前言
随着科学技术的发展，工业生产水平的不断发展和人们生活条件的不断改善，消费者的价值观念变化很快，市场需求出现多样化的特征，机械产品的种类日益增多，同时这些机械产品的寿命周期也相应缩短，企业为了赢得市场，必须不断开发符合市场需求的产品。新产品的开发包括产品的设计与制造，其中设计是产品开发的第一步，是决定产品的性能、质量、水平、市场竞争力和经济效益的最主要因素。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、机构的结构尺寸、力和能量的传递方式、各个零件的材料和形状尺寸、润滑方法等进行构思分析与计算，并将其转化为具体的描述以作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到十分重要的作用。通过课程设计这一环节使学生更好的掌握和加深理解本课程的基本理论和方法进一步提高学生查阅技术资料，绘制工程图和应用计算机的能力。在课程设计中要重视培养学生创新设计的能力。
我们将从机构的运动学以及机器的动力学入手,研究机构运动的确定性和可能性,并进一步讨论的组成原理.,从几何的观点来研究机构各点的轨迹、位移、速度和加速度的求法,以及按已知条件来设计新的机构的方法。
机械原理课程设计所研究的问题又可归纳为二类:
(1) 根据已有的机构和主要参数来分析该机构和所组成机构的各 种特性,即结构分析,运动分析。
(2) 根据预期的各种特性来确定新的机构的形式,结构和参数,即机构的设计问题.,如机构的运动设计,机构的平衡设计以及速度的调节。
计算机的应用为此次课程设计提供方便,我们可以利用Visual Basic作图,从而能看到机构的仿真运动。这算是我们开始学习专业的第一次亲自实践过程。
贵州大学机械工程学院
一、机械原理课程设计任务书 题号5
自动打印机设计
1.1 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。
1.2 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。
1.3 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。
1.4 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。
二、电动机的选择
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
选择的电动机的额定功率必须满足负载要求，而且必须保证在启动时可以顺利地运行，对于电动机来说，转速选择960r/min合适，可以保证运行的稳定性。另外转速也不可过高，这样造成功率因素过低，这也是不经济的。电动机的运动参数为转速。电动机的速度越高，其尺寸和质量也就越大，价格也就越高，但当执行构件的速度较低时，若选用高速电动机，势必需要大减速比的减速装置，反而可能会造成机械传动系统的过分庞大和制造成本的显著增加。在此机械运动中执行构件要求的效率不是很大，经过多方面的考虑我选960转/min的电动机。型号为Y2-132S-6
三、传动机构的选择与比较
3.1最终方案及循环图
机械系统中传动机构是由原动机输出的机械能动、传递给执行机构并实现能量的分配，转速的改变和运动形式的改变等作用的中间装置。传动机构常见的有齿轮传动机构，摩擦传动机构，带传动机构，他们的特点如下：
（1）齿轮传动：齿轮传动机构是现代机械系统中应用最为广泛的一种。它可以用来传递空间任意两轴之间的运动和力，而且传动准确，平衡，稳定，机械效率高，使用寿命长，工作可靠。
（2）摩擦传动：摩擦传动的主要功能是通过两构件之间的摩擦来传递运动和动力的，其主要优点是机构简单，而且实现无级变速传动，同时，当过载时，由于两轮间可发生滑动，因而不致造成机器的损坏。但是，这种传动的最大缺点是传动不准确，同时，由传动过程中两轮必须压紧，以求产生足够大的摩擦力而达到传动的目的，所以两轮子、容易疲劳破坏，而且传动的机械效率也比较低。
（3）带传动：这种传动机构是靠带拥护带轮之间的摩擦力来传动的，它的主要优点是机构简单，传动平稳，造价低廉以及缓冲吸震等，可用于传递距离较远的两轴间的运动，且与摩擦轮转动一样也有过载保安性。但是由于不能安全避免带与带轮之间的相对滑动，所以传动的精度比较低。此外，为了使带与带轮间产生足够的摩擦里，必张紧在两轮上，这将增大带轮轴中的压力，从而加大轴承轴颈的磨损，并降低了机械效率。
3.1.1选择原因：
（1）摩檫传动精确度低，且传递不稳定，故不用此传动.
