西南交通大学自动冲压机构机械原理课程设计计算说明书

1、西南交通大学机械原理课程设计计算说明书设计题目：自动冲压送料机构学生姓名：学生学号：所在班级：指导老师：谢进2013年06月目 录1选题背景41.1问题的提出41.2研究现状41.3设计的技术要求及指标42机构选型42.1设计方案的提出42.2设计方案的确定43尺度设计43.1机构尺寸计算44机构运动分析44.1机构的运动分析45机构动力分析45.1机构运动简图及尺寸标注55.2机构关键构件静力分析56机构仿真56.1机构仿真包络图56.2机构构件轨迹曲线56.3机构装配图57设计总结58收获及体会59致谢51 选题背景1.1 问题的提出随着科学技术和工业生产的飞跃发展，国民经济各个部门迫切需

2、要各种各样质量优、性能好、效率高、能耗低、价格廉的机械产品。要使我国从制造大国走向制造强国的关键之处是要设计出有自主知识产权的产品，特别是机械产品。 冲压成形作为一门古老而又年轻的制造技术，几乎渗透到国民经济的每一个部门。在许多发达国家从作为支柱产业之一的汽车制造业到农业机械、动力机械、建筑机械、化工机械、精密机械、仪器仪表、医疗器械、日用五金等等，直到航空航天、军事兵器各个门类，冲压制件都占据着相当重要的地位。随着我国工业的发展，冲压制件类型、工艺的复杂化以及人性化生产要求，手工送料的冲压加工生产由于存在着效率、速度、精度、安全等方面的一系列问题，冲压生产的手工送料已逐步由自动送料机构所取代

3、，从而进一步满足了冲压生产自动化，大幅度提高生产节拍、生产质量等的要求。 冲压生产自动化主要是指包括材料供给、制品及废料的排出、模具更换、冲床的调整与运转、冲压过程异常状况的监视等作业过程自动化，将这些技术应用到冲压生产流水线的相应环节从而实现冲压生产过程的自动化。自动送料机构作为冲压加工生产实现自动化的最基本的要求，是在一套模具上实现多工位冲压的根本保证，它的自动化程度高低，直接影响着冲压生产效率、生产节拍以及冲压生产整体自动本次设计旨在设计一款薄壁零件的冲压机构及其相配合的送料机构1.2 研究现状本次设计的冲压送料机构属于普通压力机构，而普通压力机上的送料机构根据送料动力的不同可分为机械、

4、液压、气动三大类，在冲压加工中以机械与气动二类应用较多。机械送料机构尽管调整相对困难且机构较大，但具有送料准确可靠、机构冲击与振动少、噪声低、稳定性好等优点，仍是目前冲压加工中最常用的自动送料方式。送料机构的性能高低直接影响着生产线的推广应用，因此，针对冲压制件的工艺要求、生产的实际情况等的不同来选择不同的送料机构是十分必要的1.3 设计的技术要求及指标冲床的执行机构主要包括冲压机构和送料机构，冲头先以较大速度接近工件，然后以匀速进行拉延成型工作，接着冲头继续下行将工件压缩成型，最后快速返回。冲头退回以后，送料机构从侧面将坯料送至待加工位置，完成一个工作循环。设计要求1.动力源是电动机，作转动

5、；从动件（执行构件）为冲头，作往复直线运动，具有快速下沉、等速工作进给和快速返回的特性。 2.构件具有较好的传动性能，特别是工作段的压力角应尽可小；传动角大于或等于许用传动角。 3.冲头到达工作段之前，送料机构已将坯料送至待加工位置。4.执行构件的工作长度 l=50 100mm,对应曲柄转角 =（1/3 1/2）。5.行程速度变化系数 k1.5。 6.许用传动角=40。 7.送料距离h=60-250mm。 2 机构选型2.1 设计方案的提出根据目前市场上已经出现的机构方案，我们做了相应的改进和设计，设计方案如下方案一 图21 肘杆增力机构该机构由曲柄与肘节组成，曲柄可用偏心轮代替，偏心轮可减小

6、机构尺寸，提高强度。肘节可产生增力效果，当杆作用一较小的力时，滑块就会产生很大的力，且增力效果非常明显。自由度f=5×3-2×7=1方案二 图22 凸轮滑块插齿机构该机构以凸轮为原动件，带动插齿机cdefg实现往复运动，同时带动偏心滑块机构实现送料动作,但是该机构的送料机构本身存在动力特性不足的缺点。自由度f=3×7-2×10-0=1方案三图23 摆动导杆推送机构冲压机构为摆动倒杆机构，曲柄ab为主动件，整周回转，滑块在导杆上滑动，带动导杆往复摆动，当曲柄与导杆相互垂直时导杆达到极限位置，机构传动角为90°，具有良好的传力特性，并具有急回特性。

