机械原理课程设计教学大纲和题目

1、机械原理课程设计一.课程设计的目的或作用（为什么要进行课程设计）机械原理课程设计是学习完机械原理课程后，进行的一个重要的实践性教学环节。1.理论联系实际。通过对机械原理课程的学习，已经掌握了机械中的各种常用机构及其作用原理、组成、运动特性、受力特性等知识，通过课程设计，综合运用所学的知识，理论联系实际去分析解决工程中的实际问题，提高解决实际问题的能力；同时可进一步巩固所学知识，加深对课程知识的理解。2.通过课程设计，可使学生对机械系统有一个初步了解，培养学生机械系统运动方案设计和分析能力，培养机构创新设计的能力。 3.培养学生收集和查阅设计资料、制图和数据处理及归纳总结的能力，通过编制计算机程

2、序，能够利用计算机来解决机构设计中的实际问题。 二.课程设计在机械设计过程中所处的阶段任何一个机械产品的设计大致经过四个阶段计划阶段、总体方案设计阶段、结构设计阶段和改进设计阶段。1.计划阶段根据市场需求，进行调研分析、成本预测、可行性论证，确定所设计产品的用途、主要性能参数、编制设计任务书，明确具体的设计要求。2.总体方案设计阶段方案设计阶段非常关键，对产品设计的优劣起着重要作用。根据产品的功能要求，确定出合适的工作原理；根据各执行构件完成的动作进行机构的选型、创新与组合，确定出最佳运动方案；拟定总体方案，进行原动机、传动系统和执行系统的选择和基本参数设计；最后绘制机械传动系统示意图和各执行

3、机构的运动简图。3.结构设计阶段 根据总体设计方案确定整机和零部件的合理结构，设计绘制总装配图、部件装配图和零件图。这其中要考虑加工工艺、装配工艺、包装运输、人机工程学、造型美学和经济性、安全性、可靠性、实用性等因素，来确定零部件的相对位置、结构形状及连接方式；根据运动和动力设计、强度和刚度计算，来选择零件的材料、热处理方式，确定零件的尺寸、公差、精度等；然后设计绘制总装配图、部件装配图和零件工作图，并编写设计计算说明书，完成全部有关的技术文件。4.改进设计阶段根据生产加工，样机调试、性能测试、用户使用过程中暴露出问题和缺陷进行修改和完善，使产品更加完美，提高产品的竞争力和生命力。机械原理课程

4、设计主要进行第二阶段的工作，即总体方案设计阶段的工作，进行机构选型与创新、运动方案设计和运动简图的设计。等下学期学习完机械设计课程后，要进行机械设计课程设计，要完成的就是机械设计第三阶段的工作，即机构设计阶段的工作。三.课程设计的内容和步骤1. 认真阅读设计任务书，明确机械的工作原理、设计要求、已知条件、设计任务和工作量，收集有关资料，复习有关课程知识。2.机械运动方案设计，主要完成一个给定简单机械的总体运动方案设计。对执行机构的工艺动作进行分解，为满足工艺动作进行机构类型的选择、创新，并对选择的几种机构进行组合，得到几种机械运动方案，对方案进行比较分析，确定出符合设计要求的较佳机械运动方案。

5、3.机械系统传动方案设计。按照设计要求确定机械的总传动比，选择合适的各级传动方案，计算各级传动比，确定出各级传动的初步尺寸，绘制传动系统图。4.机械运动机构设计。根据设计要求，对各执行机构进行运动协调分析，确定出机构各构件的具体尺寸和相对位置，设计出各具体机构，绘制各机构运动简图。5.按照一定比例绘制整个机械系统的运动简图。6.机构运动分析和动力分析。对机构进行运动分析，求出机构个构件的位移、速度、加速度，绘出位移、速度和加速线图，验证机构运动满足设计要求；对机构进行动力分析，据各构件的质量及转动惯量确定机构的惯性力、惯性力偶矩、各位置的运动副反力及应加于原动件上的平衡力矩，绘制平衡力矩及运动

