自动打印机课程设计(DOC)

课程设计
课程名称：机械原理
学院：机械工程学院专业：机械制造姓名：学号：
年级：2010级任课教师：
2013年1月18日
序
机械原理课程设计是机械原理课程的一个重要实践性教学环节，同时，又是机械类专业人才培养计划中的一个相对独立的设计实践，在培养学生的机械综合设计能力及创新意识与能力方面，起着十分重要的作用。

机械产品的设计是对产品的功能、工作原理、系统运动方案、机构的运动与动力设计、机构的结果尺寸、力与能量的传动方式、各个零件的材料和形状尺寸、润滑方法等进行构思、分析和计算，并将其转化为制造依据的工作过程。

其中机械产品的功能、工作原理、系统运动方案、机构的运动与动力设计、机构的结构尺寸、力和能量的传递方式等设计内容是机械原理课程的教学内容。

机械设计的努力目标是：在各种限定的条件下（如材料、加工能力、理论知识和计算手段等），按具体情况权衡轻重、统筹兼顾，设计出具有最优综合技术经济效果的机械，即作出优化设计。

关键词：
机构传动分析
机构结构设计
曲柄滑块
凸轮
课程任务设计书
贵州大学机械工程学院
机械原理课程设计任务书
题号12自动打印机设计
一、工作原理及工艺动作过程
在某商品包装好的纸盒上，为了某种需要而在商品上打印一种记号。

它的主要动作有三个：送料到达打印工位，然后打印记号，最后将产品输出。

二、原始数据和设计要求
（1）纸盒尺寸：长100～150mm、宽70～100mm、高30～50mm。

（2）产品重量：5～10N；
（3）自动打印机的生产率：80次/min；
（4）要求机构的结构简单紧凑、运动灵活可靠、易于制造加工。

三、设计方案提示
（1）实现送料——夹紧功能的机构可以采用凸轮机构或有一定停
歇时间的连杆机构。

当送料、夹紧机构的执行构件将产品推至指定位置，执行构件停止不动，维持推紧力(前有挡块挤压)，待打印机构执行件打完印记后，被推走。

（2）实现打印功能的机构可以采用平面连杆机构或直动(摆动)凸轮机构。

（3）实现输出功能的机构可以采用与送料、夹紧机构相类似的机构。

为简化结构，可考虑固定定位挡块，而将输出运动与送料运动的方向互相垂直。

（4）自动打印机系统采用一个电机驱动主轴控制三个机构的执行构件完成各自的功能运动，如何将三个执行机构的主动件均固定在主轴上而达到设计要求是需要认真考虑的。

四、设计任务
（1）按工艺动作要求拟定运动循环图；
（2）进行送料夹紧机构、打印机构和输出机构的选型；
（3）机械运动方案的评定和选择：(至少两个以上)，进行方案评价，选出较优方案。

（4）按选定的原动机和执行机构的运动参数拟定机械传动方案，分配传动比，并在图纸上画出传动方案图；
（5）对机械传动系统和执行机构进行运动尺寸计算；
（6）绘制系统机械运动方案简图；
（7）对执行机构进行运动分析，画出运动线图；
（8）编写设计计算说明书。

目录
第一节电动机的选择 (7)
第二节功能原理设计 (10)
第三节功能分解及工艺过程分解 (11)
1. 功能分解 (11)
2. 功能原理的工艺过程分解 (12)
第四节根据工艺过程确定执行构件的运动形式 (13)
第五节机构系统运动转换功能图 (13)
第六节根据执行构件的运动形式选择机构 (14)
第七节创建机械系统运动方案 (14)
1.传动装置的选择与比较 (15)
1.1 传动装置的类型及特点 (15)
1.2 确定传动方案及确定原因 (16)
2.机械系统运动方案的拟定与优选 (17)
2.1 备选方案 (17)
2.1.1 送料机构 (17)
2.1.2 定位机构 (20)
2.1.3 打印机构 (23)
2.1.4 输出机构 (26)
2.2 确定最终传动方案及确定原因 (28)
3. 机构系统运动方案转换功能表 (29)
第八节尺寸参数计算并创建机械系统运动方案 (30)
1. 尺寸参数计算 (30)
1.1 打印纸盒 (30)
1.2 传动装置参数 (30)
1.3 送料机构 (31)
1.4 打印机构 (33)
1.5 定位机构（输出机构） (33)
2. 机械系统运动方案 (34)
第九节拟定运动循环图及运动分析 (35)
1. 运动循环表 (35)
2. 运动循环图 (35)
3. 运动分析（送料机构） (36)
附录 (37)
设计总结 (45)
致谢 (46)
参考文献 (47)
第一节电动机的选择
电动机是机械系统中的驱动部分，它为系统提供能量或动力，并将能量转换为系统需要的运动形式——转动，是机械系统中必不可少的，在机械系统方案中必须根据系统的特点、考虑和选择合适的电动机。

