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09年机械原理课程设计任务书


机械原理课程设计
一、 课程设计的目的
综合应用所学过的机械原理知识,进行机构的选型、组合、分析与综合,并 绘制相应的机构运动简图,以培养机械运动方案的设计能力和创新思维。

二、 设计任务及要求
本课程设计提供了 A、 B、C 三类题目。A 为指定性设计题目,B 为创新性 题目,C 为机构仿真类题目,要求每个学生选择其中的一个题目,在规定的时间 里按题目任务要求完成设计工作,并上交设计说明书一份。 (注:设计说明书统一用重庆理工大学设计用纸抄写或按相同 A4 纸打印装订, 20 页以上;说明书应有封面及标题(题目名称) 、专业、班级、姓名和学号。说 明书封面自行设计。若采用手工绘图,用档案袋将说明书与图纸一起交上。若采 用电脑绘图,请将图插入说明书中,并作必要说明。 ) ? 时间安排: 1.第 18 周一课程考试完后,老师就可提前布臵设计任务。学生即日起可根 据本任务选择自己的题目,查阅资料,构思设计。 2. 课程设计周第 1~3 天 生可以来问。 3.课程设计周第 4~5 天 小答辩方式,老师在教室检查设计。每个学生展 老师到新校区授课教室答疑式辅导, 有问题的学

示自己的设计结果,并做说明。 4.课程设计周第 5 天 学生上交课程设计结果。

三、指定性设计题目 题目 1:洗瓶机设计(限 4 人)
(一) 工作原理及工艺动作过程 、

为清洗圆形瓶子的外面, 把待洗的瓶子放在两个转动着的导辊上,导辊带动 瓶子旋转。当推头 M 把瓶推向前进时,转动着的刷子就把瓶子外面洗净。当前 一个瓶子将洗刷完毕时,后一个待洗的瓶子已送入导辊。它的主要动作:将到位 的瓶子沿着导辊推动,瓶子推动过程中利用导辊转动将瓶子旋转以及将刷子转 动。

图 1 是洗瓶机有关部件的工作情况示意图。

图 1 洗瓶机有关部件的位臵示意图

(二) 、原始数据及设计要求 设计推瓶机构时的原始数据和要求为 (1) 瓶子尺寸:大端直径 d=80mm,长 200mm。 图 2 推头 M 的可走轨迹之一 (2) 推进距离 l=600mm。 推瓶机构应使推 头 M 以接近均匀的速度推瓶,平稳地接 触和脱离瓶子,然后,推头快速返回原位,准备第二个工作循环。 (3) 按生产率的要求, 推程平均速度为 v=45mm/s,返回时的平均速度为 工作行程的 3 倍。 (4) 机构传动性能良好,结构紧凑,制造方便。 (三) 、设计方案提示 (1) 推瓶机构要求推头作近似直线轨迹,回程时轨迹形状不限,但不能 反向拨动下一个瓶子,可以如图 2 所示。由上述运动要求,常用基本机 构是不容易实现,可以采用组合机构来实现。 (2) 洗瓶机构由一对同向转动的导辊和三只转动的刷子组成,可以通过 机械传动系统来完成。 (四) 、设计任务及要求 (1) 根据工艺动作顺序和协调要求拟定运动循环图;

(2) 进行推瓶机构的选型,以实现洗瓶动作要求; (3) 根据选定的原动机和执行机构的运动参数拟定机械传动方案,分配 传动比,并在图纸上画出传动方案图; (4) 机械运动方案的评定和选择; (5) 对执行机构进行运动尺寸计算; (6) 对执行机构进行运动分析,画出运动线图; (7) 画出机械运动方案简图; (8) 编写设计计算说明书。

题目 2:轧辊机设计(4 人)
(一) 、工作原理及工艺动作过程 图 1 所示轧辊机是由送料辊送进铸坯,由 工作辊将铸坯轧制成一定尺寸的方形、矩形或 圆形截面坯料的初轧轧机。它在水平面内和铅 垂面内各布臵一对轧辊(图中只画了铅垂面内 的一对轧辊)。两对轧辊交替轧制。轧机中工 作辊中心 M 应沿轨迹 mm 运动, 以适应轧制工作 的需要。 坯料的截面形状由轧辊的形状来保证。 因此,轧辊机主要由工作辊和送料辊机构 组成。 (二)、原始数据及设计要求 根据轧制工艺, 并考虑减轻设备的载荷对轧辊中心点 M 的轨迹可提出如下基 本要求: (1) 在金属变形区末段, 应是与轧制中心线平行的直线段,在此直线段内轧辊 对轧件进行平整,以消除轧件表面因周期间歇轧制引起的波纹。因此,希 望该平整段 L 尽可能长些。 (2) 轧制是在铅垂面和水平面内交替进行的,当一个面内的一对轧辊在轧制 时,另一面内的轧辊正处于空回行程中。从实际结构上考虑,轧辊的轴向 尺寸总大于轧制品截面的宽度,所以,要防止两对轧辊在交错而过时发生 碰撞。为此,轧辊中心轨迹曲线 mm 除要有适当的形状外,还应有足够的 开口度 h,使轧辊在空行程中能让出足够的空间,保证与轧制行程中的轧 辊不发生“拦路”相撞的情况。 (3) 在轧制过程中,轧件要受到向后的推力,为使推力尽量小些,以减轻送料 辊的载荷, 故要求轧辊与轧件开始接触时的啮入角 γ 尽量小些。 约取 25? γ 左右,坯料的单边最大压下量约 50mm,从咬入到平整段结束的长度约 270mm。 (4) 为调整制造误差引起的轨迹变化或更换轧辊后要求开口度有稍许变化, 所 选机构应能便于调节轧辊中心的轨迹。 (5) 要求在一个轧制周期中,轧辊的轧制时间尽可能长些。 (三)、设计方案提示 (1) 能实现给定平面轨迹要求的机构可以有铰链连杆机构、双凸轮机 构、凸轮—连杆机构、齿轮—连杆机构等。

图1

轧辊工作情况

(2)

采用两自由度的五杆机构,可精确实现要求的任意轨迹,且构件尺 寸可在很大范围内任选,但需要给两个主动件,联系两主动件间运 动关系的机构常用齿轮机构、凸轮机构、连杆机构等。 由于本机器中机构的受力较大,应考虑到工作寿命要求。 工作辊的方案设计应考虑轨迹和开口度的调节是否可能和方便,能 否按要求布臵在机器中,结构上是否便于实现。 送料辊的运动方案可以通过机械传动系统来完成。

(3) (4) (5)

(四)、设计任务及要求 (1) 根据工艺动作顺序和协调要求拟定运动循环图; (2) 进行工作辊机构、送料辊机构的选型; (3) 机械运动方案的评定和选择; (4) 根据选定的原动机和执行机构的运动参数拟定机械传动方案,分配传 动比,并画出传动方案图; (5) 对机械传动系统和执行机构进行运动尺寸计算; (6) 对执行机构进行运动分析,画出运动线图; (7) 画出机械运动方案简图; (8) 编写设计计算说明书。

题目 3:剪板机设计(4 人)
(一) 、工作原理及工艺动作过程 剪板机是将卷料展开并剪成一定长度铁板的机器, 即将板料作定长度的间歇 送进,在板料短暂的停歇时间内,剪刀在一定位臵上将铁板剪断。因此剪板机主 要包括铁板输送机构和剪断机构。 (二) 、原始数据及设计要求 (1) 原材料为成卷的板料。每次输送铁板长度为 L=1900 或 2000 或 2200 mm(设计时任选一种)。 (2) 每次输送铁板到达规定长度后,铁板稍停,以待剪板机构将其剪断。剪 断工艺所需时间约为铁板输送周期的十五分之一。 建议铁板停歇时间不超过剪断 工艺时间的 1.5 倍,以保证有较高的生产率。 (3) 输送机构运转应平稳,振动和冲击应尽量小(即要求输送机构从动件的 加速度曲线连续无突变)。

