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1、 西南交通大學(xué) 自動(dòng)送料沖床機(jī)構(gòu)綜合 機(jī)械原理課程綜合設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)計(jì)算說明書 學(xué)院 機(jī)械工程系 班級(jí) 08 鐵道車輛 3 班 姓名 易禮東 完成日期 2010 年 12 月 25 日 指導(dǎo)老師 馮鑒老師 1 機(jī)械原理課程綜合設(shè)計(jì)說明書

2、 1． 設(shè)計(jì)任務(wù) 1.1 設(shè)計(jì)題目 自動(dòng)送料沖床機(jī)構(gòu)綜合 1.2 自動(dòng)送料沖床簡(jiǎn)介 自動(dòng)送料沖床用于沖制、拉伸薄壁零件，本課題設(shè)計(jì)的自動(dòng)送料沖床機(jī)構(gòu)主要用于生產(chǎn)玩具車上的薄壁圓齒輪。 沖床的執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要包括沖壓機(jī)構(gòu)和送料機(jī)構(gòu)。工作時(shí)，要求送料機(jī)構(gòu)先將原料胚件送至沖頭處， 然后送料機(jī)構(gòu)要保證原料胚件靜止不動(dòng)，同時(shí)沖壓機(jī)構(gòu)快速的沖壓原料胚件，制成要求的齒輪。最后，沖頭快速返回，執(zhí)行下一個(gè)循環(huán)。送料機(jī)構(gòu)在此期間將原料胚件送至待加工位置，完成一個(gè)工作循環(huán)。

3、 沖床機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方案示意圖 1.3 設(shè)計(jì)條件與要求 ①以電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源，下板固定，從動(dòng)件（沖頭）作為執(zhí)行原件，做上下 往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)， 其大致運(yùn)動(dòng)規(guī)律如圖 1 所示，具有快速下沉、 等速工作給進(jìn)和快 速返回等特性。 ②機(jī)構(gòu)應(yīng)具有較好的傳力性能，工作段的傳動(dòng)角 r 大于或等于許用傳動(dòng)角 2 機(jī)械原理課程綜合設(shè)計(jì)說明書 [r]=45 0 ③沖頭到達(dá)工作段之前，送料機(jī)構(gòu)已將配料送至待加工位置。 ④生產(chǎn)率為每分鐘 180 件。 ⑤沖

4、頭的工作段長(zhǎng)度 l=100mm，沖頭總行程長(zhǎng)度必須大于工作長(zhǎng)度兩倍以上。 ⑥沖頭的一個(gè)工作循環(huán)內(nèi)的受力如圖 2 所示，在工作段所受的阻力 F1=2300N， 其他階段所受的阻力為工作段所受阻力的五分之一。即 F0=460N。 ⑦送料距離 Sn=150mm。 ⑧機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)速度不均勻系數(shù)不超過 0.03 。 沖頭所受阻力曲線 圖 1 圖 2 1.4 設(shè)計(jì)任務(wù) 1. 繪制沖床機(jī)

5、構(gòu)的工作循環(huán)圖，使送料運(yùn)動(dòng)與沖壓運(yùn)動(dòng)重疊，以縮短沖床工作周期； 2. 針對(duì)圖所示的沖床的執(zhí)行機(jī)構(gòu)（沖壓機(jī)構(gòu)和送料機(jī)構(gòu)）方案，依據(jù)設(shè)計(jì)要求和已知參數(shù)，確定各構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)尺寸，繪制機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖； 3. 在沖床工作過程中，沖頭所受的阻力變化曲線如圖所示，在不考慮各處摩擦、其他構(gòu)件重力和慣性力的條件下，分析曲柄所需的驅(qū)動(dòng)力矩； 4. 取曲柄軸為等效構(gòu)件，確定應(yīng)加于曲柄軸上的飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量； 3 機(jī)械原理課程綜合設(shè)計(jì)說明書 5. 用軟件（ VB、 MATLAB、ADAMS或 SOLIDWORKS等均可）對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，并畫出輸出機(jī)構(gòu)的位移、速度、和加速

6、度線圖。 6. 圖紙上繪出最終方案的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖 （可以是計(jì)算機(jī)圖） 并編寫說明書。 2. 設(shè)計(jì)背景 沖床自動(dòng)送料機(jī)實(shí)質(zhì)上是上料機(jī)械手，適用于軸承行業(yè)、小五金行業(yè)、標(biāo)準(zhǔn)件行業(yè)的沖壓加工。它能自動(dòng)上料和卸料，提高生產(chǎn)效率，保證產(chǎn)品質(zhì)量，改善 工人勞動(dòng)強(qiáng)度， 確保人身安全。 本機(jī)節(jié)拍與沖床同步， 連續(xù)生產(chǎn) . 總體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，傳動(dòng)平穩(wěn)，性能可靠，使用安全，操作方便，便于加工、裝拆、調(diào)整、維護(hù)、制造經(jīng)濟(jì)。在冷擠壓加工行業(yè)特別是軸承沖擠壓加工中有較大的應(yīng)用前景。 自動(dòng)送料是沖壓加工實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的最基本要求、 也是在一套模具上實(shí)現(xiàn)多工位沖壓的根本保證。 自動(dòng)送料機(jī)構(gòu)

