机械原理课程设计自动压片成形机设计.docx

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机械原理课程设计自动压片成形机设计

一、机械原理课程设计任务书…………………………3

二、原动机的选择………………………………………7

三、动机构的选择与比较………………………………8

四、执行机构的选择与比较……………………………9

五、机械系统运动方案的拟定与比较…………………11

六、机械系统的运动循环图……………………………14

七、机构的设计与运动和动力分析……………………15

八、传动比设计…………………………………………24

九、完成设计所用方法及其原理的简要说明…………25

十、构件组合运动分析…………………………………26

十一、调用的子程序名…………………………………27

十二、自编的主程序……………………………………32

十三、心得体会…………………………………………41

十四、参考文献…………………………………………43

一、机械原理课程设计任务书

1.设计题目

设计自动压片成形机，将具有一定湿度的粉状原料（如陶瓷干粉、药粉）定量送入压形位置，经压制成形后脱离该位置。

机器的整个工作过程（送料、压形、脱离）均自动完成。

该机器可以压制陶瓷圆形片坯、药剂（片）等。

设计数据见下表。

压片成形机设计数据表

方案

号

电动机

转速

r/min

生产率

片/min

成品尺寸

（Φ×d）

mm，mm

冲头压力kg

δ

m

kg

m

kg

A

1450

10

100×60

15,000

0.10

12

5

B

970

15

60×35

10,000

0.08

10

4

C

970

20

40×20

10,000

0.05

9

3

图1压片成形机工艺动作

压片成形机的工艺动作是,如图1所示:

（1）干粉料均匀筛入圆筒形型腔（图1a）。

（2）下冲头下沉3mm，预防上冲头进入型腔时粉料扑出（图1b）。

（3）上、下冲头同时加压（图1c），并保持一段时间。

（4）上冲头退出，下冲头随后顶出压好的片坯（图1d）。

（5）料筛推出片坯（图1e）。

图二

上冲头、下冲头、送料筛的设计要求是：

（1）上冲头完成往复直移运动（铅锤上下），下移至终点后有短时间的停歇，起保压作用，保压时间为0.4秒左右。

因冲头上升后要留有料筛进入的空间，故冲头行程为90～100mm。

因冲头压力较大，因而加压机构应有增力功能（图2a）。

（2）下冲头先下沉3mm，然后上升8mm，加压后停歇保压，继而上升16mm，将成型片坯顶到与台面平齐后停歇，待料筛将片坯推离冲头后，再下移21mm，到待料位置（图2b）。

（3）料筛在模具型腔上方往复振动筛料，然后向左退回。

待批料成型并被推出型腔后，料筛在台面上右移约45～50mm，推卸片坯（图2c）。

上冲头、下冲头与送料筛的动作关系见下表。

动作关系表

上冲头

进

退

送料筛

退

近休

进

远休

下冲头

退

近休

进

远休

2.设计方案提示

（1）各执行机构应包括：

实现上冲头运动的主加压机构、实现下冲头运动的辅助加压机构、实现料筛运动的上下料机构。

各执行机构必须能满足工艺上的运动要求，可以有多种不同型式的机构供选用。

如连杆机构、凸轮机构等。

（2）由于压片成形机的工作压力较大，行程较短，一般采用肘杆式增力冲压机构作为主体机构，它是由曲柄摇杆机构和摇杆滑块机构串接而成。

先设计摇杆滑块机构，为了保证，要求摇杆在铅垂位置的±2º范围内滑块的位移量≤0.4mm。

据此可得摇杆长度

r≤

式中

——摇杆滑块机构中连杆与摇杆长度之比，一般取1～2。

根据上冲头的行程长度，即可得摇杆的另一极限位置，摇杆的摆角以小于60º为宜。

设计曲柄摇杆机构时，为了“增力”，曲柄的回转中心可在过摇杆活动铰链、垂直于摇杆铅垂位置的直线上适当选取，以改善机构在冲头下极限位置附近的传力性能。

根据摇杆的三个极限位置（±2º位置和另一极限位置），设定与之对应的曲柄三个位置，其中对应于摇杆的两个位置，曲柄应在与连杆共线的位置，曲柄另一个位置可根据保压时间来设定，则可根据两连架杆的三组对应位置来设计此机构。

