1、机械原理课程设计报告设计题目：粉末成型压机班级：072073设计者：陆茶魁、龚良、郝进指导教师：曾晓惠、王玉丹中国地质大学机电学院2009 年 7 月目录1. 题目2. 设计题目及任务 1设计题目 1设计任务 23运动方案 3.1 上模冲压机构 33.2 送料机构 73.3 脱模机构 113.4 总体方案 184.运动循环图 195.小结 205.2 设计小结 206.参考数目 21一、题目：粉末成型压机设计。二、设计题目及任务：2.1 设计题目设计粉末成型压机，将具有一定湿度的粉状原料（如陶瓷干粉、药粉）定量送入压形位置，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
2、成。该机器可以压制陶瓷圆形片坯、药剂（片）等。 如上图所示，粉末成型压机的工艺动作是：1. 送粉器运动到圆筒上方将下冲头托上来的压片推至左侧，同时干粉料均匀筛入圆筒形型腔，下冲头同时下降（图 1） 。2送粉器退至右侧，下冲头下降停止后上冲头开始向下运动并挤压粉料。 （图 2）3上冲头上升后下冲头将压好的压片送出，同时送粉器已经装好下次的粉料准备推送压片。上冲头、下冲头、送料筛的设计要求是：1.上模冲压制机构应具有以下的运动特性：快速接近粉料，慢速等速压制，压制到位后停歇片刻保压或接近压制行程终点时在放慢速度而起到保压作用。2.脱模机构应使下模冲顶出距离准确，复位时要求速度快而冲击小。3.送粉机
3、构要求严格遵守压制周期的运动规律。压片压片压片送粉器 送粉器下冲头 下冲头 下冲头上冲头上冲头送粉器粉料图 1 图 2 图 3进一步要求：让上模冲和下模冲的运动规律可调。主要技术参数要求：1. 每分钟压制次数为 10-40 次；2. 压坯最大直径为 45mm；3. 上模冲最大行程为 110mm；4. 送粉器行程为 115mm；5. 脱模最大行程为 45mm；6. 压制及脱模能力最大为 58kN；2.2 设计任务1. 粉末成型压机一般至少包括连杆机构、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，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
4、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。计算凸轮廓线。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，绘出运动线图。6.编写设计计算说明书。7.机器的计算机演示验证。三运动方案与运动分析3.1 上模冲压机构方案分析：上模冲本来是打算用一个圆盘凸轮作为执行件（如图 1）的，但由于下压要承受较大压力，而凸轮是高副接触，不能承受较大压力。故而选用下面的滑块摇杆机构。图 13.1.1 运动尺寸设计：由技术参数要求上模冲的最大行程为 110mm 可知，它的最大行程应该等于 2
5、倍的主动件长度，所以主动件应该等于 55mm。连杆则可根据运动规律自行确定，我们在这取140mm。滑块直径 45mm，滑块高度=50mm，滑块轴套=70mm，上模冲质量：9kg。 3.1.2 运动模型建立：设原动件在图示位置为起点，即转过的角度为 0. 滑块在图示位置位移为 0，向上为正，向下为负，设原动件转过的角度为，则由几何条件可知，滑块位移 s 与的关系：S=(c.2-b.2).0.5-(b.2+c.2-2*b*c*cos(pi/2-asin(sin(pi/2+)*b/c).0.5;模型图如下：原动件逆时针转动，带动滑块先往上运动，到达最高点速度为 0，接着滑块向下运动，进行压制运动，当
6、曲柄和连杆在同一直线时达到压制极限位置。在次刻滑块速度为 0，且前后速度也较小，起到了设计所要求的保压作用。3.1.3 运动分析结果：其 MATLAB 程序如下：b=55;c=140;a=0:0.001:2*pi;y=(c.2-b2).0.5-(b.2+c.2-2*b*c*cos(pi/2-a-asin(sin(pi/2+a)*b/c).0.5;plot(x,y)位移 s 在一个周期内的图像如下：（注意其并非正弦曲线）再对上面的 y 求导，程序为：b=55;c=140;syms ay=(c.2-b.2).0.5-(b.2+c.2-2*b*c*cos(pi/2-a-asin(sin(pi/2+a
7、)*b/c).0.5; diff(a)ans =-7700/(22625+15400*sin(-a-asin(11/28*cos(a)(1/2)*cos(-a-asin(11/28*cos(a)*(-1+11*sin(a)/(784-121*cos(x)2)(1/2)则其速度图像程序为：a=55;c=140;x=0:0.001:2*pi;y=-7700./(22625+15400.*sin(-a-asin(11./28.*cos(a).(1./2).*cos(-a-asin(11./28.*cos(a).*(-1+11.*sin(a)./(784-121.*cos(a).2).(1./2);
8、plot(a,y)得其在一个周期内的速度图像为：同理可得其加速度的程序和一个周期内的图像分别为：a=55;c=140;a=0:0.001:2*pi;y=59290000./(22625+15400.*sin(-a-asin(11./28.*cos(a).(3./2).*cos(-a-asin(11./28.*cos(a).2.*(-1+11.*sin(a)./(784-121.*cos(a).2).(1./2).2+7700./(22625+15400.*sin(-a-asin(11./28.*cos(a).(1./2).*sin(-a-asin(11./28.*cos(a).*(-1+11.
