机械原理课程设计--粉料压片成形机.pdf
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1、课课 程程 设设 计（计（课课 程程 实实 习习）机械设计与制造主体实践机械设计与制造主体实践(一一)院（系、部）院（系、部）：机械工程学院姓姓名：名：同同 组组 成成 员员：班班级：级：指导教指导教 师签师签 名：名：目目 录录一、设计题目一、设计题目3 3（一）设计题目（一）设计题目 3 3（二）设计要求（二）设计要求 3 3(三三)设计任务设计任务 4 4二、方案分析与设计二、方案分析与设计（一）执行机构的选择与分析（一）执行机构的选择与分析 4 41 1、循环图的分析确定、循环图的分析确定 4 42 2、运动方案的拟定与选择、运动方案的拟定与选择 6 63 3、机构的运动分析与设计、机
2、构的运动分析与设计 10 10(1)(1)上冲头设计上冲头设计 10 10(2)(2)下冲头设计下冲头设计 16 16(3)(3)料筛设计料筛设计（二）电动机的选择（二）电动机的选择 21 21（三）传动机构的选择与减速器的设计（三）传动机构的选择与减速器的设计 22 22（四）飞轮的设计（四）飞轮的设计 23 23（五）心得体会（五）心得体会 25 25（六）参考文献（六）参考文献 26 26机械原理课程设计机械原理课程设计24 41919粉料压片成形机一、设计题目一、设计题目（一）设计题目（一）设计题目1、设计题目及原始数据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、药粉）定
3、量送入压形位置，经压制成形后脱离该位置。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、药剂（片）等。数据见表 1。表 1 压片成形机设计数据方案号电动机转速生产率成品尺寸（冲头压力r/min片/mind）mm，mm kN6A135003B97006035120,0000.082410242060,0000.10M冲/kg M 杆/kg1252、压片成形机的工艺动作（1）干粉料均匀筛入圆筒形型腔（图 1a）。（2）下冲头下沉 3mm，预防上冲头进入型腔时粉料扑出（图 1b）。（3）上、下冲头同时加压（图 1c），并保持一段时间。（4）上冲头退出，下冲头随后顶出压好
4、的片坯（图 1d）。（5）料筛推出片坯（图 1e）图 13粉料料筛上冲头(a)片坯(b)下冲头(c)(d)(e)（二）设计要求（二）设计要求1、上冲头完成往复直移运动（铅垂上下），下移至终点后有短时间的停歇，起保压作用，保压时间为 0.4 秒左右。因冲头上升后要留有料筛进入的空间，故冲头行程为 90100mm。因冲头压力较大，因而加压机构应有增力功能。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，将成型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。3、料筛在模具型腔上方往复筛料，然后退回。待批料成型并被推出型腔后，料筛在台面上右
5、移约 4550mm，推卸片坯。(三三)设计任务设计任务1、各执行机构应包括：实现上冲头运动的主加压机构、实现下冲头运动的辅助加压机构、实现料筛运动的上下料机构。满足上述运动可采用连杆机构、凸轮机构等。辅助加压机构可采用凸轮机构2、设计传动系统并确定其传动比分配，并在图纸上画出传动系统图；3、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，可执行构件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”；4、设计机构；5、对机构进行运动设计,绘出运动线图。进行机构的动态静力分析，计算飞轮转动惯量；6、将机构做成三维模型，实现模拟运动；47、编写
6、设计计算说明书。二、方案分析与设计二、方案分析与设计（一）执行机构的选择与分析（一）执行机构的选择与分析1 1、循环图的分析确定、循环图的分析确定根据压片机的工艺动作可得各个机构的动作如下：上冲头：往复运动。下降压紧药片，保压 0.4s，上升。下冲头：复杂的往复运动。首先下降 3mm，接着上升 8mm，保压 0.4s，上升 16mm，间歇一段时间后，下降 21mm。再间歇一段时间。料筛：将料送出，筛料，返回，间歇一段时间后重复动作。由各个机构的动作可画出其运动循环图如图 2 所示：图 2料筛3530252015105001530456075901051201351501651801952102
