完美升级版西南交通大学自动冲压机构机械原理毕业论文计算说明书.docx
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完美升级版西南交通大学自动冲压机构机械原理毕业论文计算说明书
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西南交通大学
机械原理课程设计计算说明书
设计题目：
自动冲压送料机构
学生姓名：
学生学号：
所在班级：
指导老师：
谢进
2013年06月
目录
1选题背景4
1.1问题的提出4
1.2研究现状4
1.3设计的技术要求及指标4
2机构选型4
2.1设计方案的提出4
2.2设计方案的确定4
3尺度设计4
3.1机构尺寸计算4
4机构运动分析4
4.1机构的运动分析4
5机构动力分析4
5.1机构运动简图及尺寸标注5
5.2机构关键构件静力分析5
6机构仿真5
6.1机构仿真包络图5
6.2机构构件轨迹曲线5
6.3机构装配图5
7设计总结5
8收获及体会5
9致谢5
1选题背景
1.1问题的提出
随着科学技术和工业生产的飞跃发展，国民经济各个部门迫切需要各种各样质量优、性能好、效率高、能耗低、价格廉的机械产品。
要使我国从制造大国走向制造强国的关键之处
是要设计出有自主知识产权的产品，特别是机械产品。
冲压成形作为一门古老而又年轻的制造技术，几乎渗透到国民经济的每一个部门。
在许多发达国家从作为支柱产业之一的汽车制造业到农业机械、动力机械、建筑机械、化工机械、精密机械、仪器仪表、医疗器械、日用五金等等，直到航空航天、军事兵器各个门类，冲压制件都占据着相当重要的地位。
随着我国工业的发展，冲压制件类型、工艺的复杂化以及人性化生产要求，手工送料的冲压加工生产由于存在着效率、速度、精度、安全等方面的一系列问题，冲压生产的手工送料已逐步由自动送料机构所取代，从而进一步满足了冲压生产自动化，大幅度提高生产节拍、生产质量等的要求。
冲压生产自动化主要是指包括材料供给、制品及废料的排出、模具更换、冲床的调整与运转、冲压过程异常状况的监视等作业过程自动化，将这些技术应用到冲压生产流水线的相应环节从而实现冲压生产过程的自动化。
自动送料机构作为冲压加工生产实现自动化的最基本的要求，是在一套模具上实现多工位冲压的根本保证，它的自动化程度高低，直接影响着冲压生产效率、生产节拍以及冲压生产整体自动
本次设计旨在设计一款薄壁零件的冲压机构及其相配合的送料机构
1.2研究现状
本次设计的冲压送料机构属于普通压力机构，而普通压力机上的送料机构根据送料动力的不同可分为机械、液压、气动三大类，在冲压加工中以机械与气动二类应用较多。
机械送料机构尽管调整相对困难且机构较大，但具有送料准确可靠、机构冲击与振动少、噪声低、稳定性好等优点，仍是目前冲压加工中最常用的自动送料方式。
送料机构的性能高低直接影响着生产线的推广应用，因此，针对冲压制件的工艺要求、生产的实际情况等的不同来选择不同的送料机构是十分必要的
1.3设计的技术要求及指标
冲床的执行机构主要包括冲压机构和送料机构，冲头先以较大速度接近工件，然后以匀速进行拉延成型工作，接着冲头继续下行将工件压缩成型，最后快速返回。
冲头退回以后，送料机构从侧面将坯料送至待加工位置，完成一个工作循环。
设计要求
1.动力源是电动机，作转动；从动件（执行构件）为冲头，作往复直线运动，具有快速下沉、等速工作进给和快速返回的特性。
2.构件具有较好的传动性能，特别是工作段的压力角α应尽可小；传动角γ大于或等于许用传动角。
3.冲头到达工作段之前，送料机构已将坯料送至待加工位置。
4.执行构件的工作长度l=50100mm,对应曲柄转角=（1312）π。
5.行程速度变化系数K≥1.5。
