機械原理課程設(shè)計計算說明書 聶一舟

1、機械原理課程設(shè)計設(shè)計計算說明書設(shè)計題目： 專用精壓機院 （系）： 汽車學(xué)院專 業(yè)： 車輛工程（汽車）班 級： 09汽車6班學(xué) 號： 092194設(shè) 計 人： 聶一舟指導(dǎo)教師： 虞紅根完成日期： 2011年6月2日目 錄第一部分：機構(gòu)設(shè)計要求2第二部分：機構(gòu)工作原理3第三部分：機械運動方案的擬定5第四部分：精壓機構(gòu)的設(shè)計計算和校驗9第五部分：送料機構(gòu)設(shè)計29第六部分：工作循環(huán)圖擬定34第七部分：心得與體會36第八部分：參考文獻37第一部分：機構(gòu)設(shè)計要求專用精壓機的設(shè)計要求和主要參數(shù)：本機可用于薄壁鋁合金制作（如易拉罐類）精壓深沖工藝，上模先以逐漸加快的速度接近原料，以勻速進行拉延成型，上模繼續(xù)下

2、行將成品推出模腔，快速返回。上模推出固定不動的下模后，送料機構(gòu)的退料桿2從側(cè)面將新的原料送至待加工位置，如圖1所示圖1（1） 沖壓執(zhí)行機構(gòu)，具有快速接近工件，等速（近似）下行拉延和快速返回等運動特性。（2） 制成品生產(chǎn)率約每分鐘70件。（3） 上模移動總行程為280mm，其拉延行程置于總行程中部，約100mm。（4） 行程速比系數(shù)K1.32。（5） 坯料輸送最大距離200mm。（6） 電動機功率可選用1.5kW，1440r/min 左右（如Y90L-4）。專用精壓機主要完成3個動作：1、加原料；2、沖頭將原料壓制成形；3、沖頭將成品推出型腔，沖頭快速返回。注意事項：1、送料機構(gòu)是輔助工作機構(gòu)，

3、需要與沖壓機構(gòu)協(xié)調(diào)工作，實現(xiàn)間歇送料運動。2、各機構(gòu)及傳動系統(tǒng)的布局應(yīng)該緊密且合理，特別應(yīng)該注意原料與成品在本機范圍內(nèi)互不干涉。3、所有未給定的參數(shù)由設(shè)計者自行確定。4、本機沖壓機構(gòu)應(yīng)該進行方案對比，其設(shè)計方案評價的重點是機構(gòu)的運動功能質(zhì)量，并定性的考慮機構(gòu)的動力特性和加工制造的容易性等因素。第二部分：機構(gòu)工作原理我組設(shè)計的精壓機可分為三個部分：精壓機構(gòu)，送料機構(gòu)和傳動機構(gòu)。在精壓機構(gòu)中，我們使用了類似牛頭刨床的機構(gòu)。首先以較快的速度接近坯料，在接近坯料時逐漸接近勻速以對坯料進行拉延成形，并將成品推出模腔，最后再利用機構(gòu)的急回特性，使沖頭快速返回。在送料機構(gòu)中，我們采用環(huán)形流水線的構(gòu)思。主動的

4、撥桿勻角速度轉(zhuǎn)動，當(dāng)沖頭完成沖壓離開上模后，撥桿帶動槽輪轉(zhuǎn)動60角，槽輪與流水線通過分別固連于兩者之上的一對內(nèi)外齒輪嚙合傳動，使得流水線轉(zhuǎn)至下一待加工坯料，穩(wěn)定后，沖頭下行沖壓，完成一次送料循環(huán)。傳動及裝配說明電動機輸出軸轉(zhuǎn)速為1440r/min，精壓機構(gòu)和送料機構(gòu)原動件轉(zhuǎn)速為70r/min，故需對發(fā)動機輸出轉(zhuǎn)速進行減速。發(fā)動機輸出軸外接2級同軸式減速機，減速機傳動比i=10。減速機輸出軸與圖中小圓柱直齒輪連接，小齒輪與兩個等大的大圓柱直齒輪外嚙合，齒輪傳動比i=2.05。圖中錐齒輪間的傳動比均為1，只起改變傳動方向的作用。各機構(gòu)間裝配的相對位置如圖2所示。圖2第三部分：機械運動方案的擬定分到

