—單邊滾軸自動送料機構設計與分析
王賢民編
南京工程學院機械設計教研室
2023年12月
一、課程設計的目的和任務
機械設計課程設計是本課程教學的乙個重要的實踐性環節。
(一).課程設計的目的
1.進一步鞏固和加深學生所學課程的理論知識
2.培養學生運用所學理論知識解決與本課程有關的實際問題的能力,使學生對於機械運動學、動力學的分析和設計有乙個較完整和系統的概念。
3.使學生掌握機械運動分析、動力分析和設計的**方法,進一步提高學生的計算、製圖和使用技術資料的能力。
(二).課程設計的任務
1.按照機械的幾何、軌跡、運動和動力等效能要求,進行低付機構的尺寸綜合
2.對指定的機械進行運動分析。
3.繪製機構運動迴圈圖。
4.根據完成的原理圖設計裝配圖，繪製2~3個典型零件圖。
要求學生在三周內完成教師指定的設計任務,作圖正確,編寫好計算說明書。
二、課程設計題目介紹
設計題目:單邊輥軸送料裝置分析與設計
機構簡圖如圖一所示,設計內容有:
1.機構的方案設計
2.確定機構的幾何尺寸
3.機構的運動分析和動力分析
4.機構運動迴圈圖
5.飛輪設計
題目的原始資料見表1,其中:
sn --- 為板料送進距離
n --- 為壓機頻次
b --- 為板料厚度
h ---- 為沖壓滑塊行程
為許用壓力角
fb --- 為板料送進阻力
fr --- 為沖壓板料時的阻力
δ --- 為速度不均勻係數
e=0 取r1=rb
板料底面至沖床工作檯面距離為b1=20~50mm 圖1.單邊輥軸送料裝置原理圖
表1 單邊輥軸自動送料裝置題目的原始資料
g7=1500n，jo2=0.8kgm2，jo3=0.4kgm2，jo4=0.3kgm2
三、單邊輥軸送料裝置機構分析和設計的具體內容及實施步驟
(一).方案設計及設計工作量
1.方案設計及設計要求
每人提出２~３種方案，並繪出機構運動簡圖。從中選擇一種可行性方案， 按照該方案將曲柄乙個運動迴圈分成13個位置,即1, 2, 3, ... 12, 始（開始沖壓位置）,然後繪滑塊及板料的位移線圖和速度線圖。
2.設計工作量
1) 根據題目要求確定設計方案
2) 機構的尺寸綜合,繪製機構運動簡圖,滑塊及板料的位移和速度線圖, 用**法按給定位置進行機構的運動分析,並繪在一張２號圖紙上,簡稱"分析設計圖"。
3) 繪機構運動迴圈圖。
4) 飛輪設計過程圖一張。
5) 編寫計算說明書乙份。
(二).機構尺寸綜合
已知資料見表1,要求確定機構尺寸：lo1a , lo1a' , la'c , 及開始沖壓時滑塊c 點至板料的距離s1。
步驟:1.求輥軸轉角
2.搖桿擺角
3.機架中心距
4.曲柄半徑r= lo1a
5.曲柄滑塊機構:曲柄半徑r1
6.根據許用壓力角[α]調節連桿長l1，取l1=560mm,並驗算：
公式中r1，r2為齒輪分度圓半徑由齒輪的模數m和齒數z確定，根據機構綜合得到的尺寸,用長度比例尺μl(m/mm),繪製機構運動簡圖。
(三).送料時間及其調整方法
送料時間一般在上死點前後為宜,這樣可避免衝頭干涉,一般取在曲柄轉角270°～90°之間,如圖2所示。當曲柄在270°時，搖桿應位於下極限位置，由此可確定原動件上兩曲柄之間的夾角α如圖2c)。當送料距離一定時,應盡可能加長送進時間, 通常用改變偏心的圓周位置來實現。
圖2.機構送料與運動迴圈圖
a) 機構送料週期 b) 運動迴圈圖 c) 確定原動件上兩曲柄之間的夾角
(四).單邊輥軸送料裝置機構運動分析
1.作滑塊7的位移線圖(s-φ)曲線,板料的位移曲線(s'-φ)。
將曲柄lo1a的圓周按曲柄的轉向依次分為12等分,另外補充衝頭開始沖壓時的乙個位置,取曲柄1為原點,這時滑塊7在最高點(上死點),板料應進入送高階段,使曲柄按圖2所示轉向依次轉到各個位置,可找出滑塊7上c點的位置和板料移動的距離,取長度比例尺μs及時間比例尺μt=t/l=60/n1l (s/mm),分別作滑塊的位移線圖和板料的位移線圖(乙個週期內)。式中l為圖上橫座標的長度。
2.用**微分法分別作滑塊和板料的速度線圖(v-t曲線)
下面以圖3為例來說明**微分法的作圖步驟,圖3為某一位移線圖, 曲線上任一點的速度可表示為:
其中dy和dx為s=s(t)線圖中代表微小位移ds和微小時間dt的線段, α為曲線s=s(t) 在所研究位置處切線的傾角。
上式表明,曲線在每一位置處的速度v與曲線在該點處的斜率成正比,即v∝tgα,為了用線段來表示速度,引入極距k(mm),則
式中μv 為速度比例尺,μv = μs/μtk ( m/s/mm )。k為直角三角形中α角的相鄰直角邊時,(ktgα)為角α的對邊。由此可知,在曲線的各個位置, 其速度v與以k為底邊,斜邊平行於s=s(t)曲線在所研究點處的切線的直角三角形的對邊高度(ktgα)成正比。
該式正是**微分法的理論依據,按此便可由位移線圖作得速度線圖(v-t曲線),作圖過程如下:
先建立速度線圖的座標系v-1-t(圖4),其中分別以μv和μt作為v軸和t軸的比例尺, 然後沿軸向左延長至o點,使o0= k(mm),距離k稱為極距,點o為極點。過o點作s=s( t)曲線(圖3)上各位置切線(圖3中僅畫出曲線上3'的切線)的平行線o2"、o3"...等,在縱座標軸上截得線段12"、13"、14"...
