机械原理课程设计――基于solidworks、camtrax的粉末成型机_图文

1、机械原理课程设计 课题名称:粉末成型压机设计者:072085 13 罗小涛 20081001919072085 14 李继胜 20081002160072085 15 陈钦 20081002218指导教师:王玉丹机电学院 机械设计制造及其自动化 2010.07.21组长:罗小涛组员:李继胜、陈钦任务分配:罗小涛:整体设计、上冲模凸轮机构设计、资料搜集和整理 李继胜:下冲模凸轮设计、 solidworks 建模、 Camtrax 凸轮设计 陈钦 :送料机构设计、 matlab 编程 、齿轮设计目录1. 设计题目1.1 设计目的 1 1.2 功能要求和工作原理 11.3 原始数据和设计要求 32.

2、 运动方案设计 33. 机构选择 44. 机构设计及其运动分析计算 6 4.1 上冲模凸轮设计和运动分析 6 4.2 下冲模凸轮设计和运动分析 114.3 送粉器的设计和运动分析 165. 机构动力设计 276. 课程设计体会感想 287. 参考书籍 298. 附录 30 8.1上冲模凸轮数据 32 8.2 下冲模凸轮数据 421. 设计题目1.1设计目的:随着科学技术和工业生产的飞速发展,国民经济各个部门迫切需要各种各 样质量优、性能高、效率高、能耗低、价格廉的机械产品。其中,产品设计是 决定产品性能、质量、水平、市场、竞争能力、和经济效益的重要环节。产品 的设计包括机械设备的功能分析、工作

3、原理方案设计、和机械运动方案设计 等。这些设计内容可作为机械原理课程设计的内容。机械设计是根据使用要求 对机械的工作原理、结构、运动方式、力的能量和传递方式、各个零件的材料 和形状尺寸以及润滑方式等进行构思、分析和计算,并将其转化为制造依据的 工作过程。机械设计是机械产品生产的第一步,是决定机械产品性能的最主要环节, 整个过程蕴含着创新和发明。为了综合运用机械原理课程的理论知识,分析和 解决与本课程有关的实际问题,使所学知识进一步巩固和加深,我们参加了此 次的机械原理课程设计。粉末冶金是将金属等粉末的混合料,通过压制成型和烧结而制成零件或成 品材料的一种工艺方法。将一定量的金属粉末送入压制的位

4、置,压制成厚度为 h ,直径为 圆型片坯,经压制成形后脱离该位置。机器的整个工作过程(送 料、压形、脱离均自动完成。1.2 功能要求及工作原理(1 . 总功能要求:将金属等粉末的混合料压制成圆柱体压坯。(2 . 工作原理:粉末成型机的工作原理及动作分解如下图所示。 1.3原始数据和设计要求(1 压坯是最大直径为 45mm ,长径比 h/d 11.5的圆柱体。(2 每分钟压制次数为 1040次。(3 压制及脱模能力最大为 58kN 。(4 各执行构件的运动特性如上图所示。运动参数为:上冲模最大行 程为 110mm ,送粉器行程为 115mm ,脱模最大行程为 45mm 。(5 为了保证压坯的质量

5、,在压制到位后上冲模要停歇片刻(大约 0.4秒左右。2. 运动方案设计工作原理和工艺动作分解(1 送料:这一动作可以通过凸轮转动推动连杆带动送粉器完成。(2 冲压:下冲模不动,上冲模下行压制粉末。(3 推出压坯:上冲模上行回位,下冲模上升推出成型的压坯。(4 送出成品:下冲模固定不动,送料器推出成型的压坯。根据分析计算:上冲模、下冲模、送粉器位移、速度随时间变化的配合拟定工艺动作运动循环图如下所示: 图 6:上冲模、下冲模、送粉器位移、速度随时间变化的配合曲线上述四个动作很简单,关键是时间的配合要非常的恰当,这样一来就对机构提 出了较高的要求。3. 机构选择根据上冲模、下冲模和送粉器这三个执行