对于驱动自动打印机工作的电动机的参数和性能的选择，我们应考虑到以下因素：
①考虑到现场能源的供应情况，有电源的情况下，应尽可能选择电力驱动，因为它的成本低，控制操作方便，机械活动范围广；
②考虑到原动件的机械特性和工作制度与工作机相匹配，电动机根据打印机在工作的频繁程度选取相应的工作制度（FC=15%~60%）；
③打印机对电动机提出启动、过载、运转平稳性、调速和控制等方面的要求，需要保证打印头和加紧机构运转平稳；
④考虑到工作环境的因素，应防爆、防尘、防腐蚀；
⑤电动机应工作可靠、操作简单、维修方便；
⑥为了提高机械系统的经济效益，选择电动机应考虑经济成本，电动机的额定功率必须满足负载需要，但也不能过大。

对电动机来说所选电动机功率过大造成功率因素过低也是不经济的。

常用电动机的结构特性、优缺点及应用范围见表1.1
表1.1
类型名称机构特征优缺点及应用范围
一般异步电动机
Y系列
三相异步
电动机
该系列电动机能
防止水滴，灰尘，
铁屑或其他杂物侵
入电机内部，它是
我国近年来研制成
功的节能型电动机
运行可靠寿命长，使用维护方便，性能优
良，体积小，质量轻，转动惯量小，用料省
等
适用于不含易燃，易爆或腐蚀性气体的场
所和无特殊性能要求的机械上，如：金属切
削机床，水泵，鼓风机，运输机械，矿山机
械，搅拌机，农业机械，食品机械等
YZ,YZR
系列起重
及冶金用
三相异步
电动机
采用封闭式外部
风冷机构
具有较高的机械强度及过载能力，能承受
经常的机械冲击及振动，转动惯量小，过载
能力大，适用于经常快速启动及逆转，电气
及机械制动的场合，还适用于有过负荷，有
显著振动和冲击的设备，如：各种形式的起
重，牵引机械及冶金设备的电力拖动
变速异步电动机
YD系列
变极多速
三相异步
电动机
是取代JD
2
O系列
变级多速三相异步
电动机的更新换代
产品，其机械结构
与Y系列相同
具有双速，三速，四速三种调整范围，转
速可逐级调节，适用于各式万能和专用金属
切削机床，木工机床以及起重传动设备等需
要多级调速传动的装置，还可驱动高频发电
机，借以改变高频电动机的转速
防爆异步电动机YB、JA2
O
系列防爆
异步电机
结构与Y系列相
似，为了满足防暴，
适当加固
具有运行可靠，使用安全，寿命长，维修
方便，性能优良，重量轻，体积小，转动惯
量小和用料省等优点。

适用于具有爆炸危险
性混合物的场所
电磁调速三相异步电动机
YCD电
磁调速三
相异步电
动机
有组合式和整体
式两种结构。

这两
种调速电动机均为
防护式，空气自冷，
卧式安装，且无碳
刷，集电环等滑动
接触部件
具有结构简单，可靠，速度调节均匀平滑，
无失控区，使用维护方便等优点。

对于启动
力矩高，惯性大的负载有缓冲启动的作用，
同时有防止过载等保护作用。

适用于恒转矩
负载的速度调节和张力控制的场合。

更适用
于鼓风机和泵类负载场合。

它广泛用于纺
织，印染，水泥，造纸，印刷，食品，冶金，
橡胶，塑料，制糖，搅拌，鼓风，水泵，纤
维，线缆等工业部门，作动力，传输，自控
用等
直流电动机
Z4系列
直流电动
机
采用多角形结
构，空间利用率高。

