半自动平压模切机机构设计
一、设计题目——设计半自动平压模切机的模切机构 二、工作原理及工艺过程
半自动平压模切机是印刷、包装行业压制纸盒、纸箱等纸制品的专用设备。
它可对各种规格的白纸板、厚度在4mm 以下的瓦楞板以及各种高级精细的印刷品进行压痕、切线的纸板，用手工或机械沿切线处去掉边料后，沿压出的压痕可折叠成各种纸盒、纸箱或制成凹凸的商标。
压制纸板的工艺动作有：将纸板走纸到位，冲压模切。
如图1所示，走纸横块（共五个）上装有若干个夹紧片，两端分别固定在前后两根链条上。
主动链轮由间歇机构带动，使双列链条作同步间歇运动。
每次停歇时，链上的一个走纸横块刚好运行到主动链轮下方的位置上。
这时，工作台面下方的控制机构使其执行构件作往复移动，推动横块上的夹紧装置，使夹紧片张开，操作者可将纸板喂入，待夹紧后，主动链轮又开始转动，将纸板送到固定上模和运动下模之间的位置，链轮再次停歇。
这时，在工作台面下部的主传动系统中的执行构件—下模向上移动，实现纸板的压痕、切线（称为模压或压切）。
压切完成以后，链条再次运行，当夹有纸板的横块走到某一位置时，受另一机构（图上未表示）作用，使夹紧片张开，纸板落到收纸台上，完成一个工作循环。
与此同时，后一个横块进入第二个工作循环，将己夹紧的纸板输入压切处。
如此，实现连续循环工作。
二、原始数据与设计要求（见任务书） 三、设计步骤
1．构思、选择机构方案（方案设计及讨论）
根据半自动平压模切机的工作原理，把机器完成加工要求的动作分解成若干种基本运动。
进行机构运动方案设计时，最主要的是要弄清设计要求和条件，掌握现有机构的基本性能，灵活地应用现有机构或有创造性地构思新的机构，以保证机器有完善的功能和尽可能低的成本。
完成一项运动，一般来说总有几种机构可以实现，所以，不同的机构类型及其组合将构成多种运动方案。
对本题进行机械运动方案设计时应考虑以下问题：
（1）设计实现下模往复移动的机构时，要同时考虑机构应满足运动条件和动力条件。
例如实现往复直线移动的机构，有凸轮机构、连杆机构、螺旋机构等。
由于压制纸板时受力较大，宜采用承载能力高的平面连杆机构，而连杆机构中常用的有四杆机构和六杆机构，再从机构应具有急回特性的要求出发，在定性分析的基础上，选取节省动力的机构。
当受力不大而运动规律又比较复杂时，可采用凸轮机构。
例如本题中推动夹紧装置使夹紧片张开的控制机构，由于夹紧片张开后要停留片刻，让纸板送入后才能夹紧，因而推杆移动到最高位置时，有较长时间停歇的运动要求，故采用凸轮机构在设计上易于实现此要求，且结构简单。
（2）为满足机器工艺要求，各机构执行构件的动作在规定的位置和时间上必须协调，如下压模在工作
图 1 平压模切机动作示意图2 模切机生产阻力曲线
双列链传动 主动链轮 走纸横块
工作台面 执行构件 下模 上模 v 纸板 Pc H
Pc (N )
s (mm ) Pc △ O
行程时，纸板必须夹紧；在下压模回程时，纸板必须送到模压位置。
因此，为使各执行构件能按工艺要求协调运动，应绘出机械系统的机构运动循环图。
（3）根据机器要求每小时完成的加工件数，可以确定执行机构主动构件的转速。
若电动机转速与执行机构的主动件转速不同，可先确定总传动比，再根据总传动比选定不同的传动机构及组合方式。
例如带传动和定轴轮系串联或采用行星轮系等；有自锁要求而功率又不大时，可采用蜗杆蜗轮机构。
对定轴轮系要合理分配各对齿轮的传动比，这是传动装置的一个重要问题，它将直接影响机器的外廓尺寸、重量、润滑和整个机器的工作能力，这个问题将在机械设计课中解决。
（4）在一个运动循环内，仅在某一区间承受生产阻力很大的机器，将引起等效构件所受的等效阻力矩有明显的周期性变化，若电动机所产生的驱动力矩近似地认为是常救，则将引起角速度的周期性波动。
为使主动件的角速度较为均匀，应考虑安装飞轮。
可适当选择带传动的传动比使大带轮具有一定的转动惯量而起飞轮的作用，通常应计算大带轮的转动惯量是否满足要求，如不满足，则需另外安装飞轮。
实现本题要求的机构方案有多种，现介绍几例：
模切机构 传动机构
