机械原理课程设计
题目 书本打包机
学 院 机电工程学院
专业年级 机械工程 12级1班 学号姓名 范良进
指导教师
二○一 四 年 六 月
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机械原理课程设计任务书
专业 机械工程 学号 姓名 范良进
一、设计题目 书本打包机
二、工作原理及工艺动作过程：
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，并在两端贴好标签，如图9所示。 图9 书本打包机的功用 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。
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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。
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10 包、封工艺顺序 推书行程②④⑤⑦⑧⑨⑩⑾①abcdefgh⑿⑥挡板③ 图11 包、封工位布置（俯视图） 三、原始数据及设计要求： 图12所示为由总体设计规定的各部分的相对位置和有关尺寸。其中O为机器主轴的位置，A为机器中机工作台面0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，卷纸0O1地面1y）为主轴的位置坐标，（x1,y1）为纸卷的位置坐标。 图12 打包机各部分的相对位置及有关尺寸和范围 - 3 -
书本打包机具体技术要求为：
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
主轴转角 0°~ 80° 80°~ 120° 推书机构执行滑块的工作 推单摞书前进 推七摞书前进，同时折后角 主轴转角 120°~ 220° 220°~ 360° 推书机构执行滑块的动作 滑块退回 滑块停止不动 图13为推书机构运动循环图。 - 4 -
0°推摞七摞推头退回单推头不动80°书220°120° 图13 纵向推书机构运动循环图 （2）推书前进和退回时，要求采用等加速、等减速运动规律。 4.其他机构的运动关系见表11。
表11 其他机构运动要求
工艺动作 横向送书 折侧边，折两端上下边，折前角 涂浆糊,贴封签,烘干 主轴转角 150°~ 340° 180°~ 340° 180°~ 340° 工艺动作 送纸 裁纸 主轴转角 200°~ 360°~70° 70°~80° 5.工作阻力 （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。 （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Mc5=6 N•m。 （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Mc3大小可由下式求出 Mc3=
i1ncin
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。
（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Mc7，其大小可用Mc3表示为 Mc7=8Mc3
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四、设计方案提示：
1.此题包含较丰富的机构设计与分析内容，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。 五、设计的主要任务
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.编写设计计算说明书。
完成日期： 2014 年 6 月 19 日 指导教师 廖华丽
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摘要：
书本打包机在印刷厂受到广泛地运用，大量的图书印刷出来后，将其以一定数量为一堆，用牛皮纸将其包装起来，以便于运输和销售。本设计说明书包括机构方案设计、机构选型与比较和推优、机构计算校核，最终有机整合，完成所需机械运动循环图。其机构主要分为推书机构，送纸机构，裁纸机构，折纸包装机构和传动机构。最后附上心得体会和与设计有相关的参考文献。
目录
第一章 机构设计 ..........................................................................................................................- 8 -
第一节 横向送书机构 ...........................................................................................................- 8 -
1.1.1 横向送书机构方案设计 .......................................................................................- 8 - 1.1.2 横向送书机构方案推优 .......................................................................................- 9 - 第二节 纵向推书机构..............................................................................................................- 9 -
1.2.1 纵向推书机构方案设计 .......................................................................................- 9 - 1.2.2 纵向推书机构方案推优 .................................................................................... - 11 - 1.2.3 平面连杆机构运动分析 .................................................................................... - 11 - 第三节 送纸机构............................................................................................................... - 12 -
1.3.1 送纸机构方案设计 ............................................................................................ - 12 - 1.3.2 送纸机构方案推优 ............................................................................................ - 14 - 第四节 裁纸机构............................................................................................................... - 14 -