定子磁扼为叠片
式，磁极安装有准
确定位，因而换向
良好
具有运行可靠，技术经济指标较高，用料
省，体积小，质量轻，性能好，工艺先进合
理，广泛用于金属切削机床和造纸，水泥，
钢铁，染织等部门
控制电机
BF系列
步进电动
机
步进电动机的机
械角位移与脉冲数
量严格成正比，以
改变脉冲频率实现
调速
BF系列步进电动机具有定位精度高，同
步运行特性好，调速范围宽，能快速启动，
反转和定位等特点，广泛应用于数控机床，
计算机外围设备，各种自动控制装置，自动
调节仪表装置中作执行和驱动元件
SL系列
交流伺服
电机
SL系列交流伺
服电机为鼠笼转子
式两相伺服电动机
其功用是将电信号转变为轴上的机械转
矩。

它具有良好的可控性，启动和制动迅速，
无自转现象，电机运行平稳。

转速随转矩的
增加而均匀下降。

本系列伺服电动机广泛用
于自动控制随动系统和计算机技术装置中
作执行元件
SZ系列
直流伺服
电机
SL系列直流伺
服电机系电磁式直
流伺服电机
它具有机械特性，调节特性线性度好。

调
速范围广，启动转矩大等优点。

广泛用于自
动控制系统中作执行元件，亦可作驱动元件根据各种电动机特点和应用范围，以及设计的自动打印机的结构
特点，工作环境等各方面的综合因素，我们选择的电动机及其参数如下表1.2
表1.2
型号
功率
/kw 电流/A
转速
/(r/min)
满载
效率/%
功率因数
/(cos/)
Y2-132S-6 3 7.4 960 81.0 0.76 堵转电流/实际电流堵转转矩/额定转矩最大转矩/额定转矩6．5 2.1 2.1
第二节功能原理设计
自动打印机的工作原理图如图2.1所示：
图2.1
此系统有送料机构1、定位机构、打印机构3-4-5-6、纸盒输出机构和减速传动机构等组成，由电动机驱动主轴上的几个执行机构，完成送料、定位、打印和送出的任务。

电动机输出的转速经过减速机构将轴的转速减到主轴上执行机构需要的转速，再将轴的旋转运动通过不同的机构转换成各个执行构件所需的运动。

如：通过曲柄滑块机构将转轴的旋转运动转换成曲柄滑块中滑块的往复移动，从而达到送料的功能；通过直动滚子推杆盘形凸轮机构将转轴的旋转运动转换成推杆的间歇往复移动，从而实现定位和送出两个功能；通过凸轮机构将转轴的旋转运动转换成推杆的间歇往复移动，从而实现打印功能；自动打印机的打印功能就是通过这些机构完成的。

第三节 功能分解及工艺过程分解
1.功能分解：
为了实现在纸盒上自动打印记号的总功能，可将总功能分解为如下功能：
① 纸盒送到打印机的工位的功能；
② 纸盒在打印工位定位功能；
③ 纸盒的打印功能；
④ 纸盒打印后输出功能；
其功能逻辑图如3.1所示：
图3.1 纸
盒
上
自
动
打
印
记
号
总
功
能 纸盒在打印工位定位功能 纸盒的打印功能 纸盒打印后输出功能 送料功能 定位功能 打印功能 输出功能
纸盒送到打印机的工位的功能
2.功能原理的工艺过程分解：
①纸盒送到打印机的工位的功能：用偏置曲柄滑块中滑块的往
复移动，来实现送料的功能。

