1、机械原理课程设计指导手册一、课程设计的意义、内容及步骤随着生产技术的不断发展，机械产品种类日益增多，对产品的机械自动化水平也越来越高，因此，机械设备设计首先需要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。本指导书旨在根据高校工科本科机械原理课程教学基本要求的要求：结合一个简单的机械系统，综合运用所学理论和方法，使学生能受到拟定机械运动方案的初步训练，并能对方案中某些机构进行分析和设计，针对某种简单机器（即工艺动作过程较简单）进行机构运动简图设计。设计过程指从明确设计任务到编制技术文件为止的整个设计工作的过程，该过程一般来讲包括四个阶段：1)明确设计任务和要求；2)原理
2、方案设计；3)技术设计；4)施工设计。本次设计的主要内容主要完成前两个任务，完成的步骤如下；二、机械原理课程设计的基本要求1. 设计结果体现创新精神。2. 方案设计阶段以小组为单位，组织学生参观讨论，分析机器的结构、传动方式、工作原理，给出至少两种运动方案，并对其进行比较，从中选出最优方案。3. 方案确定以后，进行机构尺寸综合和机构运动分析时，每个学生的参数不同，独自设计。若发现尚未达到工作要求，应审查方案，调整机构的尺寸，重新进行设计。4. 每个学生绘制一张图纸，应包括机械系统运动方案简图和机械运动循环图，一两个主要机构的运动分析及设计程序。5. 写一份设计说明书，最后进行答辩。6. 成绩的
3、评定。课程设计的成绩单独评定。应以设计说明书、图样和在答辩中回答问题的情况为依据，参考设计过程中的表现，由指导教师按五级计分制（优、良、中、及格、不及格）进行评定。二、机械运动简图设计内容1.功能分解 机器的功能是多种多样的，但每一种机器都要完成某一工艺动作过程。将机械所需完成的工艺动作过程进行分解，即将总功能分解为多个功能元，在机械产品中就是将工艺动作过程分解为若干个执行动作。设计者必须把动作过程分解为几个独立运动的分功能，然后用树状功能图来描述，使机器的总的功用及各分功能一日了然。例如，设计一部四工位专用机床，它可以分解成如下几个工艺动作： (1)安置工件的工作台要求进行间歇转动； (2)
4、装置刀具的主轴箱能实行静止、快速、进给、快退的工艺动作； (3)刀具以Ml转动来切削工件。由此，可画出图1及图2的四工位专用机床的动作要求图和树状功能团。2.机构选型及功能原理方案的确定机器的树状功能图给出了执行构件的功能或运动要求，每一个独立的功能或运动可用一个执行机构来完成。即功能元求解，功能元求解就是将所需执行动作，用合适的执行机构型式来实现。将机构按运动转换的种类和实现的功用进行分类，就是起到解法目录的作用。由于每个功能元的解有多个，因此组成机械的功能原理方案(也就是机械运动方案)可以有多个。在组合过程中应考虑以下几点要求： 1)设计的附加要求； 2)设计的全局要求； 3)功能元解的相
5、容性。 功能原理方案的组合可采用形态学短阵进行综合，即将系统的功能元列为纵坐标各功能元的相应解法列为横坐标，构成形态学矩阵，如表l5所示。表中F1、F2，F3、Fn为功能元，L11、Ll2、为第一功能元的解，Lm1、Lm2、为第m组功能元的解。从每项功能元中取出一种解进行合理组合，即可得到一个机械运动方案，最多可以组合出N种机械运动方案： Nn1n 2nj X nm其中，m为功能元数，ni为第i种功能元解的个数。 采用形态学矩阵综合法可以组合出许多机械运动方案。例如m4，各功能元解的数目为4，它的机械运动方案数目可达到44256种。数目众多的机械运动方案可使设计人员有广阔的选择范围，在一般情况
6、下，可以先选取比较满意的几个方案，然后对这几个方案进行评价选优，从中得到符合设计要求的最佳机械运动方案。3.拟订运动循环图机器所要完成的各工艺动作之间，不是互不相关的，而是有序的、相互配合的所以各个执行机构必须按工艺动作过程的时间顺序和相互配合关系来完成各自的运动。描述各执行初构间运动的协调配合关系的图，就是机器的运动循环图4.绘制机构运动方案示意图和机构运动简图由原动机和执行构件的运动要求，通过机构选型来确定原动机和执行构件之间的传动机构和执行机构。由于完成同一种运动可选用不同的机构型式，所以就会提供多种方案。设计者从中选择一种或几种饺优的方案，画出从原动机、传动机构到执行机构的运动示意图，
7、达就是机械运动方案示意图。通过机构型综合和机构的尺度综合，设计出完全符合运动要求的传动机构与执行机构，并按真实尺寸画出各机构的简图。这些机构的组合系统就是机械运动简图。三、课程设计说明书的内容编写课程设计说明书，是学生对课程设计的总结，内容大致包括： 1)设计题目(包括设计条件和要求)。 2)原动机的选择。 3)传动机构的选择与比较。 4)执行机构的选择与比较。 5)机械系统运动方案的拟定与比较。 6)所选机构的运动动力分析与设计。 7)制订机械系统的运动循环固。 8)画出运动方案布置图及机械运动简图。 9)完成设计所用方法及其原理的简要说明。 10)列出必要的计算公式及所调用的于程序名o 1
8、1)写出自编的主程序，子程序及编程框图。打印出自编的全部程序，对程序中的符号，变量作出说明，并列出数学模型中的符号与程序中符号的对照表。 12)用表格列出计算结果，用计算机或人工画出主要的曲线图。 13)对结果进行分析讨论。 14)列出主要参考资科并编号。 上述内容，实际上已包括了机械运动方案的选择与设汁(机构选型及其组合)；机械的运动分析与设计；机械的动力分析与设计。各个高校可根据本校的具体情况及不同专业的需要，选择合适的课程设计题目，确定课程设计说明书的具体内容，或比较全面，或偏重于某个方面，但要保证课程设计的基本内容及其完整性与综合性。 1)一般应包括三种基本机构，如连杆机构、凸轮机构、
9、齿轮机构的分析与综合。 2)运动循环图的分析与设计。 3)运动方案的选择与比较。编写说明书的注意事项 1)预备好草稿本。每个学生在接到课程设计题目之后要备一草稿本，把你在课程设计过程中查阅、摘录的资料，初步的运算，编程的草稿，设计构思的草图，心得思路，书写的草稿等都记录在案。不要轻易散落、丢失。这些材料是写正式说明书的基本素材。 2)说明书应该用钢笔写在16开报告纸上，要求字迹端正、文句通顺、步骤清楚、叙述简明。通过课程设计说明书的编写，学生应学会整理设计数据，绘制图表和简图，用工程术语表达设计成果的方法，说明书是每个学生治学态度、独立分析能力、归纳总结表达能力的综合反映，每个学生必须下苦功夫
10、斟字酌句写出自己的水平与风格，也为书写其他课程设计、毕业设计和论文打下基础。 3)说明书中所用的公式和数据应说明来源，参考资料应编号和书写页次。 4)说明书中，每一自成单元的内容都应有大小标题，使其醒目突出。 5)说明书中必须附有相应的图纸和计算程序。图纸酌数量要达到规定的要求；图纸的质量，要求作图准确，布图匀称，图面整洁，线条、尺寸标注，符合制图标准的规定；画在方格纸上的曲线图要连接光滑。有条件的高校提倡用计算机绘图。电算程序亦要整理好与说明书订在一起。 6)说明书应加上封面与目录装订成册。说明书格式 所用时间（天）领题目，组队0.5功能分解，形态学矩阵0.5方案确定1运动循环图1方案比较0
