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东北大学机械原理课程设计压床机械设计

机械原理课程设计说明书

题目： 压床机械方案分析

班 级 ：机械1414班
姓 名 ：刘宁
学 号 ：20143512
指导教师 ：李翠玲
成 绩 ：

2016 年 11 月 8 日

目录
目录
一．题目：压床机械设计 3
二．原理及要求 3
（1）.工作原理 3
（2）.设计要求 4
（3）.设计数据 4
三．机构运动尺寸的确定 5
四．机构的结构分析 7
五．机构的运动分析 8
（1）主动件参数列表分析 8
（2）杆组参数列表分析 8
（3）编写主程序并运行 10
（4）运动图像分析 13
六、机构的动态静力分析 15
（1）参数列表分析 15
（2）编写主程序及子程序 16
（3）运行结果 21
（4）图像分析 21
七．主要收获与建议 23
八．参考文献 23

一．题目：压床机械设计
二．原理及要求
（1）.工作原理
压床机械是由六杆机构中的冲头（滑块）向下运动来冲压机械零件的。图1为其参考示意图，其执行机构主要由连杆机构和凸轮机构组成，电动机经过减速传动装置（齿轮传动）带动六杆机构的曲柄转动，曲柄通过连杆、摇杆带动滑块克服阻力F冲压零件。当冲头向下运动时，为工作行程，冲头在0.75H内无阻力；当在工作行程后0.25H行程时，冲头受到的阻力为F；当冲头向上运动时，为空回行程，无阻力。在曲柄轴的另一端，装有供润滑连杆机构各运动副的油泵凸轮机构。

（a） 机械系统示意图 （b）冲头阻力曲线图

（c） 执行机构运动简图
图1 压床机械参考示意图
（2）.设计要求
电动机轴与曲柄轴垂直，使用寿命10年，每日一班制工作，载荷有中等冲击，允许曲柄转速偏差为±5％。要求凸轮机构的最大压力角应在许用值[α]之内，从动件运动规律见设计数据，执行构件的传动效率按0.95计算，按小批量生产规模设计。

（3）.设计数据

表格 1 设计数据
题 号
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
机构
运动
分析
转速n2 (r/min)
95
92
90
88
90
92
95
90
88
90
距离x1 (mm)
50
40
40
40
30
50
40
40
45
40
距离x2 (mm)
140
170
200
135
140
190
150
180
145
160
距离y (mm)
160
180
180
160
160
200
140
180
170
175
冲头行程H (mm)

150
180
210
140
150
200
160
190
170
165
上极限角 Φ1 (°)
120
120
120
120
120
120
120
120
120
120
下极限角Φ2(°)
60
60
60
60
60
60
60
60
60
60
机构
动态
静力
分析
工作阻力Fmax(N)
4300
4600
4100
4500
4200
3800
4200
4400
4300
4500
连杆3质量m3 (kg)
60
64
68
70
72
74
76
80
82
84
连杆3质心转动惯量 Js3 (kg ·m2)
0.21
0.24
0.28
0.30
0.35
0.38
0.40
0.42
0.46
0.33
滑块6质量m6 (kg)
34
36
38
40
40
36
32
30
50
45
摇杆4质量m3 (kg)
40
50
60
60
50
60
45
55
65
50
摇杆4质心转动惯量 Js4 (kg ·m2)
0.2
0.22
0.24
0.26
0.22
0.3
0.25
0.32
0.28
0.23
凸轮
机构
设计
从动件最大升程H
20
20
20
20
20
20
20
20
20
20
从动件运动规律
余弦
正弦
等加
等减
余弦
正弦
等加
等减
余弦
正弦
等加
等减
正弦
许用压力角
30°
32°
30°
30°
30°
30°
30°
30°
30°
30°
推程运动角
60°
70°
65°
60°
70°
75°
65°
60°
72°
74°
远休止角
10°
10°
10°
10°
10°
10°
10°
10°
10°
10°
回程运动角
60°
70°
65°

60°
70°
75°
65°
60°
72°
74°
三．机构运动尺寸的确定
已知:
转速n2 (r/min)
距离x1 (mm)
距离x2 (mm)
距离y (mm)
冲头行程H (mm)
上极限角 Φ1 (°)
下极限角Φ2(°)
88
40
135
160
140
120
60

