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！