机械综合设计Ⅰ项目设计说明书自动钻床送进机构设计说明书.docx
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机械综合设计Ⅰ项目设计说明书自动钻床送进机构设计说明书
自动钻床送进机构
设计说明书
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指导老师:
第一章问题的提出
1.1项目背景
钻床指主要用钻头在工件上加工孔的机床。
通常钻头旋转为主运动,钻头轴向移动为进给运动。
钻床结构简单,加工精度相对较低,可钻通孔、盲孔,更换特殊刀具,可扩、锪孔,铰孔或进行攻丝等加工。
加工过程中工件不动,让刀具移动,将刀具中心对正孔中心,并使刀具转动(主运动)。
钻床的特点是工件固定不动,刀具做旋转运动。
主要分为立式钻床、台式钻床、摇臂钻床等等。
该项目主要运用于台式钻床。
台式钻床简称台钻,是一种体积小巧,操作简便,通常安装在专用工作台上使用的小型孔加工机床。
台式钻床钻孔直径一般在13毫米以下,最大不超过16毫米。
其主轴变速一般通过改变三角带在塔型带轮上的位置来实现,主轴进给靠手动操作。
在台式钻床中,钻床主轴的进给运动一般是用手操纵的,往往要耗费许多时间。
据统计测算,在很多情况下,用于其它辅助工作的时间比真正用于钻孔的时间多好几倍,而用于操纵的时间又占其它辅助工作时间的31%~40%。
因此,要提高生产率,就要对钻床进行自动化改装,其中的一个重要方面就是实现钻削工作循环的自动化,如果将送料、定位、进刀都改成自动化的,则会增加成本以及增大机构体积等。
该设计主要实现钻削工作循环的自动化,即采用自动送进机构,以减少操纵所用的时间。
1.2设计要求
如图1所示、设送进机构的输入运动为构件1的匀速回转,其转速为n1,输出运动为刀具(钻头)的直线往复运动,行程为H=H1+H2,P为钻削时所受到的阻力。
原始数据如下表所示:
构件1转速(转分)
H1(mm)
H2(mm)
钻削时的送进速度V(mm/S)
钻削时钻头所受到的阻力P(N)
钻头其它行程受到阻力P0(N)
题1
10
25
20
1.68
2300
0
对刀具运动的具体要求是
1)由A到B,刀具的行程为H1,为刀具趋近工件的行程,要求刀具具有较高的速度;
2)由B到C,刀具的行程为H2,为钻削时的送进行程。
要求刀具能够以匀速V或近似匀速送进,以保证钻孔动作的完成和钻孔质量;
3)由C返回到A,刀具的行程H=H1+H2,为刀具的抬起(退回)行程,要求刀具具有较高的速度,其平均速度与钻削时的平均速度之比(行程速比系数)K达到或接近于2;
4)刀具退回到A时,能够在此位置停歇2秒左右,以便装卸工件。
除了以上运动要求外,还要求机构具有良好的传动性能,结构紧凑、经济实用。
第1章设计方案的选择
2.1关键问题
本题目主要是要求机构:
①实现将主动件的单向均速连续转动转变为刀具的直线往复运动;②实现一定的行程速比系数;③实现刀具的间歇运动。
下面将工程常用的能够实现上述要求的机构归结如下:
(1)将转动转变为移动的机构
连杆机构:
如对心(偏置)曲柄滑块机构。
(如图2)
图2
凸轮机构:
如直动从动件盘形凸轮机构。
(如图3)
图3
齿轮机构:
如齿轮——齿条机构。
(如图4)
图4
组合机构:
如凸轮——连杆组合机构,齿轮——连杆组合机构。
(2)具有急回特性的机构
连杆机构:
如曲柄摇杆机构,偏置曲柄滑块机构,摆动导杆机构。
凸轮机构
(3)实现间歇运动的机构
1凸轮机构:
2利用连杆轨迹曲线实现的间歇运动机构
3组合机构:
如齿轮——连杆组合机构,凸轮——连杆组合机构。
4棘轮机构
5槽轮机构
6不完全齿轮机构
2.2本项目采用方案
通过使用摆动滚子从动件盘形凸轮机构以及齿轮传动、齿轮齿条传动达到要求。
当进刀时,凸轮的推程阶段运行,通过齿轮齿条传动带动钻头完成钻孔。
通过杠杆的放大原理将凸轮的一段的运动幅度放大,达到项目要求。