（1）作图：
1.以O2为原点确定点O4的位置；
2.画出CO4的两个极限位置C1O4和C2O4;
3.取B1，B2使CB=CO4*1/3，并连接B1O2，B2O2;
4.以O2为圆点O2A为半径画圆，与O2B1交于点A1;
5.延长B2O2交圆于A2；
6.取CD=0.3*CO4。

C1
B1

D1
O4

B2

C2

A1
D2

O2

A2

（2）计算：
由题可知CO4=H=140，CB=CO4*1/3=47，O4B=93,CD=0.3*CO4=42;
Δx(O2B1)= Δx(O2B2)=OB*cos(30º)-x1=40.8;
Δy(O2B1)=y+O4B*sin(30º) =206.7;
Δy(O2B2)=y-O4B*sin(30º) =113.4;
O2B1=√[Δx(O2B1) ²+Δy(O2B1) ²]≈210;
O2B2=√[Δx(O2B1) ²+Δy(O2B2) ²]≈120;
AB+O2A=O2B1,AB-O2A=O2B2;
可以解得O2A=45，AB=165.
表格 2计算结果
符号

单位
mm
方案4
140
93
47
42
165
45

四．机构的结构分析

９

图 1拆杆组
五．机构的运动分析
（1）主动件参数列表分析
对主动件①进行运动分析，调用bark函数，见表3。

表格 3
形式参数
n 1
n 2
n 3
k
r 1
r 2
gam
t
w
e
p
vp
Ap
实值
1
2
0
1
r 12

0.0
0.0
t
w
e
p
vp
Ap

（2）杆组参数列表分析
从与主动件连接的的杆组开始，依次分析对应的杆组及刚体上点的运动参数，直至求出机构全部运动参数。
1. 由②③构件组成的RRR杆组进行运动分析见表4
2.

表格 4
形式参数
m
n 1
n 2
n 3
k 1
k 2
r 1
r 2
t
w
e
p
vp
Ap
实值
1
2
4
3
2
3
r 23
r 34
t
w
e
p
vp
Ap
对③构件进行运动分析，调用bark函数，见表5
表格 5
形式参数
n 1
n 2

n 3
k
r 1
r 2
gam
t
w
e
p
vp
Ap
实值
4
0
5
3
0.0
r 45
0.0
t
w
e
p
vp
Ap
2.④⑤构件组成的RRP杆组进行运动分析，见表6

表格 6
形式参数
m
n 1
n 2
n 3
k 1
k 2
k 3
r 1
r 2
vr 2
ar 2
t
w
e
p
vp
Ap
实值
-1
5
９
6
4
5
6
r 56
&r2
&vr2
&ar2
t
w
e
p
vp
Ap
4.调用bark函数，求７点的运动参数，见表7
表格 7
形式参数
n 1
n 2
n 3
k
r 1
r 2
gam
t
w
e
p
vp
Ap
实值
2
0
7
2
0.0
r23/2
0.0
t
w
e
p
vp
Ap
5.调用bark函数，求８点的运动参数，见表8
表格 8
形式参数
n 1
n 2
n 3
k
r 1
r 2
gam
t
w
e
p
vp
Ap
实值
4
0
8
3
0.0
r45/2
0.0
t
w
e
p
vp
Ap

3）编写主程序并运行
１.主程序
#include "stdio.h"
#include "subk.c"
main()
{
static double p[20][2],vp[20][2],ap[20][2],del;
static double t[10],w[10],e[10],pdraw[370],vpdraw[370],apdraw[370];
static int ic;
double r12,r23,r34,r45,r56,r48;
double pi,dr;
double r2,vr2,ar2;
int i;
FILE *fp;
char *m[]={"p","vp","ap"};
r12=0.045;
r23=0.165;
r34=0.093;
r45=0.140;
r56=0.042;
r48=0.070;
t[6]=90.0;w[6]=0.0;e[6]=0.0;w[1]=9.21;e[1]=0.0;del=5.0;
p[1][1]=0.0;
p[1][2]=0.0;
p[4][1]=0.04;
p[4][2]=0.16;
p[9][1]=-0.095;
p[9][2]=0.0;

