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1、機械原理課程設計 指導教師：張利娟 聯(lián)系電話： 13838876910 機械原理與機械設計教研室 一、 課程設計的目的 二、 課程設計的方法 三、 課程設計題目 四、 課程設計內容 五、 課程設計的任務 六、課程設計實例分析 七、課程設計完成任務及要求 八、成績評定及答辯 一、課程設計的目的 1.理論聯(lián)系實際，提高解決實際問題的能力。通過對機械原理課程的學習， 已經(jīng)掌握了機械中的各種常用機構的工作原理、運動特性和受力特性等知識。但 在各種機械中，為了滿足機械的運動及工作要求，僅采用某一種機構是不夠的。 通過課程設計，就可以將各機構聯(lián)系到
2、一起，綜合運用所學的知識，理論聯(lián)系實 際去分析解決工程中的實際問題，提高解決實際問題的能力。 2.通過課程設計，可對機械系統(tǒng)（包括驅動部分、傳動部分、執(zhí)行部分及操 縱控制部分）有一個初步了解和認識，培養(yǎng)對機械系統(tǒng)運動方案設計和分析能力， 培養(yǎng)機構創(chuàng)新設計的能力。 3.培養(yǎng)收集和查閱設計資料能力、制圖能力及分析、歸納、總結的能力，使 用計算機編程的能力 。 二、課程設計的方法 課程設計的方法有 圖解法、解析法 和實驗法三種。設計過程和運動 分析中主要用圖解法和解析法，可采用圖解法與解析法相結合使用。 圖解法是運用某些幾何關系或已知條件，通過幾何作圖求得結果， 所需尺寸可直接從
3、圖上量取。優(yōu)點是可將分析設計結果清晰表現(xiàn)在圖樣 上，直觀、形象，便于檢查結果是否正確。缺點是作圖繁瑣，精度不高， 對精度要求高或復雜問題不適用。 解析法以機構參數(shù)來表達各構件間的函數(shù)關系，建立機構的位臵方 程和求導方程，解析求解未知量，可借助計算機，用 C語言、 VB或 Matlab進行編程計算，避免大量重復人工勞動，計算精度高，能解決 復雜問題，應用逐漸廣泛。 三、課程設計的題目 題目：沖床的沖壓機構和送料機構設計 沖壓是指坯料在模具壓力作用下，使坯料產(chǎn)生塑性變形，但不 產(chǎn)生分離而獲得的具有一定形狀和尺寸沖件的加工方法。 主要有彎曲、拉深、翻邊等。
4、 汽 車 覆 蓋 件 飛 機 蒙 皮 沖床的沖模一般由上模和下模兩部分組成 。 沖床的沖壓 機構相當于上模，用于沖制薄壁零件；通過上模和下模作用 將薄壁鋼板坯料拉延成型。送料機構是能保證及時的將坯料 送到待沖壓位臵，兩者動作要協(xié)調一致，完成多件連續(xù)生產(chǎn)。 我們的目的是設計實現(xiàn)這個功能的沖床的沖壓機構和送料機 構 。 沖床的工作原理如圖 (a)所示 ， 運動規(guī)律如圖 (b)所示 ， 上模先以 較小的速度接近坯料 ， 然后以勻速進行拉延成型工作 ， 然后上模繼 續(xù)下行將成品推出型腔 ， 最后快速返回 。 上模退出下模后到下一次 接觸坯料進行沖制前 ， 在這個時間段內
5、 ， 送料機構從側面將坯料送 至待加工位臵 (下模上方 )， 完成一個工作循環(huán) 。 以電動機作為動力源 ， 與曲柄連接 ， 曲柄作主動件 ， 從動件即執(zhí)行構件為上模 ， 作上下往復直線運動 ， 下模固定在沖床座上 。 上模大致運動規(guī)律如圖 (b)所示 ， 先是以一定運動規(guī)律接近坯料 ， 曲柄轉角 1；然后近似勻速工作 ， 曲柄轉角 m； 上模再以一定運動規(guī)律下行 ， 推出工件 ， 曲柄轉角 2 ；然后上模退出下模 ， 曲 柄轉角 3 ；最后是上模快速退回上極限位置 ， 曲柄轉角 4 。 原始數(shù)據(jù)與設計要求 ： 1.上模的運動規(guī)律應滿足圖 (b)所示的運動要求。 2.機構應具
