机械原理课程设计——杠杆式粉末成型压机

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机械原理课程设计实习报告题目：杠杆式粉末成型压机39 1.设计题目31.1设计目的及意义31.2功能要求及工作原理31.3原始数据和设计要求52.运动方案设计62.1工作原理62.2方案选择62.2.1发动机选择62.2.2执行机构选择63.机构设计及其运动分析计算83.1上压模机构83.1.1尺寸确定123.1.2运动分析133.2下压模机构163.2.1尺寸确定163.2.2运动分析183.3送料器机构213.3.1尺寸确定213.3.2运动分析233.4齿轮系机构263.4.1尺寸确定263.4.2动力装置整体装配294.机械原理课程设计体会感想305.参考书籍文献306.附录31位移31速度3339 加速度361.设计题目1.1设计目的及意义：随着科学技术和工业生产的飞速发展，国民经济各个部门迫切需要各种各样质量优、性能高、效率高、能耗低、价格廉的机械产品。其中，产品设计是决定产品性能、质量、水平、市场、竞争能力、和经济效益的重要环节。产品的设计包括机械设备的功能分析、工作原理方案设计、和机械运动方案设计等。这些设计内容可作为机械原理课程设计的内容。机械设计是根据使用要求对机械的工作原理、结构、运动方式、力的能量和传递方式、各个零件的材料和形状尺寸以及润滑方式等进行构思、分析和计算，并将其转化为制造依据的工作过程。机械设计是机械产品生产的第一步，是决定机械产品性能的最主要环节，整个过程蕴含着创新和发明。为了综合运用机械原理课程的理论知识，分析和解决与本课程有关的实际问题，使所学知识进一步巩固和加深，我们参加了此次的机械原理课程设计。粉末冶金是将金属等粉末的混合料，通过压制成型和烧结而制成零件或成品材料的一种工艺方法。将一定量的金属粉末送入压制的位置，压制成厚度为h，直径为φ圆型片坯，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。1.2功能要求及工作原理（1）.总功能要求：将金属等粉末的混合料压制成圆柱体压坯。（2）.工作原理：粉末成型机的工作原理及动作分解如下图所示。39 39 1.3原始数据和设计要求（1）压坯是最大直径为45mm，长径比h/d≤1~1.5的圆柱体。（2）每分钟压制次数为10~40次。（3）压制及脱模能力最大为58kN。（4）各执行构件的运动特性如上图所示。运动参数为：上压模最大行程为110mm，送料器行程为115mm，脱模最大行程为45mm。（5）为了保证压坯的质量，在压制到位后上压模要停歇片刻（大约0.4秒左右）。39 2.运动方案设计2.1工作原理（1）送料：这一动作可以通过凸轮转动推动连杆带动送料器完成。（2）冲压：下压模不动，上压模下行压制粉末。（3）推出压坯：上压模上行回位，下压模上升推出成型的压坯。（4）送出成品：下压模固定不动，送料器推出成型的压坯。上述四个动作很简单，关键是时间的配合要非常的恰当，这样一来就对机构提出了较高的要求。2.2方案选择2.2.1发动机选择最常见交流电动机有2极同步转速3000r/min4极同步转速1500r/min6极同步转速1000r/min8极同步转速750r/min10极同步转速600r/min选择转速为600r/min的电机，冲压机构的周期为2s,故要求设计的减速器减速比为20。2.2.2执行机构选择根据上压模、下压模和送料器这三个执行构件动作要求和结构特点和运动方案设计中的分析，我们有2个可选择的方案：方案一：(1)由设计要求可知上压模机构应具有以下特性：快速接近粉料，慢速等速压制，压制到位后停歇片刻起到保压作用，39 要实现往复直线移动，还有考虑急回特性。因此考虑凸轮机构。但直接使用凸轮机构属于高副连接不能承受过大的压力，因此不合理。（2）下压模也是同样考虑到要承受较大的压力，因此不能采用单独的凸轮机构。（3）送料器可采用曲柄滑块机构，但其功能为：送料和推离压坯同时实现，并且具有间歇特性。曲柄滑块机构并不具有这种特性，因此不能采用曲柄滑块机构。方案二：（1）由设计要求可知上压模机构应具有以下特性：快速接近粉料，慢速等速压制，压制到位后停歇片刻起到保压作用，要实现往复直线移动，还有考虑急回特性。