机械原理设计自动送料冲床的机构设计.docx
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机械原理设计自动送料冲床的机构设计
湖南人文科技学院
课程设计报告
课程名称：
机械原理课程设计
设计题目：
自动送料冲床的机构设计
系别：
通信与控制工程系
专业：
机械设计制造及其自动化
班级：
11级机械二班
学生姓名:
倪燮燃，张林，许胜，周天越
学号:
11428228，11428246，11428209，
11428231
起止日期:
2013.6.30~2013.7.5
指导教师:
张斌
教研室主任：
朱连池
指导教师评语：
指导教师签名：
年月日
成绩评定
项目
权重
成绩
倪燮燃
张林
许胜
周天越
1、设计过程中出勤、学习态度等方面
0.2
2、课程设计质量与答辩
0.5
3、设计报告书写及图纸规范程度
0.3
总成绩
教研室审核意见：
教研室主任签字：
年月日
教学系审核意见：
主任签字：
年月日
摘要
随着现代科技的发展趋势，自动化对机械设计和制造具有非常重要的意义。
我国也正倾向于机械自动化方面的发展，在此前提下，我们就开始设计自动送料冲床机构。
自动送料机构的工作目的是为了实现自动送料，把人为因素造成的误差减到最小，同时减少劳动力成本便于实现机械化和自动化等一系列优点。
在设计过程中，主要是设计了工作台，工作机构的传动和自动送料机构，以及可以实现自动送料的伺服电机和变速箱。
通过对这些方面的设计和研究，可以大大减少劳动力成本，提高了工作效率，减少了误差，同时也简化了机构，重点是机构的运动分析。
正因为它的输送能力大、能耗低、结构简单、维护方便这些特点深受广大企业的青睐。
自动送料冲床机构的设计的主要侧重点是同时实现加工与送料，通过对机械机构的灵活运用，设计出合理的作品。
关键词：
自动送料冲床机，自动送料，间歇传动，冲床，伺服电机
1、课程设计的目标与设计任务··································································1
1.1设计的目标···············································································1
1.2设计的要求···············································································1
1.3设计的任务···············································································2
2、机械运动方案的设计··········································································2
2.1棘轮式自动送料冲床机构的结构及工作原理··········································2
2.2槽轮式自动送料冲床机构的结构及工作原理··········································4
2.3机械运动方案的选择····································································5
2.4棘轮式自动送料冲床机构的运动循环图···············································6
3、棘轮式自动送料冲床机构主要参数的设计计算············································6
3.1主要参数的设定·········································································6
3.2机器参数················································································11
4、主要零部件的设计···········································································14
4.1电动机的选择···········································································14
