西南交通大學(xué)自動沖壓機構(gòu)機械原理課程設(shè)計計算說明書

1、西南交通大學(xué)機械原理課程設(shè)計計算說明書設(shè)計題目：自動沖壓送料機構(gòu)學(xué)生姓名：學(xué)生學(xué)號：所在班級：指導(dǎo)老師：謝進2013年06月目 錄1選題背景41.1問題的提出41.2研究現(xiàn)狀41.3設(shè)計的技術(shù)要求及指標42機構(gòu)選型42.1設(shè)計方案的提出42.2設(shè)計方案的確定43尺度設(shè)計43.1機構(gòu)尺寸計算44機構(gòu)運動分析44.1機構(gòu)的運動分析45機構(gòu)動力分析45.1機構(gòu)運動簡圖及尺寸標注55.2機構(gòu)關(guān)鍵構(gòu)件靜力分析56機構(gòu)仿真56.1機構(gòu)仿真包絡(luò)圖56.2機構(gòu)構(gòu)件軌跡曲線56.3機構(gòu)裝配圖57設(shè)計總結(jié)58收獲及體會59致謝51 選題背景1.1 問題的提出隨著科學(xué)技術(shù)和工業(yè)生產(chǎn)的飛躍發(fā)展，國民經(jīng)濟各個部門迫切需

2、要各種各樣質(zhì)量優(yōu)、性能好、效率高、能耗低、價格廉的機械產(chǎn)品。要使我國從制造大國走向制造強國的關(guān)鍵之處是要設(shè)計出有自主知識產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品，特別是機械產(chǎn)品。 沖壓成形作為一門古老而又年輕的制造技術(shù)，幾乎滲透到國民經(jīng)濟的每一個部門。在許多發(fā)達國家從作為支柱產(chǎn)業(yè)之一的汽車制造業(yè)到農(nóng)業(yè)機械、動力機械、建筑機械、化工機械、精密機械、儀器儀表、醫(yī)療器械、日用五金等等，直到航空航天、軍事兵器各個門類，沖壓制件都占據(jù)著相當重要的地位。隨著我國工業(yè)的發(fā)展，沖壓制件類型、工藝的復(fù)雜化以及人性化生產(chǎn)要求，手工送料的沖壓加工生產(chǎn)由于存在著效率、速度、精度、安全等方面的一系列問題，沖壓生產(chǎn)的手工送料已逐步由自動送料機構(gòu)所取代

3、，從而進一步滿足了沖壓生產(chǎn)自動化，大幅度提高生產(chǎn)節(jié)拍、生產(chǎn)質(zhì)量等的要求。 沖壓生產(chǎn)自動化主要是指包括材料供給、制品及廢料的排出、模具更換、沖床的調(diào)整與運轉(zhuǎn)、沖壓過程異常狀況的監(jiān)視等作業(yè)過程自動化，將這些技術(shù)應(yīng)用到?jīng)_壓生產(chǎn)流水線的相應(yīng)環(huán)節(jié)從而實現(xiàn)沖壓生產(chǎn)過程的自動化。自動送料機構(gòu)作為沖壓加工生產(chǎn)實現(xiàn)自動化的最基本的要求，是在一套模具上實現(xiàn)多工位沖壓的根本保證，它的自動化程度高低，直接影響著沖壓生產(chǎn)效率、生產(chǎn)節(jié)拍以及沖壓生產(chǎn)整體自動本次設(shè)計旨在設(shè)計一款薄壁零件的沖壓機構(gòu)及其相配合的送料機構(gòu)1.2 研究現(xiàn)狀本次設(shè)計的沖壓送料機構(gòu)屬于普通壓力機構(gòu)，而普通壓力機上的送料機構(gòu)根據(jù)送料動力的不同可分為機械、

