压床机械设计

机

说明书

设计题目：压床机械设计学院：机械工程学院班级：机英093班设计者：

同组人：

指导教师：

2012年7月1日

目录

一、题目 (2)

二、原始数据与要求 (2)

1、工作原理 (2)

2.设计要求 (2)

3.设计数据 (2)

4.设计内容 (3)

三、执行机构方案选型设计 (3)

四、机构设计 (7)

1、连杆机构的设计 (7)

2、凸轮机构的设计 (9)

五、传动方案设计 (11)

六、机构运动分析与力的分析 (13)

1、位置分析 (13)

2、速度分析 (14)

3、加速度分析 (14)

七、制定机械系统的运动循环图 (17)

八、设计结果分析、讨论，设计心得 (18)

九、主要参考资料 (18)

附录 (19)

一、题目：压床机械设计

二、原始数据与要求

1. 工作原理

压床机械是有六杆机构中的冲头（滑块）向下运动来冲压机械零件的。图13.1为其参考示意，其执行机构主要由连杆机构和凸轮机构组成，电动机经过减速传动装置（齿轮传动）带动六杆机构的曲柄转动，曲柄通过连杆、摇杆带动滑块克服阻力F冲压零件。当冲头向下运动时，为工作行程，冲头在0.75H内无阻力；当在工作行程后0.25H行程时，冲头受到的阻力为F；当冲头向上运动时，为空回行程，无阻力。在曲柄轴的另一端装有供润滑连杆机构各运动副的油泵凸轮机构。

2.设计要求

电动机轴与曲柄轴垂直，使用寿命10年，每日一班制工作，载荷有中等冲击，允许曲柄转速偏差为±5%。要求凸轮机构的最大压力角应在许用[α]之内，从动件运动规律见设计数据，执行构件的传动效率按0.95计算，按小批量生产规模设计。

3.设计数据

4.设计内容

（1）根据压床机械的工作原理，拟定2 ~3个其他形式的执行机构（连杆机构），并对这些机构进行分析对比。

（2）根据给定的数据确定机构的运动尺寸，

4

5.0OB CB l l =,4

)35.0~25.0(CO CD l l =。要求用图解法设计，并写出设计结果和步骤。

（3）连杆机构的运动分析。将连杆机构放在直角坐标系下，编制程序，分

析出滑块6的位移、速度、加速度和摇杆4的角速度和角加速度，并画出运动曲线，打印上述各曲线图。

（4）凸轮机构设计。根据所给定的已知参数，确定凸轮的基本尺寸（基圆半径0r ，偏距e 和滚子半径r r ），并写出运算结果。将凸轮机构放在直角坐标系下，编程画出凸轮机构的实际廓线，打印出从动件运动规律和凸轮机构仿真模型。

三、执行机构方案选型设计

实现本题工作要求的机构运动方案：

方案1:齿轮系和齿条按时序式组合。

如图1所示，执行机构以齿轮1为原动件，齿轮1和齿轮3均为不完全齿轮，以实现齿轮2和齿轮4不能同时转动。用齿轮2或齿轮4带动齿轮5运动，6为齿条。 结构优点：

① 传递的功率和速度范围较大;

② 能保证瞬时传动比恒定,平稳性较高,传递运动准确可靠;