(三) 、方案设计提示 将铁板作间歇送进的机构方案设计,可从下述两个方面考虑机构的选择: (1) 如何夹持和输送铁板,并使停歇时保持铁板的待剪位臵; (2) 如何实现间歇送进, 并能使铁板停歇时运送铁板的构件的速度和加速度 曲线仍然连续,这样,送进机构的运转就比较平稳。 大致有几条途径: (1) 利用机构中运动构件暂时脱离运动链,使后续构件实现停歇; (2) 利用构件上一点在圆弧段或直线段上运动,使与之相连的构件实现停 歇; (3) 利用两种运动的叠加使构件实现间歇运动; (4) 其它。 工业上常用的简单间歇机构,如棘轮机构、槽轮机构和不完全齿轮机构等, 虽具有结构简单、制造方便。运动可靠等优点,但在动力性能、动停比(运动时 间和停歇时间之比)方面很难满足设计要求。 所以常用组合机构来满足设计要求。 (四) 、设计任务及要求 (1) 根据工艺动作顺序和协调要求拟定运动循环图; (2) 进行铁板输送机构和剪断机构的选型; (3) 机械运动方案的评定和选择; (4) 根据选定的原动机和执行机构的运动参数拟定机械传动方案,分配传 动比,并在图纸上画出传动方案图 (5) 对机械传动系统和执行机构进行运动尺寸计算; (6) 对执行机构进行运动分析,画出运动线图; (7) 画出机械运动方案简图; (8) 编写设计计算说明书。

题目 4:半自动平压模切机设计(4 人)
(一) 、工作原理及工艺动作 半自动平压模切机是印刷、包装行业压制纸盒、纸箱等纸制品的专用设备。 该机可对各种规格的纸板、 厚度在 4mm 以下的瓦楞纸板,以及各种高级精细的印 刷品进行压痕、切线、压凹凸。经过压痕、切线的纸板,用手工或机械沿切线处 去掉边料后,沿着压出的压痕可折叠成各种纸盒、纸箱或制成凹凸的商标。 它的主要工艺动作有两个:一是将纸板走纸到位,二是进行冲压模切。如图 1 所示,4 为工作台面,工作台上方的 1 为双列链传动,2 为主动链轮,3 为走纸

横块(共五个),其两端分别固定在前后两根链条上,横块上装有若干个夹紧片。 主动链轮由间歇机构带动,使双列链条作同步的间歇运动。每次停歇时,链上的 一个走纸模块刚好运行到主动链轮下方的位臵上。这时,工作台面下方的控制机 构,其执行构件 7 作往复移动,推动横块上的夹紧装臵,使夹紧片张开,操作者 可将纸板 8 喂入,待夹紧后,主动链轮又开始转动,将纸板送到具有上模 5(装 调以后是固定不动的)和下模 6 的位臵,链轮再次停歇。这时,在工作台面下部 的主传动系统中的执行构件——滑决 6 和下模为一体向上移动,实现纸板的压 痕、切线,称为模压或压切。压切完成以后,链条再次运行,当夹有纸板的横块 走到某一位臵时,受另一机构(图上未表示)作用,使夹紧片张开,纸板落到收纸 台上,完成一个工作循环。与此同时,后一个横块进入第二个工作循环,将已夹 紧的纸板输入压切处,如此实现连续循环工作。

图 1 平压模切机动作示意图

图 2 模切机生产阻力曲线

(二) 、原始数据及设计要求 (1) 每小时压制纸板 3000 张。 (2) 上模固定,下模向上移动的行程长度 H ? 50 ? 0.5mm ,回程的平均速度为 工作行程平均速度的 1.3 倍。 (3) 工作行程的最后 2 mm 内受到生产阻力 Pc ? 2 ? 10 6 N ,如图 2 所示,回程 时不受力,下模和滑块的质量约 120 kg。 (4) 工作台面离地面的距离约 1200 mm。 (5) 所设计机构的性能要良好, 结构简单紧凑, 节省动力, 寿命长, 便于制造。

(三) 、设计方案提示 (1) 走纸机构可采用双列链传动,走纸横块其两端分别固定在前后两根链条 上, 横块上装有若干夹紧片已夹紧纸板。主动链轮由间歇运动机构带动以 实现定时走纸。 (1) 模切机构由于压制纸板时受力较大,宜采用承载能力高的平面连杆机构, 而连杆机构中常用的有四杆机构和六杆机构,在纸板停顿时进行冲压模 切。 (2) 控制横块上夹紧装臵(夹紧纸板)的控制机构, 由于夹紧片张开后要停留片 刻,让纸板送入后才能夹紧,因而推杆移动到最高位臵时,有较长时间停 歇的运动要求,故采用凸轮机构在设计上易于实现此要求,且结构简单。 (3) 由于冲压模切机构仅在很短的时间内承受很大生产阻力, 为了减小周期性 速度波动,可以选择容量较小的电机,但一般需要安装飞轮。 (四) 、设计任务及要求 (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8)
(9) (10)

根据工艺动作顺序和协调要求拟定运动循环图; 进行走纸机构、冲压模切机构及夹紧纸板的控制机构的选型; 机械运动方案的评定和选择; 根据给定的生产阻力及工作余量选定合适的电动机; 根据选定的原动机和执行机构的运动参数拟定机械传动方案,分配传动 比,并在图纸上画出传动方案图; 对机械传动系统和执行机构进行运动尺寸计算; 对执行机构进行运动分析,画出运动线图; 画出机械运动方案简图; 对机构进行受力分析,飞轮设计; 编写设计计算说明书。

题目 5:四工位专用机床设计(4 人)
(一) 、工作原理及工艺动作 四工位专用机床的工作台有Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四个工作位臵(图 1),工位Ⅰ是 装卸工件,Ⅱ是钻孔,Ⅲ是扩孔,Ⅳ是铰孔。主轴箱上装有三把刀具,对应于工 位Ⅱ的位臵装钻头,Ⅲ的位臵装扩孔钻,Ⅳ的位臵装铰刀。刀具由专用电机带动 绕其自身的轴线转动。 主轴箱每向左移动送进一次,在四个工位上分别完成相应 的装卸工件、钻孔、扩孔、铰孔工作。当主轴箱右移(退回)到刀具离开工件后, 工作台回转 90?,然后主轴箱再次左移,这时,对其中每一个工件来说,它进入

了下一个工位的加工,依次循环四次,一个工件就完成装、钻、扩、铰、卸等工 序。由于主轴箱往复一次,在四个工位上同时进行工作,所以每次就有一个工件 完成上述全部工序。 因此,四工位专用机床的执行动作有两个:一是回转台的间歇转动,二是主 轴箱的刀具转动和移动。 (二) 、原始数据及设计要求 (1) 刀具顶端离开工件表面 65mm(图 1),快速移动送进 60mm 接近工件后, 匀速送进 60 mm(前 5mm 为刀具接近工件时的切入量,工件孔深 45mm,后 10mm 为刀具切出量),然后快速返回。回程和工作行程的平均速比(行程速度变化系 数)K=2。 (2) 刀具匀速进给速度为 2mm/s;工件装、卸时间不超过 10s (3) 生产率为每小时约 75 件。 (4) 执行机构系统应装入机体内,机床外形尺寸见图 1。

