铁板输送机构机械原理课程设计1.docx

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铁板输送机构机械原理课程设计1

机械原理课程设计

课题名称：

铁板输送机构

一设计课题

二工作原理

三题目分析

四机构的运动方案分析和选择

4.1机构的运动方案分析

4.2绘制运动循环图

4.3运动方案的选择

五轮系的分析和计算

六附加机构（铰链四杆机构）设计

6.1杆长尺寸计算

6.2四连杆机构的运动分析

七剪断机构的分析

7.1机构的尺寸计算

7.2机构的运动分析

八总结

九附录

9.1四连杆机构运动分析源程序

9.2剪断机构运动分析源程序

一设计课题

一、工作原理及工艺动作过程

将卷料展开并剪成一定长度铁板的剪板机，可以有两种剪断方式。

一种方式是板料匀速连续送进，剪刀在和铁板同步（同速）前进的运动中剪断铁板，即飞剪机。

另一种是将板料做定长度的间歇送进，在板料短暂的停歇时间内，剪刀在一定位置上将铁板剪断，本题要求做后一种剪断方式的机构方案设计。

二、原始数据及设计要求

（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。

三、设计要求

输送机构运转应平稳，振动和冲击应尽量小（即要求输送机构从动件的加速度曲线连续无突变）。

二工作原理

利用附加曲柄摇杆机构实现连续转动。

利用两个辊轮将铁板压紧，依靠辊轮和铁板间的摩擦力将铁板从卷料上拉出并推向前进的输送方式，如图：

所以在主动曲柄AB（齿轮1）等速转动，系杆H变速运动的一周内，齿轮4在某一时间内总能使其角速度为零。

在主动曲柄AB（齿轮1）等速转动一周的时间内，从动齿轮4按下述规律运动：

当曲柄开始转过某一角度时间内时，齿轮4停歇不动，以等待剪切机构将铁板剪断；在主动曲柄转过一周中其余角度时，输出构件4转过另一角度，这时刚好将铁板输送到所要求的长度L。

三题目分析

因为要求剪断工艺所需时间约为铁板输送周期的十五分之一，故设机构的停歇时间是铁板输送周期的十二分之一。

即曲柄转过30°期间内，齿轮4停歇，剪板机开始剪断铁板。

图示辊轮4′和4〞将铁板压紧，依靠辊轮和铁板间的摩擦力将铁板从巻料上拉出并推向前进做纯滚动，故每次输送的长度L=θ*R4。

由于ABCD四连杆机构为曲柄摇杆机构，假设在主动曲柄转过一周中其余角度时，输出构件4转过240°。

经查阅部分型号剪板机行程次数如下所示：

现取n=50r∕min。

则主动件1的角速度w1=πn/30。

四机构的运动方案分析及选择

4.1机构的运动方案分析

将铁板作间歇送进的机构方案设计，可从下述两个方面考虑机构的选择：

（1）如何夹持和输送铁板，并使停歇时保持铁板的待剪位置；

（2）如何实现间歇送进，并能使铁板停歇时运送铁板的构件的速度和加速度曲线仍然连续，这样，送进机构的运转就比较平稳。

大致有几条途径：

（1）利用构件上一点在圆弧段或直线段上运动，在某一时间段内运动构件暂时脱离运动链，使后续构件实现停歇；

（2）利用两种运动的叠加使构件实现间歇运动；

（3）工业上常用的简单间歇机构有棘轮机构、槽轮机构和不完全齿轮机构等，具有结构简单、制造方便，运动可靠等优点，因此可以采用组合使用的方案。

4.2绘制运动循环图

因为该方案中输送机构既能输送铁板又能固定铁板，故只要协调好该输送机构的转动和静止的时间，就能使机构协调配合。

（题中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。

本次分析中剪断工艺所需时间约为铁板输送周期的十二分之一）。

运动循环图如下：

主轴转角

0°

25°

55°

360°

4.3运动方案的选择

方案一：

要实现铁板的间歇运动，可以利用一个简单的不完全齿轮机构来实现，根据题意可知停歇的时间为运动周期的十分之一，因此将主动轮设计为不完全齿轮，且锁止圆弧的角度约为36°，假设齿轮1和齿轮2的传动比为1，则齿轮2的停歇的角度亦为36度，而齿轮3的停歇角度为36/i23,由图可知2d12，因此可设计传动比为3，并假设齿轮2的齿数为120。