4、液壓、氣動三大類，在沖壓加工中以機械與氣動二類應(yīng)用較多。機械送料機構(gòu)盡管調(diào)整相對困難且機構(gòu)較大，但具有送料準確可靠、機構(gòu)沖擊與振動少、噪聲低、穩(wěn)定性好等優(yōu)點，仍是目前沖壓加工中最常用的自動送料方式。送料機構(gòu)的性能高低直接影響著生產(chǎn)線的推廣應(yīng)用，因此，針對沖壓制件的工藝要求、生產(chǎn)的實際情況等的不同來選擇不同的送料機構(gòu)是十分必要的1.3 設(shè)計的技術(shù)要求及指標沖床的執(zhí)行機構(gòu)主要包括沖壓機構(gòu)和送料機構(gòu)，沖頭先以較大速度接近工件，然后以勻速進行拉延成型工作，接著沖頭繼續(xù)下行將工件壓縮成型，最后快速返回。沖頭退回以后，送料機構(gòu)從側(cè)面將坯料送至待加工位置，完成一個工作循環(huán)。設(shè)計要求1.動力源是電動機，作轉(zhuǎn)動

5、；從動件（執(zhí)行構(gòu)件）為沖頭，作往復(fù)直線運動，具有快速下沉、等速工作進給和快速返回的特性。 2.構(gòu)件具有較好的傳動性能，特別是工作段的壓力角應(yīng)盡可?。粋鲃咏谴笥诨虻扔谠S用傳動角。 3.沖頭到達工作段之前，送料機構(gòu)已將坯料送至待加工位置。4.執(zhí)行構(gòu)件的工作長度 l=50 100mm,對應(yīng)曲柄轉(zhuǎn)角 =（1/3 1/2）。5.行程速度變化系數(shù) K1.5。 6.許用傳動角=40。 7.送料距離H=60-250mm。 2 機構(gòu)選型2.1 設(shè)計方案的提出根據(jù)目前市場上已經(jīng)出現(xiàn)的機構(gòu)方案，我們做了相應(yīng)的改進和設(shè)計，設(shè)計方案如下方案一圖21 肘桿增力機構(gòu)該機構(gòu)由曲柄與肘節(jié)組成，曲柄可用偏心輪代替，偏心輪可減小機

6、構(gòu)尺寸，提高強度。肘節(jié)可產(chǎn)生增力效果，當桿作用一較小的力時，滑塊就會產(chǎn)生很大的力，且增力效果非常明顯。自由度F=5×3-2×7=1方案二 圖22 凸輪滑塊插齒機構(gòu)該機構(gòu)以凸輪為原動件，帶動插齒機CDEFG實現(xiàn)往復(fù)運動，同時帶動偏心滑塊機構(gòu)實現(xiàn)送料動作,但是該機構(gòu)的送料機構(gòu)本身存在動力特性不足的缺點。自由度F=3×7-2×10-0=1方案三圖23 擺動導(dǎo)桿推送機構(gòu)沖壓機構(gòu)為擺動倒桿機構(gòu)，曲柄AB為主動件，整周回轉(zhuǎn)，滑塊在導(dǎo)桿上滑動，帶動導(dǎo)桿往復(fù)擺動，當曲柄與導(dǎo)桿相互垂直時導(dǎo)桿達到極限位置，機構(gòu)傳動角為90°，具有良好的傳力特性，并具有急回特性。，

7、運動中無死點，送料機構(gòu)采用了曲柄搖桿機構(gòu)搖桿最大擺角與曲柄長度有關(guān)，當曲柄長度加大時，從動角擺角也隨之增大，且也有急回特性。自由度F=3×9-2×13-0=1方案四圖24 擺動導(dǎo)桿滑塊機構(gòu)該機構(gòu)為擺動導(dǎo)桿滑塊機構(gòu)，ABC為擺動導(dǎo)桿機構(gòu)，曲柄AB的長度應(yīng)小于機架長，曲柄AB勻速轉(zhuǎn)動時，導(dǎo)桿BC作往復(fù)運動，行程速比系數(shù)K>1，擺動導(dǎo)桿機構(gòu)本身具有急回特性，增大r/l的值，擺角增大，可使K增大，急回特性更顯著，但空回行程速度變化劇烈自由度F=3×7-2×10=12.2 設(shè)計方案的確定我們小組通過對以上構(gòu)件的基本性能作出分析后，考慮到機構(gòu)的簡潔性，以及網(wǎng)上