图 1 专用机床外形及尺寸 (三) 方案设计提示 、

(1)

回转台的间歇转动可以采用棘轮机构、槽轮机构、凸轮式间歇运动、不 完全齿轮机构等,此外,还可采用某些组合机构。 (2) 主轴箱的刀具往复移动,可以采用平面连杆机构、圆柱凸轮机构、移动 从动件盘形凸轮机构、凸轮—连杆组合机构等。

(3)

(4)

(5) (6) (7)

回转台的间歇转动和主轴箱的刀具往复移动, 两套机构均由一个电机带 动,故工作台转位机构和主轴箱往复运动机构按动作时间顺序分支并列, 组合成一个机构系统。 由生产率可以求出一个运动循环所需的时间 T=3600/75 = 48 s,刀具匀 速送进 60 mm 所需时间 vt1=60/2=30 s,刀具其余移动时间共需 18 s,回 转工作台静止时间为 36 s,因此足够工件装卸的时间。 工作台回转以后是否有可靠的定位功能,主轴箱往复运动的行程在 120mm 以上,所选机构是否能在给定空间内完成该运动要求。 机构的运动和动力性能、精度在满足要求的前提下,传动链尽可能短, 且制造、安装简便。 加工对象的尺寸变更后,是否有可能方便地进行调整或改装。

(四) 、设计任务及要求 (1) 根据工艺动作顺序和协调要求拟定运动循环图; (2) 进行回转台的间歇转动机构、主轴箱的刀具往复移动机构的选型; (3) 机械运动方案的评定和选择; (4) 根据选定的原动机和执行机构的运动参数拟定机械传动方案,分配传动 比,并画出传动方案图; (5) 对机械传动系统和执行机构进行运动尺寸计算; (6) 对执行机构进行运动分析,画出运动线图; (7) 画出机械运动方案简图; (8) 编写设计计算说明书。

题目 6:医用棉签卷棉机设计(4 人)
(一) 工作原理及工艺动作过程 、

医院用棉签的日耗量很大, 以往均由医护人员在值班间歇中用手工卷制,工 作量很大,为提高工效拟用机器代替手工卷制棉签。 棉签卷制过程可以仿照手工方式进行动作分解,亦可另行构想动作过程。按 照棉签的手工卷制方法进行分解后得到:
(1) 送棉:将条状棉通过机构定时、适量送入; (2) 揪棉:将条状棉压(卷)紧并揪棉,使之揪下定长的条棉; (3) 送签:将签杆送至导棉槽上方与定长棉条接触; (4) 卷棉:签杆自转并引导棉槽移动完成卷棉动作。

(二) 、原始数据及设计要求
(1) 棉花:条状脱脂棉,宽 25~30 mm,自然厚 4~5mm。 (2) 签杆: 医院通用签杆, 直径约 3mm, 杆长约 70mm, 卷棉部分长约 20~25mm。 (3) 生产率:每分钟卷 60 支,每支卷取棉块长约 20~25mm。 (4) 卷棉签机体积要小,重量轻,工作可靠,外形美观,成本低,卷出的

棉签松紧适度。 (三) 、设计方案提示
(1) 送棉可以采用两滚轮压紧棉条、对滚送进,送进的方式可采用间歇机

构,以实现定时定量送棉;也可以采用直线送进方式,则送棉机构必 须有持棉和直线、间歇、定长送进等功能。
(2) 揪棉时应采用压棉和揪棉两个动作,压棉可以采用凸轮机构推动推杆

压紧棉条,为自动调整压紧力中间可加一弹簧。楸棉可以采用对滚爪 轮在转动中楸断棉条。
(3) 送签可采用漏斗口均匀送出签杆,为避免签杆卡在漏斗口,可以将漏

斗作一定振动。
(4) 卷棉可将签杆送至导棉槽,使签杆作自转并移动而产生卷棉,可采用

带槽形的塑料带通过挠性传动来实现。 (四) 、设计任务及要求
(1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8)

根据工艺动作要求拟定运动循环图; 进行送棉、揪棉、送签、卷棉机构的选型,实现上述四种动作的配合; 机械运动方案的评定和选择; 根据选定的原动机和执行机构的运动参数拟定机械传动方案,分配传动 比,并画出传动方案图; 对机械传动系统和执行机构进行运动尺寸计算; 画出机械运动方案简图; 对执行机构进行运动分析,画出运动线图; 编写设计计算说明书。

题目 7:专用精压机设计(4 人)
(一) 工作原理及工艺动作过程 、

专用精压机是用于薄壁铝合金制件的精压深冲工艺, 它是将薄壁铝板一次冲 压成为深筒形。如图 1(a)所示,上模先以比较小的速度接近坯料,然后以匀

速进行拉延成形工作,以后,上模继续下行将成品推出型腔,最后快速返回。上 模退出下模以后,送料机构从侧面将坯料送至待加工位臵,完成一个工作循环。 它的主要工艺动作有: (1) 将新坯料送至待加工位臵; (2) 下模固定、上模冲压拉延成形将成品推出膜腔。

(a) 图 1 加工工件及上模运动规律 (二) 原始数据和设计要求 、

(b)

(1) 动力源是电动机,作转动;冲压执行构件为上模,作上下往复直移运动, 其大致运动规律如图 1(b)所示,具有快速接近工件、等速工作进给和 快速返回的特性。 (2) 精压成形制品生产率约每分钟 70 件。 (3) 上模移动总行程为 280 mm,其拉延行程臵于总行程的中部,约 100 mm。 (4) 行程速比系数 K≥1.3。 (5) 坯料输送的最大距离 200 mm。 (6) 上模滑块总质量 40 kg,最大生产阻力为 5000 N,且假定在拉延区内生产 阻力均衡; (7) 设最大摆动件的质量为 40kg/mm,绕质心转动惯量为 2 kg?m2/mm,质心简 化到杆长的中点。其它构件的质量及转动惯量均忽略不计; (8) 传动装臵的等效转动惯量 (以曲柄为等效构件, 其转动惯量设为 30 kg?m2, 机器运转许用不均匀系数[δ]为 0.05) (9) 机构应具有较好的传力性能,特别是工作段的压力角 ? 应尽可能小,传动 角 ? 大于或等于许用传动角 [? ] ? 40 ? 。 (三) 、方案设计及讨论 (1) 送料机构实现间歇送料可采用凸轮机构、凸轮—连杆组合送料机构、槽轮 机构等。 (2) 冲压机构为保证等速拉延、回程快速的要求,可采用导杆加摇杆滑块的六 杆机构、铰链四杆加摇杆滑块的六杆机构、齿轮—连杆冲压机构等。 (3) 工件送料传输平面标高在 1000mm 左右。 (4) 需考虑飞轮设计。

(四) 、设计任务及要求 (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7)
(8) (9)

根据工艺动作要求拟定运动循环图; 进行送料机构、冲压机构的选型; 机械运动方案的评定和选择; 根据选定的原动机和执行机构的运动参数拟定机械传动方案,分配传动 比,并画出传动方案图; 对机械传动系统和执行机构进行运动尺寸计算; 画出机械运动方案简图; 对执行机构进行运动分析,画出运动线图; 进行飞轮设计; 编写设计计算说明书。

