剪板机课程设计.docx
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剪板机课程设计
1.机械课程设计任务书…………………2
2.机构设计方案的设计和拟定…………3
3.机械系统的运动循环图………………6
4.传动机构的设计………………………7
5.执行机构的设计………………………10
6.机构的连接……………………………14
7.算法原理简要说明……………………15
8.机构的运动仿真………………………16
9.结果分析………………………………19
10.课程设计的感想………………………20
11.参考资料………………………………20
1.机械课程设计（C）任务书
一、设计题目
设计剪板机的铁板输送机构和剪断机构。
剪板机是将卷料展开兵剪成一定长度铁板的机构，即将板料作定长度的间歇送进，在板料短暂的停歇时间内，剪刀在一定位置上将铁板间断。
二、技术参数和技术设计要求
（1）原材料为成卷的板料。
每次输送铁板长度为L=1900或2000或2200mm（设计时任选一种）。
（2）每次输送铁板到达规定长度后，铁板稍停，以待剪板机构将其剪断。
剪断工艺所需时间约为铁板输送周期的十五分之一。
建议铁板停歇时间不超过剪断工艺时间的1.5倍，以保证有较高的生产率。
（3）输送机构运转应平稳，震动和冲击应尽量小（即要求输送机构从动件的加速度曲线连续无突变）。
三、设计任务
（1）进行铁板输送机构和剪断机构的选型；
（2）根据工艺动作顺序和协调要求拟定运动循环图；
（3）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；
（4）机械运动方案的评定和选择；
（5）对机械传动系统和执行机构进行运动尺寸计算；
（6）进行上机编程分析，检验设计方案；
（7）画出机械运动方案简图、运动循环图和传动方案图；
（8）完成设计计算说明书一份。
四、工作计划与进度安排
本课程设计总时间为2周（共10天），进度安排如下：
步骤
内容
要求
时间
1
上课、熟悉题目
分组、了解题目、查找资料
1天
2
方案设计、分析
一人一方案、分组比较
2天
3
尺寸综合、绘图
图解法、解析法等
2天
4
编程序、上机计算
课后编程，上机调试出结果
3天
5
整理说明书、图纸
说明书统一格式
1天
6
答辩
交说明书、图纸
1天
教学院长：
指导教师：
2011年11月25日
2.机构设计方案的设计和拟定
（1）剪断机构方案的选择
根据技术参数和设计要求，需要至少需要两个机构才能完成。
一个机构是板料的剪断机构。
1.剪断机构之中含有间歇机构，首先我想到了这里可以利用一下凸轮机构。
该机构的原理就是：
在凸轮上设有近休止角，通过凸轮的连续转动，会推动杆上的滚子向下移动，当滚子移动到最底点的时候，推论开始走回程角，在这期间由于凸轮不会给滚子向上的力，所以需要另外的向上的推理，之后就想到在杆上面加一根弹簧，让杆件能够紧贴着凸轮自动回位。
但由于该机构不能提供剪切铁板足够强的力，又没有急回运动，而且也需要发动机提供较高的功率。
弹簧的一直运动易出现损坏，使整个机构瘫痪。
所以没有采用此方案。
2.圆柱凸轮也是一个具有间歇进刀能力的机构。
只要运动函数为5次函数或是正弦函数即可。
设计也比较简单，但是工艺性能比较不好。
该机构还有一个很大的缺点就是会出现力不足的情况，力不足会导致剪板无法剪断，若不能实现剪断工艺，那么机构便不能采用了。
3.通过以上，建议采用的最佳机构就为杆件机构，因为力学性能好，轻便，只需传动角大于40°就可。
通过对杆的应用，可以非常有效的实现，间歇的运动，不仅如此，力也会很大，而且还具有急回运动。
因此最后采用了此方案。
（2）传动机构方案的选择与确定
1.因为传动的方案需要用到间歇的传动，而且运动的过程没有返回，而是间歇一段时间。
这个时候首先考虑到的就是可以应用一下，槽轮机构。
槽轮机构虽然具有间歇的运动规律，但是它传递力的稳定性不好。
更重要的是本课题所需要的间歇角用槽轮比较难控制。
所以不选择槽轮这个方案。
2.除了槽轮机构还有的机构就是星轮机构。
星轮机构传力性能比较稳定。
而且也能够提供本课题所需要的间歇角。
但是又因为星轮机构在计算以及制造工艺上都比较繁琐，为了方便起见，便不考虑星轮机构了。
