课程设计粉末成型机.docx
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课程设计粉末成型机
机械原理课程设计说明书
——粉末成型机运动设计
班级：
072102
设计者：
指导教师：
曾小慧
中国地质大学机电学院
2012年7月
1.题目.................................................2
2.设计题目及任务.....................................2
ξ2.1工作原理及工艺动作过程..................................2
ξ2.2功能要求及技术参数...................................3
3机构方案选择..........................................4
ξ3.1上冲模......................................................4
ξ3.2送料机构.............................................6
ξ3.3下冲模......................................................7
4.总体方案设计..........................................8
ξ4.1机构传动方案.........................................8
ξ4.2上下冲头与送粉器动作关系表.............................8
ξ4.3运动循环图...........................................9
ξ4.4齿轮传动设计................................................9
5.机构设计及分析.........................................10
ξ5.1压制机构.............................................10
ξ5.2送粉机构.............................................14
ξ5.3脱模机构.............................................20
ξ5.4传动系统齿轮参数及尺寸确定..................................28
6.课程设计小结..........................................28
7.参考文献...............................................30
8.附录..................................................31
1.题目：
粉末成形压机设计
2.设计题目及任务
2.1工作原理及工艺动作过程
设计粉末成形压机，将具有一定湿度的粉状原料（如陶瓷干粉、药粉）定量送入压形位置，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。
该机器可以压制陶瓷圆形片坯、药剂（片）等。
粉末成形压机的工作原理及工艺动作过程是：
2.2功能要求及技术参数
2.2.1上冲头、下冲头、送料筛的设计要求是：
1.上模冲压制机构应具有以下的运动特性：
快速接近粉料，慢速等速压制，压制到位后停歇片刻保压或接近压制行程终点时在放慢速度而起到保压作用。
2.脱模机构应使下模冲顶出距离准确，复位时要求速度快而冲击小。
3.送粉机构要求严格遵守压制周期的运动规律。
4.进一步要求：
让上模冲和下模冲的运动规律可调。
2.2.2主要技术参数要求：
1.每分钟压制次数为10-40次；
2.压坯最大直径为45mm；
3.上模冲最大行程为110mm；
4.送粉器行程为115mm；
5.脱模最大行程为45mm；
6.压制及脱模能力最大为58kN；
2.2.3设计任务
1.按个执行件的工艺动作要求拟定运动循环图；
2.进行执行机构即压制机构、脱模机构、送粉机构的选型；
3.机械运动方案的评价和确定，并进行执行机构运动学尺寸计算和必要的运动分析；
4.按选定的电机和执行机构的运动参数拟定机械传动方案，并进行传动机构的运动学尺寸计算；
5.画出机械运动简图；
6.编制设计说明书（内容包括上述任务的设计、分析计算及结果、图）。
7.进一步工作：
执行机构的动画演示、凸轮机构的数控加工等。
3.机构方案选择
3.1上冲模
方案一：
上模冲本来是打算用一个圆盘凸轮作为执行件（如图1）的，但由于下压要承受较大压力，而凸轮是高副接触，不能承受较大压力。
故而选用下面的滑块摇杆机构。
方案二：
凸轮机构
开始时我们选用的上冲模机构用到了凸轮机构，它能满足我们的运动要求，实现短暂停歇的要求，然而从题目得知上冲模再冲压时，所受到的力会达到58KN，然而凸轮与上冲模之间形成的是高副，在承受到如此大的力的时候会发生形变，从而影响到凸轮以后的工作以及整个机构的稳定工作，于是我们放弃了这个方案。
方案三：
设原动件在图示位置为起点，即转过的角度为0.滑块在图示位置位移为0，向上为正，向下为负，设原动件转过的角度为ａ.
