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
课程设计
课程名称：
机械原理
学院：
机械工程学院专业：
工程机械
姓名：
学号：
年级：
任课教师：
2016年月日
机械原理课程设计任务书题号01（A1）
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。
二、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㎜
三、课程设计项目内容：
a）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。
b）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。
c）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。
d）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。
e）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。
四、课程设计要求：
a）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。
b）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）
c）根据生产率和电机转速，设计传动系统。
d）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）
e）用计算机辅助设计对送料机构进行运动分析：
i.编制计算流程框图。
ii.根据计算流程框图编制主程序，上机计算及打印结构
f）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
g）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
摘要
作为机械，其主要作用就是代替劳动力，解放劳动力。
在工业作用过程中，还沿用着古老的加工方法，原因有几种。
第一是加工工艺复杂，现有的先进生产方式无法代替，如我们在材料成型中的砂型铸造等。
第二是先进生产技术能达得到，但是运用先进生产技术所需要成本过高，生产盈利与成本比例不高等。
第三是工厂及企业本身条件局限，很难达到先进的加工水平。
诸如这么多的原因，现在，如何解决成本和加工工艺之间的矛盾成了我们机加设计中最大的矛盾。
我们现在的任务就是从我们所学的知识中提取这个矛盾，并在一定程度上加以修正改进，增加机械加工中的效率，提高生产率，解放劳动力。
锁梁是我们日常生活中必不可少的用品，在我们的机械加工中有很多加工锁梁类的机床，都存在自身的优点与缺点，如普通机床要求工人技术较高，数控机床成本太高，还要运用复杂的中心运算，需要对机械程序很熟悉的工人才能完成加工。
因此，设计出较为简单方便的锁梁机构，是我们本次设计的任务，尽可能把设计的机械投入到生产中去，完成产品的生产。
关键词：
送料、夹紧、切削、效率
第一章设计机构简介.................................6
一、锁梁自动成型机床切削机构的功能与设计要求................6
二、工作原理图及其解释..................................7
三、功能分解..........................................7
第二章设计机构各个部件对比选择......................7
一、切削材料时的送料功能................................7
二、切削材料时的夹紧功能................................10
三、切削材料时的切削功能................................13
第三章绘制机构系统运动转换功能图..................16
第四章各个优选部件相关数据的计算.................
第五章运动循环图的绘制..............................19
第六章传动机构的选择................................20
第七章总体装配图..................................22
第八章Proe仿真与凸轮模拟结果.......................23
附录.............................................
总结..............................................28
参考文献............................................29