同时还要能承受较大的压力，因此考虑选杠杆凸轮机构。（2）下压模为凸轮和杠杆组成。其功能为：推出压坯。在上冲模冲压的时候下冲模是停歇的，此时推杆可以靠在机架上，而上压模的作用力就不会作用到凸轮上。可以实现间歇要求，可靠性高。（3）送料器是凸轮滑块机构。其功能为：送料和推离压坯同时实现，并且具有间歇特性。其总体机构设计简图如下：39 给定此设计的初步参数和特性：（1）生产速度为30件/min，则工作周期为2s；（2）工件直径为45mm，厚度为30mm。3.机构设计及其运动分析计算3.1上压模机构上压模行程110mm。总体设计如图：39 机构设计图（1）39 图（1）39 图（2）图（3）39 3.1.1尺寸确定已知设计尺寸（mm）：杆长AC=200，DE=600；上冲模行程为110，故AB=110；由图（2）（3），AB/AC=DE/CE,得到DE=330，R=165；如图根据DE长度易知，轮O的有效直径d=330；杆PF在到达如图（1）位置时，θ角最大。为了使撑杆PF的受力尽可能小，最大θ角应该取尽量小的值，设计θ≦15。由于DM=HF,HJ=DO-DH´,DH´=(1/2)DE,FJ=r+HH´,HH´=CH-(CD2-DH´2)1/2Sinθ=FJ/PF求得：PF=726.4；39 图（4）如图（4），CH+PF>CG,满足杆长要求。3.1.2运动分析根据图形分析：已知CP=600，CO=(CH´2+H´O2)1/2，OF=r=165,PF=726.4,∠COF=arcsin(CH´/CO)+∠Φ;根据COS∠COF=(CO2+OF2-CF2)/(2*CO*OF);39 COS∠CPF=(CP2+PF2-CF2)/(2*CP*PF);∠PCO+∠PFO+∠CPF+∠COF=360°;COS∠PCO=(PC2+CO2-OP2)/(2*PC*CO);COS∠PFO=(PF2+FO2-PO2)/(2*PF*FO);求得：∠OFP=已知KF=r*sin∠Φ,KO=r*cos∠Φ,PF=726.4,∠KFP=∠OFP+∠Φ-180°;根据h´=DO-PF*sin∠KFP-KO,h´/h=CE/AC;t=2Φ/360°;求得：h(t)=运动过程分析：1.上冲模接近粉料运动阶段：0°-155.38°：下推95mm，快速接近粉料，加速度平稳，冲击力小。速度较大，能满足快速接近粉料的设计要求。2.压制运动阶段：155.38°-180°：慢速压制，压制15mm。加速度平稳。在压制到最低端的时候，瞬时速度为0，满足了压制过程停留小段时间的要求。3.上冲模收回运动阶段：180°-360°：结合运动周期图可知，此时物料压制完成，上压模收回。加速度平稳，冲击力小。综上所述，该杠杆机构设计合理，可以满足工作需要。39 图（5），上压模速度39 图（6），上压模位移39 图（7），上压模加速度3.2下压模机构3.2.1尺寸确定设计要求：要求能实现往复运动，推出成型压坯距离准确，往复时要求速度快而冲击力小。行程为45mm。总体设计如图：39 机构设计图（2）图（8）图（9）39 图（10）根据图形分析(mm)：已知AC=45,自主确定CD=200,DE=600;同理可求得EG=135;故：Δh=EG=135；凸轮设计尺寸如下：1.近休止端：x2+y2=1002(235>x>21.6)2.推程阶段：0.52x+86.37=y（21.6>x>-92.4）3.远休止端：x2+y2=2352(-92.4>x>-100)4.回程阶段：0.52x+86.37=-y（21.6>x>-92.4）凸轮设计图形如下：3.2.2运动分析根据凸轮设计，下压模运动如下：位移速度加速度h=0v=0a=0（0.25Δh上冲模和送料器不会相撞。下冲模h=45，刚好将粉料完全推出工作台面。当送料器刚好脱离有效工作区域时：t=0.2017此时上冲模h-45>Δh上冲模和送料器不会相撞。1.推程阶段：5°-85°，送粉器快速收回，收回速度保持一定，防止冲击的产生，防止了上冲模下行与之相撞。在时间上满足了要求。2.远休止端：85°-275°送粉器停留在收回处，等待压制过程和下冲模将料推出过程的完成，此时速度和加速度均为0。3.回程阶段：275°-355°送粉器将料快速推出，速度保持一定，防止了冲击的产生，在时间上的错位排除了送粉器与上冲模相撞的可能。