机械结构分析实验设计.doc

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1、机械结构分析实验设计摘要 机构学是机械类专业的核心知识之一，但目前在机构学教学过程中存在着“重理论、轻实践”的现象，而且，其实践环节也缺乏对能力培养的关注。针对上述问题，本文在深入研究机械执行系统的基础上，开发设计了相关执行机构分析的系列实验。本文开发设计的实验将有助于全面提高学生分析问题的能力和机构知识的运用能力。关键词 执行机构；执行系统；实验ABSTRACT Institutions is the core of machinery professional knowledge, but one of the teaching process, the phenomenon of lig

2、ht practice, practice, and the lack of attention to cultivating ability. According to the above-mentioned problems, based on thorough study of the mechanical system, based on the related designing analysis of a series of experiments of actuator. This development and design of experiment will help im

3、prove students ability to analyze the problem and the organization of knowledge utilization ability.KEY WORDS Actuator, Execution system, experimental目录1、 前 言32.1机械执行机构的定义42.2机械执行机构的分类42.3机械执行机构的功能及应用43、 机械执行系统方案的研究53.1执行系统方案设计的过程和设计内容53.2机械执行系统的功能原理设计63.3执行系统的运动规律设计63.4执行机构的型式设计63.4.1机构型式设计的原则73.4.

4、2执行机构的选型73.4.3执行机构的构型93.5执行系统的运动协调设计93.6机械运动循环图103.7执行系统的方案评价114、 执行机构分析实验的开发与设计124.1精锻机主机构的总体功能分析设计124.2平台印刷机执行机构分析实验设计154.3自动送料冲床分析实验设计214.4饼干切片机执行部分分析实验设计254.5冲压式蜂窝煤成型机分析实验设计27总 结30致 谢31参考文献321、 前 言 随着科学技术和工业生产的飞速发展，机械产品种类日益增多，如各种仪器仪表、轻工机械、纺织机械、金融加工机床、石油化工机械、交通运输机械、矿山作业机械以及家用电器、儿童玩具、办公自动化设备等等。各种现

5、代化机械设备实现生产和操作过程的自动化程度愈来愈高。因此机械产品的设计首要任务进行机械运动方案的设计和构思、各种传动机构和执行机构的选用和创新设计。而对于机械执行机构的分析，选用及设计尤为重要。机械执行机构使用液体、气体、电力或其它能源并通过电机、气缸或其它装置将其转化成驱动作用。基本的执行机构用于把阀门驱动至全开或全关的位置。用与控制阀的执行机构能够精确的使阀门走到任何位置。尽管大部分执行机构都是用于开关阀门，但是如今的执行机构的设计远远超出了简单的开关功能，它们包含了位置感应装置，力矩感应装置，电极保护装置，逻辑控制装置，数字通讯模块及PID控制模块等，而这些装置全部安装在一个紧凑的外壳内

6、。当前国内外越来越多的工厂采用了自动化控制，人工操作被机械或自动化设备所替代，人们要求执行机构能够起到控制系统与阀门机械运动之间的界面作用，更要求执行机构增强工作安全性能和环境保护性能。在一些危险性的场合，自动化的执行机构装置能减少人员的伤害。某些特殊阀门要求在特殊情况下紧急打开或关闭，阀门执行机构能阻止危险进一步扩散同时将工厂损失减至最少。对一些高压大口径的阀门，所需的执行机构输出力矩非常大，这时所需执行机构必须提高机械效率并使用高输出的电机，这样平稳地操作大口径阀门。而在目前我国的机构学教育中存在着“重理论、轻实践”的现象，而且，其实践环节也缺乏对能力培养的关注。机械实验课程没有密切地联系

7、生活，缺乏趣味性，导致学生在实验过程中缺乏自主探索和合作交流。而西方的实验设计很注重培养学生的实践能力，通过问答，交谈或争辩来鼓励学生独立思考，解决问题。本文研究的目的在于认识机械的执行系统及其机构的设计，提高独立思考和动手能力，开拓思想与理论结合的一种创新设计。其内容包含着对机械执行机构的扼要介绍，研究执行系统方案的设计及其相关实验。2、 机械执行机构的简单介绍2.1机械执行机构的定义对于机械执行机构最广泛的定义是：一种能提供直线或旋转运动的驱动装置，它利用某种驱动能源并在某种控制信号作用下工作。而通常机器中最接近被作业工件一端的机构称为执行机构。执行机构中接触工件或执行终端运动的构件称为执