9、*sin(a)./(784-121.*cos(a).2).(1./2).2-7700./(22625+15400.*sin(-a-asin(11./28.*cos(a).(1./2).*cos(-a-asin(11./28.*cos(a).*(11.*cos(a)./(784-121.*cos(a).2).(1./2)-1331.*sin(a).2./(784-121.*cos(a).2).(3./2).*cos(a); plot(a,y)3.2 送料机构方案分析：怎么样实现送粉器的左右间歇运动。因为凸轮机构的间歇运动是主要是依靠它自身的重力实现的，对实现上下运动比较合适，但对左右运动好像有些
10、不行。经过思考后和查找课本后，我们发现圆柱凸轮可以实现左右间歇运动，只要在它的表面设计我们需要的曲线就能符合设计要求。3.2.1 运动尺寸设计右侧圆柱凸轮尺寸：长度：115mm，直径=50mm，送粉器长度：50mm；连杆长度可根据安装需要自行确定。曲线轮廓见运动分析。3.2.2 运动模型建立设滚子在圆柱凸轮的最左边为送粉器的位移 0 点，也即其下料位置和左极限位置。当凸轮逆时针转动时，其位移随着轮廓曲线的规律向右运动，当达到最右端时再次停止运动，进行装料。装料完毕后再随着曲线向左运动，如此循环。模型图如下：3.2.3 运动分析结果由于考虑到送粉器行程为 115mm。可得其位移程序和图像为。x=
11、-pi/6:0.001:pi/6;y=115/2*sin(3*x);plot(x,y);hold onx=pi/6:0.001:5*pi/6;y=115/2;plot(x,y);hold onx=5*pi/6:0.001:7*pi/6;y=115/2*sin(3*x);plot(x,y);hold onx=7*pi/6:0.001:11*pi/6;y=-115/2;plot(x,y)hold off对位移求导得其速度程序和图像为：x=-pi/6:0.001:pi/6;y=115*3/2*cos(3*x);plot(x,y);hold onx=pi/6:0.001:5*pi/6;y=0;plot
12、(x,y);hold onx=5*pi/6:0.001:7*pi/6;y=115*3/2*cos(3*x);plot(x,y);hold onx=7*pi/6:0.001:11*pi/6;y=0;plot(x,y)同理再对其速度求导得其加速度的程序和图像为：x=-pi/6:0.001:pi/6;y=-115*3*3/2*sin(3*x);plot(x,y);hold onx=pi/6:0.001:5*pi/6;y=0;plot(x,y);hold onx=5*pi/6:0.001:7*pi/6;y=-115*3*3/2*sin(3*x);plot(x,y);hold onx=7*pi/6:0.
13、001:11*pi/6;y=0;plot(x,y)注：虽然加速有突变，但由于是在停止和启动时刻，对运动过程没有大的影响，而且加速度突变产生的是柔性冲击，且突变量不是很大（不是从无穷大或无穷小突变） ，所以应该可以满足设计要求。3.3 脱模机构方案分析：下面同样要承受较大压力，但它要求有间歇运动，用滑块摇杆机构不能实现，所以用以凸轮机构来实现。但下模冲同样要承受较大压力，用凸轮同样不能承受。为了解决这个方案，我们在下模冲杆的下面加了一个弹簧，用以分担凸轮所受压力。3.3.1 运动尺寸设计凸轮基圆半径 r=45mm ，远休半径=105mm，下模冲高度=20mm，杆长=50mm 。质量=3kg。滚子
14、半径 =10mm。轮廓曲线见后面运动分析结果。3.3.2 运动模型建立：以近休终点为凸轮起始位置，根据设计要求，它先以正弦加速度规律进行推程运动，角度为 2*pi/3，然后进行远休，由于远休所需要的时间不长，故设计为 pi/6，然后进行余弦加速度规律进行回程运动，角度为 pi/3，最后为近休，由于要进行压制操作，故近休时间相对较长，为 5*pi/6.3.3.3 运动结果分析凸轮理论轮廓曲线程序：h=45;X=2*pi/3;x=0:0.001:2*pi/3;s=(h*(x/X)-sin(2*pi*x/X)/(2*pi);a=(45+s).*cos(x)；b=(45+s).*sin(x);plot