（2）送料—定位——输出——盖章，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，平衡，稳定，机械效率高。
（4）因为电机转速是960r/min，生产率是80个/ min，所以传动比是12：1。
3.1.2最后选择：齿轮传动、带传动
3.1.3 齿轮选择列表
根据曲柄摇杆的大致长度为74，故选择模数为3，齿数为22的锥齿轮Z7与摇杆安装配合。
m=3 a=20°
齿轮号 模数 压力角 齿数
Z1 3 20° 90
Z2 3 20° 30
Z3 3 20° 40
Z4 3 20° 20
Z5 3 20° 80
Z6 3 20° 33
Z7 3 20° 22
3.2 机构传动图
3.3各个减速器功能单元及动功能转化图
3.4运动功能转化图
四、机械系统运动方案的拟订和选优
4.1机械系统功能图
为了实现自动打印功能，可将功能分解为如下的分功能：
1．送料功能 2．打印功能 3．输出功能
4.2功能分解图：
4.3备选方案:
4.3.1备选方案一:
机构特点：送料和打印均采用凸轮连杆机构
优点：机构简单，便于制造，节约成本。
缺点：印章时由于惯性原因以及送料及定位都采用同一凸轮，导致定位不准确。另外这样的凸轮制造难度过大，而且易磨损，为保证一定的耐磨性就需要高强度的合金，也就增加了成本。
4.3.2备选方案二:
机构特点：送料采用6杆机构 打印和输出采用凸轮连杆机构
优点：机构传动路线短，印章的精度相对较高。
缺点：印章与输出机构的配合要求很高，用同一个凸轮控制印章与输出，对凸轮强度有了更高的要求，另外一个凸轮运行两个杆件，杆件的分布设置难度加大，对强度的要求也加大。机构的杆件形状较为复杂，特别是控制输出的杆件。
4.3.3备选方案三:
机构特点：送料采用6杆机构 打印采用凸轮连杆机构 依靠皮带轮实现推进和输出
优点：定位准确，皮带传输设计简单成本低
缺点：是这几种方案中，配合要求最高的一个，并且对送料装置的摆放与类型的选择造成一定的麻烦，很难实现批量的生产，人工操作的参与性占了很大一部分。将导致效率不高。
4.3.4备选方案四：
机构特点：送料采用曲柄滑块 打印采用凸轮机构 定位和输出槽轮机构
优点：由于槽轮的间歇运动，印章效果好。机构连续性强。
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。另外槽轮不是很好加工，切运行时有一定的刚性冲击。
五、最终选择方案
选用理由：
1）齿轮传动机构较为稳定，传动比稳定。
2）打印处印章升程较小，根据杠杆原理采用凸轮机构连接杆组较为合适。
3) 送料处用偏置曲柄滑块机构有急回特性，且能保证送料行程的距离
4) 用凸轮机构连接三角形推块，可同时实现输出物料和固定当前打印物料，节省空间，简化机构。
5）整个机构简单成本较低且易于装配。
六、机械系统的运动循环图
6.1运动循环表
送 料 送料 退回
定 位 向下 停 向上 停
盖 章 向上 停 向下 停
输 出 停 推出 停
6.2运动循环图
七、机构的设计与运动分析及各机构具体尺寸的确定
7.1 送料机构：曲柄滑块
尺寸确定：在本机构中设置滑块为160mm，行程速比系数定位K=2
因此Ø=60°。偏距e=20mm
根据上述数据确定曲柄回转回转中心点A
根据尺寸画出极位B1 B2 C1 C2
在CAD上量取尺寸 AC2=169.77 AC1=21.76 计算
曲柄AB=(AC2-AC1)/2=74.005 连杆BC=(AC1+AC2)/2=95.765
将滑块添加上去，确定最终机构
7.1.2最小传动角与压力角：
根据CAD图示标注所示
最小传动角为11° 最小压力角为34°
7.2 打印头杆组参数
DF=100mm EF=300mm 打印头与物料最远距离为20mm
7.3 固定与输出机构：由凸轮1推动的三角形物块实现固定和推出的功能同时进行
根据物料高度30—50mm，故参数选择如图
八、自编的主程序，子程序及编程框图以及运行后的结果
8.1计算机辅助设计功能逻辑图
8.2 VB程序
Private Sub Command1_Click()
Dim b(6), c(6), d(3), t As String
pai = Atn(1#) * 4 / 180
For fi = 0 To 360 Step 10
Fi1 = fi * pai
Call 单杆运动分析子程序(0, 0, 0, 0, 0, 0, 0.074005, 0, Fi1, 8.37, 0, xB, yB, vBx, vBy, aBx, aBy)
Call RRP运动分析子程序(1, xB, yB, vBx, vBy, aBx, aBy, 0, -0.02, 0, 0, 0, 0, _
0.095765, 0, 0, 0, xE, yE, vEx, vEy, aEx, aey, fi4, omega4, epsilon4, sr, vsr, asr)
t = t + "Fi1= " + Str(fi) + vbCrLf
t = t + "xE(m)= " + Str(xE) + vbCrLf
t = t + "vE(m/S)= " + Str(vEx) + vbCrLf
t = t + "aE(m/S2)= " + Str(aEx) + vbCrLf
t = t + "omega4(rad/S)= " + Str(omega4) + vbCrLf
