机械原理课程设计书本打包机设计资料.docx
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机械原理课程设计书本打包机设计资料
课程设计说明书
课程名称：
机械原理课程设计
设计题目：
书本打包机设计
专业：
船机修造班级：
2班
学生姓名:
丁帅学号:
学生姓名:
郭哲睿学号:
指导教师:
毕艳丽
书本打包机设计
一、工作原理及工艺动作过程
书本打包机的用途是要把一摞书（如五本一包）用牛皮纸包成一包，并在两端贴好封签（图1）。
包、封的工艺顺序如图2所示,各工位的布置（俯视）如图3所示。
其工艺过程如下所述（各工序标号与图2、3中标号一致）。
1.横向送书（送一摞书）。
2.纵向推书前进（推一摞书）到工位a，使它与工位b～g上的六摞书贴紧。
3.书推到工位a前，包装纸已先送到位。
包装纸原为整卷筒纸，由上向下送够长度后进行裁切。
图1书本打包机的功用
图2包、封工艺顺序图
图3打包过程各工位布置
④继续推书前进一摞书的位置到工位b，由于在工位b的书摞上下方设置有挡板，以挡住书摞上下方的包装纸，所以书摞推到b时实现包三面，这个工序中推书机构共推动a～g的七摞书。
⑤推书机构回程时，折纸机构动作，先折侧边（将纸卷包成筒状），再折两端上、下边。
⑥继续折前角。
⑦上步动作完成后，推书机构已进到下一循环的工序④，此时将工位b上的书推到工位c。
在此过程中，利用工位c两端设置的挡板实现折后角。
⑧推书机构又一次循环到工序④时，将工位c的书摞推至工位d，此位置是两端涂浆糊的位置。
⑨涂浆糊。
⑩在工位e贴封签。
在工位f、g用电热器把浆糊烘干。
在工位h时，用人工将包封好的书摞取下。
因此书本打包机中的主要机构包括：
纵向推书机构、送纸机构及裁纸机构。
二、原始数据及设计要求
图4表示由总体设计规定的各部分的相对位置及有关尺寸。
其中轴o为机器主轴的位置。
图4 机构布置图
（1）机构的尺寸范围及其它数据
机器中机构的最大允许长度A和高度B：
A≈2000mm，B≈1600mm。
工作台面高度：
距地面y≈700mm；距主轴y0≈400mm。
主轴水平位置：
x≈100～1100mm。
为了保证工作安全、台面整洁,推书机构最好放在台面以下。
（2）工艺要求的数据
书摞尺寸：
a＝130～140mm；b＝180～220mm。
推书起始位置：
X0＝200mm。
推书行程：
H＝400mm。
推书次数（主轴转速）：
n＝10±0.1r/min。
主轴转速不均匀系数：
δ≤0.25。
（3）纵向推书运动要求
整个机器的运动循环以主轴回转一周为一个周期。
因此，可以用主轴的转角表示推书机构从动件的运动时间。
推书动作占1/3周期，相当于主轴转120º；快速退回动作时间小于1/3周期，相当于主轴转角小于100º；停止不动时间大于1/3周期，相当于主轴转角大于140º。
纵向推书机构从动件的工艺动作与主轴转角的关系见下表：
主轴转角
纵向推书机构从动件（推头）的工艺动作
0º～（80º）
（80º）～120º
120º～220º
220º～360º
推单摞书
推七摞书（同时完成折后角的动作）
从动件退回
从动件静止不动
（4）其它机构的运动关系见下表所示。
工艺动作
主轴转角
横向送书
折侧边,折两端上下边
折前角、涂浆糊、贴封签、烘干
150º→340º
180º→340º
180º→340º
送纸
裁纸
200º→360º→70º
70º→80º
（5）各工作阻力的数据
1）每摞书的质量为4.6kg；
2）横向送书机构的阻力可假设为常数，相当于主轴上有阻力矩：
Mc4=4000Nm。
3）送纸、裁纸机构的阻力也认为是常数，相当于主轴上有阻力矩：
Mc5=6Nm。
4）折后角机构的阻力，相当于四摞书的摩擦阻力。
5）折边、折前角机构的阻力总和，相当于主轴上受到阻力矩
，其大小可用机器在纵向推书行程中（即主轴转角0º～120º范围中）主轴所受纵向推书阻力矩的平均值
表示为：