6、有良好的傳力性能，工作段的壓力角 應盡可能的小，結構緊湊， 制造方便。 設計數(shù)據(jù) ： 參數(shù) 工作 段 l (mm) 工作段 曲 柄轉角 m 沖壓工 作行 程 H(mm) 行程速 比 系數(shù) K 許用傳 動角 送料距 離 H1(m m) 生產(chǎn) 率 (件 / 分 ) 電機轉速 (r/min) 數(shù)據(jù) 70 (1/3 1/2 ) 2 l 1.85 40 150 70 1450 四、課程設計內容 1.沖壓機構設計 2.送料機構設計 3.各種方案分析比較，確定總體方案 沖壓機構是主機構，主動件是曲柄，從動件是上模，動作要求是 由回轉運動變成往復直線運動；
7、運動要求是上模要滿足圖 b所示的運動 規(guī)律，工作段近似勻速，回程時有急回；沖壓過程中受到非常大的生 產(chǎn)阻力，動力特性是傳力性能要好，工作段的壓力角盡可能小。 根據(jù)功能要求和動作分解，能實現(xiàn)由轉動變成往復直線移動的機構 主要有平面連桿機構（包括曲柄滑塊機構和移動導桿機構等）、齒輪 齒條機構、凸輪機構、螺旋機構等。很明顯，連桿機構的桿件長，可 以實現(xiàn)大行程；連桿機構連接為轉動低副，受力好，精度要求低，再 者連桿機構能實現(xiàn)急回特性，因而沖壓機構采用 連桿機構完成沖壓動 作比較合理；同時設計要求對上模的運動規(guī)律要求比較高，用單一的 基本機構如偏臵曲柄滑塊機構是難以實現(xiàn)，因此，需要至少兩個個基 本
8、機構恰當?shù)亟M合在一起來滿足沖壓要求。 1.沖壓機構 送料機構的動力源是電動機 ， 主動件為回轉運動 ， 從動執(zhí) 行構件作直線送料運動 ， 只要在規(guī)定的時間內送料到位就可以 了 ， 對送料快慢和運動規(guī)律沒有要求 ， 同時送料機構作間歇送 料 ， 受力較小 ， 動力特性要求低 ， 因而送料機構要求較低 ， 運 動容易實現(xiàn) 。 執(zhí)行構件能作間歇運動的機構主要有凸輪機構 、 棘輪機構 、 槽輪機構 、 不完全齒輪機構等 ， 凸輪機構是控制機構 ， 且受載 不大 ， 比較適合 ， 而送料機構還要求有一定的送料行程 ， 但是 單一的凸輪機構會尺寸很大 ， 而連桿機構可以實現(xiàn)大行程 ，
9、 且 連桿機構具有尺寸放大功能 ， 這樣凸輪機構和連桿機構組合在 一起 ， 凸輪機構實現(xiàn)動作控制功能 ， 連桿機構實現(xiàn)大行程輸送 功能 ， 可很好滿足送料要求 。 需注意的是送料機構和沖壓機構在動作上有協(xié)調要求 ， 送料 機構要在適當?shù)臅r間內送料到位 ， 不能和沖壓動作相沖突 、 碰 撞 ， 這需要兩機構采用一個電動機 ， 對送料動作進行適當控制 ， 與沖壓機構的運動協(xié)調起來 。 2.送料機構 沖床包含兩個執(zhí)行機構，即沖壓機構和送料機構，分別完 成兩個功能即沖壓零件和送料，完成這兩個功能要求就要考慮 采用一定的方法，選擇合適的機構來實現(xiàn)，這個構思過程就是 運動方案的設計，體
10、現(xiàn)出可選方案的多樣性、設計的主動性和 創(chuàng)新性。 3.各種方案分析 能實現(xiàn)沖壓機構功能要求的機構方案有齒輪 -連桿沖壓機構、擺動 導桿滑塊沖壓機構（滑塊和連桿）、六連桿沖壓機構、連桿 -凸輪沖壓機 構等。 能實現(xiàn)送料機構功能要求的機構方案有凸輪 -直動擺桿送料機構（直 動擺桿形式有多種）、凸輪 -擺動擺桿送料機構。 將沖壓機構和送料機構的任意兩個機構組合，就可得到?jīng)_壓機構和 送料機構的一個運動方案。 方案一： 齒輪連桿沖壓機構和凸輪連桿送料機構 沖壓機構采用有兩個自由度的雙 曲柄七桿機構，用齒輪副將其封閉為 一個自由度（齒輪 1與曲柄 AB固聯(lián)， 齒輪 2
