半自動平壓模切機機械設(shè)計方案與分析

半自動平壓模切機設(shè)計方案與分析一、 設(shè)計目的通過本課程設(shè)計將學過的基礎(chǔ)理論知識進行綜合應(yīng)用，著手設(shè)計“半自動平壓模切機”。通過對機構(gòu)的選型、設(shè)計；對機械傳動方案、機械運動方案的選擇和評價而培養(yǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計，計算能力。熟悉一般的機械裝置設(shè)計過程。二、 工作原理及工藝動作過程半自動平壓模切機是印刷，包裝行業(yè)壓制紙盒、紙箱制品的專用設(shè)備。它可以對各種規(guī)格的紙板、厚度在4mm一下的瓦楞紙板，以及各種高級精細的印刷品進行壓痕、切線、壓凹凸。經(jīng)過壓痕、切線的紙板，用手工或機械沿切線除去掉邊料后，沿壓出的壓痕可折疊成各種紙盒、紙箱，或制成凹凸的商標。它的工藝動作主要有兩個：一是將紙板走紙到位，二是進行沖壓模切。其具體工作動作順序如下：半自動平壓模切機工藝動作順序紙盒余料松開走紙輸出走紙模切沖壓輸入走紙夾緊紙板印刷紙板 三、 運動循環(huán)圖（一） 機構(gòu)運動要求從機器的工藝動作可以看出，可以把整個機構(gòu)運動的運動分成兩個部分，一是輔助運動，它可以用于完成紙板的夾緊，走紙，松開等動作。對實現(xiàn)該運動的傳動機構(gòu)要求做間歇運動；二是主運動，完成對紙板的壓切動作，要求裝有模板的滑塊做直線往復運動。其特點是行程短，受載大。本機構(gòu)要求行程是50毫米，最大載荷是，工作速度是每小時壓制3000張。另外，主運動和輔運動要相互協(xié)調(diào)。（二） 運動示意圖走紙機構(gòu)由上述機構(gòu)運動要求，繪制如下運動示意草圖：夾緊裝置夾緊裝置模切機構(gòu)主軸 （三） 各部件運動分析1、 主軸的選擇和轉(zhuǎn)角運算為了計算和設(shè)計方便，選擇變速箱的輸出軸為運動分析主軸，如上圖所示。由原始數(shù)據(jù)和設(shè)計要求知，平面六桿機構(gòu)的行程速比系數(shù)K=1.3，則極位夾角并知該運動周期分為兩部分，以156.5（156.5=180-23.5）為界分為0-156.5和156.5-360兩個過程。2、模切機構(gòu)的分析當主軸轉(zhuǎn)角為0-156.5，下模從行程最低點開始，在平面六桿機構(gòu)的帶動下向上移動至預定模切位置，進行沖壓模切；當主軸轉(zhuǎn)角為156.5-360，下模完成模切動作，快速急回運動至行程最低點即下一周期起點。3、走紙機構(gòu)的分析當主軸轉(zhuǎn)角為0-156.5，特殊齒輪組（用于完成間歇運動）沒有嚙合運動，鏈輪鏈條處于靜止狀態(tài)；當主軸轉(zhuǎn)角為156.5-360，特殊齒輪組輪齒參與嚙合，帶動鏈輪鏈條運動，進行走紙運動。4、夾緊裝置的分析當主軸轉(zhuǎn)角為0-156.5，帶動夾子的凸輪走過推程，遠休止和回程使剛性彈簧夾完成夾紙動作；當主軸轉(zhuǎn)角為156.5-360，凸輪處于近休止狀態(tài)使剛性彈簧夾處于夾緊狀態(tài)。（四） 綜上所述運動循環(huán)圖如下：主軸轉(zhuǎn)角0 156.5(圖示位置) 360走紙機構(gòu)停止運動夾緊裝置送料夾緊輸入走紙模切機構(gòu)滑塊上升（模切）滑塊下降（回程）四、 送料、模切機構(gòu)的選型 （一） 送料機構(gòu)的選型1、可選機構(gòu)機構(gòu)供選機構(gòu)類型 紙板的輸送雙列鏈輪傳動皮帶輪傳動 紙板的停歇機構(gòu)凸輪機構(gòu)特殊齒輪組 紙板的固定剛性彈簧夾普通夾子 2、選型原因：(1)對于紙板的輸送構(gòu)件，選用雙列鏈輪傳動：a、相對皮帶傳動而言，雙列鏈輪傳動精度較高，有利于紙板的精確走紙定位；b、適合于本機構(gòu)的遠距離傳遞；c、本機構(gòu)在長時間傳輸、模切時摩擦大，易發(fā)熱，而雙列鏈輪傳動機構(gòu)適合于長時間在此惡劣環(huán)境下工作。