可由下式算出：
式中
为推程中各分点上主轴所受的阻力矩：
为推程中的分点数。
6）涂浆糊、贴封签和烘干机构的阻力总和，相当于主轴上受到阻力矩
，其大小可用
表示为：
三、设计任务
（1）根据工艺动作要求拟定运动循环图并绘制在图纸上；
（2）进行纵向推书机构、送纸机构及裁纸机构的选型；
（3）机械运动方案的评定和选择；
（4）根据选定的原动机和执行机构的运动参数拟定机械传动方案，分配传动比，并在图纸上画出传动方案图；
（5）对机械传动系统和执行机构进行运动尺寸计算；
（6）在图纸上画出机械运动方案简图；
（7）进行飞轮设计；
（8）编写设计计算说明书。
横向送书机构：
方案一:
工作原理：
通过主动件凸轮的转动将速度通过齿条2→齿条2带动齿轮1,2转动，并且由齿轮1,2控制不同的传动比→齿轮1带动齿条1和其上推头横向运动完成横向送书动作。
方案二:
工作原理：
轮1为主动件，带动传送带顺时针转动，书本放在传送带上，利用摩擦力将书本送到工作台上。
方案比较：
方案一的机构复杂，采用的构件较多，加工成本高，但精度高，课程设计以简单加工成本低，精度高为优先考虑。
然而，凸轮和从动件之间为高副接触，压强较大，易于磨损。
比较方案的机构简单，容易制造，维护方便，成本低廉；过载时，带在轮面上打滑，可以防止损坏其他零件，起安全保护作用；能起缓冲和吸振作用，可使传动平稳，噪声小。
但是因为带传动受摩擦力和带的弹性变形的影响，所以不能保证准确的传动比,效率较低。
经过比较，选第一种方案为最佳方案。
纵向送书机构：
方案一:
工作原理：
凸轮为主动件，凸轮的转动使连杆摆动，从而带动滑块推头做往复运动，从而完成纵向推书动作。
方案二:
方案比较：
方案二的连杆滑块机构也可以实现横向推书的功能，但是通过对比方案一的凸轮齿条机构结构简单，易于实现复杂的运动要求比较容易设计各种传动比的要求，而且结构紧凑。
连杆滑块机构制造容易，但设计较为困难，连杆机构随着构件和运动副数目的增加，积累误差较大，传动精度不高。
经方案比较：
选取方案一为最佳方案。
送纸机构：
方案一:
工作原理：
用皮带轮控制另一个主动轮，按额定的转速转动，通过不完全齿轮控制摩擦轮的运动，当需要送纸的时候使不完全齿轮与完全齿轮相啮合，实线送纸，不需要时使不完全齿轮的圆滑面与齿轮相切，实现传纸的间歇。
方案二:
工作原理：
凸轮为原动件，通过凸轮转动而使与滚纸筒相邻的滚子与滚纸筒接触或者相离，当接触时，由于摩擦较大，滚子转动，带动纸张下滑，当相离时，由于无摩擦，纸张停止下滑。
方案比较：
方案一机构简单，空间构件灵活，稳定性好，设计简单，精度有保证。
但其不完全齿轮加工复杂，成本高，工作时会产生冲击，载荷不大，对机构整体的稳定性影响不大。
方案二机构也相对简单，但控制起来精度不高，误差大，工作时会产生冲击，对机构的载荷比较大，对机构整体的稳定性影响较大。
经过方案比较，拟选取方案一为最佳方案。
裁纸机构：
方案一:
工作原理：
凸轮为原动件，凸轮推动推杆先前运动，上下两边的压块先压紧牛皮纸，刀具再向前将纸裁断。
方案二:
工作原理：
通过主轴的运动将速度V传递到凸轮上，使其转动，将力与速度通过连杆传递给剪刀，通过剪刀截断合适尺寸的纸，最后达到裁纸的工作过程。
方案比较:
方案一的机构直观，简单地实现裁纸工作，使用凸轮的推动运动来控制压紧与切纸，裁纸稳定，结构紧凑，所占用的空间小。
装配略困难。
方案二的机构复杂，构件多，所积累的误差较大，同样是使用凸轮的运动来控制压紧与切纸，但所占用空间大，装配较困难。
经过方案比较：
选择方案一为最佳方案。
折边机构：
方案一:
工作原理：
主要执行机构为凸轮、连杆和摆杆机构，通过凸轮的回转运动，带动连杆摆动，进而实现假肢杆件的间隙闭合开启运动，实现折上下边的功能。
方案二：
方案比较：
方案二也可以实现折上下边，但是该机构只能折一边（上边或下边），因此要实现同时折好两边，需要两个对称的机构，而且曲柄连续回转难以控制好折边时间，因而精确度不如方案一机构高，同时运动幅度也比较大，占空间大。