模型图如下：
原动件逆时针转动，带动滑块先往上运动，到达最高点速度为0，接着滑块向下运动，进行压制运动，当曲柄和连杆在同一直线时达到压制极限位置。
在次刻滑块速度为0，且前后速度也较小，起到了设计所要求的保压作用。
方案选择：
方案三。
通过查阅资料，我们发现这个机构虽然能够实现快速接近，但是对于短暂停歇不能完全满足，不过通过改变杆长，我们能够将其在一个较大的方位内实现较小位移，从而道道距离变化不大的保压过程，这样救能够实现我们设定的运动规律。
因此在三个方案中，我们选择方案三的曲柄滑块机构来实现上冲模的功能。
3.2送料机构
方案一
分析：
该机构为曲柄滑块机构，运动为连续运动，可以满足其配合要求，并且可以实现送料器推压坯下料和送粉的功能。
方案二
分析：
圆柱凸轮机构为间歇运动机构，可以满足其配合要求，推料和送料的功能也可实现。
方案比较：
通过方案比较可以知道，方案一为曲柄滑块机构，可以满足压制要求，但其运动过程中没有停顿，在与压制机构和脱模机构配合设计时较为困难，而方案二采用圆柱凸轮机构，其运动为间歇运动，在压制过程中，其位移不变，避免机构之间的摩擦碰撞，可以较好的配合压制机构和唾沫机构的运动，经过送粉机构的速度和位移的分析，以上的要求皆可以实现，故选择第二种方案。
其证明过程将在下面的机构分析中给予指出。
3.3下冲模
方案一：
曲柄滑块机构，该机构不能承受较大的压力。
方案二：
对心直动滚子盘形凸轮机构，这样可以实现了成型粉末的上下运动，并且在上冲模下降过程中，可以满足粉末不动的要求，可以满足要求的间歇运动，该机构下面要承受较大压力，用滑块摇杆机构不能实现，所以用以凸轮机构来实现。
为了解决这个方案，我们在下模冲杆的下面加了挡板，用以分担凸轮所受压力。
综上所述，我们根据要求及实际情况我们选择方案二。
4.总设计方案
4.1机构运动方案
4.2上冲头、下冲头与送粉器的动作关系表
上冲头
向下运动
向上运动
送料筛
在左侧静止
向右运动
在右侧静止
向左运动
下冲头
停在下方
向上运动
停在上方
向下运动
4.3运动循环图线
4.4齿轮传动设计
本方案把每分钟压制次数定为20次，电动机转速选600r/min。
由于三个执行机构在一个周期内都是转一圈，而他们的周期T=60/20=3s，三个执行件的原动件角速度都为w=20r/min。
齿轮传动比：
上冲模：
i13=n1/n3=600/20=30
送料器：
i14=n1/n4=600/20=30
下冲模：
i16=n1/n6=600/20=30
5.机构设计及分析
5.1压制机构
5.1.1运动尺寸确定
由技术参数要求上模冲的最大行程为110mm可知，它的最大行程应该等于2倍的主动件长度，所以主动件应该等于55mm。
连杆则可根据运动规律自行确定，我们在这取140mm。
滑块直径45mm，滑块高度=50mm，滑块轴套=70mm，上模冲质量：
9kg。
5.1.2运动分析
设原动件在图示位置为起点，即转过的角度为0.滑块在图示位置位移为0，向上为正，向下为负，设原动件转过的角度为ａ，则由几何条件可知，滑块位移s与ａ的关系：
S=（c²-b²）½-（b²-c²-2b·c（π／2-arcsin（sin（π／2+a）·b／c）））½
模型图如下：
原动件逆时针转动，带动滑块先往上运动，到达最高点速度为0，接着滑块向下运动，进行压制运动，当曲柄和连杆在同一直线时达到压制极限位置。
在次刻滑块速度为0，且前后速度也较小，起到了设计所要求的保压作用。
①建立数学模型
1.对如图所示的曲柄滑块模型的上冲模进行运动分析，已知杆长AB=b，BC=c。
分析对象：
杆AB为主动件，杆BC为从动件，试分析滑块的位移、速度以及角速度（以曲柄与机架的连接处的铰链为参考点）。
曲柄滑块运动简图
建立如图所示的封闭矢量图，则曲柄滑块矢量方程为
将此方程分别分解到x轴和y轴坐标轴上，得到：
bcosα+ccosθ=S
（1）
bsinα+csinθ=0
（2）
C2=b2+S2-2b·Scosα（3）
整理可得
