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1、 机械原理与机械设计课程设计设计题目：半自动模切机运动方案拟定及传动系统设计学 院 机自学院 专 业 机械工程学 号 学生姓名 课程名及课程号 结构设计(1) 0932A032指导老师 丁卫 日期 模切机运动方案拟定及传动系统设计-机械原理与机械设计课程设计说明书一、 半自动平压模切机（以下简称模切机）简介1. 课题说明模切机是印刷、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纸板和厚度在6mm以下的瓦楞纸板进行压痕、切线。沿切线去掉边料后，可折成各种纸盒、纸箱或压制各种富有立体感的精美凹凸商标和印刷品。2. 原始参数和设计要求1）纸张尺寸为250mm250mm，由人工放入输送
2、线上，双班制，每小时压制纸板3000 张；2）模压行程H=500.5mm。回程的平均速度是工作行程平均速度的1.25倍。压力与模压行程的关系如图1所示。模压产生阻力F=0.8106 N，模压回程时不受力；3）模具和滑块的质量约为120Kg；4）在最后加压的5mm范围内施压性能良好，即增力性好，且在5mm范围内施压时间适当长些；5）工作台距离地面约1200mm;6）要求结构简单紧凑、节省动力、便于制造，使用寿命为十年。二、 模切机运动方案的确定1. 工艺动作分解纸箱或纸盒的压痕、切线、压凹凸，都要用凹模和凸模加压，为此纸板需定位、夹紧，再送到模压位置加压，之后将加压后的纸板送走。因此，模切机的工
3、艺动作可分解为：控制夹紧装置张开、夹紧、送料和加压模切三个动作。2. 送料机构的选择为了保证模压时的相对位置精度，纸板在输送过程中，必须定位、夹紧。比较简单而可靠的方法是利用带有夹紧片的双列链条，如图2所示。而链轮的运动可由间隙运动机构（如不完全齿轮机构等）控制。两链条之间有固定模块3（固定模块的条数和间距L可根据整机尺寸确定，与链轮中心距有关，通常L可取5条），其上装有夹紧片8，当推杆7顶住夹紧片时，夹紧片张开，此时在工作台10上，由人工放入纸板6，当推杆7下降时，夹紧片8靠弹力自动夹紧纸板，推杆的动作可用凸轮控制。这样在间隙机构控制下输送链条带着纸板移动距离L，在模切工位上停止移动，进行模
4、切。同时在另一个工位上推杆推开夹紧片，工人再放入纸板，输送链再将切好的纸板送至指定工位，由固定挡块9迫使夹紧片张开，纸板落到收纸台上。完成一个工作循环。3. 模切运动方案的构思及筛选首先应考虑模切机的加工方法，它在很大程度上将决定整机的总体布置。运用所谓关联树法，按层次列出可能的几种加压方法如图3所示。图中排出6种可能的加压方法。通过分析可知，水平加压不利于纸板输送系统的布置。而垂直加压中，当上下模具同时加压时，上下模不易对准。经过筛选后可有二种方案再作进一步的对比分析，如果采用由上向下压，即下模固定，上模运动，则必然要占用工作台上面的空间，这会干扰链条输送系统的布置。而传动系统一般又总是放在
5、工作台下方。这样从总体布置而言，显得不很合理，故宜采用上模固定，由下向上压，这样可使加压机构与传动系统都布置在工作台下方，能有效地利用空间，且便于工人操作和输送纸板，在图2中上模4通过装配调整后固定不动，而使下模运动。4. 传动系统运动方案构思及筛选通过上述方案的筛选，采用由下往上压的方案，即执行构件作往复直线运动。一般原动机都采用水平布置的电动机，因此在传动系统运动方案构思中，必须考虑如何把水平方向的旋转运动经减速后变换为垂直方向的往复直线运动。亦就是说在考虑模切机运动方案构思时，需要有运动形式，运动方向和运动速度变换的功能，而满足这些要求的机构组合可以有许多种，例如经齿轮减速后的曲柄滑块机
