机械原理课程设计说明书.docx
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机械原理课程设计说明书
机械原理课程设计说明书
课程设计
课程名称:
机械原理
学院:
机械工程学院专业:
机械制造
姓名:
学号:
1008030228
年级:
2010级任课教师:
戴明
2013年1月18日
贵州大学机械工程学院
机械原理课程设计任务书题号01
锁梁自动成型机床切削机构设计
一、机构说明和加工示意图
锁梁自动成型机床加工锁梁(即挂锁上用于插入门扣的钩状零件)的工序为:
将盘圆钢条校直、切槽、车圆头、切断和搬弯成型。
本机构为该机床的搬弯成型工艺部分,由送料机构、夹紧机构和切削进给机构组合而成。
切削加工原理如下图:
送料夹持器1将工件7送到切削加工工位。
弹簧夹头的锥套6移动,使夹紧爪5将工件7夹紧,送料夹持器1即返回。
圆锥凸轮2移动,使与切槽刀杆和切断刀杆相联的摆杆3摆动,开始进刀,由于刀盘4的旋转运动,是工件被出圆槽、圆头和最后切断。
圆锥凸轮2返回,摆动刀杆退刀,弹簧夹头松开工件,待送料夹持器1第二次送进时,将已切削成型的工件推出工位。
一、机构设计的有关数据
1.生产率25件/分
2.机电输入转速:
n1=1000转/分
3.工件尺寸:
L=180㎜D1=6㎜D2=4㎜
4.齿轮模数m=3
二、课程设计项目内容:
1.目标分析:
根据设计任务书中规定的设计任务,进行功能分析,作出工艺动作的分解,明确各个工艺动作的工作原理。
2.创新构思:
对完成各工艺动作和工作性能的执行机构的运动方案进行全面构思。
对各可行方案进行运动规律设计、机构型式设计和协调设计。
3.方案拟定:
拟定总体方案,进行执行系统、传动系统、原动机的选择和基本参数设计。
4.方案评价:
对各行方案进行运动分析、力分析及有关计算、以进行功能、性能评价和技术、
5.经济评价。
6.方案决策:
在方案评价的基础上进行方案决策,在可行方案。
确认其总体设计方案,绘制系统运动简图、编写总体方案设计计算机说明书。
三、课程设计要求:
1.按工艺动作设计多个组合机构的总体方案,根据评标的运动特性、传力特性、工作可靠性、结构紧凑性和制造经济性等进行分析比较,最后确定一、二个较好的方案,拟定出运动方案示意图。
2.分解工艺动作,根据生产率绘制送料机构、定位机构和进刀机构的运动循环图。
(4号图)
3.根据生产率和电机转速,设计传动系统。
4.用图解法对送料机构、定位机构和进刀机构进行运动设计,绘制组合机构的运动简图。
(4号图)
5.用计算机辅助设计对送料机构进行运动分析:
(1)编制计算流程框图。
(2)根据计算流程框图编制主程序,上机计算及打印结构
6.用计算机辅助设计对凸轮机构进行设计,绘出凸轮轮廓和从动件位移曲线
7.编写课程设计说明书。
内容包括:
设计题目、工艺要求、设计内容、方案选择与比较、各机构类型和运动参数的选择、机构运动设计步骤、设计结构、设计结构、传动系统设计、机构运动分析计算流程框图、主程序及计算结构、凸轮机构设计、参考资料目录和设计小结等。
(20页以上)
五、机械原理课程设计题目分配:
1.凡学号末位第二位数(即十位数)为l、3的同学作锁梁自动成型机切削机构(即A1~A10)。
2..学号末位数(即个位数)为题号代号。
例:
学号03*****13的同学作锁梁自动成型机切削机构。
题号代号为A3的数据。
附表:
锁梁自动成型机床切削机构设计题目数据
题目代号
A1
A2
A3
A4
A5
A6
A7
A8
A9
A10
生产率
10
12
15
18
20
24
25
28
30
32
电机转速
700
750
800
850
900
950
1000
1100
1200
1250
工件长度
250
240
225
200
190
180
160
150
120
100
工件D1
10
10
9
9
8
8
6
6
5
5
工件D2
7
7
6
6
5
5
4
4
3.5
3.5
齿轮模数
6
6
5
5
4
4
3
3
2.5
2.5
机械原理课程设计任务书..........................1
第一部分机构设计分析
一锁梁自动成型机床切削机构的功能与设计要求......5
二工作原理图及其解释............................6
三功能分解......................................6
四执行机构的比较与选择..........................7
五选定各个功能的执行机构........................15