6、副反力的变化线图，以便清楚地了解在一个运动循环中，平衡力矩及运动副反力的变化情况。7.编制计算说明书。内容包括：设计题目、设计任务和给定条件；机械运动方案的论证与比较、运动方案确定；机械传动方案设计；机构运动循环分析，机构设计与具体尺寸确定；机构运动分析；设计讨论与分析；设计总结；参考文献。四.课程设计的方法 课程设计的方法有图解法、解析法和实验法三种。主要用图解法和解析法，设计过程中可采用图解法与解析法相结合使用。图解法是运用某些几何关系或已知条件，通过几何作图求得结果，所需尺寸可直接从图上量取。优点是可将分析设计结果清晰表现在图样上，直观形象，便于检查结果是否正确。缺点是作图繁琐，精度不高

7、，对精度要求高或复杂问题不适用。解析法以机构参数来表达各构件间的函数关系，建立机构的位置方程和求导方程，解析求解未知量，可借助计算机，用C语言、VB或Matlab进行编程计算，避免大量重复人工劳动，计算精度高，能解决复杂问题，应用逐渐广泛。在机构设计中和运动分析中都分别用到图解法和解析法。另外，还可用Solidworks、Pro/ENGINEER软件进行机构的三维建模，用 ADAMS 等软件进行运动学和动力学仿真分析。五.课程设计中用到的知识课程设计中，确定的运动方案中要有平面连杆机构和凸轮机构，传动方案中还要有齿轮机构，要进行机构选型，要进行机构的运动分析。因而要了解熟悉平面连杆机构、凸轮机

8、构、齿轮机构、棘轮机构、槽轮机构、不完全齿轮机构等机构的工作原理、运动特性及尺寸参数计算，要掌握图解法求解机构速度、加速度的计算方法、要会用一门计算机语言进行编程计算。六.课程设计的进度安排1.听课、明确设计任务 0.5天2.机构选型、方案比较分析与确定、传动方案设计 1.5天4.机构设计、运动循环确定、运动简图绘制、机构运动分析 2天5.凸轮设计与上机编程计算 1天7.编写设计说明书 1天8.答辩 1天七.考核与成绩评定课程设计成绩分优秀、良好、中等、及格和不及格五级，成绩不及格应重新进行设计。根据学生的设计态度、设计质量、创新性及答辩情况综合评定学生机械原理课程设计的成绩等级。对课程设计考

9、评按四项内容进行，所占比例为：1）方案设计及创新性 302）设计方法及程序设计 303）图样部分及说明书 304）出勤 10八.课程设计场地9号楼601室九.设计任务书指导说明机械原理课程设计指导书一.课程设计在机械设计过程中所处的阶段任何一个机械产品的设计大致经过四个阶段计划阶段；总体方案设计阶段；结构设计阶段；改进设计阶段。机械原理课程设计主要进行第二阶段的工作，即总体方案设计阶段的工作，进行机构选型与创新、运动方案设计和运动简图的设计。等下学期学习完机械设计课程后，要进行机械设计课程设计，要完成的就是机械设计第三阶段的工作，即机构设计阶段的工作。二.课程设计的内容和步骤1. 认真阅读设计

10、任务书，明确机械的工作原理、设计要求、已知条件、设计任务和工作量，收集有关资料，复习有关课程知识。2.机械运动方案设计，主要完成一个给定简单机械的总体运动方案设计。对执行机构的工艺动作进行分解，为满足工艺动作进行机构类型的选择、创新，并对选择的几种机构进行组合，得到几种机械运动方案，对方案进行比较分析，确定出符合设计要求的较佳机械运动方案。3.机械系统传动方案设计。按照设计要求确定机械的总传动比，选择合适的各级传动方案，计算各级传动比，确定出各级传动的初步尺寸，绘制传动系统图。4.机械运动机构设计。根据设计要求，对各执行机构进行运动协调分析，确定出机构各构件的具体尺寸和相对位置，设计出各具体机

