西南交通大學自動沖壓機構機械原理課程設計計算說明書

1、西南交通大學機械原理課程設計計算說明書設計題目：自動沖壓送料機構學生姓名：學生學號：所在班級：指導老師：謝進2013年06月目 錄1選題背景41.1問題的提出41.2研究現狀41.3設計的技術要求及指標42機構選型42.1設計方案的提出42.2設計方案的確定43尺度設計43.1機構尺寸計算44機構運動分析44.1機構的運動分析45機構動力分析45.1機構運動簡圖及尺寸標注55.2機構關鍵構件靜力分析56機構仿真56.1機構仿真包絡圖56.2機構構件軌跡曲線56.3機構裝配圖57設計總結58收獲及體會59致謝51 選題背景1.1 問題的提出隨著科學技術和工業(yè)生產的飛躍發(fā)展，國民經濟各個部門迫切需

2、要各種各樣質量優(yōu)、性能好、效率高、能耗低、價格廉的機械產品。要使我國從制造大國走向制造強國的關鍵之處是要設計出有自主知識產權的產品，特別是機械產品。 沖壓成形作為一門古老而又年輕的制造技術，幾乎滲透到國民經濟的每一個部門。在許多發(fā)達國家從作為支柱產業(yè)之一的汽車制造業(yè)到農業(yè)機械、動力機械、建筑機械、化工機械、精密機械、儀器儀表、醫(yī)療器械、日用五金等等，直到航空航天、軍事兵器各個門類，沖壓制件都占據著相當重要的地位。隨著我國工業(yè)的發(fā)展，沖壓制件類型、工藝的復雜化以及人性化生產要求，手工送料的沖壓加工生產由于存在著效率、速度、精度、安全等方面的一系列問題，沖壓生產的手工送料已逐步由自動送料機構所取代

3、，從而進一步滿足了沖壓生產自動化，大幅度提高生產節(jié)拍、生產質量等的要求。 沖壓生產自動化主要是指包括材料供給、制品及廢料的排出、模具更換、沖床的調整與運轉、沖壓過程異常狀況的監(jiān)視等作業(yè)過程自動化，將這些技術應用到沖壓生產流水線的相應環(huán)節(jié)從而實現沖壓生產過程的自動化。自動送料機構作為沖壓加工生產實現自動化的最基本的要求，是在一套模具上實現多工位沖壓的根本保證，它的自動化程度高低，直接影響著沖壓生產效率、生產節(jié)拍以及沖壓生產整體自動本次設計旨在設計一款薄壁零件的沖壓機構及其相配合的送料機構1.2 研究現狀本次設計的沖壓送料機構屬于普通壓力機構，而普通壓力機上的送料機構根據送料動力的不同可分為機械、

4、液壓、氣動三大類，在沖壓加工中以機械與氣動二類應用較多。機械送料機構盡管調整相對困難且機構較大，但具有送料準確可靠、機構沖擊與振動少、噪聲低、穩(wěn)定性好等優(yōu)點，仍是目前沖壓加工中最常用的自動送料方式。送料機構的性能高低直接影響著生產線的推廣應用，因此，針對沖壓制件的工藝要求、生產的實際情況等的不同來選擇不同的送料機構是十分必要的1.3 設計的技術要求及指標沖床的執(zhí)行機構主要包括沖壓機構和送料機構，沖頭先以較大速度接近工件，然后以勻速進行拉延成型工作，接著沖頭繼續(xù)下行將工件壓縮成型，最后快速返回。沖頭退回以后，送料機構從側面將坯料送至待加工位置，完成一個工作循環(huán)。設計要求1.動力源是電動機，作轉動

5、；從動件（執(zhí)行構件）為沖頭，作往復直線運動，具有快速下沉、等速工作進給和快速返回的特性。 2.構件具有較好的傳動性能，特別是工作段的壓力角應盡可??；傳動角大于或等于許用傳動角。 3.沖頭到達工作段之前，送料機構已將坯料送至待加工位置。4.執(zhí)行構件的工作長度 l=50 100mm,對應曲柄轉角 =（1/3 1/2）。5.行程速度變化系數 k1.5。 6.許用傳動角=40。 7.送料距離h=60-250mm。 2 機構選型2.1 設計方案的提出根據目前市場上已經出現的機構方案，我們做了相應的改進和設計，設計方案如下方案一 圖21 肘桿增力機構該機構由曲柄與肘節(jié)組成，曲柄可用偏心輪代替，偏心輪可減小