六传动机构的选择................................16
七绘制机构系统运动转换功能图....................27
八 机械系统运动方案简图..........................19
九 运动循环图及时间表............................20
第二部分机构尺寸设定与计算
一送料机构的尺寸计算............................22
二夹紧机构尺寸计算..............................23
三切削进给机构尺寸计算..........................24
四传动机构的尺寸计算............................24
五凸轮的尺寸设计................................25
第三部分 三维设计与机构运动学分析
一六杆机构......................................29
二整体机构.....................................33
附图一凸轮1三维图.......................34
附图二凸轮2三维图........................34
附表一凸轮1excel导出数据表...............35
附表二凸轮2excel导出数据表...............39
参考文献 ......................................42
心得体会 ......................................43
第一部分机构设计分析
一锁梁自动成型机床切削机构的功能与设计要求
图1-1
图1-1所示为挂锁的一个零件,称为“锁梁”。
锁梁自动成型机床切削机构的功能是将材料切削加工“锁梁”。
设计要求和参数为:
1.生产率25件/分
2.机电输入转速:
n1=1000转/分
3.工件尺寸:
L=180㎜D1=6㎜D2=4㎜
4.齿轮模数m=3
任务要求为:
1.“锁梁”的形状如图1-1所示;
2.连续自动生产;
3.生产能力为25件/min;
4.加工质量要达到规定的技术要求;
5.机械系统运动方案应力求简单,可靠;
6.根据设计任务书选择A7数据;
二工作原理图及其解释
图1-2
切削加工原理如上图:
送料夹持器1将工件7送到切削加工工位。
弹簧夹头的锥套6移动,使夹紧爪5将工件7夹紧,送料夹持器1即返回。
圆锥凸轮2移动,使与切槽刀杆和切断刀杆相联的摆杆3摆动,开始进刀,由于刀盘4的旋转运动,使工件被切出圆槽,圆头和最后切断。
圆锥凸轮2返回,摆动刀杆退刀,弹簧夹头松开工件,待送料夹持器1第二次进刀时,将已切削成型的工件推出工位。
三功能分解
为了实现将工件切削加工成图1-1的形状,可将总功能分解为如下分功能:
1 送料功能;
2 材料夹紧功能;
3 材料切削功能。
其功能逻辑图如1-3所示
图2-3
图1-3
四执行机构的比较与选择
1. 切削材料时的送料功能
工件送料功能需要采用往复移动机构来实现,下面选用几个备选方案来实现。
1)偏置曲柄滑块机构(图1-4)
图1-4
功能:
将旋转运动转换为往复移动
偏置曲柄机构分析:
包含3个可动构件,4个低副,1个自由度。
结构和工作原理:
如图图1-4所示的曲柄滑块机构中,滑块的导路没有通过了曲柄的回转中心,称为偏置曲柄滑块机构。
当曲柄转动时,通过连杆使滑块实现往复移动,即可实现送料功能。
2)六杆机构(图1-5)
图1-5
功能:
用于将旋转运动转换成有急进慢回特性的往复移动。
偏置曲柄机构分析:
包含5个可动构件,7个低副,1个自由度。
结构和工作原理:
如图1-5所示的六杆机构是由1-2-3-6组成的曲柄导杆机构和连杆4,滑块5串联成的。
当曲柄1等速转动时,从动件3变速往复摆动,该机构可在曲柄1长度一定的情况下,使从动件5获得较大的行程。
从动件5的往复移动,可实现其送料功能。
3)曲柄滑块齿条传动机构(图1-6)
图1-6
功能:
用于将回转运动转换为有急回特性的往复运动,
机构和工作原理:
原理图如图1-6所示,曲柄1的回转运动通过连杆2和滑块传递给齿条4,从而达到送料的目的。
4)对以上三种方案的比较:
根据以上两种方案知,偏置曲柄滑块机构由于偏心距的限制,使得压力角过大,且送料行程较小,不能很好的满足送料的要求;在3)方案中齿条传动的平稳性较差,而六杆机构通过导杆3和连杆4可以调整送料压力角和送料行程,从而获得较合适的压力角和送料行程,送料较为平稳。
故选择如图1-5所示的六杆机构作为最终送料机构。
2.切削材料时的夹紧功能