pi=4.0*atan(1.0);
dr=pi/180.0;
t[6]=90.0*dr;
printf("\n The Kinematic Parameters of Point 6\n");
printf("No THETA1 S6 V6 A6 W3 E3\n");
printf(" deg m m/s m/s/s W3 E3\n");
if((fp=fopen("filel","w"))==NULL)
{
printf("Can't open this file.\n");
exit(0);
}
fprintf(fp,"\n The Kinematic Parameters of Point 6\n");
fprintf(fp,"No THETA1 S6 V6 A6 W3 E3\n");
fprintf(fp," deg m m/s m/s/s W3 E3\n");
ic=(int)(360.0/del);
for(i=0;i<=ic;i++)
{
t[1]=(i)*del*dr;
bark(1,2,0,1,r12,0.0,0.0,t,w,e,p,vp,ap);
rrrk(1,2,4,3,2,3,r23,r34,t,w,e,p,vp,ap);
bark(4,0,5,30.0,r45,0.0,t,w,e,p,vp,ap);
rrpk(-1,5,9,6,4,5,6,r56,&r2,&vr2,&ar2,t,w,e,p,vp,ap);
bark(4,0,8,3,0.0,r48,0.0,t,w,e,p,vp,ap);
printf("\n%2d %12.3f%12.3f%12.3f%12.3f%12.3f%12.3f",i+1,t[1]/dr,p[6][2],vp[6][2],ap[6][2],w[3],e[3]);
fprintf(fp,"\n%2d %12.3f%12.3f%12.3f%12.3f%12.3f%12.3f",i+1,t[1]/dr,p[6][2],vp[6][2],ap[6][2],w[3],e[3]);
pdraw[i]=p[6][2];
vpdraw[i]=vp[6][2];
apdraw[i]=ap[6][2];
if((i%16)==0){getch();}
}
fclose(fp);
getch();
}
2.运行结果
以del=15°得出的数据
The Kinematic Parameters of Point 6
No
THETA1
S6
V6
A6
W3
E3

deg
m
m/s
m/s/s
W3
E3
1
0
0.081
0.522
5.019
-3.873
-29.334
2
15
0.097
0.656
4.197
-4.683
-26.88
3
30
0.118
0.747
1.992
-5.336
-17.473
4
45
0.139
0.761
-1.164
-5.564
3.609
5
60
0.16
0.678
-4.669
-5.024
35.402
6
75
0.177
0.494
-8.272
-3.575
64.518
7
90
0.187
0.221
-10.475
-1.543
74.679
8
105
0.189
-0.07
-9.454
0.483
65.524
9
120
0.184
-0.298
-6.507
2.11
48.509
10
135
0.173
-0.445
-4.006
3.25
32.15
11
150
0.159
-0.536
-2.519
3.968
18.966
12
165
0.143
-0.593
-1.534
4.355
8.589
13
180
0.126
-0.622
-0.442
4.474
0.001
14
195
0.108
-0.614
1.03
4.363
-7.645
15
210
0.091
-0.562
2.654
4.044
-14.784
16
225
0.076
-0.467
3.91
3.528
-21.329
17
240
0.065
-0.347
4.401
2.842
-26.691
18
255
0.057
-0.224
4.121
2.029
-30.116
19
270
0.052
-0.116
3.463
1.152
-31.293
20
285
0.05
-0.026
2.964
0.267
-30.738
21
300
0.05
0.057
2.95
-0.59
-29.509
22
315
0.053
0.147
3.409
-1.414
-28.59
23
330
0.059
0.253
4.127
-2.223
-28.49
24
345
0.068
0.381
4.805
-3.04
-29.074
25
360
0.081
0.522
5.019
-3.873
-29.334

（4）运动图像分析
可作出del=5°时6点的位置、速度加速度图像

以及③构件的角速度及角加速度

六、机构的动态静力分析
（1）参数列表分析
①将机构按主动件及杆组进行分解
②从主动件开始，依次对各杆组进行运动分析
③在进行运动分析之后，计算各构件的惯性力及惯性力矩，见表10
表格 9
构件号
变量
②
③
⑤
质心
7
8
6
质量
70
60
40
绕质心轴的J
0.30
0.26

④从外力已知的杆组开始，调用rrpf函数，求D点、C点的运动副反力。对移动副中力的作用点，位置未知，赋予新点号11。见表11

表格 10
形式参数
n1
n2
n3
ns1
ns2
nn1
nn2
nexf
k1
K2
p
vp
ap
t
w
e
Fr
实值
5
10
6
0
6
0
6
6
4
5
p
vp
ap
t
w
e
fr
调用rrrf函数，对构件②③进行分析，见表12

表格 11
形式参数
n1
n2
n3
ns1
ns2
nn1
nn2
nexf
k1
K2
p
vp
ap
t
w
e
Fr
实值
4
2
3
8
7
5
0
0
3
2
p
vp
ap
t
w
e
fr
调用barf函数，求O2点运动副反力及力矩，见表13

