自动打印机设计说明书

目录

课程设计提纲…………………………………………………………………………………… 3

一 目的 ………………………………………………………………………………… 3 二 要求 ………………………………………………………………………………… 3 三 综合机械课程设计进行方式 ……………………………………………………… 3

四 设计成果 …………………………………………………………………………… 3 设计要求………………………………………………………………………………………… 3

一 工作原理及工艺动作过程 ………………………………………………………… 3

二 原始数据及设计要求 ……………………………………………………………… 3 设计过程………………………………………………………………………………………… 4

一 产品尺寸重量设定 ………………………………………………………………… 4 二 总体框架 …………………………………………………………………………… 4 三 各机构方案去的选定 ……………………………………………………………… 4 四 总体运动方案 ……………………………………………………………………… 6 五 结构尺寸初步设计 ………………………………………………………………… 6 六 曲柄滑块速度、加速度分析 ……………………………………………………… 7 七 定位机构，打印机构受力分析 …………………………………………………… 8 八 曲柄轴受力分析 …………………………………………………………………… 8 九 减速器设计 ………………………………………………………………………… 8

十 同步带设计 ………………………………………………………………………… 12 十一 轴及杆件设计 ……………………………………………………………………… 13 十二 执行机构设计 ……………………………………………………………………… 13 结束语 ………………………………………………………………………………………… 14

一 设计总结 …………………………………………………………………………… 14 二 参考资料 …………………………………………………………………………… 15

1

自动打印机

结构示意图

小组成员：机 机 机

2

设计提纲

一 目的

1对先修课知识的巩固、提高及综合运用；

2树立正确设计思想和工程意识，培养独立分析、解决实际工程问题的能力，系统集成能力和创新能力，培养整机设计渔船品设计的概念。

3完成简单机械系统装置的设计，掌握机械设计的一般方法和规律。

4培养机构综合能力与计算机能力，进行工程设计的基本技能训练，如理论计算，计算机绘图，设计资料、手册、标准规范的运用，使用经验数据进行估算和数据处理； 5培养结构设计能力； 二 要求

1课程设计内容应以完整的机械系统（包括原动机、执行机构和传动系统）为设计对象，也可选做其他机械装置，但工作量应满足要求；

2设计过程应包括：调研分析、功能与案例分析、机械系统运动方案设计，选用机构的运动血和动力学计算，原动机血案则，传动系统设计，执行系统设计等一般机械设计的全过程；

3设计图纸应符合国家标准，尺寸公差标注正确，技术要求完整合理； 4鼓励创新思维，提倡广泛查阅资料，强调在教师指导下暗示独立完成。 三 综合机械课程设计进行方式

1系统总体方案的分析讨论和制定；

2选择动力机，确定传动系统，计算各运动和动力参数；

3执行机构的运动分析计算、动力学分析计算，确定各构件的尺寸； 4传动零件的工作能力设计计算，确定主要零件的主要参数或尺寸； 5对指定部分的传动装置进行结构设计； 6编写设计计算说明书； 7答辩。 四 设计成果

1综合机械设计总体方案运动简图（A1图纸）；

2部分传动装置的装配图（A1图纸，应为计算机绘制）； 3执行机构零件工作图若干张； 4设计说明书一份（8000字左右），内容包括机器的功能分析、方案选择即确定、动力机选择、传动系统及动力系统的运动分析和动力学分析、传动件及连接件的设计计算、技术参数确定、装配维护注意事项等。

设计目标

一 工作原理及工艺动作过程

在包装好的商品纸盒上打印记号。工艺过程为将包装好的商品送至打印位置；加紧定位后打印记号；将产品输出。 二 原始数据及设计要求

1产品的尺寸为：长80-140mm，宽50-80mm，高20-40mm。 2产品重量为4-10N。

3

3生产率为60次/min。

4要求结构简单紧凑，运动灵活可靠，便于制造。

设计过程

一 产品尺寸重量设定

1产品尺寸：长100mm，宽50mm，高30mm。 2产品重量：10N。 二 总体框架

1送料机构 2定位夹紧机构 3打印机构 4输出机构

三 各机构方案去的确定

（一）送料机构 送料机构必须实现间歇送料

1方案一 不完全齿轮

原理及优点：用一个完全齿轮和一个不完全齿轮，完全齿轮在电动机的驱动下匀速转动，当不完全齿轮的轮齿与完全齿轮啮合时，不完全齿轮带动履带轮转动，进行送料，转动过的弧长，即为送料长度。当不完全齿轮不进行啮合时，毛坯料不动，可在这段时间内进行剪切和冷镦．不完全齿轮机构的结构简单，制造容易，工作可靠，而且设计时从动轮的运动时间和静止时间的比例可在较大范围内变化。

