机械原理课程设计

一、设计题目。

1.1 设计目的。

机械设计是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，并将其转化成为制造依据的工作过程。

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，整个过程蕴含着创新和发明。为了综合运用机械原理课程的理论知识，分析和解决与本课程有关的实际问题，使所学的知识进一步巩固和加强，我们参加了此次的机械原理课程设计。

1.2 工艺要求及工作原理。

1）工艺要求。

设计自动压片成形机，将具有一定湿度的粉状原料（如陶瓷干粉或药粉）量送入压形位置，经压制成后脱离该位置。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和药剂（片）等。

表1.2.1压片成形机设计数据。

2）工作原理。

1、压片成型机工艺动作分解：

干粉料均匀筛入圆筒形型腔（图1.2.1a）。

下冲头下沉3mm，预防上冲头进入型腔时粉料扑出（图1.2.1b）。

上和下冲头同时加压(图1.2.1c),并保持一段时间。

上冲头退出，下冲头随后顶出压好的片坯（图1.2.1d）。

料筛推出片坯（图1.2.1a）。

图1.2.1

2、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（铅垂上下），下移至终点后有段时间的停歇，起保压作用，保压时间为0.4s左右。因冲头上升后要留有料筛进入的空间，故冲头行程为为90～100mm。

因冲头压力较大，因而加压机构应有增力功能（如图1.2.2a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1.2.2b所示）。

3）料筛在模具型腔上方往复震动筛料，然后向左退回。带批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1.2.2c所示）

图1.2.2

3）设计要求。

1）压片成形机至少应包括连杆机构、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，执行机构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，计算图轮廓线。

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，会出运动线图。如果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：凸轮的数控加工、半自动转床的计算机演示验证等。

1.3 上冲头运动方案设计及选择。

方案一。方案1采用的是凸轮机构的设计方案。如图所示，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，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，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，而且凸轮与滚子之间为点接触易磨损。

方案二。方案二采用的是凸轮旋转带动滚子运动，使杆1与杆2运动，使上冲头上下往复运动，完全能达到保压要求。但上冲头行程要求有90~100mm，凸轮机构尺寸将会变得很大很笨重。

方案三。方案3采用的是连杆机构的设计方案。如图所示，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。此方案是在上冲头方案中最好的一个，既能提供较大的工作压力，行程较短，也能有保压功能，整体结构简单、轻盈，并能够轻松达到上冲头的行程要求。

综合以上三个上冲头方案的优缺点，认为是使用方案三进行设计是比较好的选择。

二．连杆机构尺寸计算。

2.1 设计要求。

1）上冲头行程为100mm左右。

2）当摇杆角度和铅垂位置之间相差时，滑块的位移小于0.4mm（即产生保压的功能）

3）摇杆的角度小于60度。

4）曲柄摇杆机构必须具有一定急回特性，以致更多的时间用于加压。

2.2 设计过程。

1)由于压片机的工作压力较大，行程较短，一般采用肘杆式增力冲压机构作为主体机构，它是由曲柄摇杆机构和摇杆滑块机构串联而成。先设计摇杆滑块机构，为了保压，要求摇杆在垂直位置的范围内，滑块的位移量≤0.4mm。

据此可得摇杆长度。

式中摇杆滑块机构中连杆与摇杆长度之比，一般取1-2。

根据上冲头的行程长度，即可得摇杆的另一极限位置，摇杆的摆角以小于60°为宜。设计机构时，为了“增力”，曲柄的回转中心可在摇杆活动铰链、垂直于摇杆垂直位置的直线上适当选取，以改善机构在冲头在下极限位置附近放的传力性能。根据摇杆的三个极限位置（位置和另一极限位置），设定与之对应的曲柄上个位置，其中对应摇杆的两个位置，曲柄应在于连杆共线的位置，曲柄的另一位置可以根据保压时间来设定，则可根据两连架杆的三组对应位置来设计此机构。

设计完成后，应该检查曲柄的存在条件，若不满足要求，则重新选择曲柄的回转中心。也可以选择曲柄中心后，根据摇杆两极限位置时曲斌和连杆共线的条件，确定连杆和曲柄的长度，再检查摇杆在垂直位置时，曲柄对应转角是否满足保压时间要求。曲柄回转中心据摇杆垂直位置越远，机构行程速比系数越小，冲头在下极限位置附近的位移变化越小，但机构尺寸越大。

在这里我取λ=1,得λ≤328.3

r=l=120mm,冲头行程取100mm，算出摇杆的摆角等于52°。

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，摇杆的另一极限位置c2位于铅锤位置左偏2°处。

3）根据设计20片所需的保压时间为0.3~0.6s左右，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，保压角=0.

3~0.6s*360/3在36°到72度之间。

4) 在图上取一点o，在o点以r为半径画圆弧，在在圆弧上分别取点c1、c2、,c3，c点，使，c在竖直下方，oc1在与oc成2°，oc2与oc成2°，oc1与oc3成52°。经过几次找a点可知使ac2=156mm,连接c3a，量出c3a=58mm，在c1点以ac2+ac3/2（此为杆bc长）=107mm为半径画圆，在a点以ac2-ac3/2=49mm（此为杆ab长）为半径画圆，两圆交于bo2、bo1两点，连接abo2、abo1,量出abo2 abo1的弧长对应角度为53°，满足保压角的条件。

在设计中，对于曲柄摇杆机构，有l=48mm，l=160mm，l=120mm，l=150mm，满足曲柄的存在条件：l+ l2.3 连杆设计图。

附录二。三．运动循环图设计。

3.1根据工艺动作拟定运动循环图。

● 以上冲头加压机构主动件转角为横坐标，以各机构执行构件的位移为纵坐标画出位移曲线。循环运**上的位移曲线主要着眼于运动的起迄位置，而不必准确表示出运动规律。

拟定运动循环图时，可执行构件的动作起迄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”。

● 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。

四．凸轮基圆半径以及滚子直径的计算确定。

（1）为了保护凸轮机构正常工作并具有一定传动效率，必须对压力角不超过许用值。通常，对于直动从动件凸轮机构，建议取许用压力角【α】45°。凸轮基圆半径公式为，为了减小推程压力角应将从动件导路向推程相对速度瞬心的同侧偏置，但须注意，用导路偏置法虽然可减小推程压力角，但同时也会使回程压力角增大，所以偏置e不宜过大本设计中偏距e=10mm。

根据运动循环图（附录一）中s与φ变化关系可得推程段基圆半径r0的范围。

tanα≤tan【α】

≤【α即：1推得r0≥√e+（-e-s）

根据运动循环图，带入e，s ，ds/dφ可得。

推程8mm：r0=20.45 mm

推程16mm：r0=27.53 mm

取最大值，得r0≥27.53.根据实际制造工艺，凸轮不宜过小，故本次设计中取r0=80mm。

综上得出画凸轮理论轮廓曲线重要参数为r0=80mm，e=10mm然后可用反转法，对照运动循环图，画出凸轮理论轮廓。

2）滚子半径的确定在a3图上作出理论轮廓线，求出最小的曲率半径为，滚子半径，所以我取r=10mm满足条件，然后作出实际轮廓线。凸轮最终如图。

附录三。五．课程设计小结。

首先，我觉得做这个课程设计是很有必要很有意义的。这不仅加深了我们对理论知识的理解，同时还可以在专业上用实践锻炼一下我们，使我们不但不在对所学专业感到陌生，而且还可以培养大家的积极性。

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