机械原理课程设计压片机加压机构方案设计.docx

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机械原理课程设计压片机加压机构方案设计

一、设计任务书…………………………………

1、设计题目…………………………………………………………

2、原始数据及设计要求及简图……………………………………

二、机械系统运动方案的拟定…………………

1、功能分解…………………………………………………………

2、各个功能元的解……………………………………………………

3、初选运动方案并做简单评价………………………………………

4、运动循环图…………………………………………………………

5、设计执行机构…………………………………………………………

6、对执行机构做运动学动力学分析……………………………………

⑴图解法分析……………………………………………………………

⑵解析法分析……………………………………………………………

1）杆组法做运动分析的原理……………………………………………

2）用杆组法对机构作运动分析…………………………………………

3）主程序的编写及主程序流程图………………………………………

4）附自编主程序、计算结果、运动参数及其曲线图…………………

⑶结果分析…………………………………………………………………

三、后记………………………………………………

四、参考资料…………………………………………

一、设计任务书

1、设计题目：

压片机加压机构方案设计

2、原始数据及设计要求：

（1）工艺参数；

1）要求将陶瓷干粉压制成直径为34mm，厚度为5mm的圆形片坯；

2）冲头压力：

15吨（150000N）；

3）生产率：

25片/分钟；

4）机器运转的不均匀系数：

10%。

（2）工艺流程：

1）干粉料均匀筛入圆筒型腔（图1）；

2）下冲头下沉3mm，预防上冲头进入型腔时把粉料扑出（图2）；

3）上、下冲头同时加压，并保压一段时间（图3、4）；

4）上冲头退出，下冲头随后顶出压好的片坯（图5）；

5）料筛推出片坯（图6）；

各工艺过程简图

二、机械系统运动方案的拟定

（一）总功能的分析

根据题目要求，要最终将干粉压制成片坯。

若要求获得质量较好的成品，可采用诸多方法。

下面采用黑箱法进行分析：

由黑箱法分析可得到：

为了达到高效、方便的目的，采用机械自动加工的方法比较好，因此，本题采用了自动加工的方法压制片坯。

（二）总功能的分解

设计干粉压片机，其总功能可以分解成以下几个工艺动作：

（1）送料机构：

为间歇直线运动,这一动作可以通过凸轮上升段完成

（2）筛料：

要求筛子往复震动

（3）推出片坯：

下冲头上升推出成型的片坯

（4）送成品：

通过凸轮推动筛子来将成型的片坯挤到滑道

（5）上冲头往复直线运动，并在最低点间歇保压，保压时间足够，一般为0.4秒左右，最好实行快速返回等特性。

（6）下冲头间歇直线运动，运动比较复杂，一般用凸轮实现。

得如下表所示的树状功能图

（三）根据功能的要求，进行功能元求解

（六）执行机构运动动力学分析

1、图解法分析（所有的比例都是1：

1，故线段长度就是所求的速度，加速度的数值）

以OAB为x轴，以过OB'点且垂直于x轴的直线为y轴建立坐标系。

以与x轴夹角为270度是为初始位置。

下面用图解法对与初始位置为0度和30度时的速度加速度进行分析。

①与初始位置夹角为30度时

30度时的位置图

速度矢量方程：

在图中测量表示

线段的大小即是

的大小，方向与x轴反向为负。

加速度矢量方程：

在图中测量出表示B的加速度的线段的长度即是加速度大小。

②与初始位置夹角为0度时

0度时位置图

在该位置时，OB'B'恰好与AB'位于同一条直线上，所以A点的速度为零。

B点的速度也为零。

并可求出杆AB’的角速度为

加速度的矢量方程为：

B点加速度的大小与图中表示该点加速的线段长度相同，方向与x轴反向。

2、解析法分析

（1）杆组法作运动分析的原理

由机构的组成原理可知，任何平面机构都可以分解为若干基本杆组、单杆构件的原动件和机架三部分。

因此，只要分别对单杆构件和常用的基本构件进行运动分析并编制成相应的子程序，那么在对机构的运动分析时，就可以根据机构组成的不同结构，依次调用这些子程序，从而完成对整个机构的运动分析。