7、每次送進(jìn)帶料或條料的距離稱為送料步距， 送料步距可根據(jù)沖壓件的形狀尺寸及沖壓工藝的需要設(shè)計(jì)確定。 2.1 主要參數(shù)及性能指標(biāo) 生產(chǎn)率 （件 /min ） 送料距離 （mm） 板料厚度 （mm） 軸心高度 （mm） 沖頭行程 （mm） 輥軸半徑 （mm） 大齒輪軸心坐標(biāo) （ mm） 大齒輪軸心坐標(biāo) （ mm） 大齒輪軸心偏距 （mm） 0 送料機(jī)構(gòu)最小傳動(dòng)角 （ ） 板料送進(jìn)阻力 （ N） 沖壓板料最大阻力 （N） 沖頭重力 （N）  180

8、 150 2 1060 100 60 270 460 30 45 0.03 530 2300 150 4 機(jī)械原理課程綜合設(shè)計(jì)說明書 3. 課題分析 一般來講，我們要設(shè)計(jì)一個(gè)機(jī)構(gòu)，包括根據(jù)該機(jī)構(gòu)的功能要求選擇機(jī)構(gòu)的類 型，即確定機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖的形式， 也就是通常所說的機(jī)構(gòu)的型綜合或構(gòu)型綜合設(shè) 計(jì)；確定機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖之后， 我們需要計(jì)算它的尺寸參數(shù)， 稱為機(jī)構(gòu)的尺寸綜合 或運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)；之后才是機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、有限元與加工工藝設(shè)計(jì)

9、等。 由于本課題已經(jīng)給出了自動(dòng)送料沖床機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)形式，不必再確定運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn) 圖。所以，只需要考慮運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)。也就是說，題目中的綜合指的是尺寸綜合。 4. 工作原理 送料過程：電動(dòng)機(jī)通過 V 帶傳動(dòng)和單級(jí)齒輪傳動(dòng)帶動(dòng)曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)，將一定量的 薄鋼板送入沖床工作臺(tái)面位置 沖制過程：飛輪飛輪驅(qū)動(dòng)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中曲柄為主動(dòng)件，帶 動(dòng)搖桿擺動(dòng)，搖桿與棘輪共軸， 從而將搖桿的連續(xù)往復(fù)擺動(dòng)轉(zhuǎn)換成棘輪的單向間 歇運(yùn)動(dòng)，棘輪與輥軸中心軸線重合， 最后依靠輥軸的壓緊將一定量的板料送到工 作位置。

10、 5. 機(jī)構(gòu)選擇 方案一：小齒輪與輥軸的壓緊 考慮到小齒輪與工件直接接觸不僅起不到壓緊的作用還會(huì)損傷工件， 所以該 方案不合適。 方案二：輥軸與輥軸的壓緊 調(diào)整適當(dāng)?shù)拈g隙便于進(jìn)料，可以保證工件穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)且工件表面無(wú)劃痕。 比較兩個(gè)方案后決定采用方案二 。 5 機(jī)械原理課程綜合設(shè)計(jì)說明書 輥軸的直徑為 60mm，上下輥旋轉(zhuǎn)一周的送料長(zhǎng)度為 L，則： 所以符合要求。 5.1 間歇機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 當(dāng)板料送到滑塊底部時(shí)要被沖制，存在沖壓加工時(shí)間，所

11、以應(yīng)該設(shè)計(jì)間歇機(jī)構(gòu)。這里選擇了棘輪機(jī)構(gòu)。 棘輪與搖桿有共同的中心軸線，搖桿上安裝了棘爪。 設(shè)棘輪的棘齒數(shù) Z=11，沖床往復(fù)一次的送料長(zhǎng)度為 L1, 棘輪每轉(zhuǎn)一齒，搖桿轉(zhuǎn)角為 α ，則 取棘輪的模數(shù) m=6，則外徑 5.2 運(yùn)動(dòng)方案設(shè)計(jì) 方案一：如圖所示本機(jī)構(gòu)用了連桿和橢圓形的凸輪機(jī)構(gòu)， 齒輪—連桿沖壓機(jī)構(gòu)和 橢圓形的凸輪—連桿送料機(jī)構(gòu)。 正如圖所示一樣但在設(shè)計(jì)橢圓形的凸輪機(jī)構(gòu)時(shí)不 好計(jì)算和加工，