6、构件动作要求和结构特点,可以选择 以下结构。 根据运动方案设计中的分析,我们选择的方案如下:(1 . 由设计要求可知上模冲机构应具有以下特性:快速接近粉料,慢速等速 压制,压制到位后停歇片刻起到保压作用。要实现往复直线移动,还有考虑急 回特性。因此考虑选凸轮机构 。(2 . 下冲模为固定移动凸轮和推杆组成。其功能为:推出压坯。在上冲模冲 压的时候下冲模是停歇的,此时推杆可以靠在机架上,而上冲模的作用力就不 会作用到凸轮上。可以实现间歇要求,可靠性高。(3 . 送粉器是偏置曲柄滑块机构。其功能为:送料和推离压坯同时实现,并 且具有间歇特性。其总体机构设计简图如下: 给定此设计的初步参数和特性:(

7、1 生产速度为 20件 /min,则工作周期为 3s ;(2 工件直径为 45mm ,厚度为 30mm 。4. 机构设计及其运动分析计算(1上冲模凸轮设计和运动分析。上冲模在 0.75s 内快速接近粉料进行压制,保压 0.4s ,在 1.15s1.8s回程 运动,在 1.8s3.0s内推杆位移不变,等待送粉器推出成品、重新加入金属粉 末,准备进入下一个循环周期,上冲模最大行程设计为 100mm ,由此初期确定 的上冲模大致位移、速度、时间图像如下图: 图 7:一个周期中上冲模大致位移、速度随时间变化的图像由上图可知:位移曲线中 0.75s 和 1.15s 时刻对应的加速度有突变,所以这 时推杆

8、在理论上将出现无穷大的加速度和惯性力,因而会使凸轮机构受到极大 的冲击,即刚性冲击, 故上图需要改进,在拐点处用可以用加速度冲击小的多 项式曲线代替上图。根据工作需要,可以将几种运动规律组合使用,以改善推杆的运动和动力特 性。在凸轮机构中,为了避免冲击,推杆不宜采用加速度有突变的运动规律。 可是,如果工作过程又要求推杆必须采用等速运动规律,此时为了同时满足推 杆的等速运动运动及加速度不产生突变的要求,可将等速运动规律适当的加以 修正,我们把推杆的等速运动规律在其行程两端与摆线运动规律组合起来,这 样就可以得到较好的组合运动规律。这样可以减少模拟软件的工作量。凸轮机构的尺寸设计过程如下:由运动周

9、期图像得出:凸轮的运动周期为 3s 。推程时间为 0.75s ,远休止时 间为 0.4s ,回程时间为 0.75s ,近休止时间为 1.2s 。可以得出:推程角度 90°,远休止角度 48°,回程角度 90°,近休止角度 132°。推杆的行程设计 为 100mm ,因为还要考虑凸轮的速度加速度变化过程和压力角,设计凸轮基圆 半径为 200mm ,所以近休止端和远休止端圆弧半径分别为 200mm 和 300mm 。滚子 半径为 40mm 。推程设计:根据设计要求,上冲模压制机构具有以下运动特性:快速接近粉 料,慢速等速压制。所以上冲模压制过程应该分为两个阶

10、段:第一阶段快速接 近粉料;第二阶段,慢速等速压制。此时考虑加速度和惯性力的变化,推程应该设计为两个阶段,快速接近和慢速压制。所以推杆设计为 60度快速接近和 20度慢速压制均用摆线规律运动形式。这里运用 Camtrax 软件对凸轮进行设计。在程序中输入根据运动周期得出的 凸轮的参数,各个过程选用适当的曲线形式,得出速度、加速度、惯性力曲 线。利用软件不断对凸轮进行优化设计,既要保证运动规律,又要保持凸轮的 压力角基本在 30°以内,最大限度的减小推杆的冲击,并使机构紧凑。依据上述分析在 Camtrax 中输入数据: 图 8:上冲模凸轮数据用 Camtrax 设计出来的对心直动滚子推

11、杆盘形凸轮如下图所示: 图 9:Camtrax 设计凸轮轮廓图凸轮的位移、速度、加速度、压力角在一个完整的周期中变化的曲线如下图所 示: 图 10:位移曲线图 11:速度曲线 图 12:加速度曲线 图 13:压力角曲线 Solidworks 建模结果如图所示 图 14:上冲模建模运动过程分析: 1. 推程运动阶段(00.75s:0°60°:快速接近, 推程 80mm 。加速度曲线为正弦曲线,加速度和 惯性力在 0°和 60°这两个位置时过渡基本平稳,冲击力小,压力角满足要 求,可以延长凸轮的使用寿命。速度较大,能满足快速接近粉料的设计要求。60°

