机械原理课程设计(冲床冲压机构和送料机构设计).ppt

机械原理课程设计 指导教师：张利娟 联系电话： 13838876910 机械原理与机械设计教研室 一、 课程设计的目的 二、 课程设计的方法 三、 课程设计题目 四、 课程设计内容 五、 课程设计的任务 六、课程设计实例分析 七、课程设计完成任务及要求 八、成绩评定及答辩 一、课程设计的目的 1.理论联系实际，提高解决实际问题的能力。通过对机械原理课程的学习， 已经掌握了机械中的各种常用机构的工作原理、运动特性和受力特性等知识。但 在各种机械中，为了满足机械的运动及工作要求，仅采用某一种机构是不够的。 通过课程设计，就可以将各机构联系到一起，综合运用所学的知识，理论联系实 际去分析解决工程中的实际问题，提高解决实际问题的能力。 2.通过课程设计，可对机械系统（包括驱动部分、传动部分、执行部分及操 纵控制部分）有一个初步了解和认识，培养对机械系统运动方案设计和分析能力， 培养机构创新设计的能力。 3.培养收集和查阅设计资料能力、制图能力及分析、归纳、总结的能力，使 用计算机编程的能力 。 二、课程设计的方法 课程设计的方法有 图解法、解析法 和实验法三种。设计过程和运动 分析中主要用图解法和解析法，可采用图解法与解析法相结合使用。 图解法是运用某些几何关系或已知条件，通过几何作图求得结果， 所需尺寸可直接从图上量取。优点是可将分析设计结果清晰表现在图样 上，直观、形象，便于检查结果是否正确。缺点是作图繁琐，精度不高， 对精度要求高或复杂问题不适用。 解析法以机构参数来表达各构件间的函数关系，建立机构的位臵方 程和求导方程，解析求解未知量，可借助计算机，用 C语言、 VB或 Matlab进行编程计算，避免大量重复人工劳动，计算精度高，能解决 复杂问题，应用逐渐广泛。 三、课程设计的题目 题目：冲床的冲压机构和送料机构设计 冲压是指坯料在模具压力作用下，使坯料产生塑性变形，但不 产生分离而获得的具有一定形状和尺寸冲件的加工方法。 主要有弯曲、拉深、翻边等。 汽 车 覆 盖 件 飞 机 蒙 皮 冲床的冲模一般由上模和下模两部分组成 。 冲床的冲压 机构相当于上模，用于冲制薄壁零件；通过上模和下模作用 将薄壁钢板坯料拉延成型。送料机构是能保证及时的将坯料 送到待冲压位臵，两者动作要协调一致，完成多件连续生产。 我们的目的是设计实现这个功能的冲床的冲压机构和送料机 构 。 冲床的工作原理如图 (a)所示 ， 运动规律如图 (b)所示 ， 上模先以 较小的速度接近坯料 ， 然后以匀速进行拉延成型工作 ， 然后上模继 续下行将成品推出型腔 ， 最后快速返回 。 上模退出下模后到下一次 接触坯料进行冲制前 ， 在这个时间段内 ， 送料机构从侧面将坯料送 至待加工位臵 (下模上方 )， 完成一个工作循环 。 以电动机作为动力源 ， 与曲柄连接 ， 曲柄作主动件 ， 从动件即执行构件为上模 ， 作上下往复直线运动 ， 下模固定在冲床座上 。 上模大致运动规律如图 (b)所示 ， 先是以一定运动规律接近坯料 ， 曲柄转角 1；然后近似匀速工作 ， 曲柄转角 m； 上模再以一定运动规律下行 ， 推出工件 ， 曲柄转角 2 ；然后上模退出下模 ， 曲 柄转角 3 ；最后是上模快速退回上极限位置 ， 曲柄转角 4 。 原始数据与设计要求 ： 1.上模的运动规律应满足图 (b)所示的运动要求。 2.机构应具有良好的传力性能，工作段的压力角 应尽可能的小，结构紧凑， 制造方便。 设计数据 ： 参数 工作 段 l (mm) 工作段 曲 柄转角 m 冲压工 作行 程 H(mm) 行程速 比 系数 K 许用传 动角 送料距 离 H1(m m) 生产 率 (件 / 分 ) 电机转速 (r/min) 数据 70 (1/3 1/2 ) 2 l 1.85 40 150 70 1450 四、课程设计内容 1.冲压机构设计 2.送料机构设计 3.各种方案分析比较，确定总体方案 冲压机构是主机构，主动件是曲柄，从动件是上模，动作要求是 由回转运动变成往复直线运动；运动要求是上模要满足图 b所示的运动 规律，工作段近似匀速，回程时有急回；冲压过程中受到非常大的生 产阻力，动力特性是传力性能要好，工作段的压力角尽可能小。 