设计完成后，应检查曲柄存在条件，若不满足要求，则重新选择曲柄回转中心。

也可以在选择曲柄回转中心以后，根据摇杆两极限位置时曲柄和连杆共线的条件，确定连杆和曲柄长度，在检查摇杆在铅垂位置±2º时，曲柄对应转角是否满足保压时间要求。

曲柄回转中心距摇杆铅垂位置愈远，机构行程速比系数愈小，冲头在下极限位置附近的位移变化愈小，但机构尺寸愈大。

（3）辅助加压机构可采用凸轮机构，推杆运动线图可根据运动循环图确定，要正确确定凸轮基圆半径。

为了便于传动，可将筛料机构置于主体机构曲柄同侧。

整个机构系统采用一个电动机集中驱动。

要注意主体机构曲柄和凸轮机构起始位置间的相位关系，否则机器将不能正常工作。

（4）可通过对主体机构进行的运动分析以及冲头相对于曲柄转角的运动线图，检查保压时间是否近似满足要求。

进行机构动态静力分析时，要考虑各杆（曲柄除外）的惯性力和惯性力偶，以及冲头的惯性力。

冲头质量m

、各杆质量m

（各杆质心位于杆长中点）以及机器运转不均匀系数δ均见表8.5，则各杆对质心轴的转动惯量可求。

认为上下冲头同时加压和保压时生产阻力为常数。

飞轮的安装位置由设计者自行确定，计算飞轮转动惯量时可不考虑其他构件的转动惯量。

确定电动机所需功率时还应考虑下冲头运动和料筛运动所需功率。

3.设计任务（设计要求）

（1）压片成形机一般至少包括连杆机构、凸轮机构、齿轮机构在内的三种机构；

（2）设计传动系统并确定其传动比分配，并在图纸上画出传动系统图；

（3）画出机器的运动方案简图与运动循环图。

拟定运动循环图时，可执行构件的动作起止位置可根据具体情况重叠安排，但必须满足工艺上各个动作的配合，在时间和空间上不能出现“干涉”；

（4）设计凸轮机构，自行确定运动规律，选择基圆半径，校核最大压力角与最小曲率半径。

计算凸轮廓线；

（5）设计计算齿轮机构；

（6）对连杆机构进行运动设计。

并进行连杆机构的运动分析，绘出运动线图。

如果是采用连杆机构作为下冲压机构，还应进行连杆机构的动态静力分析，计算飞轮转动惯量；

（7）编写设计计算说明书；

二、原动机的选择

1、原动机的选择主用参考下列条件：

（1）现场能源供应条件。

（2）工作机载荷特性及其工作制度。

（3）工作机对起动、平稳性、过载能力、调速和控制方等方面的要求。

（4）原动机是否工作可靠、操作与维修简便，是否需要防尘、防爆、防腐等。

（5）原动机的初始成本与运行维护费用。

2、常用电动机的结构特征

（1）Y系列三相异步电动机

该系列电机能防止水滴、灰尘、铁屑或其他杂物浸入电机内部，它是我国近年来研制成功的新型电动机。

（2）电磁调速三相异步电动机

YCD电磁调速三相异步电动机，有组合式和整体式两种机构，这两种调速电动机为防护式，空气自冷，卧式安装，且无碳刷，集电环等滑动接触部件。

3、选定电动机的容量

电动机的容量选得合适与否，对电动机的工作和经济性都有影响。

当容量小于工作要求时，电动机不能保证工作装置的正常工作，或使用电动机因长期的过载而过早损坏；容量过大则电动机的价格高，能量不能充分利用，且常常不在满载下运行，其效率和功率的因数都较低，造成浪费。

