机械原理课程设计书本打包机设计.docx

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机械原理课程设计书本打包机设计

课程设计说明书

课程名称：

机械原理课程设计

设计题目：

书本打包机设计

专业：

船机修造班级：

2班

学生姓名:

丁帅学号:

学生姓名:

郭哲睿学号:

指导教师:

毕艳丽

书本打包机设计

一、工作原理及工艺动作过程

书本打包机的用途是要把一摞书（如五本一包）用牛皮纸包成一包，并在两端贴好封签（图1）。

包、封的工艺顺序如图2所示,各工位的布置（俯视）如图3所示。

其工艺过程如下所述（各工序标号与图2、3中标号一致）。

1.横向送书（送一摞书）。

2.纵向推书前进（推一摞书）到工位a，使它与工位b～g上的六摞书贴紧。

3.书推到工位a前，包装纸已先送到位。

包装纸原为整卷筒纸，由上向下送够长度后进行裁切。

图1书本打包机的功用

图2包、封工艺顺序图

图3打包过程各工位布置

④继续推书前进一摞书的位置到工位b，由于在工位b的书摞上下方设置有挡板，以挡住书摞上下方的包装纸，所以书摞推到b时实现包三面，这个工序中推书机构共推动a～g的七摞书。

⑤推书机构回程时，折纸机构动作，先折侧边（将纸卷包成筒状），再折两端上、下边。

⑥继续折前角。

⑦上步动作完成后，推书机构已进到下一循环的工序④，此时将工位b上的书推到工位c。

在此过程中，利用工位c两端设置的挡板实现折后角。

⑧推书机构又一次循环到工序④时，将工位c的书摞推至工位d，此位置是两端涂浆糊的位置。

⑨涂浆糊。

⑩在工位e贴封签。

在工位f、g用电热器把浆糊烘干。

在工位h时，用人工将包封好的书摞取下。

因此书本打包机中的主要机构包括：

纵向推书机构、送纸机构及裁纸机构。

二、原始数据及设计要求

图4表示由总体设计规定的各部分的相对位置及有关尺寸。

其中轴o为机器主轴的位置。

图4　机构布置图

（1）机构的尺寸范围及其它数据

机器中机构的最大允许长度A和高度B：

A≈2000mm，B≈1600mm。

工作台面高度：

距地面y≈700mm；距主轴y0≈400mm。

主轴水平位置：

x≈100～1100mm。

为了保证工作安全、台面整洁,推书机构最好放在台面以下。

（2）工艺要求的数据

书摞尺寸：

a＝130～140mm；b＝180～220mm。

推书起始位置：

X0＝200mm。

推书行程：

H＝400mm。

推书次数（主轴转速）：

n＝10±0.1r/min。

主轴转速不均匀系数：

δ≤0.25。

（3）纵向推书运动要求

整个机器的运动循环以主轴回转一周为一个周期。

因此，可以用主轴的转角表示推书机构从动件的运动时间。

推书动作占1/3周期，相当于主轴转120º；快速退回动作时间小于1/3周期，相当于主轴转角小于100º；停止不动时间大于1/3周期，相当于主轴转角大于140º。

纵向推书机构从动件的工艺动作与主轴转角的关系见下表：

主轴转角

纵向推书机构从动件（推头）的工艺动作

0º～（80º）

（80º）～120º

120º～220º

220º～360º

推单摞书

推七摞书（同时完成折后角的动作）

从动件退回

从动件静止不动

（4）其它机构的运动关系见下表所示。

工艺动作

主轴转角

横向送书

折侧边,折两端上下边

折前角、涂浆糊、贴封签、烘干

150º→340º

180º→340º

180º→340º

送纸

裁纸

200º→360º→70º

70º→80º

（5）各工作阻力的数据

1）每摞书的质量为4.6kg；

2）横向送书机构的阻力可假设为常数，相当于主轴上有阻力矩：

Mc4=4000Nm。

3）送纸、裁纸机构的阻力也认为是常数，相当于主轴上有阻力矩：

Mc5=6Nm。

4）折后角机构的阻力，相当于四摞书的摩擦阻力。

