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机 械 原 理 课 程 设 计

题目：纪念章压印机及其送料机构设计
指导老师：
组员：

2011年1月12日

目 录
一 设计任务
1．设计题目，分析功能要求……………………………………..
2．原始数据和设计要求……………………………………………..
二 所选方案
1．方案分析………………………………………..
2．分析结论……………………………………….
三 机构的设计
1．几何尺寸的确定…………………………….
2．机构简图的绘制…………………………………..
3.机构的设计数据……………………………………
四．从动件的运动规律及简图
1．位移S---Ψ简图………………………………………
2. 速度V---Ψ简图…………………………………….
3. 加速度a-----Ψ简图……………………………………
4.机构工作过程说明…………………………………

设计任务

1.设计题目，分析功能要求
设计自动纪念章压印机，将具有一定厚度的板料自动送入印压位置印压成纪念章，经印压成形后脱离该位置。机器的整个工作过程（送料，压型，脱离）均自动完成。由此，可知该机构有两个动作要求，一是印压成型，二是自动送料。绘制功能图如图1-1所示
自动纪念章压印系统
送料
输出
压印
执行构件做间歇运动
执行构件做间歇运
执行构件做间歇运

图1-1
压印成形机的工艺动作是：如图1-2所示
（1） 板料移动至冲压位置
（2） 下冲头15mm,利于上冲头将板料冲程规定的直径，即先落料。
（3） 上下冲头同时加压，并保持一段时间。
（4） 上冲头退出，下冲头随后将压印好的纪念章顶出。
（5） 板料将成品推走。

（1） （2）

（3） （4）
（5） 图1-2
2．原始数据和设计要求
1动力源是电动机，做转动：从动件（执行机构）为上下模，作上下往复直线运动，上模具有快速下沉，等速工作进给和快速返回的特性。
2机构应具有较好的传动性能，特别是工作段的压力角α应尽可能小; 传动角大于或等于许用传动角
3．上模到达工作段之前，送料机构已将坯料送至待加工的位置（下模的上方）。
4．生产率约为每分钟30件。
5．执行构件（上模）的工作长度L=50—100mm，对应的曲柄转角=(1/3-1/2)π;上模行程的长度必须大于工作段长度的两倍以上。
7许用传动角=40
8送料距离H=60~250mm
9建议主动件的角速度+1rad
10.对机构进行动力分析，所需参数值建议如下选取
（1）设连杆机构中各构件为等截面匀质杆，其质心在杆长中点，而曲柄的质心与回转轴线重合。
（2）设各构件的质量按每米40kg计算。绕质心的转动惯量按每米2kg.计算。
（3）转动滑块的质量和转动惯量不计；移动滑块的质量36kg。
（4）载荷F=5000N；按平均功率选电动机。型号如表2-1所示：同步转速为720r/min
电动机型号
额定功率（KW）
满载转速（r/min）
Y132S-8
2.2
710
Y160M1-8
4
720
Y160M2-8
5.5
720
Y160L-8
7.5
720

( 5)曲柄转速为30 r/min，在由电动机轴至曲柄轴之间的传动装置中如图1-3，可取带的传动比=1.9

图1-3
（6）机器运转不均匀系数不超过0.05
根据要求，所选方案如图1-4所示

图1-4

方案分析与选择
（1）齿轮系—摩擦轮—凸轮送料机构
凸轮机构结构简单，紧凑，设计方便，但由于主从动件之间为点接触，易磨损，适用于运动规律复杂，传力不大的场合。
齿轮依靠齿廓直接接触来传递空间任意两轴间的运动和动力，并具有传递功率范围大、传动效率高、传动比精确、使用寿命长、工作可靠等优点；但也存在对制造和安装精度要求高以及成本较高等缺点。
摩擦传动是在摩擦力的作用下工作的，所以保持两路案件相互压紧，由压紧力在接触面间产生足够的法向力是摩擦传送的最基本条件。它又制造简单、运行平稳、噪声很小、过载时发生打滑，故能防止机器中重要的零件损坏、能无极的改变传动比等优点；同时有效率低、当传递同样大的功率时，轮廓尺寸和作用在轴与轴承上的荷载都比齿轮传动大、不能保持准确的传动比、干摩擦时磨损快、寿命低等缺点。
所以送料机构选择齿轮系—摩擦轮—凸轮机构。
摩擦轮E与齿轮G间用皮带相连，实现长距离传递运动。齿轮系G由电机带动，摩擦轮F起固定板料作用，凸轮H及其所连接的滑块负责将落下的板料顶起到与原板料同一高度。按机构运动循环图确定齿轮，摩擦轮，凸轮的运动规律，则机构可在预定时间将工件送至代加工位置以及把产品送离加工位置。

