机械原理课程设计 锁梁自动成型机床切削机构.docx

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机械原理课程设计锁梁自动成型机床切削机构

机械原理课程设计任务书………………………………………………3

课程设计说明……………………………………………………………4

第一部分机构设计

一、锁梁自动成型机床切削机构的功能与设计要求…………………8

二、工作原理图及其解释………………………………………………9

三、功能分解……………………………………………………………9

四、执行机构的比较与选择……………………………………………10

五、选定各个功能的执行机构…………………………………………15

六、绘制机构系统运动转换功能图……………………………………15

七、机械系统运动方案简图……………………………………………16

八、根据工艺动作顺序和协调要求拟定运动循环图…………………17

第二部分机构尺寸计算与设定

一、送料机构的尺寸计算………………………………………………19

二、夹紧机构尺寸计算…………………………………………………19

三、进给机构尺寸计算…………………………………………………20

四、传动机构的选择……………………………………………………21

五、总体安装尺寸………………………………………………………23

第三部分计算机调试机构

1、凸轮形状，运动调试………………………………………………24

二、连杆机构的运动分析………………………………………………32

附录

参考文献……………………………………………………………43

设计总结……………………………………………………………44

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10件/分

2．机电输入转速n1=700转/分

3．工件尺寸：

L=250㎜D1=10㎜D2=7㎜

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、经济评价。

5．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）

四、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

课程设计说明

一、机械原理课程设计的目的和要求

机械原理课程设计是工科院校机械类学生在大学期间利用已学过的知识和计算机工具第一次比较全面的、具有实际内容和意义的课程设计，也是机械原理课程的一个重要的实践教学环节。

机械原理课程设计是将知识转化为能力的桥梁，其主要目的是进一步巩固和加深学生所学的理论知识，并将其系统化；培养学生综合运用所学知识独立解决实际问题的能力；使学生初步掌握机械运动方案设计，并在机构分析与综合方面受到一次比较全面的训练。

随着生产技术的不断发展和人民生活水平的日益提高，机械产品种类日益增加。

例如：

各种金属切削机床、仪器仪表、重型机械、轻工机械、纺织机械、石油化工机械、交通运输机械、海洋作业机械、钢铁成套设备以及办公设备、家用电器、儿童玩具等。

各种机械设备一般均需实现生产和操作过程的自动化，或者实现某一工艺动作过程。

因此，机械设备设计首先需要进行机械运动方案的设计和构思，各种传动机构和执行机构的选用和创新设计。

这些新机械设备的创新设计要求设计者除了掌握各种典型机构的工作原理、结构特点、设计方法和应用场合等知识外，还要考虑如何选择巧妙的工艺动作过程来达到预定的机械功能求，如何选用或创新机构型式并组合成机械运动方案完成上述选定的工艺过程。

机械运动方案及机械运动简图设计是机械产品设计的第一步，也是决定机械产品质量水平高低、性能优劣和经济效益好坏的关键性的一步。

机械原理课程设计要求针对某种简单机器（工艺动作过程比较简单）进行机械运动简图设计，其中包括机器功能分析、工艺动作确定、执行机构选择、机械运动方案评价和机构尺度综合等。

通过机械原理课程设计，更为重要的是培养学生开发和创新机械的能力。

创新能力的培养在机械原理课程设计中占有十分重要的位置。

二、机械原理课程设计的内容和步骤

1、机械设计的一般过程

不论哪一类设计，为了提高机械设计的质量，必须有一个科学设计的程序，机械设计的一般进程可分为四个阶段：

产品规划阶段、方案设计阶段、详细设计阶段和改进设计阶段。

通常广泛实施和应用的程序可归纳成附表1所示的框图程序。

1）产品规划阶段其中心任务是进行需求分析、市场预测、可行性分析、确定设计参数及制约条件，最后给出详细的设计任务书（或要求表），作为设计、评价和决策的依据。

2）方案设计阶段需求是以产品的功能来体现的，功能与产品设计关系是因果关系，但又不是一一对应的。

体现同一功能的产品可以有多种多样的工作原理，因此，这一阶段是在功能分析的基础上，通过创新构思、搜索探求、优化筛选取得较理想的工作原理方案。

对于机械产品来说，在功能分析和工作原理确定的基础上进行工艺动作构思和工艺动作分解，初步拟定各执行构件动作相互协调配合的运动循环图，进行机械运动方案的设计（即机械系统的型综合和数综合）等。