电机的容量主要由电动机运行时的发热情况而定，而发热又与其工作情况而定。

工作机所需工作功率Pw，应由工作阻力和运动参数计算得来的，可按下式计算：

Pw=Tn/9550Kw其中：

T——工作机的阻力矩，N·mm；

n---工作机的转速，r/min；

经过综合考虑决定选用Y160M-6型号电动机（额定电压380V，额定频率50HZ，功率7.5KW，额定转数970r/min）

三、传动机构的选择与比较

通过查阅机械原理课程设计指导书，我们初步确定了传动机构：

摩擦轮传动，带传动，链传动，齿轮传动，蜗杆传动。

各传动的特点如下：

1.摩擦轮传动：

运转平稳，噪声小，可在运转中调整传动比；有过载保护作用，结构简单；轴与轴承上的作用力很大，有滑动，工作表面磨损较快；寿命取决于材料的接触强度和耐磨损能力。

2.带传动：

轴间距范围大，工作平稳，噪声小，可吸振缓冲；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；由于摩擦生电，带传动不宜用于易燃场合；轴和轴承上的作用力大；带的寿命较短。

3.链传动：

轴间距范围大；链条元件间形成的油膜能吸振；对恶劣环境有一定适应能力，工作可靠；作用在轴上的载荷小。

运转的瞬时速度不均匀，高速时不如带传动平稳（但齿形链传动较平稳）；链条工作时，因磨损产生的伸长容易引起共振，因此需增设张紧和减震装置。

4.齿轮传动：

承载能力和速度范围大。

传动比恒定，采用行星传动可获得很大的传动比，外廓尺寸小，工作可靠，效率高，非圆齿轮可实现变传动比传动。

制造和安装精度要求高；精度低时，运转有噪声；无过载保护作用；寿命取决于轮齿材料的接触和弯曲疲劳强度以及抗胶合合耐磨损能力。

5.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，无噪声；单头蜗杆可制成自锁机构。

传动比大、滑动速度低时效率低；中、高速传动需用昂贵的减摩材料（如青铜）；制造精度要求高，刀具费用贵；钢蜗杆蜗轮副已开始应用；制造精确，润滑良好，寿命较长，低速传动，磨损显著。

根据设计要求、工艺性能、结构要求和总传动比、减速机构等条件选择传动系统类型为齿轮传动和蜗杆传动、带轮传动。

四、执行机构的选择与比较

执行机构分三部分：

①实现上冲头上下运动的主加压机构；②实现下冲头上下运动的辅助加压机构；③实现料筛左右运动的上、下料机构。

各执行机构必须能满足工艺上的运动要求，可以有多种不同型式的机构供选用，根据我组的讨论得出如下几种方案。

（1）上冲头设计方案

上冲头的运动要实现往复直线移动，还有考虑急回特性。

而且能够保压，因此设计有以下方案：

图三、上冲头比较

比较：

由于压片成形机的工作压力较大，行程较短，采用上述的上冲头一在行程上加压及保压上能满足要求，但是要一定的压力必须要求偏心轮有很大转矩。

因此一般采用肘杆式增力冲压机构作为主体机构，它是由曲柄摇杆机构和摇杆滑块机构串接成，如上图中的上冲头二机构。

（2）下冲头设计方案

图四、下冲头比较

比较：

要使下冲头先下沉3mm，然后上升8mm，加压后停歇保压，继而上升16mm，将成型片坯顶到与台面平齐后停歇，待料筛将片坯推离冲头后，再下移21mm，到待料位置，从上图可以看出，在只用一个凸轮的时候完成4各动作，凸轮的实际轮廓曲线形状将会很怪异，在实际执行起来会出现力量不够，且一个凸轮分配四种动作，保压时间就很难确定，因此在此基础上设计出上图右边的下冲头二，用两个凸轮共同完成下冲头的动作，相对上面两种设计来说，下冲头二相对要好些。

