机械原理--半自动平压模切机机构设计

半自动平压模切机机构设计

一、设计题目

设计半自动平压模切机的模切机构。半自动平压模切机是印刷、包装行业压制纸盒、纸箱等纸制品的专用设备，该机可对各种规格的白纸板、厚度在4mm以下的瓦愣纸板，以及各种高级精细的印刷品进行压痕、切线。压凹凸。经过压痕、切线的纸扳，用手工或机械沿切线处去掉边料后，沿着压出的压痕可折叠成各种纸盒、纸箱，或制成凹凸的商标。

压制纸板的工艺过程分为“走纸”和“模切”两部分。如图3-1所示，4为工作台面，工作台上方的1为双列链传动，2为主动链轮，3为走纸模块(共五个)其两端分别固定在前后两根链条上，横块上装有若干个夹紧片。主动链轮由间歇机构带动，使双列链条作同步的间歇运动。每次停歇时，链上的一个走纸模块刚好运动到主动链轮下方的位置上。这时，工作台面下方的控制机构，其执行构件7作往复移动，推动横块上的夹紧装置，使夹紧片张开，操作者可将纸板8喂入，待夹紧后，主动链轮又开始转动，将纸板送到具有上模5(装调以后是固定不动的)和下模6的位置。链轮再次停歇。这时，在工作台面下部的的主传动系统中的执行构件—滑块6和下模为一体向上移动，实现纸板的压痕、切线，称为模压或压切。压切完成以后，链条再次运行，当夹有纸板的模块走到某一位置时，受另一机构（图上未表示）作用，使夹紧片张开，纸板落到收纸台上，完成一个工作循环。与此同时，后一个横块进人第二个工作循环。将已夹紧的纸板输入压切处，如此实现连续循环工作。

本题要求按照压制纸板的工艺过程设计下列几个机构：使下压模运动的执行机构，起减速作用的传动机构；控制横块上夹紧装置（夹紧纸板）的控制机构。

图 3-1 图 3-2

二、原始数据和设计要求

1、每小时压制纸板3000张。

2、传动机构所用电动机转速n=1450r/min，滑块推动下模向上运动时所受生产阻力如图3-2所示，图中p c=2×106N，回程时不受力，回程的平均速度为工作行程平均速度的1.3倍，下模移动的行程长度H=50±0.5mm。下模和滑块的质量约120kg。

3、工作台离地面的距离约1200mm。

4、所设计机构的性能要良好，结构简单紧凑，节省动力，寿命长，便于制造。

三、设计方案及讨论

根据半自动平压模切机的工作原理，把机器完成加工要求的动作分解成若干种基本运动。进行机械运动方案设计时，最主要的是要弄清设计要求和条件，掌握现有机构的基本性能，应用现有机构或有创造性地构思新的机构，以保证机器有完善的功能和尽可低的成本。

不同的机构类型及其组合将构成多种运动方案。对本题进行机构运动方案设时应考虑以下问题：

1、设计实现下模往复移动的机构时，要同时考虑机构应满足运动条件和动力条件。例如，实现往复直线移动的机构，有凸轮机构、连杆机构、螺旋机构等。由于压制纸板时受力较大，宜采用承载能力高的平面连杆机构，而连杆机构中常用的有四杆机构和六杆机构。再从机构具有急回特性的要求出发，在定性分析的基础上，选取节省动力的机构。当受力不大而运动规律又比较复杂时，可采用凸轮机构。例如本题中推动夹紧装置使夹紧片张开的控制机构，由于夹紧片张开后要停留片刻，让纸板送入后才能夹紧，因而推杆移动到最高位置时，有较长时间停歇的运动要求，故采用凸轮机构在设计上易于实现此要求，且结构简单。

2、为满足机器工艺要求，各机构执行构件的动作在规定的位置和时间上必须协调，如下压模在工作行程时，纸板必须夹紧；在下压模回程时，纸板必须送到模压位置。因此，为使各执行构件能按工艺要求协调运动，应绘出机械系统的机构运动循坏图。

3、根据机器要求每小时完成的加工件数，可以确定执行机构主动构件的转速。若电动机转速与执行机构的主动件转速不同，可先确定总传动比，再根据总传动比选定不同的传动机构及组合方式。例如，带传动和定轴轮系串联或采用行星轮系等；有自锁要求而功率又不大时，可采用蜗杆蜗轮机构。对定轴轮系要合理分配各对齿轮的传动比，这个问题将在机械设计课程中解决．

