機械原理課程設計-書本打包機設計.doc
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課程設計說明書 課程名稱： 機械原理課程設計 設計題目： 書本打包機設計 專 業(yè)： 船機修造 班級：2班 學生姓名: 丁帥 學 號: 學生姓名: 郭哲睿 學 號: 指導教師: 畢 艷 麗 書本打包機設計 一、工作原理及工藝動作過程 書本打包機的用途是要把一摞書(如五本一包)用牛皮紙包成一包，并在兩端貼好封簽(圖1)。 包、封的工藝順序如圖2所示,各工位的布置(俯視)如圖3所示。其工藝過程如下所述(各工序標號與圖2、3中標號一致)。 1. 橫向送書(送一摞書)。 2. 縱向推書前進(推一摞書)到工位a，使它與工位b～g上的六摞書貼緊。 3. 書推到工位a前，包裝紙已先送到位。包裝紙原為整卷筒紙，由上向下送夠長度后進行裁切。 圖1 書本打包機的功用 圖2 包、封工藝順序圖 圖3 打包過程各工位布置 ④ 繼續(xù)推書前進一摞書的位置到工位b，由于在工位b的書摞上下方設置有擋板，以擋住書摞上下方的包裝紙，所以書摞推到b時實現(xiàn)包三面，這個工序中推書機構共推動a～g的七摞書。 ⑤ 推書機構回程時，折紙機構動作，先折側邊(將紙卷包成筒狀)，再折兩端上、下邊。 ⑥ 繼續(xù)折前角。 ⑦ 上步動作完成后，推書機構已進到下一循環(huán)的工序④，此時將工位b上的書推到工位c。在此過程中，利用工位c兩端設置的擋板實現(xiàn)折后角。 ⑧ 推書機構又一次循環(huán)到工序④時，將工位c的書摞推至工位d，此位置是兩端涂漿糊的位置。 ⑨ 涂漿糊。 ⑩ 在工位e貼封簽。 在工位f、g用電熱器把漿糊烘干。 在工位h時，用人工將包封好的書摞取下。 因此書本打包機中的主要機構包括：縱向推書機構、送紙機構及裁紙機構。 二、原始數(shù)據(jù)及設計要求 圖4表示由總體設計規(guī)定的各部分的相對位置及有關尺寸。其中軸o為機器主軸的位置。 圖4 機構布置圖 (1) 機構的尺寸范圍及其它數(shù)據(jù) 機器中機構的最大允許長度A和高度B：A≈2000mm，B≈1600mm。 工作臺面高度：距地面y≈700mm；距主軸y0≈400mm。 主軸水平位置：x≈100～1100mm。 為了保證工作安全、臺面整潔,推書機構最好放在臺面以下。 (2) 工藝要求的數(shù)據(jù) 書摞尺寸：a＝130～140mm；b＝180～220mm。 推書起始位置：X0＝200 mm。 推書行程：H＝400 mm。 推書次數(shù)(主軸轉速)：n＝100.1r/min。 主軸轉速不均勻系數(shù)：δ≤0.25。 (3) 縱向推書運動要求 整個機器的運動循環(huán)以主軸回轉一周為一個周期。因此，可以用主軸的轉角表示推書機構從動件的運動時間。 推書動作占1/3周期，相當于主軸轉120；快速退回動作時間小于1/3周期，相當于主軸轉角小于100；停止不動時間大于1/3周期，相當于主軸轉角大于140。 縱向推書機構從動件的工藝動作與主軸轉角的關系見下表： 主軸轉角 縱向推書機構從動件(推頭)的工藝動作 0～(80) (80)～120 120～220 220～360 推單摞書 推七摞書(同時完成折后角的動作) 從動件退回 從動件靜止不動 （4）其它機構的運動關系見下表所示。 工藝動作 主軸轉角 橫向送書 折側邊,折兩端上下邊 折前角、涂漿糊、貼封簽、烘干 150→340 180→340 180→340 送紙 裁紙 200→360→70 70→80 (5) 各工作阻力的數(shù)據(jù) 1) 每摞書的質量為4.6kg； 2) 橫向送書機構的阻力可假設為常數(shù)，相當于主軸上有阻力矩：Mc4=4000Nm。 3) 送紙、裁紙機構的阻力也認為是常數(shù)，相當于主軸上有阻力矩：Mc5=6Nm 。 4) 折后角機構的阻力，相當于四摞書的摩擦阻力。 