机械原理课程设计

设计洗瓶机的推瓶机构。

图4.1是洗瓶机有关部件的工作情况示意图。待洗的瓶子放在两个转动着的导辊上，导辊带动瓶子旋转。

当推头m把瓶推向前进时，转动着的刷子就把瓶子外面洗净。当前一个瓶子将洗刷完毕时，后一个待洗的瓶子已送人导辊待推。

图4.1 洗瓶机有关部件的位置示意图。

设计推瓶机构时的原始数据和要求为。

1) 瓶子尺寸：大端直径d＝80mm，长200mm。

2) 推进距离l＝600mm。推瓶机构应使推头m以接近均匀的速度推瓶，平稳地接触和脱离瓶子，然后，推头快速返回原位，准备第二个工作循环。

3) 按生产率的要求，推程平均速度为v＝45mm/s，返回时的平均速度为工作行程的3倍。

4) 机构传动性能良好，结构紧凑制造方便。

根据设计要求，推头m可走图4.2所示轨迹，而且在l＝600mm的工作行程中作匀速运动，在其前后作变速远动，回程时有急回运动特性。对这种运动要求，若用单一的常用基本机构是不容易实现的。

通常，要用若干个基本机构的组合，各司其职，协调动作，才能实现。在选择机构时，一般先考虑选择满足轨迹要求的机构(基础机构)，而沿轨迹运动时的速度要求，则往往通过改变基础机构主动件的运动速度来满足，也就是让它与一个输出变速度的(附加)机构组合。

读者可查找相关资料——“实现预定轨迹的机构选例”，“具有急回特性的机构选例”以及“实现预定轨迹的曲柄摇杆机构连杆曲线图谱”等作为进行本题方案设计时的参考。了解到怎样组成机构才能得到所需的轨迹和急回运动特性(如机构中作平面运动的构件上的点才可能产生一定的轨迹；又如，要使机构具有急回运动特性，就必须使作匀速运动的主动件在工作行程和空回行程中的转角大小不同)，以期对新的构思有所启迪。

实现本题要求的机构方案可以有很多，可用多种机构组合来实现。下面仅介绍几例供参考。更多的方案有待读者去构思。

图4.2 推头m的可走轨迹之一图4.3 凸轮—铰链四杆机构方案。

1．凸轮—四杆机构。

如图4.3所示，铰链四杆机构1—2—3—4的连杆2上点m走近似于所要求的轨迹，点m的速度由匀速转动的凸轮通过构件3的变速转动来控制。此方案的曲柄1是从动件，所以要注意增设渡过死点的措施。

图4.4 五杆组合机构方案。

2．凸轮(或齿轮、或四连杆)—五连杆机构。

确定一条平面曲线，有两个独立变量。因此，具有两自由度的连杆机构，都具有精确再现给定平面轨迹的特性。点m的速度和机构的急回特性可通过控制该机构的两个输入构件间的运动关系来得到，如用凸轮机构、齿轮或四连杆机构来控制等等。

图4.4所示构件1—2—3—4—5构成两自由度五杆低副机构为它的两个输入构件，这两构件之间的运动关系用凸轮、齿轮或四连杆机构来实现。

3．凸轮—全移动副四杆机构。

图4.5所示全移动副四杆机构1—2—3—4是两自由度机构，构件2上的点m可精确再现给定的轨迹，构件2的运动速度和急回特性由凸轮控制。这个机构方案的缺点是因水平方向轨迹太长，造成凸轮机构从动件1的行程过大，而使相应凸轮尺寸过大，应设法子以解决。

1．设计和选择方案。

分析设计要求、确定方案的过程已如前述。对于上述设计方案的选择，需根据机器的工作要求，从以下几点出发来考虑。

1) 应能实现给定轨迹、速度和急回特性等要求。

2) 应有较高的生产率(可从改变工件的输送方式、选择合适的轨迹形式等方面来考虑)。

3) 机构的运动简图在结构上能否实现(例如就本题而言，凸轮与从动件的锁合用什么形式为好)；机构在机器中是否有合适的位置布置。

4) 机构尺寸应尽量紧凑，结构简单，构件数少。

5) 机构传力特性好，推头与工件的接触和脱离过程应能平稳过渡(无冲击)。

6) 制造方便。

2．确定设计路线。

以图4.4d所示方案为例。机构的设计路线和传动路线是不同的。

机构运动传递路线是：两凸轮的匀速转动，推动五杆机构1—2—3—4—5中的两输入构件分别作变速住复摆动和移动，使构件2上的点m实现给定的轨迹和运动规律。而机构的设计路线则相反，它是根据给定的轨迹和运动规律要求，以及机器的总体配置和结构要求，从执行构件开始，先确定五连杆机构各构件的尺寸，然后确定五连杆机构两输入构件应有的运动规律，再按此规律要求设计凸轮(驱动)机构。

3．五连杆(执行)机构设计。

1) 取定长度比例尺(m/mm)，画出给定的轨迹。

2) 根据机器和推瓶机构的总体配置和结构情况，选定固定铰链a的位置（点a位置适当与否会影响到构件的位移量和位移规律，也就是影响到凸轮机构的升程和运动规律，从而影响到凸轮的尺寸和廓线形状），以点m能走到轨迹上的任何一点为条件(点a距轨迹的最远距离，最近距离)，确定ab和bm的长度。

