课程设计之电阻压帽机

第一章电阻压帽自动机的总体规划
1.1电阻压帽自动机的设计要求 (3)
1.2电阻压帽自动机的动作分解 (3)
1.3执行机构选型 (4)
1.4机器组装方案选择 (7)
第二章制定运动循环图
2.1绘制各个执行机构的运动循环图 (9)
2.2各个执行机构运动循环图的同步化设计 (13)
2.3绘制电阻压帽自动机的工作循环图 (15)
第三章各个执行构件的设计
3.1送料机构凸轮的设计 (17)
3.2压帽执行机构的设计 (18)
第四章原动机与传动系统的选择
4.1原动机的选择 (19)
4.2机械系统的设计 (19)
参考文献 (20)
机器总体装配图
送料手压帽机构
各主要机构分解图
其中：2——动力分配轴3——送料机构
4——夹紧机构 5.6——压帽机构
第一章
电阻压帽自动机的总体规划
1.1 电阻压帽自动机的设计要求和原始数据
1）上图所示常用电阻3是由电阻坯1和左，右两个电阻帽2压合而成。

本机要求电阻坯自料斗下来后能自动夹紧定位，并将电阻帽料斗下来的两个电阻帽分左
右自动压上。

生产按固定周期连续进行。

2）原始数据：生产能力为30个/分钟
电阻胚的直径d=4mm
长度l=8mm
1.2工艺动作分解：
为了使执行构件的动作尽量简单，现在将工艺动作分解为：
1）送坯料；
2）夹紧；
3）压帽（左，右同时进行）。

具体的动作及相互间协调，说明如下：按工艺分解，执行构件都可以采用直线往复运动。

对各个执行机构的具体要求是：
1）送电阻坯料送料机构3将电阻坯料从料斗中取出，送至压帽工位，并停歇一段时间间隔，它要实现工作行程——停歇——回程——停歇。

2）坯料夹紧定位夹紧机构4把电阻坯料1夹紧定位（送料机构3退回原位），并停歇一段时间，然后返回初始位置。

它要实现工作行程——停歇——回程。

3）压帽松帽压帽机构5和6将电阻帽2快速送到加工位置，然后慢速压到电阻坯料上；操作完毕后，压帽机构复原，夹紧机构4退回，加工好的产品自由落入受料箱内。

它要求实现快速送料——慢速压帽——回程——停歇。

1.3 执行构件选型：
1.3.1对几种实现机构的分析：
动力右电动机输出，然后传送到执行机构，由于输出的是回转运动，而电阻鸭帽自动机所需要的是直线往复运动。

为了实现这种转换，我设计了下面几种机构。

1）单一基本机构：
单一基本机构可以采用曲柄滑块机构，盘型凸轮移动滚子从动件机构，齿轮齿条机构。

我最初设计的几种机构的示意图如下：
（1）曲柄滑块机构。

（2）盘型凸轮移动滚子从动件机构。

（3）齿轮齿条机构。

三种方案优缺点分析：
（1）曲柄滑块机构的优点：实现直线运动比较容易，通过改变不同长度对的构件搭配就可以控制滑块的行程与速度；运动副单位面积所受力比较小，而且接触便于润滑，故摩擦小；制造方便，容易获得较高的精度；两个构件之间的接触靠构件本身的集合封闭来维系。

缺点：一般情况下只能近似实现给定的运动规律或运动轨迹，而且设计比较复杂；当给定的运动要求比较多或比较复杂时，需要的构件数和运动副数往往比较多，这样就使得机构的结构复杂，工作效率低，不仅发生自锁的可能性增加，而且机构运动规律对制造和安装误差的敏感性增加；机构中做平面复杂运动和往复运动的构件所产生的惯性力难以平衡，容易引起较大的振动和动载荷。

