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机械系统运动方案创新设计课题库 机械系统创新设计课题，就是要培养学生对机械系统运动方案创新构思和设计的能力，培养对机械系统中各机构分析和设计的能力，培养工程设计能力和多学科知识交叉融合的设计能力。设计题目均来自于生产实际和日常生活，它们的工艺动作，一般均包括23个动作。其实，新的机械设备的创新是层出不穷的，为了实现某种功能就可创造出一种新的机械，因此设计题目还可以根据生产或生活的需要自己来设定。一、食品机械(一)剥豆机1.工作原理及工艺动作过程 将干蚕豆浸泡后放在料斗内，通过振动下料后将蚕豆子放，并排列成头尾相接，然后将豆送到切皮位置，将豆压住并切开头部的皮，最后用挤压方法将豆挤出。剥豆机的主要工艺动作是送料、压豆切皮、挤压脱皮。2.原始数据及设计要求(1)蚕豆长度：2025 mm；(2)蚕豆宽度：1520mm；(3)蚕豆厚度；68mm；(4)生产率：每分钟剥80粒；(5)要求体积小、重量轻、压紧力可调、工作可靠、外形美观。3设计任务(1)根据工艺动作顺序和协调要求拟定运动循环图。(2)构思能实现上述动作要求的送料机构、压紧与切皮机构、挤压脱皮机构。(3)机械运动方案的评定和选择。(4)根据选定的电动机和执行机构的运动参数拟定机械传动方案。(5)画出机械运动方案简图。(6)对传动机构和执行机构进行运动学尺寸计算。4设计方案提示 为了使蚕豆呈横卧头尾排列，可以采用振动料斗上料，送料机构一般可采用间歇运动机构，压紧、切皮机构最好用联动组合机构，为保证压力不过大，可在压头处加一个刚度合适的弹簧，利用两轧辊加压进行挤压脱皮，两轧辊之间的间隙一般比蚕豆的最小厚度略小。(二)糕点切片机l.工作原理及工艺动作过程 糕点先成形(如长方体、圆柱体等)，经切片后再烘干。糕点切片机要求实现两个执行动作：糕点的直线间歇移动和切刀的往复运动。通过两者的动作配合进行切片，改变直线间歇移动速度或每次间隔的输送距离，以满足糕点不同切片厚度的需要。2原始数据及设计要求(1)糕点厚度：1020mm；(2)糕点切片长度(即切片的高)：580mm；(3)切刀切片时最大的作用距离(即切片的宽度)：300mm；(4)切刀的工作节拍：40次/min；(5)电动机功率：N0.55kW(或0.75kW)，转速：n1390r/min；(6)要求机械系统的机构简单、轻便，运动灵活、可靠。3设计任务(1)根据工艺动作顺序和协调要求拟定运动循环图；(2)构思实现上述动作要求的间歇运动机构和切口机构；(3)机械运动方案的评定和选择；(4)根据选定的原动机和执行机构的运动参数拟定机械传动方案；(5)画出机械运动方案简图；(6)对机械传动系统和执行机构进行运动学尺寸计算。4设计方案提示 当切削速度较大时，切片刀口才会整齐平滑，因此切刀运动方案的选择很关键，切口机构应力求简单适用、运动灵活和运动空间尺寸紧凑等。直线间歇运动机构应满足切片长度尺寸的变化要求，调整机构必须简单可靠、操作方便，可采用调整速度方案，或采用调整距离方案与其它调整方案，应对各调整机构方案进行定性的分析比较。间歇运动机构必须与切刀运动机构工作协调，即全部送进运动应在切刀返回过程中完成。需要注意的是，切口有一定的长度(即高度)，输送运动必须在切刀完全脱离切口后方能开始进行，但输送机构的返回运动则可与切刀的工作行程运动在时间上有一段重叠，以利提高生产率。在设计机器工作循环图时，应注意间歇运动机构设计参数的选取。(三)糖果包装机的糖果装进机构设计1工作原理及工艺动作过程 糖果包装机通过一系列机构的同步协调工作，能包装长方形、圆柱形、球形等各类糖果。它由盛糖斗、输送糖粒机构、包装纸供应和下纸机构、装进机构、夹盘运动机构、扭结糖纸机构等组成。装进机构由前、后两个冲头配合动作，将糖粒和糖纸夹紧送到夹盘的夹子中(如图1所示)。夹盘将糖粒送到扭结糖纸机构进行糖果包装。前冲头在固定的滑道上前后往复移动，后冲头作前后有规则的摆动，实现接糖、送糖、间歇装进糖果到夹盘的协调动作。前、后冲头夹糖粒的松紧程度由前、后冲头夹槽的间距确定，其松紧程度一般可调整。 图1 糖果包装机糖粒装进示意图2原始数据及设计要求(1)产量：100粒/min；(2)前冲头行程：100mm；(3)后冲头行程：80mm；(4)前、后冲头夹糖粒间距：5mm；(5)电动机功率：0.4kW；(6)电动机转速；1370r/min。