6、機構尺寸，提高強度。肘節(jié)可產生增力效果，當桿作用一較小的力時，滑塊就會產生很大的力，且增力效果非常明顯。自由度f=5×3-2×7=1方案二 圖22 凸輪滑塊插齒機構該機構以凸輪為原動件，帶動插齒機cdefg實現往復運動，同時帶動偏心滑塊機構實現送料動作,但是該機構的送料機構本身存在動力特性不足的缺點。自由度f=3×7-2×10-0=1方案三圖23 擺動導桿推送機構沖壓機構為擺動倒桿機構，曲柄ab為主動件，整周回轉，滑塊在導桿上滑動，帶動導桿往復擺動，當曲柄與導桿相互垂直時導桿達到極限位置，機構傳動角為90°，具有良好的傳力特性，并具有急回特性。

7、，運動中無死點，送料機構采用了曲柄搖桿機構搖桿最大擺角與曲柄長度有關，當曲柄長度加大時，從動角擺角也隨之增大，且也有急回特性。自由度f=3×9-2×13-0=1方案四圖24 擺動導桿滑塊機構該機構為擺動導桿滑塊機構，abc為擺動導桿機構，曲柄ab的長度應小于機架長，曲柄ab勻速轉動時，導桿bc作往復運動，行程速比系數k>1，擺動導桿機構本身具有急回特性，增大r/l的值，擺角增大，可使k增大，急回特性更顯著，但空回行程速度變化劇烈自由度f=3×7-2×10=12.2 設計方案的確定我們小組通過對以上構件的基本性能作出分析后，考慮到機構的簡潔性，以及網

8、上的很多重復的且復雜的齒輪連桿沖壓機構和凸輪連桿送料機構等，我們小組選擇了方案三，擺動導桿推送機構方案四 擺動導桿滑塊機構3 尺寸設計3.1 機構尺寸計算3.1.1方案三進行關鍵尺寸分析沖壓機構為abcde,送料機構為abfgij 沖壓機構尺寸分析圖32 沖壓機構設ab>ac,則可得極位夾角 （3-1） 同時需滿足急回特性 （3-2）取急回特性值k=2，則有 60°故由（3-1）式可得 （3-3）取ac=25mm ， 則有ab=250.866=28.8675mm 根據尺寸進行可行性分析設a（0、0）,c(25、0)于是很容易得到沖頭近程點和遠程點的坐標分別為e(25、),e(2

9、5、)考慮到當上模de到達工作段之前，送料機構已將坯料送至待加工位置，故需要確定上模de和往復直線運動和曲柄ab的關系，同時還需要兼顧曲柄ab轉動和送料機構hi的關系。先建立b點和e點的坐標關系式位移矩陣方程對點b （3-4）連桿約束方程為 （3-5）約束方程為 （3-6）約束方程為 （3-7）由（3-4）式至（3-7式可得 （3-8）此外取行程 s=60mm （3-9）聯立式（3-4）（3-9）可得 de=103.21mm cd=30.3mm由于沖壓條件的限制，需要對送料機構尺寸進行分析送料機構的結構簡圖如下 圖33 送料機構尺寸分析如圖圖33，需使連桿abfg為曲柄搖桿機構，連架桿ab為曲

10、柄，fg為擺桿由四桿機構曲柄搖桿存在條件，有ab為最短桿，即 （3-9）取bg為最長桿，ab=30mm為最短桿。先通過試湊法來大概確定構件尺寸，取bg=82mm，fg=61mm，af=60mm，由此可分析出此曲柄搖桿四桿機構的急回特性和極位夾角作圖分析由圖34說明 圖34 極位夾角分析 由圖34可知極位夾角 =41.82°故有其急回特性 k= =1.605滿足要求延伸fg到gh使得gh=48mm，另外取hi=95mm聯立上面各式，可將最終尺寸確定如下ac=25mm ab=28.8675mmcd=30.3mmde=103.21mm bg=82mmaf=60mmfg=61mmgh=48m

11、mhi=95mmai=135mm3.1.2現在對方案四進行關鍵尺寸分析機構簡圖如圖35圖35 擺動導桿滑塊機構沖壓機構為abcde,送料機構為abcfg設置要求如下，k=1.55，沖壓機構的行程=280mm，送料機構的行程=160mm取機架ac=300mm.鉸鏈a到兩滑動軌道的的距離分別是=200mm, =450mm,dc垂直于cf由 （3-10）可推得 故導桿處于極限位置時， cab=故 mm分析該機構可知，當導桿cd處于兩極限位置時，d點的x軸方向水平位移即為滑塊e的行程=280mm同時機構滿足 （3-11） mm根據設計的一般要求，需傳動角這里取 = （3-12）對于沖壓滑塊，需要承受短