对于方案一
齿轮—连杆冲压机构
如图所示，冲压机构由曲柄滑块机构形成，由齿轮带动曲柄AB，它和曲柄IJ、连杆BJ以及机架构成平行四边形机构，该机构有两个显著的特点：一是两曲柄以相同的速度同向转动；而是连杆作平动。平行四边形机构有利于齿轮和曲柄AB之间的平稳传动，进而是冲压过程更稳定。曲柄滑块机构按给定的行程速度变化系数设计，适当选择导路位置，可使工作段压力角α较小。
对于方案二
齿轮—皮带冲压机构
如图1-4所示，冲压机构由曲柄滑块机构形成，由电机带动曲柄。曲柄滑块机构按给定的行程速度变化系数设计，适当选择导路位置，可使工作段压力角α较小。
在ABC曲柄摇杆机构加上二级杆组连杆和滑块，组成五杆机构。主动曲柄AB匀速转动，滑块D在CD线上做往复运动。
（2）分析结论
如图1-5所示，平行四边形机构使机构间的传动更加稳定，连杆机构最适合用于冲压机构，可以传递较大的力，但一些运动无法满足，即要求在匀速冲压完工件后快速将工件推出这一运动过程不易满足，而齿轮—摩擦轮—凸轮送料机构恰能满足这个要求。总体来说此机构可以达到在预定的时间将工件送到加工位置而在加工完成后快速将产品送离加工位置的要求
（3）方案选择
我们选择方案一，因为方案一的四杆机构机构传动过程比皮带的传动性能差点，工作效率没那么高，但是四杆机构是平行四边形的设计保证了冲压与电机运转的同步进行，我们可以按照需要设计增加档位来调节电动机转速来改变打印速度，而皮带传动的如果要改变档位则数据计算比较复杂；而且连杆机构比皮带的简单，所需材料少，经济效益高，虽然方案一相对于方案二的一些优点差些，从经济方面和简单方面选择，但是我们还是选择方案二。
三 机构的设计
几何尺寸的确定
曲柄滑块机构的设计
曲柄逆时针旋转，如图3-1所示，∠CAB=，mm,由余弦定理得， ①
∠=0时，为保证上模行程的长度大于工作段长度的两倍以上，取mm，则有：
②
由①、②式解得197.75mm
图3-1
凸轮的设计
根据冲压机构的s-δ图以及纪念章半径，确定凸轮的推程角为，远休角为，回程角为，近休角为π，推程s=15mm。基圆半径取r=30mm。为保证推杆运动的平稳性和工作精度。凸轮的推程和回程均可采用五次多项式运动规律。
推程计算：

（3-1）
回程计算：
（3-2）

根据凸轮的s-δ图，作凸轮轮廓曲线 如图3-2所示
1） 以凸轮基圆半径r=30mm作圆。
2） 将凸轮的位移线图s-δ 推程运动角∠AOB十等分，回程运动角∠COD六等分,由式（3-1）（3-2）分别算得如下表所示 /mm

O1
O2
O3
O4
O5
O6
O7
O8
30.172
31.139
33.129
5.919
9.011
41.814
43.821
44.817
OC
O9
O10
O11
O12
O13
OD
OB
45
44.47
41.866
37.527
33.177
30.546
30
45

电动机设计
机构功率估算：
假设上模载荷F=5000N，杆长L=0.1m，则力矩M=F*L,由机构效率为n=30r/min，上模功率=M*2n/60=1.57kw.
假设摩擦轮摩擦力为=2000N，又已知板料移动速度V=0.06m/s,则，带传动效率为0.94，故摩擦轮所需功率.
假设下模所需功率
机构所需总功率，由此可知，通过二级减速器所得出的电机的输出功率，故电动机的功率选择为4kw的Y160M1-8型。
轮系的设计：如图3-1所示
图3-1
根据设计要求，设定二级减速器输出转速为60r/min,而有表2-1得知，电机转速为720r/min,由此得传动比i=720/60=12，又由图3-1知，，查机械设计手册，取模数m=4，可得各齿轮齿数如下：

