机械原理课程设计题目
题目1 健身球检验分类机
1.1设计题目
设计健身球自动检验分类机，将不同直径尺寸的健身球（石料）按直径分类。检测后送入各自指定位置，整个工作过程（包括进料、送料、检测、接料）自动完成。
健身球直径范围为ф40～ф46mm，要求分类机将健身球按直径的大小分为三类。 1. ф40≤第一类≤ф42 2. ф42
表1 健身球分类机设计数据
1.2设计任务
1.健身球检验分类机一般至少包括凸轮机构，齿轮机构在内的三种机构。 2.设计传动系统并确定其传动比分配。
3.图纸上画出健身球检验分类机的机构运动方案简图和运动循环图。
4.图纸上画凸轮机构设计图（包括位移曲线、凸轮廓线和从动件的初始位置）；要求确定运动规律，选择基圆半径，校核最大压力角与最小曲率半径，确定凸轮廓线。盘状凸轮用电算法设计，圆柱凸轮用图解法设计。 5.设计计算其中一对齿轮机构。 6.编写设计计算说明书。
7.学生可进一步完成：凸轮的数控加工，健身球检验分类机的计算机演示验证等。 表2为设计任务分配表。
表2 设计任务分配表
健身球自动检验分类机是创造性较强的一个题目，可以有多种运动方案实现。一般的思路在于：
1.球的尺寸控制可以靠三个不同直径的接料口实现。例如：第一个接料口直径为42mm，中间接料口直径为44mm，而第三个接料口直径稍大于46mm。使直径小于（等于）42mm的球直接落入第一个接料口，直径大于42mm的球先卡在第一个接料口，然后由送料机构将其推出滚向中间接料口。以此类推。
2.球的尺寸控制还可由凸轮机构实现。
3.此外，需要设计送料机构、接料机构、间歇机构等。可由曲柄滑块机构、槽轮机构等实现。
题目2 半自动钻床
2.1设计题目
设计加工图1所示工件ф12mm孔的半自动钻床。进刀机构负责动力头的升降，送料机构将被加工工件推入加工位置，并由定位机构使被加工工件可靠固定。
图1 加工工件
半自动钻床设计数据参看表3。
表3 半自动钻床凸轮设计数据
1.半自动钻床至少包括凸轮机构、齿轮机构在内的三种机构。 2.设计传动系统并确定其传动比分配。
3. 图纸上画出半自动钻床的机构运动方案简图和运动循环图。
4.凸轮机构的设计计算。按各凸轮机构的工作要求，自选从动件的运动规律，确定基圆半径，校核最大压力角与最小曲率半径。对盘状凸轮要用电算法计算出理论廓线、实际廓线值。画出从动件运动规律线图及凸轮廓线图。
5.设计计算其他机构。 6.编写设计计算说明书。
7.学生可进一步完成：凸轮的数控加工，半自动钻床的计算机演示验证等。 2.3设计提示
1.钻头由动力头驱动，设计者只需考虑动力头的进刀（升降）运动。
2. 除动力头升降机构外，还需要设计送料机构、定位机构。各机构运动循环要求见表
4。
3. 可采用凸轮轴的方法分配协调各机构运动。
表4 机构运动循环要求
题目3 压片成形机
3.1设计题目
设计自动压片成形机，将具有一定湿度的粉状原料（如陶瓷干粉、药粉）定量送入压形位置，经压制成形后脱离该位置。机器的整个工作过程（送料、压形、脱离）均自动完成。该机器可以压制陶瓷圆形片坯、药剂（片）等。设计数据见表5。
表5 压片成形机设计数据
2. 2. 下冲头下沉3mm，预防上冲头进入型腔时粉料扑出（图2b）。 3. 3. 上、下冲头同时加压（图2c），并保持一段时间。 4. 4. 上冲头退出，下冲头随后顶出压好的片坯（图2d）。 5. 5. 料筛推出片坯（图2e）。
上冲头、下冲头、送料筛的设计要求是：
1. 1. 上冲头完成往复直移运动（铅锤上下），下移至终点后有短时间的停歇，起保压作
用，保压时间为0.4秒左右。因冲头上升后要留有料筛进入的空间，故冲头行程为90～100mm。因冲头压力较大，因而加压机构应有增力功能（图3a）。
2. 2. 下冲头先下沉3mm，然后上升8mm，加压后停歇保压，继而上升16mm，将成型片坯
顶到与台面平齐后停歇，待料筛将片坯推离冲头后，再下移21mm，到待料位置（图3b）。 3. 3. 料筛在模具型腔上方往复振动筛料，然后向左退回。待批料成型并被推出型腔后，
3.2设计要求
1.压片成形机一般至少包括连杆机构、凸轮机构、齿轮机构在内的三种机构。 2.画出机器的运动方案简图与运动循环图。拟定运动循环图时，可执行构件的动作起止位置可根据具体情况重叠安排，但必须满足工艺上各个动作的配合，在时间和空间上不能出现“干涉”。
3.设计凸轮机构，自行确定运动规律，选择基圆半径，校核最大压力角与最小曲率半径。计算凸轮廓线。
4.设计计算齿轮机构。
5.对连杆机构进行运动设计。并进行连杆机构的运动分析，绘出运动线图。如果是采用
连杆机构作为下冲压机构，还应进行连杆机构的动态静力分析，计算飞轮转动惯量。
6.编写设计计算说明书。
7.学生可进一步完成：机器的计算机演示验证、凸轮的数控加工等。
3.3设计提示
1.各执行机构应包括：实现上冲头运动的主加压机构、实现下冲头运动的辅助加压机构、实现料筛运动的上下料机构。各执行机构必须能满足工艺上的运动要求，可以有多种不同型式的机构供选用。如连杆机构、凸轮机构等。
2.由于压片成形机的工作压力较大，行程较短，一般采用肘杆式增力冲压机构作为主体机构，它是由曲柄摇杆机构和摇杆滑块机构串接而成。先设计摇杆滑块机构，为了保证，要求摇杆在铅垂位置的±2º范围内滑块的位移量≤0.4mm。据此可得摇杆长度
0.4
r≤1cos2
2sin22
式中
L
r——摇杆滑块机构中连杆与摇杆长度之比，一般取1～2。
根据上冲头的行程长度，即可得摇杆的另一极限位置，摇杆的摆角以小于60º为宜。设计曲柄摇杆机构时，为了“增力”，曲柄的回转中心可在过摇杆活动铰链、垂直于摇杆铅垂位置的直线上适当选取，以改善机构在冲头下极限位置附近的传力性能。根据摇杆的三个极限位置（±2º位置和另一极限位置），设定与之对应的曲柄三个位置，其中对应于摇杆的两个位置，曲柄应在与连杆共线的位置，曲柄另一个位置可根据保压时间来设定，则可根据两连架杆的三组对应位置来设计此机构。设计完成后，应检查曲柄存在条件，若不满足要求，则重新选择曲柄回转中心。也可以在选择曲柄回转中心以后，根据摇杆两极限位置时曲柄和连杆共线的条件，确定连杆和曲柄长度，在检查摇杆在铅垂位置±2º时，曲柄对应转角是否满足保压时间要求。曲柄回转中心距摇杆铅垂位置愈远，机构行程速比系数愈小，冲头在下极限位置附近的位移变化愈小，但机构尺寸愈大。
3.辅助加压机构可采用凸轮机构，推杆运动线图可根据运动循环图确定，要正确确定凸轮基圆半径。为了便于传动，可将筛料机构置于主体机构曲柄同侧。整个机构系统采用一个电动机集中驱动。要注意主体机构曲柄和凸轮机构起始位置间的相位关系，否则机器将不能正常工作。
4.可通过对主体机构进行的运动分析以及冲头相对于曲柄转角的运动线图，检查保压时间是否近似满足要求。进行机构动态静力分析时，要考虑各杆（曲柄除外）的惯性力和惯性力偶，以及冲头的惯性力。冲头质量m冲、各杆质量m杆（各杆质心位于杆长中点）以及机器运转不均匀系数δ均见表8.5，则各杆对质心轴的转动惯量可求。认为上下冲头同时加压和保压时生产阻力为常数。飞轮的安装位置由设计者自行确定，计算飞轮转动惯量时可不考
虑其他构件的转动惯量。确定电动机所需功率时还应考虑下冲头运动和料筛运动所需功率。
题目4 旋转型灌装机
2：灌装；工位3：图4 旋转型灌装机