4.2飞轮的设计·············································································15
心得体会·························································································16
参考文献·························································································16
致谢······························································································17
附录一····························································································18
附录二····························································································19
附录三····························································································20
附录四····························································································21
自动送料冲床机构
引言
现代机械设计要求既要满足市场需求，又要考虑企业的发展；既要解决技术和可靠性问题，又要考虑经济性问题；既要解决设计本身的方法、手段和关键技术问题，又要解决产品寿命周期中各个环节的技术问题。
机械设计是生产机械产品的第一道工序，设计质量的高低将直接影响机械产品的技术水平和经济效果。
在设计这道工序下的工夫愈多，愈加符合客观实际，则效果愈好。
因此，机械设计学科的发展对于国名经济具有重要的意义。
1、课程设计的目标与设计任务
1.1设计的目标
机械设计是根据使用要求对机械的工作原理、结构、运动方式、力和能量的传递方式、各个零件的材料和形状尺寸以及润滑方式等进行构思、分析和计算，并将其转化为制造依据的工作过程。
本课题所设计的自动送料机的目的，是为了实现自动送料，消除积累误差，同时减少劳动成本，并使冲头在加工材料时能够机械化与自动化，从而大大的提高生产率。
1.2设计的要求
本次设计的要求主要有两点：
1.总功能要求：
将材料通过冲床加工出毛胚，并实现自动送料的要求。
2.工作原理：
通过伺服电机和变速箱，将动力传送到齿轮曲柄机构，使曲柄滑块机构带动冲头冲压材料的同时，曲柄遥感机构通过来回运动控制棘轮辊轴机构将材料间歇性自动送料。
从而形成一个系统，实现自动送料。
1.3设计的任务
1.针对图2-1和图2-5所示的自动送料机的执行结构方案，依据设计数据和设计要求，确定各杆件的运动尺寸，绘制出运动简图，分析组成杆件的基本杆组；
2.假设曲柄等速转动，画出冲头速度和加速度的变化规律曲线；
3.在冲头挤压加工面过程中，假设挤压压强有零到最大线性增加，并设加工面对冲头的压强均匀分布在冲头的有效工作面上，在不考虑各处摩擦、构件重力和惯性力的条件下，分析曲柄所需的驱动力矩；
4.取曲柄轴为等效构件，确定应加于曲柄轴上的飞轮转动惯量；
5.编写课程设计说明书。
2、机械运动的方案和设计
2.1棘轮式自动送料冲床机构的结构及工作原理
棘轮式自动送料冲床机构的结构及工作原理：
由伺服电机驱动先由皮带传动至减速箱，通过减速箱将动力传出，通过齿轮1传动至齿轮2，由于齿轮2和ABC杆件固连，所以带动曲柄AB和曲柄AC周转，使得冲头在其固定轨道内来回运动，以达到对材料的冲击。
曲柄AC使得摇杆EF绕F点在一定角度内摆动，下面的棘爪推动棘轮做单项间歇运动。
可以间歇性的输送材料。
由于这种机械中实线间歇运动的机构是棘轮机构，故称为棘轮式自动送料冲床机构。
图1为棘轮式自动送料冲床机构的结构图，图2为棘轮式自动送料冲床机构的运动简图，图3为伺服电机和二级变速箱。
