2011年机械原理课程设计说明书
书本打包机
设计者
姓名： 王林 学号： 10094245 班级： 机设094班 姓名： 卫佳骏 学号： 10094231 班级： 机设094班 姓名： 张晓霓 学号： 10094224 班级： 机设094班
指导教师： 殷勇辉
完成日期：2011年7月8日
目 录
第一章 设计题目及要求……………………………………3 第二章 工作原理分析………………………………………6 第三章 机构设计……………………………………………8 第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 第六节
第四章 第五章 第六章
横向送书机构………………………………………8
纵向送书机构……………………………………11 送纸机构…………………………………………14 裁纸机构…………………………………………15 折角机构…………………………………………17 涂浆糊贴标签烘干机构…………………………19
机构组合…………………………………………23 人员分工及设计心得体会……………………28 参考文献…………………………………………30
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第一章 设计题目及要求
一、 设计题目 1.1书本打包机是用牛皮纸将一摞书（5本一摞）包成一包，并在两端涂浆糊和贴好
标签，如下图所示：
图1—1 书本打包机的总体功用
二、 原始数据及设计要求 1.2 下图所示为由总体设计规定的各部分的相对位置和有关尺寸。 工作台面0卷纸0O地面11 图1—2 打包机各部分的相对位置及有关尺寸和范围 - 3 - 其中O为机器主轴的位置，A为机器中机构的最大允许长度，B为最大允许高度，y0为工作台面距主轴的高度，（x，y）为主轴的位置坐标，（x1,y1）为纸卷的位置坐标。
1.3 书本打包机具体技术要求为：
1.机构的尺寸范围
A= 2000 mm，B= 1600 mm。 工作台面位置：y0= 400 mm
主轴位置：x = 1000～1100 mm，y = 300～400 mm； 纸卷位置：x1= 300 mm，y1= 300 mm。
为了保证工作安全、台面整洁，推书机构最好放在工作台面以下。 2.工艺要求的数据
书摞尺寸：宽度a= 130~140 mm； 长度b= 180~220 mm； 高度c= 180~220 mm。 推书起始位置：x0= 200 mm。 推书行程：H= 400 mm。
推书次数（主轴转速）：n= (10±0.1) r/min（电动机转速：1440 r/min）。 主轴转速不均匀系数：δ≤ 1/4。 纸卷直径：d= 400 mm。
三、设计任务
1)
根据给定的原始数据和工艺要求，构思并选定机构方案。内容包括纵向推书
机构、送纸机构、裁纸机构、折角机构、涂浆糊机构，以及从电动机到主轴之间的传动机构。确定传动比分配。
2) 机构。
3) 4) 5) 6) 7)
书本打包机一般应包括凸轮机构、齿轮机构、平面连杆机构等三种以上常用按比例画出机构运动简图，标注出主要尺寸；画出包、封全过程中机构的运设计平面连杆机构并进行运动分析。绘制从动件运动线图。
设计凸轮机构。确定从动件运动规律，选择基圆半径，校核最大压力角与最设计计算其中一对齿轮机构。
书本打包机进行三维造型和动态仿真，并输出送纸机构、推书机构、裁纸机
动循环图（全部工艺动作与主轴转角的关系图）。
小曲率半径，计算凸轮廓线。
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构的位移、速度、加速度曲线。
8)
编写设计计算说明书
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第二章 工作原理分析
一、书摞的包、封工艺顺序
2.1 书本打包机工艺分解，如下图所示：
③送纸①送书②推书④推书包三面c'⑤折侧边ad'cbd后角⑥折前角⑦折后角⑧推书⑨涂浆糊⑩贴封签⑾烘干 图2—1 书本打包机的工序图 二、书摞的包、封工艺位置 2.2 书本打包机包、封工艺位置 推书行程②④⑤⑦⑧⑨⑩⑾①abcdefgh⑿⑥挡板③ 图2—2 包、封工艺位置示意图 2.3 包封工艺位置对应功能分解
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1.横向送书（送一摞书）。
2.纵向推一摞书前进到工位a，使它与工位b～g上的六摞书贴紧在一起。
3.送纸，书推到工位a前，包装纸已经先送到位。包装牛皮纸使用整卷筒纸，由上向下送够长度后裁切。
4.继续推书前进到工位b，在工位b书摞上下方设置有挡板，以挡住书摞上下方的包装纸，所以书摞被推到工位b时实现三面包装，这一工序共推动a～g的七摞书。 5.推书机构回程，折纸机构动作，先折侧边将纸包成筒状，再折两端上、下边。 6.继续折前角，将包装纸折成如图2—1实线所示位置的形状。