11、.5设计说明书撰写1答辩1 设计时间安排 设计题目1.洗瓶机设计 1）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 将瓶推向前进时，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2是洗瓶机有关部件的工作情况示意图。 洗瓶机有关部件的位置示意图 图 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：瓶子尺寸：大端直径d=80mm,，长200mm 推进距离l=600mm。推瓶机构应使推头M以接近均匀的
12、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。按生产率的要求，推程平均速度为v=45mm/s，返回时的平均速度是工作行程3倍。机构传动性能良好，结构紧凑，制造方便。 2）设计方案提示。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，如图3 所示。鉴于上述运动要求，利用常用基本机构不容易实现，可以采用组合机构来实现。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。3)设计任务根据工艺动作顺序和协调要求拟定运动循环图；进行推瓶机构、洗瓶机构的选型，以实现洗瓶动作要求；机械运动方案的评定和选择；根据选定的原动机
13、和执行机构的运动参数拟定机械传动方案；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。2.轧辊机设计 1)工作原理及工艺动作过程。 图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置一对轧辊（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。 2)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的轨迹可以提出如下要求： 在金属变形区末段，应是与轧制中
14、心线平行的直线段，在此直线段内轧辊对轧件尽可能进行平整，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长些。 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。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尽量小些。约取25度左
15、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。为调整制造误差引起的轨迹变化或满足更换轧辊后开口度有稍许变化的要求，所选机构应能便于调节轧辊中心的轨迹。要求在一个轧制周期中，轧辊的轧制时间尽可能长些。3)设计方案提示。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。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
16、和方便，能否按要求布置在机器中，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。4）设计任务。根据工艺动作顺序和协调要求拟定运动循环图；进行工作辊机构、送料辊机构的选型；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；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，进行运动模拟；画出机械运动方案简图。3.剪板机设计1）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，剪刀在一定位置上将铁板剪断。因此剪板机主要包括铁板输送机构和剪断机构。2）原始数
17、据及设计要求。原材料为成卷的板料。每次输送铁板长度为1900mm或2000mm或2200mm（设计时任选一种）。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。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）。3）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：如何夹持和输送铁板，并使停歇时保持铁板的待剪位置；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
18、就比较平稳。大致有几条途径：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；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；利用两种运动的叠加使构件实现间歇运动；其他。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。4）设计任务。根据工艺动作顺序和协调要求拟定运动循环图；进行铁板输送机构和剪断机构的选型；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；对机械传动系统和执行机构进行运
19、动尺寸计算；画出机械运动方案简图。4. 半自动平压模切机设计 1）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5 个），其两端分别固定在前后两根链条上，横块装有若干个夹紧片。主动链轮由间歇机构带动，使双列链条
20、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置上。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置，使夹紧片张开，操作者可将纸板8 送入，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的位置，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块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置时，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
21、输入压切处，如此实现连续循环工作。2）原始数据及设计要求。每小时压制纸板3000张。上模固定，下模向上移动的行程长度，回程的平均速度为工作行程平均速度的1.3 倍。工作行程的最后2mm内受到生产阻力，如图所示。回程时不受力，下模和滑块的质量约120Kg。工作台面离地面的距离约1200mm。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。3）设计方案提示。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。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
