自动打印机机构设计知识讲解.docx
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自动打印机机构设计知识讲解
自动打印机机构设计
课
程
设
计
说
明
课程名称：
自动打印机机构设计
学校：
专业：
机械设计制造及其自动化
姓名：
学号：
年级：
任课教师：
日期：
摘要
机械原理课程设计是机械原理课程的一个重要实践性教学环节同时又是机械类专业人才培养计划中的一个相对独立的设计实践，在培养学生的机械综合设计能力及创新意识与能力方面起到十分重要的作用。
通过此次课程设计,可使学生将课本理论知识运用于实践，从而更全面、系统的巩固和加深对机械原理课程的基本原理和方法的掌握。
同时学会确定机构的运动方案,培养学生的机械设计能力,以及开发创新能力。
从几何的观点来研究机构各点的轨迹、位移、速度和加速度的求法,以及按已知条件来设计新的机构的方法。
明确课程设计目的、步骤，根据自己的设计题目对设计内容进行分析，确定输入，输出构件的运动型式。
关键字:
机构运动分析机构结构设计曲柄滑块凸轮轮廓设计
1．课程设计任务书……………………………………………………4
2．原动机的选择………………………………………………………7
3．机构方案分析与优化比较…………………………………………8
3.1送料机构方案…………………………………………………8
3.2夹紧机构方案…………………………………………………10
3.3打印机构方案…………………………………………………12
3.4输出机构方案…………………………………………………16
4.最终选择方案………………………………………………………18
4.1机构的选择……………………………………………………18
4.2传动的选择……………………………………………………19
5.机械系统的运动循环………………………………………………22
5.1运动循环表……………………………………………………22
5.2运动循环图……………………………………………………22
7.传动机构和执行机构的运动尺寸设计……………………………23
7.1送料机构的参数……………………………………………23
7.2夹紧机构的参数……………………………………………23
7.3打印机构的参数……………………………………………23
7.4输出机构的参数……………………………………………24
6.5齿轮机构的参数……………………………………………25
8．设计总结……………………………………………………………26
一、课程设计任务书
题号10
自动打印机设计
1、功能要求及工艺动作分解提示
1）总功能要求
在产品上打印记号。
它的主要动作有三个：
送料到达打印工位夹紧，然后打印记号，最后将产品输出。
2）工作原理及工艺动作分解提示
自动打印机系统的工作原理及工艺动作如图
（1）所示，该系统由电机驱动主轴上的三个执行机构，完成送料、夹紧和打印、输出的任务。
其系统功能如下：
图
（1）
自动打印机系统统
送料、夹紧
打印
输出
执行构件作间隙运动
执行构件作间隙运动
执行构件作间隙运动
直线或曲线运动
停止
直线或曲线运动
直线或曲线运动
停止
停止
2、原始数据和数据要求
1）待打印产品尺寸：
长100～150mm、宽70～100mm、高30～50mm。
；
2）产品重量：
约5～10N；
3）自动打印机的生产率：
80次/min；
4）要求机构的结构简单紧凑、运动灵活可靠、易于制造加工。
3运动方案构思提示
1）实现送料——夹紧功能的机构可以采用凸轮机构或有一定停歇时间的连杆机构。
当送料、夹紧机构的执行构件将产品推至指定位置，执行构件停止不动，维持推紧力（前有挡块挤压），待打印机构执行件打完印记后，被推走。
2）实现打印功能的机构可以采用平面连杆机构或直动（摆动）凸轮机构。