6.许用传动角[]=40。
7.送料距离H=60-250mm。
2机构选型
2.1设计方案的提出
根据目前市场上已经出现的机构方案，我们做了相应的改进和设计，设计方案如下
方案一
图2—1肘杆增力机构
该机构由曲柄与肘节组成，曲柄可用偏心轮代替，偏心轮可减小机构尺寸，提高强度。
肘节可产生增力效果，当杆作用一较小的力时，滑块就会产生很大的力，且增力效果非常明显。
自由度F=5×3-2×7=1
方案二
图2—2凸轮滑块——插齿机构
该机构以凸轮为原动件，带动插齿机CDEFG实现往复运动，同时带动偏心滑块机构实现送料动作,但是该机构的送料机构本身存在动力特性不足的缺点。
自由度F=3×7-2×10-0=1
方案三
图2—3摆动导杆——推送机构
冲压机构为摆动倒杆机构，曲柄AB为主动件，整周回转，滑块在导杆上滑动，带动导杆往复摆动，当曲柄与导杆相互垂直时导杆达到极限位置，机构传动角为90°，具有良好的传力特性，并具有急回特性。
，运动中无死点，送料机构采用了曲柄摇杆机构摇杆最大摆角与曲柄长度有关，当曲柄长度加大时，从动角摆角也随之增大，且也有急回特性。
自由度F=3×9-2×13-0=1
方案四
图2—4摆动导杆——滑块机构
该机构为摆动导杆滑块机构，ABC为摆动导杆机构，曲柄AB的长度应小于机架长，曲柄AB匀速转动时，导杆BC作往复运动，行程速比系数K>1，摆动导杆机构本身具有急回特性，增大rl的值，摆角增大，可使K增大，急回特性更显著，但空回行程速度变化剧烈
自由度F=3×7-2×10=1
2.2设计方案的确定
我们小组通过对以上构件的基本性能作出分析后，考虑到机构的简洁性，以及网上的很多重复的且复杂的齿轮－连杆冲压机构和凸轮－连杆送料机构等，我们小组选择了
方案三，摆动导杆——推送机构
方案四摆动导杆——滑块机构
3尺寸设计
3.1机构尺寸计算
3.1.1
方案三进行关键尺寸分析
冲压机构为ABCDE,送料机构为ABFGIJ
冲压机构尺寸分析
图3—2冲压机构
设AB>AC,则可得极位夹角
（3-1）
同时需满足急回特性
（3-2）
取急回特性值K=2，则有≧60°
故由（3-1）式可得
（3-3）
取AC=25mm，则有
AB=25\0.866=28.8675mm
根据尺寸进行可行性分析
设A（0、0）,C（25、0）于是很容易得到冲头近程点和远程点的坐标分别为E′（25、）,E′（25、）考虑到当上模DE到达工作段之前，送料机构已将坯料送至待加工位置，故需要确定上模DE和往复直线运动和曲柄AB的关系，同时还需要兼顾曲柄AB转动和送料机构HI的关系。
先建立B点和E点的坐标关系式
位移矩阵方程
对点B
（3-4）
连杆
约束方程为
（3-5）
约束方程为
（3-6）
约束方程为
（3-7）
由（3-4）式至（3-7式可得
（3-8）
此外
取行程
s=60mm（3-9）
联立式（3-4）（3-9）可得
DE=103.21mm
CD=30.3mm
由于冲压条件的限制，需要对送料机构尺寸进行分析
送料机构的结构简图如下
图3—3送料机构
尺寸分析
如图图3—3，需使连杆ABFG为曲柄摇杆机构，连架杆AB为曲柄，FG为摆杆
由四杆机构曲柄摇杆存在条件，有AB为最短杆，即
（3-9）
取BG为最长杆，AB=30mm为最短杆。
先通过试凑法来大概确定构件尺寸，取BG=82mm，FG=61mm，AF=60mm，由此可分析出此曲柄摇杆四杆机构的急回特性和极位夹角
作图分析由图3—4说明
图3—4极位夹角分析
由图3—4可知极位夹角θ=41.82°
故有其急回特性K=
=1.605
满足要求
延伸FG到GH使得GH=48mm，另外取HI=95mm
联立上面各式，可将最终尺寸确定如下
AC=25mm
AB=28.8675mm