4.近休止端：355°-5°防止送粉器因为突然的变速造成巨大的冲击而产生破坏，在每个尖角处用倒角形成缓冲带，防止刚性冲击的产生。39 图（15），送料器速度39 图（16），送料器位移3.4齿轮系机构3.4.1尺寸确定39 图（17）设计的各个齿轮数据为：（m=4）Z1=20，Z2=60，Z3=15，（变位齿轮）Z4=50Z5=40。(Z2/Z1)*(Z5/Z1)*(Z4/Z3)=2039 图（18）如图（17），三对相同的直尺圆锥齿轮模数m=4，齿数z=39，分度圆直径d1=156。这保证了三个机构的运动周期相同，便于控制运动过程。39 3.4.2动力装置整体装配图（19）39 4.机械原理课程设计体会感想组长费梦戈：图形绘制，报告修改。官明鉴：运动分析，报告编写。邓凯巍：计算部分，报告修改。尺寸和机构设计部分共同负责。费梦戈：在这十多天的课程设计过程中，我经历了从构思，挑选方案，到画结构草图，再到对各机构受力分析及尺寸确定的一个反复比较计算的枯燥过程，但这反复修改反复比较也是一个反复学习的过程，让我明白书本上看似简单的公式，在实际运用于设计中时，并不与想象中的简单，总会出现这样或那样的错误或者两个结果的冲突。只有反复的演算比较，才能得到最佳的结果。同时我也发现了自己学习上的一些不足，在软件的应用上缺乏熟练，甚至用些软件要用的时候都不怎没会用。不过在这次实习过程中，我得到的不仅仅是将理论与实践结合在一起的技巧与方法，而更可贵的是做事情的态度和分工合作重要性。在大家相互帮助，不会的相互交流的环境下，许多问题都可以依靠我们自己解决。使我深感高兴的是我对软件的运用上，越发得心应手。像matlab,AutoCAD等软件的运用也越来越熟练，即使像Solidwork这种以前不会用的软件通过这次的课程设计也已经能够运用了，同时老师也给了我很大的帮助，在查看我们的设计方案时，每次他都会给出宝贵的意见，这使我们的设计越发的完善。官明鉴：为期一个多星期的课程设计结束了，这次设计的是粉末成型机。我们曾有很多想法，而且似乎都行得通。然而，当我们进行理论分析时，却发现有很多地方是很难实现的。这让我们明白机械设计绝不同于艺术设计，它需要很严格的理论依据和严密的推算、分析。课程设计涉及到很多课程的知识，《理论力学》、《机械原理》、《线性代数》以及CAD制图和matlab软件等等。这次课程设计是我们接触的第一个专业课程设计，所要用到的知识很多，包括机械原理、机械制图、MATLAB等方面的知识。这些知识不是机械的相加，而是需要全面的考虑和整体布局，不止一次因为考虑不全而要重新来过。这次设计巩固我以前所学习的知识，让我专业知识有了更深的认识和理解，更让我了解到我们在机械设计这条道路上还有很长的路要走。邓凯巍：39 这次课程设计考验了我们的团队合作精神，以及严谨的工作态度、平和的心态。这次设计工作量大，用到的知识多，而确我们又是第一次设计，所以单独靠自己是不法完满的完成本次课程设计，我们经常要进行讨论，甚至争论，现在还依然记得大家争着面红耳赤的场面，这没有什么关系，因为问题就是这样发现，比较合理的结果和方法就是这样产生的，大家都明白了，那其他都不是问题。同时争论让我更加清楚地了解自己，让我明白我要更加耐心的表达我的想法，把问题解析清楚，也要耐心的听其他同学的意见。我们基本上每一天的工作时间上都很长，连续一个多星期是一件挺辛苦的事。有时为了一个数据查找了好几本书，还是找不到结果的时候，是挺纳闷的，很容易让人想放弃。但有目标在，或继续请教其他同学，或继续寻找；努力终会结果，这结果就是对努力的奖励。特别是在其他同学都还没找到而你找到，拿来跟其他同学共享，那更是一件乐事。在辛苦的同时，享受着辛苦带来收获的喜悦。5.参考书籍文献孙恒，陈作模,葛文杰，《机械原理（第七版）》，高等教育出版社，2006曲秀全，《基于MATLAB/Simulink平面连杆机构的动态仿真》，哈尔滨工业大学出版社，2007高会生，李新叶，胡志奇译，《MATLAB原理与工程应用（第二版）》，电子工业出版社，2006贺超英，《MATLAB应用与实验教程》，电子工业出版社，2010王宏，《MATLAB6.5及其在信号处理中的应用》，清华大学出版社，2004董长虹，余海啸，《MATLAB接口技术与应用》，国防工业出版社，2004周品，何正风，《MATLAB数值分析》，机械工业出版社，2009张建民，白景岭，《理论力学》，中国地质大学出版社，200139 6.