15、(a,b)hold onx=2*pi/3:0.001:5*pi/6;s=45;a=(45+s).*cos(x);b=(45+s).*sin(x);plot(a,b)hold onx=5*pi./6:0.001:7*pi./6;s=22.5*(1+cos(3*(x-5*pi./6);a=(45+s).*cos(x);b=(45+s).*sin(x);plot(a,b)hold onx=7*pi/6:0.001:2*pi;s=0;a=(45+s).*cos(x);b=(45+s).*sin(x);plot(a,b)hold off凸轮理论轮廓曲线：凸轮实际工作曲线程序及图形（为了进行比较含理论曲线
16、）：h=45;r=10;X=2*pi/3;x=0:0.001:2*pi/3;s=h*(x/X)-sin(2*x*pi/X)/(2*pi);a=(45+s).*cos(x);b=(45+s).*sin(x);m=(135./2./pi-135./2.*cos(3.*x)./pi).*cos(x)-(45+135./2.*x./pi-45./2.*sin(3.*x)./pi).*sin(x);n=(135./2./pi-135./2.*cos(3.*x)./pi).*sin(x)+(45+135./2.*x./pi-45./2.*sin(3.*x)./pi).*cos(x);p=m./(m.*m+
17、n.*n).0.5;q=-n./(m.*m+n.*n).0.5;y=a-r.*q;z=b-r.*p;plot(y,z)hold onplot(a,b)hold onx=2*pi/3:0.001:5*pi/6;s=45;a=(45+s).*cos(x);b=(45+s).*sin(x);m=-90*sin(x);n=90*cos(x);p=m./(m.*m+n.*n).0.5;q=-n./(m.*m+n.*n).0.5;y=a-r.*q;z=b-r.*p;plot(y,z)hold onplot(a,b)hold onx=5*pi./6:0.001:7*pi./6;s=22.5.*(1+cos(
18、3.*(x-5*pi./6);a=(45+s).*cos(x);b=(45+s).*sin(x);m=135./2.*cos(3.*x).*cos(x)-(135./2+45/2.*sin(3.*x).*sin(x);n=135./2.*cos(3.*x).*sin(x)+(135./2+45/2.*sin(3.*x).*cos(x);p=m./(m.*m+n.*n).0.5;q=-n./(m.*m+n.*n).0.5;y=a-r.*q;z=b-r.*p;plot(y,z)hold onplot(a,b)hold onx=7*pi/6:0.001:2*pi;s=0;a=(45+s).*cos(
19、x);b=(45+s).*sin(x);m=-45*sin(x);n=45*cos(x);p=m./(m.*m+n.*n).0.5;q=-n./(m.*m+n.*n).0.5;y=a-r.*q;z=b-r.*p;plot(y,z)hold onplot(a,b)hold off推杆位移程序及图像：h=45;X=2*pi/3;x=0:0.001:2*pi/3;s=h*(x/X)-sin(2*x*pi/X)/(2*pi);plot(x,s)hold onx=2*pi/3:0.001:5*pi/6;s=45;plot(x,s)hold onx=5*pi./6:0.001:7*pi./6;s=22.5
20、*(1+cos(3*(x-5*pi./6);plot(x,s)hold onx=7*pi/6:0.001:2*pi;s=0;plot(x,s)hold off推杆速度程序与图像分别为：h=45;X=2*pi/3;x=0:0.001:2*pi/3;v=135/2/pi-135/2*cos(3*x)/piplot(x,v)hold onx=2*pi/3:0.001:5*pi/6;v=0;plot(x,v)hold onx=5*pi./6:0.001:7*pi./6;v=135/2*cos(3*x);plot(x,v);hold onx=7*pi/6:0.001:2*pi;v=0;plot(x,v)
21、hold off推杆加速的程序及图形分别为：h=45;X=2*pi/3;x=0:0.001:2*pi/3;a=405/2*sin(3*x)/pi;plot(x,a);hold onx=2*pi/3:0.001:5*pi/6;a=0;plot(x,a);hold onx=5*pi./6:0.001:7*pi./6;a=-405/2*sin(3*x);plot(x,a);hold onx=7*pi/6:0.001:2*pi;a=0;plot(x,a);hold off3.4 总体方案：3.4.1 各个执行件之间的距离尺寸设计：压坯直径为 45mm，由各个执行件的尺寸可得上下模的旋转中心距离 =上模