3) 从结构需要和改善机构的受力情况等着手，确定构件4的位置。

4) 根据点m在工作行程中部为匀速运动的要求，等分相应的轨迹段（首尾为变速运动，不等分轨迹段)，求得与各分点对应的构件的位移(位置)。

4．凸轮(驱动)机构设计。

1) 根据急回运动的特性要求，确定相应工作行程段中，匀速转动的凸轮6(和7)应占有的角度(升程角)，并对应于轨迹段上的分点等分该角度。

2) 根据上述得到的凸轮6(和7)和构件1(和4)的转角与位移曲线(和)，设计凸轮机构。

3) 凸轮机构回程段的设计方法与工作行程段设计方法类同。选定运动规律后，求取匀速转动的凸轮和构件1(4)之间的位移曲线，再设计凸轮机构。

4) 检验压力角和最小曲率半径。

5) 根据工作需要确定凸轮的结构型式，并根据从动件端部型式求凸轮实际廓线。

6) 根据点m的速度要求确定凸轮转速。

5．组合机构运动分析。

在2—3个位置上检验机构的位置与运动参数是否符合设计要求。

6．整理设计说明书。

设计说明书应包括设计题目、设计要求、方案设计和方案选择、机构尺寸和运动参数的确定。电算部分还应有标识符说明表和计算框图，并附上打印的源程序和计算结果。

本题设计时间为2周。

凸轮从动件运动规律、凸轮理论廓线设计用解析法进行。凸轮机构从动件运动规律、理论廓线设计应分段进行和分段检查。应完成图纸包括机构运动简图，机构运动分析和设计结果及其检查，凸轮理论廓线压力角和最小曲率半径的检验，凸轮的实际廓线等和说明书一份。

设计一初轧机的轧辊机构。

图4.6 所示轧机是由送料辊送进铸坯，由工作辊将铸坯轧制成一定尺寸的方形、矩形或圆形截面坯料的初轧轧机。它在水平面内和铅垂面内各布置一对轧辊（图中只画了铅垂面内的一对轧辊）。

两对轧辊交替轧制。轧机中工作辊中心m应沿轨迹mm运动，以适应轧制工作的需要。坯料的截面形状由轧辊的形状来保证。

根据轧制工艺，并考虑减轻设备的载荷对轧辊中心点m的轨迹可提出如下基本要求：

1) 在金属变形区末段，应是与轧制中心线平行的直线段，在此直线段内轧辊对轧件进行平整，以消除轧件表面因周期间歇轧制引起的波纹。因此，希望该平整段l尽可能长些。

2 轧制是在铅垂面和水平面内交替进行的，当一个面内的一对轧辊在轧制时，另一面内的轧辊正处于空回行程中。从实际结构上考虑，轧辊的轴向尺寸总大于轧制品截面的宽度，所以，要防止两对轧辊在交错而过时发生碰撞。为此，轧辊中心轨迹曲线mm除要有适当的形状外，还应有足够的开口度h，使轧辊在空行程中能让出足够的空间，保证与轧制行程中的轧辊不发生“拦路”相撞的情况。

3) 在轧制过程中，轧件要受到向后的推力，为使推力尽量小些，以减轻送料辊的载荷，故要求轧辊与轧件开始接触时的啮入角γ尽量小些。γ约取25左右，坯料的单边最大压下量约50mm，从咬入到平整段结束的长度约270mm。

4) 为调整制造误差引起的轨迹变化或更换轧辊后要求开口度有稍许变化，所选机构应能便于调节轧辊中心的轨迹。

5) 要求在一个轧制周期中，轧辊的轧制时间尽可能长些。

能实现给定平面轨迹要求的机构可以有连杆机构、凸轮机构、凸轮—连杆机构、齿轮—连杆机构等。下面列举其中的几个方案，如：

1、铰链连杆机构(图4.7)

利用铰链四杆机构abcd连杆上某一点m，可近似实现要求的轨迹。

2、双凸轮机构(图4.8)

双滑块构件3上点m的运动分别由凸轮1和5来控制。一般来说，点m可精确实现任意给定的轨迹。

3、铰链五杆机构(图4.9)

出于铰链五杆机构是两自由度机构，所以可精确实现要求的任意轨迹，且构件尺寸可在很大范围内任选，但需要给两个主动件，如取连架杆ab、de为主动件，它们的转角与所要实现的轨迹mm有关，即与，有关。通常，要精确实现该两主动件间的运动关系是比较麻烦的，如无必要，可用近似方法实现。联系两主动件间运动关系的机构常用齿轮机构、凸轮机构、连杆机构等。

4.8 双凸轮机构图4.9铰链五杆机构。

4、凸轮—连杆机构(图4.10)

利用凸轮—连杆机构一般可以精确实现要求的轨迹。

5、齿轮—五连杆机构(图4.11)

利用构件bc上的点m可近似实现要求的轨迹，且调节ab与de两构件间的相对位置即可调节点m的轨迹，故调节较方便。

图4.10 凸轮连杆机构图4.11 齿轮连杆机构。

1、选择方案

可根据机器的工作要求，从以下几点出发来考虑：

1）能否实现给定的轨迹。

2）能否按要求布置在机器中，结构上是否便于实现。

3）由于本机器中机构的受力较大，应考虑到工作寿命要求。

4）轨迹和开口度的调节是否可能和方便。

下面以齿轮—五杆机构为例，介绍设计步骤。

2、按工艺要求确定理想的轨迹。

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