7、，运动中无死点，送料机构采用了曲柄摇杆机构摇杆最大摆角与曲柄长度有关，当曲柄长度加大时，从动角摆角也随之增大，且也有急回特性。自由度f=3×9-2×13-0=1方案四图24 摆动导杆滑块机构该机构为摆动导杆滑块机构，abc为摆动导杆机构，曲柄ab的长度应小于机架长，曲柄ab匀速转动时，导杆bc作往复运动，行程速比系数k>1，摆动导杆机构本身具有急回特性，增大r/l的值，摆角增大，可使k增大，急回特性更显著，但空回行程速度变化剧烈自由度f=3×7-2×10=12.2 设计方案的确定我们小组通过对以上构件的基本性能作出分析后，考虑到机构的简洁性，以及网

8、上的很多重复的且复杂的齿轮连杆冲压机构和凸轮连杆送料机构等，我们小组选择了方案三，摆动导杆推送机构方案四 摆动导杆滑块机构3 尺寸设计3.1 机构尺寸计算3.1.1方案三进行关键尺寸分析冲压机构为abcde,送料机构为abfgij 冲压机构尺寸分析图32 冲压机构设ab>ac,则可得极位夹角 （3-1） 同时需满足急回特性 （3-2）取急回特性值k=2，则有 60°故由（3-1）式可得 （3-3）取ac=25mm ， 则有ab=250.866=28.8675mm 根据尺寸进行可行性分析设a（0、0）,c(25、0)于是很容易得到冲头近程点和远程点的坐标分别为e(25、),e(2

9、5、)考虑到当上模de到达工作段之前，送料机构已将坯料送至待加工位置，故需要确定上模de和往复直线运动和曲柄ab的关系，同时还需要兼顾曲柄ab转动和送料机构hi的关系。先建立b点和e点的坐标关系式位移矩阵方程对点b （3-4）连杆约束方程为 （3-5）约束方程为 （3-6）约束方程为 （3-7）由（3-4）式至（3-7式可得 （3-8）此外取行程 s=60mm （3-9）联立式（3-4）（3-9）可得 de=103.21mm cd=30.3mm由于冲压条件的限制，需要对送料机构尺寸进行分析送料机构的结构简图如下 图33 送料机构尺寸分析如图图33，需使连杆abfg为曲柄摇杆机构，连架杆ab为曲

10、柄，fg为摆杆由四杆机构曲柄摇杆存在条件，有ab为最短杆，即 （3-9）取bg为最长杆，ab=30mm为最短杆。先通过试凑法来大概确定构件尺寸，取bg=82mm，fg=61mm，af=60mm，由此可分析出此曲柄摇杆四杆机构的急回特性和极位夹角作图分析由图34说明 图34 极位夹角分析 由图34可知极位夹角 =41.82°故有其急回特性 k= =1.605满足要求延伸fg到gh使得gh=48mm，另外取hi=95mm联立上面各式，可将最终尺寸确定如下ac=25mm ab=28.8675mmcd=30.3mmde=103.21mm bg=82mmaf=60mmfg=61mmgh=48m

11、mhi=95mmai=135mm3.1.2现在对方案四进行关键尺寸分析机构简图如图35图35 摆动导杆滑块机构冲压机构为abcde,送料机构为abcfg设置要求如下，k=1.55，冲压机构的行程=280mm，送料机构的行程=160mm取机架ac=300mm.铰链a到两滑动轨道的的距离分别是=200mm, =450mm,dc垂直于cf由 （3-10）可推得 故导杆处于极限位置时， cab=故 mm分析该机构可知，当导杆cd处于两极限位置时，d点的x轴方向水平位移即为滑块e的行程=280mm同时机构满足 （3-11） mm根据设计的一般要求，需传动角这里取 = （3-12）对于冲压滑块，需要承受短