2方案二 棘轮机构

原理及优点：棘轮将连续转动或往复运动转换成单向步进运动。棘轮轮齿通常用单向齿，棘

爪铰接于摇杆上，当摇杆逆时针方向摆动时，驱动棘爪便插入棘轮齿以推动棘轮同向转动；当摇杆顺时针方向摆动时，棘爪在棘轮上滑过，棘轮停止转动。为了确保棘轮不反转，常在固定构件上加装止逆棘爪。摇杆的往复摆动可由曲柄摇杆机构、齿轮机构和摆动油缸等实现，在传递很小动力时，也有用电磁铁直接驱动棘爪的。棘轮每次转过的角度称为动程。动程的大小可利用改变驱动机构的结构参数或遮齿罩的位置等方法调节，也可以在运转过程中加以调节。如果希望调节的精度高于一个棘齿所对应的角度，可应用多棘爪棘轮机构。棘轮机构工作时常伴有噪声和振动，因此它的工作频率不能过高。棘轮机构常用在各种机床和自动机中间歇进给或回转工作台的转位上，也常用在千斤顶上。在自行车中棘轮机构用于单向驱动，在手动绞车中棘轮机构常用以防止逆转。棘轮机构的主动件为摇杆，这里想到要用棘轮机构，也正是因为它用到摇杆，那么会有曲柄连杆去带动它，而后面的剪切和夹紧机构可以共用一个曲

4

柄，使整体机构简单化，加工方便，运动可靠，用于速度较低和载荷不大场合。

3方案三 槽轮机构

原理及优点：槽轮机构与不完全齿轮的原理一样，是通过用主动轮的圆销带动槽轮转动，当圆销离开径向槽时，槽轮又静止不动。直至圆销再次进入另一个径向槽时，又重复上述运动。槽轮机构要控制槽轮的运动时间和静止时间，是根据槽轮上的槽数来定的。在外槽轮机构中，当主动拨盘回转一周时，槽轮的运动时间td 与主动拨盘一周的总时间之比，为槽轮机构的运动系数，用k表示，且k=td/t=1/2－1/Z,这里的z就是槽轮上的槽数。槽轮机构的结构简单，工作可靠，刚性冲击较小， 但与不完全齿轮比较起来，槽轮机构运动时间和静止时间的比例可调范围没有不完全齿轮那么大。

4 最终方案

方案二 棘轮机构

选择理由:这三种方案中，不完全齿轮和槽轮是同样的原理，而且结构简单，制造容易，但不完全齿轮有较大冲击。槽轮机构的虽机械效率高，并能平稳地间歇地进行转位，但槽轮相对于棘轮来说设计复杂。棘轮工作时的冲击比较大，而且运动精度较差。但从整体设计角度来看，选用棘轮机构，能使整体的机构配合紧凑而且简单。这里设计的是低速机构，所以选择棘轮机构。 （二）夹紧定位机构

1方案一 气动机构

气动自动化系统最终是用气动执行元件驱动各种机构完成特定的动作。用气动执行元件

和连杆、杠杆等常用机构结合构成的气动机构，诸如断续输送机构、多级行程机构、阻挡机

构、行程扩大机构、扩力机构、绳索机构、离合器及制动器等等，例不胜举。气动机构能实

现各种平面和空间的直线运动、回转运动和间歇运动。采用气动机构能使机构设计简化，结

构轻巧，从最简单的气动虎钳到柔性加工线中的气动机械手，充分发挥了气动机构的特点。

2方案二 曲柄滑块机构

曲柄滑块机构是一种常用的机械结构，它将曲柄的转动转化为滑块在直线上的往复运动，是压气机、冲床、活塞式水泵等机械的主机构。 3方案三 凸轮机构

凸轮机构在应用中的基本特点在于能使从动件获得较复杂的运动规律。因为从动件的运动规律取决于凸轮轮廓曲线，所以在应用时，只要根据从动件的运动规律来设计凸轮的轮廓曲线就可以了。

