自动钻头送进机构设计实验报告.docx
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自动钻头送进机构设计实验报告
自动钻床送进机构设计
——虚拟样机实验作业
北京航空航天大学
1.自动钻床送进机构
1.1工作原理
钻床是一种常用的孔加工设备。
试设计一钻床送进机构(如图1所示),其输入运动为构件1的匀速回转运动,输出运动为钻头的往复直线运动。
图1自动钻床送进机构
1.2设计要求
钻头的行程为320mm。
钻头在对工件进行钻孔过程中,要求以近似匀速送进。
为提高工作效率,要求机构具有行程速比系数K=2。
另外,还要求机构传动性能良好。
2.关于自动钻床及其前景
自动钻床是一种自动化钻孔平台,是指利用比目标物更坚硬、更锐利的工具通过旋转切削或旋转挤压的方式,在目标物上留下圆柱形孔或洞的机械和设备统称。
也有称为打孔机、钻孔机、打眼机、通孔机等。
通过对精密部件进行钻孔,来达到预期的效果。
自动钻床有自动钻床和手动钻床,随着人力资源成本的增加;大多数企业均考虑自动钻床作为发展方向。
自动钻床在我国有广泛的运用,例如,我国是全世界钟表生产和输出的最大国家,占全球制表行业90%以上,全自动高速表带钻床彻底解决表带行业目前投入人力最多,产出最少的手工钻孔工艺现状的困难,全面取代现有的手工钻孔工艺,也间接解决了企业招收熟练钻孔工人困难的严重问题。
同时为企业节约了大量的人力成本开支。
3.机构选型设计及方案
为实现自动钻床送进机构的功能,并满足设计要求,用图解法和解析法进行分析,得出以下两种较为优化的设计方案。
3.1曲柄摇杆机构和滑块导杆机构的组合
曲柄摇杆机构带动滑块转动,滑块带动导杆转动。
K=2
由θ=180*(K-1)/(K+1)得
θ=60°
如图2所示,曲柄摇杆机构ABCD中,主动曲柄AD的极位夹角为60°,逆时针转动,具有急回特性。
因为滑块和摇杆形成转动副,使得整个机构(EF)具有急回特性,各杆长参数如下:
AC=127.5977mm,CD=230.3721mm,AB=183.7185mm,EF=183.7185mm,GF的杆长随意,只要不太短即可。
图2曲柄摇杆机构和滑块导杆机构的组合
3.2平行四边形机构与偏心曲柄滑块机构的组合
平行四边形机构中主动件匀速转动时,从动件也匀速转动,从而带动滑块(代表钻头)移动。
钻头的两个极限位置记为
、
,
=320mm,做直角三角形
F,
F=
,以
F为直径作圆。
取圆的最高点为以固定铰链点A,在
直线中垂线上距离200mm处的点为另一固定铰链点D。
各杆长参数如下,A
=95.635mm,A
=356.914mm,从动件AB=130.6395mm,BC=226.2745mm,AD=213.814mm,主动件DE=AB=130.6395mm。
主动件DE顺时针转动。
图3平行四边形机构与偏心曲柄滑块的组合机构的组合
4.ADAMS软件仿真验证
4.1方案一的虚拟仿真实验
4.1.1.虚拟样机仿真结果
曲柄摇杆机构和滑块导杆机构的组合,如图4。
图4方案二虚拟样机模型
图5到图8是机构运动过程中的一些重要参数的测量,通过这些参数可以看出机构的运动和传力特性。
图5是导杆最低点(即为实际钻头的顶点)一个周期的位移曲线。
图5导杆位移曲线
图6是导杆最低点一个周期的速度曲线。
图6导杆速度曲线
图7是导杆最低点一个周期的加速度曲线。
图7导杆加速度曲线
图8是摇杆与滑块一个周期的压力角(连杆和滑块速度的夹角)变化曲线。
图8压力角变化曲线
4.1.2实验结果分析
①从位移曲线可看出,在误差允许的范围内,滑块的行程满足设计要求,总长320mm,能到达两个极限位置,而且可以看出,下降所用时间和上升所用时间之比为2,即急回系数为K=2;
②由速度曲线可知,滑块下降过程中,速度较为平稳,变化不大,且下降时速度小。
上升时速度马上增大,有较好的急回特性。
③由加速度曲线可知,下降过程中加速度几乎为零,基本实现匀速运动。
上升过程中,加速度较大,以实现急回特性。
④由传动压力角曲线可知,下降过程中压力角较大,最大可达90°(如图9),咋一看,该机构传力特性不好。
但注意到该机构中滑块是用来传递竖直方向的分力,并不希望其速度方向的分力过大,故其实该机构传力特性很好!