11、构，绘制各机构运动简图。5.按照一定比例绘制整个机械系统的运动简图。6.机构运动分析和动力分析。对机构进行运动分析，求出机构个构件的位移、速度、加速度，绘出位移、速度和加速线图，验证机构运动满足设计要求；对机构进行动力分析，据各构件的质量及转动惯量确定机构的惯性力、惯性力偶矩、各位置的运动副反力及应加于原动件上的平衡力矩，绘制平衡力矩及运动副反力的变化线图，以便清楚地了解在一个运动循环中，平衡力矩及运动副反力的变化情况。7.编制计算说明书。内容包括：设计题目、设计任务和给定条件；机械运动方案的论证与比较、运动方案确定；机械传动方案设计；机构运动循环分析，机构设计与具体尺寸确定；机构运动分析；设

12、计讨论与分析；参考文献；设计总结。三.课程设计中用到的知识课程设计中，确定的运动方案中要有平面连杆机构和凸轮机构，传动方案中还要有齿轮机构，要进行机构选型，要进行机构的运动分析。因而要了解熟悉平面连杆机构、凸轮机构、齿轮机构、棘轮机构、槽轮机构、不完全齿轮机构等机构的工作原理、运动特性及尺寸参数计算，要掌握图解法求解机构速度、加速度的计算方法、要会用一门计算机语言进行编程计算。四.机构方案设计参考由设计要求知，冲床包含两个执行机构，即冲压机构和送料机构，分别完成两个功能即送料和冲压零件。冲压机构的主动件是曲柄，从动件（执行构件）为滑块（上模），作往复直线运动，行程中有等速运动段（称工作段），并

13、具有急回特性，冲压行程要承受较大的生产阻力，因而机构应有较好的传力特性。执行构件作往复移动的机构主要有平面连杆机构（包括曲柄滑块机构和移动导杆机构等）、齿轮齿条机构、凸轮机构、楔块机构、螺旋机构等，根据设计要求，冲压机构采用具有急回运动的连杆机构完成冲压动作比较合理；同时设计要求对冲头的运动规律要求比较高，用单一的基本机构如偏置曲柄滑块机构是难以实现，因此，需要将几个基本机构恰当地组合在一起来满足冲压要求。送料机构要求作间歇送进，受力较小，主要是满足运动要求，比较简单。执行构件作间歇运动的机构主要有凸轮机构、棘轮机构、槽轮机构、不完全齿轮机构等，根据设计要求，送料机构可以采用凸轮-连杆组合机构

14、来实现。冲压机构和送料机构执行构件的动作要保证协调，在冲头进行冲压前，送料机构要保证将坯料送至待冲压位置，实现上述要求的机构组合方案可以有许多种，现分别讨论如下。方案一： 齿轮连杆冲压机构和凸轮连杆送料机构如图1所示，冲压机构采用有两个自由度的双曲柄七杆机构，用齿轮副将其封闭为一个自由度（齿轮1与曲柄AB固联，齿轮2与曲柄DE固联）。恰当地选择C点轨迹和确定构件尺寸，可保证机构具有急回运动和工作段近似匀速的特性，并使压力角a 尽可能小。送料机构由凸轮机构和连杆机构串联组成，按运动循环图可确定凸轮推程角和从动件的运动规律，使其能在预定时间将坯料推送至待加工位置。设计时，若使lOG lOH，可减小

15、凸轮尺寸。方案二：摆动导杆滑块冲压机构和凸轮送料机构如图2所示，冲压机构是在摆动导杆机构的基础上，串联一个摇杆滑块机构组合而成。摆动导杆机构按给定图1齿轮连杆冲压机构和凸轮连杆送料机构 图2摆动导杆滑块冲压机构和凸轮送料机构的行程速度变化系数设计，它和摇杆滑块机构组合可以达到工作段近于匀速的要求。适当选择导路位置，可使工作段压力角a 较小。送料机构的凸轮轴通过齿轮机构与曲柄轴相连。按机构运动循环图可确定凸轮推程运动角和从动件运动规律， 则机构可在预定时间将坯料送至待加工位置。方案三：六连杆冲压机构和凸轮连杆送料机构如图3所示，冲压机构由铰链四杆机构和摇杆滑块机构串联组合而成。四杆机构可按行程速

