机械原理课程设计压片机设计.docx
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机械原理课程设计压片机设计
机械课程设计
题目干粉压片机设计
学院机电学院
专业机械设计制造及其自动化
班级072122
成员姓名张心心学号20121003734姓名郑章勋学号20121003571
指导老师曾小慧
一、设计题目及目的
干粉压片机
机械设计是一个逐步求精和细化的过程，随着设计过程的发展，产品结构和参数将逐渐清晰和不断完善。
设计方案是多解的，能够满足一定功能和要求的设计方案不是唯一的，所以机械设计过程也是一个创新的过程。
机械设计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。
机械设计是机械产品生产的第一步，是决定机械产品性能的最主要环节，整个过程蕴涵着创新和发明。
为了进一步掌握机械原理课程的理论知识，将课堂所学知识运用于实践，理解和加深机械原理和设计方法，为今后专业课程的学习打一定基础，我们积极参加了这次机械创新设计。
1.1、工作原理及工艺动作过程和原始数据
干粉压片机的功用是将不加粘结剂的干粉料（如陶瓷干粉、药粉）定量送入压形置压制成φ×h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。
该机器可以压制陶瓷圆形片坯、药剂（片）等。
其工艺动作的分解如图1—1
图1—1工艺动作分解
（1）料斗在模具型腔上方直线运动，将干粉料送入直径为26mm、深度为30mm的筒形型腔，然后向左退出45mm。
（2）下冲头下沉4mm，以防上冲头进入型腔时把粉料扑出。
（3）上冲头进入型腔4mm。
（4）上、下冲头同时加压，各移动12mm，将产生压力，要求保压一定时间，保压时约占整个循环时间的1/10。
（5）上冲头退回，下冲头随后以稍慢速度向上运动，顶出压好的片坯。
（6）为避免干涉，待上冲头向上移动90mm后，料筛向右运动推走片坯，接着料斗往复振动，继续下一个运动循环。
1.2、设计要求
1.压片成形机一般至少包括凸轮机构、齿轮机构。
2.画出机器的运动方案简图与运动循环图。
拟定运动循环图时，执行构件的动作起止位置可根据具体情况重叠安排，但必须满足工艺上各个动作的配合，在时间和空间上不能出现干涉。
3.设计凸轮机构，自行确定运动规律，选择基圆半径，校核最大压力角，计算凸轮廓线。
4.设计计算齿轮机构。
5.对连杆机构进行运动设计。
并进行连杆机构的运动分析，绘出运动线图。
如果是采用连杆机构作为下冲压机构，还应进行连杆机构的动态静力分析，计算飞轮转动惯量。
6.编写3000字左右的设计计算说明书。
二、设计题目分析
2.1、总功能分解
该干粉压片机通过一定的机械能把原料（干粉）压制成成品，其功能分解如图2—1
图2—1总功能分解
设计干粉料压片机，其总功能可以分解成以下几个运动：
（1）送料机构：
为间歇直线运动,这一动作可以通过在凸轮上升段完成，运动完成后送入原料。
（2）上冲头：
间歇直线运动，下降冲压干粉料。
（3）下冲头：
间歇直线运动，向上冲压干粉料。
例如下表所示的树状功能图：
图2—2树状功能分解
2.2、运动方案的确定
方案确定示意图如下：
图2—4运动方案
从上表中各种组合方案中剔除明显不合理的，在进行综合评价：
是否满足运动要求；是否满足载要求；运动精度；制造工艺；安全性；是否满足动力源、生产条件等限制。
根据题目要求，功能元减速A而言，带传动结构简单，运转平稳，噪声小，能缓和冲击，有过载保护作用，安装维修要求不高成本底。
齿轮传动工作可靠，效率高，易制造和精确加工。
故可选用带传动或蜗杆传动。
减速B：
齿轮或蜗杆传动能满足定速比传动要求，且精度较高。
应用范围广，承载能力大的优点，故选齿轮或蜗杆传动。
对于上冲头运动C，要实现往复直线移动且能实现间歇要求。
因此选凸轮机构。
送料机构D主要作用是将胚料送到加工位置，且能实现间歇要求，对承载能力要求低，故采用凸轮或齿轮系及不完全齿轮机构。
下冲头运动E虽然需要较高的承载能力，但下冲头中可以加两个挡板来增加其承载能力，且要实现间歇要求，可靠性好，故采用凸轮机构完成下冲头的动作。
综上所述，可初步确定两个方案，如表中粗线、细线所示的方案
方案1：
A1+B3+C1+D4+E2
方案2：
A1+B4+C1+D2+E2
2.3、方案简图
图2—5方案一简图
图2—6方案二简图
2.4、方案评价及选择
