机械原理课程设计-锁梁自动成型机床扳弯机构设计.doc

机 械 原 理 课 程 设 计 课程设计课程名称： 机械设计 学 院：机械工程学院 专 业：农业机械化及其自动化 姓 名： 学 号： 年 级： 2008 级081班 任课教师： 2011年1月14日贵州大学机械工程学院机械原理课程设计任务书（）锁梁自动成型机床扳弯机构设计班级： 姓名： 学号： 目录一、方案设计任务书3二、设计原理及有关分析4三 方案选择及对比7四、最优方案的分析与设计16五、设计总结17六、参考资料18附图i：扳弯原理图附图ii：机构运动循环图附图iii：机械系统运动方案图一、 方案设计任务书1、 机构说明和加工示意图锁梁自动成型机床加工锁梁（即挂锁上用与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、切断和扳弯成型。本机构为该机床的扳弯成型工艺部分，由送料机构、定位机构和扳弯机构组合而成。扳弯成型加工原理如下图：送料滑块1将工件2送到扳弯工位后即返回，定位销3上升至锁梁槽内，将锁梁卡住，扳弯架4转动扳弯角度，扳弯架上的滚轮6绕固定滚轮5也转过扳弯角度，将锁梁扳弯成型。然后扳弯架返回原位，定位销下降，松开工件，待送料滑块第二次送进时将已扳弯成型的工件推出工位。2、设计分析（1）、本课题着重设计锁梁自动成型机床加工锁梁扳弯机构，不用考虑送料滑块的控制传动部分。（2）、由于锁梁自动成型机床加工锁梁是圆钢零件，所以扳弯机构需要比较大的力使其被扳弯。（3）、扳弯机构的原动机为电动机（要求已给出），其输出的是圆周运动，而执行机构实现的是直线运动，因此要选择把旋转运动变成直线运动的机构。并且在设计冲压机构中要注意到机构运动过程中的急回和匀速进给特性。（4）、设计过程中主要以传统的设计方法为主，其次利用计算机的强大功能来进行辅助的设计，以选择最优的方案和节省大量的计算时间。3、机构设计的有关数据(1)生产率： 20 件/分(2)机电输入转速： n1= 900 转/分(3)工件尺寸：l= 190 d1= 8 d2= 5 (4) 扳弯角度185度；齿轮模数6。 4、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。5、 课程设计要求f) 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。g) 分解工艺动作，根据生产率绘制送料机构、定位机构和扳弯机构（或进刀机构）的运动循环图。（4号图）h) 根据生产率和电机转速，设计传动系统。i) 用图解法对送料机构、定位机构和扳弯机构（或进刀机构）进行运动设计，绘制组合机构的运动简图。（4号图）j) 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，上机计算及打印结果。k) 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l) 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、致谢。二、 方案选择与对比1、 锁梁自动成型机床扳弯机构的功能与设计要求将切削加工的金属材料加工成图2.1所示的零件，可采用附图i所示的扳弯机构来实现。用一扳弯滚子将工件压在一圆弧模块上，然后绕圆弧模块转一角度，可将工件扳成与圆弧模块板将相对应得弧形。 图2.12、功能原理设计图2.1所示为挂锁的一个零件，称为“锁梁”。锁梁自动成型机床扳弯机构的功能是将已切削加工后的材料进行扳弯再加工成“锁梁”。设计要求和参数为：附图i：扳弯原理图1 “锁梁”的形状如图2.1所示；2 连续自动生产；3 生产能力为件20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。 3、功能分解为了实现将已切削加工的工件加工成锁梁的总功能，可将总功能分解为如下分功能：1）切削成型工件送料功能；2）送料定位功能；3）工件扳弯功能。逻辑功能如图2.3： 图2.34、机构运动转换功能图 经过对机构的功能分析、功能原理解、功能原理工艺过程分解后，确定机构运动分为送料、定位、扳弯三功能。送料机构为执行构件左右往复运动，定位机构为执行构件上下往复运动，搬弯机构为执行构件往复摇摆运动。为了减少控制环节，决定采用一个电动机的驱动方式。由于电动机的转速与执行构件的运动速度有较大的差距，因此，在电动机与执行构件之间要有减速机构，由于电动机是连续转动，要得到执行构件的往复移动，还必须要有将转动变为往复移动的装置。根据这些要求，绘制出如下的运动转换功能图 2.4。 图 2.45、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2.5所示的形态学矩阵可求出锁梁自动扳弯机系统运动方案数为：n = 3333333= 2187种可由给顶的条件，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。