通过凸轮实现夹紧管左右移动使弹簧夹头夹紧工件。
用弹簧夹头进行夹紧,弹簧夹头的材料是焠火过的钢套,起夹爪有弹性,夹爪外部成锥体,在弹簧夹头的外面有一具有内锥的夹紧管,当夹紧管左右移动时,利用夹紧管与弹簧夹头的锥面实现夹紧与松开,夹紧管的左右移动由凸轮机构实现。
有以下几种选择方案:
1)六杆机构
图1-7
功能:
把旋转运动转化为有急回运动的往复运动的机构。
结构和工作原理:
如图1-7所示,当曲柄AB等速转动时,从动杆BCDEF往复摆动,在架上前面的弹簧夹头部分,实现夹紧。
2)凸轮机构+连杆机构:
如图1-7所示
如图2
图1-8
功能:
通过凸轮的转动,带动连杆机构使得夹持器实现间歇往复运动。
结构和工作原理:
如图1-8所示,凸轮7的旋转运动,带动推杆5的水平移动,通过滚子4推动竖直 杆2摆动,从而使得夹紧器间歇往复移动,实现刀架的进给功能。
其中,推杆5上的两个滚子效 地减小了系统摩擦,改善了机构的传递性能,使得机构的传递效率大大的提高,弹簧6的使用使 得竖直杆2与凸轮形成力封闭,保证了竖直杆2的往复间歇摆动。
使本机构具有良好的动力性能。
3)凸轮+滑块连杆机构:
如图1-9所示
凸轮连杆机构:
6个可动构件,6个低副,2个高副,2个局部自由度,1个自度
图1-9
功能:
将旋转运动转换为刀架的间歇往复移动,从而实现夹紧功能。
结构和工作原理:
如1-9所示,凸轮的旋转运动,通过推杆带动滑块的水平移动,滑块再通过连杆使得竖直杆左右摆动,从而使得夹紧器往复移动。
此机构中,滑块处的摩擦较大,易造成机构磨损。
4)对以上三种方案的比较:
根据以上3种可执行方案,虽然都达到了运动的要求,不过,考虑到其结构的工艺性及制造方便性,选用凸轮+连杆机构较为合适,并较为可靠,结构也较为简单,有平稳的运动特性,故本设计选用2)方案。
4.切削时的进给功能
分析:
通过刀具的绕工件旋转和刀具的横向切削进给运动实现飞刀切削。
由于采用飞刀切槽,刀具不仅要绕工件旋转,同时还要作横向切削进给运动。
为了使结构简单,当横向进给运动行程不大时,可以用弧线运动代替,回转刀架上安装有能绕回转刀架作相对转动的切槽刀杆和切断刀杆,刀杆一端与锥套组成高副联接。
锥套与回转刀架为键联接,可相对回转刀架作轴向移动。
加工时,锥套与回转刀架一起旋转,同时由凸轮机构相对刀架的轴向移动,此时锥套与刀杆组成的高副使刀杆摆动,从而实现切槽和切断功能。
可用以下方案实现:
1)凸轮+滑块连杆机构:
如图1-10所示
凸轮连杆机构:
6个可动构件,6个低副,2个局部自由度,2个高副,
1个自由度
图1-10
功能:
将旋转运动转换为刀架的间歇往复移动,从而实现刀架的进给功能。
结构和工作原理:
如2-10所示,凸轮的旋转运动,通过推杆带动滑块的水平移动,滑块再通过连杆使得竖直杆左右摆动,从而使得刀架间歇往复移动,实现刀架的进给功能。
此机构中,滑块处的摩擦较大,易造成机构磨损,且竖直摆杆与凸轮没有任何的封闭,使得刀架的往复移动不易实现。
2)凸轮+连杆机构(如图1-10)
图1-11
功能:
将旋转运动转换为刀架的间歇往复移动,从而实现刀架的进给功能。
结构和工作原理:
如图2-11所示,凸轮7的旋转运动,带动推杆5的水平移动,通过滚子4推动竖直杆2摆动,从而使得刀架间歇往复移动,实现刀架的进给功能。
其中,推杆5上的两个滚子有效地减小了系统摩擦,改善了机构的传递性能,使得机构的传递效率大大的提高,弹簧6的使用使得竖直杆2与凸轮形成力封闭,保证了竖直杆2的往复间歇摆动。
使本机构具有良好的动力性能。
3)六杆机构(如图1-12)
图1-12
功能:
把旋转运动转化为有急回运动的往复运动的机构。
结构和工作原理:
如图1-12所示,当曲柄等速转动时,从动杆BCDEF往复摆动从而使椎体E做往复运动,实现刀具的进给功能。
4)对以上三种方案的比较:
综上所述,经比较可知,图1-11所示的(凸轮+连杆机构)传递性能好,磨损较小,且竖直杆与凸轮通过弹簧形成力封闭,可保证刀架的间歇往复运动,故本设计选用2)方案。
五选定各个功能的执行机构
①送料功能:
选用六杆机构,如图1-5所示,具有急回特性,和传动平稳性。
②夹紧功能:
选用凸轮机构+连杆机构,如图1-8所示。
机构简单,稳定,具有间歇特性。
③进给功能:
选用凸轮+连杆机构,如图1-11。
机构稳定,运动具有确定性。
六传动机构的选择
1.各种传动机构的比较
机械系统中的传动机构是把原动机输出的机械能传递给执行机构并实现能量的分配、转速的改变及运动形式的改变的中间装置。
传动机构最常见的有齿轮传动、带传动、蜗杆传动等,其优缺点如表1-1所示。
机械系统中的传动机构是把原动机输出的机械能传递给执行机构并实现能量的分配、转速的改变及运动形式的改变的中间装置。