12、暂高峰载荷且传动机构功率较大，所以去较大的传动值。取 即 （3-13）故 de=198.26mm对于送料装置，要求不高，传动角可取小一些的值，取=，则 （3-14） 又 =160mm （3-15）由上两式可得 =237.15mm =301.22mm联立上面各式，可将最终尺寸确定如下铰链点到冲压轨道的距离=200mm铰链点到送料轨道的距离=450mm=99.99mm=300mm=430mm=198.26mm=237.15mm=301.22mm4 机构运动分析4.1 机构的运动分析方案三我们主要通过建模模拟仿真对其进行运动分析 已知各杆长及a点坐标a（0,0），c点坐标c（25.0），f点坐标（-

13、60,0）杆ab的角速度=36rad/s，角加速度通过pro/e的初步建模和运动分析机构模型图为 图41 摆动导杆 推送机构模型图运动仿真中可以看到，该机构的最大优点是冲压机构的急回特性很好，冲压过程的力作用很大冲压机构e和送料机构i的运动参数分析如图42和图43所示 图42 滑块i的速度加速度分析送料机构在送料过程中，运动平稳，速度波动较小，能够使工件安全的送到冲压区域，回程时，速度和加速度都发生很大变化，使得送料机构能快速返回，以便冲头进行冲压 图43 滑块e的速度加速度分析冲头在进给过程中，由图可以得知运动很平缓，速度波动不大，在回程的过程，加速度比较大，回程速度迅速，能够在短时间内回到

14、起点，满足设计要求。方案四运动分析方案三是我们初期做的一个方案，考虑到机构构件过多，机构占用空间大，且冲压和送料部分不好做到同步，我们放弃了这个方案，而将重点设计放在了方案四上方案四我们主要通过数学计算和建模模拟仿真对其进行运动分析 图44 摆动导杆 滑块机构模型图已知各杆长以及a点坐标a（0,200），c点坐标c（0.500），杆ab的角速度=36rad/s角加速度，故一个工作循环为十秒，其中四到十秒为冲压进程，十秒到十四秒为冲压回程 对点b坐标 （4-1）点b速度分析 （4-2）点b加速度分析 （4-3）因a点固定不动，其速度和加速度均为0点b运动分析仿真如图45和图46 所示 图45 轴

15、b 的速度加速度分析 滑块b在曲柄的带动下做匀速圆周运动，其速度大小保持不变，法向加速度为零，其角速度随曲柄=36rad/s,角加速度为零，其线图分析如图46所示 结论，滑块b在机构中主要起传递运动和动力的作用，其运动情况和电机相关。 图46 曲柄ab的角速度加速度分析曲柄ab和滑块b在电动机的驱动下，做匀速圆周运动，法向加速度为零。对点d （4-4）点d速度分析 （4-5）点d加速度分析 （4-6）即 （4-7）对机构有c点固定不动则 （4-8）其中c点角速度及角加速度为 （4-9） 图47 点d 的速度加速度分析 导杆cd在滑块b的推动下绕铰链点c做摆动，由图47分析可得，导杆在冲头进程中

16、速度变化较为平缓，加速度几乎恒定，在回程中，加速度波动稍大，速度变化稍快，但就总体而言，导杆在整个运动过程中，速度呈正弦规律变化，不需对速度波动作调整 图48 导杆dcf的角速度角加速度分析导杆bd在滑块c的推动下绕铰链点c做摆动，由图48分析可得，导杆在冲头进程中角速度先逐渐增大，达到最大值后又成对称性减小到零，角加速度先逐渐减小，减小到零后逐渐增大，在整个进程过程中，变化相对平缓，满足机构设计快速推进，慢速工进的要求。在回程中，角加速度波动更为剧烈，角速度变化稍快，且其平均角速度明显大于进程，导杆在整个运动过程中，比较符合预期设计，不需对速度波动作调整。对构件de （4-10）又 （4-1

17、1）则 （4-12）其中点e角速度及角加速度为 （4-13） （4-14）滑块e的运动分析如图49所示 图49 滑块e 的速度加速度分析 由图49分析可以看到，在冲压进程的前半段，即从四秒到八秒这段时间，滑块e的速度逐渐增大，到最大值时，开始缓慢减小，在冲压的后半段，其速度逐渐减小，对工件进行缓慢冲压，冲压结束后，回程速度急剧增大，回程加速度也快速增加，冲头得以迅速返回。 图410 连杆de的角速度角加速度分析 连杆的角速度及其角加速度变化很复杂，由图410可得，在一个运动循环当中，连杆的角速度忽大忽小，但是在本机构中的主体不在连杆，此连杆只要做到能够很好的传递运动和动力即可，我们在尺寸参数设