题目 8:步进输送机设计(4 人)
(一) 工作原理及工艺动作过程 、

步进输送机是一种能间歇地输送工件, 并使其间距始终保持稳定步长的传送 机械。图 1 为其示意图,工件经过隔断板从料轮滑落到辊道上,隔断板作间歇往 复直线运动,工件按一定的时间间隔向下滑落。输送滑架作往复直线运动,工作 行程时, 滑架上位于最左侧的推爪推动始点位臵工件向前移动一个步长,当滑架 返回时,始点位臵又从料轮接受了一个新工件。由于推爪下装有压力弹簧,推爪 返回时得以从工件底面滑过,工件保持不动。当滑架再次向前推进时,该推爪早 已复位并推动新工件前移, 与此同时,该推爪前方的推爪也推动前工位的工件一 齐向前再移动一个步长。如此周而复始,实现工件的步进式传输。显而易见,隔 断板的插断运动必须与工件的移动协调,在时间和空间上相匹配。

图 1 步进输送机示意图

(二) 、原始数据及设计要求 (1) 输送工件形状和尺寸如图 1,工件质量 60kg,输送步长 H=840mm,允许 误差±0.2mm。 (2) 辊道上允许输送工件最多 8 件。工件底面与辊道间的摩擦系数 0.15(当 量值),输送滑架质量为 240kg,当量摩擦系数也为 0.15。 (3) 滑架工作行程平均速度为 0.42m/s,要求保证输送速度尽可能均匀,行程 速比系数 K≥1.7。 (4) 最大摆动件线质量为 20 kg/m,质心在杆长中点,绕质心线转动惯量为 2

kg?m2/m, 其余构件质量与转动惯量忽略不计。 发动机到曲柄轴的传动系统 的等效转动惯量(视曲柄为等效转动构件)近似取为 2 kg?m2。。 (5) 允许速度不均匀速度为[δ]=0.1。 (6) 滑架导路水平线与安装平面高度允许在 1100mm 以下。 (7) 电动机规格自选。 (三) 、设计方案提示 (1) 为保证推爪在推动工件前保持推程状态, 输送机构的行程应大于工件输送 步长 20mm 左右。 (2) 在设计步进输送机构和插断机构时,可按已知滑架行程、平均速度和行程 速比系数确定曲柄转速; 由已知的工件形状尺寸确定插断板单向或双向的 插入深度, 据此并考虑机构的布局情况确定插断机构从动件的运动范围和 运动规律。 (四) 、设计任务及要求 (1) (2) (3) (4) (5) (6)
(7) (8)

根据工艺动作要求拟定运动循环图; 进行插断机构、步进输送机构的选型; 机械运动方案的评定和选择; 根据选定的原动机和执行机构的运动参数拟定机械传动方案,分配传动 比,并在图纸上画出传动方案图; 进行工件停止在工位上的惯性前冲量计算; 对机械传动系统和执行机构进行运动尺寸计算; 画出机械运动方案简图; 编写设计计算说明书。

题目 9:压片成形机(3 人)
(一) 设计题目及原始数据 、 设计自动压片成形机,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。设计数据见下表。 压片成形机设计数据表 方案 号 A B C 电动机 转速 r/min 1450 970 970 生产率 片/min 10 15 20 成品尺寸 (Φ ×d) mm,mm 100×60 60×35 40×20 冲头压力 kg 15,000 10,000 10,000 δ 0.10 0.08 0.05

m 冲 kg 12 10 9

m 杆 kg 5 4 3

粉料

料筛

上冲头

下冲头

(a)
片坯

(b)

(c)

(d)

(e)

图 1 压片成形机工艺动作 如图 1 所示,压片成形机的工艺动作是: 1. 干粉料均匀筛入圆筒形型腔(图 1a) 。 2. 下冲头下沉 3mm,预防上冲头进入型腔时粉料扑出(图 1b) 。 3. 上、下冲头同时加压(图 1c) ,并 保持一段时间。 4. 上冲头退出, 下冲头随后顶出压好 的片坯(图 1d) 。 5. 料筛推出片坯(图 1e) 。 上冲头、下冲头、送料筛的设计 要求是: 1. 上冲头完成往复直移运动 (铅锤上 下) ,下移至终点后有短时间的停 歇,起保压作用,保压时间为 0.4 秒左右。 因冲头上升后要留有料筛 进入的空间,故冲头行程为 90~
(c) (b)
S料 S下 S上

(a)

图 2 设计要求

100mm。因冲头压力较大,因而加压机构应有增力功能(图 2a) 。 2. 下冲头先下沉 3mm,然后上升 8mm,加压后停歇保压,继而上升 16mm,将成型片坯顶到 与台面平齐后停歇,待料筛将片坯推离冲头后,再下移 21mm,到待料位置(图 2b) 。 3. 料筛在模具型腔上方往复振动筛料,然后向左退回。待批料成型并被推出型腔后,料筛 在台面上右移约 45~50mm,推卸片坯(图 2c) 。 上冲头、下冲头与送料筛的动作关系见下表。

动作关系表 上冲头 送料筛 下冲头 退 退 进 近休 近休 进 进 退 远休 远休

(二) 、设计方案提示
1.各执行机构应包括: 实现上冲头运动的主加压机构、 实现下冲头运动的辅助加压机构、 实现料筛运动的上下料机构。 各执行机构必须能满足工艺上的运动要求, 可以有多种不同型 式的机构供选用。如连杆机构、凸轮机构等。 2.由于压片成形机的工作压力较大, 行程较短, 一般采用肘杆式增力冲压机构作为主体 机构,它是由曲柄摇杆机构和摇杆滑块机构串接而成。先设计摇杆滑块机构,为了保证,要 求摇杆在铅垂位置的±2?范围内滑块的位移量≤0.4mm。据此可得摇杆长度

0.4
r≤ 1 ? ? ? cos 2? ? ? ? sin 2?
2 2

式中

??

L r ——摇杆滑块机构中连杆与摇杆长度之比,一般取 1~2。

根据上冲头的行程长度,即可得摇杆的另一极限位置,摇杆的摆角以小于 60?为宜。设 计曲柄摇杆机构时,为了“增力” ,曲柄的回转中心可在过摇杆活动铰链、垂直于摇杆铅垂 位置的直线上适当选取, 以改善机构在冲头下极限位置附近的传力性能。 根据摇杆的三个极 限位置(±2?位置和另一极限位置) ,设定与之对应的曲柄三个位置,其中对应于摇杆的两 个位置,曲柄应在与连杆共线的位置,曲柄另一个位置可根据保压时间来设定,则可根据两 连架杆的三组对应位置来设计此机构。设计完成后,应检查曲柄存在条件,若不满足要求, 则重新选择曲柄回转中心。 也可以在选择曲柄回转中心以后, 根据摇杆两极限位置时曲柄和 连杆共线的条件,确定连杆和曲柄长度,在检查摇杆在铅垂位置±2?时,曲柄对应转角是否 满足保压时间要求。曲柄回转中心距摇杆铅垂位置愈远,机构行程速比系数愈小,冲头在下 极限位置附近的位移变化愈小,但机构尺寸愈大。 3.辅助加压机构可采用凸轮机构, 推杆运动线图可根据运动循环图确定, 要正确确定凸 轮基圆半径。为了便于传动,可将筛料机构置于主体机构曲柄同侧。整个机构系统采用一个 电动机集中驱动。 要注意主体机构曲柄和凸轮机构起始位置间的相位关系, 否则机器将不能 正常工作。 4.可通过对主体机构进行的运动分析以及冲头相对于曲柄转角的运动线图, 检查保压时 间是否近似满足要求。进行机构动态静力分析时,要考虑各杆(曲柄除外)的惯性力和惯性 力偶,以及冲头的惯性力。冲头质量 m 冲 、各杆质量 m 杆 (各杆质心位于杆长中点)以及机

