自动机械---课程设计平台印刷机机构设计.doc

自动机械课程设计说明书

题目： 平台印刷机机构设计

学院：农业工程与食品科学学院

目录
1、平台印刷机的工作原理………………………………………………………3

1.1、工作原理及工艺动作过程的分析…………………………………3

1.2、设计要求与技术条件……………………………………………….3

2、设计思想……………………………………………………………………….3

2.1.执行系统：……………………………………………………………3

2.2.传动系统…………………………………………………………………3

3、参考设计方案 …………………………………………………………………4

1.3.1. 版台运动执行机构选型……………………………………………4

1.3.2. 滚筒回转机构选型…………………………………………………5

4、平台印刷机（高速型）的设计方案………………………………………………6

1.4.1. 版台运动执行部分设计方案………………………………………6

5、执行部分机构选择及具体的尺寸计算：…………………………………………7

5.1．曲柄滑块：………………………………………………………………7

5.2.双面齿条………………………………………………………………8

5.3.齿条上侧的齿轮 ………………………………………8

1、平台印刷机的工作原理
1.1、工作原理及工艺动作过程的分析
通过几天的讨论并在仔细分析了任务书之后发现，即使是低速型的印刷机印一张纸的时间也仅仅是1.8-1.875秒，这需要一个极其高级精密的送纸、着墨、收纸机构的支持，并且这两个过程都是很短暂的，在此暂且不谈，本题目主要考虑版台的传动机构Ⅰ及滚筒的传动机构Ⅱ（如图下所示）。设计时应该体现出压印时的匀速、版台返回时的急回。整部机器中各机构的运动均由同一电动机驱动。运动由电动机经过减速装置后分成两路，一路经传动机构Ⅰ带动版台作往复直移运动，另一路经传动机构Ⅱ带动滚筒作连续回转运动。当版台与滚筒接触时，在纸张上压印出字迹或图形。
版台工作行程中有三个区段。在第一区段中，送纸、着墨机构相继完成输纸、着墨作业；在第二区段，滚筒和版台完成压印动作；在第三区段中，收纸机构进行收纸作业。 第一与第三区段是极其短暂的。

图一 平台印刷机的工作原理
1.2、设计要求与技术条件
⑴平台印刷机的主运动：版台的往复直线移动及滚筒连续的转动；
⑵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；
⑶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；
⑷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1920~2000，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 ，电机功率1.5 KW，转速940 r/min。
⑸要求机构传动性能良好，结构紧凑，制造方便。
2、设计思想
初次设计，参考了课程设计指导书，认为应该遵循设计时的一些原则。
2.1.执行系统：
应尽量简化和缩短运动链，使结构简单、空间布局紧凑，重视安全因素。
2.2.传动系统：
应该考虑符合执行系统的工况要求并与原动机的机械特性相匹配，考虑工作要求传递的功率和运转速度，考虑提高传动效率，考虑结构布置，考虑经济性，考虑机械安全运转和环境条件。
1.为了提高印刷效率，版台必须急回，而送纸着墨收纸其实是一个非常短暂的过程，设计时几乎可以忽略。可以考虑水平凸轮或者偏置曲柄带动版台。
2.如果滚筒不能保证和版台在任何时候都有相同的线速度，可以考虑离合装置适时把滚筒与传动齿轮脱离。如果设计时就能保证滚筒和版台没有相对线速度，则可以允许滚筒连续转动以便简化装置。
3.按照每小时印2000张的速度计算，滚筒的转速是33.33 r/min，而电机的转速是940 r/min，传动比为28.20，传动比不是很大，所以不应该有大小相差很大的两个齿轮，况且原则上也是应该尽量避免这种情况的。

3、参考设计方案
在整个设计过程中考虑了许多机构，这些机构能够达到要求，但是由于这些方案都存在一些缺点，没能成为最终的方案，而这些方案的思路是可以应用到其他设计中的。
3.1. 版台运动执行机构选型
⑴凸轮机构：考虑到版台的运动比较复杂，需要有匀速和急回，而凸轮能满足这样的条件，所以设计出如下图的方案。