凸轮机构广泛应用于各种自动机械、仪器和操纵控制装置。凸轮机构之所以得到如此广泛的应用，主要是由于凸轮机构可以实现各种复杂的运动要求，而且结构简单、紧凑。

5

4最终方案

方案三 凸轮机构 在这三个方案中，气动机构体积大比较笨重，曲柄滑块轻便但结构不如凸轮紧凑。凸轮结构简单，易于实现往复运动，所以选凸轮机构。 （三）打印机构

打印机构也是有往复运动实现，与夹紧定位机构相同个方案也不再重述。考虑到打印机整体小且打印所需的力也不大，所以还是选用凸轮机构。 （四）输出机构

产品是在打印完成后输出，也就是说输出机构也是要实现间歇功能。能实现简写功能的机构方案前面已介绍过这就不重复。我们的设想是由棘轮机构带动运送带，实现送料和输出两功能。

图一 运动简图

四 总体运动方案 电动机经过减速器把转速见到合适的速度，然后曲柄滑块机构产生往复运动带动棘轮摆杆。然后经过几轮的间歇转动带动传送带运动，实现送料和输出产品功能。由于产品输入、输出与打印、加紧频率是一样的，所以也是减速器出来后把转速和转矩传给打印和定位夹紧机构的凸轮，再有凸轮带动传动件，实现打印和夹紧功能。具体传动过程见图一。

五 结构尺寸初步设计

传送带把产品有输入口送到打印位置，打印完后把产品输出。而我们是以产品的宽度方向50mm为进给方向的，也就是说棘轮运动一次产品走过的距离要大于50mm。考虑到如果带轮转过90度送物带走过50mm的话，带轮的直径至少是64mm。而物品走过的距离要大于50mm，为了使带轮直径不至于过大，我们令棘轮摆杆摆动的角度为90度时，带轮转过180度。为此，棘轮不能直接连到带轮上而是中间有齿轮，而且是2：1的传动比。初步选定棘轮上的齿轮齿数为36，带轮上的齿轮齿数为18，模数为1.5，带轮直径为60mm。则齿轮的分度圆

6

分别为54mm、27mm。选定带动棘轮的滑块偏离棘轮中心的距离为30mm，则滑块往复运动的距离为60mm，曲柄长度为30mm。为了使滑块能稳定的运动令滑块连接中心距离为95mm，连杆为80mm。

六 曲柄滑块速度、加速度分析

取O点为坐标原点，OP方向为x轴正方向，P在x轴上的坐标为x，那么可用x表示滑块的位移。

利用三角关系，立即得到

x?rcos??l2?r2sin2?(8.1)

?dxdxd?dxdt?d?dt??d?(8.2)?x?rcos??l2?r2sin2?(8.1)2?dxd???rsin??rsin?cos?l2?r2sin2(8.3)?

于是滑块的速度

????t

v?dx?dxd?dx dtd?dt??d?

???rsin???1?rcos??(8.4)

?l2?r2sin2???

进而，可以得到滑块的加速度为

7

a?d?dt2??d?d?(8.5)??224r(lcos2??rsin?)????r?cos??3??2222(l?rsin?)????当θ=0度时a有最大值a=1.62848m/s2,此时带轮的加速度为a1=aⅹ2=3.2570m/s2，要使

产品在带轮上达到a1的加速度则带轮收的作用力为F=mⅹa1=6.514N。经过传动关系曲柄轴收到的力为F1=6.512N，力矩为M1=F1ⅹr1=6.514ⅹ0.03=0.2N·m。 七 定位机构，打印机构受力分析

1 夹紧定位机构

带轮与产品的摩擦系数μ=0.42，产品重为G=10N，则定位机构进行定位所需的力为F2=μⅹG=4.2N。定位机构传到曲柄轴的力矩M2=F2ⅹr2=4.2ⅹ0.02=0.084N·m。 2打印机构