（3）送料机构设计：

如下图中两种送料机构都能满足送料的要求，但是采用摆杆凸轮设计更能节省了驱动力

图五、送料机构比较

五、机械系统运动方案的拟定与比较

压片成型机运动方案拟定

根据设计题目的要求要保证系统的正常工作，须使上冲头，下冲头，送料机构三个机构协调运动，现分析如下：

1.上冲头完成往复直移运动（铅锤上下），下移至终点后有短时间的停歇，起保压作用，保压时间为0.4秒左右。

因冲头上升后要留有料筛进入的空间，故冲头行程为90～100mm。

因冲头压力较大，因而加压机构应有增力功能。

对于上冲头Ｃ，要实现往复直线运动，还有考虑急回特性。

因此选凸轮机构或曲柄滑块机构。

2.下冲头先下沉3mm，然后上升8mm，加压后停歇保压，继而上升16mm，将成型片坯顶到与台面平齐后停歇，待料筛将片坯推离冲头后，再下移21mm，到待料位置。

下冲头运动Ｅ虽然需要较高的承载能力，但下冲头中可以加两个挡板来增加其承载能力，且要实现间歇要求，可靠性好，故采用凸轮机构完成下冲头的动作。

3.料筛在模具型腔上方往复振动筛料，然后向左退回。

待批料成型并被推出型腔后，料筛在台面上右移约45～50mm，推卸片坯。

送料机构主要作用是将坯料送到加工位置，且能实现间歇要求，对承载能力要求低，故采用凸轮机构。

综上所述，可初步确定两个方案，方案１和方案２如下：

方案一：

图六、方案一

方案二：

图七、方案二

从上面执行机构的选择与比较和上述两个方案中可以看出，采用由曲柄摇杆机构和摇杆滑块机构串接成的肘杆式增力冲压机构作为上冲头机构，实现了只要很小的驱动力就能得到很大压力；下冲头用双凸轮在分配力的时候更方便，而且更能满足压片机的工艺要求；送料机构采用摆杆凸轮设计节省了驱动力，对整个系统来说，两个方案都采用了蜗轮蜗杆减速装置，减速比相对较大，省去了很多其他的减速机构，使整个系统变得简单，但是方案一种全部都用皮带传动，在实际装配的时候可能会有外壳的阻挡，而方案二采用齿轮传动和皮带传动、直齿圆锥齿轮传动的混合传动方式，在实际安装的时候方便，综上所述，方案二相对方案一来说要好得多，因此我们最终选择方案二作为我们的方案。

六、机械系统的运动循环图

机械系统运动循环包括三个机构的循环：

主冲压机构，辅助冲压机构和送料机构。

要使三个方面的运动协调一致，且互不发生干涉。

首先，三个机构的原动件的周期保持一致为4s。

当主冲压机构的冲头与工作面的距离大于料筛的高度时，这时料筛可进行进料，为了使凸轮轮廓曲线趋于缓和，可以在主冲压机构冲头高度小于料筛高度时就进行进料，当料筛刚好进入冲头冲压范围内时，冲头的高度恰好超过了料筛的高度。

与此同时，辅助冲压机构要等到进料完成时，先下降3mm防止在冲压的过程当中粉料飞溅出来，在上冲头下降到接近最低点位置时，下冲头要开始上升8mm，进一步压缩粉末，同时保压。

