机械原理课程设计指导书.doc

目 录 第一章第一章 概述概述 1 1 1 1 1 机械原理课程设计的目的机械原理课程设计的目的 1 1 2 1 2 机械原理课程设计的的任务机械原理课程设计的的任务 1 1 3 1 3 机械原理课程设计的方法机械原理课程设计的方法 1 第二章第二章 机械运动方案设计机械运动方案设计 2 2 1 2 1 基本运动和机构的基本功能基本运动和机构的基本功能 2 2 2 2 2 方案组成方案组成 2 2 3 2 3 方案评选准则方案评选准则 3 2 4 2 4 机械运动方案及机构设计实例机械运动方案及机构设计实例 6 第三章第三章 课程设计题目课程设计题目 14 3 1 3 1 半自动平压模切机机构设计半自动平压模切机机构设计 14 3 2 3 2 平台印刷机主传动机构设计平台印刷机主传动机构设计 18 3 3 3 3 牛头刨床设计牛头刨床设计 23 3 4 3 4 插床设计插床设计 27 3 5 3 5 搅拌机设计搅拌机设计 30 第四章第四章 平面机构的运动分析平面机构的运动分析 35 4 1 4 1 平面机构的组成平面机构的组成 35 4 2 4 2 级机构上点的运动分析级机构上点的运动分析 36 4 3 4 3 RRRRRR 级组的运动分析级组的运动分析 38 4 4 4 4 RRPRRP 级组的运动分析级组的运动分析 44 4 5 4 5 RPRRPR 级组的运动分析级组的运动分析 49 4 6 4 6 应用举例应用举例 54 第五章第五章 设计计算说明书规范设计计算说明书规范 66 附录 三种典型机构分析程序附录 三种典型机构分析程序 68 参考文献参考文献 75 1 第一章 概述 1 1 1 1 机械原理课程设计的目的机械原理课程设计的目的 机械原理课程设计是高等工业学校机械类专业学生第一次较全面的机械运动学和动力 学分析与设计的训练 是机械原理课程的一个重要教学环节 其目的在于进一步巩固学生 所学的理论知识 培养学生独立解决有关本课程实际问题的能力 使学生对于机械运动学 和动力学分析与设计有一个较完整的概念 具有进行机械运动方案分析的能力 1 2 1 2 机械原理课程设计的的任务机械原理课程设计的的任务 机械原理课程设计的任务是根据所给题目进行机械运动方案分析 运动分析 动态静 力分析 并根据给定机器的工作要求 在此基础上对各机构进行运动设计 要求学生根据 设计任务 绘制必要的图纸 编制计算程序和编写计算说明书等 1 3 1 3 机械原理课程设计的方法机械原理课程设计的方法 运用教材中机械传动系统方案设计的内容 用运动循环图等 进行机械运动方案设计 绘出相应的机构运动简图 运用教材中各有关章节的分析方法 解析法 进行机构的运动 分析 2 第二章 机械运动方案设计 机械运动方案没计的过程大致是 首先 设计者将给出的运动要求 包括输入 输出量 之间的函数关系或工艺动作要求等等 及外部的各种约束条件 分解成各个基本运动 动作 及其限制条件 然后 定出能完成这些基本运动或动作功能的相应的机构 再按分解成各 基本运动 动作时确定的关系合成各种方案 必要时应画出协调这些机构运动先后运动顺 序的机构运动循环图 对这些方案进行机构的尺度设计 定尺寸 对这些方案进行性能分 析 最后 对方案进行评价 以选择一种 最佳 的方案 组成方案与对方案进行尺度设 计 性能分析 在某种程度是并行进行的 2 1 2 1 基本运动和机构的基本功能基本运动和机构的基本功能 任何复杂的运动过程总是由一些最基本的运动合成的 基本运动的形式有 单向转动 单向移动 往复摆动 往复移动 间歇运动等 任何复杂的机构组合系统可以认为是由一些基本机构组合而成的 这些机构有高副机 构 齿轮 凸轮等机构 低副机构 如铰链四杆机构 和多自由度机构 如差动轮系 铰链五 杆机机构 四杆移动副机构等等 这些基本机构有如图 2 1 所示的基本功能 图 2 1 2 2 2 2 方案组成方案组成 完成同一种运动功能的机构 可以由不同原理 不同的基本机构及不同的组合方式来 实现 这就是说 要实现某一运动功能 可以用推 拉力传动原理 摩接力传动原理 液 压力及电磁力传动原理等等 可以用基本机构或其变异机构来完成 也可以用若干基本机 构及变异机构组合的机构来完成 因此 完成同一运动功能就可以有许多不同的机构运动 方案 方案设计要研究的问题是如何合理地运用人们的专业知识和分析能力 仔细分析各 种可能的组成方案 现以一种简单的加压装置为例 说明方案的形成过程 3 设计一加压装置 它将由手驱动 并将驱动轴的旋转运动变换为直移的加压运动 为 了产生一个较大的压力 从动件的运动 位移或速度 应被大大缩小 根据空间条件 驱动 轴必须水平放置 而从动件必须沿铅垂方向运动 加压装置在铅垂方向的允许高度较小 由此可知 该加压装置的机构应有下列几个基本运动功能 一 转动变移动 水平轴的旋转变为直移运动 二 运动轴线变向 转动轴线水平 直移沿铅垂方向 因为运动形式有转动和移动两种形式 所以轴线变向可 以有转动状态下轴线变向和移动状态下变向两种变向形 式 三 为了加压 机构最好有增力作用 所以有运动 缩小的功能 上述三种基本功能变化排列顾序 可得到 如图 2 2 所示的六种基本动作结构 其中 三种 结构是在移动状态下改变运动轴线方向 三 种结构是在转动状态下改变轴线方向 而 三种结构是在转动状态中增力 