经比较：
选取方案一为最佳方案。
折前角机构：
方案一:
工作原理：
主要执行机构为一个随轴回转的半球形转子，该机构随轴转动，上下边折好后，半球形转子刚好转过来实现折前角的功能。
后角利用固定挡板折好。
方案二：
工作原理：
主要执行机构为一个随轴转动的矩形框和齿轮机构，该机构为由齿轮带动的，做圆周运动的机构。
初始状态下，两滚轮所在平面平行于书运动方向，以便书两边所带的纸能够顺利通过。
当侧边与两端上下边折起来之后，齿轮带动其绕竖直轴作半周圆周运动，使竖直滚轮掠过前角边，将其折起。
方案比较:
方案一与方案二工作原理相似，但由于方案一为半球形转子，力度更大，因此精度就越高，效率也就越高。
经比较，选取方案一为最佳方案。
涂浆糊贴标签烘干机构：
方案一:
工作原理：
通过凸轮的转动带动与凸轮连接的轮轴，并使其上面的水平板块做水平往复运动，在推书机构把第二摞书推到涂浆糊处，第一摞书恰好到达贴标签处。
直至最后完成烘干。
方案二：
工作原理：
凸轮的转动带动滑块的左右移动，从而实现涂浆糊、贴标签、烘干功能。
方案比较：
方案一虽然多了一个摇杆，传动稳定，但机构较多，运动复杂，容易积累误差。
而方案二相对来说机构简单明了，搭建也方便。
经比较，选取方案二为最佳方案。
机构总方案汇总
横向送书机构纵向送书机构送纸机构
裁纸机构折边机构
折前脚机构涂浆糊贴标签烘干机构
机构总运动循环图
电动机到主轴间的减速机构计算
减速机构的示意图如下：
由选定的数据：
电动机转速n1=1000r/min，主轴转速n4=10r/min可通过计算得到各个齿轮的齿数，传动比为10。
计算过程：
i14=z2*z3*z4÷z1*z2’*z3’=100
可取：
z1=24z2=75z3=60z4=160
z2’=15z3’=20
模数m=2压力角α=20°
横向推书机构中凸轮机构的设计：
（matlab程序在附录）
由上面要求设定凸轮推程运动角为120°。
为了防止推书过程中书本出现洒落要求推书过程中加速度从零开始，根据要求凸轮的加速度按正弦规律变化。
回程过程中加速度没有要求，我们仍旧按正弦加速度规律设计凸轮。
凸轮的行程有齿轮1可知，h=200mm，设计凸轮从动件是直动型的，采用压力角为30°，基圆半径110mm。
基圆最小半径表达式：
Rmin=
将推程位移曲线中ds/dφ最大斜率带入得：
Rmin=83.3mm
选取基圆半径110mm>83.3mm
凸轮从动件位移表达式：
S=
·φ-
sin3φ（0<φ<2π/3）
S=h-
·（φ-
）+
sin3（φ-
）（2π/3<φ<4π/3）
S=0;（4π/3<φ<2π）
位移曲线
凸轮从动件速度表达式：
V=
·ω-
·ωcos3φ（0<φ<2π/3）
V=-（
·ω-
·ωcos3（φ-
）（2π/3<φ<4π/3）
V=0（4π/3<φ<2π）
速度曲线
凸轮从动件加速度表达式：
a=
sin3φ（0<φ<2π/3）
a=
sin3（φ-
）（2π/3<φ<4π/3）
a=0（4π/3<φ<2π）
加速度曲线
凸轮理论轮廓曲线
用解析法对牛头刨床六杆机构运动分析
（C语言版，程序在附录）
牛头刨床机构简图
牛头刨床三维立体图
1.位置分析：
2.速度分析：
将上式对时间求一阶导得：
将上式写成矩阵式得：
3.加速度分析：
将速度分析式对时间再次求一阶导得：
将上式写成矩阵式可得：
（L1=0.125m;L3=0.6m;L4=0.15m;L6=0.275m;L6`=0.575m;w1=1rad/s;）
最后利用C语言（高斯消元法）对矩阵式进行求解，可得从动件位移，速度，加速度数据，最后利用matlab将数据连成曲线，最终得出如图所示曲线（单位皆为国际单位制）
图解法验证：
当原动件角度为0°时：
利用CAD标注选项得出位移S=10.11mm×10=0.1011m;
与原图相符。
速度验证：
因为Vb3=Vb2+Vb3b2;
大小？
w1*l1?
