后分成两路，一路经执行机构Ⅰ带动版台作往复运动，另一路经执行机构Ⅱ带动滚筒作回转运动。当版台与滚筒接触时，在纸张上压印出字迹与图形。

执行机构
II

执行机构
I

图1 平台印刷机的工作原理

版台工作行程中有三个区段（如图2所示）。在第一区段，输纸与着墨机构（图1中未画出）相继完成输纸、着墨作业；在第二区段，滚筒和版台完成压印动作；在第三区段，收纸机构进行收纸作业。

图2 版台工作行程的三个区段
本题目所指的平台印刷机主执行机构就是指版台运动执行机构Ⅰ和滚筒运动执行机构Ⅱ。

三、设计要求与技术条件
1.构思合适的机构方案实现平台印刷机的主运动：版台的往复直线移动及滚筒连续的或间歇的转动；
2.为保证印刷质量，要求在压印过程中，滚筒与版台之间无相对滑动，即在压印区段滚筒表面的线速度必须与版台的移动速度相等；
3.为保证整个印刷幅面上的印痕浓淡一致，要求版台在压印区内的线速度变化尽可能小；
4. 本平台印刷机所要求实现的生产率，即每小时印刷的张数为1920~ ，版台的行程长度为730 mm ，压印区段长度为440 mm ，滚筒直径为232 mm 。

四、设计参考方案
根据前述设计要求，版台应作往复运动，行程较大，且必须使工作行程中有一段等速运动（压印区段），并有急回特性。滚筒作停歇（滚停式）或连续（有等速段）转动。这些运动要求不一定都能得到满足，但必须保证版台和滚筒在压印区段内保持纯滚动关系，即滚筒表面点的线速度和版台速度相等，这可在运动链中加入运动补偿机构，使两者的运动达到良好的配合。由此出发来构思方案。
1. 版台运动执行机构选型
我们知道，将回转运动转换为直线往复运动的基本机构有很多，如曲柄滑块机构、移动凸轮机构、螺旋机构、齿轮齿条机构等，但它们不能完全满足平台印刷机主执行机构的运动要求。
六杆机构（如图3所示）的结构比较简单，加工制造比较容易，且有急回特性和扩大行程的作用，但由于构件数较多，机构刚性差，不宜用于高速；另外，此机构的分析计算比较复杂。

图3 六杆机构
因此，可将基本机构组合起来加以考虑以满足设计要求。具体方案可构思如下：
⑴曲柄滑块－齿轮齿条组合机构 如图4所示组合机构由偏置曲柄滑块机构与齿轮齿条机构串联而成。其中下齿条为固定齿条，上齿条与版台固连在一起。该组合机构的主要特点是：由齿轮齿条机构实现运动的放大，版台行程是滑块铰链中心点C的行程的两倍；而偏置曲柄滑块机构使上齿条（版台）的往复运动具有急回特性。

⑵双曲柄－曲柄滑块－齿轮齿条组合机构
如图5所示机构，它的下齿条是可移动的，并可由下齿条输入另一运动（由凸轮机构实现），以得到所需的合成运动。当不考虑下齿条的移动时，上齿条（版台）运动的行程也是滑块铰链中心点C的行程的两倍。齿轮与两个连杆机构串联，主要是用曲柄滑块机构满足版台的行程放大要求及回程时的急回特性，而用双曲柄机构满足版台在压印区近似等速运动的要求。

图4 曲柄滑块－齿轮齿条组合机构 图5 双曲柄－曲柄滑块－齿轮齿条组合机构

⑶齿轮可作轴向移动的齿轮齿条机构 如图6所示的机构，其齿轮齿条机构的上下齿条均可移动，且都与版台固接在一起。当采用凸轮机构（图中未示出）拨动齿轮沿其轴向滑动时，可使齿轮时而与上齿条啮合，时而与下齿条啮合，实现版台的往复移动。若齿轮作等速转动，则版台作等速往复移动。这将有利于提高印刷质量，使整个印刷幅面的印痕浓淡一致。但由于齿轮的拨动机构较复杂，故只在印刷幅面较大，且对印痕浓淡均匀性要求较高时采用。