3设计任务(1)冲头接触和脱离糖粒时无冲击，运动平稳。(2)装进糖粒过程中前、后冲头接糖、送糖的间歇动作要协调一致。(3)糖粒送人夹盘后，冲头应快速返回原位准备下一个工作循环。(4)设计的机构性能良好、结构简单、制造方便。(5)机构运动简图的结构布置合理，减速机构选型适当。4设计方案提示 前冲头可采用能扩大行程的六杆机构，后冲头采用摆动凸轮机构，实现糖块的装进动作。连杆机构的曲柄和凸轮机构的凸轮应装在同一根轴上，使运动协调。(四)莲子自动去壳去心机1原始数据及设计要求 莲子由自动送料机输送，先去壳、去心后再自动包装，要求莲子不能破碎。2设计方案提示因莲子外壳干后很硬，可采用连杆机构轻压或用刀刃剪切去壳；去心可采用钻削的方法；可采用塑料袋包装。二、医用机械(一)医用棉签卷棉机1.工作原理及工艺动作过程 医用棉签日耗量很大，为了提高工效可采用卷棉机代替手工卷制棉签。棉签卷制过程可以仿照手工方式进行动作分解，亦可另行构想动作过程。按手工方式进行动作分解后得到的工艺动作为：(1)送棉，将条状棉通过一机构定时适量送入卷棉机。(2)揪棉，将条状棉压(卷)紧并揪棉，使之揪下定长的条棉。(3)送签，将签杆送至导棉槽上方与定长条棉接触。(4)卷棉，签杆自转并沿导棉槽移动，完成卷棉动作。2原始数据及设计要求(1)棉花：条状脱脂棉，宽2530mm，自然厚45mm。 (2)签杆：医院通用签杆，直径约3mm，杆长约70mm，卷棉部分约2025mm。(3)生产率：每分钟卷60支，每支卷取棉块长约2025mm。(4)要求卷棉签机体积小、重量轻、工作可靠、外形美观、成本低、卷出的棉签松紧适度。3设计任务(1)根据工艺动作要求拟定运动循环图。(2)进行送棉、揪棉、送签、卷棉四个机构的选型，实现上述四个动作的配合。(3)机械运动方案的评定和选择。(4)根据选定的电动机和执行机构的运动参数拟定机械传动方案。 (5)画出机械运动方案简图。(6)对机械传动系统和执行机构进行运动学尺寸计算。4设计方案提示 送棉可采用两滚轮压紧棉条、对滚送进，送进方式可采用间歇运动，以实现定时、定量送棉。揪棉时应采用压棉和揪棉两个动作，压棉可采用凸轮机构推动推杆压紧棉条，为了能自动调整压紧力，中间可加一弹簧；揪棉可采用对滚爪轮在转动中揪断棉条。送签可采用漏斗口均匀送出签杆，为避免签杆卡在漏斗口，可将漏斗作一定振动。卷棉可将签杆送至导棉槽，并使签杆产生自转并移动而产生卷棉，如采用带槽的塑料带通过挠性传动来实现。(二)洗瓶机1.工作原理及工艺动作过程 为了清洗圆形瓶子的外表和里面，需将瓶子推入同向转动的导辊上，导辊带动瓶子旋转，推动瓶子沿导辊前进，内、外转动的刷子就将瓶子洗净。它的主要动作是将到位的瓶子沿着导辊推动，瓶子推动过程中利用导辊转动将瓶子旋转以及将刷子转动。2原始数据及设计要求(1)瓶子尺寸：大端直径080mm，长L200mm，口径d20mm。(2)推进距离S600mm，推瓶机构应使推头以接近均匀的速度推瓶，平稳地接触和脱离瓶子，然后推头快速返回原位，准备进入第二个工作循环。(3)按生产率的要求，推程平均速度v45mm/s，返回时的平均速度为工作行程的平均速度的3倍；(4)要求机构传动性能良好，结构紧凑，制造方便。3设计任务(1)根据上述动作要求拟定运动循环图。(2)进行推瓶机构和洗瓶机构的选型，实现洗瓶动作要求。(3)机械运动方案的评定和选择。(4)根据选定的电动机和执行机构的运动参数拟定机械传动方案。(5)画出机械运动方案简图。(6)对机械传动系统和执行机构进行运动学尺寸计算。4设计方案提示 推瓶机构一般要求推头工作时作近似直线轨迹运动，回程时轨迹形状不限，但不能反向拨动瓶子。由于上述运动要求，可采用组合机构来实现。洗瓶机构可由一对同向转动的导辊和内、外刷子转动的转子所组成，通过机械传动系统来完成。 (三)膝关节骨关节治疗仪 1.工作原理及工艺动作过程 膝关节、骨关节病是一种常见病，尤多见于40岁以上的中、老年患者，主要临床表现是关节疼痛、僵硬。对本病的病理机理进行研究后，利用传统中医药松凝分筋手法，疗效显著，但手法劳动强度大，而且需两人同时操作。因此，需研制一套治疗仪器，以机械的运动代替手工操作，减轻医生的劳动强度。 松凝分筋手法动作如下: 准备手法：点压冲门、风市、伏兔、血海、内与外膝眼、阳陵泉、悬钟诸穴位，以疏通经络；然后分别于大腿、腋窝、小腿施以滚拿法，以促进血液循环，放松肌肉。 