1.4.1 裁纸机构方案设计 ............................................................................................ - 14 - 1.4.2 裁纸机构方案推优 ............................................................................................ - 15 - 1.4.3 裁纸机构凸轮分析 ............................................................................................ - 15 - 1.4.4 凸轮参数计算 .................................................................................................... - 17 - 第五节 折边、折角机构................................................................................................... - 17 -
1.5.1 折边、折角机构方案设计 ................................................................................ - 17 - 1.5.2 折边、折角机构方案推优 ................................................................................ - 19 - 第六节 涂浆、贴标签、烘干机构................................................................................... - 19 -
1.6.1 涂浆、贴标签、烘干机构方案设计 ................................................................ - 19 - 1.6.2 涂浆、贴标签、烘干机构方案推优 ................................................................ - 21 -
第二章 机构组合 ....................................................................................................................... - 21 -
第一节 机构总简图 ............................................................................................................ - 21 - 第二节 机构运动循环图 .................................................................................................... - 21 - 第三节 传动装置设计 ........................................................................................................ - 23 -
2.3.1 传动装置设计图 ................................................................................................ - 23 - 2.3.2 传动比计算 ........................................................................................................ - 23 -
第三章 人员分工及设计心得体会 ........................................................................................... - 24 -
第一节 人员分工................................................................................................................... - 24 - 第二节 心得体会................................................................................................................... - 24 - 参考文献......................................................................................................................................... - 24 -
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第一章 机构设计
第一节 横向送书机构
1.1.1 横向送书机构方案设计 方案一：
图1-1-1
方案一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1-1-1所示。 横向送书机构方案一的工作原理：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送书动作。
方案二：
图1-1-2
方案二实现了直线往复运动，可采用图1-1-2所示，为一曲柄滑块机构利用一块挡板，就可以实现这种功能。
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方案二的工作原理：曲柄1为主动件，构件2为连杆，构件3为滑块挡板，曲柄1的转动带动滑块挡板3作直线往复运动，而完成横向送书动作。
方案三：
图1-1-3
方案三采用传送带来完成横向送书的动作，其结构如图1-1-3所示。
方案三的工作原理：轮1为主动件，带动传送带顺时针转动，书本放在传送带上，利用摩擦力将书本送到工作台上。
1.1.2 横向送书机构方案推优
方案一的机构比较复杂，采用的构件较多，加工成本高，但精度高，课程设计以简单加工成本低，空间占用小为优先考虑。然而，凸轮和从动件之间为高副接触，压强较大，易于磨损，而且传递的动力比较大，磨损就更加严重了。
方案二的机构较为简单，制造成本低，但连杆所要承受的力较大，磨损较大。
方案三的机构简单，容易制造，维护方便，成本低廉；过载时，带在轮面上打滑，可以防止损坏其他零件，起安全保护作用；能起缓冲和吸振作用，可使传动平稳，噪声小。但是因为带传动受摩擦力和带的弹性变形的影响，所以不能保证准确的传动比, 效率较低。 经过比较，我推选方案三为最佳方案。
第二节 纵向推书机构
1.2.1 纵向推书机构方案设计 方案一：
图1-2-1
方案一的工作原理具体分析同横向送书机构。
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方案二：
图1-2-2
方案二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1-2-2所示。 方案二工作原理：凸轮为主动件，凸轮的转动使连杆摆动，从而带动滑块推头做往复运动，从而完成纵向推书动作。机构运动循环图如图1-2-3所示。纵向推书机构在0°~120°期间向包书机构完成纵向推书动作：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。