16、度变化系数用图解法设计，然后选择连杆长lEF及导路位置，按工作段近似于匀速的要求确定铰链点E的位置。若尺寸选择恰当，可使执行构件在工作段中运动时机构的压力角a 较小。凸轮连杆送料机构的凸轮轴通过齿轮机构与曲柄轴相连，按机构运动循环图确定凸轮推程运动角和从动件运动规律，则机构可在预定时间将坯料送至待加工位置。设计时，使lIH lIR，可减小凸轮尺寸。 图3六连杆冲压机构和凸轮连杆送料机构 图4连杆凸轮冲压机构和凸轮连杆送料机构方案四：连杆凸轮冲压机构和凸轮连杆送料机构如图4所示，冲压机构采用有两个自由度的连杆凸轮组合机构，用齿轮副将其封闭为一个自由度（齿轮1与曲柄AB固联，齿轮4与两个凸轮固联）

17、。恰当地选择C点轨迹和确定构件尺寸，可保证机构具有急回运动和工作段近似匀速的特性，并使压力角a 尽可能小。改变凸轮轮廓曲线，可改变C点轨迹，从而使执行构件获得多种运动规律，满足不同工艺要求。送料机构由凸轮机构和连杆机构串联组成，按运动循环图可确定凸轮推程角和从动件的运动规律，使其能在预定时间将坯料推送至待加工位置。设计时，若使lHI lHG，可减小凸轮尺寸。 五.传动系统方案设计参考冲压机构送料机构齿轮减速器主轴电动机带传动图5机械传动系统方案图图6机械传动系统示意图六.凸轮解析方程凸轮的理论廓线方程： 直动偏置滚子凸轮： 摆动滚子凸轮： 其中 其中凸轮实际廓线方程： 七.C语言设计凸轮程序参

18、考#include#include#include#define h 15#define pi 3.14159#define t pi/180 /*度-弧度*/#define A1 90 /*各段转角*/#define A2 150#define A3 240#define A4 360#define W 360 /*角速度（度/秒)*/#define K 5 /*循环步距*/#define x0 160 /*凸轮转轴坐标*/#define y0 380 main () /*主程序*/ float e,r0,rr,R,s0,dx,dy,st,ct,p; float s200,v200,a200

19、,dr200,x200,y200,xp200,yp200,xpp200,ypp200; int c=DETECT,b,i=0,w=0; /*-*/ initgraph(&c,&b,tc); /*图形初始化函数*/ /*-*/ e=10.0; /*偏心距*/ r0=50.0; /*基圆半径*/ rr=5.0; /*滚子半径*/ R=80.0; /*外圆半径*/ s0=sqrt(r0*r0-e*e); for(p=0;p=A4;p+=K) if(pA1&pA2&p=A3) /*近休止段*/ si=0; vi=0; ai=0; dri=(atan(vi/(W*t)-e)/(s0+si)/(t); /

20、*压力角*/ xi=x0+(s0+si)*sin(p*t)+e*cos(p*t); /*理论廓线坐标*/ yi=y0+(s0+si)*cos(p*t)-e*sin(p*t); dx=(vi-e)*sin(p*t)+(s0+si)*cos(p*t); /*x微分*/ dy=(vi-e)*cos(p*t)-(s0+si)*sin(p*t); /*y微分*/ st=dx/sqrt(dx*dx+dy*dy); /*sin*/ ct=-dy/sqrt(dx*dx+dy*dy); /*cos*/ xpi=xi+rr*ct; /*实际廓线坐标*/ ypi=yi+rr*st; xppi=xi-rr*ct; y

21、ppi=yi-rr*st; i+; /*-*/ circle(x0,y0,r0); /*画基圆*/ circle(x0,y0,e); /*画偏距圆*/ circle(x0,y0,R); /*画外圆*/ for(w=0;wA4/K;w+) line (xw,yw,xw+1,yw+1); /*画理论廓线*/ line (xpw,ypw,xpw+1,ypw+1); /*画实际廓线*/ line (xppw,yppw,xppw+1,yppw+1); circle (xw,yw,rr); /*画滚子*/ circle(xA1/K,yA1/K,3); /*滚轴*/ circle(xA2/K,yA2/K,3