执行机构尺寸设计 如图3-2所示

各个构件尺寸如下：
主动轮G齿数为20.，从动轮M齿数为40，，飞轮直径为240mm,两皮带轮Y、X直径分别为60mm、120mm，不完全摩擦轮大径为40mm,小径为36mm.

从动件的运动规律及简图
曲柄-滑块运动规律
在图3-1中，令=100mm，，。如图4-1所示，建立一直角坐标系，则机构ABC的封闭位置方程式为：

即 （4-1）

根据欧拉公式将式（4-1）的实部与虚部分离得

解得 ：

对式（4-1）对时间t求一阶导和二阶导，整理后可得点C的速度、加速度分别为：

由冲压机构的工作效率是30r/min,可得，代入数据，每取一个数据，机构运转一周，s、、、变化如表4-1

θ/°
s（mm/°）
v（mm/°）
a （mm/t²）
0
297.5
0
-1485.18
10
295.218
27.217
-1475.938
20
288.494
55.483
-1447.256
30
277.688
85.789
-1396.497
40
263.384
118.971
-1320.145
50
246.363
155.505
-1215.318
60
227.559
195.206
-1081.956
70
207.985
236.82
-924.821
80
188.637
277.703
-753.595
90
170.392
313.852
-579.702
100
153.909
340.492
-411.302
110
139.584
353.134
-250.673
120
127.566
348.617
-96.473
130
117.817
325.686
51.558
140
110.19
284.979
189.684
150
104.5
228.645
310.497
160
100.572
159.877
405.142
170
98.268
82.516
465.676
180
97.5
0.757
486.738
190
98.24
-81.042
466.429
200
100.515
-158.532
406.581
210
104.413
-227.484
312.492
220
110.069
-284.077
192.083
230
117.659
-325.095
54.2
240
127.367
-348.362
-93.697
250
139.343
-353.212
-247.79
260
153.626
-340.863
-408.286
270
170.072
-314.442
-576.547
280
188.29
-278.423
-750.395
290
207.624
-237.587
-921.771
300
227.204
-195.958
-1079.263
310
246.031
-156.207
-1213.121
320
263.093
-119.61
-1318.484
330
277.455
-86.371
-1395.338
340
288.331
-56.018
-1446.533
350
295.134
-27.723
-1475.593
360
297.499
-0.496
-1485.177

作图
s-θ图

V-θ图

a-θ图

凸轮运动规律
凸轮推程多项式：

回程多项式：
（3-2）

凸轮旋转一周，凸轮位移s、速度v、加速度a随角度δ变化如表4-2
表4-2
δ/°
s/mm
v(mm/s)
a(mm/s²)
0
0
0
0
10
0.172
0.002783
0.028006
20
1.139
0.008531
0.035068
30
3.129
0.014118
0.027149
40
5.919
0.017456
0.010216
50
9.011
0.014226
-0.00977
60
11.814
0.008671
-0.02684
70
13.827
0.002896
-0.03503
80
14.817
0.000002
-0.02838
90
15
0
-0.00092
100
15
0
0
110
15
0
0
120
15
0
0
130
15
0
0
140
15
0
0
150
15
0
0
160
15
0
0
170
15
0
0
180
15
0
0
190
14.47
-0.008273
-0.07612
200
11.866
-0.021204
-0.06111
210
7.527
-0.02688
-0.00039
220
3.177
-0.021326
0.060581
230
0.546
-0.008426
0.076379
240
0
-0.000002
0.001564
250
0
0
0
260
0
0
0
270
0
0
0
280
0
0
0
290
0
0
0
300
0
0
0
310
0
0
0
320
0
0
0
330
0
0
0
340
0
0
0
350
0
0
0
360
0
0
0

