一、设计题目
医用棉签卷棉机的运动方案及机构设计
医院应用的棉签日耗量很大，以往均由医护人员在值班间歇中用手工卷制，工作量很大，拟用机器代替手工卷制棉签。
二、原始数据及设计要求
(1)棉花：条状脱脂棉，宽25~30 mm，自然厚4~5mm。
(2)签杆：医院通用签杆，直径约3mm，杆长约70mm，卷棉部分长约20~25mm。
(3)生产率：每分钟卷60支，每支卷取棉块长约20~25mm。
(4)卷棉签机体积要小，重量轻，工作可靠，外形美观，成本低，卷出的棉签松紧适度。

三、工艺分解与方案设计
按照医院用棉签的手工卷制方法，应有取棉、揪棉、取签、卷棉四个动作。用机器卷制棉签时，仿照手工方式进行动作分解，可粗分为：定量送棉、压(夹)棉、揪棉、送签和卷棉等工艺动作。下面就依此工艺动作为例，介绍构思机构方案的过程。
1．送棉
将条状棉通过机构定时、适量送入压(夹)棉、揪棉机构。输送的对象是柔软的棉花，如果采用直线送进方式，则送棉机构必须有持棉和直线、间歇、定长送进等功能。持棉的方式可用带刺构件走直线轨迹段时把棉条拉向前进，定非直线段时从棉条中退出；也可如图2．37所示用两滚轮压紧棉条、对滚送进等方式。前者在带刺构件脱出时，要把棉条压住；后者要实现间歇送进，需与间歇运动机构，如棘轮机构、槽轮机构或不完全齿轮机构等连接。实现间歇运动的机构还有不少图例，见附录三。
2．揪棉
用手工方式揪棉时，首先要用两只手的拇指和食指分别在两处捏紧，然后相对拉扯，揪下定长的条棉。用机器实现这个动作时，可将条状棉的原料端压紧在固定面上，然后在另一端既实现压紧又实现拉扯动作，前者称压棉动作，后者称揪棉动作。实现这些动作的机构必须有以下几个功能：

图2.37 滚轮送棉机构

(1)完成压棉动作的机构，其压头对条棉有一定的压力，并且要将压力保持一定的时间，使
揪棉时，压头下的条棉不致滑移；
(2)完成揪棉动作的机构，其压头一方面有压紧条棉的功能，又要使压头在保持压紧力的状态下有向某个方向运动的可能，以完成揪棉动作；
(3)采用适当的压头形式，使条棉容易揪断；
(4)条棉厚薄不匀时，机构能自动调整压紧力，或者揪棉时发现压紧力不够，要能加以调节。
图2.38、2.39中介绍了几种实现压棉和揪棉动作的机构。图2．38中的凸轮1是主动件，构件3由凸轮带动实现压棉动作，并依靠凸轮轮廓的圆弧段使压紧状态能保持一定时间。图2.38只实现压棉动作，c、d中的构件5、 6同样在凸轮带动下将条棉4压紧，并实现揪棉动作。图c是靠5、6对滚揪断条棉，图d是5、6压紧后一起下沉，将条棉揪断。图2.39所示为实现揪棉动作的机构。图2.39a所示爪轮1上的爪2转到与支承在弹簧5上的滚轮3压紧条棉4后，爪轮继续转动并压缩弹簧5，使条棉受到的压紧力增大，当转过一定角度时，条棉被揪断。当轮爪与滚轮分离时，被揪下的棉块落入下面的导棉槽中，待签杆来卷，此时，滚轮在弹簧力作用下恢复原位，进入下一个工作循环。导棉槽的形状有圆弧形和直线形两种，其作用是保证签杆与揪下的棉块相遇，并保证卷棉时棉签头部卷得圆滑，棉卷有适当的松紧度，即卷棉时导棉槽要给棉块以适当的阻力。导棉槽由设计者自行设计。
图2.39b中，嵌入两爪轮1和3的两块橡胶块2相遇时，将条棉4夹在其间，靠弹性压紧，继续转动时，搞条棉揪断。
图2.39c是由两条齿形带1和带轮3组成。当齿形带紧边的外凸部分相遇时，夹紧条棉，在继续运动中揪断。

（a） （b）

（c） （d）
图2.38 实现压棉和楸棉动作的机构

（a） （b） （c）
图2.39 实现楸棉动作的机构
3．送签
在揪下的棉块落入导棉槽后，将签杆送至导棉槽上方与棉块接触。要使一堆签杆分成一根一根送至确定位置，有不少办法，常见的方法是将一堆签杆放入漏斗状的签箱1中，如图2.40所示。由漏斗口限制签杆2只能一根一根地通过，再由漏斗口下的输送构件3签杆一根一根地送走。为防止斗内签杆相互挤卡住，所以可设法使漏斗振动，或用其它方法使斗内签杆获得松动的机会，从而使签杆能顺利地漏出斗口。