t = t + "epsilon4(rad/S)= " + Str(epsilon4) + vbCrLf
t = t + vbCrLf
Next fi
Text1.Text = t
End Sub
Sub 单杆运动分析子程序(xA, yA, vAx, vAy, aAx, aAy, S, theta, fi, omega, epsilon, _
xm, ym, vmx, vmy, amx, amy)
xm = xA + S * Cos(fi + theta)
ym = yA + S * Sin(fi + theta)
vmx = vAx - S * omega * Sin(fi + theta)
vmy = vAy + S * omega * Cos(fi + theta)
amx = aAx - S * epsilon * Sin(fi + theta) - S * omega ^ 2 * Cos(fi + theta)
amy = aAy + S * epsilon * Cos(fi + theta) - S * omega ^ 2 * Sin(fi + theta)
End Sub
Sub RRP运动分析子程序(m, xB, yB, vBx, vBy, aBx, aBy, xP, yP, vPx, vPy, aPx, aPy, _
L2, fi3, omega3, epsilon3, xC, yC, vCx, vCy, _
aCx, aCy, fi2, omega2, epsilon2, sr, vsr, asr)
Dim pi, d2, e, F, yCB, xCB, E1, F1, Q, E2, F2
pi = Atn(1#) * 4
d2 = ((xB - xP) ^ 2 + (yB - yP) ^ 2)
e = 2 * (xP - xB) * Cos(fi3) + 2 * (yP - yB) * Sin(fi3)
F = d2 - L2 ^ 2
If e ^ 2 < 4 * F Then
MsgBox "此位置不能装配"
GoTo n1
Else
End If
If m = 1 Then
sr = Abs((-e + (e ^ 2 - 4 * F) ^ 0.5) / 2)
Else: sr = Abs((-e - (e ^ 2 - 4 * F) ^ 0.5) / 2)
End If
xC = xP + sr * Cos(fi3)
yC = yP + sr * Sin(fi3)
yCB = yC - yB
xCB = xC - xB
Call atn1(xB, yB, xC, yC, fi2)
E1 = (vPx - vBx) - sr * omega3 * Sin(fi3)
F1 = (vPy - vBy) + sr * omega3 * Cos(fi3)
Q = yCB * Sin(fi3) + xCB * Cos(fi3)
omega2 = (F1 * Cos(fi3) - E1 * Sin(fi3)) / Q
vsr = -(F1 * yCB + E1 * xCB) / Q
vCx = vBx - omega2 * yCB
vCy = vBy + omega2 * xCB
E2 = aPx - aBx + omega2 ^ 2 * xCB - 2 * omega3 * vsr * Sin(fi3) _
- epsilon3 * (yC - yP) - omega3 ^ 2 * (xC - xP)
F2 = aPy - aBy + omega2 ^ 2 * yCB + 2 * omega3 * vsr * Cos(fi3) _
+ epsilon3 * (xC - xP) - omega3 ^ 2 * (yC - yP)
epsilon2 = (F2 * Cos(fi3) - E2 * Sin(fi3)) / Q
asr = -(F2 * yCB + E2 * xCB) / Q
aCx = aBx - omega2 ^ 2 * xCB - epsilon2 * yCB
aCy = aBy - omega2 ^ 2 * yCB + epsilon2 * xCB
n1: End Sub
Sub RRR运动分析子程序(m, xB, yB, vBx, vBy, aBx, aBy, xD, yD, vDx, vDy, aDx, aDy, _
L2, L3, xC, yC, vCx, vCy, aCx, aCy, fi2, fi3, _
omega2, omega3, epsilon2, epsilon3)
Dim pi, d, ca, sa, yDB, xDB, gam, yCD, xCD, e, F, Q, EA, FA, delta
pi = Atn(1#) * 4
d = ((xD - xB) ^ 2 + (yD - yB) ^ 2) ^ 0.5
If d > L2 + L3 Or d < Abs(L2 - L3) Then
MsgBox "此位置不能装配"
GoTo n1
Else
End If
ca = (d ^ 2 + L2 ^ 2 - L3 ^ 2) / 2 / L2 / d
sa = (1 - ca ^ 2) ^ 0.5
yDB = yD - yB
xDB = xD - xB
Call atn1(xB, yB, xD, yD, delta)
If ca > 0 Then
gam = Atn(sa / ca)