CD=30.3mm
DE=103.21mm
BG=82mm
AF=60mm
FG=61mm
GH=48mm
HI=95mm
AI=135mm
3.1.2
现在对方案四进行关键尺寸分析
机构简图如图3—5
图3—5摆动导杆——滑块机构
冲压机构为ABCDE,送料机构为ABCFG
设置要求如下，K=1.55，冲压机构的行程=280mm，送料机构的行程=160mm
取机架AC=300mm.铰链A到两滑动轨道的的距离分别是=200mm,=450mm,DC垂直于CF
由
（3-10）
可推得
故导杆处于极限位置时，＜CAB=
故
mm
分析该机构可知，当导杆CD处于两极限位置时，D点的X轴方向水平位移即为滑块E的行程=280mm
同时机构满足
（3-11）
mm
根据设计的一般要求，需传动角
这里取=（3-12）
对于冲压滑块，需要承受短暂高峰载荷且传动机构功率较大，所以去较大的传动值。
取
即（3-13）
故DE=198.26mm
对于送料装置，要求不高，传动角可取小一些的值，取=，
则
（3-14）
又=160mm
（3-15）
由上两式可得=237.15mm
=301.22mm
联立上面各式，可将最终尺寸确定如下
铰链点到冲压轨道的距离=200mm
铰链点到送料轨道的距离=450mm
=99.99mm
=300mm
=430mm
=198.26mm
=237.15mm
=301.22mm
4机构运动分析
4.1机构的运动分析
方案三我们主要通过建模模拟仿真对其进行运动分析
已知各杆长及A点坐标A（0,0），C点坐标C（25.0），F点坐标（-60,0）杆AB的角速度=36rads，角加速度
通过PROE的初步建模和运动分析
机构模型图为
图4—1摆动导杆——推送机构模型图
运动仿真中可以看到，该机构的最大优点是冲压机构的急回特性很好，冲压过程的力作用很大
冲压机构E和送料机构I的运动参数分析如图4—2和图4—3所示
图4—2滑块I的速度加速度分析
送料机构在送料过程中，运动平稳，速度波动较小，能够使工件安全的送到冲压区域，回程时，速度和加速度都发生很大变化，使得送料机构能快速返回，以便冲头进行冲压
图4—3滑块E的速度加速度分析
冲头在进给过程中，由图可以得知运动很平缓，速度波动不大，在回程的过程，加速度比较大，回程速度迅速，能够在短时间内回到起点，满足设计要求。
方案四运动分析
方案三是我们初期做的一个方案，考虑到机构构件过多，，机构占用空间大，且冲压和送料部分不好做到同步，我们放弃了这个方案，而将重点设计放在了方案四上
方案四我们主要通过数学计算和建模模拟仿真对其进行运动分析
图4—4摆动导杆——滑块机构模型图
已知各杆长以及A点坐标A（0,200），C点坐标C（0.500），杆AB的角速度=36rads角加速度，故一个工作循环为十秒，其中四到十秒为冲压进程，十秒到十四秒为冲压回程
对点B坐标
（4-1）
点B速度分析
（4-2）
点B加速度分析
（4-3）
因A点固定不动，其速度和加速度均为0
点B运动分析仿真如图4—5和图4—6所示
图4—5轴B的速度加速度分析
滑块B在曲柄的带动下做匀速圆周运动，其速度大小保持不变，法向加速度为零，其角速度随曲柄=36rads,角加速度为零，其线图分析如图4—6所示
结论，滑块B在机构中主要起传递运动和动力的作用，其运动情况和电机相关。
图4—6曲柄AB的角速度加速度分析
曲柄AB和滑块B在电动机的驱动下，做匀速圆周运动，法向加速度为零。
对点D
（4-4）
点D速度分析
（4-5）
点D加速度分析
（4-6）
即
（4-7）
对机构有C点固定不动
则
（4-8）
其中C点角速度及角加速度为
（4-9）
图4—7点D的速度加速度分析
