机械原理课程设计正式版.docx
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机械原理课程设计正式版
目录
前言…………………………………………………………………1
机械原理设计任务书……………………………………………..2
第一部分机构设计………………………………………………4
1.1自动打印机的功能和设计要求…………………………5
1.1.1产品数据设计………………………………………
1.2原动机的选择……………………………………………6
1.3功能原理图及其解释………………………………………7
1.4功能分解……………………………………………………8
1.5传动机构的选择传动路线图确定…………………………9
1.5.1传动机构的选择与比较………………………………
1.5.2传动比计算……………………………………………
1.5.3传动路线图………………………………………………
1.6执行机构的选择与比较……………………………………10
1.6.1各送料机构备选方案比较与选择…………………
1.6.2各打印机构备选方案比较与选择…………………
1.6.3各输出机构备选方案比较与选择……………………
1.7机构系统运动转换功能图及形态学矩阵表的绘制…………2
1.7.1机构系统运动转换功能图……………………………
1.7.2形态学矩阵表…………………………………………
1.8机械系统运动方案简图……………………………………13
1.9根据工艺动作顺序和协调要求拟定运动循环图…………14
1.9.1运动循环表………………………………………………
1.9.2运动循环图………………………………………………
第二部分机构尺寸计算与确定……………………………………15
2.1送料机构的尺寸与计算……………………………………16
2.1.1曲柄滑块机构基本尺寸的确定…………………………
2.1.2曲柄滑块机构最小传动角的确定………………………
2.2打印机构的尺寸与计算……………………………………17
2.3输出机构的尺寸与计算……………………………………18
2.3.1槽轮机构的设计过程
2.3.2三工位园盘的设计过程
2.4总体安装尺寸的确定………………………………………19
第三部分计算调试机构………………………………………20
5.1凸轮形状与运动调试及设计结果………………………20
5.2连杆机构与程序编写及结果调试………………………21
第四部分课程设计总结………………………………………22
第五部分参考文献及编号……………………………………23
前言
随着科学技术的发展,工业生产水平的不断发展和人们生活条件的不断改善,消费者的价值观念变化很快,市场需求出现多样化的特征,机械产品的种类日益增多,同时这些机械产品的寿命周期也相应缩短,企业为了赢得市场,必须不断开发符合市场需求的产品。
新产品的开发包括产品的设计与制造,其中设计是产品开发的第一步,是决定产品的性能、质量、水平、市场竞争力和经济效益的最主要因素。
机械产品的设计是对产品的功能、工作原理、系统运动方案、机构的运动与动力设计、机构的结构尺寸、力和能量的传递方式、各个零件的材料和形状尺寸、润滑方法等进行构思分析与计算,并将其转化为具体的描述以作为制造依据的工作过程。
其中机械产品的功能、工作原理、系统运动方案、机构的运动与动力设计、机构的结构尺寸、力和能量的传递方式等设计内容是机械原理课程的教学内容。
机械原理课程设计是机械原理课程的一个重要实践性教学环节同时又是机械类专业人才培养计划中的一个相对独立的设计实践,在培养学生的机械综合设计能力及创新意识与能力方面起到十分重要的作用。
通过课程设计这一环节使学生更好的掌握和加深理解本课程的基本理论和方法进一步提高学生查阅技术资料,绘制工程图和应用计算机的能力。
在课程设计中要重视培养学生创新设计的能力。
自动打印机
2011年1月14
贵州大学机械工程学院
机械原理课程设计任务书
题号5
自动打印机设计
一、工作原理及工艺动作过程
在某商品包装好的纸盒上,为了某种需要而在商品上打印一种记号。