打印机构所需的力F3=10N,传到曲柄轴的力矩M3=F3ⅹr3=10ⅹ0.015=0.15N·m。 八 曲柄轴受力分析

因为产品在传送过程中不进行夹紧定位和打印，而打印过过程与夹紧定位过程是有重叠部分，所以曲柄受力分两部分。一是传送，二是夹紧定位和打印。夹紧定位和打印时所受最大力矩M4=M2+M3=0.15+0.084=0.234N·m。曲柄在一周期内收到的最大力矩Mmax=max[M1,M4]=0.234N·m。设从执行机构到曲柄轴的传动效率为0.8，则输入曲柄轴所需的力矩为M=0.234/0.8=0.2925N·m，功率为P=Mⅹω=0.2925ⅹ6.28=1.8375w。 九 减速器设计 （一）设计构想

我们设想设计一个两级的减速器，减速器出来后再经过一级传动传到曲柄轴，这样可以使整体结构紧凑，减少轴承联轴器的应用减少成本。 （二）电机的选择

Pd=P/η

1

η=η

查表可知η带入数得η

4轴承·η

3齿轮·η

联轴器

轴承

=0.99 η

卷筒

=0.96 η

齿轮

=0.97 η

联轴器

=0.992

=0.869 Pd1=2.11w

而 Td1=9.550ⅹPd1/ n1=0.013993 N·m

nd=ia·n=(8～25)n=480～1500 r/min

根据《机械设计手册》第二版，第二卷，表9.1-40查得选用的电动机的型号为 YS45-1-2,功率Pd=10w>Pd1,转速ned=1440r/min，额定转矩Td=2.4N?m> Td1

i=nd/n曲轴=1440/60= 24

8

选定减速器到曲轴的传动比为2，则减速器的传动比为ia=12

i1=1.3i2

ia= i1·i2=1.3i2

2

i2

= 代入数据得：i2 =3.038 取i2=3 i1= ia/i2 =4

（三）传动装置运动和动力参数计算 1各轴转速的计算：

n1=ned=1440r/min ， n2=n1/i1=1440/4=360 r/min ，n3=n2/i2=360/3=120 r/min

2各轴功率的计算：

p1=pd1·η

联轴器

=2.093w

p2=p1·η

轴承

·η齿轮

==2.010w

p3=p2·η

轴承

·η

齿轮

==1.930w

3各轴扭矩的计算

T1= Td·η

联轴器

=13.881 N·mm

T2= T1·i1·η

轴承

·η齿轮

=53.321 T3= T2·i2·η

轴承·η

齿轮

=153.6

（四）齿轮的设计校核

1齿轮的设计

选材 ： 查《机械设计》p161 表10-1

因为一级齿轮为中速中载，所以选高速轴齿轮的材料为 40Cr钢 调质 260HBS。

因为小齿轮要比大齿轮硬度高30～50HBS，所以中速轴大齿轮的材料为45钢 230HBS。

所以有图10-21（机械设计）查得б

lim1=500MPa ，

б

lim2=550MPa。

因为中速轴的小齿轮为低速中载，所以选材为45钢 调质 240HBS。

同样小齿轮要比大齿轮硬度高30～50HBS，所以低速轴大齿轮的材料为 45钢 9

调质正火

210HBS 。

因为是标准系列减速器中的齿轮，所以选各齿轮精度为7级（GB 10095-88）。 因为各齿轮硬度小于350HBS,所以是闭合式软齿面，所以齿面点蚀是主要的失效形式。

齿数设计：取高速轴齿轮齿数为 z1=18 ， 则中速轴大齿轮的齿数 z2=i1·z1 ，z2=18ⅹ4=72 中速轴齿数z3=18 ， 则 z4= z3·i2=183=54 低速轴齿数z5=20 ， 则 z6= z5ⅹ2=40

2齿轮的强度设计与校核

选定低速级齿轮模数为1，其余为2。 （1） 齿面解除疲劳校核 б

H

=

2KT1(u+1)

ZHZE[бH]

φdd13u

KNбlim

[бH]=

s

令 Lh=8ⅹ250ⅹ24=48000 则N1=60njLh=60ⅹ1400ⅹ1ⅹ48000

=4ⅹ1010 N2=101

由图10-19（机械设计）查得 KHN1=KHN2=0.85 所以 [б

KN1бlim10.85ⅹ600]= = =510MPa H1

s1

KN1бlim20.85ⅹ550

[бH]2= = =467.5MPa

s1

因为用直齿轮所以ZH=2.5

由表10-6（机械设计）得ZE=189.8

K=KAKVKαKθ=1ⅹ1.1ⅹ1ⅹ1.4ⅹ1.413=1.554

由式б

H =

2KT1(u+1)