③ 结构紧凑、工作可靠,可实现较大的传动比; ④ 齿轮和齿条直接啮合,传动灵敏性非常高。

结构缺点：

① 齿轮的制造、安装要求较高，因而成本也较高； ② 不宜作远距离传动；

③ 在工作中有较大的冲击力，齿轮和齿条易顺坏，使用寿命 短。

图1

方案2:曲柄摇杆和扇形齿轮-齿条机构串联。

如图2所示，曲柄摇杆机构21ABCO O 实现扇形齿轮上下往复摆动，从而带动冲头上下往复运动。驱柄动力通过齿轮机构输入。

结构优点：

① 扇形齿轮齿条机构具有良好的结构及传动刚性； ② 扇形齿轮齿条机构具有良好的结构及传动刚性； ③ 曲柄摇杆机构制造工艺简单，制造成本低； 机构缺点：

① 扇形齿轮、齿条的制造、安装要求较高，成本也较高；

② 载荷有较大的冲击力，扇形齿轮、齿条易受损，使用寿命短。

图2

方案3：齿轮和曲柄导杆及滑块机构按时序式连接。

如图3所示，由齿轮O1带动齿轮O2转动，齿轮O2轴再驱动曲柄导杆机构运动。曲柄驱动AB上下摆动，从而使滑块D满足运动要求。

机构优点：

①齿轮传动结构紧凑、传动效率高和使用寿命长；

②齿轮传动的功率大、转速高；

③曲柄导杆机构制造工艺简单，成本低；

机构缺点：

①制造齿轮需要有专门的设备，安装精度高，成本高；

②啮合传动会产生噪声。

图3

方案4：曲柄摇杆和滑块机构连接。

如图4所示，由曲柄带动摇杆上下往复摆动，从而使滑块满足运动要求。机构优点;

①加工制造容易，成本低；

②承载能力较大，使用寿命长；

机构缺点：

①机械效率低；

②不宜用于高速运动。

图4

综合分析选定执行机构：压床机构设计要求使用寿命为10年，载荷有中等冲击，按小批量规模生产，因而应选用使用寿命较长、承载能力较大、生产成本低的执行机构。因此，选用执行机构方案4。

四、机构设计

1、连杆机构的设计 （1）已知：X 1＝30mm ，X 2＝140mm ，Y ＝150mm ，Φ1=120°，Φ2=60°，H=150mm ，4/BO CB =0.5，4/CO CD =0.3

由条件可知: =241∠C C O 60°，4241O C O C = ，∴△241C C O 是等边三角形 ∴mm l mm l l mm l CD BO CB CO 45505.01504

4

====，，

（2）作图步骤：

设计内容

连杆机构的设计及运动分析

单位

mm （o） m m

r

/min

符号

X 1

X

2 y Φ1 Φ2

H /BO

CB

/CO

CD 2

n 数据

30 1

40 1

60 1

20 6

0 1

50 0.5

0.3

9

①确定点O4的位置；

②根据机构设计数据，画出点O2的位置； ③画出4CBO 的两个极限位置41BO C 和42BO C ; ④分别连接41O B 和42O B ;

⑤以O 2为圆点O 2B 2为半径画圆弧，与B 1O 2交于点E;

⑥以2O 为圆心1EB 的一半为半径画圆，并延长22O B 与圆相交与点2A ，2

1O B 与圆相交于点1A ，如图5所示。

图5

通过测量得： mm l mm l AB AO 217,472

==

由上可得： 符号 4

CO

l

4

BO l

BC

l CD

l

AB l

2

AO l

单位 mm

方案5

150

200

50

45 217 47

2、凸轮机构的设计

符

号

H

α

δ

s

δ

'

δ

从动件运动规

律

单位 m m 。

方案5

20 30 70 10 70 正弦

有mm r mm e mm r r 8,15,450=== 在推程过程中： 由2

002

/)/2sin(2δδπδω

πh a =，ο

δ700<<

得

当οδ700=时，且οοδ350<<，则有a>=0,即该过程为加速推程段； 当οδ700=时，且οδ35>=，则有a<=0,即该过程为减速推程段 所以运动方程 [])2/()/2sin()/(00πδπδδδ-=h s 在远休止过程中：s=0，οοδ8070<< 在回程过程中：

由2

'0'2/)/2sin(2δδπδωπh a -=，οοδ15080<<得：

当οδ80'0=时，且οδδ400<<，则有a<=0,即该过程为减速回程段； 当οδ80'0=时，且οδ40>=，则有a>=0,即该过程为加速回程段；

所以运动方程[])2/()/2sin()/(1'

0'0πδπδδδ+-=h s

在近休止过程中：s=0，0360150<<δο 运用MATLAB 软件处理得如下表的数据：

理论廓线半径实践廓线半径10°43.6097 37.9711 20°45.8420 40.8348 30°51.4591 45.3544 40°56.6074 50.2061 50°59.2772 53.4727 60°61.8682 55.5090 70°64.2032 56.2032 80°64.2032 56.2032 90°66.7726 55.3621 100°68.3627 52.9294 110°67.7670 49.2818 120°64.2319 45.0741 130°58.0169 41.0976

140°50.6873 38.1462 150°45 37 160°45 37 170°45 37 180°45 37 190° 4 37 200°45 37 210°45 37 220°45 37 230°45 37 240°45 37 250°45 37 260°45 37 270°45 37 280°45 37 290°45 37 300°45 37 310°45 37 320°45 37 330°45 37

