压床机构设计机械原理课程设计说明书.docx
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压床机构设计机械原理课程设计说明书
压床机构设计说明书
班级:
XXXX
学号:
XXX
姓名:
XX
完成日期:
XXXX年XX月
一、压床机构简介
1.压床机构简介
压床机械是被应用广泛的锻压设备它是由六杆机构中的冲头（滑块）向下运动来冲压机械零件的。
其执行机构主要由连杆机构和凸轮机构组成。
图1为压床机械传动系统示意图。
电动机经联轴器带动三级齿轮减速传动装置后，带动冲床执行机构（六杆机构，见图2）的曲柄转动，曲柄通过连杆，摇杆带动冲头（滑块）上下往复运动，实现冲压零件。
在曲柄轴的另一端，装有供润滑连杆机构各运动副的油泵凸轮机构。
2.设计内容
（1）机构的设计及运动分折
已知：
中心距x1、x2、y,构件4的上、下极限角，滑块的冲程H，比值
CB／BO4、CD／CO4，各构件质心S的位置，曲柄转速n1。
要求：
将连杆机构放在直角坐标系下，编制程序，并画出运动曲线，打印上述各曲线图。
（2）机构的动态静力分析
已知：
各构件的重量G及其对质心轴的转动惯量Js（曲柄2和连杆5的重力和转动惯量略去不计），阻力线图（图9—7）以及连杆机构设计和运动分析中所得的结果。
要求：
通过建立机构仿真模型，并给系统加力，编制程序求出外力，并作曲线，求出最大平衡力矩和功率。
方案
G3
G4
G6
Fmax
Js3
Js4
值
72kg
50kg
40kg
4200N
0.35kg.m2
0.22kg.m2
（2）凸轮机构构设计
已知：
从动件冲程H，许用压力角[α]．推程角δ。
，远休止角δı，回程角δ'，从动件的运动规律见表3，凸轮与曲柄共轴。
要求：
根据给定的已知参数，确定凸轮机构的基本尺寸，并将运算结果写在说明书中。
将凸轮机构放在直角坐标系下，编制程序画出凸轮机构的实际廓线，打印出从动件运动规律和凸轮运动仿真模型。
设计内容
连杆机构的设计及运动分析
单位
mm
（º）
mm
r/min
符号
X1
X2
y
ρ'
ρ''
H
CB／BO4
CD／CO4
n1
BS2/BC
DS3/DE
数据
30
140
160
60
120
150
1/2
1/4
90
1/2
1/2
表3
二、执行机构的选择
方案一
（1）运动分析
该执行机构中不考虑凸轮机构，活动构件数n=5，低副数目Pl=7，高副数目Ph=0，不存在虚约束等，由以上条件可知机构自由度F=1，机构具有确定的自由度。
电动机通过减速传动机构（齿轮传动）带动原动件曲柄1做匀速圆周运动，原动件曲柄1带动连杆2运动，连杆2带动摆杆5和连杆4运动，从而使滑块4在竖直方向上做往复运动，从而实现压压床的功能。
在曲柄轴的另一端，装有供润滑连杆机构各运动副的油泵凸轮机构。
（2）工作性能
曲柄1做匀速圆周运动，连杆2随着曲柄1的周转不断的改变角度，摆杆5和连杆4也随着连杆2的角度变化产生运动，从而使滑块3速度变化，由于该机构不存在急回运动，使得滑块工作时的速度比较慢。
在压床工作时，要实现机构的往返运动，必须给曲柄增加一个力才能使其正常工作，在工作行程中，连杆2、4，摆杆5，曲柄1也受到滑块3的反作用力各杆受力弯曲，对各杆的弯曲强度要求比较高，特别是杆2。
（3）机构优、缺点
优点：
该机构在设计上不存在影响机构运动的死角，机构在运转工程中不会因为机构本身的问题而突然停下来。
机构使用凸轮和连杆机构，设计简单，维修、检测都很方便。
该机构使用的连杆和凸轮都不是紧密的结构，不需要不需要特别的材料，加工工艺，具有很好的经济效益。
缺点：
机构传递运动的构件过多，而且对各构件的强度要求相对较高，尤其是杆件2，不适用与较高的载荷。
结构过于分散，不能以较小的力获得较大的效果。
机构越多传递效率越差，损耗越多。
所以此方案不适用于压床。
方案二
（1）运动分析
该执行机构中不考虑凸轮机构，活动构件数n=5，低副数目Pl=7，高副数目Ph=0，由以上条件可知机构自由度F=1，机构具有确定的自由度。
电动机通过减速传动机构（齿轮传动）带动原动件曲柄1做匀速圆周运动，原动件曲柄1带动连杆2运动，连杆2带动摆杆3运动，滑块5在摆杆3上滑动，滑块,5和滑块4通过转动副相连接，从而使滑块4在竖直方向上做往复运动，从而实现压压床的功能。
在曲柄轴的另一端，装有供润滑连杆机构各运动副的油泵凸轮机构。
（2）工作性能
曲柄1做匀速圆周运动，连杆2随着曲柄1的周转不断的改变角度，摆杆3也随着连杆2的角度变化产生运动，从而使滑块4、5速度变化。