则齿轮3的齿数为360，此时齿轮3的停歇角度为36°/3=12°，由几何关系可导出，齿轮4的直径为924.594mm，同时齿轮1和齿轮2的直径为308.198mm.,可知齿轮的直径太大了不易实现。

而且在动力性能、动停比（运动时间和停歇时间之比）方面很难满足设计要求。

同时由于不完全齿轮机构和普通齿轮机构的区别，不仅在轮齿的分布上，而且在啮合传动中，当首齿进入啮合及末齿退出啮合过程中，轮齿并非在实际啮合线上啮合，因而在此期间不能保证定传动比传动。

由于从动轮每次转动开始和终止时，角速度有突变，故存在刚性冲击。

对机构有较大的磨损，故不优先考虑此方案。

方案二：

运动方案简图如图所示，2-3-4-H是一个自由度为2的差动轮系，内齿轮4和输送辊轮4′和4〞一起作为输出构件。

当构件2或3做匀速运动输入，另一构件H作连续非匀速运动输入，则总可以使构件4在某段时间的角速度为零。

该机构采用齿轮1向齿轮2传送匀速运动，同时1通过曲柄摇杆机构ABCD将变速运动传输送给系杆H，这种构件可使4的停歇角增大。

查阅相关资料，确定主动轮1的转速为50r／min。

而一般发动机的转速为1500r／min，故在1上加一个减速器，使1的转速达到要求。

五结构分析及计算

主要目的是确定差动轮系的齿数以及齿轮1和2的齿数

齿轮机构1、2和曲柄摇杆机构ABCD。

齿轮1和杆AB固结在一起，杆CD与系杆H是一个构件。

在主动曲柄AB（齿轮1）等速转动一周的时间内，从动齿轮4按下述规律运动：

当曲柄开始转过Δφ1=30°时，齿轮4停歇不动，以等待剪切机构将铁板剪断；在主动曲柄转过一周中其余角度时，输出构件4转过240°，这时刚好将铁板输送到所要求的长度。