8、的很多重復(fù)的且復(fù)雜的齒輪連桿沖壓機構(gòu)和凸輪連桿送料機構(gòu)等，我們小組選擇了方案三，擺動導(dǎo)桿推送機構(gòu)方案四 擺動導(dǎo)桿滑塊機構(gòu)3 尺寸設(shè)計3.1 機構(gòu)尺寸計算方案三進行關(guān)鍵尺寸分析沖壓機構(gòu)為ABCDE,送料機構(gòu)為ABFGIJ 沖壓機構(gòu)尺寸分析圖32 沖壓機構(gòu)設(shè)AB>AC,則可得極位夾角 （3-1） 同時需滿足急回特性 （3-2）取急回特性值K=2，則有 60°故由（3-1）式可得 （3-3）取AC=25mm ， 則有AB=250.866=28.8675mm 根據(jù)尺寸進行可行性分析設(shè)A（0、0）,C(25、0)于是很容易得到?jīng)_頭近程點和遠程點的坐標分別為E(25、),E(25、)考慮到

9、當上模DE到達工作段之前，送料機構(gòu)已將坯料送至待加工位置，故需要確定上模DE和往復(fù)直線運動和曲柄AB的關(guān)系，同時還需要兼顧曲柄AB轉(zhuǎn)動和送料機構(gòu)HI的關(guān)系。先建立B點和E點的坐標關(guān)系式位移矩陣方程對點B （3-4）連桿約束方程為 （3-5）約束方程為 （3-6）約束方程為 （3-7）由（3-4）式至（3-7式可得 （3-8）此外取行程 s=60mm （3-9）聯(lián)立式（3-4）（3-9）可得 DE=103.21mm CD=30.3mm由于沖壓條件的限制，需要對送料機構(gòu)尺寸進行分析送料機構(gòu)的結(jié)構(gòu)簡圖如下 圖33 送料機構(gòu)尺寸分析如圖圖33，需使連桿ABFG為曲柄搖桿機構(gòu)，連架桿AB為曲柄，F(xiàn)G為擺

10、桿由四桿機構(gòu)曲柄搖桿存在條件，有AB為最短桿，即 （3-9）取BG為最長桿，AB=30mm為最短桿。先通過試湊法來大概確定構(gòu)件尺寸，取BG=82mm，F(xiàn)G=61mm，AF=60mm，由此可分析出此曲柄搖桿四桿機構(gòu)的急回特性和極位夾角作圖分析由圖34說明 圖34 極位夾角分析 由圖34可知極位夾角 =41.82°故有其急回特性 K= =1.605滿足要求延伸FG到GH使得GH=48mm，另外取HI=95mm聯(lián)立上面各式，可將最終尺寸確定如下AC=25mm AB=28.8675mmCD=30.3mmDE=103.21mm BG=82mmAF=60mmFG=61mmGH=48mmHI=95

11、mmAI=135mm現(xiàn)在對方案四進行關(guān)鍵尺寸分析機構(gòu)簡圖如圖35圖35 擺動導(dǎo)桿滑塊機構(gòu)沖壓機構(gòu)為ABCDE,送料機構(gòu)為ABCFG設(shè)置要求如下，K=1.55，沖壓機構(gòu)的行程=280mm，送料機構(gòu)的行程=160mm取機架AC=300mm.鉸鏈A到兩滑動軌道的的距離分別是=200mm, =450mm,DC垂直于CF由 （3-10）可推得 故導(dǎo)桿處于極限位置時， CAB=故 mm分析該機構(gòu)可知，當導(dǎo)桿CD處于兩極限位置時，D點的X軸方向水平位移即為滑塊E的行程=280mm同時機構(gòu)滿足 （3-11） mm根據(jù)設(shè)計的一般要求，需傳動角這里取 = （3-12）對于沖壓滑塊，需要承受短暫高峰載荷且傳動機構(gòu)功

