半自动平压模切机设计.doc

半自动平压模切机设计说明书一、 设计目的通过本课程设计将学过的基础理论知识进行综合应用，着手设计“半自动平压模切机”。通过对机构的选型、设计；对机械传动方案、机械运动方案的选择和评价而培养结构设计，计算能力。熟悉一般的机械装置设计过程。二、 工作原理及工艺动作过程半自动平压模切机是印刷，包装行业压制纸盒、纸箱制品的专用设备。它可以对各种规格的纸板、厚度在4mm一下的瓦楞纸板，以及各种高级精细的印刷品进行压痕、切线、压凹凸。经过压痕、切线的纸板，用手工或机械沿切线除去掉边料后，沿压出的压痕可折叠成各种纸盒、纸箱，或制成凹凸的商标。它的工艺动作主要有两个：一是将纸板走纸到位，二是进行冲压模切。其具体工作动作顺序如下：半自动平压模切机工艺动作顺序纸盒余料松开走纸输出走纸模切冲压输入走纸夹紧纸板印刷纸板 三、 运动循环图（一） 机构运动要求从机器的工艺动作可以看出，可以把整个机构运动的运动分成两个部分，一是辅助运动，它可以用于完成纸板的夹紧，走纸，松开等动作。对实现该运动的传动机构要求做间歇运动；二是主运动，完成对纸板的压切动作，要求装有模板的滑块做直线往复运动。其特点是行程短，受载大。本机构要求行程是50毫米，最大载荷是2106 N，工作速度是每小时压制3000张。另外，主运动和辅运动要相互协调。（二） 运动示意图走纸机构由上述机构运动要求，绘制如下运动示意草图：夹紧装置夹紧装置模切机构主轴 （三） 各部件运动分析1、 主轴的选择和转角运算为了计算和设计方便，选择变速箱的输出轴为运动分析主轴，如上图所示。由原始数据和设计要求知，平面六杆机构的行程速比系数K=1.3，则极位夹角 =180K-1K+1=23.5并知该运动周期分为两部分，以156.5（156.5=180-23.5）为界分为0-156.5和156.5-360两个过程。2、模切机构的分析当主轴转角为0-156.5，下模从行程最低点开始，在平面六杆机构的带动下向上移动至预定模切位置，进行冲压模切；当主轴转角为156.5-360，下模完成模切动作，快速急回运动至行程最低点即下一周期起点。3、走纸机构的分析当主轴转角为0-156.5，特殊齿轮组（用于完成间歇运动）没有啮合运动，链轮链条处于静止状态；当主轴转角为156.5-360，特殊齿轮组轮齿参与啮合，带动链轮链条运动，进行走纸运动。4、夹紧装置的分析当主轴转角为0-156.5，带动夹子的凸轮走过推程，远休止和回程使刚性弹簧夹完成夹纸动作；当主轴转角为156.5-360，凸轮处于近休止状态使刚性弹簧夹处于夹紧状态。（四） 综上所述运动循环图如下：主轴转角0 156.5(图示位置) 360走纸机构停止运动夹紧装置送料夹紧输入走纸模切机构滑块上升（模切）滑块下降（回程）四、 送料、模切机构的选型 （一） 送料机构的选型1、可选机构机构供选机构类型 纸板的输送双列链轮传动皮带轮传动 纸板的停歇机构凸轮机构特殊齿轮组 纸板的固定刚性弹簧夹普通夹子 2、选型原因：(1)对于纸板的输送构件，选用双列链轮传动：a、相对皮带传动而言，双列链轮传动精度较高，有利于纸板的精确走纸定位；b、适合于本机构的远距离传递；c、本机构在长时间传输、模切时摩擦大，易发热，而双列链轮传动机构适合于长时间在此恶劣环境下工作。另外，使用皮带轮传动其易打滑，易变形，传输精度低，传递效率低。(2)对于纸板的停歇，选用特殊齿轮组： a、相对凸轮机构相比而言，特殊齿轮组制造容易，工作可靠。b、特殊齿轮组在设计时，易实现从动件的运动时间和静止时间的比例在较大范围内调节，适用范围广。c、特殊齿轮组在工作时由于面接触且是间歇运转，因此不易磨损，使用寿命长。另外凸轮机构制造加工困难，易磨损。(3)对于纸板的固定，选用刚性弹簧夹：a、在走纸时，相对普通夹子而言，由于刚性弹簧力的作用，可以自动的将纸板夹紧，并准确平稳的走纸；b、在夹紧和松开纸板时，运用凸轮机构和刚性弹簧的配合使用，能准确、方便、自动的实现纸板的夹紧和松开动作。另外，使用普通夹子较难实现纸板的自动夹紧和松开的工艺动作以及平稳走纸的目的。3、最终选型：纸板的输送选用双列链轮传动；纸板的停歇殊齿轮组选用特；纸板的固选用刚性弹簧夹。