（2）盘型凸轮移动滚子从动件机构的优点：通过计算出移动滚子的位移S和转角R 的关系S(R)，由S(R)计算出凸轮的轮廓线，然后就能制造出相应形状的凸轮。

就可以实现执行机构的动力学要求，而且结构简单，紧凑，设计方便。

缺点：凸轮与从动件之间为线接触或点接触，容易磨损，只适宜用于传动力不大的场合；
凸轮轮廓加工比较困难；从动件的行程不宜过大，否则会使凸轮变得笨重。

（3）齿轮齿条的优点：传动效率高，结构紧凑，工作可靠，传动比平稳，速度均匀。

缺点：制造及安装精度要求高，价格比较贵，而且不宜用于传动距离较大的场合。

创新设计方案：
（1）不完全齿轮机构：
在不完全齿轮机构中，主动轮1连续运动，当轮齿进入啮合时，齿条2开始转动沿V2的方向运动，通过设计齿数，可以实现在轮1上的齿轮与齿条2退出啮合后，马上与齿轮3啮合，这样齿轮3开始运转，而由于齿轮3的轮齿又与齿条2啮合在一起的，那么齿轮3就带动齿条2沿V1方向运动。

当轮1上的齿条与齿条3退出啮合后，齿轮1的另一端又与齿条2啮合，又一次向V1方向运动，这样周而复始的运动下去，通过齿条2输出直线往复
运动。

在本设计中，通过改变各个齿轮的齿数，就可以实现不同的传动比，使得进程速度缓慢均匀，回程速度快，基本可满足要求。

不完全齿轮机构的优点：设计灵活，从动轮的运动角范围大，容易实现一个周期内的多次动，停时间不等的间歇运动。

缺点：加工复杂，在进入和退出啮合时速度有突变，引起刚性冲击，不宜用于高转速传动；主，从动轮不能互换。

（2）八杆机构：
如上图所示;1为主动杆，杆3和杆5长度相等，杆1，2，3组成曲柄摇杆机构，在运动过程中，摇杆3和5运动完全相同，通过杆4上的铰链，杆6带动滑块7实现往复运动。

本方案中由于杆3和5长度相等，所以能保证滑块在运动过程中，运行平稳，而且该机构中摇杆具有急回特性，通过杆件连接，滑块也具有了急回特性，可以满足要求。

八杆机构的优点：这个机构传动平稳，推程速度缓慢，回程速度快，具有急回特性。

缺点：使用杆件较多，结构不够紧凑，占据空间比较大，另外在压力角上也有些问题。

组合机构：
组合机构是用一种或一种以上的机构来约束或影响另一种单自由度或多自由度机构的闭式机构，或者是几种基本机构互相协调组成的机构系统。

组合机构可以是同类型组合也可以是不同类型组合。

通常，由不同类型的基本机构所组成的组合机构比较多，因为他更有利于充分发挥各个基本机构的特长和克服各个基本机构的局限性。

组合机构可以分为以下几种类型：串联式、并联式、复合式、反馈式、叠联式等。

下面是我设计的能实现直线往复运动的凸轮加曲柄滑块机构。

（c）
机构分析：凸轮—连杆机构在实现轨迹和刚体导引方面具有无与伦比的优越性。

简单的凸轮机构（基本机构）已经可以实现任意给定规律的往复运动。

但是在从动件作往复移动时，考虑到机构的压力角，冲程大的机构尺寸会很大。

作往复摆动时，受压力角的限制，其摆角又不能太大。

在封闭式凸轮—连杆机构中，基本机理是采用凸轮使连杆机构成为曲柄或两岸长度可变的组合机构如上图所示。

借助它们长度的变化，满足任意给定的运动规律。

由此可知，将凸轮机构和连杆机构适当的进行组合而形成的凸轮-连杆机构，克服了单一机构各自的局限性，即克服了单一连杆机构难以实现精确的运动规律，发挥了两种基本机构的特长，实现了复杂的运动规律。

通过对上述几种可能的方案进行综合分析比较，再加上电阻压帽自动机要求执行机构须具有间歇功能，所以最后决定用凸轮机构和凸轮—连杆这两种机构就可以满足要求。

1.4整个机器的组装方案选择：
根据实际生产情况和节约能源的方面考虑，本机器应用一个电机带输出一根主轴将运动分配到各个执行机构进行加工产品，但是从前面的执行机构选择情况可以知道，送料机构与加紧机构和另外的两个压帽机构的凸轮的中心轴互相垂直，不在一条直线上。