当上冲头开始上升后，下冲头也开始上升，把粉末片顶出，然后由送料机构的料筛将片培顶出上冲头冲压范围之内，防止片坯被压碎。

如此三个执行机构往复协调运动。

综上所述，根据各机构动作的先后顺序、相位，以及方便各机构的装配和调试，拟定运动循环图如下其运动循环图如下图八：

图八、运动循环图

七、机构的设计与运动和动力分析

该机械系统包含从原动机到传动机构到各执行机构的传动系统。

该机械系统有三套工作执行机构，为使其成为一个单自由度机器，故将其设计为等速联接机构。

1.上冲头设计

（1）确定曲柄滑块机构尺寸

由于压片成形机的工作压力较大，行程较短，所以采用曲柄摇杆机构和摇杆滑块机构串接而成。

为了保压，要求摇杆在铅垂位置的±2°范围内滑块的位移量≤0.4mm。

据此可得摇杆长度：

r≤

式中

——摇杆滑块机构中连杆与摇杆长度之比，一般取1～2。

在本次课程设计中，我们取λ=1.5，将λ代入以下公式：

r≤

得r≤394

选取摇杆r=390mm

又

，连杆

L=λxr=1.5×390=585mm

对应上冲头机构中的杆件，

此处的r为BD杆，L为DE杆。

（2）确定曲柄摇杆机构尺寸

用图解法求解曲柄AC和连杆CD

的长度：

图九、上冲头机构

图十、上冲头机构杆长PRO/E图

上图可以确定铰链中心A的位置，过A点分别作与CD杆的连线AD1、AD2，

又因为AD1＝BC－AB，AD2＝BC＋AB；

在pro/e中可生成AD1和AD2的尺寸如图十

AD1＝166.34mm，AD2＝550.41mm；

计算得：

AC＝192.035mm，CD＝358.375mm；

综上，的上冲头各杆件的尺寸如下

AC=192.035mmCD=358.375mm

BD=390mmDE=585mm

（3）检验曲柄存在条件:

由pro/e得出AB=525.98，于是有：

AB+AC≤CD+BD

有：

AB+AC=525.98+192.035=718.015mm

CD+BD=358.375+390=748.375mm

由上可知AB+AC≤CD+BD成立，满足杆长条件，且最短杆为曲柄，所以该机构有曲柄存在。

2.凸轮机构的设计

（1）下冲头中的凸轮①：

由于压片成形机的工作压力较大，因此选择直动滚子推杆盘型凸轮，根据行程要求及工艺要求设定凸轮的基圆半径R0=15mm，偏心距e=0，滚子半径r0=4mm,凸轮以等角速度w转动，推杆行程h=3mm，其推杆运动规律如下表

表1下凸轮①推杆的运动规律

序号

凸轮运动δ角

转角

推杆运动规律

1

0~80

80

推杆进休

2

80~110

30

推杆上升3mm

3

110~240

130

推杆远休

4

240~270

30

推杆下降3mm

5

270~360

90

推杆进休

下凸轮①的CAI图：

（2）下冲头的凸轮②

选择直动滚子推杆盘型凸轮，其基圆半径R0=50mm，偏心距e=0，滚子半径r0=5mm,凸轮以等角速度w转动，其推杆运动规律如下表：

序号

凸轮运动δ角

转角

推杆运动规律

1

0~35

35

推杆近休①

2

35~95

60

推杆上升16mm

3

95~155

60

推杆远休②

4

155~195

40

推杆下降24mm

5

195~295

100

推杆近休

6

295~325

30

推杆上升8mm

7

325~360

35

推杆远休①

凸轮②的CAI出图如下：

（3）送料凸轮

要使料筛在模具型腔上方往复振动筛料，然后向左退回。

待批料成型并被推出型腔后，料筛在台面上右移约45～50mm，推卸片坯。

送料机构主要作用是将坯料送到加工位置，且能实现间歇要求，对承载能力要求低，故采用凸轮机构。

设计送料凸轮的基圆半径R0=50mm,偏心距e=0，滚子半径r0=5mm，凸轮以等角速度w转动，其推杆运动规律如下表：

序号

凸轮运动δ角

转角

推杆运动规律

1

0~90

90

推杆近休

2

90~130

40

推杆上升50mm

3

130~220

90

推杆远休

4

220~300

80

推杆下降50mm

5

300~360

60

推杆近休

送料凸轮的CAI出图如下：

八、传动比设计

根据老师要求本次方案号为B，电动机额定转速为970r/min的电动机，生产率为Q=15片/min，根据这些数据有：

则机械运动循环时间T=1/Q=（1x60）/15=4s

由此可知上冲头、下冲头和送料斗循环运动一次需要4s的时间，也就是驱动上冲头、下冲头和送料斗的圆盘和凸轮要4s转一转，即转速n=15r/min。

因此从原动机到凸轮有降速，如下图：

确定齿轮1的齿数Z1=26，齿轮2的齿数Z2=26，涡轮齿数Z=50,蜗杆齿数Z=1，在这个系统中，所有的蜗轮蜗杆都是相同的，两对直齿圆锥齿轮也是一样的，圆锥齿轮只改变方向，不改变速度，因此有如下计算：

