機械原理課程設計(沖床沖壓機構和送料機構設計).ppt

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機械原理課程設計,指導教師：張利娟聯系電話：13838876910機械原理與機械設計教研室,一、課程設計的目的二、課程設計的方法三、課程設計題目四、課程設計內容五、課程設計的任務六、課程設計實例分析七、課程設計完成任務及要求八、成績評定及答辯,一、課程設計的目的,1.理論聯系實際，提高解決實際問題的能力。通過對機械原理課程的學習，已經掌握了機械中的各種常用機構的工作原理、運動特性和受力特性等知識。但在各種機械中，為了滿足機械的運動及工作要求，僅采用某一種機構是不夠的。通過課程設計，就可以將各機構聯系到一起，綜合運用所學的知識，理論聯系實際去分析解決工程中的實際問題，提高解決實際問題的能力。2.通過課程設計，可對機械系統（包括驅動部分、傳動部分、執(zhí)行部分及操縱控制部分）有一個初步了解和認識，培養(yǎng)對機械系統運動方案設計和分析能力，培養(yǎng)機構創(chuàng)新設計的能力。3.培養(yǎng)收集和查閱設計資料能力、制圖能力及分析、歸納、總結的能力，使用計算機編程的能力。,二、課程設計的方法,課程設計的方法有圖解法、解析法和實驗法三種。設計過程和運動分析中主要用圖解法和解析法，可采用圖解法與解析法相結合使用。圖解法是運用某些幾何關系或已知條件，通過幾何作圖求得結果，所需尺寸可直接從圖上量取。優(yōu)點是可將分析設計結果清晰表現在圖樣上，直觀、形象，便于檢查結果是否正確。缺點是作圖繁瑣，精度不高，對精度要求高或復雜問題不適用。解析法以機構參數來表達各構件間的函數關系，建立機構的位置方程和求導方程，解析求解未知量，可借助計算機，用C語言、VB或Matlab進行編程計算，避免大量重復人工勞動，計算精度高，能解決復雜問題，應用逐漸廣泛。,三、課程設計的題目,題目：沖床的沖壓機構和送料機構設計沖壓是指坯料在模具壓力作用下，使坯料產生塑性變形，但不產生分離而獲得的具有一定形狀和尺寸沖件的加工方法。主要有彎曲、拉深、翻邊等。,,,汽車覆蓋件,飛機蒙皮,沖床的沖模一般由上模和下模兩部分組成。沖床的沖壓機構相當于上模，用于沖制薄壁零件；通過上模和下模作用將薄壁鋼板坯料拉延成型。送料機構是能保證及時的將坯料送到待沖壓位置，兩者動作要協調一致，完成多件連續(xù)生產。我們的目的是設計實現這個功能的沖床的沖壓機構和送料機構。,沖床的工作原理如圖(a)所示，運動規(guī)律如圖(b)所示，上模先以較小的速度接近坯料，然后以勻速進行拉延成型工作，然后上模繼續(xù)下行將成品推出型腔，最后快速返回。上模退出下模后到下一次接觸坯料進行沖制前，在這個時間段內，送料機構從側面將坯料送至待加工位置(下模上方)，完成一個工作循環(huán)。,以電動機作為動力源，與曲柄連接，曲柄作主動件，從動件即執(zhí)行構件為上模，作上下往復直線運動，下模固定在沖床座上。上模大致運動規(guī)律如圖(b)所示，先是以一定運動規(guī)律接近坯料，曲柄轉角φ1；然后近似勻速工作，曲柄轉角φm；上模再以一定運動規(guī)律下行，推出工件，曲柄轉角φ2；然后上模退出下模，曲柄轉角φ3；最后是上?？焖偻嘶厣蠘O限位置，曲柄轉角φ4。,原始數據與設計要求：,1.上模的運動規(guī)律應滿足圖(b)所示的運動要求。2.機構應具有良好的傳力性能，工作段的壓力角α應盡可能的小，結構緊湊，制造方便。,設計數據：,四、課程設計內容1.沖壓機構設計2.送料機構設計3.各種方案分析比較，確定總體方案,沖壓機構是主機構，主動件是曲柄，從動件是上模，動作要求是由回轉運動變成往復直線運動；運動要求是上模要滿足圖b所示的運動規(guī)律，工作段近似勻速，回程時有急回；沖壓過程中受到非常大的生產阻力，動力特性是傳力性能要好，工作段的壓力角盡可能小。