18、计当中，已对其传动角做出了限制，满足传力特性较好。对点f有 （4-15）即 （4-16） （4-17）由于杆件dc和cf刚接，所以他们的角速度以及对应尺寸的角加速度相同，此处不再做重复计算。 图411 点f的运动分析点f位于构件cdf上绕点c做摆动，其运动参数和点d相反，即由图411分析可得，导杆在冲头进程中速度变化较为迅速，加速度变化较大，在回程中，加速度几乎不变，速度变化缓慢，这就满足了冲头到达工作段之前，送料机构已将坯料送至待加工位置的要求。 图412 连杆fg的角速度角加速度分析 同理连杆在机构的整个运行过程中其角速度及角加速度变化比较复杂，但对于整个机构而言，连杆的主要作用是传递运动

19、和力，只要执行构件能够满足要求，则对连杆不需做过多分析，只要满足其传力特性较好就行，已在前一节对其最大压力角和最小传动角做了限制，这儿不在累述。对点g的运动分析 （4-17） （4-18）杆长分析为 （4-19）速度加速度分析 （4-20） （4-21）滑块g的分析如图413 图413 滑块g的速度加速度分析 由图413分析可知，送料机构在冲头进入上模前，已将工件送到加工位置，并能够迅速返回。5 机构动力设计5.1 机构运动简图及尺寸标注通过上面的分析，最终做出机构运动简图及尺寸标注如图51和图52所示图51 摆动导杆推送机构图52 摆动导杆滑块机构5.2 机构关键构件动力分析要求冲压机构应具

20、有良好的传力特性，相比之下，退料机构不要求有太大的作用力，现只就冲压机构做动力分析以构件1为原动件，角速度为，输出构件为冲头5，工作中冲头受到工作阻力图53曲柄1受到的力有,力矩滑块2受到的力有导杆3受到的力有连杆4受到的力有冲头5受到的力有，以及工作阻力为计算方便，不考虑摩擦圆的影响对曲柄1有 （5-1）对滑块2有 （5-2） 可见与方向相同分析上面各式可得方向与导杆3夹角= （5-3）对导杆3有 图54 导杆cdf的受力分析 （5-4）其中与导杆3的夹角对连杆4有 （5-4） 可见与方向相同对冲头5，图55 冲头e的受力分析 （5-5）式中 （5-6） （5-7）软件静力分析 图56 仿真

21、建模静力分析 如图56给曲柄施加以转矩=50n.m,同时冲头受到工作阻力=30n, 送料机构受到工作阻力=30n。图57如图57，机构在受到施加作用力时，机构在施力处会产生很大的加速度，组件会产生反作用力，因此施力处的的加速度会逐渐缩小，当反作用力大到等于作用力时，机构即达到平衡的位置。图58 冲压机构的受力分析图6 机构仿真6.1 机构仿真运动包络图图61 曲柄ab运动包络图图62 导杆cdf运动包络图 图63 连杆de运动包络图 图64 滑块e运动包络图图65 连杆fg运动包络图图66 滑块g的运动包络图6.2 机构构件轨迹曲线图67 机构轨迹曲线 6.3 仿真参数测量及分析图68 摆动导

22、杆推送机构建模图68摆动导杆滑块机构建模7 设计总结本次设计从最初的选题，到机构的选择，再到机构的分析以及绘制，都经过一段探讨以及查阅资料分析合适与否，最终基本上做到满足设计的技术要求和指标。本次设计同时也存在许多不足，由于能力上的欠缺，对机构的动力分析做得不够充分，希望在大学最后的一年里，能够充分利用有限的时间学习数学建模程序的编制。8 收获及体会经过接近一个学期的机械原理课程设计的工作，我们学习到了许多东西，比如说：如何使用pro/e进行机构设计和数据的分析，如何有效查找文献，如何合理安排时间等等。在设计过程中，我们遇到了很多困难，我们开始对建模软件一窍不通，查阅了大量资料，在网上也看了很多的相关视频，终于是我们小组对建模有了更多的认识，我想，只要我们肯踏踏实实地去做，很多事情就不是想象的那么难。通过这次设计，我们也对机械原理课程又有了更深入的认识。以下是我们小组两人对于作为未来的机械工程师所需要的知识以及能力有了更深的认识：首先，在做机械设计的时候，要按照一个规范的规章制度来进行操作，保证设计出来的机构以及操作人员