7.再次推书前进折后角，推书机构又进到下一循环的工序4，此时将工位b上的书推到工位c。在此过程中，利用工位c两端设置的挡板实现折后角。 8.在实现上一步工序的同时，工位c的书被推至工位d。 9.在工位d向两端涂浆糊。 10.在工位e贴封签。
11.在工位f、g用电热器把浆糊烘干。 12.在工位h，人工将包封好的书摞取下。 综上分析，可以看出：
书本打包机中的主要机构包括：横向送书机构、纵向送书机构、送纸机构、裁纸机构、折角机构、涂浆糊贴标签机构以及烘干机构。
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第三章 机构设计
机构设计主要包括横向送书机构、纵向送书机构、送纸机构、裁纸机构、折角机构、涂浆糊贴标签机构以及烘干机构的设计，以实现书本打包的功能。
第一节 横向送书机构
3.1.1．书本打包机——横向送书机构
横向送书机构的主要执行机构为凸轮机构和齿轮齿条机构，其机构简图如图3—1所示：
图3—1 横向推书机构
3.1.2 横向推书机构的工作原理：
一、横向推书机构的工作流程：
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通过主动件凸轮的转动将速度通过齿条2→齿条2带动齿轮1,2转动，并且由齿轮1,2控制不同的传动比→齿轮1带动齿条1和其上推头横向运动完成横向推书动作。 二、机构运动循环图
图3—2 横向送书机构运动循环图
横向推书机构在120°~360°期间进行推书运动：120°~240°推头推书，240°~360°推头退回，0°~120°推头不动，横向推书行程H=380mm。 三、齿轮设计
一个横向推书过程，设计齿轮1转动一圈。由H=380mm得，齿轮1的直径为120mm左右。设计齿轮直径为120mm。使用标准齿轮，压力角为20°，模数是8，齿数为15。齿轮2直径为40mm，使用标准齿轮，压力角20°，模数为4。
各个齿轮齿条的数据参数：全部使用标准齿轮 齿轮-1 直径D=120mm M=8 Z=15 齿轮-2 直径D=40mm M=4 Z=15 齿条-1 有效长度380mm 齿条-2 有效长度126mm 四、凸轮设计
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由上面得知凸轮推程运动角为120°。为了防止推书过程中书本出现洒落要求推书过程中加速度从零开始，根据要求凸轮的加速度按正弦规律变化。回程过程中加速度没有要求，我们仍旧按正弦加速度规律设计凸轮。凸轮的行程有齿轮1可知，h=125.6mm，设计凸轮从动件是直动型的，采用压力角为32°，基圆半径80mm。
图3—3 凸轮运动位移、转角示意图
五、机构综合设计
推头行程范围为377mm；齿轮1直径120mm，凸轮的最大行程是125.6mm，工作台与凸轮轴的垂直距离应大于325.6mm，设计为400mm。
3.1.3横向推书机构对比机构
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图3—4 横向推书机构对比机构
图3—4所示的连杆滑块机构也可以实现横向推书的功能，但是通过对比凸轮齿条机构结构简单，易于实现复杂的运动要求比较容易设计各种传动比的要求，而且结构紧凑。连杆滑块机构制造容易，但设计较为困难，连杆机构随着构件和运动副数目的增加，积累误差较大，传动精度不高。
因此我们确定凸轮齿条方案为横向推书机构。
第二节 纵向送书机构
3.2.1 书本打包机——纵向送书机构
纵向送书机构的主要执行机构为凸轮机构和连杆滑块推头机构，其机构见图如图3—5所示：
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图3—5 纵向推书机构
3.2.2 纵向送书机构的工作原理
一、纵向送书机构的工作流程：
通过主动件凸轮的转动带动连杆摆动再带动滑块做往复运动，从而完成纵向推书动作。
二、机构运动循环图
图3—5 纵向推书机构运动循环图
纵向推书机构在机构在0°~120°向推书机构在期间完成纵向推书动作：0°~80°完成单摞推书，80°~120°完成七摞推书，120°~220°推头回退，220°~360°推头不动。
三、凸轮设计以及机构整体尺寸
由图3—5得知凸轮推程运动角为120°。为了防止推书过程中书本出现洒落要求推书过程中加速度从零开始，根据要求凸轮的加速度按正弦规律变化。回程过程中加速度没有要求，我们仍旧按正弦加速度规律设计凸轮。
凸轮和机构整体的具体设计尺寸如下图3—6所示：
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图3—6 凸轮设计图
1) 按（α3max）min确定AB和BC用图解法初选BC杆长度，找出αmax和αmin的大致范围，并保证滑块能达到行程H.