12、這大大的增加了加工的難度和設(shè)計(jì)。 6 機(jī)械原理課程綜合設(shè)計(jì)說明書 方案二：題目給出的方案 根據(jù)壓緊機(jī)構(gòu)選擇的結(jié)果，采用雙輥壓緊機(jī)構(gòu)，則不采用齒輪嚙合。所以要在該方案的基礎(chǔ)上改進(jìn)。 此方案的優(yōu)點(diǎn)：送料誤差較小，且每次送料距離相同，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，載荷平穩(wěn)缺點(diǎn)：體積較大，有死點(diǎn)存在，但在主動(dòng)輪采用飛輪可避免死點(diǎn)，且不符合 設(shè)計(jì)要求中的最小傳動(dòng)角要求。 方案三：在方案二的基礎(chǔ)上改進(jìn)。 沖制機(jī)構(gòu)方案不變，采用曲柄滑塊機(jī)構(gòu)。曲搖桿機(jī)構(gòu)中曲柄為主動(dòng)件，帶動(dòng)搖桿轉(zhuǎn)動(dòng)，搖桿

13、與棘輪共軸， 從而將搖桿的連續(xù)往復(fù)擺動(dòng)轉(zhuǎn)換成棘輪的單向間歇運(yùn)動(dòng)，采用雙輥軸壓緊送料機(jī)構(gòu)。 此方案的優(yōu)點(diǎn) : 棘輪機(jī)構(gòu)可把搖桿的往復(fù)運(yùn)動(dòng)改成單一方向運(yùn)動(dòng)，曲柄搖桿的急回特性不影響機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，機(jī)構(gòu)體積較小 缺點(diǎn) : 結(jié)構(gòu)復(fù)雜，計(jì)算復(fù)雜，有一定的誤差，但可以通過增加棘輪的齒數(shù)來減小誤差，噪聲較大。 綜合上述三種方案，選擇第三種方案。 6. 理論計(jì)算 6.1 曲柄滑塊設(shè)計(jì) 已知條件 沖壓行程

14、 7 機(jī)械原理課程綜合設(shè)計(jì)說明書 N=180轉(zhuǎn) / 分，則每轉(zhuǎn)需要時(shí)間 設(shè)飛輪的角速度為 ， 則速度為 根據(jù)沖頭行程 得 C 到?jīng)_頭為 245mm 沖頭高 20mm 滑塊共高 510mm 6.2 曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 可采用最小傳動(dòng)角設(shè)計(jì)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)。

15、 已知最小傳動(dòng)角為 ，則由此知 8 機(jī)械原理課程綜合設(shè)計(jì)說明書 確定各桿長(zhǎng)度 當(dāng) a 和 d 桿共線的位置有最小傳動(dòng)角 γ存在分別為， 當(dāng) 時(shí)為最佳傳動(dòng)機(jī)構(gòu) ，可根據(jù)余弦公式 解得 式中 且 解得：

16、 曲柄長(zhǎng)度應(yīng)非負(fù)，則 9 機(jī)械原理課程綜合設(shè)計(jì)說明書 所以 ( 其他值不符合要求舍去！ ) 可取 解得 或者 因?yàn)?c＜ b，所以取 6.3 棘輪與曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的整合 因?yàn)樯釛壛她X輪嚙合傳動(dòng)，所以可以直接設(shè)計(jì)為與棘輪共軸的搖桿，棘爪安裝在搖桿上。 6.4 發(fā)動(dòng)機(jī)的選擇

17、 本設(shè)計(jì)中已經(jīng)采用了 的設(shè)計(jì)，所以可得到速度 可得瞬時(shí)功率 10 機(jī)械原理課程綜合設(shè)計(jì)說明書 按照一個(gè)工作循環(huán)中的平均能量選擇電機(jī)功率 =1.2 ，算的 沖床傳動(dòng)系統(tǒng)如圖 3 所示 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速經(jīng)帶傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)降低后驅(qū)動(dòng)機(jī)器主

18、軸運(yùn)轉(zhuǎn)。原動(dòng)機(jī)為三相交流異步電動(dòng)機(jī)，其同步轉(zhuǎn)速選為 1500r/min ，可選用如下型號(hào)： 電機(jī)型號(hào) 額定功率（ kw） 額定轉(zhuǎn)速（ r/min ） Y100L2— 4 3.0 1420 Y112M—4 4.0 1440 Y132S—4 5.5 1440 11 機(jī)械原理課程綜合設(shè)計(jì)說明書 圖 3 由生產(chǎn)率可知主軸轉(zhuǎn)速約為 180r/min