11、與曲柄 DE固聯(lián)）。恰當?shù)剡x擇 C點軌跡和確定構件尺寸，可保證機 構具有急回運動和工作段近似勻速的 特性，并使壓力角 盡可能小。 送料機構由凸輪機構和連桿機構 串聯(lián)組成，按運動循環(huán)圖可確定凸輪 推程角和從動件的運動規(guī)律，使其能 在預定時間將坯料 推送至待加工位臵。設計時，若使 LOG LOH，可減小凸輪尺寸。 方案二：擺動導桿滑塊沖壓機構和凸輪送料機構 沖壓機構是在擺動導桿機構的基 礎上，串聯(lián)一個搖桿滑塊機構組合而 成。擺動導桿機構按給定的行程速度 變化系數(shù)設計，它和搖桿滑塊機構組 合可以達到工作段近于勻速的要求。 適當選擇導路位臵，可使工作段壓力 角 較小。
12、送料機構的凸輪軸通過齒輪 機構與曲柄軸相連。按機構 運動循環(huán)圖可確定凸輪推程 運動角和從動件運動規(guī)律， 則機構可在預定時間將坯料 送至待加工位臵。 方案三：六連桿沖壓機構和凸輪連桿送料機構 沖壓機構由鉸鏈四桿機構和搖 桿滑塊機構串聯(lián)組合而成。四桿機 構可按行程速度變化系數(shù)用圖解法 設計，然后選擇連桿長 lEF及導路位 臵，按工作段近似于勻速的要求確 定鉸鏈點 E的位臵。若尺寸選擇恰 當，可使執(zhí)行構件在工作段中運動 時機構的壓力角 較小。 凸輪連桿送料機構的凸輪軸過 齒輪機構與曲柄軸相連，按機構運 動循環(huán)圖確定凸輪推程運動角和從 動件運動規(guī)律，則機構可在預定 時
13、間將坯料送至待加工位臵。設計 時，使 LIH LIR，可減小凸輪尺寸。 方案四：連桿凸輪沖壓機構和凸輪連桿送料機構 沖壓機構采用有兩個自由度的連桿 凸輪組合機構，用齒輪副將其封閉為 一個自由度（齒輪 1與曲柄 AB固聯(lián)，齒 輪 4與兩個凸輪固聯(lián)）。恰當?shù)剡x擇 C點 軌跡和確定構件尺寸，可保證機構具有 急回運動和工作段近似勻速的特性 ,并使 壓力角 盡可能小。改變凸輪輪廓曲線， 可改變 C點軌跡，從而使執(zhí)行構件獲得 多種運動規(guī)律，滿足不同工藝要求。 凸輪連桿送料機構由凸輪機構和 連桿機構串聯(lián)組成，按運動循環(huán)圖可確 定凸輪推程角和從動件的運動規(guī)律，使 其能在預定時間將坯
14、料推送至待加工位 臵。設計時，若使 LHI LHG，可減小凸 輪尺寸。 減速傳動方案設計就是根據(jù)電機轉速和執(zhí)行構件的生產(chǎn)率來確 定總傳動比，然后確定各級傳動比，并計算各級傳動比的傳動件尺 寸，大致確定出各級傳動的總體尺寸。 能實現(xiàn)減速傳動的傳動裝臵主要有帶傳動、鏈傳動、齒輪系傳 動、蝸輪 -蝸桿傳動、錐齒輪傳動等。 帶傳動和鏈傳動用于遠距離傳動，帶傳動能緩沖吸振和過載保 護，常用于高速端，鏈傳動有振動沖擊，常用于低速端；齒輪系傳 動，傳動比準確，傳動精度高，應用廣；蝸輪 -蝸桿傳動比大、可 自鎖，用于功率不大的換向傳動，錐齒輪主要用于換向傳動。根據(jù) 沖壓機構的運動要求，可