如图3.2所示。

图3.2
②纸盒在打印工位定位功能：直动滚子推杆盘形凸轮机构的推
杆的间歇往复移动，来实现定位功能。

③纸盒的打印功能：通过凸轮机构的推杆的间歇往复移动，从
而实现打印功能。

④纸盒打印后输出功能：直动滚子推杆盘形凸轮机构的推杆的
间歇往复移动，从而实现送出功能。

图3.3能实现定位、打印和输出功能。

图3.3
第四节根据工艺过程确定执行构件的运动形式
1.由送料机构的工作原理和结构可知，它的执行构件是滑块，其执行构件做水平的往复移动。

2.定位机构由凸轮和推杆组成，执行构件是推杆，此执行构件做的是连续的垂直方向的间歇往复移动。

3.打印机构是由凸轮和推杆组成，其执行构件是推杆，此执行构件的动作是连续的在铅直方向的间歇往复移动。

4.输出机构也即定位机构，由凸轮和推杆组成，执行构件是推杆，此执行构件做的是连续的垂直方向的间歇往复移动。

第五节机构系统运动转换功能图
根据执行构件的运动形式，绘制机械系统运动转换功能图如图5.1所示：
减速3 减速4
送料杆的往复移动
电动机
运动
分支 打印头间歇往复移动
减速1 减速2
运动分支 定位板间歇往复移动 输出板间歇往复移动
图5.1
第六节 根据执行构件的运动形式选择机构
1.送料机构
执行构件运动形式：送料推杆的水平的往复移动。

可选择机构：可选用凸轮机构，连杆机构，组合机构（如凸轮+连杆机构）等。

2.定位机构
执行构件运动形式：定位推杆的垂直方向的间歇往复移动。

可选择机构：可选用凸轮机构，连杆机构，组合机构（如凸轮+连杆机构）等。

3.打印机构
执行构件运动形式：打印头的铅直方向的间歇往复移动。

可选择机构：可选用凸轮机构，连杆机构，组合机构（如凸轮+连杆机构）等。

4.输出机构
执行构件运动形式：输出机构也即定位机构，输出控制杆也即输出控制杆，作垂直方向的间歇往复移动。

可选择机构：可选用凸轮机构，连杆机构，组合机构（如凸轮+连杆机构）等。

第七节创建机械系统运动方案
1.传动装置的选择与比较
机械系统中的传动装置是指把原动机输出的机械能传递给执行构件并兼实现能力量的分配、转速的改变和运动形式的改成等作用的中间装置。

1.1 传动装置的类型及特点
常见的机械传动装置有带传动、齿轮传动、链传动，其特点和性能如表7.1所示：
表7.1
类别带传动齿轮传动链传动
特点轴间距范围大，工作平
稳，噪声小，能缓和冲击，
吸收震动；摩擦性带传动
有过载保护作用；结构简
单，成本低，安装要求不
高；外廓尺寸较大；摩擦
型带有滑动，不能用于分
度链，由于带的摩擦起点，
不已用于易燃易爆的地
方；轴和轴承上的作用力
大，带的寿命比较短
承载能力和速度范围
大；传动比恒定，采用行
星传动可获得很大的传
动比，外廓尺寸小，工作
可靠，效率高
制造和安装精度要求高，
精度低时，运转有噪音；
无过载保护作用
轴间距范围大；传动比恒
定，链条组成件间形成的油
膜能吸震，对恶劣环境有一
定的适应能力，工作可靠；
作用在轴上的载荷小；运转
的瞬时速度不平均，高速时
不如带传动平稳（齿形键较
好）；链条工作时，特别是
因磨损产生伸长以后，容易
引起共振，因而需增设张紧
和减震装置
效率
平带0.94-0.98
V带0.90-0.94
同步带0.96-0.98
与速度和制造精度有关
圆柱齿轮
直齿 0.95-0.98
斜齿和螺旋齿
0.96-0.99
圆锥齿轮
直齿 0.95-0.98
曲线齿 0.96-0.98
滚子链
v<=10m/s 0.95-0.97
v>10m/s 0.92_0.96
单级传动比i
受小带轮的包角和外廓
尺寸的限制
平带 <=4~5
V带 <=7~10
同步带 <=10
受结构尺寸的限制
一般 <=10
受小链轮包角的限制
通常，<=8
工作条件良好可达10
寿命带轮直径大，带的寿命长取决于轮齿材料的接触
和弯曲强度以及抗胶合
与抗磨损能力与制造质量有关5000~15000h
2.2 确定传动方案及确定原因
最终选择传动装置：带传动、齿轮传动，其中减速1为带传动，其余减速机构为齿轮传动。