3）实现输出功能的机构可以采用与送料、夹紧机构相类似的机构。
为简化结构，可考虑固定定位挡块，而将输出运动与送料运动的方向互相垂直。
4）自动打印机系统采用一个电机驱动主轴控制三个机构的执行构件完成各自的功能运动，如何将三个执行机构的主动件均固定在主轴上而达到设计要求是需要认真考虑。
自动打印机系统的三个执行机构都是有一台电动机控制，因此实现三个分功能运动的机构必须联动，且其主要动作要协调。
所以首先要构思各个执行机构执行顺序，然后勾画出描述各机构动作协调配合的运动循环图，最后按执行路线连成整机，力求结构简单，紧凑。
4、建议完成的设计工作量
1）本题设计的时间为一周
2）根据功能要求，确定工作原理和绘制系统功能图。
3）按工艺动作要求拟定运动循环图；
4）构思系统运动方案（至少两个以上），进行方案评价，选出较优方案。
5）对传动机构和执行机构进行运动选型及尺寸设计。
6）绘制系统机械运动方案简图。
7）编写设计说明书。
二、原动机的选择
原动机是机械系统中的举动部分，它为系统提供能量获驱动，并将能量转化为系统所需要的运动形式。
如：
转动、往复移动、往复摆动，是机械系统中不可或缺的一部分，而机械系统仿真方案设计中必须根据系统的特点，考虑和合适的原动机。
对于自动打印机来说，选择的电动机的额定功率必须满足负载要求，而且必须保证在启动时可以顺利地运行，所以选择转速960r/min的电动机比较合适，可以保证运行的稳定性。
考虑到现场能源供应情况，它常常工作在有电源的条件下，这样我们就会选择电力驱动，因为它的成本低，操作控制方便，机械好的范围广，另一方面考虑到原动机的机械特性和工作制度与工作机相匹配，根据打印机工作的频繁程度选取相应的工作制度。
在此打印机工作中还需对原动机的启动，过载，运转平稳性，掉速和控制等方面提出要求，需要保证打印机的印头和夹紧机构运转平稳不然会使打印的记号模糊不清。
由于在此机械运动中执行构件要求的效率不是很大，所以经过多方面的考虑我选了960转/min的电动机。
型号为Y2-132S-6。
型号
功率/kw
电流/A
转速/（r/min）
满载
效率/%
功率因数/（cos/）
Y2-132S-6
3
7.4
960
81.0
0.76
堵转电流/实际电流
堵转转矩/额定转矩
最大转矩/额定转矩
6．5
2.1
2.1
三、机构方案分析与优化比较
为了实现自动打印功能，可将功能分解为如下的功能：
送料功能、夹紧功能、打印功能、输出功能。
每个功能提出两个以上的方案，并分析各个方案的功能和工作原理及各优点与缺点并从中选出最油的方案。
3.1送料机构方案1
机构见图如下：
结构和工作原理：
该机构为可调行程的绕线机构，滑块1通过滑槽带动推杆2左右移动。
通过杆4可以调节杆2的推程。
优点：
可根据不同工件的尺寸来调节推杆的行程，使工件准确的送到打印机构正下方，而且行程调节也方便。
此外，承载能力较强，运动速度高，提高了工作效率。
缺点：
结构复杂，加工难度大，使制造误差加大。
传动路线比较长，易产生较大的误差积累，而且可靠性一般
3.1送料机构方案2
机构见图如下：
结构和工作原理：
采用凸轮推杆机构将工件推至指定位置。
当压头向上升起的时候，凸轮在电机的传动下在推程时将推杆和滑块向右送料到压头正下方；在远休角时推杆静止不动，使印头有足够的时间打印；压头上升时，推杆回程，滑块向左运动，避免了滑块与印头产生干涉；当推杆处于近休角时，推杆静止不动，使工件可以有时间顺利落下。
优点：
凸轮机构可以有效的避免刚性冲击，延长构建的工作寿命。
凸轮在其近休止和远休止时有一定的间歇时间，从而保证打印的时候工件处于静止状态；其次在设计使，使其推程运动角大于回程运动角，这样就回产生急回的运动特性，从而达到提高生产效率的作用。
无需采用其他的定位装置，就可获得高的定位精度。
且机构结构紧凑，节约使用空间。
缺点：
此机构不够平稳，打印时不易队中。