8、行构件。机器通过执行构件完成作业任务。2.2机械执行机构的分类按动力类型可分为气动、液动、电动、电液动等几类；按运动形式可分为直行程、角行程、回转型（多转式等）几类。由于用电做为动力有其它几类介质不可比拟的优势，所以电动型近年来发展最快，应用面较广。电动型按不同标准又可分为：组合式结构和机电一体化结构；电器控制型、电子控制型和智能控制型（带HART、FF协议）；数字型和模拟型；手动接触调试型和红外线遥控调试型等。2.3机械执行机构的功能及应用简单来说，执行机构根据来自控制器的控制信息完成对受控对象的控制作用。它将电能或流体能量转换成机械能或其他能量形式，按照控制要求改变受控对象的机械运动状态或

9、其他状态（如温度、压力等）。它直接作用于受控对象，能起“手”和“脚”的作用。在机械自动化系统中，电动执行元件安装灵活，使用方便，在自动控制系统中应用最广。气动执行元件结构简单，重量轻，工作可靠并具有防爆特点，在中、小功率的化工石油设备和机械工业生产自动线上应用较多。液压执行元件功率大，快速性好，运行平稳，广泛用于大功率的控制系统。3、 机械执行系统方案的研究机械执行系统是直接用来完成各种工艺动作或生产过程的系统，其方案设计是机械系统总体方案设计中极其重要又极富有创造性的环节，是整个机械设计工作的基础。它直接影响机械系统的性能、结构、尺寸、重量及使用效果等。其基本要求：1） 了解执行系统方案设计

10、的过程和设计内容。2） 学会运用选型和构型的方法进行执行机构的设计。3） 了解执行系统协调设计的原则，掌握机械运动循环图的设计方法。4） 了解执行机构方案评价的指标拟定的基本思路。3.1执行系统方案设计的过程和设计内容 机械产品的设计开发一般要经过产品规划、方案设计、技术设计、施工设计等几个阶段。机械执行系统方案设计是机械系统方案设计的核心。 执行系统的设计不存在固有的设计程序，但可将其设计流程概括如图所示。3.2机械执行系统的功能原理设计 功能原理设计的任务，就是根据机械预期实现的功能要求，构思出所有可能的功能原理，加以分析比较并根据使用要求或者工艺要求，从中选择出既能很好的满足功能要求，工

11、艺动作又简单的工作原理。功能原理设计是机械执行系统方案设计的第一步。实现同一功能要求可以选择许多不同的工作原理，相应的，执行系统的方案就必然不同。由于实现同一功能要求可以采用多种不同的工作原理，因此功能原理设计的过程是一个创造性设计的过程。如果在设计过程中没有创造性的思维，就很难跳出传统观念的束缚，设计出具有竞争性的新产品。 如何进行功能原理的创造性设计，人们总结出三种方法。分别是：分析综合法、思维扩展法、还原创新法。3.3执行系统的运动规律设计 实现同一工作原理可以采用不同的工艺动作分解方法，设计出不同的运动规律。因此，运动规律的设计也是一种创造性的工作。如果在设计中缺乏创新性，就难以设计出

12、结构简单、性能良好、具有竞争力的新产品。 同功能原理设计一样，运动规律设计的创新方法也有多种。常用的有（1） 仿真法所谓仿真法就是模拟人或者动物的动作将工艺动作进行分解，构思出实现某一工作原理的运动规律。 在不少情况下，采用仿真法可以获得成功的创新设计。（2） 思维扩展法并不是在任何情况下，仿真法都可以成功的，思维扩展法仍是一个很重要的创新方法。这里的思维扩展法是跳出原有的运动规律的设计模式，考虑新的运动规律。3.4执行机构的型式设计当根据工艺动作分解，确定了执行机构的运动规律后，必须根据各基本动作或功能的要求，选择或创造合适的机构形式来实现这些动作或运动规律，这一工作称为执行机构的型式设计，

13、又称为机构的型综合。在进行机构型式设计时，设计者需要在熟悉各基本机构和常用机构的运动形式、功能特点、适用场合等基础上，综合考虑执行机构系统的运动要求、动力特性、机械效率、制造成本。外形尺寸等因素，优选出结构简单、性能优良、成本低廉的机构。3.4.1机构型式设计的原则 机构形式设计具有多样性和复杂性，满足同一功能要求，可选用或创造不同的机构类型。在进行机构形式设计时，除应满足基本功能所要求的运动形式或运动轨迹外，还应遵循以下几项原则。（1）机构尽可能简单（2）应使机构具有较好的动力学特性（3）应使机构安全可靠3.4.2执行机构的选型（1） 按照执行构件所需的运动特性进行机构选型执行机构中实现输出

