机械原理课程设计书本打包机设计教材.docx
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机械原理课程设计书本打包机设计教材
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); fr
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