表格 12
形式参数
n1
ns1
nn1
k1
p
vp
ap
fr
Tb
实值
1
1
2
1
p
vp
ap
fr
&tb
（2）编写主程序及子程序
#include "stdio.h"
#include "subk.c"
#include "math.h"
#include "subf.c"
main()
{
static double p[20][2],vp[20][2],ap[20][2],del;
static double t[10],w[10],e[10],pdraw[370],vpdraw[370],apdraw[370],tbdraw[370],tb1draw[370];
static double sital[370],fr1draw[370],sita2[370],fr2draw[370],sita3[370],fr3draw[370],fr3,bt3;
static double fr[20][2],fe[20][2],tb,tb1,fr1,bt1,fr4,bt4,we1,we2,we3,we4,we5,P;
static int ic;
double r12,r23,r27,r34,r45,r56,r48;
double pi,dr;
double r2,vr2,ar2;
int i;
FILE *fp;
char *m[]={"p","vp","ap","tb","tb1","fr1","","fr2"};

sm[1]=0.0;
sm[2]=70.0;
sm[3]=60.0;
sm[4]=0.0;
sm[5]=40.0;
sj[1]=0.0;
sj[2]=0.30;
sj[3]=0.26;
sj[4]=0.0;

r12=0.045;
r23=0.165;
r27=0.0825;
r34=0.093;
r45=0.140;
r56=0.042;
r48=0.070;
t[6]=90.0;w[6]=0.0;e[6]=0.0;w[1]=9.21;e[1]=0.0;del=5.0;
p[1][1]=0.0;
p[1][2]=0.0;
p[4][1]=0.04;
p[4][2]=0.16;
p[9][1]=-0.095;
p[9][2]=0.0;

pi=4.0*atan(1.0);
dr=pi/180.0;
t[6]=90.0*dr;

printf("\n The Kineto-static Analysis of a six-bar Linkase\n");
printf("No HETA1 fr1 sita1 fr4 sita4 tb tb1\n P");
printf(" deg N radian N radian N.m N.m W");
if((fp=fopen("file1","w"))==NULL)
{
printf("Can't open this file.\n");
exit(0);
}
fprintf(fp,"\n The Kineto-static Analysis of a six-bar Linkase\n");
fprintf(fp,"No HETA1 fr1 sita1 fr4 sita4 tb tb1\n P");
fprintf(fp," deg N radian N radian N.m N.m W");

ic=(int)(360.0/del);
for(i=0;i<=ic;i++)
{
t[1]=(i)*del*dr;
bark(1,2,0,1,r12,0.0,0.0,t,w,e,p,vp,ap);
rrrk(1,2,4,3,2,3,r23,r34,tw,e,p,vp,ap);
bark(4,0,5,3,0.0,r45,0.0,t,w,e,p,vp,ap);
rrpk(-1,5,9,6,4,5,6,r56,&r2,&vr2,&ar2,t,w,e,p,vp,ap);
bark(4,0,8,3,0.0,r48,0.0,t,w,e,p,vp,ap);
bark(2,0,7,2,0.0,r27,0.0,t,w,e,p,vp,ap);

rrpf(5,10,6,0,6,0,6,6,4,5,p,vp,ap,t,w,e,fr);
rrrf(4,2,3,8,7,5,0,03,2,p,vp,ap,t,w,e,fr);
barf(1,1,2,1,p,ap,e,fr,&tb);

fr1=sqrt(fr[1][1]*fr[1][1]+fr[1][2]*fr[1][2]);
bt1=atan2(fr[1][2],fr[1][1]);
fr4=sqrt(fr[4][1]*fr[4][1]+fr[4][2]*fr[4][2]);
bt4=atan2(fr[4][2],fr[4][1]);

we2=-(ap[7][1]*vp[7][1]+(ap[7][2]+9.81)*vp[7][2])*sm[2]-e[2]*w[2]*sj[2];
we3=-(ap[8][1]*vp[8][1]+(ap[8][2]+9.81)*vp[8][2])*sm[3]-e[3]*w[3]*sj[3];
extf(p,vp,ap,t,w,e,6,fe);
we5=-(ap[6][2]+9.81)*vp[6][2]*sm[5]+fe[6][2]*vp[6][2];
tb1=-(we2+we3+we5)/w[1];
P=fabs(tb1*w[1]);
printf("\n%2d %10.3f%10.3f%10.3f%10.3f%10.3f%10.3f%10.3f%10.3f",i+1,t[1]/dr,fr1,bt1/dr,fr4,bt4/dr,tb,tb1,P);
fprintf(fp,"\n%2d %10.3f%10.3f%10.3f%10.3f%10.3f%10.3f%10.3f%10.3f",i+1,t[1]/dr,fr1,bt1/dr,fr4,bt4/dr,tb,tb1,P);