它的主要动作有三个:
送料到达打印工位,然后打印记号,最后将产品输出。
二、原始数据和设计要求
(1)纸盒尺寸:
长100~150mm、宽70~100mm、高30~50mm。
;
(2)产品重量:
5~10N;
(3)自动打印机的生产率:
80次/min;
(4)要求机构的结构简单紧凑、运动灵活可靠、易于制造加工1-送料器;2-产品;3-打印头;4-杠杆;5-弹簧;6-凸轮
工艺过程:
减速---送料---打印---输出
三、设计方案提示
1)实现送料——夹紧功能的机构可以采用凸轮机构或有一定停歇时间的连杆机构。
当送料、夹紧机构的执行构件将产品推至指定位置,执行构件停止不动,维持推紧力(前有挡块挤压),待打印机构执行件打完印记后,被推走。
2)实现打印功能的机构可以采用平面连杆机构或直动(摆动)凸轮机构。
3)实现输出功能的机构可以采用与送料、夹紧机构相类似的机构。
为简化结构,可考虑固定定位挡块,而将输出运动与送料运动的方向互相垂直。
4)自动打印机系统采用一个电机驱动主轴控制三个机构的执行构件完成各自的功能运动,如何将三个执行机构的主动件均固定在主轴上而达到设计要求是需要认真考虑的。
四、设计任务
(1)按工艺动作要求拟定运动循环图;
(2)进行送料夹紧机构、打印机构和输出机构的选型;
(3)机械运动方案的评定和选择:
(至少两个以上),进行方案评价,选出较优方案。
(4)按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)绘制系统机械运动方案简图;
(7)对执行机构进行运动分析,画出运动线图;
(8)编写设计计算说明书。
第一部分机构设计
1.1自动打印机的功能和设计要求
如图1-1.1
如图1-1.1所示为需要打印的纸盒,上方所示为自动打印机印头,其功能是在纸盒打印上所要求的印记,并实现自动打印生产功能。
1.1.1产品数据设计
1.打印印头如图1-1.1所示;
2.所要打印的产品质量为5~10N;
3.自动打印机的生产率为80件/min;
4.产品数据参数如下:
长X宽X高:
LxBxh=120X80X50;(单位:
mm)
5.要求机构的结构简单紧凑、运动灵活可靠、易于制造加工。
1.2原动机的选择
如表格1-2.1所示:
型号
功率/kW
额定转速
/(r/min)
额定转矩
/(N·m)
最大转矩Tk
/(N·m)
角速度wk
/(1/s)
Y132S-6
3
960
29.844
59.688
96.34
选择的电动机的额定功率必须满足负载要求,而且必须保证在启动时可以顺利地运行,对于电动机来说,转速选择960r/min合适,可以保证运行的稳定性。
另外转速也不可过高,这样造成功率因素过低,这也是不经济的。
电动机的运动参数为转速。
电动机的速度越高,其尺寸和质量也就越大,价格也就越高,但当执行构件的速度较低时,若选用高速电动机,势必需要大减速比的减速装置,反而可能会造成机械传动系统的过分庞大和制造成本的显著增加。
在此机械运动中执行构件要求的效率不是很大,经过多方面的考虑我选960r/min的电动机。
型号为Y132S-6。
1.3功能原理图及其解释
图1-2.1
如图所示,送料器1将产品2送到打印工位,由带有弹簧5的杠杆4在凸轮机构6的带动下,通过印头3将所需的印记打印在产品2上,完成生产所需。
1.4功能分解
为实现将图1-1.1所示的产品上打印出所需的印记,可将总功能分解为如下分功能:
1.自动送料功能;
2.自动定位功能;
3.自动打印功能;
4.产品自动输出功能。
图1-4.1
1.5传动机构的选择与比较以及传动比的计算和传动路线图
1.5.1传动机构的选择与比较
机械系统中的传动机构是把原动机输出的机械能传递给执行机构并实现能量的分配、转速的改变及运动形式的改变的中间装置。
传动机构最常见的有齿轮传动、带传动、蜗杆传动等。
他们的特点如表1-5.1:
表格1-5.1
特点
寿命
应用
齿轮传动
承载能力和速度范围大;传动比恒定,采用卫星传动可获得很大传动比,外廓尺寸小,工作可靠,效率高。
制造和安装精度要求高,精度低时,运转有噪音;无过载保护作用