而且凸轮的轮廓线比较难设计，制造难度过大又易磨损所以为保证一定的耐磨性就需要高强度的合金，也就增加了成本。
3.1送料机构方案3
机构见图如下：
结构和工作原理：
采用曲柄滑块机构，当压头向上升起的时候，曲柄在电机的带动下通过连杆将滑块向右送料到压头正下方；压头下降的时候，曲柄滑块机构的滑块向左运动，避免了滑块与压头产生干涉。
优点：
此连杆机构具有急回运动，从而提高了生产效率。
其运动副是低副为面接触，压力较小，承载能力较大，润滑好，磨损小，加工制造容易，且连杆机构中的低副一般是几何封闭，对保证工作的可靠有利。
凸轮的使用容易实现预期的运动规律。
机构简单，定位准确，便于制造，节约成本。
缺点：
不能实现间歇运动，传动力度不够大，机构不够灵活。
而且连杆机构的运动必须经过中间构件进行传递，因而传动路线较长，易产生较大的误差积累，同时也使效率降低。
3.2夹紧机构方案1
机构见图如下：
结构和工作原理：
此夹紧机构是通过在旋转台上加挡板来固定工件，挡板按工件的尺寸大小来设计。
由槽轮机构来带动旋转台，当旋转台高速运转时，产品不被甩出。
优点：
利用槽轮机构的间歇运动来驱动旋转台，使旋转台可以准确的定位接收送料机构推来的工件。
旋转台上设有四个挡板，当一个挡板装一个工件进行打印时，槽轮旋转90度可以继续接收第二个工件，提高了工作效率。
而且机构简单，加工难度也相对较小。
缺点：
利用旋转台加大了机构的重量，而且利用槽轮机构来驱动对装配、调整要求严格。
3.2夹紧机构方案2
机构见图如下：
结构和工作原理：
当凸轮在推程时，将推杆往下压，迫使杆3和杆4张开；在远休角时有间歇运动，工件静止，使压头有时间进行打印。
当回程的时候，弹簧将推杆2往上弹，使杆3和杆4收缩加紧工件。
当其在近休角的时，由于间歇运动，课使下一个工件有足够时间到达压头下方。
优点：
结构较为紧凑，承载能力较强，而且可以实现间歇运动。
缺点：
结构相对加紧机构方案1较为复杂，可靠性和耐磨性较差，而且加工难度加大，使制造的误差也增大。
3.3打印机构方案1
机构见图如下：
结构和工作原理：
采用曲柄滑杆机构将印头打在工件上，实现打印功能。
优点：
连杆机构为低副。
其运动副元素为面接触，压力较小，承载能力较大，润滑好，磨损小，加工制造容易，且连杆机构中的低副一般是几何封闭，对保证工作的可靠有利。
凸轮的使用容易实现预期的运动规律。
机构简单，定位准确，便于制造，节约成本。
缺点：
不能实现间歇运动，传动力度不够大，机构不够灵活。
在连杆机构运动中，连杆所产生的惯性力难以用一般方法消除，因而此机构不宜用于高速运动。
配合要求相对较高，并且各杆的长度及摆放位置比较难确定。
而且各杆尺寸要求高，所以很难实现生产。
3.3打印机构方案2
机构见图如下：
结构和工作原理：
此机构由凸轮，推杆和弹簧组成。
当凸轮在远休止时，将弹簧压缩来实现打印。
当凸轮回程时，弹簧将推杆弹上去，在进休角时等待送料过来，然后继续进行打印下一个工件。
优点：
有一定得间歇运动，结构简单紧凑，占的空间比较少。
而且承载能力强，传动速率大而平稳。
缺点：
凸轮设计难度较大，配合要求高，并且对送料装置的摆放与类型的选择造成一定的麻烦，很难实现批量的生产。
3.3打印机构方案3
机构见图如下：
结构和工作原理：
凸轮1转动，通过滑块3来带动杆2摆动，从而使杆4和印头上下运动以达到冲压的目的。
优点：
具有急回运动，可提高生产效率。
缺点：
运动的不够平稳，而且凸轮结构设计较为复杂，制造难度过大，又容易磨损，质量也大。
。
3.3打印机构方案4
机构见图如下
结构和工作原理：
此机构为复合机构，在凸轮5上开有凹槽，摆杆4上的滚子6嵌在奥凹槽中，当杆1转动，在杆2和杆3的带动下摆杆4上下摆动，最后使8实现冲压运动。
优点：
连杆机构为低副，其运动副元素为面接触，压力较小，承载能力较大，润滑好，磨损小，加工制造容易，且连杆机构中的低副一般是几何封闭，对保证工作的可靠有利。