该机采用电动机驱动，传动方式为机械传动。技术参数见表7。
表7 旋转型灌装机技术参数 4.2 1.旋转型灌装机应包括连杆机构、凸轮机构、齿轮机构等三种常用机构。 2.设计传动系统并确定其传动比分配。
3.图纸上画出旋转型灌装机的运动方案简图，并用运动循环图分配各机构运动节拍。 4.电算法对连杆机构进行速度、加速度分析，绘出运动线图。图解法或解析法设计平面连杆机构。
5.凸轮机构的设计计算。按凸轮机构的工作要求选择从动件的运动规律，确定基圆半径，校核最大压力角与最小曲率半径。对盘状凸轮要用电算法计算出理论廓线、实际廓线值。画出从动件运动规律线图及凸轮廓线图。 6.齿轮机构的设计计算。
7.编写设计计算说明书。
8.学生可进一步完成：平面连杆机构（或灌装机）的计算机动态演示等。
4.3设计提示
1.采用灌瓶泵灌装流体，泵固定在某工位的上方。
2.采用软木塞或金属冠盖封口，它们可由气泵吸附在压盖机构上，由压盖机构压入（或通过压盖模将瓶盖紧固在）瓶口。设计者只需设计作直线往复运动的压盖机构。压盖机构可采用移动导杆机构等平面连杆机构或凸轮机构。
3.此外，需要设计间歇传动机构，以实现工作转台间歇传动。为保证停歇可靠，还应有定位（锁紧）机构。间歇机构可采用槽轮机构、不完全齿轮机构等。定位（锁紧）机构可采用凸轮机构等。
题目5 热镦挤送料机械手
5.1设计题目
图5 机械手的外观图
设计二自由度关节式热镦挤送料机械手，由电动机驱动，夹送圆柱形镦料，往40吨镦头机送料。以方案A为例，它的动作顺序是：手指夹料，手臂上摆15º，手臂水平回转120º，手臂下摆15º，手指张开放料。手臂再上摆，水平反转，下摆，同时手指张开，准备夹料。主要要求完成手臂上下摆动以及水平回转的机械运动设计。图5为机械手的外观图。技术参数见表8。
表8 热镦挤送料机械手技术参数
1.机械手一般包括连杆机构、凸轮机构和齿轮机构。 2.设计传动系统并确定其传动比分配。
3.设计平面连杆机构。对所设计的平面连杆机构进行速度、加速度分析，绘制运动线图。 4.设计凸轮机构。按各凸轮机构的工作要求选择从动件的运动规律，确定基圆半径，校核最大压力角与最小曲率半径。对盘状凸轮要用电算法计算出理论廓线、实际廓线值。画出从动件运动规律线图及凸轮廓线图。
5.设计计算齿轮机构。 6.编写设计计算证明书。
7.学生可进一步完成：凸轮的数控加工、机械手的计算机动态演示验证等。
5.3设计提示
1. 机械手主要由手臂上下摆动机构、手臂回转机构组成。工件水平或垂直放置。设计时可以不考虑手指夹料的工艺动作。
2. 此机械手为空间机构，确定设计方案后应计算空间自由度。 3. 此机械手可按闭环传动链设计。
题目6 巧克力糖包装机
6.1 设计题目
设计巧克力糖自动包装机。包装对象为圆台状巧克力糖（图6），包装材料为厚0.008mm的金色铝箔纸。包装后外形应美观挺拔，铝箔纸无明显损伤、撕裂和褶皱（图7）。包装工艺方案为：纸坯型式采用卷筒纸，纸片水平放置，间歇剪切式供纸（图8）。包装工艺动作为：1.将64mm³64mm铝箔纸覆盖在巧克力糖ф17mm小端正上方；2.使铝箔纸沿糖块锥面强迫成形；3.将余下的铝箔纸分半，先后向ф24mm大端面上褶去，迫使包装纸紧贴巧克力糖。
表9 设计数据表
1.要求设计糖果包装机的间歇剪切供纸机构、铝箔纸锥面成形机构、褶纸机构以及巧克力糖果的送推料机构。
2.整台机器外形尺寸（宽³高）不超过800mm³1000mm。
4. 4. 锥面成形机构不论采用平面连杆机构、凸轮机构或者其他常用机构，要求成形动作
尽量等速，起动与停顿时冲击小。
6.2 设计任务
1.巧克力糖包装机一般应包括凸轮机构、平面连杆机构、齿轮机构等。 2.设计传动系统并确定其传动比分配。
3.图纸上画出机器的机构运动方案简图和运动循环图。
4.设计平面连杆机构。并对平面连杆机构进行运动分析，绘制运动线图。
5.设计凸轮机构。确定运动规律，选择基圆半径，计算凸轮廓线值，校核最大压力角与最小曲率半径。绘制凸轮机构设计图。
6.设计计算齿轮机构。 7.编写设计计算说明书。
8.学生可进一步完成凸轮的数控加工。
6.3 设计提示
1. 剪纸与供纸动作连续完成。
2.铝箔纸锥面成形机构一般可采用凸轮机构、平面连杆机构等。 3.实现褶纸动作的机构有多种选择：包括凸轮机构、摩擦滚轮机构等。 4.巧克力糖果的送推料机构可采用平面连杆机构、凸轮机构。 5.各个动作应有严格的时间顺序关系。
.
题目7 书本打包机
7.1 设计题目
设计书本打包机，在连续生产线上实现自动送书，用牛皮纸将一摞（5本）书包成一包，
书摞的包、封过程工艺顺序及各工位布置分别如图10、11所示： 1.送书。横向送一摞书进入流水线。
2.推书。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。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11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。
1.机构的尺寸范围 A=2000mm，B=1600mm。 工作台面位置
y0=400mm
主轴位置x =1000～1100mm，y =300～400mm； 纸卷位置x1=300mm，y1=300mm。
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=130~140mm；
长度b=180~220mm； 高度c=180~220mm。
推书起始位置
x0=200mm。
推书行程H=400mm。
推书次数（主轴转速）n=(10±0.1)r/min。 主轴转速不均匀系数δ≤1/4。 纸卷直径d=400mm。 3.纵向推书运动要求
（1）推书运动循环：整个机器的运动以主轴回转一周为一个循环周期。因此可以用主轴的转角表示推书机构从动件（推头或滑块）的运动时间。
推书动作占时1/3周期，相当于主轴转120°；
快速退回动作占时小于1/3周期，相当于主轴转角100°； 停止不动占时大于1/3周期，相当于主轴转角140°。
每个运动时期纵向推书机构从动件的工艺动作与主轴转角的关系见表7.10。
表10 纵向推书机构运动要求
表11 其他机构运动要求
（1）每摞书的质量为4.6kg，推书滑块的质量为8kg。
（2）横向推书机构的阻力假设为常数，相当于主轴上有等效阻力矩
Mc4=4 N•m。
Mc5=6 N•m。
（3）送纸、裁纸机构的阻力也假设为常数，相当于主轴上有等效阻力矩（4）折后角机构的阻力相当于四摞书的摩擦阻力。
（5）折边、折前角机构的阻力总和，相当于主轴上受到等效阻力矩
Mc6，其大小可用
机器在纵向推书行程中（即主轴转角从0°转至120°范围中）主轴所受纵向推书阻力矩的平均值
Mc3表示为 Mc6=6Mc3
M
其中
n
ci
Mc3大小可由下式求出 Mc3=
i1
n
式中，
Mci为推程中各分点的阻力矩的值；n为推程中的分点数。
Mc7，其
（6）涂浆糊、贴封签和烘干机构的阻力总和，相当于主轴上受到等效阻力矩大小可用
Mc3表示为 Mc7=8Mc3
7.2 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和送纸、裁纸机构，以及从电动机到主轴之间的传动机构。确定传动比分配。