14、运动的执行构件的常见运动形式及实例如下表1所述表1 执行构件的基本运动形式序号运动形式执行机构1单向转动曲柄摇杆机构中的曲柄转动导杆机构中的转动导杆齿轮机构中的齿轮2往复摆动曲柄摇杆机构中的摇杆摆动导杆机构中的摆动导杆摇块机构中的摇块3单向移动带传动机构中的输送带移动链传动机构中的输送链移动4往复移动曲柄滑块机构中的滑块牛头刨机构中的刨头5间歇运动槽轮机构中的槽轮棘轮机构中的棘轮凸轮机构连杆机构6实现轨迹平面连杆机构中的连杆曲线行星轮系中行星轮上任意点的轨迹（2） 按照动作功能分解与组合原理进行机构选型机构的功能是指机构实现运动变换和完成某种功用的能力。利用机构的功能可以组合成总功能的新机械。

15、表2表示常用机构的一些基本功能。表2 机构的基本功能序号基本功能可执行机构1变换运动形式转动转动转动摆动转动移动转动单向间歇传动摆动摆动摆动移动移动移动摆动单向间歇转动1）双曲柄机构 2）齿轮机构 3）带传动机构 4）链传动机构1）曲柄摇杆机构 2）曲柄滑块机构 3）摆动导杆机构 4）摆动从动杆凸轮机构1）曲柄滑块机构 2）齿轮齿条机构 3）挠性输送机构 4）螺旋机构 5）正弦机构 6）移动推杆凸轮机构1）槽轮机构 2）不完全齿轮机构 3）空间凸轮间歇运动机构1）双摇杆机构2）正切机构1）双滑块机构2）移动推杆移动凸轮机构1）齿式棘轮机构 2）摩擦式棘轮机构2变换运动速度1）齿轮机构（用于增速

16、或减速） 2）双曲柄机构3变换运动方向1）齿轮机构 2）蜗杆机构 3）锥齿轮机构4进行运动合成（或分解）1）差动轮系 2）各种2自由度机构5对运动进行操作或控制1）离合器 2）凸轮机构 3）连杆机构 4）杠杆机构6实现给定的运动位置或轨迹1）平面连杆机构 2）连杆齿轮机构 3）凸轮连杆机构 4）联动凸轮机构7实现某些特殊功能1）增力机构 2）增程机构 3）微动机构 4）急回特性机构 5）夹紧机构 6）定位机构3.4.3执行机构的构型在根据执行构件的运动特性或功能要求采用类比法进行机构选型时，若所选择的机构型式不能完全实现预期要求，或虽能实现功能要求但存在着或结构复杂、或运动精度不当和动力性能欠

17、佳、或占据空间较大等缺点，在这种情况下，设计者需要采用另一途径来完成执行机构的型式设计，即先从常用机构中选择一种功能和原理与工作要求相近的机构，然后在此基础上重新构筑机构的型式，这一工作称为机构的构型。它是一项比机构选型更具创造力的工作。机构创新构型的基本思路是：以初选的机构方案为雏型，通过机构创新构型的方法进行突破，获得新的机构。常用机构创新构型的方法有以下几种：（1）机构的变异（2）机构的组合（3）采用其他物理效应3.5执行系统的运动协调设计当根据功能原理的设计要求，确定了实现各功能元的机构形式后，需要将各执行机构形成一个整体，使这些机构以一定的次序协调动作，互相配合，完成机械预定的总功能

18、，同时在空间布置上也应满足协调性和操作上协同性的要求，这一过程称为执行系统的协调设计。执行系统的各执行机构的运动协调设计应满足以下要求（1） 系统的各执行机构的动作过程和先后次序应符合工艺过程提出的要求，即应保证各执行机构动作的顺序性。（2）系统的各执行机构的动作按一定顺序进行时，应保证各执行构件的动作在时间上同步，即各执行机构的运动循环时间间隔相同或工艺过程要求成一定的倍数关系，从而使各执行机构的运动不仅在时间上保证确定的顺序，而且能够周而复始的循环协调动作。（3）系统的各执行机构在运动过程中不发生轨迹干涉，即要保证空间的同步性。（4）保证系统各执行构件对操作对象的操作具有单一性或协同性。即