器运转不均匀系数δ 均见表 8.5,则各杆对质心轴的转动惯量可求。认为上下冲头同时加压 和保压时生产阻力为常数。 飞轮的安装位置由设计者自行确定, 计算飞轮转动惯量时可不考 虑其他构件的转动惯量。确定电动机所需功率时还应考虑下冲头运动和料筛运动所需功率。

(三) 、设计任务及要求
1.压片成形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.设计传动系统并确定其传动比分配,并在图纸上画出传动系统图; 3.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” ; 4.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; 5.设计计算齿轮机构; 6.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。如果是采用 连杆机构作为下冲压机构,还应进行连杆机构的动态静力分析,计算飞轮转动惯量; 7.编写设计计算说明书;

题目 10:垫圈内径检测装臵机(5 人)
(一) 设计题目及原始数据 、 设计垫圈内径检测装置,检测钢制垫圈内径是否在公差允许范围内。被检测的工件由 推料机构送入后沿一条倾斜的进给滑道连续进给, 直到最前边的工件被止动机构控制的止动 销挡住而停止。 然后, 升降机构使装有微动开关的压杆探头下落, 检测探头进入工件的内孔。 此时,止动销离开进给滑道,以便让工件浮动。 检测的工作过程如图 1 所示。当所测工件的内径尺寸符合公差要求时(图 1a) ,微动 开关的触头进入压杆的环形槽,微动开关断开,发出信号给控制系统(图中未给出) ,在压 杆离开工件后,把工件送入合格品槽。如工件内径尺寸小于合格的最小直径时(图 1b) ,压 杆的探头进入内孔深度不够,微动开关闭合,发出信号给控制系统,使工件进入废品槽。如 工件内径尺寸大于允许的最大直径时(图 1c) ,微动开关仍闭合,控制系统将工件送入另一 废品槽。

3

2 1

a)

b)

c)

1—工件 a)内径尺寸合格

2—带探头的压杆 b)内径尺寸太小

3—微动开关 c)内径尺寸太大

图 1 垫圈内径检测过程 具体设计要求见下表 13。 平垫圈内径检测装置设计数据表 被测钢制平垫圈尺寸 方案号 A B C D E 公称尺寸 mm 10 12 20 30 36 内径 mm 10.5 13 21 31 37 外径 mm 20 24 37 56 66 厚度 mm 2 2.5 3 4 5 电动机转速 r/min 1440 1440 1440 960 960 每次检测时间 s 5 6 8 8 10

(二) 、设计方案提示
1.由于止动销的动作与压杆升降动作有严格的时间匹配与顺序关系, 建议考虑使用凸轮 轴解决这个问题。 2.推料动作与上述两个动作的时间匹配不特别严格, 可以采用平面连杆机构, 也可以采 用间歇机构。

(三) 、设计任务及要求
1.要求设计该检测装置的推料机构、控制止动销的止动机构、压杆升降机构。一般应包括凸 轮机构、 平面连杆机构以及齿轮机构等常用机构。 该装置的微动开关以及控制部分的设计本 题不作要求; 2.设计垫圈内径检测装置的传动系统并确定其传动比分配,并在图纸上画出传动系统图; 3.画出机器的机构运动方案简图和运动循环图; 4.设计平面连杆机构。并对平面连杆机构进行运动分析,绘制运动线图; 5.设计凸轮机构。确定运动规律,选择基圆半径,计算凸轮廓线值,校核最大压力角与最小 曲率半径。绘制凸轮机构设计图; 6.设计计算齿轮机构; 7.编写设计计算说明书;

B.创新性设计题目
请结合下列实际设计问题, 选择自己感兴趣的题目, 并通过需求背景调查进一步明确设 计目标和功能要求,综合运用所学知识完成如下工作: 1. 针对自己确定的创新性设计题目, 拟定设计方案, 并详细说明工作原理和工艺动作过程; 2. 机构结构分析与综合,计算机构自由度,进行机构运动分析和设计计算,确定机构运动 参数和构件尺寸; 3. 绘制机构运动简图和运动循环图,绘制主要机构的运动线图(s,v,a) ; 4. 编写设计计算说明书。

题目一
结合自己身边学习和生活的需要, 设计一折叠式床头小桌或窗外伸缩式晾衣架, 或一收 藏式床头书架或脸盆架或电脑架等;

题目二
设计一能帮助截瘫病人独自从轮椅转入床上或四肢瘫痪已失去活动能力的病人能自理 用餐或自动翻书进行阅读的机械;

题目三
设计适合老、中、青不同年龄段使用并针对不同职业活动性质(如坐办公室人员运动少 的特点)的健身机械;

题目四
设计帮助运动员网球或乒乓球训练的标准发球机或步兵步行耐力训练, 或空军飞行员体 验混战演习训练(即给可能的飞行员各方位加一个重力) ,或宇航员失重训练(即能运载一 人并提供一个重力加速度)的模拟训练机械;

题目五
设计放置在超市外投币式的具有安全、有趣或难以想象的运动的小孩“坐椅”或能使两 位、四位游客产生毛骨悚然的颤动感觉的轻便“急动”坐车。

题目六
汽车夏天露天停车,设计一伞状机械装置,为汽车遮挡阳光。

题目七 手动剪扩钳
设计一个手动剪扩钳机构,要求该两用钳启动方便,剪切能力大,可在任何姿势下使用, 钳臂及钳刃强度高,坚固耐用,使用快捷便利。最大剪切力:190000 N,最大扩张力:16000 N。

题目八 救援切割器
设计一款救援用切割器,该切割器主要由电机、减速转向机构、偏心往复机构、导向滑 动机构和刀锯组成。切割器功率为 60W-2kW。切割工作部分为了能使用某些特定工作场合, 要求能转动一定角度,最大转动角度可达 90°。

题目九 高楼逃生自救装置
当突发火灾或地震时,居住在高楼的人因事前无准备往往难以逃生,因此请依题设计一 种高层建筑窗用逃生装置,要求结构简单、可靠性高、承载能力强。

题目十 多功能担架
设计一种可用于崎岖路上手抬、 平路上手推、 静止时可作休息的小床或座椅的多功能担架。

C.机构仿真题目

题目一 摆动式运输机
一、题目说明 图 1-1 所示为一种往复式运输机构简图。电动机通过三级齿轮减速后带动连杆机构。6 为料槽,往复运动,物料 7 在料槽上,当料槽向右运动时,加速度比较小,能与物料一起运 动;而当料槽向做运动时,加速度足够大,使物料和料槽间产生滑动,从而完成物料搬运工 作。 已 知 l O1 A ? 0.09 m,

l AB ? 0.302 m, l O3C ? 0.27 m, l O3 B ? 0.16 m, x ? 0.27 m,

y ? 0.112 m, h ? 0.18 m,质心位置尺寸为 lO1S1 ? 0.0035 , l AS 2 ? 0.11 m, lO3S3 ? 0.0393 m,
各 构 件 的 质 量 和 转 动 惯 量 为 : m1 ? 51kg ,