三种结构是在移动状态中增力 图 2 2 图 2 3 列出了实现上述基本功能的基本机构 图 2 4 中列出了四种较为合理的方案 供评选 图 2 3 2 3 2 3 方案评选准则方案评选准则 在评价方案时 应该包括制造工艺 材料选则 结构繁简 经济实用性等方面的优劣 进行比较 现在作为机械原理课程设计 目的在于完成评选方案的初步训练 所以 偏重 于机构结构 运动和动力特性方面的比较 这大致有下述几个方面 4 一 机构功能的质量 机构的功能就是转换运动和传递力 在作机构运动设计时 首先就是分析所设汁机构 的功能 并根据功能来设计 选择机构 组成方案 所以一般来说 所有方案都能基本满 足机构的功能要求 然而 各种方案在实现功能的质量上还是有差别的 譬如 可以考虑 如下各个方面 机构所能达到所要求的行程大小 达到这一行程所需的机构空间尺寸 最小 满足要求的运动规律 机构的传力特性良好 传动角的大小 生产率的高低 所需原动机 的功率大小 有优良的动力性能 如惯牲力平衡 动载荷 冲击 振动 噪声小等等 长 时间使用以后出现的变化 磨损 变形等 二 机构结构的合理性 机构结构要简洁 可以考虑如下各个方面 使所选机构方案用结构尽量简单 构件数 和运动副数尽量少 尽量选用通用件或标准件和外购件等 减少构件数和运动副数可降低制造的难易程度 同时还减少误差环节和摩擦损耗 提 高机构的刚度 并且连带地降低机构产生故障的可能性 提高其工作的可靠性 而增多由 专业厂生产的通用件 标准件 外购件 相当于提高了零件的制造质量 可以使组配工作 更简单 容易 动力源的合理选择 有利于机构的简洁化和改善运动质量 三 机构的经济性 运动副的形式直接影响到机构的结构 耐用度 效率 灵敏度和加工难易程度 一般 来说 转动副制造简单 容易保证运动副元素的配合精度 效率较高 若采用标准滚动轴 承 则更易达到高精度 高效益和高灵敏度的要求 移动副的配合精度就较低 滑动摩擦 的移动副还容易产生楔紧 自锁或爬行现象 高副易于用少数构件精确实现给定的运动规 律和轨迹 但一般高副形状复杂 相对其它运动副来说制造困难 接触面小 磨损较快 故宜于低速轻载的场合 在设汁与制造的关系方面 我们应从制造是否简单的观点出发来衡量 如果这个方案 制造比较简易 则应该优先采用 因为这有利于提高机构的经济性 四 机构的实用性 所选择的机构除了满足功能要求 经济实惠以外 还应考虑机构工作的安全 可靠性 对机构产生的振动 噪声等公害相应的防护措施 便于进行日常的检查和维修等 按照上属评判准则 试以图 2 4 所示的几个方案为例 作如下的评述 就机构的功能质量而言 四个方案均能达到给定的功能要求 但是 由于在铅垂方向 上机构尺寸受到限制 所以可进一步在这方面进行比较 在达到同样大小行程并有良好的 传力特性情况下 方案 B C 在铅垂方向的空间尺寸要比 A D 两种方案大得多 由于机构是手动驱动 所以冲击 振动 噪声等问题可不必考虚 方案 A D 的主动 件是螺杆 它要转动很多圈以后才能使从动件压紧工件 所以若将转动螺杆的手柄做成飞 轮状 使螺杆产生加速转动 利用惯性力矩作最后的加压 就可以以较小的驱动力 得到 较大的压紧力 而方案 B C 则没有这种可能 当然 若从生产率的角度来看 机构加压 和松开所需的动作时间 方案 B C 明显地要比 A D 少 方案 B 中的凸轮机构是高副接 5 触 较易磨损 故凸轮廓线上需要有一余留段 使机构加压时凸轮有多转过一个角度的余 地 以便磨损后减小的行程能得到补偿 但这样设计的凸轮 在自锁性能上要稍次一些 方案 C 虽不易磨损 但磨损后要补偿行程是不容易的 必须凋整四杆机构的尺寸才能达到 补偿的目的 方案 A 则只要斜面和螺杆长度留有余地 即可实行补偿 而方案 D 主要是 活塞密封件磨损后漏油 必须更换密封后才能修复 这四个方案中的机构易磨损程度依次 为方案 B C A D 而易修复程度则依次为 D A B C 图 2 4 又如 方案 C 是否可以改成曲柄滑块机构 这里所以用六杆机构是因为要得到更大的 增力作用 若压紧力不大 则可改用曲柄滑块机构 方案 A 用了左 右螺旋机构和两组楔 块机构 若工件的加工面较窄 则可去掉一组螺旋和楔块机构 若加压面较宽 则应用两 组机构 至于运动副形式 因这里有移动运动 所以选用移动副 本例中用人力驱动 所以没有动力源的选择向题 方案 A D 中螺旋副的加工要比转动副复杂一些 方案 B 中的凸轮廓线的加工难度比 较大 当被加压工件尺寸变化时 方案 A D 可用改变输入构件转角的办法来调整从动件 的加压行程 此时机构性能不变 方案 C 则只能用改变工件夹持器的位置来来适应机构的 加压行程 增加了结构制造和使用上的困难 就机构的实用性而言 使用安全可靠是最主要的 从这一点来看 方案 A 的螺旋和楔 块机构都可以使其具有自锁性能 而且采用面接触的两个对称机构 加压时机构稳定 螺 杆受拉力 受力情况好 无压杆稳定问题 有两个自锁坏节 所以工作绝对可靠 而且 加压性能不受工件尺寸变化的影响 在日常检修 维护方面 各方案均较简单 只是采用 液压缸 应考虑防漏问题 上述各方案有其各自的优缺点 最后怎样来确定采用哪个方案 目前流行一种定量式 判别办法 就是将上述各项指标按其重要程度分别规定 分 值 然后逐项评分 哪个方 案得到的总分最多 就认为哪个方案最优 对于简单的机构 我们可抓住关键性的性能指 6 