图1-2-3
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方案三：
图1-2-4
方案三的工作原理具体分析同横向送书机构。
1.2.2 纵向推书机构方案推优
方案一的机构较为简单，制造成本低，但连杆所要承受的力较大，且会产生死点，磨损较大，杠杆的承载力不大，容易塑性变形，杠杆结构运动摆幅大，占空间，效率低，成本高。。
方案二的机构有点复杂，采用了凸轮、摆杆和连杆滑块，可承受较大的载荷，利于润滑，磨损较小，形状简单，便于制造加工，安装简单，但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。
方案三的机构比较复杂，采用的构件较多，加工成本高，但精度高，课程设计以简单加工成本低，空间占用小为优先考虑；凸轮和从动件之间为高副接触，压强较大，易于磨损，而且传递的动力比较大，磨损就更加严重了。
经过多方面的比较，我们推选方案二为最佳方案。
1.2.3 平面连杆机构运动分析
平面连杆机构的运动分析方法有很多，可根据实践情况选用。其中两种方法应用较广泛，即瞬心法和杆组法。瞬心法是利用机构的瞬时速度中心求解机构的运动问题。杆组法的理论依据为机构组成原理。在这里我选择杆组法。对于凸轮，采用高副低代的方法进行分析。平面连杆机构运动图如图1-2-5所示，平面连杆机构的杆组如图1-2-6所示。
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图1-2-5 图1-2-6
图1-2-5中滑块挡板的行程为400mm。
单个杆件的运动分析 位置分析:
速度分析:
加速度分析:
其他杆件的运动分析参考申永胜 主编的《机械原理教程》第二版，在这里就不详细的介绍了。
第三节 送纸机构
1.3.1 送纸机构方案设计 方案一：
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图1-3-1
方案一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1-3-1所示。 方案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。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，与纸卷根据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。
方案二：
方案二的主要执行机构为曲柄滑块机构，其机构简图
如图 1-3-2所示。
方案二的送纸机构工作原理：送纸机构主要实现当有一摞书推来时从牛皮纸筒上扯下一定长的牛皮纸，然后剪断。
图1-3-2
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方案三：
方案三的主要执行机构为摩擦轮和不完全齿轮组合机构，其结构如图1-3-3所示。
方案三的送纸机构工作原理：用皮带轮控制另一个主动轮，按额定的转速转动，通过不完全齿轮控制摩擦轮的运动，当需要送纸的时候使不完全齿轮与完全齿轮相啮合，实线送纸，不需要时使不完全齿轮的圆滑面与齿轮相切，实现传纸的间歇。
图1-3-3
1.3.2 送纸机构方案推优
方案一的机构较简单，易设计，也易制造，加工和安装。但是，其精度不够，不能准确地送出预定的长度的纸。
方案二的机构加工简单，成本低，易实现 ，便于机构简化，负载能力强，易装配。然而运动精度低，运动速度极限低，占空间 ，累计误差大。
方案三的机构简单，空间构件灵活，稳定性好，设计简单，精度有保证。但其不完全齿轮加工复杂，成本高，工作时会产生冲击，载荷不大，对机构整体的稳定性影响不大。
经过比较，我推选方案三为最佳方案。
第四节 裁纸机构
1.4.1 裁纸机构方案设计 方案一：
方案一的主要执行机构为四连杆机构，其机构简图如图1-4-1所示。
方案一的裁纸机构的工作原理：曲柄为主动件，曲柄的转动带动摆杆摆动，摆杆的摆动带动刀具的往复运动，从而完成裁纸动作。
图1-4-1
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方案二：
方案二的主要执行机构为凸轮与推杆机构。其机构结构如图1-4-2。
方案二的裁纸机构的工作原理：凸轮为原动件，凸轮推动推杆先前运动，上下两边的压块先压紧牛皮纸，刀具再向前将纸裁断。
图1-4-2
1.4.2 裁纸机构方案推优
方案一的机构结构较为简单，制作简单方便，易装配，稳定性好，并满足剪纸要求，然而，四杆机构的计算难度大，剪纸不够稳定，有急回性。
方案二的机构直观，简单地实现裁纸工作，使用上下两边的压块来控制压紧与切纸，裁纸稳定，结构紧凑，所占用的空间小。但装配困难。
比较以上两种方案，选择方案二，结构简单，容易制造、稳定性好，易实现压紧与剪纸和其它机构的运动时间配合。
1.4.3 裁纸机构凸轮分析
工艺动作 主轴转角 工艺动作 主轴转角 200°~360°横向送书 150°~ 340° 送纸 ~70° 折侧边，折两端上下边，折前角 180°~ 340° 涂浆糊,贴封签,烘干 180°~ 340° 裁纸 70°~80° 各机构运动要求
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由上表知裁纸过程中主轴转角为70°~80°。为了防止从动件运动过程中产生冲击，要求推程时从动件运动规律按正弦规律变化。回程过程中仍旧按正弦加速度规律设计凸轮。凸轮的最大推程为50mm，设计凸轮从动件是直动型的，基圆半径50mm，滚子半径10mm。
设计裁纸刀距离纸张40mm，下图1-4-3为从动件运动位移与凸轮转角关系。
图1-4-3
所以通过上图，运用图解法可得凸轮轮廓线及裁纸机构大致为如下图1-4-4所示机构：
图1-4-4
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1.4.4 凸轮参数计算
一、最大压力角
凸轮机构在运动过程中，其压力角α是不断变化的。为了观察机构压力角的变化情况，以找出最大压力角，可对机构进行高副低代，换成低副机构加以观察。滚子中心可视为从动件尖端，它与理论轮廓线形成高副接触。
计算时可将某一位置时滚子中心与凸轮接触点的曲率中心分别代以转动副铰接一个虚拟构件来代替高副，从而得到一个曲柄滑块机构。
经作图计算，最大压力角为α=36.5°<[α]=30°~38° 二、最小曲率半径
校核实际轮廓线的最小曲率半径时，由ρa min 滚子半径r = ρmin得最小曲率半径，由高数公式ρ =（x+y）
2
2
2/3
+
/x’y” - x”y’，并逐点求解得最小曲率半径
ρmin < [ρ]。
第五节 折边、折角机构
1.5.1 折边、折角机构方案设计
一、折边机构 方案一：
图1-5-1
方案一的主要执行机构为凸轮、连杆和摆杆机构，其简图如图1-5-1所示。
方案一的机构的工作原理：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。
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方案二：
方案二的主要执行机构为槽轮和元锥齿轮机构，其机构的简图如图1-5-2所示。
方案二的机构的工作原理：由圆柱槽轮机构带动折边机构，行程为150mm，其中折前侧边与两端上边机构固连，且两端的折边爪比侧边的折边爪滞后40mm，下边机构对称。圆柱槽轮的转动带动折边爪上下运动，来完成折边的工作。
图1-5-2
二、折角机构 方案一：
方案一的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1-5-3所示.