另外，使用皮帶輪傳動其易打滑，易變形，傳輸精度低，傳遞效率低。(2)對于紙板的停歇，選用特殊齒輪組： a、相對凸輪機構(gòu)相比而言，特殊齒輪組制造容易，工作可靠。b、特殊齒輪組在設(shè)計時，易實現(xiàn)從動件的運動時間和靜止時間的比例在較大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，適用范圍廣。c、特殊齒輪組在工作時由于面接觸且是間歇運轉(zhuǎn)，因此不易磨損，使用壽命長。另外凸輪機構(gòu)制造加工困難，易磨損。(3)對于紙板的固定，選用剛性彈簧夾：a、在走紙時，相對普通夾子而言，由于剛性彈簧力的作用，可以自動的將紙板夾緊，并準確平穩(wěn)的走紙；b、在夾緊和松開紙板時，運用凸輪機構(gòu)和剛性彈簧的配合使用，能準確、方便、自動的實現(xiàn)紙板的夾緊和松開動作。另外，使用普通夾子較難實現(xiàn)紙板的自動夾緊和松開的工藝動作以及平穩(wěn)走紙的目的。3、最終選型：紙板的輸送選用雙列鏈輪傳動；紙板的停歇殊齒輪組選用特；紙板的固選用剛性彈簧夾。（二） 模切沖壓機構(gòu)的選型 1、可選機構(gòu)機構(gòu)供選機構(gòu)急回機構(gòu)直動推桿凸輪機構(gòu)平面六桿曲柄滑塊機構(gòu) 2、選型原因：a、相對凸輪機構(gòu)而言，連桿機構(gòu)的運動副一般均為低副，其運動副元素為面接觸，壓力較小，潤滑好，磨損小，則承載能力較大，有利于實現(xiàn)增力效果。b、連桿機構(gòu)的設(shè)計、加工制造容易，經(jīng)濟性好，且低副一般為幾何封閉，工作的可靠性好。c、在滿足運動要求的條件下，連桿機構(gòu)可以靈活改變各桿件的相對長度來調(diào)節(jié)運動規(guī)律，適用性強。另外，凸輪機構(gòu)增力效果差，設(shè)計加工制造困難，適用性差。3、 最終選型：平面六桿曲柄滑塊機構(gòu)。五、 機械運動方案的評定和選擇由上述運動循環(huán)圖及題設(shè)要求可知，“半自動平壓模切機”主要分為三大部分：動力傳動機構(gòu)；走紙機構(gòu)；沖壓模切機構(gòu)。其中動力傳動機構(gòu)又分為動力傳遞機構(gòu)和變速轉(zhuǎn)向機構(gòu)。走紙機構(gòu)分為：紙板的輸送機構(gòu)，紙板的停歇機構(gòu)和紙板的固定機構(gòu)。沖壓模切機構(gòu)為急回機構(gòu)。 備選機構(gòu)列表： 機構(gòu)供選機構(gòu)類型 紙板的輸送雙列鏈輪傳動皮帶輪傳動 紙板的停歇機構(gòu)凸輪機構(gòu)特殊齒輪組 紙板的固定剛性彈簧夾普通夾子急回機構(gòu)直動推桿凸輪機構(gòu)平面六桿曲柄滑塊機構(gòu)動力傳遞機構(gòu)聯(lián)軸器V形帶變速轉(zhuǎn)向機構(gòu)圓柱齒輪傳動機構(gòu)單級蝸桿傳動機構(gòu)錐-圓柱齒輪傳動機構(gòu)由上述備選機構(gòu)可得32種備選機械運動方案，從中選出3種典型可行方案如下：方案A：雙列鏈輪傳動-特殊齒輪組-剛性彈簧夾-平面六桿曲柄滑塊機構(gòu)-V形帶-圓柱齒輪傳動機構(gòu)方案B：雙列鏈輪傳動-凸輪機構(gòu)-剛性彈簧夾-直動推桿凸輪機構(gòu)-聯(lián)軸器-錐-圓柱齒輪傳動機構(gòu)方案C： 