图9最大压力角
4.2方案一的虚拟仿真实验
4.2.1.虚拟样机仿真结果
平行四边行机构和偏心曲柄滑块机构的组合。
图10方案一虚拟样机模型
图11到14是该机构运动过程中的一些重要参数的测量,通过这些参数可以看出机构的运动和传力特性。
图11是滑块一个周期的位移曲线。
图11滑块位移曲线
图12是滑块一个周期的速度曲线。
图12滑块速度曲线
图13是滑块一个周期的加速度曲线。
图13滑块加速度曲线
图14是传动时的压力角(连杆和滑块速度方向的夹角)变化曲线。
图14滑块压力角变化曲线
4.2.2仿真结果分析
①从位移曲线可看出,在误差允许的范围内,滑块的行程满足设计要求,总长320mm,能到达两个极限位置,而且可以看出,下降所用时间和上升所用时间之比为2,即急回系数为K=2;
②由速度曲线可知,滑块下降过程中,速度较为平稳,变化不大。
且下降时速度小,上升时速度大,有较好的急回特性。
③由加速度曲线可知,下降过程中几乎为零,基本实现匀速运动。
上升过程中,加速度迅速增大,以实现急回特性。
④由传动压力角曲线可知,相比起来,下降过程中压力角小,上升过程中压力角大,传力特性较好。
当滑块位移较小时(即接近需钻物体时),压力角不超过20°(如图15)。
图15瞬时压力角
5.两种方案优劣对比
本例的两种构型,性能上存在着差异,各有优劣。
下面将这两种方案各自特点进行对比分析。
1由钻头(即方案一中的滑块和方案二中导杆)位移曲线可知,两种方案都可以达到相应行程,这一点两种构型无差别。
2从钻头位移和速度曲线可知,两种方案的急回系数K均为2,即具有良好急回特性。
3从钻头速度和加速度曲线可知,方案一下降过程中的速度更加平稳,加速度几乎保持为零。
故从速度看,方案一更优。
4从压力角曲线可知,方案一要求压力角较大,而方案一的压力角几乎就为90°(下降过程中,偏离不超过25°;当Y方向位移小于100mm时,偏离不超过10°)。
方案二中压力角较小,虽然下降过程中最大压力角为75°,但当滑块Y方向位移小于100mm时,压力角小于20°。
故两方案传力特性均较好,方案一稍微优于方案二。
5从空间布局的方面分析,方案二相对来说较为节省空间。
6.试验总结与思考
这次试验是对自动钻床送机机构进行设计并仿真。
这次试验的收获无疑是巨大的。
对自动钻床的设计和仿真是一个漫长的过程。
首先,得对ADAMS这款软件进行学习,在掌握基本技能后,又开始设计。
为了满足要求,需要精心的进行设计。
当自认为设计好之后,便开始进行仿真。
在仿真过程中,由于都软件操作还不熟练,又会遇到各种问题,通过查阅各种资料把问题解决后,仿真终于成功了。
之后在进行测量,测量过程中,又会发现不少问题,比如,行程不对,急回系数不满足要求,等等。
于是便又进行再设计,直至达到需要的设计效果。
之后,便又进入到了第二个方案的设计了。
制作的过程是艰辛的,但制作出成果后,是异常的开心的。
通过这次试验,我初步掌握了ADMAS这款软件,深化了对机构急回特性和传力特性的认识,进一步学会了进行机构设计,收获颇多!
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