22、); circle(xA3/K,yA3/K,3); circle(xA4/K,yA4/K,3); line(x0+e*cos(A1*t),y0-e*sin(A1*t),xA1/K,yA1/K); line(x0+e*cos(A2*t),y0-e*sin(A2*t),xA2/K,yA2/K); line(x0+e*cos(A3*t),y0-e*sin(A3*t),xA3/K,yA3/K); line(x0+e*cos(A4*t),y0-e*sin(A4*t),xA4/K,yA4/K); arc(x0,y0,0,50,30); /*凸轮转向*/ line(x0+30,y0,x0+30-3,y0-5

23、); /*转向箭头*/ line(x0+30,y0,x0+30+3,y0-5); /*转向箭头*/ getch(); /*-运动线图-*/ line(0,60,360,60); line(0,130,360,130); line(0,230,360,230); line(0,30,0,280); line(A1,30,A1,280); line(A2,30,A2,280); line(A3,30,A3,280); line(A4,30,A4,280); for(w=0;wA4/K;w+) line(w*K,60-sw,(w+1)*K,60-sw+1);line(w*K,130-vw*0.5,(

24、w+1)*K,130-vw+1*0.5);line(w*K,230-aw*0.02,(w+1)*K,230-aw+1*0.02); getch(); cleardevice(); closegraph(); /*-数据列表-*/ printf( p s v a drn); /*-*/ for(w=0; w=A4/K;w=w+2) printf(%4d%10.2f%8.2f%8.2f%10.2fn,w*K,sw,vw,aw,drw); getch(); Matlab编程计算凸轮计算：j=0:3:360; s=rand(1,121);v=rand(1,121);a=rand(1,121); jj=

25、41;w=0.66;j1=120;j2=150;j3=360;t=pi/180; for i=1:121 if j(i)=j1 %升程，余弦加速度运动规律，转过的角度是j1。 s(i)=jj*1-cos(pi*j(i)/j1)/2; v(i)=10*(pi*jj*w*sin(pi*j(i)/j1)/(2*j1); a(i)=200*(pi2*jj*w2*cos(pi*j(i)/j1)/(2*j12); elseif j(i)=j1+j2/2 %等加速回程,转过的角度是ji-j1+j2/2。 s(i)=jj-2*jj*(j(i)-j1)2/j22; v(i)=10*(-4*jj*w*(j(i)-

26、j1)/j22); a(i)=200*(-4*jj*w2/j22); elseif j(i)=j1+j2 %等减速回程,转过的角度是j1+j2/2-j1+j2。 s(i)=2*jj*j1+j2-j(i)2/j22; v(i)=10*(-4*jj*w*j1+j2-j(i)/j22); a(i)=200*(4*jj*w2/j22); else %推程,余弦加速度运动规律,转过的角度是360-j3。 s(i)=0; v(i)=0; a(i)=0; endend %绘制凸轮理论廓线、实际廓线r0=60;rr=18;l=90;loa=140;jj0=23.86;X=rand(1,121);Y=rand(

27、1,121);Xa=rand(1,121);Ya=rand(1,121);Xaa=rand(1,121);Yaa=rand(1,121);dr=rand(1,121); A=rand(121,361);B=rand(121,361);for i=1:121 %if j(i)=j1 X(i)=-l*sin(j(i)+s(i)+jj0)*t)+loa*sin(j(i)*t); Y(i)=-l*cos(j(i)+s(i)+jj0)*t)+loa*cos(j(i)*t); dx=loa*cos(j(i)*t)-l*(1+v(i)/10)*cos(j(i)+s(i)+jj0)*t); dy=-loa*s

28、in(j(i)*t)+l*(1+v(i)/10)*sin(j(i)+s(i)+jj0)*t); st=dx/sqrt(dy2+dx2); ct=-dy/sqrt(dy2+dx2); Xa(i)=X(i)+rr*ct; Ya(i)=Y(i)+rr*st; Xaa(i)=X(i)-rr*ct; Yaa(i)=Y(i)-rr*st; %X(i)=l*sin(j(i)-s(i)-jj0)*t)-loa*sin(j(i)*t); %Y(i)=-l*cos(j(i)-s(i)+jj0)*t)+loa*cos(j(i)*t); %dx=-loa*cos(j(i)*t)-l*(-1+v(i)/10)*cos(-j(i)+s(i)+jj0)*t); %dy=-loa*sin(j(i)*t)+l*(-1+v(i)/1