这就是机械产品方案设计的主要内容。

附表1机械设计的一般程序框图

3）详细设计阶段主要是将机械的构形构思和机械运动简图具体转化为机器及其零部件的合理结构。

也就是要完成机械产品的总体设计、部件和零件设计，完成全部生产图纸并编制设计说明书等有关技术文件。

4）改进设计阶段根据样机性能测试数据，用户使用以及在鉴定中所暴露的各种问题进一步做出相应的技术完善工作，以确保产品的设计质量。

这一阶段是设计过程不可分割的一部分，通过这一阶段的工作可以进一步提高产品的效能、可靠性和经济性，使产品更具有生命力。

2、机械运动简图设计

机械运动简图设计主要包括下列内容：

1）功能原理方案的设计和构思

根据机械所要实现的功能（功用）采用有关的工作原理，由工作原理出发设计和构思出工艺动作的过程就是功能原理方案设计。

在功能设计中，应将机械将要达到的总功能，分解成多个功能元的运动和动作，确定运动方案。

在确定功能元中还应考虑各执行机构间的协调配合关系，画出机械运动循环图。

值得指出的是，一个灵巧的功能原理方案是创新机械的出发点和归宿。

如下图所示。

2）机械运动方案设计

机械运动方案通常用机械运动示意图来表示，它是根据功能原理方案中提出的工艺动作过程及各个动作的运动规律要求，选择相应的若干个执行机构，并按一定的顺序把它们组合成机械运动示意图，这个机械系统应能合理地、可靠地完成上述工艺动作。

机械运动方案就是机械运动简图设计中的型综合，机械运动方案中所画出的表示机构结构型式、机构相互联接情况的示意图是进行机械运动简图设计尺度综合的依据。

3）机械运动简图的尺度综合

将机械运动方案中各个执行机构根据工艺动作运动规律和机械运动循环图的要求进行尺度综合。

机械运动简图中各机构的运动尺寸（如有高副机构还应包括高副的形状）都要通过分析、计算加以确定。

当然在设计机械运动简图进行尺度综合时，应该同时考虑其运动条件和动力条件，否则不利于设计性能良好的新机械。

第一部分机构设计

1、锁梁自动成型机床切削机构的功能与设计要求

图1-1.1

图1-1.1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成扳弯前“锁梁”。

设计要求和参数为：

1　“锁梁”的形状如图1-1.1所示；

2　连续自动生产；

3　生产能力为10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第八题目数据；

二、工作原理图及其解释

9

图1-2.1

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1-1.1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1-3.1所示

图1-3.1

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1-4.1

功能：

将旋转运动转换为往复移动

结构和工作原理：

如图1-4.1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1-4.2

功能：

用于将旋转运动转换成有急进慢回特性的往复移动。

结构和工作原理:

如图1-4.2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。

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。

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，故选择如图1-4.2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。

下面选用几个备选方案来实现。

1）六杆机构

图1-4.3

功能：

本机构是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1-4.3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

功能：

通过凸轮的转动，通过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1-4.4所示，当凸轮7转动时，通过直动推杆5推动摆杆2带动夹持器1做间歇往复运动。

从而实现夹紧功能。

图1-4.4

根据以上2种可执行方案，经过对他们进行比较可得，虽然以上几种方案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。

3切削时的进给功能

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，弧线进给运动是间歇往复回转运动如图，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，同时由凸轮机构试其作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。

下面选用几个备选方案来实现。

1）凸轮+连杆机构（如图1-4.5）

图1-4.5

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1-4.5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1-4.6）

图1-4.6

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1-4.6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。

综上所述，经比较可知，图1-4.6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。

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1-4.2所示。

②夹紧功能：

选用凸轮机构+连杆机构，如图1-4.4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1-4.6。

机构稳定，运动具有确定性。

六、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1-4.7所示。

图1-4.7

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，由下表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=243