12、暫高峰載荷且傳動機構功率較大，所以去較大的傳動值。取 即 （3-13）故 de=198.26mm對于送料裝置，要求不高，傳動角可取小一些的值，取=，則 （3-14） 又 =160mm （3-15）由上兩式可得 =237.15mm =301.22mm聯立上面各式，可將最終尺寸確定如下鉸鏈點到沖壓軌道的距離=200mm鉸鏈點到送料軌道的距離=450mm=99.99mm=300mm=430mm=198.26mm=237.15mm=301.22mm4 機構運動分析4.1 機構的運動分析方案三我們主要通過建模模擬仿真對其進行運動分析 已知各桿長及a點坐標a（0,0），c點坐標c（25.0），f點坐標（-

13、60,0）桿ab的角速度=36rad/s，角加速度通過pro/e的初步建模和運動分析機構模型圖為 圖41 擺動導桿 推送機構模型圖運動仿真中可以看到，該機構的最大優(yōu)點是沖壓機構的急回特性很好，沖壓過程的力作用很大沖壓機構e和送料機構i的運動參數分析如圖42和圖43所示 圖42 滑塊i的速度加速度分析送料機構在送料過程中，運動平穩(wěn)，速度波動較小，能夠使工件安全的送到沖壓區(qū)域，回程時，速度和加速度都發(fā)生很大變化，使得送料機構能快速返回，以便沖頭進行沖壓 圖43 滑塊e的速度加速度分析沖頭在進給過程中，由圖可以得知運動很平緩，速度波動不大，在回程的過程，加速度比較大，回程速度迅速，能夠在短時間內回到

14、起點，滿足設計要求。方案四運動分析方案三是我們初期做的一個方案，考慮到機構構件過多，機構占用空間大，且沖壓和送料部分不好做到同步，我們放棄了這個方案，而將重點設計放在了方案四上方案四我們主要通過數學計算和建模模擬仿真對其進行運動分析 圖44 擺動導桿 滑塊機構模型圖已知各桿長以及a點坐標a（0,200），c點坐標c（0.500），桿ab的角速度=36rad/s角加速度，故一個工作循環(huán)為十秒，其中四到十秒為沖壓進程，十秒到十四秒為沖壓回程 對點b坐標 （4-1）點b速度分析 （4-2）點b加速度分析 （4-3）因a點固定不動，其速度和加速度均為0點b運動分析仿真如圖45和圖46 所示 圖45 軸

15、b 的速度加速度分析 滑塊b在曲柄的帶動下做勻速圓周運動，其速度大小保持不變，法向加速度為零，其角速度隨曲柄=36rad/s,角加速度為零，其線圖分析如圖46所示 結論，滑塊b在機構中主要起傳遞運動和動力的作用，其運動情況和電機相關。 圖46 曲柄ab的角速度加速度分析曲柄ab和滑塊b在電動機的驅動下，做勻速圓周運動，法向加速度為零。對點d （4-4）點d速度分析 （4-5）點d加速度分析 （4-6）即 （4-7）對機構有c點固定不動則 （4-8）其中c點角速度及角加速度為 （4-9） 圖47 點d 的速度加速度分析 導桿cd在滑塊b的推動下繞鉸鏈點c做擺動，由圖47分析可得，導桿在沖頭進程中

16、速度變化較為平緩，加速度幾乎恒定，在回程中，加速度波動稍大，速度變化稍快，但就總體而言，導桿在整個運動過程中，速度呈正弦規(guī)律變化，不需對速度波動作調整 圖48 導桿dcf的角速度角加速度分析導桿bd在滑塊c的推動下繞鉸鏈點c做擺動，由圖48分析可得，導桿在沖頭進程中角速度先逐漸增大，達到最大值后又成對稱性減小到零，角加速度先逐漸減小，減小到零后逐漸增大，在整個進程過程中，變化相對平緩，滿足機構設計快速推進，慢速工進的要求。在回程中，角加速度波動更為劇烈，角速度變化稍快，且其平均角速度明顯大于進程，導桿在整個運動過程中，比較符合預期設計，不需對速度波動作調整。對構件de （4-10）又 （4-1

17、1）則 （4-12）其中點e角速度及角加速度為 （4-13） （4-14）滑塊e的運動分析如圖49所示 圖49 滑塊e 的速度加速度分析 由圖49分析可以看到，在沖壓進程的前半段，即從四秒到八秒這段時間，滑塊e的速度逐漸增大，到最大值時，開始緩慢減小，在沖壓的后半段，其速度逐漸減小，對工件進行緩慢沖壓，沖壓結束后，回程速度急劇增大，回程加速度也快速增加，沖頭得以迅速返回。 圖410 連桿de的角速度角加速度分析 連桿的角速度及其角加速度變化很復雜，由圖410可得，在一個運動循環(huán)當中，連桿的角速度忽大忽小，但是在本機構中的主體不在連桿，此連桿只要做到能夠很好的傳遞運動和動力即可，我們在尺寸參數設