ZHZE=бH

φdd13u

2ⅹ1.55ⅹ13.881(4+1)

2.5ⅹ189.8

0.50.0183ⅹ4

==2.04 MPa<<467.5 MPa

10

所以解除疲劳强度符合要求。

3弯曲疲劳强度校核

由图10-18（机械设计）查得 KFN1=KFN2=0.8 S取1.4

再由图10-20（机械设计）查得 б

FE1

=500 MPб

a

FE2

=380 MP

a

根据式10-12（机械设计）得

KF1б[бF]=

s

1

FE1

0.8ⅹ500 = =285.7 MP

1.4

a

KF2б[бF]=

s

2

FE2

0.8ⅹ380 = =217.1 MP

1.4

a

由表10-5（机械设计）查得

YFa1=2.91 YSa1=1.53 YFa1 YSa1=4.4523 YFa2=2.24 YSa2=1.75 YFa2 YSa2=3.92

由式

2KT1YFa1YSa2·1.55·13.881·4.4523

бF= = φdm 2Z210.5·13182

=1.18= MPa<<217.1 MPa

所以解除疲劳强度符合要求。

4齿轮尺寸的确定

① 精算齿轮分度圆直径： d=mz

d1=mz=1ⅹ18=18mm ， d2=mz=1ⅹ72=72mm ， d3=mz=1.5ⅹ18=27mm ， d4=mz=1.5ⅹ54=82mm ，

③中心距a的计算： a1=（d+d）/2=（20+72）/2=45mm

同理可算出a2=54mm.

② 齿面宽b的计算： b2=ψ

d·

d1=0.5ⅹ18=9mm b1= b2+3=12mm

11

同理，b4=ψ

d·

d3 取b4=13.5mm b3=1635mm 。

综上所述，齿轮设计参数如下：

z1=18 ， d1=18 mm， b1=12mm z2=72 ， d2=72 mm， b2=9 mm z3=18 ， d3=27 mm, b3=16.5mm z4=54 , d4=81 mm ，b4=13.5mm mn1=1 ， mn2=1.5

以上齿轮都是标准圆柱齿轮。

十 同步带设计（设计所有图表均来自《机械识记手册》第二版，第四卷）

1 设计参数

由前面的设计可知传到带轮的功率为P=M3ω=0.15ⅹ6.28=0.942w，n=60r/min,i=1,轴间距约为得a0=105mm，每天按8小时计。

2 设计功率Pd

由表33.1-50查得在和修正系数KA=1.5，Pd=KAP=1.5ⅹ0.942=1.413w

3 选定带型和节距

根据Pd=1.413w和n=60r/min，由图33.1-13确定为XL型，节距Pb= 5.08mm 4 带轮齿数z1,z2

根据XL带型海伦转速n，由表33.1-51得 z1,=z2=10，此处取z1,=z2=15 5 带轮节圆直径

d=

zPd15x5.08 = =24.26mm，由表33.1-56得da=23.75mm лл

лndr6 带速v v= =0.076m/s 60x10007 带长及齿数

(d1-d2)

L0=a0+ л(d1+d2)/2+ =2x105+3.14x（24.26+24.26）+0=262.35mm，由表33.1-47

4a0

查得应选用带长代号位140的XL型同步带，其节线长LP=355.6mm，节线长上的齿数z=70

8 实际轴间距a

a≈a0+（LP-L0）/2=105+(355.5-362.35)/2=101.6mm 9 带轮啮合齿数zm

Pbz1

zm=ent[z1/2-2 (z2-z2)]