2.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机构。 3.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动循环图（全部工艺动作与主轴转角的关系图）。
4.设计平面连杆机构。并进行运动分析。绘制运动线图。
5.设计凸轮机构。确定运动规律，选择基圆半径，校核最大压力角与最小曲率半径，计算凸轮廓线。
6.设计计算其中一对齿轮机构。
7.进一步对平面连杆机构进行力分析，求出主轴上的阻力矩在主轴旋转一周中的一系列数值 式中，
Mci=Mc（i）
i为主轴的转角；i为主轴回转一周中的各分点序号。
力分析时，只考虑工作阻力和移动构件的重力、惯性力和移动副中的摩擦阻力。为简便起见，计算时可近似地利用等效力矩的计算方法。对于其他运动构件，可借助于各运动副的效率值作近似估算。画出阻力矩曲线
Mci=Mc（i）M，计算阻力矩的平均值c3。
8.根据力矩曲线和给定的速度不均匀系数δ值，用近似方法（不计各构件的质量和转动惯量）计算出飞轮的等效转动惯量。
9.编写设计计算说明书。
10.学生可进一步完成书本打包机的计算机演示验证、凸轮的数控加工等。
7.3 设计提示
1.此题包含较丰富的机构设计与分析内容，教师可以根据情况确定学生全部或部分完成该题设计任务，也可由一组学生完成全题。
2.推书机构、送纸机构、裁纸机构之间有严格的时间匹配与顺序关系，应考虑这些机构之间的传动链设计。
题目8 台式电风扇摇头装置
8.1设计题目
风扇的直径为Ф300mm，电扇电动机转速n=1450r/min，电扇摇头周期T=10s。电扇摆动角度ψ与急回系数k的设计要求及任务分配见表12。
表12 台式电风扇摆头机构设计数据
8.2设计任务
1.按给定主要参数，拟定机械传动系统总体方案。 2.画出机构运动方案简图。
3. 分配蜗轮蜗杆、齿轮传动比，确定它们的基本参数，设计计算几何尺寸。 4. 解析法确定平面连杆机构的运动学尺寸，它应满足摆角ψ及行程速比系数k。并对平面连杆机构进行运动分析，绘制运动线图。验算曲柄存在条件，验算最小传动角（最大压力角）。
5.提出调节摆角的结构方案，并进行分析计算。 6.编写设计计算说明书。
7.学生可进一步完成台式电风扇摇头机构的计算机动态演示验证。
8.3设计提示
常见的摇头机构有杠杆式、滑板式和揿拔式等。本设计可采用平面连杆机构实现。由装在电动机主轴尾部的蜗杆带动蜗轮旋转，蜗轮和小齿轮做成一体，小齿轮带动大齿轮，大齿轮与铰链四杆机构的连杆做成一体，并以铰链四杆机构的连杆作为原动件，则机架、两个连架杆都作摆动，其中一个连架杆相对于机架的摆动即是摇头动作。机架可取80～90mm。
题目9 垫圈内径检测装置
9.1 设计题目
设计垫圈内径检测装置，检测钢制垫圈内径是否在公差允许范围内。被检测的工件由推料机构送入后沿一条倾斜的进给滑道连续进给，直到最前边的工件被止动机构控制的止动销挡住而停止。然后，升降机构使装有微动开关的压杆探头下落，检测探头进入工件的内孔。此时，止动销离开进给滑道，以便让工件浮动。
检测的工作过程如图15 所示。当所测工件的内径尺寸符合公差要求时（图15a），微动开关的触头进入压杆的环形槽，微动开关断开，发出信号给控制系统（图中未给出），在压杆离开工件后，把工件送入合格品槽。如工件内径尺寸小于合格的最小直径时（图15b），压杆的探头进入内孔深度不够，微动开关闭合，发出信号给控制系统，使工件进入废品槽。
a)内径尺寸合格 b)内径尺寸太小 c)内径尺寸太大
图15 垫圈内径检测过程
具体设计要求见表13。
表13 平垫圈内径检测装置设计数据
9.2 设计要求
1.要求设计该检测装置的推料机构、控制止动销的止动机构、压杆升降机构。一般应包括凸轮机构、平面连杆机构以及齿轮机构等常用机构。该装置的微动开关以及控制部分的设计本题不作要求。
2.设计垫圈内径检测装置的传动系统并确定其传动比分配。 3.画出机器的机构运动方案简图和运动循环图。
4.设计平面连杆机构。并对平面连杆机构进行运动分析，绘制运动线图。
5.设计凸轮机构。确定运动规律，选择基圆半径，计算凸轮廓线值，校核最大压力角与最小曲率半径。绘制凸轮机构设计图。
6.设计计算齿轮机构。 7.编写设计计算说明书。
8.学生可进一步完成检测装置的计算机动态演示。
9.3 设计提示
1.由于止动销的动作与压杆升降动作有严格的时间匹配与顺序关系，建议考虑使用凸轮轴解决这个问题。
2.推料动作与上述两个动作的时间匹配不特别严格，可以采用平面连杆机构，也可以采用间歇机构。
题目10 自动喂料搅拌机
10.1 设计题目
设计用于化学工业和食品工业的自动喂料搅拌机。物料的搅拌动作为：电动机通过减速装置带动容器绕垂直轴缓慢整周转动；同时，固连在容器内拌勺E点沿图16a虚线所示轨迹运动，将容器中拌料均匀搅动。物料的喂料动作为：物料呈粉状或粒状定时从漏斗中漏出，输料持续一段时间后漏斗自动关闭。喂料机的开启、关闭动作应与搅拌机同步。物料搅拌好以后的输出可不考虑。
图16 喂料搅拌机外型及阻力线图
工作时假定拌料对拌勺的压力与深度成正比，即产生的阻力呈线性变化，如图16b示。 表14为自动喂料搅拌机拌勺E的搅拌轨迹数据。表15为自动喂料搅拌机运动分析数据。表16为自动喂料搅拌机动态静力分析及飞轮转动惯量数据。
表14 拌勺E的搅拌轨迹数据表
表16 自动喂料搅拌机动态静力分析及飞轮转动惯量数据表
1.机器应包括齿轮（或蜗杆蜗轮）机构、连杆机构、凸轮机构三种以上机构。 2.设计机器的运动系统简图、运动循环图。
3.设计实现搅料拌勺E点轨迹的机构，一般可采用铰链四杆机构。该机构的两个固定铰链A、D的坐标值已在表15给出。
4.对平面连杆机构进行运动分析，求出机构从动件在E点的位移（轨迹）、速度、加速度；求机构的角位移、角速度、角加速度；画出机构运动线图。
5.对连杆机构进行动态静力分析。曲柄1的质量与转动惯量略去不计，平面连杆机构从动件2、3的质量m2、m3及其转动惯量JS2、JS3以及阻力曲线Q参见表8.16。根据Qmin、Qmax和拌勺工作深度h绘制阻力线图，拌勺所受阻力方向始终与E点速度方向相反。根据各构件重心的加速度以及各构件角加速度确定各构件惯性力Fi和惯性力偶距Mi，将其合成为
Mi
一力，求出该力至重心距离Lh=Fi，将所得结果列表。求出各位置的机构阻力、各运动副
反作用力、平衡力矩，将计算结果列表。
6.飞轮转动惯量的确定。
飞轮安装在高速轴上，已知机器运转不均匀系数δ（表16）以及阻力变化曲线。注意拌勺进入容器及离开容器时的两个位置，其阻力值不同（其中一个为零），应分别计算。驱动力矩Md为常数。绘制Mr-（全循环等效阻力矩曲线）、
Md-（全循环等效驱动力矩
曲线）、ΔE-（全循环动能增量曲线）等曲线。求飞轮转动惯量JF。
7.设计实现喂料动作的凸轮机构。
根据喂料动作要求，并考虑机器的基本尺寸与位置，设计控制喂料机开启动作的摆动从动件盘形凸轮机构。确定其运动规律，选取基圆半径与滚子半径，求出凸轮实际廓线坐标值，校核最大压力角与最小曲率半径。绘制凸轮机构设计图。
8.设计实现缓慢整周回转的齿轮机构（或蜗轮蜗杆机构）。 9.编写设计计算说明书。