表2.56、 根据工艺动作顺序和协调要求拟定运动循环图 机械系统运动方案有3个执行构件需要进行运动协调设计，它们是送料夹持器、定位杆、实现扳弯功能的小链轮，在附图ii所示的运动循环图中，分别用送料、定位和扳弯来表示。图中的横坐标表示主轴的转角，送料的纵坐标表示夹持器的运动（由右向左为正），定位的纵坐标表示定位杆的运动（由下向上为正），扳弯的纵坐标表示小链轮的运动（顺时针转向为正）。 附图ii：机构运动循环图如附图ii所示：2、根据运动循环图以及生产率分配时间如下表所示：执行阶段运动阶段运动时间（s）分配角度（）送料阶段送料回程25/1035/10150210定位阶段远休拔销近休放销35/305/585/305/5706017060扳弯阶段近休扳弯远休退回115/3035/305/155/7.5230702040 7、传动机构的比较与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，齿轮传动、带传动用于减速，扳弯机构使用链轮传动。齿轮传动可靠、准确，链传动距离较远并可靠。8、 传动比的选择如图2.2所示，由于电动机转速为900r/min，而所需要生产率为20件/min，因此需要将电动机转速转变为生产转速，电动机为rm=900r/min ，im4=nm/n3=900/20=45 ，所以取参数如下：d1=100mm,d2=300mm,z1=10,z2=30,z2=12, z3=60。 分别用如图所示的配合情况得到齿轮3的转速，而齿轮3安装在主轴上，就可以得到所需要的转速。n4=900*100/300*10/30*12/60=20r/minm、电动机。d1、小皮带轮。d2、大皮带轮。z1z3为齿轮。图 7三、 方案选择及对比根据工艺过程确定执行构件的运动形式：（1）送料功能：执行机构为偏置曲柄滑块机构中的滑块，它作急进往复移动。(2)定位功能：执行机构为凸轮机构上的定位杆，它的运动是间歇往复直动。(3)扳弯功能：由扳弯的工作原理可知，它的执行机构是扳弯滚子支架，它的运动时间歇往复摆动，且转动角度为185度。 具体方案设计如下：（1）工件扳弯功能方案一:凸轮+摆动滑块机构如图3.1。功能：凸轮将旋转运动转换为滑块的移动，进而转换为杆的往复摆动，杆的往复摆动转换为齿轮的旋转运动。结构和工作原理：设定带连接的两轮的半径比例为5：1（小：大）通过摆动滑块机构的往复摆动使大齿轮摆动37，上面的小轮转动185。将凸轮的直动通过摆杆转换为轮的旋转，实现扳弯功能。 图3.1方案二：如图3.2，其工作过程为当凸轮转动时，随着从动件2摆动一定的角度，构件3也转一定的角度，从而使4绕o1转动一定的角度，这时，4与5通过链条传动，带动5也转过一定的角度，从而实现扳弯功能。 图3.2方案对比：方案一凸轮+摆动滑块机构推杆倒置，必须用弹簧加以控制，但弹簧传力较弱不易实现轮的旋转运动。方案二通过凸轮的旋转转换为推杆的直动带动轮的旋转，机构较简单也易实现，但是仍不够理想。方案一用带传动 ，而直接带动的轮不是扳弯锁梁所用的轮，能够使大轮的尺寸减小，而且传动稳定、方便可靠，故采用方案一。（2）送料功能方案一：曲柄导杆滑块机构（如 图 3.3），该方案由两个四杆机构组成，构件 1、2、3、6 构成摆动导杆机构，构件 3、4、5、6 构成摇杆滑块机构。 当曲柄 1 做匀速转动时，滑块 5 做往复移动，该 机构的行程速 比系数大于 1，传动角较 大。 图 3.3方案二：六杆机构如图3.4如图3.4所示，利用自锁式夹持器作往复直线运动实现送料功能。配合夹持器实现送料。1、2、3、6构成曲柄摇杆机构。 图3.4综合对比：方案一运用滑块的运动推动工件移动 ，导轨应该设计成槽状，否则工件将可能发生偏离轨道的可能，而且需要其他机构配合工作。而方案二具有较高的传动效率，而且传动稳定准确，故采用方案二。16 （3）定位功能方案一：平底推杆盘行凸轮机构，如下图3.5功能：在该机构中，凸轮的回转运动变为平底推杆的上下移动，此机构具有良好的动力性能和良好的加工性能，而且此机构较为简单。图中平底的作用是为了减小摩擦，在其上还安装有保持平底和凸轮始终接触的弹簧，还可使直杆与凸轮形成力的封闭，这样提高工作效率和系统的可靠性。图3.5方案二：采用凸轮机构来实现其定位功能如图3.6功能：将凸轮的旋转运动转换为推杆的往复移动。结构和工作原理：凸轮依次转过推程，远休，回程，近休一次循环，推杆将完成一直动的行程。直动推杆的轴线通过凸轮的回转中心，此为对心直动尖顶推杆机构。 图3.6方案对比: 上述两个方案均能达到课程设计所需要的要求，但方案二尖顶摩擦较大。没有方案一平底合理。所以选择方案一。