2) 根据凸轮机构压力角α1<[α1]，且尺寸愈小愈好的原则设计凸轮轮廓，确定尺寸
lAB 和基圆半径r0，并求出最大（最小）压力角。
数据如下：
X1 (mm) Y1 (mm) Y (mm) X2 (mm) H αmax αmin rr (mm) r0 (mm) (°) (°) (mm) 203 370 1001 150 400 22.1
具体计算如下：
18.9 40 250 αmax = arctan(X2/ Y1)=22.1° L=(453-250)/2
αmin = arctan(L/Y1)=18.9°
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Lbc=800mm Lab=400mm
3.2.3 纵向送书机构对比机构
下图3—7所示机构也能实现纵向推书功能，具体分析同横向推书机构对比机构。
图3—7 纵向推书机构
第三节 送纸机构
3.3.1 书本打包机——送纸机构
送纸机构的主要执行机构为连杆弹簧机构和凸轮机构，其机构简图如图3—8所示：
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图3—8 送纸机构
3.3.2 送纸机构的工作原理：
一、送纸机构工作原理：
送纸机构主要实现当有一摞书推来时从包装纸筒上扯下一定长度的包装纸，然后剪断。根据书本尺寸，每份包装纸的尺寸700mm×400mm。送纸采用橡胶摩擦轮传动，凸轮转动带动连杆摆动，与纸卷接触的滚子摩擦系数较大，连杆摆动使滚子与纸筒接触并产生相对滚动，从而将纸自上而下的传送，传送定量距离后将纸裁断。 二、送纸机构设计
送纸机构中的滚纸筒直径D=50mm，可绕纸筒中心轴自由转动，凸轮运动规律与横向送书机构的凸轮运动规律相似，故其轮廓与其相似。
第四节 裁纸机构
4.4.1 书本打包机——裁纸机构
裁纸机构的主要执行机构为凸轮顶杆机构和连杆滑块机构，如下图3—9所示：
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图3—9 裁纸机构简图
4.4.2 裁纸机构的工作原理：
通过主轴的运动将速度V传递到凸轮上，使其转动，将力与速度通过连杆传递给剪刀，通过剪刀截断合适尺寸的纸，最后达到裁纸的工作过程。
主轴转速应与送纸机构中的速度相匹配。纸的有效长度为400mm，故要使得其送的纸的长度大于400mm，所以凸轮陷进的部分应大于120度，设其工作部分为140度，其中剪刀设计与竖直纸相隔50mm。
裁纸机构中，凸轮的轮廓大致形状即为图中所示，凸轮在链轮带动下传动，再由连杆机构使得裁刀做往复运动，达到裁纸功能。在几个步骤进行后，书本三面被包上纸：
4.4.3 裁纸机构对比
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图3—10 裁纸机构对比机构
图3—10也是一种裁纸机构，通过对比，虽然结构比较简单，但是该机构很难控制裁纸时间，因而难以控制裁纸长度；而上述图3—9的裁纸机构，不仅结构紧凑，而且可以通过改变左边机构的回转半径来准确控制裁纸刀的间隙时间，从而达到对纸张长短的控制。
第五节 折角机构
4.5.1 书本打包机——折角机构
一、折上下边机构
1）折上下边机构的主要执行机构为凸轮机构和连杆机构，折上下边机构简图如下图3—11所示：
2）折上下边机构工作原理：
通过凸轮的回转运动，带动连杆摆动，进而实现假肢杆件的间隙闭合开启运动，实现折上下边的功能。 3）机构优点：
该机构主要优点是通过凸轮较小幅度的回转运动实现了假肢杆件较大幅度的间隙闭合开启运动，而且可以同时折好上下边，提高了工作效率。另外，由于凸轮回转幅度较小，因而整体机构所占空间小，整体显得十分紧凑。
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图3—11 折上下边机构
4）折上下边机构对比