2лa因为 z2=z2 所以zm=ent[z1/2]=8 10 基本额定功率P0

(Ta-mv)vP0=

1000

2

2

12

由表33.1-52查得Ta=50.17，m=0.022 P0=0.00385kw 11 所需带宽bs bs=bs0

1.14

Pd

KZP0 由表33.1-52查得XL型带bs0=9.5mm，Kz=1 所以bs= 9.5

1.14

1.413

3.85 =2.51mm

由表33.1-48查得应选带宽代号为025的XL型带，其bs=6.4mm 12 带轮结构和尺寸

传动选用的同步带为140XL025 带轮：z2=z2=24.26mm，

da1= da2=23.75mm hg=1.650-0.08

十一 轴的设计

轴的强度校核计算

由前面可知轴受到的力很小，因此用弯曲强度降低需用扭转切应力校核计算。由于曲柄轴受到的扭矩最大，所以由式

d≥A

03pn A0=126， p=1.8375ⅹ10

-3

Kw，n=60rad/min 得

126=3

1.8375?1060?3=3. 9mm。

由上式可知只要轴的直径大于

3.9mm就能满足要求。因此我们决定轴直径最小的是曲柄滑块机构交接处的直径为5mm。

十二 执行机构的设计 1打印机构设计

前面已经涉及到机构的选择，为凸轮机构。通过凸轮机构是从动件上下往复运动，而产品就在从动件下方，从而到达打印的目的。如图二

2打印机构工作头设计

我们设想是凸轮从动件就是工作头，只是打印图案部分—印章与从动件可分离，这样当要打印不同的印时只需把印章换下来就可以了。这样使机器的通用性更强。从动件也十分两部分，一个是活塞缸， 一个是活塞。活塞缸从上往下依次 图二

13

装入活塞，弹簧然后把活塞缸口封紧。

3定位夹紧机构设计

定位夹紧机构也是凸轮机构，只是和打印机构不同的是：打印机构用的是凸轮径向的形状使从动件运动，而定位夹紧机构是用凸轮轴向的形状来使从动件运动。

4定位夹紧机构工作头设计

由于打印是从上往下打印的所以，定位夹紧机构只需把产品定位好后进行辅助就可，不需对产品进行夹持。所以我们设计的工作头如图三。

图三 结束语

一 设计总结：

通过这次设计，使我认识到上课时的内容虽然已经很很丰富，但如果没有实践的话，学习再多的理论也只是纸上谈兵，就像用到的各种符号，往往就同其它的一些符号相混，结果往往是张冠李戴。但如果书上的知识没有掌握，在设计的过程中会遇到很多麻烦，就像有许多公式记不起来，结果是弄得自己手忙脚乱，只好再从书上查找。通过这次设计，我查找资料的能力也得到了很大的提高。更重要的是，通过这次的课程设计，我们初步尝试了去独立地去发现问题，解决问题，反思问题的能力，并且设计的是一个整体，所以考虑问题的方向也全面了，不单单是去解一道题目，而是去解决一系列相关联的题目链，大大地提高了我们在这方面的能力，而且这种能力的培养恰恰是在学校学习阶段很难得接触到的，但却在以后踏上工作岗位中常常会遇到的，所以觉得此次的设计受益匪浅，并且稍有成就感，感谢开了这门课程设计课。但在设计过程中也发现了不少问题。比如自己知识的储备不足，知识面不够广，对学过知识的掌握不牢固。因此，自己在以后的学习工作中要不断的学习，不断实践，不断巩固加深自己的知识，使自己在今后的工作中得心应手。

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二 参考资料

孙恒 陈作模 葛文杰 主编 《机械原理》第七版 高等教育出版社 濮贵良 纪名刚 主编 《机械设计》第八版 高等教育出版社 王建华 毕万全 主编 《机械制图与计算机绘图》 国防工业出版社

王建华 毕万全 主编 《机械制图与计算机绘图学习指导》 国防工业出版社 朱龙根 主编 《机械系统设计》 机械工业出版社

刘鸿文 主编 《简明材料力学》 高等教育出版社 刘鸿文 主编

[美]约翰·F·加德纳 周进雄 张陵 译《机构动态仿真》 西安交通大学出版社 成大全 许 澋页

主编 《机械设计手册》第四版 第三卷 化学工业出版社 主编 《机械设计手册》第二版 第四卷 机械工业出版社 15

课 程 设 计 说 明 书

课程名称 题目 指导老师 设计起止日期

系 别 专 业 学生姓名 班级学号

成 绩

16

课 程 设 计 说 明 书

课程名称 题目 指导老师 设计起止日期

系 别 专 业 学生姓名 班级学号

成 绩

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/l1k2.html