5 ) 折邊、折前角機構的阻力總和，相當于主軸上受到阻力矩，其大小可用機器在縱向推書行程中(即主軸轉角0～120范圍中)主軸所受縱向推書阻力矩的平均值表示為： 可由下式算出： 式中為推程中各分點上主軸所受的阻力矩：為推程中的分點數(shù)。 6) 涂漿糊、貼封簽和烘干機構的阻力總和，相當于主軸上受到阻力矩，其大小可用表示為： 三、設計任務 （1） 根據(jù)工藝動作要求擬定運動循環(huán)圖并繪制在圖紙上； （2） 進行縱向推書機構、送紙機構及裁紙機構的選型； （3） 機械運動方案的評定和選擇； （4） 根據(jù)選定的原動機和執(zhí)行機構的運動參數(shù)擬定機械傳動方案，分配傳動比，并在圖紙上畫出傳動方案圖； （5） 對機械傳動系統(tǒng)和執(zhí)行機構進行運動尺寸計算； （6） 在圖紙上畫出機械運動方案簡圖； （7） 進行飛輪設計； （8） 編寫設計計算說明書。 橫向送書機構： 方案一: 工作原理：通過主動件凸輪的轉動將速度通過齒條2→齒條2帶動齒輪1,2轉動，并且由齒輪1,2控制不同的傳動比→齒輪1帶動齒條1和其上推頭橫向運動完成橫向送書動作。 方案二: 工作原理：輪1為主動件，帶動傳送帶順時針轉動，書本放在傳送帶上，利用摩擦力將書本送到工作臺上。 方案比較： 方案一的機構復雜，采用的構件較多，加工成本高，但精度高，課程設計以簡單加工成本低，精度高為優(yōu)先考慮。然而，凸輪和從動件之間為高副接觸，壓強較大，易于磨損。 比較方案的機構簡單，容易制造，維護方便，成本低廉；過載時，帶在輪面上打滑，可以防止損壞其他零件，起安全保護作用；能起緩沖和吸振作用，可使傳動平穩(wěn)，噪聲小。但是因為帶傳動受摩擦力和帶的彈性變形的影響，所以不能保證準確的傳動比, 效率較低。 經(jīng)過比較，選第一種方案為最佳方案。 縱向送書機構： 方案一: 工作原理：凸輪為主動件，凸輪的轉動使連桿擺動，從而帶動滑塊推頭做往復運動，從而完成縱向推書動作。 方案二: 方案比較： 方案二的連桿滑塊機構也可以實現(xiàn)橫向推書的功能，但是通過對比方案一的凸輪齒條機構結構簡單，易于實現(xiàn)復雜的運動要求比較容易設計各種傳動比的要求，而且結構緊湊。連桿滑塊機構制造容易，但設計較為困難，連桿機構隨著構件和運動副數(shù)目的增加，積累誤差較大，傳動精度不高。 經(jīng)方案比較：選取方案一為最佳方案。 送紙機構： 方案一: 工作原理：用皮帶輪控制另一個主動輪，按額定的轉速轉動，通過不完全齒輪控制摩擦輪的運動，當需要送紙的時候使不完全齒輪與完全齒輪相嚙合，實線送紙，不需要時使不完全齒輪的圓滑面與齒輪相切，實現(xiàn)傳紙的間歇。 方案二: 工作原理：凸輪為原動件，通過凸輪轉動而使與滾紙筒相鄰的滾子與滾紙筒接觸或者相離，當接觸時，由于摩擦較大，滾子轉動，帶動紙張下滑，當相離時，由于無摩擦，紙張停止下滑。 方案比較： 方案一機構簡單，空間構件靈活，穩(wěn)定性好，設計簡單，精度有保證。但其不完全齒輪加工復雜，成本高，工作時會產(chǎn)生沖擊，載荷不大，對機構整體的穩(wěn)定性影響不大。 方案二機構也相對簡單，但控制起來精度不高，誤差大，工作時會產(chǎn)生沖擊，對機構的載荷比較大，對機構整體的穩(wěn)定性影響較大。 經(jīng)過方案比較，擬選取方案一為最佳方案。 裁紙機構： 方案一: 工作原理：凸輪為原動件，凸輪推動推桿先前運動，上下兩邊的壓塊先壓緊牛皮紙，刀具再向前將紙裁斷。 方案二: 工作原理：通過主軸的運動將速度V傳遞到凸輪上，使其轉動，將力與速度通過連桿傳遞給剪刀，通過剪刀截斷合適尺寸的紙，最后達到裁紙的工作過程。 方案比較: 方案一的機構直觀，簡單地實現(xiàn)裁紙工作，使用凸輪的推動運動來控制壓緊與切紙，裁紙穩(wěn)定，結構緊湊，所占用的空間小。裝配略困難。 方案二的機構復雜，構件多，所積累的誤差較大，同樣是使用凸輪的運動來控制壓緊與切紙，但所占用空間大，裝配較困難。 經(jīng)過方案比較：選擇方案一為最佳方案。 