该方案1实现了上下冲头的完整的配合，使得机构的完整性，同步性都有很大的改善，首先，带传动使得两个链接不同机构的轴实现了同步，使得各个机构的运动不会出现干涉的现象，同时工作中如遇到过载，带将会在带轮上打滑可防止薄弱零部件损坏起到安全保护作用。
带轮材料一般是铸造价低廉、不需要润滑以及缓冲、吸震、易维护等特点。
方案中使用齿轮传动齿轮传动平稳，传动比精确，工作可靠、效率高、寿命长，使用的功率、速度和尺寸范围大等优点。
凸轮运动能够提供所需要的间歇运动，而且传动特点是结构简单、紧凑、设计方便，可实现从动件任意预期运动，最适用于要求从动件作间歇运动的场合。
因此在机床、纺织机械、轻工机械、印刷机械、机电一体化装配中大量应用。
相比于方案一而言，方案二中的蜗杆传动能得到很大的传动比、结构紧凑、传动平稳、噪音较小及可以自锁等。
但是它的传动效率较低，不宜在大功率下长期连续工作；为了减磨耐磨，蜗轮齿圈需用贵重的青铜制造，成本较高。
送料机构中的移动凸轮与齿轮机构相互比较而言齿轮传动齿轮传动平稳，传动比精确，工作可靠、效率高而移动凸轮的运动是产生很大的摩擦，效率较低，而且，移动凸轮轮廓精度要求较高，需用数控机床进行加工，成本较高。
综上所述，方案一的可靠性较高，成本也比方案二低，所以建议选用方案一来完成机构。
2.5、机构简图
齿轮部分如图2—7
图2—7齿轮部分
凸轮部分如图2—8
图2—8凸轮简图
2.6、运动循环图
从上述工艺过程可以看出，由主动件到执行件有三支机构系统顺序动作，画出运动传递框图如下图2—9
图2—9循环图
从整个机器的角度上看，它是一种时序式组合机构系统，所以要拟订运动循环图。
以该主动件的转角为横坐标（0~360），以机构执行构件的位移为纵坐标画出位移曲线。
运动循环图上的位移曲线主要着眼于运动的起迄位置，而不是其精确的运动规律。
料筛从推出片坯的位置经加料位置加料后退回最左边（起始位置）停歇。
下冲头即下沉4mm（如下图中②）。
下冲头下沉完毕，上冲头可下移到型腔入口处（如图中③），待上冲头到达台面下4mm处时，下冲头开始上升，对粉料两面加压，这时，上、下冲头各移动12mm（如图中④），然后两冲头停歇保压（如图中⑤），保压时间约0.2s，即相当于主动件转36度左右。
以后，上冲头先开始退出，下冲头稍后并稍慢地身上移动到和台面平齐，顶出成形片坯（如图中⑥）。
下冲头停歇待卸片坯时，料筛已推进到形腔上方推卸片坯（如图中⑦）。
然后，下冲头下移24cm的同时，料筛振动使筛中粉料筛入形腔（如图中⑧）而进入下一循环。
2.7、尺度计算
2.7.1减速阶段及料筛间歇运动部分
减速阶段在图中未画出，料筛间歇运动部分如图2—10。
图2-10齿轮部分
根据选定的驱动电机（在图中没画出）的转速n=1440r/min和生产率为24件/分钟，它传动系统的总速比为：
I=1440/24=60
以下压力角和模数均取标准值α=20m=2
第一级皮带减速I=6z01=10z02=60
第二级齿轮系减速I=10z11=17z12=68z12’=18z1=45
以上两级减速机构在图中未画出。
为保证整体机构同步运动，可使z2=z3=z5=17,m2=m3=m4=2。
齿轮6和齿轮7的当量齿数zv6=zv7=24,m6=m7=2。
其上有6个齿。
可计算出与之配合的齿条的行程s=47mm.基本满足要求。
各齿轮参数见表2—1。
表2-1各齿轮参数
2.7.2上冲头凸轮设计
1）运动规律的确定
由于上冲头运动为低速轻载，故采用等速运动规律。
2）求理论廓线方程
初步设计：
凸轮的基圆半径为100mm,滚子半径为10mm，h=80mm。
对心摆动滚子推杆盘形凸轮机构的理论廓线的坐标可表示为
x=（r0+s）*sinδ;y=（r0+s）*cosδ;
推程阶段:
s1=h*δ1/δ0v=h*w/δ0δ1∈[0,π/2];（δ0为升程角）
远休阶段:
s2=hv=0δ2∈[0,84π/180];
回程阶段:
s3=h（1-δ1/δ0’）v=-h*w/δ0’δ3∈[0,5π/6];（δ0’为回程角）
近休阶段:
s4=0v=0δ4∈[0,36π/180];
压力角:
α=arctan|（ds/dδ）/（r0+s）|
3）求工作廓线方程
x’=x-rcosθy’=y-rsinθ
其中:
sinθ=（dx/dδ）/[（dx/dδ）2+（dy/dδ）2]1/2
cosθ=-（dy/dδ）/[（dx/dδ）2+（dy/dδ）2]1/2;
4）凸轮轮廓绘制（matlab设计）
根据凸轮实际轮廓线方程，编制绘制凸轮轮廓曲线的程序见附录一，轮廓形状如
图2—11.