而结合凸轮的使用容易实现预期的运动规律。
缺点：
此机构结构较为复杂，而且运动必须经过中间构件进行传递，故传动路线较长，易产生较大的误差积累，同时也使工作效率降低。
此外连杆须较高的运动精度以及凸轮的轮廓需要严格制作才会达到预期要求。
而且改机构所需的空间较大，造成经济上的浪费。
3.4输出机构方案1
机构见图如下：
结构和工作原理：
当凸轮在回程时，推杆回收，将工件推出工作台。
在推程时，其恢复到上图位置并且在远休角时有间歇运动，使下一个工件有时间到达推杆下方。
优点：
只要适当设计出凸轮轮廓曲线以及推杆尺寸及位置，就可使从动盘获得所预期运动规律。
其动载荷小，无刚性和柔性冲击。
无需采用其他的定位装置，就可获得高的定位精度。
且机构结构紧凑，节约使用空间。
缺点：
该机构稳定性较差，调整也不方便，而且运转速度和传动速度较低。
3.4输出机构方案2
机构见图如下：
结构和工作原理：
此机构由齿轮和齿条组成，齿条往右运动而带动杆件往右运动并推走工件。
优点：
机构简单，占的空间小。
缺点：
运动速度较低，使得生产效率降低。
四、最终选择方案
4.1机构选择
选用理由：
1）齿轮传动机构较为稳定，传动比稳定。
2）送料处用偏置曲柄滑块机构有急回特性，且能保证送料行程的距离。
3）夹紧机构直接用旋转台上的夹板，而且用槽轮间隙机构来控制旋转台，其间歇运动可实现我们预期的目的。
（槽轮间歇机构如下图）
4）打印处印章升程较小，根据杠杆原理采用凸轮机构连接杆组较为合适。
5）用凸轮机构连接推杆，实现输出物料，节省空间，简化机构。
6）整个机构简单成本较低且易于装配。
附图：
槽轮间歇机构
4.2传动的选择
机械传动机构，可以将动力所提供的运动的方式、方向或速度加以改变等作用的中间装置。
传动机构常见的有齿轮传动机构，摩擦传动机构，带传动机构、链传动机构等，他们的特点如下：
（1）齿轮传动：
齿轮传动机构是在各种机构中应用最为广泛的一种传动机构。
它依靠轮齿齿廓直接接触来传递空间任意两轴建的运动和动力，并具有传递功率范围大、传动效率高、传动比准确、使用寿命长、工作可靠等优点；但也存在对制造和安装精度要求高以及成本较高登缺点。
（2）带传动：
这种传动机构是靠带拥护带轮之间的摩擦力来传动的，它的主要优点是可以缓和载荷冲击、运行平稳无噪声、制造和安装精度不像啮合传动那样严格，过载时引起打滑，防止其他零件损坏、增加带长以适应中心距较大的工作条件。
缺点是有弹性滑动和打滑，失使效率降低和不能保持准确的传动比，传递同样大的圆周力时，轮廓尺寸和轴上压力都比啮合传动大，带的寿命较短。
（3）摩擦传动：
摩擦传动的主要功能是通过两构件之间的摩擦来传递运动和动力。
其主要优点：
摩擦轮轮面没有轮齿，制造简单，而且工作时不会发生类似齿轮节距误差所引起的周期性冲击，因而运动平稳，噪声小，过载时发生打滑，故能防止机器中重要零件的损坏，而且能无级地改变传动比等。
主要缺点：
效率较低，当传递同样大的功率时，轮廓尺寸和作用在轴与轴承上的载荷都比齿轮传动大，不能传递很大的功率，同时必须采用压紧装置做辅助且不能保持准确的传动比，干摩擦时磨损大、寿命短等。
（4）链传动：
链传动是通过链条将具有特殊齿形的主动链轮的运动和动力传递到具有特殊齿形的从动链轮的一种传动方式。
其优点:
和齿轮传动比较,它可以在两轴中心相距较远的情况下传递运动和动力;能在低速、重载和高温条件下及灰土飞扬的不良环境中工作;和带传动比较,它能保证准确的平均传动比,传递功率较大,且作用在轴和轴承上的力较小;传递效率较高,一般可达0.95～0.97。
缺点：
仅能用于两平行轴间的传动；成本高，易磨损，易伸长，传动平稳性差；链条的铰链磨损后,使得节距变大造成脱落现象;安装和维修要求较高，工作时有噪声；存在冲击、振动；链轮材料一般是结构钢等.