15、以選擇帶傳動和定軸輪系串聯(lián)使用來實現(xiàn) 減速傳動。 帶傳動的傳動比范圍為 2-4，帶傳動的傳動比不宜太大，否則大 小帶輪直徑相差大，小帶輪的包角減小，容易打滑，可選傳動比為 2。單級齒輪傳動的范圍為 4-6，經(jīng)計算可采用一級帶傳動和兩級 齒輪傳動。然后畫出傳動方案的示意圖。 2.減速傳動方案設計 傳動方案圖 主要任務是根據(jù)已知條件，確定出機構的桿件具體尺寸和相互位臵關系， 使設計的機構滿足各項設計要求。 五、課程設計的任務 1.沖壓機構設計 方法有圖解法和解析法，簡單機構用圖解法，復雜機構用解析法。思 路是先由上模工作段行程確定出沖壓工作行程，再由行程速比系
16、數(shù)算出極 位夾角，設定曲柄長度或機架長度，從兩端進行推算確定出連桿機構的各 構件的尺寸長度和相對位臵。用解析法時，要建立桿件的位臵方程，進行 求解計算，這樣結果準確。機構確定后要進行驗證，滿足工作段轉角、工 作段壓力角，并使工作段近似勻速，如不滿足，要重新確定尺寸和相對位 臵。 2.送料機構設計 a） 繪制機構運動循環(huán)圖 . 沖壓機構和送料機構的動作要協(xié)調，不 能出現(xiàn)沖突和干涉現(xiàn)象，送料機構要在上模 退出下模后，到再次接近坯料沖制前的時間 段內將坯料送到待沖壓位臵，并返回到原位 臵，準備下一次送料動作。因而在進行送料 機構設計前，首先要擬定沖壓機構和送料機 構的動作協(xié)調循環(huán)圖。 機構
17、運動循環(huán)圖主要有三種形式：圓周式工 作循環(huán)圖、直線式（表格式）、直角坐標式 工作循環(huán)圖。 圓周式：適用于主動件作圓周運動的曲 柄，畫圓環(huán)，根據(jù)曲柄轉角對上模和送料機 構的工作動作進行分段相協(xié)調。 直線式 (表格式 )： 相當于把圓周式進行展開 ， 畫表格 ， 根據(jù)曲柄轉角 ， 對 上模和送料機構的工作動作進行分段相協(xié)調 。 直角坐標式： 橫坐標為曲柄轉角 ， 縱坐標為執(zhí)行構件的位移 ， 通過 兩執(zhí)行構件的位移關系顯示來進行運動協(xié)調 。 直角坐標式不僅能表示兩 執(zhí)行構件的動作順序 ， 且能表示出兩構件的運動規(guī)律和及配合關系 ， 是 最為完善的一種 。 2.送料機構設計
18、 b） 送料機構的連桿機構設計 任務是確定出送料連桿機構的各構件尺寸和相對位置 ， 思路是由送料距 離確定出各構件尺寸 ， 推出和凸輪相連接的直動從動件的直線位移或擺動從 動件的轉角 ， 且使連桿機構具有尺寸放大功能 ， 以減小凸輪尺寸 。 c） 送料機構的 凸輪設計 從動件運動規(guī)律選擇： 避免剛性沖擊和柔性沖擊 ， 選擇直動從動件或擺動從動件的運動規(guī)律 ， 勻速運動 、 等加速等減速運動 、 余弦加速度 、 正弦加速度 ， 或幾種相結合使 用 。 送料過程中 ， 凸輪受載較小 ， 沖擊不大 。 在推程送料時 ， 擺動從動件的 運動規(guī)律可采用余弦加速度運動規(guī)律 ， 回程時 ，
19、 從動件采用等加速等減速運 動規(guī)律 。 2.送料機構設計 基圓半徑確定 從提高凸輪機構機械效率考慮 ， 應取盡可能小的壓力角 ， 且小于許用 壓力角值 ， 推程時從動件的壓力角許用值為 40， 推程為 70， 但減小壓力角會使基圓半徑增大 ， 導致整個機構尺寸增大 。 為了使機構既 有較好的傳力特性 ， 又有較緊湊的機構尺寸 ， 設計時應兩者兼顧考慮 。 原理課程中講了四種確定基圓半徑的方法，可使用其中的兩種可使用 其中的兩種。初選 r0驗算方法：初選 r0，計算出各點的 ，使 max ；根據(jù) 計算設計法 22 0 /ta n ers edds 由