治疗手法：以左膝为例。第一步，牵引膝关节，助手面向患者，右肘挎住患者左大腿下端，左手搭扶患膝前，右手握住左腕；医疗者双手握往患脚足踝部，使患膝微屈，与助手对抗牵引1分钟。第二步，牵引下内收。外屈和内旋、外旋膝关节。医疗者与助手在维持牵引状况下，进行患膝内收、外展和内旋、外旋的被动活动重复3次，活动幅度逐次加大。第三步，牵引下屈伸膝关节，维持牵引，并进行患膝屈伸被动活动，反复3次，并逐次加大到最大幅度，当屈曲至最大范围时，助手右前臂轻缓移出。整个松凝分筋手法操作均在牵引状态下进行，且动作稳、柔、缓。 收动手法：对患膝施以推法，搓法收功。2原始数据及设计要求 内收、外展，角度的范围为：45180；膝关节受到向前拉伸的力量为：20kg，内旋、外旋角度的范围为：-5+5；直线运动频率为：0.5次/min；内旋、外旋频率为1次/min；一个动作循环为1分钟。要求整个操作缓慢平稳，仪器结构紧凑，体积小，重量轻，操作方便。三、印刷与包装机械(一)半自动平压模切机l.工作原理及工艺动作过程 半自动平压模切机是印刷、包装行业压制纸盒、纸箱等纸制品的专用设备。它可对各种规格的纸板、厚度在4mm以下的瓦楞纸板，以及各种高级精细的印刷品进行压痕、切线、压凹凸。经过压痕、切线的纸板，用手工或机械沿切线处去掉边料后，沿压出的压痕可折叠成各种纸盒、纸箱，或制成凹凸的商标。它的工艺动作主要有两个：一是将纸板走纸到位，二是进行冲压模切。2原始数据及设计要求(1)每小时压制纸板3000张。(2)上模固定，下模向上移动的行程长度H(500.5)mm，回程的平均速度为工作行程的平均速度的1.3倍。(3)工作行程的最后2mm范围内受到生产阻力Pr=2106N，回程时不受力。下模和滑块的质量共约120kg。(4)工作台面离地面的距离约1200mm。(5)要求设计的机构性能良好、结构简单紧凑、节省动力、寿命长、便于制造。3设计任务(1)根据工艺动作要求拟定运动循环图。(2)进行送料、模忉机构的选型。(3)机械运动方案的评定和选择。(4)根据给定的生产阻力及工作裕量选定合适的电动机。(5)进行飞轮设计。(6)按选定的电动机和执行机构的运动参数拟定机械传动方案。(7)画出机械运动方案简图。(8)对传动机构和执行机构进行运动学尺寸计算。4设计方案提示 走纸机构可采用双列链传动，走纸横块其两端分别固定在前、后两根链条上，横块上装有若干个夹紧片以夹紧纸板；主动链轮由间歇运动机构带动，以实现定时走纸。横切机构可采用六杆冲压机构，在纸板停顿时进行冲压模切。冲压机构要求急回并节省动力。由于冲压模切机构仅在短时内承受很大的生产阻力，为了减小周期性速度波动，可选用较小容量的电动机，一般需安装飞轮进行速度波动的调节。(二)自动送纸机传动系统设计1工作原理及工艺动作过程 自动送纸机是印刷机的重要组成部分，它可以自动、有节奏、准确而平稳地给压印滚筒输送纸张。自动送纸机按纸张的分离形式不同，分为摩擦式自动送纸机和气动式自动送纸机两种。但由于摩擦式送纸机存在分纸不准确、速度低、容易使印迹模糊等缺点，故在印刷机上很少采用；气动式送纸机是利用气泵，先由吹气嘴把压缩空气吹入纸堆上方的数张纸之间，再由吸纸嘴把最上面的一张纸吸起，并传递给导纸轴。根据纸张的输送方式不同，气动式自动送纸机可分为间歇式(又称序列式)和连续式(又称重叠式)两种。间歇式送纸的特点是：纸与纸之间有一定的距离，第二张纸走完这段距离的时间，也正是第一张纸在规定处定位的时间。由于定位时间短促，故不适于高速印刷的场合。连续式送纸的特点是：后一张纸的前边缘重叠在前一张纸的后半部分的下面，相邻两张纸前、后重叠在一起向前输送，其工作原理如图2所示。 图2 自动送纸机工作原理示意图 在纸堆后侧，设置有吹气嘴2和松纸毛刷4。首先把纸堆上面的纸张吹松，然后分纸吸嘴5下降并吸起上面的纸张，当分纸吸嘴5抬起时，送纸吸嘴6作返回运动，压纸脚3伸入被吸住纸张与纸堆之间，一面压住纸堆，防止下面纸张移动，一面向前吹风，使被吸起的纸张与纸堆完全分离。当分纸吸嘴5将纸张抬至最高位置时，送纸吸嘴6把纸张吸住，分纸吸嘴5放开纸张，由送纸吸嘴6把纸张送到导纸轴12和导纸轮7之间，最后经送纸板10和压纸轮8将纸张送到前端9处进行定位。由于连续式送纸装置的纸张输送是重叠进行的，故定位时间长且准确，因而适于高速印刷场合。2原始数据及设计要求(1)纸张最大幅面为880mml230mm，最小幅面为546mm787mm，纸张重量为40250g/m2。