且为了提高传动的效率，要求四杆机构的最小传动角γmin>[γ],可以取[γ]=50°。

在齿轮2、3、4及系杆H组成的差动轮系中：

则

在齿轮1、2组成的定轴轮系中：

故

或

上式可见：

齿轮4的输出运动为构件1和系杆H的运动之合成。

欲使主动齿轮1从某瞬时开始转过Δφ1=30°时构件4能产生停歇，则应令Δφ4=0°，即满足：

此式反映了该组合机构中四杆机构的主、从动杆之间的传动关系。

欲使从动齿轮4能实现停歇，就必须设计出一个能满足上式的曲柄摇杆机构。

确定齿数Z1和Z4

设主动轮1转一周的时间为T，将上式两边积分后得：

今要求当齿轮1转一周时，齿轮4转Δφ4=240°，因此：

选取Z4=90则Z1=60

确定齿数Z2和Z3

假定齿轮2固定不动，差动轮系就变成了以系杆H为输入构件，中心轮4为输出构件的行星轮系了。

则

得

确定曲柄摇杆机构的尺寸

今选取得Z2=60°

由同心条件得Z4=Z2+2Z3得Z3=15

综上：

取Z1=60Z2=60Z3=15Z4=90

六附加机构（铰链四杆机构）设计

6.1尺寸计算和验证

（1）根据输送周期和剪板工艺对停歇时间的要求，确定确定停歇角θ=L/R4。

（2）对图示机构，上述导出的输送辊轮停歇条件

这就是铰链四杆机构的设计条件。

这是“给定两个连架杆对应角位移，求设计铰链四杆机构”的问题。

由于未知数太多，并不能具体的解出各个杆件的尺寸。

考虑到机构要有合适的尺寸比、合适的传动角和机构运动空间等附加条件，我们把它转变成“给定两对对应角位移”的问题，以便能从众多解中选出最合适的一组解。

（3）确定两连架杆的初始位置φ0ψ0。

课本P128

用机构倒置的方法。

根据要求当曲柄转过300范围内，齿轮4停歇。

如图，先根据给定的机架的长度d定出铰链A、D的位置，选取原动件AB的长度25mm，取AB与机架AD的初始夹角为250，然后分别让AB依次逆时针转过两个转角150，定出其第二、第三位置AB2、AB3，为了求得铰链C的位置，连接B2D、B3D，根据反转法原理，将其分别绕D点反转两个-150，从而得到两点B2，B3，，则B1、B2,、B3,三点确定的圆弧的圆心即为所求铰链C的位置，即可得各构件相对于机架AD的长度。

根据作图法当主动曲柄与机架共线时两传动角分别为530、680，为保证传递性能好，最小传动角γmin＞50°，最小传动角为53°，符合要求。

取得到各构件相对于机架AD的尺寸为：

假设机架AD=1则有AB=0.208BC=0.814CD=0.53

满足杆长要求，AB是曲柄

（4）验证曲柄存在条件和运动连续性：

各杆长a、b、c、d均大于零，且初始角φ0ψ0均大于零

②对于曲柄摇杆机构来说，曲柄存在条件可知：

a+d≤b+c

③最小传动角γmin＞50°，由图示法可得AB为最短杆，且最小传动角为53°

故（b^2+c^2-（a+b）^2）/2/b/c≥cos130°

以上杆长条件符合要求。

故设计合理。

6.2四连杆机构运动分析

四杆机构的运动分析

做出机构的封闭矢量多边形，如图所示，先建立一个直角坐标系。

设构架AB的方位角为θ1，角速度W1。

则在这个封闭多边形中，各矢量之和为零。

即a+b=c+d①

即aeiθ1+beiθ2=d+ceiθ3

acosθ1+bcosθ2=ccosθ3+d

asinθ1+bsinθ2=csinθ3

式①为图示四杆机构的封闭矢量位置方程式。

而各杆长度上面已求出，原动件1的运动规律已知，即θ1已知，θ4=0，故由此方程可求出两个未知方位角θ2和θ3。

⑴位置分析

先求出θ3，改写上式得：

bcosθ2=ccosθ3+d-acosθ1

bsinθ2=csinθ3-asinθ1

Asinθ3+Bcosθ3+C=0②

式中A=2acsinθ1B=2c（acosθ1-d）

C=b^2-a^2-c^2-d^2+2adcosθ1

令x=tan（θ3/2）

则sinθ3=2x∕（1+x2）

cosθ3=（1-x2）∕（1+x2）

故式②可化为（B-C）X2-2Ax-B-C=0

解得：

θ3=2arctan（A±（A2+B2-C2）½／（B-C））

θ2=2arctan（D±（D2+E2-F2）½／（E-F））

式中：

D=2absinθ1E=2b（acosθ1-d）

F=b^2+a^2-c^2+d^2-2adcosθ1

可以根据机构的运动确定“±”号的选择，b、c、d逆时针转时取“—〞号。

速度分析：

bsinθ2csinθ3w3asinθ1w1

=

bcosθ2-ccosθ3w2-acosθ1w1

w2=a*w1*sin（θ3-θ1）/b/sin（θ3-θ2）;

w3=a*w1*sin（θ2-θ1）/c/sin（θ3-θ2）;

（3）加速度方程

-bsinθ2csinθ3a2-w2bcosθ2w3ccosθ3w2

=

bcosθ2ccosθ3a3-w2bsinθ2w3csinθ3w3

w1acosθ1

+w1

w1asinθ1

位置变化曲线

plot（x1,p（:

1）,'--',x1,p（:

2）,':

'）

title（'角位置'）;

xlabel（'\theta1/rad'）;

ylabel（'\theta2、\theta