10.学生可进一步完成：凸轮的数控加工，机器的计算机动态演示验证等。
10.3 设计提示
1.此题包含较丰富的机构设计与分析内容，如平面连杆机构实现运动轨迹的设计、平面连杆机构的运动分析与动态静力分析、飞轮转动惯量确定，以及齿轮机构设计、凸轮机构设计等。由于题量较大，教师可根据情况确定全部或部分完成该题的设计任务，也可以由一组学生完成全题。
2.可使固联在铰链四杆机构连杆上的某点作为拌勺的E点，实现预期的搅料轨迹。由于E点轨迹仅要求实现8点坐标，可以用多种方法设计该平面连杆机构。
旋转。当推头M把瓶子推向前进时，转动着的刷子就把瓶子外面洗净。当前一个瓶子将洗刷完毕时，后一个待洗的瓶子已送入导辊待推。 洗瓶机的技术要求见表17。
表17 洗瓶机的技术要求
11.2设计任务
1.洗瓶机应包括齿轮、平面连杆机构等常用机构或组合机构。 2.设计传动系统并确定其传动比分配。 3.画出机器的机构运动方案简图和运动循环图。
4.设计组合机构实现运动要求，并对从动杆进行运动分析。也可以设计平面连杆机构以实现运动轨迹，并对平面连杆机构进行运动分析。绘出运动线图。 5.其他机构的设计计算。 6.编写设计计算说明书。
7.学生可进一步完成：洗瓶机推瓶机构的计算机动态演示等。
11.3设计提示
分析设计要求可知：洗瓶机主要由推瓶机构、导辊机构、转刷机构组成。设计的推瓶机构应使推头M以接近均匀的速度推瓶，平稳地接触和脱离瓶子，然后，推头快速返回原位，准备第二个工作循环。
根据设计要求，推头M可走图18 所示轨迹，而且推头M在工作行程中应作匀速直线运动，在工作段前后可有变速运动，回程时有急回。
图18 推头M运动轨迹
对这种运动要求，若用单一的常用机构是不容易实现的，通常要把若干个基本机构组合，起来，设计组合机构。
在设计组合机构时，一般可首先考虑选择满足轨迹要求的机构（基础机构），而沿轨迹运动时的速度要求，则通过改变基础机构主动件的运动速度来满足，也就是让它与一个输出变速度的附加机构组合。
实现本题要求的机构方案有很多，可用多种机构组合来实现。如： 1.凸轮－铰链四杆机构方案
如图19 所示，铰链四杆机构的连杆2上点M走近似于所要求的轨迹，M点的速度由等速转动的凸轮通过构件3的变速转动来控制。由于此方案的曲柄1是从动件，所以要注意度过死点的措施。
图19 凸轮－铰链四杆机构的方案
2.五杆组合机构方案
确定一条平面曲线需要两个独立变量。因此具有两自由度的连杆机构都具有精确再现给定平面轨迹的特征。点M的速度和机构的急回特征，可通过控制该机构的两个输入构件间的
运动关系来得到，如用凸轮机构、齿轮或四连杆机构来控制等等。图20 所示为两个自由度五杆低副机构，1、4为它们的两个输入构件，这两构件之间的运动关系用凸轮、齿轮或四连杆机构来实现，从而将原来两自由度机构系统封闭成单自由度系统。
a) b)
c) d)
图20 五杆组合机构的方案
3.凸轮-全移动副四杆机构
图21 所示全移动副四杆机构是两自由度机构，构件2上的M点可精确再现给定的轨迹，构件2的运动速度和急回特征由凸轮控制。这个机构方案的缺点是因水平方向轨迹太长，造成凸轮机构从动件的行程过大，而使相应凸轮尺寸过大。
图21 凸轮-全移动副四连杆机构的方案
4.优化方法设计铰链四杆机构
可用数值方法或优化方法设计铰链四杆机构，以实现预期的运动轨迹（图18 ）运动轨迹的具体数值由设计者画图确定，一般不要超过9个点的给定坐标值。
题目12 高位自卸汽车
12.1 设计题目
目前国内生产的自卸汽车其卸货方式为散装货物沿汽车大梁卸下，卸货高度都是固定的。若需要将货物卸到较高处或使货物堆积得较高些，目前的自卸汽车就难以满足要求。为此需设计一种高位自卸汽车（图8.22），它能将车厢举升到一定高度后再倾斜车厢卸货（图23, 图24）。
设计要求和有关数据为:
1.具有一般自卸汽车的功能。 2.在比较水平的状态下,能将满载货物的车厢平
稳地举升到一定的高度，最大升程Smax见表18。
图23 高位自卸汽车卸货
图22 自卸汽车
3.为方便卸货，要求车厢在举升过程中逐步后移（图23）。车厢处于最大升程位置时，其后移量a见表18。为保证车厢的稳定性，其最大后移量amax不得超过1.2a。 4.在举升过程中可在任意高度停留卸货。
5.在车厢倾斜卸货时，后厢门随之联动打开；卸货完毕，车厢恢复水平状态，后厢门也随之可靠关闭。
图24 自卸车厢倾斜角度
6.举升和翻转机构的安装空间不超过车厢底部与大梁间的空间，后厢门打开机构的安装面不超过车厢侧面。
7.结构尽量紧凑、简单、可靠，具有良好的动力传递性能。 表18 设计数据
12.2设计任务
1. 高位自卸汽车应包括起升机构，翻转机构和后厢门打开机构。
2. 提出2至3个方案。主要考虑满足运动要求、动力性能、制造与维护方便、结构紧凑等方面的因素，对方案进行论证。确定最优方案。 3. 画出最优方案的机构运动方案简图和运动循环图。
4. 对高位自卸汽车的起升机构，翻转机构和后厢门打开机构，进行尺度综合及运动分析，求出各机构输出件位移、速度、加速度，画出机构运动线图。 5. 编写设计计算说明书。
6. 完成高位自卸汽车的模型实验验证。
12.3设计提示
高位自卸汽车中的起升机构、翻转机构和后厢门打开机构都具有行程较大，做往复运动及承受较大载荷的共同特点。齿轮机构比较适合连续的回转运动，凸轮机构适合行程和受力都不太大的场合。所以齿轮机构与凸轮机构都不太合适用在此场合。连杆机构比较适合在这里的应用。
题目13 步进送料机
13.1设计题目
设计某自动生产线的一部分——步进送料机。如图25所示，加工过程要求若干个相同的被输送的工件间隔相等的距离a，在导轨上向左依次间歇移动，即每个零件耗时t1移动距离a后间歇时间t2。考虑到动停时间之比K=t1/t2之值较特殊，以及耐用性、成本、维修方便等因素，不宜采用槽轮、凸轮等高副机构，而应设计平面连杆机构。
具体设计要求为： 1、电机驱动，即必须有曲柄。
2、输送架平动，其上任一点的运动轨迹近似为虚线所示闭合曲线（以下将该曲线简称为轨迹曲线）。
3、轨迹曲线的AB段为近似的水平直线段，其长度为a，允差±c（这段对应于工件的移动）；轨迹曲线的CDE段的最高点低于直线段AB的距离至少为b，以免零件停歇时受到输送架的不应有的回碰。有关数据见表19
4、在设计图中绘出机构的四个位置，AB段和CDE段各绘出两个位。需注明机构的全部几
何尺寸。
表19 设计数据
25 步进送料机
31
1. 步进送料机一般至少包括连杆机构和齿轮机构二种常用机构。 2. 设计传动系统并确定其传动比分配。
3. 图纸上画出步进送料机的机构运动方案简图和运动循环图。
4. 对平面连杆机构进行尺度综合，并进行运动分析；验证输出构件的轨迹是否满足设计要求；求出机构中输出件的速度、加速度；画出机构运动线图。 5. 编写设计计算说明书。
6. 完成步进送料机的模型实验验证。
13.3设计提示
1. 由于设计要求构件实现轨迹复杂并且封闭的曲线，所以输出构件采用连杆机构中的连杆比较合适。
2. 由于对输出构件的运动时间有严格的要求，可以在电机输出端先采用齿轮机构进行减速。如果再加一级蜗杆蜗轮减速，会使机构的结构更加紧凑。
3. 由于输出构件尺寸较大，为提高整个机构的刚度和运动的平稳性，可以考虑采用对称结构（虚约束）。
32
