机械原理课程设计基于solidworkscamtrax的粉末成型机Word格式文档下载.docx
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为了综合运用机械原理课程的理论知识，分析和解决与本课程有关的实际问题，使所学知识进一步巩固和加深，我们参加了此次的机械原理课程设计。
粉末冶金是将金属等粉末的混合料，通过压制成型和烧结而制成零件或成品材料的一种工艺方法。
将一定量的金属粉末送入压制的位置，压制成厚度为h，直径为φ圆型片坯，经压制成形后脱离该位置。
机器的整个工作过程（送料、压形、脱离）均自动完成。
1.2功能要求及工作原理
（1）.总功能要求：
将金属等粉末的混合料压制成圆柱体压坯。
（2）.工作原理：
粉末成型机的工作原理及动作分解如下图所示。
1.3原始数据和设计要求
（1）压坯是最大直径为45mm，长径比h/d≤1~1.5的圆柱体。
（2）每分钟压制次数为10~40次。
（3）压制及脱模能力最大为58kN。
（4）各执行构件的运动特性如上图所示。
运动参数为：
上冲模最大行程为110mm，送粉器行程为115mm，脱模最大行程为45mm。
（5）为了保证压坯的质量，在压制到位后上冲模要停歇片刻（大约0.4秒左右）。
2.运动方案设计
工作原理和工艺动作分解
（1）送料：
这一动作可以通过凸轮转动推动连杆带动送粉器完成。
（2）冲压：
下冲模不动，上冲模下行压制粉末。
（3）推出压坯：
上冲模上行回位，下冲模上升推出成型的压坯。
（4）送出成品：
下冲模固定不动，送料器推出成型的压坯。
根据分析计算：
上冲模、下冲模、送粉器位移、速度随时间变化的配合拟定工艺动作运动循环图如下所示：
图6：
上冲模、下冲模、送粉器位移、速度随时间变化的配合曲线
上述四个动作很简单，关键是时间的配合要非常的恰当，这样一来就对机构提出了较高的要求。
3.机构选择
根据上冲模、下冲模和送粉器这三个执行构件动作要求和结构特点，可以选择以下结构。
上冲模
曲柄导杆滑块结构
偏置曲柄滑块机构
凸轮推杆机构
下冲模
送粉器
圆柱凸轮机构
摇杆机构
根据上表可以求出粉末成型机运动方案总数为N=3×
1×
3=9种。
根据运动方案设计中的分析，我们选择的方案如下：
（1）.由设计要求可知上模冲机构应具有以下特性：
快速接近粉料，慢速等速压制，压制到位后停歇片刻起到保压作用。
要实现往复直线移动，还有考虑急回特性。
因此考虑选凸轮机构。
（2）.下冲模为固定移动凸轮和推杆组成。
其功能为：
推出压坯。
在上冲模冲压的时候下冲模是停歇的，此时推杆可以靠在机架上，而上冲模的作用力就不会作用到凸轮上。
可以实现间歇要求，可靠性高。
（3）.送粉器是偏置曲柄滑块机构。
送料和推离压坯同时实现，并且具有间歇特性。
其总体机构设计简图如下：
给定此设计的初步参数和特性：
（1）生产速度为20件/min，则工作周期为3s；
（2）工件直径为45mm，厚度为30mm。
4.机构设计及其运动分析计算
（1）上冲模凸轮设计和运动分析。
上冲模在0.75s内快速接近粉料进行压制，保压0.4s，在1.15s~1.8s回程运动，在1.8s~3.0s内推杆位移不变，等待送粉器推出成品、重新加入金属粉末，准备进入下一个循环周期，上冲模最大行程设计为100mm，由此初期确定的上冲模大致位移、速度、时间图像如下图：
图7：
一个周期中上冲模大致位移、速度随时间变化的图像
由上图可知：
位移曲线中0.75s和1.15s时刻对应的加速度有突变，所以这时推杆在理论上将出现无穷大的加速度和惯性力，因而会使凸轮机构受到极大的冲击，即刚性冲击，故上图需要改进，在拐点处用可以用加速度冲击小的多项式曲线代替上图。
根据工作需要，可以将几种运动规律组合使用，以改善推杆的运动和动力特性。
在凸轮机构中，为了避免冲击，推杆不宜采用加速度有突变的运动规律。
可是，如果工作过程又要求推杆必须采用等速运动规律，此时为了同时满足推杆的等速运动运动及加速度不产生突变的要求，可将等速运动规律适当的加以修正，我们把推杆的等速运动规律在其行程两端与摆线运动规律组合起来，这样就可以得到较好的组合运动规律。
这样可以减少模拟软件的工作量。
凸轮机构的尺寸设计过程如下：
由运动周期图像得出：
凸轮的运动周期为3s。
推程时间为0.75s，远休止时间为0.4s，回程时间为0.75s，近休止时间为1.2s。
可以得出：
推程角度90°
，远休止角度48°
，回程角度90°
，近休止角度132°
。
推杆的行程设计为100mm，因为还要考虑凸轮的速度加速度变化过程和压力角，设计凸轮基圆半径为200mm，所以近休止端和远休止端圆弧半径分别为200mm和300mm。