取决于齿轮材料的接触和弯曲疲劳强度以及抗胶合与抗磨损能力
金属切削机床、汽车、起重运输机械、冶金矿山机械以及仪器等
蜗杆传动
结构紧凑,单级传动能得到很大的传动比;传动平稳,无噪音;可制成自锁机构;传动比大、滑动速度低时效率低;中、高速传动需用昂贵的减磨材料;制造精度要求高,刀具费用贵。
制造精确,润滑良好,寿命较长;低速传动,磨损显著
金属切削机床(特别是分度机构)、起重机、冶金矿山机械、焊接转胎等
带传动
轴间距范围大,工作平稳,噪音小,能缓和冲击,吸收振动;摩擦型带传动有过载保护作用;结构简单,成本低,安装要求不高;外廓尺寸较大;摩擦型带有滑动,不能用于分度链;由于带的摩擦起电,不宜用于易燃易爆的地方;轴和轴承上的作用力很大,带的寿命较短
带轮直径大,带的寿命长。
普通V带3500-5000h
金属切削机床、锻压机床、输送机、通风机、农业机械和纺织机械
链传动
轴间距范围大;传动比恒定;链条组成件间形成油膜能吸振,对恶劣环境有一定的适应能力,工作可靠;作用在轴上的荷载小;运转的瞬时速度不均匀,高速时不如带传动平稳;链条工作时,特别是因磨损产生伸长以后,容易引起共振,因而需增设张紧和减振装置
与制造质量有关
5000-15000h
农业机械、石油机械、矿山机械、运输机械和起重机械等
由上述几种主要的传动装置相互比较可知,由于传动比较大,故选择齿轮传动,第一级传动选择带传动,可对电动机起到过载保护的作用。
1.5.2传动比的计算
各齿轮的参数如表1-5.2所示:
表1-5.2
传动比相关计算如下所示:
由于生产率为80件/min,电机的转速为960r/min,则
总传动比i总=n电/n输出=12;
送料机构和打印机构的减速:
一级减速(皮带减速)i1=260/130=2;
二级减速(齿轮减速)i2=Z2/Z1=90/30=3;
三级减速(齿轮减速)i3=Z4/Z3=Z7/Z3=60/30=2。
输出机构(拨盘的转动)的减速:
一级减速(齿轮减速)i4=Z9/Z8=60/20=3;
二级减速(齿轮减速)i5=Z11/Z10=40/20=2;
三级减速(齿轮减速)i6=Z13/Z12=40/20=2;
1.5.3传动路线图
图1-5.3.1
1.6执行机构的选择与比较
1.6.1送料机构备选方案比较与选择
备选方案Ⅰ:
直动凸轮机构
图1-6.1.1
功能:
通过直动滚子推杆凸轮机构旋转运动转换为推杆往复动运动,从而实现自动送料功能。
优点:
送料连续,运转速度、精度较高,振动、噪声较小,结构紧凑,避免了冲击;在行程的起此点有较好的边界条件,各段不同的运动规律有较好的动力性能和工艺性能。
缺点:
承载能力较小,传力特性一般,并且加工要困难,维护又较为麻烦,致使
其经济成本较高。
备选方案Ⅱ:
六杆机构
图1-6.1.2
功能:
该机构可以将曲柄的连续转动转化为有急回运动的往复运动的机构。
优点:
可以改善从动件的运动特性,可获得较大的机械利益,还有能取得有利的传动角,并且可以获得较小的运动空间,而且还能实现特定要求下的平面导引。
缺点:
构件数目多,累积误差大,设计相对比较复杂;尤其是机构中作复杂平面运动和往复运动的构件所产生的惯性力(力矩)难以平衡,在高速是会引起震动,噪声和交大的附加动载荷。
备选方案Ⅲ:
曲柄滑块机构
图1-6.1.3
功能:
将曲柄连续往复转动转换成滑块在导轨上连续往复移动,实现送料功能。
优点:
设计制作简单,易于维护,经济,可靠性高,使用范围广。
缺点:
运动规律任意性较差,运转精度较低。
综合评价与选择:
通过对以上备选方案在运动性能,工作性能,动力性能,经济
性和结构紧凑性等方面的比较,最终自动打印机的送料机构选择方案Ⅲ。
1.6.2打印机构备选方案比较与选择
备选方案Ⅰ:
凸轮连杆机构
图1-6.2.1
功能:
将凸轮的连续往复转动转换成印头的上下往复移动,从而实现打印功能。
优点:
构造简单,在行程的起此点有较好的边界条件;在各段不同的运动规律的链接点上满足位移、速度连续,即其运动曲线应光滑过度;各段不同的运动规律有较好的动力性能和工艺性能,打印精度高。
缺点:
凸轮制造较困难,容易磨损,经济性差,维护性不好。