图3—12也可以实现折上下边，但是该机构只能折一边（上边或下边），因此要实现同时折好两边，需要两个对称的机构，而且曲柄连续回转难以控制好折边时间，因而精确度不如图3—11所示机构高，同时运动幅度也比较大，占空间大，所以选择图3—11机构比较合理。
图3—12 折上下边对比机构
二、折前角机构
1）折前角机构的主要执行机构为一个随轴回转的半球形转子，其机构示意图如下图4—5所示：
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图3—13 折前角机构
2）折前角机构工作原理：
该机构随轴转动，上下边折好后，半球形转子刚好转过来实现折前角的功能。后角利用固定挡板折好。 3）机构优点：
该机构十分简单，容易实现，而且制造成本低，性价比很高。
第六节 涂浆糊、贴标签、烘干机构
4.6.1 书本打包机——涂浆糊、贴标签、烘干机构
涂浆糊贴标签烘干机构的主要执行机构为凸轮摆杆机构，其机构简图如图3—15所
示：
将此机构分解成四部分，涂浆糊 → 贴标签 →烘干 → 二次烘干。如图3—14所示：
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图3—14 涂浆糊贴标签烘干示意图
它们的机构都可以用凸轮摆杆滑块机构实现。凸轮的转动使得滑块往复运动，完成各个动作。
图3—15 涂浆糊、贴标签、烘干机构
4.6.2 涂浆糊贴标签烘干机构的工作原理：
通过凸轮的转动带动与凸轮连接的轮轴，并使其上面的水平板块做水平往复运动，四个长方体相邻两长方体间隔130~140mm（书摞的宽度），恰好为两摞书中点之间的距离，在推书机构把第二摞书推到涂浆糊处，第一摞书恰好到达贴标签处。直至最后完成烘干。
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4.6.3 凸轮机构的设计要求
1）贴标签工艺是在折角之后完成的，故工作时间为180°~340°之间。 2）凸轮推程运动角φ=45°，从动件在推程时按正弦加速度运动，设计其行程为24mm，凸轮机构的许用压力角[α]=30°
4.6.4 机构运动循环图
由图3—15可以看出180°至340°为工作区域。
4.6.5 涂浆糊贴标签烘干机构的对比机构
图3—16所示为滚子从动件机构，凸轮的转动带动滑块的左右移动，从而实现涂浆糊、贴标签、烘干功能。但与图3—14比较，图3—14加了一个摇杆，从而使传动更为稳定，且冲击明显少于后者。
因此，我们选择图3—14机构。
图3—16 涂浆糊贴标签烘干机构运动循环图
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图3—17 涂浆糊贴标签烘干机构对比机构
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第四章 机构组合
4.1将第三章所有机构汇总如图4—1所示：
图4—1 书本打包机总简图
上图4—1所示为书本打包机总简图，该图按加工顺位表达了书本打包的运动情况。该图中分别表达了横向推书机构、纵向推书机构、送纸机构、裁纸机构、折上下边机构、折前角、涂浆糊、贴标签、烘干机构的机构简图。通过该简图可以了解书本打包机的运行过程和打包过程。
4.2 机构总运动循环图：
机构总运动循环图如下图4—2所示：
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图4—2 机构总运动循环图
4.3部分机构三维立体图
图4—3 横向送书机构立体图
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图4—4 纵向送书机构
图4—5 送纸裁纸机构
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图4—6 部分机构装配图1
图4—6 部分机构装配图2
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图4—7 部分机构装配图3