根据功能要求和动作分解，能实现由转动变成往复直线移动的机构 主要有平面连杆机构（包括曲柄滑块机构和移动导杆机构等）、齿轮 齿条机构、凸轮机构、螺旋机构等。很明显，连杆机构的杆件长，可 以实现大行程；连杆机构连接为转动低副，受力好，精度要求低，再 者连杆机构能实现急回特性，因而冲压机构采用 连杆机构完成冲压动 作比较合理；同时设计要求对上模的运动规律要求比较高，用单一的 基本机构如偏臵曲柄滑块机构是难以实现，因此，需要至少两个个基 本机构恰当地组合在一起来满足冲压要求。 1.冲压机构 送料机构的动力源是电动机 ， 主动件为回转运动 ， 从动执 行构件作直线送料运动 ， 只要在规定的时间内送料到位就可以 了 ， 对送料快慢和运动规律没有要求 ， 同时送料机构作间歇送 料 ， 受力较小 ， 动力特性要求低 ， 因而送料机构要求较低 ， 运 动容易实现 。 执行构件能作间歇运动的机构主要有凸轮机构 、 棘轮机构 、 槽轮机构 、 不完全齿轮机构等 ， 凸轮机构是控制机构 ， 且受载 不大 ， 比较适合 ， 而送料机构还要求有一定的送料行程 ， 但是 单一的凸轮机构会尺寸很大 ， 而连杆机构可以实现大行程 ， 且 连杆机构具有尺寸放大功能 ， 这样凸轮机构和连杆机构组合在 一起 ， 凸轮机构实现动作控制功能 ， 连杆机构实现大行程输送 功能 ， 可很好满足送料要求 。 需注意的是送料机构和冲压机构在动作上有协调要求 ， 送料 机构要在适当的时间内送料到位 ， 不能和冲压动作相冲突 、 碰 撞 ， 这需要两机构采用一个电动机 ， 对送料动作进行适当控制 ， 与冲压机构的运动协调起来 。 2.送料机构 冲床包含两个执行机构，即冲压机构和送料机构，分别完 成两个功能即冲压零件和送料，完成这两个功能要求就要考虑 采用一定的方法，选择合适的机构来实现，这个构思过程就是 运动方案的设计，体现出可选方案的多样性、设计的主动性和 创新性。 3.各种方案分析 能实现冲压机构功能要求的机构方案有齿轮 -连杆冲压机构、摆动 导杆滑块冲压机构（滑块和连杆）、六连杆冲压机构、连杆 -凸轮冲压机 构等。 能实现送料机构功能要求的机构方案有凸轮 -直动摆杆送料机构（直 动摆杆形式有多种）、凸轮 -摆动摆杆送料机构。 将冲压机构和送料机构的任意两个机构组合，就可得到冲压机构和 送料机构的一个运动方案。 方案一： 齿轮连杆冲压机构和凸轮连杆送料机构 冲压机构采用有两个自由度的双 曲柄七杆机构，用齿轮副将其封闭为 一个自由度（齿轮 1与曲柄 AB固联， 齿轮 2与曲柄 DE固联）。恰当地选择 C点轨迹和确定构件尺寸，可保证机 构具有急回运动和工作段近似匀速的 特性，并使压力角 尽可能小。 送料机构由凸轮机构和连杆机构 串联组成，按运动循环图可确定凸轮 推程角和从动件的运动规律，使其能 在预定时间将坯料 推送至待加工位臵。设计时，若使 LOG LOH，可减小凸轮尺寸。 方案二：摆动导杆滑块冲压机构和凸轮送料机构 冲压机构是在摆动导杆机构的基 础上，串联一个摇杆滑块机构组合而 成。摆动导杆机构按给定的行程速度 变化系数设计，它和摇杆滑块机构组 合可以达到工作段近于匀速的要求。 适当选择导路位臵，可使工作段压力 角 较小。 送料机构的凸轮轴通过齿轮 机构与曲柄轴相连。按机构 运动循环图可确定凸轮推程 运动角和从动件运动规律， 则机构可在预定时间将坯料 送至待加工位臵。 方案三：六连杆冲压机构和凸轮连杆送料机构 冲压机构由铰链四杆机构和摇 杆滑块机构串联组合而成。四杆机 构可按行程速度变化系数用图解法 设计，然后选择连杆长 lEF及导路位 臵，按工作段近似于匀速的要求确 定铰链点 E的位臵。若尺寸选择恰 当，可使执行构件在工作段中运动 时机构的压力角 较小。 凸轮连杆送料机构的凸轮轴过 齿轮机构与曲柄轴相连，按机构运 动循环图确定凸轮推程运动角和从 动件运动规律，则机构可在预定 时间将坯料送至待加工位臵。设计 时，使 LIH LIR，可减小凸轮尺寸。 