5、設(shè)計任務(wù)之后，我們小組成員根據(jù)已有的知識和其他書籍、網(wǎng)絡(luò)上的資料進行了一次頭腦風(fēng)暴，初選出若干個精壓機構(gòu)，然后根據(jù)設(shè)計要求對其一一進行分析，篩選。方案一： 該機構(gòu)擬用齒條連接沖頭，并通過齒輪轉(zhuǎn)速控制齒條移動速度，進而控制沖頭運動。但考慮到?jīng)_壓過程中會產(chǎn)生很大的作用力，引起齒條彎曲，降低傳動精度，甚至無法完成運動。方案二：該機構(gòu)采用不完全齒輪傳動，可以較好地控制精壓和推料的時間。但是，精壓部分采用地曲柄滑塊機構(gòu)過于簡單，不能按要求實現(xiàn)勻速運動；不完全齒輪受力狀態(tài)不好，所受沖擊載荷過大時，輪齒易折斷從而整體失效。方案三：精壓部分采用肘桿機構(gòu)，可用較小的力產(chǎn)生很大的鍛壓力，獲得較大的機械效益；但只能

6、達到近似的等速運動，不能滿足設(shè)計要求。推料機構(gòu)采用凸輪機構(gòu)，可以精確地實現(xiàn)運動需求；但是設(shè)計和制造困難，耐磨性差，要求尺寸過大。故不采用凸輪機構(gòu)。方案四：該機構(gòu)的精壓機構(gòu)和推料機構(gòu)通過渦輪蝸桿傳動連接，外廓尺寸小，可以更好地利用空間，且傳動比準(zhǔn)確，平穩(wěn)安靜。但是效率低，要求制造精度高，需用昂貴的表銅。而且當(dāng)蝸桿轉(zhuǎn)速達到70rad/s時，滑動速度過大，超過發(fā)熱條件限制；否則蝸桿半徑將達到0.5m，尺寸過大。方案五：方案六：經(jīng)過多次討論和層層篩選，我們創(chuàng)造性地選用了流水線形式的送料機構(gòu)；精壓機構(gòu)初選為方案五和方案六，下面對這兩個方案的優(yōu)缺點做詳細討論。方案最終確定：沖頭方案經(jīng)過一系列的篩選，我們保

7、留了兩個方案，于是我們對這兩個方案進行了進一步的分析。圖3方案六機構(gòu)原型由五個桿件組成（如圖3所示），加速度計算較為繁瑣，用ADAMS等專業(yè)軟件才可較為方便的進行運算。而且部分桿件在滿足近似等速和加速急回運動的條件下，桿件尺寸較大，任意性較差，只能達到有限個精確位置。且加速度峰值較高。而方案五機構(gòu)（如圖4所示），在C+、MATLAB等環(huán)境下運算可以十分方便地得出運動參數(shù)，于是我們對其進行了深入分析。圖4第四部分：精壓機構(gòu)的設(shè)計計算和校驗 （一）沖壓執(zhí)行機構(gòu)的分析計算圖5對于圖5所示機構(gòu)，由于結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，如果單純運用瞬心法或矢量方程圖解法對其進行速度和加速度分析顯得比較復(fù)雜，可以用解析法對機構(gòu)