标和突出的优点或缺点来决定方案的取舍 象上述评论的例子中 在铅垂方向尺寸最小的 情况下 再比较增力性能和自锁可靠性 可确定方案 A D 是较好的方案 若考虑到液压 缸的防漏要求比较严格 制造要求较高 那么可优先考虑采取方案 A 2 4 2 4 机械运动方案及机构设计实例机械运动方案及机构设计实例 不同的设计课题有不同的具体设计内容和方法 这里列举的实例仅用来说明机构的设 计步骤和大致过程 例一 设计 5 吨压片机的加压机构 一 了解题意 设计的第 步就是要了解题意 即了解机器的工作对象 加工方法和工作参数 设计 时必要的原始数据 它们都是设计机构的依据 压片机是将陶瓷干粉料压制成直径为 34mm 厚度为 5mm 的圆形片坯 其工艺过程是 1 干粉料均匀筛入圆筒形型腔 图 2 5a 2 下冲头下沉 3mm 预防上冲头进人型腔时把粉料扑出 图 2 5b 3 上 下冲头同时加压 图 2 5c 并保压一段时间 4 上冲头退出 下冲头随后顶出压好的片坯 图 2 5d 5 料筛推出片坯 图 2 5e 其余设计参数是其余设计参数是 冲头压力 15 吨 150000N 生产率 每分钟 25 片 机器运转不均 匀系数 10 驱动电机 1 7 2 8kW 940 1410r min 二 分解工艺动作 拟定执行机构的运动形式 根据工艺过程 机构应具有一个模具 圆筒形型腔 和三个执行构件 一个上冲头 一个 下冲头和一个料筛 三个执行构件的运动形式为 图 2 5 1 上冲头完成往复 铅垂上下 直移运动 下移至终点后有短时间的停歇 起保压作用 因冲头上升后要留有料筛进入的空间 故冲头行程约为 90 100mm 若机构主动件一转完 成一个运动循环 则上冲头位移线图的形状大致如图 2 6a 所示 7 2 下冲头下沉 3mm 然后上升 8 mm 加压 后停歇保压 继而上升 16 mm 将成型片 坯顶到与台面平齐后停歇 待料筛将片坯推离冲头后在下移 21 mm 到待装料位置 其位移 线图大致如图 2 6b 所示 3 料筛在模具型腔上方住复振动筛料 然后向左退回 待坯料成形并被推出型腔后 料筛复在台面上右移约 45 50 mm 推卸成形片坯 其位移线图大致如图 2 6c 所示 图 2 6 图 2 7 三 根据工艺动作顺序和协调要求拟定运动循环图 拟定运动循坏图的目的是确定各机构执行构件动作的先后顺序 相位 以利于设计 装配和调试 上冲头加压机构主动件每转完成一个运动循坏 所以拟订运动循环图时 以该主动件 的转角作为横坐标 0 360 以各机构执行构件的位移为纵坐标画出位移曲线 运动循 环图上的位移曲线主要着眼于运动的起迄位置 而不必准确表示出运动规律 例如 料筛退出加料位置 图 2 7 中线段 后停歇 料筛刚退出 了冲头即开始下沉 3mm 图中 下冲头下冲完毕 上冲头可下移到型腔入口处 图中 待上冲头到达台面 下 3mm 处时 下冲头开始上升 对粉料两面加压 这时 上 下冲头各移 8mm 图中 然后两冲头停歇保压 图中 保压时间约为 0 4 秒 相当于主动件转 60 左右 以后 上冲头先开始退出 下冲头稍后并稍慢地向上移动到和台面平齐 顶出成形片坯 图中 下冲头停歇待卸片坯时 料筛推进到型腔上方推卸片坯 图中 下冲头下移 21mm 的同 时 料筛振动粉料 图中 而进入下一个循坏 拟定运动循环图 图 2 7 时 还要注意一个问题 即各机构执行构件的动作起迄位置可 视具体情况重叠安排 例如上冲头还未退到上顶点 料筛即可开始移动送进 而料筛尚未 完全退回 上冲头已开始下行 只要料筛和上冲头不发生碰撞 阻挡 即行 这样安排 可 增长执行构件的运动时间 减小加速度 从而改善机构的运动和动力性能 确定运动循环图后 即可据此拟订合适的运动规律曲线 进行机构设计 必要时 再 对设计的机构进行运动分析 用分析得到的位移规律到运动循环图上观查机构运动是否协 调 若有不当之处 应将运动循环图作适当修正 8 四 确定机构方案 由上述分析可知 压片机机构有三个分支 一为实现上冲头运动的主加压机构 二为 实现下冲头运动的辅助加压机构 三是实现料筛运动的上 下料机构 此外 当各机构按 运动循环图确定的相位关系安装以后 应能作适当的调整 故在机构之间还需设置能调整 相位的环节 也可能是机构 这里仅对其中的主加压机构叙述其设计过程 实现上冲头运动的主加压机构应有下述几种基本运动功能 1 上冲头要完成每分钟 25 次往复移动运动 所以机构的主动构件转速应为 25r min 若以电动机作为原动力 则主加压机构应有运动缩小的功能 2 因上冲头是往复运动 故机构要有运动交替的功能 3 原动机的输出运动是转动 上冲头是直移运动 所以机构要有运动转换的功能 4 因有保压阶段 所以机构上冲头在下移行程末端有较长的停歇或近似停歇的功能 5 因冲头压力较大 所以希望机构具有增力的功能 以增大有效作用力 减小原动 机的功率 图 2 8 先取上述 1 2 3 三种必须具备的功能来组成机构方案 若每一功能仅由一类基 本机构来实现 如图 2 8 所示 则有六种动作结构 可组合成 100 多种方案 直观进行判 断 舍弃一些方案 例如 我们可从中选出如图 2 9 所示的四种方案作为评选方案 由于上冲头在下移行程的末端还有停歇和增力的附加要求 所以对上述方案要再作增 改 要使机构从动件 执行构件 在行程中停歇 即运动速度为零 大致有下述几种办法 1 如图 2 