同时两个齿轮传动具有稳定性。
弹簧使滚子和凸轮行成力闭合。
根据设计思路得出草图5。
图5
由于原动机的速度太快直接带动的话不能满足要求,需要减速,这里采用齿轮减速,如图6所示。
图6
第三章机构运动分析
3.1确定凸轮尺寸
构件1转速(转分)
H1(mm)
H2(mm)
钻削时的送进速度V(mm/S)
钻削时钻头所受到的阻力P(N)
钻头其它行程受到阻力P0(N)
题1
10
25
20
1.68
2300
0
由于考虑到钻头的推程和回程之间的速度相反,为了避免产生刚性冲击,决定推程采用正弦加速度运动规律,回程采用等加速,等减速运动运动规律返回原来位置。
设
为推程的时间,
为进刀25mm时的时间。
摆杆AB的最大摆角为
考虑到摆角不能太大,因为H=45mm
取
则AC=86mm
则凸轮运动轨迹为:
图7
建立直角坐标系,建坐标原点选在O,x轴沿OA方向,如图8所示。
为使主动件受力变小,则AB杆应当适当长一些。
另AB为200mm,凸轮基圆半径为70mm,滚子半径为10mm,则OB为80mm
由上图中的几何关系可以写出
式中
所以凸轮理论轮廓线的方程式为
因为滚子半径
,所以凸轮实际轮廓线的方程式为
3.2确定各构件尺寸
由n=10r/min
得w=π/3rad/sT=6s
而实际凸轮周期为
图8
采用标准直齿圆柱齿轮(图8),传动比
令小齿轮的齿数为
则
取模数m=2.5则
因为AC=86mm
选择模数m=2.5,该齿轮齿数为
最后两个齿轮的作用是使凸轮的推程和道具的进刀一致,所以这对齿轮采用标准直齿圆柱齿轮。
取
m=2.5
而齿条长度必大于45mm加上余量取齿条长度为55mm
综上可得(如图9)
图9
第4章机构仿真
4.1凸轮仿真
运用凸轮参数化仿真软件可得出各种数据(见附表)
根据数据用excel绘制凸轮轮廓:
(如图10)
图10
凸轮角度—角位移曲线为:
(如图11)
图11
凸轮角度—速度曲线为:
(如图12)
图12
凸轮角度—加速度曲线为:
(如图13)
图13
4.2钻头运动曲线
由于钻头的位移H=
所以
钻头的时间—位移曲线为:
(如图14)
图14
钻头的时间—速度曲线为:
(如图15)
图15
钻头的时间—加速度曲线为:
(如图16)
图16
第五章强度校核
5.1凸轮压力角验算
有数据可得压力角的分布图为:
(图17)
图17
由图可知推程阶段最大压力角为
,回程最大压力角为
,根据仿真软件可得以下结论:
(如图18)
图18
5.2凸轮材料选择
凸轮材料、公差及表面粗糙度
1凸轮和从动件接触端常用材料、热处理及极限应力σHO
凸轮工作条件:
低速轻载
凸轮材料:
40、45、50
从动件接触端材料:
45
凸轮转速n=1.52r/min
结束语
经过将近一个学期的努力,将半自动钻长送进机构完成。
通过这次机械综合设计,我发现了很多问题,看到了自身不足,同时也收获了很多东西。
1.通过这次综合设计,我发现自身对机械原理理论知识的学习存在一定的误区,尤其在做针对实际工程需要的设计不能将理论与实践融会贯通,不能灵活运用现有的知识,解决我们在设计过程中遇到的问题。
2.在送进机构的设计方案的确定过程中,我们不能综合运用现有知识,从各方面去分析方案的优缺点,确定最合适的设计方案。
但是,经过这次综合训练,我们的思维得到了很好的锻炼,通过在设计中查阅不同课程、不同学科的资料,工程意识也得到了很好的培养。
3.通过这次机械综合设计,我们的创新能力有所提高,更增加了创造的激情,总是希望不断的改进,追求完美。
在这次综合设计中,我们还初步熟悉了机械设计的基本过程,积累了初步的设计经验。
4.在这次机械综合设计中,我们不仅用到了机械原理和机构学中的知识,也用到了各种软件,如Matlab、Pro/E、Excel等,这让我们明白机械综合设计要注重多学科的交叉,多学科交叉也是今后机械设计的一个趋势。
最后,我们要感谢谢进老师,是他的支持和指导,是他给了我莫大的支持和帮助!