(2)送纸机转速为7200张/h，给纸台高度为1400mm。(3)电动机转速为1450r/min，功率为3kW。(4)要求所设计的机构占地面积小，操作方便，并可进行必要的调整。3.设计任务(1)拟定机构传动方案。(2)确定机构尺寸，绘制机构运动简图。(3)作机构运动分析和动力分析，绘制各执行构件的运动线图。4设计方案提示自动送纸机的主体运动是分纸与送纸运动，它们由压纸脚、分纸吸嘴、送纸吸嘴协调运动来实现，它们的运动可由凸轮连杆组合机构来实现，要注意它们之间的协调关系。四、轻工机械(一)冷霜自动灌装机1.工作原理及工艺动作过程冷霜自动灌装机是通过出料活塞杆上下往复运动，实现冷霜灌装入盒内。其主要工艺动作有：(1)将空盒送进六工位转盘，利用转盘间歇运动变换不同工位。(2)在灌装工位上，空盒上升后灌入冷霜。(3)在贴锡纸工位上，利用锡纸下降粘贴锡纸。(4)在盖盒盖工位上，将盒盖压下。(5)送出成品。2原始数据及设计要求(1)冷霜自动灌装机的生产能力：60盒/min。(2)冷箱盒尺寸：直径D3050mm，高度h1015mm。(3)工作台面离地面的距离：11001200mm。(4)要求机构的结构简单紧凑、运动灵活可靠、易于加工制造。3设计任务(1)按工艺动作要求拟定运动循环图。(2)进行转盘间歇运动机构、空盒上升机构、锡纸库下降机构、压盖机构的方案构思。(3)机械运动方案的评定和选择。(4)按选定的电动机和执行机构的运动参数拟定机械传动方案。(5)画出机械运动方案简图。(6)对传动机构和执行机构进行运动学尺寸计算。4设计方案提示 六工位转盘机构可采用槽轮、不完全齿轮、凸轮式间歇运动机构。空盒上升、锡纸库下降和压盖机构可采用凸轮机构。为了使上述各机构实现同步协调工艺动作，三个凸轮可装在同一根轴上。(二)自动打印机 1工作原理及工艺动作过程 为了区别某种商品，需要在包装好的纸盒上，打印一种记号。打印的动作主要有三个；送料到达打印工位，然后打印记号，最后将产品输出。2原始数据及设计要求(1)纸盒尺寸：长100150mm，宽70100mm，高3050mm。(2)产品重量：0.5lkg。(3)自动打印机的生产率：80次/min。(4)要求机构的结构简单紧凑、运动灵活可靠、易于加工制造。3设计任务(1)按工艺动作要求拟定运动循环图。(2)进行送料夹紧机构、打印机构和输出机构的机构方案构思。(3)机械运动方案的评定和选择。(4)按选定的电动机和执行机构的运动参数拟定机械传动方案。(5)画出机械运动方案简图。(6)对传动机构和执行机构进行运动学尺寸计算。4设计方案提示从结构简化考虑，应将送料、夹紧机构合为一体，可以采用凸轮机构或有一定停歇运动的连杆机构。打印机构和输出机构可以采用平面连杆机构或凸轮机构。定位夹紧时，在送料方向应设计挡块。从结构简化考虑，输出运动可与送料运动的方向互相垂直。要注意使三个执行机构的原动件合理地安装在一根主轴上。(三)自动制钉机1.工作原理及工艺动作过程制造木工用大大小小的铁钉是将一卷直径与铁钉直径相等的低碳钢丝，通过下列工艺动作来完成的。(1)校直钢丝，并按节拍要求间歇地输送到装夹工位。(2)冷镦钉帽，在此前需夹紧钢丝。(3)冷挤钉尖。(4)剪断钢丝。2原始数据及设计要求(1)铁钉直径为1.63.4mm；(2)铁钉长度为2580mm；(3)生产率为60枚/min(4)最大冷镦力为3000N，最大剪断力为2500N；(5)冷镦滑块质量为8kg，其它构件质量和转动惯量不计；(6)要求结构紧凑、传动性能优良、噪声尽量减小。3设计任务 (1)按工艺动作要求拟定运动循环图。(2)进行送丝校直机构、冷镦钉帽机构、冷挤钉尖机构、剪断钢丝机构的选型。(3)机械运动方案的评价和选择。(4)拟定机械传动方案。(5)设计飞轮和确定电动机型号。(6)画出机械运动方案简图。(7)对传动机构和执行机构进行运动学尺寸计算。 4设计方案提示应使送丝与校直动作合一来考虑机构形式，同时要附加夹紧机构，在送丝时放松，其余时间夹紧。送丝校直机构可采用间歇运动机构带动摆动爪，摆动爪压紧钢丝并送丝校直。夹紧机构利用联动关系开合。冷镦钉帽机构可以采用移动或摆动式冲压机构，一般可用平面六杆机构或四杆机构，其移动、摆动的行程在25mm左右为宜。为了减小电动机容量和机械速度的波动，可加飞轮。