机械原理课程设计--粉末成型压机设计

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设计题目：粉末成型机小组成员：所在班级：指导教师：完成日期：年月日 目录题目.....................................31.设计题目及任务..........................................31.1设计题目...........................................31.2设计任务...........................................52.运动方案...........................................52.1方案1............................................52.2方案2............................................62.3总方案...........................................73.运动循环图...........................................84.上冲模机构..........................................95.下冲模机构.........................................126.送料机构.........................................18 7.总结.........................................21题目：粉末成型压机设计第1章设计题目及任务1.1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.送粉机构要求严格遵守压制周期的运动规律。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；1.2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。第2章运动方案2.1方案1 如图所示由主动件圆轮通过连杆带动送粉器进行往复运动实现送粉功能，主动件通过连杆带动齿轮转动，齿轮然后带动齿轮转动，齿轮带动连杆，连杆带动上模上下运动，实现压制功能。主动件圆轮通过连杆带动圆轮运动，圆轮通过连杆带动凸轮运动，凸轮带动下模上下运动，实现下模的功能。优点：各部件传动精确，无较大的传动误差，各部件均能按设计路线运动，均能满足功能要求，而且设计简便，制作简单。缺点：连杆与凸轮、圆轮、齿轮之间的连接之处，受力和磨损较大，生命周期可能较短，在平时可能增大生产成本。2.2方案2如图所示，需要3个主动件带动，带动上模的凸轮，而凸轮带动连杆运动，连杆做上下运动。送粉器：主动件带动连杆，连杆带动送粉器运动，送粉器做左右运动。下模：主动件又带动凸轮运动，凸轮带动连杆运动，连杆带动下模上下运动。优点：传动简单，能实现功能要求。缺点：需要使用3个动力机构，浪费电能，而且不能较好的实现同步运动和同速运动，而且上模不能承受较大的压力，不能实现压制功能。故缺点影响较大，可能使其运动功能受到影响。 2.3总方案的确定有上述可知，方案2对实现粉末成型压机的功能有较大影响，对其运动影响较大。而方案1则能较好的满足粉末成型压机的要求。故我们选择方案1.2.3.1总方案：方案1传动机构的确定行星轮系尺寸确定：W3=20rad/mini3H=1-z1z2'/z2z3’=n3/nHn3=2.08r/min=n4nH=1000r/minz1z2'/z2z3=49/50i3H=1/50取z1=20z2=20z2'=49z3=50 第3章运动循环图0π/122π/35π/67π/64π/39π/610π/676π/4211π/6 第4章上冲模机构4.1上冲模机构尺寸确定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倍的圆心到连杆的距离，所以应该等于55mm，那么齿轮应大于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，上模冲质量：9kg。由题目要求可以得到所有需要的尺寸。4.2运动分析4.2.1运动模型建立为了方便分析，我们将齿轮与连杆的连线假想成一个连杆。如图（1）所示：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ａ，则由几何条件可知，滑块位移s与ａ的关系：数学运算公式S=(c.^2-b.^2).^0.5-(b.^2+c.^2-2*b*c*cos(pi/2-ａ-asin(sin(pi/2+ａ)*b/c))).^0.5; 图（1）4.2.2运动曲线上冲模运动中位移与角度的曲线图如图（2），其matlab程序见附录（1）图（2）位移与角度图像 上冲模运动中速度与角度的曲线图如图（3），其matlab程序见附录（2）图（3）速度与角度图像上冲模运动中加速度与角度的曲线图如图（4），其matlab程序见附录（3） 图（4）加速度与角度的图像4.2.3结果总结由上述曲线图（2）（3）（4）可以知道，该机构的尺寸能实现功能，符合要求。第5章下冲模机构5.1下冲模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。滚子半径=10mm。轮廓曲线见后面运动分析结果。 5.2下冲模机构中凸轮机构类型的选择凸轮选择移动凸轮，推杆选择滚子推杆，即直动滚子推杆盘形凸轮机构。因为这种机构推杆由于滚子与凸轮轮廓之间为滚动摩擦，所以磨损较小，故可用来传递较大的动力，在本设计中可以来传递提升材料的动力。5.3下冲模机构中推杆运动规律的选择由于题目中要实现下冲模的上顶材料和间歇功能，所以我们可以选择变加速直线运动和变减速直线运动。由于可以很好的实现其要求的间歇和上传运动。因此我们可以选择变速直线运动。5.4凸轮轮廓确定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.推杆运动中位移与角度的曲线图如图（5），其matlab程序见附录（4） 图（5）推杆位移与角度的图像推杆运动中速度与角度的曲线图如图（6），其matlab程序见附录（5）图（6）推杆速度与角度关系 如图（5）其推程：S=h((a/a0)-sin(2πa/a0)/(2π))远休止：s=45回程：S=h(1-cos(πa/a0))/2近休止：s=0理论轮廓线方程式：x=(s。+s)sina+ecosay=(s。+s)cosa-esina工作轮廓方程式：tanθ=dx/dy=(dx/da)/(-dy/da)=sinθ/cosθdx/da=(ds/da-e)sina+(s。+s)cosady/da=(ds/da-e)cosa-(s。+s)sinacinθ=(dx/da)/((dx/da)^2+(dy/da)^2)^0.5cosθ=-(dy/da)/((dx/da)^2+(dy/da)^2)^0.5=>x'=x±r。cosθy'=y±r。sinθ压力角：tanθ=((ds/da)-e)/((r。^2-e^2)^0.5+s)凸轮运动阶段推程：s=h((a1/a0)-sin(2πa1)/(2π))回程：s=10ha3^3/a0^3-15ha3^4/a0^4+6ha3^5/a0^55.4.1绘制凸轮实际与理想轮廓曲线：由上述计算，运用matlab分析凸轮机构的轮廓曲线，运算程序见附录（6），曲线如图（7） 图（7）凸轮实际轮廓线与理论轮廓线的比较5.4.2凸轮压力角的验算由课本可以知道压力角的计算公式：压力角：tanθ=((ds/da)-e)/((r。