湖南工业大学机械原理课程设计专用精压机运动简图的设计

机械原理课程设计设计说明书 专用精压机运动简图的设计起止日期： 2015 年 6 月 15 日 至 2015 年 6 月 20 日学生姓名 张宗宪班级机械1312学号13405701207成绩指导教师(签字)机械工程学院（部）2015年 6 月 10 日 目录0.课程设计任务书.21.设计题目.42.机械机构功能的简单分析.53.根据工艺动作和协调要求拟定循环图.54.执行机构选形.65.执行机构的选择和比较.7 6.机构运动简图.11 7.机构尺寸的设计计算.12 8.机构的运动学分析（速度与加速度分析）.14 9.精压机的三维模型.1810.参考资料.1911.设计总结（心得与体会）.19湖南工业大学 课程设计任务书 20142015 学年第2 学期 机械工程 学院（系、部）机械大类 专业 机械1312 班级课程名称： 机械原理课程设计 设计题目：专用精压机运动简图的设计 完成期限：自2015 年 6 月 15 日至2015 年 6 月 20日共 1 周内容及任务一. 原始数据及设计要求1）冲压执行机构具有快速接近工件、等速下行拉延和快速成型返回的运动特性;2）制成品生产率约每分钟70件;3)上模移动总行程为280mm，其拉延行程置于总行程的中部，约100mm;4）行程速度变化系数K1.3;5）坯料最大输送距离200mm;6)上模滑块总质量40kg,最大上产阻力为5000N，且假设在拉延区内生产阻力均衡；7）设最大摆动构件线质量为40kg/m,绕质心转动惯量为2kg.m2/m,质心简化到杆长中点，其他构件质量及转动惯量均忽略不计；8）传动装置的等效惯量（以曲柄为等效构件）设为30kg.m2，机器运转不均匀系数=0.59）电动机规格自选。二设计任务1）冲压机构和送料机械运动方案的拟定； 2）完成工作循环图； 3）对各方案进行定性分析与筛选，选定设计方案； 4）冲压机构的型综合和运动设计； 5）传动系统的设计计算； 6）执行机构的运动尺寸设计； 7）绘制正式的整机机构运动简图； 8）编写设计计算说明书。进度安排起止日期工作内容6.15-6.16构思该机械运动方案 6.17-6.18运动分析及作图 6.19-6.20整理说明书和答辩主要参考资料1 朱理机械原理北京：高等教育出版社，2008：15-2002 邹慧君机械原理课程设计北京：高等教育出版社，2009：15-250指导教师： 邹培海 2015 年6 月10 日 系（教研室）主任：王菊槐 2015 年6 月10日 1.设计题目：专用精压机运动简图设计1.1设计原理：专用精压机是用于薄壁铝合金制件的精压深冲工艺，它是将薄铝板一次冲压成为深筒形。专用精压机运动示意图（图1）所示：工艺动作主要有以下两种：1） 将新坯料送至待加工位置；2） 下模固定，上模冲压拉延成形将成品推出模腔。 精压机运动示意图1.2设计要求： 1） 制成品生产率约每分钟70件； 2） 行程速度变化系数K1.3 3） 坯料最大输送距离200mm; 4） 上模滑块总质量40kg,最大生产阻力5000N，且假设在拉延区内生产阻力均衡； 5） 设最大摆动构件线质量为40kg/m，绕质心转动惯量为2kg.m2/m,质心简化到杆长中点，其他构件质量及转动惯量均忽略不计； 6） 传动装置的等效传动惯量（以曲柄为等效构件）设为30kg.m2,机器运转不均匀系数=0.5 2.机械机构功能的简单分析2.1 机械机构功能的简单分析 该机构加工的主要为铝合金制件，且需要一次冲压成形。故机构需要较大的冲压力来实现。同时要保证精压的质量，机构需要匀速的冲压过程，因此采用具有较好传动性和较高接触强度的齿轮机构。一方面顾及工作效率的的要求，将凸轮送料机构改成曲柄滑块送料机构，提高了机构的使用寿命。 