7、25240255270285300315330345360s上冲头1008060s4020001530456075901051201351501651801952102252402552702853003153303453605下冲头3025201510500153045607590105120135150165180195210225240255270285300315330345360s则其运动关系如表 2 所示：表 2上冲头下冲头料筛可将其运动表示为树状功能图：图 3进休退休退进休休进退进休退筛2 2、运动方案的拟定与选择、运动方案的拟定与选择根据循环图及树状图，可得三个机构都做往复运动
8、，且都有间歇运动。上冲头是主加压机构，故可选曲柄滑块机构，或六杆机构来实现增力。下冲头运动和6筛料机构可用凸轮机构来实现其运动。筛料机构做往复运动，故可以使用曲柄滑块机构，也可用凸轮机构实现其运动。设计各个部分的机构如表 3 所示表 3方案1 2上冲头方案：上冲头方案：方案一：上冲头曲柄滑块机构六杆机构下冲头平底凸轮机构滚子凸轮机构料筛曲柄滑块机构滚子凸轮机构曲柄滑块机构方案二：7六杆机构选择选择:选择方案二。理由：六杆机构将曲柄滑块的急回特性进一步扩大，同时使行程得到扩大，效率高。六杆机构接近死点位置所具有的传力特征来实现增力，比曲柄滑块的增力效果好，能够更好的实现加压。故选择六杆机构作为上
9、冲头的加压机构。下冲头方案：下冲头方案：方案一：平底凸轮机构方案二：8滚子凸轮机构选择：选择：选择方案二。理由：选择凸轮机构易实现下冲头复杂的运动。首先我们想到的是方案一，因为方案一的压力角为零，传力效果好，但当画出凸轮轮廓线时，有曲率半径小于零的地方，故方案一不可行，选择滚子凸轮机构。料筛方案：料筛方案：方案一：方案二：选择：选择：选择方案二。理由：曲柄滑块机构能够实现料筛的往复运动，但不易实现料筛的间歇运动及筛料的过程。凸轮机构能够很好的实现料筛的间歇运动，且能够实现筛料的过程。故选用凸轮来控制料筛。9总方案：总方案：根据以上分析可得最终方案如图 4 所示（六杆机构的曲柄与齿轮结合，由不完
10、全齿轮实现机构的间歇）图 43 3、机构的运动分析与设计、机构的运动分析与设计1.1.上冲头设计上冲头设计六杆机构的计算设计数据：六杆机构已知的数据如表 4，六杆机构的中心距 x，构件 3 的上下极限位置角，1，滑块 5 的行程 H，曲柄的转速 n，则要求的为各杆的长度，以及的长度。表 4XK1HDE/CDn(mm)()()(mm)(r/min)801.43090911.660数值计算第一步分析：曲柄滑块机构10六杆机构示意图（1）尺寸计算图 5将杆 3，杆 4，滑块 5 拆下来分析，将图顺时针旋转 90，如图 5，以便于分析。并以 C 点为原点，滑块 5 的道路方向为 x 轴方向，垂直方向为
11、 y 轴方向。对 CD1E1分析：xD1 l3cos60yD1 l3sin 60l4(xE1-xD1)2 yD1l41.6l3由以上各式可求得：xE11.84l322对 CD2E2分析：xE2 l3 l4l41.6l3由以上两式可求得：xE2 2.6l3且xE2-xE1 H由联立求得：l3123l4196（2）运动分析对于图中所示的曲柄滑块机构已知曲柄的转速 n1=60 r/min，各从动构件的11运动可由表 5 中所列公式求出。计算结果见附件一,结果画出的滑块的速度、加速度曲线如图 6 所示。此曲柄滑块机构为对心曲柄滑块机构，故无急回特性。当曲柄不是匀速转动的时候便有了急回特性。此时最大压力
12、角为 38,小于 40,符合要求。表 5 曲柄滑块机构运动分析连杆 2转角：2 arcsin(21sin1)角速度：2 1角加速度：滑块 3位移：xC acos1bcos2速度：vC a1sin1b2sin2加速度：cos11cos2211sin1cos21sin2cos12cos22aC a1cos1b2cos2b2sin222其中：1ae;2bb图 6滑块的速度v2000150010005000050100150200250300350400v12滑块的加速度a78007790778077707760775077407730050100150200250300350400一步分析可得曲柄滑