导杆CD在滑块B的推动下绕铰链点C做摆动，由图4—7分析可得，导杆在冲头进程中速度变化较为平缓，加速度几乎恒定，在回程中，加速度波动稍大，速度变化稍快，但就总体而言，导杆在整个运动过程中，速度呈正弦规律变化，不需对速度波动作调整
图4—8导杆DCF的角速度角加速度分析
导杆BD在滑块C的推动下绕铰链点C做摆动，由图4—8分析可得，导杆在冲头进程中角速度先逐渐增大，达到最大值后又成对称性减小到零，角加速度先逐渐减小，减小到零后逐渐增大，在整个进程过程中，变化相对平缓，满足机构设计快速推进，慢速工进的要求。
在回程中，角加速度波动更为剧烈，角速度变化稍快，且其平均角速度明显大于进程，导杆在整个运动过程中，比较符合预期设计，不需对速度波动作调整。
对构件DE
（4-10）
又
（4-11）
则
（4-12）
其中点E角速度及角加速度为
（4-13）
（4-14）
滑块E的运动分析如图4—9所示
图4—9滑块E的速度加速度分析
由图4—9分析可以看到，在冲压进程的前半段，即从四秒到八秒这段时间，滑块E的速度逐渐增大，到最大值时，开始缓慢减小，在冲压的后半段，其速度逐渐减小，对工件进行缓慢冲压，冲压结束后，回程速度急剧增大，回程加速度也快速增加，冲头得以迅速返回。
图4—10连杆DE的角速度角加速度分析
连杆的角速度及其角加速度变化很复杂，由图4—10可得，在一个运动循环当中，连杆的角速度忽大忽小，但是在本机构中的主体不在连杆，此连杆只要做到能够很好的传递运动和动力即可，我们在尺寸参数设计当中，已对其传动角做出了限制，满足传力特性较好。
对点F有
（4-15）
即
（4-16）
（4-17）
由于杆件DC和CF刚接，所以他们的角速度以及对应尺寸的角加速度相同，此处不再做重复计算。
图4—11点F的运动分析
点F位于构件CDF上绕点C做摆动，其运动参数和点D相反，即由图4—11分析可得，导杆在冲头进程中速度变化较为迅速，加速度变化较大，在回程中，加速度几乎不变，速度变化缓慢，这就满足了冲头到达工作段之前，送料机构已将坯料送至待加工位置的要求。
图4—12连杆FG的角速度角加速度分析
同理连杆在机构的整个运行过程中其角速度及角加速度变化比较复杂，但对于整个机构而言，连杆的主要作用是传递运动和力，只要执行构件能够满足要求，则对连杆不需做过多分析，只要满足其传力特性较好就行，已在前一节对其最大压力角和最小传动角做了限制，这儿不在累述。
对点G的运动分析
（4-17）
（4-18）
杆长分析为
（4-19）
速度加速度分析
（4-20）
（4-21）
滑块G的分析如图4—13
图4—13滑块G的速度加速度分析
由图4—13分析可知，送料机构在冲头进入上模前，已将工件送到加工位置，并能够迅速返回。
5机构动力设计
5.1机构运动简图及尺寸标注
通过上面的分析，最终做出机构运动简图及尺寸标注如图5—1和图5—2所示
图5—1摆动导杆——推送机构
图5—2摆动导杆——滑块机构
5.2机构关键构件动力分析
要求冲压机构应具有良好的传力特性，相比之下，退料机构不要求有太大的作用力，现只就冲压机构做动力分析
以构件1为原动件，角速度为，输出构件为冲头5，工作中冲头受到工作阻力
图5—3
曲柄1受到的力有,力矩
滑块2受到的力有
导杆3受到的力有
连杆4受到的力有
冲头5受到的力有，以及工作阻力
为计算方便，不考虑摩擦圆的影响
对曲柄1有（5-1）
对滑块2有（5-2）
可见与方向相同
分析上面各式可得方向与导杆3夹角
=
（5-3）
对导杆3有
图5—4导杆CDF的受力分析
（5-4）
其中与导杆3的夹角
对连杆4有
（5-4）
可见与方向相同
对冲头5，
图5—5冲头E的受力分析
（5-5）
式中（5-6）
（5-7）
软件静力分析
图5—6仿真建模静力分析