机械原理课程设计题目
题目1 健身球检验分类机
1.1设计题目
设计健身球自动检验分类机，将不同直径尺寸的健身球（石料）按直径分类。检测后送入各自指定位置，整个工作过程（包括进料、送料、检测、接料）自动完成。
健身球直径范围为ф40～ф46mm，要求分类机将健身球按直径的大小分为三类。 1. ф40≤第一类≤ф42 2. ф42
表1 健身球分类机设计数据
1.2设计任务
1.健身球检验分类机一般至少包括凸轮机构，齿轮机构在内的三种机构。 2.设计传动系统并确定其传动比分配。
3.图纸上画出健身球检验分类机的机构运动方案简图和运动循环图。
4.图纸上画凸轮机构设计图（包括位移曲线、凸轮廓线和从动件的初始位置）；要求确定运动规律，选择基圆半径，校核最大压力角与最小曲率半径，确定凸轮廓线。盘状凸轮用电算法设计，圆柱凸轮用图解法设计。 5.设计计算其中一对齿轮机构。 6.编写设计计算说明书。
7.学生可进一步完成：凸轮的数控加工，健身球检验分类机的计算机演示验证等。 表2为设计任务分配表。
表2 设计任务分配表
健身球自动检验分类机是创造性较强的一个题目，可以有多种运动方案实现。一般的思路在于：
1.球的尺寸控制可以靠三个不同直径的接料口实现。例如：第一个接料口直径为42mm，中间接料口直径为44mm，而第三个接料口直径稍大于46mm。使直径小于（等于）42mm的球直接落入第一个接料口，直径大于42mm的球先卡在第一个接料口，然后由送料机构将其推出滚向中间接料口。以此类推。
2.球的尺寸控制还可由凸轮机构实现。
3.此外，需要设计送料机构、接料机构、间歇机构等。可由曲柄滑块机构、槽轮机构等实现。
题目2 半自动钻床
2.1设计题目
设计加工图1所示工件ф12mm孔的半自动钻床。进刀机构负责动力头的升降，送料机构将被加工工件推入加工位置，并由定位机构使被加工工件可靠固定。
图1 加工工件
半自动钻床设计数据参看表3。
表3 半自动钻床凸轮设计数据
1.半自动钻床至少包括凸轮机构、齿轮机构在内的三种机构。 2.设计传动系统并确定其传动比分配。
3. 图纸上画出半自动钻床的机构运动方案简图和运动循环图。
4.凸轮机构的设计计算。按各凸轮机构的工作要求，自选从动件的运动规律，确定基圆半径，校核最大压力角与最小曲率半径。对盘状凸轮要用电算法计算出理论廓线、实际廓线值。画出从动件运动规律线图及凸轮廓线图。
5.设计计算其他机构。 6.编写设计计算说明书。
7.学生可进一步完成：凸轮的数控加工，半自动钻床的计算机演示验证等。 2.3设计提示
1.钻头由动力头驱动，设计者只需考虑动力头的进刀（升降）运动。
2. 除动力头升降机构外，还需要设计送料机构、定位机构。各机构运动循环要求见表
4。
3. 可采用凸轮轴的方法分配协调各机构运动。
表4 机构运动循环要求
题目3 压片成形机
3.1设计题目
设计自动压片成形机，将具有一定湿度的粉状原料（如陶瓷干粉、药粉）定量送入压形位置，经压制成形后脱离该位置。机器的整个工作过程（送料、压形、脱离）均自动完成。该机器可以压制陶瓷圆形片坯、药剂（片）等。设计数据见表5。
表5 压片成形机设计数据
2. 2. 下冲头下沉3mm，预防上冲头进入型腔时粉料扑出（图2b）。 3. 3. 上、下冲头同时加压（图2c），并保持一段时间。 4. 4. 上冲头退出，下冲头随后顶出压好的片坯（图2d）。 5. 5. 料筛推出片坯（图2e）。
上冲头、下冲头、送料筛的设计要求是：
1. 1. 上冲头完成往复直移运动（铅锤上下），下移至终点后有短时间的停歇，起保压作
用，保压时间为0.4秒左右。因冲头上升后要留有料筛进入的空间，故冲头行程为90～100mm。因冲头压力较大，因而加压机构应有增力功能（图3a）。
2. 2. 下冲头先下沉3mm，然后上升8mm，加压后停歇保压，继而上升16mm，将成型片坯
顶到与台面平齐后停歇，待料筛将片坯推离冲头后，再下移21mm，到待料位置（图3b）。 3. 3. 料筛在模具型腔上方往复振动筛料，然后向左退回。待批料成型并被推出型腔后，
3.2设计要求
1.压片成形机一般至少包括连杆机构、凸轮机构、齿轮机构在内的三种机构。 2.画出机器的运动方案简图与运动循环图。拟定运动循环图时，可执行构件的动作起止位置可根据具体情况重叠安排，但必须满足工艺上各个动作的配合，在时间和空间上不能出现“干涉”。
3.设计凸轮机构，自行确定运动规律，选择基圆半径，校核最大压力角与最小曲率半径。计算凸轮廓线。
4.设计计算齿轮机构。
5.对连杆机构进行运动设计。并进行连杆机构的运动分析，绘出运动线图。如果是采用
连杆机构作为下冲压机构，还应进行连杆机构的动态静力分析，计算飞轮转动惯量。
6.编写设计计算说明书。
7.学生可进一步完成：机器的计算机演示验证、凸轮的数控加工等。
3.3设计提示
1.各执行机构应包括：实现上冲头运动的主加压机构、实现下冲头运动的辅助加压机构、实现料筛运动的上下料机构。各执行机构必须能满足工艺上的运动要求，可以有多种不同型式的机构供选用。如连杆机构、凸轮机构等。
2.由于压片成形机的工作压力较大，行程较短，一般采用肘杆式增力冲压机构作为主体机构，它是由曲柄摇杆机构和摇杆滑块机构串接而成。先设计摇杆滑块机构，为了保证，要求摇杆在铅垂位置的±2º范围内滑块的位移量≤0.4mm。据此可得摇杆长度
0.4
r≤1cos2
2sin22
式中
L
r——摇杆滑块机构中连杆与摇杆长度之比，一般取1～2。
根据上冲头的行程长度，即可得摇杆的另一极限位置，摇杆的摆角以小于60º为宜。设计曲柄摇杆机构时，为了“增力”，曲柄的回转中心可在过摇杆活动铰链、垂直于摇杆铅垂位置的直线上适当选取，以改善机构在冲头下极限位置附近的传力性能。根据摇杆的三个极限位置（±2º位置和另一极限位置），设定与之对应的曲柄三个位置，其中对应于摇杆的两个位置，曲柄应在与连杆共线的位置，曲柄另一个位置可根据保压时间来设定，则可根据两连架杆的三组对应位置来设计此机构。设计完成后，应检查曲柄存在条件，若不满足要求，则重新选择曲柄回转中心。也可以在选择曲柄回转中心以后，根据摇杆两极限位置时曲柄和连杆共线的条件，确定连杆和曲柄长度，在检查摇杆在铅垂位置±2º时，曲柄对应转角是否满足保压时间要求。曲柄回转中心距摇杆铅垂位置愈远，机构行程速比系数愈小，冲头在下极限位置附近的位移变化愈小，但机构尺寸愈大。
3.辅助加压机构可采用凸轮机构，推杆运动线图可根据运动循环图确定，要正确确定凸轮基圆半径。为了便于传动，可将筛料机构置于主体机构曲柄同侧。整个机构系统采用一个电动机集中驱动。要注意主体机构曲柄和凸轮机构起始位置间的相位关系，否则机器将不能正常工作。
4.可通过对主体机构进行的运动分析以及冲头相对于曲柄转角的运动线图，检查保压时间是否近似满足要求。进行机构动态静力分析时，要考虑各杆（曲柄除外）的惯性力和惯性力偶，以及冲头的惯性力。冲头质量m冲、各杆质量m杆（各杆质心位于杆长中点）以及机器运转不均匀系数δ均见表8.5，则各杆对质心轴的转动惯量可求。认为上下冲头同时加压和保压时生产阻力为常数。飞轮的安装位置由设计者自行确定，计算飞轮转动惯量时可不考
虑其他构件的转动惯量。确定电动机所需功率时还应考虑下冲头运动和料筛运动所需功率。
题目4 旋转型灌装机
2：灌装；工位3：图4 旋转型灌装机