J S1 ? 0.3kg ? m 2 ,

m2 ? 35.6kg , J S 2 ? 0.55kg ? m 2 , m3 ? 90 kg , m4 ? 900 kg , J S 3 ? 1.14 kg ? m 2 ,
m5 ? m6 ? 60kg , m7 ? 2880 kg ,电机转子及齿轮传动等效到 O1 轴上的等效转动惯量为
J e1 ? 50 .0kg ? m 2 。物料与料槽间的静摩擦系数我 f0=0.45,动摩擦系数 f0=0.35,许用不均匀
系数[ ? ]=0.15,每分钟料槽摆动次数为 57.5 次。

图 1-1 摆动式运输机 二、设计内容

(1)进行运动分析,绘制料槽的位移 s,速度 v 及加速度 a 的线图。

(2)在此线图上绘制物料的速度、加速度线图。

(3)进行动态静力分析,绘制出固定铰接点 O1 及 O3 的反力矢端图及平衡力矩线图。

(4)计算装在 O1 轴上的飞轮转动惯量 Jf。 (1) 试调整杆机构尺寸,进一步提高运输能力。

题目二 铰链式颚式破碎机方案分析
一、题目说明 图 2-1 所示为六杆铰链式破碎机方案简图。主轴 1 的转速为 n1 ? 170 r / min ,各部尺寸为

lO1 A ? 0.1 m, l AB ? 1.250 m, l O3 B ? 1 m, l BC ? 1.15 m, l O5C ? 1.96 m, l1 ? 1 m,

l 2 ? 0.94 m,

h1 ? 0.85 m, h2 ? 1 m, 各 构 件 的 质 量 和 转 动 惯 量 分 别 为 :

m2 ? 500 kg , J S 2 ? 25.5kg ? m 2 , m3 ? 200 kg , J S 3 ? 9kg ? m 2 , m4 ? 200 kg ,
J S 4 ? 9kg ? m 2 , m5 ? 900 kg , J S 5 ? 50 kg ? m 2 ,构件 1 的质心位于 O1 上,其他构件的质
心均在各杆的中心处。D 为矿石破碎阻力作用点,设 LO5 D ? 0.6 m,破碎阻力 Q 在鄂板 5 的 右极限位置到左极限位置间的变化,如图 7-6(b)所示,Q 力垂直于鄂板。

l 图 2-2 是四杆铰链式鄂式破碎机方案简图。 主轴 1 的转速 n1 ? 170 r / min ,O1 A ? 0.04 m,

l AB ? 1.11 m, l1 ? 0.95 m, h1 ? 2 m, l O3 B ? 1.96 m,阻力 Q 变化规律与六杆铰链式破碎机
相同,Q 力垂直于鄂板 O3B,Q 力作用点 D,且 lO3 D ? 0.6 m,各杆的质量、转动惯量为

m2 ? 200 kg , m3 ? 900 kg , J S 2 ? 9kg ? m 2 , J S 3 ? 50 kg ? m2 ,曲柄 1 质心在 O1 点处,2,

3 构件的质心在各构件的中心。 二、题目要求 试比较两个方案,并进行综合评价,主要比较一下几方面: (1) 进行动画分析,画出鄂板的角位移、角速度、角加速度随曲柄转角的变化曲线。 (2) 进行动态静力分析,比较鄂板摆动中心运动副反力的大小及方向变化规律,曲 柄上的平衡力矩大小及方向变化规律。

(a)六杆铰链式破碎机 (b)工艺阻力 图 2-1 六杆铰链鄂式破碎机方案简图

图 2-2

四杆铰链式破碎机

题目三 离心调速器机构运动模拟
机械运转过程中, 当工作阻力或驱动力发生突变, 使输入能量与输出能量在较长的一段 时间里失衡,产生非周期性速度波动,若不加以调节,将会使系统的转速持续上升或下降, 严重时将导致飞车或停止运转。为避免这种状况发生,必须使其速度波动得到调节。对一些 不具备自调节性的机械,如采用气轮机、内燃机等为原动机的机械系统,需要安装专门的调 速装置来调节出现的非周期性速度波动。 调速装置种类很多, 这里介绍一种离心调速器的虚拟样机模型, 并模拟显示其调节速度 的过程。

3.1 工作原理
离心调速器如图3.1,立轴与系统相连,当系统的转速过高时,立轴带动调速器的飞球 转动, 离心力使飞球张开, 带动轴环旋转并向上移动, 轴环带动轴套向上移动, 节流阀向下, 使管道开启度减小,使进入原动机的工作介质减少,立轴转速将下降。反之,当转速过低, 节流阀开启增大,进入原动机的工作介质增多,使系统的转速增加,从而调节系统的转速。

图 3.1

题目四 汽车转向机构模拟

4.1 工作原理
汽车机械转向系是由转向操纵机构、 转向器和转向传动机构三大部分组成。 根据转向器 位置和转向轮悬架类型不同, 转向传动机构的组成和布置分为与非独立悬架配用的转向传动 机构和与独立悬架配用的转向传动机构。这里讨论的是与非独立悬架配用的转向传动机构。 转向传动机构是将转向器输出的力和运动传给转向桥两侧的转向节, 使两侧转向轮偏转, 并 使两转向轮偏转按一定的关系变化,以保证汽车转向时车轮与地面的相对滑动尽可能小。 为了避免汽车转向时产生的路面对汽车行驶的附加阻力和轮胎磨损太快, 要求转向系在 汽车转向时,所有车轮均做纯滚动而不产生侧向滑移,图 4.1 中两侧车轮偏转角 α 和 β 的理 想关系为: cotα=cotβ+B/L 因此转向传动机构转向梯形的几何参数需要优化确定, 但是, 至今所有的汽车的转向梯 形都只能设计得在一定的车轮偏转角范围内,接近于理想关系。 为了模拟的方便,转向机构简化为图 5.1 所示,由车轮、等腰梯形机构(包括左、右梯 形臂、机架、转向横拉杆) 、转向节臂、转向直拉杆、方向盘等组成。

图 4.1

题目五 一种夹紧机构模拟与分析
通过夹紧机构的三维造型, 进行运动模拟, 可以初步判断夹紧机构设计的尺寸设计是否 合理,然后通过修改夹紧机构的设计尺寸,仿真模拟后,找出在相同手柄下压力时,夹紧机 构所能够产生的较大夹持力。 夹紧机构是机械设计中常用的工具, 计算夹紧机构的能够产生的夹持力需要进行比较复 杂的力学计算,并且,夹紧机构的设计若不合理,将会产生构件之间的干涉等问题。本章通 过夹紧机构的三维造型,进行运动模拟,可以初步判断夹紧机构设计的尺寸设计是否合理, 然后通过修改夹紧机构的设计尺寸,仿真模拟后,找出在相同手柄下压力时,夹紧机构所能 够产生的较大夹持力。

5.1 工作原理
图 5.1 所示夹紧机构主要由手柄、支杆、抠板、钩头、机架组成,拉簧的弹力模拟夹紧 机构的夹持力,工作时在手柄上端施加向下的作用力,当作用力足够大时,将能够克服弹簧 的拉力而将手柄压下来,此时的弹簧力为夹紧机构将能够产生的夹持力。

图 5.1

题目六 缝纫机下针及其挑线机构运动模拟
模拟缝纫机下针及其挑线机构的工作过程。 通过标记挑线孔, 得到该点的速度和加速度 曲线, 并比较在初始位置时该点的速度、 加速度值与理论值 (矢量方程图解法求值) 的差别,

进行分析;还可以对该标记点的轨迹进行跟踪,得到其运动曲线。

本章模拟缝纫机下针及其挑线机构的工作过程。 通过标记挑线孔, 得到该点的速度和加 速度曲线,并比较在初始位置时该点的速度、加速度值与理论值的差别,进行分析;还可以 对该标记点的轨迹进行跟踪,得到其运动曲线。