因此设计了选择下面几种方案进行解决。

（1）锥齿轮
（2）双万向联轴节
图中只要1∠和2∠都取45°就能满足要求，将运动在相互垂直的两根轴之间传递。

（3）涡轮蜗杆机构； （4）端面凸轮；
下面对上面几种方案进行综合分析;
● 圆锥齿轮在两根垂直轴之间传递运动的情况是很普遍的，因为齿轮传动比
较精确，传动平稳，而且噪音比较小；
● 双万向联轴节理论上可以传递任意角度的两轴之间的运动，但是实际应用
中很少传递两垂直轴之间的运动，因为万向联轴节传动不太精确，它传递的两轴的速度具有波动性；
● 涡轮蜗杆传动比大，零件数目少，结构简单紧凑。

冲击载荷小，传动平稳，
噪音小而且可以具有自锁功能。

但是在啮合处有滑动，速度很大时会引起很大的发热量，因此效率低下；
● 端面凸轮也可以满足要求，但是断面凸轮的制造困难，精度低。

所以综合以上多种运动转向方案的分析，最后决定用圆锥齿轮转向机构来进行设
计。

第二章 运动循环图的制定
2.1 绘制各个执行机构的运动循环图：
（1）第一步 确定各个执行机构的运动循环周期
t
k。

按要求电阻压帽自动机的生产能率
Q
T
=40件每分钟。

因为凸轮分配轴每转一圈加工一个产品，所以分配轴的转速为：
n=30r ／min
分配轴每转一周的时间就是电阻压帽自动机的工作循环t
p
，也等于各个机构的运动
循环
t
k
，所以，
t
p
=t
k
=n 1 （min ）=30
1
（min ）=2（s ）
（2）第二步确定各个执行机构运动循环的组成区段。

送料机构3运动循环的组成区段：
t p3——送料机构的送料运动；
t p30——送料机构的工作位置停留；
t d3——送料机构的返回运动；
t d30——送料机构的返回停留（初始位置停留）。

因此，送料机构3的运动循环t k3为
t k3=t k= t p3+t p30 +t d3 +t d30
相应的分配轴转角为
Φ3k=Φ3p+Φ30p+Φ3d+Φ30d=3600夹紧机构4运动循环的组成区段；
t p4——夹紧机构的工作运动；
t t p40——夹紧机构的工作位置停留；
t d4——夹紧机构的返回运动；
t d40——夹紧机构的返回后停留（初始位置停留）。

因此，夹紧机构4的运动循环t k4为
t k4=t k=t p4+t p40+t d4+t d40
相应的分配轴转角为
Φ4k=Φ4p+Φ40p+Φ4d+Φ40d=3600压帽机构5和6运动循环的组成区间：
t p5——压帽机构的快速送帽运动；
t p50——压帽机构的慢速压帽运动；
t d5——压帽机构的返回运动；
t d50——压帽机构的返回停留（初始位置停留）。

因此，压帽机构5和6的运动循环t k5为
t k 5
=t k
=t p 5
+t
p 5
0+
t d 5
+t
d 5
相应的分配轴转角为
Φ5
t =Φ5
p +Φ
5
0p +Φ5
d +Φ
5
0d =3600
（3）第三步 确定各个执行机构运动循环内各个区段的时间及分配轴转角。

把送料机构3作为主要机构，以其工作起点为基准进行同步优化设计。

送料机构3运动循环各个区段的时间及分配轴转角。

根据工艺要求，并参考业内各种自动上下料机构的工作原理可以取
t
p 3
0=3
1
，则相应的分配轴转角为 Φ
3
0p =3600
*
t
t k
p 3=
3600
*2*31=600
根据运动规律初步定
t
p 3
=2
1
（s ） ，t d 3=21（s ） ，则t d 30=32（s ）
相应的分配轴的转角为
Φ3
k =3600
*
t
t k
p 3=
3600*2*21=900
Φ3
d =3600
*t
t k
d 3=
3600*2*21=900
Φ
3
0d =3600
*
t
t k
d 30=
3600*2*32=1200
夹紧机构4运动循环内各个区段的时间及分配轴转角。