12、率較大，所以去較大的傳動值。取 即 （3-13）故 DE=198.26mm對于送料裝置，要求不高，傳動角可取小一些的值，取=，則 （3-14） 又 =160mm （3-15）由上兩式可得 =237.15mm =301.22mm聯(lián)立上面各式，可將最終尺寸確定如下鉸鏈點到?jīng)_壓軌道的距離=200mm鉸鏈點到送料軌道的距離=450mm=99.99mm=300mm=430mm=198.26mm=237.15mm=301.22mm4 機構(gòu)運動分析4.1 機構(gòu)的運動分析方案三我們主要通過建模模擬仿真對其進行運動分析 已知各桿長及A點坐標A（0,0），C點坐標C（25.0），F(xiàn)點坐標（-60,0）桿AB的角速

13、度=36rad/s，角加速度通過PRO/E的初步建模和運動分析機構(gòu)模型圖為 圖41 擺動導(dǎo)桿 推送機構(gòu)模型圖運動仿真中可以看到，該機構(gòu)的最大優(yōu)點是沖壓機構(gòu)的急回特性很好，沖壓過程的力作用很大沖壓機構(gòu)E和送料機構(gòu)I的運動參數(shù)分析如圖42和圖43所示圖42 滑塊I的速度加速度分析送料機構(gòu)在送料過程中，運動平穩(wěn)，速度波動較小，能夠使工件安全的送到?jīng)_壓區(qū)域，回程時，速度和加速度都發(fā)生很大變化，使得送料機構(gòu)能快速返回，以便沖頭進行沖壓 圖43 滑塊E的速度加速度分析沖頭在進給過程中，由圖可以得知運動很平緩，速度波動不大，在回程的過程，加速度比較大，回程速度迅速，能夠在短時間內(nèi)回到起點，滿足設(shè)計要求。方案

14、四運動分析方案三是我們初期做的一個方案，考慮到機構(gòu)構(gòu)件過多，機構(gòu)占用空間大，且沖壓和送料部分不好做到同步，我們放棄了這個方案，而將重點設(shè)計放在了方案四上方案四我們主要通過數(shù)學(xué)計算和建模模擬仿真對其進行運動分析 圖44 擺動導(dǎo)桿 滑塊機構(gòu)模型圖已知各桿長以及A點坐標A（0,200），C點坐標C（0.500），桿AB的角速度=36rad/s角加速度，故一個工作循環(huán)為十秒，其中四到十秒為沖壓進程，十秒到十四秒為沖壓回程對點B坐標 （4-1）點B速度分析 （4-2）點B加速度分析 （4-3）因A點固定不動，其速度和加速度均為0點B運動分析仿真如圖45和圖46 所示 圖45 軸B 的速度加速度分析 滑塊

15、B在曲柄的帶動下做勻速圓周運動，其速度大小保持不變，法向加速度為零，其角速度隨曲柄=36rad/s,角加速度為零，其線圖分析如圖46所示 結(jié)論，滑塊B在機構(gòu)中主要起傳遞運動和動力的作用，其運動情況和電機相關(guān)。 圖46 曲柄AB的角速度加速度分析曲柄AB和滑塊B在電動機的驅(qū)動下，做勻速圓周運動，法向加速度為零。對點D （4-4）點D速度分析 （4-5）點D加速度分析 （4-6）即 （4-7）對機構(gòu)有C點固定不動則 （4-8）其中C點角速度及角加速度為 （4-9） 圖47 點D 的速度加速度分析 導(dǎo)桿CD在滑塊B的推動下繞鉸鏈點C做擺動，由圖47分析可得，導(dǎo)桿在沖頭進程中速度變化較為平緩，加速度幾