图2.40 签杆分送装置
4．卷棉
将签杆送至导棉槽中与棉块相遇时，签杆随即作自转，将棉块卷上签杆；或使签杆一边自转、一边沿导棉槽移动完成卷棉动作。图2.40所示机构即是实现后一种动作形式的方案。图2.40a为签杆2由漏斗形签箱漏入卷轮3的槽中以后，即被轮3带离签箱，进到与静止摩擦片4接触后，在摩擦力作用下签杆一面前进，一面自转，此时签杆外露在卷轮外的头部(约长25mm)与导棉槽中的棉花相遇，且有一定的压紧力，从而完成卷棉动作。图2.40 b是用有槽的带3分取签杆，5为静止摩擦片，因为带是挠性体，所以下面用托板7支承，使签杆能与板5压紧，产生摩擦而自转。
5．方案总成――总体布置
实现各工艺动作的机构方案选定以后按照操作方便，运动链短，调整、维修方便，体积小，外形美观等要求合理布置各机构的位置，称为总体布置。
因2．41所示为一种布置方案。送棉机构(Ⅲ)采用槽轮机构1-2和辊轮3―4串联；选自图2.38b的凸轮机构(Ⅱ)实现压棉动作；机构(Ⅰ)选自图2．39a，它实现揪棉动作构件5为导棉槽，送签和卷棉动作是由机构(V)(选自图2.40a)和导棉槽5共同实现的；机构IV是由凸轮盘7和签箱6组成的凸轮机构，使签箱振动。各机构主动轴之间用齿轮或链条传动连接，保证送棉一次，揪棉一次，卷签一个。

图2.41 卷棉签机机构布置方案

机构的主要参数大致选取如下：槽轮机构用单销四槽，中心距约50 mm；辊轮直径根据送棉长度和辊轮转角确定，约取直径D＝30 mm；凸轮机构的升程，根据条棉被压紧后的厚度再加调压结构裕量选取约10 mm，凸轮轴径取d＝12mm；机构I中爪轮的直径根据楸棉动作的转角和行程长度决定，建议取60 mm；取各机构主动轴间齿轮的传动比i＝1，m＝1~1．5mm，中心距60mm。
四、设计步骤
1．方案设计和总体布置
大体思路已如上述，某些细节和机构的选择尚需设计者深入构思，分析优缺点后确定。总体布置和大致尺寸确定后，也许尚有不合适的地方，需重作调整。选择方案时要注意：
(1)传动路线要简短，机构要简单。
(2)采用的运动副形式要适当。尽可能优先采用结构简单、制造方便、效率较高的转动副。
(3)传力性能好。
(4)制造容易，装配方便。
此外，特别要注意机构执行构件实现的工艺动作是否优质、可靠。

2．绘制机构总体布置简图和运动循环图
为了使工艺动作协调配合，并尽可能选择更合理的参数，必须在作机构具体设计前，合理地规定各机构执行构件开始运动、实际工作和终止运动的时间(或相应机构主动件的位置)，即编制机构运动循环图。
例如图2．41所示方案，以凸轮轴转一周为一个周期，即完成一次卷棉签的全部动作。图2．42即为其运动循环图。图2．42a中的线图 为凸轮机构(Ⅱ)中推杆的运动线图，其中约60º的区域是实际工作(压棉、保压)段。在 线图下面的表中，仅列出了各机构执行构件实际工作区段的位置，称为直线循环图。图2.42b所示为圆循环图。

图2.42 卷棉签机运动循环图
3．机构设计
根据运动循环图确定各执行构件的运动规律，定出相应机构主动件的运动角，再根据总体布置允许的空间尺寸等条件确定某些必须由设计者确定的构件尺寸，并设计各机构。因为各机构型式的选择取决于揪棉的方式，所以应首先确定揪棉机构，然后再设计送棉机构或送签机构、导棉槽和卷棉机构。
4．运动和动力特性分析
根据设计结果，作必要的运动、动力特性分析和检验。
5．绘制机构系统的运动简图
6．整理说明书
设计说明书中应包括设计题目、原始数据及设计要求、方案设计和选择的论证、机构运动循环图、机构设计参数的选取和计算结果(用图解法时保留作图辅助线，用计算机辅助设计时要有机构运动简图、数学模型、标识符说明表、计算程序框图、打印的程序及运行结果)以及对设计结果的评述。
51工作量建议
本题设计时间为2周。每人完成2号图纸一张，内容为机构运动简图和运动循环图；3号图纸一张，内容为方案中某一机构的设计图(保留作图辅助线)；某一机构的计算机辅助设计，计算程序框图，打印程序及计算结果；说明书一份。