第一章设计机构简介
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（锁梁生产样式图）
如图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：
（一）、“锁梁”的形状如图1-1.1所示；
（二）、连续自动生产；
（三）、生产能力为10件/min；
（四）、加工质量要达到规定的技术要求；
（五）、机械系统运动方案应力求简单，可靠。
二、工作原理图及其解释
图1-2.1（切削加工原理图）
切削加工原理如图2-2.2所示：
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1-3.1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。
其功能逻辑图如下所示：
图1-3.1（工件切削分工图）
第二章设计机构各个部件对比选择
一、切削材料时的送料功能
有很多种方法可以实现送料，如：
正弦机构、曲柄滑块，曲柄摇杆，齿轮、齿条与不完全齿轮、凸轮机构、棘轮机构等，将工件送料指定位置，下面通过比较优选出最佳方案来实现。
（一）、正弦机构
图2-1.1（正弦机构）
（1）、自由度计算：
4个可动构件，5个低副，1个高副。
F=3*4-2*5-1=1
（2）、工作原理：
如图2-1.1所示的正弦机构机构中，将旋转运动转换为往复移动，凸轮1驱动导杆2绕定轴摆动，通过置于导杆2上的滑槽内的滚子3使得滑枕4的左右移动，做快慢趋近的运动。
（3）、结构特性：
正弦机构在凸轮部分存在较大落差，使得往复运动中存在急速的转向和加速度的改变，不利于小工件加工的送料。
（二）、偏置曲柄滑块机构
图2-1.2（偏置曲柄滑块机构）
（1）、自由度计算：
3个可动构件，4个低副，0个高副。
F=3*3-2*4-0=1
（2）、工作原理：
如图2-1.2所示的曲柄滑块机构中，将旋转运动转换为往复移动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。
（3）、结构特性：
该机构能将旋转运动转化为往复运动，由于偏心距的过大，导致压力角变大，使得传动角变小，若压力角增大，该机构的传力特性不理想，送料行程偏距会过大，造成送料不到位情况发生，不能满足更好的送料特性。
（三）、曲柄滑块摇杆齿条机构
图2-1.3（曲柄滑块摇杆齿条机构）
（1）、自由度计算：
4个可动构件，5个低副，1个高副。
F=3*4-2*5-1=1
（2）、工作原理：
如图2-1.3所示的杆机构是由1-2-3-4组成的曲柄滑块摇杆机构和齿条4组成的。
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4获得较大的行程,从动件4的往复移动，可实现其送料功能。
用于将旋转运动转换成有急进慢回特性的往复移动。
（3）、结构特性：
曲柄滑块摇杆齿条机构，该机构最大的特性就是在3从动间中运用齿条的啮合传动，这种机构对环境的影响比较大，要保持齿轮啮合部分不卡死，才能保证送料的基本工作性能。
（四）、单向间歇移动机构
图2-1.4（单向间歇移动机构）
（1）、自由度计算：
2个可动构件，2个低副，1个高副。
F=3*2-2*2-1=1
（2）、工作原理：
如图所示主动轮2的连续顺时针转动，当轮2上a段圆弧廓线与工件1接触时，2、3轮对滚，轮间的摩擦力使得工件1左送进，当轮2的廓线与工件脱离接触后，工件则静止，轮2转动一周完成一个周期的送进和停歇运动，凸轮的转动转换为间歇运动。
（3）、结构特性：
单向间歇移动机构，摩擦轮机构机构简单，但是为了可靠的送料进行，还需要加轴向压力，保持较大的摩擦推动力，保证送料部件的完成。
（五）、六杆机构
图2-1.5（六杆机构）
（1）、自由度计算：
5个可动构件，7个低副，0个高副。
F=3*5-2*7-0=1
（2）、工作原理：
如图3-1.5所示的六杆机构是曲柄导杆机构和连杆，滑块1串联成的。
当曲柄2等速转动时，从动件3变速往复摆动，该机构可在曲柄2长度一定的情况下，使从动件3获得较大的行程。
从动件5的往复移动，可实现其送料功能，用于将旋转运动转换成有急进慢回特性的往复移动。
（3）、结构特性：
六杆机构，具有进慢回的急回运动特性，从而减小某一段行程的运动时间，从而提高工作效率，在机构中通过改变不同的曲柄和连杆发杆长，可以获得不同的送料行程距离，满足机械要求。
通过对以上五种送料机构的对比，最终选择六杆机构作为送料部件机构。
二、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。
（一）、棘条机构
图2-2.1（棘条机构）
（1）自由度计算：
4个可动构件，5个低副，1个高副。
F=3*4-2*5-1=1
（2）工作原理：