19、：两个或两个以上的执行构件对同一操作对象实施操作时，应保证协同一致3.6机械运动循环图 运动循环图的概念：是用来描述各执行构件运动间相互协调配合的图称为机械的运动循环图。通常选取机械中某一主要的执行构件为参考件，取其有代表性的特征位置作为起始位置（通常以生产工艺的起始点作为运动循环的起始点），由此来确定其他执行构件的运动相对于该主要执行构件运动的先后次序和配合关系。运动循环图主要有三种形式，直线式、圆周式及直角坐标式，如表3：表3 运动循环图形式运动循环图的形式形式绘制方法特点直线式将机械在一个运动循环中各执行构件各行程区段的起止时间和先后顺序，按比例绘制在直线坐标轴上绘制方法简单，能清楚表示

20、一个运动循环中各执行构件运动的顺序和时间关系；直观性差，不能显示各执行构件的运动规律圆周式以极坐标系原点为圆心作若干同心圆，每个圆环代表一个执行构件，由各相应圆环引径向直线表示各执行构件不同运动状态的起始和终止位置能比较直观地看出各执行机构主动件在主轴或分配轴上的相位；当执行机构多时，同心圆环太多不一目了然，无法显示各构件的运动规律直角坐标式用横坐标表示机械主轴或分配轴转角，纵坐标表示各执行构件的角位移或线位移，各区段之间用直线相连不仅能清楚地表示各执行构件动作的先后顺序，而且能表示各执行构件在各区段的运动规律3.7执行系统的方案评价 评价准则是评价设计方案优劣的依据。包含两方面的内容：一是设

21、计目标，指从哪些方面、以什么原则、达到什么标准为优；二是设计指标，指具体的约束限制。评价就是在设计指标的约束下，寻找最优的设计目标。满足同一运动形式或特定功能要求的机构方案有很多，通常对这些方案应从运动特性、工作性能、动力性能等方面进行综合评价。表4列出了各项评价指标及其具体项目，供设计者参考。表4 执行系统方案评价性能指标运动性能工作性能动力性能经济性结构紧凑具体项目运动规律、运动轨迹运动速度、传动精度效率高低使用范围承载能力传力特性振动、噪声加工难以维护方便性能耗大小尺寸重量结构复杂性4、 执行机构分析实验的开发与设计本文所设计的执行机构分析实验，是与我们日常生活密切相关的，着重激发学生的

22、兴趣，提高动手能力，培养他们独自思索和合作精神。通过这些机械执行机构分析实验学习，来达到巩固和加深理解所学知识。要求学生掌握基本知识、基本理论和基本方法，通用零件的设计原理、设计方法及一般设计规范，具有设计执行装置和一般机械能力，并具有运用标准、手册、图册和查阅有关资料的能力，综合运用所学知识，设计出合用的零部件及简单机器。4.1精锻机主机构的总体功能分析设计本实验主要是研究机械执行系统设计中对执行机构的选型和优选。要求学生熟悉常用执行机构，了解其运动特性以及功能，任何一个复杂的执行机构都可以认为是由一些基本机构组成的。为了使所选用的机构能实现某种动作或有关功能，还可以将各种机构按运动转换的种

23、类和实现的功能进行分类。表5介绍了按功能进行机构分类的情况。表5 机构的分类序号执行构件实现的运动或功能机构形式1匀速转动机构（包括定、变传动比机构）摩擦轮机构齿轮机构、轮系平行四边形机构转动导杆机构各种有级或无级变速机构2非匀速转动机构非圆齿轮机构双曲柄四杆机构转动导杆机构组合机构挠性机构3往复运动机构（包括往复移动和摆动）曲柄摇杆往复运动机构双摇杆往复运动机构滑块往复运动机构凸轮式往复运动机构齿轮式往复运动机构组合机构4间歇运动机构（包括间歇转动、摆动和移动）间歇转动机构（棘轮、槽轮、凸轮、不完全齿轮机构）间歇摆动机构（利用连杆曲线上近似圆弧或直线段实现）间歇移动机构（由连杆机构、凸轮机构