图2—11上冲头凸轮轮廓线图图2—12上冲头凸轮压力角图
5）压力角验算
压力角分析思路：
分别将盘形凸轮圆心角360°等分为360份，每间隔1°取一个点，求出该点对应的压力角，一次连接各点，绘制压力角图。
压力角公式:
α=arctan|（ds/dδ）/（r0+s）|ds/dδ=v/w
由附录一程序得压力角图像如图2—12.
由程序运算结果知，最大压力角为26.99°。
由于摆动推杆压力角需用值为35°到45°，
αmax≤[α],满足设计要求。
位移和速度图线如图2—13、2—14所示。
图2—13位移曲线图图2—14速度曲线图
2.7.3下冲头凸轮设计
1）运动规律的确定
由于下冲头运动为低速轻载，故采用等速运动规律。
2）求理论廓线方程
初步设计：
根据题目要求，下冲头凸轮共有8个阶段。
凸轮的基圆半径为80mm,滚子半径为10mm，两个推程阶段的升程分别为h1=12mm，h2=16mm，两个回程阶段的回程分别为h3=24mm，h4=4mm。
对心摆动滚子推杆盘形凸轮机构的理论廓线的坐标可表示为
x=（r0+s）*sinδ;y=（r0+s）*cosδ;
阶段1:
推程:
s1=h1*δ1/δ01v=h1*w/δ0δ1∈[0,π/4];（δ01为升程角1）
阶段2:
停止：
s2=h1v=0δ2∈[0,π/5];
阶段3:
推程：
s3=h1+h2*（δ1/δ02）v=h2*w/δ01δ3∈[0,π/4];（δ02为升程角2）
阶段4:
停止：
s4=h1+h2v=0δ4∈[0,π/4];
阶段5:
回程:
s1=h1+h2-h3*δ1/δ03v=-h3*w/δ0δ5∈[0,3π/10];（δ03为回程角1）
阶段6:
停止：
s2=h4v=0δ6∈[0,π/4];
阶段7:
回程：
s3=h4（1-δ1/δ04）v=-h4*w/δ0’δ7∈[0,π/4];（δ04为回程角2）
阶段8:
停止：
s4=0v=0δ8∈[0,π/4];
压力角:
α=arctan|（ds/dδ）/（r0+s）|
3）求工作廓线方程
x’=x-rcosθy’=y-rsinθ
其中:
sinθ=（dx/dδ）/[（dx/dδ）2+（dy/dδ）2]1/2
cosθ=-（dy/dδ）/[（dx/dδ）2+（dy/dδ）2]1/2;
4）凸轮轮廓绘制（matlab设计）
根据凸轮实际轮廓线方程，编制绘制凸轮轮廓曲线的程序见附录二，轮廓形状如
图2—15.
5）压力角验
压力角分析思路：
分别将盘形凸轮圆心角360°等分为360份，每间隔1°取一个点，求出该点对应的压力角，一次连接各点，绘制压力角图。
压力角公式:
α=arctan|（ds/dδ）/（r0+s）|ds/dδ=v/w
由附录二程序得压力角图像如图2—16.