该机采用电动机驱动，传动方式为机械传动。技术参数见表7。
表7 旋转型灌装机技术参数 4.2 1.旋转型灌装机应包括连杆机构、凸轮机构、齿轮机构等三种常用机构。 2.设计传动系统并确定其传动比分配。
3.图纸上画出旋转型灌装机的运动方案简图，并用运动循环图分配各机构运动节拍。 4.电算法对连杆机构进行速度、加速度分析，绘出运动线图。图解法或解析法设计平面连杆机构。
5.凸轮机构的设计计算。按凸轮机构的工作要求选择从动件的运动规律，确定基圆半径，校核最大压力角与最小曲率半径。对盘状凸轮要用电算法计算出理论廓线、实际廓线值。画出从动件运动规律线图及凸轮廓线图。 6.齿轮机构的设计计算。
7.编写设计计算说明书。
8.学生可进一步完成：平面连杆机构（或灌装机）的计算机动态演示等。
4.3设计提示
1.采用灌瓶泵灌装流体，泵固定在某工位的上方。
2.采用软木塞或金属冠盖封口，它们可由气泵吸附在压盖机构上，由压盖机构压入（或通过压盖模将瓶盖紧固在）瓶口。设计者只需设计作直线往复运动的压盖机构。压盖机构可采用移动导杆机构等平面连杆机构或凸轮机构。
3.此外，需要设计间歇传动机构，以实现工作转台间歇传动。为保证停歇可靠，还应有定位（锁紧）机构。间歇机构可采用槽轮机构、不完全齿轮机构等。定位（锁紧）机构可采用凸轮机构等。
题目5 热镦挤送料机械手
5.1设计题目
图5 机械手的外观图
设计二自由度关节式热镦挤送料机械手，由电动机驱动，夹送圆柱形镦料，往40吨镦头机送料。以方案A为例，它的动作顺序是：手指夹料，手臂上摆15º，手臂水平回转120º，手臂下摆15º，手指张开放料。手臂再上摆，水平反转，下摆，同时手指张开，准备夹料。主要要求完成手臂上下摆动以及水平回转的机械运动设计。图5为机械手的外观图。技术参数见表8。
表8 热镦挤送料机械手技术参数
1.机械手一般包括连杆机构、凸轮机构和齿轮机构。 2.设计传动系统并确定其传动比分配。
3.设计平面连杆机构。对所设计的平面连杆机构进行速度、加速度分析，绘制运动线图。 4.设计凸轮机构。按各凸轮机构的工作要求选择从动件的运动规律，确定基圆半径，校核最大压力角与最小曲率半径。对盘状凸轮要用电算法计算出理论廓线、实际廓线值。画出从动件运动规律线图及凸轮廓线图。
5.设计计算齿轮机构。 6.编写设计计算证明书。
7.学生可进一步完成：凸轮的数控加工、机械手的计算机动态演示验证等。
5.3设计提示
1. 机械手主要由手臂上下摆动机构、手臂回转机构组成。工件水平或垂直放置。设计时可以不考虑手指夹料的工艺动作。
2. 此机械手为空间机构，确定设计方案后应计算空间自由度。 3. 此机械手可按闭环传动链设计。
题目6 巧克力糖包装机
6.1 设计题目
设计巧克力糖自动包装机。包装对象为圆台状巧克力糖（图6），包装材料为厚0.008mm的金色铝箔纸。包装后外形应美观挺拔，铝箔纸无明显损伤、撕裂和褶皱（图7）。包装工艺方案为：纸坯型式采用卷筒纸，纸片水平放置，间歇剪切式供纸（图8）。包装工艺动作为：1.将64mm³64mm铝箔纸覆盖在巧克力糖ф17mm小端正上方；2.使铝箔纸沿糖块锥面强迫成形；3.将余下的铝箔纸分半，先后向ф24mm大端面上褶去，迫使包装纸紧贴巧克力糖。
表9 设计数据表
1.要求设计糖果包装机的间歇剪切供纸机构、铝箔纸锥面成形机构、褶纸机构以及巧克力糖果的送推料机构。
2.整台机器外形尺寸（宽³高）不超过800mm³1000mm。
4. 4. 锥面成形机构不论采用平面连杆机构、凸轮机构或者其他常用机构，要求成形动作
尽量等速，起动与停顿时冲击小。
6.2 设计任务
1.巧克力糖包装机一般应包括凸轮机构、平面连杆机构、齿轮机构等。 2.设计传动系统并确定其传动比分配。
3.图纸上画出机器的机构运动方案简图和运动循环图。
4.设计平面连杆机构。并对平面连杆机构进行运动分析，绘制运动线图。
5.设计凸轮机构。确定运动规律，选择基圆半径，计算凸轮廓线值，校核最大压力角与最小曲率半径。绘制凸轮机构设计图。
6.设计计算齿轮机构。 7.编写设计计算说明书。
8.学生可进一步完成凸轮的数控加工。
6.3 设计提示
1. 剪纸与供纸动作连续完成。
2.铝箔纸锥面成形机构一般可采用凸轮机构、平面连杆机构等。 3.实现褶纸动作的机构有多种选择：包括凸轮机构、摩擦滚轮机构等。 4.巧克力糖果的送推料机构可采用平面连杆机构、凸轮机构。 5.各个动作应有严格的时间顺序关系。
.
题目7 书本打包机
7.1 设计题目
设计书本打包机，在连续生产线上实现自动送书，用牛皮纸将一摞（5本）书包成一包，
书摞的包、封过程工艺顺序及各工位布置分别如图10、11所示： 1.送书。横向送一摞书进入流水线。
2.推书。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。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11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。
1.机构的尺寸范围 A=2000mm，B=1600mm。 工作台面位置
y0=400mm
主轴位置x =1000～1100mm，y =300～400mm； 纸卷位置x1=300mm，y1=300mm。
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=130~140mm；
长度b=180~220mm； 高度c=180~220mm。
推书起始位置
x0=200mm。
推书行程H=400mm。
推书次数（主轴转速）n=(10±0.1)r/min。 主轴转速不均匀系数δ≤1/4。 纸卷直径d=400mm。 3.纵向推书运动要求
（1）推书运动循环：整个机器的运动以主轴回转一周为一个循环周期。因此可以用主轴的转角表示推书机构从动件（推头或滑块）的运动时间。
推书动作占时1/3周期，相当于主轴转120°；
快速退回动作占时小于1/3周期，相当于主轴转角100°； 停止不动占时大于1/3周期，相当于主轴转角140°。
每个运动时期纵向推书机构从动件的工艺动作与主轴转角的关系见表7.10。
表10 纵向推书机构运动要求
表11 其他机构运动要求
（1）每摞书的质量为4.6kg，推书滑块的质量为8kg。
（2）横向推书机构的阻力假设为常数，相当于主轴上有等效阻力矩
Mc4=4 N•m。
Mc5=6 N•m。
（3）送纸、裁纸机构的阻力也假设为常数，相当于主轴上有等效阻力矩（4）折后角机构的阻力相当于四摞书的摩擦阻力。
（5）折边、折前角机构的阻力总和，相当于主轴上受到等效阻力矩
Mc6，其大小可用
机器在纵向推书行程中（即主轴转角从0°转至120°范围中）主轴所受纵向推书阻力矩的平均值
Mc3表示为 Mc6=6Mc3
M
其中
n
ci
Mc3大小可由下式求出 Mc3=
i1
n
式中，
Mci为推程中各分点的阻力矩的值；n为推程中的分点数。
Mc7，其
（6）涂浆糊、贴封签和烘干机构的阻力总和，相当于主轴上受到等效阻力矩大小可用
Mc3表示为 Mc7=8Mc3
7.2 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和送纸、裁纸机构，以及从电动机到主轴之间的传动机构。确定传动比分配。