根據功能要求和動作分解，能實現由轉動變成往復直線移動的機構主要有平面連桿機構（包括曲柄滑塊機構和移動導桿機構等）、齒輪齒條機構、凸輪機構、螺旋機構等。很明顯，連桿機構的桿件長，可以實現大行程；連桿機構連接為轉動低副，受力好，精度要求低，再者連桿機構能實現急回特性，因而沖壓機構采用連桿機構完成沖壓動作比較合理；同時設計要求對上模的運動規(guī)律要求比較高，用單一的基本機構如偏置曲柄滑塊機構是難以實現，因此，需要至少兩個個基本機構恰當地組合在一起來滿足沖壓要求。,1.沖壓機構,送料機構的動力源是電動機，主動件為回轉運動，從動執(zhí)行構件作直線送料運動，只要在規(guī)定的時間內送料到位就可以了，對送料快慢和運動規(guī)律沒有要求，同時送料機構作間歇送料，受力較小，動力特性要求低，因而送料機構要求較低，運動容易實現。執(zhí)行構件能作間歇運動的機構主要有凸輪機構、棘輪機構、槽輪機構、不完全齒輪機構等，凸輪機構是控制機構，且受載不大，比較適合，而送料機構還要求有一定的送料行程，但是單一的凸輪機構會尺寸很大，而連桿機構可以實現大行程，且連桿機構具有尺寸放大功能，這樣凸輪機構和連桿機構組合在一起，凸輪機構實現動作控制功能，連桿機構實現大行程輸送功能，可很好滿足送料要求。需注意的是送料機構和沖壓機構在動作上有協調要求，送料機構要在適當的時間內送料到位，不能和沖壓動作相沖突、碰撞，這需要兩機構采用一個電動機，對送料動作進行適當控制，與沖壓機構的運動協調起來。,2.送料機構,沖床包含兩個執(zhí)行機構，即沖壓機構和送料機構，分別完成兩個功能即沖壓零件和送料，完成這兩個功能要求就要考慮采用一定的方法，選擇合適的機構來實現，這個構思過程就是運動方案的設計，體現出可選方案的多樣性、設計的主動性和創(chuàng)新性。,3.各種方案分析,能實現沖壓機構功能要求的機構方案有齒輪-連桿沖壓機構、擺動導桿滑塊沖壓機構（滑塊和連桿）、六連桿沖壓機構、連桿-凸輪沖壓機構等。能實現送料機構功能要求的機構方案有凸輪-直動擺桿送料機構（直動擺桿形式有多種）、凸輪-擺動擺桿送料機構。將沖壓機構和送料機構的任意兩個機構組合，就可得到沖壓機構和送料機構的一個運動方案。,方案一：齒輪－連桿沖壓機構和凸輪－連桿送料機構,沖壓機構采用有兩個自由度的雙曲柄七桿機構，用齒輪副將其封閉為一個自由度（齒輪1與曲柄AB固聯，齒輪2與曲柄DE固聯）。恰當地選擇C點軌跡和確定構件尺寸，可保證機構具有急回運動和工作段近似勻速的特性，并使壓力角?盡可能小。送料機構由凸輪機構和連桿機構串聯組成，按運動循環(huán)圖可確定凸輪推程角和從動件的運動規(guī)律，使其能在預定時間將坯料推送至待加工位置。設計時，若使LOG?LOH，可減小凸輪尺寸。,方案二：擺動導桿滑塊沖壓機構和凸輪送料機構,沖壓機構是在擺動導桿機構的基礎上，串聯一個搖桿滑塊機構組合而成。擺動導桿機構按給定的行程速度變化系數設計，它和搖桿滑塊機構組合可以達到工作段近于勻速的要求。適當選擇導路位置，可使工作段壓力角?較小。送料機構的凸輪軸通過齒輪機構與曲柄軸相連。按機構運動循環(huán)圖可確定凸輪推程運動角和從動件運動規(guī)律，則機構可在預定時間將坯料送至待加工位置。,方案三：六連桿沖壓機構和凸輪－連桿送料機構,沖壓機構由鉸鏈四桿機構和搖桿滑塊機構串聯組合而成。四桿機構可按行程速度變化系數用圖解法設計，然后選擇連桿長lEF及導路位置，按工作段近似于勻速的要求確定鉸鏈點E的位置。若尺寸選擇恰當，可使執(zhí)行構件在工作段中運動時機構的壓力角?較小。凸輪－連桿送料機構的凸輪軸過齒輪機構與曲柄軸相連，按機構運動循環(huán)圖確定凸輪推程運動角和從動件運動規(guī)律，則機構可在預定時間將坯料送至待加工位置。設計時，使LIH?LIR，可減小凸輪尺寸。