6、构，以及由曲柄滑块机构演变而成一些带滑块的六杆机构都能满足上述要求。此外还有经减速后的直动推杆盘形凸轮机构、螺母作往复转动的螺旋机构，以及齿轮作往复转动的齿轮齿条机构等等，都是可供选择的方案。根据在相同的施压距离5mm内，下压模移动所用的时间越长越有利、传动角越大越好、成本越低越好、效率越高越好等原则，综合考虑选择带滑块的六杆机构方案。三、 机构运动参数的确定1. 原动机的运动参数1) 电机转速nc选择原动机的运动参数通常有转动和往复移动两种形式。一般机械中普遍使用Y系列三相异步交流感应电动机作为原动机，常用的转速有3000、1500、750、300rpm四种。转速愈低，电动机重量愈重，价格愈
7、高。但整体的总传动比则会小一些，反之总传动比会增加。所以合理地选择原动机的转速是整机设计时不容忽视的一个环节。结合本课题的情况建议选用同步转速为1500rpm的交流电动机。2) 主轴转速与曲柄转速选择本题要求曲柄转一圈，下模往复一次，压出一块纸板，其所需时间为1.2秒，则曲柄的转速为n=60/1.2=50rpm。2. 主执行构件运动参数主执行构件是机构实现主要工艺动作的运动输出构件，其运动参数与运动形式有关。本题的主执行构件是作往复运动，其运动参数主要是：行程H=500.5mm、行程速比系数K=1.25、每分钟往复次数Z=50次、施压时的位移S=5mm和速度v等。3. 链传动参数确定初选中心距
8、a=30p，取节距p=25.4，齿数Z根据优先选用链轮齿数系列及与链节数互质原则Z1=Z2=25，则链节数Lp0=2a0p+Z1+Z22+Z1-Z222pa0=85最大中心距a=pLp-z2=762mm已知主轴转速为50rpm， 设主轴转动一圈所需时间为t，t=60/50=1.2s对链轮的有效转动时间链轮角速度4. 不完全齿轮参数确定由间歇要求可知，不完全齿轮主动轮的齿轮区域为240，占总区域2/3传动比，齿数比设不完全齿轮主动轮齿数Z=40，从动轮齿数Z=30四、 机械传动系统的拟定1. 主运动链和辅助运动链机械传动系统是解决原动机与各工作机构之间的运动联系及运动速度，运动方向的变换，使其满
9、足预期的工作要求。由原动机到主工作机构原动件之间的运动联系，称主运动链，而由主运动链中某一构件引出的运动链，通常称为辅助运动链。为了保证主运动链和辅助运动链协调配合运动，通常主工作机构的原动件和辅助运动链的原动件都集中在同一根轴。本课题中使下压模作往复直线运动的该级机构为主工作机构。为了使辅助运动链的执行构件与主运动链的执行机构有序地协调动作，它们的原动件即曲柄16、凸轮14、不完全齿轮12安置在同一根轴III上，如图6所示。2. 运动链中各机构的排列通常总是把摩擦传动，带传动布置在高速级，而一些变换运动形式的机构如凸轮机构，连杆机构以及间隙运动机构安排在运动链的末端，靠近执行构件，而齿轮机构
10、一般用来改变运动的速度，链传动因“多边形效应”易引起冲击，宜安排在低速级。3. 传动比的确定当已知主工作机构的原动件转速nc=1500rpm，原动件的额定转速nn=50rpm，主运动链的传动比为减速箱内动机构是串联组合，则ic= i1i2i3其中i1为电机初级带传动减速比，i2，i3分别是减速箱内一，二级齿轮减速比。各级传动比的分配，一般应考虑下述原则：每级传动比应在该类传动机构推荐的常用范围内选取。各级齿轮传动的传动比，一般按递增的次序排列，即从高速级到低速级，传动比遂级放大。这可使机构较为紧凑，系统的等效转动惯量减小，系统传动精度较高。综上所述，可取i1=1/2，i2=1/3，i3=1/5