3.除去以上的两种方案最后还剩下一个方案，就是在传动机构里面加入不完全齿轮。
通过不完全齿轮的间歇传动来实现板料的间歇移动。
通过对不完全齿轮间歇角的计算就可以利用不完全齿轮来实现间歇传动。
传递力比较稳定。
而且制造工艺比较简单。
3.机械系统的运动循环图
通过以上的方案将两个机构的关系连接起来绘制运动循环图。
通过分析可知，当机构运动2000mm的时候就需要停歇一次，而在此过程的时候，剪刀就要下降，开始剪切板料。
而当板料剪切完毕时，要进行退刀，此过程完成之后才可以进行下一个循环。
当机构向前输送板料的时候，不完全齿轮的从动件会有一个转角在运动，当板料到达2000mm的时候，这个时候主动的不完全之轮要进入锁止弧，这个时候板料就会停止输送，但是不完全齿轮的主动件还在继续转动，当切刀的剪切工作完成之后，恰好在这个时候锁止弧正好完全退出，此时从动件的不完全齿轮继续转动。
以此来往复循环的来做这些动作。
通过以上的步骤就可以进行运动循环图的设计。
4.传动机构的设计
发动机的选择：
从发动级的功率以及转速上考虑，要实现以上的方案，尽量选择转速较低，发动机功率较高的发动机。
通过在网上搜索发现大多数剪板机的制造厂生产的剪板机的发动机功率约在5kw以上，通过查询发动机型号表找到一款速度比较低而且功率较高的发动机。
型号为：
Y160L-8型发动机功率为7.5kw转速为720r/min。
为了计算方便，板料长度选定为2000mm。
通过圆整计算可设输送带上的滚子周长为500mm。
由此可以确定滚子的直径d=500/π≈159.155mm
由以上的结果可知：
板料每输送2000mm此时滚子转动了4圈。
如果设板料每输送2000mm为一个周期，此时一个周期滚子要转动4周。
1.不完全齿轮的设计
通过课程设计说明书的要求：
剪断工艺所需时间约为铁板输送周期的十五分之一。
建议铁板停歇时间不超过剪断工艺时间的1.5倍。
由上面一段话可以知道：
若设板料输送时间为x，那么剪断工艺的时间就为1/15x，板料的停歇时间就是1/15x*1.5=0.1x。
设一个工作周期的时间为t，那么输送的时间就是10/11t,停歇的时间就是1/11t。
通过以上的计算，那么不完全齿轮的一周转动中，有10/11的运行时间里是转动，有1/11的时间是停歇，由此可知不完全齿轮的间歇角为360°*1/11≈32.73°
这么计算就可以知道，不完全齿轮的间歇角α≤32.73°才能符合设计任务的要求。
为了后面圆整的计算，不完全齿轮的间歇角设置为30°，这样不完全齿轮就有330°的输送和30°的停歇。
这样通过对正常齿轮的设计可知，可以把不完全齿轮设置为22个齿，其中有两个22个齿所占的角度为330°，剩下的30°设置为锁止弧。
这时候就可以对不完全齿轮的尺寸进行计算了。
理论上如果该齿轮是完整齿轮齿数应该为24个。
根据d=mz确定分度圆直径。
模数的选择可以参照机械原理第七版第180页的圆柱齿轮标准模数系列表。
第一系列
0.120.150.20.250.30.40.50.60.811.251.5
22.5345681012162025324050
第二系列
0.350.70.91.752.252.75（3.25）3.5（3.75）4.5
5.5（6.5）79（11）14182228（30）3645
注：
选用模数时，应优先采用第一系列，其次是而系列，括号内的模数尽可能不用。
通过以上的的模数选择不完全此轮的模数为m=6mm。
这样就确定了不完全齿轮的分度圆半径为d=144mm，为了计算方便，所用的两个不完全齿轮分度圆半径要一样，这样通过标准安装可知道两个不完全齿轮的中心距a=144mm。
2.发动机到输送板料滚子的传动比的计算
通过网上信息的查阅知道，剪板机的工作周期大约为1分钟工作25~45次。
为了圆整计算这里取剪板机的工作周期为30次/min。
发动机的转速为720r/min，但是经过不完全齿轮的间歇运动，一分钟实际不完全齿轮的从动轮值转动了720*（330/360）=660圈
一分钟可供板料输送的次数为660/4=165
但是实际只需要做30次。
通过传动比来对以上进行转化所需要的传动比为i=165/30=5.5
所以发动机到滚子之间的转动比转换要为5.5就够了。
3.传动机构所有构件的添加
传动机构可以采用的传动方法有
①链轮传动
②齿轮传动
③带轮传动