（二） 模切冲压机构的选型 1、可选机构机构供选机构急回机构直动推杆凸轮机构平面六杆曲柄滑块机构 2、选型原因：a、相对凸轮机构而言，连杆机构的运动副一般均为低副，其运动副元素为面接触，压力较小，润滑好，磨损小，则承载能力较大，有利于实现增力效果。b、连杆机构的设计、加工制造容易，经济性好，且低副一般为几何封闭，工作的可靠性好。c、在满足运动要求的条件下，连杆机构可以灵活改变各杆件的相对长度来调节运动规律，适用性强。另外，凸轮机构增力效果差，设计加工制造困难，适用性差。3、 最终选型：平面六杆曲柄滑块机构。五、 机械运动方案的评定和选择由上述运动循环图及题设要求可知，“半自动平压模切机”主要分为三大部分：动力传动机构；走纸机构；冲压模切机构。其中动力传动机构又分为动力传递机构和变速转向机构。走纸机构分为：纸板的输送机构，纸板的停歇机构和纸板的固定机构。冲压模切机构为急回机构。 备选机构列表： 机构供选机构类型 纸板的输送双列链轮传动皮带轮传动 纸板的停歇机构凸轮机构特殊齿轮组 纸板的固定刚性弹簧夹普通夹子急回机构直动推杆凸轮机构平面六杆曲柄滑块机构动力传递机构联轴器V形带变速转向机构圆柱齿轮传动机构单级蜗杆传动机构锥-圆柱齿轮传动机构由上述备选机构可得32种备选机械运动方案，从中选出3种典型可行方案如下：方案A：双列链轮传动-特殊齿轮组-刚性弹簧夹-平面六杆曲柄滑块机构-V形带-圆柱齿轮传动机构方案B：双列链轮传动-凸轮机构-刚性弹簧夹-直动推杆凸轮机构-联轴器-锥-圆柱齿轮传动机构方案C： 皮带轮传动-凸轮机构-普通夹子-直动杆凸轮机构-联轴器-单级蜗杆传动机构典型可行方案评定方案A：1、示意图刚性弹簧夹2、分析与评定(1)机械功能的实现质量由于V形带和齿轮的组合传动，功率损失小，机械效率高，可靠性高；平面六杆曲柄滑块机构能够承受很大的生产阻力，增力效果好，可以平稳的完成模切任务；使用刚性弹簧夹自动的实现纸板的夹紧与松开动作，并运用特殊齿轮组完成走纸的间歇运动和准确的定位，以实现与冲压模切的协调配合。(2)机械的运动分析在同一传动机构的带动下，特殊齿轮和双列链轮机构共同完成走纸的准确定位，运动精度高，并且能和冲压模切运动很好的配合完成要求动作工艺。(3)机械动力分析平面六杆曲柄滑块机构有良好的力学性能，在飞轮的调节下，能大大的降低因短时间承受很大生产阻力而带来的冲击震动；整个机构（特别是六杆机构和特殊齿轮组）具有很好的耐磨性能，可以长时间安全、稳定的工作。(4)机械结构合理性该机构各构件结构简单紧凑，尺寸设计简单，机构重量适中。(5)机械经济性平面六杆曲柄滑块机构设计，加工制造简单，使用寿命长，维修容易，经济成本低，虽然特殊齿轮组设计加工难度较大，成本偏高，但与其他等效备选机构相比，其能更好的实现工作要求，以带来更大的经济效益。方案B：1、 示意图 2、分析与评定(1)机械功能的实现质量相较于方案A的V形带，联轴器的传递效率虽然高，但是减速效果差；采用直动推杆凸轮机构难承受很大的生产阻力，不能很好的完成冲压模切功能；运用凸轮机构带动走纸机构间歇运动，由于长时间工作而磨损变形，会造成走纸机构无法准确定位。虽然能实现总体功能要求，但实现的质量较差。(2)机械运动分析凸轮的长期间歇运动导致微小误差积累，从而引起走纸定位的准确性下降，最终引起各执行机构间的配合运动失调。(3)机械动力分析直动推杆凸轮机构难以承受很大的生产阻力，不便长期在重载条件下工作，不能很好的满足冲压模切的力学要求；该方案中的凸轮机构（包括机构中的两个凸轮机构）耐磨性差。(4)机械结构合理性该机构结构简单紧凑，但由于凸轮机构的使用，造成整体机构的尺寸很重量都较大。(5)机械经济性由于凸轮机构和锥圆柱齿轮的设计、加工制造较难，用料较大，维修不易，故而生产和维修经济成本均较高。方案C：1、示意图普通夹子 2、分析与评定(1) 机械功能的实现质量相对于方案B，皮带传送很难实现走纸的准确定位；普通夹子不便于纸板的自动化夹紧和松开，需要相应辅助手段较多；采用蜗杆减速器，结构紧凑，环境适应好，但传动效率低，不适宜于连续长期工作。总体上机械功能的实现质量很差。(2) 机械运动分析皮带传送易磨损、打滑，走纸运动的精度低，又因很难实现准确定位与冲压模切的协调性差。