5）折边、折前角机构的阻力总和，相当于主轴上受到阻力矩

，其大小可用机器在纵向推书行程中（即主轴转角0º～120º范围中）主轴所受纵向推书阻力矩的平均值

表示为：

可由下式算出：

式中

为推程中各分点上主轴所受的阻力矩：

为推程中的分点数。

6）涂浆糊、贴封签和烘干机构的阻力总和，相当于主轴上受到阻力矩

，其大小可用

表示为：

三、设计任务

（1）根据工艺动作要求拟定运动循环图并绘制在图纸上；

（2）进行纵向推书机构、送纸机构及裁纸机构的选型；

（3）机械运动方案的评定和选择；

（4）根据选定的原动机和执行机构的运动参数拟定机械传动方案，分配传动比，并在图纸上画出传动方案图；

（5）对机械传动系统和执行机构进行运动尺寸计算；

（6）在图纸上画出机械运动方案简图；

（7）进行飞轮设计；

（8）编写设计计算说明书。

横向送书机构：

方案一:

工作原理：

通过主动件凸轮的转动将速度通过齿条2→齿条2带动齿轮1,2转动，并且由齿轮1,2控制不同的传动比→齿轮1带动齿条1和其上推头横向运动完成横向送书动作。

方案二:

工作原理：

轮1为主动件，带动传送带顺时针转动，书本放在传送带上，利用摩擦力将书本送到工作台上。

方案比较：

方案一的机构复杂，采用的构件较多，加工成本高，但精度高，课程设计以简单加工成本低，精度高为优先考虑。

然而，凸轮和从动件之间为高副接触，压强较大，易于磨损。

比较方案的机构简单，容易制造，维护方便，成本低廉；过载时，带在轮面上打滑，可以防止损坏其他零件，起安全保护作用；能起缓冲和吸振作用，可使传动平稳，噪声小。

但是因为带传动受摩擦力和带的弹性变形的影响，所以不能保证准确的传动比,效率较低。

经过比较，选第一种方案为最佳方案。

纵向送书机构：

方案一:

工作原理：

凸轮为主动件，凸轮的转动使连杆摆动，从而带动滑块推头做往复运动，从而完成纵向推书动作。

方案二:

方案比较：

方案二的连杆滑块机构也可以实现横向推书的功能，但是通过对比方案一的凸轮齿条机构结构简单，易于实现复杂的运动要求比较容易设计各种传动比的要求，而且结构紧凑。

连杆滑块机构制造容易，但设计较为困难，连杆机构随着构件和运动副数目的增加，积累误差较大，传动精度不高。

经方案比较：

选取方案一为最佳方案。

送纸机构：

方案一:

工作原理：

用皮带轮控制另一个主动轮，按额定的转速转动，通过不完全齿轮控制摩擦轮的运动，当需要送纸的时候使不完全齿轮与完全齿轮相啮合，实线送纸，不需要时使不完全齿轮的圆滑面与齿轮相切，实现传纸的间歇。

方案二:

工作原理：

凸轮为原动件，通过凸轮转动而使与滚纸筒相邻的滚子与滚纸筒接触或者相离，当接触时，由于摩擦较大，滚子转动，带动纸张下滑，当相离时，由于无摩擦，纸张停止下滑。

方案比较：

方案一机构简单，空间构件灵活，稳定性好，设计简单，精度有保证。

但其不完全齿轮加工复杂，成本高，工作时会产生冲击，载荷不大，对机构整体的稳定性影响不大。

方案二机构也相对简单，但控制起来精度不高，误差大，工作时会产生冲击，对机构的载荷比较大，对机构整体的稳定性影响较大。

经过方案比较，拟选取方案一为最佳方案。

裁纸机构：

方案一:

工作原理：

凸轮为原动件，凸轮推动推杆先前运动，上下两边的压块先压紧牛皮纸，刀具再向前将纸裁断。

方案二:

工作原理：

通过主轴的运动将速度V传递到凸轮上，使其转动，将力与速度通过连杆传递给剪刀，通过剪刀截断合适尺寸的纸，最后达到裁纸的工作过程。

方案比较:

方案一的机构直观，简单地实现裁纸工作，使用凸轮的推动运动来控制压紧与切纸，裁纸稳定，结构紧凑，所占用的空间小。

装配略困难。

方案二的机构复杂，构件多，所积累的误差较大，同样是使用凸轮的运动来控制压紧与切纸，但所占用空间大，装配较困难。

经过方案比较：

选择方案一为最佳方案。

折边机构：

方案一:

工作原理：

主要执行机构为凸轮、连杆和摆杆机构，通过凸轮的回转运动，带动连杆摆动，进而实现假肢杆件的间隙闭合开启运动，实现折上下边的功能。

方案二：

方案比较：

方案二也可以实现折上下边，但是该机构只能折一边（上边或下边），因此要实现同时折好两边，需要两个对称的机构，而且曲柄连续回转难以控制好折边时间，因而精确度不如方案一机构高，同时运动幅度也比较大，占空间大。

经比较：

选取方案一为最佳方案。

折前角机构：

方案一:

工作原理：

主要执行机构为一个随轴回转的半球形转子，该机构随轴转动，上下边折好后，半球形转子刚好转过来实现折前角的功能。

后角利用固定挡板折好。

方案二：

工作原理：

主要执行机构为一个随轴转动的矩形框和齿轮机构，该机构为由齿轮带动的，做圆周运动的机构。

初始状态下，两滚轮所在平面平行于书运动方向，以便书两边所带的纸能够顺利通过。

当侧边与两端上下边折起来之后，齿轮带动其绕竖直轴作半周圆周运动，使竖直滚轮掠过前角边，将其折起。

方案比较:

方案一与方案二工作原理相似，但由于方案一为半球形转子，力度更大，因此精度就越高，效率也就越高。

经比较，选取方案一为最佳方案。

涂浆糊贴标签烘干机构：

方案一:

工作原理：

通过凸轮的转动带动与凸轮连接的轮轴，并使其上面的水平板块做水平往复运动，在推书机构把第二摞书推到涂浆糊处，第一摞书恰好到达贴标签处。

直至最后完成烘干。

方案二：

工作原理：

凸轮的转动带动滑块的左右移动，从而实现涂浆糊、贴标签、烘干功能。

方案比较：

方案一虽然多了一个摇杆，传动稳定，但机构较多，运动复杂，容易积累误差。

而方案二相对来说机构简单明了，搭建也方便。

经比较，选取方案二为最佳方案。

机构总方案汇总

横向送书机构纵向送书机构送纸机构

裁纸机构折边机构

折前脚机构涂浆糊贴标签烘干机构

机构总运动循环图

电动机到主轴间的减速机构计算

减速机构的示意图如下：

由选定的数据：

电动机转速n1=1000r/min，主轴转速n4=10r/min可通过计算得到各个齿轮的齿数，传动比为10。

计算过程：

i14=z2*z3*z4÷z1*z2’*z3’=100

可取：

z1=24z2=75z3=60z4=160

z2’=15z3’=20

模数m=2压力角α=20°

横向推书机构中凸轮机构的设计：

（matlab程序在附录）

由上面要求设定凸轮推程运动角为120°。

为了防止推书过程中书本出现洒落要求推书过程中加速度从零开始，根据要求凸轮的加速度按正弦规律变化。

回程过程中加速度没有要求，我们仍旧按正弦加速度规律设计凸轮。

凸轮的行程有齿轮1可知，h=200mm，设计凸轮从动件是直动型的，采用压力角为30°，基圆半径110mm。

基圆最小半径表达式：

Rmin=

将推程位移曲线中ds/dφ最大斜率带入得：

Rmin=83.3mm

选取基圆半径110mm>83.3mm

凸轮从动件位移表达式：

S=

·φ-

sin3φ（0<φ<2π/3）

S=h-

·（φ-

）+

sin3（φ-

）（2π/3<φ<4π/3）

S=0;（4π/3<φ<2π）

位移曲线

凸轮从动件速度表达式：

V=

·ω-

·ωcos3φ（0<φ<2π/3）

V=-（

·ω-

·ωcos3（φ-

）（2π/3<φ<4π/3）

V=0（4π/3<φ<2π）

速度曲线

凸轮从动件加速度表达式：

a=

sin3φ（0<φ<2π/3）

a=

sin3（φ-

）（2π/3<φ<4π/3）

a=0（4π/3<φ<2π）

加速度曲线

凸轮理论轮廓曲线

用解析法对牛头刨床六杆机构运动分析

（C语言版，程序在附录）

牛头刨床机构简图

牛头刨床三维立体图

1.位置分析：

2.速度分析：

将上式对时间求一阶导得：

将上式写成矩阵式得：

3.加速度分析：

将速度分析式对时间再次求一阶导得：

将上式写成矩阵式可得：

（L1=0.125m;L3=0.6m;L4=0.15m;L6=0.275m;L6`=0.575m;w1=1rad/s;）

最后利用C语言（高斯消元法）对矩阵式进行求解，可得从动件位移，速度，加速度数据，最后利用matlab将数据连成曲线，最终得出如图所示曲线（单位皆为国际单位制）

图解法验证：

当原动件角度为0°时：

利用CAD标注选项得出位移S=10.11mm×10=0.1011m;

与原图相符。

速度验证：

因为Vb3=Vb2+Vb3b2;

大小？

w1*l1?