340° 45 37 350° 45 37 360°

45

37

凸轮廓线如下:

-80-60-40-20020406080

-60

-40-200204060X

Y O

偏置移动从动盘形凸轮设计

点线表示基圆虚线表示实际廓线点画线表示理论廓线实线表示滚子

五、传动方案设计

（1）、选择电动机类型：

按已知条件和要求，选用Y 系列一般用途的三相异步电动机。 （2）、确定电动机的转速：

工作机轴转速为：min /902r n =，考虑到重量和价格，选用同步转速为1000r/min 的Y 系列异步电动机Y132S-6，其满载转速min /960r n m =。 （3）、总传动比和各级的传动比： ①、传动装置总传动比：

67

.1090

960==

i

②、各级传动比：

34

12i ×i i =，取i i 25.012=，得

67.212=i ，434=i

③、确定各齿轮的齿数：

选221=Z ,则74.581122==Z i Z ，取592=Z 。 选223=Z ,则8834344==Z i z 。 由上可得： 符号 1Z 2Z 3Z 4Z

α

m 单位 。 mm 方案5 22 59 22 88 20

3.5

④、确定齿轮4的角速度：

s

rad n w r n Z Z n n i r n n r n Z Z n n i r n Z /37.960

2min /49.8922

88min /97.357∵min /97.35722

59min /960443

44

3342321

22

11214==

=∴===

===∴===

=π

（4）、减速器的结构图如图6，所示。

图6

六、机构运动分析与力的分析

以2o 为原点，分别建立直角坐标系y xo 2和'2'y o x ，如图7所示。 1、位置分析

在直角坐标系x'O 2y'下，用复数矢量法作机构的运动分析。 已知 ：

mm

l l mm l l mm l l mm l l mm l l CD O O BO AB AO 45,160100,170,47543214242==========

s

rad /7.39ωω4Z 2==

用矢量形式写出机构封闭矢量方程式:

43213

2

1

l e

l e

l e

l i i i +=+θ

θ

θ2222222①

应用欧拉公式

θ

θθ

sin cos i e

i +=

将式a 的实部和虚部分离得

}4

442211332211cos cos cos sin sin sin θθθθθθl l l l l l l ++=+=2222222②

消去式b 中θ，求出θ

2

得

0cos sin 33=++C B A θθ2222222222222222③

式中:

131sin 2θl l A =； )cos (24113l l l B -=θ； 1

412

42

32

12

2cos 2θl l l l l l C +---=

解之可得

)/()()2/tan(2

2

2

3C B C B A A --+-

=θ2222222④

)]

/()arctan[(22

2

2

3C B C B A A --+-

=∴θ

在直角坐标系Y XO 2中

?=12.53-34θθ

45/130sin 160/130sin 160sin 445-=-=θθθCD l

)45/130sin 160arcsin(∴45-=θθ

滑块6上点D 的坐标为

)cos 45cos 160160,130(54θθ-+-D 54D cos 45)cos 1(160y ∴θθ-+=

点D 的最低位置为

)39,130(min -D

滑块6上点D 的位移为

39

cos 45)cos 1(1603954--+=-=θθD D y s

2、速度分析

在直角坐标系xO y 中，已知

t

w 21

=θ

摇杆4的角速度为

dt

d w /4

4θ

=

滑块6的速度为

dt

ds v D /6=

3、加速度分析

在直角坐标系xOy 中，摇杆4的角加速度为

dt dw /44=α

滑块6的加速度为

dt

dv a /66=

图7

使用MATLAB绘制滑块6的运动曲线图如下：（1）滑块6的位移曲线

080159239

318398477557

150

160

170

180

190

200

210

位移变化图像

角度

位移

（2）滑块6的速度曲线

080159239

318398477557

-1000

-500

500

1000

1500

速度变化图像

角度

速度

（3）滑块6的加速度曲线

080159239

318398477557

-3

-2.5-2-1.5-1-0.5

00.51x 10

4

加速度变化图像

角度

加速度

七、制定机械系统的运动循环图

图8

八、设计结果分析、讨论，设计心得

机械原理课程设计是机械原理课程当中一个重要环节，通过了三周的课程设计使我从各个方面都受到了机械原理的训练，对机械的有关各个零部件有机的结合在一起得到了深刻的认识。由于在设计方面我们没有经验，理论知识学的不全面，在设计中难免会遇到各种的问题，不过在老师和同学的帮助下我将它们一一都解决了。