滑块位移：
S=（c²-b²）½-（b²-c²-2b·c（π／2-arcsin（sin（π／2+a）·b／c）））½
滑块速度：
通过对S求导可得：
V=-7700/（22625+15400×sin（-a-arcsin（11/28·cosa）））½·cos（-a-arcsin（11×28×cosa））×（-1+11sina）/（784-121（cosa）²）½）;
滑块加速度：
通过对V求导可得：
Ɑ=59290000/（22625+15400·sin（-a-arcsin（11/28×cos（a））））3/2×cos（-a-arcsin（11/28×cos（a）））²·（-1+11×sin（a）/（784-121·（cosa）²）½）²+7700/（22625+15400·sin（-a-arcsin（11/28·cos（a））））½·sin（-a-arcsin（11/28·cos（a）））·（-1+11·sin（a）/（784-121·（cosa）²）½）²-7700/（22625+15400·sin（-a-arcsin（11/28·cos（a））））½·cos（-a-arcsin（11/28·cos（a）））·（11·cos（a））/（784-121·（cosa）²）½-1331·（sina）²/（784-121·（cosa）²）3/2·cos（a））;
②结果
曲柄滑块的各个杆长参数确定后，借助于MATLABA进行运动分析求解到运动曲线如图所示。
其运动分析程序见附录一。
上冲模中滑块的位移曲线如图4-1所示，滑块的速度曲线如图4-2所示，滑块的加速度曲线如图4-3所示。
③结果分析及结论
由于上模冲压制机构主要是对粉末进行压制,通过滑块位移曲线图形可以看出上冲模的行程为110mm满足要求，右边曲线明显陡峭为压制过程，有急回作用，符合快速接近粉料，慢速等速压制要求；由于波峰波谷有圆滑曲线部分，使得压制过程中能达到压制到位后停歇片刻保压或接近压制行程终点时在放慢速度而起到保压作用。
从滑块的位移曲线来看，在一个周期内，运动轨迹能周期性回转到原位，且幅度适中基本满足实际要求。
故结论是综合上冲模滑块的位移、速度以及加速度曲线图可知，设计尺寸基本符合实际要求。
5.2送粉机构
5.2.1运动尺寸确定
右侧圆柱凸轮尺寸：
长度：
125mm，直径=50mm，送粉器长度：
50mm，滚子半径r=5mm曲线轮廓见运动分析。
5.2.2运动规律的选择
设滚子在圆柱凸轮的最左边为送粉器的位移0点，也即其下料位置和左极限位置。
当凸轮逆时针转动时，其位移随着轮廓曲线的规律向右运动，当达到最右端时再次停止运动，进行装料。
装料完毕后再随着曲线向左运动，如此循环。
运动规律图
推程阶段：
s（φ）=115sin（φ）远休止阶段：
s（φ）=115
回程阶段：
s（φ）=115sin（φ）近休止阶段：
s（φ）=0
分析：
凸轮的推程阶段和回程阶段均为正弦运动规律，采用正弦运动规律，可以保证送料机构运动的平稳性，同时保证送料机构可以严格遵守压制周期的运动规律，保证各机构之间的配合。
5.2.3圆柱凸轮轮廓线的数学模型
对直动从动件圆柱凸轮建立如图1所示的固定坐标系，以Z轴为圆柱凸轮的回转轴线，X轴与从动件处于最低位置时的轴线重合，原点为该轴线与凸轮轴线的交点，Y轴分别垂直于X和Z轴。
图1中的几何参数有：
凸轮圆柱半径为R=50mm，滚子半径为rT=5mm，从动件的运动规律为s（φ），
其中φ为凸轮的转角。
圆柱凸轮的理论和实际廓线
圆柱滚子直动从动件凸轮机构，圆柱的半径为R，曲线b是圆柱凸轮的理论廓线，曲线a和c是实际廓线，d表示在理论廓线上的滚子圆，根据图示固定坐标系，建立圆柱凸轮理论廓线方程如下：
考虑从动件是滚子的情况，实际轮廓线是圆心位于理论廓线上滚子圆的包络线，其方程为：
滚子圆的方程为：
式（3）中X，Y，Z为理论廓线上的坐标；Xa，Ya，Za为滚子圆和实际廓线上的公共点坐标，也是滚子圆和实际廓线的切点坐标。
包络线方程为：
由于实际廓线也位于圆柱面上，所以满足下式：