皮帶輪傳動-凸輪機構(gòu)-普通夾子-直動桿凸輪機構(gòu)-聯(lián)軸器-單級蝸桿傳動機構(gòu)典型可行方案評定方案A：1、示意圖剛性彈簧夾2、分析與評定(1)機械功能的實現(xiàn)質(zhì)量由于V形帶和齒輪的組合傳動，功率損失小，機械效率高，可靠性高；平面六桿曲柄滑塊機構(gòu)能夠承受很大的生產(chǎn)阻力，增力效果好，可以平穩(wěn)的完成模切任務(wù)；使用剛性彈簧夾自動的實現(xiàn)紙板的夾緊與松開動作，并運用特殊齒輪組完成走紙的間歇運動和準確的定位，以實現(xiàn)與沖壓模切的協(xié)調(diào)配合。(2)機械的運動分析在同一傳動機構(gòu)的帶動下，特殊齒輪和雙列鏈輪機構(gòu)共同完成走紙的準確定位，運動精度高，并且能和沖壓模切運動很好的配合完成要求動作工藝。(3)機械動力分析平面六桿曲柄滑塊機構(gòu)有良好的力學性能，在飛輪的調(diào)節(jié)下，能大大的降低因短時間承受很大生產(chǎn)阻力而帶來的沖擊震動；整個機構(gòu)（特別是六桿機構(gòu)和特殊齒輪組）具有很好的耐磨性能，可以長時間安全、穩(wěn)定的工作。(4)機械結(jié)構(gòu)合理性該機構(gòu)各構(gòu)件結(jié)構(gòu)簡單緊湊，尺寸設(shè)計簡單，機構(gòu)重量適中。(5)機械經(jīng)濟性平面六桿曲柄滑塊機構(gòu)設(shè)計，加工制造簡單，使用壽命長，維修容易，經(jīng)濟成本低，雖然特殊齒輪組設(shè)計加工難度較大，成本偏高，但與其他等效備選機構(gòu)相比，其能更好的實現(xiàn)工作要求，以帶來更大的經(jīng)濟效益。方案B：1、 示意圖 2、分析與評定(1)機械功能的實現(xiàn)質(zhì)量相較于方案A的V形帶，聯(lián)軸器的傳遞效率雖然高，但是減速效果差；采用直動推桿凸輪機構(gòu)難承受很大的生產(chǎn)阻力，不能很好的完成沖壓模切功能；運用凸輪機構(gòu)帶動走紙機構(gòu)間歇運動，由于長時間工作而磨損變形，會造成走紙機構(gòu)無法準確定位。雖然能實現(xiàn)總體功能要求，但實現(xiàn)的質(zhì)量較差。(2)機械運動分析凸輪的長期間歇運動導致微小誤差積累，從而引起走紙定位的準確性下降，最終引起各執(zhí)行機構(gòu)間的配合運動失調(diào)。(3)機械動力分析直動推桿凸輪機構(gòu)難以承受很大的生產(chǎn)阻力，不便長期在重載條件下工作，不能很好的滿足沖壓模切的力學要求；該方案中的凸輪機構(gòu)（包括機構(gòu)中的兩個凸輪機構(gòu)）耐磨性差。(4)機械結(jié)構(gòu)合理性該機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單緊湊，但由于凸輪機構(gòu)的使用，造成整體機構(gòu)的尺寸很重量都較大。(5)機械經(jīng)濟性由于凸輪機構(gòu)和錐圓柱齒輪的設(shè)計、加工制造較難，用料較大，維修不易，故而生產(chǎn)和維修經(jīng)濟成本均較高。方案C：1、示意圖普通夾子 2、分析與評定(1) 機械功能的實現(xiàn)質(zhì)量相對于方案B，皮帶傳送很難實現(xiàn)走紙的準確定位；普通夾子不便于紙板的自動化夾緊和松開，需要相應(yīng)輔助手段較多；采用蝸桿減速器，結(jié)構(gòu)緊湊，環(huán)境適應(yīng)好，但傳動效率低，不適宜于連續(xù)長期工作。總體上機械功能的實現(xiàn)質(zhì)量很差。