I12=n1/n2=Z2/Z1=20/26

则n2=（26*n1）/20

又齿轮2的转速和蜗杆8的转速一样，有n2=n8,则：

I89=n8/n9=n2/n9=Z9/Z8

n9=（n2*Z8）/Z9=（26*n1*Z8）/（20*Z9）=15r/min

由上可得系统中的圆盘和凸轮的转速都为15r/min

图十一、传动比计算图

九、完成设计所用方法及其原理的简要说明

1、设计方法：

主要根据机械原理课本中介绍的基本平面四杆机构的变形、扩展方法。

以及各种凸轮的设计、蜗轮蜗杆的基本知识演变而得到我们设计的机构。

2、设计原理：

（1）平面杆件机构的设计原理，主要基于平面连杆机构的基本类型：

1）曲柄摇杆机构2）双曲柄机构3）双摇杆机构

在平面连杆机构演化成各种的机构，如下几种：

1）转动副转化为移动副

2）取不同的构件为机架

3）变换构件的形态

4）扩大转动副的尺寸

根据平面杆件机构都是由2级杆组和3级杆组组成的原理以及杆件的自由度数与机构的驱动数相等的原理。

（2）凸轮机构的设计原理，主要基于一下几点

1）凸轮机构的组成与类型

2）从动件运动规律设计

3）凸轮轮廓的设计

4）凸轮机构基本尺寸的确定

5）凸轮机构的计算机辅助设计

十、构件组合运动分析

1、按工艺动作可分解为三个机构：

（1）送料,脱离机构：

凸轮做周期内带有震荡的直线往复运动

（2）上冲头机构：

往复直线运动

（3）下冲头机构：

往复直线运动

2、工艺顺序为：

（1）送料料斗将粉料装好料，移动到型腔上方筛料，筛料之前将片坯成型好后推出（卸料），料斗的行程为50mm。

行程动作占据0.11个周期的时间

（2）料斗振动，将粉料筛入型腔，该动作占0.25个周期；

（3）料斗移回原处，同时下冲头向下移动3mm,以防止上冲头下压时，将粉料扑出，该动作占0.194个周期;

（4）上冲头向下移动90mm，同时下冲头向上压，行程为8mm，该动作占0.42个周期。

接着保压，其时间占0.1个周期；

（5）上冲头快速退回至起始位置。

下冲头上升16mm，将成品推出型腔。

该动作占0.16个周期。

十一、调用的子程序名

单杆运动分析子程序（xA,yA,vAx,vAy,aAx,aAy,S,theta,fi,omega,epsilon,_

xm,ym,vmx,vmy,amx,amy）

xm=xA+S*Cos（fi+theta）

ym=yA+S*Sin（fi+theta）

vmx=vAx-S*omega*Sin（fi+theta）

vmy=vAy+S*omega*Cos（fi+theta）

amx=aAx-S*epsilon*Sin（fi+theta）-S*omega^2*Cos（fi+theta）

amy=aAy+S*epsilon*Cos（fi+theta）-S*omega^2*Sin（fi+theta）

EndSub

RRR运动分析子程序（m,xB,yB,vBx,vBy,aBx,aBy,xD,yD,vDx,vDy,aDx,aDy,_

L2,L3,xC,yC,vCx,vCy,aCx,aCy,fi2,fi3,omega2,omega3,epsilon2,epsilon3）

'm为装配模式

'xB,vBx,aBx,yB,vBy,aBy,xD,vDx,aDx,yD,vDy,aDy为B点和D点的x方向和y方向的位置、速度和加速度

'L2为BC之间的距离,L3为CD之间的距离

'xC,vCx,aCx待求点C的x方向和y方向的位置、速度和加速度

'fi2和fi3分别为构件2和3的位置角

'omega2和omega3分别为构件2和3的角速度

'epsilon2,epsilon3分别为构件2和3的角加速度

Dimpi,d,ca,sa,yDB,xDB,gam,yCD,xCD,e,F,Q,EA,FA,delta

pi=Atn（1#）*4

d=（（xD-xB）^2+（yD-yB）^2）^0.5

Ifd>L2+L3Ord

Msg