13、块中曲柄的长度，即曲柄摇杆中摇杆的长度。由已知数据中的其急回系数为 K=1.4,计算可得其极位夹角为K 11801.4 1180 30，则K 11.41对曲柄摇杆的设计及为已知摇杆的长度、两个极限位置，以及四杆机构的极位夹角，求各杆的长度，则可用图解法进行分析并求解。如图 7图 7a第二步分析：曲柄摇杆机构曲柄滑块机构的曲柄在六杆机构中只做摆动，即曲柄摇杆机构的摇杆。有上13将图旋转 180，即为六杆机构时的机构，如图 8图 8对此四杆机构进行运动分析，分析数据见附件二，分析的速度、加速度曲线14如图 9图 9v-250200150vc10050005010015020025030035040
14、0a-6005004003002001000050100150200250300350400a求得l1=23,l2=62,l=123，Y=92。将此四杆机构在软件中计算得最大压力角为 37，符合压力角的要求，故此机构成立。故可得l123,l2=62,l=123,l=196，即六杆机构的各个尺寸已求出，可画出六杆机构的精确结构如图 10。此六杆机构无间歇运动，可让曲柄由不完全齿轮带动，就实现其间歇运动(此齿轮的系数确定见附件三)。图 1015四杆机构的摇杆及曲柄滑块的曲柄，将曲柄滑块的曲柄位置改为四杆机构中16摇杆的位置，将曲柄滑块的曲柄的速度改为四杆机构中摇杆的速度，可得出一组滑块的速度，加速
15、度曲线，此速度与加速度曲线则为六杆机构中滑块的速度，加速度曲线，如图 11。由图可得，滑块向下运动的速度小于回来时的速度，即实现了急回特性。图 11v500400300v2001000050100150200250300350400a-7737.857737.847737.837737.827737.817737.87737.797737.787737.777737.76050100150200250300350400a2.2.下冲头设计下冲头设计下冲头采用滚子凸轮机构完成其动作。根据循环图构造凸轮。若直接使用循环图中的位移曲线，则有较大的刚性冲击，使得运动时有较大的惯性力，从而有震动。为使凸
16、轮工作时无突变的加速度，故计算时采用 345 多项式来计算位移。计算时所用公式如表 6，用 excel 表格计算，计算数据中有确定其位移、速度、加速度曲线，凸轮的理论廓线、实际廓线，确定基圆半径，计算压力角。计算数据见附件二。其位移、速度、加速度曲线，及凸轮理论廓线、实际廓线，如图 12 所示17表 6 凸轮计算公式推程453s h10-15600023430hv-200002360ha-3 220000回程345-001-001-00115-6 sh1-1000023430h-001-001-001-2 v-0000-00160h-001-001a-2-32000025x (r0 s)sin
17、理论廓线：y (r s)cos0 x x rr实际廓线：y y-rr压力角：tan18dy/d dx dy dddx/d dx dy dd2222ds/dr0 s图 12s-302520s151050-5050100150200250300350400v-3002001000-100-200-300050100150200250300350400sa-6000400020000-2000-4000-6000050100150200250300350400a19凸轮廓线806040200-100-50-20-40-60-80050100理论廓线实际廓线3.3.料筛的设计料筛的设计料筛机构为滚子凸
18、轮机构。为使其运动时没有冲击，也是用 3-4-5 多项式计算位移，筛料的过程中也为3-4-5 多项式，计算公式与下冲头相同，见表，计算出的数据表格见附件三，其位移、速度、加速度及凸轮理论廓线、实际廓线如图13图 13s-35302520151050-50s5010015020025030035040020v-6004002000-200-400-600050100150200250300350400va-10000500000-5000-1000050100150200250300350400a凸轮廓线100806040200-100-50-20-40-60-80050100150理论廓线实际
19、廓线21（二）电动机的选择（二）电动机的选择1、正确选用电动机的基本原则：1）电动机的机械特性、启动、制动、调速及其它控制性能应满足机械特性和生产工艺过程的要求，电动机工作过程中对电源供电质量的影响（如电压波动、谢波干扰等），应在容许的范围内；2）按预定的工作制、冷却方法基辅在情况所确定的电动机功率，电动机的温升应在限定的范围内；3）根据环境条件、运行条件、安装方式、传动方式，选定电动机的结构、安装、防护形式，保证电动机可靠工作；4）综合考虑一次投资几运行费用，整个驱动系统经济、节能、合理、可靠和安全。2、常用电动机的结构特征1）Y 系列三相异步电动机该系列电机能防止水滴、灰尘、铁屑或其他杂物