4、在一个运动循环内，仅在某一区间承受生产阻力较大的机器，将引起等效构件所受的等效阻力矩有明显的周期性变化，若电动机所产生的驱动力矩近似地认为是常数，则将引起角速度的周期性波动。为使主动件的角速度较为均匀，应考虑安装飞轮。可适当选择带传动的传动比，使大带轮具有一定的转动惯量而起飞轮的作用，通常应计算大带轮的转动惯量是否满足要求。如不满足，则需另外安装飞轮。

实现本题要求的机构方案有多种。现介绍几例：

1、实现下模往复移动的执行机构：具有急回或增力特性的往复直移机构有曲柄滑块机构、曲柄摇杆机构(或导杆机构)与摇杆滑块机构串联组成的六杆机构等(图3-3、3-4、3-5)。

2、传动机构：连续匀速运动的减速机构有带传动与两级齿轮传动串联、带传动与行星轮系串联和行星轮系(需安装飞轮)等。

图 3-3

3、控制夹紧装置的机构：具有一端停歇的住复直移运动机构有凸轮机构、具有圆弧槽的导杆机构等。

图 3-4 图 3-5

图3-3所示方案的主要优点是滑块5承受很大载荷时，连杆2却受力较小，曲柄1所需的驱动力矩小，因此该机构常称为增力机构，它具有节省动力的优点。此外，图3-4、3-5所示为另外两种六杆机构，供分析比较。其它设计方案可由学生自行构思。

四、设计步骤

1、构思、选择机构方案

机构方案的构思和选择讨论，已如上述，做出运动循环图。下面以图3-3所示方案为例介绍设计步骤。

2、计算总传动比，分配各级传动比和确定传动机构方案 本题总传动比：曲电总n n i =293000/601450=?=

3、机构设计

按选的平面连杆机构，由己知参数按解析法、图解法或两种方法兼用，以计算机构尺寸、由于本题是具有短暂高峰载荷的机器，应验算其最小传动角，并尽可能保证压模工作时，有较大的传动角，以提高机器的效率。

a) b)

图 3-6

如机构在图3-6所示的位置上，摇杆滑块机构的受力图可用图解法求得(图3-6b)。由于该瞬时构件BC 垂直DE ，所以力多边形中

αtg P R c 212=

由此可知，c P 很大而12R 较小，特别是压力角α愈小；12R 也愈小，有利于节省动力。根据上述观点安排机构位置以后，可先进行摇杆滑块机构的设计计算。这可采用解析法来得到较为合适的尺寸参数。如图3-6a 得

()()[]443343sin sin ??l l l l H s +-+-=

若取43l l =时，34?π?-=，则

()333sin 22?l l H s --=

当摇杆在最右端极限位置时，取303??=，由0=s 得

()[]303cos 12?-=H

l

适当考虑安装尺寸，选择不同的30?可得到不同的3l ，当摇杆长度3l 和往复摆动角巳知后，可用图解法设计曲柄摇杆机构。

4、运动分析和力分析

在完成平面连杆机构设计的基础上，进行运动分析和动态静力分析（仅考虑滑块和下模的惯性力），包括用解析法建立数学模型，绘制程序框图，用计算机打印源程序与计算结果，并根据计算结果绘制运动线图（位移、速度、加速度线图）和平衡力矩线图。

5、选择控制夹紧装置的机构方案。

6、绘制所设计方案的机构运动简图。

7、编写说明书。说明书内容包括设计题目、机构方案设计和选择、机构设计、机构运动分析，力分析及其结果。

五、应完成的工作量 学生应完成

1、包括执行机构、传动机构、控制机构的机构运动方案选择(至少3个)，运动循环图。

2、绘制3个机构运动方案的执行机构、传动机构的机构运动简图。

3、对执行机构进行运动分析，完成主程序的编写，其中包括主程序流程图；绘制执行机构的运动线图；

4、设计说明书一份。

1、，

2、，

3、画在1张1号图上。对执行机构方案应组织学生讨论。若不具备计算机辅助设计条件，可全部改用图解法进行设计计算。采用计算机辅助设计时，让学生编写主程序，并调用子程序(见本指导书第4章)。

完成上述任务需1.5周，其中上机机时约为8～10小时。 若课程设计时间为2周，可以考虑再完成凸轮机构设计或动态静力分析、飞轮设计内容。