联立以上3式，可得到在圆柱半径为R时的实际廓线的方程：
式（6）可看出，实际廓线有两组，取上面符号表示图1中曲线a，取下面符号表示图1中曲线c。
5.2.4基于Solidworks平台直动从动件圆柱凸轮建模
实际廓线的构造
式（6）是实际廓线的方程，选定运动规律s（φ），给定转角，可分别计算出基圆柱Rb和外圆柱Rs上的实际廓线的坐标，如果计算出四组符合精度要求的实际廓线的坐标，分别连接这些坐标成样条曲线。
如图2所示，曲线a1和a2是外圆柱上的实际廓线，曲线b1和b2是内圆柱上的实际廓线。
为了保证实际廓线拟合精度，必须选择足够多的点来构造样条曲线，为此可把计算好的实际廓线的坐标存在文件中，通过Solidworks平台上的XYZ构造曲线的方法来构造样条曲线。
实际轮廓曲面的生成
使用Solidworks，平台上切除放样特征，首先在草图平面上绘制放样的截面形状，是一个矩形，矩形的四个点落在实际廓线上，如图2所示，放样时，取矩形为轮廓，4条实际廓线a1、a2、b1、b2为引导线，可形成图3所示的实际廓面。
生成三维模型如图所示
5.2.5机构运动分析
位移-转角图像如图5.1速度-转角图像如图5.2加速度-转角图像如图5.3
其源程序见附录二
分析：
送粉机构要求严格遵守压制周期的运动规律，通过位移图像可知，送粉机构为间歇运动，两个停顿阶段分别对应压制过程和回程添料的过程，可以满足其配合要求。
分析：
通过速度图像可以得知该凸轮机构的推程和回程速度变化规律相同，保证了其单向步进距离的准确性。
分析：
虽然加速有突变，但由于是在停止和启动时刻，对运动过程没有大的影响，而且加速度突变产生的是柔性冲击，且突变量不是从无穷大或无穷小突变，所以应该可以满足设计要求。
5.2.6压力角分析
凸轮轮廓图
凸轮运动过程中压力角的变化图像（程序见附录二）
由图可知，凸轮运功过程中，压力角最大为1.3°，可见该凸轮压力角满足设计要求，可以实现送粉机构的功能。
综合分析：
通过对该圆柱凸轮的位移、速度、加速度、压力角的分析可知，该凸轮能够精准配合压制机构和脱模机构的运动，步进距离准确且送料平稳，满足设计要求。
5.3脱模机构
5.3.1凸轮机构结构类型的选择
（1）凸轮种类的选择
我们选择从动杆运动平面与凸轮轴垂直的径向凸轮，即盘形凸轮。
（2）从动杆型式的选择
1 顶尖推杆：
制造简单，但易磨损，适用于作用力不大和运动速度较低的场合，如用于仪表等机构。
2 平底推杆：
凸轮与平底的接触面间易形成油膜，润滑好，常用于高速传动中。
3 滚子推杆：
这种推杆滚子与凸轮轮廓之间为滚动摩擦，所以磨损小，可以传动较大的动力。
综上所述，在脱模机构中，我们选用滚子推杆，由于该推杆可以传动较大的力，且磨损
小，可以满足要求。
（3）从动杆与凸轮的接触方法
由于下冲模特殊的位置结构，我们选用重力来保证接触。
由于在冲压过程中下面需要受到一定的压力，所以我们选用的是一组对心直动滚子凸轮，这样一来冲压过程中下模冲受到的压力就能够传递到到基座上，避免机构受力过大，导致机构损坏。
5.3.2从动杆运动规律的选择
（1）确定凸轮的升程h及转角δ
由给定的参数要求，我们将升程h=45mm。
以近休终点为凸轮起始位置，根据设计要求，它先以余弦加速度规律进行推程运动，推程阶段0°~120°；然后进行远休，由于远休所需要的时间不长，远休止阶段为120°~150°；然后进行正弦加速度规律进行回程运动，回程阶段为150°~210°；最后为近休，由于要进行压制操作，故近休时间相对较长，为210°~360°。
（2）选择从动杆运动规律
先以余弦加速度规律进行推程运动，然后处于远休止静止，然后进行正弦加速度规律进行回程运动，随后近休止静止。
5.3.3凸轮机构基本尺寸的确定
（1）确定凸轮的基圆半径
根据经验，在推程时直动推杆许用压力角值[ɑ]=30°，在回程时，通常许用压力角[ɑ]'=70°~80°。
因此在整个运动中我们规定ɑmax≤30°。
1 根据情况选一个较小的基圆半径30mm.