(2) 機械運動分析皮帶傳送易磨損、打滑，走紙運動的精度低，又因很難實現(xiàn)準確定位與沖壓模切的協(xié)調(diào)性差。(3) 機械動力分析直動推桿凸輪機構(gòu)難以承受很大的生產(chǎn)阻力，不便長期在重載條件下工作，不能很好的滿足沖壓模切的力學要求；該方案中的凸輪機構(gòu)（包括機構(gòu)中的兩個凸輪機構(gòu)）和平帶耐磨性差。(4) 機械機構(gòu)合理性該機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單緊湊，但由于凸輪機構(gòu)的使用，造成整體機構(gòu)的尺寸很重量都較大。(5) 機械機構(gòu)經(jīng)濟性由于普通夾子的使用，降低了生產(chǎn)成本，但由于其易磨損，維修成本大，又由于凸輪機構(gòu)和蝸桿機構(gòu)的存在，經(jīng)濟成本還是很大。綜上所述，從機械功能的實現(xiàn)質(zhì)量、機械運動分析、機械動力分析、機械結(jié)構(gòu)合理性、機械經(jīng)濟性等各方面綜合考慮，方案A各方面性能均優(yōu)，故選擇其為最優(yōu)方案。六、 電動機的選型1、類型和結(jié)構(gòu)形式：三相異步籠型交流電動機，封閉式，380V，Y型；2、功率：=5.897 kw（-功率、-生產(chǎn)阻力、s-有效模切行程、t-周期、k-行程速比系數(shù)） （分別為皮帶，軸承和齒輪的效率） 故 kw 3、轉(zhuǎn)速： ( =840 分別為皮帶和減速器的傳動比) 則 4、電動機方案選型方案型號（kw）轉(zhuǎn)速 r/min重量N參考價格（元）傳動比同步滿載總傳動比V帶減速器1Y160M1-111300029301170135058.62.820.932Y160M-411150014601230180029.22.511.683Y160L-61110009701470160019.429.7綜上所述4點，最終選型為：型號（kw）滿載時起動電流額定電流起動轉(zhuǎn)矩額定轉(zhuǎn)矩最大轉(zhuǎn)矩額定轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速 r/min電流（380V）效率%功率因數(shù)Y160M1-111293020.887.20.887.02.02.2安裝尺寸：型號安裝尺寸(mm)外形尺寸(mm)ABCDEFGHKABACADHDLY160M1-125421010842110123716015330335265385605七、 機械傳動設(shè)計（一） 傳動比的分配1、 總傳動比： 2、 分配傳動比： （分別為皮帶和減速器傳動比），為使V型帶傳動外廓尺寸不至過大，初步取， 則 同理，按展開式考慮潤滑條件，為使兩級大齒輪直徑相近，由展開式曲線，查得 =5.70，則 （二） 齒輪組的設(shè)計根據(jù)（一）中傳動比的分配設(shè)計以及整體尺寸綜合考慮，查圓柱齒輪標準模數(shù)系列表（GB/T 13571987）得： （1）、m1=2 a1=113mm z1=20 z2=z1i3=205.70=114 （2）、m2=3 a2=139.5mm z1=20 z2=z1i4=203.67=73 （3）、m3=0.5 a3=27.5mm z1=60 z2=z1I=60=50 （4）、m4=6 a4=180mm z=30 由=0.435得z=13 （三） 鏈輪、鏈條的設(shè)計依據(jù)上述整體尺寸，初步設(shè)計鏈輪直徑為300mm，查短節(jié)距傳動用精密滾子鏈的基本參數(shù)與主要尺寸（GB/T 