12、;90°:慢速压制,推程 20mm 。加速度变化曲线和快速接近一样, 同为正弦曲线,减小了惯性力。2. 远休运动阶段(0.75s1.15s:90°138°:凸轮在远休止阶段,位移不变,速度和加速度都为 0。能满 足压制到位后停歇 0.4s 左右的保压时间。3. 回程运动阶段(1.15s1.8s:138°228°:结合运动周期图可知,此时物料被送走,上冲模回程,由加 速度图像可以看出此阶段运动加速度变化是正弦曲线。运动过程平缓,冲击 力小。4. 近休止阶段(1.8s3.0s:228°360°:由周期图可知在这一阶段既要将粉末送

13、到工作台,又要避免 上冲模与送粉器的冲突。设计近休止阶段时间为 1.2s ,能很好的解决送料 问题,使得整个循环中有将近 0.8s 的加料时间,满足要求。综上所述,该凸轮机构设计合理,可以满足工作需要。由 Camtrax 分析整理所得到的一个完整的运动周期中位移、速度、加速度、压 力角各个变量的变化数据见附录。(2下冲模凸轮设计和运动分析。设计要求:要求能实现往复运动,推出成型压坯距离准确,往复时 要求速度快而冲击力小。设计凸轮的推程为 45mm 。同上冲模,下冲模凸轮的运动周期为 3s 。其中近休止时间为 1.2s 推程时间为 0.6s ,远休为 0.3s ,回程时间为 0.9s 。即近休止

14、角度 144°,推程 角度为 72°,远休止角度为 36°,回程角度为 108°。因为还要考虑凸轮的速 度加速度变化过程和压力角,设计凸轮基圆半径为 100mm ,所以近休止端和远 休止端圆弧半径分别为 100mm 和 145mm 。滚子半径为 30mm 。初期确定的下冲模 大致位移、速度、时间图像如下图: 图 15:一个周期中上冲模大致位移、速度随时间变化的图像 同上,依据上述分析在 Camtrax 中输入数据: 图 16:下冲模凸轮数据用 Camtrax 设计出来的凸轮如下图所示:图 17:Camtrax 设计凸轮轮廓图凸轮的位移、速度、加速度、压力

15、角在一个完整的周期中变化的曲线如下图所 示: 图 18:位移曲线 图 19:速度曲线 图 20:加速度曲线 图 21:压力角曲线 Solidworks 建模结果如下图所示: 图 22:下冲模建模 运动过程分析:1. 近休止运动阶段(0s1.2s :0°144°:根据周期图可知在这一阶段既要将金属粉末加入到工作 台中去,又要避免与上冲模的推程冲突。2. 推程阶段(1.2s1.8s :144°216°:这个阶段成型的压坯被推出。加速度曲线为正弦曲线,冲 击力小。3. 远休止阶段(1.8s2.1s:216°252°:远休止阶段,凸轮位移不变

16、,速度和加速度均为 0。此 时,送粉器将成型的压坯推出。时间设计合理,满足要求4. 回程阶段:(2.1s3.0s:252°360°,下模进入回程阶段,其运动方式与推程运动方式相同。运 动过程平缓,冲击小。由 Camtrax 分析整理所得到的一个完整的运动周期中位移、速度、加速度、压 力角各个变量的变化数据见附录。(3 送粉器的设计:设计要求:主要作用是将压制成型的粉料推出,且能实现往复循环运动和间歇 运动的要求。因为承载能力要求低,且须实现往复式循环运动,故应采用曲柄 滑块机构 。设计选定 LAB=40mm,送粉器的行程为 115mm 。设计送粉器有急回特性, 其极位角为

17、30°。做出机构简图:(如下图所示 图 23:送粉器曲柄滑块机构简图曲柄 AB 转动一圈需要的时间是一个周期,即 3.0s 。根据与上下模 冲配合的时间设计出其位移、速度随时间变化的图像,如下图所示: 图 24:送粉器位移、速度随时间变化的图像经计算得出:BC 在 0.7s 时从 B1C1开始向右运动, 1.95s 时运动到 B2C2处,把 成型的压坯推出,经过的角度为 180°-30°=150°然后从 B2C2返回到 B1C1,经过的角度为 180°+30°=210°0, 其中 30°为极位夹角。符合设计的要 求