,方案四：連桿－凸輪沖壓機構和凸輪－連桿送料機構,沖壓機構采用有兩個自由度的連桿－凸輪組合機構，用齒輪副將其封閉為一個自由度（齒輪1與曲柄AB固聯，齒輪4與兩個凸輪固聯）。恰當地選擇C點軌跡和確定構件尺寸，可保證機構具有急回運動和工作段近似勻速的特性,并使壓力角?盡可能小。改變凸輪輪廓曲線，可改變C點軌跡，從而使執(zhí)行構件獲得多種運動規(guī)律，滿足不同工藝要求。凸輪－連桿送料機構由凸輪機構和連桿機構串聯組成，按運動循環(huán)圖可確定凸輪推程角和從動件的運動規(guī)律，使其能在預定時間將坯料推送至待加工位置。設計時，若使LHI?LHG，可減小凸輪尺寸。,減速傳動方案設計就是根據電機轉速和執(zhí)行構件的生產率來確定總傳動比，然后確定各級傳動比，并計算各級傳動比的傳動件尺寸，大致確定出各級傳動的總體尺寸。能實現減速傳動的傳動裝置主要有帶傳動、鏈傳動、齒輪系傳動、蝸輪-蝸桿傳動、錐齒輪傳動等。帶傳動和鏈傳動用于遠距離傳動，帶傳動能緩沖吸振和過載保護，常用于高速端，鏈傳動有振動沖擊，常用于低速端；齒輪系傳動，傳動比準確，傳動精度高，應用廣；蝸輪-蝸桿傳動比大、可自鎖，用于功率不大的換向傳動，錐齒輪主要用于換向傳動。根據沖壓機構的運動要求，可以選擇帶傳動和定軸輪系串聯使用來實現減速傳動。帶傳動的傳動比范圍為2-4，帶傳動的傳動比不宜太大，否則大小帶輪直徑相差大，小帶輪的包角減小，容易打滑，可選傳動比為2。單級齒輪傳動的范圍為4-6，經計算可采用一級帶傳動和兩級齒輪傳動。然后畫出傳動方案的示意圖。,2.減速傳動方案設計,,傳動方案圖,主要任務是根據已知條件，確定出機構的桿件具體尺寸和相互位置關系，使設計的機構滿足各項設計要求。,五、課程設計的任務,1.沖壓機構設計方法有圖解法和解析法，簡單機構用圖解法，復雜機構用解析法。思路是先由上模工作段行程確定出沖壓工作行程，再由行程速比系數算出極位夾角，設定曲柄長度或機架長度，從兩端進行推算確定出連桿機構的各構件的尺寸長度和相對位置。用解析法時，要建立桿件的位置方程，進行求解計算，這樣結果準確。機構確定后要進行驗證，滿足工作段轉角、工作段壓力角，并使工作段近似勻速，如不滿足，要重新確定尺寸和相對位置。,2.送料機構設計,a）繪制機構運動循環(huán)圖.沖壓機構和送料機構的動作要協調，不能出現沖突和干涉現象，送料機構要在上模退出下模后，到再次接近坯料沖制前的時間段內將坯料送到待沖壓位置，并返回到原位置，準備下一次送料動作。因而在進行送料機構設計前，首先要擬定沖壓機構和送料機構的動作協調循環(huán)圖。機構運動循環(huán)圖主要有三種形式：圓周式工作循環(huán)圖、直線式（表格式）、直角坐標式工作循環(huán)圖。圓周式：適用于主動件作圓周運動的曲柄，畫圓環(huán)，根據曲柄轉角對上模和送料機構的工作動作進行分段相協調。,直線式(表格式)：相當于把圓周式進行展開，畫表格，根據曲柄轉角，對上模和送料機構的工作動作進行分段相協調。,直角坐標式：橫坐標為曲柄轉角，縱坐標為執(zhí)行構件的位移，通過兩執(zhí)行構件的位移關系顯示來進行運動協調。直角坐標式不僅能表示兩執(zhí)行構件的動作順序，且能表示出兩構件的運動規(guī)律和及配合關系，是最為完善的一種。,2.送料機構設計,b）送料機構的連桿機構設計任務是確定出送料連桿機構的各構件尺寸和相對位置，思路是由送料距離確定出各構件尺寸，推出和凸輪相連接的直動從動件的直線位移或擺動從動件的轉角，且使連桿機構具有尺寸放大功能，以減小凸輪尺寸。c）送料機構的凸輪設計①從動件運動規(guī)律選擇：避免剛性沖擊和柔性沖擊，選擇直動從動件或擺動從動件的運動規(guī)律，勻速運動、等加速等減速運動、余弦加速度、正弦加速度，或幾種相結合使用。送料過程中，凸輪受載較小，沖擊不大。在推程送料時，擺動從動件的運動規(guī)律可采用余弦加速度運動規(guī)律，回程時，從動件采用等加速等減速運動規(guī)律。,2.