2.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机构。 3.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动循环图（全部工艺动作与主轴转角的关系图）。
4.设计平面连杆机构。并进行运动分析。绘制运动线图。
5.设计凸轮机构。确定运动规律，选择基圆半径，校核最大压力角与最小曲率半径，计算凸轮廓线。
6.设计计算其中一对齿轮机构。
7.进一步对平面连杆机构进行力分析，求出主轴上的阻力矩在主轴旋转一周中的一系列数值 式中，
Mci=Mc（i）
i为主轴的转角；i为主轴回转一周中的各分点序号。
力分析时，只考虑工作阻力和移动构件的重力、惯性力和移动副中的摩擦阻力。为简便起见，计算时可近似地利用等效力矩的计算方法。对于其他运动构件，可借助于各运动副的效率值作近似估算。画出阻力矩曲线
Mci=Mc（i）M，计算阻力矩的平均值c3。
8.根据力矩曲线和给定的速度不均匀系数δ值，用近似方法（不计各构件的质量和转动惯量）计算出飞轮的等效转动惯量。
9.编写设计计算说明书。
10.学生可进一步完成书本打包机的计算机演示验证、凸轮的数控加工等。
7.3 设计提示
1.此题包含较丰富的机构设计与分析内容，教师可以根据情况确定学生全部或部分完成该题设计任务，也可由一组学生完成全题。
2.推书机构、送纸机构、裁纸机构之间有严格的时间匹配与顺序关系，应考虑这些机构之间的传动链设计。
题目8 台式电风扇摇头装置
8.1设计题目
风扇的直径为Ф300mm，电扇电动机转速n=1450r/min，电扇摇头周期T=10s。电扇摆动角度ψ与急回系数k的设计要求及任务分配见表12。
表12 台式电风扇摆头机构设计数据
8.2设计任务
1.按给定主要参数，拟定机械传动系统总体方案。 2.画出机构运动方案简图。
3. 分配蜗轮蜗杆、齿轮传动比，确定它们的基本参数，设计计算几何尺寸。 4. 解析法确定平面连杆机构的运动学尺寸，它应满足摆角ψ及行程速比系数k。并对平面连杆机构进行运动分析，绘制运动线图。验算曲柄存在条件，验算最小传动角（最大压力角）。
5.提出调节摆角的结构方案，并进行分析计算。 6.编写设计计算说明书。
7.学生可进一步完成台式电风扇摇头机构的计算机动态演示验证。
8.3设计提示
常见的摇头机构有杠杆式、滑板式和揿拔式等。本设计可采用平面连杆机构实现。由装在电动机主轴尾部的蜗杆带动蜗轮旋转，蜗轮和小齿轮做成一体，小齿轮带动大齿轮，大齿轮与铰链四杆机构的连杆做成一体，并以铰链四杆机构的连杆作为原动件，则机架、两个连架杆都作摆动，其中一个连架杆相对于机架的摆动即是摇头动作。机架可取80～90mm。
题目9 垫圈内径检测装置
9.1 设计题目
设计垫圈内径检测装置，检测钢制垫圈内径是否在公差允许范围内。被检测的工件由推料机构送入后沿一条倾斜的进给滑道连续进给，直到最前边的工件被止动机构控制的止动销挡住而停止。然后，升降机构使装有微动开关的压杆探头下落，检测探头进入工件的内孔。此时，止动销离开进给滑道，以便让工件浮动。
检测的工作过程如图15 所示。当所测工件的内径尺寸符合公差要求时（图15a），微动开关的触头进入压杆的环形槽，微动开关断开，发出信号给控制系统（图中未给出），在压杆离开工件后，把工件送入合格品槽。如工件内径尺寸小于合格的最小直径时（图15b），压杆的探头进入内孔深度不够，微动开关闭合，发出信号给控制系统，使工件进入废品槽。
a)内径尺寸合格 b)内径尺寸太小 c)内径尺寸太大
图15 垫圈内径检测过程
具体设计要求见表13。
表13 平垫圈内径检测装置设计数据
9.2 设计要求
1.要求设计该检测装置的推料机构、控制止动销的止动机构、压杆升降机构。一般应包括凸轮机构、平面连杆机构以及齿轮机构等常用机构。该装置的微动开关以及控制部分的设计本题不作要求。
2.设计垫圈内径检测装置的传动系统并确定其传动比分配。 3.画出机器的机构运动方案简图和运动循环图。
4.设计平面连杆机构。并对平面连杆机构进行运动分析，绘制运动线图。
5.设计凸轮机构。确定运动规律，选择基圆半径，计算凸轮廓线值，校核最大压力角与最小曲率半径。绘制凸轮机构设计图。
6.设计计算齿轮机构。 7.编写设计计算说明书。
8.学生可进一步完成检测装置的计算机动态演示。
9.3 设计提示
1.由于止动销的动作与压杆升降动作有严格的时间匹配与顺序关系，建议考虑使用凸轮轴解决这个问题。
2.推料动作与上述两个动作的时间匹配不特别严格，可以采用平面连杆机构，也可以采用间歇机构。
题目10 自动喂料搅拌机
10.1 设计题目
设计用于化学工业和食品工业的自动喂料搅拌机。物料的搅拌动作为：电动机通过减速装置带动容器绕垂直轴缓慢整周转动；同时，固连在容器内拌勺E点沿图16a虚线所示轨迹运动，将容器中拌料均匀搅动。物料的喂料动作为：物料呈粉状或粒状定时从漏斗中漏出，输料持续一段时间后漏斗自动关闭。喂料机的开启、关闭动作应与搅拌机同步。物料搅拌好以后的输出可不考虑。
图16 喂料搅拌机外型及阻力线图
工作时假定拌料对拌勺的压力与深度成正比，即产生的阻力呈线性变化，如图16b示。 表14为自动喂料搅拌机拌勺E的搅拌轨迹数据。表15为自动喂料搅拌机运动分析数据。表16为自动喂料搅拌机动态静力分析及飞轮转动惯量数据。
表14 拌勺E的搅拌轨迹数据表
表16 自动喂料搅拌机动态静力分析及飞轮转动惯量数据表
1.机器应包括齿轮（或蜗杆蜗轮）机构、连杆机构、凸轮机构三种以上机构。 2.设计机器的运动系统简图、运动循环图。
3.设计实现搅料拌勺E点轨迹的机构，一般可采用铰链四杆机构。该机构的两个固定铰链A、D的坐标值已在表15给出。
4.对平面连杆机构进行运动分析，求出机构从动件在E点的位移（轨迹）、速度、加速度；求机构的角位移、角速度、角加速度；画出机构运动线图。
5.对连杆机构进行动态静力分析。曲柄1的质量与转动惯量略去不计，平面连杆机构从动件2、3的质量m2、m3及其转动惯量JS2、JS3以及阻力曲线Q参见表8.16。根据Qmin、Qmax和拌勺工作深度h绘制阻力线图，拌勺所受阻力方向始终与E点速度方向相反。根据各构件重心的加速度以及各构件角加速度确定各构件惯性力Fi和惯性力偶距Mi，将其合成为
Mi
一力，求出该力至重心距离Lh=Fi，将所得结果列表。求出各位置的机构阻力、各运动副
反作用力、平衡力矩，将计算结果列表。
6.飞轮转动惯量的确定。
飞轮安装在高速轴上，已知机器运转不均匀系数δ（表16）以及阻力变化曲线。注意拌勺进入容器及离开容器时的两个位置，其阻力值不同（其中一个为零），应分别计算。驱动力矩Md为常数。绘制Mr-（全循环等效阻力矩曲线）、
Md-（全循环等效驱动力矩
曲线）、ΔE-（全循环动能增量曲线）等曲线。求飞轮转动惯量JF。
7.设计实现喂料动作的凸轮机构。
根据喂料动作要求，并考虑机器的基本尺寸与位置，设计控制喂料机开启动作的摆动从动件盘形凸轮机构。确定其运动规律，选取基圆半径与滚子半径，求出凸轮实际廓线坐标值，校核最大压力角与最小曲率半径。绘制凸轮机构设计图。
8.设计实现缓慢整周回转的齿轮机构（或蜗轮蜗杆机构）。 9.编写设计计算说明书。