9 中方案一 三用转动凸轮推动从动件 则与从动件行程末端相应的凸轮廓 9 线用同心圆弧廓线时 从动件在行程末端停歇 曲柄导杆机构 图 2 10a 也有同样的作用 图 2 9 2 使机构的运动副或运动链暂时脱离 这可采用基本机构的变异机构 如槽轮机构 图 2 10b 也可采用换向机构或离合器 图 2 10c 当换向轮处于中间位置时 从动件 A B 螺杆停歇 图 2 10 3 在机构串联组合时 使两机构的从动件均在速度零位时串接 因为速度零位附近 的速度一般也较小 这就使得串联组合机构输出构件的速度在较长一段时间内接近为 零 如图 2 9 方案四所示 4 用其它方式组合机构 如用轨迹点串联时 当轨迹点在直线段或圆弧段上运动时 从动件停歇 并联组合时 将两个输入构件的运动规律相加 可使输出构件的速度在预定 区域内接近于零 至于机构增力的要求 它与机构停歇的要求 从功率传递的角度来看 有着内在的联 10 系 因为 若不计摩擦损耗时 输入 输出功率应相等 即 所以速度低时 M 11 M 力大 根据这个道理 可使冲头在下移行程末端 8mm 的范围内向有足够低的速度 这是 增力措施之一 此外 合适地安排机构构件的相对位置 使得到良好的传力条件 即得到 较大的有效作用力 也是一种 增力 的办法 五 评选机构方案 按照前述的方案评选原则 充分分析各方案的优缺点 然后选出几个比较合适的方案 图 2 9 方案一 三都采用了凸轮机构 凸轮机构虽能得到理想的运动规律 但要使从动件 达到 90 100mm 的行程 凸轮的向径比较大 于是凸轮机构的运动空间也较大 而且凸轮 与从动件是高副接触 不宜用于低速 大压力的场合 图 2 9 方案二采用曲柄滑块机构 曲柄长度仅为滑块行程的一半 机构结构简单 尺 寸较小 但滑块在行程末端只作瞬时停歇 运动规律不理想 如用图 2 9 方案四 将曲柄 摇杆机构和曲柄滑块机构串联 刚可得到比较好的运动规律 尺寸也不致过大 又因为它 是全低副机构 宜用于低速 重载的场合 其余方案也可达到所要求的机构功能 但均不如前述几个方案的结构简洁 所以 选 用方案四是比较适宜的 至于下冲头机构和料筛机构 也可照上述方法选定方案 不再详述 前者因位移不大 运动规律复杂 可考虑用凸轮机构 后者因要完成振动动作 所以可用凸轮机构完成小振 动动作 用串联的连杆机构实现运动转换和放大 六 机构的尺度设计 机构尺度设计的方法很多 这里仅介绍一种方法 供参考 方案四是由曲柄摇杆机构和曲柄滑块机构串联而成的组合机构 属构件固接式串联组 合 今将第一个机构的输出构件 在速度为零的位置 和第二个机构的输入构件 在其输出构 件速度接近为零时的位置 固接起来 即机构串联起来 那么 在这个位置附近 一段较长 时间 组合机构的输出构件将近似停歇 其原理说明如下 假设已知曲柄滑块机构的运动规律 图 2 11a 图 2 11b 所示该机构正处于滑块 2 s 速度接近于零的位置 曲柄摆杆机构的运动规律 如图 2 11c 实线所示 而图 2 11 11d 所示为该机构摇杆正处于速度为零的位置 若将图 2 11b 图 2 11d 所示的两个AOA 机构就在图示位置串联 则串联以后构件和成为一个构件 图 2 11e 因此 AOAAOA 第一个机构中的和第二个机构中的有如下关系 1 2 102 11 式中为一常数 所以若将图 2 11c 的坐标用表示 则相当于曲线平移了一个 0 1 2 距离 如虚线所 当和如图 2 11a 图 2 11c 所示 则沿图中箭头所示走 0 2 s 11 向 从得 由得 而从 得到曲线上的一点 依此可得出一 1 1 2 s 1 s s 1 条曲线 从图 2 11a 图 2 11c 的局部放大图图 2 11f 中可知 在由 b c 0 as 1 1 的区域内 转角约 70 滑块的位移约在接近零的一个很小的范围 约 0 37mm 内运动 s 依靠运动副的间隙 可近似认为这时滑块是停歇的 12 图 2 11 由此看来 若使曲线上为零的附近的一段曲线变化比较平缓 曲线在 2 ss 11 的最小值附近的曲线也比较平缓的话 滑块近似停歇所占的角就比较大 又为了使 1 1 构件受力小些 同时也使机构能得到比较合理的布置 可将曲柄摇杆机构BA 整个绕逆时针向转一个角度 如图 2 11g 所示 这并不影响机构的运动 sA OBAO A O 0 性能 反而改善了构件的受力条件 BA 根据上述分析 该机构可按如下步骤设计 1 确定曲柄滑块机构尺寸 根据曲柄滑块机构特性 图 2 12a 愈小 在rl 处的位移变化愈大 所以应选较大的 但愈大 从到 90 100mm 的位移0 s 0 s 所需曲柄的转角也愈大 又因为曲柄是与曲柄摇杆机构中的摇杆串接的 而摇杆的转角 应小于 180 且希望取小一些为好 所以 应取一个合适的曲柄长度和值 满足滑块 90 100mm 的行程 而曲柄转角则在 60 左右 同时在的范围内滑块位 182178 2 移不大于 0 4mm 或更小 可近似看作滑块停歇 如图 2 13 所示 图 2 12 2 确定曲柄摇杆机构尺寸 在压片位置 机构应有较好的传动角 所以 当摇杆在 AOA 位置时 曲柄摇杆机构的连杆与的夹角应接近 90 此时 应选在的B A AOA B OB A 延长线上 则受力最小 故在此线上选一适当位置作 具体选定的位置B A B O B O 时 可再考虑急回特性的要求 