选择原因：
（1）此机构为打印机，需要进行空间传递离，而且打印机作为办公室工具需要噪声小，所以不宜使用链传动。
（2）摩檫传动精确度低，且传递不稳定，故不用此传动.
（3）送料——夹紧——打印——输出，各原动件存在一定的距离，用齿轮带传动，可以保证传递运动的精确性，而且可以满足各原动件之间的定位要求。
（4）选择齿轮作为减速元件，理由是传动准确，平衡，稳定，机械效率高。
（5）因为电机转速是960r/min，生产率是80个/min，所以传动比是12：
1。
五、机械系统的运动循环
5.1运动循环表
送料
向右
退回
夹紧
定位
旋转
打印
向下停
向上停
输出
停推出
停
5.2运动循环图
在同一时间段，工作旋转台与打印机构的同步化循环图如下图所示（工作转台与间歇机构的从动盘同轴转动）
打印机构打印一次，凸轮转动一周，槽轮间歇机构要转四分之一周。
六、传动机构和执行机构的运动尺寸设计
6.1送料机构：
曲柄滑块
尺寸确定：
在本机构中设置滑块长为180mm，行程速比系数定位K=2，最小传动角为20°，滑块的冲程H为275mm，偏距e=50mm。
解：
极位夹角θ=180°﹙K－1﹚／﹙K＋1﹚=60°
cosγ=（L1+e）/L2
cosθ=[（L1+L2）²+（L2-L1）²-H²]／[2（L1+L2）（L2-L1）]
解得：
L1=120mmL2=180mm
6.2夹紧机构的参数
旋转台直径400mm挡板长150mm，宽100mm，高20。
旋转台上有四个夹紧机构，每个机构间隔90°。
旋转台上的拔轮由槽轮来控制，拔轮与槽轮的中心距L为200mm，槽轮的槽数为Z=4。
R=L*sin（π/Z）=140mmS=L*cos（π/Z）=140mm。
6.3打印机构的参数
凸轮推程角120°，回程角为140°，近休角为60°，远休角为40°，基圆半径为50mm，偏距为10mm，滚子半径5mm；印头与工件距离50mm，推杆长150mm；弹簧原长60mm，压缩后长10mm。
通过凸轮轮廓设计软件绘出凸轮轮廓如下图：
6.4输出机构的参数
凸轮推程角为150°，回程角为120°，近休角为30°，远休角为60°，偏距为0mm；推杆推程为150mm，推杆上的推块与工件宽10mm，离工件高10mm。
6.5齿轮机构的参数
齿轮的传递比，从电机出来后经过一组2：
7的齿轮减速使转速达到400转每分钟，在经过一组1:
5的齿轮减速使转速达到80转每分钟，达到设计所需要的要求。
七、设计总结
这是大学里第一次做课程设计，没有什么设计经验，但是经过几天的努力，我的机械原理课程设计已经基本完成。
经过此次课程设计，我知道了自己的许多不足。
通过此次课程设计使我更加理解课本上的知识，并将理论知识运用于实践中，从而对我的知识有了更深一步加深与拓展。
虽然在做的过程中，遇到了很多困难，比如机构的尺寸、定位都需要确定，但进过不断的摸索，最后都把问题给解决了。
此次设计我使用的机构类型比较多，这促使我对机械原理的理论知识有了新的理解，槽轮中槽数的选择和拨盘圆销的选择、凸轮的轮廓设计和运动性能分析及其优化、齿轮的模数齿数的选择和变位系数的计算、曲柄滑块中急回特性的应用和杆长的设计，这每一点都要用理论来指导，例如，我以前从来真正不明白为什么变位齿轮的重要性，中心矩不是设计好的吗？
为什么还要凑呢？
只有自己亲手设计东西才知道这其中的缘由，所以也真正认识到学好机械原理的重要性。
我相信这样的实践给我们留下了深刻的印象，理论是一成不变但是当他与实践相结合时，才能显现出它的真正的含义，也许在我的人生路途中有更多像这样的设计。
我相信我会慢慢担对属于自己的专业知识的运用会更加炉火纯青，感谢这次课程设计成了我检验知识的机会。
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