传动机构最常见的有齿轮传动、带传动、蜗杆传动等。
特点
寿命
应用
齿轮传动
承载能力和速度范围大;传动比恒定,采用卫星传动可获得很大传动比,外廓尺寸小,工作可靠,效率高。
制造和安装精度要求高,精度低时,运转有噪音;无过载保护作用
取决于齿轮材料的接触和弯曲疲劳强度以及抗胶合与抗磨损能力
金属切削机床、汽车、起重运输机械、冶金矿山机械以及仪器等
蜗杆传动
结构紧凑,单级传动能得到很大的传动比;传动平稳,无噪音;可制成自锁机构;传动比大、滑动速度低时效率低;中、高速传动需用昂贵的减磨材料;制造精度要求高,刀具费用贵。
制造精确,润滑良好,寿命较长;低速传动,磨损显著
金属切削机床(特别是分度机构)、起重机、冶金矿山机械、焊接转胎等
带传动
轴间距范围大,工作平稳,噪音小,能缓和冲击,吸收振动;摩擦型带传动有过载保护作用;结构简单,成本低,安装要求不高;外廓尺寸较大;摩擦型带有滑动,不能用于分度链;由于带的摩擦起电,不宜用于易燃易爆的地方;轴和轴承上的作用力很大,带的寿命较短
带轮直径大,带的寿命长。
普通V带3500-5000h
金属切削机床、锻压机床、输送机、通风机、农业机械和纺织机械
表1-1
由上述几种主要的传动装置相互比较可知,由于传动比为40,从传动稳定性,等因素的方面考虑选择齿轮传动和带传动的配合传动,第一级传动选择带传动,可对电动机起到过载保护的作用,第二级和第三极选择齿轮传动可有效调整传动比。
其传动如图所示1-13:
图1-13
其传动路线为:
转速为1000r/min的电动机经皮带传动传至轴X1,轴X1带动齿轮3转动,然后通过齿轮将运动传递到工作轴X2,即带动轴X2上的齿轮4转动,然后通过齿轮5带动轴X3转动,从而带动轴X3上的凸轮和曲柄转动。
送料曲柄与夹紧机构,进给机构同步转动。
进而实现送料,夹紧,进给的功能。
七绘制机构系统运动转换功能图
1)根据执行构件的运动形式,绘制机械系统运动转换功能图如图1-14所示。
图1-14
2)形态学矩阵法创建机构运动方案
根据机械系统运动转换功能图可构成形态学矩阵,由表1-2所示的形态学矩阵可求出锁梁自动成型切削系统的运动方案数为:
N=3*3*3*3*3*3=729
可由给定的条件,各机构的相容性,各机构的空间布置,类似产品的借鉴和设计者的经验等,从中选出若干个较为实际可行的方案,然后从选出的若干个方案中用评价方法选出最优方案(如表1-2)。
表1-2
八机械系统运动方案简图
如图1-15所示为机械系统运动方案运动简图。
电机1通过皮带2轮传到3,3通过轴4传到齿轮5,齿轮5带动齿轮7转动,通过齿轮7带动轴A转动,而安装在轴A上的曲柄8,凸轮13和14随轴A一起转动以实现送料,进给,切削的功能,而且通过凸轮与的相对角度的控制就可以调节使送料,夹紧,切削相互协调,从而完成加工要求的加工工作。
以下是送料,夹紧,切削进给三个机构的传动路线:
(1)送料机构:
轴A—曲柄8—滑块9—连杆10—连杆11—送料;
(2)夹紧机构1:
轴A—凸轮13—滚子15—连杆19—滚子20—连杆24—夹紧;
(3)夹紧机构2:
轴A—凸轮13—滚子15—连杆19—滚子27—连杆28—夹紧器29—夹紧;
(4)切削进给机构:
轴A—凸轮14—滚子16—滚子18—连杆23—锥轮25—刀具
进给。
图1-15
九凸轮运动循环图及时间表
1)各机构运动时间表(表1-3)
执行阶段
运动阶段
运动时间(s)
分配转角(°)
送料阶段
送料
回程
0.8s
1.6s
120°
240°
夹紧阶段
初始
上升
夹紧
回程
0.8s
0.2s
1.2s
0.2s
120°
30°
180°
30°
切削阶段
初始
上升
远休
回程
1.2s
0.6s
0.4s
0.2s
180°
90°
60°
30°
表1-3
2)各机构运动时间图
(图1-16)
图1-16
如图1-16所示:
送料:
进程0°-120°回程120°-360°。
夹紧:
近休0°-120°推程120°-150°
远休150°-330°回程330°-360°
进给:
近休330°-150°推程150°-240°
远休240°-300°回程330°-360°
第二部分机构尺寸设定与计算
一送料机构的尺寸计算
图1-5
如图1-5所示,根据工件长度L=160mm,可确定滑块行程为160mm。
为满足送料时有快进慢退特性,采用以上六杆机构,取曲柄1的极位夹角为60°,则导杆3长160mm,AO长为60mm,取曲柄1长为30mm,为使送料最大压力角为合适值45°,既杆4与滑块55的夹角为45°,取杆4长为60mm。
通过计算有o到工作平面的距离为118.