方案一的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。
图1-5-3 方案二：
方案二的主要执行机构为一个随轴转动的矩形框和齿轮机构，其示意图如图1-5-4所示。
方案二的折前角机构为由齿轮带动的，做圆周运动的机构。初始状态下，两滚轮所在平面平行于书运动方向，以便书两边所带的纸能够顺利通过。当侧边与两端上下边折起来之后，齿轮带动其绕竖直轴作半周圆周运动，使竖直滚轮掠过前角边，将其折起。
图1-5-4
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1.5.2 折边、折角机构方案推优
一、折边机构
方案一的机构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；但是其折边的品质不能够保证，折的不是非常好，凸轮轮廓设计较困难。
方案二的机构通过模拟人的双手包东西形式来包书本，虽然其机构占用的空间大，但是其保证了包书的品质，包得更好。机构简单，易设计。
因此，通过比较，为了更好地包书品质，我选择方案二。 二、折角机构
方案一的机构与方案二的机构的基本原理是相似的，但是因为方案二的机构的工作效率更高，因此我选择方案二。
第六节 涂浆、贴标签、烘干机构
1.6.1 涂浆、贴标签、烘干机构方案设计
方案一：
图1-6-1
涂浆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1-6-1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1-6-2所示。
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图1-6-2
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。
涂浆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。 方案二：
方案二的机构主要执行机构为移动凸轮和曲柄滑块机构，其结构如图1-6-3所示。 方案二的机构的工作原理：曲柄的转动带动移动凸轮上下移动，使涂浆贴标签烘干触头前后移动，从而完成涂浆贴标签和烘干的工作。
图1-6-3
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1.6.2 涂浆、贴标签、烘干机构方案推优
方案一的机构为滚子从动件机构，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。但与方案二比较，方案一加了一个摇杆，从而使传动更为稳定，且冲击明显少于后者。
因此我们选择方案一。
第二章 机构组合
第一节 机构总简图
图2-1-1 书本打包机总简图
上图2-1-1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送书机构、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、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
第二节 机构运动循环图
机构总运动循环图如下图2-2-1所示：
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图2-2-1
坐标轴示意图如图2-2-2下:
图2-2-2
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第三节 传动装置设计
2.3.1 传动装置设计图
图2-3-2
传动装置设计简图如图2-3-2所示。
传动装置的高速级齿轮z1做成斜齿轮，低速级齿轮做成直齿轮。结构较复杂，但齿轮对于轴承对称布置，载荷沿齿宽均匀发布，轴承受载均匀。适合运用于变载荷场合。电动机选择常用1000r/min的电机。
2.3.2 传动比计算
由选定的数据：电动机转速n1=1000r/min，主轴转速n4=10r/min 可通过计算得到各个齿轮的齿数，传动比为100。
计算过程： i14=d2*z2*z4÷d1*z1*z3=100
可取：轮1直径d1=15mm 轮2直径d2=25mm z1=20 z2=135 z3=18 z4=160 模数m=2 压力角α=20°
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第三章 人员分工及设计心得体会
第一节 人员分工 总体方案讨论确定——迟永杰、范良进、童清俊 绘图——范、迟 各机构具体分工： 纵向送书机构：迟、范 裁纸机构：迟 传动机构：范 送纸机构：童
其它机构共同讨论或自由发挥 人员排序：迟，范，童
第二节 心得体会
本次机械原理课程设计中我们充分运用了机械原理课程中所学的方法，对机构的方案进行选择，分析和评价，并更深地理解了所学的方法。同时我们也充分发挥了自己的创造力，设计了很多复杂的机构。但我们也因为将过多精力放在机构的设计上，而忽视了更细一步的工作。在平面连杆运动分析和电动机减速机构的设计上做得不够完善，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。但总的来说，这次课程设计对我们都是一次很大的锻炼，对我们理解自己的学科和专业起到了很大的作用。
参考文献
[1] 孔凌嘉 张春林主编《机械基础综合课程设计》 北京理工大学出版社，2004.06 [2] 申永胜主编《机械原理教程》 清华大学出版社，2005.12
[3] 王三民主编《机械原理与设计课程设计》 机械工业出版社，2004
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