(3) 机械动力分析直动推杆凸轮机构难以承受很大的生产阻力，不便长期在重载条件下工作，不能很好的满足冲压模切的力学要求；该方案中的凸轮机构（包括机构中的两个凸轮机构）和平带耐磨性差。(4) 机械机构合理性该机构结构简单紧凑，但由于凸轮机构的使用，造成整体机构的尺寸很重量都较大。(5) 机械机构经济性由于普通夹子的使用，降低了生产成本，但由于其易磨损，维修成本大，又由于凸轮机构和蜗杆机构的存在，经济成本还是很大。综上所述，从机械功能的实现质量、机械运动分析、机械动力分析、机械结构合理性、机械经济性等各方面综合考虑，方案A各方面性能均优，故选择其为最优方案。六、 电动机的选型1、类型和结构形式：三相异步笼型交流电动机，封闭式，380V，Y型；2、功率：Pw=Pcst=Pcstkk+1=2106210-3360030001.31.3+1=5.897 kw（Pw-功率、Pc-生产阻力、s-有效模切行程、t-周期、k-行程速比系数） =12332=0.960.9830.972=0.85（1，2，3分别为皮带，轴承和齿轮的效率） 故 Pd=Pw=6.938 kw PN=11 kw3、转速：nw=n0=3000 r60 min=50rmin i=i1i2=16160 ( i1=24 i2=840 分别为皮带和减速器的传动比) 则 nd=n0i=8008000 r/min4、电动机方案选型方案型号PN（kw）转速 r/min重量N参考价格（元）传动比同步满载总传动比V带减速器1Y160M1-111300029301170135058.62.820.932Y160M-411150014601230180029.22.511.683Y160L-61110009701470160019.429.7综上所述4点，最终选型为：型号PN（kw）满载时起动电流额定电流起动转矩额定转矩最大转矩额定转矩转速 r/min电流（380V）效率%功率因数Y160M1-111293020.887.20.887.02.02.2安装尺寸：型号安装尺寸(mm)外形尺寸(mm)ABCDEFGHKABACADHDLY160M1-125421010842110123716015330335265385605七、 机械传动设计（一） 传动比的分配1、 总传动比： i=nmnw=58.62、 分配传动比： i=i1i2 （i1，i2分别为皮带和减速器传动比），为使V型带传动外廓尺寸不至过大，初步取i1=2.8， 则 i2=ii1=58.62.8=20.93 同理，按展开式考虑润滑条件，为使两级大齿轮直径相近，由展开式曲线，查得 i3=5.70，则 i4=i2i3=3.67（二） 齿轮组的设计根据（一）中传动比的分配设计以及整体尺寸综合考虑，查圆柱齿轮标准模数系列表（GB/T 13571987）得： （1）、m1=2 a1=113mm z1=20 z2=z1i3=205.70=114 （2）、m2=3 a2=139.5mm z1=20 z2=z1i4=203.67=73 （3）、m3=0.5 a3=27.5mm z1=60 z2=z1I=6050 r/min60.218 r/min=50 （4）、m4=6 a4=180mm z=30 由zmzm=t2t=0.5221.2=0.435得z=13 （三） 链轮、链条的设计依据上述整体尺寸，初步设计链轮直径为300mm，查短节距传动用精密滚子链的基本参数与主要尺寸（GB/T 1243-1997）得：齿数z=25 ，其直径为d=303.989mm 则链条的节数 n=d+2sp=77.55 即链条为：24A-1-78 GB/T 1243-1997（s为链轮中心距s=1000mm p为节距p=38.1mm）（四）轴承和键的设计根据上述齿轮模数m和齿数z，求得相应直径d=mz，以及轴的转速（见第九章第一节：轴的参数）等查深沟球轴承（GB/T 