24、、齿轮机构、组合机构等来实现单侧停歇、双单侧停歇、步进移动）5差动机构差动螺旋机构差动棘轮机构差动齿轮机构差动连杆机构差动滑轮机构6实现预期轨迹机构直线机构（连杆机构、行星齿轮机构等）特殊曲线（椭圆、抛物线、双曲线等）绘制机构工艺轨迹机构（连杆机构、凸轮机构、凸轮连杆机构）7增力及夹持机构斜面杠杆机构铰链杠杆机构肘杆式机构8行程可调机构棘轮调节机构偏心调节机构螺旋调节机构摇杆调节结构可调式导杆机构（1） 题目：当加压执行构件（冲头）上下运动时，能锻出较高精度的毛坯。根据空间条件，驱动轴必须水平布置，加压执行构件沿铅垂方向移动。试构思该执行机构的若干方案。（2）提示：第一步，首先进行动作功能分解

25、。根据题目要求，该执行机构应具有以下功能：1）运动形式变换功能 将驱动轴的转动变换为冲头的移动2）运动轴线变向功能 将水平轴运动变换为铅垂方向运动3）运动位移或速度缩小功能 减小位移量（或速度），以实现增力要求第二步，构思出完成加压执行机构总体功能的功能-技术矩阵图。传动原理推拉传动原理啮合传动原理摩擦传动原理流体传动原理 机构功能连杆机构凸轮机构螺旋、斜面机构齿轮机构摩擦轮机构流体机构第三步，将各分功能进行组合，得出可行方案。 矩阵中三个分功能的顺序是任意的，从矩阵中每一行各任选一个机构，就可以组合出一个执行机构的方案，故方案总数为 =64=1296种。 实际上，在每种确定的顺序下，我们都会

26、得到63=216种方案，但这众多的方案中，有些明显不合理，有些不符合设计要求，应予以剔除。剩下的方案也还有优劣之分，需按上节所述原则并结合精锻机的具体情况，选择合适的方案，做进一步评价。例如，若要机构尽可能简单，则可选择矩阵的第一列（连杆机构）和第二列（凸轮机构），由于它们都同时兼有这三种基本功能，故只需选择一个机构，就能完成设计要求的三种功能，这是最简单的方案。但是，由于凸轮机构是高副接触，接触点压力过大，故不宜采用；曲柄滑块机构的刚度较差，也不宜用在高精度的精锻机上。因此还要选择其它方案。4.2平台印刷机执行机构分析实验设计本实验主要研究执行系统的设计，由机械原理和机械设计综合而成的一个实

27、践性课程设计实验，是理论与实践的紧密结合，培养工程学生机械工程设计能力。其内容主要涉及机械设计、机械原理、机械制图、机械制造基础、材料学、力学等基础知识。针对机械工程中常用传动装置和执行机构的分析选型，零部件运动学、动力学和结构的分析计算与设计，绘制机械系统图、部件装配图和零件图，编写计算说明写，最终完成设计任务书。（1）设计题目：平台印刷机执行机构分析实验设计（2）工作原理与结构组成： 平台印刷机的工作原理是将版台上铅版凸出的痕迹借助油墨印到纸张上，以实现印刷的一种印刷机械。平台印刷机的工艺动作由输纸、着墨（即将油墨均匀涂在嵌于版台上的铅版上）、压印、收纸等四部分组成。如图1，平台印刷机的压

28、印动作是在卷有纸张的滚筒与嵌有铅版的版台之间进行的。整部机器各机构的运动均由同一原动机驱动。运动由电动机经过一减速装置后分成两路，一路经执行机构带动版台作往复运动，另一路经执行机构带动滚筒作回转运动。当版台与滚筒接触时，在纸张上压印出字迹与图形。 版台工作行程中有三个区段（如图2所示）。在第一区段，输纸与着墨机构（图1中未画出）相继完成输纸、着墨作业；在第二区段，滚筒和版台完成动作；在第三区段，收纸机构进行收纸作业。图2 版台工作行程的三个区段本题目所指的平台印刷机主执行机构就是指版台运动执行机构和滚筒运动执行机构。（3）原始数据及设计要求：1）构思合适的机构方案实现平台印刷机的主运动：版台的

29、往复直线移动及滚筒连续的或间歇的转动；2）为保证印刷质量，要求在压印过程中，滚筒与版台之间无相对滑动，即在压印区段滚筒表面的线速度必须与版台的移动速度相等；3）为保证整个印刷幅面上的印痕浓淡一致，要求版台在压印区内的线速度变化尽可能小；4）本平台印刷机所要求实现的生产率，即每小时印刷的张数为19202000，版台的行程长度为730 mm ，压印区段长度为440 mm ，滚筒直径为232mm 。（4）分析设计提示：根据前述设计要求，版台应作往复运动，行程较大，且必须使工作行程中有一段等速运动（压印区段），并有急回特性。滚筒作停歇（滚停式）或连续（有等速段）转动。这些运动要求不一定都能得到满足，但