首先由伺服电机驱动，通过变速箱实现不同工作速度，通过2齿轮传动使齿轮曲柄机构中的曲柄带动4连杆一与3连杆二，连杆一使得5冲头来回运动，以达到冲击加工效果。
3连杆二带动9曲柄让10棘轮辊轴机构间歇性运动，以达到送料的目的。
当冲头向下冲击材料时，棘轮辊轴机构处于静止状态，此时冲头就能有效的加工工件，当冲头向上收回时，棘轮辊轴机构就开始工作把7加工材料向做推送一段距离，满足下一次加工。
这就是棘轮式自动送料冲床机构的一个工作周期。
随着电动机的驱动，实现批量生产，自动化生产，加快了材料的加工，减少了人为误差。
1.伺服电机与变速箱2.曲柄齿轮机构3.连杆一4.连杆二5.冲头6.工作台7.加工材料8.机床底座9.摆杆10.棘轮辊轴机构11.辊轴
图2-1.棘轮式自动送料冲床机构结构图
图2-2.棘轮式自动送料冲床机构运动简图
图2-3.伺服电机和二级变速箱
在减速箱里面，可以通过拨叉调节速度的大小，这个变速箱可以实现2级变速，当可以加工材料硬度较大的工件时，可以放慢加工速度，提高加工精度。
实现满足实际要求加工。
2.2槽轮式自动送料冲床机构的结构及工作原理
槽轮式自动送料冲床机构的结构及工作原理：
由伺服电机驱动先由皮带传动至减速箱，通过减速箱将动力传出，使得齿轮曲柄机构回转，带动连杆一和连杆二，连杆一就驱动滑块，使得冲头冲击加工材料，连杆二使曲柄主动拨盘转动，带动从动槽轮辊轴机构，将材料送进，达到间歇运动的效果。
图4为槽轮式自动送料冲床机构的结构图，图5为槽轮式自动送料冲床机构运动简图。
由于9.曲柄主动拨盘辊轴机构的曲柄长度和2.曲柄齿轮机机构的曲柄长度相同，存在“死点”，会在生产中会发生顶死现象，所以在9.曲柄主动拨盘辊轴机构上加一个12.飞轮。
防止发生顶死现象的发生。
工作周期和棘轮式自动送料冲床机构的类似，此机构也能实现相应的间歇运动。
1.伺服电机与变速箱2.曲柄齿轮机构3.连杆一4.连杆二5.冲头6.工作台7.加工材料8.机床底座9.曲柄主动拨盘辊轴机构10.从动槽轮辊轴机构11.飞轮12.辊轴
图2-4.槽轮式自动送料冲床机构的结构图
图2-5.槽轮式自动送料冲床机构运动简图
2.3机械运动方案的选择
通过对以上两种自动送料机构的结构、工作原理的分析与说明，相比两种自动送料机构不难得出各自的优缺点。
棘轮式自动送料冲床机构是运动平稳；在工作中连杆施以较小的力而摆杆产生相应的推力，实现间歇运动。
由于槽轮式自动送料冲床机构存在“死点”，所以大大影响其加工效率和加工精度，其次它的运动轨迹不是很理想，消耗功率比较大。
根据设计要求，要求设计的为功率小，加工效率高的自动送料冲床机构，在满足设计要求的前提下，通过对两种方案的分析比较，选择棘轮式自动送料冲床机构更符合设计要求。
2.4棘轮式自动送料冲床机构的运动循环图
根据棘轮式自动送料冲床机构的运动分析确定其运动循环图
表2-1 运动循环图
曲柄一（构件2）
0°
90°
180°
270°
360°
曲柄二
（构件2）
170°
260°
350°
80°
170°
摇杆
（构件9）
摆角逐渐增大到最大
摆角逐渐减小
摆角逐渐减小到最小
摆角逐渐增大
摆角逐渐增大
冲头
（构件5）
向上运动
运动到达最上位置
向下运动冲击材料
运动到达最下位置
向上运动
3、棘轮式自动送料冲床机构主要参数的设计计算
3.1主要参数的设定
3.1.1已知条件
根据设计要求，其尺寸如下图所示。
另外，为了提高机械效率，要求执行机构的最小传动角大于450；为了防止压碎的石料在下落时进一步碰撞变碎，要求动颚板放料的平均速度小于压料的平均速度，但为了减小驱动功率，要求速比系数k（压料的平均速度/放料的平均速度）不大于1.2。
采用380V三相交流电动机。
表3-1 棘轮式自动送料冲床机构设计数据
参数
数据
生产率
（件/min）
120
送料距离
（mm）
1200
板料厚度
（mm）
2
轴心高度
（mm）
1000
冲头行程
（mm）
100
辊轴半径
（mm）
200
棘轮辊轴心坐标
（mm）
1800
棘轮辊轴心坐标
（mm）
778
送料机构最小传动角
（0）
45
速度不均匀系数
0.03
板料送进阻力
（N）
530
冲压板料最大阻力
（N）
2300
冲头重力
（N）
150
3.1.2冲头垂直行程
根据设计要求，冲头的冲程要达到100mm，所以其曲柄的长度为50mm，为了满足冲头的重量和冲压力度要求，冲头一般采用高硬度合金，由于冲头的精度直接影响到加工材料的尺寸精度，所以对其要求比较高。
首先是对导轨的精度要求，然后考虑冲头在导轨中的磨损量，可能影响其加工精度外，还要考虑材料本身的硬度，刚度，和稳定性。