二夹紧机构尺寸计算
图1-8
如图1-8所示,夹紧机构采用的是凸轮连杆机构。
这里的推杆5与凸轮中心相对,偏心距为0,支点3位于加紧套与推杆5竖直距离的中点处,以保证推杆5的移动距离与夹紧套的移动距离相等。
而推杆5和摆杆2的长度根据实际装配要求确定,只要满足其推程确定就可以了,所以这里只要确定凸轮,设计凸轮尺寸见后面第四部分凸轮设计的计算机调试机构中的凸轮形状运动调试。
三切削进给机构尺寸计算
图1-11
如图1-11所示,进给机构采用的是凸轮连杆机构。
这里的推杆5与凸轮中心相对,偏心距为0,支点3位于锥套与推杆5间距离的中心位置。
而推杆5和摆杆2的长度根据实际装配要求确定,只要满足其推程确定就可以了,所以这里只要确定凸轮,设计凸轮尺寸见后面第四部分凸轮设计的计算机调试机构中的凸轮形状运动调试。
四传动机构的尺寸计算
图2-13
(1)齿轮和带轮的半径计算
由于生产率为25件/分,而电动机的转速为1000r/min,则传动比
i=n电/n4=1000/25=40
一级减速(带传动)i1=2二级减速(齿轮)i2=5
三集减速(齿轮)i3=4,i=i1*i2*i3=2*4*5=40
(2)取带轮1的直径D1=100mm,则带轮的直径为D2=D1*2=200mm;
(3)选择齿轮3和齿轮5的齿数z1=17,由于齿轮模数m=3,所以其分度圆直径d1=51mm;则齿轮4的齿数为z2=85,分度圆直径为d2=255mm,齿轮6的齿数为z3=68,分度圆直径为d3=204mm。
五凸轮的尺寸设计
1.由于凸轮实现的是夹紧和进给功能,根据第一部分运动循环图(运动时间表1-3和运动时间图1-16)中的数据以及送料机构的尺寸比例:
(1)取凸轮1为夹紧机构凸轮,凸轮2为切削进给机构凸轮;
(2)凸轮1以50mm为基圆半径,行程为5mm;凸轮2以60mm为基圆半径,行程为5mm;滚子半径为7mm,偏心距为0,即对心曲柄滑块机构.
(3)计算机调试
根据以上数据进行数据分析可得到以下数据:
1):
凸轮1的行程,速度,加速度分析:
如图2-1,图2-2,图2-3;
图3-1
图3-2
图3-3
2)凸轮1数据导出excel表格见附表一,导出凸轮三维图见附图一;
3):
凸轮2的行程,速度,加速度分析:
如图3-4,3-5,3-6;
图3-4
图3-5
图3-6
4)凸轮2数据导出excel表格见附表一,导出凸轮三维图见附图二;
第三部分 三维设计与机构运动学分析
一六杆机构
(1)六杆机构三维图(图4-1)
图4-1
(2)送料机构(图中滑块)动态仿真分析
利用三维制图软件proe对六杆机构进行动态仿真分析,分析其位置,速度,加速度随时间的变化。
1)位置分析(图4-2)
如图所示,根据图形可知送料器位置随时间的改变而改变,而且在每一个运动周期中,前一部分的位置变化较快(为送料进程),后一部分的变化较慢(送料回程),因此满足了快进慢退的条件。
根据图可知其形成在160mm左右,由于计算工作台高度时是取
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