20、浸入电机内部，它是我国近年来研制成功的新型电动机。2）电磁调速三相异步电动机 YCD 电磁调速三相异步电动机，有组合式和整体式两种机构，这两种调速电动机为防护式，空气自冷，卧式安装，且无碳刷，集电环等滑动接触部件。3、确定原动机的功率PnPw其中，Pw 为工作机要求的功率；为由电动机到工作机执行机构的总效率。工作机要求的功率w 主要为执行构件在单位时间里克服工作阻力所作的功。在压片机中,主要为在单位时间里冲头冲压时克服工作阻力所作的功。则Pw Frvc其中，r 为冲头冲压时的工作阻力，主要发生在冲头下压的后半个行程中，且假定为线性变化，我们选择方案一，故行程结束时达到最大值60000N。为冲头
21、的运动速度，可以通过得曲柄滑块机构的运动分析得到（见附件一）。由上式可以算得冲头在不同位置时，消耗的功率，列于表 7。可见最大值为 15.5 千瓦左右。平均值为 10 千瓦左右,考虑机构中运动副的摩擦，参照电动机的技术数据22选择160M4 电机。输出功率11K,转速1350 r/min。表 7FrvcPw06666.66713333.332000026666.6733333.334000046666.6753333.33600000.25002010.28362180.30876380.32556340.33415890.33469930.32735080.31230690.28981060
22、.252988401890.8124116.8516511.2688910.90411156.64313094.03214574.32215456.56515179.304（三）传动机构的选择与减速器的设计（三）传动机构的选择与减速器的设计1 1、传动机构的选择、传动机构的选择如何合理分配各级传动比，将直接影响传动装置的结构尺寸，重量，运行维护，造价及性能，这是设计过程中一个重要的问题，必须认真对待。通常，不同类型的传动机构具有不同的传动比合理范围，同一种传动机构用于高速级和低速级时也具有不同的传动比合理范围。因此，应使各级传动机构的传动比尽量在合理范围内。各种传动机构的传动比合理范围如表8：
23、性能指标功率P/kW单级传动比：常用值最大值传动效率许用线速度表8传动机构带传动链传动齿轮传动小（=20）中(=100)中(最大达50)2-45中2-56中3-58高蜗杆传动小(=50)10-4080较低6级精度直齿轮滑动速度=25=40Vs=50=18,非 直 齿=365 级 精 度 可 达100综合上表，齿轮传动效率高最高，且许用线速度最大，故我们选择齿轮传动232 2、减速器的设计、减速器的设计驱动电机的转速为 1350r/min，冲压时曲柄的转速为 60r/min，则机械传动系统的总传动比为：i总1350 22.560采用二级齿轮传动。齿轮的传动比常用值为 35，在多级传动中，传动装置
24、的总传动比是各级传动机构传动比的连乘积，即：i=i1*i2*i3*i4根据传动比从小到大的顺序，选择一级传动比为 9:2，二级传动比为 5:1。一级齿轮：取1202,9/22090二级齿轮：21751785（四）飞轮的设计（四）飞轮的设计压片时冲头工作阻力的变化（如表 7 所示），造成机器的速度波动，必须通过加飞轮的方法进行调节。将飞轮安 在一级齿 轮的小齿轮 上。轴 的转速n=1360r/min，不均匀系数=0.1。1 1、计算等效阻力矩计算等效阻力矩粉料压片成形机的能量消耗，主要来自冲头冲压粉料时消耗的能量。因此，可以忽略其它执行机构，以及各构件惯性力的影响，只考虑冲头的工作阻力r。此时，
25、机器的等效阻力矩为rFrvc其中，为电动机的角速度；c 为冲头往复直线运动的速度，滑块的速度可由六杆机构的运动分析中得到，Fr 如表 7 中所示，则可画出其等效力矩曲线。等效力矩随等效构件转角的变化曲线如图 14 所示。其中横坐标为等效构件的转角，等效构件的转速为曲柄的 22.5 倍，所以等效力矩相对与等效构件的变化周期为 T=50=157s。2 2、计算等效驱动力矩、计算等效驱动力矩 MdMd根据能量守恒的原理，驱动力矩在一个周期里所做的功等于阻力矩在一个周期里消耗的功。等效阻力矩消耗的功为等效阻力矩曲线下的面积，。由曲线积分可得阻力矩消耗的功为 W=1036J,则 Md=W/T=1036/
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