^2-e^2)^0.5+s)运用公式编写matlab程序，然后从程序中读出最大压力角即可凸轮推程压力角的曲线图如图（8），其matlab程序见附录（7） 图（8）凸轮推程压力角凸轮回程压力角的曲线图如图（9），其matlab程序见附录（8） 图（9）凸轮回程压力角由图（8）（9），可以读出最大压力角凸轮推程压力角θmax=28.71°<30°凸轮回程压力角θ=-23.22°<30°很明显由上可以得知凸轮压力角符合要求。第6章送料机构6.1送料机构尺寸确定由技术参数要求送粉器行程的最大行程为115mm可知，它的最大行程应该等于2倍的圆心到连杆的距离，所以距离应该等于57.5mm。连杆则可根据运动规律自行确定，我们在这取130mm。与送粉器固连的杆忽略不计。由题目要求可以得到所有需要的尺寸。6.2运动分析6.2.1运动模型建立为了方便分析，我们将齿轮与连杆的连线假想成一个连杆。如图所示：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ａ，则由几何条件可知，滑块位移s与ａ的关系：数学运算公式S=(c.^2-b.^2).^0.5-(b.^2+c.^2-2*b*c*cos(pi/2-ａ-asin(sin(pi/2+ａ)*b/c))).^0.5; 6.2.2运动曲线送料机构中位移与角度的曲线图如图（10），其matlab程序见附录（9）图（10）位移与角度的图像送料机构中速度与角度的曲线图如图（11），其matlab程序见附录（10） 图（11）其速度与角度的图像送料机构加速度与角度的曲线图如图（12），其matlab程序见附录（11）图（12）加速度与角度的图像 第7章总结小组总结：本粉末成型压机机构设计是我们小组两人经过多天的思考和讨论以及老师的指点修改，最终确定下来的一个比较完美的方案。经过思考，我们发现，其实上模冲不一非要是间歇运动，只要它的运动时间上和另外两个机构协调就行了。因此我们想到了偏心轮机构，而且偏心轮机构的运动分析比起凸轮简单多了。对于送粉器，经过思考后和查找课本后，我们决定使用和上模冲一样的机构，而且可以很好的实现其要求的功能。最难得就是就是下模冲的移动凸轮机构。因为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！第8章参考文献机械原理（第七版）孙桓陈作模葛文杰高等教育出版社MATLABR2008控制系统动态仿真实例教程谢仕宏化学工业出社机械原理课程设计师忠秀王继荣机械工业出版社Solidworks产品设计实例教程詹迪维机械工业出版社 附录：（1）上冲模位移与角度的程序>>b=55;c=140;a=0:0.001:2*pi;s=(c.^2-b^2).^0.5-(b.^2+c.^2-2*b*c*cos(pi/2-a-asin(sin(pi/2+a)*b/c))).^0.5;plot(a,s)>>grid（2）上冲模速度与角度的程序>>b=55;c=140;a=0:0.001:2*pi;v=-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));plot(a,v)（3）上冲模加速度与角度的程序>>b=55;c=140;a=0:0.001:2*pi;v=-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));plot(a,v)>>grid>>b=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.*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)>>grid （4）下冲模推杆位移程序：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)holdonx=2*pi/3:0.001:5*pi/6;s=45;plot(x,s)holdonx=5*pi./6:0.001:7*pi./6;s=22.5*(1+cos(3*(x-5*pi./6)));plot(x,s)holdonx=7*pi/6:0.001:2*pi;s=0;plot(x,s)holdoff（5）下冲模推杆速度程序：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)holdonx=2*pi/3:0.001:5*pi/6;v=0;plot(x,v)holdonx=5*pi./6:0.001:7*pi./6;v=135/2*cos(3*x);plot(x,v);holdonx=7*pi/6:0.001:2*pi;v=0;plot(x,v)holdoff(6)凸轮实际和理论轮廓线比较程序： 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+n.*n).^0.5;q=-n./(m.*m+n.*n).^0.5;y=a-r.*q;z=b-r.*p;plot(y,z)holdonplot(a,b)holdonx=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)holdonplot(a,b)holdonx=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);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) holdonplot(a,b)holdonx=7*pi/6:0.001:2*pi;s=0;a=(45+s).*cos(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)holdonplot(a,b)holdoff（7）凸轮推程压力角程序X=2*pi/3;h=45;x=0:0.001:2*pi/3;s=h*((x/X)-sin(2*x*pi/X)/(2*pi));M=135/(2*pi)-135*cos(3*x)/(2*pi);r=atan(M./(45+s));R=50*r;plot(x,R);（8）凸轮回程压力角程序：X=2*pi/3;x=5*pi./6:0.001:7*pi./6;s=22.5*(1+cos(3*(x-5*pi./6)));M=-3*sin(3*x-2.5*pi);r=atan(M./(45+s));R=500*r;plot(x,R);（9）送料机构中位移与角度程序：>>b=57.5;c=130;a=0:0.001:2*pi;s=(c.^2-b^2).^0.5-(b.^2+c.^2-2*b*c*cos(pi/2-a-asin(sin(pi/2+a)*b/c))).^0.5;plot(a,s) >>grid（7）送料机构中速度与角度程序：>>b=57.5;c=130;a=0:0.001:2*pi;v=-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));plot(a,v)>>grid（8）送料机构中加速度与角度程序：>>b=57.5;c=130;a=0:0.001:2*pi;v=-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));plot(a,v)>>grid>>b=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.*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)>>grid