夹紧装置控制机构 偏置曲柄滑块机构 带传动与两级齿轮传动串联 直动推杆凸轮机构 曲柄摇杆－摇杆滑块机构串联 带传动与行星轮系串联 具有圆弧槽的导扦机构
导杆－摇杆滑块机构串联
行星轮系（需安装飞轮）
图3所示方案的主要优点是滑块5承受很大载荷时，连杆2却受力较小，曲柄1所需的驱动力矩小，因此该机构常称为增力机构，它具有节省动力的忧点。
此外，图4、图5所示为另外两种六杆机构．供分析比较，其它方案可由设计者自行构思。
图3 模切机执行机构和传动机构方案一
图4 模切机执行机构方案二
图5 模切机执行机构方案三
1
2
4 5
3 6
下面以图3所示方案为例介绍设计步骤。
2．计算总传动比，分配各级传动比和确定传动机构方案
总传动比 ，根据传动机构分配各级传动比。
3．选择控制夹紧装置的机构方案。
4．模切机构设汁
按选定的平面连杆机构，由已知参数用图解法（或解析法）确定机构尺寸。
由于本题是具有短暂高峰载荷的机器，应验算其最小传动角，并尽可能保证压模工作时，有较大的传动角，以提高机器的效率。
如机构在图6（a ）所示的位置上，摇杆滑块机构的受力图可用图解法求得（图6b ）。
由于该瞬时构件BC 垂直DE ，所以力多边形中 αt a n
P R C 212= 由此可知，P c 很大而R l2较小，特别是压力角α俞小，R l2也愈小，有利于节省动力。
根据上述观点安排机构位置以后，可先进行摇杆滑块机构的设计计算。
可采用计算法来得到较为合适的尺寸参数。
如图6(a)得： )]sin sin ()[(Δ443343ϕϕl l l l H H s +-+-=-= 若43l l =时，34ϕπϕ-=，则： )sin 2(2333ϕl l H s --= 当摇杆在最右端极限位置时，取ϕ3=ϕ30，由s=0得 )
sin (H
l 30312ϕ-=
适当考虑安装尺寸，选择不同的ϕ30，可得到不同的l 3。
当摇杆长度 l 3和往复摆动角已知后，可用图解法设计曲柄摇杆机构。
5．运动分析
在完成平面连杆机构设计的基础上，进行下模的速度分析，并绘制位移、速度线图。
6．各执行构件的运动协调性分析——运动循环图。
各种传动速比范围
曲柄
电机
n n
i =2~4
2~4 ≤3 3~5 i 链传动
V 带传动 圆锥齿轮 圆柱齿轮 传动比 ϕ 4 图6 模切机执行机构及力分析
l 3=l 4 s H A B C D E ω1 1 2 3 4
5
6 P c
ϕ 3
α
P c R 45 R 65 R 54 R 63 R 12
α (a )
(b ) △
7．设计控制机构。
按运动协调要求，确定推程运动角、停歇角。
凸轮机构应选择基圆半径、滚子半径，从动件的运动规律及其行程,画出从动件位移线图。
要求编程计算出凸轮的理论廓线、实际廓线值。
8．按比例绘制整个机构组合系统运动简图。
9．编写说明书。
四、工作任务及工作量
1．A1图一张，包括：
（1）完整的机构组合系统运动简图；
（2）下模的速度矢量多边形、位移、速度线图； （3）执行构件的运动循环图；
2．A2图一张，包括：（非凸轮机构此项则可省略） （1）控制夹紧凸轮机构的从动件运动规律 （2）凸轮轮廓曲线的设计。
3．说明书一份，包括： （1）原始数据，机构简图； （2）简述方案设计和选择；
（3）各机构设计步骤或分析计算过程；
（4）对下模进行速度分析的过程（矢量方程式、计算、结果）；
（5）各执行构件的运动协调性分析；以此确定控制夹紧机构的有关参数、尺寸；
（6）凸轮机构的设计过程（数学模型、输出输入标识符说明、程序框图、源程序及计算机打印结果）； （7）对设计结果的分析讨论等；
（8）参考文献；（9）设计小结。
休止
下模接近纸板
0°
曲柄转向 休止
下模返回
返回
夹紧装置进程
压切纸板
图7 运动循环图
(a ) 直角坐标式
s
下模0
2π
ϕ
H
h
2π
δ
δ0
1
s 夹紧推杆01
δ(c ) 直线式 压切纸板 远休止
进 程
接近纸板 曲柄转角 下模(冲头) 夹紧执行构件
1800+θ
下模返回 近休止
1800-θ 回程
走纸动作 走纸
停止 走纸 (b ) 圆形
停止
走纸。