22、杆机构和六杆机构，在纸板停顿时进行冲压模切。控制横块上夹紧装置（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置时，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。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。4）设计任务。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；对机械传
23、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，进行运动模拟；画出机械运动方案简图。5. 医用棉签卷棉机设计 1）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：送棉：将条状棉通过机构定时、适量送入；揪棉：将条状棉压（卷）紧并揪棉，使之揪下定长的条棉；送签：将签杆送至导棉槽上方与定长棉条接触；卷棉：签杆自转并引导棉槽移动完成卷棉动作。 2）原始数据及设计要求。棉花：条状脱脂棉，宽25
24、30mm，自然厚45mm;签杆：医院通用签杆，直径约3mm，杆长约70mm，卷棉部分长约2025mm生产率：每分钟卷60支，每支卷取棉块长约2025mm;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。 3）设计方案提示。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。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。揪棉可以采用对滚爪轮在转动中揪 断棉条。送签可采用漏斗口均匀送出签杆，为避免签杆卡在漏斗口
25、，可以将漏斗作一定振动。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。 4)设计任务。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；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；6.专用精压机设计1）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，之后，上模继续下行将成品推出型腔，
26、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。它的主要工艺动作有：将新坯料送至待加工位置；下模固定、上模冲压拉延成形将成品推出膜腔。2）原始数据和设计要求。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所示，具有快速接近工件、等速工作进给和快速返回的特性。 精压成形制品生产率约每分钟70件。 上模移动总行程为280mm，其拉延行程置于总行程的中部，约100mm;行程速比系数坯料输送的最大距离200mm, 上模滑块总质量40Kg，最大生产阻力为5000N，且假定在拉延区内生产阻力均衡； 设最大摆动件的质量为40Kg，绕质
27、心转动惯量为，质心简化到杆长的中点。其他构件的质量及转动惯量均忽略不计； 传动装置的等效转动惯量（以曲柄为等效构件，其转动惯量设为，机器运转许用不均匀系数。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3）方案设计及讨论。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。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。工件送料传输平面标高在1000mm左右。需考虑飞轮设计。4）设计任务。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
28、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；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。7. 步进输送机设计1）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。图为其示意图，工件经过隔断板1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2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置工件向前移动一个步长；当滑架返回时，始点位置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
29、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。2）原始数据及设计要求。 输送工件形状和尺寸如图，所示。工件质量60Kg, 输送步长H=840mm, 允许误差.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; 滑架工作行程平均速度为，要求保证输送速度尽可能均匀，行程速比系数最大摆动件线质量为，质心在杆长中点，绕质心线转动惯量为，其余构件质量与转动惯量忽略不计。发动机到曲柄轴
30、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 。允许速度不均匀系数为 以下。滑架导路水平线与安装平面高度允许在1100mm以下。电动机规格自选。3）设计方案提示。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。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，并据此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。4)设计任务。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；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。8. 平台印刷机设计1)工作原理及工艺动作过程。平台印刷机的工作原理是复印原理，即将铅版上凸出的痕迹借助于油墨压印到纸张上。平台印刷机一般由输纸、着墨（即将油墨均匀涂抹在嵌于版台上的铅版上）、压印、平台印刷机收纸等四部分组成。如图所示，平台印刷机的压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。整部机器中各机构的运动均由同一电动机驱动。运动由电动机经过减速装置分成两