冷挤和剪断机构在性能要求上与冷镦机构相同，因而采用的机构也十分类似，由于机构较多，相互动作协调十分重要，应尽量考虑将各执行机构的原动件固连在一根主轴上。 (四)自动链条编结机1.工作原理及工艺动作过程 自动链条编结机是用来制造自行车链条式车锁的机器，链条由一串链节编结而成，每个链节被加工成扭曲的立体形，使外形美观。它的主要工艺动作如下： (1)自动送料，首先将成盘的直径为2.32.5mm的钢丝进行校直，然后形成螺旋形状。(2)切断并压平，每次送料停止后，剪下一圈螺旋状钢丝，并将其平整为平的环形。(3)链节扭曲，将环形钢丝的两头夹住，使一夹头旋转45，将链节扭曲成立体环形，完成一个链节的成形。(4)自动联结，将螺旋料送进，使其穿入成形链节，这样就实现了送料、联结的工艺过程。如此循环下去就形成了链条。2原始数据及设计要求(1)每分钟能生产3445个链节。(2)钢丝材料为低碳钢，直径为2.32.5mm，每个链节所用的钢丝长度为35mm，扭曲角度为45。(3)链条可以承受12001800N的拉力。3设计任务(1)按工艺动作要求拟定运动循环图。(2)进行间歇送料机构、绕螺旋形状钢丝机构、切断压平机构、链节扭曲机构的选型。(3)机械运动方案的评价和选择。(4)按选定的电动机和执行机构的运动参数拟定机械传动方案。(5)画出机械运动方案简图。(6)对传动机构和执行机构进行运动学尺寸计算。4设计方案提示 钢丝校直、钢丝自动间歇送料及绕成螺旋形状的工艺动作过程，可采用间歇运动机构另加绕螺旋钢丝机构来完成。切断、压平机构可通过平面连杆机构来实现，链节扭曲动作可采用两头夹住、一头间歇转45的间歇转动机构来完成。自动联结可利用上述自动间歇送料机构的动作来实现。(五)自动打标机1工作原理及工艺动作 过程产品自动打标机能实现在产品表面自动打制钢印的要求。产品由输送带运送到推送头1的前端(如图3所示)，然后由推送机构将产品3推送到打印头2的下部，此后打印头2向下运动，与产品上表面接触，完成打印操作。在打印头退回原位时，推送机构再推送另一产品，并把已打印好的产品推走。 图3自动打标机2原始数据及设计要求 产品尺寸为：长宽高200mm200mml00mm，生产率为10件/min，要求打印头在与产品接触时，有1秒的停歇时间，以保证在产品上形成清晰的印字。设打印头在打印过程中对产品的压力为500N。3设计任务(1)画出打标机的工作循环图。(2)拟定打标机机构和推送机构的运动方案，并进行分析评价。(3)进行打标机机构和推送机构的尺寸综合，并绘制机构运动简图。(4)完成打标机机构的运动分析和力分析(各运动副处的摩擦系数均为f0.1，不计各构件的重力及惯性力)。(六)牙膏壳喷塑跟踪机构设计1.工作原理及工艺动作过程 如图4所示，牙膏壳喷塑跟踪机构是用于在牙膏壳连续输送过程中，对牙膏壳内壁喷涂塑料薄膜的机构。牙膏壳4等间距的安装在特制的链带3上，链带由链轮2带动，沿方向v等速运动，链轮2连在主轴上，主轴通过减速器与电动机相连。 工艺动作过程为喷塑跟踪机构带动喷枪5，一方面作轴向往复移动，另一方面又作往复摆动，从而实现喷枪的跟踪喷塑的目的。 图4 牙膏壳内壁喷塑2原始数据及设计要求 已知主轴1的转速n160r/min，链轮的节圆直径为400mm，相邻两牙膏壳的间距为314mm，牙膏壳深度为100200mm，由于喷枪在插入牙膏壳时进行喷塑，故要求喷枪在插人过程中尽可能等速。为了提高生产率，希望喷枪在两种往复运动中均具有急回运动。喷塑动作可以在牙膏壳输送中的直线段上进行，也可以在同弧段上进行。3设计任务(1)提出实现运动要求的运动方案，并进行分析评价。(2)对选定的运动方案进行尺寸综合，绘制机构运动简图。(3)完成机构的运动分析，绘出喷枪的运动位移及速度曲线。4设计方案提示可采用圆柱凸轮实现喷枪5的往复移动，可采用摆动凸轮实现喷枪5的往复摆动。(七)包装机推包机构设计1.工作原理及工艺动作过程 包装机的推包机构，要求待包装的工件1(如图85所示)先由输送带送到推包机构的推头2的前方，然后由该推头2将工件从口处推至b处(包装工作台)，再进行包装。为了提高生产率，希望在推头2结束回程(从6至口)时，下一个工件已送到推头2的前方。这样推头2就可以马上再开始推送工件。这就要求推头2在回程时先退出包装工作台，然后再低头，即从台面的下面返回，因而就要求推头2按图示的abcdea线路运动。即实现“平推、水平退回、下降、降位退回、升复位”的运动。 