如图5—6给曲柄施加以转矩=50N.M,同时冲头受到工作阻力=30N,送料机构受到工作阻力=30N。
图5—7
如图5—7，机构在受到施加作用力时，机构在施力处会产生很大的加速度，组件会产生反作用力，因此施力处的的加速度会逐渐缩小，当反作用力大到等于作用力时，机构即达到平衡的位置。
图5—8冲压机构的受力分析图
6机构仿真
6.1机构仿真运动包络图
图6—1曲柄AB运动包络图
图6—2导杆CDF运动包络图
图6—3连杆DE运动包络图
图6—4滑块E运动包络图
图6—5连杆FG运动包络图
图6—6滑块G的运动包络图
6.2机构构件轨迹曲线
图6—7机构轨迹曲线
6.3仿真参数测量及分析
图6—8摆动导杆——推送机构建模
图6—8摆动导杆——滑块机构建模
7设计总结
本次设计从最初的选题，到机构的选择，再到机构的分析以及绘制，都经过一段探讨以及查阅资料分析合适与否，最终基本上做到满足设计的技术要求和指标。
本次设计同时也存在许多不足，由于能力上的欠缺，对机构的动力分析做得不够充分，希望在大学最后的一年里，能够充分利用有限的时间学习数学建模程序的编制。
8收获及体会
经过接近一个学期的机械原理课程设计的工作，我们学习到了许多东西，比如说：
如何使用PROE进行机构设计和数据的分析，如何有效查找文献，如何合理安排时间等等。
在设计过程中，我们遇到了很多困难，我们开始对建模软件一窍不通，查阅了大量资料，在网上也看了很多的相关视频，终于是我们小组对建模有了更多的认识，我想，只要我们肯踏踏实实地去做，很多事情就不是想象的那么难。
通过这次设计，我们也对机械原理课程又有了更深入的认识。
以下是我们小组两人对于作为未来的机械工程师所需要的知识以及能力有了更深的认识：
首先，在做机械设计的时候，要按照一个规范的规章制度来进行操作，保证设计出来的机构以及操作人员的安全；
其次，明确的设计目标，即要达到什么样的效果，这样做可以保证我们在做设计和计算的时候避免走更多的弯路，做设计没有标准的结果，但是有令人满意的结果；
再者，对于一个设计人员来说，要有一个广阔的思维，要有扎实的软硬件操作能力，要有敢于犯错的勇气，只有不断尝试新的东西，不断地试错，我们才有可能提交一份令自己满意令他人满意的结果；
最后，作为一个团队，成员之间既要懂得明确分工，又要懂得团结协作，长短互用，才能更好更快地完成设计任务，同时要有一颗担当、勇于承认错误的心，善于接受来自他人的批评指正。
9致谢
在本次课程设计中，非常感谢尊敬的谢进老师，在整个学习过程中指导我们，在教授我们课内知识的同时，还教授我们做人的道理，以及作为未来机械工程师所需要具备的素质；同时，还要感谢给我们团队二人对方，感谢对方一直支持和理解彼此，在工作学习中一起成长。
参考文献
1李瑞琴.机械原理课程设计.北京：
电子工业出版社，2010
2师秀思.机械原理课程设计.北京：
机械工业出版社，2008
3谢进，万朝燕，杜力杰.机械原理（第二版）.北京：
高等教育出版社,2004
4邹慧君.机械原理课程设计手册（第二版）.北京：
高等教育出版社,2010
4林清安.ProE动态机构设计与仿真.北京：
电子工业出版社，2007
5祝凝云.ProE野火版3.0自学手册.北京：
人民邮电出版社，2008
附录
1.机构运动简图（标准详细尺寸）
2.机构总装配图
3.机构仿真状态图（起始位、中间位置、终止位置）
4.机构动画视屏（运动分析，动力分析）
光盘刻录清单（以班级为单位进行刻录）
1.查阅的文献
2.项目规划doc文档及ppt
3.中期报告doc文档及ppt
4.最终的模型文件及装配文件
5.产品设计说明书doc文档及答辩ppt
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