综合考虑自动送料冲床机构对冲头的要求是比较高的。
3.1.3送料机构的传动角
从机构学的角度看，传动角是指四杆机构中，连杆轴线与摇杆轴线间所夹锐角，并且传动角愈接近90°传力性能愈好。
对于自动送料机而言，传动角的选取除考虑传力性能外，还需考虑到加大传动角，不但增大垂直行程，而且使水平行程值降低。
因此传动角一般不宜过大。
建议取γ=55°～65°
3.1.4构各构件运动尺寸的计算
根据设计任务书的要求确定上述自动送料冲床机构的冲头垂直行程H=100mm，然后根据自动送料冲床机构进料口，出料口尺寸来确定材料的宽度和长度以及送料距离。
连杆二与摇杆的夹角范围56°～91°用画图法画出机构运动简图（图2），根据图2可得到各杆件尺寸长分别为：
曲柄AB=50mm；曲柄AC=200mm；连杆l
=BD=800mm；连杆l
=CE=1600mm；摇杆EF=800mm；机架DF=1800mm。
3.1.5曲柄驱动力矩的计算
当机构处于稳定运转阶段时，其驱动力矩
与阻抗力矩
相等，此时，机构的运动状态达到平衡。
根据已知条件，计算曲柄的驱动力矩：
冲压板料最大阻力：
冲头重力
G=150N
阻抗力
式中
F
---最大阻力（N）
G---冲头的重力（N）
阻抗力矩
式中
F----阻抗力（N）
----连杆长度（mm）
转动力矩
3.1.6棘轮曲柄机构角速度和角加速度的变化曲线
根据铰链四杆机构的运动分析及动态仿真，得出棘轮曲柄机构的角位移，角速度和角加速度运动规律曲线图如下：
图3-1.角位移运动规律曲线（横坐标t/s,纵坐标θ/rad）
图3-2.角速度运动规律曲线（横坐标t/s,纵坐标ω/（rad/s））
图3-3.角加速度运动规律曲线（横坐标t/s,纵坐标α/（ω/s））
3.1.7冲头机构速度和加速度的变化曲线
根据曲柄滑块机构的运动分析及动态仿真，得出冲头机构的冲程，速度和加速度运动规律曲线图如下：
图3-4.位移运动规律曲线（横坐标t/s,纵坐标l/mm）
图3-5.速度运动规律曲线（横坐标t/s,纵坐标v/（mm/s））
图3-6.加速度运动规律曲线（横坐标t/s,纵坐标a/（mm/s
））
3.2机器参数
3.2.1伺服电机
伺服电机（servomotor）是指在伺服系统中控制机械元件运转的发动机，是一种补助马达间接变速装置。
伺服电机可使控制速度，位置精度非常准确，可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。
伺服电机转子转速受输入信号控制，并能快速反应，在自动控制系统中，用作执行元件，且具有机电时间常数小、线性度高、始动电压等特性，可把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。
分为直流和交流伺服电动机两大类，其主要特点是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降。
所以，我们要适当选择伺服电机。
3.2.2主轴转速
根据对自动送料冲床机构的测量数据分析，得到送料过程对应的曲柄转角不大于180°的结论，认为冲压时间按主轴半转计算比较符合实际情况。
由于设计要求生产率为120件/mim
送料时间为周期的一半，所以周期为
t=60/120=0.5s（3-1）
由下图.可知各齿轮的半径大小，
图3-7.伺服电机和二级变速箱各齿轮尺寸
，
，
，
，
，
，
，
，
由于皮带轮1与皮带轮2有相同的线速度，所以其转速之比为
（3-2）
同理
（3-3）
（3-4）
得
（3-5）
式中
n----各齿轮轴的转速
R----各齿轮的半径
R----曲柄齿轮机构的半径
----曲柄齿轮机构的转速
解得
（3-6）
所以伺服电机主轴转速为2887.5r/min。
3.2.3功率
在破碎机的机构尺寸参数优化设计中，功率是一个重要的约束条件，因此必须建立破碎机功率的计算公式，下式是根据是根据最大破碎力的计算公式及实测的功率值为依据，公式如下：
（3-7）
所以
（3-8）
式中：
P--计算功率（kw）；
T--计算的最大驱动力矩（NM）；
n---转速（r/min）；
易知
（3-9）
（3-10）
则
（3-11）
4、主要零部件的设计
4.1电动机的选择
伺服系统（servomechanism）是使物体的位置、方位、状态等输出被控量能够跟随输入目标（或给定值）的任意变化的自动控制系统。