22、冲曲柄长度+上模冲连杆长度+上模冲高度+ 压片高度+ 下模冲高度+下模冲推杆长度+滚子半径+ 近休半径=55+140+50+45+20+50+10+45=415mm传动机构设计：本方案把每分钟压制次数定为 20 次，电动机转速选 970r/min。由于三个执行机构在一个周期内都是转一圈，而他们的周期 T=60/40=3s，三个执行件的原动件角速度都为 w=20r/min。所以它们与电动机的传动比都为 i=20/970.3.4.2 总体模型建立根据机构的各个执行件的运动规律设计出来相应的尺寸后就可以使整个机构协调运动了。只要安装起始位置符合所设计的要求，就可以建立以下整体机构运动模型。详细运动流
23、程见运动流程图。四运动循环图上冲头、下冲头与送粉器的动作关系见表上冲头 向下运动 向上运动送料筛 向右运动在右侧静止 向左运动 在左侧静止下冲头 向下运动 停在下方 向上运动 停在上方五小结5.1 机构设计过程小结：本机构设计是我们组三人经过精心思考和讨论后最后确定下来的一个比较完美的机构。由于它的三个执行件都要有间歇运动，由此，我们最初想到了凸轮机构能够实现间歇运动。但由于上模冲是下压机构，它必须能承受较大的压力，而凸轮机构是高复传动，不能承受大的压力，在这里我们遇到了我们的第一个难题。经过思考，我们发现，其实上模冲不一定要是间歇运动，只要它的运动时间上和另外两个机构协调就行了。因此我们想到
24、了曲柄滑块机构的增压作用，而且曲柄滑块机构的运动分析比起凸轮简单多了。在基本上解决了第二个问题后，我们遇到了第二个问题，那就是我们怎么样实现送粉器的左右间歇运动。因为凸轮机构的间歇运动是主要是依靠它自身的重力实现的，对实现上下运动比较合适，但对左右运动好像有些不行。经过思考后和查找课本后，我们发现圆柱凸轮可以实现左右间歇运动，只要在它的表面设计我们需要的曲线就能符合设计要求。最后一个机构就是下模冲的盘型凸轮机构。它也是这三个机构里面最难的。一个是它的轮廓曲线的设计，另一个是它也要受压，必须能承受较大压力。经过查找书上的凸轮设计例题以及所学的课本知识，再结合我们自己的机构设计要求，我们列出了它的
25、轮廓曲线方程和运动曲线。接下来的关键步骤就是怎么根据它的轮廓方程把它的轮廓曲线用电脑画出来。我们只能通过 MATLAB 来画！但我们都对 MATLAB 不是很熟悉，不会用。我们只能从头开始学习 MATLAB，经过一天的对 MATLAB 的书籍的略读和几天边学边用的摸索，我们终于把凸轮的轮廓曲线及所有的运动图像画出来了。这是我们设计最后成功的关键一步。为了解决第二个问题，我们经过仔细分析和思考，最终找到了解决方案：那就是在它的推杆上安装一个弹性系数较大的弹簧同于分担凸轮所受压力。就这样，我们把每一个问题都一一攻破。取得了最后的成功。总的来说，这次机构的设计还算成功，但可能由于自己对书本知识的深刻
26、了解和掌握程度不够以及对一些常用画图设计软件的熟练程度不够和时间的有限，这次设计可能还有不少具体问题和细节不够完善，或者有的地方还有待修改和改进！我们愿虚心听取老师的意见进行完善！5.2 课程设计小结：首先，我感觉这次的课程设计给了一个我们锻炼动手能力的好机会。对我们结合所学知识进行“实战”是一次大的突破。杜绝了“纸上谈兵”的不好势头。同时，也对我们更加深刻了解和掌握机械原理这门课程有着重要作用。更为我们以后走向工作岗位进行了一次“演习” 。其次，这次分组课程设计使我们认识到团队的以及团队精神的重要性。在这次课程设计中，我们三人分工协作，一起讨论，一起思考，一起忙碌。三个机构，我们一人一个。但
27、并不是说分了工我们就对其他机构不闻不问，我们某个组员如果对自己所设计的机构有什么不懂和疑问，我们大家都一起参与学习与讨论，最终总能把问题解决掉。这次设计让我真正认识到团结就是力量。最后，也是这次设计中一个重要的收获。通过这次课程设计，我们知道喝了解了机构设计的一般流程和设计思路以及设计方法。还有，通过这次设计，加深了我们对一些机械设计常用软件的接触和认识甚至应用。比如，CAD 和 MATLAB 这两个常用软件。这为我们今后利用这些软件进行其他设计以及工作都开辟了道路！总之，这次机械原理课程设计让我们受益匪浅！六、参考资料1.机械原理 （第六版） 孙桓 陈作模 主编 高等教育出版社2.机械原理同步辅导及习题全解 （第六版）李丰 唐亚楠 主编 中国矿业大学出版社3数学实验初步 （MATLAB ） 肖海军 编 科学出版社
