压片成形机课程设计.docx

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压片成形机课程设计

机械原理课程设计

说明书

设计题目：

压片成型机

学院专业

班号

设计者：

指导老师：

年月日

1.设计题目---------------------------------------------------------P1

1.1设计条件----------------------------------------------------P1

1.2原始数据----------------------------------------------------P3

2.设计要求---------------------------------------------------------P3

3.上冲头设计方案评估------------------------------------------P4

4.运动循环图设计------------------------------------------------P5

5.连杆机构尺寸计算---------------------------------------------P6

5.1设计要求----------------------------------------------------P7

5.2设计过程----------------------------------------------------P7

5.3设计校核----------------------------------------------------P8

6.凸轮机构尺寸计算---------------------------------------------P8

6.1基圆半径的确定-------------------------------------------P8

6.2滚子直径的确定-------------------------------------------P9

7.设计心得---------------------------------------------------------P9

附录：

附录1：

机构运动循环图

附录2：

上冲头机构运动简图

附录3：

下冲头凸轮轮廓图

1.设计题目

设计自动压片成型机，将具有一定湿度的粉状原料（如干粉，药粉等）定量送入压形位置，经压制成型后脱离该位置。

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。

统计数据见下表。

方案号

电动机转速/（r/min）

冲头压力/N

机械运转速度不均匀系数/δ

生产率/（片/min）

A

1450

150000

0.10

10

B

970

100000

0.08

15

C

970

100000

0.05

20

1.1设计条件

压片成形机的工艺动作的分解如图1.1～1.4所示。

1）干粉料均匀筛入圆筒形型腔（图1.1）

2）下冲头下沉3mm，预防上冲头进入型腔时粉料扑出（图1.2）

3）上，下冲头同时加压，并保持一段时间（图1.3）

4）上冲头退出，下冲头随后顶出压好的片坯（图1.4）

5）料筛推出片坯（图1.1）

上冲头，下冲头，送料筛的设计要求是：

1）上冲头完成往复直移运动（铅锤上下），下移至终点后有段时间的停歇，起保压作用，保压时间在0.4s左右。

因冲头上升后要留有料筛进入的空间，故冲头行程为90～100mm。

因冲头压力较大，因而加压机构应有增力功能（如图2.1所示）。

2）下冲头先下沉3mm，然后上升8mm，加压后停歇保压，继而上升16mm，将成形片坯顶到与台面平齐后停歇，待料筛将片坯推离冲头后，再下移21mm，到待料位置（如图2.2所示）。

3）料筛在模具型腔上方往复振动筛料，然后向左退回。

待坯料成形并被推出型腔后，料筛在台面上右移约45～50mm，推卸片坯（如图2.3所示）。

上冲头，下冲头与送料筛的动作关系见下表。

动作关系表

上冲头

进

退

送料筛

退

近休

进

远休

下冲头

退

近休

进

远休

1.2原始数据

1）冲头压力150000N

2）生产率20片/min

3）机器运转速度不均匀系数δ0.05

4）点击转速970rad/min

2.设计要求

1）压片成形机一般至少包括连杆机构，凸轮机构，齿轮机构在内的三种机构。

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，校核最大压力角与最小曲率半径，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）编写设计计算说明书。

7）学生可进一步完成机器的计算机演示验证，凸轮的数控加工等。

3.上冲头运动方案评估

上冲头运动方案1评估：

方案1采用的是连杆机构的设计方案。

如图3.1所示，该机构由5个可动构件和机架组成，包含6个转动副和1个移动副，共计7个低副。

故方案1所用机构的自由度F=3*5-2*7=1，其自由度等于原动件个数，故其运动确定。

其中构件1，2，3与机架组成了一个曲柄摇杆机构，最短的AB杆为曲柄原动件。

因此，此机构具有急回特性，下冲头可在极位夹角之间沿垂直导路上下移动，且具有保压时间，能够满足上压头的设计要求。

方案1所设计的连杆机构具有良好的传动性，且制造简单方便，并且满足机构所需要的保压特性，所以该方案最具有可行性，为首选方案。

上冲头运动方案2评估：

方案2采用的是凸轮机构的设计方案。

如图3.2所示，该机构由2个可动构件和机架组成，包含1个高副和2个低副，其自由度F=3*2-2*2-1*1=1，其自由度也等于原动件个数，故其运动也确定。

机构中，由电动机带动凸轮转动，凸轮1为原动件，从动件2在凸轮的带动下沿垂直导路做上下移动，且也具有保压作用，同样能满足上冲头的设计保压要求，不过在下压过程中只依靠从动件自身的重力，下压力不足，且传动性不及方案1好，并且由于从动件的形成较大，故凸轮在设计制造时的尺寸也会很大，故其可行性不及方案1，所以予以否决。