图6 齿轮可作轴向移动的齿轮齿条机构

2. 滚筒回转机构选型
⑴转停式滚筒的齿轮齿条传动机构 如图7所示，由版台上的齿条带动滚筒上的齿轮实现版台和滚筒间的纯滚动。该机构结构简单，易于保证速度同步的要求。但当版台空回时，滚筒应停止转动，因而需要增加滚筒与版台间的脱离机构和版台的定位机构，以便版台空回时滚筒与版台脱离并定位。滚筒与版台运动的脱离装置可采用棘轮式超越离合器，滚筒的定位装置可采用图8所示的凸轮定位机构。由于滚筒时转时停，惯性力矩较大，故不宜用于高速印刷场合。

图 7 转停式滚筒运动方案 图8 转停式滚筒的定位装置

⑵等速滚筒的齿轮传动机构 如图9所示，滚筒是由齿轮机构直接带动的，因而其运动速度是常量。当与其配合的版台由非匀速机构带动时，很难满足速度同步的要求，因而这种滚筒机构一般只与版台等速移动机构（如齿轮可作轴向移动的齿轮齿条机构）组合使用
⑶连续转动滚筒的双曲柄机构 如图10所示，为双曲柄机构与齿轮机构串联组成的滚筒回转机构，滚筒非等速转动。但当设计合适时，滚筒在压印区段的转速变化能够比较平缓，既保证了印刷质量，又因这种机构的滚筒作连续转动，其动态性能比转停式滚筒好。

图9 齿轮机构 图10 双曲柄机构

3. 版台运动执行机构与滚筒运动执行机构方案的组合
根据上述各机构方案特点，可将版台运动执行机构与滚筒运动执行机构方案进行组合，形成多种方案。具体组合方式由同学们自行完成，并比较不同组合方案的优缺点。

五设计内容及要求
1）完成版台运动执行机构Ⅰ及滚筒运动执行机构Ⅱ选型，选择原动机，拟定机械传动方案并画出机构运动简图；
2）根据滚筒表面与版台之间无相对滑动，即在压印区段滚筒表面的线速度必须与版台的移动速度相等的要求，并考虑对执行机构其它方面的要求，采用人机交互方法，或最优化方法设计确定版台运动执行机构各构件的尺寸；
3）按工艺要求进行协调设计，画出各执行机构的工作循环图，设计凸轮廓线；
4）用解析法对版台运动执行机构Ⅰ进行速度分析，用相对运动图解法对其中的一个位置加以验证，根据计算机计算结果画出版台位移图和速度图，并将结果和滚筒表面的线速度作比较；
5）对版台运动执行机构用解析法进行动态静力分析，用图解法对其中的一个位置进行验证，并根据计算机计算结果，画出机构平衡力矩Mb－Φ线图和固定支座反力fi－Φ线图（各构件的质量，质心的位置和过质心轴的转动惯量由设计者类比确定）；
6）对指定传动部件进行强度、结构设计，画出装配图及部分零件图；
7）根据机电液一体化策略和现代控制（包括计算机控制）理论，大胆提出一种或一种以上与现有传统设计不同的创新设计方案。

六、提交材料
1）设计计算说明书一份（含解析法计算结果与相应线图）；
2）2号图（或3号图）一张（机械系统传动方案设计图）；
3）1号图一张（版台运动执行机构的运动分析和动态静力分析图）；
4）1号图一张版台运动执行机构部装图），3号图一张（凸轮零件图）；
5）2号图一张（凸轮机构设计图，含运动循环图）。

参考资料
1 孟宪源，姜琪. 机构构型与应用. 北京：机械工业出版社，
2 黄茂林，秦伟. 机械原理. 北京：机械工业出版社，
3 申永胜主编. 机械原理教程. 北京：清华大学出版社，1999
4王三民主编. 机械原理与设计课程设计. 北京：机械工业出版社，
5 裘建新主编. 机械原理课程设计指导书. 北京：高等教育出版社，
6 牛鸣歧，王保民，王振甫. 机械原理课程设计手册. 重庆：重庆大学出版社，
7 席伟光，杨光，李波. 机械设计课程设计. 北京：高等教育出版社，
7 周有强主编. 机械无级变速器. 北京：机械工业出版社，