276-1994）得下表：轴代号轴承尺寸/mm基本额定载荷/kN极限转速(rmin-1)代号安装尺寸/mmdDBrminCrC0r脂油daminDaminramaxI轴1535115.67.653.721800022000620220320.6II轴4585191.131.520.570009000620952781III轴5090201.135.023.267008500621057831IV轴35800211.533.419.280009500630744711.5V轴65120231.557.240.0500063006213741111.5VI轴1535115.67.653.721800022000620220320.6同上述，查普通平键（GB/T 1096-1990）得轴代号键的公称尺寸键槽尺寸b(h9)h(h11)L(h14)tt1公称公差公称公差I轴5510563.0+0.12.3+0.1II轴149301605.5+0.23.8+0.2III轴1610451806.0+0.24.3+0.2IV轴108221105.0+0.23.3+0.2V轴2012562207.5+0.24.9+0.2VI轴6614703.502.80 （五） V形带的设计由上图得：皮带的长度 l=d1+2asin+（-）d2 其中cos=d2-d12a d2=d1i故皮带A：d1=150mm d2=d1i=1502.8=420mm a=800mm 则=1.4005 l=2517.785mm 查普通V带的基准（GB/T 11544-1997）得此皮带型号为：A 2500 GB/T 11544-1997皮带B：d1=150mm d2=d1i=1501.2=180.658mm a=295.68mm 则=1.518 l=1111.315mm 查表得此皮带型号为：A 1120 GB/T 11544-1997皮带C：d1=150mm d2=d1i=1501.2=180.658mm a=1016.07mm 则=1.5549 l=2551.505mm 查表得此皮带型号为：A 2500 GB/T 11544-1997 （六） 刚性弹簧夹及其配合凸轮的设计 刚性弹簧夹及其配合凸轮的尺寸如上，按设计要求配合凸轮只需完成在规定时间内将夹子顶开和松弛两个动作，故采用匀速运动规律即可满足运动要求。虽然受刚性冲击，但是作用力很小，运动要求简单，所以可以满足设计要求。故可得，推杆的位移曲线图如下： 其中 t1t360=0.6781.2360=203.4 （t1为模块上升时间，t为周期）凸轮角速度为=2t=0.6 rad/s ,转速：n=30=50 r/min（七） 平面六杆滑块机构设计12 AB=b-a,BC=e，CD=c，AD=d，CG=f，AC=a+b由设计要求可得极位夹角=K-1K+1180=23.478 H=50mm在ABC和BCD中，由余弦定理得：c21-cos=a21+cos+b2（1-cos）同理，在BDF和CDG中分别可得：cos1=c2+l2-f22cl cos2=c2+（l+H）2-f22c（l+H） 则 =1-2在ABC中，得 cos=e2+（a+b）2-（b-a）22e（a+b） =90-12- 故d=（a+b）2+c2-2（b+a)ccos另外杆a为曲柄的条件为：（1） 在a、b、c、d四杆中，a为最小，c为最大；（2） a+cb+d 根据以上分析，可取 l=500mm c=400mm f=300mm 带入以上公式可得 a21.917+b20.083=480 考虑a为曲柄的条件，可得各杆长 a=15mm b=36.2mm c=400mm d=387.9mm f=300mm l=500mm八、 机构运动简图4321VVIIVIIIIII 附：特殊齿轮组（4）的简图九、 传动和执行机构运动尺寸计算 （一） 轴的参数（1） 各轴转速 InI=nmi1=29302.8=1046.43 r/min II. nII=nIi3=1046.435.7=183.58 r/min III. nIII=nIIi4=183.583.67=50.02 r/min（2）各轴输入功率 PI=Pd1=6.9380.96=6.66 kw PII=PI23=6.660.980.97=6.33 kw PIII=PII23=6.330.980.97=6.02 kw 输出功率： PI=PI2=6.53 kw PII=PII2=6.20 