10.学生可进一步完成：凸轮的数控加工，机器的计算机动态演示验证等。
10.3 设计提示
1.此题包含较丰富的机构设计与分析内容，如平面连杆机构实现运动轨迹的设计、平面连杆机构的运动分析与动态静力分析、飞轮转动惯量确定，以及齿轮机构设计、凸轮机构设计等。由于题量较大，教师可根据情况确定全部或部分完成该题的设计任务，也可以由一组学生完成全题。
2.可使固联在铰链四杆机构连杆上的某点作为拌勺的E点，实现预期的搅料轨迹。由于E点轨迹仅要求实现8点坐标，可以用多种方法设计该平面连杆机构。
旋转。当推头M把瓶子推向前进时，转动着的刷子就把瓶子外面洗净。当前一个瓶子将洗刷完毕时，后一个待洗的瓶子已送入导辊待推。 洗瓶机的技术要求见表17。
表17 洗瓶机的技术要求
11.2设计任务
1.洗瓶机应包括齿轮、平面连杆机构等常用机构或组合机构。 2.设计传动系统并确定其传动比分配。 3.画出机器的机构运动方案简图和运动循环图。
4.设计组合机构实现运动要求，并对从动杆进行运动分析。也可以设计平面连杆机构以实现运动轨迹，并对平面连杆机构进行运动分析。绘出运动线图。 5.其他机构的设计计算。 6.编写设计计算说明书。
7.学生可进一步完成：洗瓶机推瓶机构的计算机动态演示等。
11.3设计提示
分析设计要求可知：洗瓶机主要由推瓶机构、导辊机构、转刷机构组成。设计的推瓶机构应使推头M以接近均匀的速度推瓶，平稳地接触和脱离瓶子，然后，推头快速返回原位，准备第二个工作循环。
根据设计要求，推头M可走图18 所示轨迹，而且推头M在工作行程中应作匀速直线运动，在工作段前后可有变速运动，回程时有急回。
图18 推头M运动轨迹
对这种运动要求，若用单一的常用机构是不容易实现的，通常要把若干个基本机构组合，起来，设计组合机构。
在设计组合机构时，一般可首先考虑选择满足轨迹要求的机构（基础机构），而沿轨迹运动时的速度要求，则通过改变基础机构主动件的运动速度来满足，也就是让它与一个输出变速度的附加机构组合。
实现本题要求的机构方案有很多，可用多种机构组合来实现。如： 1.凸轮－铰链四杆机构方案
如图19 所示，铰链四杆机构的连杆2上点M走近似于所要求的轨迹，M点的速度由等速转动的凸轮通过构件3的变速转动来控制。由于此方案的曲柄1是从动件，所以要注意度过死点的措施。
图19 凸轮－铰链四杆机构的方案
2.五杆组合机构方案
确定一条平面曲线需要两个独立变量。因此具有两自由度的连杆机构都具有精确再现给定平面轨迹的特征。点M的速度和机构的急回特征，可通过控制该机构的两个输入构件间的
运动关系来得到，如用凸轮机构、齿轮或四连杆机构来控制等等。图20 所示为两个自由度五杆低副机构，1、4为它们的两个输入构件，这两构件之间的运动关系用凸轮、齿轮或四连杆机构来实现，从而将原来两自由度机构系统封闭成单自由度系统。
a) b)
c) d)
图20 五杆组合机构的方案
3.凸轮-全移动副四杆机构
图21 所示全移动副四杆机构是两自由度机构，构件2上的M点可精确再现给定的轨迹，构件2的运动速度和急回特征由凸轮控制。这个机构方案的缺点是因水平方向轨迹太长，造成凸轮机构从动件的行程过大，而使相应凸轮尺寸过大。
图21 凸轮-全移动副四连杆机构的方案
4.优化方法设计铰链四杆机构
可用数值方法或优化方法设计铰链四杆机构，以实现预期的运动轨迹（图18 ）运动轨迹的具体数值由设计者画图确定，一般不要超过9个点的给定坐标值。
题目12 高位自卸汽车
12.1 设计题目
目前国内生产的自卸汽车其卸货方式为散装货物沿汽车大梁卸下，卸货高度都是固定的。若需要将货物卸到较高处或使货物堆积得较高些，目前的自卸汽车就难以满足要求。为此需设计一种高位自卸汽车（图8.22），它能将车厢举升到一定高度后再倾斜车厢卸货（图23, 图24）。
设计要求和有关数据为:
1.具有一般自卸汽车的功能。 2.在比较水平的状态下,能将满载货物的车厢平
稳地举升到一定的高度，最大升程Smax见表18。
图23 高位自卸汽车卸货
图22 自卸汽车
3.为方便卸货，要求车厢在举升过程中逐步后移（图23）。车厢处于最大升程位置时，其后移量a见表18。为保证车厢的稳定性，其最大后移量amax不得超过1.2a。 4.在举升过程中可在任意高度停留卸货。
5.在车厢倾斜卸货时，后厢门随之联动打开；卸货完毕，车厢恢复水平状态，后厢门也随之可靠关闭。
图24 自卸车厢倾斜角度
6.举升和翻转机构的安装空间不超过车厢底部与大梁间的空间，后厢门打开机构的安装面不超过车厢侧面。
7.结构尽量紧凑、简单、可靠，具有良好的动力传递性能。 表18 设计数据
12.2设计任务
1. 高位自卸汽车应包括起升机构，翻转机构和后厢门打开机构。
2. 提出2至3个方案。主要考虑满足运动要求、动力性能、制造与维护方便、结构紧凑等方面的因素，对方案进行论证。确定最优方案。 3. 画出最优方案的机构运动方案简图和运动循环图。
4. 对高位自卸汽车的起升机构，翻转机构和后厢门打开机构，进行尺度综合及运动分析，求出各机构输出件位移、速度、加速度，画出机构运动线图。 5. 编写设计计算说明书。
6. 完成高位自卸汽车的模型实验验证。
12.3设计提示
高位自卸汽车中的起升机构、翻转机构和后厢门打开机构都具有行程较大，做往复运动及承受较大载荷的共同特点。齿轮机构比较适合连续的回转运动，凸轮机构适合行程和受力都不太大的场合。所以齿轮机构与凸轮机构都不太合适用在此场合。连杆机构比较适合在这里的应用。
题目13 步进送料机
13.1设计题目
设计某自动生产线的一部分——步进送料机。如图25所示，加工过程要求若干个相同的被输送的工件间隔相等的距离a，在导轨上向左依次间歇移动，即每个零件耗时t1移动距离a后间歇时间t2。考虑到动停时间之比K=t1/t2之值较特殊，以及耐用性、成本、维修方便等因素，不宜采用槽轮、凸轮等高副机构，而应设计平面连杆机构。
具体设计要求为： 1、电机驱动，即必须有曲柄。
2、输送架平动，其上任一点的运动轨迹近似为虚线所示闭合曲线（以下将该曲线简称为轨迹曲线）。
3、轨迹曲线的AB段为近似的水平直线段，其长度为a，允差±c（这段对应于工件的移动）；轨迹曲线的CDE段的最高点低于直线段AB的距离至少为b，以免零件停歇时受到输送架的不应有的回碰。有关数据见表19
4、在设计图中绘出机构的四个位置，AB段和CDE段各绘出两个位。需注明机构的全部几
何尺寸。
表19 设计数据
25 步进送料机
31
1. 步进送料机一般至少包括连杆机构和齿轮机构二种常用机构。 2. 设计传动系统并确定其传动比分配。
3. 图纸上画出步进送料机的机构运动方案简图和运动循环图。
4. 对平面连杆机构进行尺度综合，并进行运动分析；验证输出构件的轨迹是否满足设计要求；求出机构中输出件的速度、加速度；画出机构运动线图。 5. 编写设计计算说明书。
6. 完成步进送料机的模型实验验证。
13.3设计提示
1. 由于设计要求构件实现轨迹复杂并且封闭的曲线，所以输出构件采用连杆机构中的连杆比较合适。
2. 由于对输出构件的运动时间有严格的要求，可以在电机输出端先采用齿轮机构进行减速。如果再加一级蜗杆蜗轮减速，会使机构的结构更加紧凑。
3. 由于输出构件尺寸较大，为提高整个机构的刚度和运动的平稳性，可以考虑采用对称结构（虚约束）。
32