方案四：连杆凸轮冲压机构和凸轮连杆送料机构 冲压机构采用有两个自由度的连杆 凸轮组合机构，用齿轮副将其封闭为 一个自由度（齿轮 1与曲柄 AB固联，齿 轮 4与两个凸轮固联）。恰当地选择 C点 轨迹和确定构件尺寸，可保证机构具有 急回运动和工作段近似匀速的特性 ,并使 压力角 尽可能小。改变凸轮轮廓曲线， 可改变 C点轨迹，从而使执行构件获得 多种运动规律，满足不同工艺要求。 凸轮连杆送料机构由凸轮机构和 连杆机构串联组成，按运动循环图可确 定凸轮推程角和从动件的运动规律，使 其能在预定时间将坯料推送至待加工位 臵。设计时，若使 LHI LHG，可减小凸 轮尺寸。 减速传动方案设计就是根据电机转速和执行构件的生产率来确 定总传动比，然后确定各级传动比，并计算各级传动比的传动件尺 寸，大致确定出各级传动的总体尺寸。 能实现减速传动的传动装臵主要有带传动、链传动、齿轮系传 动、蜗轮 -蜗杆传动、锥齿轮传动等。 带传动和链传动用于远距离传动，带传动能缓冲吸振和过载保 护，常用于高速端，链传动有振动冲击，常用于低速端；齿轮系传 动，传动比准确，传动精度高，应用广；蜗轮 -蜗杆传动比大、可 自锁，用于功率不大的换向传动，锥齿轮主要用于换向传动。根据 冲压机构的运动要求，可以选择带传动和定轴轮系串联使用来实现 减速传动。 带传动的传动比范围为 2-4，带传动的传动比不宜太大，否则大 小带轮直径相差大，小带轮的包角减小，容易打滑，可选传动比为 2。单级齿轮传动的范围为 4-6，经计算可采用一级带传动和两级 齿轮传动。然后画出传动方案的示意图。 2.减速传动方案设计 传动方案图 主要任务是根据已知条件，确定出机构的杆件具体尺寸和相互位臵关系， 使设计的机构满足各项设计要求。 五、课程设计的任务 1.冲压机构设计 方法有图解法和解析法，简单机构用图解法，复杂机构用解析法。思 路是先由上模工作段行程确定出冲压工作行程，再由行程速比系数算出极 位夹角，设定曲柄长度或机架长度，从两端进行推算确定出连杆机构的各 构件的尺寸长度和相对位臵。用解析法时，要建立杆件的位臵方程，进行 求解计算，这样结果准确。机构确定后要进行验证，满足工作段转角、工 作段压力角，并使工作段近似匀速，如不满足，要重新确定尺寸和相对位 臵。 2.送料机构设计 a） 绘制机构运动循环图 . 冲压机构和送料机构的动作要协调，不 能出现冲突和干涉现象，送料机构要在上模 退出下模后，到再次接近坯料冲制前的时间 段内将坯料送到待冲压位臵，并返回到原位 臵，准备下一次送料动作。因而在进行送料 机构设计前，首先要拟定冲压机构和送料机 构的动作协调循环图。 机构运动循环图主要有三种形式：圆周式工 作循环图、直线式（表格式）、直角坐标式 工作循环图。 圆周式：适用于主动件作圆周运动的曲 柄，画圆环，根据曲柄转角对上模和送料机 构的工作动作进行分段相协调。 直线式 (表格式 )： 相当于把圆周式进行展开 ， 画表格 ， 根据曲柄转角 ， 对 上模和送料机构的工作动作进行分段相协调 。 直角坐标式： 横坐标为曲柄转角 ， 纵坐标为执行构件的位移 ， 通过 两执行构件的位移关系显示来进行运动协调 。 直角坐标式不仅能表示两 执行构件的动作顺序 ， 且能表示出两构件的运动规律和及配合关系 ， 是 最为完善的一种 。 2.送料机构设计 b） 送料机构的连杆机构设计 任务是确定出送料连杆机构的各构件尺寸和相对位置 ， 思路是由送料距 离确定出各构件尺寸 ， 推出和凸轮相连接的直动从动件的直线位移或摆动从 动件的转角 ， 且使连杆机构具有尺寸放大功能 ， 以减小凸轮尺寸 。 c） 送料机构的 凸轮设计 从动件运动规律选择： 避免刚性冲击和柔性冲击 ， 选择直动从动件或摆动从动件的运动规律 ， 匀速运动 、 等加速等减速运动 、 余弦加速度 、 正弦加速度 ， 或几种相结合使 用 。 送料过程中 ， 凸轮受载较小 ， 冲击不大 。 在推程送料时 ， 摆动从动件的 运动规律可采用余弦加速度运动规律 ， 回程时 ， 从动件采用等加速等减速运 动规律 。 2.