备选方案Ⅱ:
凸轮对心推杆机构
图1-6.2.2
功能:
将凸轮的连续往复转动转换成印头的上下往复移动,从而实现打印功能。
优点:
构造简单,在行程的起此点有较好的边界条件;在各段不同的运动规律的链接点上满足位移、速度连续,即其运动曲线应光滑过度;各段不同的运动规律有较好的动力性能和工艺性能,打印精度高。
缺点:
凸轮制造较困难,维护性不好。
综合评价与选择:
通过对以上备选方案在运动性能,工作性能,动力性能,经济
性和结构紧凑性等方面的比较,最终自动打印机的打印机构选择方案Ⅱ。
1.6.2各输出机构备选方案比较与选择
备选方案Ⅰ:
不完全齿轮机构
图1-6.3.1
功能:
将主动轮的连续回转运动转换成从动轮的间歇回转运动,从而实现连续的送料、打印和输出。
优点:
结构简单,制造方便,可实现等速转位,工作可靠;在一个周期内,从动轮的动停时间比和从动轮每次转动的角度,可以不受机构的限制,根据需要设计,故其实用性较好。
缺点:
有较大冲击,故只宜用于低速、轻载场合。
备选方案Ⅱ:
图1-6.3.2
功能:
将主动拨盘的连续往复转动转换成槽轮的时动时停的间歇运动。
优点:
结构简单,制造容易,工作可靠,机械效率高,并能较平稳地、间歇地进行转位;启动时没有刚性冲击,只有柔性冲击,运动比较平稳。
缺点:
传动时尚存在柔性冲击,常用于速度不太高的场合。
综合评价与选择:
通过对以上备选方案在运动性能,工作性能,动力性能,经济
性和结构紧凑性等方面的比较,最终自动打印机的输出机构选择方案Ⅱ。
1.7机构系统运动转换功能图及形态学矩阵表的绘制
1.7.1机构系统运动转换功能图
根据执行构件的运动形式,绘制机械系统运动转换功能图如图1-7.1所示。
图1-7.1
1.7.2形态学矩阵表
表1-7.2
1.8机械系统运动方案简图
图1-8.1
如图1-8.1所示为机械系统运动方案运动简图。
自动打印机总传动路线为:
(1)转速为960r/min的电动机经皮带传动传至轴1,轴1带动齿轮转动,然后通过齿轮传动将运动传递到轴2,轴2再通过齿轮啮合传动,将运动传递到轴3,轴3通过锥齿轮啮合传动改变运动轴线,转换为曲柄滑块机构的连续往复移动,而滑块的移动会推动产品纸盒进行移动,完成自动送料功能;
(2)轴2通过齿轮啮合传动,将运动传递到轴4,轴4带动凸轮机构并通过直动推杆上的印头完成自动打印功能;
(3)电动机直接带动轴5,通过齿轮啮合传动,将运动传递到轴6,轴6再通过齿轮啮合传动,将运动传递到轴7,轴7通过一对锥齿轮啮合传动,并改变轴线运动方向,将运动传递到轴8,而轴8通过槽轮作间歇转动,再将运动传递到轴9,最后轴9带动三工位工作转盘,完成自动定位功能和产品自动输出功能。
(4)机器在运转时通过曲柄滑块机构的滑块进行送料,然后急回,在进行下一次送料。
当工件被送入三工位工作转盘后,拨盘带动槽轮使轴9转动,再由轴9带动三工位工作转盘转动。
由转盘的转动使工件一起随之转动120度角停此,然后打印,打印好后工件再随转盘转动120度角后输出。
如此循环,这样就实现了工件的整个打印过程和工件的连续打印。
1.9根据工艺动作顺序和协调要求拟定运动循环图
1.9.1运动循环表
执行阶段
运动阶段
运动时间(s)
分配角度(°)
送料阶段
送料
0.5
240
回程
0.25
120
打印阶段
向下
0.2
96
停
0.1
48
向上
0.2
96
停
0.25
120
输出阶段
无输出
0.5
240
输出
0.25
120
表1-9.1.1
1.9.2运动循环图
图1-9.2.1
注明:
由于定位由三工位圆盘和圆形托盘共同作用,机器运行时三工位圆盘的三个工位同时进行送料,定位,打印和输出。
在运动循环图中不好体现,实际定位在送料完成后到工件的输出结束。
第二部分机构尺寸计算与确定
2.1送料机构的尺寸与计算
2.1.1曲柄滑块机构基本尺寸的确定
图2-1.1.1
曲柄滑块机构相关参数确定步骤:
第一步:
通过对送料机构和打印机构同时性及与输出机构的时间关系分析得出,K=2,则极位夹角theta=60°,因此,取偏距e=36,行程S=160,作图法得出A点位置;
第二步:
由曲柄2AB=AC2-AC1,2BC=AC2+AC1,则以A为圆心,AC1长为半径作圆,与AC2交于D1点,与AC2的反向延长线交于D2点,如图所示,
2AB=D1C2
2BC=D2C2
因此,得出曲柄AB=68.5,连杆BC=106.7;
第三步:
确定该曲柄机构运动可行性,由于行程S≥2AB(曲柄长度的两倍),因此可行性满足。
2.1.2曲柄滑块机构最小传动角的确定
图2-1.1.2
曲柄滑块机构最小传动角的确定步骤:
第一步:
以A为圆心,并以曲柄AB=68.5mm长为半径作圆,在曲柄AB与机架共线的位置之一取得最小传动角;
第二步:
由于此机构为曲柄滑块机构即AB垂直导轨方向时,连杆BC与竖直方向之间的夹角之一取得最小传动角;
第三步:
由图可知,最小传动角的取得为B1C11与竖直方向之间的夹角即为最小传动角,所以该机构的最小传动角为12°。
为确保滑块的制造简单,并且能很好的推动纸盒不使纸盒被推翻设计尺寸为长x宽x高=30x30x30。
2.2打印机构的尺寸与计算
打印机构为凸轮通过直动滚子推杆带动印头完成自动打印功能如图2-2.1所示:
凸轮基圆半径(mm)
滚子半径
(mm)
直动推杆杆长(包含印头厚度)(mm)
推杆行程(即凸轮机构升程)
(mm)
30
10
96
20
2.3输出机构的尺寸与计算
2.3.1槽轮机构的设计过程
过程一:
图2-3.1.1
过程二:
图2-3.1.2
过程三:
图2-3.1.3
槽轮最终设计样图:
图2-3.1.4
通过对生产过程中的运动和受力并且还有槽轮的通用性,最终绘出槽轮结构和尺寸图如2-3.1.4所示,为保证满足生产需要和经济性要求将槽轮机构的圆销直径选择10mm,槽轮厚度为30mm.安装时与直径为40mm的轴,用标准半圆键(GB/T1099.1-2003)连接。
2.3.2三工位园盘的设计过程
设计过程如下图
图2-3.2.1
最终设计样图
图2-3.2.2
此构件保证了被打印纸盒的定位,打印和输出在三工位圆盘上同时进行,提高了机器打印的效率。
由纸盒的尺寸为长x宽x高=120x80x50,在设计时槽深为120mm,槽宽为81mm,使纸盒两侧各有0.5mm的间隙便于输出。
这样就能很好的保证纸盒的定位和输出。
槽轮的厚度为40mm,保证了强度的要求。
安装时与直径为20mm的轴,用标准半圆键(GB/T1099.1-2003)连接。
2.3.3圆形托盘的设计过程
设计过程如下图
图2-3.3.1
最终样图
图2-3.3.2
此构件与机架相连,并与三工位圆盘一起作用纸盒的定位,安装时在三工位圆盘的下方。
由安装时的尺寸要求和能保证纸盒能很好的输入和输出,输出槽的槽深为130mm,槽宽为82mm。
为保证强度外壁高为10mm,厚度为10mm,底盘厚度为20mm
2.4总体安装尺寸的确定
图2-4.1.1
安装尺寸如图所示,轴2与轴4平行的,在竖直平面内安装;轴2与轴3是平行的,在水平面内安装,即轴2和轴4所在的平面与轴2和州3所在的平面垂直。
这样保证了机器安装时在空间上,轴2与轴4在竖直平面内的距离
A24=m(Z2+Z4)/2=3x(30+60)/2=135mm
轴2与轴3在水平面内的距离
A23=m(Z2+Z3)/2=3x(30+60)=135mm
这样获得了纸盒在打印时的打印中心到三工位圆盘的中心线垂直距离Y=135mm,如图2-4.1.1所示。
以上m表示模数,Zi表示各齿轮的齿数。
送料机构的曲柄回转中心到水平台的距离
S=e+n/2=36+30/2=51mm
圆形托盘安装时托盘中心与滑块中心在同一竖直平面内安装,外壁的上表面与水平台保证水平。
三工位圆盘安装时圆盘中心与托盘中心在一条竖直线上中心距O1O2=10mm(即为圆形托盘外壁的高度10mm)。
三工位圆盘与圆形托盘安装半刨图如图2-4.1.2.
有以上可知凸轮的回转中心到纸盒的打印中心的距离
H=A23+S+O1O2-h=135+51+10-50=146mm
三工位圆盘与圆形托盘安装半刨图
如图2-4.1.2
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