或摇杆速度接近零的区域中位移变化比较平缓的要求 它 13 与机构尺寸的大致关系是 行程速比变化系数或愈大 在位置时的位移变化较大k 1 A 图 2 12b 所以距离点远一些好 但又受到机构尺寸和急回特性的限制 不能取得 B OA 太远 选定以后 可定出与两个位移 或 三个位置 按上述 B OAOA 43 命题没计出曲柄摇杆机构的尺度 角为两机构串联的相位角 设计结果如图 2 13 所示 0 其后 再对设计结果进行运动分析 可得到机构正确的运动规律 最后 再回到运动循环 图上 检查它与其它执行构件的运动有是否干涉的情况出现 必要时可修正运动循环图 图 2 13 14 第三章 课程设计题目 3 1 3 1 半自动平压模切机机构设计半自动平压模切机机构设计 一 设计题目 设计半自动平压模切机的模切机构 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 该机可对各种规格的白纸板 厚度在 4mm 以下的瓦愣纸板 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 切线的纸扳 用手工或 机械沿切线处去掉边料后 沿着压出的压痕可折叠成各种纸盒 纸箱 或制成凹凸的商标 压制纸板的工艺过程分为 走纸 和 模切 两部分 如图 3 1 所示 4 为工作台面 工作台上方的 1 为双列链传动 2 为主动链轮 3 为走纸模块 共五个 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 主动链轮由间歇机构带动 使双列链条作同步 的间歇运动 每次停歇时 链上的一个走纸模块刚好运动到主动链轮下方的位置上 这时 工作台面下方的控制机构 其执行构件 7 作往复移动 推动横块上的夹紧装置 使夹紧片 张开 操作者可将纸板 8 喂入 待夹紧后 主动链轮又开始转动 将纸板送到具有上模 5 装调以后是固定不动的 和下模 6 的位置 链轮再次停歇 这时 在工作台面下部的的主 传动系统中的执行构件 滑块 6 和下模为一体向上移动 实现纸板的压痕 切线 称为模 压或压切 压切完成以后 链条再次运行 当夹有纸板的模块走到某一位置时 受另一机 构 图上未表示 作用 使夹紧片张开 纸板落到收纸台上 完成一个工作循环 与此同 时 后一个横块进人第二个工作循环 将已夹紧的纸板输入压切处 如此实现连续循环工 作 本题要求按照压制纸板的工艺过程设计下列几个机构 使下压模运动的执行机构 起 减速作用的传动机构 控制横块上夹紧装置 夹紧纸板 的控制机构 图 3 1 图 3 2 二 原始数据和设计要求 1 每小时压制纸板 3000 张 15 2 传动机构所用电动机转速 n 1450r min 滑块推动下模向上运动时所受生产阻力如 图 3 2 所示 图中 pc 2 106N 回程时不受力 回程的平均速度为工作行程平均速度的 1 3 倍 下模移动的行程长度 H 50 0 5mm 下模和滑块的质量约 120kg 3 工作台离地面的距离约 1200mm 4 所设计机构的性能要良好 结构简单紧凑 节省动力 寿命长 便于制造 三 设计方案及讨论 根据半自动平压模切机的工作原理 把机器完成加工要求的动作分解成若干种基本运 动 进行机械运动方案设计时 最主要的是要弄清设计要求和条件 掌握现有机构的基本 性能 应用现有机构或有创造性地构思新的机构 以保证机器有完善的功能和尽可低的成 本 不同的机构类型及其组合将构成多种运动方案 对本题进行机构运动方案设时应考虑 以下问题 1 设计实现下模往复移动的机构时 要同时考虑机构应满足运动条件和动力条件 例如 实现往复直线移动的机构 有凸轮机构 连杆机构 螺旋机构等 由于压制纸板时 受力较大 宜采用承载能力高的平面连杆机构 而连杆机构中常用的有四杆机构和六杆机 构 再从机构具有急回特性的要求出发 在定性分析的基础上 选取节省动力的机构 当 受力不大而运动规律又比较复杂时 可采用凸轮机构 例如本题中推动夹紧装置使夹紧片 张开的控制机构 由于夹紧片张开后要停留片刻 让纸板送入后才能夹紧 因而推杆移动 到最高位置时 有较长时间停歇的运动要求 故采用凸轮机构在设计上易于实现此要求 且结构简单 2 为满足机器工艺要求 各机构执行构件的动作在规定的位置和时间上必须协调 如下压模在工作行程时 纸板必须夹紧 在下压模回程时 纸板必须送到模压位置 因此 为使各执行构件能按工艺要求协调运动 应绘出机械系统的机构运动循坏图 3 根据机器要求每小时完成的加工件数 可以确定执行机构主动构件的转速 若电 动机转速与执行机构的主动件转速不同 可先确定总传动比 再根据总传动比选定不同的 传动机构及组合方式 例如 带传动和定轴轮系串联或采用行星轮系等 有自锁要求而功 率又不大时 可采用蜗杆蜗轮机构 对定轴轮系要合理分配各对齿轮的传动比 这个问题 将在机械设计课程中解决 4 在一个运动循环内 仅在某一区间承受生产阻力较大的机器 将引起等效构件所 受的等效阻力矩有明显的周期性变化 若电动机所产生的驱动力矩近似地认为是常数 则 将引起角速度的周期性波动 为使主动件的角速度较为均匀 应考虑安装飞轮 可适当选 择带传动的传动比 使大带轮具有一定的转动惯量而起飞轮的作用 通常应计算大带轮的 转动惯量是否满足要求 如不满足 则需另外安装飞轮 实现本题要求的机构方案有多种 现介绍几例 1 