11、。五、 主体机构运动设计、运动分析和力分析一、 主体机构的运动设计（或尺寸综合）模切机的主工作机构是一个原动件转速nc已知的六杆机构（如图4所示）。它可视为两个四杆机构组成，即由曲柄摇杆机构ABCD和摇杆滑块机构DCE组成。设计时为简单对称，取CD与CE杆长相等，其长度可根据工作台平面高度适当选取。这样，摇杆最大摆角可以由滑块行程E1E2=H=500.5mm及CD及CE杆长由几何关系求得。至于曲柄摇杆机构的尺寸综合，则可以根据速比系数K=11.2、摇杆CD长及曲柄AB长应用图解法及解析法求连杆BC及机架AD的长度。图解法可参看机械原理教材。解析法说明如下：综合具有急回作用的机构时，给定行程速比
12、系数K=1.25，摇杆CD和推杆长c=500mm、DF=475mm, BC=b=245mm，求杆AB=a、BC、AD=d的长。参见图7。其求解方法步骤如下：（1） 极位夹角 =18020（2） 摆角 （3） 曲柄AB而所以 解得a=67.66mm（4） 机架AD长d因为由几何关系得由AC1D得 即 所以 d=428.57则求b，d可编程序用计算机计算。主体机构运动设计亦可用图解法，设计时由学生自己选择。最后，还应根据 =42.80 及 =74.91二、 主体机构运动分析铰链四杆机构的运动分析在图8所示的铰链四杆机构中，已知各杆长l1，l2，l3，l4以及原动件AB的转角1和等角速度1=。要求确
13、定连杆2和摇杆3的转角、角速度和角加速度。运动分析的主要任务就是确定其余构件的角位移、角速度和角加速度的计算式。位置分析为简便起见，选取原动件固定铰链A为坐标原点，X轴与机架相连，从固定铰链点向外标出机架、连架杆和连杆的向量。各转角规定自X轴逆时针度量为正，反之为负。由此确定了各杆向量的指向后，机构就组成了一个封闭向量多边形。可写出封闭向量多边形的向量方程式。 矢量分别向X轴和Y轴投影得： 其中未知数为2，3，消去2求3，两边平方并求和有： 令：得： (4)令，则有，；即 （其中M=+1或M=-1）则得： 根据装配条件，确定M的符号“+”或“-”。同理，消去3，可求解2，其中令：得： 速度分析
14、对式两边求导，其中 解方程组得 加速度分析对(10)式再一次求导 (12)解方程组得：三、 主体机构的动力分析及飞轮设计飞轮转动惯量计算由前可知，平压模切机设计时必须考虑速度波动调节问题。因为，平压模切机负荷的特点是短期的高峰载荷和较长期的空载互相交替。如果按照工作行程所需的功率来选用电动机，要求的功率会很大。而用大功率的电动机，又只是在很短工作行程时间内满负荷，大部分时间负荷很小，这样就会造成浪费，且速度波动很大，造成不良的效果。为解决此矛盾，须考虑安装飞轮，使主轴的角速度较为均匀，同时使冲压模在不受负载时通过传动机构吸收多余的能量，而冲压模在工作行程时，释放能量，从而大大减少电动机所需的功率。飞轮的转动惯量可利用以下近似公式计算式中-最大盈亏功-安装飞轮之轴的平均角速度（一般装在主轴上）n-安装飞轮之轴的转速-机械运动转时许用不均匀系数（冲压机械取1/71/10，此处取0.12）已知在一个工作周期内，主体机构推杆做两次推程运动，但只有一次做功，做功位移S=5mm又因运转速度作周期性波动的机器，稳定运动时一个周期内等效