方向⊥BC⊥AB∥BC
可求得Vb3=0.052m/s;
Vd=Vb3/S3*L3=0.103m/s
Ve=Vd+Ved
大小？
w3*l3?
方向∥EF⊥CD⊥DE
可求得Ve=-0.085m/s
与原图相符。
加速度验证：
ab3n+ab3t=ab2+ab3b2K+ab3b2r
大小V2b3/S3?
V2b2/L12*w3*Vb3b2?
方向B→C⊥CD⊥AB⊥BC∥BC
可求得ab3；
在通过影像原理可求得ad的大小和方向。
ae=ad+aedn+aedt
大小？
√V2ed/l4?
方向∥EF√D→E⊥DE
可求得ae=-0.18m/s2;
与原图相符；
当原动件角度为200°（360°-160°）的时：
利用CAD标注选项得出位移S=-41.55mm×10=-4.155m;
与原图相符。
速度验证：
因为Vb3=Vb2+Vb3_b2;
大小？
w1*l1?
方向⊥BC⊥AB∥BC
可求得Vb3；
Vd=Vb3/s3*L3；
Ve=Vd+Ve_d
大小？
w3*l3?
方向∥EF⊥CD⊥DE
可求得Ve=-0.13m/s
与原图相符。
加速度验证：
ab3n+ab3t=ab2+ab3b2K+ab3b2r
大小V2b3/S3?
V2b2/L12*w3*Vb3b2?
方向B→C⊥CD⊥AB⊥BC∥BC
可求得ab3；
在通过影像原理可求得ad的大小和方向。
ae=ad+aedn+aedt
大小？
√V2ed/l4?
方向∥EF√D→E⊥DE
可求得ae=0.09m/s2;
与原图相符；
课程设计心得体会
为期一周的机械原理课程设计结束了，在这次实践的过程中我学到了一些除书本知识以外的其他东西,领略到了别人在处理专业技能问题时显示出的优秀品质,更深切的体会到人与人之间的那种相互协调合作的机制,最重要的还是自己对一些问题的看法产生了良性的变化.
当我在设计当中遇到问题时,必须要有斟酌的态度才会收到效果。
我记得有位老师说过,有些事情的产生是有原因的,别人能在诸如学习上取得了不一般的成绩,那绝对不是侥幸或者巧合,那是自己付出劳动的成果的彰显,那是自己辛苦过程的体现.这一句话至今为止我都牢牢的记在心里。
这次课程设计使我明白了自己原来知识还比较欠缺。
自己要学习的东西还太多，以前老是觉得自己什么东西都会，什么东西都懂，有点眼高手低。
通过这次课程设计，我才明白学习是一个长期积累的过程，在以后的工作、生活中都应该不断的学习，努力提高自己知识和综合素质。
在这次课程设计中也使我们的同学关系更进一步了，同学之间互相帮助，有什么不懂的大家在一起商量，听听不同的看法对我们更好的理解知识，所以在这里非常感谢帮助我的同学。
我的心得也就这么多了，总之，不管学会的还是学不会的的确觉得困难比较多，真是万事开头难，不知道如何入手。
最后终于做完了有种如释重负的感觉。
此外，还得出一个结论：
知识必须通过应用才能实现其价值！
有些东西以为学会了，但真正到用的时候才发现是两回事，所以我认为只有到真正会用的时候才是真的学会了。
附录：
牛头刨床C语言程序
#include
#include
#include
#include
#include
#definePI3.1415926
usingnamespacestd;
constdoubleeps=1e-15;
constintMax_M=15;
constintMax_N=15;
doubleAug[Max_M][Max_N+1];///增广矩阵
boolfree_x[Max_N];///判断是否是不确定的变元
doublex[Max_N];
doublex2[Max_N];//解集
doublel1,l3,l4,P,G,H,S;
doublea1,a3,a4,w1;
intm,n;//m个方程,n个未知数
doubles1,w3,w4,ve;
intsign（doublex）{return（x>eps）-（x<-eps）;}
/**
返回值:
-1无解
0有且仅有一个解
>=1有多个解,根据free_x判断哪些是不确定的解
*/
voidfun（）//增广矩阵
{
Aug[0][0]=cos（a3）;Aug[0][1]=-P*sin（a3）;Aug[0][2]=0;Aug[0][3]=0;Aug[0][4]=-l1*sin（a1）*w1;
Aug[1][0]=sin（a3）;Aug[1][1]=P*cos（a3）;Aug[1][2]=0;Aug[1][3]=0;Aug[1][4]=l1*cos（a1）*w1;