另一方面为了使整个机构能够快速，紧密，平稳的运行，需要机构的各个部分必须相互配合，并且足够稳定。2.2 动作分解 为使执行机构满足预定的功能要求，应该将机械的总功能分解成若干个分 能由一个执行机构去完成。在本专用精压机设计机构，整个机构可以分为两大执行机构：送料机构和冲压机构。它们根据执行机构的功能要求去完成规定的动作。 详细具体的工艺动作分解如下: 1） 送料机构从侧面将坯料送至待加工位置；2） 上模先以较大的速度接近坯料；3） 上模以近似匀速进行拉延成形工作；4） 上模继续下行将成品推出型腔；5） 上模快速返回，完成一个冲压工作循环。3.根据工艺动作和协调要求拟定运动循环图 由机构循环图（图2）可知：机构在一个运动周期内，当上模运动在机构的正行程时，推杆和上顶机构在再回程中；当上模冲压完成之后，推杆开始将坯料送至待加工位置，上顶机构也同时将成品顶出下模，实现一个工作周期。 机构循环图 4执行机构选形 由以上的分析可知，精压机的机构有三个分支：一是为实现竖直运动的冲压机构，二是为实现水平运动送料机构；三是为实现让成品脱落的上顶机构。 冲压机构的设计过程 实现竖直运动的冲压机构应具备下述的几种基本运动功能：1） 上模要完成每分钟70次往复移动运动，因此机构的主动构件转速应为70r/min。以电动机作为原动力，则主加压机构应有运动缩小的功能；2） 由于上模是往复运动，故机构要有运动交替的功能；3） 原动机的输出运动是转动，上模是直线平移运动，所以机构要有运动转换的功能；4） 因为有保压阶段，所以机构上模在下移行程末端有较长的停歇或近似停歇的功能；5） 因为冲头压力较大，所以希望机构有增力的功能，以增大有效作用力，减小原动机的功率。5.执行机构的选择和比较5.1冲压机构和送料机构的组合方案一 凸轮连杆冲压机构+摆杆送料机构（图3） 冲压机构由凸轮控制其运动方式，没有太大的受力，需要的运动结构简单，通过法能够确定凸轮的大致齿廓。 送料机构是由摆杆机构组成的，按机构运动循环图可以确定摆杆工作位置和从动件的运动规律，保证能在规定的时间内将工件送至待加工位置。 凸轮连杆冲压+摆杆送料机构图方案二 摇杆滑块冲压机构+曲柄滑块送料机构（图4） 此方案自由度为1，自由度等于原动件数，能够满足传动要求。机构的加压时间可以比较长，效率高，装配容易，然而唯一不足的是：一级传动角较小。 摇杆滑块冲压机构+曲柄滑块送料机构图 方案三 导杆摇杆滑块冲压机构+凸轮送料机构（图5） 如下图所示，冲压机构是在导杆机构的基础上，串联一个摇杆滑块机构的组合而成的。导杆机构是按给定的行程速度变化系数设计的，因此它和摇杆滑块机构组合可达到工作段近似匀速的要求。 送料机构的凸轮通过齿轮机构与曲柄相连。根据机构的运动行程将工件准确地送至待加工位置。 导杆摇杆滑块冲压机构+凸轮送料机构图方案四 摆动导杆冲压机构+曲柄滑块送料机构（图6） 如下图所示，冲压机构经过改进，将其凸轮机构高副低代后得到了由摇杆和滑块机构组成的摆动导杆机构。该方案中的导杆机构的尺寸确定可按给定的行程变化系数K设计，上模将具有急回的特征，摇杆滑块机构的组合可以按照要求使上模在工作阶段速度接近匀速。 送料机构:摇杆滑块送料机构通过齿轮于上部曲柄相连。可以调节其在整个运动中的初始位置，使推杆在预定时间将坯料送至待加工的位置。 摆动导杆冲压机构+曲柄滑块送料机构图5.2上顶机构的设计 综合考虑各方面因素，考虑到实际配料被冲压成形之后，假如还存在切边，则成品就不能从下模的下部离开，所以我们需要设计一个更加完善的上顶机构（图7）。使得成品可以由下模滑块将其拉延机构垂直顶出，然后同时由下一个送来的配料将其横向地推出下模工作台面。 上顶机构图 5.3冲压机构和送料机构的评价与选定 在以上的四种方案提出来之后，我们分别对各种的方案的优缺点进行详细的对比。各个方案都由不同的基础结构组合而成，且其基本都可以完成设计要求的运动。