kw PIII=PIII2=5.90 kw（2） 各轴输入转矩： Td=9550Pdnm=95506.9382930 Nm= 22.61 Nm TI=Tdi11=60.79 TII=TIi323= 329.36 Nm TIII=TIIi423=1149.04 Nm输出转矩： TI=TI2=59.57 Nm TII=TII2=322.77 Nm TIII=TIII2=1126.06 Nm由上述各项得：轴名功率 P（kw）转矩 T（ Nm）转速nr/min传动比i效率输入输出输入输出电动机轴6.93822.6129302.80.96I轴6.666.5360.7959.571046.435.700.95II轴6.336.20329.36322.77183.583.670.95III轴6.025.901149.041126.0650.02（二） 凸轮运动曲线图（三） 平面六杆曲柄滑块机构运动曲线图通过SolidWorks中COSMOSMotion三维实体仿真模拟获得各机构杆件运动草图如下： （1） 各杆件角速度图杆件b杆件f杆件c （2） 各杆件角加速度图杆件b杆件f杆件c（3） 各杆件质心速度图杆件a杆件b杆件f杆件c（4） 滑块运动曲线图滑块质心位置滑块质心速度滑块质心加速度十、 飞轮设计根据平面六杆机构的运动曲线图，可知：在0.12秒时，等效构件（零件2-1）有最大角速度max，由图得v=-0.127m/s, 3=0.1897rad/s, 5=0.2058rad/s, 7=-0.3437rad/s, v2=-0.0269m/s,v3=-0.051m/s, v5=-0.024m/s, v7=-0.088m/s.在0.66s时，等效构件的角速度可近似为0=50r/min=5.233rad/s, 由图v=-0.094m/s, 3=1.0772rad/s, 5=-0.1221rad/s, 7=-0.2224rad/s， v2=0.0168m/s,v3=0.031m/s, v5=0.0165m/s, v7=0.0598m/s.在1.05秒时，等效构件有最小角速度min，由图得v=0m/s, 3=-2.4095rad/s, 5=-0.0174rad/s, 7=-0.0470rad/s, v2=0.02829m/s,v3=0.029m/s, v5=0.011m/s, v7=0.000159m/s.选杆件材料为优质碳素结构钢，其密度=7.85103kg/m3,又取杆件的截面直径d=50mm,且转动惯量Je=mr2再根据运动方程式12Je2=12i=1n(mivsi2+Jsii2)可得:Je=0.05679kgm2，min=0.3283rad/s, max=5.9351rad/s.Wmax=12Je（max2-min2）=0.9970 J m=12（max+min）=3.29585rad/sJFWmax/(m2)- Je=0.58567 kgm2，( =17),取 JF=0.58567kgm2由GAD2=4gJF，取D=0.3m，则GA=260.2978N，又由GA=DHb，可取H=b=0.03m，则=76756.83N/m3.飞轮尺寸如下图：参考文献1 孔凌嘉，张春林主编.机械基础综合课程设计.北京：北京理工大学出版社，20042 周元康，林昌华，张海兵编著.机械设计课程设计.重庆：重庆大学出版社，20013 孙桓，陈作模，葛文杰主编.机械原理.北京：高等教育出版社，20074 曹惟庆等著.连杆机构的分析与综合.北京：科学出版社，20025 SolidWorks三维实体模拟软件，2006目录一 工作目的二 工作原理及工艺动作过程三 运动循环图四 送料、模切机构的选型（一） 送料机构的选型（二） 模切冲压机构的选型五 机械运动方案的评定和选择六 电动机的选型七 机械传动设计（一） 传动比的分配（二） 齿轮组的设计（三） 链轮和链条的设计（四） 轴承和键的设计（五） V形带的设计（六） 刚性夹子和凸轮的设计（七） 平面六杆曲柄滑块机构的设计八 机构运动简图九 传动和执行机构的运动尺寸计算（一） 轴的运动参数（二） 凸轮的运动曲线图（三） 平面六杆曲柄滑块机构的运动曲线图十 飞轮的设计