图5 包装机推包机构 在推头回程中，除要求推头低位退回外，还要求其回程的速度高于工作行程的速度，以便缩短空回行程的时间，提高工效。至于对cdea部分的线路形状，不作严格要求。2原始数据及设计要求要求每56秒钟包装一个工件，且给定参数LlOOmm，S25mm，H=30mm。行程速比系数K在1.21.5范围内选取，推包机构由电动机驱动。3设计任务根据上述设计要求构思出不同的设计方案，并选取其中一个方案进行机构简图设计。4设计方案提示采用偏置曲柄滑块机构与移动凸轮机构的组合或导杆机构与凸轮机构的组合，实现推包运动。(八)铁钉坯料剪切机1工作原理及工艺动作过程 铁钉坯料是由铁丝卷料经剪切得到的。如图6所示，剪切机的执行构件由送料轮3和3及刀片1等组成。各部分的功能为：送料轮3靠摩擦力向上牵引铁丝4；导管2使铁丝改换成水平方向输出；刀片1作往复运动，并与导管2右端的圆形刃口配合完成剪切工作。 图6 铁钉坯料剪切机2原始数据及设计要求 钉坯长50mm，每分钟产量80根。根据工艺动作构思出多种设计方案，并选取其中一个方案进行机构简图设计。3设计任务(1)构思剪切机传动系统组成方案，分别画出其功能框图和机构示意图。(2)分析各种方案的优缺点，确定最佳方案。(3)对所选方案进行机构分析与综合。(4)绘制剪切机的运动循环图。(5)编写设计计算说明书。4设计方案提示 剪切可采用曲柄滑块或六杆机构来实现，送料可通过送料轮的摩擦力输送来完成。五、电机转子嵌绝缘纸机1.工作原理及工艺动作过程 为了提高电机转子空槽内嵌入绝缘纸的生产效率和工作质量，构思一种高效的电机转子嵌绝缘纸机是很有必要的。电机转子嵌绝缘纸机的工艺动作主要有：(1)送纸，将一定宽度、卷成一卷的绝缘纸，按一定的量送到切纸的位置。(2)切纸，按工艺需要切下一段绝缘纸。(3)插纸，用插刀对折切下来的绝缘纸，并插入空槽内。(4)推纸，将已插入槽内的绝缘纸推到要求的位置。(5)间歇分度地转动电机转子，使之进入下一个工作循环。2原始数据及设计要求(1)每分钟嵌纸80次。(2)电机转子尺寸：直径D3550mm，长度L3050mm。(3)工作台面离地面的距离为11001200mm。(4)要求机构的结构尽量简单紧凑、工作可靠、噪声较小。3设计任务(1)按工艺动作要求拟定运动循环图。(2)进行送纸、切纸、插纸、推纸、转子分度五个执行机构的选型。(3)机械运动方案的评定和选择。(4)按选定的电动机和执行机构的运动参数拟定机械传动方案。(5)画出机械运动方案简图。(6)对传动机构和执行机构进行运动学尺寸计算。4设计方案提示间歇送纸机构可采用槽轮机构、凸轮式分度机构，切纸机构、插纸机构和推纸机构可采用平面六杆机构、平面四杆机构、凸轮机构等，。电机转子分度机构可采用棘轮机构与连杆机构、槽轮机构、凸轮式间歇运动机构等，为了适应各种不同规格转子的需要，常常可将电机转子的空槽直接作为棘轮。六、通用机械与塑性加工机械(一)螺钉头冷镦机1.工作原理及工艺动作过程采用冷镦的方法将螺钉头镦出，可以大大减少加工时间和节省材料。冷镦螺钉头时主要完成以下动作；自动间歇送料；截料并运料；预镦和终镦；顶料。2原始数据及设计要求(1)每分钟冷镦螺钉头120只。(2)螺钉杆的直径D24mm，长度L632mm。(3)毛坯料的最大长度48mm，最小长度12mm。(4)冷镦行程56mm。3设计任务(1)按工艺动作要求拟定运动循环图。(2)进行自动间歇送料机构、截料送料机构、预镦终镦机构、顶料机构的选型。(3)机械运动方案评价和选择。(4)按选定的电动机和执行机构的运动参数拟定机械传动方案。(5)画出机械运动方案简图。(6)对传动机构和执行机构进行运动学尺寸计算。4设计方案提示自动间歇送料采用槽轮机构、凸轮式间歇运动机构等。坯料转动切割可采用凸轮机构推动进刀来实现。可将坯料用冲压机构在冲模内进行预镦和终镦，冲压机构采用平面四杆机构或六杆机构，顶料采用平面连杆机构等。(二)专用精压机1.工作原理及工艺动作过程 专用精压机是用于薄壁铝合金制件的精压与深冲工艺。它是将薄壁铝板一次冲压成为深筒形制件。 它的工艺动作主要为：将新坯料送至待加工位置；下模固定、上模冲压拉延成形将成品推出模腔。2原始数据及设计要求(1)冲压执行构件具有快速接近工件、等速下行拉延和快速返回的运动特性。(2)精压成形制品的生产率约为每分钟70件。(3)上模移动总行程为280mm，其拉延行程置于总行程的中部，约为100mm。