然而考虑到机构的性能，加工成本和后期的建模，分析等各方面的因素，最后经过同学们的讨论，决定选用方案四。 分析： 方案一，虽然能够无困难的设计出其轮廓曲线，使其满足规定的运动规律，但凸轮与从动件的点或者线的高副接触是很容易磨损的。而且设计要求中机构每分钟70件，机构的运转速度很大。并且其上模滑块的总质量为40kg，最大生产阻力为5000N，故需要其机构较好的传力性能，而凸轮机构不适用于传力过大的场合。方案二，虽然能够完成设计要求的运动，但是它的稳定性不高，无法保证机构连续安全稳定运转。方案三，虽然冲压机构中的齿轮传递容易控制，使得滑块得打精确地控制。但是齿轮的凸轮机构间的配合难度较大，另外还会有一定的冲击，平稳性不好，成本费用较高。方案四，它可以满足机构的急回转运动的要求，输送配料上工作台和上模冲压这两个工作步骤也可以较容易地配合出来，让整个机构完成一次送料冲压的周期。 因此通过以上的分析，决定选用方案四。6.机构运动简图 机构的工作原理：如(图8)所示，摇杆滑块送料机构JHG用推板K将待加工的工件推到预定加工的位置（D.Q的正下方）。在送料后回程时，上模滑块冲压机构CBA已进入加工阶段。D处的滑块先快速接近工件，再以等速对其进行冲压，同时下模滑块冲压机构PNM恰好到达最低极限位置急速向上运动顶出工件。这时送料机构JHG再次送料，新的待加工工件在成品被完全顶出到达预定的位置，将成品推到下工作台上自身到达预定位置加工。这样就相当于完成了一个周期的运动。 机构运动简图7.机构尺寸的设计计算 7.1上模冲压机构的尺寸设计因要求K1.3，取K=1.8,得极位夹角=52；另要求上模的总行程H=280mm设为DE与竖直方向夹角，由前图可得：2*CD*sin(/2)+DE*(1-cos)=280且因极小上式可变为：2*CD*sin(/2)=280得CD=320mm取曲柄AB=250mm，得知AC=513mm7.2下模顶出机构尺寸设计下模采用与上模相称的设计方案，K值与上移距离均与上模相同，即曲柄AB=MN250mm，机架AC=PM570mm;7.3齿轮尺寸设计 整个机构的传动系统是由5个齿轮组成的，2个大齿轮F，L的存在是在帮助3个小齿轮之间的传动，并让3个主要负责机构运动特性的小齿轮的转速和转向都一致。 为了计算的方便和统一，取3个小齿轮的尺寸相同，分度圆直径为300mm;2个大齿轮的尺寸也相同，分度圆直径为600mm。取 模数m=10，则得出小齿轮的齿数Z=30，大齿轮的齿数Z=60。 为了使推杆有急回特性，使其在回程时不与前进得坯料有碰撞，取其正偏距e=150mm.7.4.1槽轮间隙送料机构（图9） 根据公式： R=L*sin(/z) S=L*cos(/z) h2(L-R-r) b2(L-R-r) 取拨轮和槽轮的中心距L=200mm 槽轮的槽数为4 则得R=S=141.42mm; 槽轮间隙送料机构图7.4.2槽轮机构的运用 如图10所示，拨盘与黑色齿轮通过圆锥齿轮的配合，槽轮与一齿轮相连，以驱动传送带间隙送料。 槽轮机构图 8.机构的运动学分析（速度与加速度分析） 8.1上模冲压机构的运动学分析 上模冲压机构运动分析图 上模由图示位置开始运动，在0到0.537内向下冲压的正行程，在0.537到0.870为向上的回程。在正行程内，上模将快速接近工件，等速拉延完成冲压工作。在回程内，因其所用时间明显比正行程少，所以上模具有急回的特性。等待推杆将坯料送至待加工位置，因上模和推杆的转速相同，其运动周期相同，这样就可以使两者的运动相配合，不断的完成加工过程。 上模冲压机构运动分析图正行程时，从0到0.152内，上模速度由 慢到快，实现快速接近工件；之后到0.522为止其速度接近等速，同时完成其等速冲压过程，在回程时，上模的速度远大于正行程的速度，实现快速返回，完成一个循环周期。 