16、乎恒定，在回程中，加速度波動稍大，速度變化稍快，但就總體而言，導(dǎo)桿在整個運動過程中，速度呈正弦規(guī)律變化，不需對速度波動作調(diào)整圖48 導(dǎo)桿DCF的角速度角加速度分析導(dǎo)桿BD在滑塊C的推動下繞鉸鏈點C做擺動，由圖48分析可得，導(dǎo)桿在沖頭進程中角速度先逐漸增大，達到最大值后又成對稱性減小到零，角加速度先逐漸減小，減小到零后逐漸增大，在整個進程過程中，變化相對平緩，滿足機構(gòu)設(shè)計快速推進，慢速工進的要求。在回程中，角加速度波動更為劇烈，角速度變化稍快，且其平均角速度明顯大于進程，導(dǎo)桿在整個運動過程中，比較符合預(yù)期設(shè)計，不需對速度波動作調(diào)整。對構(gòu)件DE （4-10）又 （4-11）則 （4-12）其中點E

17、角速度及角加速度為 （4-13） （4-14）滑塊E的運動分析如圖49所示 圖49 滑塊E 的速度加速度分析 由圖49分析可以看到，在沖壓進程的前半段，即從四秒到八秒這段時間，滑塊E的速度逐漸增大，到最大值時，開始緩慢減小，在沖壓的后半段，其速度逐漸減小，對工件進行緩慢沖壓，沖壓結(jié)束后，回程速度急劇增大，回程加速度也快速增加，沖頭得以迅速返回。圖410 連桿DE的角速度角加速度分析 連桿的角速度及其角加速度變化很復(fù)雜，由圖410可得，在一個運動循環(huán)當中，連桿的角速度忽大忽小，但是在本機構(gòu)中的主體不在連桿，此連桿只要做到能夠很好的傳遞運動和動力即可，我們在尺寸參數(shù)設(shè)計當中，已對其傳動角做出了限制

18、，滿足傳力特性較好。對點F有 （4-15）即 （4-16） （4-17）由于桿件DC和CF剛接，所以他們的角速度以及對應(yīng)尺寸的角加速度相同，此處不再做重復(fù)計算。 圖411 點F的運動分析點F位于構(gòu)件CDF上繞點C做擺動，其運動參數(shù)和點D相反，即由圖411分析可得，導(dǎo)桿在沖頭進程中速度變化較為迅速，加速度變化較大，在回程中，加速度幾乎不變，速度變化緩慢，這就滿足了沖頭到達工作段之前，送料機構(gòu)已將坯料送至待加工位置的要求。 圖412 連桿FG的角速度角加速度分析 同理連桿在機構(gòu)的整個運行過程中其角速度及角加速度變化比較復(fù)雜，但對于整個機構(gòu)而言，連桿的主要作用是傳遞運動和力，只要執(zhí)行構(gòu)件能夠滿足要求

19、，則對連桿不需做過多分析，只要滿足其傳力特性較好就行，已在前一節(jié)對其最大壓力角和最小傳動角做了限制，這兒不在累述。對點G的運動分析 （4-17） （4-18）桿長分析為 （4-19）速度加速度分析 （4-20） （4-21）滑塊G的分析如圖413 圖413 滑塊G的速度加速度分析 由圖413分析可知，送料機構(gòu)在沖頭進入上模前，已將工件送到加工位置，并能夠迅速返回。5 機構(gòu)動力設(shè)計5.1 機構(gòu)運動簡圖及尺寸標注通過上面的分析，最終做出機構(gòu)運動簡圖及尺寸標注如圖51和圖52所示圖51 擺動導(dǎo)桿推送機構(gòu)圖52 擺動導(dǎo)桿滑塊機構(gòu)5.2 機構(gòu)關(guān)鍵構(gòu)件動力分析要求沖壓機構(gòu)應(yīng)具有良好的傳力特性，相比之下，退