原因：
（1）链传动运转的瞬时速度不平均，高速时不如带传动平稳（齿形键较好）；链条工作时，特别是因磨损产生伸长以后，容易引起共振，因而需增设张紧和减震装置。

故不用此传动。

（2）送料——定位——打印——输出，各原动件存在一定的距离，用齿轮带传动，可以保证传递运动的精确性，而且可以满足各原动件之间的定位要求。

（3）选择齿轮作为减速元件，理由是传动准确、平稳，承载能力和速度范围大，传动比恒定，外廓尺寸小，工作可靠，传动效率高。

（4）选择带传动作为减速装置，是因为其轴间距范围大，工作平稳，噪声小，能缓和冲击，吸收震动，结构简单，成本低，安装要求不高；摩擦性带传动又有过载保护作用。

但其外廓尺寸较大，故可用于初级减速。

（5）因为电机转速是960r/min，生产率是80个/ min，所以传动比是12：1。

带传动（减速1）传动比为3，减速2传动比为4，减速3传动比为4，减速4传动比为3。

3.机械系统运动方案的拟定与优选
3.1 备选方案
3.1.1送料机构
送料备选方案一：（图7.1）
图7.1
机构特点：此方案采用凸轮机构+摇杆滑块机构，当凸轮的旋转时，推杆将绕支架摆动，从而带动滑块在来回运摆动。

通过将凸轮的旋转运动转换成滑块的有急回运动的间歇往复运动来实现间歇送料的目的。

优点：凸轮的使用容易实现预期的运动规律，滑块急回运动不明显，对纸盒的冲击小。

缺点：凸轮的旋转运动导致摇杆的摆动角度较小，滑块行程较短，对纸盒的撞击速度不大，极易导致不能使纸盒送到预订的打印工位，工作效率低。

送料备选方案二：（图7.2）
图7.2
机构特点：此方案采取的是凸轮机构，通过凸轮的旋转运动转化为滚子推杆的往复直线运动，从而达到间歇送料的目的。

优点：凸轮的使用容易实现预期的运动规律，凸轮有一定的间歇，可以实现间歇送料。

机构也较为简单，便与制造，成本较低。

缺点：打印时占用空间较大，也需弹簧拉伸作用使滚子推杆紧贴凸轮运动。

凸轮的行程不大时，送料时推动工件距离较短；形成较大时，凸轮尺寸较大，占用空间较多。

尺寸计算时有一定困难。

送料机构所需的空间较大，造成经济上的浪费。

送料备选方案三：（图7.3）
图7.3
机构特点：此方案采用曲柄滑块机构，当曲柄等速转动时，从动件变速往复摆动，该机构可在曲柄长度一定的情况下，使执行构件
滑块获得较大的行程。