18、計當中，已對其傳動角做出了限制，滿足傳力特性較好。對點f有 （4-15）即 （4-16） （4-17）由于桿件dc和cf剛接，所以他們的角速度以及對應尺寸的角加速度相同，此處不再做重復計算。 圖411 點f的運動分析點f位于構件cdf上繞點c做擺動，其運動參數和點d相反，即由圖411分析可得，導桿在沖頭進程中速度變化較為迅速，加速度變化較大，在回程中，加速度幾乎不變，速度變化緩慢，這就滿足了沖頭到達工作段之前，送料機構已將坯料送至待加工位置的要求。 圖412 連桿fg的角速度角加速度分析 同理連桿在機構的整個運行過程中其角速度及角加速度變化比較復雜，但對于整個機構而言，連桿的主要作用是傳遞運動

19、和力，只要執(zhí)行構件能夠滿足要求，則對連桿不需做過多分析，只要滿足其傳力特性較好就行，已在前一節(jié)對其最大壓力角和最小傳動角做了限制，這兒不在累述。對點g的運動分析 （4-17） （4-18）桿長分析為 （4-19）速度加速度分析 （4-20） （4-21）滑塊g的分析如圖413 圖413 滑塊g的速度加速度分析 由圖413分析可知，送料機構在沖頭進入上模前，已將工件送到加工位置，并能夠迅速返回。5 機構動力設計5.1 機構運動簡圖及尺寸標注通過上面的分析，最終做出機構運動簡圖及尺寸標注如圖51和圖52所示圖51 擺動導桿推送機構圖52 擺動導桿滑塊機構5.2 機構關鍵構件動力分析要求沖壓機構應具

20、有良好的傳力特性，相比之下，退料機構不要求有太大的作用力，現只就沖壓機構做動力分析以構件1為原動件，角速度為，輸出構件為沖頭5，工作中沖頭受到工作阻力圖53曲柄1受到的力有,力矩滑塊2受到的力有導桿3受到的力有連桿4受到的力有沖頭5受到的力有，以及工作阻力為計算方便，不考慮摩擦圓的影響對曲柄1有 （5-1）對滑塊2有 （5-2） 可見與方向相同分析上面各式可得方向與導桿3夾角= （5-3）對導桿3有 圖54 導桿cdf的受力分析 （5-4）其中與導桿3的夾角對連桿4有 （5-4） 可見與方向相同對沖頭5，圖55 沖頭e的受力分析 （5-5）式中 （5-6） （5-7）軟件靜力分析 圖56 仿真

21、建模靜力分析 如圖56給曲柄施加以轉矩=50n.m,同時沖頭受到工作阻力=30n, 送料機構受到工作阻力=30n。圖57如圖57，機構在受到施加作用力時，機構在施力處會產生很大的加速度，組件會產生反作用力，因此施力處的的加速度會逐漸縮小，當反作用力大到等于作用力時，機構即達到平衡的位置。圖58 沖壓機構的受力分析圖6 機構仿真6.1 機構仿真運動包絡圖圖61 曲柄ab運動包絡圖圖62 導桿cdf運動包絡圖 圖63 連桿de運動包絡圖 圖64 滑塊e運動包絡圖圖65 連桿fg運動包絡圖圖66 滑塊g的運動包絡圖6.2 機構構件軌跡曲線圖67 機構軌跡曲線 6.3 仿真參數測量及分析圖68 擺動導

22、桿推送機構建模圖68擺動導桿滑塊機構建模7 設計總結本次設計從最初的選題，到機構的選擇，再到機構的分析以及繪制，都經過一段探討以及查閱資料分析合適與否，最終基本上做到滿足設計的技術要求和指標。本次設計同時也存在許多不足，由于能力上的欠缺，對機構的動力分析做得不夠充分，希望在大學最后的一年里，能夠充分利用有限的時間學習數學建模程序的編制。8 收獲及體會經過接近一個學期的機械原理課程設計的工作，我們學習到了許多東西，比如說：如何使用pro/e進行機構設計和數據的分析，如何有效查找文獻，如何合理安排時間等等。在設計過程中，我們遇到了很多困難，我們開始對建模軟件一竅不通，查閱了大量資料，在網上也看了很多的相關視頻，終于是我們小組對建模有了更多的認識，我想，只要我們肯踏踏實實地去做，很多事情就不是想象的那么難。通過這次設計，我們也對機械原理課程又有了更深入的認識。以下是我們小組兩人對于作為未來的機械工程師所需要的知識以及能力有了更深的認識：首先，在做機械設計的時候，要按照一個規(guī)范的規(guī)章制度來進行操作，保證設計出來的機構以及操作人員