参考文献
[1]谢进万朝燕杜立杰.机械原理.北京:
高等教育出版社,2004.;
[2]机械原理课程设计指导书.成都:
西南交大出版社,2007年.;
[3]机械原理习题集.成都:
不详,不详.;
附录
凸轮参数化仿真软件数据:
转角θ(度)
压力角α(度)
工作轮廓Xn
工作轮廓Yn
工作轮廓rn
工作轮廓φn(度)
位移
速度
加速度
0.00
-3.07
-55.63
25.32
68.28
-8.17
0.00
0.00
0.00
5.00
-3.27
-57.40
19.76
68.29
-13.17
0.00
-0.07
1.66
10.00
-3.87
-58.78
14.03
68.33
-18.17
0.02
-0.29
3.28
15.00
-4.83
-59.79
8.17
68.45
-23.15
0.06
-0.64
4.84
20.00
-6.11
-60.46
2.21
68.69
-28.13
0.13
-1.13
6.31
25.00
-7.65
-60.80
-3.84
69.09
-33.10
0.26
-1.74
7.66
30.00
-9.38
-60.83
-9.97
69.68
-38.04
0.44
-2.46
8.87
35.00
-11.22
-60.55
-16.21
70.49
-42.97
0.69
-3.28
9.90
40.00
-13.09
-59.97
-22.55
71.56
-47.87
1.02
-4.19
10.74
45.00
-14.89
-59.07
-29.01
72.89
-52.74
1.42
-5.15
11.38
50.00
-16.57
-57.83
-35.59
74.51
-57.59
1.92
-6.17
11.80
55.00
-18.05
-56.24
-42.30
76.44
-62.40
2.50
-7.21
12.00
60.00
-19.28
-54.24
-49.13
78.67
-67.17
3.17
-8.25
11.96
65.00
-20.24
-51.79
-56.07
81.21
-71.90
3.94
-9.29
11.70
70.00
-20.90
-48.85
-63.09
84.05
-76.60
4.79
-10.29
11.21
75.00
-21.25
-45.37
-70.15
87.18
-81.25
5.73
-11.24
10.51
80.00
-21.30
-41.30
-77.19
90.58
-85.87
6.75
-12.12
9.61
85.00
-21.05
-36.60
-84.15
94.22
-90.44
7.85
-12.91
8.52
90.00
-20.51
-31.23
-90.94
98.08
-94.98
9.00
-13.60
7.27
95.00
-19.71
-25.16
-97.48
102.13
-99.49
10.22
-14.17
5.88
100.00
-18.66
-18.38
-103.66
106.31
-103.97
11.47
-14.62
4.38
105.00
-17.37
-10.89
-109.37
110.60
-108.42
12.76
-14.94
2.80
110.00
-15.87
-2.72
-114.50
114.95
-112.86
14.08
-15.11
1.16
115.00
-14.19
6.13
-118.93
119.32
-117.28
15.40
-15.14
-0.50
120.00
-12.34
15.58
-122.56
123.66
-121.70
16.71
-15.02
-2.15
125.00
-10.36
25.57
-125.27
127.94
-126.13
18.01
-14.76
-3.76
130.00
-8.27
36.03
-126.96
132.11
-130.55
19.29
-14.37
-5.30
135.00
-6.10
46.85
-127.55
136.12
-134.99
20.52
-13.84
-6.73
140.00
-3.89
57.92
-126.94
139.96
-139.45
21.70
-13.20
-8.04
145.00
-1.65
69.12
-125.09
143.58
-143.93
22.82
-12.44
-9.19
150.00
0.58
80.31
-121.95
146.96
-148.45
23.87
-11.60
-10.17
155.00
2.77
91.34
-117.49
150.08
-152.99
24.84
-10.67
-10.96
160.00
4.90
102.06
-111.72
152.93
-157.57
25.73
-9.69
-11.53
165.00
6.94
112.32
-104.65
155.48
-162.19
26.53
-8.67
-11.88
170.00
8.86
121.97
-96.34