这就是干组法的基本思路。

该方法的主要特点在于将一个复杂的机构分解成一个个比较简单的基本杆组，在用计算机对机构进行运动分析的时候，即可直接调用已经编好的程序，从而大大简化了主程序的编写。

Ⅱ级机构是工程实际中最长用的机构，他是有一个或多个Ⅱ级杆组分别并联于原动件和机架上组成的，最常见的Ⅱ级机构主要有RRR、RRP、RPR这三种形式。

（2）单杆构件和Ⅱ级杆组的运动分析

首先介绍单杆构件和三种常见的Ⅱ级杆组运动分析的方法及其子程序编写和调用时应注意的问题，然而通过具体实例说明多杆机构运动分析的方法和步骤。

1）单杆构件的运动分析

　　单杆的运动分析，通常是已知构件三角形△P1P2P3的边长l、r夹角α以及构件上某基点P1的运动参数x1，y1，x’1，y’1，x’’1，y’’1和构件绕基点转动的运动参数θ，θ’，θ’’，要求确定构件上点P2和P3的运动参数。

显然，由图1可得下列关系式：

1

x2=x1+lcosθy2=y1+lsinθ

2x’2=x’1-lsinθθ’，y’2=y’1+lcosθθ’

3x’’2=x’’1-lsinθθ’’-lcosθθ’2，y’’2=y’’1+lcosθθ’’-lsinθθ’2

4x3=x1+rcos（θ+α），y3=y1+rsin（θ+α）

5x’3=x’1-（y3-y1）θ’，y’3=y’1+（x3-x1）θ’

6x’’3=x’’1-（y3-y1）θ’’-（x3-x1）θ’2,y’’3=y’’1+（x3-x1）θ’’-（y3-y1）θ’

以上位置、速度和加速度分析的子程序CRANK详见书本附录Ⅰ。

2）RRRⅡ级杆组的运动分析

如图所示RRRⅡ级杆组中，杆长l1，l2及两外接转动副中心P1，P2的坐标、速度、加速度分量为x1，x’1，x’’1，y1，y’1，y’’1，x2，x’2，x’’2，y2，y’2，y’’2，要求确定两杆的

角度、角速度和角加速度θ1，θ’1，θ’’1，θ2，θ’2，θ’’2。

①位置分析

将已知P1P2两点的坐标差表示为：

u=x2-x1v=y2-y1

（1）

杆l1及l2投影方程式为：

l1cosθ1-l2cosθ2=u

l1sinθ1-l2sinθ2=v

（2）

消去θ1得：

vsinθ2+ucosθ2+c=0（3）

其中：

c=（u2+v2+l22-l12）/2l2

解式（3）可得：

tan（θ2/2）=（v±

）/（u-c）（4）

式中+号和-号分别对应图2中m=+1和m=-1两位置。

当Ⅱ级杆组处于图中实线位置时，角P3P1P2是由矢量P1P2沿逆时针方向转到矢P1P3的，故m取“+”；当Ⅱ级杆组处于图中虚线位置时，角P1P3P2沿顺时针方向转到矢量P1P3的，故m取“-”。

由式

（2）可得：

tanθ1=（v+l2sinθ2）/（u+l2cosθ2）（5）

②速度分析

对式

（2）求导一次得：

A1θ’1+A3θ’2=u’，A2θ’1+A4θ’2=v’　　（6）

其中：

A1=-l1sinθ1，A2=l1cosθ1，A3=l3sinθ2，A4=-l2cosθ2

解式（6）可得：

ω1=θ’1=（A4u’-A3v’）/D，ω2=θ’2=（A1v’-A2u’）/D　（7）

其中：

D=A1A4-A2A3=l1l2sin（θ1-θ2）

③加速度分析

对式（6）求导一次得：

A1θ"1+A3θ"2=E，A2θ"1+A4θ"2=F　　　（8）

其中：

E=u"+A2θ’12+A4θ’22，F=v"-A1θ’12-A3θ’22

解式（8）可得：

α1=θ"1=（A4E-A3F）/D，α2=θ"2=（A1F-A2E）/D（9）

以上位置、速度和加速度分析的子程序RRR详见附录Ⅰ。

3）RRPⅡ级杆组的运动分析

如图所示RRPⅡ级杆组中，已知杆长L1及两外接点P1，P2的运动和移动副轴线P2P3的方向角变量（θ2，θ’2，θ’’2），P2点为以移动副与构件2相连的构件上运动已知的