(4)行程速比系数K=1.3。(5)坯料输送最大距离为200mm。(6)上模滑块总质量为40kg，最大生产阻力为5000N，且假定在拉延区内生产阻力均衡。3设计任务(1)按工艺动作要求拟定运动循环图。(2)送料机构、冲压机构的选型。(3)机械运动方案评价和选择。(4)按选定的电动机和执行机构的运动参数拟定机械传动方案。(5)画出机械运动方案简图。(6)对传动机构和执行机构进行运动学尺寸计算。(三)小型卧式模锻机传动系统设计1.工作原理及工艺动作过程 为锻造长杆类锻件(锻件系用棒料局部锻粗而成)，需设计一台将杆料水平置放后，用活动凹具3(如图7所示)及固定凹模2将其夹紧后，再用水平置放的冲头1进行顶锻工作的卧式模锻机。拟用电动机通过传动装置，首先使活动凹模移动，再向固定凹模合拢夹紧棒料，然后主滑块带动冲头进行顶锻，锻件成形后，待冲头返回脱开凹模后(返回距离约占冲头全行程的1/81/3)，由夹紧滑块带着凹模松开杆料回到初始位置。在顶锻过程中，要求两半凹模始终处于夹紧状态，不能自动松开。 图7 活动凹具2原始数据及设计要求 (1)电动机转速：n1000r/min或1500r/min。(2)冲头顶锻次数：5075次/min。(3)主滑块的行程：H200380mm。(4)顶锻工艺开始后冲头的工作行程：H0.5H。(5)夹紧滑块3的总行程：h6080mm。(6)作用在主滑块上的顶锻力：P500kN。(7)作用在夹紧滑块2上的夹紧力：PP/3。3设计任务(1)进行机构选型，确定运动方案。(2)绘出机构运动简图。(3)编制设计计算说明书。4设计方案提示 主传动可采用曲柄滑块机构来实现，活动凹模的开闭及夹紧动作可采用固接在曲柄上的主回凸轮及六杆机构来实现。(四)钢板翻转机1工作原理及工艺动作过程 如图8所示，该机构具有将钢板翻转180的功能。钢板翻转机的工作过程如下：当钢板T由辊道送至左翻板W1后，W1开始顺时针方向转动，转至铅垂位置偏左10左右时，与逆时针方向转动的右翻板W2会合；接着W1与W2一同转至铅垂位置偏右10左右后，W1折回到水平位置，与此同时，W2顺时针方向转动到水平位置，从而完成钢板翻转任务。 图8 钢板翻转机2原始数据及设计要求(1)原动机为交流异步电动机。(2)每分钟翻钢板6次。 (3)其他尺寸如图828所示。(4)许用传动角50。3设计任务(1)构思钢板翻转机传动系统组成方案，分别画出其功能框图和机构示意图。(2)分析方案的优缺点，选出较佳方案。(3)对所选方案进行初步的机构分析与综合工作。(4)绘制钢板翻转机的运动循环图。七、电动线锯机1工作原理及工艺动作过程 电动线锯机是木工常用的工具，主要用于在木板中开槽，电动线锯机上装有切削刃向上的锯条，工作时，锯条作上下直线往复运动，实现锯切的目的。2原始数据及设计要求 锯条上下往复运动的行程为30mm，最大锯切厚度为50mm，电动机功率为350W，锯条规格为长宽lOOmm80mm，锯条往复运动的最大速度为3000次/min。要求该机构效率高、振动小、重量轻及结构紧凑。3设计任务(1)构思传动方案，进行方案评价，选出一至二种方案进行设计。(2)依据运动要求，确定机构各构件的运动学尺寸。(3)画出锯条的运动线图和机构运动简图。(4)假设锯条切削木板时的平均切削力为700N，非切削时锯条与木板间的平均摩擦力为100N，不计其它运动副中的摩擦和构件的惯性力，进行机械的力分析。八、导弹瞄准机传动机构设计1工作原理及工艺动作过程 瞄准机是导弹发射的重要装置，使导弹在起飞时处于所要求的空间角度，这个空间角度由高低角和方向角组成，实现高低角的瞄准机称为高低机，实现方向角的瞄准机称为方向机。在图9所示的机构中，导弹2置于定向器1上，定向器1绕耳轴3俯仰，形成高低角；耳轴装在托架4上，托架与立轴7固连，立轴7在座架6中回转，便形成方向角。2原始数据及设计要求 要求高低机和方向机的瞄准范围分别为：090和0360，要求瞄准精度高、转动平稳、工作可靠性高。 图9 导弹瞄准机传动机构3设计任务 进行高低机和方向机运动方案设计，然后进行分析评价，确定一种方案后进行尺寸综合，以确定各构件的运动学尺寸，绘制机构运动图。九、玩具与日用产品(一)恐龙1.工作原理及工艺动作过程 再现恐龙的风采，使恐龙摇头摆尾、张嘴伸舌，最后手舞足蹈；间歇6分钟后再重复以上动作。2原始数据及设计要求摇头、摆尾：摇头2次/min，摆尾3次/min。