作图
S-δ图

v-δ图

a- δ图

机构工作过程说明
如下图所示

图中，齿轮G为主动轮，顺时针旋转；在齿轮G由图示时刻转动一周过程中，机构的工作情况如下：
此时刻，∠CAB=，凸轮H刚刚进入近休阶段，凸轮近休角为2/3，在凸轮G转过近休角过程中，上模D向下运动，与下模配合完成压印过程；此后凸轮G进入推程阶段，将压印成型的纪念章向上推，推程角为/2,推程结束后，进入远休阶段，同时不完全摩擦轮E与板料接触，将板料向前推进30mm，等待下一次冲压。
附：
曲柄机构运动规律程序：
#include<math.h>
main()
{
double i,j,s,v,a,w,l=100, k=197.5,q=3.14;
for(i=0;i<=6.28;)
{
j=asin((l*sin(i))/k);
s=l*cos(i)+k*cos(j);
w=-q*l*cos(i)/(k*cos(j));
v=q*l*sin(i-j)/cos(j);
a=(-q*q*l*cos(i-j)-w*w*k)/cos(j);
printf("i=%.3f s=%.3f v=%.3f a=%.3f\n", i,s,v,a);
i=i+0.174444;
}

}
凸轮运动规律程序;
推程部分：
位移计算：
#include<stdio.h>
#include<math.h>
void main()
{
float h=0.015,i;
float x,y,s; y=1.57;
printf("请输入数据:\n");
scanf("%f,",&x);
for(i=0;i<19;i++)
{
s=10*h*x*x*x/(y*y*y)-15*h*x*x*x*x/(y*y*y*y)+6*h*x*x*x*x*x/(y*y*y*y*y);
printf("S=%f 角度=%f\n",s,x);
x=x+0.174;
}

}
速度计算：
include<stdio.h>
//#include<math.h>
void main()
{
int i;
float x,y,a,v; a=1.57; y=1.57;
printf("请输入数据:\n");
scanf("%f,",&x);
for(i=0;i<=19;i++)
{
v=0.45*x*x/(a*a*a)-0.9*x*x*x/(y*y*y*y)+0.45*x*x*x*x/(y*y*y*y*y);
printf("推程速度=%f 角度=%f\n",v,x);
x=x+0.174;
}

}
加速度计算：
#include<stdio.h>
//#include<math.h>
void main()
{
int h=15,i;
float x,y,a,b; a=1.57; y=1.57;
printf("请输入数据:\n");
scanf("%f,",&x);
for(i=0;i<=19;i++)
{
b=0.9*x/(a*a*a)-2.7*x*x/(y*y*y*y)+1.8*x*x*x/(y*y*y*y*y);
printf("推程加速度=%f 角度=%f\n",b,x);
x=x+0.174;
}

}
回程部分：
位移计算：
#include<stdio.h>
#include<math.h>
void main()
{
int h=15,i;
float x,y,a,s; a=1.57; y=1.046;
printf("请输入数据:\n");
scanf("%f,",&x);
for(i=0;i<=19;i++)
{
s=0.015-0.150*x*x*x/(y*y*y)+0.225*x*x*x*x/(y*y*y*y)-0.090*x*x*x*x*x/(y*y*y*y*y);
printf("回程位移=%f 角度=%f\n",s,x);
x=x+0.174;
}

}
速度计算：
#include<stdio.h>
//#include<math.h>
void main()
{
int h=15,i;
float x,y,a,v; y=1.046;
printf("请输入数据:\n");
scanf("%f,",&x);
for(i=0;i<=17;i++)
{
v=-0.45*x*x/(y*y*y)+0.900*x*x*x/(y*y*y*y)-0.450*x*x*x*x/(y*y*y*y*y);
printf("回程速度=%f 角度=%f\n",v,x);
x=x+0.174;
}

}
加速度计算：
#include<stdio.h>
//#include<math.h>
void main()
{
int h=15,i;
float x,y,a,b; y=1.046;
printf("请输入数据:\n");
scanf("%f,",&x);
for(i=0;i<=19;i++)
{
b=-0.900*x/(y*y*y)+2.700*x*x/(y*y*y*y)-1.800*x*x*x/(y*y*y*y*y);
printf("回程加速度=%f 角度=%f\n",b,x);
x=x+0.174;
}

}