实现下模往复移动的执行机构 具有急回或增力特性的往复直移机构有曲柄滑块 机构 曲柄摇杆机构 或导杆机构 与摇杆滑块机构串联组成的六杆机构等 图 3 3 3 4 3 5 2 传动机构 连续匀速运动的减速机构有带传动与两级齿轮传动串联 带传动与行 星轮系串联和行星轮系 需安装飞轮 等 16 图 3 3 3 控制夹紧装置的机构 具有一端停歇的住复直移运动机构有凸轮机构 具有圆弧 槽的导杆机构等 图 3 4 图 3 5 图 3 3 所示方案的主要优点是滑块 5 承受很大载荷时 连杆 2 却受力较小 曲柄 1 所 需的驱动力矩小 因此该机构常称为增力机构 它具有节省动力的优点 此外 图 3 4 3 5 所示为另外两种六杆机构 供分析比较 其它设计方案可由学生自行构思 四 设计步骤 1 构思 选择机构方案 机构方案的构思和选择讨论 已如上述 做出运动循环图 下面以图 3 3 所示方案为 例介绍设计步骤 2 计算总传动比 分配各级传动比和确定传动机构方案 本题总传动比 曲电总 nni 293000 601450 3 机构设计 17 按选的平面连杆机构 由己知参数按解析法 图解法或两种方法兼用 以计算机构尺 寸 由于本题是具有短暂高峰载荷的机器 应验算其最小传动角 并尽可能保证压模工作 时 有较大的传动角 以提高机器的效率 a b 图 3 6 如机构在图 3 6 所示的位置上 摇杆滑块机构的受力图可用图解法求得 图 3 6b 由 于该瞬时构件垂直 所以力多边形中BCDE tgPR c 2 12 由此可知 很大而较小 特别是压力角愈小 也愈小 有利于节省动力 c P 12 R 12 R 根据上述观点安排机构位置以后 可先进行摇杆滑块机构的设计计算 这可采用解析法来 得到较为合适的尺寸参数 如图 3 6a 得 443343 sinsin llllHs 若取时 则 43 ll 34 333 sin22 llHs 当摇杆在最右端极限位置时 取 由得 303 0 s 303 cos12 Hl 适当考虑安装尺寸 选择不同的可得到不同的 当摇杆长度和往复摆动角巳 30 3 l 3 l 知后 可用图解法设计曲柄摇杆机构 4 运动分析和力分析 18 在完成平面连杆机构设计的基础上 进行运动分析和动态静力分析 仅考虑滑块和下 模的惯性力 包括用解析法建立数学模型 绘制程序框图 用计算机打印源程序与计算 结果 并根据计算结果绘制运动线图 位移 速度 加速度线图 和平衡力矩线图 5 选择控制夹紧装置的机构方案 6 绘制所设计方案的机构运动简图 7 编写说明书 说明书内容包括设计题目 机构方案设计和选择 机构设计 机构 运动分析 力分析及其结果 五 应完成的工作量 学生应完成 1 包括执行机构 传动机构 控制机构的机构运动方案选择 至少 3 个 运动循环图 2 绘制 3 个机构运动方案的执行机构 传动机构的机构运动简图 3 对执行机构进行运动分析 完成主程序的编写 其中包括主程序流程图 绘制执 行机构的运动线图 4 设计说明书一份 1 2 3 画在 1 张 1 号图上 对执行机构方案应组织学生讨论 若不具备计算机 辅助设计条件 可全部改用图解法进行设计计算 采用计算机辅助设计时 让学生编写主 程序 并调用子程序 见本指导书第 4 章 完成上述任务需 1 5 周 其中上机机时约为 8 10 小时 若课程设计时间为 2 周 可以考虑再完成凸轮机构设计或动态静力分析 飞轮设计内 容 3 2 3 2 平台印刷机主传动机构设计平台印刷机主传动机构设计 一 设计题目 设计平台印刷机主传动机构 平台印刷机的工作原理是复印原理 即将铅版上凸出的痕迹借助于油墨压印到纸张上 平台印刷机一般由输纸 着墨 即将油墨均匀涂抹在嵌于版台上的铅版上 压印 收纸 等四部分组成 图 3 7 图 3 8 19 如图 3 7 所示 平台印刷机的压印动作是在卷有纸张的滚筒与嵌有铅板的版台之间进 行的 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i 成两路 一路经传动机构 带动版台作往复直移运动 另一路经传动机构 带动滚筒作回 转运动 当板台与滚筒接触时 在纸张上压印出字迹或图形 版台工作行程中有三个区段 如图 3 9 所示 在第一区段时 送纸 着墨机构 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 在第三区段中 收纸 机构进行收纸作业 本题目所要设计的主传动机构就是指版台的传动机构 及滚筒的传动机构 二 原始数据及设计要求 1 要求构思合适的机构方案实现平台印刷机的主运动 版台作往复直移运动 滚筒 作连续或间歇转动 2 为了保证印刷质量 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 滚筒表面点的线速度与版台移动速度相等 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速度变化限制在 一定的范围内 应尽可能小 4 不同类型的平台印刷机所要求实现的生产率 即每小时印刷张数 板台往复运动的 行程长度及其它设计参数如下表所示 参数 类型 生产率 张 小时 版台行程长度 mm 压印区段长度 mm 滚筒直径 mm 电机功率 kW 电机转速 rpm 低速型1920 20007304402321 5940 高速型4000 