如图2-2.1所示，凸轮4的连续顺时针转动，推动杆件1的左右摆动，从而推动棘条机构3的水平移动，凸轮的转动转换为棘条机构的间歇运动。
（3）结构特性：
棘轮机构每次转角位齿轮所对应的中心角或者它的整数倍，还有摆角必须大于棘轮的齿轮的齿距角，所以在设计的机械中，要求比较高。
（二）、六杆机构
图2-2.2（六杆机构）
（1）、自由度计算：
5个可动构件，7个低副，0个高副。
F=3*5-2*7-0=1
（2）、工作原理：
如图2-2.2机构中，机构是把旋转运动转化为有急回运动的往复运动的机构。
如图所示，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。
（3）、结构特性：
该机构具有急位夹角，固有急回特性，从而使加紧过程中减少空的行程，增大加工时间完成加工要求，其次该机构的运动特性不稳定，会造成卡死现象。
（三）、改进凸轮连杆机构
图2-2.3（改进凸轮连杆机构）
（1）、自由度计算：
5个可动构件，6个低副，2个高副。
F=3*5-2*6-2=1
（2）、工作原理：
如图3-2.3所示，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，当凸轮1转动时，通过直动推杆2，推动摆杆3带动夹持器5做间歇往复运动。
从而实现夹紧功能。
（3）、结构特性：
该凸轮机构推程的选择性比较好，适用范围比较广，可以满足不同运动要求且运动性能较好，能满足连续运动的条件。
（四）齿轮式棘轮机构
图2-2.4（齿轮式棘轮机构）
（1）、自由度计算：
3个可动构件，4个低副，0个高副。
F=3*-2*4-2=1
（2）、工作原理：
如图2-2.4所示，棘轮1的旋转推动推杆2的水平运动，从而推动滑块3的滑动。
（3）、结构特性：
当棘轮机构转动到棘条部分就推动杆的移动，存在急回特性，这类机构比较简单，但是棘轮部分对于锁梁切削的加工不利于，棘轮高速旋转容易损坏。
（五）单凸轮机构
图2-2.5（单凸轮机构）
（1）、自由度计算：
2个可动构件，2个低副，1个高副。
F=3*2-2*2-1=1
（2）、工作原理：
如图2-2.5所示，单凸轮机构机构在是靠凸轮1的转动，推动从动件2的上下移动，从而实现加紧功能。
（3）、结构特性：
在单凸轮机构的工作时，只是推杆推动锥套的小部分的加夹，不能完全有效的加紧工件，故不能保证机械的可靠性。
通过对以上五种送料机构的对比，最终选择凸轮连杆机构作为送料部件机构。
三、切削材料时的切削功能
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。
（一）凸轮机构
图2-3.1（凸轮机构）
（1）、自由度计算：
6个可动构件8个低副1个高副
F=3*6-2*8-1=1
（2）、工作原理：
如图图2-3.1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，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。
（3）、结构特性：
在此凸轮机构此机构中，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。
（二）凸轮间歇运动机构
图2-3.2（凸轮间歇运动机构）
（1）、自由度计算：
4个可动构件3个低副2个高副
F=3*3-2*3-2-=1
（2）、工作原理：
如图2-3.2所示，在凸轮间歇运动机构中，凸轮的反复运动，推动杆件2的摆动，从而推动滑块3的左右移动和旋转运动，从而进行切削运动。
（3）、结构特性：
凸轮间歇运动机构在转动时，凸轮与杆件接触点属于高副接触，接触凸角容易磨平，导致后面送料的行程不能达到预定值。
（三）、改进凸轮连杆机构
图2-3.3（改进凸轮连杆机构）
（1）、自由度计算：
5个可动构件6个低副2个高副
F=3*5-2*6-2-=1
（2）、工作原理：
如图2-3.3所示，凸轮1的旋转运动，带动推杆2的水平移动，通过滑块3推动竖直杆4摆动，从而使得刀架间歇往复移动，实现刀架的进给功能。
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。
其中，推杆2上的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，弹簧的使用使得竖直杆4与凸轮形成力封闭，保证了竖直杆4的往复间歇摆动。
使本机构具有良好的动力性能。
（3）、结构特性：
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。
通过对以上三种切削机构的对比，最终选择改进凸轮连杆机构作为送料部件机构。
第三章绘制机构系统运动转换功能图
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3-1.1所示。
图3-1.1（机械系统运动转换功能图）