附录位移x=0:0.01:2*pi;y=55*cos(x)+45;plot(x,y)holdonx=0:0.01:4*pi/180;y=115;plot(x,y)holdonx=4*pi/180:0.01:80*pi/180;y=-(115/(80*pi/180-4*pi/180))*(x-80*pi/180);plot(x,y)holdonx=80*pi/180:0.01:280*pi/180;y=0;plot(x,y)holdonx=280*pi/180:0.01:355*pi/180;y=(115/(355*pi/180-280*pi/180))*(x-280*pi/180);plot(x,y)holdonx=355*pi/180:0.01:2*pi;y=115;plot(x,y)39 holdonx=0:0.01:55*pi/180;y=-((31*180)/(55*pi))*x-9;plot(x,y)holdonx=55*pi/180:0.01:201*pi/180;y=-40;plot(x,y)holdonx=201*pi/180:0.01:280*pi/180;y=((40*180)/(79*pi))*x+280*(-40/79);plot(x,y)holdonx=280*pi/180:0.01:325*pi/180;y=0;plot(x,y)holdonx=325*pi/180:0.01:2*piy=-((31*180)/(55*pi))*x+(31/55)*325;plot(x,y)holdon39 位移图像速度x=0:0.01:2*pi;y=0.5181*sin(x-pi);plot(x,y)holdonx=0:0.01:46*pi/180;y=-0.052;plot(x,y)holdonx=46*pi/180:0.01:55*pi/180;y=(0.052*180)/(9*pi)*x-55*(0.052/9);39 plot(x,y)holdonx=55*pi/180:0.01:201*pi/180;y=0;plot(x,y)holdonx=201*pi/180:0.01:210*pi/180;y=(0.104*180)/(9*pi)*x-201*0.104/9;plot(x,y)holdonx=210*pi/180:0.01:271*pi/180;y=0.104;plot(x,y)holdonx=271*pi/180:0.01:280*pi/180;y=-(0.104*180)/(9*pi)*x+280*0.104/9;plot(x,y)holdonx=280*pi/180:0.01:325*pi/180;y=0;plot(x,y)holdonx=325*pi/180:0.01:334*pi/180;y=-(0.052*180)/(9*pi)*x+325*0.052/9;plot(x,y)holdonx=334*pi/180:0.01:360*pi/180;y=-0.05239 plot(x,y)holdonx=0:0.01:75*pi/180;y=-0.052;plot(x,y)holdonx=75*pi/180:0.01:84*pi/180;y=(0.052*180)/(9*pi)*x-84*0.052/9;plot(x,y)holdonx=84*pi/180:0.01:265*pi/180;y=0;plot(x,y)holdonx=265*pi/180:0.01:274*pi/180;y=(0.104*180)/(9*pi)*x-265*0.104/9;plot(x,y)holdonx=274*pi/180:0.01:351*pi/180;y=0.104;plot(x,y)holdonx=351*pi/180:0.01:360*pi/180;y=-(0.104*180)/(9*pi)*x+360*0.104/9;plot(x,y)holdon39 速度图像加速度x=0:0.01:2*pi;y=0.8153*cos(x)+0.8153;plot(x,y)holdon39 加速度图像39