20、料機構(gòu)不要求有太大的作用力，現(xiàn)只就沖壓機構(gòu)做動力分析以構(gòu)件1為原動件，角速度為，輸出構(gòu)件為沖頭5，工作中沖頭受到工作阻力圖53曲柄1受到的力有,力矩滑塊2受到的力有導(dǎo)桿3受到的力有連桿4受到的力有沖頭5受到的力有，以及工作阻力為計算方便，不考慮摩擦圓的影響對曲柄1有 （5-1）對滑塊2有 （5-2） 可見與方向相同分析上面各式可得方向與導(dǎo)桿3夾角= （5-3）對導(dǎo)桿3有 圖54 導(dǎo)桿CDF的受力分析 （5-4）其中與導(dǎo)桿3的夾角對連桿4有 （5-4） 可見與方向相同對沖頭5，圖55 沖頭E的受力分析 （5-5）式中 （5-6） （5-7）軟件靜力分析 圖56 仿真建模靜力分析如圖56給曲柄施加

21、以轉(zhuǎn)矩=50N.M,同時沖頭受到工作阻力=30N, 送料機構(gòu)受到工作阻力=30N。圖57如圖57，機構(gòu)在受到施加作用力時，機構(gòu)在施力處會產(chǎn)生很大的加速度，組件會產(chǎn)生反作用力，因此施力處的的加速度會逐漸縮小，當反作用力大到等于作用力時，機構(gòu)即達到平衡的位置。圖58 沖壓機構(gòu)的受力分析圖6 機構(gòu)仿真6.1 機構(gòu)仿真運動包絡(luò)圖圖61 曲柄AB運動包絡(luò)圖圖62 導(dǎo)桿CDF運動包絡(luò)圖圖63 連桿DE運動包絡(luò)圖 圖64 滑塊E運動包絡(luò)圖圖65 連桿FG運動包絡(luò)圖圖66 滑塊G的運動包絡(luò)圖6.2 機構(gòu)構(gòu)件軌跡曲線圖67 機構(gòu)軌跡曲線6.3 仿真參數(shù)測量及分析圖68 擺動導(dǎo)桿推送機構(gòu)建模圖68擺動導(dǎo)桿滑塊機構(gòu)

22、建模7 設(shè)計總結(jié)本次設(shè)計從最初的選題，到機構(gòu)的選擇，再到機構(gòu)的分析以及繪制，都經(jīng)過一段探討以及查閱資料分析合適與否，最終基本上做到滿足設(shè)計的技術(shù)要求和指標。本次設(shè)計同時也存在許多不足，由于能力上的欠缺，對機構(gòu)的動力分析做得不夠充分，希望在大學(xué)最后的一年里，能夠充分利用有限的時間學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)建模程序的編制。8 收獲及體會經(jīng)過接近一個學(xué)期的機械原理課程設(shè)計的工作，我們學(xué)習(xí)到了許多東西，比如說：如何使用PRO/E進行機構(gòu)設(shè)計和數(shù)據(jù)的分析，如何有效查找文獻，如何合理安排時間等等。在設(shè)計過程中，我們遇到了很多困難，我們開始對建模軟件一竅不通，查閱了大量資料，在網(wǎng)上也看了很多的相關(guān)視頻，終于是我們小組對建模有了更多的認識，我想，只要我們肯踏踏實實地去做，很多事情就不是想象的那么難。通過這次設(shè)計，我們也對機械原理課程又有了更深入的認識。以下是我們小組兩人對于作為未來的機械工程師所需要的知識以及能力有了更深的認識：首先，在做機械設(shè)計的時候，要按照一個規(guī)范的規(guī)章制度來進行操作，保證設(shè)計出來的機構(gòu)以及操作人員的