等。由前面分析可知,這些線段分別表示曲線在2'、3'、4'... 等位置時的速度,從而很容易畫出位移曲線的速度曲線(圖4a)。
上述**微分法稱為切線法。該法要求在曲線的任意位置處很準確地作出曲線的切線，這常常是非常困難的，因此實際上常用「弦線」代替「切線」，即採用所謂弦線法,作圖方便且能滿足要求,現敘述如下:
依次連線圖3中s =s(t)曲線上相鄰兩點,可得弦線1'2'、2'3'、3'4'...等(圖3中僅畫出弦線2'3',學生作圖時應嚴格畫出每一弦線),它們與相應區間位移曲線上某點(例圖3中n點)的切線平行。當區間足夠小時,該點(例n點)可近似認為在該區間(例2,3)中點的垂直線上。
因此我們可以這樣來作速度曲線:如圖4b所示,按上述切線法建立座標系v-1- t並取定極距k及極點o,從o點作輻射線o2'、o3'、o4'...等,使分別平行於弦線1'2'、2'3'、3'4'...
並交縱座標軸於2"、3"...等點。然後將對應座標點投影相交,得到乙個個小矩形(例圖4b中矩形2cd3),則過各矩形上底中點(例圖4b中e,f點等)的光滑曲線,即為所求位移曲線的速度線圖(v-t曲線)。
3.用相對運**解法,分別作滑塊和板料的速度分析
1).求va'及va
va』=r 1ω1 , v a=rω1
其中1=2πn/60 (rad/s)
2) 列出向量方程,求vc ,vb
3) 取速度比例尺μv=va'/pa'( m/s/mm ) ,作速度多邊行，將結果列入表2
表2 滑塊，板料的速度分析彙總表
(五).單邊輥軸送料裝置的機構運動迴圈圖
以滑塊最高點為曲柄轉動起點,當滑塊下行到開始沖壓時的轉角為沖壓始角, 沖壓完畢時的角度為沖壓終角,接著滑塊繼續下行到最低點再完成滑塊的上行動作。
此時再找出曲柄轉動時,板料不動與板料送進時對應的轉角。應保證, 滑塊沖壓時板料處於不動的位置。為保證板料送進時,速度較低, 應盡可能的使板料送進時間大於板料不動的時間。
(六).飛輪設計
1.速度多邊形槓桿法原理（參考相關書籍）
2.用速度多邊形槓桿法求等效構件的等效阻力矩
步驟:將所有外力fb，fr，fer，g7按同一方向轉90°,分別加到速度多邊形的相應點上,其中等效阻力矩fer加在構件1的a'點上,且fer ┴o1a',注意fer與a'的運動方向相反, 然後諸力對速度多邊形的極點p取矩,其中fr值在未沖壓時fr=0, 進入沖壓時fr≠0, 所以在沖壓始點fer也對應雙值(對應fr=0與fr≠0)。
最後求得各個位置的等效阻力矩mer=fer·lo1a' (在沖壓點有雙值) 並將結果彙總列於表3
表3 等效阻力矩mer彙總表
3.確定飛輪的轉動慣量
已知:速度不均勻係數δ,飛輪安裝在曲柄軸上,等效阻力矩值見表3,且驅動力矩為常數。
要求:用公尺查爾洛夫法確定飛輪的轉動慣量jf。
步驟:1.作等效阻力矩mer―φ線圖
根據表3中已求得的等效阻力矩, 取力矩比例尺μｍ（ｎ·m/mm）， 曲柄的轉角比例尺μφ＝2π/l(rad/mm)，其中ｌ為橫座標的長度（mm）。作曲柄在乙個運動迴圈中的等效阻力矩ｍer―φ曲線如圖5a所示。
2.用**積分法作等效阻力矩功ａer —φ線圖
**積分法為**微分法的逆過程,茲不贅述。
取極距ｋ（mm），用**積分法由力矩ｍer―φ曲線求得力矩所做的功ａer―φ曲線（圖5b）。
由於 ｍ＝dａ/ dφ＝μａdy/μφdxtgα）＝μｍ·ｋtgα
其中故取ａer―φ曲線縱座標比例尺mm）。
（*求ａer的理論依據如下：
3.作驅動力矩功ａd―φ線圖和驅動力矩ｍd―φ線圖。
由於在乙個穩定運動迴圈中，驅動力矩所做的功等於阻力矩所做的功，又知驅動力矩為常數，所以連線ａer ―φ曲線的始、末兩點的直線0e，即為ａd―φ線圖，由ａd―φ線圖可反求出驅動力矩ｍd的大小，如圖5a所示。
4.作動能增量△ｅ―φ線圖
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