根据工艺要求并参照有关机构的工作情况，取夹紧机构的工作停留时间为
t
p 4
0=12
11
（s ），相应的分配轴转角为 Φ4
0p =3600
*t
t k
p 40=
360
*2*1211=165
根据运动规律初步定
t
p 4
=125（s ） ，t d 4=12
5（s ） ，则t d 40=41
（s ）
相应分配轴转角为
Φ4
p =3600
*
t t k
p 4=
3600
*2*125=750
Φ4
d =3600
*
t
t k
d 4=
3600*2*125=750
Φ
4
0d =3600
*
t
t k
d 40=
3600*2*41=450
压帽机构5和6运动循环内各个区段的时间及分配轴角度。

根据工艺要求，可以取压帽
机的慢速压帽时间为
t
p 5
0=26
23
（s ），则相应的分配轴转角为
Φ
5
0p =3600
*
t
t k
p 50=
3600*2*2623=1150
根据运动规律初步定
t
p 5
=12
5（s ） ，t d 5=21（s ） ，则t d 50=94
（s ）
相应的分配轴转角为
Φ5
p =3600
*
t t k
p 5=
3600
*2*125=750
Φ5
d =3600
*t
t k
d 5=
3600*2*21=900
Φ
5
0d =3600
*
t
t k
d 50=
3600*2*94=800
第四步 绘制各个机构的运动循环图。

根据上面的计算结果，分别绘制三个机构
的运动循环图，如图2.1所示。

图2.1（a ）
图2.1（b）
图2.1（c）
2.2各个执行机构运动循环的同步化设计。

第一步确定电阻压帽自动机最短的工作循环t p min。

根据工艺要求，三个执行机构的运动可在时间上重合，当送料机构3将电阻坯料送到加工位置（A3点）后，夹紧机构4就可以将坯料夹紧（A4点），压帽机构5和6就可以开始对电阻坯料进行慢速压帽操作（A5点）。

三个执行机构的运动循环在时间上的联系点由循环图上的A3、A4、A5三点决定。

使这三个执行机构的循环图上A3、A4、A5三点重合，是三个执行机构运动在时间上联系的极限情况，这样就可以得到电阻压帽自动机最短的工作循环时间t p min。

其最短的工作
循环时间如图2.2（a ）所示。

图2.2（a ）
由图可知：
t
p min
=
t p 4
+t
p 4
0+
t
d 4
+（
t p 3
-t
p 4
）
=
125+1211+125+(21-125) =6
11
(s)
但是，由于前面介绍过的各种实际误差因素的存在，不应该让
A 3
、A 4
、A 5
三
点重合，而必须让机构4的A 4
点滞后于机构3的A 3
点一段时间，机构5的A 5
点滞后于
机构4的
A 4
点一段时间。

它们的滞后量分别用t
3
∆和t
4
∆
来表示，它们的量值的大小根据
电阻压帽自动机的工作情况而定。

考虑料运动循环滞后量之后的同步化运动循环图如图2.2
（b ）所示。

图2.2（b ） 考虑滞后量后的同步循环图
第二步 计算通过同步优化设计之后电阻压帽自动机的工作循环时间t
p。

由图 2.2
（a ）和图2.2（b ）可知： t p
=t
p min
+t
3
∆
如果取t
3
∆
=61（s ），t 4∆=15
2（s ），则相应的分配轴转角的滞后量为 Φ∆
3=360
*
t
t p
3
∆=
360
*
2
*61=300
Φ∆
4
=360
*
t
t p
4
∆=
360
*
2
*152=240
电阻压帽自动机经过同步优化设计后的工作循环时间为
t p
=t
p min
+t
3
∆=611+6
1
=2(s) 此值正好与按照理论生产率
Q
T
=30件每分钟所计算出来的理论工作循环时间吻合。