牵连点，要求确定运动变量L2，θ1，

L’2，θ’1，L"2，θ"1。

①位置分析

由于θ2已知，L2待求，将式

（2）消去

θ1可得：

L22+2（ucosθ2+vsinθ2）l2+（u2+v2-L12）=0

由此解得：

－1：

P3处于P2H线之内

L2=-（ucosθ2+vsinθ2）±

（10）

式中+号用于转动副中心P3处在P2H线段之外（图3中m=+1的位置），-号用于P3处在P2H线段之内（图3中m=-1的位置）

当P3在PH外，m取“+”；而当P3在PH内，m取“-”。

θ1由式（5）而定。

②速度分析

对式

（2）求导一次得：

A1θ’1+A5l’2=G，A2θ’1+A6l’2=H（11）

其中：

A1，A2同前，A5=-cosθ2，A6=-sinθ2，

G=u’+l2A6θ’2，H=v’-l2A5θ’2

　　解式（11）可得：

ω1=θ’1=（A6G-A5H）/D8，l’2=（A1H-A2G）/D8（12）

其中：

D8=A1A6-A2A5=l1cos（θ1-θ2）

③加速度分析

对式（11）求导一次得：

A1θ"1+A5l"2=E1，A2θ"1+A6l"2=F1　（13）

其中：

E1=u’’+A2θ’12+2A6l’2θ’2+l2A5θ’22+l2A6θ’’2

F1=v’’-A1θ’12-2A5l’2θ’2+l2A6θ’22-l2A5θ’’2

解式（13）可得：

α1=θ’’1=（A6E1-A5F1）/D8，l’’2=（A1F1-A2E1）/D8　（14）

以上位置、速度和加速度分析的子程序RRP详见书本附录Ⅰ

（2）主程序的流程框图

开始

定义数组

·输入数据

K=0；j=0；

调CRANK，求点2的运动调RRR，求点4和杆2、3的运动调RRP，求点5和杆4的运动

调用所需分量输入“bigfish.dat”文件

K=360？

结束

K<90?

thld=270+k

thld=k-90

（3）主程序的编写及主程序流程框图

1）编定机构构件的件号和特征点的点号，编定件号和点号是任意的，原则是不能重复。

点编号可以加小括号以区杆编号。

如图所示，取点OB'、OA、A、B分别为

（1）

（2）（3）（4），杆OB'B'、AB'、OAA、AB分别为1、2、3、4,滑块为5（图中未画出）。

2）拆分基本杆组本机构可以拆分成原动件1和Ⅱ级组RRR（2--3）Ⅱ级组RRP（4--5）。

3）确定运动坐标系坐标系取竖直向下的方向为x轴正方向，以过OB'点且与x轴垂直的直线为y轴。

（即OAB、AOB'分别为x轴y轴）。

4）设置曲柄与x轴夹角270度时的为初始位置。

角位移分析间隔值为10度。

5）编辑主程序

（4）主程序、计算结果、运动参数及其曲线图

a,主程序：

main（）

{floatp[7][3],vp[7][3],ap[7][3];

floatcon,r1,th1d,th1,w1,a1,r2,r3,r4,th2,th3,th4,w2,w3,a2,a3,a4,

sde,w4,vde,ade,beta,vbeta,abeta;

float*th2p,*th3p,*th4p,*w2p,*w3p,*a2p,*a3p,*a4p,*sdep,*w4p,*vdep,*adep;

intk,m,i,j;charc;