上冲头运动方案3评估：

方案3采用的同样是基于连杆机构的设计方案。

如图3.3所示，该机构由5个可动机构和机架组成，包含6个转动副和1个移动副，共计7个低副。

故方案3所用机构的自由度F=3*5-2*7=1，其自由度也等于原动件个数，故其运动也确定。

该机构中，构件1，2，3与机架组成了一个曲柄摇杆机构，其中最短杆AB为曲柄原动件。

因此该机构也具有急回特性，能满足设计所要求的保压需求。

但是相比于方案1的设计方案，该机构无论是在制造还是材料使用方面都更为复杂，更为消耗制造成本，所以相比于方案1，该方案的同样予以否决。

故，结合以上三种机构的分析评估结果，方案1是最合理的设计方案，予以采用。

4.运动循环图设计

压片成形机是由上，下冲头以及送料筛三个机构组成的，每个机构在一个周期内，即生产单片片坯所需的时间内完成设计所要求的运动。

其总功能可以分解成以下几个工艺动作：

1）送料机构：

为间歇直线运动。

2）筛料：

要求筛子往复振动。

3）上冲头：

为往复直线运动，最好实行快速返回等特性。

4）下冲头：

为间歇直线运动。

5）推出片坯：

下冲头上升推出成形的片坯。

6）送成品：

通过送料机构用筛子将成形片坯推入滑道。

从运动的特性来看，上，下冲头的运动轨迹在同一条竖直移动导路上，并且与送料机构的运动轨迹垂直相交，所以应避免这三个机构各自的运动出现互相干涉的情况，如上，下冲头的运动速度的冲突，送料机构水平移动与上，下冲头竖直移动的运动冲突等，以确保各个机构的运动不发生冲突，从而保证各自设计功能的实现和机器正常的运作。

根据以上运动分析，机器的运动循环图设计大致如下：

1）0°～100°上冲头匀速下降；下冲头在停歇位置上方3mm处静止不动，料筛往复振动，然后向左退回。

2）100°～132°上冲头继续迅速下降；下冲头在102°时开始下沉，在132°时下沉到停歇位置，位移3mm；料筛保持静止不动。

3）132°～152°上冲头继续匀速下降；下冲头在停歇位置处保持静止不动；料筛保持静止不动。

4）152°～176°上冲头继续匀速下降；下冲头上升8mm，并且在172°时处于休止位置，等待保压；料筛保持静止不动。

5）176°～222°上，下冲头开始进行保压，保持静止不动；料筛保持静止不动。

6）222°～256°上冲头匀速回升；下冲头在224°时开始匀速上升，位移为16mm，等待料筛到位将成形片坯挤入滑道；料筛在225°时开始向右前进。

7）256°～290°上冲头继续匀速回升；下冲头保持静止不动；料筛在260°时到位，将片坯挤入滑道，之后向左退回。

8）290°～350°上冲头继续匀速上升；下冲头开始向下退回21mm,至带料位置，等待下一周期开始；料筛继续向左退回。

9）350°～360°上冲头退回至最高处；下冲头在待料位置等待下一周期开始；料筛退回至最左处。

整一周期结束。

（图见附录1.运动循环示意图）

5.连杆机构尺寸计算

连杆机构尺寸设计原理：

上冲头机构是由曲柄摇杆机构和摇杆滑块机构所组成的。

5.1设计要求

1）上冲头的行程应在90～100mm范围内。

2）当摇杆的一个极限位置和铅锤位置之间相差±2°时，滑块的位移小于0.4mm，以确保保压功能的实现。

3）摇杆的摆角应小于60°。

4）曲柄摇杆机构必须具有一定的急回特性，使工作加载阶段的时间较长，归位卸载所消耗的时间较短。

5.2设计过程

1）为了完成保压，在上冲头机构中，要求摇杆的一个极限位置和铅锤位置之间相差±2°时滑块的位移小于0.4mm，据此，可推算出摇杆长度r：

式中：

λ=L/r,为摇杆滑块机构中连杆与摇杆长度之比，一般取1～2。

在本次课程设计中，λ取1.2。

结合上述摇杆计算公式，得出r的取值应小于358.1758。

所以在本次课程设计中设计，取r=200mm，L=1.2*r=240mm。

2）首先确定摇杆滑块机构中，滑块能运动到的最低点位置，该位置为上冲头所能下降到的极限位置，该位置位于滑块处于的的垂直导路上，然后再根据上冲头行程为100mm推出滑块的另一极限位置，该位置为上冲头所能达到的最高位置，由此时滑块所在的极限位置可推算出摇杆的一个极限位置C1，要干的另一极限位置C2位于铅锤位置左偏2°处。