由程序运算结果知，最大压力角为12.49°。
由于摆动推杆压力角需用值为35°到45°，
αmax≤[α],满足设计要求。
位移和速度图线如图2—17、2—18所示。
图2-15下冲头凸轮轮廓图图2-16下冲头凸轮压力角图
图2-17位移曲线图图2-18速度曲线图
2.8压片机整体设计图
图2-19整体机构图
三、干粉压片机动作说明
各级传动都为齿轮或，传动精度高，运动可靠；上冲头由曲柄滑块机构带动运动精度高，移动料斗至下冲头的型腔上方等待装料，并将上一循环已成型的工件推出（卸料），并将干粉料斗送入型腔，下冲头下沉一定深度，以防止上冲头向下压制时将粉料扑出然后上冲头继续向下，下冲头向上加压，并在一定时间内保持一定的压力；而后上冲头快速退出下冲头随着将成型的工件推出型腔，这便完成了一个循环周期。
由于要求每分钟制成成品24件。
所以要求C、D、E转速同步，且转速均为24r/min。
四、参考书目
（1）孙桓、陈作模主编《机械原理》高等教育出版社，2000
（2）朱保利、吴晖等编《机械原理课程设计指导书》南昌航空工业学院出版
五、总结
5.1设计的感受
在做机械课程设计的时候，我们通过考虑设计方案，做三维建模，设计分析，写课程设计，在这个过程中，我们学到了很多，也将机械原理的课程应用到了自己的设计上来，这让我们将理论转化为了实践，让我们获益非浅，也希望在进一步的学习中能够学到更多的知识为以后的学习打下基础。
5.2具体分工
郑章勋：
齿轮的设计以及其三维建模，齿轮简图的绘制，方案的评价。
张心心：
凸轮的设计，方案简图的绘制，凸轮程序的编写。
附录一：
上冲头凸轮设计程序
%上冲头凸轮设计
h=100;
w=2*pi/5;
nn=[90,84,150,36];
theta1=nn
（1）*pi/180;
theta2=nn
（2）*pi/180;
theta3=nn（3）*pi/180;
theta4=nn（4）*pi/180;
j0=linspace（0,2*pi,360）;
j1=linspace（0,theta1,nn
（1））;
s1=h*j1/theta1;
j2=linspace（0,theta2,nn
（2））;
s2=h*ones（1,nn
（2））;
j3=linspace（0,theta3,nn（3））;
s3=h-h*（j3）/（theta3）;
j4=linspace（0,theta4,nn（4））;
s4=0*ones（1,nn（4））;
s=[s1,s2,s3,s4];
%位移曲线图
figure
（1）;
plot（j0,s,'r'）;
title（'位移曲线图'）;
v1=h*w/theta1*ones（1,nn
（1））;
v2=0*ones（1,nn
（2））;
v3=-h*w/（theta3）*ones（1,nn（3））;
v4=0*ones（1,nn（4））;
v=[v1,v2,v3,v4];
%速度曲线图
figure
（2）;
plot（j0,v,'r-'）;
title（'速度曲线图'）;
r0=100;
x=（r0+s）.*sin（j0）;
y=（r0+s）.*cos（j0）;
%轮廓图
figure（3）;
plot（x,y）;
title（'凸轮轮廓'）
%压力角计算
a=atan（v./（w*（r0+s）））*180/pi;
%压力角图
figure（4）;
plot（j0,a）;
title（'凸轮压力角'）
附录二：
下冲头凸轮设计程序
%下冲头凸轮设计
r0=80;
h=[12,12,28,28,4,4,0,0];
nh=size（h）;
w=2*pi/5;
nn=[45,36,45,45,54,45,45,45];
fori=1:
nh
theta（i）=nn（i）*pi/180;
end
th
（1）=theta
（1）;
n
（1）=nn
（1）;
j（1:
n
（1））=linspace（0,th
（1）,n
（1））;
s（1:
n
（1））=h
（1）*j（1:
n
（1））/theta
（1）;
v（1:
n
（1））=h
（1）*w/theta
（1）*ones（1,n
（1））;
fori=2:
nh;
n（i）=n（i-1）+nn（i）;
th（i）=th（i-1）+theta（i）;
j（n（i-1）+1:
n（i））=linspace（th（i-1）,th（i）,nn（i））;
s（n（i-1）+1:
n（i））=h（i-1）+（h（i）-h（i-1））*（j（n（i-1）+1:
n（i））-th（i-1））/（theta（i））;
v（n（i-1）+1:
n（i））=（h（i）-h（i-1））*w/theta（i）*ones（1,nn（i））;
end
%位移曲线图
figure
（1）;
plot（j,s,'b'）;
title（'位移曲线图'）;
%速度曲线图
figure
（2）;
plot（j,v,'r-'）;
title（'速度曲线图'）;
x=（r0+s）.*sin（j）;
y=（r0+s）.*cos（j）;
%轮廓图
figure（3）;
plot（x,y）;
title（'凸轮轮廓'）
%压力角计算
a=atan（v./（w*（r0+s）））*180/pi;
%压力角图
figure（4）;
plot（j,a）;
title（'凸轮压力角'）
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