6.1 工作原理
缝纫机下针及其挑线机构是由下针机构和挑线机构两大部分组成, 如图 6.1。 对曲柄 AB 添加的动力,由连杆 BC 分别传递给摆杆 EFG 即挑线机构和针杆即下针机构。图中 G 点为 挑线孔中心点,即标记点。 设计数据如下: 曲柄 AB 转速 ?1 =5rad/s。 各杆长度:AB=32mm,BC=100mm,BE=28mm,FG=90mm。 初始位置时,曲柄 AB 与零度线夹角为 165 度。

图 6.1

例题 牛头刨床机构运动仿真
牛头刨床是一种用于平面切削加工的机床, 本章进行牛头刨床的造型及仿真模拟, 介绍

如何模拟刨头往复运动,添加多段力函数,分析刨头的位置、速度、加速度,获得机构的行 程速比系数,以及各运动副中的作用力等。

0.1 工作原理
牛头刨床连杆机构简图如图0.1,当曲柄OA顺时针旋转,经过套筒A,导杆BD、连杆BC 带动刨头(简化为套筒C)在机架EF上往复移动,刨头向右运动时为工作行程,切削金属, 速度较低;向左运动时为空回行程,具有较高速度,实现快速返回。 设计数据如下: 曲柄 OA 转速 n=50 转/分,工作阻力 F=7000N。 各杆长度:OA=100mm,BD=520mm,BC=120mm,EF=550mm,OD=350mm。

图 0.1

0.2 零件造型
1.机架 绘制机架草图,如图 0.2 所示,其中水平杆中间的引用线是用鼠标右键选取直线,然后 选择【转换至/自参考对象】所得,如图 0.3。退出草图,拉伸,厚度为 5 mm。 尺寸标注中的 159 为图 0.1 中的 OG 长度值,是根据几何关系推导得出。在图 0.1 中, 为了使机构具有较好的力学性能,设计时取为 a=b,根据相似三角形性质和勾股定理,可以 得到:
2 1/2 OG= BD- OD - BD- BD2- (OA/OD) ( ( ( ×BD) ) ) /2=520-350- 520- 5202- (100/350) ( ( (

×520)2)1/2)/2=159 mm

图 0.2

图 0.3

2. 杆 绘制曲柄OA草图,如图0.4,退出草图,拉伸,厚度为5 mm。

图 0.4

选择【文件】/【另存为】 ,将“qubingOA”另存为“daoganBD” ,修改曲柄长度,将 100改为520,退出草图后,保存文件,就得到了零件导杆BD。用同样方法,修改曲柄长度 为120,就得到了零件连杆BC。

3. 套筒 在特征工具条中选择 ,输入数值,如图0.5,得到一长方体。在长方体侧表面绘制草

图如图0.6,拉伸切除,如图0.7,在长方体上表面做一直径为5的贯穿孔,如图0.8,以文件名 “taotong”保存该零件。

图 0.5

图 0.6

图 0.7

图0.8

0.3 装配
选择【文件】/【新建】 ,建立一个新模型文件,以文件名“zhuangpeiti”保存该文件。 在【开始】菜单中选择【装配】 ,打开装配应用模块。下面开始装配。 1. 【装配】/【组件】/【添加组件】 ,插入机架和套筒,选择 所要配合的两对面如图 0.9 和图 0.10,配合结果如图 0.11。 进行两次【配对】装配,

图 0.9

图 0.10

图 0.11

2. 【插入】/【组件】/【添加组件】 ,插入连杆BC,选择 如图0.12,选择 与滑块进行【对齐】装配,如图0.13。

与滑块进行【中心】装配,

图 0.12

图 0.13

3. 【插入】/【组件】/【添加组件】 ,插入导杆BD,选择 配,如图0.14,选择

与连杆BC进行【中心】装

与连杆BC进行【对齐】装配,如图0.15。

图 0.14

图 0.15

将导杆BD的另一端孔与机架EF的孔进行同心配合,如图0.16。

图 0.16

0.

再次插入零件“套筒” ,将它与导杆BD 进行表面进行两次重合【配对】配合,如

图0.17,图0.18。

图 0.17

图 0.18

5. 【插入】/【组件】/【添加组件】 ,插入曲柄OA,选择 如图0.19,选择 与套筒进行【对齐】装配,如图0.20。

与套筒进行【中心】装配,

将柄OA的另一端孔与机架EF的孔进行【中心】配合,如图0.21。

图 0.19

图0.20

图 0.21

为了使运动初始位置时曲柄OA与导杆BD处于垂直状态,选择 机架进行【垂直】装配,如图0.22。装配完成后,如图0.23。

使曲柄OA与导杆BD

图 0.22

图 0.23

0.4 仿真
在【开始】菜单中选择【运动仿真】 ,打开仿真模块。右击【运动导航器】上装配文件 名,选择【新建仿真】 。在出现的【环境】对话框中选择【动力学】 ,按下【确定】 ,出现【机 构运动副向导】对话框,选择【确定】 ,把装配图中的构件自动转换成连杆,装配关系映射 成仿真模块里的运动副,出现【主模型到仿真的配对条件转换】对话框,选择【是】 ,本例 把机架连杆接地。也可选择【否】 ,在后面补充把机架设置为固定连杆。 0.0.1 添加运动副 1.旋转副 选择【插入】/【运动副】 ,加上一个旋转副,如图0.24,第一个连杆选择曲柄OA一端的 半圆弧,这样,就完成了“指定连杆” (曲柄0A)“指定原点” (圆弧圆心)“指定方位” , , (圆弧所在平面的法线)三个步骤,此时,相应的步骤名称前将出现绿色的小钩。然后,在 【运动副】面板上选择【第二个连杆】/【选择连杆】 ,用鼠标选择机架,如图0.25,按下【应 用】 ,完成一个旋转副的添加。

图 0.24

图 0.25

同样地,将机架与导杆 BD,导杆 BD 与连杆 BC,连杆 BC 与套筒,曲柄 OA 与套筒用 旋转副相连接。 2.滑动副 导杆 BD 与套筒用滑动副相连接。 选择【插入】/【运动副】 ,给套筒与导杆 BD 之间加上一个滑动副,如图 0.26,第一个 连杆选择导杆 BD 的一个棱边,这样,就完成了“指定连杆” (导杆 BD)“指定原点” (鼠 ,

标位置点)“指定方位” (导杆 BD 棱边方向)三个步骤,此时,相应的步骤名称前将出 , 现绿色的小钩。然后,在【运动副】面板上选择【第二个连杆】/【选择连杆】 ,用鼠标选择 套筒,如图 0.27,按下【应用】就完成了滑动副的添加。

图 0.26

图 0.27

同样地,在机架与套筒之间用滑动副相连接。 0.0.2 添加驱动 右击选择【运动导航器】中曲柄OA与机架组成的旋转副,将该旋转副添加运动,选择 【编辑】 ,在【驱动类型】中选择【恒定】 ,在【初速度】中输入数值如图0.28。

图 0.28

这 里 由 于 曲 柄OA 转 速n=50 转 /分 , 换 算 单 位成 度 /秒 , 因 此 曲 柄 的 角速 度为 50 × 360/60=300度/秒。

0.0.3 设置工作阻力函数 刨头在向右的工作行程中,在切削的前后段各有一段约0.05H的空刀距离,H为刨头的

行程,如图0.29,向左的空回行程没有切削阻力。

图 0.29

1. 确定刨头的行程H 为了确定刨头的行程H,先进行一次仿真。 仿真时间=曲柄转动角度/曲柄角速度。 只模拟曲柄转动一周,曲柄转动角度360度,曲柄角速度为300度/秒,因此仿真时间 =360/300=1.2秒。 右击选择【运动导航器】上仿真项目motion_1,选择【新建解算方案】 ,建立一个解算 方案, 【时间】设置为1.2秒, 【步数】设置为50,按下【确定】 ,如图0.30。