图二 参考机构1
这个方案的优点是能够通过设计凸轮轮廓线来实现版台的匀速、急回运动。缺点是需要一根很长、质量很高的弹簧，实际运行中弹簧容易疲劳以至破坏，这个方案成本很高。
⑵六杆机构的结构比较简单，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；此外，此机构的分析计算比较复杂。

图三 参考机构2
⑶曲柄摇杆-齿轮齿条组合机构：
通过摇杆的摆动控制齿轮的左右移动，这种机构类似于六杆机构，加工比较容易，有急回，但是不宜用于高速。机构分析的计算比较复杂。曲柄部分会承受很大的力，这对曲柄的材料就有一定要求，也应该考虑一下经济性。

图四 参考机构3
⑷曲柄滑块-齿轮齿条组合机构
组合机构由偏置曲柄滑块机构与齿轮齿条机构串联而成。下齿条是固定的齿条，上齿条是移动的双面齿条且和版台连接。滑块的速度恰好是版台的2倍，且有急回。
9
图五 参考机构4
3.2. 滚筒回转机构选型
⑴转停式滚筒的齿轮齿条传动机构：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，以便版台空回时滚筒与版台脱离。滚筒与版台运动的脱离装置可采用棘轮式超越离合器，如下图。

图六 棘轮式超越离合器
当大小不同或者方向相反时，滚筒外圈与内圈的齿轮脱离，达到转停的效果，但由于滚筒时转时停，惯性力矩较大，故不宜用于高速印刷场合。
这个机构只是让滚筒外圈与齿轮脱离，脱离后滚子随着版台运动，本质上并不能解决与版台脱离的问题，可以再加一个机构使滚筒在周期内固定部分停住，并且把运行到这部分时滚筒与版台接触的那部分削平一些，但是应该注意的是，计算时保证这部分不在压印区。

图七 压印实例分析图
⑵齿轮不定轴机构：如上图是滚筒上齿轮与机架连接部分机架的示意图，轴搭在机架上。在推程时加速度向右，正常运转；回程过程中，由于急回时有很大的加速度，加速度在斜槽方向有分量使滚筒和齿轮与齿条分开。
这个机构利用加速度使齿轮与齿条分开，但是最大的问题就是不稳定，噪声大，易磨损。可以加些缓冲机构。
⑶利用凸轮控制滚筒和齿轮的轴，在滚筒回程时将滚筒抬起。
这样个机构的缺点是机构很不稳定，有波动，在高速运行中容易出现问题。且在滚筒质量无法确定的情况下，难以确定滚筒的运动情况。
4、平台印刷机（高速型）的设计方案
综合考虑优缺点之后，最终确定平台印刷机的方案如下。
4.1. 版台运动执行部分设计方案：
采用曲柄滑块机构，如下图，它的下齿条是固定的，上齿条是双面可移动的，齿条侧面连接版台，齿条上面是与滚筒同轴的定轴齿轮，齿轮的分度圆与滚筒外圈大小相等，以保证滚筒与行程的匹配，整个过程中滚筒和版台没有相对速度，滚筒连续转动，在曲柄滑块传动点处A不直接与电机相连，需要附加一个配合转动的凸轮机构，让凸轮机构与加速装置相连接完成平台的往复传动。