Else: gam = Atn(sa / ca) + pi
End If
If m = 1 Then
fi2 = delta + gam
Else: fi2 = delta - gam
End If
xC = xB + L2 * Cos(fi2)
yC = yB + L2 * Sin(fi2)
yCD = yC - yD
xCD = xC - xD
If xCD > 0 Then
fi3 = Atn(yCD / xCD)
ElseIf yCD >= 0 Then
fi3 = Atn(yCD / xCD) + pi
Else: fi3 = Atn(yCD / xCD) - pi
End If
e = (vDx - vBx) * xCD + (vDy - vBy) * yCD
F = (vDx - vBx) * (xC - xB) + (vDy - vBy) * (yC - yB)
Q = yCD * (xC - xB) - (yC - yB) * xCD
omega2 = e / Q
omega3 = F / Q
vCx = vBx - omega2 * (yC - yB)
vCy = vBy + omega2 * (xC - xB)
EA = aDx - aBx + omega2 ^ 2 * (xC - xB) - omega3 ^ 2 * xCD
FA = aDy - aBy + omega2 ^ 2 * (yC - yB) - omega3 ^ 2 * yCD
epsilon2 = (EA * xCD + FA * yCD) / Q
epsilon3 = (EA * (xC - xB) + FA * (yC - yB)) / Q
aCx = aBx - omega2 ^ 2 * (xC - xB) - epsilon2 * (yC - yB)
aCy = aBy - omega2 ^ 2 * (yC - yB) + epsilon2 * (xC - xB)
n1: End Sub
Sub atn1(x1, y1, x2, y2, fi)
Dim pi, y21, x21
pi = Atn(1#) * 4
y21 = y2 - y1
x21 = x2 - x1
If x21 = 0 Then '判断BD线段与x轴的夹角
If y21 > 0 Then
fi = pi / 2
ElseIf y21 = 0 Then
MsgBox "B、D两点重合，不能确定"
Else: fi = 3 * pi / 2
End If
Else
If x21 < 0 Then
fi = Atn(y21 / x21) + pi
ElseIf y21 >= 0 Then
fi = Atn(y21 / x21)
Else: fi = Atn(y21 / x21) + 2 * pi
End If
End If
End Sub
Private Sub Command2_Click()
Dim b(6), c(6), d(3), xE1(360), vEx1(360), aEx1(360)
pai = Atn(1#) * 4 / 180
Picture1.Print " 红色线条表位移 蓝色线条表速度 绿色线条表加速度"
Picture1.Print " 机械制造 "
For fi = 0 To 360 Step 10
Fi1 = fi * pai
Call 单杆运动分析子程序(0, 0, 0, 0, 0, 0, 0.074005, 0, Fi1, 8.37, 0, xB, yB, vBx, vBy, aBx, aBy)
Call RRP运动分析子程序(1, xB, yB, vBx, vBy, aBx, aBy, 0, -0.02, 0, 0, 0, 0, _
0.095765, 0, 0, 0, xE, yE, vEx, vEy, aEx, aey, fi4, omega4, epsilon4, sr, vsr, asr)
xE1(fi) = xE
vEx1(fi) = vEx
aEx1(fi) = aEx
Next fi
ForeColor = QBColor(0)
Picture1.Scale (-10, 100)-(370, -100)
Picture1.Line (0, 0)-(360, 0), ForeColor
Picture1.Line (0, -100)-(0, 100), ForeColor
ForeColor = QBColor(4)
Picture1.PSet (0, xE1(0) * 100)
For fi = 0 To 360 Step 10
Picture1.Line -(fi, xE1(fi) * 200), ForeColor
Next fi
ForeColor = QBColor(9)
Picture1.PSet (0, vEx1(0) * 100)
For fi = 0 To 360 Step 10
Picture1.Line -(fi, vEx1(fi) * 5 + 8), ForeColor
Next fi
ForeColor = QBColor(10)
Picture1.PSet (0, aEx1(0) * 0.3)
For fi = 0 To 360 Step 10
Picture1.Line -(fi, aEx1(fi) * 1.6 + 6), ForeColor
Next fi
End Sub