因为传送机构所需要的力不大，所以最方便的传动方案就是选择带轮传动，因为其不仅制作工艺简单，相对其他造价也比较低廉。
因为所需要的传动比为5.5，如果用一对带轮传动来完成5.5的传动比，所需要的两个轮子，其中的大轮尺寸会过大，或小轮的尺寸过小，尺寸过小导致误差容易增加，尺寸过大会增加整个机构的体积，造价也会增加很多。
所以为了方便，最好把5.5的传动比分成2.75传动比与2传动比。
这样就可以用两对带轮来实现5.5传动比的传动了。
这样其中的一对带轮，尺寸可以分别设置为50mm与137.5mm
另一对带轮的尺寸可以分别设置为50mm与100mm
5.执行机构的设计
通过对上面传动机构的设计后，下面开始进行执行机构也就是剪刀的剪切机构的设计，因为以上的周期已经算出，每分钟会输送30次2米长的距离，那么剪刀就会在这一分钟内由曲柄转动30周，就是曲柄的转速为30r/min。
由发动机输出的转速为720r/min。
由此可以计算出发动机到曲柄的传动比i=720/30=24。
在发动机与曲柄之间又不可以使用带传动，因为剪力很大，可能出现无法剪断，或者出现误差，这样导致计算不够精确。
所以不能由第一步的传动机构来进行转换传动比，链传动能量损失较大也不适宜，但是如果用普通的齿轮传动又会出现齿轮过大，或是齿轮较多，机构更加复杂，而且造价较高，惯性质量较大，也不适合采用，那么可以对普通的直齿圆柱齿轮进行改进，得到新的机构来实现大传动比，最好的改进办法就是采用行星轮。
这样不仅实现了大传动比，而且机构也相对简单，而且也不会出现齿轮过大，机构过重。
①执行机构行星轮的设计
设发动机为构件1输出机构的曲柄为系杆H
则有：
行星轮的传动比i1H=1-iH13=1-z2z3/z1z2’=24
由此可得这样可以通过试算法得到一个合理的齿数
由此可以得到发动机上的齿轮齿数为30固定的中心轮齿数为30
行星轮上的两个齿轮齿数分别为24和23其中24齿的与发动机的齿轮啮合，23齿数的齿轮与固定的中心轮啮合。
由此可以得到下面的机构
通过这样的机构把系杆的输出与曲柄刚性铰接，就实现了大传动比的转换。
下面对齿轮的尺寸进行计算
通过以上的标准模数系列表来进行计算
这里把所有的齿轮的模数都选择为m=4mm
根据公式d=mz可以计算出所有齿轮的分度圆直径
Z1=4*30=120mm
Z2=4*24=96mm
Z2’=4*23=92mm
Z3=4*30=120mm
②六杆机构的设计
首先，要考虑构件是否能够执行，设计的方案，构件的传力性能怎样。
先对出去刀具的四杆机构进行分析。
因为曲柄是原动件，尽量要小所以最初假设曲柄的长度为a=50mm
要使机构为曲柄摇杆机构，那么最短杆与最长杆之和应小于另两杆之和。
通过多次的试算确定：
a=50mm
b=100mm
c=100mm
d=120mm
这样就满足了a+d＜b+c
满足曲柄摇杆机构。
这样就得到了下面的图。
为了确定机构的传力特性以及是否具有死点。
应该进一步对该四杆机构进行分析。
分析该四杆机构的最小传动角γmin是否大于等于40°
该机构的最小传动角应计算两个角，分别为曲柄处在最上端，与曲柄处在最底端两个位置，通过余弦定理进行计算。
传动角γ1=arcos[b2+c2-（d-a）2]/2bc≈40.975°
传动角γ2=180°-arcos[b2+c2-（d+a）2]/2bc≈63.577°
通过以上的计算传动角符合计算的范围。
可以实现该机构的运动方案。
下面再计算机构的急回运动的特性
同样通过余弦定理可以计算出该机构的极位夹角为
θ=23.25°
由此便可以计算出行程速比系数K=1.297
该机构有比较明显的机会运动特性。
再添加下面的方案把四杆机构变为六杆机构。
其中剪刀为滑块，连接剪刀的杆为100mm，就可以得到下面的机构。
如下图。
6.机构的连接
通过以上对各个机构的分析与设计，下面将以上的机构进行必要的连接与组装。
1.由于题目上说的是板料，厚度应当为相当薄的板料所以切刀向下的极限位置超过板料不应该太多，这样会节省切刀返回运动的时间，又由于切刀的机构存在急回运动，那么急回的时候就会很快的返回，使切刀更快的等待下一次的剪切。
2.切刀执行阶段与输送带间歇阶段的衔接
为了使机构能够同步运行，所以应该使机构在安装时满足下面的条件，才能把两个机构衔接起来。