图八 曲柄—齿轮齿条机构
滚筒抬起的机构可以选择参考方案中的滚筒选型方案2,回程时借助加速度分量使滚筒脱离，根据实际滚筒的质量和加速度的曲线可计算出斜槽的角度。
图九 平台印刷机的机构简图
印刷区段415 mm，版台行程795mm，印刷区占版台的60%，换算成角度217°，所以要求曲柄滑块的滑块在217°的范围内基本匀速，以保证印刷质量。
5、执行部分机构选择及具体的尺寸计算：
5.1．曲柄滑块：
根据对曲柄滑块运动速度的要求，理想的曲柄滑块中滑块的曲线需要有至少三分之二的行程速度恒定，另外三分之一的部分速度急剧变化。机构利用《机械原理课程设计》一书中附带的软件模拟曲柄滑块的尺寸和运动情况。
首先任意选取曲柄长度，在此确定为397.5mm，连杆长度和滑块的偏心距是需要试值的，如果所试的值无法正常运转软件会有提示。
假定偏心距为1 m，多次取连杆长度，观察滑块的速度曲线，反复尝试。也可以假定连杆长度，变换偏心距。
经过多次尝试后，得到下面一种组合我认为能够满足设计要求：
曲柄：180mm，连杆：295mm，偏心距：1026.4mm
通过模拟后，得到的数据列表如下：
序号
曲柄角度
点x坐标（m）
点y坐标（m）

点x速度（m/s）
点y速度(m/s)
点x加速度(m/s2)
点y加速度(m/s2)
0
62.3
3.5501
1.0264
-46.98
1.00E-05
-1825
1.00E-05
1
77.3
3.0726
1.0264
-57.95
1.00E-05
-913.5
1.00E-05
2
92.3
2.5934
1.0264
-61.64
1.00E-05
-33.58
1.00E-05
3
107
2.1509
1.0264
-59.07
1.00E-05
629.14
1.00E-05
4
122
17648
1.0264
-52.47
1.00E-05
970.04
1.00E-05
5
137
1.4393
1.0264
-44.36
1.00E-05
1025.3
1.00E-05
6
152
1.1687
1.0264
-36.55
1.00E-05
916.39
1.00E-05
7
167
0.9443
1.0264
-29.88
1.00E-05
755.37
1.00E-05
8
182
0.7577
1.0264
-24.46
1.00E-05
606.53
1.00E-05
9
197
06025
1.0264
-20.09
1.00E-05
497.65
1.00E-05
10
212
0.4761
1.0264
-16.38
1.00E-05
444.34
1.00E-05
11
227
0.3815
1.0264
-12.78
1.00E-05
476.09
1.00E-05
12
242
0.3363
1.0264
-8.328
1.00E-05
686.99
1.00E-05
13
257
0.4014
1.0264
-0.542
1.00E-05
1403.9
1.00E-05
14
272
0.7385
1.0264
17.969
1.00E-05
3595.1
1.00E-05
15
287
1.433
1.0264
59.076
1.00E-05
6084.4
1.00E-05
16
302
2.2665
1.0264
96.156
1.00E-05
2591.4
1.00E-05
17
317
3.0523
1.0264
102.86
1.00E-05
-534.9
1.00E-05
18
332
3.6993
1.0264
91.875
1.00E-05
-2054
1.00E-05
19
347
4.159
1.0264
71.863
1.00E-05
-2882
1.00E-05
20
362
4.4085
1.0264
46.963
1.00E-05
-3301
1.00E-05
21
377
4.4459
1.0264
20.097
1.00E-05
-3380
1.00E-05
22
392
4.2893
1.0264
-6.11
1.00E-05
-3139
1.00E-05
23
407
3.9743
1.0264
-29.19
1.00E-05
-2602
1.00E-05
24
422
3.5501
1.0264
-46.98
1.00E-05
-1825
1.00E-05

程序输出曲线为：
由表中可知滑块的行程为4.41227m，而本设计需要的行程为370mm，比例为11.925，根据这个比例关系，把模拟的曲柄滑块按比例缩小，得到需要的曲柄滑块数据为：
曲柄151mm，连杆247mm， 偏心距为86mm。

5.2.双面齿条：比795mm略大一些即可。齿条连接版台，版台与齿条同步运行。
5.3.齿条上侧的齿轮：直径232mm，与滚筒同轴，带动滚筒运行，与版台同步，滚筒跟版台接触点的线速度与版台速度保持相等。