if((i%16)==0){getch();}
}
fclose(fp);
getch();
}
extf(p,vp,ap,t,we,nexf,fe)
double p[20][2],vp[20][2],ap[20][2],t[10],w[10],e[10],fe[20][2];
int nexf;
{
fe[nexf][1]=0.0;
if(p[nexf][2]<0.085&&vp[nexf][2]<0){
fe[nexf][2]=4500.0;}
else{
fe[nexf][2]=0.0;}
}
（3）运行结果
步长del = 15°时运行结果，见表14
The Kine to-static Analysis of a six-bar Linkase
No
HETA1
fr1
sita1
fr4
sita4
tb
tb1
P

deg
N
radian
N
radian
N.m
N.m
W
1
0
2351.902
122.016
1169.488
5.638
89.738
89.738
826.485
2
15
2403.37
122.583
1250.95
-0.079
103.099
103.099
949.539
3
30
2256.986
121.263
1216.215
-5.532
101.54
101.54
935.181
4
45
1849.219
117.966
983.116
-9.833
79.564
79.564
732.788
5
60
1207.5
112.97
514.906
-6.089
43.379
43.379
399.517
6
75
519.403
106.295
232.245
87.611
12.141
12.141
111.819
7
90
173.83
94.906
508.152
118.841
0.669
0.669
6.161
8
105
363.811
93.138
412.761
115.87
-3.365
-3.365
30.993
9
120
785.06
91.874
170.924
93.215
-16.654
-16.654
153.38
10
135
1124.102
89.927
112.449
19.467
-35.814
-35.814
329.85
11
150
1347.924
88.506
160.144
-6.05
-53.303
-53.303
490.922
12
165
1521.256
87.885
182.332
-11.546
-66.733
-66.733
614.609
13
180
1695.365
88.096
190.338
-15.902
-76.249
-76.249
702.256
14
195
1886.033
89.049
201.579
-21.813
-81.604
-81.604
751.571
15
210
2067.315
90.598
228.103
-24.57
-81.046
-81.046
746.437
16
225
4347.354
82.458
1988.842
106.417
155.292
155.292
1430.242
17
240
3880.318
-80.124
1885.615
127.84
111.95
111.95
1031.063
18
255
3387.229
-77.09
1990.017
150.57
71.347
71.347
657.109
19
270
2978.658
-73.422
2268.335
167.18
38.244
38.244
352.223
20
285
2761.105
-69.34
255041
175.569
12.253
12.253
112.853
21
300
1951.462
109.091
687.277
21.248
16.619
16.619
153.059
22
315
1983.753
113.063
795.804
19.677
33.349
33.349
307.148
23
330
2077.035
116.8
914.373
16.082
51.179
51.179
471.359
24
345
2214.226
119.932
1043.427
11.197
70.539

70.539
649.666
25
360
2351.902
122.016
1169.488
5.638
89.738
89.738
826.485
（4）图像分析
步长del = 5°
最大力矩：168.993 N.m
最大功率：1556.421 W

连杆机构平衡力矩曲线图

fr1,fr4矢量图
七．主要收获与建议
收获：通过此次课程设计的学习，初步了解了如何将所学的知识联系到实际中来。一切并不是像开始般想象的那么容易，工作中需要用到的知识比现在要多的多，需要很强的自己掌握知识的能力。自己在这个摸索的过程中也犯了许多错误，在同学的帮助和老师的指正中，坎坎坷坷地完成了此次作业。一点点错误可能就意味着之后更长时间的校正，在整个过程中一丝马虎都会拖延很长时间的进度。最后，什么都要靠自己。本门课程让我对机械行业有了更深一步的认识，也对未来的前景有了更远的向往。
建议：课程之初可以带领同学们了解一些机构的设计过程，加深对于机械的理解
八．参考文献
1.王淑仁主编.机械原理课程设计.北京.科学出版社.2006
2.李树军主编.机械原理.北京.科学出版社.2009

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