通过将轴的旋转运动转换成滑块的有急回特性的往复移动，可实现间歇送料的功能。

优点：均为低副，其运动副元素为面接触，压力较小，承载能力较大，润滑好，磨损小，加工制造容易，且连杆机构中的低副一般是几何封闭，对保证工作的可靠有利。

此机构中滑块在两个极限位置时其瞬时速度为零，避免了当把纸盒送到工位出产生机械上的冲击，从而避免了对纸盒的损害。

此机构被设置成偏置的，能实现快进慢回或慢进快回的运动特性。

此设计中我们选择快进慢回的运动特性。

缺点：机构的类型数据需精确，不然会对纸盒产生冲击。

3.1.2定位机构
定位备选方案一：（图7.4）
图7.4
机构特点：此方案通过上置的凸轮机构，推动滚子导杆，控制定位杆的伸出或缩进，从而控制物块运动或静止。

优点：凸轮机构可以实现各种复杂的运动要求，而且结构简单、紧凑。

易于控制，导杆的长度可以自由设定，凸轮的行程不致太大，便于加工制造。

还可以控制输出，作为输出机构。

缺点：需要弹簧的拉伸才能保证推杆紧贴凸轮运动，有一定的能量损失。

定位备选方案二：（图7.5）
图7.5
机构特点：此方案采用曲柄滑块机构，通过偏心1将转轴的旋转运动转换成杆件的往复移动，从而达到定位的目的。

优点：均为低副，其运动副元素为面接触，压力较小，承载能力较大，润滑好，磨损小，加工制造容易，且连杆机构中的低副一般是几何封闭，对保证工作的可靠有利。

缺点：定位是一直运动的，不能产生间歇，执行打印工作时，挡板的运动与纸盒之间产生摩擦，使纸盒打印出现偏差。

连杆机构的运动必须经过中间构件进行传递，因而传动路线较长，易产生较大的误差积累，同时也使效率降低。

定位备选方案三：（图7.6）
图7.6
机构特点：此方案采用凸轮+连杆机构，通过将凸轮的旋转运动转换成定位杆的垂直方向的往复运动，从而实现对工件进行定位的目的。

优点：机构简单，便于制造，节约成本。

由于凸轮的近休和远休位置，可以在定位时停留一段时间，保证了打印的精度，避免了打印时物块移动导致的打印不清晰或打印不明显的现象。

缺点：这样的凸轮制造难度较大，而且易磨损，容易损坏凸轮，需经常更换，也就增加了成本。

凸轮的行程较大时，才能保证打印头远离工件一定的距离。

3.1.3打印机构
打印备选方案一：（图7.7）
图7.7
机构特点：采用曲柄滑块机构，将轴的旋转运动转换成了滑块的往复运动，滑块的往复运动即可实现打印工作。

优点：机构简单，便于制造，成本较少。

结构紧凑，打印位置相对精确。

缺点：结构占用空间较大，滑块在导轨中运动，打印时需脱离导轨，同时又不可偏离导轨过多，以防发生脱离导轨运动，导致工作错误，这就要求具有较好的计算数据。

滑块在导轨中有摩擦力的作用，会损失一部分的能量。

此方案进行打印相对困难，需要综合的实验。

打印备选方案二：（图7.8）
图7.8
机构特点：此机构由推杆滚子凸轮、弹簧和连杆等构成。

在此机构中，通过凸轮+连杆机构将转轴的旋转运动转换成连杆的往复摆动，从而实现打印功能。

优点：机构传动路线较短，打印时可以产生一定的间歇，打印更清晰准确；通过主轴即可带动打印，改变凸轮廓线即可改变打印时间，易于控制；加工简单。

缺点：打印时占用空间较大，也需弹簧拉伸作用使滚子推杆紧贴凸轮运动。

凸轮的行程不大时，打印时距离工件较小，形成较大时，凸轮尺寸较大，占用空间较多。

打印头下部需装有重物，使打印头垂直打印，否则打印时会出现摩擦痕迹。

尺寸计算时有一定困难。

打印备选方案三：（图7.9）
图7.9
机构特点：此方案采用凸轮连杆机构，将凸轮的旋转运动转换成打印杆的垂直方向的往复运动，从而实现对机构进行打印的目的。

优点：机构简单，便于制造，节约成本。

由于凸轮的近休和远休位置，可以在打印时停留一段时间，保证了打印的清晰度，避免了打印时一闪而过的打印不清晰或打印不明显的现象。

这样的凸轮制造难度过不大，且不易磨损，也就不需要高强度的合金，节约了成本。

凸轮的行程不用很大，就能保证打印头远离工件一定的距离。

缺点：需要弹簧的拉伸才能保证推杆紧贴凸轮运动，有一定的能量损失。

3.1.4输出机构
输出备选方案一：
见定位机构方案一：第20页图7.4。

输出备选方案二：（图7.10）
图7.10
机构特点：此方案的输出采用传送带和棘轮机构，利用传送带的传送作用，将物块自动打印后送出。

优点：机构连续性强，传送稳定。

缺点：由于包装盒是由人工摆放的，对摆放位置的要求较高，而且由于是人工摆放，包装盒的位置浮动较大。

印章的位置的浮动性也较大，打印时不能存在一定的间歇，易出现打印拉痕。

另外槽轮不是很好加工，切运行时有一定的刚性冲击。

输出备选方案三：（图7.11）。