送料机构设计 基圆半径确定 从提高凸轮机构机械效率考虑 ， 应取尽可能小的压力角 ， 且小于许用 压力角值 ， 推程时从动件的压力角许用值为 40， 推程为 70， 但减小压力角会使基圆半径增大 ， 导致整个机构尺寸增大 。 为了使机构既 有较好的传力特性 ， 又有较紧凑的机构尺寸 ， 设计时应两者兼顾考虑 。 原理课程中讲了四种确定基圆半径的方法，可使用其中的两种可使用 其中的两种。初选 r0验算方法：初选 r0，计算出各点的 ，使 max ；根据 计算设计法 22 0 /ta n ers edds 由 220 )t a n/( eseddsr 有： sd dsr t a n0 2.送料机构设计 滚子半径确定： 滚子半径选择要适当，以免凸轮理论廓线（外凸）求出后，实际廓 线出现自交现象而导致运动失真。经验公式： 绘制凸轮理论廓线和实际廓线： 确定凸轮的工作转角，推程角、休止角、回程角，分别用图解法和解 析法设计凸轮理论廓线和实际廓线。 最后，作出凸轮实际廓线后，要演算临界压力角，使推程 max 40。 0)5.01.0( rr r 3. 机构运动分析 对机构进行运动分析，求出机构各构件的位移、速度、加速度，绘出位移、 速度和加速线图，验证机构运动满足设计要求；（对机构进行动力分析，据各构 件的质量及转动惯量确定机构的惯性力、惯性力偶矩、各位臵的运动副反力及应 加于原动件上的平衡力矩（加飞轮），绘制平衡力矩及运动副反力的变化线图， 以便清楚地了解在一个运动循环中，平衡力矩及运动副反力的变化情况。） 对上模的一个运动循环作速度分析，即将曲柄转角分 12等份，取上模对应的 12位臵，进行速度分析和一个位臵的加速度分析，画出速度多边形和加速度多边 形并绘出上模的位移线图和速度线图。 六、课程设计实例分析 （一）、 确定传动方案 （二）、 冲压机构设计分析 （三）、 送料机构设计分析 （四）、 送料机构中凸轮机构的设计 （五）、 冲压机构中上模的速度分析 速度矢量图或速度曲线图 七、设计工作量 1.A1图一张： 内容包括： 冲压送料机构简图 ； 传动方案图 ； 运动协调图 ； 冲头（上模） 12个位置的速度多边形图 和 1个位置的加速度多边 形图； 冲头（上模）的位移线图和速度线图。 2.A2图纸一张： 凸轮理论廓线和实际廓线（图解法）； 送料机构（凸轮机构从动件）运动规律（ 位移曲线、速度曲线、加 速度曲线图）。 3.设计 说明书 1份 设计说明书（ 15页， 2000字左右） 任务书粘贴在说明书的第一页 （设计说明书， 1元 /本） 说明书内容： 1.任务书 2.简述方案设计和选择（方案分析） 3.确定传动机构总方案，计算总传动比，并分配各级传动比 4.各机构设计步骤或分析计算过程 5. 对上模进行速度分析（矢量方程式、计算、结果） 6.凸轮机构的设计过程（数学模型、源程序、程序运行结果） 7.对设计结果的分析和讨论 8.参考文献 9.设计小结 八 .课程设计的进度安排 1.听课、明确设计任务 (借教室、借图板、丁字尺） 0.5天 2.机构选型、方案比较分析与确定、传动方案设计 1天 4.机构设计、运动循环确定、运动简图绘制、机构运动分析 1.5天 5.凸轮设计与上机编程计算 1天 6.编写设计说明书 1天 7.答辩 1天 九、考核与成绩评定 课程设计成绩分优秀、良好、中等、及格和不及格五级，成绩不 及格应重新进行设计。根据学生的设计态度、设计质量、创新性及答 辩情况综合评定学生机械原理课程设计的成绩等级。 对课程设计考评按四项内容进行，所占比例为： 1） 方案设计及创新性 20 2） 图样部分 30 3） 说明书（包括程序设计） 40 4） 考勤 10 十 .其它 1.场地： 1号楼 419、 422室 (李传坤老师： 13937990361) 2.上机时间： 6小时 /人，超时付费； 上机地点 2 210机房，自备软件。 要求： 必须在设计教室（或机房）独立完成设计（或运行 程序） 周五答辩（每人 10 15分钟） 周五交图纸和设计说明书 概述 四、设计任务 1、 A1图 1张 完整的机构组合系统运动简图（ A0图纸 1张） 上模的位移、速度线图 执行构件的运动循环图 控制送料凸轮机构的从动件运动规律 2、