上模冲压机构运动分析图在上模加速曲线中，上模快速回程的过程中，会出现极大的加速度，其引起的惯性力也很大，对与上模相连的机构造成很大的负荷，极易造成机械疲劳，增大危险系数。所以在实际生产中应用改善机构的材料等方法避免危险的发生。 8.2推杆的运动学分析 推杆的运动分析图推杆的位移曲线中，如图所示，在0.261时推杆已将坯料送至了待加工位置，此时上模正好已在正行程中并接近了下模，即将开始冲压。再经过约0.4推杆到了初始位置，开始推送下一个送来的坯料. 推杆的运动分析图在速度曲线中，由上图可知，推杆在回程中的速度也远大于正行程时的速度，说明推杆机构的偏距e使其也具有急回的特性。推杆的急回不仅有利于效率的提高，更可防止推杆在回程时与下一个送来的坯料发生碰撞。 推杆的运动分析图 由于推杆在回程中速度较大，所以其加速度也大，造成机构惯性力加大，需与上模机构一起采取相应的措施来避免惯性力对机构寿命的影响。 8.3上顶机构的运动学分析 上顶机构的运动分析图 由上顶机构与上模的位移比较图可知，其运动位移基本与上模相同，这个特性使其在上模冲压完成后回程时，上顶机构开始将成品顶出下模，与推杆的运动相配合可使成品被顶出下模的同时借由下一个坯料的推力将自身推出下模的工作台，正式完成一次产品的生产。 9.精压机的三维建模 根据上述设计做出三维模型 图18 精压机三维模型图 图19 精压机三维模型图10.参考资料 【1】朱理，机械原理M.北京：高等教育出版社，2008:15200 【2】邹慧君。机械原理课程设计M.北京：高等教育出版社，2009:1511.设计总结(心得与体会) 为期一周的机械原理课程设计今天圆满结束了，在邹培海老师的指导下，我完成了此次课程设计。从刚开始的一窍不通到最后的融会贯通，我感觉自己在这次设计中学到了很多有用的东西。 在这次设计中，我一步一步地摸索着前进，使我更加扎实了专业有关方面的知识，虽然刚开始有些不满人意：遇到了一些问题，但经过一次又一次的仔细斟酌细想，一遍又一遍的检查总算是苦心人天不负，找出了原因所在，也反映出了前期我们在这方面的知识的欠缺和经验不足。毛泽东等伟人曾经说过实践是检验真理的唯一标准。通过自己亲手制作出来的设计，从此让我们掌握的专业知识不再是纸上谈兵。 在此次一周的设计中，让我一个学机械的学生深深地了解到了一个大二学生所学的东西的局限性，真正弄懂的东西并不是很多，而且还有很多东西根本就不能应用上的。在课程设计过程中，我不断发现自身所犯的错误；不断地进行改正，不断地领悟。在设计中碰到了很多想不明白的问题，最后在老师和同学的帮助下，一个一个地逐一化解。在整个过程中我发现，像我们这些学生最缺少的是经验、没有感性的认识、空有理论知识是没用的。然而有些东西可能与实际脱节。总体上来说，我觉得做课程设计这种类型的作业有利于我们对专业知识的把握，它不仅需要我们将学过的相关知识都系统地联系起来，从中暴露出我们自身的不足以待改进！ 回顾此次课程设计，至今依然感悟颇多。从理论到实践，在这段苦难的日子里，学到了很多课本上没有的知识，不仅可以扎实了以前所学的知识，比如说AUTO CAD的简单画图操作，word软件的运用等等知识。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合的重要性，只有理论是远远不够的，同样只有实际没有理论知识的支撑是做不起来的。只有两者相结合起来，从理论中得出结论，才能真正地做出产品来为社会服务。最后想起设计中遇到的问题，可谓是困难重重呀，但最终结果还是令人皆大欢喜的。 此次设计中也让我深深地明白了一个道理，万事得多需要自己动手，有什么不懂的不可落下，一定要及时处理解决。这样子后面的设计工作才会势如破竹地继续下去。只要自己认真钻研，动脑思考，动手实践，没有做不到的事。可谓是：苦心人，天不负。 在所有 20