首先应该考虑不完全齿轮的机构，当不完全齿轮转动到锁止弧中间的位置时切刀要在输送板的最下端，实现的方法就是这个时候曲柄与与其相连的二力杆为拉直共线，这样刀具就会在它的极限位置。
通过这样的连接，以后每次都会是在当不完全齿轮走到锁止弧的位置时，切刀刚好走到它最下面的极限位置，就是刚好切到板料的位置，然后不完全齿轮继续运动，在运动的同事切刀开始进行机会运动，当不完全齿轮继续运转的时候，切刀早已经完全退出，这样就不会出现卡到板料的情况。
机构就可以一直这样的运行。
通过以上的运算就得出了下面的机构。
7.算法原理简要说明
1.输送机构的简要说明
输送机构主要是将发动机输出的转矩转化为滚轮的输送板料的动力，这里面主要应用了带轮的传动，因其传动比易控制，而且输送板料的质轻，所需要的传动力矩不是很大，最佳的采用方案就是使用带轮传动。
因其需要有间歇机构，所以在传动之中加上一对不完全齿轮传动来实现机构的间歇传动。
通过对课设题目的仔细研读，计算出不完全齿轮的间歇角，然后通过间歇角来实现机构的间歇。
最后根据参考资料机械原理第七版第180页的标准模数系列表以及渐开线标准直齿圆柱齿轮传动几何尺寸的计算公式来计算出不完全齿轮的各个尺寸来进行设计。
2.执行机构的简要说明
执行机构最主要的两个部分分别为行星轮以及六杆机构，行星轮的传动比的计算主要根据参考资料机械院第七版第218页的周转轮系的转动比的计算公式来进行试算算出的齿数然后再计算出行星轮的几何尺寸。
六杆机构首先要进行试算，确定各个杆长的同时，还要满足曲柄摇杆机构的杆长要求，然后再计算传动角，通过传动角的大小来调整各个杆的长度。
以此来确定六杆机构的各个杆长。
使其满足设计要求。
3.输送机构与执行机构连接的简要说明
要使输送机构与执行机构恰好满足要求，就要在安装的时候使不完全齿轮在锁止弧的中心位置时，刚好刀具正好剪切板料完毕，这样之后就能使其满足设计要求，两个机构才能同步运行。
8.机构的运动仿真
同过以上的计算，下面对该机构进行运动仿真
下图为执行机构的设计的方案图
下图为通过以上的设计，所做的加速度分析曲线。
下图为切刀的尖端的位移随时间变化的曲线。
下图为切刀尖端的速度与速度的绝对值随时间变化的曲线。
下图为该构件在运动的时候各个部件的运动轨迹
9.结果分析
①通过对加速度曲线的分析可知，剪刀的加速度在即将要剪板料的时候加速度迅速提升，刚退刀的时候加速度也非常大，这样减少了刀具剪板料所需要的时间，更利于对切割时间的调整。
有效的利用了输送机构的间歇时间。
②通过对切刀尖端位移随时间变化的分析可知，当剪刀下剪的时候所需要的时间较长，当退刀的时候所需要的时间较短，说明刀具尖端具有急回的特性。
③同过对切刀尖端的速度随时间变化的分析可知，通过对速度的分析更加明了的发现剪刀的急回特性比较明显，说明该机构比较符合设计标准。
10.课程设计的感想
通过几天来对剪板机的设计发现，由最初的知道方案，到最后的完成方案，过程很艰辛，但是很快乐，因为，从中发现了自己的一些设计思维，通过自己的努力完成的设计干到跟高兴，很自豪，看着自己这些天辛勤的汗水没有白费，最终终于设计出自己满意的方案是件非常快的的事。
期间方案的不停修改，期间方案数据的不断计算，过程很累，计算很累，但是还是坚持了下来，最终沉下心把所需要的种种数据都计算出来了。
这种感觉很快慰。
老师也在这个环节一直都在帮助我，机构的不合理该如何修改，该如何达到要求，老师也是我的课程设计之中不可或缺的一部分。
每个人都有自己的奇思妙想，每个人都有展示自己的机会，有让老师认可的机会，前期方案检查发现了自己最初设计方案的不足，力在原理上可以，可是在实际应用中原来很多东西都是不能实现的，所以有想法就要去实践，要不然很多东西都只是想法，很多东西都不一定能够实现。
通过对机械原理这一门课的应用，发现自己的基础知识更加扎实，很多东西即使不用参阅教材就能够计算出来，想想这也是这些天的收获吧。
现在只有更加充实自己，以一个新的面貌迎接下学期的课程设计，相信我有了这一次的经验，下一次我会做的更好。
11.参考资料
1.现在工程图学（第三版）主编：
杨玉根、诸世敏
北京邮电大学出版社2008年6月
2机械原理课程设计（第一版）主编：
王淑人
科学出版社2006年9月
3机械原理（第七版）主编：
孙桓、陈作模
高等教育出版社2006年5月
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