FILE*fp;

fp=fopen（"mainuse.dat","w"）;

j=1;con=PI/180.;

th2p=&th2;th3p=&th3;th4p=&th4;w2p=&w2;w3p=&w3;w4p=&w4;

a2p=&a2;a3p=&a3;a4p=&a4;sdep=&sde;vdep=&vde;adep=&ade;

p[1][1]=0;p[1][2]=273.92;vp[1][1]=0.0;vp[1][2]=0.0;

ap[1][1]=0.0;ap[1][2]=0.0;

p[4][1]=-119.836;p[4][2]=0;

vp[4][1]=0.0;vp[4][2]=0.0;ap[4][1]=0.0;ap[4][2]=0.0;

p[6][1]=0;

p[6][2]=0;

r1=50;r2=230;r3=120;r4=156;w1=50*PI/60;

a1=0.0;

k=0;

loop:

if（k<90）th1d=270+k;

elseth1d=k-90;

th1=th1d*con;

m=1;

crank（1,2,r1,th1,w1,a1,p,vp,ap）;

RRR（m,2,4,3,r2,r3,th2p,th3p,p,w2p,w3p,vp,a2p,a3p,ap）;

beta=0.*con;

vbeta=.0;

abeta=.0;

m=1;

vp[6][1]=.0;

vp[6][2]=.0;

ap[6][1]=.0;

ap[6][2]=.0;

RRP（m,3,6,5,r4,sdep,th4p,beta,p,w4p,vbeta,vdep,vp,a4p,abeta,adep,ap）;

fprintf（fp,"%4d%12.6f%12.6f%12.6f\n",j,p[5][1],vp[5][1],ap[5][1]）;

printf（"POINTPOSITION（mm）VELOCITY（mm/s）ACCELERATION（mm/s/s）\n"）;

printf（"NUMXYXYXY\n"）;

for（i=1;i<7;i++）

{printf（"%5.1f%8.4f%8.4f%8.4f%8.4f%8.4f%8.4f\n",

th1d,p[i][1],p[i][2],vp[i][1],vp[i][2],ap[i][1],ap[i][2]）;}

k=k+1;

j=j+1;

if（k<360）gotoloop;

printf（"CalculationEnd!

"）;

getch（）;

fclose（fp）;}

b;计算数据

角度

位置

速度

加速度

0

155.873077

3.2E-05

38.671406

10

155.952271

2.176529

20.885633

20

156.112717

2.092179

-27.903637

30

156.141037

-2.027173

-98.386703

40

155.72818

-11.26368

-179.586319

50

154.516998

-25.977358

-261.083618

60

152.148727

-45.884281

-334.070831

70

148.301407

-70.17466

-391.564026

80

142.721588

-97.627098

-428.13446

90

135.248383

-126.695587

-439.345886

100

125.833443

-155.546234

-420.783478

110

114.561661

-181.998932

-365.933105

120

101.682091

-203.220108

-259.986176

130

87.68103

-214.583481

-57.136181

140

73.517708

-205.192245

412.580078

150

61.466484

-143.102676

1593.942261

160

56.294018

-7.016372

2002.472656

170

59.313343

83.483276

779.76947

180

66.120865

115.205826

270.164734

190

74.247398

126.792747

104.871391

200

82.873032

131.223145

36.087673

210

91.669235

132.224533

-3.556957

220

100.452438

130.926102

-34.862488

230

109.080856

127.58493

-65.644913

240

117.416458

122.111069

-99.16246

250

125.309952

114.281296

-136.305099

260

132.59671

103.880013

-175.93808

270

139.101776

90.841278

-214.658279

280

144.655289

75.407761

-246.611679

290

149.118179

58.282772

-264.017822

300

152.415924

40.70583

-259.006531

310

154.572739

24.356552

-226.86969

320

155.730759

11.020237

-169.665604

330

156.140182

2.06237

-97.932533

340

156.113449

-2.088616

-28.526827

350

155.95253

-2.18646

21.03694

C：

上冲头的位置，速度，加速度随曲柄转过角度变化的曲线图

3、结果分析

参考文献

[1]杨志强，王静，崔金磊主编机械原理课程设计指导书，青岛：

青岛理工大学机械工程学院，2010

[2]孙恒，陈作模，葛文杰主编机械原理，第七版，高等教育出版社2006