157.73
-166.85
27.24
-7.63
-12.01
175.00
10.67
130.86
-86.86
159.69
-171.56
27.86
-6.58
-11.91
180.00
12.33
138.85
-76.28
161.36
-176.30
28.39
-5.55
-11.57
185.00
13.84
145.83
-64.74
162.75
-181.09
28.83
-4.57
-11.02
190.00
15.18
151.67
-52.34
163.87
-185.92
29.19
-3.64
-10.26
195.00
16.36
156.30
-39.25
164.74
-190.78
29.47
-2.78
-9.30
200.00
17.37
159.64
-25.60
165.39
-195.68
29.68
-2.02
-8.16
205.00
18.20
161.66
-11.55
165.85
-200.61
29.82
-1.36
-6.87
210.00
18.86
162.33
2.73
166.14
-205.56
29.92
-0.82
-5.44
215.00
19.34
161.66
17.09
166.31
-210.54
29.97
-0.41
-3.92
220.00
19.65
159.68
31.38
166.38
-215.52
29.99
-0.14
-2.31
225.00
19.80
156.42
45.47
166.40
-220.52
30.00
-0.01
-0.66
230.00
21.50
151.92
59.05
166.26
-225.54
29.96
1.59
-30.31
235.00
24.14
145.68
71.98
165.46
-230.66
29.71
4.23
-30.31
240.00
26.59
137.66
84.10
163.94
-235.90
29.22
6.88
-30.31
245.00
28.89
127.99
95.10
161.70
-241.24
28.50
9.52
-30.31
250.00
31.08
116.85
104.69
158.73
-246.70
27.56
12.17
-30.31
255.00
33.21
104.46
112.60
155.02
-252.27
26.38
14.81
-30.31
260.00
35.30
91.12
118.60
150.57
-257.94
24.97
17.46
-30.31
265.00
37.40
77.16
122.47
145.36
-263.72
23.33
20.10
-30.31
270.00
39.57
62.95
124.06
139.39
-269.60
21.46
22.75
-30.31
275.00
41.86
48.91
123.27
132.64
-275.57
19.36
25.39
-30.31
280.00
44.32
35.47
120.09
125.09
-281.64
17.03
28.04
-30.31
285.00
46.18
22.96
114.61
116.77
-287.77
14.48
29.63
30.31
290.00
44.66
11.60
107.91
108.62
-293.83
12.01
26.98
30.31
295.00
42.87
1.95
100.77
101.19
-299.76
9.77
24.34
30.31
300.00
40.71
-6.18
93.46
94.50
-305.56
7.76
21.69
30.31
305.00
38.09
-13.02
86.23
88.57
-311.23
5.98
19.05
30.31
310.00
34.86
-18.81
79.25
83.38
-316.79
4.44
16.40
30.31
315.00
30.88
-23.80
72.62
78.96
-322.24
3.12
13.76
30.31
320.00
26.03
-28.22
66.40
75.31
-327.59
2.04
11.11
30.31
325.00
20.22
-32.32
60.61
72.41
-332.85
1.18
8.47
30.31
330.00
13.50
-36.28
55.21
70.28
-338.03
0.56
5.82
30.31
335.00
6.11
-40.28
50.13
68.91
-343.13
0.17
3.17
30.31
340.00
-1.55
-44.43
45.29
68.31
-348.17
0.01
0.53
30.31
345.00
-3.06
-47.93
40.69
68.30
-353.17
0.01
0.00
0.00
350.00
-3.06
-50.90
35.83
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