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第五章 人员分工及设计心得体会
一、人员分工：
总体方案讨论确定——王林、卫佳骏、张晓霓 AUTOCAD绘图——王林、卫佳骏、张晓霓 SOLIDWORKS绘图——卫佳骏 第一章、第二章——王林
第三章（第一节、第二节、第三节）——卫佳骏 （第四节、第五节）——王林 （第六节）——张晓霓 第四章——王林、卫佳骏、张晓霓 第五章、第六章——张晓霓
二、设计心得体会：
经过这次短暂而有意义的课程设计，我们对这一整个学期学习到的机械原理知识有了更加深入的体会和认识，使零散的知识形成了有机的网络体系，同时通过对相关书籍的查阅，也拓宽了我们对这门课程以及本专业的认识。
这次的课程设计让我们看到了团队的力量，三人分工协作，将各个部分分成不同的小步骤。我们先积极地查阅了大量的资料，然后把资料进行汇总，并集体讨论了整个的设计思路，之后三人分工协作，将各个部分分成不同的小步骤。设计过程中，不仅让大家学以致用，还大大培养了团队合作的精神。因为在课程设计中我们渐渐明白，只有一个人知道原理是远远不够的，必须让每个人都知道的，否则一个人的失误，就可能导致整个团队的工作失败。
一个多星期里，我们将时间合理分配，根据个人的优势将工作内容合理分配。但每一个机构的完成，绝对不只是具体某个人的功劳。当自己思考出了一个机构的雏形，小组就会积极开展讨论。比如在对凸轮的设计中，凸轮在任意两个角度的速度分析，受力情况，加速度分析和动态的静力分析等，我们经历了激烈讨论，悬而未决，再次修改直至最终大家一致通过。但由于对matlab等编程软件不熟悉，我们还是未能拟合出精确的凸轮轮廓。可是这每一个机构，都是我们小组成员反复思考，辩论，查阅资料……直至最终确定下来的。而辩论过程中，不仅让我们认识到了自己想法不全面的地方，也体会到经同伴指出问题后恍然大悟的快感，更可贵的是往往就在这你一言我一语中，我们讨论出了更为完整实用优良的方案。
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通过本次课程设计，让每个组员都受益颇丰。我们不仅更全面深入地掌握了所学知识，并且还有了初步的机械选型与组合及确定传动方案的能力，培养了初步的开发和创新机械产品的能力。同时，我们也对运动分析和设计有了一个较完整的概念，进一步提高了运算、绘图、表达及查阅各种技术资料的能力。但也让我们意识到，目前我们所具有的知识是远远不够的，当理论碰上实践，我们依然会感到毫无头绪和无从下手，这主要是因为我们平时不注重培养和锻炼自己独立思考和动手的能力，而这无一不是我们这个专业所需要我们具备的。所以，今后的日子里，我们还要虚心学习，而且不仅学习本专业知识，只要专业有所涉及，我们都不应该放过，因为在这次实践中，我们就发现课程设计跟数学、计算机等多门学科的紧密关联。我们也充分认识到，只有当知识形成了一个更加严密的网，我们才能设计出更完善的机械。
在10天左右的时间里，我们默契合作，相互帮助，付出许多汗水和努力。但看到最终成品出来时，还是让我们三人兴奋不已。我们也热切期望我们的成果能得到老师的肯定。在此对老师一个学期以来的付出表示感谢！
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第六章 参考文献
[1] 高志、殷勇辉、章兰珠、崔立《机械原理》. 华东理工教育出版社， 2010 [2] 王三民主编. 《机械原理与设计课程设计》 机械工业出版社，2004 [3] . 《机械原理指导书》. 高等教育出版社
[4] 张永安《机械原理课程设计指导》 高等教育出版社
[5] 张旦闻、方园、杨少磊、焦保国. 《机械原理课程设计》院
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洛阳理工学
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