2 根据方程，
这里我们用的是对心直动滚子推杆盘形凸轮结构，e=0，所以根据方程
，在δ之内按一定步长计算一个运动循环中凸轮各点的压力角αi；
3 判断是否满足αi≤[ɑ]，若不能则增大基圆半径返回第二步，不断循环直至满足条件，最后确定基圆半径为r=45mm。
（2）取滚子半径r0=10mm
5.3.4凸轮轮廓的计算
（1）凸轮理论轮廓线方程
对于对心直动滚子推杆盘形凸轮机构，凸轮的理论轮廓线的坐标可令e=0,s0=r0,求的
位移s分段计算
推程阶段：
h=45mm，X=120°，
远休止阶段：
，
回程阶段：
近休止阶段：
，
在matlab中编程得到理论轮廓线如图（程序见附页）
（2）凸轮工作轮廓线方程
推程阶段：
h=45mm，X=120°，
远休止阶段：
回程阶段：
近休止阶段：
在matlab中编程得到实际工作轮廓线如图，外缘曲线（程序见附页）
（3）压力角验算
由课本可以知道压力角的计算公式：
压力角：
tanθ=（（ds/da）-e）/（（r。
^2-e^2）^0.5+s）
运用公式编写matlab程序，然后从程序中读出最大压力角即可。
凸轮推程压力角变化曲线图
凸轮回程压力角变化曲线图
分析：
由图可以读出最大压力角
凸轮推程压力角θmax=28.71°<30°
凸轮回程压力角θmax=-23.22°<30°
在压力角大于20°的地方，所处的时间较短，且凸轮的位移连续，在其他时间段内，凸轮的压力角均在20°以内，符合凸轮压力角的要求。
5.3.5推杆运动规律
1）推杆位移方程
推程阶段：
远休止阶段：
回程阶段：
近休止阶段：
推杆位移图像（程序见附页）
分析：
分析可知该脱模机构可以满足顶出距离准确，在位移图像中可以看到该机构实现了间歇运动，位移变化比较平稳，中间一段静止实现了保压作用。
2）推杆速度方程
推程阶段：
远休止阶段：
回程阶段：
近休止阶段：
1 推杆速度图像（程序见附页）
分析：
从速度图像中，可以看出在顶出和复位时能够保证速度快，且速度变化比较平稳。
3）推杆加速度方程
推程阶段：
远休止阶段：
回程阶段：
近休止阶段：
推杆加速度图像（程序见附页）
分析：
从加速度图像中，可以看出加速度波动不是太大，所以可以保证复位时冲击力较小，在加速度图像中出现了一个瞬时的波动，这个时长比较小，总体来说比较稳定。
5.4传动系统齿轮参数及尺寸确定
模数m=2，压力角α=20°，ha*=1.0，皮带轮直径=40mm，皮带主从轮半径比为6:
1
Z1
Z2
Z2'
Z3
Z4
Z5
Z6
齿数z
16
80
10
60
20
20
20
分度圆d
32
160
20
120
40
40
40
齿顶圆da
36
164
24
124
44
44
44
齿顶高ha
2
2
2
2
2
2
2
基圆db
30.07
150.35
18.79
112.76
37.59
37.59
37.59
齿距p
2π
2π
2π
2π
2π
2π
2π
齿厚s
π
π
π
π
π
π
π
课程设计评价
我们的课程设计选题为粉末成型机，经过小组三人的分析与讨论，最终确定了设计方案。
压制机构选用的是曲柄滑块机构，送粉机构选用的是圆柱凸轮机构，脱模机构选用的是盘形凸轮机构，各机构之间采用的是齿轮传动。
通过分别对三个机构的运动分析，可知各个机构均满足设计和运动要求，通过对机构尺寸的设计和计算，使其能够达到良好的配合。
总体来说，这次粉末成型机的设计达到了设计的要求，满足技术参数要求，完成了课程设计得任务。
6.课程设计小结
本粉末成型压机机构设计是我们小组三人经过多天的思考和讨论以及老师的指点修改，最终确定下来的一个比较完美的方案。
经过思考，我们发现，其实上模冲不一非要是间歇运动，只要它的运动时间上和另外两个机构协调就行了。
因此我们想到了偏心轮机构，而且偏心轮机构的运动分析比起凸轮简单多了。
对于送粉器，经过思考后和查找课本后，我们决定使用圆柱凸轮机构，它可以很好的实现其要求的功能。
最难得就是就是下模冲的移动凸轮机构。
因为一个是它的轮廓曲线的设计，另一个是它也要受压，必须能承受较大压力。
经过查找书上的凸轮设计例题以及所学的课本知识，再结合我们自己的机构设计要求，我们列出了它的轮廓曲线方程和运动曲线。
接下来的关键步骤就是怎么根据它的轮廓方程把它的轮廓曲线用电脑画出来。
我们只能通过MATLAB来画！
但我们都对MATLAB不是很熟悉，不会用。
我们只能从头开始学习MATLAB，经过一天的对MATLAB的书籍的略读和几天边学边用的摸索，我们终于把凸轮的轮廓曲线及所有的运动图像画出来了。
这是我们设计最后成功的关键一步。
为了解决第二个问题，我们经过仔细分析和思考，最终找到了解决方案：
那就是在它的推杆上安装一个弹性系数较大的弹簧同于分担凸轮所受压力。
就这样，我们把每一个问题都一一攻破。
取得了最后的成功。
总的来说，这次机构的设计还算成功，但可能由于自己对书本知识的深刻了解和掌握程度不够以及对一些常用画图设计软件
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