在压床工作时，要实现机构的往返运动，必须给曲柄增加一个力才能使其正常工作，在工作行程中，连杆2、摆杆3、曲柄1也受到滑块4的反作用力各杆受力弯曲，对各杆的弯曲强度要求比较高，特别是杆3。
（3）机构优、缺点
优点：
（1）该机构在设计上不存在影响机构运动的死角，机构在运转工程中不会因为机构本身的问题而突然停下来。
机构使用凸轮和连杆机构，设计简单，维修、检测都很方便。
（2）结构紧凑，传动效果好，机构运动过程中有急回运动，能获得较大的效率。
缺点：
（1）机构对滑块5和摆杆的要求较高，对滑块5工作表面的摩擦系数要求比较高，对摆杆3的抗弯强度要求比较高，不适用于较高载荷。
（2）该机构所占的空间比较大。
方案三
（1）运动分析
该执行机构中不考虑凸轮机构，活动构件数n=5，低副数目Pl=7，高副数目Ph=0，不存在虚约束等，由以上条件可知机构自由度F=1，机构具有确定的自由度。
电动机通过减速传动机构（齿轮传动）带动原动件曲柄1做匀速圆周运动，原动件曲柄1带动连杆2运动，连杆2带动摆杆3运动，摆杆3带动连杆4，从而使滑块,5在竖直方向上做往复运动，从而实现压压床的功能。
在曲柄轴的另一端，装有供润滑连杆机构各运动副的油泵凸轮机构。
（2）工作性能
曲柄1做匀速圆周运动，连杆2随着曲柄1的周转不断的改变角度，摆杆3随着连杆2的运动而运动，从而带动连杆4的角度变化，从而使滑块5速度变化，由于该机构存在急回运动，使得滑块工作时的速度比较快。
在压床工作时，要实现机构的往返运动，必须给曲柄增加一个力才能使其正常工作，在工作行程中，连杆2、4，摆杆3，曲柄1也受到滑块5的反作用力各杆受力弯曲，对各杆的弯曲强度要求比较高。
（3）机构优、缺点
优点：
（1）该机构在设计上不存在影响机构运动的死角，机构在运转工程中不会因为机构本身的问题而突然停下来。
机构使用凸轮和连杆机构，设计简单，维修、检测都很方便。
（2）结构紧凑，传动效果好，机构运动过程中有急回运动，能获得较大的效率。
（3）加工制造简单，成本小，载荷冲击较大，可以小批量生产，使用寿命长
缺点：
机械本身不可避免的存在一些问题。
选择方案
设计要求我们使用寿命为十年,每日一班制工作,载荷为中等冲击，允许曲柄，综合比较上诉三种方案的优缺点，考虑各种因素，最后选择方案三为设计方案。
三、主要机构设计
1、连杆机构的设计
由图可知DD1=150mm
ΔCC1O4为等边三角形
四边形CC1D1D为平行四边形CO4=C1O4=CC1=DD1=150mm
CD=0.25CO4=37.5mm∵CB=BO4/2∴BO4=100
tan∠O2O4E=0.1875＝＞∠O2O4E=10.62°
∠B1O4O2=49.38°O2O4=163mm
2BO4*O2O4*cos∠B1O4O2=BO42+O2O42-B1O22
＝﹥B1O2=123.87mm
2BO4*O4O2*COS∠BO4O2=BO42+O4O22-BO22
＝﹥BO2=217.68mm
＝﹥O2A=（O2B-O2B1）/2=46.905mm
AB=O2A+O2B1=170.775mm
四杆长度：
O2A=46.905mmAB=170.775mm
BO4=100mmCD=37.5mmBC=50mm
2、凸轮机构设计
凸轮机构的设计及其运动曲线采用的是软件编程制作，按照选择数据的设计要求推动从从动件8的推、回程运动规律均为正弦运动。
正弦运动既无刚性冲击又无柔性冲击所以我们即按其正弦规律进行设计。
解析法设计凸轮，需要求出凸轮轮廓曲线的解析函数式。
盘形凸轮轮廓曲线是一种平面曲线，通常可用直角坐标来描绘。
按[α]确定凸轮机构的基本尺寸求出理论廓线外凸曲线的最小曲率半径，
ρmin，选取滚子半径rr。
下面按照给定已知条件来设计该凸轮的轮廓曲线。
符号
H
[α]
δ0
δ01
δ0＇
单位
mm
（0）
值
20
30
70
10
70
下面求凸轮的理论轮廓曲线方程:
以凸轮的基圆圆心为直角坐标轴的原点。
Y轴与推杆轨道，平行且指向上方。
因为理论廓线由推程、远休止、回程和近休止四部分组成，所以轮廓的直角坐标
方程也分四段求出。
（1）推程部分：
在此阶段作等加速度上升。
以下为运动位移方程：
s=h[（δ/δ0）-sin（2πδ/δ0）/（2π）]
v=hω[1-cos（2πδ/δ0）]/δ0
a=2πh*sin（2πδ/δ0）/
由题意得h=20δ0=70°
（2）远休止部分：
此期间推杆静止，s=20mm,所以该部分凸轮廓线为一段圆弧其
半径为
，e=0。
凸轮廓线的直角坐标参数方程为:
x=Rsinϕ
y=Rcosϕ