19、 ，且題目要求使用單級(jí)齒輪傳動(dòng)， 電動(dòng) 機(jī)暫選為 Y112M— 4，則傳動(dòng)系統(tǒng)總的傳動(dòng)比傳動(dòng)比約為 =8。帶傳動(dòng)的傳動(dòng)比 ，則齒輪減速器 。 6.5 飛輪的選擇 采用近似法算飛輪，根據(jù)設(shè)計(jì)條件所給出的最大阻力 最大盈虧功 飛輪安裝在主動(dòng)軸上 算得 12 機(jī)械原理課程綜合設(shè)計(jì)說明書 飛輪選盤形飛輪選用鑄鐵為飛輪材質(zhì)，飛輪半

20、徑為 100mm，求得厚度 1.6mm。 7. 三維建模以及模擬運(yùn)動(dòng)仿真 根據(jù)上面的計(jì)算數(shù)據(jù)，通過三維軟件 CATIA建模，并約束其零件之間的裝配關(guān)系，完了本設(shè)計(jì)的仿真。 建立的三維模型 通過 CATIA中的數(shù)字分析模塊， 分別測(cè)量出了沖頭的運(yùn)動(dòng)過程中的速度曲線和加速度曲線。

21、 13 機(jī)械原理課程綜合設(shè)計(jì)說明書 沖頭的速度曲線 沖頭的加速度曲線 由于大齒輪做來回的回轉(zhuǎn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)， 同樣的也測(cè)量了其在 3 秒時(shí)間內(nèi)的速度 和加速度曲線。 大齒輪的速度曲線 大齒輪的加速度曲線 由于大齒輪同時(shí)也在轉(zhuǎn)動(dòng)，所以同樣測(cè)出了其角速度和角加速度曲線。 大齒輪的角速度曲線 大齒輪的角加速度曲線 8. 實(shí)物

22、照片 根據(jù)要求，本設(shè)計(jì)在機(jī)械實(shí)驗(yàn)室里面，搭建了按比例縮小的模型。通過實(shí)驗(yàn)，搭 建的模型基本符合設(shè)計(jì)要求。實(shí)驗(yàn)室搭建的實(shí)物模型如下 14 機(jī)械原理課程綜合設(shè)計(jì)說明書 9. 模型運(yùn)動(dòng)圖和實(shí)物介紹圖 根據(jù)設(shè)計(jì)要求， 根據(jù)本次實(shí)驗(yàn)做的 CATI

23、A模擬運(yùn)動(dòng)動(dòng)畫和實(shí)物模型介紹的視 屏，隨本說明書一并上交。 10. 設(shè)計(jì)感想 ( 總結(jié) ) 在這次機(jī)械原理的課程設(shè)計(jì)中，總的來說是收獲了不少。剛開始拿到這個(gè)題 目的時(shí)候，覺得比較簡(jiǎn)單， 不過做起來還是遇到了很多的小麻煩。 畢竟很多現(xiàn)實(shí) 的因素是在設(shè)計(jì)的時(shí)候考慮不完全的。 做這個(gè)設(shè)計(jì)中，最大的收獲就是順帶著把三維軟件和仿真學(xué)了下。剛開始了解的不多，大部分時(shí)間都是用來學(xué)習(xí)新的東西， 所以最后做出來的東西可能不是太理想。不過畢竟是自己做的，數(shù)據(jù)一個(gè)一個(gè)計(jì)算的，圖是一筆一筆畫出來的，在這過程中還是收獲了很多。 另外，在本學(xué)期也參加了第二屆全國(guó)工程訓(xùn)練大賽，

24、做這個(gè)設(shè)計(jì)的時(shí)間不是很多。本來用“無(wú)碳小車”的設(shè)計(jì)可以當(dāng)做機(jī)械原理的課程設(shè)計(jì)，不過這個(gè)課題還是做了。多做做對(duì)自己的能力提升也有好處。 11. 參考文獻(xiàn)： [1]. 謝進(jìn) . 反平行鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的連桿曲線方程 . 西南交通大學(xué)學(xué)報(bào) . 第 18 卷 4 期 . [2]. 張新華 . 沖床自動(dòng)送料機(jī)的原理與設(shè)計(jì) . 鍛壓技術(shù) .1993 年 . [3]. 馮鑒 何俊 . 機(jī)械原理 . 西南交通大學(xué)出版社 .2008 年 . [4] 謝泗淮主編 . 機(jī)械原理 . 北京 : 中國(guó)鐵道出版社 .2001. [5] 曹惟慶著 . 平面連桿機(jī)構(gòu)分析與綜合 .

25、 北京科學(xué)出版社 .1989. [6] 作品設(shè)計(jì)說明書格式 . 百度文庫(kù) 15 機(jī)械原理課程綜合設(shè)計(jì)說明書 附： CATIA中的三維圖 16