45007954153603 01450 5 要求机构传动性能良好 结构紧凑 制造方便 三 设计方案及讨论 根据前述设计要求 版台应作往复移动 行程较大 且尽可能使工作行程中有一段匀 速运动 压印区段 并有急回特性 滚筒作间歇 滚停式 或连续 有匀速段 转动 这些运动 要求不一定都能得到满足 但一定要保证版台和滚筒在压印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 使两者运动达到良 好的配合 由此出发构思方案 1 版台传动机构方案 1 1 六杆机构 图 3 9 所示六杆机构的结构比较简单 加工制造比较容易 作住复移动 的构件 5 即版台 的速度是变化的 有急回特性 有扩大行程的作用 但由于构件数较 多 故机构刚性差 不宜用于高速 此外 此机构的分析计算比较复杂 20 图 3 9 图 3 10 1 2 曲柄滑块机构与齿轮齿条机构的组合 图 3 10 所示机构由偏置曲柄滑块机构与齿 轮齿条机构串联组合而成 其中下齿条为固定齿条 上齿条与版台固连在一起 此组合机 构最重要的特点是版台行程比铰链中心点的行程大一些 此外 由于齿轮中心 相当CC 于滑块的铰链中心 的轨迹对于点偏置 所以上齿条的往复运动有急回运动 A 1 3 双曲柄机构 曲柄滑块机构与齿轮齿条机构的串联组合 图 3 11 所示组合机构的 下齿条也是可移动的齿条 故可由下齿条输入另一运动 以得到所需的合成运动 当不考 虑下齿条的移动时 上齿条 即版台 运动的行程也是转动副中心点的行程的 2 倍 这里C 用两个连杆机构串联主要是考虑到用曲柄滑块机构满足版台的行程要求 而用双曲柄机构 满足版台在压印区中近似匀速的要求和回程时的急回特性要求 图 3 11 图 3 12 1 4 齿轮可作轴向移动的齿轮齿条机构 图 3 12 所示齿轮齿条机构的上 下齿条均为 可移动的齿条 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 可使齿轮时而和上齿条啮合 时而和下齿条啮合 从而实现版台的往复移动 若 齿轮作匀速转动 则版台作匀速往复移动 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 如 对印 2 22m 痕浓淡均匀性要求较高时采用 2 滚筒传动机构方案 图 3 13 图 3 14 2 1 齿轮齿条机构 转停式滚筒的传动机构 图 3 13 所示的滚筒是由版台上的齿条带 动滚筒上的齿轮转动的 因而可保证滚筒表面点的线速度和版台速度在压印区段完全等的 要求 此种机构的特点是结构简单 易于保证速度同步的要求 但当版台空回时 滚筒应停 21 止转动 因而应设置滚筒与版台运动的脱离装置 如滚筒与齿轮间装单向离合器等单向运动 装置 及滚筒的定位装置 如图 3 14 由于滚筒时转时停 惯性力矩校大 不宜用于高速 2 2 齿轮机构 图 3 15 所示的滚筒是由电动机通过带传动及齿轮减速后 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 如前述版台传动机 构方案 1 2 3 带动时 很难满足速度同步的要求 因而此种机构方案一般只和版台传动 机构方案 4 图 3 12 配合使用 图 3 15 图 3 16 2 3 双曲柄机构 图 3 16 所示为双曲柄机构与齿轮机构串联组成的滚筒传动机构 此 传动机构为非匀速运动机构 但当设计合适时 可使滚筒在压印区段的转速变化平缓 这 样既可保证印刷质量 又可减小滚筒直径 因为这种机构的滚筒作连续转动 所以其动态 性能比转停式性能简好 值得指出的是 1 印刷机主传动机构方案 中应加设滚筒与版台的运动脱离机构 及滚筒定位机构 2 在按主传动机构方案 IV 设计时 为了保证滚筒表面点的线速度与版 台往复运动速度在压印区段完全一致 一般应加设运动补偿机构 如图 3 17 所示凸轮补偿 机构 其它设计方案可由学生自行构思 图 3 17 四 设计步骤 1 设计和选择方案 平台印刷机主传动方案的设计与选择 可根据原始数据和没计要求 并充分考虑各种 方案的特点进行 此外 还应考虑以下几个方面的问题 1 1 要求的生产率 1 2 刷纸张幅面大小 幅面大 版台运动的匀速要求较高 1 3 机构的结构实现的可能性 22 1 4 传力特性 2 确定设计路线 以平台印刷机主传动机构设计方案 为例 来说明设计路线 首先根据生产率及压印区的速度变化较小的要求 设计滚筒的双曲柄机构 然后 根 据版台的往复运动行程并考虑有急回特性的要求 设计实现版台运动的曲柄滑块机构 再 根据滚筒表面点的线速度与版台运动速度在压印区尽可能接近的原则 设计串联在曲柄滑 决机构前的双曲柄机构 最后 对已设计出的机构进行运动分析并根据压印区接近匀速的 要求 确定该区间位置 再求出在该区间内运动时滚筒表面上的点转过的弧长及版台上与 之相接触的一点的位移之间的差值 从而可得出凸轮机构从动件 图 3 17 的下齿条 的位移 曲线 并据此设计出该凸轮轮廓曲线 由于此方案比较复杂 建议只要学生设计版台的传动机构 即包括版台传动机构中的双 曲柄机构 曲柄滑块机构 用于运动补偿的凸轮机构 3 设计曲柄滑块机构 根据版台往复运动的行程 求得滑块铰接点的行程 选定连杆长与曲柄长之比LR 一般可在 2 8 4 之间选取 偏距与曲柄长度之比 般在RL