折邊機構： 方案一: 工作原理：主要執(zhí)行機構為凸輪、連桿和擺桿機構，通過凸輪的回轉運動，帶動連桿擺動，進而實現(xiàn)假肢桿件的間隙閉合開啟運動，實現(xiàn)折上下邊的功能。 方案二： 方案比較： 方案二也可以實現(xiàn)折上下邊，但是該機構只能折一邊（上邊或下邊），因此要實現(xiàn)同時折好兩邊，需要兩個對稱的機構，而且曲柄連續(xù)回轉難以控制好折邊時間，因而精確度不如方案一機構高，同時運動幅度也比較大，占空間大。 經(jīng)比較：選取方案一為最佳方案。 折前角機構： 方案一: 工作原理：主要執(zhí)行機構為一個隨軸回轉的半球形轉子，該機構隨軸轉動，上下邊折好后，半球形轉子剛好轉過來實現(xiàn)折前角的功能。后角利用固定擋板折好。 方案二： 工作原理：主要執(zhí)行機構為一個隨軸轉動的矩形框和齒輪機構，該機構為由齒輪帶動的，做圓周運動的機構。初始狀態(tài)下，兩滾輪所在平面平行于書運動方向，以便書兩邊所帶的紙能夠順利通過。當側邊與兩端上下邊折起來之后，齒輪帶動其繞豎直軸作半周圓周運動，使豎直滾輪掠過前角邊，將其折起。 方案比較: 方案一與方案二工作原理相似，但由于方案一為半球形轉子，力度更大，因此精度就越高，效率也就越高。 經(jīng)比較，選取方案一為最佳方案。 涂漿糊貼標簽烘干機構： 方案一: 工作原理：通過凸輪的轉動帶動與凸輪連接的輪軸，并使其上面的水平板塊做水平往復運動，在推書機構把第二摞書推到涂漿糊處，第一摞書恰好到達貼標簽處。直至最后完成烘干。 方案二： 工作原理：凸輪的轉動帶動滑塊的左右移動，從而實現(xiàn)涂漿糊、貼標簽、烘干功能。 方案比較： 方案一雖然多了一個搖桿，傳動穩(wěn)定，但機構較多，運動復雜，容易積累誤差。而方案二相對來說機構簡單明了，搭建也方便。 經(jīng)比較，選取方案二為最佳方案。 機構總方案匯總 橫向送書機構 縱向送書機構 送紙機構 裁紙機構 折邊機構 折前腳機構 涂漿糊貼標簽烘干機構 機構總運動循環(huán)圖 電動機到主軸間的減速機構計算 減速機構的示意圖如下： 由選定的數(shù)據(jù)：電動機轉速n1=1000r/min，主軸轉速n4=10r/min 可通過計算得到各個齒輪的齒數(shù)，傳動比為10。 計算過程： i14=z2*z3*z4z1*z2’*z3’=100 可取： z1=24 z2=75 z3=60 z4=160 z2’=15 z3’=20 模數(shù)m=2 壓力角α=20 橫向推書機構中凸輪機構的設計：(matlab程序在附錄) 由上面要求設定凸輪推程運動角為120。為了防止推書過程中書本出現(xiàn)灑落要求推書過程中加速度從零開始，根據(jù)要求凸輪的加速度按正弦規(guī)律變化?；爻踢^程中加速度沒有要求，我們?nèi)耘f按正弦加速度規(guī)律設計凸輪。凸輪的行程有齒輪1可知，h=200mm，設計凸輪從動件是直動型的，采用壓力角為30，基圓半徑110mm。 基圓最小半徑表達式：Rmin = 將推程位移曲線中ds/dφ最大斜率帶入得： Rmin=83.3mm 選取基圓半徑110mm>83.3mm 凸輪從動件位移表達式： S=φ-sin3φ（0<φ<2π/3） S=h-(φ-)+sin3(φ-)(2π/3<φ<4π/3) S=0; (4π/3<φ<2π) 位移曲線 凸輪從動件速度表達式： V=ω-ωcos3φ（0<φ<2π/3） V=-(ω - ωcos3(φ- )(2π/3<φ<4π/3) V=0 (4π/3<φ<2π) 速度曲線 凸輪從動件加速度表達式： a=sin3φ（0<φ<2π/3） a=sin3(φ-) (2π/3<φ<4π/3) a=0 (4π/3<φ<2π) 加速度曲線 凸輪理論輪廓曲線 用解析法對牛頭刨床六桿機構運動分析 （C語言版，程序在附錄） 牛頭刨床機構簡圖 牛頭刨床三維立體圖 1.位置分析： 2.速度分析： 將上式對時間求一階導得： 將上式寫成矩陣式得： 3.