图 0.30

右击选择【运动导航器】上新建立的解算方案Solution_1,选择【求解】 ,进行仿真计算, 计算完毕,右击选择计算结果图形显示【XY-Graphing】/【新建】 ,在弹出的对话框中进行 图形显示设置,如图0.31,其中,J008为代表滑动副(套筒与机架组成的滑动副) ,要求显 示该滑动副的位移(幅值) 。按下 号将该运动副的函数添加进来,在【图表与存储】中

选择用Excel电子表格显示结果曲线,最后按下【确定】显示结果,如图0.32,其中横轴表示 时间,纵轴表示在不同时间里滑动副的位移,图0.33是它们对应的数据值。

图 0.31

图 0.32

图 0.33

由图0.33可以看出,在仿真到33步时,滑动副达到最大位移值,即为刨头的最大行程, 其值为296.958 mm,接近300 mm,可取H=300,此时刨头处于右端极限位置,对应的时间 为0.72秒,如图0.33中33步中C栏对应值。 2. 工作阻力分段 工作阻力是多段函数,用IF函数来添加,IF函数语法为:

IF(Expression1: Expression2, Expression3, Expression4) 如果表达式Expression1的值小于0,IF函数返回 Expression2;如果表达式Expression1的 值等于0,返回 Expression3;如果表达式Expression1的值大于0,返回 Expression4。 例如,IF(time-2.5:0,0.5,1),当time < 2.5,返回值为0.0;当time = 2.5,返回值为0.5;当 time > 2.5,返回值为1.0。 在本例中,0.05H=0.05×300=15mm,在图0.32中,鼠标右击纵坐标的数据区域,选择 【坐标轴格式】【刻度】/【主要刻度单位】填写为15,如图0.34,同样,鼠标右击横坐标的 , 数据区域,选择【坐标轴格式】【刻度】/【主要刻度单位】填写为0.1,在图0.35中可以看 , 出, 15mm刨头位移约需要时间为0.1秒, 开始切削时,时间为0.1秒, 刨头处于最右边位置时, 对应的时间为0.72秒,因此,切削停止的时间为0.72-0.1=0.62秒。

图 0.34

图 0.35

工作阻力F=7000N,仿真时间1.2秒,工作行程切削力随时间的变化如下: 0<=t<0.1 0.1<=t<0.62 0.62<=t<=1.2 F=0 F=7000N F=0

工作阻力用函数表示为: IF(time-0.1:0, 7000, IF(time-0.62: 7000, 0,IF(time-1.2:0,0,0))) 3. 添加工作阻力 右击选择【运动导航器】上仿真项目motion_1,选择【新建载荷】/【矢量力】 ,在【力 CSYS】中选择【用户定义】 ,然后选择函数编辑器,如图0.36。选择 图0.37,在函数一栏中输入工作阻力函数。 新建一个函数,如

图0.36

图0.37

分别用鼠标选择套筒和套筒上孔的圆心,如图0.38,点击鼠标中键,这样就完成了“第 一个连杆” 、 “第一个原点” 的选择, 然后在 【矢量方法】 中选择 【边缘/曲线矢量】 如图0.39, , 选择机架上一棱边,如图0.40,确定作用力的方向,需要说明的是:力的方向与鼠标选取棱 边的位置有关, 选取棱边左侧时, 力的方向就沿着棱边向左, 反之, 向右。 按下两次 【确定】 , 就得到了所要添加的单作用力G001,如图0.41。

图0.3 8

图0.39

图0.40

图0.41

右击选择【运动导航器】上新建立的解算方案Solution_1中的Resulte,删除仿真结果。 重新进行仿真。仿真完毕后,右击选择计算结果图形显示【XY-Graphing】/【新建】 。 在弹出的对话框中进行图形显示设置,如图0.42,其中,G001为代表作用力,要求显示该作 用的值(幅值) 。按下 号将该运动副的函数添加进来,在【图表与存储】中选择用Excel

电子表格显示结果曲线,最后按下【确定】显示结果,如图0.43,其中横轴表示时间,纵轴 表示在不同时间里套筒所受的工作阻力。

图 0.42

图 0.43

0.0.4 仿真结果分析 通过仿真,可以得到刨头的位置、速度、加速度,获得机构的行程速比系数,以及机架 的反作用力、反作用力矩等参数。 1. 绘制刨头质心位置、速度、加速度曲线 右击选择计算结果图形显示【XY-Graphing】/【新建】 ,在弹出的对话框中进行图形显

示设置,如图0.44,其中,J008为代表滑动副(套筒与机架组成的滑动副) ,要求显示该滑 动副的位移、速度、加速度(幅值) 。按下 号分别将该运动副的位移、速度、加速度函

数添加进来,在【图表与存储】中选择用Excel电子表格显示结果曲线,最后按下【确定】 显示结果,分别得到滑动副位移、速度、加速度,如图0.45、图0.46、图0.47。

图 0.44

图 0.45

图 0.46

图 0.47

2. 绘制曲柄与机架的反作用力 右击选择计算结果图形显示【XY-Graphing】/【新建】 ,在弹出的对话框中进行图形显 示设置,如图0.48,其中,J002为代表转动副(曲柄OA与机架组成的转动副) ,要求显示该 运动副的X、Y方向力的分量以及合力幅值。按下 号分别将该运动副的X、Y方向力的分

量以及合力函数添加进来,在【图表与存储】中选择用Excel电子表格显示结果曲线,最后 按下【确定】显示结果,分别得到该运动副的X、Y方向力的分量以及合力幅值,如图0.49、 图0.50、图0.51。 用类似方法,可以得到机构各运动副中的作用力。

图 0.48

图 0.49

图 0.50

图 0.51

3. 获得机构的行程速比系数K 由图0.33可知,刨头工作时向右到达极限位置的时间为 0.72秒,返回行程时间为 1.2-0.72=0.48秒。根据行程速比系数定义: K=0.72/0.48=1.5 K>1,说明该牛头刨床具有急回特性,即刨头工作行程运行慢,便于保证切削质量,空 回行程运行快,节约加工时间。另外,从滑动副速度曲线图0.46也可以看出,工作行程时, 速度比较均匀,空回行程时速度变化比较大。

4. 显示点的运动轨迹 轨迹曲线的显示,首先要确定所要生成轨迹曲线的点,即标记点,然后对此标记点进行 行迹追踪,最后得到由追踪点形成的点集合的轨迹曲线。 右击选择【运动导航器】上仿真项目motion_1,选择【新建标记…】 ,得到【标记】对 话框,选择铰链点,如图0.52,得到一标记点。

图 0.52

右击选择【运动导航器】仿真项目motion_1,选择【新建追踪…】 ,得到【追踪】对话 框,选择刚建立的标记点A001,如图0.53,得到追踪对象。

图 0.53

删除前边的仿真结果,再次求解仿真。右击选择【运动导航器】上仿真项目motion_1, 选择【运动分析】中【动画】选项,在追踪选项前打钩,同时点击播放按钮。当曲柄运转一 周时,得到一组由点组成的运动轨迹曲线,如图0.54。

图 0.54


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