20、 220 )t a n/( eseddsr 有： sd dsr t a n0 2.送料機構設計 滾子半徑確定： 滾子半徑選擇要適當，以免凸輪理論廓線（外凸）求出后，實際廓 線出現(xiàn)自交現(xiàn)象而導致運動失真。經(jīng)驗公式： 繪制凸輪理論廓線和實際廓線： 確定凸輪的工作轉角，推程角、休止角、回程角，分別用圖解法和解 析法設計凸輪理論廓線和實際廓線。 最后，作出凸輪實際廓線后，要演算臨界壓力角，使推程 max 40。 0)5.01.0( rr r 3. 機構運動分析 對機構進行運動分析，求出機構各構件的位移、速度、加速度，繪出位移、 速度和加速線圖
21、，驗證機構運動滿足設計要求；（對機構進行動力分析，據(jù)各構 件的質量及轉動慣量確定機構的慣性力、慣性力偶矩、各位臵的運動副反力及應 加于原動件上的平衡力矩（加飛輪），繪制平衡力矩及運動副反力的變化線圖， 以便清楚地了解在一個運動循環(huán)中，平衡力矩及運動副反力的變化情況。） 對上模的一個運動循環(huán)作速度分析，即將曲柄轉角分 12等份，取上模對應的 12位臵，進行速度分析和一個位臵的加速度分析，畫出速度多邊形和加速度多邊 形并繪出上模的位移線圖和速度線圖。 六、課程設計實例分析 （一）、 確定傳動方案 （二）、 沖壓機構設計分析 （三）、 送料機構設計分析 （四）、 送料機構中凸輪機構
22、的設計 （五）、 沖壓機構中上模的速度分析 速度矢量圖或速度曲線圖 七、設計工作量 1.A1圖一張： 內容包括： 沖壓送料機構簡圖 ； 傳動方案圖 ； 運動協(xié)調圖 ； 沖頭（上模） 12個位置的速度多邊形圖 和 1個位置的加速度多邊 形圖； 沖頭（上模）的位移線圖和速度線圖。 2.A2圖紙一張： 凸輪理論廓線和實際廓線（圖解法）； 送料機構（凸輪機構從動件）運動規(guī)律（ 位移曲線、速度曲線、加 速度曲線圖）。 3.設計 說明書 1份 設計說明書（ 15頁， 2000字左右） 任務書粘貼在說明書的第一頁 （設計說明書， 1元 /本）
23、 說明書內容： 1.任務書 2.簡述方案設計和選擇（方案分析） 3.確定傳動機構總方案，計算總傳動比，并分配各級傳動比 4.各機構設計步驟或分析計算過程 5. 對上模進行速度分析（矢量方程式、計算、結果） 6.凸輪機構的設計過程（數(shù)學模型、源程序、程序運行結果） 7.對設計結果的分析和討論 8.參考文獻 9.設計小結 八 .課程設計的進度安排 1.聽課、明確設計任務 (借教室、借圖板、丁字尺） 0.5天 2.機構選型、方案比較分析與確定、傳動方案設計 1天 4.機構設計、運動循環(huán)確定、運動簡圖繪制、
24、機構運動分析 1.5天 5.凸輪設計與上機編程計算 1天 6.編寫設計說明書 1天 7.答辯 1天 九、考核與成績評定 課程設計成績分優(yōu)秀、良好、中等、及格和不及格五級，成績不 及格應重新進行設計。根據(jù)學生的設計態(tài)度、設計質量、創(chuàng)新性及答 辯情況綜合評定學生機械原理課程設計的成績等級。 對課程設計考評按四項內容進行，所占比例為： 1） 方案設計及創(chuàng)新性 20 2） 圖樣部分 30 3
25、） 說明書（包括程序設計） 40 4） 考勤 10 十 .其它 1.場地： 1號樓 419、 422室 (李傳坤老師： 13937990361) 2.上機時間： 6小時 /人，超時付費； 上機地點 2 210機房，自備軟件。 要求： 必須在設計教室（或機房）獨立完成設計（或運行 程序） 周五答辯（每人 10 15分鐘） 周五交圖紙和設計說明書 概述 四、設計任務 1、 A1圖 1張 完整的機構組合系統(tǒng)運動簡圖（ A0圖紙 1張） 上模的位移、速度線圖 執(zhí)行構件的運動循環(huán)圖 控制送料凸輪機構的從動件運動規(guī)律 2、
機械原理課程設計(沖床沖壓機構和送料機構設計).ppt