在设计过程中，培养了我的综合应用机械原理课程及其他课程的理论知识。使我对于实际生产中的设计计算过程有了一个更加形象、生动和鲜明的了解和体会，同时，在这过程中也锻炼了我通过各种手段解决问题的能力和查阅各种设计资料进行设计的能力。

由于在这次设计过程中大量运用了计算机辅助设计，使我对CAD等工程软件的应用水平有了很大的提高，这对于我来说是一次十分难得的机会，很有助于我们将来在实际工作中的应用。我也体会到了应用计算机辅助设计的优点，增强了我学习工程软件的兴趣。总之，这次课程设计使我在各个方面都有了新的提高。

非常感谢老师的辛勤指导和不厌其烦的细心教诲！也感谢学校我们提供了这次难得的锻炼机会，希望在以后的学习生涯中有更多机会参加类似的实践活动。

九、主要参考资料

1.陆风仪主编．机械原理课程设计．北京．机械工业出版社.2006

2.孙恒、陈作模主编．机械原理．北京．高等教育出版社．2006

3.吴宗泽主编. 机械设计实用手册. 北京. 化学工业出版社. 2010

附录

clear;clc;

rb=45;rt=8;e=15;h=20;ft=70;fs=10;fh=70;alp= 30;

fprintf(1,' 基圆半径rb=%3.4f mm\n',rb)

fprintf(1,' 滚子半径rt=%3.4f mm\n',rt)

fprintf(1,' 推杆偏距e=%3.4f mm\n',e)

fprintf(1,' 推程升程h=%3.4f mm\n',h)

fprintf(1,' 推程运动角ft=%3.4f mm\n',ft)

fprintf(1,' 远休止角fs=%3.4f mm\n',fs)

fprintf(1,' 回程运动角fh=%3.4f mm\n',fh)

fprintf(1,' 推程许用压力角alp=%3.4f mm\n',alp)

hd=pi/180;du=180/pi;

se=sqrt(rb^2-e^2);

d1=ft+fs;d2=ft+fs+fh;

s=zeros(ft);ds=zeros(ft);d2s=zeros(ft);

at=zeros(ft);atd=zeros(ft);pt=zeros(ft);

for f=1:ft

if f<=ft/2

s(f)=h*((f/ft)-sin(2*pi*f/ft)/(2*pi));s=s(f);

ds(f)=h*(1-cos(2*pi*f/ft))/(ft*hd);ds=ds(f);

d2s(f)=2*pi*hd^2*h*sin(2*pi*f/ft)/(ft*hd)^2; d2s=d2s(f);

end

at(f)=atan(abs(ds-e)/(se+s));atd(f)=at(f)*du;

p1=((se+e)^2+(ds-e)^2)^1.5;

p2=abs((se+s)*(d2s-se-s)-(ds-e)*(d2s-e));

pt(f)=p1/p2;p=pt(f);

end

atm=0;

for f=1:ft

if atd(f)>atm

atm=atd(f);

end

end

fprintf(1,'最大压力角atm=%3.4f 度\n',atm)

for f=1:ft

if abs(atd(f)-atm)<0.1

ftm=f;break

end

end

fprintf(1,'对应的位置角ftm=%3.4f度\n',ftm)

if atm>alp

fprintf(1,'凸轮推程压力角超出许用压力角，需增大基圆半径！\n')

end

ptn=rb+h;

for f=1:ft

if pt(f)

ptn=pt(f);

end

end

fprintf(1,'轮廓最小曲率半径ptn=%3.4fmm\n',ptn)

for f=1:ft

if abs(pt(f)-ptn)<0.1

ftn=f;break

end

end

fprintf(1,'对应位置角ftn=%3.4f度\n',ptn)

if ptn

fpintf(1,'凸轮推程压力角小于许用压力角，需增大基圆半径或减小滚子半径！\n') end

s=zeros(fh);ds=zeros(fh);d2s=zeros(fh);

at=zeros(fh);atd=zeros(fh);pt=zeros(fh); for f=d1:d2

k=f-d1;

s(f)=h*(1-(k/fh)+sin(2*pi*k/fh)/(2*pi));s=s(f);