方向⊥BC⊥AB∥BC

可求得Vb3=0.052m/s;

Vd=Vb3/S3*L3=0.103m/s

Ve=Vd+Ved

大小？

w3*l3?

方向∥EF⊥CD⊥DE

可求得Ve=-0.085m/s

与原图相符。

加速度验证：

ab3n+ab3t=ab2+ab3b2K+ab3b2r

大小V2b3/S3?

V2b2/L12*w3*Vb3b2?

方向B→C⊥CD⊥AB⊥BC∥BC

可求得ab3；

在通过影像原理可求得ad的大小和方向。

ae=ad+aedn+aedt

大小？

√V2ed/l4?

方向∥EF√D→E⊥DE

可求得ae=-0.18m/s2;

与原图相符；

当原动件角度为200°（360°-160°）的时：

利用CAD标注选项得出位移S=-41.55mm×10=-4.155m;

与原图相符。

速度验证：

因为Vb3=Vb2+Vb3_b2;

大小？

w1*l1?

方向⊥BC⊥AB∥BC

可求得Vb3；

Vd=Vb3/s3*L3；

Ve=Vd+Ve_d

大小？

w3*l3?

方向∥EF⊥CD⊥DE

可求得Ve=-0.13m/s

与原图相符。

加速度验证：

ab3n+ab3t=ab2+ab3b2K+ab3b2r

大小V2b3/S3?

V2b2/L12*w3*Vb3b2?

方向B→C⊥CD⊥AB⊥BC∥BC

可求得ab3；

在通过影像原理可求得ad的大小和方向。

ae=ad+aedn+aedt

大小？

√V2ed/l4?

方向∥EF√D→E⊥DE

可求得ae=0.09m/s2;

与原图相符；

课程设计心得体会

为期一周的机械原理课程设计结束了，在这次实践的过程中我学到了一些除书本知识以外的其他东西,领略到了别人在处理专业技能问题时显示出的优秀品质,更深切的体会到人与人之间的那种相互协调合作的机制,最重要的还是自己对一些问题的看法产生了良性的变化.

当我在设计当中遇到问题时,必须要有斟酌的态度才会收到效果。

我记得有位老师说过,有些事情的产生是有原因的,别人能在诸如学习上取得了不一般的成绩,那绝对不是侥幸或者巧合,那是自己付出劳动的成果的彰显,那是自己辛苦过程的体现.这一句话至今为止我都牢牢的记在心里。

这次课程设计使我明白了自己原来知识还比较欠缺。

自己要学习的东西还太多，以前老是觉得自己什么东西都会，什么东西都懂，有点眼高手低。

通过这次课程设计，我才明白学习是一个长期积累的过程，在以后的工作、生活中都应该不断的学习，努力提高自己知识和综合素质。

在这次课程设计中也使我们的同学关系更进一步了，同学之间互相帮助，有什么不懂的大家在一起商量，听听不同的看法对我们更好的理解知识，所以在这里非常感谢帮助我的同学。

我的心得也就这么多了，总之，不管学会的还是学不会的的确觉得困难比较多，真是万事开头难，不知道如何入手。

最后终于做完了有种如释重负的感觉。

此外，还得出一个结论：

知识必须通过应用才能实现其价值！

有些东西以为学会了，但真正到用的时候才发现是两回事，所以我认为只有到真正会用的时候才是真的学会了。

附录：

牛头刨床C语言程序

#include

#include

#include

#include

#include

#definePI3.1415926

usingnamespacestd;

constdoubleeps=1e-15;

constintMax_M=15;

constintMax_N=15;

doubleAug[Max_M][Max_N+1];///增广矩阵

boolfree_x[Max_N];///判断是否是不确定的变元

doublex[Max_N];

doublex2[Max_N];//解集

doublel1,l3,l4,P,G,H,S;

doublea1,a3,a4,w1;

intm,n;//m个方程,n个未知数

doubles1,w3,w4,ve;

intsign（doublex）{return（x>eps）-（x<-eps）;}

/**

返回值:

-1无解

0有且仅有一个解

>=1有多个解,根据free_x判断哪些是不确定的解

*/

voidfun（）//增广矩阵

{

Aug[0][0]=cos（a3）;Aug[0][1]=-P*sin（a3）;Aug[0][2]=0;Aug[0][3]=0;Aug[0][4]=-l1*sin（a1）*w1;

Aug[1][0]=sin（a3）;Aug[1][1]=P*cos（a3）;Aug[1][2]=0;Aug[1][3]=0;Aug[1][4]=l1*cos（a1）*w1;

Aug[2][0]=0;Aug[2][1]=-l3*sin（a3）;Aug[2][2]=-l4*sin（a4）;Aug[2][3]=-1;Aug[2][4]=0;

Aug[3][0]=0;Aug[3][1]=l3*cos（a3）;Aug[3][2]=l4*cos（a4）;Aug[3][3]=0;Aug[3][4]=0;

}

intGauss（）//高斯消元法

{

inti,j;

introw,col,max_r;

memset（free_x,true,sizeof（free_x））;

for（row=0,col=0;row

{

max_r=row;

for（i=row+1;i

{

if（sign（fabs（Aug[i][col]）-fabs（Aug[max_r][col]））>0）

max_r=i;

}

if（max_r!

=row）///将该行与当前行交换

{

for（j=row;j

swap（Aug[max_r][j],Aug[row][j]）;

}

if（sign（Aug[row][col]）==0）///当前列row行以下全为0（包括row行）

{

row--;

continue;

}

for（i=row+1;i

{

if（sign（Aug[i][col]）==0）

continue;

doubleta=Aug[i][col]/Aug[row][col];

for（j=col;j

Aug[i][j]-=Aug[row][j]*ta;

}

}

for（i=row;i

{

if（sign（Aug[i][col]））

return-1;

}

if（row

{

for（i=row-1;i>=0;i--）

{

intfree_num=0;///自由变元的个数

intfree_index;///自由变元的序号

for（j=0;j

{

if（sign（Aug[i][j]）!

=0&&free_x[j]）

free_num++,free_index=j;

}

if（free_num>1）continue;///该行中的不确定的变元的个数超过1个,无法求解,它们仍然为不确定的变元

///只有一个不确定的变元free_index,可以求解出该变元,且该变元是确定的

doubletmp=Aug[i][n];

for（j=0;j

{

if（sign（Aug[i][j]）!

=0&&j!

=free_index）

tmp-=Aug[i][j]*x[j];

}

x[free_index]=tmp/Aug[i][free_index];

free_x[free_index]=false;

}

returnn-row;

}

///有且仅有一个解,严格的上三角矩阵（n==m）

for（i=n-1;i>=0;i--）

{

doubletmp=Aug[i][n];

for（j=i+1;j

if（sign（Aug[i][j]）!

=0）

tmp-=Aug[i][j]*x[j];

x[i]=tmp/Aug[i][i];

}

return0;

}

voidfun2（）

{

Aug[0][0]=cos（a3）;Aug[0][1]=-P*sin（a3）;Aug[0][2]=0;Aug[0][3]=0;

Aug[0][4]=-（-w3*sin（a3）*s1-w3*（s1*sin（a3）+P*w3*cos（a3）））-（l1*w1*w1*cos（a1））;

Aug[1][0]=sin（a3）;Aug[1][1]=P*cos（a3）;Aug[1][2]=0;Aug[1][3]=0;

Aug[1][4]=-（s1*w3*cos（a3）+w3*（s1*cos（a3）-P*w3*sin（a3）））-w1*l1*w1*sin（a1）;

Aug[2][0]=0;Aug[2][1]=-l3*sin（a3）;Aug[2][2]=-l4*sin（a4）;Aug[2][3]=0;Aug[2][4]=-（-l3*w3*cos（a3）*w3-l4*w4*w4*cos（a4））;

Aug[3][0]=0;Aug[3][1]=l3*cos（a3）;Aug[3][2]=l4*cos（a4）;Aug[3][3]=0;

Aug[3][4]=-（-l3*w3*w3*sin（a3）-l4*w4*w4*sin（a4））;

}

intmain（）

{

freopen（"in.txt","r",stdin）;

freopen（"out2.txt","w",stdout）;

//pri