8、做運動分析。如圖5，建立直角坐標(biāo)系，設(shè)原動件1的長度為l1,構(gòu)件3的長度為l3,構(gòu)件4的長度為l4,原動件1的方位角1=003600和等角速度1=n/30=7.33rad/s(轉(zhuǎn)速n為70轉(zhuǎn)/min)，構(gòu)件3、4的方位角分別是3、4。圖6如圖6，構(gòu)造向量a=CA,設(shè)向量CB長S，由矢量封閉圖形ABC可得封閉矢量方程（1） 即：由歐拉公式ei=cos+isin,將（1）式的實部虛部分離，得：（1-0）由于l1、a為已知，由上述方程組可以求出：，（1-0） 式對時間t求導(dǎo)可得： (1-1） （1-2）(1-2)式再對時間t 求導(dǎo)得： 圖7如圖7，構(gòu)造向量XE、b（2） 由歐拉公式分離實部虛部得：

9、（2-0）式 因為；可以得到滑塊位移：所以上述方程組消去，得到由確定的的公式。還可以得到；（-0）式對時間求導(dǎo)可得：（）式；由上述方程組可以得到滑塊E的速度：（3）式對時間t求導(dǎo)可得：實部和虛部分別相等，可以得到： 從而得到：進一步可以得到滑塊E的加速度：至此，計算部分基本完畢，接下來的問題就是大概確定桿長參數(shù)，帶入各式進行校核。（二）由已知條件確定桿長以及支座位置(a)設(shè)定初始參數(shù)參數(shù)有固定支座距離a、b，桿長L1、L3、L4，滑塊行程H，參數(shù)個數(shù)多，變量復(fù)雜，我們先確定一系列“初始參數(shù)”，然后通過調(diào)整滑塊行程H=280mm，使機構(gòu)滿足要求。初始參數(shù)：a=180mm,b=460mm,H=39

10、8mm,L3=360mm,L4=290mm,然后本應(yīng)該假設(shè)一個參數(shù)L1，但由于L1可通過現(xiàn)有其他參數(shù)導(dǎo)出，可通過計算得L1，圖8如圖8由幾何關(guān)系得出，H大小與D點的水平位移相等。根據(jù)三角形相似原理可以得出：其中，H=398mm, L3=360mm, a=180mm,可以得到L1=99.5mm.（b）驗算行程速比系數(shù)另外，L1的長度還受到行程速比系數(shù)的制約，必須在得出桿長L1之后進行驗算，具體如下：圖9如圖9，對于擺動導(dǎo)桿機構(gòu)，滑塊處在兩個極限位置線的極位夾角與擺桿在兩極限位置的夾角O相等，即： =O;當(dāng)K=1.3，=180X(K-1)/(K+1)=23.47826o=23.4o,O=23.4o

11、,O/2=11.7o,L1=a*sin11.7o=0.203*a;題目要求K=1.3，故L1應(yīng)滿足大于0.203*a。原始參數(shù)L1=99.50.203*180=36.54,K=1.3符合行程速比系數(shù)要求。（c）調(diào)整滑塊行程及其他參數(shù)由于機構(gòu)運動仿真軟件MAD繪制機構(gòu)方便形象，容易操作，這里我們先利用此軟件進行初步的校核。圖10如圖10，根據(jù)初始參數(shù)畫出機構(gòu)運動簡圖（注：右邊所加凸輪機構(gòu)是作為臨時代替的推料機構(gòu)）后，通過導(dǎo)出滑塊節(jié)點速度，加速度數(shù)據(jù)（MAD的線圖分析不是很精確，參考性不大，通過數(shù)據(jù)觀察可以進行一些初步的調(diào)整），我們設(shè)定一次完整運動由原動件桿1的36步瞬時針轉(zhuǎn)動（每步10度）構(gòu)成。

12、以下是原始數(shù)據(jù)測試過程中的一組滑塊的加速度數(shù)據(jù)。計算步驟16.0788726.0105235.7193645.2663854.7110764.1011173.4719682.8486992.24762101.67721111.13811120.62255130.1126614-0.422415-1.031616-1.789817-2.811418-4.269219-6.421120-9.637721-14.40922-21.27723-30.6224-42.18825-54.01726-58.76427-36.8342824.62072972.57393064.25723136.1943321