机 械 原 理 课 程 设 计 综上所述：扳弯机构的运动简图如下图所示 附图iii：机械系统运动方案图四、最优方案的分析与设计（1） 传动系统的确定该机械机构相对复杂，负载转矩较大，负载功率较高，生产中无需正反转等特殊电气控制要求，因此电动机可以选择同步转速为900r/min额定转速为700r/min,额定功率p=300w的单相异步电机。该电机结构较简单，维修方便，价格便宜，经济实惠。传动系统如图4.1所示图4.1（2）送料机构的尺寸计算如图3.2，因为送料长度为190mm，设计两杆的极位关于竖直方向对称且长度为380mm。取杆上距离活动铰链中心为90mm的点为连杆的铰链中心，由送料与返回过程的分配角度（运动循环图），可得极位夹角为30，以图上长为190的线段为弦做出圆周角为30的圆如图所示，设计曲柄与连杆的长度为311.672mm可确定曲柄中心位置。用作图法可求得曲柄长度l1=48.5mm，连杆长度l2=296.9mm，有作图法可得到曲柄与摇杆中心的水平位移为187.232mm，将整个机构的曲柄中心移到与扳弯时设计的凸轮回转中心重合，共用一根主轴，使得机构得到简化。 图3.2（3）定位机构尺寸计算如图3.3由工件的d1=8mm,d2=5mm可知 ，定位销需要拉回（10+7）/2= 1.5mm，因此定位销只要能退回1.5mm以上就可以松开工件，假设退回3mm 既可以保证定位销能松开工件，这样杆就需要摆动4.29，如图，设计拉销杆长40mm，摆杆长为120mm，则摆动凸轮需要升程为8.98mm。 图3.3（4）扳弯机构尺寸计算如图3.4，由于扳弯需要转过185，选择轮10和轮12的半径比为3.7/1可得轮10需要转过50，就可以完成轮12转过185，由于任务中已经设计固定轮12直径为50mm，假设其同心轮直径为40mm，则要求轮10的直径为150mm，取8的固定铰链中心离轮10转动中心的长度为200mm，选取轮10上连架杆长为40mm，先设定一个起始位置，根据转角可以由四杆机构的原理确定杆8和杆9的长度，图形如下图： 图3.4 由作图法可得，杆8的长度为150mm，杆9的长度为90mm，取杆的右端与凸轮相切的位置到机架的距离为35得升程为14.904mm（4）程序算法34编写程序如下：private sub command1_click()dim b(6), c(6), d(3), t as stringpai = atn(1#) * 4 / 180for fi = 0 to 360 step 10 fi1 = fi * pai call 单杆运动分析子程序(0, 0, 0, 0, 0, 0, 0.161218, 0, fi1, 1.05, 0, _ xb, yb, vbx, vby, abx, aby) call rrr运动分析子程序(1, xb, yb, vbx, vby, abx, aby, 0.187232, -0.0162, 0, 0, 0, 0, _ 0.2969, 0.27, xd, yd, vdx, vdy, adx, ady, fi2, fi3, omega2, omega3, epsilon2, epsilon3) call 单杆运动分析子程序(0.16, -0.0162, 0, 0, 0, 0, 0.30, 0, fi3, omega3, epsilon3, xe, ye, vex, vey, aex, aey) call rrp运动分析子程序(1, xe, ye, vex, vey, aex, aey, 0.035, 0.409802, 0, 0, afx, afy, _ 0.1, 0, omega5, epsilon5, xf, yf, vfx, vfy, afx, afy, fi4, omega4, epsilon4, sr, vsr, asr) t = t + fi1= + str(fi) + vbcrlf t = t + xe(m)= + str(xe) + vbcrlf t = t + ve(m/s)= + str(vex) + vbcrlf t = t + ae(m/s2)= + str(aex) + vbcrlf t = t + omega3(rad/s)= + str(omega3) + vbcrlf t = t + omega4(rad/s)= + str(omega4) + vbcrlf t = t + epsilon3(rad/s)= + str(epsilon3) + vbcrlf t = t + epsilon4(rad/s)= + str(epsilon4) + vbcrlf t = t + vbcrlf next fitext1.text = tend sub 子程序列表 单杆运动分析子程序(xa, ya, vax, vay, aax, aay, s, theta, fi, omega, epsilon, _ xm, ym, vmx, vmy, amx, amy)xm = xa + s * cos(fi + theta)ym = ya + s * sin(fi + theta)vmx = vax - s * omega * sin(fi + theta)vmy = vay + s * omega * cos(fi + theta)amx = aax - s * epsilon * sin(fi + theta) - s * omega 2 * cos(fi + theta)amy = aay + s * epsilon * cos(fi + theta) - s * omega 2 * sin(fi + theta)end subrrr运动分析子程序(m, xb, yb, vbx, vby, abx, aby, xd, yd, vdx, vdy, adx, ady, _l2, l3, xc, yc, vcx, vcy, acx, acy, fi2, fi3, omega2, omega3, epsilon2, epsilon3)m为装配模式xb,vbx,abx,yb,vby,aby,xd,vdx,adx,yd,vdy,ady为b点和d点的x方向和y方向的位置、速度和加速度l2为bc之间的距离,l3为cd之间的距离xc,vcx,acx待求点c的x方向和y方向的位置、速度和加速度fi2和fi3分别为构件2和3的位置角omega2和omega3分别为构件2和3的角速度epsilon2, epsilon3分别为构件2和3的角加速度dim pi, d, ca, sa, ydb, xdb, gam, ycd, xcd, e, f, q, ea, fa, deltapi = atn(1#) * 4d = (xd - xb) 2 + (yd - yb) 2) 0.5if d l2 + l3 or d 0 thengam = atn(sa / ca)else: gam = atn(sa / ca) + paiend ifif m = 1 thenfi2 = delta + gamelse: fi2 = delta - gamend ifxc = xb + l2 * cos(fi2)yc = yb + l2 * sin(fi2)ycd = yc - ydxcd = xc - xdif xcd 0 thenfi3 = atn(ycd / xcd)elseif ycd = 0 thenfi3 = atn(ycd / xcd) + pielse: fi3 = atn(ycd / xcd) - piend ife = (vdx - vbx) * xcd + (vdy - vby) * ycdf = (vdx - vbx) * (xc - xb) + (vdy - vby) * (yc - yb)q = ycd * (xc - xb) - (yc - yb) * xcdomega2 = e / qomega3 = f / qvcx = vbx - omega2 * (yc - yb)vcy = vby + omega2 * (xc - xb)ea = adx - abx + omega2 2 * (xc - xb) - omega3 2 * xcdfa = ady - aby + omega2 2 * (yc - yb) - omega3 2 * ycdepsilon2 = (ea * xcd + fa * ycd) / qepsilon3 = (ea * (xc - xb) + fa * (yc - yb) / qacx = abx - omega2 2 * (xc - xb) - epsilon2 * (yc - yb)acy = aby - omega2 2 * (yc - yb) + epsilon2 * (xc - xb)n1: end subsub atn1(x1, y1, x2, y2, fi)dim pi, y21, x21pi = atn(1#) * 4y21 = y2 - y1x21 = x2 - x1if x21 = 0 then 判断bd线段与x轴的夹角 if y21 0 then fi = pi / 2 elseif y21 = 0 then msgbox b、d两点重合，不能确定 else: fi = 3 * pi / 2 end ifelse if x21 = 0 then fi = atn(y21 / x21) else: fi = atn(y21 / x21) + 2 * pi end ifend ifend sub rrp运动分析子程序(m, xb, yb, vbx, vby, abx, aby, xp, yp, vpx, vpy, apx, apy, _l2, fi3, omega3, epsilon3, xc, yc, vcx, vcy, acx, acy, fi2, omega2, epsilon2, sr, vsr, asr)m为装配模式xb,vbx,abx,yb,vby,aby,xp,vpx,apx,yp,vpy,apy为b点和p点的x方向和y方向的位置、速度和加速度l2为bc之间的距离fi3为pc的位置角xc,vcx,acx待求点c的x方向和y方向的位置、速度和加速度fi2、omega2、epsilon2分别为待求构件2的位置角、角速度和角加速度dim