滚子半径为40mm。
推程设计：
根据设计要求，上冲模压制机构具有以下运动特性：
快速接近粉料，慢速等速压制。
所以上冲模压制过程应该分为两个阶段：
第一阶段快速接近粉料；
第二阶段，慢速等速压制。
此时考虑加速度和惯性力的变化，推程应该设计为两个阶段，快速接近和慢速压制。
所以推杆设计为60度快速接近和20度慢速压制均用摆线规律运动形式。
这里运用Camtrax软件对凸轮进行设计。
在程序中输入根据运动周期得出的凸轮的参数，各个过程选用适当的曲线形式，得出速度、加速度、惯性力曲线。
利用软件不断对凸轮进行优化设计，既要保证运动规律，又要保持凸轮的压力角基本在30°
以内，最大限度的减小推杆的冲击，并使机构紧凑。
依据上述分析在Camtrax中输入数据：
图8：
上冲模凸轮数据
用Camtrax设计出来的对心直动滚子推杆盘形凸轮如下图所示：
图9：
Camtrax设计凸轮轮廓图
凸轮的位移、速度、加速度、压力角在一个完整的周期中变化的曲线如下图所示：
图10：
位移曲线
图11：
速度曲线
图12：
加速度曲线
图13：
压力角曲线
Solidworks建模结果如图所示
图14：
上冲模建模
运动过程分析：
1.推程运动阶段（0~0.75s）：
0°
~60°
：
快速接近，推程80mm。
加速度曲线为正弦曲线，加速度和惯性力在0°
和60°
这两个位置时过渡基本平稳，冲击力小，压力角满足要求，可以延长凸轮的使用寿命。
速度较大，能满足快速接近粉料的设计要求。
60°
~90°
慢速压制，推程20mm。
加速度变化曲线和快速接近一样，同为正弦曲线，减小了惯性力。
2.远休运动阶段（0.75s~1.15s）：
90°
~~138°
凸轮在远休止阶段，位移不变，速度和加速度都为0。
能满足压制到位后停歇0.4s左右的保压时间。
3.回程运动阶段（1.15s~1.8s）：
138°
~228°
结合运动周期图可知，此时物料被送走，上冲模回程，由加速度图像可以看出此阶段运动加速度变化是正弦曲线。
运动过程平缓，冲击力小。
4.近休止阶段（1.8s~3.0s）：
228°
~360°
由周期图可知在这一阶段既要将粉末送到工作台，又要避免上冲模与送粉器的冲突。
设计近休止阶段时间为1.2s，能很好的解决送料问题，使得整个循环中有将近0.8s的加料时间，满足要求。
综上所述，该凸轮机构设计合理，可以满足工作需要。
由Camtrax分析整理所得到的一个完整的运动周期中位移、速度、加速度、压力角各个变量的变化数据见附录。
（2）下冲模凸轮设计和运动分析。
设计要求：
要求能实现往复运动，推出成型压坯距离准确，往复时要求速度快而冲击力小。
设计凸轮的推程为45mm。
同上冲模，下冲模凸轮的运动周期为3s。
其中近休止时间为1.2s推程时间为0.6s，远休为0.3s，回程时间为0.9s。
即近休止角度144°
，推程角度为72°
，远休止角度为36°
，回程角度为108°
因为还要考虑凸轮的速度加速度变化过程和压力角，设计凸轮基圆半径为100mm，所以近休止端和远休止端圆弧半径分别为100mm和145mm。
滚子半径为30mm。
初期确定的下冲模大致位移、速度、时间图像如下图：
图15：
同上，依据上述分析在Camtrax中输入数据：
图16：
下冲模凸轮数据
用Camtrax设计出来的凸轮如下图所示：
图17：
图18：
图19：
图20：
图21：
Solidworks建模结果如下图所示：
图22：
下冲模建模
1.近休止运动阶段（0s~1.2s）:
~144°
根据周期图可知在这一阶段既要将金属粉末加入到工作台中去，又要避免与上冲模的推程冲突。
2.推程阶段（1.2s~1.8s）:
144°
~216°
这个阶段成型的压坯被推出。
加速度曲线为正弦曲线，冲击力小。
3.远休止阶段（1.8s~2.1s）：
216°
~252°
远休止阶段，凸轮位移不变，速度和加速度均为0。
此时，送粉器将成型的压坯推出。
时间设计合理，满足要求
4.回程阶段：
（2.1s~3.0s）：
252°
，下模进入回程阶段，其运动方式与推程运动方式相同。
运动过程平缓，冲击小。
（3）送粉器的设计：
设计要求：
主要作用是将压制成型的粉料推出，且能实现往复循环运动和间歇运动的要求。
因为承载能力要求低，且须实现往复式循环运动，故应采用曲柄滑块机构。
设计选定LAB=40mm，送粉器的行程为115mm。
设计送粉器有急回特性，其极位角为30°
做出机构简图：
（如下图所示）
图23：
送粉器曲柄滑块机构简图
曲柄AB转动一圈需要的时间是一个周期，即3.0s。
根据与上下模冲配合的时间设计出其位移、速度随时间变化的图像，如下图所示：
图24：