2.3 绘制电阻自动压帽机的工作循环图
根据以上各个机构的运动循环图和同步优化后的循环图，就可以绘制电阻压帽自动机的工作循环图，如图2.3所示。

图2.3 电阻压帽自动机工作循环图
第三章
各个执行构件的设计
3.1 盘型凸轮移动滚子从动件机构的设计。

以滚子中心为参考点，把该点当作尖底从动件的尖底，运用反转法绘制凸轮。

图3.1（a）
（1）以r0为半径作基圆，导路线与基圆的交点B1(C1)便是从动件尖底的初始位置。

（2）将位移曲线图（送料机构的循环图）的推程运动角和回程运动角分别作若干等分（见图3.1a）。

（3）从O C1开始，沿 的反方向取推程运动角（900）、远休止角（600）、回程运动角（900）、近休止角（1200），在基圆上取得C4、C5、C6诸
点。

将推程运动角和回程运动角分成与图3.1（a）对应的等分，得C1、C2、C3和C7、C8、C9诸点。

……作一系列射线，它们便是反转后从（4）过基圆的圆心和C1、C2、C3
动件导路的一系列位置。

（5）沿以上各条射线自基圆开始位置量取从动件相应的位移量，即取线段
C1B1=11'、C2B2=22'、……得到反转后尖底的一系列位置B1、
B2、……。

（6）将B1、B2、B3、……连成光滑的曲线（B4、B5、B6之间以及B9和B1之间均为以O为圆心的圆弧），便得到尖底凸轮的轮廓线。

（7）以见底凸轮的轮廓线上各点为圆心画一系列滚子，最后作这些滚子的内包络线即为所求盘型凸轮移动滚子从动件的轮廓线。

如图3.1（b）所示。

图3.1（b）送料机构凸轮的轮廓线（滚子没画出）
3.2用3.1中相似的方法可以作出夹紧机构的凸轮和压帽机构的凸轮
轮廓线。

第四章
原动机和传动系统的选择
4.1原动机的选择
目前机械设备中应用的动力源主要有电、液、气装置，因此原动机由电动机、液压马达、气动马达以及直线汽缸、汽缸等。

其中电机的应用最为广泛。

主要有异步电机、伺服电机及步进电机等。

电机的选择要考虑一下因素：
（1）工作机械的负载特性、启动和制动的频繁程度；
（2）原动机本身的工作特性是否与工作机械的调速范围相适应工作的平稳性等；
（3）能源供应、防止噪声和环境保护等。

根据以上原动机的选择原则，并考虑电阻压帽自动机所要加工的对象的特征（l=8mm、d=4mm）所以需要的电机的输出功率也就比较小，参照工艺要求和业内各种自动机的电机及传动装置的使用情况来看，可以使用输出功率为1KW 的电机就可以满足要求，而且经济划算。

4.2传动系统的选择
机械设备是要由一些机构的共同协调来完成其工艺过程。

机构按完成的功能，可以分为执行机构和传动机构两大类。

执行机构是根据工作头的功能去实现轨迹、运动和力的变换和传递。

一般情况下，执行机构与动力源有着不同的运动形式，不同的速度和不同的动力要求，而运动和动力通常要由高速的原动机提供，因此，要满足执行机构的要求，必须进行运动形式的转换和变速，这就要由相应的传动机构来完成。

传动机构联系起来，就组成了传动链，传动链可以是一条也可以是若干条，汇总起来就构成了设备的传动系统。

（1）机械传动系统
它包括定传动比机构、变速机构、运动转换机构和操纵控制机构等几部分组成按传递能量流动路线的不同，传动系统可以分为：
单流传动单流传动是指动力输出能量依次经过每一个传动件的传动形式。

传动级数越多，传动效率越低。

因此多用于小功率、传动链短的机器。

单流传动框如图4.1（a）所示。

分流传动分流传动是指动力输出的能量分成多个分支传到执行机构的传动形式，分流传动框如图4.1（b）所示。

显示分流传动有利于灵活安排传动路线、提高传动效率、减小传动件的结构尺寸，一般适合于传动件较多的机器。

汇流传动所谓汇流传动就是动力源经过几条线路汇交于执行机构，如图4.1（c）所示。

这种能量流动路线的特点是将低速、重载、大功率的动力源配备为多台小型动力机，以减少传动机构，提高传动效率。

使执行构件有效地完成所需的复合运动形式及速度变化节拍，然而为了保证各动力机均载与同步，要在机构系统中设有浮动或柔性构件。

混流传动就是传动系统中既有分流传动又有汇流传动，是前三种形式的综合传动形式。

上面原动机选择为电机，所以可以选择应用分流传动机械系统。

用一根传动轴将电机的输出运动传动到各个执行构件的凸轮机构就可以满足功能要求，而且可以做到节约成本。