pi, d2, e, f, ycb, xcb, e1, f1, q, e2, f2pi = atn(1#) * 4d2 = (xb - xp) 2 + (yb - yp) 2)e = 2 * (xp - xb) * cos(fi3) + 2 * (yp - yb) * sin(fi3)f = d2 - l2 2if e 2 4 * f thenmsgbox 此位置不能装配goto n1elseend ifif m = 1 thensr = abs(-e + (e 2 - 4 * f) 0.5) / 2)else: sr = abs(-e - (e 2 - 4 * f) 0.5) / 2)end ifxc = xp + sr * cos(fi3)yc = yp + sr * sin(fi3)ycb = yc - ybxcb = xc - xbcall atn1(xb, yb, xc, yc, fi2)e1 = (vpx - vbx) - sr * omega3 * sin(fi3)f1 = (vpy - vby) + sr * omega3 * cos(fi3)q = ycb * sin(fi3) + xcb * cos(fi3)omega2 = (f1 * cos(fi3) - e1 * sin(fi3) / qvsr = -(f1 * ycb + e1 * xcb) / qvcx = vbx - omega2 * ycbvcy = vby + omega2 * xcbe2 = apx - abx + omega2 2 * xcb - 2 * omega3 * vsr * sin(fi3) - epsilon3 * (yc - yp) - omega3 2 * (xc - xp)f2 = apy - aby + omega2 2 * ycb + 2 * omega3 * vsr * cos(fi3) + epsilon3 * (xc - xp) - omega3 2 * (yc - yp)epsilon2 = (f2 * cos(fi3) - e2 * sin(fi3) / qasr = -(f2 * ycb + e2 * xcb) / qacx = abx - omega2 2 * xcb - epsilon2 * ycbacy = aby - omega2 2 * ycb + epsilon2 * xcbn1: end subsub rpr运动分析子程序(m, xb, yb, vbx, vby, abx, aby, xc, yc, vcx, vcy, acx, acy, _e, l3, xd, yd, vdx, vdy, adx, ady, fi3, omega3, epsilon3, sr, vsr, asr)m为装配模式xb,vxb,axb,yb,vyb,ayb,xc,vxc,axc,yc,vyc,ayc为b点和c点的x方向和y方向的位置、速度和加速度e为bq之间的距离l3为qd之间的距离xd , vxd, axd待求点d的x方向和y方向的位置、速度和加速度fi3分别为待求导杆qd的位置角omega3、epsilon3分别为待求导杆qd的角速度和角加速度sr,vsr,asr分别待求滑块相对导杆qd的位置、速度和加速度dim pi, ycb, xcb, gam, q, ea, fa, betapi = atn(1#) * 4if (xc - xb) 2 + (yc - yb) 2 e 2 thenmsgbox 此位置不能装配goto n1elseend ifsr = (xc - xb) 2 + (yc - yb) 2 - e 2) 0.5ycb = yc - ybxcb = xc - xbcall atn1(xb, yb, xc, yc, beta)gam = atn(e / sr)if m = 1 thenfi3 = beta + gamelse: fi3 = beta - gamend ifxd = xb + e * sin(fi3) + l3 * cos(fi3)yd = yb - e * cos(fi3) + l3 * sin(fi3)q = (xc - xb) * cos(fi3) + (yc - yb) * sin(fi3)omega3 = (vcy - vby) * cos(fi3) - (vcx - vbx) * sin(fi3) / qvsr = (vcy - vby) * (yc - yb) + (vcx - vbx) * (xc - xb) / qvdx = vbx - omega3 * (yd - yb)vdy = vby + omega3 * (xd - xb)ea = acx -