18、。1. 由图知 C1到 C2为送粉阶段,比返程时间较短。极位夹角为C1.A.C2=30°,设 AB=L1=40, BC=L2, A.C1=L2-L1=L2-40,A.C2=L2+L1=L2+40, C1C2=115.由余弦定理得:cos 30°= (L2-402+(L2+402-1152/2*(L2+40*(L2-40解得 BC=L2=165mm。2. 现对机构进行运动分析:计算得:A.C1=L2-L1=125mm, A.C2=L1+L2=205mm。3. 以水平方向为基准进行运动分析:假设滑块在 C1处为起始点,则各个杆件相对水平方向的角度如图。AC1=L3=165-40

19、=125。在运动的每个时刻,滑块离开 C1的位移设为:L 。在 AC1.C2中,又正弦定理得:C1C2/(sin=AC1/(sin3 ;即:115/sin(30=AC1/sin(3得:3=62.76°f1(2,L=L1*cos(1- L2*cos(2-L+L3*cos(3f2(2,L=L1*sin(1-L2*sin(2+L3*sin(3该方程组的雅克比矩阵为 J : J=0. 2cos *21. 2sin *2L L -接着进行 MATLAB 编程,对机构进行运动分析:位移分析:滑块位移的源程序function y=rrrposi(x%Input arameters%x(1=thet

20、a-1%x(2=theta-2 guess value%x(3=theta-3%x(4=L1%x(5=L2%x(6=L3%x(7=L guess value%Output parameters%y(1=theta-2%y(2=L%theta2=x(2;L=x(7;%epsilon=1.0E-6;%f=x(4*cos(x(1-x(5*cos(theta2+x(6*cos(x(3-L; x(4*sin(x(1+x(6*sin(x(3-x(5*sin(theta2; %while norm(f>epsilonJ=x(5*sin(theta2 -1;-x(5*cos(theta2 0;dth=i

21、nv(J*(-1.0*f;theta2=theta2+dth(1;L=L+dth(2;f=x(4*cos(x(1-x(5*cos(theta2+x(6*cos(x(3-L; x(4*sin(x(1+x(6*sin(x(3-x(5*sin(theta2; norm(f;end;y(1=theta2;y(2=L;在命令窗中输入主程序:x1=linspace(0,2*pi,36;x=zeros(length(x1,7;for n=1:36x(n,:=x1(:,n107.36*pi/180 107.36*pi/180 40 165 120 0; endp=zeros(length(x1,2;for k

22、=1:36y=rrrposi(x(k,:;p(k,:=y;end>> pp =2.3744 122.96792.3437 119.24172.3123 114.99692.2804 110.25302.2480 105.03652.2154 99.38142.1828 93.33042.1505 86.93552.1186 80.25912.0877 73.37492.0579 66.36992.0299 59.34472.0040 52.41481.9809 45.70951.9613 39.36921.9458 33.53791.9351 28.35251.9296 23.92

23、701.9296 20.33781.9351 17.61381.9458 15.73621.9613 14.64781.9809 14.26752.0040 14.50532.0299 15.27292.0579 16.49072.0877 18.08992.1186 20.01332.1505 22.21412.1828 24.65452.2154 27.30382.2480 30.13772.2804 33.13602.3123 36.28262.3437 39.56372.3744 42.9679第二列为滑块位移关于 theta1的关系 在命令窗输入plot(x1,p(:,2,'

24、-'得到其曲线 图 25:位移曲线得到的图像为曲柄转动一周,料斗的位移曲线。分析得料斗机构的运动有急回 特性。如图,在曲线上升段为料斗接近阴模口阶段,并把下模冲推上来的成品 推离阴模,然后下料,料斗返回,进行第二次压制。接下来分析机机构运动的 速度和加速度: 对时间 t 求导数得到: 26 = 1=2/3 再次求导数得: =速度分析:主函数:function y=rrrvel(x%Input parameters%x(1=theta-1%x(2=theta-2%x(3=dtheta-1%x(4=L1%x(5=L2%x(6=L%Output paramaters%y(1=dtheta-2

25、%y(2=dL%A=x(5*sin(x(2 -1;-x(5*cos(x(2 0;B=x(4*sin(x(1;-x(4*cos(x(2*x(3;y=inv(A*B;在命令窗中输入 ;x2=x1' p(:,1 p(:,2 2*pi/3*ones(36,1 40*ones(36,1 165*ones(36,1 115*ones(36,1;>> f=zeros(2,36;>> for m=1:36y2=rrrvel(x2(m,:;q(:,m=y2;end>> q得到速度与角速度第 1行为连杆角速度。第二行为滑块速度Columns 1 through 186.