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。

七、机械系统运动方案简图

如图1-4.8所示为机械系统运动方案运动简图。

电机1通过皮带轮传到2，2通过轴3传到蜗杆4，蜗杆4带动涡轮5转动，从而带动曲柄6，夹紧凸轮7进给凸轮8以相同角速度转动，曲柄6通过滑块9，导杆13，连杆14，将曲柄的匀速转动转化为送料器15的往复运动；夹紧凸轮7通过滚子10，推杆20，滚子21，摆杆22将凸轮的匀速转动转化为夹紧套23的间歇往复运动；进给凸轮8通过滚子11，推杆12，滚子16，摆杆17将凸轮的匀速转动转化为进给装置的间歇往复运动。

其中，弹簧19和弹簧24使摆杆17和摆杆22与对应的凸轮形成力封闭，使摆杆17和摆杆22能够进行往复间歇摆动。

图1-4.8

八、根据工艺动作顺序和协调要求拟定运动循环图

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

2.00s

4.00s

120°

240°

夹紧阶段

初始

上升

夹紧

回程

1.53s

1.30s

2.17s

1.00s

95°

75°

130°

60°

切削阶段

初始

上升

远休

回程

3.67s

1.08s

0.25s

1.00s

220°

65°

15°

60°

图1-4.9

如图1-4.9所示，

送料：

进程0°-120°回程120°-360°。

夹紧：

近休355°-90°推程90°-165°

远休165°-295°回程295°-355°

进给：

近休320°-180°推程180°-245°

远休245°-260°回程260°-320°

偏置曲柄机

构：

3个可动构件

4个低副

1个自由度。

六杆机构：

5个可动构件

7个低副

1个自由度。

六杆机构

凸轮连杆机

构：

6个可动构件

6个低副

3个高副

2个局部自由

度

1个自由度。

①曲柄6，滑块9，导杆13，连杆14，滑块15构成送料机构；凸轮7，滚子10，推杆20，滚子21，摆杆22，夹紧套23，弹簧24构成夹紧机构；凸轮8，滚子11，推杆12，滚子16，摆杆17，锥套18，弹簧19构成进给机构。

空间摆放位置在图中没有表示出来。

②夹紧凸轮7和进给凸轮8，涡轮5，曲柄6在同一轴上，空间摆放位置一致。

第二部分机构尺寸计算与设定

1、送料机构的尺寸计算

图2-1.1

如图2-1.1所示，根据工件长度L=250mm，可确定滑块行程为250mm。

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250mm，曲柄长为50mm，为使送料最大压力角为合适值30°，取DE垂直距离为45mm,则连杆4长为90mm。

计算可得出导杆3的摆动角度为60°，曲柄导杆机构的压力角恒为0°，传动角恒为90°；送料机构的最大压力角为30°，最小传动角为60°。

二、夹紧机构尺寸计算

图2-1.2

如图2-1.2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，设计凸轮尺寸见第三部分计算机调试机构中的凸轮形状运动调试。

三、进给机构尺寸计算

图2-1.3

如图2-1.3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竖直距离的2/3处，以保证锥套进给距离是推杆5移动距离的两倍。

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，设计凸轮尺寸见第三部分计算机调试机构中的凸轮形状运动调试。

四、传动机构的选择

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。

他们的特点如表1：

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

链传动

轴间距范围大；传动比恒定；链条组成件间形成油膜能吸振，对恶劣环境有一定的适应能力，工作可靠；作用在轴上的荷载小；运转的瞬时速度不均匀，高速时不如带传动平稳；链条工作时，特别是因磨损产生伸长以后，容易引起共振，因而需增设张紧和减振装置

与制造质量有关

5000-15000h

农业机械、石油机械、矿山机械、运输机械和起重机械等

由上述几种主要的传动装置相互比较可知，由于传动比较大，故选择涡轮蜗杆传动，第一级传动选择带传动，可对电动机起到过载保护的作用。

其传动路线为：

转速为700r/min的电动机经皮带传动传至轴2，轴2带动蜗杆转动，然后通过涡轮将运动传递到工作轴3，即带动轴3上的夹紧凸轮，进给凸轮，送料曲柄同步转动。

进而实现送料，夹紧，进给的功能。

由于生产率为10件/分，而电动机的转速为700r/min，则

i=n4/n电=10/700=1/70

一级减速（皮带减速）i1=130/260

二级减速（涡轮蜗杆）i2=1/35

i=i1×i2=130/260×1/35=1/70

如图2-1.4所