式中ϕ是圆弧上的点和原点之间的连线与Y轴的夹角。
根据理论廓线在图中的
几何关系可得：
（70°≤δ≤80°）
（3）回程部分:
以下为回程运动方程：
s=h[1-（δ/
）+sin（2πδ/
）/（2π）]
v=hω[cos（2πδ/
）-1]/
a=-2πh
sin（2πδ/
）/
（4）近休止部分：
运动到这一阶段，推杆静止，s=0,该部分凸轮的理论轮廓曲线为基圆的一部分圆弧。
所以凸轮廓线的直角坐标参数方程为：
x=r0sinϕ
y=r0cosϕ
式中ϕ是圆弧上的点和原点之间的连线与Y轴的夹角，根据理论廓线在图中
的几何关系，可得：
所以有x=r0sin（δ+ϕ）y=r0cos（δ+ϕ）（150°≤δ≤360°）
3、
（1）凸轮基圆半径（
）的确定：
我们选取凸轮基圆半径r0=60mm，滚子半径公式（0.1~0.15）r0，得出滚子半径9mm，根据方程，利用软件编程，得出下图。
凸轮的形状
四、机构运动分析
决定采用proe5.0对运动连杆机构进行运动学分析，下图为连杆机构运动曲线图。
摇杆4的角速度曲线如下图所示
摇杆4的角加速度曲线如下图所示。
滑块6的位移曲线如下图所示
滑块6的速度曲线如下图所示
滑块6的加速度曲线如下所示
五、原动件原则
由转速n2=90r/min，电机的转速应要尽量小，选用一般用途的电动机。
选择电动机容量Pmax=2.12kw,Pw=Pmax/0.9=2.36kw。
工作机轴转速n2=90r/min。
可以按各级齿轮传动比8~20，所以电动机转速可选范围：
n=i*n2=（8~15）*90=720~1800r/min。
考虑到总体选用同步转速为1000r/min的Y系列异步电动机Y80M1-4，其满载转速n’=1390r/min
六、传动机构的选择
构思一个合理的传动系统，它可将电机的高速转动（1390r/min）变换为执行机构的低速转动。
构思机构传动方案时，能较为合理地分配各部分的传动比。
传动装置的总传动比及其分配:
由电动机的满载转速nm和工作机主动轴转速nw可确定传动装置应有的总传动比为：
i＝nm/nwnw＝90nm=1390i=15.44一级传动比（皮带传动）：
i0=3
由电动机传出的转速为1390r/min，经过皮带轮减速度变为463r/min，再经过齿轮减速最后输出的速度为90r/min。
如下图：
齿轮箱中齿轮的齿数Z1=24；Z2=80；Z3=40；Z4=60；
根据传动比i14=所有从动轮的齿数积/所有主动轮的齿数积
所以，二级传动比（齿轮传动）i14=80x60/24x40=5
所以总的传动比i=3x5=15
nw=nm/i=1390/15=93r/min
且[（93-90）/90]×100%=3.33%在允许转速偏差±5%内，所以基本符合要求。
七、运动循环图
八、设计总结
从课题发下来到上交已经过了这么长时间了,在不断的折磨中我终于把课程设计做完了，这其中经历了很多困难，从最开始的什么都不知道，从哪下手该怎么下手都不知道，到现在慢慢弄懂了些，虽然没有做的很好，但我自己努力了，先设计的是六杆机构各杆件的长度，通过上网找资料，借鉴别人的经验很快的就把杆件的长度给设计出来了，可是当我看到凸轮的时候，有点懵了，学的东西都忘了，然后我又跑回去看书复习，种种速度运动规律终于明白了什么意思，这部分最难的就是凸轮基圆半径的选取，在就是MATLAB编程了，基圆的半径都是开始选取的时候以为有什么公式，结果做到最后还是自己随便选取了一个最合适的值，通过这部分的设计，使得我对凸轮有了一个更加深层次的认识，也使我对MATLAB有了一部分了解，设计完这部分之后就是各种轨迹曲线，速度曲线，加速度曲线的绘制，这部分内容我是通过proe5.0来进行模拟的，通过自己设计的尺寸，在proe5.0中画出实体，然后利用proe5.0中的机构模块进行运动学模拟，通过这部分的设计，特别是proe5.0的利用，我感觉到了自己知识的欠缺，自己的proe5.0水平还需要加强。
在设计的过程中，培养了我综合应用机械原理课程及其他课程的理论知识和应用生产实际知识解决工程实际问题的能力，在设计的过程中还培养出了我们的团队精神，大家共同解决了许多个人无法解决的问题，在这些过程中我们深刻地认识到了自己在知识的理解和接受应用方面的不足，在今后的学习过程中我们会更加努力和团结。
九、参考文献
孙恒陈作模葛文杰，机械原理（第七版）[M].北京：
高等教育出版社，2006年5月
陈志民，AutoCAD2010,机械工业出版社，2010
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