26、4386 6.0212 5.4997 4.8868 4.2024 3.4751 2.7444 2.0614 1.4845 1.0649 0.8239 0.7470 0.7997 0.9472 1.1631 1.4296 1.7350 2.0716178.7724 134.6043 94.1441 59.7328 32.8971 14.15742.9669 -2.1729 -3.3595 -2.6694 -1.4646 -0.0737 1.9798 5.5533 11.5779 20.8980 34.1865 51.8912Columns 19 through 362.4339 2.8181 3

27、.2203 3.6367 4.0630 4.4937 4.9221 5.3401 5.7379 6.1045 6.4274 6.6936 6.8899 7.0034 7.0229 6.9388 6.7450 6.438674.1920 100.9649 131.7542 165.7536 201.8052 238.4185273.8197 306.0363 333.0197 352.8054 363.6990 364.4713 354.5370 334.0869 304.1471 266.5455 223.7764 178.7724在命令窗输入plot(x1,q(2,:;得到滑块的速度曲线27

28、 图 26:速度曲线由图分析,在 2后的上升阶段为料斗从阴模离开的速度曲线; 13为料斗接近 阴模并离开的过程,在此阶段料斗慢速接近阴模,并慢速离开,利于料斗下 料。加速度分析:主函数:function y=rrra(x%Intput parameters%x(1=theta-1%x(2=theta-228%x(3=dtheta-1%x(4=dtheta-2%x(5=L1%x(6=L2%x(7=L%x(8=dL%Output parameters%y(1=ddtheta-2%y(2=ddL%A=x(6*sin(x(2 -1;-x(6*cos(x(2 0;B=x(5*cos(x(1 -x(6*c

29、os(x(2;x(5*sin(x(1 -x(6*sin(x(2; C=x(3*x(3;x(4*x(4;Y=inv(A*B*C;在命令窗中输入:x3=x1' p(:,1 2*pi/3*ones(36,1 q(1,:' 40*ones(36,1 165*ones(36,1 120*ones(36,1 p(:,2 q(2,:'>> f=zeros(2,36;>> for m=1:36y3=rrra(x3(m,:;f(:,m=y3;end用 MD_Adams软件模拟滑块的加速度输出加速度图如下:29 图 27:加速度曲线5. 机构动力设计:最常见交流电动

30、机有2极 同步转速 3000r/min4极 同步转速 1500r/min6极 同步转速 1000r/min8极 同步转速 750r/min10极 同步转速 600r/min选择转速为 600r/min的电机,冲压机构的周期为 3s, 故要求设计的减速器减速 比为 30。设计的各个齿轮数据为:30模数 z=2 压力角 =20° ha*=1.0 由于 Z3 =16<17的最小变位齿数,所以该齿轮为变位齿轮。Ra3 =r3+ ha*m=16+1.0*2=18mmRa4 =r4+ ha*m=48+1.0*2=50mm3=arccosr3cos/Ra3 =arccos16cos20

31、76;/18=33.35°4=arccosr4cos/Ra4 =arccos48cos20°/50=25.58° arctan(3tan3+Z4tan4-2/(Z3+Z4=27.05°所以变位系数为 Y=(Z3 +Z4(cos/cos -1/2=1.84这对齿轮传动的中心距:a =acos/cos =66.8mm即 Z3 Z4实际中心距应为 66.8mm6. 机械原理课程设计体会感想为期一个多星期的课程设计结束了,这次设计的是粉末成型机。虽然为 期不长,但收获颇多。 这次课程设计是我们接触的第一个专业课程设计, 所要用到的知识很多,包括机械原理、机械制图、 MATLAB 等方面的知识。这 些知识不是机械的相加,而是需要全面的考虑和整体布局,不止一次因为考 虑不全而要重新来过;有时会不耐烦,可想想不耐烦对我没有任何益处,便 及时的调整过来。这次设计巩固我以前所学习的知识,让我专业知识有了更深的认识和理解。 另外, 这次课程设计还考验了我们的团队合作精神,以及 严谨的工作态度、平和的心态。这次设计工作量大