1243-1997）得：齒數(shù)z=25 ，其直徑為d=303.989mm 則鏈條的節(jié)數(shù) 即鏈條為：24A-1-78 GB/T 1243-1997（s為鏈輪中心距s=1000mm p為節(jié)距p=38.1mm）（四）軸承和鍵的設(shè)計根據(jù)上述齒輪模數(shù)m和齒數(shù)z，求得相應(yīng)直徑d=mz，以及軸的轉(zhuǎn)速（見第九章第一節(jié)：軸的參數(shù)）等查深溝球軸承（GB/T 276-1994）得下表：軸代號軸承尺寸/mm基本額定載荷/kN極限轉(zhuǎn)速(r)代號安裝尺寸/mmdDB脂油I軸1535115.67.653.721800022000620220320.6II軸4585191.131.520.570009000620952781III軸5090201.135.023.267008500621057831IV軸35800211.533.419.280009500630744711.5V軸65120231.557.240.0500063006213741111.5VI軸1535115.67.653.721800022000620220320.6同上述，查普通平鍵（GB/T 1096-1990）得軸代號鍵的公稱尺寸鍵槽尺寸b(h9)h(h11)L(h14)t公稱公差公稱公差I(lǐng)軸5510563.0+0.12.3+0.1II軸149301605.5+0.23.8+0.2III軸1610451806.0+0.24.3+0.2IV軸108221105.0+0.23.3+0.2V軸2012562207.5+0.24.9+0.2VI軸6614703.502.80 （五） V形帶的設(shè)計由上圖得：皮帶的長度 l=+2asin+（-） 其中cos= 故皮帶A： a=800mm 則=1.4005 l=2517.785mm 查普通V帶的基準（GB/T 11544-1997）得此皮帶型號為：A 2500 GB/T 11544-1997皮帶B： a=295.68mm 則=1.518 l=1111.315mm 查表得此皮帶型號為：A 1120 GB/T 11544-1997皮帶C： a=1016.07mm 則=1.5549 l=2551.505mm 查表得此皮帶型號為：A 2500 GB/T 11544-1997 （六） 剛性彈簧夾及其配合凸輪的設(shè)計 剛性彈簧夾及其配合凸輪的尺寸如上，按設(shè)計要求配合凸輪只需完成在規(guī)定時間內(nèi)將夾子頂開和松弛兩個動作，故采用勻速運動規(guī)律即可滿足運動要求。雖然受剛性沖擊，但是作用力很小，運動要求簡單，所以可以滿足設(shè)計要求。故可得，推桿的位移曲線圖如下： 其中 （為模塊上升時間，t為周期）凸輪角速度為 ,轉(zhuǎn)速：（七） 平面六桿滑塊機構(gòu)設(shè)計 AB=b-a,BC=e，CD=c，AD=d，CG=f，AC=a+b由設(shè)計要求可得極位夾角= H=50mm在ABC和BCD中，由余弦定理得：同理，在BDF和CDG中分別可得：cos cos 則 在ABC中，得 =90- 故d=另外桿a為曲柄的條件為：（1） 在a、b、c、d四桿中，a為最小，c為最大；（2） a+cb+d 根據(jù)以上分析，可取 l=500mm c=400mm f=300mm 帶入以上公式可得 =480 考慮a為曲柄的條件，可得各桿長 a=15mm b=36.2mm c=400mm d=387.9mm f=300mm l=500mm八、 機構(gòu)運動簡圖4321VVIIVIIIIII 