送粉器位移、速度随时间变化的图像
经计算得出：
BC在0.7s时从B1C1开始向右运动，1.95s时运动到B2C2处，把成型的压坯推出，经过的角度为180°
-30°
=150°
；
然后从B2C2返回到B1C1，经过的角度为180°
+30°
=210°
0,其中30°
为极位夹角。
符合设计的要求。
1.由图知C1到C2为送粉阶段，比返程时间较短。
极位夹角为∠C1.A.C2=30°
，设AB=L1=40，BC=L2，A.C1=L2-L1=L2-40，A.C2=L2+L1=L2+40，C1C2=115.
由余弦定理得：
cos∠30°
=[（L2-40）^2+（L2+40）^2-115^2]/[2*（L2+40）*（L2-40）]
解得BC=L2=165mm。
2.现对机构进行运动分析：
计算得：
A.C1=L2-L1=125mm，A.C2=L1+L2=205mm。
3.以水平方向为基准进行运动分析：
假设滑块在C1处为起始点，则各个杆件相对水平方向的角度如图。
AC1=L3=165-40=125。
在运动的每个时刻，滑块离开C1的位移设为：
L。
在△AC1.C2中，又正弦定理得：
C1C2/（sinθ）=AC1/（sinθ3）；
即：
115/sin（30）=AC1/sin（θ3）
得：
θ3=62.76°
f1（θ2,L）=L1*cos（θ1）-L2*cos（θ2）-L+L3*cos（θ3）
f2（θ2,L）=L1*sin（θ1）-L2*sin（θ2）+L3*sin（θ3）
该方程组的雅克比矩阵为J：
J=
接着进行MATLAB编程，对机构进行运动分析：
位移分析：
滑块位移的源程序
functiony=rrrposi（x）
%
%Inputarameters
%x
（1）=theta-1
%x
（2）=theta-2guessvalue
%x（3）=theta-3
%x（4）=L1
%x（5）=L2
%x（6）=L3
%x（7）=Lguessvalue
%Outputparameters
%y
（1）=theta-2
%y
（2）=L
theta2=x
（2）;
L=x（7）;
epsilon=1.0E-6;
f=[x（4）*cos（x
（1））-x（5）*cos（theta2）+x（6）*cos（x（3））-L;
x（4）*sin（x
（1））+x（6）*sin（x（3））-x（5）*sin（theta2）];
whilenorm（f）>
epsilon
J=[x（5）*sin（theta2）-1;
-x（5）*cos（theta2）0];
dth=inv（J）*（-1.0*f）;
theta2=theta2+dth
（1）;
L=L+dth
（2）;
f=[x（4）*cos（x
（1））-x（5）*cos（theta2）+x（6）*cos（x（3））-L;
norm（f）;
end;
y
（1）=theta2;
y
（2）=L;
在命令窗中输入主程序：
x1=linspace（0,2*pi,36）;
x=zeros（length（x1）,7）;
forn=1:
36
x（n,:
）=[x1（:
n）107.36*pi/180107.36*pi/180401651200];
end
p=zeros（length（x1）,2）;
fork=1:
y=rrrposi（x（k,:
））;
p（k,:
）=y;
>
p
p=
2.3744122.9679
2.3437119.2417
2.3123114.9969
2.2804110.2530
2.2480105.0365
2.215499.3814
2.182893.3304
2.150586.9355
2.118680.2591
2.087773.3749
2.057966.3699
2.029959.3447
2.004052.4148
1.980945.7095
1.961339.3692
1.945833.5379
1.935128.3525
1.929623.9270
1.929620.3378
1.935117.6138
1.945815.7362
1.961314.6478
1.980914.2675
2.004014.5053
2.029915.2729
2.057916.4907
2.087718.0899
2.118620.0133
2.150522.2141
2.182824.6545
2.215427.3038
2.248030.1377
2.280433.1360
2.312336.2826
2.343739.5637
2.374442.9679
第二列为滑块位移关于theta1的关系
在命令窗输入
plot（x1,p（:
2）,'