13、6.9438338.45721345.90111355.63359365.90404其中1016步加速度基本在0左右小幅度波動，使滑塊近似勻速運動，但作為拉延過程（應(yīng)該占總步數(shù)的617步），只有7步的勻速還是有些不夠，容易造成壓料不充分。另外2430步的加速度稍微偏大，對桿鉸接出的剛性沖擊比腳大。還需繼續(xù)調(diào)整。經(jīng)過一系列的測試與調(diào)整，初步確定了桿件參數(shù)為：a=183mm,b=472mm,H=280mm,L3=356mm,L4=285mmL1=73.2mm其中L1=73.2mm0.203*a=0.203*183=37.149mm,符合行程速比系數(shù)要求，極位夾角=2*sin-1（L1/a）=47.

14、156oK=（180+）/（180-）=（180+47.156）/（180-47.156）=1.711.3（d）利用已知參數(shù)計算沖頭（滑塊）位移，速度，加速度線圖由步驟（a）算出的滑塊計算式首先考慮是否可以把由位移求一階導(dǎo)數(shù)、二階導(dǎo)數(shù)得到的三個方程組寫成矩陣形式，用求矩陣特征值的方法來求解位移、速度、加速度的關(guān)系式，但考慮到計算量比較大，改用直接求解復(fù)數(shù)矢量方程的方法。前期：利用mathematicaMathematica是一款科學(xué)計算軟件，很好地結(jié)合了數(shù)值和符號計算引擎、圖形系統(tǒng)、編程語言等。對于解方程，求導(dǎo)，繪制圖像有專項的功能。對于加速度aE的表達式其中的變量有3，4以及其一階導(dǎo)數(shù)和3的

15、二階導(dǎo)數(shù)，共5個變量，最終試想將各個變量代換成1的函數(shù)，從而得到加速度與原動桿1角度的函數(shù)關(guān)系式。先從3入手， 由以上方程組（1），可得出3與1的隱函數(shù)關(guān)系（y=3 ，x=1）73.2*Cosx*Tany=183+73.2*Sinx利用Mathematica繪圖得：較為理想，但再往后繼續(xù)代換變量的工作就變的很艱難，于是考慮用語言更加靈活的MATLAB軟件進行后續(xù)的計算和變量代換,c語言由于其與圖像的交互性一般，故沒有做為列選項。后期：利用MATLAB利用MATLAB計算的關(guān)鍵是利用for循環(huán)語句計算每步變化10度時各個參數(shù)的值，以下是具體的編程代碼： a=0.183;H=0.280;b=0.4

16、72;l3=0.350;l4=0.285;n1=70;w1=n1*pi/30;l1=1/2*H*a/l3;i=1; for phi1=0:pi/18:2*pi if phi1=pi/2&phi1=3*pi/2phi32=atan(a+l1*sin(phi1)./(l1*cos(phi1);else phi32=phi1; end if phi320phi31=pi+phi32;else phi31=phi32; endS=(l1*cos(phi1).2+(l1*sin(phi1)+a).2).0.5;w3=(l1*w1.*cos(phi1-phi31)./S;a3=(l1*w1.2.*sin(

17、phi31-phi1)-2*w3.*(-l1*w1.*sin(phi1-phi31)./S;phi4=pi-asin(b-l3*sin(phi31)/l4);w4=-l3*w3.*cos(phi31)./(l4*cos(phi4);a4=l3*w3.2.*sin(phi31)./(l4*cos(phi4)+w4.2.*tan(phi4)-l3/l4*a3.*cos(phi31)./cos(phi4);vE=-l3*w3.*sin(phi31-phi4)./cos(phi4); acrE=-(l3*a3.*sin(phi31-phi4)+l3*w3.2.*cos(phi31-phi4)-w4.2