30、必须保证版台和滚筒在压印区段内保持纯滚动关系，即滚筒表面点的线速度和版台速度相等，这可在运动链中加入运动补偿机构，使两者的运动达到良好的配合。由此出发来构思方案。1. 版台运动执行机构选型 我们知道，将回转运动转换为直线往复运动的基本机构有很多，如曲柄滑块机构、移动凸轮机构、螺旋机构、齿轮齿条机构等，但它们不能完全满足平台印刷机主执行机构的运动要求。六杆机构（如图3所示）的结构比较简单，加工制造比较容易，且有急回特性和扩大行程的作用，但由于构件数较多，机构刚性差，不宜用于高速；此外，此机构的分析计算比较复杂。图3 六杆机构 因此，可将基本机构组合起来加以考虑以满足设计要求。具体方案可构思如下：

31、 曲柄滑块齿轮齿条组合机构 如图4所示组合机构由偏置曲柄滑块机构与齿轮齿条机构串联而成。其中下齿条为固定齿条，上齿条与版台固连在一起。该组合机构的主要特点是：由齿轮齿条机构实现运动的放大，版台行程是滑块铰链中心点C的行程的两倍；而偏置曲柄滑块机构使上齿条（版台）的往复运动具有急回特性。图4 曲柄滑块齿轮齿条组合机构 双曲柄曲柄滑块齿轮齿条组合机构 如图5所示机构，它的下齿条是可移动的，并可由下齿条输入另一运动（由凸轮机构实现），以得到所需的合成运动。当不考虑下齿条的移动时，上齿条（版台）运动的行程也是滑块铰链中心点C的行程的两倍。齿轮与两个连杆机构串联，主要是用曲柄滑块机构满足版台的行程放大要

32、求及回程时的急回特性，而用双曲柄机构满足版台在压印区近似等速运动的要求。图4 曲柄滑块齿轮齿条组合机构 图5 双曲柄曲柄滑块齿轮齿条组合机构 齿轮可作轴向移动的齿轮齿条机构 如图6所示的机构，其齿轮齿条机构的上下齿条均可移动，且都与版台固接在一起。当采用凸轮机构（图中未示出）拨动齿轮沿其轴向滑动时，可使齿轮时而与上齿条啮合，时而与下齿条啮合，实现版台的往复移动。若齿轮作等速转动，则版台作等速往复移动。这将有利于提高印刷质量，使整个印刷幅面的印痕浓淡一致。但由于齿轮的拨动机构较复杂，故只在印刷幅面较大，且对印痕浓淡均匀性要求较高时采用。图6 齿轮可作轴向移动的齿轮齿条机构2. 滚筒回转机构选型

33、转停式滚筒的齿轮齿条传动机构 如图7所示，由版台上的齿条带动滚筒上的齿轮实现版台和滚筒间的纯滚动。该机构结构简单，易于保证速度同步的要求。但当版台空回时，滚筒应停止转动，因而需要增加滚筒与版台间的脱离机构和版台的定位机构，以便版台空回时滚筒与版台脱离并定位。滚筒与版台运动的脱离装置可采用棘轮式超越离合器，滚筒的定位装置可采用图8所示的凸轮定位机构。由于滚筒时转时停，惯性力矩较大，故不宜用于高速印刷场合。图 7 转停式滚筒运动方案 图8 转停式滚筒的定位装置 等速滚筒的齿轮传动机构 如图9所示，滚筒是由齿轮机构直接带动的，因而其运动速度是常量。当与其配合的版台由非匀速机构带动时，很难满足速度同步

34、的要求，因而这种滚筒机构一般只与版台等速移动机构（如齿轮可作轴向移动的齿轮齿条机构）组合使用。 连续转动滚筒的双曲柄机构 如图10所示，为双曲柄机构与齿轮机构串联组成的滚筒回转机构，滚筒非等速转动。但当设计合适时，滚筒在压印区段的转速变化可以比较平缓，既保证了印刷质量，又因这种机构的滚筒作连续转动，其动态性能比转停式滚筒好。 图9 齿轮机构 图10 双曲柄机构 版台运动执行机构与滚筒运动执行机构方案的组合根据上述各机构方案特点，可将版台运动执行机构与滚筒运动执行机构方案进行组合，形成多种方案。具体组合方式由同学们自行完成，并比较不同组合方案的优缺点。（5）设计任务及总结1）完成版台运动执行机构