Aug[2][0]=0;Aug[2][1]=-l3*sin（a3）;Aug[2][2]=-l4*sin（a4）;Aug[2][3]=-1;Aug[2][4]=0;
Aug[3][0]=0;Aug[3][1]=l3*cos（a3）;Aug[3][2]=l4*cos（a4）;Aug[3][3]=0;Aug[3][4]=0;
}
intGauss（）//高斯消元法
{
inti,j;
introw,col,max_r;
memset（free_x,true,sizeof（free_x））;
for（row=0,col=0;row{
max_r=row;
for（i=row+1;i{
if（sign（fabs（Aug[i][col]）-fabs（Aug[max_r][col]））>0）
max_r=i;
}
if（max_r!
=row）///将该行与当前行交换
{
for（j=row;jswap（Aug[max_r][j],Aug[row][j]）;
}
if（sign（Aug[row][col]）==0）///当前列row行以下全为0（包括row行）
{
row--;
continue;
}
for（i=row+1;i{
if（sign（Aug[i][col]）==0）
continue;
doubleta=Aug[i][col]/Aug[row][col];
for（j=col;jAug[i][j]-=Aug[row][j]*ta;
}
}
for（i=row;i{
if（sign（Aug[i][col]））
return-1;
}
if（row{
for（i=row-1;i>=0;i--）
{
intfree_num=0;///自由变元的个数
intfree_index;///自由变元的序号
for（j=0;j{
if（sign（Aug[i][j]）!
=0&&free_x[j]）
free_num++,free_index=j;
}
if（free_num>1）continue;///该行中的不确定的变元的个数超过1个,无法求解,它们仍然为不确定的变元
///只有一个不确定的变元free_index,可以求解出该变元,且该变元是确定的
doubletmp=Aug[i][n];
for（j=0;j{
if（sign（Aug[i][j]）!
=0&&j!
=free_index）
tmp-=Aug[i][j]*x[j];
}
x[free_index]=tmp/Aug[i][free_index];
free_x[free_index]=false;
}
returnn-row;
}
///有且仅有一个解,严格的上三角矩阵（n==m）
for（i=n-1;i>=0;i--）
{
doubletmp=Aug[i][n];
for（j=i+1;jif（sign（Aug[i][j]）!
=0）
tmp-=Aug[i][j]*x[j];
x[i]=tmp/Aug[i][i];
}
return0;
}
voidfun2（）
{
Aug[0][0]=cos（a3）;Aug[0][1]=-P*sin（a3）;Aug[0][2]=0;Aug[0][3]=0;
Aug[0][4]=-（-w3*sin（a3）*s1-w3*（s1*sin（a3）+P*w3*cos（a3）））-（l1*w1*w1*cos（a1））;
Aug[1][0]=sin（a3）;Aug[1][1]=P*cos（a3）;Aug[1][2]=0;Aug[1][3]=0;
Aug[1][4]=-（s1*w3*cos（a3）+w3*（s1*cos（a3）-P*w3*sin（a3）））-w1*l1*w1*sin（a1）;
Aug[2][0]=0;Aug[2][1]=-l3*sin（a3）;Aug[2][2]=-l4*sin（a4）;Aug[2][3]=0;Aug[2][4]=-（-l3*w3*cos（a3）*w3-l4*w4*w4*cos（a4））;
Aug[3][0]=0;Aug[3][1]=l3*cos（a3）;Aug[3][2]=l4*cos（a4）;Aug[3][3]=0;
Aug[3][4]=-（-l3*w3*w3*sin（a3）-l4*w4*w4*sin（a4））;
}
intmain（）
{
freopen（
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