加速度分析： 將速度分析式對時間再次求一階導得： 將上式寫成矩陣式可得： (L1=0.125m; L3=0.6m; L4=0.15m; L6=0.275m; L6`=0.575m; w1=1rad/s;) 最后利用C語言（高斯消元法）對矩陣式進行求解，可得從動件位移，速度，加速度數(shù)據(jù)，最后利用matlab將數(shù)據(jù)連成曲線，最終得出如圖所示曲線 （單位皆為國際單位制） 圖解法驗證： 當原動件角度為0時： 利用CAD標注選項得出位移S=10.11mm10=0.1011m; 與原圖相符。 速度驗證： 因為 Vb3 = Vb2 + Vb3b2; 大小 ？ w1*l1 ? 方向 ⊥BC ⊥AB ∥BC 可求得Vb3=0.052m/s; Vd=Vb3/S3*L3=0.103m/s Ve = Vd + Ved 大小 ？ w3*l3 ? 方向 ∥EF ⊥CD ⊥DE 可求得Ve=-0.085m/s 與原圖相符。 加速度驗證： ab3n + ab3t = ab2 + ab3b2K + ab3b2r 大小 V2b3/S3 ? V2b2/L1 2*w3*Vb3b2 ? 方向 B→C ⊥CD ⊥AB ⊥BC ∥BC 可求得ab3； 在通過影像原理可求得ad的大小和方向。 ae = ad + aedn + aedt 大小 ？ √ V2ed /l4 ? 方向 ∥EF √ D→E ⊥DE 可求得 ae =-0.18m/s2; 與原圖相符； 當原動件角度為200（360-160）的時： 利用CAD標注選項得出位移S=-41.55mm10=-4.155m; 與原圖相符。 速度驗證： 因為 Vb3 = Vb2 + Vb3_b2; 大小 ？ w1*l1 ? 方向 ⊥BC ⊥AB ∥BC 可求得Vb3； Vd=Vb3/s3*L3； Ve = Vd + Ve_d 大小 ？ w3*l3 ? 方向 ∥EF ⊥CD ⊥DE 可求得Ve=-0.13m/s 與原圖相符。 加速度驗證： ab3n + ab3t = ab2 + ab3b2K + ab3b2r 大小 V2b3/S3 ? V2b2/L1 2*w3*Vb3b2 ? 方向 B→C ⊥CD ⊥AB ⊥BC ∥BC 可求得ab3； 在通過影像原理可求得ad的大小和方向。 ae = ad + aedn + aedt 大小 ？ √ V2ed /l4 ? 方向 ∥EF √ D→E ⊥DE 可求得 ae =0.09m/s2; 與原圖相符； 課程設計心得體會 為期一周的機械原理課程設計結束了，在這次實踐的過程中我學到了一些除書本知識以外的其他東西,領略到了別人在處理專業(yè)技能問題時顯示出的優(yōu)秀品質,更深切的體會到人與人之間的那種相互協(xié)調合作的機制,最重要的還是自己對一些問題的看法產(chǎn)生了良性的變化. 當我在設計當中遇到問題時,必須要有斟酌的態(tài)度才會收到效果。我記得有位老師說過,有些事情的產(chǎn)生是有原因的,別人能在諸如學習上取得了不一般的成績,那絕對不是僥幸或者巧合,那是自己付出勞動的成果的彰顯,那是自己辛苦過程的體現(xiàn).這一句話至今為止我都牢牢的記在心里。 這次課程設計使我明白了自己原來知識還比較欠缺。自己要學習的東西還太多，以前老是覺得自己什么東西都會，什么東西都懂，有點眼高手低。通過這次課程設計，我才明白學習是一個長期積累的過程，在以后的工作、生活中都應該不斷的學習，努力提高自己知識和綜合素質。 在這次課程設計中也使我們的同學關系更進一步了，同學之間互相幫助，有什么不懂的大家在一起商量，聽聽不同的看法對我們更好的理解知識，所以在這里非常感謝幫助我的同學。 我的心得也就這么多了，總之，不管學會的還是學不會的的確覺得困難比較多，真是萬事開頭難，不知道如何入手。最后終于做完了有種如釋重負的感覺。此外，還得出一個結論：知識必須通過應用才能實現(xiàn)其價值！有些東西以為學會了，但真正到用的時候才發(fā)現(xiàn)是兩回事，所以我認為只有到真正會用的時候才是真的學會了。 附錄： 牛頭刨床C語言程序 #include
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