35、及滚筒运动执行机构选型，选择原动机，拟定机械传动方案并画出机构运动简图；2）根据滚筒表面与版台之间无相对滑动，即在压印区段滚筒表面的线速度必须与版台的移动速度相等的要求，并考虑对执行机构其它方面的要求，采用人机交互方法，或最优化方法设计确定版台运动执行机构各构件的尺寸；3）按工艺要求进行协调设计，画出各执行机构的工作循环图，设计凸轮廓线； 4）用解析法对版台运动执行机构进行速度分析，用相对运动图解法对其中的一个位置加以验证，根据计算机计算结果画出版台位移图和速度图，并将结果和滚筒表面的线速度作比较； 5）对版台运动执行机构用解析法进行动态静力分析，用图解法对其中的一个位置进行验证，并根据计算机

36、计算结果，画出机构平衡力矩Mb线图和固定支座反力fi线图（各构件的质量，质心的位置和过质心轴的转动惯量由设计者类比确定）；6）根据机电液一体化策略和现代控制（包括计算机控制）理论，大胆提出一种或一种以上与现有传统设计不同的创新设计方案。4.3自动送料冲床分析实验设计本实验主要研究在冲压实践中，送料机构的分析设计。其关键是对执行机构功能分析和选用，了解各机构的动力特性及其运动之间的协调。目的在于培养学生理论联系实际的能力，开拓思想创新设计完成实验。（1） 设计题目：自动送料冲床分析实验设计（2）工作原理与及结构组成自动送料冲床用于冲制、拉延薄壁零件。冲床的执行机构主要包括冲压机构和送料机构，其工

37、作原理如图1a所示，上模先以较大速度接近坯料，然后以匀速进行拉延成型工作，然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置，完成一个工作循环。（3）原始数据和设计要求a)j02pjSj02pjFF1F0b)c)Hl图1冲床工艺动作与上模运动、受力情况上模（冲头）坯料下模1）以电动机作为动力源，下模固定，从动件（执行构件）为上模，作上下往复直线运动，其大致运动规律如图1b所示，具有快速下沉、等速工作进给和快速返回等特性。2） 机构应具有较好的传力性能，工作段的传动角g 大于或等于许用传动角g =40。3）上模到达工作段之前，送料机构已将坯料送至待

38、加工位置（下模上方）。4）生产率为每分钟70件。5）上模的工作段长度l = 30100mm，对应曲柄转角j0 = (1/3 1/2 )p；上模总行程长度必须大于工作段长度的两倍以上。6）上模在一个运动循环内的受力如图1c所示，在工作段所受的阻力F1=5000N，其它阶段所受的阻力F0=50N。7）行程速度变化系数K 1.5。8）送料距离H = 60 250mm。9）机器运转速度波动系数d 不超过0.05。对机构进行动力分析时，为方便起见，所需参数值建议按如下方式选取：1）设连杆机构中各构件均为等截面均质杆，其质心在杆长的中点，而曲柄的质心则与回转轴线重合。2）设各构件质量按40kg/m计算，绕

39、质心的转动惯量按2kgm2/m计算。3）转动滑块的质量和转动惯量忽略不计，移动滑块的质量设为36kg。4）传动装置的等效转动惯量（以曲柄为等效构件）设为30kgm2。（4）分析设计提示： 冲压机构的原动件为曲柄，从动件（执行构件）为滑块（上模），行程中有等速运动段（工作段），并具有急回特性，机构还应有较好的动力特性。要满足这些要求，用单一的基本机构（如偏置式曲柄滑块机构）是难以实现的。因此，需要将几个基本机构恰当地组合在一起来满足上述要求。送料机构要求作间歇送进，可结合冲压机构一并考虑。1. 齿轮连杆冲压机构和凸轮连杆送料机构 如图2所示，冲压机构采用有两个自由度的双曲柄七杆机构，用齿轮副将其