18、*l4)./cos(phi4); xE=l3*cos(phi31)-l4*cos(phi4); x(i)=-xE; v(i)=-vE; acr(i)=-acrE; i=i+1;endphi1=0:pi/18:2*pi;plot(phi1,x); plot(phi1,v); plot(phi1,acr); 注：x(i)=-xE; v(i)=-vE; acr(i)=-acrE;之所以加負(fù)號，是因為開始假設(shè)機構(gòu)的原動桿件1的運動方向是逆時針的，故加負(fù)號使其順時針運動。由此，可以方便地生成滑塊的位移，速度，加速度線圖：用Inventor驗證沖壓機構(gòu)正確性在我們組通過手工計算以及MATLAB計算的嘗試后

19、，終于得出了比較好的沖壓機構(gòu)運動圖線。然而這些數(shù)據(jù)只是理論上證明了我們計算結(jié)果的正確性，可能在某些環(huán)節(jié)上我們會有一些疏忽大意，導(dǎo)致計算結(jié)果不嚴(yán)謹(jǐn)甚至錯誤，所以建立一個可靠的模型來驗證我們的設(shè)計就顯得十分重要了。Inventor是一款集建模、仿真、分析于一體的軟件，并且對于有AUTOCAD基礎(chǔ)的我們來說比較容易上手，因而我們選用Inventor進行仿真。首先畫出機構(gòu)的草圖來做設(shè)計參考。進行單個零件的建模。完成整個部件的裝配。進行運動仿真。進行數(shù)據(jù)分析。MATLAB滑塊位移圖線由于函數(shù)式的參數(shù)定義域的原因，位移圖像會出現(xiàn)部分尖銳突起,但不影響整體運動趨勢Inventor滑塊運動仿真位移圖線MATL

20、AB滑塊速度圖線Inventor滑塊運動仿真速度圖線MATLAB滑塊加速度圖線Inventor滑塊運動仿真加速度圖線由以上對比，我們可以清楚地看到，由分析法計算的機構(gòu)沖頭運動規(guī)律，與實際的運動仿真基本上完全吻合。同時，我們又對沖頭進行了有限元分析，發(fā)現(xiàn)沖頭受到的沖擊載荷還是比較大的，因而在實際生產(chǎn)中應(yīng)使用可更換的沖頭，以確保機構(gòu)工作的安全性和有效性。第五部分：送料機構(gòu)設(shè)計送料機構(gòu)設(shè)計計算說明（一）送料機構(gòu)的選型1.流水線的構(gòu)思由于在實際生產(chǎn)中，為了提高效率，易拉罐從坯料的剪切，送料，沖壓成型，取料，再填充這一些列循環(huán)并不是彼此獨立的，而是在流水線上一次完成的。因此，我們組決定結(jié)合生產(chǎn)實際，在送

21、料設(shè)計中，體現(xiàn)出流水線的思想。雖然我們的課題只涉及整個流水線中沖壓這一環(huán)節(jié)，但是考慮到整個工序各種機構(gòu)的布置緊湊，動力傳遞的高效便捷，我們選用了環(huán)形的流水線。2.槽輪機構(gòu)的確定由題目要求，送料為間歇運動，70件/分。在機械原理中，我們學(xué)過的常見的間歇運動機構(gòu)主要是凸輪、棘輪和槽輪三種，于是大家就這三種機構(gòu)分別進行了思考和設(shè)計。最終，大家一致選擇了槽輪機構(gòu)，主要是考慮到以下幾點：（1）為什么不選凸輪機構(gòu)？凸輪是最常用的間歇運動機構(gòu)，其力學(xué)性能良好，設(shè)計自由度大，可以精確實現(xiàn)很多人們希望的運動形式。但是凸輪實現(xiàn)的間歇運動多為往復(fù)式的，如果與環(huán)形流水線這樣單朝一個方向轉(zhuǎn)動的機構(gòu)相配合，就顯得不太便捷