--'
）
得到其曲线
图25：
得到的图像为曲柄转动一周，料斗的位移曲线。
分析得料斗机构的运动有急回特性。
如图，在曲线上升段为料斗接近阴模口阶段，并把下模冲推上来的成品推离阴模，然后下料，料斗返回，进行第二次压制。
接下来分析机机构运动的速度和加速度：
对时间t求导数得到：
=
ω1=2π/3
再次求导数得：
速度分析：
主函数：
functiony=rrrvel（x）
%Inputparameters
%x
（2）=theta-2
%x（3）=dtheta-1
%x（6）=Lθ
%Outputparamaters
%y
（1）=dtheta-2
%y
（2）=dL
A=[x（5）*sin（x
（2））-1;
-x（5）*cos（x
（2））0];
B=[x（4）*sin（x
（1））;
-x（4）*cos（x
（2））]*x（3）;
y=inv（A）*B;
在命令窗中输入;
x2=[x1'
p（:
1）p（:
2）2*pi/3*ones（36,1）40*ones（36,1）165*ones（36,1）115*ones（36,1）];
f=zeros（2,36）;
form=1:
y2=rrrvel（x2（m,:
q（:
m）=y2;
q
得到速度与角速度第1行为连杆角速度。
第二行为滑块速度
Columns1through18
6.43866.02125.49974.88684.20243.47512.74442.06141.48451.06490.82390.74700.79970.94721.16311.42961.73502.0716
178.7724134.604394.144159.732832.897114.15742.9669-2.1729-3.3595-2.6694-1.4646-0.07371.97985.553311.577920.898034.186551.8912
Columns19through36
2.43392.81813.22033.63674.06304.49374.92215.34015.73796.10456.42746.69366.88997.00347.02296.93886.74506.4386
74.1920100.9649131.7542165.7536201.8052238.4185273.8197306.0363333.0197352.8054363.6990364.4713354.5370334.0869304.1471266.5455223.7764178.7724
plot（x1,q（2,:
得到滑块的速度曲线
图26：
由图分析，在2后的上升阶段为料斗从阴模离开的速度曲线；
1～3为料斗接近阴模并离开的过程，在此阶段料斗慢速接近阴模，并慢速离开，利于料斗下料。
加速度分析：
functiony=rrra（x）
%Intputparameters
%x（4）=dtheta-2
%x（5）=L1
%x（6）=L2
%x（7）=L
%x（8）=dL
%y
（1）=ddtheta-2
%y
（2）=ddL
A=[x（6）*sin（x
（2））-1;
-x（6）*cos（x
（2））0];
B=[x（5）*cos（x
（1））-x（6）*cos（x
（2））;
x（5）*sin（x
（1））-x（6）*sin（x
（2））];
C=[x（3）*x（3）;
x（4）*x（4）];
Y=inv（A）*B*C;
在命令窗中输入：
x3=[x1'
1）2*pi/3*ones（36,1）q（1,:
）'
40*ones（36,1）165*ones（36,1）120*ones（36,1）p（:
2）q（2,:
];
y3=rrra（x3（m,:
f（:
m）=y3;
用MD_Adams软件模拟滑块的加速度
输出加速度图如下：
图27：
5.机构动力设计：
最常见交流电动机有
2极同步转速3000r/min
4极同步转速1500r/min
6极同步转速1000r/min
8极同步转速750r/min
10极同步转速600r/min
选择转速为600r/min的电机，冲压机构的周期为3s,故要求设计的减速器减速比为30。
设计的各个齿轮数据为：
模数z=2压力角α=20°
ha*=1.0
Z1
Z2
Z2’
Z3
Z3’
Z4
齿数
18
60
20
16
48
分度圆d
120
40
12.
32
96
齿顶圆ha
2
齿顶高hf
2.5
基圆d
33.83
112.76
37.59
30.07
90.21
齿距p
2π
齿厚s
π
中心距Z1Z2=78Z
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