40、封闭为一个自由度（齿轮1与曲柄AB固联，齿轮2与曲柄DE固联）。恰当地选择C点轨迹和确定构件尺寸，可保证机构具有急回运动和工作段近似匀速的特性，并使压力角a 尽可能小。图2冲床机构方案之1Dw1EBA12w2HKOGCFRa 送料机构由凸轮机构和连杆机构串联组成，按运动循环图可确定凸轮推程角和从动件的运动规律，使其能在预定时间将坯料推送至待加工位置。设计时，若使lOG lOH，可减小凸轮尺寸。2. 导杆摇杆滑块冲压机构和凸轮送料机构如图3所示，冲压机构是在摆动导杆机构的基础上，串联一个摇杆滑块机构组合而成。摆动导杆机构按给定的行程速度变化系数设计，它和摇杆滑块机构组合可以达到工作段近于匀速的要

41、求。适当选择导路位置，可使工作段压力角a 较小。图3 冲床机构方案之2CDEFOABaGHw1 送料机构的凸轮轴通过齿轮机构与曲柄轴相连。按机构运动循环图可确定凸轮推程运动角和从动件运动规律，则机构可在预定时间将坯料送至待加工位置。3. 六连杆冲压机构和凸轮连杆送料机构如图4所示，冲压机构由铰链四杆机构和摇杆滑块机构串联组合而成。四杆机构可按行程速度变化系数用图解法设计，然后选择连杆长lEF及导路位置，按工作段近似于匀速的要求确定铰链点E的位置。若尺寸选择恰当，可使执行构件在工作段中运动时机构的压力角a 较小。凸轮连杆送料机构的凸轮轴通过齿轮机构与曲柄轴相连，按机构运动循环图确定凸轮推程运动角

42、和从动件运动规律，则机构可在预定时间将坯料送至待加工位置。设计时，使lIH lIR，可减小凸轮尺寸。HKFajw3COIDgARG图4 冲床机构方案之3 w1BECM4. 连杆凸轮冲压机构和凸轮连杆送料机构如图5所示，冲压机构采用有两个自由度的连杆凸轮组合机构，用齿轮副将其封闭为一个自由度（齿轮1与曲柄AB固联，齿轮4与两个凸轮固联）。恰当地选择C点轨迹和确定构件尺寸，可保证机构具有急回运动和工作段近似匀速的特性，并使压力角a 尽可能小。改变凸轮轮廓曲线，可改变C点轨迹，从而使执行构件获得多种运动规律，满足不同工艺要求。送料机构由凸轮机构和连杆机构串联组成，按运动循环图可确定凸轮推程角和从动件

43、的运动规律，使其能在预定时间将坯料推送至待加工位置。设计时，若使lHI lHG可减小凸轮尺寸。Dw1EBAOH1IKPOGCFLaw4212JH1图5冲床机构方案之414（5） 任务与总结 1）完成各执行机构的型式设计。拟定机械传动系统方案； 2）按工艺要求进行执行系统协调设计，画出执行机构的工作循环图； 3）确定各执行机构的运动学参数，绘制机构运动简图。对主执行机构用解析法进行运动分析，用相对运动图解法对其中的一个位置加以验证，并根据计算机计算结果画出上模位移图，速度图和加速度线图；对主执行机构用解析法进行动态静力分析，用图解法对其中的一个位置进行验证，并根据计算机计算结果，画出机构平衡力矩

44、Mb线图和固定支座反力fi线图；4） 写实验报告。4.4饼干切片机执行部分分析实验设计本实验主要研究通用切片机的执行部分，分析该切片机的加工流程，选用合适的执行机构，其意义在于提高学生独自分析探索能力，要求熟悉常用机构的功能原理，机构间的配合协调和工业加工工艺。（1） 设计题目：饼干切片机执行部分分析实验设计（2） 工作原理及其结构组成 饼干切片机需要完成两个执行动作：饼干的直线间歇移动和切刀的往复直线运动。通过两者动作的配合进行切片，通过改变直线间歇移动的距离，以满足饼干的不同切片宽度的要求。其切片饼干整个工作过程为：1）送料器将已经在上一道工序中加工成条状的饼干推到切刀前面；2）推板推动饼干向前运动，然后与切刀共同作用，将饼干切为块状，块状饼干进入下一工序；3）推板回到起始位置；4）推板在起始位置停歇，等待下一批饼干送到；（3）原始数据及设计要求饼干尺寸：长度：50mm，厚度：28mm，宽度：10、20、30mm（可调）工作条件：载荷有轻微冲击，一班制生产批量：小批量生产 动力来源：电力，三相交流（220V/380V）转速允许误差：5%