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图3-1.2所示：
功能元
功能元解（匹配机构）
1
2
3
4
5
减速1
带传动
齿轮传动
蜗杆传动
减速2
带传动
齿轮传动
蜗杆传动
减速3
带传动
齿轮传动
蜗杆传动
送料机构无间歇运动机构
正弦机构
偏置曲柄滑块机构
曲柄滑块摇杆齿条机构
单向间歇移动机构
六杆机构
送料夹持器间歇往复移动机构
棘条机构
六杆机构
改进凸轮连杆机构
齿轮式棘轮机构
单凸轮机构
晋级锥套间歇往复移动机构
凸轮机构
凸轮间歇运动机构
改进凸轮连杆机构
图3-1.2（最优方案）
第四章各个优选部件相关数据的计算
一、选定各个功能的执行机构
（一）、送料功能：
选用六杆机构，如图所示。
图4-1.1（六杆机构尺寸计算图）
根据任务书中工件设计长度为L=250mm,由图可知，可确定滑块行程为250mm。
该机构8-9-10组成的曲柄滑块机构，连杆11、滑块12和机架组成，故尺寸分析如下：
（1）、为了使机构具有良好的急回运动特性，且满足后面的加工时间的需要，由循环图可知，取曲柄摇杆的极位夹角为60°，则形成速比系数为K=2，由三角函数关系导杆3长度为L=250mm。
（2）、过A点作曲柄2垂直于导杆3，设定主轴到地面距离AC=120mm，则AB=sin30°*120=60mm。
（3）、取导杆4与滑块5水平运动方向的夹角为30°，设定D点到机架点F的高度为90mm，则连杆DE=90/sin30°=180。
（4）、过D点作导路的垂线与F点，故可得到A点与导路之间的距离为H=CDsin30°+DF-AC=186.50mm，在后面的减速齿轮装置中，为了使齿轮不超出导路上方，故H的高度取190mm，而已满足机构运动要求。
（二）、夹紧功能：
选用改进凸轮连杆机构，如图4-1.2所示。
图4-1.2（夹紧机构尺寸计算）
（1）、推杆2与凸轮为对心，相对偏距为0，若存在偏距，机构运动过程中，凸轮和推杆因受摩擦作用力增加而降低系统的工作效率。
（2）、设定加紧锥套角度为θ，因为h=tanθ×s，为了保证推杆4的摆动距离与加紧锥套的的移动距离相等，故取锥套的锥角位45°，便确定了推杆和滑块的的运动准确性，取支点位于加紧套和推杆4竖直距离的中心处，保证推杆移动的距离和锥套的水平运动距离的相等。
（3）、由送料机构的转配可知，主轴到导路的距离H=190mm，且要满足滑块在滑杆上的滑动距离要求，故摆杆4的长度应大于190mm+推程距离，故摆杆4取240mm。
（4）、推杆2的长度可有送料机构滑块滑送到左端最大位置处，机械之间不发生干涉，不影响其他部件的工作，且满足加紧要求需要就可以，故推杆2的长度取440mm。
（5）、设计凸轮尺寸间附录的凸轮模拟生产软件的调试。
（三）、进给功能：
选用改进凸轮连杆机构，如图所示。
图4-1.3（切削机构尺寸计算）
（1）、由图4-1.3可知，推杆2的轴线与凸轮中心对齐，偏距为0，支点3位于摆杆与推杆的中心处。
（2）、设定加紧锥套角度为θ，因为h=tanθ×s，为了保证推杆4的摆动距离与加紧锥套的的移动距离相等，故取锥套的锥角位45°，便确定了推杆和滑块的的运动准确性，取支点位于加紧套和推杆4竖直距离的中心处，保证推杆移动的距离和锥套的水平运动距离的相等。
（3）、由送料机构的转配可知，主轴到导路的距离H=190mm，且要满足滑块在滑杆上的滑动距离要求，故摆杆4的长度应大于190mm+推程距离，故摆杆4取240mm。
（4）、推杆2的长度可有送料机构滑块滑送到左端最大位置处，机械之间不发生干涉，不影响其他部件的工作，且满足加紧要求需要就可以，故推杆2的长度取160mm。
（5）、设计凸轮尺寸间附录的凸轮模拟生产软件的调试。
第五章运动循环图的绘制
切削锁梁机构，根据各个部件的工作特性要求，绘制如下的运动循环图：
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
1.75s
0.667s
2.75s
0.833s
105°
40°
165°
50°
切削阶段
初始
上升
远休
回程
2.75s
2.25s
0.167s
0.833s
165°
135°
10°
50°
表5-1.1（时间角度分配表）
图5-1.2（运动循环图）
阶段角度分配关系如下：
送料机构
进程：
0°-120°
回程：
120°-360°
夹紧机构
初始：
350°-95°
上升：
95°-135°
夹紧：
135°-300°
回程：
300°-350°
切削机构
初始：
330°-135°
上升：
135°-270°
夹紧：
270°-280°
回程：
280°-330°
表5-1.3（凸轮阶段分配表）
第六章传动机构的选择
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
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