3）在本次课程设计中，我们把上冲头中与曲柄相连的机架安置在过摇杆C0位置的水平右侧方向上。

根据设计所需的保压时间为0.4±0.15s，要计算出在保压时间内曲柄所转过角度的许用范围，根据之前制定的一分钟产量为20片的生产要求，生产单片片坯，即曲柄转过360°所需的时间为3s，每0.1秒曲柄转过的角度就为12°，故保压角的范围在，30°～66°。

故可根据此保压角来确定机架的位置。

先设一点A，将机架安放在点A处，测量出A点机架到摇杆两个极限位置C1，C2的距离，、便可计算出曲柄和连杆的长度，由此可得出当摇杆两次经过C0处时，曲柄转过的角度，该角度即为设计机构的保压角。

本次设计中，将AC0的距离定位300.00mm，所得到的曲柄长度为68.05mm，连杆长度为238.94mm，所得的保压角为46°，符合设计要求。

5.3设计校核

根据设计要求上冲头机构是一个由曲柄摇杆机构和摇杆机构所组成的机构，其中要确保所设计的机构满足曲柄的存在条件，即最长杆件和最短杆件的长度之和小于其余两杆长度之和，在本次设计中为了方便加工对数据进行了元整处理，处理后所得机构的最长杆的长度为机架A与机架D之间的距离AD=361mm，最短杆长度为曲柄长AB=68mm，摇杆CD长200mm，连杆BC长239mm，故最长杆与最短杆长度之和为429mm，其余两杆长度之和为439mm，满足设计要求，所以为曲柄摇杆机构，而所得的保压角为46°，满足设计所要求的保压时间，故该机构可行。

（图见附录2.上冲头机构运动简图）

6.凸轮机构尺寸计算

6.1基圆半径的确定

凸轮基圆半径公式为：

式中α为压力角，e为偏距，s为从动件位移，r。

为基圆半径。

在本次课程设计中，压力角α取45°，ds为16mm，dφ为32°，位移s为16mm，所得的基圆半径应大于等于基圆半径取34mm。

综上所述，可用反转法绘制出凸轮理论轮廓线。

6.2滚子直径的确定

由6.1可绘制出凸轮的理论轮廓线，但是，在理论轮廓线上有很多尖点处，这些检点会对从动件造成冲击，加快磨损，一些情况下，还会造成下冲头机构的运动失真，因此在尖点处要用圆弧连接两个对象，而过度圆弧的最小曲率半径应大于棍子的半径，以避免加剧磨损和运动失真，一般，滚子半径应小于0.8倍的凸轮理论轮廓线最小曲率半径，此时由滚子从动件运动轨迹绘制出的实际轮廓线为一平滑曲线。

如果滚子半径等于理论轮廓线最小曲率半径，则在使用中磨损严重，一般不予采用，若大于最小曲率半径，实际轮廓线相交，加工时交点以上部位被刀具切除，香蕉部分其实不存在，会造成运动失真，无法达到设计要求。

综上所述，在本次课程设计中，凸轮滚子直径取8mm。

在原有理论轮廓线上过凸轮转动中心每隔5°画一个滚子，所有滚子的轨迹画出后便能得到凸轮的实际轮廓线。

（图见附录3.下冲头凸轮轮廓图）

7.设计心得

作为进入大学后的第一次课程设计，本次的机械原理课程设计让我体会很深，有了许多新的了解和认识，了解机械的初步设计过程，和如何实现设计要求的功能等等，并且在同学和老师的帮助下，按时完成了本次课程设计。

在本次的课程设计中，我们把之前只在书本上接触的只是运用到了实际之中，有了更多的认识和感触，增加了对知识的理解，提高了将知识运用到设计之中的能力，这次课程设计也为我们以后的毕业设计打下了一个基础，我相信，经过这次设计，我们毕业设计的时候不再会象现在这么茫然了，也一定能做好它。