22、了。（2）為什么不選棘輪機構(gòu)？棘輪機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、運動可靠，是應(yīng)用很廣的機構(gòu)，在插齒機等機械中都有應(yīng)用。但是棘輪主動件棘爪是連續(xù)的往復(fù)擺動，這需要我們的原動件經(jīng)過降速后連接一個曲柄搖桿機構(gòu)，不僅造成運動鏈的復(fù)雜化，同時由于送料的精度要求較高，止動時機與位置都有嚴(yán)格要求，而棘輪的主要缺點之一就是運動精度較差。再加上棘輪在工作時沖擊和噪聲較大，只能用于低速輕載的場合，故被我們排除。（3）為什么選擇槽輪機構(gòu)？槽輪機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單、外形尺寸小、機械效率高，能夠較平穩(wěn)地、間歇地轉(zhuǎn)位，廣泛應(yīng)用于自動車床、電影膠片輸送送等機械中。由于流水線要求精確轉(zhuǎn)動，故理想的動力傳遞就是多級齒輪降速后直接將勻速轉(zhuǎn)動實

23、現(xiàn)為間歇轉(zhuǎn)動，槽輪機構(gòu)正符合了這種設(shè)計要求。只要經(jīng)過恰當(dāng)?shù)脑O(shè)計，就能得到比較理想的結(jié)構(gòu)與傳動性能。故大家都同意了用槽輪機構(gòu)來擔(dān)負(fù)送料的重任。（二）送料機構(gòu)的設(shè)計1.流水線設(shè)計我們按照實際生產(chǎn)中的流水線，并結(jié)合整體沖壓機構(gòu)的尺寸和布局，只是作為示意性質(zhì)地模擬了一個較小的流水線。因加工為70件/分，為了計算的方便，圓周上分布的坯料數(shù)取了14，為7的倍數(shù)。2.槽輪機構(gòu)的選型與幾何尺寸計算右圖為槽輪運動的角速度與角加速度的最大值與槽數(shù)z的關(guān)系曲線?？梢?，隨著槽數(shù)z的增加，運動越來越平穩(wěn)。由于在我們的送料機構(gòu)中，槽輪的轉(zhuǎn)動要帶動一個較大的流水線，故為了改善動力性能，我們選用z=6，徑向槽均勻分布的外槽輪

24、機構(gòu)。而主動撥桿為單圓銷式。根據(jù)機械安裝的空間尺寸，確定中心距為L=43.3mm，對稱安裝。圓銷半徑r=2.5mm。撥桿半徑 R=L2cos=43.32cos30=25mm槽輪槽口半徑 s=L2cos=43.32cos30=25mm槽口深 hs-L-R-r=25-43.3-25-2.5=9.2mm取 h=15mm槽輪輪葉齒頂厚度 b=310mm ,取 b=5mm根據(jù)b確定撥盤鎖止弧 R=20mm3.槽輪與流水線的傳動我們采用內(nèi)外齒輪傳動的方法將動力均勻精確地傳遞到流水線上。主動外齒輪固連于槽輪，外齒圈固連于流水線。根據(jù)機械安裝的空間尺寸，確定中心距a=40mm槽輪轉(zhuǎn)1/6圈，流水線轉(zhuǎn)1/14圈，故傳動比i=1/61/14=73 則兩齒輪分度圓直徑 d1d2=1i=37又 d2-d1=2a=80mm ，得 d2=140mm ，d1=60mm（三）用Inventor做送料機構(gòu)流水線的轉(zhuǎn)角與時間關(guān)系分析流水線轉(zhuǎn)角-時間圖線由圖線可知，流水線簡諧運動，轉(zhuǎn)動平穩(wěn)而精確。第六部分：運動循環(huán)圖擬定機械循環(huán)圖的設(shè)計設(shè)計思路：按照實際精壓的滑