张嘴伸舌：3次/min。手舞：4次/min。摇头摆尾可同时进行，应先张嘴再伸舌，手舞足蹈可只需实现手臂上下挥动的动作。 3.设计任务(1)拟定运动方案。(2)进行机械传动系统的设计，确定运动学尺寸，并画出机构运动简图。(3)作必要的运动分析。4设计方案提示 摇头可采用组合机构，摆尾可采用摇杆机构，张嘴伸舌可采用联动机构，手舞可采用曲柄摇杆机构。(二)屏幕晃动式游戏机设计1.工作原理及工艺动作过程 游乐项目是在一暗室中进行的，暗室中有一个屏幕，观众可以看见屏幕上的景物，屏幕由静止逐渐开始左右晃动，晃动的角度由小变大，并越来越大，最后屏幕竟旋转起来，转数周后，屏幕渐趋静止。由于观众在暗室中仅能看见屏幕上的景物，根据相对运动原理，观众将产生一个错觉，观众不认为是屏幕在晃动，反而认为是自己在晃动，并且晃动得越来越厉害，最后竟旋转起来，这是一个有惊无险的游乐项目。2原始数据及设计要求 设计一机械传动装置，使屏幕能实现上述运动规律。屏幕由静止开始晃动时的摆角约60，每分钟晃动次数约1012次，屏幕由开始晃动到出现整周转动，历时约23分钟，约转10多转后，屏幕又渐趋静止。用一个三相交流异步电动机带动，其同步转速为1000r/min或1500r/min，功率约为1kW。屏幕摆动幅度应均匀增大或稍呈加速的趋势。3设计任务(1)拟定传动方案。(2)机械传动系统的设计，确定机构运动学尺寸，画出机构运动简图。(3)作机构的运动分析。4设计方案提示 由电动机通过一级带传动、一级蜗轮传动带动一曲柄摇杆机构(ABCD)，再通过一级齿轮传动带动屏幕左右晃动。为了改变屏幕晃动幅度的大小，使之逐渐增大，并最终使屏幕作连续回转，可采用如下方法来实现：(1)摇杆长度不变，逐渐增大曲柄AB的长度。(2)曲柄长度不变，逐渐缩短摇杆CD的长度。(3)同时改变曲柄和摇杆的长度。 方案构思中应思考的问题：如何才能在不停车的状态下改变曲柄或摇杆的长度?传动系统还可采用何机构?为什么在传动系统的最后一级又采用一级齿轮传动，其有何作用?(三)自动晒衣架1.工作原理及工艺动作过程 小型电动机驱动减速装置使一机构带着晒衣架先从上向下移动到一位置，待衣物架好后，再上升，最后将晒衣架横向送出室外晒衣。2原始数据及设计要求(1)晒衣架初始高度：2.5m。 (2)晒衣架从上下降到：1.5m。(3)运动速度：0.5m/min。(4)电动机转速：转速4000r/min。(5)上升和下降与送出动作要缓慢平稳，结构简单，机构有自锁功能。3设计任务 拟定运动方案，进行机械传动系统的设计，确定机构运动学尺寸，画出机构运动简图。4设计方案提示 减速装置可采用传动比大、体积小的谐波齿轮减速器，晒衣架可采用伸缩式的连杆机构或组合机构。 (四)其他小设计1.自动折叠双人沙发床 要求一按电钮，沙发自动展开成双人沙发床，再一按电钮，复位成沙发。2无链条杠杆式自行车 提示：可采用两套摇杆曲柄机构进行传动，骑车者两脚踏踩左、右摇杆，带动曲柄(后轮)转动。3遥控式汽车千斤顶将现有机械式千斤顶改装成由小型电动机带动的遥控千斤顶，并有遥控功能，且体积小。电动机转速为20000r/min，功率为180W，举升高度为180mm，举升时间为2min(180mm)，举升重量为2t。提示：利用汽车蓄电瓶为电源，采用三级减速器，其中一级可用复式行星轮系或谐波齿轮传动，齿轮材料可选工程塑料或粉末冶金材料，以降低成本。十、插齿机(机床)1.工作原理及工艺动作过程 插齿机是齿轮加工中常用的设备之一，它能用于加工内齿轮、多联齿轮、扇形齿轮以及一些特殊结构的齿轮。插齿是利用范成法原理来加工齿轮的。插齿刀和工件的啮合关系相当于一对两轴线相互平行的圆柱齿轮啮合传动，插齿刀就像是一个磨有前、后角而具有切削刃的齿轮，它紧固在插齿机的主轴上，主轴具有往复运动，并围绕本身的轴线转动，插齿刀在每一工作行程中切去一定的金屑，在范成运动中将轮坯切制成所需的齿形。如图10所示，插齿机有以下五种运动：(1)切削运动：插齿刀相对齿坯上下移动完成切削加工。(2)圆周运动：插齿时，插齿刀与被加工齿坯作无间隙啮合，可以认为，圆周进给运动就是插齿刀的转动速度。(3)径向进给运动，在插齿刀开始接触齿坯以后，在圆周进给的同时，插齿刀向齿坯作径向进给，当进到一定的深度时停止，而圆周进给继续进行，直至齿坯转一周时，齿轮加工完毕。往往在加工一个齿轮时，整个齿需要分两次或多次径向进给，这一运动一般靠凸轮机构来完