附：特殊齒輪組（4）的簡圖九、 傳動和執(zhí)行機構(gòu)運動尺寸計算 （一） 軸的參數(shù)（1） 各軸轉(zhuǎn)速 I II. III. r/min（2）各軸輸入功率 輸出功率： （2） 各軸輸入轉(zhuǎn)矩： 輸出轉(zhuǎn)矩： 由上述各項得：軸名功率 P（kw）轉(zhuǎn)矩 T（）轉(zhuǎn)速nr/min傳動比i效率輸入輸出輸入輸出電動機軸6.93822.6129302.80.96I軸6.666.5360.7959.571046.435.700.95II軸6.336.20329.36322.77183.583.670.95III軸6.025.901149.041126.0650.02（二） 凸輪運動曲線圖（三） 平面六桿曲柄滑塊機構(gòu)運動曲線圖通過SolidWorks中COSMOSMotion三維實體仿真模擬獲得各機構(gòu)桿件運動草圖如下： （1） 各桿件角速度圖桿件b桿件f桿件c （2） 各桿件角加速度圖桿件b桿件f桿件c（3） 各桿件質(zhì)心速度圖桿件a桿件b桿件f桿件c（4） 滑塊運動曲線圖滑塊質(zhì)心位置滑塊質(zhì)心速度滑塊質(zhì)心加速度十、 飛輪設(shè)計根據(jù)平面六桿機構(gòu)的運動曲線圖，可知：在0.12秒時，等效構(gòu)件（零件2-1）有最大角速度，由圖得v=-0.127m/s,=0.1897rad/s,=0.2058rad/s,=-0.3437rad/s,=-0.0269m/s,=-0.051m/s,=-0.024m/s,=-0.088m/s.在0.66s時，等效構(gòu)件的角速度可近似為=50r/min=5.233rad/s, 由圖v=-0.094m/s,=1.0772rad/s,=-0.1221rad/s,=-0.2224rad/s，=0.0168m/s,=0.031m/s,=0.0165m/s,=0.0598m/s.在1.05秒時，等效構(gòu)件有最小角速度，由圖得v=0m/s,=-2.4095rad/s,=-0.0174rad/s,=-0.0470rad/s,=0.02829m/s,=0.029m/s,=0.011m/s,=0.000159m/s.選桿件材料為優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，其密度=7.85kg/,又取桿件的截面直徑d=50mm,且轉(zhuǎn)動慣量=m再根據(jù)運動方程式=可得:=0.05679kg，=0.3283rad/s,=5.9351rad/s.=0.9970 J =3.29585rad/s/() =0.58567 kg，( =),取=0.58567kg由=4g，取D=0.3m，則=260.2978N，又由=DHb，可取H=b=0.03m，則=76756.83N/.飛輪尺寸如下圖：目錄一 工作目的二 工作原理及工藝動作過程三 運動循環(huán)圖四 送料、模切機構(gòu)的選型（一） 送料機構(gòu)的選型（二） 模切沖壓機構(gòu)的選型五 機械運動方案的評定和選擇六 電動機的選型七 機械傳動設(shè)計（一） 傳動比的分配（二） 齒輪組的設(shè)計（三） 鏈輪和鏈條的設(shè)計（四） 軸承和鍵的設(shè)計（五） V形帶的設(shè)計（六） 剛性夾子和凸輪的設(shè)計（七） 平面六桿曲柄滑塊機構(gòu)的設(shè)計八 機構(gòu)運動簡圖九 傳動和執(zhí)行機構(gòu)的運動尺寸計算（一） 軸的運動參數(shù)（二） 凸輪的運動曲線圖（三） 平面六桿曲柄滑塊機構(gòu)的運動曲線圖十 飛輪的設(shè)計