送料機構設計,②基圓半徑確定從提高凸輪機構機械效率考慮，應取盡可能小的壓力角，且小于許用壓力角值，推程時從動件的壓力角許用值為[α]＝40，推程為[α]＝70，但減小壓力角會使基圓半徑增大，導致整個機構尺寸增大。為了使機構既有較好的傳力特性，又有較緊湊的機構尺寸，設計時應兩者兼顧考慮。原理課程中講了四種確定基圓半徑的方法，可使用其中的兩種可使用其中的兩種。①初選r0驗算方法：初選r0，計算出各點的?，使?max≤[?]；②根據[?]計算設計法,,,,,2.送料機構設計,③滾子半徑確定：滾子半徑選擇要適當，以免凸輪理論廓線（外凸）求出后，實際廓線出現自交現象而導致運動失真。經驗公式：④繪制凸輪理論廓線和實際廓線：確定凸輪的工作轉角，推程角、休止角、回程角，分別用圖解法和解析法設計凸輪理論廓線和實際廓線。最后，作出凸輪實際廓線后，要演算臨界壓力角，使推程?max≤[?]＝40。,,,,3.機構運動分析,對機構進行運動分析，求出機構各構件的位移、速度、加速度，繪出位移、速度和加速線圖，驗證機構運動滿足設計要求；（對機構進行動力分析，據各構件的質量及轉動慣量確定機構的慣性力、慣性力偶矩、各位置的運動副反力及應加于原動件上的平衡力矩（加飛輪），繪制平衡力矩及運動副反力的變化線圖，以便清楚地了解在一個運動循環(huán)中，平衡力矩及運動副反力的變化情況。）對上模的一個運動循環(huán)作速度分析，即將曲柄轉角分12等份，取上模對應的12位置，進行速度分析和一個位置的加速度分析，畫出速度多邊形和加速度多邊形并繪出上模的位移線圖和速度線圖。,六、課程設計實例分析,（一）、確定傳動方案（二）、沖壓機構設計分析（三）、送料機構設計分析（四）、送料機構中凸輪機構的設計（五）、沖壓機構中上模的速度分析速度矢量圖或速度曲線圖,七、設計工作量,1.A1圖一張：內容包括：①沖壓送料機構簡圖；②傳動方案圖；③運動協調圖；④沖頭（上模）12個位置的速度多邊形圖和1個位置的加速度多邊形圖；⑤沖頭（上模）的位移線圖和速度線圖。2.A2圖紙一張：①凸輪理論廓線和實際廓線（圖解法）；②送料機構（凸輪機構從動件）運動規(guī)律（位移曲線、速度曲線、加速度曲線圖）。3.設計說明書1份設計說明書（15頁，2000字左右）任務書粘貼在說明書的第一頁（設計說明書，1元/本）,說明書內容：1.任務書2.簡述方案設計和選擇（方案分析）3.確定傳動機構總方案，計算總傳動比，并分配各級傳動比4.各機構設計步驟或分析計算過程5.對上模進行速度分析（矢量方程式、計算、結果）6.凸輪機構的設計過程（數學模型、源程序、程序運行結果）7.對設計結果的分析和討論8.參考文獻9.設計小結,八.課程設計的進度安排,1.聽課、明確設計任務(借教室、借圖板、丁字尺）0.5天2.機構選型、方案比較分析與確定、傳動方案設計1天4.機構設計、運動循環(huán)確定、運動簡圖繪制、機構運動分析1.5天5.凸輪設計與上機編程計算1天6.編寫設計說明書1天7.答辯1天,九、考核與成績評定,課程設計成績分優(yōu)秀、良好、中等、及格和不及格五級，成績不及格應重新進行設計。根據學生的設計態(tài)度、設計質量、創(chuàng)新性及答辯情況綜合評定學生機械原理課程設計的成績等級。對課程設計考評按四項內容進行，所占比例為：1）方案設計及創(chuàng)新性20％2）圖樣部分30％3）說明書（包括程序設計）40％4）考勤10％,十.其它,1.場地：1號樓419、422室(李傳坤老師：13937990361)2.上機時間：6小時/人，超時付費；上機地點2—210機房，自備軟件。,要求：必須在設計教室（或機房）獨立完成設計（或運行程序）周五答辯（每人10——15分鐘）周五交圖紙和設計說明書,概述,四、設計任務,1、A1圖1張完整的機構組合系統運動簡圖（A0圖紙1張）上模的位移、速度線圖執(zhí)行構件的運動循環(huán)圖控制送料凸輪機構的從動件運動規(guī)律2、,