eRRe 0 3 0 4 之间 据此 可求出 RLe 4 设计版台的双曲柄机构 根据已知的滚筒速度曲线 由教师给出 或给出滚筒双曲柄机构尺寸 由学生作运动分 析得到 初定压印区段后 即可着手设计版台的双曲柄机构 4 1 首先根据压印区段的滚筒表面点线速度与版台移动速度相等的要求或纯滚动的要 求 确定版台的双曲柄机构中两连架杆若干对应位置关系 用插值法或图解法以取 3 4 对位 置 用优化方法则以取六至十个对应位置为宜 4 2 用图解法 插值法或函数平方逼近法或其它优化方法设计出该机构 5 用于运动补偿的凸轮机构设计 5 1 在假设版台传动机构系统未安装运动补偿的凸轮机构 且下齿条固定不动的情况 下 对主传动系统进行运动分析 求出版台及滚筒表面点的位移曲线及速度曲线 5 2 根据上述曲线 调整压印区 压印区的始点一般应为同速点 即版台运动速度与滚 筒表面点的速度相同的位置 压印区段的速度变化相对较小且两条速度曲线相当接近 5 3 将压印区分成几段 得到个分点 并依次求出滚筒表面点转过的弧长与版台1 n 位移之间的各个差值 画出以曲柄 或凸轮 转角为横坐标的曲线 即 i s 2 1 ni 为凸轮机构从动件在压印区的位移曲线 5 4 确定凸轮机构从动件位移曲线中的过渡曲线段 并用图解法求出凸轮的理论轮廓 5 5 检验压力角和最小曲率半径 确定滚子半径 求出凸轮实际廓线 6 整理设计说明书 五 建议完成工作量 建议对版台主传动机构用计算机进行辅助设计 为此 要求学生在熟悉各子程序功能 23 标识符的意义及调用方法的情况下 编制并调试主程序 然后用自己调试好的程序系统算 出结果 凸轮轮廓可用图解法 亦可用解析法求出 学生应完成 1 3 种主传动机构的运动方案选择 运动循环图 2 绘制 3 种主传动机构的运动简图 其中 1 种方案的运动线图 3 对执行机构进行运动分析 完成主程序的编写 其中包括主程序流程图 绘制执 行机构的运动线图 4 设计说明书 1 份 1 2 绘于 1 张 1 号图纸上 完成上述任务需 1 5 周 其中上机机时约为 8 10 小时 若课程设计时间为 2 周 可以考虑再作凸轮位移曲线及凸轮廓线图 3 号图纸 1 张 3 3 3 3 牛头刨床设计牛头刨床设计 一 设计题目 a b 图 3 18 牛头刨床是一种用于平面切削加工的机床 如图 3 18a 电动机经皮带和齿轮传动 带动曲柄 2 和固结在其上的凸轮 8 刨床工作时 刨头 6 和刨刀 7 作往复运动 刨头右行 时 刨刀进行切削 称工作行程 此时要求速度较低并且均匀 以减少电动机容量和提高 切削质量 刨头左行时 刨刀切削 称空回行程 此时要求速度较高 以提高生产率 刨 刀每切削完一次 利用空回行程的时间 凸轮 8 通过四杆机构 1 9 10 11 与棘轮带动螺旋 机构 图中未画 使工作台连同工件作一次进给运动 以便刨刀继续切削 刨头在工作行 程中 受到很大的切削阻力 在切削的前后各有一段约的空刀距离 见图 3 18 H05 0 b 而空回行程中则没有切削阻力 因此刨头在整个运动循环中 受力变化是很大的 这就影 响了主轴的匀速运转 故需安装飞轮来减小主轴的速度波动 以提高切削质量和减少电动 机容量 24 二 设计数据 见表 3 1 和表 3 2 表 3 1 导杆机构的运动分析导杆机构的动态静力分析 n2lO2O4lO2AlO4BlBClO4S4xS6yS6G4G6 P ypJS4 方案 r minmmNmmkg m2 1603801105400 25 lO4B0 5lO4B240502007007000801 1 264350905800 3 lO4B0 5lO4B200502208009000801 2 3724301108100 36 lO4B0 5lO4B1804022062080001001 2 表 3 2 飞轮转动惯量的确定凸轮机构设计齿轮机构的设计 nO z1zO z1 JO2JO1JO JO maxlO9D s dO dO m12mO 1 方 案 r minKg m2 o mm o mm o 10 155 0 3 0 2 0 21512540751075100 30063 520 20 155 0 4 0 25 0 21513538701070100 3006420 30 165 0 3 0 2 0 21513042751065100 30063 520 三 方案设计及讨论 牛头刨床的主传动机构的原动件是曲柄 从 动件为刨头 滑块 行程中有急回特性 机构应有 较好的动力特性 要满足这些要求 用单一的四 杆机构是难以实现的 下面介绍几种仅供参考 更多的方案有待读者自行构思 1 如图 3 19 所示 牛头刨床的主传动机构 采用导杆机构 连杆滑块机构组成的 6 杆机构 采用导杆机构 滑块与导杆之间的传动角始终 为 o 且适当确定构件尺寸 可以保证机构工 90 作行程速度较低并且均匀 而空回行程速度较高 满足急回特性要求 适当确定刨头的导路位置 可以使压力角尽量小 图 3 19 2 如图 3 20 所示 牛头刨床的主传动机构采用凸轮机构和摇杆滑块机构 适当选择 凸轮运动规律 设计出凸轮廓线 可以实现刨头的工作行程速度较低 而返回行程速度较 高的急回特性 在刨头往复运动的过程中 避免加减速度的突变发生 采用正弦加速度运动 规律 刨刀切削工件时 受到较大的切削阻力作用 空程返回时无切削力作用 只须克服惯