伺服主要靠脉冲来定位，基本上可以这样理解，伺服电机接收到1个脉冲，就会旋转1个脉冲对应的角度，从而实现位移，因为，伺服电机本身具备发出脉冲的功能，所以伺服电机每旋转一个角度，都会发出对应数量的脉冲，这样，和伺服电机接受的脉冲形成了呼应，或者叫闭环，如此一来，系统就会知道发了多少脉冲给伺服电机，同时又收了多少脉冲回来，这样，就能够很精确的控制电机的转动，从而实现精确的定位，可以达到0.001mm。
直流伺服电机分为有刷和无刷电机。
有刷电机成本低，结构简单，启动转矩大，调速范围宽，控制容易，需要维护，但维护不方便（换碳刷），产生电磁干扰，对环境有要求。
因此它可以用于对成本敏感的普通工业和民用场合。
永磁交流伺服电动机同直流伺服电动机比较，主要优点有：
⑴无电刷和换向器，因此工作可靠，对维护和保养要求低。
⑵定子绕组散热比较方便。
⑶惯量小，易于提高系统的快速性。
⑷适应于高速大力矩工作状态。
4.2飞轮的设计
自动送料冲床机构是间断工作的机器，因而必然会引起阻力的变化，使其电动机的负荷不均，形成机械速率的波动。
为了降低电动机的额定功率，且使机械的速率不致波动太大，故在偏心轴上装上飞轮。
飞轮在空行程时储存能量，在工作行程时则释放能量，这样就可以使电动机的负荷均匀。
飞轮重量G的计算公式:
（4-1）
式中P---电动机额定功率（
）；
D---飞轮的直径（m）；
η---考虑损失的机械效率，η≈0.75～0.85
n---主轴转速（r/min）；
σ---速度不均匀系数，可取σ=0.03~0.05
代入数值得：
（4-2）
飞轮的实际质量
约为理论质量
的
倍。
所以
（4-3）
心得体会
通过这次的课程设计，使得我们获益匪浅。
开始时，我们从总体的方向把握自动送料机这一个题目的主题内容，初步的分析该设计需要哪些参考文献与资料书，然后我们组的成员进行研究与探讨，最后我们将课程分成好几部分去实施。
在进行设计时，我们翻阅了很多的资料书，并在网上收集了许多的资料。
在整个设计中，我们团队金诚合作、众志成城，每个人都发挥着自己的力量，都尽量的是我们的设计变得完美。
.当我们快要完成老师下达给我的任务的时候，我们仿佛经过一次翻山越岭，登上了高山之颠，顿感心旷神意，眼前豁然开朗。
经过一个星期的努力，我们终于将机械原理的设计给完成了。
在这次的设计中，我们遇到了许多困难，一遍又一遍的计算,一次又一次的设计方案修改这都暴露出了前期我在这方面的知识欠缺和经验不足。
在设计中，我们遇到了很多的瓶颈，幸亏有张老师的悉心指导，使得我们找到问题的关键处，并把它解决掉了。
与此同时，在本次课程中，我们还对棘轮的间歇运动有了更深的了解。
在对各杆件尺寸的计算，冲头力矩，飞轮等一系列计算时，我们组的每个成员都会进行激烈的讨论，当我们没有唯一的答案时，我们会询问老师，最后才得出答案。
尽管这次课程设计是复杂的、曲折的,但我的收获还是很大的。
不仅仅掌握了四杆执行机构的尺寸的计算和传动装置的设计选用，也不仅仅对制图有了更进一步的掌握，像我们机械专业的学生来说AutoCAD、Word等这些仅仅是工具软件,熟练掌握是必需的。
通过这次设计，我们知道了该如何去分析问题与解决问题。
总体而言，我们认为这种课程设计对我们的帮助非常大，它要求我们要将所学的理论知识与实际相联系。
总而言之，我们相信这次的课程设计对我们以后的生活与学习都有着无与伦比的重要性。
参考文献
[1]孙桓,陈作模,葛文杰主编.机械原理[M]（第七版）.北京:
高等教育出版社2006
[2]李瑞琴主编.机构系统创新设计[M].北京:
国防工业出版社,2008
[3]朱龙英,李贵三主编.机械设计[M].北京:
高等教育出版社,2012
致谢
一个星期的时间在我们手中悄然流逝，课程设计虽然结束了，但它却深深的影响着我们的生活与学习。
首先，我们要感谢张老师，他对我们的课程设计给予了很大的指导与帮助，发费了很多的心血，使得我们最后圆满的完成了课程设计。
在张老师悉心教导的这段时间里，他严谨的治学态度，渊博的知识，正直的人格，给我们留下了极为深刻的印象，为我们今后的工作、生活树立了良好的榜样。
同时感谢我们专业的教研室主任朱连池老师，感谢传授我们知识的聂时君老师，谢谢你们呕心沥血的教导。
还要感谢同学间的相互配合，如果没有积极的配合，此次课程设计也十分难完成。
由于时间的短暂和知识的有限，在这次的设计中难免会存在这种或那种问题，恳请老师能够给出宝贵的建议与批评，我们在这里再次诚恳的感谢老师，谢谢！
附录一：
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